特許 6347329 パターン形成方法及びデバイス製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6347329

(24)【登録日】2018年6月8日

(45)【発行日】2018年6月27日

(54)【発明の名称】パターン形成方法及びデバイス製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/027 20060101AFI20180618BHJP

   H01L 21/3065 20060101ALI20180618BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/30 570

   H01L21/302 105A

【請求項の数】44

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2014-542184(P2014-542184)

(86)(22)【出願日】2013年10月17日

(86)【国際出願番号】JP2013078243

(87)【国際公開番号】WO2014061760

(87)【国際公開日】20140424

【審査請求日】2016年10月7日

(31)【優先権主張番号】特願2012-231484(P2012-231484)

(32)【優先日】2012年10月19日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000004112

【氏名又は名称】株式会社ニコン

(74)【代理人】

【識別番号】100098165

【弁理士】

【氏名又は名称】大森 聡

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 陽司

【審査官】 山口 敦司

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−０６４９３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０５０３８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／０３１７７４８（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／０２７

Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

パターン形成方法であって、
第１方向を長手方向とする複数の第１のラインパターンと、前記第１方向を長手方向とするとともに前記第１のラインパターンとエッチング特性が異なる複数の第２のラインパターンとを、少なくとも一方のエッジ部が隣接するように形成することと；
前記複数の第１のラインパターンの少なくとも一部を第１のエッチング媒質を用いて除去することと、
前記複数の第２のラインパターンの一部を前記第１のエッチング媒質と異なる第２のエッチング媒質を用いて除去することと、
前記エッチングによって除去された部分に第１のマスク層を形成することと
を含むパターン形成方法。

【請求項2】

前記複数の第１及び第２ラインパターンは、基板の第１層の上に形成され、
前記第１のマスク層を介して前記第１層を加工することをさらに含む請求項１に記載のパターン形成方法。

【請求項3】

パターン形成方法であって、
基板の第１層の上の第２層に、第１方向を長手方向とする複数の第１のラインパターンと、前記第１方向を長手方向とするとともに前記第１のラインパターンとエッチング特性が異なる複数の第２のラインパターンとを、少なくとも一方のエッジ部が隣接するように形成し、
前記複数の第１のラインパターンの一部をエッチングによって除去し、
前記複数の第２のラインパターンの一部をエッチングによって除去し、
前記第２層の前記第１及び第２のラインパターンが抜けている部分に第１のマスク材料を堆積し、
前記第２層の前記第１及び第２のラインパターンを除去して第１のマスク層を形成し、
前記第１のマスク層を介して前記第１層を加工するパターン形成方法。

【請求項4】

前記複数の第１のラインパターンの一部をエッチングによって除去するときに、前記第２のラインパターンはエッチングされないとともに、
前記複数の第２のラインパターンの一部をエッチングによって除去するときに、前記第１のラインパターンはエッチングされない請求項３に記載のパターン形成方法。

【請求項5】

前記第１及び第２のラインパターンのエッチングはドライエッチングで行われるとともに、
前記第１のラインパターン用のエッチングガスと前記第２のラインパターン用のエッチングガスとは互いに異なる請求項３又は４に記載のパターン形成方法。

【請求項6】

前記複数の第１のラインパターンの一部をエッチングによって除去するときに、前記複数の第１のラインパターンの長手方向の共通の範囲を除去する請求項１乃至５のいずれか一項に記載のパターン形成方法。

【請求項7】

前記複数の第１のラインパターンの一部をエッチングによって除去するときに、前記複数の第１のラインパターン中で第１の矩形領域内又は前記第１の矩形領域の外側の部分を除去する請求項１乃至５のいずれか一項に記載のパターン形成方法。

【請求項8】

前記複数の第２のラインパターンの一部をエッチングによって除去するときに、前記複数の第２のラインパターンの長手方向の共通の範囲を除去する請求項１乃至７のいずれか一項に記載のパターン形成方法。

【請求項9】

前記複数の第２のラインパターンの一部をエッチングによって除去するときに、前記複数の第２のラインパターン中で第２の矩形領域内又は前記第２の矩形領域の外側の部分を除去する請求項１乃至７のいずれか一項に記載のパターン形成方法。

【請求項10】

前記第２層に、前記複数の第１のラインパターンと前記複数の第２のラインパターンとを形成するときに、
露光装置によって前記基板に前記第１方向を長手方向とする第１のライン・アンド・スペースパターンの像を露光し、
前記第１のライン・アンド・スペースパターンの像に対して前記第１方向に直交する方向の周期が１／２以下の周期を持つ第２のライン・アンド・スペースパターンを形成する請求項３乃至５のいずれか一項に記載のパターン形成方法。

【請求項11】

前記第２のライン・アンド・スペースパターンの周期は前記第１のライン・アンド・スペースパターンの周期の１／４である請求項１０に記載のパターン形成方法。

【請求項12】

前記基板の前記第１層の上で前記第２層と異なる第３層に、前記第１方向と直交する第２方向を長手方向とする複数の第３のラインパターンを形成して第２のマスク層を形成し、
前記第１層を加工するときに、前記第１のマスク層及び前記第２のマスク層を介して前記第１層を加工する請求項３乃至５のいずれか一項に記載のパターン形成方法。

【請求項13】

前記複数の第３のラインパターンは、ライン部の幅とスペース部の幅とがほぼ等しい請求項１２に記載のパターン形成方法。

【請求項14】

前記複数の第３のラインパターンは、ライン部の幅がスペース部の幅よりも広い請求項１２に記載のパターン形成方法。

【請求項15】

前記第３層に、前記複数の第３のラインパターンを形成するときに、
露光装置によって前記基板に前記第２方向を長手方向とする第３のライン・アンド・スペースパターンの像を露光し、
前記第３のライン・アンド・スペースパターンの像に対して前記第２方向に直交する方向の周期が１／２以下の周期を持つ第４のライン・アンド・スペースパターンを形成する請求項１２乃至１４のいずれか一項に記載のパターン形成方法。

【請求項16】

前記第４のライン・アンド・スペースパターンの周期は前記第３のライン・アンド・スペースパターンの周期の１／４である請求項１５に記載のパターン形成方法。

【請求項17】

前記基板の前記第１層に、前記第１方向を長手方向とするライン・アンド・スペースパターンを形成し、
前記第１のマスク層を介して前記第１層を加工するときに、前記第１層の前記ライン・アンド・スペースパターンの一部のラインパターンを除去する請求項３乃至５のいずれか一項に記載のパターン形成方法。

【請求項18】

パターン形成方法であって、
基板上に第１ラインパターンを有する第１パターンを形成することと；
前記第１パターンの上部に、前記第１ラインパターンに交差する方向に伸びる第２ラインパターンを有する第２パターンを形成することと；
前記第２パターンの上部に、前記第２ラインパターンに交差する方向を長手方向とする複数の第３ラインパターンを有する第３パターンを形成することと；
前記第３パターンの上部に、第１開口部を有する第４パターンを形成することと；
前記第１開口部を介して前記第３ラインパターンの一部を除去することと；
前記第３ラインパターンのエッジ部又は該エッジ部に対応する部分を用いて前記第２パターンの一部を除去することと、
を含むパターン形成方法。

【請求項19】

除去された前記第３ラインパターンの部分に第１のマスク層を形成することを含み、
前記第３ラインパターンの前記エッジ部に対応する前記部分は、前記第１マスク層のエッジ部である請求項１８に記載のパターン形成方法。

