JP2002328476A

JP2002328476A - パターン形成方法

Info

Publication number: JP2002328476A
Application number: JP2001129895A
Authority: JP
Inventors: Yohei Ozaki; 陽平尾崎; Yuji Kobayashi; 祐二小林
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-04-26
Filing date: 2001-04-26
Publication date: 2002-11-15

Abstract

(57)【要約】【課題】密なパターン形成領域と疎なパターン形成領
域が同一基板上に混在する場合において、いずれのレジ
ストパターン形成領域に対しても、良好な形状のレジス
トパターンの形成を可能にする。【解決手段】光酸発生剤を含有する反射防止膜を下地
層として用いた化学増幅型レジストのパターニング方法
において、疎なパターンを形成する領域の反射防止膜に
対しあらかじめアルカリ処理を行う。パターンの疎密に
よる部分的なパターンの裾引きやアンダーカットの発生
を抑制し、パターンの疎密にかかわらず精度の高いレジ
ストのパターニングが可能になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造工程の
フォトリソグラフィ工程におけるパターン形成方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の微細化に伴い、その製
造工程で必要となるフォトリソグラフィプロセスでは、
パターンの微細レベルに応じた条件を採用することが必
要になってきている。

【０００３】例えば、レジスト材の露光に使用される露
光光源は、従来のｉ線（波長３６５ｎｍ）からより短波
長のＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）に変わ
り、これにあわせて、レジスト材も従来のノボラック型
レジストから、化学増幅型レジストが主に採用されるよ
うになってきた。

【０００４】化学増幅型レジストは、溶解抑止基を導入
した樹脂と光酸発生剤（ＰＡＧ：photo acid generat
or）を含有しており、この光酸発生剤の働きで、露光時
に受ける光エネルギーによりレジスト内部に酸を発生す
る。この酸は露光後のベーク（ＰＥＢ：post exposure
bake）によりレジスト中に拡散し、溶解抑止基に触媒
として作用して樹脂からこれを解離し、レジストを現像
液に対し可溶性とする。こうした酸による増幅作用によ
り、化学増幅型レジストは高い感度を示す。

【０００５】また、この化学増幅型レジストは、透明性
が高いため、光を用いた露光において、露光波長の吸収
が小さく、深さ方向で光強度の低下が少ない。よって、
パターン側壁の垂直性がよく、解像度が高いパターンが
得られる。

【０００６】しかしながら、その一方で、この高い透明
性に起因し、下地層からの露光光の反射の影響を受けや
すく、この反射光によるパターンの変形が生じやすい。

【０００７】そこで、化学増幅型レジストを用いる場合
は、通常、レジストの下層に下地層として反射防止膜を
形成し、露光光の反射の影響を抑制している。この反射
防止膜には、塗布型の有機系反射防止膜やスパッタ、Ｃ
ＶＤ、コーティング法等により形成される無機系反射防
止膜等が検討されている。

【０００８】しかし、化学増幅型レジストの下地層とし
て有機系反射防止膜や無機系反射防止膜を使用した場合
は、パターニングを行った際に、複数のラインパターン
を規則的に配置したような密なパターン形成領域におい
て、レジストパターンに裾引きが生じるという問題が指
摘されている。

【０００９】このパターンの裾引きの問題に対しては、
例えば、反射防止膜として、光酸発生剤を含有したもの
を使用し、化学増幅型レジストと反射防止膜との界面で
の化学結合を切り離しやすくすることで、パターンの裾
引きを防止している。

【００１０】パターンの裾引きをなくすことで、所定ピ
ッチで複数のラインパターンを規則的に配置した密なレ
ジストパターンを形成する場合は、パターンの形成をよ
り広いマージンで得ることができる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、形成す
るパターンは、基板上に一様に同じ密度で形成されるも
のではない。多くの場合は、同じ基板の上で、複数のラ
インパターンが規則的に配置された密なパターン形成領
域と、ラインパターンが単独で存在する疎なパターン形
成領域が混在している。パターンの疎密の違いは、光近
接効果等の影響により、レジストパターンを形成した場
合の裾引きの度合いに影響を与える。一般に、密なパタ
ーン形成領域は、疎なパターン領域に比較し、裾引きが
起こりやすくなる。

