JP5971561B2 - パターン形成方法およびパターン形成装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、パターン形成方法およびパターン形成装置に関する。
半導体装置の微細化及び高集積化に伴い、フォトリソグラフィ装置の高精度化が要求されている。しかし、数10ナノメートル以下の微細加工を実現するにあたっては、フォトリソグラフィ技術では解像度限界が生じている。このため、次世代の微細加工の1つとして、ウェーハプロセスではナノインプリント技術が導入されつつある。
ナノインプリント技術でも、フォトリソグラフィ技術と同様に簡易かつ低コストのパターニング技術が求められている。
特開2011−018722号公報
本発明が解決しようとする課題は、簡易且つ低コストのパターン形成方法およびパターン形成装置を提供することである。
実施形態のパターン形成方法は、パターン形成面にレジスト層を形成し、凹凸が設けられたテンプレートを前記レジスト層の上から押し付けて前記パターン形成面の上にレジストパターンを形成するパターン形成方法である。実施形態のパターン形成方法は、前記パターン形成面の面積よりも面積が小さい第1領域と、前記パターン形成面の前記第1領域以外の第2領域と、にレジスト層を形成するとともに、前記第1領域に前記レジスト層の硬化を抑制する薬液を供給するステップと、前記レジスト層に対してテンプレートを押し付けるステップと、前記テンプレートを介して前記レジスト層に光を照射し、前記第1領域には硬化が抑制された前記レジスト層を形成し、前記第2領域には硬化が進行した前記レジスト層を含む前記レジストパターンを形成するステップと、前記第1領域から前記硬化が抑制された前記レジスト層を除去するステップと、を備える。

図1は、第1実施形態に係るパターン形成方法のフローを表す図である。 図2(a)〜図2(d)は、第1実施形態に係るパターン形成方法を表す断面模式図である。 図3(a)〜図3(c)は、第1実施形態に係るパターン形成方法を表す断面模式図である。 図4は、第1実施形態に係るパターン形成方法を表す平面模式図である。 図5は、第1実施形態に係るパターン形成装置を表すブロック図である。 図6は、参考例に係るパターン形成方法を表す平面模式図である。 図7(a)〜図7(c)は、第2実施形態に係るパターン形成方法を表す断面模式図である。 図8(a)〜図8(c)は、第3実施形態に係るパターン形成方法を表す断面模式図である。 図9(a)〜図9(b)は、第3実施形態に係るパターン形成方法を表す断面模式図である。 図10は、第3実施形態に係るパターン形成装置を表すブロック図である。 図11は、第4実施形態に係るパターン形成方法を表す断面模式図である。
以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係るパターン形成方法のフローを表す図である。
第1実施形態に係るパターン形成方法は、パターン形成面にレジスト層を形成し、凹凸が設けられたテンプレートをレジスト層の上から押し付けてパターン形成面の上にレジストパターンを形成するパターン形成方法である。
第1実施形態に係るパターン形成方法では、まず、パターン形成面の面積よりも面積が小さい第1領域と、第1領域以外の前記第2領域と、にレジスト層が形成される(ステップS100)。ここで、第1領域が半導体ウェーハ基板の周辺部である場合には、第1領域の面積は、第2領域の面積よりも小さい。
次に、レジスト層に対してテンプレートが押し付けられる(ステップS200)。
次に、テンプレートを介してレジスト層に光が照射され、第1領域には硬化が抑制されたレジスト層が形成され、第2領域には硬化が進行したレジスト層を含むレジストパターンが形成される(ステップS300)。
次に、第1領域から硬化が抑制されたレジスト層が除去される(ステップS400)。
第1実施形態に係るパターン形成方法の具体的な方法について説明する。
図2(a)〜図3(c)は、第1実施形態に係るパターン形成方法を表す断面模式図である。
