JP5556107B2 - 荷電粒子線露光用マスク - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子線露光用マスク及びその製造方法に関し、特に、半導体製造の露光工程で用いられる荷電粒子線露光用マスク及びその製造方法に関する。

荷電粒子線露光用マスクは、基材としてシリコンウエハあるいはＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板等を用い、所定のエリアをメンブレンと呼ばれる薄膜状に加工し、ここに数μｍもしくは１μｍ以下のホールや種々のパターンを貫通させたものである。

メンブレンは、それが薄膜になるよう基板の裏側からエッチングを行って加工するが、薄膜になったメンブレンの物理的強度を保つ必要から、その裏側には梁を有する構造となっている。

荷電粒子線露光用マスクは、半導体製造の露光装置内で使用し、露光時に荷電粒子が加速され、その多くはメンブレンの非貫通孔である遮蔽部に衝突することになる。その際、加速された荷電粒子が持っていた運動エネルギーは熱エネルギーに変化し、メンブレンを伝わって発散していく。ところがメンブレンは薄膜であり熱容量が小さいため、露光条件によってはその熱が蓄積し、メンブレンの熱たわみの要因となる。

このようなメンブレンの熱たわみは、露光工程において微小ホールやパターンが設計通りの位置に転写されない、あるいは設計通りに微小なホールやパターンの形状が得られないという、半導体製造における致命的な問題を生じる要因となる。

その対策として、メンブレンの厚さを増して熱容量を増加させることは可能であるが、その厚いメンブレンを貫通させて微小なホールやパターンを形成するにはアスペクト比が極めて高いものとなってしまい、加工するのが困難もしくは加工が不可能という問題が生じてしまう。

そこで、メンブレンの熱に因る影響を避ける方法として、その裏側を梁構造にしてメンブレンの熱伝導を有利にする、あるいは梁構造の本数や幅を増す、また密にすることで梁自体の熱容量を増大させる、といった対策が考えられる。

一方、熱による反りを防止する荷電粒子線露光用マスクとしては、ＳＯＩ基板の裏側に反り防止層を用いる例が特許文献１に開示されている。特許文献１には、半導体製造の露光工程においては、その貫通孔を通過した荷電粒子線がレジストを塗布したウエハ上に転写され、所望の回路パターンやホールが縮小露光、あるいは等倍露光される（特許文献１参照）。

ところが、梁構造を太くしたり、梁の数を増やしたり密にしたりすると、微小ホールの領域が遮られてしまうため、別の箇所にホール形成領域が必要となる。この結果、荷電粒子線の偏向範囲を超えてしまうという問題がある。

特開２００７−６７３２９号公報

本発明は、メンブレンの微小なホールの領域が梁によって阻害されない、また露光時の蓄熱に起因したメンブレンの熱たわみや位置ずれ等の発生を抑止あるいは解消することのできる荷電粒子線露光用マスク及びその製造方法を提供することである。

本発明の請求項１に係る発明は、パターニングされたメンブレン領域を有する上側ウエハと、パターニングされたメンブレン領域を有する下側ウエハと、上側ウエハと下側ウエハとが接合された２層構造であることを特徴とする荷電粒子線露光用マスクとしたものである。

本発明の請求項２に係る発明は、下側ウエハのパターニングは、ラインアンドスペースのパターン及びアライメントマークを有する微小ホールが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線露光用マスクとしたものである。

本発明の請求項３に係る発明は、上側ウエハのパターニングは、ラインアンドスペースのパターン及びアライメントマークを有する微小ホールが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線露光用マスクとしたものである。

本発明の請求項４に係る発明は、下側ウエハの微小ホールと上側ウエハの微小ホールとが、同じ寸法であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の荷電粒子線露光用マスクとしたものである。

本発明の請求項５に係る発明は、上側ウエハと下側ウエハとがＳＯＩ基板からなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の荷電粒子線露光用マスクとしたものである。

本発明の請求項６に係る発明は、メンブレン領域を有する上側ウエハをパターニングし、メンブレン領域を有する下側ウエハをパターニングし、上側ウエハと下側ウエハを接合することを特徴とする荷電粒子線露光用マスクの製造方法としたものである。

