JP4242145B2 - ミクロンおよびサブミクロン構造を有する半導体および他のマイクロ装置およびナノ装置の製造中の光学−機械式構造作製方法 - Google Patents
ミクロンおよびサブミクロン構造を有する半導体および他のマイクロ装置およびナノ装置の製造中の光学−機械式構造作製方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ミクロンおよびサブミクロン寸法の構造を有する半導体、電気装置、電気機械装置、マイクロ機械装置および電子光学装置の製造に関し、特に、ミクロン構造を備える装置およびサブミクロン構造を含む装置の層状作製中に、ポリマー薄膜内にミクロンおよびサブミクロン寸法の構造を形成するための方法およびシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明は、小型、ミクロンおよびサブミクロン寸法の素子および構成要素を有するさまざまな種類の最新の電子装置、電磁装置、マイクロ機械装置および電子光学装置の製造に適用される。以下の説明では、そのような装置をマイクロ装置またはナノ装置と呼ぶ。
【０００３】
本発明の方法およびシステムの１つの一般的な用途は、半導体作製にある。半導体の作製中、半導体装置は、シリコン、ガラスまたはポリマー基板の上部に層状に形成される。これらの基板は、硬質でも可撓性でもよい。信号線やトランジスタなどの小型構造は、周知のフォトリソグラフィ法を使用して作製される。図１〜図８は、半導体の製造中に、ミクロンおよびサブミクロン構造を現時点で作製する一般的な方法を示す。図１に、シリコン基板１０１の矩形部分が示されている。基板は、平坦化したシリコン、ガラスまたはポリマー層でよいが、すでに部分的に作製済みの半導体の平坦面でもよい。図２では、酸化物層１０２が、基板１０１上に載置されるか、その表面上に発生している。図３では、薄いフォトレジスト層１０３が、酸化物層１０２の上部に載置されている。
【０００４】
フォトリソグラフィマスクをフォトレジストの表面の上に隣接配置して、紫外線（”ＵＶ”）をフォトリソグラフィマスクを通してフォトレジスト層１０３の表面に照射する。フォトリソグラフィマスクは、フォトレジスト層１０３の下の酸化物層１０２内に形成すべき構造のデザインを定める透明領域および不透明領域を有する。フォトリソグラフィマスクは、ＵＶ線照射に対するフォトレジスト層１０３の応答がポジ型か、ネガ型かに応じて、ポジ型マスクまたはネガ型マスクのいずれかにすることができる。図１〜図８に示された例では、ＵＶ線を照射したフォトレジスト材が化学的に変質して、フォトレジストを劣化させ、フォトレジストを溶剤に溶解しやすくする。フォトリソグラフィマスクは、構造を描く透明領域を有し、ＵＶ線は、フォトリソグラフィマスクの不透明の非構造領域を透過できないで遮断される。したがって、ＵＶ線がフォトリソグラフィマスクを透過してフォトレジスト層の表面に達すると、フォトレジスト層の領域が化学的に変質するが、非構造領域は、溶剤に溶解しない性質を持ったままである。
【０００５】
図４は、ＵＶ線がフォトリソグラフィマスクを透過してフォトレジスト層の表面に達した後のフォトレジスト層を示す。フォトレジストの化学的変質部分１０４および１０５が、フォトリソグラフィマスクの透明領域の下方に位置した。次の段階で、フォトレジスト層を溶剤にさらすことによって、フォトレジスト１０３の化学的変質部分を除去する。化学的変質フォトレジスト領域の除去によって、フォトレジスト層内に浅いチャネルが残り、チャネルの底部に酸化物が露出する。次に、フォトレジスト層の下の酸化物層１０２を化学的にエッチングするか、荷電粒子ビームによってエッチングして、フォトレジスト内の浅い構造チャネルに対応したチャネルをポリマー層に形成する。エッチング方法は、露出した酸化物を食刻するが、ＵＶ線照射によって化学的に劣化していない残留フォトレジスト層によって妨げられる。酸化物層のエッチングに続いて、残留フォトレジストを化学的または機械的処理によって除去する。
【０００６】
図５は、上記エッチング段階で酸化物層内に食刻された構造チャネルを示す。チャネル１０６および１０７は、ＵＶ線照射によってフォトレジスト層内に形成された構造パターン（図４の１０４および１０５）に対応する。構造が金属信号線であるとすると、次の段階で、金属層１０８を酸化物層１０２の表面上に付着させて、構造チャネルを満たし、酸化物層の上に追加層を加える。図６は、金属層を付着させた後の作製中の半導体装置の矩形部分を示す。次に、作製中の半導体装置の表面を化学的または機械的に平坦化して、金属層を除去し、酸化物層内に埋め込まれた金属信号線を残す。図７は、埋め込まれた信号線を有する酸化物層を示す。最後に、酸化物層１０２内に形成された構造の上に追加構造を形成するため、酸化物層の上に次のポリマー、ポリシリコン、シリコン酸化物または他の種類の層を載置することができる。図１〜図８に示された段階を何度も繰り返すことによって、半導体装置の層内に複雑な三次元構造配列を形成することができる。
【０００７】
図１〜図８に示された従来のフォトリソグラフィに基づいた構造作製段階は、ますます小型かつ微細な半導体装置を製造するために何十年にもわたって使用されてきた。しかし、フォトリソグラフィには多くの欠点がある。よく知られている欠点は、ＵＶ線を使用したフォトレジスト層のパターン形成によって課せられる解像度の制約である。縁部回析効果が、投射パターンの解像度を低下させ、構造寸法が小さくなるほど、縁部回析効果がさらに顕著になる。リソグラフィ技術の別の欠点は一般的に、半導体装置の特定層内に構造を作製するために多くの連続した複雑な段階が必要とされることである。各段階で、注意深い整合手順や、費用および時間がかかる化学的、機械的、蒸着および荷電粒子ビームに基づいた手順が必要であり、これによって、製造施設の創設と共に完成した半導体装置の製造の両方に巨額の費用がかかる。リソグラフィ手法のさらに別の欠点は、ＵＶ線パターンを投影する表面全体が狭い焦点深さに入るように、平坦な表面を必要とすることである。したがって、プラスチックシートなどの本来的に平坦化が困難な表面上にミクロンおよびサブミクロン構造を作製するためにフォトリソグラフィ技術を適用することは困難である。
【０００８】
フォトリソグラフィ方法に本来的に存在する構造寸法の制限を克服するために、半導体製造者は、軟Ｘ線でのフォトリソグラフィ方法を開発中であり、最終的には短波長の放射線を用いて構造寸法をナノメートルおよびサブナノメートル範囲まで小さくしようとするであろう。しかし、これらの短波長放射線手法は、まだ完全には商業化されておらず、特に、複雑な半導体製造施設、マスク作製およびマスク／装置の整合の更新のための資本費用に関して非常に高コストである。しかし、半導体製造者は、半導体装置内の微細電子回路の密度を高め続けるために、ますます小さい構造寸法を製造するという一定の経済的圧力を受けている。さらに、センサや小型化学分析システムなどの複雑なマイクロ電気機械システム、分子分析アレイ、電子光学装置、および他のそのような新技術製品を含めた、マイクロ装置およびナノ装置の多くの新しい用途が開発されつつある。半導体装置および他の種類のマイクロ装置およびナノ装置の設計者、製造者およびユーザはすべて、より小さい構造を経済的に製造し、それに応じて半導体装置および他のそのような装置内の構造の密度を高めるためのミクロンおよびサブミクロン構造作製方法の必要性を認識している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、作製中の半導体装置または他のマイクロ装置またはナノ装置のポリマー層内に、ミクロンおよびサブミクロン寸法の構造を作製する方法およびシステムを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの実施形態は、作製中の半導体装置または他のマイクロ装置またはナノ装置のポリマー層内にミクロンおよびサブミクロン構造を作製する方法およびシステムである。小型構造は、対応する貫入部を有する光学−機械式スタンプで薄い粘性ポリマー表面に型押しをするか、低粘性ポリマーを貫入部間の空間に毛管作用によって引き込むことによって低粘性ポリマー膜にエンボス加工することによって、直接的に型押しされる。大型構造は、ＵＶ線を光学−機械式スタンプに透過させることによってポリマー表面の所定領域の表面にＵＶ線を照射し、ポリマーを化学的に変質させて、ＵＶ線照射またはＵＶ線遮蔽領域のいずれかを溶剤によって除去できるようにすることによって形成される。