JP7418306B2 - パターン形成方法 - Google Patents

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Description

本開示は、パターン形成方法に関する。
半導体装置の製造においては、シリコン基板に微細なトレンチを形成し、トレンチ内に絶縁体を埋め込んで素子分離を行うSTI(Shallow Trench Isolation)という技術が知られている(例えば特許文献1)。STIを形成する際には、通常、表面に微細な凸状のライン材が複数形成されたラインパターンを有する基板を準備し、ライン材をカットして所望の微細パターンを形成し、そのパターンを転写して基板にSTI溝を形成する。
特開平11-214651号公報
本開示は、高精度でかつ工程を複雑化することなくライン材のラインカットを行って所望のパターンを形成することができるパターン形成方法を提供する。
本開示の一態様に係るパターン形成方法は、基板にパターンを形成するパターン形成方法であって、基体上に、凸状かつライン状に設けられた複数の芯材と、前記芯材の一方側および他方側にそれぞれ凸状かつライン状に設けられた第1のライン材および第2のライン材とが形成された基板を準備することと、異方的な成膜を含む処理により、前記第1のライン材および前記第2のライン材のいずれかに選択的にマスク材を形成することと、ラインカットする領域に対応する部分にライン状のホールを有するラインマスクを用いたエッチングを含む処理により、当該領域における前記第1のライン材および前記第2のライン材のうち、前記マスク材が形成されていない側をエッチング除去することと、前記芯材を除去することと、を有し、前記第1のライン材および前記第2のライン材のいずれかに選択的にマスク材を形成することは、前記異方的な成膜により、前記第1のライン材および前記第2のライン材のいずれか、および前記芯材上にマスク材を形成することと、全面に充填材を形成した後、エッチバックまたはCMPにより前記芯材上のマスク材を除去し、前記第1のライン材および前記第2のライン材のいずれかのみに前記マスク材を残存させることと、を含む
本開示によれば、高精度でかつ工程を複雑化することなくライン材のラインカットを行って所望のパターンを形成することができるパターン形成方法が提供される。
一実施形態のパターン形成方法を示すフローチャートである。 一実施形態に係るパターン形成方法に用いられる基板の構造を示す断面図である。 一実施形態に係るパターン形成方法に用いられる基板の構造を示す平面図である。 一実施形態に係るパターン形成方法に用いられる基板に対し、第1段階のパターニングを行う際のラインカットを行う領域とラインカットを行わない領域を示す平面図である。 一実施形態に係るパターン形成方法に用いられる基板に対し第1段階のパターニングを行う際において、斜め成膜により、第2のライン材と芯材の上にマスク材を選択的に成膜した状態を示す断面図である。 斜め成膜を行う成膜装置の例を示す概略断面図である。 図5の基板に対し、全面に充填材を充填した状態を示す断面図である。 図7の状態から全面のエッチバックまたはCMPを行って、芯材上のマスク材まで除去した状態を示す断面図である。 図8の状態から再度充填材を充填し、さらにSOG層およびレジスト層を形成した状態を示す断面図である。 図9に示す基板のラインカットを行うためのラインマスクを説明するための平面図である。 レジスト層をマスクとして、図9の基板のSOG層および充填材をエッチング除去した状態を示す断面図である。 レジスト層をマスクとして、図9の基板のSOG層および充填材をエッチング除去した状態を示す平面図である。 図11および図12に示す基板に対して、さらにSOG層および充填材をエッチングした状態を示す断面図である。 図11および図12に示す基板に対して、さらにSOG層および充填材をエッチングした状態を示す平面図である。 図13および図14に示す基板において、領域Aの第1のライン材のラインカットを行った際の状態を示す断面図である。 図13および図14に示す基板において、領域Aの第1のライン材のラインカットを行った際の状態を示す平面図である。 図13および図14に示す基板において、領域Aの第1のライン材のラインカットを行った際の状態を示す平面図である。 