JP2002116556A

JP2002116556A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2002116556A
Application number: JP2000309639A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Fujio; 正之藤尾
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2000-10-10
Filing date: 2000-10-10
Publication date: 2002-04-19

Abstract

(57)【要約】【課題】高段差基板上において凹部のレジスト残りを
発生させず、高精度でかつ微細なレジストパターンを形
成することを課題とする。【解決手段】凹凸を有する基板上のフォトリソグラフ
ィー技術によるレジストパターン加工の工程において、
基板上にアルカリ可溶性のポリイミド前駆体膜または水
溶性有機膜を形成し、その次に基板の凸部表面が露出す
るまでポリイミド前駆体膜または水溶性有機膜をドライ
エッチング法によりエッチバックして除去することで基
板の凹部にのみポリイミド前駆体膜または水溶性有機膜
を充填し、その次にポジ型フォトレジスト膜を形成し、
マスクを介して露光、現像する工程により、ポジ型フォ
トレジスト膜の露光部の溶解と同時に凹部に充填された
ポリイミド前駆体膜または水溶性有機膜も選択的に除去
することを特徴とした半導体装置の製造方法により上記
の課題を解決する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に関する。更に詳しくは、本発明は、例えば、狭い
溝により高段差を備えた基板（以下、高段差基板ともい
う）のような凹凸を有する基板上においても精度よくフ
ォトレジスト膜からなるパターンを形成しうる半導体装
置の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の高集積化、高性能化が進展
するに伴い、装置を構成する素子構造が複雑となり、素
子自体の微細加工が要求されている。このため、フォト
リソグラフィー技術において、複雑な構造をした段差を
備えた基板上で、高精度かつ微細なレジストパターンを
形成することが重要になってきている。このフォトリソ
グラフィー技術による基板上へのレジストパターンの形
成方法を図２（ａ）〜（ｃ）を用いて簡単に説明する。

【０００３】まず、図２（ａ）に示すように、基板１上
にフォトレジスト膜２を塗布により形成する。その次
に、図２（ｂ）に示すように、紫外線や電子ビームなど
の所定の光学系を用いて、マスクＡを介してフォトレジ
スト膜２を露光（図中のｈνは露光光を意味する）しフ
ォトレジスト膜２に所望のパターンを結像させる。その
次に、図２（ｃ）に示すように、アルカリ水溶液などを
用いて現像を行うと、フォトレジスト膜２が溶解または
残存し、レジストパターン３が形成される。しかし、高
段差基板へのフォトリソグラフィー技術によるレジスト
パターンの形成は、段差の凸部（上部）と凹部（下部）
とで基板１に高低差が生じているため、フォトレジスト
膜１に大きな厚差が生じる。この影響でフォトレジスト
膜の線幅制御性および露光の焦点深度の確保が困難にな
ってきている。

【０００４】とりわけ、ｇ線（４３６ｎｍ）およびｉ線
（３６５ｎｍ）の露光波長を用いるフォトリソグラフィ
ー技術において、レジスト性能（解像性、焦点深度）の
面で有利なポジ型レジストを用いた場合、凹部の奥底に
到達する光が少なく、その部分は露光不足となる。その
結果、図２（ｃ）の２に示すように、狭い溝などの底に
フォトレジスト膜が残る現象が問題となっている。

【０００５】残ったフォトレジスト膜２は、後工程で行
う基板へのイオン注入や、配線または接続孔を形成する
際のドライエッチングのマスクとなり、配線間のショー
トを生じたり、素子特性を劣化させたりする。その結
果、半導体装置の製造歩留まりを低下させることにな
る。

【０００６】また、ネガ型レジストを用いた場合、レジ
ストの性質上、段差の凹部には光を与えなくても現像で
溶解除去されるので、前記レジスト残りの問題は容易に
解決する。しかし、反面ネガ型レジストは基板との界面
付近で食い込み現象などが発生したりする影響で、矩形
のレジストパターン形状がえられにくい特徴をもつ。そ
のため、量産する上で安定した焦点深度を確保すること
ができない。よって、高精度な微細パターンの形成は不
可能であり、ネガ型レジストの実用化は難しくなってい
る。

【０００７】そこで最近、高段差基板上でのレジストパ
ターン形成方法が、いくつか提案されている。例えば、
フォトレジスト膜の下にアルカリ可溶性のポリイミド前
駆体膜を形成する方法（特開平５−２６７４６８号公
報、特開平６−１５１７６６号公報）や、同じくフォト
レジスト膜の下に吸光材を含む水溶性有機膜を形成する
方法（特開昭６０−２２３１２１号公報、特開平１−２
０２０４５号公報、特開平１１−１６８０５４号公報）
などが挙げられる。

