JP2013089827A - Semiconductor device manufacturing method - Google Patents

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Masanori Terahara
政徳 寺原
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor device manufacturing method which forms more improved pattern shapes of a resist layer, an intermediate layer, and a resist layer.SOLUTION: A semiconductor device manufacturing method comprises: forming a lower layer photoresist 7, an intermediate layer 8 of an inorganic material, and an upper layer photoresist 9; patterning the upper layer photoresist 9 to form an upper layer resist pattern 9a; installing a semiconductor substrate 1 in a chamber on a lower electrode; introducing a first reaction gas having a sulfur dioxide gas and an oxygen gas into the chamber to generate plasma and cutting off supply of a high-frequency power to the lower electrode to trim the upper layer resist pattern 9a; replacing the first reaction gas with a second reaction gas and supplying a high-frequency power to the lower electrode to etch the intermediate layer 8 by using the upper layer resist pattern 9a as a mask to form an intermediate layer pattern 8a; and replacing the second reaction gas with a third reaction gas to generate plasma and supplying a high-frequency power to the lower electrode to etch the lower layer photoresist layer 7 by using the intermediate layer pattern 8a as a mask.

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.

システムLSIなどの半導体装置では、1つのチップ上に配線密度の異なる複雑な回路が形成されている。また、半導体装置の微細化が進む中で、配線、電極などを高い加工精度でパターニングすることが要求されている。   In a semiconductor device such as a system LSI, complicated circuits having different wiring densities are formed on one chip. In addition, with the progress of miniaturization of semiconductor devices, it is required to pattern wirings and electrodes with high processing accuracy.

導電性膜又は半導体膜を高精度でパターニングするために使用されるマスクの形成方法として種々の技術が知られている。   Various techniques are known as a method for forming a mask used for patterning a conductive film or a semiconductor film with high accuracy.

例えば、半導体基板上のシリコン膜の上に下部レジスト層、中間層、上部レジスト層を順に塗布して形成した後、上部レジスト層から下部レジスト層をパターニングしてマスクを形成し、そのマスクを使用してシリコン膜をエッチングすることが知られている。マスクを形成する際には、まず、上部レジスト層をパターニングし、さらに上部レジスト層のパターンをマスクにして中間部をエッチングし、その後に、中間層をマスクにして下部レジストをエッチングし、これによりマスクを形成している。その中間層として、例えば有機シリコン層、酸化シリコン膜などが形成される。また、下部レジスト層をエッチングするための反応ガスとして、酸素、二酸化硫黄の混合ガス、又は酸素ガスが使用される。   For example, after a lower resist layer, an intermediate layer, and an upper resist layer are sequentially applied and formed on a silicon film on a semiconductor substrate, a mask is formed by patterning the lower resist layer from the upper resist layer, and the mask is used. It is known to etch a silicon film. When forming the mask, first, the upper resist layer is patterned, the intermediate portion is etched using the pattern of the upper resist layer as a mask, and then the lower resist is etched using the intermediate layer as a mask. A mask is formed. As the intermediate layer, for example, an organic silicon layer, a silicon oxide film, or the like is formed. Further, a mixed gas of oxygen, sulfur dioxide, or oxygen gas is used as a reactive gas for etching the lower resist layer.

他のマスクの形成方法として、半導体基板上にポリシリコン膜、反射防止膜、レジストパターンを順に形成した後に、反射防止膜をドライエッチングする際に同時にそのレジストパターンをトリミングし、レジストパターンのマスクを形成することが知られている。そのマスクを使用して、反射防止膜、ポリシリコン膜を順にエッチングすることにより形成されたポリシリコン膜のパターンはゲート電極として使用される。この場合のレジストパターンのトリミング用のガスとして酸素と二酸化硫黄が使用され、また、トリミングのためのオーバーエッチング条件が予め決められている。   As another mask formation method, after forming a polysilicon film, an antireflection film, and a resist pattern in order on a semiconductor substrate, the resist pattern is trimmed at the same time when the antireflection film is dry-etched. It is known to form. The pattern of the polysilicon film formed by sequentially etching the antireflection film and the polysilicon film using the mask is used as the gate electrode. In this case, oxygen and sulfur dioxide are used as the resist pattern trimming gas, and overetching conditions for trimming are determined in advance.

さらに他のマスクの形成方法として、半導体基板上の金属膜の上に2層のマスク層とレジストパターンを順に形成した後、レジストパターンから露出した2層のマスク層をエッチングしてマスクを形成する方法が知られている。これによりパターニングされた2層のマスク層から露出した金属膜はエッチングされ、パターニングされた金属膜は配線、ゲート電極等として使用される。   As another mask forming method, a mask layer is formed by sequentially forming a two-layer mask layer and a resist pattern on a metal film on a semiconductor substrate, and then etching the two mask layers exposed from the resist pattern. The method is known. As a result, the metal film exposed from the two patterned mask layers is etched, and the patterned metal film is used as a wiring, a gate electrode, or the like.

2層のマスク層のうち、下側のマスク層としてカーボン系レジスト層が形成され、上側のマスク層としてシロキサン層が形成される。また、シロキサン層のパターンをマスクにしてその下のカーボン系レジスト層をエッチングする場合には、酸素、酸化硫黄、ヘリウムの混合ガスがエッチングガスとして使用される。さらに、デバイスのパターンの疎の領域と密の領域におけるCD量を調整するために、2層のマスク層のそれぞれのオーバーエッチング量が変更され、また、エッチングガス流量が変更される。   Of the two mask layers, a carbon-based resist layer is formed as a lower mask layer, and a siloxane layer is formed as an upper mask layer. Further, when etching the carbon resist layer under the siloxane layer pattern as a mask, a mixed gas of oxygen, sulfur oxide and helium is used as an etching gas. Further, in order to adjust the CD amount in the sparse and dense regions of the device pattern, the over-etching amounts of the two mask layers are changed, and the etching gas flow rate is changed.

特開2002−372787号公報JP 2002-372787 A 特開2005−26292号公報JP 2005-26292 A 特開2010−98176号公報JP 2010-98176 A

パターニング用マスクを形成する方法として上記のように下側フォトレジスト層、中間層、上側フォトレジスト層の三層構造を採用する場合に、下側フォトレジスト層のエッチング条件を変えて線幅を制御すると、下層レジスト層のパターン形状の制御が難しくなる。   When the three-layer structure of the lower photoresist layer, intermediate layer, and upper photoresist layer is used as a patterning mask formation method as described above, the line width is controlled by changing the etching conditions of the lower photoresist layer. Then, it becomes difficult to control the pattern shape of the lower resist layer.

本発明の目的は、レジスト層、中間層、レジスト層の三層構造をパターニングしてマスクを形成する工程でパターン形状をさらに良好にすることができる工程を含む半導体装置の製造方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method including a step of further improving the pattern shape in a step of forming a mask by patterning a three-layer structure of a resist layer, an intermediate layer, and a resist layer. It is in.

本実施形態の1つの観点によれば、半導体基板の上方に下層フォトレジスト層、無機材料の中間層、上層フォトレジスト層を順に形成する工程と、前記上層フォトレジスト層をパターニングして上層レジストパターンを形成する工程と、前記半導体基板をエッチング用チャンバー内の下部電極上に載置する工程と、前記エッチング用チャンバー内に二酸化硫黄ガス、酸素ガスを有する第1反応ガスを導入してプラズマを発生させるとともに前記下部電極への高周波電力の供給を切断し、前記上層レジストパターンをトリミングする工程と、前記エッチング用チャンバー内の前記第1反応ガスを第2反応ガスに置換するとともに前記下部電極に前記高周波電力を供給し、前記上層レジストパターンをマスクに使用し、前記中間層をエッチングして中間層パターンを形成する工程と、前記エッチング用チャンバー内の第2反応ガスを第3反応ガスに置換してプラズマを発生させるとともに前記下部電極に前記高周波電力を供給し、前記中間層パターンをマスクに使用し、前記下層フォトレジスト層をエッチングして下層レジストパターンを形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。無機材料としてシリコン含有反射防止膜、酸化シリコン膜などがある。また、第1反応ガスにヘリウムを含有させてもよい。
発明の目的および利点は、請求の範囲に具体的に記載された構成要素および組み合わせによって実現され達成される。前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、典型例および説明のためのものであって、本発明を限定するためのものではない、と理解される。
According to one aspect of the present embodiment, a lower photoresist layer, an intermediate layer of an inorganic material, and an upper photoresist layer are sequentially formed above a semiconductor substrate, and the upper photoresist layer is patterned to form an upper resist pattern. Forming a semiconductor substrate; placing the semiconductor substrate on a lower electrode in an etching chamber; and introducing a first reaction gas having sulfur dioxide gas and oxygen gas into the etching chamber to generate plasma. Cutting the supply of high-frequency power to the lower electrode and trimming the upper resist pattern; replacing the first reaction gas in the etching chamber with a second reaction gas; and Supply high frequency power, etch the intermediate layer using the upper resist pattern as a mask Forming an intermediate layer pattern; replacing the second reactive gas in the etching chamber with a third reactive gas to generate plasma; supplying the high-frequency power to the lower electrode; and masking the intermediate layer pattern And a step of etching the lower photoresist layer to form a lower resist pattern, and a method of manufacturing a semiconductor device is provided. Examples of inorganic materials include a silicon-containing antireflection film and a silicon oxide film. Further, helium may be included in the first reaction gas.
The objects and advantages of the invention will be realized and attained by means of the elements and combinations particularly pointed out in the appended claims. It is understood that the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory only and are not intended to limit the invention.

本実施形態では、下層フォトレジスト層、中間層、上層フォトレジスト層の三層構造からマスクを形成する工程において、上層フォトレジスト層をパターニングして上層レジストパターンを形成した後に、上層レジストパターンをトリミングしている。そのトリミングの際には、酸素、二酸化硫黄を含むガスをチャンバー内に導入するとともに、チャンバー内で半導体基板が載置される側の下部電極への高周波電力の供給を切断している。これにより、上層レジストパターンの際にその表面に、エッチング速度を遅くする硫黄化合物の保護膜を形成しながら等方性のエッチングによりトリミングが行われる。
従って、上層レジストパターンの過度の縮小化を抑制し、エッチング微調整による制御性良くトリミングすることができ、しかもトリミングのためのエッチングの等方性が高くなるので、トリミング後の形状は初期形状から相似形状となり、パターン転写性が良好となる。
また、上層レジストパターンをマスクにして中間層、下層フォトレジスト層をエッチングする場合には、酸素、二酸化硫黄を含むガスをチャンバー内に導入するとともにチャンバー内の下部電極に高周波電力を供給している。これにより、半導体基板面に対して垂直なエッチング成分を増加させることで異方性エッチングすることができる。
従って、上層レジストパターンをマスクにして中間層、下層フォトレジスト層をエッチングすることにより、微小線幅制御を可能にし、上層レジストパターンの平面形状を中間層、下層フォトレジスト層に良好な形状に転写することができる。
In this embodiment, in the step of forming a mask from a three-layer structure of a lower layer photoresist layer, an intermediate layer, and an upper layer photoresist layer, after patterning the upper layer photoresist layer to form an upper layer resist pattern, the upper layer resist pattern is trimmed. doing. In the trimming, a gas containing oxygen and sulfur dioxide is introduced into the chamber, and the supply of high-frequency power to the lower electrode on the side where the semiconductor substrate is placed in the chamber is cut off. Thus, trimming is performed by isotropic etching while forming a protective film of a sulfur compound that slows the etching rate on the surface of the upper resist pattern.
Therefore, excessive reduction of the upper resist pattern can be suppressed, trimming can be performed with good controllability by fine adjustment of the etching, and etching isotropic for trimming, so that the shape after trimming is from the initial shape. It becomes a similar shape and the pattern transferability is good.
When etching the intermediate layer and the lower layer photoresist layer using the upper layer resist pattern as a mask, a gas containing oxygen and sulfur dioxide is introduced into the chamber and high frequency power is supplied to the lower electrode in the chamber. . Thereby, anisotropic etching can be performed by increasing the etching component perpendicular to the semiconductor substrate surface.
Therefore, by etching the intermediate layer and the lower layer photoresist layer using the upper layer resist pattern as a mask, it is possible to control the fine line width and transfer the planar shape of the upper layer resist pattern to the intermediate layer and the lower layer photoresist layer in a good shape. can do.

