JP2005268321A

JP2005268321A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2005268321A
Application number: JP2004074959A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Irie; 重夫入江
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-03-16
Filing date: 2004-03-16
Publication date: 2005-09-29

Abstract

【課題】反射防止膜上にレジストパターンを形成するリソグラフィにおいて、露光により発生するアウトガスや酸によりレジストパターンの形状が劣化したり、剥離するのを防ぐと共に、下地膜からの反射を防止して矩形状のレジストパターンを再現性良く形成する。
【解決手段】リソグラフィに用いる露光光の波長における吸収率が高い第一の有機材料と、膜密度が大きく且つ光安定性が高い第二の有機材料とを含む反射防止膜４をゲート電極膜３の上に形成し、リソグラフィにより前記反射防止膜４の上にレジストパターン５ａを形成する。性質の異なる二つの有機材料を含む反射防止膜４を形成することにより、露光時に反射防止膜４からアウトガスが発生するのを抑制し、且つ露光時に発生した酸がフォトレジスト膜から反射防止膜４に拡散することを防ぎ、矩形状のレジストパターンを再現性良く形成することができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関するものであり、特に反射防止膜上にレジストパターンを形成するリソグラフィ技術に関する。

半導体装置製造のキーテクノロジーであるリソグラフィにおいて、レジストパターンの下地膜からの露光光の反射を抑制するプロセスが必須となっている。
現在、半導体デバイスの量産で適用されている波長２４８ｎｍのエキシマレーザーを用いたＫｒＦリソグラフィや波長１９３ｎｍのＡｒＦリソグラフィでは、有機材料をフォトレジスト膜下層に形成し反射を抑制するＢＡＲＣ（Bottom Anti Reflective Coating）法が多く用いられている。
また、ＡｒＦの次世代技術である波長１５７ｎｍのＦ_２リソグラフィにおいては、フッ素含有レジストは高い透明性を有しており、有望視されている。

図１９〜図２１は、ＢＡＲＣ法を用いてゲート電極を形成する半導体装置の製造方法を、半導体装置の断面図により説明する工程説明図である（ゲート絶縁膜の形成は、説明を省略する）。
まず、図１９に示すように、半導体基板１の上にゲート電極膜３、および反射防止膜４を形成する。さらに、反射防止膜４の上にフッ素を含有するフォトレジスト膜５を形成し、フォトマスク６を用い、Ｆ_２リソグラフィの露光装置によりフォトレジスト膜５の表面に露光光７を照射する。このとき、フォトレジスト膜５の表面で、露光光７が照射される幅はＬ１である。

次に、図２０に示すように、フォトレジスト膜５（図１９参照）の現像を行い、レジストパターン５ａを形成する。このとき、露光によりフォトレジスト膜５から発生した触媒、例えば酸（Ｈ^＋）の一部が反射防止膜４へ拡散し、フォトレジスト膜５の反射防止膜４との界面付近は酸（Ｈ^＋）の濃度が低くなるため、アルカリ性である現像液に難溶となり、レジストパターン５ａは上端部がＬ１、下端部の幅がＬ２（Ｌ１＜Ｌ２）の裾を引いた形状となってしまう。

次に、図２１に示すように、裾を引いた形状のレジストパターン５ａをマスクとして反射防止膜４およびゲート電極膜３（図２０参照）をエッチングし、反射防止膜パターン４ａおよびゲート電極３ａを形成する。さらに、図示しないが、レジストパターン５ａおよび反射防止膜４ａをアッシングにより除去する。

このとき、図２１に示すように、レジストパターン５ａが裾を引いた形状となっていることにより、ゲート電極３ａの幅がＬ２となり、露光されたフォトレジスト膜５の幅であるＬ１（図１９参照）よりも大きくなってしまい、微細加工を阻害してしまう。

また、露光により反射防止膜４（図１９参照）から発生したアウトガスがフォトレジスト膜５と反射防止膜４との界面に拡散し、レジストパターン５ａ（図２０参照）の形状が劣化したり、レジストパターン５ａと反射防止膜４（図２０参照）の密着性の劣化により、レジストが剥離したりする問題が生じてしまう。

このような問題に対して、複数の膜を用いて反射防止膜の消衰係数をフォトレジスト膜との界面側から基板側に向かって変化させる方法や、反射防止膜とフォトレジスト膜との界面にバリア膜を設けることで、下地膜からの反射を抑えたり、フォトレジスト膜からの酸の拡散を抑制する方法が図られている（例えば、特許文献１、２参照）。

