JP2010113195A - 露光用マスク及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】１つの露光マスクを用いてダブルパターニングによる微細なパターンを高精度で形成することができ、かつ、合わせずれの検出を行うことのできる露光用マスク及び半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】パターンが形成された複数のブロックが、少なくとも１方向に沿って所定のブロック間隔を設けて配列され、かつ、前記パターンが所定ピッチで同一のパターンが繰り返し形成されたものからなる露光用マスクであって、第１合わせ検査マークと、当該第１合わせ検査マークから前記ブロックの配列方向に沿って、前記ブロック間隔１つ分の距離に応じた距離ずれた位置に設けられた第２合わせ検査マークとを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウエハ等の基板に、所定のパターンを形成するための露光用マスク及び半導体装置の製造方法に関する。

従来から、半導体装置の製造工程においては、半導体ウエハ等の基板にプラズマエッチング等のエッチング処理を施して、微細な回路パターン等を形成することが行われている。このようなエッチング処理工程では、一般的に、フォトレジストを用いたフォトリソグラフィー工程によって、マスクを形成する。

このようなフォトリソグラフィー工程では、形成するパターンの微細化に対応するため、種々の技術が開発されている。その一つとして、所謂ダブルパターニングがある。このようなダブルパターニングとしては、例えば、フォトレジストを塗布、露光、現像して第１パターン形成する第１リソグラフィー工程とエッチング工程によってアモルファスカーボン等のハードマスクからなる第１パターンを形成し、この第１リソグラフィー工程の後に再度フォトレジストを塗布、露光、現像して第２パターン形成する第２リソグラフィー工程の２段階のパターニングを行うことによって、１回のパターニングでマスクを形成する場合より微細な間隔のマスクを形成できるようにした技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、上記のような半導体製造装置の製造工程におけるフォトリソグラフィー技術では、何回も、露光、現像、エッチングの工程が繰り返される。このため、前に行ったフォトリソグラフィー工程との合わせずれを検出するための合わせずれ検出マークを設けることが行われている。このような合わせずれ検出マークとしては、デバイスパターンと同程度の大きさのものを使用することが知られている（例えば、特許文献２参照。）。
米国特許第７０６４０７８号明細書 特開２００２−６４０５５号公報

上記したダブルパターニング技術では、第１パターンを形成する際に露光を行う際と、第２パターンを形成する際とでは、パターンのピッチが１／２ピッチ（ハーフピッチ）ずれて形成された２つの異なった露光用マスクを用いている。しかしながら、ダブルパターニング技術では、露光用マスクに対して非常に高い精度が要求される。このため同一のパターンが同一の状態でハーフピッチずれた位置に形成されている複数の露光用マスクを製造することは、非常に困難であるという問題がある。

また、このような問題を解決するためには、多数の露光用マスクを製造し、その中からパターンの状態の揃った２枚の露光用マスクを選択する方法が採られており、このため、露光用マスクの製造コストの増大を招く結果となっている。さらに、このような方法を採ったとしても、全く同一のパターンの状態の露光用マスクを複数製造することはできないという問題がある。

また、１つの露光マスクを用い、基板と露光マスクとの相対位置をハーフピッチ分ずらして露光を行うことも考えられる。しかしながら、上記のハーフピッチとは、ナノオーダーのスケールであり、一方、合わせずれ検出マークとしては、デバイスパターンと同程度の大きさ、すなわち、ミクロンオーダーのものを必要とするため、１回目の露光と２回目の露光との間における合わせずれ検出することができないという問題がある。

本発明は、上記の従来の事情に対処してなされたもので、１つの露光用マスクを用いてダブルパターニングによる微細なパターンを高精度で形成することができ、かつ、合わせずれの検出を行うことのできる露光用マスク及び半導体装置の製造方法を提供しようとするものである。

請求項１の発明は、パターンが形成された複数のブロックが、少なくとも１方向に沿って所定のブロック間隔（Ｄ）を設けて配列され、かつ、前記パターンが所定ピッチ（Ｐ）で同一のパターンが繰り返し形成されたものからなる露光用マスクであって、第１合わせ検査マークと、前記第１合わせ検査マークから、前記ブロックの配列方向に沿って、合わせ検査マーク同士の中心間の距離が前記ブロック間隔（Ｄ）１つ分の距離に応じた所定距離離れた位置となるように設けられた第２合わせ検査マークとを具備し、同一の基板に対して、１回目の露光と、前記基板に対する相対位置を、前記ブロックの配列方向に沿って、前記ブロック間隔１つ分の距離（Ｄ）に対して前記所定ピッチの半分（Ｐ／２）ずれた距離（Ｄ±（Ｐ／２））変更して行う２回目の露光とを行った際に、前記２回目の露光の際の合わせずれを、前記第１合わせ検査マークと前記第２合わせ検査マークとによって検出可能としたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の露光用マスクであって、前記パターンが、ライン又はホール又はこれらの組み合わせからなることを特徴とする。

