JPS62232139A - 半導体ウエ−ハ上の位置合せマ−ク形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 この発明は、半導体ウェーハの両側の同じ位置に位置合
せマークを形成する方法に関するものである。

Ｂ、従来技術およびその問題点 単結晶シリコンは、十分立証された電子的特性とすぐれ
た機械的特性をもつため、各種の新製品に多く使用され
ている。シリコンは、従来の小型機械装置および部品に
対する認識を変えつつある。

集積電子回路の精巧化、小型化、および用途の拡大によ
り、これらの電子回路に適合する従来よりも高精度、高
信頼性、低コストの小型機械部品の需要が増大している
。このような部品の１３’ｌＪは、機械的センサ、イン
ク・ジェット・プリント・ヘッドおよびサーマル・プリ
ント・ヘッド？含む印刷技術、データの記憶および検索
のための磁気および光学記録ヘッド、固体レーザおよび
光学ファイバの取付、連結および整列、ならびに高精度
機械的共鳴結晶に見られる。シリコン・マイクロメカニ
クスという比較的新しい分野の急速な成長によシ、従来
のシリコンＩＣ製造技術を用いて、シリコン上に多数の
このような複雑な機械装置を製造することが可能になっ
た。この方法には下記のような多くの利点がある。すな
わち、機械装置および電子装置のインターフェーシング
および集積化が容易になり、ＩＣ産業における費用有効
性の１賛な要素であるバッチ製造手順が、小型機械部品
にも拡張できること、十分に周知の、特徴のはっきりわ
かっている材料および加工技術が利用できること、電子
部品に不可欠の材料特性の厳密な制御を機械部品に容易
に適用して、装置の性能、信頼性および繰返し性を増大
させることができること、最後に、集積電子回路で通常
達成される小寸法と高精度が、他の方法では不可能な機
械装置および構造の実現に利用することができることな
どである。

シリコン・マイクロメカニクスの加工技術、構造的特徴
、応用分野については、”　Ｉ　ＥＥＥ会報（Ｐｒｏｃ
ｅｅｄｉｎｇｓ　　ｏｆ　　ｔｈｅ　　ＩＥＥＥ）”、
ＶＯｌ−７０、Ｎｏ、５．１９８２年５月、ｐ、４２０
〜４５６に、Ｋ、Ｅ、ビーターリン（Ｋ、Ｅ、Ｐｅｔｅ
ｒｓｅｎ）が記述している。

シリコン・マイクロメカニクスを、超小型機械装置の製
造に使用した場合の間一点は、シリコン・ウェーハの表
面および裏面を高精度でフォトリングラフィ・マスクに
対して位置合せすることである。このことは、以前から
問題になっており、この解決のために多くの提案がなさ
れている。

米国特許第３７５２５８９号明細書には、ウェーハの片
側のマスクのパターンを、反対ｌのパターンと位置合せ
をするための光学・機械的手段および方法が開示されて
いる。この方法は、ウェーハの両側にそれぞれパターン
の光学像を作り、マスクの位置を機械的に調節して、２
つの光学像の位置合せを行うものである。

米国特許第４０４．６９８５号明細書には、ウェーハの
裏面をカーフ・カッティング・レーザの軸に対して繰り
返し位置合せする光学・機械的半導体ウェーハ位置合せ
装置が開示されている。まず、表側に装置パターンと不
透明なウェーハ上の位置合せマークとの写しを有する透
明なマスクを目視によシレーザに対して位置合せし、装
置をこの位置合せを維持するようにセットする。その結
果、その後挿入した同じ位置合せマークを有する不透明
な半導体ウェーハが、ウェーハの反転像を含む、透明マ
スクと同じ経路に沿って、装置中を移動し、これによシ
その裏面がレーザに位置を合せされる。

レーザ・ビームは不透明なウエーノ・の表面上のデバイ
ス間のカーフ部に自動的に衝突する。

この従来技術の位置合せ装置は、高価で扱いにくい機械
的位置合せ装置または手段を必要とする。

これらの方法は、極めて労働集約的であシ、相当量の手
操作を必要とし、遅くて自動化に不向きであり、近代的
な投影印刷手段の利点を生かすことができないという問
題がある。

