JP6272949B2 - パターン形成方法 - Google Patents

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Description

本発明は、パターン形成方法に関する。
半導体装置の高集積化に伴って、製造プロセスに要求される配線や分離幅のパターンは、微細化される傾向にある。このような微細なパターンは、フォトリソグラフィ技術を用いてレジストパターンを形成し、レジストパターンをマスクパターンに用いて下地の各種薄膜をエッチングすることで形成される(例えば、特許文献1参照)。
微細なパターンを形成するためには、フォトリソグラフィ技術が重要であり、パターンの微細化は、フォトリソグラフィ技術の解像限界以下を要求するまでに至っている。フォトリソグラフィ技術の解像限界以下の微細なパターンを形成する技術としては、例えば一次元的なパターン要素だけで所定のパターンを形成する1次元(1D)レイアウト技術が知られている。
1Dレイアウト技術とは、露光工程を含むフォトリソグラフィ技術により、下地膜の上に繰り返しのラインパターンを形成し、形成したラインパターンを部分的に除去することにより、所定のパターンを形成する技術である。
特開2014−056864号公報
ところで、1Dレイアウト技術では、スペーサ型ダブルパターニングにより露光工程の回数を増加させることなく繰り返しのラインパターンを形成できるが、形成したラインパターンを部分的に除去するための露光工程の回数が増加する傾向にある。これは、ラインパターンを部分的に除去する際、フォトリソグラフィ技術により解像可能な寸法まで露光マスクを分割する必要があるためである。このように、露光工程の回数が増加すると、製造コストが高くなる。
そこで、本発明の一つの案では、1Dレイアウト技術によるパターン形成において、露光工程の回数を低減することが可能なパターン形成方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係るパターン形成方法は、
下地膜の上に、繰り返しのラインパターン形状の第1の膜を形成する工程と、
前記第1の膜の側面に、前記第1の膜とはエッチング選択性の異なる第2の膜を形成する工程と、
前記第1の膜を除去することなく、前記第2の膜の上面及び側面に、前記第1の膜及び前記第2の膜とはエッチング選択性の異なる第3の膜を形成する工程と、
前記第3の膜の上に、開口部を有するレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンをエッチングマスクとして前記第3の膜をエッチングすることにより、前記第1の膜の上面、前記第2の膜の上面及び前記第3の膜の上面が露出した凹部を形成する工程と、
前記凹部において上面が露出した前記第2の膜が残存するように、前記凹部において上面が露出した前記第1の膜及び前記第3の膜をエッチングすることにより、前記下地膜の上面を露出させる工程と、
上面が露出した前記下地膜をエッチングすることにより、前記下地膜を貫通する貫通孔を形成する工程と、
を有する。
開示のパターン形成方法によれば、1Dレイアウト技術によるパターン形成において、露光工程の回数を低減することができる。
本実施形態のパターン形成方法により形成されるパターンを説明するための図 本実施形態のパターン形成方法を説明するためのフローチャート 本実施形態のパターン形成方法の各工程を説明するための図(1) 本実施形態のパターン形成方法の各工程を説明するための図(2) 本実施形態のパターン形成方法の各工程を説明するための図(3) 本実施形態のパターン形成方法の各工程を説明するための図(4) 本実施形態のパターン形成方法の各工程を説明するための図(5) 本実施形態のパターン形成方法の各工程を説明するための図(6) 本実施形態のパターン形成方法の各工程を説明するための図(7) 本実施形態のパターン形成方法の各工程を説明するための図(8) 本実施形態のパターン形成方法の各工程を説明するための図(9) 本実施形態のパターン形成方法の各工程を説明するための図(10) 本実施形態のパターン形成方法の各工程を説明するための図(11) 本実施形態のパターン形成方法の各工程を説明するための図(12) 本実施形態のパターン形成方法の各工程を説明するための図(13) 本実施形態のパターン形成方法の各工程を説明するための図(14) 本実施形態のパターン形成方法の各工程を説明するための図(15) 従来のパターン形成方法によりビアを形成する方法を説明するための図 本実施形態のパターン形成方法によりビアを形成する方法を説明するための図
