JP2012220638A - パターン形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】多層レジストプロセスにおいて、中間層膜のシリコン（Ｓｉ）の含有率を高くした場合でも、上層のレジストパターンを形成した後の現像欠陥が発生せず、従って、歩留まりを向上できるようにする。
【解決手段】下層膜２の上にシリコンを含有する中間層膜３、４及び上層レジスト膜５を形成する。続いて、露光された上層レジスト膜５を現像して、上層レジスト膜から上層レジストパターン５ａを形成する。上層レジストパターンをマスクとして、中間層膜３、４をエッチングすることにより、中間層膜から中間層パターン３ａ、４ａを形成する。中間層パターンをマスクとして下層膜２をエッチングし、下層膜からエッチングパターン２ａを形成する。中間層膜３、４は、第１のシリコン含有率を有する下層中間層膜３と、該下層中間層膜の上に形成され、第１のシリコン含有率よりも低い第２のシリコン含有率を有する上層中間層膜４を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体集積回路装置等の製造工程におけるリソグラフィ技術を用いたパターン形成方法に関し、特に、多層レジストプロセスを用いたパターン形成方法に関する。

半導体装置等の半導体デバイスは、回路パターンが描かれた原版であるマスク（フォトマスク）に露光光を照射し、縮小光学系を介して回路パターンを半導体ウエハ（以下、単にウエハと称する。）上に転写する光リソグラフィ工程を繰り返すことによって、大量生産されている。半導体集積回路を構成する半導体素子の微細化に伴って、配線のパターン寸法の微細化が求められている。４５ｎｍロジックノード以細の微細なパターンを形成するには、従来のＡｒＦ光を用いて、半導体露光装置の縮小投影光学系とウエハとの間に、空気（屈折率は１．００）よりも屈折率が高い水（屈折率は１．４４）を満たすことによって、液体自体をレンズのように用い、縮小投影光学系における開口数（ＮＡ）を拡大して解像度を向上する、ＡｒＦ光による液浸露光技術が必須となる。

一方、このようなレジストパターンの微細化に伴い、以下の２つの理由からレジスト膜の膜厚を薄膜化する必要がある。

第１の理由は、段差部を有する基板上において、リソグラフィによるパターニングの寸法精度を高めるのに必要なフォーカスマージン、すなわち焦点深度（ＤＯＦ）を拡大する必要があるためである。

一般に、解像度Ｒと、露光波長λ及び開口数ＮＡとの関係は、式（１）で示され、
Ｒ＝ｋ１・λ／（ＮＡ） …式（１）
また、焦点深度ＤＯＦと、露光波長λ及び開口数ＮＡとの関係は、式（２）で示される。

ＤＯＦ＝ｋ２・λ／（ＮＡ）^２ …式（２）
これらの式はレイリーの式として良く知られている。ここで、ｋ１及びｋ２は、主にレジスト材料の解像性能等のレジストの性能、又はリソグラフィプロセスの制御性若しくは超解像技術の選択等により決定されるプロセス定数である。

式（１）からは、開口数ＮＡの拡大により、解像度Ｒを小さくすることができ、式（２）からは、焦点深度ＤＯＦが小さく（浅く）なることが分かる。従って、焦点深度ＤＯＦの減少を補うには、レジスト膜を薄膜化し、レジスト膜中における光学コントラストを高める必要がある。

第２の理由は、リソグラフィ工程により形成されたレジストパターンのパターン倒れを抑制する必要があるためである。

一般に、レジストパターンの線幅に対するレジスト膜厚の比であるアスペクト比は、おおよそ２．５よりも大きくなると、現像及びリンスを行った後にパターン倒れが発生する確率が高くなることが知られている。例えば、４５ｎｍノードで必要とされる最小ピッチパターンである６５ｎｍラインアンドスペースパターンでは、レジストの膜厚を約１６０ｎｍ以下とし、３２ｎｍノードの４５ｎｍラインアンドスペースパターンでは、約１１０ｎｍ以下とする。すなわち、パターンの線幅に応じてレジスト膜を薄膜化する必要がある。

以上の２つの理由により、高ＮＡ化による微細化に伴って、レジスト膜を薄膜化する必要があることが分かる。

しかしながら、薄膜化されたレジスト膜をマスクとしてその下に形成された被加工膜をドライエッチングすると、レジスト膜がエッチングの途中で除去されてしまい、レジスト膜に残膜不足が生じる。このため、エッチング後のパターン寸法にばらつきが生じたり、形状不良が生じたりする。このようなエッチング時のレジストの残膜不足を解決する方法の１つとして、多層レジストを用いた多層レジストプロセス技術が良く知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

