JP2004356469A - 半導体集積回路装置の製造方法 - Google Patents

半導体集積回路装置の製造方法 Download PDF

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啓 茶木原
Mitsuhiro Noguchi
光弘 野口
Masahiro Tadokoro
昌洋 田所
Naonori Wada
直憲 和田
Akio Nishida
彰男 西田
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Abstract

【課題】SRAMのメモリセルサイズを縮小する。
【解決手段】転送MISFET(TR、TR)および駆動MISFET(DR、DR)とそれらの上部に形成される縦型MISFET(SV、SV)とを接続する中間導電層が埋め込まれる溝31〜35を形成する際、第1および第2のフォトレジスト膜をマスクに用いた2回のエッチングで溝32、33と溝31、34、35を別々に形成する。これにより、溝31と溝32、33の最短距離や、溝32、33と溝34の最短距離が露光光の解像限界より小さい場合でも、すべての溝31〜35を精度よく形成することができるので、同一メモリセル内に配置される溝31〜35の間隔を露光光の解像限界以下まで縮小することができる。
【選択図】 図16

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路装置の製造技術に関し、特に、半導体基板上の同一配線層に、フォトリソグラフィ工程で使用する露光光の解像限界以下の狭い間隔で複数の配線を形成する工程に適用して有効な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体集積回路の微細化に伴って、半導体基板上に形成される電極配線などのパターン寸法が、フォトリソグラフィ工程で使用する露光光の解像限界に達していることから、露光光の解像限界以下のパターン寸法を形成することのできる位相シフト技術や、多重露光技術が採用されている。
【0003】
後者の多重露光技術は、複数枚のフォトマスクを使って複数回の露光を繰り返すことにより、半導体基板上のフォトレジスト膜に露光光の解像限界以下のパターンを転写する技術であり、例えば文献1〜3などに開示されている。
【0004】
例えば文献1(特開平8−45834号公報)には、遮光パターンと位相シフトパターンの互いの位置を入れ替えた第1および第2のフォトマスクを用いてフォトレジスト膜を重複露光し、次に、上記第1および第2のフォトマスクとはパターンの位置が異なり、かつ遮光パターンと位相シフトパターンの互いの位置を入れ替えた第3および第4のフォトマスクを用いて上記フォトレジスト膜を重複露光することによって、露光光の解像限界以下のパターンを転写する4重露光技術が開示されている。
【0005】
【特許文献1】
特開平8−45834号公報
【0006】
【特許文献2】
特開2002−134394号公報
【0007】
【特許文献3】
特開2002−258462号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
同一のフォトレジスト膜に対して複数枚のフォトマスクを用いた複数回の露光を行う前記多重露光技術は、フォトレジスト膜に転写されるパターン同士の間隔が微細になると、複数回の露光による光の相互干渉の影響によってパターンの転写精度が低下するという欠点がある。すなわち、従来の多重露光技術は、個々のパターンを露光光の解像限界以下まで微細化することができても、パターン同士の間隔を露光光の解像限界以下まで微細化することはできない。
【0009】
例えば、本発明者らが開発中のSRAM(Static Random Access Memory)は、メモリセルを構成する6個のMISFET(Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor)のうち、2個のMISFETを縦型構造で構成し、これら2個の縦型MISFETを残り4個のMISFETの上部に配置することによって、メモリセルサイズの縮小を図っている。
【0010】
上記SRAMは、本発明者らが中間導電層と呼んでいる8個の局所配線をメモリセル内の同一配線層に形成し、これら中間導電層の一部を介して下層のMISFETと上層のMISFETを接続する構造になっている。
【0011】
上記のような構造を有するSRAMは、メモリセルのサイズを縮小しようとした場合、同一配線層に形成される上記8個の局所配線の間隔を露光光の解像限界以下まで縮小する技術が要求されるが、従来の多重露光技術を用いたのでは、局所配線同士の間隔を露光光の解像限界以下まで縮小することができない。
【0012】
本発明の目的は、SRAMのメモリセルサイズを縮小し高集積化を推進することのできる技術を提供することにある。
【0013】
本発明の他の目的は、半導体基板上の同一配線層に形成される複数の配線同士の間隔や、同一絶縁膜に形成される複数の接続孔同士の間隔を縮小することによって、LSIの微細化、高集積化を推進することのできる技術を提供することにある。
【0014】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要について説明すれば、次のとおりである。
【0016】
本発明による半導体集積回路装置の製造方法は、半導体基板上の同一配線層に複数の配線を形成する際、
(a)前記複数の配線を複数の群に分割し、前記複数の群のそれぞれに含まれる配線のパターンが形成された複数枚のフォトマスクを用意する工程と、
(b)前記複数枚のフォトマスクを用いた複数回のフォトリソグラフィ工程によって、前記複数の配線を形成する工程と、
を有するものである。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【0018】
(実施の形態1)
図1は、本発明の一実施の形態であるSRAMのメモリセルの等価回路図である。このSRAMのメモリセル(MC)は、一対の相補性データ線(BLT、BLB)とワード線(WL)との交差部に配置された2個の転送MISFET(TR、TR)、2個の駆動MISFET(DR、DR)および2個の縦型MISFET(SV、SV)によって構成されている。
【0019】
メモリセル(MC)を構成する上記6個のMISFETのうち、2個の転送MISFET(TR、TR)および2個の駆動MISFET(DR、DR)は、nチャネル型MISFETで構成されている。また、2個の縦型MISFET(SV、SV)は、pチャネル型MISFETで構成されている。この縦型MISFET(SV、SV)は、周知の完全CMOS型SRAMにおける負荷MISFETに相当するものであるが、通常の負荷MISFETとは異なり、後述するような縦型構造で構成されており、かつ駆動MISFET(DR、DR)および転送MISFET(TR、TR)形成領域の上部に配置されている。
【0020】
メモリセル(MC)の駆動MISFET(DR)および縦型MISFET(SV)は第1のインバータINVを構成し、駆動MISFET(DR)および縦型MISFET(SV)は第2のインバータINVを構成している。これら一対のインバータINV、INVはメモリセル(MC)内で交差結合され、1ビットの情報を記憶する情報蓄積部としてのフリップフロップ回路を構成している。
【0021】
すなわち、駆動MISFET(DR)のドレインと、縦型MISFET(SV)のドレインと、駆動MISFET(DR)のゲートと、縦型MISFET(SV)のゲートとは互いに電気的に接続され、メモリセルの一方の蓄積ノード(A)を構成する。駆動MISFET(DR)のドレインと、縦型MISFET(SV)のドレインと、駆動MISFET(DR)のゲートと、縦型MISFET(SV)のゲートとは互いに電気的に接続され、メモリセルの他方の蓄積ノード(B)を構成する。
【0022】
上記フリップフロップ回路の一方の入出力端子は、転送MISFET(TR)のソース、ドレインの一方に電気的に接続され、もう一方の入出力端子は、転送MISFET(TR)のソース、ドレインの一方に電気的に接続されている。転送MISFET(TR)のソース、ドレインの他方は、一対の相補性データ線の内の一方のデータ線(BLT)に電気的に接続され、転送MISFET(TR)のソース、ドレインの他方は、一対の相補性データ線の内の他方のデータ線(BLB)に電気的に接続されている。また、フリップフロップ回路の一端、すなわち2個の縦型MISFET(SV、SV)のソースは、基準電圧(Vss)よりも電位の高い例えば3Vの電源電圧(Vdd)を供給する電源電圧線(Vdd)に電気的に接続され、他端、すなわち2個の駆動MISFET(DR、DR)のソースは、例えば0Vの基準電圧(Vss)を供給する基準電圧線(Vss)に電気的に接続されている。転送MISFET(TR、TR)のゲート電極は、ワード線(WL)に電気的に接続されている。上記メモリセル(MC)は、一対の蓄積ノード(A,B)の一方をHigh、他方をLowにすることにより情報を記憶する。
【0023】
上記メモリセル(MC)における情報の保持、読み出しおよび書き込み動作は、周知の完全CMOS型SRAMのそれと基本的に同じである。すなわち、情報の読み出し時には、選択されたワード線(WL)に例えば電源電圧(Vdd)を印加し、転送MISFET(TR、TR)をONにして一対の蓄積ノード(A,B)の電位差を相補性データ線(BLT、BLB)で読み取る。また、書き込み時には、選択されたワード線(WL)に例えば電源電圧(Vdd)を印加して、転送MISFET(TR、TR)をONにすると共に、相補性データ線(BLT、BLB)の一方を電源電圧(Vdd)に接続し、他方を基準電圧(Vss)に接続することによって、駆動MISFET(DR、DR)のON、OFFを反転させる。
