(57)【要約】【課題】露光装置の解像度よりピッチが狭く微細なパターンを形成することができるパターン形成方法を提供する。【解決手段】層間絶縁膜２上形成された窒化シリコン膜３ａ上にレジストを塗布し、リソグラフィにより疎ピッチのレジストパターン４ａを形成する。このレジストパターン４ａをマスクにして窒化シリコン膜３ａを最初の膜厚の（１／２）の厚さだけエッチングした後、レジストパターン４ａを除去する。次に、再度窒化シリコン３ａの上にレジストを塗布し、レジストパターン４ａにより形成されたパターンのラインの間にラインが配置されるようにレジストパターン４ｂを形成し、レジストパターン４ｂをマスクにして窒化シリコン膜３ａを最初の膜厚の（１／２）の厚さだけエッチングする。これにより、窒化シリコンからなり密ピッチのパターンが形成されたハードマスク３を形成し、このハードマスク３をマスクにして層間絶縁膜２をエッチングする。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工部材上にマスク層を形成する工程と、このマスク層をエッチングして所定のパターンが形成されたハードマスクを形成する工程と、このハードマスクをマスクとして前記被加工部材をエッチングして選択的に除去する工程と、を有し、前記ハードマスクを形成する工程においては、前記マスク層の上にレジストパターンを形成する工程と、このレジストパターンをマスクにして前記マスク層をエッチングして前記マスク層における前記レジストパターンに覆われていない領域の膜厚を減少させる工程と、前記レジストパターンを除去する工程とをこの順に複数回繰り返し、２回目以降に形成する前記レジストパターンを前記マスク層におけるそれより前に形成されたレジストパターンに覆われていない領域の一部を覆うように形成することにより、前記マスク層に前記レジストパターンよりも微細なパターンを形成することを特徴とするパターン形成方法。
【請求項２】
前記レジストパターンをマスクとしてマスク層をエッチングする工程の繰り返し数をｎ（ｎは２以上の整数）回とするとき、前記マスク層が１回の前記レジストパターンをマスクとしてエッチングされる工程でエッチングされる厚さは前記マスク層の最初の厚さの（１／ｎ）であることを特徴とする請求項１に記載のパターン形成方法。
【請求項３】
前記レジストパターンをマスクとしてマスク層をエッチングする工程の繰り返し数をｎ（ｎは２以上の整数）回とするとき、前記ハードマスクには前記レジストパターンのピッチの（１／ｎ）ピッチのパターンが形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のパターン形成方法。
【請求項４】
前記レジストパターンをマスクとしてマスク層をエッチングする工程の繰り返し数が２回であり、各工程で前記マスク層は最初の厚さの（１／２）の厚さずつエッチングされ、前記ハードマスクに前記レジストパターンの（１／２）ピッチのパターンが形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパターン形成方法。
【請求項５】
前記マスク層を酸化シリコン又は窒化シリコンにより形成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のパターン形成方法。
【請求項６】
被加工部材がシリコンからなる半導体基板又は酸化シリコンからなる層間絶縁膜であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のパターン形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、リソグラフィ技術を使用したパターン形成方法に関し、特に半導体装置の製造工程において使用されるパターンの形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ；集積回路）又はＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ；大規模集積回路）等の半導体装置の小型化及び高集積化が進められている。そのため、これらの半導体装置に形成される配線等のパターンの微細化及び密集化が求められている。これらのパターンの形成には、一般に、パターンが形成されたマスク（レチクル）を使用して、半導体基板及び層間絶縁膜等の被加工部材上に塗布されたレジストにパターンを形成し、このレジストパターンをマスクにして、下地の被加工部材を加工するリソグラフィ技術が使用されている。
【０００３】
