JP5356516B2 - 凹凸パターン形成方法 - Google Patents
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Description
本発明は、凹凸パターン形成方法に関する。
近年、主に半導体産業の分野において微細パターンの形成方法の研究開発が盛んに行われている。
従来から、高い量産性を持つ露光法によりパターンが形成されており、光源の短波長化により微細化を進めてきた。しかし、この露光法には、マスク幅が微細化できないこと、マスク寸法の制御性が悪いこと、マスク幅にゆらぎが生じるなどの問題があった。そこで、このような問題が発生しない、側壁転写によるパターン形成が注目されるようになった(例えば、特許文献1参照)。この側壁転写法では、露光法等により形成したガイドパターンの辺縁上に凹凸パターンを形成するための形成層を形成し、エッチングにより形成層をトリミングすることで、この形成層を選択的に残存させ、凹凸パターンを形成する方法である。この側壁転写法は、露光法の微細化限界を超えたパターン形成が可能であることが、側壁転写の長所の一つである。
しかし、この側壁転写法では、形成層のトリミングにおいて、垂直に近い角を持つ矩形の凹凸パターンの形成が望ましく、角が落ちてしまわないようにすることが必要となる。矩形の凹凸パターンの形成には、高いエッチング異方性が要求され、主にドライエッチングが使用される。
ドライエッチングは化学反応を利用した化学的エッチング成分と、粒子の衝突エネルギーを利用した物理的エッチング成分の両方を持っている。そして、化学的エッチング成分は等方的にエッチングが進行し、物理的エッチング成分は異方的にエッチングが進行する。等方的にエッチングが進行すると、高い異方性が得られない。そのため、高い異方性を得るには化学的エッチング成分を抑制することが重要となる。
側壁転写では凹凸パターンを形成するための形成層は単一材料で形成されるため、形成層の溝側面と溝底面は同一材料で形成される。そのため、溝側面と溝底面において同程度の化学的エッチングが生じ、エッチング異方性が低下する。そして、溝の浅い部分では、等方性エッチングによってエッチング方向に対して垂直な成分の被エッチング面が生じ、この面では物理的エッチングの影響が大きくなりエッチング方向に対して垂直なエッチングが進行し、肩落ちが生じる。したがって、形成層の溝側面と溝底面において、化学的エッチングが同程度生じ、肩落ちが生じることが側壁転写法の課題である。肩落ちとは、形成層の溝底面除去時において形成層上部の角が除去され丸みを帯びることである。一般に、半導体装置の製造でのエッチング用マスク形状、インプリントのパターン形状、MTJ加工時のエッチング用マスク形状では、高い矩形性が好まれる。しかし、上記肩落ちが生じた場合、凹凸パターンの矩形性が得られないという問題が生じる。
形成層は膜応力の異なるガイドパターンの辺縁上に形成されるため、形成層とガイドパターンとの界面に内部応力が発生する。内部応力の発生により、ガイドパターン除去後に、形成層に反りが生じる。形成層に反りが生じた場合、形成層または形成層から転写して得られるパターンの形状が変化する問題が生じる。したがって、ガイドパターンと形成層との界面に発生する応力に起因して、形成層に反りが生じることが側壁転写の課題である。
上述したように、従来の側壁転写法においては、凹凸パターンの凸部が肩落ちするという問題があった。
本発明は、凹凸パターンの凸部の肩落ちを可及的に抑制することのできる凹凸パターン形成方法を提供する。
本発明の第1の態様による凹凸パターン形成方法は、基材上に凸部を有するガイドパターンを形成する工程と、第1の金属元素およびは類金属元素から選択される少なくとも1つの元素を含む第1の層と、前記第1の金属元素と異なる第2の金属元素を含む第2の層とが積層された積層構造を有する形成層を前記ガイドパターン上に形成する工程と、前記形成層をエッチングすることで前記凸部の側部にのみ前記形成層を選択的に残置する工程と、前記ガイドパターンを除去する工程と、残置された前記形成層をマスクとして前記基材をエッチングすることにより前記基材に凹凸パターンを形成する工程と、を備えていることを特徴とする。
また、本発明の第2の態様によるインプリントスタンパの作製方法は、第1の態様による凹凸パターン形成方法を用いて、インプリントスタンパを形成する工程を備えていることを特徴とする。
また、本発明の第3の態様による磁気記録媒体の製造方法は、第2の態様によるインプリントスタンパの作製方法を用いて作製されたインプリントスタンパを用いて、磁気記録媒体を形成する工程を備えていることを特徴とする。
本発明によれば、凹凸パターンの凸部の肩落ちを可及的に抑制することができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による凹凸パターン形成方法を図1(a)乃至図3(c)に示す。
本発明の第1実施形態による凹凸パターン形成方法を図1(a)乃至図3(c)に示す。
まず、図1(a)に示すように、凹凸パターンが形成される基材を準備する。基材としてはシリコン基板自身、またはシリコン基板2上に例えばアモルファスシリコンからなる下地層4が形成されたものが挙げられる。本実施形態においては、後者の基材を用いる。続いて、図1(b)に示すように、基材上に凸部と凹部がパターン状に配置されたガイドパターン(芯材)6を形成する。このガイドパターン6は、凹凸パターンを形成するための層の芯材となる。ガイドパターン6の形成方法の一具体例として、下地層4上にCVD(Chemical Vapor Deposition)法またはスパッタ法でカーボン層を形成し、このカーボン層上にレジストを塗布し、その後ベークすることでレジスト層を形成する。そして、このレジスト層をリソグラフィー技術によりパターニングすることにより、レジストパターンを形成する。そしてこのレジストパターンをマスクとして上記カーボン層をドライエッチングすることによりパターニングし、カーボンからなるガイドパターンを形成する。続いて、上記レジストパターンを除去した後、酸素アッシング法を用いて、カーボンからなるガイドパターンの線幅を細くする方法が挙げられる。ガイドパターンの形状の一例として、例えば線幅が5nm、ピッチが20nm、高さが10nmである形状が挙げられる。また、ガイドバターンの形成方法の他の具体例としては、例えばスピンコートで塗布した反射防止膜をリソグラフィー技術によりパターニングする方法、インプリント法により樹脂パターンを形成する方法、または自己組織化によりパターンを形成する方法などが挙げられる。
