JP2008258562A - パターン形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ダブルパターニングの解像度を最大限に発揮し得るパターン形成方法を提供することにある。
【解決手段】基板１０１上に下層膜１０２、中間層膜１０３、及び第１のレジスト膜１０４を形成した後、１回目の露光を行い、第１のレジストパターン１０４ａを形成する。その後、第１のレジストパターン１０４ａを中間層膜１０３に転写して、第１の中間層パターン１０３ａを形成した後、その上に第２のレジスト膜１０７を形成し、２回目の露光を行い、第２のレジストパターン１０７ａを形成する。その後、第２のレジストパターン１０７ａを中間層膜１０３に転写して、第２の中間層パターン１０３ｂを形成する。第２のレジスト膜１０７を除去後、第２の中間層パターン１０３ｂをマスクに下層膜１０２をエッチングして、下層膜パターン１０２ｂを形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は半導体製造等におけるパターン形成方法に関し、特に、ダブルパターニングを用いたパターン形成方法に関する。

半導体素子の大集積化・ダウンサイジングに伴い、リソグラフィ技術の開発の加速が望まれている。現在は、水銀ランプ、ＫｒＦエキシマレーザ、ＡｒＦエキシマレーザ等を光源とする光リソグラフィによりパターン形成が行われている。さらに短波長化したＦ₂レーザの使用も検討されたが、露光装置やレジストの課題のために現在では開発が中止されている。

このような状況から、最近、従来の露光波長を用いてより微細化を進めるために、ダブルパターニングと呼ばれる方法が提案されている。この方法は、所望のマスクパターンを２枚のフォトマスクに分割して露光することにより、パターンコントラストを向上させるというものである。

リソグラフィの解像度は、ｋ₁・λ／ＮＡ（ｋ₁：プロセス定数、λ：露光波長、ＮＡ：露光装置の開口数）で定義されるが、ダブルパターニングによれば、パターンコントラストの向上がｋ₁値を大きく低減する効果となることから、同じ露光波長を用いても解像度を大きく向上させることができる。

以下、従来のダブルパターニングを用いたパターン形成方法について、図１１（ａ）〜（ｄ）、図１２（ａ）〜（ｄ）、図１３（ａ）〜（ｂ）を参照しながら説明する。

まず、１１（ａ）に示すように、半導体基板２０１上に、膜厚が０．１２μｍ程度のハードマスク（例えば、シリコン窒化膜）２０２を形成する。

次に、図１１（ｂ）に示すように、ハードマスク２０２上に、膜厚が０．１５μｍ程度の第１のＡｒＦレジスト膜２０３を形成する。その後、第１のフォトマスク２０４を介して、ＮＡが０．８５であるＡｒＦエキシマレーザ光２０５を用いて１回目の露光を行う。露光後、第１のＡｒＦレジスト膜２０３は、ホットプレートにより約１０５℃の温度下で、約６０秒間加熱される。

次に、図１１（ｃ）に示すように、第１のＡｒＦレジスト膜２０３を、２．３８ｗｔ％のテトラメチルアンモニウムハイドロキサイド現像液を用いて現像を行い、第１のレジストパターン２０３ａを形成する。

次に、図１１（ｄ）に示すように、第１のレジストパターン２０３ａをマスクに、ハードマスク２０２を、フッ素系ガス等を用いてエッチングを行い、第１のハードマスクパターン２０２ａを形成する。

次に、図１２（ａ）に示すように、第１のレジストパターン２０３ａを、酸素プラズマによるアッシングで除去した後、図１２（ｂ）に示すように、第１のハードマスクパターン２０２ａ上に、膜厚が０．１５μｍ程度の第２のＡｒＦレジスト膜２０６を形成する。

次に、図１２（ｃ）に示すように、第２のフォトマスク２０７を介して、ＮＡが０．８５のＡｒＦエキシマレーザ光２０５を用いて２回目の露光を行う。露光後、第１のＡｒＦレジスト膜２０３は、ホットプレートにより約１０５℃の温度下で、約６０秒間加熱される。

次に、図１２（ｄ）に示すように、第２のＡｒＦレジスト膜２０６を、２．３８ｗｔ％のテトラメチルアンモニウムハイドロキサイド現像液を用いて現像を行い、第２のレジストパターン２０６ａを形成する。

次に、図１３（ａ）に示すように、第２のレジストパターン２０６ａをマスクに、ハードマスク２０２を、フッ素系ガス等を用いてエッチングを行う。その後、図１３（ｂ）に示すように、第２のレジストパターン２０６ａを、酸素プラズマによるアッシングで除去し、第２のハードマスクパターン２０２ｂを得る。

