(57)【要約】【課題】露光可能限界寸法よりも小さい間隔のパターンを形成することができる半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】基板１０上に形成された被加工膜１１上にレジスト膜２３を形成する工程と、前記レジスト膜を露光、現像し、第１の方向に伸長し、前記第１の方向に垂直な第２の方向にくびれ部を有する開口パターン３１Ａを形成する工程と、ガス存在雰囲気下で前記レジスト膜上に前記ガスを構成する元素を含む堆積物２４を堆積し、前記くびれ部における前記開口パターンの底部を前記第２の方向に前記堆積物で接続した膜パターン２５を形成する工程と、前記膜パターンが転写されるように、ドライエッチング法によって前記被加工膜をエッチングする工程と、を含む。【選択図】図１−１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された被加工膜上にレジスト膜を形成する第１の工程と、
前記レジスト膜を露光、現像し、第１の方向に伸長し、前記第１の方向に垂直な第２の方向にくびれ部を有する開口パターンを形成する第２の工程と、
ガス存在雰囲気下で前記レジスト膜上に前記ガスを構成する元素を含む堆積物を堆積し、前記くびれ部における前記開口パターンの底部を前記第２の方向に前記堆積物で接続した膜パターンを形成する第３の工程と、
前記膜パターンが転写されるように、ドライエッチング法によって前記被加工膜をエッチングする第４の工程と、
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第１の工程では、前記被加工膜上に、下層レジスト膜と、前記下層レジスト膜のマスクとなる中間膜を順に形成した後に、前記レジスト膜を形成し、
前記第４の工程では、
前記膜パターンをマスクとして、ドライエッチング法によって前記中間膜をエッチングして中間膜パターンを形成する工程と、
前記中間膜パターンをマスクとして、ドライエッチング法によって前記下層レジスト膜をエッチングして下層膜パターンを形成する工程と、
前記下層膜パターンをマスクとして、ドライエッチング法によって前記被加工膜をエッチングする工程と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第２の工程では、露光および現像によって前記レジスト膜上に前記開口パターンを形成するためのパターン形成部を有し、前記パターン形成部の前記第１の方向に平行な外周は、所定の位置で、前記パターン形成部の内部に向かって窪んだ形状を有する露光マスクを用いて、前記レジスト膜の露光を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記第３の工程での前記堆積物の堆積処理と、前記第４の工程での前記エッチング処理は、同一のチャンバ内で行われることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第４の工程では、絶縁膜からなる前記被加工膜を貫通するようにエッチングしてコンタクトホールまたはビアホールを形成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の半導体装置の製造工程においては、被加工膜上にレジストを塗布し、レジストを目的とする形状となるように露光、現像を行ってパターニングしてマスクを形成し、エッチングなどでマスクの寸法を調整し、このマスクを用いて被加工膜をエッチングすることで、パターンを形成している。しかし、近年の半導体装置の微細化に伴って、コンタクトホールやビアホールの径も益々小さくなってきており、露光可能限界以下の寸法となるパターンを形成する技術が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
この特許文献１では、まず、メタル配線を形成した半導体基板上に、無機絶縁膜、有機絶縁膜を順に形成し、形成するビアホールと相似形状の凹部を有機絶縁膜に形成した後、加熱によって有機絶縁膜と反応する上層膜を凹部内と有機絶縁膜上に形成する。ついで、上層膜を加熱処理して上層膜を有機絶縁膜と反応させ、凹部の側面に反応層を成長させる。その後、未反応の上層膜を除去することで、有機絶縁膜に形成した凹部よりも寸法の小さな凹部が得られ、この寸法が縮小した凹部を有する有機絶縁膜を用いて無機絶縁膜にビアホールを形成している。
【０００４】
