(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられた第１の開口と該第１の開口より小さい第２の開口とを有する層をパターニングする方法において、
パターニングの対象となる膜の上にシリコン窒化膜を形成する工程と、
前記シリコン窒化膜の上にフォトレジストを塗布し、該フォトレジストを露光及び現像処理して、前記第１の開口から該第１の開口の輪郭を含む所定の幅の帯状開口を除いた部分の形状を画定する第１のレジストパターンを形成する工程と、
前記第１のレジストパターンをマスクとして前記シリコン窒化膜をパターニングする工程と、
前記シリコン窒化膜をパターニングした後、パターニングの対象となる膜の上に電子ビームレジストを塗布する工程と、
前記電子ビームレジストを電子ビーム露光及び現像処理して前記帯状開口と前記第２の開口の形状を画定する第２のレジストパターンを形成する工程と、
前記第２のレジストパターンをマスクとしてパターニングの対象となる膜をエッチングして前記帯状開口と前記第２の開口を形成する工程と、
前記第２のレジストパターンを除去した後、前記パターニングの対象となる膜の表面を熱酸化させてシリコン酸化膜を形成する工程と、
前記熱酸化した後、前記シリコン窒化膜及び該シリコン窒化膜の下方のパターニングの対象となる膜をエッチングして前記第１の開口から前記帯状開口を除いた開口を形成する工程と、
前記シリコン酸化膜を除去する工程と
を有することを特徴とするパターニング方法。
【請求項２】
前記第１のレジストパターンは、前記第１の開口より小さく、前記第１の開口のうちの前記帯状開口を除いた部分より大きいことを特徴とする請求項１に記載のパターニング方法。
【請求項３】
前記第２のレジストパターンの形成は、同一の電子ビーム露光装置で同時に行うことを特徴とする請求項１に記載のパターニング方法。
【請求項４】
前記パターニングの対象となる膜はシリコンからなることを特徴とする請求項１に記載のパターニング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、パターニング方法に関し、特に、基板上に設けられた大きな開口と小さな開口とを有する層をパターニングする方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  半導体集積回路の製造やマイクロマシーニングでは、設計パターンを基板上に焼き付ける「露光」と、焼き付けたパターン通りに基板上の膜を加工する「エッチング」工程を繰り返して所望の構造を作成している。【０００３】  一般に、半導体装置やマイクロマシンでは、微細な構造と外界とのインタフェースをとるために面積の大きな構造とが混在している。例えば、図１に示すように、大開口部１０と小開口部１１とが混在している。【０００４】  微細な構造、例えば直径が１μｍ以下のホール、を形成するには、露光工程において精度良く露光できる電子線（ＥＢ）露光装置が用いられている。そこで、微細な構造を含む設計パターンを精度良くパターニングするために、設計パターンの露光をすべてＥＢ露光装置を用いることが考えられる。【０００５】  しかし、大開口部１０をＥＢ露光によって露光すると、精度良く露光することができるものの、露光に長時間要してしまう。【０００６】  このような問題に対して、例えば、非特許文献１には、光描画と電子線描画を併用し、大開口部をステッパー等の高速露光装置で描画した後、ＥＢ露光装置で電子線描画を行うＭｉｘ＆Ｍａｔｃｈ法が提案されている。
【非特許文献１】Ｊ．Ｙｅｏｍ，Ｙ．Ｗｕ，ａｎｄ  Ｍ．Ａ．Ｓｈａｎｎｏｎ，″Ｃｒｉｔｉｃａｌ  Ａｓｐｅｃｔ  Ｒａｔｉｏ  Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ  ｉｎ  Ｄｅｅｐ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ，″ｉｎ  Ｔｈｅ  １２ｔｈ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  ｏｎ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｓｅｎｓｏｒｓ，Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  ａｎｄ  Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ’０３），ｖｏｌ．２，Ｂｏｓｔｏｎ，Ｕ．Ｓ．Ａ．，Ｊｕｎｅ  ２００３，ｐｐ．１６３１−１６３４．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  上記したように、Ｍｉｘ＆Ｍａｔｃｈ法は、大開口部は光で露光し、小開口部は電子ビームで露光するようにしている。従って、同じ層に大開口部と小開口部が存在する場合には、Ｍｉｘ＆Ｍａｔｃｈ法を用いて描画しても、次に示すような問題が存在する。【０００８】  すなわち、小開口部と大開口部とを別々に露光した場合に、開口の位置を合わせることが必要となるが、小開口部と大開口部との位置合わせ精度は装置に依存し、例えばマスクアライナー等の一般的な装置では、位置合わせ精度が１μｍ程度に留まっている。