請求項３の発明は、パターンが形成された複数のブロックが、少なくとも１方向に沿って所定のブロック間隔（Ｄ）を設けて配列され、かつ、前記パターンが所定ピッチ（Ｐ）で同一のパターンが繰り返し形成されたものからなる露光用マスクを用いて基板にパターンを形成する半導体装置の製造方法であって、前記露光用マスクに、第１合わせ検査マークと、前記ブロックの配列方向に沿って、合わせ検査マーク同士の中心間の距離が前記ブロック間隔（Ｄ）１つ分の距離に応じた所定距離離れた位置となるように第２合わせ検査マークとを設け、同一の基板に対して、１回目の露光と、前記基板に対する相対位置を、前記ブロックの配列方向に沿って、前記ブロック間隔１つ分の距離（Ｄ）に対して前記所定ピッチの半分（Ｐ／２）ずれた距離（Ｄ±（Ｐ／２））変更して行う２回目の露光とを行い、前記２回目の露光の際の合わせずれを、前記第１合わせ検査マークと前記第２合わせ検査マークとによって検出することを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３記載の半導体装置の製造方法であって、前記パターンが、ライン又はホール又はこれらの組み合わせからなることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項３又は４記載の半導体装置の製造方法であって、前記パターンが、前記所定ピッチの半分のピッチで前記基板に形成されることを特徴とする。

本発明によれば、１つの露光用マスクを用いてダブルパターニングによる微細なパターンを高精度で形成することができ、かつ、合わせずれの検出を行うことのできる露光用マスク及び半導体装置の製造方法を提供することができる。

以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る露光用マスクの構成を示すもので、同図に示す露光用マスク１は、縮小露光するためのものであり、光源からの光を選択的に透過させてフォトレジストを露光するためのパターンが形成されている。

上記露光用マスク１には、所定方向（図１ではＸ−Ｙの２次元方向）に沿って、複数のブロック２が、所定のブロック間隔（図１に示す距離Ｄ）を隔てて複数形成されている。これらのブロック２には、夫々に同一のパターンが形成されており、これらの１つのブロックが、例えば、半導体ウエハ上に多数形成される１つの半導体チップに対応している。なお、図１には、説明を簡略化するため、４×４の合計１６個のブロック２を示してあるが、ブロック２の数は、このような数に限られるものではなく、さらに多数設けられていてもよい。また、本発明の適用範囲としては、最低２つのブロック２が設けられていればよい。

上記の各ブロック２には、所定ピッチで同一のパターン（例えばライン又はホール又はこれらの組み合わせ）が形成されている。図２（ａ）は、このようなパターンの一例として、ラインのパターン１０が所定ピッチ（図２（ａ）に示す距離Ｐ）で形成されている場合を模式的に示している。なお、各ブロック２の大きさは、ミクロンオーダー、例えば、数十ミクロン程度であり、ライン等のパターンの幅及びピッチはナノオーダー、例えば、数十ナノメートル程度である。

また、図１に示すように、露光用マスク１の所定部位（図１に示す例では下側の端部付近）には、２種類の合わせ検査マーク、つまり第１合わせ検査マーク３ａと、第２合わせ検査マーク３ｂとが、夫々２つ、合計４つ形成されている。これらの２種類の第１合わせ検査マーク３ａ、第２合わせ検査マーク３ｂは、ブロック２の配列方向に沿って形成されており、隣接する第１合わせ検査マーク３ａと、第２合わせ検査マーク３ｂとの中心間の距離（図１中に示す距離Ｌ）が、上述したブロック間隔Ｄに応じた距離ずれた位置に配置されている。

上記距離Ｌは、ブロック間隔Ｄと同一としてもよく、また、後述する２回目の露光時に１回目の露光時から変更する距離と同一として、ブロック間隔Ｄに対して、ライン３等のピッチＰの半分（ハーフピッチ）の距離だけずれた距離、つまりＤ±（Ｐ／２）となるように配置してもよい。なお、第１合わせ検査マーク３ａ、第２合わせ検査マーク３ｂの大きさは、上記したブロック２の大きさと同様に、ミクロンオーダー、例えば、数十ミクロン程度である。また、第１合わせ検査マーク３ａ及び第２合わせ検査マーク３ｂの形状は、図１では省略して示してあるが、例えば、ボックスインボックス型、バーインバー型等の周知の形状の合わせ検査マーク等を用いることができる。