次に、図1(c)に示すように、ガイドパターン6を覆うように凹凸パターンを形成するための、金属元素または類金属元素から選択される少なくとも1種の耐エッチング性元素を含む下層8を形成する。この下層8は、ALD(Atomic Layer Deposition)法、CVD法、またはスパッタ法などの方法を用いて形成される。後述するように、ALD法を用いることが好ましい。例えば、プリカーサーとしてトリスジメチルアミノシランまたはビスジメチルアミノシランを用いてALD法によりガイドパターン6を覆うように下層8として、例えば膜厚が4nmの酸化シリコン層を形成する。
次に、図2(a)に示すように、下層となる酸化シリコン層8上に例えばトリメチルアルミなどのプリカーサーを用いてALD法により、凹凸パターンを形成するための、金属元素を含む上層として、例えば膜厚が1nmの酸化アルミ層10を形成する。また、上記材料以外にも、下層としてタンタル、上層として酸化アルミが挙げられる。すなわち、下層が金属を含む場合は、上層に含まれる金属と異なる金属であることが好ましい。
本実施形態においては、凹凸パターンを形成するための形成層として、下層8に酸化シリコン層を用い、上層10に酸化アルミ層を用いている。この下層8および上層10を形成した直後の形成層の層厚方向における主元素の分布を図5に示す。図5から分かるように、下層8と上層10との界面付近では、分子の拡散による混合層が形成されることにより主元素の分布は勾配を有する。
次に、図2(b)に示すように、上層トリミングを行う。ここで、上層トリミングとは、凹凸パターンを形成するための上層10を選択的に除去することを意味する。上層トリミング方法としては、異方性エッチング、例えばアルゴンイオンミリング、または例えば三フッ化メタンガスまたは四フッ化メタンガスを用いて平行平板でのRIE(Reactive Ion Etching)法を用いて、酸化アルミ層10を選択的に除去して下層となる酸化シリコン層8の側部にのみ酸化アルミ層10aを残置させ、酸化シリコン層8の上面、すなわち酸化シリコン層8の凸部の上面および溝部の上面を露出させる。
次に、図2(c)に示すように、下層トリミングを行う。ここで、下層トリミングとは、凹凸パターンを形成するための下層8の一部を選択的に除去することを意味する。本実施形態では、上層トリミングで露出した凹凸パターンを形成するための下層8のうち、溝部の酸化シリコン層を選択的に除去し、凸部の酸化シリコン層8aを選択的に残置する。
除去方法として、例えば三フッ化メタンガスまたは四フッ化メタンガスを用いて平行平板でのRIEにより凹凸パターンを形成するための下層8を選択的に除去する方法が挙げられる。RIEの条件として、例えばガス組成は三フッ化メタン、ガス圧は1Pa、バイアス電力は150W、エッチング時間は10秒が挙げられる。
本実施形態では、凹凸パターン形成するための上層10は酸化アルミで形成され、下層8は酸化シリコンで形成されている。そして、上層トリミングとして、三フッ化メタンまたは四フッ化メタンを用いたRIEを行う。すると、溝部の底面は下層トリミングでのエッチング耐性が低い酸化シリコンが露出しているが、溝部の側面はエッチング耐性が高い酸化アルミで覆われた構造となる。その結果、下層トリミングでのエッチングは溝部の底面を選択的に進行するが、溝部の側面ではほとんど進行しなくなり、溝部の側面での肩落ちを抑制することができる。
本実施形態では、凹凸パターンを形成するための形成層は、層厚方向によって主元素が変化していることに起因し、エッチング耐性が異なる。下層トリミングにおいて、上層側ほどエッチング耐性が高く、下層側ほどエッチング耐性が低くなるように形成層を形成する。この形成層に対して上層トリミング行うと、溝部の底面と溝部の側面で層厚差が生じる。生じた層厚差により、溝部の側面に比べて溝部の底面のエッチング耐性が低くなる。耐性が低い溝部の底面はエッチングが進行し易いが、耐性が高い溝部の側面はエッチングが進行し難い。その結果、肩落ちが抑制される。すなわち、本実施形態ではエッチング耐性の材料選択性を利用して肩落ちを抑制している。
また、上記肩落ちの抑制は、下層エッチングにおいて上層材料と下層材料でエッチング耐性の材料選択性が高いことのみでなく、上層のエッチング角度依存性が高いことや、上層を膜厚制御性高く薄く形成することにより実現可能である。
次に、下層エッチングにおいて上層材料と下層材料でエッチング耐性の材料選択性を高く得ることについて説明する。微細パターンをエッチングする方法として一般的なRIEでは、反応性が高い状態にあるガス分子すなわちラジカルが被エッチング材料の主に主元素と化学反応を起こし、揮発性の高い化合物に変化し揮発することがエッチング進行の主要因の一つである。そのため、ガス分子との反応性および生成される化合物の揮発性によって、エッチングの進行が大きく異なる。よって、上記反応性および上記揮発性の違いが得られるようにガス種および被エッチング材料の主元素を選択することで、被エッチング材料のエッチング耐性の材料選択性を高めることが可能である。
本実施形態では、下層8として酸化シリコンを、上層として酸化アルミを用いたが、これらの材料に関してエッチング耐性の材料選択性の観点から説明する。三フッ化メタンまたは四フッ化メタンによる酸化シリコンのRIEでは、下記の(1)式に示すようにフッ素と下層8の主元素であるシリコンが結合し揮発することでエッチングが進行する。
SiO2+4F→SiF4+O2 (1)
SiO2+4F→SiF4+O2 (1)
一方、酸化アルミでは下記の(2)式に示すように上層10の主元素であるアルミとフッ素が結合する。
Al+3F→AlF3 (2)
Al+3F→AlF3 (2)
