特許 6483577 パターン形成方法

(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】6483577

(24)【登録日】2019年2月22日

(45)【発行日】2019年3月13日

(54)【発明の名称】パターン形成方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20190304BHJP

   H01L 21/027 20060101ALI20190304BHJP

   B82Y 40/00 20110101ALI20190304BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/302 105A

   H01L21/30 570

   B82Y40/00

【請求項の数】3

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2015-177714(P2015-177714)

(22)【出願日】2015年9月9日

(65)【公開番号】特開2017-54921(P2017-54921A)

(43)【公開日】2017年3月16日

【審査請求日】2017年8月2日

(73)【特許権者】

【識別番号】318010018

【氏名又は名称】東芝メモリ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091982

【弁理士】

【氏名又は名称】永井 浩之

(74)【代理人】

【識別番号】100091487

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 行孝

(74)【代理人】

【識別番号】100082991

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 泰和

(74)【代理人】

【識別番号】100105153

【弁理士】

【氏名又は名称】朝倉 悟

(74)【代理人】

【識別番号】100107582

【弁理士】

【氏名又は名称】関根 毅

(74)【代理人】

【識別番号】100118843

【弁理士】

【氏名又は名称】赤岡 明

(74)【代理人】

【識別番号】100124372

【弁理士】

【氏名又は名称】山ノ井 傑

(72)【発明者】

【氏名】笠原 佑介

【審査官】 小川 将之

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−０７８５４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−００４７４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１９３０９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１９２４００（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５

Ｂ８２Ｙ ４０／００

Ｈ０１Ｌ ２１／０２７

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板上に被加工層を形成し、
前記被加工層上に第１膜を形成し、
前記第１膜上に第２膜を形成し、
前記第２膜に、第１幅を有する第１凹部と、前記第１幅よりも長い第２幅を有する第２凹部と、前記第２幅よりも長い第３幅を有する第３凹部とを形成し、
前記第１、第２、および第３凹部内に第３膜を形成し、
前記第１、第２、および第３凹部内の前記第３膜上に、第１部分と第２部分とを有するポリマーを含む第４膜を形成し、
前記第１部分と前記第２部分との相分離により、前記第４膜内に、前記第１部分を含む第１パターンと、前記第２部分を含む第２パターンとを形成し、
前記第１パターンを除去し、
前記第２パターンをマスクとして使用して、前記第１凹部内の前記第３膜を加工し、
前記第２パターンと前記第３膜の少なくともいずれかをマスクとして使用して、前記第１凹部下の前記第１膜を加工し、
前記第１、第２、および第３膜上に、前記第１凹部を塞ぎ、前記第２および第３凹部を塞がない第５膜を形成し、
前記第５膜をマスクとして使用して、前記第２および第３凹部内の前記第３膜と、前記第２および第３凹部下の前記第１膜とを加工し、
前記第１、第２、および第３膜の少なくともいずれかをマスクとして使用して、前記被加工層を加工する、
ことを含むパターン形成方法。

【請求項2】

前記相分離は、前記第１および第３凹部内で発生し、前記第２凹部内では発生しない、請求項１に記載のパターン形成方法。

【請求項3】

前記第３膜は、前記第１凹部内で第１最小膜厚を有し、前記第２凹部内で前記第１最小膜厚よりも薄い第２最小膜厚を有し、前記第３凹部内で前記第２最小膜厚よりも薄い第３最小膜厚を有するように形成される、請求項１または２に記載のパターン形成方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、パターン形成方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ブロックコポリマー（ＢＣＰ）は、複数種類のポリマーブロックを含むコポリマー（共重合体）である。近年、ＢＣＰの自己組織化（ＤＳＡ）を用いた微細パターンの形成方法が注目されている。例えば、レジスト層の開口パターン内にＢＣＰ膜を形成し、ＢＣＰの相分離によりＢＣＰ膜にホールパターンを形成し、ホールパターンを被加工層に転写することで、開口パターンよりも小さい微細パターンを形成することができる。この場合、微細パターンの寸法は、ポリマーブロックの比率や分子量により決定される。

