(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体に凹部を形成する工程と、
前記凹部内を埋め込んで前記基体上に紫外線に感光性を有する樹脂からなる樹脂膜を形成する工程と、
前記凹部を中心とした前記凹部より広い第１の領域と、この第１の領域以外との現像液に対する溶解性が異なるように前記樹脂膜を紫外線により選択的に露光する工程と、
この露光する工程の後、前記樹脂膜を前記現像液により現像して前記第１の領域以外を除去し、前記樹脂膜の前記第１の領域からなる第１のパターンを形成する工程と、
前記第１のパターンの前記基体上に突出した部分をＣＭＰ法により選択的に研削研磨し、前記基体とともに１つの表面を形成するように前記凹部内が前記樹脂からなる第２のパターンで充填された状態とする工程と  を少なくとも備えたことを特徴とするパターン形成方法。
【請求項２】
請求項１記載のパターン形成方法において、
前記樹脂はポリイミドから構成されたものであることを特徴とするパターン形成方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載のパターン形成方法において、
前記凹部は、前記基体上で所定方向に延在する溝であることを特徴とするパターン形成方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のパターン形成方法において、
前記第１パターンは、凸パターンであり、前記凹部より幅広に形成されている ことを特徴とするパターン形成方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のパターン形成方法において、
前記基体は、シリコンから構成されたものである ことを特徴とするパターン形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置やマイクロマシン装置において用いられる微細なパターンを形成するパターン形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置において、素子をより小さな面積により高密度に集積するためには、素子や配線をより微細に形成するとともに、配線を多層に形成する多層構造を用いることが必要となる。また、マイクロマシン装置においても、３次元構造を実現するために、多層構造を用いることになる。例えば、マイクロマシン装置の製造では、形成する構造を高さ方向に複数に分割し、下の部分を形成したら、この形成した部分周囲を埋め込んで層間膜を形成して平坦な状態を形成し、この上ですでに形成されている下の部分に接続させて中間部分を形成するようにしている。
【０００３】
凹凸が存在しているパターン上で層間膜などを平坦に形成する技術としては、まず、凹凸上に層間膜を形成した後、凹凸を反映した層間膜表面の凸の部分を選択的に削除して平坦化するものがある。また、平坦に形成された層間膜に溝を形成し、この溝にパターンを形成する材料を充填してパターンを形成し、パターンが形成された時点で平坦化がされている状態にするダマシン法といわれる技術もある。ダマシン法では、溝に材料が充填された状態を形成するために、化学的機械的研磨法（ＣＭＰ法）がよく用いられる。
【０００４】
ダマシン法によるパターンの形成に関して簡単に説明する。まず、図２（ａ）に示すように、基板２０１上に層間膜２０２を形成し、層間膜２０２の所定箇所に所定の形状の溝２０３ａと溝２０３ｂを形成する。
つぎに、図２（ｂ）に示すように、溝２０３ａと溝２０３ｂ内を含めた層間膜２０２上にポリイミド樹脂膜２０４を形成し、溝２０３ａと溝２０３ｂ内がポリイミド樹脂で充填された状態とする。
【０００５】
最後に、図２（ｃ）に示すように、層間膜２０２表面が露出するまでポリイミド樹脂膜２０４をＣＭＰ法により研削研磨し、溝２０３ａと溝２０３ｂ内にのみポリイミド樹脂を残すことで、パターン２０４ａ，２０４ｂを形成する。このＣＭＰでは、層間膜２０２の材料に対してポリイミド樹脂を選択的に研削研磨する条件とすることで、層間膜２０２表面が露出したところで、研削研磨を停止することが可能となる。ダマシン法では、溝内にパターンが形成された時点で、パターン上面と層間膜上面とが同一平面を形成して平坦化されているので、層間膜表面の平坦化は必要がない。ダマシン法によるマイクロマシンの形成では、「層間膜形成−溝形成−パターン形成」を所定回数繰り返すことになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のダマシン法に用いるＣＭＰは、研磨対象の膜と非研磨対象の膜との間に研磨の選択比が十分に確保できる場合には、非常に有効な手段である。また、研磨の選択比が十分に確保できなくても、研磨対象の膜が１μｍ程度と薄い場合は、平坦化の手段として有効である。