しかし、上記いずれの方法においても、加工すべき下地膜の上に膜質や膜厚を最適化した複数の膜を形成する必要があり、工程が増加したり、条件設定が煩雑となるという問題があった。
特開平９−１７１９５２号公報特開平９−８０７５５号公報

上述のように、Ｆ_２リソグラフィにおいて有望視されているフッ素含有レジストは、露光により発生した酸の一部が反射防止膜へ拡散してレジストパターンの形状を劣化させるという課題があった。
また、露光時に反射防止膜から発生したアウトガスがフォトレジスト膜と有機反射防止膜の界面に拡散し、レジストパターンの形状を劣化させたり、剥離させたりするという課題があった。
さらに、消衰係数の異なる複数の膜を形成するとき、膜質や膜厚を最適化した複数の膜を形成する必要があり、工程が増加したり、条件設定が煩雑となるという課題があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、反射防止膜上にレジストパターンを形成するリソグラフィにおいて、剥離や形状劣化を抑制した、良好な矩形状のレジストパターンを工程を増加させることなく、再現性良く形成することができる、優れた半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板上に第一の膜を形成する工程と、前記第一の膜の上に反射防止膜を形成する工程と、前記反射防止膜の上にフォトレジスト膜を形成する工程と、前記フォトレジスト膜を露光および現像して前記反射防止膜の上にレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンを介して前記反射防止膜を選択的にエッチングし、前記レジストパターンの下に反射防止膜パターンを形成する工程と、前記レジストパターンおよび前記反射防止膜パターンを介して前記第一の膜を選択的にエッチングする工程とを備え、前記反射防止膜は、異なる性質を有する第一の有機材料および第二の有機材料を含み、前記第一の有機材料は、前記露光の露光光の波長における吸収率が相対的に高く、前記第二の有機材料は、膜密度が相対的に大きく、且つ、光安定性が相対的に高いことを特徴とする。
。

また、本発明に係る別の半導体装置の製造方法は、基板上に第一の膜を形成する工程と、前記第一の膜の上に第二の膜を形成する工程と、前記第二の膜の上に反射防止膜を形成する工程と、前記反射防止膜の上にフォトレジスト膜を形成する工程と、前記フォトレジスト膜を露光および現像して前記反射防止膜の上にレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンを介して前記反射防止膜を選択的にエッチングし、前記レジストパターンの下に反射防止膜パターンを形成する工程と、前記レジストパターンおよび前記反射防止膜パターンを介して前記第二の膜を選択的にエッチングし、前記反射防止膜パターンの下にハードマスクを形成する工程と、前記レジストパターンおよび前記反射防止膜パターンを除去して前記ハードマスクの表面を露出させる工程と、前記ハードマスクを介して前記第一の膜を選択的にエッチングする工程とを備え、前記反射防止膜は、異なる性質を有する第一の有機材料および第二の有機材料を含み、前記第一の有機材料は、前記露光の露光光の波長における吸収率が相対的に高く、前記第二の有機材料は、膜密度が相対的に大きく、且つ、光安定性が相対的に高いことを特徴とする。
本発明のその他の特徴については、以下において詳細に説明する。

本発明によれば、反射防止膜上にレジストパターンを形成するリソグラフィにおいて、剥離や形状劣化を抑制した、良好な矩形状のレジストパターンを工程を増加させることなく、再現性良く形成することができる、優れた半導体装置の製造方法を得ることができる。

実施の形態１．
図１〜図９は、本発明の実施の形態１による半導体装置の製造方法を、半導体装置の断面により順を追って説明する工程説明図である。本実施の形態では、Ｆ_２リソグラフィ技術を用いて半導体基板上に金属絶縁膜半導体（Metal Insulator Semiconductor;以下、ＭＩＳと称する）型トランジスタのゲート電極を形成する例を示す。

まず、図１に示すように、半導体基板１の主面上に、ゲート絶縁膜２を形成する。例えば、半導体基板１を酸素ガスや水素ガスを用いたランプアニールにより急速加熱処理し、半導体基板１の主面上に１〜２ｎｍ程度の薄いシリコン酸化膜を形成する。
次に、ゲート絶縁膜２の上に、ＭＩＳ型トランジスタのゲート電極を形成するため、第一の膜３として、タングステンからなるゲート電極膜３を化学気相成長（Chemical Vapor Deposition；以下、ＣＶＤと称する）法により、５０ｎｍ程度の膜厚で形成する。