【0003】

一方、半導体装置は、１つのレイヤーに寸法の異なる複数のパターンを有することが多い。しかしながら、これらのパターンをＢＣＰにより形成する場合には、ＢＣＰの材料により決定される寸法のパターンしか形成することができない。そのため、１つのレイヤーに寸法の異なる複数のパターンを形成する場合には、これらのパターンのリソグラフィを別々に行う必要がある。これにより、半導体装置を製造するための工程数が増加し、半導体装置の製造コストが上昇してしまう。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１１−１２９８７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

寸法の異なる複数のパターンを効率的に形成することが可能なパターン形成方法を提案する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

一の実施形態によれば、パターン形成方法は、基板上に被加工層を形成し、前記被加工層上に第１膜を形成し、前記第１膜上に第２膜を形成し、前記第２膜に、第１幅を有する第１凹部と、前記第１幅よりも長い第２幅を有する第２凹部とを形成することを含む。前記方法はさらに、前記第１および第２凹部内に第３膜を形成し、前記第１および第２凹部内の前記第３膜上に、第１部分と第２部分とを有するポリマーを含む第４膜を形成し、前記第１部分と前記第２部分との相分離により、前記第４膜内に、前記第１部分を含む第１パターンと、前記第２部分を含む第２パターンとを形成することを含む。前記方法はさらに、前記第１パターンを除去し、前記第２パターンをマスクとして使用して、前記第１凹部内の前記第３膜を加工し、前記第２パターンと前記第３膜の少なくともいずれかをマスクとして使用して、前記第１凹部下の前記第１膜を加工することを含む。前記方法はさらに、前記第１、第２、および第３膜上に、前記第１凹部を塞ぎ、前記第２凹部を塞がない第５膜を形成し、前記第５膜をマスクとして使用して、前記第２凹部内の前記第３膜と、前記第２凹部下の前記第１膜とを加工し、前記第１、第２、および第３膜の少なくともいずれかをマスクとして使用して、前記被加工層を加工することを含む。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】第１実施形態のパターン形成方法を示す断面図(1/7)である。

【図2】第１実施形態のパターン形成方法を示す断面図(2/7)である。

【図3】第１実施形態のパターン形成方法を示す断面図(3/7)である。

【図4】第１実施形態のパターン形成方法を示す断面図(4/7)である。

【図5】第１実施形態のパターン形成方法を示す断面図(5/7)である。

【図6】第１実施形態のパターン形成方法を示す断面図(6/7)である。

【図7】第１実施形態のパターン形成方法を示す断面図(7/7)である。

【図8】第１実施形態のＢＣＰの分子構造を示す概略図である。

【図9】第１実施形態の第３開口部内の第１パターンの例を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

【0009】

（第１実施形態）
図１〜図７は、第１実施形態のパターン形成方法を示す断面図である。本実施形態のパターン形成方法は、例えばＮＡＮＤフラッシュメモリを製造するために使用される。

【0010】

まず、基板１上に下地層２、被加工層３、第１マスク層４、およびレジスト層５を順々に形成する（図１(ａ)）。第１マスク層４は、第１膜の例である。レジスト層５は、第２膜の例である。

【0011】

基板１の例は、シリコン基板などの半導体基板である。図１(ａ)は、基板１の表面に平行で互いに垂直なＸ方向およびＹ方向と、基板１の表面に垂直なＺ方向を示している。本明細書では、＋Ｚ方向を上方向として取り扱い、−Ｚ方向を下方向として取り扱う。本実施形態の−Ｚ方向は、重力方向と一致していてもよいし、重力方向と一致していなくてもよい。

【0012】

下地層２と被加工層３の例は、種々の導電層、半導体層、絶縁層などである。被加工層３は、図１(ａ)のように基板１上に下地層２を介して形成されてもよいし、基板１上に直接形成されてもよい。本実施形態の被加工層３は、ＴＥＯＳ（Tetraethyl Orthosilicate）膜であり、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により形成される。本実施形態の被加工層３の膜厚は、１００ｎｍである。

【0013】

第１マスク層４の例は、ＢＡＲＣ（Bottom Anti Reflective Coating）膜であり、レジスト層５を露光する際の反射防止膜として機能する。本実施形態の第１マスク層４は、有機膜であり、スピン塗布により形成される。本実施形態の第１マスク層４の膜厚は、６０ｎｍである。

