WO2016093087A1 - パターン形成方法、ガスクラスターイオンビーム照射装置及びパターン形成装置 - Google Patents

パターン形成方法、ガスクラスターイオンビーム照射装置及びパターン形成装置 Download PDF

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    • H01J2237/20—Positioning, supporting, modifying or maintaining the physical state of objects being observed or treated
    • H01J2237/202—Movement

Definitions

  • the disclosed embodiment relates to a pattern forming method, a gas cluster ion beam irradiation apparatus used for the pattern forming method, and a pattern forming apparatus for executing the pattern forming method.
  • SADPT Self Aligned Double Patterning Technology
  • SAQPT Self Aligned Quadruple Patterning Technology
  • RIE reactive ion etching
  • the second hard mask and the first hard mask are sequentially formed on the substrate, and after the etching by the RIE method, the pattern of the first spacer film in the first double patterning is used as the mask.
  • a step of etching the hard mask and forming a second spacer film on the pattern of the second hard mask at the second double patterning is performed.
  • Patent Document 1 describes etching using RIE.
  • the quadruple patterning according to the conventional technique includes a process of forming the second hard mask and a process of removing the second hard mask, there is a problem in that the efficiency decreases and the cost increases.
  • etching is performed using RIE
  • ions are incident on the substrate at various angles and the straightness of the ions is reduced. For this reason, it is difficult to uniformly etch the entire substrate surface irradiated with ions.
  • the shape of the spacer film formed by etching using RIE becomes non-uniform.
  • the spacer film has a tapered shape. For this reason, it is difficult to directly form the second spacer film on the pattern of the first spacer film formed by the first double patterning.
  • One embodiment of the present invention has been made in view of the above, and provides a pattern forming method, a gas cluster ion beam irradiation apparatus, and a pattern forming apparatus capable of increasing the efficiency of the multiple patterning process and reducing the process cost.
  • the purpose is to provide.
  • a pattern forming method includes a mask pattern forming step of forming a mask pattern on a substrate, a first spacer film forming step of forming a first spacer film on the mask pattern, and a gas cluster ion beam
  • a gas cluster ion beam irradiation apparatus includes a gas cluster ion beam generation unit that generates a gas cluster ion beam, a substrate on which a mask pattern and a first spacer film are sequentially formed on the irradiation surface.
  • a substrate driving unit that supports and drives the gas cluster ion beam to be irradiated on the substrate; and a control unit that controls the substrate driving unit, the control unit on the irradiation surface of the substrate Control is executed so that the first spacer film is etched by irradiation with the gas cluster ion beam.
  • a pattern forming apparatus includes a mask pattern forming module for forming a mask pattern on a substrate, and a first spacer film for forming a first spacer film on the mask pattern.
  • a second spacer pattern formation module for forming a second spacer pattern, characterized in that it comprises a substrate etching module to etch the substrate to the second spacer pattern as a mask.
  • the pattern forming method, the gas cluster ion beam irradiation apparatus, and the pattern forming apparatus according to one aspect of the embodiment have an effect of increasing the efficiency of the multiple patterning process and reducing the process cost.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a substrate showing respective steps of quadruple patterning according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the substrate for explaining the profile of the spacer film etched using the gas cluster ion beam according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the substrate showing each step of the quadruple patterning according to the second embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic side view showing a configuration of a gas cluster ion beam irradiation apparatus according to an embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic front view of the substrate driving unit provided in the gas cluster ion beam irradiation apparatus according to the embodiment.
  • FIG. 6A is a diagram for explaining an example of a method of irradiating a substrate surface of a gas cluster ion beam according to an embodiment.
  • FIG. 6B is a diagram for explaining another example of a method for irradiating a substrate surface of a gas cluster ion beam according to an embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic plan view of a pattern forming apparatus according to an embodiment.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a substrate showing each step of quadruple patterning according to the prior art.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the substrate for explaining the profile of the spacer film etched by reactive ion etching (RIE).
  • RIE reactive ion etching
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a substrate showing respective steps of quadruple patterning according to the prior art.
  • the four-layer patterning process will be described as an example through the embodiment, the present invention is not limited to this, and the present embodiment can be applied to general multiple patterning including a step of further forming a spacer film on the spacer film. .
  • the second hard mask layer 210 and the first hard mask layer 200 are sequentially formed on the substrate 100.
  • a photoresist pattern 300 is formed on the first hard mask layer 200 (FIG. 8A).
  • the first hard mask layer 200 is etched using the photoresist pattern 300 as an etching mask to form a first hard mask pattern 200a (FIG. 8B).
  • a first spacer film 400 is formed on the first hard mask pattern 200a (FIG. 8C). Further, a part of the first spacer film 400 is etched using RIE or the like (FIG. 8D). Then, the first hard mask pattern 200a is removed, and a pattern 400a of the first spacer film 400 is formed on the second hard mask layer 210 (FIG. 8E). Next, the second hard mask layer 210 is etched using the pattern 400a of the first spacer film 400 as a mask to form a second hard mask pattern 210a (FIG. 8F).
  • a second spacer film 500 is formed on the pattern 210a of the second hard mask ((g) in FIG. 8). Further, a part of the second spacer film 500 is etched using RIE or the like ((h) in FIG. 8). Then, the second hard mask pattern 210a is etched to form a pattern 500a of the second spacer film 500 ((i) of FIG. 8). Then, a desired pattern is formed by etching the substrate 100 using the pattern 500a of the second spacer film 500 as a mask ((j) in FIG. 8).
  • the first spacer film 400 is etched using RIE. Therefore, as shown in FIG. 8D, the pattern 400a of the first spacer film 400 is formed in a tapered shape, for example, on the side wall of the pattern 200a of the first hard mask.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of the substrate for explaining the profile of the spacer film etched using RIE.
  • RIE reactive ion etching
  • the process of forming the second hard mask layer 210 is further required, and the process of removing the second hard mask pattern 210a through etching is further required, which reduces the process efficiency. In addition, the cost of the process increases.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a substrate showing respective steps of quadruple patterning according to the first embodiment.
  • the quadruple patterning according to the first embodiment will be described with reference to FIG. 1 while comparing with the quadruple patterning process according to the prior art shown in FIG.
  • a hard mask layer 2 is formed on a substrate 1 made of silicon, for example, and a photoresist pattern 3 is formed on the hard mask layer 2.
  • the hard mask layer 2 may be formed, for example, by depositing silicon oxide through a PE-CVD process.
  • the hard mask layer 2 may be formed using a spin-on hard mask of a silicon substrate such as spin-on glass (SOG).
  • SOG spin-on glass
  • the width of the photoresist pattern 3 may be approximately 45 nm, for example, and the interval between the photoresist patterns 3 may be approximately 75 nm. However, the width of the photoresist pattern 3 and the interval between the patterns may be set to other values, or may be set to different values according to different patterns.
  • the width of the photoresist pattern 3 is the length in a predetermined direction along the surface of the substrate 1. For example, the length along the horizontal direction in FIG.
  • the hard mask layer 2 is etched using the photoresist pattern 3 as an etching mask to form a hard mask pattern 2a.
  • a first spacer film 4 is formed on the mask pattern 2a of the hard mask.
  • the first spacer film 4 is formed conformally along the mask pattern 2a of the hard mask.
  • the thickness of the first spacer film 4 may be set to about 15 nm, and the distance between the first spacer films 4 formed on the mask pattern 2a of the adjacent hard mask may be set to about 45 nm.
  • Such a first spacer film 4 can be formed using atomic layer deposition (ALD). Chemical vapor deposition (Chemical Vapor Deposition, CVD) can also be used when forming the first spacer film 4. However, when CVD is used, the thickness of the spacer film formed on the upper surface of the mask pattern tends to be thicker than the thickness of the spacer film formed on the side surface of the mask pattern, and the step coverage of the spacer film is increased. Deteriorate.
