JP5259380B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

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Description

この発明は、半導体装置の製造方法に関する。
従来、露光技術の解像度の限界よりも微細なピッチを有するラインアンドスペースパターンを形成するための技術の一つとして、側壁加工プロセスの技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。側壁加工プロセスを用いて形成されたラインアンドスペースパターンには、側壁層形成に用いる芯材の形状誤差が要因となって、ライン部の位置ずれが生じる場合がある。側壁加工を用いて形成された下地パターンAと、下地パターンAに重ね合わせてパターンBを形成する場合に、従来の手法では、側壁加工プロセスが要因となる位置ずれが下地パターンA内に生じていても、下地パターンA及びパターンBの合わせずれが所定の合わせ規格に適合していれば、次工程へ流品されることとなる。下地パターンA内の位置ずれが考慮されない場合、歩留まりの劣化を引き起こす可能性が高くなる。また、側壁加工によって下地パターンAに生じる可能性がある位置ずれ分を上乗せし、下地パターンA及びパターンBの合わせ規格を一律に厳格化すると、合わせ精度が高い露光装置が必要となることにより、コスト増加を引き起こす。また、合わせ規格の厳格化により、リワーク率が悪化することになる。このようなことにより、生産性の低下が問題となる。
特開2002−280388号公報
本発明は、側壁加工プロセスを用いて形成されたラインアンドスペースパターンを備える構成について、生産性の向上を可能とする、半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
本願発明の一態様によれば、第1のピッチのライン部及びスペース部を備える第1の層を形成し、第1の層のライン部の側壁に第2の層を形成し、第1の層を除去することにより、第1のピッチより小さい第2のピッチのライン部及びスペース部を備える第2の層を残存させ、第2のピッチのライン部及びスペース部を備える第1のパターン構造体を形成し、第1のパターン構造体のスペース部のうち、第1の層のライン部に由来する第1のスペース部の幅と、第1の層のスペース部に由来する第2のスペース部の幅とから、第1のパターン構造体のライン部の位置ずれ量を計測し、第1のパターン構造体と、第1のパターン構造体に重ね合わせて形成される第2のパターン構造体との合わせ規格を、位置ずれ量に基づいて動的に補正し、第1のパターン構造体及び第2のパターン構造体の合わせずれが、補正後の合わせ規格に適合するか否かを判定することを含む、半導体装置の製造方法が提供される。
本発明によれば、生産性の向上が可能となるという効果を奏する。
以下に添付図面を参照して、この発明に係る半導体装置の製造方法の実施の形態を詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
図1〜図7は、半導体装置の製造工程のうち、側壁加工プロセスの手順を説明する断面模式図である。ここでは、配線材料からなるライン部を有する配線パターンを側壁加工プロセスにより形成する場合を例として説明する。図1に示す工程では、配線材料からなる被加工層11を形成した基板上に犠牲層12及びレジスト層13を形成し、レジスト層13をパターニングする。所望とする配線パターンのライン幅dに対して、レジスト層13のライン幅、スペース幅をいずれも2dとする。
図2に示す工程では、レジスト層13のライン幅が2dから半分のdとなるまで、スリミング加工を施す。スリミング加工により、レジスト層13は、ライン幅d、スペース幅3dとなる。ここで、レジスト層13のライン部及びスペース部のピッチを、第1のピッチp1とする。第1のピッチp1は、幅4dに相当する。なお、ライン幅d、スペース幅3dのレジスト層13は、スリミング加工を用いず直接パターニングすることにより形成しても良い。スリミング加工は、ライン幅d、スペース幅3dのパターンを直接形成することが困難である場合に有用である。図3に示す工程では、レジスト層13をマスクとして犠牲層12をパターニングする。これにより、第1のピッチp1のライン部及びスペース部を備える犠牲層12(第1の層)を形成する。
図4に示す工程では、被加工層11及び犠牲層12上に、側壁層14を成膜する。側壁層14の膜厚は、dとする。図5に示す工程では、犠牲層12の表面が露出するまで側壁層14をエッチバックすることにより、犠牲層12を芯材として、犠牲層12の側壁に幅dの側壁層14(第2の層)が形成される。側壁層14同士の間には、幅dのスペース部が形成される。図6に示す工程では、犠牲層12を除去することにより、側壁層14を残存させる。犠牲層12が除去された部分は、幅dのスペース部となる。側壁層14は、ライン幅及びスペース幅がいずれもdのラインアンドスペースパターンとなる。ここで、側壁層14のライン部及びスペース部のピッチを、第2のピッチp2とする。第2のピッチp2は、幅2dに相当し、第1のピッチp1の半分の長さとなる。
