JP6123242B2

JP6123242B2 - パターン形成方法

Info

Publication number: JP6123242B2
Application number: JP2012247652A
Authority: JP
Inventors: 佑介河野
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2012-11-09
Filing date: 2012-11-09
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2032-11-09
Also published as: JP2014096494A

Description

本発明は、パターン形成方法に関し、特にナノインプリントモールドのモールドパターンを形成するパターン形成方法に関する。

近年、半導体装置の微細化に伴い、半導体装置の製造プロセスに用いられているフォトリソグラフィ工程での課題が顕著になりつつある。すなわち、現時点における最先端の半導体装置の設計ルールは、ハーフピッチ（ｈｐ）で数十ｎｍ程度にまで微細化してきており、従来の光を用いた縮小パターン転写によるリソグラフィでは解像力が不足し、パターン形成が困難な状況になっている。そこで、近年では、このようなリソグラフィに代わり、ナノインプリント技術が提案されている。

ナノインプリント技術は、基材の表面に微細な凹凸パターンを形成した型部材（モールドと呼ぶ）を用い、凹凸パターンを被加工物に転写することで微細構造を等倍転写するパターン形成技術である。上記のようなｈｐで数十ｎｍ程度の微細化に対応可能なモールドの製造方法として、芯材となるパターンの側壁に成膜を施し、側壁に形成された側壁パターンを残すように芯材を除去し、該側壁パターンを用いて微細なパターンを形成する方法（いわゆる、側壁法）が知られている。（例えば、特許文献１）。

米国特許出願公開第２００８／０２８６４４９号

特許文献１には、クロム層を有する石英基板上にレジストの芯材パターンを形成し、この芯材パターンを覆うように側壁材料膜として酸化膜又は窒化膜を成膜し、その後、芯材パターンの側壁のみに側壁材料膜が残るように側壁材料膜をエッチングすることが記載されている。しかしながら、側壁材料膜のエッチングの際に、本来エッチングしたくないクロム層の一部がエッチングされる虞があり、石英基材に所望のパターンが形成されないことがある。なお、詳細については後述する。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、側壁法を用いてパターン形成を行う際に、精度良くパターンを得る技術を提供することを主目的とする。

本発明の一実施形態に係るパターン形成方法は、石英基材と、前記石英基材の片側に配置された
ハードマスク層とを有する被エッチング体を準備する被エッチング体準備工程と、前記ハードマスク層上に芯材パターンを形成する芯材パターン形成工程と、前記芯材パターンと、前記芯材パターンから露出した前記ハードマスク層とを覆うように側壁材料膜を形成する側壁材料膜形成工程と、前記芯材パターンの上面の前記側壁材料膜が除去され、且つ、前記芯材パターンの側壁と、前記芯材パターンの周囲の前記ハードマスク層とに前記側壁材料膜の一部が残存するように、前記側壁材料膜に対してドライエッチングを行う第１の側壁材料膜除去工程と、前記芯材パターンを除去する芯材パターン除去工程と、前記側壁材料膜の一部を除去し、前記ハードマスク層上に側壁パターンを形成する第２の側壁材料膜除去工程と、前記側壁パターンを介して前記ハードマスク層をエッチングしてハードマスクを形成するハードマスク形成工程と、前記ハードマスクを介して前記石英基材をエッチングして凹凸パターンを形成する凹凸パターン形成工程と、を有し、前記ハードマスク層は、クロムまたはクロム化合物を含むことを特徴とする。

他の態様として、前記側壁パターンは、前記ハードマスク層よりも前記ハードマスク層をエッチングするエッチャントに対してエッチング耐性が高いものとしてもよい。

本発明によれば、側壁法を用いてパターン形成を行う際に、精度良くパターンを作製することができる。

本発明の一実施形態に係るパターン形成方法を説明する工程断面図である。本発明の一実施形態に係るパターン形成方法を説明する工程断面図である。参考例を説明する工程断面図である。

以下、図面を参照して本発明を説明する。但し、本発明は種々の態様で実施することが可能であり、以下に示す実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、本実施の形態で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略することがある。また、説明の便宜上、実際に比べて縮尺などを変更して説明を実施していることに注意されたい。