一実施形態に係るパターン形成方法に用いられる基板に対し第2段階のパターニングを行う際において、斜め成膜により、第1のライン材と芯材の上にマスク材を選択的に成膜した状態を示す断面図である。 図18に示す基板に対してラインカットを行うためのラインマスクを説明するための平面図である。 図18に示す基板に対して、図19のラインマスクを用いて領域Cのラインカットを行った状態を示す断面図である。 図18に示す基板に対して、図19のラインマスクを用いて領域Cのラインカットを行った状態を示す平面図である。 図21に示す基板の芯材を除去してSTI溝形成用パターンを形成した状態を示す平面図である。 ライン状パターンにSTI溝形成用のパターンを形成する際に用いる従来のホールマスクと、ラインカットを行って形成されたSTI溝用のパターンを示す平面図である。 ホールマスクを用いてラインカットを行った際に、カット部がライン材からずれた状態を示す平面図である。
以下、添付図面を参照して実施形態について説明する。
ここでは、一実施形態のパターン形成方法として、STI溝形成用のパターンを形成する方法を例にとって説明する。
図1は、一実施形態のパターン形成方法を示すフローチャートである。本実施形態のパターン形成方法においては、最初に、例えば図2の断面図および図3の平面図に示すような基板Wを準備する(ステップST1)。
基板Wとしては、例えば図2、図3に示すように、半導体ウエハが用いられる。基板Wは、例えばシリコン基体10上に、転写層としてのSiN膜11およびSiO膜12を介して、ライン状かつ凸状に平行に設けられた複数の芯材13と、その一方側および他方側にそれぞれライン状かつ凸状に設けられた第1のライン材14aおよび第2のライン材14bとが形成されて構成されている。第1のライン材14aおよび第2のライン材14bが凸状のラインパターンを構成している。このラインパターンは、例えば、リソグラフィ工程において、ダブルパターニング、またはダブルパターニングを2回行うクアドループルパターニングを用いて形成される。これにより、通常のリソグラフィ技術で形成可能なピッチの1/2のピッチまたは1/4のピッチの微細パターンとして形成され得る。このとき、芯材13の高さが第1のライン材14aおよび第2のライン材14bより高くなるように加工される。芯材13は、例えばSiで形成される。また、第1および第2のライン材14a,14bは、例えばSiNで形成される。
次に、第2のライン材14b側からの異方的な成膜を含む処理により、第2のライン材14bに選択的にマスク材を形成する(ステップST2)。
次に、第1のライン材14aをラインカットする領域Aに対応する部分にライン状のホールを有するラインマスクを用いたエッチングを含む処理により、領域Aの第1のライン材14aをエッチング除去する(ステップST3)。
ステップST2およびステップST3により第1段階のパターニングが行われる。すなわち、第1段階のパターニングでは、ステップST2およびステップST3により、図3のラインパターンのうち、図4に示す領域Aの第1のライン材14aのラインカットが行われ、それ以外の領域Bでは第1のライン材14aがカットされずに残存する。
ステップST2においては、最初に異方的な成膜として、例えば、第2のライン材14b側から基板Wに対して斜め方向に成膜粒子を供給する斜め成膜を行い、図5に示すように、第2のライン材14bと芯材13の上にマスク材15を成膜する。斜め成膜では、第1のライン材14aには成膜材が到達せず、第2のライン材14bと芯材13の上に選択的にマスク材15が成膜される。マスク材15としては、例えば、TiN膜、SiO膜が用いられる。
斜め成膜は、例えば、図6に示すような成膜装置により行うことができる。図6の成膜装置100は、スパッタリングにより成膜するものであり、チャンバ110と、ターゲット124と、電源114と、基板移動部116と、スパッタ粒子遮蔽板118と、排気装置120と、ガス導入部122とを有している。
チャンバ110は、上部が開口された円筒状のチャンバ本体110aと、チャンバ本体110aの上部開口を塞ぐように設けられた尖頭円錐状の蓋体110bとを有し、チャンバ110の内部が、板状のスパッタ粒子遮蔽板118により上下に区画されている。上部空間はスパッタ粒子が生成される空間であり、下部空間は基板Wにスパッタ成膜が行われる処理空間である。スパッタ粒子遮蔽板118には、スパッタ粒子を通過させるスリット状をなす通過孔118aが形成されている。
