JP2005531815A - マスクおよびそのマスクを使用した製造方法 - Google Patents

Abstract

マスク１２は、ハーフトーン層１６および遮光層２０を含む。ハーフトーン層１６は、シリコンリッチ窒化珪素ＳｉＮｘ：Ｈからなる。ｘは、０から１、好ましくは、０．２から０．６の範囲にあればよく、それによって、光バンドギャップは、２．１ｅＶから２．５ｅＶの範囲にある。マスク１２が使用されるとき、フォトレジストの除去は、バンドギャップに相当に依存し、厚さにはあまり依存しないことが分っており、そのために、ＴＦＴの製造をうまく制御することができる。

Description

本発明は、薄膜デバイスアレイの製造において使用するのに適した製造方法に関し、限定はしないが、特にアクティブマトリックス液晶ディスプレイ（ＡＭＬＣＤ）およびマイクロマシン（ＭＥＭＳ）の製造において使用するのに適した製造方法に関する。また、本発明は、そのような方法において使用されるマスク、マスクの使用方法およびマスクの製造方法に関する。

プロセスステップ数を減少させ、また、プロセスステップを簡素化することは、ＡＭＬＣＤおよびＸ線画像センサーのようなデバイスの製造コストを減少させる有力な方法である。ステップ数を減少させるための１つのアプローチは、ただ１つのフォトリソグラフィーステップを用いて、２つの高さを備えたフォトレジストを規定することである。そのようなプロセスに使用されるフォトマスクは、３つの領域を有してもよい。１つの領域は、紫外線（ＵＶ）を通過させる完全に透明なものであり、第２の領域は、紫外線を通過させない不透明なものであり、そして第３の領域は、マスクのその第３の領域を透過する紫外線を減少させる回折マスクの役割をなす複数のスリットを含む。これらのスリットは、マスクを通過する紫外線を回折によって発散するので、スリットの真下において、比較的に均一な光強度を得ることができる。

回折マスクの使用に関連する３つの大きな問題が存在する。第１に、マスクのコストは、最小形状寸法の関数である。より小さな形状寸法は、マスクを書き込むためのより多くの時間を必要とし、そのために、より多くのコストがかかる。回折マスクは、通常のマスクよりもはるかに小さな形状寸法、例えば、ＡＭＬＣＤの通常のフォトリソグラフィーに使用される５μｍどころではなく、０．４μｍから１．５μｍ程度のギャップおよびラインを必要とする。これは、マスクを、コストがかかるものにし、かつ、製造するのが難しいものにする。きわめてわずかな製造業者しか、ＡＭＬＣＤを製造するのに使用される大きなマスク上にそのような小さな形状寸法を形成する能力を有していない。

第２に、小さな形状寸法の場合、マスク書き込みの均一性に乏しい。回折格子領域において基板に到達する光の量は、スリット寸法に大きく依存する関数であり、そのような回折マスクを使用するプロセスは、回折格子によって露光される領域におけるフォトレジスト厚さが均一性に乏しいものになりやすい。

第３に、回折効果によって、必然的に、光強度分布は、勾配のあるエッジを有することになる。光強度分布の勾配のあるエッジは、フォトレジストの勾配のあるエッジに変換される。第２のフォトレジストパターンを規定するために、そのフォトレジストは、酸素プラズマ中において部分的にエッチングされなければならない。大きな基板の場合、酸素プラズマエッチング、フォトレジスト回転塗布、およびＵＶ露光は、十分に均一なものではなく、これは、基板上の様々な位置においてエッチングされるべき様々な厚さを有するフォトレジストをもたらし、これが形状寸法を不正確なものにする。

図１は、この効果を説明する図である。フォトレジストが、厚さｄ１だけ部分的にエッチングされると、ギャップの大きさはＬ１となるが、エッチングされた厚さがｄ２であれば、ギャップの長さはＬ２となる。このように、厚さの小さな変動は、形状寸法の大きな変動をもたらす。この変動は、例えば、ＡＭＬＣＤの薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）チャンネル長を規定する場合のような、形状寸法の制御が重要な用途においては問題となる。

