JP5310978B2 - ステンシルマスク製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ステンシルマスク製造方法に関するものであり、特にイオン注入工程に用いるのに適したステンシルマスクの製造方法に関するものである。

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。この方法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成形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。

図１にイオン注入用ステンシルマスクの一例を示す。従来のイオン注入用ステンシルマスク（１７）は図１（ａ）に示したＳＯＩ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）、およ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１（ｂ）に示したように裏面に開口部（１５）、および単層自立膜となった薄膜層（１３）（以下、メンブレンと記述）に貫通孔パターン（１６）を有する構造である。

イオン注入用ステンシルマスクを用いてイオン注入を行う場合、イオンビームによる発熱のためにメンブレンがたわむという問題がある。メンブレンがたわむとパターンの位置精度が大幅に悪化するだけでなく、たわんだメンブレンが注入基板に接触し、メンブレンが破壊してしまうことがある。イオン注入用ステンシルマスクにおいてはこのようにマスクの耐熱性や耐久性の向上が大きな課題となっている。

イオン注入用ステンシルマスクにおけるマスク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）。

また、例えば、パターン領域を構成する薄膜部の厚膜化が考えられる。
特開２００４−１５８５２７号公報

しかしながら、メンブレンを形成した後にメンブレンにイオン吸収層を成膜してイオン注入用ステンシルマスクを作製する場合、メンブレン上の貫通孔パターンにおける開口側壁にも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。
また、メンブレン上の貫通孔パターンにおける開口側壁の端部付近にのみ成膜されることにより、この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てイオン注入を行った際に、注入パターンのエッジがぼけてしまうという問題がある。

また、薄膜部の厚膜化を行う場合、薄膜部の厚膜化によって形成するパターンの幅と深さの比（アスペクト比）が大きくなり過ぎると薄膜部に正常な貫通孔（トレンチ加工）ができなくなってしまうため、精度良く貫通孔パターンを形成するのが困難である。

そこで、本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであり、イオン注入工程において、イオンビーム発熱に起因したメンブレンのたわみを低減し、優れた耐熱性や耐久性およびイオン注入精度を有する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目的とする。

請求項１に記載の本発明は、支持層に第一の薄膜を形成する工程と、エッチングを用いて前記第一の薄膜にパターン溝を形成する工程と、前記第一の薄膜のパターン溝にエッチングストッパー層を形成する工程と、前記第一の薄膜および前記エッチングストッパー層の上層に第二の薄膜を形成する工程と、前記第一の薄膜のパターン溝と対応するように、エッチングを用いて前記第ニの薄膜にパターン溝を形成する工程と、前記支持層に開口部を形成する工程と、を少なくとも備えたことを特徴とするステンシルマスク製造方法である。

請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載のステンシルマスク製造方法であって、支持層に第一の薄膜を形成する工程の前に、支持層に位置合わせ用のアライメントマークを形成することを特徴とするステンシルマスク製造方法である。

請求項３に記載の本発明は、請求項１または２のいずれかに記載のステンシルマスク製造方法であって、第ニの薄膜にパターン溝を形成する工程の後、更に、パターン溝に新たなエッチングストッパー層を形成し、該エッチングストッパー層の上層に新たな薄膜を形成し、該薄膜のパターニングを行うことにより、３以上の薄膜を積層させることを特徴とするステンシルマスク製造方法である。

請求項４に記載の本発明は、貫通孔パターンを備えた薄膜と、前記薄膜の端部を支持する支持層と、を備え、前記薄膜は、複数の薄膜が積層された薄膜であり、前記複数の薄膜について、それぞれ薄膜は、銅、ダイヤモンドからなる群から選ばれたいずれかの材料からなる薄膜であることを特徴とするステンシルマスクである。

本発明のステンシルマスク製造方法は、薄膜を複数積層し、それぞれの薄膜について順次エッチング加工によるパターン形成を行うことを特徴とする。
本発明の構成によれば、複数の薄膜毎にパターン形成を行うため、最終的な貫通孔パターンの幅と深さの比（アスペクト比）によらず、精度良く貫通孔パターンを形成し、かつ薄膜の厚膜化を行うことが出来る。
よって、イオンビーム発熱に起因したメンブレンのたわみを低減し、優れた耐熱性や耐久性およびイオン注入精度を有する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が可能となる。

