JP4138482B2 - コンタクトホールパターニングのための明視野イメージ反転 - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
この発明は一般的にコンタクトホールのパターニングに関し、より特定的には、コンタクトホールのパターニングのための明視野イメージ反転に関する。
【０００２】
【背景技術】
半導体の臨界寸法（ＣＤ）は、ますます小さくなっており、より高速でより小さくより強力な半導体素子に適応するようになっている。
【０００３】
コンタクトホールは半導体素子を形成するための重要な必需品である。典型的には、コンタクトホールは暗視野マスクおよびポジ型フォトレジストを使用して形成される。ポジ型フォトレジストは、典型的には、マトリックス成分、増感剤成分および溶剤成分を有する３成分素材であり、この３成分素材の特性は感光性成分の光化学変換によって溶解インヒビターの特性から溶解エンハンサーの特性へと変化する。たとえば、R.ウルフ(R. Wolf)著、「ＶＬＳＩ時代のシリコン処理(Silicon Processing for the VLSI Era)」、第１巻、４１８頁を参照されたい。
【０００４】
１００ナノメートル未満の寸法のコンタクトホールまたはビアといった非常に小さなコンタクトホール特徴を形成するための暗視野パターニングは、こうした非常に小さなサイズの範囲におけるＣＤ制御が良くないため、いくつかの問題を引き起こす。これは主に、暗視野マスクおよびポジ型フォトレジストを使用した小さなコンタクトホール特徴の解像度が、解像度限界および高いマスクエラー因子（ＭＥＦ）感度のため、制御困難であることに起因する。
【０００５】
【発明の開示】
したがって、この発明の一般的な目的は、半導体素子の小さなコンタクトホールを形成する改良された方法を提供することである。
【０００６】
この発明の好ましい実施例に従って、上記の目的は、半導体素子のコンタクトホールを形成する方法によって達成し得る。この方法は、基板上に層間誘電体層を形成し、次に層間誘電体層の上にポジ型レジストを形成するステップを含む。この方法は次に、明視野マスクを使用してポジ型レジストを照射するステップを含み、このマスクは通常のコンタクトマスクの極性が反転したものである（暗対明）。明視野マスクの寸法は半導体素子内に形成されるコンタクトホールの寸法とサイズが等しい。この方法はさらに、照射されたポジ型レジストを現像して、照射されたポジ型レジストを除去し、それにより層間誘電体層の上に残存しているポジ型レジストの一部分のみを残すステップを含む。この方法はさらに、スピン塗布によってネガ型レジストを塗布して、層間誘電体層を覆い、ポジ型レジストの一部分を覆わないようにするステップを含み、ネガ型レジストの上面は、ポジ型レジストの一部分の上面の少し下に延在する。この方法はまた、ネガ型レジストおよびポジ型レジストの一部分を投光照明露光にさらし、次に現像液を半導体素子に与えて、ポジ型レジストの一部分を除去するステップを含む。結果として、ポジ型レジストの一部分が以前に形成された場所にビアまたはコンタクトホールが形成される。
【０００７】
上記の目的はまた、半導体素子のコンタクトホールを形成するための方法によって達成され得る。この方法は、基板上に第１の層を形成し、次に第１の層の上にポジ型レジストを形成するステップを含む。この方法はまた、明視野マスクを使用してポジ型レジストを照射するステップを含み、明視野マスクの寸法は半導体素子内に形成されるコンタクトホールの寸法とサイズが等しい。この方法はさらに、照射されたポジ型レジストを現像液にさらして、照射されたポジ型レジストを除去し、それにより第１の層の上に残存しているポジ型レジストの一部分のみを残すステップを含む。この方法はさらに、スピン塗布によってネガ型レジストを塗布して、第１の層を覆い、ポジ型レジストの一部分を覆わないようにするステップを含み、ネガ型レジストの上面は、ポジ型レジストの一部分の上面の少し下に延在する。この方法はさらに、ネガ型レジストおよびポジ型レジストの一部分を露光するステップを含む。この方法はさらに、現像液を半導体素子に与えて、ポジ型レジストの一部分を溶解するステップを含む。結果として、ポジ型レジストの一部分が以前に形成された場所にコンタクトホールが形成される。
【０００８】
この発明のこれらのおよび他の目的ならびに利点は、以下の詳細な説明を、一貫して同じ参照番号が対応する部分を示す添付の図面と関連して読むと、より十分に明らかになるであろう。
【０００９】
【発明を実施するためのモード】
従来のリソグラフィープロセスの主な懸念は、このプロセスがコンタクトホールの形成における、特にサイズが１００ナノメートル（ｎｍ）またはそれ以下のコンタクトホールの形成におけるサイズの限界に達しているということである。先に説明したように、従来のコンタクトホールの形成には暗視野マスクおよびポジ型フォトレジストが使用され、これは解像度の限界および高いＭＥＦによる制御の困難をもたらす。
【００１０】
