JP2011159904A - パターン形成方法および含浸装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、アスペクト比の大きな微細パターンを安定して形成できるパターン形成方法と、その方法に使用される含浸装置を提供することを目的とする。
【解決手段】被加工部材３上に所定のパターンが形成されたエッチングマスク９を形成する工程と、前記エッチングマスク９に所定の物質１２を含浸させる工程と、前記所定の物質１２を含浸した前記エッチングマスク９を用い、前記被加工部材３をパターニングする工程と、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。
【選択図】図３

Description

本発明は、パターン形成方法および含浸装置に関し、例えば、半導体装置の製造工程において使用されるパターン形成方法および含浸装置に関する。

電子部品の高性能化にともない、製造工程における微細加工技術の進歩が著しい。例えば、１００ｎｍ以下の微細加工を行う半導体装置の製造工程では、従来のフォトリソグラフィに代えて、ナノインプリント法の適用が検討されている。また、特許文献１には、基板表面に自己組織的に形成できるナノオーダーの微細パターンを加工マスクとして、基板にナノオーダーの微細構造を形成できるマスク材料が記載されている。

一方、被加工部材に形成される微細構造は様々であり、アスペクト比の大きな微細パターンが必要とされる場合がある。アスペクト比の大きな微細パターンを加工するには、加工用マスクのパターンも大きなアスペクト比を有する必要がある。

しかしながら、マスクパターンの微細化にともない、アスペクト比の大きな加工用マスクを形成することが難しくなっている。例えば、ナノインプリント法では、加工用マスクを原版から離型する際に、パターンの欠損を発生させないようにマスクパターンのアスペクト比の上限を制限する必要がある。このため、ドライエッチング法を用いて被加工部材の表面を微細加工する場合に、マスク厚が不足して所望のアスペクト比を持った微細パターンを加工できないことがある。

特開２００７−２９７６４４号公報

本発明の目的は、アスペクト比の大きな微細パターンを安定して形成できるパターン形成方法と、その方法に使用される含浸装置を提供することである。

本発明の一態様によれば、被加工部材上に所定のパターンが形成されたエッチングマスクを形成する工程と、前記エッチングマスクに所定の物質を含浸させる工程と、前記所定の物質を含浸した前記エッチングマスクを用い、前記被加工部材をパターニングする工程と、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、本発明の別の一態様によれば、被加工部材上に中間層を形成する工程と、前記中間層上に所定のパターンが形成されたエッチングマスクを形成する工程と、前記エッチングマスクを用いて前記中間層をパターニングする工程と、パターニングされた前記中間層に所定の物質を含浸した前記中間層を用い、前記被加工部材をパターニングする工程と、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。
さらに、本発明の別の一態様によれば、基板を収容するチャンバーと、前記基板を載置する基板ステージと、前記チャンバー内部を大気圧よりも低圧に減圧する排気部と、前記排気部により減圧されたチャンバー内部に、含浸剤を注入する含浸剤注入部と、前記チャンバー内部を、大気圧よりも高圧に加圧する加圧部と、前記含浸剤を含浸させた前記基板を洗浄する手段と、前記基板を乾燥させる手段と、を備えたことを特徴とする含浸装置が提供される。

本発明によれば、アスペクト比の大きな微細パターンを安定して形成できるパターン形成方法と、その方法に使用される含浸装置を実現することができる。

第１の実施形態に係るパターン形成方法を示す模式図である。 図１に続くパターン形成法の工程を示す模式図である。 図２に続くパターン形成法の工程を示す模式図である。 図３に続くパターン形成法の工程を示す模式図である。 第２の実施形態に係るパターン形成方法を示す模式図である。 図５に続くパターン形成法の工程を示す模式図である。 一実施形態に係る含浸装置および含浸装置の動作を示す模式図である。 図７に続く含浸装置の動作を示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態では、図面中の同一部分には同一番号を付してその詳しい説明は適宜省略し、異なる部分について適宜説明する。

（第１の実施形態）
図１〜図４は、第１の実施形態に係るパターン形成方法を模式的に示す断面図である。本実施形態では、ナノインプリント法を用いてエッチングマスクを形成する方法を例に挙げて説明する。

図１および図２は、被加工部材３の上にエッチングマスク９を形成する工程を示す工程断面図である。さらに、図３は、エッチングマスク９に所定の物質を含浸させる工程を示す模式断面図である。また、図４は、所定の物質を含浸させて改質したエッチングマスク９を用いて、被加工部材３を加工（エッチング）する工程を示す工程断面図である。