このように、２回に分けたレジスト露光、及びハードマスクのエッチングにより、微細な第２のハードマスクパターン２０２ｂが得られ、例えば、図１４に示すように、ダブルパターニングにより形成された第２のハードマスクパターン２０２ｂを用いて、半導体基板２０１（または、半導体基板２０１上に形成された被エッチング膜（不図示））をドライエッチングすることにより、半導体基板２０１（または被エッチング膜）を微細加工することができる。

ところで、ハードマスク２０２は、耐ドライエッチング性を確保するために、ある程度の膜厚を確保する必要がある。その結果、図１２（ｂ）に示したように、第１のハードマスクパターン２０２ａ上に、２回目の第２のＡｒＦレジスト膜２０６を塗布する際、下地である第１のハードマスクパターン２０２ａの凹凸が大きいと、塗布特性が劣化する畏れがある。その場合、２回目のレジスト露光における解像度が低下することにより、ダブルパターニングを採用しても、十分な解像度が得られない結果となる。

このような問題に対して、第１のハードマスクパターン２０２ａを、反射防止膜であるＢＡＲＣ（Bottom Anti-Reflection Coating）により平坦化する方法が、非特許文献１に記載されている。

すなわち、図１５に示すように、第１のハードマスクパターン２０２ａ上に、ＢＲＡＣ２０８を塗布して平坦化を行い、その上に、第２のＡｒＦレジスト膜２０６を塗布することにより、塗布特性を向上させることができる。これにより、２回目のレジスト露光における解像度の低下を防止することができる。
M. Maenhoudt et al., "Double Patterning scheme for sub-0.25 k1 single damascene structures at NA=0.75,λ=193nm", Proc. SPIE, vol.5754, 1508 (2005)

しかしながら、ＢＡＲＣによる平坦化を取り入れたダブルパターニングにおいては、以下のような問題がある。

すなわち、ハードマスクには耐ドライエッチ性が要求されるが、例えば、ハードマスクが被エッチング材料に対して十分なエッチング選択比が取れない場合には、ハードマスクの膜厚を、ある程度の大きさにする必要がある。この場合、ハードマスクパターンの凹凸が大きくなり、その結果、ＢＡＲＣによる平坦化工程において、凹部にボイドが発生する畏れがある。また、ＢＡＲＣは、反射防止膜としての機能を併せ持つが、平坦化されたＢＡＲＣにおいて、ハードマスクパターンが形成された領域と形成されていない領域とで、ＢＡＲＣの膜厚が変動するため、反射率の制御が困難になる。加えて、ＡｒＦエキシマレーザ露光の高ＮＡ化技術として注目されている液浸露光を、ダブルパターニングに適用した場合、液浸露光による解像度の向上を図るためには、十分な反射防止効果が必要となるが、ＢＡＲＣだけでは、それを満足させることは難しい。

本発明は、かかる点に鑑みなされたもので、その主な目的は、ダブルパターニングの解像度を最大限に発揮し得るパターン形成方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明におけるパターン形成方法は、中間層膜の下に下層膜を設け、２回のマスク露光で形成されたレジストパターンを中間層膜に転写して中間層パターンを形成した後、さらに、中間層パターンを下層膜に転写することによって、所定のパターン（下層膜パターン）を形成するものである。

ここで、中間層膜は、主に、２回のマスク露光で形成されるレジストパターンが転写される層として用いられ、耐ドライエッチ性は、専ら、当該レジストパターンが転写された中間層パターンがさらに転写された下層膜によって確保される。従って、かかる目的で形成される中間層膜は、従来のハードマスクよりも薄くすることができ、２回目のレジスト露光において、中間層パターンの平坦化を行わなくても、レジストの塗布特性劣化に起因する解像度の低下を抑制することができる。もちろん、ＢＡＲＣ等による平坦化を行っても、凹部でのボイドの発生を抑制でき、良好なレジストパターンを形成することができる。さらに、上記目的で形成される下層膜は比較的厚く形成されるため、膜厚の変動は小さく、下層膜で反射率の制御を容易に行うことができ、かつ、中間層膜と下層膜の2層で十分な反射防止効果を発揮することができる。そのため、本発明のダブルパターニングに液浸露光を適用しても、高ＮＡに対する解像度を維持することができる。