図1A、図1Bは、実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を例示する断面図である。1A and 1B are cross-sectional views illustrating a part of the method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment. 図1C、図1Dは、実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を例示する断面図である。1C and 1D are cross-sectional views illustrating a part of the method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment. 図1E、図1Fは、実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を例示する断面図である。1E and 1F are cross-sectional views illustrating a part of the method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment. 図1G、図1Hは、実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を例示する断面図である。1G and 1H are cross-sectional views illustrating a part of the method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment. 図1I、図1Jは、実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を例示する断面図である。1I and 1J are cross-sectional views illustrating a part of the method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment. 図1K、図1Lは、実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を例示する断面図である。1K and 1L are cross-sectional views illustrating a part of the method for manufacturing the semiconductor device according to the embodiment. 図2は、実施形態に係る半導体装置の製造方法のマスク形成に使用されるエッチング装置の一例を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of an etching apparatus used for mask formation in the semiconductor device manufacturing method according to the embodiment. 図3は、実施形態に係る半導体装置の製造方法に使用する上層レジストパターンの疎パターン領域と密パターン領域の平面図である。FIG. 3 is a plan view of a sparse pattern region and a dense pattern region of an upper resist pattern used in the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment. 図4は、実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるレジストパターンのトリミングにおける二酸化硫黄ガスの添加の有無によるCDシフト量の違いを示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a difference in CD shift amount depending on whether or not sulfur dioxide gas is added in trimming a resist pattern in the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment. 図5は、実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるレジストパターンのトリミングにおける二酸化硫黄ガスの流量とCDシフト量の関係を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a relationship between the flow rate of sulfur dioxide gas and the CD shift amount in trimming a resist pattern in the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment. 図6は、実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるレジストパターンのトリミングにおける二酸化硫黄ガスの流量の大きさの違いによって生じる疎パターン領域のCDシフト量と疎パターン領域・密パターン領域のCDシフト量の差との関係を示す図である。FIG. 6 shows the CD shift amount of the sparse pattern region and the CD shift amount of the sparse pattern region / dense pattern region caused by the difference in the flow rate of the sulfur dioxide gas in the resist pattern trimming in the semiconductor device manufacturing method according to the embodiment. It is a figure which shows the relationship with the difference of. 図7A〜図7Cは、比較例に係る半導体装置の製造方法の一部を例示する断面図である。7A to 7C are cross-sectional views illustrating a part of the method for manufacturing the semiconductor device according to the comparative example. 図8は、比較例に係る半導体装置の製造方法において三層構造からマスクを形成する工程における中間層のオーバーエッチング率とCDシフト量の関係を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the overetching rate of the intermediate layer and the CD shift amount in the step of forming a mask from the three-layer structure in the method for manufacturing a semiconductor device according to the comparative example. 図9は、比較例に係る半導体装置の製造方法において三層構造からマスクを形成する工程における下層フォトレジスト層のオーバーエッチング率とCDシフト量の関係を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the over-etching rate of the lower photoresist layer and the CD shift amount in the step of forming a mask from a three-layer structure in the semiconductor device manufacturing method according to the comparative example. 図10は、比較例に係る半導体装置の製造方法において三層構造からマスクを形成する工程における下層フォトレジスト層のオーバーエッチング率とCDシフト量の関係を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the over-etching rate of the lower photoresist layer and the CD shift amount in the step of forming a mask from a three-layer structure in the semiconductor device manufacturing method according to the comparative example. 図11は、実施形態及び比較例に係る半導体装置の製造方法において三層構造からマスクを形成する工程における下層フォトレジスト層のCDシフト量と二酸化硫黄のガス流量の関係を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the relationship between the CD shift amount of the lower photoresist layer and the sulfur dioxide gas flow rate in the step of forming a mask from a three-layer structure in the method of manufacturing a semiconductor device according to the embodiment and the comparative example. 図12は、実施形態に係る半導体装置の製造方法において三層構造からマスクを形成する工程における下層フォトレジストのエッチングのプラズマ発光強度と時間の関係を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing a relationship between plasma emission intensity and time of etching of the lower layer photoresist in the step of forming a mask from a three-layer structure in the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment. 図13は、実施形態に係る半導体装置の製造方法において三層構造からマスクを形成する工程における下層フォトレジストのエッチングシフト量と素子分離領域層の突出量の関係を示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating the relationship between the etching shift amount of the lower photoresist and the protrusion amount of the element isolation region layer in the step of forming a mask from the three-layer structure in the method for manufacturing a semiconductor device according to the embodiment.

以下に、図面を参照して本発明の好ましい実施形態を説明する。図面において、同様の構成要素には同じ参照番号が付されている。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, similar components are given the same reference numerals.

図1A〜図1Iは、実施形態に係る半導体装置の製造工程を例示する断面図である。 次に、図1Aに示す構造を形成するまでの工程を説明する。   1A to 1I are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of a semiconductor device according to the embodiment. Next, steps required until a structure shown in FIG. 1A is formed will be described.

まず、半導体基板であるシリコン基板1の上にハードマスク膜2としてシリコン酸化膜2aとシリコン窒化膜2bをCVD法により順に形成した後、その上にレジストパターン(不図示)を形成する。続いて、レジストパターンをマスクにしてハードマスク膜2をエッチングすることにより、素子分離領域に開口部2cを形成する。さらに、ハードマスク膜2の開口部2cを通してシリコン基板1を例えば反応性イオンエッチング法によりエッチングして素子分離溝1aを形成する。   First, a silicon oxide film 2a and a silicon nitride film 2b are sequentially formed as a hard mask film 2 on a silicon substrate 1 which is a semiconductor substrate by a CVD method, and a resist pattern (not shown) is formed thereon. Subsequently, the hard mask film 2 is etched using the resist pattern as a mask, thereby forming an opening 2c in the element isolation region. Further, the silicon substrate 1 is etched by, for example, a reactive ion etching method through the opening 2c of the hard mask film 2 to form an element isolation groove 1a.

続いて、素子分離溝1a内とハードマスク膜3上に素子分離絶縁層3としてシリコン酸化層を形成した後、素子分離絶縁層3を化学機械研磨(CMP)で研磨してハードマスク膜2上から除去するとともに素子分離溝1a内にシャロー・トレンチ・アイソレーション(STI)として残す。その後に、ハードマスク膜2をウエットエッチングにより除去する。なお、ハードマスク層2が除去された状態では、素子分離絶縁層3がシリコン基板1の上面から突出する。その突出量は、除去前のハードマスク2の開口部2cを通して素子分離絶縁層3をウエットエッチングすることにより調整される。なお、シリコン基板1は、後述するゲート電極や配線の密度が高い密パターン領域Iと、ゲート電極や配線の密度が低い疎パターン領域IIを有している。   Subsequently, after forming a silicon oxide layer as the element isolation insulating layer 3 in the element isolation trench 1a and on the hard mask film 3, the element isolation insulating layer 3 is polished by chemical mechanical polishing (CMP) to form the element on the hard mask film 2. And is left as shallow trench isolation (STI) in the element isolation trench 1a. Thereafter, the hard mask film 2 is removed by wet etching. In the state where the hard mask layer 2 is removed, the element isolation insulating layer 3 protrudes from the upper surface of the silicon substrate 1. The amount of protrusion is adjusted by wet etching the element isolation insulating layer 3 through the opening 2c of the hard mask 2 before removal. The silicon substrate 1 has a dense pattern region I having a high density of gate electrodes and wirings, which will be described later, and a sparse pattern region II having a low density of gate electrodes and wirings.

続いて、図1Bに示す構造を形成するまでの工程を説明する。
まず、シリコン基板1内にp型不純物、例えばホウ素をイオン注入し、n型MOSトランジスタ形成領域にPウェル4a〜4fを形成する。なお、p型MOSトランジスタ形成領域には、n型不純物をイオン注入してNウェル(不図示)を形成する。これらの場合、n型又はp型のイオン注入しない領域はレジストパターン(不図示)により覆われる。同様に、n型MOSトランジスタ形成領域、p型MOSトランジスタ形成領域のそれぞれのチャネル領域の不純物濃度調整のために不純物をイオン注入する。
Subsequently, steps required until the structure illustrated in FIG. 1B is formed will be described.
First, p-type impurities such as boron are ion-implanted into the silicon substrate 1 to form P wells 4a to 4f in the n-type MOS transistor formation region. In the p-type MOS transistor formation region, an n-type impurity is ion-implanted to form an N well (not shown). In these cases, the n-type or p-type ion-implanted region is covered with a resist pattern (not shown). Similarly, impurities are ion-implanted for adjusting the impurity concentration in the channel regions of the n-type MOS transistor formation region and the p-type MOS transistor formation region.

その後に、シリコン基板1上に、ゲート絶縁膜5としてシリコン酸化膜を熱酸化法又はCVD法により形成した後に、ゲート絶縁膜5上に、被パターニング膜として例えばポリシリコン膜6をCVD法により例えば約105nmの厚さに形成する。続いて、ポリシリコン膜6上に下側フォトレジスト層7、中間層8、上側フォトレジスト層9を形成する。   After that, after a silicon oxide film is formed as a gate insulating film 5 on the silicon substrate 1 by a thermal oxidation method or a CVD method, for example, a polysilicon film 6 is formed as a patterning film on the gate insulating film 5 by a CVD method, for example. It is formed to a thickness of about 105 nm. Subsequently, a lower photoresist layer 7, an intermediate layer 8, and an upper photoresist layer 9 are formed on the polysilicon film 6.