次に、図２に示すように、ゲート電極膜３の上に、後に行うリソグラフィで用いる反射防止膜４を５０ｎｍ程度の膜厚で形成し、２０５℃の温度で６０秒程度ベーキングする。
さらに、反射防止膜４の上に、Ｆ_２（波長１５７ｎｍ）リソグラフィで用いるフッ素を含有するフォトレジスト膜５を２００ｎｍ程度の膜厚で形成し、１１０℃の温度で６０秒程度ベーキングする。

ここで、前述の反射防止膜４について、詳細に説明する。反射防止膜４は、異なる性質を有する第一の有機材料と、第二の有機材料とを含んでいる。
このとき、第一の有機材料は、Ｆ_２リソグラフィで用いる露光光の波長（１５７ｎｍ）における吸収率（以下、「光吸収率」と称する）が、第二の有機材料と比較して相対的に高く、第二の有機材料は、膜密度が第一の有機材料と比較して相対的に大きく、且つ、光安定性が相対的に高いという性質を有する。

本実施の形態においては、第一の有機材料として、臭素やヨウ素などのハロゲン元素を含むハロゲン系ポリマーを用い、第二の有機材料としてノボラック系ポリマーを用いる。両者を所定の混合比、例えば１：１の混合比で均一に混合し、ゲート電極膜３の上に、スピンコート法により１０００〜２０００ｒｐｍ程度の回転数で塗布することにより形成する。

一般にハロゲン系ポリマーは、５０ｎｍ程度の膜厚で形成するとき、Ｆ_２リソグラフィの露光に用いられる露光光７の波長（１５７ｎｍ）において、下地膜であるタングステン金属膜からの反射光を抑制できる消衰係数ｋ（０．３０〜０．５０）を有し、光吸収率が高いので、レジストパターンの寸法変動を抑制することができる。
また、膜密度が小さいためエッチングレートが大きく、容易にエッチングすることができる。

一方、ノボラック系ポリマーは、ＫｒＦリソグラフィ等で反射防止膜として用いられ、膜密度が大きいため、フォトレジスト膜から発生した酸が反射防止膜４に拡散することを防ぎ、後に形成するレジストパターンを裾引きのない、矩形状に形成することができる。
また、光安定性が高く、Ｆ_２リソグラフィにおいて露光時にアウトガスが発生しないので、レジストパターンの剥離や形状劣化を防ぐことができる。

このように、反射防止膜４は、異なる性質を有する第一の有機材料および第二の有機材料とを含み、両者を所定の混合比、例えば１：１の混合比で均一に混合して形成すると、両者の性質を併せ持つことができる。

上記の反射防止膜４の形成方法において、第一の有機材料と、第二の有機材料とを所定の混合比で混合し、ゲート電極膜３の上に塗布した後、ベーキング温度を調節することにより、第一の有機材料であるハロゲン系ポリマーを反射防止膜４の半導体基板１側に偏析させ、且つ、第二の有機材料であるノボラック系ポリマーを反射防止膜４の表面側に偏析させる(以下、「偏析法」と称する)ようにしてもよい。
そのためには、反射防止膜４をゲート電極膜３の上に塗布後、ベーキングの温度を高くして、１５０℃〜２００℃の温度で６０秒間のベーキングを行うようにする。表面張力の異なる二種類の膜を混合してゲート電極膜３の上に塗布し、上記の条件でベーキングすると、相対的に表面張力の大きい膜が反射防止膜４の半導体基板１側に偏析し、且つ、表面張力の小さい方の膜が反射防止膜４の表面側に偏析する。
本実施の形態においては、第一の有機材料であるハロゲン系ポリマーの方が、第二の有機材料であるノボラック系ポリマーよりも相対的に表面張力が大きいため、上記のベーキング後に、第一の有機材料が反射防止膜４の半導体基板１側に偏析し、第二の有機材料が表面側に偏析する。

このとき、図２に示す反射防止膜４において、反射防止膜４の半導体基板１側に第一の有機材料（４Ａ）を偏析させ、且つ、表面側に第二の有機材料（４Ｂ）を偏析させたときの、反射防止膜４の拡大図を図３に示す。
このように、相対的に光吸収率の高い第一の有機材料膜を、反射防止膜４の半導体基板１側に偏析させることによりゲート電極膜３からの反射光を抑制する効果が大きくなり、後に形成するレジストパターンの寸法変動をさらに効果的に抑制することができる。
また、相対的に膜密度の大きい第二の有機材料を、反射防止膜４の表面側に偏析させることによりフォトレジスト膜５から発生する酸の拡散をさらに効果的に抑制し、後に行う露光において反射防止膜４からアウトガスが発生することを、さらに効果的に抑制することができる。