【0024】
本実施の形態のSRAMは、上記したメモリセルが多数形成されたメモリアレイと、このメモリアレイの周辺に形成された周辺回路とで構成されている。SRAMの周辺回路は、それぞれがnチャネル型MISFETとpチャネル型MISFETで構成されたXデコーダ回路、Yデコーダ回路、センスアンプ回路、入出力回路、論理回路などを含んでいる。
【0025】
次に、上記SRAMの製造方法を図2〜図27を用いて説明する。なお、SRAMの製造方法を示す断面図中、符号A、A’を付した部分は、図2(メモリアレイの平面図)のA−A’線に沿った断面図、符号B、B’を付した部分は、図2のB−B’線に沿った断面図、符号C、C’を付した部分は、図2のC−C’線に沿った断面図、その他の部分は、周辺回路の一部(pチャネル型MISFET形成領域)を示す断面図である。また、SRAMの製造方法を説明する各平面図(メモリアレイの平面図)には、メモリセルを構成する主要な導電層とそれらの接続領域のみを示し、導電層間に形成される絶縁膜などは原則として示さない。また、各平面図中、4個の(+)印で囲んだ矩形の領域は、メモリセル1個の占有領域を示している。
【0026】
まず、図2および図3に示すように、例えばp型の単結晶シリコンからなる基板1の主面の素子分離領域に素子分離溝2を形成する。素子分離溝2を形成するには、例えば基板1の主面をドライエッチングして溝を形成し、続いてこの溝の内部を含む基板1上にCVD法で酸化シリコン膜3などの絶縁膜を堆積した後、溝の外部の不要な酸化シリコン膜3を化学的機械研磨(Chemical Mechanical Polishing;CMP)法で研磨、除去することによって、溝の内部に酸化シリコン膜3を残す。この素子分離溝2を形成することにより、メモリアレイの基板1の主面には、素子分離溝2によって周囲を規定された島状の活性領域(L)が形成される。
【0027】
次に、例えば基板1の一部にリン(P)をイオン注入し、他の一部にホウ素(B)をイオン注入した後、基板1を熱処理してこれらの不純物を基板1中に拡散させることにより、基板1の主面にp型ウエル4およびn型ウエル5を形成する。同図に示すように、メモリアレイの基板1には、p型ウエル4のみが形成され、n型ウエル5は形成されない。一方、周辺回路領域の基板1には、n型ウエル5と図示しないp型ウエルとが形成される。
【0028】
次に、基板1を熱酸化してp型ウエル4およびn型ウエル5のそれぞれの表面に、例えば酸化シリコンからなるゲート絶縁膜6を形成する。
【0029】
次に、図4および図5に示すように、メモリアレイのp型ウエル4上に導電膜として、例えばn型多結晶シリコン膜からなるゲート電極7A、7Bを形成し、周辺回路領域のn型ウエル5上に導電膜として、例えばp型多結晶シリコン膜からなるゲート電極7Cを形成する。図示はしないが、周辺回路領域のp型ウエル上には、導電膜として、例えばn型多結晶シリコン膜からなるゲート電極を形成する。
【0030】
メモリアレイに形成されたゲート電極7Aは、転送MISFET(TR、TR)のゲート電極を構成し、ゲート電極7Bは、駆動MISFET(DR、DR)のゲート電極を構成する。また、周辺回路領域に形成されたゲート電極7Cは、周辺回路のpチャネル型MISFETのゲート電極を構成する。図4に示すように、メモリアレイに形成されたゲート電極7A、7Bは、同図のX方向に延在する長方形の平面パターンを有している。
【0031】
ゲート電極7A、7B、7Cを形成するには、例えばp型ウエル4のゲート絶縁膜6上にn型多結晶シリコン膜を形成し、n型ウエル5のゲート絶縁膜6上にp型多結晶シリコン膜を形成した後、n型多結晶シリコン膜およびp型多結晶シリコン膜のそれぞれの上部にキャップ絶縁膜として例えばCVD法で酸化シリコン膜8を堆積する。n型多結晶シリコン膜およびp型多結晶シリコン膜を形成するには、例えばゲート絶縁膜6上にCVD法でノンドープの多結晶シリコン膜(またはアモルファスシリコン膜)を堆積した後、p型ウエル4上のノンドープ多結晶シリコン膜(またはアモルファスシリコン膜)にリン(またはヒ素)をイオン注入し、n型ウエル5上のノンドープ多結晶シリコン膜(またはアモルファスシリコン膜)にホウ素をイオン注入する。
【0032】
次に、フォトレジスト膜をマスクにしたドライエッチングで酸化シリコン膜8をゲート電極7A、7B、7Cと同じ平面形状となるようにパターニングし、続いて、パターニングした酸化シリコン膜8をマスクにしてn型多結晶シリコン膜およびp型多結晶シリコン膜をドライエッチングする。
【0033】
次に、図6に示すように、例えばp型ウエル4にn型不純物(リンまたはヒ素)をイオン注入することによって、比較的低濃度のn型半導体領域9を形成し、n型ウエル5にp型不純物(ホウ素)をイオン注入することによって、比較的低濃度のp型半導体領域10を形成する。n型半導体領域9は、転送MISFET(TR、TR)、駆動MISFET(DR、DR)および周辺回路のnチャネル型MISFETのそれぞれのソース、ドレインをLDD(lightly doped drain)構造にするために形成し、p型半導体領域10は、周辺回路のpチャネル型MISFETのソース、ドレインをLDD構造にするために形成する。
【0034】
次に、ゲート電極7A、7B、7Cのそれぞれの側壁に絶縁膜からなるサイドウォールスペーサ13を形成する。サイドウォールスペーサ13を形成するには、例えば基板1上にCVD法で酸化シリコン膜および窒化シリコン膜を堆積した後、この窒化シリコン膜と酸化シリコン膜とを異方性エッチングする。このとき、ゲート電極7A、7B、7Cのそれぞれの上面を覆う酸化シリコン膜8および基板1の表面の酸化シリコン膜(ゲート絶縁膜6)をエッチングすることにより、ゲート電極7A、7B、7Cのそれぞれの表面、およびn型半導体領域9、p型半導体領域10のそれぞれの表面を露出させる。
【0035】
次に、図7に示すように、p型ウエル4にn型不純物(リンまたはヒ素)をイオン注入することによって比較的高濃度のn型半導体領域14を形成し、n型ウエル5にp型不純物(ホウ素)をイオン注入することによって比較的高濃度のp型半導体領域15を形成する。メモリアレイのp型ウエル4に形成されたn型半導体領域14は、転送MISFET(TR、TR)および駆動MISFET(DR、DR)のそれぞれのソース、ドレインを構成し、周辺回路領域のn型ウエル5に形成されたp型半導体領域15は、pチャネル型MISFETのソース、ドレインを構成する。また、周辺回路領域の図示しないp型ウエルには、n型の不純物としてリンまたはヒ素をイオン注入し、nチャネル型MISFETのソース、ドレインを構成する比較的高濃度のn型半導体領域を形成する。
【0036】
次に、ゲート電極7A、7B、7Cの表面およびソース、ドレイン(n型半導体領域14、p型半導体領域15)の表面にそれぞれCoシリサイド層18を形成する。Coシリサイド層18を形成するには、例えば基板1上にスパッタリング法でコバルト(Co)膜を堆積し、続いて、基板1を熱処理してCo膜とゲート電極7A、7B、7Cとの界面、およびCo膜と基板1との界面にシリサイド反応を生じさせた後、未反応のCo膜をエッチングで除去する。ここまでの工程により、メモリアレイにnチャネル型の転送MISFET(TR、TR)および駆動MISFET(DR、DR)が形成され、周辺回路領域にpチャネル型MISFET(Qp)および図示しないnチャネル型MISFETが形成される。
【0037】
図8に示すように、一方の転送MISFET(TR)および駆動MISFET(DR)と、他方の転送MISFET(TR)および駆動MISFET(DR)とは、素子分離部を介して図の横方向(X方向)に離隔して配置され、かつメモリセル形成領域の中心点に対して点対称に配置される。また、駆動MISFET(DR)および駆動MISFET(DR)のゲート電極7Bは、図の横方向(X方向)に延在するように配置され、X方向において、一方の転送MISFET(TR)および駆動MISFET(DR)と、他方の転送MISFET(TR)および駆動MISFET(DR)との間の素子分離部上でその一端が終端し、その一端部上に後述する縦型MISFET(SV、SV)が形成される。
【0038】
次に、図9および図10に示すように、MISFET(TR、TR、DR、DR、Qp)を覆う絶縁膜として、例えばCVD法で窒化シリコン膜19および酸化シリコン膜20を堆積し、続いて化学的機械研磨法で酸化シリコン膜20の表面を平坦化する。
【0039】
次に、フォトレジスト膜をマスクにして上記酸化シリコン膜20および窒化シリコン膜19をドライエッチングすることにより、転送MISFET(TR、TR)のゲート電極7Aの上部にコンタクトホール21を形成し、駆動MISFET(DR、DR)のゲート電極7Bの上部にコンタクトホール22を形成する。また、転送MISFET(TR、TR)および駆動MISFET(DR、DR)のそれぞれのソース、ドレイン(n型半導体領域14)の上部にコンタクトホール23、24、25を形成し、周辺回路領域のpチャネル型MISFET(Qp)のゲート電極7Cおよびソース、ドレイン(p型半導体領域15)のそれぞれの上部にコンタクトホール26、27を形成する。
【0040】
