WO2014010592A1 - マーク形成方法及びデバイス製造方法 - Google Patents

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朋春 藤原
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Definitions

  • the present invention relates to a mark forming method for forming a mark in a mark forming region of a substrate and a device manufacturing method using this mark forming method.
  • a semiconductor device typically includes multiple layers of circuit patterns formed on a substrate, and a predetermined pattern of the substrate is used to accurately align the multiple layers of circuit patterns with each other in the semiconductor device manufacturing process.
  • An alignment mark for positioning or alignment is formed in the mark formation region of the layer.
  • the substrate is a semiconductor wafer (hereinafter also simply referred to as a wafer)
  • the alignment mark is also referred to as a wafer mark.
  • the conventional finest circuit pattern of a semiconductor device has been formed by using a dry or immersion lithography process using a dry or immersion exposure apparatus having an exposure wavelength of 193 nm, for example. It is expected that it is difficult to form a circuit pattern finer than, for example, a 22 nm node even if conventional optical lithography is combined with a recently developed double patterning process.
  • nanoscale microstructures (sub-lithography) using directional self-assembly of block copolymers (BlockAsCo-Polymer) between patterns formed using a lithography process recently. It has been proposed to form a circuit pattern that is finer than the resolution limit of the current lithography technique (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-269304).
  • the patterned structure of a block copolymer is also known as a microdomain (microphase separation domain) or simply a domain.
  • Graphoepitaxy is known as a directional self-organization method.
  • an aspect of the present invention aims to provide a mark forming technique that can be used when a circuit pattern is formed using self-organization of a block copolymer.
  • a method of forming a mark is provided that includes forming a mark and applying a polymer layer containing the block copolymer onto the work layer of the substrate.
  • the first mark image is exposed on the mark forming layer of the substrate, the second mark including the convex line portion is formed based on the first mark image, and the substrate Applying a polymer layer containing a block copolymer to a portion other than the convex line portion of the region where the second mark is formed, forming a self-assembled region in the polymer layer,
  • a mark forming method is provided that includes selectively removing a portion of the organized region and processing the mark forming layer of the substrate using the self-assembled region after the removal.
  • the mark for interlayer alignment is formed on the substrate using the mark forming method of the first or second aspect, and the alignment is performed using the mark for alignment.
  • a device manufacturing method comprising: exposing the substrate; and processing the exposed substrate.
  • the mark when the circuit pattern is formed using the self-organization of the block copolymer, the mark can be formed together with the circuit pattern.
  • FIG. 2A is a block diagram showing a main part of a pattern forming system used in the embodiment
  • FIG. 2B is a view showing a schematic configuration of an exposure apparatus 100 in FIG.
  • (A) is a top view which shows the device layer with the wafer which concerns on 1st Embodiment
  • (B) is an enlarged plan view which shows one wafer mark of FIG. 2 (A), and a one part circuit pattern.
  • It is a flowchart which shows the pattern formation method of 1st Embodiment.
  • (A), (B), (C), (D), (E), (F), and (G) are enlarged cross-sectional views each showing a part of a wafer pattern that gradually changes during the pattern forming process. is there.
  • (A) is an enlarged plan view showing a part of the wafer surface coated with a neutral layer
  • (B) is an enlarged plan view showing a part of the wafer surface in a state where a part of the neutral layer is removed.
  • (A) is an enlarged plan view showing a part of a mark pattern of the reticle of the second embodiment
  • (B) is an enlarged view showing a pattern of a transmission region in FIG. 6 (A).
  • (A) is an enlarged plan view showing a part of the resist pattern of the second embodiment
  • (B) is an enlarged view showing a concave region of FIG. 7 (A)
  • (C) is one of the patterned liquid repellent layers. It is an enlarged view which shows a part.
  • (A) is an enlarged plan view showing a polymer layer separated into two types of domains
  • (B), (C), and (D) are cross-sectional views in the manufacturing stage where the wafer of FIG. is there. It is an enlarged plan view showing a wafer mark formed in the second embodiment. It is an enlarged plan view which shows the wafer mark of a comparative example.
  • (A) is an enlarged plan view showing a resist mark for a wafer mark of a first modified example
  • (B) is a partially enlarged view showing a polymer layer separated into hole pattern domains.
  • FIG. 13B is an enlarged plan view showing a resist mark for a wafer mark on the second device layer in FIG. It is a flowchart which shows an example of the manufacturing process of an electronic device.
  • FIG. 1A shows a main part of the pattern forming system of the present embodiment
  • FIG. 1B shows a scanning exposure apparatus (projection exposure apparatus) comprising a scanning stepper (scanner) in FIG. ) 100 schematic configuration.
  • projection exposure apparatus projection exposure apparatus
  • scanner scanning stepper
  • a pattern forming system includes an exposure apparatus 100, a coater / developer 200 for applying and developing a photoresist (resist) as a photosensitive material on a wafer (substrate), a thin film forming apparatus 300, a dry and Etching apparatus 400 that performs wet etching, polymer processing apparatus 500 that performs processing of a polymer (polymer) including a block copolymer (Block Co-Polymer: BCP), which will be described later, an annealing apparatus 600, and an interval between these apparatuses And a transfer system 700 for transferring the wafer, a host computer (not shown), and the like.
  • a coater / developer 200 for applying and developing a photoresist (resist) as a photosensitive material on a wafer (substrate)
  • a thin film forming apparatus 300 a dry and Etching apparatus 400 that performs wet etching
  • polymer processing apparatus 500 that performs processing of a polymer (polymer) including
  • the block copolymer used in the present invention is a polymer containing a monomer (monomer) present in more than one block unit, or a polymer derived from those monomers. Each block of monomers includes a repeating sequence of monomers. Any polymer such as a diblock copolymer or a triblock copolymer can be used as the block copolymer. Of these, the diblock copolymer has two different monomer blocks.
  • the diblock copolymer can be abbreviated as Ab-B, where A is the first block polymer, B is the second block polymer, and -b- is the A and B block.
  • PS-b-PMMA represents a diblock copolymer of polystyrene (PS) and polymethyl methacrylate (PMMA).
  • a block copolymer having another structure such as a star copolymer, a branched copolymer, a hyperbranched copolymer, or a graft copolymer, is used as the block of the present invention. It can also be used as a copolymer.
  • the block copolymer has a tendency that the respective blocks (monomers) constituting the block copolymer gather to form individual microphase separation domains called microdomains or simply domains (phase separation tendency).
  • This phase separation is also a kind of self-assembly.
  • the spacing and morphology of the different domains depends on the interaction, volume fraction, and number of different blocks within the block copolymer.
  • the domain of the block copolymer can be formed, for example, as a result of annealing (annealing). Heating or baking, which is part of annealing, is a common process that raises the temperature of the substrate and the coating layer (thin film layer) above it above ambient temperature.
  • Annealing can include thermal annealing, thermal gradient annealing, solvent vapor annealing, or other annealing methods.
  • Thermal annealing sometimes referred to as thermosetting, is used to induce phase separation and can also be used as a process to reduce or eliminate defects in layers of lateral microphase separation domains.
  • Annealing generally involves heating at a temperature above the glass transition temperature of the block copolymer for a period of time (eg, minutes to days).
  • directed self-assembly is applied to a polymer including a block copolymer to form a circuit pattern and / or alignment mark suitable for a semiconductor device.
  • DSA directed self-assembly
  • a spatial arrangement topographic structure defined by a pre-pattern or guide pattern, for example, using a resist pattern formed by a lithography process as a pre-pattern or guide pattern. It is a technology that controls the placement.
  • a method of directivity self-organization for example, a chemo-epitaxy method (Chemo-Epitaxy Process) in which a planar pre-pattern or guide pattern is provided on the ground is used.
  • Epitaxy Grapho-Epitaxy Process
  • an exposure apparatus 100 includes an illumination system 10, a reticle stage RST that holds a reticle R (mask) that is illuminated by exposure illumination light (exposure light) IL from the illumination system 10, and a reticle R.
  • a projection unit PU including a projection optical system PL that projects the emitted illumination light IL onto the surface of the wafer W (substrate), a wafer stage WST that holds the wafer W, and a computer that comprehensively controls the operation of the entire apparatus.
  • a main control device (not shown) is provided.
  • the Z axis is taken in parallel with the optical axis AX of the projection optical system PL, and along the direction in which the reticle R and the wafer W are relatively scanned in a plane (substantially a horizontal plane) perpendicular thereto.
  • the Y axis is taken along the X axis along the direction perpendicular to the Z axis and the Y axis, and the rotation (tilt) directions around the X axis, the Y axis, and the Z axis are described as the ⁇ x, ⁇ y, and ⁇ z directions, respectively. I do.
  • the illumination system 10 includes a light source that generates illumination light IL and an illumination optical system that illuminates the reticle R with the illumination light IL, as disclosed in, for example, US Patent Application Publication No. 2003/025890.
  • the illumination light IL for example, ArF excimer laser light (wavelength 193 nm) is used.
  • KrF excimer laser light wavelength 248 nm
  • a harmonic of a YAG laser or a solid-state laser such as a semiconductor laser
  • the illumination optical system includes a polarization control optical system, a light quantity distribution forming optical system (such as a diffractive optical element or a spatial light modulator), an optical integrator (such as a fly-eye lens or a rod integrator (an internal reflection type integrator)), etc.
  • a polarization control optical system such as a diffractive optical element or a spatial light modulator
  • an optical integrator such as a fly-eye lens or a rod integrator (an internal reflection type integrator)
  • An optical system, a reticle blind (fixed and variable field stop), and the like are included.
  • the illumination system 10 includes a slit-like illumination area IAR that is elongated in the X direction on the pattern surface (lower surface) of the reticle R defined by the reticle blind, dipolar illumination (a non-periodic direction in which the shape of the secondary light source is a leaf-like pattern) Illumination is performed with a substantially uniform illuminance distribution by illumination light IL in a predetermined polarization state under illumination conditions such as quadrupole illumination, annular illumination, or normal illumination.
  • a reticle stage RST that holds the reticle R by vacuum suction or the like is movable on the upper surface of the reticle base (not shown) parallel to the XY plane at a constant speed in the Y direction, and in the X and Y positions. And the rotation angle in the ⁇ z direction can be adjusted.
  • the position information of the reticle stage RST is obtained with a resolution of, for example, about 0.5 to 0.1 nm via the movable mirror 14 (or the mirror-finished side surface of the stage) by the reticle interferometer 18 including a multi-axis laser interferometer. Always detected.
  • the position and speed of reticle stage RST are controlled by controlling a reticle stage drive system (not shown) including a linear motor and the like based on the measurement value of reticle interferometer 18.
  • the projection unit PU disposed below the reticle stage RST includes a lens barrel 24 and a projection optical system PL having a plurality of optical elements held in the lens barrel 24 in a predetermined positional relationship.
  • the projection optical system PL is, for example, telecentric on both sides and has a predetermined projection magnification ⁇ (for example, a reduction magnification of 1/4 times, 1/5 times, etc.). Due to the illumination light IL that has passed through the reticle R, an image of the circuit pattern in the illumination area IAR of the reticle R passes through the projection optical system PL to form an exposure area IA (conjugation with the illumination area IAR) in one shot area of the wafer W. Region).
  • a wafer (semiconductor wafer) W as a substrate of the present embodiment is used for pattern formation on the surface of a disk-shaped base material having a diameter of about 200 to 450 mm made of, for example, silicon (or SOI (silicon on insulator) or the like). In which a thin film (oxide film, metal film, polysilicon film, etc.) is formed. Further, a photoresist is applied to the surface of the wafer W to be exposed with a predetermined thickness (for example, about several tens of nm to 200 nm).
  • the exposure apparatus 100 performs exposure using a liquid immersion method, so that the lower end of the lens barrel 24 that holds the tip lens 26 that is the optical element on the most image plane side (wafer W side) constituting the projection optical system PL.
