JP2004214425A

JP2004214425A - 半導体マスク

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Publication number: JP2004214425A
Application number: JP2002383801A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Tatsumi; 良昭辰巳; Kinya Miyashita; 欣也宮下
Original assignee: CREATIVE TECHNOLOGY KK; Creative Technology Corp
Current assignee: CREATIVE TECHNOLOGY KK; Creative Technology Corp
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2004-07-29

Abstract

【課題】荷電粒子ビーム、例えば電子を使用する露光装置に使用できる、高精度で、パーティクルなどの発生が少ない、着脱可能のマスク構造を安価に提供することを課題とする。
【解決手段】荷電粒子ビーム露光装置用マスクを、極薄マスク部とシリコン製支持部の二部構成とする。極薄マスク部は荷電粒子ビームによる激突による損傷が少ないものが好ましい。一般には質量数の大きい重金属が使われるが、本発明では半導体素子への金属汚染の問題を最小限にするため、またマスク製造の容易さから半導体素子の基盤材料であるシリコンを使用する。この極薄シリコン製マスク部を露光装置に容易に着脱可能とするために、支持部を設けるが、この材質もシリコンとする。シリコン部材は高純度のものが得られるため、この支持部から発生する不純物のパーティクルを抑えることができる。これら極薄マスク部とその支持部は同一材質で作製するため、温度変化による熱膨張によるひずみ、そりなどを原理的になくすことができる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体素子製造プロセスで用いられている荷電粒子ビーム型露光装置、特に電子露光装置に具備されている転写マスク製造の技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路形成には、例えばシリコンなどの半導体基板ウエハ上に微細な回路を形成する。基本プロセスの流れは薄膜形成、リソグラフィー、そしてエッチング処理である。ここでリソグラフィーとは、露光技術によりシリコンウエハ上に微細な電子回路を描く技術である。シリコンウエハに感光性皮膜を塗布し、回路図が描かれたマスクをウエハ上に設置させ投影する。基板上のフォトレジストがマスクに描かれた回路の縮小パターンに沿って感光し、その後のエッチング処理によってシリコンウエハ上に溝を掘り刻むことで回路を形成する。感光性皮膜にはポジ型とネガ型があり、ポジ型では感光した部分が現像処理で除去される。実際にはこの工程を何度も繰り返して回路が形成されていくが、今日の一般的なＤＲＡＭ製造では２０枚程度のマスクが使用される。
【０００３】
多機能、高性能半導体集積素子の進歩により、多くのトランジスタなどの部品を一つの集積素子の中に組みこむ必要があるが、これは高集積化のためより小さい部品を作る必然性が生まれる。露光装置ではこの部品設計基準の縮小化にともない、光の波長を可視光線から紫外線領域へと、より短い波長の光で露光する技術の進捗がある。どれだけ微細なパターンが転写できるかの限界は、究極のところ露光する光の波長で決まってしまうからである。
【０００４】
現在、最先端の量産ラインで使われている露光装置の光源は波長２４８ｎｍのＫｒＦ（フッ化クリプトン）エキシマレーザーである。半導体素子内の最小寸法と考えることのできるＭＯＳトランジスタ回路のゲート長をもとに考えられた一般的な物差し“設計基準”が１５０〜１３０ｎｍの製造プロセス技術に使われている。そして、さらに波長１９３ｎｍのＡｒＦ（フッ化アルゴン）エキシマレーザー光は、超最先端の９０ｎｍ製造プロセスに試用されている。