以下、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について説明する。なお、本発明のステンシルマスク製造方法は下記のみに限定されず、公知の技術により類推できる他の方法をも含むものとする。
図２（ａ）〜（ｇ）および図３（ｈ）〜（ｎ）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。

＜支持層に第一の薄膜を形成する工程＞
まず、支持層となる基板を用意する。基板としては、支持層として薄膜を支持するのに充分な機械的特性／開口部を形成するのに適した加工特性を備えていることが好ましい。例えば、単結晶シリコンは、各種の加工法が知られており、本発明のステンシルマスク製造方法に用いる基板として好ましい。

次に、図２（ｄ）に示すように、支持層（２１）上面に薄膜形成法を用いて、薄膜層１（２４）を形成する。メンブレンの膜厚分布を小さくするために、薄膜層１（２４）はできるだけ平坦に形成することが望ましい。ここで、薄膜形成法としては、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ法等を用いても良い。

また、本発明のステンシルマスク製造方法は、支持層に第一の薄膜を形成する工程の前に、支持層に位置合わせ用のアライメントマークを形成することが好ましい。アライメントマークを設けることにより、薄膜を複数積層し、それぞれの薄膜についてエッチング加工によるパターン形成を行うに際して、それぞれの薄膜のパターンについて、重ね合わせをアライメントマークを基準として行うことが出来る。
例えば、図２（ａ）に示すように、支持層（２１）となる基板を用意し、図２（ｂ）に示すように、支持層（２１）上面にレジスト等の材料をスピンナー等で塗布し、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（２２）を形成し、図２（ｃ）に示すように、ドライエッチング等により、支持層（２１）を所望の深さまでエッチングして除去し、さらに、不要となったエッチングマスク（２２）を適当な方法を用いて除去することにより、溝状のアライメントマーク（２３）を設けても良い。

＜第一の薄膜にパターン溝を形成する工程＞
次に、図２（ｅ）に示すように、薄膜層１（２４）が形成された支持層（２１）上面に、薄膜層１（２４）のエッチングに対して高い選択性を有する材料をもちいて膜形成し、適宜公知の技術等により、アライメントマーク（２３）を用いてパターニングを行い、エッチングマスク（２５）を形成する。

次に、図２（ｆ）に示すように、ドライエッチング等により、支持層（２１）をエッチングストッパー層として薄膜層１（２４）をエッチングして除去し、パターン溝１（２６）を形成する。さらに、不要となったエッチングマスク（２５）に適当な方法を用いて除去する。例えば、酸素アッシングを行って除去しても良い。

＜エッチングストッパー層を形成する工程＞
次に、図２（ｇ）に示すように、パターン溝１（２６）を有する薄膜層１（２４）が形成された支持層（２１）上面に薄膜形成法により、エッチングストッパー層（２７）を形成する。ここで、薄膜形成法としては、例えば、スパッタ法、ＣＶＤ法等を用いても良い。また、エッチングストッパー層（２７）はパターン溝１（２６）内の全部に形成することが望ましいが、パターン溝１（２６）内の下方には形成されなくても良い。

次に、図３（ｈ）に示すように、支持層（２１）上面に形成されたエッチングストッパー層（２７）を、パターン溝１（２６）およびアライメントマーク（２３）以外の領域に形成されたエッチングストッパー層（２７）が完全になくなるまで研磨する。ここで、前記エッチングストッパー層（２７）の研磨において、薄膜層１（２４）が若干削れてもかまわない。

＜第二の薄膜を形成する工程＞
次に、図３（ｉ）に示すように、薄膜層１（２４）が形成された支持層（２１）上面に、スパッタ法、ＣＶＤ法等により、薄膜層２（２８）を形成する。メンブレンの膜厚分布を小さくするために、薄膜層２（２８）はできるだけ平坦に形成することが望ましい。

＜第ニの薄膜にパターン溝を形成する工程＞
次に、図３（ｊ）に示すように、薄膜層２（２８）が形成された支持層（２１）上面に、薄膜層２（２８）のエッチングに対して高い選択性を有する材料からなる薄膜を形成し、適宜公知の技術等により、アライメントマーク（２３）を用いて、薄膜層１（２４）に形成されたパターン溝１（２６）に対応するパターニングを行い、エッチングマスク（２９）を形成する。

次に、図３（ｋ）に示すように、ドライエッチング等により、薄膜層２（２８）をエッチングして除去し、パターン溝２（２１０）を形成する。さらに、不要となったエッチングマスク（２９）を適当な方法を用いて除去する。

