JP2011522707A - ナノスケール構造及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 外部構造によって生成される自己集合ブロック共重合体のオーダー範囲を超える面積にわたって延在する隣接ナノスケール自己集合自己整合構造及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 一実施形態では、大きい面積を包含する六角形タイルが３つのグループに分けられ、各グループは、互いに分離されるすべての六角形タイルの１／３ずつを収容する。各グループ内の六角形タイルの開口（Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３）がテンプレート層（２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ）に形成され、１組の自己集合ブロック共重合体が各開口内に塗布されパターン化される。このプロセスを３回繰り返して３つのすべてのグループを包含することにより、広い面積にわたって延在する自己整合パターンが得られる。別の実施形態では、上記の大きい面積は、互いに重複しない２つの相補グループの矩形タイルに分割される。各矩形エリアの幅は、自己集合ブロック共重合体のオーダー範囲未満となる。自己集合自己整合ライン・アンド・スペース構造（４０Ａ、５０Ａ；４０Ｂ、５０Ｂ；４０Ｃ、５０Ｃ）が各グループ内に順次形成され、その結果、オーダー範囲を超えて延在する大きい面積にわたるライン・アンド・スペース・パターンが形成される。
【選択図】 図１Ａ
【解決手段】 一実施形態では、大きい面積を包含する六角形タイルが３つのグループに分けられ、各グループは、互いに分離されるすべての六角形タイルの１／３ずつを収容する。各グループ内の六角形タイルの開口（Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３）がテンプレート層（２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ）に形成され、１組の自己集合ブロック共重合体が各開口内に塗布されパターン化される。このプロセスを３回繰り返して３つのすべてのグループを包含することにより、広い面積にわたって延在する自己整合パターンが得られる。別の実施形態では、上記の大きい面積は、互いに重複しない２つの相補グループの矩形タイルに分割される。各矩形エリアの幅は、自己集合ブロック共重合体のオーダー範囲未満となる。自己集合自己整合ライン・アンド・スペース構造（４０Ａ、５０Ａ；４０Ｂ、５０Ｂ；４０Ｃ、５０Ｃ）が各グループ内に順次形成され、その結果、オーダー範囲を超えて延在する大きい面積にわたるライン・アンド・スペース・パターンが形成される。
【選択図】 図１Ａ
Description
本発明は一般にナノスケール構造に関するものであり、より詳細には、規則的な周期的配列における自己集合（self-assembled）サブリソグラフィック・ナノスケール構造及びその製造方法に関するものである。
半導体産業では、ボトム・アップ型アプローチを半導体製作に利用することに関心が高まっている。そのような１つの手法は、サブリソグラフィ基本寸法のナノメートル・スケール・パターン生成に自己集合ブロック共重合体を利用する。
ナノスケール構造は、ナノメートル・スケール・パターンに自己組織化（self-organizing）可能な自己集合共重合体材料をテンプレート層の陥凹領域内に塗布することによって形成することができる。適切な条件下では、２つ以上の不混和性高分子ブロック成分がナノメートル・スケール上の２つ以上の異なる相に分かれ、それにより、分離されたナノ・サイズ構造ユニットの秩序パターンが形成される。このような自己集合ブロック共重合体によって形成される分離されたナノ・サイズ構造ユニットの秩序パターンは、半導体素子、光学素子、及び磁気素子におけるナノスケール構造ユニットの製作に使用することができる。このように形成される構造ユニットの寸法は、典型的には５〜４０ｎｍの範囲内であり、サブリソグラフィック（即ちリソグラフィ・ツールの解像度未満）である。
まず、自己集合ブロック共重合体を適切な溶媒系に溶解してブロック共重合体溶液を形成し、次に、この溶液を下層の表面上に塗布してブロック共重合体層を形成する。自己集合ブロック共重合体を高温でアニールして、２つの異なる高分子ブロック成分を含有する２組の重合体ブロック構造を形成する。重合体ブロック構造は、ライン状であることもシリンダであることもある。一方の組の重合体ブロック構造が他方の組の重合体ブロック構造に埋め込まれることも、異なる組に属する重合体ブロック構造が交互に配置されることもある。自己集合ブロック共重合体は、アニールのような適切な条件下で、光子即ち光放射ではなく自己集合によってパターン化が達成される非感光性レジストである。
アニールによる２組の重合体ブロック構造の自己集合は自己集合ブロック共重合体に固有の化学的特性であるが、２組の重合体ブロック構造の自己整合は、自己集合ブロック共重合体と物理的に制約された環境との相互作用を必要とする。換言すると、２組の重合体ブロック構造の自己整合は、自己整合構造と位置合わせ（register）すべき外部構造を必要する。このような外部構造は、第１の高分子ブロック成分と第２の高分子ブロック成分とを分離するアニール中に自己整合構造を位置合わせするテンプレートとして機能する。
外部構造によって生成され、アニール中の自己集合ブロック共重合体の自己整合を達成する有効オーダー範囲は有限である。換言すると、テンプレートとして存在する外部構造の影響は、限られた空間的範囲に及ぶものであり、無制限に伝搬するものではない。自己集合ブロック共重合体と外部構造との間の距離が有効範囲を超えた場合は、オーダーの一貫性が失われる。この場合、２組の重合体ブロック構造は、外部構造と位置合わせされなくなる。自己集合自己整合（self-assembled self-aligned）ナノスケール構造のサイズは、自己集合ブロック共重合体の組成に応じて異なる可能性があるが、限られた範囲、典型的には第１の高分子ブロック成分と第２の高分子ブロック成分の１００未満の交互配置を含む。それ故、約１ミクロン超の寸法の自己集合自己整合ナノスケール構造を形成することは困難である。
しかしながら、大型の繰り返しパターン化構造は、高機能半導体素子及びナノスケール素子にとって非常に望ましい。したがって、大きい面積にわたって延在し、それ自体のサイズが自己集合ブロック共重合体固有の有効範囲によって制限されないナノスケール自己集合自己整合構造、及びそのようなナノスケール自己集合自己整合構造を形成する方法が必要とされている。
Nealey et al., "Self-assembling resists for nanolithography," IEDMTechnical Digest, Dec., 2005, Digital Object Identifier10.1109/IEDM.2005.1609349
本発明は、外部構造によって生成される自己集合ブロック共重合体のオーダー範囲を超える面積にわたって延在する隣接ナノスケール自己集合自己整合構造及びその製造方法を提供することにより、上述の必要性に対処する。
一実施形態において、自己整合オーダーの一貫性範囲を超えて延在する大きい面積は、リソグラフィ寸法を有する六角形タイルに分割される。これらの六角形タイルは３つのグループに分けられ、各グループは、互いに分離されるすべての六角形タイルの１／３ずつを収容する。各グループ内の六角形タイルは、六角形配列となる。各グループ内の六角形タイルの開口がテンプレート層に形成され、１組の自己集合ブロック共重合体が各開口内に塗布されパターン化される。このプロセスを３回繰り返して３つのすべてのグループを包含することにより、広い面積にわたって延在する自己整合パターンが得られる。第２の実施形態において、上記の大きい面積は、互いに重複しない２つの相補グループの矩形タイルに分割される。各矩形エリアの幅は、自己集合ブロック共重合体のオーダー範囲未満となる。自己集合自己整合ライン・アンド・スペース構造が各グループ内に順次形成され、その結果、ライン・アンド・スペース・パターンがオーダー範囲を超えて延在する大きい面積にわたって形成される。本明細書では六角形タイルの変形例、例えば矩形タイル、正方形タイル、三角形タイル等も企図される。
本発明の一態様によれば、ナノスケール・パターンを基板上に形成する方法が提供される。前記方法は、
基板上の所定の面積（predefined area）を包含する第１のテンプレート層を形成するステップと、
それぞれ正六角形の形状を有し、第１の六角形配列の形に配置される第１の開口を前記第１のテンプレート層内にパターン化するステップと、
第１のナノスケール自己集合自己整合構造を前記第１の開口内に形成するステップと、
前記面積を包含する第２のテンプレート層を前記第１のナノスケール自己集合自己整合構造上に形成するステップと、
それぞれ前記正六角形の形状を有し、第２の六角形配列の形に配置される第２の開口を前記第２のテンプレート層内にパターン化するステップと、
第２のナノスケール自己集合自己整合構造を前記第２の開口内に形成するステップと、
前記面積を包含する第３のテンプレート層を前記第１及び第２のナノスケール自己集合自己整合構造上に形成するステップと、
それぞれ前記正六角形の形状を有し、第３の六角形配列の形に配置される第３の開口を前記第３のテンプレート層内にパターン化するステップと、
第３のナノスケール自己集合自己整合構造を前記第３の開口内に形成するステップと、
を含む。
基板上の所定の面積（predefined area）を包含する第１のテンプレート層を形成するステップと、
それぞれ正六角形の形状を有し、第１の六角形配列の形に配置される第１の開口を前記第１のテンプレート層内にパターン化するステップと、
第１のナノスケール自己集合自己整合構造を前記第１の開口内に形成するステップと、
前記面積を包含する第２のテンプレート層を前記第１のナノスケール自己集合自己整合構造上に形成するステップと、
それぞれ前記正六角形の形状を有し、第２の六角形配列の形に配置される第２の開口を前記第２のテンプレート層内にパターン化するステップと、
第２のナノスケール自己集合自己整合構造を前記第２の開口内に形成するステップと、
前記面積を包含する第３のテンプレート層を前記第１及び第２のナノスケール自己集合自己整合構造上に形成するステップと、
それぞれ前記正六角形の形状を有し、第３の六角形配列の形に配置される第３の開口を前記第３のテンプレート層内にパターン化するステップと、
第３のナノスケール自己集合自己整合構造を前記第３の開口内に形成するステップと、
を含む。
一実施形態において、前記第１の開口、前記第２の開口、及び前記第３の開口はそれぞれ、他の前記第１の開口、他の前記第２の開口、及び他の前記第３の開口のどの開口とも重複しない。
別の実施形態において、前記所定の面積は、前記第１の開口の総面積（combined areas）、前記第２の開口の総面積、及び前記第３の開口の総面積の和集合（union）と同じである。
