JP3893009B2 - Pattern formation method - Google Patents

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  • Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)
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  • Formation Of Insulating Films (AREA)
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Description

【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。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a pattern forming method for forming a fine pattern used in a semiconductor device or a micromachine device.
[0002]
[Prior art]
In a semiconductor device, in order to integrate elements at a high density in a smaller area, it is necessary to use a multilayer structure in which elements and wirings are formed more finely and wirings are formed in multiple layers. Also in the micromachine device, a multilayer structure is used to realize a three-dimensional structure. For example, in the manufacture of a micromachine device, a structure to be formed is divided into a plurality of parts in the height direction, and when a lower part is formed, an interlayer film is formed by embedding the periphery of the formed part to form a flat state. The intermediate part is formed by connecting to the lower part already formed above.
[0003]
As a technique for flatly forming an interlayer film etc. on a pattern with unevenness, first, after forming the interlayer film on the unevenness, the convex part of the interlayer film surface reflecting the unevenness is selectively deleted. There is something that flattens. Also, a damascene method is used in which a groove is formed in a flat interlayer film, a pattern is formed by filling the groove with a material for forming a pattern, and the flattened state is obtained when the pattern is formed. There is also a technology called. In the damascene method, a chemical mechanical polishing method (CMP method) is often used to form a state in which the groove is filled with a material.
[0004]
The pattern formation by the damascene method will be briefly described. First, as shown in FIG. 2A, an interlayer film 202 is formed on a substrate 201, and a groove 203a and a groove 203b having a predetermined shape are formed at predetermined positions of the interlayer film 202.
Next, as shown in FIG. 2B, a polyimide resin film 204 is formed on the interlayer film 202 including the groove 203a and the groove 203b, and the groove 203a and the groove 203b are filled with the polyimide resin. To do.
[0005]
Finally, as shown in FIG. 2C, the polyimide resin film 204 is ground and polished by CMP until the surface of the interlayer film 202 is exposed, and the polyimide resin is left only in the grooves 203a and 203b. , 204b. In this CMP, when the polyimide resin is selectively ground and polished with respect to the material of the interlayer film 202, the grinding and polishing can be stopped when the surface of the interlayer film 202 is exposed. In the damascene method, when the pattern is formed in the trench, the upper surface of the pattern and the upper surface of the interlayer film are flattened by forming the same plane, and therefore, it is not necessary to flatten the surface of the interlayer film. In the formation of a micromachine by the damascene method, “interlayer film formation-groove formation-pattern formation” is repeated a predetermined number of times.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The CMP used in the above-described damascene method is a very effective means when a sufficient polishing selection ratio can be secured between a film to be polished and a film to be polished. Moreover, even if not selectable ratio sufficient polishing, if Migaku Ken target film is thin as about 1μm is effective as a means for flattening.
However, such formation of micromachines, if the target is 10μm about a thick film of polishing by CMP, since the end point determination is very difficult, forced to slow the polishing rate Enaku, it takes a long time to polish .
[0007]
When the film thickness is as thick as 10 μm, the film thickness unevenness also increases. Therefore, when grinding and polishing by CMP, the film to be polished remains in the other area even if it is the end point in one area. Therefore, the end point determination becomes very difficult. Therefore, conventionally, rough cutting is first performed, and finally, final polishing is performed in a state where the polishing rate is extremely slow to improve the polishing selection ratio. As described above, when a flat film is formed by cutting and polishing a thick film of about 10 μm by the CMP method, such as when forming a micromachine using the damascene method, there has been a problem that it takes a very long time.
