JP4939994B2 - パターン形成方法及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、パターン形成方法及び半導体装置の製造方法に関するものである。

半導体集積回路の微細化、高集積化に伴い、微細加工を実現するためのパターン転写技術としてフォトリソグラフィ装置の高精度化が要求され、装置コストが高くなるという欠点があった。

これに対し、微細パターンの形成を低コストで実施するための技術として、光ナノインプリント法が提案されている（例えば特許文献１参照）。これは基板上に形成したいパターンと同じ凹凸を有するスタンパ（テンプレート）を、被転写基板表面に形成された光硬化性有機材料層に押しつけ、これに光照射を行って有機材料層を硬化させ、テンプレートを有機材料層から分離（離型）することで、レジストパターンを転写する方法である。

レジストの役割をする有機材料層はテンプレートの凹凸パターン内に行き渡るように制御されて塗布される。通常、テンプレート押しつけの際にテンプレートに基板エッジが掛かるような領域は、テンプレートを基板表面に平行に保持することが困難であるため、有機材料は塗布せずパターンの転写を行っていない。

パターン転写領域の外周縁付近のパターンは、その外側のウェーハ基板周辺領域にパターンが存在しない。このため、インプリント後のエッチング工程で、パターン被覆率の変動による影響でパターン転写領域の外周付近の加工形状に異常を生じたり、配線材料埋め込み後のＣＭＰ（化学的機械研磨）工程で剥がれが生じたりするなどの欠陥が生じるという問題を有していた。
特開２０００−１９４１４２号公報

本発明はテンプレートによるパターンの転写領域においてエッチング工程や配線材料埋め込み工程で生じる欠陥を低減することができるパターン形成方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様によるパターン形成方法は、ウェーハ基板上の被加工膜上に感光性樹脂を塗布する工程と、前記感光性樹脂の一部を露光して現像し、チップ形成領域に開口部を有する第１のパターンを形成する工程と、前記第１のパターンの開口部において露出した前記被加工膜上に光硬化性材料を塗布する工程と、一方の面に所定の凹凸を含む第２のパターンが形成され光透過性を有するテンプレートの前記一方の面を前記光硬化性材料に接触する工程と、前記テンプレートの他方の面側から前記光硬化性材料に光を照射する工程と、前記テンプレートを前記光硬化性材料から分離する工程と、を備えるものである。

本発明の一態様による半導体装置の製造方法は、ウェーハ基板上の被加工膜上に感光性樹脂を塗布する工程と、前記感光性樹脂の一部を露光して現像し、チップ形成領域に開口部を有する第１のパターンを形成する工程と、前記第１のパターンの開口部において露出された前記被加工膜上に光硬化性材料を塗布する工程と、一方の面に所定の凹凸パターンが形成され光透過性を有するテンプレートの前記一方の面を前記光硬化性材料に接触する工程と、前記テンプレートの他方の面側から前記光硬化性材料に光を照射する工程と、前記テンプレートを前記光硬化性材料から分離する工程と、前記感光性樹脂及び前記光硬化性材料をマスクとして前記被加工膜をエッチングする工程と、前記ウェーハ基板に素子を形成する工程と、を備えるものである。

本発明によれば、テンプレートによるパターンの転写領域においてエッチング工程や配線材料埋め込み工程で生じる欠陥を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態によるパターン形成方法を図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）図１は本発明の第１の実施形態に係るパターン形成方法を示す工程断面図である。図１（ａ）に示すように、被加工膜（図示せず）を形成したウェーハ基板１にレジスト２を塗布する。レジスト２はポジ型のフォトレジストである。

図１（ｂ）に示すように、光を照射してレジスト２を感光させる。感光させる領域は後の工程で光ナノインプリント法により所望の微細パターンを形成しチップを形成する領域Ａである。ここでは、フォトマスクの有効領域全面が開口となっているマスクを用いて、ＫｒＦ（フッ化クリプトン）スキャナ（スキャン型露光装置）により露光を行った。