次に、図11に示すように、上記コンタクトホール21〜27の内部にプラグ28を形成した後、基板1上にCVD法で窒化シリコン膜29および酸化シリコン膜30を堆積する。プラグ28を形成するには、例えばコンタクトホール21〜27の内部を含む酸化シリコン膜20上にスパッタリング法でチタン(Ti)膜および窒化チタン(TiN)膜を堆積し、続いてCVD法でTiN膜および金属膜としてタングステン(W)膜を堆積した後、コンタクトホール21〜27の外部のW膜、TiN膜およびTi膜を化学的機械研磨法によって除去する。なお、酸化シリコン膜30の下層の窒化シリコン膜29は、次の工程で酸化シリコン膜30をエッチングする際のストッパ膜として使用される。
【0041】
次に、図12および図13に示すように、フォトレジスト膜をマスクにして窒化シリコン膜29および酸化シリコン膜30をドライエッチングすることにより、上記コンタクトホール21〜27のそれぞれの上部に溝31〜37を形成する。これらの溝31〜37のうち、メモリアレイに形成される溝32、33のそれぞれは、コンタクトホール22、23の一方から他方へ延在する平面パターンを有している。
【0042】
また、メモリアレイに形成される溝31〜35のうち、図12に示す溝31と溝32の最短距離(Da)および溝31と溝33の最短距離(Da)は、例えば0.14μmであり、溝32と溝34の最短距離(Db)および溝33と溝34の最短距離(Db)は、例えば0.11μmである。
【0043】
このとき、例えば波長が0.193μmのKrF(フッ化クリプトン)を光源とする露光装置を使ってフォトレジスト膜に溝31〜37のパターンを転写しようとすると、上記の最短距離(Da)、(Db)が露光光の解像限界以下の長さとなるために、露光光の干渉によって溝31のパターンと溝32、33のパターン、および溝32、33のパターンと溝34のパターンが互いに分離されずに繋がってしまう。すなわち、この場合は、溝31〜34を互いに分離することができない。そこで、本実施の形態では、次のような方法を用いて溝31〜37を形成する。
【0044】
図14は、基板1上に窒化シリコン膜29および酸化シリコン膜30を堆積した段階(図11に示す工程)におけるメモリアレイの平面図であり、メモリセル約4個分の領域を示している。また、図15は、図14のD−D’線に沿った断面図である。
【0045】
まず、図16および図17に示すように、酸化シリコン膜30の上部に第1のフォトレジスト膜38を形成し、このフォトレジスト膜38をマスクにして酸化シリコン膜30および窒化シリコン膜29をドライエッチングすることにより、溝31〜35の一部、例えば溝32および溝33を形成する。すなわち、この工程では、溝32、33のパターンが形成された第1のフォトマスク(図示せず)を使ってフォトレジスト膜38に溝32、33のパターンを転写し、次に、このフォトレジスト膜38をマスクにしたドライエッチングで酸化シリコン膜30および窒化シリコン膜29に溝32、33を形成する。このようにすると、同一メモリセル内に形成される2つの溝32、33の間隔は、最短部分でも露光光の解像限界(KrFを光源とした場合は、0.193μm)より大きいので、フォトレジスト膜38に溝32、33のパターンを精度よく転写することができ、従って、酸化シリコン膜30および窒化シリコン膜29に精度よく溝32、33を形成することができる。
【0046】
次に、フォトレジスト膜38を除去した後、図18および図19に示すように、酸化シリコン膜30の上部に第2のフォトレジスト膜39を形成し、このフォトレジスト膜39をマスクにして酸化シリコン膜30および窒化シリコン膜29をドライエッチングすることにより、例えば溝31、溝34および溝35を形成する。すなわち、この工程では、溝31、34、35のパターンが形成された第2のフォトマスク(図示せず)を使ってフォトレジスト膜39に溝31、34、35のパターンを転写し、次に、このフォトレジスト膜39をマスクにしたドライエッチングで酸化シリコン膜30および窒化シリコン膜29に溝31、34、35を形成する。このようにすると、同一メモリセル内に形成される溝31、34、35の相互の間隔は、最短部分でも露光光の解像限界より大きいので、フォトレジスト膜39に溝31、34、35のパターンを精度よく転写することができ、従って、酸化シリコン膜30および窒化シリコン膜29に精度よく溝31、34、35を形成することができる。
【0047】
このように、本実施の形態では、フォトレジスト膜をマスクに用いたドライエッチングで、同一メモリセル内に互いの距離が近接した溝31〜35を形成する際、まず、互いの間隔が露光光の解像限界よりも大きい2つの溝32、33のパターンを転写した第1のフォトレジスト膜38を使って溝32、33を形成し、次に、互いの間隔が露光光の解像限界よりも大きい3つの溝31、34、35のパターンを転写した第2のフォトレジスト膜39を使って溝31、34、35を形成する。または、最初にフォトレジスト膜39を使って溝31、34、35を形成し、次に、フォトレジスト膜38を使って溝32、33を形成してもよい。
【0048】
これにより、同一メモリセル内に形成される溝31〜35のうち、例えば溝31と溝32、33の最短距離(Da)や、溝32、33と溝34の最短距離(Db)が露光光の解像限界より小さい場合でも、すべての溝31〜35を精度よく形成することができる。
【0049】
なお、一般に周辺回路領域に形成される溝36、37は、それらが1個のMISFETに接続される場合であっても、メモリアレイに形成される溝31〜35に比べて互いの間隔が広い。従って、第1のフォトレジスト膜38をマスクにしたドライエッチングでメモリアレイに溝32、33を形成する際、または、第2のフォトレジスト膜39をマスクにしたドライエッチングでメモリアレイに溝31、34、35を形成する際、周辺回路領域の溝36、37を同時に形成することができる。ただし、周辺回路領域に形成される溝36、37の間隔を露光光の解像限界よりも狭くしたい場合は、第1のフォトレジスト膜38をマスクにしたドライエッチングでメモリアレイに溝32、33を形成する際、溝36、37のいずれか一方を形成し、第2のフォトレジスト膜39をマスクにしたドライエッチングでメモリアレイに溝31、34、35を形成する際、溝36、37の他方を形成すればよい。
【0050】
上記溝31〜35は、次のような方法によって形成することもできる。まず、図20に示すように、基板1上に窒化シリコン膜29および酸化シリコン膜30を堆積した後、酸化シリコン膜30の上部に窒化シリコン膜40を堆積する。最上層の窒化シリコン膜40は、その下層の酸化シリコン膜30をエッチングする際のハードマスクとして使用される。
【0051】
次に、図21に示すように、窒化シリコン膜40の上部に形成した第1のフォトレジスト膜38に溝32、33のパターンを転写した後、このフォトレジスト膜38をマスクにして窒化シリコン膜40をドライエッチングする。
【0052】
次に、フォトレジスト膜38を除去した後、図22に示すように、窒化シリコン膜40の上部に形成した第2のフォトレジスト膜39に溝31、34、35のパターンを転写し、このフォトレジスト膜39をマスクにして窒化シリコン膜40をドライエッチングする。
【0053】
このように、まず、互いの間隔が露光光の解像限界よりも大きい2つの溝32、33のパターンを転写した第1のフォトレジスト膜38を使って窒化シリコン膜40に溝32、33を形成し、次に、互いの間隔が露光光の解像限界よりも大きい3つの溝31、34、35のパターンを転写した第2のフォトレジスト膜39を使って窒化シリコン膜40に溝31、34、35を形成する。これにより、窒化シリコン膜40に溝31〜35のパターンを精度よく形成することができる。
【0054】
次に、フォトレジスト膜39を除去した後、図23に示すように、窒化シリコン膜40をマスクにして酸化シリコン膜30をドライエッチングすることにより、酸化シリコン膜30に溝31、33および図示しない溝32、34、35を形成する。このとき、下層の窒化シリコン膜29の表面が露出した段階でエッチングを停止し、溝31〜35の下方の酸化シリコン膜20がエッチングされないようにする。
【0055】
次に、図24に示すように、溝31〜35の外部の酸化シリコン膜30上に残った窒化シリコン膜40と、溝31〜35の底部に露出した窒化シリコン膜29とを同時にエッチングすることにより、溝31〜35が完成する。
【0056】
上記した溝31〜35の形成方法は、窒化シリコン膜40の上部に第2のフォトレジスト膜39を形成する際(図22参照)、下地の段差(窒化シリコン膜40の表面と酸化シリコン膜30の表面との段差)が小さいので、第2のフォトレジスト膜39に高い精度で溝31、34、35のパターンを転写することができる利点がある。他方、前記図16〜図19に示した溝31〜35の形成方法は、第2のフォトレジスト膜39を露光して溝31、34、35のパターンを転写する際(図19参照)、下地の段差(酸化シリコン膜30の表面と酸化シリコン膜20の表面との段差)が大きいので、第2の方法に比べると、溝31、34、35のパターンを転写する精度が若干低下する。
【0057】
次に、図25に示すように、メモリアレイに形成された溝31〜35のそれぞれの内部に中間導電層41〜45を形成し、周辺回路領域に形成された溝36、37のそれぞれの内部に第1層配線46、47を形成する。中間導電層41〜45および第1層配線46、47を形成するには、例えば溝31〜37の内部を含む酸化シリコン膜30上にスパッタリング法でTiN膜を堆積し、続いて金属膜としてCVD法でW膜を堆積した後、溝31〜37の外部のW膜およびTiN膜を化学的機械研磨法によって除去する。
【0058】