図１は、明視野ポストのＭＥＦを示し、図２は暗視野マスクのＭＥＦを示す。これらの２つの図はマスクの寸法に対するウェハの寸法の感度を示している。ＭＥＦの尺度は、グラフに印刷された線の式における第１の項により近似される線の傾斜である。暗視野マスクの変化は４．６倍大きいウェハ（レジスト）の変化につながる。明視野マスクの変化はウェハで１．７倍に拡大する。したがって、図１および２に示されたプロットからわかるように、ウェハ上でのコンタクトホールの変化量は、明視野マスクを使用すると暗視野マスクを使用したときに比べてかなり小さくなるであろう。図１および２に示されたデータは発明者によって行なわれた検査に基づいている。
【００１１】
この発明は、明視野（ＢＦ）マスクを使用してポジ型フォトレジストに小さな柱を形成することによって小さなコンタクトホールを形成する際の問題を克服し、それにより解像度およびＭＥＦは従来のリソグラフィープロセスに比べて向上する。さらに処理を施して、イメージを反転させると、十分に制御されたコンタクトホールパターンが形成される。明視野マスクは、マスクの大半が透明であり、マスクの小部分のみが不透明なマスクである。
【００１２】
次に、図３ａからｄを参照してこの発明を詳細に説明する。図３ａは、基板１００、層間誘電体層１１０およびポジ型フォトレジスト層１２０を含む半導体構造の断面図を示している。層間誘電体層１１０は、いかなる従来の低-k誘電体すなわちＳＩＬＫといった低誘電率の誘電体であってもよく、導電層間に非導電性シールドを与える。
【００１３】
図３ａに示されるように、明視野（ＢＦ）マスク１３０は半導体構造の上に設けられ、ポジ型フォトレジスト層１２０はＢＦマスク１３０の上に位置する光源からの光で照射されている。結果として、ポジ型フォトレジスト層１２０の大半は、ＢＦマスク１３０の直下の部分１２５を除いて露光される。典型的なマスクは透明の領域と不透明の領域とを含む。光はマスク全体に当たり、透明の領域を通りすぎて直下にある基板の領域に至るが、不透明の領域を通りすぎて直下にある基板の領域に至ることはない。
【００１４】
図３ｂは、ポジ型フォトレジスト層１２０が現像溶液と接触した後の半導体構造を示している。現像溶液は、ポジ型フォトレジスト層１２０の露光された部分を溶解するように作用し、層間誘電体層１１０の上に残存している小さな柱１４０のみを残す。ポジ型レジストを除去するためのいかなる種類の従来の現像溶液もこのステップで使用され得る。一般的に、柱１４０は環状の断面を有する必要はなく、その代わりに他の断面の形状を有してもよい。
【００１５】
図３ｃは、ネガ型フォトレジスト層１５０が小さな柱１４０のまわりに形成された後の半導体構造を示している。ネガ型フォトレジストは、ポジ型フォトレジストと正反対に作用するレジストであり、ネガ型フォトレジストの一部分は、露光されるときに硬化し、現像液の中に置かれたときに溶解しないであろう。ネガ型フォトレジストの露光されていない部分のすべては、硬化しないため現像液の中に置かれたときに溶解するであろう。
【００１６】
ＶＬＳＩ構造が小さくなるにつれて、ネガ型フォトレジストは典型的にはフォトリソグラフィーにおいて利用されなくなった。なぜなら、現像中にネガ型フォトレジストは膨張するため３マイクロメートル未満のＣＤには不適切になるからである。R. ウルフ著、「ＶＬＳＩ時代のシリコン処理」、第１巻、４２０頁を参照されたい。しかしながら、この発明は、新しい態様でネガ型フォトレジストを使用して、寸法が非常に小さいコンタクトホールを形成するための方法を提供する。
【００１７】
もう一度図３ｃを参照して、ネガ型フォトレジスト層１５０が形成され、その上面は小さな柱１４０（これはポジ型フォトレジスト構造である）の上面と実質的に同一平面になる。一構成において、ネガ型フォトレジスト層１５０が半導体構造にスピン塗布され、その上面は小さな柱１４０の上面の少し下（たとえば数十オングストロームだけ下）であり、それによりネガ型フォトレジスト層１５０の上面から延び出ている小さな柱１４０の突出部を残す。
【００１９】
図３ｃに示されるように、ネガ型フォトレジスト層１５０を含み、ポジ型レジストから形成される小さな柱１４０をも含む層が層間誘電体層１１０の上に結合層として設けられる。
【００２０】
図３ｄは、投光照明露光を受けた後、すなわち上面部全体が露光され、次に現像液にさらされた後の半導体構造を示している。図３ｄに示される構造に達するのに使用される現像液は、ポジ型フォトレジスト層１２０の大半を除去し、図３ｂに示される構造に達するのに使用されたのと同じ現像液でもよい。再び図３ｄを参照して、現像液がネガ型フォトレジスト層１５０に接触するときに、ネガ型フォトレジスト層は、以前に投光照明露光によって露光されているため、溶解されない。一方で、小さな柱１４０は、投光照明露光がその特質を変化させて現像液に溶解可能にしたため、（小さな柱１４０はポジ型フォトレジストから形成されるため）、現像液にさらされるときに溶解される。
【００２１】
