JP2010262957A - パターン形成方法、パターン形成装置、半導体装置の製造方法 - Google Patents

パターン形成方法、パターン形成装置、半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】スループットを向上できるパターン形成方法、パターン形成装置、半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明のパターン形成方法は、被加工体２０上に誘電体であるインプリント材２１を未硬化状態で供給する工程と、テンプレート１０における導電性のパターン部１５を、未硬化状態のインプリント材２１に接触させる工程と、インプリント材２１を硬化させる前に、被加工体２０とテンプレート１０のパターン部１５との間に電位差を生じさせ、インプリント材２１に誘電分極を生じさせる工程と、パターン部１５をインプリント材２１に接触させた状態でインプリント材２１を硬化させる工程と、インプリント材２１の硬化後、インプリント材２１からテンプレート１０を剥離する工程と、を備えた。
【選択図】図３

Description

本発明は、パターン形成方法、パターン形成装置、半導体装置の製造方法に関する。
近年、半導体デバイスのパターン形成にナノインプリント技術が利用され始めている。例えば特許文献１には、光照射方式のナノインプリント技術が提案されている。これは、紫外線硬化樹脂であるインプリント材が塗布された基板に、凹凸形状のパターンが形成されたテンプレートを押し付けて紫外線を照射することによりインプリント材を硬化させ、テンプレートに形成されているパターンの等倍パターンをインプリント材に転写するものである。
テンプレートを硬化前のインプリント材に押し付ける工程では、インプリント材を隙間なくテンプレートのパターンに入り込ませるために時間を要しており、これがインプリント法を利用したパターン形成におけるスループット向上を妨げる要因の一つとなっていた。
特開２００８−６８６１２号公報
本発明は、スループットを向上できるパターン形成方法、パターン形成装置、半導体装置の製造方法を提供する。
本発明の一態様によれば、被加工体上に誘電体であるインプリント材を未硬化状態で供給する工程と、前記インプリント材を硬化させる前に、前記被加工体と、前記被加工体に対向されるテンプレートにおける導電性のパターン部との間に電位差を生じさせ、前記インプリント材に誘電分極を生じさせる工程と、前記パターン部を、前記未硬化状態のインプリント材に接触させる工程と、前記パターン部を前記インプリント材に接触させた状態で前記インプリント材を硬化させる工程と、前記インプリント材の硬化後、前記インプリント材から前記テンプレートを剥離する工程と、を備えたことを特徴とするパターン形成方法が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、被加工体を保持可能な被加工体保持部と、導電性のパターン部を有するテンプレートを保持可能なテンプレート保持部と、電源と接続されると共に前記パターン部に対して相対移動して接触可能な接触子と、前記被加工体保持部及び前記テンプレート保持部を接近させて、前記パターン部を前記被加工体上に供給された未硬化状態の誘電体であるインプリント材に接触させ、前記インプリント材の硬化後に前記被加工体保持部及び前記テンプレート保持部を離間させる移動機構と、前記インプリント材を硬化させる前に、前記パターン部に接触した前記接触子を介して前記パターン部に電圧を印加する制御部と、を備えたことを特徴とするパターン形成装置が提供される。
また、本発明のさらに他の一態様によれば、被加工体上に誘電体であるインプリント材を未硬化状態で供給する工程と、前記インプリント材を硬化させる前に、前記被加工体と、前記被加工体に対向されるテンプレートにおける導電性のパターン部との間に電位差を生じさせ、前記インプリント材に誘電分極を生じさせる工程と、前記パターン部を、前記未硬化状態のインプリント材に接触させる工程と、前記パターン部を前記インプリント材に接触させた状態で前記インプリント材を硬化させる工程と、前記インプリント材の硬化後、前記インプリント材から前記テンプレートを剥離する工程と、前記テンプレートが剥離された前記インプリント材をマスクにして、前記被加工体を加工する工程と、を備えことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
本発明によれば、スループットを向上できるパターン形成方法、パターン形成装置、半導体装置の製造方法が提供される。
