JP2003195522A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
半導体装置の製造方法Info
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Abstract
ストパターンのドライエッチング耐性を向上させる。レ
ジストパターントップ部の形状を改善し、被加工膜を寸
法および形状制御性良く加工する。 【解決手段】 基板1上に被加工膜2を形成し、被加工
膜2上にArFレジスト4を形成する。ArFレーザ光をフォ
トマスクを介してArFレジスト4に露光した後、ベンゼ
ン環構造を有するベース樹脂5をArFレジスト4上に形
成する。ベークにより、ArFレジスト4中の酸をベース
樹脂5に熱拡散させる。ArFレジスト4とベース樹脂5
を現像する。現像によりパターニングされたArFレジス
トパターン43およびベース樹脂パターン53をマスク
として、被加工膜2をドライエッチングにより加工す
る。
Description
方法に係り、特にArFリソグラフィ技術に関する。
小投影露光装置による写真製版プロセスを用いて微細回
路パターンが形成されている。近年のデバイスの高集積
化・微細化に対応するため、露光波長の短波長化よる高
解像度化が行われており、現在ではArFエキシマレーザ
光(λ=193nm)を光源とした露光装置が実用化されよう
としている。さらに、F2レーザ光(λ=157nm)を光源と
するリソグラフィの検討も盛んに行われている。
用のレジストに用いられているベース樹脂(図4参照)
は、ベンゼン環構造を有しており、短波長の露光光(例
えば、ArFレーザ光)の吸収が大きい。このため、例え
ばArFレーザ光のような短波長の露光光源に対しては使
用することができない。そこで、ArFリソグラフィ用の
レジスト(以下、「ArFレジスト」という。)では、ArF
レーザ光の吸収が少ない脂肪族系ベース樹脂(図6参
照)が主に用いられている。すなわち、ArFリソグラフ
ィでは、酸触媒反応により脱離しアルカリ現像液に対す
る溶解性を変化させる基を側鎖に有する脂肪族系ベース
樹脂と、活性光線の照射により酸を発生する光酸発生剤
とを含む化学増幅型レジストが用いられている。
には、ArFリソグラフィを用いた、従来の微細パターン
形成方法について説明する。図7及び図8は、従来の半
導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
に被加工膜2を形成する。次に、図7(b)に示すよう
に、レジスト塗布装置でスピン塗布法を用いて、被加工
膜2上に40nm〜110nm程度の厚さで反射防止膜3を形成
し、さらに反射防止膜3上に200nm〜600nm程度の厚さで
ArFレジスト4を形成する。そして、図7(c)に示す
ように、縮小投影露光装置で、ArFレーザ光7をフォト
マスク6を介してArFレジスト4に選択的に照射(露
光)する。この時、ArFレジスト4のうちArFレーザ光7
が露光された部分(以下、「露光部」という。)41で
は、レジスト4に含まれる光酸発生剤から酸が発生す
る。
℃〜150℃で60sec〜90secの時間だけベーク(露光後ベ
ーク)を行う。この時、露光部41では、アルカリ現像
液に対する溶解性を阻害する側鎖部の基が、酸触媒反応
により脂肪族系ベース樹脂から脱離する。これにより、
アルカリ現像液に対する溶解性が高い露光部42とな
る。そして、図8(e)に示すように、アルカリ現像液
による現像処理を行う。これにより、ドライエッチング
加工時のマスク材料となるArFレジストパターン43が
得られる。
ストパターン43をマスクとして、プラズマ8を用いた
ドライエッチング処理を行う。これにより、反射防止膜
3および被加工膜2がパターニングされ、反射防止膜パ
ターン32および被加工膜パターン22となる。最後
に、図8(g)に示すように、ArFレジストパターン4
3および反射防止膜パターン32をプラズマアッシング
処理やウェット処理により除去する。これにより、被加
工膜パターン22が形成される。