【０００８】これらアルカリ可溶性のポリイミド前駆体
膜や水溶性有機膜を用いて、高段差基板上にレジストパ
ターンを形成する方法を図３（ａ）〜（ｄ）を用いて簡
単に説明する。まず、図３（ａ）に示すように、段差を
有する基板１１上にアルカリ可溶性のポリイミド前駆体
膜１２または吸光材を含む水溶性有機膜１３を形成す
る。その次に、図３（ｂ）に示すように、フォトレジス
ト膜１４を形成する。その次に、図３（ｃ）に示すよう
に、マスクＡを介して露光し、フォトレジスト膜１４を
結像させる。その次に、図３（ｄ）に示すように、フォ
トレジスト膜１４をアルカリ水溶液により現像する。こ
の現像の際に、フォトレジスト膜１４の現像と同時に下
層であるポリイミド前駆体膜１２または水溶性有機膜１
３も除去され、レジストパターン１５が形成される。

【０００９】また一方で、特開平５−２５１３３２号公
報では、基板にアルカリ溶解性のポリイミド前駆体膜を
塗布により形成し、その後ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチ
ルアンモニウム）水溶液に浸漬すること（すなわち、ウ
エットエッチングすること）で基板の凸部表面が露出す
るまでポリイミド前駆体膜を除去する。この浸漬によ
り、基板の凹部のみに（上記公報では、凹部は素子領域
境界部（スクライブライン）を意味すると記載されてい
る）ポリイミド前駆体膜を充填させ、その後フォトレジ
スト膜を塗布により形成し、次いで露光、現像を行うこ
とで、所望のレジストパターンを形成する方法が開示さ
れている。上述した方法を用いれば、基板表面は平坦化
されているためフォトレジスト膜の膜厚差が小さくな
り、焦点深度および線幅制御性などが改善される。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
５−２６７４６８号公報などの図３（ａ）〜（ｄ）に示
す方法によると、フォトレジスト膜の下にポリイミド前
駆体膜または水溶性有機膜が存在するため、フォトレジ
スト膜をパターニングする段階において段差の凸部１６
（上部）にもポリイミド前駆体膜または水溶性有機膜が
残存することとなる。

【００１１】これは、凹部１７底のポリイミド前駆体膜
または水溶性有機膜の溶解が終わる時点で、凸部１６表
面に残存するポリイミド前駆体膜または水溶性有機膜に
も相当量のオーバーエッチが行われているためである。
当然、ポリイミド前駆体膜または水溶性有機膜は、等方
的に溶解される性質を持つので、フォトレジスト膜の下
のポリイミド前駆体膜または水溶性有機膜がなくなった
時点で、パターンはがれなどの不良が発生し、段差凸部
１６表面の微細なレジストパターンの形成が困難になっ
てくる。

【００１２】また一方で、特開平５−２５１３３２号公
報のように、ポリイミド前駆体膜を塗布により形成し、
その次にＴＭＡＨ水溶液に浸液して、基板の凸部表面に
残存するポリイミド前駆体膜を除去した場合、基板の凸
部表面が露出するジャストの時間を検知することができ
ないため、基板の凸部のみのポリイミド前駆体膜の除去
に要する浸液時間の制御が非常に難しく過不足が生じる
こととなる。そのため、凸部にポリイミド前駆体膜が残
存したり、あるいはそれを回避するために長時間の浸液
処理を行うことで、結果的に凹部内のポリイミド前駆体
膜も大きく減少してしまい、再度段差の問題が浮彫にな
ってくる。

【００１３】本発明は、このような従来の技術の問題点
を解決し、高段差基板上において凹部１７のレジスト残
りを発生させず、高精度でかつ微細なレジストパターン
を形成することを目的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】かくして本発明によれ
ば、凹凸を有する基板上のフォトリソグラフィー技術に
よるレジストパターン加工の工程において、基板上にア
ルカリ可溶性のポリイミド前駆体膜または水溶性有機膜
を形成し、その次に基板の凸部表面が露出するまでポリ
イミド前駆体膜または水溶性有機膜をドライエッチング
法によりエッチバックして除去することで基板の凹部に
のみポリイミド前駆体膜または水溶性有機膜を充填し、
その次にポジ型フォトレジスト膜を形成し、マスクを介
して露光、現像する工程により、ポジ型フォトレジスト
膜の露光部の溶解と同時に凹部に充填されたポリイミド
前駆体膜または水溶性有機膜も選択的に除去することを
特徴とした半導体装置の製造方法が提供される。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を説明する。まず、
凹凸を有する基板上にアルカリ可溶性のポリイミド前駆
体膜（以下、前駆体膜ともいう）または水溶性有機膜を
形成する。ここで、基板としては、シリコン基板のよう
な元素基板や、ＧａＡｓ基板のような化合物基板が挙げ
られる。更に、基板には、シリコン酸化膜のような絶縁
膜、配線などの素子を構成する要素が予め形成されてい
てもよい。また、凹凸は、どのような形状であっても本
発明を適用することができるが、アスペクト比（深さ／
幅）が、４以上の凹部が存在する基板に適用すればより
効果を発揮する。

