JP5010782B2 - 多層半導体構造内または多層半導体構造上にアラインメントフィーチャーを形成する方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する分野】
本発明は、集積回路に関するものであり、特に、リソグラフィーマスクを整合するために、多層半導体構造内または多層半導体構造上にアラインメントフィーチャーを形成し、SCALPELツールと共に使用することができる方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光リソグラフィーツールは、半導体ウェーハ上のリソグラフィーマスクを整合、露光するために単光源(例えばレーザ)を利用する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、リソグラフィー、整合マークを利用した一般的な半導体ウェーハ処理は、電子ビームリソグラフィー露光ツール内において電子ビームで検査した際に、後方散乱性の高い電子コントラストを生成しない。そのため、SCALPEL(電子ビーム投影リソグラフィーにおける角度制限付きの散乱)を備える電子ビームを使った一般的なフォトリソグラフィー整合マークの検出を行うことは、不可能である。整合マークは、ウェーハ上またはウェーハ内に画定された後にのみ、電子によって検出可能であり、また、ウェーハ上のマスクフィーチャーを露光するためにSCALPELツールを使用することができる。従って、SCALPELツールは、リソグラフィーマスクを整合するために電子ビーム源を使用し、ウェーハ上のマスクを露光するために電子ビーム源を使用する。
従って、当業界では、半導体ウェーハ上のリソグラフィーマスクの整合および露光の両方に電子ビーム源を使用する方法および構造が必要とされてきた。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明は、リソグラフィーマスクを整合するために用いられ、電子ビーム投影リソグラフィーにおける角度制限付きの散乱(SCALPEL)ツールおよび処理と共に使用可能な、多層半導体構造内またはその上にアラインメントフィーチャーを形成する方法に関する。本発明は、サブミクロンCMOS技術装置および回路に特に適しているが、これに限定されるものではない。本発明では、半導体ウェーハ上のリソグラフィーマスクの整合および露光の両方に、電子ビーム源を使用することができ、有益である。本発明はさらに、半導体装置製造工程の初期段階(つまり、ゼロレベル)で、アラインメントフィーチャーを形成することができるため、有益である。
【0005】
SCALPELツールは、とりわけリソグラフィーマスクの整合とレジストレーションにアラインメントフィーチャーを使用する。リソグラフィーマスクを整合し、半導体構造上のマスクフィーチャー、つまり、例えば、構造上の電子ビームに反応するレジストを露光するために、同じ電子光構成(すなわち電子光エネルギー源)を使用することにより、多層半導体構造の製造中に生じる未処理の誤差を最小限にすることができる。
【0006】
リソグラフィーマスクを構造に整合するために、半導体構造(すなわちウェーハ)上にアラインメントフィーチャーまたは整合マークが製造される。リソグラフィーマスクは、露光およびエッチングされる複数のフィーチャーを半導体構造に画定する。本発明では、SCALPELツールによって、リソグラフィーマスクの整合と、マスクによって画定されたフィーチャーの露光との両方に100kVの電子ビーム源を使用することができる。原子番号が比較的大きな材料の半導体構造にアラインメントフィーチャーを形成することにより、アラインメントフィーチャーの位置を決定するためにSCALPELツールによって検出可能な電子を後方散乱する材料が提供される。さらに本発明では、アラインメントフィーチャーが二酸化シリコンで形成され、半導体構造の層に画定されるSCALPELツール内において、単一エネルギー源の使用を提供する。この場合、二酸化シリコンアラインメントフィーチャーと、その他の半導体層とによって反射された電子量の微小な差を検出できるように、SCALPELツールの検出感度は原子番号が大きな材料のものよりも高くなくてはならず、また、マークトポグラフィーは十分な後方散乱電子コントラストを引き起こさなければならない。