次に、図26に示すように、駆動MISFET(DR)のゲート電極7Bの一端部上に縦型MISFET(SV)を形成し、駆動MISFET(DR)のゲート電極7Bの一端部上に縦型MISFET(SV)を形成する。
【0059】
縦型MISFET(SV)は、下部半導体層(ドレイン)57、中間半導体層58、上部半導体層(ソース)59を積層した四角柱状の積層体(P)と、この積層体(P)の側壁にゲート絶縁膜63を介して形成されたゲート電極66とによって構成される。縦型MISFET(SV)の下部半導体層(ドレイン)57は、その下部に形成されたプラグ55およびバリア層48を介して前記中間導電層42に接続され、さらにこの中間導電層42およびその下部の前記プラグ28、28を介して前記転送MISFET(TR)のソース、ドレインの一方および駆動MISFET(DR)のドレインであるn型半導体領域14と、駆動MISFET(DR)のゲート電極7Bとに電気的に接続される。
【0060】
縦型MISFET(SV)は、下部半導体層(ドレイン)57、中間半導体層58、上部半導体層(ソース)59を積層した四角柱状の積層体(P)と、この積層体(P)の側壁にゲート絶縁膜63を介して形成されたゲート電極66とによって構成される。縦型MISFET(SV)の下部半導体層(ドレイン)57は、その下部に形成されたプラグ55およびバリア層48を介して前記中間導電層43に接続され、さらにこの中間導電層43およびその下部の前記プラグ28、28を介して前記転送MISFET(TR)のソース、ドレインの一方および駆動MISFET(DR)のソースであるn型半導体領域14、と駆動MISFET(DR)のゲート電極7Bとに電気的に接続される。
【0061】
縦型MISFET(SV、SV)は、下部半導体層57がドレインを構成し、中間半導体層58が基板(チャネル領域)を構成し、上部半導体層59がソースを構成している。下部半導体層57、中間半導体層58、上部半導体層59の夫々は、シリコン膜で構成され、下部半導体層57及び上部半導体層59はp型にドープされ、p型シリコン膜で構成される。すなわち、縦型MISFET(SV、SV)は、シリコン膜で形成されたpチャネル型MISFETで構成される。
【0062】
次に、図27に示すように、縦型MISFET(SV、SV)の上部にプラグ80、電源電圧線(Vdd)90、相補性データ線(BLT、BLB)および周辺回路の第2層配線89を形成する。電源電圧線(Vdd)90、相補性データ線(BLT、BLB)および第2層配線89は、銅(Cu)を主体とする金属膜で構成される。
【0063】
縦型MISFETS(SV)のゲート電極66は、ゲート引き出し電極51b、プラグ80、中間導電層43およびその下部のプラグ28、28を介して転送MISFET(TR)のソース、ドレインの一方および駆動MISFET(DR)のドレインであるn型半導体領域14と、駆動MISFET(DR)のゲート電極7Bとに電気的に接続される。縦型MISFET(SV)のゲート電極66は、ゲート引き出し電極51a、プラグ80、中間導電層42およびその下部のプラグ28、28を介して転送MISFET(TR)のソース、ドレインの一方および駆動MISFET(DR)のドレインであるn型半導体領域14と、駆動MISFET(DR)のゲート電極7Bとに電気的に接続される。
【0064】
電源電圧線(Vdd)90は、縦型MISFETS(SV)の上部半導体層(ソース)59および縦型MISFET(SV)の上部半導体層(ソース)59と電気的に接続される。
【0065】
相補性データ線BLTは、転送MISFET(TR)のソース、ドレイン(n型半導体領域14)の他方と電気的に接続され、相補性データ線(BLB)は、転送MISFET(TR)のソース、ドレイン(n型半導体領域14)の他方と電気的に接続される。
【0066】
電源電圧線(Vdd)90および相補性データ線(BLT、BLB)の上層には、図示しないワード線(WL)および基準電圧線(Vss)が形成される。ワード線(WL)は、転送MISFET(TR、TR)のゲート電極7Aと電気的に接続され、基準電圧線(Vss)は、駆動MISFET(DR、DR)のn型半導体領域(ソース)14と電気的に接続される。ワード線(WL)および基準電圧線(Vss)は、例えば銅(Cu)を主体とする金属膜で構成される。
【0067】
ここまでの工程により、2個の転送MISFET(TR、TR)、2個の駆動MISFET(DR、DR)および2個の縦型MISFET(SV、SV)によって構成されるメモリセル(MC)が略完成する。なお、上記メモリセル(MC)の構造および製造方法については、特願2002−224254号に詳細な説明がある。
【0068】
このように、本実施の形態では、転送MISFET(TR、TR)および駆動MISFET(DR、DR)とそれらの上部に形成される縦型MISFET(SV、SV)とを接続する中間導電層41〜45が埋め込まれる溝31〜35を形成する際、第1および第2のフォトレジスト膜38、39をマスクに用いた2回のエッチングで溝32、33と溝31、34、35を別々に形成する。
【0069】
これにより、例えば溝31と溝32、33の最短距離(Da)や、溝32、33と溝34の最短距離(Db)を露光光の解像限界より小さくした場合でも、すべての溝31〜35を精度よく形成することができるので、同一メモリセル内に配置される溝31〜35の間隔を縮小することが可能となり、SRAMのメモリセルサイズを縮小することができる。またこれにより、SRAMの大容量化、あるいはSRAMのチップサイズの縮小を図ることができる。
【0070】
本実施の形態によれば、高価な位相シフトマスクを使用しなくとも、SRAMのメモリセルサイズを縮小することが可能となる。また、本実施の形態で開示された技術と位相シフト技術とを組み合わせれば、メモリセルサイズをさらに縮小することが可能となる。
【0071】
(実施の形態2)
本実施の形態は、同一配線層に露光光の解像限界よりも小さい間隔で複数の配線を形成する方法に適用したものである。
【0072】
まず、図28に示すように、基板1上に酸化シリコン膜70を形成した後、酸化シリコン膜70上にスパッタリング法でW膜71を堆積し、続いてW膜71上に窒化シリコン膜72を堆積する。ここで、配線材料であるW膜71は、Al合金膜のような他のメタル膜に置き換えてもよい。また、窒化シリコン膜72は、その下層の配線材料をエッチングする際のハードマスクとして使用する。
【0073】
次に、図29に示すように、窒化シリコン膜72の上部に第1のフォトレジスト膜73a、73bを形成し、このフォトレジスト膜73a、73bをマスクにして窒化シリコン膜72をドライエッチングすることにより、配線と同一の形状を有する2つのハードマスク72a、72bを形成する。このとき、図に示す2つのフォトレジスト膜73a、73bの間隔を露光光の解像限界より大きくすることにより、2つのハードマスク72a、72bを精度よく形成することができる。
【0074】
次に、フォトレジスト膜73a、73bを除去した後、図30に示すように、W膜71上に残った2つのハードマスク72a、72bの間に配線と同一の形状を有する第2のフォトレジスト膜74を形成する。このとき、第2のフォトレジスト膜74とハードマスク72aとの間隔(Sa)、および第2のフォトレジスト膜74とハードマスク72bとの間隔(Sb)は、いずれも露光光の解像限界より小さい。
【0075】
次に、図31に示すように、ハードマスク72a、72bとフォトレジスト膜74とをマスクにしてW膜71をドライエッチングすることにより、配線71A、71B、71Cを形成する。
【0076】
上記した方法によれば、露光光の解像限界よりも小さい間隔(Sa、Sb)を有する複数の配線71A、71B、71Cを精度よく形成することができる。
【0077】
上記配線71A、71B、71Cは、次のような方法によって形成することもできる。まず、図32に示すように、酸化シリコン膜70上にW膜71を堆積し、続いてW膜71上に窒化シリコン膜72を堆積した後、窒化シリコン膜72上に酸化シリコン膜75する。窒化シリコン膜72および酸化シリコン膜75は、下層の配線材料(W膜71)をエッチングする際のハードマスクとして使用する。
【0078】
次に、図33に示すように、酸化シリコン膜75の上部に配線と同一の形状を有する第1のフォトレジスト膜73a、73bを形成し、このフォトレジスト膜73a、73bをマスクにして酸化シリコン膜75をドライエッチングする。このとき、2つのフォトレジスト膜73a、73bの間隔は、露光光の解像限界より大きい。
【0079】
次に、フォトレジスト膜73a、73bを除去した後、図34に示すように、配線と同一の形状にパターニングされた2つの窒化シリコン膜72の間に配線と同一の形状を有する第2のフォトレジスト膜74を形成し、このフォトレジスト膜74と酸化シリコン膜75とをマスクにしたドライエッチングで窒化シリコン膜72を配線と同一の形状にパターニングする。このとき、第2のフォトレジスト膜74と酸化シリコン膜75との間隔は、露光光の解像限界より小さい。
【0080】
次に、フォトレジスト膜74を除去すると、図35に示すように、W膜71の上部には、窒化シリコン膜72と酸化シリコン膜75との積層膜からなる第1のハードマスク76a、および窒化シリコン膜72からなる第2のハードマスク76bが形成される。
【0081】