図５（ａ）乃至（ｆ）は、リソグラフィ技術を使用した従来のパターン形成方法の概略を工程順に示す断面図である。従来のパターン形成方法は、先ず、図５（ａ）に示すように、シリコン等の半導体基板５１上に被加工膜５２を形成する。次に、図５（ｂ）に示すように、この被加工膜５２上にレジスト５３を塗布する。次に、図５（ｃ）に示すように、パターンが形成されたレチクル５４を光源（図示せず）とレジスト５３との間に配置する。そして、光源から光５５を出射し、この光５５がレチクル５４及び投影レンズ５６を通過してレジスト５３を照射することにより、レジスト５３を露光する。これにより、レジスト５３にはレチクル５４のパターンが転写される。次に、図５（ｄ）に示すように、レジスト５３を現像して、レジストパターンを形成する。そして、図５（ｅ）に示すように、このレジストパターンをエッチングマスクにして下地の被加工膜５２をエッチングして選択的に除去する。その後、図５（ｆ）に示すように、レジスト５３を除去してパターン形成工程を完了する。
【０００４】
図５（ｃ）に示すように、通常、レジスト５３を露光する際は、レチクル５４とレジスト５３との間に投影レンズ５６が配置される。このため、このような露光光学系を使用したリソグラフィの場合、レジストパターンの解像度（最小線幅）Ｒは、下記数式１により与えられる。なお、下記数式１において、κはプロセスに起因する定数、λは光源から出射される光（露光光）の波長、ＮＡは投影レンズの明るさを示す開口数である。
【０００５】
【数１】
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【０００６】
上記数式１に示すように、解像度Ｒは、露光光の波長λを短波長化し、より開口数ＮＡが大きい投影レンズを使用することにより小さくすることができる。しかしながら、レンズの開口数ＮＡは、材料の物性等により決定されるため、レンズの開口数ＮＡを向上させることには限界がある。また、一般に、解像度Ｒより狭いピッチでレジストパターンを形成すると、形状が劣化する等の問題が生じる。そこで、レジストパターンを微細化するためには、より波長λが短い光源を使用する方法が検討されている。
【０００７】
現在使用されている光源には、水銀ランプのｇ線（波長４３６ｎｍ）及びｉ線（波長３６５ｎｍ）、ＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）があり、現在ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）の量産化が進められている。露光光源として、例えば、Ｆ２レーザ（波長１５７ｎｍ）、Ｘ線、縮小Ｘ線、電子線等のより波長λが短いものを使用することにより、レジストパターンの解像度を向上させることは可能であるが、これらの光源は高価であるため、半導体装置の製造コストが大幅に増加してしまう。
【０００８】
そこで、光源を短波長化せずにパターンを微細化する方法として、多重露光を行うパターン形成方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１に記載されているパターン形成方法は、解像度より広いピッチで相互に位置をずらしてパターンが形成されている複数個のマスクを使用して、順次マスクを換えながらレジストの同じ部分を複数回露光し、全てのマスクで露光を行った後にレジストを現像することにより、被加工部材上に本来の解像度より狭いピッチでレジストパターンを形成するものである。このパターン形成方法においては、各マスクに形成されたパターンのピッチを解像度より広くしているため、レジストパターン形状の劣化は発生せず、解像度よりピッチが狭く微細なレジストパターンを形成することができる。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００２−１３４３９４号公報  （第４−６頁、第４図）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述の従来の技術には以下に示す問題点がある。前述の特許文献１に記載のパターン形成方法の場合、被加工部材に微細なパターンを形成するためには、被加工部材上に微細なレジストパターンを形成しなければならない。微細なレジストパターンは、現像工程又は現像工程後に行う乾燥工程において、水の表面張力により倒れやすいため、この方法を使用して被加工部材に微細なパターンを形成することは難しい。