Fレジスト4を用いた従来の半導体装置の製造方法に
は、以下のような問題があった。先ず、第1の問題につ
いて説明する。ArFレジスト4のベース樹脂はベンゼン
環構造を有していないため、プラズマを用いたドライエ
ッチング処理時の耐性(以下、「ドライエッチング耐
性」という。)が、従来のKrFレジストやi線レジスト
等に比べ劣ってしまうという問題があった。このため、
所望の寸法でArFレジストパターン43を形成できたと
しても、被加工膜2を所望の寸法および形状に仕上げる
ことができないという問題があった。以下、この問題に
ついて、詳細に説明する。
イエッチング耐性を比較するための断面図である。図9
(a),(a’)に示すように、被加工膜2上に形成さ
れた反射防止膜3上に、ArFレジストパターン43およ
びKrFレジストパターン143が所望の寸法でそれぞれ
形成されている。
いたドライエッチング処理が行われた後の、各レジスト
パターン43,143を示している。図9(b’)に示
すように、KrFレジストパターン143は、レジスト表
面が荒れることなく、且つ異方的に膜厚bだけ膜減りし
ている。従って、KrFレジストパターン143が、高い
ドライエッチング耐性を有することが分かる。一方、図
9(b)に示すように、ArFレジストパターン43は、K
rFレジストマスク143(図9(b’)参照)と比較し
て、レジストの膜減り量が多く、且つレジスト表面が荒
れている。さらに、ArFレジストパターン43の上面か
ら被加工膜2の内部に達するスパイク状のエッチング
(以下、「スパイク」という。)200が発生してい
る。このため、反射防止膜パターン32や被加工膜パタ
ーン22の寸法や形状が、規定された通りには仕上がら
なくなる。
43,143および反射防止膜パターン31,32を、
プラズマアッシング処理やウェット処理により除去す
る。ここで、図9(c’)に示すように、KrFレジスト
パターン143を用いた場合には、所望の寸法および形
状の被加工膜パターン23に仕上げることができる。す
なわち、KrFレジストパターン143の寸法通りに、被
加工膜2を仕上げることができる。一方、図9(c)に
示すように、ArFレジストパターン43を用いた場合に
は、上述したレジストパターン43の表面荒れやスパイ
ク200により、被加工膜2を所望の寸法および形状に
加工することができないという問題があった。また、Ar
Fレジストパターン43と被加工膜22との間に寸法差
が生じてしまうという問題があった。
0は、従来のレジストプロセスにおいて、酸の熱拡散を
説明するための断面図である。図10(a)に示すよう
に、ArFレーザ光7をフォトマスク6を用いてArFレジス
トに照射する際に、空間像9が形成される。そして、上
記空間像9がArFレジスト4に照射されると、図10
(b)に示すように、ArFレジスト4中に潜像(Latent
image)100が形成される。この潜像100は、ArFレ
ジスト4で発生する酸の分布と等価である。ここで、
ArFレジスト4とその周りの空間との屈折率と、ArFレジ
スト4とその下地(例えば反射防止膜や被加工膜)との
屈折率と、が異なること、下地からの反射光との干渉
が生じること、によって、ArFレジスト4(露光部4
1)の表面近傍での酸(酸触媒反応部)の分布は、レジ
スト内部の酸の分布よりも高くなっている。
に行われるベークによって、露光部41の表面近傍に多
く存在する酸が熱拡散し、酸触媒反応部が再分布する
(参照符号101)。しかし、ベークによって酸が熱拡
散しても、ArFレジスト4における酸の分布は均一にな
らず、レジスト4表面における酸の分布が、レジスト内
部の酸の分布よりも高いという問題は依然として解決さ
れない。このため、ArFレジストパターン43のトップ
部が膜減りしてしまい、被加工膜パターン22の形状が
劣化してしまう問題があった。
になされたもので、ArFリソグラフィにより形成された
微細レジストパターンのドライエッチング耐性を向上さ
せることを目的とする。また、本発明は、レジストパタ
ーントップ部の形状を改善することにより、被加工膜を
寸法および形状制御性良く加工することを目的とする。
