JP2560773B2 - パターン形成方法 - Google Patents

パターン形成方法

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    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03FPHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/16Coating processes; Apparatus therefor
    • G03F7/168Finishing the coated layer, e.g. drying, baking, soaking

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、半導体素子などの作製における微細加工
法に係り、フオトリソグラフイにおけるパターン形成に
関するものである。
〔従来の技術〕
半導体素子の集積度の向上と共にパターンの微細化も
進んでいる。そこでは依然として光を光源とした光リソ
グラフイが使われている。そして現在では、その高解像
性と優れたアライメント精度ゆえ、縮小投影露光法が主
流である。光リソグラフイで一層レジスト法にて微細パ
ターンを形成する際の課題は、基板段差によるレジスト
膜厚の局所的変動によるパターン寸法の変化(バルク効
果)、基板段差側壁等からの散乱光によるレジストの局
所的過剰露光によるパターン寸法の細り(ノツチング効
果)、更には縮小投影露光は屈接光学系を使うので、単
色光を光源として用いる。従つてこの単色光を用いるこ
とによつて生じる問題点、即ち、レジストへの入射光、
レジスト表面からの反射光、レジスト/基板界面から反
射光の相互間で、干渉が生じ、レジスト膜厚のわずかな
変動に伴なつてレジスト中へ吸収される実効的光量の変
動がλ/2n(λ:露光波長,n:レジストの屈折率)の周期
で生じ、レジストパターン寸法に変動が生じたり(膜内
多重反射効果)、レジストの厚さ方向に周期的な光強度
の分布が生じ、現像後のレジストパターン断面にそれに
対応した波打ち形状が生じる(定在波効果)。これらは
いづれもレジストパターン寸法の変動や解像不良の原因
となる。
これら、従来の一層レジスト法の問題点を解決する方
法として、多層レジスト法やARC法、ARCOR法などが提案
されている。しかし、多層レジスト法は、レジスト層を
三層または二層形成し、その後パターン転写を行つてマ
スクとなるレジストパターンを形成するため、工程数が
多くスループツトが低いという問題がある。ARC法はレ
ジスト下部に形成した反射防止膜を現像によりウエツト
エツチングする為、サイドエツチ量が多く、このことに
よる寸法精度の低下が大きいという問題がある。ARCOR
法とはレジスト膜の上に一層及び多層の干渉型反射防止
膜を塗布して、レジスト膜中での多重反射を抑える方法
だが、やはり工程数、使用材料が増加するという問題が
ある。なお、多層レジストに関しては特開昭第51−1077
5号などに記載されている。またARC法としては特開昭第
59−93448号に、ARCOR法は特開昭第62−62520号に記載
されている。
〔発明が解決しようとする課題〕
これら従来の一層レジスト法の問題点のうち、前述の
定在波効果を抑制して、レジストパターン断面形状をス
ムーズ化し、かつ現像後の残渣不良をなくす方法として
従来から露光後現像前ベーク法がある(本方法はIEEE T
ransactions on Electron Devices,Vol.ED−22,No.7,Ju
ly 1975のp464〜466に記載されている。)。この方向は
1工程が増加するだけで、なおかつ連続処理が可能な優
れた方法であるが、SPIE Prceeding Vol.469 Advances
in Resiot Technology(1984)のp65〜71にも記載され
ているように従来、以下の欠点を有していた。即ち、マ
スク寸法通りのレジストパターン寸法を得るのに要する
露光量(E0)が増大し、レジストの種類によつては、未
露光部の膜減りが生じる。そして、定在波効果、即ちレ
ジストパターン断面形状の波打ちをスムーズ化する以外
は、前記の従来の一層レジスト法の問題点を解決するこ
とは殆んどできない。
この発明は、上記のような従来一層レジスト法の問題
点を解消するためになされたもので、従来の露光後現像
前ベークに加えて、レジスト塗布後露光前にレジスト表
面をアルカリ溶液に浸し、乾燥する工程を追加するだけ
で従来の露光後現像前ベーク法の欠点を補い、かつ、従