したがって、本発明の上記実施形態は、微細構造には純粋に機械式スタンピングを用い、大型構造にはリソグラフィ様化学的ポリマー除去を用いる部分的透過性型押しマスクを提供している。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の１つの実施形態は、作製中の半導体装置、マイクロ装置、またはナノ装置の層に構造を型押しするための光学−機械式パターン型押しマスク（”ＯＭＰＩＭ”）を提供する。機械式パターン型押しは高解像度を達成することができる、言い換えると、現時点で使用できるフォトリソグラフィ方法よりもっと経済的に小型構造を型押しできることが多い。さらに、機械式パターン型押しは、マイクロ装置またはナノ装置の層に構造をパターン形成するために必要な段階の数を大幅に減少させることができる。しかし、機械式パターン型押しは、現時点で使用できるフォトリソグラフィ方法のように、数十ナノメートル範囲の構造寸法までの構造の寸法による制約よりも、層内の構造の寸法の相違による制約を大きく受ける。本発明の１つの実施形態は、大型構造を作製するためにはフォトリソグラフィ方法を用い、小型構造の作製には純粋に機械的なスタンピング方法を用いることによって、構造寸法の相違の制約を排除している。
【００１２】
図９〜図１４は、作製中のナノ装置の層に構造を型押しするために使用される機械式パターン型押し技術を示している。図９〜図１４およびそれ以降の図では、わかりやすくするために基板および層が断面で示されている。これらの図面は、数千万個の構造を含むことができる作製中のマイクロ装置またはナノ装置全体の断面のわずかな部分だけを示す。図９は、次の構造収容層を形成しようとする硬質または可撓性基板を示す。基板は、ガラス、ポリシリコン、シリコンまたはさまざまなポリマーを含むさまざまな材料で形成することができる。第１段階で、基板の表面に粘性ポリマー層を塗布する。図１０は、基板２０１の上に重ねられたポリマー層２０２を示す。次に、図１１に示されているように、新しく追加されたポリマー層の表面の上に、機械式パターン型押しマスクを載置する。次に、機械式パターン型押しマスクをポリマー層に圧入する。基板が平面的である必要がないことに注意されたい。たとえば、基板は、円筒の表面の凸状の外部分のような形状でもよい。この場合、機械式パターン型押しマスクの表面が対応する凹状表面を有して、機械式パターン型押しマスクの表面全体が基板表面と同時に接触できるようにする。多くの他の基板／マスク相補表面形状が可能である。図１２〜図１４は、機械式パターン型押しマスク２０３がポリマー層２０２を通過して基板２０１上まで押しつけられる状態を示す。機械式パターン型押しマスク２０３は、機械式パターン型押しマスクをポリマー層に圧入した時にポリマー層内に狭小トラフおよび広幅トラフを形成する貫入部２０４〜２０８を有する。図１４に示されているように、機械式パターン型押しマスク２０３を基板２０１にできる限り接近するように押しつけることが、機械式型押し方法の目的である。その後に機械式パターン型押しマスク２０３を取り外した時、ポリマー層には貫入部２０４〜２０７に対応した部分にトラフが残り、ポリマー層の広幅トラフ２１３が、広幅貫入部２０８に対応した位置に残る。図１２〜図１４で、機械式パターン型押しマスクをさらにポリマー層２０１に圧入していくと、ポリマーが貫入部の下から、特に広幅貫入部２０８の下から押しのけられるので、貫入部間の広幅トラフ内のポリマー層の高さが増加する。
【００１３】
残念ながら、構造寸法の相違のため、機械式パターン型押しマスクをポリマー層の所望深さまで押し込むことができないであろう。図１５は、機械式パターン型押しマスクの大型すなわち広幅貫入部が１つまたは複数の狭小貫入部の隣に位置する時に発生すると思われる問題を示している。広幅貫入部２０８の下から押しのけられた粘性ポリマーが、広幅貫入部２０８および狭小貫入部２０７間の広幅トラフ２１４のほぼ上部まで押し上げられていることに注意されたい。それ以上のポリマーを広幅貫入部２０８の下から広幅トラフ２１４内へ押しのけることができない。さらに、ポリマーは粘性が非常に高いため、ポリマーを隣接する広幅トラフまたは領域内へ横向きに移動させるには、非常に大きい圧力が必要であろう。したがって、一般的に、貫入部２０８などの広幅貫入部によって押しのけられたポリマーの体積を、広幅トラフ２１４などの隣接した広幅トラフ内に収容しなければならない。
【００１４】
図１５に示された例では、広幅貫入部の幅２１５がｗ1、広幅貫入部の左側の広幅トラフの幅２１６がｗ2、機械式パターン型押しマスクの貫入部の高さ２１７がｈ、貫入部をポリマー層に圧入する深さ２１８がｄであるとし、また、貫入部および広幅トラフが直線的で、図１５の平面に対して直交する方向の寸法がｘであるとすると、広幅貫入部２０８によって押しのけられるポリマーの体積は、
ｗ1ｄｘ
であり、広幅トラフ２１４の容積は、
ｗ2ｈｘ
である。前述したように、広幅トラフの容積は、広幅貫入部２０８から押しのけられたポリマーの体積の半分より大きくなければならない。
１／２・ｗ1ｄｘ＜ｗ2ｈｘ
ｗ1ｄ＜２ｗ2ｈ
ｗ1ｄ／ｈ＜２ｗ2
したがって、図１５に示された問題を軽減するためには、貫入部間の広幅トラフの容積が押しのけられたポリマーを収容できる寸法に増加するほどまで、機械式パターン型押しマスク貫入部のアスペクト比ｗ1／ｈを減少させるように決定すればよいであろう。しかし、機械式パターン型押しマスクの貫入部のアスペクト比は、さまざまな機械的および流体流の制約によって制限される。たとえば、ポリジメチルシロキサン（"ＰＤＭＳ"）マスクの場合、アスペクト比を１：３以上にする必要がある。
【００１５】
広幅の機械式パターン型押し貫入部の別の問題は、マスクがポリマー層を通過して下側の基板に達するまで押し下げるために必要な時間が、以下のように少なくとも挿入工程の一部分で、広幅貫入部の底部および基板表面間のポリマー層の厚さｄtに対するポリマー層深さｄの比の二乗に比例する。
ｔ＝ｖｗ1／２Ｐｄ・［（ｄ／ｄt ）2 −１］
ただし、ｖはポリマーの粘度、Ｐは機械式パターン型押しスタンプに加えられる圧力、ｔは秒単位の時間である。
【００１６】
貫入部の幅が大きくなるほど、機械式パターン型押しマスク貫入部をポリマー層内の所望深さまで押し込むのに必要な時間が長くなる。上記問題を軽減しようとして、低粘性ポリマーを使用することも可能であるが、低粘性ポリマーはもっと容易に押しのけられるが、毛管作用によって狭小マスクトラフ内へ優先的に引き込まれて、広幅マスクトラフ内のポリマーを欠乏させる。
【００１７】
あるいは、低粘性流体ポリマー溶液の薄層を塗布した表面上に機械式型押しを行ってもよい。これらの方法では、毛管作用によってすべてのトラフを完全に満たすのに十分なポリマー溶液が存在する。しかし、硬化ポリマーの大きい部分を効果的に除去する必要から、これらの広幅領域を狭小領域と異なった方法で処理する必要性が示唆される。
【００１８】
上記問題を解決するために、本発明の１つの実施形態は、機械式スタンピングを、リソグラフィー様のＵＶ線誘導示差的ポリマー硬化および未硬化ポリマーの化学的除去と組み合わせた光学−機械式パターン型押しマスク（"ＯＭＰＩＭ"）を提供している。図１６のＡ〜Ｄおよび図１７のＡ〜Ｄは、本発明の２つの異なる実施形態によって与えられる光学−機械式パターン型押しを示す。図１６のＡは、ＵＶ線硬化性ポリマー層４０２、たとえば、ノーランド・エヌ・オー・エー（Norland NOA)光学接着性ポリマーか、チバガイギ・イルガキュア(Cibageigy Irgacure)６５１と混合した１，６−ヘキサンジオール・ジアクリレートを上部に塗布した基板４０１を示す。ＵＶ線硬化性ポリマー層には、ＵＶ線硬化性ポリマー層４０２内に埋め込まれる構造に対応した狭小トラフおよび広幅トラフを型押しする必要がある。図１６のＢに示されているように、ＯＭＰＩＭ４０３をポリマー層上まで押し下げて、ＯＭＰＩＭ４０３の貫入部を基板４０１の表面付近まで押込むと、押しのけられたポリマーがＯＭＰＩＭの構造間の広幅トラフ４０４〜４０７内へ上昇する。
【００１９】
