JP2009004478A

JP2009004478A - パターン形成方法及び半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2009004478A
Application number: JP2007162403A
Authority: JP
Inventors: Tsukasa Azuma; 司東
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-06-20
Filing date: 2007-06-20
Publication date: 2009-01-08
Also published as: US20080318166A1

Abstract

【課題】レジスト膜表面の撥水層を除去して、現像処理工程でのパターン寸法制御性を改善するパターン形成方法及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】半導体基板１００の表面にレジスト膜１０４を形成し、露光装置２を用いて、レジスト膜１０４と投影光学系２０３との間に液体を満たしつつ、液体２０５を介してレジスト膜１０４を露光し、露光後にレジスト膜１０４表層に形成された撥水層１０５を除去し、撥水層１０５を除去後に基板１００を加熱処理し、レジスト膜１０４を現像してレジストパターン１０７を形成することによって、レジストパターン１０７のパターン制御性を向上する。
【選択図】図２

Description

本発明は、パターン形成方法及び半導体装置の製造方法に関する。

液浸リソグラフィ技術においては、液浸露光装置のみならず液浸露光用のレジスト材料の開発が最重要課題である。特に、液浸液からレジスト膜を保護するためのレジスト保護膜材料が不要となる液浸露光用レジスト材料は、工程簡略化によるコスト削減効果ばかりではなく、液浸起因欠陥等の低減にも有効であることから開発が加速されている。

液浸露光装置を用いたレジストプロセスにおいては、液浸露光後、現像処理を行う前にレジスト膜に有機系薬液等を供給して、未反応の光酸発生剤等をトラップする技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００７−８８２５６号

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、レジスト膜表面の撥水層を除去して、現像処理工程でのパターン寸法制御性を改善するパターン形成方法及び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様のパターン形成方法は、基板表面にレジスト膜を形成する工程と、露光装置を用いて、前記レジスト膜と投影光学系との間に液体を満たしつつ、前記液体を介して前記レジスト膜を露光する工程と、露光後、前記レジスト膜表層の撥水層を除去する工程と、前記撥水層を除去後、前記基板を加熱処理する工程と、前記レジスト膜を現像して、レジストパターンを形成する工程と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、レジスト膜表面に形成された撥水層を除去して、現像処理工程でのパターン寸法制御性を改善するパターン形成方法及び半導体装置の製造方法を提供することができる。

以下、本発明の実施例に係るパターン形成方法及び半導体装置の製造方法について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施例に係るパターン形成方法の工程断面図であり、図２は本発明の実施例に係るパターン形成方法の概略を示すフローチャートである。

まず、図１（ａ）に示すように、３００ｍｍ径のシリコンウエハである半導体基板１００上に、塗布装置を用いて、３００ｎｍ膜厚程度の有機膜である反射防止膜１０２を回転塗布する（図２のステップ１（Ｓ１））。基板１００表面には、層間絶縁層等の被加工膜１０１が形成されている。さらに反射防止膜１０２は、基板１００上に塗布された後、１ｓｔべークとして１８０℃／６０ｓｅｃ、２ｎｄべークとして３００℃／６０ｓｅｃの２ステップべークで成膜処理される（図２のステップ２（Ｓ２））。

次に、図１（ｂ）に示すように、反射防止膜１０２上に、４５ｎｍ膜厚程度のポリシロキサンを主成分とするＳＯＧ膜１０３を回転塗布する（図２のステップ３（Ｓ３））。ＳＯＧ膜１０３は、反射防止膜１０２上に塗布された後、１ｓｔべークとして１８０℃／６０ｓｅｃ、２ｎｄべークとして３００℃／６０ｓｅｃの２ステップべークで成膜処理される（図２のステップ４（Ｓ４））。

続いて、図１（ｃ）に示すように、ＳＯＧ膜１０３上には、１００ｎｍ膜厚程度のレジスト膜１０４を塗布する（図２のステップ５（Ｓ５））。レジスト膜１０４は、ＳＯＧ膜上に塗布された後、９０℃／６０ｓｅｃでベーク（ＰＡＢ（ＰｏｓｔＡｐｐｌｙＢａｋｅ）処理）され成膜処理される（図２のステップ６（Ｓ６））。

本実施例で使用されるレジスト膜１０４は、液浸露光用に使用される化学増幅型レジスト（トップコートレスレジスト）である。また、レジスト膜１０４の表層には薄い撥水層１０５が形成されている。このため、液浸露光装置を用いてレジスト膜１０４に対して回路パターンを露光する時、レジスト膜１０４への純水等の液浸液の浸透を防止するための保護膜をレジスト膜１０４上に形成しなくとも、液浸液がレジスト膜１０４に浸透することを防止することができる。一方で、レジスト膜１０４は、現像液をはじかないように設計されているため、現像液を供給することによりレジスト膜１０４の露光部を容易に溶解することができ、レジストパターンを形成することができる。

