JP2011077091A - イオン注入用ステンシルマスクの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】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を提供する。
【解決手段】支持層１１上にエッチングストッパー層１２を形成する工程と、エッチングストッパー層１２上に第１の薄膜層１３を形成する工程と、第１の薄膜層１３上に第２の薄膜層１４を形成する工程と、支持層１１に開口部１７を形成する工程と、第１の薄膜層１３に第１のイオン注入用貫通孔パターン１１０を形成する工程と、第２の薄膜層１４に第２のイオン注入用貫通孔パターン１１４を形成する工程とを含むイオン注入用ステンシルマスクの製造方法とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、イオン注入用ステンシルマスクの製造方法に関する。

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、デバイス製造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３７は、図３（ａ）に示すＳＯＩ（Silicon-On-Insulator ）ウエハ３４を用いて作製される。このＳＯＩウエハ３４は、単結晶シリコンからなる支持層３１、シリコン酸化膜からなるエッチングストッパー層３２、及び単結晶シリコンからなる薄膜層３３の３層を有する。
従来のイオン注入用ステンシルマスク３７は、図３（ａ）のＳＯＩウエハ３４を加工することにより、図３（ｂ）に示すように、支持層３１及びエッチングストッパー層３２に開口部３５が形成されることで単層自立膜となった薄膜層３３（以下、メンブレンと記述）に貫通孔３６を有する構造である。

特開２００４−１５８５２７号公報

しかしながら、上記のような３層からなるＳＯＩウエハ３４を用いて作製されたイオン注入用ステンシルマスク３７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３３が撓むという問題がある。また、メンブレン３３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）。この方法は効果があるものの、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で、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。

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を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、イオン注入用ステンシルマスクの製造方法であって、支持層上にエッチングストッパー層を形成する工程と、前記エッチングストッパー層上に第１の薄膜層を形成する工程と、前記第１の薄膜層上に第２の薄膜層を形成する工程と、前記支持層と前記エッチングストッパー層に開口部を形成する工程と、前記第１の薄膜層に第１のイオン注入用貫通孔パターンを形成する工程と、前記第２の薄膜層に第２のイオン注入用貫通孔パターンを形成する工程とを含むことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載のイオン注入用ステンシルマスクの製造方法において、前記第１の薄膜層に前記第１のイオン注入用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第２のイオン注入用貫通孔パターンを形成することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または２記載のイオン注入用ステンシルマスクの製造方法において、前記支持層が単結晶シリコンからなり、前記第１の薄膜層が単結晶シリコンからなり、前記第２の薄膜層がダイヤモンドからなることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１乃至３に何れか１項記載のイオン注入用ステンシルマスクの製造方法において、前記第１の薄膜層及び前記第２の薄膜層との２層がメンブレンを構成す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の薄膜層及び第２の薄膜層の２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。

（ａ）〜(ｅ)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。 （ａ）〜（ｄ）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。 （ａ）はSOIウエハの一例を示す模式構成断面図であり、（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。

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１及び図２を参照しながら詳細に説明する。

まず、図１（ａ）に示すように、支持層１１上にエッチングストッパー層１２を設け、このエッチングストッパー層１２上に第１の薄膜層１３を設け、さらに、第１の薄膜層１３上に第２の薄膜層１４を設けた基板１５を準備する。

ここで、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における加工技術をできるだけそのまま用いるために、支持層１１としては単結晶シリコンを、エッチングストッパー層１２としてはシリコン酸化膜を、また第１の薄膜層１３としては単結晶シリコンを好適に用いることができる。
なお、第１の薄膜層１３を構成する材料として単結晶シリコンを選択した場合には、当該第１の薄膜層１３にはボロンやリン等の不純物が含まれていてもかまわない。
また、第２の薄膜層１４を構成する材料としては、メンブレンの熱たわみ低減のために、熱伝導率が高く機械的強度の大きい材料を用いることが望ましい。例えば第２の薄膜層１４を構成する材料としてダイヤモンドなどを好適に用いることができる。