ＯＭＰＩＭ４０３は、貫入部に加えて、ポリマー層内に型押しする必要がある広幅構造に対応したＵＶ線ブロック４０８を有する。ＯＭＰＩＭ自体は、ＵＶ線を透過する。ＯＭＰＩＭは、ＰＤＭＳ、石英、ガラス、またはマスク貫入部および他のマスク構造を作製するために成型、エッチングまたは付着手法を使用する他のＵＶ線透過材料で形成することができる。図１６のＢでは、ＯＭＰＩＭ貫入部に対応した小型構造がＵＶ線硬化性ポリマー層４０２内に型押しされているが、大型の中央構造はそうでない。次に、図１６のＣに示されているように、ＵＶ線がＯＭＰＩＭを透過してＵＶ線硬化性ポリマー層４０２の表面に達する。ＵＶ線は、ＵＶ線マスク４０８によって遮られた領域を除いて、ＯＭＰＩＭの全領域を透過する。マスクにＵＶ線を照射することによって、ＯＭＰＩＭを透過したＵＶ線が当たったポリマー層の部分４１０が硬化するが、ＵＶ線マスク４０８によってＵＶ線が当たらないように遮蔽されたポリマー４１１は未硬化のままである。最後に、図１６のＤに示されているように、ＯＭＰＩＭを取り外し、未硬化ポリマーを溶剤で溶解させることによって、未硬化ポリマーを基板から除去する。狭小トラフおよび広幅トラフの底部に残留している硬化ポリマーは、異方性酸素−プラズマエッチングによって除去することができる。このようにして、狭小および広幅の両方の構造がポリマー層４０２内に型押しされ、狭小構造は純粋に機械的手段によって型押しされ、広幅のトラフ状構造４１２は、ＵＶ線によってポリマー層の領域に異なる化学安定度を生じるフォトリソグラフィ様方法によって形成される。縁部回析効果が広幅構造の輪郭を幾分ぼかすが、リソグラフィ様手法を使用して作製された広幅構造と比較すれば大したことはなく、また、小型構造の純粋に機械的なスタンピングは、ＵＶ線を用いたリソグラフィ技術では回析効果のために得られない鮮明さを与える。
【００２０】
ＵＶ線照射によって硬化が阻止される、以下の説明で「ネガ型ポリマー」と呼ぶポリマーを、上記実施形態のものと逆の向きにＵＶ線ブロックを有するＯＭＰＩＭで用いることができる。この変更形ＯＭＰＩＭおよびＯＭＰＩＭに基づいた方法が、図１７のＡ〜Ｄに示されている。図１７のＡに示されているように、ネガ型ポリマー層５０２を基板５０１の表面に塗布する。次に、図１７のＢに示されているように、ＯＭＰＩＭ５０３をネガ型ポリマー層５０２に圧入する。ＯＭＰＩＭ５０３は、ＵＶ線遮断領域５０４〜５１７を有しており、それ以外ではＵＶ線を透過する。次に、図１７のＣに示すように、ＵＶ線をＯＭＰＩＭに透過させてネガ型ポリマー層に当てる。ＵＶ線は、ＵＶ線遮断領域５０４〜５１７によって遮断されるが、非ＵＶ線遮断領域を透過して、非ＵＶ線遮断領域の下側にあるネガ型ポリマーの領域５２０の領域に当たってそれを化学的に変質させる。次に、スタンプを取り外す前に、非ＵＶ線照射ポリマーを熱硬化させてもよい。スタンプをきれいに取り外しやすくするために、スタンプの表面は未硬化ポリマーに対して化学的親和性を有していてはならない。たとえば、未硬化ポリマーが親水性である場合、スタンプの表面が疎水性でなければならない。ＵＶ線を照射したポリマーは、熱を加えることによって硬化しない。それから、図１７のＤに示されているように、ＯＭＰＩＭを取り外した後、ネガ型ポリマーの化学的変質領域をアセトンなどの溶剤で溶かすことができる。図１６のＡ〜Ｄを参照して説明した上記実施形態の場合と同様に、狭小構造は、純粋に機械的手段によってポリマー層５０２上に型押しされており、広幅トラフ状構造５２１は、ＵＶ線の選択的照射によってポリマー領域に異なる化学安定度を生じることによって、フォトリソグラフィ様手法で作製されている。
【００２１】
図１８のＡ〜Ｄは、本発明の別の実施形態を示すＯＭＰＩＭを使用したポリシリコン薄膜トランジスタの作製を示す。図１８のＡは、２つの段形貫入部(two-stepped intrusions)６０２および６０３の横に２つのＵＶ線遮断領域６０４および６０５を設けたＯＭＰＩＭ６０１を示す。ＯＭＰＩＭが、ゲート金属層６０７、ゲート絶縁体層６０８、ポリシリコン層６０９および基板６１０の上に塗布されたＵＶ線硬化性ポリマー装置６０６に圧入されている。ＯＭＰＩＭおよび下側のＵＶ線硬化性ポリマーにＵＶ線を照射して、２つの段形貫入部(two-stepped intrusions)６０２、６０３の間のポリマーを硬化させる。２つのＵＶ線遮断領域６０４および６０５の下側のポリマーは未硬化状態のままである。ＯＭＰＩＭを取り外して、未硬化ポリマーを溶剤に溶解させることによって、図１８のＢに示された段形ＵＶ線硬化ポリマー構造６１２を生じることができる。図１８のＢでは、ＵＶ線硬化ポリマー６１２によって保護されていない金属を除去する方法によって、ポリマー構造６１２によって保護されていないゲート金属が除去されていることに注意されたい。次に、図１８のＣに示されているように、荷電粒子ビームによるイオン注入を用いて、ポリシリコン層６０９にドーピングを行う。荷電イオンが通過する層の重なりの数をできる限り少なくすると、ドーピングレベルが最高になる、言い換えると、ドーパントの濃度が高くなる。したがって、ドーピングレベルは、ＵＶ線硬化ポリマー構造６１２によって覆われていない領域で最高であり、ＵＶ線硬化ポリマー構造６１２の中央部分の真下で最低であるか、ゼロであり、ＵＶ線硬化ポリマー構造６１２の段形部分の下側で中間レベルである。次に、熱アニーリングまたはレーザーアニーリングによって注入イオンを活性化する。次に、ＵＶ線硬化ポリマーの段形部分を除去し、この部分の下側のゲート金属を金属エッチによって除去する。最後に、ゲート金属の上のポリマーカラーを除去する。示差的ドーピングによって、図１８のＤに示されているように、十分にドーピングされたポリシリコン層領域６１４および６１５と、低濃度ドーピングされたポリシリコン層領域６１６および６１７と、実質的にドーピングされていないポリシリコン領域６１８とが生じる。この示差的ドーピングされた薄膜トランジスタは、低レベルドーピングされたソース／ドレイン薄膜トランジスタとして周知である。トランジスタのドレイン領域付近が低ドーピングレベルであることによって、動作中のドレイン領域付近の電界が低減される。この電界の減少は、「オフ」状態での電界誘導ソース／ドレイン電流漏れを低減すると共に、「オン」状態に切り換えた時のソース／ドレイン電流の急増を低減することによって、トランジスタの性能を向上させる。
【００２２】
図１９のＡおよびＢは、ＯＭＰＩＭのＵＶ線遮断領域および貫入部構造の変更例を示す。図１９のＡに示されているように、ＵＶ線遮断領域は、ＯＭＰＩＭの表面に固定する（７０１）か、ＯＭＰＩＭの表面と面一に挿入する（７０２）か、ＯＭＰＩＭ内に埋め込む（７０３）ことができる。ＵＶ線遮断領域は、ＯＭＰＩＭの上面または下面のいずれに重ねてもよい。ＵＶ線遮断領域は、さまざまな金属薄膜で形成できるが、カーボンブラック、不透明ポリマー材および回析光フィルタを含めた他のさまざまなＵＶ線不透過材料で形成することもできる。図１９のＢに示すように、貫入部７０４〜７０７のようなＯＭＰＩＭ貫入部がＵＶ線遮断領域を含んでもよく、貫入部はさまざまな長さにすることができる。ＵＶ線遮断領域を基板にできる限り近づけて設けることによって、より高い解像度を得ることができる。
【００２３】
本発明を特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明がこの実施形態に制限されることは意図していない。発明の精神の範囲内の変更が、当該技術分野の専門家には明らかであろう。たとえば、ＯＭＰＩＭは、さまざまな異なったＵＶ線透過材料で形成してもよい。下側のポリマー層を化学的に変質させるために、ＯＭＰＩＭを他の物理的処理と組み合わせて使用することもできる。たとえば、長い波長の放射光を用いることができ、その場合、ＯＭＰＩＭは長い波長の放射光を透過できなければならない。他の技術では、ＯＭＰＩＭが一定の荷電粒子を比較的透過しやすくして、荷電粒子マスクをＯＭＰＩＭの上に重ねるか、その内部に埋め込むことができる。ＯＭＰＩＭを作製することによって、狭小構造は機械的に型押しし、広幅構造は、層の選択的放射線誘導化学的変質に続いて層の変質部分を溶剤で除去することによって得るようにして、半導体装置や他の電子装置、電気機械装置、機械装置または電気光学装置の層上にほぼ無数の構造パターンを型押しすることができる。特定装置のパターン型押し要件に従って、さまざまな異なった形状および寸法のＯＭＰＩＭを作製することができる。前述したように、毛管作用によって貫入部間の空間に引き込まれた粘性ポリマー膜または低粘性ポリマー膜の両方の型押しにＯＭＰＩＭを使用することができる。
【００２４】
本発明は以下に要約される。
【００２５】
