JP2005158951A

JP2005158951A - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2005158951A
Application number: JP2003394280A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiko Sato; 康彦佐藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-11-25
Filing date: 2003-11-25
Publication date: 2005-06-16

Abstract

【課題】高いエッチング耐性を持ったマスク材を用い、シリコンウェハーなどの基板上に形成した被加工膜を所定の形状にパターニングすることが可能となる半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】被加工膜105上に金属酸化物を含有するマスク材106を形成する工程と、マスク材１０６からマスク材パターン109を形成する工程と、マスク材パターン109にエネルギービーム110を照射する工程と、エネルギービーム１１０を照射した後に、マスク材パターン109を前記被加工膜105に転写する工程とを具備したことを特徴とする半導体装置の製造方法である。
【選択図】図1

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に係り、特にシリコンウェハー基板などの表面にパターンを形成する半導体装置の製造方法に関する。

図8(a)乃至図8(e) は、半導体素子の製造に際してシリコンウェハー上に被加工膜を形成し、所望のパターンを形成する工程の従来例を示している。まず、図8(a)に示すように、シリコンウェハー基板701上に形成された被加工膜702上に例えばCVD法（化学的気相成長法）や塗布法によりマスク材703を形成する。前記被加工膜702は例えば酸化シリコン膜やアルミニウム等である。

次に、図8(ｂ)に示すように、感光物質であるレジストを用いてレジスト膜704を形成した後、図8(ｃ)に示すように、前記レジスト膜704の所定の領域に露光を施し露光部または未露光部を現像処理して除去するリソグラフィ技術を用いて、レジストパターン705を形成する。露光光源としては、スループットの観点からKrFエキシマレーザ、ArFエキシマレーザなどの紫外光が用いられている。

次に、図8(ｄ)に示すように、前記レジストパターン705をエッチングマスクとして前記マスク材703をドライエッチングして、前記マスク材パターン７０６を形成した後、図8(e)に示すように、マスク材パターン706をエッチングマスクとして被加工膜をドライエッチングすることで所定の被加工膜パターン707を形成する。

近年、レジスト膜はLSIの微細化に際し解像度を向上させるために薄膜化が要求されているため、前記レジストパターン705がエッチングの際に損失してしまうことがある。マスク材パターン706は、前記レジストパターン705がエッチングの際に損失し、所定の形状のパターンが得られないことを抑制するために形成されるもので、エッチング耐性のある素材が用いられる。

前記マスク材703としては、主に有機樹脂が用いられている。有機樹脂は、プロセスコストが安価である塗布法で成膜が可能である。また、有機樹脂のエッチング耐性を向上させるために、電子ビームを有機樹脂に照射する方法が非特許文献１に開示されている。しかしながら、この方法においても被加工膜のエッチング条件によって十分な耐性が得られない場合があった。また、最近では金属酸化物を含有するマスク材を用いる方法も試みられているが、十分な耐性が得られないため、更に耐性を持ったマスク材が求められていた。
Gerry Becker et.al., Prceedings of SPIE, Vol.3678, 1999年, p.1126

上記したように、半導体基板上に形成した被加工膜をパターニングする際には、レジスト膜の損失によって所定の形状のパターンを得ることが出来ないという問題があり、この問題を解決するためにマスク材を用いる方法がある。しかしながら、従来の半導体装置の製造方法では、十分な耐性を持ったマスク材がなく、所定の形状のパターンを得ることができないという問題があった。

本発明は、上記の問題点を解決すべくなされたもので、高いエッチング耐性を持ったマ
スク材を用い、半導体基板上に形成した被加工膜を所定の形状にパターニングすることが可能となる半導体装置の製造方法を提供することを目的としている。

上記した目的を達成するための本発明の一態様は、被加工膜上に金属酸化物を含有するマスク材を形成する工程と、
前記マスク材からマスク材パターンを形成する工程と、
前記マスク材パターンにエネルギービームを照射する工程と、
前記エネルギービームが照射された前記マスク材パターンを、前記被加工膜に転写する工程と、
を具備したことを特徴としている。

本発明によれば、高いエッチング耐性を持ったマスク材を用い、シリコンウェハー基板上に形成した被加工膜を所定の形状にパターニングすることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
まず、本発明にかかる半導体装置の製造方法の第１の実施の形態について説明する。図1に、本実施の形態の半導体装置の製造方法を示す工程を示す。まず、図１(a)に示すようにシリコンウェハー基板、或は酸化シリコン（ＳｉＯ₂）などの材料からなる膜101上に形成された被加工膜105上に、金属酸化物を含有するマスク材106を形成する。前記被加工膜105は特に限定されることはないが、例えば、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、或はスピンオングラス、マスクの製造の際に用いられるブランク材などのシリコン系絶縁膜、アモルファスシリコン、ポリシリコン、シリコン基板などのシリコン系材料、アルミニウム、アルミニウムシリサイド、カッパー、タングステンなどの配線材料、などを挙げることができる。