半導体ウェーハの表面および裏面に、位置合せマークを
形成する方法が、米国特許第４３１８７５２号および第
４１３１４８７号明細書で提案されている。

米国特許第４！１１８７５２号には、レーザ・ビームを
第１のＰ型にドーピングした層を通して、隣接するＮ型
にドーピングした層中に当て、そこでレーザ・ビームの
エネルギを吸収・発熱させ、Ｐ型にドーピングした層を
Ｎ型にドーピングした層中に拡散させることにより、多
層半導体のＮ型にドーピングした層中にＰ型にドーピン
グした領域を形成する方法が開示されている。レーザ・
ビームの波長は、Ｐ型にドーピングした層を吸収されず
に通過するよう選定する。

米国特許第４１３１４８７号明細書は、レーザ・ビーム
によシ半導体ウェーハをゲッタリングする方法を開示し
ている。この方法は、レーザ・ビームをウェーハの裏側
に当て、裏側で格子の破壊およびひずみを起させるもの
である。その後、つ工−ハを加熱すると、ひずみが除去
され、ウェーハの表側から裏側へ可動欠陥が引き寄せら
れる。

これらの従来技術によるレーザ技術を用いて、米国特許
第４５３４８０４号明細書は、高価で扱いにくい位置合
せ装置を必要とせずに、半導体ウェーハの表面および裏
面の位置合せを行う方法を開示している。

レーザ・ビームを使ってウェーハの裏面に位置合せマー
クを引くことによシ、半導体ウェーハの表裏両側の同じ
位置に位置合せマークが形成される。レーザ・ビームの
波長は、軽くドーピングしたウェーハでは吸収されずに
通過するが、その後の強くドーピングした半導体膚には
吸収され、その内部で発熱して欠陥を生じるように選定
する。

次に半導体を加熱して、欠陥をウェーハの表面まで移動
させ、裏面の同じ位置にマークの像を形成させる。この
位置合せ法は、エツチング工程中に７オトレジストのブ
ロッキング・マスクを必要とせず・かつ片側が被覆され
ている等の理由で位置合せのためにアクセスすることが
できない、サンドイッチ構造その他の構造上に、位置合
せマークを形成させることができる。

しかし、この方法は、必要とする層および工程段階の数
の点で比較的複雑で高価であり、限られた範囲、つまり
特定の最大ドーピング濃度および特定の層順序を有する
シリコン・ウェーハにしか適用できない。位置合せの精
度は、欠陥の表面への移動経路の方向精度によって変わ
る。

この発明は上記の欠点を矯正することを目的とするもの
であり、いかにして半導体ウェーハの表面および裏面の
同じ位置に位置合せマークを自動的に形成させるかとい
う問題を解決する。

Ｃ９問題点を解決するための手段 前記目的を達成するために、本発明による半導体ウェー
ハ上の位置合せマーク形成方法は、半導体ウェーハの表
面および裏面に絶縁層をコーティングし、イオン価が２
０以上で、かつ表面のＰ！縁層、半導体ウェーハ、およ
び裏面の絶縁層を貫通するような高エネルギのイオンを
該表面の絶縁層に当て、前記半導体ウェーハの結晶格子
をかく乱することなしに、前記両絶縁層の結晶格子をか
く乱して前記イオンの飛跡を前記両絶縁層に形成し、該
飛跡をエツチングして、前記両絶縁層の対応する同じ位
置に孔を形成することを特徴としている。