以下、本発明の実施形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することによって重複した説明を省く。
本実施形態のパターン形成方法は、1Dレイアウト技術により、微細なパターンを形成するものであり、例えばロジック(論理回路)、MPU(Micro-Processing Unit)を製造する際に適用することができる。また、本実施形態のパターン形成方法は、フォトリソグラフィ技術の解像限界以下の微細なパターンを形成する場合に特に有用である。
本実施形態のパターン形成方法は、まず、下地膜の上に、繰り返しのラインパターン形状の第1の膜を形成し、第1の膜の側面に、第1の膜とはエッチング選択性の異なる第2の膜を形成する。続いて、第1の膜を除去することなく、第2の膜の上面及び側面に、第1の膜及び第2の膜とは異なるエッチング選択性の第3の膜を形成する。続いて、第3の膜の上に、開口部を有するレジストパターンを形成し、レジストパターンをエッチングマスクとして第3の膜をエッチングすることにより、第1の膜の上面、第2の膜の上面及び第3の膜の上面が露出した凹部を形成する。続いて、凹部において上面が露出した第2の膜が残存するように、凹部において上面が露出した第1の膜及び第3の膜をエッチングする(ラインパターンを部分的に除去する)ことにより、下地膜の上面を露出させる。続いて、上面が露出した下地膜をエッチングすることにより、下地膜を貫通する貫通孔を形成する。尚、「エッチング選択性が異なる」とは、同一のエッチング条件において、エッチング速度が異なることを意味する。これにより、露光工程の回数(露光工程で使用する露光マスクの枚数)を低減できる。露光工程の回数を低減できる理由については後述する。
図1は、本実施形態のパターン形成方法により形成されるパターンを説明するための図である。図1においては、便宜上、積層された3つの層(第1の層10、第2の層20、第3の層30)を分解して示している。
図1に示されるように、第1の層10は、配線層であり、金属膜11と、絶縁膜12とを含む。金属膜11は、電流を流すための配線として機能する膜であり、例えば第1の方向(図1のX方向)に延在するように形成される。金属膜11は、例えばアルミニウム(Al)、銅(Cu)、タングステン(W)により形成される。絶縁膜12は、金属膜11の電気的絶縁を図るためのものである。
第2の層20は、第1の層10の上(図1の+Z側)に形成される層であり、絶縁膜21と、絶縁膜21を貫通するビア26と、ビア26に埋め込まれる導電膜27とを含む。絶縁膜21は、第1の層10と第3の層30とを絶縁するためのものである。ビア26は、絶縁膜21の下面(図1の−Z側の面)と上面(図1の+Z側の面)とを貫通する貫通孔である。導電膜27は、ビア26に埋め込まれており、第1の層10の金属膜11と第3の層の金属膜31とを電気的に接続する。
第3の層30は、第2の層20の上(図1の+Z側)に形成される配線層であり、金属膜31と、絶縁膜32とを含む。金属膜31は、電流を流すための配線として機能する膜であり、例えば第1の方向と直交する第2の方向(図1のY方向)に延在するように形成される。金属膜31は、例えばAl、Cu、Wにより形成される。絶縁膜32は、金属膜31の電気的絶縁を図るためのものである。
図2は、本実施形態のパターン形成方法を説明するためのフローチャートである。
