JP2011167780A

JP2011167780A - パターン形成方法およびパターン形成体

Info

Publication number: JP2011167780A
Application number: JP2010032164A
Authority: JP
Inventors: Munehisa Soma; 宗尚相馬; Manabu Suzuki; 学鈴木
Original assignee: Toppan Printing Co Ltd
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 2010-02-17
Filing date: 2010-02-17
Publication date: 2011-09-01

Abstract

【課題】複数の段差を備えた微細な３次元構造パターンの形成に好適なパターン形成方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明によれば、ハードマスク層は基板に対してエッチング選択比が高い材料であるため、形成する３次元構造パターンに対応するハードマスク層の段差は、所望する３次元構造パターンよりも、深さを小さくすることが出来る。また、ハードマスク層に段差を形成するにあたり、ハードマスク層を基板表面を覆うように残存させることにより、複数段のパターン形成において、基板の帯電（チャージアップ）を抑制することが出来る。
【選択図】図４

Description

本発明は、微細な３次元構造パターンの形成に適したパターン形成方法、および該パターン形成方法を用いて形成されたパターン形成体に関する。

基材（例えば、ガラス、樹脂、金属、シリコンなど）に特定の微細な３次元構造パターン（例えば、多段の階段状形状など）を形成した構造物は、広範に用いられている。例えば、半導体デバイス、光学素子、配線回路、記録デバイス（ハードディスクやＤＶＤなど）、医療検査用チップ（ＤＮＡ分析用途など）、ディスプレイパネル、マイクロ流路などが挙げられる。

また、微細な３次元構造パターンを転写するためのインプリントモールドの製造には、微細な３次元構造パターンの形成方法を用いることが知られている。
また、線幅の小さいパターンを解像するための位相シフトマスクとして用いられるレベンソン型フォトマスクでは、透明基材に段差形状のパターンを形成することが知られている。

近年、この様な用途が大きな広がりを見せており、また、より微細なパターンや、より段数の多い構造に対する要求が増加している。

例えば、半導体分野において、特定の微細な３次元構造パターンを形成したデュアルダマシン構造が提案されている。このとき、通常のデュアルダマシン構造形成工程では、形成する段差ごとに、レジストパターンを形成することが知られている。

デュアルダマシン構造の形成方法として、例えば、１層目段差をＢＡＲＣ（ＢｏｔｔｏｍＡｎｔｉＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎＣｏａｔｉｎｇ）などをコーティングすることにより段差をなくしてから、再度パターン形成を行う方法が提案されている（特許文献１参照）。

また、デュアルダマシン構造の形成方法として、例えば、３段構造のモールドを使ったナノインプリント技術を用いる方法が知られている（非特許文献１参照）。これにより、必要な工程数を１／３近くに削減できるという報告があることから、多段構造のインプリントモールドに対する要望が高まっている。

また、上述した特定の微細な３次元構造パターン（例えば、多段の階段状形状など）を製造する方法として、荷電粒子線リソグラフィを用いて階段状構造を形成する方法が知られている。

例えば、電子線リソグラフィでの電子ビームドーズ量を制御することで、レジストを階段状に形成する方法が提案されている（非特許文献２参照）。

特開２００３−３０３８２４号公報

Proc. of SPIE., vol.5992, pp.786-794 (2005) Jpn. J. Appl. Phys., vol.39, pp.6831-6835 (2000)

微細な３次元構造パターンの形成では、３次元構造パターンに応じて複数回のレジストのパターニングを行うことが知られている。

しかしながら、既に段差を備えた基板に対して、新たにレジストのパターニングを行うことは以下の事由から困難である。また、段差の深さが大きければ大きいほど、難易度が上がることは言うまでもない。
１、段差のある基板上にレジストをコートする際、レジスト膜の厚さが段差と同じかそれ以下だと凸部上のレジスト膜が薄くなってしまい、平坦なレジスト膜を得ることが出来ない。このため、所望するレジストパターンを得ることが困難である。
２、レジスト膜が平坦となるように充分にレジスト膜を厚くした場合、形成したレジストパターンのアスペクト比はレジスト膜の厚みに応じて高くなるため、レジストパターン倒れが発生する。このため、所望するレジストパターンを得ることが困難である。

特に、１段目のパターンを形成した後２段目のパターンを形成するにあたり、電子線を用いてパターン形成を行なうと、２段目のパターンのために電子線を照射すると基板自体が帯電し、正確なパターン描写を行なえない問題がある。

そこで、本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、複数の段差を備えた微細な３次元構造パターンの形成に好適なパターン形成方法を提供することを目的とする。

