JP5145678B2 - イオン注入用ステンシルマスクの製造方法及びイオン注入用ステンシルマスク - 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及びイオン注入用ステンシルマスクに関する。

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Ｂ（Boron ）やＰ（Phosphor）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の不純物元素ドープが可能なイオン注入法がよく用いられている。

従来のイオン注入法は、フォトリソグラフィーにより、基板におけるパターン領域外の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。この方法を用いた場合には、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に関する研究が行われている。この技術は、イオン注入用ステンシルマスク上の貫通孔パターンの形状に形成されたイオンビームを基板に入射させることによりイオンを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１７は、図３（ａ）に示すＳＯＩ（Silicon-On-Insurator ）ウエハ１４を用いて作製される。このＳＯＩウエハ１４は、単結晶シリコンからなる支持層１１、シリコン酸化膜からなるエッチングストッパー層１２、及び単結晶シリコンからなる薄膜層１３の３層を有する。従来のイオン注入用ステンシルマスク１７は、図３（ａ）のＳＯＩウエハ１４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１５及び単層自立膜となった薄膜層１３（以下、メンブレンと記述）に貫通孔１６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１４を用いて作製されたイオン注入用ステンシルマスク１７を用いてイオン注入を行う場合には、イオンビームによる発熱のためにメンブレン１３が撓むという問題がある。メンブレン１３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マスクの耐熱性や耐久性の向上が課題となっている。

イオン注入用ステンシルマスク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方法が提案されている（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方法であり、薄膜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成膜されることにより、パターンの寸法が変化してしまうことがある。さらに、薄膜の応力は経時変化するため、初期応力が０以上であったとしても次第に圧縮応力となり、薄膜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、上記課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、イオンビームの発熱に起因したメンブレンの撓みというイオン注入用ステンシルマスクの欠陥を低減し、優れた耐熱性や耐久性を有してイオン注入精度を向上するイオン注入用ステンシルマスクの製造方法及びイオン注入用ステンシルマスクを提供することを目的とする。

本発明のイオン注入用ステンシルマスクの製造方法は、支持層上に第１のエッチングストッパー層を形成し、前記第１のエッチングストッパー層上に第１の薄膜層を形成し、前記第１の薄膜層上に第２のエッチングストッパー層を形成し、前記第２のエッチングストッパー層上に第２の薄膜層を形成し、前記支持層に開口部を形成し、前記第１の薄膜層及び前記第２の薄膜層にイオン注入用の貫通孔パターンを形成する、ことを特徴とする。

また、前記貫通孔パターンを形成する際に、前記第１の薄膜層に前記イオン注入用の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２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２の薄膜層に前記位置合わせ用マークを用いて前記イオン注入用の貫通孔パターンを形成する、ことを特徴とする。

また、前記貫通孔パターン形成後に、メンブレンが前記第１の薄膜層、前記第２のエッチングストッパー層、及び前記第２の薄膜層の３層からなること、を特徴とする。

また、本発明のイオン注入用ステンシルマスクは、支持層上に形成された第１のエッチングストッパー層と、前記第１のエッチングストッパー層上に形成された第１の薄膜層と、前記第１の薄膜層上に形成された第２のエッチングストッパー層と、前記第２のエッチングストッパー層上に形成された第２の薄膜層と、前記支持層に形成された開口部と、前記第１の薄膜層及び前記第２の薄膜層に形成されたイオン注入用の貫通孔パターンと、を有することを特徴とする。

また、前記貫通孔パターンは、前記第１の薄膜層に前記イオン注入用の貫通孔パターンとともに形成された表裏重ね合わせ用マークと、前記第２の薄膜層に前記表裏重ね合わせ用マークを用いて形成された位置合わせ用マークと、前記第２の薄膜層に前記位置合わせ用マークを用いて形成された前記イオン注入用の貫通孔パターンと、からなることを特徴とする。

