JPH0618170B2 - モノリシック・シリコン膜集積体およびその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ．産業上の利用分野 本発明は、極めて薄い膜またはダイアフラムを有し、リ
ソグラフィおよびセンサの応用分野で有用な静的および
動的なシリコン・デバイスに関するものである。本発明
は、具体的には、膜およびその支持枠をシリコンの単一
の厚いスラブまたはスラグで形成した、モノリシック・
シリコン膜デバイス構造の製造に関するものである。

Ｂ．従来の技術 米国特許第４５４３２６６号明細書には、マイクロ波電
子サイクロトロン共鳴を使用したプラズマ付着法によ
り、膜となる薄膜を基板の主表面上の形成した構造が記
載されている。その後、膜構造を形成するため、枠とし
て残る部分を除いて基板を除去する。この方法により、
高密度で高品質の膜が低温で得られる。膜の内部応力
は、プラズマ付着の行なう条件を変化させ、形成後の薄
膜を熱処理することによって制御される。

より詳細を述べると、Ｘ線リソグラフィに使用する膜マ
スク構造は、厚さ０．５〜２μｍで、面積が片方または
両方向に２０ｘ２０ｍｍの窒化シリコン膜と、シリコン
からなる枠部分とを含む。この構造は、シリコンウェー
ハの上に窒化シリコンの薄膜を付着させ、ウェーハの底
面にマスク・パターンを形成し、パターンを形成したウ
ェーハを２０％のＫＯＨでエッチングして、枠で支持さ
れた膜構造を形成する工程によって製作される。

米国特許第４６２２０９８号明細書は、半導体ひずみセ
ンサの製造に関するものであるが、機械的研磨と湿式エ
ッチングによってシリコン基板に盲穴を形成し、枠のあ
る膜状構造を形成することを開示している。

より詳細に述べると、この半導体ひずみをセンサは、１
対の互いに平行な主表面をもつ半導体基板を有する。基
板を加工して、主表面の１つに円形の盲穴を形成するこ
とにより、枠と薄いダイアフラムを構成する。盲穴の底
面は、縁部からその中央部へと上方に突出した円錐形に
形成する。基板の厚さは０．５ｍｍ以上で、ダイアフラ
ムの厚さの約５倍以上である。研磨により盲穴を形成し
た後、盲穴の内面をエッチングして、研磨により内面に
生じた傷を除去する。基板の他の主表面上には、抵抗層
を形成する。各層は、ダイアフラムに与える圧力に応じ
て変化する圧電抵抗を有する。

米国特許第４７０１３９１号明細書には、ダイアフラム
上にパターンを形成した吸収層を有する多層ダイアフラ
ムから、Ｘ線リソグラフィ用のマスクを形成した構造が
記載されている。ダイアフラムは、１層のマグネシウム
層と少なくとも１層の中間層を含む。

米国特許第４６８０２４３号明細書には、シリコン・ウ
ェーハを窒化ホウ素の層でコーティングする工程と、Ｘ
線フォトリソグラフ用のマスクを製造する方法が記載さ
れている。マスキング材料を使って、窒化ホウ素をコー
ティングしたウェーハの片面をコーティングし、エッチ
ングによりウェーハの他の面から窒化ホウ素を除去す
る。電界を利用した熱接着により、次にウェーハをパイ
レックス・リングに接着する。電界を利用した熱接着の
間に、シリコンは直接パイレックスに接着される。次
に、ジルコニウム層を使ってマスクを被覆し、シリコン
の円形部分を除去する必要がある所に選択的にエッチン
グする。その後、シリコンを半異方性エッチングにかけ
る。残った構造は、窒化ホウ素の層がその中を延びる、
シリコン・リングに接着されたパイレックス・リングを
含む。

窒化ホウ素の層は、アニーリングを行なった後、Ｘ線非
透過性の材料でコーティングする。

米国特許第４６６８３３６号明細書には、１組のウェー
ハを窒化ホウ素でコーティングする工程を含む、Ｘ線フ
ォトリソグラフィ用のマスクを製造する方法が記載され
ている。窒化ホウ素の張力を容量プローブで測定して、
１組の試験ウェーハの曲りを測定する。残ったウェーハ
をパイレックス・リングに取り付け、ウェーハの片面か
ら窒化ホウ素を除去する。次に、ウェーハ中に円形の穴
をエッチングし、残った窒化ホウ素膜の上にタンタルと
金の層を形成する。金は、スパッタ・エッチングにより
パターンを形成する。スパッタ・エッチングの最後に電
力を徐々に減少させて、マスク中の機械的応力を減少さ
せる。次に、反応性イオン・エッチングによりタンタル
をエッチングする。このようにして、Ｘ線透過性の窒化
ホウ素膜を使用して、Ｘ線非透過性の金を支持する。