【0014】

次に、リソグラフィにより、レジスト層５に第１開口部Ｈ_１、第２開口部Ｈ_２、および第３開口部Ｈ_３を形成する（図１(ｂ)）。このリソグラフィは例えば、ＡｒＦ液浸露光機を用いて行われる。第１開口部Ｈ_１は、第１凹部の例であり、第２および第３開口部Ｈ_２、Ｈ_３は、第２凹部の例である。また、第１、第２、および第３開口部Ｈ_１、Ｈ_２、Ｈ_３はそれぞれ、第１、第２、第３凹部の例でもある。

【0015】

図１(ｂ)は、第１開口部Ｈ_１のＸ方向の幅Ｗ_１と、第２開口部Ｈ_２のＸ方向の幅Ｗ_２と、第３開口部Ｈ_３のＸ方向の幅Ｗ_３を示している。幅Ｗ_１は、例えば１１０ｎｍである。幅Ｗ_２は、例えば１７０ｎｍであり、幅Ｗ_１より長く設定されている。幅Ｗ_３は、例えば１μｍであり、幅Ｗ_２より長く設定されている。幅Ｗ_１は第１幅の例であり、幅Ｗ_２、Ｗ_３は第２幅の例である。また、幅Ｗ_１、Ｗ_２、Ｗ_３はそれぞれ、第１、第２、第３幅の例でもある。

【0016】

本実施形態の第１開口部Ｈ_１は、メモリセル部内のホールパターンである。よって、幅Ｗ_１は、第１開口部Ｈ_１の直径を表す。本実施形態の第２開口部Ｈ_２は、周辺回路部内のホールパターンである。よって、幅Ｗ_２は、第２開口部Ｈ_２の直径を表す。本実施形態の第３開口部Ｈ_３は、Ｙ方向に延びるアライメントマーク用の溝パターンである。よって、幅Ｗ_３は、第３開口部Ｈ_３の線幅を表す。

【0017】

次に、基板１の全面に第２マスク層６を形成する（図２(ａ)）。その結果、第１、第２、および第３開口部Ｈ_１、Ｈ_２、Ｈ_３内に第２マスク層６が形成される。第２マスク層６は、第３膜の例である。

【0018】

本実施形態の第２マスク層６は、シリコン酸化膜などの無機膜であり、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）により形成される。本実施形態の第２マスク層６の膜厚は、２０ｎｍである。本実施形態の第２マスク層６は、基板１の全面にコンフォーマルに形成される。その結果、第１、第２、および第３開口部Ｈ_１、Ｈ_２、Ｈ_３の側面および底面に第２マスク層６が形成される。

【0019】

次に、ポリマーを含む液体のスピン塗布により、第１、第２、および第３開口部Ｈ_１、Ｈ_２、Ｈ_３内の第２マスク層６上にポリマー膜７を形成する（図２(ｂ)）。本実施形態のポリマーは、ＰＳ−ｂ−ＰＭＭＡ（ポリスチレン−ｂ−ポリメチルメタクリレート）などのＢＣＰであり、従って、本実施形態のポリマー膜７はＢＣＰ膜である。ポリマー膜７は、第４膜の例である。

【0020】

図２(ｂ)は、第１開口部Ｈ_１内のポリマー膜７の最小膜厚Ｔ_１と、第２開口部Ｈ_２内のポリマー膜７の最小膜厚Ｔ_２と、第３開口部Ｈ_３内のポリマー膜７の最小膜厚Ｔ_３を示している。最小膜厚Ｔ_１は、第１最小膜厚の例であり、最小膜厚Ｔ_２、Ｔ_３は、第２最小膜厚の例である。また、最小膜厚Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_３はそれぞれ、第１、第２、第３最小膜厚の例でもある。

【0021】

第１開口部Ｈ_１内のポリマー膜７の表面は、おおむね凹形状である。よって、最小膜厚Ｔ_１は、第１開口部Ｈ_１内のポリマー膜７の中央部分における膜厚に相当する。これは、最小膜厚Ｔ_２、Ｔ_３についても同様である。本実施形態では、幅Ｗ_２が幅Ｗ_１より長く、幅Ｗ_３が幅Ｗ_２より長いため、最小膜厚Ｔ_２が最小膜厚Ｔ_１より薄くなっており、最小膜厚Ｔ_３が最小膜厚Ｔ_２より薄くなっている。