しかし、今後さらに半導体装置の微細化が進行し、コンタクトホールやビアホールなどのホールパターン間ピッチが露光可能限界寸法よりも小さくなると、隣接するホールパターン間で露光パターンが繋がってしまう。そのため、特許文献１に記載の方法では、目的形状と相似形状の露光パターンを形成することができないので、ホールパターンを形成することができなくなる。つまり、特許文献１に記載の方法では、最初の露光によって形成されたパターンの凹部の径を小さくすることができるが、露光可能限界寸法よりも小さい間隔のホールパターンを形成することができず、凹部の密度を高めることができないという問題点があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−５３７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、露光可能限界寸法よりも小さい間隔のパターンを形成することができる半導体装置の製造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】
【０００７】
本願発明の一態様によれば、基板上に形成された被加工膜上にレジスト膜を形成する第１の工程と、前記レジスト膜を露光、現像し、第１の方向に伸長し、前記第１の方向に垂直な第２の方向にくびれ部を有する開口パターンを形成する第２の工程と、ガス存在雰囲気下で前記レジスト膜上に前記ガスを構成する元素を含む堆積物を堆積し、前記くびれ部における前記開口パターンの底部を前記第２の方向に前記堆積物で接続した膜パターンを形成する第３の工程と、前記膜パターンが転写されるように、ドライエッチング法によって前記被加工膜をエッチングする第４の工程と、を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、露光可能限界寸法よりも小さい間隔のパターンを形成することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１−１】図１−１は、本実施の形態による半導体装置の製造方法の一例を模式的に示すＸ軸方向の断面図である（その１）。
【図１−２】図１−２は、本実施の形態による半導体装置の製造方法の一例を模式的に示すＸ軸方向の断面図である（その２）。
【図２】図２は、本実施の形態による半導体装置の製造工程の一部における上面図である。
【図３】図３は、図２のエッチングされた層の底面図である。
【図４】図４は、本実施の形態による半導体装置の製造工程の一部におけるＹ軸方向の断面図である。
【図５】図５は、くびれ部を有するパターンを形成する露光マスクの一例を示す図である。
【図６】図６は、この実施の形態の方法によって形成された半導体装置の上面の様子を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図７】図７は、変形例によるリソグラフィ後の上層レジストパターンとエッチング後のホールの様子を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に添付図面を参照して、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法を詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。また、以下の実施の形態で用いられる半導体装置の断面図は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係や各層の厚みの比率などは現実のものとは異なる。
【００１１】
図１−１〜図１−２は、本実施の形態による半導体装置の製造方法の一例を模式的に示すＸ軸方向の断面図であり、図２は、本実施の形態による半導体装置の製造工程の一部における上面図であり、図３は、図２のエッチングされた層の底面図であり、図４は、本実施の形態による半導体装置の製造工程の一部におけるＹ軸方向の断面図である。なお、図２と図３において、紙面の左右方向をＸ軸方向とし、紙面内のＸ軸方向に垂直な方向をＹ軸方向としている。
【００１２】
まず、シリコン基板などの基板１０上に、加工対象となる被加工膜１１を形成する（図１−１（ａ））。この被加工膜１１は、たとえば基板１０上に形成された電界効果型トランジスタのゲート電極やソース／ドレイン領域と、上層に形成される配線層との間、あるいは下層に形成される配線層と上層に形成される配線層との間、を電気的に絶縁する層間絶縁膜などの絶縁膜である。また、ここで、基板１０とは、シリコン基板などの半導体基板だけでなく、ガラス基板やこれらの上面に金属膜や絶縁膜などの膜や素子が形成された状態の基板をも含むものとする。
【００１３】
ついで、被加工膜１１上に、下層レジスト２１、中間膜２２および上層レジスト２３を順に形成する（図１−１（ｂ））。下層レジスト２１は、たとえばアセナフチレン系、ポリアリーレン系、フェノール系、ノボラック系などの炭素を含有する化合物（高分子化合物）を有機溶剤に溶解した下層膜溶液を、スピンコート法などの塗布法によって塗布した後、所定の条件で加熱処理を行うことによって形成される。この下層レジスト２１は、反射防止剤を含むものであってもよい。また、この下層レジスト２１は、下地の段差を十分に吸収することが可能な厚さであることが望ましい。
