JP2008153373A - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体装置の製造技術の一つであるリソグラフィ技術に関し、特に半導体装置のパターン形成方法に係る半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a lithography technique which is one of semiconductor device manufacturing techniques, and more particularly to a semiconductor device manufacturing method according to a pattern forming method of a semiconductor device.
近年、半導体集積回路開発におけるパターン寸法は微細化の一途をたどっている。今まで微細化の推進を担ってきたのは光リソグラフィ技術であり、今後も微細化の加速が暫く続くものと考えられる。 In recent years, pattern dimensions in the development of semiconductor integrated circuits have been increasingly miniaturized. Up to now, miniaturization has been promoted by optical lithography technology, and it is thought that acceleration of miniaturization will continue for a while.
半導体素子の微細化に伴って、リソグラフィ工程では高い解像性が求められており、使用する露光光の短波長化、投影レンズの大NA化が進められている。光リソグラフィでは、ArFエキシマレーザー(波長:193nm)が露光光源として広く使われるようになっていたが、次世代の露光光源としてはF2レーザー(波長:157nm)が期待されていた。 With the miniaturization of semiconductor elements, high resolution is demanded in the lithography process, and the wavelength of exposure light to be used is shortened and the NA of projection lenses is increased. In optical lithography, an ArF excimer laser (wavelength: 193 nm) has been widely used as an exposure light source, but an F2 laser (wavelength: 157 nm) has been expected as a next-generation exposure light source.
しかしながら、F2レーザーを用いたリソグラフィでは、露光装置、レジスト材料共に開発課題が多く、最近ではこれに代わって、液浸露光技術が次第に注目を集めるようになっている。これは、投影レンズとレジスト膜との間を従来の空気でなく、液体(主に水)で満たすことで、実効的なNAを大きくさせて、限界解像度をひき上げる技術である。 However, in lithography using an F2 laser, there are many development issues for both the exposure apparatus and the resist material, and recently, immersion exposure technology has gradually attracted attention instead of this. This is a technique for increasing the effective resolution by increasing the effective NA by filling the space between the projection lens and the resist film with liquid (mainly water) instead of conventional air.
微細レジストパターンの形成に液浸露光技術を用いることは、成功例も数多く報告され、有用性は示されている。しかし、技術的な課題も多く、露光装置やレジストプロセスのトータルコストは従来プロセスよりも大幅に増大するという問題点がある。 A number of successful examples of using the immersion exposure technique for forming a fine resist pattern have been reported and its usefulness has been shown. However, there are many technical problems, and there is a problem that the total cost of the exposure apparatus and the resist process is significantly increased as compared with the conventional process.
これに対し、露光装置の性能だけに依存するのではなく、レジストプロセスを工夫して、反転パターンを利用して高い寸法精度を得る方法(例えば、特許文献1及び特許文献2参照。)や、レジストの特性や現像プロセスの工夫によって限界解像度を引き上げる方法が提案されている。
On the other hand, it is not dependent only on the performance of the exposure apparatus, but a method of obtaining a high dimensional accuracy using a reversal pattern by devising a resist process (see, for example,
レジスト特性や現像プロセスの工夫によって、通常のリソグラフィで形成可能なパターンピッチよりも微細なパターンピッチを形成する方法としては、例えば、ポジ型とネガ型の溶解特性を併せ持つレジストを用いることで、解像度を2倍に向上させる方法が提案されている(例えば、特許文献3参照。)。また、露光後にポジ型の現像特性を示す現像液での現像工程とネガ型の現像特性を示す現像液での現像工程からなる2回現像プロセスを行うことで、前の例と同様に、解像度を2倍に向上させる方法が開示されている(例えば、特許文献4及び非特許文献1参照。)。
As a method of forming a pattern pitch finer than the pattern pitch that can be formed by normal lithography by devising the resist characteristics and development process, for example, by using a resist having both positive and negative dissolution characteristics, resolution is achieved. Has been proposed (see, for example, Patent Document 3). In addition, by performing a two-time development process consisting of a development process with a developer exhibiting positive development characteristics and a development process with a developer exhibiting negative development characteristics after exposure, the resolution is the same as in the previous example. Has been disclosed (see, for example,
これら2回現像(倍周期)プロセスは、露光装置の限界解像度以下の同じサイズのパターンを繰り返し形成することができるため、低コスト化を実現することができる。しかし、原理上、閉ループ状のレジストパターンが形成されてしまい、この閉ループパターンは不要となる場合が多い。従って、この閉ループパターンを切断するプロセスがさらに必要となり、プロセスコストが増大するという問題点があった。 These two-time development (double cycle) processes can repeatedly form patterns of the same size below the limit resolution of the exposure apparatus, so that the cost can be reduced. However, in principle, a closed loop resist pattern is formed, and this closed loop pattern is often unnecessary. Therefore, there is a problem that a process for cutting the closed loop pattern is further required and the process cost is increased.
また、一般に集積回路パターンは最小線幅のみならず、様々な線幅のパターンから形成される。即ち、2回現像プロセスの同一サイズパターンを繰り返し形成する特性は、複雑な集積回路パターンを形成する上ではデメリットとなる。従って、2回現像プロセスで最小線幅からなるパターンサイズを形成し、さらに最小線幅以外のパターンを形成するプロセスの構築が必要であった。
本発明は、半導体リソグラフィ工程における2回現像プロセスにおいて、複雑なプロセスの追加を必要とせずに所望の特性が得られる半導体装置の製造方法を提供する。 The present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device in which desired characteristics can be obtained without requiring addition of a complicated process in a double development process in a semiconductor lithography process.
この発明の第1の態様に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に被加工膜を形成する工程と、前記被加工膜の上にレジスト膜を形成する工程と、前記レジスト膜に露光ビームを照射して第1のパターンを露光する第1の露光工程と、前記第1の露光工程の後に前記レジスト膜にネガ型あるいはポジ型のいずれかの現像を行う第1の現像工程と、前記第1の現像工程の後に前記レジスト膜に露光ビームをさらに照射して第2のパターンを露光する第2の露光工程と、前記第2の露光工程の後に前記レジスト膜にネガ型あるいはポジ型のいずれかの前記第1の現像工程とは異なる現像を行う第2の現像工程とを含む。 A method of manufacturing a semiconductor device according to a first aspect of the present invention includes a step of forming a film to be processed on a semiconductor substrate, a step of forming a resist film on the film to be processed, and an exposure beam on the resist film. A first exposure step of exposing the first pattern by irradiating the first pattern, a first development step of performing either negative type or positive type development on the resist film after the first exposure step, A second exposure step of further irradiating the resist film with an exposure beam after the first development step to expose the second pattern; and a negative type or a positive type on the resist film after the second exposure step. A second development step for performing development different from any of the first development steps.
この発明の第2の態様に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に被加工膜を形成する工程と、前記被加工膜の上にレジスト膜を形成する工程と、前記レジスト膜に露光ビームを照射してパターンを露光する露光工程と、前記露光工程の後に前記レジスト膜にネガ型あるいはポジ型のいずれかの現像を行う第1の現像工程と、前記第1の現像工程の後に前記レジスト膜にネガ型あるいはポジ型のいずれかの前記第1の現像工程とは異なる現像を行う第2の現像工程と、前記第2の現像工程の後に前記レジスト膜が存在しない前記被加工膜の上にエッチングマスク材を形成する工程と、前記エッチングマスク材をマスクに用いて前記被加工膜をエッチングする工程とを含む。 A method of manufacturing a semiconductor device according to a second aspect of the present invention includes a step of forming a film to be processed on a semiconductor substrate, a step of forming a resist film on the film to be processed, and an exposure beam on the resist film. An exposure step of exposing the pattern by irradiating the resist, a first development step of developing either a negative type or a positive type on the resist film after the exposure step, and the resist after the first development step A second development step in which the film is developed differently from the first development step of either a negative type or a positive type, and the resist film is not present after the second development step. Forming an etching mask material, and etching the film to be processed using the etching mask material as a mask.
