JP3485501B2 - 同位置でのポリマー堆積とエッチングによりマスクの等価臨界寸法を減少する方法 - Google Patents

同位置でのポリマー堆積とエッチングによりマスクの等価臨界寸法を減少する方法

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Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造におけ
る臨界寸法(critical dimension;
CD)を減らす方法に係り、特に、マスクの同位置での
ポリマー堆積とエッチングの進行により、マスクの等価
臨界寸法(equivalent critical
dimension)を減少する方法に関する。 【0002】 【従来の技術】臨界寸法は半導体素子製造における相当
重要な鍵となる因子であり、それはリソグラフィー工程
で完成する最少線幅を代表する。明らかに、半導体製品
の寸法の不断の縮小化により、臨界寸法も縮小されてい
る。 【0003】周知の技術において、臨界寸法を縮小する
方法は、以下の三つに分けられる。即ち、リソグラフィ
ー方法、ホトレジスト熱リフロー方法及びポリマー堆積
方法である。そのうち、リソグラフィー方法は、直接マ
スクのリソグラフィーを縮小することにより半導体製品
の臨界寸法を縮小する方法であり、その他の二つの方法
は、ホトレジストの臨界寸法を縮小することにより半導
体製品の寸法を縮小する方法である。 【0004】リソグラフィー方法は伝統的な方法であ
り、図1に示されるように、第1光源からの光101が
マスク10のパターンを全て基板12の上のホトレジス
ト11に転写し、このマスク10の臨界寸法(W1)は
ホトレジスト11の臨界寸法(W2)に等しい。リソグ
ラフィー方法の精神は、光の波長を低くして回折効果を
抑制し、即ち光の波長を低くすることでその解析度を改
善することにある。例えば、0.3ミクロンの臨界寸法
は波長365nmに対応し、0.2ミクロンの臨界寸法
は波長248nmに対応し、0.18ミクロンの臨界寸
法は波長193nmに対応する。図2に示されるよう
に、第1光源がより短い波長を形成可能な第2光源に交
換され、第2光源からの光102がマスク105のパタ
ーンを全て基板125の上のホトレジスト115に転写
すると、マスク105の臨界寸法(W3)はホトレジス
ト115の臨界寸法(W4)に等しくなる。このとき、
光102の波長は光101の波長より小さく、ゆえにマ
スク105の臨界寸法(W3)はマスク10の臨界寸法
(W1)より小さくなる。 【0005】ところで波長の短縮には二つの避けられな
い欠点があった。その一つは、焦点深さと波長が正比例
をなし、ホトレジストの厚さが非常に厚いと、波長の短
縮によりホトレジストの凹構造の不均一がもたらされ、
且つリソグラフィー工程の生産能力に影響が生じる点で
ある。もう一つは、比較的短い波長の光源の製造は難し
くまた高価であり時間がかかり、且つ新しい短い波長の
光源のために新たに全体のリソグラフィーシステムを設
計しなおす必要がある点である。 【0006】周知の技術において、前述した避けられな
い欠点に対して以下の2種類の改善されたリソグラフィ
ー方法が提供されている。その一つは、位相転移マスク
法(phase shift mask metho
d)であり、もう一つは偏軸式光源法(off−axi
sillumination method)である。
これら2種類の方法はいずれもマスクの特性、例えば構
造と位置を改善することによりホトレジストの臨界寸法
を縮小しており、光の波長を減少する必要がない。 【0007】簡単に言うと、位相転移式マスク法は、ホ
トマスクの上に位相転移層を形成することによりマスク
の解析度を改善して光の建設性干渉を向上し、光の破壊
性干渉を減少している。偏軸式光源法は、光とマスクの
間の角度を改変することでゼロオーダ(zero or