【0007】
さらに本発明は、一般に、半導体構造内または半導体構造上に形成されたアラインメントフィーチャーを用いてリソグラフィーマスクを半導体構造上に整合する方法と、半導体構造を製造する他の任意の材料よりも多量の電子を後方散乱する材料とに適用される。アラインメントフィーチャーの位置を決定するために、構造において電子ビームが誘導され、また、アラインメントフィーチャーによって後方散乱された電子が検出される。次に、事前に検出したアラインメントフィーチャーを用いて、露光のためにリソグラフィーマスクが整合される。
【0008】
本発明は、シリコン基板を備えた多層半導体構造を形成する方法であって、シリコン基板内のシリコン以外の材料のアラインメントフィーチャーを形成し、アラインメントフィーチャーと、電子ビームをシリコン基板へ導くための電子ビーム源を備えたSCALPELとを用いてリソグラフィーマスクを整合する方法に関する。アラインメントフィーチャーは、シリコン基板よりも多量の電子を電子ビーム源へ向けて後方散乱する。
【0009】
さらに本発明は、シリコン層、二酸化シリコン層、ポリシリコン層から成る多層半導体構造を形成する方法であって、半導体構造のポリシリコン層上のアラインメントフィーチャーを形成し、また、電子ビームをポリシリコン層へ誘導するための電子ビーム源を備えたSCALPELツールとアラインメントフィーチャーとを用いて、リソグラフィーマスクを整合する方法に関する。アラインメントフィーチャーは、ポリシリコン層よりも多量の電子を電子ビーム源へ向けて(電子ビームに反応する検出器へ向けて)後方散乱する。
【0010】
本発明は、シリコン層と二酸化シリコン層から成る多層半導体構造を形成する方法であって、二酸化シリコン内へのアラインメントフィーチャーを形成し、また、電子ビームをシリコン基板へ誘導するための電子ビーム源を備えたSCALPELツールとアラインメントフィーチャーとを用いて、リソグラフィーマスクを整合する方法に関する。アラインメントフィーチャーは、ポリシリコン層よりも多い量の電子を電子ビーム源へ向けて後方散乱する。
【0011】
さらに本発明は、本発明の様々な実施形態によって構成された半導体構造に関する。
【0012】
本発明の他の目的と特徴は、添付の図面と共に、以下の詳細な説明を考慮することによって明らかになる。しかしながら、図面は縮尺通りではなく、例証目的のためのみに設計されており、本発明の制限を定義するものではないことを理解されたい。本発明の制限は付属の請求項によってなされる。
【0013】
次に、図面を詳しく参照して本発明の好適な実施形態を説明する。まず図8を参照すると、SCALPELプルーフ・オブ・コンセプト(SPOC)またはSCALPELプルーフ・オブ・リソグラフィー(SPOL)露光ツール100が示されている。このような露光ツール100は当業者には既知のものであり、その構成と動作の詳細な説明は本発明には必要ないと思われる。従って、以下の説明は、例証的な露光ツール100の部分の説明的、非限定的な例として提供される。図8に示した露光ツール100は、好ましくは約100kVビームである電子ビーム112を生成し、様々な構成部品(例えば、マスク、レンズ、開口等)を介してビームを半導体構造10へと誘導する、電子ビーム源110を備えている。電子ビーム112は、まず、複数の支柱144によって支持された薄膜142を備えたマスク140を介して誘導される。セグメント146内では、マスク140に電子ビーム112が照射される。このセグメント146は、半導体構造またはウェーハ10内にエッチングされる、例えばアラインメントフィーチャー60のようなパターンを含んでいてよく、また、セグメント146は、散乱層148にエッチングされている。マスク140を通過した電子ビーム150は、薄膜142と(パターンを内含している)散乱層148によって散乱されている。散乱された電子ビーム150の光線は、第1レンズ160によって、収束した光線152内に収束され、次に、十分なアクセプタンス156を画定する開口154を介して誘導される。開口154は、フィルタリングした光線158が散乱層148を通過しなかった光線だけを含むように、収束した光線152をフィルタリングする。