まず、図１（ａ）に示すように、基板２の表面に形成された被加工部材３の所望の位置に、ディスペンサ８を用いてインプリント材として、例えば、光硬化性樹脂４を滴下する。光硬化性樹脂４として、例えば、ＨＳＱ(Hydrogen Silsesquioxane)を用いることができる。ＨＳＱは、硬化後にＯ_２アッシング処理を行うことで多孔質にすることができる部材である。また、インプリント材料は、光硬化性の樹脂に限らず、熱硬化性の樹脂あるいは熱可塑性の樹脂であっても構わない。

次に、図１（ｂ）に示すように、被加工部材３の表面に石英からなるテンプレート７を接触させ、テンプレート７に彫り込まれた型の内部に光硬化性樹脂４を充填する。

次に、図１（ｃ）に示すように、テンプレート７を通して紫外線を照射し光硬化性樹脂を硬化させる。なお、熱硬化性の樹脂あるいは熱可塑性の樹脂を用いる場合には、テンプレート７と樹脂との間の熱交換により樹脂を硬化させることができる。

続いて、図２（ａ）に示すように、テンプレート７を光硬化性樹脂４から分離する。この際、テンプレート７に彫り込まれた型から離型した光硬化性樹脂４に、所定のパターンが転写され被加工部材３の表面に残る。

次に、図２（ｂ）に示すように、異方性のエッチング条件に設定したＲＩＥ(Reactive Ion Etching)を用いて、光硬化性樹脂４の凹部に残された残膜を除去し、エッチングマスク９の形状を完成する。この際、例えば、酸素プラズマを用いたアッシングにより残膜を除去することができる。

次に、図３（ａ）に示すように、被加工部材３の表面にエッチングマスク９が形成された基板２をチャンバー３１の内部に載置し、チャンバー３１を密閉した後、真空排気部３２によりチャンバー３１の内部を減圧する。

続いて、図３（ｂ）に示すように、減圧されたチャンバー３１の内部に、含浸剤注入部３３から所定の物質を含む含浸剤を注入する。この際、同図中に示すように、エッチングマスク９が形成された被加工部材３の表面に、含浸剤１２のパドル（液溜まり）が形成されるようにしても良いし、また、基板２全体を含浸剤に浸漬させても良い。

さらに、加圧部３４から不活性ガスを注入し、チャンバー３１の内部を大気圧以上の圧力にして、所定の物質をエッチングマスク９の内部に含浸させる。例えば、不活性ガスとして窒素を用いることができ、また、所定の物質として、熱硬化型アクリル系樹脂（モノマー）を用いることができる。

次に、チャンバー３１の内部を常圧に戻した後、基板２を水洗して含浸剤を取り除く。さらに、図４（ａ）に示すように、例えば、基板２をホットプレート１８上に載置して約８０℃に加熱し、エッチングマスク９に含浸させたアクリル系モノマーを硬化させる。

最後に、図４（ｂ）に示すように、所定の物質を含浸させて改質したエッチングマスク９を用いて、被加工部材３をＲＩＥ法によりエッチングする。

本実施形態では、多孔質のエッチングマスク９に所定の物質を含浸させることにより、被加工部材３を加工するＲＩＥ条件に対して、エッチングマスク９の耐性を向上させることができる。したがって、改質しないエッチングマスクのＲＩＥによるエッチング速度よりも、改質したエッチングマスク９のエッチング速度が遅くなる。これにより、改質しないエッチングマスクを用いる場合よりも被加工部材３に形成するパターンのアスペクト比を大きくすることが可能となる。

例えば、上記の実施形態で説明したナノインプリントプロセスでは、基板２からテンプレート７を離型する際に、光硬化性樹脂４とテンプレート７との間で発生する摩擦力やテンプレートの変形に伴う応力の集中により、光硬化性樹脂４が部分的に破壊し転写パターンに欠陥が発生する場合がある。特に、微細パターンでアスペクト比の高いものでは、離型時にパターンが途中で千切れたり、下地から剥がれるなどの欠陥を生じやすい。これを防止するために、テンプレート７に彫り込まれるパターンのアスペクト比を制限する場合がある。

このような場合に、本実施形態に係るパターン形成法を用いれば、従来のインプリントプロセスでは形成できなかったアスペクト比の大きな微細パターンの加工を可能とすることができる。