本発明に係わるパターン形成方法は、基板上に下層膜を形成する工程（ａ）と、下層膜の上に中間層膜を形成する工程（ｂ）と、中間層膜の上に第１のレジスト膜を形成した後、該第１のレジスト膜に第１のパターンを有する第１のフォトマスクを介して露光および現像を行い、第１のレジストパターンを形成する工程（ｃ）と、第１のレジストパターンをマスクに、中間層膜をエッチングして、第１の中間層パターンを形成する工程（ｄ）と、第１のレジスト膜を除去する工程（ｅ）と、工程（ｅ）の後、下層膜と第１の中間層パターンとの上に第２のレジスト膜を形成した後、該第２のレジスト膜に第２のパターンを有する第２のフォトマスクを介して露光および現像を行い、第２のレジストパターンを形成する工程（ｆ）と、第２のレジストパターンをマスクに、中間層膜をエッチングして、第２の中間層パターンを形成する工程（ｇ）と、第２のレジスト膜を除去する工程（ｈ）と、工程（ｈ）の後に、第２の中間層パターンをマスクに、下層膜をエッチングして、第１及び第２のパターンを有する下層膜パターンを形成する工程（ｉ）とを含むことを特徴とする。

本発明に係るダブルパターニングを用いたパターン形成方法によれば、耐ドライエッチ性が高く、かつ、ダブルパターニングの解像度を最大限に発揮した、露光波長の１／４程度の微細なパターンを形成することができる。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、説明の簡略化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態におけるパターン形成方法について、図１（ａ）〜（ｃ）、図２（ａ）〜（ｄ）、図３（ａ）〜（ｄ）、及び図４（ａ）〜（ｂ）を参照しながら説明する。

まず、図１（ａ）に示すように、半導体基板１０１の上に、膜厚が０．７μｍ程度の下層膜１０２を形成する。ここで、下層膜１０２は、有機膜からなり、例えば、炭化水素骨格を有する物質を熱架橋等により硬化させた有機材料を用いることができる。炭化水素骨格には、アルキル基、アルケニル基、フェニル基、ハロゲン基等が付加されていてもよい。具体的には、ノボラック樹脂、フェノール樹脂等の樹脂に、エポキシ基、グリシジル基等を含有した架橋剤と、オニウム塩等の熱酸発生剤とを含む材料が好ましい。半導体基板１０１上に下層膜１０２を塗布した後、下層膜１０２を加熱することによって酸が発生し、この酸の働きにより架橋剤が樹脂を架橋させることによって、下層膜１０２を強固にすることができる。

次に、図１（ｂ）に示すように、下層膜１０２の上に、膜厚が０．０８μｍ程度の中間層膜１０３を形成する。ここで、中間層膜１０３は、例えば、ＳｉＯ２骨格、ＳｉＮ骨格、ＳｉＯＮ骨格等のシリコンを含む材料を用いることができる。これらの骨格には、アルキル基、アルケニル基、フェニル基、ハロゲン基等が付加されていてもよい。具体的には、シロキサン樹脂、又はシルセスキオキサン樹脂からなり、これにメチル基、エチル基等のアルキル基が付加されていてもよい。

次に、図１（ｃ）に示すように、中間層膜１０３の上に、膜厚が０．１５μｍ程度の第１のレジスト膜１０４を形成する。ここで、第１のレジスト膜１０４は、例えば、ＡｒＦエキシマレーザ用の化学増幅型レジスト（住友化学製ＰＡＲ−８５５）を用いることができる。

次に、図２（ａ）に示すように、第１のパターンを有する第１のフォトマスク１０５を介して、ＮＡが０．８５であるＡｒＦエキシマレーザ光１０６により、１回目のパターン露光を行う。露光後、第１のレジスト膜１０４を、ホットプレートにより１０５℃の温度下で６０秒間加熱する（露光後ベーク）する。

次に、図２（ｂ）に示すように、ベークされた第１のレジスト膜１０４に対して、２．３８ｗｔ％のテトラメチルアンモニウムハイドロキサイド水溶液（アルカリ性現像液）を用いて現像を行い、第１のレジスト膜１０４の未露光部よりなる第１のレジストパターン１０４ａを形成する。

次に、図２（ｃ）に示すように、第１のレジストパターン１０４ａをマスクとして、中間層膜１０３を、例えば、フッ素系ガスによりエッチングした後、図２（ｄ）に示すように、第１のレジストパターン１０４ａを酸素プラズマによるアッシングで除去して、第１の中間層パターン１０３ａを形成する。