しかし、このアルミ化合物は揮発性が低く、RIEが行われる雰囲気下では、ほとんど揮発しないため、ほとんどエッチングが進行しない。実際にエッチングレートを測定した結果からも、酸化シリコンと酸化アルミでエッチング耐性に差があることが確認できた(図4参照)。図4は、横軸にRIEにおけるRF放電を発生するためのコイル電力を示し、縦軸はエッチングレートを示す。
すなわち、主元素がシリコンである材料と主元素がアルミである材料では、三フッ化メタンガスまたは四フッ化メタンガス中のフッ素と結合し生成される化合物の揮発性に差があり、この揮発性の差に起因してエッチング耐性の材料選択性が得られる。
下層8を酸化シリコンで形成し、上層10を酸化アルミで形成し、三フッ化メタンまたは四フッ化メタンによるRIEを行った本実施形態では、上記の化合物の揮発性の差によるエッチング耐性の材料選択性が得られる。
次に、上層10のエッチング角度依存性について説明する。上層トリミングでは、ガイドパターンの側部に形成された上層は残置させ、溝部の底面に形成された上層を選択的にエッチングする。
ガイドパターンの側部に形成された上層は膜面に対し略水平の角度でエッチングを受け、一方、溝部の底面に形成された上層は膜面に対し略垂直の角度でエッチングを受ける。よって、上層10は略水平の角度でのエッチングに対してエッチング耐性が高く、略垂直の角度でのエッチングに対してエッチング耐性が低いことが望ましい。そして、エッチング角度が略水平と略垂直でのエッチング耐性の差が大きいほど、上層トリミングおよびトリミング全体の異方性が向上する。エッチングの角度依存性は、被エッチング材料によって異なる。よって、上層はエッチングの角度依存性が高い材料を選択する必要がある。
酸化アルミではエッチングの角度依存性が得られている。上層8にエッチングの角度依存性が得られる酸化アルミを用いた本実施例では、トリミング全体の異方性が高く得られる。また、酸化アルミを上層に用い酸化シリコンを下層に用いた場合、上層トリミングと下層トリミングの両トリミングにおいてRIEのエッチングガスとして三フッ化メタンガスまたは四フッ化メタンガスを使用可能であるため、同一のマシンでエッチングガスを変化させることなく連続的に両トリミング可能である。その結果、コストダウンに寄与する。
次に、凹凸パターンを形成するための形成層の上層10と下層8の層厚について説明する。凹凸パターンの溝部の側壁に形成される上層10は、上層トリミングおよび下層トリミングの両工程を行った後も残存する必要がある。すなわち、上層10の膜厚dSPは、上層のトリミングおよび下層のトリミングの両工程でのサイドエッチングの長さよりも厚い必要がある。上層10および下層8の層厚を、エッチング異方性および被エッチング材の材料によるエッチング選択比から決定する。
上層10の層厚下限値dSP,minは以下のように求まる。上層10および下層8のトリミングが終了したときにガイドパターン6の側面に形成された上層10aが残存する条件を求める。上層10の層厚dSPは、上層10および下層8のトリミングによりサイドエッチングされる長さよりも厚い必要がある。上層10aが残存する条件は次の(3)式で表される。
ここで、dSPは上層10の層厚(nm)、LSP,BTは上層のトリミング工程での上層10のサイドエッチング長さ(nm)、LSP,SWEは下層のトリミング工程での上層のサイドエッチング長さ(nm)をそれぞれ示す。上層のトリミング工程での上層のサイドエッチング長さLSP,BTは次の(4)式で表される。
ここで、rSP,Side,BTは上層のトリミング工程での上層の横方向エッチングレート(nm/s)、tBTは上層のトリミング時間(s)、rSP,Bottom,BTは上層トリミング工程において、溝部の底面に形成された上層の縦方向のエッチングレート(nm/s)、ABTは上層トリミング工程でのエッチング異方性を表す。下層トリミング工程での上層のサイドエッチング長さLSP,SWEは次の(5)式で表される。
ここで、rSP,Side,SWEは下層トリミング工程における上層の横方向エッチングレート(nm/s)、tSWEは下層トリミング時間(s)、rSW,Bottom,SWEは下層のトリミング工程における、溝部の底面に形成された下層の縦方向エッチングレート(nm/s)、ASWEは下層のトリミング工程でのエッチング異方性を表す。
上層トリミングおよび下層トリミングの両方を合わせた、トリミング全体のエッチング異方性Aを求める。溝底部では、上層10と下層8の両方の層が縦方向にエッチングされる。溝側部では上層10で横方向に膜減りが生じる。これら縦方向および横方向のエッチング長さの比から、トリミング全体のエッチング異方性Aは、
(7)式、(12)式および(13)式からトリミング全体のエッチング異方性Aは、
と表される。
凹凸パターンの凸部の幅を5(nm)としたときの上層10の必要膜厚を図6に示す。図6において、横軸は上層トリミング工程におけるエッチング異方性ABTを示し、縦軸は下層トリミング工程におけるエッチング異方性ASWEを示す。上層トリミング工程でのエッチング異方性を4、下層トリミング工程でのエッチング異方性を16としたとき、凹凸パターンを形成する形成層の上層10の必要膜厚は、約0.4nmとなる。上層10の実際の膜厚は必要膜厚にエッチングマージンを加えた膜厚となる。
(14)式に基づき上層膜厚とトリミング全体のエッチング異方性の関係を求め、その関係を図20に示す。図20において、横軸は上層膜厚を示し、縦軸はトリミング全体のエッチング異方性を示す。上層10が薄いほど、トリミング全体のエッチング異方性は向上する。よって、上層膜厚は、必要膜厚以上の範囲で薄いことが望ましい。また、異方性が向上することで、異方性の変動による凹凸パターンの凸部の幅の変動を抑制することができる。つまり、薄い上層を形成することで、異方性が向上し、凹凸パターンの凸部の幅の変動を抑制することができる。そして、ALDはCVDと比較して膜厚制御性が高いため、薄い膜の形成に有利である。よって、薄い上層10の形成にALDを用いることが望ましい。上記計算に基づき、上層10の膜厚を1nm、下層8の膜厚を4.5nmとした。そして、酸化シリコンおよび酸化アルミはALDで成膜可能な材料である。よって、上層10として膜厚1nmの酸化アルミ層を、下層8として膜厚4.5nmの酸化シリコン層をALDで形成することが望ましい。また、後述するように応力の観点からも、ALD法は形成層の形成に有利であると考えられる。