米国特許第４３８４９１９号明細書には、シリコン・ウ
ェーハ基板の上に薄いポリイミド膜を形成することによ
り、Ｘ線マスクを形成した後、エッチング・バックして
基板のマスク支持リングを形成する方法が記載されてい
る。

カステリャーニ（Castellani）他の論文「支持枠上への
電子線投射およびＸ線マスクの製造 （Fabrication of E-Beam Projection and X-Ray Masks
on a Support Frame）」、ＩＢＭテクニカル・ディス
クロージャ・ブルテン、Ｖｏｌ．２０、Ｎｏ．７、１９
７７年１２月、ｐｐ．２８６８〜２８７１には、当初の
基板が製造工程を通じてキャリアとして機能するだけで
なく、製造の終了後も形成したマスク用の剛性支持リン
グとして残る、電子線投射マスクおよびＸ線リソグラフ
ィ・マスクの製造が記載されている。マスクの活性領域
は、マスクの形成後は処理されることがないため、機械
的処理によるひずみやマスクもしくはマスク基板の弛緩
は生じない。

次に、従来技術によるＸ線リソグラフィ用膜マスク基板
の詳細および問題点について第４図および第５図を参照
して論じる。この従来技術によれば、Ｘ線マスク基板
は、一般に２つの構造部材、すなわち中央に極めて薄い
大面積の膜１４を組み込んだ厚さ０．６４ｍｍの薄い標
準のシリコン・ウエーハ１０と、この膜ウエーハから接
着される支持枠またはリンク１２とから構成されてい
る。Ｘ線マスクを製造するには、金またはタングステン
の高解像度高密度の回路パターンを、基板の膜領域の上
に付着する。Ｘ線像に複製するマスター・パターンとし
て使用する回路パターンが、厚さ約２〜３μｍの膜上に
完全に支持される。

さらに詳細を述べると、第４図および第５図に、従来技
術のハイブリツトＸ線マスクの上面図および斜視図が示
されている。第４図および第５図で、ハイブリツト・マ
スクは、外径がたとえば１２５ｍｍのリツジまたはリツ
プ部を有する、外径がたとえば１００ｍｍのリング中に
形成された、たとえば耐熱ガラスから構成される上記の
エレメント１２を含んでいる。リング１２の厚さは、た
とえば１０ｍｍである。

シリコンまたは他の適当な薄い膜材料から構成されたシ
リコン・ウエーハ１０が、ガラス・リング１２の底部に
接着されている。シリコン・ウエーハ１０は、外径がガ
ラス・リング１２の外径すなわち１００ｍｍに等しく、
厚さは中央部を除いて、たとえば０．６４ｍｍである。
中央部は、厚さ２〜３μｍ程度のシリコン膜１４を形成
するため、ずつと薄くなつている。薄い膜の面積は、た
とえば２５ｍｍｘ２５ｍｍである。

シリコン膜１４は、ホウ素でドーピングされている。

Ｘ線リソグラフイでは、膜を透過する入射Ｘ線により、
二次表面上にマスク・パターンを投射する。サブミクロ
ン級の微細形状を備えた高密度集積回路を製造するに
は、二次表面に投射された像が、膜表面のマスタ・パタ
ーンと同じであることが不可欠である。マスクの寿命が
ある間に数千回、同一の像を忠実に複製するためには、
マスタ・パターンを寸法および空間特性が極めて安定で
あることが要求される。膜の表面が僅かに変形または移
動しても、複製される像の幾何形状に好ましくないばら
つきが生じる、したがつて、膜の変形をなくし、または
最小にすることが、Ｘ線マスクの製造および使用上、最
も重要である。

膜マスクにも同様の考慮が適用される。膜マスクは、イ
オン・ビームや電子線リソグラフイの場合と同様に、膜
上に画定された微細形状を複製するために、透過または
シヤドー・マスキングを使用する。この場合も、Ｘ線リ
ソグラフイと同様に、膜に最初から存在し、またはマス
クの製作もしくは使用中に生じた表面の変形によつて複
製工程が悪影響を受ける。したがつて、リソグラフィの
性能を最良にするためには、機械的に安定で、変形のな
い膜が不可欠の条件である。

従来技術に従つて、支持リングに接着された標準のシリ
コン膜ウエーハから製作された、Ｘ線マスク基板等のハ
イブリツト・シリコン膜デバイスは、下記の３つの主要
な原因によつて、かなりの表面の変形が生じる。

１．ウエーハの当初の平坦性 直径１００ｍｍ、厚さ約６００μｍの、標準のシリコン
・ウエーハの自然な状態での平坦度または反りは、一般
に１０μｍより大きい。このような大きい反りは、標準
のウエーハが薄すぎ、したがつて、シリコン・インゴツ
トから周知の切断、ラツピング、研磨工程によつてウエ
ーハを製造する間に容易に変形するために生じる。した
がつて、標準のウエーハの領域を局部的にエツチングし
て形成される。厚さ２〜３μｍの膜は、当初の反り以上
の表面の変形を示す。

