JPWO2009054413A1 - 半導体装置の作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来とは異なる微細なパターンを形成する半導体装置の作製方法を提供する。【解決手段】基板上に被エッチング膜を形成する工程、被エッチング膜上に少なくとも１層からなる下層膜を形成する工程、下層膜上に感光性膜を形成し当該感光性膜をパターニングして第１のパターンを形成する工程、下層膜上に感光性を有してもよい被膜を第１のパターンの側壁又は隙間及び前記第１のパターンの上面を覆って形成する工程、被膜をパターニングして第１のパターンの側壁又は隙間及び第１のパターンの上面の少なくとも一部を覆う第２のパターンを形成する工程、第１のパターンの一部又は全部を除去し第２のパターンをマスクとして用い下層膜をエッチングする工程、及びエッチング後の下層膜をマスクとして用い被エッチング膜をエッチングする工程を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置を作製する際のリソグラフィプロセスにおいて、微細なパターンを形成する方法に関する。

リソグラフィプロセスで用いる露光装置の解像度は、光源の波長が短いほど、投影レンズの開口数（ＮＡ）が大きいほど向上し、配線、ビア、トレンチなどの微細なパターンを形成できることが知られている。現状、露光用の光源は、波長２４８ｎｍのＫｒＦエキシマレーザー、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザーなどの深紫外線（ＤＵＶ）が用いられることが多い。解像度を高めるために、ＡｒＦエキシマレーザーよりも波長が短い極端紫外線（ＥＵＶ）を露光用の光源に採用するリソグラフィプロセスが検討されているが、光源の短波長化には限界がある。その他、解像度を高めるために、屈折率が１よりも大きい液体を用いた、投影レンズの開口数（ＮＡ）の大きな液浸露光装置を用いたリソグラフィプロセスも検討されている。

一方、配線、トレンチ等のパターンを形成する方法として、二重パターニング又は二重露光と称するリソグラフィ技術が知られている。即ち、形成すべきパターンを２分割し、第１のフォトマスクを介して１回目のパターニング又は露光を行い、その後、第２のフォトマスクを介して２回目のパターニング又は露光を行う。そのことによって、ＡｒＦエキシマレーザーを用いて、従来よりも微細なパターンを形成することができる。上記フォトマスクのことをレチクルとも称する。二重パターニングの一例を、図５及び図６と共に以下に説明する。

基板１００１上に導電膜、半導体膜又は絶縁膜１００２を形成し、その上にハードマスクとなるレジスト下層膜１００３を形成する。（図５（Ａ）参照）

そのレジスト下層膜１００３上にポジ型のレジストを形成し、露光装置を用い、第１のフォトマスクを介して、ポジ型のレジストを露光する（第１露光）。露光時の光源として、ＡｒＦエキシマレーザー又はＫｒＦエキシマレーザーを用いることができる。そして、アルカリ現像液を用いて現像することによって、ポジ型のレジストの露光部分が除去され、第１のレジストパターン１００４が形成される。（図５（Ｂ）参照）

第１のレジストパターン１００４をマスクとして、前記レジスト下層膜１００３に対してエッチングを行い、ハードマスク１００５を形成する。その後、第１のレジストパターン１００４を除去する。（図５（Ｃ）参照）

再びポジ型のレジスト１００６をハードマスク１００５上に形成する。（図６（Ａ）参照）

第２のフォトマスクを介して、ポジ型のレジスト１００６をＫｒＦエキシマレーザー又はＡｒＦエキシマレーザーを用い露光する（第２露光）。そして、アルカリ現像液を用いて現像することによって、ポジ型のレジスト１００６の露光部分が除去され、第２のレジストパターン１００７が形成される。（図６（Ｂ）参照）

第２のレジストパターン１００７をマスクとして、ハードマスク１００５をエッチングし、その後第２のレジストパターン１００７を除去する。エッチング後のハードマスク１００５は第１のレジストパターン１００４のパターン形状よりも微細なパターン形状を有する。（図６（Ｃ）参照）それから、そのハードマスクを用いて、基板上の導電膜、半導体膜又は絶縁膜をエッチングすることによって、配線、トレンチなどを形成することができる。

二重パターニング又は二重露光は、例えば下記特許文献１乃至６及び下記非特許文献１乃至５に記載されている。しかしながら、第１のパターンの側壁又は隙間及び第１のパターンの上面の少なくとも一部を覆う第２のパターンを形成し、第１のパターンの一部又は全部を除去し、第２のパターンをマスクとして用い前記下層膜をエッチングすることが記載されているとはいえない。
特許第２８０３９９９号公報 特許第２７５７９８３号公報 特開平９−１８１０５９号公報 特開２００１−０６０００３号公報 米国特許第５６６７９４０号明細書 国際公開第２００４／０８２０００号パンフレット 「ＳＥＭＩテクノロジーシンポジウム２００６（ＳＥＭＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ２００６）」、２００６年、ｐ．２／７−２／１３ 「ＳＥＭＩテクノロジーシンポジウム２００６（ＳＥＭＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ２００６）」、２００６年、ｐ．２／３８−２／４６ 「プロシーディングスオブＳＰＩＥ（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ）」、（米国）、２００６年、第６１５３巻、ｐ．６１５３１Ｋ 「プロシーディングスオブＳＰＩＥ（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ）」、（米国）、２００６年、第６１５４巻、ｐ．６１５４１０ 「プロシーディングスオブＳＰＩＥ（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ）」、（米国）、２００６年、第６１５６巻、ｐ．６１５６１Ｊ