図2(a)に表されるように、半導体ウェーハ10のパターン形成面100は、第1領域101と第2領域102とを有している。第1領域101は、例えば、半導体ウェーハ10の周辺部である。半導体ウェーハ10の径が8インチ以上である場合、断面図における第1領域101の幅は、2mm〜3mmである。この周辺部は、素子、配線、絶縁膜等が形成されない未使用領域である。第2領域は、素子、配線、絶縁膜等が形成される領域である。第2領域には、ウェーハプロセスにおいて微細加工が施されるためにナノインプリントが実施される。半導体ウェーハ10は、アルゴン(Ar)、窒素(N)等のガス雰囲気下に存在している。
まず、図2(a)に表されるように、第1領域101に薬液20が供給される。薬液20は、レジスト層の硬化を抑制する薬液である。薬液20は、例えば、塗布法によって第1領域101に供給される。具体的な供給手法としては、インクジェットを用いた選択塗布方法、半導体ウェーハ10の周辺部を選択的に薬液で塗布するノズル塗布法等である。
薬液20は、レジストのラジカル重合を抑制するラジカル重合禁止剤を含む。薬液20は、例えば、光が照射されるとモノマーに発生したラジカルによって重合禁止剤に含まれる水素が引き抜かれて、重合禁止剤は安定ラジカルを形成して、モノマーの重合を停止させる。薬液20は、例えば、ヒドロキノン、メチルヒドロキノン、ベンゾキノン、2,2,6,6−テトラメチルピペリジン−1−オキシ、2,2−ジフェニル−1−ピクリルヒドラジル、4−メトキシフェノール、フェノチアジン等とその溶液である。
次に、図2(b)に表されるように、第1領域101と、第2領域102と、にレジスト層30が形成される。第1領域101においては、薬液20がレジスト層30によって覆われる。あるいは、第1領域101において、薬液20の一部がレジスト層30のなかに浸透する。
レジスト層30は、例えば、ネガ型レジストである。すなわち、レジスト層30は、光が照射されると、架橋反応を起こし、有機溶剤等のシンナーに対しての溶解性が低下する。レジスト層30においては、光が照射された部分の硬化(固化)が進行する。但し、レジスト層30は、酸素が存在するとラジカル重合が阻害されて、光が照射されても、その硬化が抑制される。レジスト層30は、例えば、アクリレート基、メタクリレート基、ビニル基、アリル基を含むモノマーが重合したもので構成されている。
次に、図2(c)に表されるように、レジスト層30に対してテンプレート40が押し付けられる。これにより、テンプレート40の凹凸がレジスト層30に転写される。
次に、図2(d)に表されるように、テンプレート40を介してレジスト層30に光50が照射される。光50は、例えば、UV(Ultra Violet)光である。光50はテンプレート40の上に設置された光源51から放射される。
上述したように、レジスト層30はネガ型レジストを有する。このため、レジスト層30に光50を照射すると、光が照射された部分のレジスト層30の硬化が進行する。第1実施形態では、テンプレート40と光源51との間に、光50を選択的に遮蔽するマスクを設けていない。第1実施形態では、テンプレート40のほぼ全域に光50が照射される。硬化が進行した後のレジスト層をレジスト層30sとする。
但し、第1領域においては、光50が照射されると薬液20の作用によってレジスト30の重合を阻害させる反応がおきる。このため、第1領域のレジスト層30においてはレジスト層30のラジカル重合が阻害されて、レジスト層の硬化が抑制される。すなわち、第1領域101には硬化が抑制されたレジスト層30が形成され、第2領域102には硬化が進行したレジスト層30sを含むレジストパターンが形成される。
次に、図3(a)に表されるように、テンプレート40がパターン形成面100から取り除かれる。
次に、図3(b)に表されるように、ノズル61から有機溶剤60が流出されて、有機溶剤60がパターン形成面100に供給される。有機溶剤60は、第1領域101のレジスト層30に優先的に供給してもよい。
有機溶剤60は、例えば、シクロヘキサノン等の環状炭化水素、トルエン等の芳香族化合物、酢酸エステル、アルコール等を含む。硬化が進行したレジスト層30sは、有機溶剤60に対して難溶性を示し、硬化が抑制されたレジスト層30は、有機溶剤60に対して可溶性を示す。
その結果、図3(c)に表されるように、第1領域101から硬化が抑制されたレジスト層30が選択的に除去される。また、第2領域102には、レジスト層30sが残存する。