フィルタリングした光線158を第2レンズ170が、散乱層148(例えば、アラインメントフィーチャー60)によって画定されたパターンを示すコントラストを内含する画像光線162内に収束し、収束した光線152をウェーハ10の表面上に誘導する。収束した光線152によってウェーハ10上に伝搬されるパターンを走査するために偏向器164、166が設けられ、また、後方散乱した電子を検出するために電子ビーム感度検出器168が設けられる。アラインメントの目的で、マスクマークの画像とウェーハマークの間の関係を決定するために、検出器168から導出された信号を従来の検出回路およびシステムを用いて分析することができる。アラインメントフィーチャー60を識別および見つける(locate)ため、また、リソグラフィーマスク140のアラインメントを容易にするために、検出器168が後方散乱した電子を検出する。
【0014】
本明細書で用いられる半導体構造とウェーハという用語は、互換的に使用され、単層の半導体材料(例えば、シリコン基板、GaAs、InP、その他のグループIIIおよびグループV化合物、絶縁体基板上のシリコン(SiGex等))を備えた装置と、単層以上の半導体材料を備えた装置とを指す。
【0015】
本発明の様々な実施形態によれば、図9に示すアラインメントフィーチャー60は、多層半導体構造10(すなわちウェーハ)内、またはその上に画定され、また、半導体基板を形成する材料(例えばシリコン)とは異なる材料、好ましくは、半導体材料(例えばシリコン)の原子番号と比べて比較的大きな原子番号を持つ材料で形成されてもよい。従って、アラインメントフィーチャー60は、半導体基板20よりも多くの電子を後方散乱する。アラインメントフィーチャー60と半導体基板20の間の約5%またはそれ以上のコントラストは、この2つを区別するのに十分である。このように、アラインメントフィーチャー60を見つけ、リソグラフィーマスク140を整合し、集積回路14の製造中に半導体構造10上のレジスト(つまり、電子ビームレジスト)内でマスク140によって画定されたフィーチャーを露光するために、電子ビーム源110を使用することができる。例証的なアラインメントフィーチャー材料には、SiO2、W、WSi、Ta、TaSi、Ti、WSiN、TaN、WN、TiN、Co、CoSix、TiSixを含むが、これらに限定されることはない。
【0016】
次に図1〜3を参照すると、溝を備えた半導体基板20の一部が断面図で示され、そこに浅い溝22が形成されている。基板用の例証的半導体材料にはシリコン(Si)、ガリウム・ヒ化物(GaAs)、リン化インジウム(InP)、その他のグループIIIおよびグループV化合物、絶縁体基板上のシリコン(例えばSiGex)が含まれるが、これらに限定されるものではない。溝22は、従来の半導体処理技術を用いて約0.1〜1.0マイクロメートルの深さで形成またはエッチングすることができる。化学蒸着法(CVD)技術、熱成長、またはその他の既知の材料付着方法および技術を用いて、溝22が実質的に満たされるまで、溝22内に二酸化シリコン30を付着させる。これに続いて、例えば化学機械研磨処理を基板20および二酸化シリコン材料30上に施し、実質的に滑らかで平坦な頂部表面24を形成することができる。ある実施形態では、二酸化シリコン30がアラインメントフィーチャー60を形成する。本発明に関連して使用されるSCALPEL露光ツール100は、基板20からの電子後方散乱の量と二酸化シリコン30からの電子後方散乱の量を区別できるものでなくてはならない。製造工程のこの段階で半導体基板またはウェーハ10上に施したオペレーションは、一般にゼロレベルオペレーションと呼ばれる。ゼロレベルオペレーションとしてアラインメントフィーチャー60を形成することで、ウェーハ10製造工程の早い段階でSCALPEL処理およびツールの使用が許容され、その結果、同処理を用いて半導体構造またはウェーハ10内で次に形成されるフィーチャーと構造の正確性が増し、これにより集積回路14が形成される。
【0017】
図3に示す別の実施形態では、約25Å〜8000Åの二酸化シリコン30の部分がエッチングによって除去され、これによって、例えば別の溝が画定され、この溝が、シリコンの原子番号よりも大きな原子番号を持った材料50で実質的に充填され、(二酸化シリコン30の)基板20にアラインメントフィーチャー60が形成される。
