JP2005252165A - パターン形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱シュリンク法を用いて、被加工膜に均一且つ微細な寸法のホールパターンを形成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、熱シュリンク法を用いて、第１のホールパターン７′および第２のホールパターン８′を形成する。第２のホールパターン８′は、第１のホールパターン７′の外周部を取り囲むように配置されている。次に、第２のホールパターン８′を被覆し、第１のホールパターン７′に対応した開口部を有する第２のレジストパターン１２を形成する。その後、第２のレジストパターン１２および第１のレジストパターン６をマスクとして被加工膜２をエッチングする。被加工膜２には第１のホールパターン７′のみが転写されるので、均一且つ微細な寸法を有するホールを被加工膜２に形成することができる。
【選択図】 図８

Description

本発明は、パターン形成方法に関し、特に、レジストの熱流動を利用して微細化したレジストパターンを用いてパターンを形成する方法に関する。

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レジスト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、必要に応じ加熱処理する工程、次いでこれを現像して所望の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。

上記のレジストパターンの形状として代表的であるのは、ラインパターンおよびホールパターンである。ここで、ホールパターンは、ラインパターンに比較して露光解像度が低く、フォトリソグラフィ技術によってパターンの微細化を図ることは困難である。

そこで、ホールパターンを微細化する技術として、従来より、熱シュリンク法によるものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。これは、レジストパターンを形成した後、レジストのガラス転移点（Ｔｇ）以上の温度で加熱処理を行うことによりレジストを流動させて、パターンの寸法をシュリンク（縮小）する方法である。

特開２００１−３２６１５３号公報

しかしながら、レジストに形成された各ホールパターンの配列関係によってシュリンク量が異なるために、シュリンク後のパターンの寸法が均一にならないという問題があった。これについて、以下に詳述する。

図１０（ａ）はシュリンク前のレジストパターンの平面図であり、図１０（ｂ）はシュリンク後のレジストパターンの平面図である。これらの図において、レジストパターン２１は、ホールが密に配置された密パターン２２と、ホールがまばらに配置された疎パターン２３とからなっている。

図１０（ａ）のレジストパターン２１に対して、レジストのガラス転移点以上の温度の熱を加えると、レジストの熱流動が起こり、ホール周辺のレジストがホールの内部に流れ込む。この際、密パターン２２と疎パターン２３とでは、ホールに流れ込むレジストの量に差がある。すなわち、密パターン２２よりも疎パターン２３の方が、ホールの周囲にあるレジストの面積は大きい。このため、疎パターン２３の方がホールに流れ込むレジストの量が多くなり、シュリンク後のレジストパターン２１′におけるホールの内径は、密パターン２２′よりも疎パターン２３′の方が小さくなる（図１０（ｂ））。

また、同じ密パターン２２であっても、外周部に位置するホールと内部に位置するホールとではやはり流れ込むレジストの量に差がある。

例えば、図１０（ａ）の密パターン２２において、中央部に位置するホール２４に比較して、外周部に位置するホール２５の方が周囲にあるレジストの面積は大きい。したがって、ホール２５に流れ込むレジストの量はホール２４に流れ込む量より多くなり、その結果、シュリンク後のホール２５′の内径はホール２４′の内径より小さくなる（図１０（ｂ））。また、同じ外周部に位置するホールであっても、ホール２５よりもコーナー部に位置するホール２６の方が周囲にあるレジストの面積はさらに大きい。このため、流れ込むレジストの量はホール２６の方がホール２５より多くなる結果、シュリンク後のホール２６′の内径はホール２５′より小さくなる（図１０（ｂ））。

このように、シュリンク後のレジストパターン２１′では各ホールの寸法が均一なものとはならない。このため、レジストパターン２１′をマスクとして下地の非加工膜をエッチングした場合、被加工膜を均一な寸法および形状を有するパターン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、熱シュリンク法を用いて、被加工膜に均一且つ微細な寸法のホールパターンを形成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。