次に、図３（ａ）に示すように、第１の中間層パターン１０３ａの上に、膜厚が０．１５μｍ程度の第２のレジスト膜１０７を形成する。ここで、中間層膜１０３の膜厚は薄く形成されているため、第２のレジスト膜１０７は、塗布特性よく第１の中間層パターン１０３ａ上に形成することができる。なお、第２のレジスト膜１０７は、第１のレジスト膜１０４と同じ材料を用いることができる。

次に、図３（ｂ）に示すように、第２のパターンを有する第２のフォトマスク１０８を介して、ＮＡが０．８５であるＡｒＦエキシマレーザ光１０８により、２回目のパターン露光を行う。露光後、第２のレジスト膜１０７を、ホットプレートにより１０５℃の温度下で６０秒間、露光後ベークを行う。

次に、図３（ｃ）に示すように、ベークされた第２のレジスト膜１０７に対して、２．３８ｗｔ％のテトラメチルアンモニウムハイドロキサイド水溶液（アルカリ性現像液）を用いて現像を行い、第２のレジスト膜１０７の未露光部よりなる第２のレジストパターン１０７ａを形成する。第２のレジスト膜１０７は、塗布特性よく形成されているため、２回目のレジスト露光においても、良好な第２のレジストパターン１０７ａを得ることができる。

次に、図３（ｄ）に示すように、第２のレジストパターン１０７ａをマスクとして、第１の中間層パターン１０３ａを、例えば、フッ素系ガスによりエッチングした後、図４（ａ）に示すように、第２のレジストパターン１０７ａを酸素プラズマによるアッシングで除去して、第２の中間層パターン１０３ｂを形成する。

最後に、図４（ｂ）に示すように、第２の中間層パターン１０３ｂをマスクとして、下層膜１０２を酸素系ガスでエッチングして、第１及び第２のパターンを有する下層膜パターン１０２ｂを形成する。

本実施形態によるパターン形成方法によれば、１回目及び２回目のレジスト露光において、共に良好なレジストパターン１０４ａ、１０７ａを形成することができ、かつ、それらのレジストパターン１０４ａ、１０７ａを、中間層膜１０３及び下層膜１０２に転写することにより、ダブルパターニングの解像度を最大限に発揮した、露光波長の１／４程度の微細なパターン１０２ｂを形成することができる。

図５は、本実施形態により形成した下層膜パターン１０２ｂを用いて、半導体基板１０１（または、半導体基板１０１上に形成された被エッチング膜（不図示））をドライエッチングしたときの断面図である。下層膜パターン１０２ｂは、耐ドライエッチ性に優れているため、半導体基板１０１（または被エッチング膜）を、良好な形状で微細加工することができる。

なお、本発明により形成した下層膜パターン１０２ｂは、ドライエッチング用のマスクだけでなく、半導体装置の製造プロセスにおける種々の工程で使用されるマスク（例えば、イオン注入用のマスク等）に適用できることは勿論である。

また、本発明における下層膜１０２、中間層膜１０３の材料は、本実施形態で例示した材料に限定されず、下層膜１０２／中間層膜１０３を用いたダブルパターニングによるパターン形成方法において、第１及び第２のレジスト膜１０４、１０７に用いられる材料や露光条件、あるいは、本発明により形成した下層膜パターン１０２ｂを利用して行う後工程の内容（例えば、エッチングやイオン注入等）等により、適宜、最適な材料を選択することができる。

さらに、本発明においては、上述したように、下層膜１０２／中間層膜１０３の構成を採用したことにより、中間層膜１０３の膜厚を薄くでき、これにより、第２のレジスト膜１０７の塗布特性の劣化を抑制することができるが、塗布特性の向上をさらに図るために、中間層パターン１０３ａの上に、ＢＡＲＣを塗布して平坦化を行った後、第２のレジスト膜１０７を形成するようにしても勿論よい。

（第１の実施形態の変形例）
本発明におけるパターン形成方法を用いることにより、ダブルパターニングの解像度を最大限に発揮することができるが、さらに、液浸露光技術を用いることにより、ダブルパターニングの解像度をより向上させることができる。

図６（ａ）、（ｂ）は、第１の実施形態で説明したダブルパターニングの工程に液浸露光技術を適用した例を示した工程断面図で、（ａ）は、１回目のレジスト露光に、（ｂ）は、２回目のレジスト露光に、それぞれ液浸露光を適用した工程断面図である。

