JP2004228242A

JP2004228242A - 微細パターン形成方法

Info

Publication number: JP2004228242A
Application number: JP2003012758A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Irie; 重夫入江
Original assignee: Semiconductor Leading Edge Technologies Inc
Current assignee: Semiconductor Leading Edge Technologies Inc
Priority date: 2003-01-21
Filing date: 2003-01-21
Publication date: 2004-08-12

Abstract

【課題】パターン解像度低下やパターン寸法変動することなく、下地基板に所望のパターンを形成する。
【解決手段】下地基板上に反射防止膜を形成する工程と、この反射防止膜上に所定パターンを有するフォトレジストを形成する工程と、このフォトレジストをマスクとして反射防止膜をエッチングする第１のエッチング工程と、反射防止膜をマスクとして下地基板をエッチングする第２のエッチング工程とを有する。そして、反射防止膜として、第１のエッチング工程ではフォトレジストよりもエッチングレートが高く、第２のエッチング工程では下地基板よりもエッチングレートが低いものを用いる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、下地基板上に反射防止膜を形成する工程と、この反射防止膜上に所定パターンを有するフォトレジストを形成する工程とを有する微細パターン形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体集積回路の高集積化にともない、微細パターン形成を高精度に行うことが必要となっている。この微細パターン形成には、一般にフォトリソグラフィーと呼ばれる方法が用いられている。このフォトリソグラフィーでは、加工すべき下地基板上に塗布した感光性有機膜（フォトレジスト）を単一波長の露光光で露光する。この時、下地基板からの露光光の反射によって、以下のような問題が生ずる。
【０００３】
まず、フォトレジストの内部で露光光の多重干渉による定在波が発生し、レジスト膜厚方向の露光むらが生じる。これにより、フォトレジストのパターンの形状や解像度が劣化したり、パターンの寸法が膜厚により変動したりという問題がある。そして、下地基板の段差部分で斜め方向に反射した露光光によって、フォトレジストの本来感光しない領域が感光されて所望のパターンを形成することができないという問題がある。
【０００４】
この問題を解消するため、半導体デバイスの量産で適用されている波長２４８ｎｍのエキシマレーザを用いたＫｒＦリソグラフィや波長１９３ｎｍのＡｒリソグラフィでは、有機材料からなる反射防止膜をフォトレジストの下層に形成して露光光の反射を抑制する方法（ＢｏｔｔｏｍＡｎｔｉＲｅｆｌｅｃｔｉｖｅＣｏａｔｉｎｇ，ＢＡＲＣ法）が多く用いられている。
【０００５】
図３は、ＢＡＲＣ法を用いた従来の微細パターン形成方法を示す工程断面図である。まず、図３（ａ）に示すように、シリコン基板１上の加工すべき下地基板２上に、有機材料からなる反射防止膜３を形成する。そして、この反射防止膜３上にフォトレジスト４を形成する。次に、図３（ｂ）に示すように、所望のパターンが描かれたフォトマスク５を介して露光を行う。そして、図３（ｃ）に示すように、現像によってフォトレジスト４に所望のパターンが形成される。
【０００６】
次に、図３（ｄ）に示すように、所望のパターンを有するフォトレジスト４をマスクとして反射防止膜３をエッチングする。そして、図３（ｅ）に示すように、フォトレジスト４によって、下地基板２もエッチングする。さらに、図３（ｆ）に示すように、フォトレジスト４及び反射防止膜３を酸素プラズマによって除去すれば、所望のパターンを有する地下基板２を得ることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ＡｒＦリソグラフィの次世代技術として期待されているＦ_２（波長１５７ｎｍ）リソグラフィでは、現在、透明性及びドライエッチング耐性の十分に高いフォトレジストがない。よって、反射防止膜を厚くすると、従来のようにフォトレジストをマスクとして反射防止膜と下地基板の両方をエッチングすることはできない。また、反射防止膜を薄くすると、下地基板からの反射を十分に防ぐことができず、パターン解像度低下やパターン寸法変動により、下地基板に所望のパターンを形成することができない。
