JP2009252954A - Method of manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リソグラフィー技術の限界を超える微細なラインアンドスペースパターンを有する半導体装置の製造方法に関する。 The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device having a fine line and space pattern that exceeds the limits of lithography technology.
側壁転写技術(側壁加工プロセス)を用いてリソグラフィーの解像度限界以下の微細なラインアンドスペースパターンを形成する方法が知られている(例えば特許文献1参照)。 A method of forming a fine line and space pattern below the resolution limit of lithography using a sidewall transfer technique (sidewall processing process) is known (see, for example, Patent Document 1).
この側壁転写技術によりライン及びスペースの各幅寸法が数十ナノメートル以下の微細なラインアンドスペースパターンが形成できるようになったが、パターンが微細になってきたが故に、(1)レジストパターンのライン端部が倒れる、(2)この側壁転写技術で形成されたゲート電極パターンや半導体基板のアクティブエリアのパターンの最も外側のラインが、その後にラインの両側に埋め込まれる絶縁膜の熱収縮により破壊される、といった問題が発生してきた。
本発明は、側壁転写技術を用いてライン及びスペースの各幅寸法を微細化した場合に、良好なラインパターンが形成される半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device in which a good line pattern is formed when each width dimension of a line and a space is miniaturized using a sidewall transfer technique.
本発明の半導体装置の製造方法は、被加工材上に犠牲膜を形成する工程と、前記犠牲膜上にライン幅とスペース幅の比率が1対1のラインアンドスペースパターンにパターニングされたレジスト膜を形成する工程と、前記レジスト膜をスリミングすることにより前記ラインアンドスペースパターンのライン幅寸法をスペース幅寸法の1/3にする工程と、前記レジスト膜をマスクにして前記犠牲膜を加工した後、前記レジスト膜を除去する工程と、加工された前記犠牲膜のラインアンドスペースパターンのラインの側壁部に側壁膜を形成する工程と、前記犠牲膜を除去する工程と、前記側壁膜からなるラインパターンの外側に、前記ラインパターンを囲むように枠状の保護パターンを形成する工程と、前記ラインパターンおよび前記保護パターンをマスクに、前記被加工材を加工する工程とを備えたところに特徴を有する。 The method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a sacrificial film on a workpiece, and a resist film patterned on the sacrificial film in a line-and-space pattern having a line width to space width ratio of 1: 1. Forming a line width dimension of the line-and-space pattern by slimming the resist film, and processing the sacrificial film using the resist film as a mask. Removing the resist film; forming a side wall film on a side wall portion of the processed line and space pattern of the sacrificial film; removing the sacrificial film; and a line made of the side wall film. Forming a frame-shaped protective pattern so as to surround the line pattern outside the pattern; and the line pattern and the protective pattern The in to mask, characterized in place and a step of processing the workpiece.
本発明によれば、側壁転写技術を用いてライン及びスペースの各幅寸法を微細化した際に、良好なラインパターンを形成できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when each width dimension of a line and a space is refined | miniaturized using the side wall transfer technique, a favorable line pattern can be formed.
以下、本発明の第1の実施形態について、図1ないし図11を参照しながら説明する。本実施形態では、側壁転写技術を用いてリソグラフィの解像度限界で形成したラインアンドスペースパターン(ラインの幅寸法とスペースの幅寸法が同じもの)のピッチの1/2のピッチを有するラインアンドスペースパターンで、半導体基板のメモリセル領域に素子分離溝を形成する。 Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. In this embodiment, a line and space pattern having a pitch that is ½ of the pitch of a line and space pattern (with the same line width and space width) formed using the sidewall transfer technique at the resolution limit of lithography. Thus, an element isolation trench is formed in the memory cell region of the semiconductor substrate.