図4は、第1実施形態に係るパターン形成方法を表す平面模式図である。
図4には、図3(c)の状態をレジスト層30sの上から見た状態が表されている。また、図4のA−A’線の位置での断面が図3(c)に対応している。半導体ウェーハ10の周辺部(未使用領域)は、パターン形成面100の第1領域101に対応している。
図4に表されるように、パターン形成面100の第2領域102には、パターニングされたレジスト層30sが形成されている。また、パターン形成面100の第1領域101からはレジスト層30が取り除かれている。このような流れによって、レジストパターンが形成される。
なお、第1実施形態に係るレジストパターニングは、図4で表されるパターン形成面100に限らず、パターン形成面100以外の半導体ウェーハ10の表面において実施されてもよい。すなわち、パターン形成面100は、1つとは限らず、図示されたパターン形成面100以外の半導体ウェーハ10の表面を別途、パターン形成面としてもよい。第1実施形態では、一例として、パターン形成面100を1つ例示しているに過ぎない。
図5は、第1実施形態に係るパターン形成装置を表すブロック図である。
パターン形成装置200Aは、パターン形成面100にレジスト層30を形成し、凹凸が設けられたテンプレート40をレジスト層30の上から押し付けてパターン形成面100の上にレジストパターンを形成するパターン形成装置である。
パターン形成装置200Aは、レジスト層形成手段201(第1手段)、テンプレート押し付け手段202(第2手段)、レジストパターン形成手段203(第3手段)、およびレジスト除去手段204(第4手段)と、を備える。
レジスト層形成手段201は、半導体ウェーハ10のパターン形成面100の面積よりも面積が小さい第1領域101と、パターン形成面100の第1領域101以外の第2領域102と、にレジスト層30を形成することができる。
テンプレート押し付け手段202は、レジスト層30に対してテンプレート40を押し付けることができる。
レジストパターン形成手段203は、テンプレート40を介してレジスト層30に光を照射し、第1領域101には硬化が抑制されたレジスト層30を形成し、第2領域102には硬化が進行したレジスト層30sを含むレジストパターンを形成することができる。
レジスト除去手段204は、第1領域101から硬化が抑制されたレジスト層30を除去することができる。
レジスト層形成手段201は、薬液供給手段201aを有する。薬液供給手段201aは、レジスト層30に対してテンプレート40を押し付ける前に、第1領域101にレジスト層30の硬化を抑制する薬液20を供給することができる。薬液供給手段201aは、例えば、薬液20を塗布法によって第1領域101に供給する手段である。
半導体ウェーハ10の周辺部にレジストパターンを形成しない方法として、次に例示する方法がある。
図6は、参考例に係るパターン形成方法を表す平面模式図である。
図6(a)〜図6(c)には、半導体ウェーハ10の四分の一が表されている。
例えば、図6(a)には、半導体ウェーハ10の内部領域用のテンプレート45と、半導体ウェーハ10の周辺部用のテンプレート46と、それぞれ使い分ける方法が例示されている。
しかし、この方法では、テンプレート45のほか、テンプレート46を準備する必要がある。テンプレート46は、ナノインプリント用の凹凸パターンのほか、第1領域101のパターンを有する専用のテンプレートである。このため、この方法では、コスト上昇を招来してしまう。
また、図6(b)には、半導体ウェーハ10の周辺部以外の領域に、レジストドロップ法によって、複数のレジストドロップ35を形成する方法が例示されている。
しかし、パターン形成面の全域において、複数のレジストドロップ35のそれぞれの位置を正確に制御することは難しい。従って、この方法では、形成条件の最適化に長い時間を要する。また、制御用のプログラムも複雑になる。さらに、低コスト化も困難になる。
また、図6(c)には、第1領域101に形成されたレジスト層を光硬化せずに、第1領域101に形成されたレジスト層30をテンプレート47のなかに吸収する方法が例示されている。しかし、この場合も、半導体ウェーハ10の周辺部用の専用のテンプレート47を準備する必要があり、コスト上昇を招来してしまう。
