(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に光酸発生剤及び光塩基発生剤を含むフォトレジスト層を形成するステップと、
前記フォトレジスト層を一次露光して、一次露光部に前記光酸発生剤から酸を発生させるステップと、
前記一次露光部の一部を二次露光して、二次露光部に前記光塩基発生剤から塩基を発生させて、前記酸を中和させるステップと、
前記一次及び二次露光されたフォトレジスト層をベークして、前記一次露光部のうち前記酸が発生したフォトレジスト層をデブロッキングさせるステップと、
前記デブロッキングされたフォトレジスト層を現像液で除去することで、フォトレジストパターンを形成するステップと、を含むことを特徴とする半導体素子のパターンの形成方法。
【請求項２】
前記一次露光及び二次露光は、それぞれライン・アンド・スペースパターンを有する第１マスク及び第２マスクを利用して行うことで、前記フォトレジストパターンをライン・アンド・スペースパターンとして形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子のパターンの形成方法。
【請求項３】
前記第２マスクのラインパターンの幅は、第１マスクのラインパターンの幅より広く、前記第２マスクのスペースパターンの幅は、第１マスクのスペースパターンの幅より狭いことを特徴とする請求項２に記載の半導体素子のパターンの形成方法。
【請求項４】
前記一次露光は、第１方向にライン・アンド・スペースパターンを有する第１マスクを利用して行い、前記二次露光は、前記第１方向と垂直方向である第２方向にライン・アンド・スペースパターンを有する第２マスクを利用して行うことで、前記フォトレジストパターンをコンタクトホールパターンとして形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子のパターンの形成方法。
【請求項５】
前記一次露光は、基板上に形成されたフォトレジスト層の全面を露光するブランク露光を行い、二次露光は、コンタクトホールマスクパターンを有するブライトフィールドマスクを利用して行うことで、前記フォトレジストパターンをコンタクトホールパターンとして形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子のパターンの形成方法。
【請求項６】
前記一次露光は、基板上に形成されたフォトレジスト層の全面を露光するブランクマスクを利用してブランク露光を行い、二次露光は、トレンチパターンを有するブライトマスクを利用して行うことで、前記フォトレジストパターンをトレンチパターンとして形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体素子のパターンの形成方法。
【請求項７】
前記フォトレジスト層は、ポジティブ型フォトレジスト層であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子のパターンの形成方法。
【請求項８】
前記酸が発生した前記露光部のフォトレジスト層は、塩基現像液を利用して除去する前記フォトレジストパターンを形成することを特徴とする請求項７に記載の半導体素子のパターンの形成方法。
【請求項９】
前記一次露光は、第１露光ドーズで行い、前記二次露光は、前記第１露光ドーズより大きい第２露光ドーズで行うことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子のパターンの形成方法。
【請求項１０】
基板上にエッチング対象層を形成するステップと、
前記エッチング対象層上に、光酸発生剤及び光塩基発生剤を含むフォトレジスト層を形成するステップと、
前記フォトレジスト層を一次露光して、一次露光部に前記光酸発生剤から酸を発生させ、非露光部に第１フォトレジストイメージパターンを具現するステップと、
前記一次露光部の一部を二次露光して、二次露光部に前記光塩基発生剤から塩基を発生させて、前記酸を中和させることで、第２フォトレジストイメージパターンを具現するステップと、
前記一次及び二次露光されたフォトレジスト層をベークして、前記一次露光部のうち酸が発生したフォトレジスト層をデブロッキングさせるステップと、
前記デブロッキングされたフォトレジスト層を現像液で除去することで、前記第１フォトレジストイメージパターン及び前記第２フォトレジストイメージパターンから構成されるフォトレジストパターンを形成するステップと、
前記フォトレジストパターンをマスクとして、前記エッチング対象層をエッチングするステップと、を含むことを特徴とする半導体素子のパターンの形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の製造方法に係り、特に半導体素子のパターンの形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子のデザインルールが急激に減少するにつれて、半導体素子の微細パターンを具現するのに当たり、フォトリソグラフィ工程はその解像限界に至っている。かかるフォトリソグラフィ工程における解像限界を克服するために、ダブルパターニング技術（Ｄｏｕｂｌｅ  Ｐａｔｔｅｒｎｉｎｇ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、  ＤＰＴ）が研究されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明が解決しようとする課題は、既存の露光設備の解像限界を克服できる半導体素子のパターンの形成方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