本発明の一実施形態は、微細な３次元構造パターンを形成するパターン形成方法において、基板にハードマスク層を形成する工程と、前記ハードマスク層に段差を形成する工程と、前記ハードマスク層をエッチングマスクとして、前記基板に異方性エッチングを行う工程と、を備え、前記ハードマスク層に段差を形成する工程にあたり、ハードマスク層は基板表面を覆うように残存させることを特徴とするパターン形成方法である。

また、前記基板は、石英基板であり、前記ハードマスク層は、Ｃｒからなる層であってもよい。

本発明の一実施形態は、パターン形成方法により形成されたパターン形成体である。

本発明によれば、ハードマスク層は基板に対してエッチング選択比が高い材料であるため、形成する３次元構造パターンに対応するハードマスク層の段差は、所望する３次元構造パターンよりも、深さを小さくすることが出来る。また、ハードマスク層に段差を形成するにあたり、ハードマスク層を基板表面を覆うように残存させることにより、複数段のパターン形成において、基板の帯電（チャージアップ）を抑制することが出来る。

従来のパターン形成方法に一例を示す図である。従来のパターン形成方法における問題点を示す図である。従来のパターン形成方法における問題点を示す図である。本発明のパターン形成方法の実施の一例を示す図である。

以下、従来の典型的な多段構造のパターン形成方法の一例を示す。
まず、ハードマスク層を備えた基板に、レジストをコートし（図１（ａ））、該レジストのパターニングを行う（図１（ｂ））。
次に、レジストパターンをマスクにハードマスク層を、ハードマスク層をマスクに基板をエッチングする（図１（ｃ））。
次に、洗浄し、１層目のパターンが作製される（図１（ｄ））。
次に、１層目パターンが形成された基板に再度レジストをコートし（図１（ｅ））、該レジストのパターニングを行う（図１（ｆ））。
次に、レジストパターンをマスクにハードマスク層を、ハードマスク層をマスクに基板をエッチングする（図１（ｇ））。
次に、洗浄し、２層目のパターンが作製される（図１（ｈ））。

従来の典型的な多段構造のパターン形成方法では、２層目段差のパターニングの際に、レジストの厚さが１層目段差と同じかそれ以下だとパターンの凸部の角に相当するレジストが薄くなってしまい、平坦なレジスト層を得ることが出来ず、所望するレジストパターンを得ることが困難であり、微細な３次元構造パターンの形成に不適である（図２）。
また、１層目段差を埋めるようにレジストを厚くした場合（図３（ａ））、所望するパターン幅に対してレジスト膜厚が厚いことから、レジストパターンのアスペクト比は大きくなってしまうため、レジストパターン倒れが発生し、所望するレジストパターンを得ることが困難であり、微細な３次元構造パターンの形成に不適である（図３（ｂ））。

本発明のパターン形成方法は、上述したような従来の典型的な多段構造のパターン形成方法の問題を解決するためになされたものである。
本発明のパターン形成方法は、ハードマスク層を形成し、該ハードマスク層に段差を設け、該ハードマスク層をエッチングマスクとして基板に異方性エッチングを行うことを特徴とする。
本発明の構成によれば、所望する３次元構造パターンを基板に形成する場合、ハードマスク層は基板に対してエッチング選択比が高い材料であるため、形成する３次元構造パターンに対応するハードマスク層の段差は、所望する３次元構造パターンよりも、深さを小さくすることが出来る。
このため、段差形成のためのパターニングに際して、形成する段差の深さ寸法を浅くすることが出来、レジストパターン倒れの発生を抑制することが出来る。よって、複数の段差を備えた微細な３次元構造パターンの形成を好適に行うことが可能となる。

以下、本発明のパターン形成方法について、説明を行う。

＜基板にハードマスク層を形成する工程＞
まず、基板上にハードマスク層を形成する。ハードマスク層の形成方法としては、ハードマスク層に選択した材料に応じて、適宜公知の薄膜形成法を用いて形成して良い。例えば、スパッタ法などを用いて良い。

基板は、用途に応じて適宜選択して良い。例えば、シリコン基板、石英基板、サファイア基板、ＳＯＩ基板などであっても良い。

ハードマスク層は、選択した基板に対して、後述する＜異方性エッチングを行う工程＞におけるエッチング選択比が高い材料であれば良い。

また、基板は、石英基板であり、ハードマスク層は、Ｃｒからなる層であることが好ましい。石英基板は、一般的な露光光に対して透過性を有しており、特に、光インプリント法に用いるインプリントモールドや、フォトマスクなどの製造工程に本発明のパターン形成方法を用いる場合に好適である。このとき、石英基板に対するハードマスク層としてはＣｒからなる層を用いることで、一般的なエッチング条件において、ハードマスク層を基板に対してエッチング選択比を高く設定することが出来る。

