JP2005136430A

JP2005136430A - パターン形成方法

Info

Publication number: JP2005136430A
Application number: JP2004330969A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Harano; 俊彦原野
Original assignee: Nippon Electric Kagoshima Ltd; NEC Kagoshima Ltd
Current assignee: Nippon Electric Kagoshima Ltd; NEC Kagoshima Ltd
Priority date: 2004-11-15
Filing date: 2004-11-15
Publication date: 2005-05-26

Abstract

【課題】エッチングのパターン精度を良くするパターン形成方法を提供する。
【解決手段】フォトレジストを塗布後プリベーク温度及びプリベーク時間を制御（１３５〜１５０℃、１３０〜１５０秒又は１００〜１３５℃、１５０〜１７０秒）し、さらに、ハーフ現像部の露光量を４５〜６５ｍＪ／ｃｍ^２とすることによりハーフ現像部の膜厚を４００±１００ｎｍに収めることができ、その結果、ハーフ現像部をマスクとして形成されるエッチングパターンの幅のばらつきを１μｍ以内に抑えることが可能となった。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体素子用のパターン形成方法に関し、１つのフォトレジストパターンで複数のパターンを形成する方法に関する。

薄膜トランジスタなどを製造する際、パターンを形成する技術としてフォトリソグラフィの技術がある。フォトリソグラフィとは、感光性を持つフォトレジストを塗布し、所定のパターンの紫外線を照射してフォトレジストを感光させ、感光部分または非感光部分のフォトレジストを溶かす現像の３工程からなる一連の工程である。
通常、１回のフォトリソグラフィで１つのパターンを形成でき、薄膜トランジスタなどは、このフォトリソグラフィを５〜８回通ることによって完成する。

近年、液晶パネルのプライスダウンが進んでいるため、薄膜トランジスタの製造コストも削減する必要が出てきている。薄膜トランジスタにおいては、フォトリソグラフィの回数を減らすことによって、大幅に製造コストを削減することが出来るが、通常１回のフォトリソグラフィでは、１つのパターンしか形成できないので、従来ではフォトリソグラフィの回数を減らすのに限界があった。

ところが近年、グレイトーンマスク（特許文献１）による露光、或いは、パターンの異なるマスクを２回使用して露光する２段露光といった技術により、１回のフォトリソグラフィで２つのパターンを同時に形成することが可能となった。

特開２０００−０６６２４０号公報

しかしながら、グレイトーンマスクにおいては、グレイトーン部分のマスク設計が難しいことや、２段露光においてはフォトレジストを半分だけ現像する、ハーフ現像の技術が難しいことから、パターンのバラツキが大きくなる問題を持っている。
本発明は、ハーフ現像によるフォトレジストパターンのパターン精度を良くして、ハーフ現像のフォトレジストパターンをマスクとして形成されるエッチングパターンのパターン精度を良くするパターン形成方法を提供することにある。

本発明のパターン形成方法の構成は、被エッチング膜の上にポジ型のレジスト膜を塗布する工程と、前記レジスト膜を熱処理した後、前記レジスト膜のうち前記レジストパターンが形成されない領域のレジスト膜が第１の露光量で、前記レジスト膜のうち薄レジストパターンの形成予定領域が前記第１の露光量よりも少ない第２の露光量でそれぞれ選択的に露光する工程と、前記レジスト膜を現像することにより前記厚レジストパターンおよび前記薄レジストパターンからなる前記レジストパターンからなるレジストパターンを形成する工程と、を含むことを特徴とする。

上記の本発明のパターン形成方法において、前記レジスト膜の前記熱処理は、前記レジスト膜の前記現像液の溶解速度を減少させる温度および時間条件下で行われる。

上記の本発明のパターン形成方法において、前記第１の露光量及び前記第２の露光量が、光透過量の異なる３つのパターンが形成されたマスクパターンに光を当てることにより得られ、前記第１の露光量が前記異なる３つのパターンのうち最も光透過量の多いパターンを通して、前記第２の露光量が前記異なる３つのパターンのうち２番目に光透過量の多いパターンを通して、それぞれ得られる。