２．接着による変形 膜ウエーハを支持する枠またはリングは、通常パイレツ
クス（商標名）のガラスから製造する。このガラスは、
ウエーハと支持リングを接着した後の膜の変形を避ける
ために、厚く、平坦で、ウエーハ自体より反りが小さく
なければならない。リングをウエーハに接着するのに使
用する陽極接着法は、リングと膜ウエーハを高温で長時
間締めつけるものである。リングが平坦であつても、接
着工程で、締めつけ力のために膜表面の変形が生じる。
高い硬化温度を必要とする接着剤を使用する場合も、同
様な影響が生じる。

３．熱膨張率の差 ガラスとシリコンの熱膨張率の差により、ガラス・シリ
コンＸ線マスクの膜マスタ・パターンに変形が生じる。
熱膨張率の差は、マスク製造工程の加熱および冷却の隙
に発生する。さらに、リソグラフイ露出の隙に膜に入射
するＸ線も、膜部分の加熱および膨張をもたらす。ガラ
ス・シリコン・ハイブリツト構造の膜の変形により、対
応するＸ線像の変形または変位が生じる。

Ｃ．発明が解決しようとする課題 したがつて、本発明の主な目的は、何等の補償層を付加
せずに、シリコン・ウエーハの当初の変形（以下、反り
と呼ぶ）よりも小さい反りしか生じない機械的に安定な
シリコン膜層がシリコン・ウエーハ枠体に一体に集積さ
れていモノリシツク・シリコン膜集積体およびその製造
方法を提供することである。

本発明の他の目的は、シリコン・ウエーハ枠体に一体に
集積されたドーピング・シリコン膜層がＸ線リソグラフ
イ用膜マスクの基板として後で機械的処理を受けても弛
緩を生じない程構造上安定しているモノリシツク・シリ
コン膜集積体およびその製造方法を提供することであ
る。

本発明の他の目的は、反りの補償部材ないし剛性強部材
のようなハイブリツト構造を使用しない構造的安定性が
高く、製造が容易なモノリシツク・リモコン膜集積体お
よびその製造方法を提供することである。

Ｄ．課題を解決するための手段 本発明は、出発材料のシリコン・ウエーハの厚さを増す
と、剛性が増すため、製造中に生じる表面の反りが減少
し、ミクロン・オーダの厚さの場合、たとえば、６ｍｍ
の厚さ（従来の標準ウエーハの厚さの１０倍位の厚さ）
のウエーハを使用する場合、ウエーハの製造中に加えら
れる機械的応力に変形が格段に減少し、直径１００ｍｍ
の表面全体での反りを３ミクロン未満（シリコン膜層の
厚さよりも小さい）になることを見い出した。

本発明は、この知見に基づいて、自立するのに十分な剛
性をもつミリメートル・オーダの極めて厚いシリコン・
ウエーハを出発材料に選択し、これを処理してミクロン
・オーダのドーピング・シリコン膜層を集積して形成す
る。先ず、ウエーハの一表面上に不純物、たとえば、ホ
ウ素をドーピングしたミクロン・オーダの厚さの膜層を
設け、ウエーハの反対表面上に開口を有するマスク層を
形成し、このマスク開口に露出したウエーハの領域か
ら、ドーピングの有無に拘らず非選択的にシリコン材料
の大部分を、精密機械研磨によりまたは強酸性液による
化学エツチングにより、急速に均一に除去し、次に選択
性化学エツチングによりシリコン材料の残り部分を、前
記ドーピング・シリコン膜層が露出する迄、除去し、こ
れにより、マスク開口からシリコン膜層に体するウエル
を形成する。このウエルの断面積が膜マスク領域を規定
する。

本発明の構成は、次の通りである。

１．相互に対向する一方および他方の表面が実質的に平
行であり、かつ自立するのに十分な剛性をもつ少なくと
も、ミリメートル・オーダの厚さと３ミクロン以下の反
りを有するシリコン・ウエーハを準備し、前記第１表面
上にミクロン・オーダの厚さのドーピング・シリコン膜
層を形成するステツプと、 前記第２表面上に所定形状の開口を有するマスク層を形
成するステツプと、 前記開口に露出したシリコン・ウエーハの領域を、先ず
機械的研磨作用により、そのウエーハの厚さの大部分に
ついて除去し、次に選択的化学エツチング作用により、
前記ドーピング・シリコン膜層は露出する迄、ウエーハ
の厚さの残りの部分について除去して前記開口から前記
ドーピング・シリコン膜層に達するウエルをシリコン・
ウエーハ内に形成するステツプと、 前記マスク層をシリコン・ウエーハから除去し、次に該
ウエーハを洗浄するステツプと、 より成り、Ｘ線リソグラフイ用膜マスクのためのミクロ
ン・オーダのシリコン膜層を、ミリメートル・オーダの
シリコン・ウエーハ枠体に一体に集積して形成するモノ
リシツク・シリコン膜集積体の製造方法。

