TW201826342A

TW201826342A - 元件製造方法

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Publication number: TW201826342A
Application number: TW107109202A
Authority: TW
Inventors: 渡邊陽司
Original assignee: 日商尼康股份有限公司
Priority date: 2012-10-19
Filing date: 2013-10-18
Publication date: 2018-07-16
Also published as: US10222700B2; KR20180039188A; KR20150070374A; TWI667690B; KR101974796B1; TWI623019B; TW201432784A; US9946160B2; JP6347329B2; US20150309416A1; WO2014061760A1; US20180224745A1; JPWO2014061760A1; JP2018137484A

Abstract

圖案形成方法具有：在晶圓的第1中間層上之第1光罩層，以第1方向為長邊方向，使蝕刻特性相異的第3及第4之複數個線圖案形成為一方之邊緣部相鄰之步驟；將第3及第4線圖案的一部分依序除去之步驟；在該第1光罩層之凹部充填光罩材料，除去線圖案以形成光罩圖案之步驟；以及透過該光罩圖案對第1中間層進行加工之步驟。能使用曝光裝置或光微影步驟形成含有細微且非週期部分之圖案。

Description

元件製造方法

本發明關於在基板形成圖案之圖案形成方法、及使用該圖案形成方法之元件製造方法。

在用以製造半導體元件等電子元件(micro-device)之光微影步驟中被使用之作為曝光光源使用例如從遠紫外光頻域到真空紫外光頻域的紫外光之曝光裝置，為了提高解析度，適用於曝光波長的短波長化、照明條件的最佳化、及用以進一步增大投影光學系統的數值孔徑之液浸法。在最近，為了形成比曝光裝置的解析極限更細微的間距的週期性電路圖案，間距分割法(Pitch-Splitting Process)及間隙壁雙圖案法(Spacer Double Patterning Process、Spacer transfer Process或Sidewall transfer Process)被提出(例如，參照非專利文獻1)。

前者之間距分割法大致區分為：雙重曝光法(Double Exposure Process)與LELE(Litho-Etch-Litho-Etch)法或LPLE(Litho-Process-Litho-Etch)法。在雙重曝光法，使擁有最終形成元件圖案的2倍間距之第1及第2光罩圖案的像在互相錯開相位的狀態下曝光於非線性光阻層之後，進行蝕刻等(例如，參照非專利文獻2)。在LELE法或LPLE法，於其第1光罩圖案的像之曝光與其第2光罩圖案的像之曝光之間，執行蝕刻等製程。

在後者之間隙壁雙圖案法(間隙壁製程法(spacer process)或側壁(sidewall)法)，藉由例如元件圖案的2倍間距之光罩圖案的像之曝光及顯像等，形成線寬為間距的1/4之複數個線圖案，於各線圖案的兩側之空間部(側壁部)堆積間隔物後，藉由例如除去各線圖案，獲得間距為1/2之圖案(例如，參照非專利文獻3)。

[先前技術文獻] [非專利文獻]

[非專利文獻1]Andrew J. Hazelton et al., “Doubｌe-pattering requirements for optical lithography and prospects for optical extension without double patterning,”J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS, (US) Vol.8(1), 011003, Jan-Mar (2009)

[非專利文獻2]H. Ohki et al.“Experimental study on non-linear multiple exposure method”Proc. SPIE (US) 3051, p.85-93 (1997)

[非專利文獻3]W. Jung et al., “Patterning with amorphous carbon spacer for expanding the resolution limit of current lithography tool,” Proc. SPIE (US) 6520, 65201C (2007)

根據由以往之間距分割法或間隙壁雙圖案法而成之圖案形成方法，可形成比曝光裝置的解析極限更細微的間距的週期性電路圖案。但是，在以往的圖案形成方法，不易高精度地形成含有比曝光裝置的解析極限更細微的非週期性部分之電路圖案。

有鑑於此情形，本發明之形態其目的為：能使用曝光裝置或光微影步驟形成例如含有比曝光裝置的解析極限小之程度之細微的非週期性部分之圖案。

根據第1形態，提供圖案形成方法。此圖案形成方法，包含：將以第1方向為長邊方向之複數個第1線圖案與以上述第1方向為長邊方向且與上述第1線圖案蝕刻特性相異之複數個第2線圖案以至少一方之邊緣部相鄰之方式形成之動作；以及藉由蝕刻除去上述複數個第1線圖案的至少一部分之動作。

又，第2形態之圖案形成方法，將以第1方向為長邊方向之複數個第1線圖案與以該第1方向為長邊方向且與該第1線圖案蝕刻特性相異之複數個第2線圖案以至少一方之邊緣部相鄰之方式形成在基板之第1層上之第2層；藉由蝕刻除去該複數個第1線圖案的一部分；藉由蝕刻除去該複數個第2線圖案的一部分；在該第2層之該第1及第2線圖案脫落之部分堆積第1光罩材料；除去該第2層之該第1及第2線圖案以形成第1光罩層；透過該第1光罩層對該第1層進行加工。

又，第3形態之圖案形成方法，包含：在基板上形成具有第1線圖案之第1圖案之動作；在上述第1圖案之上部，形成具有延伸於與上述第1線圖案交叉的方向之第2線圖案之第2圖案之動作；在上述第2圖案之上部，形成具有以與上述第2線圖案交叉的方向為長邊方向之複數個第3線圖案之第3圖案之動作；在上述第3圖案之上部，形成具有第1開口部之第4圖案之動作；透過上述第1開口部除去上述第3線圖案的一部分之動作；以及使用上述第3線圖案的邊緣部或對應於該邊緣部之部分，除去上述第2圖案的一部分之動作。

又，根據第4形態，提供元件製造方法，包含使用從第1到第3形態之圖案形成方法在該基板形成電路圖案之步驟。

根據上述第1及第2形態，可根據使用例如曝光裝置所形成之線圖案形成線寬更細微的複數個第1線圖案及第2線圖案。此外，可藉由利用蝕刻特性之相異除去該複數個第1線圖案的一部分形成非週期性的部分。此外，利用該非週期性的部分，可使用曝光裝置或光微影步驟形成例如含有比曝光裝置的解析極限小之程度之細微的非週期性部分之圖案。