まず、リソグラフィの解像度限界で形成するラインアンドスペースのレジストパターン1は、図2に示すような形状である。このラインアンドスペースパターン1は、ライン1aの幅寸法d1と、スペース1bの幅寸法d2が同じ寸法(例えば40〜80nm程度)のパターンである。
First, the line-and-space resist pattern 1 formed at the resolution limit of lithography has a shape as shown in FIG. The line and space pattern 1 is a pattern in which the width dimension d1 of the line 1a and the width dimension d2 of the
レジストパターン1の各ライン1aの両端部には、設定寸法以上の幅、例えば100〜200nm程度の幅寸法の連結パターン1cがそれぞれ設けられいる。この連結パターン1cにより、レジストパターン1は各ライン1aの端部が連結されて終端化された短冊形状を有する構成となっている。このライン1aの端部の終端化構成により、ライン1a及びスペース1bの各幅寸法d1、d2が数十ナノメートル程度という微細なパターンであっても、ライン1aの端部の倒れを抑制することができる。
At both ends of each line 1a of the resist pattern 1, a
この図2のレジストパターン1に対して側壁転写技術を用いて形成したラインアンドスペースパターン2を図3に示す。この図3に示したラインアンドスペースパターン2は、ライン2aの幅寸法d3とスペース2bの幅寸法d4とが同じ寸法であり、且つ、上記ラインアンドスペースパターン1のライン1a及びスペース1bの各幅寸法d1、d2の1/2の寸法(例えば20〜40nm程度)のパターンである。
FIG. 3 shows a line and
ラインアンドスペースパターン2の各ライン2aの両端部は、連結パターン2cにより2本ずつ連結されて終端化されている。この連結パターン2cによりライン2aは枠形状に構成されている。また、ラインアンドスペースパターン2は、複数の枠形状のライン2aが形成されたアレイ部2dを取り囲む枠状ラインパターン2eを有する。この枠状ラインパターン2eの幅寸法は、ライン2aの幅寸法d3と同じである。
Two ends of each
更に、図1に示すように、図3のラインアンドスペースパターン2の枠状ラインパターン2eの外側には、設定寸法以上の幅、例えば数μm〜10μm程度の幅寸法の保護パターン3が、枠状ラインパターン2eを囲むように枠状に形成されている。この図1のラインアンドスペースパターンにおいて、保護パターン3のうちのライン2aと直交する方向に沿うラインパターン3aと、枠状ラインパターン2eのうちのライン2aと直交する方向に沿うラインパターン2e1との間の距離をbとし、枠状ラインパターン2eのラインパターン2e1とラインアンドスペースパターン2のライン2aの端部の連結パターン2cとの間の距離をaとしたとき、
0.8<(a/b) <1.2
が成立するように構成されている。尚、距離aと距離bは、それぞれ数μm程度未満に設定されている。更に、距離aと距離bをほぼ等しく構成する、即ち、a≒bに構成することが、より一層好ましい。
Further, as shown in FIG. 1, a
0.8 <(a / b) <1.2
Is configured to hold. The distance a and the distance b are each set to less than about several μm. Furthermore, it is even more preferable that the distance a and the distance b are configured to be substantially equal, that is, configured so that a≈b.
また、保護パターン3のうちのライン2aに沿う方向のラインパターン3bと、枠状ラインパターン2eのうちのライン2aに沿う方向のラインパターン2e2との間の距離をhとし、枠状ラインパターン2eのラインパターン2e2とラインアンドスペースパターン2のライン2aとの間の距離をg(=d4)としたとき、距離gと距離hがほぼ等しくなるように構成されている、即ち、g(=d3)≒hが成立するように構成されている。この場合、距離gと距離hは、それぞれ20〜40nm程度に設定されている。
The distance between the
本実施形態においては、図1のラインアンドスペースパターンで半導体基板のメモリセル領域にアクティブエリア領域(ライン2a)および素子分離溝(スペース2b)が形成される。
In the present embodiment, an active area region (
次に、ラインアンドスペースパターン1に対して側壁転写技術を用いてラインアンドスペースパターン2を形成し、更に、保護パターン3を形成して半導体基板に素子分離溝を形成する製造工程について、図4ないし図10を参照して説明する。
Next, a manufacturing process in which the line and
まず、図4に示すように、半導体基板4上に、ポリシリコン膜またはアモルファスシリコン膜等からなる犠牲膜5を形成する。続いて、犠牲膜5上にレジスト膜6を形成した後、リソグラフィ技術によりレジスト膜6をパターニングし、ライン1aの幅寸法d1とスペース1bの幅寸法d2が同一寸法(ライン幅とスペース幅の比率が1対1)のラインアンドスペースのレジストパターン1を形成する。