１． ミクロンおよびサブミクロン素子および構成要素を有するように構成された装置のポリマー層（４０２、５０２）内に構造を作製する方法において、
光学−機械式パターン型押しマスク（４０３、５０３）を配設する段階と、
前記光学−機械式パターン型押しマスク（４０３、５０３）からのパターンを前記ポリマー層（４０２、５０２）上に機械的に転写して、前記ポリマー層内に狭小構造を形成する段階と、
放射線を光学−機械式パターン型押しマスクに透過させて、ポリマーの領域（４１１、５２０）に放射線を選択的に照射して、ポリマーの露光領域およびポリマーの非露光領域に化学安定度の差を生じる段階と、
化学除去方法の影響を受けやすいポリマーの領域（４１１、５２０）を除去する段階と、
を備えることを特徴とする方法。
【００２６】
２． 前記光学−機械式パターン型押しマスクは、
ポリマー層に圧入される表面上の貫入部(intrusions)（２０４、２０７）、または、低粘性ポリマー溶液を毛管作用によって引き込む表面上の貫入部（２０４、２０７）のいずれかを備えることを特徴とする第１項に記載の方法。
【００２７】
３． 前記光学−機械式パターン型押しマスクは、所定のポリマー領域への照射を遮断するための放射線遮断領域（４０８、５０４〜５１７）を具備し、放射線が紫外線であることを特徴とする第１項に記載の方法。
【００２８】
４． 前記ポリマーは、紫外線の照射によって硬化し（４０９、４１０）、前記放射線遮断領域（４０８）は、ポリマーの非構造領域(non-feature regions)に対応することを特徴とする第３項に記載の方法。
【００２９】
５． 前記ポリマーは、紫外線照射によって化学的に不安定化し（５２０）、前記放射光遮断領域（５０４〜５１７）は、ポリマーの構造領域に対応することを特徴とする第３項に記載の方法。
【００３０】
６． 紫外線透過体（４０３、５０３）と、
該紫外線透過体の表面上に形成された紫外線透過貫入部（２０４〜２０７）と、
紫外線不透過遮断領域（４０８、５０４〜５１７）と、
を備えることを特徴とする光学−機械式パターン型押しマスク。
【００３１】
７． 前記紫外線透過体（４０３、５０３）および紫外線透過貫入部（２０４〜２０７）は、ポリジメチルシロキサン、石英、およびガラスのうちの１つで形成されていることを特徴とする第６項に記載の光学−機械式パターン型押しマスク。
【００３２】
８． 前記紫外線不透過遮断領域（４０８、５０４〜５１７）は、
金属薄膜、カーボンブラック層、および光学回析材料層のうちの１つであることを特徴とする第６項に記載の光学−機械式パターン型押しマスク。
【００３３】
９． 前記紫外線不透過遮断領域は、
前記紫外線透過体の表面に付着させる（７０１）か、
前記紫外線透過体の表面内へ、それに面一に埋め込む（７０２）か、
前記紫外線透過体の表面の近くではなく、その内部に埋め込む（７０３）
ことによって設けられていることを特徴とする第６項に記載の光学−機械式パターン型押しマスク。
【００３４】
１０． 前記紫外線透過体（４０３、５０２）は、未硬化ポリマーに対して化学的親和性が低いか、まったくない材料で形成されている第６項に記載の光学−機械式パターン型押しマスク。
【００３５】
説明を目的とする以上の記載は、本発明を完全に理解できるようにするために特定の用語を使用している。しかし、本発明を実施するために特定の詳細が必要でないことは、当該技術分野の専門家には明らかであろう。本発明の特定の実施形態の以上の記載は、説明のためのものである。それらは完全ではなく、本発明を開示されたそのままの形に制限するものでもない。当然ながら、上記教示に照らして、多くの変更および変形が可能である。実施形態は、当該技術分野の専門家が本発明および意図した特定用途に合わせてさまざまな変更を加えたさまざまな実施形態を最善に使用できるようにするために、本発明の原理およびそれの実際の用例を最善に説明するために示されいる。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびそれの等価物によって定義されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体の製造中にミクロンおよびサブミクロン構造を現時点で作製する一般的な方法を示す図である。
【図２】半導体の製造中にミクロンおよびサブミクロン構造を現時点で作製する一般的な方法を示す図である。
【図３】半導体の製造中にミクロンおよびサブミクロン構造を現時点で作製する一般的な方法を示す図である。
【図４】半導体の製造中にミクロンおよびサブミクロン構造を現時点で作製する一般的な方法を示す図である。
【図５】半導体の製造中にミクロンおよびサブミクロン構造を現時点で作製する一般的な方法を示す図である。
【図６】半導体の製造中にミクロンおよびサブミクロン構造を現時点で作製する一般的な方法を示す図である。
【図７】半導体の製造中にミクロンおよびサブミクロン構造を現時点で作製する一般的な方法を示す図である。
【図８】半導体の製造中にミクロンおよびサブミクロン構造を現時点で作製する一般的な方法を示す図である。
【図９】作製中のマイクロ装置またはナノ装置の層に構造を型押しするために使用される機械式パターン型押し技術を示す図である。
【図１０】作製中のマイクロ装置またはナノ装置の層に構造を型押しするために使用される機械式パターン型押し技術を示す図である。
【図１１】作製中のマイクロ装置またはナノ装置の層に構造を型押しするために使用される機械式パターン型押し技術を示す図である。
【図１２】作製中のマイクロ装置またはナノ装置の層に構造を型押しするために使用される機械式パターン型押し技術を示す図である。
【図１３】作製中のマイクロ装置またはナノ装置の層に構造を型押しするために使用される機械式パターン型押し技術を示す図である。
【図１４】作製中のマイクロ装置またはナノ装置の層に構造を型押しするために使用される機械式パターン型押し技術を示す図である。
【図１５】機械式パターン型押しマスクの大型または広幅貫入部が１つまたは複数の狭小機械式パターン型押しマスク貫入部に隣接して設けられている時に生じると思われる問題を示す図である。
【図１６】本発明の２つの異なる実施形態によって与えられる光学−機械式パターン型押しを示す図である。
【図１７】本発明の２つの異なる実施形態によって与えられる光学−機械式パターン型押しを示す図である。
【図１８】本発明の実施形態を表す光学−機械式パターン型押しマスクを使用したポリシリコン薄膜トランジスタの作製を示す図である。
【図１９】光学−機械式パターン型押しマスクのＵＶ線遮断構造および貫入部構造の変更例を示す図である。
【符号の説明】
２０４、２０７ 貫入部
４０２、５０２ ポリマー層
４０３、５０３ 光学―機械式パターン型押しマスク
４０８、５０４〜５１７ 放射線遮断領域
４１１、５２０ ポリマー領域
【発明の属する技術分野】
本発明は、ミクロンおよびサブミクロン寸法の構造を有する半導体、電気装置、電気機械装置、マイクロ機械装置および電子光学装置の製造に関し、特に、ミクロン構造を備える装置およびサブミクロン構造を含む装置の層状作製中に、ポリマー薄膜内にミクロンおよびサブミクロン寸法の構造を形成するための方法およびシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明は、小型、ミクロンおよびサブミクロン寸法の素子および構成要素を有するさまざまな種類の最新の電子装置、電磁装置、マイクロ機械装置および電子光学装置の製造に適用される。以下の説明では、そのような装置をマイクロ装置またはナノ装置と呼ぶ。
【０００３】
本発明の方法およびシステムの１つの一般的な用途は、半導体作製にある。半導体の作製中、半導体装置は、シリコン、ガラスまたはポリマー基板の上部に層状に形成される。これらの基板は、硬質でも可撓性でもよい。信号線やトランジスタなどの小型構造は、周知のフォトリソグラフィ法を使用して作製される。図１〜図８は、半導体の製造中に、ミクロンおよびサブミクロン構造を現時点で作製する一般的な方法を示す。図１に、シリコン基板１０１の矩形部分が示されている。基板は、平坦化したシリコン、ガラスまたはポリマー層でよいが、すでに部分的に作製済みの半導体の平坦面でもよい。図２では、酸化物層１０２が、基板１０１上に載置されるか、その表面上に発生している。図３では、薄いフォトレジスト層１０３が、酸化物層１０２の上部に載置されている。
【０００４】