前述した課題を解決するためになされた、本発明の一実施形態による半導体素子のパターンの形成方法は、基板上に光酸発生剤及び光塩基発生剤を含むフォトレジスト層を形成するステップと、前記フォトレジスト層を一次露光して、一次露光部に前記光酸発生剤から酸を発生させるステップと、前記一次露光部の一部を二次露光して、二次露光部に前記光塩基発生剤から塩基を発生させて、前記酸を中和させるステップと、前記一次及び二次露光されたフォトレジスト層をベークして、前記一次露光部のうち前記酸が発生したフォトレジスト層をデブロッキングさせるステップと、前記デブロッキングされたフォトレジスト層を現像液で除去することで、フォトレジストパターンを形成するステップと、を含む。
【０００５】
本発明の一実施形態において、前記一次露光及び二次露光は、それぞれライン・アンド・スペースパターンを有する第１マスク及び第２マスクを利用して行うことで、前記フォトレジストパターンをライン・アンド・スペースパターンとして形成する。
前記第１マスク及び第２マスクのスペースパターンは、前記一次及び二次露光時に光が通過する部分であってもよい。
【０００６】
本発明の一実施形態において、前記第２マスクのラインパターンの幅は、第１マスクのラインパターンの幅より広く、前記第２マスクのスペースパターンの幅は、第１マスクのスペースパターンの幅より狭い。
【０００７】
本発明の一実施形態において、前記一次露光は、第１方向にライン・アンド・スペースパターンを有する第１マスクを利用して行い、前記二次露光は、前記第１方向と垂直方向である第２方向にライン・アンド・スペースパターンを有する第２マスクを利用して行うことで、前記フォトレジストパターンをコンタクトホールパターンとして形成する。
前記一次露光は、基板上に形成されたフォトレジスト層の全面を露光するブランク露光を行い、二次露光は、コンタクトホールマスクパターンを有するブライトフィールドマスクを利用して行うことで、前記フォトレジストパターンをコンタクトホールパターンとして形成する。
【０００８】
本発明の一実施形態において、前記一次露光は、基板上に形成されたフォトレジスト層の全面を露光するブランクマスクを利用してブランク露光を行い、二次露光は、トレンチパターンを有するブライトマスクを利用して行うことで、前記フォトレジストパターンをトレンチパターンとして形成する。
【０００９】
本発明の一実施形態において、前記フォトレジスト層は、ポジティブ型フォトレジスト層であってもよい。
前記酸が発生した前記露光部のフォトレジスト層は、塩基現像液を利用して除去する前記フォトレジストパターンを形成する。
前記一次露光は、第１露光ドーズで行い、前記二次露光は、前記第１露光ドーズより大きい第２露光ドーズで行う。
【００１０】
また、本発明の一実施形態による半導体素子のパターンの形成方法は、基板上にエッチング対象層を形成するステップと、前記エッチング対象層上に、光酸発生剤及び光塩基発生剤を含むフォトレジスト層を形成するステップと、前記フォトレジスト層を一次露光して、一次露光部に前記光酸発生剤から酸を発生させ、非露光部に第１フォトレジストイメージパターンを具現するステップと、前記一次露光部の一部を二次露光して、二次露光部に前記光塩基発生剤から塩基を発生させて、前記酸を中和させることで、第２フォトレジストイメージパターンを具現するステップと、前記一次及び二次露光されたフォトレジスト層をベークして、前記一次露光部のうち酸が発生したフォトレジスト層をデブロッキングさせるステップと、前記デブロッキングされたフォトレジスト層を現像液で除去することで、前記第１フォトレジストイメージパターン及び前記第２フォトレジストイメージパターンから構成されるフォトレジストパターンを形成するステップと、前記フォトレジストパターンをマスクとして、前記エッチング対象層をエッチングするステップと、を含む。
【００１１】
本発明の一実施形態において、前記一次露光は、第１露光ドーズで行い、前記二次露光は、前記第１露光ドーズより大きい第２露光ドーズで行う。
本発明の一実施形態において、前記フォトレジスト層は、ポジティブ型フォトレジスト層で形成し、前記デブロッキングされた前記露光部のフォトレジスト層は、塩基現像液を利用して除去する。
【００１２】
本発明の一実施形態において、前記一次露光は、ライン・アンド・スペースパターンを有する第１マスクを利用して行って、ピッチＰを有する前記第１フォトレジストイメージパターンを形成し、前記二次露光は、ライン・アンド・スペースパターンを有する第２マスクを利用して行って、前記第１フォトレジストイメージパターン内に、前記ピッチＰを有する前記第２フォトレジストイメージパターンを形成することで、前記フォトレジストパターンは、半ピッチ（Ｐ／２）のライン・アンド・スペースパターンとして形成する。
【００１３】
本発明の一実施形態において、前記一次露光は、第１方向にライン・アンド・スペースパターンを有する第１マスクを利用して行い、前記二次露光は、前記第１方向と垂直方向である第２方向にライン・アンド・スペースパターンを有する第２マスクを利用して行うことで、前記フォトレジストパターンをコンタクトホールパターンとして形成する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による半導体素子のパターンの形成方法は、光酸発生剤及び光塩基発生剤を含むフォトレジスト層を利用する。前記フォトレジスト層を一次及び二次露光して、フォトレジストパターンを形成する。特に、一次露光部に一部を二次露光して、二次露光部に前記光塩基発生剤から塩基を発生させて、酸を中和させるステップを含む。
本発明によれば、ポジティブ型フォトレジスト及び塩基性現像液を利用した単純な工程でダブルパターニング工程を行えるので、既存の露光設備の解像限界を克服できる半導体素子のパターンの形成方法を提供できる。
また、本発明による半導体素子のパターンの形成方法は、多様なパターンを形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態による半導体素子のパターンの形成方法を説明するための断面図である。
【図２】本発明の一実施形態による半導体素子のパターンの形成方法を説明するための断面図である。