２．＋相互に対向する一方および他方の表面が実質的に
平行であり、かつ自立するのに十分な剛性をもつ少なく
ともミリメートル・オーダの厚さと３ミクロン以下の反
りを有するシリコン・ウエーハを準備し、前記第１表面
上にミクロン・オーダの厚さのドーピング・シリコン膜
層を形成するステツプと、 前記第２表面上に所定の形状の開口を有するマスク層を
形成するステツプと、 前記第１表面を冷却雰囲気に接触させる一方、前記マス
ク開口に露出したシリコン・ウエーハの領域を強酸の混
合液を含む非選択性化学エツチング雰囲気に接触させて
ウエーハの厚さの大部分を急速に除去するステツプと、 前記シリコン・ウエーハ領域を選択性化学エツチング雰
囲気に接触させて前記ドーピング・シリコン膜層が露出
する迄ウエーハの厚さの残り部分を除去して前記マスク
開口から前記ドーピング・シリコン膜層に達するウエル
をシリコン・ウエーハ内に形成するステツプと、 前記マスク層をシリコン・ウエーハから除去し、次に該
ウエーハを洗浄するステツプと、 より成り、Ｘ線リソグラフイ用膜マスクのためのミクロ
ン・オーダのシリコン膜層をミリメートル・オーダのシ
リコン・ウエーハ枠体に一体に集積して形成するモノリ
シツク・シリコン膜集積体の製造方法。

３．対向する両表面が実質的に平行であり、かつ自立す
るのに十分な剛性をもつ少なくともミリメートル・オー
ダの厚さを有し３ミクロン未満の反りを有するシリコン
・ウエーハと、該ウエーハの前記の一表面上に一体に形
成されたミクロン・オーダのドーピング・シリコン膜層
と、前記ウエーハの反対表面からウエーハを貫通して前
記シリコンに達するよう穿設され、膜マスク領域を規定
するウエルと、 より成り、Ｘ線リソグラフイ用膜マスクのためのミクロ
ン・オーダのシリコン膜層をミリメートル・オーダのシ
リコン・ウエーハ枠体に一体に集積して形成するモノリ
シツク・シリコン膜集積体。

次に、本発明を第１図および第２図に示した実施例につ
いて説明する。

Ｅ．実施例 第１図および第２図は、本発明の金シリコンの一体形モ
ノリシックＸ線マスクの実施例を示す概略上面図および
斜視図である。

外径がたとえば１００ｍｍの円形シリコン・スラグ１６
は、直径がたとえば５０〜８０ｍｍの、スラグ１６の底
部で終端する開口を有し、スラグ１６の本体と一体とな
った、厚さ約２〜３μｍのホウ素をドーピングした膜１
６Ａを形成する。スラグ１６の厚さは、たとえば６．４
ｍｍである。

第１図に示すような厚いモノリシック・シリコンＸ線マ
スク基板は、従来技術による、シリコン膜ウェーハを厚
いパイレックス・ガラスのリングに接着して作成したも
のより、反りおよび変形が少なく、製造が容易であると
いう利点がある。

本発明の他の利点は、シリコン・スラグの厚みが、６５
００μｍ対６５０μｍの標準のウェーハより１０倍厚
く、全シリコンの基板では、ガラスとシリコンの熱膨張
率の差による変形が生じないため、当初の反りを容易に
小さくすることができることである。また、ガラストシ
リコンの接着による変形の可能性がなく、接着工程が不
変なため、マスクの製造が簡単になる。

厚さ６．４ｍｍのシリコン・スラグの製造工程は、洗
浄、拡散、および窒化シリコン付着の工程を含む。膜の
形成に不要なシリコンの除去は、最初に機械研磨または
等方性化学エッチングにより、厚みを約６．４ｍｍから
約１ｍｍに減らし、最後に化学エッチングによりホウ素
をドーピングした膜層を形成することによって実施し
た。

製造工程は下記のとおりである。

反りがたとえば３μｍ未満の厚いウェーハを選択し、下
記の処理を行なう。

工程１．ウェーハの洗浄、 工程２．膜層のホウ素ドーピング、 工程３．エッチングによるストリッピングおよび洗浄、 工程４．窒化シリコンの付着、 工程５．(ａ)精密機械研磨 (ｂ)等方性化学エッチング によるシリコンの除去、 工程６．シリコンの異方性エッチング、 工程７．ストリッピングおよび洗浄。