上記の本発明のパターン形成方法において、前記第１の露光量及び前記第２の露光量が、異なるパターンが形成された２つのマスクに光を当てることにより得られ、前記第１の露光量が、主として、前記レジストパターンが形成されない領域を光透過領域とするマスクパターンに光を当てることにより得られ、前記第２の露光量が前記レジストパターンが形成されない領域及び前記薄レジストパターン形成予定領域を光透過領域とするマスクパターンに光を当てることにより、それぞれ得られる。

上記の本発明のパターン形成方法において、前記厚レジストパターンおよび前記薄レジストパターンからなるレジストパターンを形成する工程の後に、さらに前記厚レジストパターンおよび前記薄レジストパターンからなる前記レジストパターンをマスクに前記被エッチング膜をその表面からその膜厚全体に渡って除去する工程と、前記レジストパターンを前記薄レジストパターンが完全に除去される時点まで表面から一様にエッチングし、前記厚レジストパターンの残存レジストパターンを形成する工程と、を含むことを特徴とする。前記レジストパターンをその表面から一様にエッチングする工程は、前記レジストパターンをアッシング処理することにより行うことができる。また、前記アッシング処理として、酸素ガス雰囲気中の反応性イオンエッチング、或いは、ハロゲン系のガスと酸素を混合したガス雰囲気中のプラズマエッチングを採用することができる。

上記の本発明のパターン形成方法において、前記被エッチング膜は、基板の上に堆積した下層膜及び上層膜からなる積層膜であり、前記レジストパターンのうち厚レジストパターンの一部を前記被エッチング膜上に残して前記厚レジストパターンを残存レジストパターンとする工程の後に、さらに前記残存レジストパターンをマスクとして前記上層膜を選択的にエッチング除去する工程を含むことができる。

以上に説明したように、本発明のパターン形成方法では、フォトレジスト膜を塗布後プリベーク温度及びプリベーク時間を制御し、フォトレジスト膜の現像液への溶解度を遅くし、ハーフ現像部をマスクとして形成されるエッチングパターンの幅のばらつきを１μｍ以内に抑えることが可能となった。

本発明の特徴は、ポジ型のフォトレジストを塗布した後に、高温で短時間または低温で長時間の熱処理（以下、プリベークと呼ぶ）を行うことにより、フォトレジスト中のノボラック樹脂の酸化やエステル化、あるいはＤＮＱ（ジアゾナフトキノン）の熱分解を起こさせ、フォトレジストの現像液への溶解速度を遅くする（現像液への溶解速度に対する露光量のマージンが広がる）ことによって、ハーフ現像部のフォトレジスト膜厚均一性を改善できることを特徴とする。

本発明のパターン形成方法により、１回のフォトリソグラフィで２つのパターンを同時に形成する２段露光の技術において、フォトレジストを均一にハーフ現像でき、薄い方のフォトレジストの膜厚を精度良く制御することが可能となる。

次に、本発明の実施形態を図１に基づいて説明する。図１は、本実施形態の製造方法の製造工程を製造工程順に示す模式断面図である。

まず、種々の被エッチング膜、例えば、基板１の上に順に堆積した絶縁膜２及び金属膜３の上にポジ型フォトレジスト膜４をロールまたはスピンなどの方法で塗布した後、ポジ型フォトレジスト膜４を熱処理する。熱処理は、ポジ型フォトレジスト膜４のアルカリ性の現像液への溶解速度を減少させるような条件下で行う。例えば、温度１３５〜１５０℃、熱処理時間１３０〜１５０秒、或いは、温度１００〜１３５℃、熱処理時間１５０〜１７０秒の条件下で行う。

次に、フォトマスク５を用い、アライナ、又は、ステッパ等の露光装置を用いてポジ型フォトレジスト膜４を露光すると、ポジ型フォトレジスト膜４は、第１露光領域６及び第１未露光領域７となる（図１（ａ））。

続いて、フォトマスク５とは異なるパターンを有するフォトマスク８を用いてポジ型フォトレジスト膜４を露光すると、第１露光領域６及び第１未露光領域７は、第２露光領域９及び第２未露光領域１０となる。ここで、第２露光領域９は、第１露光領域６を包含する形で第１露光領域６に重畳して形成され、露光領域がポジ型フォトレジスト膜４の膜厚の途中にまでしか及ばない程度に形成される。また、第１未露光領域７のうち、第２露光領域９と重ならない領域が、第２未露光領域１０として残る（図１（ｂ））。