この発明の第3の態様に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板上に被加工膜を形成する工程と、前記被加工膜の上に第1のレジスト膜を形成する工程と、前記第1のレジスト膜に露光ビームを照射して第1のパターンを露光する第1の露光工程と、前記第1の露光工程の後に前記レジスト膜にネガ型あるいはポジ型のいずれかの現像を行う第1の現像工程と、前記第1の現像工程の後に前記レジスト膜にネガ型あるいはポジ型のいずれかの前記第1の現像工程とは異なる現像を行う第2の現像工程と、前記第2の現像工程の後に前記第1のレジスト膜の硬化処理を行う工程と、前記硬化処理を行う工程の後に前記第1のレジスト膜の上に第2のレジスト膜を形成する工程と、前記第2のレジスト膜に露光ビームを照射して第2のパターンを露光する第2の露光工程と、前記第2の露光工程の後に前記第2のレジスト膜に現像を行う第3の現像工程と、前記第3の現像工程の後に前記第1及び第2のレジスト膜が存在しない前記被加工膜の上にエッチングマスク材を形成する工程と、前記エッチングマスク材をマスクに用いて前記被加工膜をエッチングする工程とを含む。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a film to be processed on a semiconductor substrate; forming a first resist film on the film to be processed; A first exposure step of irradiating the resist film with an exposure beam to expose the first pattern, and a first or negative development of the resist film after the first exposure step. A second development step in which, after the first development step, a development different from the first development step of either a negative type or a positive type is performed on the resist film, and the second development step A step of curing the first resist film after the step, a step of forming a second resist film on the first resist film after the step of performing the curing treatment, and the second resist Irradiating the film with an exposure beam to form a second pattern A second exposure step for exposure; a third development step for developing the second resist film after the second exposure step; and the first and second resists after the third development step. A step of forming an etching mask material on the film to be processed on which no film exists, and a step of etching the film to be processed using the etching mask material as a mask.
本発明によれば、半導体リソグラフィ工程における2回現像プロセスにおいて、複雑なプロセスの追加を必要とせずに所望の特性が得られる半導体装置の製造方法を提供することが可能である。 According to the present invention, it is possible to provide a method for manufacturing a semiconductor device in which desired characteristics can be obtained without requiring addition of a complicated process in the twice development process in the semiconductor lithography process.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係る半導体装置の製造方法のプロセスフローを以下に示す。
(First embodiment)
A process flow of the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention is shown below.
本実施形態においては、NANDフラッシュメモリの素子分離パターン形成のためのリソグラフィプロセスを例にとって説明する。図1は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法によって作成するNANDフラッシュメモリの素子分離パターンレイアウトを示す。図2、図4、及び図6は、本実施形態で用いる露光マスクを示す。図3、図5、及び図7は、それぞれ、図2、図4、図6を露光マスクとした露光の後の現像後のレジスト転写パターンを示す。図8及び図9は、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す断面図である。 In this embodiment, a lithography process for forming an element isolation pattern of a NAND flash memory will be described as an example. FIG. 1 shows an element isolation pattern layout of a NAND flash memory created by the semiconductor device manufacturing method according to the present embodiment. 2, 4 and 6 show an exposure mask used in this embodiment. 3, FIG. 5, and FIG. 7 show resist transfer patterns after development after exposure using FIG. 2, FIG. 4, and FIG. 6 as exposure masks, respectively. 8 and 9 are cross-sectional views showing a method for manufacturing a semiconductor device according to this embodiment.
本実施形態では、2回のレジスト塗布工程、3回の露光工程、3回の現像工程、及び1回のエッチング工程により、図1に示した素子分離パターンを形成する。 In this embodiment, the element isolation pattern shown in FIG. 1 is formed by two resist coating processes, three exposure processes, three development processes, and one etching process.
図1に示されるように、NANDフラッシュメモリの素子分離パターンは、メモリセル部10と呼ばれる最も微細な線幅が要求されるパターンと、周辺回路部12と呼ばれるメモリセル部10よりも線幅が大きいパターンとに大別される。一般に、メモリセル部10のパターンはラインアンドスペースなど単純な繰り返しパターンとなる場合が多く、周辺回路部12はデバイス設計者が設計した不規則なデバイス回路パターンとなる。
As shown in FIG. 1, the element isolation pattern of the NAND flash memory has a pattern called the
最初に、被加工膜が形成された半導体処理基板上にメモリセル部10のレジストパターンを形成するために1回目のレジスト塗布工程と1回目の露光工程を行う。
First, in order to form a resist pattern of the
まず、図8の断面図に示すように半導体処理基板1上に素子分離パターンの被加工膜80を成膜する。素子分離パターンの被加工膜80としては、例えば厚さ100nm程度のシリコン酸化膜やシリコン窒化膜が考えられる。
First, as shown in the sectional view of FIG. 8, a
次に、被加工膜が形成された半導体処理基板上を洗浄し、必要ならばレジストの基板への密着性を高めるためのレジスト塗布前ベークを行う。その後、図8に示すように、被加工膜80の上にレジスト材料を塗布して第1のレジスト膜30を形成する(1回目のレジスト塗布工程)。レジスト材料としてここでは酸発生剤がパターン形成に寄与する化学増幅型レジスト(ポジ型)を使用する。
Next, the semiconductor processing substrate on which the film to be processed is formed is washed, and if necessary, baking before resist coating is performed to improve the adhesion of the resist to the substrate. Thereafter, as shown in FIG. 8, a resist material is applied onto the
またレジストは均一に塗布することが重要である。そのため、スピンコータと呼ばれる塗布装置を用い、処理基板を回転台に乗せ高速回転させながら溶媒に溶かしたレジストを滴下して、遠心力で広げて均一な厚さにする。この時のレジストの膜厚は被加工膜の耐エッチング性能や必要なリソグラフィの性能(解像性)などから決定される。従って、そのレジスト膜厚になるようにレジストの粘度及びスピンコータの回転数を調整する。 It is important to apply the resist uniformly. Therefore, using a coating device called a spin coater, a resist dissolved in a solvent is dropped while being placed on a rotating table and rotated at a high speed, and spread by centrifugal force to have a uniform thickness. The film thickness of the resist at this time is determined based on the etching resistance of the film to be processed and the required lithography performance (resolution). Therefore, the viscosity of the resist and the rotation speed of the spin coater are adjusted so as to obtain the resist film thickness.
例えば100nm以下のパターン線幅を形成する場合、レジスト膜厚は300nm以下とすることが望まれ、スピンコータの回転数は1000〜4000rpm程度に設定される。レジスト塗布の後、レジスト膜中に残っている溶媒を揮発させ、同時に膜を緻密にするため、100℃前後で露光前ベーク(プリベーク)を行う。 For example, when a pattern line width of 100 nm or less is formed, the resist film thickness is desirably 300 nm or less, and the rotation speed of the spin coater is set to about 1000 to 4000 rpm. After the resist coating, the pre-exposure baking (pre-baking) is performed at around 100 ° C. in order to volatilize the solvent remaining in the resist film and simultaneously make the film dense.
その後、メモリセル部のラインアンドスペースパターンをレジストで形成するために、ラインアンドスペースパターンが形成された図2に示す露光マスク(第1のパターン)を通してレーザービーム(露光ビーム)をレジストに照射する(第1の露光工程)。100nm以下のレジストパターンを形成する場合のレーザービームはArFレーザー(波長193nm)を選択することが多い。露光ビームとしては、紫外線、遠紫外線等の他の光源、或いは電子線でもかまわない。 Thereafter, in order to form a line and space pattern of the memory cell portion with a resist, the resist is irradiated with a laser beam (exposure beam) through the exposure mask (first pattern) shown in FIG. 2 in which the line and space pattern is formed. (First exposure step). In many cases, an ArF laser (wavelength: 193 nm) is selected as a laser beam for forming a resist pattern of 100 nm or less. As the exposure beam, other light sources such as ultraviolet rays and far ultraviolet rays, or electron beams may be used.
また、本実施形態では露光マスクとしてブライトフィールド(BF)のハーフトーン型位相シフトマスク(HTマスク)を使用する。ブライトフィールドのマスクとは、クォーツ(Qz)基板20上に半透明膜又は遮光膜からなる設計パターンが形成された構成のマスクである。ここでは露光マスクとしてブライトフィールド(BF)のハーフトーン型位相シフトマスク(HTマスク)を使用するが、必要な解像性能に応じてCOG(Chromium on Glass)マスクやLevenson型位相シフトマスクを使用しても良い。
In this embodiment, a bright field (BF) halftone phase shift mask (HT mask) is used as an exposure mask. The bright field mask is a mask in which a design pattern made of a semi-transparent film or a light shielding film is formed on a quartz (Qz)
また図2の露光マスクのラインアンドスペースパターン22のピッチは、集積回路で必要とされるラインアンドスペースパターンのピッチの倍のピッチで形成する。またこの露光工程に用いる露光マスクは、光学的近接効果(OPE: Optical Proximity Effect)やプロセス的近接効果(PPE: Process Proximity Effect)をマスクパターンで補正したマスクにすることが望ましい。露光後、処理基板は100℃前後で露光後ベーク(ポストエクスポージャーベーク:PEB)を施し、レジスト中に発生した酸を拡散させる。
Also, the line and
第1の露光工程の後、第1の現像工程を施す。この現像工程は、ネガ型のパターン形成行うための現像工程であり、レジスト中に光が透過しない暗部を溶解させるものである。即ち、位置xにおける露光量をE(x)とすると、E(x)が一定の露光閾値E2よりも小さい(E(x)<E2)領域のレジストを溶解する。 After the first exposure process, a first development process is performed. This developing step is a developing step for forming a negative pattern, and dissolves a dark portion where light does not transmit in the resist. That is, if the exposure amount at the position x is E (x), the resist in the region where E (x) is smaller than a certain exposure threshold E2 (E (x) <E2) is dissolved.