下側フォトレジスト層7として、例えば、i線レジストであるフォトレジストがポリシリコン膜5上に例えば約120nm〜200nmの厚さに塗布される。また、中間層8として、無機材料層、例えばシリコン含有層であるシロキサン層がスピンコートにより塗布され、例えば約30nmの厚さに形成される。さらに、上側フォトレジスト層9として、例えば、ArFエキシマレーザ用のフォトレジストが中間層7上に例えば130nmの厚さに塗布される。なお、上側フォトレジスト層9、下側フォトレジスト層7、中間層8は塗布後に各々必要に応じてベークされる。   As the lower photoresist layer 7, for example, an i-line resist photoresist is applied on the polysilicon film 5 to a thickness of, for example, about 120 nm to 200 nm. Further, as the intermediate layer 8, an inorganic material layer, for example, a siloxane layer that is a silicon-containing layer is applied by spin coating, and is formed to a thickness of, for example, about 30 nm. Further, as the upper photoresist layer 9, for example, a photoresist for ArF excimer laser is applied on the intermediate layer 7 to a thickness of, for example, 130 nm. The upper photoresist layer 9, the lower photoresist layer 7, and the intermediate layer 8 are baked as necessary after coating.

続いて、図1Cに例示するように、露光装置(不図示)を使用して、シリコン基板1の上方の上側フォトレジスト層9を露光し、電極、配線形状の潜像を上側フォトレジスト層9に形成する。その後に、上層フォトレジスト層9を現像する。なお、上層レジスト9の現像前又は後のベーク、洗浄は適宜行われる。   Subsequently, as illustrated in FIG. 1C, the upper photoresist layer 9 above the silicon substrate 1 is exposed using an exposure apparatus (not shown), and a latent image of electrodes and wiring shapes is formed on the upper photoresist layer 9. To form. Thereafter, the upper photoresist layer 9 is developed. Note that baking and cleaning of the upper resist 9 before or after development are appropriately performed.

これにより、上層フォトレジスト層9は、MOSトランジスタ形成領域でゲート電極の基本形状を有し、配線領域(不図示)で配線の基本形状を有する上層レジストパターン9aにパターニングされる。   Thus, the upper photoresist layer 9 is patterned into an upper resist pattern 9a having the basic shape of the gate electrode in the MOS transistor formation region and the basic shape of the wiring in the wiring region (not shown).

次に、シリコン基板1をエッチング装置に入れて上層レジストパターン9aのトリミングから下層フォトレジスト層7のパターニングまでを連続して行う。エッチング装置として、誘導結合型プラズマ(ICP)エッチング装置、平行電極型プラズマエッチング装置、その他のエッチング装置を使用する。以下に、エッチング装置として図2に示すICPエッチング装置を例にして説明する。   Next, the silicon substrate 1 is put into an etching apparatus, and the processes from trimming the upper resist pattern 9a to patterning the lower photoresist layer 7 are continuously performed. As an etching apparatus, an inductively coupled plasma (ICP) etching apparatus, a parallel electrode type plasma etching apparatus, or another etching apparatus is used. Hereinafter, the ICP etching apparatus shown in FIG. 2 will be described as an example of the etching apparatus.

ICPエッチング装置51は、図2に例示するような構造を有している。図2において、チャンバー52上部には、石英板又はセラミック板53を介して誘導コイル54が配置されている。誘導コイル54には、プラズマを発生させるための高周波電源、例えば周波数13,56MHzの高周波(RF)ソース電源55が接続されている。また、チャンバー52内では、石英板又はセラミック板53に間隔をおいて対向して配置される下部電極56が取り付けられている。下部電極56には、プラズマを基板側に引き込むための高周波電源、例えば周波数13.56MHzのRFバイアス電源57が接続されている。   The ICP etching apparatus 51 has a structure as illustrated in FIG. In FIG. 2, an induction coil 54 is disposed above the chamber 52 via a quartz plate or a ceramic plate 53. The induction coil 54 is connected to a high frequency power source for generating plasma, for example, a high frequency (RF) source power source 55 having a frequency of 13, 56 MHz. In the chamber 52, a lower electrode 56 is attached so as to be opposed to the quartz plate or the ceramic plate 53 at an interval. The lower electrode 56 is connected to a high frequency power source for drawing plasma toward the substrate, for example, an RF bias power source 57 having a frequency of 13.56 MHz.

下部電極56は、例えば基板ステージ59上の静電チャック58の内部に取り付けられている。また、静電チャック58の下の基板ステージ59内には基板温度制御部(不図示)が取り付けられている。なお、図2において、符号60は、チャンバー52の側壁に取り付けられる石英窓、符号61はチャンバー52内にガスを供給するガス源、符号62は、静電チャック58に電位を付与する直流電源を示している。なお、ガス源61から供給されるガスの供給・停止、ガスの流量調整、RFソース電源55、RFバイアス電源57及び直流電源62のオン・オフ及び電力調整、チャンバー52内の圧力制御などは、それぞれ制御装置(不図示)により行われる。   The lower electrode 56 is attached to the inside of the electrostatic chuck 58 on the substrate stage 59, for example. A substrate temperature control unit (not shown) is attached in the substrate stage 59 below the electrostatic chuck 58. In FIG. 2, reference numeral 60 denotes a quartz window attached to the side wall of the chamber 52, reference numeral 61 denotes a gas source that supplies gas into the chamber 52, and reference numeral 62 denotes a DC power source that applies a potential to the electrostatic chuck 58. Show. In addition, supply / stop of gas supplied from the gas source 61, gas flow rate adjustment, on / off of the RF source power supply 55, RF bias power supply 57 and DC power supply 62, power adjustment, pressure control in the chamber 52, etc. Each is performed by a control device (not shown).

そのような構造を有するICPエッチング装置51のチャンバー52内に、半導体ウェハであるシリコン基板1を搬送し、さらに静電チャック58を介して下部電極56上に載置する。静電チャック58の温度は、例えば15〜45℃、より好ましくは20〜40℃の範囲内に設定される。   The silicon substrate 1 which is a semiconductor wafer is transferred into the chamber 52 of the ICP etching apparatus 51 having such a structure, and is further placed on the lower electrode 56 via the electrostatic chuck 58. The temperature of the electrostatic chuck 58 is set within a range of, for example, 15 to 45 ° C., more preferably 20 to 40 ° C.

チャンバー52内で、まず、図1Dに例示するように、上側レジストパターン9aをトリミングしてその幅と高さを減らす。トリミングは、例えば上側フォトレジスト層9の露光限界寸法よりもパターン幅を狭くするために行われる。本実施気板では、RFバイアス電源57から下部電極56に供給される高周波電力をスイッチにより切断した状態で、例えば次のような条件で行われる。   In the chamber 52, first, as illustrated in FIG. 1D, the upper resist pattern 9a is trimmed to reduce its width and height. Trimming is performed, for example, in order to make the pattern width narrower than the exposure limit dimension of the upper photoresist layer 9. In this embodiment, the high frequency power supplied from the RF bias power source 57 to the lower electrode 56 is cut by a switch, for example, under the following conditions.

ガス源61からチャンバー52内に、第1の反応ガスとして、酸素(O)ガスを例えば2〜100sccm、二酸化硫黄(SO)ガスを例えば5〜100sccm、不活性ガスとしてヘリウム(He)ガスを例えば0〜200sccmの流量で導入する。この場合、SOガスの流量xに対するOガスの流量yの比x/yは、1以上で2以下の範囲に設定される。さらに、チャンバー52内の圧力は例えば5〜20mTorr(0.165〜2.67Pa)に設定され、さらにRFソース電源55のパワーは200〜500Wに設定されて誘導コイル54に供給される。これにより、チャンバー52内ではプラズマが発生し、そのようなプラズマ雰囲気中で5秒〜30秒程度の時間による制御で上側レジストパターン9aがトリミングされる。 From the gas source 61 into the chamber 52, oxygen (O 2 ) gas is, for example, 2 to 100 sccm, sulfur dioxide (SO 2 ) gas is, for example, 5 to 100 sccm, and helium (He) gas is inert gas. Is introduced at a flow rate of, for example, 0 to 200 sccm. In this case, the ratio x / y of the flow rate y of the O 2 gas to the flow rate x of the SO 2 gas is set in a range of 1 or more and 2 or less. Further, the pressure in the chamber 52 is set to 5 to 20 mTorr (0.165 to 2.67 Pa), for example, and the power of the RF source power supply 55 is set to 200 to 500 W and supplied to the induction coil 54. As a result, plasma is generated in the chamber 52, and the upper resist pattern 9a is trimmed in such a plasma atmosphere under the control of a time of about 5 seconds to 30 seconds.

この場合、中間層8は無機材料から形成されているので実質的に殆どエッチングされない。また、上側レジストパターン9aに含まれる有機物とSOの反応により上側レジストパターン9aの表面には硫黄含有化合物のポリマーが形成される。これにより、エッチングガスにSOを含ませない場合に比べてエッチング速度は低下する。しかも、エッチング時のRFバイアスパワーを下部電極56に供給しないので、シリコン基板1の面に対
して垂直方向成分のエッチャントの移動が緩和され、より等方的にエッチングされる。これにより、上側レジストパターン9aのトリミングは制御性良く行われ、パターンは初期状態とほぼ相似形に縮小される。
In this case, since the intermediate layer 8 is formed of an inorganic material, it is hardly etched. The polymer of the sulfur-containing compounds on the surface of the upper resist pattern 9a is formed by the reaction of organic matter and SO 2 contained in the upper resist pattern 9a. As a result, the etching rate is reduced as compared with the case where SO 2 is not included in the etching gas. In addition, since the RF bias power at the time of etching is not supplied to the lower electrode 56, the movement of the etchant in the vertical direction with respect to the surface of the silicon substrate 1 is relaxed, and etching is performed more isotropically. Thereby, the trimming of the upper resist pattern 9a is performed with good controllability, and the pattern is reduced to a shape almost similar to the initial state.

次に、図1E、図1Fに例示するように、トリミングされた上側レジストパターン9aをマスクに使用し、中間層8を例えば次の条件でエッチングする。   Next, as illustrated in FIGS. 1E and 1F, the trimmed upper resist pattern 9a is used as a mask, and the intermediate layer 8 is etched under the following conditions, for example.

ガス源61からチャンバー52内に導入する第1の反応ガスを第2の反応ガスに置換する。第2の反応ガスとして、例えば、メタン(CF)ガスを例えば50〜200sccmの流量で導入する。この場合、メタンガスに三フッ化メタン(CHF)ガスを例えば100sccm以下、Heガスを例えば200sccm以下の流量で添加してもよい。また、チャンバー52内の圧力は、例えば3〜20mTorr(0.399〜2.67Pa)に設定される。 The first reaction gas introduced from the gas source 61 into the chamber 52 is replaced with the second reaction gas. As the second reaction gas, for example, methane (CF 4 ) gas is introduced at a flow rate of, for example, 50 to 200 sccm. In this case, trifluoromethane (CHF 3 ) gas may be added to methane gas at a flow rate of, for example, 100 sccm or less, and He gas, for example, at a flow rate of, for example, 200 sccm or less. The pressure in the chamber 52 is set to 3 to 20 mTorr (0.399 to 2.67 Pa), for example.