また、本実施態様に示した光硬化性樹脂の他に、インプリント材料としてブロックコポリマー（ＢＣＭ）膜を用いても構わない。ブロックコポリマー膜としては、例えば、ポリスチレン（ＰＳ）部とポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）部とから構成されるジブロックコポリマー膜を用いることができる。ブロックコポリマー膜は、熱や圧力を加えることにより自己組織化し、各ポリマーの比率に応じて共連続構造、ラメラ構造等の様々な構造をとる。ブロックコポリマー膜を自己組織化した後、片方のポリマーを選択的に除去することによって容易に多孔質のマスク材を形成することができる。なお、ブロックコポリマー膜中の各ポリマーの比率は任意に調整することが可能であり、膜中に形成する孔の大きさや量に応じて適宜変更することができる。また、ブロックコポリマー膜は、２種類のポリマーからなるジブロックコポリマーに限らず３種類以上のポリマーからなっていても構わない。

（第２の実施形態）
図５および図６は、第２実施形態に係るパターン形成方法を模式的に示す断面図である。

図５（ａ）は、被加工部材３の表面に多孔質部材を含む中間層を形成する工程を示している。例えば、基板２の表面に被加工部材３である厚さ約１００ｎｍのＡｌ膜をスパッタ法で形成する。続いて、被加工部材３の表面に中間層となる厚さ約１００ｎｍのＳＯＧ膜１４（Spin On Glass）を、スピン塗布法により形成する。

ＳＯＧ膜１４は多孔質であり単層の中間層として用いることができる。また、他の材質の層と組み合わせた多層膜を中間層としても良い。本実施形態では、ＳＯＧ膜１４単層を中間層として用いる。

次に、図５（ｂ）に示すように、中間層であるＳＯＧ膜１４の表面にレジスト材を用いて加工パターン１９を形成する。例えば、光ナノインプリント法を用いて、インプリント材料であるアクリル系光硬化性樹脂の加工パターン１９をＳＯＧ膜１４上に形成することができる。また、加工パターン１９は、Ｌ／Ｓ（Line and Space）４０ｎｍ、パターン高さ１００ｎｍのストライプパターンとして、アスペクト比を２．５とすることができる。加工パターン１９のスペース部には、約１５ｎｍの残渣層が残ることがある。

次に、図５（ｃ）に示すように、加工パターン１９を用いてＳＯＧ膜１４をパターニングして、エッチングマスク２１を形成する。例えば、ＣＦ_４をエッチングガスとするＲＩＥでは、アクリル系光硬化性樹脂のエッチング速度がＳＯＧのエッチング速度よりも遅く、同図中に示すように、加工パターン１９の一部を残して、エッチングマスク２１を形成することができる。

続いて、図６（ａ）に示すように、多孔質部材であるＳＯＧ膜１４に所定の物質を含浸させて、被加工部材３を加工するエッチング条件に対してエッチングマスク２１の耐性を向上させる。

例えば、図６(ａ）に示すように、基板２を収容したチャンバー３１の内部を真空排気部３２により５Ｔｏｒｒに減圧し、基板２の表面に熱硬化型アクリル系含浸剤１２のパドル（液溜まり）を形成する。これにより、エッチングマスク２１のＳＯＧ膜に、含浸剤に含まれるアクリル系モノマーを含浸させることができる。さらに、チャンバー３１の内部に、加圧部３４から不活性ガスを導入して常圧の戻した後、加圧して含浸を促進しても良い。

次に、チャンバー３１の内部を常圧の戻し、基板２を水洗して不要な含浸剤を除去する。続いて、スピン乾燥した基板２を、例えば、８０℃に加熱したホットプレートに載置し、エッチングマスク２１に含浸させたアクリル系モノマーを熱硬化させる。

次に、図６（ｂ）に示すように、アクリル系モノマーを含浸して改質されたエッチングマスク２３を用いて、被加工部材３を加工する。例えば、図６（ｃ）に示すように、ＲＩＥにより被加工部材３であるＡｌ膜エッチングして、４０ｎｍＬ／Ｓ、高さ１００ｎｍのストライプパターンを形成することができる。

Ａｌ膜のエッチングには、塩素Ｃｌ_２をエッチングガスとして用いる。Ｃｌ_２によるＳＯＧのエッチング速度はＡｌよりも速く、改質しないエッチングマスク２１では、ＲＩＥ中にエッチングマスクが消失し被加工部材３を完全に選択エッチングすることが困難となる場合がある。

一方、アクリル系モノマーを含浸して改質されたエッチングマスク２３では、エッチング速度が遅くなり、図６（ｃ）中に示すように、エッチングマスク２３の一部を残して被加工部材３を加工することができる。