微細なパターンを形成する方法として、二重パターニング又は二重露光は前述のように既に知られている。しかしながら、未だ広く実用化されているとはいえない。実用化のためには、スループットの低下、工程の複雑化などの克服すべき種々の技術的課題が残されているためである。

本発明は、二重パターニング又は二重露光を適用した、新規かつ有用なリソグラフィプロセスを提供するものである。

本発明は、基板上に被エッチング膜を形成する工程、前記被エッチング膜上に少なくとも１層からなる下層膜を形成する工程、前記下層膜上に感光性膜を形成し、前記感光性膜をパターニングして第１のパターンを形成する工程、前記下層膜上に感光性を有してもよい被膜を前記第１のパターンの側壁又は隙間及び前記第１のパターンの上面を覆って形成する工程、前記被膜をパターニングして前記第１のパターンの側壁又は隙間及び前記第１のパターンの上面の少なくとも一部を覆う第２のパターンを形成する工程、前記第１のパターンの一部又は全部を除去し、前記第２のパターンをマスクとして用い前記下層膜をエッチングする工程、及び前記エッチング後の下層膜をマスクとして用い前記被エッチング膜をエッチングする工程を含む半導体装置の作製方法である。

前記被エッチング膜は、エッチングによってコンタクトホール、ビア、トレンチ、配線、電極などが形成される膜であり、ＣＶＤ法、スパッタ法、塗布法（スピンコート）などの公知の方法により形成される絶縁膜、半導体膜又は導電膜である。

絶縁膜は、例えば酸化珪素膜、炭素を含む酸化珪素膜、酸化窒化珪素膜などの酸化膜又は窒化膜、珪素を含む高分子化合物（ポリシロキサン）膜である。層間絶縁膜として用いる場合は、ＳｉＯ₂膜の比誘電率より低いｌｏｗ−ｋ膜が望ましく、ｌｏｗ−ｋ膜の比誘電率は、４．０以下、例えば１．５以上３．５以下、好ましくは２．０以上３．０以下の範囲とすることができる。半導体膜は結晶質又は非晶質の膜であって、例えば、珪素膜、ゲルマニウムを含む珪素膜であり、砒化ガリウム、リン化インジウム、リン化ガリウムのような化合物半導体膜でもよい。導電膜は、例えば、アルミニウム、銅、クロム、ニッケル、金、チタン、モリブデン、タンタル、タングステンなどの金属膜である。

本発明の半導体装置の作製方法に含まれる下層膜上に感光性を有してもよい被膜を形成する工程において、前記被膜は前記第１のパターンの側壁及び前記第１のパターンの上面を覆っても、前記第１のパターンの隙間及び前記第１のパターンの上面を覆っても、あるいは前記第１のパターンの側壁及び隙間並びに前記第１のパターンの上面を覆って形成されてもよい。
また、本発明の半導体装置の作製方法に含まれる第２のパターンを形成する工程において、前記第２のパターンは第１のパターンの側壁及び前記第１のパターンの上面の少なくとも一部を覆っても、第１のパターンの隙間及び前記第１のパターンの上面の少なくとも一部を覆っても、あるいは第１のパターンの側壁及び隙間並びに前記第１のパターンの上面の少なくとも一部を覆って形成されてもよい。

第１のパターンの一部又は全部を除去する前に、第１のパターンの上面の一部又は全部が露呈されていることが望ましい。米国特許第６５６９７６１号明細書（二重パターニング又は二重露光については記載がない）に記載されている方法を参考に、第１のパターンの上面を露呈させ、その第１のパターンを除去することができる。しかしながら、次の場合は第１のパターンの上面を露呈させる必要がない。すなわち、第１のパターンを覆って感光性を有してもよい被膜を形成する際、当該被膜が第１のパターンの上面に形成されない場合である。

第１のパターンの側壁とは、第１のパターンが矩形状の断面を有する線状物である場合、その上面及び底面を除く部分である。第１のパターンの側壁と上面が連続する曲面からなる場合、側壁と上面を明確に区別するのは容易でない。

基板として、シリコンウエハ、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）のような化合物半導体ウエハなどの半導体基板、又はガラス基板、石英基板、プラスチック基板などの絶縁基板を用いることができる。絶縁基板の表面には、アモルファス又は結晶質の半導体膜、又は導電膜が形成されていてもよい。半導体基板の表面には、酸化膜、窒化膜などの絶縁膜が形成されていてもよい。

下層膜は、２層構造とすることができる。例えば、珪素を含む膜と珪素を含まない有機膜との２層構造、互いに異なる有機樹脂が積層された２層構造とすることができる。珪素を含む膜を２層構造の上層とするのが望ましい。この下層膜は、スピンコートなどの塗布法によりレジスト下層膜形成用組成物を塗布し、加熱等によって硬化させることにより形成することができる。下層膜として、塗布法により形成される酸化チタン膜を用いることができる。チタンアルコキシドを加水分解して得られる酸化チタンゾルを塗布し、その後乾燥及び／又は加熱を行うことによって酸化チタン膜を形成することができる。

第１のパターンを形成するための感光性膜は、例えばレジスト膜である。レジスト膜は、ポジ型又はネガ型のレジストを、前記下層膜を形成するのと同様の方法により塗布し、加熱することによって形成することができる。