次に、図36に示すように、上記ハードマスク76a、76bをマスクにしてW膜71をドライエッチングすることにより、露光光の解像限界よりも小さい間隔を有する複数の配線71A、71B、71Cを形成する。また、W膜71をドライエッチングする際、あるいはW膜71をドライエッチングした後、ハードマスク76aの一部を構成する酸化シリコン膜75をエッチングすることにより、配線71A、71B、71Cのそれぞれの上部に窒化シリコン膜72のみを残すことができる。これにより、後の工程で配線71A、71B、71Cの上部の層間絶縁膜をエッチングして配線71A、71B、71Cの表面に達するスルーホールを形成する作業などが容易になる。
【0082】
(実施の形態3)
本実施の形態は、同一絶縁膜に露光光の解像限界よりも小さい間隔で複数のコンタクトホールを形成する方法に適用したものである。
【0083】
まず、図37に示すように、基板1上にゲート電極7Cとn型半導体領域14とを含むnチャネル型MISFETQnを形成した後、nチャネル型MISFETQnの上部に窒化シリコン膜19、酸化シリコン膜20および窒化シリコン膜81を堆積する。窒化シリコン膜81は、その下層の酸化シリコン膜20をエッチングする際のハードマスクとして使用する。
【0084】
次に、図38に示すように、窒化シリコン膜81の上部に第1のフォトレジスト膜82を形成し、このフォトレジスト膜82をマスクにしてゲート電極7Cの上部の窒化シリコン膜81をドライエッチングする。これにより、ゲート電極7Cの上部の窒化シリコン膜81には、コンタクトホールと同一の形状を有するホールパターン81aが形成される。
【0085】
次に、フォトレジスト膜82を除去した後、図39に示すように、窒化シリコン膜81の上部に第2のフォトレジスト膜83を形成し、このフォトレジスト膜83をマスクにしてn型半導体領域14の上部の窒化シリコン膜81をドライエッチングする。これにより、n型半導体領域14の上部の窒化シリコン膜81には、コンタクトホールと同一の形状を有するホールパターン81bが形成される。
【0086】
次に、フォトレジスト膜83を除去した後、図40に示すように、ホールパターン81a、81bが形成された窒化シリコン膜81をマスクにしたドライエッチングでゲート電極7Cの上部の酸化シリコン膜20にコンタクトホール84を形成し、n型半導体領域14の上部の酸化シリコン膜20にコンタクトホール85を形成する。
【0087】
次に、図41に示すように、酸化シリコン膜20上に残った窒化シリコン膜81と、コンタクトホール84、85の底部に露出した窒化シリコン膜19とを同時にエッチングすることにより、コンタクトホール84、85が完成する。その後、図42に示すように、コンタクトホール84、85の内部にプラグ86を形成する。
【0088】
このように、本実施の形態では、ホールパターン81a、81bが形成された窒化シリコン膜81をマスクにして酸化シリコン膜20にコンタクトホール84、85を形成する際、第1および第2のフォトレジスト膜82、83をマスクに用いた2回のエッチングでホールパターン81aとホールパターン81bを別々に形成する。
【0089】
これにより、ホールパターン81aとホールパターン81bの距離を露光光の解像限界よりも小さくすることができるので、ゲート電極7Cの上部のコンタクトホール84とn型半導体領域14の上部のコンタクトホール85の距離を露光光の解像限界よりも小さくすることができ、MISFETの微細化を図ることができる。
【0090】
(実施の形態4)
本実施の形態は、例えば図43に示すような1個の半導体チップ100の主面に、中央演算処理装置(CPU)、アナログ回路、入出力回路(I/O)、メモリ回路(RAM、ROM)などを集積したメモリ混載ロジックデバイスの配線形成方法に適用したものである。
【0091】
まず、図44に示すように、半導体チップ100を構成する基板1の一部(例えばCPU形成領域、メモリ回路形成領域、アナログ回路形成領域または入出力回路形成領域)にnチャネル型MISFETQn(および図示しないpチャネル型MISFET)を形成し、続いてこれらのMISFETを覆う絶縁膜である酸化シリコン膜101にコンタクトホール102を形成してその内部に導電膜であるプラグ103を埋め込んだ後、酸化シリコン膜101の上部に第1層配線用の導電膜104を堆積する。導電膜104は、例えばスパッタ法で堆積したTiN膜、Al合金膜およびTiN膜の3層膜からなる。
【0092】
次に、図45(平面図)および図46(図45のE−E’線に沿った断面図)に示すように、導電膜104の上部に形成した第1のフォトレジスト膜105をマスクにしたドライエッチングで導電膜104をパターニングする。このとき、図45に示すように、導電膜104を、その平面パターンが図の左右方向(X方向)に沿って帯状に延在するようにパターニングする。
【0093】
図45中の破線で示した格子状のラインは、図面を分かり易くするために配線が配置されるチャネルを示したもので、このうち、図の左右方向(X方向)に延びる破線は、第1層配線が形成されるチャネル、上下方向(Y方向)に延びる破線は、第2層配線が形成されるチャネルをそれぞれ示している。すなわち、上記導電膜104は、まず第1層配線の延在方向(チャネル方向)に沿ってパターニングされる。なお、特に限定はされないが、本実施の形態においてX方向及びY方向のチャネルの間隔Sは等しく構成される。
【0094】
次に、フォトレジスト膜105を除去した後、図47および図48に示すように、エッチングとして、例えば第2のフォトレジスト膜106をマスクにしたドライエッチングで導電膜104をパターニングする。このとき、導電膜104は、第1層配線のチャネル方向(X方向)と直交する方向(Y方向)にパターニングされ、これにより、導電膜104からなる第1層配線107が完成する。第1層配線107は、導電膜104をチャネル方向と直交する方向(Y方向)に沿ってパターニングし、その後、チャネル方向(X方向)に沿ってパターニングすることによって形成することもできる。
【0095】
上記した第1層配線107の形成方法は、2枚のフォトマスクを使った2回のエッチングで導電膜104をパターニングするので、露光光の干渉の影響が無くなる。すなわち、複数枚のフォトレジストマスクを用いた複数回フォトリソグラフィ工程を用いて、複数の導電膜104を形成する。この結果、第1層配線107の両端部の丸みが少なくなるので、第1層配線107の両端部が内側へ後退する量を減らすことができる。
【0096】
これにより、第1層配線のチャネル方向(X方向)において、第1層配線107の端部とチャネルとの幅(図47に示すスペース=c)を小さくすることができる。従って、第1層配線のチャネル方向(X方向)において、互いに隣接するチャネル交差点上に第1層配線107が配置される場合でも、第1層配線107の端部とチャネルとの幅(図47に示すスペース=c)および第1層配線107、107のスペース(図47に示すスペース=a)を狭くすることができるので、第1層配線のチャネル方向(X方向)において、チャネルの間隔Sを縮小して配線密度を向上させることが可能になる。
【0097】
次に、図49および図50に示すように、第1層配線107の上部に層間絶縁膜として、例えば酸化シリコン膜108を堆積した後、例えばCMP(化学的機械研磨)法等の研磨を用いて層間絶縁膜の表面を平坦化し、その後、酸化シリコン膜108にコンタクトホール109を形成してその内部にプラグ110を埋め込む。図49に示すように、コンタクトホール109は、第1層配線107が形成されたチャネルと第2層配線が形成されるチャネルとの交点に配置される。
【0098】
次に、図51および図52に示すように、酸化シリコン膜108の上部に堆積した第2層配線用の導電膜を前記導電膜104と同様の方法でパターニングすることによって第2層配線111を形成し、前記コンタクトホール109内のプラグ110を通じて第2層配線111と第1層配線107とを電気的に接続する。
【0099】
上記した第2層配線111の形成方法は、前記導電膜104と同様の方法で2枚のフォトマスクを使った2回のエッチングで導電膜をパターニングするので、露光光の干渉の影響が無くなる。すなわち、複数枚のフォトレジストマスクを用いた複数回フォトリソグラフィ工程を用いて、複数の導電膜を形成する。この結果、第2層配線111の両端部の丸みが少なくなるので、第2層配線111の両端部が内側へ後退する量を減らすことができる。これにより、第2層配線のチャネル方向(Y方向)において、第2層配線111の端部とチャネルとの幅(図51に示すスペース=c)を小さくすることができる。
【0100】
このように、本実施の形態の配線形成方法によれば、2枚のフォトマスクを使った2回のエッチングで配線用の導電膜104をパターニングすることにより、第1層配線107の両端部が内側へ後退する量を減らすことができる。
【0101】
これにより、第1層配線のチャネル方向(X方向)において、第1層配線107の端部とチャネルとの幅(図47に示すスペース=c)を小さくすることができる。従って、第1層配線のチャネル方向(X方向)において、互いに隣接するチャネル交差点上に第1層配線107が配置される場合でも、第1層配線107の端部とチャネルとの幅(図47に示すスペース=c)および第1層配線107、107のスペース(図47に示すスペース=a)を狭くすることができるので、第1層配線のチャネル方向(X方向)において、チャネルの間隔Sを縮小して配線密度を向上させることが可能になる。
【0102】
また、第1層配線107の端部とその上部に形成されるコンタクトホール109とのずれ量(図51に示すずれ量=b)を小さくすることができる。すなわち、内側へ後退する量、合わせ余裕およびリザーバ等を考慮したずれ量(図51に示すずれ量=b)を小さくすることができる。従って、互いに隣接するチャネル交差点上にコンタクトホール109、109が配置される場合でも、第1層配線107、107のスペース(図51に示すスペース=a)を狭くすることができるので、チャネルの間隔Sを縮小して配線密度を向上させることが可能になる。