図１（ｃ）に示すように、ウェーハ基板１を現像して、露光を行わなかった領域（ウェーハ周辺領域）Ｂのみにレジスト２を残す。

図１（ｄ）に示すように、ウェーハ基板１に液状の光硬化性有機材料３を塗布する。光硬化性有機材料は例えばアクリルモノマーである。

図１（ｅ）に示すように、ウェーハ基板１上に形成したいパターンと同じ凹凸を有するテンプレート４を光硬化性有機材料３に接触させる。液状の光硬化性有機材料３はテンプレート４の凹凸パターンに従って流動して入り込む。その後、光を照射し、光硬化性有機材料３を硬化させる。照射する光は、光硬化性有機材料３を硬化させるものであれば良く、例えばランプ光などを用いることができる。テンプレート４はこの光を透過するような材料、例えば石英ガラス、により形成されている。

図１（ｆ）に示すように、テンプレート４を光硬化性有機材料３から分離する。既にこの状態では光硬化性有機材料３は硬化されているので、テンプレート４が接触していたときの状態（形状）に維持される。ここで光硬化性有機材料３のピッチが細かい中心部をチップ素子形成領域Ａ１、ピッチが大きい端部をチップ周辺領域Ａ２とする。

図１（ｄ）〜（ｆ）に示す工程を繰り返し、ウェーハ基板１上に所望の凹凸パターンを有する光硬化性有機材料３を複数形成する。このときのウェーハ基板１の上面図を図２に示す。テンプレート４によるパターンの転写を行わない領域であるウェーハ周辺領域Ｂにはレジスト２が存在する。

続いて、テンプレート４により形成したパターン及びレジスト２をマスクとしてウェーハ基板１の被加工膜（図示しない）をエッチングし、エッチングにより形成されたパターンの溝への配線材料の埋め込み、ＣＭＰ等の処理を行い、素子を形成する。

ウェーハ周辺領域Ｂにはレジスト２が存在するため、テンプレート４によるパターンが転写された領域（Ａ１、Ａ２）とウェーハ周辺領域（Ｂ）とで、ウェーハ基板１の被覆率の違いを抑制することができ、エッチング工程におけるパターン形成領域の外周縁付近の加工形状の異常やＣＭＰ工程での配線材料の剥がれ等の欠陥が生じるのを防止することができる。

（比較例）図３に比較例によるパターン形成方法の工程断面図を示す。図３（ａ）に示すように、被加工膜（図示せず）を形成したウェーハ基板３１に液状の光硬化性有機材料３２を塗布する。

図３（ｂ）に示すように、ウェーハ基板３１上に形成したいパターンと同じ凹凸を有するテンプレート３３を光硬化性有機材料３２に接触させる。液状の光硬化性有機材料３２はテンプレート３３の凹凸パターンに従って流動して入り込む。その後テンプレート３３の背面から光を照射する。照射する光は光硬化性有機材料を硬化させるものであれば良く、テンプレート３３はこの光を透過するような材料、例えば石英ガラス、により形成されている。

図３（ｃ）に示すように、光硬化性有機材料３２を硬化させる。

図３（ｄ）に示すように、テンプレート３３を光硬化性有機材料３２から分離する。既にこの状態では光硬化性有機材料３２は硬化されているので、テンプレート３３が接触していたときの状態（形状）に維持される。

図３（ａ）〜（ｄ）に示す工程を繰り返し、ウェーハ基板３１上に所望の凹凸パターンを有する光硬化性有機材料３２を複数形成する。このときのウェーハ基板３１上面の一部を図４（ａ）に示し、Ｃ−Ｃ’線での縦断面を図４（ｂ）に示す。テンプレート３３によるパターンの転写を行わない領域、すなわちテンプレート３３がウェーハ基板３１のエッジ（縁）Ｌに掛かる領域（ウェーハ周辺領域Ｓ）、には有機材料を塗布しない。

続いて、テンプレート３３により形成したパターンをマスクとしてウェーハ基板３１の被加工膜（図示しない）をエッチングし、エッチングにより形成されたパターンの溝への配線材料の埋め込み、ＣＭＰ等の処理を行う。

この比較例では、テンプレート３３によるパターンが転写された領域とウェーハ周辺領域Ｓ（パターンが無い領域）とでウェーハ基板３１の被覆率の違いが大きいため、エッチング工程で形成されるパターンの溝がテーパー状になるなどの加工形状の異常が発生する。また、ＣＭＰ工程での配線材料の剥がれが生じるおそれがある。このような欠陥を有する基板に素子を形成した場合、電気的特性の劣化等の問題が生じる。