【請求項20】

前記第３ラインパターンの前記長手方向を長手方向とする複数の第４ラインパターンを前記第２パターンの上部に形成することを含み、
前記第３ラインパターンと前記第４ラインパターンとのエッジ部は隣接している請求項１８又は１９に記載のパターン形成方法。

【請求項21】

前記第３ラインパターンと前記第４ラインパターンとはエッチング特性が異なる請求項２０に記載のパターン形成方法。

【請求項22】

一部が除去された前記第２パターンを介して前記第１パターンの一部を除去することを含むことを特徴とする請求項１８乃至２１のいずれか一項に記載のパターン形成方法。

【請求項23】

請求項１乃至２２のいずれか一項に記載のパターン形成方法を用いて、前記基板に回路パターンを形成する工程を含むデバイス製造方法。

【請求項24】

前記基板に形成される前記回路パターンは非周期的な複数のホールパターンを含む請求項２３に記載のデバイス製造方法。

【請求項25】

パターン形成方法であって、
第１方向を長手方向とする複数の第１のラインパターンと、前記第１方向を長手方向とするとともに前記第１のラインパターンとエッチング特性が異なる複数の第２のラインパターンとを、少なくとも一方のエッジ部が隣接するように形成することと；
前記第１のラインパターン及び前記第２のラインパターンの上に開口部を有する第１のマスク層を形成することと、
前記開口部を介して、前記複数の第１のラインパターンの少なくとも一部を第１のエッチング媒質を用いて除去することと、
前記開口部を介して、前記複数の第２のラインパターンの一部を前記第１のエッチング媒質と異なる第２のエッチング媒質を用いて除去することと
を含むパターン形成方法。

【請求項26】

前記エッチングによって除去された部分に第２のマスク層を形成することをさらに含む請求項２５に記載のパターン形成方法。

【請求項27】

前記複数の第１及び第２ラインパターンは、基板の第１層の上に形成され、
前記第２のマスク層を介して前記第１層を加工することをさらに含む請求項２６に記載のパターン形成方法。

【請求項28】

パターン形成方法であって、
基板の第１層の上の第２層に、第１方向を長手方向とする複数の第１のラインパターンと、前記第１方向を長手方向とするとともに前記第１のラインパターンとエッチング特性が異なる複数の第２のラインパターンとを、少なくとも一方のエッジ部が隣接するように形成し、
前記第２層の上の第３層に、開口部を有する第１のマスク層を形成し、
前記複数の第１のラインパターンの一部を第１エッチング媒質を用いて除去し、
前記複数の第２のラインパターンの一部を前記第１エッチング媒質と異なる第２エッチング媒質を用いて除去し、
前記第２層の前記第１及び第２のラインパターンが抜けている部分に第１のマスク材料を堆積し、
前記第２層の前記第１及び第２のラインパターンを除去して第２のマスク層を形成し、
前記第２のマスク層を介して前記第１層を加工する
パターン形成方法。

【請求項29】

前記複数の第１のラインパターンの一部をエッチングによって除去するときに、前記第２のラインパターンはエッチングされないとともに、
前記複数の第２のラインパターンの一部をエッチングによって除去するときに、前記第１のラインパターンはエッチングされない請求項２８に記載のパターン形成方法。

【請求項30】

前記第１及び第２のラインパターンのエッチングはドライエッチングで行われるとともに、
前記第１のラインパターン用のエッチングガスと前記第２のラインパターン用のエッチングガスとは互いに異なる請求項２９に記載のパターン形成方法。

【請求項31】

前記複数の第１のラインパターンの一部をエッチングによって除去するときに、前記複数の第１のラインパターンの長手方向の共通の範囲を除去する請求項２５乃至３０のいずれか一項に記載のパターンン形成方法。

【請求項32】

前記複数の第１のラインパターンの一部をエッチングによって除去するときに、前記複数の第１のラインパターン中で第１の矩形領域内又は前記第１の矩形領域の外側の部分を除去する請求項２５乃至３１のいずれか一項に記載のパターン形成方法。

【請求項33】

前記複数の第２のラインパターンの一部をエッチングによって除去するときに、前記複数の第２のラインパターンの長手方向の共通の範囲を除去する請求項２５乃至３２のいずれか一項に記載のパターン形成方法。

【請求項34】

前記複数の第２のラインパターンの一部をエッチングによって除去するときに、前記複数の第２のラインパターン中で第２の矩形領域内又は前記第２の矩形領域の外側の部分を除去する請求項２５乃至３３のいずれか一項に記載のパターン形成方法。

【請求項35】

前記第２層に、前記複数の第１のラインパターンと前記複数の第２のラインパターンとを形成するときに、
露光装置によって前記基板に前記第１方向を長手方向とする第１のライン・アンド・スペースパターンの像を露光し、
前記第１のライン・アンド・スペースパターンの像に対して前記第１方向に直交する方向の周期が１／２以下の周期を持つ第２のライン・アンド・スペースパターンを形成する請求項２８乃至３０のいずれか一項に記載のパターン形成方法。

【請求項36】

前記第２のライン・アンド・スペースパターンの周期は前記第１のライン・アンド・スペースパターンの周期の１／４である請求項３５に記載のパターン形成方法。

【請求項37】

前記第１層を加工するときに、前記第１のマスク層及び前記第２のマスク層を介して前記第１層を加工する請求項２７乃至３０のいずれか一項に記載のパターン形成方法。

【請求項38】

前記第１のマスク層は、前記第１方向と直交する第２方向を長手方向とする複数の第３のラインパターンを有し、
前記複数の第３のラインパターンは、ライン部の幅とスペース部の幅とがほぼ等しい請求項３７に記載のパターン形成方法。

【請求項39】

前記複数の第３のラインパターンは、ライン部の幅がスペース部の幅よりも広い請求項３７に記載のパターン形成方法。

【請求項40】

前記第３層に、前記複数の第３のラインパターンを形成するときに、
露光装置によって前記基板に前記第２方向を長手方向とする第３のライン・アンド・スペースパターンの像を露光し、
前記第３のライン・アンド・スペースパターンの像に対して前記第２方向に直交する方向の周期が１／２以下の周期を持つ第４のライン・アンド・スペースパターンを形成する請求項３８に記載のパターン形成方法。

【請求項41】

前記第４のライン・アンド・スペースパターンの周期は前記第３のライン・アンド・スペースパターンの周期の１／４である請求項４０に記載のパターン形成方法。

【請求項42】

前記基板の前記第１層に、前記第１方向を長手方向とするライン・アンド・スペースパターンを形成し、
前記第２のマスク層を介して前記第１層を加工するときに、前記第１層の前記ライン・アンド・スペースパターンの一部のラインパターンを除去する請求項２８乃至３０のいずれか一項に記載のパターン形成方法。

【請求項43】

デバイス製造方法は、
請求項２５乃至４２のいずれか一項に記載のパターン形成方法を用いて、前記基板に回路パターンを形成することを含むデバイス製造方法。

【請求項44】

前記基板に形成される前記回路パターンは非周期的な複数のホールパターンを含む請求項４３に記載のデバイス製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、基板にパターンを形成するパターン形成方法、及びそのパターン形成方法を用いるデバイス製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体素子等の電子デバイス（マイクロデバイス）を製造するためのリソグラフィー工程で使用される、露光光として例えば遠紫外域から真空紫外域にかけての紫外光を用いる露光装置においては、解像度を高めるために、露光波長の短波長化、照明条件の最適化、及び投影光学系の開口数をさらに増大するための液浸法の適用等が行われてきた。最近では、露光装置の解像限界よりも微細なピッチの周期的な回路パターンを形成するために、ピッチ分割法(Pitch-Splitting Process)及びスペーサ・ダブルパターニング法（Spacer Double Patterning Process, Spacer transfer Process 又はSidewall transfer Process）が提案されている(例えば、非特許文献１参照)。

