(57)【要約】      （修正有）【課題】解像限界付近或いは解像限界以下の微小パターンを密なピッチで良好に形成する。【解決手段】下地材料膜１に複数のラインアンドスペースパターンを形成する方法であって、１本おきの第１のスペース部にそれぞれ対応して形成された第１の透光部を有する第１の露光マスクを作成する工程と、残りの第１のスペース部にそれぞれ対応して形成された第２の透光部を有する第２の露光マスクを作成する工程と、下地材料膜１上に形成されたレジスト膜に、第１の露光マスクパターンと第２の露光マスクパターンを転写する工程と、レジスト膜を現像してレジストパターンを形成する工程と、レジストパターンの第２のスペース部に枠付け材料膜を埋め込み形成する工程と、加熱処理により架橋層を第２のライン部の被覆層として形成する工程と、枠付け材料の非架橋部を除去してラインアンドスペースパターンを形成する工程とを備える。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光リソグラフィーにより半導体基板上の下地材料膜に複数の第１のライン部および第１のスペース部が交互に並んだ所望のラインアンドスペースパターンを形成する半導体パターン形成方法であって、
前記複数の第１のスペース部のうち、１本おきの第１のスペース部にそれぞれ対応して形成された第１の透光部と、前記第１の透光部以外の部分に形成された第１の遮光部とを有する第１の露光マスクを作成する工程と、
前記複数の第１のスペース部のうち、残りの第１のスペース部にそれぞれ対応して形成された第２の透光部と、前記第２の透光部以外の部分に形成された第２の遮光部とを有する第２の露光マスクを作成する工程と、
前記下地材料膜上に形成されたレジスト膜に、前記第１の露光マスクを用いて前記第１の透光部の幅寸法より広い第１の幅寸法の第１の感光部を有する第１の露光マスクパターンを転写する工程と、
前記第１の露光マスクパターンが転写されたレジスト膜に、前記第２の露光マスクを用いて前記第１の幅寸法と同じ幅寸法の第２の感光部を有する第２の露光マスクパターンを転写する工程と、
前記第１および第２の露光マスクパターンが転写されたレジスト膜を現像して、前記第１のライン部の幅寸法より狭い幅寸法の第２のライン部および前記第１のスペース部の幅寸法より広い幅寸法の第２のスペース部を有するレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンの第２のスペース部に前記レジストパターンから酸の供給を受けて架橋する枠付け材料膜を埋め込み形成する工程と、
加熱処理により前記第２のライン部の側壁と前記枠付け材料膜の界面に生じた架橋層を前記第２のライン部の被覆層として形成する工程と、
前記枠付け材料の非架橋部を除去し、前記第２のライン部の幅寸法と前記被覆層の幅寸法の合計寸法が前記第１のライン部の幅寸法と等しくなる前記所望のラインアンドスペースパターンを形成する工程と
を備えたことを特徴とする半導体パターン形成方法。
【請求項２】
光リソグラフィーにより半導体基板上の下地材料膜に複数の第１のライン部および第１のスペース部が交互に並んだ所望のラインアンドスペースパターンを形成する半導体パターン形成方法であって、
前記複数の第１のスペース部のうち、ｎ本おきの第１のスペース部に対応して形成された透光部と、前記透光部以外の部分に形成された遮光部とを有し、それぞれの前記透光部が前記第１のライン部の幅寸法分ずれて配置された（ｎ＋１）個の露光マスクを作成する工程と、
前記下地材料膜上に形成されたレジスト膜に、前記（ｎ＋１）個の露光マスクを用いて前記透光部の幅寸法より広い第１の幅寸法の感光部を有する露光マスクパターンを転写する工程と、
前記露光マスクパターンが転写されたレジスト膜を現像して、前記第１のライン部の幅寸法より狭い幅寸法の第２のライン部および前記第１のスペース部の幅寸法より広い幅寸法の第２のスペース部を有するレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンの第２のスペース部に前記レジストパターンから酸の供給を受けて架橋する枠付け材料膜を埋め込み形成する工程と、
加熱処理により前記第２のライン部の側壁と前記枠付け材料膜の界面に生じた架橋層を前記第２のライン部の被覆層として形成する工程と、
前記枠付け材料の非架橋部を除去し、前記第２のライン部の幅寸法と前記被覆層の幅寸法の合計寸法が前記第１のライン部の幅寸法と等しくなる前記所望のラインアンドスペースパターンを形成する工程と
を備えたことを特徴とする半導体パターン形成方法。
【請求項３】