次に、開口数が１．２ＮＡ（ＮｕｍｅｒｉｃａｌＡｐｅｒｔｕｒｅ）程度の縮小投影液浸露光装置を用いて、最小線幅４５ｎｍであるラインアンドスペース（Ｌ／Ｓ）の半導体回路パターンを基板１００上のレジスト膜１０４に転写する（図２のステップ７（Ｓ７））。

ここで、図３を参照して、本実施例に係る液浸露光装置の構成を説明する。図３は、本実施例に係る液浸露光装置の構成を示す概略図である。

液浸露光装置２は、ＡｒＦエキシマレーザー（波長λ＝１９３ｎｍ）光源２００及び照明光学系２０１、さらに照明光学系２０１の下方にレチクルステージ２０２を備えている。半導体基板１００に形成されたレジスト膜へ回路パターンを転写する際には、レチクルステージ２０２上にマスクパターンが形成されたフォトマスクであるレチクルを設置し、光源２００より発する露光光を照明光学系２０１で集光してマスクに照射する。

レチクルステージ２０２の下方には投影光学系２０３が配置され、投影光学系２０３の下方には半導体基板を設置するためのウェハステージ２０４が配置されている。マスクに照射された露光光を、投影光学系２０３を介してウェハステージ２０４上に設置された基板表面のレジスト膜表面で結像させることにより、マスクに形成されたマスクパターンを基板表面のレジスト膜に転写する。

投影光学系２０３の下方のウェハステージ２０４上には、ウェハステージ２０４上に供給される液浸露光用の液体２０５（液浸液２０５）等を保持するためのフェンス２０６が取り付けられている。露光時には、フェンス２０６で囲まれた領域内の基板１００と投影光学系２０３とが対向する光路空間に厚み１００μｍ程度の液浸液２０５の層が満たされる。

投影光学系２０３近傍には、フェンス２０６内への液浸液２０５の注入及びフェンス２０６内からの液浸液２０５の回収を行う一対のヘッド２０７が設けられている。

以上のような構成を有する露光装置２により、レジスト膜１０４と投影光学系２０３との間に液体２０５を満たしつつ、液体２０５を介してレジスト膜１０４を露光し、レジスト膜１０４にパターンを転写する。

パターンをレジスト膜１０４に転写した後、図１（ｄ）に示すように、塗布装置を用いて、塗布装置のステージ上に載せた基板１００を回転させつつ、基板表面のレジスト膜１０４に対して、アルカリ性溶液１０６、例えば０．２３８重量％のＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）有機アルカリ水溶液１０６を供給し、ポストソーク処理と呼ばれる表面リンス処理を施す（図２のステップ８（Ｓ８））。

この表面リンス処理では、有機アルカリ水溶液１０６をレジスト膜１０４表面に供給することで、レジスト膜１０４表面に形成された撥水層１０５を溶解して除去することができる。ここで、ＴＭＡＨ有機アルカリ水溶液１０６の濃度を適当な値まで小さくすることによって、レジスト膜１０４の露光部分が現像されてレジストパターン１０７が形成されることを防止する。

本実施例では、撥水層１０５除去のために、０．２３８重量％のＴＭＡＨ有機アルカリ水溶液１０６をレジスト膜１０４表面に供給しているが、必ずしもこのような方法により撥水層１０５を除去しなくてもよい。レジスト膜１０４の種類、あるいは撥水層１０５の種類・厚みに応じて、レジスト膜１０４に供給する溶液の種類・濃度・量を適宜調節して、レジスト膜１０４表層の撥水層１０５を適宜除去することができる。

次に、図１（ｅ）に示すように、ホットプレート等を用いて半導体基板１００を１１５度／６０ｓｅｃで加熱処理（ＰＥＢ（ＰｏｓｔＥｘｐｏｓｕｒｅＢａｋｅ）処理）する（図２のステップ９（Ｓ９））。続いて、塗布装置を用いて、ステージに載せたレジスト膜１０４に２．３８重量％のＴＭＡＨ有機アルカリ水溶液１０６を供給することによりレジスト膜１０４を現像処理して、最小線幅４５ｎｍＬ／Ｓのレジストパターン１０７を形成する（図２のステップ１０（Ｓ１０））。

現像処理においては、レジスト膜１０４表層の撥水層１０５除去のために使用した薬液と同種のＴＭＡＨ有機アルカリ水溶液１０６を用いているが、撥水層１０５除去時よりも有機アルカリ濃度を高くなるように調整したＴＭＡＨ有機アルカリ水溶液１０６を使用している。このため、この現像液を用いることにより、レジスト膜１０４のパターン露光部を十分に溶解することが可能であり、寸法制御されたレジストパターン１０７を形成することができる。なお、現像液として必ずしも撥水層１０５除去のために使用した薬液と同一の薬液を用いて現像処理を行う必要はない。

一般的に、レジスト膜を現像処理する工程において、レジスト膜表面が撥水性である場合、現像液によるレジスト膜の溶解速度を、形成しようするパターン全体を通して均一に制御することが困難となる恐れがある。すなわち、レジスト膜に形成しようとするパターンの寸法・配置・密度等の異なる部分において、レジスト膜の溶解速度が異なり、パターン寸法疎密差やパターン内端差が生じ、レジストパターンのパターン寸法制御性が著しく劣化する問題がある。