前記感光性を有してもよい被膜は、塗布法例えばスピンコートにより溶液を塗布し、加熱などによって硬化させることにより形成することができる。溶液を塗布する際、第１のパターンに対する段差被覆性が良好であり、しかも硬化後の膜表面が平坦であることが望ましい。第１のパターンを形成するための感光性膜を、有機レジストを用いて形成する場合、感光性を有してもよい被膜は珪素を含む化合物膜が望ましい。珪素を含む化合物膜としては、ポリシロキサン、ポリシランなどのポリマーを用いることができ、珪素を含むレジスト又は珪素を含むレジスト下層膜形成組成物を用いて形成される珪素を含むレジスト膜又は珪素を含むレジスト下層膜が挙げられる。珪素を含むレジスト下層膜を用いる場合、当該レジスト下層膜上にレジストパターンを形成しエッチングを行う工程が必要になる。

上記以外の珪素を含む化合物膜として、珪素及びチタンを含むハイブリッド材料からなる膜を用いることができる。珪素を含む化合物膜にかえて、塗布法により形成される酸化チタン膜を用いることができる。

本発明では、塗布法以外の方法、例えばＣＶＤ法によって成膜してもよい。ＣＶＤ法は、段差被覆性の良好な被膜を形成することが可能であり、例えばＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）と酸素又はオゾンを原料に用いたＣＶＤ法により段差被覆性の良好な酸化珪素膜が形成される。ＣＶＤ法として、例えばプラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、常圧ＣＶＤが挙げられる。

本発明において２回行われるパターニングでは、ＡｒＦエキシマレーザーを用いた露光及び現像が少なくとも行われる。必要に応じて、露光後加熱（ＰＥＢと略称される）を行う。ＡｒＦエキシマレーザーに代えて、電子線（ＥＢ）による露光を行ってもよい。

また本発明は、基板上に絶縁膜を形成する工程、前記絶縁膜上に有機化合物層を含む下層膜を形成する工程、前記下層膜上にレジスト膜を形成し、前記レジスト膜に対し少なくとも露光及び現像を行うことによって第１のパターンを形成する工程、前記下層膜上に少なくとも前記第１のパターンの側壁及び上面を覆う感光性を有する被膜を、塗布法を用いて形成する工程、前記感光性を有する被膜に対し少なくとも露光及び現像を行うことによって、前記第１のパターンの側壁及び上面を覆う第２のパターンを形成する工程、エッチングにより前記第１のパターンの上面を露呈させる工程、前記第１のパターンを除去し、前記第２のパターンをマスクとして用い前記下層膜をエッチングする工程、及び前記エッチング後の下層膜をマスクとして用い前記絶縁膜をエッチングする工程を含む半導体装置の作製方法である。前記第１のパターンは、その全部が除去される。

さらに本発明は、基板上に導電膜又は半導体膜を形成する工程、前記導電膜又は前記半導体膜上に有機化合物層を含む下層膜を形成する工程、前記下層膜上にレジスト膜を形成し、前記レジスト膜に対し少なくとも露光及び現像を行うことによって隙間を有する第１のパターンを形成する工程、前記下層膜上に前記第１のパターンの隙間及び上面を覆う被膜を、塗布法を用いて形成する工程、前記被膜上に前記第１のパターンの一部と重なるレジストマスクを形成する工程、前記レジストマスクを用いて前記被膜をエッチングすることによって、前記第１のパターンの上面の一部を露呈させると共に前記上面の残部上及び前記第１のパターンの隙間に第２のパターンを形成する工程、前記レジストマスクと前記第２のパターンをマスクとして用い前記第１のパターン及び前記下層膜をエッチングする工程、及び前記エッチング後の下層膜をマスクとして用い前記導電膜又は前記半導体膜をエッチングする工程を含む半導体装置の作製方法である。前記第１のパターンは、エッチングによりその一部が除去される。

本発明において作製される半導体装置は、半導体素子が組み込まれた電子機器、又は半導体素子自体を意味する。半導体素子として、例えばトランジスタ（バイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタなど）、ダイオード、メモリ（ＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、マスクＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリなど）、集積回路（ＭＰＵなど）が挙げられる。電子機器として、例えば液晶表示装置、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）表示装置、プラズマディスプレイ、テレビ受像機、デジタルカメラ、携帯電話機、携帯情報端末、カーナビゲーション装置、ゲーム機、パーソナルコンピュータが挙げられる。

本発明のように、第１のパターンの側壁又は隙間及び第１のパターンの上面の少なくとも一部を覆う第２のパターンを形成し、その後第１のパターンの一部又は全部を除去するため、パターン倒れが発生しにくくなる。ＣＭＰ（化学的機械的研磨）などの研磨工程が必要ない点で、スループットの低下を抑制できる。

（実施の形態１）
本発明の第１の形態を説明する。図１（Ａ）に示すように、基板１０１上に絶縁膜１０２を形成し、絶縁膜１０２上に有機化合物層を含む下層膜１０３を形成する。下層膜１０３は、有機膜１層のみ、又は有機膜の上に珪素を含む化合物（ポリシロキサン、ポリシランなど）を積層した少なくとも２層で形成される。

下層膜１０３上に感光性膜としてレジスト膜を形成し、そのレジスト膜に対し露光及び現像を行うことによって、図１（Ｂ）に示すような第１のパターン１０４を形成する。レジスト膜は、ポジ型又はネガ型の有機レジストを塗布し、加熱して硬化させることによって形成することができる。露光は、ＡｒＦエキシマレーザーを用いて第１のレチクルを介して、露光装置により行えばよい。必要により露光後加熱を現像前に行う。

図１（Ｃ）に示すように、第１のパターン１０４の側壁１０４ａ及び上面１０４ｂを覆う感光性を有する被膜１０５を、塗布法を用いて形成する。感光性を有する被膜１０５は、ポジ型又はネガ型のレジストを塗布し、加熱して硬化させることによって形成することができる。塗布するレジストには、珪素を含むレジストを使用することができる。