さらに、RFソース電源55のパワーは200〜1000W、RFバイアス電源57のパワーは50〜300Wに設定され、それぞれのパワーは誘導コイル54、下部電極56に供給される。そのような条件により、チャンバー52内でプラズマが発生し、中間層8はエッチングされる。なお、中間層7のエッチングは、石英窓60を通してプラズマ発光強度の変化を検出し、例えば約30〜50%のオーバーエッチングが行われる。この場合、下部電極56には高周波電力が供給されるので、シリコン基板1の面に対して垂直な移動方向のエッチャントが多くなる。   Further, the power of the RF source power supply 55 is set to 200 to 1000 W, and the power of the RF bias power supply 57 is set to 50 to 300 W. The respective powers are supplied to the induction coil 54 and the lower electrode 56. Under such conditions, plasma is generated in the chamber 52 and the intermediate layer 8 is etched. In the etching of the intermediate layer 7, a change in the plasma emission intensity is detected through the quartz window 60 and, for example, overetching of about 30 to 50% is performed. In this case, since high frequency power is supplied to the lower electrode 56, the number of etchants in the moving direction perpendicular to the surface of the silicon substrate 1 increases.

中間層8のエッチングにより、上側レジストパターン9aの平面形状が中間層8に転写され、中間層パターン8aが形成される。なお、中間層パターン8aの上には、上側レジストパターン9aが残存している。   By etching the intermediate layer 8, the planar shape of the upper resist pattern 9a is transferred to the intermediate layer 8, and the intermediate layer pattern 8a is formed. The upper resist pattern 9a remains on the intermediate layer pattern 8a.

続いて、図1F、図1Gに例示するように、中間層パターン8aをマスクに使用し、下側フォトレジスト層7を例えば次の条件でエッチングする。   Subsequently, as illustrated in FIGS. 1F and 1G, the lower photoresist layer 7 is etched under the following conditions, for example, using the intermediate layer pattern 8a as a mask.

ガス源61からチャンバー52内に導入する第2の反応ガスを第3の反応ガスに置換する。第3の反応ガスとして、例えば、Oガスを例えば5〜100sccm、SOガスを例えば5〜100sccm、不活性ガスであるHeガスを例えば0〜200sccm以下の流量で導入する。また、SOのガス流量xに対するOのガス流量yの比x/yは、1.0以上で2.0以下の範囲に設定される。さらに、チャンバー52内の圧力は、例えば5〜20mTorrに設定される。また、RFソース電源55のパワーは200〜500W、RFバイアス電源57のパワーは50〜300Wに設定され、パワーのそれぞれは誘導コイル54、下部電極56に供給される。そのような条件により、チャンバー52内ではプラズマが発生し、下層レジスト層7がエッチングされる。この場合、下部電極56には高周波電力が供給されるので、シリコン基板1の面に対して垂直な移動方向のエッチャントが多くなる。 The second reaction gas introduced from the gas source 61 into the chamber 52 is replaced with the third reaction gas. As the third reaction gas, for example, O 2 gas is introduced at a flow rate of, for example, 5 to 100 sccm, SO 2 gas is introduced at, for example, 5 to 100 sccm, and He gas that is an inert gas is introduced at a flow rate of, for example, 0 to 200 sccm. The ratio x / y of the O 2 gas flow rate y to the SO 2 gas flow rate x is set in the range of 1.0 to 2.0. Furthermore, the pressure in the chamber 52 is set to 5 to 20 mTorr, for example. The power of the RF source power supply 55 is set to 200 to 500 W, and the power of the RF bias power supply 57 is set to 50 to 300 W. The power is supplied to the induction coil 54 and the lower electrode 56, respectively. Under such conditions, plasma is generated in the chamber 52, and the lower resist layer 7 is etched. In this case, since high frequency power is supplied to the lower electrode 56, the number of etchants in the moving direction perpendicular to the surface of the silicon substrate 1 increases.

下層フォトレジスト層7のエッチングにおいて、SOガスを用いない場合、硫黄含有ポリマーが側壁に形成されないため、下層フォトレジスト層7のエッチング後の形状が、例えばくびれたようなオーバーハング形状になりやすい。従って、SOガスを使用することにより、形状維持とマスク転写性を向上させることになる。 In the etching of the lower photoresist layer 7, when SO 2 gas is not used, the sulfur-containing polymer is not formed on the side wall, so that the shape after the etching of the lower photoresist layer 7 tends to be a constricted overhang shape, for example. . Accordingly, the use of SO 2 gas improves the shape maintenance and the mask transferability.

下側フォトレジスト層7のエッチングは、プラズマ発光強度の低下により終点が検出され、終点検出時点からオーバーエッチングが施される。オーバーエッチングには、通常のオーバーエッチングに追加して、さらに素子分離絶縁層3の突出量に応じた例えば2〜5秒間の追加オーバーエッチングが含まれる。   In the etching of the lower photoresist layer 7, the end point is detected by a decrease in the plasma emission intensity, and overetching is performed from the end point detection time point. The overetching includes, for example, additional overetching for 2 to 5 seconds corresponding to the protruding amount of the element isolation insulating layer 3 in addition to the normal overetching.

パターニングされた下側フォトレジスト層7は、下側レジストパターン7aとなる。なお、中間層パターン8a上の上側レジストパターン9aは、下層レジスト層7と同時にエッチングされて除去される。   The patterned lower photoresist layer 7 becomes the lower resist pattern 7a. The upper resist pattern 9a on the intermediate layer pattern 8a is etched and removed simultaneously with the lower resist layer 7.

次に、ICPエッチング装置51からシリコン基板1を取り出し、さらに真空状態の空間を通して別のエッチング装置のチャンバーにシリコン基板1を搬送する。別のエッチング装置として、例えば図2に示すと同じ構造のICPエッチング装置を使用して説明するが、他のプラズマエッチング装置を使用してもよい。   Next, the silicon substrate 1 is taken out from the ICP etching apparatus 51, and further transferred to a chamber of another etching apparatus through a vacuum space. As another etching apparatus, for example, an ICP etching apparatus having the same structure as shown in FIG. 2 will be described. However, another plasma etching apparatus may be used.

まず、ICPエッチング装置51のチャンバー52内の静電チャック58を介して下部電極56上にシリコン基板1を載置する。この場合、静電チャック58の温度(第1温度)、即ち基板温度は、図1C〜図1Gに例示したように上側レジストパターン9aのトリミングから下側レジストパターン7aの形成までの処理温度(第2温度)よりも高い温度、例えば約60℃に設定される。   First, the silicon substrate 1 is placed on the lower electrode 56 via the electrostatic chuck 58 in the chamber 52 of the ICP etching apparatus 51. In this case, the temperature (first temperature) of the electrostatic chuck 58, that is, the substrate temperature, is the processing temperature (first temperature) from trimming the upper resist pattern 9a to forming the lower resist pattern 7a as illustrated in FIGS. 1C to 1G. 2 temperature), for example, about 60 ° C.

続いて、図1Hに例示するように、下層レジストパターン7a及び中間層パターン8aをマスクに使用して、ポリシリコン膜5を途中までエッチングする。そのエッチング条件として、例えば、ガス源61からチャンバー52内にCFガスを例えば50〜200sccm、六フッ化硫黄(SF)ガスを例えば5〜20sccmの流量で導入する。この場合、チャンバー52内に、同時に、窒素(N)ガスを30sccm以下、Heガスを例えば100sccm以下の流量で導入してもよく、また、Nの代替ガスとして三フッ化窒素(NF)を20sccm以下の流量で導入してもよい。さらに、チャンバー52内の圧力を例えば2〜10mTorr(0.266〜1.33Pa)に設定し、さらにRFソース電源55のパワーを300〜600W、RFバイアス電源57のパワーを50〜150Wに設定し、それぞれのパワーを誘導コイル54、下部電極56に供給する。この場合、エッチングは時間的に制御され、例えば約45秒とする。この場合、ポリシリコン膜5のエッチングにおいて中間層パターン8aもエッチングされて除去される。 Subsequently, as illustrated in FIG. 1H, the polysilicon film 5 is etched halfway using the lower resist pattern 7a and the intermediate layer pattern 8a as a mask. As the etching conditions, for example, CF 4 gas is introduced into the chamber 52 from the gas source 61 at a flow rate of, for example, 50 to 200 sccm, and sulfur hexafluoride (SF 6 ) gas, for example, at a flow rate of 5 to 20 sccm. In this case, nitrogen (N 2 ) gas may be introduced into the chamber 52 at a flow rate of 30 sccm or less and He gas, for example, at a flow rate of 100 sccm or less, and nitrogen trifluoride (NF 3) is used as an alternative gas for N 2. ) May be introduced at a flow rate of 20 sccm or less. Further, the pressure in the chamber 52 is set to 2 to 10 mTorr (0.266 to 1.33 Pa), for example, the power of the RF source power supply 55 is set to 300 to 600 W, and the power of the RF bias power supply 57 is set to 50 to 150 W. Each power is supplied to the induction coil 54 and the lower electrode 56. In this case, the etching is controlled in time, for example, about 45 seconds. In this case, in the etching of the polysilicon film 5, the intermediate layer pattern 8a is also etched and removed.

次に、図1Iに例示するように、下層レジストパターン7aをマスクに使用して残りのポリシリコン膜6をエッチングする。エッチング条件として、例えば、ガス源61からチャンバー52内に臭化水素(HBr)ガスを例えば200〜400sccm、酸素(O)ガスを2〜10sccmの流量で導入する。さらに、チャンバー52内の圧力を例えば5〜50mTorr(0.665〜6.65Pa)に設定し、さらにRFソース電源55のパワーを200〜500W、RFバイアス電源57のパワーを50〜150Wに設定し、それぞれのパワーを誘導コイル54、下部電極56に供給する。エッチングは、プラズマ発光強度の変化の観察に基づいて制御され、次の工程に移る。そのエッチング時間は、例えば約10秒である。 Next, as illustrated in FIG. 1I, the remaining polysilicon film 6 is etched using the lower resist pattern 7a as a mask. As an etching condition, for example, hydrogen bromide (HBr) gas is introduced into the chamber 52 from the gas source 61 at a flow rate of, for example, 200 to 400 sccm and oxygen (O 2 ) gas of 2 to 10 sccm. Further, the pressure in the chamber 52 is set to, for example, 5 to 50 mTorr (0.665 to 6.65 Pa), the power of the RF source power supply 55 is set to 200 to 500 W, and the power of the RF bias power supply 57 is set to 50 to 150 W. Each power is supplied to the induction coil 54 and the lower electrode 56. The etching is controlled based on the observation of the change in the plasma emission intensity, and proceeds to the next step. The etching time is about 10 seconds, for example.

