(57)【要約】イオン注入に十分な強度を持つ耐久性の高いマスクおよびその製造方法と、そのようなマスクを用いた半導体装置の製造方法を提供する。薄膜と、薄膜上の一部に形成された、好適には感光性樹脂からなる保護膜と、薄膜上に保護膜を囲むように形成された支持枠と、薄膜および保護膜に形成された孔であって、保護膜側に入射する荷電粒子線または電磁波を透過させる孔とを有するマスクおよびその製造方法と、それを用いたイオン注入工程を含む半導体装置の製造方法。
2004003985.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄膜と、
前記薄膜上の一部に形成された保護膜と、
前記薄膜上に前記保護膜を囲むように形成された支持枠と、
前記薄膜および保護膜に形成され、前記保護膜側に入射する荷電粒子線または電磁波を透過させる孔とを有する
マスク。
【請求項２】
前記荷電粒子線はイオンビームである
請求項１記載のマスク。
【請求項３】
前記保護膜の厚さは、前記マスクが用いられるイオン注入工程のイオン打ち込み加速エネルギーに応じて決定されている
請求項１記載のマスク。
【請求項４】
前記保護膜の材料は感光性樹脂を含む
請求項１記載のマスク。
【請求項５】
第１の薄膜と、
前記第１の薄膜の第１面上の一部に形成された支持枠と、
前記第１の薄膜の第２面に形成された第２の薄膜と、
前記支持枠で囲まれた部分の前記第１および第２の薄膜に形成され、前記第１面側に入射する荷電粒子線または電磁波を透過させる孔とを有し、
前記第１の薄膜と前記第２の薄膜の少なくとも一方に、内部応力を制御するように不純物が導入されている
マスク。
【請求項６】
前記荷電粒子線はイオンビームである
請求項５記載のマスク。
【請求項７】
前記第１の薄膜の厚さは、前記マスクが用いられるイオン注入工程のイオン打ち込み加速エネルギーに応じて決定されている
請求項５記載のマスク。
【請求項８】
前記第２の薄膜の厚さおよび前記内部応力は、前記支持枠で囲まれた部分の大きさに応じて決定されている
請求項５記載のマスク。
【請求項９】
前記不純物はイオン注入により導入され、前記不純物を前記第１の薄膜と前記第２の薄膜の少なくとも一方に導入する前記イオン注入の後、アニールが行われている
請求項５記載のマスク。
【請求項１０】
基材上に犠牲膜を介して薄膜を形成する工程と、
前記基材の一部を前記犠牲膜が露出するまで除去し、前記基材からなる支持枠を形成する工程と、
前記支持枠が形成されていない部分の前記薄膜に第１の孔を形成する工程と、
前記支持枠が形成されていない部分の前記犠牲膜を除去する工程と、
前記薄膜の前記支持枠側の第１面であって、前記支持枠が形成されていない部分に保護膜を形成する工程と、
前記第１の孔に自己整合的に前記保護膜に第２の孔を形成する工程とを有する
マスクの製造方法。
【請求項１１】
前記保護膜を形成する工程は、感光性樹脂フィルムを貼着する工程を含み、
前記第２の孔を形成する工程は、前記薄膜の第２面側から前記第１の孔を介して前記保護膜に露光する工程と、
前記保護膜を現像して露光部分を除去する工程とを有する
請求項１０記載のマスクの製造方法。
【請求項１２】
前記第２の孔を形成する工程は、前記薄膜をマスクとして前記保護膜にエッチングを行う工程を有する
請求項１０記載のマスクの製造方法。
【請求項１３】
前記支持枠が形成されていない部分の前記犠牲膜を除去する工程を、前記第１の孔を形成する後に行う
請求項１０記載のマスクの製造方法。
【請求項１４】
基材上に犠牲膜を介して第１の薄膜を形成する工程と、
前記第１の薄膜に不純物を注入し、前記第１の薄膜の内部応力を調整する工程と、
前記第１の薄膜上に第２の薄膜を形成する工程と、
前記基材の一部を前記犠牲膜が露出するまで除去し、前記基材からなる支持枠を形成する工程と、
前記支持枠が形成されていない部分の前記第１および第２の薄膜に孔を形成する工程と、
前記支持枠が形成されていない部分の前記犠牲膜を除去する工程とを有する
マスクの製造方法。
【請求項１５】
前記第２の薄膜を形成した後、前記支持枠を形成する前に、前記第２の薄膜に不純物を注入し、前記第２の薄膜の内部応力を調整する工程をさらに有する
請求項１４記載のマスクの製造方法。
【請求項１６】