【0103】
他方、1枚のフォトマスクを使った1回のエッチングで配線用の導電膜104をパターニングする場合は、第1層配線107の両端部が内側へ後退する量が大きくなる。従って、第1層配線107とコンタクトホール109内のプラグ110とを確実に接続させるためには、第1層配線107の端部とその上部に形成されるコンタクトホール109とのずれ量(b)を大きく確保しておく必要があるので、チャネルの間隔Sを縮小して配線密度を向上させることが困難になる。すなわち、チャネルの間隔Sを大きくする必要があり、配線密度を向上させることが困難になる。
【0104】
また、2枚のフォトマスクを使った2回のエッチングで配線用の導電膜をパターニングすることにより、第2層配線111の両端部が内側へ後退する量を減らすことができる。これにより、第2層配線のチャネル方向(Y方向)において、第2層配線111の端部とチャネルとの幅(図51に示すスペース=c)を小さくすることができる。また、第1層配線107と同様に、第2層配線111、111のスペース(図51に示すスペース=a)を狭くすることができるので、チャネルの間隔Sを縮小して配線密度を向上させることが可能になる。
【0105】
また、2枚のフォトマスクを使った2回のエッチングで配線用の導電膜をパターニングすることにより、第1層配線107及び第2層配線111の両端部が内側へ後退する量を減らすことができる。これにより、配線107、111の端部とチャネルとの幅(図47および図51に示すスペース=c)、第1層配線107、107のスペース及び、第2層配線111、111のスペース(図51に示すスペース=a)を狭くすることができるので、チャネルの間隔Sを縮小して配線密度を向上させることが可能になる。
【0106】
なお、図示しないが、第3層配線以降も、第1層配線107および第2層配線111と同様に形成してもよいのは勿論である。
【0107】
また、第1層配線107(または第2層配線111)は、次のような方法で形成することもできる。まず、図53に示すように、第1のフォトレジスト膜(図示せず)をマスクにしたドライエッチングで導電膜104をパターニングする。このとき、導電膜104は、その平面パターンが図の左右方向に沿って帯状に延在するようにパターニングされるが、同一チャネル上に配置される第1層配線107のうち、互いのスペースが広い箇所は、この工程で分離しておく。
【0108】
次に、図54に示すように、第2のフォトレジスト膜(図示せず)をマスクにしたドライエッチングで導電膜104をパターニングし、同一チャネル上に配置される第1層配線107のうち、互いのスペースが狭い箇所のみを分離することにより、第1層配線107が完成する。その後、図55に示すように、第1層配線107が形成されたチャネルと、後に第2層配線が形成されるチャネルとの交点にコンタクトホール109を形成する。
【0109】
上記の配線形成方法によれば、同一チャネル上に配置される複数の第1層配線107のうち、互いのスペースが狭い箇所は、それらの端部が内側へ後退する量を減らすことができる。これにより、第1層配線のチャネル方向(X方向)において、第1層配線107の端部とチャネルとの幅(図47に示すスペース=c)を小さくすることができる。また、第1層配線107、107のスペース(a)を狭くすることができるので、チャネルの間隔Sを縮小して配線密度を向上させることが可能になる。
【0110】
また一般に、互いに隣接するチャネル交差点上にコンタクトホール109、109が配置される確率は低いので、上記の配線形成方法によれば、2枚目のフォトマスクに形成するパターンのデータ量が少なくなる。これにより、2枚目のフォトマスクの製造に要する時間を短縮することができる。
【0111】
2枚のフォトマスクを使った2回のエッチングで配線用の導電膜104をパターニングする場合、露光光源としてKrFとそれよりも波長が短いArF(フッ化アルゴン)とを組み合わせて使用することもできる。すなわち、KrFを露光光源とするリソグラフィ工程で互いのスペースが広い箇所のみをパターニングし、次に、ArFを露光光源とするリソグラフィ工程で互いのスペースが狭い箇所をパターニングすることによって第1層配線107または第2層配線111を形成してもよい。この場合は、ArFを露光光源とする2回のリソグラフィ工程で第1層配線107または第2層配線111を形成する場合に比べて、値段の高いArF用フォトレジスト膜の使用量を減らすことができるので、メモリ混載ロジックデバイスの製造コストを低減することができる。
【0112】
第1層配線107または第2層配線111は、図20〜図24と同様に、ハードマスクを用いた方法で形成することもできる。すなわち、図56に示すように、図20〜図24と同様に、2枚のフォトレジストマスクを使った2回のエッチングでまずハードマスク(窒化シリコン膜120)をパターニングした後、フォトレジストマスクを除去し、その後ハードマスク(窒化シリコン膜120)をマスクにしたエッチングにより、第1層配線107または第2層配線111を形成する。このように、複数枚のフォトレジストマスクを用いた複数回フォトリソグラフィ工程を用いて、複数のハードマスク(窒化シリコン膜120)を形成し、前記複数のハードマスクを用いたエッチングにより前記複数の第1層配線107または第2層配線111を形成する。この結果、薄いハードマスクをフォトレジストマスクでパターニングするのでフォトレジストマスクの膜厚を薄くでき、加工精度を向上でき、より微細な加工が可能となる。なお、さらに説明すると、まず、図56に示すように、MISFETを覆う酸化シリコン膜101の上部に第1層配線用の導電膜104を堆積した後、導電膜104の上部にCVD法で窒化シリコン膜120を堆積する。この窒化シリコン膜120は、導電膜104をパターニングするためのハードマスクとして使用される。この場合、ハードマスク(窒化シリコン膜120)は、窒化シリコン膜に限定されずSION膜で構成してもよいのは勿論である。
【0113】
次に、図57(a)および同図(b)(図57(a)のF−F’線に沿った断面図)に示すように、窒化シリコン膜120の上部に形成した第1のフォトレジスト膜121をマスクにしたドライエッチングで窒化シリコン膜120をパターニングする。このとき、窒化シリコン膜120は、互いのスペースの広い箇所のみがパターニングされる。
【0114】
次に、フォトレジスト膜121を除去した後、図58に示すように、第2のフォトレジスト膜122をマスクにしたドライエッチングで窒化シリコン膜120をパターニングする。このとき、窒化シリコン膜120は、互いのスペースの狭い箇所がパターニングされる。
【0115】
このように、2枚のフォトマスクを使った2回のエッチングで窒化シリコン膜120をパターニングすることにより、互いのスペースが狭い箇所を精度よく分離することができる。
【0116】
次に、フォトレジスト膜122を除去した後、図59に示すように、窒化シリコン膜120をマスクにしたドライエッチングで導電膜104をパターニングすることにより、第1層配線107が完成する。その後、図60に示すように、第1層配線107の端部に複数のコンタクトホール109を形成する。
【0117】
上記の配線形成方法によれば、フォトレジスト膜に比べて導電膜104に対するエッチング選択比が大きい窒化シリコン膜120をマスクに用いるので、第1層配線107をより高い精度でパターニングすることができる。これにより、互いに隣接する第1層配線107、107の端部のスペースを縮小することができると共に、第1層配線107の端部に複数のコンタクトホール109を高い密度で配置することができる。
【0118】
上記した本実施の形態の配線形成方法は、例えば図61に示すように、ダマシン方式によって第1層配線107を形成する場合にも適用することができる。この場合も、2枚のフォトマスクを使った2回のエッチングで第1層配線107を形成することにより、第1層配線107同士のスペースを狭くすることができるので、チャネルの間隔を縮小して配線密度を向上させることが可能になる。
【0119】
上記した本実施の形態の配線形成方法によれば、複数枚のフォトレジストマスクを用いた複数回フォトリソグラフィ工程を用いて、複数の導電膜を形成する。
【0120】
また、複数枚のフォトレジストマスクを用いた複数回フォトリソグラフィ工程を用いて、複数のハードマスク(窒化シリコン膜120)を形成し、前記複数のハードマスクを用いたエッチングにより前記複数の第1層配線107または第2層配線111を形成する。
【0121】
また、導電膜をKrF用フォトレジストマスク膜を用いたフォトリソグラフィ工程を用いて、ストレートパターン状の複数の配線パターンを形成し、前記ストレートパターン状の複数の配線パターンを、ArF用フォトレジストマスク膜を用いたフォトリソグラフィ工程を用いて隣接する複数の配線パターンを形成する。なお、KrF用フォトレジスト膜を用いたフォトリソグラフィ工程を用いた配線パターン形成工程と、ArF用フォトレジスト膜を用いたフォトリソグラフィ工程を用いた配線パターン形成工程との順序を入れ替えてよいのは勿論である。
【0122】
以上、本発明者によってなされた発明を前記実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【0123】