また、図示はしていないが、第1領域101に選択的に光を照射しない方法もある。しかし、この方法では、第1領域101に光を到達させない専用のマスクが必要になる。このため、コスト上昇を招来する。
これに対し、第1実施形態では、半導体ウェーハ10の周辺部用の専用のテンプレートを要しない。半導体ウェーハ10の内部領域用のテンプレートをそのまま半導体ウェーハ10の周辺部用のテンプレートに転用できる。
ナノインプリントの後においては、半導体ウェーハ10の周辺部にレジスト層30を残存させないことが望ましい。これは、半導体ウェーハ10の周辺部に残ったレジスト層30がナノインプリントの後工程において発塵の要因になるためである。
第1実施形態では、ナノインプリントを施しても、半導体ウェーハ10の周辺部から確実にレジスト層30が除去され、半導体ウェーハ10の周辺部にレジスト層30がはみ出すことがない。これにより、レジスト層による発塵が防止される。
また、第1実施形態では、レジストドロップ法ほどの複雑な制御技術を要しない。また、第1領域101に光を到達させない専用のマスク部材も不要になる。
このように、第1実施形態によれば、ナノインプリントにおいて、パターン形成条件の簡略化、パターン形成の時間の短縮化、パターン形成の低コスト化が実現する。
(第2実施形態)
図7(a)〜図7(c)は、第2実施形態に係るパターン形成方法を表す断面模式図である。
まず、図7(a)に表されるように、第1領域101にレジストドロップ法によって、レジストドロップ35が滴下される。レジストドロップ法とは、液滴状の微小なレジストをパターン形成面に滴下する方法である。レジストドロップ35は液滴状の微小なレジストである。レジストドロップ35の成分は、レジスト層30と同じである。
さらに、第2領域102にレジスト層30が形成される。図7(a)には、第2領域102に、レジスト層30のほか、レジストドロップ35が滴下された状態が例示されている。第2領域102にはレジストドロップ35を滴下せず、レジスト層30のみを形成してもよい。
次に、図7(b)に表されるように、第1領域101に設けたレジストドロップ35の上に、液滴状で微小な薬液21が滴下される。薬液21を滴下する手法は、レジストドロップ法と同じである。薬液21の成分は、薬液20の成分と同じである。すなわち、第2実施形態では、液滴状で微小な薬液21を滴下することによって薬液20と同じ成分の薬液21が第1領域101に供給される。薬液21の一部は、所定の時間経過によってレジストドロップ35のなかに浸透する場合もある。
次に、図7(c)に表されるように、レジスト層30およびレジストドロップ35に対してテンプレート40が押し付けられる。これにより、テンプレート40の凹凸がレジスト層30およびレジストドロップ35に転写される。テンプレート40が押し付けられた後、テンプレート40と半導体ウェーハ10との間では、レジスト層30とレジストドロップ35とが混ざり合ってレジスト層30が形成される。
この後は、第1実施形態と同様に、テンプレート40を介してレジスト層30に光50が照射される。さらに、テンプレート40が取り除かれて、第1領域101に設けられた未硬化のレジスト層30が選択的に除去される。
また、第2実施形態に係るパターン形成装置200Aの基本構造は、第1実施形態に係るパターン形成装置200Aと同じである。但し、第2実施形態に係るパターン形成装置200Aの薬液供給手段201aは、例えば、液滴状の薬液21を滴下することによって、薬液21を第1領域101に供給する手段である。
第2実施形態においても、第1実施形態と同じ効果が得られる。また、第2実施形態では、第1領域101にレジストドロップ法によって供給しているため、図7(c)に表す段階において、テンプレート40と半導体ウェーハ10との間からのレジストのはみ出しがより抑制される。
また、図7(a)〜図7(b)では、レジストドロップ35の上に、薬液21を滴下する手順が例示されたが、このほか、予め薬液21を第1領域に滴下し、薬液21の上にレジストドロップ35を滴下してもよい。
(第3実施形態)
