JP2008066587A

JP2008066587A - パターン形成方法

Info

Publication number: JP2008066587A
Application number: JP2006244427A
Authority: JP
Inventors: Takehiro Kondo; 丈博近藤; Hideshi Shiobara; 英志塩原
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-09-08
Filing date: 2006-09-08
Publication date: 2008-03-21
Also published as: US20080138746A1

Abstract

【課題】簡便かつ低コストに現像欠陥を抑制することが可能な水溶性パターン形成材料を用いた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１の主表面上にレジストパターン１２を形成する工程と、前記レジストパターン１２の上に、酸の存在下で熱架橋性を有する水溶性パターン形成材料を塗布する工程と、前記水溶性パターン形成材料の前記レジストパターンと接する部分に加熱によって架橋膜５０を形成する工程と、前記水溶性パターン形成材料の前記架橋膜５０以外の部分を、界面活性剤を含んだアルカリ水溶液を用いて除去する工程とを含む。
【選択図】図６

Description

本発明は、半導体製造工程に使用される微細パターン形成材料を用いたパターン形成方法における現像処理に関するものである。

半導体プロセスは微細化の一途をたどっており、リソグラフィ技術におけるアプローチとしては、露光装置における露光波長の短波長化、高ＮＡ（開口数）化等が挙げられる。しかしながら、これらのアプローチには新たな設備が必要であり、コストや大幅なプロセスの変更等の問題がある。また、露光波長によるレジストパターン微細化には限界がある。

従って、低コストで、プロセス変更の少ない試みがなされており、レジストプロセスの工夫として、水溶性微細パターン形成材料を用いたＲＥＬＡＣＳ(Resolution Enhancement Lithography Assisted by Chemical Shrink)処理によるレジストパターンの微細化の試みが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ＲＥＬＡＣＳ処理においては、まず、通常のレジストパターンの形成後に、その上から水溶性微細パターン形成材料を塗布し、加熱により架橋膜を形成する。その後、非架橋部分を取り除く現像処理を行う。

この現像処理において、純水のみを用いた場合には、膜に現像欠陥が生じてしまうことが知られていた。ＲＥＬＡＣＳ処理において生ずる現像欠陥は、当初のレジストパターンにおける開口部が未開口になってしまうという事態を引き起こし問題であった。

これに対して、現像欠陥を抑制するために、現像処理に界面活性剤水溶液を用いる提案がされている（例えば、特許文献２参照）。しかし、界面活性剤水溶液は高価であるという問題があった。
特開平１０−７３９２７号公報特開２００２−４９１６１号公報

本発明は、簡便かつ低コストに現像欠陥を抑制することが可能な水溶性パターン形成材料を用いたパターン形成方法を提供する。

この発明の一態様に係るパターン形成方法は、半導体基板の主表面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の上に、酸の存在下で熱架橋性を有する水溶性パターン形成材料を塗布する工程と、前記水溶性パターン形成材料の前記レジストパターンと接する部分に加熱によって架橋膜を形成する工程と、前記水溶性パターン形成材料の前記架橋膜以外の部分を、界面活性剤を含んだアルカリ水溶液を用いて除去する工程とを含む。

本発明によれば、簡便かつ低コストに現像欠陥を抑制することが可能な水溶性パターン形成材料を用いたパターン形成方法を提供できる。

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を図１乃至図６を用いて以下に説明する。

[ＲＥＬＡＣＳ処理前のレジストパターン形成]
まず、図１に示すように、半導体基板１上に、ArF有機反射防止膜（日産化学社製ARC29A）をスピンコートにより塗布して、溶剤を揮発させるために温度215℃で1分間ベークし、厚さ80nｍの反射防止膜１１を形成する。

その後、図２に示すように、反射防止膜１１の上にArFポジレジスト（JSR社製）をスピンコートにより塗布し、温度130℃で1分間ベークし、厚さ400nmのレジスト膜１２を形成した。

その後、上記レジスト膜１２に、ArFエキシマレーザー露光装置にてNA=0.78、2/3輪帯照明の条件で、透過率６％のハーフトーンマスクを用いて露光する（図示せず）。その後、温度100℃で1分間ベークする。これは、ポストベーク（ＰＥＢ:Post Exposure Bake)であり、化学増幅型レジストにおいて露光によって発生した酸と脱離基との反応（脱離反応）を促進するための処理である。

その後、2.38重量％のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(TMAH)水溶液で現像し、図３に示すように直径150nmのコンタクトホールパターン１０を形成した。なおここで、界面活性剤入りの2.38重量％のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(TMAH)水溶液（多摩化学社製AD-10現像液）を用いて現像してもよい。

[ＲＥＬＡＣＳ処理]
図４に示すように、コンタクトホールパターン１０に、水溶性パターン形成材料であるＲＥＬＡＣＳ材（AZエレクトロニックマテリアルズ社製：Ｒ６０２）１３を膜厚300nmでスピンコート法により塗布する。