又，根據上述第3形態，在第2線圖案之上部形成複數個第3線圖案，利用該第3線圖案的邊緣部，可高精度地決定除去第2線圖案部分之邊界。

R、R1、R2‧‧‧標線片

W‧‧‧晶圓(基板)

MP3‧‧‧合成光罩圖案

36‧‧‧基材

38‧‧‧元件層

38A‧‧‧線圖案

42A‧‧‧線圖案

43‧‧‧第2L&S圖案

50‧‧‧硬質光罩層

52A‧‧‧線圖案

53‧‧‧第3L&S圖案

54A‧‧‧線圖案

56‧‧‧第1光罩層之材料

56a‧‧‧開口部

70‧‧‧電路圖案

71‧‧‧第1L&S圖案

72‧‧‧線圖案

74、74A、74C‧‧‧孔圖案

100‧‧‧曝光裝置

圖1(A)為表示在實施形態所使用的圖案形成系統之主要部分的方塊圖，圖1(B)為表示圖1(A)中曝光裝置100之概略構成圖。

圖2(A)為表示實施形態之一例的加工對象之元件層電路圖案之一部分放大圖，圖2(B)為表示圖2(A)的電路圖案之複數個孔圖案(hole pattern)的配置圖。

圖3為表示實施形態之一例的圖案形成方法之流程圖。

圖4(A)為表示最初形成於晶圓之元件層的第1線與空間圖案之一部分放大俯視圖，圖4(B)為由+Y方向觀察圖4(A)之側視圖。

圖5(A)為表示第1標線片圖案的一部分之放大俯視圖，圖5(B)、圖5(C)、圖5(D)、圖5(E)、圖5(F)為表示第2線與空間圖案形成於晶圓的第2光罩層為止之各步驟之晶圓放大剖面圖，圖5(G)為表示形成於晶圓之第2線與空間圖案的放大俯視圖。

圖6(A)為表示第2標線片圖案的一部分之放大俯視圖，圖6(B)為表示於晶圓之第2光罩層上，從硬質光罩(hard mask)層形成到光阻層之狀態的放大剖面圖，圖6(C)為表示於硬質光罩層形成有圖案之狀態的放大剖面圖，圖6(D)為表示於晶圓最上層形成有間隔物層之狀態的放大剖面圖。

圖7(A)為表示間隔物層之一部分(側壁部)為殘留狀態的放大剖面圖，圖7(B)為表示晶圓之形成有第3線與空間圖案之狀態的放大剖面圖，圖7(C)為表示形成有第4線與空間圖案之狀態的放大剖面圖，圖7(D)為表示從有機膜進一步形成到光阻層之晶圓的放大剖面圖，圖7(E)為表示第3及第4線與空間圖案之放大俯視圖。

圖8(A)為表示第3標線片圖案的像已曝光之晶圓的一部分放大俯視圖，圖8(B)為表示有機膜的一部分已剝離之狀態的放大俯視圖，圖8(C)為表示已除去第3線與空間圖案的一部分之狀態的放大剖面圖，圖8(D)為表示已除去殘存之有機膜之狀態的放大俯視圖。

圖9(A)為表示在從有機膜進一步形成到光阻層之晶圓曝光有第4光罩圖案的像之狀態的放大俯視圖，圖9(B)為表示有機膜的一部分已剝離之狀態的放大俯視圖，圖9(C)為表示已除去第4線與空間圖案的一部分之狀態的放大剖面圖，圖9(D)為表示已除去殘存之有機膜之狀態的放大俯視圖。

圖10(A)為表示在圖9(D)之第3及第4線與空間圖案之間充填了第1光罩層之材料之狀態的放大俯視圖，圖10(B)為表示由圖10(A)的狀態除去了第3及第4線與空間圖案之狀態的放大俯視圖。

圖11(A)為表示第1光罩層之圖案的放大俯視圖，圖11(B)為表示第2光罩層之圖案的放大俯視圖，圖11(C)為表示合成光罩圖案之放大俯視圖，圖11(D)為表示已蝕刻晶圓之第1中間層之狀態的放大剖面圖，圖11(E)為表示已蝕刻晶圓之元件層之狀態的放大剖面圖。

圖12為表示電子元件之製造步驟的一例之流程圖。

針對本發明之較佳實施形態的一例，參照圖1~圖11進行說明。首先，針對為了形成在本實施形態之半導體元件等之電子元件(micro-devices)的電路圖案所使用之圖案形成系統的一例進行說明。圖1(A)表示本實施形態之圖案形成系統之主要部分，圖1(B)表示圖1(A)中之由掃描步進器(掃描器)所構成的掃描型曝光裝置(投影曝光裝置)100之概略構成。在圖1(A)，圖案形成系統包含：曝光裝置100；塗布顯像器200(coater-developer)，對晶圓(基板)進行光阻(感光材料)的塗布及顯影；薄膜形成裝置300；蝕刻裝置400，進行對晶圓的乾式(dry)及濕式(wet)蝕刻；搬送系500，在此等裝置間進行晶圓的搬送；以及主電腦(host computer，未圖示)等。

在圖1(B)，曝光裝置100具備：照明系10；標線片載台RST(reticle stage)，保持被來自照明系10之曝光用之照明光(曝光用光)IL所照明之標線片R(光罩)；投影單元PU，含有將由標線片R所射出之照明光IL投射至晶圓W(基板)表面之投影光學系PL；晶圓載台WST，保持晶圓W；以及主控制裝置(未圖示)，由統籌控制裝置整體的動作之電腦所構成。以下，在圖1(B)，將Z軸取為與投影光學系PL之光軸AX平行，在與此正交之平面(大致水平面)內沿標線片R與晶圓W被相對掃描之方向取為Y軸，沿與Z軸及Y軸正交之方向取為X軸，繞X軸、Y軸、Z軸之旋轉(傾斜)方向分別定為θx、θy、θz來進行說明。

