JP5581725B2 - イオン注入用ステンシルマスクの製造方法 - Google Patents

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。イオン注入用ステンシルマスク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が撓むという問題がある。メンブレン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だけでなく、撓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もある。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が低減され、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安価な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請求項１の発明は、単結晶シリコンからなる支持層上に１０μｍ厚のダイヤモンドからなる第１の薄膜層を形成する工程と、前記支持層の前記第１の薄膜層が形成された面と反対の面に第１のエッチングマスクを形成する工程と、前記支持層を前記第１のエッチングマスクを用いて当該支持層の厚さ方向の中間部まで加工することにより、単結晶シリコンからなる平均で５０μｍ厚の第２の薄膜層を形成し、かつ不要となった前記第１のエッチングマスクを除去する工程と、前記第２の薄膜層の前記第１の薄膜層と反対の面に第２のエッチングマスクを形成する工程と、前記第２の薄膜層を前記第２のエッチングマスクを用いてエッチングして当該第２の薄膜層に複数の第２のイオン注入用貫通孔からなる第２のイオン注入用貫通孔パターンと表裏重ね合わせ用マークを形成し、かつ不要となった前記第２のエッチングマスクを除去する工程と、前記第１の薄膜層の前記第２の薄膜層と反対の面に、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パターニングしてなる第３のエッチングマスクを形成する工程と、前記第１の薄膜層を前記第３のエッチングマスクを用いてエッチングして当該第１の薄膜層に位置合わせ用マークを形成し、かつ不要となった前記第２のエッチングマスクを除去する工程と、前記第１の薄膜層の前記第２の薄膜層と反対の面に、前記位置合わせ用マークを用いて第１のイオン注入用貫通孔パターンをパターニングして第４のエッチングマスクを形成する工程と、前記第１の薄膜層を前記第４のエッチングマスクを用いてエッチングして当該第１の薄膜層に前記各第２のイオン注入用貫通孔の位置とそれぞれ合致する複数の第１のイオン注入用貫通孔からなる第１のイオン注入用貫通孔パターンを形成し、かつ不要となった前記第４のエッチングマスクを除去する工程とを備え、前記第２のイオン注入用貫通孔の寸法が前記第１のイオン注入用貫通孔の寸法より大きいことを特徴とする。

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、前記支持層および前記第２の薄膜層が単結晶シリコンからなり、前記第１の薄膜層がダイヤモンドからなることを特徴とする。

本発明の製造方法によるイオン注入用ステンシルマスクはメンブレンが第１の薄膜層及び第２の薄膜層の２層から構成される。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が大幅に低減され、優れた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となる。

また、本発明のイオン注入用ステンシルマスクにおけるイオン注入用貫通孔パターンの寸法は第１の薄膜層に形成する第１のイオン注入用貫通孔パターンで規定すればよいため、第２の薄膜層に形成する第２のイオン注入用貫通孔パターンの寸法は第１のイオン注入用貫通孔パターンの寸法より大きくすることができる。これにより第２の薄膜層の厚さも大きくすることが可能となり、メンブレンの耐熱性や耐久性を一層増大させることができる。

また、本発明のイオン注入用ステンシルマスクの製造方法は簡単な方法であるため、上記の優れた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安価に製造することができる。

さらに、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上に第１の薄膜層１２を設けた基板１３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、例えば単結晶シリコンを好適に用いることができる。なお、支持層１１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、当該支持層１１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１の薄膜層１２を構成する材料としては、メンブレンの熱撓み低減のために、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１の薄膜層１２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１４を形成する。

次に、図１(c)に示すように、エッチングマスク１４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を、その周囲を除く部分を厚さ方向の中間部までエッチングして除去し、第２の薄膜層１５を形成する。さらに、不要となったエッチングマスク１４を除去する。

ここで、第２の薄膜層１５の表面は完全に平坦でなくてもかまわないが、第２の薄膜層１５の厚さはメンブレン撓みを低減するために、できるだけ厚くすることが好ましい。

次に、図１(d)に示すように、上記のように形成した第２の薄膜層１５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１６を形成する。

次に、図１(e)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等により、第２の薄膜層１５をエッチングし、その後、不要となったエッチングマスク１６を除去し、表裏重ね合わせ用マーク１７及び、複数の第２のイオン注入用貫通孔からなる第２のイオン注入用貫通孔パターン１８を形成する。

ここで、第２の薄膜層１５をエッチングする際には、第１の薄膜層１２がエッチングストッパー層となる。

また、イオン注入用ステンシルマスク１１３におけるイオン注入用貫通孔の寸法は第１の薄膜層１２に形成する第１のイオン注入用貫通孔で規定されるため、第２の薄膜層１５に形成する第２のイオン注入用貫通孔の寸法は、後に形成する第１のイオン注入用貫通孔の寸法より大きくなってもかまわない。

次に、図２(a)に示すように、第１の薄膜層１２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１５に形成した表裏重ね合わせ用マーク１７を用いて第１の薄膜層１２の所望の位置に位置合わせ用マーク１１０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１９を形成する。

次に、図２(b)に示すように、エッチングマスク１９を用いてドライエッチング等により第１の薄膜層１２をエッチングし、その後、不要となったエッチングマスク１９を除去し、位置合わせ用マーク１１０を形成する。