本発明の実施形態に係るパターン形成装置の構成を示すブロック図。 本発明の実施形態に係るパターン形成に用いるテンプレートの製造方法を示す模式図。 本発明の実施形態に係るパターン形成方法を示す模式図。 図３に続く工程を示す模式図。
従来、テンプレートを未硬化状態のインプリント材に押し付ける工程では、インプリント材を隙間なくテンプレートにおける凹凸パターンの凹部に入り込ませるために１０秒程度の時間を要していた。通常、テンプレートにおけるパターンが形成された表面には、硬化したインプリント材がテンプレートからきれいに離型できるように離型材がコーティングされ、その離型材とインプリント材との濡れ性がよくないことが、パターン凹部へのインプリント材の迅速な充填を妨げる要因の一つと考えられる。
離型材の量を減らすと、離型に要する時間を長くしなければならない。すなわち、テンプレートをゆっくりとインプリント材から剥離しないと、テンプレートのパターン部からインプリント材がきれいに剥がれずに、インプリント材パターンに欠損が生じることが起こり得る。
なお、圧電薄膜素子をインプリント用の金型の内側に形成し、その圧電薄膜素子を収縮させて離型しやすくする提案もある。しかし、これはインプリント材の硬化後に圧電薄膜素子に電圧を印加して圧電薄膜素子を駆動させることで離型性向上を図っているにすぎず、未硬化インプリント材のテンプレートパターンへの迅速な充填を促進するものではない。また、特に半導体デバイスのパターンのように微細で高精度が要求されるパターンの転写精度を確保する点からは、テンプレートパターン部は、膨張、収縮などせず機械的強度の高い材質から構成されるのが望ましい。
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るパターン形成装置の構成を示すブロック図である。
本実施形態に係るパターン形成装置は、主として、パターン形成対象である被加工体と、テンプレートとを互いに対向させた状態で保持する保持部４と、保持部４の移動機構２と、テンプレートのパターン部が形成された後述する導電膜に接触する接触子７と、接触子７に電圧を供給する電源３と、移動機構２や電源３の動作を制御する制御部１とを備えている。
保持部４は、被加工体を保持する被加工体保持部５とテンプレートを保持するテンプレート保持部６を有する。移動機構２は、後述するように対向して設けられた被加工体保持部５とテンプレート保持部６とを相対的に接近・離間させる。
次に、本発明の実施形態に係るパターン形成方法について説明する。まず、図２を参照して、テンプレートの製造方法について説明する。
本実施形態では、図２（ｅ）に示すように、テンプレート１０は、例えば石英製の基板１１に対して導電性を有するパターン部１５が形成された構造を有する。
まず、図２（ａ）に示すように、石英製の基板１１上に導電膜１２を形成する。導電膜１２は、例えば、不純物をドーピングして導電性を持たせたＤＬＣ（Diamond Like Carbon）膜である。さらに、導電膜１２上にクロム（Ｃｒ）膜１３を成膜し、さらにその上に電子線用レジスト膜１４を形成する。
次に、レジスト膜１４に対して電子線描画を行った後、レジスト膜１４を現像することで、図２（ｂ）に示すように、レジスト膜１４にパターンが形成される。
次に、パターンが形成されたレジスト膜１４をマスクにしてクロム膜１３をドライエッチングして選択的に除去し、図２（ｃ）に示すようにクロム膜１３にパターンを形成する。この後、そのパターンが形成されたクロム膜１３をマスクにして導電膜１２をドライエッチングして選択的に除去し、図２（ｄ）に示すように導電膜１２にパターンを形成する。
なお、導電膜１２に対するレジスト膜１４のエッチング選択比が比較的高い場合には、導電膜１２上に直接レジスト膜１４を形成して、そのレジスト膜１４のパターニングを行い、そのパターニングされたレジスト膜１４をマスクにして導電膜１２のパターニングを行ってもよい。
図２（ｄ）の工程の後、導電膜１２上に残っているクロム膜１３を除去し、図２（ｅ）に示すテンプレート１０が得られる。導電膜１２に凹凸形状のパターンが形成されたパターン部１５は、基板１１における面方向の中央部に設けられている。
図示では、基板１１の厚さは均一であるが、通常、パターン部１５が形成された中央部よりも外側の部分は薄くされ、パターン部１５が他の部分よりも突出したいわゆるメサ構造とされる。これにより、パターン部１５のみをインプリント材と接触させることができ、必要以上の面積にわたるテンプレート１０とインプリント材との接触を避けることができ、離型を容易にする。