【００１６】前駆体膜としては、当該分野で公知のポリ
イミド前駆体からなる膜をいずれも使用することができ
る。この前駆体膜は、感光性であっても、非感光性であ
ってもよい。前駆体膜の厚さは、少なくとも基板に存在
する凹部を埋めるのに必要な厚さであることが好まし
い。また、前駆体膜の形成方法は、特に限定されず、例
えば、ポリイミド前駆体を含む溶液を回転塗布法により
塗布し、その後溶媒を除去する方法が挙げられる。

【００１７】更に、前駆体膜は、以下で説明するポジ型
のフォトレジスト膜の溶解速度より大きくなるように、
前駆体膜を熱処理することが好ましい。熱処理を行うこ
とにより、前駆体膜の保形性を向上させることができ
る。水溶性有機膜としては、ポリアクリル酸、ポリビニ
ルアルコール、ポリビニルピロリドンなどの高分子化合
物からなる膜が挙げられる。水溶性有機膜の厚さおよび
形成方法は、上記前駆体膜と同様の厚さおよび形成方法
を採用できる。

【００１８】次に、基板の凸部表面が露出するまで、前
駆体膜または水溶性有機膜をドライエッチング法により
エッチバックして除去することで、基板の凹部にのみ前
駆体膜または水溶性有機膜を充填する。ドライエッチン
グ法としては、反応性イオンエッチングのような当該分
野で公知の方法が挙げられる。この方法に使用されるエ
ッチャントとしては、少なくとも酸素が挙げられる。酸
素に、基板の表面の材質に応じて、塩素やフッ素カーボ
ン系化合物を混合してもよい。更に、アルゴンのような
不活性ガスを含ませてもよい。

【００１９】ここで、前駆体膜または水溶性有機膜のエ
ッチバックは、終点検出装置を用いて基板の凸部表面が
露出するまで行うことが好ましい。これにより、最適な
終点を検出することができる。検出方法としては、例え
ば、特定の波長の光を基板に照射して、その反射率を測
定することにより検出する方法が挙げられる。

【００２０】本発明によれば、前駆体膜または水溶性有
機膜を高段差基板における狭い溝の底部へ充填すること
により、基板表面を平坦化することができる。そのた
め、狭い溝の奥底へ十分な光を与える必要がなく、狭い
溝でのレジスト残りを解消でき、かつ凸部表面には前駆
体膜または水溶性有機膜は残留しないので、高精度で安
定した焦点深度を有する微細なレジストパターンの形成
が可能となる。

【００２１】次に、ポジ型フォトレジスト膜（以下、レ
ジスト膜ともいう）を形成する。ここで使用されるポジ
型フォトレジストは、ポジ型であれば公知のフォトレジ
ストをいずれも使用することができる。レジスト膜の形
成方法は、例えば、フォトレジストを含む溶液を塗布
し、溶媒を除去し、必要に応じてプリベークする方法が
挙げられる。なお、レジスト膜は、少なくともレジスト
パターンを形成することができさえすれば、その厚さは
特に限定されない。通常、レジスト膜は、５００〜２０
００ｎｍ程度の厚さを有している。

【００２２】次いで、マスクを介して、レジスト膜に所
定のパターンを露光し、更に現像する。この工程によ
り、レジスト膜の露光部の溶解と同時に凹部に充填され
た前駆体膜または水溶性有機膜も選択的に除去され、所
定形状のレジストパターンが得られる。

【００２３】

【実施例】実施例１本発明の実施例を図１（ａ）〜（ｄ）を用いて説明す
る。図１（ａ）に示すように、通常のノボラック系フォ
トレジストを用いて、幅１００ｎｍ、深さ４００ｎｍの
高アスペクト比（４）を有する凹部２３ａ、幅７００ｎ
ｍ、深さ４００ｎｍの低アスペクト比（約０．６）を有
する凹部２３ｂからなる局所段差を有する半導体基板上
にレジストパターン形成する場合を例として説明する。
なお、これによって本発明は限定されるものではない。