多層レジストプロセス技術のなかで最も良く知られているのは、３層レジストプロセス技術である。

図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、従来の３層レジストプロセスは、被加工膜が形成された被加工膜基板１００における被加工膜の表面段差を平坦化する、相対的に厚い下層膜１０１と、下層膜１０１の上に形成され、該下層膜１０１をエッチングする際のマスクとなる、相対的に薄いＳｉ含有中間層膜１０２と、該Ｓｉ含有中間層膜１０２の上に形成される上層レジスト膜１０３との３層の膜を用いる。

まず、図６（ａ）に示すように、被加工膜基板１００の上に、上述の下層膜１０１と、Ｓｉ含有中間層膜１０２と、上層レジスト膜１０３とを順次成膜する。

次に、図６（ｂ）に示すように、上層レジスト膜１０３をフォトマスク１０４を介して露光する。

次に、図６（ｃ）に示すように、露光された上層レジスト膜１０３を現像して、上層レジスト膜１０３から上層レジストパターン１０３ａを得る。

次に、図７（ａ）に示すように、上層レジストパターン１０３ａをマスクとして、その下の中間層膜１０２を反応性イオンエッチングによりパターニングして、中間層レジストパターン１０２ａを形成する。

次に、図７（ｂ）に示すように、中間層レジストパターン１０２ａをマスクとして、その下の下層膜１０１をドライエッチングすることにより、所定のパターン１０１ａを得る。

上記のような従来の３層レジストプロセスに用いられるＳｉ含有中間層膜１０２としては、例えばＳｉＯ_２膜（例えば、特許文献２を参照。）若しくはＳｉＯＮ膜等のＳｉ含有無機膜、又はＳＯＧ（スピン・オン・グラス）膜（例えば、特許文献３を参照。）等のＳｉ含有有機膜により構成されることが一般的である。これらのうち、特にＳｉ含有有機膜は、特別な装置を新たに用意する必要がなく、上層レジスト膜１０３を形成する塗布装置で容易に形成できるため、低コストという点で非常にメリットが高く、広く適用されている。

しかしながら、３層レジストプロセスにおいても、前述の理由から微細化に伴って、上層レジスト膜１０３の膜厚を薄膜化する必要がある。このため、従来の３層レジストプロセスのままでは、上層レジスト膜１０３の残膜不足の問題が発生する。

そこで、この対策の１つとして、上層レジスト膜１０３の薄膜化に併せて、Ｓｉ含有中間層膜１０２を薄膜化する方法が挙げられる。

しかし、Ｓｉ含有中間層膜１０２を薄膜化するという方法では、上層レジスト膜１０３の残膜不足の問題は解決できるものの、Ｓｉ含有中間層膜１０２の薄膜化によって、下層膜１０１をエッチングする際のＳｉ含有中間層膜１０２の残膜が不足するという問題が発生する。これは、素子の微細化が進んでも、被加工膜基板１００の上面における段差が大幅に低減することはなく、被加工膜基板１００の表面段差を平坦化する必要があるという理由から、下層膜１００は薄膜化できないためである。

また、Ｓｉ含有中間層膜１０２の残膜不足の対策の１つとして、Ｓｉ含有中間層１０２の膜厚はそのままで、Ｓｉ含有率を高める方法が挙げられる。酸素（Ｏ_２）系ガスを用いたドライエッチングにおいては、Ｓｉ含有中間層膜１０２は、ノボラック樹脂等の下層膜１０１に対して良好なエッチング選択比が取れる。その上、Ｓｉ含有中間層膜１０２は、そのＳｉ含有率を高めることにより、相対的に炭素の含有量が小さくなるため、下層膜１０１に対するエッチングレートが小さくなる。その結果、Ｓｉ含有率が高いＳｉ含有中間層膜１０２をマスクとして下層膜１０１をエッチングし、該下層膜１０１を所定の形状にパターニングすることが可能となる。

特開平６−１９６４５０号公報 特開平７−１８３１９４号公報 特開平５−２９１２０８号公報

上述したように、素子の微細化に伴い、リソグラフィ工程に、薄膜化された上層レジスト膜と、薄膜化され且つ高Ｓｉ含有率化された中間層膜と、被加工膜基板の表面段差を平坦化する比較的に膜厚が厚い下層膜とから構成される３層レジストプロセスを適用することによって、Ｓｉ含有中間層膜及び下層膜のエッチング時の残膜不足の問題が生じることなく、微細なパターンを形成することができる。

しかしながら、中間層膜におけるＳｉ含有率を高くすることによって、上層レジスト膜の現像及びリンス時に発生する現像不溶物に起因する現像欠陥が多量に発生し、ウエハ面内のチップ歩留まりを大きく低下させることが新たな課題として明らかとなっている。