  • the ratio between the thickness of the spacer film formed on the upper surface of the mask pattern and the thickness of the spacer film formed on the side surface of the mask pattern is approximately 1: A spacer film having a value close to 1 and having excellent step coverage can be formed.
  • the first spacer film 4 may be a material having an etching selectivity with respect to the mask pattern 2a of the hard mask.
  • the first spacer film 4 may be an oxide film made of ALD oxide.
  • the first spacer film 4 is anisotropically etched using a gas cluster ion beam (GCIB).
  • GCIB gas cluster ion beam
  • the diameter of the gas cluster ion beam can be approximately 1 cm or less. The characteristics of etching using a gas cluster ion beam will be described later.
  • Etching with the gas cluster ion beam is performed until the upper surface of the mask pattern 2a of the hard mask is exposed.
  • the first spacer film 4 is uniform by a thickness of about 15 nm over the entire substrate surface on which the ion beam is incident.
  • Irradiation of the gas cluster ion beam over the entire surface of the substrate 1 is performed, for example, by moving the substrate 1 while irradiating the gas cluster ion beam on the substrate 1.
  • the gas cluster ion beam is irradiated from the vertical direction to the irradiation surface of the substrate 1 while the substrate 1 is supported from the vertical direction with respect to the irradiation surface of the ion beam and the substrate 1 is moved in a direction parallel to the irradiation surface.
  • the gas cluster ion beam can be irradiated onto the entire surface of the substrate 1 by moving the substrate 1 upward or downward while moving the substrate 1 alternately left and right. That is, the substrate 1 may be shifted in a direction perpendicular to the one direction while being alternately moved in one direction parallel to the irradiation surface and the opposite direction.
  • the pattern 4a of the first spacer film 4 having a width of about 15 nm is formed in a rectangular shape on the side surface of the mask pattern 2a of the hard mask instead of a tapered shape. be able to.
  • the mask pattern 2a of the hard mask is removed through etching.
  • the pattern 4 a of the first spacer film 4 having a width of 15 nm remains on the substrate 1.
  • the second spacer film 5 is conformally formed on the pattern 4a of the first spacer film 4.
  • the second spacer film 5 may be formed of a material different from that of the first spacer film 4 having an etching selectivity with respect to the first spacer film 4.
  • the second spacer film 5 may be an ALD silicon nitride (SiN) film, for example. Similar to the formation of the first spacer film 4, the film having excellent step coverage can be formed by forming the second spacer film 5 using ALD.
  • the thickness of the second spacer film 5 may be approximately 15 nm, and the distance between the adjacent second spacer films 5 may be approximately 15 nm.
  • the second spacer film 5 is etched over the entire surface of the substrate 1.
  • the etching of the second spacer film 5 can be performed by irradiation with a gas cluster ion beam, similarly to the first spacer film 4.
  • the second spacer film 5 may be etched using RIE having a short etching time in consideration of the throughput of the process. It can be efficient.
  • the pattern 4a of the first spacer film 4 is selectively etched to remove the pattern 4a of the first spacer film 4 to form a pattern 5a of the second spacer film 5. Only on the substrate 1.
  • the etching of the pattern 4a of the first spacer film 4 can be performed, for example, by performing an HF (hydrogen fluoride) solution treatment on the entire surface of the substrate.
  • the substrate 1 is etched using the pattern 5a of the second spacer film 5 on the substrate 1 as a mask.
  • a pattern having a pattern interval of about 15 nm can be formed.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the substrate for explaining the profile of the spacer film etched using the gas cluster ion beam according to the first embodiment. With reference to FIG. 2, etching using a gas cluster ion beam will be described.
  • the incident angle and direction of the ion beam with respect to the substrate are different, and the etching amount of the corner portion of the spacer film is increased.
  • the gas cluster ion beam is excellent in straightness.
  • the gas cluster ion beam is applied to the substrate from a direction substantially orthogonal to the irradiation surface of the substrate.
  • the gas cluster ion beam is applied to the substrate from a direction substantially orthogonal to the irradiation surface of the substrate.
  • the gas cluster ion beam is applied to the substrate from a direction substantially orthogonal to the irradiation surface of the substrate.
  • the gas cluster ion beam is applied to the substrate from a direction substantially orthogonal to the irradiation surface of the substrate.
  • the gas cluster ion beam is applied to the substrate from a direction substantially orthogonal to the irradiation surface of the substrate.
  • the first spacer film 4 is formed over the entire surface of the substrate.
  • a certain amount can be etched.
  • the profile of the pattern 4a of the first spacer film 4 after etching is substantially square, and the second spacer film 5 can be directly formed on the pattern 4a of the first
  • the pattern 4a of the first spacer film 4 formed by etching with a gas cluster ion beam is square, and the second spacer film 5 is conformally directly on the pattern 4a of the first spacer film 4. Because it can be formed, unlike the prior art, it is not necessary to form an additional hard mask on the substrate. Accordingly, since the steps related to the formation and etching of the additional hard mask can be omitted, the efficiency of the process can be improved, thereby greatly reducing the cost of the process.
  • the spacer film formed on the hard mask at the first double patterning is etched using the gas cluster ion beam. For this reason, the pattern of the spacer film can be used as it is in the next double patterning. Therefore, the number of processes in the multiple patterning can be reduced, the process efficiency can be increased, and the cost can be reduced.
  • FIGS. 3A to 3H are cross-sectional views of a substrate showing respective steps of quadruple patterning according to the second embodiment of the present invention.
  • the steps shown in FIGS. 3B to 3H are the same as the steps shown in FIGS. 1C to 1I, and can be executed in the same manner as the steps shown in FIG. 1 unless otherwise specified. Therefore, in the following description, detailed description about each process of 2nd Embodiment is abbreviate
  • the hard mask layer 2 is not formed on the silicon substrate 1, but the photoresist pattern 3 'is directly formed (FIG. 3A). Then, a first spacer film 4 is formed on the photoresist pattern 3 '(FIG. 3B). Then, the first spacer film 4 is anisotropically etched using a gas cluster ion beam to form a first spacer film pattern 4a (FIG. 3C).
  • the subsequent steps shown in (d) to (h) of FIG. 3 are the same as the steps shown in (e) to (i) of FIG. Further, the steps shown in FIGS. 3A to 3C may be performed in the same manner as the steps shown in FIGS. 1B to 1D.
  • the thickness and width of the spacer film may be set similarly.
  • the photoresist pattern 3 ′ is formed directly on the silicon substrate 1 without forming the hard mask layer 2 of FIG. 1.
  • the photoresist pattern 3 ′ may be damaged by the subsequent etching process, the photoresist pattern 3 ′ may be used after being reinforced to prevent the etching damage. .
  • the first spacer film 4 is formed on the photoresist pattern 3 ′ using the enhanced photoresist pattern 3 ′.
  • (A) and (b) in FIG. 1 can be omitted. For this reason, in the second embodiment, the number of steps can be further reduced as compared with the first embodiment described above.
  • FIG. 4 is a schematic side view showing a configuration of a gas cluster ion beam irradiation apparatus according to an embodiment
  • FIG. 5 is a schematic front view of a substrate driving unit included in the gas cluster ion beam irradiation apparatus according to the embodiment. is there.
  • the gas cluster ion beam irradiation apparatus 10 includes a gas cluster ion beam generation unit 20, a substrate driving unit 30, and a control unit 40.
  • the gas cluster ion beam generator 20 generates a gas cluster ion beam.
  • the substrate drive unit 30 supports the substrate 1 and drives the substrate 1 so that the gas cluster ion beam is irradiated onto the substrate 1.
  • the control unit 40 controls the substrate driving unit 30.
  • the gas cluster ion beam generation unit 20 includes one or more gas supply sources, for example, a first gas supply source 21 and a second gas supply source 22.
  • the first gas supply source 21 and the second gas supply source 22 are used alone or in combination with each other to produce ionized clusters.