【図３】本発明の一実施形態による半導体素子のパターンの形成方法を説明するための断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による半導体素子のパターンの形成方法を説明するための断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による半導体素子のパターンの形成方法を説明するためのフローチャートである。
【図６】図２の露光に利用されるマスクの平面図である。
【図７】図３の露光に利用されるマスクの平面図である。
【図８】本発明の他の実施形態による半導体素子のパターンの形成方法を説明するための平面図である。
【図９】本発明の他の実施形態による半導体素子のパターンの形成方法を説明するための平面図である。
【図１０】本発明の他の実施形態による半導体素子のパターンの形成方法を説明するための平面図である。
【図１１】本発明の他の実施形態による半導体素子のパターンの形成方法を説明するための平面図である。
【図１２】図９の露光に利用されるマスクの平面図である。
【図１３】図１０の露光に利用されるマスクの平面図である。
【図１４】本発明のさらに他の実施形態による半導体素子のパターンの形成方法を説明するための平面図である。
【図１５】本発明のさらに他の実施形態による半導体素子のパターンの形成方法を説明するための平面図である。
【図１６】本発明のさらに他の実施形態による半導体素子のパターンの形成方法を説明するための平面図である。
【図１７】図１５の露光に利用されるマスクの平面図である。
【図１８】本発明のさらに他の実施形態による半導体素子のパターンの形成方法を説明するための平面図である。
【図１９】本発明のさらに他の実施形態による半導体素子のパターンの形成方法を説明するための平面図である。
【図２０】図１８の露光に利用されるマスクの平面図である。
【図２１】図１５及び図１８のコンタクトホールイメージパターン及びトレンチイメージパターンを形成する時、マスクに照射される光強度を説明するために示すグラフである。
【図２２】本発明のさらに他の実施形態による半導体素子のパターンの形成方法を説明するための断面図である。
【図２３】本発明のさらに他の実施形態による半導体素子のパターンの形成方法を説明するための断面図である。
【図２４】本発明のさらに他の実施形態による半導体素子のパターンの形成方法を説明するための断面図である。
【図２５】本発明のさらに他の実施形態による半導体素子のパターンの形成方法を説明するための断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付の図面を参照して、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。
本発明の実施形態は、当業者に本発明をより完全に説明するために提供されるものであり、下記実施形態は様々な他の形態に変形できるので、本発明の範囲が下記実施形態に限定されるものではない。それらの実施形態は、本開示を、より充実かつ完全にし、当業者に本発明の思想を完全に伝達するために提供されるものである。また、図面において、各層の厚さやサイズは、説明の便宜及び明確性のために誇張されたものである。
【００１７】
明細書の全体にわたって、膜、層、領域、基板、又はチップのような一つの構成要素が、他の構成要素“上に”、“連結されて”、又は“カップリングされて”位置する、と言及する時は、前記一つの構成要素が直接的に他の構成要素“上に”、“連結されて”、又は“カップリングされて”接触するか、又はその間に挟まれる他の構成要素が存在すると解釈されてもよい。同じ符号は、同じ要素を指す。本明細書で使われたように、用語“及び／又は”は、該当列挙された項目のうち何れか一つ及び一つ以上のあらゆる組み合わせを含む。
【００１８】
本明細書において、第１、第２などの用語が多様な部材、部品、領域、層及び／又は部分を説明するために使われるが、それらの部材、部品、領域、層及び／又は部分は、それらの用語により限定されてはならないことは自明である。それらの用語は、一つの部材、部品、領域、層又は部分を他の領域、層又は部分と区別するためにのみ使われる。従って、後述する第１部材、部品、領域、層又は部分は、本発明の思想内において、第２部材、部品、領域、層又は部分と言いかえられる。
【００１９】
また、“上部の”又は“上の”及び“下部の”又は“下の”のような相対的な用語は、図面で図解されるように、他の要素についてのある要素の関係を記述するためにここで使われる。相対的な用語は、図面で描写される方向に追加して、素子の他の方向を含むことを意図すると理解される。例えば、図面で素子がひっくり返されるならば、他の要素の上部の面上に存在するものと描写される要素は、前記他の要素の下部の面上に方向を有する。従って、例として挙げた“上部の”という用語は、図面の特定の方向に依存して“下部の”及び“上部の”方向をいずれも含む。素子が他の方向に向かうならば（他の方向に対して９０°回転）、本明細書に使われる相対的な説明は、それによって解釈される。
【００２０】
本明細書で使われた用語は、特定の実施形態を説明するために使われ、本発明を制限するためのものではない。本明細書で使われたように、単数の形態は、文脈上、取りたてての場合を明確に指すものでなければ、複数の形態を含む。また、本明細書で使われる場合、“含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）”及び／又は“含んだ（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）”は、言及した形状、数字、ステップ、動作、部材、要素及び／又はそれらのグループの存在を特定するものであり、一つ以上の他の形状、数字、動作、部材、要素及び／又はグループの存在又は付加を排除するものではない。
【００２１】