【0022】

図８は、第１実施形態のＢＣＰの分子構造を示す概略図である。

【0023】

本実施形態のＢＣＰは、複数のＰＭＭＡモノマーＭ_１を含むＰＭＭＡブロックＢ_１と、複数のＰＳモノマーＭ_２を含むＰＳブロックＢ_２からなる。ＰＭＭＡブロックＢ_１は、第１部分の例であり、かつ第１ポリマーブロックの例である。ＰＳブロックＢ_２は、第２部分の例であり、かつ第２ポリマーブロックの例である。

【0024】

本実施形態のＰＭＭＡブロックＢ_１とＰＳブロックＢ_２の比率や分子量は、ＢＣＰ膜内に所定のシリンダー相が形成されるように設定されている。具体的には、第１開口部Ｈ_１のＢＣＰ膜内に、ＰＭＭＡブロックＢ_１による直径２０ｎｍのシリンダー相が形成されるように、比率や分子量が設定されている。

【0025】

以下、図３(ａ)〜図７(ｂ)を参照し、本実施形態のパターン形成方法の説明を続ける。

【0026】

次に、基板１のアニールを行い、ＰＭＭＡブロックＢ_１とＰＳブロックＢ_２とを相分離により分離させる（図３(ａ)）。その結果、ポリマー膜７内に、ＰＭＭＡブロックＢ_１を含む第１パターン７ａと、ＰＳブロックＢ_２を含む第２パターン７ｂが形成される。上記のアニールは例えば、窒素（Ｎ_２）雰囲気にて２５０℃で１分間行われる。本実施形態では、第１パターン７ａとして、シリンダー相と呼ばれる柱状のパターンが形成される。この際、第１開口部Ｈ_１等は、第１パターン７ａの位置や形状を調整するためのガイドとして機能する。

【0027】

本実施形態では、第１開口部Ｈ_１内でポリマー膜７の相分離が発生し、第１開口部Ｈ_１のポリマー膜７内に、第１パターン７ａが１つだけ形成される。理由は、第１開口部Ｈ_１内で相分離が発生し、第１開口部Ｈ_１内に第１パターン７ａが１つだけ形成されるように、第１開口部Ｈ_１の幅Ｗ_１が設定されているからである。第１開口部Ｈ_１内の第１パターン７ａは、第１開口部Ｈ_１の中央部分に形成される。

【0028】

また、本実施形態では、第２開口部Ｈ_２内でポリマー膜７の相分離が発生せず、第２開口部Ｈ_２のポリマー膜７内には、第１パターン７ａは形成されない。理由は、第２開口部Ｈ_２の幅Ｗ_２が、相分離が発生する幅である第１開口部Ｈ_１の幅Ｗ_１からずれているからである。

【0029】

また、本実施形態では、第３開口部Ｈ_３内でポリマー膜７の相分離が発生し、第３開口部Ｈ_３のポリマー膜７内に、複数の第１パターン７ａが形成される。理由は、第３開口部Ｈ_３の幅Ｗ_３が大きいため、ＰＭＭＡブロックＢ_１とＰＳブロックＢ_２がポリマー膜７内で自由に動きやすいからである。第３開口部Ｈ_３内の第１パターン７ａは、第３開口部Ｈ_３の外周部分にランダムに形成される。

【0030】

なお、本実施形態では、第２開口部Ｈ_２内に１つまたは複数の第１パターン７ａが形成されてもよい。また、本実施形態では、第３開口部Ｈ_３内に第１パターン７ａが１つだけ形成されてもよいし、第３開口部Ｈ_３内に第１パターン７ａが形成されなくてもよい。