図2に示されるように、本実施形態のパターン形成方法は、絶縁膜の上に芯材を形成する工程(ステップS101)、スペーサを形成する工程(ステップS102)、芯材を露出させる工程(ステップS103)、犠牲膜を形成する工程(ステップS104)、第1のレジストパターンを形成する工程(ステップS105)、第1のレジストパターンをエッチングマスクとして犠牲膜をエッチングする工程(ステップS106)、第2のレジストパターンを形成する工程(ステップS107)、第2のレジストパターンをエッチングマスクとして犠牲膜をエッチングする工程(ステップS108)、第2のレジストパターンを除去する工程(ステップS109)、犠牲膜をエッチングマスクとして芯材をエッチングする工程(ステップS110)、犠牲膜をエッチングする工程(ステップS111)、芯材・スペーサ・犠牲膜をエッチングマスクとして絶縁膜をエッチングする工程(ステップS112)、犠牲膜を除去する工程(ステップS113)、芯材を除去する工程(ステップS114)、導電膜を形成する工程(ステップS115)を有する。
以下、各々の工程について、図3から図17に基づき説明する。図3から図17は、本実施形態のパターン形成方法の各工程を説明するための図である。尚、図3から図17における(a)は各工程における上面図である。また、図3から図17における(b)は(a)の一点鎖線B−Bにおいて切断したときの断面図であり、(c)は(a)の一点鎖線C−Cにおいて切断したときの断面図であり、(d)は(a)の一点鎖線D−Dにおいて切断したときの断面図である。
ステップS101では、絶縁膜の上に芯材を形成する。具体的には、図3に示されるように、第1の層10の上に形成された絶縁膜21の上に、例えば化学気層成長(CVD:Chemical Vapor Deposition)により、芯材22を形成する。次いで、例えば波長193nmのArFの露光及び現像により、所定間隔のスペースを隔てて整列されたラインを含むラインアンドスペース形状に芯材22をパターニングする。次いで、パターニングされた芯材22の線幅を細く形成する処理(以下「スリミング処理」という。)を行い、フォトリソグラフィ技術の解像限界以下の微細なパターンを形成する。絶縁膜21は層間絶縁膜(ILD:Inter Level Dielectric)として機能する膜であり、例えば窒化チタン(TiN)により形成される。芯材22は、例えばポリシリコンにより形成される。
ステップS102では、スペーサを形成する。具体的には、図4に示されるように、例えばCVD、原子層堆積(ALD:Atomic Layer Deposition)により、芯材22の上面及び側面を覆うように芯材22の線幅と同程度の膜厚のスペーサ23を形成する。スペーサ23は、芯材22とは異なるエッチング選択性を有するものであり、例えば酸化シリコン(SiO)により形成される。
ステップS103では、芯材を露出させる。具体的には、図5に示されるように、例えば反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)等のドライエッチングにより、芯材22の上面が露出するまでスペーサ23をエッチングする。このとき、芯材22の側面にスペーサ23が残存するようにエッチングする。エッチングガスとしては、例えば四フッ化炭素(CF)を用いることができる。
ステップS104では、犠牲膜を形成する。具体的には、図6に示されるように、絶縁膜21の上面、芯材22の上面、スペーサ23の上面及びスペーサ23の側面を覆うように犠牲膜24を形成する。犠牲膜24を形成する方法は特に限定されないが、例えば犠牲膜24の材料を含む溶液をスピン塗布する方法であることが好ましい。スピン塗布を用いて犠牲膜24を形成することにより、犠牲膜24の上面を平滑化することができ、リソグラフィマージンを拡大することができる。犠牲膜24の材料を含む溶液をスピン塗布した後、必要な場合には低温(例えば100℃)で加熱し、乾燥させてもよい。犠牲膜24は、芯材22及びスペーサ23とは異なるエッチング選択性を有するものであり、例えば酸化アルミニウム(AlO)、酸化チタン(TiO)、酸化ジルコニウム(ZrO)等の金属酸化物により形成される。