具体的には、膜厚が１００ｎｍの上層レジスト膜と、膜厚が４０ｎｍでＳｉ含有率が２０％の中間層膜と、膜厚が２００ｎｍの下層膜とから構成された３層レジストプロセスにおいて、上層レジスト膜に３２ｎｍノードのＳＲＡＭゲートパターンが形成されたフォトマスクを転写してリソグラフィパターンを形成したところ、現像及びリンス時の現像欠陥がウエハ全面で多量に発生する。

本願発明者は、この現象を鋭意検討した結果、Ｓｉ含有中間層膜上では、膜表面に形成されるシラノール（Ｓｉ−ＯＨ）の現像液に対する親和性が高く、中間層膜のＳｉ含有率が高くなると、Ｓｉ含有中間層膜の表面と現像液との濡れ性がより高くなって、現像及びリンス工程において現像不溶物を除去しにくくなり、現像欠陥が多量に発生するとの見解を得ている。

以上のように、従来の多層レジストプロセス技術においては、薄膜化された上層レジスト膜と、薄膜化且つ高Ｓｉ含有率化された中間層膜と、厚膜された下層膜とから構成される３層レジストプロセスによって、残膜不足の問題は解消するものの、中間層膜のＳｉ含有率を高めたことが原因と想定される現像欠陥が発生して、ウエハ面内のチップ歩留まりを大きく低下させるという問題がある。

本発明は、前記の問題に鑑み、多層レジストプロセスにおいて、中間層膜のシリコン（Ｓｉ）の含有率を高くした場合でも、上層のレジストパターンを形成した後の現像欠陥が発生せず、従って、歩留まりを向上できるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は、多層レジストプロセスを用いるパターン形成方法を、中間層膜におけるＳｉ含有率を上層側で低く、下層側で高くする構成とする。

具体的に、本発明に係るパターン形成方法は、被加工膜が形成された基板の上に、下層膜を形成する工程と、下層膜の上に、シリコンを含有する中間層膜を形成する工程と、中間層膜の上にレジスト膜を形成する工程と、レジスト膜に対して露光光を選択的に照射する工程と、露光されたレジスト膜を現像して、レジスト膜からレジストパターンを形成する工程と、レジストパターンをマスクとして、中間層膜に対して第１のエッチングを行うことにより、中間層膜から中間層パターンを形成する工程と、中間層パターンをマスクとして、下層膜に対して第２のエッチングを行うことにより、下層膜から下層パターンを形成する工程とを備え、中間層膜は、第１のシリコン含有率を有する下層中間層膜と、該下層中間層膜の上に形成され、第１のシリコン含有率よりも低い第２のシリコン含有率を有する上層中間層膜を含む。

本発明のパターン形成方法によると、シリコンを含有する中間層膜は、第１のシリコン含有率を有する下層中間層膜と、該下層中間層膜の上に形成され、第１のシリコン含有率よりも低い第２のシリコン含有率を有する上層中間層膜を含む。すなわち、シリコン含有率が低い上層中間層膜の上にレジスト膜を形成するため、従来のシリコン含有率が高い中間層膜と比べて、その表面の現像液に対する濡れ性が小さくなる。このため、現像及びリンス時に生じる現像不溶物に起因する現像欠陥を防止することができ、ウエハ面内のチップ歩留まりを高めることができる。

本発明のパターン形成方法において、中間層膜は、下層中間層膜と上層中間層膜とから構成されていてもよい。

この場合に、本発明のパターン形成方法において、中間層膜を形成する工程は、下層膜の上に、第１の膜形成材料を回転塗布法により成膜して、下層中間層膜を形成する工程と、下層中間層膜の上に、第２の膜形成材料を回転塗布法により成膜して、上層中間層膜を形成する工程とを含んでいてもよい。

この場合に、第１の膜形成材料におけるシリコンのポリマーに対する含有率は１３重量％よりも大きく且つ５０重量％以下であり、第２の膜形成材料におけるシリコンのポリマーに対する含有率は１重量％以上且つ１３重量％以下であってもよい。

この場合に、下層中間層膜及び上層中間層膜は、スピン・オン・グラス膜、架橋性シルセスキオキサン膜又はポリシラン膜であってもよい。

また、本発明のパターン形成方法において、中間層膜を形成する工程は、下層膜の上に、第１の膜形成材料を回転塗布法により成膜して、下層中間層膜を形成する工程と、下層中間層膜の上部を改質して不活性化することにより、下層中間層膜の上部に、上層中間層膜を形成する工程とを含んでいてもよい。

この場合に、上層中間層膜を形成する工程は、下層中間層膜に対して酸素プラズマを照射する工程であってもよい。

この場合に、下層中間層膜を形成する工程において、下層中間層膜は、シリコンのポリマーに対する含有率が１３重量％よりも大きく且つ５０重量％以下である膜形成材料により形成されてもよい。