前記マスク材106の膜厚は20〜5000ｎｍの範囲にあることが好ましい。その理由は20ｎｍ以下では、被加工膜のエッチングの途中でマスク材が削れてなくなってしまい、被加工膜を所望の寸法で加工することが困難になり、一方5000ｎｍより厚いとレジストパターンをドライエッチング法で前記マスク材106にパターン転写する際に寸法変換差が顕著に発生するためである。

前記マスク材106の形成方法は、塗布法、CVD法などがある。塗布法はCVD法と比べるとプロセスが簡易でプロセスコストを押さえることができる。ここで、塗布法によるマスク材形成方法について詳述する。まず、金属酸化物を有機溶媒に溶解してマスク材溶液を調整する。金属酸化物中の金属元素は特に限定されることはないが、例えば、Al，Ti，Ni，Cu，Pdなどを挙げることができる。

また、有機溶媒に可溶化させるため、置換基として金属元素に−O−Rが結合していることが好ましい。但し、Rは水素原子、或は炭素数1〜20の置換もしくは非置換の脂肪族炭化水素または芳香族炭化水素を示す。金属酸化物の分子量は特に限定されることはないが、200〜100000が好ましい。その理由は、分子量が200未満では、レジストの溶剤にマスク材が溶解してしまい、一方100000を超えると、有機溶剤に溶解しにくく溶液材料を作成しにくくなるためである。

金属酸化物は一種類に限ることはなく、数種類の酸化物を混合してもよい。また、必要に応じて貯蔵安定性をはかるために熱重合防止剤、被加工膜への密着性を向上させるため
の密着性向上剤、被加工膜からレジスト膜中へ反射する光を防ぐために紫外光を吸収する染料、ポリサルフォン，ポリベンズイミダゾールなどの紫外光を吸収するポリマー、導電性物質、光、熱で導電性が生じる物質、或は金属酸化物を架橋させ得る架橋剤を添加してもよい。

有機溶剤は特に限定されることはないが、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン系溶剤、メチルセロソルブ、メチルセロソルブアセテート、エチルセロソルブアセテート等のセロソルブ系溶剤、乳酸エチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸イソアミル等のエステル系溶剤、メタノール、エタノール、イソプロパニール等のアルコール系溶剤、その他、アニソール、トルエン、キシレン、ナフサなどを挙げることができる。

以上の方法で塗布材料を作成し、被加工膜上に例えばスピンコーティング法などで溶液材料を塗布した後、加熱して溶剤を気化することによりマスク材を形成する。加熱後におけるマスク材中の金属元素の含有率は、マスク材固形分100重量部に対して5〜98重量部が好ましい。その理由は、5重量部以下ではマスク材中の有機成分が多すぎて後述のエネルギービームの照射工程で十分に耐性を向上させることが困難になり、98重量部以上では金属酸化物が溶媒に溶解しにくくなり、膜の塗布性が劣化するためである。

次に、前記マスク材106上にレジストパターンを形成する工程について説明する。まず、図1(b)に示すように前記マスク材106上にレジスト溶液を塗布して、加熱処理を行い、レジスト膜107を形成する。レジスト膜の膜厚を薄くすれば、その分露光時の露光量裕度、フォーカス裕度、或は解像度を向上させることができる。そのため、レジストの膜厚はマスク材を寸法制御性よくエッチングできる膜厚であれば薄い方がよく、10〜10000ｎｍの範囲が好ましい。

レジストの種類は、特に限定されることはなく、目的に応じて、ポジ型またはネガ型を選択して使用することができる。具体的には、ポジ型レジストとしては、例えば、ナフトキノンジアジドとノボラック樹脂とからなるレジスト（IX−770，日本合成ゴム社製）、t−BOCで保護したポリビニルフェノール樹脂と酸発生剤とからなる化学増幅型レジスト（APEX−E，シップレー社製）などが挙げられる。また、ネガ型のレジストとしては、例えば、ポリビニルフェノールとメラミン樹脂および光酸発生剤からなる化学増幅型レジスト（SNR200，シップレー社製）、ポリビニルフェノールとビスアジド化合物とからなるレジスト（RD−2000N，日立化成社製）などが挙げられるが、これらに限定されることはない。

露光光源については限定されることはなく、例えば、紫外光、X線、電子ビーム、イオンビームなどが挙げられる。紫外光としては水銀灯のg線（436ｎｍ），ｉ線（365ｎｍ），或はXeF（351ｎｍ），XeCl（308ｎｍ），KrF（248ｎｍ），KrCl（222ｎｍ），ArF（193ｎｍ），F₂（151ｎｍ）等のエキシマレーザを挙げることができる。

次に、図1(c)に示すように、TMAH、コリンなどのアルカリ現像液で現像処理を行い、レジストパターン108を形成する。また、必要に応じて、光露光を行った場合に生じるレジスト中の多重反射を減少させるために反射防止膜、或はビーム露光を行った場合に生じるチャージアップを防ぐために帯電防止膜をレジストの上層に形成してもよい。

