JP2008066467A - パターン形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】パターン倒れが抑制された、高アスペクト比のレジストパターンを形成することができるパターン形成方法を提供すること。
【解決手段】パターン形成方法は、半導体基板10の上にレジスト膜13を形成する工程と、前記レジスト膜13にエネルギー線の照射によりパターンを露光する工程と、前記パターンが露光された前記レジスト膜13を現像するために、前記レジスト膜13上に現像液を供給する工程と、前記半導体基板の上に、溶媒と前記レジスト膜とは異なる溶質とを含んだ塗布膜用材料を供給することにより、前記現像液を前記塗布膜用材料に置換する工程と、前記塗布膜用材料の中の前記溶媒を揮発させることにより、前記レジスト膜13の前記現像によって溶解した部分を埋め込むように塗布膜17を形成する工程と、前記塗布膜17をドライエッチングによって除去する工程とを含む。
【選択図】 図８

Description

本発明は、半導体装置の製造工程に関し、特にリソグラフィ工程およびドライエッチング工程におけるパターン形成方法に関する。

近年、パターンの微細化が進み、リソグラフィ工程におけるレジストのパターン倒れが大きな問題となっている。倒れの主な原因としては、リンス液を乾燥させる際のリンス液の表面張力と水流抗力が考えられる。とりわけ、微細パターンにおいては表面張力の影響が大きくなる。

リンス液乾燥時にレジストパターンに掛かる垂直応力σは、ライン幅をＷ、スペース幅をＤ、パターン高さをＨ、リンス液の表面張力をγ、リンス液界面とレジスト側壁の為す角をθとして、
σ＝６γｃｏｓθ／Ｄ×（Ｈ／Ｗ）^２ …(1)
と表される（例えば、非特許文献１参照）。

この問題の解決方法として、最も有効であるのはレジストの薄膜化であるが、基板加工の観点からもはや限界に達しつつある。近年では、この限界よりもさらにレジストを薄くすべく、三層レジストプロセスやハードマスクプロセスなどが使用されているが、薄膜化に限界があることに変わりはなく、問題の本質的な解決は出来ていない。
Ｈ．Ｎａｍａｔｓｕ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６６（２０），ｐｐ.２６５５,１５ Ｍａｙ １９９５

本発明は、パターン倒れが抑制された、高アスペクト比のレジストパターンを形成することができるパターン形成方法を提供する。

この発明の１態様に係るパターン形成方法は、半導体基板の上にレジスト膜を形成する工程と、前記レジスト膜にエネルギー線の照射によりパターンを露光する工程と、前記パターンが露光された前記レジスト膜を現像するために、前記レジスト膜上に現像液を供給する工程と、前記半導体基板の上に、溶媒と前記レジスト膜とは異なる溶質とを含んだ塗布膜用材料を供給することにより、前記現像液を前記塗布膜用材料に置換する工程と、前記塗布膜用材料の中の前記溶媒を揮発させることにより、前記レジスト膜の前記現像によって溶解した部分を埋め込むように塗布膜を形成する工程と、前記塗布膜をドライエッチングによって除去する工程とを含む。

本発明によれば、パターン倒れが抑制された、高アスペクト比のレジストパターンを形成することができるパターン形成方法の提供が可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。

(第１の実施形態)
本発明の第１の実施形態に係わるパターン形成方法の各製造工程における断面図を図１乃至図１１に示す。

まず図１に示すように、半導体基板１０上に、被加工膜として、例えば層間絶縁膜１１を形成する。この被加工膜としては、層間絶縁膜に限らず、半導体基板１０上に形成できるものであれば、メタル膜、low-k（低誘電率）膜等他のものであってもかまわない。

引き続き、図２に示すように、層間絶縁膜１１の上に膜厚５００ｎｍのノボラック膜（下層マスク）１２を形成する。

さらに、図３に示すように、ノボラック膜１２上に膜厚２００ｎｍのＳｉ（シリコン）含有ＡｒＦレジスト膜１３を形成する。ＡｒＦレジストは、例えば、アクリル樹脂或いはメタクリル樹脂であり、ここでは、それがさらにＳｉを含有したものをレジスト膜として用いている。