次に、図１（ｂ）に示すように、支持層１１の下面にフォトレジスト等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、エッチングマスク１６を形成する。
次に、図１（ｃ）に示すように、エッチングマスク１６を用い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１１及びエッチングストッパー層１２をエッチングして除去し、開口部１７を形成する。なお、支持層１１をエッチングする際にはエッチングストッパー層１２が、またエッチングストッパー層１２をエッチングする際には第１の薄膜層１３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１６を除去する。

次に、図１（ｄ）に示すように、上記のように形成した開口部１７に臨む第１の薄膜層１３の下面に電子線レジスト等をスプレーコータ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、エッチングマスク１８を形成する。
次に、図１（ｅ）に示すように、エッチングマスク１８を用いてドライエッチング等により、第１の薄膜層１３をエッチングし、その後、不要となったエッチングマスク１８を除去し、表裏重ね合わせ用マーク１９及び第１のイオン注入用貫通孔パターン１１０を形成する。

次に、図２（ａ）に示すように、第２の薄膜層１４の上面にシリコン酸化膜等（図示せず）を形成し、第１の薄膜層１３に形成した表裏重ね合わせ用マーク１９を用いて第２の薄膜層１４の所望の位置に位置合わせ用マーク１１２を形成するためのパターニングを公知技術を用いて行い、エッチングマスク１１１を形成する。
次に、図１（ｂ）に示すように、エッチングマスク１１１を用いてドライエッチング等により第２の薄膜層１４をエッチングし、その後、不要となったエッチングマスク１１１を除去し、位置合わせ用マーク１１２を形成する。

次に、図１（ｃ）に示すように、第２の薄膜層１４の上面にシリコン酸化膜等（図示せず）を形成し、第２の薄膜層１４に形成した位置合わせ用マーク１１２を用いて第１の薄膜層１３に形成した第１のイオン注入用貫通孔パターン１１０に対応する第２のイオン注入用貫通孔パターン１１４を第２の薄膜層１４に形成するためのパターニングを公知技術を用いて行い、エッチングマスク１１３を形成する。

次に、図１（ｄ）に示すように、エッチングマスク１１３を用いてドライエッチング等により第２の薄膜層１４をエッチングし、第２のイオン注入用貫通孔パターン１１４を形成する。その後、不要となったエッチングマスク１１３を除去する。これにより、メンブレンが第１の薄膜層１３と第２の薄膜層１４の２層からなるイオン注入用ステンシルマスク１１５を得る。

なお、上記においては支持層１１及び第１の薄膜層１３を加工した後に第２の薄膜層１４を加工する製造方法について説明したが、逆に第２の薄膜層１４を加工した後に支持層１１及び第１の薄膜層１３を加工する製造方法等も可能である。

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。
（実施例１）
まず、図１（ａ）に示すように、５００ μｍ厚の単結晶シリコンからなる１００ｍｍΦの支持層１１上に１．０ μｍ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を設け、このエッチングストッパー層１２上に１０ μｍ厚の単結晶シリコンからなる第１の薄膜層１３を設け、この第１の薄膜層１３上にＣＶＤ法により１０ μｍ厚のダイヤモンドからなる第２の薄膜層１４を設けた基板１５を準備した。

次に、図１（ｂ）に示すように、支持層１１の下面にフォトレジストをスピンナーで塗布して２０ μｍ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、エッチングマスク１６を形成した。
次に、図１（ｃ）に示すように、エッチングマスク１６を用い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１１を、フッ化水素酸を用いたウエットエッチングによりエッチングストッパー層１２をエッチングして除去し、開口部１７を形成した。さらに、不要となったエッチングマスク１６をウエット処理により除去した。

次に、図（ｄ）に示すように、開口部１７に臨む第１の薄膜層１３の下面に電子線レジストをスプレーコーターで塗布して１．０ μｍ厚の感光層（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、エッチングマスク１８を形成した。
次に、図１（ｅ）に示すように、エッチングマスク１８を用い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１３をエッチングし、その後不要となったエッチングマスク１８をウエット処理により除去し、表裏重ね合わせ用マーク１９及び第１のイオン注入用貫通孔パターン１１０を形成した。