続いて、下層レジストパターン7aをマスクに使用してポリシリコン膜6をオーバーエッチングする。そのオーバーエッチング条件として、例えば、ガス源61からチャンバー52内にHBrガスを例えば100〜300sccm、酸素Oガスを2〜10sccm、Heガスを100〜400sccmの流量で導入する。さらに、チャンバー52内の圧力を例えば60〜120mTorr(7.98〜16.0Pa)に設定し、さらにRFソース電源55のパワーを300〜600W、RFバイアス電源57のパワーを10〜300Wに設定し、それぞれのパワーを誘導コイル54、下部電極56に供給する。エッチング時間は例えば約30秒とする。 Subsequently, the polysilicon film 6 is over-etched using the lower resist pattern 7a as a mask. As the over-etching condition, for example, HBr gas is introduced into the chamber 52 from the gas source 61 at a flow rate of, for example, 100 to 300 sccm, oxygen O 2 gas is 2 to 10 sccm, and He gas is 100 to 400 sccm. Further, the pressure in the chamber 52 is set to 60 to 120 mTorr (7.98 to 16.0 Pa), for example, the power of the RF source power supply 55 is set to 300 to 600 W, and the power of the RF bias power supply 57 is set to 10 to 300 W. Each power is supplied to the induction coil 54 and the lower electrode 56. The etching time is about 30 seconds, for example.

これにより、密パターン領域I、疎パターン領域IIのPウェル4a〜4fのそれぞれの上で、下層レジストパターン7aの下に残されたポリシリコン膜6は、ゲート電極6a〜
6fとして使用される。その後に、シリコン基板1をアッシング装置に搬送し、図1Jに示すように下層レジストパターン7aを除去する。
Thereby, the polysilicon film 6 left under the lower resist pattern 7a on each of the P wells 4a to 4f in the dense pattern region I and the sparse pattern region II becomes the gate electrodes 6a to 6a.
Used as 6f. Thereafter, the silicon substrate 1 is transferred to an ashing apparatus, and the lower resist pattern 7a is removed as shown in FIG. 1J.

次に、図1Kに示す構造を形成するまでの工程を説明する。
まず、素子分離絶縁層3に囲まれたPウェル4a〜4fの上方のゲート電極6a〜6fをマスクに使用して、n型不純物、例えば砒素又はリンをPウェル4a〜4f内にイオン注入してn型エクステンション領域11a〜16a、11b〜16bを形成する。この場合、Nウェル(不図示)をレジストパターンにより覆う。
続いて、素子分離領域3に囲まれたNウェル(不図示)内にp型エクステンション領域(不図示)を形成する。この場合、Pウェル4a〜4fをレジストパターン(不図示)により覆う。
Next, steps required until a structure shown in FIG. 1K is formed will be described.
First, n-type impurities such as arsenic or phosphorus are ion-implanted into the P wells 4a to 4f using the gate electrodes 6a to 6f above the P wells 4a to 4f surrounded by the element isolation insulating layer 3 as a mask. N-type extension regions 11a to 16a and 11b to 16b are formed. In this case, the N well (not shown) is covered with a resist pattern.
Subsequently, a p-type extension region (not shown) is formed in an N well (not shown) surrounded by the element isolation region 3. In this case, the P wells 4a to 4f are covered with a resist pattern (not shown).

次に、図1Lに示す構造を形成するまでの工程を説明する。
まず、シリコン基板1の上面全体に絶縁膜、例えばシリコン酸化膜をCVD法により形成した後に、絶縁膜をエッチバックし、ゲート電極6a〜6fの側面にサイドウォール10a〜10fとして残す。
Next, steps required until a structure shown in FIG. 1L is formed will be described.
First, after an insulating film, for example, a silicon oxide film is formed on the entire upper surface of the silicon substrate 1 by the CVD method, the insulating film is etched back and left as side walls 10a to 10f on the side surfaces of the gate electrodes 6a to 6f.

その後に、ゲート電極6a〜6f、サイドウォール10a〜10fをマスクに使用して、Pウェル4a〜4fにn型不純物をイオン注入してn型ソース/ドレイン領域11s、12s、13s、14s、15s、16s、11d、12d、13d、14d、15d、16dを形成する。この場合、Nウェル(不図示)をレジストパターンにより覆う。   Thereafter, n-type impurities are ion-implanted into the P wells 4a to 4f using the gate electrodes 6a to 6f and the side walls 10a to 10f as masks to form n-type source / drain regions 11s, 12s, 13s, 14s, and 15s. , 16s, 11d, 12d, 13d, 14d, 15d, and 16d. In this case, the N well (not shown) is covered with a resist pattern.

続いて、Nウェル(不図示)の上方のゲート電極(不図示)、サイドウォール(不図示)をマスクに使用して、Nウェルにp型不純物をイオン注入してp型ソース/ドレイン領域(不図示)を形成する。この場合、Pウェル4a〜4fをレジストパターンにより覆う。   Subsequently, using a gate electrode (not shown) and sidewall (not shown) above the N well (not shown) as a mask, p-type impurities are ion-implanted into the N well to form a p-type source / drain region ( (Not shown). In this case, the P wells 4a to 4f are covered with a resist pattern.

以上によりPウェル4a〜4f及びその周囲にはn型MOSトランジスタT〜Tが形成され、Nウェル(不図示)にはp型MOSトランジスタ(不図示)が形成される。その後に、特に図示しないが、シリコン基板1上に層間絶縁膜を形成し、さらにn型ソース/ドレイン領域11s〜16s、11d〜16dに接続される導電性コンタクトプラグを層間絶縁膜に形成し、さらにその上に多層配線構造を形成する。 Thus, n-type MOS transistors T 1 to T 6 are formed around the P wells 4 a to 4 f and the periphery thereof, and a p-type MOS transistor (not shown) is formed in the N well (not shown). Thereafter, although not particularly shown, an interlayer insulating film is formed on the silicon substrate 1, and conductive contact plugs connected to the n-type source / drain regions 11s to 16s and 11d to 16d are formed on the interlayer insulating film. Further, a multilayer wiring structure is formed thereon.

以上のように本実施形態によれば、下層レジスト層7、中間層8及び上層レジスト層9の三層構造を上から順にパターニングすることによりマスクを形成する工程を含んでいる。マスク形成工程として、まず上層レジスト層9を露光、現像して上層レジストパターン9aを形成した後、エッチング装置を用いてSO、Oを導入する雰囲気中でプラズマを発生させる。これにより、その雰囲気内で図1Dに示すように上層レジストパターン9aをトリミングしている。そのトリミングは、図2に示すRFバイアス電源57から下部電極56に供給される高周波電力を遮断し、さらに誘導コイル54に高周波電力を供給して発生させたプラズマ雰囲気内で行われる。Oガスの流量はSOガスの流量の1〜2倍に設定される。 As described above, the present embodiment includes the step of forming a mask by patterning the three-layer structure of the lower resist layer 7, the intermediate layer 8, and the upper resist layer 9 in order from the top. As a mask forming step, first, the upper resist layer 9 is exposed and developed to form an upper resist pattern 9a, and then plasma is generated in an atmosphere in which SO 2 and O 2 are introduced using an etching apparatus. Thus, the upper resist pattern 9a is trimmed in the atmosphere as shown in FIG. 1D. The trimming is performed in a plasma atmosphere generated by cutting off the high frequency power supplied to the lower electrode 56 from the RF bias power source 57 shown in FIG. 2 and further supplying high frequency power to the induction coil 54. The flow rate of O 2 gas is set to 1 to 2 times the flow rate of SO 2 gas.

そのように下部電極56への高周波電力の供給を遮断すると、シリコン基板1の上面に対して垂直方向のエッチング成分が減少する。これにより、上層レジストパターン9aのトリミングは従来よりもさらに等方的になり、上層レジスト層9が急激に薄くなることが防止される。しかも、SOとOをトリミング用ガスに含ませているので、上昇レジストパターン9aの表面に保護膜となるポリマーが生成され、その表面の収縮速度が高くなることが防止される。特に、上層レジストパターン9aをArFレジストから形成する場合には、ArFフォトレジストのプラズマ耐性がKrFフォトレジストやi線フォトレジ
ストに比べて劣るので、トリミングの制御性が重要になる。
When the supply of high-frequency power to the lower electrode 56 is cut off in this way, the etching component in the direction perpendicular to the upper surface of the silicon substrate 1 is reduced. As a result, the trimming of the upper resist pattern 9a is more isotropic than in the prior art, and the upper resist layer 9 is prevented from becoming sharply thin. Moreover, since SO 2 and O 2 are included in the trimming gas, a polymer serving as a protective film is generated on the surface of the rising resist pattern 9a, and the surface shrinkage rate is prevented from increasing. In particular, when the upper layer resist pattern 9a is formed of an ArF resist, the controllability of trimming becomes important because the plasma resistance of the ArF photoresist is inferior to that of a KrF photoresist or i-line photoresist.

しかし、そのトリミングの際に下部電極56に高周波電力を供給すると、上層フォトレジスト層9へのエッチャントの入射エネルギーや、無機材料の中間層8から反射されるエッチャントのバランスが崩れる。これにより、密パターン領域Iと疎パターン領域IIのパターンシフト量の差が大きくなりやすい。また、中間層8を実質的にエッチングさせない条件でエッチング(トリミング)しているため、上層フォトレジスト層9の他にエッチングされる膜が無く、エッチャントが上層フォトレジスト層9のエッチングのみに消費される。これにより、図1Dに示すような上層レジストパターン9aのトリミング時のエッチング速度が速くなり、トリミングによる線幅シフトの制御が難しくなり、望ましい形状が得られなくなる。   However, if high frequency power is supplied to the lower electrode 56 during the trimming, the incident energy of the etchant to the upper photoresist layer 9 and the balance of the etchant reflected from the intermediate layer 8 of the inorganic material are lost. Thereby, the difference in the pattern shift amount between the dense pattern region I and the sparse pattern region II tends to increase. Further, since etching (trimming) is performed under the condition that the intermediate layer 8 is not substantially etched, there is no film to be etched other than the upper photoresist layer 9, and the etchant is consumed only for etching the upper photoresist layer 9. The As a result, the etching rate at the time of trimming of the upper resist pattern 9a as shown in FIG. 1D is increased, it becomes difficult to control the line width shift by trimming, and a desired shape cannot be obtained.

また、上層レジストパターン9aの形状が悪いと、上層レジストパターン9aをマスクにして中間層8、下層フォトレジスト層7をエッチングする際に、上層レジストパターン9aが消失時のパターン形状が揺らいでパターンエッジ荒さ(LER: Line-Edge-Roughness)が悪化する。   Further, if the shape of the upper resist pattern 9a is poor, when the intermediate layer 8 and the lower photoresist layer 7 are etched using the upper resist pattern 9a as a mask, the pattern shape when the upper resist pattern 9a disappears fluctuates, resulting in a pattern edge. Roughness (LER: Line-Edge-Roughness) gets worse.

これに対し、下部電極56に高周波電力を供給しない本実施形態によれば、上層レジストパターン9aの残膜形状や残膜量が安定し、トリミングは高い精度で行われ、パターンは初期形状からほぼ相似形となる高い精度で縮小することができる。さらに、上側レジストパターン9aをマスクにして中間層8をエッチングして中間層パターン8a、下層フォトレジスト層7をエッチングする際に、上層レジストパターン9aの消失が安定し、LERが良好になる。   On the other hand, according to the present embodiment in which high frequency power is not supplied to the lower electrode 56, the residual film shape and the residual film amount of the upper resist pattern 9a are stable, trimming is performed with high accuracy, and the pattern is almost the same as the initial shape. It can be reduced with high accuracy to be a similar shape. Further, when the intermediate layer 8 is etched using the upper resist pattern 9a as a mask to etch the intermediate layer pattern 8a and the lower photoresist layer 7, the disappearance of the upper resist pattern 9a is stabilized and the LER is improved.