【０００５】
また近年では従来の一般的な光源から離脱し、電子ビームなどの荷電粒子、また光線より波長の短いエックス線などを利用した転写技術が開発されている。これらは通常の光学レンズが使えず縮小転写は困難であるため処理能力に問題があるが、今後ブレイクスルーの期待されている技術である。これら露光装置ではマスクを非処理ウエハの極近傍に位置させ一筆書きのような線描き、あるいは一度に、被処理ウエハのある一定面積に低速度電子ビームあるいはエックス線を照射する構造となっている。
【０００６】
マスクを被処理ウエハ近傍に設置する必要性から、マスクのひずみを抑え転写精度を確保する工夫が必須となる。特開平９−２１９３５１号ではエックス線露光装置のマスクの支持枠と補強体、あるいは接着剤の熱膨張係数の差によるひずみから発生するマスクの位置ずれを防ぐために、接合点を接着剤による一点固定とし、他方を自由端とする構成が提案されている。
【０００７】
電子露光装置のマスク製造方法については特開２００２−２９９２２６号に記載されているが、マスクは通常〜１ｍｍ以下ととても薄いので、露光装置への取り付けが問題となる。前記特許公開公報には記載されていないが従来手法では、このうすい膜状のシリコンマスクをアルミニューム製、あるいはシリコンカーバイド（以下ＳｉＣと記す）の支持枠に接着剤などで固定し使用されていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のマスクでは精度、パーティクル発生の点から以下の欠点を有している。
【０００９】
小口径ウエハの場合、一点接合とすると精度の要求に対してはある程度クリアーできるが、大口径ウエハの場合は強度不足により、採用が難しい技術と考えられる。特に非露光ウエハ近接でのマスク設置が必要となる場合には、マスク支持枠の上面でマスクが接合しているようにしないと、重力の影響でマスクが垂れてしまうが、これを実現するにはウエハーサイズより大きなマスクが必要になるなど、問題点が多い。
【００１０】
アルミニュームは真空中で使う構造材としては半導体製造装置では一般的である。シリコンマスクを接着剤でアルミニューム支持枠に接着する場合、低温、大気雰囲気で行える利点はあるが、シリコン、接着剤、アルミニュームそれぞれ三者で熱膨張係数が異なるため、露光装置で電子ビームなどから受ける熱負荷が起因となって、マスクのひずみ、そりなどが発生し、精度の高い露光が再現良く実施できないという欠点があった。近年の電子ビーム露光装置では〜１μｍ程度の精度が必要とされているためである。また、この手法は、接着剤の塗布、硬化を待たねばならず、時間がかかるため、量産のマスク製造にはコスト的に問題があった。この問題は以下の説明で揚げる支持枠ＳｉＣでの事例でも同様である。
【００１１】
本発明者らは熱膨張係数起因のマスクのひずみ、そりを解消するため、アルミニュームに代えシリコンと熱膨張係数の良く似たＳｉＣを材料とした支持枠にシリコン製マスクを接着剤で接着する構造を実施した。しかし、ＳｉＣ材料自身に含まれる不純物から発生するパーティクルが、処理ウエハに近接であるがゆえに、被処理ウエハに直接降りかかる問題があり、実プロセスでは採用できないという経緯があった。ＳｉＣから発生するパーティクルは、その製造方法に起因し、それぞれの構成分子を互いに強く結びつけるための焼結剤が原因となる。通常の製造方法の場合、パーティクルは直径０．３〜０．５μｍ以下で１００個／ｃｍ^２程度。特殊な変換技術を用いてカーボンを転化させる方法で、半分の５０個／ｃｍ^２程度である。
【００１２】