また、メンブレンが前記第１の薄膜層、前記第２のエッチングストッパー層、及び前記第２の薄膜層の３層からなること、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のエッチングストッパー層、及び第２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。このイオン注入用ステンシルマスクにおけ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、イオンビームの発熱に起因したメンブレンの撓みという欠陥を大幅に低減でき、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、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２１の上に第１のエッチングストッパー層２２、第１の薄膜層２３、第２のエッチングストッパー層２４、及び第２の薄膜層２５が順に設けられた基板２６を準備する。なお、第１のエッチングストッパー層２２及び第２のエッチングストッパー層２４は、支持層２１及び第１の薄膜層２３をドライエッチングやウエットエッチング等のエッチングをする際に、第１の薄膜層２３及び第２の薄膜層２５がエッチングされるのを防止する層である。

次に、同図（ｂ）に示すように、支持層２１の下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、レジストパターン２７を形成する。

次に、同図（ｃ）に示すように、レジストパターン２７をエッチングマスクにしてドライエッチングやウエットエッチング等により、支持層２１及び第１のエッチングストッパー層２２をエッチングして除去し、開口部２８を形成する。なお、支持層２１をエッチングする際には第１のエッチングストッパー層２２が、また第１のエッチングストッパー層２２をエッチングする際には第１の薄膜層２３がエッチングストッパーとして用いられる。さらに、不要となったフォトレジスト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、上記のように形成した開口部２８に臨む第１の薄膜層２３の下面に電子線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、レジストパターン２９を形成する。

次に、同図（ｅ）に示すように、レジストパターン２９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１の薄膜層２３をエッチングし、酸素プラズマアッシング等によりレジストパターン２９を除去し、表裏重ね合わせ用マーク２１０及びイオン注入用貫通孔パターン２１１を形成する。

次に、図２（ａ）に示すように、第２の薄膜層２５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）を形成し、第１の薄膜層２３に形成した表裏重ね合わせ用マーク２１０を用いて第２の薄膜層２５の所望の位置に位置合わせ用マーク３２を形成するためのパターン露光を行う。その後、現像を行い、レジストパターン３１を形成する。

次に、同図（ｂ）に示すように、レジストパターン３１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２５をエッチングし、酸素プラズマアッシング等によりレジストパターン３１を除去し、位置合わせ用マーク３２を形成する。

次に、同図（ｃ）に示すように、第２の薄膜層２５の上面に電子線レジストをスピンナー等で塗布して感光層（図示せず）を形成し、第２の薄膜層２５に形成した位置合わせ用マーク３２を用いて、第１の薄膜層２３に形成したイオン注入用貫通孔パターン２１１に対応するイオン注入用貫通孔パターン３４を第２の薄膜層２５に形成するための電子ビーム描画を行う。その後、現像を行い、レジストパターン３３を形成する。

次に、同図（ｄ）に示すように、レジストパターン３３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２５をエッチングし、酸素プラズマアッシング等によりレジストパターン３３を除去し、イオン注入用貫通孔パターン３４を形成する。

最後に、同図（ｅ）に示すように、ウエット処理等により第１の薄膜層２３及び第２の薄膜層２５に形成した各パターン領域における第２のエッチングストッパー層２４を除去することにより、メンブレンが第１の薄膜層２３、第２のエッチングストッパー層２４、及び第２の薄膜層２５の３層からなるイオン注入用ステンシルマスク３５を得る。

なお、上記表裏重ね合わせマーク２１０を用いて位置合わせ用マーク３２を形成する工程、及び位置合わせ用マーク３２を用いてイオン注入用貫通孔パターン３４を形成する工程において、合計１０μｍ以下の位置精度誤差が生じる。そのため、上記イオン注入用ステンシルマスク３５においては、イオン注入用貫通孔パターンの寸法は、第２の薄膜層２５に形成したイオン注入用貫通孔パターン３４の寸法で規定し、第１の薄膜層２３に形成するイオン注入用貫通孔パターン２１１の寸法は、イオン注入用貫通孔パターン３４の寸法よりも１０μｍ以上大きくすることが望ましい。

