JP2006245052A - 多価イオンを利用する半導体製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 半導体を製造するリソグラフィ工程での露光照射工程に於ける露光に多価イオンビームを利用することによって、極めて迅速なエッチング速度を得ることができる多価イオンを利用する半導体製造方法の提供。
【解決手段】 半導体製造工程でのリソグラフィ工程に於いて多価イオンビームを利用する半導体製造方法であって、前記リソグラフィ工程中の露光照射工程において、前記半導体を形成するための試料に、多価イオンビームを照射することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、多価イオンを利用する半導体製造方法に関し、より詳しくは、半導体を製造するリソグラフィ工程での露光照射工程に於ける露光に多価イオンビームを利用することによって、極めて迅速なエッチング速度を得ることができる多価イオンを利用する半導体製造方法に関する。

半導体であるLSI（大規模集積回路）を製造する半導体製造工程には、前工程（ウェハプロセス）と後工程（組み立て、検査）がある。前工程は、シリコンウェハに、洗浄、成膜（酸化膜、金属膜）、リソグラフィ（露光、エッチング）、不純物拡散等を繰り返して、トランジスタや金属配線を形成する工程を指し示しており、後工程では、チップの組み立てと実装（パッケージ）をし、最後に出荷テストを行い、検査良品が出荷となる工程までを指し示している。

この前工程には、ウェハを洗浄する洗浄工程と、このウェハ上にトランジスタ素子構造での電気的分離（絶縁膜）や配線（金属配線膜）となる膜を形成する成膜工程と、このウェハに形成された膜を加工するリソグラフィ工程と、膜が加工されたウェハに半導体素子を構成するために必要なP型やN型の半導体領域を形成するために、不純物を堆積させる不純物拡散工程がある。
さらに、このリソグラフィ工程には、レジスト（感光剤）をウェハの膜上に塗布するレジスト塗布工程と、このレジストに半導体パターンを形成する露光照射工程と、レジスト照射（露光）部分を薬剤で取り除く現像工程と、残存するレジストマスク（残っているフォトレジストのマスク）を利用してエッチングするエッチング工程と、残ったレジストを除去するレジスト除去工程を有している。
特に、露光照射工程に於いて、ウェハの膜上にパターンとなるレジストを形成するための露光が行われるが、この露光によってLSIの性能が決定されるといっても過言ではない。
このため、このレジストを形成するための発明が数多く創出されている。

例えば、特許文献１には、最小限の時間で堆積物の除去が可能であり、しかも安定した品質の半導体装置が得られる半導体製造方法が開示されている。この特許文献１に記載される方法では、成膜の毎にチャンバ内に還元性ガスを供給し、高周波電力を印加して発生させたプラズマでチャンバ内をコンディショニング処理する。そして、成膜とコンディショニング処理とを交互に所定回数行った後、所定回数の成膜処理によってチャンバ内に付着した堆積物をプラズマエッチングで除去するクリーニング処理を行うことを特徴としている発明である。
しかしながら、この特許文献１に記載される発明では、リソグラフィ工程でのエッチング工程に於いて複雑な装置を必要としており、作業工程に於いても煩雑性を有していた。

また一方で、半導体製造工程に於いてイオンビームを利用することが知られている。例えば、特許文献２には、運動エネルギーの低い多価イオンを使用して、リソグラフィ工程のエッチング工程を行い、微細加工を行うことを目的とした発明が開示されている。
このように特許文献２に於いては、多価イオンからなるイオンビームを利用する方法が開示されているが、リソグラフィ工程のエッチング工程で行われるに過ぎなかった。

特開2004-273991号公報 特開平7−230985号公報

本発明は、このような実情に鑑みてなされたもので、半導体を製造するリソグラフィ工程での露光照射工程に於ける露光に多価イオンビームを利用することによって、極めて迅速なエッチング速度を得ることができる多価イオンを利用する半導体製造方法に関する。