以下、本発明の実施形態は、本発明の理想的な実施形態を概略的に示す図面を参照して説明する。図面において、例えば、製造技術及び／又は公差によって、示された形状の変形が予想される。従って、本発明の実施形態は、本明細書に示された領域の特定の形状に制限されたものと解釈されてはならず、例えば、製造上、もたらされる形状の変化を含まねばならない。以下の本発明の思想は、個別的な実施形態として、又は実施形態を組み合わせて具現される。
【００２２】
図１乃至図４は、本発明の一実施形態による半導体素子のパターンの形成方法を説明するための断面図であり、図５は、本発明の一実施形態による半導体素子のパターンの形成方法を説明するためのフローチャートであり、図６及び図７は、それぞれ図２及び図３の露光に利用されるマスクの平面図である。
【００２３】
図１及び図５を参照すれば、半導体基板１００上にフォトレジスト層１０２を形成する（ステップＳ１０）。半導体基板１００は、ＩＶ族の半導体基板、ＩＩＩ−Ｖ族の化合物半導体基板、又はＩＩ−ＶＩ族の酸化物半導体基板を備える。例えば、ＩＶ族の半導体基板は、シリコン基板、ゲルマニウム基板、又はシリコン・ゲルマニウム基板を含む。半導体基板１００は、バルクウェーハ又はエピタキシャル層を備える。本実施形態において、半導体基板１００は、上部の部分に活性領域、素子分離膜、導電層及び絶縁層などを備える。
【００２４】
フォトレジスト層１０２は例えば、ネガティブ型フォトレジスト層より解像度の高いポジティブ型フォトレジスト層であり、化学増幅型フォトレジスト層であり、ＫｒＦエキシマーレーザー（波長２４８ｎｍ）用のフォトレジスト層、ＡｒＦエキシマーレーザー（波長１９３ｎｍ）用のフォトレジスト層、又はＦ２エキシマーレーザー（波長１５７ｎｍ）用のフォトレジスト層、又は極紫外線（ｅｘｔｒｅｍｅ  ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ、  ＥＵＶ）（波長１３．５ｎｍ）用のフォトレジスト層の何れかである。
【００２５】
フォトレジスト層１０２は、光酸発生剤（ｐｈｏｔｏ  ａｃｉｄ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ、  ＰＡＧ）及び光塩基発生剤（ｐｈｏｔｏ  ｂａｓｅ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ、  ＰＢＧ）を含む。光酸発生剤は、低い露光ドーズで酸を発生させる光効率が高いものを利用する。光塩基発生剤は、前記光酸発生剤より光効率が低いので、高い露光ドーズで塩基を発生させるものを利用する。
【００２６】
フォトレジスト層１０２は、例えば、（メタ）アクリレート系ポリマーが利用される。前記（メタ）アクリレート系ポリマーは、特に、脂肪族（メタ）アクリレート系ポリマーであり、例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリ（ｔ−ブチルメタクリレート）、ポリ（メタクリル酸）、ポリ（ノルボニルメタクリレート）、前記（メタ）アクリレート系ポリマーを反復単位とする二元又は三元の共重合体（ｄｉ−ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ、又はｔｒｉ−ｃｏｐｏｌｙｍｅｒ）、又はそれらの混合物である。
【００２７】
光酸発生剤は、ＫｒＦエキシマーレーザー（波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマーレーザー（波長１９３ｎｍ）、Ｆ２エキシマーレーザー（波長１５７ｎｍ）、ＥＵＶエキシマーレーザー（波長１３．５ｎｍ）のうち選択される何れか一つの光に露光されれば、酸を発生させるものである。光酸発生剤は、例えば、オニウム塩、ハロゲン化合物、ニトロベンジルエステル類、アルキルスルフォネート類、ジアゾナフトキノン類、イミノスルフォネート類、ジスルフォン類、ジアゾメタン類、スルフォニルオキシケトン類などである。
【００２８】
光塩基発生剤は、ＫｒＦエキシマーレーザー（波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマーレーザー（波長１９３ｎｍ）、Ｆ２エキシマーレーザー（波長１５７ｎｍ）、ＥＵＶエキシマーレーザー（波長１３．５ｎｍ）のうち選択される何れか一つの光に露光されれば、塩基を発生させるものである。光塩基発生剤は、カルバメート系化合物、ベンジルオキシカルボニル系化合物、Ｏ−アシルオキシム系化合物などである。
【００２９】
図２、図５及び図６を参照すれば、第１マスク１０４を利用して、フォトレジスト層１０２に光１０５を照射して一次露光する（ステップＳ３０）。一次露光に利用される光は、ＫｒＦエキシマーレーザー（２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマーレーザー（１９３ｎｍ）、Ｆ２エキシマーレーザー（１５７ｎｍ）、又はＥＵＶエキシマーレーザー（１３．５ｎｍ）である。一次露光は、第１露光ドーズ、例えば、数ｍＪ乃至数十ｍＪで行う。具体的には第１露光ドーズは、５ｍＪ乃至９０ｍＪとする。
【００３０】
一次露光により、フォトレジスト層１０２は、一次露光部Ｅ１と一次非露光部ＵＥ１とに区分される。一次露光により、一次露光部Ｅ１のフォトレジスト層１０２ａには、光酸発生剤から酸１０８が発生する。一次非露光部ＵＥ１は、露光されていないので酸が発生しない。
また、一次露光によっても、一次非露光部ＵＥ１のフォトレジスト層１０２ｂは塩基不溶性を有するので、後工程、即ち、現像工程を通じても除去されない第１フォトレジストイメージパターン１０６となる。第１フォトレジストイメージパターン１０６は、ピッチＰを有するように形成する。第１フォトレジストイメージパターン１０６のピッチＰは、露光装置により形成される最小ピッチである。
【００３１】
第１マスク１０４は、図６に示すように、第１方向、例えば、Ｘ方向にライン・アンド・スペース（Ｌ／Ｓ）パターンを有する。ラインパターンＬ及びスペースパターンＳの幅の比率が１：３である。第１マスク１０４において、ラインパターンＬは、光１０５が通過しない部分であり、スペースパターンＳは、光１０５が通過する部分である。