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の具体例について説明する。

まず、５００μｍ厚の単結晶シリコンからなる支持層２１の上に１．０μｍ厚のシリコン酸化膜からなる第１のエッチングストッパー層２２、２０μｍ厚の単結晶シリコンからなる第１の薄膜層２３、１．０μｍ厚のシリコン酸化膜からなる第２のエッチングストッパー層２４、及び２０μｍ厚の単結晶シリコンからなる第２の薄膜層２５の順に設けられた１００ｍｍΦの基板２６を準備した（図１（ａ）参照）。

次に、支持層２１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、レジストパターン２７を形成した（図１（ｂ）参照）。

次に、レジストパターン２７をエッチングマスクにし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、支持層２１のエッチングを行った。その後、濃度５％のフッ化水素酸溶液に２０分間浸漬して第１のエッチングストッパー層２２をエッチングして除去し、開口部２８を形成した。なお、支持層２１のエッチングの際には第１のエッチングストッパー層２２が、また第１のエッチングストッパー層２２のエッチングの際には第１の薄膜層２３がエッチングストッパーとして用いられる。さらに、不要となったフォトレジストを酸素プラズマアッシングにより除去した（図１（ｃ）参照）。

次に、上記のように形成した開口部２８における第１の薄膜層２３の下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、電子ビーム描画、現像等のパターニング処理を行って、レジストパターン２９を形成した（図１（ｄ）参照）。

次に、レジストパターン２９をエッチングマスクにし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２３をエッチングし、酸素プラズマアッシングによりレジストパターン２９を除去し、表裏重ね合わせ用マーク２１０及びイオン注入用貫通孔パターン２１１を所望の位置に形成した（図１（ｅ）参照）。

次に、第２の薄膜層２５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２３に形成した表裏重ね合わせ用マーク２１０を用いて第２の薄膜層２５の所望の位置に位置合わせ用マーク３２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、レジストパターン３１を形成した（図２（ａ）参照）。

次に、レジストパターン３１をエッチングマスクにし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２の薄膜層２５をエッチングし、酸素プラズマアッシングによりレジストパターン３１を除去し、位置合わせ用マーク３２を形成した（図２（ｂ）参照）。

次に、第２の薄膜層２５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２の薄膜層２５に形成した位置合わせ用マーク３２を用いて、第１の薄膜層２３に形成したイオン注入用貫通孔パターン２１１に対応するイオン注入用貫通孔パターン３４を第２の薄膜層２５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、レジストパターン３３を形成した（図２（ｃ）参照）。

次に、レジストパターン３３をエッチングマスクにし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２の薄膜層２５をエッチングし、酸素プラズマアッシングによりレジストパターン３３を除去し、イオン注入用貫通孔パターン３４を所望の位置に形成した（図２（ｄ）参照）。

なお、表裏重ね合わせ用マーク２１０を用いて位置合わせ用マーク３２を形成する工程、及び位置合わせ用マーク３２を用いてイオン注入用貫通孔パターン３４を形成する工程における位置精度誤差を考慮し、イオン注入用貫通孔パターン２１１の寸法はイオン注入用貫通孔パターン３４の寸法よりも１０μｍ大きくした。

最後に、濃度５％のフッ化水素酸溶液に２０分間浸清して、第１の薄膜層２３及び第２の薄膜層２５に形成した各パターン領域における第２のエッチングストッパー層２４を除去することにより、メンブレンが第１の薄膜層２３、第２のエッチングストッパー層２４、及び第２の薄膜層２５の３層からなるイオン注入用ステンシルマスク３５を得た（図２（ｅ）参照）。

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３５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３５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１１、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、及び２０μｍ厚の単結晶シリコンからなる薄膜層１３の３層からなる１００ｍｍΦのＳＯＩウエハ１４（図３（ａ）参照）を用いて、上記のイオン注入用貫通孔パターン３４と同一のパターンが薄膜層１３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１７（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１７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１７におけるメンブレンの撓み量は５μｍであった。これにより、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ことにより、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。