この発明の方法によれば、ウェーハの特別な前処理を必
要とせず、ウェーハの結晶構造は変化せず、形成する位
置合せマークの精度は０．１μｍより秀れている。

Ｄ、実施例 この発明による方法は、高速重イオンの検出に古くから
用いられている現象を利用するものである。その目的の
ため、固体を固体“バブル・チェンバ″に導入して、高
エネルギの重イオンと衝突させる。重イオンは、その経
路に沿って固体を貫通し、結晶格子を、結晶中に微細な
チャネルがエツチングされる程度にかく乱する。各チャ
ネルは、単−重イオンに相当する。各チャネルは、密に
分布したほぼ同一の直径によりマークされる。チャネル
の数は、イオン線量の関数として効果的に制御でき、直
径には無関係である。エツチングによって形成されるチ
ャネルの直径は、１０　ｎｍないし１００μｍの範囲で
、効果的に調節できる。さらに、長さと直径の比も調節
可能で、７０という比がすでに実現されている。

この現象はまた、ドイツ公開特許第２９５１！１７６号
明細書でも取り上げられている。この特許には、加速装
置の単一イオンまたは可算数のイオン、たとえば重イオ
ン加速装置の重イオンの、固体中の飛跡によって生じる
微細な孔を形成する方法が記載されている。露出後、固
体をエツチングすると、前記の微細な孔つまシチャネル
が形成される。

この現象の応用については、“イオンと固体の相互作用
（Ｉｏｎ　　Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　　ｗｉｔｈＳｏ
ｌｉｄｓ　）”と題して”　Ｊ、Ｖａｃ、Ｓｅｉ。

Ｔｅｃｈｎｏｌ、”、Ｖｏｌ、１９、Ｎｏ、４．１９８
１年１１／１２月、９．８６４〜８６５に記載されてい
る。重イオン衝突法は、特に膜に単一の孔を形成し、マ
イクロフィルタを製造するのに用いられる。ホスタクア
ン（ポリエチレン・テレフタレート）Ｋ４．７ＭｅＶの
Ｘｅイオンを、１．６Ｘ　１０７ｃｍ−２の線量で衝突
させることにより、長さ約５０μｍ、直径約０．７μｍ
の、フィルタ効果を有するチャネルが、ＮａＯＨでのエ
ツチングの際に形成される。

この現象の応用は、ドイツ公開特許第２９５１２８７号
明細書にも記載されている。この特許には、基材中の空
隙を充填した後、空隙を含む基材を除去することＫより
、たとえば最小ピークがμｍ台以下の、導体、または半
導体材料の、フラット形電界放出陰極の平坦な表面を形
成する方法が開示されている。空隙を有する平坦基材を
、たとえば重イオン加速装置の高エネルギのイオンに当
てる。次のエツチング工程で、形成された核飛跡を露出
する。最後に、礼状の核粒子の飛跡または空１’Ｊを導
体または半導体材料で充填し、導体または半導体材料の
針状構造を得、これを電界放出陰極として使用する。

ドイツ公開特許第３３２８８５９号明細書には、上記の
現象を使って垂直磁気データ記憶装置のための層構造を
形成する方法が開示されている。この目的のため、樹脂
等の非磁性材料の坦体を適当な基板に塗布する。この坦
体中に、高エネルギの重イオンを衝突させて、核飛跡の
パターンを形成する。続いてエツチングすると、これら
の核飛跡はチャネルに変換される。適当なメッキ工程に
よシ、チャネルは、垂直磁気データ記憶のできる磁性材
料で充填される。このようにして、基板表面に垂直に配
列された異方性材料の複数の針からなる超小型針状構造
が得られる。

本発明によれば、この現象を、半導体ウェーへの両側の
同じ位置に位置合せマークを形成する方法に利用する。

ＭｅＶ台の高エネルギーの、２０以上のイオン価を持つ
イオンが固体の結晶格子に損傷を与える仕組は、通常の
イオン打ち込み法で使われるようなＫｅＶ台のエネルギ
ーの、１価のイオンの場合と異なる。すなわち、結晶の
うちの前者のイオンが貫通した部分では、局所的、かつ
短時間、電子が奪われる。その結果、絶縁体のように容
易に電子を回復できない結晶では、結晶を構成する原子
が正の電荷を帯びて斥力を互いに激しく及ぼし合い、結
晶格子に損傷が生じる。もつとも、ケイ素のように導電
性を持つ固体では、貫通したイオンによって奪われた電
子が迅速に回復されるので、上記のような結晶を構成す
る原子同士のクーロン力による激しい反発（クーロン・
エクスプロージョン）は生じず、したがって結晶格子に
も損傷は生じない。