【００３２】
図３、図５及び図７を参照すれば、第２マスク１１０を利用して、フォトレジスト層１０２に光１０５を照射して、二次露光する（ステップＳ５０）。二次露光は、酸１０８が発生した一次露光部Ｅ１の一部のフォトレジスト層１０２ａに光１０５を照射する。二次露光に利用される光は、ＫｒＦエキシマーレーザー（２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマーレーザー（１９３ｎｍ）、Ｆ２エキシマーレーザー（１５７ｎｍ）、又はＥＵＶエキシマーレーザー（１３．５ｎｍ）である。二次露光は、第１露光ドーズより大きい第２露光ドーズ、例えば、数百ｍＪで行う。具体的には第２露光ドーズは、１００ｍＪ乃至５００ｍＪとする。二次露光により、フォトレジスト層１０２は、二次露光部Ｅ２と二次非露光部ＵＥ２とに区分される。
【００３３】
二次露光により、一次露光部Ｅの一部である二次露光部Ｅ２、即ち、フォトレジスト層１０２ａの一部に光塩基発生剤から塩基１１４を発生させて、酸１０８を中和させる。二次非露光部ＵＥ２は、塩基が発生しないので、酸１０８が中和されない。
【００３４】
また、二次露光により酸が中和された部分である二次露光部Ｅ２は、塩基不溶性に変化する。換言すれば、二次露光により酸が中和された部分である二次露光部Ｅ２に、後工程、即ち、現像工程を通じても除去されない第２フォトレジストイメージパターン１１２を具現する。第２フォトレジストイメージパターン１１２は、ピッチＰを有するように形成される。第２フォトレジストイメージパターン１１２のピッチＰは、露光装置により形成される最小ピッチである。
【００３５】
第２マスク１１０は、図７に示すように、第１方向、例えば、Ｘ方向にライン・アンド・スペース（Ｌ／Ｓ）パターンを有する。第２マスク１１０において、ラインパターンＬは、光１０５が通過しない部分であり、スペースパターンＳは、光１０５が通過する部分である。第２マスク１１０のラインパターンＬの幅は、第１マスク１０４のラインパターンＬの幅より広く、第２マスク１１０のスペースパターンＳの幅は、第１マスク１０４のスペースパターンＳの幅より狭く形成されている。例えば、第２マスク１１０において、ラインパターンＬ及びスペースパターンＳの幅の比率が３：１である。
【００３６】
図４及び図５を参照すれば、一次及び二次露光されたフォトレジスト層１０２をベークする（ステップＳ７０）。ベーク工程は、約５０℃乃至２００℃の温度で行う。ベーク工程を通じて、一次露光部のうち酸１０８が発生したフォトレジスト層１０２ａをデブロッキングさせる。即ち、ベーク工程を通じて、酸が拡散されて、一次露光部のフォトレジスト層１０２ａでデブロッキング反応が発生する。これによって、酸１０８が発生したフォトレジスト層１０２ａは、塩基溶解性が増大するので、塩基可溶性に変化する。
【００３７】
次いで、デブロッキングされたフォトレジスト層１０２ａを塩基性現像液、例えば、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）で除去する現像工程を行う（ステップＳ９０）。ＴＭＡＨ水溶液の濃度は、例えば、約２重量％乃至約５重量％である。本発明の一実施形態においては、有機溶媒を利用せず、塩基性現像液を利用して現像工程を行う。
【００３８】
現像工程を通じて、デブロッキングされたフォトレジスト層１０２ａを除去することで、第１フォトレジストイメージパターン１０６及び第２フォトレジストイメージパターン１１２の二重イメージパターンからなるフォトレジストパターン１１８を形成する。
【００３９】
フォトレジストパターン１１８は、第１マスク及び第２マスクを通じて具現されて、ライン・アンド・スペースパターンとして形成される。フォトレジストパターン１１８は、露光装置により形成される第１フォトレジストイメージパターン１０６及び第２フォトレジストイメージパターン１１２の共通の最小ピッチＰの半分である（Ｐ／２）ピッチを有するように形成される。
【００４０】
このように、本発明による半導体素子のパターンの形成方法は、ポジティブ型フォトレジスト及び塩基性現像液を利用でき、単純な工程でダブルパターニング工程を行える。
【００４１】
図８乃至図１１は、本発明の他の実施形態による半導体素子のパターンの形成方法を説明するための平面図であり、図１２及び図１３は、それぞれ図９及び図１０の露光に利用されるマスクの平面図である。
【００４２】
図８乃至図１１は、図１乃至図４と比較する時、フォトレジストパターン２１８がライン・アンド・スペースパターンを形成するものではなく、コンタクトホール２０９を有するコンタクトホールパターンとして形成するものである、ことを除いては同一である。図８乃至図１１において、図１乃至図４と同じ参照番号は、同じ部材を表す。
【００４３】
図８を参照すれば、基板１００上にフォトレジスト層１０２を形成する。フォトレジスト層１０２は、前述したように、光酸発生剤（ＰＡＧ）及び光塩基発生剤（ＰＢＧ）を含む。基板１００やフォトレジスト層１０２については前述したので、省略する。
【００４４】
図９及び図１２を参照すれば、図１２に示すように、第１方向、例えば、Ｘ方向にライン・アンド・スペース（Ｌ／Ｓ）パターンを有する第１マスク２０４を利用して、フォトレジスト層１０２に光１０５を照射して、一次露光する。一次露光時に利用される光及び露光ドーズは、前述したものと同一である。一次露光により、フォトレジスト層１０２は、一次露光部Ｅ１と一次非露光部ＵＥ１とに区分される。
【００４５】
一次露光により、一次露光部Ｅ１のフォトレジスト層１０２ａには、光酸発生剤から酸１０８が発生する。また、一次露光により、一次非露光部ＵＥ１のフォトレジスト層１０２ｂは塩基不溶性を有するので、後工程、即ち、現像工程を通じても除去されない第１フォトレジストイメージパターン２０６となる。第１フォトレジストイメージパターン２０６は、第１方向、例えば、Ｘ方向にピッチＰを有するように形成される。第１フォトレジストイメージパターン２０６のピッチＰは、露光装置により形成される最小ピッチである。
