JP2012019019A

JP2012019019A - テンプレートの製造方法および半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2012019019A
Application number: JP2010154849A
Authority: JP
Inventors: Tsukasa Azuma; 司東; Tatsuhiko Toki; 達彦東木; Kyoichi Suguro; 恭一須黒
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-07-07
Filing date: 2010-07-07
Publication date: 2012-01-26
Anticipated expiration: 2030-07-07
Also published as: JP5491997B2; US8609014B2; US20120009799A1

Abstract

【課題】転写パターンの不良を低減するテンプレートの製造方法および半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】実施の形態のテンプレートの製造方法は、主面１１に凹凸を有するパターン１３０が形成され、パターン１３０をウエハ４上に形成されたレジスト材５に接触させてパターン１３０をレジスト材５に転写するインプリント処理に用いるテンプレート１であって、テンプレート１の少なくとも凹部１３２の底部１３２ａに荷電粒子を打ち込む工程を含む。
【選択図】図１

Description

本発明の実施の形態は、テンプレートの製造方法および半導体装置の製造方法に関する。

従来の技術として、高い気体透過度を有する材料から形成されたテンプレートが知られている。

インプリント処理を行う際、テンプレートは、高い気体透過度を有するので、気体の吸収による変形を抑制することができる。しかし、転写パターンの不良が発生する原因は、主に、テンプレートのパターン凹部とレジスト材との間に留まる気体によるレジスト材の充填不足であり、高い気体透過度を有する材料から形成するだけでは、レジスト材の充填不足を解決することは困難であった。

特開２００７−５３６１０７号公報

本発明の目的は、転写パターンの不良を低減するテンプレートの製造方法および半導体装置の製造方法を提供することにある。

実施の形態のテンプレートの製造方法は、主面に凹凸を有するパターンが形成され、前記パターンを被処理基板上に形成されたレジスト材に接触させて前記パターンを前記レジスト材に転写するインプリント処理に用いるテンプレートであって、前記テンプレートの少なくとも凹部の底部に荷電粒子を打ち込む工程を含む。

図１（ａ）は、第１の実施の形態に係るテンプレートを主面側から見た概略図であり、（ｂ）は、テンプレートの要部断面図であり、（ｃ）は、テンプレートのパターンの一部を拡大した拡大図である。図２（ａ）〜（ｅ）は、第１の実施の形態に係るテンプレートの製造工程を示す要部断面図である。図３は、第１の実施の形態に係るシリコン基体に打ち込んだ荷電粒子線のシミュレーション結果を示す図である。図４（ａ）〜（ｆ）は、第１の実施の形態に係るテンプレートを用いた半導体装置の製造工程を示す要部断面図である。図５（ａ）は、第２の実施の形態に係るテンプレートに荷電粒子線を打ち込む工程を示す概略図であり、（ｂ）は、テンプレートに形成された脱ガスチャンネルの概略図である。図６（ａ）は、第３の実施の形態に係るテンプレートに荷電粒子線を打ち込む工程を示す概略図であり、（ｂ）は、テンプレートに形成されたポーラス層を示す概略図である。

[第１の実施の形態]
（テンプレートの構成）
図１（ａ）は、第１の実施の形態に係るテンプレートを主面側から見た概略図であり、（ｂ）は、テンプレートの要部断面図であり、（ｃ）は、テンプレートのパターンの一部を拡大した拡大図である。なお、図１（ａ）においては、パターン部１３に形成されるパターンの図示は省略している。また、以下では、パターン部１３に形成されるパターン１３０は、例えば、ラインとスペースが等間隔に並ぶラインアンドスペースパターンとして記載しているが、パターン１３０の形状はこれに限定されない。

テンプレート１は、例えば、ナノインプリントリソグラフィ法に用いられる。テンプレート１は、例えば、図１（ａ）に示すように、基板１０の主面１１側の中央にパターン部１３が形成されている。また、テンプレート１は、例えば、パターン部１３の周辺である周辺部１４に、複数のマークパターン１５が形成されている。

基板１０は、例えば、後述するレジスト材を硬化させるエネルギー線に対して透明性を有する基板である。基板１０は、例えば、シリコン（Ｓｉ）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）またはダイアモンドライクカーボン（ＤＬＣ：Diamond‐Like Carbon）等が用いられる。本実施の形態における基板１０は、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）である。基板１０は、例えば、一辺が３００ｍｍの正方形状となる。また、基板１０は、厚みが１００μｍである。