次に、図1(ｄ)に示すように、前記レジストパターン108をエッチングマスクとして用いて前記マスク材106をドライエッチングすることにより、前記レジストパターン108を前記マスク材106に転写することによりマスク材パターン109を得る。エッチグ方式としては、例えば、反応性イオンエッチング、マグネトロン型反応性イオンエッチング、電子ビームイオンエッチング、ICPエッチング、またはECRイオンエッチングなど微細加工可能なもの
であれば特に限定されることはない。

次に、図1(ｅ)に示すように、前記マスク材パターン109に対してエネルギービーム110の照射を行う。前記エネルギービーム110は、例えば、電子ビーム、イオンビーム、X線、紫外光などである。この工程では、前記レジストパターン108にも前記エネルギービーム110が照射されてもよい。また、前記レジストパターンを除去した後、前記マスク材パターン109に前記エネルギービーム110を照射してもよい。照射量は特に限定されることはないが、0.1μC/cm²〜10C/ cm²の範囲が好ましい。その理由は、0.1μC/cm²以下ではマスク材中の置換基の脱離が不十分になりエッチング耐性を向上させることができず、10C/ cm²以上では照射処理に時間がかかり、スループットが低下してしまうためである。エネルギービームの照射後、或は照射中にアニールを行ってもよく、加熱温度は50〜500℃が好適である。

次に、図1(f)に示すように、前記レジストパターン108と前記マスク材パターン109をエッチングマスクとして前記被加工膜105の加工を行い、所定の被加工膜パターン114（TiNパターン111、Tiパターン112、Alパターン113）を形成する。

前記マスク材パターン109は、前記エネルギービーム110を照射したことにより耐性が向上しているため、異方性良く前記被加工膜105を加工することができる。この原因として、前記エネルギービーム110の照射によって、マスク材の格子構造が緻密化することによって耐性が向上したことが挙げられる。また、前記マスク材106を塗布法で前記被加工膜105に形成する場合、有機溶媒に可溶化させる目的でマスク材に結合させる置換基は、分解しやすく、マスク材の耐性の向上を妨げていると考えることができる。したがって、前記エネルギービーム110を照射することによって、マスク材の置換基が脱離して酸化することによって化学的に安定し、耐性がさらに向上したことが挙げられる。

なお、エネルギービームの照射工程は、マスク材106の塗布工程と、レジスト膜107の塗布工程の間に行っても本発明の範囲内だが、前記マスク材パターン109の形成後に行うことが好ましい。その理由は、エネルギービームの照射を行ったマスク材は、レジストパターンをエッチングマスクとしてマスク材をエッチングする際に耐性が向上しているためエッチングしにくくなり、加工変換差が増大するためである。この場合、解像性は減少するがレジスト膜の膜厚を厚く塗布することによって、加工変換差を減少させることができる。

（第２の実施の形態）
本発明にかかる半導体装置の製造方法の第２の実施の形態について説明する。図2に、本実施の形態の半導体装置の製造方法を示す工程を示す。まず、図2(a)に示すようにウェハー基板上に形成した被加工膜201上に鋳型パターン202を形成する。被加工膜201の種類は特に限定されることはないが、例えば、前記した第１の実施の形態と同様のものを用いることができる。鋳型パターンの形成方法の好ましい形態として、次の（I）〜（III）の方法を挙げることができる。

（I）被加工膜上にレジスト膜を形成する工程と、前記レジスト膜に対してパターン露光を行ってレジストパターンを形成する工程とを具備し、前記レジストパターンを鋳型パターンとして用いる。この場合、前記被加工膜と前記レジストパターンとの間に反射防止膜、或は帯電防止膜などのレジスト下層膜や犠牲膜を介在させてもよい。

（II）被加工膜上にレジスト下層膜を形成する工程と、前記レジスト下層膜上にレジストを形成する工程と、前記レジスト膜に対してパターン露光を行って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を前記反射防止膜にパターン転写してレジスト下
層膜パターンを得る工程とを具備し、少なくとも前記レジスト下層膜パターンを鋳型パターンとして用いる。つまり、鋳型パターンとしてレジスト下層膜パターンが含まれていれば、鋳型パターンにレジストパターンが含まれていてもよい。

（III）被加工膜上に犠牲膜を形成する工程と、前記犠牲膜上にレジスト下層膜を形成する工程と、前記レジスト下層膜上にレジスト膜を形成する工程と、前記レジスト膜に対してパターン露光を行って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を前記レジスト下層膜及び前記犠牲膜にパターン転写してレジスト下層膜パターン及び犠牲膜パターンを得る工程とを具備し、少なくとも前記犠牲膜パターンを鋳型パターンとして用いる。つまり、鋳型パターンとして犠牲膜パターンが含まれていれば、鋳型パターンにレジスト下層膜パターン或はレジストパターンが含まれていてもよい。

鋳型パターンの形成方法は、前記した第１の実施の形態のレジストパターン形成方法と同様のものを用いることができる。また、鋳型パターンにレジスト下層膜及び犠牲膜を用いる場合、レジストパターンをエッチングマスクとして両膜をドライエッチングする際に、エッチング条件は異なっても同一でもかまわない。