図8(a)〜図9(b)は、第3実施形態に係るパターン形成方法を表す断面模式図である。
まず、図8(a)に表されるように、第1領域101および第2領域102にレジスト層30が形成される。
次に、図8(b)に表されるように、レジスト層30に対してテンプレート41が押し付けられる。これにより、テンプレート41の凹凸がレジスト層30に転写される。ここで、テンプレート41は、気体透過型のテンプレートである。テンプレート41は、例えば、ポーラスな材料を含む。テンプレート41においては、テンプレート41の凹凸面と、この凹凸面の反対側の面との間でガスが通過する。
次に、図8(c)に表されるように、パイプ70を第1領域101の上方に設置する。続いて、パイプ70を通じてテンプレート41の側に酸素含有ガスを噴出する。また、テンプレート41を介してレジスト層30に光50が照射される。
上述したように、レジスト層30はネガ型レジストを有する。このため、レジスト層30に光50を照射すると、光が照射された部分のレジスト層30の硬化が進行する。但し、レジスト層30に光50が照射されている間には、第1領域101に形成されたレジスト層30にテンプレート41を介して酸素含有ガスが供給される。
このため、第1領域のレジスト層30においてはレジスト層30のラジカル重合が阻害されて、レジスト層の硬化が抑制される。すなわち、第1領域101には硬化が抑制されたレジスト層30が形成される。第2領域102には硬化が進行したレジスト層30sを含むレジストパターンが形成される。この状態を、図9(a)に表す。
図9(a)に表されるように、第2領域102には、硬化が進行したレジスト層30sが形成される。第1領域101のレジスト層は、硬化が抑制されたレジスト層30のままである。
次に、図9(b)に表されるように、テンプレート41が取り除かれる。この後、第1領域101に形成されたレジスト層30が選択的に除去される。また、第2領域102には、レジスト層30sが残存する。
図10は、第3実施形態に係るパターン形成装置を表すブロック図である。
パターン形成装置200Bの基本構造は、パターン形成装置200Aの基本構造と同じである。パターン形成装置200Bは、レジスト層形成手段201(第1手段)、テンプレート押し付け手段202(第2手段)、レジストパターン形成手段203(第3手段)、およびレジスト除去手段204(第4手段)と、を備える。
レジストパターン形成手段203は、酸素含有ガス供給手段203aを有する。酸素含有ガス供給手段203aは、酸素含有ガスをテンプレート41を介してレジスト層30に供給する手段である。酸素含有ガス供給手段203aは、レジスト層30に光50を照射している間に、第1領域101に形成されたレジスト層30に酸素含有ガスを供給することができる。第3実施形態においても、第1実施形態と同じ効果が得られる。
(第4実施形態)
図11は、第4実施形態に係るパターン形成方法を表す断面模式図である。
酸素含有ガスを第1領域101に供給する方法は、第3実施形態の方法に限らない。第4実施形態においては、図11に表すように、酸素含有ガスがテンプレート40とレジスト層30の間を介してレジスト層30に供給される。テンプレート40は、上述したテンプレート41に置き換えてもよい。
例えば、パイプ70がテンプレート40の側面の横に設置される。このパイプ70を通じてテンプレート40の横側に酸素含有ガスを噴出する。酸素含有ガスは、テンプレート40とレジスト層30との間に入り込み、第1領域101のレジスト層30にまで供給される。
第4実施形態に係るパターン形成装置200Bの基本構造は、第3実施形態に係るパターン形成装置200Bの基本構造と同じである。酸素含有ガス供給手段203aは、酸素含有ガスをテンプレート40とレジスト層30との間を介してレジスト層30に供給する手段である。第4実施形態においても、第1実施形態と同じ効果が得られる。
以上、具体例を参照しつつ実施形態について説明した。しかし、実施形態はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、実施形態の特徴を備えている限り、実施形態の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
