JP2008021927A - パターン形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 微細なパターンを低コストで簡易に形成する。
【解決手段】 下地材１１の上に下層１２、中間層１３、および上層レジスト１４を順次に設け、上層レジストをパターニングして、上層レジストパターン１４ａを形成する。この上層レジストパターンをマスクとして中間層に反応性イオンエッチングが施され、中間層パターン１３ａが形成される。この中間層パターンをマスクとして下層がパターニングされ、下層パターン１２ａが形成される。下地材は、この下層パターンをマスクとしてパターニングされる。中間層はＳｉからなる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、パターン形成方法に関する。

化合物半導体デバイスの製造では、ハイメサ構造等の特に深い垂直段差をドライエッチングによって形成する場合がある。この場合、多層レジスト法によって被加工物の上にレジストパターンを形成し、そのレジストパターンをエッチングマスクとして用いることある。特開昭６１−１９０９４７号公報の第２図には、多層レジスト法の一例が開示されている。一般的な多層レジスト法では、２００〜２５０℃で硬化させた下層レジスト（例えば、厚さ１．５μｍ）の上に中間層を形成し、その中間層上に上層レジストを形成する。上層レジストを露光、現像して上層レジストパターンを形成し、それをマスクとして中間層をパターニングし、得られた中間層パターンをマスクとして下層レジスト層をパターニングする。そして、得られた下層レジストパターンをマスクとして被加工物をドライエッチングする。中間層としては、Ｔｉ等の金属層（例えば、厚さ０．１μｍ）や、スピンコートによって形成されたＳｉＯ_２膜（例えば、厚さ０．１μｍのＳＰＧ膜）が知られている。
特開昭６１−１９０９４７号公報

多層レジスト法によって形成されるレジストパターンは、半導体微細パターンの作成にも使用される。更なる微細加工への要求から、上層レジストに形成されるパターン幅の精度がより高く求められる。例えば１μｍ幅の微細パターンを作成しようとする場合、上層レジスト層に露光されるパターン幅の精度を少なくとも１μｍ±０．１μｍ以下に抑えなくてはならない。

高い精度を実現するためには、高精度ステッパーなどの高価な露光装置を使用する必要がある。また、上層レジストは中間層上に設けられていることから、上層レジストのパターンをより微細にするためには、より清浄で平坦な中間層を形成する必要があり、したがて、プロセス条件のより厳しい制定や管理が必要となる。

そこで、本発明は、微細なパターンを低コストで簡易に形成することを課題とする。

本発明に係るパターン形成方法は、下地材の上に下層、中間層、および上層レジストを順次に設ける工程と、上層レジストをパターニングして、上層レジストパターンを形成する工程と、上層レジストパターンをマスクとして中間層に反応性イオンエッチングを施し、中間層パターンを形成する工程と、中間層パターンをマスクとして下層をパターニングし、下層パターンを形成する工程と、下層パターンをマスクとして下地材をパターニングする工程とを備えている。中間層はＳｉからなる。

Ｓｉからなる中間層は等方的にエッチングすることができる。中間層にサイドエッチングが生じるため、上層レジストパターンよりも狭い幅の中間層パターンが得られる。このため、下地材を微細なパターンに加工する際に、上層レジストパターンに対する微細化の要求が緩和される。この結果、微細なパターンを低コストで簡易に形成することが可能になる。

中間層パターンを形成する工程は、ＳＦ_６ガスをエッチングガスとして使用する反応性イオンエッチングを前記中間層に施してもよい。ＳＦ_６ガスを使用することで、中間層の縦方向および横方向のエッチング速度の比がほぼ１：１となる。横方向のエッチング量が縦方向のそれにほぼ等しいので、中間層の加工寸法の制御が容易である。

中間層パターンを形成する工程は、中間層の反応性イオンエッチングの終点を検知しながら中間層をパターニングしてもよい。終点検知により中間層の厚さの減少量とそれに応じた中間層の幅の減少量を正確に把握できるので、中間層パターンの幅を正確に制御することができる。

本発明によれば、微細なパターンを低コストで簡易に形成することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１および図２は、本実施形態のパターン形成方法を示す概略断面図である。まず、基板１０上に下地材として被加工膜１１を形成し、その上に下層１２、中間層１３、および上層レジスト１４を順次に設ける（図１（ａ））。下層１２は、被加工膜１１上にレジスト等の有機材料を１．０μｍ程度の厚さに塗布し、１００℃以上の温度でベークして硬化させることにより形成される。

