JP5332246B2 - イオン注入用ステンシルマスクの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体デバイス製造工程中のイオン注入工程において用いるイオン注入用ステンシルマスクの製造方法に関する。

半導体デバイス製造工程においては、単結晶シリコン基板にボロンやリン等の不純物元素をドープする工程が含まれている。この不純物元素をドープする方法としては、主に熱拡散法とイオン注入法があるが、熱拡散法では抵抗のばらつき等の問題があるため、最近は熱拡散法よりも高精度で不純物元素のドープ量を制御できるイオン注入法が用いられている。

従来のイオン注入法は、フォトリソグラフィー法により、基板におけるパターン領域外のイオン注入が不要な領域をレジストでマスキングし、パターン領域のみにイオン注入する方法である。この方法においては、レジストの塗布、パターン露光、現像といったリソグラフィー工程や、イオン注入工程後に不要となったレジストの除去工程、さらには基板洗浄工程等の多くの工程が含まれるため、工程時間が長くなるという問題があった。また、工程毎に装置が必要となるため、装置占有面積が大きいという問題もあった。

上記の問題を解決するため、近年、イオン注入用ステンシルマスクを用いたイオン注入技術の開発が行われている。この技術は、イオン注入用ステンシルマスク上にイオンを照射し、貫通孔パターンの形状と同じ形状で透過するイオンビームを、単結晶シリコン基板に入射させることによりイオンを基板に注入する方法である。

従来のイオン注入用ステンシルマスクの例を図３に示す。ステンシルマスク３７は、図３(a)に示すＳＯＩ（Silicon-On-Insulator ）ウエハ３４を用いて作製される。このＳＯＩウエハ３４は、単結晶シリコンからなる支持層３１、シリコン酸化膜からなるエッチングストッパー層３２、及び単結晶シリコンからなる薄膜層３３の３層を有する。従来のイオン注入用ステンシルマスク３７は、図３(a)のＳＯＩウエハ３４を加工することにより、図３(b)に示すように、裏面に開口部３５及び単層自立膜となった薄膜層３３（以下、メンブレンと記す）に貫通孔３６を有する構造である。

しかしながら、上記のような３層からなるＳＯＩウエハ３４を用いて作製されたイオン注入用ステンシルマスク３７を用いてイオン注入を行う場合には、イオンビームのメンブレン３３への衝突による発熱のためにメンブレン３３が膨張して撓むという問題がある。メンブレン３３が撓むと、イオン注入すべきパターン領域の位置精度が大幅に悪化する。このように、イオン注入用ステンシルマスクにおいては、メンブレンの耐熱性や膨張収縮の繰り返しに対する耐久性の向上が課題となっている。

メンブレンにおける耐熱性や耐久性の向上のための対策としては、例えば、メンブレンの片側または両側にイオン吸収層を設ける構造が提案されている（特許文献１参照）。この方法は効果はあるものの、メンブレンを形成した後にスパッタ等によりメンブレンにイオン吸収層を成膜する必要があり、イオン吸収層の応力や膜厚を精密に制御する必要がある。また、メンブレン上の貫通孔パターンの開口側壁にも成膜される結果、パターンの寸法が変化してしまうことがある。さらに、イオン吸収層の応力は経時変化するため、初期応力がゼロ以上であったとしても次第に圧縮応力となり、イオン吸収層を成膜したメンブレンを撓ませてしまう可能性もある。
特開２００４−１５８５２７号公報

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、イオン注入用ステンシルマスクを用いたイオン注入工程において、イオンビームのメンブレンへの衝突による発熱に起因してメンブレンが撓むというイオン注入用ステンシルマスクの欠点を改善し、優れた耐熱性や耐久性を具備することでイオン注入の位置精度を向上させたイオン注入用ステンシルマスクの製造方法を提供することを課題とする。

本発明のイオン注入用ステンシルマスクの製造方法は、少なくとも支持層上にエッチングストッパー層を形成する工程と、前記エッチングストッパー層上に第１の薄膜層を形成する工程と、前記第１の薄膜層上に第２の薄膜層を形成する工程と、前記第２の薄膜層上に第３の薄膜層を形成する工程と、前記支持層に開口部を形成する工程と、前記第１の薄膜層に第１のイオン注入用貫通孔パターンを形成する工程と、前記第３の薄膜層に第３のイオン注入用貫通孔パターンを形成した後に第３の薄膜層をエッチングマスクとして前記第２の薄膜層に第２のイオン注入用貫通孔パターンを形成する工程と、を含むことを特徴とする。

また、前記第１の薄膜層に前記第１のイオン注入用貫通孔パターンとともに表裏重ね合わせ用マークを形成し、前記第３の薄膜層に前記表裏重ね合わせ用マークを用いて位置合わせ用マークを形成し、前記第３の薄膜層に前記位置合わせ用マークを用いて前記第３のイオン注入用貫通孔パターンを形成する、ことを特徴とする。