これに対して、本実施例に係るパターン形成方法では、露光を行った後のレジスト膜１０４に対し、低濃度のアルカリ性水溶液１０６を用いて表面リンス処理を行うことにより、レジスト膜１０４表面の撥水層１０５を除去している。このように、レジスト膜１０４表面の撥水層１０５を除去することにより、レジスト膜１０４の現像処理工程では撥水層１０５の存在しない状態での現像処理が可能となり、パターン寸法疎密依存性やパターン内端差を改善することが可能となる。

また、本実施例に係るパターン形成方法を利用して半導体装置を製造することも可能である。以下、図４を参照して、本実施例に係る半導体装置の製造方法を説明する。図４は、本実施例に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。
まず、図４（ａ）に示すように、表面に被加工膜１０１が形成された半導体基板１００上に反射防止膜１０２、ＳＯＧ膜１０３、レジスト膜１０４を順に塗布形成し、それぞれをベーク処理する。

次に、図４（ｂ）に示すように、前述した本実施例に係るパターン形成方法を利用して基板１００上にレジストパターン１０７を形成する。本実施例に係るパターン形成方法を用いて、ＮＡＮＤフラッシュメモリのゲートパターン構造を形成する場合には、レジストパターン１０７を、例えば線幅４５ｎｍのＬ／Ｓパターンとする。

次に、図４（ｃ）に示すように、レジストパターン１０７をマスクにして、露出した下層のＳＯＧ膜１０３をＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）によりエッチング加工する。

次に、図４（ｄ）に示すように、レジストパターン１０７を酸素プラズマ等を用いてアッシングして除去した後、ＳＯＧ膜１０３をマスクにして、露出した下層の反射防止膜１０２をＲＩＥによりエッチング加工する。

さらに、図４（ｅ）に示すように、ＳＯＧ膜１０３を除去後、反射防止膜１０２をマスクにして、半導体基板１００表面の被加工膜１０１をＲＩＥによりエッチング加工する。

これにより、半導体基板１００表面の被加工膜１０１、例えばポリシリコン膜を線幅４５ｎｍのＬ／Ｓパターンに加工することが可能である。

本実施例では、レジストパターン１０７の形成時において、レジスト膜１０４にパターン露光した後、レジスト膜１０４を現像する前に、有機アルカリ水溶液１０６をレジスト膜１０４に供給することにより、レジスト膜１０４表面に形成される撥水層１０５を除去している。このため、レジストパターン１０７のパターン寸法の疎密依存性やパターン内端差といったパターン制御性を改善することができる。

従って、前記の半導体装置の製造方法においても、被加工膜１０１の加工制御性を向上することができ、より精密な被加工膜パターン、例えばＮＡＮＤフラッシュメモリのゲートパターンを加工することができる。

なお、本実施例に係る半導体装置の製造方法では、レジスト膜１０４の下層膜としてＳＯＧ膜１０３及び反射防止膜１０２を形成し、これらを加工しているが、ＳＯＧ膜１０３及び反射防止膜１０２を形成することなく被加工膜１０１の直上にレジスト膜１０４を形成してもよい。この場合、レジストパターン１０７をマスクに下層の被加工膜１０１をエッチング加工して被加工膜パターンを形成する。

本発明の実施例に係るパターン形成方法を示す工程断面図。本発明の実施例に係るパターン形成方法を示すフローチャート。本発明の実施例に係る液浸露光装置の構成を示す概略図。本発明の実施例に係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図。

符号の説明

１００：半導体基板
１０１：被加工膜
１０２：反射防止膜
１０３：ＳＯＧ膜
１０４：レジスト膜
１０５：撥水層
１０６：アルカリ性溶液（有機アルカリ水溶液）
１０７：レジストパターン
２：露光装置
２０３：投影光学系
２０５：液体（液浸液）

Claims

基板表面にレジスト膜を形成する工程と、
露光装置を用いて、前記レジスト膜と投影光学系との間に液体を満たしつつ、前記液体を介して前記レジスト膜を露光する工程と、
露光後、前記レジスト膜表層の撥水層を除去する工程と、
前記撥水層を除去後、前記基板を加熱処理する工程と、
前記レジスト膜を現像してレジストパターンを形成する工程と、
を備えたことを特徴とするパターン形成方法。
前記レジスト膜表層の撥水層を除去する工程は、前記レジスト膜表層にアルカリ性溶液を供給して、前記レジスト膜表面を洗浄する工程を含むことを特徴とする請求項１記載のパターン形成方法。
前記アルカリ性溶液は、有機アルカリ水溶液であることを特徴とする請求項２記載のパターン形成方法。
前記有機アルカリ水溶液の有機アルカリ濃度は、前記現像工程に用いられる有機アルカリ水溶液の有機アルカリ濃度よりも低いことを特徴とする請求項３記載のパターン形成方法。
請求項１乃至４のいずれか一項記載のパターン形成方法を用いて、基板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マスクにして、前記レジストパターンの下層膜を加工する工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。