照明系10例如為美國專利申請公開第2003/025890號說明書等所揭示，包含：光源，產生照明光IL；以及照明光學系，以照明光IL對標線片R進行照明。作為照明光IL，例如使用ArF準分子雷射光(excimer laser，波長193nm)。此外，作為照明光IL，亦可使用KrF準分子雷射光(波長248nm)、YAG雷射或固體雷射(半導體雷射等)之諧波(harmonic wave)，或水銀燈之射線(i線等)等。

照明光學系具有：照度均一化光學系，其包含：偏光控制光學系、光量分布形成光學系(繞射光學元件或空間光調變器等)、以及光學積分器(optical integrator)(複眼透鏡(fly-eye lens)或柱狀積分器(rod integrator，內面反射型積分器)等)等；以及標線片遮簾(reticle blind；可變視野光闌)等(皆未圖示)。照明系10對藉由標線片遮簾規定之標線片R的圖案面(下表面)之X方向細長的狹縫狀之照明區域IAR，進行2極照明、4極照明、輪帶照明(zonal illumination)、同調度(coherence factor；σ值)小的照明或以通常照明等之照明條件，由既定偏光狀態的照明光IL以大致均一之照度分布進行照明。

又，藉由真空吸附等保持標線片R的標線片載台RST，在標線片基座(reticle base)(未圖示)之與XY平面平行的上表面，能以一定速度往Y方向移動且X方向、Y方向的位置、及θz方向的旋轉角可調整地被載置。標線片載台RST的位置資訊藉由含有複數軸之雷射干涉儀的標線片干涉儀18，透過移動鏡14(或載台的經鏡面加工之側面)，以例如0.5~0.1nm程度的解析度被常時檢測。根據標線片干涉儀18的測量值控制含有線性馬達等之標線片載台驅動系(未圖示)，藉此來控制標線片載台RST的位置及速度。

又，配置於標線片載台RST下方之投影單元PU含有：鏡筒24；投影光學系PL，其具有在該鏡筒24內以既定之位置關係被保持的複數個光學元件。投影光學系PL例如在兩側遠心(telecentric)具有既定之投影倍率β(例如1/4倍、1/5倍等之縮小倍率)。藉由通過標線片R之照明光IL，標線片R之照明區域IAR內的電路圖案的像透過投影光學系PL形成於晶圓W的一個照射(shot)區域內之曝光區域IA(與照明區域IAR共軛之區域)。作為本實施形態之基版的晶圓W含有例如在由矽(或SOI；silicon on insulator等亦可)所構成之直徑200mm、300mm、或450mm左右之圓板狀基材的表面形成有圖案形成用之薄膜(氧化膜、金屬膜、多晶矽膜等)者。而且，在曝光對象之晶圓W的表面，以既定之厚度(例如數10nm~200nm程度)塗布光阻(感光材料)。

又，曝光裝置100，為了進行應用了液浸法的曝光，以包圍保持構成投影光學系PL的最靠像面側(晶圓W側)之光學元件即前端透鏡26之鏡筒24之下端部周圍之方式，在前端透鏡26與晶圓W之間設有用以供給液體Lq之構成局部液浸裝置30的一部分之嘴單元32。嘴單元32的液體Lq的供給口透過供給流路及供給管34A連接於液體供給裝置(未圖示)。嘴單元32的液體Lq的回收口透過回收流路及回收管34B連接於液體回收裝置(未圖示)。局部液浸裝置30之詳細構成，例如揭示於美國專利申請公開第2007/242247號說明書等。

又，晶圓載台WST在基盤12之與XY平面平行之上表面12a，可往X方向、Y方向移動地被載置。晶圓載台WST具備載台本體20、搭載於載台本體20之上表面的晶圓台WTB、以及設於載台本體20內且相對地驅動相對於載台本體20之晶圓台WTB(晶圓W)之Z方向的位置(Z位置)、及θx方向、θy方向之傾斜角之Z‧調平(leveling)機構。在晶圓台WTB，設有藉由真空吸附等將晶圓W保持於大致與XY平面平行之吸附面上的晶圓保持具(wafer holder)(未圖示)。在晶圓台WTB之上表面的晶圓保持具(晶圓W)的周圍，設有與晶圓W的表面(晶圓面)大致同一面且具有對液體Lq做撥液化處理之表面的平板狀板材(撥液板)28。

又，以例如美國專利第5448332號說明書所揭示之同樣構成，設置斜入射方式之自動聚焦感測器(autofocus sensor)(未圖示)，該自動聚焦感測器測量晶圓面的複數個測量點之Z位置。在曝光中，根據此自動聚焦感測器的測量值為，驅動晶圓載台WST的Z‧調平機構使晶圓面聚焦於投影光學系PL的像面。

又，在晶圓台WTB之Y方向及X方向的端面，分別藉由鏡面加工形成反射面。由構成晶圓干涉儀16之複數軸的雷射干涉儀對該反射面(移動鏡亦可)分別投射干涉儀光束，藉此，以例如0.5~0.1nm程度的解析度，測量晶圓載台WST的位置資訊(至少包含X方向、Y方向的位置、及θz方向的旋轉角)。根據此測量值，控制包含線性馬達等之晶圓載台驅動系(未圖示)，藉此，控制晶圓載台WST的位置及速度。此外，晶圓載台WST的位置資訊，以具有繞射光柵狀之標尺與檢測頭之編碼器方式的檢測裝置來測量亦可。

又，曝光裝置100具備：晶圓對準系AL，測量晶圓W的既定之對準標記(alignment mark)的位置；以及空間像測量系(未圖示)，為了測量標線片R的對準標記之投影光學系PL之像之位置，而內設於晶圓載台WST。使用此等空間像測量系(標線片對準系)及晶圓對準系AL，進行標線片R與晶圓W之各照射區域之對準。

在晶圓W曝光時，藉由使晶圓載台WST往X方向、Y方向移動(步進(step)移動)，晶圓W之曝光對象的照射區域往曝光區域IA的前側移動。而且，由局部液浸裝置30往投影光學系PL與晶圓W之間供給液體Lq。接著，一邊將標線片R的圖案之一部分的投影光學系PL之像，投影至晶圓W的一個照射區域，一邊透過標線片載台RST及晶圓載台WST，將標線片R及晶圓W往Y方向同步移動，藉此，於該照射區域使標線片R的圖案之像掃描曝光。藉由重複該步進移動與掃描曝光，以步進掃描方式(step and scan)及液浸方式，於晶圓W的各照射區域分別使標線片R的圖案之像曝光。