なお、上記の偏析法によれば、第一の有機材料と第二の有機材料とを均一に混合する方法と比較して、それぞれの有機材料の特性が、より効果的に作用することから、反射防止膜４の全体の膜厚を薄膜化することも可能である。

次に、図４に示すように、フォトマスク６を用い、１５７ｎｍの波長の露光光を用いるＦ_２リソグラフィの露光装置により、露光光７をフォトレジスト膜５の上に照射する。このとき、フォトレジスト膜５の領域Ａの部分に露光光７が照射される。
この後、図示しないが、１１０℃の温度で６０秒程度のベーキングを行う。

ここで、反射防止膜４はノボラック系ポリマーと、それよりも相対的に光吸収率が高く、下地膜からの反射光を抑制することができるハロゲン系ポリマーとを混合して形成するようにしたので、ノボラック系ポリマーのみを単独に用いる場合よりも光吸収率が高くなり、ゲート電極膜３からの反射光を効果的に吸収するため、レジストパターンの寸法変動を効果的に抑制することができる。
また、反射防止膜４を偏析法により形成すると、相対的に光吸収率の高い第一の有機材料が、反射防止膜４の半導体基板１側に偏析するため、上記効果はさらに大きくなる。

また、反射防止膜４はハロゲン系ポリマーと、それよりも相対的に膜密度が大きいノボラック系ポリマーとを混合して形成するようにしたので、ハロゲン系ポリマーのみを単独に用いる場合よりも膜密度が大きくなり、フォトレジスト膜５から発生した酸が反射防止膜４へ拡散することを効果的に抑制するので、後の工程で形成するレジストパターンの形状劣化を防ぐことができる。
また、反射防止膜４を偏析法により形成すると、相対的に膜密度の大きい第二の有機材料が反射防止膜４の表面側に偏析するため、上記効果はさらに大きくなる。

また、反射防止膜４はハロゲン系ポリマーと、それよりも光安定性が高いノボラック系ポリマーとを混合して形成するようにしたので、ハロゲン系ポリマーのみを単独に用いる場合よりも光安定性が高くなり、露光におけるアウトガスの発生を抑制することができる。従って、後の工程で形成するレジストパターンの剥離や形状劣化を防ぐことができる。
また、反射防止膜４を偏析法により形成すると、相対的に膜密度の大きい第二の有機材料が反射防止膜４の表面側に偏析するため、上記効果はさらに大きくなる。

次に、図５に示すように、フォトレジスト膜５（図４参照）の現像を行い、露光光７が照射されたフォトレジスト膜５の領域Ａの部分を除去し、レジストパターン５ａを形成する。
このとき用いる現像液は、例えば、２．３８％の濃度のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（Tetra Methyl Ammonium Hydroxide；以下、ＴＭＡＨと称する）である。

次に、図６に示すように、ＣＦ_４／Ｏ_２系ガスを用い、レジストパターン５ａをマスクとして反射防止膜４（図５参照）をエッチングして、レジストパターン５ａの下に反射防止膜パターン４ａを形成する。

このとき、反射防止膜４はノボラック系ポリマーと、それよりも相対的に膜密度が小さいハロゲン系ポリマーとを混合して形成するようにしたので、ノボラック系ポリマーのみを単独に用いる場合よりも膜密度が小さくなり、エッチングレートが大きくなる。従って、この工程におけるレジストパターン５ａの膜減りを抑制し、且つ、スループットを向上させることができる。
また、反射防止膜４を偏析法により形成すると、反射防止膜４の全体の膜厚を薄膜化することもできるため、上記効果はさらに大きくなる。

次に、図７に示すように、ＳＦ_６／Ｎ_２系ガスを用い、レジストパターン５ａおよび反射防止膜パターン４ａをマスクとしてゲート電極膜３（図６参照）をエッチングし、ゲート電極３ａを形成する。さらに、図８に示すように、レジストパターン５ａおよび反射防止膜パターン４ａ（図７参照）をアッシングにより除去する。

このあと、図示しないが、リソグラフィ、イオン注入、および熱処理によりトランジスタの拡散層を形成する。さらに図９に示すように、ゲート絶縁膜２およびゲート電極３ａ全体を覆うように、プラズマＣＶＤ法などにより層間絶縁膜８を形成する。さらに、図示しないが、必要なコンタクトおよび配線等を形成する。