【０００８】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、パターン解像度低下やパターン寸法変動することなく、下地基板に所望のパターンを形成することができる微細パターン形成方法を得るものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る微細パターン形成方法は、下地基板上に反射防止膜を形成する工程と、この反射防止膜上に所定パターンを有するフォトレジストを形成する工程と、このフォトレジストをマスクとして反射防止膜をエッチングする第１のエッチング工程と、反射防止膜をマスクとして下地基板をエッチングする第２のエッチング工程とを有し、反射防止膜として、第１のエッチング工程ではフォトレジストよりもエッチングレートが高く、第２のエッチング工程では下地基板よりもエッチングレートが低いものを用いる。この発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における微細パターン形成方法を示す工程断面図である。まず、図１（ａ）に示すように、シリコン基板１１上に、加工すべき下地基板として、７０ｎｍ世代のトランジスタのゲート電極として用いる５０ｎｍ膜厚のタングステン金属膜１２を形成する。次に、このタングステン金属膜１２上に、反射を防止するための有機材料膜である反射防止膜１３を１５０ｎｍ膜厚で塗布し、２０５℃で６０秒の条件でベーキングする。そして、反射防止膜１３上に、波長１５７ｎｍのＦ_２リソグラフィ用のフォトレジスト１４を１３０ｎｍ膜厚で塗布し、１１０℃で６０秒の条件でベーキングする。
【００１１】
次に、図１（ｂ）に示すように、所定のゲートパターンが描画されたマスク１５を介してＦ_２露光装置を用いて露光し、１１０℃９０秒の条件でベーキングを行う。そして、図１（ｃ）に示すように、フォトレジスト１４を２．３８％濃度のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）現像液により現像する。これにより、反射防止膜１３上に所定パターンを有するフォトレジスト１４が形成される。
【００１２】
そして、図１（ｄ）に示すように、第１のエッチング工程として、フォトレジスト１４をマスクとして反射防止膜１３をＮ_２／Ｏ_２系ガスを用いてドライエッチングする。これにより、所定のパターンを有する反射防止膜１３が形成される。なお、このエッチングはフォトレジスト１４が完全に無くなるまで行われる。
【００１３】
次に、図１（ｅ）に示すように、第２のエッチング工程として、所定のパターンを有する反射防止膜１３をマスクとしてタングステン金属膜１２をＳＦ_６／Ｎ_２系ガスを用いてドライエッチングする。これにより、所定のパターンを有するタングステン金属膜１２が形成される。さらに、図１（ｆ）に示すように、反射防止膜１３を酸素プラズマにより除去すると、所望のゲート電極を得ることができる。
【００１４】
反射防止膜１３の主材質であるアクリル系ポリマーは、ＫｒＦ（波長２４８ｎｍ）リソグラフィやＡｒＦ（波長１９３ｎｍ）リソグラフィにおいて、従来から用いられてきたもので、屈折率ｎが１．６０以上１．９０以下で、消衰係数ｋが０．１２以上０．３５以下である。ただし、このプロセスで用いる反射防止膜１３は、アクリル系ポリマーに少なくとも１個以上のシリコン原子または酸素原子を含む置換基を加えたものである。これにより、反射防止膜１３は、第１のエッチング工程であるＮ_２／Ｏ_２系ガスを用いたドライエッチングではフォトレジストよりもエッチングレートが高く、第２のエッチング工程であるＳＦ_６／Ｎ_２系ガスを用いたドライエッチングではタングステン金属膜１２よりもエッチングレートが低くなっている。
【００１５】
よって、反射防止膜は、Ｎ_２／Ｏ_２系ガスを用いたドライエッチングではフォトレジストよりもエッチングレートが高いため、下地基板からの反射を抑制するのに十分な厚みを確保してもフォトレジストをマスクとしてエッチングすることができる。そして、反射防止膜は、ＳＦ_６／Ｎ_２系ガスを用いたドライエッチングでは下地基板よりもエッチングレートが低いため、これをマスクとして下地基板をエッチングすることができる。
【００１６】
以上のような微細パターン形成方法を用いることにより、透明性及びドライエッチング耐性の十分に高いフォトレジストが存在しないＦ２リソグラフィにおいても、パターン解像度低下やパターン寸法変動することなく、下地基板に所望のパターンを形成することができる。