また別の実施形態において、前記第２の六角形配列は、前記第１の六角形配列と前記正六角形の１インスタンス分ずらされ、前記第３の六角形配列は、前記第１の六角形配列と前記正六角形の別の１インスタンス分ずらされ、前記第３の六角形配列は、前記第２の六角形配列と前記正六角形のまた別の１インスタンス分ずらされる。
更に別の実施形態において、前記第１、第２、及び第３のナノスケール自己集合自己整合構造はそれぞれ、別の前記第１、第２、及び第３のナノスケール自己集合自己整合構造と合同（congruent）である。
更に別の実施形態において、前記方法は、
前記第１のナノスケール自己集合自己整合構造を形成するステップに先立って、第１の高分子ブロック成分及び第２の高分子ブロック成分を含む非感光性高分子レジストを前記各第１の開口内に塗布するステップと、
前記第２のナノスケール自己集合自己整合構造を形成するステップに先立って、前記非感光性高分子レジストを前記各第２の開口内に塗布するステップと、
前記第３のナノスケール自己集合自己整合構造を形成するステップに先立って、前記非感光性高分子レジストを前記各第３の開口内に塗布するステップと、
を更に含む。
前記第１のナノスケール自己集合自己整合構造を形成するステップに先立って、第１の高分子ブロック成分及び第２の高分子ブロック成分を含む非感光性高分子レジストを前記各第１の開口内に塗布するステップと、
前記第２のナノスケール自己集合自己整合構造を形成するステップに先立って、前記非感光性高分子レジストを前記各第２の開口内に塗布するステップと、
前記第３のナノスケール自己集合自己整合構造を形成するステップに先立って、前記非感光性高分子レジストを前記各第３の開口内に塗布するステップと、
を更に含む。
更に別の実施形態において、前記第１、第２、及び第３のナノスケール自己集合自己整合構造はそれぞれ、前記第１の高分子ブロック成分を含む少なくとも１つの円形シリンダと、前記第２の高分子ブロック成分を含み且つ前記少なくとも１つの円形シリンダと側方当接する高分子マトリックスと、を含む。
また別の実施形態において、前記第１、第２、及び第３のナノスケール自己集合自己整合構造はそれぞれ、円形シリンダの１／３にそれぞれ相当する６つのインスタンスを更に含み、前記インスタンスはそれぞれ、体積が前記少なくとも１つの円形シリンダの総体積の１／３であり、リッジ部の角度が１２０度である。
更に別の実施形態において、前記６つのインスタンス及び前記高分子マトリックスは、前記第１、第２、及び第３の開口のうちの１つの境界に側方当接する。
更に別の実施形態において、前記第１、第２、及び第３のナノスケール自己集合自己整合構造はそれぞれ、前記第１の高分子ブロック成分を含む複数の円形シリンダと、前記第２の高分子ブロック成分を含み且つ前記少なくとも１つの円形シリンダと側方当接する高分子マトリックスと、を含み、前記複数の円形シリンダはそれぞれ、前記第１、第２、及び第３の開口の各境界から分離される。
更に別の実施形態において、前記方法は、１組の前記円形シリンダ及び１組の前記高分子マトリックスの一方を、前記１組の前記円形シリンダ及び前記１組の前記高分子マトリックスの他方に対して選択的にエッチングするステップを更に含む。
更に別の実施形態において、前記方法は、前記円形シリンダ及び前記高分子マトリックスの残りの部分をエッチング・マスクとして利用して、サブリソグラフィ寸法を有するパターンを前記基板内に形成するステップを更に含む。
本発明の別の態様によれば、ナノスケール・パターンを基板上に形成する方法が提供される。前記方法は、
基板上の所定の面積を包含する第１のテンプレート層を形成するステップと、
それぞれ矩形の形状とリソグラフィ幅とを有する第１の開口を前記第１のテンプレート層内にパターン化するステップと、
第１のナノスケール自己集合自己整合構造を前記第１の開口内に形成するステップと、
第２のテンプレート層を前記第１のナノスケール自己集合自己整合構造上に形成するステップと、
それぞれ矩形の形状とリソグラフィ幅とを有し、前記所定の面積内の前記第１の開口の補集合（complement）となる第２の開口を前記第１のテンプレート層内にパターン化するステップと、
第１のナノスケール自己集合自己整合構造を前記第１の開口内に形成するステップと、
を含む。
基板上の所定の面積を包含する第１のテンプレート層を形成するステップと、
それぞれ矩形の形状とリソグラフィ幅とを有する第１の開口を前記第１のテンプレート層内にパターン化するステップと、
第１のナノスケール自己集合自己整合構造を前記第１の開口内に形成するステップと、
第２のテンプレート層を前記第１のナノスケール自己集合自己整合構造上に形成するステップと、
それぞれ矩形の形状とリソグラフィ幅とを有し、前記所定の面積内の前記第１の開口の補集合（complement）となる第２の開口を前記第１のテンプレート層内にパターン化するステップと、
第１のナノスケール自己集合自己整合構造を前記第１の開口内に形成するステップと、
を含む。
一実施形態において、前記方法は、
前記第１のナノスケール自己集合自己整合構造を形成するステップに先立って、第１の高分子ブロック成分及び第２の高分子ブロック成分を含む非感光性高分子レジストを前記各第１の開口内に塗布するステップと、
前記第２のナノスケール自己集合自己整合構造を形成するステップに先立って、前記非感光性高分子レジストを前記各第２の開口内に塗布するステップと、
を更に含む。
前記第１のナノスケール自己集合自己整合構造を形成するステップに先立って、第１の高分子ブロック成分及び第２の高分子ブロック成分を含む非感光性高分子レジストを前記各第１の開口内に塗布するステップと、
前記第２のナノスケール自己集合自己整合構造を形成するステップに先立って、前記非感光性高分子レジストを前記各第２の開口内に塗布するステップと、
を更に含む。
別の実施形態において、前記第１及び第２のナノスケール自己集合自己整合構造はそれぞれ、前記第１の高分子ブロック成分をそれぞれ含む少なくとも１本の公称幅線及び２本のエッジ線を含み、前記２本のエッジ線はそれぞれ、前記第１の開口のうちの１つの境界に当接し、前記少なくとも１本の公称幅線は、前記２本のエッジ線から分離され、前記少なくとも１本の公称幅線は、公称線幅を有し、前記２本のエッジ線は、エッジ線幅を有し、前記公称線幅は、サブリソグラフィックであり且つ前記エッジ線幅よりも大きい。
また別の実施形態において、前記第１及び第２のナノスケール自己集合自己整合構造はそれぞれ、前記第２の高分子ブロック成分を含む補完線（complementary line）を更に含み、前記補完線はそれぞれ、前記少なくとも１本の公称幅線及び前記２本のエッジ線のうちの２本と側方当接し、サブリソグラフィックである別の幅を有する。
更に別の実施形態において、前記方法は、
前記第１の高分子ブロック成分及び前記第２の高分子ブロック成分の一方を他方に対して選択的にエッチングするステップと、
第１のサブリソグラフィ寸法を有する少なくとも１本の第１の線と、第２のサブリソグラフィ寸法を有する第２の線との周期的な繰り返しを含む、サブリソグラフィ寸法を有するパターンを前記基板内に形成するステップと、
を更に含み、
隣接する前記少なくとも１本の第１の線と前記第２の線の各対は、同じサブリソグラフィ間隔だけ離される。
前記第１の高分子ブロック成分及び前記第２の高分子ブロック成分の一方を他方に対して選択的にエッチングするステップと、
第１のサブリソグラフィ寸法を有する少なくとも１本の第１の線と、第２のサブリソグラフィ寸法を有する第２の線との周期的な繰り返しを含む、サブリソグラフィ寸法を有するパターンを前記基板内に形成するステップと、
を更に含み、
隣接する前記少なくとも１本の第１の線と前記第２の線の各対は、同じサブリソグラフィ間隔だけ離される。
更に別の実施形態では、実質的に平坦な表面からの突起パターン又は陥凹パターンを有する基板を備える構造であって、前記パターンは、単位パターンの六角形配列を含み、前記六角形配列は、最小周期のリソグラフィ寸法を有し、前記単位パターンは、正六角形の形状を有し、前記単位パターンは、同じ直径の円を含み、前記単位パターンの２つの隣接インスタンスに由来する前記円の集まりは、六角形の周期性を有さない、構造が提供される。
一実施形態において、前記同じ直径は、サブリソグラフィックである。
別の実施形態において、前記パターンは、突起パターンであり、前記構造は、それぞれ前記同じ直径を有し且つ非感光性高分子レジストの高分子成分を含み且つ前記各突起パターンの真上に位置する複数のシリンダを更に含み、前記円のエッジは、前記複数の前記シリンダのシリンダ状表面と一致する。
また別の実施形態において、前記パターンは、陥凹パターンであり、前記構造は、非感光性高分子レジストの高分子成分のマトリックスを更に含み、前記マトリックスは、シリンダ状開口を収容し、前記円のエッジは、前記シリンダ状開口のシリンダ状表面と一致する。
本発明の更に別の態様では、単位パターンの１次元の周期的な繰り返しを有する基板を備える構造であって、前記単位パターンは、実質的に平坦な表面上に少なくとも１本の第１の線及び第２の線の突起又は陥凹を含み、前記少なくとも１本の第１の線はそれぞれ、第１のサブリソグラフィ幅を有し、前記第２の線は、第２のサブリソグラフィ幅を有し、隣接する前記少なくとも１本の第１の線と前記第２の線の各対は、同じサブリソグラフィ間隔だけ離される、構造が提供される。
一実施形態において、前記第１のサブリソグラフィ幅と前記第２のサブリソグラフィ幅は異なる。
別の実施形態において、前記パターンは、突起パターンであり、前記構造は、非感光性高分子レジストの高分子成分を含み且つ前記少なくとも１本の第１の線及び第２の線のそれぞれの真上に位置する複数の高分子線を更に含み、前記高分子線の各エッジは、前記少なくとも１本の第１の線又は前記第２の線のエッジと垂直方向に一致する。
また別の実施形態において、前記パターンは、陥凹パターンであり、前記構造は、非感光性高分子レジストの高分子成分を含み且つ前記実質的に平坦な表面の真上に位置する複数の高分子線を更に含み、前記高分子線の各エッジは、前記少なくとも１本の第１の線又は前記第２の線のエッジと垂直方向に一致する。
図面番号の数字が同じ図面は、同じ製造段階に対応する。「Ａ」の枝番が付された図面は、上面図である。「Ｂ」又は「Ｃ」の枝番が付された図面は、それぞれ図面番号の数字が同じ枝番「Ａ」の対応図面における平面Ｂ‐Ｂ’又は平面Ｃ‐Ｃ’に沿った垂直断面図である。
上述のとおり、本発明は、規則的な周期的配列における自己集合サブリソグラフィック・ナノスケール構造及びその製造方法に関するものである。以下、添付図面を参照しながらこれらについて詳細に説明する。同様の要素及び対応する要素には同様の参照番号が付されることに留意していただきたい。