前記支持枠が形成されていない部分の前記犠牲膜を除去する工程を、前記孔を形成する工程の前に行う
請求項１４記載のマスクの製造方法。
【請求項１７】
基材上に犠牲膜を介して第１の薄膜を形成する工程と、
前記第１の薄膜上に第２の薄膜を形成する工程と、
前記第２の薄膜に不純物を注入し、前記第２の薄膜の内部応力を調整する工程と、
前記基材の一部を前記犠牲膜が露出するまで除去し、前記基材からなる支持枠を形成する工程と、
前記支持枠が形成されていない部分の前記第１および第２の薄膜に孔を形成する工程と、
前記支持枠が形成されていない部分の前記犠牲膜を除去する工程とを有する
マスクの製造方法。
【請求項１８】
前記支持枠が形成されていない部分の前記犠牲膜を除去する工程を、前記孔を形成する工程の前に行う
請求項１７記載のマスクの製造方法。
【請求項１９】
半導体基板の所望の領域にマスクを介してイオン注入を行う工程を含む半導体装置の製造方法であって、
前記マスクとして、薄膜と、
前記薄膜上の一部に形成された保護膜と、
前記薄膜上に前記保護膜を囲むように形成された支持枠と、
前記薄膜および保護膜に形成された孔とを有するマスクを用いる
半導体装置の製造方法。
【請求項２０】
半導体基板の所望の領域にマスクを介してイオン注入を行う工程を含む半導体装置の製造方法であって、
前記マスクとして、第１の薄膜と、
前記第１の薄膜の第１面上の一部に形成された支持枠と、
前記第１の薄膜の第２面に形成された第２の薄膜と、
前記支持枠で囲まれた部分の前記第１および第２の薄膜に形成され、前記第１面側に入射するイオンビームを透過させる孔とを有し、
前記第１の薄膜と前記第２の薄膜の少なくとも一方に、内部応力を制御するように不純物が導入されているマスクを用いる
半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、マスクおよびその製造方法並びに半導体装置の製造方法に関し、特に、イオン注入工程に用いられるマスクおよびその製造方法と、イオン注入にステンシルマスクを用いる半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】  半導体装置の製造において、イオン注入工程はチャネル領域の作製等に不可欠である。しかしながら、イオン注入工程でレジストに打ち込まれるイオンによってレジストが変性し、イオン注入後のレジストを剥離しにくくなるという問題がある。また、レジストをイオン注入のマスクとして使用する場合、レジスト塗布、リソグラフィおよびレジスト剥離といった一連の工程が必要となり、半導体装置の製造コストを押し上げる要因となっている。
これらの問題点を解決できる方法として、２０００ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｄｅｖｉｃｅｓ  Ｍｅｅｔｉｎｇ（２０００ＩＥＤＭ）においてステンシルマスクを用いるイオン注入方法が発表されている。この技術によれば、シリコン製のステンシルマスク（開口部を持つマスク）を用いて、所望の位置にイオンが打ち込まれる。
従来のイオン注入用ステンシルマスクの製造方法の一例を、図１を参照して説明する。まず、図１Ａに示すように、ＳＯＩ基板１０１の両面に例えばシリコン窒化膜１０２、１０３を形成する。ＳＯＩ基板１０１はシリコン基板１０４上にシリコン酸化膜１０５を介してシリコン層１０６を有する。シリコン窒化膜１０３はシリコン基板１０４にエッチングを行う際に、エッチングマスクとして用いられる。
あるいは、シリコン窒化膜１０２、１０３のかわりにシリコン酸化膜を形成してもよい。シリコン窒化膜１０２、１０３（またはシリコン酸化膜）の膜厚は例えば１０〜１０００ｎｍ程度とし、シリコン基板１０４の厚さ等を考慮して決定する。ここでは、例えば膜厚２００ｎｍのシリコン窒化膜１０２、１０３を形成する。
次に、図１Ｂに示すように、シリコン基板１０４の裏面にシリコン窒化膜１０３を介してフォトレジスト（不図示）を形成し、フォトレジストをマスクとしてシリコン窒化膜１０３にドライエッチングを行う。メンブレン形成領域のシリコン窒化膜１０３を除去してから、フォトレジストを除去する。