中間層１３はＳｉからなり、スパッタ装置や蒸着装置など、低温で成膜が可能な装置を用いて形成される。中間層１３の厚さは０．１μｍである。なお、後述するように、中間層１３の厚さは、中間層１３の望ましいサイドエッチング量に応じて任意に設定される。本実施形態では、Ａｒガスを用いた真空スパッタ法により中間層１３を形成する。ターゲットとしてＳｉを使用し、スパッタガス圧は０．５〜３Ｐａ、ＲＦパワーは１．０〜１．５ｋＷとする。成膜レートは１０〜１５ｎｍ／分である。

上層レジスト１４は、中間層１３上に感光レジストを０．５μｍ〜１μｍ程度塗布して乾燥させることにより形成される。この上層レジスト１４に、マスクアライナ等の露光装置を用いてフォトリソグラフィ法によりストライプ状の微細パターンを露光、転写し、レジストパターン１４ａを形成する（図１（ｂ））。

次に、レジストパターン１４ａをマスクとして中間層１３に反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching：ＲＩＥ）を施し、中間層１３にストライプ状の微細パターンを転写して、中間層パターン１３ａを形成する（図１（ｃ））。図３は、中間層パターン１３ａおよびレジストパターン１４ａを示す部分拡大断面図である。本発明者の実験によれば、Ｓｉの反応性イオンエッチングは等方的に進行することが分かっている。したがって、中間層１３は縦方向（中間層１３の上面に垂直な方向）にエッチングされるだけでなく、横方向（中間層１３の上面に平行な方向）にもエッチングされる。なお、横方向のエッチングは「サイドエッチング」と呼ばれる。

本実施形態では、エッチングガスとしてＳＦ_６を使用し、圧力は０．５〜１０Ｐａ、ＲＦパワーは１０〜１００Ｗとする。この条件下では、中間層１３の縦方向および横方向のエッチング速度比がほぼ１：１となる。例えば、ＳＦ_６流量２０ｃｃ／分、圧力２．０Ｐａ、ＲＦパワー５０Ｗの条件下で、中間層１３の縦方向のエッチング量（エッチング深さ）が０．０９３７５μｍのときに、横方向のエッチング量（サイドエッチング量）が０．０８７３５μｍであることが確認されている。縦方向と横方向のエッチング速度の差は１０％以内であり、縦方向および横方向のエッチング速度比はほぼ１：１である。このため、図３においてほぼＤ１＝Ｄ２であり、中間層パターン１３ａの幅は、レジストパターン１４ａの幅に比べて中間層１３の厚さの約２倍分減少する。

本実施形態では、エンドポイントモニタを使用して中間層１３のエッチングの終点を検知し、中間層１３の縦方向のエッチングが完了すると同時にプラズマ処理を終える。これにより、中間層１３の幅減り量を精密に制御することができる。

次に、中間層パターン１３ａをマスクとして下層１２に反応性イオンエッチングを施し、下層１２にストライプ状の微細パターンを転写して、下層パターン１２ａを形成する（図２（ｄ））。エッチングガスとしては、例えばＯ_２を使用する。このエッチングにより、中間層パターン１３ａ上のレジストパターン１４ａが除去されると共に、下層１２のうち中間層パターン１３ａによって覆われていない部分が選択的に除去され、下層１２が中間層パターン１３ａと同じストライプ状にパターニングされる。

この後、中間層パターン１３ａおよび下層パターン１２ａをマスクとして、被加工膜１１に反応性イオンエッチングを施し、被加工膜１１にストライプ状の微細パターンを転写して、パターン膜１２ａを形成する（図２（ｅ））。被加工膜１１がＳｉＮやＳｉＯ_２からなる場合、エッチングガスとしては、例えばＣＦ_４やＣ_２Ｆ_６を使用することができる。被加工膜１１のエッチングは異方的であり、被加工膜１１の上面に対して垂直に進行する。下層パターン１２ａはハードベークされているため非常に硬い。このような下層パターン１２ａをマスクとして使用することで、被加工膜１１を高い寸法精度で垂直に加工することができる。

以下では、本実施形態の利点を説明する。Ｓｉからなる中間層１３は等方的にエッチングされ、中間層１３にサイドエッチングが生じるため、レジストパターン１４ａよりも狭い幅の中間層パターン１３ａが得られる。被加工膜１１は中間層パターン１３ａと等幅にパターニングされるため、被加工膜１１の幅はレジストパターン１４ａの幅よりも狭くなる。したがって、被加工膜１１を微細なパターンに加工する際に、レジストパターン１４ａに対する微細化の要求が緩和される。