この時の現像液には例えば有機現像液を用いる。有機現像液としては、例えば、アニソール(anisole)とメチルイソブチルケトン(methyl isobutyl ketone (MIBK))の混合溶剤などがある。現像後のリンス液としては、例えば、アニソールなどが考えられる。 For example, an organic developer is used as the developer at this time. Examples of the organic developer include a mixed solvent of anisole and methyl isobutyl ketone (MIBK). An example of the rinse solution after development is anisole.
この有機現像液による現像後のパターンを図3に示す。図2で示した露光マスクのパターン面によって光が当たらない領域の中のさらに暗い領域(E(x)<E2)が溶解されるので、パターン面よりさらに細い領域が溶解し、溶解した領域301を取り囲んでレジストパターン30の閉ループが形成されている。
A pattern after development with this organic developer is shown in FIG. Since the darker region (E (x) <E2) in the region not exposed to light is dissolved by the pattern surface of the exposure mask shown in FIG. 2, the region thinner than the pattern surface is dissolved and the dissolved
第1の現像工程の後に、不要なパターンであるこの閉ループを切断するための露光を行う(第2の露光工程)。閉ループを切断するために用いるマスクパターン42(第2のパターン)は、図4に示すように第1の露光工程で形成したラインアンドスペース部のライン端部に光が照射されるように半透明膜に窓を開けた開口パターン42となっている。
After the first development step, exposure for cutting this closed loop, which is an unnecessary pattern, is performed (second exposure step). As shown in FIG. 4, the mask pattern 42 (second pattern) used for cutting the closed loop is translucent so that light is irradiated to the line end portion of the line and space portion formed in the first exposure step. An
また、本実施形態においては露光マスクとしてダークフィールド(DF)のハーフトーン型位相シフトマスク(HTマスク)を使用する。ダークフィールドのマスクとは、クォーツ(Qz)基板全体が遮光膜又は半透明膜40に覆われており、設計パターンが光を透過する開口部からなる構成のマスクである。ここでは露光マスクとしてダークフィールド(DF)のハーフトーン型位相シフトマスク(HTマスク)を使用するが、必要な解像性能に応じてその他のマスクを使用しても良い。
In this embodiment, a dark field (DF) halftone phase shift mask (HT mask) is used as an exposure mask. The dark field mask is a mask having a structure in which a quartz (Qz) substrate is entirely covered with a light-shielding film or a
この露光工程に用いる露光マスクも、光学的近接効果(OPE)やプロセス的近接効果(PPE)をマスクパターンで補正したマスクにすることが望ましい。露光光としては第1の露光工程で使用したレーザービームと同じものを用いても良い。しかし、第2の露光工程のパターンサイズが第1の露光工程のそれよりも大きいので、第1の露光工程よりも長波長の露光光を用いてもかまわない。 The exposure mask used in this exposure step is also preferably a mask in which an optical proximity effect (OPE) or a process proximity effect (PPE) is corrected with a mask pattern. As the exposure light, the same laser beam used in the first exposure step may be used. However, since the pattern size of the second exposure process is larger than that of the first exposure process, exposure light having a wavelength longer than that of the first exposure process may be used.
第2の露光工程の後、第2の現像工程を施す。この現像工程はポジ型のパターン形成行うための現像工程であり、レジスト中に光が透過した明部を溶解させるものである。即ち、露光量E(x)が一定の露光閾値E1(E1>E2)よりも大きい(E(x)>E1)領域のレジストを溶解する。 After the second exposure step, a second development step is performed. This developing process is a developing process for forming a positive pattern, and dissolves a bright portion through which light has passed in the resist. That is, the resist in the region (E (x)> E1) where the exposure amount E (x) is larger than the constant exposure threshold E1 (E1> E2) is dissolved.
この時の現像液としては、例えばアルカリ現像液を用いる。アルカリ現像液としては、例えば、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(tetramethylammonium hydroxide (TMAH))などを用い、現像後のリンス液としては、例えば脱イオン水などを用いる。 As the developer at this time, for example, an alkali developer is used. For example, tetramethylammonium hydroxide (TMAH) is used as the alkaline developer, and deionized water is used as the rinse after development.
第2の現像工程を施した後、メモリセル部において、図5に示すように、マスクパターンのエッジ部に相当する明部と暗部の中間の透過光領域(E2<E(x)<E1)のみにレジストパターン30が形成されるようになる。この時のメモリセル部のラインアンドスペースパターンはリソグラフィの解像限界以下であるマスクパターンの半分のピッチになっており、さらに閉ループパターンではなく1本1本が分離された形で形成される。
After the second development step, in the memory cell portion, as shown in FIG. 5, the transmitted light region (E2 <E (x) <E1) between the bright portion and the dark portion corresponding to the edge portion of the mask pattern. Only the resist
一般的に第2の現像工程を経て形成されるレジストパターンは、ライン寸法<スペース寸法となる場合が多い。それは第1および第2の現像工程で、設計寸法が要求するスペース幅を形成することが困難なためである。そこでライン寸法とスペース寸法が等しくなるようにレジストパターンとして求められる場合、第2の現像工程の後、レジストパターン30を太らせる工程を施す。この工程として本実施形態では、例えばリラックス(Relacs)工程を行うが、その他サーマルフロー工程、サファイア工程、さらにはベーク処理や薬液追加等によってもよい。ここまでの工程で、メモリセル部10のためのレジストパターン30が形成される。
In general, a resist pattern formed through the second development step often has a line dimension <a space dimension. This is because it is difficult to form the space width required by the design dimension in the first and second development steps. Therefore, when the resist pattern is required so that the line dimension and the space dimension are equal, a step of thickening the resist
その後、周辺回路パターン形成のためにさらにレジスト塗布工程(2回目のレジスト塗布工程)を施すことになる。しかし、メモリセル部10のためのレジストパターン30の形成直後に別のレジストを塗布してしまうと、ラインアンドスペースのレジストパターン30と塗布するレジスト材料が混ざり合うミキシングという現象が生ずる。そして、既に形成されたレジストパターン30が消失してしまう。
Thereafter, a resist coating process (second resist coating process) is further performed to form a peripheral circuit pattern. However, if another resist is applied immediately after the formation of the resist
このようなミキシング現象を防止するために、2回目のレジスト塗布工程の前に既に形成されたラインアンドスペースのレジストパターン30を硬化する処理を施す場合がある。レジスト膜30の硬化処理としては、ベーク処理、イオン注入処理、軽い灰化(アッシング)処理、UV(紫外線)照射処理などのレジスト改質処理を行う。レジスト寸法の制御性を重視した場合は、イオン注入処理が好ましい。
In order to prevent such a mixing phenomenon, a line and space resist
第1のレジスト膜30の硬化処理の後、図9に示すように、その上に2回目のレジスト塗布工程を施して第2のレジスト膜(別のレジスト膜)90を形成する。ここで塗布するレジスト材料としては酸発生剤がパターン形成に寄与する化学増幅型レジスト(ポジ型)を使用する。
After the first resist
またレジストは均一に塗布することが重要であるため、1回目のレジスト塗布工程と同様にスピンコータと呼ばれる塗布装置を用いる。この時のレジストの膜厚も被加工膜の耐エッチング性能や必要リソグラフィ性能(解像性)などから決定され、そのレジスト膜厚になるようにレジストの粘度及びスピンコータの回転数を調整する。 Further, since it is important to apply the resist uniformly, a coating apparatus called a spin coater is used as in the first resist coating process. The resist film thickness at this time is also determined from the etching resistance of the film to be processed, the required lithography performance (resolution), and the like, and the resist viscosity and the spin coater rotation speed are adjusted so as to obtain the resist film thickness.