  • a high-pressure condensable gas containing one or both of the first gas composition supplied from the first gas supply source 21 and the second gas composition supplied from the second gas supply source 22 is contained in the stagnation chamber 23. And exits through a nozzle 24 into a vacuum where the pressure is substantially lower than in the stagnation chamber 23. As the high pressure condensable gas escapes from the stagnation chamber 23 into the low pressure region of the source chamber 25 and expands, the gas velocity is accelerated to the ultrasonic velocity and the gas cluster beam exits the nozzle 24.
  • the gas cluster constituting the gas cluster beam is ionized by the ionizer 26 to form a gas cluster ion beam (GCIB).
  • the high voltage electrode 27 extracts cluster ions from the ionizer 26 and accelerates the extracted cluster ions to a desired energy.
  • the kinetic energy of the cluster ions of the gas cluster ion beam thus formed is in the range of approximately 1000 electron volts (1 keV) to several tens of keV.
  • the substrate 1 to which the gas cluster ion beam is irradiated is supported by the substrate driving unit 30, and the beam is irradiated over the entire surface of the substrate 1 on which the gas cluster ion beam is irradiated (hereinafter referred to as an irradiation surface).
  • the substrate drive unit 30 includes a holding unit 31, a support rod 32, a rotating shaft 33, and an elevating mechanism 34.
  • the holding unit 31 holds the substrate 1 from the vertical direction (substantially horizontal to the irradiation surface in FIG. 4).
  • the support rod 32 is connected to the holding portion 31 and extends in the vertical direction.
  • the rotating shaft 33 is disposed at the lower end of the support rod 32.
  • the elevating mechanism 34 is a vertical direction moving mechanism that supports the rotating shaft 33 and can move the rotating shaft 33 in the vertical direction.
  • the support rod 32 can be configured to extend from the rotary shaft 33 in the radial direction of a circle centered on the rotary shaft 33 and to reciprocate within a predetermined angle range around the rotary shaft 33. Therefore, the substrate 1 is reciprocated while drawing an arc like a pendulum by the movement of the support rod 32, and the rotating shaft 33 can operate as a lateral movement mechanism of the substrate driving unit 30.
  • the vertical direction refers to the vertical direction of the paper in FIG. 4
  • the horizontal direction refers to the direction from the front of the paper to the back of FIG.
  • the control unit 40 is connected to the substrate driving unit 30 and controls the substrate driving unit 30.
  • the controller 40 causes the gas cluster ion beam to be formed on the substrate 1 so that the first spacer film 4 formed on the substrate 1 on which the mask pattern is formed is etched over the entire irradiation surface of the substrate by the gas cluster ion beam.
  • the substrate 1 supported by the substrate driving unit 30 is controlled to move.
  • the control unit 40 controls the rotary shaft 33 to move the substrate 1 alternately left and right, while controlling the elevating mechanism 34 to move the substrate 1 upward or downward, thereby irradiating the surface of the substrate 1. Control can be performed so that the gas cluster ion beam is irradiated throughout.
  • the gas cluster ion beam irradiation apparatus 10 can measure the thickness of the first spacer film 4 to be etched in association with the position of the first spacer film 4 on the substrate 1. May be provided.
  • the controller 40 can control the moving speed of the substrate 1 based on the thickness of the first spacer film 4 measured by the thickness measuring unit 50 and the position on the substrate 1.
  • the pattern 4a of the first spacer film 4 can be easily formed in a desired shape, for example, a square.
  • FIG. 5 is a schematic front view of the substrate driving unit 30 provided in the gas cluster ion beam irradiation apparatus 10 according to the embodiment.
  • substrate drive part 30 is demonstrated concretely.
  • the support rod 32 reciprocates around the rotation shaft 33 in the arc direction
  • the substrate 1 supported by the holding portion 31 moves in the left-right direction (lateral direction in FIG. 4) and moves relative to the substrate 1. Irradiation of a gas cluster ion beam is performed.
  • the gas cluster ion beam can be irradiated in the vertical direction of the substrate. Accordingly, the gas cluster ion beam can be irradiated over the entire surface of the substrate 1 by moving the substrate 1 upward or downward by the elevating mechanism 34 while repeatedly moving the substrate 1 left and right by the rotation shaft 33. it can.
  • a rotation motor is included in the holding
  • FIGS. 6A and 6B are diagrams for explaining an example of a method for irradiating a substrate surface of a gas cluster ion beam according to an embodiment. A method of scanning the entire surface of the substrate 1 by the substrate driving unit 30 will be specifically described with reference to FIGS. 6A and 6B.
  • FIG. 6A shows a case where the cluster ion beam is irradiated from the upper side of the substrate 1 supported by the holding unit 31 so that the irradiation surface substantially coincides with the vertical direction.
  • the entire irradiation surface of the substrate 1 can be uniformly irradiated with the gas cluster ion beam.
  • FIG. 6B shows a case where the irradiation of the gas cluster ion beam is performed from the lower side of the substrate 1 supported by the holding unit 31 so that the irradiation surface substantially coincides with the vertical direction.
  • FIG. 7 is a plan view of a pattern forming apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the pattern forming apparatus 1000 according to the present embodiment includes a loading / unloading unit 1100, a load lock chamber 1200, a plurality of processing chambers 1300, and a substrate transport mechanism 1400.
  • the loading / unloading unit 1100 loads or unloads a substrate.
  • the load lock chamber 1200 serves as a buffer chamber between the loading / unloading unit 1100 and the substrate processing chamber.
  • the plurality of processing chambers 1300 are provided as spaces for processing a substrate. Here, a plurality of processing chambers are collectively denoted by reference numeral 1300.
  • the substrate transport mechanism 1400 unloads the substrate 1 that has been processed in the processing chamber 1300 from the processing chamber 1300 or transports the unprocessed substrate 1 into the processing chamber 1300.
  • each of the processing chambers 1300 devices necessary for pattern formation on the substrate 1 are installed as modules.
  • each of the processing chambers 1300 arranged on the right side of FIG. 7 includes a mask pattern forming module 1310, a first spacer film forming module 1320, a gas cluster ion beam irradiation apparatus 10, and a first spacer pattern forming module 1330. , Is arranged.
  • a second spacer film forming module 1340, a second spacer film etching module 1350, a second spacer pattern forming module 1360, and a substrate etching module 1370 are provided in each of the processing chambers 1300 arranged on the left side of FIG. 7, a second spacer film forming module 1340, a second spacer film etching module 1350, a second spacer pattern forming module 1360, and a substrate etching module 1370 are provided. Be placed.
  • the mask pattern forming module 1310 is a module for forming a mask pattern on a substrate.
  • the first spacer film forming module 1320 is a module for forming a first spacer film on the mask pattern.
  • the gas cluster ion beam irradiation apparatus 10 irradiates the substrate with a gas cluster ion beam and anisotropically etches the first spacer film.
  • the first spacer pattern forming module 1330 is a module for removing the mask pattern and forming the first spacer pattern on the substrate.
  • the second spacer film forming module 1340 is a module for forming a second spacer film on the first spacer pattern.
  • the second spacer film etching module 1350 is a module for anisotropically etching the second spacer film.
  • the second spacer pattern forming module 1360 is a module for removing the first spacer pattern and forming the second spacer pattern on the substrate.
  • the substrate etching module 1370 is a module for etching a substrate using the second spacer pattern as a mask.
  • each step when forming a pattern by quadruple patterning can be performed in one apparatus.
  • the apparatus for performing each process is configured as a module form, and the pattern forming process is performed in one apparatus.
  • each module is configured in a separate apparatus, and a separate process is performed. It is also possible to perform each step with an apparatus.