次に、図１Ｃに示すように、シリコン窒化膜１０３をマスクとしてシリコン基板１０４に例えばウェットエッチングを行い、メンブレン形成領域のシリコン基板１０４を除去する。これにより、シリコン基板１０４からなる支持枠（フレーム）１０７が形成される。シリコン基板１０４のエッチングにおいて、シリコン酸化膜１０５はエッチングストッパー層となる。
次に、図１Ｄに示すように、シリコン窒化膜１０２、１０３を除去する。続いて、図１Ｅに示すように、シリコン層１０６の表面にイオン注入用パターンで窓を有するフォトレジスト（不図示）を形成してから、フォトレジストをマスクとしてシリコン層１０６にドライエッチングを行う。シリコン層１０６に孔１０８を形成した後、フォトレジストを除去する。
その後、図１Ｆに示すように、シリコン酸化膜１０５に裏面側（フレーム１０７側）からドライエッチングまたはウェットエッチングを行い、メンブレン部分のシリコン酸化膜１０５を除去する。このドライエッチングには、例えばＣＦ４を用いることができる。ウェットエッチングには、例えばフッ酸（ＨＦ）を用いることができる。以上の工程により、イオン注入に使用できるステンシルマスクが作製される。
しかしながら、上記のステンシルマスクを用いてイオン注入を行うと、マスク自体にもイオンが打ち込まれるため、イオン注入ドーズ量に応じてマスク強度が劣化する。電子線リソグラフィーやイオンビームリソグラフィー等に用いられる転写用ステンシルマスクの機械的強度を向上させる方法として、例えばマスクに金属導電層を設けたり、多層誘電体コーティングを設けたりする方法が知られている。しかしながら、これらの方法によってマスクを補強した場合にも、高ドーズイオン注入に対しては、実用的に十分な耐久性が得られない。
【発明の開示】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、したがって本発明は、イオン注入に十分な強度を持つ耐久性の高いマスクおよびその製造方法と、そのようなマスクを用いた半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するため、本発明のマスクは、薄膜と、前記薄膜上の一部に形成された保護膜と、前記薄膜上に前記保護膜を囲むように形成された支持枠と、前記薄膜および保護膜に形成され、前記保護膜側に入射する荷電粒子線または電磁波を透過させる孔とを有することを特徴とする。
これにより、薄膜に照射される荷電粒子線のエネルギーが保護膜で吸収され、薄膜の長寿命化が可能となる。荷電粒子線の入射により保護膜が劣化した場合、保護膜のみ交換することも可能である。したがって、半導体装置の製造におけるマスク作製コストの低減も可能となる。
あるいは、本発明のマスクは、第１の薄膜と、前記第１の薄膜の第１面上の一部に形成された支持枠と、前記第１の薄膜の第２面に形成された第２の薄膜と、前記支持枠で囲まれた部分の前記第１および第２の薄膜に形成され、前記第１面側に入射する荷電粒子線または電磁波を透過させる孔とを有し、前記第１の薄膜と前記第２の薄膜の少なくとも一方に、内部応力を制御するように不純物が導入されていることを特徴とする。
これにより、薄膜に照射される荷電粒子線に対するマスクの耐久性を高くすることが可能となる。したがって、マスクの長寿命化が可能となる。
上記の目的を達成するため、本発明のマスクの製造方法は、基材上に犠牲膜を介して薄膜を形成する工程と、前記基材の一部を前記犠牲膜が露出するまで除去し、前記基材からなる支持枠を形成する工程と、前記支持枠が形成されていない部分の前記薄膜に、第１の孔を形成する工程と、前記支持枠が形成されていない部分の前記犠牲膜を除去する工程と、前記薄膜の前記支持枠側の第１面であって、前記支持枠が形成されていない部分に保護膜を形成する工程と、前記第１の孔に自己整合的に前記保護膜に第２の孔を形成する工程とを有することを特徴とする。
あるいは、本発明のマスクの製造方法は、基材上に犠牲膜を介して第１の薄膜を形成する工程と、前記第１の薄膜に不純物を注入し、前記第１の薄膜の内部応力を調整する工程と、前記第１の薄膜上に第２の薄膜を形成する工程と、前記基材の一部を前記犠牲膜が露出するまで除去し、前記基材からなる支持枠を形成する工程と、前記支持枠が形成されていない部分の前記第１および第２の薄膜に孔を形成する工程と、前記支持枠が形成されていない部分の前記犠牲膜を除去する工程とを有することを特徴とする。
