JP2018125476A - テンプレート、インプリント装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

テンプレート、インプリント装置および半導体装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】階段状のインプリントパターンをマスクとして形成されるエッチングパターンの段ずれを防止する。【解決手段】テンプレートTPの表面SF上には、高さ方向に1段目からN(Nは2以上の整数)段目まで階段状に段差DAが設けられ、段差DAは1段目からN段目に向ってx方向にずらされつつz方向に設けられ、段差DAには段差A1、A2が設けられ、段差A2の高さは段差A1の高さより大きい。【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、テンプレート、インプリント装置および半導体装置の製造方法に関する。
半導体デバイスの微細化に伴って、フォトリソグラフィよりも低コスト化が容易なインプリントリソグラフィが用いられることがある。インプリントリソグラフィでは、テンプレートの一回の転写で3次元構造の階段形状を形成することができる。
特開2012−243777号公報
本発明の一つの実施形態は、階段状のインプリントパターンをマスクとして形成されるエッチングパターンの段ずれを防止することが可能なテンプレート、インプリント装置および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の一つの実施形態のテンプレートによれば、高さ方向に1段目からN(Nは2以上の整数)段目まで階段状に設けられた段差を備える。前記段差は、1段目からK(Kは1以上かつN−1以下の整数)段目の第1段差と、K+1段目からM(MはK+1以上かつN以下の整数)段目の第2段差とを備える。前記第2段差の高さの方が前記第1段差の高さより大きい。
図1(a)から図1(d)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図2(a)から図2(d)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図3(a)から図3(c)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 図4(a)は、図2(b)のE部分のインプリントパターン5´の3次元形状を示す斜視図、図4(b)は、図2(b)のE部分のインプリントパターン5の3次元形状を示す斜視図である。 図5は、図2(c)の積層体TAの3次元的な段差構造を示す斜視図である。 図6(a1)から図6(a3)は、インプリントパターン5´のエッチング状態を示す断面図、図6(b1)から図6(b3)は、インプリントパターン5のエッチング状態を示す断面図である。 図7(a)は、第2実施形態に係るテンプレートの構成を示す断面図、図7(b)は、第3実施形態に係るテンプレートの構成を示す断面図である。 図8(a)は、第4実施形態に係るテンプレートの構成を示す斜視図、図8(b)は、図8(a)のテンプレートを用いて形成されたインプリントパターンの構成を示す斜視図である。 図9は、第5実施形態に係るインプリント装置の概略構成を示す側面図である。
以下に添付図面を参照して、実施形態に係るテンプレート、インプリント装置および半導体装置の製造方法を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。
(第1実施形態)
図1(a)から図1(d)、図2(a)から図2(d)および図3(a)から図3(c)は、第1実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。なお、xyzは、3次元空間で互いに直交する座標軸である。
図1(a)において、基材1上には、積層体TAが設けられている。基材1は、絶縁層であってもよいし、半導体層であってもよいし、導電層であってもよい。基材1には、集積回路が形成されていてもよい。積層体TAでは、絶縁層2、3が順次積層されている。絶縁層2の材料は、例えば、シリコン窒化膜を用いることができる。絶縁層3の材料は、例えば、シリコン酸化膜を用いることができる。そして、インプリント材4を積層体TA上に滴下する。インプリント材4の材料は紫外線硬化樹脂または熱硬化樹脂を用いることができる。インプリント材4の滴下では、インクジェット法によりインプリント材4を積層体TA上に吐出させるようにしてもよい。