[0008]
The present invention has been made to solve the above-described problems, and is intended to enable a pattern such as a micromachine to be formed in a shorter time than before by using a damascene method in which planarization is performed by CMP. Objective.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In the pattern forming method of the present invention, a recess is formed in a substrate, and a resin film made of a resin such as polyimide having sensitivity to ultraviolet rays is formed on the substrate by embedding the recess, and the recess is centered on the recess. The resin film is selectively exposed with ultraviolet rays so that the solubility in the developer in the wide first area and the area other than the first area is different, and after this exposure, the resin film is developed with the developer and the first is developed. The first pattern consisting of the first region of the resin film is formed by removing portions other than the region 1, and the portion of the first pattern protruding on the base is selectively ground and polished by the CMP method. The recesses are filled with a second pattern made of resin so as to form one surface. The recess is, for example, a groove extending in a predetermined direction on the substrate (interlayer film) .
According to the present invention, in the course of manufacturing, the first pattern is partially present on the surface of the substrate, the partial first pattern that exists is the grinding and polishing target by CMP.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, as shown in FIG. 1A, an interlayer film (base) 102 having a film thickness of about 10 μm is formed on a substrate 101, and a groove 103a and a groove 103b reaching the substrate 101 are formed at predetermined positions of the interlayer film 102. To do. The interlayer film 102 may be made of polysilicon, for example. In this case, first, the surface of the interlayer film 102 is thermally oxidized to form a thermal oxide film having a thickness of about 1 μm, and then a resist pattern is formed on the thermal oxide film by a photolithography technique, and wet with HF liquid using the resist pattern as a mask. The thermal oxide film is patterned by etching. Next, after removing the resist pattern, the groove 103a, 103b can be formed by selectively removing the interlayer film 102 by wet etching with an aqueous potassium hydroxide solution using the pattern of the thermal oxide film as a mask.
[0011]
Next, a resin film 104 made of polyimide having photosensitivity is formed to a thickness of about 16 μm on the interlayer film 102 in which the grooves 103a and 103b are formed. As the polyimide having photosensitivity, for example, a base resin such as polyimide added with a positive photosensitive agent such as CRC8300 manufactured by Sumitomo Bakelite Co., Ltd. may be used. As the base resin, polyamic acid or polybenzoxazole may be used. When the CRC8300 is used as a photosensitizer, the resin film is formed on the interlayer film 102 by spin coating, and then pre-baking (preheating) at about 120 ° C. is performed for 4 minutes using a hot plate. The organic solvent component in the resin film is removed to some extent.
[0012]
Next, a photomask 121 that shields a region slightly wider than the groove 103a, 103b formation region with the groove 103a, 103b formation region as the center is used, and an ultraviolet ray is selectively applied to a region that is not shielded by the photomask 121 of the resin film 104. 122 is exposed. Thereafter, after a development process using a predetermined developer, the resin is cured by heating and the photosensitive agent is removed. As shown in FIG. 1 (d), a convex pattern (first pattern) is obtained. 104a is formed. In the curing by heating, after being held at 150 ° C. for about 30 minutes in a nitrogen gas atmosphere, it is subsequently held at 310 to 320 ° C. for about 30 minutes.
[0013]
Next, a portion of the convex pattern 104a protruding on the surface of the interlayer film 102 was ground and polished by a chemical mechanical polishing (CMP) method, and the interlayer film 102 was planarized. As a result, as shown in FIG. 1E, predetermined patterns (second patterns) 105a and 105b made of polyimide are formed in the recesses 103a and 103b of the interlayer film 102. The patterns 105 a and 105 b are formed in the groove 103 so as to form one surface together with the interlayer film 102.
[0014]
Thereafter, for example, a predetermined structure is formed on the interlayer film 102 including a part of the patterns 105a and 105b, and after the structure is formed, the pattern 105a made of resin is dissolved in an organic solvent. , 105b can be selectively removed to obtain a state in which a space formed by the groove 103 is formed under the structure. At this time, since the ground state is formed flat, the structure can be formed easily and accurately.
[0015]
In the above-described planarization polishing by the CMP method, a slurry made of alumina was used. The CMP, about 3 minutes, the interlayer film 102 projecting portion on the protruding pattern 104a can be ground and polished. The polishing end point may be a point at which the exposure of the surface of the interlayer film 102 other than the groove 103 can be visually confirmed. In the grinding and polishing by the CMP method, if the surface of the interlayer film 102 made of silicon is exposed, the progress of polishing becomes very slow, and the end point can be easily detected.