より詳細に述べると、本発明では、膜デバイス構造を単
一の厚いシリコンのウェーハまたはスラグから構成した
自立部材として製作することにより、膜の変形に寄与す
る３つの原因を取り除く。第１に、標準の薄いウェーハ
に存在する当初からの変形は、標準のウェーハよりたと
えば１０倍の厚みを有するスラグまたはスラブの剛性が
大きいため、かなり減少する。第２に、厚いシリコン中
のモノリシック膜が安定で自立性であるため、ガラス枠
が不要となり、そのためガラスとシリコンの接着による
変形の可能性がなくなる。最後に、膜構造をモノリシッ
ク、すなわち単一材料から製作するため、異種の材料で
製作した構造のように熱応力を発生することがなく、均
一な膨張および収縮が生じる。

要約すると、厚いシリコン・ウェーハから形成したモノ
リシック膜構造により、（１）良好なシリコン出発原料
を使用し、（２）複雑な接着工程がなく、（３）熱によ
る応力が避けられるため、膜の変形が最小になる。

モノリシック膜デバイスを厚いシリコン・ウェーハ内に
形成する上での主な課題は、膜を形成するのに不要なシ
リコンを除去することである。この工程を、Ｘ線マスク
基板の製造工程について、下記に詳述する。

製造 Ｘ線マスク基板の代表的な物理的寸法は下記のとおりで
ある。

１．シリコン・ウェーハの最初の厚み：５〜１０ｍｍ ２．ウェーハの直径：１００ｍｍ ３．膜の直径：５０〜８０ｍｍ ４．膜の厚み：約３μｍ 製造工程は、２つの主要な操作、すなわち（１）ホウ素
ドーピングにより膜表面を形成すること、および（２）
膜自体を画定するため、ウェーハから不要なシリコンを
除去することを含む。これら２つの操作の結果を第１図
および第２図に示す。

ホウ素のドーピング 第１図および第２図に膜層１６Ａは、熱拡散を用いたホ
ウ素ドーピング、またはホウ素源からのイオン注入、ま
たはウェーハ表面へのホウ素をドーピングしたシリコン
のエピタキシャル付着により、ウェーハ１６の表面に形
成する。拡散層の深さ、またはホウ素をドーピングしエ
ピタキシャル付着した層の厚さ（約３μｍ）が、膜の最
端の厚さとなる。膜層上のシリコンは、ホウ素をドーピ
ングした層を侵食しないシリコン・エッチャントによ
り、選択的に除去する。水酸化カリウム（ＫＯＨ）等の
エッチャントでのエッチ選択性を高めるには、ドーピン
グした層中のホウ素濃度を、約１ｘ１０²⁰／ｃｍ^３より
高くする必要がある。このエッチャントを用いると、シ
リコン・エッチングは表面近くのドーピングした領域と
ドーピングしない領域の境界で停止する。ホウ素のドー
ピングおよびエピタキシャル付着は、超小型シリコン製
造技術で周知のものである。

シリコンの除去 厚みがたとえば５〜１０ｍｍのウェーハから、不要なシ
リコンを均一に、制御された方式で除去して、厚みがた
とえば２〜３μｍの膜１６Ａを形成するには、２段階の
工程を実行する。第１の段階ではウェーハの厚みの８０
〜９０％を非選択的に急速かつ均一に除去する。第２の
段階では、残ったシリコンを、異方性エッチ液を使用し
て選択的にエッチングする。異方性エッチ液は、ホウ素
を高濃度でドーピングした膜層に影響を与えずに、ドー
ピングしないシリコンだけを侵食する。

急速に、ただし厚いウェーハから非選択的に均一にシリ
コンを除去するには、２つの方法が用いられる。第１
は、精密機械研磨であり、第２は、等方性化学エッチン
グである。どちらの方法も、シリコン・ウェーハ中のド
ーパント不純物の影響を受けないため、非選択的であ
る。どちらの方法も、首尾よく膜を形成することが実証
されている実用的な方法である。

精密研磨 精密機械研磨は、所期の加工領域を画定するため、曲線
生成装置に取り付けたダイアモンドを植え込んだ水冷却
式切断ホイールを使って行なう。この操作は、ガラス・
レンズ、プリズム、鏡等の光学部品を研磨するのに使用
するものと類似のものである。厚いシリコン・スラグを
光学的に平坦な表面にワックスで取り付け、ウェーハの
膜側を保護する。スラグはまた、水平に正確に位置合せ
して、上面と底面を平行に保つ。研磨ホイールの速度
は、シリコン表面から深く貫通することによる過度の損
傷が起こらないように選ぶ。厚さ５〜１０ｍｍのシリコ
ン・ウェーハでの好ましい方法は、ウェーハの厚さを約
１ｍｍだけ残して、ウェルまたは盲穴を研削することで
ある。厚さ５ｍｍのウェーハの全研削時間は、通常１０
分未満である。残ったシリコンの厚さのばらつきは、５
０μｍ未満である。