また、前記支持層が単結晶シリコンであり、前記第１の薄膜層が単結晶シリコンであり、前記第２の薄膜層がダイヤモンドであり、前記第３の薄膜層が多結晶シリコンであることを特徴とする。

また、前記支持層が単結晶シリコンであり、前記第１の薄膜層が単結晶シリコンであり、前記第２の薄膜層が銅であり、前記第３の薄膜層が多結晶シリコンであることを特徴とする。

本発明のイオン注入用ステンシルマスクの製造方法によれば、メンブレンが第１の薄膜層、第２の薄膜層、及び第３の薄膜層の３層からなるイオン注入用ステンシルマスクを得ることができる。かかるメンブレンの熱容量は、３層からなるＳＯＩウエハを用いて作製される従来のイオン注入用ステンシルマスクのメンブレンの熱容量よりも大きい。このため、イオンビームのメンブレンへの衝突による発熱に起因したメンブレンの撓みという欠点を大幅に改善でき、耐熱性や耐久性を有するイオン注入用ステンシルマスクを提供することができる。また、本発明のイオン注入用ステンシルマスクを用いることにより、位置精度の良いイオン注入が可能となる。その結果、半導体デバイス等の製造を高い歩留まりで行うことができる。

以下、本発明の実施形態に係るイオン注入用ステンシルマスクの製造方法について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１及び図２は、本実施形態のイオン注入用ステンシルマスクの製造方法の一例を示す図である。

まず、図１(a)において、支持層１１の上にエッチングストッパー層１２、前記エッチングストッパー層１２の上に第１の薄膜層１３、前記第１の薄膜層１３の上に第２の薄膜層１４、前記第２の薄膜層１４の上に第３の薄膜層１５が設けられた基板１６を準備する。

ここで、ＳＯＩウエハを用いて作製される従来のイオン注入用ステンシルマスクにおける加工技術をそのまま用いるために、支持層１１としては単結晶シリコンを、エッチングストッパー層１２としてはシリコン酸化膜を、また第１の薄膜層１３としては単結晶シリコンを好適に用いることができる。なお、第１の薄膜層１３を組成する材料として単結晶シリコンを選択した場合には、当該第１の薄膜層１３にはボロンやリン等の不純物が含まれていてもかまわない。

また、ＳＯＩウエハを用いて作製される従来のイオン注入用ステンシルマスクにおいては、メンブレンは単結晶シリコンから構成される。この単結晶シリコンからなるメンブレンにイオン注入用貫通孔パターンを形成する従来の技術をそのまま用いるために、上記の第３の薄膜層１５を構成する材料としては、例えばシリコンが望ましい。特に単結晶シリコンを用いることが望ましいが、第２の薄膜層１４の上面に単結晶シリコンを形成することが困難な場合には、多結晶シリコンを好適に用いることができる。

また、第２の薄膜層１４を構成する材料としては、メンブレンの熱撓み低減のために、熱伝導率が高い材料を用いることが望ましい。さらに、第２の薄膜層１４に第２のイオン注入用貫通孔パターン１１６を形成する工程は第３の薄膜層１５をエッチングマスクとして行うため、第３の薄膜層１５に対してエッチング選択性が高い材料を用いることが望ましい。例えば第３の薄膜層１５としてシリコンを用いる場合には、第２の薄膜層１４を構成する材料としてダイヤモンドや銅などを好適に用いることができる。

次に、支持層１１の下面にフォトレジスト等をスピンナー等で塗布して感光層（図示せず）を形成し、この感光層にパターン露光、現像等のパターニング処理を行って、同図(b)に示すように、エッチングマスク１７を形成する。

次に、同図(c)に示すように、エッチングマスク１７を用いてドライエッチングやウエットエッチングにより、支持層１１及びエッチングストッパー層１２をエッチングして除去し、開口部１８を形成する。なお、支持層１１をエッチングする際にはエッチングストッパー層１２が、またエッチングストッパー層１２をエッチングする際には第１の薄膜層１３がエッチングストッパーとして用いられる。さらに、不要となったエッチングマスク１７を酸素プラズマアッシング等により除去する。

次に、同図(d)に示すように、上記の方法で形成した開口部１８に臨む第１の薄膜層１３の下面に電子線レジストをスプレーコーター等で塗布して感光層（図示せず）を形成し、この感光層に電子ビーム描画、現像等のパターニング処理を行って、エッチングマスク１９を形成する。

次に、同図(e)に示すように、エッチングマスク１９を用いてドライエッチング等により、第１の薄膜層１３をエッチングし、酸素プラズマアッシング等によりエッチングマスク１９を除去し、表裏重ね合わせ用マーク１１０及び第１のイオン注入用貫通孔パターン１１１を形成する。