珪素を含むレジストにかえて、感光性を有する被膜とはいえない珪素を含む反射防止膜を用いることができる。ただし、この場合、珪素を含むレジストを用いる場合と比較して、レジストパターンを形成する工程がさらに必要になり、第２のパターン１０６を形成する工程が複雑になる。

感光性を有する被膜１０５に対し露光及び現像を行うことによって、図２（Ａ）に示すように、第１のパターン１０４の側壁１０４ａ及び上面１０４ｂを覆う第２のパターン１０６を形成する。露光は、ＡｒＦエキシマレーザーを用いて第２のレチクルを介して、又は電子線（ＥＢ）を用いて、露光装置により行うことができる。必要により露光後加熱を現像前に行う。

図２（Ｂ）に示すように、エッチングにより前記第１のパターン１０４の上面を露呈させる。このエッチングは、第２のパターン１０６に対して行われ、第１のパターン１０４よりも第２のパターン１０６のエッチング速度が高くなるガス（例えばＣＦ₄、ＣＨＦ₃などのフッ素化合物）を用いたドライエッチングが望ましい。このとき、第２のパターン１０６に覆われていない部分は下層膜１０３の上面が露出しているため、当該部分の下層膜１０３の上層もまたエッチングされる場合がある。

その後、第１のパターン１０４を除去し、図２（Ｃ）に示すように、第２のパターン１０６をマスクとして用い下層膜１０３をエッチングする。第１のパターン１０４の除去及び下層膜１０３のエッチングは、酸素又はオゾンを含むガスを用いて行うことができる。

エッチング後の下層膜１０３をマスクとして用い、絶縁膜１０２をエッチングする。このエッチングは、例えばＣＦ₄、ＣＨＦ₃などのフッ素化合物を含むガスを用いたドライエッチングによって行われる。その際、第２のパターン１０６も除去される。こうして、絶縁膜１０２にトレンチ又はコンタクトホール（図示せず）が形成される。

（実施の形態２）
本発明の第２の形態を説明する。図３（Ａ）に示すように、基板２０１上に導電膜又は半導体膜２０２を形成し、その導電膜又は半導体膜２０２上に有機化合物層を含む下層膜２０３を形成する。下層膜２０３は、有機膜１層のみ、又は有機化合物層の上に珪素を含む化合物（ポリシロキサン、ポリシランなど）を積層した少なくとも２層で形成される。

下層膜２０３上にレジスト膜を形成し、そのレジスト膜に対し露光及び現像を行うことによって、図３（Ｂ）に示すような、隙間２０４ａを有する第１のパターン２０４を形成する。レジスト膜は、ポジ型又はネガ型の有機レジストを塗布し、加熱して硬化させることによって形成することができる。露光は、ＡｒＦエキシマレーザーを用いて第１のレチクルを介して、露光装置により行えばよい。必要により露光後加熱を現像前に行う。

図３（Ｃ）に示すように、第１のパターン２０４の隙間２０４ａ及び上面２０４ｂを覆う被膜２０５を、塗布法を用いて形成する。被膜２０５は、レジスト下層膜形成組成物を塗布し、加熱して硬化させることによって形成することができる。塗布するレジスト下層膜形成組成物には、珪素を含むレジスト下層膜形成組成物を使用することができる。被膜２０５の形成法は塗布法に限らず、プラズマＣＶＤ等のＣＶＤ法を用いてもよい。

そして、第１のパターン２０４の一部と重なるレジストマスク２０６を形成する（図４（Ａ）参照）。レジストマスク２０６は、ポジ型又はネガ型の有機レジストを塗布し、加熱して硬化させることによってレジスト膜を形成し、ＡｒＦエキシマレーザーを用いて第２のレチクルを介して露光装置により露光を行い、さらに現像を行うことによって形成することができる。必要により露光後加熱を現像前に行う。

そのレジストマスク２０６を用いて被膜２０５をエッチングすることによって、図４（Ｂ）に示すように、第１のパターン２０４の上面の一部を露呈させると共に、その上面の残部（露呈した一部を除く部分）上及び第１のパターン２０４の隙間に第２のパターン２０７を形成する。このエッチングは、第１のパターン２０４及びレジストマスク２０６よりも被膜２０５のエッチング速度が高くなるガス（例えばＣＦ₄、ＣＨＦ₃などのフッ素化合物）を用いたドライエッチングが望ましい。

図４（Ｃ）に示すように、レジストマスク２０６及び第２のパターン２０７をマスクとして用い、第１のパターン２０４及び下層膜２０３をエッチングする。第１のパターン２０４及び下層膜２０３のエッチングは、酸素又はオゾンを含むガスを用いて行うことができる。このとき、第２のパターン２０７上に残存するレジストマスク２０６も除去される。

エッチング後の下層膜２０３をマスクとして用い、導電膜又は半導体膜２０２をエッチングする。このエッチングは、ドライエッチングによって行うことができ、導電膜又は半導体膜２０２を構成する材料によってガス種を選択する必要がある。例えば、珪素膜をドライエッチングするには、ＣＦ₄、ＣＨＦ₃などのフッ素化合物を用いる。こうして、配線が形成される。

