材料改質装置 - 日新イオン機器株式会社

材料改質とは

イオンビームを大量に照射することで材料の特性を改質し、新たな機能を付与したり、これまで不可能であった加工を実現したりすることができるプロセスです。半導体の微細化・複雑化に伴い、既存の半導体加工プロセスだけでは加工精度に限界が見られるようになってきていることから、加工技術面でのブレイクスルーを起こすものとして期待されています。
材料改質の効果を発現させるためには、一般的には数atomic%程度の濃度となるような大量のイオンを表面の浅い領域に照射するため、低エネルギーで注入する必要があります。このため、通常のイオン注入装置では生産性が低く実用性に欠けており、専用の材料改質装置を使わなければ量産は実現できません。

材料改質の模式図

材料改質の効果

効果とその用途は多岐にわたり、次のような例が報告されています。

エッチングレートの制御

材料はそのままで、エッチングレートを変えることができます。複数材料間のエッチング選択比を向上させることに役立ちます。ドライ/ウェット両方のエッチングに効果があります。また、表面からある深さに位置する材料をエッチングされないように改質すると、表面からエッチングしていった際にそこで自動的にエッチングを止めることができます。
つまり、所望の深さにエッチストップ層を形成することが可能です。

R. Wada, H. Kai, J. Sasaki, T. Kuroi, T. Ikejiri, “Surface Modification of SiO2 Thin Film using High Dose Ion Implantation Technique as a Manufacturing Worthy Process,” Extended Abstracts of the 2019 International Conference on Solid State Devices and Materials, Nagoya, Japan, 597 (2019).

Y. -S. Chen, T. -W. Chiu, H. -T. Fan, Y. -C. Ko, C. -C. Chen, F. -H. Ko, “Novel Single and Co-Ion Implantation Induced Backside Etch Stop Structures for 3D Multilayer Stacked Package,” 2024 IEEE 74th Electronic Components and Technology Conference (ECTC), Denver, CO, USA, 2184 (2024).

E. Bellandi, V. Soncini, “SiO2 etch rate modification by ion implantation,” Thin Solid Films, 524, 75 (2012).

CMP（chemical mechanical polishing）研磨レートの制御

研磨レートを変化させることができます。異種材料が同一平面にある場合の研磨選択比を向上させることに役立ちます。
また、ウェハー外周のみ改質することで、外周のみ研磨レートを遅くすることも可能です。これは、ウェハー面内の研磨均一性を高めることに役立ちます。

S. Yuan, K. Omori, T. Yamaguchi, T. Ide, S. Muranaka, M. Inoue, “Enhancement of Selectivity for Chemical Mechanical Polishing by Ultra-High-Dose C and Si Ion Implantation,” in IEEE Journal of the Electron Devices Society, 12, 407 (2024).

O. Eryu, K. Abe, N. Takemoto, “Nanostructure formation of SiC using ion implantation and CMP,” Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B, 242, 237 (2006).

マスクの硬化

マスクを改質してエッチング耐性を高めることが可能です。有機と無機の両方のマスクに対して有効です。
これにより、通常よりも薄いマスクでもエッチング行えるようになり、フォトレジストパターン倒れを抑制できます。
また、エッチング中のマスク損耗がすくないことから、より精密な深堀エッチング加工を実現することに役立ちます。

Takeo Ishibashi, Yoshiharu Ono, Atsumi Yamaguchi, Sachiko Ogawa, Tetsuro Hanawa, Masaaki Shinohara, Masahiro Tadokoro, Kazumasa Yonekura, Yuko Mitani, Keiko Matsuda, Hideaki Hirori, Takashi Miyamoto, Takeshi Matsunobu, “Novel Spin-on Carbon Hard Mask with Hardening by Ion Implantation,” J. Photopolymer Sci. Technol., 20, 365 (2007).

T. Matsumoto, S. Hahto, G. Sacco, H. Kai, R. Wada, T. Kuroi, N. Hamamoto. “High-current metal ion source for material modification in the semiconductor manufacturing processes,” MRS Advances (2025).

エリア選択的デポジション（成膜）

材料表面を改質することにより不活性化させ、その後の成膜プロセスでその部分には膜が堆積しないようにすることができます。
イオンビームが指向性を持っていることを利用すれば、トレンチパターンをもつ基板に対して垂直にイオンを照射することで、
トレンチの上部と底部のみが不活性化された状態を作り出すことができます。
続いて成膜を行うと、トレンチ側壁にのみ膜が堆積した構造を得ることができます。

Woo-Hee Kim, Fatemeh Sadat Minaye Hashemi, Adriaan J. M. Mackus, Joseph Singh, Yeongin Kim, Dara Bobb-Semple, Yin Fan, Tobin Kaufman-Osborn, Ludovic Godet, Stacey F. Bent, “A Process for Topographically Selective Deposition on 3D Nanostructures by Ion Implantation,” Nucl. Instrum. ACS Nano 10, 4451 (2016).

M. L. Lee, P. H. Liao, H. Y. Cheng, W. Y. Yen, J. K. Sheu, “UV light-emitting diodes grown on GaN templates with selective-area Si implantation,” Optics Express, 28, 4674 (2020).

応力形成

材料にイオンを入れ込むことで材料内部に応力を形成することができます。
これを利用すれば、ウェハー上に積層する膜が厚くなるにつれて近年顕在化してきたウェハーの反りの問題を解決することができます。
裏面に応力を形成すれば、表面に形成したデバイスには影響を与えずに反りを補正し、フラットにすることが可能です。

B. D. Chalifoux, Y. Yao, K. B. Woller, R. K. Heilmann, M. L. Schattenburg, “Compensating film stress in thin silicon substrates using ion implantation,” Optics Express, 27, 11195 (2019).

Lee Wee Teo, Elgin Quek, “Modulation of stress in stress film through ion implantation and its application in stress memorization technique,” United States patent, No. 8119541 (2012).

薄膜剥離

材料表面からある深さの位置に局所的に大量の水素イオンを入れ込むことで、その位置を剥離面として表面層だけを分離することができます。
レジストパターンを使えば局所的に剥離することが可能です。また、表面に支持基板を貼り付けてから剥離面で分離すると、支持基板に表面層が貼り付いた構造を得ることができます。

T. W. Simpson, I. V. Mitchell, G. O. Este, F. R. Shepherd, “Ion implantation induced selective area exfoliation of InP and GaAs,” Nucl. Instrum. Methods. Phys. Res. B, 148, 381 (1999).

H. J. Woo, H. W. Choi, G. D. Kim, W. Hong, J. K. Kim, “Patterned exfoliation of GaAs based on masked helium implantation and subsequent rapid thermal annealing,” AIP Conf. Proc. 1099, 535 (2009).

ゲートしきい電圧（Vth）の制御

メタルゲートでCMOSを形成する工程は複雑です。
いったんダミーゲートを作り、ソース・ドレインを形成したのちにダミーゲートを除去し、メタルゲートを埋め込む方法がありますが、ｐMOSとnMOSでゲート材料が異なるためにこのステップを2回繰り返す必要があります。
一方、メタルゲートを材料改質してしきい値電圧を変化させる手法を使えば、同じ金属でありながらｐMOS、nMOSの両方に対応したしきい値電圧とすることができるので、工程を簡略化することができます。

T. Hayashi, M. Mizutani, M. Inoue, J. Yugami, J. Tsuchimoto, M. Anma, Vth-tunable CMIS platform with high-k gate dielectrics and variability effect for 45nm node, IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM) 2005, Washington D.C., 927 (2005).