(57)【要約】      （修正有）【課題】第１及び第２のエッチングマスクパターンを用いて微細パターンを形成する半導体素子のパターン形成方法を提供する。【解決手段】半導体基板上にエッチング対象層を形成する段階と、前記エッチング対象層上に第１のエッチングマスクパターン１０５を形成する段階と、前記第１のエッチングマスクパターン１０５の下部側壁よりも上部側壁でさらに厚い補助膜を前記エッチング対象層を含む前記第１のエッチングマスクパターン１０５の表面に形成する段階と、前記補助膜の凹部に第２のエッチングマスクパターン１０７を形成する段階と、前記第１及び第２のエッチングマスクパターン間の前記補助膜を除去する段階、及び前記第１及び第２のエッチングマスクパターン１０５，１０７をエッチングマスクとして用いて前記エッチング対象層１０１をパターニングする段階を含む構成。【選択図】図３
2009170863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上にエッチング対象層を形成する段階と、
前記エッチング対象層上に第１のエッチングマスクパターンを形成する段階と、
前記第１のエッチングマスクパターンの下部側壁よりも上部側壁でさらに厚い補助膜を前記エッチング対象層を含む前記第１のエッチングマスクパターンの表面に形成する段階と、
前記補助膜の凹部に第２のエッチングマスクパターンを形成する段階と、
前記第１及び第２のエッチングマスクパターン間の前記補助膜を除去する段階と、
前記第１及び第２のエッチングマスクパターンをエッチングマスクとして用いて前記エッチング対象層をパターニングする段階と、
を含むことを特徴とする半導体素子のパターン形成方法。
【請求項２】
半導体基板上にエッチング対象層を形成する段階と、
前記エッチング対象層上に第１のエッチングマスクパターンを形成する段階と、
前記エッチング対象層を含む前記第１のエッチングマスクパターンの表面にフッ素を含むカーボン膜で補助膜を形成する段階と、
前記補助膜の凹部に第２のエッチングマスクパターンを形成する段階と、
前記第１及び第２のエッチングマスクパターン間の前記補助膜を除去する段階と、
前記第１及び第２のエッチングマスクパターンをエッチングマスクとして用いて前記エッチング対象層をパターニングする段階と、
を含むことを特徴とする半導体素子のパターン形成方法。
【請求項３】
前記エッチング対象層は、ＳＯＣ膜で形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体素子のパターン形成方法。
【請求項４】
前記第１のエッチングマスクパターン及び前記第２のエッチングマスクパターンは、ＭＦＨＭ(Ｓｉを含有するＢＡＲＣ)膜で形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体素子のパターン形成方法。
【請求項５】
第１のエッチングマスクパターンを形成する段階において前記第１のエッチングマスクパターンのピッチは、後続で形成される前記第２のエッチングマスクパターンのピッチよりも２倍大きいことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体素子のパターン形成方法。
【請求項６】
前記補助膜は、フッ素を含有するカーボン膜で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形成方法。
【請求項７】
半導体基板上にエッチング対象層を形成する段階と、
前記エッチング対象層上に第１のエッチングマスクパターンを形成する段階と、
前記第１のエッチングマスクパターンの上部側壁よりも下部側壁でさらに厚い補助膜を前記エッチング対象層を含む前記第１のエッチングマスクパターンの表面に形成する段階と、
前記補助膜の凹部に第２のエッチングマスクパターンを形成する段階と、
前記第１及び第２のエッチングマスクパターン間の前記補助膜を除去する段階と、
前記第１及び第２のエッチングマスクパターンをエッチングマスクとして用いて前記エッチング対象層をパターニングする段階と、
を含むことを特徴とする半導体素子のパターン形成方法。
【請求項８】
半導体基板上にエッチング対象層を形成する段階と、
前記エッチング対象層上に第１のエッチングマスクパターンを形成する段階と、
前記エッチング対象層を含む前記第１のエッチングマスクパターンの表面に水素を含むカーボン膜で補助膜を形成する段階と、