der)の回折光のホトレジストへの垂直投射を回避
し、且つ異なる回折光の間の角度を改変している。あき
らかに、位相転移マスク法と偏軸式光源法はいずれも一
つの主要な困難な問題を有しており、それは即ち必要と
するリソグラフィーシステムが相当に複雑で高価なこと
である。 【0008】ホトレジスト熱リフロー法は、ツーステッ
プの方法であり、該方法においては比較的大きな臨界寸
法のマスクにより比較的小さい臨界寸法のホトレジスト
を形成する。まず、図3に示されるように、ある特定な
光源より放射される光133でマスク13のパターンを
基板15の上のホトレジスト14に転写する。続いて、
ホトレジスト14に熱処理を進行し、ホトレジスト14
を溶融させて再分布(re−distributed)
させ、図4に示される状態となす。図3と図4を較べる
と、明らかに、熱処理工程期間に、再分布されたホトレ
ジスト14がホトレジスト中14に位置する各一つの
構造16中に填入され、ホトレジスト14の臨界寸法が
マスク13の臨界寸法以下となる。比較的小さい臨界寸
法は、もとのホトレジスト14の臨界寸法とは異なり、
比較的小さい臨界寸法のマスクと同様の効果を達成する
臨界寸法であり、ゆえに「等価臨界寸法」と称する。即
ち、ホトレジスト14の「等価臨界寸法」は、ホトレジ
スト熱リフロー法を未実施の時の、ホトレジスト14の
臨界寸法より小さい。 【0009】ポリマー堆積法は、もう1種類の比較的大
きな臨界寸法のマスクにより比較的小さい等価臨界寸法
のホトレジストを形成するツーステップ方法である。ま
ず、特定光源からの光175を使用して、マスク17の
パターンを基板19の上のホトレジスト18に転写し、
図5に示される状態となす。次に図6に示されるよう
に、ホトレジスト18の上にポリマー層193を形成
し、そのうち、ポリマー層193はホトレジスト18の
各一つの構造196中にも填入する。これにより、ポリ
マー層193によりホトレジスト18の臨界寸法を減少
し、効果が良好な「等価臨界寸法」となす。このほか、
ポリマー層193を形成するのに使用可能な方法はCV
D法である。 【0010】もちろん、上述の2種類のツーステップ方
法はいずれも未克服の欠点を有していた。 【0011】ホトレジスト熱リフロー法の欠点は、熱処
理プロセスの進行と再分布したホトレジストの凹構造1
7の輪郭の制御が非常に難しいことと、工程ステップ数
が増加することである。 【0012】これに較べ、ポリマー堆積法の欠点は、後
続のエッチング工程の効率が、凹構造196の底部のポ
リマー層193により下がること、ポリマー層18が均
一に分布しにくいこと、及び半導体工程の生産能力がポ
リマー層193の製造ステップにより下がることであ
る。 【0013】あきらかに、光の波長を下げない状況で、
比較的大きな臨界寸法のマスクにより比較的小さい臨界
寸法のホトレジストを形成するツーステップ方法の利点
により、上述の欠点が改善される。 【0014】以上の説明を根拠とし、臨界寸法の縮減は
半導体素子製造工程における一つの重要な作業であり、
臨界寸法を縮小可能であるだけでなく、さらに周知の技
術の欠点を回避できる方法の開発が、早急な解決を要す
る課題とされている。 【0015】 【発明が解決しようとする課題】本発明の主要な目的
は、有効に半導体素子の臨界寸法を縮減可能な方法を提
供することにある。 【0016】本発明のもう一つの目的は、比較的大きな
臨界寸法のマスクにより比較的小さい臨界寸法のホトレ
ジストを形成することにある。言い換えると、マスクの
臨界寸法を縮減することなく、ホトレジストの臨界寸法
を縮減することにより等価臨界寸法を縮減することにあ
る。 【0017】本発明のさらに一つの目的は、波長の比較
的短い光源及びリソグラフィーシステムの改善の困難さ
を回避することにある。 【0018】本発明のさらにまたもう一つの目的は、マ
スクのパターンを全て正確にホトレジストに転写した後