しかしながら、マイクロマシンの形成など、ＣＭＰによる研磨の対象が１０μｍ程度と厚い膜の場合、終点判定が非常に困難なため、研磨速度を遅くせざるをえなく、研磨に時間がかかるという問題があった。
【０００７】
膜厚が１０μｍと厚くなると、膜厚のムラも大きくなるため、ＣＭＰで研削研磨した場合、ある領域では終点となっていても、他の領域には研磨対象の膜が残っている状況となるため、終点判定が非常に困難になる。したがって、従来では、最初に荒削りを行い、最後に、研磨速度を非常に遅くして研磨の選択比を向上させた状態の仕上げ削りを行うようにしていた。このように、ダマシン法を用いてマイクロマシン形成するときなど、１０μｍ程度の厚膜をＣＭＰ法により切削研磨して平坦化する場合、従来では、非常に時間がかかるという問題があった。
【０００８】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、平坦化をＣＭＰで行うダマシン法を用いて、従来より短時間にマイクロマシンなどのパターンを形成できるようにすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のパターン形成方法は、基体に凹部を形成し、この凹部内を埋め込んで基体上に紫外線に感光性を有する例えばポリイミドなどの樹脂からなる樹脂膜を形成し、凹部を中心とした凹部より広い第１の領域と、この第１の領域以外との現像液に対する溶解性が異なるように樹脂膜を紫外線により選択的に露光し、この露光の後、樹脂膜を現像液により現像して第１の領域以外を除去し、樹脂膜の第１の領域からなる第１のパターンを形成し、第１のパターンの基体上に突出した部分をＣＭＰ法により選択的に研削研磨し、基体とともに１つの表面を形成するように凹部内が樹脂からなる第２のパターンで充填された状態とするようにしたものである。上記の凹部は、例えば、基体（層間膜）上で所定方向に延在する溝である。
この発明によれば、製造途中では、基体の表面上に第１のパターンが部分的に存在し、この部分的に存在する第１のパターンがＣＭＰ法による研削研磨対象となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
まず、図１（ａ）に示すように、基板１０１上に膜厚１０μｍ程度に層間膜（基体）１０２を形成し、層間膜１０２の所定箇所に基板１０１に到達する溝１０３ａと溝１０３ｂを形成する。層間膜１０２は、例えばポリシリコンから構成すればよい。この場合、まず、層間膜１０２表面を熱酸化して熱酸化膜を１μｍ程度形成した後、熱酸化膜上にフォトリソグラフィ技術によりレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとしたＨＦ液によるウエットエッチングで熱酸化膜をパターン加工する。次いで、レジストパターンを除去した後、熱酸化膜のパターンをマスクとし、水酸化カリウム水溶液によるウエットエッチングで層間膜１０２を選択除去すれば、上記溝１０３ａ，１０３ｂが形成できる。
【００１１】
つぎに、溝１０３ａ，１０３ｂを形成した層間膜１０２上に、感光性を有するポリイミドからなる樹脂膜１０４を膜厚１６μｍ程度に形成する。感光性を有するポリイミドとしては、例えばポリイミドなどのベース樹脂に、住友ベークライト株式会社製のＣＲＣ８３００などのポジ型感光剤を付加したものを用いればよい。ベース樹脂としては、ポリアミド酸やポリベンゾオキサゾールなどを用いてもよい。感光剤として上記ＣＲＣ８３００を用いた場合、層間膜１０２上に上記樹脂膜を塗布（スピンコート）して形成した後、はじめに、１２０℃程度のプリベーク（予備加熱）をホットプレートを用いて４分間行い、樹脂膜中の有機溶媒成分をある程度除去する。
【００１２】
つぎに、溝１０３ａ，１０３ｂ形成領域を中心として溝１０３ａ，１０３ｂ形成領域より若干広い領域を遮光するフォトマスク１２１を用い、樹脂膜１０４のフォトマスク１２１で遮光されていない領域に、選択的に紫外線１２２を露光する。この後、所定の現像液を用いて現像処理を施した後、加熱することで樹脂を硬化させかつ感光剤を除去し、図１（ｄ）に示すように、凸パターン（第１のパターン）１０４ａを形成する。上記加熱による硬化では、窒素ガス雰囲気で１５０℃に３０分ほど保持した後、引き続いて３１０〜３２０℃に３０分ほど保持する。