  • a nozzle unit 32 that constitutes a part of the local liquid immersion device 30 for supplying the liquid Lq between the tip lens 26 and the wafer W is provided so as to surround the periphery of the part.
  • the supply port for the liquid Lq of the nozzle unit 32 is connected to a liquid supply device (not shown) via a supply flow path and a supply pipe 34A.
  • the liquid Lq recovery port of the nozzle unit 32 is connected to a liquid recovery device (not shown) via a recovery flow path and a recovery pipe 34B.
  • the detailed configuration of the local immersion apparatus 30 is disclosed in, for example, US Patent Application Publication No. 2007/242247.
  • Wafer stage WST is mounted on upper surface 12a parallel to the XY plane of base board 12 so as to be movable in the X and Y directions.
  • Wafer stage WST is provided in stage body 20, wafer table WTB mounted on the upper surface of stage body 20, and stage body 20, and the position (Z) of wafer table WTB (wafer W) with respect to stage body 20 (Z Position) and a Z-leveling mechanism that relatively drives the tilt angles in the ⁇ x direction and the ⁇ y direction.
  • Wafer table WTB is provided with a wafer holder (not shown) that holds wafer W on a suction surface substantially parallel to the XY plane by vacuum suction or the like.
  • a flat plate (repellent repellent surface) that is substantially flush with the surface of wafer W (wafer surface) and that has been subjected to a liquid repellent treatment with respect to liquid Lq. (Liquid plate) 28 is provided. Further, during exposure, for example, based on the measurement value of an oblique focus type autofocus sensor (not shown), the Z leveling of wafer stage WST is performed so that the wafer surface is focused on the image plane of projection optical system PL. The mechanism is driven.
  • a reflecting surface is formed on each of the end surfaces in the Y direction and the X direction of the wafer table WTB by mirror finishing.
  • the position information of the wafer stage WST (at least in the X and Y directions) And a rotation angle in the ⁇ z direction) are measured with a resolution of about 0.5 to 0.1 nm, for example.
  • the position and speed of wafer stage WST are controlled by controlling a wafer stage drive system (not shown) including a linear motor and the like based on the measured values.
  • the position information of wafer stage WST may be measured by an encoder type detection apparatus having a diffraction grating scale and a detection head.
  • the exposure apparatus 100 also measures the wafer alignment system ALS for measuring the position of a predetermined wafer mark (alignment mark) on the wafer W and the position of the image by the projection optical system PL of the alignment mark on the reticle R.
  • An aerial image measurement system (not shown) built in stage WST is provided. Using these aerial image measurement systems (reticle alignment systems) and wafer alignment systems AL, alignment between the reticle R and each shot area of the wafer W is performed.
  • the wafer stage WST is moved in the X and Y directions (step movement), so that the shot area to be exposed on the wafer W is moved in front of the exposure area IA. Further, the liquid Lq is supplied between the projection optical system PL and the wafer W from the local liquid immersion device 30. Then, while projecting an image of a part of the pattern of the reticle R by the projection optical system PL onto one shot area of the wafer W, the reticle R and the wafer W are synchronized in the Y direction via the reticle stage RST and the wafer stage WST. The pattern image of the reticle R is scanned and exposed to the shot area. By repeating the step movement and scanning exposure, the image of the pattern of the reticle R is exposed to each shot area of the wafer W by the step-and-scan method and the liquid immersion method.
  • the device pattern to be manufactured in this embodiment is a circuit pattern for an SRAM (Static RAM) gate cell as a semiconductor element, and this circuit pattern is a polymer pattern including a block copolymer. Formed using directional self-organization (DSA). Further, in the present embodiment, a wafer mark as an alignment mark for positioning or alignment is also formed on the device layer of the wafer W on which the device pattern is formed.
  • SRAM Static RAM
  • DSA directional self-organization
  • FIG. 2A shows the wafer W on which the device pattern and the wafer mark are formed.
  • the surface of the wafer W is provided with a number of shot areas SA (device pattern formation areas) with a scribe line area SL (mark formation area) having a predetermined width in the X and Y directions.
  • a device pattern DP1 is formed in each shot area SA, and a wafer mark WM is formed in a scribe line area SL attached to each shot area SA.
  • the device pattern DP1 has a plurality of line patterns 40Xa extending in the Y direction arranged in a substantially period (pitch) px1 in the X direction.
  • the line and space pattern (hereinafter referred to as L & S pattern) 40X and the L & S pattern 40Y in which a plurality of line patterns extending in the X direction are arranged with a period py1 in the Y direction are included.
  • the line pattern 40Xa and the like are made of, for example, metal, and the line width is about 1 ⁇ 2 or less of the period px1 or the like.
  • the periods px1 and py1 are substantially equal, and the period px1 is the finest period (hereinafter referred to as a period pmin) obtained by combining immersion lithography with a wavelength of 193 nm and, for example, a so-called double patterning process. It is about a fraction of that. For example, 1/2 of the period px1 is smaller than about 22 nm.
  • a linear domain is formed for each different block when the polymer including the block copolymer is subjected to directional self-assembly.
  • the wafer mark WM in the scribe line region SL is an X-axis wafer mark 44X in which a concave region 44Xa and a convex region 44Xb, which are each elongated in the Y direction and have the same width in the X direction, are arranged in the X direction with a period p1; It includes two Y-axis wafer marks 44YA and 44YB in which a concave region 44Ya and a convex region 44Yb that are elongated in the X direction and have the same width in the Y direction are arranged in the X direction with a period p2.
  • a metal thin film is embedded in the recessed areas 44Xa and 44Ya, and the height of the raised areas 44Xb and 44Yb is the same as the height of the portion surrounding the recessed areas 44Xa and 44Ya.
  • the wafer marks 44X, 44YA and 44YB can be regarded as L & S patterns.
  • Wafer marks 44YA and 44YB are arranged so as to sandwich wafer mark 44X in the Y direction.
  • the periods p1 and p2 are equal, and the period p1 is several to several tens of times the resolution limit (period) in immersion lithography with a wavelength of 193 nm.
  • the recessed areas 44Xa and 44Ya and the raised areas 44Xb and 44Yb may be areas having different reflectivities with respect to the detection light when detected by the wafer alignment system ALS in FIG.
  • the recessed areas 44Xa and 44Ya and the non-conductive raised areas 44Xb and 44Yb have different reflectances, so that they are easily detected by the wafer alignment system ALS. it can.
  • directional self-organization in which a linear domain is formed when the device pattern DP1 is formed is applied.
  • domain formation is prevented as follows. .
  • a device pattern DP1 is also formed along with the wafer mark 44X and the like.
  • a surface portion of a substrate 50 such as silicon of the wafer W is defined as a first device layer DL1 on which a wafer mark and a device pattern are formed.
  • the liquid repellent layer 52 is formed on the surface of the device layer DL1 of the wafer W from a material that easily repels liquid (for example, water) using the thin film forming apparatus 300.
  • a material of the liquid repellent layer 52 for example, polystyrene (PS) is used.
  • PS polystyrene
  • a positive resist layer 54 is coated on the liquid repellent layer 52 using the coater / developer 200 (step 104).
  • the illumination condition of the exposure apparatus 100 is set to, for example, quadrupole illumination so that the finest pattern can be exposed in the X direction and the Y direction, and the wafer W is loaded onto the exposure apparatus 100 (step 106).
  • the device pattern image 45DP of the reticle R is exposed to each shot area SA of the wafer W by a liquid immersion method.
  • the image 45XP of the wafer mark pattern 45 of the reticle R is exposed to the scribe line area SL attached to each shot area SA (step 108).
  • the exposed wafer is unloaded, and the resist is developed by the coater / developer 200 to form a resist pattern 54P (see FIG. 4B). Thereafter, slimming of the resist pattern 54P and resist curing processing are performed (step 110).
  • a plurality of guide patterns 54A and the like having a narrow line width in the X direction are formed from the device pattern image, and openings 45Xa and the like in the resist film 54A1 are formed from the wafer mark pattern image.
  • the exposure amount can be adjusted to be large so that the line width of the resist pattern is narrowed during exposure of the pattern image of the reticle R. In this case, slimming can be omitted. Since the line width of the wafer mark pattern image is large, there is little change in the line width due to slimming.
  • the wafer W is transferred to the etching apparatus 400, the liquid repellent layer 52 is etched using the resist pattern as a mask, and the resist is peeled off (step 112).
  • the liquid repellent layer 52 in the shot area SA has a line shape extending in the Y and X directions having the same shape as the plurality of resist guide patterns 54A and the like.
  • a plurality of guide patterns 52a and 52c are formed, and a plurality of the liquid repellent layers 52 in the scribe line region SL are arranged in the X direction with the remaining film portion 52b as a background corresponding to the pattern image of the wafer mark.
  • X-axis mark portions 45XA made up of the opening portions 45XAa
  • Y-axis mark portions 45YA1 and 45YB1 made up of the plurality of opening portions 45YA1a arranged in the Y direction.
  • the wafer W is transported to the thin film forming apparatus 300, and the neutral layer 55 is formed on the surface of the wafer W by a spin coating, for example, from a material having an intermediate property between lyophilic and liquid repellency (step 114). ).
  • the neutral layer 55 is deposited in the recesses between the plurality of guide patterns 52a and 52c in the liquid repellent layer 52 and the openings 45XAa and 45YA1a which are recesses in the mark portions 45XA, 45YA1 and 45YB1.
  • a positive resist layer 53 is coated so as to cover the neutral layer 55 of the wafer W, and then the wafer W is loaded onto the exposure apparatus 100 (step 116). Then, the image R1P of the pattern of the auxiliary reticle R1 is exposed to each shot area SA of the wafer W (see FIG. 4C), and the resist layer 53 is developed (step 118). Since high resolution is not required for exposure in this case, another low-resolution exposure apparatus may be used. As shown in FIG. 5A, the image R1P has a large amount of light in the region including the mark portions 45XA, 45YA1, and 45YB1 of the scribe line region SL, and the amount of light is almost zero in the other regions (shot region SA).
  • a resist pattern 53A serving as an opening is left in a region in the scribe line region SL including the mark portions 45XA, 45YA1, and 45YB1 (see FIG. 4D).
  • the neutral layer 55 is etched using the resist pattern 53A as a mask, and the resist is peeled off (step 120). Thereby, as shown in FIG. 5B, the neutral layer 55 is removed from the openings 45XAa and 45YA1a of the mark portions 45XA, 45YA1 and 45YB1, and the neutral layer 55 between the guide patterns 52a and 52c in the shot area SA. Is left behind.
  • the wafer W from which the neutral layer 55 has been removed from the mark portion of the scribe line region SL is transferred to the polymer processing apparatus 500, and the polymer layer 56 containing a block copolymer (BCP) on the wafer W, for example, by spin coating. Is formed (applied) (step 122).
  • a block copolymer for example, a diblock copolymer (PS-b-PMMA) of polystyrene (PS) and polymethyl methacrylate (PMMA) is used as a block copolymer.
  • PS-b-PMMA diblock copolymer
  • PS polystyrene
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • the polymer layer 56 is a block copolymer itself, but may contain a solvent for improving the coating property and / or an additive for facilitating self-assembly.
  • the polymer layer 56 is formed only on a portion where the neutral layer 55 of the wafer W is present and in the vicinity thereof, and the polymer layer 56 is not formed on the mark portions (openings 45XAa, 45YA1a) (FIG. 4 ( E)).
  • the wafer W on which the polymer layer 56 is formed is transferred to the annealing apparatus 600, and the polymer layer 56 is subjected to annealing (for example, thermal annealing), so that the polymer layer 56 is subjected to two types of directivity self-assembly (DSA). Separate into domains (step 124). Due to the directivity self-organization in this case, the polymer layer 56 becomes a liquid repellent domain 56B on the guide pattern 52a on the upper surface of the plurality of liquid repellent guide patterns 52a of the device pattern.
  • the phases 56A and the liquid repellent domains 56B are phase-separated so as to be arranged periodically.