なお、通常のイオン打ち込みでは、質量数が１１と７５
の間のイオンが用いられるが、本発明で用いるイオンは
、１００を越えるような質量数を持つことが好ましい。

第１Ａ〜１Ｃ図に示す第１の実施例では、たとえば厚さ
が１００μｍのシリコン・ウェーハに１集積半導体技術
で既知の酸化工程によって、たとえば厚さが１００　ｎ
ｍのＳ　ｉｏ　２層をコーティングする。なお、該ウェ
ーハを使って、本明細書の前文で述べた超小型機械装置
が製造されるのであり、その表側、裏側の形状ゆえに、
これら両側に同一の位置合せマークが形成される。

第１Ａ図は、表および裏側にＳ　ｉ　０２層２．６を有
するウェーハ１の断面図である。次のステップでは、第
１Ａ図の矢印で示すように、ウェーハ１の表側および５
ｉＯＪｉｉ２のそれぞれに、約１０６〜１０７ｃｍ−２
の低線量の重イオンを用いてブランケット（ｂｌａｎｋ
ｅｔ　）露出（全面的な露出）が施される。使用する重
イオンは、たとえば、核子１個当たシ１０ＭｅＶのＸｅ
２４＋イオン（質量数１３１）とすることができる。こ
のように低い線量とすることは、重イオン技術では問題
なく可能である。露出中に、各重イオンは、Ｓ　ｉ　０
２層２中Ｋ、ランダムに分布する直径約１０ｎｍの潜在
的Ｋかく乱された（　ｄｉｓｔｕｒｂｅｄ　）結晶領域
または飛跡４を残す。重イオンはまたウェーハ１にも浸
透すルカウエーハは損傷されない。各重イオｙはｉ後に
ウェーハの裏側の５ＩＯ２層３を貫通し、表側のＳ　ｉ
　０２層２のかく乱された飛跡４と正確に位置合せされ
たかく乱された飛跡４′を残す。ここで選定した低線量
では、かく乱された各咳飛跡４．４′の鏡像が、ウェー
ハの表および裏側に形成され、隣接する飛跡との間隔は
、たとえば１０μｍのオーダである。

次のステップでは、Ｓ　ｒ　０２層２および６を、たと
えば緩衝７ノ化水素酸でエツチングする。使用するエツ
チング剤はＫＯＨでもよい。核飛跡領域４・４′でのエ
ツチング速度は、かく乱されないＳｉＯ２の領域よシず
つと速いので、第１Ｂ図の断面図に示すように、かく乱
された飛跡４．４′に対応する孔５．５′が２つのＳ　
五〇　２層２．３に形成される。孔５．５′の直径は飛
跡４．４′の直径に対応し、したがって約１０ｎｍであ
る。孔５．５′のエツチング中、ウェーハ１のシリコン
ハ、エッチ・ストップとして働く。孔５．５′は、イオ
ン集団によって生ずるかく乱で知られているように、深
さが拡大しないことが重要である。表および裏側の間で
の孔の位置合せ精度は、孔の直径を超える。

第１Ｃ図の平面図に示すように、２つの８１０２層２お
よび５中に、特徴的な位置にある、ランダムに形成され
た孔５．５′の部分群のそれぞれが、表および裏側に塗
布されるマスクまたはフォトレジスト層の位置合せマー
クとして使用できる。これは、後の超小型機械装置製造
のステップで必要になる。

位置合せマークはまた、Ｓ　ｒ　０２層２および５をエ
ッチ・マスクとして使用して、ウエーノ・１の表面をわ
ずかにエツチングすることによシ、ウェーハ１の表面に
直接形成することもできる。次に２つのＳ　ｉ　Ｏ２層
を除去すると、後で実施するステップ用の位置合せマー
クがウエーノ・１の表および裏面に直に形成される。