に、有効にホトレジストの臨界寸法を縮小することにあ
る。 【0019】本発明のもう一つの目的は、半導体素子の
臨界寸法を縮小できるだけでなく、半導体素子の製造に
おいて高い生産能力を維持できる方法を提供することに
ある。 【0020】 【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、同位
置でのポリマー堆積とエッチングによりマスクの等価
界寸法を減少する方法であって、該方法が、少なくとも
以下のステップ、即ち、パターンを具えたマスクを提供
するステップリソグラフィー工程により、該マスクの
該パターンを基板の上に位置するホトレジストに転写す
るステップ、該ホトレジストを具えた該基板を複数の独
立した電源を具えた一つのプラズマ反応器中に入れ、プ
ラズマのイオン密度と該プラズマのイオンエネルギー量
をそれぞれ調整して該基板と該ホトレジストを、該プラ
ズマ反応器内のプラズマと反応させるステップ、該プラ
ズマ反応器により同じ環境下で堆積工程とエッチング工
程を行ない、該ホトレジストの上にポリマー層を形成
し、並びに該パターンに対応し特定の高さ幅比を具えた
凹構造を形成し、該ポリマー層に突出状被覆を以て該凹
構造を被覆させると共に該凹構造の底部は被覆させず、
これにより、該凹構造の高さ幅比を該ポリマー層により
増加させると共に該ホトレジストの等価臨界寸法を縮小
させるステップ、以上を具備することを特徴とする、同
位置でのポリマー堆積とエッチングによりマスクの等価
臨界寸法を減少する方法としている 【0021】 【発明の実施の形態】本発明の方法は、少なくとも以下
のステップを包括する方法とし、即ち、マスクとリソグ
ラフィー工程により基板上にホトレジストを形成し、マ
スクのパターンを全て正確にホトレジストに転写するこ
とにより、マスクの臨界寸法をホトレジストの臨界寸法
と同じとなす、第1のステップ、独立電源を有する少な
くとも二つのプラズマ反応器を使用して、ホトレジスト
の上にポリマー層を形成し並びにそれをエッチングし、
そのうちプラズマのイオン密度とイオンエネルギー量を
異なる電源により調整する、第2のステップ、全ての電
源の電圧を調整してホトレジスト表面のポリマー層のエ
ッチング速度と堆積速度を等しくし、ホトレジストの任
意の凹構造の底部のポリマー層に対するエッチング速度
を堆積速度より大きくし、これにより、均一なポリマー
層を各一つの凹構造中に充填し、各凹構造の幅を有効に
減少させ、結果として、ホトレジストの臨界寸法を明ら
かにマスクの臨界寸法より小さくするステップ。なお、
このステップにおいて、ポリマー層は凹構造の底部に形
成されないため、ポリマー層が後続工程例えばエッチン
グの実行を邪魔しない。 【0022】明らかに、本発明の方法は、同位置にあっ
て、ホトレジストの上にポリマーを堆積し、それをエッ
チングすることにより、マスクの等価臨界寸法を縮小し
ている。 【0023】明らかに、本発明の提供する方法は、改良
したポリマー堆積法であり、その主要な改善点は、
(1)堆積とエッチングによりポリマー層を形成してい
ること、及び、(2)ホトレジスト中のどの構造の底
部にもポリマー層を形成しないこととされる。 【0024】当然、ホトレジストの臨界寸法縮小時に、
後続の任意の工程、例えばエッチングと堆積により小さ
い臨界寸法の半導体素子を形成できる。 【0025】 【実施例】まず、一つのマスク20を提供する。それ
は、複数の凹構造25に対応するパターンを具備し、マ
スク20のパターンは、少なくとも一つの半導体構造に
対応する。そのうち可能な半導体構造の種類は、少なく
とも、コンタクト、内部配線、及びゲート電極を含む。
なお、マスク20の臨界寸法はW5を以て示す。 【0026】次に、図7に示されるように、光源23か
らの光線22でリソグラフィー工程を進行し、マスク2
0のパターンの全てをホトレジスト21に転写する。そ
のうちホトレジスト21は基板24の上方を被覆する。