なお、本実施の形態では、Ｆ_２リソグラフィの反射防止膜として、異なる性質を有する第一の有機材料（ハロゲン系ポリマー）と第二の有機材料（ノボラック系ポリマー）とを１：１の混合比で均一に混合して形成するようにした。
レジストパターンの寸法変動をさらに抑制するためには、ハロゲン系ポリマーの混合比を相対的に大きくして全体としての光吸収率をさらに高くすれば良く、例えばハロゲン系ポリマーとノボラック系ポリマーを２：１の混合比で混合して形成する。

また、反射防止膜４を偏析法により形成すると、第一の有機材料および第二の有機材料のそれぞれの特性が、より効果的に作用するので、所定の混合比で均一に混合する場合よりも、さらに好適である。
すなわち、第一の有機材料であるハロゲン系ポリマーを反射防止膜４の半導体基板１側に偏析させることにより、ゲート電極膜３（図４参照）からの反射光をさらに効果的に抑制することができる。
また、第二の有機材料であるノボラック系ポリマーを反射防止膜４の表面側に偏析させることにより、露光によりフォトレジスト膜５に発生した酸が反射防止膜４へ拡散することをさらに効果的に抑制し、反射防止膜４からアウトガスが発生することを、さらに効果的に抑制することができる。

また、本実施の形態では、Ｆ_２リソグラフィで用いる１５７ｎｍの波長の露光光を用いてリソグラフィを行う例を示した。この例に限らず、１５７ｎｍよりもさらに短い波長を用いた場合においても、１５７ｎｍの波長の露光光を用いる場合と同様に、露光により発生する酸がフォトレジスト膜から反射防止膜に拡散しやすくなり、また、反射防止膜４からアウトガスが発生しやすくなり、さらに下地膜からの反射光の影響が大きくなると考えられる。従って、１５７ｎｍ以下の波長の露光光を用いるリソグラフィにおいて、本発明の適用は有効なものであるといえる。

なお、本実施の形態においては、第一の膜３がゲート電極膜３である例を示したが、第一の膜３はゲート電極膜に限られず、絶縁膜などの膜であってもよい。

以上説明したように、本実施の形態では、１５７ｎｍの波長の露光光を用いるＦ_２リソグラフィにおいて、反射防止膜を形成するとき、異なる性質を有する第一の有機材料および第二の有機材料とを含み、第一の有機材料は、光吸収率が相対的に高く、第二の有機材料は、膜密度が相対的に大きく、且つ、光安定性が相対的に高い材料を用いるようにした。

このように形成することにより、第一の有機材料および第二の有機材料の特性をあわせ持つ反射防止膜を形成することができる。
すなわち、露光時においてゲート電極膜からの反射光を効果的に吸収することができるので、レジストパターンの寸法変動を効果的に抑制することができる。また、反射防止膜のエッチングにおけるエッチングレートが大きくなるので、レジストパターン５ａの膜減りを抑制し、且つ、スループットを向上させることができる。
さらに、フォトレジスト膜から発生した酸の反射防止膜への拡散を抑制するので、レジストパターンの形状劣化を防ぐことができる。また、露光における反射防止膜からのアウトガスの発生を抑制することができるので、レジストパターンの剥離や形状劣化を防ぐことができる。

また、反射防止膜４を偏析法により形成すると、第一の有機材料および第二の有機材料の特性が、より効果的に作用するので、所定の混合比で均一に混合する場合よりも、さらに効果は大きくなる。

以上より、反射防止膜上にレジストパターンを形成するリソグラフィにおいて、剥離や形状劣化を抑制した、良好な矩形状のレジストパターンを工程を増加させることなく、再現性良く形成することができる、優れた半導体装置の製造方法を得ることができる。

実施の形態２．
図１０〜１８は、本発明の実施の形態２による半導体装置の製造方法を、半導体装置の断面により順を追って説明する工程説明図である。実施の形態１と同様に、本実施の形態においても、Ｆ_２リソグラフィ技術を用いて半導体基板上にＭＩＳ型トランジスタのゲート電極を形成する例を示す。
なお、実施の形態１においては、ゲート電極膜３の上に形成したレジストパターン５ａおよび反射防止膜パターン４ａをマスクとして、ゲート電極膜３をエッチングする例を示した（図７参照）が、本実施の形態においては、第一の膜としてゲート電極膜を形成し、ゲート電極膜の上に、第二の膜としてハードマスク膜を形成し、第二の膜を選択的にエッチングして得られるハードマスクをマスクとしてゲート電極膜をエッチングする例を示す。