パターン部１３は、例えば、図１（ｂ）に示すように、テンプレート１の主面１１を彫って形成される。なお、パターン部１３は、例えば、主面１１に設けられたメサ構造体に形成されても良い。

このパターン部１３には、例えば、パターン１３０が形成されている。パターン１３０は、例えば、凸部１３１と凹部１３２が交互に形成されている。パターン１３０は、例えば、凸部１３１および凹部１３２の幅が同じで、かつ、凸部１３１と凸部１３１の間隔、および凹部１３２と凹部１３２の間隔が同じとなるラインアンドスペースパターンである。

凹部１３２は、例えば、底部１３２ａと側部１３２ｂを有する。この底部１３２ａには、例えば、複数の脱ガスチャンネル１６が形成されている。

脱ガスチャンネル１６は、例えば、図１（ｃ）に示すように、テンプレート１の主面１１側から裏面１２側に貫通する貫通孔である。脱ガスチャンネル１６は、凹部１３２に沿ってさらに複数形成されている。なお、脱ガスチャンネル１６は、貫通孔に限定されず、凹部１３２側に開口する孔であっても良い。

以下に、本実施の形態に係るテンプレートの製造方法について説明する。
（テンプレートの製造方法）
図２（ａ）〜（ｅ）は、第１の実施の形態に係るテンプレートの製造工程を示す要部断面図である。

まず、図２（ａ）に示すように、基板１０上に、クロム膜２０および酸化クロム膜２１を順次形成する。

具体的には、まず、真空蒸着法等により、基板１０上にクロム膜２０を形成する。このクロム膜２０は、例えば、厚さが７０ｎｍである。続いて、真空蒸着法等により、クロム膜２０上に酸化クロム膜２１を形成する。酸化クロム膜２１は、例えば、厚さが３０ｎｍである。

次に、図２（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ法等により、酸化クロム膜２１上にレジストパターン２２を形成する。このレジストパターン２２は、図２（ｂ）に示すように、複数の開口２３を有する。

次に、図２（ｃ）に示すように、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法等により、レジストパターン２２をマスクとして基板１０をエッチングする。具体的には、レジストパターン２２の複数の開口２３に露出する酸化クロム膜２１、クロム膜２０を順次エッチングする。続いて、エッチングにより複数の開口２３に露出する基板１０を所望の深さエッチングする。

次に、図２（ｄ）に示すように、荷電粒子線３を基板１０に打ち込む。この荷電粒子線３は、例えば、ｅ⁻、Ｈ、Ｈｅ、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｆ、Ｎｅ、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｐ、Ｓ、Ｃｌ、Ａｒ、Ｋ、Ｃａ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｂｒ、Ｋｒ、Ｍｏ、Ｉ、Ｘｅのうち、少なくとも１種類以上からなる。なお、荷電粒子線３は、例えば、少なくとも１種類の荷電粒子が並進するものである。

ここで、荷電粒子線３は、例えば、Ｈｅ、Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ等の不活性ガスを用いることが好ましい。また、荷電粒子線３は、例えば、後述するように、Ｈｅガス雰囲気中でインプリント処理が行われることから、Ｈｅ以上の原子量を有することが好ましい。また、荷電粒子線３は、例えば、基板１０が酸化シリコン等のガラス基板である場合、ＢおよびＡｌといった、ガラス基板に含まれる不純物を用いることが好ましい。荷電粒子線３としてガラス基板に含まれる不純物を用いることにより、荷電粒子線３の打ち込みによる透過率の減少を防ぐことができ、また、テンプレート１の強度が増す。

さらに、荷電粒子線３は、例えば、ＦおよびＢｒ等を含むハロゲン系粒子であるとき、打ち込みによりテンプレート１の主面１１が改質され、主面１１側のはっ水性が向上する。テンプレート１のはっ水性が向上することにより、テンプレート１とレジスト材との離型性が向上する。ハロゲン系の荷電粒子線３は、例えば、他の荷電粒子線３により脱ガスチャンネル１６の形成した後、主面１１の改質を目的として浅く打ち込まれても良い。