本発明は、被加工膜に、複数のホールからなる所定のホールパターンを形成するパターン形成方法であって、被加工膜の上に第１のレジスト膜を形成する工程と、この第１のレジスト膜を加工して、所定のホールパターンに対応する第１のホールパターンと、複数のホールからなりこのホールが第１のホールパターンの外周部を取り囲むように配置されている第２のホールパターンとを有する第１のレジストパターンを形成する工程と、第１のレジスト膜のガラス転移点以上の温度で加熱処理を行い、第１のレジストパターンに設けられた実質的に全てのホールの寸法を縮小する工程と、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、第２のレジスト膜を加工して、第２のホールパターンを被覆し第１のホールパターンに対応した開口部を有する第２のレジストパターンを形成する工程と、第２のレジストパターンおよび第１のレジストパターンをマスクとして被加工膜をエッチングし、被加工膜に所定のホール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の表面を改質する工程をさらに有することができる。この第１のレジストパターンの表面を改質する工程は加熱処理工程とすることができる。また、第１のレジストパターンの表面を改質する工程は、紫外線および電子線のいずれか一方を照射した後に加熱処理を行う工程とすることもできる。

この発明は以上説明したように、第１のレジストパターンに、被加工膜に形成するホールパターンに対応した第１のホールパターンと、複数のホールからなり且つこれらのホールが第１のホールパターンの外周部を取り囲むように配置されている第２のホールパターンとを形成するので、加熱処理によるシュリンク量の多いパターンを第２のホールパターンに限定させることができる。したがって、熱シュリンク後の第１のホールパターンにおける各ホールの寸法を均一なものとすることができる。また、第２のレジストパターンを設けることによって、第１のホールパターンのみを被加工膜に転写することができるので、被加工膜に均一且つ微細な寸法を有するホールパターンを形成することが可能となる。

図１〜図９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。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。また、図１〜図４および図６〜図９における断面図および平面図は、それぞれ基板の一部を拡大したものである。

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。基板１と被加工膜２との間に１または２以上の他の膜を形成してもよい。

基板１としては、シリコン基板などの半導体基板の他、ガラス基板またはプラスチック基板などを用いることができる。ここで、半導体基板には、素子分離領域や拡散層などが形成されていてもよい。

被加工膜２は、レジストパターンをマスクとしたエッチングによってパターニング可能な膜であれば特に制限はない。例えば、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）膜、ＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜、ＳｉＣ（炭化シリコン）膜、Ｓｉ_３Ｎ_４膜、Ｓｉ_２Ｎ_３膜若しくはＳｉＮ膜などのＳｉ_ｘＮ_ｙ（窒化シリコン）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）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）。本実施の形態においては、第１のレジスト膜３としてポジ型のレジストを用いる。

第１のレジスト膜３は、後工程でパターニングされた後、ガラス転移点以上の温度で加熱されることによって流動を起こし、形成されたパターンをシュリンクするものである。したがって、この役割を果たすことのできる材料であれば第１のレジスト膜３として用いることができるが、さらに本実施の形態においては、微細なパターンを形成することのできる露光光源に対応したレジストであることが好ましい。具体的には、波長２４８ｎｍのＫｒＦ（フッ化クリプトン）エキシマレーザに対応するレジスト、波長１９３ｎｍのＡｒＦ（フッ化アルゴン）エキシマレーザに対応するレジスト、または、波長１５７ｎｍのＦ_２（フッ素）レーザに対応するレジストなどを用いることが好ましい。

次に、第１のレジスト膜５を加工して第１のレジストパターン６を形成する。第１のレジストパターン６は、ホールが密に配置された密パターンであってもよいし、ホールがまばらに配置された疎パターンであってもよい。第１のレジストパターン６を形成する工程は、具体的には次のようにして行うことができる。

まず、マスク４を介して第１のレジスト膜３に露光光５を照射し、第１のレジスト膜３にホールパターンを転写する（図２）。図において、４ａは露光光５が透過する部分であり、４ｂは露光光５が遮光される部分である。