体装置の製造方法は、基板上に被加工膜を形成する工程
と、前記被加工膜上にレジストを形成する工程と、所定
の波長以下の光を、フォトマスクを介して前記レジスト
に露光する工程と、前記レジスト上に、酸触媒反応によ
り現像液への溶解性が変化する層を形成する工程と、前
記層を形成した後、ベークを行う工程と、前記レジスト
および前記層を現像して、前記レジストおよび前記層を
パターニングする工程と、パターニングされた前記レジ
ストおよび前記層をマスクとして、前記被加工膜をドラ
イエッチングする工程と、を含むことを特徴とするもの
である。
法は、請求項1に記載の製造方法において、前記層がベ
ース樹脂であることを特徴とするものである。
法は、請求項2に記載の製造方法において、前記ベース
樹脂が、ベンゼン環構造を有するベース樹脂であること
を特徴とするものである。
法は、請求項3に記載の製造方法において、前記ベンゼ
ン環構造を有するベース樹脂が、ポリ(4−ヒドロキシ
スチレン)のtert−ブトキシカルボネート、ポリ(4−
ヒドロキシスチレン)のtert−ブチルエステル、ポリ
(4−ヒドロキシスチレン)のエトキシエチルエーテ
ル、ポリ(4−ヒドロキシスチレン)のテトラヒドロピ
ラニルエーテル、4−ヒドロキシスチレン−tert−ブチ
ルアクリレート共重合体、ポリ(3−ヒドロキシスチレ
ン)のtert−ブトキシカーボネート、又はそれらの誘導
体であることを特徴とするものである。
法は、請求項2に記載の製造方法において、前記ベース
樹脂が、共重合系ベース樹脂、アクリル系ベース樹脂の
少なくとも1つを含むことを特徴とするものである。
法は、請求項5に記載の製造方法において、前記共重合
系ベース樹脂が、ノルボルネンと無水マレイン酸との共
重合体、又はその誘導体であることを特徴とするもので
ある。
法は、請求項5又は6に記載の製造方法において、前記
アクリル系ベース樹脂が、アクリル系樹脂、又はその誘
導体であることを特徴とするものである。
法は、請求項1から7の何れかに記載の製造方法におい
て、前記層を50nm〜200nmの厚さで形成するこ
とを特徴とするものである。
法は、請求項1から8の何れかに記載の製造方法におい
て、前記所定の波長が193nmであることを特徴とす
るものである。
施の形態について説明する。図中、同一または相当する
部分には同一の符号を付してその説明を簡略化ないし省
略することがある。
実施の形態1による半導体装置の製造方法を説明するた
めの断面図である。具体的には、図1及び図2は、ArF
リソグラフィを用いた、本実施の形態1による微細パタ
ーン形成方法を工程順に示した断面図である。
に被加工膜2を形成する。ここで、基板1は、シリコン
基板のような半導体基板に限らず、石英基板のような絶
縁基板や、セラミック基板であってよい。また、被加工
膜2としては、絶縁膜や導電膜が挙げられる。次に、図
1(b)に示すように、レジスト塗布装置でスピン塗布
法を用いて、被加工膜2上に40nm〜110nm程度の厚さで
反射防止膜3を形成し、さらに反射防止膜3上に200nm
〜600nm程度の厚さでArFレジスト4を形成する。ここ
で、ArFレジスト4は、酸触媒反応により脱離しアルカ
リ現像液に対する溶解性を変化させる基を側鎖に有する
脂肪族系ベース樹脂と、活性光線の照射により酸を発生
する光酸発生剤とを含む化学増幅型レジストである。な
お、反射防止膜3をCVD法により形成してもよい。
影露光装置で、ArFレーザ光7をフォトマスク6を介し
てArFレジスト4に選択的に照射(露光)する。この
時、ArFレジスト4のうちArFレーザ光7が露光された部
分(以下、「露光部」という。)41では、当該ArFレ
ジスト4に含まれる光酸発生剤から酸が発生する。
スト4上に、酸触媒反応により現像液への溶解性が変化
する層、詳細には酸触媒反応により脱離しアルカリ現像
液に対する溶解性を変化させる基を側鎖による物質の層
を形成する。本実施の形態1では、上記層としてベンゼ
ン環構造を有するKrFレジスト用のベース樹脂を50nm〜2
00nm程度の厚さで形成する。ここで、ベンゼン環を有す