例えば100nm以下のパターン線幅を形成する場合、レジスト膜厚は300nm以下とすることが望まれ、スピンコータの回転数は1000〜4000rpm程度に設定される。レジスト塗布の後、レジスト膜中に残っている溶媒を揮発させ、同時に膜を緻密にするため、100℃前後で露光前ベーク(プリベーク)を行う。 For example, when a pattern line width of 100 nm or less is formed, the resist film thickness is desirably 300 nm or less, and the rotation speed of the spin coater is set to about 1000 to 4000 rpm. After the resist coating, the pre-exposure baking (pre-baking) is performed at around 100 ° C. in order to volatilize the solvent remaining in the resist film and simultaneously make the film dense.
その後、周辺回路パターン形成のための第3の露光工程を施す。周辺回路パターンが形成された図6に示す露光マスク(第3のパターン)を通してレーザービーム(露光ビーム)をレジストに照射する。またここでは露光マスクとしてブライトフィールド(BF)のハーフトーン型位相シフトマスク(HTマスク)を使用したが、必要な解像性能に応じてその他のマスクを使用しても良い。 Thereafter, a third exposure process for forming a peripheral circuit pattern is performed. The resist is irradiated with a laser beam (exposure beam) through the exposure mask (third pattern) shown in FIG. 6 in which the peripheral circuit pattern is formed. Further, here, a bright field (BF) halftone phase shift mask (HT mask) is used as an exposure mask, but other masks may be used according to the required resolution performance.
このとき、メモリセル部の領域全面に露光光が透過するよう透明基板上のメモリセル部に対応する領域はパターンが形成されていない。またこの露光工程に用いる露光マスクも、光学的近接効果(OPE)やプロセス的近接効果(PPE)をマスクパターンで補正したマスクにすることが望ましい。露光光としては第1の露光工程で使用したレーザービームと同じものを用いても良い。或いは、第3の露光工程のパターンサイズが第1の露光工程のそれよりも大きいので、第1の露光工程よりも長波長の露光光を用いてもかまわない。第3の露光工程の後、処理基板は100℃前後で露光後ベーク(PEB)を施し、レジスト中に発生した酸を拡散させる。 At this time, a pattern is not formed in the region corresponding to the memory cell portion on the transparent substrate so that the exposure light is transmitted through the entire region of the memory cell portion. The exposure mask used in this exposure step is also preferably a mask in which the optical proximity effect (OPE) or the process proximity effect (PPE) is corrected with a mask pattern. As the exposure light, the same laser beam used in the first exposure step may be used. Alternatively, since the pattern size of the third exposure process is larger than that of the first exposure process, exposure light having a wavelength longer than that of the first exposure process may be used. After the third exposure step, the treated substrate is subjected to post-exposure baking (PEB) at around 100 ° C. to diffuse the acid generated in the resist.
第3の露光工程の後、ポジ型のパターン形成行うための第3の現像工程を施す。この現像工程はレジスト中に光が透過した明部を溶解させるものである。この現像液としては、例えばアルカリ現像液を用いる。アルカリ現像液としては、例えば、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(TMAH)などを用い、現像後のリンス液としては、例えば、脱イオン水などを用いる。 After the third exposure step, a third development step for forming a positive pattern is performed. This development step dissolves the bright part through which light passes in the resist. As this developer, for example, an alkali developer is used. For example, tetramethylammonium hydroxide (TMAH) or the like is used as the alkaline developer, and deionized water or the like is used as the rinse solution after development.
この第3の現像工程を経ることで、図9でレジストパターン30の上に堆積している第2のレジスト膜90は溶解してなくなる。そして図7に示すように、メモリセル部に対応するレジストパターン30には1本1本が分離したリソグラフィの解像限界以下のラインアンドスペースパターンが、また周辺回路部72には周辺回路パターンが、レジストパターンとして形成される。この後、被加工膜をエッチングで選択的に除去し、レジストを剥離して、図1に示した素子分離の加工後パターンが完成する。
Through the third development step, the second resist
従来の2回現像プロセスは、図10に示すように、1回の露光工程とそれに引き続く2回の現像工程からなる。第1の現像工程において、例えば、ポジ型の現像が行われると、露光量と現像後の膜厚の関係は図11に示すように、露光閾値E1以下ではレジスト膜は残存し、露光閾値E1以上ではレジスト膜が消失する。第2の現像工程において、例えば、ネガ型の現像が行われると、露光量と現像後の膜厚の関係は図12に示すように、露光閾値E2以下ではレジスト膜は消失し、露光閾値E2以上ではレジスト膜が残存するようになる。従って、2回の現像工程を経た後の露光量と現像後の膜厚の関係は、図13に示すように露光閾値E2とE1の間の露光量となっている領域にレジスト膜が残存するような関係となっている。即ち、フォトマスクのエッジ部に対応するレジストが残存することになる。 As shown in FIG. 10, the conventional two-time development process includes one exposure step and subsequent two development steps. In the first development step, for example, when positive development is performed, as shown in FIG. 11, the relationship between the exposure amount and the film thickness after development is such that the resist film remains below the exposure threshold E1, and the exposure threshold E1. As described above, the resist film disappears. In the second development step, for example, when negative development is performed, the relationship between the exposure amount and the film thickness after development is such that the resist film disappears below the exposure threshold E2, as shown in FIG. 12, and the exposure threshold E2 As described above, the resist film remains. Therefore, the relationship between the exposure amount after two development steps and the film thickness after development is such that the resist film remains in a region where the exposure amount is between exposure threshold values E2 and E1, as shown in FIG. It is like this. That is, the resist corresponding to the edge portion of the photomask remains.
従って、図14のようなレイアウトパターンを得ようとして、図15のようなフォトマスクを用いて露光した場合に、従来の2回現像プロセスによると図16のような閉ループを有するレジストパターンが形成されてしまう。この場合、この閉ループパターンを切断するためのプロセスがさらに必要となり、プロセスコストが増大するという問題点があった。 Therefore, when a layout pattern as shown in FIG. 14 is obtained and exposed using a photomask as shown in FIG. 15, a resist pattern having a closed loop as shown in FIG. 16 is formed according to the conventional two-time development process. End up. In this case, there is a problem that a process for cutting the closed loop pattern is further required, and the process cost increases.
しかしながら、本実施形態によると、2回の現像工程の間にさらに露光工程(第2の露光工程)を挿入することによって、2回目の現像工程で1回目の現像工程より微細なパターンピッチが形成されるのと同時に閉ループの切断がなされる。従って、閉ループパターンを切断するための新たなプロセスが不要となりプロセスコストの増大を防ぐことが可能となる。 However, according to this embodiment, a finer pattern pitch is formed in the second development process than in the first development process by inserting an exposure process (second exposure process) between the two development processes. At the same time, a closed loop cut is made. Therefore, a new process for cutting the closed loop pattern is not necessary, and an increase in process cost can be prevented.
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態に係る半導体装置の製造方法のプロセスフローを以下に示す。
(Second Embodiment)
The process flow of the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention is shown below.
本実施形態においても、第1の実施形態と同様、NANDフラッシュメモリの素子分離パターン形成のためのリソグラフィプロセスを例にとって説明する。図17は本実施形態で用いる露光マスクを示し、図18はそれを用いた露光の後の現像後のレジスト転写パターンを示す。 In the present embodiment as well, as in the first embodiment, a lithography process for forming an element isolation pattern of a NAND flash memory will be described as an example. FIG. 17 shows an exposure mask used in this embodiment, and FIG. 18 shows a resist transfer pattern after development after exposure using the same.
本実施形態においても、2回のレジスト塗布工程、3回の露光工程、3回の現像工程、1回のエッチング工程により、図1に示した素子分離パターンを形成する。 Also in this embodiment, the element isolation pattern shown in FIG. 1 is formed by two resist coating processes, three exposure processes, three development processes, and one etching process.
本実施形態においては、第1の露光工程で用いるラインアンドスペースパターンが形成された露光マスク(第1のパターン)として、ブライトフィールドではなく、図17に示すようなダークフィールド(DF)のハーフトーン型位相シフトマスク(HTマスク)を使用するところが第1の実施形態と異なっている。図17のダークフィールドのマスクは、基板全体が遮光膜又は半透明膜で覆われており、パターンが光を透過する開口部からなる構成のマスクである。しかし、必要な解像性能に応じてCOG(Chromium on Glass)マスクやLevenson型位相シフトマスクを使用しても良い。 In the present embodiment, a dark field (DF) halftone as shown in FIG. 17 is used as an exposure mask (first pattern) on which a line and space pattern used in the first exposure process is formed, instead of a bright field. The difference from the first embodiment is that a type phase shift mask (HT mask) is used. The dark field mask of FIG. 17 is a mask having a structure in which the entire substrate is covered with a light-shielding film or a semi-transparent film, and the pattern is formed of an opening that transmits light. However, a COG (Chromium on Glass) mask or a Levenson type phase shift mask may be used according to the required resolution performance.