前記補助膜の凹部に第２のエッチングマスクパターンを形成する段階と、
前記第１及び第２のエッチングマスクパターン間の前記補助膜を除去する段階と、
前記第１及び第２のエッチングマスクパターンをエッチングマスクとして用いて前記エッチング対象層をパターニングする段階と、
を含むことを特徴とする半導体素子のパターン形成方法。
【請求項９】
前記エッチング対象層は、ＳＯＣ膜で形成することを特徴とする請求項７または請求項８に記載の半導体素子のパターン形成方法。
【請求項１０】
前記第１のエッチングマスクパターン及び前記第２のエッチングマスクパターンは、ＭＦＨＭ(Ｓｉを含有するＢＡＲＣ)膜で形成することを特徴とする請求項７または請求項８に記載の半導体素子のパターン形成方法。
【請求項１１】
前記第１のエッチングマスクパターンを形成する段階において前記第１のエッチングマスクパターンのピッチは、後続で形成される前記第２のエッチングマスクパターンのピッチよりも２倍大きいことを特徴とする請求項７または請求項８に記載の半導体素子のパターン形成方法。
【請求項１２】
前記補助膜は、水素を含有するカーボン膜で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、半導体素子のパターン形成方法に関するものであり、特に、露光装備の解像力以下のピッチを有する微細パターンを形成する半導体素子のパターン形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の製造工程のうち、光を用いる写真工程で形成されるパターンの最小ピッチ(pitch)は、露光装置に用いられる露光光の波長により決定される。従って、半導体装置の高集積化が加速化する現状でより小さいピッチのパターンを形成するためには、現在用いられる光より波長が短い光を用いなければならない。このために、エックス線(X-ray)や電子ビーム(E-beam)を用いることが望ましいが、技術的な問題と生産性などによりまだ実験室の水準にとどまっているのが現状である。これに、二重露光エッチング技術(Double Exposure and Etch Technology：ＤＥＥＴ)が提案された。
【０００３】
図１（ａ）〜図１（ｃ）は、二重露光エッチング技術を説明するための断面図であり、図１（ａ）に示されるように、エッチング対象層11を有する半導体基板10上に第１のフォトレジストPR1を塗布し、露光及び現像工程で第１のフォトレジストPR1をパターニングした後、パターニングされた第１のフォトレジストPR1をマスクとしてエッチング対象層11をエッチングする。エッチングされたエッチング対象層11のライン幅は１５０ｎｍであり、スペース幅は５０ｎｍである。
【０００４】
次いで、第１のフォトレジストPR1を除去し、全体構造物上に第２のフォトレジストPR2を塗布した後、図１（ｂ）に示されるように、エッチング対象層11の一部分が露出されるように露光及び現像工程で上記第２のフォトレジストPR2をパターニングする。
【０００５】
その後、図１（ｃ）に示されるように、パターニングされた第２のフォトレジストPR2をマスクとしてエッチング対象層11を再エッチングし、ライン及びスペース幅が５０ｎｍである最終のパターンを形成した後、上記第２のフォトレジストPR2を除去する。
【０００６】
前述した二重露光エッチング技術において第２のフォトレジストPR2の露光工程時に重畳精度(overlay accuracy)は、最終のパターンのＣＤ(Critical Dimension)変異(variation)に直結する。実際に、露光装備の重畳精度は、１０ｎｍ以下に制御し難いため、最終のパターンのＣＤ変異を減らし難い実情であり、二重露光による回路分離によりＯＰＣ(Optical Proximity