JP2005150271A - パターン形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ハーフトーン型位相シフトマスクを用いて形成したレジストパターンをマスクとして、被加工膜を所望の寸法および形状の微細パターンに加工することのできるパターン形成方法を提供する。
【解決手段】 被加工膜２の上に、ハーフトーン型位相シフトマスクを用いて、第１のレジストパターン５を形成する。次に、第１のレジストパターン５の上に第２のレジスト膜６を形成した後、ハーフトーン型位相シフトマスクと同じレイアウトの開口パターンが設けられたバイナリマスク７を介して、第２のレジスト膜６に露光光を照射する。その後、第２のレジスト膜６を現像して、開口部の寸法が第１のレジストパターン５の開口部の寸法より大きい第２のレジストパターンを形成する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、パターン形成方法に関し、特に、ハーフトーン型位相シフトマスクを用いたパターン形成方法に関する。

近年、半導体装置の集積度の増加に伴い個々の素子の寸法は微小化が進み、各素子を構成する配線やゲートなどの幅も微細化されている。

この微細化を支えているフォトリソグラフィ技術には、被加工基板の表面にレジスト組成物を塗布してレジスト膜を形成する工程、光を照射して所定のパターンを露光することによりレジストパターン潜像を形成する工程、必要に応じて加熱処理をする工程、次いでこれを現像してレジストパターンを形成する工程、および、このレジストパターンをマスクとして被加工基板に対してエッチングなどの加工を行う工程が含まれる。

上記の露光の際には、従来より位相シフトマスクが使用されている。位相シフトマスクには、ハーフトーン型位相シフトマスクとレベンソン型位相シフトマスクがある。特に、ハーフトーン型位相シフトマスクは、比較的扱いやすいことから微細なレジストパターンの形成工程において多く使用されている。

図９（ａ）は、ハーフトーン型位相シフトマスクの断面図である。図に示すように、ハーフトーン型位相シフトマスク１１は、所定のレイアウトで設けられた開口部１１ａと、遮光部１１ｂとを有する。ここで、遮光部１１ｂには、露光光に対して数％程度の透過率を有する半透明の膜（ハーフトーン膜）が設けられている。そして、遮光部１１ｂを透過する光と開口部１１ａを透過する光との位相差が１８０度になるようにすることによって、ウェハ上での結像解像力の向上を図っている。

図９（ｂ）は、図９（ａ）のハーフトーン型位相シフトマスク１１を透過した光の強度分布を示したものである。図９（ｂ）において、開口部１１ａを透過した光と遮光部１１ｂを透過した光とが開口部１１ａのエッジ部分で干渉し合うことによって、開口部１１ａの光強度分布は従来よりも急峻になる。このため、ハーフトーン型位相シフトマスクによれば、開口部のエッジ部分でのコントラストを向上させることができ、微細なパターンを形成することが可能となる。

一方、図９（ｂ）において、光強度分布には、メインローブ１２，１３の他に、サイドローブ１４，１５，１６が現れている。ここで、サイドローブ１４は、隣接する２つのサイドローブ（すなわち、メインローブ１２のサイドローブとメインローブ１３のサイドローブの内、互いに隣接する２つのサイドローブ。）に加えて、遮光部１１ｂを透過する光が重なり合って生じたものであり、他のサイドローブ１５，１６より大きな光強度を有している。

このような強度分布を有する光がポジ型のレジスト膜を露光した場合、現像後に得られるレジストパターンの断面図は、図９（ｃ）に示すようになる。すなわち、光強度の大きいサイドローブ１４が生じることによって、レジスト膜上に不要なパターンが結像される結果、その領域のレジスト膜が現像により部分的に除去されて、レジストパターン１７の膜厚が薄くなる。図９（ｃ）において、領域１７ａは、サイドローブ１４によって不要なパターンが結像された領域に対応する。図に示すように、領域１７ａでのレジストパターン１７の膜厚は他の領域に比較して薄くなっている。

図９（ｄ）は、図９（ｃ）のレジストパターン１７をマスクとしてエッチングされた被加工膜１８の断面図である。尚、図９（ｄ）では、レジストパターン１７を除去した後の様子を示している。また、図において、１９は半導体基板である。

