JP2001297997A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 イオン注入の深さが異なる不純物注入領域を
１回の工程で行うことのよって、不純物注入領域間の位
置精度を高めて高集積化を図るとともに、工程数を削減
して製造コストの低減を図る。 【解決手段】 基板１１上に複数の異なった膜厚領域を
有するレジストパターン２４を形成する工程と、レジス
トパターン２４をマスクにして基板１１にイオン注入を
行う工程とを備えていて、レジストパターン２４は、例
えば基板１１上に形成したレジスト膜２１を、ハーフト
ーンマスクを用いて露光し、現像することにより形成す
る。もしくは、露光波長の解像限界以下のパターンサイ
ズを有する網目状パターンを形成したフォトマスクを用
いてレジスト膜を露光した後、現像することによって作
製する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に関し、詳しくはイオン注入を行う半導体装置の製
造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体装置の製造方法において、
半導体基板（以下基板という）中に不純物を注入する工
程において、図４に示すような以下の方法がとられてい
た。

【０００３】図４の（１）に示すように、フォトレジス
ト（以下レジストという）膜１２１が所望の厚さになる
ように、レジストの粘度、塗布回転数を調整し、基板１
１１表面に塗布する。

【０００４】次いで図４の（２）に示すように、従来の
方法によって、透明基板１３２に形成した遮光膜１３３
に不純物を注入したい部分のフォトレジスト膜が除去さ
れるように開口パターン１３４を形成したフォトマスク
１３１を作製する。そして、このフォトマスク１３１を
基板１１１上の既に形成されている下地パターン（図示
せず）と位置合わせを行い、フォトマスク１３１上より
露光光Ｌを照射してレジスト膜１２１の露光を行う。こ
の露光では開口パターン１３４を通過した露光光Ｌｔが
レジスト膜１２１を露光する。次いで現像を行って、図
４の（３）に示すように、基板１１１上にマスクとなる
レジスト膜１２１に開口部１２２を形成したレジストパ
ターン１２３を得る。

【０００５】図４の（４）に示すように、イオン注入装
置（図示せず）を用いて、上記レジストパターン１２３
でマスキングされた基板１１１全面へ、所望の不純物イ
オンのイオンビーム１４１（図面では矢印で示す）を所
望の量（以下ドーズ量という）で注入する。このときの
注入エネルギーは基板１１１中に形成したい不純物領域
の深さとイオン注入種によって決定される。また、上記
レジスト膜１２１の膜厚は、この注入エネルギーより決
定される。すなわち、イオン注入されたイオンが基板１
１１中に注入されることなく、レジスト膜１２１中で止
まるような膜厚に設定される必要がある。

【０００６】不純物イオンの注入が終了した後、図４の
（５）に示すように、基板１１１上より上記レジストパ
ターン１２３〔前記図４の（４）参照〕を除去する。こ
のレジストパターンの除去は、例えばレジスト剥離液を
用いて行う。このようにして、基板１１１中に所望の深
さで所望のドーズ量の不純物注入領域１１２を形成す
る。

【０００７】以下、上記プロセスを、不純物を注入した
い領域、エネルギー、ドーズ量、イオン種ごとに繰り返
し行って、基板中に所望の不純物プロファイルを形成す
る。

【０００８】例えば、図４の（６）に示すように、レジ
スト膜２２１が所望の厚さになるように、レジストの粘
度、塗布回転数を調整し、基板１１１表面に塗布する。

【０００９】次いで図４の（７）に示すように、従来の
方法によって、透明基板２３２に形成した遮光膜２３３
に不純物を注入したい部分のフォトレジスト膜が除去さ
れるように開口パターン２３４を形成したフォトマスク
２３１を作製する。そして、このフォトマスク２３１を
基板１１１上の既に形成されている下地パターン（図示
せず）と位置合わせを行い、フォトマスク１３１上より
露光光Ｌを照射してレジスト膜２２１の露光を行う。こ
の露光では開口パターン２３４を通過した露光光Ｌｔが
レジスト膜２２１を露光する。次いで現像を行って、図
４の（８）に示すように、基板１１１上にマスクとなる
レジスト膜２２１に開口部２２２を形成したレジストパ
ターン２２３を得る。

【００１０】図４の（９）に示すように、イオン注入装
置（図示せず）を用いて、上記レジストパターン２２３
でマスキングされた基板１１１全面へ、所望の不純物イ
オンのイオンビーム２４２（図面では矢印で示す）を所
望の量（以下ドーズ量という）で注入する。このときの
注入エネルギーは基板１１１中に形成したい不純物領域
の深さとイオン注入種によって決定される。また、上記
レジスト膜２２１の膜厚は、この注入エネルギーより決
定される。すなわち、イオン注入されたイオンが基板１
１１中に注入されることなく、レジスト膜２２１中で止
まるような膜厚に設定される必要がある。