したがって、これらの不都合を解決するＡＭＬＣＤおよびその他のデバイスを製造するためのプロセスが必要とされている。

本発明によれば、マスク基板と、マスク基板上にパターンとして配置されたハーフトーンマスク材料からなるハーフトーン層と、ハーフトーン層上にパターンとして配置された遮光材料からなる遮光層と、を含み、ハーフトーンマスク材料は、０から１までの範囲にあるｘを備えたシリコンリッチ窒化珪素ＳｉＮｘ：Ｈであるマスクが提供される。

本発明によるマスクは、シリコンリッチ窒化珪素を使用する。本発明者らは、この材料が、特定の用途においてそれをきわめて有益なものにする特性を有することが分った。特にマスク層における窒素の割合ｘは、プラズマデポジションを使用し、かつ、アンモニア（ＮＨ_３）およびシラン（ＳｉＨ_４）の量を変化させて、マスク層を製作することによって、容易に変更することができ、それによって、窒化珪素の光バンドギャップを変化させることができる。本発明者らによって実施された試験は、窒化珪素マスクの光バンドギャップが、窒化珪素層の厚さのわずかな変動よりも、窒化珪素層の光透過率を決定するきわめて重要なパラメータであることを示した。したがって、シリコンリッチ窒化珪素からなるハーフトーン層における窒素の割合を正確に制御することによって、そのハーフトーン層の紫外線透過率を正確に制御することができる。

さらにそれは、マスクを様々に異なる紫外線波長に適したものにすることができる。窒素の割合を変えることによって、３６５ｎｍにおけるｉ輝線、４０５ｎｍにおけるｈ輝線、および４３６ｎｍにおけるｇ輝線を含む様々な紫外線波長を有する紫外線光源とともに使用するのに適したハーフトーンマスク材料層を提供することができる。

好ましくは、シリコンリッチ窒化珪素層は、０．２から０．６の範囲にあるｘの値、および２．１ｅＶから２．５ｅＶまでの、好ましくは、２．３５ｅＶ未満の光バンドギャップを有する。シリコンリッチ窒化珪素層は、好ましくは、４０ｎｍから１００ｎｍまでの厚さを有する。

本発明は、また、フォトレジストの層をパターン化するために上述したマスクを使用する方法に関し、紫外線をマスクを介してフォトレジストの層上に透過させることによって、フォトレジストが完全に取り除かれた完全除去領域と、第１の厚さを有する厚い領域と、ハーフトーン領域を介して露光された領域における第１の厚さよりも小さい厚さを有する薄い領域とを規定する。

本発明は、また、予め定められた波長を有する紫外線光源とともに使用するためのマスクを製作する方法に関し、マスク基板を提供するステップと、予め定められた波長の紫外線を部分的に吸収するための予め定められたバンドギャップを提供するように制御された０から１までの範囲にある窒素割合ｘを備えたシリコンリッチ窒化珪素ＳｉＮｘ：Ｈの層を成膜するステップと、紫外線遮光層をマスク基板上に成膜するステップと、を含む。

別の態様においては、本発明は、薄膜デバイスを製造する方法に関し、基板上に複数の層を成膜するステップと、マスク基板と、パターンとしてマスク基板上に配置されたハーフトーンマスク材料からなるハーフトーン層と、パターンとしてハーフトーン層上に配置された遮光層とを有するマスクを提供するステップであり、ハーフトーン層が、０から１までの範囲にあるｘを備えたシリコンリッチ窒化珪素ＳｉＮｘ：Ｈからなる、前記マスクを提供するステップと、基板上の複数の層上にフォトレジストを成膜するステップと、フォトレジストをパターン化するために、紫外線をマスクを介してフォトレジストの層上に透過させて、フォトレジストが完全に取り除かれた完全除去領域と、第１の厚さを有する厚い領域と、ハーフトーン領域を介して露光された領域における第１の厚さよりも小さい厚さを有する薄い領域とを規定するステップと、完全除去領域に対して第１の処理ステップを実行するステップと、フォトレジストを薄くして、薄い領域のフォトレジストを除去し、しかも厚い領域のフォトレジストは除去しないステップと、薄い領域に対して第２の処理ステップを実行するステップと、を含む。