【００２４】まず、段差を有する基板（半導体基板）２
１上に非感光のアルカリ可溶性樹脂膜として、ポリイミ
ド前駆体を回転塗布法にて凸部２２上で４００ｎｍ程度
の厚さになるように塗布し、得られた塗膜を、１２０℃
の熱処理を６０秒間行うことでポリイミド前駆体膜２６
を得る。この時点で凹部２３ａおよび２３ｂは、ポリイ
ミド前駆体膜２６が充填される。その次に、図１（ｂ）
に示すように、反応性イオンエッチャーで酸素と必要に
応じて他の物質との混合プラズマを用いて、終点検出装
置を利用することにより、ポリイミド前駆体膜２６を凸
部２２表面が露出するまで、ドライエッチング法により
全面エッチバックする。この工程後、凹部２３ａおよび
２３ｂには、厚さ３５０ｎｍ程度のポリイミド前駆体膜
が残存する。

【００２５】終点検出装置を用いてエッチバックを行う
ことで、過不足なくエッチバックでき、高精度に凹部２
３ａおよび２３ｂ内にのみポリイミド前駆体膜２６を充
填させることができる。なお、このときの終点検出時間
はエッチバックを開始してから１２０秒であった。ま
た、エッチバックを行うときの条件として、チャンバ内
圧力は０．２〜１．０Ｐａ以下、印加電圧が８００Ｗの
もとで、基板２１が表面にシリコン酸化膜を備えている
場合には、塩素と酸素の混合プラズマにて行い、基板２
１が表面に多結晶シリコン膜を備えている場合には、Ｃ
ＨＦ₃のような水素原子を含むフロロカーボン系ガスと
酸素の混合プラズマを用いて、エッチバックを行う。

【００２６】この条件を用いれば、基板２１との選択性
を十分に有しているため、基板の損傷を発生させること
がない。なお、このとき終点を検出するときに、表面を
モニタする波長は、２５０〜５００ｎｍの範囲で行う。
これで、凹部２３ａおよび２３ｂにのみにポリイミド前
駆体膜２６が厚さ３００ｎｍ程度充填される。このよう
にして段差溝部のアスペクトを緩和することで、後に行
うフォトレジスト膜２４への露光工程では、凹部２３ａ
および２３ｂの底に光を到達させる必要がなくなる。

【００２７】その次に、図１（ｃ）に示すように、ポジ
型フォトレジストを約８００ｎｍ塗布し、プリベークを
９０℃で６０秒行うことでフォトレジスト膜２４を形成
する。その次に、図１（ｄ）に示すように、クロム遮へ
い板付きガラス製のマスクＡを用いて、光学系の縮小投
影露光装置（ステッパ）にて、ｉ線（３６５ｎｍ）の光
（図中、ｈν）で露光し、フォトレジスト膜２４に所定
のパターンを結像させる。なお、ここで解像性および焦
点深度の向上を図るため、ハーフトーン型位相シフトマ
スクや変形照明による２光束結像露光法を用いてもよ
い。

【００２８】次に、露光後、ベーク（ＰＥＢ）を１１０
℃で６０秒間行った後、図１（ｅ）に示すように、水酸
化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）を含有するア
ルカリ水溶液にて３０〜６０秒間現像を行う。この現像
する過程で光を照射した部分のポジ型フォトレジスト膜
２４は溶解除去されるが、同時にその下にある段差溝部
（凹部２３ａおよび２３ｂの底）に充填されたポリイミ
ド前駆体膜２６も溶解除去される。なお、ポリイミド前
駆体膜２６のアルカリ水溶液に対する溶解速度は、塗布
後の熱処理温度に依存し、熱処理温度が低いと溶解速度
は大きくなる。逆に熱処理温度が高くなり１５０℃以上
になるとほとんど溶解しなくなる。そこで、ポリイミド
前駆体膜２６のアルカリ水溶液に対する溶解速度は、フ
ォトレジスト膜２４のそれより小さいことが望ましく、
それはポリイミド前駆体膜２６の熱処理温度を適宜設定
することによって容易に可能である。

【００２９】このように以上の実施例に従えば、高段差
基板上において狭い溝（凹部２３ｂ）へのレジスト残り
は解消され、凸部２２表面上においても良好なレジスト
パターン２５を形成することができる。その後は、形成
されたレジストパターン２５をマスクとしてドライエッ
チングやイオン注入を行い、配線、接続孔や素子の活性
領域の形成などを行う。

