JP2005114973A

JP2005114973A - 微細レジストパターンの形成方法

Info

Publication number: JP2005114973A
Application number: JP2003348260A
Authority: JP
Inventors: Manabu Watanabe; 学渡辺
Original assignee: Semiconductor Leading Edge Technologies Inc
Current assignee: Semiconductor Leading Edge Technologies Inc
Priority date: 2003-10-07
Filing date: 2003-10-07
Publication date: 2005-04-28

Abstract

【目的】電子線露光または光露光によるライン形成単層レジストプロセスにおいて、アルカリ現像後のレジストパターンに微弱なシリル化処理及びＣ−Ｆ系エッチング処理を施すことで、パターンのラインエッジラフネスを低減させる。
【構成】下地膜１１上にレジスト１２を塗布し、電子線または光により露光を行い、によりパターン１２ａを形成した後、レジストパターン１２ａに弱いシリル化処理を施すことで、パターンの側壁部であるラインエッジラフネス部を重点的にシリル化した後、Ｃ−Ｆ系ガスによるエッチングを施すことで、シリル化層をエッチング除去し、パターンのラインエッジラフネス部を取り除き、良好なプロファイルを得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体製造における微細レジストパターン形成方法に関するものである。

近年半導体デバイスは益々高集積化し、それにつれパターンの微細化が急速に進行している。それに伴い要求されるＣＤ制御範囲も、狭くなる傾向にあり、ＣＤ制御の１つとして、レジストパターン端部の乱れ、いわゆるラインエッジラフネス（ＬＥＲ）も微細化を要求されるようになり、制御が困難を極める状況になっている。このＬＥＲはレジストパターニング後のエッチング工程での線幅ばらつきに影響を与えるため、製造管理の手法である３σにて数ｎｍレベルの値を要求されるようになってきている。

現在レジストに使用されているポリマーは、分子量が１００程度のポリマーであり、そのポリマー１つの大きさは数ｎｍに相当する。更にこのポリマーは、数個のポリマー分子が凝集して、クラスター化するため、このレジストを用いてパターニングしたパターンにおいては、ＬＥＲが大きくなる要因を持っている。このように、現状のレジストでは、ＬＥＲはポリマー種に依存してしまうため、ポリマーを最適化しても、必ずしもＬＥＲを改善することができなかった。

すなわち、従来のパターニング方法によるパターンの断面図である図２（ａ）に示すように、下地２１にレジストを塗布してパターニングすると、得られるパターンは、パターン側壁及び上面が凹凸状となるラフネス部２５が生じる。この現象は、ラフネス部２５がパターン中心部２６比較して、露光時に与えられたエネルギー量が低いことに起因すると考えられ、ポリマー種を最適化しても必ずしも全てのポリマー種において、このＬＥＲを解消することができるわけではなかった。

また、レジストパターンのエッジラフネスの発生を防止するために、高温でＰＥＢを行った後、再度低温でＰＥＢを行う方法が知られているが（特許文献１参照）、この方法によっても、十分満足できるエッジラフネスの防止を実現することは困難であった。
特開２００３−６８６０２号公報

本発明は、従来のパターニングにおけるＬＥＲ発生の問題を解消するために成されたもので、簡単な手法で効果的にパターニング後のレジスト界面の凹凸（ラインエッジラフネス：ＬＥＲ）を減少させる方法を提供するものである。

本発明は、アルカリ現像によって得られたパターンに対して、弱いシリル化処理を行うことで、ラフネス部とパターン中心部にＳｉ含有量のコントラストがつくようにする。その後Ｃ−Ｆ系ガスによりＳｉ含有量の多いラフネス部を選択的にエッチングすることにより、良好なプロファイルのパターンが得られることに着目して成されたものである。

すなわち第１の本発明は、基板上にレジストを塗布する工程と、前記レジストを紫外線もしくは電子線を用いて露光する工程と、前記工程で露光したレジストをアルカリ現像しパターンを形成する工程と、前記パターンを形成したレジストをシリル化処理する工程と、前記シリル化処理されたレジストをエッチング処理する工程を少なくとも備えたことを特徴とする微細レジストパターン形成方法である。

前記第１の本発明において、前記シリル化処理が、前記レジストのラインエッジラフネス部をシリル化するものであることが好ましい。また、Ｓｉ導入量をレジストのＯＨ残存量に比例させて行うこと、さらに、前記シリル化処理を行う際、レジストガラス転移温度の低下によるレジスト溶解を招かないシリル化方法を採用することも考えられる。さらに、前記エッチング処理が、パターン中心部以外の部分を選択的にエッチングするものであること、また、エッチングガスとしてＣ−Ｆ系ガスを使用することが好ましい。