その後、図５に示すように、155℃90秒ベークを行うことにより、ＲＥＬＡＣＳ材１３のレジストパターン１２と接する部分に架橋膜５０を形成する。

その後、現像処理を行う。現像処理は、まず純水で40秒リンスを行い、次に界面活性剤入り2.38重量％のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(TMAH)水溶液（多摩化学社製AD-10現像液）を用いて10秒リンスを行い、更に純水を用いて10秒リンスを行うことからなる。この現像処理によって、図６に示すようにＲＥＬＡＣＳ材１３の架橋膜５０以外の部分を除去することにより、コンタクトホールパターン２０を形成した。

なお、上記現像処理は、界面活性剤を含んだテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(TMAH)水溶液を用いるのであれば、上記手順に限定されず、また必ずしも純水を用いなくてもかまわない。

また、コンタクトホールパターン１０を形成するときに、界面活性剤入り2.38重量％のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(TMAH)水溶液（多摩化学社製AD-10現像液）を用いていた場合には、ＲＥＬＡＣＳ処理の現像処理においても同一の現像液を使用することになるので処理が簡便になる。

その後、スピン乾燥により乾燥を行った。ＲＥＬＡＣＳ処理されたコンタクトホールパターン２０の直径を測長SEMを用いて計測したところ、コンタクトホールパターン１０よりも20nmだけパターンシュリンクし、130nmとなった（図６）。

[欠陥検査]
図３に示したコンタクトホールパターン１０が形成された状態と、図６に示したコンタクトホールパターン２０が形成された状態とを光学式欠陥検査装置を用いて欠陥検査を行った。それぞれのパターンが形成された状態においてウェハ上に形成された線状欠陥の個数を表１に示す。

表１より、ＲＥＬＡＣＳプロセス前後で欠陥数が増加していないことが分かる。

ここで、カウントした線状欠陥とは、例えば図７の写真に示すような線状欠陥７０を1個として数える。線状欠陥７０は、コンタクトホールパターン７５の並びが何本か並列して形成された評価パターン上に、開口が不完全なコンタクトホールパターン７１と膜厚が変動しているレジスト領域７２とからなる一塊のマクロな欠陥である。

ここで、比較のため従来のパターン形成方法について説明する。従来のパターン形成方法は、例えば、図４までの工程は本実施形態と同様である。その後、図８に示すように、150℃90秒ベークを行うことにより、ＲＥＬＡＣＳ材１３のレジストパターン１２と接する部分に架橋膜８０を形成する。なお、本実施形態の場合に比べてベーク温度が低いのは、この後説明する現像工程の違いによるパターンのシュリンク量の違いを考慮して最終的に形成されるコンタクトホールパターンの直径を本実施形態の場合と揃えるために熱架橋量を減らすためである。

この後、純水のみで60秒リンスを行う現像処理を行う。この現像処理によって、図９に示すようにＲＥＬＡＣＳ材１３の架橋膜８０以外の部分を除去することにより、コンタクトホールパターン３０を形成した。

その後、スピン乾燥により乾燥を行った。ＲＥＬＡＣＳ処理されたコンタクトホールパターン３０の直径を測長SEMを用いて計測したところ、コンタクトホールパターン１０よりも20nmだけパターンシュリンクし、130nmとなった（図９）。

図３に示したコンタクトホールパターン１０が形成された状態と、図９に示したコンタクトホールパターン３０が形成された状態とを光学式欠陥検査装置を用いて欠陥検査を行った。それぞれのパターンが形成された状態においてウェハ上に形成された線状欠陥の個数を表２に示す。

表２より、ＲＥＬＡＣＳプロセス後に欠陥数が増加していることが分かる。

さらに、別の評価パターンを用いて、本実施形態に係る現像方法を、従来の現像方法と比較した結果を以下に示す。

それぞれ別の３枚のウェハに対して、光学式欠陥検査装置を用いて欠陥検査を行った結果が、線状欠陥のウェハ上の分布を示した欠陥マップとして図１０乃至図１２に示されている。

図１０は、ＲＥＬＡＣＳ処理前のレジストパターン形成時に欠陥検査を行ったときの欠陥マップである。図１１は、ＲＥＬＡＣＳ処理において、純水、界面活性剤入り2.38重量%のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(TMAH)水溶液（多摩化学社製AD-10現像液）、純水の順に用いて現像処理を行った後に欠陥検査を行ったときの欠陥マップである。図１２は、ＲＥＬＡＣＳ処理において、従来のように純水のみを用いて現像処理を行った後に欠陥検査を行ったときの欠陥マップである。

表３にそれぞれの場合にウェハ上に形成された線状欠陥の個数を示す。

純水のみを用いて現像処理を行った図１２の場合は、線状欠陥が多数発生してしまう。しかし、界面活性剤入り2.38重量％のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(TMAH)水溶液（多摩化学社製AD-10現像液）を用いた図１１の本実施形態の場合には、線状欠陥が発生していないのがわかる。