ここで、第１の薄膜層１２をエッチングする際には、第２の薄膜層１５がエッチングストッパー層となる。

次に、図２(c)に示すように、第１の薄膜層１２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１２に形成した位置合わせ用マーク１１０を用いて第２の薄膜層１５に形成した第２のイオン注入用貫通孔パターン１８に対応する第１のイオン注入用貫通孔パターン１１２を第１の薄膜層１２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１１１を形成する。

次に、図２(d)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１の薄膜層１２をエッチングし、各第２のイオン注入用貫通孔に位置が合致する複数の第１のイオン注入用貫通孔からなる第１のイオン注入用貫通孔パターン１１２を形成する。その後、不要となったエッチングマスク１１１を除去する。これにより、メンブレンが第１の薄膜層１２と第２の薄膜層１５の２層からなるイオン注入用ステンシルマスク１１３を得る。

なお、上記においては支持層１１及び第２の薄膜層１５を加工した後に第１の薄膜層１２を加工する製造方法について説明したが、逆に第１の薄膜層１２を加工した後に支持層１１及び第２の薄膜層１５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。

まず、図１(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１１上に、ＣＶＤ法により１０μｍ厚のダイヤモンドからなる第１の薄膜層１２を設けた基板１３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、エッチングマスク１４を形成した。

次に、図１(c)に示すように、エッチングマスク１４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を途中までエッチングして除去し、第２の薄膜層１５を形成した。形成した第２の薄膜層１５の厚さは平均で５０μｍであるが、±２μｍの分布があった。さらに、不要となったエッチングマスク１４をウエット処理により除去した。

次に、図１(d)に示すように、上記のように形成した第２の薄膜層１５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１．０μｍ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１６を形成した。

次に、図１(e)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、第２の薄膜層１５をエッチングし、その後、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、表裏重ね合わせ用マーク１７及び第２のイオン注入用貫通孔パターン１８を形成した。なお、当該第２のイオン注入用貫通孔パターン１８の寸法は後に形成する第１のイオン注入用貫通孔パターン１１２の寸法より５μｍ大きくした。

次に、図２(a)に示すように、第１の薄膜層１２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１５に形成した表裏重ね合わせ用マーク１７を用いて第１の薄膜層１２の所望の位置に位置合わせ用マーク１１０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１９を形成した。

次に、図２(b)に示すように、エッチングマスク１９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１の薄膜層１２をエッチングし、その後、不要となったエッチングマスク１９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１１０を形成した。

次に、図２(c)に示すように、第１の薄膜層１２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１２に形成した位置合わせ用マーク１１０を用いて第２の薄膜層１５に形成した第２のイオン注入用貫通孔パターン１８に対応する第１のイオン注入用貫通孔パターン１１２を第１の薄膜層１２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１１１を形成した。

次に、図２(d)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１の薄膜層１２をエッチングし、第１のイオン注入用貫通孔パターン１１２を形成した。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た。

以上の方法により、メンブレンが第１の薄膜層１２と第２の薄膜層１５の２層からなる本発明のイオン注入用ステンシルマスク１１３を得た。

１１、３１…支持層
１２…第１の薄膜層
１３…基板
１４，１６，１９，１１１…エッチングマスク
１５…第２の薄膜層
１７…表裏重ね合わせ用マーク
１８…第２のイオン注入用貫通孔パターン
１１０…位置合わせ用マーク
１１２…第１のイオン注入用貫通孔パターン
１１３、３７…イオン注入用ステンシルマスク
３２…エッチングストッパー層
３３…薄膜層
３４…ＳＯＩウエハ
３５…開口部
３６…貫通孔

Claims (1)

1. 単結晶シリコンからなる支持層上に１０μｍ厚のダイヤモンドからなる第１の薄膜層を形成する工程と、
   前記支持層の前記第１の薄膜層が形成された面と反対の面に第１のエッチングマスクを形成する工程と、
   前記支持層を前記第１のエッチングマスクを用いて当該支持層の厚さ方向の中間部まで加工することにより、単結晶シリコンからなる平均で５０μｍ厚の第２の薄膜層を形成し、かつ不要となった前記第１のエッチングマスクを除去する工程と、
   前記第２の薄膜層の前記第１の薄膜層と反対の面に第２のエッチングマスクを形成する工程と、
   前記第２の薄膜層を前記第２のエッチングマスクを用いてエッチングして当該第２の薄膜層に複数の第２のイオン注入用貫通孔からなる第２のイオン注入用貫通孔パターンと表裏重ね合わせ用マークを形成し、かつ不要となった前記第２のエッチングマスクを除去する工程と、
   前記第１の薄膜層の前記第２の薄膜層と反対の面に、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パターニングしてなる第３のエッチングマスクを形成する工程と、
   前記第１の薄膜層を前記第３のエッチングマスクを用いてエッチングして当該第１の薄膜層に位置合わせ用マークを形成し、かつ不要となった前記第２のエッチングマスクを除去する工程と、
   前記第１の薄膜層の前記第２の薄膜層と反対の面に、前記位置合わせ用マークを用いて第１のイオン注入用貫通孔パターンをパターニングして第４のエッチングマスクを形成する工程と、
   前記第１の薄膜層を前記第４のエッチングマスクを用いてエッチングして当該第１の薄膜層に前記各第２のイオン注入用貫通孔の位置とそれぞれ合致する複数の第１のイオン注入用貫通孔からなる第１のイオン注入用貫通孔パターンを形成し、かつ不要となった前記第４のエッチングマスクを除去する工程とを備え、
   前記第２のイオン注入用貫通孔の寸法が前記第１のイオン注入用貫通孔の寸法より大きい、
   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。

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