下層8を酸化シリコンで形成し、上層10を酸化アルミで形成し、三フッ化メタンまたは四フッ化メタンを用いたRIEを行った本実施形態では、上記の化合物の揮発性の差によるエッチング耐性の材料選択性が得られ、かつ下層8はエッチングに対して角度依存性が得られ、かつ下層8と上層10の両方とも膜厚制御性が高く薄い膜を形成可能なALD法で可能な材料である。
下層トリミングとして三フッ化メタンガスおよび四フッ化メタンガスを用いたRIEを行う場合の形成層の材料組み合わせを説明する。シリコン化合物による下層8の上にシリコンを含まない材料からなる上層10が形成された多層構造が、凹凸パターンを形成するための形成層として好ましい。
他の材料組み合わせとして、下層8としては、ホウ素、シリコン、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、セレン、またはテルル等の類金属元素を主元素種として含む層が用いられるが、シリコンを主元素種として含む層を用いることが好ましく、例えば、シリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、またはこれらの混合物が用いられる。また、上層10としては、金属元素を主元素として含む層、例えば酸化アルミ、酸化チタン、酸化タンタル、白金、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、銅、コバルト、ニッケル、またはこれらの混合物を用いられる。
ALD法では、分子を一分子層毎に堆積させる成膜方法である。そのため、原子層レベルで膜厚制御可能なため幅10nm以下の凹凸パターンを形成する場合の上層形成方法としてALD法は適している。
従来の側壁転写法では、ガイドパターンと、凹凸パターンを形成するための形成層との界面に、応力が発生する。ガイドパターンを除去したとき、上記応力により凹凸パターンに反りが生じ、矩形のパターンが得られなくなる。
しかし、本実施形態では、凹凸パターンを形成するための形成層として、上層10aと、下層8aに膜応力が異なる材料、すなわち酸化アルミと、酸化シリコンとを用いたことで、上層の膜応力と下層の膜応力を釣り合わせ、反りを抑制することが可能となる。上層がガイドパターン6に対して圧縮応力の場合は下層が引張り応力となるようし、上層が引張り応力の場合は下層が圧縮応力となるような組み合わせの材料を選択することが好ましい。
例えば、下層として、ホウ素、シリコン、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、セレン、またはテルル等の類金属元素を主元素として含む層、またはタンタルの層が用いられるが、シリコンを主元素として含む層を用いることが好ましく、例えば、シリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、またはこれらの混合物が用いられる。また、上層10として、金属元素を主元素として含む層、例えば酸化アルミ、酸化チタン、酸化タンタル、白金、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、銅、コバルト、ニッケル、またはこれらの混合物を用いられる。
なお、この反りを抑制する効果は、本実施形態のように凹凸パターンを形成する層の組成が層厚方向に不連続に変化する構造のみでなく、後述する第3実施形態に示すように組成が段階的に変化する場合においても効果が得られる。
図2(c)においては、残置された酸化シリコン層8aおよび酸化アルミ層10aのそれぞれの上面はほぼ同一面にある。これに対し、本発明者達は以下のように考えている。エッチングレートの高い酸化シリコン層8aがまずエッチングされ、露出面積が大きな角状の薄い酸化アルミ層10aが残る。すると、この角状の薄い酸化アルミ層10aもエッチングされ、これらのことが繰り返されることにより、残置された酸化シリコン層8aおよび酸化アルミ層10aのそれぞれの上面はほぼ同一面となる。
本実施形態では、凹凸パターンを形成するための上層10は酸化アルミで形成され、下層8は酸化シリコンで形成されている。溝部の底面の上層10を選択的に除去した後、溝部の底面はRIEによるエッチングが進行し易い酸化シリコンが露出しているが、溝部の側面はエッチングが進行し難い酸化アルミで覆われた構造となる。その結果、RIEによるエッチングは溝部の底面を選択的に進行するが、溝部の側面ではほとんど進行しなくなり、溝部の側面での肩落ちを抑制することができる。また、上述したように、三フッ化メタンガスおよび四フッ化メタンガスを用いたRIEの場合は、シリコン化合物による下層の上にシリコンを含まない材料からなる上層が形成された多層構造が凹凸パターンを形成するための形成層として好ましい。他の材料組み合わせとして、下層8としては、ホウ素、シリコン、ゲルマニウム、ヒ素、アンチモン、セレン、またはテルル等の類金属元素を主元素として含む層、またはタンタルの層が用いられるが、シリコンを主元素として含む層を用いることが好ましく、例えば、シリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、またはこれらの混合物が用いられる。また、上層10としては、金属元素を主元素として含む層、例えばアルミナ、酸化チタン、酸化タンタル、白金、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、銅、コバルト、ニッケル、またはこれらの混合物を用いられる。
次に、図3(a)に示すように、酸素RIE法を用いてガイドパターン6を除去する。これにより、ガイドパターン6よりも狭ピッチな凹凸パターンを形成するための形成層が得られる。
次に、上述したように形成された凹凸パターンをマスクとして、下地層4をエッチングし、下地層4に凹凸パターンを転写する(図3(b)参照)。このように、凹凸パターンをエッチングすることにより下地層4に転写することで、パターンの矩形性を高めることができる。