  • the lyophilic domain 56A is made of PMMA (polymethyl methacrylate)
  • the liquid repellent second domain 56B is made of PS (polystyrene).
  • the wafer W is transferred to the etching apparatus 400 and subjected to, for example, oxygen plasma etching to selectively remove the lyophilic domain 56A among the domains 56A and 56B formed on the wafer W (step 126). Further, using the remaining domain 56B as a mask, the neutral layer 55 is etched to remove the domain 56B (step 128), and the neutral layer 55 and the mark portions (openings 45XAa, 45YA1a) that have been etched are liquid repellent. Using the layer 52 as a mask, the first device layer DL1 of the wafer W is etched (the first half of step 130). As shown in FIG.
  • a plurality of fine recesses 41Xa are respectively formed in regions corresponding to the plurality of domains 56A of the device layer DL1, and a recess 45XBa is formed in the mark portion.
  • B) is a recessed area 44Xa of the wafer mark 44X.
  • recessed areas 44Ya (not shown) of wafer marks 44YA and 44YB are also formed.
  • the wafer W is transferred to the thin film forming apparatus 300, and a metal (for example, copper) ME is embedded in the recess 41Xa and the recess region 44Xa of the device layer DL1 of the wafer W as shown in FIG. 2 (B) wafer marks 44X, 44YA, 44YB and L & S patterns 40X, 40Y are formed (the second half of step 130).
  • step 132 when a second device layer is formed on the device layer DL1 of the wafer W, a thin film is formed on the device layer DL1 of the wafer W, a resist is coated, and an exposure apparatus.
  • a wafer W is loaded on 100.
  • the positions of wafer marks WM 44X, 44YA, 44YB
  • the wafer W is aligned using this. Further, the image of the reticle pattern for the device layer is exposed to each shot area SA of the wafer W, and the second device layer pattern is formed by performing post-processing.
  • the directional self-organization of the polymer layer 56 including the block copolymer is used to make each shot area SA of the wafer W smaller than the resolution limit of immersion lithography.
  • the L & S patterns 40X and 40Y having fine structures are formed, and the neutral layer 55 is removed so that the polymer layer 56 does not remain in the mark formation region of the scribe line region SL. For this reason, in the mark formation region, a wafer mark can be formed with high accuracy as in the case where directivity self-organization is not used.
  • a polymer layer including a block copolymer is formed on the device layer DL1 of the wafer W having the device layer DL1 (processed layer) including the shot area SA and the scribe line area SL.
  • Step 114 for forming a neutral layer 55 (intermediate layer) to which 56 can adhere Steps 118 and 120 for removing the neutral layer 55 formed in the mark portion of the scribe line region SL, and marking in the scribe line region SL
  • the image 45XP is exposed, and steps 108 to 112 for forming a mark portion 45XA including an opening 45XAa (concave portion) based on the mark image 45XP, and a polymer layer 56 including a block copolymer on the device layer DL1 of the wafer W are formed. Applying step 120.
  • this mark forming method it is possible to form a circuit pattern with a period finer than the resolution limit of immersion lithography using self-organization of the polymer layer 56 containing a block copolymer. Further, since the neutral layer 55 is removed and the polymer layer 56 is not formed in the wafer mark formation region of the scribe line region SL of the device layer DL1, the wafer marks 44X, 44YA, and 44YB having the conventional shapes can be simultaneously formed. Therefore, alignment of the device layer DL1 and the device layer thereon can be performed with high accuracy using this wafer mark.
  • the shapes of the wafer marks 44X, 44YA, 44YB are arbitrary. For example, the X-axis wafer mark 44X and the Y-axis wafer marks 44YA, 44YB may be formed on different device layers of the wafer W.
  • a device pattern and a wafer mark are formed on a device layer of a wafer by using directional self-assembly (DSA) of a block copolymer (BCP).
  • DSA directional self-assembly
  • BCP block copolymer
  • the shot arrangement of the wafer (referred to as wafer W1) in this embodiment is the same as that of wafer W in FIG. 2A, but in this embodiment, a fine line width is formed in the recessed area 44Xa of the X-axis wafer mark 44X.
  • a fine structure in which a plurality of line patterns are arranged is formed.
  • the Y-axis wafer marks 44YA and 44YB can be similarly formed.
  • the operations of steps 116 to 120 are omitted from the mark forming method of FIG.
  • an image of the pattern of the reticle R2 on which the mark pattern 46X of FIG. 6A is formed is exposed.
  • the device pattern (not shown) of the reticle R2 is the same as that of the reticle R.
  • an X-axis mark pattern 46X which is an original wafer mark, is formed in the pattern area corresponding to the scribe line area SL of the reticle R2.
  • a partial transmission region 46Xa corresponding to the concave region 44Xa and a light shielding region 46Xb corresponding to the convex region 44Xb in FIG. 2B are arranged in the X direction with a period p1 / ⁇ ( ⁇ is a projection magnification). It is a thing.
  • the width of the partial transmission region 46Xa and the width of the light shielding region 46Xb are substantially the same.
  • the image of the reticle pattern by the projection optical system PL is an erect image.
  • a plurality of line patterns 48X each made of a light shielding film elongated in the Y direction with the light transmission portion as the background are enlarged views of a period p3 / ⁇ in the X direction (part B in FIG. 6A). (See FIG. 6B).
  • the line width of the line pattern 48X is 1 ⁇ 2 of the corresponding period p3 / ⁇ .
  • the period p3 / ⁇ is substantially the same as the resolution limit on the object plane side of the projection optical system PL of the exposure apparatus 100 (resolution limit in immersion lithography with a wavelength of 193 nm). It may be slightly larger. Therefore, the image of the mark pattern 46X on the reticle R2 is exposed to the positive resist layer in the scribe line region SL on the liquid repellent layer 52 of the wafer W1 with high accuracy by the exposure apparatus 100 (step 108).
  • FIG. 7A shows a resist pattern formed on the liquid repellent layer 52 of the wafer W1 after exposure, development and slimming of the image of the mark pattern 46X of the reticle R2 in FIG. 6A to the resist layer.
  • An X-axis registration mark RPX is shown.
  • the registration mark RPX has a period p1 in the X direction between a line group region RPXa corresponding to the partially transmissive region 46Xa of the reticle R2 in FIG. 6A and a convex region RPXb corresponding to the light shielding region 46Xb. It is arranged with.
  • FIG. 7B is an enlarged view of one line group region RPXa in FIG. 7A, and FIGS. 7C and 8A are portions corresponding to FIG. 7B, respectively.
  • a resist pattern 54Ac is formed in the convex region RPXb (here, the region surrounding the line group region RPXa).
  • a plurality of line-like patterns (hereinafter referred to as guide patterns) 54Ad elongated in the X direction are formed with a period p3 in the X direction with the recess 70A interposed therebetween.
  • the line width of the guide pattern 54Ad is, for example, about a fraction to a tenth of a period p3 (here, a resolution limit in terms of period in immersion lithography with a wavelength of 193 nm) (see FIG. 7B). ).
  • step 112 the liquid repellent layer 52 of the wafer W1 is etched using the resist mark RPX as a mask, so that the portion corresponding to the line group region RPXa of the liquid repellent layer 52 is shown in FIG.
  • a plurality of line-like patterns (hereinafter referred to as guide patterns) 52d elongated in the X direction are arranged in the X direction with the recess 70A interposed therebetween. It is formed with a period p3.
  • the neutral layer 55 is formed in the recess 70A between the guide patterns 52d of the liquid repellent layer 52.
  • the operation moves to step 122 after step 114, and a polymer layer 56 containing a block copolymer on the region where the neutral layer 55 of the wafer W1 is formed (see FIG. 8B). Is formed. Then, by annealing the polymer layer 56 (step 124), as shown in FIGS. 8A and 8B, the polymer layer 56 is separated into two types of domains by directional self-assembly (DSA). In this case, above the plurality of liquid-repellent guide patterns 52d for the wafer mark, the polymer layer 56 becomes a liquid-repellent domain 56B on the guide pattern 52d, and is lyophilic between the plurality of guide patterns 52d.
  • DSA directional self-assembly
  • the phases are separated so that the domains 56A and the liquid repellent domains 56B are periodically arranged in the X direction.
  • the lyophilic domain 56A is made of PMMA (polymethyl methacrylate)
  • the liquid repellent domain 56B is made of PS (polystyrene).
  • oxygen plasma etching is performed to selectively remove the lyophilic domain 56A among the domains 56A and 56B formed on the wafer W (step 126).
  • the neutral layer 55 is etched using the remaining domain 56B as a mask (step 128), and the device layer (referred to as the first device layer DL1) of the wafer W1 using the etched neutral layer 55 as a mask.
  • Etching is performed (the first half of step 130).
  • a plurality of fine recesses DL1Xa are formed in regions corresponding to the plurality of domains 56A of the scribe line region SL of the device layer DL1, and a metal (for example, copper) is embedded in the recess DL1Xa.
  • a concave region 44Xa including a plurality of line patterns 58X in FIG. 8D and a flat convex region 44Xb are formed.
  • the period p3a of the line pattern 58X is, for example, about a fraction to a few tenths of the period p3 in FIG.
  • a plurality of metal line patterns 58X are arranged in the X direction with a period p3a (see FIG. 8D).
  • the X-axis wafer mark 44X is formed by arranging the recessed region 44Xa and the protruding region 44Xb arranged in the X direction at a period p1.
  • Re (det) is a resolution limit (a limit that can be optically detected using detection light from the visible range to the near infrared range) converted to the period of the wafer alignment system ALS provided in the exposure apparatus 100.
  • the convex region 44XCb is similar to the present embodiment, Assume that a polymer layer containing a block copolymer is self-organized by a guide pattern. In this case, a plurality of line patterns 58X are arranged in the convex region 44XCb at a fine cycle as in the present embodiment.
  • the image of the mark pattern 46X is exposed on the device layer DL1 of the wafer W1, and the resist including the convex region RPXb (convex line portion) based on the image of the mark pattern 46X.
  • a step 122 of applying a polymer layer 56 containing a block copolymer to a portion other than the convex region RPXb (or the remaining film portion 52b) of the region where the mark of the layer 52 is formed; and a self-organized region ( Step 124 for forming the domains 56A and 56B) and a step 1 for selectively removing a part of the self-organized region (domain 56A) 6 includes a step 128, 130 for processing the device layer DL1 of the wafer W1 by using a self-organizing area after its removal, the.
  • a wafer mark when forming a circuit pattern using self-organization of a block copolymer, a wafer mark can be formed at the same time, and the self-organization of the block copolymer is performed in a region other than the convex region of the wafer mark. Since it is performed in a part, the formed wafer mark can be detected optically with high accuracy.
  • the following modifications are possible.
  • guide patterns 54Ad are periodically formed in the same direction (X direction) as the periodic direction of the marks in the line group region RPXa of the resist pattern in FIG.
  • the line group region RPXa is periodically in the X direction in a direction orthogonal to the periodic direction.
  • a guide pattern extending in a straight line may be formed. Further, the guide pattern can be omitted.
  • a line group region RPXa (enclosed by the frame member 54B1 of the X-axis registration mark RPXA ( Guides arranged in the Y direction in the line group region RPYa (concave region) surrounded by the period p3 of the guide pattern 54B arranged in the X direction in the X direction and the frame member 54C1 of the Y-axis registration marks RPXA and RPYB.
  • the period p4 of the pattern 54C may be different from each other.
  • the convex regions RPXb and RPYb between the line group regions RPXa and RPYa are flat resist portions.
  • This first modification is for forming the Y-axis guide pattern 54C with high accuracy when the fineness in the X direction of the device pattern formed in the corresponding device layer is finer than in the Y direction. May be used.
  • the subsequent operation of self-assembly of the block copolymer is the same as in the above embodiment.
  • the line group regions RPXa and RPYa (concave regions) As shown in FIG. 11C, a rectangular grid-like guide pattern 54E may be formed.