またこのときの露光マスクのラインアンドスペースパターンのピッチも、集積回路で必要とされるラインアンドスペースパターンのピッチの倍のピッチで形成する。またこの露光工程に用いる露光マスクは、光学的近接効果(OPE)やプロセス的近接効果(PPE)をマスクパターンで補正したマスクにすることが望ましい。露光後、処理基板は100℃前後で露光後ベーク(PEB)を施し、レジスト中に発生した酸を拡散させる。 At this time, the pitch of the line and space pattern of the exposure mask is also formed at a pitch twice the pitch of the line and space pattern required in the integrated circuit. The exposure mask used in this exposure step is preferably a mask in which an optical proximity effect (OPE) or a process proximity effect (PPE) is corrected with a mask pattern. After exposure, the treated substrate is subjected to post-exposure baking (PEB) at around 100 ° C. to diffuse the acid generated in the resist.
第1の露光工程の後、第1の実施形態と同様にネガ型のパターン形成を行う第1の現像工程を施す。有機現像液による現像後のレジストパターンは図18に示したものとなる。図18のレジストパターン180は、各ラインパターンの中心部が強く露光されている。従って、この後、従来の2回現像プロセスように2回目の現像工程としてアルカリ現像液を用いてポジ型の現像を行うと各ラインパターンの中心が溶解して閉ループが形成されてしまう。従って、本実施形態においても第1の実施形態と同様に、第1の現像工程の後に、図4で示したマスクパターン(第2のパターン)を用いてこの閉ループを切断するための露光を行う(第2の露光工程)。以後の工程は第1の実施形態と同様である。
After the first exposure step, a first development step for forming a negative pattern is performed as in the first embodiment. The resist pattern after development with an organic developer is as shown in FIG. In the resist
本実施形態によっても、2回の現像工程の間にさらに露光工程を挿入することによって、2回目の現像工程で1回目の現像工程より微細なパターンピッチが形成されるのと同時に閉ループの切断がなされるので、閉ループパターンを切断するための新たなプロセスが不要となりプロセスコストの増大を防ぐことが可能となる。 Also in this embodiment, by inserting an exposure process between the two development processes, a fine pattern pitch is formed in the second development process as compared with the first development process, and at the same time, the closed-loop cutting is performed. As a result, a new process for cutting the closed loop pattern becomes unnecessary, and an increase in process cost can be prevented.
(第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態である半導体装置の製造方法のプロセスフローを以下に示す。
(Third embodiment)
The process flow of the semiconductor device manufacturing method according to the third embodiment of the present invention is shown below.
本実施形態は、第2の実施形態(第1の露光工程にダークフィールドマスクを用いる方式)の発展型であり、第1及び第2の実施形態よりも更に低コスト化を図ったものである。 This embodiment is an advanced version of the second embodiment (a method using a dark field mask in the first exposure process), and is intended to further reduce the cost compared to the first and second embodiments. .
本実施形態においても、第1及び第2の実施形態と同様、NANDフラッシュメモリの素子分離パターン形成のためのリソグラフィプロセスを例にとって説明する。図19及び図21は、本実施形態で用いる露光マスクを模式的に示す。図20は、図19で示した露光マスクの断面、その露光マスクに対する露光ビームの透過光強度(即ちレジストの露光量)、そして露光後の現像によって残存したレジストの断面を並べて示した図である。図22は、図21で示した露光マスクの断面、及び露光後の現像によって残存したレジストの断面を並べて示した図である。 Also in this embodiment, as in the first and second embodiments, a lithography process for forming an element isolation pattern of a NAND flash memory will be described as an example. 19 and 21 schematically show an exposure mask used in the present embodiment. FIG. 20 is a diagram in which the cross section of the exposure mask shown in FIG. 19, the transmitted light intensity of the exposure beam with respect to the exposure mask (that is, the exposure amount of the resist), and the cross section of the resist remaining after development after exposure are shown. . FIG. 22 is a diagram showing the cross section of the exposure mask shown in FIG. 21 and the cross section of the resist remaining after development after exposure.
本実施形態では、1回のレジスト塗布工程、2回の露光工程、2回の現像工程、及び1回のエッチング工程により、図1に示したような素子分離パターンを形成する。 In this embodiment, the element isolation pattern as shown in FIG. 1 is formed by one resist coating process, two exposure processes, two development processes, and one etching process.
最初に、被加工膜が形成された半導体処理基板上に、メモリセル部10の倍ピッチのラインアンドスペースを有するレジストパターン及び、周辺回路部12を覆うレジストパターンを形成するための1回目のレジスト塗布工程と1回目の露光工程を行う。
First, a first resist for forming a resist pattern having a line-and-space with a pitch twice that of the
半導体処理基板上に素子分離パターンの被加工膜を成膜し、レジストを塗布し(第1のレジスト塗布工程)、露光前ベーク(プリベーク)を行うまでは、第1及び第2の実施形態と同様である。 A process film of an element isolation pattern is formed on a semiconductor processing substrate, a resist is applied (first resist application process), and a pre-exposure bake (pre-bake) is performed. It is the same.
その後、メモリセル部10のラインアンドスペースパターンをレジストで形成するために、ラインアンドスペースパターンが形成された図19に示す露光マスク(第1のパターン)を通してレーザービーム(露光ビーム)をレジストに照射する(第1の露光工程)。100nm以下のレジストパターンを形成する場合のレーザービームはArFレーザー(波長193nm)を選択することが多い。露光ビームとしては、紫外線、遠紫外線等の他の光源、或いは電子線でもかまわない。
Thereafter, in order to form the line and space pattern of the
本実施形態では露光マスクとしてダークフィールド(DF)のハーフトーン型位相シフトマスク(HTマスク)を使用する。しかし、必要な解像性能に応じてCOGマスクやLevenson型位相シフトマスクを使用しても良い。 In the present embodiment, a dark field (DF) halftone phase shift mask (HT mask) is used as an exposure mask. However, a COG mask or a Levenson type phase shift mask may be used according to the required resolution performance.
また、図19の露光マスクのメモリセル部に対応するラインアンドスペースパターン190のピッチは、集積回路で必要とされるラインアンドスペースパターンのピッチの倍のピッチで形成する。
Further, the line and
更に、図19の露光マスクの周辺回路が形成される領域上のマスクパターン192は解像限界以下のパターン、即ち、等間隔のラインアンドスペースパターンで形成する場合には、ハーフピッチ(HP)<(0.25×λ/NA)を満たすように形成する。ここで、λは露光波長、NAはレンズ開口数である。係数0.25は、リソグラフィによるパターン形成寸法の物理的解像限界を示す係数であり、これより小さいとリソグラフィによるパターン形成は困難となる。そして、この周辺回路領域のマスクパターン192の寸法は、その透過光強度、即ち露光量E(x)がE2<E(x)<E1となるように調整される。
Further, when the
また、図19の露光マスクは、光学的近接効果(OPE)やプロセス的近接効果(PPE)をマスクパターンで補正したマスクにすることが望ましい。露光後、処理基板は100℃前後で露光後ベーク(PEB)を施し、レジスト中に発生した酸を拡散させる。 Further, the exposure mask of FIG. 19 is preferably a mask in which an optical proximity effect (OPE) or a process proximity effect (PPE) is corrected with a mask pattern. After exposure, the treated substrate is subjected to post-exposure baking (PEB) at around 100 ° C. to diffuse the acid generated in the resist.
第1の露光工程の後、第1及び第2の実施形態と同様にネガ型のパターン形成を行う第1の現像工程を施す。有機現像液による現像後のレジストパターンの断面は図20に示したものとなる。 After the first exposure step, a first development step for forming a negative pattern is performed in the same manner as in the first and second embodiments. The cross section of the resist pattern after development with an organic developer is as shown in FIG.