次に、図1(b)に示すように、ショット領域上にテンプレートTPを配置する。テンプレートTPの表面SF上には、高さ方向(z軸方向)に1段目からN(Nは2以上の整数)段目まで階段状に段差DAが設けられている。段差DAは1段目からN段目に向ってx方向にずらされつつz方向に設けられている。図1(b)では、N=10の場合を示した。段差DAには段差A1、A2が設けられている。段差A2の高さは段差A1の高さより大きい。段差A1の高さに対する段差A2の高さの比は1より大きくかつ5以下であることが好ましい。段差A1は、1段目からK(Kは1以上かつN−1以下の整数)段目に設けることができる。段差A2は、K+1段目からM(MはK+1以上かつN以下の整数)段目に設けることができる。図1(b)では、K=6、M=10の場合を示した。
インプリント材4の材料が紫外線硬化樹脂の場合、テンプレートTPは紫外線を透過可能な材料を用いることができ、例えば、石英を用いることができる。インプリント材4の材料が熱硬化樹脂の場合、テンプレートTPは金属またはセラミックなどの材料を用いることができる。
次に、図1(c)に示すように、テンプレートTPをインプリント材4に押し当てることにより、積層体TA上にインプリントパターン5を形成する。インプリントパターン5では、テンプレートTPの段差DAが転写された段差DBが設けられている。インプリントパターン5の段差DBには、テンプレートTPの段差A1に対応して段差B1が設けられ、テンプレートTPの段差A2に対応して段差B2が設けられている。そして、テンプレートTPをインプリントパターン5に押し当てたまま、インプリントパターン5を硬化させる。なお、テンプレートTPの段差A2が段差A1である場合、インプリントパターン5の代わりにインプリントパターン5´が形成される。
次に、図1(d)に示すように、インプリントパターン5が硬化された後、テンプレートTPをインプリントパターン5から離間させる。そして、インプリントパターン5をマスクとした絶縁層2、3のエッチングET1により、積層体TAに段差C1を形成する。絶縁層2、3のエッチングET1には、CF系ガスを用いることができる。
次に、図2(a)に示すように、インプリントパターン5のエッチングET2により、インプリントパターン5を膜厚T1だけ薄膜化し、インプリントパターン5の最下段層の段差B1を消失させる。膜厚T1は、1段目の段差C1が形成された時にインプリントパターン5の1段目の段差B1の残膜厚である。インプリントパターン5のエッチングET2には、O系ガスを用いることができる。このエッチングET2では、絶縁層2、3に対してインプリントパターン5を選択的にエッチングすることができる。
次に、図2(b)に示すように、図1(d)および図2(a)の処理を1段ずつ繰り返すことにより、インプリントパターン5の段差B1の段数に対応した段差C1を積層体TAに形成する。この時、インプリントパターン5では、段差B1が消失し、段差B2が残っている。エッチングの不均一性があると、段差B2には、各段ごとにy方向に高さのばらつきが発生する。
図4(a)は、図2(b)のE部分のインプリントパターン5´の3次元形状を示す斜視図、図4(b)は、図2(b)のE部分のインプリントパターン5の3次元形状を示す斜視図である。
インプリントパターン5´では、図4(a)に示すように、エッチングの不均一性により、段差B1がy方向に傾斜している。
インプリントパターン5では、図4(b)に示すように、エッチングの不均一性により、段差B2がy方向に傾斜している。
ここで、インプリントパターン5´では、同一段で段差B1が消失している部分があり、段ずれDZが発生している。
一方、インプリントパターン5では、同一段で段差B2が消失している部分がなく、段ずれDZが発生していない。