【0003】

前者のピッチ分割法は、二重露光法(Double Exposure Process)と、ＬＥＬＥ(Litho-Etch-Litho-Etch)法又はＬＰＬＥ(Litho-Process-Litho-Etch)法とに大別される。二重露光法では、最終的に形成されるデバイスパターンの２倍のピッチを持つ第１及び第２のマスクパターンの像を互いに位相をずらした状態で非線形レジストに露光した後、エッチング等を行う（例えば、非特許文献２参照）。ＬＥＬＥ法又はＬＰＬＥ法では、その第１のマスクパターンの像の露光とその第２のマスクパターンの像の露光との間にエッチング等のプロセスが実行される。

【0004】

後者のスペーサ・ダブルパターニング法（スペーサプロセス法又はサイドウォール法）では、例えばデバイスパターンの２倍のピッチのマスクパターンの像の露光及び現像等によって線幅がピッチの１／４の複数のラインパターンを形成し、各ラインパターンの両サイドのスペース部（側壁部）にスペーサを堆積した後、例えば各ラインパターンを除去することでピッチが１／２のパターンが得られる（例えば、非特許文献３参照）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】Andrew J. Hazelton et al., “Double-patterning requirements for optical lithography and prospects for optical extension without double patterning,” J. Micro/Nanolith. MEMS MOEMS, （米国）Vol.8(1), 011003, Jan-Mar (2009)

【非特許文献2】H. Ohki et al. “Experimental study on non-linear multiple exposure method,” Proc. SPIE (米国) 3051, p.85-93 (1997)

【非特許文献3】W. Jung et al., “Patterning with amorphous carbon spacer for expanding the resolution limit of current lithography tool,” Proc. SPIE (米国) 6520, 65201C (2007)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来のピッチ分割法又はスペーサ・ダブルパターニング法よりなるパターン形成方法によれば、露光装置の解像限界よりも微細なピッチの周期的な回路パターンを形成することが可能である。しかしながら、従来のパターン形成方法では、露光装置の解像限界よりも微細な非周期的な部分を含む回路パターンを高精度に形成することは困難であった。
本発明の態様は、このような事情に鑑み、例えば露光装置の解像限界よりも小さい程度の微細な非周期的な部分を含むパターンを、露光装置又はリソグラフィー工程を用いて形成できるようにすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

第１の態様によれば、パターン形成方法が提供される。このパターン形成方法は、第１方向を長手方向とする複数の第１のラインパターンと、前記第１方向を長手方向とするとともに前記第１のラインパターンとエッチング特性が異なる複数の第２のラインパターンとを、少なくとも一方のエッジ部が隣接するように形成することと；前記複数の第１のラインパターンの少なくとも一部をエッチングによって除去することと、を含むものである。
また、第２の態様によるパターン形成方法は、基板の第１層の上の第２層に、第１方向を長手方向とする複数の第１のラインパターンと、その第１方向を長手方向とするとともにその第１のラインパターンとエッチング特性が異なる複数の第２のラインパターンとを、少なくとも一方のエッジ部が隣接するように形成し、その複数の第１のラインパターンの一部をエッチングによって除去し、その複数の第２のラインパターンの一部をエッチングによって除去し、その第２層のその第１及び第２のラインパターンが抜けている部分に第１のマスク材料を堆積し、その第２層のその第１及び第２のラインパターンを除去して第１のマスク層を形成し、その第１のマスク層を介してその第１層を加工するものである。

【0008】

また、第３の態様によるパターン形成方法は、基板上に第１ラインパターンを有する第１パターンを形成することと；前記第１パターンの上部に、前記第１ラインパターンに交差する方向に伸びる第２ラインパターンを有する第２パターンを形成することと；前記第２パターンの上部に、前記第２ラインパターンに交差する方向を長手方向とする複数の第３ラインパターンを有する第３パターンを形成することと；前記第３パターンの上部に、第１開口部を有する第４パターンを形成することと；前記第１開口部を介して前記第３ラインパターンの一部を除去することと；前記第３ラインパターンのエッジ部又は該エッジ部に対応する部分を用いて前記第２パターンの一部を除去することと、を含むものである。
また、第４の態様によれば、第１から第３の態様のパターン形成方法を用いて、その基板に回路パターンを形成する工程を含むデバイス製造方法が提供される。

【発明の効果】

【0009】

上記第１及び第２の態様によれば、例えば露光装置を用いて形成したラインパターンに基づいて、より微細な線幅の複数の第１のラインパターン及び第２のラインパターンを形成できる。そして、エッチング特性の相違を利用して、その複数の第１のラインパターンの一部を除去することによって、非周期的な部分が形成できる。そして、その非周期的な部分を利用して、例えば露光装置の解像限界よりも小さい程度の微細な非周期的な部分を含むパターンを、露光装置又はリソグラフィー工程を用いて形成できる。
また、上記第３の態様によれば、第２ラインパターンの上部に、複数の第３ラインパターンを形成し、その第３ラインパターンのエッジ部を利用して第２ラインパターンを除去する部分の境界を高精度に定めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】（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。

【図2】（Ａ）は実施形態の一例における加工対象のデバイス層の回路パターンの一部を示す拡大図、（Ｂ）は図２（Ａ）の回路パターンにおける複数のホールパターンの配置を示す図である。

【図3】実施形態の一例のパターン形成方法を示すフローチャートである。

【図4】（Ａ）はウエハのデバイス層に最初に形成される第１のＬ＆Ｓパターンの一部を示す拡大平面図、（Ｂ）は図４（Ａ）を＋Ｙ方向から見た側面図である。

【図5】（Ａ）は第１のレチクルのパターンの一部を示す拡大平面図、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）、（Ｆ）はウエハの第２マスク層に第２のＬ＆Ｓパターンが形成されるまでの各工程におけるウエハを示す拡大断面図、（Ｇ）はウエハに形成された第２のＬ＆Ｓパターンを示す拡大平面図である。

【図6】（Ａ）は第２のレチクルのパターンの一部を示す拡大平面図、（Ｂ）はウエハの第２マスク層上にハードマスク層からフォトレジスト層までが形成された状態を示す拡大断面図、（Ｃ）はハードマスク層にパターンが形成された状態を示す拡大断面図、（Ｄ）はウエハの最上層にスペーサ層が形成された状態を示す拡大断面図である。

【図7】（Ａ）はスペーサ層の一部（側壁部）が残された状態を示す拡大断面図、Ｂ）はウエハの第３のＬ＆Ｓパターンが形成された状態を示す拡大断面図、（Ｃ）は第４のＬ＆Ｓパターン用が形成された状態を示す拡大断面図、（Ｄ）はさらに有機膜からフォトレジスト層が形成されたウエハを示す拡大断面図、（Ｅ）は第３及び第４のＬ＆Ｓパターンを示す拡大平面図である。

【図8】（Ａ）は第３のレチクルのパターンの像が露光されたウエハの一部を示す拡大平面図、（Ｂ）は有機膜の一部を剥離した状態を示す拡大平面図、（Ｃ）は第３のＬ＆Ｓパターンの一部を除去した状態を示す拡大断面図、（Ｄ）は残存していた有機膜を除去した状態を示す拡大平面図である。