次に、図2(b)に示すように、前記鋳型パターン202上に第１の実施の形態で説明したマスク材溶液を塗布して、前記鋳型パターン202間をマスク材203で埋め込む。なお、図2(c)に示すように、マスク材溶液を前記鋳型パターン202上に塗布した時、前記鋳型パターン202上部が前記マスク材203で覆われる場合は、エッチバック、或は機械的化学的研磨などを行って前記鋳型パターン202上部を覆っている前記マスク材203を除去することが好ましい。

次に、図2(d)に示すように、前記した第１の実施の形態と同様に前記マスク材203にエネルギービーム204を照射する。

次に、図2(e)に示すように、マスク材パターン205をエッチングマスクとして用いて、前記鋳型パターン202を除去する。除去方法は限定されることはなく、ウェットエッチング、或はドライエッチングなどが挙げられる。この場合、前記鋳型パターン202は、レジスト膜、反射防止膜や帯電防止膜などのレジスト下層膜、犠牲膜のいずれであってもよいし、それら複数の膜を含んでいてもよい。

また、前記鋳型パターン202にレジストパターンを含んでいる場合、レジストパターンの除去方法についてはレジストを分解させるための加熱、或は紫外光、X線、電子ビーム、イオンビームなどの照射を行った後に現像処理を施し、前記レジストパターンを溶解除去する方法でもかまわない。この場合の加熱の際には、ホットプレート、オーブンなどを好適に用いることができ、温度範囲は100〜250℃が好ましい。その理由は、100℃以下では分解が進行せず、250℃以上では架橋が起こってしまうためである。紫外光を照射する場合、450ｎｍ以下の波長が含まれていること好ましく、照射量は0.1ｍＪ/ｃｍ²以上が好ましい。その理由は、450ｎｍ以上の波長、或は0.1ｍＪ/ｃｍ²以下の照射量では分解を十分に進行させることができないためである。電子ビームを照射する場合、加速電圧は0.1〜1000ｋｅＶ、照射量は0.1mC/cm²〜10000C/ｃｍ²の範囲が好ましい。その理由は、加速電圧が0.1ｋｅＶ以下では表層部のみしか電子ビームが照射されず、1000ｋｅＶ以上では電子ビームがマスク材を透過し照射効率が著しく低下してしまう。また、照射量が0.1ｍC/ｃｍ²以下では分解を進行させることができず、10000C/ｃｍ²以上では処理時間の増大を招いてしまう。そして、TMAH、コリンなどのアルカリ現像液で現像処理を行いレジストパターンを溶解除去する。

また、前記鋳型パターン202にレジストパターンを用いた（I）の場合では、レジストを
分解させるために加熱、或はエネルギービームを照射した後、現像処理を行って前記レジストパターンを溶解除去することでマスク材パターン205を形成する。或はマスク材パターン205をエッチングマスクとして用いて、前記鋳型パターン202であるレジストパターンを除去する方法でもよい。除去方法は限定されることはなく、ウェットエッチング、或はドライエッチングなどが挙げられる。

さらに、前記鋳型パターン202にレジスト下層膜や犠牲膜を用いた（II），（III）の場合では、上記したように、前記マスク材パターン205をエッチングマスクとして用いて、前記鋳型パターン202を除去する。前記鋳型パターン202にレジスト下層膜や犠牲膜の他にレジスト膜を用いた場合は、レジストパターンを現像処理にて除去した後に、前記マスク材パターン205をエッチングマスクとして用いて、レジスト下層膜や犠牲膜を除去する方法でもよいし、前記マスク材パターン205をエッチングマスクとして用いて一度に除去する方法でもかまわない。

なお、前記マスク材203に対するエネルギービームの照射工程は、前記鋳型パターン202の除去後に得られるマスク材パターン205に対して行ってもよい。

次に、図2(f)に示すように、前記マスク材パターン205をエッチングマスクとして用いて前記被加工膜201をドライエッチングすることにより、前記マスク材パターン205を前記被加工膜201に転写して所定の被加工膜パターン206を形成する。前記マスク材パターン205は、前記エネルギービーム204を照射したことによって、前記した第１の実施の形態と同様に、マスク材の耐性が向上し、異方性良く前記被加工膜201を加工できる。

したがって、本実施の形態では、鋳型パターンにマスク材を埋め込むことによってマスク材パターン形成を行うため、エッチングしにくい材料からなるマスク材を用いる場合に特に適している。

また、前記した第１及び第２の実施の形態において、マスク材溶液を調整する際に触媒を添加して同様の工程を行ってもよい。このようにして調整されたマスク材を用いることによって、耐性を向上させる目的で実施されるビームの照射量を少なくすることが可能となり、照射処理時間を短くしてスループットを上げ、効率的に被加工膜を所定の形状にパターニングすることができる。