この荷電粒子線３の打ち込みは、例えば、基板１０の主面１１の法線方向からレジストパターン２２をマスクにして行われ、レジストパターン２２の複数の開口２３に露出した基板１０に打ち込まれる。なお、荷電粒子線３の打ち込みは、例えば、レジストパターン２２、酸化クロム膜２１およびクロム膜２０を除去した後に行われても良い。テンプレート１の複数の凹部１３２の底部１３２ａには、脱ガスチャンネル１６が形成される。この凹部１３２に脱ガスチャンネル１６が形成されることにより、インプリント処理において、硬化したレジスト材とテンプレート１の離型性が向上する。

図３は、第１の実施の形態に係るシリコン基体に打ち込んだ荷電粒子線のシミュレーション結果を示す図である。図３は、荷電粒子線３としてＨ^＋を加速エネルギー１００ｋｅＶでシリコン基体１００に打ち込んだ場合のモンテカルロシミュレーションの結果を示している。このシミュレーションにより、打ち込まれた荷電粒子線３が到達する深さは、例えば、図３に示すように、およそ３．２μｍであった。

このシミュレーション結果から、打ち込まれた荷電粒子線３が到達する深さは、例えば、加速エネルギーが１ＭｅＶのとき、およそ３２μｍであり、加速エネルギーが３ＭｅＶのとき、およそ１００μｍであると考えられる。また、別の実験から荷電粒子線３が^４Ｈｅで、加速エネルギーが８ＭｅＶである場合、およそ１００μｍの深さまで到達することが分かった。

以上の結果から、基板１０の厚み、および荷電粒子線３の種類等に応じて加速エネルギーを調整して脱ガスチャンネル１６の数、および貫通の状態を制御することができることが分かる。ここで貫通の状態とは、例えば、孔の貫通および非貫通を示す。つまり、後述するように、脱ガスチャンネル１６は、テンプレート１の凹部１３２とレジスト材との間に留まるガスを排出するためのものであることから、ガスをテンプレート１の外に排出するだけでなく吸収するだけでも良い。よって、脱ガスチャンネル１６は、例えば、貫通孔に限定されず、非貫通孔でも良い。

なお、基板１０の厚みによっては、主面１１側からの打ち込みだけでなく、裏面１２側から荷電粒子線３の打ち込みを行っても良い。荷電粒子線３を裏面１２側からも打ち込むことで、低い加速エネルギーで、テンプレート１を貫通する脱ガスチャンネル１６を形成することができる。

次に、図２（ｅ）に示すように、クロム膜２０、酸化クロム膜２１およびレジストパターン２２を除去してテンプレート１を得る。なお、脱ガスチャンネル１６の形成は、パターン１３０を形成した後のテンプレート１に荷電粒子線３を打ち込んでも良い。この打ち込みにより、テンプレート１の凸部１３１にも脱ガスチャンネル１６が形成される。この凸部１３１に形成された脱ガスチャンネル１６は、例えば、レジスト材との離型性を向上させ、また、レジスト材の充填速度を向上させる。

以下に、本実施の形態に係るテンプレートを用いた半導体装置の製造方法および半導体装置の製造方法を説明する。

（半導体装置の製造方法）
図４（ａ）〜（ｆ）は、第１の実施の形態に係るテンプレートを用いた半導体装置の製造工程を示す要部断面図である。以下に示す半導体装置の製造工程は、レジスト材の充填速度を向上させるため、不活性ガス雰囲気中で行われるものとする。本実施の形態においては、不活性ガスとしてＨｅガス６を用いる。

まず、図４（ａ）に示すように、被処理基板としてのウエハ４上にレジスト材５を塗布する。このレジスト材５は、例えば、光硬化性を有する。また、本実施の形態におけるレジスト材５は、例えば、シリコン等の紫外線硬化樹脂である。レジスト材５の塗布は、例えば、インクジェット法によって、液滴を滴下する方法でも良いし、スパッタ法による回転塗布による方法でも良い。なお、このレジスト材５は、例えば、テンプレート１と硬化したレジスト材５との離型性を向上させる離型剤を含有するものとする。