来法以上の性能、即ち感度の低下、及び膜減りの増大な
しに、前記の定在波効果の抑制のみならず、バルク効果
を大巾に減少させ、膜内多重反射効果を間接的に抑制
し、更に解像力、焦点深度を改善する方法を得ることを
目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
キノンジアジド系感光剤とアルカリ可溶性ノボラック
樹脂とからなるポジ型フォトレジストを基板上に塗布し
プレベークする工程と、プレベークしたポジ型のフォト
レジスト膜の表面をアルカリ性溶液に浸しその後乾燥す
る工程と、アルカリ性溶液に浸しその後乾燥したポジ型
フォトレジスト膜に選択的に紫外線を照射する工程と、
選択的に紫外線照射されたポジ型フォトレジスト膜を加
熱処理する工程と、加熱処理した前記ポジ型フォトレジ
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
備える。
〔作用〕
この発明において、従来一層レジスト法の欠点の原因
のうち、バルク効果、膜内多重反射効果、定在波効果の
いづれもが、レジスト膜内の光吸収及び光干渉に起因し
た未露光感光剤のレジスト膜厚さ方向の濃度分布によつ
て、現像時の露光部レジストのレジスト厚さ方向の溶解
スピードが変動することによること、及び露光後現像前
ベークによつて、未露光感光剤が拡散及びその他の副反
応を示すことに着目した。そして、露光前にレジスト表
面をアルカリ溶液に浸して、レジスト表面から深さ方向
に濃度傾斜をもつたアルカリの分布をレジスト材料中に
形成し、その後、露光によるレジスト中の感光剤の分
解、露光後現像前ベークによる未露光(未分解)感光剤
の拡散及び以上の各工程での副反応を通して、レジスト
の露光部及び未露光部の現像時溶解速度のレジスト内空
間分布を最適化することにより、本発明の性能が発現さ
れた。
〔発明の実施例〕
以下、この発明の実施例を図について説明する。第1
図(1)において、1はシリコン結晶基板、このシリコ
ン結晶基板上にポジ型フオトレジストMCPR2000H(三菱
化成製商品名)を回転塗布し、1.16μm厚のレジスト層
2を形成した。次にこの試料をホツトプレート3上で80
℃〜100℃の温度で60秒間プリベークした〔第1図
(2)〕。引き続きこの試料の表面を1.5%〜2.38%のT
MAH(テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド)
のアルカリ水溶液4に10〜50秒間浸し、その後純水でリ
ンス洗浄し、回転乾燥させた〔第1図(3)〕。次に第
1図(4)に示すように波長436nmの光を用いてNA=0.4
2のレンズを搭載した縮小投影露光装置(ステツパー)
で選択的にフオトレジストを露光した。その後第1図
(5)に示すようにホツトプレート上で100℃〜120℃の
温度で60秒間ベーク処理した。次に第1図(6)に示す
ようにTMAH2.38%の水溶液で現像し、シリコン基板上に
レジストパターン2′を形成した。この方法でマスクパ
ターン寸法通りレジストパターン寸法が仕上る露光量
(E0)は、従来のレジスト塗布、プリベーク、露光、現
像の順に処理する一層レジスト法と同じ150mJ/cm2が得
られ、感度の低下は見られなかつた。アルカリ表面処理
と露光後現像前ベークとによつて未露光部表面の難溶化
が進むため、現像限界の0.6μmパターン迄残しパター
ンの膜減りは全然発生せず、かつ定在波効果によるレジ
ストパターン断面形状の波うちもスムーズになり、ほぼ
垂直なレジストパターン断面形状が、解像限界の0.6μ
mパターンまで得られた。又、解像が困難なスペースパ
ターンの解像能力は従来一層レジストプロセスが0.7μ
mなのに対し、本実施例では0.6μmが大きなパターン
サイズと同様のほぼ垂直な断面形状で解像され、解像力
で大きな改善が得られた。更に焦点深度についても従来
一層レジストプロセスに比べ約50%から100%の大巾な
改が得られた。更にレジスト膜厚を1.16μm前後で変化
させて、第2図に示すバルク効果によるレジストパター
ン寸法変化量(A)と、膜内多重反射効果による寸法変
化量(B)とについて従来一層レジスト法に比べ大巾に
減少し著しい改善が得られた。
以上の実施例で、露光後現像前のベークを省略する
と、上記性能項目のうち、焦点深度、バルク効果、及び
膜内多重反射による寸法変化量、パターン断面形状につ
いて改善が殆んど見られなかつた。
また、以上の実施例では、露光波長として436nmのg
線の場合について記したが、勿論、i線(365nm)、Xe
