(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
マスクを用いて基板表面をエッチング加工する表面パターニング方法であって、
前記基板はシリコンからなり、
前記マスクは酸化シリコン系材料または窒化シリコン系材料からなり、
前記マスクには、前記基板のエッチング部分に臨む開口パターンと共に、当該基板の非エッチング領域に当該マスクの膜厚よりも浅い深さの凹凸パターンが設けられており、
前記マスクを用いて前記基板表面をエッチング加工した後には、前記基板上に前記凹凸パターンを有する当該マスクが残される
ことを特徴とする表面パターニング方法。
【請求項２】
請求項１記載の表面パターニング方法において、
前記基板のエッチングによって生じる反応生成物を前記マスク上に堆積させながら前記エッチング加工を行う
ことを特徴とする表面パターニング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は表面パターニング方法に関し、特には無機材料かなるマスクを用いて基板表面に溝パターンや孔パターンを形成する場合の表面パターニング方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造工程において、例えばキャパシタ形成のためのトレンチ加工を行う場合には、無機材料を用いたいわゆるハードマスク用いて基板表面のエッチング加工が行われている。この場合、先ず、例えばシリコンからなる基板上に酸化シリコン等からなるマスク材層を成膜し、このマスク材層上にリソグラフィー法によってレジストパターンを形成する。次いで、レジストパターンをマスクにしてマスク材層をエッチング加工し、基板に達する開口パターンを有するハードマスクを形成する。その後、このハードマスク上から基板の表面をエッチング加工し、ハードマスクに形成された開口パターンの底部の基板部分にトレンチを形成する。
【０００３】
このようなハードマスクを用いたエッチング加工を行うことで、レジストパターンをマスクにしたエッチング加工と比較して、トレンチ深さの均一化、さらにはマスクに対する基板のエッチング選択比の向上を図ることが可能であり、ある程度の深さを有するパターンエッチングを可能にしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したようなハードマスクを用いた表面パターニング方法では、レジストパターンを用いたハードマスクの加工性（開口幅の寸法制御性）、ハードマスクを用いた基板エッチングにおける開口幅の寸法制御性、さらには基板表面パターニング後におけるハードマスクの除去し易さの観点から、マスク材層の薄膜化が望まれている。
【０００５】
しかし、マスク材層の膜厚、すなわちハードマスクの膜厚は、基板材料とマスク材とのエッチング選択比、さらには基板に対してエッチングが施される面積の比率、つまりはマスク開口率によって必要とする最低膜厚が決められる。
【０００６】
例えば、上述したシリコンからなる基板のエッチング加工において、酸化シリコンからなるハードマスクを用いた場合、マスク開口率が小さくなるほどハードマスクに必要とされる膜厚が厚膜化する傾向にある。これは、このエッチング加工においては、基板エッチングによって生じるシリコン含有の反応生成物がハードマスク上に堆積し、この堆積によってハードマスクの後退（膜減り）が防止されるからであり、マスク開口率が小さくなると、基板エッチングによる反応生成物の供給量が減るため、ハードマスクの後退が抑えられなくなることに起因する。
【０００７】
そこで本発明は、マスクを用いた基板表面のエッチング加工において、マスク開口率によらずにマスクに対する基板のエッチング選択比を高く保つことができる表面パターニング方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するための本発明は、マスクを用いて基板表面をエッチング加工する表面パターニング方法であり、マスク形状に特徴を有する方法である。すなわち、本発明の表面パターニング方法に用いるマスクは、基板のエッチング部分に臨む開口パターンと共に、当該マスクの膜厚よりも浅い深さの凹凸パターンが設けられていることを特徴としている。
【０００９】