それに対し、上記実施形態によるパターン形成方法では、テンプレート４によるパターンが転写された領域と残存するレジスト２がダミーパターンとなるウェーハ周辺領域とで、ウェーハ基板１の被覆率の違いを低減することができるため、その後のエッチング工程等でパターンの加工形状などの欠陥が発生するのを防止することができる。また、この方法によってパターン形成された基板に素子を形成した場合、電気的特性は良好なものとなる。

（第２の実施形態）図５は本発明の第２の実施形態に係るパターン形成方法を示す工程断面図である。第１の実施形態では、ウェーハ周辺領域には被覆率が１００％の残存レジストによるダミーパターンを形成させたものであるが、本実施形態では所望の開口率を有するダミーパターンを形成したものである。図５（ａ）に示すように、被加工膜（図示せず）を形成したウェーハ基板５１にレジスト５２を塗布する。レジスト５２はポジ型のフォトレジストである。

図５（ｂ）に示すように、後の工程で光ナノインプリント法により所望の微細パターンを形成し、チップを形成する領域（チップ形成領域）Ａが全面開口したマスク（図示せず）を用いて、露光を行う。ここでは、ＫｒＦ（フッ化クリプトン）スキャナにより露光を行う。

図５（ｃ）に示すように、例えばウェーハ基板５１のウェーハ周辺領域のような、後の工程で光ナノインプリント法により所望の微細パターンを形成しない領域Ｂに、被覆率調整を行うためのダミーパターンを有するマスク（図示せず）を用いて、露光を行う。ダミーパターンは、後の光ナノインプリント工程で用いるテンプレート５４の凹凸パターンに基づいて決定される。ダミーパターンの開口率はテンプレート５４の凸部（ウェーハ基板５１に転写されるパターンの凹部）の割合と同じにする。

図５（ｄ）に示すように、ウェーハ基板５１を現像し、ウェーハ周辺炉結い器にはダミーパターンであるレジスト５２を残す。

図５（ｅ）に示すように、チップ形成領域のウェーハ基板５１に液状の光硬化性有機材料５３を塗布する。光硬化性有機材料５３は例えばアクリルモノマーである。

図５（ｆ）に示すように、ウェーハ基板５１上に形成したいパターンと同じ凹凸を有するテンプレート５４を光硬化性有機材料５３に接触させる。液状の光硬化性有機材料５３はテンプレート５４の凹凸パターンに従って流動して入り込む。その後、テンプレート５４の背面から光を照射し、光硬化性有機材料５３を硬化させる。照射する光は、光硬化性有機材料５３を硬化させるものであれば良く、例えばランプ光などを用いることができる。テンプレート５４はこの光を透過するような材料、例えば石英ガラス、により形成されている。

図５（ｇ）に示すように、テンプレート５４を光硬化性有機材料５３から分離する。この状態では光硬化性有機材料５３は硬化されているので、テンプレート５４が接触していたときの状態（形状）に維持される。

図５（ｅ）〜（ｇ）に示す工程を繰り返し、ウェーハ基板５１上に所望の凹凸パターンを有する光硬化性有機材料５３を複数形成する。このときのウェーハ基板５１の上面図を図６に示す。テンプレート５４によるパターンの転写を行わないウェーハ周辺領域にはダミーパターン形状のレジスト５２が存在する。

続いて、テンプレート５４により形成したパターン５３及びダミーパターン形状のレジスト５２をマスクとしてウェーハ基板５１をエッチングし、エッチングにより形成された溝への配線材料の埋め込み、ＣＭＰ等の処理を行い、素子を形成する。

ダミーパターンは開口率がテンプレート５４の凸部（ウェーハ基板５１に転写されるパターンの凹部）の割合と同じであれば良く、例えば開口率５０％のダミーパターンとしては、図６（ａ）に示す市松模様のようなパターンや、図６（ｂ）に示す縞模様にすることが出来る。また、図６（ｃ）に示すような複数のホールＨを有するようなパターンにしても良い。

ウェーハ周辺領域（領域Ｂ）にはダミーパターンによるレジスト５２が存在するため、テンプレート５４によるパターンが転写された領域とウェーハ周辺領域とで、パターンの開口率が同等になるので、ウェーハ基板５１の被覆率の違いを極めて小さくすることができ、エッチング工程における加工形状の異常やＣＭＰ工程での配線材料の剥がれ等の欠陥発生をより効果的に防止することができる。