  • the self-organization of the block copolymer in the recess 70E in the guide pattern 54E causes, for example, a minute cylindrical lyophilic domain 62A surrounded by the liquid repellent domain 62B to have a period smaller than the period p3. It is formed by p5a or the like.
  • a wafer mark in which a large number of minute hole patterns are formed in the concave region. can be formed.
  • This wafer mark can also be detected by the wafer alignment system ALS.
  • the finest device pattern in the first device layer DL1 of the wafer W3 is the L-and-S pattern 40X on the X axis in FIG.
  • the finest device pattern of the second device layer DL2 that is different from the first device layer DL1 is the Y-axis L & S pattern 40Y of FIG.
  • dipolar illumination separated in the X direction is used, and when the pattern of the second device layer DL2 is exposed, the resolution in the Y direction is increased.
  • dipole illumination separated in the Y direction shall be used.
  • a guide pattern 54B elongated in the Y direction is periodically formed in the X direction as shown in FIG.
  • a resist mark RPX is formed by arranging a plurality of line group regions RPXa (concave regions) arranged in the X direction across the convex region RPXb.
  • An image of the reticle pattern that is the basis of the guide pattern 54B is exposed with high accuracy by dipolar illumination in the X direction.
  • a plurality of line patterns arranged in the X direction are formed in the portion corresponding to the line group region RPXa by using the directional self-assembly of the polymer layer including the block copolymer as in the above embodiment.
  • a wafer mark 44X is formed.
  • a plurality of line patterns arranged in the Y direction are formed in the portion corresponding to the line group region RPYa using the directional self-assembly of the polymer layer containing the block copolymer as in the above embodiment.
  • wafer marks 44YA and 44YB are formed.
  • the wafer alignment system ALS detects the X-axis wafer mark of the device layer DL1 and the Y-axis wafer mark of the device layer DL2, thereby aligning the wafer W3 in the X and Y directions. It can be carried out.
  • the semiconductor device performs a function / performance design step of the semiconductor device as shown in FIG. 221; manufacturing a mask (reticle) based on this design step 222; manufacturing a semiconductor device substrate (or wafer substrate) 223; substrate processing step 224; device assembly step (dicing process, bonding process) , Including a processing process such as a packaging process) 225, an inspection step 226, and the like.
  • the substrate processing step 224 includes the pattern forming method of the above-described embodiment, and the pattern forming method includes a step of exposing the reticle pattern to the substrate with an exposure apparatus, a step of developing the exposed substrate, and a developing process. It includes a process of heating (curing) and etching the substrate.
  • the device manufacturing method includes a substrate processing step 224, and the substrate processing step 224 uses the pattern forming method of any of the above embodiments to form a device pattern and a wafer mark on the substrate. Forming. According to this device manufacturing method, a semiconductor device including a circuit pattern finer than the resolution limit of the exposure apparatus can be manufactured with high overlay accuracy and high accuracy using the exposure apparatus.
  • the device to be manufactured in the above embodiment can be any semiconductor device such as DRAM, CPU, DSP other than SRAM.
  • the pattern forming method of the above-described embodiment can also be applied when manufacturing an imaging device other than a semiconductor device, or an electronic device (microdevice) such as MEMS (Microelectromechanical Systems).
  • a dry type exposure apparatus that is not an immersion type may be used.
  • an EUV exposure apparatus that uses EUV light (Extreme Ultraviolet Light) having a wavelength of several nanometers to several tens of nanometers as exposure light, or an electron beam exposure that uses an electron beam as exposure light.
  • An apparatus or the like may be used.
  • a diblock copolymer made of (PS-b-PMMA) is used as the block copolymer.
  • Other usable block copolymers include, for example, poly (styrene-b-vinylpyridine), poly (styrene-b-butadiene), poly (styrene-b-isoprene), poly (styrene-b- Methyl methacrylate), poly (styrene-b-alkenyl aromatic), poly (isoprene-b-ethylene oxide), poly (styrene-b- (ethylene-propylene)), poly (ethylene oxide-b-caprolactone), poly (butadiene- b-ethylene oxide), poly (styrene-bt-butyl (meth) acrylate), poly (methyl methacrylate-bt-butyl methacrylate), poly (ethylene oxide-b-propylene oxide), poly (styrene-b-tetrahydrofuran)
  • the block copolymer has an overall molecular weight and polydispersity that can be further processed.
  • the polymer layer containing the block copolymer can be applied by a solvent casting method in which, for example, a solvent is volatilized after applying a liquid obtained by dissolving the polymer layer in a solvent.
  • the solvent that can be used in this case varies depending on the components of the block copolymer and, if used temporarily, the solubility conditions of various additives.
  • Exemplary casting solvents for these components and additives include propylene glycol monomethyl ether acetate (PGMEA), ethoxyethyl propionate, anisole, ethyl lactate, 2-heptanone, cyclohexanone, amyl acetate, ⁇ -butyrolactone (GBL) , Toluene and the like.
  • PGMEA propylene glycol monomethyl ether acetate
  • anisole ethoxyethyl propionate
  • anisole ethyl lactate
  • 2-heptanone 2-heptanone
  • cyclohexanone amyl acetate
  • GBL ⁇ -butyrolactone