図7に示す工程では、側壁層14をマスクとして被加工層11をパターニングする。このようにして、第2のピッチp2のライン部及びスペース部を備える配線パターン構造体(第1のパターン構造体)を形成する。なお、第1のパターン構造体は、側壁加工プロセスにより絶縁層を形成したものであっても良い。この場合、被加工層11を絶縁性材料として上述と同様の手順により絶縁層を形成しても良く、絶縁性材料を用いて形成された側壁層14を絶縁層としても良い。絶縁層からなるラインアンドスペースパターンのうち、スペース部に配線材料層を形成することにより、配線パターン構造体を得られる。
図8及び図9は、側壁加工プロセスによって生じ得るライン部の位置ずれについて説明する図である。ここで、第1のパターン構造体のうち、第1の層である犠牲層12のスペース部に由来するスペースを第1のスペース部、犠牲層12のライン部に由来するスペース部を第2のスペース部とする。図8に示すグラフは、縦軸を第1のスペース部、第2のスペース部の幅、横軸をレジスト層13(図2参照)のライン部の幅としている。レジスト層13のライン幅は、例えばスリミング加工の加減によって誤差が生じる場合がある。レジスト層13のライン幅が大きくなると、犠牲層12のライン幅も大きくなる。犠牲層12のライン幅が大きい場合、第1のスペース部の幅は小さくなり、第2のスペース部の幅は大きくなる。レジスト層13のライン幅が小さくなると、犠牲層12のライン幅も小さくなる。犠牲層12のライン幅が小さい場合、第1のスペース部の幅は大きくなり、第2のスペース部の幅は小さくなる。このように、第1のパターン構造体における第2のピッチp2(図7参照)は必ずしも一定ではなく、ライン部の位置ずれによって変化することとなる。
図9に示すように、第1のパターン構造体のうちスペース部の中心位置C1は、レジスト層13のライン幅の誤差によるずれは生じない。これに対して、第1のパターン構造体のうちライン部の中心位置C2は、レジスト層13のライン幅の誤差により、ずれが生じることとなる。このため、レジスト層13のライン幅に誤差が無ければ第1のスペース部の幅Sx、第2のスペース部の幅Syは等しく適正な状態となるのに対して、レジスト層13のライン幅に誤差があれば第1のスペース部の幅Sx、第2のスペース部の幅Syが互いに異なる不適正な状態となる。
図10(a)、(b)は、第1のパターン構造体A及び第2のパターン構造体Bの重ね合わせと、第1のパターン構造体A内に生じたライン部の位置ずれとの関係を説明するものである。第2のパターン構造体Bは、第1のパターン構造体Aへの合わせ露光を用いて形成する。第2のパターン構造体Bは、例えば配線パターンに合わせて、第1のパターン構造体Aを含む全面を覆う絶縁膜中に形成されるコンタクトホールパターンである。図10(a)に示すように、第1のパターン構造体Aの第1のスペース部の幅Sxと、第2のスペース部の幅Syとが等しい場合、パターンを構成する要素の中心位置同士が一致するように重ね合わせることが可能となる。
これに対して、図10(b)に示すように、第1のパターン構造体Aの第1のスペース部の幅Sx、第2のスペース部Syの幅が互いに異なる不適正な状態である場合、パターンを構成する要素の中心位置同士にずれが生じることとなる。例えば、図示するように、第1のパターン構造体Aのライン部に対して第2のパターン構造体Bのホールが左にずれる部分と右にずれる部分とが交互に生じる。隣接する2つのライン部のうちの一方についてコンタクトホールと中心位置を合わせることとすると、他方のライン部についてはコンタクトホールとのずれが大きくなってしまう。
図11は、比較例である従来の製造工程の手順を説明するフローチャートである。ステップS1では、露光により、第1のパターン構造体Aのパターン(パターンA)における芯材を形成する。上述した側壁加工プロセスでは、芯材は、図3に示す犠牲層12である。ステップS2では、芯材を用いて以降の側壁加工プロセスを施す。これにより、第1のパターン構造体Aが形成される。
得られた第1のパターン構造体A上を含む全面に例えばコンタクトホールの形成されるべき絶縁膜を形成した後、ステップS3ではこの絶縁膜上にレジストを塗布し、合わせ露光により第2のパターン構造体Bのパターン(パターンB)をレジストに形成する。次に、ステップS4において、パターンAとパターンBとの合わせずれを計測する。ステップS5では、ステップS4において計測された合わせずれが合わせ規格(スペックY)に適合するか否かを判断する。合わせ規格に適合する場合(ステップS5、Yes)、ステップS6において次工程へ流品する。合わせ規格に適合しない場合(ステップS5、No)、ステップS3へ戻される(リワーク)。