レジスト５２にネガレジストを用いるようにしても良い。レジスト５２をネガレジストにした場合のパターン形成方法を図７を用いて説明する。

図７（ａ）に示すように、被加工膜（図示せず）を形成したウェーハ基板７１にネガレジスト７２を塗布する。

図７（ｂ）に示すように、例えばウェーハ基板７１の周辺領域のような、後の工程で光ナノインプリント法により所望の微細パターンを形成しない領域Ｂに、被覆率調整を行うためのダミーパターンを有するマスク（図示せず）を用いて、露光を行う。ダミーパターンは、後の光ナノインプリント工程で用いるテンプレートの凹凸パターンに基づいて決定される。

図７（ｃ）に示すように、ウェーハ基板７１を現像して、露光した領域のみにレジスト７２を残す。以後の工程は図５（ｅ）〜（ｇ）と同様であるので説明を省略する。

ポジ型のフォトレジストを用いた場合は、図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、ダミーパターンによるレジスト５２をウェーハ基板５１上に残すために２枚のフォトマスクを必要とした。一方、図７（ｂ）、（ｃ）に示すように、レジストをネガ型にすることで、ダミーパターンによるレジストをウェーハ基板上に残すために用いるフォトマスクを１枚にすることができ、コストを低減することが出来る。

（第３の実施形態）図８は本発明の第３の実施形態に係るパターン形成方法を示す工程断面図である。図８（ａ）に示すように、被加工膜（図示せず）を形成したウェーハ基板８１にレジスト８２を塗布する。レジスト８２はポジ型のフォトレジストである。

図８（ｂ）に示すように、後の工程で光ナノインプリント法により所望の微細パターンを形成するチップ素子形成領域Ａ１が開口し、チップ周辺領域Ａ２が周辺素子パターン、ウェーハ周辺領域Ｓがダミーパターンとなっているマスク（図示せず）を用いて、露光を行う。露光は、ＫｒＦ（フッ化クリプトン）スキャナにより行う。ダミーパターンは、後の光ナノインプリント工程で用いるテンプレート８４の凹凸パターン及び周辺素子パターンに基づいて決定される。ダミーパターンの開口率は、テンプレート８４の凸部（ウェーハ基板８１に転写されるパターンの凹部）及び周辺素子パターンの開口率に基づいて、チップ形成領域（Ａ１、Ａ２）とウェーハ周辺領域（Ｓ）におけるウェーハ基板８１の露出割合が同じになるようにする。

図８（ｃ）に示すように、ウェーハ基板８１を現像して、露光を行わなかった領域のみにレジスト８２を残す。残存するレジスト８２はダミーパターンとなる。

図８（ｄ）に示すように、ウェーハ基板８１に液状の光硬化性有機材料８３を塗布する。光硬化性有機材料は、例えばアクリルモノマーである。

図８（ｅ）に示すように、ウェーハ基板８１上に形成したいパターンと同じ凹凸を有するテンプレート８４を液状の光硬化性有機材料８３に接触させる。液状の光硬化性有機材料８３はテンプレート８４の凹凸パターンに従って流動して入り込む。その後、テンプレート８４の背面から光を照射し、光硬化性有機材料８３を硬化させる。照射する光は、光硬化性有機材料８３を硬化させるものであれば良く、例えばランプ光などを用いることができる。テンプレート８４はこの光を透過するような材料、例えば石英ガラス、により形成されている。

図８（ｆ）に示すように、テンプレート８４を光硬化性有機材料８３から分離する。光硬化性有機材料８３は硬化されているので、テンプレート８４が接触していたときの状態（形状）に維持される。

図８（ｄ）〜（ｆ）に示す工程を繰り返し、ウェーハ基板８１上に所望の凹凸パターンを有する光硬化性有機材料８３を複数形成する。

このときのウェーハ基板８１の一例の上面図を図９に示す。ウェーハ周辺領域Ｓには、ダミーパターン（複数のホールを有する）形状のレジスト９１、チップ形成領域（Ａ１、Ａ２）には周辺素子パターンのレジスト９２及びテンプレート８４により形成された凹凸形状を有する光硬化性有機材料９３が存在する。