図６（ａ）は、図２（ａ）に対応した工程断面図で、第１のレジスト膜１０４の上に、例えば、パドル（液盛り）法により水よりなる液浸露光用の液体（液浸溶液）１５０を配し、ＡｒＦエキシマレーザ光１０６を、第１のフォトマスク１０５を介して第１のレジスト膜１０４に照射して、１回目のパターン露光を行うものである。

図６（ｂ）は、図３（ｂ）に対応した工程断面図で、第２のレジスト膜１０７の上に、同じく、パドル法により水よりなる液浸溶液１５０を配し、ＡｒＦエキシマレーザ光１０６を、第２のフォトマスク１０８を介して第２のレジスト膜１０７に照射して、２回目のパターン露光を行うものである。

このように、液浸露光技術を適用することにより、露光装置内のレンズと基板上のレジスト膜との間が、屈折率ｎの液体（液浸溶液）で満たされることになるために、露光装置のＮＡ（開口数）がｎ・ＮＡとなり、レジストの解像度が向上する。そのため、通常の露光技術を用いた場合に比べて、より良好な形状を有する微細パターンを形成することができる。

ここで、液浸溶液１５０としては、例えば、水または酸性溶液等を用いることができる。酸性溶液としては、例えば、硫酸セシウム水溶液、リン酸水溶液等が用いられ、また、液浸溶液１５０に、界面活性剤などの添加物を含んでいてもよい。

ところで、液浸露光技術を適用した場合、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、レジスト膜１０４、１０７上に液浸溶液１５０が配された場合、レジスト膜１０４、１０７から溶出物が液浸溶液１５０に溶出（染み出し）したり、逆に、液浸溶液１５０がレジスト膜１０４、１０７中に浸透（染み込み）するおそれがあり、いずれの場合も、解像度を劣化させる要因となる。

そこで、このような場合の対策として、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、レジスト膜１０４、１０７上にバリア膜１６０を形成しておくことが有効である。図７（ａ）は、図１（ｃ）に対応した工程断面図で、第１のレジスト膜１０４の上に、膜厚が０．１μｍ程度のバリア膜１６０を形成したもので、その後、図６（ａ）に示したような液浸露光を行う。また、図７（ｂ）は、図３（ａ）に対応した工程断面図で、第２のレジスト膜１０７の上に、膜厚が０．１μｍ程度のバリア膜１６０を形成したもので、その後、図６（ｂ）に示したような液浸露光を行う。

ここで、バリア膜としては、例えば、フッ素を含むアルカリ可溶性の材料（ＪＳＲ製ＴＣＸ−０４１）を用いることができる。また、バリア膜１６０を形成した後、バリア膜１６０の緻密性を向上させるために、ホットプレートで１２０℃の温度下で、約９０秒間加熱を行ってもよい。なお、バリア膜１６０の緻密性が過度に向上すると、バリア膜１６０の溶解除去が困難になるために、適当な温度範囲で加熱することが好ましい。例えば、バリア膜１６０の緻密性を向上させるために、バリア膜１６０を加熱する適当な温度は、１００〜１５０℃の範囲である。

なお、上記の液浸露光、またはバリア膜１６０の形成は、１回目及び２回目のパターン露光の両方に適用してもよいし、あるいは、いずれか一方のパターン露光に適用しても勿論かまわない。

（第２の実施形態）
本発明に係るダブルパターニングを用いたパターン形成方法によれば、耐ドライエッチ性が高く、かつ、微細なパターンを形成することができるが、本願発明者等は、本発明のダブルパターニングにおいて、以下のような課題があることを見出した。以下、図８（ａ）〜（ｃ）を参照しながら、説明する。

図８（ａ）〜（ｃ）は、１回目のパターン露光を行って、第１の中間層パターン１０３ａを形成した後、２回目のパターン露光を行い、第２のレジストパターン１０７ａを形成するまでの工程を示した工程断面図で、図８（ａ）は、図２（ｄ）に、図８（ｂ）は図３（ｂ）に、図８（ｃ）は図３（ｃ）にそれぞれ対応するものである。

１回目のパターン露光によって形成された第１のレジストパターン１０４ａは、酸素プラズマによるアッシングで除去されるため、図８（ａ）に示すように、第１の中間層パターン１０３ａの表面は、酸素プラズマに暴露される（第１のレジストパターン１０４ａを完全に除去するためには、必ず、オーバーアッシングがなされるため）ことになる。そのため、第１の中間層パターン１０３ａの表面は、アッシングによる表面荒れが生じる。