【0031】

図９は、第１実施形態の第３開口部Ｈ_３内の第１パターン７ａの例を示す斜視図である。

【0032】

図９(ａ)は、第３開口部Ｈ_３内の第１パターン７ａの第１の例を示している。第１の例では、第１パターン７ａがＺ方向に平行に延びている。

【0033】

図９(ｂ)は、第３開口部Ｈ_３内の第１パターン７ａの第２の例を示している。第２の例では、第１パターン７ａがＺ方向に垂直に延びている。

【0034】

なお、第１開口部Ｈ_１内の第１パターン７ａは、第１の例と同様に、Ｚ方向に平行に延びるように形成される。

【0035】

以下、図３(ｂ)〜図７(ｂ)を参照し、本実施形態のパターン形成方法の説明を続ける。

【0036】

次に、ポリマー膜７を現像することで、第１パターン７ａを選択的に除去し、第２パターン７ｂを残存させる（図３(ｂ)）。その結果、第１開口部Ｈ_１のポリマー膜７に１つの開口部Ｐ_１が形成され、第３開口部Ｈ_３のポリマー膜７に複数の開口部Ｐ_３が形成される。本実施形態の開口部Ｐ_１は、直径２０ｎｍのホールパターンである。上記の現像は例えば、ポリマー膜７にＶＵＶ光（真空紫外光）を照射してＰＭＭＡブロックＢ_１の結合を切断し、ＰＭＭＡをＩＰＡ（イソプロピルアルコール）に溶かすことで行われる。

【0037】

次に、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により、開口部Ｐ_１、Ｐ_３の底部のポリマー膜７を除去する（図４(ａ)）。その結果、開口部Ｐ_１、Ｐ_３内に第２マスク層６が露出する。この際、第３開口部Ｈ_３のポリマー膜７の膜厚が中央部分で薄いため、第３開口部Ｈ_３のポリマー膜７の中央部分にも開口部Ｐ_３が形成される。

【0038】

次に、ポリマー膜７（第２パターン７ｂ）をマスクとして使用して、開口部Ｐ_１、Ｐ_３の底部の第２マスク層６をエッチングにより除去する（図４(ｂ)）。その結果、開口部Ｐ_１、Ｐ_３が第２マスク層６に転写され、開口部Ｐ_１、Ｐ_３内に第１マスク層４が露出する。

【0039】

次に、ポリマー膜７と第２マスク層６の少なくともいずれかをマスクとして使用して、開口部Ｐ_１、Ｐ_３の底部の第１マスク層４をエッチングにより除去する（図５(ａ)）。その結果、開口部Ｐ_１、Ｐ_３が第１マスク層４に転写され、開口部Ｐ_１、Ｐ_３内に被加工層３が露出する。なお、第１マスク層４とポリマー膜７は共に有機膜であるため、第１マスク層４のエッチング中にポリマー膜７も除去される。

【0040】

このようにして、開口部Ｐ_１が、第１開口部Ｈ_１内の第２マスク層６と、第１開口部Ｈ_１下の第１マスク層４とを貫通する。同様に、複数の開口部Ｐ_３が、第１開口部Ｈ_１内の第２マスク層６と、第１開口部Ｈ_１下の第１マスク層４とを貫通する。一方、第２開口部Ｈ_２内の第２マスク層６や、第２開口部Ｈ_２下の第１マスク層４には、このような開口部は形成されない。

【0041】

次に、メタン（ＣＨ_４）ガスとテトラフルオロメタン（ＣＦ_４）ガスとの混合ガスを使用して、有機膜８を形成する（図５(ｂ)）。本実施形態の有機膜８は、炭素とフッ素を含有するフルオロカーボン膜であり、上記の混合ガスを用いて低バイアスでプラズマを発生させることで形成される。有機膜８はさらに、水素を含有していてもよい。有機膜８は、図４(ｂ)や図５(ａ)のエッチングを行ったエッチングチャンバ内で行われる。有機膜８は、第５膜の例である。

【0042】

本実施形態の有機膜８は、被加工層３、第１マスク層４、レジスト層５、および第２マスク層６上に、第１開口部Ｈ_１を塞ぎ、第２および第３開口部Ｈ_２、Ｈ_３を塞がないように形成される。矢印Ａ_１は、有機膜８の端部同士が第１開口部Ｈ_１の上方で接触し、第１開口部Ｈ_１の開口端（上端）が有機膜８により塞がれた様子を示している。矢印Ａ_２、Ａ_３は、第２および第３開口部Ｈ_２、Ｈ_３の開口端（上端）が有機膜８により塞がれていない様子を示している。有機膜８は、第１マスク層４、レジスト層５、または第２マスク層６の表面に形成された部分８ａと、被加工層３の表面に形成された部分８ｂとを含んでいる。