ここで、本発明をよりよく理解するために、添付の図面を参照して、単なる例として実施形態を説明する。

実施形態１

ここで、図２を参照して、ＴＦＴアレイを製造する方法を説明する。図２ａを参照すると、基板２は、窒化珪素層４、アモルファスシリコン層６、およびそのアモルファスシリコン層６上に成膜された金属層８を有する。そして、フォトレジスト層１０が基板全体に成膜される。そのような層を成膜する方法は一般的なものであり、この分野においてよく知られているものである。基板は、都合のよいものであれば、例えばガラスなど、どのような材料から製造されてもよい。

そして、ＵＶ透過マスク基板１４、基板上にあるシリコンリッチ窒化珪素ハーフトーンマスク材料からなるパターン層１６、および窒化珪素ハーフトーンマスク材料の一部分を覆うクロム遮光層１８を有する、フォトマスク１２が提供される。したがって、フォトマスク１２は３つの領域に分割される。クロム遮光層１８が存在する遮光領域２０においては、紫外線はマスクによってほぼすべて吸収される。ハーフトーンマスク材料も遮光クロム層も存在しない透明領域２２においては、紫外線はほとんど吸収されずにマスクを通過する。ハーフトーン領域２４においては、ハーフトーンマスク材料だけが存在し、クロム遮光層は存在しない。これらの領域においては、紫外線の透過率は２０％から８０％の範囲にある。

シリコンリッチ窒化珪素層１６は、６０ｎｍの厚さ、および２．３ｅＶのバンドギャップを有する。以下でより詳細に説明するように、これらのパラメータは紫外線特性に応じて変更されてもよい。

フォトマスク１２は基板に位置を合わせて配置され、予め定められた波長を有する紫外線光源３０が、フォトマスク１２を介してフォトレジスト１０に照射され、フォトレジストをパターン化する。露光の後、フォトマスク１２は取り除かれ、フォトレジスト１０が現像され、２つの異なる厚さのフォトレジストを提供する。

マスクの透明領域２２を介して露光されたフォトレジスト層１０の領域３２においては、フォトレジスト１０は、完全に取り除かれ、完全除去領域を形成する。マスクの遮光領域２０に対応しかつそれに隣接する領域３０においては、フォトレジストは、第１の厚さを備えて残されたままであり、厚い領域を形成する。ハーフトーン領域２４を介して露光されたフォトレジスト層１０の領域３４においては、フォトレジスト１０は、第１の厚さよりも小さな厚さを有するように処理されて、薄い領域３４を形成する。より詳細には、小さな厚さは、好ましくは、第１の厚さの４０％から６０％であり、より好ましくは、約５０％である。したがって、フォトレジスト１０の露光および現像は、図２（ｂ）に示されるパターンを結果としてもたらす。

複数の厚さを有するようにフォトレジストを処理できる理由は、紫外線を強力に吸収しかつ大半のフォトレジストポリマー層に使用できる溶解防止剤でもある光活性添加剤をフォトレジストが含むからである。フォトレジストの露光されない領域は、フォトレジストを全く除去することなく、フォトレジスト現像液の中に長い期間浸漬されることができる。紫外線に露光されると、光子がフォトレジストの上面において吸収される。そして、光化学反応が発生し、それが光活性添加剤を変質させ、それによって光活性添加剤はもはや溶解防止剤の役割をなさなくなる。また、光活性添加剤は漂白され、そのために紫外線は露光された層をフォトレジスト層の中までより深く通過することができる。光漂白と溶解防止剤の破壊とを組み合わせた作用は、ＵＶ露光がトップダウン処理であることを意味する。フォトレジストがほんの短い時間しか露光されず、そのために、完全な層が効果的に露光されないならば、フォトレジストの上部だけが、それに続く現像ステップにおいて除去され、フォトレジストのより薄くしかも完全な層が残される。もはや有効な溶解防止剤がまったく存在しないフォトレジスト層だけが、フォトレジスト現像溶液中において、迅速に溶解する。