【0018】
次に図4、図5を参照すると、半導体構造10は、半導体基板20と、この上に近接して付着された二酸化シリコン層30とを備えている。二酸化シリコン層30内にフィールド酸化領域34とゲート酸化領域36が画定される。従来の技術を用いて、二酸化シリコン層30のフィールド酸化領域34上に、少なくとも部分的に露光ツール100の検出器168の感度によって異なる約100Å〜10,000Åの深さの浅い溝32が形成される。次に、この浅い溝32内部に、基板の材料である半導体材料の原子番号よりも大きな原子番号を持つ材料50が付着され、二酸化シリコン層30のフィールド酸化領域34上の領域にアラインメントフィーチャー60が形成される。
【0019】
また、図6、図7に示す本発明の別の実施形態では、多層半導体構造10は、半導体基板20、半導体基板20上にこれと近接して付着された二酸化シリコン層30、二酸化層30上にこれと近接して付着されたポリシリコン層40を備えている。フィールド酸化領域34とゲート酸化領域36は、二酸化シリコン層30内で個別に画定されている。基板材料の原子番号よりも大きな原子番号を持つ材料の層が、ブランケット方法でポリシリコン層40上に付着される。材料50の厚みを変更するために、従来の技術と方法を用いて原子番号が比較的大きな材料50のいくつかが除去され、これにより、アラインメントフィーチャー60が画定される。除去する材料の量は、部分的に、SCALPELツール100の感度(特に、SCALPELツール100が備える検出器の感度)と、ツール100の、原子番号が比較的大きな異なる厚さの材料50によって電子後方散乱した量の差の検出能力とに依存する。図7に示すように、材料50の下にあるポリシリコン層40を露光するために、十分な材料50を除去することができるが、本発明ではこれよりも少ない量の材料50を除去することもできる。すなわち、材料50から少量のみを除去して、戻り止め(又は突起部)(図示せず)を形成してもよい。材料50をいくらか除去することにより、原子番号が比較的大きな材料の残存部分にアラインメントフィーチャー60が画定される。SCALPELツール100は、電子ビーム112が原子番号が比較的大きな材料50とポリシリコン層40(異なる厚さを持つ1枚の材料50の各部分上)を交互に通過させられた際の後方散乱の差を検出する。アラインメントフィーチャー60は設計上の選択の1つのルーチンとして、フィールド酸化領域34上、ゲート酸化領域36上、またはこの両方に画定することができる。
【0020】
従って、本発明を、その好適な実施形態に適合させて図示および説明し、また本発明の基本的な新規特徴を指摘してきたが、当業者は、本発明の精神から逸脱しない範囲で、開示された発明の詳細な形式における様々な省略、交換、変更を行えることが理解されるであろう。従って、本発明は付属のクレームの範囲の記述によってのみ限定されるものとする。
【0021】
【発明の効果】
半導体ウェーハ上のリソグラフィーマスクの整合と露光の両方に電子ビーム源を使用することができ、半導体装置製造工程の早い段階(つまり、ゼロレベル)においてアラインメントフィーチャーを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】アラインメントフィーチャーを備え、本発明に従って製造された半導体構造のシリコン基板の側部断面図である。
【図2】アラインメントフィーチャーを備え、本発明に従って製造された半導体構造のシリコン基板の側部断面図である。
【図3】アラインメントフィーチャーを備え、本発明に従って製造された半導体構造のシリコン基板の側部断面図である。
【図4】比較的大きな原子番号を持つ材料から成る二酸化シリコン層内に形成されたアラインメントフィーチャーを備え、本発明に従って製造された半導体構造のシリコン層および二酸化シリコン層の側部断面図である。
【図5】比較的大きな原子番号を持つ材料から成る二酸化シリコン層内に形成されたアラインメントフィーチャーを備え、本発明に従って製造された半導体構造のシリコン層および二酸化シリコン層の側部断面図である。
【図6】比較的大きな原子番号を持つ材料からポリシリコン層上に形成されたアラインメントフィーチャーを備え、本発明に従って製造された半導体構造のシリコン層、二酸化シリコン層、ポリシリコン層の側部断面図である。