従来法においては、レジスト膜に転写するホールパターンは被加工膜に転写するパターンのみであった。これに対して、本実施の形態においては、第１のレジスト膜３に対して、被加工膜３に転写するホールパターンの他にダミーのホールパターンも転写することを特徴としている。すなわち、被加工膜３に複数のホールからなる所定のホールパターンを形成する場合、この所定のホールパターンに対応する第１のホールパターンと、複数のホールからなり且つこれらのホールが第１のホールパターンの外周部を取り囲むように配置されている第２のホールパターンとを第１のレジスト膜３に転写する。ここで、第２のホールパターンがダミーのホールパターンである。

上記のような転写を行うために、マスク４は、従来のホールパターン（第１のホールパターン）の外周部にダミーのホールパターン（第２のホールパターン）を設け、従来のパターンがダミーのパターンによって取り囲まれるように設計する。尚、マスク４はバイナリマスクおよびハーフトーン型位相シフトマスクのいずれであってもよい。

露光光５の種類は、形成するパターンの寸法に応じて適宜選択することができる。例えば、半導体基板上の被加工膜にパターンを形成する場合には、半導体装置のデザイン・ルールに応じて適当な露光光を用いればよい。具体的には、０．２５μｍ〜０．１３μｍのデザイン・ルールではＫｒＦエキシマレーザが、９０ｎｍのデザイン・ルールではＡｒＦエキシマレーザが、６５ｎｍ以下のデザイン・ルールではＦ_２レーザが、それぞれ露光装置の光源として用いられる。

露光後は、適当な現像液を用いて現像処理を行い、第１のレジストパターン６を形成する。

図３（ａ）は、第１のレジストパターン形成後の基板の断面図である。また、図３（ｂ）は、図３（ａ）を上から見た平面図である。これらの図において、第１のホールパターン７は、後工程で被加工膜２に転写されるパターンである。一方、第２のホールパターン８は、被加工膜２に転写されることのないダミーパターンである。そして、第２のホールパターン８は第１のレジストパターン６の最も外側に位置しており、第１のホールパターン７は第２のホールパターン８より内側に位置している。

第１のレジストパターン６を形成した後は、このレジストのガラス転移点以上の温度で加熱処理を行うことによってレジストを流動させる。これにより、形成されたホールの内部にレジストが流れ込み、第１のレジストパターン６に設けられた実質的に全てのホールの寸法をシュリンク（縮小）させることができる。シュリンク後のホールの寸法は、露光解像度を超えた微細な値となる。

図４（ａ）は、熱シュリンク後の基板の断面図である。また、図４（ｂ）は、図４（ａ）を上から見た平面図である。これらの図において、第２のホールパターン８は第１のレジストパターン６の最も外側に位置しているために、ホール内に流れ込むレジストの量が第１のホールパターン７よりも多くなる。このため、シュリンク後の第２のホールパターン８′では、ホールの内径Ｌ_２が第１のホールパターン７′の内径Ｌ_１に比べて小さくなる。一方、第１のホールパターン７では、ホールの周囲にあるレジストの面積が略同じであるために、ホール内に流れ込むレジストの量も略一定である。したがって、シュリンク後のホールの内径Ｌ_１は第１のホールパターン７′の全体で略一定となる。

図５は、熱シュリンク後における第１のレジストパターンの平面図の他の例である。尚、図の第１のレジストパターンは密パターンである。

図５に示すように、第１のレジストパターン１４は、第１のホールパターン１５と、第１のホールパターン１５の外周部を取り囲むように配置されている第２のホールパターン１６とからなっている。第１のホールパターン１５は、被加工膜１７に転写されるパターンである。一方、第２のホールパターン１６は、被加工膜１７に転写されることのないダミーのパターンである。第１のホールパターン１５の各ホールの寸法は全体的に略一定である。一方、第２のホールパターン１６の各ホールの寸法は、いずれも第１のホールパターン１５のそれより小さく、且つ、場所によって異なっている。

次に、第１のレジストパターン６の上に、ポジ型の第２のレジスト膜９を形成する（図６）。第２のレジスト膜９は、第１のレジストパターン６に設けられた第２のホールパターン８′を被覆し、第２のホールパターン８′が被加工膜２に転写されないようにするものである。したがって、第２のレジスト膜９の膜厚は、第２のホールパターン８′のホールを完全に埋め込むことのできる膜厚とする。このため、第２のレジスト膜９の膜厚は第１のレジスト膜３の膜厚より厚いことが好ましいが、具体的な膜厚比は、レジストの種類やエッチング条件などを考慮して適宜設定する。