【００１４】
また、中間膜２２は、塗布型絶縁膜（ＳＯＧ（Spin  On  Glass）膜）からなり、塗布法によって下層レジスト２１上に形成される。たとえば、過水素化シラザン重合体溶液をスピンコート法などの塗布法によって下層レジスト２１上に塗布した後、塗布された膜が硬化する温度で加熱処理を行うことで、酸化シリコン膜からなる中間膜２２が形成される。中間膜２２としては、酸化シリコン膜のほかに、酸化チタン、酸化タングステンなどからなる膜であってもよい。
【００１５】
さらに、上層レジスト２３は、中間膜２２上にレジスト溶液を塗布後、その塗膜を加熱処理することによって形成される。上層レジスト２３の材料としては、特に限定されることはなく、光酸発生剤を含有するポジ型またはネガ型の化学増幅型レジストなどを用いることができる。
【００１６】
その後、リソグラフィ技術によって、上層レジスト２３を露光して、アルカリ現像処理を行って、上層レジストパターン２３Ａを形成する（図１−１（ｃ）、図２（ａ）、図３（ａ）、図４（ａ））。露光する光は、レーザ光や紫外線、Ｘ線、電子ビームなどを用いることができるが、特に限定されない。上層レジストパターン２３Ａは、上層レジスト２３内に開口パターン３１Ａが形成されたものである。
【００１７】
図２（ａ）と図３（ａ）に示されるように、上層レジストパターン２３Ａに形成される１つの開口パターン３１Ａは、２つの楕円状のパターンがＸ軸方向に所定の距離だけ重なることによって形成された略楕円状を有しており、その外周のＸ軸方向の中心部付近に、Ｙ軸方向にくびれたくびれ部２３１を有している。そして、この開口パターン３１Ａが、Ｘ軸方向に所定の距離をおいて形成される。また、この開口パターン３１Ａの側面は、上層レジストパターン２３Ａの上面Ｌ１から下面Ｌ２に向かって開口面積が小さくなるテーパ形状を有している。
【００１８】
さらに、図４（ａ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面図であり、この図４（ａ）に示されるように、くびれ部２３１における断面構造においては、対向するくびれ部２３１の間の中心付近５１で、上層レジスト２３が数ｎｍ程度の厚さで残されていることが望ましいが、上層レジスト２３が残されていない状態でもよい。このくびれ部２３１間の中心付近５１からＹ軸方向に離れる（くびれ部２３１に向かう）にしたがって、上層レジスト２３の厚さは増加している。
【００１９】
図５は、くびれ部を有するパターンを形成する露光マスクの一例を示す図である。この図５において、紙面の左右方向をＸ軸とし、Ｘ軸に垂直な方向をＹ軸方向とする。このＸ軸およびＹ軸の方向は、図２と図３のＸ軸およびＹ軸の方向と一致している。この露光マスク７０は、遮光部７１内に、開口パターン３１Ａを形成するための形状を有する透光部７２（パターン形成部）を有する。この透光部７２のＸ軸方向の外周の中心部付近には、開口パターン３１Ａにくびれを設けるために、遮光部７１がパターン内部のＹ軸方向に突出した突出部７１Ａが設けられている。すなわち、透光部７２のＸ軸方向の外周は、その中心部付近で、透光部７２の内部に向かって窪んだ形状を有している。このような露光マスク７０を用いて露光を行うことによって、露光箇所のＸ軸方向中央部付近にくびれ部２３１を有する開口パターン３１Ａを形成することができる。なお、この図４では、上層レジスト２３がポジ型の場合を示したが、使用する上層レジスト２３がネガ型の場合には、遮光部７１と透光部７２とが入れ替わる。
【００２０】
ついで、上層レジストパターン２３Ａ上に炭素を含有する膜（以下、炭素含有膜という）２４を堆積し、上層膜パターン２５を形成する（図１−１（ｄ）、図２（ｂ）、図３（ｂ）、図４（ｂ））。この堆積処理は、後のエッチング処理で使用するたとえばＲＩＥ（Reactive  Ion  Etching）処理装置を用いて行うことができる。ＲＩＥ処理装置のチャンバ内に対向して配置された一対の電極のうち、一方の電極である基板保持手段に基板１０を保持させた後、チャンバ内を所定の真空度にし、ＣＨ3Ｆ，Ｃ4Ｆ6，ＣＨ4などのガスをチャンバ内に導入し、基板保持手段を兼ねる電極に高周波電力を印加して導入したガスをプラズマ化して、上層レジストパターン２３Ａの上面および側面に炭素含有膜２４を形成する。通常、ＣＨ3Ｆ，Ｃ4Ｆ6，ＣＨ4などのガスは、ＲＩＥに用いられるが、その基板温度やガスの流量、高周波電力などの条件を堆積性の強い条件に制御することで、上層レジストパターン２３Ａの下層に位置する中間膜２２をエッチングせずに、上層レジストパターン２３Ａ上に炭素含有膜２４を形成することができる。
【００２１】