るKrFレジスト用のベース樹脂の一例を図4に示す。具
体的には、ポリ(4−ヒドロキシスチレン)のtert−ブ
トキシカルボネート、ポリ(4−ヒドロキシスチレン)
のtert−ブチルエステル、ポリ(4−ヒドロキシスチレ
ン)のエトキシエチルエーテル、ポリ(4−ヒドロキシ
スチレン)のテトラヒドロピラニルエーテル、4−ヒド
ロキシスチレン−tert−ブチルアクリレート共重合体、
ポリ(3−ヒドロキシスチレン)のtert−ブトキシカー
ボネート、及び、それらの誘導体等である。かかるKrF
レジスト用のベース樹脂は、ArFレジスト4に含まれる
ベース樹脂と同一の反応機構で極性が変化する。すなわ
ち、露光後ベーク(後述)で起こる酸触媒反応により、
アルカリ現像液に対する溶解を阻害する側鎖部の基がベ
ース樹脂から脱離する。また、KrFレジスト用のベース
樹脂は、ベンゼン環構造を有するため、高いドライエッ
チング耐性を有する(後述)。
℃〜150℃で60sec〜90secの時間だけベーク(「露光後
ベーク」ともいう。)を行う。この時、詳細は後述する
が、露光部41の表面近傍に多く存在する酸がベース樹
脂5に熱拡散することにより、露光部41およびその直
上のベース樹脂5では、アルカリ現像液に対する溶解性
を阻害する側鎖部の基が酸触媒反応により脱離する。こ
のため、脱離反応が起こった露光部42およびベース樹
脂52は、アルカリ現像液に対する溶解性が高くなる。
現像液による現像処理を行う。これにより、ArFレジス
ト41およびベース樹脂5がパターニングされる。すな
わち、ドライエッチング加工時のマスク材料となるArF
レジストパターン43およびベース樹脂パターン53が
形成される。ここで、上述したように、ベース樹脂5
は、ArFレジスト4に含まれるベース樹脂と同一の反応
機構で極性が変化するため、現像によりArFレジスト4
とベース樹脂5とを同時にパターニングすることができ
る。
ストパターン43およびベース樹脂パターン53をマス
クとして、プラズマ8を用いたドライエッチング処理を
行う。これにより、反射防止膜3および被加工膜2が微
細加工され、反射防止膜パターン31および被加工膜パ
ターン21となる。そして、図2(h)に示すように、
レジストパターン43および反射防止膜パターン31を
プラズマアッシング処理やウェット処理により除去す
る。これにより、所望の寸法および形状の被加工膜パタ
ーン21が得られる。
おけるドライエッチング耐性向上の原理を説明する。図
3は、本実施の形態1において、ドライエッチング耐性
向上の原理を説明するための断面図である。図3(a)
は、ドライエッチング加工時のマスク材料となるArFレ
ジストパターン43およびベース樹脂パターン53を示
したものである。図3(b)は、プラズマ8の照射によ
るArFレジストパターン43およびベース樹脂パターン
53へのダメージを示したものである。図3(b)に示
すように、ベース樹脂パターン53のみがプラズマ8の
照射により所定の膜厚aだけ膜減りしている。従って、
ベース樹脂パターン53がArFレジストパターン43の
マスクとなるため、ArFレジストパターン43はプラズ
マ8によるダメージを受けにくくなる。このため、i線
やKrFレジストマスクと同等のドライエッチング耐性が
得られる。よって、被加工膜2を、ArFレジストパター
ン43により規定された寸法通りに仕上げることができ
る。そして、図3(c)に示すように、ArFレジストパ
ターン43および反射防止膜パターン31をプラズマア
ッシング処理やウェット処理により除去する。ArFレジ
ストパターン43は表面荒れやスパイク等が形成されな
いため、所望の寸法および形状の被加工膜パターン21
を形成することができる。
レジストプロセスにおける酸の熱拡散について説明す
る。図5は、本発明の実施の形態1によるレジストプロ
セスにおいて、酸の熱拡散を説明するための断面図であ
る。図5(a)は、ArFレーザ光7をフォトマスク6を
用いてArFレジスト4に照射する際に形成される空間像
9を示している。この空間像9がArFレジスト4に照射
されると、図5(b)に示すように、ArFレジスト4中