そこで、本発明では上記説明のように荷電粒子ビーム、例えば電子を使用する電子露光装置に使用できる、高精度で、パーティクルなどの発生が少ない、着脱可能のマスク構造を安価に提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の荷電粒子ビーム露光装置用マスクは、二部構成とする。極薄マスク部は荷電粒子を吸収する材料を使う。荷電粒子ビームによる激突による損傷が少ないものが好ましい。一般には質量数の大きい重金属が使われるが、本発明では半導体素子への金属汚染の問題を最小限にするため、またマスク製造の容易さから半導体素子の基盤材料であるシリコンを使用する。この極薄シリコン製マスク部を露光装置に容易に着脱可能とするために、支持部を設けるが、この材質もシリコンとする。シリコン部材は高純度のものが得られるため、このマスク支持部から発生する不純物のパーティクルを抑えることができる。これら極薄マスク部とその支持部は同一材質で製作するため、温度変化による熱膨張によるひずみ、そりなどを原理的になくすことができる。
【００１４】
請求項２の荷電粒子ビーム露光装置用マスク製造方法は、極薄シリコン製マスク部と、シリコン製支持部を金属との共晶結合により接合する方法で、接合箇所を最低点数とし、かつバッチ処理にて多数の荷電粒子ビーム露光装置用マスクを一括して製造可能となるため、大きくコスト低減ができる。
【００１５】
請求項３の荷電粒子ビーム露光装置用マスク製造方法は、極薄シリコン製マスク部と、シリコン製支持部を、ガラスを介して接合する方法で、請求項２同様、接合箇所を最低点数とし、かつバッチ処理にて多数の荷電粒子ビーム露光装置用マスクを一括して製造可能となるため、大きくコスト低減ができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態として一実施例を図１に基づいて説明する。荷電粒子ビーム露光装置用マスク１は二つの部分からなる。極薄シリコン製マスク部３は厚さ２００〜１０００μｍ程度の薄いシリコン製板でできており、荷電粒子ビームを通過させウエハ面上に半導体素子回路のパターンを転写するため孔が明いている。この穴あけ加工には、半導体製造装置であるエッチング装置を使い、化学的な反応あるいはイオン照射で材質をスパッタさせる方法等がある。孔は一段階で真直ぐに明ける処理は困難であるため、数段階に分けて行われる。この手法は又、荷電粒子ビーム通過の際のビームの発散・収束などの影響で被処理ウエハ上へのパターン転写精度の劣化防止にも寄与する。荷電粒子ビームを使った露光装置の場合、その回路パターン転写比率が１：１になる場合が一般的である。これは、光学レンズが使えないので、容易に従来の光学系露光装置の場合のように、パターンの縮小転写が実現できないためである。よって、転写を正確に行うには、極薄シリコン製マスク部３を非処理ウエハの極近傍に設置する必要がある。この距離は現在のところ１０〜２００μｍ程度である。
【００１７】
極薄シリコン製マスク部３を露光装置に取り付けるには、強度的に強く、かつ、被処理ウエハになんら物理的、化学的損傷を与えないものによって支持することが必要である。また極薄シリコン製マスク部３が露光中に荷電粒子の電荷によって帯電させないことも必要である。
【００１８】
極薄シリコン製マスク部３はその薄さから構造的にたわみ、そりなどを発生しやすい。現在半導体製造工場で主流の直径３００ｍｍウエハを処理する場合、極薄シリコン製マスク部３はそれ以上の口径を必要とする場合もあるからである。本発明ではこの支持部の材質をシリコン製とした。シリコン製支持部２は十分な厚さを持った円形あるいは四角の枠を構成している。そして、極薄シリコン製マスク部３とシリコン製支持部２はその円周部で接合させる。接合点４は最低２〜３箇所から、連続的に全周域にすることも可能である。
【００１９】