【００１３】
つぎに、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法により、凸パターン１０４ａの層間膜１０２表面上に突出している部分を研削研磨し、層間膜１０２上を平坦化した。この結果、図１（ｅ）に示すように、ポリイミドからなる所定のパターン（第２のパターン）１０５ａ、１０５ｂが、層間膜１０２の凹部１０３ａ，１０３ｂ内に形成された状態となる。パターン１０５ａ，１０５ｂは、層間膜１０２とともに１つの表面を形成するように溝１０３内に形成されている。
【００１４】
この後、例えば、パターン１０５ａ，１０５ｂ領域の一部を含む層間膜１０２上に所定の構造体を形成し、構造体を形成した後、有機溶媒に溶解するなどのことにより、樹脂からなるパターン１０５ａ，１０５ｂのみを選択的に除去すれば、上記構造体下に溝１０３からなる空間が形成された状態が得られる。このとき、下地の状態が平坦に形成されているので、構造体を容易にかつ正確に形成することができる。
【００１５】
上記のＣＭＰ法による平坦化研磨では、アルミナからなるスラリーを用いた。このＣＭＰにより、約３分で、凸パターン１０４ａの層間膜１０２上に突出した部分が研削研磨できる。研磨終点は、溝１０３以外の層間膜１０２の表面の露出が、目視で確認できる時点とすればよい。上記ＣＭＰ法による研削研磨では、シリコンからなる層間膜１０２表面が露出されると研磨の進行が非常に遅くなり、終点検出が容易である。
【００１６】
本実施の形態とは異なり、凸パターン１０４ａを形成せず、従来のように、層間膜上全域に樹脂膜が形成された状態で平坦化のためのＣＭＰを行う場合は、最初に荒削りを２５分間行い、つぎに仕上げ研磨を行うことになる。前述したように、膜を厚く形成した場合、膜厚のバラツキも大きくなるため、研磨終点が近くなると、樹脂膜がまだ厚く残っている領域と、樹脂膜がほとんど残っていない領域とが存在している。仕上げ研磨では、この膜厚バラツキや、樹脂膜と下地の層間膜との研磨選択比を考慮する必要があり、研磨速度を非常に遅くして行うことになる。この結果、仕上げ研磨には、５５分程度必要としていた。
【００１７】
上記の従来技術に比較し、本実施の形態によれば、約２０分の１以下にＣＭＰ法による研削研磨の時間を短縮することができたことになる。
本実施の形態では、ＣＭＰ法による研磨対象が突状体となっており、研磨の量が少なく、また形状効果として研磨されやすいことが、約３分と迅速な平坦化研磨を可能にしたものと考えられる。例えば、研磨対象が凸パターンの場合、三次元的に研磨が進行するが、平坦な膜を研磨する場合、研磨は平面的にしか進行しないと考えられ、このことが研磨速度の差となるものと考えられる。
【００１８】
また、本実施の形態によれば、研磨の終点判定が容易であり、研磨対象のパターンと層間膜との間の研磨選択比も十分に確保しやすいため、均一性良く平坦化ができる。本実施の形態では、研磨対象が少なく、かつ三次元的に研磨されるために研磨速度が速くなるので、従来の状態では研磨速度を遅くした条件でも研磨が速く進行する。したがって、本実施の形態によれば、異なる材料間での研磨選択比を向上させるために研磨速度が遅くなるような条件としても、実際の研磨速度は遅くならない。この結果、上記のように、実際の研磨速度を犠牲にすることなく、研磨選択比を十分に確保した上で、均一性良く平坦化ができるようになる。
【００１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、製造途中の基体表面上には、第１のパターンが部分的に存在し、この部分的に存在する第１のパターンがＣＭＰ法による研削研磨対象となるので、研磨の量が少なく、また形状効果として研磨されやすいので、平坦化をＣＭＰで行うダマシン法を用いて、従来より短時間にマイクロマシンなどに用いるパターンを形成できるようになるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態におけるパターン形成方法を説明するための工程図である。
【図２】  従来よりあるパターン形成方法を説明するための工程図である。
【符号の説明】
１０１…基板、１０２…層間膜（基体）、１０３ａ，１０３ｂ…溝、１０４…樹脂膜、１０４ａ…凸パターン（第１のパターン）、１０５ａ，１０５ｂ…パターン（第２のパターン）、１２１…フォトマスク、１２２…紫外線。
【図１】
0003893009.tif 000002
【図２】
0003893009.tif 000003