次に、図４に示すように、ＡｒＦエキシマーレーザー露光装置を用いてマスクに形成されたパターンをレジスト膜１３に露光する。レジスト膜１３は、例えば化学増幅型レジストであり光酸発生剤を含んでいるので、露光による光化学反応によって酸を発生する。その後、レジスト膜１３に対して１３０℃で６０秒間ベークを行う。これにより、酸が熱で拡散してレジスト膜１３の樹脂と反応することによりレジスト膜１３の中に潜像１３−１が形成される。なお、潜像１３−１は、被加工膜に対する所望のパターンの反転パターンとなっている。

次いで、図５に示すように、例えば、ＴＭＡＨ(TetraMethylAmmonium Hydroxide)等である現像液１４をＡｒＦレジスト膜１３上に塗り広げ、６０秒間現像を行い、潜像１３−１を除去することによりレジストパターン１３を形成する。レジストパターン１３に形成されるパターンは、ライン幅及びスペース幅が７０ｎｍのラインアンドスペースパターンである。

次いで、図６に示すように、レジストパターン１３上に、例えば純水であるリンス液１５を供給し、現像液１４の全て或いは少なくとも一部をリンス液１５に置換する。

次いで、図７に示すように、レジストパターン１３上に水溶性有機物溶液１６を吐出し、リンス液１５の全部或いは少なくとも一部、或いは、リンス液１５と残存する現像液１４の全部或いは少なくとも一部を水溶性有機物溶液１６に置換する。

また、上記それぞれの置換処理の間、半導体基板１０は静止していてもよいし、回転していてもよい。

なお、現像液１４の供給後にリンス液１５を供給しないで、水溶性有機物溶液１６を供給して、現像液１４の全て或いは少なくとも一部を水溶性有機物溶液１６に置換しても良い。

ここで、水溶性有機物溶液１６はレジストパターン１３に用いられたレジストとは異なる溶質を含む塗布膜用材料であり、この後の溶媒揮発後のエッチング工程において、レジストパターン１３よりもエッチング速度が大きくなるものを選択する。

本実施形態においては、レジストパターン１３はＳｉ（シリコン）含有のＡｒＦレジスト膜であり、この後の酸素ガスプラズマによるＲＩＥ処理において非常にエッチングされにくい。従って、水溶性有機物溶液１６としては、レジストパターン１３を溶解させない材料であれば足り、具体的には市販されている水溶性ＴＡＲＣ（Top Anti-Reflective Coating）を用いたり、現像液からの直接置換の場合には、水溶性ではないがアルカリ可溶性の液浸保護膜を用いたりすることが可能である。

図７の後、図８に示すように、半導体基板１０を回転させて水溶性有機物溶液１６中の溶媒を揮発させ、レジストパターン１３を覆うように水溶性有機物膜１７を形成する。さらに、１００℃で６０秒間ベークを行い、水溶性有機物膜１７のキュア（焼きしめ）を行う。

次いで、図９に示すように、レジストパターン１３をマスクにして酸素ガスプラズマで水溶性有機物膜１７の除去とノボラック膜１２のエッチング加工を一括して行う。これは、レジストパターン１３が酸素ガスプラズマによるＲＩＥ処理において非常にエッチングされにくいＳｉ（シリコン）含有ＡｒＦレジスト膜であることから可能となる。これにより、工程数の削減となってコストを低減することができる。

次いで、図１０に示すように、ノボラック膜１２をマスクに用いて、層間絶縁膜１１をドライエッチングする。層間絶縁膜１１をエッチングするのにレジストパターン１３に比べ膜厚の厚いノボラック膜１２を一旦介しているのは、レジストパターン１３には微細なパターンを形成するのであまり膜厚を厚くできないからである。

