JP6019966B2 - パターン形成方法 - Google Patents

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、芯材となる凹凸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。

また、例えば、半導体装置形成用のナノインプリントモールドにおいては、最小寸法を有するメインパターンと、メインパターン以上の寸法を有する、ダミーパターン又はアライメントパターンとが１つのレイアウトに共存することがある。このようなレイアウトに対して側壁法を実施した場合、メインパターンの芯材の除去と同時に、ダミーパターン又はアライメントパターンの芯材が除去されると、ダミーパターン又はアライメントパターンが所期の設計どおりに形成できないという問題がある。そこで、メインパターン以外の芯材上にレジストパターンを形成しておき、メインパターン以外の芯材を残存させるようにする試みがなされている（例えば、特許文献１）。

特開２０１０−２３９００９号公報

ところで、側壁法では、芯材として無機材料のみならずレジストなどの有機材料を用いることがある。特許文献１は、芯材として無機材料を用いる場合において複数種類のパターンが共存するナノインプリントモールドを作製する方法を提案するものであるが、有機材料を芯材とする場合については何ら検討がなされていない。

そこで、本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、芯材として有機材料を用いる側壁法を行う際に、複数種類のパターンを精度良く作製する技術を提供することを目的とする。

本発明者らは鋭意研究の末、次のような知見を得た。すなわち、成膜がなされたレジストを含む芯材パターンに対して、電子線などの化学線が照射されると、化学線の影響で芯材パターンの形状及び／又は寸法が変動することを発見した。このパターンの変動は、電子線照射により高分子の架橋の進行、高分子の分解、高分子の側鎖の切断などの種々の要因によって起こるものと考えられる。そして、このパターンの変動は、メインパターンのような微細なパターンでは、無視できない変動となる。本発明は、このような知見に基いて完成されたものであり、以下の発明を包含する。

本発明の一実施形態に係るパターン形成方法は、第１領域と第２領域とを備える基材を準備する工程と、前記第１領域に有機材料を含む芯材パターンを形成する工程と、前記第１領域と前記第２領域に前記芯材パターンを覆う第１マスクを形成する工程と、前記芯材パターン及び前記第１マスク上にネガ型レジストを塗布してレジスト層を形成し、前記第２領域の所定領域の前記レジスト層に化学線を照射して第２マスクを形成する工程と、前記第２マスクを介して前記第１領域と前記第２領域の前記第１マスクをエッチングし、前記芯材パターンの側壁上と、前記第２マスク下に前記第１マスクが残存するように前記第１マスクの一部を除去する工程と、前記芯材パターンを除去し、前記第１領域に側壁パターンを形成する工程と、前記側壁パターン及び前記第２マスク下に存在していた前記第１マスクを介して前記基材をエッチングすることにより、前記第１領域に第１の凹凸パターンと、前記第２領域に第２の凹凸パターンとを形成する工程と、を有することを特徴とする。

他の態様として、前記芯材パターンの形成とともに、前記第２領域の所定領域に保護パターンを形成してもよい。

他の態様として、前記第２の凹凸パターンの寸法は、前記第１の凹凸パターンの寸法より大きい態様であってもよい。

本発明によれば、芯材として有機材料を用いる側壁法を行う際に、複数種類のパターンを精度良く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。 本発明の一実施形態に係るパターン形成方法の変形例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の変形例を説明する工程断面図である。 化学線がレジストに与える影響を説明する模式図である。

以下、図面を参照して本発明を説明する。但し、本発明は多くの異なる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。