【0043】

本実施形態では、第１開口部Ｈ_１の幅Ｗ_１が、第２開口部Ｈ_２の幅Ｗ_２や、第３開口部Ｈ_３の幅Ｗ_３よりも短く設定されている。そのため、第１開口部Ｈ_１は、第２および第３開口部Ｈ_２、Ｈ_３が塞がれるより前に塞がれる。よって、本実施形態では、第１開口部Ｈ_１が塞がれるまで有機膜８の堆積を継続し、第２および第３開口部Ｈ_２、Ｈ_３が塞がれる前に有機膜８の堆積を終了する。

【0044】

なお、有機膜８は、メタン（ＣＨ_４）ガスのみを使用して形成してもよい。この場合、有機膜８は、炭素を含有し、フッ素を含有しないカーボン膜となる。この有機膜８はさらに、水素を含有していてもよい。

【0045】

次に、酸素（Ｏ_２）ガスを使用して、有機膜８を等方的にエッチングする（図６(ａ)）。その結果、第２開口部Ｈ_２内の有機膜８が除去され、第２開口部Ｈ_２内の第２マスク層６が露出する。

【0046】

第１開口部Ｈ_１は塞がれているため、第１開口部Ｈ_１内の有機膜８まで酸素イオンや酸素ラジカルは届きにくい。一方、第２開口部Ｈ_２は塞がれていないため、第２開口部Ｈ_２内の有機膜８まで酸素イオンや酸素ラジカルが届きやすい。よって、第１開口部Ｈ_１が有機膜８で塞がれた状態で、第２開口部Ｈ_２内の第２マスク層６を露出させることができる。この際、第３開口部Ｈ_３内の有機膜８の部分８ｂは残っていてもよいし、残っていなくてもよい。

【0047】

なお、本実施形態の第２マスク層６は、無機膜である。そのため、第２開口部Ｈ_２内の第２マスク層６は、第２開口部Ｈ_２内の有機膜８をエッチングする際にエッチングストッパとして機能する。よって、本実施形態では、第２開口部Ｈ_２の横方向の寸法を、第２マスク層６により高精度に制御することができる。

【0048】

次に、有機膜８をマスクとして使用して、第２開口部Ｈ_２の底面の第２マスク層６をＲＩＥにより除去する（図６(ｂ)）。その結果、第２開口部Ｈ_２の底面に第１マスク層４が露出する。この際、第３開口部Ｈ_３の底面に残っていた第２マスク層６も除去される。

【0049】

次に、有機膜８をマスクとして使用して、第２開口部Ｈ_２下の第１マスク層４をＲＩＥにより除去する（図７(ａ)）。その結果、第２開口部Ｈ_２下に被加工層３が露出する。この際、第３開口部Ｈ_３の底面に残っていた第１マスク層４も除去される。

【0050】

なお、第１マスク層４と有機膜８は共に有機膜であるため、第１マスク層４のエッチング中に有機膜８もエッチングされる。よって、図７(ａ)のエッチングにおいて、基板１上のある場所で有機膜８が除去された場合には、その後、その場所のレジスト層５や第２マスク層６がマスクとして機能する。

【0051】

図７(ａ)では、第１開口部Ｈ_１や第３開口部Ｈ_３の有機膜８が完全に除去されるまでオーバーエッチングを行う。この際、第１開口部Ｈ_１の底面には第２マスク層６が残っているため、開口部Ｐ_１が拡大することは防止される。

【0052】

このようにして、第２開口部Ｈ_２内の第２マスク層６と、第２開口部Ｈ_２下の第１マスク層４が除去され、第２開口部Ｈ_２下に被加工層３が露出する。図７(ａ)は、第２開口部Ｈ_２内の第２マスク層６と、第２開口部Ｈ_２下の第１マスク層４とを貫通する開口部Ｐ_２を示している。同様に、第３開口部Ｈ_３内に残っていた第２マスク層６と、第３開口部Ｈ_３下に残っていた第１マスク層４が除去され、第３開口部Ｈ_３下に被加工層３がより広く露出する。一方、第１開口部Ｈ_１下では、開口部Ｐ_１内に被加工層３がすでに露出している。