続いて、図3(c)に示すように、下層8aおよび上層10aからなる凹凸パターンをエッチングにより除去する。この凹凸パターンの除去は、例えば、エッチングガスとして六フッ化硫黄ガスまたは臭化水素酸ガスを用いたRIE法によって行う。また、凹凸パターンが形成されたシリコン基板2を、例えば5wt%のフッ酸に浸漬させることによって、下層8aおよび上層10aからなる凹凸パターンを除去してもよい。
次に、本実施形態の凹凸パターン形成方法によって形成された凹凸パターンを用いてインプリント用のスタンパを形成する方法を、図7(a)乃至図7(d)を参照して説明する。このスタンパは磁性体加工型のビットパターンド磁気記録媒体(Magnetic bit-patterned media)の製造方法に用いられる。
まず、図7(a)に示すように、本実施形態の凹凸パターン形成方法によって、基板2上に設けられた凹凸パターン4aを有する原盤を用意する。続いて、図7(b)に示すように、凹凸パターン4aを覆うように、基板2上にニッケルスパッタ等によって薄い導電膜16を形成する。その後、図7(c)に示すように、電鋳法によってニッケル膜18を、凹凸パターン4aの凹部に充分に埋め込み、所望の膜厚となるように形成する。次に、図7(d)に示すように、ニッケル膜18を、凹凸パターン4aおよび基板2からなる原盤から剥離し、導電膜16およびニッケル膜18からなるスタンパ20を作成する。
次に、このスタンパ20を用いて、磁性体加工型のビットパターンド磁気記録媒体の製造方法について、図8(a)乃至図8(f)を参照して説明する。
まず、図8(a)に示すように、基板30上に記録層となる磁性層32が形成され、この磁性層32上にレジスト34が塗布された磁気記録媒体基板を用意する。この磁気記録媒体基板上に塗布されたレジスト34に上述のスタンパ20を用いてインプリントし(図8(a)参照)、スタンパ20のパターンをレジスト34に転写する(図8(b)参照)。
次に、レジスト34に転写されたパターンをマスクとしてレジスト34をエッチングし、レジストパターン34aを形成する(図8(c)参照)。その後、このレジストパターン34aをマスクとして磁性層32をイオンミリングする(図8(d)参照)。続いて、レジストパターン34aをドライエッチングまたは薬液によって除去し、ディスクリートな磁性層32aが形成される(図8(e)参照)。
次に、全面に保護膜36を形成し、磁気記録媒体を完成する(図8(f)参照)。なお、別途、溝等の凹の部分を非磁性材料で埋め込む工程を有していても構わない。
なお、この製造方法を用いてパターンを形成する基板の形状は、特に限定されるものではないが、円盤形状のもの、例えばシリコンウエハーなどが好ましい。ここで、円盤にノッチやオリフラがあっても構わない。他に基板としては、ガラス基板、アルミ系合金基板、セラミック基板、カーボン基板、化合物半導体基板などを用いることができる。ガラス基板には、アモルファスガラスまたは結晶化ガラスを用いることができる。アモルファスガラスとしては、ソーダライムガラス、アルミノシリケートガラスなどがある。結晶化ガラスとしては、リチウム系結晶化ガラスなどがある。セラミック基板としては、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化珪素などを主成分とする焼結体や、これらの焼結体を繊維強化したものなどを用いることができる。化合物半導体基板としては、GaAs、AlGaAsなどがある。
次に、上記スタンパ20を用いて、基板加工型の磁気記録媒体の製造方法について、図9(a)乃至図9(d)を参照して説明する。
まず、スタンパ20を、図7(a)乃至図7(d)に示した手法と同様の手法を用いて作製する。
次に、以下のようにインプリントリソグラフィー法を用いて凹凸加工基板を作製する。図9(a)に示すように、基板40上にインプリント用のレジスト41を塗布する。続いて、図9(b)に示すように、基板40上のレジスト41にスタンパ20を対向させ、圧力をかけてレジスト41にスタンパ20を押し付けてスタンパ20の表面の凸部パターンをレジスト41の表面に転写する。その後、スタンパ20を取り外す。これにより、レジスト41は凹凸パターンが形成されたレジストパターン41aとなる(図9(b)参照)。
次に、レジストパターン41aをマスクとして基板40をエッチングすることにより、凹凸パターンが形成された基板40aを得る。その後、レジストパターン41aを除去する(図9(c)参照)。
続いて、図9(d)に示すように、基板40a上に垂直記録に適した材料からなる磁性膜43を成膜する。このとき、基板40aの凸部に成膜された磁性膜43が凸部磁性体部43aとなり、基板40aの凹部に成膜された磁性膜が凹部磁性体部43bとなる。なお、磁性膜43として、軟磁性下地層と強磁性記録層との積層膜とすることが好ましい。さらに磁性膜43上にカーボンからなる保護膜45を設け、さらに潤滑剤を塗布することにより、磁気記録媒体を作製する。
上述したように、本実施形態の凹凸パターン形成方法により得られる微細な凹凸パターンは肩落ちが抑制されるため、インプリント用スタンパの原盤としての使用にも適している。
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態による凹凸パターン形成方法について、図10(a)乃至図10(d)を参照して説明する。この第2実施形態の凹凸パターン形成方法はマスクとして残置するガイドパターンの側部に優先的に膜形成することで、より肩落ちの小さいパターンを作成する方法である。
本発明の第2実施形態による凹凸パターン形成方法について、図10(a)乃至図10(d)を参照して説明する。この第2実施形態の凹凸パターン形成方法はマスクとして残置するガイドパターンの側部に優先的に膜形成することで、より肩落ちの小さいパターンを作成する方法である。