図１を参照すると、本発明の第１の実施形態に係る第１の例示的なナノスケール構造は、基板１０上に形成された第１のテンプレート層２０Ａを含む。第１のテンプレート層２０Ａ及び基板１０の横方向の範囲は、後で利用できるように非感光性高分子レジストの横方向のオーダー範囲を超えるようにしてもよい。基板１０は、半導体基板、絶縁体基板、又は金属基板、あるいはそれらの組み合わせとすることができる。半導体基板は、シリコン基板、他の第ＩＶ群元素半導体基板、あるいは化合物半導体基板である可能性がある。また、半導体基板は、バルク基板、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）、あるいはバルク部分とＳＯＩ部分を有するハイブリッド基板であってもよい。第１のテンプレート層２０Ａは、半導体材料を含むことも絶縁体材料を含むこともできる。例示的な半導体材料としては、ポリシリコン、アモルファスシリコン、ゲルマニウム又は炭素を含む合金を含有する多結晶シリコン、あるいはゲルマニウム又は炭素を含む合金を含有するアモルファスシリコンが挙げられる。例示的な絶縁体材料としては、誘電酸化膜、誘電酸窒化膜、誘電窒化膜、及び多孔性又は非多孔性低誘電率絶縁体材料（誘電率がシリコン酸化膜の誘電率、即ち３．９を下回る）が挙げられる。更に、第１のテンプレート層２０Ａは、水素フリー・アモルファス炭素、四面体水素フリー・アモルファス炭素、金属含有水素フリー・アモルファス炭素、水素添加アモルファス炭素、四面体水素添加アモルファス炭素、金属含有水素添加アモルファス炭素、変性水素添加アモルファス炭素のようなアモルファス炭素又はダイヤモンド様炭素を含んでもよい。
第１のテンプレート層２０Ａは、まず基板１０の上面全体を覆うブランケット層として形成され、その後、フォトレジスト（図示せず）の塗布、フォトレジストのパターン化、及びフォトレジスト内のパターンを第１のテンプレート層２０Ａに転写する異方性エッチングを利用したリソグラフィ法によってパターン化される。このパターンは、それらの下に基板１０の上面が露出する第１の開口Ｏ１を第１のテンプレート層２０Ａ内に含む。各第１の開口Ｏ１の形状は、同一のサイズの正六角形である。第１の開口Ｏ１はリソグラフィ法によって形成されるので、特徴的寸法、例えば正六角形の一辺の長さはリソグラフィ寸法となる。
寸法がリソグラフィ寸法となるのかそれともサブリソグラフィ寸法となるのかは、その寸法がリソグラフィ・パターン化方法によって形成可能かどうかに依存する。リソグラフィ・パターン化方法によって形成可能な最小寸法を本明細書では「リソグラフィ最小寸法」又は「限界寸法」と呼ぶ。リソグラフィ最小寸法は、所与のリソグラフィ・ツールのみに関連して定義され、通常は半導体技術の世代に応じて異なるが、リソグラフィ最小寸法及びサブリソグラフィ寸法は、半導体製造時点で利用可能なリソグラフィ・ツールの最良の性能に関連して定義されることを理解していただきたい。２００７年の時点では、リソグラフィ最小寸法は約４５ｎｍであり、将来縮小されることが予想される。リソグラフィ最小寸法未満の寸法はサブリソグラフィ寸法であり、リソグラフィ最小寸法以上の寸法はリソグラフィ寸法である。
第１の開口Ｏ１の位置は、第１のテンプレート層２０Ａを含むがパターンを含まない材料のブランケット堆積又はブランケット塗布によって形成される第１のテンプレート層２０Ａの上面を正六角形の仮想六角形配列（hypothetical hexagonal array）で埋めることによって決定される。第１のテンプレート層２０Ａの上面は、六角形タイルを利用して所定の面積を埋める場合と同様の様式で正六角形で埋められる。図１Ａでは、正六角形の境界は破線で表される。正六角形の１／３のセットは、そのセット内の各正六角形が同じセット内の他の正六角形から分離され、別の六角形配列を形成するような第１の開口Ｏ１を含む。この六角形配列の単位六角形は、図１Ａの２点鎖線で示される。このような第１の開口で構成される六角形配列を本明細書では「第１の六角形配列」と呼ぶ。それ故、第１の開口Ｏ１の面積は、パターン化前の第１のテンプレート層２０Ａの上面全体の面積の約１／３となる。
正六角形の一辺の長さはリソグラフィ寸法であり、例えば４５ｎｍよりも大きくすることができる。２００７年時点で実行可能な正六角形の一辺の長さの典型的な範囲は、約４５ｎｍ〜約１，０００ｎｍであり、より典型的には約４５ｎｍ〜約１００ｎｍである。
図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、当業界で周知のスピン・コーティングのような方法によって第１の非感光性高分子レジストが各第１の開口Ｏ１内に塗布され、それによって第１の非感光性高分子レジスト部分３０Ａが形成される。第１の非感光性高分子レジスト部分３０Ａの上面は、第１のテンプレート層２０Ａの上面と共面になる、又は第１のテンプレート層２０Ａの上面より窪むことが好ましい。第１の非感光性高分子レジストは、ナノメートル・スケール・パターンに自己組織化可能な自己集合ブロック共重合体を含む。
第１の非感光性高分子レジストは、互いに混和しない第１の高分子ブロック成分及び第２の高分子ブロック成分を含む。非感光性高分子レジストは、自己平坦化可能である。別法として、非感光性高分子レジストは、化学的機械的平坦化、陥凹エッチング、あるいはその組み合わせによって平坦化され得る。
第１の高分子ブロック成分及び第２の高分子ブロック成分の例示的な材料は、２００６年６月１９日に出願され、本発明の譲受人に譲渡された同時係属出願である米国特許出願第１１／４２４，９６３号に記載されている。本発明の構造ユニットを形成するのに使用可能な非感光性高分子レジスト用の自己集合ブロック共重合体の具体例としては、必ずしもそれだけに限定されるわけではないが、ポリスチレン‐ブロック‐ポリメチルメタクリレート（ＰＳ‐ｂ‐ＰＭＭＡ）、ポリスチレン‐ブロック‐ポリイソプレン（ＰＳ‐ｂ‐ＰＩ）、ポリスチレン‐ブロック‐ポリブタジエン（ＰＳ‐ｂ‐ＰＢＤ）、ポリスチレン‐ブロック‐ポリビニルピリジン（ＰＳ‐ｂ‐ＰＶＰ）、ポリスチレン‐ブロック‐ポリエチレンオキサイド（ＰＳ‐ｂ‐ＰＥＯ）、ポリスチレン‐ブロック‐ポリエチレン（ＰＳ‐ｂ‐ＰＥ）、ポリスチレン‐ブロック‐ポリオルガノシリケート（ＰＳ‐ｂ‐ＰＯＳ）、ポリスチレン‐ブロック‐ポリフェロセニルジメチルシラン（ＰＳ‐ｂ‐ＰＦＳ）、ポリエチレンオキサイド‐ブロック‐ポリイソプレン（ＰＥＯ‐ｂ‐ＰＩ）、ポリエチレンオキサイド‐ブロック‐ポリブタジエン（ＰＥＯ‐ｂ‐ＰＢＤ）、ポリエチレンオキサイド‐ブロック‐ポリメチルメタクリレート（ＰＥＯ‐ｂ‐ＰＭＭＡ）、ポリエチレンオキサイド‐ブロック‐ポリエチルエチレン（ＰＥＯ‐ｂ‐ＰＥＥ）、ポリブタジエン‐ブロック‐ポリビニルピリジン（ＰＢＤ‐ｂ‐ＰＶＰ）、及びポリイソプレン‐ブロック‐ポリメチルメタクリレート（ＰＩ‐ｂ‐ＰＭＭＡ）を挙げることができる。まず、自己集合ブロック共重合体を適切な溶媒系に溶解してブロック共重合体溶液を形成し、次に、この溶液を第１の例示的な構造の表面上に塗布して非感光性高分子レジストを形成する。ブロック共重合体の溶解及びブロック共重合体溶液の形成に使用される溶媒系は、必ずしもそれだけに限定されるわけではないが、トルエン、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（ＰＧＭＥＡ）、プロピレングリコールモノメチルエーテル（ＰＧＭＥ）、及びアセトンを含めた任意の適切な溶媒を含むことができる。非感光性高分子レジストは、紫外光又は可視光に露光したときに現像され得る従来のフォトレジストではない。また、非感光性高分子レジストは、従来のｌｏｗ‐ｋ誘電材料でもない。
図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、アニーリングを利用して自己集合ブロック共重合体の架橋を生じさせることにより、第１のナノスケール自己集合自己整合構造が各第１の開口Ｏ１内に形成される。具体的には、第１の非感光性高分子レジストは、紫外線処理又は高温の熱アニーリングによってアニールされ、それによって第１の高分子ブロック成分を含む第１の柱状高分子構造４０Ａと、第２の高分子ブロック成分を含み、第１の柱状高分子構造４０Ａの側壁に側方当接する第１の高分子マトリックス５０Ａと、が形成される。
ブロック共重合体層内の自己集合ブロック共重合体をアニールして２組の重合体ブロックを形成する例示的なプロセスは、Nealey et al., “Self-assemblingresists for nanolithography,” IEDM Technical Digest, Dec., 2005, Digital ObjectIdentifier 10.1109/IEDM.2005.1609349に記載されている。米国特許出願第１１／４２４，９６３号に記載されるアニーリング方法を利用することも可能である。アニールは、例えば約２００℃〜約３００℃の温度で約１時間未満〜約１００時間の継続時間にわたって実行することができる。
第１の柱状高分子構造４０Ａは、少なくとも１つの円形シリンダと、それぞれ少なくとも１つの円形シリンダのうちの１つの１／３に相当し、ほぼ１２０度と等しい角度又は２π／３にわたる弧を含む６つの部分的円形シリンダ（fractional circular cylinder）と、を含む。換言すると、６つの部分的円形シリンダはそれぞれ、少なくとも１つの円形シリンダのうちの１つを、当該円形シリンダの中心軸を始点とし互いに１２０度離れた３本の半径線で３等分することによって得ることができる。それ故、６つの部分的円形シリンダはそれぞれ、１２０度の角度のリッジ部（ridge）で出会う２つの矩形表面を有する。部分的円形シリンダのリッジ部は、第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）のうちの１つを形成する正六角形の角に位置する。６つの部分的円形シリンダの形成は、第１のテンプレート層２０Ａならびに第１及び第２の高分子ブロック成分の材料に関して、第１の高分子ブロック成分が第１のテンプレート層２０Ａの壁部を表面張力によって「湿潤する（wet）」ような材料を選択することによって達成される。例えば、第１の高分子ブロック成分の組成及び平均分子量を操作して、第１のテンプレート層２０Ａに関して選択された材料の表面に対する第１の高分子ブロック成分の湿潤性を向上させることも低下させることもできる。
第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）は、「自己集合」する。第１の非感光性高分子レジストは、第１及び第２の高分子ブロック成分の不混和性によって第１の高分子ブロック成分が第１の柱状高分子構造４０Ａ、即ち少なくとも１つの円形シリンダ及び６つの部分的円形シリンダに自己集合することが可能となるような化学組成を有する。第２の高分子ブロック成分は、第１の高分子マトリックス５０Ａに集合する。
第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）は、第１の開口Ｏ１を画定する第１のテンプレート層２０Ａの壁部に対して「自己整合」する。具体的には、第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）はそれぞれ、第１の開口Ｏ１のうちの１つに対応する正六角形の面積内に閉じ込められる（図１Ａ参照）。更に、自己集合及び湿潤特性により、少なくとも１つの円形シリンダ及び６つの部分的円形シリンダはそれぞれ、正六角形に対して自己整合する。少なくとも１つの円形シリンダは、単一のシリンダを含むことも７つのシリンダを含むことも可能であり、また、各第１の開口Ｏ１内におけるシリンダの六角形配列の形成に対応可能である任意の複数の数のシリンダを含むことが可能である。各第１の開口Ｏ１内の少なくとも１つの円形シリンダの総数が７を超える場合は、少なくとも１つの円形シリンダのうちの１つの円形シリンダの半分にそれぞれ相当し、第１の高分子ブロック成分を含む半シリンダ（図示せず）を、少なくとも１つの円形シリンダ、６つの部分的円形シリンダ、及び半シリンダによって六角形の周期性が満足されるような形で、各第１の開口Ｏ１内に形成することができる。