フォトリソグラフィマスクをフォトレジストの表面の上に隣接配置して、紫外線（”ＵＶ”）をフォトリソグラフィマスクを通してフォトレジスト層１０３の表面に照射する。フォトリソグラフィマスクは、フォトレジスト層１０３の下の酸化物層１０２内に形成すべき構造のデザインを定める透明領域および不透明領域を有する。フォトリソグラフィマスクは、ＵＶ線照射に対するフォトレジスト層１０３の応答がポジ型か、ネガ型かに応じて、ポジ型マスクまたはネガ型マスクのいずれかにすることができる。図１〜図８に示された例では、ＵＶ線を照射したフォトレジスト材が化学的に変質して、フォトレジストを劣化させ、フォトレジストを溶剤に溶解しやすくする。フォトリソグラフィマスクは、構造を描く透明領域を有し、ＵＶ線は、フォトリソグラフィマスクの不透明の非構造領域を透過できないで遮断される。したがって、ＵＶ線がフォトリソグラフィマスクを透過してフォトレジスト層の表面に達すると、フォトレジスト層の領域が化学的に変質するが、非構造領域は、溶剤に溶解しない性質を持ったままである。
【０００５】
図４は、ＵＶ線がフォトリソグラフィマスクを透過してフォトレジスト層の表面に達した後のフォトレジスト層を示す。フォトレジストの化学的変質部分１０４および１０５が、フォトリソグラフィマスクの透明領域の下方に位置した。次の段階で、フォトレジスト層を溶剤にさらすことによって、フォトレジスト１０３の化学的変質部分を除去する。化学的変質フォトレジスト領域の除去によって、フォトレジスト層内に浅いチャネルが残り、チャネルの底部に酸化物が露出する。次に、フォトレジスト層の下の酸化物層１０２を化学的にエッチングするか、荷電粒子ビームによってエッチングして、フォトレジスト内の浅い構造チャネルに対応したチャネルをポリマー層に形成する。エッチング方法は、露出した酸化物を食刻するが、ＵＶ線照射によって化学的に劣化していない残留フォトレジスト層によって妨げられる。酸化物層のエッチングに続いて、残留フォトレジストを化学的または機械的処理によって除去する。
【０００６】
図５は、上記エッチング段階で酸化物層内に食刻された構造チャネルを示す。チャネル１０６および１０７は、ＵＶ線照射によってフォトレジスト層内に形成された構造パターン（図４の１０４および１０５）に対応する。構造が金属信号線であるとすると、次の段階で、金属層１０８を酸化物層１０２の表面上に付着させて、構造チャネルを満たし、酸化物層の上に追加層を加える。図６は、金属層を付着させた後の作製中の半導体装置の矩形部分を示す。次に、作製中の半導体装置の表面を化学的または機械的に平坦化して、金属層を除去し、酸化物層内に埋め込まれた金属信号線を残す。図７は、埋め込まれた信号線を有する酸化物層を示す。最後に、酸化物層１０２内に形成された構造の上に追加構造を形成するため、酸化物層の上に次のポリマー、ポリシリコン、シリコン酸化物または他の種類の層を載置することができる。図１〜図８に示された段階を何度も繰り返すことによって、半導体装置の層内に複雑な三次元構造配列を形成することができる。
【０００７】
図１〜図８に示された従来のフォトリソグラフィに基づいた構造作製段階は、ますます小型かつ微細な半導体装置を製造するために何十年にもわたって使用されてきた。しかし、フォトリソグラフィには多くの欠点がある。よく知られている欠点は、ＵＶ線を使用したフォトレジスト層のパターン形成によって課せられる解像度の制約である。縁部回析効果が、投射パターンの解像度を低下させ、構造寸法が小さくなるほど、縁部回析効果がさらに顕著になる。リソグラフィ技術の別の欠点は一般的に、半導体装置の特定層内に構造を作製するために多くの連続した複雑な段階が必要とされることである。各段階で、注意深い整合手順や、費用および時間がかかる化学的、機械的、蒸着および荷電粒子ビームに基づいた手順が必要であり、これによって、製造施設の創設と共に完成した半導体装置の製造の両方に巨額の費用がかかる。リソグラフィ手法のさらに別の欠点は、ＵＶ線パターンを投影する表面全体が狭い焦点深さに入るように、平坦な表面を必要とすることである。したがって、プラスチックシートなどの本来的に平坦化が困難な表面上にミクロンおよびサブミクロン構造を作製するためにフォトリソグラフィ技術を適用することは困難である。
【０００８】
フォトリソグラフィ方法に本来的に存在する構造寸法の制限を克服するために、半導体製造者は、軟Ｘ線でのフォトリソグラフィ方法を開発中であり、最終的には短波長の放射線を用いて構造寸法をナノメートルおよびサブナノメートル範囲まで小さくしようとするであろう。しかし、これらの短波長放射線手法は、まだ完全には商業化されておらず、特に、複雑な半導体製造施設、マスク作製およびマスク／装置の整合の更新のための資本費用に関して非常に高コストである。しかし、半導体製造者は、半導体装置内の微細電子回路の密度を高め続けるために、ますます小さい構造寸法を製造するという一定の経済的圧力を受けている。さらに、センサや小型化学分析システムなどの複雑なマイクロ電気機械システム、分子分析アレイ、電子光学装置、および他のそのような新技術製品を含めた、マイクロ装置およびナノ装置の多くの新しい用途が開発されつつある。半導体装置および他の種類のマイクロ装置およびナノ装置の設計者、製造者およびユーザはすべて、より小さい構造を経済的に製造し、それに応じて半導体装置および他のそのような装置内の構造の密度を高めるためのミクロンおよびサブミクロン構造作製方法の必要性を認識している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、作製中の半導体装置または他のマイクロ装置またはナノ装置のポリマー層内に、ミクロンおよびサブミクロン寸法の構造を作製する方法およびシステムを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの実施形態は、作製中の半導体装置または他のマイクロ装置またはナノ装置のポリマー層内にミクロンおよびサブミクロン構造を作製する方法およびシステムである。小型構造は、対応する貫入部を有する光学−機械式スタンプで薄い粘性ポリマー表面に型押しをするか、低粘性ポリマーを貫入部間の空間に毛管作用によって引き込むことによって低粘性ポリマー膜にエンボス加工することによって、直接的に型押しされる。大型構造は、ＵＶ線を光学−機械式スタンプに透過させることによってポリマー表面の所定領域の表面にＵＶ線を照射し、ポリマーを化学的に変質させて、ＵＶ線照射またはＵＶ線遮蔽領域のいずれかを溶剤によって除去できるようにすることによって形成される。したがって、本発明の上記実施形態は、微細構造には純粋に機械式スタンピングを用い、大型構造にはリソグラフィ様化学的ポリマー除去を用いる部分的透過性型押しマスクを提供している。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の１つの実施形態は、作製中の半導体装置、マイクロ装置、またはナノ装置の層に構造を型押しするための光学−機械式パターン型押しマスク（”ＯＭＰＩＭ”）を提供する。機械式パターン型押しは高解像度を達成することができる、言い換えると、現時点で使用できるフォトリソグラフィ方法よりもっと経済的に小型構造を型押しできることが多い。さらに、機械式パターン型押しは、マイクロ装置またはナノ装置の層に構造をパターン形成するために必要な段階の数を大幅に減少させることができる。しかし、機械式パターン型押しは、現時点で使用できるフォトリソグラフィ方法のように、数十ナノメートル範囲の構造寸法までの構造の寸法による制約よりも、層内の構造の寸法の相違による制約を大きく受ける。本発明の１つの実施形態は、大型構造を作製するためにはフォトリソグラフィ方法を用い、小型構造の作製には純粋に機械的なスタンピング方法を用いることによって、構造寸法の相違の制約を排除している。
【００１２】