これにより、荷電粒子線または電磁波の照射に対する耐久性が高いマスクを製造することが可能となる。
さらに、上記の目的を達成するため、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板の所望の領域にマスクを介してイオン注入を行う工程を含む半導体装置の製造方法であって、前記マスクとして、薄膜と、前記薄膜上の一部に形成された保護膜と、前記薄膜上に前記保護膜を囲むように形成された支持枠と、前記薄膜および保護膜に形成された孔であって、前記保護膜に入射する荷電粒子線を透過させる孔とを有するマスクを用いることを特徴とする。
あるいは、本発明の半導体装置の製造方法は、半導体基板の所望の領域にマスクを介してイオン注入を行う工程を含む半導体装置の製造方法であって、前記マスクとして、第１の薄膜と、前記第１の薄膜の第１面上の一部に形成された支持枠と、前記第１の薄膜の第２面に形成された第２の薄膜と、前記支持枠で囲まれた部分の前記第１および第２の薄膜に形成され、前記第１面側に入射する荷電粒子線または電磁波を透過させる孔とを有し、前記第１の薄膜と前記第２の薄膜の少なくとも一方に、内部応力を制御するように不純物が導入されているマスクを用いることを特徴とする。
これにより、イオン注入によるマスクの損傷を低減し、マスクを長寿命化することが可能となる。また、本発明の半導体装置の製造方法によれば、イオン注入のためのレジストが不要であり、半導体装置製造のコストおよび所要時間を大幅に削減できる。
【図面の簡単な説明】  図１Ａ〜１Ｆは、従来のマスクの製造方法の製造工程を示す断面図である。
図２は、本発明の実施形態１に係るマスクの断面図である。
図３Ａ〜図３Ｌは、本発明の実施形態１に係るマスクの製造方法の製造工程を示す断面図である。
図４は、本発明の実施形態２に係るマスクの断面図である。
図５Ａ〜図５Ｈは、本発明の実施形態２に係るマスクの製造方法の製造工程を示す断面図である。
図６は、本発明の実施形態３に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。
図７は、本発明の実施形態４に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための最良の形態】  以下に、本発明のマスクおよびその製造方法並びに半導体装置の製造方法の実施の形態について、図面を参照して説明する。
実施形態１
図２は本実施形態のマスクの断面図である。ステンシルマスク１はメンブレン２上に保護膜３を有し、メンブレン２と保護膜３にはイオンビームが通過する孔４が形成されている。ステンシルマスク１を用いてイオン注入を行う場合には、イオンビームは保護膜３側に入射して、孔４を透過した後、メンブレン２側に配置された半導体基板の所望の位置に打ち込まれる。
メンブレン２はシリコン層５の一部であり、支持枠（フレーム）６によって支持されている。シリコン層５とフレーム６の間のシリコン酸化膜７は、フレーム６を形成する工程でエッチングストッパー層として用いられる。保護膜３は、メンブレン２のイオンビームが入射する側の面に形成される。本実施形態１のステンシルマスク１には、保護膜３として例えば厚さ１０μｍのポリメタクリル酸メチル（メタクリル樹脂）（ＰＭＭＡ）フィルムを用いるが、他の樹脂フィルムを用いることもできる。
保護膜として感光性樹脂フィルムを用いた場合、後述するように、露光により保護膜に孔を形成できるが、保護膜にエッチングを行って孔を形成する場合には、保護膜の材料は感光性樹脂に限定されない。メンブレン２に損傷を与えずに剥離できるものであれば、樹脂以外の材料からなる保護膜を形成してもよい。
次に、上記の本実施形態のマスクの製造方法について、図３を参照して説明する。まず、図３Ａに示すように、ＳＯＩ基板１１の両面に例えばシリコン窒化膜１２、１３を形成する。ＳＯＩ基板１１はシリコン基板１４上にシリコン酸化膜７を介してシリコン層５を有する。シリコン窒化膜１３はシリコン基板１４にエッチングを行う際に、エッチングマスクとして用いられる。
あるいは、シリコン窒化膜１２、１３のかわりにシリコン酸化膜を形成してもよい。シリコン窒化膜１２、１３（またはシリコン酸化膜）の膜厚は例えば１０〜１０００ｎｍ程度とし、シリコン基板１４の厚さ等を考慮して決定する。ここでは、例えば膜厚２００ｎｍのシリコン窒化膜１２、１３を形成する。