第２の本発明は、基板上にレジストを塗布する工程と、前記レジストを紫外線もしくは電子線を用いて露光する工程と、前記工程で露光したレジストをアルカリ現像しパターンを形成する工程と、前記パターンを形成したレジストに対して弱いシリル化処理を行うことにより、パターンのラインエッジラフネス部とパターンの中心部とにおいてＳｉ含有量の差が生ずるようにする処理を行う工程と、前記シリル化処理されたレジストをＣ−Ｆ系ガスによってエッチング処理する工程を少なくとも備えたことを特徴とする微細レジストパターン形成方法である。

以上のように、本発明を以ってすればレジストのラインエッジラフネスを除去でき、レジスト材料の選択幅を広げることができる。またこの手法により、波長に依存するレジスト種を問わずラフネスを低減することが可能になる。

以下本発明の原理について、一般的なリソグラフィーにおける露光光とパターン形状の関係を示す図２を用いて説明する。図２（ａ）は、露光および現像によって得られるパターンの断面図である。また、図２（ｂ）は、このパターンを形成するのに用いた露光光のエネルギー分布であり、図２（ａ）の対応する位置のエネルギー分布を示している。図２に見られるように、一般的に光あるいは電子線によって、レジストを露光した場合、露光領域境界部はエネルギー量が低い状態となっている。すなわち、図２（ｂ）に示すように、領域Ａ１および領域Ａ２においては、露光光のエネルギーがパターン中心部の領域Ａ３と比較して低い。そのために、この領域Ａ１および領域Ａ２に相当するパターンの側壁部２５において、パターンのラインエッジラフネスの発生が見られる。

また、この領域Ａ１およびＡ２においては、化学増幅型レジストではネガタイプ及びポジタイプとも、ポリマー側鎖のＯＨ基の残存量が露光中心部すなわち領域Ａ３より多い。そのためパターンのラインエッジラフネスに相当する領域Ａ１およびＡ２は、シリル化されやすいことになる。従って、このパターンにシリル化処理を施すことによって、レジストのラインエッジラフネス部と中心部でのＳｉ含有量にコントラストをつけることができる。その後、Ｃ−Ｆ系ガスでエッチングすると、Ｓｉ含有量の多いラフネス部が優先的にエッチングされ、その結果、レジストのラインエッジラフネス部２５において、パターン端部が平滑になり、良好なプロファイルのパターンが得られる。このように、本発明はラインエッジラフネス部２５を重点的にシリル化することで、Ｃ−Ｆ系ガスに対してエッチングをされやすくなる作用を用いて優先的にエッチングするものである。

以下本発明のパターン形成方法についてそのプロセスを示す図１を用いて工程順に説明する。
まず、図１（ａ）に示すように、シリコンウェハのような基板を含む下地１１上に、レジスト１２を塗布する。このレジスト層の膜厚としては、２００〜３００ｎｍの範囲が好ましく、このレジスト材料としては、公知のポジ形あるいはネガ型の化学増幅レジストを用いることができる。

次に、図１（ｂ）に示すように、このレジスト１２上に、紫外線、Ｘ線、電子線などの露光光１３を照射して、レジスト表面に描画を行う。

次に、図１（ｃ）に示すように、熱処理を行った後、レジストの感光部１２ｂをアルカリ現像液によって、除去してパターン１２ａを形成する。

この工程における熱処理は、ＰＥＢと呼ばれている「露光後やきしめ」であり、露光時の定在波の影響によるパターンエッジの凹凸を減少させたり、あるいは、化学増幅型レジストの触媒作用による酸の発生を加速させたりするために行われるものであり、慣用されている条件を採用することができる。

また、アルカリ現像処理は、現像機を用いて強アルカリ性のＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムヒドロオキサイド）を含む現像剤を用いて露光したレジストを処理することによって行うことができる。

次に、図１（ｄ）に示すように、現像処理したレジストにシリル化処理を行う。
本実施の形態におけるシリル化処理は、液相もしくは気相において、被処理基板をシリル化剤と接触させることによって行うことができる。シリル化剤としては、ジメチルシリルジメチルアミン、ジメチルシリルジエチルアミン、ジメチルアミノジメチルジシラン、ヘキサメチルジシラザン、テトラメチルジシラザン、ビス（ジメチルアミノ）ジメチルシラン、あるいは、Ｎ，Ｎ’−ジメチルアミノトリメチルシラン等公知の材料を採用することができる。

気相シリル化処理は、２００℃以下の温度で、１〜３分間、レジストとシリル化処理剤とを接触させることによって行うことができる。
液相シリル化処理は、室温あるいは加熱下で、レジストを、シリル化剤を含有する液体に浸漬して行うことができる。加熱条件としては、シリル化処理剤の沸点以下の温度であればよい。また、シリル化剤の拡散を促進させることによって反応を加速させることができる。この拡散促進剤としては、例えば、Ｎ−メチル−２−ピロリドンを用いることができる。また、シリル化剤および拡散促進剤を溶解する溶媒の溶液中でシリル化を行うこともできる。この溶媒としては、キシレンのような、シリル化剤に対して不活性な溶媒が用いられる。また、液相シリル化処理を行う前に、レジストを例えば１７０℃２分間の熱処理することもできる。これによって、シリル化反応をさらに促進することができる。