ステップS105では、第1のレジストパターンを形成する。具体的には、図7に示されるように、犠牲膜24の上にレジスト膜25を形成し、所定位置が開口した暗視野マスクを露光マスクとして、波長193nmのArFによりレジスト膜25を露光し、現像することにより、レジスト膜25をパターニングする。これにより、所定位置に開口部25aを有する第1のレジストパターン25mが形成される。所定位置については後述する。レジスト膜25の材料としては、例えば化学増幅型レジストを用いることができる。尚、犠牲膜24の上にレジスト膜25を形成する前に、例えば反射防止膜を形成してもよい。反射防止膜としては、例えばシリコン含有反射防止膜(SiARC:Silicon-containing Anti-Reflective Coating)とスピンオンカーボン(SOC:Spin On Carbon)との積層膜を用いることができる。
ステップS106では、第1のレジストパターンをエッチングマスクとして犠牲膜をエッチングする。具体的には、図8に示されるように、第1のレジストパターン25mをエッチングマスクとして、例えばRIE等のドライエッチングにより、開口部25aが形成された位置における芯材22及びスペーサ23の上面が露出するまで犠牲膜24をエッチングする。これにより、芯材22の上面、スペーサ23の上面及び犠牲膜24の上面が露出した凹部24aが形成される。このとき、スペーサ23の側面に形成された犠牲膜24が残存するようにエッチングする。エッチングガスとしては、例えば塩素(Cl)を用いることができる。
ステップS107では、第2のレジストパターンを形成する。具体的には、図9に示されるように、犠牲膜24の上にレジスト膜25を形成し、所定位置が開口した暗視野マスクを露光マスクとして、波長193nmのArFによりレジスト膜25を露光し、現像することにより、レジスト膜25をパターニングする。これにより、所定位置に開口部25bを有する第2のレジストパターン25nが形成される。所定位置については後述する。レジスト膜25の材料としては、例えば化学増幅型レジストを用いることができる。尚、犠牲膜24の上にレジスト膜25を形成する前に、第1のレジストパターン25mを除去してもよく、また例えば反射防止膜を形成してもよい。反射防止膜としては、例えばSiARCとSOCとの積層膜を用いることができる。
ステップS108では、第2のレジストパターンをエッチングマスクとして犠牲膜をエッチングする。具体的には、図10に示されるように、第2のレジストパターン25nをエッチングマスクとして、例えばRIE等のドライエッチングにより、開口部25bが形成された位置における芯材22及びスペーサ23の上面が露出するまで犠牲膜24をエッチングする。これにより、芯材22の上面、スペーサ23の上面及び犠牲膜24の上面が露出した凹部24bが形成される。このとき、スペーサ23の側面に形成された犠牲膜24が残存するようにエッチングする。エッチングガスとしては、例えばClを用いることができる。
ステップS109では、第2のレジストパターンを除去する。具体的には、図11に示されるように、例えばアッシングにより、芯材22、スペーサ23及び犠牲膜24の上に残存しているレジスト膜25を除去する。
ステップS110では、犠牲膜をエッチングマスクとして芯材をエッチングする。具体的には、図12に示されるように、犠牲膜24をエッチングマスクとして、例えばRIE等のドライエッチングにより芯材22をエッチングする。エッチングガスとしては、芯材22に対するエッチング速度がスペーサ23及び犠牲膜24に対するエッチング速度よりも大きいガスを用いることができる。例えば芯材22がポリシリコンにより形成され、スペーサ23がSiOにより形成され、犠牲膜24が金属酸化物により形成されている場合、エッチングガスとしては、例えばHBrを用いることができる。これにより、スペーサ23の上面及び犠牲膜24の上面が露出している場合であっても、スペーサ23及び犠牲膜24をほとんどエッチングすることなく、芯材22を選択的にエッチングすることができる。
ステップS111では、犠牲膜をエッチングする。具体的には、図13に示されるように、例えばRIE等のドライエッチングにより、開口部が形成された位置と対応する位置の犠牲膜24をエッチングする。エッチングガスとしては、犠牲膜24に対するエッチング速度が芯材22及びスペーサ23に対するエッチング速度よりも大きいガスを用いることができる。例えば芯材22がポリシリコンにより形成され、スペーサ23がSiOにより形成され、犠牲膜24が金属酸化物により形成されている場合、エッチングガスとしては、例えばClを用いることができる。これにより、スペーサ23の上面が露出している場合であっても、スペーサ23をほとんどエッチングすることなく、犠牲膜24を選択的にエッチングすることができる。