したがって、フォトレジスト１０をマスク１２を介して適切な時間だけ露光し、そして現像することによって、マスクの透明領域２０の下にあるフォトレジストの完全除去領域３２が、完全に取り除かれ、マスクのハーフトーン領域２４の下にあるフォトレジストの薄い領域３４は、膜全体を露光するのに必要な光の半分しか受けず、このために、フォトレジストの厚さの約半分が、現像後にこの領域に残る。

図２（ｃ）に示されるように、次のステップは、完全除去領域３２を介して、金属層８およびアモルファスシリコン層６の両方をエッチングすることである。

次に、図２（ｄ）に示されるように、フォトレジスト１０が、酸素プラズマ中において、部分的にエッチングされる。これは、フォトレジストの薄い領域３４を除去し、さらに、厚い領域３０においては、フォトレジストの薄い層を残す。そして、この新しいフォトレジストパターンが使用され、金属層８はエッチングされるが、アモルファスシリコン層６はエッチングされない。そして、フォトレジストが除去され、図２（ｅ）に示されるパターンが得られる。

図３は、薄膜トランジスタにおけるエッチングされたソース・ドレイン金属層８およびアモルファスシリコン層６の平面図を示す。アモルファスシリコン層６は、金属のソースおよびドレインメタライゼーション８の領域の下全体に広がっていることに注意されたい。言い換えれば、上部パターンである金属層８は、完全にアモルファスシリコン層６の範囲内に存在する。

このプロセスの最も難しい側面は、制御された厚さを備え複数の高さを備えたフォトレジストを確実に実現することである。本発明によれば、ハーフトーンマスク層としてシリコンリッチ窒化珪素を使用することによって、回折パターンハーフトーンマスクに関連する問題を回避することができる。マスクの形状寸法は、パターン化されるべき形状の寸法と一致し、回折格子によるアプローチに必要とされるような小さなものでなくてもよい。これはまた、小さな形状寸法によってもたらされるマスク書き込みの際の均一性の欠如が、本発明によるアプローチを用いて得られるより大きな形状寸法によって、減少することを意味する。さらに本発明によるアプローチは、回折格子マスクによってパターン化された形状の特徴である勾配のあるフォトレジストエッジを回避し、したがって、そのような勾配のあるフォトレジストエッジに関連する形状寸法の乏しい均一性を回避する。

シリコンリッチシリコンは、シリコンリッチ窒化珪素層１６の特性を、特に紫外線光源３０によって放射される光の波長に応じて、正確に変化させることができるという更なる利点を提供する。

シリコンリッチ窒化珪素は、プラズマデポジションを用いて、マスク上に成膜されてもよく、これは、０．００１から１．４までの範囲で変化する層内における窒素の割合ｘを備えた窒化珪素ＳｉＮｘを成膜するのを可能にする。窒素の量が増加すると、材料の光バンドギャップは、１．７ｅＶから６．０ｅＶまで増加する。本発明においては、窒化珪素の吸収限界は、窒化珪素を透過する光の量を制御するように管理される。典型的には、ＵＶ処理は、水銀光のｇ輝線、ｈ輝線、およびｉ輝線を使用する。したがって、この場合、窒化珪素は、２．１ｅＶから２．５ｅＶにほぼ対応する４００ｎｍから５００ｎｍの範囲内に吸収限界を有する筈である。