【図9】（Ａ）はさらに有機膜からフォトレジスト層が形成されたウエハに第４のレチクルのパターンの像が露光された状態を示す拡大平面図、（Ｂ）は有機膜の一部を剥離した状態を示す拡大平面図、（Ｃ）は第４のＬ＆Ｓパターンの一部を除去した状態を示す拡大断面図、（Ｄ）は残存していた有機膜を除去した状態を示す拡大平面図である。

【図10】（Ａ）は図９（Ｄ）の第３及び第４Ｌ＆Ｓパターンの間に第１マスク層の材料を充填した状態を示す拡大平面図、（Ｂ）は図１０（Ａ）の状態から第３及び第４Ｌ＆Ｓパターンを除去した状態を示す拡大平面図である。

【図11】（Ａ）は第１マスク層のパターンを示す拡大平面図、（Ｂ）は第２マスク層のパターンを示す拡大平面図、（Ｃ）は合成マスクパターンを示す拡大平面図、（Ｄ）はウエハの第１中間層をエッチングした状態を示す拡大断面図、（Ｅ）はウエハのデバイス層をエッチングした状態を示す拡大断面図である。

【図12】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。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明の好ましい実施形態の一例につき図１〜図１１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）に対するフォトレジスト（感光材料）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、これらの装置間でウエハの搬送を行う搬送系５００、及びホストコンピュータ（不図示）等を含んでいる。

【0012】

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。

【0013】

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、又は水銀ランプの輝線（ｉ線等）なども使用できる。

【0014】

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（可変視野絞り）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、４極照明、輪帯照明、コヒーレンスファクタ（σ値）の小さい照明、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。

【0015】

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。

【0016】

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２００ｍｍ、３００ｍｍ、又は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（感光材料）が所定の厚さ（例えば数１０ｎｍ〜２００ｎｍ程度）で塗布される。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

また、例えば米国特許第５，４４８，３３２号明細書等に開示されるものと同様の構成で、ウエハ面の複数の計測点のＺ位置を計測する斜入射方式のオートフォーカスセンサ（不図示）が設けられている。露光中に、このオートフォーカスセンサ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。

【0020】

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。

【0021】

また、露光装置１００は、ウエハＷの所定の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ＡＬ、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。

【0022】

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。

【0023】

次に、本実施形態で製造対象とする回路パターンは、一例として、図２（Ａ）の部分拡大図で示すように、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７０である。なお、以下では、ライン・アンド・スペースパターンをＬ＆Ｓパターンとも呼ぶ。回路パターン７０は、ウエハの基材３６の表面において、線幅ｄ／２のラインパターン７２及び幅ｄ／２のスペース部７３を周期方向であるＸ方向にピッチ（周期）ｄで配列して構成される第１のＬ＆Ｓパターン７１において、複数のラインパターン７２からＸ方向に直交するＹ方向（ラインパターン７２の長手方向）にそれぞれ幅ｅの部分を除去して複数列７５Ａ，７５Ｂ，７５Ｃ，７５Ｄのホールパターン７４，７４Ａ，７４Ｃ（非周期的な部分）を形成したものである。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）中の複数のホールパターン７４，７４Ａ，７４Ｃの配列を示す。一例として、ホールパターン７４は、１本のラインパターン７２上に形成されたＸ方向の幅がｄの最も小さいパターンであり、ホールパターン７４Ａは隣接する複数本（ここでは２本）のラインパターン７２上に形成されたＸ方向の幅が２ｄのパターンであり、ホールパターン７４Ｃは隣接する５本のラインパターン７２上に形成されたＸ方向に細長いパターンである。

【0024】

同じラインパターン７２に沿って配列された２つのホールパターン７４のＹ方向の周期はｆ（間隔は（ｆ−ｅ））であり、Ｘ方向に配列された２つのホールパターン７４（又は７４，７４Ａ等）のＸ方向の間隔は（ｍ＋１）ｄ（ｍ＝０，１，２，…）である。従って、複数のホールパターン７４，７４Ａ，７４Ｃの配列は千鳥格子状又は市松格子状の不規則な部分を含んでいる。また、一例として周期ｆは幅ｅの２倍から数倍程度であり、近接する２つのホールパターン７４，７４Ａ，７２ＣのＸ方向及びＹ方向の最小の間隔はそれぞれｄ及び（ｆ−ｅ）である。なお、ホールパターン７４，７４Ａ，７４Ｃの形状及び配置は任意である。図２（Ａ）のＸ軸及びＹ軸の方向は、図２（Ａ）の回路パターン７０が形成されるウエハＷを図１（Ｂ）の露光装置１００のウエハステージＷＳＴに載置した場合の、露光装置１００におけるＸ軸及びＹ軸の方向に平行である。

【0025】

本実施形態では、一例として、ラインパターン７２のＸ方向の線幅（ｄ／２）よりもホールパターン７４の幅ｅの方が長い（幅ｅは例えばｄ／２〜ｄ程度）。具体的に例えば線幅（ｄ／２）が１０〜１３ｎｍ程度であるとすると、幅ｅは例えば１５〜２０ｎｍ程度である。また、線幅（ｄ／２）及び幅ｅは、液浸型の露光装置１００の解像限界（周期的パターンの場合のハーフピッチ）よりも微細であるとする。従って、Ｌ＆Ｓパターン７１の線幅（ｄ／２）は、露光装置１００の解像限界よりも微細であるとともに、回路パターン７０は、露光装置１００の解像限界よりも微細な間隔で非周期的（半周期的）に配置された幅ｅの複数のホールパターン７４，７４Ａ，７４Ｃ（非周期的な部分）を含むパターンでもある。

【0026】

この場合、Ｌ＆Ｓパターン７１（ラインパターン７２）のＸ方向の位置、及び各ホールパターン７４等のＹ方向の位置は、例えばＬ＆Ｓパターン７１を形成する際に使用されるアライメントマーク（不図示）に基づいて設定（計測）される。一例として、線幅（ｄ／２）は露光装置１００の解像限界のほぼ１／４であるとすると、露光装置１００の解像限界はほぼ２ｄである。露光装置１００の解像限界が例えば４０〜６０ｎｍ程度であるとき、これに応じて線幅（ｄ／２）は１０〜１５ｎｍ程度になる。

【0027】

以下、本実施形態のパターン形成システムを用いて回路パターン７０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。本実施形態では、スペーサ・ダブルパターニング法（Spacer Double Patterning Process, Spacer transfer Process 又は Sidewall transfer Process）を実質的に２回繰り返す４倍パターン形成法(Quadruple Patterning Process)を用いて、露光装置１００の解像限界よりも微細なパターンを形成する。

【0028】

まず、図３のステップ１０２において、薄膜形成装置３００を用いて図４（Ｂ）に示すように、ウエハＷの例えばシリコンよりなる基材３６の平坦な表面に、例えば二酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）とチタンナイトライド（ＴｉＮ）の薄膜よりなるデバイス層３８を形成する。なお、デバイス層３８の底面（基材３６の表面）には、酸化膜又は窒化膜等が形成されていてもよい。次のステップ１０４において、デバイス層３８に、一例として上記の４倍パターン形成法を用いて、図４（Ａ）に示すように、Ｘ方向の線幅ｄ／２でＹ方向に伸びた複数のラインパターン３８ＡをＸ方向にピッチｄで配列した第１のＬ＆Ｓパターン７１を形成する。ラインパターン３８Ａは図２のラインパターン７２に対応するが、この段階ではホールパターン７４は形成されていない。なお、４倍パターン形成法は、後述のスペーサ・ダブルパターニング法（以下、２倍パターン形成法ともいう。）を２回繰り返すものである（詳細後述）。また、Ｌ＆Ｓパターン７１は、露光装置１００を用いることなく、例えばそれぞれオン／オフが可能で微小量の偏向が可能な微小なドットパターンを描画可能な多数の電子ビームに対して露光対象の基板を移動しながら、この基板表面に任意の微細な回路パターンを露光可能な電子ビーム露光装置を用いて形成してもよい。この場合には、Ｌ＆Ｓパターン７１のラインパターン３８Ａの線幅（ｄ／２）は、露光装置１００の解像限界（ハーフピッチ）の１／４よりも微細にすることが可能である。