最後に、アルカリ性の現像液を用いて現像を行えば、ハーフ現像部１１とフル現像部１２の２つのレジストパターンが同時に、しかもハーフ現像部１１のフォトレジスト膜厚分布が、１００ｎｍ以下のばらつきに抑えられて均一性良く得られる（図２（ａ））。

ここで、上述の露光方法においては、ハーフ現像部とフル現像部の２つのレジストパターンを２つのマスクを用いて形成する方法を示したが、光透過量の異なる材料からなるマスクパターンが形成されたマスクを用いて、１回の露光によりハーフ現像部とフル現像部を形成する方法を用いても良いことは言うまでもないことである。

次に、上記のパターン形成方法をさらに詳細に説明する。まず、ポジ型フォトレジスト膜４を被エッチング膜１の上に塗布するための装置として、洗浄、ＵＶ洗浄、ベーク炉、ＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラザン）処理、クールプレート、コータ、エッジリンス、ベーク炉、クールプレートを有する塗布装置を用いる（必要であれば、端面露光などを有する）。被エッチング膜である絶縁膜２及び金属膜３を搭載した基板１をＵＶ洗浄を含む洗浄装置で洗浄し、続いて、塗布前ベーク、ＨＭＤＳ処理、クーリングを行う。

次に、コーティング装置を用いて、樹脂（ノボラック樹脂等）、感光剤（ＤＮＱ（ジアゾナフトキノン）など）、界面活性剤、溶剤を成分とするポジ型フォトレジスト４をロールまたはスピンなどの方法で塗布し、エッジリンスを行って基板の周辺に付いた余分なフォトレジストを除去する。このとき、現像終了後の未露光部分のフォトレジスト膜厚が１．４〜１．５μｍの範囲内に収まるようにポジ型フォトレジスト膜４を塗布する。

次いで、ベーク炉においてポジ型フォトレジスト膜４を熱処理（プリベーク）する。このプリベークは、ポジ型フォトレジスト膜４のアルカリ性の現像液への溶解速度を減少させるような条件下で行う。例えば、温度１３５〜１５０℃、熱処理時間１３０〜１５０秒、或いは、温度１００〜１３５℃、熱処理時間１５０〜１７０秒の条件下で行う。プリベークは、基板をプロキシミティー、或いは、コンタクトの状況に置くか、または、両方を併用した形で行われる。その後、クーリングを行い、必要であれば最後に基板の周辺を露光して、後の工程で基板の周辺のフォトレジストが除去されるようにしておく。

次に、ポジ型フォトレジスト膜４に所定のパターンを露光するために、アライナまたはステッパなどの露光装置を用いる。まず、１つ目のパターンを有するフォトマスク５を用いて、通常の場合と同様の露光量、例えば、アライナの場合、スキャンスピードが５０ｍｍ／ｓｅｃの基板に対して露光を行う（図１（ａ））。

次に、連続して２つ目のパターンを有するフォトマスク８を用いて、ハーフ現像部のフォトレジスト膜厚を調整するために、通常の場合より露光量を減らして、例えばアライナの場合、通常のスキャンスピードが５０ｍｍ／ｓｅｃのところを７０ｍｍ／ｓｅｃにして露光を行う（図１（ｂ））。

最後に、感光部分のフォトレジストを溶解し、レジストパターンを形成するために、現像、純水リンス、乾燥、ベーク炉、クールプレートを有する現像装置を用いる。まず、アルカリ性の現像液を用いてシャワーまたはパドル式などの方法で、通常の場合と同様の現像時間、例えば、現像時間が７０ｓｅｃで現像を行う。次に、純水リンス、乾燥、ポストベーク、クーリングを行えば、ハーフ現像部１１とフル現像部１２の２つのレジストパターンが同時に得られる（図２（ａ））。