このような方法では、基板エッチングの際に、マスクに設けた凹凸パターンにおける凸状角部のエッチングが進み、この部分のエッチングによって放出された物質の反応生成物をマスク上に堆積させながらエッチングを進めることができる。つまり、凹凸パターンを設けたことで、マスクのエッチングによって放出された物質の反応生成物の供給を増加させることができるのである。これにより、マスクにおける凸部以外の部分は、供給量が増加した物質の反応生成物の堆積によってエッチングの進行が抑制される。したがって、マスクのエッチング速度が小さく抑えられる、つまりマスクに対する基板のエッチング選択性を高く保つことができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の表面パターニング方法の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。尚、実施形態においては、半導体装置の製造工程において、シリコンからなる基板の表面にキャパシタ形成のためのトレンチ加工を行う場合を例示して本発明の説明を行うが、本発明はこれに限定されることはなく、例えばマイクロマシーンの製造工程において基板の表面をパターニングする場合等に広く適用可能である。また、以下に示す材料および加工条件もあくまでも一例であることとする。
【００１１】
先ず、図１（１）に示すように、被加工材料となるシリコン基板１上に、シリコンのエッチングにおいてエッチング選択比のとれる材料、すなわちシリコンに比べてエッチング速度を充分に遅くすることができる材料をマスク材として堆積させ、マスク材層３を形成する。このようなマスク材層３としては、例えば酸化シリコン膜、酸窒化シリコン膜または窒化シリコン膜、さらにはこれらの積層膜が用いられる。ここでは一例として、酸化シリコンからなるマスク材層３を形成することとする。
【００１２】
次に、リソグラフィー技術を用い、このマスク材層３上に第１レジストパターン５を形成する。この第１レジストパターン５は、シリコン基板１においてトレンチを形成する部分（すなわちエッチングが施される部分でありここではエッチング部分と記す）に対応する開口パターン５ａを備えて形成されることとする。
【００１３】
その後、図１（２）に示すように、第１レジストパターン５をマスクに用いて、マスク材層３をエッチング加工する。これにより、マスク材層３に、シリコン基板１のエッチング部分に臨む開口パターン３ａを形成する。本工程におけるマスク材層３のエッチング加工は、異方性形状を保つことが可能なエッチング方法であり、かつ下地となるシリコン基板１および第１レジストパターン５に対して高選択性を保ってマスク材層３のエッチングが可能な条件で行うこととする。
【００１４】
このようなエッチング加工の一例として、平行平板型プラズマエッチングを用いた場合の加工条件の例を示す。
0004026414.tif 000002
【００１５】
そして、このエッチング加工の後には、第１レジストパターン５をアッシング処理により剥離除去する。
【００１６】
次いで、図１（３）に示すように、リソグラフィー技術を用い、開口パターン３ａが形成されたマスク材層３上に、第２レジストパターン７を形成する。この第２レジストパターン７は、マスク材層３の開口パターン３ａを覆い、かつシリコン基板１においてトレンチが形成されない非エッチング領域１ａ上に複数の開口パターン７ａを備えて形成されることとする。
【００１７】
この開口パターン７ａは、ラインアンドスペース状に形成されても良いし、非エッチング領域１ａ上に島状にレジストパターンを残すように形成されても良い。ただし、非エッチング領域１ａにおける第２レジストパターン７の凸状角部の長さがより長く形成されることが好ましい。また、開口パターン７ａの開口幅は、マスク材層３に形成されている開口パターン３ａの開口幅とほぼ同一とすることで、上述した２回のリソグラフィーにおいて同一の露光機を用いることができる。
【００１８】