【0029】

次のステップ１０６において、デバイス層３８を覆うように、例えばテトラエチルオルトケイ酸(Tetra Ethyl Ortho Silicate: TEOS)よりなる第１中間層４０（デバイス層３８の保護膜）を形成する（図４（Ｂ）参照）。なお、ＴＥＯＳ膜の代わりに酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）なども使用可能である。さらに、図５（Ｂ）に示すように、第１中間層４０上に例えば炭素を含む材料（有機系材料）からなる第２マスク層４２を形成する。その有機系材料としては、例えばＡＣＬ(Amorphous Carbon Layer)が使用できる。

【0030】

次のステップ１０８において第２マスク層４２に、２倍パターン形成法を用いて、図５（Ｇ）の拡大平面図に示すように、Ｙ方向の線幅（ｆ−ｅ）でＸ方向に伸びた複数のラインパターン４２ＡをＹ方向にピッチｆで配列してなる第２のＬ＆Ｓパターン４３を形成する。後述のように第２のＬ＆Ｓパターン４３のスペース部４２Ｂによって、最終的に形成される図２（Ａ）のホールパターン７４等の±Ｙ方向のエッジ部（幅ｅ）が規定されるため、スペース部４２ＢのＹ方向の幅はｅ（ホールパターン７４等の幅と同じ）である。また、ウエハＷの各ショット領域に形成される回路パターンは、図２（Ａ）又は図５（Ｇ）のパターンと同じ大きさの部分をＸ方向及びＹ方向に周期的に繰り返したパターンである。さらに、後述の図５（Ｂ）〜（Ｆ）等のＹ軸に沿った拡大断面図は、図２（Ａ）又は図５（Ｇ）に示す部分の正面図に対応し、後述の図６（Ｂ）〜（Ｄ）等のＸ軸に沿った拡大断面図は、図２（Ａ）又は図５（Ｇ）に示す部分を＋Ｙ方向から見た側面図に対応している。

【0031】

本実施形態のステップ１０８の動作（２倍パターン形成法）は、ステップ１３０〜１４６に分かれている。即ち、ステップ１３０において、図５（Ｂ）に示すように、薄膜形成装置３００を用いてウエハＷの第２マスク層４２の表面に第２中間層４４Ａを形成し、コータ・デベロッパ２００において、その中間層４４Ａの表面に例えばポジ型のフォトレジスト層４６Ａを塗布する。なお、第２中間層４４Ａとしては、反射防止膜であるＢＡＲＣ(Bottom Anti-Reflection Coating)を使用してもよい。そして、ステップ１３２において、ウエハＷを図１（Ｂ）の液浸型の露光装置１００のウエハステージＷＳＴに載置する。露光装置１００のレチクル（レチクルＲ１とする）のパターンは、図５（Ａ）の拡大図で示すように、線幅がｆ／β（βは投影倍率）の遮光膜よりなるラインパターンＲ１ａをＹ方向にピッチ２ｆ／βで配列したＬ＆Ｓパターンである。そして、露光装置１００でウエハＷの各ショット領域にレチクルＲ１のパターンの像４７Ｙ（Ｙ方向にピッチ２ｆの像）を露光する。像４７Ｙの線幅（ハーフピッチ）はｆ（ほぼ解像限界の１倍〜２倍程度）であるため、像４７Ｙは露光装置１００によって高精度に投影可能である。この際に、ウエハＷのデバイス層３８にあるアライメントマーク（不図示）及びレチクルＲ１のアライメントマーク（不図示）を用いて、像４７ＹのＸ方向及びＹ方向の位置決めが行われている。

【0032】

次のステップ１３４において、コータ・デベロッパ２００でウエハＷのフォトレジスト層４６Ａを現像し、現像で形成された各レジストパターンＲＰ１（図５（Ｂ）参照）のスリミングを行って線幅が（ｆ−ｅ）のレジストパターンＲＰ２を形成する。なお、スリミングを行う代わりに、露光時に、１ピッチ分の像４７Ｙのうちで、露光量が感光レベル以下となる部分（未露光部分）のＹ方向の幅が（ｆ−ｅ）となるように設定しておいてもよい。その後、エッチング装置４００でウエハＷの第２中間層４４Ａ、第２マスク層４２のエッチングを行い、レジスト剥離等を行うことで、線幅（ｆ−ｅ）の第２マスク層のラインパターン４２ａをＹ方向にピッチ２ｆで配列したＬ＆Ｓパターンが形成される（図５（Ｃ）参照）。このＬ＆Ｓパターン上に第１スペーサ層４８Ａが堆積される（図５（Ｄ）参照）。

【0033】

次のステップ１３６において、エッチング装置４００においてウエハＷのスペーサ層４８Ａに対して表面に垂直な方向に異方性エッチングを行った後、第２マスク層のラインパターン４２ａを除去する。これにより、図５（Ｅ）に示すように、第１中間層４０の表面に線幅ｅの複数のスペーサ部（サイドウォール部）４８ＡＳａをＹ方向にピッチｆで配列したＬ＆Ｓパターンが形成される。このようにして最初のピッチ２ｆを１／２にしたＬ＆Ｓパターンが形成される。ステップ１３４，１３６の動作は２倍パターン形成法のうちのピッチ分割法でもある。上記のステップ１０４では、図５（Ｅ）の上にさらにスペーサ層を堆積してその２倍パターン形成法を繰り返して実行することによって、４倍パターン形成法でピッチが最初のパターンのピッチの１／４のパターンが形成されることになる。

【0034】

そして、ステップ１３８で図５（Ｅ）のＬ＆Ｓパターンを覆うように別の第２マスク層の材料を堆積した後、スペーサ部４８ＡＳａが現れるようにＣＭＰ(Chemical MechanicalPolishing)を行い、ステップ１４０でスペーサ部４８ＡＳａをエッチングによって除去する。これにより、図５（Ｆ）に示すように、第１中間層４０の表面に第２マスク層の線幅（ｆ−ｅ）のラインパターン４２Ａを幅ｅのスペース部４２Ｂを挟んでピッチｆでＹ方向に配置した第２のＬ＆Ｓパターン４３が形成される。その後、ステップ１４６で、第２のＬ＆Ｓパターン４３のスペース部４２Ｂに例えばシリコン（Ｓｉ）又はポリシリコン（ハードマスク層５０と同じ材料）を充填する。なお、ステップ１０４を露光装置１００を用いて実行する場合には、Ｘ方向に線幅４ｄ／βでピッチ８ｄ／βのＬ＆Ｓパターンが形成されたレチクルを用いて、ステップ１３０〜１３６と同様の動作が２回実行される。