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Abstract

　基板上にマスクパターンを形成する。マスクパターン上に第１スペーサ膜を形成する。ガスクラスターイオンビーム（ＧＣＩＢ）を基板に照射して第１スペーサ膜をエッチングする。マスクパターンを除去して基板上に第１スペーサパターンを形成する。第１スペーサパターン上に第２スペーサ膜を形成する。第２スペーサ膜をエッチングする。第１スペーサパターンを除去して基板上に第２スペーサパターンを形成する。第２スペーサパターンをマスクとして基板をエッチングする。

Description

パターン形成方法、ガスクラスターイオンビーム照射装置及びパターン形成装置
　開示の実施形態は、パターン形成方法、これに用いられるガスクラスターイオンビーム照射装置、及び前記パターン形成方法を実行するためのパターン形成装置に関する。
　半導体装置の高集積化に伴い、半導体装置内に含まれるパターンの線幅は益々微細化し、略１０ｎｍ台の線幅が要求されるようになっている。このような微細パターンを形成するためにＳＡＤＰＴ（Self　Aligned　Double　Patterning　Technology）などが開発されている。ＳＡＤＰＴは、２重パターニングを行って狭い線幅を有するマスクパターンを形成し、これを用いて微細パターンを形成する工程である。一方、さらに微細なパターンを形成するために、ＳＡＤＰＴのような２重パターニングを２回連続して行う４重パターニング方法として、ＳＡＱＰＴ（Self　Aligned　Quadruple　Patterning　Technology）が開発されている。
　このような４重パターニングを行うにあたって、ハードマスクのパターン上に形成されたスペーサ膜をエッチングするために反応性イオンエッチング（Reactive　Ion　Etching、ＲＩＥ）が主に用いられる。即ち、従来の方式では、基板上に第２ハードマスク及び第１ハードマスクを順次形成し、ＲＩＥ方式でのエッチング後、１回目の２重パターニングにおける第１スペーサ膜のパターンをマスクとして、第２ハードマスクをエッチングし、２回目の２重パターニング時に第２ハードマスクのパターン上に第２スペーサ膜を形成する工程を行う。たとえば特許文献１には、ＲＩＥを用いたエッチングについて記載されている。
特開２０１０－２７２７３１号公報
　しかし、従来技術に係る４重パターニングにおいては、第２ハードマスクを形成する工程及び除去する工程が含まれるため、効率が低下し費用が増加するという問題がある。
　また、ＲＩＥを用いてエッチングを行った場合、イオンが基板上に様々な角度で入射してイオンの直進性が落ちる。このため、イオンが照射する基板面全体に均一なエッチングを施すことが困難である。結果として、ＲＩＥを用いたエッチングで形成したスペーサ膜の形状が不均一になる。例えば、スペーサ膜がテーパー形状を有するようになる。このため、１回目の２重パターニングによって形成された第１スペーサ膜のパターン上に第２スペーサ膜を直接形成することが困難である。
　実施の形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであり、多重パターニングの工程の効率を高め、工程費用を節減することができるパターン形成方法、ガスクラスターイオンビーム照射装置およびパターン形成装置を提供することを目的とする。
　実施形態の一態様に係るパターン形成方法は、基板上にマスクパターンを形成するマスクパターン形成ステップと、前記マスクパターン上に第１スペーサ膜を形成する第１スペーサ膜形成ステップと、ガスクラスターイオンビーム（Gas　Cluster　Ion　Beam、ＧＣＩＢ）を前記基板に照射して前記第１スペーサ膜をエッチングする第１スペーサ膜エッチングステップと、前記マスクパターンを除去して前記基板上に第１スペーサパターンを形成する第１スペーサパターン形成ステップと、前記第１スペーサパターン上に第２スペーサ膜を形成する第２スペーサ膜形成ステップと、前記第２スペーサ膜をエッチングする第２スペーサ膜エッチングステップと、前記第１スペーサパターンを除去して前記基板上に第２スペーサパターンを形成する第２スペーサパターン形成ステップと、前記第２スペーサパターンをマスクとして前記基板をエッチングする基板エッチングステップとを含むことを特徴とする。
　また、実施形態の他の態様に係るガスクラスターイオンビーム照射装置は、ガスクラスターイオンビームを生成するガスクラスターイオンビーム生成部と、マスクパターン及び第１スペーサ膜が順次照射面に形成された基板を支持して前記基板上に前記ガスクラスターイオンビームが照射されるように駆動する基板駆動部と、前記基板駆動部を制御する制御部とを含み、前記制御部は、前記基板の照射面上に前記ガスクラスターイオンビームが照射されて、前記第１スペーサ膜がエッチングされるように制御を実行することを特徴とする。
　さらに、実施形態のさらに他の態様に係るパターン形成装置は、基板上にマスクパターンを形成するためのマスクパターン形成モジュールと、前記マスクパターン上に第１スペーサ膜を形成するための第１スペーサ膜形成モジュールと、ガスクラスターイオンビームを前記基板に照射して前記第１スペーサ膜をエッチングするためのガスクラスターイオンビーム照射装置と、前記マスクパターンを除去して前記基板上に第１スペーサパターンを形成するための第１スペーサパターン形成モジュールと、前記第１スペーサパターン上に第２スペーサ膜を形成するための第２スペーサ膜形成モジュールと、前記第２スペーサ膜をエッチングするための第２スペーサ膜エッチングモジュールと、前記第１スペーサパターンを除去して前記基板上に第２スペーサパターンを形成するための第２スペーサパターン形成モジュールと、前記第２スペーサパターンをマスクとして前記基板をエッチングする基板エッチングモジュールとを含むことを特徴とする。
　実施形態の一態様に係るパターン形成方法、ガスクラスターイオンビーム照射装置およびパターン形成装置は、多重パターニングの工程の効率を高め、工程費用を節減することができるという効果を奏する。
図１は、第１実施形態に係る４重パターニングの各工程を示す基板の断面図である。 図２は、第１実施形態に係るガスクラスターイオンビームを用いてエッチングしたスペーサ膜のプロファイルを説明するための基板の断面図である。 図３は、第２実施形態に係る４重パターニングの各工程を示す基板の断面図である。 図４は、一実施形態に係るガスクラスターイオンビーム照射装置の構成を示す概略側面図である。 図５は、一実施形態に係るガスクラスターイオンビーム照射装置が備える基板駆動部の概略正面図である。 図６Ａは、一実施形態に係るガスクラスターイオンビームの基板面への照射方法の一例を説明するための図である。 図６Ｂは、一実施形態に係るガスクラスターイオンビームの基板面への照射方法の他の例を説明するための図である。 図７は、一実施形態に係るパターン形成装置の概略平面図である。 図８は、従来の技術に係る４重パターニングの各工程を示す基板の断面図である。 図９は、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いてエッチングしたスペーサ膜のプロファイルを説明するための基板の断面図である。
　以下、添付図面を参照して、本願の開示するパターン形成方法、ガスクラスターイオンビーム照射装置およびパターン形成装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面および明細書を通じ、同様の構成要素には同様の参照符号を付す。
（従来技術による４重パターニングの一例）
　まず、従来技術による４重パターニングの例を、図８を参照して説明する。図８は、従来技術に係る４重パターニングの各工程を示す基板の断面図である。なお、実施形態を通じて４重パターニングの処理を例として説明するが、これに限定されず、スペーサ膜の上にさらにスペーサ膜を形成する工程を含む多重パターニング全般に本実施形態を適用することができる。