ここで、パターン溝１（２６）およびパターン溝２（２１０）の重ね合せ誤差を考慮し、最終的な貫通孔パターンの寸法はパターン溝２（２１０）の寸法で規定することが望ましい。よって、パターン溝１（２６）の寸法がパターン溝２（２１０）の寸法より大きくなっても良い。

次に、図３（ｌ）に示すように、エッチング加工により、薄膜層１（２４）に形成されたパターン溝１（２６）内に残留するエッチングストッパー層（２７）をエッチングして除去する。ここで、前記エッチングストッパー層（２７）をエッチングする工程において、下地である支持層（２１）が若干エッチングされてしまってもかまわない。ここで、エッチング加工としては、例えば、ドライエッチング等を用いても良い。

＜支持層に開口部を形成する工程＞
次に、図３（ｍ）に示すように、支持層（２１）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を形成し、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（２１１）を形成する。

次に、図３（ｎ）に示すように、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）をエッチングして除去し、開口部（２１２）を形成する。これにより、薄膜層１（２４）および薄膜層２（２８）の２層からなる薄膜が形成される。なお、支持層（２１）のエッチングの際には薄膜層１（２４）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（２１１）を酸素プラズマアッシング等により除去し、ステンシルマスク（２１３）を得る。

また、本発明のステンシルマスク製造方法は、第ニの薄膜にパターン溝を形成する工程の後、更に、パターン溝に新たなエッチングストッパー層を形成し、該エッチングストッパー層の上層に新たな薄膜を形成し、該薄膜のパターニングを行うことにより、３以上の薄膜を積層させても良い。
薄膜を複数積層し、それぞれの薄膜について順次エッチング加工によるパターン形成を行うことにより、最終的な貫通孔パターンの幅と深さの比（アスペクト比）によらず、精度良く貫通孔パターンを形成し、かつ薄膜の厚膜化を行うことが出来る。また、３以上の薄膜を積層させることにより、よりたわみに対して耐性のあるステンシルマスクを提供することができる。

また、本発明のステンシルマスクは、複数の薄膜を備え、それぞれ薄膜は、銅、ダイヤモンドからなる群から選ばれたいずれかの材料からなる薄膜であることが好ましい。ダイヤモンドや銅は、熱伝導率が高く、熱膨張係数が小さい材料であることが知られており、薄膜として用いることで、前記のステンシルマスクにおける薄膜の熱容量を、増大させることができる。
本発明のステンシルマスク製造方法は、薄膜を複数積層し、それぞれの薄膜についてエッチング加工によるパターン形成を行うため、薄膜の形成に際して材料の選択の自由性が高い。よって、特に、薄膜にダイヤモンドや銅などの材料を用いたステンシルマスクの製造に適している。

以下、実施例により、本発明のイオン注入用ステンシルマスクの製造方法について説明する。

まず、図２（ａ）に示すように、５００μｍ厚の単結晶シリコンからなる１００ｍｍΦの支持層（２１）で構成される基板を用意した。

次に、図２（ｂ）に示すように、支持層（２１）上面に電子線レジストをスピンナーで塗布して１．０μｍ厚の感光層を形成し、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（２２）を形成した。

次に、図２（ｃ）に示すように、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）を所望の深さまでエッチングして除去し、アライメントマーク（２３）を形成した。さらに、不要となったエッチングマスク（２２）を酸素プラズマアッシングにより除去した。

次に、図２（ｄ）に示すように、アライメントマーク（２３）が形成された支持層（２１）上面にＣＶＤ法により、７．０μｍ厚のダイヤモンドからなる薄膜層１（２４）を形成した。

次に、図２（ｅ）に示すように、薄膜層１（２４）が形成された支持層（２１）上面にＣＶＤ法により、２．０μｍ厚のシリコン窒化膜を形成し、アライメントマーク（２３）を用いてパターニングを行い、エッチングマスク（２５）を形成した。

次に、図２（ｆ）に示すように、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、支持層（２１）をエッチングストッパー層として薄膜層１（２４）をエッチングして除去し、パターン溝１（２６）を形成した。さらに、不要となったエッチングマスク（２５）をフッ化水素酸を用いて除去した。