この状態で、図８（ｂ）に示すように、２回目のパターン露光を行うと、第２のレジスト膜１０７の露光部（１０７ｂ）に発生した酸は、第１の中間層パターン１０３ａに生じた表面荒れの凹部に入り込んで動けなくなくなり、言わば酸がトラップ状態になって、酸の機能が果たせなくなる。その結果、図８（ｃ）に示すように、第２のレジスト膜１０７を現像した際、露光部（１０７ｂ）の酸不足に起因して、パターンエッジが荒れる等のパターン不良の発生や、寸法バラツキが増加等の問題が生じるおそれがある。

このように、中間層パターン１０３ａのアッシングによる表面荒れは、本発明におけるダブルパターニングを用いたパターン形成方法では、不可避的に生じるものである。

そこで、本願発明者等は、このような問題に対してさらに検討を行い、次のような対策を講じることが有効であることが分かった。以下、図面を参照しながら、本発明の第２の実施形態におけるパターン形成方法を説明する。

図９は、図１（ｂ）に対応するもので、下層膜１０２上に中間層膜１０３を形成した後、中間層膜１０３の上に第１のレジスト膜１０４を形成する前に、中間層膜１０３の表面を、不活性ガスのプラズマ処理を行うものである。これにより、中間層膜１０３の表面を緻密にすることによって、露光時に発生した酸をトラップする部位（中間層膜１０３表面の凹部）を減少させることができる。その結果、露光部（１０７ｂ）の酸不足に起因するパターン不良の発生や、寸法バラツキを抑制することができる。

ここで、不活性ガスは、例えば、窒素または希ガスを用いることができる。なお、窒素に比べ、中間層膜１０３に対して化学変化を起こさせず、エッチングする作用も小さい点で、希ガスを用いることが好ましい。希ガスとしては、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、またはキセノン等を用いることができる。また、プラズマ処理は、中間層膜１０３の表面を緻密にする条件で行えばよく、例えば、Ａｒガスを１０秒程度吹き付けるようなプラズマ処理で行うことができる。

なお、本実施形態においても、１回目及び／または２回目のパターン露光において、上述の液浸露光及び／またはバリア膜の形成を適用することは勿論可能である。

（第２の実施形態の変形例）
上述したように、第１の中間層パターン１０３ａの表面のアッシングによる表面荒れが、酸をトラップする部位となって、これが、２回目のパターン露光時におけるパターン不良の原因となる。それ故、一旦発生した表面荒れによるトラップ性を、第２のパターン露光を行う前までに取り除く処理を施せば、２回目のパターン露光において、露光部の酸不足に起因するパターン不良の発生や、寸法バラツキを抑制することができる。

以下、そのような処理を施す例を、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）を参照しながら説明する。ここで、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、共に図２（ｄ）に対応するものである。

図１０（ａ）に示す処理は、第１のレジストパターン１０４ａをアッシングにより除去した後、第１の中間層パターン１０３ａ上に第２のレジスト膜１０７を形成する前に、第１の中間層パターン１０３ａの表面をエッチングするというものである。エッチングは、例えば、フッ素系ガスを用いて行い、第１の中間層パターン１０３ａの表層をエッチングする厚さは、１ｎｍ〜５ｎｍ程度である。なお、下層膜１０２は、有機材料で構成されているため、フッ素系ガスではエッチングされることはない。

このように、第１の中間層パターン１０３ａの表面荒れを、エッチングにより取り除くことにより、表面荒れによるトラップ性を取り除くことができ、２回目のパターン露光において、露光部の酸不足に起因するパターン不良の発生や、寸法バラツキを抑制することができる。

また、図１０（ｂ）に示す処理は、第１のレジストパターン１０４ａをアッシングにより除去した後、第１の中間層パターン１０３ａ上に第２のレジスト膜１０７を形成する前に、第１の中間層パターン１０３ａの表面に酸処理を施すというものである。酸処理は、例えば、酢酸を、第１の中間層パターン１０３ａの表面に５秒〜３０秒程度噴霧することによって行われる。このように、第１の中間層パターン１０３ａの表面に酸処理を施すことによって、表面荒れによるトラップ部位に酸を補充することができ、これにより、表面荒れによるトラップ性を実質的に取り除くことができる。その結果、２回目のパターン露光において、露光部の酸不足に起因するパターン不良の発生や、寸法バラツキを抑制することができる。