まず、本発明の説明を行うに先立ち、本発明の理解を容易にするために、図５を参照して化学線がレジストに与える影響について説明をする。図５は、化学線がレジストに与える影響を説明する模式図である。図５（Ａ）に示すように、ハードマスク層２１０を備えた基材２０１上に、レジストなどの有機材料を含む芯材パターン２２０ａが形成されている。芯材パターンは、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、側壁材料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２２０ａの側壁は、巨視的には垂直に見えるが、微視的には傾き、幾分裾が広がった形状となることがある。側壁の傾き具合は、頂部から底部にいくに従い幅が広くなるような裾広がり形状（いわゆる順テーパー状）の芯材パターン２２０ａであると、電子線照射などにより生じる側壁の傾きは大きくなる傾向があり、この場合には側壁材料の形状に及ぼす影響が特に憂慮される。

図５（Ｂ）に示すように、芯材パターン２２０ａを覆うように、側壁材料２３０を成膜する。側壁材料２３０の変形について例示的に説明すると、図５（Ｃ）に示すように、側壁材料２３０で覆われた芯材パターン２２０ａに電子線などの化学線が照射されると、芯材パターン２２０ａを構成する有機材料が収縮する。この収縮によって側壁材料２３０の形状が図５（Ｂ）に示すものよりも芯材パターン２２０ａの内側に変形すると考えられる。これにより、芯材パターン２２０ａが不規則に収縮することでパターン全体にさらに傾きが生じたり、パターンの寸法が変動したり、また、側壁材料の傾きがさらに大きくなる虞がある。

その後、図５（Ｄ）に示すように、芯材パターンを除去すると、基材２０１上に変形した側壁材料による側壁パターン２３０ａが形成される。このような側壁パターン２３０ａを用いて基材２０１を加工すると、精度の良いパターンが得られない。芯材パターンがレジストなどの有機材料から構成される場合に、精度の良いパターンを形成するには芯材パターンに化学線が照射されないことが必要であることがわかる。

次に、図１〜３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）基材準備工程（図１（Ａ）参照）
第１領域Ｘと第２領域Ｙとを備える基材１０１を準備する。第１領域Ｘは、後述するように第１の凹凸パターンが形成される領域である。第２領域Ｙは、後述するように第２の凹凸パターンが形成される領域である。第２の凹凸パターンは、典型的には、第１の凹凸パターンよりも寸法が大きいパターンである。例えば、第１の凹凸パターンにはメインパターンが含まれ、第２の凹凸パターンにはダミーパターンやアライメントパターンが含まれる。図では、第１領域Ｘと第２領域Ｙとを隣接して示しているが、これに限らず、第１領域Ｘと第２領域Ｙとが所定の間隙を隔てて離れて配置されていてもよい。また、第１領域Ｘと第２領域Ｙは、一つの連続した平面内に存在している場合に限らず、複数の平面が存在し各平面に第１領域Ｘ、第２領域Ｙのみが存在していてもよい。

なお、本明細書における「寸法」とは、パターンの平面視図形の最小寸法の値をさす。例えば、パターンが線状パターンである場合には、「寸法」は線幅となる。パターンが、真円であれば「寸法」は直径であり、楕円であれば「寸法」は短軸の長さとなる。パターンが、矩形であれば「寸法」は短辺の長さとなる。また、パターンが、外接円が規定される多角形状の図形であれば、外接円の直径となる。

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、予め微細な構造体が形成されていてもよい。

（２）芯材パターン形成工程（図１（Ｂ）参照）
基材１０１上に、必要に応じて、ハードマスク層１１０を形成する。ハードマスク層１１０の材料としては、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、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１１０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１１０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１１０は単層に限らず、複数のハードマスク層の積層体、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。

ハードマスク層１１０上に有機材料を含むレジストを塗布し、このレジストをパターニングすることで、基材１０１上に芯材パターン１２０ａを形成する。芯材パターン１２０ａを形成するレジストの厚みは、特に制限はないが、１０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲で設定することができる。なお、レジストは、典型的には、実質的に有機材料からなるが、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で無機材料が含まれていてもよいものとする。