また、「部位Aは部位Bの上に設けられている」という場合の「の上に」とは、部位Aが部位Bに接触して、部位Aが部位Bの上に設けられている場合と、部位Aが部位Bに接触せず、部位Aが部位Bの上方に設けられている場合との意味で用いられている。
また、前述した各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて複合させることができ、これらを組み合わせたものも実施形態の特徴を含む限り実施形態の範囲に包含される。その他、実施形態の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例および修正例に想到し得るものであり、それら変更例および修正例についても実施形態の範囲に属するものと了解される。
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。
10 半導体ウェーハ
20、21 薬液
30、30s レジスト層
35 レジストドロップ
40、41、45、46、47 テンプレート
50 光
51 光源
60 有機溶剤
61 ノズル
70 パイプ
100 パターン形成面
101 第1領域
102 第2領域
200A、200B パターン形成装置
201 レジスト層形成手段
201a 薬液供給手段
202 テンプレート押し付け手段
203 レジストパターン形成手段
203a 酸素含有ガス供給手段
204 レジスト除去手段

Claims (6)

  1. パターン形成面にレジスト層を形成し、凹凸が設けられたテンプレートを前記レジスト層の上から押し付けて前記パターン形成面の上にレジストパターンを形成するパターン形成方法であって、
    前記パターン形成面の面積よりも面積が小さい第1領域と、前記パターン形成面の前記第1領域以外の第2領域と、にレジスト層を形成するとともに、前記第1領域に前記レジスト層の硬化を抑制する薬液を供給するステップと、
    前記レジスト層に対してテンプレートを押し付けるステップと、
    前記テンプレートを介して前記レジスト層に光を照射し、前記第1領域には硬化が抑制された前記レジスト層を形成し、前記第2領域には硬化が進行した前記レジスト層を含む前記レジストパターンを形成するステップと、
    前記第1領域から前記硬化が抑制された前記レジスト層を除去するステップと、
    を備えたパターン形成方法。
  2. 液滴状の前記薬液を滴下することによって前記薬液を前記第1領域に供給する請求項記載のパターン形成方法。
  3. 前記レジスト層に前記光を照射している間に、前記第1領域に形成された前記レジスト層に酸素含有ガスを供給する請求項記載のパターン形成方法。
  4. パターン形成面にレジスト層を形成し、凹凸が設けられたテンプレートを前記レジスト層の上から押し付けて前記パターン形成面の上にレジストパターンを形成するパターン形成装置であって、
    前記パターン形成面の面積よりも面積が小さい第1領域と、前記パターン形成面の前記第1領域以外の第2領域と、にレジスト層を形成する第1手段と、
    前記レジスト層に対してテンプレートを押し付ける第2手段と、
    前記テンプレートを介して前記レジスト層に光を照射し、前記第1領域には硬化が抑制された前記レジスト層を形成し、前記第2領域には硬化が進行した前記レジスト層を含む前記レジストパターンを形成する第3手段と、
    前記第1領域から前記硬化が抑制された前記レジスト層を除去する第4手段と、
    を備え
    前記第1手段は、前記レジスト層に対して前記テンプレートを押し付ける前に、前記第1領域に前記レジスト層の硬化を抑制する薬液を供給する手段を有するパターン形成装置。
  5. 前記薬液を供給する手段は、液滴状の前記薬液を滴下することによって前記薬液を前記第1領域に供給する請求項記載のパターン形成装置。
  6. 前記第3手段は、前記レジスト層に前記光を照射している間に、前記第1領域に形成された前記レジスト層に酸素含有ガスを供給する手段を有する請求項記載のパターン形成装置。
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