に潜像(Latent image)100が形成される。この潜像
100は、ArFレジスト4で発生する酸の分布と等価で
ある。この時、ArFレジスト4とその周りの空間との
屈折率と、ArFレジスト4とその下地(例えば反射防止
膜や被加工膜)との屈折率とが異なること、下地から
の反射光との干渉が生じること、によって、ArFレジス
ト4の表面近傍での酸の分布は、レジスト内部の酸の分
布より高くなる。次に、図5(c)に示すように、露光
後ベークを行う前に、KrFレジストのベース樹脂(図4
参照)をArFレジスト4上に形成する。そして、露光後
ベークを行う。この露光後ベークによって、露光部41
の表面近傍に多く存在する酸が熱拡散して、図5(c)
の参照符号110に示すように酸が再分布し、酸触媒反
応部111(図5(d)参照)の分布が改善される。こ
こで、従来の酸の再分布(図10(c)参照)に比べ
て、レジスト表面部での酸の量を大幅に減少させること
ができる。従って、レジストパターントップ部の膜減り
を抑制することができる。これにより、所望の寸法およ
び形状の被加工膜パターンを得ることができる。
る半導体装置の製造方法では、ArFレーザ光7を露光し
た後、露光後ベークに先立って、ベンゼン環構造を有す
るベース樹脂5をArFレジスト4上に形成した。そし
て、露光後ベークを行うことにより、ArFレジスト4の
露光部41表面からベース樹脂5に酸を熱拡散させ、現
像によりArFレジスト4とベース樹脂5とをパターニン
グした。そして、ArFレジストパターン43とベース樹
脂パターン53とをマスクとして用いて、被加工膜2を
ドライエッチング処理した。
高いドライエッチング耐性を有するため、従来のように
ArFレジストパターンの表面荒れやスパイクの発生を防
止することができる。従って、ArFリソグラフィにより
形成された微細レジストパターン43のドライエッチン
グ耐性を向上させることができる。これにより、被加工
膜2を所望の寸法および形状で微細加工することができ
る。また、ArFレジストパターン43と被加工膜パター
ン21の寸法差や形状劣化を抑えることができる。
の表面近傍の酸がベース樹脂5に熱拡散するため、従来
よりもArFレジスト4の表面部での酸の量を大幅に減少
させることができる。これにより、レジストパターント
ップ部の膜減りを大幅に抑制することができる。従っ
て、所望の寸法および形状の被加工膜パターン21が得
られる。
は、ArFレジスト4を形成した後、露光後ベークに先立
って、ArFレジスト4上にKrFレジスト用のベンゼン環構
造を有するベース樹脂5を形成した。本発明の実施の形
態2では、上記KrFレジスト用のベース樹脂5の代わり
に、ArFレジスト用の共重合系ベース樹脂、ArFレジスト
用のアクリル系ベース樹脂の少なくとも何れか1つを、
ArFレジスト4上に形成した。ここで、上記共重合系ベ
ース樹脂の一例を図6(b)に示す。具体的には、ノル
ボルネンと無水マレイン酸との共重合体、及びその誘導
体等である。また、上記アクリル系ベース樹脂の一例を
図6(a)に示す。具体的には、アクリル系樹脂、及び
その誘導体等である。なお、この共重合系ベース樹脂お
よびアクリル系ベース樹脂は、実施の形態1と同様に、
50nm〜200nm程度の厚さで形成した。その他の製造方法
についても実施の形態1と同様であるため、本実施の形
態2ではその説明を省略する。
ゼン環構造を有するベース樹脂の代わりにアクリル系ベ
ース樹脂又は共重合系ベース樹脂を用いた。すなわち、
ArFレーザ光7をArFレジスト4に露光した後、露光後ベ
ークに先立って、アクリル系ベース樹脂又は共重合系ベ
ース樹脂をArFレジスト4上に形成した。その後、露光
後ベークによりArFレジスト4の露光部41からベース
樹脂に酸を熱拡散させ、現像によりArFレジスト4とベ
ース樹脂とをパターニングした。そして、ArFレジスト
パターンとベース樹脂パターンをマスクとして用いて、
被加工膜2をドライエッチング処理した。この場合も、
実施の形態1と同様に、露光後ベーク時に、ArFレジス
ト4の表面近傍の酸がベース樹脂5に熱拡散するため、