続いて、テンプレート８４により形成したパターン８３及びレジスト８２をマスクとしてウェーハ基板８１をエッチングし、エッチングにより形成されたパターンの溝への配線材料の埋め込み、ＣＭＰ等の処理を行い、素子を形成する。

ウェーハ周辺領域にはダミーパターン形状のレジスト８２が存在するため、チップ形成領域とウェーハ周辺領域とで、ウェーハ基板８１の被覆率の違いを極めて小さくすることができ、エッチング工程における加工形状の異常やＣＭＰ工程での配線材料の剥がれ等の欠陥が生じるのを効果的に防止することができる。

本実施形態によるパターン形成方法は、チップ素子形成領域のようなピッチ（ライン／スペース）の狭い領域のレジストパターンのみをテンプレートを用いた光ナノインプリント法で形成し、チップ周辺領域のようなピッチが狭くない領域及びウェーハ周辺領域のレジストパターンは公知のフォトリソグラフィ技術によって形成するような、光ナノインプリントとフォトリソグラフィを組み合わせたパターン形成に適している。

これにより、テンプレートのサイズを小さくすることができ、テンプレート作成にかかるコストを低減することができる。

上述した実施の形態はいずれも一例であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記実施形態ではウェーハ基板に塗布されるレジストにＫｒＦ露光に対応するレジストを用いたが、ＥＢ（電子ビーム）、ＥＵＶ（極端紫外線）など他の光に感光するレジストを用いても良い。本発明の技術的範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の第１の実施形態によるパターン形成方法を示す工程断面図である。 ウェーハ基板の上面図である。 比較例によるパターン形成方法を示す工程断面図である。 ウェーハ基板の上面及び縦断面を示す図である。 本発明の第２の実施形態によるパターン形成方法を示す工程断面図である。 ウェーハ基板の上面図である。 変形例によるパターン形成方法を示す工程断面図である。 本発明の第３の実施形態によるパターン形成方法を示す工程断面図である。 ウェーハ基板の上面図である。

符号の説明

１ ウェーハ基板
２ レジスト
３ 光硬化性有機材料
４ テンプレート

Claims (5)

1. ウェーハ基板上の被加工膜上に感光性樹脂を塗布する工程と、
   前記感光性樹脂の一部を露光して現像し、チップ形成領域に開口部を有する第１のパターンを形成する工程と、
   前記第１のパターンの開口部において露出した前記被加工膜上に光硬化性材料を塗布する工程と、
   一方の面に所定の凹凸を含む第２のパターンが形成され光透過性を有するテンプレートの前記一方の面を前記光硬化性材料に接触する工程と、
   前記テンプレートの他方の面側から前記光硬化性材料に光を照射する工程と、
   前記テンプレートを前記光硬化性材料から分離する工程と、
   を備えることを特徴とするパターン形成方法。
2. 前記第１のパターンは、前記第２のパターンにおける凹部又は凸部のいずれかの割合に基づく開口率を有するダミーパターン領域を備え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。
3. 前記第１のパターンは、前記第２のパターンよりピッチが大きいパターンを有する周辺素子パターン領域と、前記第２のパターンにおける凹部又は凸部の割合及び前記素子パターン領域の開口率に基づく開口率を有するダミーパターン領域と、を備え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。
4. 前記感光性樹脂はネガ型レジストであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のパターン形成方法。
5. ウェーハ基板上の被加工膜上に感光性樹脂を塗布する工程と、
   前記感光性樹脂の一部を露光して現像し、チップ形成領域に開口部を有する第１のパターンを形成する工程と、
   前記第１のパターンの開口部において露出された前記被加工膜上に光硬化性材料を塗布する工程と、
   一方の面に所定の凹凸パターンが形成され光透過性を有するテンプレートの前記一方の面を前記光硬化性材料に接触する工程と、
   前記テンプレートの他方の面側から前記光硬化性材料に光を照射する工程と、
   前記テンプレートを前記光硬化性材料から分離する工程と、
   前記感光性樹脂及び前記光硬化性材料をマスクとして前記被加工膜をエッチングする工程と、
   前記ウェーハ基板に素子を形成する工程と、
   を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。

Images