【００１１】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、露光装置の解像度よりピッチが狭く微細なパターンを形成することができるパターン形成方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るパターン形成方法は、被加工部材上にマスク層を形成する工程と、このマスク層をエッチングして所定のパターンが形成されたハードマスクを形成する工程と、このハードマスクをマスクとして前記被加工部材をエッチングして選択的に除去する工程と、を有し、前記ハードマスクを形成する工程においては、前記マスク層の上にレジストパターンを形成する工程と、このレジストパターンをマスクにして前記マスク層をエッチングして前記マスク層における前記レジストパターンに覆われていない領域の膜厚を減少させる工程と、前記レジストパターンを除去する工程とをこの順に複数回繰り返し、２回目以降に形成する前記レジストパターンを前記マスク層におけるそれより前に形成されたレジストパターンに覆われていない領域の一部を覆うように形成することにより、前記マスク層に前記レジストパターンよりも微細なパターンを形成することを特徴とする。
【００１３】
本発明においては、マスク層をレジストパターンの位置を変えて複数回エッチングを行うことにより、前記マスク層にレジストパターンより微細なパターンを形成することができる。この微細なパターンが形成されたマスク層をマスクにして被加工部材をエッチングすることにより、前記被加工部材に微細なパターンを形成することができる。また、本発明においては、前記被加工部材をエッチングするためのマスクにレジストを使用しないため、微細なレジストパターンを形成する必要がなく、現像後の乾燥工程においてもマスク層のパターンが倒れることはない。
【００１４】
前記レジストパターンをマスクとしてマスク層をエッチングする工程の繰り返し数をｎ（ｎは２以上の整数）回とするとき、前記マスク層が１回の前記レジストパターンをマスクとしてエッチングされる工程でエッチングされる厚さは前記マスク層の最初の厚さの（１／ｎ）であることが好ましい。マスク層の最初の厚さの（１／ｎ）ずつｎ回に分けてエッチングすると、レジストパターンが形成された部分はマスク層の最初の厚さの（１／ｎ）ずつ（ｎ−１）回エッチングされるため、最終的なマスク層の厚さは最初の厚さの（１／ｎ）になり、ハードマスクに厚さが均一であるパターンが形成される。
【００１５】
また、前記レジストパターンをマスクとしてマスク層をエッチングする工程の繰り返し数がｎ（ｎは２以上の整数）回である場合には、前記ハードマスクには前記レジストパターンのピッチの（１／ｎ）ピッチのパターンが形成される。本発明のパターン形成方法においては、マスク層をエッチングする回数を増やすと、ハードマスクに形成されるパターンのピッチは狭くなる。
【００１６】
更に、前記パターン形成方法においては、例えば、前記レジストパターンをマスクとしてマスク層をエッチングする工程の繰り返し数が２回である場合には、各工程で前記マスク層は最初の厚さの（１／２）の厚さずつエッチングされ、前記ハードマスクに前記レジストパターンの（１／２）ピッチのパターンが形成される。
【００１７】
更にまた、前記マスク層は酸化シリコン又は窒化シリコンにより形成することができ、被加工部材は、シリコンからなる半導体基板又は酸化シリコンからなる層間絶縁膜であってもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るパターン形成方法について、添付の図面を参照して具体的に説明する。本発明のパターン形成方法においては、先ず、半導体基板又は層間絶縁膜等の被加工部材上にマスク層を形成し、このマスク層の上に疎ピッチのレジストパターンを形成する。次に、このレジストパターンをマスクにして前記マスク層をエッチングし、このマスク層におけるレジストパターンが形成されていない領域に相当する領域を選択的に除去して、この領域の膜厚を薄くする。そして、このマスク厚における膜厚を薄くした領域の一部を覆うように、次のレジストパターンを形成して、再度エッチングを行う。その後、このレジストパターンを除去する。このエッチング工程を複数回行うことにより、マスク層に微細なパターンを形成する。そして、この微細パターンが形成されたマスク層をハードマスクにして、被加工部材をエッチングすると、前記被加工部材にレジストの解像度以上の微細パターンを形成することができる。
【００１９】
前記マスク層の材料としては、例えば、被加工部材がシリコンからなる場合は酸化シリコン又は窒化シリコン等を使用することができ、被加工部材が酸化シリコンからなる場合は窒化シリコン等を使用することができる。
【００２０】
また、マスク層上にレジストパターンを形成する工程には、リソグラフィ技術を使用することができる。その際、レジストは、ネガ型及びポジ型のどちらでもよく、例えば、ノボラック系樹脂、化学増幅型樹脂等から適宜選択することができる。更に、レジストを露光するための光源としては、例えば、ＡｒＦエキシマレーザを使用する。なお、前述の光源としては、ｇ線、ｉ線、ＫｒＦエキシマレーザ、Ｆ２レーザ、Ｘ線、縮小Ｘ線、電子線等を使用してもよい。更にまた、レジストを露光する際に使用するマスク（レチクル）としては、レベンソン型の位相シフトマスク、ハーフトーン型の位相シフトマスク及びバイナリマスク等を使用することができる。