　図８に示すように、従来技術による４重パターニングにおいてはまず、基板１００上に第２ハードマスク層２１０及び第１ハードマスク層２００を順次形成する。そして、第１ハードマスク層２００の上にフォトレジストのパターン３００を形成する（図８の（ａ））。次に、フォトレジストのパターン３００をエッチングマスクとして第１ハードマスク層２００をエッチングし、第１ハードマスクのパターン２００ａを形成する（図８の（ｂ））。
　そして、第１ハードマスクのパターン２００ａ上に第１スペーサ膜４００を形成する（図８の（ｃ））。さらに、ＲＩＥ等を用いて第１スペーサ膜４００の一部をエッチングする（図８の（ｄ））。そして、第１ハードマスクのパターン２００ａを除去して第２ハードマスク層２１０上に第１スペーサ膜４００のパターン４００ａを形成する（図８の（ｅ））。次に、第１スペーサ膜４００のパターン４００ａをマスクとして第２ハードマスク層２１０をエッチングし、第２ハードマスクのパターン２１０ａを形成する（図８の（ｆ））。
　その後、第２ハードマスクのパターン２１０ａ上に第２スペーサ膜５００を形成する（図８の（ｇ））。さらに、ＲＩＥ等を用いて第２スペーサ膜５００の一部をエッチングする（図８の（ｈ））。そして、第２ハードマスクのパターン２１０ａをエッチングして第２スペーサ膜５００のパターン５００ａを形成する（図８の（ｉ））。そして、第２スペーサ膜５００のパターン５００ａをマスクとして基板１００をエッチングすることで所望のパターンが形成される（図８の（ｊ））。
（ＲＩＥを用いた場合のスペーサ膜の形状）
　図８に示す従来技術では、第１スペーサ膜４００のエッチング時にＲＩＥを用いてエッチングする。このため、図８の（ｄ）に示すように、第１ハードマスクのパターン２００ａの側壁上に第１スペーサ膜４００のパターン４００ａが、例えばテーパー状に形成される。
　図９は、ＲＩＥを用いてエッチングしたスペーサ膜のプロファイルを説明するための基板の断面図である。図９に示すように、従来のＲＩＥを用いたエッチングでは、全てのイオンが基板の表面に対して鉛直方向から基板の表面に衝突するのではなく、多数の方向から異なる角度で基板の表面に衝突する。このため、イオンの直進性が低下する。したがって、第１スペーサ膜４００を第１ハードマスクのパターン２００ａ上にコンフォーマルに形成してＲＩＥでエッチングした場合、第１スペーサ膜４００の角部分のエッチング量が多くなる。結果的に、エッチング後の第１スペーサ膜４００のパターン４００ａはテーパー状を有することになる。
　このように、テーパー状の第１スペーサ膜４００のパターン４００ａが形成される場合、第１スペーサ膜４００のパターン４００ａの上に直接第２スペーサ膜５００を均一に形成することは困難である。従って、従来技術では、第２スペーサ膜５００の下部に追加に形成された第２ハードマスク層２１０をエッチングした後、第２ハードマスクのパターン２１０ａ上に第２スペーサ膜５００を形成するようにしている。このような工程によれば、第２ハードマスク層２１０を形成する工程がさらに必要となり、また、第２ハードマスクのパターン２１０ａをエッチングを通じて除去する工程がさらに必要となるので、工程の効率が低下するとともに、工程の費用が増加する。
（第１実施形態に係る４重パターニングの一例）
　図１は、第１実施形態に係る４重パターニングの各工程を示す基板の断面図である。図１を参照し、図８に示す従来技術に係る４重パターニングの工程と比較しつつ、第１実施形態に係る４重パターニングについて説明する。
　第１実施形態においては、図１の（ａ）に示すように、例えばシリコンからなる基板１上にハードマスク層２を形成し、ハードマスク層２上にフォトレジストのパターン３を形成する。
　ハードマスク層２は、例えばシリコン酸化物をＰＥ－ＣＶＤ工程を通じて蒸着して形成してもよい。また、ハードマスク層２は、スピン－オンガラス（Spin-On　Glass：ＳＯＧ）などのシリコン基板のスピン－オンハードマスクを用いて形成してもよい。フォトレジストのパターン３の幅は、例えば略４５ｎｍであり、フォトレジストのパターン３間の間隔は略７５ｎｍでもよい。ただし、フォトレジストのパターン３の幅及びパターン間の間隔は、他の値に設定してもよく、異なるパターンに応じて異なる値に設定してもよい。
　なお上の説明において、フォトレジストのパターン３の幅は、基板１の表面に沿った所定方向の長さをいうものとする。たとえば、図１の紙面横方向に沿った長さを幅というものとする。
　次に、図１の（ｂ）に示すように、フォトレジストのパターン３をエッチングマスクとしてハードマスク層２をエッチングして、ハードマスクのマスクパターン２ａを形成する。
　さらに、図１の（ｃ）に示すように、ハードマスクのマスクパターン２ａ上に第１スペーサ膜４を形成する。この際、第１スペーサ膜４は、ハードマスクのマスクパターン２ａに沿ってコンフォーマル（Conformal）に形成される。例えば、第１スペーサ膜４の厚さを略１５ｎｍに設定し、隣り合うハードマスクのマスクパターン２ａに形成された第１スペーサ膜４間の距離を略４５ｎｍに設定してもよい。
　このような第１スペーサ膜４は、原子層蒸着（Atomic　Layer　Deposition、ＡＬＤ）を用いて形成することができる。第１スペーサ膜４の形成時に化学気相蒸着（Chemical　Vapor　Deposition、ＣＶＤ）を用いることもできる。ただし、ＣＶＤを用いる場合、マスクパターンの上面に形成されたスペーサ膜の厚さがマスクパターンの側面に形成されたスペーサ膜の厚さより厚くなる傾向があり、スペーサ膜のステップカバレッジ（Step　Coverage）が悪くなる。これに対し、ＡＬＤを用いて第１スペーサ膜４を形成する場合、マスクパターンの上面に形成されたスペーサ膜の厚さとマスクパターンの側面に形成されたスペーサ膜の厚さとの割合が略１：１に近い値を有し、優れたステップカバレッジを有するスペーサ膜を形成することができる。第１スペーサ膜４は、ハードマスクのマスクパターン２ａに対してエッチング選択比を有する物質であってよい。例えば、第１スペーサ膜４は、ＡＬＤ酸化物からなる酸化膜であってよい。
　次に、図１の（ｄ）に示すように、ガスクラスターイオンビーム（ＧＣＩＢ）を用いて第１スペーサ膜４を異方性エッチングする。ガスクラスターイオンビームの直径が小さい程ビームの直進性に優れるが、スループットを考慮して適切な大きさに設定することができる。例えば、ガスクラスターイオンビームの直径は略１ｃｍ以下であり得る。ガスクラスターイオンビームを用いたエッチングの特徴については後述する。
　ガスクラスターイオンビームによるエッチングは、ハードマスクのマスクパターン２ａの上面が露出するまで行われ、例えば、イオンビームが入射する側の基板表面全体にわたって第１スペーサ膜４が略１５ｎｍの厚さ分だけ均一にエッチングされるように行われる。基板１の一表面全体にわたったガスクラスターイオンビームの照射は、例えば、ガスクラスターイオンビームを基板１上に照射しながら基板１を移動させることで行われる。例えば、基板１をイオンビームの照射面に対して鉛直方向から支持し、基板１を照射面に平行な方向に移動させつつ、ガスクラスターイオンビームを基板１の照射面に対して鉛直方向から照射する。この間、基板１を左右交互に移動させながら上方向または下方向に移動させることでガスクラスターイオンビームを基板１の一表面全体に照射することができる。つまり、基板１を照射面と平行な一方向およびその反対方向に交互に移動させつつ、当該一方向に対して垂直な方向にずらしていけばよい。
　このようにして、図１の（ｄ）に示すように、ハードマスクのマスクパターン２ａの側面に略１５ｎｍの幅を有する第１スペーサ膜４のパターン４ａがテーパー状ではなく、方形に形成されることができる。
　次に、図１の（ｅ）に示すように、エッチングを通じてハードマスクのマスクパターン２ａを除去する。例えば、ハードマスクのマスクパターン２ａはエッチングする一方で第１スペーサ膜４のパターン４ａはエッチングしないエッチャントを利用してハードマスクのマスクパターン２ａのみを除去することができる。これにより、基板１上には幅１５ｎｍの第１スペーサ膜４のパターン４ａのみが残る状態となる。