このホトレジスト21の各一つの構造25はそれぞれ
特定の高さと幅の比を有し、そのうち構造25の可能
な種類は、少なくとも、空隙、孔及び凹構造を含み、ホ
トレジスト21の臨界寸法はW6とされ、W6とW5は
同じ大きさとされる。このほか、基板24は少なくとも
一つの半導体素子を包括し、これは例えば、MOSトラ
ンジスタ、コンデンサ及び素子間分離構造とされる。ホ
トレジスト21の組成は、樹脂、感光剤及び溶剤を包括
し、ホトレジスト21の厚さは数オングストロームから
数ミクロンとされる。 【0027】第3に、ホトレジスト21を形成後の基板
24を複数の独立電源を具えたプラズマ反応器中に入
れ、基板24及びホトレジスト21を、プラズマ反応器
の発生するプラズマと反応させる。このプラズマ反応器
において、プラズマのイオン密度とプラズマのイオンエ
ネルギー量は異なる電源により制御される。 【0028】簡単に言うと、使用するプラズマ反応器の
種類は、誘導結合プラズマ反応器(inductive
ly coupled plasma reacto
r)とコンデンサ式結合プラズマ反応器(capaci
tively coupled plasma rea
ctor)を包括する。例えば、プラズマ反応器のイン
ダクタンスコイル或いはキャパシタ ンスプレートの発生
するRFエネルギーにより提供される電源が、プラズマ
のイオンの発生と密度の調整に用いられる。もう一つの
独立電源が、プラズマ反応器のカソードのRFエネルギ
ーにより提供されて、基板24の表面近くの直流バイア
ス電圧を発生及び調整するのに用いられる。 【0029】このほか、各一つの電源の電圧値とプラズ
マ反応器の作業条件は、少なくとも、マスク20のパタ
ーンのレイアウトとプラズマ反応器の種類により決定
し、現在、これらの変数と臨界寸法の間に通則なくして
提供可能である。 【0030】第4に、図8のように、プラズマ反応器に
よりホトレジスト21の上にポリマー層26を形成す
る。そのうち、ポリマー層26の材質は以下のグループ
より選択する。即ち、フッ化炭素、フッ化炭素水素及び
炭化物。 【0031】注意すべきことは、堆積工程とエッチング
工程の両者はプラズマ反応器中の同じ環境下で同時に進
行されることである。ホトレジスト21の表面のポリマ
ー層26の堆積速度は非常に速く、これに対して各一つ
構造25の内部のポリマー層26の堆積速度は緩慢
であり、且つホトレジスト21表面のポリマー層26の
エッチングは各一つの構造25の内部のポリマー層2
6のエッチング速度にほぼ等しい。これから明らかであ
るように、ポリマー層26は突出状被覆を以て各凹構造
25の開口に突出し、且つ各一つの構造25の底部を被
覆することがない。このため、各構造25の高さと幅
の比はポリマー層26の増加により、ホトレジスト21
の臨界寸法をホトレジスト21の上を被覆するポリマー
層26によりW6からW7に縮小しうる。 【0032】注意すべきは、同位置での堆積とエッチン
グ工程を進行する時、プラズマ反応器の内部圧力は低
く、直流バイアス電圧はゼロではないがしかし相当低
く、そのうち典型的な圧力は100ミリトールであると
いうことである。 【0033】以上の説明から分かるように、ホトレジス
トは改良したポリマー堆積方法を提供している。且つ最
も重要な改善は、プラズマ反応器によりポリマー層を形
成し、このプラズマ反応器が少なくとも二つの独立した
電源を有し、そのうち堆積工程とエッチング工程が同時
に進行され、これによりエッチング工程と堆積工程が調
整されて各構造25の底部がポリマーで被覆されず、
伝統的なポリマー堆積法の欠点を改善していることにあ
る。 【0034】明らかに、本発明の方法によりマスク20
の臨界寸法を縮小することなくホトレジストの臨界寸法
を縮小でき、即ち、ホトレジスト21の上でポリマー層
26を堆積及びエッチングすることにより、有効にマス
ク20の等価臨界寸法を減少している。 【0035】特記すべきこととして、各一つの電源の電