ウェーハのホルダから取り外し、ワックスを除去した
後、選択的異方性エッチャントに数時間浸漬して、残っ
たドーピングしないシリコンを除去する。

等方性エッチング フッ化水素酸と硝酸の混合液による等方性化学エッチン
グが、厚いウェーハからシリコンを急速に除去するもう
１つの方法である。研磨と同様に、この方法も非選択的
であり、当初の厚みが５〜１０ｍｍのウェーハから、１
ｍｍだけ残してシリコンを除去するのに用いられる。

等方性エッチングの好ましい方法は、ウェーハを水密ホ
ルダに取り付けて、膜表面とウェーハの縁部を保護する
ことである。酸溶液に露出した領域が膜領域を画定す
る。ホルダを水に浸漬して、ウェーハの膜側を冷却し保
護する。数ｍｌのフッ化水素酸と硝酸の混合液（体積比
１：１）を用いて、シリコン表面の露出した部分を侵食
させ、３０〜６０秒ごとに補給する。シリコンの平均エ
ッチング速度が毎分５０μｍのとき、厚さ約５ｍｍのウ
ェーハのエッチングは約８０分で完了する。

ウェーハをホルダから取り外し、洗浄した後、選択的異
方性エッチングを行なって、残ったシリコンを除去し、
膜層を形成する。

選択的化学エッチング シリコンの選択的異方性エッチングを行なうのに通常使
用する化学エッチング溶液には、水酸化カリウム（ＫＯ
Ｈ）溶液、およびエチレンジアミンとピロカテコールと
水の混合液（ＥＰＷ）がある。これらのエッチャント
は、ホウ素濃度が約１ｘ１０²⁰／ｃｍ³を超えるシリコ
ンを除いて、あらゆる形のシリコンを急速に侵食する。
したがって、ホウ素を高濃度でドーピングしたシリコン
層は、それと一体になった、低濃度でドーピングした基
板をＥＰＷまたはＫＯＨてバック・エッチングする際
に、エッチングに耐える。膜の形成にＥＰＷおよびＫＯ
Ｈを使用することは周知であり、文献にも記載されてい
る。

製造工程 ホウ素ドーピングの後、シリコンを除去する製造工程の
詳細は、最終のデバイスの設計および用途によってかな
り異なる。設計に応じて、選択できる材料、工具、およ
び処理方法がある。したがって、すべての種類のシリコ
ン膜デバイス構造の製造に適用できる単一の工程または
方法はない。下記に概略を示す工程とそのいくつかの代
替方法は、シリコン膜の製造に一般的に使用されるもの
である。シリコン膜は、厚み５〜１０ｍｍのシリコン・
ウェーハの一体部分であり、完成後、たとえばＸ線マス
ク基板として使用される。下記の方法は、シリコン集積
回路の製造に一般に使用される超小型製造法に基づくも
のである。

ウェーハは、下記の仕様に適合するものが好ましい。

厚さ：５〜１０ｍｍ、反りまたは平坦度：両面３μｍ未
満 表面：欠陥がなく、研磨したもの 厚みの均一性：５μｍより良好なもの 工程１．ウェーハの水洗 工程２．ホウ素ドーピング 拡散。ウェーハの片面または好ましくは両面を、約３μ
ｍの深さまで、１ｘ１０²⁰／ｃｍ³の濃度でホウ素をド
ーピングする。ドーピングは、気体、液体、または固体
のホウ素供給源を使用し、１０５０℃を超える温度でド
ーパントの熱拡散を行なう。拡散条件は、表面における
ホウ素の欠乏を避け、この例では厚さ３μｍの膜層で高
いホウ素濃度が得られるように、十分なホウ素供給源を
与えるように選択することが重要である。もう１つの重
要な要件は、膜層のホウ素を高濃度で含む上面を、拡散
サイクルの終了時に酸化させることである。拡散後の酸
素または水蒸気での酸化は、清浄なシリコン表面に約２
０ｎｍの二酸化シリコンを成長させる条件で行なう。拡
散後の酸化を行なわないと、膜が破損したり、品質の低
い膜となる。

イオン注入。ホウ素ドーパントのイオン注入に続いて、
高温でのアニーリングを行なっても、同様の結果が得ら
れ、拡散後の酸化は不要になる。しかし、この方法は拡
散法より複雑で、したがって低コストの用途にはむかな
い。

エピタキシ。膜層を形成する代替方法として、エピタキ
シャル法があり、厚み約３μｍのホウ素をドーピングし
た単結晶シリコン膜を付着させるのに使用される。この
皮膜は、ウェーハの片面、または好ましく両面に付着す
る。エピタキシャル付着は、シリコン膜の隙にゲルマニ
ウムとホウ素の原子を同時に取り込むことにより、付着
した膜中の機械的ひずみを調整する独特の方法をもたら
す。この方法により、ホウ素拡散またはイオン注入では
得られない比較的欠陥の少ない層が形成される。