前記架橋層を形成する工程において、前記架橋層の膜厚は、加熱処理の温度で制御するように構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の半導体パターン形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置例えばＬＳＩにおいて、光リソグラフィーにより解像限界付近の微小なパターンを形成する半導体パターン形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光リソグラフィーにおいて、解像限界付近或いは解像限界以下の微小なパターンを密なピッチで形成することは、極めて困難である。微小なパターンを密なピッチで形成する方法として、光リソグラフィーに用いる露光マスク上の所望のパターンを２つ以上に分割し、多重露光を実行して、パターンを形成する方法が、従来より、知られている。例えば特許文献１には、２重露光方法の例が記載されている。
【０００３】
解像限界付近或いは解像限界以下の微小なパターンとして、例えばライン寸法が３５ｎｍ、ピッチが７０ｎｍのパターンを、露光マスク上の所望のパターンを２分割して形成する場合、次の２つの露光マスクを用意する必要がある。２つの露光マスクは、ラインの寸法と、スペースの寸法の比が３：１、即ち、ラインの寸法が１０５ｎｍ、スペースの寸法が３５ｎｍのパターンであって、３５ｎｍ横方向にずれたパターンの露光マスクである。
【０００４】
この２つの露光マスクを使用して、２回露光して現像すれば、ライン寸法が３５ｎｍ、ピッチが７０ｎｍのパターンを、理論的には、得ることができる。しかし、スペースの寸法が３５ｎｍという解像限界付近の微細スペースパターンを形成することは、実際には、非常に困難であった。
【特許文献１】特開２００４−２９４６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、解像限界付近或いは解像限界以下の微小なパターンを密なピッチで良好に形成することができる半導体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】
【０００６】
本発明の半導体パターン形成方法は、光リソグラフィーにより半導体基板上の下地材料膜に複数の第１のライン部および第１のスペース部が交互に並んだ所望のラインアンドスペースパターンを形成する方法であって、前記複数の第１のスペース部のうち、１本おきの第１のスペース部にそれぞれ対応して形成された第１の透光部と、前記第１の透光部以外の部分に形成された第１の遮光部とを有する第１の露光マスクを作成する工程と、前記複数の第１のスペース部のうち、残りの第１のスペース部にそれぞれ対応して形成された第２の透光部と、前記第２の透光部以外の部分に形成された第２の遮光部とを有する第２の露光マスクを作成する工程と、前記下地材料膜上に形成されたレジスト膜に、前記第１の露光マスクを用いて前記第１の透光部の幅寸法より広い第１の幅寸法の第１の感光部を有する第１の露光マスクパターンを転写する工程と、前記第１の露光マスクパターンが転写されたレジスト膜に、前記第２の露光マスクを用いて前記第１の幅寸法と同じ幅寸法の第２の感光部を有する第２の露光マスクパターンを転写する工程と、前記第１および第２の露光マスクパターンが転写されたレジスト膜を現像して、前記第１のライン部の幅寸法より狭い幅寸法の第２のライン部および前記第１のスペース部の幅寸法より広い幅寸法の第２のスペース部を有するレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンの第２のスペース部に前記レジストパターンから酸の供給を受けて架橋する枠付け材料膜を埋め込み形成する工程と、加熱処理により前記第２のライン部の側壁と前記枠付け材料膜の界面に生じた架橋層を前記第２のライン部の被覆層として形成する工程と、前記枠付け材料の非架橋部を除去し、前記第２のライン部の幅寸法と前記被覆層の幅寸法の合計寸法が前記第１のライン部の幅寸法と等しくなる前記所望のラインアンドスペースパターンを形成する工程とを備えたところに特徴を有する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、半導体基板上の下地材料膜に、解像限界付近或いは解像限界以下の微小なパターンを密なピッチで良好に形成することができるという優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。本実施形態では、図１に示すように、例えばＬＳＩにおいて、半導体基板上の下地材料膜１に、例えばライン部２ａの幅寸法Ｌ１が３５ｎｍ、スペース部２ｂの幅寸法Ｓ１が３５ｎｍ、ピッチＰ１が７０ｎｍのラインアンドスペースパターン２を形成する。この場合、図２に示す第１の露光マスク３と、図３に示す第２の露光マスク４とを使用する。図２、図３は、各露光マスク３、４のレイアウトを示す平面図である。
【０００９】