この場合に、上層中間層膜は、シリコン酸化膜であってもよい。

また、本発明のパターン形成方法は、中間層膜を形成する工程において、中間層膜は化学気相堆積法によって形成し、シリコンを含むガス流量を調節することにより、下層中間層膜と上層中間層膜におけるシリコン含有率を変化させてもよい。

この場合に、中間層膜は、シリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜であってもよい。

本発明のパターン形成方法において、露光光は、ｉ線、ＫｒＦ光、ＡｒＦ光又はＥＵＶ光であってもよい。

本発明のパターン形成方法において、下層膜は、芳香環を有する有機膜であってもよい。

本発明に係るパターン形成方法によると、多層レジストプロセスにおいて、中間層膜のシリコン（Ｓｉ）の含有率を高くした場合でも、上層のレジストパターンを形成した後の現像欠陥が発生せず、歩留まりを向上することができる。

図１（ａ）〜図１（ｃ）は本発明の一実施形態に係る多層レジストプロセスを用いたパターン形成方法を示す工程順の断面図である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は本発明の一実施形態に係る多層レジストプロセスを用いたパターン形成方法を示す工程順の断面図である。 図３（ａ）〜図３（ｃ）は本発明の一実施形態の第１変形例に係る多層レジストプロセスを用いたパターン形成方法を示す工程順の断面図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）は本発明の一実施形態の第１変形例に係る多層レジストプロセスを用いたパターン形成方法を示す工程順の断面図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は本発明の一実施形態の第１変形例に係る多層レジストプロセスを用いたパターン形成方法を示す工程順の断面図である。 図６（ａ）〜図６（ｃ）は従来例に係る多層レジストプロセスを用いたパターン形成方法を示す工程順の断面図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は従来例に係る多層レジストプロセスを用いたパターン形成方法を示す工程順の断面図である。

（一実施形態）
本発明の一実施形態に係るパターン形成方法について図１及び図２を参照しながら説明する。本実施形態は、３２ｎｍノードのＳＲＡＭパターンを想定したパターン形成方法を一例として説明する。

まず、図１（ａ）に示すように、主面上に被加工膜（図示せず）が形成された被加工膜基板１の上に、下層膜２、シリコンを（Ｓｉ）含有する下層中間層膜３、シリコン（Ｓｉ）を含有する上層中間層膜４、及び上層レジスト膜５を順次形成する。

被加工膜は、例えばゲート工程の場合は、ゲート電極を構成する多結晶シリコン（ｐｏｌｙ−Ｓｉ）からなり、その膜厚は１２０ｎｍである。

次に、被加工膜基板１の上に、下層膜形成材料であるノボラック樹脂をスピンコーターによって回転塗布し、膜厚が２００ｎｍの下層膜２を形成する。その後、２０５℃の温度下で９０秒間のベークを行って、下層膜２を熱架橋する。

続いて、架橋した下層膜２の上に、Ｓｉをポリマーに対して２０重量％の割合で含む架橋性シルセスキオキサンを塗布する。その後、２２０℃の温度下で６０秒間のベークを行って、膜厚が３０ｎｍの下層中間層膜３を形成する。

続いて、下層中間層膜３の上に、Ｓｉをポリマーに対して１０重量％の割合で含む架橋性シルセスキオキサンを塗布する。その後、２２０℃の温度下で６０秒間のベークを行って、膜厚が１０ｎｍの上層中間層膜４を形成する。

続いて、上層中間層膜４の上に、ポジ型レジスト材料を塗布した後、１００℃の温度下で６０秒間のベークを行って、膜厚が１００ｎｍの上層レジスト膜５を形成する。

なお、下層膜２、下層中間層膜３、上層中間層膜４及び上層レジスト膜５の各膜厚は、上層レジスト膜５から形成されたパターンをエッチングマスクとして上層中間層膜４及び下層中間層膜３をエッチング加工することができ、且つ、上層中間層膜４及び下層中間層膜３をエッチングマスクとして下層膜２をエッチング加工することができる膜厚であれば、これらの膜厚に限定されない。

下層中間層膜３のＳｉ含有率は、上層中間層膜４のＳｉ含有率よりも高く、すなわち１３重量％よりも大きく且つ５０重量％以下程度であればよく、上述の２０重量％に限られない。また、上層中間層膜４のＳｉ含有率は、下層中間層膜３のＳｉ含有率よりも低く、すなわち１重量％以上且つ１３重量％以下であればよく、上述の１０重量％に限られない。

但し、Ｓｉ含有率が１３重量％という値は、本実施形態に記載の膜形成用材料の組み合わせにおいて、上層レジスト膜５の現像後のレジストパターン形成時における一ウエハ当たりの現像欠陥の個数が２００個以下となるＳｉ含有率である。Ｓｉ含有率の値は、上層レジスト膜５及び上層中間層膜４の材料に大きく依存するため、上層中間層膜４のＳｉ含有率はできる限り小さい値であることが好ましい。下層膜２とのエッチング選択比が十分に取れるのであれば、Ｓｉ含有率が０％の場合には、例えば、反射防止膜材料として用いられる炭素（Ｃ）主体の有機膜を上層中間層膜４に適用することも可能である。