図９（ｄ）に示すように、レジストパターン１７の膜厚が薄い部分ではオーバーエッチングとなるので、エッチング後の被加工膜１８の膜厚も部分的に薄くなっている。このため、被加工膜１８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。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものである。即ち、本発明の目的は、ハーフトーン型位相シフトマスクを用いて形成したレジストパターンをマスクとして、被加工膜を所望の寸法および形状の微細パターンに加工することのできるパターン形成方法を提供することにある。

本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。

本発明のパターン形成方法は、被加工膜の上に第１のレジスト膜を形成する工程と、ハーフトーン型位相シフトマスクを介して第１のレジスト膜に露光光を照射する工程と、この第１のレジスト膜を現像して第１のレジストパターンを形成する工程と、この第１のレジストパターンの上に第２のレジスト膜を形成する工程と、ハーフトーン型位相シフトマスクと同じレイアウトの開口パターンが設けられたバイナリマスクを介して、第２のレジスト膜に露光光を照射する工程と、この第２のレジスト膜を現像し、開口部の寸法が第１のレジストパターンの開口部の寸法より大きい第２のレジストパターンを形成する工程と、第１のレジストパターンをマスクとして被加工膜をドライエッチングし、被加工膜にパターンを形成する工程とを有することを特徴とするものである。

本発明のパターン形成方法は、第２のレジスト膜を形成する工程の前に、第１のレジストパターンに対して加熱処理を行い、第１のレジストパターンの表面を変質させる工程をさらに有することができる。

本発明において、第２のレジスト膜は、第１のレジスト膜と同じレジスト樹脂によって形成することができる。この場合、第２のレジスト膜に対する露光量を第１のレジスト膜に対する露光量と変えることによって、第２のレジストパターンの開口部の寸法を第１のレジストパターンの開口部の寸法より大きくすることができる。

この発明は以上説明したように、ハーフトーン型位相シフトマスクを用いて形成した第１のレジストパターンの上に、バイナリマスクを用いて第２のレジストパターンを形成するので、全体として見れば平坦な表面を有するレジストパターンを形成することができる。したがって、このレジストパターンをマスクとして被加工膜をドライエッチングすることにより、被加工膜２を良好な形状および寸法を有するパターンに加工することができる。

また、本発明によれば、第２のレジストパターンの開口部の寸法が第１のレジストパターンの開口部の寸法より大きくなるようにするので、ハーフトーン型位相シフトマスクによって形成した第１のレジストパターンの形状を被加工膜に転写することができる。したがって、被加工膜を精度よく微細なパターンに加工することが可能となる。

図１〜図８は、本発明にかかるパターン形成方法の一例を示したものである。尚、これらの図において、同じ符号を付した部分は同じものであることを示している。

まず、図１に示すように、基板１上に被加工膜２を形成する。例えば、シリコン基板などの半導体基板上に、プラズマＣＶＤ法によって膜厚２００ｎｍ程度のＳｉＮ（窒化シリコン）膜を形成することができる。ここで、半導体基板には、銅配線層などの導電層または不純物ドーピング領域などが形成されていてもよい。

尚、本実施の形態においては、基板１は半導体基板に限られるものではなく、ガラス基板またはプラスチック基板などの他の基板を用いてもよい。また、被加工膜２もＳｉＮ膜に限られるものではなく、Ｓｉ_３Ｎ_４膜またはＳｉ_２Ｎ_３膜などの他のＳｉ_ｘＮ_ｙ膜、ＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜、ＳｉＣ（炭化シリコン）膜、ＳｉＣＮ（炭窒化シリコン）膜、ＳｉＯＣ（酸炭化シリコン）膜またはポリイミド誘導体、ポリアリルエーテル誘導体、ポリキノリン誘導体およびポリパラキシレン誘導体などの芳香族化合物の重合体からなる膜などを用いることができる。これらの膜は、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ，以下、ＣＶＤという。）法、スパッタ法または回転塗布法などによって形成することができる。