図２の第１の露光マスク３は、図１のラインアンドスペースパターン２のうち、１本おきのスペース部２ｂに対応した箇所に透光部３ｂが形成され、透光部３ｂ以外の部分に遮光部３ａが形成された露光マスクである。図３の第２の露光マスク４は、図１のラインアンドスペースパターン２のスペース部２ｂうち、第１の露光マスク３の透光部３ｂに対応したスペース部２ｂ以外のスペース部２ｂに対応した箇所に透光部４ｂが形成され、透光部４ｂ以外に遮光部４ａが形成された露光マスクである。
【００１０】
第１の露光マスク３上での透光部３ｂの幅寸法Ｔ１は図１のスペース部２ｂの幅寸法と同一寸法（３５ｎｍ）である。また、遮光部３ａのピッチＭＰ１は１４０ｎｍ（ウエハ換算値）、遮光部３ａの幅寸法Ｋ１は１０５ｎｍである。
【００１１】
第２の露光マスク４上での透光部４ｂの幅寸法Ｔ２も図１のスペース部２ｂの幅寸法と同一寸法（３５ｎｍ）、遮光部４ａのピッチＭＰ２は１４０ｎｍ、遮光部４ａの幅寸法Ｋ２は１０５ｎｍである。第２の露光マスク４の透光部４ｂは第１の露光マスク３の透光部３ｂに対して３５ｎｍずらして、すなわち図１のライン部２ａの幅寸法分ずらして配置されている。換言すると、第２の露光マスク４の透光部４ｂは、上記第１の露光マスク３の透光部３ｂと交互の関係になるようにレイアウトされている。
【００１２】
次に、図１のラインアンドスペースパターン２を形成する製造工程について、図４ないし図１０を参照して説明する。尚、この製造工程を実行する前に、上記した２つの露光マスク３，４を予め作成する工程を実行しておく。
【００１３】
まず、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、半導体基板上の下地材料膜１上にレジスト膜５を形成する。そして、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、第１の露光マスク３を使用して、光リソグラフィーによりターゲットとなる寸法のパターン（第１の露光マスク３パターン）をレジスト膜５に転写する。この場合、後述するリラックスプロセスでのスペース寸法のシュリンク特性を考慮して、レジスト膜５上に形成する感光部６の幅寸法Ｓ２は４５ｎｍ、未露光部７の幅寸法Ｌ２は９５ｎｍとする。
【００１４】
このように、本実施形態においては、レジスト膜５上に形成する感光部６の幅寸法Ｓ２及び未露光部７の幅寸法Ｌ２（即ち、ターゲットとなる寸法）を、４５ｎｍ及び９５ｎｍと設定したので、第１の露光マスク３パターン、即ち、第１の露光マスク３の透光部３ｂの幅寸法Ｔ１（３５ｎｍ、所望とするスペース寸法Ｓ１に対応する寸法）及び遮光部３ａの幅寸法Ｋ１（１０５ｎｍ）に比べて、ターゲット寸法を緩和することができ、リソグラフィーマージンを十分に確保することができる。
【００１５】
ここで、リソグラフィーマージンについて図１１を用いて説明する。図１１において、横軸は露光量裕度（Ｅ．Ｌ．）を示し、縦軸は焦点深度（ＤＯＦ）を示す。そして、破線Ａ１はスペース寸法が３５ｎｍ、ライン寸法が１０５ｎｍの場合を示し、実線Ａ２はスペース寸法が４５ｎｍ、ライン寸法が９５ｎｍの場合を示し、実線Ｍは必要リソグラフィーマージンを示す。この図１１から、スペース寸法を４５ｎｍとすれば、リソグラフィーマージンを十分に確保できることがわかる（尚、スペース寸法を３５ｎｍとすると、リソグラフィーマージンを確保できないことがわかる）。
【００１６】
上記第１の露光マスク３パターンの転写により、レジスト膜５には、図５に示すように、幅寸法Ｓ２（４５ｎｍ）の感光部６と幅寸法Ｌ２（９５ｎｍ）の未露光部７とが形成される。この構成の場合、感光部６のピッチＰ２は１４０ｎｍである。
【００１７】
続いて、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、第２の露光マスク４を使用して、光リソグラフィーによりターゲットとなる寸法のパターン（第２の露光マスク４パターン）をレジスト膜５に転写する。この場合、ターゲットとなる寸法は、上記第１の露光マスク３パターンを転写する場合と同様に、感光部８の幅寸法Ｓ３を４５ｎｍ、未露光部９の幅寸法Ｌ３を９５ｎｍとする。
【００１８】
上記第２の露光マスク４パターンの転写により、レジスト膜５の未露光部７には、幅寸法Ｓ３が４５ｎｍの感光部８と、幅寸法Ｌ４が（Ｌ２−Ｓ３）／２ｎｍ＝２５ｎｍの未露光部９とが形成される。
【００１９】
これにより、第１の露光マスク３パターンの転写による感光部６（幅寸法Ｓ２が４５ｎｍ）と、第２の露光マスク４パターンの転写による感光部８（幅寸法Ｓ３が４５ｎｍ）とが、未露光部９（幅寸法Ｌ４が２５ｎｍ）を挟んで交互に形成されるようになる。この構成の場合、ピッチＰ４は７０ｎｍである。
【００２０】