レジストのパターニングは、化学線リソグラフィにより行ってもよい。例えば、レジストをスピンコート法で塗布し、これに選択的に化学線を照射して露光及び現像を施すことによりレジストをパターニングできる。また、ナノインプリントリソグラフィによりレジストをパターニングしてもよい。例えば、レジストをインクジェット法で塗布し、このレジストをマスターモールドで成形した後、レジストを硬化させてレジストをパターニングできる。

芯材パターン１２０ａを形成するレジストは、ポジ型であってもよいし、ネガ型であってもよい。図では説明の便宜上、レジストにより芯材パターン１２０ａのみが形成された例を示しているが、使用するレジストのタイプに応じて、その他の領域にレジストが残存していてもよい。好ましくはネガ型レジストを用いて芯材パターン１２０ａを形成するとよい。この場合、第１領域Ｘの芯材パターン１２０ａを形成する領域に選択的にネガ型レジストからなるパターンを容易に形成できる。換言すれば、第２領域Ｙの所定領域にはネガ型レジストからなるパターンを形成しない。第２領域Ｙの所定領域に芯材パターン１２０ａと同層のパターンが存在すると、化学線によるレジストの収縮度合いなどにもよるが、その上に形成される第１マスク、第２マスクの形成する際に照射する化学線により、芯材パターン１２０ａと同層のパターンが変形し、その上の層に影響を及ぼす虞がある場合があるからである。なお、図では芯材パターン１２０ａの側壁を垂直であるように図示しているが、芯材パターン１２０ａの裾が広がった形状であることもある。

（３）第１マスク形成工程（図１（Ｃ）参照）
第１領域Ｘと第２領域Ｙに芯材パターン１２０ａを覆うように第１マスク１３０を形成する。第１マスク１３０は、加工されて後述する側壁パターンとなる層である。第１マスク１３０の材料としては、例えば、クロム、チタン、タンタルなどの金属又はその酸化物、窒化物、酸窒化物等の金属化合物や、多結晶シリコン又はシリコン酸化物、シリコン窒化物などのシリコン系化合物などの半導体などを挙げることができる。ハードマスク層に対してエッチング選択性が取れる材料で構成することが好ましい。第１マスク１３０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。芯材パターン１２０ａの側壁に形成された第１マスク１３０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、第１マスク１３０を形成するのに先立ち、芯材パターン１２０ａ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１２０ａが有機材料を含むため、酸素プラズマを用いた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１２０ａを細らせる量は、第１の凹凸パターンの間隔などに応じて適宜設定できる。

（４）ネガ型レジスト塗布形成工程（図１（Ｄ）参照）
第１領域Ｘと第２領域Ｙにネガ型のレジストをスピンコート法などにより塗布し、第１マスク１３０上にレジスト層１４０を形成する。レジスト層１４０は、図示のように芯材パターン１２０ａを覆うように形成してもよいし、必ずしも覆わずに芯材パターン１２０ａの高さに満たない厚みで形成されてもよい。

（５）第２マスク形成工程（図１（Ｅ）参照）
レジスト層１４０の第２領域Ｙの所定領域に電子線などの化学線を照射して露光を行い、その後、現像を行って第２領域Ｙの所定領域に第２マスク１４０ａを形成する。第２マスク１４０aを形成する際、第１領域Ｘに化学線を実質的に照射しない。第２マスク１４０ａは、例えば、ダミーパターンやアライメントパターンを形成するためのマスクである。なお、本明細書における化学線とは、Ｘ線、電子線、紫外線、可視光線を含むものとする。

（６）エッチバック工程（図２（Ａ）参照）
基材１０１の一方の側１ａにドライエッチングによるエッチバックを施し、芯材パターン１２０ａの天面上の第１マスク１３０と、芯材パターン１２０ａと第２マスク１４０ａが形成されていない部分の第１マスク１３０とを除去する。すなわち、芯材パターン１２０ａの側壁上及び第２マスク１４０ａ下（第２マスク１４０ａと基材１０１の間）に第１マスク１３０が残るように第１マスク１３０の一部を除去する。エッチバック工程において、第２マスク１４０ａが消失しないことが好ましく、第１マスクに対するエッチング選択比に応じて第２マスク１４０ａの厚みの下限を設定しておくとよい。