Correction)の制御にも困難がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明がなそうとする技術的課題は、半導体素子の微細パターン形成工程時に露光工程を用いたフォトレジストパターンを用いて第１のエッチングマスクパターンを形成し、第１のエッチングマスクパターンの側壁に一定厚さの補助膜を形成した後、補助膜を含む第１のエッチングマスクパターン間の空間に第２のエッチングマスクパターンを形成し、第１及び第２のエッチングマスクパターンを用いて微細パターンを形成する半導体素子のパターン形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の実施例による半導体素子のパターン形成方法は、半導体基板上にエッチング対象層を形成する段階と、前記エッチング対象層上に第１のエッチングマスクパターンを形成する段階と、前記第１のエッチングマスクパターンの下部側壁よりも上部側壁でさらに厚い補助膜を前記エッチング対象層を含む前記第１のエッチングマスクパターンの表面に形成する段階と、前記補助膜の凹部に第２のエッチングマスクパターンを形成する段階と、前記第１及び第２のエッチングマスクパターン間の前記補助膜を除去する段階、及び前記第１及び第２のエッチングマスクパターンをエッチングマスクとして用いて前記エッチング対象層をパターニングする段階を含む。
【０００９】
前記エッチング対象層はＳＯＣ(spin on carbon)膜で形成し、前記第１のエッチングマスクパターン及び前記第２のエッチングマスクパターンはＭＦＨＭ{Multi-Functional Hard Mask；（Ｓｉを含有するＢＡＲＣ（Bottom Anti Reflective Coating; 下部反射防止膜））}膜で形成する。
【００１０】
第１のエッチングマスクパターンを形成する段階において前記第１のエッチングマスクパターンのピッチは、後続で形成される前記第２のエッチングマスクパターンのピッチよりも２倍大きい。
【００１１】
前記補助膜は、フッ素を含有するカーボン膜で形成する。
【００１２】
本発明の第２の実施例による半導体素子のパターン形成方法は、半導体基板上にエッチング対象層を形成する段階と、前記エッチング対象層上に第１のエッチングマスクパターンを形成する段階と、前記第１のエッチングマスクパターンの上部側壁よりも下部側壁でさらに厚い補助膜を前記エッチング対象層を含む前記第１のエッチングマスクパターンの表面に形成する段階と、前記補助膜の凹部に第２のエッチングマスクパターンを形成する段階と、前記第１及び第２のエッチングマスクパターン間の前記補助膜を除去する段階、及び前記第１及び第２のエッチングマスクパターンをエッチングマスクとして用いて前記エッチング対象層をパターニングする段階を含む。
【００１３】
前記エッチング対象層はＳＯＣ膜で形成する。前記第１のエッチングマスクパターン及び前記第２のエッチングマスクパターンはＭＦＨＭ(Ｓｉを含有するＢＡＲＣ)膜で形成する。
【００１４】
第１のエッチングマスクパターンを形成する段階において前記第１のエッチングマスクパターンのピッチは、後続で形成される前記第２のエッチングマスクパターンのピッチよりも２倍大きい。
【００１５】
前記補助膜は、水素を含有するカーボン膜で形成する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の実施例によれば、半導体素子の微細パターン形成工程時に露光工程を用いたフォトレジストパターンを用いて第１のエッチングマスクパターンを形成し、第１のエッチングマスクパターンの側壁に一定の厚さの補助膜を形成した後、補助膜を含む第１のエッチングマスクパターン間の空間に第２のエッチングマスクパターンを形成して第１及び第２のエッチングマスクパターンを用いて微細パターンを形成することにより、露光装備の解像力以下のピッチ(１／２)を有する微細パターンを形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付した図面を参照し、本発明の望ましい実施例を説明する。しかし、本発明は、以下に開示される実施例により限定されるものではなく、互いに異なる多様な形態で具現されることができ、本発明の範囲が次に詳述する実施例により限定されるものではない。単に、本実施例は、本発明の開示が完全であるようにして通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであり、本発明の範囲は、本願の特許請求の範囲により理解されなければならない。
【００１８】
図２及び図３は、本発明の第１の実施例による半導体素子のパターン形成方法を説明するための素子の断面図である。
【００１９】
図２（ａ）を参照すれば、半導体基板100上にエッチング対象層101、第１のエッチングマスク膜102、反射防止膜103、及びフォトレジストパターン104を形成する。この時、フォトレジストパターン104のピッチＡは、最終的に形成しようとするパターンのピッチＢよりも２倍広く(大きく）形成することができる。