ここで、酸処理に使われる酸は、酢酸の他、例えば、ギ酸、メタンスルフォン酸、ブタンスルフォン酸等を用いることができる。なお、本発明における酸処理に使われる酸は、第１の中間層パターン１０３ａの表面荒れによるトラップ部位に当該酸を供給するもので、硫酸などの酸化剤とは異なるものである。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態においては、レジスト露光をＡｒＦエキシマレーザ光で行ったが、それに限定されず、例えば、ＫｒＦエキシマレーザ光、Ｘｅ₂レーザ光、Ｆ₂レーザ光、ＫｒＡｒレーザ光、Ａｒ₂レーザ光、または極紫外線光等を用いてもよい。また、第２の実施形態において説明した、第１の中間層パターン１０３ａの表面荒れに起因するパターン不良の劣化は、従来のハードマスクを用いたダブルパターニングにおいても、共通の課題と考えられ、第２の実施形態において説明した種々の対策は、従来のハードマスクを用いたダブルパターニングにも適用することが可能である。

本発明に係るダブルパターニングを用いたパターン形成方法によると、良好な形状を有する微細パターンを得ることができ、半導体装置の製造プロセス等において用いられる微細パターンの形成方法に有用である。

（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施形態におけるパターン形成方法を示した工程断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施形態におけるパターン形成方法を示した工程断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施形態におけるパターン形成方法を示した工程断面図である。 （ａ）〜（ｂ）は、本発明の第１の実施形態におけるパターン形成方法を示した工程断面図である。 本発明の第１の実施形態におけるパターン形成方法で形成したパターンを用いて、半導体基板をエッチングする工程を示した工程断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態の変形例を示した図で、（ａ）は、１回目のパターン露光における液浸露光の工程を示した工程断面図、（ｂ）は、２回目のパターン露光における液浸露光の工程を示した工程断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施形態の変形例を示した図で、（ａ）は、１回目のパターン露光前におけるバリア膜を形成する工程を示した工程断面図、（ｂ）は、２回目のパターン露光前におけるバリア膜を形成する工程を示した工程断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明のダブルパターニングにおける課題を説明する工程断面図である。 本発明の第２の実施形態におけるパターン形成方法を示した工程断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施形態における変形例を示した図で、（ａ）は、第１の中間層パターンの表層をエッチングする工程を示した工程断面図、（ｂ）は、第１の中間層パターンの表面を酸処理する工程を示した工程断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、従来のダブルパターニングを用いたパターン形成方法を示した工程断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、従来のダブルパターニングを用いたパターン形成方法を示した工程断面図である。 （ａ）〜（ｂ）は、従来のダブルパターニングを用いたパターン形成方法を示した工程断面図である。 従来のダブルパターニングを用いたパターン形成方法で形成したパターンを用いて、半導体基板をエッチングする工程を示した工程断面図である。 従来のＢＡＲＣ平坦化工程を用いたダブルパターニングの方法を示した工程断面図である。

符号の説明

１０１ 半導体基板
１０２ 下層膜
１０２ｂ 下層膜パターン
１０３ 中間層膜
１０３ａ 第１の中間層パターン
１０３ｂ 第２の中間層パターン
１０４ 第１のレジスト膜
１０４ａ 第１のレジストパターン
１０５ 第１のフォトマスク
１０６、１０８ ＡｒＦエキシマレーザ光
１０７ 第２のレジスト膜
１０７ａ 第２のレジストパターン
１０７ｂ 露光部
１０８ 第２のフォトマスク
１５０ 液浸溶液
１６０ バリア膜
２０１ 半導体基板
２０２ ハードマスク
２０２ａ 第１のハードマスクパターン
２０２ｂ 第２のハードマスクパターン
２０３ 第１のＡｒＦレジスト膜
２０３ａ 第１のレジストパターン
２０４ 第１のフォトマスク
２０５ ＡｒＦエキシマレーザ光
２０６ 第２のＡｒＦレジスト膜
２０６ａ 第２のレジストパターン
２０７ 第２のフォトマスク
２０８ ＢＲＡＣ

Claims (24)