請求項１記載の発明は、半導体製造工程でのリソグラフィ工程に於いて多価イオンビームを利用する半導体製造方法であって、前記リソグラフィ工程中の露光照射工程において、前記半導体を形成するための試料に、多価イオンビームを照射することを特徴とする多価イオンを利用する半導体製造方法を提供する。

請求項２記載の発明は、前記多価イオンが、希ガス元素の多価イオンであることを特徴とする請求項１記載の多価イオンを利用する半導体製造方法を提供する。

請求項３記載の発明は、前記多価イオンが、アルゴンイオンであることを特徴とする請求項２記載の多価イオンを利用する半導体製造方法を提供する。

請求項４記載の発明は、前記多価イオンが、９価のイオンであることを特徴とする請求項３記載の多価イオンを利用する半導体製造方法を提供する。

請求項５記載の発明は、前記露光照射工程の後のエッチング工程が、ウエットエッチング工程であることを特徴とする請求項１記載の多価イオンを利用する半導体製造方法を提供する。

請求項６記載の発明は、前記ウエットエッチング工程に於いて形成されるエッチングの深さが、前記多価イオンのイオン価数、多価イオンの照射量、多価イオンを加速する加速電圧からなる群から選択される１つ又は複数によって制御されていることを特徴とする請求項５記載の多価イオンを利用する半導体製造方法を提供する。

請求項７記載の発明は、前記ウエットエッチング工程で使用されるエッチング液が、水酸化カリウム、フッ化アンモニウム、フッ化水素、フッ酸緩衝溶液、塩酸、燐酸からなる群から選択される１つ又は複数からなることを特徴とする請求項４記載の多価イオンを利用する半導体製造方を提供する。

請求項８記載の発明は、前記試料の被照射面側に薄膜が形成されてなり、
該薄膜が、珪素、スピンオングラス、石英、酸化シリコン、窒化珪素、ポリメタクリル酸メチル、有機薄膜、テフロン（登録商標）系材料、ガラス系材料からなる群から選択されるいずれか1つからなることを特徴とする請求項１記載の多価イオンを利用する半導体製造方法を提供する。

請求項９記載の発明は、前記試料が、単結晶サファイア、ガリウム砒素、炭化珪素からなる群から選択されるいずれか１つからなることを特徴とする請求項１記載の多価イオンを利用する半導体製造方法を提供する。
これらの発明を提供することによって、上記課題を悉く解決する。

請求項１記載の発明によって、露光照射工程に於いて試料に照射する多価イオンビームを利用することによって、多価イオンで金属表面を衝撃すると、数フェムト秒という短い時間に、数ナノメートル四方の狭い表面領域に亘り、多価イオンの持つ大きなポテンシャルエネルギーによって表面から電子、原子やクラスターが放出されることになり、極めて効果的に露光を行うことができる多価イオンを利用する半導体製造方法を提供することができる。

請求項２記載の発明によって、多価イオンが希ガス元素のイオンであるので、効果的な露光効果を得ることができる多価イオンを利用する半導体製造方法を提供することができる。

請求項３又は４記載の発明によって、より効果的に露光照射工程を行うことができる多価イオンを利用する半導体製造方法を提供することができる。

請求項５記載の発明によって、露光照射工程に後のエッチング工程がウエットエッチング工程であるので、多価イオンを露光照射した試料を極めて効果的にエッチングを行うことができる多価イオンを利用する半導体製造方法を提供することができる。

請求項６記載の発明によって、エッチングの深さを多価イオンのイオン価数、照射される多価イオンの照射量や多価イオンを加速する加速電圧によって制御することができるので、使用者の所望するエッチング深さを有するようにエッチングの深さを形成することができる多価イオンを利用する半導体製造方法を提供することができる。

請求項７記載の発明によって、エッチング液が、水酸化カリウム、フッ化アンモニウム、フッ化水素、塩酸、燐酸からなる群から１つ又は複数から選択されてなるので、試料を極めて効果的にエッチングすることができる多価イオンを利用する半導体製造方法を提供することができる。