（実施の形態３）
前述の実施の形態１では、珪素を含むレジスト等を用いて感光性を有する被膜１０５を形成するが、本形態では、非感光性のコーティング組成物を用いて図７（Ａ）に示す被膜３０５を、感光性を有する被膜１０５にかえて形成する。すなわち、第１のパターン１０４を形成するまでの工程を実施の形態１と同様に行い、その後、第１のパターン１０４の側壁１０４ａ及び上面１０４ｂを覆う被膜３０５を、塗布法を用いて形成する。被膜３０５は、末端にシラノール基を有するポリシラン及びオルガノポリシロキサンから選択される珪素含有化合物（オリゴマー又はポリマー）並びにトップコート溶剤を含むコーティング組成物を塗布し、１５０℃を超えない温度（８０℃乃至１５０℃）で加熱することで形成される。第１のパターン１０４に対し、後述する実施例１に示すＨＢｒプラズマ処理のような表面処理を行う必要はない。当該コーティング組成物には、必要に応じて、第４級ホスホニウム塩、第４級アンモニウム塩、スルホン酸化合物、架橋剤、有機酸及び界面活性剤から選択される少なくとも１種の添加物が更に含まれる。

上記コーティング組成物に含まれるトップコート溶剤として、例えば４−メチル−２−ペンタノール、１−ブタノール、プロピレングリコールｎ−プロピルエーテル、プロピレングリコールｎ−ブチルエーテル、プロピレングリコールフェニルエーテル、ジプロピレングリコールｎ−プロピルエーテル、ジプロピレングリコールｎ−ブチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、トリプロピレングリコールメチルエーテル、プロピレングリコールジアセテート、シクロヘキサノールアセテート、シクロヘキサノールが挙げられる。これらのうち、第１のパターン１０４をほとんど溶解しない溶剤が選択される。

次に、図７（Ｂ）に示すように、レジストマスク３０６を被膜３０５上に形成する。レジストマスク３０６は、ポジ型又はネガ型の有機レジストを塗布し、加熱して硬化させることによってレジスト膜を形成し、そのレジスト膜に対し露光及び現像を行うことによって、第１のパターン１０４と完全に重なるように形成される。

それから、図７（Ｃ）に示すように、レジストマスク３０６を用いて被膜３０５をエッチングすることにより、第１のパターン１０４の側壁１０４ａ及び上面１０４ｂを覆う第２のパターン３０７を形成する。その後、フッ素化合物を用いたドライエッチングにより前記第１のパターン１０４の上面を露呈させる以降の工程を、実施の形態１と同様に行う。

以下、本発明について実施例によってさらに具体的に説明する。ただし、本発明は下記実施例の記載に限定されるものではない。

本実施例は、基板としてシリコンウエハを用い、シリコンウエハ上の絶縁膜をパターニングして、コンタクトホールを形成する例である。

シリコンウエハ（図１（Ａ）の基板１０１に相当）上に、ｌｏｗ−ｋ膜として炭素を含む酸化珪素膜（以下、ＳｉＯＣ膜と表記する）をプラズマＣＶＤ法により形成する。ＳｉＯＣ膜は、実際は炭素の他に水素を含んでおり、図１（Ａ）の絶縁膜１０２に相当する。

そのＳｉＯＣ膜上に、レジスト下層膜（図１（Ａ）の下層膜１０３に相当）を形成する。本実施例では、レジスト下層膜を２層構造とし、２層構造の下層として下記式（１）で表されるポリマーと有機溶媒（シクロヘキサノン及びプロピレングリコールモノメチルエーテル）を含む組成物から形成される有機膜を形成する。式（１）で表されるポリマーは、ａで表される単位構造（８０モル％）、ｂで表される単位構造（１０モル％）、及びｃで表される単位構造（１０モル％）を有する共重合体である。

本実施例において、２層構造の上層は、テトラエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン及びメチルトリエトキシシラン（テトラエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン及びメチルトリエトキシシランでもよい）を原料モノマーとして用い、加水分解及び縮合させて形成されたポリマー及び有機溶媒（プロピレングリコールモノメチルエーテル及びプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート）を含む組成物から形成される珪素を含む反射防止膜である。ブリュワーサイエンス社から入手可能なハードマスク形成用組成物（商品名：ＥＮＳＥＭＢＬＥ ＡＲＣ〔登録商標〕）を用いて形成される膜を、上層に適用してもよい。

レジスト下層膜上に、ポジ型レジスト（東京応化工業（株）製、商品名：ＴＡＲＦ−Ｐ６２３９又は住友化学（株）製、商品名：ＰＡＲ−８５５）をスピナーにより塗布し、所定の条件で硬化させてレジスト膜を形成する。形成されたレジスト膜を、レチクル（フォトマスク）を介してＡｒＦエキシマレーザーにより露光（（株）ニコン製、装置名：ＮＳＲ−Ｓ３０７Ｅを使用）し、現像等を行うことによって、線状又は島状のレジストパターン（図１（Ｂ）の第１のパターン１０４に相当）を形成する。現像液は、２．３８質量％のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド水溶液を用いればよい。

第１のパターン１０４に相当するレジストパターンに対し、ＨＢｒプラズマ処理をおこない、レジストパターンの表面を硬化させる（例えば、特表２００５−５３５９３６号公報参照）。このレジストパターンと後に形成する珪素を含むレジストとのインターミキシングを防止するためである。なお、レジストパターンを形成するためにポジ型レジストでなくネガ型レジストを用いる場合、ＨＢｒプラズマ処理は必ずしも必要ない。ネガ型レジストとして、例えば、特開２００６−３５０１９８号公報に記載されているレジスト、特開２００７−１４００７０号公報に記載されているレジストが挙げられる。その後、レジストパターンを覆うように、珪素を含むレジストをスピナーにより塗布し、所定の条件で硬化させて、図１（Ｃ）の感光性を有する被膜１０５に相当するレジスト膜を形成する。珪素を含むレジストとして、例えば、特開２００４−１７７６６９号公報に記載されているレジスト、特開２００７−２４６５９６号公報に記載されているレジストが挙げられる。