次に、図４（ｂ）に示すように、テンプレート１をレジスト材５に接触させる。この接触の際、テンプレート１は、裏面１２側からＣＤＡ（Clean Dry Air）等が吹き付けられることにより変形し、中央近傍からレジスト材５に接触するものとする。テンプレート１とレジスト材５を接触させた後、図４（ｂ）に示すように、凹部１３２とレジスト材５の間には、Ｈｅガス６が残存する。

次に、図４（ｃ）に示すように、テンプレート１をレジスト材５にさらに接触させる。凹部１３２とレジスト材５の間に残存するＨｅガス６は、図４（ｃ）に示すように、凹部１３２内の圧力が高くなることにより、脱ガスチャンネル１６からテンプレート１の外に排出される。

次に、図４（ｄ）に示すように、テンプレート１とウエハ４との距離が所定の距離になるまでテンプレート１をウエハ４に近づけ、凹部１３２にレジスト材５を充填させる。

ここで、凹部１３２とレジスト材５の間に残存するＨｅガス６は、レジスト材５の充填不良、およびレジスト材５に転写される転写パターンの不良の原因となる。しかし、図４（ｄ）に示すように、テンプレート１には、脱ガスチャンネル１６が形成されているので、この脱ガスチャンネル１６からＨｅガス６が排出されるので、凹部１３２にレジスト材５が隙間なく充填される。

次に、図４（ｅ）に示すように、テンプレート１の裏面１２側からレジスト材５に紫外線７を照射し、レジスト材５を硬化させる。

次に、図４（ｆ）に示すように、レジスト材５を硬化させた後、テンプレート１とウエハ４を引き離し、ウエハ４上に転写パターンとしてレジストパターン５０を形成する。続いて、周知の工程を経て所望の半導体装置を得る。

次に、テンプレート１を用いたインプリント処理が所定の回数行われた後、テンプレート１内に留まるＨｅガス６を排出するため、テンプレート１のアニール処理を行う。

（第１の実施の形態の効果）
第１の実施の形態によれば、テンプレート１が脱ガスチャンネル１６を有することにより、凹部１３２とレジスト材５の間のＨｅガス６を排出することができるので、レジスト材５の充填不良に起因する転写パターンの不良を防止することができる。

また、第１の実施の形態によれば、所定の回数使用したテンプレート１をアニール処理することで、テンプレート１内に留まるＨｅガス６を排出することができるので、充填速度の低下等を防ぐことができ、半導体装置の製造工程におけるスループットが向上する。

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態は、荷電粒子線３の進行方向とテンプレート１の主面１１の法線との相対角度がθとなる点で第１の実施の形態と異なっている。ただし、θはゼロではない角度である。なお、以下の各実施の形態において、第１の実施の形態と同様の構成および機能を有する部分については、第１の実施の形態と同じ符号を付し、その説明は省略するものとする。

図５（ａ）は、第２の実施の形態に係るテンプレートに荷電粒子線を打ち込む工程を示す概略図であり、（ｂ）は、テンプレートに形成された脱ガスチャンネルの概略図である。図５（ｂ）に示す点線は、脱ガスチャンネル１６を示している。

（テンプレートの製造方法）
まず、複数の凸部１３１および凹部１３２が主面１１側に形成されたテンプレート１を用意する。

次に、図５（ａ）に示すように、テンプレート１の主面１１の法線との相対角度がθとなる方向から荷電粒子線３をテンプレート１の主面１１に打ち込む。続いて、先に打ち込んだ方向とは異なる方向から荷電粒子線３をテンプレート１の主面１１に打ち込む。本実施の形態では、例えば、法線を対称軸として相対角度θと対称となる方向から行われる。なお、荷電粒子線３の打ち込みは、角度を変えながら３回以上行われても良い。また、相対角度がθとなるようにテンプレート１を傾けて、荷電粒子線３を打ち込んでも良い。

図５（ｂ）に示すように、荷電粒子線３の打ち込みにより、複数の脱ガスチャンネル１６を形成し、テンプレート１を得る。

（第２の実施の形態の効果）
第２の実施の形態によれば、角度を変えて荷電粒子線３をテンプレート１に打ち込むので、密度および加速エネルギーが同じで、１つの方向から打ち込む場合と比べて、より多くの脱ガスチャンネル１６をテンプレート１に形成することができる。具体的には、凸部１３１側面にも脱ガスチャンネル１６が形成される。テンプレート１は、多くの脱ガスチャンネル１６が形成されているので、Ｈｅガス６を排出する時間が早くなり、レジスト材５の充填速度が向上する。また、テンプレート１は、凸部１３１および凹部１３２に多数の脱ガスチャンネル１６が形成されているので、テンプレート１の主面１１の表面が改質され、レジスト材５との離型性に優れる。