【0035】

ステップ１０８に続くステップ１１０において、ステップ１０８で形成された第２Ｌ＆Ｓパターン４３（第２マスク層４２）を覆うように、例えばシリコン（Ｓｉ）又はポリシリコンよりなるハードマスク層５０が形成される（図６（Ｂ）参照）。その後、ステップ１１２において、ハードマスク層５０上に有機系材料からなる中間層５１、第３中間層４４Ｂ（例えばＢＡＲＣでもよい）、及びフォトレジスト層４６Ｂを形成する。そして、ウエハＷを露光装置１００のウエハステージＷＳＴに載置する。露光装置１００のレチクルステージＲＳＴにはレチクルＲ１の代わりに第２のレチクルＲ２がロードされている。レチクルＲ２のパターンは、図６（Ａ）の拡大図で示すように、線幅が２ｄ／β（βは投影倍率）の遮光膜よりなるラインパターンＲ２ａをＸ方向にピッチ４ｄ／βで配列したＬ＆Ｓパターンである。そして、レチクルＲ２のアライメントマーク（不図示）を用いてレチクルＲ２のアライメントを行った後、露光装置１００でウエハＷの各ショット領域にレチクルＲ２のパターンの像４７Ｘ（Ｘ方向にピッチ４ｄの像）を露光する。像４７Ｙの線幅（ハーフピッチ）はほぼ解像限界であるため、像４７Ｙは露光装置１００によって高精度に結像可能である。露光後のウエハＷは現像される。

【0036】

そして、ステップ１１４において、ウエハＷの線幅４ｄのレジストパターンＲＰ３をスリミングして得られる線幅ｄのレジストパターンＲＰ３をマスクとして第３中間層４４Ｂ及び中間層５１をエッチングする。なお、スリミングの代わりに、レジストの感光レベルに応じて露光量を制御してレジストパターンの線幅をｄに合わせてもよい。さらに、レジストパターン及び第３中間層４４Ｂを剥離することで、中間層５１のＸ方向の線幅ｄのラインパターン５１ＡをＸ方向にピッチ４ｄで配列したＬ＆Ｓパターンが形成される（図６（Ｃ）参照）。この上に第３スペーサ層としての窒化ケイ素（ＳｉＮ）よりなる第３Ｌ＆Ｓパターン用の薄膜５２を堆積し、残存する薄膜５２の厚さがラインパターン５１Ａと同じ厚さになるように薄膜５２のエッチングを行う（図７（Ａ）参照）。そして、ラインパターン５１Ａを除去することで、Ｘ方向に線幅ｄの薄膜５２のラインパターン５２Ａ（ここではＹ方向に伸びたラインパターン）をＸ方向にピッチ２ｄで配列したＬ＆Ｓパターンが形成される（図７（Ｂ）参照）。

【0037】

次のステップ１１６において、ラインパターン５２Ａを覆うように二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）よりなる第４Ｌ＆Ｓパターン用のスペーサ層としての薄膜５４を堆積し、薄膜５４の表面がラインパターン５２Ａの表面と同じ高さになるようにＣＭＰを行う。この結果、図７（Ｃ）に示すように、ラインパターン５２ＡのＸ方向の間のスペース部を埋めるように、薄膜５４のラインパターン５４Ａが堆積されて残される。以下では、複数のラインパターン５２ＡをＸ方向にピッチ２ｄで配列したパターンを第３のＬ＆Ｓパターン５３と呼び、複数のラインパターン５４ＡをＸ方向にピッチ２ｄで配列したパターンを第４のＬ＆Ｓパターン５５と呼ぶものとする（図７（Ｅ）参照）。このように第３のＬ＆Ｓパターン５３は、実質的に２倍パターン形成法（ダブルパターニング法）で形成されている。

【0038】

この第３のＬ＆Ｓパターン５３のＸ方向の位置決め精度（アライメント精度）δＸは、実質的に図６（Ａ）の第２のレチクルＲ２の像の位置決め精度であり、その位置決め精度δＸ（図７（Ｂ）参照）は、図２（Ａ）の第１のＬ＆Ｓパターン７１に対して±ｄ／４程度以下であればよいため、位置決めは容易である。さらに、本実施形態では、第３のＬ＆Ｓパターン５３のラインパターン５２Ａは窒化ケイ素、第４のＬ＆Ｓパターン５５のラインパターン５４Ａは二酸化ケイ素であり、ラインパターン５２Ａ及び５４Ａは互いにエッチング特性が異なっている。

【0039】

次のステップ１１８において、ウエハＷの第３、第４のＬ＆Ｓパターン５３，５５を覆うように、図７（Ｄ）に示すように、例えばＡＣＬ(Amorphous Carbon Layer)のような炭素を含む材料からなる有機膜５８、ＢＡＲＣ(Bottom Anti-Reflection Coating)膜６０Ａ、及び例えばポジ型のフォトレジスト層４６Ｃを形成する。さらに、ウエハＷを露光装置１００に搬送し、図８（Ａ）の斜線部が施された部分を遮光部とする第３のレチクルのパターンの像Ｒ３ＰをウエハＷに露光する。像Ｒ３Ｐは、第３のＬ＆Ｓパターン５３（ラインパターン５２Ａ）のうちで残しておく部分を覆う形状であればよい。このため、像Ｒ３Ｐの解像度はＸ方向がほぼ２ｄ（ハーフピッチ）でＹ方向がほぼ３ｅ（ハーフピッチ）程度であればよく、露光装置ＥＸで高精度に露光することができる。さらに、像Ｒ３ＰのＸ方向及びＹ方向のアライメント精度はそれぞれ±ｄ／２及び±ｅ／２以下であればよく、露光時のアライメントは容易である。また、図７（Ｅ）及び図８（Ａ）〜（Ｄ）等中には、図２（Ｂ）のホールパターン７４，７４Ａ，７４Ｃの位置を点線で示している。

【0040】

その後、露光後のウエハＷをコータ・デベロッパ２００で現像し、残されたレジストパターンをマスクとしてＢＡＲＣ膜６０Ａをエッチングし、さらに有機膜５８をエッチングしてＢＡＲＣ膜６０Ａ等を除去することで、図８（Ｂ）に示すように、像Ｒ３Ｐに対応する部分に有機膜５８のパターンである保護パターン５８Ａが残される。この際に、保護パターン５８Ａ以外の部分で第３Ｌ＆Ｓパターンのラインパターン５２Ａ及び第４Ｌ＆Ｓパターンのラインパターン５４Ａが露出される。

【0041】

さらに、第３Ｌ＆Ｓパターン５３（ＳｉＮよりなるラインパターン５２Ａ）のみをエッチングして、第４Ｌ＆Ｓパターン５５（ＳｉＯ₂よりなるラインパターン５４Ａ）、有機膜部５８及びハードマスク層５０はエッチングしないエッチング液（又はプラズマエッチング相）を用いて、保護パターン５８Ａをマスクとして第３Ｌ＆Ｓパターン５３（ラインパターン５２Ａ）のみをエッチングする。例えばプラズマエッチングを用いる場合、ＳｉＮよりなるラインパターン５２Ａのみをエッチングするエッチングガスとして、六フッ化ガス（ＣＦ₆）をヘリウム（Ｈｅ）ガスで希釈したものを使用できる。これにより、図８（Ｃ）に示すように、第３Ｌ＆Ｓパターン５３の一部が除去され、ラインパターン５２Ａのうち保護パターン５８Ａの底部にある部分パターン５２Ａ１が残される。その後、保護パターン５８Ａをエッチングにより除去することで、図８（Ｄ）に示すように、部分パターン５２Ａ１が露出される。