また、本実施形態においては、下層中間層膜３及び上層中間層膜４に、架橋性シルセスキオキサンからなる有機膜を用いたが、これ以外にも、ＳＯＧ（スピン・オン・グラス）膜又はポリシラン膜等のＳｉを含有する有機膜でもよい。これらの膜は、架橋性シルセスキオキサンと同様に、回転塗布工程とベーク工程とによって形成することができる。

また、各中間層膜３、４は、有機膜に限られず、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）又は酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）等のＳｉを含有する無機膜も適用可能である。これらは、化学的気相堆積（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｏｎ：ＣＶＤ）法又は物理的気相堆積（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＶＤ）法により形成することができる。

さらには、下層中間層膜３及び上層中間層膜４のうち、いずれか一方を有機膜とし、他方を無機膜とすることも可能である。

また、上層レジスト膜５は、３２ｎｍノードロジックに必要とされる４５ｎｍラインアンドスペースパターンを解像できる材料であれば、ポジ型のレジスト材料に限られず、ネガ型のレジスト材料であってもよい。さらには、ポジ型のレジスト材料にネガ型の現像液を組み合わせて、ＡｒＦ光が照射された部分が残るプロセスを適用してもよい。

下層膜２は、炭素（Ｃ）を主成分とし、フェニル基又はナフチル基等の芳香環を有する有機膜であれば、上述したノボラック樹脂に限られず適用が可能である。

次に、図１（ｂ）に示すように、開口数（ＮＡ）が１．３５であるＡｒＦ光を露光光に用いた液浸露光装置により、フォトマスク６を介して上層レジスト膜５を露光する（液浸液は図示せず。）。

次に、図１（ｃ）に示すように、露光された上層レジスト膜５に対して、１１０℃の温度下で６０秒間のベークを行う。その後、アルカリ現像液により２０秒間の現像を行って、上層レジスト膜５から上層レジストパターン５ａを得る。なお、露光用光源には、ＡｒＦ光を用いたが、ＡｒＦ光に限られず、ＫｒＦ光又は極端紫外線（Ｅｘｔｒｅｍｅ Ｕｌｔｒａ Ｖｉｏｌｅｔ：ＥＵＶ）光でもよい。

次に、図２（ａ）に示すように、上層レジストパターン５ａをエッチングマスクとして、上層中間層膜４及び下層中間層膜３に対して、炭素（Ｃ）及びフッ素（Ｆ）を主成分とするＣＦ系エッチングガス、例えばＣＦ_４、ＣＨＦ_３、ＣＨ_２Ｆ_２又はＣＨ_３Ｆ等を用いてドライエッチングを行う。これにより、上層中間層膜４から上層中間層パターン４ａと、下層中間層膜３から下層中間層パターン３ａとを連続して形成する。

なお、ＣＦ系エッチングガスとして、ＣＦ_４、ＣＨＦ_３、ＣＨ_２Ｆ_２及びＣＨ_３Ｆを挙げたが、これらＣＦ系ガスの混合ガス、又はこれらのＣＦ系ガスに酸素（Ｏ_２）若しくは窒素（Ｎ_２）を添加した混合ガスを用いることもできる。

次に、図２（ｂ）に示すように、上層中間層パターン４ａ及び下層中間層パターン３ａをエッチングマスクとして、下層膜２に対して、酸素（Ｏ_２）を主成分とするＯ_２系エッチングガスを用いてドライエッチングを行う。これにより、下層膜２からエッチングパターン２ａを得る。

Ｏ_２系エッチングガスには、酸素（Ｏ_２）を主成分とするＯ_２系エッチングガス以外に、酸素（Ｏ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）及びアルゴン（Ａｒ）を混合した混合ガスを用いることもできる。

次に、図示はしていないが、エッチングパターン２ａをエッチングマスクとし、被加工膜基板１、例えば膜厚が１２０ｎｍのポリシリコン膜を、臭化水素（ＨＢｒ）、塩素（Ｃｌ_２）及び酸素（Ｏ_２）を混合した混合ガスを用いてドライエッチングし、所望の形状を有するゲート電極を形成する。ゲート電極を形成した後は、エッチングパターン２ａをＯ_２プラズマによるアッシング等によって除去する。

このようにすることにより、上層レジスト膜５に対する現像及びリンス時に発生する現像不溶物に起因する現像欠陥が発生せず、ウエハ面内のチップ歩留まりを低下させることがないパターン形成が可能となる。