ステップS112では、芯材・スペーサ・犠牲膜をエッチングマスクとして、絶縁膜をエッチングする。具体的には、図14に示されるように、芯材22、スペーサ23及び犠牲膜24をエッチングマスクとして、例えばRIE等のドライエッチングにより、絶縁膜21をエッチングする。これにより、芯材22、スペーサ23及び犠牲膜24が形成されていない位置において、絶縁膜21を貫通するビア26が形成される。
ステップS113では、犠牲膜を除去する。具体的には、図15に示されるように、例えばRIE等のドライエッチングにより、犠牲膜24を除去する。このとき、犠牲膜24が金属酸化物である場合には、エッチングガスとして、例えばClを用いることができる。
ステップS114では、芯材を除去する。具体的には、図16に示されるように、例えばRIE等のドライエッチングにより、芯材22を除去する。このとき、芯材22がポリシリコンである場合には、エッチングガスとして、例えばHBrを用いることができる。
ステップS115では、導電膜を形成する。具体的には、図17に示されるように、絶縁膜21を貫通するビア26及びスペーサ23の側面に導電膜27を形成する。これにより、第1の層10に形成された金属膜11(図1参照)と導電膜27とが電気的に接続されると共に、絶縁膜21の上に導電膜27により形成される第3の層30の金属膜31が形成される。即ち、ビア26及びスペーサ23の側面に同時に導電膜27を形成できるので、マスクの位置合わせをすることなく、第2の層20のビア26の位置と第3の層30の金属膜31の位置とが整合する。
本実施形態のパターン形成方法では、以下の作用・効果を奏することができる。
図18は、従来のパターン形成方法により所定位置にビアを形成する方法を説明するための図である。図18(a)は、図1におけるビアの配置を説明するための図であり、図18(b)から図18(e)は、図18(a)に示すビアを形成するための露光マスクを説明するための図である。図18(a)においては、隣接するビア26間の距離がフォトリソグラフィ技術の解像限界以下であるものとする。
従来のパターン形成方法では、図18(a)に示されるように、隣接するビア間の距離Lがフォトリソグラフィ技術の解像限界以下である場合、1枚の露光マスクを用いてレジスト膜をパターニングすると、隣接するビア26同士が分離されず、接触する虞がある。このため、隣接するビア26間の距離Lがフォトリソグラフィ技術の解像限界以下である場合、隣接するビア26間の距離Lがフォトリソグラフィ技術により解像可能な寸法となるように複数枚の露光マスクに分割して、レジスト膜をパターニングする。即ち、複数回の露光工程を行う。
具体的には、まず、図18(b)に示されるように、フォトリソグラフィ技術の解像可能な領域A11、C13が開口した露光マスクM91を用いて露光を行う。続いて、図18(c)に示されるように、領域B11が開口した露光マスクM92を用いて露光を行う。続いて、図18(d)に示されるように、フォトリソグラフィ技術の解像可能な領域B12、C11が開口した露光マスクM93を用いて露光を行う。続いて、図18(e)に示されるように、領域C12が開口した露光マスクM94を用いて露光を行う。このように、絶縁膜21の所定位置に複数のビア26を形成する場合、複数枚の露光マスクM91、M92、M93、M94を用いて、複数回(図18の例では4回)の露光工程を行う必要がある。
図19は、本実施形態のパターン形成方法により所定位置にビアを形成する方法を説明するための図である。図19(a)は、図1におけるビアの配置を説明するための図であり、図19(b)及び図19(c)は、図19(a)に示すビアを形成するための露光マスクを説明するための図である。図19(a)においては、隣接するビア26間の距離がフォトリソグラフィ技術の解像限界以下であるものとする。
本実施形態では、繰り返しのラインパターンがエッチング選択性の異なる3種の膜により形成されている。これにより、図19(a)に示されるように、隣接するビア26間の距離Lがフォトリソグラフィ技術の解像限界以下である場合であっても、ラインパターンの繰り返し方向(図19のX方向)において隣接するビア26を1枚の露光マスクにより形成できる。