【００２０】
エッチング対象層101は、ＳＯＣ(spin on carbon)膜で形成することが望ましい。エッチング対象層101は、１０００Å〜３０００Åの厚さで形成することが望ましい。エッチング対象層101を形成した後、１５０℃〜３００℃のベーク工程を４５秒〜１２０秒間行った後、２０℃〜３０℃のプレートで４５秒〜１２０秒間冷ますことが望ましい。
【００２１】
第１のエッチングマスク膜102は、ＭＦＨＭ(Ｓｉを含有するＢＡＲＣ)膜で形成することが望ましい。ＭＦＨＭ膜はＳｉを含有していて、後続のエッチング工程時にＳＯＣ膜で形成されたエッチング対象層101とエッチング率の差が発生するようになる。また、ＭＦＨＭ膜は透明であるため、フォトレジストパターン104の形成工程時にパターンの整列のための別途のキーオープン工程が省略される。
【００２２】
第１のエッチングマスク膜102は、２００Å〜１０００Åの厚さで形成することが望ましい。第１のエッチングマスク膜102を形成した後、１５０℃〜３００℃のベーク工程を４５秒〜１２０秒間行った後、２０℃〜３０℃のプレートで４５秒〜１２０秒間冷ますことが望ましい。
【００２３】
反射防止膜103は、２００Å〜１０００Åの厚さで形成することが望ましい。反射防止膜103を形成した後、１５０℃〜３００℃のベーク工程を４５秒〜１２０秒間行った後、２０℃〜３０℃のプレートで４５秒〜１２０秒間冷ますことが望ましい。
【００２４】
図２（ｂ）を参照すれば、フォトレジストパターン104を用いたエッチング工程を行って反射防止膜103、及び第１のエッチングマスク膜102をパターニングして第１のエッチングマスクパターン105を形成する。
【００２５】
図２（ｃ）を参照すれば、第１のエッチングマスクパターン105を含むエッチング対象層101の全体構造上に補助膜106を形成する。さらに詳しくは、第１のエッチングマスクパターン105の側壁及び上部に沿って形成するが、第１のエッチングマスクパターン105間の空間が第１のエッチングマスクパターン105のピッチだけ存在するように形成することが望ましい。この時、補助膜106はフッ素を含有するカーボン膜で形成することが望ましい。即ち、エッチング対象層101を含む第１のエッチングマスクパターン105の表面にフッ素を含むカーボン膜で補助膜106を形成する。フッ素を含有するカーボン膜で補助膜106を形成すれば、図面のように第１のエッチングマスクパターン105の側壁に形成される補助膜106の厚さは、一定であるか、または第１のエッチングマスクパターン105の側壁の上部に形成された補助膜106の厚さが下部に形成された補助膜106の厚さよりも厚く形成される。即ち、第１のエッチングマスクパターン105の下部側壁よりも上部側壁でさらに厚い補助膜106をエッチング対象層101を含む第１のエッチングマスクパターン105の表面に形成する。
【００２６】
図３（ａ）を参照すれば、補助膜106を含む全体構造上に第２のエッチングマスク物質を蒸着した後、エッチング工程を行ってエッチングマスク物質が補助膜106の凹部に残留するようにし、第２のエッチングマスクパターン107を形成する。第２のエッチングマスクパターン107は、ＭＦＨＭ(Ｓｉを含有するＢＡＲＣ)膜で形成することが望ましい。
【００２７】
図３（ｂ）を参照すれば、エッチング工程を行って露出される補助膜106を除去し、第１のエッチングマスクパターン105及び第２のエッチングマスクパターン107が露出される。即ち、第１及び第２のエッチングマスクパターン105，107間の補助膜106を除去する。この時、第２のエッチングマスクパターン107の下部には補助膜106が残留する。第２のエッチングマスクパターン107の上部は下部よりも狭い台形で形成される。
【００２８】
この時、第１のエッチングマスクパターン105及び第２のエッチングマスクパターン107のピッチＢは、図２（ａ）に示されたフォトレジストパターン104のピッチＡの１／２となる。
【００２９】
図３（ｃ）を参照すれば、第１のエッチングマスクパターン105及び第２のエッチングマスクパターン107を用いたエッチング工程を行ってエッチング対象層101をパターニングして微細パターン101を形成する。
【００３０】
図４は、本発明の第２の実施例による半導体素子のパターン形成方法を説明するための素子の断面図である。
【００３１】