　そして、図１の（ｆ）に示すように、第１スペーサ膜４のパターン４ａ上に第２スペーサ膜５をコンフォーマル（Conformal）に形成する。第２スペーサ膜５は、第１スペーサ膜４に対してエッチング選択比を有する第１スペーサ膜４と異なった材料から形成すればよい。第２スペーサ膜５は、例えばＡＬＤ窒化ケイ素（ＳｉＮ）膜であってよい。第１スペーサ膜４の形成と同様に、ＡＬＤを用いて第２スペーサ膜５を形成することで、ステップカバレッジに優れた膜を形成することができる。例えば、第２スペーサ膜５の厚さは略１５ｎｍであり、隣り合う第２スペーサ膜５間の距離は略１５ｎｍであり得る。
　そして、図１の（ｇ）に示すように、基板１の一表面全体にわたって第２スペーサ膜５に対するエッチングを実施する。第２スペーサ膜５のエッチングは、第１スペーサ膜４と同様に、ガスクラスターイオンビームの照射によって行うことができる。しかし、エッチング後の第２スペーサ膜５上にはスペーサ膜をさらに形成する必要がないので、工程のスループットを考慮すると、エッチングの時間が短いＲＩＥを用いて第２スペーサ膜５をエッチングすることが効率的であり得る。
　そして、図１の（ｈ）に示すように、第１スペーサ膜４のパターン４ａを選択的にエッチングすることで、第１スペーサ膜４のパターン４ａを除去して第２スペーサ膜５のパターン５ａのみが基板１上に形成されるようにする。第１スペーサ膜４のパターン４ａのエッチングは、例えば基板全面に対してＨＦ（フッ化水素）溶液の処理を実施して行われることができる。
　次に、図１の（ｉ）に示すように、基板１上の第２スペーサ膜５のパターン５ａをマスクとして基板１をエッチングする。このようにして、例えば、略１５ｎｍのパターン間隔を有するパターンを形成することができる。
（ガスクラスターイオンビームを用いたエッチングの特徴）
　図２は、第１実施形態に係るガスクラスターイオンビームを用いてエッチングしたスペーサ膜のプロファイルを説明するための基板の断面図である。図２を参照して、ガスクラスターイオンビームを用いたエッチングについて説明する。
　図９を参照して説明したように、従来のＲＩＥを用いたエッチングの場合、イオンビームの基板に対する入射角度や方向が異なり、スペーサ膜の角部分のエッチング量が多くなる。
　これに対して、ガスクラスターイオンビームは上述の通り、直進性に優れている。このため、ガスクラスターイオンビームは基板の照射表面に対してほぼ直交する方向から基板に照射される。また、基板を移動させて基板の照射面全体をスキャンすることで、ガスクラスターイオンビームを基板の一表面全体に照射することができ、これにより、基板の一表面全体にわたって第１スペーサ膜４が一定の量だけエッチングされるようにできる。その結果、エッチング後の第１スペーサ膜４のパターン４ａのプロファイルは略方形となり、第１スペーサ膜４のパターン４ａ上に第２スペーサ膜５を直接形成することが可能となる。
（第１実施形態の効果）
　第１実施形態によれば、ガスクラスターイオンビームによるエッチングによって形成された第１スペーサ膜４のパターン４ａが方形となり、第１スペーサ膜４のパターン４ａ上に直接第２スペーサ膜５がコンフォーマルに形成されることができるので、従来技術とは異なり、追加のハードマスクを基板上に形成する必要がなくなる。従って、追加のハードマスクの形成及びエッチングに関する工程を省略することができるので、工程の効率が向上し、それによって工程の費用を大きく節減することができる。
　このように、第１実施形態によれば、４重パターニングを行うにあたり、最初の２重パターニング時にハードマスク上に形成されたスペーサ膜を、ガスクラスターイオンビームを用いてエッチングする。このため、次の２重パターニング時にスペーサ膜のパターンをそのまま用いることができる。したがって、多重パターニングにおける工程の数を減らし、工程の効率を高めるとともに費用を節減することができる。
（第２実施形態に係る４重パターニングの一例）
　図３の（ａ）～（ｈ）は、本発明の第２実施形態に係る４重パターニングの各工程を示す基板の断面図である。図３の（ｂ）乃至（ｈ）に示す工程は、図１の（ｃ）乃至（ｉ）に示す工程と同様であり、特記しない限り図１に示す工程と同様に実行できる。したがって、以下の説明では、第２実施形態の各工程についての詳しい説明は省略し、第１実施形態と相違する点を特に説明する。
　第２実施形態では、図１の（ａ）に示す工程がない。すなわち、第２実施形態では、シリコン基板１上にハードマスク層２を形成せず、直接フォトレジストのパターン３’を形成する（図３の（ａ））。そして、フォトレジストのパターン３’上に第１スペーサ膜４を形成する（図３の（ｂ））。そして、ガスクラスターイオンビームを用いて第１スペーサ膜４を異方性エッチングして第１スペーサ膜のパターン４ａを形成する（図３の（ｃ））。図３の（ｄ）乃至（ｈ）に示すその後の工程は、図１の（ｅ）乃至（ｉ）に示す工程と同様である。また、図３の（ａ）乃至（ｃ）に示す工程は、図１の（ｂ）乃至（ｄ）に示す工程と同様に実施すればよい。スペーサ膜の厚みや幅なども同様に設定すればよい。
　このように、第２実施形態では、図１のハードマスク層２を形成せずに、フォトレジストのパターン３’をシリコン基板１上に直接形成する。この場合、フォトレジストのパターン３’は、後続するエッチング工程によってダメージを受ける恐れがあるので、エッチングダメージを防止するために、フォトレジストのパターン３’に強化処理を施した上で使用すればよい。
（第２実施形態の効果）
　上記のように、第２実施形態では強化されたフォトレジストのパターン３’を用いてフォトレジストのパターン３’上に第１スペーサ膜４を形成するため、ハードマスク層の形成及びエッチングに関する工程（図１の（ａ），（ｂ））を省略することができる。このため、第２実施形態においては、前述した第１実施形態に比べて工程の数をさらに減らすことができる。
（実施形態に係るガスクラスターイオンビーム照射装置の一例）
　図４は、一実施形態に係るガスクラスターイオンビーム照射装置の構成を示す概略側面図であり、図５は、一実施形態に係るガスクラスターイオンビーム照射装置が備える基板駆動部の概略正面図である。
　図４に示すように、ガスクラスターイオンビーム照射装置１０は、ガスクラスターイオンビーム生成部２０と、基板駆動部３０と、制御部４０と、を備える。ガスクラスターイオンビーム生成部２０は、ガスクラスターイオンビームを生成する。基板駆動部３０は、基板１を支持して基板１上にガスクラスターイオンビームが照射されるように基板１を駆動する。制御部４０は、基板駆動部３０を制御する。
　ガスクラスターイオンビーム生成部２０は、一つ以上のガス供給源、例えば、第１ガス供給源２１及び第２ガス供給源２２を備える。第１ガス供給源２１及び第２ガス供給源２２は、イオン化されたクラスターを生産するために単独または互いに組合されて用いられる。
　第１ガス供給源２１から供給される第１ガス組成物、第２ガス供給源２２から供給される第２ガス組成物のいずれか一方または両方を含む高圧の凝縮可能なガスは停滞チャンバ２３内に導入され、ノズル２４を通じて停滞チャンバ２３内よりも実質的に圧力が低い真空内に抜け出る。高圧の凝縮可能なガスが停滞チャンバ２３からソースチャンバ２５の低圧領域に抜け出て膨脹することによって、ガスの速度は超音波速度に加速され、ガスクラスタービームがノズル２４から出るようになる。
　ガスクラスタービームがソースチャンバ２５で形成された後、ガスクラスタービームを構成するガスクラスターがイオン化装置２６でイオン化され、ガスクラスターイオンビーム（ＧＣＩＢ）を形成する。高電圧電極２７は、イオン化装置２６からクラスターイオンを引き出し、引き出されたクラスターイオンを所望のエネルギーまで加速する。このようにして形成されたガスクラスターイオンビームのクラスターイオンの運動エネルギーは略１０００電子ボルト（１ｋｅＶ）ないし数十ｋｅＶの範囲である。
　ガスクラスターイオンビームが照射される基板１は、基板駆動部３０によって支持され、ガスクラスターイオンビームが照射する側の基板１表面（以下、照射面）全体にわたってビームが照射される。
　基板駆動部３０は、保持部３１と、支持ロッド３２と、回転軸３３と、昇降機構３４と、を含む。保持部３１は、基板１を鉛直方向（図４中、照射面に対して略水平方向）から保持する。支持ロッド３２は、保持部３１と連結され、鉛直方向に延長されている。回転軸３３は、支持ロッド３２の下端に配置される。昇降機構３４は、回転軸３３を支持し、回転軸３３を上下方向に移動させることができる縦方向移動機構である。