上記第１合わせ検査マーク３ａ及び第２合わせ検査マーク３ｂは、図３に示すように、同一の露光用マスク１を用いて、１つの半導体ウエハに対して露光を行った場合に、１回目の露光（図３中実線で示す。）と２回目の露光（図３中点線で示す。）とで、露光用マスク１と半導体ウエハとの相対的な位置を、第１合わせ検査マーク３ａ及び第２合わせ検査マーク３ｂの配列方向に沿って、Ｄ＋（Ｐ／２）（又はＤ−（Ｐ／２））の距離だけずらした場合に、第１合わせ検査マーク３ａと第２合わせ検査マーク３ｂが重なった状態となり、露光用マスク１と半導体ウエハとの相対的な位置が、正確にＤ＋（Ｐ／２）（又はＤ−（Ｐ／２））の距離だけずらされていたか否かを、露光、現像後に検出できるようになっている。

上記のように、同一の露光用マスク１を用いて、露光用マスク１と半導体ウエハとの相対的な位置を、Ｄ＋（Ｐ／２）（又はＤ−（Ｐ／２））の距離だけずらして２回の露光を行った場合、図３のように右方向へずらした場合、図中左側端部のブロック２に対しては、２度目の露光が行われずに無駄になるが、他のブロック２に対しては、実質的に１／２ピッチ分だけずれた２回の露光が行われる。これによって、図２（ｂ）に示すように、露光用マスク１に形成された所定ピッチ（Ｐ）の１／２ピッチ（Ｐ／２）のラインのパターン１０等を半導体ウエハ上に転写することができる。

図４は、他の実施形態に係る露光用マスク１ａの構成を示すものである。この露光用マスク１ａのように、さらに多数の第１合わせ検査マーク３ａ及び第２合わせ検査マーク３ｂを設けてもよく、またブロック２の数も、２以上であれば、幾つであってもよい。

次に、本発明の半導体装置の製造方法の実施形態について、図５、図６を参照して説明する。図５は、本実施形態の半導体装置の製造工程を、半導体ウエハ（基板）の一部を拡大して模式的に示すもので、図６は、本実施形態の工程を示すフローチャートである。

図５に示すように、半導体ウエハ（基板）１０１には、下層膜１０２、ポリシリコン層１０３、ハードマスク層１０４、ＢＡＲＣ（反射防止膜）１０５等の層が下側からこの順で形成され、ＢＡＲＣ（反射防止膜）１０５の上にフォトレジスト層１０６が形成されている。

まず、図５（ａ）に示すように、前述した露光用マスク１を用いて、フォトレジスト層１０６に対する１回目の露光を行う（図６のステップ２０１）。このような露光は、ステッパーを用いて行われる。なお、図５（ａ）中にフォトレジスト層１０６の露光部分を斜線を付して模式的に示す。

次に、図５（ｂ）に示すように、前述した露光用マスク１を用い、露光用マスク１と半導体ウエハとの相対的な位置を、１回目の露光時に対してＤ＋（Ｐ／２）（又はＤ−（Ｐ／２））の距離だけずらしてフォトレジスト層１０６に対する２回目の露光を行う（図６のステップ２０２）。なお、図５（ｂ）中にフォトレジスト層１０６の露光部分を斜線を付して模式的に示す。

次に、図５（ｃ）に示すように、フォトレジスト層１０６を現像して、所定パターンのエッチングマスクとする（図６のステップ２０３）。

次に、図５（ｄ）に示すように、フォトレジスト層１０６をエッチングマスクとしてＢＡＲＣ（反射防止膜）１０５をエッチングする（図６のステップ２０４）。

次に、フォトレジスト層１０６をエッチングマスクとしてハードマスク層１０４をエッチングし（図６のステップ２０５）、この後、図５（ｅ）に示すように、エッチングしたハードマスク層１０４をマスクとしてポリシリコン層１０３をエッチングして所定のパターンとする（図６のステップ２０６）。