本発明の第２の実施例は、本発明の第１の実施例が示された図２（ｂ）の工程段階まで同一であるため、これに関する説明は省略する。また、図４の図面符号は、図２及び図３に記載された図面符号と同一の部分を指す。
【００３２】
図４（ａ）を参照すれば、第１のエッチングマスクパターン105を含むエッチング対象層101の全体構造上に補助膜106を形成する。さらに詳しくは、第１のエッチングマスクパターン105の側壁及び上部に沿って形成するが、第１のエッチングマスクパターン105間の空間が第１のエッチングマスクパターン105のピッチだけ存在するように形成することが望ましい。この時、補助膜106は、水素(hydro)を含有するカーボン膜で形成することが望ましい。即ち、エッチング対象層101を含む第１のエッチングマスクパターン105の表面に水素を含むカーボン膜で補助膜106を形成する。水素を含有するカーボン膜で補助膜106を形成すれば、図面のように第１のエッチングマスクパターン105の側壁に形成される補助膜106の厚さは一定であるか、または第１のエッチングマスクパターン105の側壁上部に形成された補助膜106の厚さが下部に形成された補助膜106の厚さよりも薄く形成される。即ち、第１のエッチングマスクパターン105の上部側壁よりも下部側壁でさらに厚い補助膜106をエッチング対象層101を含む第１のエッチングマスクパターン105の表面に形成する。
【００３３】
図４（ｂ）を参照すれば、補助膜106を含む全体構造上に第２のエッチングマスク物質を蒸着した後、エッチング工程を行ってエッチングマスク物質が補助膜106の凹部に残留するようにして第２のエッチングマスクパターン107を形成する。第２のエッチングマスクパターン107は、ＭＦＨＭ(Ｓｉを含有するＢＡＲＣ)膜で形成することが望ましい。
【００３４】
図４（ｃ）を参照すれば、エッチング工程を行って露出される補助膜を除去し、第１のエッチングマスクパターン105及び第２のエッチングマスクパターン107が露出される。この時、第２のエッチングマスクパターン107の下部には補助膜106が残留する。第２のエッチングマスクパターン107の上部は下部よりも広い逆台形状で形成される。
【００３５】
この時、第１のエッチングマスクパターン105及び第２のエッチングマスクパターン107のピッチＢは、図２（ａ）に示されたフォトレジストパターン104のピッチＡの１／２となる。
【００３６】
図４（ｄ）を参照すれば、第１のエッチングマスクパターン105及び第２のエッチングマスクパターン107を用いたエッチング工程を行ってエッチング対象層101をパターニングして微細パターン101を形成する。
【００３７】
本発明の技術思想は、上記望ましい実施例により具体的に記述されたが、上記実施例はその説明のためのものであり、その制限のためのものではないことを周知しなければならない。また、本発明の技術分野において通常の専門家であれば、本発明の技術思想の範囲内で多様な実施例が可能であることを理解することができるものである。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明の活用例として、半導体素子のパターン形成方法に適用出来、特に、露光装備の解像力以下のピッチを有する微細パターンを形成する半導体素子のパターン形成方法に適用出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】二重露光エッチング技術を説明するための断面図である。
【図２】本発明の第１の実施例による半導体素子のパターン形成方法を説明するための素子の断面図である。
【図３】本発明の第１の実施例による半導体素子のパターン形成方法を説明するための素子の断面図である。
【図４】本発明の第２の実施例による半導体素子のパターン形成方法を説明するための素子の断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
100…半導体基板
101…エッチング対象層
102…第１のエッチングマスク膜
103…反射防止膜
104…フォトレジストパターン
105…第１のエッチングマスクパターン
106…補助膜
107…第２のエッチングマスクパターン
【図１】
2009170863.tif 000003
【図２】
2009170863.tif 000004
【図３】
2009170863.tif 000005
【図４】
2009170863.tif 000006