1. 基板上に下層膜を形成する工程（ａ）と、
   前記下層膜の上に中間層膜を形成する工程（ｂ）と、
   前記中間層膜の上に第１のレジスト膜を形成した後、該第１のレジスト膜に第１のパターンを有する第１のフォトマスクを介して露光および現像を行い、第１のレジストパターンを形成する工程（ｃ）と、
   前記第１のレジストパターンをマスクに、前記中間層膜をエッチングして、第１の中間層パターンを形成する工程（ｄ）と、
   前記第１のレジスト膜を除去する工程（ｅ）と
   前記工程（ｅ）の後、前記下層膜と前記第１の中間層パターンとの上に第２のレジスト膜を形成した後、該第２のレジスト膜に第２のパターンを有する第２のフォトマスクを介して露光および現像を行い、前記第２のレジストパターンを形成する工程（ｆ）と、
   前記第２のレジストパターンをマスクに、前記中間層膜をエッチングして、第２の中間層パターンを形成する工程（ｇ）と、
   前記第２のレジスト膜を除去する工程（ｈ）と、
   前記工程（ｈ）の後に、前記第２の中間層パターンをマスクに、前記下層膜をエッチングして、前記第１及び第２のパターンを有する下層膜パターンを形成する工程（ｉ）と
   を含む、パターン形成方法。
2. 前記工程（ｅ）において、前記第１のレジスト膜は、酸素プラズマによるアッシングで除去される、請求項１に記載のパターン形成方法。
3. 前記第２のレジスト膜は、化学増幅型のレジスト膜である、請求項１に記載のパターン形成方法。
4. 前記工程（ｂ）の後、前記工程（ｃ）の前に、前記中間層膜の表面に不活性ガスのプラズマ処理を施す工程をさらに含む、請求項２または３に記載のパターン形成方法。
5. 前記不活性ガスは、窒素または希ガスである、請求項４に記載のパターン形成方法。
6. 前記希ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、及びキセノンからなる群から選択された１種以上のガスである、請求項５に記載のパターン形成方法。
7. 前記工程（ｅ）の後、前記工程（ｆ）の前に、前記第１の中間層パターンの表層をエッチングする工程をさらに含む、請求項２または３に記載のパターン形成方法。
8. 前記第１の中間層パターンの表層をエッチングする厚さは、１ｎｍ〜５ｎｍである、請求項７に記載のパターン形成方法。
9. 前記工程（ｅ）の後、前記工程（ｆ）の前に、前記第１の中間層パターンの表面に酸処理を施す工程をさらに含む、請求項２または３に記載のパターン形成方法。
10. 前記酸処理に使用する酸は、酢酸、ギ酸、メタンスルフォン酸、及びブタンスルフォン酸からなる群から選択された１種以上の酸である、請求項９に記載のパターン形成方法。
11. 前記工程（ｃ）又は前記工程（ｆ）の少なくとも一方の工程において、前記第１のレジスト膜又は第２のレジスト膜の上に溶液を配した状態で液浸露光を行う、請求項１に記載のパターン形成方法。
12. 前記液浸露光を行う前に、前記第１のレジスト膜又は第２のレジスト膜の上にバリア膜を形成する工程をさらに含む、請求項１１に記載のパターン形成方法。
13. 前記第１のレジスト膜又は第２のレジスト膜の上に形成された前記バリア膜を、加熱する工程をさらに含む、請求項１２に記載のパターン形成方法。
14. 前記溶液は、水又は酸性溶液である、請求項１１に記載のパターン形成方法。
15. 前記酸性溶液は、硫酸セシウム水溶液又はリン酸水溶液である、請求項１４に記載のパターン形成方法。
16. 前記下層膜は、炭化水素骨格を有する物質を硬化させた有機材料からなる、請求項１に記載のパターン形成方法。
17. 前記下層膜は、樹脂と架橋剤と熱酸発生剤とを含む材料からなり、
    前記工程（ａ）において、前記基板上に前記下層膜を形成した後に、該下層膜を加熱する工程をさらに含む、請求項１に記載パターン形成方法。
18. 前記樹脂は、ノボラック樹脂又はフェノール樹脂である、請求項１７に記載のパターン形成方法。
19. 前記架橋剤は、エポキシ基又はグリシジル基を有する、請求項１７に記載のパターン形成方法。
20. 前記熱酸発生剤は、オニウム塩である、請求項１７に記載のパターン形成方法。
21. 前記中間層膜は、ＳｉＯ２骨格、ＳｉＮ骨格、又はＳｉＯＮ骨格を含む材料からなる、請求項１に記載のパターン形成方法。
22. 前記中間層膜の材料を構成する骨格には、アルキル基、アルケニル基、フェニル基、ハロゲン基の少なくとも１種が付加している、請求項２１に記載のパターン形成方法。
23. 前記中間層膜は、シロキサン樹脂、又はシルセスキオキサン樹脂からなる、請求項２１に記載のパターン形成方法。
24. 前記シロキサン樹脂、又は前記シルセスキオキサン樹脂には、メチル基、エチル基の少なくとも１種が付加している、請求項２３に記載のパターン形成方法。

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