【００１１】不純物イオンの注入が終了した後、図４の
（１０）に示すように、基板１１１上より上記レジスト
パターン２２３〔前記図４の（９）参照〕を除去する。
このレジストパターンの除去は、例えばレジスト剥離液
を用いて行う。このようにして、上記不純物領域１１２
とは異なる領域の基板１１１中に所望の深さで所望のド
ーズ量の不純物注入領域１１３を形成する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の製造方法では、注入を行うイオン種、深さが異なる
と、その都度、上記従来の技術で説明した工程を繰り返
し行う必要があり、注入領域間の位置精度は露光時のフ
ォトマスクと、既に形成去れている下地パターンとの位
置合わせ精度で決まってくる。このため、半導体装置の
設計時にこの合わせずれ量を考慮する必要があり、高集
積化の阻害となっていた。また、必要な素子特性が得ら
れないことにもなっていた。また、合わせずれによっ
て、半導体装置の製造歩留まりを低下させることにもな
っていた。また、イオン注入を行う工程数が増加するた
め、製造コストの増大にもつながっていた。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するためになされた半導体装置の製造方法である。

【００１４】本発明の半導体装置の製造方法は、基板上
に複数の異なった膜厚領域を有するレジストパターンを
形成する工程と、前記レジストパターンをマスクにして
前記基板にイオン注入を行う工程とを備えた製造方法で
ある。そのレジストパターンは、前記基板上にレジスト
膜を形成した後、ハーフトーンマスクを用いてレジスト
膜を露光し、その露光したレジスト膜を現像することに
より形成する。もしくは、前記基板上にレジスト膜を形
成した後、露光波長の解像限界以下のパターンサイズを
有する網目状パターンを形成したフォトマスクを用いて
レジスト膜を露光し、その露光したレジスト膜を現像す
ることにより作製する。

【００１５】上記半導体装置の製造方法では、複数の異
なった膜厚領域を有するレジストパターンをマスクにし
て基板にイオン注入を行うことから、基板中の異なった
深さに不純物を注入することが可能になる。

【００１６】また、ハーフトーンマスクもしくは露光波
長の解像限界以下のパターンサイズを有する網目状パタ
ーンを形成したフォトマスクを用いて、一回の露光によ
って複数の異なった膜厚領域を有するレジストパターン
を形成することから、複数の異なった膜厚領域間では、
露光時の合わせずれは原理的に存在しない。そのため、
異なった深さで注入された不純物注入領域間の位置精度
は、フォトマスクの位置精度によって決まるため、非常
に高精度の不純物パターンを得ることができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の半導体装置の製造方法に
係る第１の実施の形態を、図１の製造工程断面図によっ
て説明する。

【００１８】図１の（１）に示すように、フォトレジス
ト（以下レジストという）膜２１が所望の厚さになるよ
うに、レジストの粘度、塗布回転数を調整し、基板（例
えば、シリコン基板）１１表面に塗布する。ここでは、
一例としてレジストの塗布膜厚を３．０μｍとした。

【００１９】次いで、図１の（２）に示すように、不純
物の注入量に応じて露光光の透過割合が異なる、いわゆ
るハーフトーンマスク３１を用意する。このハーフトー
ンマスク３１を作製するには、まず、透明基板３２に形
成した遮光膜３３に不純物を注入したい部分のフォトレ
ジスト膜が露光されるように開口パターン３４、３５を
形成する。そして露光によりフォトレジスト膜が膜減り
を起こすようにする位置に対応した開口パターン３５に
は半透明膜３６を形成する。このようにして、ハーフト
ーンマスク３１を作製する。

【００２０】上記ハーフトーンマスク３１を基板１１上
の既に形成されている下地パターン（図示せず）と位置
合わせを行って露光を行う。ここでは、ハーフトーンマ
スク３１の半透明膜３６を形成した開口パターン３５の
ハーフトーン領域の透過率を５０％に設定し、露光波長
が３６５ｎｍのｉ線からなる露光光Ｌを用い、露光量を
１５０ｍＪ／ｃｍ² に設定して露光を行った。この露光
では開口パターン３４、３５を通過した露光光Ｌｔ１、
Ｌｔ２がレジスト膜２１を露光する。