図９〜図１４は、作製中のナノ装置の層に構造を型押しするために使用される機械式パターン型押し技術を示している。図９〜図１４およびそれ以降の図では、わかりやすくするために基板および層が断面で示されている。これらの図面は、数千万個の構造を含むことができる作製中のマイクロ装置またはナノ装置全体の断面のわずかな部分だけを示す。図９は、次の構造収容層を形成しようとする硬質または可撓性基板を示す。基板は、ガラス、ポリシリコン、シリコンまたはさまざまなポリマーを含むさまざまな材料で形成することができる。第１段階で、基板の表面に粘性ポリマー層を塗布する。図１０は、基板２０１の上に重ねられたポリマー層２０２を示す。次に、図１１に示されているように、新しく追加されたポリマー層の表面の上に、機械式パターン型押しマスクを載置する。次に、機械式パターン型押しマスクをポリマー層に圧入する。基板が平面的である必要がないことに注意されたい。たとえば、基板は、円筒の表面の凸状の外部分のような形状でもよい。この場合、機械式パターン型押しマスクの表面が対応する凹状表面を有して、機械式パターン型押しマスクの表面全体が基板表面と同時に接触できるようにする。多くの他の基板／マスク相補表面形状が可能である。図１２〜図１４は、機械式パターン型押しマスク２０３がポリマー層２０２を通過して基板２０１上まで押しつけられる状態を示す。機械式パターン型押しマスク２０３は、機械式パターン型押しマスクをポリマー層に圧入した時にポリマー層内に狭小トラフおよび広幅トラフを形成する貫入部２０４〜２０８を有する。図１４に示されているように、機械式パターン型押しマスク２０３を基板２０１にできる限り接近するように押しつけることが、機械式型押し方法の目的である。その後に機械式パターン型押しマスク２０３を取り外した時、ポリマー層には貫入部２０４〜２０７に対応した部分にトラフが残り、ポリマー層の広幅トラフ２１３が、広幅貫入部２０８に対応した位置に残る。図１２〜図１４で、機械式パターン型押しマスクをさらにポリマー層２０１に圧入していくと、ポリマーが貫入部の下から、特に広幅貫入部２０８の下から押しのけられるので、貫入部間の広幅トラフ内のポリマー層の高さが増加する。
【００１３】
残念ながら、構造寸法の相違のため、機械式パターン型押しマスクをポリマー層の所望深さまで押し込むことができないであろう。図１５は、機械式パターン型押しマスクの大型すなわち広幅貫入部が１つまたは複数の狭小貫入部の隣に位置する時に発生すると思われる問題を示している。広幅貫入部２０８の下から押しのけられた粘性ポリマーが、広幅貫入部２０８および狭小貫入部２０７間の広幅トラフ２１４のほぼ上部まで押し上げられていることに注意されたい。それ以上のポリマーを広幅貫入部２０８の下から広幅トラフ２１４内へ押しのけることができない。さらに、ポリマーは粘性が非常に高いため、ポリマーを隣接する広幅トラフまたは領域内へ横向きに移動させるには、非常に大きい圧力が必要であろう。したがって、一般的に、貫入部２０８などの広幅貫入部によって押しのけられたポリマーの体積を、広幅トラフ２１４などの隣接した広幅トラフ内に収容しなければならない。
【００１４】
図１５に示された例では、広幅貫入部の幅２１５がｗ1、広幅貫入部の左側の広幅トラフの幅２１６がｗ2、機械式パターン型押しマスクの貫入部の高さ２１７がｈ、貫入部をポリマー層に圧入する深さ２１８がｄであるとし、また、貫入部および広幅トラフが直線的で、図１５の平面に対して直交する方向の寸法がｘであるとすると、広幅貫入部２０８によって押しのけられるポリマーの体積は、
ｗ1ｄｘ
であり、広幅トラフ２１４の容積は、
ｗ2ｈｘ
である。前述したように、広幅トラフの容積は、広幅貫入部２０８から押しのけられたポリマーの体積の半分より大きくなければならない。
１／２・ｗ1ｄｘ＜ｗ2ｈｘ
ｗ1ｄ＜２ｗ2ｈ
ｗ1ｄ／ｈ＜２ｗ2
したがって、図１５に示された問題を軽減するためには、貫入部間の広幅トラフの容積が押しのけられたポリマーを収容できる寸法に増加するほどまで、機械式パターン型押しマスク貫入部のアスペクト比ｗ1／ｈを減少させるように決定すればよいであろう。しかし、機械式パターン型押しマスクの貫入部のアスペクト比は、さまざまな機械的および流体流の制約によって制限される。たとえば、ポリジメチルシロキサン（"ＰＤＭＳ"）マスクの場合、アスペクト比を１：３以上にする必要がある。
【００１５】
広幅の機械式パターン型押し貫入部の別の問題は、マスクがポリマー層を通過して下側の基板に達するまで押し下げるために必要な時間が、以下のように少なくとも挿入工程の一部分で、広幅貫入部の底部および基板表面間のポリマー層の厚さｄtに対するポリマー層深さｄの比の二乗に比例する。
ｔ＝ｖｗ1／２Ｐｄ・［（ｄ／ｄt ）2 −１］
ただし、ｖはポリマーの粘度、Ｐは機械式パターン型押しスタンプに加えられる圧力、ｔは秒単位の時間である。
【００１６】
貫入部の幅が大きくなるほど、機械式パターン型押しマスク貫入部をポリマー層内の所望深さまで押し込むのに必要な時間が長くなる。上記問題を軽減しようとして、低粘性ポリマーを使用することも可能であるが、低粘性ポリマーはもっと容易に押しのけられるが、毛管作用によって狭小マスクトラフ内へ優先的に引き込まれて、広幅マスクトラフ内のポリマーを欠乏させる。
【００１７】
あるいは、低粘性流体ポリマー溶液の薄層を塗布した表面上に機械式型押しを行ってもよい。これらの方法では、毛管作用によってすべてのトラフを完全に満たすのに十分なポリマー溶液が存在する。しかし、硬化ポリマーの大きい部分を効果的に除去する必要から、これらの広幅領域を狭小領域と異なった方法で処理する必要性が示唆される。
【００１８】
上記問題を解決するために、本発明の１つの実施形態は、機械式スタンピングを、リソグラフィー様のＵＶ線誘導示差的ポリマー硬化および未硬化ポリマーの化学的除去と組み合わせた光学−機械式パターン型押しマスク（"ＯＭＰＩＭ"）を提供している。図１６のＡ〜Ｄおよび図１７のＡ〜Ｄは、本発明の２つの異なる実施形態によって与えられる光学−機械式パターン型押しを示す。図１６のＡは、ＵＶ線硬化性ポリマー層４０２、たとえば、ノーランド・エヌ・オー・エー（Norland NOA)光学接着性ポリマーか、チバガイギ・イルガキュア(Cibageigy Irgacure)６５１と混合した１，６−ヘキサンジオール・ジアクリレートを上部に塗布した基板４０１を示す。ＵＶ線硬化性ポリマー層には、ＵＶ線硬化性ポリマー層４０２内に埋め込まれる構造に対応した狭小トラフおよび広幅トラフを型押しする必要がある。図１６のＢに示されているように、ＯＭＰＩＭ４０３をポリマー層上まで押し下げて、ＯＭＰＩＭ４０３の貫入部を基板４０１の表面付近まで押込むと、押しのけられたポリマーがＯＭＰＩＭの構造間の広幅トラフ４０４〜４０７内へ上昇する。
【００１９】
ＯＭＰＩＭ４０３は、貫入部に加えて、ポリマー層内に型押しする必要がある広幅構造に対応したＵＶ線ブロック４０８を有する。ＯＭＰＩＭ自体は、ＵＶ線を透過する。ＯＭＰＩＭは、ＰＤＭＳ、石英、ガラス、またはマスク貫入部および他のマスク構造を作製するために成型、エッチングまたは付着手法を使用する他のＵＶ線透過材料で形成することができる。図１６のＢでは、ＯＭＰＩＭ貫入部に対応した小型構造がＵＶ線硬化性ポリマー層４０２内に型押しされているが、大型の中央構造はそうでない。次に、図１６のＣに示されているように、ＵＶ線がＯＭＰＩＭを透過してＵＶ線硬化性ポリマー層４０２の表面に達する。ＵＶ線は、ＵＶ線マスク４０８によって遮られた領域を除いて、ＯＭＰＩＭの全領域を透過する。マスクにＵＶ線を照射することによって、ＯＭＰＩＭを透過したＵＶ線が当たったポリマー層の部分４１０が硬化するが、ＵＶ線マスク４０８によってＵＶ線が当たらないように遮蔽されたポリマー４１１は未硬化のままである。最後に、図１６のＤに示されているように、ＯＭＰＩＭを取り外し、未硬化ポリマーを溶剤で溶解させることによって、未硬化ポリマーを基板から除去する。狭小トラフおよび広幅トラフの底部に残留している硬化ポリマーは、異方性酸素−プラズマエッチングによって除去することができる。このようにして、狭小および広幅の両方の構造がポリマー層４０２内に型押しされ、狭小構造は純粋に機械的手段によって型押しされ、広幅のトラフ状構造４１２は、ＵＶ線によってポリマー層の領域に異なる化学安定度を生じるフォトリソグラフィ様方法によって形成される。縁部回析効果が広幅構造の輪郭を幾分ぼかすが、リソグラフィ様手法を使用して作製された広幅構造と比較すれば大したことはなく、また、小型構造の純粋に機械的なスタンピングは、ＵＶ線を用いたリソグラフィ技術では回析効果のために得られない鮮明さを与える。
【００２０】