［実施例］
以下、本発明の第１の実施の形態に係る実施例１及び実施例２について、図1，図3を参照しながら説明する。さらに、本発明の第２の実施の形態に係る実施例３乃至実施例５について、図4，図5，図6及び図7を参照しながら説明する。なお、従来例と同一の工程のものは詳しい説明は省略する。

まず、図1に示した第１の実施の形態に係る実施例1について説明する。図1(a)に示すように、シリコンウェハー上に厚さ300ｎｍのSiO₂膜101をスパッター法で形成した。次に、前記SiO₂膜101上に、被加工膜105としてTiN 102， Ti 103，Al 104を用いた TiN/Ti/Al/ Ti/TiN（膜厚は40/5/400/10/20ｎｍ）からなる金属配線層を形成した。前記金属配線層上に金属酸化物10ｇをアニソール90ｇに溶解してマスク材の溶液材料を調整し、前記被加工膜105上にスピンコーティング法で塗布した後、ホットプレートを用いて大気中で200℃で1分間加熱を行って膜厚200ｎｍのマスク材106を形成した。金属酸化物は、例えば次に示すような分子である。

次に、図1(b)に示すように、前記マスク材106上にポジ型の化学増幅型レジストKRF M20G（JSR社製）をスピンコーティング法を用いて塗布した後、ホットプレートを用いて140℃で90秒間加熱を行いレジスト膜107を形成した。加熱後の前記レジスト膜107の膜厚は300ｎｍである。そして、KrFエキシマレーザを光源とする縮小光学型ステッパー（NA=0.6）を用いてパターン露光を行った後、ホットプレートを用いて140℃で90秒間加熱を行った。続いて、0.21規定のテトラアンモニウムヒドロキシサイドを用いて30秒間のパドル現像を行い、図1(c)に示すように、0.15μｍラインアンドスペースパターンとなるレジストパターン108を形成した。

次に、図1(d)に示すように、前記レジストパターン108をエッチングマスクとして用いて前記マスク材106のエッチングを行い、マスク材パターン109を形成した。エッチング装置にはマグネトロン型エッチング装置を用い、ソースガスC12=200SCCM、真空度75ｍTorr、励起電力密度2W/cm²、基板温度80℃の条件でエッチングを行った。エッチング時間はパターン内のエッチングレートから算出したジャスト時間に対して50％のオーバーエッチングを行った。

次に、図1(e)に示すように、前記マスク材パターン109に対して、加速電圧10ｋｅＶの電子ビーム110を照射した。照射雰囲気は大気中で照射量は20mC/cm²である。

次に、図1(f)に示すように、前記レジストパターン108と前記マスク材パターン109をエッチングマスクとして用いて被加工膜105の金属配線層をエッチングし、所定の被加工膜パターン114（TiNパターン111、Tiパターン112、Alパターン113）を形成した。エッチング装置には、マグネトロン型反応性イオンエッチング装置を用い、ソースガスC12/HBr=200/100SCCM、真空度40ｍTorr、励起電力密度2W/cm²、基板温度20℃の条件でエッチングを行った。前記被加工膜105のエッチング途中でマスク材が削れてなくなることなく前記被加工膜105を加工することができた。

図1(f)で定義できる前記被加工膜パターン114のテーパー角θを測定したところ、88°と許容範囲85°以上で異方性良く加工することができた。電子ビームを照射したマスク材及びアルミニウムのエッチングレートを測定したところ、マスク材3nm/分、アルミニウム300nm/分と電子ビームを照射したマスク材のエッチングレートはアルミニウムのエッチングレートの0.01倍と十分に遅く、強いエッチング耐性を持っていることが分かる。このように本発明の実施例1の半導体装置の製造方法によれば、マスク材パターンが被加工膜のエッチング中に後退しにくくなり、所定の形状で異方性良く被加工膜を加工することができる。

さらに、第１の実施の形態に係る図3に示した実施例2について説明する。まず、図3(a)に示すように、前記した実施例1と同様にSiO₂膜301上に、被加工膜305を形成し、マスク
材306をスピンコーティング法によって塗布した。
続いて、図3(b)に示すように、前記した実施例1と同様の照射条件で電子ビーム307を前記マスク材306に対して照射した。照射後の前記マスク材306の膜厚は200ｎｍである。

次に、図3(c)及び図3(d)に示すように、前記実施例1と同様にして前記マスク材306上に前記実施例1よりも厚くレジスト膜308を形成し、パターン露光を行って0.15μｍラインアンドスペースパターンとなるレジストパターン309を形成した。

次に、図3(e)に示すように、実施例1と同様にして前記レジストパターン309をエッチングマスクとして用いて前記マスク材306のエッチングを行いマスク材パターン310を形成した。

次に、図3(f)に示すように、実施例1と同様にして前記レジストパターン309と前記マスク材パターン310をエッチングマスクとして用いて前記被加工膜305である金属配線層をエッチングし、所定の被加工膜パターン314（TiNパターン311、Tiパターン312、Alパターン313）を形成した。前記被加工膜パターン314のテーパー角θを測定したところ、88°と許容範囲85°以上で異方性よく加工することができた。電子ビームを照射したマスク材及びアルミニウムのエッチングレートを測定したところ、マスク材3nm/分、アルミニウム300nm/分と電子ビームを照射したマスク材のエッチングレートはアルミニウムのエッチングレートの0.01倍と十分に遅く、強いエッチング耐性を持っていることが分かる。