以上の工程により、１つの露光用マスク１を用いて、２回の露光を行うことによって、ダブルパターニングにより露光用マスク１に形成されたパターンの１／２のピッチのパターンを形成して微細な回路パターンの半導体装置を製造することができる。この時、同一の露光用マスク１を用いているため、露光用マスクの個体差によるパターンの変動が生じることがない。また、１つの露光用マスク１を用いているので、マスク製造に要するコストを削減することができる。さらに、一旦半導体ウエハを露光装置から取り出すことなく、２回の露光を連続して行うことができるので、位置ずれの発生する可能性を低減することができる。また、２回の露光を行った際の合わせずれを前述した露光用マスク１の第１合わせ検査マーク３ａ、第２合わせ検査マーク３ｂを用いて検出することができる。

次に、本発明の半導体装置の製造方法の他の実施形態について、図７、図８を参照して説明する。図７は、本実施形態の半導体装置の製造工程を半導体ウエハ（基板）の一部を拡大して模式的に示すものであり、図８は、本実施形態の工程を示すフローチャートである。

図７に示すように、半導体ウエハ（基板）３０１には、下層膜３０２、ポリシリコン層３０３、ハードマスク層３０４、ＢＡＲＣ（反射防止膜）３０５等の層が下側からこの順で形成され、ＢＡＲＣ（反射防止膜）３０５の上にフォトレジスト層３０６が形成されている。フォトレジスト層３０６は、酸発生剤を含む化学増幅型レジストである。

まず、図７（ａ）に示すように、前述した露光用マスク１を用いて、フォトレジスト層３０６に対する１回目の露光を行い、引き続きフォトレジスト層３０６の現像を行うことによって、所定のパターンにパターニングされた第１パターンを形成する第１パターン形成工程を行う（図８のステップ４０１）。なお、このような露光は、ステッパーを用いて行われる。

次に、図７（ｂ）に示すように、塩基性溶液又は塩基性ガスを、フォトレジスト層（第１パターン）３０６に接触させて溶剤耐性及び現像液耐性を付与し、溶剤耐性及び現像液耐性を有する第１パターン３０７とする溶剤耐性及び現像液耐性付与工程を行う（図８のステップ４０２）。

この溶剤耐性及び現像液耐性付与工程では、上記の塩基性溶液又は塩基性ガスとして、例えばアミン系材料（例えば、ＮＨ₃，（Ｃ₂Ｈ₅）₃Ｎ，Ｃ₆Ｈ₁₂Ｎ₄，Ｃ₆Ｈ₁₁ＮＨＣ₆Ｈ₁₁等）の溶液又はガス等を使用することができる。このように、塩基性溶液又は塩基性ガスをフォトレジスト層（第１パターン）３０６に接触させることにより、化学増幅型レジストの酸発生剤の作用を阻害することができ、後述する第２パターン形成工程を実施しても、フォトレジスト層（第１パターン）３０６が溶剤又は現像液に溶解してしまうことを防止することができる。なお、溶剤耐性及び現像液耐性を有する第１パターン３０７は、少なくともフォトレジスト層（第１パターン）３０６の表面部分を覆うように設けられていれば良いが、パターン全体を、溶剤耐性及び現像液耐性を有する第１パターン３０７としても良い。

なお、溶剤耐性及び現像液耐性付与工程では、上記のような塩基性溶液又は塩基性ガスとの接触と、紫外線照射とを併用することもできる。紫外線照射は、化学増幅型レジストの酸発生剤から酸を発生させるためのもので、この発生させた酸を塩基性溶液又は塩基性ガスによって中和することにより、フォトレジスト層（第１パターン）３０６の溶剤耐性及び現像液耐性を強化することができる。この紫外線照射は、塩基性溶液又は塩基性ガスとの接触と同時に行うか、又は塩基性溶液又は塩基性ガスとの接触の前後に行う。

次に、図７（ｃ）に示すように、再び表面に酸発生剤を含む化学増幅型レジストを塗布し、露光、現像を行うことによって、フォトレジスト層（第１パターン）３０６（溶剤耐性及び現像液耐性を有する第１パターン３０７）の間に所定のパターンにパターニングされた第２パターン３０８を形成する第２パターン形成工程を行う（図８のステップ４０３）。この際、２回目の露光工程において、前述した露光用マスク１を用い、１回目の露光の場合から露光用マスク１と半導体ウエハとの相対的な位置を、Ｄ＋（Ｐ／２）（又はＤ−（Ｐ／２））の距離だけずらして２回目の露光を行う。

上記のような工程によって、エッチングのマスクとなるパターンが完成する。そして、このパターンをマスクとして、図７（ｄ）に示すように、まず、ＢＡＲＣ（反射防止膜）３０５をエッチングする（図８のステップ４０４）。