まず、図１０に示すように、半導体基板１の主面上にゲート絶縁膜２を形成する。次に、ゲート絶縁膜２の上に、ゲート電極膜３を形成する。これらの工程は、実施の形態１と同一の条件により形成する。
さらに、ゲート電極膜３の上にハードマスクを形成するため、第二の膜９として、シリコン窒化膜からなるハードマスク膜９を、プラズマＣＶＤ法により３０ｎｍ程度の膜厚で形成する。

次に、図１１に示すように、ハードマスク膜９の上に反射防止膜４を形成し、ベーキングする。さらに、反射防止膜４の上にフォトレジスト膜５を形成し、ベーキングする。これらの工程は、実施の形態１と同一の条件で形成する。
なお、実施の形態１で示した反射防止膜４を偏析法により形成する場合においても、実施の形態１と同一の条件で形成するものとする。

次に、図１２に示すように、フォトマスク６を用い、Ｆ_２リソグラフィの露光装置により露光光７をフォトレジスト膜５の上に照射する。このとき、フォトレジスト膜５の領域Ａに露光光７が照射される。

このとき、実施の形態１と同様に、反射防止膜４は、異なる性質を有する第一の有機材料と、第二の有機材料とを含んでいる。反射防止膜４の形成方法や、第一の有機材料、第二の有機材料、およびこれらの特徴については、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。

この後、図示しないが、実施の形態１と同様に、フォトレジスト膜５を１１０℃の温度で６０程度ベーキングする。

ここで、反射防止膜４は、実施の形態１と同様の理由により、ハードマスク膜９からの反射光を効果的に吸収するため、レジストパターンの寸法変動を抑制することができる。
また、反射防止膜４を偏析法により形成すると、相対的に光吸収率の高い第一の有機材料が、反射防止膜４の半導体基板１側に偏析するため、上記効果はさらに大きくなる。

また、反射防止膜４は、実施の形態１と同様の理由により、フォトレジスト膜５から発生した酸が反射防止膜４へ拡散することを効果的に抑制するので、後の工程で形成するレジストパターンの形状劣化を防ぐことができる。
また、反射防止膜４を偏析法により形成すると、相対的に膜密度の大きい第二の有機材料が反射防止膜４の表面側に偏析するため、上記効果はさらに大きくなる。

また、反射防止膜４は、実施の形態１と同様の理由により、露光におけるアウトガスの発生を抑制することができる。従って、後の工程で形成するレジストパターンの剥離や形状劣化を防ぐことができる。
また、反射防止膜４を偏析法により形成すると、相対的に膜密度の大きい第二の有機材料が反射防止膜４の表面側に偏析するため、上記効果はさらに大きくなる。

次に、図１３に示すように、フォトレジスト膜５（図１２参照）の現像を行い、露光光７が照射されたフォトレジスト膜５の領域Ａ（図１２参照）の部分を除去し、レジストパターン５ａを形成する。この工程についても、実施の形態１と同一の条件で行う。

次に、図１４に示すように、Ｎ_２／Ｏ_２系ガスを用い、レジストパターン５ａをマスクとして反射防止膜４（図１３参照）をエッチングし、レジストパターン５ａの下に反射防止膜パターン４ａを形成する。

このとき、実施の形態１と同様に、反射防止膜４はノボラック系ポリマーと、それよりも相対的に膜密度が小さいハロゲン系ポリマーとを混合して形成するようにしたので、ノボラック系ポリマーのみを単独に用いる場合よりも膜密度が小さくなり、エッチングレートが大きくなる。従って、この工程におけるレジストパターン５ａの膜減りを抑制し、且つ、スループットを向上させることができる。

次に、図１５に示すようにＣＦ_４／Ｏ_２／ＣＨ_２Ｆ_２系ガスを用いて、レジストパターン５ａおよび反射防止膜パターン４ａをマスクとしてハードマスク膜９（図１４参照）をエッチングし、ハードマスク９ａを形成する。さらに、図１６に示すように、レジストパターン５ａおよび反射防止膜パターン４ａ（図１５参照）をアッシングにより除去して、ハードマスク９ａの表面を露出させる。