例えば実施の形態1〜3に示すSRAMのメモリセルを、実施の形態4に示すメモリ混載ロジックデバイスのメモリに用いてよいのは勿論である。また、実施の形態1〜3に示すSRAMの周辺回路でCPU等の論理回路を構成してもよいのは勿論である。また、実施の形態4に示すメモリ混載ロジックデバイスは、ロジックデバイス単体またはメモリ単体で構成してもよいのは勿論である。また、実施の形態4に示す配線の形成方法を実施の形態1〜3に示すSRAMのメモリセルおよびその周辺回路に適用してもよいのは勿論である。
【0124】
本願によって開示される実施の形態のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下の通りである。
【0125】
同一メモリセル内の同一配線層に形成される複数の中間導電層の間隔を露光光の解像限界以下まで縮小することができるので、配線またはメモリセルサイズを縮小することができる。
【0126】
また、SRAMのメモリセルサイズを縮小し高集積化を推進することができる。
【0127】
また、半導体基板上の同一配線層に形成される複数の配線同士の間隔や、同一絶縁膜に形成される複数の接続孔同士の間隔を縮小することによって、LSIの微細化、高集積化を推進することができる。
【0128】
【発明の効果】
本願によって開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下の通りである。
【0129】
半導体集積回路装置の高集積化を推進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態であるSRAMのメモリセルの等価回路図である。
【図2】本発明の一実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部平面図である。
【図3】本発明の一実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図4】本発明の一実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部平面図である。
【図5】本発明の一実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図6】本発明の一実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図7】本発明の一実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図8】本発明の一実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部平面図である。
【図9】本発明の一実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部平面図である。
【図10】本発明の一実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図11】本発明の一実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図12】本発明の一実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部平面図である。
【図13】本発明の一実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図14】本発明の一実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部平面図である。
【図15】本発明の一実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図16】本発明の一実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部平面図である。
【図17】本発明の一実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図18】本発明の一実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部平面図である。
【図19】本発明の一実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図20】本発明の一実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図21】本発明の一実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図22】本発明の一実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図23】本発明の一実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図24】本発明の一実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図25】本発明の一実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図26】本発明の一実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図27】本発明の一実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図28】本発明の他の実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図29】本発明の他の実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図30】本発明の他の実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図31】本発明の他の実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図32】本発明の他の実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図33】本発明の他の実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図34】本発明の他の実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図35】本発明の他の実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図36】本発明の他の実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図37】本発明の他の実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図38】本発明の他の実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図39】本発明の他の実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図40】本発明の他の実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図41】本発明の他の実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図42】本発明の他の実施の形態であるSRAMの製造方法を示す要部断面図である。
【図43】本発明の他の実施の形態であるメモリ混載ロジックデバイスの回路ブロックを示す概略平面図である。
【図44】本発明の他の実施の形態である配線形成方法を示す要部断面図である。
【図45】本発明の他の実施の形態である配線形成方法を示す要部平面図である。
【図46】本発明の他の実施の形態である配線形成方法を示す要部断面図である。
【図47】本発明の他の実施の形態である配線形成方法を示す要部平面図である。
【図48】本発明の他の実施の形態である配線形成方法を示す要部断面図である。
【図49】本発明の他の実施の形態である配線形成方法を示す要部平面図である。
【図50】本発明の他の実施の形態である配線形成方法を示す要部断面図である。
【図51】本発明の他の実施の形態である配線形成方法を示す要部平面図である。
【図52】本発明の他の実施の形態である配線形成方法を示す要部断面図である。
【図53】本発明の他の実施の形態である配線形成方法を示す要部平面図である。
【図54】本発明の他の実施の形態である配線形成方法を示す要部平面図である。
【図55】本発明の他の実施の形態である配線形成方法を示す要部平面図である。
【図56】本発明の他の実施の形態である配線形成方法を示す要部断面図である。
【図57】(a)は、本発明の他の実施の形態である配線形成方法を示す要部平面図、(b)は、同じく断面図である。
【図58】(a)は、本発明の他の実施の形態である配線形成方法を示す要部平面図、(b)は、同じく断面図である。
【図59】(a)は、本発明の他の実施の形態である配線形成方法を示す要部平面図、(b)は、同じく断面図である。
【図60】本発明の他の実施の形態である配線形成方法を示す要部平面図である。
【図61】本発明の他の実施の形態である配線形成方法を示す要部断面図である。
【符号の説明】
1 半導体基板
2 素子分離溝
3 酸化シリコン膜
4 p型ウエル
5 n型ウエル
6 ゲート絶縁膜
7A、7B ゲート電極