そして、図2(c)に示すように、図1(d)および図2(a)の処理を1段ずつ繰り返すことにより、インプリントパターン5に対応したエッチングパターンPEを積層体TAに形成する。このエッチングパターンPEでは、段差B1、B2の段数に対応した段差C1が設けられている。エッチングパターンPEの段差C1の高さは、インプリントパターン5の段差B1に対応した部分でも、インプリントパターン5の段差B2に対応した部分でも等しくすることができる。
ここで、インプリントパターン5では、図4(b)に示すように、段差B1が消失した時に同一段で段差B2が消失している部分をなくすことができる。このため、インプリントパターン5をマスクとして積層体TAをエッチングした場合においても、エッチングパターンPEの段差C1に段ずれDZが発生するのを防止することができる。
次に、図5に示すように、エッチングパターンPE上にフォトリソグラフィで形成したマスクパターンを介して積層体TAをエッチングすることにより、段差C1の各段ごとに段差C2を形成する。ここで、段差C1はx方向に設けられているのに対し、段差C2はy方向に設けられている。段差C2の高さは、段差C1の高さの1/2に設定することができる。段差C1の各段ごとに1段分の段差C2を形成する場合、1回のフォトリソグラフィで済ませることができる。
そして、図2(c)に示すように、CVD(Chemical Vapor Deposition)などの方法にてエッチングパターンPEの段差C1が覆われるように絶縁膜6を形成する。絶縁膜6の材料は、例えば、シリコン酸化膜を用いることができる。絶縁膜6を形成した後、CMP(Chemical Mechanical Polishing)などの方法にて絶縁膜6の表面を平坦化する。
次に、図2(d)に示すように、積層体TAおよび絶縁膜6に支柱7を埋め込む。支柱7の材料は、シリコン酸化膜などの絶縁体を用いることができる。
次に、図3(a)に示すように、積層体TAをz方向に貫通するスリット8を形成する。スリット8は、段差C1がない領域に配置することができる。ただし、段差領域であっても、ダミー領域であれば、スリット8を配置するようにしてもよい。
そして、ウェットエッチングにて絶縁層2を選択的に除去することにより、絶縁層3間に空隙9を形成する。この時、スリット8を介してエッチング液を積層体TA内に侵入させることができる。空隙9で隔てられた絶縁層3は支柱7により基材1上に支えることができる。
次に、図3(b)に示すように、CVDなどの方法にて空隙9に導電層10を形成する。この時、絶縁層3と導電層10とが交互に積層された積層体TA´が基材1上に形成される。導電層10の材料は、例えば、Wなどの金属を用いることができる。導電層10は、3次元NANDフラッシュメモリにおいて、ワード線およびセレクトゲート線として用いることができる。
そして、CVDなどの方法にてスリット8の側壁に絶縁膜11を形成する。絶縁膜11の材料は、例えば、シリコン酸化膜を用いることができる。
次に、図3(c)に示すように、絶縁膜6に導電体12を埋め込む。導電体12の材料は、例えば、Wなどの金属を用いることができる。導電体12は、導電層10とコンタクトをとる電極として用いることができる。
ここで、インプリントリソグラフィではテンプレートTPの一回の転写で3次元構造の階段形状を形成することができる。このため、3次元構造の階段形状を形成するために、レジストパターンを何度も形成し直す必要がなくなり、コストダウンを図りつつスループットを向上させることができる。なお、3次元構造の階段形状は、3次元的な配線構造に用いることができる。3次元的な配線構造は、3次元構造のNANDフラッシュメモリの他、3次元構造のReRAM(Resistive Random Access Memory)などに用いることができる。
なお、上述した実施形態では、絶縁層2、3が交互に積層された積層構造の段差の形成にインプリントリソグラフィを用いる方法を示したが、絶縁層と導電層が交互に積層された積層構造の段差の形成にインプリントリソグラフィを用いるようにしてもよいし、絶縁層と半導体層が交互に積層された積層構造の段差の形成にインプリントリソグラフィを用いるようにしてもよい。
図6(a1)から図6(a3)は、インプリントパターン5´のエッチング状態を示す断面図、図6(b1)から図6(b3)は、インプリントパターン5のエッチング状態を示す断面図である。なお、ここでは、段差B1の高さが1段当たり100nm、段差B2の高さが1段当たり200nmとした。