　支持ロッド３２は、回転軸３３から回転軸３３を中心とする円の径方向に延長され、回転軸３３を中心にして所定の角度範囲内で往復移動するように構成されることができる。従って、支持ロッド３２の動きによって基板１は、振子のように円弧を描きながら往復移動され、回転軸３３は、基板駆動部３０の横方向移動機構として動作することができる。
　なお、ここで縦方向とは、図４の紙面上下方向、横方向とは、図４の紙面手前から奥に向かう方向を指すものとする。
　制御部４０は、基板駆動部３０と連結され、基板駆動部３０を制御する。制御部４０は、マスクパターンが形成された基板１上に形成された第１スペーサ膜４がガスクラスターイオンビームによって基板の照射面全体にわたってエッチングされるように、基板１上にガスクラスターイオンビームが照射される間、基板駆動部３０に支持された基板１を移動させるように制御する。例えば、制御部４０は、回転軸３３を制御して基板１を左右交互に移動させながら、昇降機構３４を制御して基板１を上方向または下方向に移動させることで、基板１の照射面全体にわたってガスクラスターイオンビームが照射されるように制御することができる。
　また、ガスクラスターイオンビーム照射装置１０は、エッチングされる第１スペーサ膜４の厚さを、当該第１スペーサ膜４の基板１上の位置に対応付けて測定することができる厚さ測定部５０を備えてもよい。制御部４０は、厚さ測定部５０で測定された第１スペーサ膜４の厚さと基板１上の位置に基づいて基板１の移動速度を制御することができる。このようにして、マスクパターン上に第１スペーサ膜４を形成する時にステップカバレッジが良くない場合でも、第１スペーサ膜４のパターン４ａを、望ましい形状、例えば方形に容易に形成することができる。
　図５は、一実施形態に係るガスクラスターイオンビーム照射装置１０が備える基板駆動部３０の概略正面図である。図５を参照して、基板駆動部３０の駆動方式の例を具体的に説明する。図５に示すように、回転軸３３回りを支持ロッド３２が円弧方向に往復運動すると、保持部３１に支持された基板１が左右方向（図４の横方向）に移動して基板１に対してガスクラスターイオンビームの照射が行われる。また、昇降機構３４によって基板１を上方向または下方向に移動させると、基板の上下方向に対してガスクラスターイオンビームの照射を行うことができる。従って、回転軸３３によって基板１を左右方向に繰り返し移動させながら、昇降機構３４によって基板１を上方向または下方向に移動させることで、基板１の全面にわたってガスクラスターイオンビームの照射を行うことができる。
　なお、図５に示す例に限られず、基板１を支持する保持部３１に回転モータを含ませ、基板１を回転させながら昇降機構３４によって基板１を上方向または下方向に移動させることで、基板１の全面にわたってガスクラスターイオンビームの照射を行うこともできる。
　図６Ａおよび図６Ｂは、一実施形態に係るガスクラスターイオンビームの基板面への照射方法の一例を説明するための図である。図６Ａおよび図６Ｂを参照して、基板駆動部３０によって基板１の全面をスキャンする方法を具体的に説明する。
　図６Ａは、保持部３１によって照射面が略鉛直方向と一致するように支持された基板１の上側からクラスターイオンビームの照射を行う場合を示す。基板１を左右交互に移動させながら上方向に移動させることで、基板１の照射面全体に対して均一にガスクラスターイオンビームを照射することができる。図６Ｂは、保持部３１によって照射面が略鉛直方向と一致するように支持された基板１の下側からガスクラスターイオンビームの照射を行う場合を示す。基板１を左右交互に移動させながら下方向に移動させることで、基板１の照射面全体に対して均一にガスクラスターイオンビームを照射することができる。
（一実施形態に係るパターン形成装置の一例）
　図７は、本発明の一実施形態に係るパターン形成装置の平面図である。本実施形態に係るパターン形成装置１０００は、ローディング／アンローディング部１１００と、ロードロックチャンバ１２００と、複数の処理室１３００と、基板搬送機構１４００と、を備える。
　ローディング／アンローディング部１１００は、基板をローディングまたはアンローディングする。ロードロックチャンバ１２００は、ローディング／アンローディング部１１００と基板の処理室との間のバッファ室としての役割をする。複数の処理室１３００は、基板への処理を行う空間として設けられる。なお、ここでは複数の処理室をまとめて参照符号１３００で示す。基板搬送機構１４００は、処理室１３００での処理が完了した基板１を処理室１３００から搬出するか、処理室１３００内に未処理の基板１を搬送する。
　複数の処理室１３００各々には、基板１へのパターン形成に必要な装置がそれぞれモジュールとして設置されている。たとえば、図７の右側に配置される処理室１３００各々には、マスクパターン形成モジュール１３１０と、第１スペーサ膜形成モジュール１３２０と、ガスクラスターイオンビーム照射装置１０と、第１スペーサパターン形成モジュール１３３０と、が配置される。また、図７の左側に配置される処理室１３００各々には、第２スペーサ膜形成モジュール１３４０と、第２スペーサ膜エッチングモジュール１３５０と、第２スペーサパターン形成モジュール１３６０、基板エッチングモジュール１３７０と、が配置される。
　マスクパターン形成モジュール１３１０は、基板上にマスクパターンを形成するためのモジュールである。第１スペーサ膜形成モジュール１３２０は、マスクパターン上に第１スペーサ膜を形成するためのモジュールである。ガスクラスターイオンビーム照射装置１０は、ガスクラスターイオンビームを基板に照射して第１スペーサ膜を異方性エッチングする。また、第１スペーサパターン形成モジュール１３３０は、マスクパターンを除去して基板上に第１スペーサパターンを形成するためのモジュールである。第２スペーサ膜形成モジュール１３４０は、第１スペーサパターン上に第２スペーサ膜を形成するためのモジュールである。第２スペーサ膜エッチングモジュール１３５０は、第２スペーサ膜を異方性エッチングするためのモジュールである。第２スペーサパターン形成モジュール１３６０は、第１スペーサパターンを除去して基板上に第２スペーサパターンを形成するためのモジュールである。基板エッチングモジュール１３７０は、第２スペーサパターンをマスクとして基板をエッチングするためのモジュールである。
　このように構成することで、４重パターニングによるパターンの形成時のそれぞれの工程を一つの装置内で行うことができる。一方、本実施形態では、それぞれの工程を行う装置をモジュールの形態として構成し、一つの装置内でパターン形成工程を行うようにしているが、それぞれのモジュールを別途の装置に構成し、別途の装置でそれぞれの工程を行うようにすることもできる。
（実施形態の効果）
　本発明によれば、ガスクラスターイオンビームを照射して第１スペーサ膜のエッチングを行うことで、２重パターニングを２回連続実施する４重パターニングによる微細パターン形成工程において、追加のハードマスク層の形成及びエッチングに関する工程を省略することができる。これにより、全体工程の数を減らすことができるので、半導体デバイスの製造において工程効率を向上させ、工程の費用を大きく節減することができる。
　前述した本発明の説明は例示のためのものであり、本発明が属する技術分野の通常の知識を持った者は、本発明の技術的思想や必須の特徴を変更することなく他の具体的な形態に容易に変形が可能であるということが理解できるであろう。従って、以上で記述した実施形態は全ての面で例示的なものであり、限定的ではないと理解しなければならない。本発明の範囲は、前記詳細な説明よりは後述する特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲の意味及び範囲、そしてその均等概念から導出される全ての変更または変形された形態が本発明の範囲に含まれると解釈されなければならない。
　１　基板
　２　ハードマスク層
　２ａ　ハードマスクのマスクパターン
　３，３’　フォトレジストのパターン
　４　第１スペーサ膜
　４ａ　第１スペーサ膜のパターン
　５　第２スペーサ膜