ラインアンドスペースパターンのマスクで形成されたメモリセル部のレジストパターン200は遮光された暗部が溶解している。更に、光透過部となっているメモリセルと周辺回路の境界部のレジストパターン202、及び解像限界以下のパターンで形成された周辺回路部のレジストパターン204は、透過光強度、即ち露光量E(x)がE2よりも大きいため、第1の現像工程の後にレジストが残るようになる。
In the resist
第1の現像工程の後、図21に示す露光マスク(第2のパターン)を用いて、閉ループを切断するための露光と周辺回路パターンの形成を1度の露光で行う(第2の露光工程)。この閉ループの切断に用いるメモリセル部に対応するマスクパターン210は、第1の露光工程で形成したラインアンドスペースからなるメモリセル部200のライン端部に光が照射するよう窓を開けたパターンとなっている。また周辺回路パターン212は素子分離パターンの周辺回路パターンとなっている。
After the first development step, exposure for cutting the closed loop and formation of the peripheral circuit pattern are performed by one exposure using the exposure mask (second pattern) shown in FIG. 21 (second exposure step). ). The
またこの露光工程に用いる露光マスクは、光学的近接効果(OPE)やプロセス的近接効果(PPE)をマスクパターンで補正したマスクにすることが望ましい。また、本実施形態では露光マスクとしてブライトフィールド(BF)のハーフトーン型位相シフトマスク(HTマスク)を使用したが、必要な解像性能に応じてその他のマスクを使用しても良い。 The exposure mask used in this exposure step is preferably a mask in which an optical proximity effect (OPE) or a process proximity effect (PPE) is corrected with a mask pattern. In this embodiment, a bright field (BF) halftone phase shift mask (HT mask) is used as an exposure mask. However, other masks may be used according to necessary resolution performance.
露光光としては第1の露光工程で使用したレーザービームと同じものを用いても良い。しかし、第2の露光工程のパターンサイズが第1の露光工程のそれよりも大きいので、第1の露光工程よりも長波長の露光光を用いてもかまわない。 As the exposure light, the same laser beam used in the first exposure step may be used. However, since the pattern size of the second exposure process is larger than that of the first exposure process, exposure light having a wavelength longer than that of the first exposure process may be used.
第2の露光工程の後、第1及び第2の実施形態と同様に、ポジ型のパターン形成を行うための第2の現像工程を施す。第2の現像工程を施した後、図22に示すようにメモリセル部においては、マスクパターンエッジ部に相当する明部と暗部の中間の透過光領域(E2<E(x)<E1)のみにレジストパターン220が形成されるようになる。周辺回路部のレジストパターン222においては光が透過した明部(E(x)>E1)のレジストが溶解している。更に、図20で存在したメモリセルと周辺回路の境界部のレジストパターン202も溶解して消失する。
After the second exposure step, a second development step for forming a positive pattern is performed as in the first and second embodiments. After the second development step, as shown in FIG. 22, in the memory cell portion, only the transmitted light region (E2 <E (x) <E1) between the bright portion and the dark portion corresponding to the mask pattern edge portion. Then, a resist
この現像工程により、メモリセル部のレジストパターン220のラインアンドスペースパターンはリソグラフィの解像限界以下であるマスクパターンの半分のピッチで、かつ閉ループパターンではなく1本1本が分離された形で形成される。さらに、周辺回路部のレジストパターン222も同時に形成される。
By this development process, the line and space pattern of the resist
一般的に第2の現像工程を経て形成されるレジストパターンは、メモリセル部のパターン220においてライン寸法<スペース寸法となる場合が多い。それは第1および第2の現像工程で、設計寸法が要求するスペース幅を形成することが困難なためである。
In general, the resist pattern formed through the second development step often has a line dimension <space dimension in the
そこでレジストパターンとしてライン寸法とスペース寸法が等しくなるように求められる場合、第2の現像工程の後、メモリセル部のレジストパターン220を太らせる工程を施す。この工程として本実施形態では、例えばリラックス(Relacs)工程を行うが、その他サーマルフロー工程、サファイア工程、さらにはベーク処理や薬液追加等によってもよい。
Therefore, when the resist pattern is required to have the same line size and space size, a step of thickening the resist
第2の現像工程の後、被加工膜をエッチングで選択的に除去し、レジストを剥離して、図1に示したような素子分離の加工後パターンが完成する。 After the second development step, the film to be processed is selectively removed by etching, the resist is peeled off, and a post-process pattern for element isolation as shown in FIG. 1 is completed.
本実施形態においては、第1及び第2の実施形態に比べ、レジスト塗布工程、露光工程、現像工程が、それぞれ1回ずつ少なくなっている。さらに、レジスト塗布工程が1回なので、第1及び第2の実施形態のようにレジスト材料のミキシング現象を懸念する必要がないので、レジストの硬化処理も不要となる。従って、本実施形態によって、第1及び第2の実施形態と同様なパターン形成を実現しつつ、プロセスのさらなる低コスト化が実現可能となる。 In this embodiment, each of the resist coating process, the exposure process, and the development process is reduced by one time compared to the first and second embodiments. Furthermore, since the resist coating process is performed once, there is no need to worry about the mixing phenomenon of the resist material as in the first and second embodiments, so that the resist curing process is also unnecessary. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to achieve further cost reduction of the process while realizing pattern formation similar to the first and second embodiments.
また、上記第1乃至第3の実施形態においては、第1の現像工程は有機現像液によるネガ型の現像処理とし、第2の現像工程はアルカリ現像液によるポジ型の現像処理とした。しかし、使用する露光マスクのパターンを反転したパターンにすることによって、第1の現像工程でアルカリ現像液によるポジ型の現像処理を、第2の現像工程で有機現像液によるネガ型の現像処理を実行するようにしても同様の効果が得られることはいうまでもない。 In the first to third embodiments, the first developing process is a negative developing process using an organic developer, and the second developing process is a positive developing process using an alkali developer. However, by reversing the pattern of the exposure mask to be used, positive development processing with an alkaline developer is performed in the first development step, and negative development processing with an organic developer is performed in the second development step. It goes without saying that the same effect can be obtained even if it is executed.
(第4の実施形態)
本発明の第4の実施形態に係る半導体装置の製造方法のプロセスフローを以下に示す。
(Fourth embodiment)
A process flow of the method for manufacturing a semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention will be described below.
本実施形態においては、Alを配線材とした配線パターンの形成のためのリソグラフィプロセスを例にとって説明する。図23は、レジストパターンを転写するチップの構成を示した模式図である。図24、図25、図28乃至図41は、本実施形態のプロセスフローを示した断面図及び上面図である。図26及び図27は、本実施形態で用いる露光マスクを示す。 In the present embodiment, a description will be given of a lithography process for forming a wiring pattern using Al as a wiring material as an example. FIG. 23 is a schematic diagram showing a configuration of a chip to which a resist pattern is transferred. 24, 25, and 28 to 41 are a cross-sectional view and a top view showing the process flow of the present embodiment. 26 and 27 show an exposure mask used in this embodiment.
本実施形態では、2回のレジスト塗布工程、2回の露光工程、3回の現像工程、及び1回のエッチング工程により、Alの配線パターンを形成する。 In this embodiment, an Al wiring pattern is formed by two resist coating processes, two exposure processes, three development processes, and one etching process.
図23は、周期的なパターンで形成されているメモリセル部101と不規則なパターン群で形成されている周辺回路部102の2つの領域とで構成されている。
FIG. 23 includes two regions, a
まず、メモリセル部101のレジストパターン形成について説明する。
First, the resist pattern formation of the
図24に示すように、半導体基板1の表面に膜厚400nmのAl膜240を形成する。さらに、その上にノボラック樹脂を主成分とした有機溶液をスピンコート法で塗布した後、加熱処理を行って膜厚500nmの下層膜241を形成する。この上にさらに化学増幅レジストを塗布した後、120℃、60秒の条件でレジスト中の溶剤を揮発させるための露光前ベーク(プリベーク)を行う。下層膜241上に膜厚150nmの第1のレジスト膜242が形成される。このときの上面図が図25である。
As shown in FIG. 24, an
プリベーク後、ウエハを室温まで冷却した後に、ArFエキシマレーザー(波長193nm)を光源とする露光装置で露光した(第1の露光工程)。ここで用いる露光ビームとしては、紫外線、遠紫外線等の他の光源、或いは電子線でもかまわない。 After pre-baking, the wafer was cooled to room temperature and then exposed with an exposure apparatus using an ArF excimer laser (wavelength 193 nm) as a light source (first exposure step). The exposure beam used here may be other light sources such as ultraviolet rays and far ultraviolet rays, or an electron beam.