第２Ａ〜２Ｃ図は、この発明の第２の実施例を示す。第
２の実施例は、初期ステップのみが第１の実施例と異る
ため、同一部分には第１Ａ〜１０図と同じ数字を用いで
ある。第２Ａ図の断面図に示すように、まずシリコン・
ウエーノＳ１の表および裏側に５Ｉ０２の絶縁層２．３
をコーティングする。次に、重イオンを通過させないマ
スク、たとえば金属マスクを、ウェーハ１の表側の８１
０２層２上に付層させる。この金属マスクは、形成する
位置合せマークに応じた直径および分布の開口８のパタ
ーンを有する。この金属マスクＺを使用して、構造の表
側を高エネルギの重イオン、たとえばＸｅ２４＋に露出
させる。重イオンは各マスク・ウィンドウ８の領域に衝
突することができなければならないので、霧出は約１０
９ｃｍ−２の比較的高い線量て行う。エネルギはこの場
合も核子１個当たシ１０ＭｅＶでよい。マスク・ウィン
ドウ８によって、重イオンが２つの８１０２層２．３お
よびウェーハ１を貫通する点が画定され、この場合もか
く乱された核飛跡４．４′が５ＩＯ２１ｉ１２および５
のみに残る。

金属マスク７ｔ−除去した後、たとえば緩衝フッ化水素
酸でエツチングを行って（第２Ｂ図）、ウェーハ１の表
および裏側のＳ　ｉＯ２層２および３に直径約１０ｎｍ
の孔５．５′を形成する。第２Ｃ図の平面図に、このよ
うにして形成されたマスクされた位置合せマークのパタ
ーンを示す。これが後の様々なステップで使用される。

ウェーハとして、シリコンの代りに他の半導体材料も使
用することができる。重イオン露出により絶縁層にかく
乱が生じるので、必要があればウェーハの表および裏側
の５１０２層の代シに、重合体またはフォトレジストｍ
ｔ用いることもできる。

Ｅ９発明の効果 本発明によれば、レーザーを用いた場合のようにウェー
ハに特別な前処理を施したり、ウェー・・の結晶構造を
変化させたりすることなく、しかもウェーハの表裏両面
の同じ位置に極めて精度よく位置合せマークを形成する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図および第１Ｂ図は、この発明の第１の方法で加
工した半導体ウェーハの断面図で、ウェーハの表面およ
び裏面に単一のランダムに分布した位置合せマークを形
成するため、低線量の重イオンのブランケットａ出を使
用したものである。 第１Ｃ図はこの発明の第１の方法によシ加工したウェー
ハの平面図である。 第２Ａ図および第２Ｂ図は、この発明の第２の方法で加
工した半導体ウェーハの断面図で、金属マスクによシ画
定された明確な位置合せマークを形成するため、高線量
の重イオンのブランケット露出を使用したものである。 第２Ｃ図は、この発明の第２の方法により加工したウェ
ーハの平面図である。 １・・・・半導体ウェーノー、２．３・・・・絶縁層、
４．４′・・・・核飛跡、５．５′・・・・位置合せ孔
、７・・・・金属マスク、８・・・・金属マスク開口。 出願人　インタ廿廣・ビオ９←マシー２ズ・コーポＶ号
９ン代理人　弁理士　　頓　　　宮　　　孝　　　−（
外１名） 低線量 ＦＩＧ、（Ｃ 高線量 Ｘ、２４＋ 日Ｇ、２Ｃ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体ウェーハの両側の同じ位置に位置合せマークを形
   成する方法において、前記半導体ウェーハの表面および
   裏面に絶縁層をコーティングし、イオン価が２０以上で
   、かつ表面の絶縁層、半導体ウェーハ、および裏面の絶
   縁層を貫通するような高エネルギのイオンを該表面の絶
   縁層に当て、前記半導体ウェーハの結晶格子をかく乱す
   ることなしに、前記両絶縁層の結晶格子をかく乱して前
   記イオンの飛跡を前記両絶縁層に形成し、該飛跡をエッ
   チングして、前記両絶縁層の対応する同じ位置に孔を形
   成することを特徴とする半導体ウェーハ上の位置合せマ
   ーク形成方法。