まず、第1実施形態と同様に、シリコン基板2上に例えばアモルファスシリコンからなる下地層4が形成された基材を用意し、下地層4上に、凸部と凹部がパターン状に配置された例えばカーボンからなるガイドパターン6を形成する。続いて、例えば、イオンビーム成膜法などの指向性の高い成膜方法を用いて、基材に対して45度以下の入射角で基材を自転させながら、凹凸パターン形成用の形成層の下層8として、酸化シリコン層を形成する(図10(a))。これにより、下層8は、ガイドパターン6の凸部上面および溝部底面に比べて、ガイドパターン6の側部に厚く形成される。その後、同様に指向性の高い成膜方法を用いて、基材に対して45度以下の入射角で基材を自転させながら、凹凸パターン形成用の形成層の上層10として、酸化アルミ層を形成する(図10(b))。続いて、RIE法を用いて、ガイドパターン6をエッチングし、下地層4に凹凸パターンを転写するためのマスクを形成する。このとき、ガイドパターン6の側部以外、すなわちガイドパターン6の上部および溝部の底部に存在する上層10および下層8も除去される。なお、図10(c)に示すように、ガイドパターン6は完全に除去せず、残置した状態であってもよい。
その後、上記マスクを用いて、第1実施形態の図3(a)に示す工程以降と同様の工程を用いて下地層4に凹凸パターンを転写し、凹凸パターンを形成する。
本実施形態の形成方法を用いて形成された形成層は第1実施形態と同様に、酸化シリコン層と、酸化アルミ層との2層構造となっており、さらに下層8および上層10のエッチング量が少なくなるため、凹凸パターンの凸部の肩落ちをさらに抑制することができる。
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態による凹凸パターン形成方法について、図11および図12を参照して説明する。この第3実施形態の凹凸パターン形成方法は、形成層の主元素が層厚方向において段階的に変化する形成方法である。
次に、本発明の第3実施形態による凹凸パターン形成方法について、図11および図12を参照して説明する。この第3実施形態の凹凸パターン形成方法は、形成層の主元素が層厚方向において段階的に変化する形成方法である。
まず、本実施形態の凹凸パターン形成方法は、ガイドパターン6を形成するまでは、第1実施形態と同様にして形成する。そして、本実施形態においては、凹凸パターンを形成するための形成層の形成方法が、第1実施形態と異なっている。本実施形態においては、凹凸パターンを形成するための形成層として、酸化シリコン層と酸化アルミ層とを例えばALD法を用いて、原子層レベルで交互に形成する。そして、例えば、酸化シリコン層の原子層数はガイドパターン6から離れるにつれて減少し、酸化アルミ層の原子層数はガイドパターン6から離れるにつれて増加するように形成する。すなわち、図11に示すように、ガイドパターン6上に、酸化シリコン層と酸化アルミ層とが交互に形成される領域がA領域、B領域、C領域、D領域、E領域の順序で形成されとする。このとき、ガイドパターン6に最も近い領域Aでは、酸化シリコン層と酸化アルミ層との原子層数が4:0とし、B領域では3:1とし、C領域では2:2とし、D領域では1:3とし、E領域では0:4とする。
この時の、酸化シリコン層と酸化アルミ層の原子層数と、層厚方向の関係を図12に示す。この図12からわかるように、形成層の層厚方向において、少なくとも耐エッチング性材料の主たる元素、すなわちシリコンと、アルミとがステップ状に変化している。シリコンはガイドパターン6から離れるに連れてステップ状に減少し、アルミはガイドパターン6から離れるにつれてステップ状に増加している。
以上説明したように、本実施形態の形成方法を用いて形成された形成層は酸化シリコン層と、酸化アルミ層との層数が原子層レベルで交互に形成され、かつ酸化シリコン層の原子層数はガイドパターン6から離れるにつれて減少し、酸化アルミ層の原子層数はガイドパターン6から離れるにつれて増加するように形成されているので、第1実施形態と同様に、凹凸パターンの凸部の肩落ちおよび反りを可及的に抑制することができる。
なお、形成層の層厚方向に対する主元素種の変化は連続的でも良い。例えば、成膜時にCVD原料ガス種を変化させる、または成膜温度を変化させるなどの方法により、種元素種が連続的に変化した層の形成が可能となる。
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態による凹凸パターン形成方法について、図13(a)乃至図16を参照して説明する。この第4実施形態の凹凸パターン形成方法は、ガイドパターン除去時の形成層の後退を防止した形成方法である。
次に、本発明の第4実施形態による凹凸パターン形成方法について、図13(a)乃至図16を参照して説明する。この第4実施形態の凹凸パターン形成方法は、ガイドパターン除去時の形成層の後退を防止した形成方法である。
本実施形態の凹凸パターン形成方法は、ガイドパターン6を形成するまでは、第1実施形態と同様にして形成する(図13(a))。ガイドパターン(芯材)6は、第1実施形態においては、下地層4上にCVD法またはスパッタ法を用いてカーボン層を形成し、リソグラフィー技術によりレジストパターンを用いてカーボン層をパターニングし、酸素によるエッチングで線幅を細くする(スリミングする)ことにより形成した。なお、リソグラフィー技術を用いてレジストパターンをスリミングした後に、カーボン膜をパターニングしてもよい。このガイドパターンは、例えば、線幅が5nm、ピッチが20nm、高さが10nmのサイズを有している。
ALD法やCVD法、またはスパッタ法などの方法を用いて形成する。本実施形態では、下層12として、ALD法で酸化アルミを1nm形成する。なお、下層12としては、酸化アルミの他に、酸化チタン、酸化タンタル、酸化スズ、酸化クロム、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化ニオブ、酸化インジウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化亜鉛、または酸化バナジウムを等の酸化物を用いてもよい。これらの材料は、酸素プラズマを用いないでALD法で成膜可能である。また、下層12としては、窒化アルミ、窒化タンタル、窒化ニオブ、窒化チタン、窒化モリブデン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化ガリウム、または窒化シリコン等の窒化物を用いてもよい。これらの窒化物の層は、ALD法を用いて形成することができる。この他にも、金属元素を主元素として含む層、例えば、白金、ルテニウム、イリジウム、パラジウム、銅、コバルト、ニッケル、またはこれらの混合物を用いてもよい。これらの金属の層は、ALD法を用いて形成することができる。次に、図13(c)に示すように、下層12を覆うように中層13を、ALD法、CVD法、またはスパッタ法などの方法を用いて形成する。本実施形態では、中層13として、ALD法を用いて酸化シリコンを3nm形成する。