［第３の実施の形態］
第３の実施の形態は、プラズマドーピング法により、脱ガスチャンネルを形成する点で上記の各実施の形態と異なっている。

図６（ａ）は、第３の実施の形態に係るテンプレートに荷電粒子線を打ち込む工程を示す概略図であり、（ｂ）は、テンプレートに形成されたポーラス層を示す概略図である。

次に、図６（ａ）に示すように、プラズマドーピング法により、荷電粒子線３を等方的にテンプレート１に打ち込む。このプラズマドーピング法は、例えば、荷電粒子線３がテンプレート１を貫通しない程度の加速エネルギーで行われる。このプラズマドーピング法により、例えば、凹部１３２の底部１３２ａのみならず、凹部１３２の側部１３２ｂにも脱ガスチャンネル１６が形成される。なお、プラズマドーピング法により、荷電粒子線３がランダムな方向からテンプレート１に打ち込まれるが、テンプレート１の裏面１２にテンプレート１を支持する図示しない台があるため、裏面１２には荷電粒子線３は打ち込まれないものとする。

テンプレート１は、例えば、図６（ｂ）に示すように、プラズマドーピング法によって、主に、主面１１側にポーラス層１６０が形成され、テンプレート１を得る。このポーラス層１６０は、テンプレート１の主面１１から内部に向けて形成された三次元網目構造となる脱ガスチャンネル１６からなる。Ｈｅガス６は、インプリント処理の際、ポーラス層１６０の脱ガスチャンネル１６に吸収され、レジスト材５は、凹部１３２に隙間なく充填される。

（第３の実施の形態の効果）
第３の実施の形態によれば、テンプレート１にポーラス層１６０を形成するので、高い加速エネルギーを用いて貫通孔となる脱ガスチャンネルを形成する場合と比べて、製造コストが低減する。

（実施の形態の効果）
以上説明した実施の形態によれば、転写パターンの不良を低減することができる。また、以上説明した実施の形態によれば、荷電粒子線３の種類、加速エネルギー等を調整することにより、インプリント処理に用いる不活性ガス種に応じて脱ガスチャンネル１６の個数、形状等を、制御することができる。

なお、テンプレート１は、例えば、パターン１３０を形成する前に脱ガスチャンネル１６が形成されても良い。また、荷電粒子線３の打ち込みは、透過させたいガスに応じて、荷電粒子線３の種類、荷電粒子線３の打込量、加速エネルギーおよび打ち込みの角度等を変更して行われる。

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。

１…テンプレート、３…荷電粒子線、５…レジスト材、６…Ｈｅガス、１０…基板、１１…主面、１３…パターン部、１６…脱ガスチャンネル、２２、５０…レジストパターン、１３０…パターン、１６０…ポーラス層

Claims

主面に凹凸を有するパターンが形成され、前記パターンを被処理基板上に形成されたレジスト材に接触させて前記パターンを前記レジスト材に転写するインプリント処理に用いるテンプレートであって、
前記テンプレートの少なくとも凹部の底部に荷電粒子を打ち込む工程を含むテンプレートの製造方法。
前記荷電粒子は、前記主面の法線に対して傾いた方向から前記テンプレートの凸部の側面に対しても打ち込まれる請求項１に記載のテンプレートの製造方法。
前記荷電粒子は、プラズマドープ法により前記テンプレートのパターン表面に対して打ち込まれる請求項１に記載のテンプレートの製造方法。
前記荷電粒子は、ハロゲン系の元素からなる粒子である請求項１乃至３のいずれか１項に記載のテンプレートの製造方法。
被処理基板上にレジスト材を塗布する工程と、
主面に凹凸を有するパターンが形成され少なくとも凹部の底部に荷電粒子が打ち込まれたテンプレートを前記レジスト材に接触させ、前記パターンを前記レジスト材に転写する工程と、
前記パターンが転写された前記レジスト材をマスクとして前記被処理基板を加工する工程を備えた半導体装置の製造方法。