圧とプラズマ反応器の作業条件を調整することにより、
各一つの構造25の高さと幅の比の拡大百分率の制限を
100分の500となすことができ、言い換えると、ポ
リマー層26を有するホトレジスト21の等価臨界寸法
を、マスク20の臨界寸法の5分の1に接近させられる
ことがある。これにより例えば365nm、248nm
のよく見られる光源と、もともと0.3ミクロンから
0.5ミクロンの臨界寸法を有するマスクが、約0.1
ミクロンの臨界寸法の半導体素子の形成に使用可能とな
る。簡単にいうと、本発明により、光源を改良或いは発
展させることなく、有効に伝統的な半導体素子の臨界寸
法を縮小可能である。これにより、半導体工程のコスト
を下げることができる。 【0036】本発明のもう一つの優れた点は、各構造
25の底部がポリマー層26に被覆されないことであ
る。これによりポリマー層26を有するホトレジスト2
1を形成した後に、エッチング等の後続工程を進行して
半導体素子を形成する時に、後続工程がポリマー層26
により妨害されることがない。これに較べ、伝統的なポ
リマー堆積法は、ポリマーを各一つの構造の底部に堆積
しており、このため各一つの構造の底部のポリマーを基
板をエッチングする前に除く必要があり、且つエッチン
グ工程によりポリマーの臨界寸法が増加した。明らか
に、本発明の提供するこの優れた点は伝統的なポリマー
堆積法が提供できなかった点である。もちろん、改良後
のホトレジスト21の臨界寸法は各一つの、ポリマー層
26が填入された構造25の最も狭い凹構造の幅によ
り決定される。このためその前に構造25の底部にポ
リマー層26を形成しないという制限により、各一つの
ポリマー層26が填入される構造25の最も狭い凹構
の真下にはポリマー層26が形成されない。即ち、ポ
リマー層26の形成に対する制限が広くされている。 【0037】もちろん、本発明の重要な優れた点は、堆
積とエッチングの両方が同じ環境下でプラズマ反応器中
で進行され、臨界寸法が有効に減少される時、その後の
エッチングを同じプラズマ反応器により進行できること
である。言い換えると、工程ステップ数を増加すること
なく、且つ半導体素子の生産能力を高水準に維持でき
る。 【0038】第5に、図9に示されるように、ホトレジ
スト21の臨界寸法がすでにポリマー層26により有効
に減少された時、後続の工程、例えばエッチングにより
寸法がマスク20の臨界寸法より小さい半導体の凹構造
27を形成する。このほか、可能な半導体の凹構造27
の種類は、少なくとも、コンタクトの開口、プラグの開
口を包括する。 【0039】例えば、基板24を一層の誘電層で被覆
し、且つホトレジスト21をこの誘電層の上に形成した
場合、その後にホトレジスト21の臨界寸法をポリマー
層26により縮小する時、これらの電源の電圧を調整す
ることで直流バイアス電圧を増加してプラズマにより誘
電層をエッチングし、その後、誘電層内にコンタクトの
凹構造を形成する。このコンタクトの凹構造の幅はマス
ク20の臨界幅より小さい。そして最後にホトレジスト
21を除去する。 【0040】以上の実施例は本発明を説明するために提
示されたものであり、本発明の請求範囲を限定するもの
ではなく、本発明に基づきなされる細部の修飾或いは改
変であって、本発明の同じ効果を達成しうるものは、い
ずれも本発明の請求範囲に属するものとする。 【0041】 【発明の効果】本発明は、有効に半導体素子の臨界寸法
を縮減可能な方法を提供しており、その方法により、比
較的大きな臨界寸法のマスクにより比較的小さい臨界寸
法のホトレジストを形成でき、即ち、マスクの臨界寸法
を縮減することなく、ホトレジストの臨界寸法を縮減す
ることにより等価臨界寸法を縮減できる。また、本発明
の方法により、波長の比較的短い光源及びリソグラフィ
ーシステムの改善の困難さを回避でき、さらに、マスク
のパターンを全て正確にホトレジストに転写した後に、