【００４６】
第１マスク２０４において、ラインパターンＬ及びスペースパターンＳの幅の比率が１：１である。第１マスク２０４において、ラインパターンＬは、光１０５が通過しない部分であり、スペースパターンＳは、光１０５が通過する部分である。
【００４７】
図１０及び図１３を参照すれば、図１３に示すように、第１方向と垂直方向である第２方向、即ち、Ｙ方向にライン・アンド・スペース（Ｌ／Ｓ）パターン（Ｌ／Ｓ）を有する第２マスク２１０を利用して、フォトレジスト層１０２に光１０５を照射して、二次露光する。二次露光により、フォトレジスト層１０２は、二次露光部Ｅ２と二次非露光部ＵＥ２とに区分される。二次露光時に利用される光及び露光ドーズは、前述したものと同一である。
【００４８】
二次露光により、一次露光部Ｅの一部、即ち、フォトレジスト層１０２ａの一部に光塩基発生剤から塩基１１４を発生させて、酸１０８を中和させる。また、二次露光により酸が中和された部分である二次露光部Ｅ２は、塩基不溶性を有して、後工程、即ち、現像工程を通じても除去されない第２フォトレジストイメージパターン２１２を具現する。第２フォトレジストイメージパターン２１２は、第２方向にピッチＰを有するように形成される。第２フォトレジストイメージパターン２１２のピッチＰは、露光装置により形成される最小ピッチである。
【００４９】
第２マスク２１０において、ラインパターンＬは、光１０５が通過しない部分であり、スペースパターンＳは、光１０５が通過する部分である。第２マスク２１０において、ラインパターンＬ及びスペースパターンＳの幅の比率が１：１である。第１マスク２０４及び第２マスク２１０は、同じマスクを利用できる。即ち、一次露光及び二次露光時に、露光装置に装着されるマスク方向を９０°回転して装着すれば、第１マスク２０４及び第２マスク２１０は、同じマスクを利用できる。
【００５０】
図１１を参照すれば、図４で前述したように、一次及び二次露光されたフォトレジスト層１０２をベークして、一次露光部Ｅ１のうち酸１０８が発生したフォトレジスト層１０２ａをデブロッキングさせる。これによって、酸１０８が発生したフォトレジスト層１０２ａは、塩基溶解性が増大するので、塩基可溶性に変化する。
次いで、デブロッキングされたフォトレジスト層１０２ａを塩基性現像液、例えば、ＴＭＡＨで除去する現像工程を行って、コンタクトホール２０９を形成する。これによって、第１フォトレジストイメージパターン２０６及び第２フォトレジストイメージパターン２１２の二重イメージパターンからなるフォトレジストパターン２１８を形成する。フォトレジストパターン２１８は、内部にコンタクトホール２０９が形成されているコンタクトホールパターンとして形成される。
【００５１】
図１４乃至図１６は、本発明のさらに他の実施形態による半導体素子のパターンの形成方法を説明するための平面図であり、図１７は、図１５の露光に利用されるマスクの平面図である。
【００５２】
図１４乃至図１６は、図８乃至図１１と比較する時、ブランク露光を行い、ブライトフィールドマスクを利用して、コンタクトホール３１６を有するフォトレジストパターン３１８を形成することを除いては同一である。図１４乃至図１６において、図８乃至図１１と同じ参照番号は、同じ部材を表す。
【００５３】
まず、図８に示すように、基板１００上にフォトレジスト層１０２を形成する。フォトレジスト層１０２は、前述したように、光酸発生剤（ＰＡＧ）及び光塩基発生剤（ＰＢＧ）を含む。基板１００及びフォトレジスト層１０２については前述したので、省略する。
【００５４】
図１４を参照すれば、フォトレジスト層１０２の全面に光を照射するブランク露光により一次露光を行う。一次露光されたフォトレジスト層１０２ａには、光酸発生剤から酸１０８を発生させる。一次露光部Ｅ１は、フォトレジスト層１０２ａの全表面となる。一次露光時に利用される光及び露光ドーズは、前述したものと同一である。
【００５５】
図１５及び図１７を参照すれば、図１７のような第２マスク３１０を利用して、ブランク露光されたフォトレジスト層１０２に光を照射して、二次露光する。二次露光により、一次露光されたフォトレジスト層１０２ａは、二次露光部Ｅ２と二次非露光部ＵＥ２とに区分される。一次露光時に利用される光及び露光ドーズは、前述したものと同一である。
【００５６】
二次露光により、一次露光部Ｅ１の一部、即ち、フォトレジスト層１０２ａの一部に、光塩基発生剤から塩基１１４が発生して、酸１０８を中和する。また、二次露光により二次露光されて中和されたフォトレジスト層３１２が形成され、二次非露光部ＵＥ２に、フォトレジストイメージパターン３１４を具現する。フォトレジストイメージパターン３１４は、コンタクトホールイメージパターンである。
【００５７】
図１７に示した第２マスク３１０は、ダークフィールドマスクではなく、ブライトフィールドマスクである。ブライトフィールドマスクは、イメージパターンが具現される狭い面積の部分は光が通過せず、イメージパターンが具現されていない広い面積の部分は光が通過するマスクである。ダークフィールドマスクは、ブライトフィールドマスクと比較する時、光の通過する部分が逆になる。
【００５８】
第２マスク（ブライトフィールドマスク）３１０において、コンタクトホールマスクパターン３１５ａは、光が通過しない部分であり、周辺の部分３１５ｂは、光が通過する部分である。ブライトフィールドマスクは、ダークフィールドマスクに比べて光強度を高め、解像度を向上できる。
【００５９】
図１６を参照すれば、図１１で前述したように、一次及び二次露光されたフォトレジスト層１０２をベークして、一次露光部Ｅ１のうち酸１０８が発生したフォトレジスト層１０２ａをデブロッキングさせる。これによって、酸１０８が発生したフォトレジスト層１０２ａは、塩基溶解性が増大するので、塩基可溶性に変化する。
【００６０】