次に、図３Ｂに示すように、シリコン基板１４の裏面にシリコン窒化膜１３を介してフォトレジストを塗布してから、露光・現像を行い、メンブレン形成領域に窓を有するフォトレジスト１５を形成する。
次に、図３Ｃに示すように、フォトレジスト１５をマスクとしてシリコン窒化膜１３にドライエッチングを行い、フォトレジスト１５のパターンをシリコン窒化膜１３に転写してから、フォトレジスト１５を除去する。
次に、図３Ｄに示すように、シリコン窒化膜１３をマスクとしてシリコン基板１４にエッチングを行い、メンブレン形成領域のシリコン基板１４を除去する。これにより、シリコン基板１４からなるフレーム６が形成される。このエッチングは、例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）またはテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）を用いたウェットエッチングや、フッ素系ガスを用いたドライエッチングにより行うことができる。シリコン基板１４のエッチングにおいて、シリコン酸化膜７はエッチングストッパー層となる。
次に、図３Ｅに示すように、シリコン窒化膜１２、１３を除去する。シリコン窒化膜１２、１３は、例えば熱リン酸を用いたウェットエッチングにより除去できる。
次に、図３Ｆに示すように、シリコン層５の表面にフォトレジストを塗布してから、露光・現像を行い、イオン注入用パターンで窓を有するフォトレジスト１６を形成する。
次に、図３Ｇに示すように、フォトレジスト１６をマスクとしてシリコン層５にドライエッチングを行い、フォトレジスト１６のパターンをシリコン層５に転写する。これにより、シリコン層５に孔４が形成される。その後、フォトレジスト１６を除去する。
次に、図３Ｈに示すように、シリコン酸化膜７に裏面側（フレーム６側）からドライエッチングまたはウェットエッチングを行い、メンブレン部分のシリコン酸化膜７を除去する。このドライエッチングには、例えばＣＦ４を用いることができる。ウェットエッチングには、例えばフッ酸（ＨＦ）を用いることができる。以上の工程により、孔４を有するメンブレン２が形成される。
但し、上記の図３Ｆ〜図３Ｈに示す工程は、以下のように変更することもできる。図３Ｅに示すように、シリコン窒化膜１２、１３を除去した後、図３Ｉに示すように、シリコン酸化膜７に裏面側（フレーム６側）からドライエッチングまたはウェットエッチングを行い、メンブレン部分のシリコン酸化膜７を除去する。このドライエッチングには、例えばＣＦ４を用いることができる。ウェットエッチングには、例えばフッ酸（ＨＦ）を用いることができる。
次に、図３Ｊに示すように、シリコン層５の表面にフォトレジストを塗布してから、露光・現像を行い、イオン注入用パターンで窓を有するフォトレジスト１６を形成する。
次に、フォトレジスト１６をマスクとしてシリコン層５にドライエッチングを行い、フォトレジスト１６のパターンをシリコン層５に転写する。これにより、シリコン層５に孔４が形成される。その後、フォトレジスト１６を除去することにより、図３Ｈに示すように、孔４を有するメンブレン２が形成される。以上のように、孔４の形成前にメンブレン部分のシリコン酸化膜７を除去してもよい。
次に、図３Ｋに示すように、メンブレン２のイオンビームが入射する側の面に保護膜３を貼着する。ここで、保護膜３としてはＰＭＭＡがあらかじめフィルム状に成形され、メンブレン２が覆われるサイズに裁断されたものを用いる。保護膜３のサイズは必ずしもメンブレン２と同じでなくてもよく、メンブレン２のイオンビームが入射する部分が覆われればよい。保護膜３の厚さは、ステンシルマスクが用いられるイオン注入工程のイオン打ち込み加速エネルギーに応じて決定する。
例えば、加速エネルギーが１ＭｅＶのとき、保護膜３の厚さは２〜５μｍ程度必要とされる。但し、必要とされる保護膜３の厚さは、打ち込まれるイオンの種類によっても変化する。また、必要とされる保護膜３の厚さは、一般に加速エネルギーに比例する。