次に、図２(a)に示すように、第３の薄膜層１５の上面にフォトレジストをスピンナー
等で塗布して感光層（図示せず）を形成する。

次に、同図(d)に示すように、エッチングマスク１１４を用いてドライエッチング等により第３の薄膜層１５をエッチングし、酸素プラズマアッシング等によりエッチングマスク１１４を除去し、第３のイオン注入用貫通孔パターン１１５を形成する。

次に、同図(e)に示すように、第３の薄膜層１５をエッチングマスクにしてドライエッチング等により第２の薄膜層１４のエッチングを行い、第２の薄膜層１４に第２のイオン注入用貫通孔パターン１１６を形成する。これにより、メンブレンが第１の薄膜層１３、第２の薄膜層１４、及び第３の薄膜層１５の３層からなるイオン注入用ステンシルマスク１１７を得る。

なお、上記においては支持層１１及び第１の薄膜層１３を加工した後に第３の薄膜層１５及び第２の薄膜層１４を加工する製造方法について記載したが、逆に第３の薄膜層１５及び第２の薄膜層１４を加工した後に支持層１１及び第１の薄膜層１３を加工する製造方法も適用可能である。

以下の実施例により、本実施形態のイオン注入用ステンシルマスクの製造方法を具体的例に説明する。

まず、図１(a)において、５００μm厚の単結晶シリコンからなる１００ｍｍΦの支持層１１の上に１．０μm厚のシリコン酸化膜からなるエッチングストッパー層１２、前記エッチングストッパー層１２の上に５μm厚の単結晶シリコンからなる第１の薄膜層１３、前記第１の薄膜層１３の上にＣＶＤ法により１０μm厚のダイヤモンドからなる第２の薄膜層１４、前記第２の薄膜層１４の上にスパッタ法により５μm厚の多結晶シリコンからなる第３の薄膜層１５、が設けられた基板１６を準備した。

次に、同図(b)に示すように、支持層１１の下面にフォトレジストをスピンナーで塗布して２０μm厚の感光層（図示せず）を形成し、この感光層にパターン露光、現像等のパターニング処理を行って、エッチングマスク１７を形成した。

次に、同図(c)に示すように、エッチングマスク１７を用いてフロロカーボン系の混合ガスプラズマを用いたドライエッチングにより開口部の支持層１１を除去した。その後フッ化水素酸溶液に浸漬することによりエッチングストッパー層１２を除去し、開口部１８を形成した。さらに、不要となったエッチングマスク１７を酸素プラズマアッシングにより除去した。

次に、同図(d)に示すように、上記の方法で形成した開口部１８に臨む第１の薄膜層１３の下面に電子線レジストをスプレーコーターで塗布して１．０μｍ厚の感光層（図示せず）を形成し、この感光層に電子ビーム描画、現像等のパターニング処理を行って、エッチングマスク１９を形成した。

次に、同図(e)に示すように、エッチングマスク１９を用いてフロロカーボン系の混合ガスプラズマを用いたドライエッチングにより、第１の薄膜層１３をエッチングし、酸素プラズマアッシングによりエッチングマスク１９を除去し、表裏重ね合わせ用マーク１１０及び第１のイオン注入用貫通孔パターン１１１を形成した。

次に、図２(a)に示すように、第３の薄膜層１５の上面にフォトレジストをスピンナーで塗布して１．０μm厚の感光層（図示せず）を形成し、第１の薄膜層１３に形成した表裏重ね合わせ用マーク１１０を用いて第３の薄膜層１５の所望の位置に位置合わせ用マーク１１３を形成するためのパターン露光を行った。その後現像を行い、エッチングマスク１１２を形成した。

次に、同図(b)に示すように、エッチングマスク１１２を用いてフロロカーボン系の混合ガスプラズマを用いたドライエッチングにより第３の薄膜層１５をエッチングし、酸素プラズマアッシングによりエッチングマスク１１２を除去し、位置合わせ用マーク１１３を形成した。

次に、同図(c)に示すように、第３の薄膜層１５の上面に電子線レジストをスピンナーで塗布して１．０μm厚の感光層（図示せず）を形成し、第３の薄膜層１５に形成した位置合わせ用マーク１１３を用いて、第１の薄膜層１３に形成した第１のイオン注入用貫通孔パターン１１１に対応する第３のイオン注入用貫通孔パターン１１５を第３の薄膜層１５に形成するための電子ビーム描画を行った。その後現像を行い、エッチングマスク１１４を形成した。

次に、同図(d)に示すように、エッチングマスク１１４を用いてフロロカーボン系の混合ガスプラズマを用いたドライエッチングにより第３の薄膜層１５をエッチングし、酸素プラズマアッシングによりエッチングマスク１１４を除去し、第３のイオン注入用貫通孔パターン１１５を形成した。