＜ハードマスク層に段差を形成する工程＞
次に、ハードマスク層に段差を形成する。ハードマスク層の段差を形成する方法としては、レジストを用いたリソグラフィ法を用いる。例えば、前記ハードマスク層上に、レジスト膜形成し、該レジスト膜にパターニングを行いレジストパターンを形成し、該レジストパターンをマスクとしてエッチングを行うことにより、前記ハードマスク層に段差を形成しても良い。
ハードマスク層は基板に対してエッチング選択比が高い材料であるため、形成する３次元構造パターンに対応するハードマスク層の段差は、所望する３次元構造パターンよりも小さくすることが出来る。このため、レジストパターン倒壊を抑制することが出来る。

このとき、ハードマスク層に形成する段差は、２段のみならず、より多段であっても良い。ハードマスク層の段差を多段にすることで、基板に形成する３次元構造パターンを２段以上の多段の構造パターンとすることが出来る。

また、ハードマスク層に段差の深さにより、最終的に形成される基板の３次元構造パターンの深さを制御することが出来る。最終的に形成される基板の３次元構造パターンの深さは、ハードマスク層の段差の深さと、ハードマスク層の基板に対するエッチング選択比により決定される。

本発明では、ハードマスク層に段差を形成するにあたり、ハードマスク層を基板表面を覆うように残存させる。これにより、複数段のパターン形成において、基板の帯電（チャージアップ）を抑制することが出来る。

＜基板に異方性エッチングを行う工程＞
次に、段差を備えたハードマスク層が形成された側から、異方性エッチングを行う。エッチングとしては、適宜公知のエッチング方法を用いてよく、例えば、ドライエッチング、ウェットエッチングなどを行っても良い。また、エッチングの条件は、用いたハードマスク層／基板に応じて、適宜調節して良い。

また、本発明のパターン形成方法は、３次元構造パターンの寸法幅が１００ｎｍ以下のものを含む場合において、特段の効果を示す。
一般的に、レジストパターンのアスペクト比は、レジストパターンの高さに対するレジストパターンの寸法幅に対する比で表される。このため、同一のレジスト膜の厚みを有していても、レジストパターン寸法幅が小さいほど、レジストパターンは高アスペクト比となる。また、レジストパターンのアスペクト比が高いほど、レジストパターン倒れが発生することが知られている。よって、特に、レジストパターン寸法幅が１００ｎｍ以下の場合、レジストパターンのアスペクト比が高くなることから、レジストパターン倒壊の問題は無視できないものとなる。
３次元構造パターンの寸法幅が１００ｎｍ以下のものを含む場合、対応するレジストパターンも１００ｎｍ以下の寸法幅を形成する必要がある。特に、複数段差を備えた３次元構造パターンを形成する場合、従来の方法では、２層目段差以降の３次元構造パターンの形成において、レジスト膜を平坦となるように形成するためには、レジスト膜を厚く塗る必要があった。このため、２層目段差以降の３次元構造パターンが１００ｎｍ以下の寸法幅を形成する場合、レジストパターンのアスペクト比を低く抑えることが出来ず、レジストパターン倒れの発生が顕著であった。
本発明によれば、所望する３次元構造パターンを基板に形成する場合、ハードマスク層は基板に対してエッチング選択比が高い材料であるため、形成する３次元構造パターンに対応するハードマスク層の段差は、所望する３次元構造パターンよりも小さくすることが出来る。このため、微細な３次元構造パターンにおいて、最小の寸法幅が１００ｎｍ以下の多段パターンであっても、形成するレジストパターンのアスペクト比を低くすることが出来、レジストパターン倒れの発生を抑制し、好適に３次元構造パターンの形成を行うことが出来る。

以上より、本発明のパターン形成方法を実施することが出来る。

以下、本発明のパターン形成方法について、具体的に図４を用いて、光インプリントモールドを作製する場合の一例を挙げながら説明を行う。当然のことながら、本発明のパターン形成方法は下記実施例に限定されるものではない。

まず、図４（ａ）に示すように、ハードマスク層としてＣｒ膜１５ｎｍ厚を成膜した石英基板上にポジ型レジスト２００ｎｍ厚をコートした。

次に、図４（ｂ）に示すように、電子線描画装置にて、レジストに対して電子線をドーズ１００μＣ／ｃｍ２で照射した後、現像液を用いた現像処理、リンス、およびリンス液の乾燥を行いレジストパターンを形成した。
なお、リンス液には純水を用いた。