図４は、成膜されたシリコンリッチ窒化珪素のバンドギャップを、プラズマデポジションプロセスにおけるアンモニア：シラン比の関数として示す。この比を変化させることによって、様々に異なるバンドギャップが得られることが分る。

図５は、厚さが６０ｎｍの窒化珪素層の場合に、光バンドギャップが変化する効果を示す。図から分るように、光透過率は、バンドギャップに大きく依存する関数である。したがって、バンドギャップを制御することによって、窒化珪素マスク層の透過率を正確に制御することは、比較的容易に解決することのできる問題となる。したがって、窒化珪素を使用することによって、正確な光透過率を得ることは、比較的簡単なことである。したがって、一般的に使用される紫外線光源３０の波長、特に水銀光のｉ輝線、ｈ輝線、およびｇ輝線に対応させるために、シリコンリッチ窒化珪素層１６は、好ましくは、２．１５ｅＶから２．３５ｅＶの範囲にあるバンドギャップを有するように製作されてもよい。

シリコンリッチ窒化珪素を使用するアプローチは、窒化珪素層の厚さがそれほど重要ではないという更なる利点を有する。図６は、２．３ｅＶの光バンドギャップを備えた様々な厚さの窒化珪素の光透過率を示す。図から明らかなように、窒化珪素層の厚さのわずかな変動は、透過率の大きな変動をもたらさない。したがって、マスクの領域全体にわたってほぼ均一な透過率を備えたマスク層を確実に得ることができる。マスク層の厚さは、例えば、４０ｎｍから１００ｎｍの範囲にあればよい。

アクティブマトリックス液晶ディスプレイの製造に使用されるマスクは大きく、そのために、本質的に、マスク材料の厚さはそれらのマスクの幅全体にわたって変動しやすいことが分る。好ましくは、マスク材料の厚さの変動は、多くとも２０％であり、より好ましくは、１０％である。

本明細書を理解することによって、当業者は、その他の変形および変更を考え出すことができる。そのような変形および変更は、マスクの設計、製作、および使用においてすでに知られている等価なその他の特徴、およびここで説明された特徴に加えて、あるいは、ここで説明された特徴の代わりに使用されてもよい等価なその他の特徴を含むかもしれない。本出願において、特許請求の範囲が、特徴の特定の組み合わせについて明確に規定されているが、本発明の範囲は、さらにあらゆる新しい特徴、またはここに明示的にまたは暗黙的に開示された特徴の新しいあらゆる組み合わせ、またはそれらを普遍化したあらゆるものを、それらが同様の技術的問題の何れかまたはすべてを本発明と同じように緩和しようがしまいが、含むことを理解すべきである。これによって本出願人は、そのようなすべての特徴およびそのような特徴のすべての組み合わせの少なくとも一方について、本発明の出願手続中に、あるいは、それらから派生するすべての更なる出願において、新しい請求項が規定されてもよいことを通知する。

例えば、上記例ではポジティブフォトレジストプロセスの使用を説明しているが、類似するアプローチをネガティブフォトレジストに使用することもできる。

さらに、プロセスがＡＭＬＣＤ構造に使用することについて説明されたが、例えば、特にフォトリソグラフィックパターンニングを含むプロセスにおいて金属層、シリコン層、プラスチック層、および誘電体層を使用するＭＥＭＳのような、その他の構造の製造に使用されてもよい。ＭＥＭＳは、薄膜デバイスに類似する形状寸法を有してもよい。

異なる深さのプラズマエッチングによる形状寸法の変化を示す図である。 図２（ａ）から図２（ｅ）は、本発明による方法における製造ステージを示す図である。 本発明に基づいて製造されたＴＦＴの上面図である。 光バンドギャップを窒素とシランとの比の関数として示す図である。 透過率を波長および光バンドギャップの関数として示す図である。 様々な厚さの窒化珪素の光透過率を示す図である。