以上の後、図１（４）に示すように、第２レジストパターン７をマスクに用いて、マスク材層３をエッチング加工する。この際、マスク材層３のエッチングは、マスク材層３の膜厚ｔよりも浅い深さｔ１で行うことが必須である。そして、このエッチング加工により、マスク材層３における非エッチング領域１ａ上に、マスク材層３の膜厚ｔよりも浅い深さｔ１の凹凸パターン３ｂを形成する。このエッチング加工においては、例えば図１（２）を用いて説明したと同様に行うことができる。ただし、本工程でのエッチング加工は、加工精度の要求度が低いため、ウェットエッチング等によって行っても良い。
【００１９】
そして、このエッチング加工の後には、第２レジストパターン７をアッシング処理により剥離除去する。
【００２０】
以上により、図２（１）に示すように、シリコン基板１のエッチング部分に臨む開口パターン３ａと共に、シリコン基板１の非エッチング領域１ａ上にマスク材層３の膜厚ｔよりも浅い深さの凹凸パターン３ｂを備えたハードマスク３Ａを形成する。
【００２１】
その後、図２（２）に示すように、ハードマスク３Ａを用いてシリコン基板１の表面をエッチング加工する。本工程におけるシリコン基板１のエッチング加工は、異方性形状を保つことが可能なエッチング方法であり、かつハードマスク３Ａに対して高選択性を保ってシリコン基板１のエッチングが可能な条件で行うこととする。
【００２２】
このようなエッチング加工の一例として、誘導結合型プラズマ（inductively coupled plasma：ＩＣＰ）エッチングによる加工条件の例を示す。
0004026414.tif 000003
【００２３】
そして、以上のエッチング加工によりシリコン基板１の表面にトレンチ１Ａを形成した後、シリコン基板１上に残ったハードマスク３Ａの除去を行い、本実施形態の表面パターニングを終了させる。
【００２４】
ここで、図２（１）に示したハードマスク３Ａにおいては、その膜厚ｔおよび凹凸パターン３ｂの深さｔ１は、シリコン基板１のエッチング条件により異なるが、予備実験などを行うことでシリコン基板１のエッチング後に次のような膜厚でハードマスク３Ａが残されるように、上記膜厚ｔおよび深さｔ１が設定されることとする。
【００２５】
すなわち、図３に示すように、シリコン基板１のエッチング後におけるハードマスク３Ａ各部の膜厚は、
１凹凸パターン３ｂの深さａ＝１００ｎｍ以上
２凹凸パターン３ｂ下のハードマスク３Ａの膜厚ｂ＝５０ｎｍ以上
３シリコン基板１のエッチング部における垂直部分の膜厚ｃ＝１００ｎｍ以上
であることが好ましい。
【００２６】
このうち、▲２▼の条件（膜厚ｂ）については、シリコン基板１のエッチング加工終了後にこの部分にハードマスク３Ａが残ってさえいれば問題ないが、安定してエッチング加工を行うための望ましい条件である。また、▲３▼の条件（膜厚ｃ）については、シリコン基板１のエッチング側壁にストライエーションが達することのない条件である。ここで、ストライエーションとは、レジストパターンをマスクにしたエッチング加工において、レジストパターンの開口側壁に元々形成されてしまう溝を受け継いでエッチング側壁に縦方向に生じる溝である。本実施形態においては、ハードマスク３Ａを用いてシリコン基板１のエッチング加工が行われる。しかし、図１（２）を用いて説明したように、ハードマスク３Ａのパターニングは第１レジストパターン５をマスクに用いたエッチング加工によって行われるため、ハードマスク３Ａの開口パターン３ａ側壁にはストライエーションが生じており、図２（２）を用いて説明したシリコン基板１のエッチング加工においてはこのストライエーションがシリコン基板１に達する可能性がある。このため、▲３▼の条件を満たすようにハードマスク３Ａが構成されることが好ましいのである。
【００２７】
以上説明した表面パターニング方法では、図２（１）を用いて説明したように、非エッチング領域１ａ上に凹凸パターン３ｂを設けたハードマスク３Ａを用いてシリコン基板１のエッチング加工が行われる。このエッチング加工においては、マスク開口率とシリコン基板の選択比（Ｓｉ基板／ハードマスク）との関係は、次のようになっている。
【００２８】