【００２１】
本発明のパターン形成方法においては、例えば、マスク層をエッチングする工程をｎ（ｎは２以上の整数）回行う場合、１回のエッチング工程で前記マスク層がエッチングされる厚さを、前記マスク層の最初の厚さの（１／ｎ）とすることが好ましい。最初の厚さの（１／ｎ）の厚さずつｎ回エッチングを行うことにより、ハードマスクのパターンの高さを均一にすることができる。
【００２２】
また、本発明のパターン形成方法においては、マスク層に形成されるパターンのピッチが同じである場合は、マスク層をエッチンするグ工程をｎ回行うと、ハードマスクには、レジストパターンの（１／ｎ）ピッチのパターンが形成される。
【００２３】
次に、本発明の実施形態として、半導体基板上に形成された層間絶縁膜に１次元格子パターン（ラインアンドスペース（Ｌ／Ｓ）パターン）を形成する方法について説明する。図１は、膜厚が２４０ｎｍのレジスト膜に幅が７０ｎｍのラインと、幅が２１０ｎｍのスペースと（以下、７０／２１０ｎｍＬ／Ｓという）を２８０ｎｍのピッチで配置したレジストパターンを形成した場合のパターン形状を示すグラフ図であり、光源をＡｒＦエキシマレーザとし、投影レンズの開口数ＮＡを０．６３、レチクルをレベンソン位相シフトマスクとして、Ｐｒｏｌｉｔｈ３Ｄを使用したシミュレーションにより求めたものである。なお、図１における横軸は、ラインとスペースが配列する方向（以下、幅方向という）における位置である。図１に示すように、７０／２１０ｎｍＬ／Ｓでレジストパターン４を形成すると、ピッチが２８０ｎｍと十分大きく、また、ラインが疎に形成されているため、膜厚の減少及び形状の劣化がなく均一に形成することができる。そこで、本実施形態においては、解像力が高い７０／２１０ｎｍＬ／Ｓのレジストパターンにより、マスク層に７０／７０ｎｍＬ／Ｓで、ピッチが１４０ｎｍである微細パターンを形成する。
【００２４】
図２（ａ）乃至（ｄ）及び図３（ａ）乃至（ｄ）は、本実施形態のパターン形成方法をその工程順に示す断面図である。図２（ａ）に示すように、本実施形態における被加工部材である層間絶縁膜２は酸化シリコンからなり、シリコンからなる半導体基板１上に形成されている。本実施形態においては、先ず、この層間絶縁膜２の上にマスク層である窒化シリコン膜３ａを形成する。この窒化シリコン膜３ａの厚さは、例えば、５０乃至１００ｍｍである。そして、図２（ｂ）に示すように、窒化シリコン膜３ａの上に、厚さが例えば２４０ｎｍになるようにレジストを塗布する。その後、光源にＡｒＦエキシマレーザを使用し、レチクルとして７０／２１０ｎｍＬ／Ｓのパターンが形成されたレベンソン型の位相シフトマスクを使用して、レジストを露光し、現像する。これにより窒化シリコン膜３ａ上に７０／２１０ｎｍＬ／Ｓのレジストパターン４ａが形成される。次に、図２（ｃ）に示すように、エッチング時間を制御することにより、レジストパターン４ａに覆われていない領域の窒化シリコン膜３ａを、膜厚が最初の膜厚の半分になるまでエッチングを行う。このとき、窒化シリコン膜３ａのレジストパターン４ａに覆われている領域は、エッチングされないため、最初の膜厚を維持する。これにより、窒化シリコン膜３ａにはパターン３ｂが形成される。その後、図２（ｄ）に示すように、レジストパターン４ａを除去する。
【００２５】
次に、図３（ａ）に示すように、窒化シリコン膜３ａの上に、再度厚さが例えば２４０ｎｍになるようにレジストを塗布する。そして、１回目と同様の方法及び条件で、７０／２１０ｎｍＬ／Ｓのレジストパターン４ｂを形成する。その際、レジストパターン４ｂのラインと窒化シリコン膜３ａに形成されているパターン３ｂのラインとの間隔が、等間隔（スペースが７０ｎｍ）になるようにする。そして、図３（ｂ）に示すように、エッチング時間を制御することにより、窒化シリコン膜３ａを最初の厚さの半分の厚さ分だけエッチングする。これにより、レジストパターン４ｂに覆われている領域はエッチングされないため最初半分の厚さのまま残り、パターン３ｂのライン部分（レジストパターン４ａに覆われていた領域）は半分の厚さになり、２回ともレジストパターンに覆われなかった領域の窒化シリコン膜３ａはエッチングされてなくなる。その後、レジストパターン４ｂを除去することにより、図３（ｃ）に示すように、７０／７０ｎｍＬ／Ｓのパターンが形成され窒化シリコンからなるハードマスク３が形成される。そして、このハードマスク３をマスクにして、層間絶縁膜２をエッチングすると、図３（ｄ）に示すように、層間絶縁膜２に７０／７０ｎｍＬ／Ｓのパターンが形成される。
【００２６】