次に、被加工膜２の上に第１のレジスト膜３を形成する（図１）。第１のレジスト膜４としては、例えば、Ｆ_２エキシマレーザ（波長：１５７ｎｍ）を光源とする露光機に対応するレジスト（以下、Ｆ_２レジストという。）を用いることができる。尚、第１のレジスト膜４は、Ｆ_２エキシマレーザ以外の他の光源、例えば、ＫｒＦ（フッ化クリプトン）エキシマレーザ（波長：２４８ｎｍ）またはＡｒＦ（フッ化アルゴン）エキシマレーザ（波長：１９３ｎｍ）などに対応するレジストとしてもよい。

例えば、ポジ型のＦ_２レジスト樹脂組成物をシリコン基板上に回転塗布し、これに１１０℃で９０秒間程度の加熱処理を行う。これにより、膜厚１５０ｎｍ程度のＦ_２レジスト膜を第１のレジスト膜３として形成することができる。

Ｆ_２レジストとしては、例えば、ポリ（ノルボルネンヘキサフルオロイソプロパノール）若しくはその誘導体、または、テトラフルオロエチレンとノルボルネンとテトラフルオロ−ｔ−ブチルメタクリレートの共重合ポリマーであるポリ（テトラフルオロエチレン−ｃｏ−ノルボルネン−ｃｏ−テトラフルオロ−ｔ−ブチルメタクリレート）若しくはその誘導体などをベースポリマーとする化学増幅型レジストを挙げることができる。

第１のレジスト膜３を形成した後は、図２に示すように、ハーフトーン型位相シフトマスク４を介して第１のレジスト膜３に露光光を照射する。例えば、第１のレジスト膜３がＦ_２レジストである場合には、露光光としてＦ_２エキシマレーザ光を照射する。また、ハーフトーン型位相シフトマスク４としては、直径１００ｎｍのホールパターン（開口パターン）が多数隣接して設けられたものを用いることができる。

第１のレジスト膜３がポジ型レジストである場合には、露光後、現像処理を行うことによって、図３に示すような第１のレジストパターン５が得られる。尚、現像処理は、濃度２．３８％のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド水溶液に６０秒間程度浸漬することによって行うことができる。

ハーフトーン型位相シフトマスク４を透過した光の強度分布は、図９（ｂ）で説明したのと同様に、開口部４ａに対応して発生するメインローブの他に、遮光部４ｂに対応する領域にも大きな光強度を有するサイドローブを生じる。このため、現像後に得られる第１のレジストパターン５は、図３に示すように、光強度の大きいサイドローブに対応する領域５ａの膜厚が薄くなって形成される。これにより、第１のレジストパターン５の表面は凹凸を有している。

第１のレジストパターン５を形成した後は、この上に第２のレジスト膜６を第１のレジスト膜３より薄い膜厚で形成する（図４）。第２のレジスト膜６の膜厚はできるだけ薄い方が好ましいが、第１のレジストパターン５の表面の凹凸を埋め込むことのできる程度の膜厚とする。

第２のレジスト膜６は、第１のレジスト膜３と同じレジスト樹脂によって形成することができる。例えば、第１のレジストパターン５としてのＦ_２レジストパターンの上に、これと同じＦ_２レジスト樹脂組成物を回転塗布する。その後、１１０℃で９０秒間程度の加熱処理を行うことによって、膜厚１００ｎｍ程度のＦ_２レジスト膜を形成して第２のレジスト膜６とする。

尚、第１のレジストパターン５を形成した後、加熱処理を行うことによって第１のレジストパターン５の表面を変質させてから第２のレジスト膜６を形成してもよい。これにより、第２のレジスト膜６となるレジスト樹脂組成物を第１のレジストパターン５上に塗布した際に、このレジスト樹脂組成物にはじきが発生したり、第１のレジストパターン５のレジストがレジスト樹脂組成物に溶解したりするのを防ぐことができる。

次に、図５に示すように、第２のレジスト膜６にバイナリマスク７を介して露光光を照射する。ここで、バイナリマスク７には、図２のハーフトーン型位相シフトマスク４と同じレイアウトの開口パターンが設けられているとする。