次に、図３Ｌに示すように、メンブレン２の保護膜３と反対側の面に波長３５６ｎｍの紫外線（ｉ線）を照射する。但し、保護膜３が感光性を持てば、ｉ線以外の紫外線を照射してもよい。あるいは、電子線等の荷電粒子線を照射してもよい。照射されたｉ線はメンブレン２で遮断され、孔４部分の保護膜３のみが露光される。
その後、保護膜３の現像を行うことにより、図３Ｌに示す工程で露光された部分の保護膜３が可溶化され、メンブレン２の孔４に自己整合的に孔が形成される。以上の工程により、図２に示す本実施形態のステンシルマスク１が得られる。
上記のように保護膜３に露光および現像を行って孔４を形成するかわりに、保護膜３にドライエッチングを行って孔４を形成することもできる。この場合、図３Ｋに示すように保護膜３を貼着した後、メンブレン２の保護膜３と反対側の面から酸素プラズマを当て、保護膜３に孔４を形成する。このドライエッチングには、メンブレン２の材料であるシリコンに対して不活性であり、かつ保護膜３の材料であるＰＭＭＡ等の有機樹脂に対して活性なエッチングガスを用いる。このようなエッチングガスとしては、例えば酸素が挙げられる。
実施形態２
図４は本実施形態のマスクの断面図である。ステンシルマスク２１はメンブレン２２として積層膜が用いられる。ここでは、メンブレン２２が第１の薄膜であるポリシリコン層２３と第２の薄膜であるシリコン窒化膜２４の２層から構成される。ポリシリコン層２３とシリコン窒化膜２４にはステンシルマスクの製造過程で、イオン注入による応力制御がなされる。メンブレン２２にはイオンビームが通過する孔２５が形成されている。イオンビームはポリシリコン層２３側に入射して、孔２５を透過した後、シリコン窒化膜２４側に配置された半導体基板の所望の位置に打ち込まれる。
メンブレン２２はフレーム２６によって支持されている。ポリシリコン層２３とフレーム２６の間のシリコン酸化膜２７は、フレーム２６を形成する工程でエッチングストッパー層として用いられる。ポリシリコン層２３はステンシルマスク２１をイオン注入に用いる際に、打ち込まれるイオンを止めるのに十分な厚さで形成する。
次に、上記の本実施形態のマスクの製造方法について、図５を参照して説明する。まず、図５Ａに示すように、シリコン基板３１上にシリコン酸化膜２７を形成し、その上層にポリシリコン層２３を形成する。シリコン酸化膜２７は例えば厚さ１００ｎｍ程度で形成する。
ポリシリコン層２３の厚さは例えば１０μｍとする。ポリシリコン層２３の厚さは、ステンシルマスク２１が用いられるイオン注入のイオン打ち込み加速エネルギーに応じて設定する。打ち込まれるイオンの種類によっても多少変化するが、加速エネルギーが１ＭｅＶのとき、一般に、ポリシリコン層２３は１〜５μｍ程度の厚さで形成する。必要とされるポリシリコン層２３の厚さは、イオン打ち込み加速エネルギーに比例する。
次に、図５Ｂに示すように、ポリシリコン層２３に所定のドーズ量でイオン注入を行い、内部応力をほぼゼロにしておく。一般に、母材を構成する原子よりも半径の大きいイオンを打ち込むと圧縮方向に、半径の小さいイオンを打ち込むと引っ張り方向に、内部応力がそれぞれ変化する。イオンの打ち込み量と内部応力の関係は実験的によく調べられており、理論的なモデルも立てられている（例えば、Ａ．Ｄｅｇｅｎ  ｅｔ  ａｌ．，Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ  ３９９７，３９５（２０００）参照）。
ポリシリコン層２３にイオン注入を行った後、アニールを行ってポリシリコン層２３の結晶性を回復させる。また、アニールを行うことによりポリシリコン層２３内にイオンが均一に拡散する。ポリシリコン層２３の内部応力をほぼゼロにしておくことにより、ステンシルマスク２１をイオン注入に用いる際に、ポリシリコン層２３にイオンが打ち込まれても、メンブレンの変形を最小限に抑えることができる。これにより、ステンシルマスク２１のパターンの歪みや、内部応力の不均一に起因するメンブレンの損傷を防止できる。
次に、図５Ｃに示すように、積層体の両面にシリコン窒化膜２４、３２を形成する。シリコン窒化膜２４によりメンブレン２２部分（図４参照）のポリシリコン層２３が支持される。シリコン窒化膜２４の厚さおよび内部応力がそれぞれ所定の値に満たない場合、メンブレンがたわみ、パターンの歪みが発生する。