請求項８記載の発明によって、試料の被照射面側に形成される薄膜が、珪素、スピンオングラス、石英、酸化シリコン、ポリメタクリル酸メチル、有機薄膜、テフロン（登録商標）系材料、ガラス系材料、窒化珪素からなる群からいずれか1つが選択されてなるので、多価イオンによる照射及びウエットエッチングによるエッチングを極めて効果的に行うことができる多価イオンを利用する半導体製造方法を提供することができる。

請求項９記載の発明によって、試料が、単結晶サファイア、ガリウム砒素、炭化珪素からなる群から選択されるいずれか１つからなることにより、被照射試料が薄膜を必要とせずにエッチングを効果的に行うことができる多価イオンを利用する半導体製造方法を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態を説明する。
半導体を製造する半導体製造工程は、上記する如き複数の処理工程を備えており、本出願人は、この処理工程の中でも半導体を製造するリソグラフィ工程に於ける処理方法に着目をした。

このリソグラフィ工程は、上記の如く、レジスト塗布工程と、露光照射工程と、現像工程と、エッチング工程と、レジスト除去工程を有してなる。本出願人は、これらの工程の中でも特に、露光照射工程に着目している。
本発明の露光照射工程では、図１で示される如き照射装置（１）を使用する。
この照射装置（１）は、図１で示される如く、多価イオンを発生する発生手段（１１）と、発生させた多価イオンから所望する特定の多価イオンのみを抽出する抽出手段（１２）を有している。この発生手段（１１）は、多価イオンを生成することのできる装置であれば特に限定されない。
また、この発生手段（１１）は、この発生手段（１１）に於いて発生された多価イオンを、引き出すための引き出し電圧（V１）印加手段と加速電場を発生させる加速電圧（V２）印加手段を有している。
尚、この加速電圧によって、多価イオンの加速度を変化させることができるので、後述するエッチングの深さの調整を行うことができる。
また、このような発生手段（１１）を有する装置として、ECR（エレクトロンサイクロトロン共鳴）イオン源を例示することができる。

加速された多価イオンは、抽出手段（１２）により所望する多価イオンのみ抽出される。この抽出手段（１２）は、図１で示される如く、湾曲経路に電場を発生させることによって、所望する多価イオンのみを抽出することができる分析磁石を例示することができる。

本発明で使用される多価イオンは、希ガス元素やガリウムであることが好ましく、特に、希ガスであることが更に好ましい。
この多価イオンは、被照射物質に強く作用するためであり、このため、加工効率に優れ、一価イオンでは奏することのできない特徴的な効果を奏することができる。
本発明で使用される多価イオンは、価数が増大すればするほど好ましい。

照射装置（１）で発生した多価イオンは、図２で示される如く、コリメータ（１３）を介して試料（Ｓ）に照射される。
この試料（Ｓ）は、図３で示す如く、基材層（Ｓ１）と薄膜層（Ｓ２）とレジスト層（Ｓ３）から構成されている。
この試料（Ｓ）は、照射される多価イオンに応じて適宜変更することもでき、後述するエッチング工程に於いて効果の高い組み合わせが好ましい。

基材層（Ｓ１）は、所謂、シリコンウェハである。
薄膜層（Ｓ２）は、露光照射工程で露光部分と非露光部分が形成され、パターンが形成される。この薄膜層（Ｓ２）は、珪素、スピンオングラス（spin on glass）、石英、酸化シリコン、窒化珪素（Si₃N₄）、ポリメタクリル酸メチル（PMMA）、半導体用のレジスト等に使用される有機薄膜、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）等のテフロン（登録商標）系材料、ガラス系材料（ガラス全般）からなる群からいずれか1つで形成されている。
レジスト層（Ｓ３）は、薄膜層（Ｓ２）にパターン転写や焼付けを行うことを可能とする層であり、このレジスト層（Ｓ３）の介在によって多価イオンが通過するか否かが決定されることになる。
このレジスト層（Ｓ３）は、ステンシルマスクを指し示しており、銅（Cu）、ニッケル（Ni）、チタン（Ti）、ダイアモンド、珪素（Si）、炭化珪素（SiC）、窒化珪素（Si₃N₄）の群からいずれか１つで形成されることになる。
尚、この被照射試料が薄膜を有していない場合には、単結晶サファイア（Al₂O₃）、ガリウム砒素（GaAs）、炭化珪素（SiC）を例示することができる。