１つの例示的な場合では、ポリ（メチルメタクリレート‐ブロック‐スチレン）（ＰＭＭＡ‐ｂ‐Ｓ）ブロック共重合体による「ハニカム」構造が形成される。シリンダ相ジブロックの場合では、ＰＭＭＡ‐ｂ‐Ｓブロックは、熱アニーリングされたときに分離してポリスチレン・ブロックのマトリックス内に垂直配向シリンダを形成することができる。
図４Ａ及び図４Ｂを参照すると、第１のテンプレート層２０Ａは、第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）及び基板１０に対して選択的に除去される。ウェット・エッチングを利用してもドライ・エッチングを利用してもよい。第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）の集まりは、単位セルが第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）の１つのインスタンスと、どの第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）も収容せず、第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）のインスタンス２つ分と体積が等しいスペースと、を含む、六角形配列を構成する。
図５Ａ及び図５Ｂを参照すると、第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）及び基板１０上に第２のテンプレート層２０Ｂが形成される。第２のテンプレート層２０Ｂは、第１のテンプレート層２０Ａとして利用可能な材料から選択することができる。第２のテンプレート層２０Ｂは、第１のテンプレート層２０Ａと同じ材料を含むことも異なる材料を含むことも可能である。第２のテンプレート層２０Ｂは、ブランケット層として形成され、第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）の上面を覆う。
図６Ａ及び図６Ｂを参照すると、第２のテンプレート層２０Ｂはその後、フォトレジスト（図示せず）の塗布、フォトレジストのパターン化、及びフォトレジスト内のパターンを第２のテンプレート層２０Ｂに転写する異方性エッチングを利用したリソグラフィ法によってパターン化される。このパターンは、それらの下に基板１０の上面が露出する第２の開口Ｏ２を第２のテンプレート層２０Ｂ内に含む。各第２の開口Ｏ２の形状は、第１の開口Ｏ１の形状（図１Ａ参照）である正六角形となる。第２の開口Ｏ２はリソグラフィ法によって形成されるので、特徴的寸法、例えば正六角形の一辺の長さはリソグラフィ寸法となる。
各第２の開口Ｏ２のサイズ及び配向は、各第１の開口Ｏ１のサイズと同一である。第２の開口Ｏ２の位置は、第１の開口Ｏ１のパターンを、第１の開口Ｏ１の１つ分のサイズに相当する１つの正六角形だけ正六角形の一辺に対して垂直方向にシフトさせることによって得られる。それ故、第２の開口Ｏ２の各インスタンスは、どの第１の開口Ｏ１とも重複せず、第２の開口Ｏ２の他のインスタンスとも重複しない。図１Ａの正六角形の１／３のセットは、そのセット内の各正六角形が同じセット内の他の正六角形から分離されるような形で第２の開口Ｏ２を含む。第２の開口Ｏ２は、図６Ａの２点鎖線で単位六角形が示される別の六角形配列を形成する。このような六角形配列を本明細書では「第２の六角形配列」と呼ぶ。第２の六角形配列は、第１の六角形配列と正六角形の１インスタンス分ずらされる。第２の開口Ｏ２の面積は、パターン化前の第２のテンプレート層２０Ｂの上面全体の面積の約１／３となる。
図７Ａ及び図７Ｂを参照すると、当業界で周知のスピン・コーティングのような方法によって第２の非感光性高分子レジストが各第２の開口Ｏ２内に塗布され、それによって第２の非感光性高分子レジスト部分３０Ｂが形成される。第２の非感光性高分子レジスト部分３０Ｂの上面は、第２のテンプレート層２０Ｂの上面より窪むことが好ましい。また、第２の非感光性高分子レジスト部分３０Ｂの上面は、第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）の上面と共面になることも好ましい。第２の非感光性高分子レジストは、第２のテンプレート層２０Ｂの上面と共面になるように、あるいは第２のテンプレート層２０Ｂの上面よりも高くなるように塗布し、その後陥凹エッチングによって、あるいは希薄溶液を利用することによって第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）の上面の高さまで窪めることができ、その後溶媒を蒸発させることによって各第２の開口Ｏ２内の体積収縮を生じさせることができる。
第２の非感光性高分子レジストは、ナノメートル・スケール・パターンに自己組織化可能な自己集合ブロック共重合体を含む。それ故、上記で列挙した第１の非感光性高分子レジストの任意の材料を第２の非感光性高分子レジストに利用することができる。第２の非感光性高分子レジストは、第１の非感光性高分子レジストと同じ材料を含むことも異なる材料を含むことも可能である。本発明の例示のために、第１の非感光性高分子レジストと第２の非感光性高分子レジストについて同じ材料が利用されるものと仮定する。
図８Ａ及び図８Ｂを参照すると、アニーリングを利用して自己集合ブロック共重合体の架橋を生じさせることにより、第２のナノスケール自己集合自己整合構造が各第２の開口Ｏ２内に形成される。第２のナノスケール自己集合自己整合構造は、第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）の形成に利用されたのと同じ方法を利用して形成することができる。
各第２のナノスケール自己集合自己整合構造は、第２の柱状高分子構造４０Ｂと、第２の高分子マトリックス５０Ｂと、を含む。第２の柱状高分子構造４０Ｂは、少なくとも１つの円形シリンダと、それぞれ少なくとも１つの円形シリンダのうちの１つの１／３に相当し、ほぼ１２０度と等しい角度又は２π／３にわたる弧を含む６つの部分的円形シリンダと、を含む。それ故、第２の柱状高分子構造４０Ｂはそれぞれ、上述の第１の柱状高分子構造４０Ａのうちの１つと同じ構造を有し、同じ方法によって形成される。第２の高分子マトリックス５０Ｂは、第２の高分子ブロック成分を含み、第２の柱状高分子構造４０Ｂのそれぞれに側方当接する。
第２のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ｂ、５０Ｂ）の様々な成分の自己集合及び自己整合には第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）と同じメカニズムが利用されるので、第２のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ｂ、５０Ｂ）は、第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）が自己集合及び自己整合するのと同じ意味で自己集合及び自己整合する。それ故、第２の柱状高分子構造４０Ｂの各インスタンスは、第１の柱状高分子構造４０Ａのインスタンスと同じ成分を含み、該インスタンスと合同となり、第２の高分子マトリックス５０Ｂの各インスタンスは、第１の高分子マトリックス５０Ａのインスタンスと同じ材料を含み、該インスタンスと合同となる。
図９Ａ及び図９Ｂを参照すると、第２のテンプレート層２０Ｂは、第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）、第２のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ｂ、５０Ｂ）、及び基板１０に対して選択的に除去される。ウェット・エッチングを利用してもドライ・エッチングを利用してもよい。
図１０Ａ乃至図１０Ｃを参照すると、第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）、第２のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ｂ、５０Ｂ）、及び基板１０上に第３のテンプレート層２０Ｃが形成される。第３のテンプレート層２０Ｃは、第１のテンプレート層２０Ａとして利用可能な材料から選択することができる。第３のテンプレート層２０Ｃは、第１のテンプレート層２０Ａと同じ材料を含むことも異なる材料を含むことも可能である。第３のテンプレート層２０Ｃは、第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）及び第２のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ｂ、５０Ｂ）の各上面を覆う。
図１１Ａ乃至図１１Ｃを参照すると、第３のテンプレート層２０Ｃはその後、フォトレジスト（図示せず）の塗布、フォトレジストのパターン化、及びフォトレジスト内のパターンを第３のテンプレート層２０Ｃに転写する異方性エッチングを利用したリソグラフィ法によってパターン化される。このパターンは、それらの下に基板１０の上面が露出する第３の開口Ｏ３を第３のテンプレート層２０Ｃ内に含む。各第３の開口Ｏ３の形状は、第１の開口Ｏ１の形状（図１Ａ参照）である正六角形となる。第３の開口Ｏ３はリソグラフィ法によって形成されるので、特徴的寸法、例えば正六角形の一辺の長さはリソグラフィ寸法となる。
各第３の開口Ｏ３のサイズ及び配向は、各第１の開口Ｏ１のサイズと同一である。第３の開口Ｏ３の位置は、第２の開口Ｏ２の生成時に利用された第１の開口Ｏ１からのシフト方向と６０度離れたシフト方向となるように、第１の開口Ｏ１のパターンを、第１の開口Ｏ１の１つ分のサイズに相当する１つの正六角形だけ正六角形の一辺に対して垂直方向にシフトさせることによって得られる。それ故、第３の開口Ｏ３の各インスタンスは、第１の開口Ｏ１とも第２の開口Ｏ２とも重複せず、第３の開口Ｏ３の他のインスタンスとも重複しない。図１Ａの正六角形の１／３のセットは、そのセット内の各正六角形が同じセット内の他の正六角形から分離されるような形で第３の開口Ｏ３を含む。第３の開口Ｏ３は、図１１Ａの２点鎖線で単位六角形が示される別の六角形配列を形成する。このような六角形配列を本明細書では「第３の六角形配列」と呼ぶ。第３の六角形配列は、第１の六角形配列と正六角形の１インスタンス分ずらされる。第３の六角形配列は、第２の六角形配列とも正六角形の別の１インスタンス分ずらされる。第３の開口Ｏ３の面積は、パターン化前の第３のテンプレート層２０Ｃの上面全体の面積の約１／３となる。