次に、上記の実施形態において述べたプリベークについて、その効果を詳細に説明する。
フォトレジスト塗布後のプリベークは、フォトレジスト中の不要な溶媒を飛ばし、レジスト特性を安定させるために行う。しかし、この時のプリベークを１３５℃以上の高温で１５０秒程度行うと、フォトレジスト中のノボラック樹脂の酸化やエステル化、あるいはＤＮＱ（ジアゾナフトキノン）の熱分解が起こり、フォトレジストの現像液への溶解速度が遅くなる。通常、１５０秒以内でプリベークを行った場合は、１３５℃付近にフォトレジストの露光感度の転移点が存在し、１３５℃以上の温度で露光感度が急激に減少する（図３（ａ））。

また、このプリベークを実施したフォトレジストに対して、現像後のフォトレジスト膜厚の露光量に対する変化の様子を露光量の対数値を横軸にしてプロットしたところ、その傾きが小さくなることを見出した（図３（ｂ））。

この特性を利用した本発明のプリベーク方法では、ハーフ現像部のフォトレジストの膜厚を４００±１００ｎｍに制御するための露光量のマージンが、従来のプリベーク方法では２５〜３０ｍＪ／ｃｍ^２であったところを、４５〜６５ｍＪ／ｃｍ^２と広くすることができた。これにより、現像後のハーフ現像部９のフォトレジスト膜厚のバラツキが、従来１００ｎｍ以上あったものを、１００ｎｍ以下に抑えることができた。

また、本実施形態では、１回のフォトリソグラフィで２つのパターンを同時に形成する２段露光の技術を利用し、図２（ａ）の工程の後、金属膜３及び絶縁膜２をハーフ現像部１１とフル現像部１２の２つのレジストパターンをマスクとしてエッチングして金属膜３及び絶縁膜２に開口部１４を形成した後、フォトレジストをアッシングして、ハーフ現像部１１（薄いフォトレジスト）のみを除去し、第２未露光領域１０のうち厚レジスト部２０の一部を残して残存レジストパターン２２とする（図２（ｂ））。この時、ハーフ現像部１１の線幅が、例えば、１０μｍであるとした場合、フォトレジスト膜厚のバラツキが１００ｎｍ以上あると、フォトレジストを一様にアッシングした後に残る残存レジストパターンの線幅のバラツキが１．０μｍ以上と精度が悪くなってしまうが、本発明のプリベーク方法を使用し、ハーフ現像部１１のフォトレジスト膜厚のバラツキを１００ｎｍ以下に抑えると、アッシングした後に残る２つ目のパターンの線幅のバラツキを１．０μｍ以下に精度良く形成することが出来る。

この様子を示したのが図４、５であり、図４は、本実施形態の方法により、ハーフ現像部３１をアッシングにより除去するときの、アッシング前後の厚レジスト部４０の線幅の変化の様子を示し、図５は、従来の方法により、ハーフ現像部１１１をアッシングにより除去するときの、アッシング前後の厚レジスト部１２０の線幅の変化の様子を模式的に示している。

本発明の方法によれば、図４に示すように、アッシング後の残存レジストパターン４２のアッシング前の厚レジスト部４０からの後退の程度が、図５に示す残存レジストパターン１２２のアッシング前の厚レジスト部１２０からの後退の程度に比べて小さくなる。
この後、図２（ｃ）に示すように、残存レジストパターン２２をマスクとして金属膜３のみを選択的にエッチング除去すると金属膜３からなる金属配線２３が形成されると共に、絶縁膜２には開口部３４が形成される。

以上のようにして、本発明のパターン形成方法によれば、１回のフォトリソグラフィ工程で金属配線２３及び絶縁膜の開口部３４が得られるのみならず、金属配線２３を形成する際のマスクとなる残存レジストパターン２２をパターン精度良く形成できるので、従来よりも高精度の金属配線パターンを形成することが可能となる。

上述した実施形態においては、被エッチング膜を絶縁膜及び金属膜としたが、被エッチング膜はこれらの材料に限定されるものではなく、本発明のパターン形成方法が適用できる膜である限りどのような膜の組み合わせによる被エッチング膜に対しても適用でき、また、被エッチング膜が単層の膜であっても本発明のパターン形成方法を適用できることは言うまでもない。