First, as shown in FIG. 4, a
このレジストパターン1のライン1a(及びスペース1b)の幅寸法d1(d2)は、最終的にマスク材として形成するラインアンドスペースパターン2(図9参照)のライン2a(及びスペース2b)の幅寸法d3(d4)の2倍の寸法である。換言すると、ここで形成したレジストパターン1のライン1a(及びスペース1b)の幅寸法d1(d2)の1/2の幅寸法のライン2a(及びスペース2b)を有するラインアンドスペースパターン2を最終的に形成する。ここで形成したラインアンドスペースパターン1の上面図が図2に示されるパターンである。
The width dimension d1 (d2) of the line 1a (and
次に、図5に示すように、スリミング技術を用いて図4のレジスト膜6を加工し、レジスト膜7aの幅寸法c1がスリミング前のレジスト膜6の幅寸法d1の1/2で、ライン7aの幅寸法c1がスペース7bの幅寸法c2の1/3となるラインアンドスペースパターン7を形成する。
Next, as shown in FIG. 5, the
続いて、図6に示すように、図5のレジスト膜6(ラインアンドスペースパターン7)をマスクにしてRIE法により犠牲膜5を加工し、アッシングによりレジスト膜6を除去する。この場合、犠牲膜5のラインアンドスペースパターン8のライン幅8aの寸法c1が、スペース8bの幅寸法c2の1/3となる関係を維持するよう加工する。
Subsequently, as shown in FIG. 6, the
次いで、図7に示すように、図6の加工された犠牲膜5(ラインアンドスペースパターン8)上に、犠牲膜5とエッチング選択比が十分取れるシリコン窒化膜等からなる側壁膜9をLP−CVD法により形成する。この側壁膜9の膜厚は、犠牲膜5のラインアンドスペースパターン8のライン8aの幅寸法c1と同一寸法とする。即ち、犠牲膜5のラインアンドスペースパターン8のライン8aの側壁部に形成される側壁膜9の膜厚(側壁膜厚)寸法fが、犠牲膜5のライン8aの幅寸法c1と同一寸法となるように構成する。
Next, as shown in FIG. 7, on the processed sacrificial film 5 (line and space pattern 8) of FIG. It is formed by the CVD method. The thickness of the sidewall film 9 is the same as the width c1 of the
この後、図8に示すように、側壁膜9をエッチバックし、犠牲膜5のラインアンドスペースパターン8のライン8aの側壁部のみに側壁膜9aを残す加工を行う。続いて、図9に示すように、側壁膜9aで挟まれた犠牲膜5(のラインアンドスペースパターン8のライン8a)を除去する。これにより、半導体基板4上に側壁膜9aからなるラインアンドスペースパターン2が形成される。ここで形成したラインアンドスペースパターン2の上面図が図2に示されるパターンである。
Thereafter, as shown in FIG. 8, the sidewall film 9 is etched back, and the
図9に示すラインアンドスペースパターン2は、ライン2aの幅寸法d3とスペース2bの幅寸法d4が同一である。更に、ラインアンドスペースパターン2のライン2a(スペース2b)の幅寸法d3(d3)は、リソグラフィで形成したラインアンドスペースパターン1(図2、図4参照)のライン1a(スペース1b)の幅寸法d1(d2)の1/2となる。
In the line and
次に、図10に示すように、半導体基板4上に、レジスト膜11を形成した後、リソグラフィによりレジスト膜11をパターニングすることにより、ラインアンドスペースパターン2の外側に枠状の保護パターン3を形成する。ここで形成した保護パターン3の上面図が図1に示されるパターンである。尚、保護パターン3をレジスト膜で構成したが、他の膜で構成しても良い。
Next, as shown in FIG. 10, after forming a resist
次に、図10のラインアンドスペースパターン2および保護パターン3をマスク材として、RIE法により図11に示すように半導体基板4に素子分離溝4b、4d、4fを形成し、アクティブエリア4a、4c、4eを分断する。
Next, using the line and
このような構成の本実施形態においては、側壁転写技術を用いて形成した側壁膜9aの枠状ラインパターン2eの外側に、前記枠状ラインパターン2eを囲むように枠状をなす設定幅の保護パターン3を形成し、半導体基板4に素子分離溝4bを形成したので、枠状ラインパターン2eに対応した半導体基板4のアクティブエリア4eが孤立しなくなる。このため、枠状ラインパターン2eに対応した半導体基板4のアクティブエリア4eとラインアンドスペースパターン2のライン2aに対応した半導体基板4のアクティブエリア4aとの間の素子分離溝4d、並びに、アクティブエリア4eと保護パターン12に対応した半導体基板4のアクティブエリア4cとの間の素子分離溝4fに絶縁膜を堆積させた場合、アクティブエリア4eの両側で絶縁膜の体積を同じ程度にできる。
In the present embodiment having such a configuration, protection of a set width that forms a frame so as to surround the frame-