図6(a1)において、インプリントパターン5´の段差B1が6段分あるとする。ここで、1段分の段差C1を形成するために、インプリントパターン5´の総エッチング量は最下段の膜厚TBで決めることができる。
次に、図6(a2)に示すように、インプリントパターン5´の段差B1が3段分エッチングされたものとする。この時、インプリントパターン5´の総エッチング量は300nmとなる。ここで、インプリントパターン5´のエッチングばらつき範囲が25%であるものとする。この時、エッチング量差は75nmとなり、インプリントパターン5´の最小残膜厚は25nmとなる。エッチング量差は、総エッチング量の最大値Maxと最小値Minとの差分である。
次に、図6(a3)に示すように、インプリントパターン5´の段差B1がさらに1段分エッチングされたものとする。この時、インプリントパターン5´の総エッチング量は400nmとなる。ここで、インプリントパターン5´のエッチングばらつき範囲が25%であるものとする。この時、エッチング量差は100nmとなり、インプリントパターン5´の最小残膜厚は0nmとなる。このため、インプリントパターン5´が4段分エッチングされた時にインプリントパターン5´に段ずれが発生する。
一方、図6(b1)において、インプリントパターン5の段差B1が3段分、段差B2が3段分あるとする。ここで、1段分の段差C1を形成するために、インプリントパターン5の総エッチング量は最下段の膜厚TBで決めることができる。
次に、図6(b2)に示すように、インプリントパターン5の段差B1が3段分エッチングされたものとする。この時、インプリントパターン5の総エッチング量は300nmとなる。ここで、インプリントパターン5のエッチングばらつき範囲が25%であるものとする。この時、エッチング量差は75nmとなり、インプリントパターン5の最小残膜厚は125nmとなる。
次に、図6(b3)に示すように、インプリントパターン5の段差B2が1段分エッチングされたものとする。この時、インプリントパターン5の総エッチング量は500nmとなる。ここで、インプリントパターン5のエッチングばらつき範囲が25%であるものとする。この時、エッチング量差は125nmとなり、インプリントパターン5の最小残膜厚は75nmとなる。このため、インプリントパターン5が4段分エッチングされた場合においても、インプリントパターン5に段ずれが発生しない。
一般的には、インプリントパターン5のK段目までは段ずれは発生せず、K+1段目から段ずれが発生するものとする。この時、テンプレートTPのK+1段目以降の段差の高さをK段目以前の段差の高さのA(Aは1より大きな実数)倍とすることができる。これにより、インプリントパターン5をマスクとしてエッチングされたエッチングパターンの段差の段ずれの発生をK+K(A−1)/A段目まで遅らせることができる。
例えば、1〜10段目までエッチングしても段ずれが発生せず、11段目のエッチングで段ずれが発生するものとする。この時、11段目以降の段差を2倍にすると、15段目まで段ずれが発生しないようにすることができる。これにより、1回のインプリントリソグラフィで5段分多くエッチングでき、コストダウンを図りつつスループットを向上させることができる。16段目以降の段差をさらに2倍にすると、20段目まで段ずれが発生しないようにすることができる。これにより、1回のインプリントリソグラフィで10段分多くエッチングでき、さらなるコストダウンを図りつつスループットを向上させることができる。
(第2実施形態)
図7(a)は、第2実施形態に係るテンプレートの構成を示す断面図である。
図7(a)において、テンプレートTP´には32段の段差が設けられている。ここで、1段目から24段目までは各段に段差A1´が設けられ、25段目から32段目までは各段に段差A2´が設けられている。各段の段差A1´の高さは50nm、各段の段差A2´の高さは100nmとすることができる。
これにより、1段目から32段目までの各段に段差A1´を設けた場合に比べてエッチングの均一性のマージンを増大することができる。例えば、1段目から32段目までの各段に段差A1´を設けた場合のエッチングの均一性のマージンが±1.6%であるとすると、テンプレートTP´を用いた時のエッチングの均一性のマージンは±2.1%に増大させることができる。