このように本発明の実施例2の半導体装置の製造方法によれば、マスク材パターンが被加工膜のエッチング中に後退しにくくなり、所定の形状で異方性良く被加工膜を加工することができる。本実施例のように本発明ではマスク材の塗布後、レジストパターンの形成工程でマスク材にエネルギービームを照射してもよい。

さらに、第２の実施の形態に係る図4に示した実施例3について説明する。図4(a)に示すように、シリコンウェハー上に被加工膜401として膜厚700ｎｍのSiO₂膜をLPCVD法で形成した。次に、前記被加工膜401上にポリサルフォン10ｇをシクロヘキサノン90ｇに溶解して得た反射防止膜溶液をスピンコーティングして、ホットプレートを用いて220℃で90秒間ベーキングを行って膜厚90ｎｍの反射防止膜402を形成した。

次に、図4(b)に示すように、前記した実施例1と同様の方法で調整したレジスト溶液を前記反射防止膜402上にスピンコーティング法で塗布して、膜厚150ｎｍのレジスト膜403を形成した。

次に、図4(c)に示すように、前記した実施例1と同様の方法を用いて0.15μｍラインアンドスペースパターンのレジストパターン404を鋳型パターンとして形成した。

次に、図4(d)に示すように、前記実施例1と同様の方法で調整したマスク材溶液を前記レジストパターン404を形成したウェハー上にスピンコーティング法を用いて塗布して、前記鋳型パターン間をマスク材405で埋め込んだ。さらに、ホットプレートを用いて160℃で60秒間の加熱を行い、前記マスク材405中の溶媒を気化させ、かつレジスト中の溶解抑止基を分解した。

次に、図4(e)に示すように、機械的化学的研磨法を用いて前記レジストパターン404上部に塗布された前記マスク材405を除去した。

次に、図4(f)に示すように、前記した実施例1と同様の方法を用いて前記マスク材405に対して、電子ビーム406を照射した。

次に、図4(g)に示すように、0.21規定のテトラアンモニウムヒドロキサイド現像液を用いて現像処理を行い、前記レジストパターン404を溶解除去して、マスク材パターン407を形成した。

次に、図4(h)に示すように、エッチング装置に、マグネトロン型反応性イオンエッチング装置を用い、ソースガスCF₄/O₂/Ar=30/100/150SCCM、真空度45ｍTorr、励起電力密度1.5W/cm²、基板温度30℃の条件で前記反射防止膜402、前記被加工膜401エッチングを行い、所定の反射防止膜パターン408、被加工膜パターン409を形成した。前記被加工膜401はエッチング途中でマスク材が削れてなくなることなく加工することができた。前記被加工膜パターン409のテーパー角θを測定したところ、88°と許容範囲85°以上で異方性よく加工することができた。電子ビームを照射したマスク材及びSiO₂のエッチングレートを測定したところ、マスク材3nm/分、SiO₂300nm/分と電子ビームを照射したマスク材のエッチングレートはSiO₂のエッチングレートの0.1倍と十分に遅く、強いエッチング耐性を持っていることが分かる。

このように本発明の実施例3の半導体装置の製造方法によれば、マスク材パターンが被加工膜のエッチング中に後退しにくくなり、所定の形状で異方性良く被加工膜を加工することができる。

次に、第２の実施の形態に係る図5に示した実施例4について説明する。図5(a)に示すように、シリコンウェハー上に被加工膜501として膜厚700ｎｍのSiO₂膜をLPCVD法で形成した。次に、前記被加工膜501上にWO₃10ｇをメタノール90ｇに溶解して得た反射防止膜溶液をスピンコーティングして、ホットプレートを用いて220℃で90秒間ベーキングを行って膜厚300ｎｍの反射防止膜502を形成した。

次に、図5(b)に示すように、前記実施例1と同様の方法で調整したレジスト溶液を前記反射防止膜502上にスピンコーティング法で塗布して、レジスト膜503を形成した。

次に、図5(c)に示すように、前記した実施例1と同様の方法を用いて0.15μｍラインアンドスペースパターンのレジストパターン504を形成した。

次に、図5(d)に示すように、前記反射防止膜502をエッチングして、前記レジストパターン504を前記反射防止膜502に転写して反射防止膜パターン505を形成した。エッチング装置には、マグネトロン型反応性イオンエッチング装置を用い、ソースガスCF₄/O₂/Ar=30/100/150SCCM、真空度45ｍTorr、励起電力密度1.5W/cm²、基板温度30℃の条件で行った。前記レジストパターン504に対して、12.0倍の速度で前記反射防止膜502はエッチングされ、前記レジスト膜503を薄くしても異方性良く、前記反射防止膜502をエッチングすることができた。エッチング後に残った前記レジストパターン504と前記反射防止膜パターン505を鋳型パターンとして用いた。