【００１２】図４（ａ）は、このように同一基板上に密
なパターン形成領域と、疎なパターン形成領域とが混在
している場合のレジストパターンの形成例を示す平面図
であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）の切断線ＡＡ’にお
けるレジストパターンの断面図である。

【００１３】図４（ｂ）に示すように、パターニング対
象である薄膜が形成された基板１０上に化学増幅型レジ
ストの下地層として光酸発生剤を含有する反射防止膜１
２０を形成し、複数のラインパターンを規則的に配置し
た密なパターン形成領域１７０Ｂでのレジストパターン
の裾引きがなくなるように調整すると、孤立したライン
パターン形成領域１７０Ａでは、レジストパターンにア
ンダーカットが入り、パターン倒れが起きやすい状態に
なる。

【００１４】逆に孤立したラインパターン形成領域１７
０Ａにおいて、アンダーカットが入らないように下地層
の条件やレジストのベーク条件等を調整した場合は、複
数のラインパターンが配置される密なパターン形成領域
１７０Ｂにおいてパターンの裾引きが起こりやすくな
る。

【００１５】また、疎なパターン形成領域１７０Ａでの
パターン形成のみを行う工程と、密なパターン形成領域
１７０Ｂでのパターン形成のみを行う工程とをそれぞれ
別工程で行うことにより、各々を最適な形状にすること
は可能であるが、工程数が増えるだけでなく、加工表面
に段差等が生じ、分割した残りのパターン形成時にフォ
トレジストの塗布ムラや焦点深度の低下等の問題が生じ
る。

【００１６】上記課題に鑑み、本発明の目的は、密なパ
ターン形成領域と疎なパターン形成領域が同一基板上に
混在する場合において、いずれのパターン形成領域に対
しても、良好なレジストパターンを提供するパターン形
成方法を提供するものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明のパターン形成方
法の第１の特徴は、パターニングを行う薄膜上に、第１
のレジストの露光波長に対し反射防止機能を有する反射
防止膜を形成する工程と、反射防止膜表面を選択的にア
ルカリ処理する工程と、該アルカリ処理後の反射防止膜
表面に第１のレジスト膜をコーティングする工程とを有
することである。

【００１８】上記本発明の第１の特徴によれば、第１の
レジスト膜をコーティングする前に、反射防止膜の表面
にあらかじめ行う選択的なアルカリ処理により、レジス
トの現像後のパターンの裾引きの度合いを調整できる。
従って、各領域ごとに形成するパターンの密度とアルカ
リ処理の有無を選択することにより、最適なレジストパ
ターン形状の調整が可能になる。

【００１９】本発明のパターン形成方法の第２の特徴
は、第１の特徴を有するパターン形成方法において、反
射防止膜が光酸発生剤を含有する反射防止膜であり、さ
らに、反射防止膜のアルカリ処理された領域上には、第
１のレジストの疎なパターンを形成し、反射防止膜のア
ルカリ処理されなかった領域上には、第１のレジストの
密なパターンを形成する工程とを有することである。

【００２０】上記本発明の第２の特徴によれば、反射防
止膜に光酸発生剤を有している場合において、アルカリ
処理された領域では、発生した酸がアルカリにより中和
され、酸発生効果を抑制する。よって、この上に形成す
る第１のレジストをパターニングする際には、アンダー
カットが起こりにくいパターンを形成できる。逆に、ア
ルカリ処理されていない領域上には、発生する酸によ
り、反射防止膜とレジストとの界面における結合を切断
し、レジストパターンの裾引き発生を防止できる。従っ
て、アルカリ処理された領域上には、疎なパターンを形
成し、アルカリ処理されていない領域上には密なパター
ンを形成することにより、パターンの疎密に応じ、良好
なレジストパターンを形成できる。