このとき、図27に示す露光用マスク(第1のパターン)に配置されたハーフピッチ100×Mnm(Pm=200×Mnm)のラインアンドスペースパターンが倍率1/Mで第1のレジスト膜242上に転写される。本実施形態では露光用マスクとして、強度透過率6%、位相差180度のハーフトーン型位相シフトマスク(HTマスク)260を用いた。図26は、図27に示した露光マスクの断面図、及び光源がこのマスクを経たときの露光量を示したグラフを並べたものである。
At this time, a line-and-space pattern with a half pitch of 100 × M nm (Pm = 200 × M nm) disposed on the exposure mask (first pattern) shown in FIG. 27 is formed on the first resist
その後、レジスト中に発生した酸を拡散させるために露光後ベーク(PEB)を130℃、90秒の条件で行う。そして、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(TMAH)を主成分としたアルカリ現像液でポジ型の現像処理(第1の現像工程)を行う。 Thereafter, post-exposure baking (PEB) is performed at 130 ° C. for 90 seconds in order to diffuse the acid generated in the resist. Then, a positive development process (first development process) is performed with an alkali developer containing tetramethylammonium hydroxide (TMAH) as a main component.
図26の下段で示す露光量E(x)がE1以上の(E(x)>E1)領域のみが選択的に除去され、図28を断面図、図29を上面図とするような第1のレジスト膜のポジパターン242が形成される。ここでのパターンのピッチはPm/Mである。ここで、図28は図29のA−A’破線に沿った断面図である。以降の断面図は全てこのA−A’破線に沿った位置での断面である。
Only the region (E (x)> E1) where the exposure dose E (x) shown in the lower part of FIG. 26 is equal to or greater than E1 is selectively removed, and a first view in which FIG. 28 is a sectional view and FIG. 29 is a top view. A
次に、メチルイソブチルケトン(MIBK)を主成分とする有機現像液でネガ型の現像処理(第2の現像工程)を行い、露光量がE2以下の領域を選択的に除去する。図31に示すように、図27のマスクパターンの倍周期であるハーフピッチ50nmの閉ループを有するレジストパターン242が形成される。即ち、ここでのピッチPwは、第1の露光工程で用いる露光マスクのピッチをPmとすると、Pw=Pm/(2M)の関係になっておいり、この場合Pw=100nmとなる。
Next, a negative development process (second development process) is performed with an organic developer containing methyl isobutyl ketone (MIBK) as a main component, and an area having an exposure amount of E2 or less is selectively removed. As shown in FIG. 31, a resist
なお、ここでは、アルカリ現像液によるポジ型の現像処理を最初に行い(第1の現像工程)、有機現像液によるネガ型の現像処理をその後に行った(第2の現像工程)が、この順番は逆でもよい。 Here, positive development processing with an alkaline developer is first performed (first development step), and negative development processing with an organic developer is performed thereafter (second development step). The order may be reversed.
次いで、周辺回路部102のレジストパターン形成について説明する。
Next, resist pattern formation in the
周辺回路部102のレジストパターン形成のための第2のレジスト膜を形成する前に、第1のレジストパターンとミキシングしないように、UVキュア処理で第1のレジスト膜242を硬化させる。レジスト膜を硬化させる方法としては、UVキュア処理以外にベーク処理、イオン注入処理、灰化(アッシング)処理などのレジスト改質処理を用いても良い。
Before forming the second resist film for forming the resist pattern of the
なお、レジスト膜を硬化させることでレジストパターン242の寸法が変動する場合は、予め変動量を求めておき、露光工程、現像工程の少なくとも1つの工程において、変動量を考慮してレジストパターン寸法を制御することが望ましい。
In addition, when the dimension of the resist
その後、図32及び図33に示すように、閉ループのレジストパターン242を含んだメモリセル部101及び周辺回路部102の上に、第2のレジスト膜320(膜厚220nm、ポジ型レジスト)をスピンコート法で成膜する。図33の上面図においては、分かりやすくするためにレジストパターン242が透けて見えるように示してある。
Thereafter, as shown in FIGS. 32 and 33, a second resist film 320 (
その後、強度透過率6%、位相差180度のハーフトーン型位相シフトマスク(HTマスク)を露光用マスク(第2のパターン)として用い、ArFエキシマレーザー(波長193nm)を光源として露光した(第2の露光工程)。 Thereafter, exposure was performed using an ArF excimer laser (wavelength 193 nm) as a light source using a halftone phase shift mask (HT mask) having an intensity transmittance of 6% and a phase difference of 180 degrees as an exposure mask (second pattern) (first pattern). 2 exposure step).
さらに、露光後ベーク(PEB)を140℃、90秒の条件で行った後、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(TMAH)を主成分としたアルカリ現像液でポジ型の現像処理(第3の現像工程)を行った。その結果、図35に示すように第1のレジスト膜242のパターン上に第2のレジスト膜320のパターンが形成される。
Further, post-exposure baking (PEB) was performed at 140 ° C. for 90 seconds, followed by positive development with an alkali developer containing tetramethylammonium hydroxide (TMAH) as a main component (third development step). Went. As a result, a pattern of the second resist
図35において、第2のレジスト膜320は、メモリセル部101では必要な領域のみを開口して、第1のレジスト膜242の閉ループを形成している不要な端部は覆うようにパターン転写がされている。また、周辺回路部102では開口パターンが所望のパターンとなるようにパターン転写がなされている。図35のA−A’線に沿った断面が図34である。
In FIG. 35, pattern transfer is performed so that the second resist
その後、エッチングマスク材である水溶性シリコンをスピンコート法で塗布を行い、さらにCMP法で、平坦化を行う。その結果、図36及び図37に示されるように第1のレジスト膜242及び第2のレジスト膜320のパターンが存在しない隙間領域(凹部)にエッチングマスクパターン360が形成される。
Thereafter, water-soluble silicon as an etching mask material is applied by a spin coating method, and further planarized by a CMP method. As a result, as shown in FIGS. 36 and 37, an
さらに、図38及び図39に示すようにエッチングマスクパターン360をマスクにして、第1のレジスト膜242及び第2のレジスト膜320、下層膜241、及びAl膜240を反応性イオンエッチングにより、選択的にエッチングする。エッチングマスクパターン360及び下層膜241を除去して、図40及び図41に示すような所望のAl膜240のパターンを形成した。
Furthermore, as shown in FIGS. 38 and 39, the first resist
以上述べたように本実施形態においては、特性の異なる2種類の現像液(アルカリ現像液と有機現像液)を用いた2回現像プロセスによって微細なパターンを形成するプロセスと、反転プロセスとを組み合わせて実行する。それによって、メモリセル部で生じる閉ループパターンの切断のための露光工程と周辺回路部のパターン形成のための露光工程を同時に行うことができるようになり、プロセスコストを大幅に削減することが可能となる。 As described above, in this embodiment, a process of forming a fine pattern by a two-time development process using two types of developers (alkaline developer and organic developer) having different characteristics is combined with a reversal process. And execute. As a result, the exposure process for cutting the closed loop pattern generated in the memory cell part and the exposure process for pattern formation of the peripheral circuit part can be performed simultaneously, and the process cost can be greatly reduced. Become.
2回現像プロセスは、既に述べたようにライン端部が繋がる閉ループ形状のレジストを形成するため、レジストのスペース部をエッチングして、そこに配線材料等を埋め込んで配線パターンを形成するダマシンプロセスに対しては、適用が比較的容易であった。 The double development process is a damascene process in which, as described above, a resist having a closed loop shape in which line ends are connected is formed, so that a resist pattern is etched and a wiring pattern is formed by embedding a wiring material or the like therein. On the other hand, the application was relatively easy.
しかし、レジストパターンをエッチングマスクに用いて被加工膜を加工する非ダマシンプロセスに適用しようとすると、従来は、ライン端部で繋がっている領域を切断するためのエッチング工程が別途必要であった。本実施形態においては、2回現像プロセスに反転プロセスを加えることによって、2回現像プロセスを非ダマシンプロセスに適用することが低コストで実現可能となる。 However, if it is intended to be applied to a non-damascene process in which a film to be processed is processed using a resist pattern as an etching mask, conventionally, an etching process for cutting a region connected at the end of the line is necessary. In the present embodiment, by applying a reversal process to the two-time development process, it is possible to implement the two-time development process to a non-damascene process at a low cost.
本実施形態では、第1のレジスト膜に対する2回現像プロセスの後に、第2のレジスト膜を形成して、露光及び現像し、第1及び第2のレジスト膜のいずれも存在しない領域に反転マスクを形成して、その反転マスクをマスクに用いてエッチングを行った。しかし、周辺回路の形成を考えなければ、第1のレジスト膜に対する2回現像プロセスの後(即ち、第2の現像工程の後)に、第1のレジスト膜の存在しない領域にただちに反転マスクを形成してもよい。その後、その反転マスクをマスクに用いてエッチングを行い、メモリセル部のみの配線を形成する。 In the present embodiment, after the twice development process for the first resist film, a second resist film is formed, exposed and developed, and a reversal mask is formed in a region where neither the first resist film nor the second resist film exists. Then, etching was performed using the reverse mask as a mask. However, if the formation of the peripheral circuit is not considered, after the two development processes for the first resist film (that is, after the second development process), an inversion mask is immediately applied to the area where the first resist film does not exist. It may be formed. Thereafter, etching is performed using the inversion mask as a mask to form wiring only for the memory cell portion.