図４（ｂ）は、図２（ｂ）のＢ−Ｂ断面図であるが、この図４（ｂ）に示されるように、くびれ部２３１間のＹ軸方向に沿った断面においても炭素含有膜２４は堆積し、くびれ部２３１間の穴底の形状を強調するように、炭素含有膜２４が堆積する。すなわち、上層レジストパターン２３Ａの底部から所定の高さの範囲には、Ｙ軸方向に対向して存在するくびれ部２３１間に炭素含有膜２４が堆積して、分離部２６が形成される。なお、くびれ部２３１間の中心付近５１に上層レジスト２３が残っていない場合でも、図４（ｂ）に示されるように、くびれ部２３１における側壁に炭素含有膜２４が堆積し、Ｙ軸方向に成長していくことで、結果的にくびれ部２３１間の中心付近にも炭素含有膜２４が堆積し、分離部２６が形成される。
【００２２】
この堆積処理によって、開口パターン３１Ａは、炭素含有膜２４が堆積した上層レジストパターン２３Ａの上面Ｌ３では、図２（ｂ）に示されるように、図２（ａ）よりも開口面積が小さくなったくびれ部２３１を有する略楕円形状を有しているが、上層レジストパターン２３Ａの底面Ｌ２では、図３（ｂ）に示されるように、露光可能限界以下の間隔を有する２つの穴形状の開口パターン３１Ｂに分離される。
【００２３】
その後、分離部２６を有する上層膜パターン２５をマスクとして、ＲＩＥ法などのドライエッチング法を用いて中間膜２２のエッチングを行い、中間膜パターン２２Ａを形成する（図１−２（ａ）、図２（ｃ）、図３（ｃ））。ＲＩＥ処理は、ＲＩＥ処理装置のチャンバ内の基板保持手段に基板１０を保持させ、チャンバ内を所定の真空度にした後、ＣＦ4，ＣＨＦ3などのガスをチャンバ内に導入し、基板温度やガスの流量、高周波電力などの条件を堆積性が低く、エッチング性の高い条件に制御することで、中間膜２２のエッチングを行う。
【００２４】
このとき、図２（ｂ）に示されるように、上層レジストパターン２３Ａの上部では１つの開口パターン３１Ａであっても、図３（ｂ）に示されるように、上層レジストパターン２３Ａの底部付近では、２つに分離された穴形状の開口パターン３１Ｂとなっているので、この底部付近の開口パターン３１Ｂの形状が、中間膜２２に転写され、中間膜パターン２２Ａが形成される。
【００２５】
このエッチングによって、上層膜パターン２５もエッチングされる。ここでは、上層膜パターン２５の上面の高さは、くびれ部２３１に形成された炭素含有膜２４の高さとほぼ同じ程度になったものとする。その結果、図２（ｃ）に示されるように、上層膜パターン２５の上面Ｌ４において、図２（ｂ）の場合には１つだった開口パターン３１Ａは、２つの楕円形状の開口パターン３１Ｂに分離される。また、図３（ｃ）に示されるように中間膜パターン２２Ａの底面Ｌ５は、ほぼ上層レジストパターン２３Ａの底面におけるパターン形状が縮小して反映されたものとなる。
【００２６】
ついで、ＲＩＥ法などのドライエッチング法によって、中間膜パターン２２Ａをマスクとして、下層レジスト２１をエッチングし、下層膜パターン２１Ａを形成する（図１−２（ｂ））。この下層膜パターン２１Ａは、下層レジスト２１に開口パターン３１Ｃが形成されたものである。このとき、上層膜パターン２５は、エッチングされて完全に除去され、中間膜パターン２２Ａもエッチングによって厚さが減少している。
【００２７】
さらに、下層膜パターン２１Ａをマスクとして、ＲＩＥ法などのドライエッチング法によって加工対象である被加工膜１１をエッチングして、被加工膜１１を貫通するホール３２を形成する（図１−２（ｃ））。このホール３２は、図３（ｂ）に示した分離部２６を有する上層膜パターン２５における開口パターン３１Ｂが縮小して転写された形状を有しており、使用される露光装置の解像限界以下の間隔を有するピッチで形成されている。また、このとき、中間膜パターン２２Ａがエッチングによって完全に除去され、下層膜パターン２１Ａもエッチングによって厚さが減少している。
【００２８】
その後、下層膜パターン２１Ａをアッシングによって除去することによって、被加工膜１１の上面が露出される。そして、この被加工膜１１に形成されたホール３２には、たとえばバリアメタル膜と金属材料が形成され、コンタクトまたはビアが形成される。
【００２９】
つぎに、実際に実験を行った結果を示す。図６は、この実施の形態の方法によって形成された半導体装置の上面の様子を示す走査型電子顕微鏡写真である。図６（ａ）は、リソグラフィ直後の上層レジストパターン２３Ａの上面の様子を示している。上層レジスト２３に形成された開口パターン３１Ａは、Ｘ方向に伸長し、その中央部付近にくびれが形成されている。
【００３０】
一方の図６（ｂ）は、図６（ａ）の上層レジストパターン２３Ａを用いて、上述した方法にしたがってホール３２を形成した被加工膜１１の上面の様子を示している。ここでは、ＣＨ3Ｆ／Ｃ4Ｆ6／Ｎ2ガスを用いて堆積処理を行い、ＣＦ4／Ｏ2あるいはＣＨＦ3／Ｏ2ガスを用いてエッチング処理を行った。その結果、図６（ａ）のようにＸ方向に伸長した１つのパターンに対応するホールから、２つのホール３２を被加工膜１１に形成することができる。