本実施形態のパターン形成方法においては、解像度以上である７０／２１０ｎｍＬ／Ｓのレジストパターンを形成し、その形成位置を７０ｎｍずらして２回パターニングを行うことにより、ハードマスクに７０／７０ｎｍＬ／Ｓの細密ピッチパターンを形成することができる。本実施形態のパターン形成方法を使用すると、ピッチが露光装置の解像度であるｒ（ｎｍ）のマスクパターンを使用して、ハードマスクをｎ（ｎは２以上の整数）回パターニングすることにより、ピッチが解像度より狭い（ｒ／ｎ）（ｎｍ）であるパターンを形成することができる。
【００２７】
また、本実施形態のパターン形成方法においては、層間絶縁膜２をエッチングする際に、７０／７０ｎｍＬ／Ｓの微細パターンが形成されたハードマスク３をマスクにしてエッチングを行っているため、レジストのように露光後の後工程でパターンが倒れてしまうことはない。
【００２８】
一方、従来のパターン形成方法により７０／７０ｎｍＬ／Ｓのパターンを形成する場合は、被加工部材上に７０／７０ｎｍＬ／Ｓのレジストパターンを形成して、被加工部材をエッチングする。図４は、膜厚が２００ｎｍのレジスト膜に、１４０ｎｍピッチ（７０／７０ｎｍＬ／Ｓ）のレジストパターンを形成した場合のパターン形状を示すグラフ図であり、光源をＡｒＦエキシマレーザとし、投影レンズの開口数ＮＡを０．９０、レチクルをレベンソン位相シフトマスクとしてシミュレーション（Ｐｒｏｌｉｔｈ３Ｄ）により求めたものである。図４に示すように、７０／７０ｎｍＬ／Ｓで形成したレジストパターン５は、図１に示したレジストパターンよりレジスト膜の膜厚が薄く、露光に使用した投影レンズの開口数ＮＡが大きいにも拘わらず、ピッチが１４０ｎｍと小さく、また、ラインが密に形成されているため、解像不足により、膜厚が１００ｎｍに減少し、形状が劣化している。このような形状のマスクを使用してエッチングを行うと、被加工部材に形成されるパターンが不均一になり、不良が発生する。
【００２９】
なお、本実施形態のパターン形成方法は、ラインの幅とスペースの幅との比が１：１であるラインアンドスペースを形成する場合について述べたが、本発明はこれに限定されるものではなく、半導体装置に形成するトランジスタ及び配線等のレイアウトパターンになる種々のパターンを形成することができる。また、本実施形態のパターン形成方法においては、パターニング回数が２回の場合について述べたが、本発明はこれに限定されるものではなく、２回以上であればよい。例えば、パターニング回数が３回の場合には、（１／３）ピッチずつずらしてレジストパターンを形成すればよい。更に、本実施形態のパターン形成方法においては、マスク層が窒化シリコン膜の場合について述べたが、本発明はこれに限定されるものではなく、前記窒化シリコン以外の絶縁体及び金属等の導電体でもよい。更にまた、被加工部材についても酸化シリコンに限定されるものではなく、酸化シリコン以外の絶縁体、金属等の導電体及び各種半導体基板等に適用することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、被加工部材上にマスク層を形成し、このマスク層を解像度以上の疎ピッチのレジストパターンをマスクにして複数回エッチングすることにより、露光装置の解像度よりピッチが狭く微細なパターンが形成されたハードマスクにし、このハードマスクをマスクにして被加工部材をエッチングすることにより、露光装置の解像度よりピッチが狭く微細なパターンを形成することができる。その結果、通常使用している露光装置を使用して細密パターンを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】シミュレーションにより求めた２４０ｎｍのレジスト膜に２８０ｎｍピッチ（７０／２１０ｎｍＬ／Ｓ）のレジストパターンを形成した場合のパターン形状を示す図である。
【図２】（ａ）乃至（ｄ）は、本実施形態のパターン形成方法における１回目のエッチング工程をその工程順に示す断面図である。
【図３】（ａ）乃至（ｄ）は、本実施形態のパターン形成方法における２回目のエッチング工程をその工程順に示す断面図である。
【図４】シミュレーションにより求めた膜厚が２００ｎｍのレジスト膜に１４０ｎｍピッチ（７０／７０ｎｍＬ／Ｓ）のレジストパターンを形成した場合のパターン形状を示す図である。
【図５】（ａ）乃至（ｆ）は、リソグラフィ技術を使用した従来のパターン形成方法の概略を工程順に示す断面図である。
【符号の説明】
１、５１；半導体基板
２；層間絶縁膜
３；ハードマスク
３ａ；窒化シリコン膜
３ｂ；パターン
４、４ａ、４ｂ、５；レジストパターン
５２；被加工膜
５４；レチクル
５５；光
５６；投影レンズ
【図１】
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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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