【0042】

次のステップ１２０において、図８（Ｄ）のウエハＷの表面を覆うように、図９（Ａ）に示すように、例えばＡＣＬのような炭素を含む材料からなる有機膜５９、ＢＡＲＣ膜６０Ｂ、及び例えばポジ型のフォトレジスト層４６Ｄを形成する。さらに、ウエハＷを露光装置１００に搬送し、図９（Ａ）の斜線部が施された部分を遮光部とする第４のレチクルのパターンの像Ｒ４ＰをウエハＷに露光する。像Ｒ４Ｐは、第４のＬ＆Ｓパターン５５（ラインパターン５４Ａ）のうちで残しておく部分を覆う形状であればよい。このため、像Ｒ４Ｐの解像度はＸ方向がほぼ２ｄ（ハーフピッチ）でＹ方向がほぼ３ｅ（ハーフピッチ）程度であればよく、露光装置ＥＸで高精度に露光することができる。さらに、像Ｒ４ＰのＸ方向及びＹ方向のアライメント精度はそれぞれ±ｄ／２及び±ｅ／２以下であればよく、露光時のアライメントは容易である。

【0043】

その後、露光後のウエハＷをコータ・デベロッパ２００で現像し、残されたレジストパターンをマスクとしてＢＡＲＣ膜６０Ｂをエッチングし、さらに有機膜５９をエッチングしてＢＡＲＣ膜６０Ｂ等を除去することで、図９（Ｂ）に示すように、像Ｒ４Ｐに対応する部分に有機膜５９のパターンである保護パターン５９Ａが残される。この際に、保護パターン５９Ａ以外の部分で部分パターン５２Ａ１（ラインパターン５２Ａの一部）及び第４Ｌ＆Ｓパターンのラインパターン５４Ａが露出される。

【0044】

さらに、有機膜５９、部分パターン５２Ａ１（ＳｉＮよりなるラインパターン５２Ａ）及びハードマスク層５０をエッチングすることなく、第４Ｌ＆Ｓパターン５５（ＳｉＯ₂よりなるラインパターン５４Ａ）のみをエッチングするエッチング液（又はプラズマエッチング相）を用いて、保護パターン５９Ａをマスクとして第４Ｌ＆Ｓパターン５５（ラインパターン５４Ａ）のみをエッチングする。例えばプラズマエッチングを用いる場合、ＳｉＯ₂よりなるラインパターン５４Ａのみをエッチングするエッチングガスとして、三フッ化メタン（ＣＨＦ₃）、又は四フッ化炭素（ＣＦ₄）などのＣ−Ｆ系ガス（フッ素系ガス）をアルゴン（Ａｒ）ガスで希釈したものを使用できる。これにより、図９（Ｃ）に示すように、ラインパターン５４Ａの一部が除去される。その後、保護パターン５９Ａを除去する。このとき、図９（Ｄ）に示すように、ラインパターン５４Ａのうち保護パターン５９Ａの底面にあった部分パターン５４Ａ１のみが残される。図９（Ｄ）から分かるように、残された部分パターン５２Ａ１及び５４Ａ１は、ホールパターン７４等のＸ方向のエッジ部の位置を規定している。

【0045】

次のステップ１２２において、図１０（Ａ）に示すように、ウエハＷのハードマスク層５０上の部分パターン５２Ａ１，５４Ａ１間に、第２マスク層４２と同じ有機系材料からなる第１マスク層の材料５６を充填し、その表面をＣＭＰによって平坦化する。そして、ステップ１２４において、図１０（Ｂ）に示すように、ウエハＷの部分パターン５２Ａ１（第３Ｌ＆Ｓパターン５３）、部分パターン５４Ａ１（第４Ｌ＆Ｓパターン５５）、及びハードマスク層５０（第２Ｌ＆Ｓパターン４３のライン部４２Ｂの材料を含み、これらのうち、部分パターン５２Ａ１，５４Ａ１の底部にあった部分）を順次エッチングによって除去する。これによって、第１マスク層の材料５６のうちで、部分パターン５２Ａ１，５４Ａ１があった部分がそれぞれホールパターン７４等のＸ方向のエッジ部の位置を規定する開口部５６ａとなる。この結果、デバイス層３８の上方に第２Ｌ＆Ｓパターン４３（第２マスク層４２）と、開口部５６ａが設けられた材料５６（第１マスク層）とが積み重ねるように形成されたことになる。

【0046】

この場合、開口部５６ａが設けられた材料５６は、図１１（Ａ）に示すように、複数の開口部５６ａの部分でエッチングが可能な第１のマスクパターンＭＰ１とみなすことができる。また、第２Ｌ＆Ｓパターン４３は、図１１（Ｂ）に示すように、ラインパターン４２Ａの間のスペース部４２Ｂ（開口部）でエッチングが可能な第２のマスクパターンＭＰ２とみなすことができる。ただし、実際には、マスクパターンＭＰ２のスペース部４２Ｂのうち、マスクパターンＭＰ１の材料５６が残っている部分の底部では、ハードマスク層５０の材料が残っている。この結果、マスクパターンＭＰ１及びＭＰ２を介して下層の材料をエッチングする場合、マスクパターンＭＰ１及びＭＰ２は、図１０（Ｃ）に示すように、マスクパターンＭＰ１の開口部５６ａとマスクパターンＭＰ２の開口部（スペース部４２Ｂ）とが重なった部分がＸ方向の幅ｄ、２ｄ等でＹ方向の幅ｅの複数の開口部ＭＰ３ａ，ＭＰ３ｂ，ＭＰ３ｃとなっている合成マスクパターンＭＰ３として作用する。合成マスクパターンＭＰ３の複数の開口部ＭＰ３ａ等は図２（Ａ）の回路パターン７０中の複数のホールパターン７４等と同じ配列である。

【0047】

そして、ステップ１２６において、図１１（Ｄ）に示すように、第１マスク層及び第２マスク層よりなる合成マスクパターンＭＰ３を介して第１中間層４０をエッチングして、第１中間層４０のホールパターン７４等に対応する位置にそれぞれ開口４０ａ等を形成する。また、ステップ１２８において、第１中間層４０を介してデバイス層３８のラインパターン３８Ａ（７２）をエッチングすることによって、図１１（Ｅ）に示すように、各ラインパターン３８Ａに非周期的な配列でホールパターン７４等が形成された回路パターン７０が形成される。

【0048】

このように本実施形態によれば、ステップ１０４，１０８で４倍パターン形成法又は２倍パターン形成法を用いてＬ＆Ｓパターン７１及び４３（第２マスク層のパターン）を形成しているため、露光装置１００の解像限界よりも微細な周期的なパターンを、露光装置１００を用いてウエハＷに高精度に形成できる。また、ステップ１１２〜１１６では、実質的に２倍パターン形成法を用いて第３Ｌ＆Ｓパターン５３及び第４Ｌ＆Ｓパターン５５（第１マスク層のパターン）を形成しているため、露光装置１００の解像限界よりも微細な線幅のパターンを、エッジ部が隣接するように高精度に形成することができる。また、ステップ１１８，１２０で、第３Ｌ＆Ｓパターン５３及び第４Ｌ＆Ｓパターン５５のエッチング特性の相違を利用して、Ｌ＆Ｓパターン５３，５５の一部を順次選択的に除去している。従って、形成対象の露光装置１００の解像限界よりも微細な間隔で不規則に配列されたホールパターン７４等に対応する開口部５６ａを形成するためのパターン（部分パターン５２Ａ１，５４Ａ１）を、露光装置１００（リソグラフィー工程）を用いて形成できる。従って、最終的に形成される合成マスクパターンＭＰ３を用いて第１中間層４０及びデバイス層３８をエッチングすることによって（ステップ１２６，１２８）、露光装置１００の解像限界よりも微細な非周期的な部分（ホールパターン７４）を含む回路パターン７０を高精度に形成できる。