本実施形態では、エッチングマスク材として水溶性シリコンを用いたが、シリコン又は金属を含む材料を用いることも可能である。また、本実施形態では、CMPによってレジストパターンが存在しない隙間領域(凹部)にエッチングマスクパターンを形成したが、ウエットエッチングや、ドライエッチング、或いはそれらの組み合わせによってマスクパターンを形成することも可能である。また、本実施形態では、被加工膜としてAl膜を用いたが、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜などを用いても良い。 In the present embodiment, water-soluble silicon is used as an etching mask material, but a material containing silicon or metal can also be used. In this embodiment, the etching mask pattern is formed in the gap region (concave portion) where no resist pattern exists by CMP. However, it is also possible to form the mask pattern by wet etching, dry etching, or a combination thereof. . In this embodiment, an Al film is used as a film to be processed, but a silicon oxide film, a silicon nitride film, or the like may be used.
さらに、上記第1乃至第4の実施形態においては、ネガ型の現像処理には有機現像液を用い、ポジ型の現像処理にはアルカリ現像液を用いたが、同一種類の現像液を用いて、その濃度を制御することによって、ネガ型あるいはポジ型の現像特性に切り替えて使用してもよい。 Furthermore, in the first to fourth embodiments, the organic developing solution is used for the negative developing process and the alkaline developing solution is used for the positive developing process. However, the same type of developing solution is used. By controlling the density, it may be switched to a negative or positive development characteristic.
このように、本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。更に、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。 As described above, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Further, the above embodiments include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. For example, even if some constituent requirements are deleted from all the constituent requirements shown in the embodiment, the problem described in the column of the problem to be solved by the invention can be solved, and the effect described in the column of the effect of the invention Can be extracted as an invention.
1…半導体基板、10、101…メモリセル部、12、102…周辺回路部、20、42、172…クォーツ(Qz)、22、40、170、260…HTマスク、30、180、200、220…メモリセル部のレジストパターン(膜)、72、204、222…周辺回路部のレジストパターン、80…被加工膜、90…別のレジスト膜、190、210…メモリセル部に対応する露光マスクパターン、192、212…周辺回路部に対応する露光マスクパターン、202…メモリセルと周辺回路の境界部のレジストパターン、240…Al膜、241…下層膜、242…第1のレジスト膜、320…第2のレジスト膜、360…エッチングマスクパターン、301、302…溶解した領域。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記被加工膜の上にレジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜に露光ビームを照射して第1のパターンを露光する第1の露光工程と、
前記第1の露光工程の後に前記レジスト膜にネガ型あるいはポジ型のいずれかの現像を行う第1の現像工程と、
前記第1の現像工程の後に前記レジスト膜に露光ビームをさらに照射して第2のパターンを露光する第2の露光工程と、
前記第2の露光工程の後に前記レジスト膜にネガ型あるいはポジ型のいずれかの前記第1の現像工程とは異なる現像を行う第2の現像工程とを含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a film to be processed on a semiconductor substrate;
Forming a resist film on the film to be processed;
A first exposure step of exposing the first pattern by irradiating the resist film with an exposure beam;
A first development step of performing either negative or positive development on the resist film after the first exposure step;
A second exposure step of exposing the second pattern by further irradiating the resist film with an exposure beam after the first development step;
And a second development step of developing the resist film differently from the first development step of either a negative type or a positive type after the second exposure step. Method.
前記硬化処理を行う工程の後に前記レジスト膜の上に別のレジスト膜を形成する工程と、
前記別のレジスト膜に露光ビームを照射して第3のパターンを露光する第3の露光工程と、
前記第3の露光工程の後に前記別のレジスト膜に現像を行う第3の現像工程とを含む
ことを特徴とする請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 A step of curing the resist film after the second development step;
A step of forming another resist film on the resist film after the step of performing the curing treatment;
A third exposure step of exposing the third pattern by irradiating the other resist film with an exposure beam;
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising a third development step of developing the other resist film after the third exposure step.
前記被加工膜の上にレジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜に露光ビームを照射してパターンを露光する露光工程と、
前記露光工程の後に前記レジスト膜にネガ型あるいはポジ型のいずれかの現像を行う第1の現像工程と、
前記第1の現像工程の後に前記レジスト膜にネガ型あるいはポジ型のいずれかの前記第1の現像工程とは異なる現像を行う第2の現像工程と、
前記第2の現像工程の後に前記レジスト膜が存在しない前記被加工膜の上にエッチングマスク材を形成する工程と、
前記エッチングマスク材をマスクに用いて前記被加工膜をエッチングする工程とを含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a film to be processed on a semiconductor substrate;
Forming a resist film on the film to be processed;
An exposure step of exposing the resist film to a pattern by irradiating an exposure beam;
A first development step of performing either negative or positive development on the resist film after the exposure step;
A second development step of performing development different from the first development step of either a negative type or a positive type on the resist film after the first development step;
Forming an etching mask material on the film to be processed on which the resist film does not exist after the second development step;
And a step of etching the film to be processed by using the etching mask material as a mask.
前記被加工膜の上に第1のレジスト膜を形成する工程と、
前記第1のレジスト膜に露光ビームを照射して第1のパターンを露光する第1の露光工程と、
前記第1の露光工程の後に前記レジスト膜にネガ型あるいはポジ型のいずれかの現像を行う第1の現像工程と、
前記第1の現像工程の後に前記レジスト膜にネガ型あるいはポジ型のいずれかの前記第1の現像工程とは異なる現像を行う第2の現像工程と、
前記第2の現像工程の後に前記第1のレジスト膜の硬化処理を行う工程と、
前記硬化処理を行う工程の後に前記第1のレジスト膜の上に第2のレジスト膜を形成する工程と、
前記第2のレジスト膜に露光ビームを照射して第2のパターンを露光する第2の露光工程と、
前記第2の露光工程の後に前記第2のレジスト膜に現像を行う第3の現像工程と、
前記第3の現像工程の後に前記第1及び第2のレジスト膜が存在しない前記被加工膜の上にエッチングマスク材を形成する工程と、
前記エッチングマスク材をマスクに用いて前記被加工膜をエッチングする工程とを含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a film to be processed on a semiconductor substrate;
Forming a first resist film on the film to be processed;
A first exposure step of exposing the first pattern by irradiating the first resist film with an exposure beam;
A first development step of performing either negative or positive development on the resist film after the first exposure step;
A second development step of performing development different from the first development step of either a negative type or a positive type on the resist film after the first development step;
A step of curing the first resist film after the second development step;
A step of forming a second resist film on the first resist film after the step of performing the curing treatment;
A second exposure step of exposing the second pattern by irradiating the second resist film with an exposure beam;
A third development step of developing the second resist film after the second exposure step;
Forming an etching mask material on the film to be processed on which the first and second resist films do not exist after the third developing step;
And a step of etching the film to be processed by using the etching mask material as a mask.
ことを特徴とする請求項1、3又は4のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。 5. The semiconductor according to claim 1, wherein an organic developer is used as a developer in the negative development, and an alkali developer is used as a developer in the positive development. Device manufacturing method.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2011101926A1 (en) * | 2010-02-16 | 2011-08-25 | パナソニック株式会社 | Manufacturing method for semiconductor device(s) and photomask |
JP2013046060A (en) * | 2011-08-19 | 2013-03-04 | Asml Netherlands Bv | Lithographic apparatus and method |
JP2013511153A (en) * | 2009-11-12 | 2013-03-28 | アドバンスト・マイクロ・ディバイシズ・インコーポレイテッド | Semiconductor device manufacturing using multiple exposure and blocking mask techniques to reduce design rule violations |
US8778601B2 (en) | 2010-03-05 | 2014-07-15 | Rohm and Haas Electronic Materials | Methods of forming photolithographic patterns |
US8975001B2 (en) | 2011-02-28 | 2015-03-10 | Rohm And Haas Electronics Materials Llc | Photoresist compositions and methods of forming photolithographic patterns |
US8980536B2 (en) | 2011-02-28 | 2015-03-17 | Rohm And Haas Electronic Materials Llc | Developer compositions and methods of forming photolithographic patterns |
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- 2006-12-15 JP JP2006338716A patent/JP2008153373A/en active Pending
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