【００２１】次いで現像を行って、図１の（３）に示す
ように、基板１１上にマスクとなるレジスト膜２１に開
口部２２と膜減り部２３を形成したレジストパターン２
４を得る。現像は専用現像液を用い、現像後に残される
膜厚は、図２の現像後のレジスト膜と露光量との関係を
示した残膜厚特性図によった。すなわち、全て露光する
領域の残膜厚は０、また遮光領域の残膜厚は３．０μ
ｍ、ハーフトーン領域は透過率が５０％となっているた
め１５０ｍＪ／ｃｍ² の５０％、すなわち、７５ｍＪ／
ｃｍ² が露光されるため、レジスト膜厚は１μｍとなっ
た。

【００２２】図１の（４）に示すように、イオン注入装
置（図示せず）を用いて、上記レジストパターン２４で
マスキングされた基板１１全面へ、所望の不純物イオン
のイオンビーム４１（図面では矢印で示す）を所望のド
ーズ量を注入する。ここでは、注入エネルギーを５００
ｋｅＶ、ドーズ量を１×１０¹¹個／ｃｍ² に設定した。

【００２３】上記注入エネルギーは、基板１１中に形成
したい不純物領域の深さとイオン注入種によって決定さ
れる。また、上記塗布したレジスト膜２１の膜厚は、こ
の注入エネルギーより決定される。すなわち、レジスト
膜２１の開口部２２および膜減り部２３では、イオン注
入された不純物イオンが基板１１中にどの程度の深さま
で到達するかを考慮して、各領域のレジスト膜厚を設定
する必要がある。また、イオン注入した不純物イオンを
基板１１に到達させない領域では、注入された不純物イ
オンがレジスト中で止まるような膜厚に設定する必要が
ある。

【００２４】不純物イオンの注入が終了した後、図１の
（５）に示すように、基板１１中に、不純物注入領域５
１と、それよりも注入深さが浅い不純物注入領域５２と
が形成される。この不純物注入領域５２は、注入イオン
の一部がレジストパターン２４の膜減り部２３〔前記図
１の（４）参照〕に吸収されるため、不純物注入領域５
１よりもドーズ量が少なくなる。

【００２５】その後、基板１１上より上記レジストパタ
ーン２４〔前記図１の（４）参照〕を除去する。このレ
ジストパターンの除去は、例えばレジスト専用剥離液
（例えば硫酸と過酸化水素水の混合液）を用いて行う。
このとき、注入エネルギーによっては、レジスト表面が
硬化して剥離されにくくなっているので、その際には、
例えば、アッシング装置による灰化処理を付加して、レ
ジスト除去を容易にしてもよい。

【００２６】上記製造方法によれば、レジスト膜の露光
時にハーフトーンマスク３１の遮光膜３３によって完全
に遮光されていた領域のレジスト膜２１の膜厚は３．０
μｍあるので、注入したイオンはレジスト膜２１中で止
まり、基板１１中には注入されない。また、レジスト膜
２１の露光時にハーフトーンマスク３１の開口部３４に
対応する領域のレジスト膜２１には開口部２２が形成さ
れていて、イオン注入時にはマスクとなるものが存在し
ていない。そのため、５００ｋｅＶの注入エネルギーで
注入されることになる。そのため、基板表面から深さ
１．１μｍの領域に不純物注入領域５１を得ることがで
きる。また、レジスト膜２１の露光時にハーフトーンマ
スク３１の半透明膜３６に対応する領域のレジスト膜２
１には１μｍの厚さの膜減り部２３が形成されていて、
その膜減り部２３を通して基板１１中に不純物イオンが
注入されるため、基板１１中には深さ０．３８μｍ領域
に不純物注入領域５２を得ることができる。

【００２７】つまり、一回の露光、現像、イオン注入に
よって、２種類の深さに不純物を注入することが可能に
なった。

【００２８】また、ハーフトーンマスク３１を用いて、
一回の露光によって複数の異なった膜厚領域を有するレ
ジストパターン２４を形成することから、複数の異なっ
た膜厚領域間では、露光時の合わせずれは原理的に存在
しない。そのため、異なった深さで注入された不純物注
入領域５１、５２間の位置精度は、フォトマスク（ハー
フトーンマスク３１）の位置精度によって決まるため、
非常に高精度の不純物パターンを得ることができる。

【００２９】上記実施の形態では、フォトマスクのハー
フトーン領域は５０％の透過率のみとしたが、これを複
数種類の透過率を有する領域を持つフォトマスクを用い
てレジスト膜を露光することにより、複数種類の深さに
イオン注入することができる。