次に、図14(a)に示すように、上層14を、ALD法、CVD法、またはスパッタ法などの方法を用いて形成する。本実施形態では、上層14として、ALD法を用いて酸化アルミを1nm形成する。なお、上層14としては、酸化アルミの他に、酸化チタン、酸化タンタル、酸化スズ、酸化クロム、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化ニオブ、酸化インジウム、酸化ランタン、酸化ハルニウム、酸化亜鉛、または酸化バナジウム等の酸化物を用いてもよい。これらの材料は、酸素プラズマを用いないでALD法で成膜可能である。また、上層14としては、窒化アルミ、窒化タンタル、窒化ニオブ、窒化チタン、窒化モリブデン、窒化ジルコニウム、窒化ハフニウム、窒化ガリウム、または窒化シリコン等の窒化物を用いてもよい。これらの窒化物の層は、ALD法を用いて形成することができる。本実施形態では、下層12を酸化アルミ、中層13を酸化シリコン、上層を酸化アルミで形成する。他の材料を用いた実施形態の例として、下層12を窒化タンタル、中層13を酸化シリコン、上層14を酸化アルミで形成する形態や、下層12を窒化チタン、中層13を酸化シリコン、上層14を酸化アルミで形成する形態がある。
次に、図14(b)に示すように、酸化アルミからなる上層14を、エッチングによりトリミングする。すなわち、ガイドパターン6の上面上の酸化アルミ層14を選択的に除去することにより、ガイドパターン6の上面上の酸化シリコン層13を露出させるとともに、ガイドパターン6の側部にのみ酸化アルミ層14を残置する。トリミング方法として、例えばアルゴンイオンミリングにより、ガイドパターン6の上面上の酸化アルミ層14を選択的に除去して、ガイドパターン6の上面上の酸化シリコン層13を露出させる。あるいはフッ化炭素系ガス、フッ化水素化炭素系ガスによるRIEなどにより実施する。
次に、図14(c)に示すように、酸化シリコンからなる中層13を、エッチングによりトリミングする。すなわち、ガイドパターン6の上面上の酸化シリコン層13を選択的に除去することにより、ガイドパターン6の上面上の酸化アルミ層12を露出させるとともに、ガイドパターン6の側部にのみ酸化シリコン層13を残置する。エッチングとしてはフッ化炭素系ガス、フッ化水素化炭素系ガスによるRIEなどにより実施する。
次に、図15(a)に示すように、酸化アルミからなる下層12を、エッチングによりトリミングする。ガイドパターン6の上面上の酸化アルミ層12を選択的に除去し、ガイドパターン6の側部にのみ酸化アルミ層12を残置する。エッチングとしてはフッ化炭素系ガス、フッ化水素化炭素系ガスなどを主体に適宜アルゴンや酸素などを加えた混合ガスによるRIEなどにより実施する。
次に、図15(b)に示すように、酸素プラズマによるエッチングあるいはアッシングによりカーボンからなるガイドパターン6を除去することにより、下層、中層、および上層からなる凹凸パターン形成層が残置される。
このように、本実施形態においては、下層、中層、および上層により構成された凹凸パターン形成層(マスク)が形成される。このマスクとしては、例えば、線幅が5nm、ピッチが10nm、高さが10nmのサイズを有し、線幅が5nm、ピッチが20nm、高さが10nmのサイズのガイドパターン6に比べて、ピッチが1/2となり、ガイドパターン6よりも狭ピッチの凹凸パターン形成層を得ることができる。
また、中層13の更に外側に、上層14としてケミカルエッチングが進行し難い酸化アルミ層14が形成されているので、下層12を最終的にエッチングによりトリミングする際に、その側壁に対するサイドエッチングがほとんど進行せず、結果として肩落ちの無い凹凸パターン形成層(マスク)が形成される。
さらに、下層12として酸素プラズマ耐性のある酸化アルミをガイドパターン上に形成することでガイドパターンは酸素プラズマで保護されるため、形成層の形成工程においてガイドパターンの酸素プラズマによる後退が防止される。そのため、中層13の形成に酸素プラズマを用いた成膜方法が可能となる。プロセスマージンが大きくなることにより、コストダウンに寄与する。
このようにして形成された凹凸パターン形成層(マスク)の主元素の密度分布を図16に示す。下層12の主元素はアルミであり、中層13の主元素がシリコンであり、上層14の主元素はアルミである。
その後は、第1実施形態で説明したと同様にして、この凹凸パターン形成層をマスクとして、下地層4をパターニングし、凹凸パターンを形成する。この凹凸パターンを用いて、第1実施形態で説明したと同様にして、インプリント用のスタンパが形成することができる。
なお、本実施形態においては、下層12に含まれる金属元素は、上層14に含まれる金属元素と同じものであったが、異なる金属元素であってもよい。この場合、更に中層13がシリコンの代わりに金属元素を含んでいてもよいが、この中層13に含まれる金属元素は、下層12および上層14に含まれる金属元素と異なることが好ましい。
(第5実施形態)
本発明の第5実施形態による凹凸パターン形成方法を図17(a)乃至図19(b)を参照して説明する。本実施形態の凹凸パターン形成方法は、MTJ(Magnetic Tunnel Junction)を形成するために用いられる。
本発明の第5実施形態による凹凸パターン形成方法を図17(a)乃至図19(b)を参照して説明する。本実施形態の凹凸パターン形成方法は、MTJ(Magnetic Tunnel Junction)を形成するために用いられる。