【００１７】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２における微細パターン形成方法を示す工程断面図である。まず、図２（ａ）に示すように、シリコン基板１１上に、加工すべき下地基板として、７０ｎｍ世代のトランジスタのゲート電極として用いる５０ｎｍ膜厚のタングステン金属膜１２を形成する。次に、このタングステン金属膜１２上に、無機材料膜としてシリコン窒化膜１６をＣＶＤ法（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって７０ｎｍ膜厚堆積する。そして、このシリコン窒化膜１６上に、反射を防止するための有機材料膜である反射防止膜１７を８０ｎｍ膜厚で塗布し、２０５℃で６０秒の条件でベーキングする。さらに、反射防止膜１７上に、波長１５７ｎｍのＦ_２リソグラフィ用のフォトレジスト１８を１１０ｎｍ膜厚で塗布し、１１０℃で６０秒の条件でベーキングする。
【００１８】
次に、図２（ｂ）に示すように、所定のゲートパターンが描画されたマスク１９を介してＦ_２露光装置を用いて露光し、１１０℃９０秒の条件でベーキングを行う。そして、図２（ｃ）に示すように、フォトレジスト１８を２．３８％濃度のＴＭＡＨ現像液により現像する。これにより、反射防止膜１７上に所定パターンを有するフォトレジスト１８が形成される。
【００１９】
そして、図２（ｄ）に示すように、第３のエッチング工程として、フォトレジスト１８をマスクとして反射防止膜１７をＮ_２／Ｏ_２系ガスを用いてドライエッチングする。これにより、所定のパターンを有する反射防止膜１７が形成される。なお、このエッチングはフォトレジスト１８が完全に無くなるまで行われる。
【００２０】
次に、図２（ｅ）に示すように、第４のエッチング工程として、所定のパターンを有する反射防止膜１７をマスクとしてシリコン窒化膜１６をＣＦ_４／Ｏ_２／ＣＨ_４Ｆ_２系ガスを用いてドライエッチングする。これにより、所定のパターンを有するシリコン窒化膜１６が形成される。さらに、図２（ｆ）に示すように、第５のエッチング工程として、所定のパターンを有するシリコン窒化膜１６をマスクとしてタングステン金属膜１２をＳＦ_６／Ｎ_２系ガスを用いてドライエッチングする。これにより、所定のパターンを有するタングステン金属膜１２が形成される。
【００２１】
このプロセスで用いる反射防止膜１７は、アクリル系ポリマーに少なくとも１個以上のシリコン原子または酸素原子を含む置換基を加えたものである。これにより、反射防止膜１７は、第３のエッチング工程であるＮ_２／Ｏ_２系ガスを用いたドライエッチングではフォトレジストよりもエッチングレートが高く、第４のエッチング工程であるＣＦ_４／Ｏ_２／ＣＨ_４Ｆ_２系ガスを用いたドライエッチングではシリコン窒化膜１６よりもエッチングレートが低くなっている。
【００２２】
よって、反射防止膜は、Ｎ_２／Ｏ_２系ガスを用いたドライエッチングではフォトレジストよりもエッチングレートが高いため、下地基板からの反射を抑制するのに十分な厚みを確保してもフォトレジストをマスクとしてエッチングすることができる。そして、反射防止膜は、ＣＦ_４／Ｏ_２／ＣＨ_４Ｆ_２系ガスを用いたドライエッチングでは無機材料膜よりもエッチングレートが低いため、これをマスクとして無機材料膜をエッチングすることができる。さらに、シリコン窒化膜はタングステン金属膜よりも低反射で、反射防止膜に対するエッチングレートが早いため、実施の形態１に比べて反射防止膜を薄膜にすることができる。これに伴い、レジストも薄膜にすることができるので、解像性能が更に向上する。
【００２３】
以上のような微細パターン形成方法を用いることにより、透明性及びドライエッチング耐性の十分に高いフォトレジストがないＦ２リソグラフィにおいても、パターン解像度低下やパターン寸法変動することなく、下地基板に所望のパターンを形成することができる。
【００２４】
なお、上記の場合は、反射防止膜１７とシリコン窒化膜１６を別々にエッチングしたが、ＣＦ_４／Ｏ_２／ＣＨ_４Ｆ_２系ガスを用い、フォトレジスト１８をマスクにして反射防止膜１７とシリコン窒化膜１６を連続してエッチングすることもできる。
すなわち、第３のエッチング工程と第４のエッチング工程を同じエッチング条件で連続して行うことができる。また、連続してエッチングしている際に、フォトレジスト１８が無くなった時点で、反射防止膜１７をマスクにしてシリコン窒化膜１６をエッチング加工することもできる。
【００２５】
【発明の効果】
この発明は以上説明したように、パターン解像度低下やパターン寸法変動することなく、下地基板に所望のパターンを形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１における微細パターン形成方法を示す工程断面図である。
【図２】実施の形態２における微細パターン形成方法を示す工程断面図である。
【図３】従来の微細パターン形成方法を示す工程断面図である。
【符号の説明】
１２タングステン金属膜（下地基板）
１３反射防止膜
１４フォトレジスト
１６無機材料膜
１７反射防止膜
１８フォトレジスト