【００２１】本発明のパターン形成方法の第３の特徴
は、上記第１又は第２の特徴において、反射防止膜表面
を選択的にアルカリ処理する工程が、反射防止膜上に第
２のレジストをコーティングする工程と、第２のレジス
トに選択的に露光する工程と、該露光後のレジストを現
像する工程と、現像により露出した反射防止膜の露出表
面をアルカリ処理する工程とを有することである。

【００２２】上記本発明の第３の特徴によれば、第２の
レジストパターニング工程を用いてアルカリ処理領域を
特定できる。従って、アルカリ処理領域の範囲を高い精
度で選択できる。

【００２３】本発明のパターン形成方法の第４の特徴
は、上記第３の特徴において、反射防止膜の露出表面を
アルカリ処理する工程を現像工程と同一工程で行うこと
である。

【００２４】上記本発明の第４の特徴によれば、アルカ
リ処理と現像工程を同一の工程で行うことができるの
で、アルカリ処理に伴う工程の負担を軽減することがで
きる。

【００２５】また、市販の現像液の多くが、アルカリ水
溶液を使用しているので、容易にこの工程を実行でき
る。

【００２６】

【発明の実施の形態】本実施の形態のパターン形成方法
では、光酸発生剤を含有する反射防止膜を下地層として
用いた化学増幅型レジストのパターニング方法におい
て、疎なパターンを形成する領域の反射防止膜に対しあ
らかじめアルカリ処理を行うことを特徴とする。この方
法によれば、パターンの疎密による部分的なパターンの
裾引きやアンダーカットの発生を抑制し、パターンの疎
密にかかわらず精度の高いレジストのパターニングが可
能になる。

【００２７】以下、図面を参照しながらより具体的に説
明する。

【００２８】図１（ａ）〜図１（ｅ）は、本実施の形態
に係るパターン形成方法の製造工程を示す工程図であ
る。

【００２９】まず、図１（ａ）に示すように、パターニ
ング加工を行おうとする導体薄膜、半導体薄膜もしくは
絶縁体薄膜等（図示せず）が形成された基板１０の表面
上に光酸発生剤を含有する反射防止膜２０をスピンナー
等を用いてコーティングする。この反射防止膜２０は、
化学増幅型レジストの露光波長に対し反射防止機能を有
するものであり、例えばノボラック系の樹脂やポリイミ
ド等の化学増幅型レジストの露光波長を吸収するベース
樹脂と、この露光波長を受けて酸を発生するトリフェニ
ルスルフォニウム塩等の光酸発生剤を含有する。なお、
光酸発生剤は、ベース樹脂に対して０．１ｗｔ％〜３０
ｗｔ％程度含まれる。また、反射防止膜２０の厚みは、
例えば０．０５μｍ〜０．３μｍ程度、好ましくは０．
１μｍ程度とする。

【００３０】続けて、ホットプレート等を用いてベーキ
ングして、反射防止膜２０をレジスト溶剤に不溶な状態
にする。

【００３１】さらに、反射防止膜２０上に、ポジ型のレ
ジスト３０をコーティングし、必要に応じてレジスト３
０中の溶剤を蒸発させるため、プリベークを行う。この
ポジ型のレジスト３０は、化学増幅型レジストと波長感
度が異なるレジストであることが望ましく、例えばｉ線
用のポジ型レジスト等を用いる。具体的には市販の日本
合成ゴム社製ＩＸシリーズの例えばＩＸ４１０を用いる
ことができる。

【００３２】次に、図１（ｂ）に示すように、後の工程
で、疎なパターンを形成する領域に開口をもつフォトマ
スク４０を介して予備露光を行う。ポジ型のレジスト３
０としてｉ線用レジストを用いた場合は、露光光源とし
てｉ線を使用する。こうして、ポジ型のレジスト３０の
露光部３０Ａを感光する。このとき、下地層である反射
防止膜２０は感光されないことが望ましい。