以上説明したように、界面活性剤が入ったアルカリ水溶液である、界面活性剤入り2.38重量％のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド(TMAH)水溶液を現像処理に用いることによって、従来問題になっていたＲＥＬＡＣＳプロセスに起因する現像欠陥の発生を防ぐことが可能となった。

本実施形態においては、従来汎用的に用いられている既存の現像液を用いているので、低コストかつ簡便に現像欠陥、即ち未開口パターンが発生することが回避可能となる。

(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を図１乃至図５、図１３を用いて以下に説明する。

[ＲＥＬＡＣＳ処理前のレジストパターン形成]
第１の実施形態に係わるパターン形成方法と全く同様の工程を経る。

[ＲＥＬＡＣＳ処理]
図５に至るまでの工程は、第１の実施形態に係わるパターン形成方法と全く同じである。

その後、現像処理を行う。現像処理は、まず純水で40秒リンスを行い、次に界面活性剤入り2.38重量％の水酸化カリウム(KOH)水溶液を用いて10秒リンスを行い、更に純水を用いて10秒リンスを行うことからなる。この現像処理によって、図１３に示すようにＲＥＬＡＣＳ材１３の架橋膜５０以外の部分を除去することにより、コンタクトホールパターン４０を形成した。

なお、上記現像処理は、界面活性剤を含んだ水酸化カリウム(KOH)水溶液を用いるのであれば、上記手順に限定されず、また必ずしも純水を用いなくてもかまわない。

その後、スピン乾燥により乾燥を行った。ＲＥＬＡＣＳ処理されたコンタクトホールパターン４０の直径を測長SEMを用いて計測したところ、コンタクトホールパターン１０よりも20nmだけパターンシュリンクし、130nmとなった（図１３）。

[欠陥検査]
図３に示したコンタクトホールパターン１０が形成された状態と、図１３に示したコンタクトホールパターン４０が形成された状態とを光学式欠陥検査装置を用いて欠陥検査を行った。それぞれのパターンが形成された状態においてウェハ上に形成された線状欠陥の個数を表４に示す。

表４より、ＲＥＬＡＣＳプロセス前後で欠陥数が増加していないことが分かる。

以上説明したように、界面活性剤が入ったアルカリ水溶液である、界面活性剤入り2.38重量％の水酸化カリウム(KOH)水溶液を現像処理に用いることによって、高価な界面活性剤水溶液を用いないで、ＲＥＬＡＣＳプロセスに起因する現像欠陥、即ち未開口パターンの発生を防ぐことが可能となった。

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、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１に引き続く第１、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２に引き続く第１、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３に引き続く第１、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４に引き続く第１、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５に引き続く第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。光学式欠陥検査装置を用いて検出される線状欠陥の様子を示す写真。従来のパターン形成方法の一製造工程を示す断面図。図８に引き続く従来のパターン形成方法の一製造工程を示す断面図。ＲＥＬＡＣＳ処理前のレジストパターン形成時に欠陥検査を行ったときの欠陥マップ。ＲＥＬＡＣＳ処理において第１の実施形態の現像処理を行った後に欠陥検査を行ったときの欠陥マップ。ＲＥＬＡＣＳ処理において、従来の現像処理を行った後に欠陥検査を行ったときの欠陥マップ。図５に引き続く第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。

符号の説明

１…半導体基板、１０…コンタクトホールパターン、１１…ＡｒＦ有機反射防止膜、
１２…レジスト膜、１３…ＲＥＬＡＣＳ材、２０…コンタクトホールパターン、
３０…コンタクトホールパターン、４０…コンタクトホールパターン、
５０、８０…架橋膜、７０…線状欠陥、７１…開口が不完全なコンタクトホールパターン
７２…膜厚が変動しているレジスト領域、７５…コンタクトホールパターン。

Claims

半導体基板の主表面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の上に、酸の存在下で熱架橋性を有する水溶性パターン形成材料を塗布する工程と、
前記水溶性パターン形成材料の前記レジストパターンと接する部分に加熱によって架橋膜を形成する工程と、
前記水溶性パターン形成材料の前記架橋膜以外の部分を、界面活性剤を含んだアルカリ水溶液を用いて除去する工程と
を含むことを特徴とするパターン形成方法。
前記除去する工程における薬液を使用する順番が、
純水、前記界面活性剤を含んだアルカリ水溶液、純水の順である
ことを特徴とする請求項１に記載のパターン形成方法。
前記界面活性剤を含んだアルカリ水溶液は、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイドを含有する水溶液である
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。
前記界面活性剤を含んだアルカリ水溶液は、水酸化カリウムを含有する水溶液である
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。
前記界面活性剤を含んだアルカリ水溶液は、前記レジストパターンを形成する工程で使用する現像液である
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。