次に、図３、４を参照して、上記テンプレート１０を用いたパターン形成方法について説明する。
図３（ａ）に示すように、被加工体２０は被加工体保持部５上に保持され、テンプレート１０は被加工体保持部５の上方に対向して設けられたテンプレート保持部６に保持される。被加工体保持部５は例えば真空チャック機構を有する。同様に、テンプレート保持部６も真空チャック機構を有する。なお、図３（ｂ）以降では被加工体保持部５及びテンプレート保持部６の図示を省略する。
被加工体２０は例えばシリコン等の半導体ウェーハであり、その被加工体２０は被加工面を上に向けた状態で被加工体保持部５に保持される。被加工体２０における被加工面上には、インプリント材２１が供給される。インプリント材２１は、誘電体であり、例えば紫外線硬化型樹脂である。インプリント材２１は、液状もしくはペースト状の未硬化の状態で被加工体２０上に供給される。
テンプレート１０は、その導電膜１２に形成されたパターン部１５を、被加工体２０上に供給されたインプリント材２１に対向させた状態でテンプレート保持部６に保持される。
図３（ａ）に示す状態で、図１に示す制御部１の制御のもと移動機構２により、テンプレート保持部６と被加工体保持部５とを相対的に接近させる。ここでは、被加工体保持部５は静止したままで、テンプレート保持部６を下降させる。もちろん、テンプレート保持部６を静止したままで被加工体保持部５を上昇させてもよく、あるいは両者をそれぞれ移動させて接近させてもよい。
テンプレート１０をインプリント材２１に近づけていくとき、図３（ｂ）に示すように、テンプレート１０における導電性のパターン部１５に正電圧を印加する。具体的には、電源３と接続された接触子７を、パターン部１５が形成された導電膜１２表面に接触させてパターン部１５に電圧を印加する。
例えば、接触子７は接触子ホルダー８に片持ち支持されている。接触子ホルダー８は図示しない接触子移動機構により導電膜１２に対して移動可能となっている。接触子７は、パターン部１５より外側のテンプレート１０と被加工体２０との対向空間で導電膜１２に対して圧接しパターン部１５と電気的に接続される。なお、テンプレート１０の側面に露出している導電膜１２の側面に、接触子７を接触させてもよい。
被加工体２０は接地されている。これは、被加工体２０を直接接地させてもよいし、被加工体保持部５の方を直接接地させ、その被加工体保持部５を介して被加工体２０が接地するようにしてもよい。
テンプレート１０の下降により、テンプレート１０のパターン部１５は、図３（ｃ）に示すように、未硬化状態のインプリント材２１に接触し押し付けられる。このとき、パターン部１５に正電圧が印加され、被加工体２０は接地しているため、パターン部１５と被加工体２０との間に電位差（電界）が生じる。この電界により、誘電体であるインプリント材２１に誘電分極が生じる。
すなわち、正電位が与えられたパターン部１５に近いインプリント材２１の表面側に負電荷が現れ、インプリント材２１とパターン部１５との間に静電引力が作用する。この静電引力により、インプリント材２１がパターン部１５に引き寄せられる。この結果、十数ｎｍ〜数十ｎｍという極微細なパターン凹部（溝）にも瞬時にインプリント材２１が入り込み、僅か１秒という押し付け時間ですべてのパターン凹部にインプリント材２１を充填させることができる。
次に、図３（ｄ）に示すように、テンプレート１０の上方から紫外線を照射する。石英である基板１１及びＤＬＣ膜である導電膜１２は、紫外線に対する透過性を有するため、インプリント材２１に紫外線は到達する。例えば１秒程紫外線を照射することで、インプリント材２１は硬化する。
インプリント材２１を硬化させた後、テンプレート保持部６を上昇させて、インプリント材２１からテンプレート１０を剥離する。このとき、テンプレート１０のパターン部１５への電圧印加を停止することで、パターン部１５とインプリント材２１との間の静電引力を消滅させて、容易にテンプレート１０をインプリント材２１から剥離することができる。
あるいは、テンプレート１０を剥離する直前に、図４（ａ）に示すように、前述した押し付け工程時の正電圧とは逆の負電圧をパターン部１５に短時間（例えば０．１秒）だけ印加することで、パターン部１５とインプリント材２１との間に斥力が生じ、瞬時にテンプレート１０をインプリント材２１から剥離することが可能になる。