図１２Ａ及び図１２Ｂを参照すると、当業界で周知のスピン・コーティングのような方法によって第３の非感光性高分子レジストが各第３の開口Ｏ３内に塗布され、それによって第３の非感光性高分子レジスト部分３０Ｃが形成される。第３の非感光性高分子レジスト部分３０Ｃの上面は、第３のテンプレート層２０Ｃの上面より窪むことが好ましい。また、第３の非感光性高分子レジスト部分３０Ｃの上面は、第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）及び第２のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ｂ、５０Ｂ）の各上面と共面になることも好ましい。第３の非感光性高分子レジストは、第３のテンプレート層２０Ｃの上面と共面になるように、あるいは第３のテンプレート層２０Ｃの上面よりも高くなるように塗布し、その後陥凹エッチングによって、あるいは希薄溶液を利用することによって第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）の上面の高さまで窪めることができ、その後溶媒を蒸発させることによって各第３の開口Ｏ３内の体積収縮を生じさせることができる。
第３の非感光性高分子レジストは、ナノメートル・スケール・パターンに自己組織化可能な自己集合ブロック共重合体を含む。それ故、上記で列挙した第１の非感光性高分子レジストの任意の材料を第３の非感光性高分子レジストに利用することができる。第３の非感光性高分子レジストは、第１の非感光性高分子レジストと同じ材料を含むことも異なる材料を含むことも可能である。本発明の例示のために、第１の非感光性高分子レジストと第３の非感光性高分子レジストについて同じ材料が利用されるものと仮定する。
図１３Ａ及び図１３Ｂを参照すると、アニーリングを利用して自己集合ブロック共重合体の架橋を生じさせることにより、第３のナノスケール自己集合自己整合構造が各第３の開口Ｏ３内に形成される。第３のナノスケール自己集合自己整合構造は、第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）の形成に利用されたのと同じ方法を利用して形成することができる。
各第３のナノスケール自己集合自己整合構造は、第３の柱状高分子構造４０Ｃと、第３の高分子マトリックス５０Ｃと、を含む。第３の柱状高分子構造４０Ｃは、少なくとも１つの円形シリンダと、それぞれ少なくとも１つの円形シリンダのうちの１つの１／３に相当し、ほぼ１２０度と等しい角度又は２π／３にわたる弧を含む６つの部分的円形シリンダと、を含む。それ故、第３の柱状高分子構造４０Ｃはそれぞれ、上述の第１の柱状高分子構造４０Ａのうちの１つと同じ構造を有し、同じ方法によって形成される。第３の高分子マトリックス５０Ｃは、第２の高分子ブロック成分を含み、第３の柱状高分子構造４０Ｃのそれぞれに側方当接する。
第３のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ｃ、５０Ｃ）の様々な成分の自己集合及び自己整合には第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）と同じメカニズムが利用されるので、第３のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ｃ、５０Ｃ）は、第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）が自己集合及び自己整合するのと同じ意味で自己集合及び自己整合する。それ故、第３の柱状高分子構造４０Ｃの各インスタンスは、第１の柱状高分子構造４０Ａのインスタンスと同じ成分を含み、該インスタンスと合同となり、第３の高分子マトリックス５０Ｃの各インスタンスは、第１の高分子マトリックス５０Ａのインスタンスと同じ材料を含み、該インスタンスと合同となる。
図１４Ａ乃至図１４Ｃを参照すると、第３のテンプレート層２０Ｃは、第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）、第２のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ｂ、５０Ｂ）、及び第３のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ｃ、５０Ｃ）に対して選択的に除去される。ウェット・エッチングを利用してもドライ・エッチングを利用してもよい。
部分的円形シリンダ及び半シリンダ（存在する場合）の様々な組み合わせにより、様々な円形シリンダの断面積と同じ直径の円形水平断面積を有する完全なシリンダが形成される。第１の高分子ブロック成分を含むシリンダが第１の非感光性高分子レジスト、第２の非感光性高分子レジスト、及び第３の非感光性高分子レジストのうちの１つのみから形成されるのか、それともそれらのうちの少なくとも２つから形成されるのかに関わらず、本明細書ではそのようなすべての円形シリンダを「円形高分子シリンダ（circular polymeric cylinder）」と総称する。換言すると、第１、第２、及び第３の柱状高分子構造（４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ）は、集合的に円形高分子シリンダを構成する。
図１５Ａ及び図１５Ｂを参照すると、第１、第２、及び第３の高分子マトリックス（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ）は、第２の高分子ブロック成分を第１の高分子ブロック成分に対して選択的に除去するエッチングにより、第１、第２、及び第３の柱状高分子構造（４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ）に対して選択的に除去される。このエッチングは、等方性であっても異方性であってもよい。第１、第２、及び第３の高分子マトリックス（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ）が除去された後は、基板１０上に円形高分子シリンダ４０の六角形配列が形成される。即ち、円形高分子シリンダ４０は、六角形配列の周期性が隣接する１対の円形高分子シリンダ４０の軸間距離と同じになる六角形配列を形成するように配置される。
図１６Ａ及び図１６Ｂを参照すると、円形高分子シリンダ４０の六角形配列のパターンは、基板１０の露出部分を円形高分子シリンダ４０に対して選択的に除去する異方性エッチングによって基板１０に転写される。基板１０の陥凹表面１１は、基板１０と円形高分子シリンダ４０の六角形配列との間の界面下に露出する。陥凹表面１１は、円形高分子シリンダ４０の六角形配列の位置と一致する複数の孔を含む。円形高分子シリンダ４０の直径はサブリソグラフィックであり得るので、陥凹表面１１のパターンは、サブリソグラフィ単位パターンを含む可能性がある。
円形高分子シリンダ４０の六角形配列が基板１０に対して選択的に除去されると、陥凹表面１１である実質的に平坦な表面からの突起パターンを有する基板１０を含む構造が提供される。このパターンは、円形シリンダが円形高分子シリンダ４０のうちの１つと実質的に同じ直径を有する単位パターンの六角形配列を含む。この六角形配列は、最小周期のサブリソグラフィ寸法を有する可能性がある。
図１７Ａ及び図１７Ｂを参照すると、第１、第２、及び第３の柱状高分子構造（４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ）を、本明細書では組み合わせ高分子マトリックス５０と呼ばれる第１、第２、及び第３の高分子マトリックス（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ）の組み合わせに対して選択的に除去することにより、図１４Ａ乃至図１４Ｃの第１の例示的なナノスケール構造に由来する第１の例示的なナノスケール構造の一変形例が形成される。第１の高分子ブロック成分を第２の高分子ブロック成分に対して選択的に除去するエッチングが利用される。このエッチングは、等方性であっても異方性であってもよい。
第１、第２、及び第３の柱状高分子構造（４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ）が除去された後は、シリンダ状空洞の六角形配列が組み合わせ高分子マトリックス５０内に形成される。換言すると、組み合わせ高分子マトリックス５０内のシリンダ状空洞は、六角形配列の周期性が隣接する１対のシリンダ状空洞の軸間距離と同じになる六角形配列を形成するように配置される。
図１８Ａ及び図１８Ｂを参照すると、シリンダ状空洞の六角形配列のパターンは、基板１０の露出部分を組み合わせ高分子マトリックス５０に対して選択的に除去する異方性エッチングによって基板１０に転写される。基板１０の陥凹トレンチ底面１２は、組み合わせ高分子マトリックス５０内のシリンダ状空洞から基板１０の材料を除去することによって形成される。基板１０内のシリンダ状トレンチは、六角形配列の形に配置される。シリンダ状トレンチの直径はサブリソグラフィックであり得るので、シリンダ状トレンチのパターンは、サブリソグラフィ単位パターンを含む可能性がある。
組み合わせ高分子マトリックス５０の六角形配列が基板１０に対して選択的に除去されると、陥凹トレンチ底面１２である実質的に平坦な表面からの陥凹パターンを有する基板１０を含む構造が提供される。このパターンは、円形トレンチが円形高分子シリンダ４０のうちの１つと実質的に同じ直径を有する単位パターンの六角形配列を含む。この六角形配列は、最小周期のサブリソグラフィ寸法を有する可能性がある。
本発明の第２の実施形態によれば、第２の例示的なナノスケール構造は、図１Ａ乃至図２Ｂの第１の例示的なナノスケール構造に由来する。しかしながら、第２の例示的なナノスケール構造を形成するにあたり、第１及び第２の高分子ブロック成分の湿潤特性は、第１の高分子ブロック成分が第１のテンプレート層２０Ａの表面を湿潤せず、第２の高分子ブロック成分が第１のテンプレート層２０Ａの表面を湿潤するように変更される。
図１９Ａ及び図１９Ｂを参照すると、アニーリングを利用して自己集合ブロック共重合体の架橋を生じさせることにより、第１のナノスケール自己集合自己整合構造が各第１の開口Ｏ１内に形成される（図１Ａ及び図１Ｂ参照）。第１の実施形態と同じアニーリング・プロセスを利用することができる。第１のナノスケール自己集合自己整合構造は、アニーリングを利用して自己集合ブロック共重合体の架橋を生じさせることによって各第１の開口Ｏ１内に形成される。具体的には、第１の非感光性高分子レジストは、紫外線処理又は高温の熱アニーリングによってアニールされ、それによって第１の高分子ブロック成分を含む第１の柱状高分子構造４０Ａと、第２の高分子ブロック成分を含み、第１の柱状高分子構造４０Ａの側壁に側方当接する第１の高分子マトリックス５０Ａと、が形成される。第１の柱状高分子構造４０Ａは、第１の開口Ｏ１の側壁と接触しないが、第１の高分子マトリックス５０Ａは、各第１の開口Ｏ１内の第１のテンプレート層２０Ａの側壁と当接する。第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）は、第１の実施形態と同じメカニズムによって「自己集合」及び「自己整合」する。