【図7】比較的大きな原子番号を持つ材料からポリシリコン層上に形成されたアラインメントフィーチャーを備え、本発明に従って製造された半導体構造のシリコン層、二酸化シリコン層、ポリシリコン層の側部断面図である。
【図8】SCALPEL開口を備えたSCALPEL露光ツールの略線図である。
【図9】本発明に従って、上部または内部に複数のアラインメントフィーチャーを備えた半導体構造の正面図である。
【符号の説明】
10 半導体構造
20 半導体基板
22 浅い溝
24 頂部表面
30 二酸化シリコン
32 浅い溝
34 フィールド酸化領域
36 ゲート酸化領域
40 ポリシリコン層
50 材料
60 アラインメントフィーチャー
100 SCALPELツール
110 電子ビーム源
112 電子ビーム
140 マスク
142 薄膜
144 支柱
146 セグメント
148 散乱層
150 電子ビーム
152 収束した光線
154 開口
156 アクセプタンス
158 フィルタリングした光線
160 第1レンズ
162 画像光線
164、166 偏向器
168 電子ビーム感度検出器
170 第2レンズ
Claims (17)
- 半導体材料の層、二酸化シリコンの層、およびポリシリコンの層から成る多層半導体構造を形成する方法であって、
(a)前記半導体構造のポリシリコン層上にアラインメントフィーチャーを形成する工程と、
(b)電子ビームを前記ポリシリコン層へと誘導するための電子ビーム源を使用して、前記工程(a)で形成された前記アラインメントフィーチャーを用いたリソグラフィーマスクを整合する工程であって、前記アラインメントフィーチャーが、前記ポリシリコン層よりも多量の電子を前記電子ビーム源に向かって後方散乱するような工程とを含む方法。 - 前記工程(a)が、
原子番号が比較的大きな材料を、前記半導体構造の前記ポリシリコン層上に付着させる工程、および
前記原子番号が比較的大きな材料のいくらかを、その厚さを変更するために選択的に除去し、これにより、前記原子番号が比較的大きな材料においてアラインメントフィーチャーを画定する工程を含む、請求項1に記載の方法。 - 前記除去する工程が、前記ポリシリコン層を露光させるために、前記原子番号が比較的大きな材料の部分を選択的に除去し、これにより、除去されなかった前記原子番号が比較的大きな材料の少なくとも一部においてアラインメントフィーチャーを画定する工程を含む、請求項2に記載の方法。
- 前記付着する工程が、W、WSi、Ta、TaSi、Ti、WSiN、TaN、WN、TiN、Co、CoSix、TiSixから成る材料群から選択した材料を付着させる工程を含む、請求項2に記載の方法。
- 前記半導体構造にはフィールド酸化領域が画定されており、前記除去する工程が、前記フィールド酸化領域の上にある、前記原子番号が比較的大きな材料のいくらかを選択的に除去する工程を含む、請求項2に記載の方法。
- 前記半導体構造にはゲート酸化領域が画定されており、前記除去段階は、前記ゲート酸化領域の上にある、前記原子番号が比較的大きな材料のいくらかを選択的に除去する、請求項2に記載の方法。
- 半導体材料の層と二酸化シリコンの層から成る多層半導体構造を形成する方法であって、
(a)前記二酸化シリコンに浅い溝を形成し、前記浅い溝内に、原子番号が比較的大きな材料を付着することにより、前記二酸化シリコンにアラインメントフィーチャーを形成する工程と、前記原子番号が比較的大きな材料は、前記二酸化シリコンに形成された浅い溝以外の前記二酸化シリコン上に付着されず、
(b)電子ビームを前記二酸化シリコン層へと誘導するための電子ビーム源を使用して、前記工程(a)で形成された前記アラインメントフィーチャーを用いたリソグラフィーマスクを整合する工程であって、前記アラインメントフィーチャーは、前記二酸化シリコン層よりも多量の電子を前記電子ビーム源に向かって後方散乱するような工程とを含む方法。 - 前記形成する工程が、約100Å〜10,000Åの深さを有する溝を前記二酸化シリコンに形成する工程を含む、請求項7に記載の方法。
- 前記付着する工程が、W、WSi、Ta、TaSi、Ti、WSiN、TaN、WN、TiN、Co、CoSix、TiSixから成る材料群から選択した材料を付着させる工程を含む、請求項7に記載の方法。