ガス導入部122は、チャンバ110の蓋体110bの頂部に設けられており、ガス導入部122からチャンバ110内にスパッタガスとしてArガス等の不活性ガスが導入される。
チャンバ110の底部には排気口121が形成され、排気装置120はこの排気口121に接続されている。排気装置120は、圧力制御弁、および真空ポンプを含んでおり、排気装置120により、チャンバ110内が所定の真空度まで真空排気されるようになっている。
チャンバ110の側壁には、基板Wを搬入出するための搬入出口123が形成されている。搬入出口123はゲートバルブ130により開閉される。
ターゲットホルダ112は、チャンバ110の蓋体110bの斜めに形成された壁部に傾斜して設けられている。したがって、ターゲット124はターゲットホルダ112上に傾斜して配置される。ターゲット124は、成膜しようとするマスク材15を構成する材料からなる。ターゲットホルダ112には電源114が接続されており、電源114からターゲットホルダ112に電圧が印加されることにより、ターゲット124の周囲で、ガス導入部122から導入されたガスが解離する。そして、解離したガス中のイオンがターゲット124に衝突し、ターゲット124からその構成材料の粒子であるスパッタ粒子Pが斜めに放出される。
チャンバ110のスパッタ粒子遮蔽板118の下方空間には、基板移動部116が配置されている。基板移動部116は、基板Wを支持して矢印方向の一方向に移動させるものである。本例では、基板移動部116は支持ピン126を有し、支持ピン126上に基板Wを支持する。基板移動部116としては、基板搬送アームやディスクシャッタ等の既存の設備を用いてもよい。
このような成膜装置100では、隣接する搬送室から搬送装置(いずれも図示せず)により搬送された基板Wを基板移動部116上に受け渡す。そして、排気装置120によりチャンバ110内を排気しつつ、ガス導入部122からチャンバ110内に例えば不活性ガスを導入して所定圧力に調圧する。基板移動部116を矢印に示す方向に移動させながら、電源114からターゲットホルダ112に電圧を印加し、ターゲット124からスパッタ粒子Pを放出させ、スリット状の通過孔118aを所定の角度で斜めに通過させ、基板W上に所定の膜を成膜する。
このように成膜することにより、基板Wの全面に、スパッタ粒子の入射角度をほぼ一定に維持した状態の斜め成膜を行うことができる。
ステップST2では、このようにしてマスク材15の成膜を行った後、図7に示すように、全面にSOC(スピンオンカーボン)からなる充填材16を形成する。そして、全面のエッチバックまたはCMPを行うことにより、図8に示すように、芯材13上のマスク材15まで除去し、マスク材15が第2のライン材14bのみに残った状態とする。
ステップST3では、図9に示すように、再度SOCからなる充填材16を充填し、さらに第1のマスク層としてのSOG(スピンオングラス)層17および第2のマスク層としてのレジスト層18を形成する。次いで、図10に示すように、ホール19aが上述した領域A(図3参照)に対応した位置になるようにラインマスク19を配置し、領域Aのレジスト層18をエッチング除去する。そして、レジスト層18をマスクとして、SOG層17およびSOCからなる充填材16をエッチング除去する。これにより、図11の断面図および図12の平面図に示すような状態となる。このときのエッチングは、例えばCF、C、O、Arを用いたプラズマエッチングにより行うことができる。
ステップST3では、さらに第1のライン材14aの構成材料であるSiNが最もエッチングしやすい条件、例えばCHF、Ar、Hによるプラズマエッチングを行って、SOG層17および領域Aの第1のライン材14aをエッチング除去する。これにより、図13の断面図および図14の平面図に示すような状態となる。このときのエッチングは、例えばCF、C、O、Arを用いたプラズマエッチングにより行うことができる。
ステップST3では、次に、マスク材15およびSOCからなる充填材16をエッチング除去し、図15の断面図および図16の平面図に示すように、領域Aの第1のライン材14aがラインカットされたパターンが形成される。この時のエッチングは、マスク材15がTiNの場合、例えばCl、Nを用いたプラズマエッチングにより行うことができる。