第1のパターン構造体A内に生じた位置ずれは修正する手段が無く、また位置ずれ量は製造品ごとにばらつくこととなる。側壁加工によって生じる可能性がある位置ずれ分を上乗せして、ステップS5で用いる合わせ規格(スペックY)を一律に厳格化すると、ステップS3において合わせ精度が高い露光装置が必要となることで、コストが増加することとなる。
図12は、本発明の第1の実施の形態における製造工程の手順を説明するフローチャートである。ステップS11では、露光により、パターンAにおける芯材を形成する。ステップS12では、芯材を用いて以降の側壁加工プロセスを施す。これにより、第1のパターン構造体Aが形成される。次に、ステップS13において、第1のパターン構造体Aにおけるライン部の位置ずれ量を計測する。
位置ずれ量としては、図10(b)に示す第1のスペース部の幅Sxと、第2のスペース部の幅Syとの差分の絶対値|Sx−Sy|を用いる。位置ずれ量の計測には、例えば、走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope;SEM)、スキャットロメトリー、原子間力顕微鏡(Atomic Force Microscope;AFM)等を用いる。なお、ここでは、第1のスペース部、第2のスペース部の区別を要しない。
ステップS14では、計測された位置ずれ量に基づいて合わせ規格を補正する。補正後の合わせ規格(スペックZ’)は、例えば、側壁加工以外の通常の加工に用いられる合わせ規格(スペックZ)と位置ずれ量|Sx−Sy|との差分とする。位置ずれ量が無い場合(|Sx−Sy|=0)、スペックZ’はスペックZと一致し、位置ずれ量が存在し得る最大値である場合、スペックZ’は従来の側壁加工に用いられるスペックYに一致する。スペックYは、側壁加工によって生じる可能性がある位置ずれ量の最大値がスペックZに上乗せされた合わせ規格となる。
全面に絶縁膜を形成した後、ステップS15では、第1のパターン構造体Aにレジストを塗布し、合わせ露光によりパターンBを形成する。ステップS16では、パターンAとパターンBとの合わせずれを計測する。ステップS17では、ステップS16において計測された合わせずれがスペックZ’に適合するか否かを判断する。合わせずれがスペックZ’に適合する場合(ステップS17、Yes)、ステップS18において次工程へ流品し、レジストをマスクとしてコンタクトホールのパターンBを絶縁膜に転写する。スペックZ’に適合しない場合(ステップS17、No)、ステップS15へ戻される(リワーク)。
なお、位置ずれ量は製造品ごとに計測することとし、合わせ規格の補正は、製造品ごとの位置ずれ量に基づいて動的に補正する。合わせ規格の補正は、通常の加工に用いられる合わせ規格からの位置ずれ量の差し引きとする場合に限られず、他の手法、例えば、二乗平均平方根(Root Mean Square)などを用いても良い。スペックYに対して位置ずれ量|Sx−Sy|に応じた補正量を加算等することで合わせ規格を緩和しても良い。
本実施の形態によると、側壁加工プロセスによりラインアンドスペースを形成する場合の位置ずれを考慮した合わせずれの検査を可能とし、歩留まりを向上させる。また、合わせ規格の一律の厳格化を不要とすることによりリワーク率を低下させる。露光装置に求められる合わせ精度を抑制可能とすることで、コストの低減も可能となる。以上により、生産性が向上するという効果を奏する。本発明は、配線パターンにコンタクトホールパターンを重ね合わせる場合に限らず、ラインアンドスペースパターンにパターンを重ね合わせる構成の製造に、広く適用可能である。
(第2の実施の形態)
図13は、第2の実施の形態について説明する概念図である。本実施の形態は、第1のパターン構造体A上の複数の計測点における位置ずれ量に基づいて合わせ規格を補正することを特徴とする。例えば、図中上段左に示すように三つの計測点P1、P2、P3について位置ずれ量を計測した結果、レジストのスリミング加工の際のウェハ面内でのプロセスばらつき等に基づいて、上段右に示すように位置ずれ量が計測点P1、P3で大きく、計測点P2で小さかったとする。合わせ規格は、図中下段左に示す三つの計測点P1、P2、P3について、図中下段右に示すように計測点P1、P3で厳しく、計測点P2で緩くなるように、計測結果をそのまま反映させる。これにより、面内における位置ずれ量の大小に応じて、適切な合わせ規格への補正が可能となる。
本実施の形態では、位置ずれ量を計測した結果に基づいて、第1のパターン構造体A上の位置ごとの位置ずれ量を推測し、推測された位置ずれ量に基づいて合わせ規格を補正することとしても良い。位置ずれ量の推測には、例えば、複数の計測点における計測結果を用いた多項式近似を用いる。これにより、少ない計測点における計測結果を用いて、適切な合わせ規格への補正が可能となる。なお、多項式近似の他にも、従来用いられるいずれの手法により位置ずれ量を推測することとしても良い。
(第3の実施の形態)