ところで、上層レジストパターン9aをトリミングする際にOにSOを添加すると、上層レジストパターン9aの表面に薄い保護層が形成されるので、エッチングが急速に進むことが防止される。また、下層フォトレジスト膜7をエッチングする際に、SOを添加すると上層レジストパターン9aの表面に薄い保護層が形成されるので、エッチングが急速に進むことが防止される。例えば、図3に例示するように、密パターン領域Iと疎パターン領域IIのそれぞれに、線又は電極形状のレジストパターン21,22を形成するためのトリミング工程において、OガスにSOガスを添加する場合と添加しない場合を比べると、図4に例示するような試験結果が得られる。 By the way, when SO 2 is added to O 2 when trimming the upper layer resist pattern 9a, a thin protective layer is formed on the surface of the upper layer resist pattern 9a, thereby preventing rapid progress of etching. In addition, when SO 2 is added when the lower photoresist film 7 is etched, a thin protective layer is formed on the surface of the upper resist pattern 9a, thereby preventing the etching from proceeding rapidly. For example, as illustrated in FIG. 3, in a trimming process for forming line or electrode-shaped resist patterns 21 and 22 in the dense pattern region I and the sparse pattern region II, SO 2 gas is used as the O 2 gas. When the case of adding and the case of not adding are compared, the test results illustrated in FIG. 4 are obtained.

図4によれば、密パターン領域Iと疎パターン領域IIのレジストパターン21、22の側方と先端のトリミング量ΔC/2、ΔA、ΔBをほぼ同じにすることができる。従って、レジストパターン21、22のトリミング、エッチングの時にはSOガスとOガスの双方をプラズマ発生領域に供給することが好ましいことがわかる。 According to FIG. 4, the trimming amounts ΔC / 2, ΔA, and ΔB at the sides and the tips of the resist patterns 21 and 22 in the dense pattern region I and the sparse pattern region II can be made substantially the same. Therefore, it can be seen that it is preferable to supply both the SO 2 gas and the O 2 gas to the plasma generation region when the resist patterns 21 and 22 are trimmed and etched.

このように形成された上層レジストパターン9aをトリミングした後には、下部電極56に高周波電力を供給してシリコン基板1面に垂直方向に移動するエッチャントを多くさせる。これにより、中間層8、下層フォトレジスト層7のエッチングは、垂直方向への異方性が高くなり、中間層パターン8a、下層レジストパターン7aの側壁は、シリコン基板1の面に対してほぼ垂直となる。   After trimming the upper resist pattern 9a thus formed, high frequency power is supplied to the lower electrode 56 to increase the number of etchants that move in the direction perpendicular to the surface of the silicon substrate 1. Thereby, the etching of the intermediate layer 8 and the lower photoresist layer 7 has high anisotropy in the vertical direction, and the sidewalls of the intermediate layer pattern 8a and the lower resist pattern 7a are substantially perpendicular to the surface of the silicon substrate 1. It becomes.

また、上側レジストパターン9aのトリミングから下側レジストパターン7aの形成までの工程で、静電チャック58の温度を比較的低温の15〜45℃の範囲内に設定しているので、エッチングガスの反応を緩やかにし、時間によるトリミング量、エッチング量の制御性を良好にしている。さらに、そのような静電チャック58の温度によれば、SOガスによりレジストパターン7a、9aの表面に形成される保護層の消失を抑制することができる。 Further, in the process from trimming the upper resist pattern 9a to forming the lower resist pattern 7a, the temperature of the electrostatic chuck 58 is set within a relatively low temperature range of 15 to 45 ° C. And the controllability of the trimming amount and etching amount over time is improved. Furthermore, according to such a temperature of the electrostatic chuck 58, disappearance of the protective layer formed on the surfaces of the resist patterns 7a and 9a by the SO 2 gas can be suppressed.

次に、SOとOのガス流量の割合について説明する。
チャンバー52内に供給される反応ガスに含まれるOを一定にし、SOのガス流量を増やすと、図5に例示するように、SOのガス流量が増すにつれて密パターン領域Iと疎バターン領域IIのそれぞれのレジストパターンのCDシフト量の差が小さくなる。即ち、SOの流量が多くなると、密パターン領域Iと疎パターン領域IIのそれぞれのレジストパターンの側方のCDシフト量の差が小さくなる。なお、CDシフト量とは、マスクを使用して膜をエッチングすることにより膜のパターンを形成する場合に、膜のパターンの幅からマスクの幅を引いた値である。CDシフト量は、CDバイアスとも言う。
Next, the ratio of the gas flow rates of SO 2 and O 2 will be described.
When the O 2 contained in the reaction gas supplied into the chamber 52 is kept constant and the SO 2 gas flow rate is increased, the dense pattern region I and the sparse pattern are increased as the SO 2 gas flow rate increases as illustrated in FIG. The difference in the CD shift amount of each resist pattern in region II is reduced. That is, as the flow rate of SO 2 increases, the difference in the CD shift amount on the side of each resist pattern in the dense pattern region I and the sparse pattern region II decreases. The CD shift amount is a value obtained by subtracting the width of the mask from the width of the film pattern when the film pattern is formed by etching the film using the mask. The CD shift amount is also called a CD bias.

図5に基づいて、密パターン領域Iと疎パターン領域IIのCDシフト量の差と、疎パターン領域IIのCDシフト量との関係を求めると、図6に例示するような関係が得られる。   When the relationship between the CD shift amount difference between the dense pattern region I and the sparse pattern region II and the CD shift amount of the sparse pattern region II is obtained based on FIG. 5, the relationship illustrated in FIG. 6 is obtained.

図6によれば、SOガスの流量の割合が多いほど、密パターン領域Iと疎パターン領域IIのCDシフト量の差が小さくなることがわかる。また、図6に示す特性線をY=αX+βとすると、その傾きαは、OガスとSOガスの流量比が1の場合であって下部電極56に供給する高周波電力を0Wにした場合に、−0.182となる。また、SOガスに対するOガスの流量比が2の場合であって高周波電力を下部電極56に供給した場合に、特性線の傾きαは、−0.353となる。 According to FIG. 6, it can be seen that the difference in the CD shift amount between the dense pattern region I and the sparse pattern region II becomes smaller as the proportion of the flow rate of the SO 2 gas increases. Further, if the characteristic line shown in FIG. 6 is Y = αX + β, the inclination α is the case where the flow rate ratio of O 2 gas and SO 2 gas is 1, and the high frequency power supplied to the lower electrode 56 is 0 W. In this case, -0.182. Also, when supplied in the case the flow rate of O 2 gas to SO 2 gas is 2 a high-frequency power to the lower electrode 56, the slope α of the characteristic line becomes -0.353.

特性性の傾きαを小さくすると、疎パターン領域IIのCDシフト量が変化しても、密パターン領域Iと疎パターン領域IIの互いのCDシフト量の差を小さくして安定させることができる。それを達成するためには、下部電極56に高周波電力を供給しないとともに、Oに対するSOのガス流量比を1に近づけることが好ましい。また、SOのガス流量が、多くなるとエッチング速度が低下するため、Oガスに対するSOガスの流量比は2以下であることが好ましい。 If the characteristic inclination α is reduced, even if the CD shift amount of the sparse pattern region II changes, the difference in the CD shift amount between the dense pattern region I and the sparse pattern region II can be reduced and stabilized. In order to achieve this, it is preferable not to supply high frequency power to the lower electrode 56 and to make the gas flow ratio of SO 2 to O 2 close to 1. Further, since the etching rate decreases when the SO 2 gas flow rate increases, the flow rate ratio of the SO 2 gas to the O 2 gas is preferably 2 or less.

次に、比較例として、上層レジストパターン9aをトリミングしないで中間層9、下層フォトレジスト層7をパターニングする工程を説明する。   Next, as a comparative example, a process of patterning the intermediate layer 9 and the lower photoresist layer 7 without trimming the upper resist pattern 9a will be described.

まず、図7Aに例示するように、上側レジストパターン9aをトリミングせずに、中間層8のエッチング用のマスクとしてそのまま使用し、中間層8をエッチングして中間層パターン8bを形成した後に、中間層パターン8bをオーバーエッチングする。続いて、図6Bに例示するように、上側レジストパターン9a、中間層パターン8bをマスクに使用して下層レジスト層7をエッチングして下層レジストパターン7bを形成する、その後に、下層レジスト層7をオーバーエッチングして下層レジストパターン7bの幅を狭くして細線化を図る。   First, as illustrated in FIG. 7A, the upper resist pattern 9a is used as it is as an etching mask for the intermediate layer 8 without trimming, and the intermediate layer 8 is etched to form the intermediate layer pattern 8b. The layer pattern 8b is over-etched. Subsequently, as illustrated in FIG. 6B, the lower resist layer 7 is etched by using the upper resist pattern 9a and the intermediate layer pattern 8b as a mask to form the lower resist pattern 7b. Over-etching is performed to narrow the width of the lower layer resist pattern 7b, thereby reducing the thickness.

そのような工程において、上側レジストパターン9aに覆われない領域での中間層8のエッチング開始からその下の下側フォトレジスト層7の上面が露出するまでのエッチング時間を100%とする。この場合、その後の中間層パターン8bのオーバーエッチングとCDシフト量の関係は、図8に例示する試験結果となる。ところで、オーバーエッチングにより要求されるパターン幅の調整は例えば10nm程度である。従って、図8によれば、中間パターン8bのCDシフト量を10nmにするためには、中間層8のオーバーエッチングを192%とすることになり、スループットが低下する。従って、オーバーエッチングによりCDシフト量を調整することは現実的ではない。なお、本実施形態では、中間パターン8aの形成後にオーバーエッチングを施しているが、そのような長い時間ではない。   In such a process, the etching time from the start of etching of the intermediate layer 8 in the region not covered by the upper resist pattern 9a to the exposure of the upper surface of the lower photoresist layer 7 below is 100%. In this case, the relationship between the subsequent overetching of the intermediate layer pattern 8b and the CD shift amount is the test result illustrated in FIG. Incidentally, the adjustment of the pattern width required by over-etching is, for example, about 10 nm. Therefore, according to FIG. 8, in order to set the CD shift amount of the intermediate pattern 8b to 10 nm, the overetching of the intermediate layer 8 is set to 192%, and the throughput is lowered. Therefore, adjusting the CD shift amount by overetching is not practical. In this embodiment, overetching is performed after the formation of the intermediate pattern 8a, but it is not such a long time.

また、中間層パターン8bをマスクに使用して下層レジスト層7のエッチングを開始し
、その後にポリシリコン膜6が露出するまでのエッチング時間を100%とし、その後に続くオーバーエッチングとCDシフト量の関係を調べると図9のようになる。ここでオーバーエッチングにより要求されるパターン幅の調整は10nm程度であり、CDシフト量を10nm増加させるためには、オーバーエッチングを130%にする必要がある。なお、本実施形態では、下側レジストパターン7aの形成後にオーバーエッチングを施すが、そのような長い時間ではない。
Further, the etching of the lower resist layer 7 is started using the intermediate layer pattern 8b as a mask, and then the etching time until the polysilicon film 6 is exposed is set to 100%. The relationship is examined as shown in FIG. Here, the adjustment of the pattern width required by over-etching is about 10 nm, and in order to increase the CD shift amount by 10 nm, it is necessary to set the over-etching to 130%. In this embodiment, overetching is performed after the formation of the lower resist pattern 7a, but it is not such a long time.