本発明の説明を行うに先立ち、まず発明者が発見した側壁法を用いたパターン形成方法における問題点を説明する。なお、以下に説明する、発明者が本発明に至る前に行った技術的アプローチを参考例と称する。図３は、参考例を説明する工程断面図である。

側壁法によるパターン形成では、ハードマスク層５０２と、それが形成された基材５０１とにより構成される被エッチング体５１０を準備し、ハードマスク層５０２上に芯材パターン５０３を形成し、この芯材パターン５０３を覆うように側壁材料膜５０４を成膜する（図３（Ａ）参照）。側壁材料膜５０４は、ハードマスク層５０２よりもハードマスク層５０２をエッチングするエッチャントに対するエッチング耐性が高い材料により構成される。

芯材パターン５０３の側壁のみに側壁材料膜５０４が残存するようにエッチバックを行う。この際、後に続くハードマスク層５０２、基材５０１のエッチングを適切に実行するために、芯材パターン５０３の周囲のハードマスク層５０２が露出するようにオーバーエッチングが行われる。しかしながら、オーバーエッチングを行うと、芯材パターン５０３の周囲のハードマスク層５０２が必要以上にエッチングされてしまうことがある。その後、芯材パターン５０３をエッチングにより除去し、ハードマスク層５０２上に側壁パターン５０４ａを形成する。さらに、芯材パターン５０３をエッチングする際にも、芯材パターン５０３の周囲のハードマスク層５０２が必要以上にエッチングされてしまうことがある（図３（Ｂ）参照）。）

側壁パターン５０４ａをマスクとして、ハードマスク層５０２をパターニングすると、膜減りした領域（図における一点鎖線で囲んだ部分）がそれ以外の領域に比べてハードマスク層５０２が早く消失する。通常、ハードマスク層５０２と基材５０１とはエッチング選択性の良い組み合わせで選択されるため、露出しているハードマスク層５０２が除去された後は、基材５０１にエッチングが進行せず、供給されるエッチャントは側壁パターン５０４ａ下のハードマスク層５０２のサイドエッチングに費やされる。また、側壁パターン５０４ａは、ハードマスク層５０２をエッチングするエッチャントに対してハードマスク層５０２よりもエッチング耐性が高い材料で構成されているので、ハードマスク層５０２のエッチングでは側壁パターン５０４ａの高さの変化が少なく、側壁パターン５０４ａがアスペクト比の高い構造体として維持される。ハードマスク層の所望の部位が除去されるまでエッチングが行われると、ハードマスク層５０２へのサイドエッチングが過度に進行することとなり、結果、アスペクト比の高い構造である側壁パターン５０４ａが足場の安定性を欠き所望の形態を維持できずに倒壊などが生じる現象が発生する（図３（Ｃ）参照）。

以上のように、側壁パターン５０４ａに倒壊などが生じると、ハードマスク層５０２を介して基材５０１にエッチングを行ったときに基材５０１に所期の凹凸パターンを精度良く形成することできないという問題があることを見出した。さらに、上記の問題は、側壁パターン５０４ａのアスペクト比が１以上の構造体である場合に顕著に見られることが分かった。以上の参考例に関する説明を踏まえて本発明を理解されたい。なお、本明細書におけるアスペクト比とは、｛側壁パターンの高さ／側壁パターンの上面により規定される幅｝により表される値とする。

図１〜２を参照して、本発明の一実施形態に係るパターン形成方法について説明する。図１及び図２は、本発明の一実施形態に係るパターン形成方法を説明する工程断面図である。

（１）被エッチング体準備工程（図１（Ａ）参照）
基材１０１の一方の面１ａにハードマスク層１０２が形成された被エッチング体１１０を準備する。被エッチング体１１０は、基材１０１にハードマスク層１０２を形成して準備してもよいし、基材１０１にハードマスク層１０２が予め形成されたものを入手して準備してもよい。

基材１０１の材料は、本発明の一実施形態に係るパターン形成方法を適用する対象に応じて適宜選択できる。例えば、石英やソーダライムガラス、ホウ珪酸ガラス等のガラス、シリコンやガリウム砒素、窒化ガリウム等の半導体、金属、あるいは、これらの材料の任意の組み合わせからなる複合材料などから選択するとよい。ナノインプリントモールドを作製する場合には、基材１０１は典型的には石英、シリコンである。半導体装置を作製する場合には、基材１０１は典型的にはシリコンである。