　５ａ　第２スペーサ膜のパターン
　１０　ガスクラスターイオンビーム照射装置
　２０　ガスクラスターイオンビーム生成部
　２１　第１ガス供給源
　２２　第２ガス供給源
　２３　停滞チャンバ
　２４　ノズル
　２５　ソースチャンバ
　２６　イオン化装置
　２７　高電圧電極
　３０　基板駆動部
　３１　保持部
　３２　支持ロッド
　３３　回転軸
　３４　昇降機構
　４０　制御部
　５０　厚さ測定部
　１０００　パターン形成装置
　１１００　ローディング／アンローディング部
　１２００　ロードロックチャンバ
　１３００　処理室
　１４００　基板搬送機構

Claims (17)

  1. 　基板上にパターンを形成するパターン形成方法であって、
    　前記基板上にマスクパターンを形成するマスクパターン形成ステップと、
    　前記マスクパターン上に第１スペーサ膜を形成する第１スペーサ膜形成ステップと、
    　ガスクラスターイオンビーム（ＧＣＩＢ）を前記基板に照射して前記第１スペーサ膜をエッチングする第１スペーサ膜エッチングステップと、
    　前記マスクパターンを除去して前記基板上に第１スペーサパターンを形成する第１スペーサパターン形成ステップと、
    　前記第１スペーサパターン上に第２スペーサ膜を形成する第２スペーサ膜形成ステップと、
    　前記第２スペーサ膜をエッチングする第２スペーサ膜エッチングステップと、
    　前記第１スペーサパターンを除去して前記基板上に第２スペーサパターンを形成する第２スペーサパターン形成ステップと、
    　前記第２スペーサパターンをマスクとして前記基板をエッチングする基板エッチングステップと、
    　を含む、パターン形成方法。
  2. 　前記マスクパターン形成ステップは、
    　前記基板上に単一のハードマスク層を形成し、前記ハードマスク上にフォトレジストパターンを形成するステップと、
    　前記フォトレジストパターンをマスクとして前記ハードマスク層をエッチングすることで、前記マスクパターンを形成するステップと
    を含むことを特徴とする請求項１に記載のパターン形成方法。
  3. 　前記第１スペーサ膜エッチングステップは、
    　前記ガスクラスターイオンビームを前記基板上に照射しながら前記基板を移動させるステップを含む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。
  4. 　前記基板は、前記ガスクラスターイオンビームの照射面が鉛直方向に延在するよう支持され、
    　前記ガスクラスターイオンビームは、前記基板の照射面に対して略垂直となる水平方向から照射され、
    　前記基板を略水平方向２方向に交互に移動させながら略鉛直方向または略鉛直方向と反対方向に移動させることで、前記基板の前記照射面全体にわたって前記ガスクラスターイオンビームが照射されるようにすることを特徴とする請求項３に記載のパターン形成方法。
  5. 　前記第１スペーサ膜エッチングステップは、
    　前記基板上の位置に対応付けて前記第１スペーサ膜の厚さを測定するステップと、
    　前記基板上の位置および前記測定された厚さに基づいて前記基板の移動速度を制御するステップと、
    　をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載のパターン形成方法。
  6. 　前記第１スペーサ膜と前記第２スペーサ膜とは互いに異なった材料からな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。
  7. 　前記第１スペーサ膜形成ステップは、原子層蒸着（Atomic　Layer　Deposition）を用いて行われ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。
  8. 　前記第２スペーサ膜エッチングステップは、反応性イオンエッチング（Reactive　Ion　Etching）を用いて行われ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。
  9. 　前記第２スペーサパターン形成ステップは、前記基板上にＨＦ（フッ化水素）溶液処理を実施して行われ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。
  10. 　ガスクラスターイオンビーム照射装置であって、
    　ガスクラスターイオンビームを生成するガスクラスターイオンビーム生成部と、
    　マスクパターン及び第１スペーサ膜が順次照射面に形成された基板を支持して前記基板上に前記ガスクラスターイオンビームが照射されるように駆動する基板駆動部と、
    　前記基板駆動部を制御する制御部と、
    を含み、
    　前記制御部は、前記基板の照射面上に前記ガスクラスターイオンビームが照射されて、前記第１スペーサ膜がエッチングされるように制御を実行することを特徴とするガスクラスターイオンビーム照射装置。
  11. 　前記制御部は、前記基板の照射面上に前記ガスクラスターイオンビームが照射される間、前記基板を移動させるように前記基板駆動部を制御することを特徴とする請求項１０に記載のガスクラスターイオンビーム照射装置。
  12. 　前記制御部は、前記基板を略水平方向２方向に交互に移動させながら略鉛直方向または略鉛直方向と反対方向に移動させるよう前記基板駆動部を制御することで、前記基板の照射面全体にわたって前記ガスクラスターイオンビームが照射されるように制御することを特徴とする請求項１１に記載のガスクラスターイオンビーム照射装置。
  13. 　前記基板駆動部は、
    前記基板を略鉛直方向に保持する保持部と、
    前記保持部と連結され、略鉛直方向に延長された支持ロッドと、
    前記保持部によって保持された前記基板を略水平方向に移動可能にする横方向移動機構と、
    前記保持部によって支持された前記基板を略鉛直方向および略鉛直方向の反対方向に移動可能にする縦方向移動機構と、
    　を含むことを特徴とする請求項１１又は１２に記載のガスクラスターイオンビーム照射装置。
  14. 　前記横方向移動機構は、前記支持ロッドに連結され、前記支持ロッドを円弧方向に往復運動可能とする回転軸を含むことを特徴とする請求項１３に記載のガスクラスターイオンビーム照射装置。
  15. 　前記縦方向移動機構は、前記回転軸を支持し、前記回転軸を略鉛直方向および略鉛直方向の反対方向に移動させるよう構成される昇降機構を含むことを特徴とする請求項１４に記載のガスクラスターイオンビーム照射装置。
  16. 　前記基板上の位置に対応付けて前記第１スペーサ膜の厚さを測定する厚さ測定部をさらに含み、
    　前記制御部は、前記基板上の位置および前記厚さ測定部が測定した第１スペーサ膜の厚さに基づいて前記基板の移動速度を制御することを特徴とする請求項１１又は１２に記載のガスクラスターイオンビーム照射装置。
  17. 　基板上にパターンを形成するパターン形成装置であって、
    　前記基板上にマスクパターンを形成するためのマスクパターン形成モジュールと、
    　前記マスクパターン上に第１スペーサ膜を形成するための第１スペーサ膜形成モジュールと、
    　ガスクラスターイオンビームを前記基板に照射して前記第１スペーサ膜をエッチングするためのガスクラスターイオンビーム照射装置と、
    　前記マスクパターンを除去して前記基板上に第１スペーサパターンを形成するための第１スペーサ膜パターン形成モジュールと、
    　前記第１スペーサパターン上に第２スペーサ膜を形成するための第２スペーサ膜形成モジュールと、
    　前記第２スペーサ膜をエッチングするための第２スペーサ膜エッチングモジュールと、
    　前記第１スペーサパターンを除去して前記基板上に第２スペーサパターンを形成するための第２スペーサパターン形成モジュールと、
    　前記第２スペーサパターンをマスクとして前記基板をエッチングする基板エッチングモジュールと
    　を含む、パターン形成装置。
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