（７）側壁パターン形成工程（図２（Ｂ）参照）
芯材パターン１２０ａ及び第２マスク１４０ａを、酸素プラズマを用いたアッシングなどにより除去し、側壁パターン１３０ａ、第２領域Ｙに選択的に形成された第１マスク１３０ｂを形成する。

（８）ハードマスク層エッチング工程（図２（Ｃ）参照）
側壁パターン１３０ａ、第２領域Ｙに選択的に形成された第１マスク１３０ｂをエッチングマスクとしてハードマスク層１１０をエッチングし、ハードマスク１１０ａ、１１０ｂを形成する。側壁パターン１３０ａ、第１マスク１３０ｂは基材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１１０ａ、１１０ｂ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。

（９）基材エッチング工程（図２（Ｄ）参照）
ハードマスク１１０ａ、１１０ｂを介してドライエッチングを行い、基材１０１を加工する。ドライエッチングガスは、基材１０１の材料に応じて選択でき、例えば、フッ素系のガスを用いることができる。

（１０）側壁パターン等除去工程（図２（Ｅ）参照）
側壁パターン１３０ａ、第２領域Ｙに選択的に形成された第１マスク１３０ｂ、ハードマスク１１０ａ、１１０ｂを基材１０１から除去することにより、基材１０１の一方の側１ａに第１の凹凸パターン１０１ａ、第２の凹凸パターン１０１ｂが形成される。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。

以上説明したように、第１マスクをエッチバックする際に、第２領域の所定領域に保護層として第２マスクが形成されるため、第２の凹凸パターンを精度良く形成することができる。また、第２マスクとしてネガ型のレジストを用いるので、第２マスク形成時に有機材料を含む芯材パターンに化学線を照射せずに第２マスクを形成することができ、芯材パターンの寸法及び形状の変動を招く虞を排し、側壁パターンを精度良く形成することができる。その結果、当該側壁パターンを用いて基材をエッチングして作製される第１の凹凸パターンの精度を向上させることができる。したがって、寸法が異なる複数種類のパターンを精度良く作製できる。

本発明の一実施形態に係るパターン形成方法は上記の態様に限らず、種々の変形が可能である。図３および図４は、本発明の一実施形態に係るパターン形成方法の変形例を説明する工程断面図である。図３、図４は、それぞれ第１変形例、第２変形例に相当し、これらの変形例は共通工程を多く含むため、第１変形例の説明と重複する第２変形例に関する説明は省略することとする。図３に示す第１変形例は、上記の（２）芯材パターン形成工程〜（５）第２マスク形成工程を変形した変形例である。他の工程は同様であり、説明は省略する。

図３（Ａ）に示すように、第１領域Ｘに芯材パターン１２０ａを形成するとともに、第２領域Ｙに保護パターン１２０ｂを形成する。図３（Ｂ）に示すように、第１領域Ｘと第２領域Ｙに芯材パターン１２０ａと保護パターン１２０ｂを覆うように第１マスク１３０を形成する。図３（Ｃ）に示すように 第１領域Ｘと第２領域Ｙにネガ型のレジストをスピンコート法などにより塗布し、レジスト層１４０を形成する。そして図３（Ｄ）に示すように、 第２領域Ｙの所定領域のレジスト層１４０に電子線などの化学線により露光し、その後、現像を行って第２領域Ｙの所定領域に第２マスク１４０ａを形成する。その後は、上記の（６）エッチバック工程以降の工程を実施する。保護パターン１２０ｂは、芯材パターン１２０ａと同様の有機材料により構成してもよいし、別の材料により構成されてもよい。なかでも、保護パターン１２０ｂを芯材パターン１２０ａと同様の有機材料とし、同一の工程で形成すると工程増を招かないので好ましい。