本発明の実施形態に係る（ａ）は基板の断面構造を示す図、（ｂ）は支持層の下面にレジストパターンを形成した断面構造を示す図、（ｃ）は更に開口部を形成した断面構造を示す図、（ｄ）は第１の薄膜層の下面にレジストパターンを形成した断面構造を示す図、（ｅ）は第１の薄膜層の下面に表裏重ね合わせ用マーク及びイオン注入用貫通孔パターンを形成した断面構造を示す図である。 本実施形態に係る（ａ）は第２の薄膜層の上面にレジストパターンを形成した断面構造を示す図、（ｂ）は第２の薄膜層の上面に位置合わせ用マークを形成した断面構造を示す図、（ｃ）は更に第２の薄膜層の上面にレジストパターンを形成した断面構造を示す図、（ｄ）は第２の薄膜層の上面にイオン注入用貫通孔パターンを形成した断面構造を示す図、（ｅ）はイオン注入用ステンシルマスクの断面構造を示す図である。 （ａ）は従来のＳＯＩウエハの断面構造を示す図、（ｂ）は従来のイオン注入用ステンシルマスクの断面構造を示す図である。

符号の説明

１１、２１ 支持層
１２ エッチングストッパー層
１３ 薄膜層
１４ ＳＯＩウエハ
１５、２８ 開口部
１６ 貫通孔
１７、３５ イオン注入用ステンシルマスク
２２ 第１のエッチングストッパー層
２３ 第１の薄膜層
２４ 第２のエッチングストッパー層
２５ 第２の薄膜層
２６ 基板
２７、２９、３１、３３ レジストパターン
３２ 位置合わせ用マーク
３４、２１１ イオン注入用貫通孔パターン
２１０ 表裏重ね合わせ用マーク

Claims (4)

1. 支持層上に第１のエッチングストッパー層を形成し、
   前記第１のエッチングストッパー層上に第１の薄膜層を形成し、
   前記第１の薄膜層上に第２のエッチングストッパー層を形成し、
   前記第２のエッチングストッパー層上に第２の薄膜層を形成し、
   前記支持層に開口部を形成し、
   前記第１の薄膜層及び前記第２の薄膜層にイオン注入用の貫通孔パターンを形成することを含み、
   前記貫通孔パターンを形成する際に、
   前記第１の薄膜層に前記イオン注入用の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２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２の薄膜層に前記位置合わせ用マークを用いて前記イオン注入用の貫通孔パターンを形成する、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. 前記貫通孔パターン形成後に、メンブレンが前記第１の薄膜層、前記第２のエッチングストッパー層、及び前記第２の薄膜層の３層からなること、
   を特徴とする請求項１に記載のイオン注入用ステンシルマスクの製造方法。
3. 支持層上に形成された第１のエッチングストッパー層と、
   前記第１のエッチングストッパー層上に形成された第１の薄膜層と、
   前記第１の薄膜層上に形成された第２のエッチングストッパー層と、
   前記第２のエッチングストッパー層上に形成された第２の薄膜層と、
   前記支持層に形成された開口部と、
   前記第１の薄膜層及び前記第２の薄膜層に形成されたイオン注入用の貫通孔パターンと、を有し、
   前記貫通孔パターンは、
   前記第１の薄膜層に前記イオン注入用の貫通孔パターンとともに形成された表裏重ね合わせ用マークと、
   前記第２の薄膜層に前記表裏重ね合わせ用マークを用いて形成された位置合わせ用マークと、
   前記第２の薄膜層に前記位置合わせ用マークを用いて形成された前記イオン注入用の貫通孔パターンと、からなることを特徴とするイオン注入用ステンシルマスク。
4. メンブレンが前記第１の薄膜層、前記第２のエッチングストッパー層、及び前記第２の薄膜層の３層からなること、
   を特徴とする請求項３に記載のイオン注入用ステンシルマスク。
   

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