【００３３】続けて、図１（ｃ）に示すように、アルカ
リ水溶液を含む現像液でポジ型のレジスト３０を現像す
る。露光部３０Ａは、現像液に溶解する。これに伴い、
反射防止膜２０の表面が選択的に露出し、この露出表面
は、現像液によってアルカリ処理され、アルカリ処理領
域５０となる。

【００３４】このときに用いる現像液としては、市販さ
れている一般のｉ線用のポジ型レジストのための現像液
を用いることができる。具体的には、例えば多摩化学社
製の現像液ＡＤ−１０等を用いることができる。

【００３５】現像条件は、一般的な条件を用いて良く、
例えば現像液温度は約２３℃とし、現像液を基板上に滴
下し、これをスピナーで回転塗布することで、現像を行
うことができる。勿論、現像液中に基板を浸せきした
り、基板に現像液を吹き付けることで現像を行うことも
できる。現像後、基板上に残った現像液は純水で洗い流
す。

【００３６】この後、レジスト溶媒にも使用される乳酸
エチル、プロピレングリコールモノメチルエーテル等の
反射防止膜２０表面を改質しない有機溶剤を用いて、残
ったポジ型のレジスト３０のみを除去する。基板表面に
は、図１（ｄ）に示すように、アルカリ処理領域５０を
有する反射防止膜２０が残る。

【００３７】なお、反射防止膜２０の選択的なアルカリ
処理は、独立した工程で行うことも可能であるが、上述
するように、アルカリ水溶液を含む市販の現像液を用い
てレジスト３０の現像と同時にアルカリ処理を行えば、
反射防止膜２０上の選択的なアルカリ処理を負担の少な
い工程で行うことができるので好ましい。

【００３８】この後は、化学増幅型レジスト６０を反射
防止膜２０上にコーティングし、通常の化学増幅型レジ
ストを用いたレジストのパターニングを行う。ポジ型の
化学増幅型レジスト６０としては、例えば日本合成ゴム
社製ＪＳＲ−Ｖシリーズのレジストを使用することがで
きる。このレジストをコーティング後、プリベークを行
い、約０．１μｍ膜厚のレジスト膜を形成する。続い
て、フォトマスクを介して、ＫｒＦエキシマレーザを光
源とする縮小投影露光もしくはスキャニング露光によ
り、上記化学増幅型レジスト６０をパターン露光する。
このとき、反射防止膜２０のアルカリ処理領域５０上に
は、単独のラインパターンのような疎なパターンを形成
し、それ以外の領域には複数のラインパターンが規則的
に配置された密なパターンを形成する。

【００３９】この後、化学増幅型レジスト６０用の現像
液を用いて現像を行う。この後は、得られたレジストパ
ターンをマスクとして、ＲＩＥ（Reactive Ion Etchi
ng）等のドライエッチング方法を用いてパターニング対
象となる薄膜等をエッチングする。エッチング後、残っ
たレジスト膜を除去すれば、所望の薄膜パターンを基板
上に形成することができる。

【００４０】図２（ａ）は、本実施の形態で得られる化
学増幅型レジストパターンの一例を示す平面図である。
また、図２（ｂ）は、図２（ａ）の切断線ＡＡ’におけ
る断面図である。同図に示すように、反射防止膜２０の
アルカリ処理領域５０上には、単独のラインパターン６
０Ａ等の疎なパターンを形成し、それ以外の領域には、
複数のラインパターン６０Ｂが規則的に配列された密な
パターンを形成する。例えば密なパターン領域には、
０．１３μｍ程度のラインアンドスペースのパターンを
形成できる。

【００４１】一般に、密なパターン形成領域では、レジ
ストパターンの裾引きが生じやすいが、アルカリ処理領
域５０以外の反射防止膜２０上には、化学増幅型レジス
ト６０の露光の際に反射防止膜２０中で酸が発生するた
め、反射防止膜２０と化学増幅型レジスト６０との界面
での化学結合が切れ易くなり、現像により得たパターン
は、裾引きのないパターンが形成される。

