JP5132647B2

JP5132647B2 - パターン形成方法

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Publication number: JP5132647B2
Application number: JP2009219689A
Authority: JP
Inventors: 宏之柏木; 和也福原
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-09-24
Filing date: 2009-09-24
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2029-09-24
Also published as: US8419950B2; US20110068081A1; JP2011071237A

Description

本発明は、微細パターンの形成に適用されるパターン形成方法に関する。

半導体装置の微細加工技術は加速的に進歩している。半導体装置は、光リソグラフィー技術を用いて微細パターンが作製されている。しかし、次式（１）で示すように、光リソグラフィーの解像度ＨＰは、波長に応じた回折限界が存在する。このため、光リソグラフィーの解像度ＨＰは、限界がある。

ＨＰ＝ｋ１・λ／（ＮＡ） …（１）
ここで、λは露光波長、ｋ１はプロセスファクター（ｋ１ファクター：定数）、ＮＡは投影レンズの開口数である。

ところで、ｎｍオーダーの微細パターンの形成において、光リソグラフィーを適用するには、紫外線、Ｘ線などのように波長をさらに短くさせる必要である。しかし、光源が高価であるため量産に適していない。そこで、近接場リソグラフィーや近接場アシスト型のナノインプリントなどの波長に依存せず、比較的安価な微細パターンの形成方法が開発されている（例えば特許文献１参照）。

しかし、特許文献１に開示されている金属を利用する近接場アシスト型のナノインプリント技術は、光の照射時間の誤差や、光強度のむらにより、金属周囲に発生する近接場強度分布によって形成されるパターン寸法に誤差が生じる。これは、近接場強度分布が表面から指数関数的に変化することに起因する。

特開２００６−２８７０１２号公報

本発明は、正確な寸法のパターンを形成することが可能なインプリントによるパターン形成方法を提供することにある。

本発明の一態様によるパターン形成方法は、凹凸パターンの少なくとも凸部の先端に金属層を有するテンプレートを光硬化性樹脂が塗布された被加工基板上に配置する工程と、波長λの光を前記テンプレートを通して前記光硬化樹脂に照射する工程であって、前記金属層の周辺の近接場領域の強度を増加させるプラズモン共鳴を生じさせる前記工程とを含み、前記波長λに対応する前記金属層の複素比誘電率をε１、前記波長λに対応する前記光硬化性樹脂の複素比誘電率をε２としたとき、これらの関係がε１＝−２ε２であり、前記近接場は前記金属層の厚さと相関しており、かつ、前記近接場は前記基板のラフネス量よりも厚くなるように、前記金属層の厚さは設定されていることを特徴とする。

本発明は、正確な寸法のパターンを形成することが可能なインプリトによるパターン形成方法を実現できるようになる。

実施形態に係るパターン形成方法を説明するための断面図。実施形態に係るパターン形成方法を説明するためのフローチャート。実施形態の作用を示すものであり、異なる金属に対する光強度分布を示す図。実施形態の作用を示すものであり、プラズモン共鳴の利用の有無の違いによる入射光の強度と加工寸法との関係を示す図。実施形態の作用を示すものであり、プラズモン共鳴の利用の有無の違いによる照射時間と加工寸法との関係を示す図。実施形態に係るテンプレートの作成方法の一例を示す断面図。図６に続く作成方法を示す断面図。図７に続く作成方法を示す断面図。図８に続く作成方法を示す断面図。実施形態に係る別のテンプレートの作成方法の一例を示す断面図。図１０に続く作成方法を示す断面図。図１１に続く作成方法を示す断面図。実施形態に係る他のパターン形成方法を説明するための断面図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

本実施形態は、プラズモン共鳴を利用したインプリントプロセスにより、正確な寸法を有するパターンを形成するというものである。プラズモン共鳴とは、特定の金属に特定の波長の光を照射した場合、その金属の周囲の媒質の近接場光強度が増大する現象である。

例えば微小球状の金属において、入射光の波長λに対応する金属の複素比誘電率ε_１（λ）と、金属の周囲に存在する、入射光の波長λに対応する誘電体の複素比誘電率ε_２（λ）の関係が、次式（２）で示す関係を満足するとき、球状金属の周囲に局在プラズモン共鳴を励起できる。

ε_１＝−２ε_２ …（２）
但し、表面プラズモンはＴＭ（Transverse Magnetic）偏光波であるため、照射する光は直線偏光（Ｐ偏光）でなければならない。照射する光を直線偏光（Ｐ偏光）に変えるには、例えば偏光子を用いる。