次に、第1のライン材14a側から斜め成膜を用いた異方的な成膜を含む処理により、第1のライン材14aに選択的にマスク材を形成する(ステップST4)。
次に、第2のライン材14bをラインカットする領域Cにライン状のホールを有するラインマスクを用いたエッチングを含む処理により、領域Cの第2のライン材14bをエッチング除去する(ステップST5)。
ステップST4およびステップST5により、第1段階のパターニングを行った後の図17の基板W(パターン)に対して第2段階のパターニングが行われる。すなわち、第2段階のパターニングでは、ステップST4およびステップST5により、図17に示す領域Cの第2のライン材14bのラインカットが行われ、それ以外の領域Dでは第2のライン材14bはラインカットされない。
ステップST4においては、最初に、第1段階のパターニングとは反対側の第1のライン材14a側から、第1の段階と同様の斜め成膜により、図18に示すように、第1のライン材14aと芯材13の上にマスク材15を形成する。その後は、第1段階のパターニングと同様の手順で、芯材13上のマスク材15の除去を行い、マスク材15が第2のライン材14bに残った状態とする。
ステップST5では、第1段階のパターニングと同様の手順で、充填材16、SOG層17およびレジスト層18を形成する。その後、図19に示すように、ラインマスク19をホール19aの位置が領域Cに対応するようにずらして配置し、領域Cのレジスト層18をエッチング除去する。そして、第1段階のパターニングと同様に、レジスト層18をマスクとして、領域CのSOG層17およびSOCからなる充填材16をエッチング除去する。さらに、第1段階のパターニングと同様に、マスク材15およびSOCからなる充填材16をエッチング除去し、図20の断面図および図21の平面図に示すように、領域Cの第2のライン材14bがラインカットされたパターンを形成する。
最後に芯材13をエッチング除去する(ステップST6)。これにより、図22に示すような、STI溝形成用パターン20が形成される。この際のエッチングは、例えば、HBr、Arを用いたプラズマエッチングによるSiの選択エッチングにより行われる。なお、材料の組み合わせによっては芯材13をSiNで構成することもでき、その場合は、芯材13のエッチング除去は、例えば、CHF、Ar、Hを用いたプラズマエッチングにより行うことができる。
その後、図22のパターンを、SiO膜12およびSiN膜11に順次転写し、最終的にSi基体10をエッチングしてSTI溝を形成し、STI溝に適宜の材料を埋め込んでSTIを形成する。
STI溝形成用のパターンを形成する際、従来は、図23(a)に示すような、ライン材240をカットする位置に対応するホール250を有するホールマスクを用いて、ライン材240のラインカットを行う手法が用いられていた。すなわち、この手法により、図23(b)に示すように、ライン材240にカット部241を形成し、STI溝用のパターンを形成する手法が用いられていた。しかし、半導体素子の微細化が進むにつれて、リソグラフィ工程の寸法が微細化し、合わせマージンが小さくなることから、ホールマスクではホール250のずれが生じやすくなる。このため、図24に示すように、カット部241がライン材240からずれてしまい、高精度のパターン形成は困難である。
そこで、本実施形態では、異方的な成膜を含む処理によりマスク材を一方のライン材のみに形成した後、ライン状のホールを有するラインマスクを用いたエッチングを含む処理を行う。これにより、比較的簡易な工程でセルフアライン的にライン材のラインカットを行うことができ、ホールマスクを用いる場合のような精度の問題を生じることなく、かつ工程の複雑化をもたらすことなくラインカットを行って所望のパターンを形成することができる。
以上、実施形態について説明したが、今回開示された実施形態は、全ての点で例示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。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲およびその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