次に、同図(e)に示すように、第３の薄膜層１５をエッチングマスクにして酸素を含む混合ガスプラズマを用いたドライエッチングにより第２の薄膜層１４のエッチングを行い、第２の薄膜層１４に第２のイオン注入用貫通孔パターン１１６を形成した。これにより、メンブレンが第１の薄膜層１３、第２の薄膜層１４、及び第３の薄膜層１５の３層からなるイオン注入用ステンシルマスク１１７を得た。

以上の方法により作製したイオン注入用ステンシルマスク１１７を用いて、入熱量５０Ｗ、注入時間０．５ｓｅｃの条件でイオン注入を行ったところ、イオン注入用ステンシルマスク１１７におけるメンブレンの撓み量は１μｍ以下であった。

また、比較のために、５００μｍ厚の単結晶シリコンからなる支持層３１、１．０μｍ厚のシリコン酸化膜からなるエッチングストッパー層３２、及び２０μｍ厚の単結晶シリコンからなる薄膜層３３の３層からなる１００ｍｍΦのＳＯＩウエハ３４（図３(a)参照）を用いて、上記の第１のイオン注入用貫通孔パターン１１１と同一のパターンが薄膜層３３に設けられた従来構造のイオン注入用ステンシルマスク３７（図３(b)参照）を作製した。

上記従来構造のイオン注入用ステンシルマスク３７を用いて、入熱量５０Ｗ、注入時間０．５ｓｅｃの条件でイオン注入を行ったところ、イオン注入用ステンシルマスク３７におけるメンブレンの撓み量は５μｍであった。この結果から、本発明になる製造方法によって作製されたイオン注入用ステンシルマスクを用いる方が、従来構造のイオン注入用ステンシルマスクを用いる場合に比べて、イオン注入時のメンブレンの撓み量を大幅に低減できることが確認された。

(a)〜(e)は本発明のイオン注入用ステンシルマスクの製造方法の一例を示す模式構成断面図である。 (a)〜(e)は本発明のイオン注入用ステンシルマスクの製造方法の一例を示す模式構成断面図である。 (a)はSOIウエハの一例を示す模式構成断面図である。(b)は従来のイオン注入用ステンシルマスクの一例を示す模式構成断面図である。

符号の説明

１、３１ 支持層
１２、３２ エッチングストッパー層
１３ 第１の薄膜層
１４ 第２の薄膜層
１５ 第３の薄膜層
１６ 基板
１７、１９、１１２、１１４ エッチングマスク
１８、３５ 開口部
１１０ 表裏重ね合わせ用マーク
１１１ 第１のイオン注入用貫通孔パターン
１１３ 位置合わせ用マーク
１１５ 第３のイオン注入用貫通孔パターン
１１６ 第２のイオン注入用貫通孔パターン
１１７、３７ イオン注入用ステンシルマスク
３３ 薄膜層
３４ SOIウエハ
３６ 貫通孔

Claims (2)

1. 少なくとも支持層上にエッチングストッパー層を形成する工程と、前記エッチングストッパー層上に第１の薄膜層を形成する工程と、前記第１の薄膜層上に第２の薄膜層を形成する工程と、前記第２の薄膜層上に第３の薄膜層を形成する工程と、前記支持層に開口部を形成する工程と、前記第１の薄膜層に第１のイオン注入用貫通孔パターンを形成する工程と、前記第３の薄膜層に第３のイオン注入用貫通孔パターンを形成した後に第３の薄膜層をエッチングマスクとして前記第２の薄膜層に第２のイオン注入用貫通孔パターンを形成する工程と、を含み、
   前記支持層が単結晶シリコンであり、前記第１の薄膜層が単結晶シリコンであり、前記第２の薄膜層がダイヤモンドであり、前記第３の薄膜層が多結晶シリコンである
   ことを特徴とするイオン注入用ステンシルマスクの製造方法。
2. 少なくとも支持層上にエッチングストッパー層を形成する工程と、前記エッチングストッパー層上に第１の薄膜層を形成する工程と、前記第１の薄膜層上に第２の薄膜層を形成する工程と、前記第２の薄膜層上に第３の薄膜層を形成する工程と、前記支持層に開口部を形成する工程と、前記第１の薄膜層に第１のイオン注入用貫通孔パターンを形成する工程と、前記第３の薄膜層に第３のイオン注入用貫通孔パターンを形成した後に第３の薄膜層をエッチングマスクとして前記第２の薄膜層に第２のイオン注入用貫通孔パターンを形成する工程と、を含み、
   前記支持層が単結晶シリコンであり、前記第１の薄膜層が単結晶シリコンであり、前記第２の薄膜層が銅であり、前記第３の薄膜層が多結晶シリコンである
   ことを特徴とするイオン注入用ステンシルマスクの製造方法。
   

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