其次，在本實施形態作為製造對象的電路圖案，舉例而言，如圖2(A)的部分放大圖所示，是做為半導體元件的SRAM(Static RAM)之閘單元(gate cell)用電路圖案70。此外，在以下，線與空間圖案亦稱為L&S圖案。電路圖案70為，在晶圓的基材36之表面，於週期方向之X方向以間距(週期)d排列線寬d/2之線圖案72及寬度d/2之空間部73構成之第1L&S圖案71，由複數個線圖案72在與X方向正交之Y方向(線圖案72之長邊方向)分別除去寬度e的部分形成複數列75A、75B、75C、75D之孔圖案74、74A、74C(非週期之部分)者。圖2(B)表示圖2(A)中之複數個孔圖案74、74A、74C之排列。舉例而言，孔圖案74為形成於1條線圖案72上之X方向寬度為d的最小圖案，孔圖案74A為形成於相鄰之複數條(在此為2條)線圖案72上之X方向寬度為2d的圖案，孔圖案74C為形成於相鄰之5條線圖案72上的於X方向細長之圖案。

沿著相同線圖案72而排列的兩個孔圖案74之Y方向週期為f(間隔為(f-e))，排列於X方向的兩個孔圖案74(或74、74A等)之X方向間隔為(m+1)d(m=0,1,2...)。因此，複數個孔圖案74、74A、74C之排列含有鋸齒格子狀或棋盤格子狀之不規則部分。又，舉例而言週期f為寬度e的2倍到數倍左右，接近的兩個孔圖案74、74A、72C之X方向及Y方向的最小間隔分別為d及(f-e)。此外，孔圖案74、74A、74C之形狀及配置為任意。將形成圖2(A)的電路圖案70之晶圓W載置於圖1(B)之曝光裝置100的晶圓載台WST時，圖2(A)之X軸及Y軸方向平行於曝光裝置100之X軸及Y軸方向。

在本實施形態，舉例而言，相較於線圖案72的X方向線寬(d/2)，孔圖案74的寬度e較長(寬度e例如為d/2~d程度)。具體而言，例如線寬(d/2)若設為10~13nm程度，則寬度e為例如15~20nm程度。又，線寬(d/2)及寬度e設為較液浸型之曝光裝置100的解析極限(週期圖案情形之半間距；half pitch)細微。因此，L&S圖案71的線寬(d/2)較曝光裝置100的解析極限細微，並且電路圖案70亦為含有寬度e的複數個孔圖案74、74A、74C之圖案(非週期部分)，上述孔圖案74、74A、74C以較曝光裝置100的解析極限細微的間隔非週期地(半週期地)被配置。

此情形，L&S圖案71(線圖案72)的X方向位置，及各孔圖案74等的Y方向位置，根據例如形成L&S圖案71時所使用之對準標記(未圖示)設定(測量)。舉例而言，若線寬(d/2)設為曝光裝置100的解析極限之大致1/4，則曝光裝置100的解析極限約為大致2d。曝光裝置100的解析極限例如為40~60nm程度時，對應於此的線寬(d/2)則成為10~15nm程度。

以下，針對使用本實施形態之圖案形成系統，用以形成電路圖案70的圖案形成方法之一例，參照圖3的流程圖進行說明。在本實施形態，使用實質上重覆2次間隙壁雙圖案法(Spacer Double Patterning Process,Spacer transfer Process或Sidewall transfer Process)之4倍圖案形成法(Quadruple Patterning Process)，形成較曝光裝置100的解析極限細微的圖案。

首先，在圖3的步驟102，使用薄膜形成裝置300，如圖4(B)所示，在晶圓W之例如由矽所構成之基材36的平坦表面，形成例如由二氧化鉿 (HfO2)與氮化鈦(TiN)的薄膜所構成之元件層38。此外，在元件層38的底面(基材36的表面)，形成氧化膜或氮化膜等亦可。在下一步驟104，於元件層38舉例而言使用上述之4倍圖案形成法，如圖4(A)所示形成第1L&S圖案71，該第1L&S圖案71以間隔d於X方向排列有複數個線圖案38A，該複數個線圖案38A以X方向的線寬d/2延伸於Y方向。線圖案38A對應圖2的線圖案72，但在此階段未形成孔圖案74。此外，4倍圖案形成法為重複2次後述之間隙壁雙圖案法(以下，亦稱2倍圖案形成法)者(詳細後述)。又，L&S圖案71不使用曝光裝置100，例如使用電子束曝光裝置形成亦可，該電子束曝光裝置一邊使曝光對象的基板相對於可分別ON/OFF且能夠描繪可微量偏向之微小的點圖案之複數個電子束移動一邊能夠於該基板表面使任意的細微電路圖案曝光。在此情形，可使L&S圖案71之線圖案38A的線寬(d/2)較曝光裝置100的解析極限(半間距)之1/4細微。

在下一步驟106，形成例如由四乙氧基矽烷(Tetra Ethyl Ortho Silicate；TEOS)所構成之第1中間層40(元件層38之保護膜)，使之覆蓋元件層38(參照圖4(B))。此外，取代TEOS膜，而使用二氧化矽(SiO2)等亦可。而且，如圖5(B)所示，於第1中間層40上形成例如由含有碳之材料(有機系材料)所構成之第2光罩層42。作為該有機系材料，可使用例如ACL(Amorphous Carbon Layer)。