オーバーエッチング時間を長くすると下側レジストパターン7bの幅は狭くなるが、そのパターンの側面は逆テーパ状になり断面は図7Cに示すように逆台形形状となる。この逆台形形状の下側レジストパターン7bをマスクに使用してポリシリコン膜6をエッチングすると、図7Cの波線に示すようにゲート電極6gの上部形状が斜めになり、矩形形状にならなくなってしまう。よって、下層レジスト層7のオーバーエッチングによる線幅制御は好ましくない。   When the over-etching time is lengthened, the width of the lower resist pattern 7b becomes narrower, but the side surface of the pattern becomes an inversely tapered shape and the cross section becomes an inverted trapezoidal shape as shown in FIG. 7C. When the polysilicon film 6 is etched using the lower resist pattern 7b of the inverted trapezoidal shape as a mask, the upper shape of the gate electrode 6g becomes oblique and does not become a rectangular shape as shown by the wavy line in FIG. 7C. . Therefore, line width control by over-etching of the lower resist layer 7 is not preferable.

また、下層レジストパターン7bを形成する場合に使用するSOガスとOガスの総流量を一定にし、さらにSOガスとOガスの流量の割合を変えると、図10に示す特性が得られる。図10において波線は、密パターン領域IのCDシフト量を示し、実線は、疎パターン領域IIのCDシフト量を示している。図10によれば、疎パターン領域のCDシフト量を10nm増加させるためには、SOガス流量を7.3sccm増加させる必要がある。また、図10によれば、SOガス流量の調整により密パターン領域Iと疎パターン領域IIのCDシフト量を一致させ、或いは近づけることができるが、オーバーエッチング量の調整も必要であり、一致するCDシフト量が所望の線幅になるとは限らない。従って、本実施形態に従って、上層レジストパター9aを上記の条件でトリミングすることにより、線幅を狭めるのが好ましい。 Further, when the total flow rate of SO 2 gas and O 2 gas used for forming the lower resist pattern 7b is made constant and the ratio of the flow rate of SO 2 gas and O 2 gas is changed, the characteristics shown in FIG. 10 are obtained. It is done. In FIG. 10, the wavy line indicates the CD shift amount of the dense pattern region I, and the solid line indicates the CD shift amount of the sparse pattern region II. According to FIG. 10, in order to increase the CD shift amount of the sparse pattern region by 10 nm, it is necessary to increase the SO 2 gas flow rate by 7.3 sccm. Further, according to FIG. 10, the CD shift amount of the dense pattern region I and the sparse pattern region II can be matched or brought close by adjusting the SO 2 gas flow rate. The CD shift amount to be performed does not necessarily become a desired line width. Therefore, it is preferable to narrow the line width by trimming the upper resist pattern 9a under the above conditions according to the present embodiment.

下層フォトレジスト層7のエッチングに使用するOとSOの合計のガス流量を一定にして、SOガスの流量とCDシフト量の関係を示すと、図11に示すようになる。図11において、一点鎖線と二点鎖線はそれぞれOとSOの流量比をSO/O=x/(45−x)とした場合を示し、実線はOとSOの流量比をSO/O=x/(30−x)とした場合を示している。 FIG. 11 shows the relationship between the flow rate of the SO 2 gas and the CD shift amount with the total gas flow rate of O 2 and SO 2 used for etching the lower photoresist layer 7 being constant. In FIG. 11, the one-dot chain line and the two-dot chain line indicate the case where the flow rate ratio of O 2 and SO 2 is SO 2 / O 2 = x / (45−x), respectively, and the solid line is the flow ratio of O 2 and SO 2 . Is shown as SO 2 / O 2 = x / (30−x).

図11に示す一点鎖線と二点鎖線の特性線の傾きによれば、SOガスの流量変化に対するCDシフト量は、0.1sccm増やす毎に0.19〜0.20nm増加させることができる。これに対し、実線の特性線の傾きによれば、SOガスの流量変化に対するCDシフト量は、SOガスの流量を0.1sccmだけ増やす毎に0.14nm増加させることができるので、SOガスの流量調整によりCDシフト量の制御がしやすくなる。但し、Oの割合が低く過ぎると、その制御性は高くなるが、エッチング(トリミング)速度が低下するので、SOに対するOの流量を1〜2倍とすることが望ましい。 According to the slopes of the characteristic lines of the one-dot chain line and the two-dot chain line shown in FIG. 11, the CD shift amount with respect to the change in the flow rate of SO 2 gas can be increased by 0.19 to 0.20 nm for every 0.1 sccm increase. In contrast, according to the gradient of the solid characteristic line, CD shift to the flow rate change of the SO 2 gas, since it is possible to 0.14nm increasing the flow rate of the SO 2 gas to each increased by 0.1 sccm, SO The CD shift amount can be easily controlled by adjusting the flow rate of the two gases. However, if the ratio of O 2 is too low, the controllability is improved, but the etching (trimming) speed is reduced, so it is desirable that the flow rate of O 2 with respect to SO 2 is increased by 1 to 2 times.

ところで、上述のように、下層レジストパターン7aを形成した後のオーバーエッチングについて、素子分離絶縁層3のシリコン基板1からの突出量に応じて追加のオーバーエッチングするのは次の理由があるからである。   Incidentally, as described above, the over-etching after the formation of the lower resist pattern 7a is additionally over-etched according to the protrusion amount of the element isolation insulating layer 3 from the silicon substrate 1 for the following reason. is there.

シリコン基板1の上面の約50%以上を占める素子分離絶縁層3がシリコン基板1の上面から突出すると、シリコン基板1上のポリシリコン膜6の上面にはその下地の形状が反映して凹凸が現れる。また、下層フォトレジスト層7は、スピンコートで塗布されるためにその上面はほぼ平坦に形成される。このため、下層フォトレジスト層7の厚さは、素子分離絶縁層3上方の領域が他の領域に比べて薄くなる。   When the element isolation insulating layer 3 occupying about 50% or more of the upper surface of the silicon substrate 1 protrudes from the upper surface of the silicon substrate 1, the upper surface of the polysilicon film 6 on the silicon substrate 1 is reflected by the shape of the underlying layer to have irregularities. appear. Further, since the lower photoresist layer 7 is applied by spin coating, the upper surface thereof is formed almost flat. For this reason, the lower photoresist layer 7 is thinner in the region above the element isolation insulating layer 3 than in other regions.

素子分離絶縁層3の上端とシリコン基板1の上面が平坦である場合には、下層フォトレ
ジスト層7のエッチングが終了する時点で中間層パターン8aに覆われない全ての領域では下層フォトレジスト層8が実質的に残っていない。このため、図12の波線に示すようにエッチング終了の際に所定波長のプラズマ発光強度は急激に低下するので、オーバーエッチングが本来の時間で済むことになる。
In the case where the upper end of the element isolation insulating layer 3 and the upper surface of the silicon substrate 1 are flat, the lower photoresist layer 8 is not covered by the intermediate layer pattern 8a when etching of the lower photoresist layer 7 is completed. There is virtually no remaining. For this reason, as shown by the wavy line in FIG. 12, the plasma emission intensity of the predetermined wavelength rapidly decreases at the end of the etching, so that the over-etching can be completed in the original time.

これに対し、素子分離絶縁層3がシリコン基板1から突出する場合には、中間層パターン8aに覆われない領域では、下層フォトレジスト層7のエッチングが進むにつれ、最初に素子分離絶縁層3上方の領域でポリシリコン膜6が露出する。これに続いて、その他の領域のポリシリコン膜6が露出する。このため、図12の実線に示すように、素子分離絶縁層3の上方のポリシリコン膜6が露出してからその他の領域のポリシリコン膜6が露出するまで、プラズマ発光強度が緩やかに低下し続ける。
このため、プラズマ発光強度の低下開始後に、素子分離絶縁層3の突出量に合わせた時間で追加のオーバーエッチングを施した後に、本来のオーバーエッチングを所定時間だけ施すと、その突出が無い場合と同様のCDシフト量が得られる。なお、オーバーエッチングの際には、SOガス流量の割合よりもOガス流量の割合を大きくする。例えば、O流量を例えば20sccm、SO流量を例えば10sccmとする。
On the other hand, when the element isolation insulating layer 3 protrudes from the silicon substrate 1, in the region that is not covered with the intermediate layer pattern 8a, as the etching of the lower photoresist layer 7 proceeds, the element isolation insulating layer 3 is first The polysilicon film 6 is exposed in this region. Following this, the polysilicon film 6 in other regions is exposed. Therefore, as shown by the solid line in FIG. 12, the plasma emission intensity gradually decreases until the polysilicon film 6 in the other region is exposed after the polysilicon film 6 above the element isolation insulating layer 3 is exposed. to continue.
For this reason, after the start of the decrease in the plasma emission intensity, after performing additional over-etching in a time corresponding to the protruding amount of the element isolation insulating layer 3, if the original over-etching is performed for a predetermined time, there is no protrusion. A similar CD shift amount can be obtained. In the over-etching, the O 2 gas flow rate is set larger than the SO 2 gas flow rate. For example, the O 2 flow rate is set to 20 sccm, for example, and the SO 2 flow rate is set to 10 sccm, for example.

図13は、追加のオーバーエッチングを入れない場合の素子分離絶縁層3の突出量とCDシフト量の関係を示し、突出量が大きいほど、CDシフト量は小さくなってオーバーエッチングが不足することを示している。   FIG. 13 shows the relationship between the protrusion amount of the element isolation insulating layer 3 and the CD shift amount when no additional overetching is performed. The larger the protrusion amount, the smaller the CD shift amount becomes, and the overetching becomes insufficient. Show.

ところで、上層レジストパターン9aのトリミングと、中間層8及び下層フォトレジスト層7のエッチングに使用する装置としては、図2に示すようなICPエッチング装置に限られるものではない。例えば、平行平板型プラズマエッチング装置を使用してもよい。平行平板型プラズマエッチング装置では、チャンバー内に配置される上部電極には例えば50〜150MHzの高周波電源を接続される。また、そのチャンバー内で基板が載せられる側の下部電極には、数約kHz〜十数MHzの高周波電源が接続されるが、上層レジストパターン9aのトリミングの際には、下部電極への高周波電力の供給は切断され、中間層8、下層フォトレジスト層7のそれぞれのエッチング時には接続される。   By the way, the apparatus used for trimming the upper resist pattern 9a and etching the intermediate layer 8 and the lower photoresist layer 7 is not limited to the ICP etching apparatus as shown in FIG. For example, a parallel plate type plasma etching apparatus may be used. In the parallel plate type plasma etching apparatus, a high frequency power source of 50 to 150 MHz, for example, is connected to the upper electrode disposed in the chamber. In addition, a high frequency power source of about several kHz to several tens of MHz is connected to the lower electrode on the side on which the substrate is placed in the chamber. When trimming the upper resist pattern 9a, the high frequency power to the lower electrode is connected. Is cut off and connected during etching of the intermediate layer 8 and the lower photoresist layer 7.