基材１０１の厚みは、基材１０１に形成するパターンの形状や寸法、材料強度、取り扱い適性等を考慮して設定することができ、例えば、３００μｍ〜１０ｍｍの範囲で適宜設定することができる。なお、図示しないが基材１０１の一方の側１ａには、予め素子、配線、電極、アライメントマークなどの種々の微細な構造体が形成されていてもよい。

ハードマスク層１０２の材料は、基材１０１に対してエッチング選択性の良い材料で構成することが好ましく、例えば、クロム、チタン、タンタルなどの金属又は金属化合物、酸化シリコン、窒化シリコン、モリブデンシリサイドなどの半導体化合物などを挙げることができる。ハードマスク層１０２は、材料に応じて物理蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法などの真空成膜法により形成することができる。

ハードマスク層１０２の厚みは、特に制限はないが、例えば、１ｎｍ〜５０ｎｍの範囲で設定することができる。ハードマスク層１０２の厚みを上記の範囲とする理由としては、厚みが１ｎｍ未満になるとハードマスク層にピンホールが発生しやすくなり、厚みが５０ｎｍより大きくなると１００ｎｍ以下の微細なパターンの加工が困難となることがあるからである。なお、図ではハードマスク層１０２を単層として示したが、複数積層されたものであってもよいし、ハードマスク層と別の層の積層体による多重積層構造を有していてもよい。

（２）芯材パターン形成工程（図１（Ｂ）参照）
ハードマスク層１０２の表面１ｂ上に芯材パターン１０３を形成する。芯材パターン１０３は、側壁法において芯材やコアなどと称される構造体であり、後述する側壁材料膜は芯材パターンの側壁の形状を再現するような形状で形成される。

芯材パターン１０３の材料は、特に制限はなく、有機材料や無機材料を用いることができる。芯材パターン１０３をレジストなどの有機材料により構成する場合には、ハードマスク層１０２上に有機材料を含むレジストを塗布し、このレジストを化学線リソグラフィ、ナノインプリントリソグラフィなどによりパターニングすることで、ハードマスク層１０２上に芯材パターン１０３を形成することができる。また、芯材パターン１０３をシリコン、シリコン酸化物、シリコン窒化物などの無機材料により構成する場合には、ハードマスク層１０２上に真空成膜法により無機材料を堆積させ、この無機材料をレジストを用いた化学線リソグラフィ、ナノインプリントリソグラフィなどでパターニングすることで、ハードマスク層１０２上に芯材パターン１０３を形成することができる。

芯材パターン１０３は、典型的にはラインパターンである。但し、これに限らず、ドット状のピラーパターンなどであってもよい。また、基材上に形成される芯材パターン群がラインパターン、ピラーパターンを組み合わせたものであってもよい。

（３）側壁材料膜形成工程（図１（Ｃ）参照）
芯材パターン１０３と、芯材パターン１０３から露出したハードマスク層１０２とを覆うように側壁材料膜１０４を形成する。側壁材料膜１０４は、加工されて後述する側壁パターンとなる層である。側壁材料膜１０４の材料は、例えば、クロム、チタン、タンタルなどの金属又は金属化合物、多結晶シリコンなどの半導体、シリコン酸化物、シリコン窒化物、シリコン酸窒化物などのシリコン化合物の中から適宜選択するとよい。側壁材料膜１０４は、ハードマスク層１０２をエッチングするエッチャントに対するエッチング耐性がハードマスク層１０２よりも高い材料により構成することがハードマスクの加工性の観点から好ましい。例えば、ハードマスク層１０２をエッチングする際の、側壁材料膜のエッチングレートをＲｓ、ハードマスク層のエッチングレートをＲｈとしたときに、Ｒｈ≧１０×Ｒｓであることが好ましい。側壁材料膜１０４は、材料に応じて物理蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法、原子層堆積（ＡＬＤ）法などの真空成膜法により形成できる。なかでも原子層堆積（ＡＬＤ）法は、０．１ｎｍ〜１００ｎｍの原子層を均一に成膜することができることから、好適な成膜手法である。芯材パターン１０３の側壁に形成された側壁材料膜１０４の厚みは、側壁パターンの幅に相当するものであり、得たいパターン寸法に応じて適宜設定すればよい。