【０００９】  また、大開口部の大きさは光リソグラフィを用いているため一般に電子線直接描画に比べて精度が劣り、大開口部を精密に形成することが困難である。【００１０】  さらに、エッチングの条件は一般に開口の大きさに依存するため、大開口部と小開口部とを同時にエッチングできる条件を探すことは容易ではなく、同時にエッチングできる条件が存在しないことが多い。【００１１】  本発明は、かかる従来技術の課題に鑑みなされたものであり、大開口部と小開口部を併せ持つ構造を精度良くかつ高速に行うパターニング方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記した課題は、基板上に設けられた第１の開口と該第１の開口より小さい第２の開口とを有する層をパターニングする方法において、パターニングの対象となる膜の上にシリコン窒化膜を形成する工程と、前記シリコン窒化膜の上にフォトレジストを塗布し、該フォトレジストを露光及び現像処理して、前記第１の開口から該第１の開口の輪郭を含む所定の幅の帯状開口を除いた部分の形状を画定する第１のレジストパターンを形成する工程と、前記第１のレジストパターンをマスクとして前記シリコン窒化膜をパターニングする工程と、前記シリコン窒化膜をパターニングした後、パターニングの対象となる膜の上に電子ビームレジストを塗布する工程と、前記電子ビームレジストを電子ビーム露光及び現像処理して前記帯状開口と前記第２の開口の形状を画定する第２のレジストパターンを形成する工程と、前記第２のレジストパターンをマスクとしてパターニングの対象となる膜をエッチングして前記帯状開口と前記第２の開口を形成する工程と、前記第２のレジストパターンを除去した後、前記パターニングの対象となる膜の表面を熱酸化させてシリコン酸化膜を形成する工程と、前記熱酸化した後、前記シリコン窒化膜及び該シリコン窒化膜の下方のパターニングの対象となる膜をエッチングして前記第１の開口から前記帯状開口を除いた開口を形成する工程と、前記シリコン酸化膜を除去する工程とを有することを特徴とするパターニング方法により解決する。
【００１５】  この形態に係るパターニング方法では、ＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）を利用し、小開口部（第２の開口）と大開口部（第１の開口）の輪郭部（帯状開口）を形成した後、熱酸化して小開口部の側壁等にシリコン酸化膜を形成している。これにより、この後に大開口部をシリコン窒化膜及びシリコンをエッチングして形成する際に、新たに保護膜を形成する手間を省くことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】  以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。【００１７】  はじめに、本実施形態のパターニング方法の概要について説明する。次に、第１の実施形態及び第２の実施形態において、製造工程に沿ってパターニング方法の説明をする。
（パターニング方法の概要）
図２はパターニング方法の概要を説明する図である。本実施形態で対象とする設計パターンを図２（ａ）の左側に示している。大開口部２０と小開口部２１が混在するパターンは、大開口部２０の輪郭部２２と小開口部２１の部分と、大開口部２０から輪郭部２２を除いた部分２３との２つに分割する。また、大開口部２０から輪郭部２２を除いた部分（残りの部分）２３はその周囲にマージン２５を付加する。【００１８】  次に、図２（ｂ）に示すように、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハ２６上の小開口部２１と輪郭部２２を形成するために、電子ビーム露光をし、エッチング処理をして、図２（ｃ）に示すような開口２１ａ、２２ａを形成する。【００１９】  その後、図２（ｄ）に示すように、残りの部分２３にマージン２５を付加した部分２４を形成するために、光による露光をし、エッチング処理をして、図２（ｅ）に示すような開口２０ａを形成する。【００２０】  このように、設計パターンを２つに分割し、開口部の大きさによって露光方法及びエッチング条件を変えてパターンを形成するようにしている。【００２１】  本発明は、上記のような大開口部と小開口部を持つ構造をパターニングする方法であり、ミリメートルからセンチメートルに達する大開口から、サブミクロンからナノメートルに至る小開口を持つ構造に特に有効である。
（第１の実施形態）