次いで、デブロッキングされたフォトレジスト層１０２ａを塩基性現像液、例えば、ＴＭＡＨで除去する現像工程を行って、コンタクトホール３１６を形成する。これによって、コンタクトホール３１６を有するフォトレジストパターン３１８を形成する。フォトレジストパターン３１８は、内部にコンタクトホール３１６が形成されているコンタクトホールパターンとして形成される。
【００６１】
図１８及び図１９は、本発明のさらに他の実施形態による半導体素子のパターンの形成方法を説明するための平面図であり、図２０は、図１８の露光に利用されるマスクの平面図である。
【００６２】
図１８及び図１９は、図１４乃至図１６と比較する時、トレンチ４１６を有するフォトレジストパターン４１８を形成することを除いては同一である。図１８及び図１９において、図１４乃至図１６と同じ参照番号は、同じ部材を表す。
【００６３】
まず、図８に示すように、基板１００上にフォトレジスト層１０２を形成する。フォトレジスト層１０２は、前述したように、光酸発生剤（ＰＡＧ）及び光塩基発生剤（ＰＢＧ）を含む。基板１００やフォトレジスト層１０２については前述したので、省略する。
【００６４】
次いで、図１４に示すように、フォトレジスト層１０２の全面に光を照射するブランク露光により一次露光を行う。一次露光時に利用される光及び露光ドーズは、前述したものと同一である。一次露光されたフォトレジスト層１０２ａには、光酸発生剤から酸１０８が発生する。一次露光部Ｅ１は、フォトレジスト層１０２ａの全表面となる。
【００６５】
図１８を参照すれば、図２０のような第２マスク４１０を利用して、ブランク露光されたフォトレジスト層１０２に光を照射して、二次露光する。二次露光により、一次露光されたフォトレジスト層１０２ａは、二次露光部Ｅ２と二次非露光部ＵＥ２とに区分される。二次露光時に利用される光及び露光ドーズは、前述したものと同一である。
【００６６】
二次露光により、一次露光部Ｅ１の一部、即ち、フォトレジスト層１０２ａの一部には光塩基発生剤から塩基１１４が発生して、酸１０８を中和する。また、二次露光により二次露光されて中和されたフォトレジスト層３１２が形成され、二次非露光部ＵＥ２にフォトレジストイメージパターン４１４を具現する。フォトレジストイメージパターン４１４は、トレンチイメージパターンである。
【００６７】
図２０の第２マスク４１０は、ダークフィールドマスクではないブライトフィールドマスクである。ブライトフィールドマスクは、イメージパターンが具現される狭い面積の部分は光が通過せず、イメージパターンが具現されていない広い面積の部分は光が通過するマスクである。ダークフィールドマスクは、ブライトフィールドマスクと比較する時、光の通過する部分が逆になる。
【００６８】
第２マスク（ブライトフィールドマスク）４１０において、トレンチマスクパターン４１５ａは、光が通過しない部分であり、周辺の部分４１５ｂは、光が通過する部分である。ブライトフィールドマスクは、ダークフィールドマスクに比べて光強度を高め、解像度を向上できる。
【００６９】
図１９を参照すれば、図１１で前述したように、一次及び二次露光されたフォトレジスト層１０２をベークして、一次露光部Ｅ１のうち酸１０８が発生したフォトレジスト層１０２ａをデブロッキングさせる。これによって、酸１０８が発生したフォトレジスト層１０２ａは、塩基溶解性が増大するので、塩基可溶性に変化する。
【００７０】
次いで、デブロッキングされたフォトレジスト層１０２ａを塩基性現像液、例えば、ＴＭＡＨで除去する現像工程を行って、トレンチ４１６を形成する。これによって、トレンチ４１６を有するフォトレジストパターン４１８を形成する。フォトレジストパターン４１８は、内部にトレンチ４１６が形成されているトレンチパターンとして形成される。
【００７１】
図２１は、図１５及び図１８のコンタクトホールイメージパターン及びトレンチイメージパターンを形成する時、マスクに照射される光強度を説明するために示すグラフである。
【００７２】
具体的に、図２１において、ＤＦは、ダークフィールドマスクを表し、ＬＦは、ブライトフィールドマスクを表す。図２１は、図１５及び図１８のコンタクトホールイメージパターン及びトレンチイメージパターンを形成する時、それぞれダークフィールドマスク及びブライトフィールドマスクに照射される光強度を説明したものである。
【００７３】
図２１に示すように、図１５及び図１８のコンタクトホールイメージパターン及びトレンチイメージパターンを形成する時、本発明のようにブライトフィールドマスクに照射される光強度が、ダークフィールドマスクに照射される光強度に比べて非常に優れるということが分かる。これによって、ブライトフィールドマスクを利用する場合、解像度をさらに向上できる。
【００７４】
図２２乃至図２５は、本発明のさらに他の実施形態による半導体素子のパターンの形成方法を説明するための断面図である。
図２２乃至図２５では、便宜上、図１乃至図４のライン・アンド・スペースパターンを形成することを参照して、半導体素子のパターンの形成方法を説明する。しかしながら、本方法は他のパターンの形成、例えば上記他の実施形態におけるパターンの形成にも適用できることはいうまでもない。
【００７５】
図２２を参照すれば、半導体基板１００上にエッチング対象層５０２を形成する。エッチング対象層５０２は、形成しようとするパターンの用途によって、多様な物質で形成される。基板１００上にゲート電極、即ち、ゲートラインを形成する場合には、エッチング対象層５０２は、導電層、例えば、ドーピングされたポリシリコン層、又はドーピングされたポリシリコン層と金属シリサイド層との積層構造で形成される。また、基板１００上にビットラインを形成する場合には、エッチング対象層５０２は、金属、例えば、タングステン又はアルミニウムで形成される。
【００７６】
エッチング対象層５０２上にエッチング補助層５０８を形成する。エッチング補助層５０８は、エッチング対象層５０２のエッチングを容易にするために形成する層である。エッチング補助層５０８は、ハードマスク層５０４、媒介層５０６及び反射防止層５０７を備える。ハードマスク層５０４は、非晶質の炭素層で形成する。媒介層５０６は、酸化窒化シリコン層で形成する。反射防止層５０７は、有機物質層で形成する。