熱膨張による極薄シリコン製マスク部３のたわみ、そり等の機械的ゆがみはその支持部を同質の材料とすることで、完全に回避できる。前述したように、支持部にアルミニュームを用いる場合、シリコンの熱膨張係数２．６ｐｐｍ／℃に対し、アルミニュームはその十倍程度の熱膨張係数を有するので、温度変化により構造的に弱い極薄シリコン製マスク部３にそり、たわみが生ずる。シリコン材質は真空装置内で構造材としてよく使われるアルミニューム５０５６（引っ張り強さ〜３００Ｎ／ｍｍ^２）と比較して、十分な強度を持つ。シリコンはまた素材として１ｐｐｂの高純度のものが市販で入手可能であるため、不純物金属などによる汚染が最小限に抑えることができる。前述したＳｉＣに含有している焼結剤が遊離してひき起こすパーティクルの問題は、皆無となる。
【００２０】
パーティクルによる歩留まり低下は露光装置内で最も注意を要するものである。近年では半導体素子を形成する表面だけでなく裏面、すなわち静電型ウエハ吸着装置に接触する片面の管理も要求されるようになっている。これは裏面のゴミ、パーティクルが露光装置での焦点ズレを引き起こすためである。またゴミ、パーティクルが金属質の場合、洗浄層などの中でウエハから離脱したそれらゴミ、パーティクルが次ぎに処理されるウエハに付着するなどする。これが半導体接合領域などを汚染すると、その接合ポテンシャル設定が変動し、正しい設計の素子が形成できない。これらの事象について国際的な指針が国際半導体技術ロードマップ（ＩＴＲＳ）という機関でまとめられ、同インターネットホームページで公開されている、ｈｔｔｐ：／／ｐｕｂｌｉｃ．ｉｔｒｓ．ｎｅｔ／。たとえば西暦２００１年版フロントエンド処理の中で、許容パーティクルの指針は３００ｍｍ径ウエハの場合、ウエハ表面ではクリティカルパーテクルサイズは０．０５８μｍでウエハ当たり９４個；同ウエハ裏面では０．２μｍ、４６８個、となっている。これら数値は光学的露光装置を使った場合の指針であるため、本発明で議論している荷電粒子ビーム露光のような近接転写装置では、より厳しい数値が要求されると考えられている。
【００２１】
極薄シリコン製マスク部３とシリコン製支持部２はその周辺部で接合させる。図２に円形のシリコン製支持部２を有する場合の接合点４について示した。接合点４の数は極薄シリコン製マスク部３が比較的小さい場合は図２に図示するように非連続に数点で十分である。極薄シリコン製マスク部３が大型になると、強度を確保するためその接合点３の数を増やさなければならない。図２には示していないが、極薄シリコン製マスク部３全周辺に連続的に接合させても良い。
【００２２】
次に、極薄シリコン製マスク部３とシリコン製支持部２の接合方法についての実施例を説明する。ここでは、製作加工したシリコン製支持部２からのパーティクル発生を低減させるための工夫を必要とし、又、量産性も必須となる。一つの方法は、シリコンと金属の金の共晶接合を使う方法である。一連のプロセスは以下のようである。シリコン製支持部２は機械的に切削加工されるが、このとき発生するクラック、くずなどを除去する。これには、圧縮空気などで大きいくずなどを吹き飛ばした後、油成分、微少くずなどを取り除くため、脱脂剤に浸し、超音波洗浄で取り除いた後、再び圧縮空気で残留物を吹き飛ばす。この後、強酸性薬品のフッ化水素などにより、シリコン製支持部２の全表面をエッチングすることで、シリコン表面の自然酸化膜、切削跡に残留している超微小パーティクルを除去する。これで接合前の処理が完了する。同様な前処理が極薄シリコン製マスク部３についても必要なことは言うまでもない。前処理後、シリコン製支持部２の周辺部の接合点４とする箇所に金を塗布する。これには直径１μｍ以下の金粒子を含む、独立分散ペーストを用いる。金ペーストが塗布されたシリコン製支持部２と極薄シリコン製マスク部３はアライメントジグ、あるいはお互いのマーカーなどを参照して位置決めし、互いに０．０１〜０．１ＭＰａ程度の圧力をかけた状態で、真空炉の中に設置する。シリコンと金は３７０℃で付近に共晶点をもつので、炉内の真空度は１×１０^−２〜１×１０^−４Ｐａで、温度は４５０〜５００℃で１〜１５分間保つことにより両者を共晶接合する事が可能となる。この方法では一度に複数のマスクの接合処理が可能であるので、真空炉の発熱量と処理マスク部材の総質量により、処理時間は変動する。この方法では接合点が電気伝導度の高い金であるため、原理的に極薄シリコン製マスク部３が電気的にシリコン製支持部２から絶縁されることはない。