有効にホトレジストの臨界寸法を縮小できる。さらに本
発明により、半導体素子の臨界寸法を縮小できるだけで
なく、半導体素子の製造において高い生産能力を維持さ
せる効果を提供できる。
【図面の簡単な説明】 【図1】周知の、光源の波長を下げることにより臨界寸
法を縮小する方法表示図である。 【図2】周知の、光源の波長を下げることにより臨界寸
法を縮小する方法表示図である。 【図3】周知の、ホトレジストの再リフローにより臨界
寸法を縮小する方法表示図である。 【図4】周知の、ホトレジストの再リフローにより臨界
寸法を縮小する方法表示図である。 【図5】周知の、ホトレジスト上を一層のポリマー層で
被覆することにより臨界寸法を縮小する方法表示図であ
る。 【図6】周知の、ホトレジスト上を一層のポリマー層で
被覆することにより臨界寸法を縮小する方法表示図であ
る。 【図7】本発明の望ましい実施例の臨界寸法縮小の異な
るステップ表示図であり、そのなかにはただマスクとホ
トレジストの一部パターンのみ表示されている。 【図8】本発明の望ましい実施例の臨界寸法縮小の異な
るステップ表示図であり、そのなかにはただマスクとホ
トレジストの一部パターンのみ表示されている。 【図9】本発明の望ましい実施例の臨界寸法縮小の異な
るステップ表示図であり、そのなかにはただマスクとホ
トレジストの一部パターンのみ表示されている。 【符号の説明】 100 マスク 101 第1光源からの光 102 第2光源からの光 105 マスク 11 ホトレジスト 12 基板 13 マスク 133 光 14 ホトレジスト 15 基板 16 構造 17 マスク 18 ホトレジスト 19 基板 193 ポリマー層 196 構造 20 マスク 21 ホトレジスト 22 光線 23 光源 24 基板 25 構造 26 ポリマー層 W1 マスク10の臨界幅 W2 ホトレジスト11の臨界幅 W3 マスク105の臨界幅 W4 ホトレジスト115の臨界幅 W5 マスク20の臨界幅 W6 ホトレジスト21の臨界幅 W7 ポリマー層26で被覆されたホトレジスト21の
臨界幅
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平8−236506(JP,A) 特開 平10−64886(JP,A) 特許2917993(JP,B2)

Claims (1)

  1. (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 同位置でのポリマー堆積とエッチングに
    よりマスクの等価臨界寸法を減少する方法であって、該
    方法が、少なくとも以下のステップ、即ち、パターンを具えたマスクを提供するステップリソグラフィー工程により、該マスクの該パターンを基
    板の上に位置するホトレジストに転写するステップ 、 該ホトレジストを具えた該基板を複数の独立した電源を
    具えた一つのプラズマ反応器中に入れ、プラズマのイオ
    ン密度と該プラズマのイオンエネルギー量をそれぞれ調
    整して該基板と該ホトレジストを、該プラズマ反応器内
    のプラズマと反応させるステップ、該プラズマ反応器により同じ環境下で堆積工程とエッチ
    ング工程を行ない、該ホトレジストの上にポリマー層を
    形成し、並びに該パターンに対応し特定の高さ幅比を具
    えた凹構造を形成し、該ポリマー層に突出状被覆を以て
    該凹構造を被覆させると共に該凹構造の底部は被覆させ
    ず、これにより、該凹構造の高さ幅比を該ポリマー層に
    より増加させると共に該ホトレジストの等価臨界寸法を
    縮小させるステップ、 以上を具備することを特徴とする、同位置でのポリマー
    堆積とエッチングによりマスクの等価臨界寸法を減少す
    る方法。
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