工程３．ストリッピングおよび洗浄 成長または付着させた表面酸化物を、まず希薄なフッ化
水素酸でウェーハからストリッピングした後、洗浄す
る。この段階では、残渣や皮膜のない完全に清浄な表面
が好ましい。

工程４．窒化シリコンの付着 ウェーハの両面に付着させた厚さ約１００ｎｍの窒化シ
リコンの薄膜が、後の研磨およびエッチングの工程にお
ける保護層およびマスキング層として機能する。この目
的には、高温での化学蒸着によって得られる皮膜が好ま
しい。同様の目的で用いられる他の皮膜には、二酸化シ
リコン、炭化シリコン、および窒化ホウ素がある。

工程５．高速非選択的シリコン除去 精密研磨。上記のシリコン除去の項で述べたように、ウ
ェーハの片面で機械研磨を行ない、反対面は水平で平坦
なホルダにワックスで取り付ける。研磨の間、形成され
たウェルの深さを定期的に測定する。研磨工程中、ウェ
ル底面に残ったシリコンの平行度と厚みの均一性を保た
なければならない。最終的に残った厚さは約１ｍｍであ
ることが好ましく、不可避の結晶の損傷は約０．０５ｍ
ｍ以内とすべきである。窒化シリコンを、ポリイミド等
の重合体層、または高温でベーキングしたフォトレジス
トでオーバコートすることによって表面および裏面の保
護を強化する。ワックスの除去とウェーハの洗浄は、溶
剤および濃硫酸と濃硝酸の熱混合液を用いて行なう。

等方性化学エッチング。第３図を参照して、ウェーハ
を、フッ化水素酸（ＨＦ）と硝酸（ＨＮＯ_３）の混合液
の侵食に耐える適当なＯリング・シール２２を備えたプ
ラチック製の取付具２０に取り付ける。好ましい材料に
は、テフロン（デュポン社（E.I.Dupont Co.の商標）、
塩化ビニール、およびビトンがある。

酸の侵食を受ける領域は、二重のＯリング２２で画定さ
れ、露出しない領域は、耐酸性のワックスまたはポリイ
ミド等の重合体でコーティングし、ガスケット２４でホ
ルダ２０内に支持する。露出した領域で、最初にＨＦで
窒化シリコンの除去した後、ＨＦ＋ＨＮＯ_３の混酸（体
積比１：１）で処理する。ウェーハを冷却して混酸によ
る侵食を防止するため、エッチングの間、ウェーハの膜
側は常に冷水に侵食しておく。所定のエッチ速度によ
り、ウェルの底部に残るシリコンの最終の厚みが決ま
る。等方性エッチングでは結晶の損傷が発生しないた
め、残った厚みは１ｍｍ未満にすることが可能である。
ワックスの除去および水洗は、濃硫酸の熱混合液を用い
て行なう。

工程６．選択的シリコン・エッチング 水酸化カリウム（ＫＯＨ）、およびエチレンジアミンと
ピロカテコールと水の混合液（ＥＰＷ）を主成分とする
異方性化学エッチング溶液が、ホウ素をドーピングした
膜層を画定するための選択的エッチングとして好まし
い。

ホウ素をドーピングしたシリコンと、下層のシリコン基
板の間のエッチ選択性は非常に大きくなればならない。
エッチ選択性が低いと、好ましくないエッチングが生
じ、ホウ素をドーピングした膜が薄くなる。

ＫＯＨ。ＫＯＨ溶液はＥＰＷに比べて、使用が簡単で安
全である。ＫＯＨを使用する場合、エッチング工程は２
段階で行なう。最初に、７０〜９０℃のＫＯＨ２０〜３
０％水溶液を使用して、シリコンを５０〜１００μｍの
厚みを残して除去する。その後、過剰のイソプロピルア
ルコール（ＩＰＡ）を飽和させた上記と同じ溶液を使用
して、ドーピングしないシリコンをすべて除去し、膜の
境界面でエッチングを停止させる。

ＥＰＷ。ＥＰＷを使用すると、シリコンのエッチングお
よび膜の形成を１段階で行なうことができる。二酸化シ
リコンのマスキング皮膜を使用する場合、ＫＯＨのほう
が二酸化シリコン膜の侵食が速いため、ＥＰＷがエッチ
ャントして好ましい。

工程７．ストリッピングおよび洗浄 膜形成の後、両面の窒化シリコン膜をＨＦでストリッピ
ングする。この段階で、基本的なモノリシック膜構造の
製造が完了する。用途または後の加工要件に応じて、窒
化シリコンまたは他の適当な材料の新しい皮膜を構造の
片面または両面にコーティングする。