【００２３】
極薄シリコン製マスク部３とシリコン製支持部２のもう一つの接合方法に、前述した金ではなくガラスを介しての界面化学結合にて行う実施例を以下に説明する。シリコン製支持部２と極薄シリコン製マスク部３の前処理については同様であるので、省略する。前処理が完了したシリコン製支持部２の接合点４にスパッタ方式にてパイレックスなどのガラスを付着させる。シリコン製支持部２と極薄シリコン製マスク部３はアライメントジグ、あるいはお互いのマーカーなどを参照して位置決めし、互いに０．００１〜０．０５ＭＰａ程度の圧力をかけた状態で、真空炉の中に設置する。従来の陽極接合は用いない。電源管理、炉内の電気接続などが量産性を阻害する要因となるからである。炉内の真空度は１×１０^−２〜１×１０^−４Ｐａで、温度は８００〜１１００℃で保たれる。シリコンとガラスの界面結合はこの温度範囲で活性するからである。接合に要する処理時間は、１〜１５分間程度である。この方法でも一度に複数のマスクの接合処理が可能であるので、真空炉の発熱量と処理マスク部材の総質量により、処理時間は変動する。本実施例では、極薄シリコン製マスク部３とシリコン製支持部２は絶縁物のガラスを介して接合しているため、前記実施例のような互いの電気伝導性を維持できないので、別途配線、端子接触により電位を固定する必要が出てくる。
【００２４】
【発明の効果】
荷電粒子ビーム、特に電子ビーム露光装置のマスク部を極薄シリコン製マスク部３とシリコン製支持部２の二部構成とすることで、従来の支持部から発生するパーティクルの量を激減できる。実験ではＳｉＣのマスク支持部を使用した場合に比べ、直径０．１６μｍ以上のパーティクル数が約百分の１以下の実績データが得られた。露光装置使用時のマスク平面度については１μｍ以下を達成できた。従来のアルミニューム製支持部を使用する場合の５〜１０分の１の精度である。接合方法については量産性のある、真空炉内での一括処理が可能となるため、マスクの接合処理単価を十分低く抑えることができる。金とシリコンの共晶による、極薄シリコン製マスク部３とシリコン製支持部２の接合方法によると、シリコン製支持部２を露光装置内の取り付け部、一般に大地電位、に固定すれば、露光につかう電子などの荷電粒子ビームにより帯電、および周辺部との絶縁破壊を起こすことはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】荷電粒子ビーム露光装置用シリコンマスクの断面図である。
【図２】荷電粒子ビーム露光装置用シリコンマスクの支持部と極薄マスク部の接合点の教示例である。
【符号の説明】
１荷電粒子ビーム露光装置用マスク
２シリコン製支持部
３極薄シリコン製マスク部
４接合点

Claims

材質をシリコン材料で形成し、荷電粒子ビームを遮断するための極薄シリコン製マスク部と、前記極薄シリコン製マスク部を着脱可能とするためのシリコン製支持部を接合形成した構造を特徴とする、荷電粒子ビーム露光装置用マスク。
前記シリコン製マスク部と前記シリコン製支持部の少なくとも一点の接合面に金の微少粒を含むペーストを塗布し、真空雰囲気内にて、前記シリコン製マスクと前記シリコン製支持部を高温にして、接合することを特徴とする請求項１の荷電粒子ビーム露光装置用マスク製造方法。
前記シリコン製マスク部と前記シリコン製支持部の少なくとも一点の接合面にガラスを付着させ、真空雰囲気内にて、前記シリコン製マスクと前記シリコン製ホルダーを高温にして、圧着接合することを特徴とする請求項１の荷電粒子ビーム露光装置用マスク製造方法。