−Clエキシマレーザー光(308nm)、KrFエキシマレーザ
ー光(248nm)、ArFエキシマレーザー光(193nm)、更
には多波長光源の場合にも本発明は有効である。
また、本実施例ではアルカリ溶液として有機アルカリ
の水溶液で、ポジ型フオトレジスト用の現像液の1種で
あるTMAH(テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイ
ド)の水溶液を使たが、他の有機アルカリの水溶液、KO
H等の無機アルカリの水溶液、更には他のアルカリ性有
機溶液でも、本発明の方法は有効であつた。
また、レジスト表面のアルカリ溶液処理の直後に70℃
〜110℃のホツトプレートによる加熱処理を行なつても
上記と同様な性能が得られた。また、レジスト塗布から
現像迄の工程中にある最大3回の加熱処理を、使用する
ポジ型フオトレジストの材料組成に対応させて、1回以
上真空中で加熱処理しても、上記のこの発明の優れた性
能を維持した上で、現像後のレジストパターンの断面形
状が制御がより容易になつた。
一方、反射率の高い下地基板(例えば、Al薄膜)上
に、微細レジストパターンを形成する際に、基板からの
反射の影響を抑える為に、吸光剤を加えたポジ型フオト
レジストを用いてパターン形成するが、本発明の方法は
そのような場合でも有効である。
またこの発明の方法を三層レジスト法の上層レジスト
のパターン形成に適用しても、上層レジストと中間層と
の界面からの僅かな反射による膜内多重反射によるパタ
ーン寸法変動を抑制すると共に、レジストパターン断面
形状の改善更には焦点深度の拡大の面でも有効である。
PCM二層レジスト法や、Si含有型ノボラツク−ナフトキ
ノンジアジド系ポジ型フオトレジストを上層レジストと
して使うSi系二層レジスト法の上層レジストのパターン
形成に、この発明の方法を導入しても効果がある。
下地基板とポジ型フオトレジストの間に、吸光度の高
い吸収型反射防止膜や、屈折率及び膜厚を制御した干渉
型反射防止膜を形成して、レジストパターン形成を行う
反射防止膜(ARC)法においても、更に、ポジ型フオト
レジストの上に、屈折率及び膜厚を制御した干渉型の一
層又は多層の反射防止膜を被覆してパターン形成を行な
うパターン形成方法においても本発明の方法は有効であ
る。
ポジ型フオトレジストの上に、露光波長の光に対して
光退色性を示す成分を主成分とする材料(CEL材料)を
塗布した後に露光してパターン形成を行なうコントラス
トエンハンスリソグラフイ法(CEL法;Polym、Eng.Sci,2
3,p947,1983年に詳細記載されている。)においても本
発明の方法は有効である。
〔発明の効果〕
以上のように、この発明のパターン形成方法によれ
ば、フォトレジスト膜の表面をアルカリ性溶液に浸し、
その後乾燥する工程と、選択的に紫外線照射されたポジ
型フォトレジスト膜を加熱する工程を備えているので、
(1)レジスト感度の低下、および膜減りの増大なし
に、定在波効果を抑制することができる、(2)解像力
焦点深度の改善ができる、(3)レジストパターンの断
面形状の制御を容易にすることができる、というような
多層レジスト並みのレジストパターンが、極めて簡単で
高価装置及び材料を必要とせずに形成できるという効果
がある。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例を示す工程図である。第2
図従来法の問題点を説明する図である。 1……Si結晶基板、2……ポジ型フオトレジスト、3…
…ホツトプレート、4……アルカリ水溶液、2′……現
像後のレジストパターン、5……紫外線(波長436n
m)。 尚、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】下記工程を含むパターン形成方法。 (1)キノンジアジド系感光剤とアルカリ可溶性ノボラ
    ック樹脂とからなるポジ型フォトレジストを基板上に塗
    布し、プレベークする工程。 (2)プレベークした上記ポジ型フォトレジスト膜の表
    面をアルカリ性溶液に浸し、その後乾燥する工程。 (3)アルカリ性溶液に浸し、その後乾燥した上記ポジ
    型フォトレジスト膜に選択的に紫外線(波長範囲180nm
    〜450nm)を照射する工程。 (4)選択的に紫外線照射された上記ポジ型フォトレジ
    スト膜を加熱処理する工程。 (5)加熱処理した上記ポジ型フォトレジスト膜を現像
    して、レジストパターンを形成する工程。
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