次に、図１７に示すように、ＳＦ_６／Ｎ_２系ガスを用い、ハードマスク９ａをマスクとしてゲート電極膜３（図１６参照）をエッチングし、ゲート電極３ａを形成する。

ここで、実施の形態１においては、レジストパターン５ａおよび反射防止膜パターン４ａをマスクとしてゲート電極膜３をエッチングするようにした（図７参照）が、本実施の形態では、ハードマスク９ａをマスクとしてゲート電極膜３をエッチングするようにしたので、実施の形態１よりも、エッチングの選択比を大きくすることができる。従って、実施の形態１よりもさらに再現性良く、ゲート電極３ａを矩形状の良好な形状とすることができる。

この後、図示しないが、リソグラフィ、イオン注入、および熱処理によりトランジスタの拡散層を形成する。さらに、図１８に示すように、ゲート絶縁膜２、ゲート電極３ａ、およびハードマスク９ａの全体を覆うように、プラズマＣＶＤ法などにより層間絶縁膜８を形成する。その後、図示しないが、必要なコンタクトおよび配線等を形成する。

なお、本実施の形態においても、Ｆ_２リソグラフィの反射防止膜として、異なる性質を有する第一の有機材料（ハロゲン系ポリマー）と第二の有機材料（ノボラック系ポリマー）とを１：１の混合比で均一に混合して形成するようにした。
レジストパターンの寸法変動をさらに抑制するためには、ハロゲン系ポリマーの混合比を相対的に大きくして全体としての光吸収率をさらに高くすれば良く、例えばハロゲン系ポリマーとノボラック系ポリマーを２：１の混合比で混合して形成する。

また、本実施の形態においても、反射防止膜４を偏析法により形成すると、第一の有機材料および第二の有機材料の特性が、より効果的に作用するので、所定の混合比で均一に混合する場合よりも、さらに好適である。

すなわち、第一の有機材料であるハロゲン系ポリマーを反射防止膜４の半導体基板１側に偏析させることにより、ハードマスク膜９（図１２参照）からの反射光をさらに効果的に抑制することができる。
また、第二の有機材料であるノボラック系ポリマーを反射防止膜４の表面側に偏析させることにより、露光によりフォトレジスト膜５に発生した酸が反射防止膜４へ拡散することをさらに効果的に抑制し、反射防止膜４からアウトガスが発生することをさらに効果的に抑制することができる。

また、本実施の形態においても、Ｆ_２リソグラフィで用いる１５７ｎｍの波長の露光光を用いてリソグラフィを行う例を示した。この例に限らず、１５７ｎｍよりもさらに短い波長を用いた場合においても、１５７ｎｍの波長の露光光を用いる場合と同様に、露光により発生する酸がフォトレジスト膜から反射防止膜に拡散しやすくなり、また、反射防止膜４からアウトガスが発生しやすくなり、さらに下地膜からの反射光の影響が大きくなると考えられる。従って、１５７ｎｍ以下の波長の露光光を用いるリソグラフィにおいて、本発明の適用は有効なものであるといえる。

なお、本実施の形態においては、第一の膜３がゲート電極膜であり、第二の膜９がハードマスク膜である例を示したが、第一の膜３はゲート電極膜に限られず、絶縁膜などの膜であってもよい。また、第二の膜９は、導電性膜などの膜であっても良い。

以上説明したように、本実施の形態では、１５７ｎｍの波長の露光光を用いるＦ_２リソグラフィにおいて、反射防止膜を形成するとき、異なる性質を有する第一の有機材料および第二の有機材料とを含み、第一の有機材料は、光吸収率が相対的に高く、第二の有機材料は、膜密度が相対的に大きく、且つ、光安定性が相対的に高い材料を用いるようにした。
また、本実施の形態では、ハードマスク９ａをマスクとしてゲート電極膜３をエッチングするようにした。従って実施の形態１よりもさらに再現性良く、ゲート電極３ａを矩形状の良好な形状とすることができる。

このように形成することにより、第一の有機材料および第二の有機材料の特性をあわせ持つ反射防止膜を形成することができる。
すなわち、露光時においてハードマスク膜からの反射光を効果的に吸収することができるので、レジストパターンの寸法変動を効果的に抑制することができる。また、反射防止膜のエッチングにおけるエッチングレートが大きくなるので、レジストパターンの膜減りを抑制し、且つ、スループットを向上させることができる。
さらに、フォトレジスト膜から発生した酸の反射防止膜への拡散を抑制するので、レジストパターンの形状劣化を防ぐことができる。また、露光におけるアウトガスの発生を抑制することができるので、レジストパターンの剥離や形状劣化を防ぐことができる。