ArFレジスト4の表面部での酸の量を減少させることが
できる。これにより、従来と比べて、レジストパターン
トップ部の膜減りを大幅に抑制することができる。従っ
て、所望の寸法および形状で被加工膜2を微細加工する
ことができる。また、ベース樹脂の膜厚の分だけ、ドラ
イエッチングに用いるマスクの膜厚が増加するため、高
いドライエッチング耐性を有するエッチングマスクが得
られる。
系ベース樹脂、共重合系ベース樹脂の少なくとも1つを
ベース樹脂としたが、実施の形態1によるベンゼン環構
造を有するベース樹脂との積層構造を有するものであっ
てもよい。
り形成された微細レジストパターンのドライエッチング
耐性を向上させることができる。また、レジストパター
ントップ部の形状を改善することができ、被加工膜を寸
法および形状制御性良く加工することが可能となる。
造方法を説明するための断面図である(その1)。
造方法を説明するための断面図である(その2)。
チング耐性向上の原理を説明するための断面図である。
構造を有するベース樹脂の一例を示す図である。
スにおいて、酸の熱拡散を説明するための断面図であ
る。
ベース樹脂および共重合系ベース樹脂の一例を示す図で
ある。
の断面図である(その1)。
の断面図である(その2)。
ライエッチング耐性を比較するための断面図である。
拡散を説明するための断面図である。
Claims (9)
- 【請求項1】 基板上に被加工膜を形成する工程と、 前記被加工膜上にレジストを形成する工程と、 所定の波長以下の光を、フォトマスクを介して前記レジ
ストに露光する工程と、 前記レジスト上に、酸触媒反応により現像液への溶解性
が変化する層を形成する工程と、 前記層を形成した後、ベークを行う工程と、 前記レジストおよび前記層を現像して、前記レジストお
よび前記層をパターニングする工程と、 パターニングされた前記レジストおよび前記層をマスク
として、前記被加工膜をドライエッチングする工程と、 を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項2】 請求項1に記載の製造方法において、 前記層がベース樹脂であることを特徴とする半導体装置
の製造方法。 - 【請求項3】 請求項2に記載の製造方法において、 前記ベース樹脂が、ベンゼン環構造を有するベース樹脂
であることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項4】 請求項3に記載の製造方法において、 前記ベンゼン環構造を有するベース樹脂が、ポリ(4−
ヒドロキシスチレン)のtert−ブトキシカルボネート、
ポリ(4−ヒドロキシスチレン)のtert−ブチルエステ
ル、ポリ(4−ヒドロキシスチレン)のエトキシエチル
エーテル、ポリ(4−ヒドロキシスチレン)のテトラヒ
ドロピラニルエーテル、4−ヒドロキシスチレン−tert
−ブチルアクリレート共重合体、ポリ(3−ヒドロキシ
スチレン)のtert−ブトキシカーボネート、又はそれら
の誘導体であることを特徴とする半導体装置の製造方
法。 - 【請求項5】 請求項2に記載の製造方法において、 前記ベース樹脂が、共重合系ベース樹脂、アクリル系ベ
ース樹脂の少なくとも1つを含むことを特徴とする半導
体装置の製造方法。 - 【請求項6】 請求項5に記載の製造方法において、 前記共重合系ベース樹脂が、ノルボルネンと無水マレイ
ン酸との共重合体、又はその誘導体であることを特徴と
する半導体装置の製造方法。 - 【請求項7】 請求項5又は6に記載の製造方法におい
て、 前記アクリル系ベース樹脂が、アクリル系樹脂、又はそ
の誘導体であることを特徴とする半導体装置の製造方
法。 - 【請求項8】 請求項1から7の何れかに記載の製造方
法において、 前記層を50nm〜200nmの厚さで形成することを
特徴とする半導体装置の製造方法。 - 【請求項9】 請求項1から8の何れかに記載の製造方
法において、 前記所定の波長が193nmであることを特徴とする半
導体装置の製造方法。
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