【００４２】一方、疎なパターン形成領域では、一般に
レジストパターンのアンダーカットによるパターン倒れ
が生じやすいが、アルカリ処理領域５０上の疎なパター
ンは、反射防止膜２０中に発生した酸がアルカリ処理に
より膜中に残ったアルカリ成分と中和されるため、反射
防止膜２０と化学増幅型レジスト６０との界面において
むしろ裾引きが起こりやすい状態となる。よって、レジ
ストパターンのアンダーカットは抑制され、パターン倒
れも防止できる。

【００４３】従って、図２（ｂ）に示すように、規則的
なラインパターンが複数配列された密なパターン形成領
域では、裾引きがなく広いマージンで切れのよい断面パ
ターンの形成が可能であるとともに、単独のラインパタ
ーンが形成される疎なラインパターン形成領域では、パ
ターン倒れ等が生じにくい安定した断面パターンを形成
できる。

【００４４】この結果、同一基板上に形成した疎なパタ
ーン形成領域と密なパターン形成領域の双方に最適なレ
ジストパターンを形成できるため、プロセスにおける歩
留まりを改善することが可能となる。

【００４５】なお、上述した実施の形態において、反射
防止膜のアルカリ処理に利用するアルカリ液としてｉ線
用レジストの現像液を用いているが、アルカリ液であれ
ば、同様な効果を生じるため、水酸化カリウムや水酸化
ナトリウムあるいはアンモニア等を含むアルカリ水溶液
であれば、使用できる。

【００４６】また、上述した実施の形態において、反射
防止膜２０の所定領域のみにアルカリ処理を行う際に使
用するレジストパターニングには、ネガ型、ポジ型のど
ちらのレジストを使用してもよい。化学増幅型レジスト
についても同様に、ネガ型、ポジ型どちらでも使用可能
である。

【００４７】また、反射防止膜２０上のアルカリ処理領
域を特定するためのパターニングで、使用するフォトマ
スクは、最終的な薄膜のパターニングに使用するフォト
マスクの設計パターンを参考にして、その設計パターン
の疎密の度合いに応じて開口パターンを形成すればよ
い。例えば、あらかじめ、パターン密度と現像後の化学
増幅型レジストへのアンダーカットの発生有無との関係
を実験的に求め、アンダーカットが発生するパターン密
度の値を特定し、このパターン密度を境界値として、こ
れよりパターン密度が疎な領域においては、反射防止膜
にアルカリ処理のための開口パターンを形成するとよ
い。例えば、上述した実施の形態の場合では、少なくと
も隣接するライン間の距離が０．３μm〜０．５μm以上
となる領域ではパターン密度が疎な領域として扱い、ア
ルカリ処理を行う。

【００４８】このように、フォトマスクを作製する際
に、実際に薄膜上に形成するパターンの設計と同時に、
これに応じたアルカリ処理用のパターン設計を行うとよ
い。

【００４９】図３は、本実施の形態で使用した有機系反
射防止膜と、最近、化学増幅型レジストの反射防止膜と
しての使用が検討されている無機系のＳＯＧ（Spin On
Glass）膜に対するアルカリ処理効果を示すグラフで
ある。ここでの、アルカリ処理は、各反射膜上にｉ線用
レジストの現像液をスピナー等でコーティングした後純
水で洗浄したものである。図３のグラフは、アルカリ処
理の前後において、各反射防止膜上での純水の接触角の
変化を示す。

【００５０】本実施の形態で使用した反射防止膜では、
アルカリ処理を行うことにより、純水の接触角は大幅に
減少しており、アルカリ処理により濡れ性が上昇してい
る。このことは、すでに説明したように、アルカリ処理
により反射防止膜中に発生した酸が中和され、液滴の裾
引きが生じ易い条件になることを裏付けるものである。
なお、露光光を照射し、酸発生が生じる条件とすれば、
アルカリ処理の有無はより顕著な違いとなることが予想
される。