【００７７】
エッチング補助層５０８上に、図２で説明したように、一次露光を通じて第１フォトレジストイメージパターン１０６を形成する。第１フォトレジストイメージパターン１０６のピッチを、Ｐとする。第１フォトレジストイメージパターン１０６のピッチＰは、露光装置の性能により決定される可能な最小値である。図２２では、便宜上、第１フォトレジストイメージパターン１０６を示し、前述したように現像する前には、第１フォトレジストイメージパターン１０６の間にフォトレジスト層が形成されている。
【００７８】
図２３を参照すれば、図３で説明したように、第１フォトレジストイメージパターン１０６の間に、二次露光を通じて第２フォトレジストイメージパターン１１２を形成する。そして、最終的に、図４で説明したように、現像工程を通じて第１フォトレジストイメージパターン１０６及び第２フォトレジストイメージパターン１１２の二重イメージパターンからなるフォトレジストパターン１１８が形成される。フォトレジストパターン１１８のピッチは、第１及び第２フォトレジストイメージパターンの共通のピッチＰの半分であるＰ／２となる。このように、本発明の一実施形態では、複雑な製造工程を経ずに一次露光、二次露光及び現像工程を通じて、露光装置により決定される最小ピッチＰの半分であるＰ／２でフォトレジストパターン１１８を形成できる。
【００７９】
図２４を参照すれば、ピッチがＰ／２のフォトレジストパターン１１８をマスクとして、一回にエッチング補助層５０８及びエッチング対象層５０２をエッチングする。エッチングの順次的な過程は、フォトレジストパターン１１８をマスクとして反射防止層５０７がエッチングされ、フォトレジストパターン１１８及びエッチングされた反射防止層５０７をマスクとして、順次に媒介層５０６、反射防止層５０７及びエッチング対象層５０２がエッチングされる。
【００８０】
図２５を参照すれば、エッチングされたフォトレジストパターン１１８及びエッチングされたエッチング補助層５０８を除去すれば、エッチングパターン５１４が形成される。エッチングパターン５１４のピッチは、フォトレジストパターンのピッチと同じＰ／２となる。このように、本発明の半導体素子のパターンの形成方法は、一次及び二次露光を通じてＰ／２ピッチのフォトレジストパターン１１８を形成し、単純にＰ／２ピッチのフォトレジストパターン１１８をマスクとして、エッチング補助層５０８及びエッチング対象層５０２を直ちにエッチングして、エッチングパターン５１４を形成できる。
【００８１】
以上、本発明を図面に示す実施形態を参考にして説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形、置換及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。従って、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲の技術的思想により決まらねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明は、例えば、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＿Ｓｙｓｔｅｍ）関連の技術分野にも適用可能である。
【符号の説明】
【００８３】
１００    半導体基板、基板
１０２，１０２ａ，１０２ｂ    フォトレジスト層
１０４，２０４    第１マスク
１０５    光
１０６，２０６    第１フォトレジストイメージパターン
１０８    酸
１１０，２１０，３１０，４１０    第２マスク
１１２，２１２    第２フォトレジストイメージパターン
１１８，２１８，３１８，４１８    フォトレジストパターン
２０９，３１６    コンタクトホール
３１２    中和されたフォトレジスト層
３１４，４１４    フォトレジストイメージパターン
３１５ａ    コンタクトホールマスクパターン
３１５ｂ    周辺の部分
４１５ａ    トレンチマスクパターン
４１５ｂ    周辺の部分
４１６    トレンチ
５０２    エッチング対象層
５０４    ハードマスク層
５０６    媒介層
５０７    反射防止層
５０８    エッチング補助層
５１４    エッチングパターン
【図１】
0005980648.tif 000002
【図２】
0005980648.tif 000003
【図３】
0005980648.tif 000004
【図４】
0005980648.tif 000005
【図５】
0005980648.tif 000006
【図６】
0005980648.tif 000007
【図７】
0005980648.tif 000008
【図８】
0005980648.tif 000009
【図９】
0005980648.tif 000010
【図１０】
0005980648.tif 000011
【図１１】
0005980648.tif 000012
【図１２】
0005980648.tif 000013
【図１３】
0005980648.tif 000014
【図１４】
0005980648.tif 000015
【図１５】
0005980648.tif 000016
【図１６】
0005980648.tif 000017
【図１７】
0005980648.tif 000018
【図１８】
0005980648.tif 000019
【図１９】
0005980648.tif 000020
【図２０】
0005980648.tif 000021
【図２１】
0005980648.tif 000022
【図２２】
0005980648.tif 000023
【図２３】
0005980648.tif 000024
【図２４】
0005980648.tif 000025
【図２５】
0005980648.tif 000026