シリコン窒化膜２４に必要な厚さおよび内部応力は、メンブレンサイズに応じて決定される。例えば、メンブレンサイズが２０ｍｍ角の場合、メンブレンにたわみが生じないようにするには、シリコン窒化膜２４の厚さを５００ｎｍ、内部応力を１０ＭＰａとする必要がある。
シリコン窒化膜２４の内部応力がこの値となるように、図５Ｄに示すように、シリコン窒化膜２４にイオン注入を行う。その後、アニールを行ってシリコン窒化膜２４内のイオン濃度を均一にする。ポリシリコン層２３およびシリコン窒化膜２４に打ち込まれるイオンとしては、例えばリン、ホウ素、ヒ素等が挙げられる。
なお、第１の薄膜および第２の薄膜の材質を変更した場合には、必ずしも第１の薄膜と第２の薄膜の両方に、内部応力を調整するためのイオン注入とその後のアニールを行う必要はなく、メンブレンの内部応力を所望の値に制御できる限り、第１の薄膜と第２の薄膜のいずれか一方にイオン注入とアニールを行ってもよい。
次に、図５Ｅに示すように、シリコン基板３１の裏面側のシリコン窒化膜３２上に、フレーム２６（図４参照）のパターンでレジストを形成し、レジストをマスクとしてシリコン窒化膜３２にエッチングを行う。その後、レジストを除去する。
次に、図５Ｆに示すように、シリコン窒化膜３２をマスクとしてシリコン基板３１にエッチングを行う。これにより、フレーム２６が形成される。シリコン基板３１のエッチングは、実施形態１と同様にウェットエッチングまたはドライエッチングにより行う。ここで、シリコン酸化膜２７はエッチングストッパー層として用いられる。
次に、図５Ｇに示すように、シリコン窒化膜２４およびポリシリコン層２３にドライエッチングを行い、孔２５を形成する。このエッチングは、シリコン窒化膜２４上にレジストを形成し、レジストをマスクとして行う。エッチング後、シリコン窒化膜２４上のレジストを除去する。
その後、シリコン酸化膜２７にフレーム２６が形成されている側からドライエッチングまたはウェットエッチングを行う。これにより、メンブレン２２部分のシリコン酸化膜２７が除去され、図４に示すステンシルマスク２１が得られる。
また、図５Ｆに示すように、シリコン基板３１にエッチングを行った後、孔２５を形成する前に、メンブレン部分のシリコン酸化膜２７を除去してもよい。この場合、図５Ｈに示すように、シリコン酸化膜２７に裏面側（フレーム２６側）からドライエッチングまたはウェットエッチングを行い、メンブレン部分のシリコン酸化膜２７を除去する。このドライエッチングには、例えばＣＦ４を用いることができる。ウェットエッチングには、例えばフッ酸（ＨＦ）を用いることができる。
その後、シリコン窒化膜２４上にレジストを形成し、レジストをマスクとしてシリコン窒化膜２４およびポリシリコン層２３にドライエッチングを行って、孔２５を形成してから、レジストを除去する。このようにして、孔２５を有するメンブレン２２を形成してもよい。
上記の本発明の実施形態のマスクによれば、メンブレン２２を構成するポリシリコン層２３がイオン打ち込み加速エネルギーを吸収するのに十分な厚さで形成される。また、ポリシリコン層２３とシリコン窒化膜２４の内部応力がイオン注入によって最適化されている。これにより、マスクをイオン注入に用いた際に、打ち込まれるイオンによってメンブレンが損傷するのを防止できる。
実施形態３
本実施形態の半導体装置の製造方法は、上記の実施形態１のステンシルマスクを用いて、レジストを用いずにイオン注入を行う工程を含む。図６に、本実施形態の半導体装置の製造方法のフローチャートを示す。図６に示すように、ステップ１（ＳＴ１）で、マスクの薄膜に孔を形成する。ステップ２（ＳＴ２）で、薄膜上に保護膜を形成する。ステップ３（ＳＴ３）で、孔部分の保護膜を除去する。ステップ４（ＳＴ４）で、マスクを介して半導体基板にイオン注入を行う。
ステップ５（ＳＴ５）で、イオンビームにより保護膜が劣化していれば、ステップ６（ＳＴ６）で保護膜を除去する。保護膜は、例えば酸素プラズマによるアッシングおよび洗浄処理を行うことにより剥離できる。保護膜が除去された薄膜には、再度、図３Ｋ〜３Ｌに示す工程に従って保護膜が形成され（ステップ２）、以降のイオン注入工程にマスクが用いられる。ステップ５で、イオンビームにより保護膜が劣化していなければ、マスクを再度、イオン注入工程（ステップ４）に用いる。