次に、図２（ｇ）に示すように、パターン溝１（２６）を有する薄膜層１（２４）が形成された支持層（２１）上面にＣＶＤ法により、多結晶シリコンからなるエッチングストッパー層（２７）を形成した。

次に、図３（ｈ）に示すように、支持層（２１）上面に形成されたエッチングストッパー層（２７）を、パターン溝１（２６）およびアライメントマーク（２３）以外の領域に形成されたエッチングストッパー層（２７）が完全になくなるまで研磨した。ここで、前記エッチングストッパー層（２７）研磨後、薄膜層１（２４）の膜厚は５．０μｍとなった。

次に、図３（ｉ）に示すように、薄膜層１（２４）が形成された支持層（２１）上面にＣＶＤ法により、５．０μｍ厚のダイヤモンドからなる薄膜層２（２８）を形成した。

次に、図３（ｊ）に示すように、薄膜層２（２８）が形成された支持層（２１）上面にＣＶＤ法により、２．０μｍ厚のシリコン窒化膜を形成し、アライメントマーク（２３）を用いて、薄膜層１（２４）に形成されたパターン溝１（２６）に対応するパターニングを行い、エッチングマスク（２９）を形成した。

次に、図３（ｋ）に示すように、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、薄膜層２（２８）をエッチングして除去し、パターン溝２（２１０）を形成した。さらに、不要となったエッチングマスク（２９）をフッ化水素酸を用いて除去した。

次に、図３（ｌ）に示すように、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、薄膜層１（２４）に形成されたパターン溝１（２６）内に残留するエッチングストッパー層（２７）をエッチングして除去した。

次に、図３（ｍ）に示すように、支持層（２１）下面にフォトレジストをスピンナーで塗布して５０μｍ厚の感光層を形成し、パターン露光、現像等のパターニング処理を行って、一辺２０ｍｍの正方形パターンを有するエッチングマスク（２１１）を形成した。

次に、図３（ｎ）に示すように、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）をエッチングして除去し、開口部（２１２）を形成した。これにより、薄膜層１（２４）および薄膜層２（２８）の２層からなるメンブレンが形成された。さらに、不要となったエッチングマスク（２１１）を酸素プラズマアッシングにより除去し、イオン注入用ステンシルマスク（２１３）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（２１３）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（２１３）におけるメンブレンのたわみ量は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）、および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１（ａ）参照）を用いて、上記のパターン溝２（２１０）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１（ｂ）参照）を作製した。

上記の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たわみ量は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たわみ量を大幅に低減できることが確認された。

（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。 （ａ）〜（ｇ）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の一部を示す模式構成断面図である。 （ｈ）〜（ｎ）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の一部を示す模式構成断面図である。

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、２１２……開口部
１６……貫通孔パターン
１７、２１３……イオン注入用ステンシルマスク
２２、２５、２９、２１１……エッチングマスク
２３……アライメントマーク
２４……薄膜層１
２６……パターン溝１
２７……エッチングストッパー層
２８……薄膜層２
２１０……パターン溝２

Claims (3)

1. 支持層に第一の薄膜を形成する工程と、
   エッチングを用いて前記第一の薄膜にパターン溝を形成する工程と、
   前記第一の薄膜のパターン溝にエッチングストッパー層を形成する工程と、
   前記第一の薄膜および前記エッチングストッパー層の上層に第二の薄膜を形成する工程と、
   前記第一の薄膜のパターン溝と前記薄膜の積層方向における位置が一致するように、エッチングを用いて前記第二の薄膜にパターン溝を形成する工程と、
   前記支持層に開口部を形成する工程と、
   を少なくとも備え、
   前記第一の薄膜のパターン溝と前記第二の薄膜のパターン溝とが略同一形状である
   ことを特徴とするステンシルマスク製造方法。
2. 請求項１に記載のステンシルマスク製造方法であって、
   支持層に第一の薄膜を形成する工程の前に、支持層に位置合わせ用のアライメントマークを形成すること
   を特徴とするステンシルマスク製造方法。
3. 請求項１または２のいずれかに記載のステンシルマスク製造方法であって、
   第ニの薄膜にパターン溝を形成する工程の後、
   更に、
   パターン溝に新たなエッチングストッパー層を形成し、該エッチングストッパー層の上層に新たな薄膜を形成し、該薄膜のパターニングを行うことにより、３以上の薄膜を積層させること
   を特徴とするステンシルマスク製造方法。

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