尚、第２のレジスト膜９は、第１のレジスト膜３のように高解像度のパターンを形成可能なレジストでなくてもよい。但し、第１のレジスト膜３と同じレジスト樹脂組成物を用いて第２のレジスト膜９を形成した場合には、露光光源、現像液および熱処理などのプロセス条件を統一できるという利点が得られる。

第２のレジスト膜９の形成は、第１のレジストパターン６に対して適当な表面処理を行い、第１のレジストパターン６の表面を改質した後に行うことが好ましい。このようにすることによって、第２のレジスト膜９となるレジスト樹脂組成物を第１のレジストパターン６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６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。第１のレジストパターン６の表面の改質は、例えば、第１のレジストパターン６を加熱処理することによって行うことができる。また、第１のレジストパターン６の表面に紫外線および電子線のいずれか一方を照射した後に加熱処理を行ってもよい。

次に、第２のレジスト膜９を加工して第２のレジストパターン１２を形成する。第２のレジストパターン１２は、第２のホールパターン８′を被覆し、第１のホールパターン７′に対応した開口部を有するパターンとする。具体的には、次のようにして第２のレジストパターン１２を形成することができる。

まず、マスク１０を介して第２のレジスト膜９に露光光１１を照射する（図７）。マスク１０は、第１のレジストパターン６における第１のホールパターン７′の全体に対応する位置に開口部１０ａを有し、第２のホールパターン８′に対応する位置に遮光部１０ｂを有するものとする。尚、マスク１０は、バイナリマスクおよびハーフトーン型位相シフトマスクのいずれであってもよい。

露光後は、適当な現像液を用いて現像処理を行い、第２のレジストパターン１２を形成する。

図８（ａ）は、第２のレジストパターン形成後の基板の断面図である。また、図８（ｂ）は、図８（ａ）を上から見た平面図である。これらの図において、第２のレジストパターン１２は、第２のホールパターン８′を完全に遮蔽するように形成されている。一方、第１のホールパターン７′上には、第２のレジストパターン１２は形成されていない。このため、第１のレジストパターン６に設けられたホールの内で、第１のホールパターン７′のみが被加工膜２に至る開口部を形成している。

次に、第２のレジストパターン１２および第１のレジストパターン６をマスクとして、被加工膜２をドライエッチングする。第１のレジストパターン６における第２のホールパターン８′は第２のレジストパターン１２によって完全に被覆されているので、第１のホールパターン７′のみが被加工膜２に転写される。そして、第１のホールパターン７′における各ホールの寸法は均一であるので、被加工膜２に形成されるホールパターンの各ホールの寸法も均一なものとなる。

ドライエッチング終了後は、不要となった第２のレジストパターン１２および第１のレジストパターン６をアッシングにより除去する。

以上の工程によって、被加工膜２には、微細かつ均一な寸法を有するホールパターン１３が形成される（図９）。

本実施の形態によれば、被加工膜に形成するホールパターンに対応した第１のホールパターンと、複数のホールからなり且つこれらのホールが第１のホールパターンの外周部を取り囲むように配置されている第２のホールパターンとを形成するので、加熱処理によるシュリンク量の多いパターンを第２のホールパターンに限定させることができる。したがって、熱シュリンク後の第１のホールパターンにおける各ホールの寸法を均一なものとすることができる。また、この効果は、第１のホールパターンが密パターンであるか、疎パターンであるかにかかわらず得られる。それ故、被加工膜に密パターンと疎パターンの両方を転写する場合であっても、これらのパターンにおける各ホールの寸法を全て均一に形成することができる。

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、図５において、第２のレジスト膜９を露光する際に使用するマスク１０は、第１のレジストパターン６における第１のホールパターン７′に対応する位置に遮光部を有し、第２のホールパターン８′に対応する位置に開口部を有するものとする。