次に、現像後の上記モールドを、ＩＣＰドライエッチング装置を用いたドライエッチングによって深さ８ｎｍまでＣｒ膜のエッチングを行った。このとき、Ｃｒのエッチングの条件は、Ｃｌ２流量４０ｓｃｃｍ、Ｏ２流量１０ｓｃｃｍ、Ｈｅ流量８０ｓｃｃｍ、圧力３０Ｐａ、ＩＣＰパワー３００Ｗ、ＲＩＥパワー３０Ｗであった。

次に、Ｏ２プラズマアッシング（条件：Ｏ２流量５００ｓｃｃｍ、圧力３０Ｐａ、ＲＦパワー１０００Ｗ）によってレジストを剥離した（図４（ｃ））。
このとき、Ｃｒ膜は基板全面に残存していた。
以上より、Ｃｒ膜に１段目の段差を形成することが出来た。

次に、図４（ｄ）に示すように、段差を有するＣｒ膜を備えた石英基板上にポジ型レジスト２００ｎｍ厚をコートした。

次に、電子線描画装置にて、レジスト膜に対して電子線をドーズ１００μＣ／ｃｍ２所望のパターンを照射し、現像液を用いた現像処理、リンス、およびリンス液の乾燥を行い、Ｃｒ膜の段差上に２層目段差に対応するレジストパターンを形成した（図４（ｅ））。
なお、リンス液には純水を用いた。

次に、ＩＣＰドライエッチング装置を用いたドライエッチングによってＣｒ膜のエッチングを行った後、レジストを除去し、Ｃｒ膜の段差を作製した（図４（ｆ））。
このとき、Ｃｒのエッチングの条件は、Ｃｌ２流量４０ｓｃｃｍ、Ｏ２流量１０ｓｃｃｍ、Ｈｅ流量８０ｓｃｃｍ、圧力３０Ｐａ、ＩＣＰパワー３００Ｗ、ＲＩＥパワー３０Ｗであった。
このとき、１段名のＣｒ膜の形成において、Ｃｒ膜が基板全面に残存していることから、２段目を形成するためのレジストパターン形成時において、電子線によるチャージアップを防ぐことができ、より正確な所望の位置にパターンを形成することが出来た。

次に、ＩＣＰドライエッチング装置を用いたドライエッチングによって石英基板のエッチングを行い、１層目の石英の段差を作製した。その後、Ｃｒ膜を１段エッチングした後、２層目の石英の段差を作製した（図４（ｇ））。
このとき、石英のエッチング条件は、Ｃ４Ｆ８流量１０ｓｃｃｍ、Ｏ２流量１０〜２５ｓｃｃｍ、Ａｒ流量７５ｓｃｃｍ、圧力２Ｐａ、ＩＣＰパワー２００Ｗ、ＲＩＥパワー５５０Ｗであった。
また、深さはトータル５００ｎｍで、１層目は３００ｎｍまで石英のドライエッチングを行った。

次に、残存したＣｒ層のウエット剥離洗浄を行った（図４（ｈ））。
以上より、本発明のパターン形成方法を用いて光インプリント用のインプリントモールドを製造することが出来た。

本発明のパターン形成方法は、微細なパターンを形成することが求められる広範な分野に利用することが期待される。例えば、インプリントモールド、フォトマスク、半導体デバイス、光学素子（反射防止膜、偏光板）、配線回路（光導波路、デュアルダマシン構造の配線回路など）、パターンドメディア（ハードディスクや光学メディアなど）、医療検査用チップ（ＤＮＡ分析用途など）、ディスプレイ（拡散板、導光板など）、バイオチップ、細胞培養シート、マイクロ流路などの製造工程において好適に利用することが期待出来る。

１１…石英基板
１２…Ｃｒ層
１３…レジスト膜
１４…レジストパターン
１５…Ｃｒパターン
１６…石英パターン（１段）
１７…石英パターン（２段）
１８…倒壊したレジストパターン
１９…段差のあるＣｒパターン

Claims

微細な３次元構造パターンを形成するパターン形成方法において、
基板にハードマスク層を形成する工程と、
前記ハードマスク層に段差を形成する工程と、
前記ハードマスク層をエッチングマスクとして、前記基板に異方性エッチングを行う工程と、を備え、
前記ハードマスク層に段差を形成する工程にあたり、ハードマスク層は基板表面を覆うように残存させること
を特徴とするパターン形成方法。
前記基板は、石英基板であり、
前記ハードマスク層は、Ｃｒからなる層であること
を特徴とする請求項１に記載のパターン形成方法。
請求項１または請求項２に記載のパターン形成方法により形成されたパターン形成体。