例えば、上記実施形態では、STI溝を形成するためのパターンを形成する場合について示したが、これに限らず、ライン材をカットしてパターンを形成する用途であれば適用可能である。また、第1のライン材と第2のライン材の両方をカットする場合を示したが、いずれか一方のみをカットする場合でも適用可能である。
さらに、上記実施形態では、芯材としてSiを用い、ライン材としてSiNを用い、マスク材としてTiNまたはSiOを用いた例を示したが、これに限るものではない。例えば、芯材、第1および第2のライン材、ならびにマスク材として、Si、Ti、Zr、Al、W、WC、WSi、Hf、SiC、C、Ta、これらの酸化物、窒化物からなる群から適宜選択されたものを用いることができる。特に、芯材、ライン材、マスク材として、SiO、SiN、Si、TiN、W、WSi、WCからなる群から選択されたものを用いることがより効果的である。芯材、第1および第2のライン材、ならびにマスク材はそれぞれ異なる材料であることが好ましい。
さらにまた、上記実施形態では、マスク材を形成するための異方的な成膜としてスパッタリングによる斜め成膜を行う例を示したが、これに限るものではなく、また、装置も図6に示したものに限らない。
さらにまた、基板として半導体ウエハを用いた場合について示したが、これに限らず、FPD(フラットパネルディスプレイ)基板や、セラミックス基板等の他の基板であってもよい。
10;Si基体
11;SiN膜
12;SiO
13;芯材
14a;第1のライン材
14b;第2のライン材
15;マスク材
16;充填材
17;SOG層
18;レジスト層
19;ラインマスク
19a;ホール
20;STI溝形成用パターン
100;成膜装置
110;チャンバ
112;ターゲットホルダ
114;電源
118;スパッタ粒子遮蔽板
118a;通過孔
120;排気装置
122;ガス導入部
124;ターゲット
W;基板

Claims (14)

  1. 基板にパターンを形成するパターン形成方法であって、
    基体上に、凸状かつライン状に設けられた複数の芯材と、前記芯材の一方側および他方側にそれぞれ凸状かつライン状に設けられた第1のライン材および第2のライン材とが形成された基板を準備することと、
    異方的な成膜を含む処理により、前記第1のライン材および前記第2のライン材のいずれかに選択的にマスク材を形成することと、
    ラインカットする領域に対応する部分にライン状のホールを有するラインマスクを用いたエッチングを含む処理により、当該領域における前記第1のライン材および前記第2のライン材のうち、前記マスク材が形成されていない側をエッチング除去することと、
    前記芯材を除去することと、
    を有し、
    前記第1のライン材および前記第2のライン材のいずれかに選択的にマスク材を形成することは、
    前記異方的な成膜により、前記第1のライン材および前記第2のライン材のいずれか、および前記芯材上にマスク材を形成することと、
    全面に充填材を形成した後、エッチバックまたはCMPにより前記芯材上のマスク材を除去し、前記第1のライン材および前記第2のライン材のいずれかのみに前記マスク材を残存させることと、
    を含む、パターン形成方法。
  2. 前記第1のライン材および前記第2のライン材のうち、前記マスク材が形成されていない側をエッチングすることは、
    全面に充填材および第1のマスク層および第2のマスク層を形成することと、
    前記ラインマスクを用いたエッチングにより、前記ラインカットする領域の前記第2のマスク層をエッチング除去することと、
    前記第2のマスク層をマスクとして、前記ラインカットする領域の前記第1のマスク層、前記充填材、および前記第1のライン材および前記第2のライン材のいずれかをエッチング除去することと、
    を含む、請求項1に記載のパターン形成方法。
  3. 基板にパターンを形成するパターン形成方法であって、
    基体上に、凸状かつライン状に設けられた複数の芯材と、前記芯材の一方側および他方側にそれぞれ凸状かつライン状に設けられた第1のライン材および第2のライン材とが形成された基板を準備することと、
    異方的な成膜を含む処理により、前記第2のライン材に選択的にマスク材を形成することと、