また、反射防止膜４を偏析法により形成すると、第一の有機材料および第二の有機材料の特性を効果的に作用するので、所定の混合比で均一に混合する場合よりも、さらに効果は大きくなる。

本発明の実施の形態１の半導体装置の製造方法を示す断面図。本発明の実施の形態１の半導体装置の製造方法を示す断面図。本発明の実施の形態１の半導体装置の製造方法を示す断面図。本発明の実施の形態１の半導体装置の製造方法を示す断面図。本発明の実施の形態１の半導体装置の製造方法を示す断面図。本発明の実施の形態１の半導体装置の製造方法を示す断面図。本発明の実施の形態１の半導体装置の製造方法を示す断面図。本発明の実施の形態１の半導体装置の製造方法を示す断面図。本発明の実施の形態１の半導体装置の製造方法を示す断面図。本発明の実施の形態２の半導体装置の製造方法を示す断面図。本発明の実施の形態２の半導体装置の製造方法を示す断面図。本発明の実施の形態２の半導体装置の製造方法を示す断面図。本発明の実施の形態２の半導体装置の製造方法を示す断面図。本発明の実施の形態２の半導体装置の製造方法を示す断面図。本発明の実施の形態２の半導体装置の製造方法を示す断面図。本発明の実施の形態２の半導体装置の製造方法を示す断面図。本発明の実施の形態２の半導体装置の製造方法を示す断面図。本発明の実施の形態２の半導体装置の製造方法を示す断面図。従来の半導体装置の製造方法を示す断面図。従来の半導体装置の製造方法を示す断面図。従来の半導体装置の製造方法を示す断面図。

符号の説明

１半導体基板、２ゲート絶縁膜、３ゲート電極膜（第一の膜）、３ａゲート電極、４反射防止膜、４ａ反射防止膜パターン、５フォトレジスト膜、５ａレジストパターン、６フォトマスク、７露光光、８層間絶縁膜、９ハードマスク膜（第二の膜）、９ａハードマスク。

Claims

基板上に第一の膜を形成する工程と、
前記第一の膜の上に反射防止膜を形成する工程と、
前記反射防止膜の上にフォトレジスト膜を形成する工程と、
前記フォトレジスト膜を露光および現像して前記反射防止膜の上にレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンを介して前記反射防止膜を選択的にエッチングし、前記レジストパターンの下に反射防止膜パターンを形成する工程と、
前記レジストパターンおよび前記反射防止膜パターンを介して前記第一の膜を選択的にエッチングする工程とを備え、
前記反射防止膜は、異なる性質を有する第一の有機材料および第二の有機材料を含み、前記第一の有機材料は、前記露光の露光光の波長における吸収率が相対的に高く、前記第二の有機材料は、膜密度が相対的に大きく、且つ、光安定性が相対的に高いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
基板上に第一の膜を形成する工程と、
前記第一の膜の上に第二の膜を形成する工程と、
前記第二の膜の上に反射防止膜を形成する工程と、
前記反射防止膜の上にフォトレジスト膜を形成する工程と、
前記フォトレジスト膜を露光および現像して前記反射防止膜の上にレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンを介して前記反射防止膜を選択的にエッチングし、前記レジストパターンの下に反射防止膜パターンを形成する工程と、
前記レジストパターンおよび前記反射防止膜パターンを介して前記第二の膜を選択的にエッチングし、前記反射防止膜パターンの下にハードマスクを形成する工程と、
前記レジストパターンおよび前記反射防止膜パターンを除去して前記ハードマスクの表面を露出させる工程と、
前記ハードマスクを介して前記第一の膜を選択的にエッチングする工程とを備え、
前記反射防止膜は、異なる性質を有する第一の有機材料および第二の有機材料を含み、前記第一の有機材料は、前記露光の露光光の波長における吸収率が相対的に高く、前記第二の有機材料は、膜密度が相対的に大きく、且つ、光安定性が相対的に高いことを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記反射防止膜は、前記第一の有機材料および前記第二の有機材料を所定の混合比で均一に混合して形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
前記反射防止膜は、前記第一の有機材料を前記基板側に偏析させ、且つ、前記第二の有機材料を表面側に偏析させて形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体装置の製造方法。
前記第一の有機材料はハロゲン系ポリマーであり、且つ、前記第二の有機材料はノボラック系ポリマーであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
前記露光に用いられる露光光の波長は、１５７ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。