誘電体であるインプリント材２１内では導電膜１２内に比べて電荷の移動が遅く、導電膜１２すなわちパターン部１５表面に負電位が与えられてもこれに対向するインプリント材２１表面にはすぐに正電荷が現れず、ある時間は図３（ｂ）に示すような分極状態が保たれる。したがって、負電位が与えられたパターン部１５と、負電荷が現れているインプリント材２１の表面側との間に斥力が働き、パターン部１５にインプリント材２１が持って行かれることなく瞬時にパターン部１５とインプリント材２１とを分離することができる。
このようにパターン部１５とインプリント材２１間に斥力を生じさせて両者を分離することで、インプリント材２１がパターン部１５における特に凹部（溝）に残ってしまう離型欠陥を、従来の１／５程度に低減することを確認できた。具体的には、従来０．２個／ｃｍ２程度の離型欠陥が生じていたが、本実施形態の方法を用いることで０．０４個／ｃｍ２に欠陥個数が低減した。
テンプレート１０を剥離することで、図４（ｂ）に示すように、被加工体２０上に、硬化したインプリント材２１のパターンが形成される。このパターンは、テンプレート１０に形成された凹凸形状パターンの反転パターンである。そして、そのパターニングされたインプリント材２１をマスクにして被加工体２０に対してエッチング等の加工を行うことで、図４（ｃ）に示すように、被加工体２０に凹凸形状のパターンが形成される。
被加工体２０は、例えば、シリコン等の基板上に形成された絶縁膜、半導体膜、導電膜、あるいは基板自体である。すなわち、本実施形態に係るパターン形成方法は、半導体装置の製造方法における一部の工程に相当する。
従来、ハーフピッチ２０ｎｍほどの微細凹凸パターンが形成されたテンプレートを未硬化状態のインプリント材に押し付ける工程において、インプリント材を隙間なくパターン凹部に入り込ませるために１０秒程度の時間を要していた。また、インプリント材からテンプレートを剥離するにあたっては、離型欠陥を防ぐため１５秒ほどの時間をかけてゆっくりと行っていた。そのため、１回のパターン転写に３０秒近い時間がかかっていた。
これに対して、パターン部１５と被加工体２０との間に電位差を生じさせる本実施形態では、パターン部１５を未硬化状態のインプリント材２１に押し付ける時間は１秒程度と従来の１／１０の時間でも、インプリント材２１を隙間なくパターン凹部に入り込ませることが可能である。また、インプリント材２１からテンプレート１０を剥離する直前に、それら両者の押し付け時にパターン部１５と被加工体２０との間に与えていた電界の逆方向の電界を与えることで、離型欠陥を生じさせることなく瞬時に両者を分離することができる。
結果として、本実施形態では、ハーフピッチ２０ｎｍほどの微細パターンをインプリント法によって３秒程で形成することが可能になった。これにより、スループットが向上し、半導体装置の製造コストを大きく低減することが可能になる。さらには欠陥数も低減できるため、このことも半導体装置製造コストを大きく低減することにつながる。
パターン部１５が形成された導電膜１２に電圧を印加するタイミングは、テンプレート１０をインプリント材２１に近づけているときでもよいし、パターン部１５がインプリント材２１に接触した後でもよい。パターン部１５がインプリント材２１に接触する前の時点から導電膜１２に電圧を印加しておけば、パターン部１５がインプリント材２１に接触したその瞬間から直ちにインプリント材２１がパターン部１５に引き寄せられるので、より押し付け時間の短縮を図れる。
前述した効果を得るには、誘電分極したインプリント材２１表面と、パターン部１５との間に静電引力が作用するように、導電膜１２と被加工体２０との間に電位差を生じさせればよい。したがって、電圧印加の形態は上記実施形態に限らない。導電膜１２を接地し、被加工体２０に電圧を印加してもよく、あるいは導電膜１２と被加工体２０の両方に電圧を印加してもよい。
導電膜１２と被加工体２０との間の電位差があまり小さいとインプリント材２１をパターン部１５に引き寄せる力が弱くなり、逆に大きすぎると、導電膜１２と被加工体２０との間の空間（例えば大気圧雰囲気）での放電によるパターン部１５の欠損や損傷が懸念される。この点を考慮すると、導電膜１２と被加工体２０との間に生じさせる電位差は、３０〜８００Ｖの範囲が望ましい。この電位差範囲に設定することは、インプリント材２１からテンプレート１０を剥離する直前に電圧印加するときにも望ましい。
なお、導電膜１２及び被加工体２０の一方に電圧を印加し、他方はフローティングの状態であってもよい。ただし、一方に正又は負電圧を印加し、他方には一方とは逆極性の電圧を印加または接地した方が、導電膜１２と被加工体２０との間に生じる電位差を正確に把握でき、所望の電位差（例えば３０〜８００Ｖ）への制御性に優れる。