  • Additives that can be added to the polymer layer containing the block copolymer include additional polymers (homopolymers, star polymers and copolymers, hyperbranched polymers, block copolymers, graft copolymers, hyperbranched copolymers). Polymers, random copolymers, cross-linked polymers, and inorganic containing polymers), small molecules, nanoparticles, metal compounds, inorganic containing molecules, surfactants, photoacid generators, thermal acid generators, base quenchers, It can be selected from the group consisting of a curing agent, a crosslinking agent, a chain extender, and a combination comprising at least one of the foregoing.
  • the one or more additives associate with the block copolymer to form part of one or more self-assembling domains.

Abstract

 ショット領域及びスクライブライン領域を有するウエハのデバイス層に、ブロック共重合体を含むポリマ層が付着可能な中性層を形成するステップと、スクライブライン領域に形成された中性層を除去するステップと、スクライブライン領域にマーク像を露光し、マーク像に基づいて凹部を含むマークを形成するステップと、ウエハWのデバイス層上にブロック共重合体を含むポリマ層を塗布するステップと、を含む。ブロック共重合体の自己組織化を用いて回路パターンを形成する際に、並列にマークを形成できる。

Description

マーク形成方法及びデバイス製造方法
 本発明は、基板のマーク形成領域にマークを形成するマーク形成方法及びこのマークの形成方法を用いるデバイス製造方法に関する。
 半導体デバイスは、典型的には、基板上に形成される複数層の回路パターンを含み、半導体デバイスの製造工程でそれらの複数層の回路パターンを相互に正確に位置合わせするために、基板の所定層のマーク形成領域に位置決め用又は位置合わせ用のアライメントマークが形成される。基板が半導体ウエハ(以下、単にウエハともいう。)である場合には、アライメントマークはウエハマークとも呼ばれている。
 半導体デバイスの従来の最も微細な回路パターンは、例えば露光波長が193nmのドライ又は液浸法の露光装置を使用するドライ又は液浸リソグラフィ工程を用いて形成されていた。従来の光リソグラフィと、最近開発が行われているダブル・パターニング・プロセスとを組み合わせても、例えば22nmノードよりも微細な回路パターンを形成することは困難であると予想されている。
 これに関して、最近、リソグラフィ工程を用いて形成されたパターン間に、ブロック共重合体(Block Co-Polymer)の指向性自己組織化(Directed Self-Assembly)を用いてナノスケールの微細構造(サブリソグラフィ構造)を生成することによって、現在のリソグラフィ技術の解像限界よりも微細な回路パターンを形成することが提案されている(例えば、特許文献1又は特開2010-269304号公報参照)。ブロック共重合体のパターン化された構造は、ミクロドメイン(ミクロ相分離ドメイン)又は単にドメインとしても知られている。指向性自己組織化の方法としては、グラフォエピタキシが知られている。
米国特許出願公開第2010/0297847号明細書
 ブロック共重合体の指向性自己組織化を用いることによって基板のある層にナノスケールの微細な回路パターンを形成することが可能である。さらに、その層には回路パターンとともにアライメントマークを形成することが求められることもある。しかしながら、単に従来の方法でアライメントマークを形成すると、ブロック共重合体の自己組織化によってアライメントマーク自体にも予期しない微細構造が形成され、その後の工程でそのアライメントマークの検出が困難になると、基板の層間の重ね合わせ精度が低下する恐れがある。
 本発明の態様は、このような事情に鑑み、ブロック共重合体の自己組織化を用いて回路パターンを形成する際に使用可能なマーク形成技術を提供することを目的とする。
 本発明の第1の態様によれば、デバイスパターン形成領域及びマーク形成領域を含む被加工層を有する基板のその被加工層上に、ブロック共重合体を含むポリマ層が付着可能な中間層を形成することと、そのマーク形成領域上に形成されたその中間層の一部を除去することと、そのマーク形成領域に第1マーク像を露光し、そのマーク像に基づいて凹部を含む第2マークを形成することと、その基板のその被加工層上にそのブロック共重合体を含むポリマ層を塗布することと、を含むマーク形成方法が提供される。
 また、第2の態様によれば、基板のマーク形成層上に第1マーク像を露光し、その第1マーク像に基づいて凸のライン部を含む第2マークを形成することと、その基板のその第2マークが形成された領域のその凸のライン部以外の部分にブロック共重合体を含むポリマ層を塗布することと、そのポリマ層に自己組織化領域を形成させることと、その自己組織化領域の一部を選択的に除去することと、その除去後のその自己組織化領域を用いてその基板のそのマーク形成層を加工することと、を含むマーク形成方法が提供される。
 また、第3の態様によれば、第1又は第2の態様のマーク形成方法を用いて基板に層間の位置合わせ用のマークを形成することと、その位置合わせ用のマークを用いて位置合わせを行って、その基板を露光することと、その露光された基板を処理することと、を含むデバイス製造方法が提供される。
 本発明の態様によれば、ブロック共重合体の自己組織化を用いて回路パターンを形成する際に、その回路パターンとともにマークを形成できる。
(A)は実施形態で使用されるパターン形成システムの要部を示すブロック図、(B)は図1(A)中の露光装置100の概略構成を示す図である。 (A)は第1の実施形態に係るウエハのあるデバイス層を示す平面図、(B)は図2(A)の一つのウエハマーク及び一部の回路パターンを示す拡大平面図である。 第1の実施形態のパターン形成方法を示すフローチャートである。 (A)、(B)、(C)、(D)、(E)、(F)、及び(G)はそれぞれパターン形成工程中で次第に変化するウエハのパターンの一部を示す拡大断面図である。 (A)は中性層が塗布されたウエハ表面の一部を示す拡大平面図、(B)は中性層の一部が除去された状態のウエハ表面の一部を示す拡大平面図である。 (A)は第2の実施形態のレチクルのマークパターンの一部を示す拡大平面図、(B)は図6(A)中の透過領域のパターンを示す拡大図である。 (A)は第2の実施形態のレジストパターンの一部を示す拡大平面図、(B)は図7(A)の凹領域を示す拡大図、(C)はパターニングされた撥液層の一部を示す拡大図である。 (A)は2種類のドメインに分離したポリマ層を示す拡大平面図、(B)、(C)、及び(D)はそれぞれ図8(A)のウエハの次第に進展する製造段階における断面図である。 第2の実施形態で形成されるウエハマークを示す拡大平面図である。 比較例のウエハマークを示す拡大平面図である。 (A)は第1変形例のウエハマーク用のレジストマークを示す拡大平面図、(B)はホールパターン状のドメインに分離したポリマ層を示す部分拡大図である。 (A)は第2変形例のウエハの複数の層構造を示す拡大断面図、(B)は図12(A)の第1デバイス層のウエハマーク用のレジストマークを示す拡大平面図、(C)は図12(A)の第2デバイス層のウエハマーク用のレジストマークを示す拡大平面図である。 電子デバイスの製造工程の一例を示すフローチャートである。
 [第1の実施形態]
 本発明の好ましい第1の実施形態につき図1~図5を参照して説明する。まず、本実施形態において半導体素子等の電子デバイス(マイクロデバイス)の回路パターンを形成するために使用されるパターン形成システムの一例につき説明する。
 図1(A)は、本実施形態のパターン形成システムの要部を示し、図1(B)は、図1(A)中のスキャニングステッパー(スキャナー)よりなる走査型の露光装置(投影露光装置)100の概略構成を示す。図1(A)において、パターン形成システムは、露光装置100、ウエハ(基板)に対する感光材料としてのフォトレジスト(レジスト)の塗布及び現像を行うコータ・デベロッパ200、薄膜形成装置300、ウエハに対するドライ及びウエットのエッチングを行うエッチング装置400、後述のブロック共重合体(Block Co-Polymer:BCP)を含むポリマ(Polymer)(重合体)の処理を行うポリマ処理装置500、アニール装置600、これらの装置間でウエハの搬送を行う搬送系700、及びホストコンピュータ(不図示)等を含んでいる。
 本発明で用いるブロック共重合体は、1つより多くのそれぞれブロック単位で存在するモノマ(単量体)を含むポリマ、又はそれらのモノマから誘導されるポリマである。モノマの各ブロックは、モノマの繰返し配列を含む。ブロック共重合体としては、ジブロック共重合体、又はトリブロック共重合体等の任意のポリマを使用可能である。これらのうち、ジブロック共重合体は、2つの異なるモノマのブロックを有する。ジブロック共重合体は、A-b-Bのように略記することができ、ここでAは第1のブロックのポリマ、Bは第2のブロックのポリマ、-b-はA及びBのブロックを持つジブロック共重合体であることを示す。例えば、PS-b-PMMAは、ポリスチレン(PS)及びポリメチルメタクリレート(PMMA)のジブロック共重合体を表す。鎖状のブロック共重合体に加えて、他の構造を有するブロック共重合体、例えば、星型共重合体、分岐共重合体、超分岐共重合体、又はグラフト共重合体を本発明のブロック共重合体として用いることもできる。
 また、ブロック共重合体には、これを構成する各ブロック(モノマ)同士が集合してミクロドメイン又は単にドメインとも呼ばれる個別のミクロ相分離ドメインを形成する傾向(相分離の傾向)がある。この相分離は、自己組織化(Self-Assembly)の一種でもある。異なるドメインの間隔及び形態はブロック共重合体内の異なるブロックの相互作用、体積分率、及び数に依存する。ブロック共重合体のドメインは、例えばアニーリング(焼き鈍し)の結果として形成させることができる。アニーリングの一部である加熱又はベーキングは、基板及びその上のコーティング層(薄膜層)の温度を周囲温度より高く上昇させる一般的なプロセスである。アニーリングには、熱アニーリング、熱勾配アニーリング、溶媒蒸気アニーリング、又は他のアニーリング法を含むことができる。熱アニーリングは、場合により熱硬化と呼ばれ、相分離を誘起するのに用いられ、さらに、横方向のミクロ相分離ドメインの層内の欠陥を削減又は除去するためのプロセスとしても用いることができる。アニーリングは、一般には、ある時間(例えば、数分から数日)の間、ブロック共重合体のガラス転移温度より高温で加熱することを含む。
 また、本実施形態では、ブロック共重合体を含むポリマに、指向性自己組織化(Directed Self-Assembly:DSA)を適用して、半導体デバイスの回路パターン及び/又はアライメントマークの形成に適した形でセグメント化されたナノスケールオーダのドメインを形成させる。指向性自己組織化は、例えばリソグラフィ工程で形成されたレジストパターンをプレパターン又はガイドパターンとして、そのプレパターン又はガイドパターンで規定される空間配置(トポグラフィ的構造)で、ブロック共重合体のドメインの配置を制御する技術である。指向性自己組織化の方法としては、例えば下地に平面的なプレパターン又はガイドパターンを設けるケモエピタキシ法(Chemo-Epitaxy Process)が使用されるが、立体的なプレパターン又はガイドパターンを使用するグラフォエピタキシ法(Grapho-Epitaxy Process)も使用可能である。
 図1(B)において、露光装置100は、照明系10、照明系10からの露光用の照明光(露光光)ILにより照明されるレチクルR(マスク)を保持するレチクルステージRST、レチクルRから射出された照明光ILをウエハW(基板)の表面に投射する投影光学系PLを含む投影ユニットPU、ウエハWを保持するウエハステージWST、及び装置全体の動作を統括的に制御するコンピュータよりなる主制御装置(不図示)等を備えている。以下、図1(B)において、投影光学系PLの光軸AXと平行にZ軸を取り、これに直交する平面(ほぼ水平面)内でレチクルRとウエハWとが相対走査される方向に沿ってY軸を、Z軸及びY軸に直交する方向に沿ってX軸を取り、X軸、Y軸、及びZ軸の回りの回転(傾斜)方向をそれぞれθx、θy、及びθz方向として説明を行う。
 照明系10は、例えば米国特許出願公開第2003/025890号明細書などに開示されるように、照明光ILを発生する光源、及び照明光ILでレチクルRを照明する照明光学系を含む。照明光ILとしては、一例としてArFエキシマレーザ光(波長193nm)が用いられている。なお、照明光ILとしては、KrFエキシマレーザ光(波長248nm)、YAGレーザ若しくは固体レーザ(半導体レーザなど)の高調波なども使用できる。
 照明光学系は、偏光制御光学系、光量分布形成光学系(回折光学素子又は空間光変調器など)、オプティカルインテグレータ(フライアイレンズ又はロッドインテグレータ(内面反射型インテグレータ)など)等を含む照度均一化光学系、及びレチクルブラインド(固定及び可変の視野絞り)等(いずれも不図示)を有する。照明系10は、レチクルブラインドで規定されたレチクルRのパターン面(下面)のX方向に細長いスリット状の照明領域IARを、2極照明(二次光源の形状が木の葉状にパターンの非周期方向に細長いいわゆるリーフ照明を含む)、4極照明、輪帯照明、又は通常照明等の照明条件で、所定の偏光状態の照明光ILによりほぼ均一な照度分布で照明する。