本実施形態においては、リンス液１５を水溶性有機物溶液１６に置換し、溶媒を揮発させて水溶性有機物膜１７を形成し、最後に水溶性有機物膜１７の選択除去を行っている。従来のパターン形成方法によると、レジストパターン１３のパターン倒れはリンス液１５の乾燥処理時に起こりやすいのであるが、本実施形態においては、以上に説明したようにリンス液１５の乾燥処理を回避することができる。従って、高いアスペクト比（レジスト膜厚／レジストパターン幅）を有するレジストパターン１３に対しても乾燥処理に伴うパターン倒れを抑制することが可能となる。

よって、本実施形態のパターン形成方法を用いてレジストパターンを形成し、それをマスクにして半導体基板を加工することにより、半導体装置を高い精度で製造することが可能になる。

本実施形態においては、レジスト膜としてＳｉ含有ＡｒＦレジスト膜を用い、露光装置としてＡｒＦ露光装置を用いた例を示したが、これに限られるものではない。ｇ線、ｉ線、ＫｒＦ、Ｆ_２、ＥＵＶ、電子ビーム等の光源に感度を有するレジスト膜と、それぞれに対応した露光装置を用いることが可能である。

本実施形態においては、水溶性有機物膜１７の除去を酸素ガスプラズマを用いて行ったが、途中までをウェットエッチングなどの方法によって行うことによりプロセスの効率化を図ってもかまわない。途中までとしたのは、全て除去されるまでウェットエッチングを用いると、ウェット液を乾燥させる工程が必要となってしまうからである。ウェット液の乾燥工程は、レジストパターン１３の倒壊を引き起こすので、これを回避するために、途中で酸素ガスプラズマによるエッチングに切り替える。また、途中まで別のガス及び条件を用いたドライエッチングを用いてもかまわない。

(第２の実施形態)
本発明の第２の実施形態に係わるパターン形成方法の各製造工程における断面図を図１１乃至図２２に示す。

まず図１１に示すように、半導体基板１０上に、被加工膜として、例えば層間絶縁膜１１を形成する。この被加工膜としては、層間絶縁膜に限らず、半導体基板１０上に形成できるものであれば、メタル膜、low-k（低誘電率）膜等他のものであってもかまわない。

引き続き、図１２に示すように、層間絶縁膜１１の上に膜厚５００ｎｍのノボラック膜（下層マスク）１２およびＳＯＧ（Ｓｐｉｎ ｏｎ Ｇｌａｓｓ）膜１８を形成する。ＳＯＧ膜とは、回転塗布後に熱処理で溶媒を蒸発させて形成した塗布酸化膜である。

さらに、図１３に示すように、ＳＯＧ膜１８上に膜厚２００ｎｍのＡｒＦレジスト膜２３を形成する。ＡｒＦレジストは、例えば、アクリル樹脂或いはメタクリル樹脂よりなる。

次に、図１４に示すように、ＡｒＦエキシマーレーザー露光装置を用いてマスクに形成されたパターンをレジスト膜２３に露光する。レジスト膜２３は、例えば化学増幅型レジストであり光酸発生剤を含んでいるので、露光による光化学反応によって酸を発生する。その後、レジスト膜２３に対して１３０℃で６０秒間ベークを行う。これにより、酸が熱で拡散してレジスト膜２３の樹脂と反応することによりレジスト膜２３の中に潜像２３−１が形成される。なお、潜像２３−１は、被加工膜に対する所望のパターンの反転パターンとなっている。

次いで、図１５に示すように、例えば、ＴＭＡＨ等である現像液１４をＡｒＦレジスト膜２３上に塗り広げ、６０秒間現像を行い、潜像２３−１を除去することによりレジストパターン２３を形成する。レジストパターン２３に形成されるパターンは、ライン幅及びスペース幅が７０ｎｍのラインアンドスペースパターンである。