図２において、ハーフトーン型位相シフトマスク４の遮光部４ｂは、モリブデンシリサイドなどからなる半透明の膜で形成されている。これに対して、図５に示すバイナリマスク７の遮光部７ｂは、クロムなどからなる不透明の膜で形成されている。このため、バイナリマスク７を透過した光の強度分布は、開口部７ａに対応するピークを有するが、ハーフトーン型位相シフトマスク４のようにサイドローブを生じることはない。それゆえ、第２のレジスト膜６上で遮光部７ｂに対応する領域に不要なパターンが結像されることもない。一方、第１のレジストパターン５の表面に生じている凹凸は、第２のレジスト膜６によって埋め込まれている。したがって、露光後、現像処理を行うことによって得られる第２のレジストパターン８は、図６（ａ）に示すように平坦な表面を有している。

第１のレジスト膜３と第２のレジスト膜６とが同じレジストである場合には、第１のレジスト膜３を露光した際に用いた光源と同じ光源を用いて、第２のレジスト膜６を露光することができる。例えば、これらがポジ型Ｆ_２レジストである場合には、第２のレジスト膜６に露光光としてＦ_２エキシマレーザ光を照射する。本実施の形態においては、この際の露光量が、第１のレジスト膜３を露光したときの露光量よりも多くなるようにする。

例えば、ハーフトーン型位相シフトマスク４およびバイナリマスク７に形成された開口部がホールパターンである場合には、露光によって第２のレジスト膜６に結像されるパターンの直径が、第１のレジスト膜３に結像されるパターンの直径よりも若干大きくなるようにする。露光後、現像することによって、上記のパターンが結像された領域のレジストは現像液に溶解して除去される。ここで、現像処理は、第１のレジスト膜３と同様に、濃度２．３８％のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド水溶液に、第２のレジスト膜６が形成された基板１を６０秒間程度浸漬することによって行うことができる。形成された第２のレジストパターン８のエッジは、第１のレジストパターン５のエッジよりも断面で見て内側に形成される（図６（ａ））。

また、図６（ｂ）は、図６（ａ）を上から見た平面図である。現像によって除去されるパターンの直径は、第２のレジスト膜６の方が第１のレジスト膜３より大きいので、第２のレジストパターン８の開口部の直径Ｌ_１は、第１のレジストパターン５の開口部の直径Ｌ_２より大きくなる。

ここで、ハーフトーン型位相シフトマスク４を用いて形成された第１のレジストパターン５は、バイナリマスク７を用いて形成された第２のレジストパターン８よりも良好な寸法および形状を有している。これは、ハーフトーン型位相シフトマスク４の方が、バイナリマスク７よりもレジスト膜上での結像解像力が高いことによるものである。したがって、図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、第１のレジストパターン５のエッジ部分を第２のレジストパターン８のエッジ部分より外側に形成することにより、第１のレジストパターン５の形状が被加工膜２に転写されるので、被加工膜２をより良好な形状および寸法のパターンに加工することができる。

尚、本発明においては、第２のレジストパターンの開口部の寸法が、第１のレジストパターンの開口部の寸法より大きく形成されていればよく、開口部の形状はホールパターンに限定されるものではない。例えば、開口部がラインパターンなどであってもよい。

第２のレジストパターン８を形成した後は、第１のレジストパターン５をマスクとして、被加工膜２のドライエッチングを行う。被加工膜２としてＳｉＮ膜を用いた場合には、ＣＨ_２Ｆ_２（ジフルオロメタン）、Ａｒ（アルゴン）およびＯ_２（酸素）の混合ガスをエッチングガスとして、上記のドライエッチングを行うことができる。

本実施の形態によれば、第１のレジストパターン５の上に第２のレジストパターン８を形成することによって、第１のレジストパターン５の膜厚の薄い領域を第２のレジストパターン８によって埋め込むことができる。これにより、レジストパターン全体でみれば平坦な表面を有する膜とすることができるので、被加工膜２をドライエッチングする際のオーバーエッチングを防いで、被加工膜２を良好な形状および寸法を有するパターンに加工することができる（図７）。

また、本実施の形態によれば、ハーフトーン型位相シフトマスク４によって形成した第１のレジストパターン５の形状を被加工膜２に転写することができるので、被加工膜２を精度よく微細なパターンに加工することが可能となる。