このような条件下で、テンプレートの一部に金属層を配置すると、テンプレートの金属層近傍における電場強度を大幅に増強することができる。

図１、図２は、本実施形態に係る、プラズモン共鳴を利用した微細パターンの形成方法を示している。より詳細には、図１は微細パターンの形成方法を示す断面図、図２は微細パターンの形成方法を示すフローチャートである。

まず、透光性材料により形成された凹凸パターンの複数の凸部１３ａの上面に、金属層１４が設けられてなるテンプレート１３を作成または用意する（Ｓ１）。このようなテンプレート１３の作成方法については後で説明する。金属層１４は例えばＡｇ（銀）により構成されている。

このような構成に形成されたテンプレート１３は、被加工基板１１上に塗布された光硬化樹脂１２に押し当てられる（Ｓ２）。凸部１３ａ及び金属層１４は光硬化樹脂１２内に位置される。金属層１４の先端部は、被加工基板１１の表面に当接されている。

この状態において、テンプレート１３の凸部１３ａが形成された面と反対側の面から、プラズモン共鳴が起こる条件を満たす光（プラズモン共鳴光）が照射される（Ｓ３）。すなわち、テンプレート１３を通してプラズモン共鳴が起こる条件で光が金属層１４及び光硬化性樹脂１２に照射される。この光の波長は、金属層１４を構成するＡｇがプラズモン共鳴する例えば３６５ｎｍ〜４５０ｎｍである。

ここで、金属層１４の複素比誘電率と光硬化性樹脂１２の複素比誘電率は、式（２）の関係を満たしているものとする。また、プラズモン共鳴光は、凹凸パターンに対して垂直な方向に振動する電気ベクトルを主成分とする直線偏光である。このため、プラズモン共鳴により、金属層（Ａｇ）１４の近接場光強度が増加する。図１において、符号１５は、近接場領域を示している。

このように、プラズモン共鳴を利用して近接場光強度を増大することにより、光硬化性樹脂１２は光により効果的に硬化される。光硬化性樹脂１２の硬化後、光硬化性樹脂１２からテンプレート１３が離される（テンプレート離型）（Ｓ４）。この後、光照射により硬化された光硬化性樹脂１２をマスクに用いて、被加工基板１１をエッチングにより加工することで、微細なパターンが形成される（Ｓ５）。

ここで、被加工基板１１の最上層がポリシリコン膜や金属膜等の導電膜の場合、微細な電極パターンや配線パターンなどが形成される。

また、被加工基板１１の最上層がシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の絶縁膜の場合、微細なコンタクトホールパターンやゲート絶縁膜などが形成される。

また、被加工基板１１がシリコン基板等の半導体基板の場合、微細な素子分離溝（ＳＴＩ）などが形成される。

図３は、光の波長を例えば３６５ｎｍ〜４５０ｎｍとして、ＡｇとＣｒ（クロム）を備えたテンプレート近傍の光強度分布（近接場強度）を示している。

すなわち、図１に示すように、テンプレート１３に例えばハーフピッチ２０ｎｍの矩形状の突起１３ａを形成し、この突起１３ａの先端に２０ｎｍ×２０ｎｍ×２０ｎｍの矩形状の金属層１４を形成する。この金属層１４をＡｇにより形成したサンプルと、Ｃｒにより形成したサンプルに波長３６５ｎｍ〜４５０ｎｍの光を照射し、テンプレート近傍の光強度分布を測定した。矩形状の金属層１４は、２０ｎｍの球形と同等であり、局在プラズモン共鳴を励起している。

図３に示すグラフの横軸は位置、縦軸は光強度を示している。プラズモン共鳴が起こるＡｇを用いた場合、入射光の強度に対してテンプレート近傍の光強度が１０倍以上に強くなっていることが分かる。これに対して、プラズモン共鳴が起こらないＣｒを用いた場合（プラズモン非共鳴の場合）には、入射光の強度に対してテンプレート近傍の光強度は５倍以下である。

図４は、プラズモン共鳴の利用の有無の違いによる入射光の強度と加工寸法との関係を示している。

図４から、Ｃｒを用いた場合、つまり、プラズモン共鳴を利用しないでパターンを形成した場合、形成されたパターンの寸法誤差は最大７ｎｍとなっている。

これに対して、Ａｇを用いた場合、つまり、プラズモン共鳴を利用してパターンを形成した場合、形成されたパターンの寸法誤差の最大値は１ｎｍ以下である。

したがって、プラズモン共鳴を利用したパターン形成の場合、入射光の強度が変化しても寸法誤差を低減することが可能である。すなわち、正確な寸法のパターンを形成することが可能なインプリントによるパターン形成方法を実現できるようになる。