実施形態１のステンシルマスクを用いてイオン注入を行った場合、イオンは保護膜３によって止められる。したがって、メンブレン２の劣化が防止される。すなわち、マスクの長寿命化や繰り返し利用が可能となり、半導体装置の製造コストを低減できる。
また、本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、レジスト形成のためのリソグラフィー工程や、イオン注入後のレジスト剥離工程が不要であり、半導体装置製造のターンアラウンドタイム（ＴＡＴ）が短縮され、製造コストも大幅に低減できる。
実施形態４
本実施形態の半導体装置の製造方法は、上記の実施形態２のステンシルマスクを用いて、レジストを用いずにイオン注入を行う工程を含む。図７に、本実施形態の半導体装置の製造方法のフローチャートを示す。図７に示すように、ステップ１（ＳＴ１）で、内部応力が調整された薄膜を有するマスクを作製する。ステップ２（ＳＴ２）で、マスクを介して半導体基板にイオン注入を行う。ステップ３（ＳＴ３）で、イオンビームによりメンブレンが劣化していなければ、マスクを再度、イオン注入工程（ステップ２）に用いる。ステップ３で、イオンビームによりメンブレンが劣化していれば、ステップ４（ＳＴ４）でマスクを廃棄する。
実施形態２のステンシルマスクを用いてイオン注入を行った場合、イオンはポリシリコン層２３によって止められる。メンブレン２２の内部応力が適切に制御されていることから、ポリシリコン層２３にイオンが打ち込まれた場合にもメンブレン２２の劣化が防止される。これにより、マスクの長寿命化や繰り返し利用が可能となり、半導体装置の製造コストを低減できる。
また、本実施形態の半導体装置の製造方法によれば、レジスト形成のためのリソグラフィ工程や、イオン注入後のレジスト剥離工程が不要であり、半導体装置製造のＴＡＴが短縮され、製造コストも大幅に低減できる。
本発明のマスクおよびその製造方法と半導体装置の製造方法の実施形態は、上記の説明に限定されない。例えば、本発明のマスクを荷電粒子線が用いられる他のプロセス、例えばイオンビームリソグラフィあるいは電子ビームリソグラフィに用いることも可能である。また、荷電粒子線のかわりにＸ線、ＥＵＶ（Ｅｘｔｒｅｍｅ  Ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）光、紫外線、光といった電磁波を、所定のマスクパターンで露光対象物に照射するプロセスに、本発明のマスクを適宜使用することもできる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。
本発明のマスクによれば、荷電粒子線が照射されるマスクの耐久性が向上する。本発明のマスクの製造方法によれば、荷電粒子線に対して十分な強度を有するマスクを製造することが可能となる。
本発明の半導体装置の製造方法によれば、イオン注入工程に必要なコストおよび時間を大幅に削減できる。
【符号の説明】
１、２１…ステンシルマスク
２、２２…メンブレン
３…保護膜
４、２５、１０８…孔
５、１０６…シリコン層
６、２６、１０７…フレーム
７、２７、１０５…シリコン酸化膜
１１、１０１…ＳＯＩ基板
１２、１３、２４、３２、１０２、１０３…シリコン窒化膜
１４、３１、１０４…シリコン基板
１５、１６…フォトレジスト
２３…ポリシリコン層
2004003985.tif 000003
2004003985.tif 000004
【図２】
2004003985.tif 000005
2004003985.tif 000006
2004003985.tif 000007
2004003985.tif 000008
2004003985.tif 000009
2004003985.tif 000010
【図４】
2004003985.tif 000011
2004003985.tif 000012
2004003985.tif 000013
2004003985.tif 000014
2004003985.tif 000015
【図６】
2004003985.tif 000016
【図７】
2004003985.tif 000017
【国際調査報告】
2004003985.tif 000018
2004003985.tif 000019
2004003985.tif 000020
2004003985.tif 000021