被加工膜２のドライエッチングを終えた後は、不要となった第２のレジストパターン８および第１のレジストパターン５を除去することによって、図８に示す構造とすることができる。例えば、酸素プラズマによるアッシングによって、これらのレジストパターンを除去することができる。

尚、本実施の形態においてはポジ型のレジスト膜を用いた例について述べたが、本発明はこれに限られるものではない。本発明は、ネガ型のレジストを用いた場合にも適用できる。この場合、第２のレジストパターンの開口部の寸法が、第１のレジストパターンの開口部の寸法より大きくなるようにするために、第１のレジスト膜に対する露光量よりも少ない露光量で第２のレジスト膜を露光する。すなわち、露光によって第２のレジスト膜に結像されるパターンの直径が、第１のレジスト膜に結像されるパターンの直径よりも若干小さくなるようにする。露光後、現像することによって、上記のパターンが結像された領域以外のレジストは現像液に溶解して除去されるので、形成された第２のレジストパターンのエッジを第１のレジストパターンのエッジよりも断面で見て内側に形成することができる。

また、本実施の形態においては、第１のレジスト膜に対する露光量と第２のレジスト膜に対する露光量とを変えることによってレジストパターンの開口部の寸法を制御したが、本発明はこれに限られるものではない。例えば、第１のレジスト膜と露光感度の異なるレジスト樹脂組成物を用いて第２のレジスト膜を形成した場合には、両者に対する露光量が同じであっても開口部の寸法の異なるレジストパターンを形成することができる。

本実施の形態にかかるパターン形成方法を示す断面図である。 本実施の形態にかかるパターン形成方法を示す断面図である。 本実施の形態にかかるパターン形成方法を示す断面図である。 本実施の形態にかかるパターン形成方法を示す断面図である。 本実施の形態にかかるパターン形成方法を示す断面図である。 （ａ）は本実施の形態にかかるパターン形成方法を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）を上から見た平面図である。 本実施の形態にかかるパターン形成方法を示す断面図である。 本実施の形態にかかるパターン形成方法を示す断面図である。 従来のパターン形成方法を示す図であり、（ａ）はハーフトーン型シフトマスクの断面図、（ｂ）は露光光の光強度分布、（ｃ）はレジストパターンの断面図、（ｄ）は被加工膜の断面図である。

符号の説明

１ 基板
２，１８ 被加工膜
３ 第１のレジスト膜
４，１１ ハーフトーン型位相シフトマスク
５ 第１のレジストパターン
６ 第２のレジスト膜
７ バイナリマスク
８ 第２のレジストパターン
１２，１３ メインローブ
１４，１５，１６ サイドローブ
１７ レジストパターン
１９ 半導体基板

Claims (3)

1. 被加工膜の上に第１のレジスト膜を形成する工程と、
   ハーフトーン型位相シフトマスクを介して前記第１のレジスト膜に露光光を照射する工程と、
   前記第１のレジスト膜を現像して第１のレジストパターンを形成する工程と、
   前記第１のレジストパターンの上に第２のレジスト膜を形成する工程と、
   前記ハーフトーン型位相シフトマスクと同じレイアウトの開口パターンが設けられたバイナリマスクを介して、前記第２のレジスト膜に露光光を照射する工程と、
   前記第２のレジスト膜を現像し、開口部の寸法が前記第１のレジストパターンの開口部の寸法より大きい第２のレジストパターンを形成する工程と、
   前記第１のレジストパターンをマスクとして前記被加工膜をドライエッチングし、前記被加工膜にパターンを形成する工程とを有することを特徴とするパターン形成方法。
2. 前記第２のレジスト膜を形成する工程の前に、前記第１のレジストパターンに対して加熱処理を行い、前記第１のレジストパターンの表面を変質させる工程をさらに有する請求項１に記載のパターン形成方法。
3. 前記第２のレジスト膜は、前記第１のレジスト膜と同じレジスト樹脂によって形成され、
   前記第２のレジスト膜に対する露光量を前記第１のレジスト膜に対する露光量と変えることによって、前記第２のレジストパターンの開口部の寸法を前記第１のレジストパターンの開口部の寸法より大きくする請求項１または２に記載のパターン形成方法。
   

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