図２０Ａ及び図２０Ｂを参照すると、第１のテンプレート層２０Ａは、第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）及び基板１０に対して選択的に除去される。ウェット・エッチングを利用してもドライ・エッチングを利用してもよい。第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）の集まりは、単位セルが第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）の１つのインスタンスと、どの第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）も収容せず、第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）のインスタンス２つ分と体積が等しいスペースと、を含む、六角形配列を構成する。
図２１Ａ及び図２１Ｂを参照すると、第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）及び基板１０上に第２のテンプレート層２０Ｂが形成される。第２のテンプレート層２０Ｂは、第１のテンプレート層２０Ａとして利用可能な材料から選択することができる。第２のテンプレート層２０Ｂは、第１のテンプレート層２０Ａと同じ材料を含むことも異なる材料を含むことも可能である。第２のテンプレート層２０Ｂは、ブランケット層として形成され、第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）の上面を覆う。
第１の実施形態の図６Ａ乃至図１３Ｂに対応する各プロセス・ステップを実行することにより、第２のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ｂ、５０Ｂ）及び第３のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ｃ、５０Ｃ）が形成される。第１及び第２の高分子ブロック成分の湿潤特性を変更することにより、第２の柱状高分子構造４０Ｂは、第２の開口Ｏ２の側壁に接触しなくなり、各第２の高分子マトリックス５０Ｂは、各第２の開口Ｏ２内の第２のテンプレート層２０Ｂの側壁に当接するようになる。同様に、第３の柱状高分子構造４０Ｃは、第３の開口Ｏ３の側壁に接触しなくなり、各第３の高分子マトリックス５０Ｃは、各第３の開口Ｏ３内の第３のテンプレート層２０Ｃの側壁に当接するようになる。
図２２Ａ及び図２２Ｂを参照すると、第３のテンプレート層２０Ｃは、第１のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ａ、５０Ａ）、第２のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ｂ、５０Ｂ）、及び第３のナノスケール自己集合自己整合構造（４０Ｃ、５０Ｃ）に対して選択的に除去される。ウェット・エッチングを利用してもドライ・エッチングを利用してもよい。
図２３Ａ及び図２３Ｂを参照すると、第１、第２、及び第３の高分子マトリックス（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ）は、第２の高分子ブロック成分を第１の高分子ブロック成分に対して選択的に除去するエッチングにより、第１、第２、及び第３の柱状高分子構造（４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ）に対して選択的に除去される。このエッチングは、等方性であっても異方性であってもよい。第１、第２、及び第３の柱状高分子構造（４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ）は、集合的に円形高分子シリンダ４０を構成する。円形高分子シリンダ４０は、六角形配列を形成するように配置される。しかしながら、この六角形配列の周期性は、隣接する１対の円形高分子シリンダ４０の軸間距離と同じではない。その代わりに、この六角形配列は、第１の開口Ｏ１、第２の開口Ｏ２、及び第３の開口Ｏ３（それぞれ図１Ａ、図６Ａ、及び図１１Ａ参照）のそれぞれと同じサイズの単位セルを有し、複数の円形高分子シリンダ４０を収容する。この六角形配列の２つの例示的な単位セルは、「Ｇ１」及び「Ｇ２」で標示される。
円形高分子シリンダ４０の六角形配列のパターンは、基板１０の露出部分を円形高分子シリンダ４０に対して選択的に除去する異方性エッチングによって基板１０に転写される。基板１０の陥凹表面１１は、基板１０と円形高分子シリンダ４０の六角形配列との間の界面下に露出する。陥凹表面１１は、円形高分子シリンダ４０の六角形配列の位置と一致する複数の孔を含む。円形高分子シリンダ４０の直径はサブリソグラフィックであり得るので、陥凹表面１１のパターンは、サブリソグラフィ単位パターンを含む可能性がある。
円形高分子シリンダ４０の六角形配列が基板１０に対して選択的に除去されると、陥凹表面１１である実質的に平坦な表面からの突起パターンを有する基板１０を含む構造が提供される。このパターンは、円形高分子シリンダ４０のうちの１つと実質的に同じ直径を有するとともに基板１０と一体に構築される、即ち基板１０の一部となる複数の円形シリンダを含む単位パターン、例えばＧ１又はＧ２の六角形配列を含む。この六角形配列は、最小周期のサブリソグラフィ寸法を有する。単位パターン、例えばＧ１又はＧ２は、正六角形の形状を有し、各円形高分子シリンダ４０の直径と同じ直径の円を含む。しかしながら、この単位パターンの２つの隣接インスタンスに由来する円の集まりは、六角形の周期性を有さない。例えば、円形高分子シリンダ４０の六角形の周期性の一貫性は第１の開口、第２の開口、及び第３の開口（Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３）のいずれかの面積を超えて及ぶものではないため、Ｇ１とＧ２の和集合（union set）内の円の集まりは、六角形の周期性を有さない。
図２４Ａ及び図２４Ｂを参照すると、第１、第２、及び第３の柱状高分子構造（４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ）を、本明細書では組み合わせ高分子マトリックス５０と呼ばれる第１、第２、及び第３の高分子マトリックス（５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ）の組み合わせに対して選択的に除去することにより、図２２Ａ及び図２２Ｂの第２の例示的なナノスケール構造に由来する第２の例示的なナノスケール構造の一変形例が形成される。第１の高分子ブロック成分を第２の高分子ブロック成分に対して選択的に除去するエッチングが利用される。このエッチングは、等方性であっても異方性であってもよい。
第１、第２、及び第３の柱状高分子構造（４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ）が除去された後は、シリンダ状空洞の配列が組み合わせ高分子マトリックス５０内に形成される。シリンダ状空洞の配列のパターンは、基板１０の露出部分を組み合わせ高分子マトリックス５０に対して選択的に除去する異方性エッチングによって基板１０に転写される。基板１０の陥凹トレンチ底面１２は、組み合わせ高分子マトリックス５０内のシリンダ状空洞から基板１０の材料を除去することによって形成される。基板１０内のシリンダ状トレンチは、六角形配列を形成するように配置される。しかしながら、この六角形配列の周期性は、隣接する１対のシリンダ状トレンチの軸間距離と同じではない。その代わりに、この六角形配列は、第１の開口Ｏ１、第２の開口Ｏ２、及び第３の開口Ｏ３（それぞれ図１Ａ、図６Ａ、及び図１１Ａ参照）のそれぞれと同じサイズの単位セルを有し、複数のシリンダ状トレンチを収容する。この六角形配列の２つの例示的な単位セルは、「Ｇ３」及び「Ｇ４」で標示される。
組み合わせ高分子マトリックス５０が基板１０に対して選択的に除去されると、基板１０の上面である実質的に平坦な表面、即ち、以前は基板１０と組み合わせ高分子マトリックス５０との間の界面であった表面からの陥凹パターンを有する基板１０を含む構造が提供される。このパターンは、円形高分子シリンダ４０のうちの１つと実質的に同じ直径を有するとともに基板１０を伴う複数のシリンダ状トレンチを含む単位パターン、例えばＧ３又はＧ４の六角形配列を含む。この六角形配列は、最小周期のサブリソグラフィ寸法を有する。単位パターン、例えばＧ３又はＧ４は、正六角形の形状を有し、各円形シリンダ状トレンチの直径と同じ直径の円を含む。しかしながら、この単位パターンの２つの隣接インスタンスに由来する円の集まりは、六角形の周期性を有さない。例えば、シリンダ状トレンチの六角形の周期性の一貫性は第１の開口、第２の開口、及び第３の開口（Ｏ１、Ｏ２、Ｏ３）のいずれかの面積を超えて及ぶものではないため、Ｇ３とＧ４の和集合内の円の集まりは、六角形の周期性を有さない。
図２５Ａ及び図２５Ｂを参照すると、基板１０と、第１のテンプレート層２０Ａと、を含む本発明の第３の実施形態に係る第３の例示的なナノスケール構造が示されている。第１のテンプレート層２０Ａ及び基板１０の横方向の範囲は、後で利用するために非感光性高分子レジストの横方向のオーダー範囲を超えるようにすることができる。基板１０及び第１のテンプレート層２０Ａは、第１の実施形態と同じ材料を含むことができ、第１の実施形態と同じ方法で形成することができる。
第１のテンプレート層２０Ａには、基板１０を露出させる第１の矩形開口がパターン化される。各第１の矩形開口の横幅は、リソグラフィックである。更に、隣接する第１の矩形開口間の間隔もリソグラフィックである。第１の矩形開口の幅は開口毎に異なる可能性もあるが、本発明の説明上、第１の矩形開口の横幅は同じものと仮定し、この横幅を本明細書では第１の横幅ＬＷ１と呼ぶ。同様に、隣接する第１の矩形開口間の間隔も本発明の説明上同じものと仮定し、この横幅を本明細書では第２の横幅ＬＷ２と呼ぶ。第１の矩形開口の横幅が異なる実施形態、又は隣接する第１の矩形開口間の間隔が異なる実施形態、あるいはその両方の実施形態が本明細書で企図されることは言うまでもない。
各第１の矩形開口の長さ方向は第１の横幅ＬＷ１よりも実質的に大きいため、その後自己整合パターンは、第１の矩形開口の長さ方向に沿って、即ち、第１の矩形開口の横幅方向に対して垂直方向に形成される。
図２６Ａ及び図２６Ｂを参照すると、当業界で周知のスピン・コーティングのような方法によって第１の非感光性高分子レジストが各第１の矩形開口内に塗布され、それによって第１の非感光性高分子レジスト部分３０Ａが形成される。第１の非感光性高分子レジスト部分３０Ａの上面は、第１のテンプレート層２０Ａの上面と共面になる、又は第１のテンプレート層２０Ａの上面より窪むことが好ましい。第１の非感光性高分子レジストは、ナノメートル・スケール・パターンに自己組織化可能な自己集合ブロック共重合体を含む。
第１の非感光性高分子レジストは、互いに混和しない第１の高分子ブロック成分及び第２の高分子ブロック成分を含む。非感光性高分子レジストは、自己平坦化可能である。別法として、非感光性高分子レジストは、化学的機械的平坦化、陥凹エッチング、あるいはその組み合わせによって平坦化され得る。第１の実施形態の場合と同様に、第１の高分子ブロック成分と第２の高分子ブロック成分について同じ材料を利用することができる。また、第１の実施形態と同じ塗布方法を利用することもできる。