図５は、プラズモン共鳴の利用の有無の違いによる照射時間と加工寸法との関係を示している。

図５から、Ｃｒを用いた場合、つまり、プラズモン共鳴を利用しないでパターンを形成した場合、形成されたパターンの寸法差が８ｎｍ以上である。

これに対して、Ａｇを用いた場合、つまり、プラズモン共鳴を利用してパターンを形成した場合、形成されたパターンの寸法差が１ｎｍ以内である。

上記のように、プラズモン共鳴を利用してパターンを形成した場合、入射光強度の誤差や照射時間の誤差によるパターン寸法の誤差を抑制することができることが分かる。すなわち、正確な寸法のパターンを形成することが可能なインプリントによるパターン形成方法を実現できるようになる。

以上の説明では、Ａｇのプラズモン共鳴を利用してパターンを形成する場合について説明した。しかし、テンプレート１３の突起１３ａに形成される金属層１４はＡｇ層に限定されるものではない。すなわち、プラズモン共鳴は金属と周囲に充填されている光硬化性樹脂の屈折率から決まる。光硬化性樹脂の屈折率が１．４６〜２．７である場合、プラズモン共鳴が発生する金属材料と入射光の波長との関係は次の通りである。

Ａｇ：波長３６５ｎｍ〜４５０ｎｍ
Ｐｔ：波長３６５ｎｍ〜４９０ｎｍ
Ｃｕ：波長４６０ｎｍ〜５５０ｎｍ
Ａｕ：波長５１０ｎｍ〜５５０ｎｍ
Ｃｒ：波長４５０ｎｍを含む光
その他、金属層１４は、単一の金属に限らず、例えばＡｇ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｃｒ若しくはこれらを含有する金属を用いることも可能である。

本記実施形態によれば、テンプレート１３の凸部１３ａに金属層１４を形成し、このテンプレート１３にプラズモン共鳴光を照射することにより、テンプレートの金属層１４の表面近傍で光強度を増強することができる。このため、コントラストを大幅に向上することができ、所望のパターン寸法を得るための露光量の余裕度を大幅に改善することができる。したがって、テンプレートのパターンの倍ピッチを有する微細パターンを形成することが可能である。

しかも、プラズモン共鳴を利用することにより、テンプレートに対する入射光の強度の誤差や照射時間の誤差の影響を抑制して正確な寸法を有する微細パターンを形成することができる。

図６乃至図９は、上記実施形態に適用されるテンプレートの作成方法の一例を示している。図６乃至図９において、図１と同一部分には同一符号を付している。

図６に示すように、先ず、クォーツ基板１３−１上に、例えばＡｇが金属層１４−１として蒸着あるいはスパッタリングにより形成される。この金属層１４−１上にＥＢ（電子ビーム）用レジスト２１−１が塗布される。

この後、図７に示すように、このレジスト２１−１がＥＢ描画によりパターンニングされ、レジストパターン２１−２が形成される。このレジストパターン２１−２をマスクとして金属層１４−１がエッチングされ、図８に示すように、金属層１４のパターンが形成される。金属層１４のパターン形成は、ＥＢ描画に限定されるものではなく、例えばＦＩＢ（Focused Ion Beam）描画などを利用することも可能である。

次いで、金属層１４をマスクとして、例えばＨＦ、ＢＨＦなどの溶液を用いてクォーツ基板１３−１がエッチングされる。

この結果、図９に示すように、凸部１３ａの先端に金属層１４を有するテンプレート１３が完成する。

尚、上記実施形態は、金属層１４をマスクとしてクォーツ基板１３−１をエッチングすることにより、凸部１３ａの先端に金属層１４を有するテンプレート１３を形成する場合について説明した。しかし、これに限らず、例えば金属層１４を一度剥離し、スパッタ、蒸着によって、テンプレート１３に形成された凹凸パターンの凸部１３ａの上面及び凹部の底面の両方に形成してもよい。

また、金属層１４を球状とすることにより、局在プラズモンの強度を高めることが可能である。

図１０乃至図１２は、球状金属を有するテンプレートの作成方法を示している。

図１０に示すように、クォーツ基板１３−１上に例えば金属によりパターン３１を形成する。パターン３１の形成工程は、例えば、図６乃至図８の工程に準じる。パターン３１を構成する金属は、例えば、マスク材料として利用されるＣｒである。この後、球状の金属微粒子３２が塗布され、金属パターン３１内に配置される。この金属微粒子３２の材料は、例えばＡｇである。この金属微粒子３２は、自己組織(self-assembled)させて配列させることも可能である。自己組織としては、例えば、ブロックコポリマー等の自己組織化技術を用いることができる。