【００３１】
なお、堆積処理とエッチング処理は、同じチャンバ内で、使用するガスを処理工程ごとに取り替えたり、同じガスでも、基板温度やガスの流量、基板１０に印加する高周波電圧などを処理工程ごとに変えたりすることによって、実行することができる。このように、同じチャンバ内で処理を行うことによって、別々のチャンバ内で各処理を行う場合に比して、処理にかかる時間を短縮化することができる。
【００３２】
また、上述した説明では、堆積処理にはＣＨ3Ｆ，Ｃ4Ｆ6，ＣＨ4などのガスを用いて炭素含有膜２４を形成し、エッチング処理にはＣＦ4，ＣＨＦ3などのガスを用いる場合を示したが、これは一例であり、その他のガスを用いることも可能である。また、同じガス種でも、条件によって堆積処理とエッチング処理を切り替えることも可能である。さらに、エッチング対象である材料によっても、使用できるガスや、堆積処理とエッチング処理を切り分ける条件も異なる。そのため、中間膜２２に用いる材料について、使用するガス種と、堆積処理とエッチング処理を行う条件について予め実験により求めておくことが望ましい。
【００３３】
さらに、上述した説明では、楕円状のパターンの長手方向中央部付近にくびれ部２３１を有する開口パターン３１Ａを、リソグラフィで上層レジスト２３に形成し、この上層レジスト２３に対して堆積処理を行って、上層レジスト２３の底部に開口パターン３１Ａのくびれ部２３１間を接続する分離部２６を形成して、２つの開口パターン３１Ｂに分離した後に、エッチング処理を行って被加工膜１１上に２つのホール３２を形成するようにした。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、変形例として、Ｘ軸方向に伸長したライン状のパターンの長手方向の外周に２つ以上のくびれ部２３１（凹凸）を局所的に形成した上層レジストパターン２３Ａを用いてホール３２の形成を行ってもよい。
【００３４】
図７は、変形例によるリソグラフィ後の上層レジストパターンとエッチング後のホールの様子を模式的に示す図である。図７（ａ）のように、Ｘ軸方向に伸長したライン状の１つのパターンに２箇所のくびれ部２３１を形成し、上記した堆積処理とエッチング処理を行うことによって、図７（ｂ）に示されるように、３つの開口パターン３１Ｂが中間膜２２に形成される。この場合には、図７（ｂ）の開口パターン３１Ｂ間の距離を露光可能限界以下とすることができる。
【００３５】
また、図７（ｃ）のように、Ｘ軸方向に伸長し、所定の間隔でくびれ部２３１を有するライン状の開口パターン３１ＡをＹ軸方向に所定の間隔で形成することによって、図７（ｄ）のように、マトリックス状に開口パターン３１Ｂを中間膜２２に形成することができる。この場合にも、Ｘ軸方向の開口パターン３１Ｂ間の距離を露光可能限界以下とすることができる。
【００３６】
この変形例によれば、レジストを露光、現像して、一方向に伸長した開口に局所的にくびれ部２３１を有するレジストパターンを形成し、このレジストパターンに炭素含有膜２４の堆積を行った後、ＲＩＥ法などのドライエッチングでエッチングを行うようにしたので、レジストパターンの底部付近では、Ｙ軸方向に対向するくびれ部２３１間が炭素含有膜２４によって接続され、（くびれ部２３１の数＋１）個の独立した楕円形状（円形状）のパターンが形成される。その結果、この楕円形状（円形状）のパターンを用いて、被加工膜１１をエッチングすることによって、１つのパターンから複数のコンタクトホールやビアホールなどのホールパターンを形成することができる。また、形成されるホールパターンの間隔は、露光限界以下であるので、形成されるホールの密度を高めることができるという効果を有する。
【符号の説明】
【００３７】
１０…基板、１１…被加工膜、２１…下層レジスト、２１Ａ…下層膜パターン、２２…中間膜、２２Ａ…中間膜パターン、２３…上層レジスト、２３Ａ…上層レジストパターン、２４…炭素含有膜、２５…上層膜パターン、２６…分離部、３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ…開口パターン、３２…ホール、２３１…くびれ部。
【図１−１】
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【図１−２】
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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７】
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【図６】
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