ＵＶ線照射によって硬化が阻止される、以下の説明で「ネガ型ポリマー」と呼ぶポリマーを、上記実施形態のものと逆の向きにＵＶ線ブロックを有するＯＭＰＩＭで用いることができる。この変更形ＯＭＰＩＭおよびＯＭＰＩＭに基づいた方法が、図１７のＡ〜Ｄに示されている。図１７のＡに示されているように、ネガ型ポリマー層５０２を基板５０１の表面に塗布する。次に、図１７のＢに示されているように、ＯＭＰＩＭ５０３をネガ型ポリマー層５０２に圧入する。ＯＭＰＩＭ５０３は、ＵＶ線遮断領域５０４〜５１７を有しており、それ以外ではＵＶ線を透過する。次に、図１７のＣに示すように、ＵＶ線をＯＭＰＩＭに透過させてネガ型ポリマー層に当てる。ＵＶ線は、ＵＶ線遮断領域５０４〜５１７によって遮断されるが、非ＵＶ線遮断領域を透過して、非ＵＶ線遮断領域の下側にあるネガ型ポリマーの領域５２０の領域に当たってそれを化学的に変質させる。次に、スタンプを取り外す前に、非ＵＶ線照射ポリマーを熱硬化させてもよい。スタンプをきれいに取り外しやすくするために、スタンプの表面は未硬化ポリマーに対して化学的親和性を有していてはならない。たとえば、未硬化ポリマーが親水性である場合、スタンプの表面が疎水性でなければならない。ＵＶ線を照射したポリマーは、熱を加えることによって硬化しない。それから、図１７のＤに示されているように、ＯＭＰＩＭを取り外した後、ネガ型ポリマーの化学的変質領域をアセトンなどの溶剤で溶かすことができる。図１６のＡ〜Ｄを参照して説明した上記実施形態の場合と同様に、狭小構造は、純粋に機械的手段によってポリマー層５０２上に型押しされており、広幅トラフ状構造５２１は、ＵＶ線の選択的照射によってポリマー領域に異なる化学安定度を生じることによって、フォトリソグラフィ様手法で作製されている。
【００２１】
図１８のＡ〜Ｄは、本発明の別の実施形態を示すＯＭＰＩＭを使用したポリシリコン薄膜トランジスタの作製を示す。図１８のＡは、２つの段形貫入部(two-stepped intrusions)６０２および６０３の横に２つのＵＶ線遮断領域６０４および６０５を設けたＯＭＰＩＭ６０１を示す。ＯＭＰＩＭが、ゲート金属層６０７、ゲート絶縁体層６０８、ポリシリコン層６０９および基板６１０の上に塗布されたＵＶ線硬化性ポリマー装置６０６に圧入されている。ＯＭＰＩＭおよび下側のＵＶ線硬化性ポリマーにＵＶ線を照射して、２つの段形貫入部(two-stepped intrusions)６０２、６０３の間のポリマーを硬化させる。２つのＵＶ線遮断領域６０４および６０５の下側のポリマーは未硬化状態のままである。ＯＭＰＩＭを取り外して、未硬化ポリマーを溶剤に溶解させることによって、図１８のＢに示された段形ＵＶ線硬化ポリマー構造６１２を生じることができる。図１８のＢでは、ＵＶ線硬化ポリマー６１２によって保護されていない金属を除去する方法によって、ポリマー構造６１２によって保護されていないゲート金属が除去されていることに注意されたい。次に、図１８のＣに示されているように、荷電粒子ビームによるイオン注入を用いて、ポリシリコン層６０９にドーピングを行う。荷電イオンが通過する層の重なりの数をできる限り少なくすると、ドーピングレベルが最高になる、言い換えると、ドーパントの濃度が高くなる。したがって、ドーピングレベルは、ＵＶ線硬化ポリマー構造６１２によって覆われていない領域で最高であり、ＵＶ線硬化ポリマー構造６１２の中央部分の真下で最低であるか、ゼロであり、ＵＶ線硬化ポリマー構造６１２の段形部分の下側で中間レベルである。次に、熱アニーリングまたはレーザーアニーリングによって注入イオンを活性化する。次に、ＵＶ線硬化ポリマーの段形部分を除去し、この部分の下側のゲート金属を金属エッチによって除去する。最後に、ゲート金属の上のポリマーカラーを除去する。示差的ドーピングによって、図１８のＤに示されているように、十分にドーピングされたポリシリコン層領域６１４および６１５と、低濃度ドーピングされたポリシリコン層領域６１６および６１７と、実質的にドーピングされていないポリシリコン領域６１８とが生じる。この示差的ドーピングされた薄膜トランジスタは、低レベルドーピングされたソース／ドレイン薄膜トランジスタとして周知である。トランジスタのドレイン領域付近が低ドーピングレベルであることによって、動作中のドレイン領域付近の電界が低減される。この電界の減少は、「オフ」状態での電界誘導ソース／ドレイン電流漏れを低減すると共に、「オン」状態に切り換えた時のソース／ドレイン電流の急増を低減することによって、トランジスタの性能を向上させる。
【００２２】
図１９のＡおよびＢは、ＯＭＰＩＭのＵＶ線遮断領域および貫入部構造の変更例を示す。図１９のＡに示されているように、ＵＶ線遮断領域は、ＯＭＰＩＭの表面に固定する（７０１）か、ＯＭＰＩＭの表面と面一に挿入する（７０２）か、ＯＭＰＩＭ内に埋め込む（７０３）ことができる。ＵＶ線遮断領域は、ＯＭＰＩＭの上面または下面のいずれに重ねてもよい。ＵＶ線遮断領域は、さまざまな金属薄膜で形成できるが、カーボンブラック、不透明ポリマー材および回析光フィルタを含めた他のさまざまなＵＶ線不透過材料で形成することもできる。図１９のＢに示すように、貫入部７０４〜７０７のようなＯＭＰＩＭ貫入部がＵＶ線遮断領域を含んでもよく、貫入部はさまざまな長さにすることができる。ＵＶ線遮断領域を基板にできる限り近づけて設けることによって、より高い解像度を得ることができる。
【００２３】
本発明を特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明がこの実施形態に制限されることは意図していない。発明の精神の範囲内の変更が、当該技術分野の専門家には明らかであろう。たとえば、ＯＭＰＩＭは、さまざまな異なったＵＶ線透過材料で形成してもよい。下側のポリマー層を化学的に変質させるために、ＯＭＰＩＭを他の物理的処理と組み合わせて使用することもできる。たとえば、長い波長の放射光を用いることができ、その場合、ＯＭＰＩＭは長い波長の放射光を透過できなければならない。他の技術では、ＯＭＰＩＭが一定の荷電粒子を比較的透過しやすくして、荷電粒子マスクをＯＭＰＩＭの上に重ねるか、その内部に埋め込むことができる。ＯＭＰＩＭを作製することによって、狭小構造は機械的に型押しし、広幅構造は、層の選択的放射線誘導化学的変質に続いて層の変質部分を溶剤で除去することによって得るようにして、半導体装置や他の電子装置、電気機械装置、機械装置または電気光学装置の層上にほぼ無数の構造パターンを型押しすることができる。特定装置のパターン型押し要件に従って、さまざまな異なった形状および寸法のＯＭＰＩＭを作製することができる。前述したように、毛管作用によって貫入部間の空間に引き込まれた粘性ポリマー膜または低粘性ポリマー膜の両方の型押しにＯＭＰＩＭを使用することができる。
【００２４】
本発明は以下に要約される。
【００２５】
１． ミクロンおよびサブミクロン素子および構成要素を有するように構成された装置のポリマー層（４０２、５０２）内に構造を作製する方法において、
光学−機械式パターン型押しマスク（４０３、５０３）を配設する段階と、
前記光学−機械式パターン型押しマスク（４０３、５０３）からのパターンを前記ポリマー層（４０２、５０２）上に機械的に転写して、前記ポリマー層内に狭小構造を形成する段階と、
放射線を光学−機械式パターン型押しマスクに透過させて、ポリマーの領域（４１１、５２０）に放射線を選択的に照射して、ポリマーの露光領域およびポリマーの非露光領域に化学安定度の差を生じる段階と、
化学除去方法の影響を受けやすいポリマーの領域（４１１、５２０）を除去する段階と、
を備えることを特徴とする方法。
【００２６】
２． 前記光学−機械式パターン型押しマスクは、
ポリマー層に圧入される表面上の貫入部(intrusions)（２０４、２０７）、または、低粘性ポリマー溶液を毛管作用によって引き込む表面上の貫入部（２０４、２０７）のいずれかを備えることを特徴とする第１項に記載の方法。
【００２７】
３． 前記光学−機械式パターン型押しマスクは、所定のポリマー領域への照射を遮断するための放射線遮断領域（４０８、５０４〜５１７）を具備し、放射線が紫外線であることを特徴とする第１項に記載の方法。
【００２８】
４． 前記ポリマーは、紫外線の照射によって硬化し（４０９、４１０）、前記放射線遮断領域（４０８）は、ポリマーの非構造領域(non-feature regions)に対応することを特徴とする第３項に記載の方法。
【００２９】
５． 前記ポリマーは、紫外線照射によって化学的に不安定化し（５２０）、前記放射光遮断領域（５０４〜５１７）は、ポリマーの構造領域に対応することを特徴とする第３項に記載の方法。
【００３０】
６． 紫外線透過体（４０３、５０３）と、
該紫外線透過体の表面上に形成された紫外線透過貫入部（２０４〜２０７）と、
紫外線不透過遮断領域（４０８、５０４〜５１７）と、
を備えることを特徴とする光学−機械式パターン型押しマスク。
【００３１】