この工程において、シリル化によって導入されるＳｉ量は、ＯＨ残存量に比例する。従って、残留ＯＨ量が多いラフネス部には多量のＳｉを導入することができる一方、残留ＯＨ量が少ないパターン中心部は、導入Ｓｉ量が少量となる。

また、この工程において、シリル化は、弱いシリル化を行うことが好ましい。弱いシリル化とは、シリル化反応の条件を比較的穏和な条件とすることによって、特にパターンの中心部において過剰にシリル化されることのないようにすることであり、比較的低温で、かつ短時間でシリル化を行うことによって、実施することができる。これによって、パターンの中心部にはわずかなＳｉ元素が導入され、パターンのラフネス部においては、十分な量のＳｉ元素を導入することができ、パターンのラフネス部とパターン中心部にＳｉ含有量のコントラストをつけることができる。

また、このシリル化処理に当たっては、レジストがシリル化されることによって、ガラス転移温度が低下しないような方法を採用することもできる。レジストのガラス転移温度が低下すると、その後のプロセスにおいて、レジストの溶解が発生し、解像度の優れたリソグラフィーが期待できなくなる。

図３に、露光光照射量とシリル化との関係を示す。図３において、横軸にドーズ量、縦軸にレジスト膜厚を示した図である。この図から、ドーズ量の低い領域Ｂ１では、残留ＯＨ基が存在するためシリル化処理により、レジスト中に多くのＳｉを導入することができる。それに反して露光量の多いパターン中心部領域Ｂ２では、残留ＯＨ基が少ないため、シリル化がほとんど起らないことが分かる。

次に、図１（ｅ）に示すように、シリル化処理したレジスト層をエッチングする。この工程において、Ｃ−Ｆ系ガスによるエッチングを採用することにより、Ｓｉ含有量が多くエッチングレートの高いラインエッジラフネス部が優先的にエッチングされ、Ｓｉ含有量の少ないパターン中心部においてはエッチングがほとんど進行しないため、優れたプロファイルのパターンが得られる。

すなわち、この工程においては、Ｃ−Ｆ系ガスを用いたガスエッチングが好ましく、エッチング方法としては、従来公知のプラズマエッチング、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）、リアクティブイオンビームエッチングなどの方法を採用することができる。エッチングガスとして用いるＣ−Ｆ系ガスとしては、ＣＦ_４、ＣＦ_４＋Ｏ_２、ＣＦ_４＋Ｈ_２などのガスを用いることができる。

特に、このエッチング工程において、エッチング剤としてＣＦ_４を用い、プラズマエッチングを行うことが好ましい。このエッチングによって、ＣＦ_４は活性ラジカルのＦを発生し、レジスト上のＳｉ原子と反応して揮発性の高いＳｉＦ_４を生成し、パターンから除去される。

以下こうして形成されたパターン１２ａを用いて、慣用の方法を採用して、下地層に対して各種加工を行うことにより、半導体装置を製造することができる。

本発明の微細レジストパターンの形成方法を工程順に示す部分断面図。本発明が克服する現象の要因を示す図（パターン断面図）。本発明のシリル化処理の実験例を示す図。

符号の説明

１１：下地層
１２：塗布レジスト
１２ａ：レジストパターン
１２ｂ：レジスト露光部
１３：露光光
１４：レジストの開口
１５：シリル化層
２１：下地層
２５：パターンラインエッジラフネス部（低露光エネルギー部）
２６：パターン中心部（高露光エネルギー部）

Claims

基板上にレジストを塗布する工程と、前記レジストを紫外線もしくは電子線を用いて露光する工程と、前記工程で露光したレジストをアルカリ現像しパターンを形成する工程と、前記パターンを形成したレジストをシリル化処理する工程と、前記シリル化処理されたレジストをエッチング処理する工程を少なくとも備えたことを特徴とする微細レジストパターン形成方法。
前記シリル化処理が、前記レジストのラインエッジラフネス部をシリル化するものであることを特徴とする請求項１に記載の微細レジストパターン形成方法。
前記エッチング処理が、パターン中心部以外の部分を選択的にエッチングするものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の微細レジストパターン形成方法。
前記エッチング処理が、エッチングガスとしてＣ−Ｆ系ガスを使用するものであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の微細レジストパターン形成方法。
基板上にレジストを塗布する工程と、前記レジストを紫外線もしくは電子線を用いて露光する工程と、前記工程で露光したレジストをアルカリ現像しパターンを形成する工程と、前記パターンを形成したレジストに対して弱いシリル化処理を行うことにより、パターンの中心部と比較してパターンのラインエッジラフネス部においてＳｉ含有量が高くなるようにする工程と、前記シリル化処理されたレジストをＣ−Ｆ系ガスによってエッチング処理する工程とを少なくとも備えたことを特徴とする微細レジストパターン形成方法。