なお、側壁材料膜１０４を形成するのに先立ち、芯材パターン１０３をスリミングし、その寸法を小さくしてもよい。スリミングは、芯材パターン１０３の材料に応じて、ドライエッチング、ウェットエッチング、アッシングなどにより行うことができる。スリミングによって芯材パターン１０３を細らせる量は、得たい凹凸パターンの寸法やパターン同士の間隔などに応じて適宜設定できる。

（４）第１の側壁材料膜除去工程（図１（Ｄ）参照）
芯材パターン１０３の上面の側壁材料膜１０４が除去され、且つ、芯材パターン１０３の側壁と、芯材パターン１０３の周囲のハードマスク層１０２とに側壁材料膜１０４の一部が残存するように、側壁材料膜１０４に対してドライエッチングを行う。

ドライエッチングでは、芯材パターン１０３の上面の側壁材料膜とそれ以外の側壁材料膜とではエッチングレートに差が生じ、芯材パターン１０３の上面の側壁材料膜はそれ以外の側壁材料膜よりもエッチングレートが早くなる。これは、芯材パターン１０３同士の間にはエッチャントが到達しにくいことや、芯材パターン１０３の周りでは芯材パターン１０３が傘の如くはたらくことにより、エッチャントが到達しにくいことによるものと考えられる。したがって、芯材パターン１０３の上面の側壁材料膜１０４を除去するための条件でドライッチングを行うことで、芯材パターン１０３の側壁と、芯材パターン１０３の周囲（図における一点鎖線で囲んだ部分）のハードマスク層１０２とに側壁材料膜１０４の一部を残存させることができる。芯材パターンの１０３の周囲のハードマスク層１０２上の側壁材料膜を残すために、処理圧力を上げたり、バイアスを低くしたりし、エッチングの異方性を下げるようにしてもよい。

（５）芯材パターン除去工程（図２（Ａ）参照）
芯材パターン１０３を除去する。芯材パターン１０３の除去は、芯材パターン１０３の材料に応じて、ドライエッチング、ウェットエッチング、アッシングなどにより行うことができる。芯材パターン１０３の周囲（図において一点鎖線で囲んだ部分）のハードマスク層１０２上には側壁材料膜１０４の一部が残存しているため、芯材パターン１０３の除去に伴うハードマスク層１０２の減少は抑制される。

また、芯材パターン１０３が除去される際に、芯材パターン１０３の側壁の側壁材料膜１０４と、芯材パターン１０３の周囲のハードマスク層１０２上には側壁材料膜１０４とが連結しているので、芯材パターン１０３の側壁の側壁材料膜１０４が応力により倒れや滑りを抑制するという効果が期待できる。

（６）第２の側壁材料膜除去工程（図２（Ｂ）参照）
側壁材料膜１０４の一部である残膜部分を除去し、ハードマスク層１０２の表面１ｂ上に側壁パターン１０４ａを形成する。側壁材料膜１０４の一部の除去は、ドライエッチングなどにより行うことができる。側壁材料膜１０４は、ハードマスク層１０２に対してエッチング選択性の良い材料により構成されているので、側壁材料膜１０４の一部を除去するにあたり、ハードマスク層１０２の膜厚の減少が抑制される。これにより、後述するハードマスク層１０２のエッチング開始面を、被エッチング体１１０の面内で均一に揃えることができる。また、第２の側壁材料除去工程を芯材パターン除去工程後に行うことで、芯材パターン除去工程で芯材パターンが完全に除去されず残っている場合であっても、次の第２の側壁材料除去工程でその残部を除去することができる。

なお、芯材パターンを除去した状態のものを、パターン形成用構造体として提供することも可能である。パターン形成用構造体１００´は、側壁法を用いて凹凸パターンを形成するために用いられる、パターン形成用構造体であって、凹凸パターンが形成される基材１０１と、基材１０１の一方の面１ａ上に配置されたハードマスク層１０２と、ハードマスク層１０２上に配置された側壁パターン１０４ａと、を有し、ハードマスク層１０２の側壁パターン１０４ａが接する面１ｂを表面としたとき、側壁パターン１０４ａが接する領域（Ｘ）のハードマスク層１０２の表面１ｂと、側壁パターン１０４ａから露出する領域（Ｙ）ハードマスク層１０２の表面１ｂとが、基材１０１の一方の面１ａから実質的に等しい距離に存在することを特徴とするものである。実質的に等しい距離に存在するとは、両者における基材１０１の一方の面１ａからの距離の差が３ｎｍ以内であることをいう。このようなパターン形成用構造体は、ハードマスク層１０２のエッチング開始面が揃っているため、基材１０１のエッチングを精度良く行うことができる。