【0053】

次に、第１マスク層４、レジスト層５、および第２マスク層６の少なくともいずれかをマスクとして使用して、被加工層３をＲＩＥにより加工する（図７(ｂ)）。その結果、第１、第２、および第３開口部Ｈ_１、Ｈ_２、Ｈ_３下の被加工層３にそれぞれ、第１、第２、および第３開口部Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３が形成される。第２マスク層６は、このＲＩＥの際に除去される。その後、第１マスク層４とレジスト層５とをアッシングにより除去する。

【0054】

図７(ｂ)は、第１開口部Ｒ_１のＸ方向の幅Ｌ_１と、第２開口部Ｒ_２のＸ方向の幅Ｌ_２と、第３開口部Ｒ_３のＸ方向の幅Ｌ_３を示している。本実施形態の第１開口部Ｒ_１は、メモリセル部内のホールパターンであり、幅（直径）Ｌ_１は２０ｎｍである。本実施形態の第２開口部Ｒ_２は、周辺回路部内のホールパターンであり、幅（直径）Ｌ_２は１００ｎｍである。幅Ｌ_２は、幅Ｌ_１より長くなっている。本実施形態の第３開口部Ｒ_３は、Ｙ方向に延びるアライメントマーク用の溝パターンであり、幅（線幅）Ｌ_３は１μｍである。幅Ｌ_３は、幅Ｌ_２より長くなっている。

【0055】

その後、第１、第２、および第３開口部Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３内に金属材料が埋め込まれる。これにより、第１および第２開口部Ｒ_１、Ｒ_２内にコンタクトプラグが形成され、第３開口部Ｒ_３内にアライメントマークが形成される。

【0056】

以上のように、本実施形態においては、ポリマー膜７をマスクとして使用して、第１開口部Ｈ_１下の第１マスク層４を加工し、有機膜８をマスクとして使用して、第２および第３開口部Ｈ_２、Ｈ_３下の第１マスク層４を加工する。よって、本実施形態によれば、リソグラフィを第１〜第３開口部Ｈ_１〜Ｈ_３を形成する際に１回実行するだけで（図１(ｂ)参照）、被加工層３に所望の寸法の第１〜第３開口部Ｒ_１〜Ｒ_３を形成することができる。

【0057】

本実施形態では、有機膜８をマスクとして使用することで、リソグラフィを２回以上実行することを回避することができる。例えば、エッチングの後にリソグラフィを実行する場合、基板１をエッチングチャンバから露光機に移動させる必要がある。一方、本実施形態の有機膜８は、図５(ｂ)で説明したように、エッチングチャンバ内で形成することができる。よって、本実施形態によれば、リソグラフィを２回以上実行する場合に比べて、半導体装置の製造工程を簡略化することが可能となる。

【0058】

本実施形態では、ポリマー膜７をマスクとして使用することで、第１開口部Ｈ_１の幅Ｗ_１よりも短い幅Ｌ_１を有する第１開口部Ｒ_１を形成することができ、微細パターンを形成することができる。本実施形態によれば、このような微細パターンをその他のパターンと共に１回のリソグラフィで形成することが可能となる。

【0059】

以上のように、本実施形態によれば、寸法の異なる複数のパターンを効率的に形成することが可能となる。

【0060】

なお、第１および第２開口部Ｒ_１、Ｒ_２は、コンタクトホール以外の凹部でもよい。このような凹部の例は、Ｌ／Ｓ（Line and Space）パターンのスペース部である。同様に、第３開口部Ｒ_３は、アライメントマーク用の溝以外の凹部でもよい。

【0061】

また、ポリマー膜７のポリマーは、ＰＳ−ｂ−ＰＭＭＡ以外のＢＣＰでもよい。また、第２マスク層６は、シリコン酸化膜以外の無機膜でもよい。また、レジスト層５は、レジスト層以外のマスク層に置き換えてもよい。例えば、レジスト層５は、ＳＯＣ（Spin on Carbon）膜や、ＳＯＣ膜とシリコン酸化膜とを含む積層膜に置き換えてもよい。

【0062】

以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な方法は、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した方法の形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。

【符号の説明】

【0063】

１：基板、２：下地層、３：被加工層、４：第１マスク層、
５：レジスト層、６：第２マスク層、７：ポリマー膜、
７ａ：第１パターン、７ｂ：第２パターン、８：有機膜

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】