この後、図１１に示すように、金属パターン３１が除去される。

次いで、金属微粒子３２をマスクして、クォーツ基板１３−１がエッチングされ、凸部１３ａの先端に金属微粒子３２を有するテンプレート１３が形成される。金属微粒子３２の材料としては、Ａｇに限らず、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｃｒ若しくはこれらを含有する金属を用いることが可能である。

上記のように、凸部１３ａの先端に金属微粒子３２を有するテンプレート１３は、局在プラズモンの強度を効果的に高めることが可能であるため、一層微細パターンの形成に有効である。

ところで、図１において、説明した光硬化性樹脂の膜厚はスピンコータ、インクジェットなどの手法で制御することが望ましい。例えば基板表面に５０ｎｍのラフネスがある場合、光硬化樹脂の膜厚が５０ｎｍ以下であると、光硬化樹脂により基板全体をパターニングすることができない。

一方、図１３に示すように、光硬化樹脂の膜厚がテンプレートの凸部の高さよりも十分に厚い場合（例えば１μｍ以上）において、テンプレート１３の近傍、例えば凸部１３ａ先端の金属層１４から数十ｎｍ以内の領域に存在する光硬化性樹脂１２は、プラズモン共鳴で増強している近接場領域１５で硬化が起きる。しかし、テンプレート１３から離れ、被加工基板１１の表面と接触している部分の光硬化樹脂１２は硬化が起こりにくい。このため、テンプレート１３を離型する際、パターンの剥離や破損が生じる。

そこで、テンプレート１３の金属層１４の膜厚と相関している近接場領域１５（一般に指数関数の強度が元の強度に対して１／ｅ^２弱まる地点）を、基板のラフネス量Δよりも厚くすることで、上記した問題を回避することが可能である。近接場領域１５における硬化範囲の大きさは照射する光の強度や照射時間によって制御できる。

上記実施形態では、テンプレートの凸部の断面形状が矩形状であるが、その形状は形成するべきデバイスのパターン（デバイスパターン）によって適宜変更される。また、実施形態のパターン方法は、ＭＯＳトランジスタ等の半導体デバイス以外にも適用でき、例えば、光学素子であるＣＣＤに用いられるマイクロレンズアレイや、ＤＮＡチップ（バイオ製品）を構成するＳｉウェハ上に形成されるパターンにも適用できる
また、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。

また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。

さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。

１１…半導体基板、１２…光硬化樹脂、１３…テンプレート、１３ａ…凸部、１４…金属層、１５…近接場領域。

Claims

凹凸パターンの少なくとも凸部の先端に金属層を有するテンプレートを光硬化性樹脂が塗布された被加工基板上に配置する工程と、
波長λの光を前記テンプレートを通して前記光硬化樹脂に照射する工程であって、前記金属層の周辺の近接場領域の強度を増加させるプラズモン共鳴を生じさせる前記工程とを含み、
前記波長λに対応する前記金属層の複素比誘電率をε１、前記波長λに対応する前記光硬化性樹脂の複素比誘電率をε２としたとき、これらの関係が
ε１＝−２ε２
であり、
前記近接場は前記金属層の厚さと相関しており、かつ、前記近接場は前記基板のラフネス量よりも厚くなるように、前記金属層の厚さは設定されていることを特徴とするパターン形成方法。
前記波長λの光は、前記凹凸パターンに対して垂直な方向に振動する電気ベクトルを主成分とする直線偏光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。
前記金属層の材料が白金の場合、前記波長λは３６５ｎｍ乃至４９０ｎｍであり、
前記金属層の材料が銅の場合、前記波長λは４６０ｎｍ乃至５５０ｎｍであり、
前記金属層の材料が金の場合、前記波長λが５１０ｎｍ乃至５５０ｎｍであり、
前記金属層の材料がクロムの場合、前記波長λは４５０ｎｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載のパターン形成方法。
前記光を前記テンプレートを通して前記光硬化樹脂に照射する工程の後に、
前記光硬化樹脂から前記テンプレートを離す工程と、
前記光硬化樹脂をマスクにして前記被加工基板をエッチングする工程と
をさらに含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパターン形成方法。
前記金属層の形状が球形であることを特徴する請求項１乃至４のいずれか１項に記載のパターン形成方法。