以下に、本発明の第１の実施形態のパターニング方法を工程順に説明する。【００２２】  ここでは、図３に示すような大開口部３０と小開口部３１とが混在しているパターンの形成を対象とする。大開口部３０は、例えば一辺が２０μｍであり、小開口部３１は直径が１μｍとする。【００２３】  まず、図３の左側に示すパターン（３０、３１）を小開口部３１及び輪郭部３２と、大開口部３０の輪郭部３２を除き所定のマージンを付加した部分３３とに分割する。ここで、輪郭部３２は、小開口部３１と同程度のサイズとし、例えば、輪郭部３２の幅を５μｍとする。【００２４】  図４及び図５は、本発明の第１の実施形態のパターニング方法を工程順に示す断面図である。この断面図は、図３のＩ−Ｉ線から見た断面図である。【００２５】  まず、図４（ａ）に示すように、ＳＯＩウエハ４３を形成する。ＳＯＩウエハ４３は、シリコン基板４０と構造層となるシリコン薄膜４２とがシリコン酸化膜４１をサンドイッチした構造をしている。例えば、この構造層となるシリコン薄膜４２は３μｍの厚さに形成する。【００２６】  このＳＯＩウエハ４３の上側全面に電子ビーム（ＥＢ）レジスト４４を塗布する。ＥＢレジストは、例えば、ＺＥＯＮ社製のＺＥＰ−５２０Ａを用いる。【００２７】  次に、図４（ｂ）に示すように、ＥＢレジストを電子ビーム（ＥＢ）露光装置により露光し現像処理して、小開口部３１ａと大開口の輪郭部３２ａの形状を画定するためのパターンを形成する。【００２８】  次に、図４（ｃ）に示すように、ＥＢレジスト４４をマスクにして、小開口部と大開口の輪郭部をエッチングし、開口（３１ｂ、３２ｂ）を形成する。このエッチングは、例えば、六フッ化硫黄（ＳＦ６）ガスを使用し、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｐｌａｓｍａ）でプラズマ化し、ＤＲＩＥ（Ｄｅｅｐ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）により行う。また、ＳＦ６とＣ４Ｆ８のガスを切り換えて高速エッチングするＢｏｓｃｈプロセスを用いても良い。【００２９】  次に、図５（ａ）に示すように、ＳＯＩウエハ４３の上部にフォトレジスト４５をスピンコート法により塗布する。フォトレジスト４５は、例えば、Ｓｈｉｐｌｅｙ社製のＳ１８０５を使用する。【００３０】  次に、図５（ｂ）に示すように、大開口部の残りの部分にマージンを付加した部分３３をフォトリソグラフィ法により露光及び現像して大開口部の残りの部分にマージンを付加した形状を画定するレジストパターンを形成する。【００３１】  次に、図５（ｃ）に示すように、図５（ｂ）で形成したレジストパターンをマスクとして構造層となるシリコン膜をエッチングし、大開口部３０ｂを形成する。このとき、既に形成されている小開口部３１ｂは、フォトレジスト４５により保護される。このエッチングは、図４（ｃ）で用いたものと同じＩＣＰ−ＤＲＩＥの装置を用いて行う。【００３２】  その後フォトレジスト４５を除去する。【００３３】  以上説明したように、本実施形態では、大開口部を「輪郭部」と輪郭部を除いた部分とに分割し、露光及びエッチングを２回に分けて行っている。すなわち、小開口部と「輪郭部」とを電子ビーム露光装置のような精密な露光法によって一度に加工し、その後、残った大開口部を加工している。このように、精密な描画は、小開口部と大開口部の輪郭部のみに対して行われるため、露光時間が大幅に短縮される。【００３４】  図６は、図３のパターンをすべて電子ビームで露光した場合と、本実施形態の方法を用いて露光した場合の露光時間を比較した図である。図６に示すように、ずべて電子ビームで露光する場合に比べて約９倍の速さで露光することができた。【００３５】  また、小開口部と大開口部の輪郭部を同一装置で同時に描画するため、位置合わせを精度良く行うことができる。また、小開口部と大開口部とを別々にエッチングするため、それぞれに最適なエッチング条件でエッチングすることが可能となる。【００３６】  なお、本実施形態では、ＳＯＩウエハを用いてパターンを形成する方法を説明したが、ＳＯＩウエハに限定されるものではない。【００３７】  また、本実施形態では、構造層となるシリコン膜４２の厚みを３μｍとした場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、シリコン膜４２の厚みを７０μｍとした場合についても実際に本実施形態の方法を使用してパターンを高速に精度良く形成できることを確認している。ただし、この場合は、開口部の深さが深いため、本実施形態で使用したような標準のフォトレジストではフォトレジスト膜が正常に形成されず、小開口部を保護できない。そこで、リフトオフ法によって作成したアルミニウムをマスクとして用いた。すなわち、ドライフィルムフォトレジストを使用して大開口部の形状にパターニングした後、アルミニウムを製膜し、その後レジストを除去して、アルミニウムを小開口部の上部のみに残し、大開口部のシリコン膜をエッチングした。【００３８】  さらに、本実施形態では、大開口部として図３に示すような、パターンの内部がすべて開口している場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図７（ａ）に示すように、大きな開口６１の中に開口されない部分６３があるような、パターンがドーナツ状の開口６１の場合にも適用可能である。この場合には、図７（ｂ）の破線で示した部分（６４、６５）を大開口部の輪郭部とし、小開口部６２と同時にパターンを形成することが可能である。
（第２の実施形態）