（７）ハードマスク形成工程（図２（Ｃ）参照）
側壁パターン１０４ａをエッチングマスクとしてハードマスク層１０２をエッチングし、ハードマスク１０２ａを形成する。本発明の一実施形態に係るパターン形成方法によれば、ハードマスク層の所望の部位が除去されるまでエッチングを行っても、ハードマスク層１０２へのサイドエッチングが過度に進行することがない、又は、サイドエッチングが進行したとしても進行度合いが参考例に比べて軽いため、側壁パターン１０４ａに倒れなどが生じることが抑えられる。

側壁パターン１０４ａが、ハードマスク層１０２よりもハードマスク層１０２をエッチングするエッチャントに対してエッチング耐性が高く、エッチング中に側壁パターン１０４ａの高さの減少が少ない場合であっても、側壁パターン１０４ａに倒れなどが生じることが抑えられる。また、側壁パターン１０４ａのアスペクト比が１以上であっても、側壁パターン１０４ａの土台となるハードマスク１０２ａの形状が維持されているため、側壁パターン１０４ａに倒れなどが生じることが抑えられる。側壁パターン１０４ａは、後述する基材１０１のエッチング後まで残しておいてもよいし、ハードマスク１０２ａの形成後にドライエッチング又はウェットエッチングにより除去してもよい。

（８）凹凸パターン形成工程（図２（Ｄ）参照）
ハードマスク１０２ａをエッチングマスクとして、基材１０１をエッチングして凹凸パターン１０１ａを形成する。以上により、構造体１００が作製される。構造体１００は、例えば、ナノインプリントモールドや半導体装置である。

以上のように、本発明の一実施形態に係るパターン形成方法によれば、ハードマスク層１０２をエッチングする際に、側壁パターン１０４ａに倒れなどが生じることが抑制されることにより、精度良くハードマスク１０２ａが形成される。これにより、ハードマスク１０２ａをエッチングマスクとして基材１０１をエッチングした場合に、基材１０１の一方の面１ａ側に凹凸パターン１０１ａを精度良く作製することが可能となる。

１００…構造体、１０１…基材、１０１ａ…凹凸パターン、１０２…ハードマスク層、１０２ａ…ハードマスク、１０３…芯材パターン、１０４…側壁材料膜、１０４ａ…側壁パターン、１１０…被エッチング体、５０１…基材、５０１ａ…凹凸パターン、５０２…ハードマスク層、５０２ａ…ハードマスク、５０３…芯材パターン、５０４…側壁材料膜、５０４ａ…側壁パターン、５１０…被エッチング体

Claims

石英基材と、前記石英基材の片側に配置されたハードマスク層とを有する被エッチング体を準備する被エッチング体準備工程と、
前記ハードマスク層上に芯材パターンを形成する芯材パターン形成工程と、
前記芯材パターンと、前記芯材パターンから露出した前記ハードマスク層とを覆うように側壁材料膜を形成する側壁材料膜形成工程と、
前記芯材パターンの上面の前記側壁材料膜が除去され、且つ、前記芯材パターンの側壁と、前記芯材パターンの周囲の前記ハードマスク層とに前記側壁材料膜の一部が残存するように、前記側壁材料膜に対してドライエッチングを行う第１の側壁材料膜除去工程と、
前記芯材パターンを除去する芯材パターン除去工程と、
前記側壁材料膜の一部を除去し、前記ハードマスク層上に側壁パターンを形成する第２の側壁材料膜除去工程と、
前記側壁パターンを介して前記ハードマスク層をエッチングしてハードマスクを形成するハードマスク形成工程と、
前記ハードマスクを介して前記石英基材をエッチングして凹凸パターンを形成する凹凸パターン形成工程と、を有し、
前記ハードマスク層は、クロムまたはクロム化合物を含むナノインプリントモールドの製造方法。
前記側壁パターンは、前記ハードマスク層よりも前記ハードマスク層をエッチングするエッチャントに対してエッチング耐性が高い、請求項１記載のナノインプリントモールドの製造方法。