次いで、図１６に示すように、レジストパターン２３上に、例えば純水であるリンス液１５を供給し、現像液１４の全て或いは少なくとも一部をリンス液１５に置換する。

次いで、図１７に示すように、レジストパターン２３上に水溶性Ｆ（フッ素）含有有機物溶液２６を吐出し、リンス液１５の全部或いは少なくとも一部、或いは、リンス液１５と残存する現像液１４の全部或いは少なくとも一部を水溶性Ｆ含有有機物溶液２６に置換する。

また、上記それぞれの置換処理の間、半導体基板１０は静止していてもよいし、回転していてもよい。

なお、現像液１４の供給後にリンス液１５を供給しないで、水溶性Ｆ含有有機物溶液２６を供給して、現像液１４の全て或いは少なくとも一部を水溶性Ｆ含有有機物溶液２６に置換しても良い。

ここで、水溶性Ｆ（フッ素）含有有機物溶液２６はレジストパターン２３に用いられたレジストとは異なる溶質を含む塗布膜用材料であり、この後の溶媒揮発後のエッチング工程において、レジストパターン２３よりもエッチング速度が大きくなるように選択した。

本実施形態においては、レジストパターン２３は通常のレジストであるＡｒＦレジスト膜である。従って、この後の塩素ガスプラズマによるＲＩＥ処理において、レジストパターン２３よりエッチングされやすいように、Ｆ（フッ素）を含有した水溶性有機物溶液を塗布膜用材料として用いた。

図１７の後、図１８に示すように、半導体基板１０を回転させて水溶性Ｆ含有有機物溶液２６中の溶媒を揮発させ、レジストパターン２３を覆うように水溶性Ｆ含有有機物膜２７を形成する。さらに、１００℃で６０秒間ベークを行い、水溶性Ｆ含有有機物膜２７のキュア（焼きしめ）を行う。

次いで、図１９に示すように、塩素ガスプラズマで水溶性Ｆ含有有機物膜２７の除去を行う。次いで、図２０に示すように、レジスト膜２３をマスクに、ＳＯＧ膜１８をフッ素系ガスのプラズマでドライエッチングする。

次に、図２１に示すように、ＳＯＧ膜１８をマスクに用いて、ノボラック膜１２を酸素ガスプラズマでエッチングする。最後に図２２に示すように、ノボラック膜１２をマスクに用いて、層間絶縁膜１１をドライエッチングする。

ここで、層間絶縁膜１１をエッチングするのにレジストパターン２３に比べ膜厚の厚いノボラック膜１２を一旦介しているのは、レジストパターン２３には微細なパターンを形成するのであまり膜厚を厚くできないからである。また、ＳＯＧ膜１８は、ノボラック膜１２を酸素ガスプラズマでエッチングするときに選択比のとれるシリコン系の膜をマスクとする必要があるために用いられる。

本実施形態においても、リンス液１５を水溶性Ｆ含有有機物溶液２６に置換し、溶媒を揮発させて水溶性Ｆ含有有機物膜２７を形成し、最後に水溶性Ｆ含有有機物膜２７の選択除去を行っているので、リンス液１５の乾燥処理を回避することができる。従って、高いアスペクト比を有するレジストパターン２３に対しても乾燥処理に伴うパターン倒れを抑制することが可能となる。

よって、本実施形態のパターン形成方法を用いてレジストパターンを形成し、それをマスクにして半導体基板を加工することにより、半導体装置を高い精度で製造することが可能になる。

本実施形態においては、レジスト膜としてＡｒＦレジスト膜を用い、露光装置としてＡｒＦ露光装置を用いた例を示したが、これに限られるものではない。ｇ線、ｉ線、ＫｒＦ、Ｆ_２、ＥＵＶ、電子ビーム等の光源に感度を有するレジスト膜と、それぞれに対応した露光装置を用いることが可能である。