また、静電チャックが大きく温度可変できる装置を使用する場合には、1つのチャンバー内でトリミングからポリシリコンエッチングまで一括処理も可能である。その際の最適温度は上記と同様に処理すればよい。   Further, when using an apparatus that can greatly change the temperature of the electrostatic chuck, batch processing from trimming to polysilicon etching can be performed in one chamber. What is necessary is just to process the optimal temperature in that case similarly to the above.

ここで挙げた全ての例および条件的表現は、発明者が技術促進に貢献した発明および概念を読者が理解するのを助けるためのものであり、ここで具体的に挙げたそのような例および条件に限定することなく解釈され、また、明細書におけるそのような例の編成は本発明の優劣を示すこととは関係ない。本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それに対して種々の変更、置換および変形を施すことができると理解される。   All examples and conditional expressions given here are intended to help the reader understand the inventions and concepts that have contributed to the promotion of technology, such examples and It is interpreted without being limited to the conditions, and the organization of such examples in the specification is not related to showing the superiority or inferiority of the present invention. While embodiments of the present invention have been described in detail, it will be understood that various changes, substitutions and variations can be made thereto without departing from the spirit and scope of the invention.

次に、本発明の実施形態について特徴を付記する。
(付記1) 半導体基板の上方に下層フォトレジスト層、無機材料の中間層、上層フォトレジスト層を順に形成する工程と、前記上層フォトレジスト層をパターニングして上層レジストパターンを形成する工程と、前記半導体基板をエッチング用チャンバー内の下部電極の上に設置する工程と、前記エッチング用チャンバー内に二酸化硫黄ガス、酸素ガスを有する第1反応ガスを導入してプラズマを発生させるとともに前記下部電極への高周波電力の供給を切断し、前記上層レジストパターンをトリミングする工程と、前記エッチング用チャンバー内の前記第1反応ガスを第2反応ガスに置換するとともに前記下部電極に前記高周波電力を供給し、前記上層レジストパターンをマスクに使用し、前記中間層をエッ
チングして中間層パターンを形成する工程と、前記エッチング用チャンバー内の第2反応ガスを第3反応ガスに置換してプラズマを発生させるとともに前記下部電極に前記高周波電力を供給し、前記中間層パターンをマスクに使用し、前記下層フォトレジスト層をエッチングして下層レジストパターンを形成する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
(付記2) 前記第3反応ガスは、二酸化硫黄、酸素を有するガスであることを特徴とする付記1に記載の半導体装置の製造方法。
(付記3) 前記第1反応ガスには不活性ガスが含まれていることを特徴とする付記1又は付記2に記載の半導体装置の製造方法。
(付記4) 前記下層フォトレジスト層の下に形成される被パターニング膜は、少なくとも前記下層レジストパターンをマスクにしてエッチングされる工程を含むことを特徴とする付記1乃至付記3のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
(付記5) 前記被パターニング膜のエッチング時の前記半導体基板の第1温度は、前記上層レジストパターンのトリミング時の前記半導体基板の第2温度よりも高く設定されることを特徴とする付記4に記載の半導体装置の製造方法。
(付記6) 前記第2温度は、15℃〜45℃であることを特徴とする付記5に記載の半導体装置の製造方法。
(付記7) 前記エッチング用チャンバー内に導入される前記酸素のガス流量は、前記二酸化硫黄のガス流量の1〜2倍であることを特徴とする付記1乃至付記6のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
(付記8) 前記上層フォトレジスト層は、ArFレーザーにより露光される材料から形成されることを特徴とする付記1乃至付記7のいずれか1つに記載の半導体装置の製造方法。
(付記9) 前記下部電極と前記半導体基板の間には静電チャックが配置されていることを特徴とする付記1乃至付記8のいずか1つに記載の半導体装置の製造方法。
Next, features of the embodiment of the present invention will be described.
(Additional remark 1) The process of forming a lower layer photoresist layer, the intermediate | middle layer of an inorganic material, and an upper layer photoresist layer in order above a semiconductor substrate, the process of patterning the said upper layer photoresist layer, and forming the upper layer resist pattern, Placing a semiconductor substrate on the lower electrode in the etching chamber; introducing a first reactive gas having sulfur dioxide gas and oxygen gas into the etching chamber to generate plasma; Cutting the supply of high-frequency power and trimming the upper layer resist pattern; replacing the first reaction gas in the etching chamber with a second reaction gas; and supplying the high-frequency power to the lower electrode; Using the upper layer resist pattern as a mask, the intermediate layer is etched to form the intermediate layer pattern. Forming a plasma by generating a plasma by replacing the second reaction gas in the etching chamber with a third reaction gas, and using the intermediate layer pattern as a mask, And a step of etching the lower photoresist layer to form a lower resist pattern.
(Additional remark 2) The said 3rd reaction gas is a gas which has sulfur dioxide and oxygen, The manufacturing method of the semiconductor device of Additional remark 1 characterized by the above-mentioned.
(Additional remark 3) The manufacturing method of the semiconductor device of Additional remark 1 or Additional remark 2 characterized by the inert gas being contained in the said 1st reaction gas.
(Additional remark 4) Any one of Additional remark 1 thru | or Additional remark 3 characterized by the to-be-patterned film formed under the said lower layer photoresist layer including the process etched at least using the said lower layer resist pattern as a mask The manufacturing method of the semiconductor device as described in any one of.
(Supplementary note 5) The supplementary note 4 is characterized in that the first temperature of the semiconductor substrate during etching of the film to be patterned is set higher than the second temperature of the semiconductor substrate during trimming of the upper resist pattern. The manufacturing method of the semiconductor device of description.
(Additional remark 6) The said 2nd temperature is 15 to 45 degreeC, The manufacturing method of the semiconductor device of Additional remark 5 characterized by the above-mentioned.
(Appendix 7) The gas flow rate of the oxygen introduced into the etching chamber is 1 to 2 times the gas flow rate of the sulfur dioxide, according to any one of appendices 1 to 6. Semiconductor device manufacturing method.
(Additional remark 8) The said upper layer photoresist layer is formed from the material exposed by ArF laser, The manufacturing method of the semiconductor device as described in any one of additional remark 1 thru | or appendix 7 characterized by the above-mentioned.
(Supplementary note 9) The method for manufacturing a semiconductor device according to any one of supplementary notes 1 to 8, wherein an electrostatic chuck is arranged between the lower electrode and the semiconductor substrate.

1 シリコン基板(半導体基板)
3 素子分離絶縁層
4a〜4f Pウェル
5 ゲート絶縁膜
6 ポリシリコン(被エッチング膜)
6a〜6f ゲート電極
7 下層フォトレジスト層
8 中間層
9 上層フォトレジスト層
10a〜10f サイドウォール
11a、12a、13a、14a、15a、16a n型エクステンション領域
11b、12b、13b、14b、15b、16b n型エクステンション領域
51 ICPエッチング装置
52 チャンバー
53 石英板
54 誘導コイル
55 RFソース電源
56 下部電極
57 RFバイアス電源
58 静電チャック
60 石英窓
61 ガス源
1 Silicon substrate (semiconductor substrate)
3 element isolation insulating layers 4a to 4f P well
5 Gate insulating film 6 Polysilicon (film to be etched)
6a to 6f Gate electrode 7 Lower photoresist layer 8 Intermediate layer 9 Upper photoresist layer 10a to 10f Side walls 11a, 12a, 13a, 14a, 15a, 16a n-type extension regions 11b, 12b, 13b, 14b, 15b, 16b n Mold extension region 51 ICP etching device 52 chamber 53 quartz plate 54 induction coil 55 RF source power source 56 lower electrode 57 RF bias power source 58 electrostatic chuck 60 quartz window 61 gas source

Claims (5)

半導体基板の上方に下層フォトレジスト層、無機材料の中間層、上層フォトレジスト層を順に形成する工程と、
前記上層フォトレジスト層をパターニングして上層レジストパターンを形成する工程と、
前記半導体基板をエッチング用チャンバー内の下部電極上に設置する工程と、
前記エッチング用チャンバー内に二酸化硫黄ガス、酸素ガスを有する第1反応ガスを導入してプラズマを発生させるとともに前記下部電極への高周波電力の供給を切断し、前記上層レジストパターンをトリミングする工程と、
前記エッチング用チャンバー内の前記第1反応ガスを第2反応ガスに置換するとともに前記下部電極に前記高周波電力を供給し、前記上層レジストパターンをマスクに使用し、前記中間層をエッチングして中間層パターンを形成する工程と、
前記エッチング用チャンバー内の第2反応ガスを第3反応ガスに置換してプラズマを発生させるとともに前記下部電極に前記高周波電力を供給し、前記中間層パターンをマスクに使用し、前記下層フォトレジスト層をエッチングして下層レジストパターンを形成する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
Forming a lower photoresist layer, an intermediate layer of an inorganic material, and an upper photoresist layer in order above the semiconductor substrate;
Patterning the upper photoresist layer to form an upper resist pattern;
Placing the semiconductor substrate on a lower electrode in an etching chamber;
Introducing a first reactive gas containing sulfur dioxide gas and oxygen gas into the etching chamber to generate plasma and cutting off the supply of high-frequency power to the lower electrode, and trimming the upper resist pattern;
The first reaction gas in the etching chamber is replaced with a second reaction gas, the high frequency power is supplied to the lower electrode, the upper layer resist pattern is used as a mask, and the intermediate layer is etched to form an intermediate layer Forming a pattern;
The second reaction gas in the etching chamber is replaced with a third reaction gas to generate plasma, the high-frequency power is supplied to the lower electrode, the intermediate layer pattern is used as a mask, and the lower photoresist layer Etching to form a lower resist pattern,
A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記第3反応ガスは、二酸化硫黄、酸素を有するガスである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。   The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the third reaction gas is a gas containing sulfur dioxide and oxygen. 前記下層フォトレジスト層の下に形成される被パターニング膜は、少なくとも前記下層レジストパターンをマスクにしてエッチングされる工程を含むことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体装置の製造方法。   3. The semiconductor device manufacturing method according to claim 1, wherein the film to be patterned formed under the lower photoresist layer includes a step of etching using at least the lower resist pattern as a mask. Method. 前記被パターニング膜のエッチング時の前記半導体基板の第1温度は、前記上層レジストパターンのトリミング時の前記半導体基板の第2温度よりも高く設定されることを特徴とする請求項3に記載の半導体装置の製造方法。   4. The semiconductor according to claim 3, wherein a first temperature of the semiconductor substrate during etching of the patterning film is set higher than a second temperature of the semiconductor substrate during trimming of the upper layer resist pattern. Device manufacturing method. 前記第2温度は、15℃〜45℃であることを特徴とする請求項4に記載の半導体装置の製造方法。   The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the second temperature is 15 ° C. to 45 ° C. 6.
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