なお、本実施形態においては、Ｓｉを含有する中間層膜を、Ｓｉの含有量が２０重量％の下層中間層膜３と、Ｓｉの含有量が１０重量％の上層中間層膜４とから構成したが、この構成に限られず、下層中間層膜３と上層中間層膜４との間に、Ｓｉの含有量が下層中間層膜３よりも大きく且つ上層中間層膜４よりも小さい第３の中間層膜を設けてもよい。さらには、中間層膜を４層以上とし、Ｓｉの含有量が下層から上層に段階的に増加する構成としてもよい。

（一実施形態の第１変形例）
本発明の一実施形態の第１変形例に係るパターン形成方法について図３〜図５を参照しながら説明する。第１変形例においては、上述した一実施形態との相違点を主に説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、例えば、架橋したノボラック樹脂からなる下層膜２の上に、Ｓｉをポリマーに対して２０重量％の割合で含む架橋性シルセスキオキサンを塗布する。その後、２２０℃の温度下で６０秒間のベークを行って、膜厚が４０ｎｍの下層中間層膜３０を形成する。ここでも、下層中間層膜３０におけるＳｉ含有率は、１３重量％よりも大きく且つ５０重量％以下程度であればよく、２０重量％に限られない。

次に、図３（ｂ）に示すように、架橋性シルセスキオキサンからなる下層中間層膜３０の表面に対して、３０秒間の酸素（Ｏ_２）プラズマ処理を行う。これにより、下層中間層膜３０の上部に、厚さが約１ｎｍ〜３ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜を形成する。これにより、下層中間層膜３０の上部、特に表層部が不活性化した上層中間層膜３０Ａが形成される。なお、下層中間層膜３０の表層部に存在する不安定なシラノール結合（Ｓｉ−ＯＨ）を不活性化できる処理であれば、酸素（Ｏ_２）プラズマ処理に限られない。なお、シルセスキオキサンは、不活性処理によりＯＨ基よりも重量のあるＯ_２へと変化するため、Ｓｉ含有量（重量％）が低くなる。

次に、図３（ｃ）に示すように、上層中間層膜３０Ａの上に、ポジ型レジスト材料を塗布した後、１００℃の温度下で６０秒間のベークを行って、膜厚が１００ｎｍの上層レジスト膜５を形成する。

なお、本変形例においても、下層膜２、下層中間層膜３０、上層中間層膜３０Ａ及び上層レジスト膜５の各膜厚は、上層レジスト膜５から形成されたパターンをエッチングマスクとして上層中間層膜３０Ａ及び下層中間層膜３０をエッチング加工することができ、且つ、上層中間層膜３０Ａ及び下層中間層膜３０をエッチングマスクとして下層膜２をエッチング加工することができる膜厚であれば、これらの膜厚に限定されない。

次に、図４（ａ）に示すように、開口数（ＮＡ）が１．３５であるＡｒＦ光を露光光に用いた液浸露光装置により、フォトマスク６を介して、上層レジスト膜５を露光する（液浸液は図示せず。）。

次に、図４（ｂ）に示すように、露光された上層レジスト膜５に対して、１１０℃の温度下で６０秒間のベークを行う。その後、アルカリ現像液により２０秒間の現像を行って、上層レジスト膜５から上層レジストパターン５ａを得る。なお、露光用光源には、ＡｒＦ光に代えて、ＫｒＦ光又はＥＵＶ光を用いることができる。

次に、図５（ａ）に示すように、上層レジストパターン５ａをエッチングマスクとして、上層中間層膜３０Ａ及び下層中間層膜３０に対して、例えば炭素（Ｃ）及びフッ素（Ｆ）を主成分とするＣＦ系エッチングガスを用いてドライエッチングを行う。これにより、上層中間層膜３０Ａから上層中間層パターン３０ａと、下層中間層膜３０から下層中間層パターン３０ｂとを連続して形成する。

次に、図５（ｂ）に示すように、上層中間層パターン３０ａ及び下層中間層パターン３０ｂをエッチングマスクとして、下層膜２に対して、例えば酸素（Ｏ_２）を主成分とするＯ_２系エッチングガスを用いてドライエッチングを行う。これにより、下層膜２からエッチングパターン２ａを得る。

このようにすることにより、上層レジスト膜５に対する現像及びリンス時に発生する現像不溶物に起因する現像欠陥が発生せず、ウエハ面内のチップ歩留まりを低下させることがないパターン形成が可能となる。

（一実施形態の第２変形例）
下層中間層膜３０の表層部を酸素プラズマにより、ＳｉＯ_２に改質する方法に代えて、第２変形例においては、下層中間層膜３０の表層部におけるＳｉの密度が１重量％以上且つ１３重量％以下程度となるように偏析させ、偏析表層膜を形成する。