在下一步驟108，於第2光罩層42使用2倍圖案形成法，如圖5(G)的放大俯視圖所示，形成第2 L&S圖案43，該第2 L&S圖案43為：以間距f於Y方向排列複數個線圖案42A而成，該複數個線圖案42A以Y方向的線寬(f-e)延伸於X方向。如後述，藉由第2 L&S圖案43的空間部42B，規定最終形成之圖2(A)的孔圖案74等之±Y方向的邊緣部(寬度e)，因此，空間部42B之Y方向的寬度為e(與孔圖案74等之寬度相同)。又，形成於晶圓W之各照射區域的電路圖案為，在X方向及Y方向週期地重複與圖2(A)或圖5(G)的圖案相同大小之部分的圖案。而且，後述之圖5(B)~(F)等沿著Y軸之放大剖面圖，對應於圖2(A)或圖5(G)所示部分之前視圖，後述之圖6(B)~(D)等沿著X軸之放大剖面圖，對應於將圖2(A)或圖5(G)所示部分由+Y方向觀察之側視圖。

本實施形態的步驟108之動作(2倍圖案形成法)分為步驟130~146。即，在步驟130，如圖5(B)所示，使用薄膜形成裝置300於晶圓W的第2光罩層42之表面形成第2中間層44A，在塗布顯像器200，於該中間層44A的表面塗布例如正型(positive-type)之光阻層46A。此外，作為第2中間層44A，亦可使用反射防止膜之BARC(Bottom Anti-Reflection Coating)。接著，在步驟132，將晶圓W載置於圖1(B)之液浸型的曝光裝置100之晶圓載台WST。曝光裝置100的標線片(設為標線片R1)之圖案如圖5(A)之放大圖所示，為：以2f/β之間距於Y方向排列有由線寬為f/β(β為投影倍率)的遮光膜所構成之線圖案R1a之L&S圖案。接著，以曝光裝置100在晶圓W的各照射區域使標線片R1的圖案之像47Y(於Y方向間距2f的像)曝光。像47Y的線寬(半間距)為f(大致為解析極限的1倍~2倍程度)，因此，可藉由曝光裝置100高精度地投影像47Y。在此時，使用位於晶圓W之元件層38的對準標記(未圖示)及標線片R1的對準標記(未圖示)，決定像47Y之X方向及Y方向的位置。

在下一步驟134，以塗布顯像器200將晶圓W的光阻層46A顯影，將以顯影所形成之各光阻圖案RP1(參照圖5(B))細化，並形成線寬為(f-e)之光阻圖案RP2。此外，取代細化，在曝光時亦可設定為：在份量為1間距的像47Y當中，曝光量在感光位準(level)以下之部分(未曝光部分)的Y方向之寬度為(f-e)。其後，以蝕刻裝置400，蝕刻晶圓W的第2中間層44A、第2光罩層42，進行光阻剝離等，藉此形成以間隔2f於Y方向排列有線寬(f-e)的第2光罩層之線圖案42a的L&S圖案(參照圖5(C))。在該L&S圖案上堆積第1間隔物層 48A(參照圖5(D))。

在下一步驟136，在蝕刻裝置400對晶圓W的間隔物層48A於與表面垂直的方向進行非等向蝕刻後，除去第2光罩層之線圖案42a。藉此，如圖5(E)所示，在第1中間層40的表面，形成以間距f於Y方向排列有線寬e的複數個間隔物部(側壁部)48Asa的L&S圖案。以上述方式，形成使最初之間距2f成為1/2的L&S圖案。步驟134、136的動作為2倍圖案形成法中的間距分割法。在上述步驟104，藉由在圖5(E)上進一步堆積間隔物層，並重複執行該2倍圖案形成法，藉此以4倍圖案形成法形成間距為最初圖案的間距之1/4的圖案。

接著，在步驟138，堆積其他的第2光罩層之材料，使其覆蓋圖5(E)的L&S圖案後，進行CMP(Chemical Mechanical Polishing)使間隔物部48Asa顯現，在步驟140，藉由蝕刻將間隔物部48Asa除去。藉此，如圖5(F)所示，在第1中間層40的表面，形成第2光罩層的線寬(f-e)之線圖案42A夾著寬度e的空間部42B以間距f排列於Y方向之第2L&S圖案43。其後，在步驟146，於第2L&S圖案43的空間部42B充填例如矽(Si)或多晶矽(與硬質光罩層50相同材料)。此外，在使用曝光裝置100來執行步驟104的情形，使用在X方向形成有線寬4d/β且間隔8d/β的L&S圖案之標線片，執行2次與步驟130~136同樣的動作。

在接著步驟108之步驟110，形成例如由矽(Si)或多晶矽所構成之硬質光罩層50(參照圖6(B))，使其覆蓋在步驟108所形成之第2L&S圖案43(第2光罩層42)。其後，在步驟112，於硬質光罩層50上形成由有機系材料所構成之中間層51、第3中間層44B(例如BARC亦可)、及光阻層46B。接著，將晶圓W載置於曝光裝置100的晶圓載台WST。在曝光裝置100的標線片載台RST，取代標線片R1而載置(load)第2標線片R2。標線片R2的圖案如圖6(A)的放大圖所示，為以4d/β之間距於X方向排列有由線寬為2d/β(β為投影倍率)的遮光膜所構成之線圖案R2a之L&S圖案。接著，使用標線片R2之對準標記(未圖示)，進行標線片R2之對準後，以曝光裝置100在晶圓W的各照射區域，使標線片R2的圖案之像47X(於X方向間距4d的像)曝光。像47X的線寬(半間距)大致為解析極限，因此，可藉由曝光裝置100高精度地使像47X成像。曝光後的晶圓W被顯影。

接著，在步驟114，將晶圓W的線寬4d之光阻圖案RP3細化所得的線寬d之光阻圖案RP3作為遮罩，蝕刻第3中間層44B及中間層51。此外，取代細化，對應光阻的感光位準控制曝光量，使光阻圖案的線寬配合於d亦可。接著，藉由剝離光阻圖案及第3中間層44B，形成以間距4d於X方向排列有中間層51的X方向之線寬d的線圖案51A之L&S圖案(參照圖6(C))。在其上堆積作為第3間隔物層的由氮化矽(SiN)所構成的第3 L&S圖案用的薄膜52，並進行薄膜52的蝕刻，使殘存之薄膜52的厚度與線圖案51A相同(參照圖7(A))。接著，藉由除去線圖案51A，形成以間距2d於X方向排列有在X方向線寬d的薄膜52之線圖案52A(在此為延伸於Y方向之線圖案)的L&S圖案(參照圖7(B))。