図２７Ａ及び図２７Ｂを参照すると、アニーリングを利用して自己集合ブロック共重合体の架橋を生じさせることにより、第１のナノスケール自己集合自己整合構造ＮＳ１が各第１の矩形開口内に形成される。具体的には、第１の非感光性高分子レジストは、紫外線処理又は高温の熱アニーリングによってアニールされ、それによって第１の高分子ブロック成分を含む第１の主ラメラ構造（primary lamellar structure）４３Ａと、第２の高分子ブロック成分を含む第１の補完ラメラ構造（complementary lamellar structure）５３Ａと、が形成される。第１の主ラメラ構造４３Ａ及び第１の補完ラメラ構造５３Ａは、第１の横幅ＬＷ１の方向に周期性をもって交互に配置される。
第１の非感光性高分子レジストの組成及び湿潤特性は、第１の主ラメラ構造４３Ａのいくつかが第１のテンプレート層２０Ａの側壁に当接し、第１の補完ラメラ構造５３Ａが第１のテンプレート層２０Ａの側壁から分離されるように調整される。第１の高分子ブロック成分の湿潤特性は、それ自体が第１のテンプレート層２０Ａの側壁に接触するか否かに応じて第１の主ラメラ構造４３Ａの幅が決まるように調整される。第１のテンプレート層２０Ａの側壁に接触しない第１の主ラメラ構造４３Ａの幅を本明細書では第１の幅Ｗ１と呼ぶ。第１のテンプレート層２０Ａの側壁に接触する第１の主ラメラ構造４３Ａの幅を本明細書では第２の幅Ｗ２と呼ぶ。第１の幅Ｗ１及び第２の幅Ｗ２はいずれもサブリソグラフィックとすることができ、例えば約１ｎｍ〜約４０ｎｍ、典型的には約５ｎｍ〜約３０ｎｍの範囲内であってよい。第１の幅Ｗ１は、第２の幅Ｗ２よりも大きい。第１の幅Ｗ１は、第２の幅Ｗ２より大きくすることも、第２の幅Ｗ２と等しくすることも、第２の幅Ｗ２より小さくすることも可能である。第１の補完ラメラ構造５３Ａの幅はそれぞれ同じであり、この幅を本明細書ではラメラ間隔Ｓと呼ぶ。ラメラ間隔Ｓは、サブリソグラフィックとすることができる。第１の幅Ｗ１とラメラ間隔Ｓの合計もサブリソグラフィックとなり得る。
第１のナノスケール自己集合自己整合構造ＮＳ１は、「自己集合」する。第１の非感光性高分子レジストは、第１及び第２の高分子ブロック成分の不混和性によって第１の高分子ブロック成分が第１の主ラメラ構造４３Ａに自己集合し、第２の高分子ブロック成分が第１の補完ラメラ構造５３Ａに集合することが可能となるような化学組成を有する。
第１のナノスケール自己集合自己整合構造ＮＳ１は、矩形開口を画定する第１のテンプレート層２０Ａの壁部に対して「自己整合」する。第１の主ラメラ構造４３Ａ及び第１の補完ラメラ構造５３Ａは、第１のテンプレート層２０Ａ内の矩形開口の長さ方向に沿って延びる。
その後、第１のテンプレート層２０Ａは、第１のナノスケール自己集合自己整合構造ＮＳ１及び基板１０に対して選択的に除去される。ウェット・エッチングを利用してもドライ・エッチングを利用してもよい。
図２８Ａ及び図２８Ｂを参照すると、第１のナノスケール自己集合自己整合構造ＮＳ１及び基板１０上に第２のテンプレート層２０Ｂが形成される。第２のテンプレート層２０Ｂは、第１のテンプレート層２０Ａとして利用可能な材料から選択することができる。第２のテンプレート層２０Ｂは、第１のテンプレート層２０Ａと同じ材料を含むことも異なる材料を含むことも可能である。第２のテンプレート層２０Ｂは、ブランケット層として形成され、第１のナノスケール自己集合自己整合構造ＮＳ１の上面を覆う。
第２のテンプレート層２０Ｂは、フォトレジスト（図示せず）を塗布し、フォトレジストのリソグラフィ・パターン化を行い、フォトレジスト内のパターンを異方性エッチングによって第２のテンプレート層に転写することによってリソグラフィ・パターン化される。第２のテンプレート層２０Ｂ内には、第１の矩形開口の補完領域を覆う１組の第２の矩形開口が形成される。それ故、第２の矩形開口は、第１のナノスケール自己集合自己整合構造ＮＳ１間に形成され、第２の矩形開口の境界は、第１のナノスケール自己集合自己整合構造ＮＳ１の境界と実質的に一致する。各第２の矩形開口の幅は、リソグラフィ寸法である第２の横幅ＬＷ２であり、第１の横幅ＬＷ１と同じであることも異なることもある。
図２９Ａ及び図２９Ｂを参照すると、当業界で周知のスピン・コーティングのような方法によって第２の非感光性高分子レジストが各第２の矩形開口内に塗布され、それによって第２の非感光性高分子レジスト部分３０Ｂが形成される。第２の非感光性高分子レジスト部分３０Ｂの上面は、第２のテンプレート層２０Ｂの上面より窪むことが好ましい。また、第２の非感光性高分子レジスト部分３０Ｂの上面は、第１のナノスケール自己集合自己整合構造ＮＳ１の上面と共面になることも好ましい。第２の非感光性高分子レジストは、第２のテンプレート層２０Ｂの上面と共面になるように、あるいは第２のテンプレート層２０Ｂの上面よりも高くなるように塗布し、その後陥凹エッチングによって、あるいは希薄溶液を利用することによって第１のナノスケール自己集合自己整合構造ＮＳ１の上面の高さまで窪めることができ、その後溶媒を蒸発させることによって各第２の矩形開口内の体積収縮を生じさせることができる。
第２の非感光性高分子レジストは、ナノメートル・スケール・パターンに自己組織化可能な自己集合ブロック共重合体を含む。それ故、上記で列挙した第１の非感光性高分子レジストの任意の材料を第２の非感光性高分子レジストに利用することができる。第２の非感光性高分子レジストは、第１の非感光性高分子レジストと同じ材料を含むことも異なる材料を含むことも可能である。本発明の例示のために、第１の非感光性高分子レジストと第２の非感光性高分子レジストについて同じ材料が利用されるものと仮定する。
図３０Ａ及び図３０Ｂを参照すると、アニーリングを利用して自己集合ブロック共重合体の架橋を生じさせることにより、第２のナノスケール自己集合自己整合構造ＮＳ２が各第２の矩形開口内に形成される。第２のナノスケール自己集合自己整合構造ＮＳ２は、第１のナノスケール自己集合自己整合構造ＮＳ１の形成に利用されたのと同じ方法を利用して形成することができる。
具体的には、第２の非感光性高分子レジストは、紫外線処理又は高温の熱アニーリングによってアニールされ、それによって第１の高分子ブロック成分を含む第２の主ラメラ構造４３Ｂと、第２の高分子ブロック成分を含む第２の補完ラメラ構造５３Ｂと、が形成される。第２の主ラメラ構造４３Ｂ及び第２の補完ラメラ構造５３Ｂは、第２の横幅ＬＷ２の方向に周期性をもって交互に配置される。
第２の非感光性高分子レジストの組成及び湿潤特性は、第２の主ラメラ構造４３Ｂのいくつかが第１の主ラメラ構造４３Ａの露出した側壁に当接し、第２の補完ラメラ構造５３Ｂが第１の主ラメラ構造４３Ａの側壁から分離されるように調整される。第１の高分子ブロック成分の湿潤特性は、それ自体が第１の主ラメラ構造４３Ａの側壁に接触するか否かに応じて第２の主ラメラ構造４３Ｂが決まるように調整される。第１の主ラメラ構造４３Ａの側壁に接触しない第２の主ラメラ構造４３Ｂの幅は、第１の幅Ｗ１と同じになることが好ましい。第１の主ラメラ構造４３Ａの側壁に接触する第２の主ラメラ構造４３Ｂの幅は、第２の幅Ｗ２と同じであっても同じでなくてもよい。第２の補完ラメラ構造５３Ｂの幅はそれぞれ同じであるが、第１の補完ラメラ構造５３Ａの幅であるラメラ間隔Ｓと同じであることも異なることもある。
第２のナノスケール自己集合自己整合構造ＮＳ２の様々な成分の自己集合及び自己整合には第１のナノスケール自己集合自己整合構造ＮＳ１と同じメカニズムが利用されるので、第２のナノスケール自己集合自己整合構造ＮＳ２は、第１のナノスケール自己集合自己整合構造ＮＳ１が自己集合及び自己整合するのと同じ意味で自己集合及び自己整合する。
図３１Ａ及び図３１Ｂを参照すると、第２のテンプレート層２０Ｂは、第１のナノスケール自己集合自己整合構造ＮＳ１、第２のナノスケール自己集合自己整合構造ＮＳ２、及び基板１０に対して選択的に除去される。ウェット・エッチングを利用してもドライ・エッチングを利用してもよい。
図３２Ａ及び図３２Ｂを参照すると、第１及び第２の補完ラメラ構造（５３Ａ、５３Ｂ）は、第２の高分子ブロック成分を第１の高分子ブロック成分に対して選択的に除去する異方性エッチングによって第１及び第２の主ラメラ構造（４３Ａ、４３Ｂ）に対して選択的に除去される。同じ第１の矩形開口に由来する１組の第１の主ラメラ構造４３Ａは、ラメラ間隔Ｓの間隔を有する第１の１次元配列Ａ１を構成する。同様に、同じ第２の矩形開口に由来する１組の第２の主ラメラ構造４３Ｂは、ラメラ間隔Ｓの間隔を有する第２の１次元配列Ａ２を構成する。しかしながら、隣接する第１の１次元配列Ａ１と第２の１次元配列Ａ２の対は、一貫性を有することも有さないこともある、即ち周期的な別の１次元配列を構成することもある。第２の幅Ｗ２が第１の幅の１／２である場合には、第１の１次元配列Ａ１と第２の１次元配列Ａ２の集まりは、第１の幅Ｗ１とラメラ間隔Ｓの合計の周期性を有する拡張１次元配列を構成する。一方、第２の幅Ｗ２が第１の幅Ｗ１の１／２と等しくない場合には、複数の第１の１次元配列Ａ１及び第２の１次元配列Ａ２を含む拡張１次元配列は、第１の横幅ＬＷ１と第２の横幅ＬＷ２の合計の周期性を有する。それ故、最小周期はリソグラフィ寸法となる。
図３３Ａ及び図３３Ｂを参照すると、第１の１次元配列Ａ１及び第２の１次元配列Ａ２を含む拡張配列のパターンは、基板１０の露出部分を第１及び第２の主ラメラ構造（４３Ａ、４３Ｂ）に対して選択的に除去する異方性エッチングによって基板１０に転写される。基板内に線形トレンチが形成されることにより、それらの線形トレンチの底部にトレンチ底面１３が露出する。その後、第１及び第２の主ラメラ構造（４３Ａ、４３Ｂ）を除去することができる。
第３の例示的なナノスケール構造は、単位パターンの１次元の周期的な繰り返しを有する基板１０を含む。この単位パターンは、トレンチ底面１３の集まりである実質的に平坦な表面上に少なくとも１本の第１の線及び第２の線の突起を含む。少なくとも１本の第１の線はそれぞれ、第２の主ラメラ構造４３Ｂと当接しない第１の主ラメラ構造４３Ａの直下、又は第１の主ラメラ構造４３Ａと当接しない第２の主ラメラ構造４３Ｂの直下に形成される。第２の線は、第２の主ラメラ構造４３Ｂに当接する第１の主ラメラ構造４３Ａの直下に形成される。少なくとも１本の第１の線はそれぞれ、第１の幅Ｗ１である第１のサブリソグラフィ幅を有することができ、第２の線は、第２の幅Ｗ２の２倍である第２のサブリソグラフィ幅を有する。隣接する少なくとも１本の第１の線と第２の線の各対は、ラメラ間隔Ｓである同じサブリソグラフィ間隔だけ離すことができる。
第１の幅Ｗ１が第２の幅Ｗ２の２倍である場合には、第１のサブリソグラフィ幅と第２のサブリソグラフィ幅は同じになる。この１次元単位パターンは、第１の幅Ｗ１とラメラ間隔Ｓの合計と等しい最小周期を有する。一方、第１の幅Ｗ１が第２の幅Ｗ２の２倍でない場合には、第１のサブリソグラフィ幅と第２のサブリソグラフィ幅は異なる。第１の横幅ＬＷ１と第２の横幅ＬＷ２が同じである場合には、この１次元単位パターンは、リソグラフィ寸法である第１の横幅ＬＷ１と等しい最小周期を有する。第１の横幅ＬＷ１と第２の横幅ＬＷ２が異なる場合には、この１次元単位パターンは、第１の横幅ＬＷ１とリソグラフィ寸法である第２の横幅ＬＷ２の合計と等しい最小周期を有する。
第１及び第２の主ラメラ構造（４３Ａ、４３Ｂ）の除去に先立って、第３の例示的なナノスケール構造は更に、第１及び第２の主ラメラ構造（４３Ａ、４３Ｂ）となり、非感光性高分子レジストの高分子成分を含み、少なくとも１本の第１の線及び第２の線のそれぞれの真上に位置する複数の高分子線を含む。これらの高分子線の各エッジは、少なくとも１本の第１の線又は第２の線のエッジと垂直方向に一致する。