具体的には、例えば、下層中間層膜３０を化学的気相堆積（ＣＶＤ）法により形成し、形成する際に、シラン（ＳｉＨ_４）ガス、酸素（Ｏ_２）ガス及び窒素（Ｎ_２）ガスの各流量を、それぞれの初期値である１６０ｍｌ／ｍｉｎ、１２０ｍｌ／ｍｉｎ及び１０００ｍｌ／ｍｉｎから、シランガスの流量のみを１６０ｍｌ／ｍｉｎから、１４０ｍｌ／ｍｉｎ、１２０ｍｌ／ｍｉｎ、１００ｍｌ／ｍｉｎ及び８０ｍｌ／ｍｉｎのように段階的に減少させる。このようにすると、下層中間層膜３０の表層部におけるＳｉ原子の密度がより小さいＳｉＯ_２膜を形成することができる。なお、各ガスの流量は、いずれも標準状態（０℃、１気圧）における流量を示す。

このようにすることにより、一実施形態及び第１変形例と同様の効果を有する、Ｓｉ濃度含有量が下層側から上層側に向けて減少する中間層膜を形成することができる。

以下に、第１の実施形態に示した多層レジストプロセスを用いて、３２ｎｍノードに適用可能なＳＲＡＭゲートパターンを有するフォトマスクを、ＮＡが１．３５のＡｒＦ光液浸露光装置に装着し、多層レジストプロセスにおける上層レジスト膜にパターン転写を行った。

なお、比較のために、多層レジストプロセスにおける２層の中間層膜を４５ｎｍノードに適用されるＳｉの含有率が２０重量％で単層の中間層膜に変更した比較例においても説明する。

まず、本実施例において、ゲート電極形成用の膜厚が１２０ｎｍのｐｏｌｙ−Ｓｉ膜の上に、膜厚が２００ｎｍのノボラック樹脂からなる下層膜を形成する。続いて、形成した下層膜に対して、２０５℃の温度下で９０秒間のベークを行う。

次に、下層膜の上に、膜厚が３０ｎｍでＳｉの含有率が２０重量％の架橋性シルセスキオキサンからなる下層中間層膜を形成し、２２０℃の温度下で６０秒間のベークを行う。

次に、ベークした下層中間層膜の上に、膜厚が１０ｎｍでＳｉの含有率が１０重量％の架橋性シルセスキオキサンからなる上層中間層膜を形成し、２２０℃の温度下で６０秒間のベークを行う。

次に、上層中間層膜の上に、ポジ型レジストからなり膜厚が１００ｎｍの上層レジスト膜を形成し、１００℃の温度下で６０秒間のベークを行う。

次に、３２ｎｍノードに適用するＳＲＡＭパターン又はランダムロジックパターンを有するフォトマスクを上述のＡｒＦ光液浸露光装置に装着し、ウエハ上の上層レジスト膜にパターン転写を行う。ＡｒＦ光液浸露光装置におけるＮＡは１．３５であり、σ_ｏｕｔ／σ_ｉｎが０．８５／０．５６７である輪帯照明を適用する。ＡｒＦ光の波長は１９３ｎｍである。

次に、露光を行った後、１１０℃の温度下で６０秒間のＰＥＢ（露光後ベーク）を行い、濃度が２．３８％のＴＭＡＨ溶液を用いて現像処理を行う。

このようにして形成されたＳＲＡＭゲートパターンの最小サイズのパターン寸法を計測した。その結果、１２０ｎｍピッチで且つ５０ｎｍサイズのラインアンドスペースパターンが形成されていることを確認した。

さらに、２チップ以上のレジストパターン間で、隣接パターン比較法を用いてパターン欠陥比較検査を実施した。その結果、現像不溶物に起因する現像欠陥数は、一ウエハ当たり２５個であることを確認した。

一方、比較例においては、４５ｎｍノードに適用されるＳｉの含有率が２０％である中間層膜の上に形成した、ＳＲＡＭゲートパターンの最小サイズのパターン寸法を計測したところ、１２０ｎｍピッチで且つ５０ｎｍサイズのラインアンドスペースパターンが、本実施例と同様に形成されていることを確認した。しかしながら、パターン欠陥比較検査の結果は、一ウエハ当たり２５万個以上と、多量の現像欠陥が発生した。

本実施例において、現像欠陥が大幅に改善した理由は、Ｓｉの含有率が低い上層中間層膜の上にポジ型レジストを形成したため、比較例と比べて、中間層膜の現像液に対する濡れ性がより小さくなり、現像及びリンス時における現像欠陥が除去されたためであると考えられる。

以上、説明したように、本発明は、下層膜と上層レジスト膜との間に設けるＳｉ含有の中間層膜の薄膜化が特に必要となる３２ｎｍノード世代（最小ピッチパターンが４５ｎｍのラインアンドスペースパターン）以細のデバイス製造に特に有用である。