【００５１】一方、ＳＯＧ膜の場合では、光酸発生剤を
含有する有機反射防止膜の場合とは異なり、アルカリ処
理を行うことにより、水滴の接触角はむしろ高くなっ
た。即ち、アルカリ処理された領域では、レジストパタ
ーンはむしろ裾引きがなくなることを示唆している。即
ち、少なくともアルカリ処理の有無がレジストパターン
の裾引きの度合いを調整できることを示している。尚、
アルカリ処理の時間や温度を調整することで、これらの
条件をより最適な条件に設計することが可能である。従
って、ＳＯＧ膜を使用する場合には、疎なパターンを形
成する領域では、むしろアルカリ処理を行わず、密なパ
ターンの形成領域においてアルカリ処理を行うことで、
パターン裾引きを抑えレジストパターンの改良に役立て
ることができる。

【００５２】また、上述する本実施の形態では、薄膜パ
ターンの形成に際しては、反射防止膜を必要とする化学
増幅型レジストを用いているが、化学増幅型レジストに
限らず、反射防止膜を下地膜として使用するレジストで
あれば、同様にアルカリ処理を反射防止膜表面に施すこ
とで、レジストパターンの裾引き度合いを調整すること
ができる。

【００５３】以上、本発明のパターン形成方法につい
て、本実施の形態を参考に説明したが、本実施の形態は
これらの説明に限定されるものではなく、さらに種々の
改良や置換が可能であることは当業者には自明である。

【００５４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のパターン
形成方法によれば、同一基板上に密なパターンと疎なパ
ターンが混在する場合に、反射防止膜上のアルカリ処理
を選択的に行うことにより、各パターンの疎密に応じた
良好なレジストパターンを形成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施の形態に係るパターン形成方法を示す工
程図である。

【図２】本実施の形態に係るパターン形成方法で作製す
るレジストパターンの平面図と断面図である。

【図３】本実施の形態に係る反射防止膜およびＳＯＧ膜
に対し、アルカリ処理を行った場合の純水の接触角を示
すものである。

【図４】従来のパターン形成方法で作製されたレジスト
パターンの平面図と断面図である。

【符号の説明】

１０基板２０反射防止膜３０レジスト４０フォトマスク５０アルカリ処理領域７０レジストパターン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2H025 AA03 AA04 AB16 AC04 AC08 AD03 BE00 BE10 BG00 DA34 FA17 5F046 HA07 JA04 JA22 LA01 LA14 LA18 PA03 PA07 PA19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パターニングを行う薄膜上に、第１のレ
ジストの露光波長に対し反射防止機能を有する反射防止
膜を形成する工程と、前記反射防止膜表面を選択的にアルカリ処理する工程
と、該アルカリ処理後の前記反射防止膜表面に前記第１のレ
ジスト膜をコーティングする工程とを有することを特徴
とするパターン形成方法。
【請求項２】前記反射防止膜は、光酸発生剤を含有す
る反射防止膜であり、さらに、露光、現像により前記反射防止膜のアルカリ処
理された領域上には、前記第１のレジストの疎なパター
ンを形成し、前記反射防止膜のアルカリ処理されなかっ
た領域上には、前記第１のレジストの密なパターンを形
成する工程とを有することを特徴とする請求項１に記載
のパターン形成方法。
【請求項３】前記反射防止膜表面を選択的にアルカリ
処理する工程は、前記反射防止膜上に第２のレジストを
コーティングする工程と、前記第２のレジストに選択的に露光する工程と、該露光後の前記レジストを現像する工程と、前記現像により露出した前記反射防止膜の露出表面をア
ルカリ処理する工程とを有することを特徴とする請求項
１または請求項２に記載のパターン形成方法。
【請求項４】前記反射防止膜の露出表面をアルカリ処
理する工程は、前記現像する工程で使用するアルカリ現像液を用いて、
現像する工程と同一の工程で行うことを特徴とする請求
項３に記載のパターン形成方法。
【請求項５】前記第１のレジストは、化学増幅型レジ
ストであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１
項に記載のパターン形成方法。