第１及び第２の補完ラメラ構造（５３Ａ、５３Ｂ）を図３１Ａ及び図３１Ｂの第３の例示的なナノスケール構造から第１及び第２の主ラメラ構造（４３Ａ、４３Ｂ）に対して選択的に除去する代わりに、第１及び第２の主ラメラ構造（４３Ａ、４３Ｂ）を第１及び第２の補完ラメラ構造（５３Ａ、５３Ｂ）と相対的に選択することができる。その後、第１及び第２の主ラメラ構造（４３Ａ、４３Ｂ）のパターンを基板１０に転写して、図３３Ａ及び図３３Ｂの構造と逆の極性を有する別のナノスケール構造を形成することができる。その結果得られるパターンは、突起パターンではなく陥凹パターンとなり、この陥凹パターンの構造は、非感光性高分子レジストの高分子成分を含み、実質的に平坦な表面の真上に位置し、各エッジが少なくとも１本の第１の線又は第２の線のエッジと垂直方向に一致する、複数の高分子線を更に含む。
タイル又は開口の形状の変形例も企図される。タイル又は開口は、例えば六角形、矩形、ひし形、平行四辺形、三角形、正多角形のような１つの形状を含むことも、少なくとも２つの異なる形状の集まりを含むこともできる。
以上、本発明を特定の実施形態に関して説明してきたが、上記の説明を読めば様々な代替形態、修正形態、及び変更例が当業者には理解されるだろう。したがって、本発明は、本発明の範囲及び趣旨ならびに添付の特許請求範囲に記載される各請求項の範囲及び趣旨に含まれるすべての代替形態、修正形態、及び変更例を包含することが本出願人の意図するところである。
本発明は、多種多様な電子及び電気装置で使用される集積回路チップに特に適し、コンピュータ分野及び通信分野で特に有用な半導体基板上のナノスケール・パターンの設計及び製作において、産業上の利用可能性を有する。
Claims (25)
- ナノスケール・パターンを基板上に形成する方法であって、
基板上の所定の面積を包含する第１のテンプレート層を形成するステップと、
それぞれ正六角形の形状を有し、第１の六角形配列の形に配置される第１の開口を前記第１のテンプレート層内にパターン化するステップと、
第１のナノスケール自己集合自己整合構造を前記第１の開口内に形成するステップと、
前記面積を包含する第２のテンプレート層を前記第１のナノスケール自己集合自己整合構造上に形成するステップと、
それぞれ前記正六角形の形状を有し、第２の六角形配列の形に配置される第２の開口を前記第２のテンプレート層内にパターン化するステップと、
第２のナノスケール自己集合自己整合構造を前記第２の開口内に形成するステップと、
前記面積を包含する第３のテンプレート層を前記第１及び第２のナノスケール自己集合自己整合構造上に形成するステップと、
それぞれ前記正六角形の形状を有し、第３の六角形配列の形に配置される第３の開口を前記第３のテンプレート層内にパターン化するステップと、
第３のナノスケール自己集合自己整合構造を前記第３の開口内に形成するステップと、
を含む方法。 - 前記第１の開口、前記第２の開口、及び前記第３の開口はそれぞれ、他の前記第１の開口、他の前記第２の開口、及び他の前記第３の開口のどの開口とも重複しない、請求項１に記載の方法。
- 前記所定の面積は、前記第１の開口の総面積、前記第２の開口の総面積、及び前記第３の開口の総面積の和集合と同じである、請求項２に記載の方法。
- 前記第２の六角形配列は、前記第１の六角形配列と前記正六角形の１インスタンス分ずらされ、前記第３の六角形配列は、前記第１の六角形配列と前記正六角形の別の１インスタンス分ずらされ、前記第３の六角形配列は、前記第２の六角形配列と前記正六角形のまた別の１インスタンス分ずらされる、請求項１に記載の方法。
- 前記第１、第２、及び第３のナノスケール自己集合自己整合構造はそれぞれ、別の前記第１、第２、及び第３のナノスケール自己集合自己整合構造と合同である、請求項１に記載の方法。
- 前記第１のナノスケール自己集合自己整合構造を形成するステップに先立って、第１の高分子ブロック成分及び第２の高分子ブロック成分を含む非感光性高分子レジストを前記各第１の開口内に塗布するステップと、
前記第２のナノスケール自己集合自己整合構造を形成するステップに先立って、前記非感光性高分子レジストを前記各第２の開口内に塗布するステップと、
前記第３のナノスケール自己集合自己整合構造を形成するステップに先立って、前記非感光性高分子レジストを前記各第３の開口内に塗布するステップと、
を更に含む、請求項１に記載の方法。 - 前記第１、第２、及び第３のナノスケール自己集合自己整合構造はそれぞれ、前記第１の高分子ブロック成分を含む少なくとも１つの円形シリンダと、前記第２の高分子ブロック成分を含み且つ前記少なくとも１つの円形シリンダと側方当接する高分子マトリックスと、を備える、請求項１に記載の方法。
- 前記第１、第２、及び第３のナノスケール自己集合自己整合構造はそれぞれ、円形シリンダの１／３にそれぞれ相当する６つのインスタンスを更に備え、前記インスタンスはそれぞれ、体積が前記少なくとも１つの円形シリンダの総体積の１／３であり、リッジ部の角度が１２０度である、請求項７に記載の方法。
- 前記６つのインスタンス及び前記高分子マトリックスは、前記第１、第２、及び第３の開口のうちの１つの境界に側方当接する、請求項８に記載の方法。
- 前記第１、第２、及び第３のナノスケール自己集合自己整合構造はそれぞれ、前記第１の高分子ブロック成分を含む複数の円形シリンダと、前記第２の高分子ブロック成分を含み且つ前記少なくとも１つの円形シリンダと側方当接する高分子マトリックスと、を備え、前記複数の円形シリンダはそれぞれ、前記第１、第２、及び第３の開口の各境界から分離される、請求項７に記載の方法。
- １組の前記円形シリンダ及び１組の前記高分子マトリックスの一方を、前記１組の前記円形シリンダ及び前記１組の前記高分子マトリックスの他方に対して選択的にエッチングするステップを更に含む、請求項７に記載の方法。
- 前記円形シリンダ及び前記高分子マトリックスの残りの部分をエッチング・マスクとして利用して、サブリソグラフィ寸法を有するパターンを前記基板内に形成するステップを更に含む、請求項１１に記載の方法。
- ナノスケール・パターンを基板上に形成する方法であって、
基板上の所定の面積を包含する第１のテンプレート層を形成するステップと、
それぞれ矩形の形状とリソグラフィ幅とを有する第１の開口を前記第１のテンプレート層内にパターン化するステップと、
第１のナノスケール自己集合自己整合構造を前記第１の開口内に形成するステップと、
第２のテンプレート層を前記第１のナノスケール自己集合自己整合構造上に形成するステップと、
それぞれ矩形の形状とリソグラフィ幅とを有し、前記所定の面積内の前記第１の開口の補集合となる第２の開口を前記第１のテンプレート層内にパターン化するステップと、
第１のナノスケール自己集合自己整合構造を前記第１の開口内に形成するステップと、
を含む方法。 - 前記第１のナノスケール自己集合自己整合構造を形成するステップに先立って、第１の高分子ブロック成分及び第２の高分子ブロック成分を含む非感光性高分子レジストを前記各第１の開口内に塗布するステップと、
前記第２のナノスケール自己集合自己整合構造を形成するステップに先立って、前記非感光性高分子レジストを前記各第２の開口内に塗布するステップと、
を更に含む、請求項１３に記載の方法。 - 前記第１及び第２のナノスケール自己集合自己整合構造はそれぞれ、前記第１の高分子ブロック成分をそれぞれ含む少なくとも１本の公称幅線及び２本のエッジ線を備え、前記２本のエッジ線はそれぞれ、前記第１の開口のうちの１つの境界に当接し、前記少なくとも１本の公称幅線は、前記２本のエッジ線から分離され、前記少なくとも１本の公称幅線は、公称線幅を有し、前記２本のエッジ線は、エッジ線幅を有し、前記公称線幅は、サブリソグラフィックであり且つ前記エッジ線幅よりも大きい、請求項１４に記載の方法。
- 前記第１及び第２のナノスケール自己集合自己整合構造はそれぞれ、前記第２の高分子ブロック成分を含む補完線を更に備え、前記補完線はそれぞれ、前記少なくとも１本の公称幅線及び前記２本のエッジ線のうちの２本と側方当接し、サブリソグラフィックである別の幅を有する、請求項１５に記載の方法。
- 前記第１の高分子ブロック成分及び前記第２の高分子ブロック成分の一方を他方に対して選択的にエッチングするステップと、
第１のサブリソグラフィ寸法を有する少なくとも１本の第１の線と、第２のサブリソグラフィ寸法を有する第２の線との周期的な繰り返しを含む、サブリソグラフィ寸法を有するパターンを前記基板内に形成するステップと、
を更に含み、
隣接する前記少なくとも１本の第１の線と前記第２の線の各対は、同じサブリソグラフィ間隔だけ離される、
請求項１６に記載の方法。 - 実質的に平坦な表面からの突起パターン又は陥凹パターンを有する基板を備える構造であって、前記パターンは、単位パターンの六角形配列を含み、前記六角形配列は、最小周期のリソグラフィ寸法を有し、前記単位パターンは、正六角形の形状を有し、前記単位パターンは、同じ直径の円を含み、前記単位パターンの２つの隣接インスタンスに由来する前記円の集まりは、六角形の周期性を有さない、構造。
- 前記同じ直径は、サブリソグラフィックである、請求項１８に記載の構造。
- 前記パターンは、突起パターンであり、前記構造は、それぞれ前記同じ直径を有し且つ非感光性高分子レジストの高分子成分を含み且つ前記各突起パターンの真上に位置する複数のシリンダを更に備え、前記円のエッジは、前記複数の前記シリンダのシリンダ状表面と一致する、請求項１８に記載の構造。
- 前記パターンは、陥凹パターンであり、前記構造は、非感光性高分子レジストの高分子成分のマトリックスを更に備え、前記マトリックスは、シリンダ状開口を収容し、前記円のエッジは、前記シリンダ状開口のシリンダ状表面と一致する、請求項１８に記載の構造。
- 単位パターンの１次元の周期的な繰り返しを有する基板を備える構造であって、前記単位パターンは、実質的に平坦な表面上に少なくとも１本の第１の線及び第２の線の突起又は陥凹を含み、前記少なくとも１本の第１の線はそれぞれ、第１のサブリソグラフィ幅を有し、前記第２の線は、第２のサブリソグラフィ幅を有し、隣接する前記少なくとも１本の第１の線と前記第２の線の各対は、同じサブリソグラフィ間隔だけ離される、構造。
- 前記第１のサブリソグラフィ幅と前記第２のサブリソグラフィ幅は異なる、請求項２２に記載の構造。
- 前記パターンは、突起パターンであり、前記構造は、非感光性高分子レジストの高分子成分を含み且つ前記少なくとも１本の第１の線及び第２の線のそれぞれの真上に位置する複数の高分子線を更に備え、前記高分子線の各エッジは、前記少なくとも１本の第１の線又は前記第２の線のエッジと垂直方向に一致する、請求項２２に記載の構造。
- 前記パターンは、陥凹パターンであり、前記構造は、非感光性高分子レジストの高分子成分を含み且つ前記実質的に平坦な表面の真上に位置する複数の高分子線を更に備え、前記高分子線の各エッジは、前記少なくとも１本の第１の線又は前記第２の線のエッジと垂直方向に一致する、請求項２２に記載の構造。
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