中間層として用いることができる部材は、上記のＳＯＧに限らず、ＴＥＯＳ膜、ＦＳＧ（SiOF）、ＢＳＧ（SiO₂-B₂O₃）、ＳｉＯＣ（Carbon-doped SiO₂）、ＳＯＤ（Spin On Dielectric）、ＯＳＧ（Organo Silica Glass）、ＭＳＱ（Methylsilses-quioxane）、ＨＳＱ（Hydrogen Silsesquioxane）等のシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、アモルファスシリコン膜、有機ポリマー膜、およびカーボン膜よりなる群から選択され、多孔質部材であることが好ましい。

また、所定の物質は、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド樹脂、ポリビニルアルコール樹脂（PVA）、金属錯体、金属微粒子、金属コロイド、およびシランカップリング剤よりなる群から選択された少なくとも１つの物質を用いることができる。

例えば、中間層としてＳＯＧを用いた場合、上記のアクリル系樹脂だけでなく、被加工部材３の材質により決まるエッチング条件に合わせて、所定の物質を含む含浸剤を選択して実施することが可能である。すなわち、含浸させる物質を選択することにより、中間層の部材を変えることなく、それぞれの被加工部材の加工条件に適したエッチングマスクとすることができる。

また、被加工部材３が、シリコン酸化膜（SiO₂）である場合、樹脂や金属を含む含浸剤を用いることがより好ましい。具体的には、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド樹脂、ポリビニルアルコール樹脂（PVA）、金属錯体、金属微粒子、および金属コロイドよりなる群から選択された少なくとも１つの物質を含む含浸剤を用いることができる。上記のような樹脂や金属を含む含浸剤を用いることにより、被加工部材３であるシリコン酸化膜と高い選択比をとることが可能となり、より高アスペクト比のパターンを加工することができる。

また、被加工部材３が、例えば、アモルファスシリコンやポリシリコンなどのシリコン膜、またはカーボン膜である場合は、酸化膜系材料を含む含浸剤を用いることがより好ましい。具体的には、ＳＯＧの一種であるポリシラザン溶液等を含浸させることができる。上記のような酸化膜系材料を含む含浸剤を用いることにより、被加工部材３であるシリコン膜やカーボン膜と高い選択比をとることが可能となり、より高アスペクト比のパターンを加工することができる。

さらに、被加工膜がＡｌである場合、アクリル系樹脂に加えて、エポキシ系樹脂、ポリイミド樹脂、ポリビニルアルコール樹脂（PVA）、およびＳＯＧの一種であるポリシラザン溶液等を用いることがより好ましい。上記のような含浸剤を用いることにより、被加工部材３であるＡｌ膜と高い選択比をとることが可能となり、より高アスペクト比のパターンを加工することができる。本実施形態では、被加工部材３とインプリント材料との間に中間層となる多孔質の膜を形成しているため、多孔質のインプリント材料を用意することなく容易に含浸パターンを形成することができる。

次に、図７および図８を参照して、一実施形態に係る含浸装置および含浸装置の動作を説明する。図７および図８は、含浸装置のチャンバー３１の断面を示す模式図である。

図７（ａ）に示すように、本実施形態に係る含浸装置は、被加工基板を枚葉処理するチャンバー３１と、チャンバー３１の内部を真空に減圧する真空排気部３２と、真空排気部３２により減圧されたチャンバー３１の内部に、被加工基板の被加工面を浸漬させる量の含浸剤を注入する含浸剤注入部３３と、被加工部材の被加工面が含浸剤に浸漬された状態において、チャンバー３１の内部を、大気圧よりも高圧に加圧する加圧部３４と、を備えている。

さらに、チャンバー３１の内部から含浸剤を排出する排出部３６と、含浸剤に浸漬された被加工基板を洗浄するためにチャンバー３１の内部に洗浄液を注入する洗浄液注入部３５と、を備えている。

図７（ａ）は、表面に多孔質部剤を含むエッチンクマスクが形成された基板２を、チャンバー３１の内部の基板保持部３８に載置する状態を示している。基板保持部３８には、基板２を基板保持プレート４１に真空吸着させた状態で回転させる手段を設けることができる。例えば、基板保持部３８の下部に、図示しない回転機構を接続すれば良い。基板２は、チャンバー３１の側面に設けられた搬入口４４からチャンバー３１の内部に搬入され、基板保持プレート４１の上に載置される。

次に、図７（ｂ）に示すように、基板保持部３８が、同図中の矢印の方向に下降し、含浸剤受け部３９の底面に基板２を置く。この際、基板保持プレート４１が、排出孔４２を塞ぐことにより、チャンバー３１の内部が密閉される。続いて、真空排気部３２により、チャンバー３１の内部が所定の圧力に減圧される。