また、上記の実施形態におけるフォトレジスト塗布後のプリベークの条件の例として、温度１３５〜１５０℃、熱処理時間１３０〜１５０秒、或いは、温度１００〜１３５℃、熱処理時間１５０〜１７０秒を説明した。プリベークは、フォトレジストの現像液への溶解速度が減少するような条件でよいので、１５０℃以上の温度でもさらに短時間、或いは、１００℃以下の温度でもさらに長時間のプリベークでもよい。

本発明の実施形態の製造方法を製造工程順に示す模式断面図である。図１に続く製造工程を示す模式断面図である。本発明により露光量のマージンが増える理由を示すグラフである。本発明により残存するレジストパターンが精度良く形成される過程を示す模式断面図である。従来の方法により残存するレジストパターンが元のパターンから大きく後退して形成される過程を示す模式断面図である。

符号の説明

１基板
２絶縁膜
３金属膜
４ポジ型フォトレジスト膜
５，８フォトマスク
６第１露光領域
７第１未露光領域
９第２露光領域
１０第２未露光領域
１１，３１，１１１ハーフ現像部
１２フル現像部
１４，３４開口部
２０，４０，１２０厚レジスト部
２２，４２，１２２残存レジストパターン
２３金属配線
４３，１０３被エッチング膜

Claims

被エッチング膜の上にポジ型のレジスト膜を塗布する工程と、前記レジスト膜を熱処理した後、前記レジスト膜のうち前記レジストパターンが形成されない領域のレジスト膜が第１の露光量で、前記レジスト膜のうち薄レジストパターンの形成予定領域が前記第１の露光量よりも少ない第２の露光量でそれぞれ選択的に露光する工程と、前記レジスト膜を現像液で現像することにより前記厚レジストパターンおよび前記薄レジストパターンからなる前記レジストパターンからなるレジストパターンを形成する工程と、を含み、前記熱処理は、前記レジスト膜の前記現像液の溶解速度を減少させる温度および時間条件下で行われることを特徴とするパターン形成方法。
前記第１の露光量及び前記第２の露光量が、光透過量の異なる３つのパターンが形成されたマスクパターンに光を当てることにより得られ、前記第１の露光量が前記異なる３つのパターンのうち最も光透過量の多いパターンを通して、前記第２の露光量が前記異なる３つのパターンのうち２番目に光透過量の多いパターンを通して、それぞれ得られる請求項１に記載のパターン形成方法。
前記第１の露光量及び前記第２の露光量が、異なるパターンが形成された２つのマスクに光を当てることにより得られ、前記第１の露光量が、主として、前記レジストパターンが形成されない領域を光透過領域とするマスクパターンに光を当てることにより得られ、前記第２の露光量が前記レジストパターンが形成されない領域及び前記薄レジストパターン形成予定領域を光透過領域とするマスクパターンに光を当てることにより、それぞれ得られる請求項１または２に記載のパターン形成方法。
前記厚レジストパターンおよび前記薄レジストパターンからなるレジストパターンを形成する工程の後に、さらに前記厚レジストパターンおよび前記薄レジストパターンからなる前記レジストパターンをマスクに前記被エッチング膜をその表面からその膜厚全体に渡って除去する工程と、前記レジストパターンを前記薄レジストパターンが完全に除去される時点まで表面から一様にエッチングし、前記厚レジストパターンの残存レジストパターンを形成する工程と、を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のパターン形成方法。
前記レジストパターンをその表面から一様にエッチングする工程が、前記レジストパターンをアッシング処理することにより行われる請求項４に記載のパターン形成方法。
前記アッシング処理が、酸素ガス雰囲気中の反応性イオンエッチング、或いは、ハロゲン系のガスと酸素を混合したガス雰囲気中のプラズマエッチングである請求項５記載のパターン形成方法。
前記被エッチング膜は、基板の上に堆積した下層膜及び上層膜からなる積層膜であり、前記レジストパターンのうち厚レジストパターンの一部を前記被エッチング膜上に残して前記厚レジストパターンを残存レジストパターンとする工程の後に、さらに前記残存レジストパターンをマスクとして前記上層膜を選択的にエッチング除去する工程を含む請求項４〜６のいずれか一項に記載のパターン形成方法。