(第3実施形態)
図7(b)は、第3実施形態に係るテンプレートの構成を示す断面図である。
図7(b)において、テンプレートTP´´には32段の段差が設けられている。ここで、1段目から16段目までは各段に段差A1´´が設けられ、17段目から24段目までは各段に段差A2´´が設けられ、25段目から32段目までは各段に段差A3´´が設けられている。各段の段差A1´´の高さは50nm、各段の段差A2´´の高さは100nm、各段の段差A3´´の高さは200nmとすることができる。
これにより、1段目から32段目までの各段に段差A1´を設けた場合に比べてエッチングの均一性のマージンを増大することができる。例えば、1段目から32段目までの各段に段差A1´を設けた場合のエッチングの均一性のマージンが±1.6%であるとすると、テンプレートTP´´を用いた時のエッチングの均一性のマージンは±3.1%に増大させることができる。
(第4実施形態)
図8(a)は、第4実施形態に係るテンプレートの構成を示す斜視図、図8(b)は、図8(a)のテンプレートを用いて形成されたインプリントパターンの構成を示す斜視図である。
図8(a)において、テンプレートTPAには、高さ方向に1段目から4段目まで階段状に段差A11が設けられ、5段目から6段目まで段差A11の方向と同一方向に階段状に段差A12が設けられている。段差A12の高さは段差A11の高さより大きい。
また、テンプレートTPAには、1段目から4段目までの段差A11の各段に段差A11の方向と異なる方向に階段状に段差A13が設けられ、5段目から6段目まで段差A12の各段に段差A12の方向と異なる方向に階段状に段差A14が設けられている。段差A13の高さは段差A11の高さより小さい。段差A14の高さは段差A12の高さより小さくかつ段差A13の高さより大きい。
なお、ここで言う段差の方向とは、各段の段差面の方向を言う。各段の段差面とは、各段の垂直面である。例えば、段差A11、A12の段差面は、x軸に垂直な垂直面である。段差A13、A14の段差面は、y軸に垂直な垂直面である。
そして、図8(b)に示すように、テンプレートTPAをインプリント材に押し当てることにより、基材14上にインプリントパターンIPAを形成する。インプリントパターンIPAでは、テンプレートTPAの段差A11に対応して段差B11が設けられ、テンプレートTPAの段差A12に対応して段差B12が設けられ、テンプレートTPAの段差A13に対応して段差B13が設けられ、テンプレートTPAの段差A14に対応して段差B14が設けられている。
このように、上述した実施形態では、互いに高さの異なる段差A11、A12の方向と異なる方向に互いに高さの異なる段差A13、A14をテンプレートTPAに設けることができる。これにより、1回のインプリントリソグラフィで複数の方向に高さの異なる多段構造の段差を持つインプリントパターンIPAを形成することができる。このため、インプリントパターンIPAをマスクとして形成されるエッチングパターンの段差に段ずれが発生するのを防止ししつつ、スループットを向上させることが可能となる。
(第5実施形態)
図9は、第5実施形態に係るインプリント装置の概略構成を示す側面図である。なお、図9では、紫外線照射型インプリント装置を例にとる。
図9において、インプリント装置には、装置全体を支持する基台21、ウェハWを載せるステージ22、ステージ22を水平方向に駆動する水平駆動部23、テンプレートTPを垂直方向に駆動する垂直駆動部24、垂直駆動部24下でテンプレートTPを支持する支持部25、ウェハWにインプリント材を滴下する滴下部26、紫外光をウェハW上に照射する照射部27、垂直駆動部24および滴下部26をウェハW上で支持する支持部28、照射部27をテンプレートTP上で支持する支持部29、支持部28をウェハW上で支持する支持部30が設けられている。また、インプリント装置には、ナノインプリント動作を制御する制御部31およびインプリント装置の操作画面や操作状況などを表示する表示部32が設けられている。