【００３０】また、ハーフトーンマスクを用いなくて
も、露光波長に対する解像限界以下のサイズの例えば網
目（メッシュ）状パターンを使用することによって、網
目状パターンの部分で露光されたレジスト膜は解像せず
に膜減りのみを生じる。そのため、上記ハーフトーンマ
スクを用いた露光と同様の効果を得ることができる。

【００３１】その一例を、第２の実施の形態として、図
３の製造工程断面図によって説明する。図３では、前記
図１によって説明した構成部品と同様のものには同一符
号を付与した。

【００３２】図３の（１）に示すように、フォトレジス
ト（以下レジストという）膜２１が所望の厚さになるよ
うに、レジストの粘度、塗布回転数を調整し、基板１１
表面に塗布する。ここでは、一例としてレジストの塗布
膜厚を３．０μｍとした。

【００３３】次いで、図３の（２）に示すように、露光
波長の解像限界以下のパターンサイズを有する網目状パ
ターンを形成したフォトマスク６１を用意する。このフ
ォトマスク６１を作製するには、まず、透明基板６２に
形成した遮光膜６３に不純物を注入したい部分のフォト
レジスト膜が露光されるように開口パターン６４と、露
光波長の解像限界以下のパターンサイズを有する網目状
パターン６５を形成する。このようにして、ハーフトー
ンマスク３１を作製する。

【００３４】上記フォトマスク６１を基板１１上の既に
形成されている下地パターン（図示せず）と位置合わせ
を行って露光を行う。ここでは、網目状パターン６５の
透過率を５０％に設定し、露光波長が３６５ｎｍのｉ線
からなる露光光Ｌを用い、露光量を１５０ｍＪ／ｃｍ²
に設定して露光を行った。この露光では、開口パターン
６４を通過した露光光Ｌｔ１と網目状パターン６５を通
過した露光光Ｌｔ２とがレジスト膜２１を露光する。

【００３５】次いで現像を行って、図３の（３）に示す
ように、基板１１上にマスクとなるレジスト膜２１に開
口部２２と膜減り部２３を形成したレジストパターン２
４を得る。現像は専用現像液を用いた。現像後に残され
る膜厚は、現像後のレジスト膜と露光量との関係をあら
かじめ求めておくことにより設定した。すなわち、全て
露光する領域の残膜厚は０、また遮光領域の残膜厚は
３．０μｍ、網目状パターン６５の領域は透過率が５０
％となっているため１５０ｍＪ／ｃｍ² の５０％、すな
わち、７５ｍＪ／ｃｍ² が露光されるため、レジスト膜
厚は１μｍとなった。

【００３６】図３の（４）に示すように、イオン注入装
置（図示せず）を用いて、上記レジストパターン２４で
マスキングされた基板１１全面へ、所望の不純物イオン
のイオンビーム４１（図面では矢印で示す）を所望のド
ーズ量を注入する。ここでは、注入エネルギーを５００
ｋｅＶ、ドーズ量を１×１０¹¹個／ｃｍ² に設定した。

【００３７】上記注入エネルギーは、基板１１中に形成
したい不純物領域の深さとイオン注入種によって決定さ
れる。また、上記塗布したレジスト膜２１の膜厚は、こ
の注入エネルギーより決定される。すなわち、レジスト
膜２１の開口部２２および膜減り部２３では、イオン注
入された不純物イオンが基板１１中にどの程度の深さま
で到達するかを考慮して、各領域のレジスト膜厚を設定
する必要がある。また、イオン注入した不純物イオンを
基板１１に到達させない領域では、注入された不純物イ
オンがレジスト中で止まるような膜厚に設定する必要が
ある。

【００３８】不純物イオンの注入が終了した後、図３の
（５）に示すように、基板１１中に、不純物注入領域５
１と、それよりも注入深さが浅い不純物注入領域５２と
が形成される。この不純物注入領域５２は、注入イオン
の一部がレジストパターン２４の膜減り部２３〔前記図
３の（４）参照〕に吸収されるため、不純物注入領域５
１よりもドーズ量が少なくなる。

【００３９】その後、基板１１上より上記レジストパタ
ーン２４〔前記図３の（４）参照〕を除去する。このレ
ジストパターンの除去は、例えばレジスト専用剥離液
（例えば硫酸と過酸化水素水の混合液）を用いて行う。
このとき、注入エネルギーによっては、レジスト表面が
硬化して剥離されにくくなっているので、その際には、
例えば、アッシング装置による灰化処理を付加して、レ
ジスト除去を容易にしてもよい。