本発明の請求項７に係る発明は、下側ウエハのパターニングは、ラインアンドスペースのパターン及びアライメントマークを有する微小ホールを形成することを特徴とする請求項６に記載の荷電粒子線露光用マスクの製造方法としたものである。

本発明の請求項８に係る発明は、上側ウエハのパターニングは、ラインアンドスペースのパターン及びアライメントマークを有する微小ホールを形成することを特徴とする請求項６に記載の荷電粒子線露光用マスクの製造方法としたものである。

本発明の請求項９に係る発明は、下側ウエハの微小ホールと上側ウエハの微小ホールとが、同じ寸法であることを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれかに記載の荷電粒子線露光用マスクとしたものである。

本発明の請求項１０に係る発明は、上側ウエハと下側ウエハとがＳＯＩ基板からなることを特徴とする請求項６乃至請求項９のいずれかに記載の荷電粒子線露光用マスクとしたものである。

本発明によれば、メンブレンの微小なホールの領域が梁によって阻害されない、また露光時の蓄熱に起因したメンブレンの熱たわみや位置ずれ等の発生を抑止あるいは解消することのできる荷電粒子線露光用マスク及びその製造方法を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る荷電粒子線露光用マスクのウエハ全体を示す概念図である。 本発明の実施の形態に係る所望の微小ホールを示す概念図である。 本発明の実施の形態に係る荷電粒子線露光用マスクの下側に用いられるウエハに形成されるラインアンドスペースのパターンを示す概念図である。 本発明の実施の形態に係る荷電粒子線露光用マスクの上側に用いられるウエハに形成されるラインアンドスペースのパターンを示す概念図である。 本発明の実施の形態に係る荷電粒子線露光用マスクの上側ウエハ及び下側ウエハの接合を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態に係る荷電粒子線露光用マスクの接合後の研磨方法を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態に係る荷電粒子線露光用マスクのメンブレン部分を形成する方法を示す概略断面図である。 本発明の実施の形態に係る荷電粒子線露光用マスクを上側から観察した微小ホールエリアを示す概念図である。 本発明の実施の形態に係る荷電粒子線露光用マスクの下側から観察した微小ホールエリアを示す概念図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ、説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る荷電粒子線露光用マスクの下側に用いられる基板の表側の概念図である。図１において、本発明の実施の形態に係る荷電粒子線露光用マスクの下側に用いられる基板は、下側ウエハ１０として活性層の厚さがaであるＳＯＩ基板を用いる。なお、ＳＯＩ基板は、シリコン薄膜とシリコン単結晶との間に中間酸化膜を有する構造であり、ＳＯＩ基板の活性層とは、微小パターンの形成が可能なシリコン薄膜側をいう。また、図１に示す符号３０は、ラインアンドスペースのパターンであり、符号４０は、接合用のアライメントマークである。

図２は、所望の微小ホールを示す概念図である。図２において、ｂは微小ホールの幅を示し、ｃは微小ホールのピッチを示している。

図３は、本発明の実施の形態に係る荷電粒子線露光用マスクの下側ウエハ１０に形成されるラインアンドスペースのパターン５０を示す概念図である。図３に示すように、ラインアンドスペースのパターン５０における微小ホールの幅ｂ及び微小ホールｃのピッチは、図２に示す所望の微小ホールの幅ｂ及び微小ホールのピッチｃと同様にする。またこのとき、パターン５０には、接合用のアライメントマークを付加している。

図４は、本発明の実施の形態に係る荷電粒子線露光用マスクの上側ウエハ２０に形成されるラインアンドスペースのパターン６０を示す概念図である。図４に示すように、本発明の実施の形態に係る荷電粒子線露光用マスクの上側に用いられる基板は、上側ウエハ２０として活性層の厚さがｄのＳＯＩ基板を用いる。なお、ＳＯＩ基板は、シリコン薄膜とシリコン単結晶との間に中間酸化膜を有する構造であり、ＳＯＩ基板の活性層とは、微小パターンの形成が可能なシリコン薄膜側をいう。