本実施形態においては、水溶性Ｆ含有有機物膜２７の除去を塩素ガスプラズマを用いて行ったが、第１の実施形態と同様に途中まで、ウェットエッチング、或いは他の条件のドライエッチングなどでエッチングすることによりプロセスの効率化を図ってもかまわない。

なお、本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。更に、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出されうる。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出されうる。

本発明の第１の実施形態に係るパターン形成方法の一製造工程を示す断面図。 図１に続くパターン形成方法の一製造工程を示す断面図。 図２に続くパターン形成方法の一製造工程を示す断面図。 図３に続くパターン形成方法の一製造工程を示す断面図。 図４に続くパターン形成方法の一製造工程を示す断面図。 図５に続くパターン形成方法の一製造工程を示す断面図。 図６に続くパターン形成方法の一製造工程を示す断面図。 図７に続くパターン形成方法の一製造工程を示す断面図。 図８に続くパターン形成方法の一製造工程を示す断面図。 図９に続くパターン形成方法の一製造工程を示す断面図。 本発明の第２の実施形態に係るパターン形成方法の一製造工程を示す断面図。 図１１に続くパターン形成方法の一製造工程を示す断面図。 図１２に続くパターン形成方法の一製造工程を示す断面図。 図１３に続くパターン形成方法の一製造工程を示す断面図。 図１４に続くパターン形成方法の一製造工程を示す断面図。 図１５に続くパターン形成方法の一製造工程を示す断面図。 図１６に続くパターン形成方法の一製造工程を示す断面図。 図１７に続くパターン形成方法の一製造工程を示す断面図。 図１８に続くパターン形成方法の一製造工程を示す断面図。 図１９に続くパターン形成方法の一製造工程を示す断面図。 図２０に続くパターン形成方法の一製造工程を示す断面図。 図２１に続くパターン形成方法の一製造工程を示す断面図。

符号の説明

１０…半導体基板、１１…層間絶縁膜、１２…ノボラック膜、
１３…Ｓｉ含有ＡｒＦレジスト膜、１３−１、２３−１…潜像、１４…現像液、
１５…リンス液、１６…水溶性有機物溶液、１７…水溶性有機物膜、１８…ＳＯＧ膜、
２３…ＡｒＦレジスト膜、２６…水溶性Ｆ含有有機物溶液、２７…水溶性Ｆ含有有機物膜。

Claims (5)

1. 半導体基板の上にレジスト膜を形成する工程と、
   前記レジスト膜にエネルギー線の照射によりパターンを露光する工程と、
   前記パターンが露光された前記レジスト膜を現像するために、前記レジスト膜上に現像液を供給する工程と、
   前記半導体基板の上に、溶媒と前記レジスト膜とは異なる溶質とを含んだ塗布膜用材料を供給することにより、前記現像液を前記塗布膜用材料に置換する工程と、
   前記塗布膜用材料の中の前記溶媒を揮発させることにより、前記レジスト膜の前記現像によって溶解した部分を埋め込むように塗布膜を形成する工程と、
   前記塗布膜をドライエッチングによって除去する工程と
   を含むことを特徴とするパターン形成方法。
2. 前記置換する工程は、
   前記半導体基板上にリンス液を供給することにより、前記現像液を前記リンス液に置換する工程と、
   前記半導体基板の上に、溶媒と前記レジスト膜とは異なる溶質とを含んだ塗布膜用材料を供給することにより、前記リンス液を前記塗布膜用材料に置換する工程と
   からなることを特徴とする請求項１に記載のパターン形成方法。
3. 前記ドライエッチングの前に、前記塗布膜の表面を前記ドライエッチングとは異なる方法でエッチングする工程をさらに含む
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のパターン形成方法。
4. 前記レジスト膜はシリコン原子を含有し、前記ドライエッチングは酸素ガスを用いたドライエッチングである
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパターン形成方法。
5. 前記塗布膜はフッ素原子を含有し、前記ドライエッチングは塩素ガスを用いたドライエッチングである
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のパターン形成方法。

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