Claims

下地基板上に反射防止膜を形成する工程と、この反射防止膜上に所定パターンを有するフォトレジストを形成する工程と、このフォトレジストをマスクとして前記反射防止膜をエッチングする第１のエッチング工程と、前記反射防止膜をマスクとして前記下地基板をエッチングする第２のエッチング工程とを有し、前記反射防止膜として、前記第１のエッチング工程では前記フォトレジストよりもエッチングレートが高く、前記第２のエッチング工程では前記下地基板よりもエッチングレートが低いものを用いることを特徴とする微細パターン形成方法。
前記反射防止膜としてアクリル系ポリマーに少なくとも１個以上のシリコン原子または酸素原子を含む置換基を加えたものを用い、第１のエッチング工程にＮ_２／Ｏ_２系ガスを用いたドライエッチングを行い、第２のエッチング工程にＳＦ_６／Ｎ_２系ガスを用いたドライエッチングを行うことを特徴とする請求項１記載の微細パターン形成方法。
下地基板上に無機材料膜を形成する工程と、この無機材料膜上に反射防止膜を形成する工程と、この反射防止膜上に所定パターンを有するフォトレジストを形成する工程と、このフォトレジストをマスクとして前記反射防止膜をエッチングする第３のエッチング工程と、前記反射防止膜をマスクとして前記無機材料膜をエッチングする第４のエッチング工程と、前記無機材料膜をマスクとして前記下地基板をエッチングする第５のエッチング工程とを有し、前記反射防止膜として、前記第３のエッチング工程では前記フォトレジストよりもエッチングレートが高く、前記第４のエッチング工程では前記無機材料膜よりもエッチングレートが低いものを用いることを特徴とする微細パターン形成方法。
前記反射防止膜としてアクリル系ポリマーに少なくとも１個以上のシリコン原子または酸素原子を含む置換基を加えたものを用い、第３のエッチング工程にＮ_２／Ｏ_２系ガスを用いたドライエッチングを行い、第４のエッチング工程にＣＦ_４／Ｏ_２／ＣＨ_４Ｆ_２系ガスを用いたドライエッチングを行うことを特徴とする請求項３記載の微細パターン形成方法。
第３のエッチング工程と第４のエッチング工程を同じエッチング条件で連続して行うことを特徴とする請求項３記載の微細パターン形成方法。