図４に示すように、ラインアンドスペースのパターン６０の微小ホールの幅ｂ及び微小ホールのピッチｃは、図２に示す所望の微小ホールの幅ｂ及び微小ホールのピッチｃと同様にする。またこのとき、パターン６０には、接合用のアライメントマークを付加している。

このラインアンドスペースのパターン６０を形成する際のパターンデータとしては、ラインアンドスペースのパターン５０に対して直交するように変換を施したものを用いる。

上述の荷電粒子線露光用マスクのパターンデータとしては、具体的にはＧＤＳ−ＩＩ等で代表されるようなストリーム形式のデータを使用することができる。また、パターンデータを直交するように図形変換を行うためにＣＡＤ等の機能を利用することができる。

図３に示すように、本発明の実施の形態に係る荷電粒子線露光用マスクの下側ウエハ１０に形成されるラインアンドスペースのパターン５０及びアライメントマークの加工においては、一般的な半導体製造で用いられるＳｉ基板のリソグラフィ技術及び反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等の異方性エッチングを利用すれば良い。図４に示す本発明の実施の形態に係る荷電粒子線露光用マスクの上側ウエハ２０に形成されるラインアンドスペースのパターン６０及びアライメントマークの加工においても、同様にリソグラフィ技術及び反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等の異方性エッチングを利用すれば良い。

下側ウエハ１０及び上側ウエハ２０として用いる基板はＳＯＩ基板である。ＳＯＩ基板の中間酸化膜は、Ｓｉに比べてエッチング耐性が非常に大きく、エッチングの際にストッパとして利用することができる。これにより必要以上に掘り込みが進んでしまわないようにできる。

また下側ウエハ１０及び上側ウエハ２０として用いるＳＯＩ基板の活性層は非常に薄いため、微細なパターンであっても、そのエッチングは容易に達成することができる。

上述したように、本発明の実施の形態に係る荷電粒子線露光用マスクは、下側のウエハ１０と上側のウエハ２０からなる２層構造である。下側ウエハ１０のメンブレン部分は薄膜であり、微細なラインアンドスペースのパターン５０が加工され、上側ウエハ４０のメンブレン部分は薄膜であり、微細なラインアンドスペースのパターン６０が加工される。また、下側のウエハ１０と上側のウエハ４０とのラインアンドスペースのパターンがお互いに直交するように接合される。

本発明の実施の形態に係る荷電粒子線露光用マスクは、２層構造のメンブレンで裏側に梁の無い、いわゆる一括メンブレンと呼ばれるタイプで微小ホールを有する。２層構造によりメンブレンの部分が厚く強度が向上しているため、従来必要であったメンブレンの裏側の梁を無くすことができ、微小ホールの形成が阻害されず、極めてアスペクト比が高い微小なホールを形成できる。また、露光時の蓄熱に起因するメンブレンの熱たわみや位置ずれ等の発生が防止でき、性能と信頼性が向上する。本発明の実施の形態に係る荷電粒子線露光用マスクを用いる半導体製造においてはさらなる高密度化と高精度化に寄与することができる。

図５は、本発明の実施の形態において、パターンを形成した下側ウエハ１０とパターンを形成した上側ウエハ２０とを接合する概念図を示す。下側ウエハ１０と上側ウエハ２０との接合については、真空チャンバを有したプラズマエッチング等により基板表面の等方的な処理が可能な接合装置等を用いる。これには真空チャンバ内にて、活性ガスを導入し、接合する下側ウエハ１０及び上側ウエハ２０の表面に対して汚染物除去とＳｉ原子の露出を行う。活性ガスとしては、例えば酸素プラズマ等を用いることが可能である。

接合工程としては、下側ウエハ１０の接合面に酸化物やその他の汚染物質等が取り除かれ、Ｓｉ原子が露出しており、これに対してもう一方の上側ウエハ２０の接合面にも同様にＳｉ原子が露出しているため、それらの表面を密着させることでＳｉ原子同士が共有結合し、バルク状のＳｉとほぼ同等の接合強度を確保することができる。