すなわち、図４のグラフ（１）に示すように、加工条件に起因するエッチング選択比は、マスク開口率に左右されることなく一定である。これに対して、基板エッチングに起因するエッチング選択比は、マスク開口率に対して比例する関係にある。これは、基板エッチングの際には、シリコン基板１のエッチングによってプラズマ中に放出されたＳｉが、このプラズマ中においてＳｉＢｒxＯy、ＳｉＣｌxＯyといった反応生成物となってハードマスク３Ａ上に堆積し、この堆積によってハードマスク３Ａの後退（膜減り）が防止されるからであり、図４のグラフ（２）に示すように、基板エッチングによるＳｉの供給量がマスク開口率に比例するからである。また、マスクエッチングに起因するエッチング選択比は、マスク開口率に対して反比例する関係にある。これは、基板エッチングの際には、ハードマスク３Ａのエッチングによってもプラズマ中にＳｉが放出されるからであり、図４のグラフ（３）に示すように、ハードマスク３Ａのエッチングに由来するＳｉの供給量がマスク開口率に反比例するからである。そして、図４のグラフ（４）に示すように、最終的なエッチング選択比は、上述したグラフ（１）〜（３）を合計した結果となる。
【００２９】
このため、上述した本実施形態のシリコン基板１のエッチング加工においては、凹凸パターン３ｂによってハードマスク３Ａの表面積を広げることで、ハードマスク３Ａのエッチングによって供給されるＳｉの量を増加させることが可能であるため、これによってエッチング加工時におけるハードマスク３Ａの後退（膜減り）を抑えることができる。
【００３０】
特に、シリコン基板１のエッチングによるＳｉ供給（Ｓｉ含有反応生成物の供給）は、基板を構成するＳｉとエッチングガス（主にＨＢｒ）との反応に起因するのに対して、ハードマスク３ＡのエッチングによるＳｉ供給は、特にハードマスク３Ａに対してシリコン基板１の選択性の高い条件においては、凸状角部へのスパッタリングが主となるため、より多くの段差をマスク材加工時に形成した方が選択比としては優位となる。
【００３１】
したがって、ハードマスク３Ａにおけるマスク開口率が小さくなり、シリコン基板１のエッチングによるＳｉ含有反応生成物の供給が減少した場合であっても、ハードマスク３ＡのエッチングによるＳｉ含有反応生成物の供給を増加させることができるのである。これにより、ハードマスク３Ａにおける凸部以外の部分は、供給量が増加したＳｉ含有反応生成物の堆積によってエッチングの進行が抑制される。したがって、マスク開口率によらず、シリコン基板１に対するハードマスク３Ａのエッチング速度を小さく保つことが可能になる。
【００３２】
以上の結果、ハードマスク３Ａに対するシリコン基板１のエッチング選択性が向上するため、ハードマスク３Ａ（マスク材層３）を薄膜化することが可能になる。
【００３３】
これにより、ハードマスク３Ａの加工性が向上し、開口パターンの寸法精度の良好かハードマスク３Ａを得ることができる。またこれにより、ハードマスク３Ａを用いた基板エッチングにおける開口幅の寸法制御性の向上を図ることができる。
【００３４】
また、ハードマスク３Ａの薄膜化により、マスク材層３の製膜コスト、さらにはマスク加工に必要となるコストを低減できる。また、シリコン基板の加工後に剥離するハードマスク３Ａの量を減らすことができるため、剥離処理時間を低減できる。以上のことから、製造コストの削減を図ることが可能になる。
【００３５】
以上に加えて、マスク開口率の小さいエッチング加工においては、基板エッチングよる反応生成物の供給量を維持するために、ダミーパターンを設けてマスク開口率を増加させる方法も行われていたが、このようなダミーパターンの形成を行う必要がなくなるため、ダミーパターン形成のための面積を削減することも可能になる。
【００３６】
尚、以上の実施形態においては、ハードマスク３Ａの形成において、開口パターン３ａを形成した後に凹凸パターン３ｂを形成する手順を説明した。しかし、ハードマスク３Ａの形成手順はこれに限定されることはなく、凹凸パターン３ｂを形成した後、開口パターン３ａを形成する手順であっても良い。ただし、実施の加工パターンとなる開口パターン３ａの加工精度の向上のためには、上述した実施形態のように、先ず、開口パターン３ａを形成し、次いで凹凸パターン３ｂを形成する手順が好ましい。
【００３７】
また、ハードマスク３Ａの形成方法としては、上述したような２つのレジストパターンをマスクにしたエッチング加工を行う方法に限定されることなく、例えば次のような方法で行うことが可能である。
【００３８】
＜ハードマスクの形成方法の変形例−１＞