７． 前記紫外線透過体（４０３、５０３）および紫外線透過貫入部（２０４〜２０７）は、ポリジメチルシロキサン、石英、およびガラスのうちの１つで形成されていることを特徴とする第６項に記載の光学−機械式パターン型押しマスク。
【００３２】
８． 前記紫外線不透過遮断領域（４０８、５０４〜５１７）は、
金属薄膜、カーボンブラック層、および光学回析材料層のうちの１つであることを特徴とする第６項に記載の光学−機械式パターン型押しマスク。
【００３３】
９． 前記紫外線不透過遮断領域は、
前記紫外線透過体の表面に付着させる（７０１）か、
前記紫外線透過体の表面内へ、それに面一に埋め込む（７０２）か、
前記紫外線透過体の表面の近くではなく、その内部に埋め込む（７０３）
ことによって設けられていることを特徴とする第６項に記載の光学−機械式パターン型押しマスク。
【００３４】
１０． 前記紫外線透過体（４０３、５０２）は、未硬化ポリマーに対して化学的親和性が低いか、まったくない材料で形成されている第６項に記載の光学−機械式パターン型押しマスク。
【００３５】
説明を目的とする以上の記載は、本発明を完全に理解できるようにするために特定の用語を使用している。しかし、本発明を実施するために特定の詳細が必要でないことは、当該技術分野の専門家には明らかであろう。本発明の特定の実施形態の以上の記載は、説明のためのものである。それらは完全ではなく、本発明を開示されたそのままの形に制限するものでもない。当然ながら、上記教示に照らして、多くの変更および変形が可能である。実施形態は、当該技術分野の専門家が本発明および意図した特定用途に合わせてさまざまな変更を加えたさまざまな実施形態を最善に使用できるようにするために、本発明の原理およびそれの実際の用例を最善に説明するために示されいる。本発明の範囲は、特許請求の範囲およびそれの等価物によって定義されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体の製造中にミクロンおよびサブミクロン構造を現時点で作製する一般的な方法を示す図である。
【図２】半導体の製造中にミクロンおよびサブミクロン構造を現時点で作製する一般的な方法を示す図である。
【図３】半導体の製造中にミクロンおよびサブミクロン構造を現時点で作製する一般的な方法を示す図である。
【図４】半導体の製造中にミクロンおよびサブミクロン構造を現時点で作製する一般的な方法を示す図である。
【図５】半導体の製造中にミクロンおよびサブミクロン構造を現時点で作製する一般的な方法を示す図である。
【図６】半導体の製造中にミクロンおよびサブミクロン構造を現時点で作製する一般的な方法を示す図である。
【図７】半導体の製造中にミクロンおよびサブミクロン構造を現時点で作製する一般的な方法を示す図である。
【図８】半導体の製造中にミクロンおよびサブミクロン構造を現時点で作製する一般的な方法を示す図である。
【図９】作製中のマイクロ装置またはナノ装置の層に構造を型押しするために使用される機械式パターン型押し技術を示す図である。
【図１０】作製中のマイクロ装置またはナノ装置の層に構造を型押しするために使用される機械式パターン型押し技術を示す図である。
【図１１】作製中のマイクロ装置またはナノ装置の層に構造を型押しするために使用される機械式パターン型押し技術を示す図である。
【図１２】作製中のマイクロ装置またはナノ装置の層に構造を型押しするために使用される機械式パターン型押し技術を示す図である。
【図１３】作製中のマイクロ装置またはナノ装置の層に構造を型押しするために使用される機械式パターン型押し技術を示す図である。
【図１４】作製中のマイクロ装置またはナノ装置の層に構造を型押しするために使用される機械式パターン型押し技術を示す図である。
【図１５】機械式パターン型押しマスクの大型または広幅貫入部が１つまたは複数の狭小機械式パターン型押しマスク貫入部に隣接して設けられている時に生じると思われる問題を示す図である。
【図１６】本発明の２つの異なる実施形態によって与えられる光学−機械式パターン型押しを示す図である。
【図１７】本発明の２つの異なる実施形態によって与えられる光学−機械式パターン型押しを示す図である。
【図１８】本発明の実施形態を表す光学−機械式パターン型押しマスクを使用したポリシリコン薄膜トランジスタの作製を示す図である。
【図１９】光学−機械式パターン型押しマスクのＵＶ線遮断構造および貫入部構造の変更例を示す図である。
【符号の説明】
２０４、２０７ 貫入部
４０２、５０２ ポリマー層
４０３、５０３ 光学―機械式パターン型押しマスク
４０８、５０４〜５１７ 放射線遮断領域
４１１、５２０ ポリマー領域
Claims (10)
- ミクロンおよびサブミクロン素子および構成要素を有するように構成された装置のポリマー層内に構造を作製する方法において、
光学−機械式パターン型押しマスクを配設する段階と、
前記光学−機械式パターン型押しマスクからのパターンを前記ポリマー層上に転写することによって、前記ポリマー層に狭小構造であるサブミクロン構造を機械的に形成する段階と、
放射線を光学−機械式パターン型押しマスクに透過させて、ポリマーの領域に放射線を選択的に照射して、ポリマーの露光領域およびポリマーの非露光領域に化学安定度の差を生じさせ、化学除去方法の影響を受けやすいポリマーの領域を除去することにより、前記光学−機械式パターン型押しマスクの凹部の下に位置する前記ポリマー層に広幅構造を形成する段階と、
を備えることを特徴とする方法。 - 前記光学−機械式パターン型押しマスクの表面に、前記ポリマー層上に圧入される貫入部を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記光学−機械式パターン型押しマスクの表面に、前記ポリマー層上に圧入される複数の貫入部を有し、前記複数の貫入部の間に、低粘性ポリマー溶液が毛管作用によって引き込まれることを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記光学−機械式パターン型押しマスクは、所定のポリマー領域への照射を遮断するための照射遮断領域を具備することを特徴とする請求項１に記載の方法。
- 前記照射は、紫外光の照射であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
- 前記ポリマーは、紫外線の照射によって硬化し、前記照射遮断領域は、前記ポリマー中で構造が形成されない領域に対応することを特徴とする請求項５に記載の方法。
- 前記ポリマーは、紫外線照射によって化学的に不安定化され、前記照射遮断領域は、前記ポリマー中で構造が形成される領域に対応することを特徴とする請求項５に記載の方法。
- ミクロンおよびサブミクロン素子および構成要素を有するように構成された装置のポリマー層内に構造を作成するための光学−機械式パターン型押しマスクにおいて、
前記光学−機械式パターン型押しマスクがポリマー層に押しつけられた場合に、前記ポリマー層内に狭いサブミクロン構造を機械的に形成する押し付け部と、
広幅構造に相当する凹部であって、前記凹部の下に位置するポリマー層の領域を前記光学−機械式パターン型押しマスクの一部を透過する放射線で区別して露光するのに適合した放射線透過性を有し、前記光学−機械式パターン型押しマスクが前記ポリマー層に押し付けられ、前記光学−機械式パターン型押しマスクが放射線で照射されると、その後に前記凹部の下に位置する広幅構造が、化学除去方法の影響を受けやすいポリマー領域を除去されることによって形成されるように、透過した放射線に露光されたポリマー領域と、透過した放射線に露光されていないポリマー領域と、の間に化学安定度の差を生じさせる凹部と、を備えることを特徴とする光学−機械式パターン型押しマスク。 - 前記広幅構造に相当する前記凹部は、前記光学−機械式パターン型押しマスクを透過する透過放射線を遮断する放射線ブロックを備え、
前記ポリマーは、放射線照射によって保護されることを特徴とする請求項８に記載の光 学−機械式パターン型押しマスク。 - 前記広幅構造に相当する前記凹部は、前記放射線を光学−機械式パターン型押しマスクで透過させ、光学−機械式パターン型押しマスクの残りの領域は、前記放射線の透過を遮断し、
前記ポリマーは、放射線照射によって不安定になることを特徴とする請求項８に記載の光学−機械式パターン型押しマスク。
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