 また、レチクルRを真空吸着等により保持するレチクルステージRSTは、レチクルベース(不図示)のXY平面に平行な上面に、Y方向に一定速度で移動可能に、かつX方向、Y方向の位置、及びθz方向の回転角が調整可能に載置されている。レチクルステージRSTの位置情報は、複数軸のレーザ干渉計を含むレチクル干渉計18によって、移動鏡14(又はステージの鏡面加工された側面)を介して例えば0.5~0.1nm程度の分解能で常時検出される。レチクル干渉計18の計測値に基づいてリニアモータ等を含むレチクルステージ駆動系(不図示)を制御することで、レチクルステージRSTの位置及び速度が制御される。
 また、レチクルステージRSTの下方に配置された投影ユニットPUは、鏡筒24と、該鏡筒24内に所定の位置関係で保持された複数の光学素子を有する投影光学系PLとを含む。投影光学系PLは、例えば両側テレセントリックで所定の投影倍率β(例えば1/4倍、1/5倍などの縮小倍率)を有する。レチクルRを通過した照明光ILにより、投影光学系PLを介してレチクルRの照明領域IAR内の回路パターンの像が、ウエハWの一つのショット領域内の露光領域IA(照明領域IARと共役な領域)に形成される。本実施形態の基板としてのウエハ(半導体ウエハ)Wは、例えばシリコン(又はSOI(silicon on insulator)等でもよい)からなる直径が200~450mm程度の円板状の基材の表面にパターン形成用の薄膜(酸化膜、金属膜、ポリシリコン膜等)を形成したものを含む。さらに、露光対象のウエハWの表面には、フォトレジストが所定の厚さ(例えば数10nm~200nm程度)で塗布される。
 また、露光装置100は、液浸法を適用した露光を行うため、投影光学系PLを構成する最も像面側(ウエハW側)の光学素子である先端レンズ26を保持する鏡筒24の下端部周囲を取り囲むように、先端レンズ26とウエハWとの間に液体Lqを供給するための局所液浸装置30の一部を構成するノズルユニット32が設けられている。ノズルユニット32の液体Lqの供給口は、供給流路及び供給管34Aを介して液体供給装置(不図示)に接続されている。ノズルユニット32の液体Lqの回収口は、回収流路及び回収管34Bを介して液体回収装置(不図示)に接続されている。局所液浸装置30の詳細な構成は、例えば米国特許出願公開第2007/242247号明細書等に開示されている。
 また、ウエハステージWSTは、ベース盤12のXY平面に平行な上面12aに、X方向、Y方向に移動可能に載置されている。ウエハステージWSTは、ステージ本体20、ステージ本体20の上面に搭載されたウエハテーブルWTB、並びにステージ本体20内に設けられて、ステージ本体20に対するウエハテーブルWTB(ウエハW)のZ方向の位置(Z位置)、及びθx方向、θy方向のチルト角を相対的に駆動するZ・レベリング機構を備えている。ウエハテーブルWTBには、ウエハWを真空吸着等によってほぼXY平面に平行な吸着面上に保持するウエハホルダ(不図示)が設けられている。ウエハテーブルWTBの上面のウエハホルダ(ウエハW)の周囲には、ウエハWの表面(ウエハ面)とほぼ同一面となる、液体Lqに対して撥液化処理された表面を有する平板状のプレート(撥液板)28が設けられている。さらに、露光中に、例えば斜入射方式のオートフォーカスセンサ(不図示)の計測値に基づいて、ウエハ面が投影光学系PLの像面に合焦されるように、ウエハステージWSTのZ・レベリング機構が駆動される。
 また、ウエハテーブルWTBのY方向及びX方向の端面には、それぞれ鏡面加工によって反射面が形成されている。ウエハ干渉計16を構成する複数軸のレーザ干渉計からその反射面(移動鏡でもよい)にそれぞれ干渉計ビームを投射することで、ウエハステージWSTの位置情報(少なくともX方向、Y方向の位置、及びθz方向の回転角を含む)が例えば0.5~0.1nm程度の分解能で計測されている。この計測値に基づいてリニアモータ等を含むウエハステージ駆動系(不図示)を制御することで、ウエハステージWSTの位置及び速度が制御される。なお、ウエハステージWSTの位置情報は、回折格子状のスケールと検出ヘッドとを有するエンコーダ方式の検出装置で計測してもよい。
 また、露光装置100は、ウエハWの所定のウエハマーク(アライメントマーク)の位置を計測するウエハアライメント系ALS、及びレチクルRのアライメントマークの投影光学系PLによる像の位置を計測するために、ウエハステージWSTに内蔵された空間像計測系(不図示)を備えている。これらの空間像計測系(レチクルアライメント系)及びウエハアライメント系ALを用いて、レチクルRとウエハWの各ショット領域とのアライメントが行われる。
 ウエハWの露光時には、ウエハステージWSTをX方向、Y方向に移動(ステップ移動)することで、ウエハWの露光対象のショット領域が露光領域IAの手前に移動する。さらに、局所液浸装置30から投影光学系PLとウエハWとの間に液体Lqが供給される。そして、レチクルRのパターンの一部の投影光学系PLによる像をウエハWの一つのショット領域に投影しつつ、レチクルステージRST及びウエハステージWSTを介してレチクルR及びウエハWをY方向に同期して移動することで、当該ショット領域にレチクルRのパターンの像が走査露光される。そのステップ移動と走査露光とを繰り返すことによって、ステップ・アンド・スキャン方式及び液浸方式で、ウエハWの各ショット領域にそれぞれレチクルRのパターンの像が露光される。
 次に、本実施形態で製造対象とするデバイス用パターンは、一例として、半導体素子としてのSRAM(Static RAM)のゲートセル用の回路パターンであり、この回路パターンは、ブロック共重合体を含むポリマの指向性自己組織化(DSA)を用いて形成される。さらに、本実施形態では、このデバイス用パターンが形成されるウエハWのデバイス層には、位置決め用又は位置合わせ用のアライメントマークとしてのウエハマークも形成される。
 図2(A)は、そのデバイス用パターン及びウエハマークが形成されたウエハWを示す。図2(A)において、ウエハWの表面にはX方向、Y方向に所定幅のスクライブライン領域SL(マーク形成領域)を隔てて多数のショット領域SA(デバイス用パターン形成領域)が設けられ、各ショット領域SA内にはデバイス用パターンDP1が形成され、各ショット領域SAに付設されたスクライブライン領域SLにはウエハマークWMが形成されている。
 図2(A)のB部の拡大図である図2(B)に示すように、デバイス用パターンDP1は、Y方向に伸びる複数のラインパターン40XaをX方向にほぼ周期(ピッチ)px1で配列したライン・アンド・スペースパターン(以下、L&Sパターンという。)40X、及びX方向に伸びる複数のラインパターンをY方向にほぼ周期py1で配列したL&Sパターン40Yを含む。ラインパターン40Xa等は例えば金属よりなり、その線幅は周期px1等の1/2以下程度である。一例として周期px1,py1はほぼ等しく、周期px1は、それぞれ波長193nmの液浸リソグラフィと、例えばいわゆるダブル・パターニング・プロセスとを組み合わせた場合に得られる最も微細な周期(以下、周期pminという。)の数分の1程度である。その周期px1の1/2は、例えば22nm程度より小さい。このような微細な周期を持つL&Sパターン40X,40Yを形成する場合には、ブロック共重合体を含むポリマに指向性自己組織化を行わせるときに、異なるブロック毎にライン状のドメインが形成される。
 また、スクライブライン領域SLのウエハマークWMは、それぞれY方向に細長くX方向の幅が同じ程度の凹部領域44Xa及び凸部領域44XbをX方向に周期p1で配列したX軸のウエハマーク44X、及びそれぞれX方向に細長くY方向の幅が同じ程度の凹部領域44Ya及び凸部領域44YbをX方向に周期p2で配列したY軸の2箇所のウエハマーク44YA,44YBを含む。本実施形態では、凹部領域44Xa,44Yaには例えば金属の薄膜が埋め込まれており、凸部領域44Xb,44Ybの高さは、凹部領域44Xa,44Yaを囲む部分の高さと同じである。この場合、凹部領域44Xa,44Yaをライン部、凸部領域44Xb,44Ybをスペース部とみなすと、ウエハマーク44X,44YA,44YBは、L&Sパターンとみなすことができる。ウエハマーク44YA,44YBはウエハマーク44XをY方向に挟むように配置されている。一例として、周期p1,p2は等しく、周期p1は波長193nmの液浸リソグラフィでの解像限界(周期)の数倍から数10倍である。
 さらに、凹部領域44Xa,44Yaと、凸部領域44Xb,44Ybとは、図1(B)のウエハアライメント系ALSで検出した場合に検出光に対する反射率が異なる領域であればよい。凹部領域44Xa,44Yaに金属が埋め込まれている場合には、凹部領域44Xa,44Yaと、例えば非導電性の凸部領域44Xb,44Ybとは反射率が異なるため、ウエハアライメント系ALSで容易に検出できる。本実施形態では、デバイス用パターンDP1の形成時にライン状のドメインが形成される指向性自己組織化が適用されが、ウエハマーク44X等の形成に際しては以下のようにしてドメイン化を防止している。
 以下、本実施形態のパターン形成システムを用いて図2(B)に示すウエハマーク44X等を形成するためのパターン形成方法の一例につき図3のフローチャートを参照して説明する。なお、ウエハマーク44X等とともに、デバイス用パターンDP1も形成される。一例として、図4(A)に示すように、ウエハWの例えばシリコン等の基材50の表面部をウエハマーク及びデバイス用パターンが形成される第1のデバイス層DL1とする。
 まず、図3のステップ102において、薄膜形成装置300を用いて、ウエハWのデバイス層DL1の表面に、液体(例えば水)をはじき易い材料から撥液層52を形成する。撥液層52の材料としては、例えばポリスチレン(PS)を使用する。そして、コータ・デベロッパ200を用いて、図4(A)に示すように、撥液層52上に例えばポジ型のレジスト層54をコーティングする(ステップ104)。さらに、X方向及びY方向に最も微細なパターンが露光できるように露光装置100の照明条件を例えば4極照明に設定し、ウエハWを露光装置100にロードする(ステップ106)。そして、ウエハWの各ショット領域SAにレチクルRのデバイス用パターンの像45DPを液浸法で露光する。各ショット領域SAに露光する際に同時に、各ショット領域SAに付設されたスクライブライン領域SLに、レチクルRのウエハマーク用のパターンの像45XP等が露光される(ステップ108)。露光済みのウエハはアンロードされ、コータ・デベロッパ200でレジストの現像が行われ、レジストパターン54P(図4(B)参照)が形成される。その後、レジストパターン54Pのスリミング及びレジスト硬化処理が行われる(ステップ110)。レジスト層では、デバイス用パターンの像からはX方向の線幅が狭い複数のガイドパターン54A等が形成され、ウエハマーク用のパターンの像からはレジスト膜54A1中の開口部45Xa等が形成される。なお、レチクルRのパターンの像の露光時に、レジストパターンの線幅が細くなるように露光量を大きく調整しておくことも可能であり、この場合には、スリミングを省略可能である。なお、ウエハマーク用のパターンの像の線幅は大きいため、スリミングによる線幅の変化は少ない。
 そして、エッチング装置400にウエハWを搬送し、レジストパターンをマスクとして撥液層52のエッチングを行い、レジストを剥離する(ステップ112)。これにより、図4(C)及び図5(A)に示すように、ショット領域SAの撥液層52にはレジストの複数のガイドパターン54A等と同じ形状のY方向及びX方向に伸びるライン状の複数のガイドパターン52a及び52cが形成され、スクライブライン領域SLの撥液層52には、ウエハマーク用のパターンの像に対応して、残存膜部52bを背景としてX方向に配列された複数の開口部45XAaよりなるX軸のマーク部45XA、及びY方向に配列された複数の開口部45YA1a等よりなるY軸のマーク部45YA1,45YB1が形成される。さらに、ウエハWを薄膜形成装置300に搬送して、例えばスピンコーティングによりウエハWの表面に、親液性と撥液性との中間の性質を持つ材料から中性層55を形成する(ステップ114)。中性層55は、撥液層52中の複数のガイドパターン52a及び52c間の凹部、並びにマーク部45XA,45YA1,45YB1内の凹部である開口部45XAa,45YA1a内に堆積される。
 その後、ウエハWの中性層55を覆うように例えばポジ型のレジスト層53をコーティングしてから、ウエハWを露光装置100にロードする(ステップ116)。そして、ウエハWの各ショット領域SAに補助レチクルR1のパターンの像R1Pを露光し(図4(C)参照)、レジスト層53を現像する(ステップ118)。この場合の露光では高い解像度は必要とされないため、他の低解像度の露光装置を使用してもよい。その像R1Pは、図5(A)に示すように、スクライブライン領域SLのマーク部45XA,45YA1,45YB1を含む領域で光量が大きく、他の領域(ショット領域SA)では光量がほぼ0であるため、マーク部45XA,45YA1,45YB1を含むスクライブライン領域SL内の領域で、開口となるレジストパターン53Aが残される(図4(D)参照)。さらに、レジストパターン53Aをマスクとして中性層55をエッチングし、レジストを剥離する(ステップ120)。これにより、図5(B)に示すように、マーク部45XA,45YA1,45YB1の開口部45XAa,45YA1aから中性層55が除去され、ショット領域SAのガイドパターン52a及び52c間の中性層55は残される。
 そして、スクライブライン領域SLのマーク部から中性層55が除去されたウエハWをポリマ処理装置500に搬送し、例えばスピンコーティングによって、ウエハW上にブロック共重合体(BCP)を含むポリマ層56を形成(塗布)する(ステップ122)。本実施形態では、ブロック共重合体として、一例としてポリスチレン(PS)及びポリメチルメタクリレート(PMMA)のジブロック共重合体(PS-b-PMMA)を使用する。また、ポリマ層56はブロック共重合体そのものであるが、これに塗布性を高めるための溶媒及び/又は自己組織化を容易にする添加物等が含まれていてもよい。スピンコーティングによって、ポリマ層56は、ウエハWの中性層55のある部分及びこの近傍の部分にのみ形成され、マーク部(開口部45XAa,45YA1a)にはポリマ層56は形成されない(図4(E)参照)。