在下一步驟116，堆積由二氧化矽(SiO2)所構成之作為第4L&S圖案用之間隔物層的薄膜54，使其覆蓋線圖案52A，並進行CMP，使薄膜54的表面成為與線圖案52A的表面同高度。其結果，如圖7(C)所示，堆積薄膜54之線圖案54A並使之殘留，藉以掩埋線圖案52A的X方向之間的空間部。在以下，將以間距2d於X方向排列有複數個線圖案52A的圖案稱為第3L&S圖案53，將以間距2d於X方向排列有複數個線圖案54A的圖案稱為第4L&S圖案55(參照圖7(E))。如此這般，實質上以2倍圖案形成法(雙圖案法)形成第3L&S圖案53。

該第3L&S圖案53之X方向的定位精度(對準精度)δX實質上為圖6(A)的第2標線片R2之像的定位精度，該定位精度δX(參照圖7(B))相對於圖2(A)之第1L&S圖案71，在±d/4程度以下即可，因此，容易定位。而且，在本實施形態，第3L&S圖案53的線圖案52A為氮化矽，第4L&S圖案55的線圖案54A為二氧化矽，線圖案52A及54A之蝕刻特性彼此相異。

在下一步驟118，如圖7(D)所示，形成由含有例如像ACL(Amorphous Carbon Layer)一般之碳之材料所構成之有機膜58、BARC(Bottom Anti-Reflection Coating)膜60A、及例如正型之光阻層46C，使其等覆蓋晶圓W之第3、第4 L&S圖案53、55。接著，將晶圓W往曝光裝置100搬送，將以圖8(A)之施以斜線部之部分作為遮光部的第3標線片之圖案的像R3P曝光於於晶圓W。像R3P的形狀為覆蓋第3L&S圖案53(線圖案52A)之中的殘留部分即可。因此，像R3P的解析度：X方向為大致2d(半間距)，而Y方向為大致3e(半間距)程度即可，能以曝光裝置EX進行高精度曝光。而且，像R3P的X方向及Y方向之對準精度分別為±d/2及±e/2以下即可，曝光時之對準容易。又，在圖7(E)及圖8(A)~(D)等之中，圖2(B)的孔圖案74、74A、74C的位置以虛線表示。

其後，將曝光後的晶圓W以塗布顯像器200顯影，將殘留之光阻圖案作為遮罩，蝕刻BARC膜60A，而且藉由蝕刻有機膜58並除去BARC膜60A等，如圖8(B)所示，在對應於像R3P的部分殘留保護圖案58A，該保護圖案58A為有機膜58的圖案。在此時，於保護圖案58A以外的部分，露出第3L&S圖案的線圖案52A及第4L&S圖案的線圖案54A。

進而，使用只蝕刻第3L&S圖案53(由SiN所構成之線圖案52A)，而不蝕刻第4L&S圖案55(由SiO2所構成之線圖案54A)、有機膜部58、及硬質光罩層50的蝕刻液(或電漿蝕刻)，將保護圖案58A作為遮罩，而僅蝕刻第3L&S圖案53(線圖案52A)。例如使用電漿蝕刻的情形，作為僅蝕刻由SiN所構成之線圖案52A的蝕刻氣體，能使用以氦(He)氣體稀釋六氟化碳氣體(CF6)之物。藉此，如圖8(C)所示，除去第3L&S圖案53的一部分，殘留線圖案52A之中位於保護圖案58A底部的部分圖案52A1。其後，藉由利用蝕刻而除去保護圖案58A，如圖8(D)所示，露出部分圖案52A1。

在下一步驟120，如圖9(A)所示，形成由含有例如像ACL一般之碳之材料所構成之有機膜59、BARC膜60B、及例如正型之光阻層46D，使其等覆蓋圖8(D)之晶圓W的表面。而且，將晶圓W往曝光裝置100搬送，將以圖9(A)之施以斜線部之部分作為遮光部的第4標線片之圖案的像R4P曝光於晶圓W。像R4P的形狀為覆蓋第4L&S圖案55(線圖案54A)之中的殘留部分即可。因此，像R4P的解析度為：X方向為大致2d(半間距)，而Y方向為大致3e(半間距)程度即可，能以曝光裝置EX進行高精度曝光。而且，像R4P的X方向及Y方向之對準精度分別為±d/2及±e/2以下即可，曝光時之對準容易。

其後，將曝光後的晶圓W以塗布顯像器200顯影，將殘留之光阻圖案作為遮罩，蝕刻BARC膜60B，而且藉由蝕刻有機膜59並除去BARC膜60B等，如圖9(B)所示，在對應於像R4P的部分殘留保護圖案59A，該保護圖案59A為有機膜59的圖案。在此時，於保護圖案59A以外的部分，露出部分圖案52A1(線圖案52A的一部分)及第4L&S圖案的線圖案54A。

進而，使用不蝕刻有機膜59、部分圖案52A1(由SiN所構成之線圖案52A)、及硬質光罩層50，而只蝕刻第4L&S圖案55(由SiO2所構成之線圖案54A)的蝕刻液(或電漿蝕刻)，將保護圖案59A作為遮罩，而僅蝕刻第4L&S圖案55(線圖案54A)。例如使用電漿蝕刻的情形，作為僅蝕刻由SiO2所構成之線圖案54A的蝕刻氣體，能使用以氬(Ar)氣體稀釋三氟甲烷(CHF3)、或四氟化碳(CF4)等之C-F系氣體(氟系氣體)之物。藉此，如圖9(C)所示，除去線圖案54A的一部分。其後，除去保護圖案59A。此時，如圖9(D)所示，僅殘留線圖案54A之中位於保護圖案59A底部的部分圖案54A1。由圖9(D)可知，殘留之部分圖案52A1及54A1規定了孔圖案74等之X方向邊緣部的位置。