反応性イオンエッチングの実施条件を固定すれば、Ｓｉのサイドエッチング量はエッチング深さに対して一定の比率を有することになる。したがって、Ｓｉ中間層１３の厚さを変えることで、中間層パターン１３ａの幅をレジストパターン１４ａの幅から自在に、かつ高精度に変更することができる。これにより、比較的精度の悪い露光装置やマスクを使用してレジストパターン１４ａを形成した場合でも、十分に高い精度で被加工膜１１に垂直微細加工を施すことができる。

このように、本実施形態によれば、高価で管理の大変なステッパーなどの露光装置を使う必要なく、ステッパーを使用した場合と同等か、それ以上の精度を持ったパターンを被加工膜１１に形成することができる。また、レジストパターン１４ａの微細化要求が緩和されるのに伴って、中間層の形成に関するプロセス条件の制定や管理も緩和される。この結果、被加工膜１１に微細なパターンを低コストで簡易に形成することができる。しかも、多層レジスト法の利点である垂直加工に加え、正確なパターン幅調節が可能になるので、いかなるパターン幅についても被加工膜１１の正確な垂直加工が可能になる。

また、Ｓｉエッチング速度を把握しておき（例えば、圧力０．５〜１０Ｐａ、ＲＦパワー１０〜１００Ｗの条件下では、縦方向のエッチング速度が０．１〜０．１２μｍ／分である）、エッチング時間を増減することにより、中間層パターンの幅を正確に制御することができる。これにより、いかなる微細パターンも幅精度良く形成することができる。

中間層１３の反応性イオンエッチングにおいてＳＦ_６ガスをエッチングガスとして使用するため、中間層１３の縦方向および横方向のエッチング速度の比がほぼ１：１となる。サイドエッチング量がエッチング深さとほぼ等しくなるため、中間層パターン１３ａの寸法の制御が容易である。

本実施形態では、中間層１３の反応性イオンエッチングの終点を検知しながら中間層１３をパターニングするので、中間層１３の厚さの減少量とそれに応じた中間層１３の幅の減少量を正確に把握できる。したがって、中間層パターン１３ａの幅を正確に制御することができる。

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では下層１２がレジストからなるが、他の有機材料からなっていてもよい。

上記実施形態では、中間層１３の縦方向と横方向のエッチング速度比が約１：１であるが、他の比であってもよい。縦方向のエッチング速度を横方向のそれに比べて大きくすることは、反応性イオンエッチングにおけるＲＦパワーおよびイオン照射量を大きくすることで実現できる。ただし、その場合、横方向のエッチングに比べて縦方向のエッチングが速く進行するので、中間層パターン１３ａの寸法の制御が難しく、また、レジストパターン１４ａに対する中間層パターン１３ａの幅の減少量も小さくなる。したがって、本発明者は最も好適なエッチング速度比を１：１と考えている。なお、サイドエッチング量がエッチング深さより大きくなることはないので、横方向のエッチング速度に対する縦方向のエッチング速度の比、すなわち（縦方向のエッチング速度）／（横方向のエッチング速度）は１以上である。

実施形態のパターン形成方法を示す概略断面図である。 実施形態のパターン形成方法を示す概略断面図である。 中間層パターンおよびレジストパターンを示す部分拡大断面図である。

符号の説明

１０…基板、１１…被加工膜、１１…パターン膜、１２…下層、１２ａ…下層パターン、１３…中間層、１３ａ…中間層パターン、１４…上層レジスト、１４ａ…レジストパターン

Claims (3)

1. 下地材の上に下層、中間層、および上層レジストを順次に設ける工程と、
   前記上層レジストをパターニングして、上層レジストパターンを形成する工程と、
   前記上層レジストパターンをマスクとして前記中間層に反応性イオンエッチングを施し、中間層パターンを形成する工程と、
   前記中間層パターンをマスクとして前記下層をパターニングし、下層パターンを形成する工程と、
   前記下層パターンをマスクとして前記下地材をパターニングする工程と、
   を備え、
   前記中間層がＳｉからなるパターン形成方法。
2. 前記中間層パターンを形成する工程は、ＳＦ_６ガスをエッチングガスとして使用する反応性イオンエッチングを前記中間層に施す、請求項１に記載のパターン形成方法。
3. 前記中間層パターンを形成する工程は、前記中間層の反応性イオンエッチングの終点を検知しながら前記中間層をパターニングする、請求項１または２に記載のパターン形成方法。
   
   

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