本発明の１つの例として、シリコン基板上にＳｉＮ（窒化シリコン）膜をプラズマＣＶＤ法により２００ｎｍの膜厚で形成した。次に、このＳｉＮ膜の上にポジ型Ｆ_２レジスト樹脂組成物を塗布し、１１０℃で９０秒間加熱して膜厚１５０ｎｍのＦ_２レジスト膜（第１のレジスト膜）を形成した。その後、このＦ_２レジスト膜にハーフトーン型位相シフトマスクを介してＦ_２エキシマレーザ光を照射し、２．３８％の濃度のＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）溶液を用いた現像処理を６０秒間行うことによって第１のレジストパターンを形成した。

次に、Ｆ_２レジスト膜のガラス転移点以上の温度で加熱処理を行い、第１のレジストパターンに設けられた実質的に全てのホールの寸法を縮小させた。その後、第１のレジストパターンの上に、第１のレジスト膜と同じ組成のＦ_２レジスト樹脂組成物を塗布し、１１０℃で９０秒間加熱して膜厚２００ｎｍのＦ_２レジスト膜（第２のレジスト膜）を形成した。その後、このＦ_２レジスト膜にハーフトーン型位相シフトマスクを介してＦ_２エキシマレーザ光を照射し、２．３８％の濃度のＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）溶液を用いた現像処理を６０秒間行うことによって第２のレジストパターンを形成した。

次に、ＣＨ_２Ｆ_２（ジフルオロメタン）、Ｏ_２（酸素）およびＡｒ（アルゴン）の混合ガスを用い、第２のレジストパターンおよび第１のレジストパターンをマスクとして、ＳｉＮ膜に対しドライエッチングを行った。エッチング処理後は、不要となった第２のレジストパターンおよび第１のレジストパターンをアッシングにより除去した。ＳｉＮ膜に形成された各ホールは均一な寸法を有するとともに、その寸法は、露光解像度を超えた微細なものであった。

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図であり、（ａ）は基板の断面図、（ｂ）は（ａ）を上方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図であり、（ａ）は基板の断面図、（ｂ）は（ａ）を上方から見た平面図である。 本実施の形態によって形成される熱シュリンク後の第１のレジストパターンの平面図の一例である。 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図であり、（ａ）は基板の断面図、（ｂ）は（ａ）を上方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。 従来のレジストパターンの平面図であり、（ａ）はシュリンク前のレジストパターンを、（ｂ）はシュリンク後のレジストパターンをそれぞれ示す。

符号の説明

１ 基板
２，２４，１７ 被加工膜
３ 第１のレジスト膜
４，１０ マスク
５，１１ 露光光
６，１４ 第１のレジストパターン
７，１５ 第１のホールパターン
８，１６ 第２のホールパターン
９ 第２のレジスト膜
１２ 第２のレジストパターン
１３ ホールパターン

Claims (4)

1. 被加工膜に、複数のホールからなる所定のホールパターンを形成するパターン形成方法であって、
   前記被加工膜の上に第１のレジスト膜を形成する工程と、
   前記第１のレジスト膜を加工して、前記所定のホールパターンに対応する第１のホールパターンと、複数のホールからなり該ホールが前記第１のホールパターンの外周部を取り囲むように配置されている第２のホールパターンとを有する第１のレジストパターンを形成する工程と、
   前記第１のレジスト膜のガラス転移点以上の温度で加熱処理を行い、前記第１のレジストパターンに設けられた実質的に全てのホールの寸法を縮小する工程と、
   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、
   前記第２のレジスト膜を加工して、前記第２のホールパターンを被覆し前記第１のホールパターンに対応した開口部を有する第２のレジストパターンを形成する工程と、
   前記第２のレジストパターンおよび前記第１のレジストパターンをマスクとして前記被加工膜をエッチングし、前記被加工膜に前記所定のホール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の表面を改質す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１のレジストパターンの表面を改質する工程は、加熱処理工程である請求項２に記載のパターン形成方法。
4. 前記第１のレジストパターンの表面を改質する工程は、紫外線および電子線のいずれか一方を照射した後に加熱処理を行う工程である請求項２に記載のパターン形成方法。

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