感光性を有する被膜１０５に相当するレジスト膜を、レチクル（フォトマスク）を介してＡｒＦエキシマレーザーにより露光（（株）ニコン製、装置名：ＮＳＲ−Ｓ３０７Ｅを使用）し、現像等を行うことによってレジストパターン（図２（Ａ）の第２のパターン１０６に相当）を形成する。

第１のパターン１０４に相当するレジストパターンの上面を露呈させるため、第２のパターン１０６に相当するレジストパターンに対し、ＣＦ₄を含むガスを用いたドライエッチングを行う。その際、下層膜１０３に相当するレジスト下層膜の２層構造の上層も、図２（Ｂ）に示すようにエッチングされる。

それから、上面が露呈したレジストパターン（第１のパターン１０４に相当）を酸素プラズマ処理により除去し、さらに、第２のパターン１０６に相当するレジストパターンをマスクとして、下層膜１０３に相当するレジスト下層膜の残りをドライエッチングすることにより、図２（Ｃ）に示すような微細なパターンが形成される。この工程は、プラズマエッチング装置を用いて、同一チャンバー内で、連続的に行うことができる。その後、形成された微細なパターンをマスクとして、絶縁膜１０２に相当するＳｉＯＣ膜に対しドライエッチングをおこない、シリコンウエハに達するコンタクトホールを形成すればよい。コンタクトホール形成工程は、直前工程で使用したプラズマエッチング装置のチャンバー内に導入するガス種を変更し、基板をチャンバーから取り出さずに行うことができる。

本実施例は、基板上に形成された多結晶珪素膜（ポリシリコン膜）をパターニングして、電界効果トランジスタのゲートを形成する例である。

図３（Ａ）の導電膜又は半導体膜２０２に相当するポリシリコン膜上に、図３（Ａ）の下層膜２０３に相当するレジスト下層膜を実施例１と同様に形成する。すなわち、２層構造の下層として前記式（１）で表されるポリマーと有機溶媒（シクロヘキサノン及びプロピレングリコールモノメチルエーテル）を含む組成物から形成される有機膜を形成し、上層として珪素を含む反射防止膜を形成する。

レジスト下層膜上に、ポジ型レジスト（東京応化工業（株）製、商品名：ＴＡＲＦ−Ｐ６２３９又は住友化学（株）製、商品名：ＰＡＲ−８５５）をスピナーにより塗布し、所定の条件で硬化させてレジスト膜を形成する。形成されたレジスト膜を、レチクル（フォトマスク）を介してＡｒＦエキシマレーザーにより露光（（株）ニコン製、装置名：ＮＳＲ−Ｓ３０７Ｅを使用）し、現像等を行うことによって、トレンチが形成された形状のレジストパターン（図３（Ｂ）の第１のパターン２０４に相当）を形成する。現像液は、２．３８質量％のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド水溶液を用いればよい。

第１のパターン２０４に相当するレジストパターンに対し、実施例１と同様に、ＨＢｒプラズマ処理をおこない、レジストパターンの表面を硬化させる。なお、レジストパターンを形成するためにポジ型レジストでなくネガ型レジストを用いる場合、ＨＢｒプラズマ処理は必ずしも必要ない。その後、レジストパターンを覆うように、図３（Ｃ）の被膜２０５に相当する珪素を含む反射防止膜（レジスト下層膜）を形成する。本実施例では、ブリュワーサイエンス社から入手可能なハードマスク形成用組成物（商品名：ＥＮＳＥＭＢＬＥ ＡＲＣ〔登録商標〕）をスピナーにより塗布し、所定の条件で硬化させることによって形成する。テトラエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン及びメチルトリエトキシシラン（テトラエトキシシラン、フェニルトリメトキシシラン及びメチルトリエトキシシランでもよい）を原料モノマーとして用い、加水分解及び縮合させて形成されたポリマー及び有機溶媒（プロピレングリコールモノメチルエーテル及びプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート）を含む組成物を用いてもよい。

被膜２０５に相当する珪素を含む反射防止膜上に、ポジ型レジスト（東京応化工業（株）製、商品名：ＴＡＲＦ−Ｐ６２３９又は住友化学（株）製、商品名：ＰＡＲ−８５５）をスピナーにより塗布し、所定の条件で硬化させてレジスト膜を形成する。形成されたレジスト膜を、レチクル（フォトマスク）を介してＡｒＦエキシマレーザーにより露光（（株）ニコン製、装置名：ＮＳＲ−Ｓ３０７Ｅを使用）し、現像等を行うことによって、線状又は島状のレジストパターン（図４（Ａ）のレジストマスク２０６に相当）を形成する。

レジストマスク２０６に相当するレジストパターンをマスクとして、被膜２０５に相当する珪素を含むレジスト下層膜に対し、第１のパターン２０４に相当するレジストパターンの上面を図４（Ｂ）に示すように露呈させるため、ＣＦ₄を含むガスを用いたドライエッチングを行う。

それから、前述のようにエッチング処理された珪素を含むレジスト下層膜（第２のパターン２０７に相当）をマスクとして、第１のパターン２０４に相当するレジストパターン及び下層膜２０３に相当するレジスト下層膜を、酸素を含むガスを用いてドライエッチングし、図４（Ｃ）に示すような微細なパターンが形成される。この工程は、実施例１と同様に、プラズマエッチング装置を用いて、連続的に行うことができる。さらに、形成された微細なパターンをマスクとして、導電膜又は半導体膜２０２に相当するポリシリコン膜に対しドライエッチングをおこない、ゲートを形成すればよい。ゲート形成工程は、直前工程で使用したプラズマエッチング装置のチャンバー内に導入するガス種を変更し、基板をチャンバーから取り出さずに行うことができる。