 そして、ポリマ層56が形成されたウエハWをアニール装置600に搬送し、ポリマ層56にアニーリング(例えば熱アニーリング)を施すことによって、ポリマ層56を指向性自己組織化(DSA)によって2種類のドメインに分離する(ステップ124)。この場合の指向性自己組織化によって、デバイス用パターンの複数の撥液性のガイドパターン52aの上面では、ポリマ層56は、ガイドパターン52a上で撥液性のドメイン56Bとなり、その間で親液性のドメイン56Aと撥液性のドメイン56Bとが周期的に配置されるように相分離する。本実施形態では、親液性のドメイン56AはPMMA(ポリメチルメタクリレート)よりなり、撥液性の第2のドメイン56BはPS(ポリスチレン)よりなる。
 その後、ウエハWをエッチング装置400に搬送し、例えば酸素プラズマエッチングを施して、ウエハWに形成されたドメイン56A,56Bのうちの親液性のドメイン56Aを選択的に除去する(ステップ126)。さらに、残されているドメイン56Bをマスクとして、中性層55をエッチングしてドメイン56Bを除去し(ステップ128)、エッチングされた中性層55及びマーク部(開口部45XAa,45YA1a)の撥液層52をマスクとしてウエハWの第1のデバイス層DL1のエッチングを行う(ステップ130の前半部)。図4(F)に示すように、デバイス層DL1の複数のドメイン56Aに対応する領域にそれぞれ複数の微細な凹部41Xaが形成され、マーク部に凹部45XBaが形成され、この凹部45XBaが図2(B)のウエハマーク44Xの凹部領域44Xaとなる。同様に、ウエハマーク44YA,44YBの凹部領域44Ya(不図示)も形成される。そして、ウエハWを薄膜形成装置300に搬送し、図4(G)に示すように、ウエハWのデバイス層DL1の凹部41Xa及び凹部領域44Xa等に金属(例えば銅)MEを埋め込むことで、図2(B)のウエハマーク44X,44YA,44YB及びL&Sパターン40X,40Yが形成される(ステップ130の後半部)。
 その後、ステップ132(次工程)において、ウエハWのデバイス層DL1上に第2のデバイス層を形成する場合には、ウエハWのデバイス層DL1上に薄膜を形成し、レジストをコーティングし、露光装置100にウエハWをロードする。そして、ウエハアライメント系ALSを用いて、図2(A)のウエハWの所定の複数のショット領域SAに付設されたウエハマークWM(44X,44YA,44YB)の位置を検出し、この検出結果を用いてウエハWのアライメントを行う。さらに、ウエハWの各ショット領域SAにそのデバイス層用のレチクルのパターンの像を露光することで、後処理を行うことで第2のデバイス層のパターンが形成される。
 このように本実施形態のパターン形成方法によれば、ブロック共重合体を含むポリマ層56の指向性自己組織化を用いて、ウエハWの各ショット領域SAに液浸リソグラフィの解像限界よりも微細な構造を持つL&Sパターン40X,40Yを形成するとともに、スクライブライン領域SLのマーク形成領域では、中性層55を除去して、ポリマ層56が残らないようにしている。このため、マーク形成領域では、指向性自己組織化を用いない場合と同様に、ウエハマークを高精度に形成できる。
 本実施形態の効果等は以下の通りである。本実施形態のパターン形成システムによるマーク形成方法は、ショット領域SA及びスクライブライン領域SLを含むデバイス層DL1(被加工層)を有するウエハWのデバイス層DL1上に、ブロック共重合体を含むポリマ層56が付着可能な中性層55(中間層)を形成するステップ114と、スクライブライン領域SLのマーク部に形成された中性層55を除去するステップ118,120と、スクライブライン領域SLにマーク像45XPを露光し、マーク像45XPに基づいて開口部45XAa(凹部)を含むマーク部45XAを形成するステップ108~112と、ウエハWのデバイス層DL1上にブロック共重合体を含むポリマ層56を塗布するステップ120と、を含んでいる。
 このマーク形成方法によれば、ブロック共重合体を含むポリマ層56の自己組織化を用いて液浸リソグラフィの解像限界よりも微細な周期の回路パターンを形成できる。さらに、デバイス層DL1のスクライブライン領域SLのウエハマークの形成領域では、中性層55が除去されてポリマ層56が形成されないため、従来の形状のウエハマーク44X,44YA,44YBを同時に形成できる。従って、このウエハマークを用いてデバイス層DL1とこの上のデバイス層との位置合わせを高精度に行うことができる。
 なお、ウエハマーク44X,44YA,44YBの形状は任意であり、例えばX軸のウエハマーク44XとY軸のウエハマーク44YA,44YBとをウエハWの異なるデバイス層に形成してもよい。
 [第2の実施形態]
 第2の実施形態につき図6~図10を参照して説明する。本実施形態においても図1(A)のパターン形成システムを使用して、ブロック共重合体(BCP)の指向性自己組織化(DSA)を用いてウエハのデバイス層にデバイス用パターン及びウエハマークを形成する。本実施形態のウエハ(ウエハW1とする)のショット配列は図2(A)のウエハWと同様であるが、本実施形態では、X軸のウエハマーク44Xの凹部領域44Xaに微細な線幅の複数のラインパターンを配列した微細な構造が形成される。以下ではウエハマーク44Xに関して説明するが、Y軸のウエハマーク44YA,44YBも同様に形成できる。また、本実施形態のマーク形成方法は、図3のマーク形成方法からステップ116~120の動作(ウエハマークが形成される領域から中性層55を除去する動作)を省略したものである。さらに、本実施形態では、ステップ108でレチクルRのパターンを露光する代わりに、図6(A)のマークパターン46Xが形成されたレチクルR2のパターンの像を露光する。レチクルR2のデバイス用パターン(不図示)はレチクルRと同じである。
 図6(A)に示すように、レチクルR2のスクライブライン領域SLに対応するパターン領域には、ウエハマークの原版であるX軸のマークパターン46Xが形成されている。マークパターン46Xは、図2(B)の凹部領域44Xaに対応する部分透過領域46Xaと、凸部領域44Xbに対応する遮光領域46XbとをX方向に周期p1/β(βは投影倍率)で配列したものである。部分透過領域46Xaの幅と遮光領域46Xbの幅とはほぼ同じである。なお、以下では説明の便宜上、レチクルのパターンの投影光学系PLによる像は正立像であるとする。
 部分透過領域46Xaには、それぞれ光透過部を背景として、Y方向に細長い遮光膜よりなる複数のラインパターン48XがX方向に周期p3/β(図6(A)のB部の拡大図である図6(B)参照)で形成されている。ラインパターン48Xの線幅は対応する周期p3/βの1/2である。本実施形態では、周期p3/βは、露光装置100の投影光学系PLの物体面側での解像限界(波長193nmの液浸リソグラフィでの解像限界)とほぼ同じであるが、これよりわずかに大きい程度でもよい。このため、レチクルR2のマークパターン46Xの像は、露光装置100によってウエハW1の撥液層52上のスクライブライン領域SLの例えばポジ型のレジスト層に高精度に露光される(ステップ108)。
 図7(A)は、図6(A)のレチクルR2のマークパターン46Xの像のレジスト層への露光、現像、及びスリミング後に、ウエハW1の撥液層52上に形成されるレジストパターンよりなるX軸のレジストマークRPXを示す。図7(A)において、レジストマークRPXは、図6(A)のレチクルR2の部分透過領域46Xaに対応するライン群領域RPXaと、遮光領域46Xbに対応する凸領域RPXbとをX方向に周期p1で配列したものである。また、図7(B)は、図7(A)の一つのライン群領域RPXaの拡大図であり、図7(C)及び図8(A)は、それぞれ図7(B)に対応する部分の拡大平面図である。
 凸領域RPXb(ここではライン群領域RPXaを囲む領域でもある)には、レジストパターン54Acが形成されている。そして、ライン群領域RPXaには、それぞれX方向に細長い凸の複数のライン状のパターン(以下、ガイドパターンと呼ぶ。)54Adが凹部70Aを挟んでX方向に周期p3で形成されている。ガイドパターン54Adの線幅は、例えば周期p3(ここでは波長193nmの液浸リソグラフィでの周期換算の解像限界)の数分の1~数10分の1程度である(図7(B)参照)。そして、この後のステップ112でレジストマークRPXをマスクとしてウエハW1の撥液層52のエッチングを行うことで、撥液層52のライン群領域RPXaに対応する部分には、図7(C)に示すように、レジストパターン54Acと同じ位置の残存膜部52bを背景として、X方向に細長い凸の複数のライン状のパターン(以下、ガイドパターンと呼ぶ。)52dが凹部70Aを挟んでX方向に周期p3で形成される。その後、ステップ114で撥液層52のガイドパターン52d間の凹部70Aに中性層55が形成される。
 本実施形態では、ステップ114の次に動作はステップ122に移行して、ウエハW1の中性層55が形成された領域上にブロック共重合体を含むポリマ層56(図8(B)参照)が形成される。そして、ポリマ層56のアニーリングによって(ステップ124)、図8(A)及び(B)に示すように、指向性自己組織化(DSA)によってポリマ層56は2種類のドメインに分離する。この場合、ウエハマーク用の複数の撥液性のガイドパターン52dの上方では、ポリマ層56は、ガイドパターン52d上で撥液性のドメイン56Bとなり、複数のガイドパターン52dの間で親液性のドメイン56Aと撥液性のドメイン56BとがX方向に周期的に配置されるように相分離する。本実施形態では、親液性のドメイン56AはPMMA(ポリメチルメタクリレート)よりなり、撥液性のドメイン56BはPS(ポリスチレン)よりなる。
 その後、例えば酸素プラズマエッチングを施して、ウエハWに形成されたドメイン56A,56Bのうちの親液性のドメイン56Aを選択的に除去する(ステップ126)。さらに、残されているドメイン56Bをマスクとして、中性層55をエッチングして(ステップ128)、エッチングされた中性層55をマスクとしてウエハW1のデバイス層(第1のデバイス層DL1とする)のエッチングを行う(ステップ130の前半部)。図8(C)に示すように、デバイス層DL1のスクライブライン領域SLの複数のドメイン56Aに対応する領域にそれぞれ複数の微細な凹部DL1Xaが形成され、凹部DL1Xaに金属(例えば銅)を埋め込んでラインパターン58Xを形成することで、図8(D)の複数のラインパターン58Xを含む凹部領域44Xaと平坦な凸部領域44Xbとが形成される。ラインパターン58Xの周期p3aは、図7(B)の周期p3の例えば数分の1~数10分の1程度である。
 以上の工程によって、ウエハWのデバイス層DL1のスクライブライン領域SLには、図9に示すように、複数の金属のラインパターン58Xをほぼ周期p3a(図8(D)参照)でX方向に配列した凹部領域44Xaと、凸部領域44XbとをX方向に周期p1で配列したX軸のウエハマーク44Xが形成される。
 本実施形態において、露光装置100が備えているウエハアライメント系ALSの周期に換算した解像限界(可視域から近赤外の検出光を用いて光学的に検出できる限界)をRe(det)、193nmの液浸リソグラフィでの解像限界の周期換算値をRe(exp)とすると、ウエハマーク44Xの凹部領域44Xa及び凸部領域44Xbの周期p1と、解像限界Re(det)と、解像限界Re(exp)と、凹部領域44Xaを構成するラインパターン58Xの周期p3aとの間には以下の関係がある。
 p1≧Re(det)>Re(exp)>p3a …(1)
 従って、ラインパターン58Xの周期p3aはウエハアライメント系ALSの解像限界Re(det)よりも小さいために、ウエハアライメント系ALSで図9のウエハマーク44Xの像を撮像すると、複数のラインパターン58Xの個別の像は形成されない。しかしながら、領域44Xa,44Xb間では平均的な反射率が異なるため、周期p1のX軸のウエハマーク44Xの像を検出できる。このため、ウエハマーク44Xに光学的に検出できない構造が含まれていても、ウエハアライメント系ALSでウエハマーク44Xの位置を高精度に検出できる。
 これに対して、図10の比較例の凸部領域44XCb及び凹部領域44XCaが周期p1でX方向に配列されたウエハマーク44XCで示すように、凸部領域44XCbに本実施形態と同様にして、ガイドパターンによってブロック共重合体を含むポリマ層に自己組織化を行わせた場合を想定する。この場合、凸部領域44XCbには本実施形態と同様に微細な周期で複数のラインパターン58Xが配列される。さらに、凹部領域44XCaにも、そのポリマ層に比較的弱い指向性自己組織化が作用するため、凹部領域44XCaには、例えばほぼY方向に蛇行するような複数のラインパターン58RがX方向に配列される。この結果、凸部領域44XCb及び凹部領域44XCaで反射率の差が小さくなるため、ウエハアライメント系ALSでのウエハマーク44XCの検出が困難になる恐れがある。
 上述のように本実施形態のマーク形成方法は、ウエハW1のデバイス層DL1上にマークパターン46Xの像を露光し、マークパターン46Xの像に基づいて凸領域RPXb(凸のライン部)を含むレジストマークRPX(又はこれに対応する撥液層52の残存膜部52b(凸のライン部)を含むマーク)を形成するステップ104~112と、ウエハW1のレジストマークRPX(又はこれに対応する撥液層52のマーク)が形成された領域の凸領域RPXb(又は残存膜部52b)以外の部分にブロック共重合体を含むポリマ層56を塗布するステップ122と、ポリマ層56に自己組織化領域(ドメイン56A,56B)を形成させるステップ124と、その自己組織化領域の一部(ドメイン56A)を選択的に除去するステップ126と、その除去後の自己組織化領域を用いてウエハW1のデバイス層DL1を加工するステップ128,130と、を含んでいる。