図８及び図９は、本発明の第２の実施形態のパターニング方法を工程順に示す断面図である。【００３９】  第１の実施形態では、小開口部と大開口部の輪郭部を先に形成し、その後大開口部の残りの部分を形成した。【００４０】  第２の実施形態では、大開口部の残りの部分を先に描画し、小開口部と大開口部の輪郭部を形成した後に大開口部の残りの部分に対応するシリコン膜をエッチングする。【００４１】  以下に、このパターニング方法を図８及び図９を参照して説明する。【００４２】  ここでは、第１の実施形態と同様に図３に示すパターンを対象とする。【００４３】  まず、図８（ａ）に示すように、ＳＯＩウエハ４３上に、大開口部から大開口部の輪郭部を除いた部分の形状のシリコン窒化膜８１を形成する。例えば次のようにして形成する。ＳＯＩウエハ４３の上側全面に、例えばシラン（ＳｉＨ４）とアンモニア（ＮＨ３）のガスを反応させ、大開口部の残りの部分にシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）８１を形成する。そして、シリコン窒化膜８１の上にフォトレジストを塗布して、フォトレジストを露光及び現像処理して、大開口部から大開口部の輪郭部を除いた部分の形状を画定するレジストパターンを形成して、シリコン窒化膜８１をパターニングする。【００４４】  次に、図８（ｂ）に示すように、ＳＯＩウエハ４３の上側全面にＥＢレジスト４４を塗布する。ＥＢレジストは、例えば、ＺＥＯＮ社製のＺＥＰ−５２０Ａを用いる。【００４５】  次に、図８（ｃ）に示すように、電子ビーム（ＥＢ）露光装置により露光して現像処理し、小開口部と大開口部の輪郭部の形状を画定するパターンを形成する。その後、ＥＢレジスト４４をマスクにして構造層となるシリコン膜４２をエッチングして開口（８２、８３）を形成する。このエッチングは、第１の実施形態と同様に、例えば、Ｂｏｓｃｈプロセスを用いて、ＩＣＰ−ＤＲＩＥにより行う。【００４６】  次に、図９（ａ）に示すように、ＥＢレジスト４４を除去する。【００４７】  次に、図９（ｂ）に示すように、ＳＯＩウエハ４３を熱酸化して、シリコン窒化膜８１に覆われていない部分の表面を局所的に酸化する。これにより、シリコン酸化膜８４が小開口部と大開口部の輪郭部の側壁、底部及び、シリコン窒化膜８１の形成されていないシリコン膜４２の上部に形成される。【００４８】  次に、図９（ｃ）に示すように、シリコン窒化膜８１と大開口部の残りの部分に対応する構造層部分８５をエッチングして開口を形成する。例えば、シリコン窒化膜８１を熱リン酸でエッチングし、続いて、構造層のシリコン膜を硝酸でエッチングして除去する。このエッチングの際に、小開口部と輪郭部は、シリコン酸化膜８４で保護されている。【００４９】  この後、シリコン酸化膜８４を、例えばフッ酸で除去する。【００５０】  以上説明したように、本実施形態においても、小開口部及び大開口部の輪郭部と大開口部の残りの部分とに分割し、露光及びエッチングを２回に分けて行っている。このため、第１の実施形態と同様の効果が得られる。【００５１】  また、本実施形態では、ＬＯＣＯＳ（Ｌｏｃａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）法を利用し、小開口部（第２の開口）と大開口部（第１の開口）の輪郭部（帯���開口）を形成した後、熱酸化して小開口部の側壁等にシリコン酸化膜を形成している。これにより、小開口部等を形成した後に大きな開口をシリコン窒化膜及びシリコンをエッチングして形成する際に、新たに保護膜を形成する手間を省くことができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】図１は、大開口部と小開口部とを有するパターンの一例を示す図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施形態のパターニング方法の概要を説明する図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態のパターニング方法の対象となるパターンの一例である。
【図４】図４（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態のパターニング方法を示す断面図（その１）である。
【図５】図５（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態のパターニング方法を示す断面図（その２）である。
【図６】図６は、第１の実施形態のパターニング方法による露光時間と電子ビーム露光時間との比較を示す図である。
【図７】図７は、ドーナツ状の大開口部と小開口部とを有するパターンの一例を示す図である。
【図８】図８（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施形態のパターニング方法を示す断面図（その１）である。
【図９】図９（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第２の実施形態のパターニング方法を示す断面図（その２）である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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