- リソグラフィーマスクを整合する方法であって、
(a)半導体構造内または半導体構造上にアラインメントフィーチャーを形成する工程であって、前記アラインメントフィーチャーが電子後方散乱特徴を有するため、電子ビームのある場所では、前記アラインメントフィーチャーが前記半導体構造よりも多量の電子を後方散乱するような工程と、
(b)前記半導体構造において電子ビームを誘導する工程と、
(c)前記アラインメントフィーチャーから後方散乱した電子を検出することにより、前記アラインメントフィーチャーの場所を決定する工程と、
(d)前記段階(c)で決定された位置に基づいて、前記アラインメントフィーチャーを用いてリソグラフィーマスクを整合する工程とを含み、
前記半導体構造が半導体材料の層を有し、前記工程(a)が、
前記半導体基板に浅い溝を形成する工程、
前記浅い溝内に二酸化シリコンを付着させる工程、
前記浅い溝内に付着した二酸化シリコンの一部を除去することにより、前記二酸化シリコン内に浅い溝を形成する工程、
原子番号が比較的大きな材料を、前記二酸化シリコン内に形成された前記浅い溝内に付着させる工程を含む方法。 - リソグラフィーマスクを整合する方法であって、
(a)半導体構造内または半導体構造上にアラインメントフィーチャーを形成する工程であって、前記アラインメントフィーチャーが電子後方散乱特徴を有するため、電子ビームのある場所では、前記アラインメントフィーチャーが前記半導体構造よりも多量の電子を後方散乱するような工程と、
(b)前記半導体構造において電子ビームを誘導する工程と、
(c)前記アラインメントフィーチャーから後方散乱した電子を検出することにより、前記アラインメントフィーチャーの場所を決定する工程と、
(d)前記段階(c)で決定された位置に基づいて、前記アラインメントフィーチャーを用いてリソグラフィーマスクを整合する工程とを含み、
前記半導体構造が半導体材料の層、二酸化シリコンの層を有し、前記工程(a)が、
原子番号が比較的大きな材料を、前記半導体構造の前記ポリシリコン層上に付着させる工程、および
前記原子番号が比較的大きな材料のいくらかを、その厚さを変更するために選択的に除去し、これにより、前記原子番号が比較的大きな材料においてアラインメントフィーチャーを画定する工程を含む方法。 - リソグラフィーマスクを整合する方法であって、
(a)半導体構造内または半導体構造上にアラインメントフィーチャーを形成する工程であって、前記アラインメントフィーチャーが電子後方散乱特徴を有するため、電子ビームのある場所では、前記アラインメントフィーチャーが前記半導体構造よりも多量の電子を後方散乱するような工程と、
(b)前記半導体構造において電子ビームを誘導する工程と、
(c)前記アラインメントフィーチャーから後方散乱した電子を検出することにより、前記アラインメントフィーチャーの場所を決定する工程と、
(d) 前記段階(c)で決定された位置に基づいて、前記アラインメントフィーチャーを用いてリソグラフィーマスクを整合する工程とを含み、
前記半導体構造が半導体材料の層と二酸化シリコンの層を有し、前記工程(a)が、
前記二酸化シリコンに浅い溝を形成する工程、および
前記浅い溝内に、原子番号が比較的大きな材料を付着させる工程を含み、
前記原子番号が比較的大きな材料は、前記二酸化シリコンに形成された浅い溝以外の前記二酸化シリコン上に付着さない方法。 - 請求項1の方法によって製造された半導体構造。
- 請求項7の方法によって製造された半導体構造。
- 請求項10の方法によって製造された半導体構造。
- 請求項11の方法によって製造された半導体構造。
- 請求項12の方法によって製造された半導体構造。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/456224 | 1999-12-07 | ||
| US09/456,224 US6576529B1 (en) | 1999-12-07 | 1999-12-07 | Method of forming an alignment feature in or on a multilayered semiconductor structure |
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