在下一步驟122，如圖10(A)所示，於晶圓W的硬質光罩層50上之部分圖案52A1、54A1間，充填由與第2光罩層42相同之有機系材料所構成的第1光罩層之材料56，並藉由CMP將其表面平坦化。接著，在步驟124，如圖10(B)所示，藉由依序蝕刻晶圓W的部分圖案52A1(第3L&S圖案53)、部分圖案54A1(第4L&S圖案55)、及硬質光罩層50(含有第2L&S圖案43之線部42B的材料，在這些之中位於部分圖案52A1、54A1底部的部分)將其等除去。藉此，在第1光罩層的材料56之中有部分圖案52A1、54A1的部分分別成為規定孔圖案74等之X方向邊緣部的位置的開口部56a。其結果，形成為在元件層38的上方重疊第2L&S圖案43(第2光罩層42)與設置有開口部56a的材料56(第1光罩層)。

此情形，設置有開口部56a的材料56如圖11(A)所示，在複數個開口部56a的部分，可視為是能夠進行蝕刻的第1光罩圖案MP1。又，第2L&S圖案43如圖11(B)所示，在線圖案42A之間的空間部42B(開口部)，可視為是能夠進行蝕刻的第2光罩圖案MP2。但是實際上，在光罩圖案MP2的空間部42B之中光罩圖案MP1的材料56殘留部分之底部，殘留著硬質光罩層50的材料。其結果，在透過光罩圖案MP1及MP2來蝕刻下層材料的情形，光罩圖案MP1及MP2如圖11(C)所示，作用為合成光罩圖案MP3，該合成光罩圖案MP3，係光罩圖案MP1的開口部56a與光罩圖案MP2的開口部(空間部42B)重疊之部分為X方向寬度d、2d等，Y方向寬度e的複數個開口部MP3a、MP3b、MP3c。合成光罩圖案MP3的複數個開口部MP3a等，與圖2(A)的電路圖案70中之複數個孔圖案74等為相同排列。

接著，在步驟126，如圖11(D)所示，透過由第1光罩層及第2光罩層所構成之合成光罩圖案MP3，蝕刻第1中間層40，並在第1中間層40之對應於孔圖案74等的位置，分別形成開口40a等。又，在步驟128，藉由透過第1中間層40來蝕刻元件層38的線圖案38A(72)，如圖11(E)所示，於各線圖案38A形成以非週期性排列形成有孔圖案74等之電路圖案70。

如此這般，依據本實施形態，在步驟104、108使用4倍圖案形成法或2倍圖案形成法，來形成L&S圖案71&43(第2光罩層之圖案)，因此，可使用曝光裝置100，於晶圓W高精度地形成較曝光裝置100之解析極限細微的週期性圖案。又，在步驟112~116，實質上使用2倍圖案形成法，來形成第3L&S圖案53及第4L&S圖案55(第1光罩層之圖案)，因此，可高精度地形成線寬較曝光裝置100之解析極限細微的圖案，並使其邊緣部相鄰。又，在步驟118、120，利用第3L&S圖案53及第4L&S圖案55之蝕刻特性相異，依序並選擇性地除去L&S圖案53、55的一部分。因此，使用曝光裝置100(光微影步驟)可形成：用以形成開口部56a之圖案(部分圖案52A1、54A1)，該開口部56a對應於較形成對象之曝光裝置100的解析極限細微之間隔且不規則地排列之孔圖案74等。因此，藉由使用最終形成之合成光罩圖案MP3來蝕刻第1中間層40及元件層38(步驟126、128)，可高精度地形成含有較曝光裝置100之解析極限細微之非週期部分(孔圖案74)的電路圖案70。

本實施形態之效果等，如以下所述。

本實施形態之圖案形成方法，使用了含有曝光裝置100之圖案形成系統，且具有：步驟104，形成第1L&S圖案71(第1圖案)，該第1L&S圖案71具有在晶圓W(基板)排列於X方向之複數個第1線圖案38A(72)；步驟106，形成第1中間層40(第1層)，使其覆蓋第1L&S圖案71；步驟112~116，在第1中間層40(第1層)上的第1光罩層(第2層)形成以Y方向(第1方向)為長邊方向之複數個線圖案52A、與以Y方向為長邊方向並且蝕刻特性與線圖案52A(第1線圖案)相異之複數個線圖案54A(第2線圖案)，使其至少一方之邊緣部相鄰；步驟118，藉由蝕刻除去複數個線圖案52A的一部分；步驟120，藉由蝕刻除去複數個線圖案54A的一部分；步驟122，將材料56(第1光罩層之材料)堆積於上述第1光罩層之線圖案52A、54A脫落部分；步驟124，除去材料56(第1光罩層)中的部分圖案 52A1、54A1，並形成第1光罩圖案MP1；步驟126，透過第1光罩圖案MP1對第1中間層40進行加工。

根據本實施形態，根據使用曝光裝置100形成之光阻圖案RP3(或RP4)所構成之線圖案，可形成線寬細微的複數個線圖案52A，並根據該複數個線圖案52A來形成複數個線圖案54A。接著，藉由利用線圖案52A、54A之蝕刻特性相異依序除去線圖案52A、54A的一部分，可形成非週期的部分(對應於開口部56a之部分)。接著，透過以該非週期的部分作為開口部的第1光罩圖案MP1，對第1中間層40進行加工，藉此，高精度地形成以細微之間隔非週期地排列之孔圖案74、74A、74C。

因此，使用含有曝光裝置100之曝光的光微影步驟，可高精度地形成：含有較曝光裝置100之解析極限細微的非週期性部分(孔圖案74、74A、74C)之電路圖案70。

又，在步驟102、108及步驟112~116，實質上使用4倍或2倍圖案形成法，因此，可高精度地形成較曝光裝置100之解析極限細微的週期性圖案。此外，在形成對象之孔圖案74、74A、74C的大小及間隔大於例如曝光裝置100之解析極限的1/2以下之情況，在步驟102、108、及步驟112~116，實質上可使用雙圖案法(例如間隙壁雙圖案法)。而且，取代間隙壁雙圖案法，亦可使用：雙重曝光法(Double Exposure Process)、LELE(Litho-Etch-Litho-Etch)法、或LPLE(Litho-Process-Litho-Etch)法等雙圖案(Double Patterning)法(間距分割法)。