そして、ウェハWがステージ22上に搬送されると、ステージ22が水平方向に駆動され、ウェハWのショット領域が滴下部26下に移動される。そして、インクジェット法などを用いることにより、滴下部26からインプリント材がウェハW上に滴下される。1ショット分のインプリント材が滴下されると、テンプレートTPが下降されることでインプリント材に押し当てられる。その状態でテンプレートTPを介して照射部27からインプリント材に紫外線が照射されることでインプリント材が硬化され、テンプレートTPのテンプレートパターンがインプリント材に転写されたインプリントパターンが形成される。
テンプレートTPは、図1(b)の構成であってもよいし、図7(a)の構成であってもよいし、図7(b)の構成であってもよいし、図8(a)の構成であってもよい。これにより、多段構造の段差を持つインプリントパターンをマスクとしてエッチングパターンを形成する時に、エッチングの不均一性がある場合においても、エッチングパターンの段差に段ずれが発生するのを防止することができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
1 基材、2、3 絶縁層、TA 積層体、4 インプリント材、TP テンプレート、A1、A2、B1、B2、C1 段差、5、5´ インプリントパターン、6 絶縁膜、7 支柱、8 スリット、9 空隙、10 導電層、11 絶縁膜、12 導電体

Claims (5)

  1. 高さ方向に1段目からN(Nは2以上の整数)段目まで階段状に設けられた段差を備え、
    前記段差は、
    1段目からK(Kは1以上かつN−1以下の整数)段目の第1段差と、
    K+1段目からM(MはK+1以上かつN以下の整数)段目の第2段差とを備え、
    前記第2段差の高さの方が前記第1段差の高さより大きいテンプレート。
  2. 前記段差は、
    前記第1段差の各段に前記第1段差の方向と異なる方向に設けられた第3段差と、
    前記第2段差の各段に前記第2段差の方向と異なる方向に設けられた第4段差とを備え、
    前記第3段差の高さは前記第1段差の高さより小さく、
    前記第4段差の高さは前記第2段差の高さより小さく、かつ前記第3段差の高さより大きい請求項1に記載のテンプレート。
  3. 前記第1段差の高さに対する前記第2段差の高さの比は1より大きくかつ5以下である請求項1または2に記載のテンプレート。
  4. ウェハを保持するステージと、
    前記ウェハ上にインプリント材を滴下する滴下部と、
    前記ウェハ上に滴下された前記インプリント材にテンプレートを押し当てる押当部とを備え、
    前記テンプレートは、高さ方向に1段目からN(Nは2以上の整数)段目まで階段状に設けられた段差を備え、
    前記段差は、
    1段目からK(Kは1以上かつN−1以下の整数)段目の第1段差と、
    K+1段目からM(MはK+1以上かつN以下の整数)段目の第2段差とを備え、
    前記第2段差の高さの方が前記第1段差の高さより大きいインプリント装置。
  5. エッチング材上にインプリント材を滴下し、
    前記滴下されたインプリント材にテンプレートを押し当てることでインプリントパターンを前記エッチング材上に形成し、
    前記テンプレートが押し当てられたまま前記インプリントパターンを硬化させ、
    前記硬化されたインプリントパターンをマスクとして前記エッチング材をエッチングすることでエッチングパターンを形成する半導体装置の製造方法であって、
    前記テンプレートは、高さ方向に1段目からN(Nは2以上の整数)段目まで階段状に設けられた段差を備え、
    前記段差は、
    1段目からK(Kは1以上かつN−1以下の整数)段目の第1段差と、
    K+1段目からM(MはK+1以上かつN以下の整数)段目の第2段差とを備え、
    前記第2段差の高さの方が前記第1段差の高さより大きく、
    前記インプリントパターンには、前記テンプレートの前記第1段差および前記第2段差がそれぞれ転写された第3段差および第4段差が形成され、
    前記エッチングパターンには、前記インプリントパターンの第3段差および第4段差にそれぞれ対応して第5段差および第6段差が形成され、
    前記第5段差の高さと前記第6段差の高さとは等しい半導体装置の製造方法。
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