次に、図5(e)に示すように、前記した実施例1と同様の方法で調整したマスク材溶液を、前記鋳型パターンを形成したウェハー上にスピンコーティング法を用いて塗布して、前記鋳型パターン間をマスク材506で埋め込んだ。さらに、ホットプレートを用いて160℃で60秒間の加熱を行い、前記マスク材405中の溶媒を気化させ、かつレジスト中の溶解抑止基を分解した。

次に、図5(f)に示すように、機械的化学的研磨法を用いて前記鋳型パターン上に塗布された前記マスク材506を除去した。

次に、図5(g)に示すように、0.21規定のテトラアンモニウムヒドロキサイド現像液を用いて現像処理を行い、前記鋳型パターンを溶解除去して、マスク材パターン507を形成した。本実施例では前記した実施例3と比較して、より膜厚の厚いパターンにマスク材を埋め込むことによってマスク材パターンを形成する方法であるため、膜厚の薄いレジストを用いた場合でも、マスク材パターンの膜厚を厚く形成することが可能である。

次に、図5(h)に示すように、前記した実施例1と同様の方法を用いて前記マスク材パターン507に対して、電子ビーム508を照射した。

次に、図5(i)に示すように、以上の工程で得た前記マスク材パターン507をエッチングマスクとして用いて、前記実施例1と同様の条件で前記被加工膜501をエッチングして前記マスク材パターン507を前記被加工膜501に転写し、所定の被加工膜パターン509を形成した。

前記被加工膜501はエッチング途中でマスク材が削れてなくなることなく加工することができた。前記被加工膜パターン509のテーパー角θを測定したところ、88°と許容範囲85°以上で異方性良く加工することができた。電子ビームを照射したマスク材及びSiO₂のエッチングレートを測定したところ、マスク材3nm/分、SiO₂300nm/分と電子ビームを照射したマスク材のエッチングレートはSiO₂のエッチングレートの0.1倍と十分に遅く、強いエッチング耐性を持っていることが分かる。このように本発明の実施例4の半導体装置の製造方法によれば、マスク材パターンが被加工膜のエッチング中に後退しにくくなり、所定の形状で異方性良く被加工膜を加工することができる。

次に、第２の実施の形態に係る図6及び図7に示した実施例5について説明する。まず、図6(a)に示すように、シリコンウェハー上に被加工膜601として、膜厚700ｎｍのＳｉＯ₂をＬＰＣＶＤ法で形成した。次に、前記被加工膜601上に、平均重量分子量12000の化合物10ｇをメチルイソブチルケトン90ｇに溶解した犠牲膜溶液をスピンコーティング法で塗布した後、ホットプレートを用いて220℃で90秒間ベーキングを行い、膜厚400ｎｍの犠牲膜602を形成した。メチルイソブチルケトンに溶解した化合物は、例えば、次のような分子である。

次に、図6(ｂ)に示すように、平均重量分子量8000のポリサルフォン10ｇをシクロヘキサノン90ｇに溶解して得た溶液を、スピンコーティング法で塗布した後、ホットプレートで220℃で90秒間加熱して膜厚60ｎｍの反射防止膜603を形成した。

次に、図6(ｃ)に示すように、前記した実施例1と同様の方法で調整したレジスト溶液を前記反射防止膜603上にスピンコーティング法で塗布して、レジスト膜604を形成した。

次に、図6(ｄ)に示すように、前記した実施例1と同様の方法を用いて0.15μｍラインアンドスペースパターンのレジストパターン605を形成した。

次に、図6(ｅ)に示すように、エッチング装置にマグネトロン型反応性イオンエッチング装置を用い、ソースガスCF₄/O₂/Ar=30/100/150SCCM、真空度45ｍTorr、励起電力密度1.5W/cm²、基板温度30℃の条件で、前記反射防止膜603及び前記犠牲膜602を一括してエッチングし、前記レジストパターン605を前記犠牲膜602に転写して反射防止膜パターン606及び犠牲膜パターン607を形成した。前記レジストパターン605に対して、15.0倍の速度で前記犠牲膜602はエッチングされ、レジストの膜厚を薄くしても異方性良く、前記反射防止膜603及び前記犠牲膜602をエッチングすることができた。

エッチング工程後に残った前記レジストパターン605、前記反射防止膜パターン606及び前記犠牲膜パターン607を鋳型パターンとして用いた。本実施例5に示すように、レジストに対して高速でエッチングすることができる材料を鋳型として用いて鋳型パターンの厚みを高くしても良い。

次に、図6(ｆ)に示すように、前記した実施例1と同様の方法で調整したマスク材溶液を、前記鋳型パターンを形成したウェハー上にスピンコーティング法を用いて塗布し、前記鋳型パターン間にマスク材608を埋め込んだ。

次に、図7(ｇ)に示すように、機械的化学的研磨法を用いて前記鋳型パターン上に塗布された前記マスク材608を除去した。次に、図7(ｈ)に示すように、オゾン水にウェハーを浸透し、マスク材パターン609をマスクとして、前記レジストパターン605及び前記反射防止膜パターン606を除去した。