この構成の場合、上記絶縁膜を堆積させた後、熱処理を加えると、絶縁膜が熱収縮するが、アクティブエリア4eの両側の絶縁膜の体積が同じ程度であることから、応力差がほとんど発生しなくなり、アクティブエリア4eの破壊が生じることを防止できる。また、上記実施形態によれば、アクティブエリア4eの横に広い面積の絶縁膜が存在しなくなるので、絶縁膜を形成する際に用いる化学的機械的研磨(以後、CMPと称す)によって絶縁膜に局所的な窪みが生じる、所謂ディッシング(Dishing)を防止できる。
In this configuration, when the insulating film is deposited and then subjected to heat treatment, the insulating film is thermally contracted. However, since the insulating films on both sides of the
特に、上記実施形態においては、図1に示すように、枠状ラインパターン2eを囲むように形成した保護パターン3のうちのライン2aと直交する方向に沿うラインパターン3aと、枠状ラインパターン2eのうちのライン2aと直交する方向に沿うラインパターン2e1との間の距離をbとし、枠状ラインパターン2eのラインパターン2e1とラインアンドスペースパターン2のライン2aの端部の連結パターン2cとの間の距離をaとしたとき、距離aと距離bをほぼ等しく構成したので、枠状ラインパターン2e1に対応するアクティブエリアの両脇の絶縁膜の体積差を大幅に減少させることができ、アクティブエリアにかかる応力差を大幅に減少させることができ、アクティブエリアの破壊を防ぐことができる。
In particular, in the above embodiment, as shown in FIG. 1, a
尚、一般に、絶縁膜の体積が大きい程、アクティブエリアにかかる応力が大きくなるが、上記した距離aと距離bについて、
0.8<(a/b) <1.2
が成立する構成程度であれば、アクティブエリアの破壊を防止することができる。また、距離aと距離bを、それぞれ数μm程度未満に設定したので、ディッシング(Dishing)を抑制することができる。
In general, the greater the volume of the insulating film, the greater the stress applied to the active area.
0.8 <(a / b) <1.2
As long as the configuration satisfies the above, destruction of the active area can be prevented. Moreover, since the distance a and the distance b are each set to be less than about several μm, dishing can be suppressed.
また、上記実施形態では、保護パターン3のうちのライン2aに沿う方向のラインパターン3bと、枠状ラインパターン2eのうちのライン2aに沿う方向のラインパターン2e2との間の距離をhとし、枠状ラインパターン2eのラインパターン2e2とラインアンドスペースパターン2のライン2aとの間の距離をg(=d3)としたとき、距離gと距離hをほぼ等しくし、且つ、それぞれ20〜40nm程度に設定した。このため、枠状ラインパターン2eのラインパターン2e2に対応するアクティブエリアについても破壊を防止できると共に、ディッシング(Dishing)を抑制することができる。
In the embodiment, the distance between the
また、図12に示す本発明の第2の実施形態のように、保護パターン3の形状を変更しても良い。即ち、第2の実施形態では、ラインアンドスペースパターン2の枠状ライン2eの外周を囲むように、設定間隔をおいて間欠的(断続的)に且つ枠状をなすように配設された複数個の部分保護パターン13で、保護パターン3を構成した。これら複数個の部分保護パターン13によって半導体基板に溝を形成しても、アクティブエリアを十分に保護することが可能である。
Moreover, you may change the shape of the
尚、上述した以外の第2の実施形態の構成は、第1の実施形態の構成と同じ構成となっている。従って、第2の実施形態においても、第1の実施形態とほぼ同じ作用効果を得ることができる。 The configuration of the second embodiment other than that described above is the same as the configuration of the first embodiment. Therefore, also in the second embodiment, substantially the same operational effects as in the first embodiment can be obtained.
(他の実施形態)
本発明は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張できる。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above embodiment, and can be modified or expanded as follows.