8 酸化シリコン膜
9 n型半導体領域
10 p型半導体領域
13 サイドウォールスペーサ
14 n型半導体領域(ソース、ドレイン)
15 p型半導体領域(ソース、ドレイン)
18 Coシリサイド層
19 窒化シリコン膜
20 酸化シリコン膜
21〜27 コンタクトホール
28 プラグ
29 窒化シリコン膜
30 酸化シリコン膜
31〜37 溝
38、39 フォトレジスト膜
40 窒化シリコン膜
41〜45 中間導電層
46、47 第1層配線
48 バリア層
50 多結晶シリコン膜
51a、51b ゲート引き出し電極
55 プラグ
57 下部半導体層
58 中間半導体層
59 上部半導体層
63 ゲート絶縁膜
66 ゲート電極
70 酸化シリコン膜
71 W膜
71A、71B、71C 配線
72 窒化シリコン膜
72a、72b ハードマスク
73a、73b、74 フォトレジスト膜
75 酸化シリコン膜
76a、76b ハードマスク
80 プラグ
81 窒化シリコン膜
81a、81b ホールパターン
82、83 フォトレジスト膜
84、85 コンタクトホール
86 プラグ
89 第2層配線
90(Vdd) 電源電圧線
100 半導体チップ
101 酸化シリコン膜
102 コンタクトホール
103 プラグ
104 導電膜
105、106 フォトレジスト膜
107 第1層配線
108 酸化シリコン膜
109 コンタクトホール
110 プラグ
111 第2層配線
120 窒化シリコン膜
121、122 フォトレジスト膜
BLT、BLB 相補性データ線
DR、DR 駆動MISFET
L 活性領域
MC メモリセル
、P 積層体
Qn nチャネル型MISFET
Qp pチャネル型MISFET
SV、SV 縦型MISFET
TR、TR 転送MISFET
WL ワード線

Claims (16)

  1. 半導体基板上の同一配線層に複数の配線を形成する際、
    (a)前記複数の配線を複数の群に分割し、前記複数の群のそれぞれに含まれる配線のパターンが形成された複数枚のフォトマスクを用意する工程と、
    (b)前記複数枚のフォトマスクを用いた複数回のフォトリソグラフィ工程によって、前記複数の配線を形成する工程と、
    を有することを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
  2. 前記(b)工程は、
    (b−1)前記配線層上に配線用導電膜を形成する工程と、
    (b−2)前記配線用導電膜上にマスク用絶縁膜を形成し、前記マスク用絶縁膜上にフォトレジスト膜を形成する工程と、
    (b−3)前記複数枚のフォトマスクを用いた複数回のフォトリソグラフィ工程によって、前記マスク用絶縁膜に前記複数の配線のパターンを転写する工程と、
    (b−4)前記複数の配線のパターンが転写された前記マスク用絶縁膜をマスクにしたエッチングで前記配線用導電膜をパターニングすることによって、前記複数の配線を形成する工程と、
    を含むことを特徴とする請求項1記載の半導体集積回路装置の製造方法。
  3. 前記複数の配線は、同一メモリセル内の同一配線層に形成されることを特徴とする請求項1記載の半導体集積回路装置の製造方法。
  4. 前記複数の配線は、互いの間隔が前記フォトリソグラフィ工程で使用される露光光の解像限界以下である複数の配線を含むことを特徴とする請求項1記載の半導体集積回路装置の製造方法。
  5. 前記(b)工程は、
    (b−1)前記半導体基板上に絶縁膜、マスク用絶縁膜およびフォトレジスト膜をこの順で形成する工程と、
    (b−2)前記複数枚のフォトマスクを用いた複数回のフォトリソグラフィ工程によって、前記マスク用絶縁膜に前記複数の配線のパターンを転写する工程と、
    (b−3)前記複数の配線のパターンが転写された前記マスク用絶縁膜をマスクにしたエッチングで前記絶縁膜に複数の配線溝を形成する工程と、
    (b−4)前記複数の配線溝の内部に配線用導電膜を埋め込む工程と、
    を含むことを特徴とする請求項1記載の半導体集積回路装置の製造方法。
  6. 半導体基板上の同一絶縁層に複数の接続孔を形成する際、
    (a)前記複数の接続孔を複数の群に分割し、前記複数の群のそれぞれに含まれる接続孔のパターンが形成された複数枚のフォトマスクを用意する工程と、
    (b)前記複数枚のフォトマスクを用いた複数回のフォトリソグラフィ工程によって、前記複数の接続孔を形成する工程と、
    を有することを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
  7. 前記(b)工程は、
    (b−1)前記半導体基板上に絶縁膜、マスク用絶縁膜およびフォトレジスト膜をこの順で形成する工程と、
    (b−2)前記複数枚のフォトマスクを用いた複数回のフォトリソグラフィ工程によって、前記マスク用絶縁膜に前記複数の接続孔のパターンを転写する工程と、
    (b−3)前記複数の接続孔のパターンが転写された前記マスク用絶縁膜をマスクにしたエッチングで前記絶縁膜に前記複数の接続孔を形成する工程と、
    を含むことを特徴とする請求項6記載の半導体集積回路装置の製造方法。
  8. 前記複数の接続孔は、同一半導体素子内の異なる導電層上に形成されることを特徴とする請求項6記載の半導体集積回路装置の製造方法。
  9. 前記複数の接続孔は、互いの間隔が前記フォトリソグラフィ工程で使用される露光光の解像限界以下である複数の接続孔を含むことを特徴とする請求項6記載の半導体集積回路装置の製造方法。
  10. メモリセルと周辺回路とを有する半導体集積回路装置の製造方法であって、半導体基板上の一つのメモリセルを構成する同一配線層に複数の導電膜を形成する際、
    (a)前記複数の導電膜を複数の群に分割し、前記同一配線層のそれぞれに含まれる導電膜のパターンが形成された複数枚のフォトマスクを用意する工程と、
    (b)前記複数枚のフォトマスクを用いた複数回のフォトリソグラフィ工程を用いて、前記複数の導電膜を形成する工程と、
    を有し、
    前記(a)工程において、周辺回路用の配線のパターンは、前記複数の群のうちの一つの群に含まれ、
    前記(b)工程において、周辺回路用の配線が形成されることを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
  11. 半導体集積回路装置の製造方法であって、
    (a)同一の第1配線層に形成される複数の第1配線を複数の群に分割し、前記複数の群のそれぞれに含まれる第1配線のパターンが形成された複数枚の第1フォトマスクを用意する工程と、
    (b)前記複数枚の第1フォトマスクを用いた複数回のフォトリソグラフィ工程を用いて、前記複数の第1配線を形成する工程と、
    (c)前記複数の第1配線上に層間絶縁膜を形成する工程と、
    (d)前記層間絶縁膜上の同一の第2配線層に形成される複数の第2配線を複数の群に分割し、前記複数の群のそれぞれに含まれる第2配線のパターンが形成された複数枚の第2フォトマスクを用意する工程と、
    (e)前記複数枚の第2フォトマスクを用いた複数回のフォトリソグラフィ工程を用いて、前記複数の第2配線を形成する工程と、
    を有することを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
  12. 前記複数の第1配線は、前記複数の第2配線に対して交差する方向に延在して構成されることを特徴とする請求項11記載の半導体集積回路装置の製造方法。
  13. メモリセルを有する半導体集積回路装置の製造方法であって、一つのメモリセルを構成する同一配線層に複数の導電膜を形成する際、
    (a)前記複数の導電膜を複数の群に分割し、前記同一配線層のそれぞれに含まれる導電膜のパターンが形成された複数枚のフォトマスクを用意する工程と、
    (b)前記複数枚のフォトマスクを用いた複数回のフォトリソグラフィ工程を用いて、複数のハードマスクを形成し、前記複数のハードマスクを用いたエッチングにより前記複数の導電膜を形成する工程と、
    を有することを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
  14. 半導体基板上の同一配線層に複数の配線を形成する際、
    (a)前記複数の配線を複数の群に分割し、前記複数の群のそれぞれに含まれる配線のパターンが形成された複数枚のフォトマスクを用意する工程と、
    (b)前記複数枚のフォトマスクを用いた複数回のフォトリソグラフィ工程を用いて、複数のハードマスクを形成し、前記複数のハードマスクを用いたエッチングにより前記複数の配線を形成する工程と、
    有することを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
  15. (a)導電膜をKrF用フォトマスクを用いたフォトリソグラフィ工程を用いて、ストレートパターン状の複数の配線パターンを形成する工程と、
    (b)前記ストレートパターン状の複数の配線パターンを、ArF用フォトマスクを用いたフォトリソグラフィ工程を用いて隣接する複数の配線パターンを形成する工程と、
    を有することを特徴とする半導体集積回路装置の製造方法。
  16. 前記複数の配線パターンは、同一メモリセル内の同一配線層に形成されることを特徴とする請求項15記載の半導体集積回路装置の製造方法。
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