次に、図7(ｉ)に示すように、希フッ酸溶液を純水で20倍に薄めた溶液にウェハーを浸透し、前記犠牲膜パターン607を除去してマスク材パターン609を得た。本実施例では前記した実施例3と比較して、より膜厚の厚いパターンにマスク材を埋め込むことによってマスク材パターンを形成する方法であるため、膜厚の薄いレジストを用いた場合でも、マスク材パターンの膜厚を厚く形成することが可能である。

次に、図7(ｊ)に示すように、前記マスク材パターン609に対して前記した実施例3と同様にして電子ビーム610を照射した。

次に、図7(ｋ)に示すように、以上のようにして得た前記マスク材パターン609をエッチングマスクとして用いて、前記実施例3と同様の条件で前記被加工膜601をエッチングして前記マスク材パターン609を前記被加工膜601に転写し、所定の被加工膜パターン611を形成した。

前記被加工膜601はエッチング途中でマスク材が削れてなくなることなく加工することができた。前記被加工膜パターン611のテーパー角θを測定したところ、88°と許容範囲85°以上で異方性良く加工することができた。電子ビームを照射したマスク材及びSiO₂のエッチングレートを測定したところ、マスク材3nm/分、SiO₂300nm/分と電子ビームを照射したマスク材のエッチングレートはSiO₂のエッチングレートの0.1倍と十分に遅く、強いエッチング耐性を持っていることが分かる。このように本発明の実施例5の半導体装置の製造方法によれば、マスク材パターンが被加工膜のエッチング中に後退しにくくなり、所定の形状で異方性良く被加工膜を加工することができる。

本発明の第１の実施の形態及び第１の実施の形態に係る実施例1における半導体装置の製造方法の工程を示す一部断面図である。本発明の第２の実施の形態における半導体装置の製造方法の工程を示す一部断面図である。本発明の第１の実施の形態に係る実施例2における半導体装置の製造方法の工程を示す一部断面図である。本発明の第２の実施の形態に係る実施例3における半導体装置の製造方法の工程を示す一部断面図である。本発明の第２の実施の形態に係る実施例4における半導体装置の製造方法の工程を示す一部断面図である。本発明の第２の実施の形態に係る実施例5における半導体装置の製造方法の工程の一部を示す一部断面図である。本発明の第２の実施の形態に係る実施例5における半導体装置の製造方法の工程の一部を示す一部断面図である。従来の半導体装置の製造方法の工程を示す一部断面図である。

符号の説明

101，701…シリコンウェハー基板、或はSiO₂膜など
102…TiN
103…Ti
104…Al
105，201，305，401，501，601，702…被加工膜
106，203，306，405，506，608，703…マスク材
107，308，403，503，604，704…レジスト膜
108，309，404，504，605，705…レジストパターン
109，205，310，407，507，609，706…マスク材パターン
110，204…エネルギービーム或は電子ビーム
111…TiNパターン
112…Tiパターン
113…Alパターン
114，206，314，409，611，707…被加工膜パターン
202…鋳型パターン
204…エネルギービーム
301…SiO₂
302…ＴｉＮ
303…Ti
304…Al
307，406，508，610…電子ビーム
311…TiNパターン
312…Tiパターン
313…Alパターン
402，502，603…反射防止膜
408，505，606…反射防止膜パターン
602…犠牲膜
607…犠牲膜パターン

Claims

被加工膜上に金属酸化物を含有するマスク材を形成する工程と、
前記マスク材からマスク材パターンを形成する工程と、
前記マスク材パターンにエネルギービームを照射する工程と、
前記エネルギービームが照射された前記マスク材パターンを、前記被加工膜に転写する工程と、
を具備したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
被加工膜上に金属酸化物を含有するマスク材を形成する工程と、
前記マスク材にエネルギービームを照射する工程と、
前記マスク材からマスク材パターンを形成する工程と、
前記エネルギービームが照射された前記マスク材パターンを、前記被加工膜に転写する工程と、
を具備したことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記マスク材パターンを形成する工程は、前記マスク材上にレジスト膜を形成し、パターン露光を行って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を前記マスク材に転写して前記マスク材パターンを形成する工程と、
を具備したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
前記マスク材パターンを形成する工程は、前記被加工膜上に形成した鋳型パターン間に前記マスク材を塗布して埋め込む工程と、
前記鋳型パターンを除去して前記マスク材パターンを形成する工程と、
を具備したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
前記マスク材は、さらに触媒を含有していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
前記マスク材を形成する工程は、エーテル結合を有する置換基を含有した金属酸化物を有機溶媒に溶解することによってマスク材溶液を形成し、前記マスク材溶液を前記被加工膜上に塗布する工程と、
前記マスク材溶液をアニールし、前記被加工膜上にマスク材を形成する工程とを具備していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
前記エネルギービームを照射する工程は、前記金属酸化物の置換基を脱離させて酸化させることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。