実施例２のレジスト下層膜として、珪素を含まないＡｒＦエキシマレーザー用反射防止膜を適用する例である。具体的には、以下に示す有機樹脂及び有機溶媒を含む反射防止膜形成組成物から形成される反射防止膜を用いる。

〔１〕下記式（２）で表される単位構造ａ、ｂ及びｃを有するポリマーと有機溶媒（乳酸エチル及びプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート）を含む組成物。

〔２〕下記式（３）で表される単位構造ａ、ａ’及びｂを有するポリマーと有機溶媒（プロピレングリコールモノメチルエーテル及びプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート）を含む組成物。

〔３〕下記式（４）で表される単位構造を有するポリマーと有機溶媒（プロピレングリコールモノメチルエーテル及びプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート）を含む組成物。

〔４〕下記式（５）で表される単位構造を有するポリマーと有機溶媒（プロピレングリコールモノメチルエーテル及びプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート）を含む組成物。

〔５〕下記式（６）で表される単位構造を有するポリマーと有機溶媒（プロピレングリコールモノメチルエーテル及びプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート）を含む組成物。

本実施例で用いる反射防止膜形成組成物は、式（２）乃至式（６）で表されるいずれか１種のポリマーと有機溶媒の他に、反射防止膜形成組成物に一般に使用されている架橋剤を含む。

特に、図３（Ａ）の下層膜２０３に相当するレジスト下層膜に、これらの反射防止膜形成組成物から形成される反射防止膜を適用することによって、酸素を含むガスを用いて、当該レジスト下層膜と第１のパターン２０４に相当するレジストパターンを容易にドライエッチングすることができる。

実施例１の下層膜１０３に相当するレジスト下層膜として、実施例３に示した反射防止膜形成組成物から形成される反射防止膜を適用する例である。

本実施例の場合、図２（Ｂ）に示すように第１のパターン１０４に相当するレジストパターンの上面を露呈させるドライエッチングを行う際、下層膜１０３に相当するレジスト下層膜はほとんどエッチングされない。その後、実施例１と同様に、酸素プラズマ処理により、上面が露呈したレジストパターンを除去し、引き続きレジスト下層膜をドライエッチングすればよい。

図３（Ｃ）に示す被膜２０５として、本実施例では塗布型の酸化チタン膜を適用する。この酸化チタン膜上に、レジストパターン（図４（Ａ）のレジストマスク２０６に相当）を形成し、これをマスクとして、フッ化水素酸などを用いて当該酸化チタン膜の一部をウェットエッチングする。さらに、前述のようにエッチング処理された酸化チタン膜（図４（Ｂ）の第２のパターン２０７に相当）をマスクとして、実施例２と同様にドライエッチングを行う。

ウェットエッチングは、ドライエッチングとは異なり、等方性エッチングであるため、エッチング後の酸化チタン膜の線幅はレジストパターンの線幅よりも細くなる。この現象は、ポリシリコン膜から電界効果トランジスタのゲートを形成する際に有利である。なぜなら、レジストパターンの線幅より短いゲート長を実現できるからである。

図１（Ａ）ないし（Ｃ）は、本発明の第１の実施の形態を示す断面図であり、（Ａ）は基板１０１上に絶縁膜１０２を形成し、絶縁膜１０２上に下層膜１０３を形成した構造を示す断面図であり、（Ｂ）は下層膜１０３上に第１のパターン１０４を形成した構造を示す断面図であり、及び（Ｃ）は更にその上に感光性を有する被膜１０５を形成した構造を示す断面図である。 図２（Ａ）ないし（Ｃ）は、本発明の第１の実施の形態を示す断面図であり、（Ａ）は第２のパターン１０６を形成した構造を示す断面図であり、（Ｂ）はエッチングにより第１のパターン１０４の上面を露呈した構造を示す断面図であり、及び（Ｃ）は第１のパターン１０４を除去し、第２のパターン１０６をマスクとして用い下層膜１０３をエッチングした構造を示す断面図である。 図３（Ａ）ないし（Ｃ）は、本発明の第２の実施の形態を示す断面図であり、（Ａ）は基板２０１上に導電膜又は半導体膜２０２を形成し、導電膜又は該半導体膜２０２上に下層膜２０３を形成した構造を示す断面図であり、（Ｂ）は下層膜２０３上に第１のパターン２０４を形成した構造を示す断面図であり、及び（Ｃ）は更にその上に被膜２０５を形成した構造を示す断面図である。 図４（Ａ）ないし（Ｃ）は、本発明の第２の実施の形態を示す断面図であり、（Ａ）はレジストマスク２０６を形成した構造を示す断面図であり、（Ｂ）はエッチングにより第１のパターン２０４の上面を露呈すると共に第２のパターン２０７を形成した構造を示す断面図であり、及び（Ｃ）はレジストマスク２０６及び第２のパターン２０７をマスクとして用いて第１のパターン２０４及び下層膜２０３をエッチングした構造を示す断面図である。 図５（Ａ）ないし（Ｃ）は、従来の二重パターニングの例を示す断面図であり、（Ａ）は基板１００１上に半導体膜又は導電膜１００２を形成し、その上にレジスト下層膜１００３を形成した構造を示す断面図であり、（Ｂ）は第１のレジストパターン１００４を形成した構造を示す断面図であり、及び（Ｃ）はレジストパターン１００４をマスクとして用いて下層膜をエッチングし、ハードマスク１００５を形成した構造を示す断面図である。 図６（Ａ）ないし（Ｃ）は、従来の二重パターニングの例を示す断面図であり、（Ａ）はポジ型のレジスト１００６を形成した構造を示す断面図であり、（Ｂ）は第２のレジストパターン１００７を形成した構造を示す断面図であり、及び（Ｃ）は第２のレジストパターン１００７をマスクとして用いてハードマスク１００５をエッチングし、第２のレジストパターン１００７を除去した構造を示す断面図である。 図７（Ａ）ないし（Ｃ）は、本発明の第３の実施の形態を示す断面図であり、（Ａ）は基板１０１上に絶縁膜１０２、絶縁膜１０２上に下層膜１０３が形成され、第１のパターン１０４が形成されたものの上に被膜３０５を形成した構造を示す断面図であり、（Ｂ）は被膜３０５上にレジストマスク３０６を形成した構造を示す断面図であり、及び（Ｃ）はレジストマスク３０６を用いて被膜３０５をエッチングした構造を示す図である。