本実施形態において、上層レジスト膜の膜厚が１００ｎｍ、上層中間層膜及び下層中間層膜を併せた膜厚が４０ｎｍ、及び下層膜の膜厚が２００ｎｍの場合について説明したが、各膜の膜厚は、これらに限定されない。

例えば、上層レジスト膜の膜厚は、２５ｎｍ以上且つ１００ｎｍ以下、中間層膜の膜厚（上層及び下層を併せた膜厚）は、１０ｎｍ以上且つ４０ｎｍ以下、下層膜の膜厚は、５０ｎｍ以上且つ２００ｎｍ以下の範囲である場合に、特に有用である。

本発明に係るパターン形成方法は、多層レジストプロセスにおいて、中間層膜のシリコン（Ｓｉ）の含有率を高くした場合でも、上層のレジストパターンを形成した後の現像欠陥が発生せず、歩留まりを向上することができ、ＡｒＦ光液浸リソグラフィ又はＥＵＶ光リソグラフィを用いるパターン形成方法等に有用である。

１ 被加工膜基板
２ 下層膜
２ａ エッチングパターン
３ 下層中間層膜
３ａ 下層中間層パターン
４ 上層中間層膜
４ａ 上層中間層パターン
５ 上層レジスト膜
５ａ 上層レジストパターン
６ フォトマスク
３０ 下層中間層膜
３０Ａ 上層中間層膜
３０ａ 上層中間層パターン
３０ｂ 下層中間層パターン

Claims (13)

1. 被加工膜が形成された基板の上に、下層膜を形成する工程と、
   前記下層膜の上に、シリコンを含有する中間層膜を形成する工程と、
   前記中間層膜の上にレジスト膜を形成する工程と、
   前記レジスト膜に対して露光光を選択的に照射する工程と、
   露光された前記レジスト膜を現像して、前記レジスト膜から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として、前記中間層膜に対して第１のエッチングを行うことにより、前記中間層膜から中間層パターンを形成する工程と、
   前記中間層パターンをマスクとして、前記下層膜に対して第２のエッチングを行うことにより、前記下層膜から下層パターンを形成する工程とを備え、
   前記中間層膜は、第１のシリコン含有率を有する下層中間層膜と、該下層中間層膜の上に形成され、前記第１のシリコン含有率よりも低い第２のシリコン含有率を有する上層中間層膜を含むことを特徴とするパターン形成方法。
2. 前記中間層膜は、前記下層中間層膜と前記上層中間層膜とから構成されてい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. 前記中間層膜を形成する工程は、
   前記下層膜の上に、第１の膜形成材料を回転塗布法により成膜して、前記下層中間層膜を形成する工程と、
   前記下層中間層膜の上に、第２の膜形成材料を回転塗布法により成膜して、前記上層中間層膜を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項２に記載のパターン形成方法。
4. 前記第１の膜形成材料におけるシリコンのポリマーに対する含有率は１３重量％よりも大きく且つ５０重量％以下であり、
   前記第２の膜形成材料におけるシリコンのポリマーに対する含有率は１重量％以上且つ１３重量％以下であることを特徴とする請求項３に記載のパターン形成方法。
5. 前記下層中間層膜及び上層中間層膜は、スピン・オン・グラス膜、架橋性シルセスキオキサン膜又はポリシラン膜であることを特徴とする請求項４に記載のパターン形成方法。
6. 前記中間層膜を形成する工程は、
   前記下層膜の上に、第１の膜形成材料を回転塗布法により成膜して、前記下層中間層膜を形成する工程と、
   前記下層中間層膜の上部を改質して不活性化することにより、前記下層中間層膜の上部に、前記上層中間層膜を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項１に記載のパターン形成方法。
7. 前記上層中間層膜を形成する工程は、前記下層中間層膜に対して酸素プラズマを照射する工程であることを特徴とする請求項６に記載のパターン形成方法。
8. 前記下層中間層膜を形成する工程において、前記下層中間層膜は、シリコンのポリマーに対する含有率が１３重量％よりも大きく且つ５０重量％以下である膜形成材料により形成されることを特徴とする請求項７に記載のパターン形成方法。
9. 前記上層中間層膜は、シリコン酸化膜であることを特徴とする請求項８に記載のパターン形成方法。
10. 前記中間層膜を形成する工程において、前記中間層膜は化学気相堆積法によって形成し、
    シリコンを含むガス流量を調節することにより、前記下層中間層膜と前記上層中間層膜におけるシリコン含有率を変化させ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。
11. 前記中間層膜は、シリコン酸化膜又はシリコン酸窒化膜であることを特徴とする請求項１０に記載のパターン形成方法。
12. 前記露光光は、ｉ線、ＫｒＦ光、ＡｒＦ光又はＥＵＶ光であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載のパターン形成方法。
13. 前記下層膜は、芳香環を有する有機膜であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載のパターン形成方法。

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