導電膜１２や被加工体２０に対する電圧の印加、停止、さらには離型時における逆極性電圧への切り替えなどは、図１に示す制御部１の制御に基づいて行われる。
微細凹凸形状のパターンが形成される導電膜１２には、導電性以外にも、機械的強度、紫外線に対する透過性が要求される。このような条件を満足する材料としては、ＤＬＣ以外にも、ＩＴＯ（indium Tin Oxide）、インジウム酸化物、ルテニウム酸化物などを挙げることができる。この中でもＤＬＣは機械的強度に優れ、微細パターンを精度良く転写するにあたってより望ましいと言える。
パターン部１５をインプリント材２１に押し付け、パターン凹部へのインプリント材２１の充填が完了した後は、上記電位差を生じさせる電圧印加を停止してもよい。ただし、押し付け工程後も、硬化工程を経てテンプレート１０を剥離する直前まで上記電位差を生じさせてインプリント材２１に誘電分極を生じさせておけば、導電膜１２に対して印加している電圧の極性を切り替えることで、インプリント材２１表面とパターン部１５との間に前述した斥力を生じさせて瞬時に両者を離すことができる。
インプリント材を硬化させるにあたっては、熱硬化方式を採用してもよい。ただし、熱硬化方式ではパターンの熱膨張が懸念され、半導体デバイスのように微細で高精度なパターンが要求される用途には光硬化方式が望ましい。
１…制御部、２…移動機構、３…電源、５…被加工体保持部、６…テンプレート保持部、７…接触子、１０…テンプレート、１２…導電膜、１５…パターン部、２０…被加工体、２１…インプリント材

Claims (5)

  1. 被加工体上に誘電体であるインプリント材を未硬化状態で供給する工程と、
    前記インプリント材を硬化させる前に、前記被加工体と、前記被加工体に対向されるテンプレートにおける導電性のパターン部との間に電位差を生じさせ、前記インプリント材に誘電分極を生じさせる工程と、
    前記パターン部を、前記未硬化状態のインプリント材に接触させる工程と、
    前記パターン部を前記インプリント材に接触させた状態で前記インプリント材を硬化させる工程と、
    前記インプリント材の硬化後、前記インプリント材から前記テンプレートを剥離する工程と、
    を備えたことを特徴とするパターン形成方法。
  2. 前記被加工体及び前記パターン部の一方に電圧を印加し、他方には前記一方に印加した電圧の逆極性の電圧を印加するまたは接地することで、前記被加工体と前記パターン部との間に前記電位差を生じさせることを特徴とする請求項１記載のパターン形成方法。
  3. 前記インプリント材から前記テンプレートを剥離する直前に、前記電位差を生じさせていた電界の逆方向の電界を前記パターン部と前記被加工体との間に生じさせることを特徴とする請求項１または２に記載のパターン形成方法。
  4. 被加工体を保持可能な被加工体保持部と、
    導電性のパターン部を有するテンプレートを保持可能なテンプレート保持部と、
    電源と接続されると共に前記パターン部に対して相対移動して接触可能な接触子と、
    前記被加工体保持部及び前記テンプレート保持部を接近させて、前記パターン部を前記被加工体上に供給された未硬化状態の誘電体であるインプリント材に接触させ、前記インプリント材の硬化後に前記被加工体保持部及び前記テンプレート保持部を離間させる移動機構と、
    前記インプリント材を硬化させる前に、前記パターン部に接触した前記接触子を介して前記パターン部に電圧を印加する制御部と、
    を備えたことを特徴とするパターン形成装置。
  5. 被加工体上に誘電体であるインプリント材を未硬化状態で供給する工程と、
    前記インプリント材を硬化させる前に、前記被加工体と、前記被加工体に対向されるテンプレートにおける導電性のパターン部との間に電位差を生じさせ、前記インプリント材に誘電分極を生じさせる工程と、
    前記パターン部を、前記未硬化状態のインプリント材に接触させる工程と、
    前記パターン部を前記インプリント材に接触させた状態で前記インプリント材を硬化させる工程と、
    前記インプリント材の硬化後、前記インプリント材から前記テンプレートを剥離する工程と、
    前記テンプレートが剥離された前記インプリント材をマスクにして、前記被加工体を加工する工程と、
    を備えことを特徴とする半導体装置の製造方法。
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