    前記第1のライン材をラインカットする領域に対応する部分にライン状のホールを有するラインマスクを用いたエッチングを含む処理により、当該領域における前記第1のライン材をエッチング除去することと、
    異方的な成膜を含む処理により、前記第1のライン材に選択的にマスクを形成することと、
    前記第2のライン材のラインカットする領域に対応する部分にライン状のホールを有するラインマスクを用いたエッチングを含む処理により、当該領域における前記第2のライン材をエッチング除去することと、
    前記芯材を除去することと、
    を有し、
    前記第2のライン材に選択的にマスクを形成することは、
    前記異方的な成膜により、前記第2のライン材および前記芯材上にマスク材を形成することと、
    全面に充填材を形成した後、エッチバックまたはCMPにより前記芯材上のマスク材を除去し、前記第2のライン材のみに前記マスク材を残存させることと、
    を含む、パターン形成方法。
  4. STI溝形成用のパターンを形成する、請求項に記載のパターン形成方法。
  5. 前記第1のライン材をエッチング除去することは、
    全面に充填材および第1のマスク層および第2のマスク層を形成することと、
    前記ラインマスクを用いたエッチングにより、前記第1のライン材をラインカットする領域の前記第2のマスク層をエッチング除去することと、
    前記第2のマスク層をマスクとして、前記第1のライン材をラインカットする領域の前記第1のマスク層、前記充填材、および前記第1のライン材をエッチング除去することと、
    を含む、請求項3または請求項4に記載のパターン形成方法。
  6. 前記第1のライン材に選択的にマスクを形成することは、
    前記異方的な成膜により、前記第1のライン材および前記芯材上にマスク材を形成することと、
    全面に充填材を形成した後、エッチバックまたはCMPにより前記芯材上のマスク材を除去し、前記第1のライン材のみに前記マスク材を残存させることと、
    を含む、請求項から請求項のいずれか一項に記載のパターン形成方法。
  7. 前記第2のライン材をエッチング除去することは、
    全面に充填材および第1のマスク層および第2のマスク層を形成することと、
    前記ラインマスクを用いたエッチングにより、前記第2のライン材をラインカットする領域の前記第2のマスク層をエッチング除去することと、
    前記第2のマスク層をマスクとして、前記第2のライン材をラインカットする領域の前記第1のマスク層、前記充填材、および前記第2のライン材をエッチング除去することと、
    を含む、請求項から請求項のいずれか一項に記載のパターン形成方法。
  8. 前記異方的な成膜は、基板に対して斜め方向に成膜粒子を供給する斜め成膜である、請求項1から請求項のいずれか一項に記載のパターン形成方法。
  9. 前記斜め成膜は、傾斜して配置されたターゲットから斜めに放出されるスパッタ粒子を、移動する基板上に堆積させるスパッタリングである、請求項に記載のパターン形成方法。
  10. 前記芯材、前記第1および第2のライン材、ならびに前記マスク材として、Si、Ti、Zr、Al、W、WC、WSi、Hf、SiC、C、Ta、これらの酸化物、窒化物からなる群から適宜選択されたものが用いられる、請求項1から請求項のいずれか一項に記載のパターン形成方法。
  11. 前記芯材、前記第1および第2のライン材、ならびに前記マスク材として、SiO、SiN、Si、TiN、W、WSi、WCからなる群から選択されたものが用いられる、請求項10に記載のパターン形成方法。
  12. 前記芯材はSiで形成され、前記第1および第2のライン材はSiNで形成され、前記マスク材はTiNまたはSiOで形成されている、請求項11に記載のパターン形成方法。
  13. 前記芯材、前記第1のライン材、および前記第2のライン材は、前記基体上に転写層を介して設けられる、請求項1から請求項12のいずれか一項に記載のパターン形成方法。
  14. 前記転写層として、SiN膜およびSiO膜を有する、請求項13に記載のパターン形成方法。
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