Ｆ．発明の効果 本発明により、構造的安定性が高く製造が容易なＸ線マ
スク基板の構造及びその製造方法が提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、本発明の原理によるモノリシッ
ク・シリコンＸ線マスクの一実施例の、概略上面図およ
び断面を含む斜視図である。 第３図は、マスクの製造の間、シリコン・ウェーハを保
持するホルダの概略図である。 第４図および第５図は、従来技術によるＸ線マスクの、
概略上面図および断面を含む斜視図である。 １０……シリコン・ウェーハ、１２……支持枠、１４…
…膜、１６……シリコン・スラグ、１６Ａ……ホウ素を
ドーピングした膜。

フロントページの続き (72)発明者 ケビン・コツク・チヤン アメリカ合衆国ニユーヨーク州ステイト ン・アイランド、トラビス・アベニユー 635番地 (72)発明者 アングレラ・コーコ・ランベルチ アメリカ合衆国ニユーヨーク州プツトナ ム・バレー、カーデイナー・ロード９番地 (72)発明者 コンスタンチーノ・ラパデユラ アメリカ合衆国ニユーヨーク州マホパツ ク、ステイナー・ドライブ、アール・エ フ・デー１番地 (72)発明者 イーストバン・ミー・ローバス アメリカ合衆国ニユーヨーク州マホパツ ク、チユーリツプ・ロード21番地 (72)発明者 アラン・デイクソン・ウイルソン アメリカ合衆国ニユーヨーク州アーモン ク、チエストナツト・リツジ・ロード46番 地 (56)参考文献 特開 昭53−49953（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−85170（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−116783（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−68634（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】相互に対向する一方および他方の表面が実
   質的に平行であり、かつ自立するのに十分な剛性をもつ
   少なくともミリメートル・オーダの厚さと３ミクロン以
   下の反りを有するシリコン・ウエーハを準備し、前記第
   １表面上にミクロン・オーダの厚さのドーピング・シリ
   コン膜層を形成するステツプと、 前記第２表面上に所定形状の開口を有するマスク層を形
   成するステツプと、 前記開口に露出したシリコン・ウエーハの領域を、先ず
   機械的研磨作用により、そのウエーハの厚さの大部分に
   ついて除去し、次に選択的化学エツチング作用により、
   前記ドーピング・シリコン膜層が露出する迄、ウエーハ
   の厚さの残り部分について除去して前記開口から前記ド
   ーピング・シリコン膜層に達するウエルをシリコン・ウ
   エーハ内に形成するステツプと、 前記マスク層をシリコン・ウエーハから除去し、次に該
   ウエーハを洗浄するステツプと、 より成り、Ｘ線リソグラフイ用膜マスクのためのミクロ
   ン・オーダのシリコン膜層をミリメートル・オーダのシ
   リコン・ウエーハ枠体に一体に集積して形成するモノリ
   シツク・シリコン膜集積体の製造方法。
2. 【請求項２】相互に対向する一方および他方の表面が実
   質的に平行であり、かつ自立するのに十分な剛性をもつ
   少なくともミリメートル・オーダの厚さと３ミクロン以
   下の反りを有するシリコン・ウエーハを準備し、前記第
   １表面上にミクロン・オーダの厚さのドーピング・シリ
   コン膜層を形成するステツプと、 前記第２表面上に所定の形状の開口を有するマスク層を
   形成するステツプと、 前記第１表面を冷却雰囲気に接触させる一方、前記マス
   ク開口に露出したシリコン・ウエーハの領域を強酸の混
   合液を含む非選択性化学エツチング雰囲気に接触させて
   ウエーハの厚さの大部分を急速に除去するステツプと、 前記シリコン・ウエーハ領域を選択性化学エツチング雰
   囲気に接触させて前記ドーピング・シリコン膜層が露出
   する迄ウエーハの厚さの残り部分を除去して前記マスク
   開口から前記ドーピング・シリコン膜層に達するウエル
   をシリコン・ウエーハ内に形成するステツプと、 前記マスク層をシリコン・ウエーハから除去し、次に該
   ウエーハを洗浄するステツプと、 より成り、Ｘ線リソグラフイ用膜マスクのためのミクロ
   ン・オーダのシリコン膜層をミリメートル・オーダのシ
   リコン・ウエーハ枠体に一体に集積して形成するモノリ
   シツク・シリコン膜集積体の製造方法。
3. 【請求項３】対向する両表面が実質的に平行であり、か
   つ自立するのに十分な剛性をもつ少なくともミリメート
   ル・オーダの厚さを有し３ミクロン未満の反りを有する
   シリコン・ウエーハと、該ウエーハの前記の一表面上に
   一体に形成されたミクロン・オーダのドーピング・シリ
   コン膜層と、前記ウエーハの反対表面からウエーハを貫
   通して前記シリコンに達するよう穿設され、膜マスク領
   域を規定するウエルと、 より成り、Ｘ線リソグラフイ用膜マスクのためのミクロ
   ン・オーダのシリコン膜層をミリメートル・オーダのシ
   リコン・ウエーハ枠体に一体に集積しているモノリシツ
   ク・シリコン膜集積体。