また、照射装置（１）により照射する多価イオンの照射量は、10μC／cm²〜1000μC／cm²であることが好ましい。この場合、照射量が1000μC／cm²より大きくなると結晶構造に大きな変化を与える問題を生じ、10μC／cm²よりも小さくなると加工効率が低下する問題を有するからである。

また、後述するエッチングの深さは、多価イオンのイオン価数、照射される多価イオンの照射量や多価イオンの加速電圧によって制御することができる。

露光照射工程が終了すると、次に、エッチング工程へと移行する。
本発明に係るリソグラフィ工程に於いては、このエッチング工程は、ウエットエッチング工程を採用している。
このウエットエッチング工程は、露光照射を経た試料をエッチング液に浸すことによって、エッチングを行う。
このエッチング液は、水酸化カリウム(KOH)、フッ化アンモニウム（NH_４F）、フッ化水素（HF）、フッ酸緩衝溶液（Buffered hydrofluoric acid : BHF）、塩酸（HCl）、燐酸（H₃PO_４）からなる群から１つ又は複数から選択されてなる。このエッチング液は、多価イオン、薄膜層（Ｓ２）やレジスト層（Ｓ３）に応じて適宜設定される。
尚、エッチング液でエッチングされた試料は、その後、純水で洗浄される。
以上のような工程が繰り返されることになる。

本発明の実施例を説明する。
本発明の実施例として、照射装置（１）としてECRイオン源を採用し、多価イオンとして９価のアルゴン（Ar⁹⁺）を準備して、実施例とした。また、一価イオンとして１価のアルゴン（Ar¹⁺）を比較例とした。
試料として、基材層（Ｓ１）として珪素（Si）を、薄膜層（Ｓ２）として厚さ約５００オングストロームのスピンオングラス（SOG）を準備した。また、レジスト層（Ｓ３）として、銅を採用した。尚、スピンオングラスは、Honeywell社製のAccuglass512Bを使用した（Pre：３００rpm×３ sec Main:３０００×１０ sec ベイク：８０℃×３０ min キュア：３００℃×６０ min）
尚、この銅のレジスト層（Ｓ３）は、図４に示される如く、２０μｍの間隔（ｄ１）で配置される一辺が４０μｍの正方形の孔を有するように形成されている。
ECRイオン源から１価のアルゴンと９価のアルゴンを夫々９０keVに加速し、照射量を２００〜５００qμC / cm² となるように調整し、この後試料（Ｓ）に照射した。

露光照射工程が終了した後、試料をエッチング工程へ移行し、露光照射工程を経た試料が、ウエットエッチング工程によるエッチング液に浸された。
この場合、エッチング液は、フッ化水素水溶液０．４３mol/Lに設定され、約１分間エッチング処理が施された。
この後、試料は純水で洗浄された。

図５は、本発明を使用して得られた試料の表面を示し、９価のアルゴンを照射した場合の試料の光学顕微鏡写真である。尚、図５では、４００×９qμC / cm²を照射した場合を示している。９価のアルゴンを照射した場合であっても、図示の如き窪みの形成を確認することができる。
また、図６は、図５の試料を段差測定器により測定した結果を示している。図６に示される如く、窪みの深さが１６１±１nmで、その間隔が４４±１μmであった。