符号の説明

２ 基板
４ 窒化珪素
６ アモルファスシリコン層
８ 金属層
１０ フォトレジスト層
１２ フォトマスク
１４ ＵＶ透過マスク基板
１６ パターン層
１８ クロム遮光層
２０ 遮光領域
２２ 透明領域
２４ ハーフトーン領域
２８ 紫外線光源

Claims (8)

1. マスクであって、
   マスク基板と、
   前記マスク基板上にパターンとして配置されたハーフトーンマスク材料からなるハーフトーン層と、
   前記ハーフトーン層上にパターンとして配置された遮光材料からなる遮光層と、を含み、
   前記ハーフトーンマスク材料が、０から１までの範囲にあるｘを備えたシリコンリッチ窒化珪素ＳｉＮｘ：Ｈである、
   マスク。
2. 請求項１記載のマスクにおいて、
   前記シリコンリッチ窒化珪素層が、０．２から０．６までの範囲にあるｘの値と、２．１ｅＶから２．５ｅＶまでの光バンドギャップとを有するマスク。
3. 請求項１または２の何れかに記載のマスクにおいて、
   前記シリコンリッチ窒化珪素層が、４０ｎｍから１００ｎｍまでの厚さを有するマスク。
4. 請求項１から３の何れかに記載のマスクの使用方法において、
   紫外線を前記マスクを介してフォトレジストの層上に透過させることによって、前記フォトレジストの層を露光して、前記フォトレジストが完全に取り除かれた完全除去領域と、第１の厚さを有する厚い領域と、前記ハーフトーン領域を介して露光された領域における前記第１の厚さよりも小さい厚さを有する薄い領域とを規定するステップを含むマスクの使用方法。
5. 予め定められた波長を有する紫外線光源とともに使用するためのマスクを製作する方法であって、
   マスク基板を提供するステップと、
   前記予め定められた波長の紫外線を部分的に吸収するための予め定められたバンドギャップを提供するように制御された０から１までの範囲にある窒素割合ｘを備えたシリコンリッチ窒化珪素ＳｉＮｘ：Ｈの層を成膜するステップと、
   紫外線遮光層を前記マスク基板上に成膜するステップと、
   を含む方法。
6. 薄膜デバイスを製造する方法であって、
   基板上に複数の層を成膜するステップと、
   マスク基板と、パターンとして前記マスク基板上に配置されたハーフトーンマスク材料からなるハーフトーン層と、パターンとして前記ハーフトーン層上に配置された遮光層とを有するマスクを提供するステップであり、前記ハーフトーン層が、０から１までの範囲にあるｘを備えたシリコンリッチ窒化珪素ＳｉＮｘ：Ｈからなる、前記マスクを提供するステップと、
   前記基板上の前記複数の層上にフォトレジストを成膜するステップと、
   紫外線を前記マスクを介して前記フォトレジストの層上に透過させて、前記フォトレジストが完全に取り除かれた完全除去領域と、第１の厚さを有する厚い領域と、前記ハーフトーン領域を介して露光された領域における前記第１の厚さよりも小さい厚さを有する薄い領域とを規定するステップと、
   前記完全除去領域に対して第１の処理ステップを実行するステップと、
   前記フォトレジストを薄くして、前記薄い領域のフォトレジストを除去し、しかも前記厚い領域のフォトレジストは除去しないステップと、
   前記薄い領域に対して第２の処理ステップを実行するステップと、
   を含む方法。
7. 請求項６記載の方法において、
   前記フォトレジストを薄くする前記ステップが、酸素プラズマエッチングによって実行される方法。
8. 請求項６または７の何れかに記載の方法において、
   前記基板上に成膜された前記複数の層が、窒化珪素層と、前記窒化珪素層上に成膜されたアモルファスシリコン層と、前記アモルファスシリコン層上に成膜された金属層とを含み、
   前記第１の処理ステップが、前記金属層および前記アモルファスシリコン層をエッチングすることを含み、
   前記第２の処理ステップが、前記金属層をエッチングすることを含む、
   方法。

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