この後、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、レジスト膜５に現像処理を実行し、ライン部１０ａの幅寸法Ｌ４が２５ｎｍ、スペース部１０ｂの幅寸法Ｓ３が４５ｎｍ、ピッチＰ４が７０ｎｍのラインアンドスペースのレジストパターン１０を形成する。
【００２１】
次に、図８（ａ）、（ｂ）に示すように、レジストパターン１０のスペース部１０ｂに、酸の供給を受けて架橋する枠付け材料膜１１を埋め込む。この枠付け材料膜１１は、ＲＥＬＡＣＳ（Resolution Enhancement Lithography Assisted by Chemical Shrink）プロセスで使用される膜で構成されている。
【００２２】
続いて、図９（ａ）、（ｂ）に示すように、加熱処理を行うことにより、レジストパターン１０のライン部１０ａ中から枠付け材料膜１１中に酸を移動させる。これにより、界面に生じた架橋層（架橋部）１２を下地のレジストパターン１０のライン部１０ａの側壁に沿って被覆層１２として形成する。本実施形態の場合、このライン部１０ａの側壁に形成される被覆層１２の膜厚は５ｎｍとする。この被覆層１２の膜厚は加熱処理の温度で制御することが可能である。
【００２３】
この後、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、枠付け材料膜１１の非架橋部を除去する。これにより、ライン寸法が２５ｎｍのライン部１０ａとこのライン部１０ａの一対の側壁にそれぞれ形成され膜厚寸法が５ｎｍの被覆層１２とからなり、レジストパターン１０と一対の被覆層１２の寸法を合計したライン寸法Ｌ１が３５ｎｍ、スペース寸法Ｓ１が３５ｎｍ、ピッチＰ１が７０ｎｍであって、１：１のラインアンドスペースパターン２が形成される。
【００２４】
このパターン形成方法によれば、光リソグラフィーのターゲット寸法を緩和することができ、リソグラフィーマージンを十分確保することができるので、基板上の下地材料膜１に、解像限界付近或いは解像限界以下の微小なパターンを密なピッチで（例えばライン寸法Ｌ１が３５ｎｍ、スペース寸法Ｓ１が３５ｎｍ、ピッチＰ１が７０ｎｍのラインアンドスペースパターン２を）良好に形成することができる。
【００２５】
また、上記実施形態においては、所望のパターン寸法を得るために、プロセス特性を考慮して、下地材料膜１上に形成するレジストパターン寸法を決める工程において、プロセス特性として、枠付け材料膜１１を熱処理することによって架橋層１２を形成することによる開口部のシュリンク特性と、リソグラフィーマージンとを考慮するように構成したので、光リソグラフィーのターゲット寸法を確実に緩和することができると共に、リソグラフィーマージンを十分に確保することができる。
【００２６】
（他の実施形態）
本発明は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張できる。上記実施形態では、第１の露光マスク３と第２の露光マスク４の２つの露光マスクを用いてレジストパターンを作成したが、さらにピッチが小さくなり、パターン寸法が微細になる場合には、リラックスプロセスによるスペースシュリンク特性を考慮して図１のラインアンドスペースパターンのｎ本おきのスペース部に対応して透光部が形成され、それぞれの透光部が図１のラインアンドスペースパターンのライン部の幅寸法分ずれて配置された（ｎ＋１）個（ｎは３以上）の露光マスクを形成すると共に、これら露光マスクを用いて前記レジスト膜５上に多重露光して（ｎ＋１）個の露光マスクパターンを転写してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施形態を示すもので、（ａ）はラインアンドスペースパターンの上面図、（ｂ）はラインアンドスペースパターン及び下地材料膜の縦断面図
【図２】第１の露光マスクの上面図
【図３】第２の露光マスクの上面図
【図４】下地材料膜上にレジスト膜を形成した状態を示す図１相当図
【図５】第１の露光マスクパターンを転写した状態を示す図４相当図
【図６】第２の露光マスクパターンを転写した状態を示す図５相当図
【図７】現像処理を実行した状態を示す図６相当図
【図８】枠付け材料膜で覆った状態を示す図７相当図
【図９】加熱処理を行った状態を示す図８相当図
【図１０】枠付け材料膜の非架橋部を除去した状態を示す図９相当図
【図１１】露光量裕度と焦点深度との関係を示す図
【符号の説明】
【００２８】
図面中、１は下地材料膜、２はラインアンドスペースパターン、３は第１の露光マスク、４は第２の露光マスク、５はレジスト膜、１０はレジストパターン、１１は枠付け材料膜、１２は架橋層である。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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