図14は、第3の実施の形態における製造工程の手順を説明するフローチャートである。本実施の形態は、第2のパターン構造体Bを形成するための露光装置を、補正された合わせ規格に応じて選択することを特徴とする。ステップS21では、露光により、パターンAにおける芯材を形成する。ステップS22では、芯材を用いて以降の側壁加工プロセスを施す。これにより、第1のパターン構造体Aが形成される。次に、ステップS23において、第1のパターン構造体Aにおけるライン部の位置ずれ量を計測する。
ステップS24では、計測された位置ずれ量に基づいて合わせ規格を補正する。ステップS25では、パターンAにパターンBを合わせ露光するための露光装置を、補正された合わせ規格に応じて複数の露光装置から選択する。例えば、図15に示すように、四つの露光装置A、B、C、Dを予め用意する。用意される露光装置は、例えば、適した合わせ精度についての特性差が装置ごとに存在している。露光装置は、位置ずれ量に基づいて補正された合わせ規格(スペックZ’)に必要な合わせ精度に応じて選択される。本実施の形態では、スペックZ’に応じて最適な特性を持つ露光装置Bが選択されたとする。
全面に絶縁膜を形成した後、ステップS26では、第1のパターン構造体Aにレジストを塗布し、露光装置Bを用いた合わせ露光によりパターンBを形成する。ステップS27では、パターンAとパターンBとの合わせずれを計測する。ステップS28では、ステップS27において計測された合わせずれがスペックZ’に適合するか否かを判断する。合わせずれがスペックZ’に適合する場合(ステップS28、Yes)、ステップS29において次工程へ流品する。スペックZ’に適合しない場合(ステップS28、No)、ステップS26へ戻される(リワーク)。本実施の形態では、補正された合わせ規格に適した露光装置を適宜選択可能とすることで、パターンBの形成の効率化が可能となり、生産性の向上を図れる。
側壁加工プロセスの手順を説明する断面模式図である。 側壁加工プロセスの手順を説明する断面模式図である。 側壁加工プロセスの手順を説明する断面模式図である。 側壁加工プロセスの手順を説明する断面模式図である。 側壁加工プロセスの手順を説明する断面模式図である。 側壁加工プロセスの手順を説明する断面模式図である。 側壁加工プロセスの手順を説明する断面模式図である。 ライン部の位置ずれについて説明する図である。 ライン部の位置ずれについて説明する図である。 (a)、(b)はパターンの重ね合わせとライン部の位置ずれとの関係を説明する図である。 従来の製造工程の手順を説明するフローチャートである。 第1の実施の形態における製造工程の手順を説明するフローチャートである。 第2の実施の形態について説明する概念図である。 第3の実施の形態における製造工程の手順を説明するフローチャートである。 露光装置の選択について説明する図である。
符号の説明
11 被加工層、12 犠牲層、14 側壁層。

Claims (5)

  1. 第1のピッチのライン部及びスペース部を備える第1の層を形成し、
    前記第1の層の前記ライン部の側壁に第2の層を形成し、前記第1の層を除去することにより、前記第1のピッチより小さい第2のピッチのライン部及びスペース部を備える前記第2の層を残存させ、
    前記第2のピッチのライン部及びスペース部を備える第1のパターン構造体を形成し、
    前記第1のパターン構造体のスペース部のうち、前記第1の層の前記スペース部に由来する第1のスペース部の幅と、前記第1の層の前記ライン部に由来する第2のスペース部の幅とから、前記第1のパターン構造体の前記ライン部の位置ずれ量を計測し、
    前記第1のパターン構造体と、前記第1のパターン構造体に重ね合わせて形成される第2のパターン構造体との合わせ規格を、前記位置ずれ量に基づいて動的に補正し、
    前記第1のパターン構造体及び前記第2のパターン構造体の合わせずれが、補正後の合わせ規格に適合するか否かを判定することを含む、半導体装置の製造方法。
  2. 前記第1のパターン構造体上の複数の計測点について前記位置ずれ量を計測し、前記計測点ごとの前記位置ずれ量に基づいて前記合わせ規格を補正する、請求項1に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記位置ずれ量を計測した結果に基づいて、前記第1のパターン構造体上の位置ごとの前記位置ずれ量を推測し、推測された前記位置ずれ量に基づいて前記合わせ規格を補正する、請求項2に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記第2のパターン構造体を形成するための露光装置を、補正後の前記合わせ規格に応じて複数の露光装置から選択する、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
  5. スリミング加工を経て前記第1の層を形成する、請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体装置の製造方法。
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