次に、図７（ｃ）に示すように、含浸剤注入部３３から含浸剤受け部３９に含浸剤１２を供給して基板２を浸漬する。続いて、加圧部３４から不活性ガスを供給してチャンバー３１の内部を所定の圧力に加圧し、基板２に形成されたエッチングマスクへの含浸を促進しても良い。

次に、チャンバー３１の内部を常圧に戻し、図８（ａ）に示すように、基板保持部３８を矢印方向に上昇させて排出孔４２を開く。これにより、含浸剤受け部３９に保持されていた含浸剤１２を、排出孔４２を介して排出部３６からチャンバー３１の外に排出することができる。

続いて、図８（ｂ）に示すように、洗浄液注入部から含浸剤受け部３９に洗浄液を供給して基板２の表面を洗浄する。この際、排出孔４２を開いて、洗浄液を排出部３６から外部へ排出することにより、基板２の表面を洗い流しても良い。また、図８（ｃ）中に矢印で示すように、基板保持部３８を回転させて、基板保持プレート４１に保持された基板２をスピン洗浄させても良い。

さらに、図８（ｃ）に示すように、基板保持部３８を矢印方向へ上昇させ、排出孔４２および排出部３６を介して洗浄液を外部に排出する。また、基板保持部３８を回転させて、基板保持プレート４１に保持された基板２をスピン乾燥させても良い。

このように、本実施態様に係る含浸装置では、含浸剤受け部３９に供給した含浸剤１２に基板２を浸漬して含浸処理を実施する。したがって、含浸剤受け部３９の容積を必要最小限にすることができ、含浸剤の使用量を削減することができる。また、排出部３６から排出される含浸剤を回収して再利用しても良い。

以上、本発明に係る第１および第２の実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。例えば、出願時の技術水準に基づいて、当業者がなし得る設計変更や、材料の変更等、本発明と技術的思想を同じとする実施態様も本発明の技術的範囲に包含される。

２ 基板
３ 被加工部材
４ 光硬化性樹脂
７ テンプレート
８ ディスペンサ
９、２１、２３、 エッチングマスク
１２ 含浸剤
１４ ＳＯＧ膜
１９ 加工パターン
３１ チャンバー
３２ 真空排気部
３３ 含浸剤注入部
３４ 加圧部
３５ 洗浄液注入部
３６ 排出部
３８ 基板保持部
３９ 含浸剤受け部
４１ 基板保持プレート
４２ 排出孔

Claims (7)

1. 被加工部材上に所定のパターンが形成されたエッチングマスクを形成する工程と、
   前記エッチングマスクに所定の物質を含浸させる工程と、
   前記所定の物質を含浸した前記エッチングマスクを用い、前記被加工部材をパターニングする工程と、
   を備えたことを特徴とするパターン形成方法。
2. 前記エッチングマスクは、多孔質膜からな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. 前記加工部材上に中間層を形成する工程と、
   前記中間層上に所定のパターンが形成されたエッチングマスクを形成する工程と、
   前記エッチングマスクを用いて前記中間層をパターニングする工程と、
   パターニングされた前記中間層に所定の物質を含浸させる工程と、
   前記所定の物質を含浸した前記中間層を用い、前記被加工部材をパターニングする工程と、
   を備えたことを特徴とするパターン形成方法。
4. 前記中間層は、多孔質部材を含むことを特徴とする請求項３記載のパターン形成方法。
5. 前記エッチングマスクを、ナノインプリント法を用いて形成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のパターン形成方法。
6. 前記多孔質部材は、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、アモルファルスシリコン膜、有機ポリマー膜、およびカーボン膜よりなる群から選択された材料を含み、
   前記所定の物質は、アクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド樹脂、ポリビニルアルコール樹脂（PVA）、金属錯体、金属微粒子、金属コロイド、およびシランカップリング剤よりなる群から選択された少なくとも１つの物質を含むことを特徴とする請求項５記載のパターン形成方法。
7. 基板を収容するチャンバーと、
   前記基板を載置する基板ステージと、
   前記チャンバー内部を大気圧よりも低圧に減圧する排気部と、
   前記排気部により減圧されたチャンバー内部に、含浸剤を注入する含浸剤注入部と、
   前記チャンバー内部を、大気圧よりも高圧に加圧する加圧部と、
   前記含浸剤を含浸させた前記基板を洗浄する手段と、
   前記基板を乾燥させる手段と、
   を備えたことを特徴とする含浸装置。

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