下側ウエハ１０と上側ウエハ２０との接合においては、表面に形成されたパターン同士が正確に直行するように重ね合わせる必要がある。これには赤外光を透過照明として利用した赤外線顕微鏡等を用い、下側ウエハ１０と上側ウエハ２０のアライメントマークを検出して機械的に重ね合せれば、表面のパターン５０、６０の中心位置を合致させることができる。

図６は、上側ウエハ２０の裏側全面の加工の概念図である。加工方法としてはエッチング、もしくは研磨が可能であり、上側ウエハ２０はＳＯＩ基板であるためエッチングを行った場合には中間酸化膜でエッチングが停止される。また研磨を行った場合には、形成したパターン６０が上側ウエハ２０の裏側に露出した状態となる。

図７は、下側ウエハ１０の裏側を加工する概念図である。加工方法としては所定のメンブレン形状となるようにレジストを用いたリソグラフィを施した後、中間酸化膜に達するまでエッチングを行うことで達成される。

下側ウエハ１０と上側ウエハ２０のそれぞれの裏側の加工が完了した後、フッ酸処理を行い不要な中間酸化膜を除去する。

図８は、本発明の実施の形態による荷電粒子線露光用マスクを上側から観察した概念図である。上側ウエハ２０の表面に形成されたラインアンドスペースの間に所望の微小ホールが生成される。

図９は、本発明による荷電粒子線露光用マスクを下側から観察した概念図であり、メンブレンの裏側のラインアンドスペースの間に微小ホールが生成される。

本発明の実施の形態に係る所望の微小ホールを有する荷電粒子線露光用マスクは、メンブレンを２層構造とし、一方のメンブレンを有する下側ウエハ１０の表側に所望の微小ホール径と同じ幅のラインアンドスペースのパターン５０を形成し、もう一方のメンブレンを有する上側ウエハ２０の表側に下側ウエハ２０の表側に形成したパターンと直交するようにラインアンドスペースのパターン６０を形成する。この上側ウエハ２０の表側と下側ウエハ１０の表側とを、上側ウエハ２０及び下側ウエハ１０の重ね合わせ用のアライメントマーク同士が合致するように接合し、研磨を行うことで微小ホールが形成された２層構造のメンブレンを作製することができる。

本発明の荷電粒子線露光用マスクは、より微細なホールやパターンの形成が可能な荷電粒子線を光源とする露光装置に用いることができる。

１０…下側ウエハ、２０…上側ウエハ、３０…パターン部、４０…アライメントマーク、５０…下側ウエハ表面に形成されたラインアンドスペースのパターン、６０…上側ウエハ表面に形成されたラインアンドスペースのパターン、ａ…ＳＯＩ基板の活性層の厚さ、ｂ…微小ホールの幅、ｃ…微小ホールのピッチ、ｄ…ＳＯＩ基板の活性層の厚さ。

Claims (5)

1. 第１ラインアンドスペースのパターンがパターニングされた領域を有するシリコン薄膜からなる上側メンブレンと、
   前記第１ラインアンドスペースのパターンに対して直交する第２ラインアンドスペースのパターンがパターニングされた領域を有するシリコン薄膜からなる下側メンブレンと、を含み、
   前記上側メンブレンと前記下側メンブレンとが接合された２層構造の荷電粒子線露光用マスクであって、
   前記第１ラインアンドスペースと前記第２ラインアンドスペースとの重なる部分に複数の微小ホールを有することを特徴とする荷電粒子線露光用マスク。
2. 前記下側メンブレンには、アライメントマークがパターニングされていることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線露光用マスク。
3. 前記上側メンブレンには、アライメントマークがパターニングされていることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線露光用マスク。
4. 前記下側メンブレンの前記第２ラインアンドスペースの幅及びピッチと前記上側メンブレンの前記第１ラインアンドスペースの幅及びピッチとが、同じ寸法であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の荷電粒子線露光用マスク。
5. 前記上側メンブレンと前記下側メンブレンとがＳＯＩ基板に含まれる前記シリコン薄膜からなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の荷電粒子線露光用マスク。