符号の説明

１０１ 基板
１０２ 絶縁膜
１０３ 下層膜
１０４ 第１のパターン
１０４ａ 第１のパターンの側壁
１０４ｂ 第１のパターンの上面
１０５ 感光性を有する被膜
１０６ 第２のパターン
２０１ 基板
２０２ 導電膜又は半導体膜
２０３ 下層膜
２０４ 第１のパターン
２０４ａ 第１のパターンの隙間
２０４ｂ 第１のパターンの上面
２０５ 被膜
２０６ レジストマスク
２０７ 第２のパターン
３０５ 被膜
３０６ レジストマスク
３０７ 第２のパターン
１００１ 基板
１００２ 半導体膜又は絶縁膜
１００３ レジスト下層膜
１００４ 第１のレジストパターン
１００５ ハードマスク
１００６ ポジ型のレジスト
１００７ 第２のレジストパターン

Claims (8)

1. 基板上に被エッチング膜を形成する工程、
   前記被エッチング膜上に少なくとも１層からなる下層膜を形成する工程、
   前記下層膜上に感光性膜を形成し、前記感光性膜をパターニングして第１のパターンを形成する工程、
   前記下層膜上に感光性を有してもよい被膜を前記第１のパターンの側壁又は隙間及び前記第１のパターンの上面を覆って形成する工程、
   前記被膜をパターニングして前記第１のパターンの側壁又は隙間及び前記第１のパターンの上面の少なくとも一部を覆う第２のパターンを形成する工程、
   前記第１のパターンの一部又は全部を除去し、前記第２のパターンをマスクとして用い前記下層膜をエッチングする工程、及び
   前記エッチング後の下層膜をマスクとして用い前記被エッチング膜をエッチングする工程を含む半導体装置の作製方法。
2. 前記被エッチング膜は、絶縁膜、半導体膜又は導電膜である請求項１に記載の半導体装置の作製方法。
3. 前記感光性を有してもよい被膜は、珪素を含むレジスト膜、珪素を含むレジスト下層膜又は酸化チタン膜である請求項１又は請求項２に記載の半導体装置の作製方法。
4. 前記第１のパターンの一部又は全部を除去する前に前記第１のパターンの上面の一部又は全部を露呈させる、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の半導体装置の作製方法。
5. 基板上に絶縁膜を形成する工程、
   前記絶縁膜上に有機化合物層を含む下層膜を形成する工程、
   前記下層膜上にレジスト膜を形成し、前記レジスト膜に対し少なくとも露光及び現像を行うことによって第１のパターンを形成する工程、
   前記下層膜上に前記第１のパターンの側壁及び上面を覆う感光性を有する被膜を、塗布法を用いて形成する工程、
   前記感光性を有する被膜に対し少なくとも露光及び現像を行うことによって、前記第１のパターンの側壁及び上面を覆う第２のパターンを形成する工程、
   エッチングにより前記第１のパターンの上面を露呈させる工程、
   前記第１のパターンの全部を除去し、前記第２のパターンをマスクとして用い前記下層膜をエッチングする工程、及び
   前記エッチング後の下層膜をマスクとして用い前記絶縁膜をエッチングする工程を含む半導体装置の作製方法。
6. 基板上に導電膜又は半導体膜を形成する工程、
   前記導電膜又は前記半導体膜上に有機化合物層を含む下層膜を形成する工程、
   前記下層膜上にレジスト膜を形成し、前記レジスト膜に対し少なくとも露光及び現像を行うことによって隙間を有する第１のパターンを形成する工程、
   前記下層膜上に前記第１のパターンの隙間及び上面を覆う被膜を、塗布法を用いて形成する工程、
   前記被膜上に前記第１のパターンの一部と重なるレジストマスクを形成する工程、
   前記レジストマスクを用いて前記被膜をエッチングすることによって、前記第１のパターンの上面の一部を露呈させると共に前記上面の残部上及び前記第１のパターンの隙間に第２のパターンを形成する工程、
   前記レジストマスクと前記第２のパターンをマスクとして用い前記第１のパターン及び前記下層膜をエッチングする工程、及び
   前記エッチング後の下層膜をマスクとして用い前記導電膜又は前記半導体膜をエッチングする工程とを含む半導体装置の作製方法。
7. 前記基板は半導体基板又は絶縁基板である請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の半導体装置の作製方法。
8. 前記下層膜は２層からなる請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の半導体装置の作製方法。

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