【0049】

本実施形態の効果等は以下の通りである。
本実施形態の露光装置１００を含むパターン形成システムを用いたパターン形成方法は、ウエハＷ（基板）にＸ方向に配列された複数の第１ラインパターン３８Ａ（７２）を有する第１のＬ＆Ｓパターン７１（第１パターン）を形成するステップ１０４と、第１のＬ＆Ｓパターン７１を覆うように第１中間層４０（第１層）を形成するステップ１０６と、第１中間層４０（第１層）上の第１マスク層（第２層）に、Ｙ方向（第１方向）を長手方向とする複数のラインパターン５２Ａと、Ｙ方向を長手方向とするとともにラインパターン５２Ａ（第１のラインパターン）とエッチング特性が異なる複数のラインパターン５４Ａ（第２のラインパターン）とを、少なくとも一方のエッジ部が隣接するように形成するステップ１１２〜１１６と、複数のラインパターン５２Ａの一部をエッチングによって除去するステップ１１８と、複数のラインパターン５４Ａの一部をエッチングによって除去するステップ１２０と、その第１マスク層のラインパターン５２Ａ，５４Ａが抜けている部分に材料５６（第１マスク層の材料）を堆積するステップ１２２と、材料５６（第１マスク層）中の部分パターン５２Ａ１，５４Ａ１を除去して第１のマスクパターンＭＰ１を形成するステップ１２４と、第１のマスクパターンＭＰ１を介して第１中間層４０を加工するステップ１２６と、を有する。

【0050】

本実施形態によれば、露光装置１００を用いて形成したレジストパターンＲＰ３（又はＲＰ４）よりなるラインパターンに基づいて、微細な線幅の複数のラインパターン５２Ａを形成でき、この複数のラインパターン５２Ａに基づいて複数のラインパターン５４Ａを形成できる。さらに、ラインパターン５２Ａ，５４Ａのエッチング特性の相違を利用して、ラインパターン５２Ａ，５４Ａの一部を順次除去することによって、非周期的な部分（開口部５６ａに対応する部分）が形成できる。そして、その非周期的な部分を開口部とする第１のマスクパターンＭＰ１を介して第１中間層４０を加工することで、微細な間隔で非周期的に配列されたホールパターン７４，７４Ａ，７４Ｃを高精度に形成できる。

【0051】

従って、露光装置１００の解像限界よりも微細な非周期的な部分（ホールパターン７４，７４Ａ，７４Ｃ）を含む回路パターン７０を、露光装置１００による露光を含むリソグラフィー工程を用いて高精度に形成できる。
また、ステップ１０２，１０８，及びステップ１１２〜１１６では、実質的に４倍又は２倍パターン形成法を用いているため、露光装置１００の解像限界よりも微細な周期的なパターンを高精度に形成できる。なお、形成する対象のホールパターン７４，７４Ａ，７４Ｃの大きさ及び間隔が例えば露光装置１００の解像限界の１／２以下よりも大きい場合には、ステップ１０２，１０８，及びステップ１１２〜１１６では、実質的にダブルパターニング法（例えばスペーサ・ダブルパターニング法）を用いることができる。さらに、スペーサ・ダブルパターニング法の代わりに、二重露光法(Double Exposure Process)、ＬＥＬＥ(Litho-Etch-Litho-Etch)法、又はＬＰＬＥ(Litho-Process-Litho-Etch)法等によるダブルパターニング法（ピッチ分割法）を用いることも可能である。

【0052】

なお、上記の実施形態において、ＳｉＮ部（ラインパターン５２Ａ）をＳｉＯ₂部（ラインパターン５４Ａ）に対して選択的にドライエッチングするには、例えば特開平０８−２６４５１０号公報に開示される如き、フッ素ラジカルと水素ラジカルを使用するケミカルドライエッチングを採用してもよい。
また、ＳｉＮ部（ラインパターン５２Ａ）とＳｉＯ₂部（ラインパターン５４Ａ）とを選択的にエッチングする条件として、例えば特開平０５−１６００７７号公報に開示されるように、ＳｉＮ（窒化ケイ素）のドライエッチング時にエッチングガスとしてＣＨＦ₃，ＣＦ₄，Ａｒ及び酸素（Ｏ₂）を用い、ＳｉＯ₂部（二酸化ケイ素）のドライエッチング時にエッチングガスとしてＣＨＦ₃，ＣＦ₄，及びＡｒを用いてもよい。
さらに、例えばラインパターン５２Ａをアルミニウム等の金属膜から形成し、ラインパターン５４ＡをＳｉＮから形成し、ラインパターン５２Ａのエッチングを塩素系ガスを用いて行い、ラインパターン５４Ａのエッチングを上記のフッ素系ガスを用いて行うようにしてもよい。

【0053】

また、上記の実施形態では、例えば４倍パターン形成法で元になるＬ＆Ｓパターン（レチクルのパターンの像）からピッチが１／４のＬ＆Ｓパターンを形成している。しかしながら、元になるパターンに対してスペーサ・ダブルパターニング法をｋ回（ｋは３以上の整数）繰り返すことによって、その元のパターンのピッチに対して１／（２^k）のピッチを持つＬ＆Ｓパターン（これが第１のＬ＆Ｓパターン７１、第２Ｌ＆Ｓパターン４３、第３Ｌ＆Ｓパターン５３，５３Ａ、及び／又は第４Ｌ＆Ｓパターン５５，５５Ａになる）を形成することも可能である。これによって、露光装置１００の解像限界の１／４よりも微細な周期的及び非周期的な構造を持つ回路パターンを形成可能である。

【0054】

また、上記の各実施形態では、周期的なパターン（第１のＬ＆Ｓパターン７１）の一部を除去しているが、非周期的なパターンの一部を除去する場合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、周期的なパターン又は非周期的なパターンに非周期的なパターンを付加する場合にも上記のパターン形成方法が適用可能である。
また、上記の各実施形態では、第１及び第２のラインパターン（第３のＬ＆Ｓパターン５３及び第４のＬ＆Ｓパターン５５）が抜けている部分に第１のマスク材料５６を充填して第１マスク層を形成したが、第１及び第２のラインパターンが残されている部分を利用して、その下層の一部をエッチングしてもよい。

【0055】

また、上記の各実施形態では、互いにエッチング特性が異なる第１及び第２のラインパターン（第３のＬ＆Ｓパターン５３及び第４のＬ＆Ｓパターン５５）を用いたが、これら第１及び第２のラインパターンの一方だけを用いてもよい。
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１２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（図３のステップ１０２〜１２８）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。

【0056】

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、上記の実施形態のパターン形成方法を用いて基板（ウエハＷ）上にホールパターン７４，７４Ａ，７４Ｃを形成する工程を含んでいる。また、一例として、基板上に形成されるパターンは、周期的パターン（第１のＬ＆Ｓパターン７１）の一部を除去したパターンである。

【0057】

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非周期的な部分を含む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。

【0058】

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。
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。

【符号の説明】

【0059】

Ｒ，Ｒ１，Ｒ２…レチクル、Ｗ…ウエハ（基板）、ＭＰ３…合成マスクパターン、３６…基材、３８…デバイス層、３８Ａ…ラインパターン、４２Ａ…ラインパターン、４３…第２のＬ＆Ｓパターン（ライン・アンド・スペースパターン）、５０…ハードマスク層、５２Ａ…ラインパターン、５３…第３Ｌ＆Ｓパターン、５４Ａ…ラインパターン、５６…第１マスク層の材料、５６ａ…開口部、７０…回路パターン、７１…第１のＬ＆Ｓパターン、７２…ラインパターン、７４，７４Ａ，７４Ｃ…ホールパターン、１００…露光装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】