エッチバック工程で第２マスク１４０ａが消失しないようにするためには、レジスト層１４０を厚くするとよい。しかし、形成したい第２の凹凸パターンが寸法１００ｎｍ未満の微細パターンになると、レジスト層１４０が厚いと第２マスク１４０ａが現像時に倒壊する虞がある。そのため、第２の凹凸パターンの寸法によってはレジスト層１４０の厚みが制限される場合がある。そこで、保護パターン１２０ｂを設けることにより、エッチバック工程で第２マスク１４０ａが消失し第２マスク１４０ａ下の第１マスク１３０の一部又は全部がエッチングされたとしても、保護パターン１２０ｂがマスクとして機能するため、第２の凹凸パターンをエッチング形成する際に加工不良が生じることを防ぐことができる。

第２変形例では、図４（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、保護パターン１２０ｂを第２の凹凸パターンを形成すべき領域よりも大きい島状の領域として設定しておいた場合を示す。保護パターン１２０ｂは、第２の凹凸パターンを形成すべき領域を包摂する。保護パターン１２０ｂは、第２の凹凸パターンのうち最も外周に位置するパターンから、幅１μｍ以上、好ましくは幅５μｍ以上大きくなるように設定するとよい。保護パターン１２０ｂを第２の凹凸パターンを形成すべき領域よりも大きく設定することで、第２マスク１４０ａの形成にともなう化学線照射により保護パターン１２０ｂにパターン変動が生じた場合においても、その変動が第２の凹凸パターンの形成に及ぼす影響は非常に少なくなる。保護パターン１２０ｂは、芯材パターン１２０ａと同様の有機材料とし、同一の工程で形成することができる。芯材パターン１２０ａおよび保護パターン１２０ｂを形成するレジストは、ポジ型であってもよいし、ネガ型であってもよい。芯材パターン１２０ａを電子線リソグラフィでパターニングする場合、好ましくはポジ型のレジストを用いるとよい。これにより、電子線の描画面積を大幅に増やすことなく保護パターン１２０ｂを形成することができる。

１００…構造体、１０１…基材、１１０…ハードマスク層、１１０ａ，１１０ｂ…ハードマスク、１２０ａ…芯材パターン、１２０ｂ…保護パターン、１３０…第１マスク、１３０ａ…側壁パターン、１３０ｂ…第１マスク、１４０…レジスト層、１４０ａ…第２マスク、２０１…基材、２１０…ハードマスク層、２２０ａ…芯材パターン、２３０…側壁材料、２３０ａ…側壁パターン

Claims (3)

1. 第１領域と第２領域とを備える基材を準備する工程と、
   前記第１領域に有機材料を含む芯材パターンを形成する工程と、
   前記第１領域と前記第２領域に前記芯材パターンを覆う第１マスクを形成する工程と、
   前記芯材パターン及び前記第１マスク上にネガ型レジストを塗布してレジスト層を形成し、前記第２領域の所定領域の前記レジスト層に化学線を照射して第２マスクを形成する工程と、
   前記第２マスクを介して前記第１領域と前記第２領域の前記第１マスクをエッチングし、前記芯材パターンの側壁上と、前記第２マスク下に前記第１マスクが残存するように前記第１マスクの一部を除去する工程と、
   前記芯材パターンを除去し、前記第１領域に側壁パターンを形成する工程と、
   前記側壁パターン及び前記第２マスク下に存在していた前記第１マスクを介して前記基材をエッチングすることにより、前記第１領域に第１の凹凸パターンと、前記第２領域に第２の凹凸パターンとを形成する工程と、を有するパターン形成方法。
2. 前記芯材パターンの形成とともに、前記第２領域の所定領域に保護パターンを形成する、請求項１記載のパターン形成方法。
3. 前記第２の凹凸パターンの寸法は、前記第１の凹凸パターンの寸法より大きい、請求項１又は２に記載のパターン形成方法。

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