此外，在上述之實施形態，為了將SiN部(線圖案52A)相對於SiO2部(線圖案54A)選擇性地進行乾式蝕刻，例如如同特開平08-264510號公報所揭示，使用氟自由基與氫自由基之化學乾式蝕刻亦可採用。

又，作為選擇性地蝕刻SiN部(線圖案52A)與SiO2部(線圖案54A)之條件，例如特開平05-160077號公報所揭示，乾式蝕刻SiN(氮化矽)時，使用CHF3、CF4、Ar及氧(O2)作為蝕刻氣體，而乾式蝕刻SiO2部(二氧化矽)時，使用之CHF3、CF4、及Ar作為蝕刻氣體亦可。

而且，例如由鋁等之金屬膜形成線圖案52A，由SiN形成線圖案54A，使用氯系氣體進行線圖案52A之蝕刻，使用上述氟系氣體進行線圖案54A之蝕刻亦可。

又，在上述之實施形態，例如以4倍圖案形成法，由原本的L&S圖案(標線片的圖案之像)形成間距為1/4的L&S圖案。但是，藉由對原本的圖案重複k次間隙壁雙圖案法(k為3以上之整數)，可形成相對於該原本之圖案的間距擁有1/(2^k)的間距之L&S圖案(此成為第1L&S圖案71、第2L&S圖案43、第3L&S圖案53、53A及/或第4L&S圖案55、55A)。藉此，可形成擁有較曝光裝置100之解析極限之1/4細微的週期性及非週期性構造之電路圖案。

又，在上述之各實施形態，除去週期性圖案(第1L&S圖案71)的一部分，但在除去非週期性圖案的一部分之情形，上述之實施形態的圖案形成方法亦可適用。又，於週期性圖案或非週期性圖案附加非週期性圖案之情形，上述之圖案形成方法亦可適用。

又，在上述之各實施形態，在第1及第2線圖案(第3L&S圖案53及第4L&S圖案55)脫落之部分，充填第1光罩材料56並形成第1光罩層，但亦可利用第1及第2線圖案殘留之部分，將該下層的一部分蝕刻。

又，在上述各實施形態，使用蝕刻特性彼此相異的第1及第2線圖案(第3L&S圖案53及第4L&S圖案55)，但只採用此等第1及第2線圖案之一方亦可。

其次，使用上述各實施形態之圖案形成方法，來製造SRAM等半導體元件(電子元件)的情形，半導體元件如圖12所示，經過以下步驟製造：步驟221，進行半導體元件之機能、性能設計；步驟222，根據該設計步驟，製作光罩(標線片)；步驟223，製造半導體元件用之基板(或晶圓之基材)；基板處理步驟224；元件組裝步驟225(包含切割步驟、接合步驟、封裝步驟等加工流程)；以及檢查步驟226。又，該基板處理步驟224包含上述實施形態之圖案形成方法(圖3之步驟102~128)，該圖案形成方法包含以下等步驟：以曝光裝置將標線片之圖案於基板曝光之步驟；將曝光後之基板進行顯影之步驟；以及進行顯影後之基板的加熱(cure)及蝕刻之步驟。

換言之，此元件製造方法包含基板處理步驟224，該基板處理步驟224包含使用上述實施形態之圖案形成方法在基板(晶圓W)上形成孔圖案74、74A、74C之步驟。又，舉例而言，形成於基板上的圖案為，除去了週期性圖案(第1L&S圖案71)的一部分的圖案。

根據此元件製造方法，能使用曝光裝置高精度地製造含有電路圖案之半導體元件，該電路圖案含有較曝光裝置之解析極限細微的非週期性部分。此外，在上述實施形態，製造對象的元件可為SRAM以外的DRAM、CPU、DSP等任意半導體元件。而且，製造半導體元件以外的攝影元件、MEMS(Microelectromechanical Systems)等電子元件(micro-devices)時，上述實施形態之圖案形成方法亦可適用。

又，在上述實施形態，作為曝光裝置亦可使用非液浸型之乾型曝光裝置。又，除了以紫外光為曝光用光的曝光裝置外，使用波長為數nm~數10nm程度的EUV光(Extreme Ultraviolet Light)作為曝光用光之EUV曝光裝置，或以電子束為曝光用光之電子束曝光裝置等亦可。

此外，本發明不限定於上述實施形態，在不脫離本發明主旨之範圍，可採用各種構成。

Claims

一種元件製造方法，包含：將以第1方向為長邊方向之複數個第1線圖案形成在第1層之動作；以及將以與前述第1方向交叉之第2方向為長邊方向之複數個第2線圖案與以前述第2方向為長邊方向且與前述第1線圖案蝕刻特性相異之複數個第3線圖案以至少一方之邊緣部相鄰之方式形成在前述第1層之上之第2層之動作；前述相鄰之邊緣部，從前述第2層之與前述第1層相反側觀察時，位於前述複數個第1線圖案中彼此相鄰之兩個第1線圖案之間。
如請求項1所述之元件製造方法，其包含：在前述第2線圖案及前述第3線圖案之上形成具有開口部之第1光罩層之動作；透過前述開口部，使用第1蝕刻媒質除去前述複數個第2線圖案之至少一部分之動作；以及透過前述開口部，使用與前述第1蝕刻媒質相異之第2蝕刻媒質除去前述複數個第3線圖案之一部分之動作。
如請求項2所述之元件製造方法，其進而包含在藉由前述蝕刻除去之部分形成第2光罩層之動作。
如請求項3所述之元件製造方法，其進而包含透過前述第2光罩層，加工前述第1線圖案之動作。
如請求項2所述之元件製造方法，其中，在藉由蝕刻除去前述複數個第2線圖案之一部分時，前述第3線圖案不被蝕刻，且在藉由蝕刻除去前述複數個第3線圖案之一部分時，前述第2線圖案不被蝕刻。
如請求項5所述之元件製造方法，其中，前述第2及第3線圖案之蝕刻係以乾式蝕刻進行，且前述第2線圖案用之蝕刻氣體與前述第3線圖案用之蝕刻氣體彼此相異。
如請求項1所述之元件製造方法，其中，前述第1層形成在基板之上；形成於前述基板之前述電路圖案包含非週期性之複數個孔圖案。