具体的には、まず、図19(b)に示されるように、領域A11と、領域C11、C12、C13を含む領域C10とが開口した露光マスクM1を用いて露光を行う。このとき、領域C11と領域C12との距離及び領域C12と領域C13との距離はフォトリソグラフィ技術の解像限界以下であるが、本実施形態では、繰り返しのラインパターンがエッチング選択性の異なる3種の膜により形成されている。このため、これらのビア26を1枚の露光マスクを用いて、1回の露光工程により形成できる。
続いて、図19(c)に示されるように、領域B11、B12を含む領域B10が開口した露光マスクM2を用いて露光を行う。このとき、領域B11と領域B12との距離はフォトリソグラフィ技術の解像限界以下であるが、本実施形態では、繰り返しのラインパターンがエッチング選択性の異なる3種の膜により形成されている。このため、これらのビア26を1枚の露光マスクを用いて、1回の露光工程により形成できる。
このように、本実施形態では、従来よりも使用する露光マスクの枚数(露光工程の回数)を低減することができる。その結果、製造コストを低くすることができると共に、プロセスのばらつきを低減することができる。
尚、上記の実施形態において、絶縁膜21は下地膜の一例であり、芯材22は第1の膜の一例であり、スペーサ23は第2の膜の一例であり、犠牲膜24は第3の膜の一例である。また、第1のレジストパターン25m及び第2のレジストパターン25nはレジストパターンの一例であり、ビア26は貫通孔の一例である。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
10 第1の層
11 金属膜
12 絶縁膜
20 第2の層
21 絶縁膜
22 芯材
23 スペーサ
24 犠牲膜
25 レジスト膜
26 ビア
27 導電膜
30 第3の層
31 金属膜
32 絶縁膜

Claims (5)

  1. 下地膜の上に、繰り返しのラインパターン形状の第1の膜を形成する工程と、
    前記第1の膜の側面に、前記第1の膜とはエッチング選択性の異なる第2の膜を形成する工程と、
    前記第1の膜を除去することなく、前記第2の膜の上面及び側面に、前記第1の膜及び前記第2の膜とはエッチング選択性の異なる第3の膜を形成する工程と、
    前記第3の膜の上に、開口部を有するレジストパターンを形成する工程と、
    前記レジストパターンをエッチングマスクとして前記第3の膜をエッチングすることにより、前記第1の膜の上面、前記第2の膜の上面及び前記第3の膜の上面が露出した凹部を形成する工程と、
    前記凹部において上面が露出した前記第2の膜が残存するように、前記凹部において上面が露出した前記第1の膜及び前記第3の膜をエッチングすることにより、前記下地膜の上面を露出させる工程と、
    上面が露出した前記下地膜をエッチングすることにより、前記下地膜を貫通する貫通孔を形成する工程と、
    を有する、パターン形成方法。
  2. 前記下地膜を貫通する貫通孔を形成する工程の後、前記第2の膜が残存するように、前記第1の膜及び前記第3の膜を除去する工程と、
    前記貫通孔及び前記第2の膜の側面に導電膜を形成する工程と、
    を更に有する、請求項1に記載のパターン形成方法。
  3. 前記下地膜は、配線層の上に形成される絶縁膜であり、
    前記導電膜は、前記配線層と電気的に接続される、
    請求項2に記載のパターン形成方法。
  4. 前記第1の膜は、ポリシリコンにより形成される膜であり、
    前記第2の膜は、酸化シリコンにより形成される膜であり、
    前記第3の膜は、金属酸化物により形成される膜である、
    請求項1乃至3のいずれか一項に記載のパターン形成方法。
  5. 前記第3の膜は、金属酸化物を含む溶液をスピン塗布することにより形成される、
    請求項4に記載のパターン形成方法。
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