次に、図２（ａ）に示すように、第２の薄膜層１４の上面にスパッタ法により０．５ μｍ厚のシリコン酸化膜（図示せず）を形成し、第１の薄膜層１３に形成した表裏重ね合わせ用マーク１９を用いて第２の薄膜層１４の所望の位置に位置合わせ用マーク１１２を形成するためのパターニングを公知技術を用いて行い、エッチングマスク１１１を形成した。
次に、図２（ｂ）に示すように、エッチングマスク１１１を用いて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第２の薄膜層１４をエッチングし、その後不要となったエッチングマスク１１１をフッ化水素酸を用いたウエットエッチングにより除去し、位置合わせ用マーク１１２を形成した。

次に、図２（ｃ）に示すように、第２の薄膜層１４の上面にスパッタ法により０．５ μｍ厚のシリコン酸化膜（図示せず）を形成し、第２の薄膜層１４に形成した位置合わせ用マーク１１２を用いて第１の薄膜層１３に形成した第１のイオン注入用貫通孔パターン１１０に対応する第２のイオン注入用貫通孔パターン１１４を第２の薄膜層１４に形成するためのパターニングを公知技術を用いて行い、エッチングマスク１１３を形成した。

次に、図２（ｄ）に示すように、エッチングマスク１１３を用いて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第２の薄膜層１４をエッチングし、第２のイオン注入用貫通孔パターン１１４を形成した。その後、不要となったエッチングマスク１１３をフッ化水素酸を用いたウエットエッチングにより除去した。これにより、メンブレンが第１の薄膜層１３、及び第２の薄膜層１４の２層からなるイオン注入用ステンシルマスク１１５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１１５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１１５におけるメンブレンの撓み量は１ μｍ以下であった。
また、比較のために、５００ μｍ厚の単結晶シリコンからなる支持層３１、１．０ μｍ厚のシリコン酸化膜からなるエッチングストッパー層３２、及び１０ μｍ厚の単結晶シリコンからなる薄膜層３３の３層からなる１００ｍｍΦのＳＯＩウエハ３４（図３（ａ）参照）を用いて、上記の第１のイオン注入用貫通孔パターン１１０と同一のパターンが薄膜層３３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３７（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３７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３７におけるメンブレンの撓み量は７ μｍ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。

１１…支持層、１２…エッチングストッパー層、１３…第１の薄膜層、１４…第２の薄膜層、１５…基板、１６，１８，１１１，１１３…エッチングマスク、１７…開口部、１９…表裏重ね合わせ用マーク、１１０…第１のイオン注入用貫通孔パターン、１２…位置合わせ用マーク、１１４…第２のイオン注入用貫通孔パターン、１１５…イオン注入用ステンシルマスク。

Claims (4)

1. 支持層上にエッチングストッパー層を形成する工程と、
   前記エッチングストッパー層上に第１の薄膜層を形成する工程と、
   前記第１の薄膜層上に第２の薄膜層を形成する工程と、
   前記支持層と前記エッチングストッパー層に開口部を形成する工程と、
   前記第１の薄膜層に第１のイオン注入用貫通孔パターンを形成する工程と、
   前記第２の薄膜層に第２のイオン注入用貫通孔パターンを形成する工程と、
   を含む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. 前記第１の薄膜層に前記第１のイオン注入用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第２のイオン注入用貫通孔パターンを形成することを特徴とする請求項１記載のイオン注入用ステンシルマスクの製造方法。
3. 前記支持層が単結晶シリコンからなり、前記第１の薄膜層が単結晶シリコンからなり、前記第２の薄膜層がダイヤモンドからなることを特徴とする請求項１または２記載のイオン注入用ステンシルマスクの製造方法。
4. 前記第１の薄膜層及び前記第２の薄膜層との２層がメンブレンを構成することを特徴とする請求項１乃至３に何れか１項記載のイオン注入用ステンシルマスクの製造方法。

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