結果として、円筒状孔１６０が残存し、この円筒状孔１６０は小さな柱１４０が以前に位置した（たとえば、小さな柱が現像液に溶解する前の）場所に形成される。孔１６０を囲むフォトレジスト層１５０は、次にレジストパターンとして使用され、半導体構造内に形成される、トランジスタのゲートへのコンタクトホールといった誘電体層１１０の小さなコンタクトホールをエッチングすることができる。この発明に従って、明視野マスクおよびポジ型フォトレジストが小さなサイズのコンタクトホールのレジストパターンの形成において使用されるため、コンタクトホールを正確で小さなサイズ（たとえば２００ナノメートル未満）に形成する際に、優れた制御を達成することができる。このような制御は、暗視野マスクを使用してコンタクトホールを形成する従来の方法では容易に達成されない。
【００２２】
この発明の目下好ましい実施例と考えられるものを示し、説明してきたが、当業者によって、この発明の真の範囲から逸脱することなく、さまざまな変化および変形がなされ得ることおよび等価物がこの発明の要素に代替し得ることが理解されるであろう。加えて、この発明の中心的な範囲から逸脱することなく、特定の状況または素材をこの発明の教示に順応させるために多くの変形がなされ得る。したがって、この発明は、この発明を実行するために考えられるベストモードとして開示された特定の実施例に限定されず、この発明は前掲の特許請求の範囲内に含まれるすべての実施例を含むことが意図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 明視野マスクを使用したポストの形成のＭＥＦのプロットである。
【図２】 暗視野マスクを使用したコンタクトの形成のＭＥＦのプロットである。
【図３ａ】 この発明のリソグラフィープロセスの断面図を示す。
【図３ｂ】 この発明のリソグラフィープロセスの断面図を示す。
【図３ｃ】 この発明のリソグラフィープロセスの断面図を示す。

Claims (8)

1. 半導体素子のコンタクトホールを形成する方法であって、
   基板（１００）上に層間誘電体層（１１０）を形成し、次に前記層間誘電体層の上にポジ型レジスト（１２０）を形成するステップと、
   明視野マスク（１３０）を使用して前記ポジ型レジストを照射し、照射されたポジ型レジスト層を形成するステップとを含み、前記明視野マスクは、前記半導体素子内に形成されるコンタクトホールに対応するパターンを有し、前記方法はさらに、
   前記ポジ型レジストを現像して、前記照射されたポジ型レジスト層を除去し、それにより前記層間誘電体層の上に残存している前記ポジ型レジストの一部分のみを残すステップと、
   スピン塗布によってネガ型レジスト（１５０）を塗布して、前記層間誘電体層を覆い、前記ポジ型レジストの一部分を覆わないようにするステップとを含み、前記ネガ型レジストの上面は、前記ポジ型レジストの一部分の上面の少し下に延在し、前記方法はさらに、
   前記ネガ型レジストおよび前記ポジ型レジストの一部分を投光照明露光にさらすステップと、
   現像液を前記半導体素子に与えて、前記ポジ型レジストの一部分を除去するステップとを含み、
   前記ポジ型レジストの一部分が以前に形成された場所にコンタクトホール（１６０）が形成される、半導体素子のコンタクトホールを形成する方法。
2. 前記ネガ型レジストの上面は、前記ポジ型レジストの一部分の上面の数十オングストローム下に延在する、請求項１に記載の方法。
3. 前記ネガ型レジストはネガ型フォトレジストである、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ポジ型レジストはポジ型フォトレジストである、請求項１または２に記載の方法。
5. 半導体素子のコンタクトホールを形成する方法であって、
   基板（１００）上に第１の層（１１０）を形成し、次に前記第１の層の上にポジ型レジスト（１２０）を形成するステップと、
   明視野マスク（１３０）を使用して前記ポジ型レジストを照射するステップとを含み、前記明視野マスクの寸法（１２５）は前記半導体素子内に形成されるコンタクトホール（１６０）の寸法とサイズが等しく、前記方法はさらに、
   前記照射されたポジ型レジストを現像液にさらして、前記照射されたポジ型レジストを除去し、それにより前記第１の層の上に残存している前記ポジ型レジストの一部分のみを残すステップと、
   スピン塗布によってネガ型レジスト（１５０）を塗布して、前記第１の層を覆い、前記ポジ型レジストの一部分を覆わないようにするステップとを含み、前記ネガ型レジストの上面は、前記ポジ型レジストの一部分の上面の少し下に延在し、前記方法はさらに、
   前記ネガ型レジストおよび前記ポジ型レジストの一部分を露光するステップと、
   現像液を前記半導体素子に与えて、前記ポジ型レジストの一部分を溶解するステップとを含み、
   前記ポジ型レジストの一部分が以前に形成された場所にコンタクトホール（１６０）が形成される、半導体素子のコンタクトホールを形成する方法。
6. 前記ネガ型レジストの上面は、前記ポジ型レジストの一部分の上面の数十オングストローム下に延在する、請求項５に記載の方法。
7. 前記ネガ型レジストはネガ型フォトレジストである、請求項５または６に記載の方法。
8. 前記ポジ型レジストはポジ型フォトレジストである、請求項５または６に記載の方法。

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