 本実施形態によれば、ブロック共重合体の自己組織化を用いて回路パターンを形成する際に、同時にウエハマークを形成できるとともに、ブロック共重合体の自己組織化はウエハマークの凸領域以外の部分で行われるため、形成されたウエハマークを光学的に高精度に検出できる。
 なお、本実施形態では、以下のような変形が可能である。
 本実施形態では、図7(A)のレジストパターンのライン群領域RPXaにはマークの周期方向と同じ方向(X方向)に周期的にガイドパターン54Adを形成している。しかしながら、使用するデバイス層のデバイス用パターンの構造に応じて露光装置100の照明条件が変化するため、その照明条件によっては、ライン群領域RPXaには周期方向に直交する方向に周期的にX方向に伸びたガイドパターンを形成してもよい。さらに、ガイドパターンを省略することも可能である。
 また、図11(A)の第1変形例のウエハW2に形成されたレジストマークRPXA,RPYA,RPYBで示すように、X軸のレジストマークRPXAの枠部材54B1で囲まれたライン群領域RPXa(凹領域)にX方向に配列されるガイドパターン54Bの周期p3と、Y軸のレジストマークRPXA,RPYBの枠部材54C1で囲まれたライン群領域RPYa(凹領域)にY方向に配列されるガイドパターン54Cの周期p4とを互いに異なる値としてもよい。この場合、ライン群領域RPXa,RPYa間の凸領域RPXb,RPYbは平坦なレジスト部である。この第1変形例は、対応するデバイス層に形成されるデバイス用パターンのX方向の微細度がY方向に比べてより微細である場合に、Y軸のガイドパターン54Cを高精度に形成するために使用されてもよい。この後のブロック共重合体の自己組織化の動作は上記の実施形態と同様である。
 また、対応するデバイス層のデバイス用パターンがブロック共重合体の自己組織化によって形成される多数の微小なホール(又はビア等)を有する場合には、ライン群領域RPXa,RPYa(凹領域)には、図11(C)にその一部を示すように、矩形のグリッド状のガイドパターン54Eを形成してもよい。この場合、ガイドパターン54E内の凹部70Eにブロック共重合体の自己組織化によって、例えば撥液性のドメイン62Bで囲まれた微小な円柱状の親液性のドメイン62Aを周期p3よりも小さい周期p5a等で形成する。そして、ドメイン62Aを選択的に除去して、撥液層52及びデバイス層をエッチングして、円形の凹部に金属等を埋め込むことによって、凹領域に多数の微小なホールパターンが形成されたウエハマークが形成できる。このウエハマークもウエハアライメント系ALSで検出できる。
 次に、図12(A)の第2変形例のウエハW3で示すように、ウエハW3の第1のデバイス層DL1の最も微細なデバイス用パターンが図2(B)のX軸のL&Sパターン40Xで、第1のデバイス層DL1と異なる(例えばこの上の絶縁層60Aの上の)第2のデバイス層DL2の最も微細なデバイス用パターンが図2(B)のY軸のL&Sパターン40Yである場合を想定する。さらに、第1のデバイス層DL1のパターンの露光時にはX方向の解像度を高めるために、X方向に離れた2極照明が使用され、第2のデバイス層DL2のパターンの露光時にはY方向の解像度を高めるために、Y方向に離れた2極照明が使用されるものとする。
 この場合、レジストパターンの段階では、第1のデバイス層DL1のスクライブライン領域(マーク形成領域)には、図12(B)に示すように、Y方向に細長いガイドパターン54BをX方向に周期的に配列した構成のライン群領域RPXa(凹領域)を凸領域RPXbを隔ててX方向に複数個配列したレジストマークRPXが形成される。ガイドパターン54Bのもとになるレチクルのパターンの像はX方向の2極照明で高精度に露光される。この後は上記の実施形態と同様にブロック共重合体を含むポリマ層の指向性自己組織化を用いて、ライン群領域RPXaに対応する部分に例えばX方向に配列された複数のラインパターンが形成されて、ウエハマーク44Xが形成される。
 一方、レジストパターンの段階で、第2のデバイス層DL2のスクライブライン領域には、図12(C)に示すように、X方向に細長いガイドパターン54CをY方向に周期的に配列した構成のライン群領域RPYaを凸領域RPYbを隔ててY方向に複数個配列したレジストマークRPYA,RPYBが形成される。ガイドパターン54Cのもとになるレチクルのパターンの像はY方向の2極照明で高精度に露光される。この後は上記の実施形態と同様にブロック共重合体を含むポリマ層の指向性自己組織化を用いて、ライン群領域RPYaに対応する部分に例えばY方向に配列された複数のラインパターンが形成されて、ウエハマーク44YA,44YBが形成される。その後、ウエハW3のアライメント時には、ウエハアライメント系ALSによってデバイス層DL1のX軸のウエハマークとデバイス層DL2のY軸のウエハマークとを検出することで、ウエハW3のX方向及びY方向のアライメントを行うことができる。
 次に、上記の各実施形態のパターン形成方法を用いてSRAM等の半導体デバイス(電子デバイス)を製造する場合、半導体デバイスは、図13に示すように、半導体デバイスの機能・性能設計を行うステップ221、この設計ステップに基づいたマスク(レチクル)を製作するステップ222、半導体デバイス用の基板(又はウエハの基材)を製造するステップ223、基板処理ステップ224、デバイス組み立てステップ(ダイシング工程、ボンディング工程、パッケージ工程などの加工プロセスを含む)225、及び検査ステップ226等を経て製造される。また、その基板処理ステップ224は、上記の実施形態のパターン形成方法を含み、そのパターン形成方法は、露光装置でレチクルのパターンを基板に露光する工程、露光した基板を現像する工程、並びに現像した基板の加熱(キュア)及びエッチングを行う工程などを含んでいる。
 言い換えると、このデバイス製造方法は、基板処理ステップ224を含み、この基板処理ステップ224は、上記の各実施形態のうちのいずれかのパターン形成方法を用いて基板上にデバイス用パターン及びウエハマークを形成する工程を含んでいる。
 このデバイスの製造方法によれば、露光装置の解像限界よりも微細な回路パターンを含む半導体デバイスを、露光装置を用いて高い重ね合わせ精度で高精度に製造できる。
 なお、上記の実施形態で製造対象のデバイスは、SRAM以外のDRAM、CPU、DSP等の任意の半導体デバイスが可能である。さらに、半導体デバイス以外の撮像素子、MEMS(Microelectromechanical Systems)等の電子デバイス(マイクロデバイス)を製造する際にも上記の実施形態のパターン形成方法が適用可能である。
 また、上記の実施形態において、露光装置としては、液浸型でないドライ型の露光装置を使用してもよい。また、紫外光を露光光とする露光装置以外に、露光光として波長が数nm~数10nm程度のEUV光(Extreme Ultraviolet Light)を用いるEUV露光装置、又は電子ビームを露光光とする電子ビーム露光装置等を用いてもよい。
 また、上記の実施形態では、ブロック共重合体として、(PS-b-PMMA)よりなるジブロック共重合体が使用されている。その他にブロック共重合体として使用可能なものとしては、例えば、ポリ(スチレン-b-ビニルピリジン)、ポリ(スチレン-b-ブタジエン)、ポリ(スチレン-b-イソプレン)、ポリ(スチレン-b-メチルメタクリレート)、ポリ(スチレン-b-アルケニル芳香族)、ポリ(イソプレン-b-エチレンオキシド)、ポリ(スチレン-b-(エチレン-プロピレン))、ポリ(エチレンオキシド-b-カプロラクトン)、ポリ(ブタジエン-b-エチレンオキシド)、ポリ(スチレン-b-t-ブチル(メタ)アクリレート)、ポリ(メチルメタクリレート-b-t-ブチルメタクリレート)、ポリ(エチレンオキシド-b-プロピレンオキシド)、ポリ(スチレン-b-テトラヒドロフラン)、ポリ(スチレン-b-イソプレン-b-エチレンオキシド)、ポリ(スチレン-b-ジメチルシロキサン)、若しくはポリ(メチルメタクリレート-b-ジメチルシロキサン)、又はこれらのブロック共重合体の少なくとも1つを含む組合せなどのジブロック又はトリブロックの共重合体等がある。さらに、ブロック共重合体として、ランダム共重合体も使用可能である。
 ブロック共重合体は、さらなる処理を行うことができる全体的な分子量及び多分散性を有することが望ましい。
 また、ブロック共重合体を含むポリマ層の塗布は、このポリマ層を溶媒に溶かした液体を塗布した後で例えば溶媒を揮発させる溶媒キャスティング法で行うことも可能である。この場合に使用できる溶媒は、ブロック共重合体の成分、及び仮に使用する場合には種々の添加物の溶解度条件により変化する。これらの成分及び添加物に対する例示的なキャスティング溶媒には、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート(PGMEA)、エトキシエチルプロピオナート、アニソール、乳酸エチル、2-ヘプタノン、シクロヘキサノン、酢酸アミル、γ-ブチロラクトン(GBL)、トルエンなどが含まれる。
 また、ブロック共重合体を含むポリマ層に添加可能な添加物は、付加的なポリマ(ホモポリマ、星型ポリマ及び共重合体、超分岐ポリマ、ブロック共重合体、グラフト共重合体、超分岐共重合体、ランダム共重合体、架橋ポリマ、並びに無機含有ポリマを含む)、小分子、ナノ粒子、金属化合物、無機含有分子、界面活性剤、光酸発生剤、熱酸発生剤、塩基消光剤、硬化剤、架橋剤、鎖延長剤、及び前述物の少なくとも1つを含む組合せからなる群から選択することができる。ここで、1つ又は複数の添加物は、ブロック共重合体と共に会合(associate)して、1つ又は複数の自己組織化ドメインの部分を形成する。
 なお、本発明は上述の実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得る。
 R1,R2…レチクル、W…ウエハ(基板)、ALS…ウエハアライメント系、SL…スクライブライン領域、SA…ショット領域、RPX…レジストマーク、DL1…デバイス層、44X,44YA,44YB…ウエハマーク、44Xa,44YA…凹部領域、44Xb,44Yb…凸部領域、46X,46YB…マークパターン、50…基材、52…撥液層、54…レジスト層、54B,54C…ガイドパターン、55…中性層、56…BCPを含むポリマ層、56A…親液性のドメイン、56B…撥液性のドメイン、100…露光装置

Claims (8)

  1.  基板上にブロック共重合体を含むポリマ層が付着可能な中間層を形成することと、
     前記形成された中間層の一部を除去することと、
     前記中間層が除去された領域に位置決め用のマークを形成することと、
     前記中間層上に前記ブロック共重合体を含むポリマ層を塗布してデバイスパターンを形成することと、
     を含み、
     前記中間層を介さずに前記位置決め用のマークが前記基板上に形成されるとともに、前記中間層を介して前記ポリマ層が前記基板上に形成されることを特徴とするマーク形成方法。
  2.  前記ポリマ層に自己組織化領域を形成させることと、
     前記自己組織化領域の一部を選択的に除去することと、
     前記自己組織化領域の選択的に除去された部分を介して前記基板の被加工層のデバイスパターン形成領域を加工することと、
    を含むことを特徴とする請求項1に記載のマーク形成方法。
  3.  前記中間層のうち、デバイスパターン形成領域にある部分の一部を除去することを含むことを特徴とする請求項1又は2に記載のマーク形成方法。
  4.  基板のマーク形成層上に第1マーク像を露光し、前記第1マーク像に基づいて凸のライン部を含む第2マークを形成することと、
     前記基板の前記第2マークが形成された領域の前記凸のライン部以外の部分にブロック共重合体を含むポリマ層を塗布することと、
     前記ポリマ層に自己組織化領域を形成させることと、
     前記自己組織化領域の一部を選択的に除去することと、
     前記除去後の前記自己組織化領域を用いて前記基板の前記マーク形成層を加工することと、
    を含むことを特徴とするマーク形成方法。
  5.  前記第2マークは、前記凸のライン部以外の部分に第1方向に周期的に形成された凸のライン状の複数のガイドパターンを含み、
     前記ポリマ層を塗布するときに、前記複数のガイドパターン間の複数の凹部に前記ポリマ層を塗布し、
     前記ポリマ層に自己組織化領域を形成させるときに、前記複数の凹部の前記ポリマ層に前記第1方向に周期性を持つ自己組織化領域を形成することを特徴とする請求項4に記載のマーク形成方法。
  6.  前記第2マークは、第1方向に周期的に配列された複数の凸の第1ライン部と、前記第1方向に直交する第2方向に周期的に配列された複数の凸の第2ライン部と、前記複数の凸の第1ライン部間に前記第1方向に周期的に形成された凸のライン状の複数の第1ガイドパターンと、前記複数の凸の第2ライン部間に前記第2方向に周期的に形成された凸のライン状の複数の第2ガイドパターンとを含むことを特徴とする請求項5に記載のマーク形成方法。
  7.  前記複数の第1ガイドパターンの周期と前記複数の第2ガイドパターンの周期とが異なることを特徴とする請求項6に記載のマーク形成方法。
  8.  請求項1~7のいずれか一項に記載のマーク形成方法を用いて基板に層間の位置合わせ用のマークを形成することと、
     前記位置合わせ用のマークを用いて位置合わせを行って、前記基板を露光することと、
     前記露光された基板を処理することと、を含むデバイス製造方法。
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