次に、ハードマスク層３０４をエッチングし（図８のステップ４０５）、この後、図７（ｅ）に示すように、エッチングしたハードマスク層３０４をマスクとしてポリシリコン層３０３をエッチングして所定のパターンとする（図８のステップ４０６）。

以上の工程により、１つの露光用マスク１を用いて、２回の露光を行うことによって、ダブルパターニングにより露光用マスク１に形成されたパターンの１／２のピッチのパターンを形成して微細な回路パターンの半導体装置を製造することができる。この時、同一の露光用マスク１を用いているため、露光用マスクの個体差によるパターンの変動が生じることがない。また、１つの露光用マスク１を用いているので、マスク製造に要するコストを削減することができる。また、２回の露光を行った際の合わせずれを前述した露光用マスク１の第１合わせ検査マーク３ａ、第２合わせ検査マーク３ｂを用いて検出することができる。

以上、本発明の詳細を実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、各種の変形が可能であることは勿論である。

本発明の一実施形態に係る露光用マスクの構成を模式的に示す図。 本発明の一実施形態に係る露光パターンの例を説明するための図。 本発明の一実施形態に係る露光工程の例を説明するための図。 本発明の他の実施形態に係る露光用マスクの構成を模式的に示す図。 本発明の一実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図。 図５の半導体装置の製造方法の工程を示すフローチャート。 本発明の他の実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明するための図。 図７の半導体装置の製造方法の工程を示すフローチャート。

符号の説明

１……露光用マスク、２……ブロック、３ａ……第１合わせ検査マーク、３ｂ……第２合わせ検査マーク、１０……パターン。

Claims (5)

1. パターンが形成された複数のブロックが、少なくとも１方向に沿って所定のブロック間隔（Ｄ）を設けて配列され、かつ、前記パターンが所定ピッチ（Ｐ）で同一のパターンが繰り返し形成されたものからなる露光用マスクであって、
   第１合わせ検査マークと、
   前記第１合わせ検査マークから、前記ブロックの配列方向に沿って、合わせ検査マーク同士の中心間の距離が前記ブロック間隔（Ｄ）１つ分の距離に応じた所定距離離れた位置となるように設けられた第２合わせ検査マークとを具備し、
   同一の基板に対して、１回目の露光と、
   前記基板に対する相対位置を、前記ブロックの配列方向に沿って、前記ブロック間隔１つ分の距離（Ｄ）に対して前記所定ピッチの半分（Ｐ／２）ずれた距離（Ｄ±（Ｐ／２））変更して行う２回目の露光とを行った際に、
   前記２回目の露光の際の合わせずれを、前記第１合わせ検査マークと前記第２合わせ検査マークとによって検出可能としたことを特徴とする露光用マスク。
2. 請求項１記載の露光用マスクであって、
   前記パターンが、ライン又はホール又はこれらの組み合わせからなることを特徴とする露光用マスク。
3. パターンが形成された複数のブロックが、少なくとも１方向に沿って所定のブロック間隔（Ｄ）を設けて配列され、かつ、前記パターンが所定ピッチ（Ｐ）で同一のパターンが繰り返し形成されたものからなる露光用マスクを用いて基板にパターンを形成する半導体装置の製造方法であって、
   前記露光用マスクに、
   第１合わせ検査マークと、前記ブロックの配列方向に沿って、合わせ検査マーク同士の中心間の距離が前記ブロック間隔（Ｄ）１つ分の距離に応じた所定距離離れた位置となるように第２合わせ検査マークとを設け、
   同一の基板に対して、１回目の露光と、
   前記基板に対する相対位置を、前記ブロックの配列方向に沿って、前記ブロック間隔１つ分の距離（Ｄ）に対して前記所定ピッチの半分（Ｐ／２）ずれた距離（Ｄ±（Ｐ／２））変更して行う２回目の露光とを行い、
   前記２回目の露光の際の合わせずれを、前記第１合わせ検査マークと前記第２合わせ検査マークとによって検出する
   ことを特徴とする半導体装置の製造方法。
4. 請求項３記載の半導体装置の製造方法であって、
   前記パターンが、ライン又はホール又はこれらの組み合わせからなることを特徴とする半導体装置の製造方法。
5. 請求項３又は４記載の半導体装置の製造方法であって、
   前記パターンが、前記所定ピッチの半分のピッチで前記基板に形成されることを特徴とする半導体装置の製造方法。

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