【００３０】ただし、段差の凹部２３ａおよび２３ｂに
充填されたポリイミド前駆体２６は等方的に、溝に沿っ
て溶解除去されるので、レイアウト上溝にかかるパター
ンがある場合は、エアブリッジ構造からなるレジストパ
ターン２５になる。しかし、段差の凸部２２表面に有機
膜を残存させる従来の方法に比べて、現像時のパターン
はがれに対する余裕度は大きく改善している。

【００３１】実施例２ポリイミド前駆体膜２６の代わりに水溶性有機膜２７を
用いても同様の効果を得ることができる。水溶性有機膜
２７としては、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコー
ル、ポリビニルピロリドンなどを含む高分子化合物が挙
げられる。いずれの水溶性有機膜２７もフォトレジスト
膜２４形成前に、段差の凹部２３ａおよび２３ｂにのみ
充填させるように、塗布後に酸素プラズマにより全面エ
ッチバックを行う。但し、水溶性有機膜２７は前述した
ポリイミド前駆体膜２６のようにアルカリ水溶液に対す
る溶解速度を熱処理温度にて調整することが不可能であ
り、段差凸部２２表面上には、水溶性有機膜２７を残留
させないようにエッチバック量を設定してやることが必
要である。その後は、前述した実施例１に従えば狭い溝
のレジスト残りがなく、良好なレジストパターンの加工
が可能である。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、終点検出装置を用いて
酸素と不純物の混合プラズマで樹脂膜を過不足なくエッ
チバックすることにより、凸部表面にエッチバック残り
なく高精度な基板平坦化が可能となり、高段差基板上に
おける狭い溝の奥底へもレジスト残りなく、微細なレジ
ストパターンを形成することができる。そのため、信頼
性の高いフォトリソグラフィープロセスにより高い製造
歩留まりを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の製造方法の概略工程断面図である。

【図２】従来の製造方法の概略工程断面図である。

【図３】従来の製造方法の概略工程断面図である。

【符号の説明】

１、１１、２１基板２、１４、２４フォトレジスト膜３、１５、２５レジストパターン１２、２６ポリイミド前駆体膜１３、２７水溶性有機膜１６、２２凸部１７、２３ａ、２３ｂ凹部Ａマスク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】凹凸を有する基板上のフォトリソグラフ
ィー技術によるレジストパターン加工の工程において、
基板上にアルカリ可溶性のポリイミド前駆体膜を形成
し、その次に基板の凸部表面が露出するまでポリイミド
前駆体膜をドライエッチング法によりエッチバックして
除去することで基板の凹部にのみポリイミド前駆体膜を
充填し、その次にポジ型フォトレジスト膜を形成し、マ
スクを介して露光、現像する工程により、ポジ型フォト
レジスト膜の露光部の溶解と同時に凹部に充填されたポ
リイミド前駆体膜も選択的に除去することを特徴とした
半導体装置の製造方法。
【請求項２】凹凸を有する基板上のフォトリソグラフ
ィー技術によるレジストパターン加工の工程において、
基板上に水溶性有機膜を形成し、その次に基板の凸部表
面が露出するまで水溶性有機膜をドライエッチング法に
よりエッチバックして除去することで基板の凹部にのみ
に水溶性有機膜を充填し、その次にポジ型フォトレジス
ト膜を形成し、マスクを介して露光、現像する工程によ
り、ポジ型フォトレジスト膜の露光部の溶解と同時に凹
部に充填された水溶性有機膜も選択的に除去することを
特徴とした半導体装置の製造方法。
【請求項３】ポリイミド前駆体膜が、ポリイミド前駆
体を基板上に回転塗布法より塗布し、得られた塗膜を熱
処理することにより形成される請求項１に記載の製造方
法。
【請求項４】ポリイミド前駆体膜または水溶性有機膜
のエッチバックが、終点検出装置を用いて少なくとも酸
素を含むプラズマで行われることで、基板の凸部表面を
露出させるまで行われる請求項１〜３のいずれか１つに
記載の製造方法。
【請求項５】ポリイミド前駆体膜形成時の熱処理温度
が、ポジ型フォトレジスト膜の現像時に、ポリイミド前
駆体膜の溶解速度をポジ型フォトレジスト膜より遅くす
る温度に設定される請求項３に記載の製造方法。
【請求項６】水溶性有機膜が、ポリアクリル酸、ポリ
ビニルアルコール、ポリビニルピロリドンのどれかを含
む請求項２または４に記載の製造方法。