図７は、９価のアルゴンに於けるエッチング深さの照射量依存性を示している。この図７で示される如く、ドーズ（Dose）量が多いほど、つまり、照射時間が長いほど、また、加速電圧が高いほど加工深さが深くなることが理解される。
図８は、１価のアルゴンと９価のアルゴンのエッチング深さとドーズ量の関係を示している。この図８で示される如く、多価イオンを使用する場合のほうが、効果的にエッチングを行うこと理解される。
つまり、多価イオンを利用して照射した場合、１価イオンを照射した場合に比して、エッチング速度を効果的に向上させることができる。またさらに、照射量とイオンの価数にエッチング深さが依存しており、照射量とこの価数を調整することによって、エッチングの深さを調整することが可能である。
図９は、アルゴンイオンの飛程とエッチングの深さの関係を示している。尚、この図９ではSRIM2003（J.F.Ziegler氏が提供する物質中に入射したイオンビームの振る舞いをシミュレーションするためのプログラム）による計算値であり、照射物をSiO_２として計算している。この場合、多価イオン効果により阻止能が増加し、飛程の現象を確認することができる。また、アルゴンイオンによって、直接生成される欠陥の深さは１００nm以下であり、最大エッチングの深さは、２０８nmであった。
このように、本発明を使用することによって、半導体を製造するためのリソグラフィ工程におけるエッチングの深さを好適な深さに設定して、製造することができる。

本発明で使用される照射装置の概略図である。 本発明で使用される照射装置を使用する概念図である。 本発明で使用される試料の一実施例に於ける断面図を示す。 本発明で使用されるレジスト層の一実施例に於ける正面図を示す。 本発明を使用して得られた試料の表面を示す顕微鏡写真である。 図５の試料を段差測定器により測定した結果を示す。 ９価のアルゴンに於けるエッチング深さの照射量依存性を示している。 １価のアルゴンと９価のアルゴンのエッチング深さとドーズ量の関係を示している。 アルゴンイオンの飛程とエッチングの深さの関係を示している。

符号の説明

Ｓ・・・・試料

Claims (9)

1. 半導体製造工程でのリソグラフィ工程に於いて多価イオンビームを利用する半導体製造方法であって、前記リソグラフィ工程中の露光照射工程において、
   前記半導体を形成するための試料に、多価イオンビームを照射することを特徴とする多価イオンを利用する半導体製造方法。
2. 前記多価イオンが、希ガス元素の多価イオンであることを特徴とする請求項１記載の多価イオンを利用する半導体製造方法。
3. 前記多価イオンが、アルゴンイオンであることを特徴とする請求項２記載の多価イオンを利用する半導体製造方法。
4. 前記多価イオンが、９価のイオンであることを特徴とする請求項３記載の多価イオンを利用する半導体製造方法。
5. 前記露光照射工程の後のエッチング工程が、ウエットエッチング工程であることを特徴とする請求項１記載の多価イオンを利用する半導体製造方法。
6. 前記ウエットエッチング工程に於いて形成されるエッチングの深さが、前記多価イオンのイオン価数、多価イオンの照射量、多価イオンを加速する加速電圧からなる群から選択される１つ又は複数によって制御されていることを特徴とする請求項５記載の多価イオンを利用する半導体製造方法。
7. 前記ウエットエッチング工程で使用されるエッチング液が、水酸化カリウム、フッ化アンモニウム、フッ化水素、フッ酸緩衝溶液、塩酸、燐酸からなる群から選択される１つ又は複数からなることを特徴とする請求項４記載の多価イオンを利用する半導体製造方法。
8. 前記試料の被照射面側に薄膜が形成されてなり、
   該薄膜が、珪素、スピンオングラス、石英、酸化シリコン、窒化珪素、ポリメタクリル酸メチル、有機薄膜、テフロン（登録商標）系材料、ガラス系材料からなる群から選択されるいずれか1つからなることを特徴とする請求項１記載の多価イオンを利用する半導体製造方法。
9. 前記試料が、単結晶サファイア、ガリウム砒素、炭化珪素からなる群から選択されるいずれか１つからなることを特徴とする請求項１記載の多価イオンを利用する半導体製造方法。

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