[0016]
Unlike the present embodiment, when the CMP for flattening is performed with the resin film formed on the entire area of the interlayer film as in the prior art without forming the convex pattern 104a , rough cutting is first performed at 25. For one minute, and then finish polishing. As described above, when the film is formed thick, the variation in the film thickness also increases.Therefore, when the polishing end point is near, there is a region where the resin film remains thick and a region where the resin film hardly remains. ing. In the final polishing, it is necessary to consider this film thickness variation and the polishing selection ratio between the resin film and the underlying interlayer film, and the polishing rate is very slow. As a result, it took about 55 minutes for the final polishing.
[0017]
Compared with the above-described conventional technique, according to the present embodiment, the time for grinding and polishing by the CMP method can be shortened to about 1/20 or less.
In this embodiment, the object to be polished by the CMP method is a protrusion, and the amount of polishing is small, and it is easy to be polished as a shape effect, which enables quick planarization polishing in about 3 minutes it is conceivable that. For example, when the object to be polished is a convex pattern, polishing proceeds three-dimensionally, but when a flat film is polished, it is considered that polishing proceeds only planarly, which is the difference in polishing rate. it is conceivable that.
[0018]
Further, according to this embodiment, it is easy to end point determination of the polishing, for sufficiently easily secured even polishing selectivity between the polishing target of the pattern and the layer ligament may good uniformity flattened. In this embodiment, the number of objects to be polished is small, and the polishing speed is increased because three-dimensional polishing is performed. Therefore, in the conventional state, the polishing proceeds rapidly even under the condition where the polishing speed is decreased. Therefore, according to the present embodiment, the actual polishing rate does not become slow even if the polishing rate becomes slow in order to improve the polishing selectivity between different materials. As a result, as described above, the planarization can be performed with good uniformity while ensuring a sufficient polishing selection ratio without sacrificing the actual polishing rate.
[0019]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, on the manufacturing course of the substrate surface, the first pattern is partially present, grinding and polishing target is first patterns present in this part by CMP Therefore, since the amount of polishing is small and polishing is easy as a shape effect, it is possible to form a pattern used for a micromachine or the like in a shorter time than before by using a damascene method in which planarization is performed by CMP. An effect is obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a process diagram for explaining a pattern forming method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a process diagram for explaining a conventional pattern forming method.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Board | substrate, 102 ... Interlayer film (base | substrate), 103a, 103b ... Groove, 104 ... Resin film, 104a ... Convex pattern (1st pattern), 105a, 105b ... Pattern (2nd pattern), 121 ... Photomask 122 ... UV rays.

Claims (5)

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。
Forming a recess in the substrate;
Forming a resin film made of a resin having sensitivity to ultraviolet rays on the substrate by embedding the concave portion;
A step of selectively exposing the resin film with ultraviolet rays so that the first region wider than the concave portion centered on the concave portion and the solubility in the developer other than the first region are different from each other;
After the step of exposing, the resin film is developed with the developer to remove areas other than the first area, and a first pattern including the first area of the resin film is formed;
A portion of the first pattern protruding on the base is selectively ground and polished by CMP, and the concave portion is filled with the second pattern made of the resin so as to form one surface together with the base. And a pattern forming method comprising:
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。
In the pattern formation method of Claim 1,
The pattern forming method, wherein the resin is made of polyimide.
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。
In the pattern formation method of Claim 1 or 2,
The pattern forming method, wherein the recess is a groove extending in a predetermined direction on the substrate.
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、In the pattern formation method of any one of Claims 1-3,
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The first pattern is a convex pattern and is formed wider than the concave portion. ことを特徴とするパターン形成方法。The pattern formation method characterized by the above-mentioned.
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、In the pattern formation method of any one of Claims 1-4,
前記基体は、シリコンから構成されたものであるThe base is made of silicon. ことを特徴とするパターン形成方法。The pattern formation method characterized by the above-mentioned.
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