上記実施形態では、レジスト膜6をスリミングして幅寸法C1の犠牲膜(芯材)5を形成したが、これに代えて、レジスト膜6はスリミングせず、幅寸法d1のまま犠牲膜5をエッチングし、その後、犠牲膜5をドライエッチングまたはウエットエッチングで幅寸法C1にスリミングしてもよい。
In the above-described embodiment, the resist
また、本実施形態で説明した犠牲膜5の各幅寸法、側壁膜9aの幅寸法は、加工変換差などを考慮して多少の誤差を有して形成されてもよい。
また、上記実施形態では、側壁膜9aによりラインアンドスペースパターン2を形成するように構成したが、これに代えて、側壁膜9aを除去し、芯材(犠牲膜5のライン8a)を残すように構成しても良い。具体的には、図8に示す状態で、側壁膜9aのスペースに、犠牲膜5のライン8aと同じ材料(または側壁膜9aとエッチング選択比が十分取れる材料)の膜を埋め込み、その後、上記埋め込んだ材料膜をエッチバックした後、側壁膜9aを除去すると、犠牲膜5のライン8aと上記埋め込んだ材料膜のラインとでラインアンドスペースパターン2が形成される。
Further, the width dimension of the
In the above embodiment, the line and
また、上記実施形態においては、本発明を、半導体基板上に素子分離溝を形成する構成に適用したが、これに限られるものではなく、半導体基板上のゲート電極をラインアンドスペースパターンで形成する構成や、半導体基板上に形成された層間絶縁膜の上にビット線などの配線層をラインアンドスペースパターンで形成する構成に適用しても良い。すなわち、被加工材としては半導体基板の他にゲート電極用導電膜や層間配線用導電膜などが考えられる。 In the above embodiment, the present invention is applied to the configuration in which the element isolation trench is formed on the semiconductor substrate. However, the present invention is not limited to this, and the gate electrode on the semiconductor substrate is formed in a line and space pattern. The present invention may be applied to a configuration or a configuration in which a wiring layer such as a bit line is formed in a line and space pattern on an interlayer insulating film formed on a semiconductor substrate. That is, as a workpiece, a conductive film for a gate electrode or a conductive film for an interlayer wiring can be considered in addition to a semiconductor substrate.
図面中、1はレジストパターン、2はラインアンドスペースパターン、3は保護パターン、4は半導体基板、5は犠牲膜、6はレジスト膜、9は側壁膜、11はレジスト膜である。 In the drawings, 1 is a resist pattern, 2 is a line and space pattern, 3 is a protective pattern, 4 is a semiconductor substrate, 5 is a sacrificial film, 6 is a resist film, 9 is a sidewall film, and 11 is a resist film.
Claims (5)
前記犠牲膜上にライン幅とスペース幅の比率が1対1のラインアンドスペースパターンにパターニングされたレジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜をスリミングすることにより前記ラインアンドスペースパターンのライン幅寸法をスペース幅寸法の1/3にする工程と、
前記レジスト膜をマスクにして前記犠牲膜を加工した後、前記レジスト膜を除去する工程と、
加工された前記犠牲膜のラインアンドスペースパターンのラインの側壁部に側壁膜を形成する工程と、
前記犠牲膜を除去する工程と、
前記側壁膜からなるラインパターンの外側に、前記ラインパターンを囲むように枠状の保護パターンを形成する工程と、
前記ラインパターンおよび前記保護パターンをマスクに、前記被加工材を加工する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a sacrificial film on the workpiece;
Forming a resist film patterned on the sacrificial film in a line-and-space pattern having a line width to space width ratio of 1: 1;
Slimming the resist film to reduce the line width of the line and space pattern to 1/3 of the space width;
Processing the sacrificial film using the resist film as a mask, and then removing the resist film;
Forming a sidewall film on a sidewall portion of a line of the processed sacrificial film line and space pattern; and
Removing the sacrificial film;
Forming a frame-shaped protection pattern so as to surround the line pattern outside the line pattern made of the sidewall film;
A step of processing the workpiece using the line pattern and the protective pattern as a mask;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記犠牲膜上にライン幅とスペース幅の比率が1対1のラインアンドスペースパターンにパターニングされたレジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜をマスクに前記犠牲膜を加工する工程と、
加工された前記犠牲膜をスリミングすることにより、前記犠牲膜のライン幅寸法をスペース幅寸法の1/3にする工程と、
前記犠牲膜上に形成されたレジスト膜を除去後、前記犠牲膜の側壁部に側壁膜を形成する工程と、
前記側壁膜に挟まれた前記犠牲膜を除去後、前記側壁膜からなるラインパターンの外側に前記ラインパターンを囲むように枠状の保護パターンを形成する工程と、
前記側壁膜からなる前記ラインパターンおよび前記保護パターンをマスクに、前記被加工材を加工する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 Forming a sacrificial film on the workpiece;
Forming a resist film patterned on the sacrificial film in a line-and-space pattern having a line width to space width ratio of 1: 1;
Processing the sacrificial film using the resist film as a mask;
Slimming the processed sacrificial film to reduce the line width dimension of the sacrificial film to one third of the space width dimension;
A step of forming a sidewall film on the sidewall portion of the sacrificial film after removing the resist film formed on the sacrificial film;
After removing the sacrificial film sandwiched between the sidewall films, forming a frame-shaped protective pattern so as to surround the line pattern outside the line pattern made of the sidewall film;
A step of processing the workpiece using the line pattern and the protective pattern made of the sidewall film as a mask;
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
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