まず、図17(a)に示すように、第1の強磁性層51と、この第1の強磁性層上に形成されたトンネルバリア層52と、トンネルバリア層52上に形成された第2の強磁性層53とを有するMTJ膜40を用意する。続いて、このMTJ膜50の第2の強磁性層53上に、例えば膜厚50nmのタンタルからなるハードマスク層55を形成する。その後、ハードマスク層55上にカーボンからなるガイドパターン(芯材)56を形成する。このガイドパターン56の形成は、第1乃至第4の実施形態で説明した方法を用いて形成する。このガイドパターン56は、ハードマスク層55の上面に略直交する端面56aを有する例えば60nmの段差を備えている。この段差は、酸素によるエッチングで形成する。したがって、ガイドパターン56はハードマスク層55の一部を覆うが、ハードマスク層55の他の部分は露出している。このガイドパターン56および露出しているハードマスク層55を覆うように、下層58を形成する。この下層58はガイドパターン56の端面56aを覆うように形成される。この下層58は、例えば酸化シリコンからなっており、層厚は例えば14.4nmであって、ALD法、CVD法、またはスパッタ法などの方法で形成される。
次に、図17(b)に示すように、上層60を、ALD法、CVD法、またはスパッタ法などの方法で形成する。ここでは例えばALD法を用いて上層60として、酸化アルミ層を2nm形成する。
次に、図17(c)に示すように、上層である酸化アルミ層60を、エッチングによりトリミングする。すなわち、ガイドパターン56の上面およびハードマスク層55の上面に存在する酸化アルミ層60を除去して酸化シリコン層58を露出させ、ガイドパターン56の端面56aにのみ、酸化アルミ層層60を残置する。トリミングとして、例えばアルゴンイオンミリングにより選択的に酸化アルミ層層60を除去して選択的に酸化シリコン層58を露出させる。あるいはフッ化炭素系ガス、フッ化水素化炭素系ガスによるRIEなどにより実施する。
次に、図18(a)に示すように、下層である酸化シリコン層58を、エッチングによりトリミングする。すなわち、ガイドパターン56の上面およびハードマスク層55の上面に存在する酸化シリコン層58を除去し、ガイドパターン56の端面56aにのみ、酸化シリコン層58を残置する。トリミングとしては、フッ化炭素系ガス、フッ化水素化炭素系ガスによるRIEなどにより実施する。
次に、図18(b)に示すように、酸素プラズマによるエッチングあるいはアッシングによりカーボンからなるガイドパターン56を除去する。その結果、下層58および上層60により構成された凹凸パターン形成層(マスク)が形成される。このときのマスクは、例えば幅が15nm、高さが60nmのサイズを有している。
また、酸化シリコンからなる下層58の外側に、上層60としてケミカルエッチングが進行し難い酸化アルミ層60が形成されているので、下層58を最終的にエッチングによりトリミングする際に、その下層58に対するサイドエッチングがほとんど進行せず、結果として肩落ちの無い凹凸パターン形成層(マスク)が形成される。
次に、図18(c)に示すように、下層58および上層60により構成された凹凸パターン形成層をマスクとして、ハードマスク層55をパターニングし、ハードマスク材からなるライン状のハードマスク45aを形成する。続いて、下層58および上層60により構成された凹凸パターン形成層を図示しない絶縁膜で覆い、CMP(Chemical Mechanical Polishing)を用いて上記平坦化して凹凸パターン形成層の上面を露出させる。次いで、上述したと同様のプロセスを用いて、ライン状のハードマスク55aに略直交する方向に、エッチングするためのマスク(図示せず)を形成し、このマスクを用いて下地となる凹凸パターン形成層およびハードマスク55aをエッチングすることにより、矩形形状のハードマスク55bが形成される(図19(a))。このハードマスク55bを用いて、MTJ膜50をパターニングし、MTJ50aを形成する(図19(b))。ここでは、MTJ50aの加工はイオンミリング等の物理的エッチングを用い、所望の形状に加工される。
本実施形態も、第1実施形態と同様に、凹凸パターンの凸部の肩落ちおよび反りを可及的に抑制することができる。
Claims (8)
- 基材上に凸部を有するガイドパターンを形成する工程と、
第1の金属元素および類金属元素から選択される少なくとも1つの元素を含む第1の層と、前記第1の金属元素と異なる第2の金属元素を含む第2の層とが積層された積層構造を含む形成層を前記ガイドパターン上に形成する工程と、
前記形成層をエッチングすることで前記凸部の側部にのみ前記形成層を選択的に残置する工程と、
前記ガイドパターンを除去する工程と、
残置された前記形成層をマスクとして前記基材をエッチングすることにより前記基材に凹凸パターンを形成する工程と、
を備えていることを特徴とする凹凸パターン形成方法。 - 前記形成層を形成する工程は、
前記ガイドパターンを覆うように前記第1の層を形成する工程と、
前記第1の層を覆うように前記第2の層を形成する工程と、
を備えていることを特徴とする請求項1記載の凹凸パターン形成方法。 - 前記第1の層は酸化シリコン層であり、前記第2の層は酸化アルミ層であることを特徴とする請求項2記載の凹凸パターン形成方法。
- 前記形成層を形成する工程は、
前記ガイドパターンを覆うように、前記第2の金属元素と同じ金属元素を含む第3の層を形成する工程と、
前記第3の層を覆うように前記第1の層を形成する工程と、
前記第1の層を覆うように前記第2の層を形成する工程と、
を備えていることを特徴とする請求項1記載の凹凸パターン形成方法。 - 前記第1の層は酸化シリコン層であり、前記第2の層は酸化アルミ層であり、前記第3の層は酸化アルミ層であることを特徴とする請求項4記載の凹凸パターン形成方法。
- 前記形成層を形成する工程は、
前記ガイドパターンを覆うように、前記第1及び第2の金属元素と異なる金属元素を含む第3の層を形成する工程と、
前記第3の層を覆うように前記第1の層を形成する工程と、
前記第1の層を覆うように前記第2の層を形成する工程と、
を備えていることを特徴とする請求項1記載の凹凸パターン形成方法。 - 前記形成層は、ALD法によって形成されることを特徴とする請求項1記載の凹凸パターン形成方法。
- 前記形成層は、前記第1の層と前記第2の層との積層構造を複数組有し、それぞれの組は、前記ガイドパターンから遠ざかるにつれて前記第1の層の原子層数は減少し、前記第2の層の原子層数は増加するように構成されていることを特徴とする請求項1記載の凹凸パターン形成方法。
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