【００４０】上記製造方法によれば、レジスト膜の露光
時にフォトマスク６１の遮光膜６３によって完全に遮光
されていた領域のレジスト膜２１の膜厚は３．０μｍあ
るので、注入したイオンはレジスト膜２１中で止まり、
基板１１中には注入されない。また、レジスト膜２１の
露光時にフォトマスク６１の開口部６４に対応する領域
のレジスト膜２１には開口部２２が形成されていて、イ
オン注入時にはマスクとなるものが存在していない。そ
のため、５００ｋｅＶの注入エネルギーで注入されるこ
とになる。そのため、基板表面から深さ１．１μｍの領
域に不純物注入領域５１を得ることができる。また、レ
ジスト膜２１の露光時に網目状パターン６５に対応する
領域のレジスト膜２１には１μｍの厚さの膜減り部２３
が形成されていて、その膜減り部２３を通して基板１１
中に不純物イオンが注入されるため、基板１１中には深
さ０．３８μｍ領域に不純物注入領域５２を得ることが
できる。

【００４１】つまり、一回の露光、現像、イオン注入に
よって、２種類の深さに不純物を注入することが可能に
なった。

【００４２】また、フォトマスク６１を用いて、一回の
露光によって複数の異なった膜厚領域を有するレジスト
パターン２４を形成することから、複数の異なった膜厚
領域間では、露光時の合わせずれは原理的に存在しな
い。そのため、異なった深さで注入された不純物注入領
域５１、５２間の位置精度は、フォトマスク６１の位置
精度によって決まるため、非常に高精度の不純物パター
ンを得ることができる。

【００４３】上記実施の形態では、フォトマスク６１の
網目状パターン６５は５０％の透過率のみとしたが、こ
れを複数種類の透過率を有する領域を持つフォトマスク
を用いてレジスト膜を露光することにより、複数種類の
深さにイオン注入することができる。

【００４４】上記第２の実施の形態では、フォトマスク
６１に網目状パターンが形成されたものを用いたが、上
記網目状パターンの代わりに、露光波長に対する解像限
界以下の格子間隔もしくは格子幅を有する格子状パター
ン、もしくは露光波長に対する解像限界以下のパターン
間隔もしくはパターン幅を有する点状パターンを形成し
たフォトマスクを使用することも可能である。

【００４５】

【発明の効果】以上、説明したように本発明の半導体装
置の製造方法によれば、複数の異なった膜厚領域を有す
るレジストパターンをマスクにして基板にイオン注入を
行うので、一回の露光、現像、イオン注入を行うだけ
で、基板中、異なった深さの不純物注入領域を形成する
ことができる。そのため、複数のイオン注入工程を一回
のイオン注入で行うことが可能になるので、工程数を削
減することができ、製造コストを低く抑えることができ
る。

【００４６】また、一枚のフォトマスクによる一回の露
光のみであるため、原理的に異なった深さの不純物注入
領域間の合わせずれは起こらない。そのため、各不純物
注入領域間の位置精度を向上することができるので、半
導体装置の高集積化、半導体装置の特性の向上が図れる
とともに、製造上の歩留りを向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体装置の製造方法に係る第１の実
施の形態を示す製造工程断面図である。

【図２】現像後のレジスト膜厚と露光量との関係図であ
る。

【図３】本発明の半導体装置の製造方法に係る第２の実
施の形態を示す製造工程断面図である。

【図４】従来の半導体装置の製造方法におけるイオン注
入工程を示す製造工程断面図である。

【符号の説明】

１１…基板、２４…レジストパターン

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に複数の異なった膜厚領域を有す
   るレジストパターンを形成する工程と、 前記レジストパターンをマスクにして前記基板にイオン
   注入を行う工程とを備えたことを特徴とする半導体装置
   の製造方法。
2. 【請求項２】 前記レジストパターンは開口パターンを
   備えたことを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製
   造方法。
3. 【請求項３】 前記レジストパターンは、 前記基板上にレジスト膜を形成する工程と、 ハーフトーンマスクを用いて前記レジスト膜を露光する
   工程と、 前記露光したレジスト膜を現像する工程とにより作製す
   ることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方
   法。
4. 【請求項４】 前記レジストパターンは、 前記基板上にレジスト膜を形成する工程と、 露光波長の解像限界以下のパターンサイズを有する網目
   状パターンを形成したフォトマスクを用いて前記レジス
   ト膜を露光する工程と、 前記露光したレジスト膜を現像する工程とにより作製す
   ることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方
   法。