ハードマスク３Ａは、レジストパターンをマスクに用いたマスク材層のエッチング加工ではなく、レーザを用いた直接描画によって、マスク材層に対して開口パターン３ａおよび凹凸パターン３ｂを形成することによって得ることもできる。この場合、レーザの照射時間や出力を調整することによって、凹凸パターン３ｂの深さを調整することとする。
【００３９】
＜ハードマスクの形成方法の変形例−２＞
ハードマスク３Ａは、同一のレジストパターンをマスクに用いた１回のエッチング加工によって得ることもできる。この場合、次のような手順でハードマスク３Ａの形成を行う。
【００４０】
先ず、図５（１）に示すように、シリコン基板１上にマスク材層３を形成した後、このマスク材層３上に開口パターン１０ａ、１０ｂを有するレジストパターン１０を形成する。この際、トレンチを形成する部分（エッチング部分）に対応する開口パターン１０ａに対して、非エッチング領域１ａ上に形成される開口パターン１０ｂは、その開口面積が充分に広く形成されることとする。
【００４１】
次に、図５（２）に示すように、開口径の小さい部分でエッチングが進みやすくなる加工条件にて、レジストパターン１０をマスクに用いてマスク材層３のエッチングを行う。
【００４２】
このようなエッチング加工の一例として、平行平板型プラズマエッチングを用いた場合の加工条件の例を示す。
0004026414.tif 000004
【００４３】
以上のエッチング加工により、より開口面積の小さい開口パターン１０ａの下部においてマイクロローディング効果によって優先的にマスク材層３のエッチングを進める。そして、これらの開口パターン１０ａの下にシリコン基板１に達する開口パターン３ａが形成され、かつ非エッチング領域１ａの開口パターン１０ｂの下部にマスク材層３を残した状態でエッチング加工を停止させる。
【００４４】
これにより、シリコン基板１の上方に、シリコン基板１のエッチング部分に臨む開口パターン３ａと共に、シリコン基板１の非エッチング領域１ａ上にマスク材層３の膜厚ｔよりも浅い深さｔ１の凹凸パターン３ｂを備えたハードマスク３Ａが形成される。
【００４５】
以上のようにしてハードマスク３Ａを形成することにより、ハードマスク３Ａ形成のためのリソグラフィー、マスク材層３のエッチング加工、さらにはレジストパターン１０の除去を１回で済ませることができる。したがって、上述した実施形態の表面パターニング方法と比較して、製造工程数を削減することが可能になる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の表面パターニング方法によれば、非エッチング領域に凹凸パターンを設けたマスクを用いて基板のエッチングを行うことで、マスクにける凹凸パターンの凸状角部のエッチングによる反応生成物をマスク上に堆積させながらエッチングを進め、マスクにおける凸部以外の部分のエッチングの進行を抑制することが可能になる。このため、マスクに対する基板のエッチング選択性を高く保つことが可能になり、マスクの薄膜化を達成することができる。この結果、マスクの加工精度の向上および製造コストの削減を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を説明するための断面工程図（その１）である。
【図２】本発明の実施形態を説明するための断面工程図（その２）である。
【図３】本発明におけるハードマスクの構成を説明するための断面図である。
【図４】マスク開口率とＳｉ基板エッチング選択比との関係を示すグラフである。
【図５】本発明におけるハードマスクの形成に関する変形例を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１…シリコン基板（基板）、１ａ…非エッチング領域、３Ａ…ハードマスク（マスク）、３ａ…開口パターン、３ｂ…凹凸パターン、ｔ…マスク材層（マスク）の膜厚、ｔ１…凹凸パターンのパターン深さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
0004026414.tif 000007
【図４】
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【図５】
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