JP2661317B2 - パターン形成方法 - Google Patents

パターン形成方法

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は半導体素子等を製造する時にもちいられるパ
ターン形成方法で、露光エネルギー源として、波長450n
m以下の紫外線、特にｉ線（365nm）を用いてポジ型のパ
ターンを形成する際のパターン形成方法に関するもので
ある。
従来の技術 従来の化学増幅型レジストは、ｇ線等の遠紫外線、Ｘ
線、電子ビームリソグラフィですでに報告されていて、
良好な結果が得られている。そのため波長が短く微細な
パターン形成に有望なｉ線への適応も容易に推測されて
いたが、従来の化学増幅型レジストはｉ線に対しての吸
収がほとんどないため、感光しないのではないかといっ
たことから、あまり試みられていなかった。そこで本発
明者らは、ｉ線で化学増幅型レジストを露光し、化学増
幅型レジストがｉ線領域でも有効であることを確認し
た。第８図に従来の化学増幅型レジストを用いた場合の
パターン形成方法の一例を示す。半導体シリコン基板１
上に従来の化学増幅型レジスト６を回転塗布し、90℃、
90sec間ホットプレート３でソフトベークし、厚さ1.0μ
ｍ〜1.5μｍのパターン形成膜を得る（第８図
（ａ））。次にｉ線４をマスク５を介して露光する（第
８図（ｂ））。そして110℃、90sec間ホットプレート３
でベーク後（第８図（ｃ））、テトラメチルアンモニュ
ウムハイドロオキサイド（TMAH）で60sec間現像するこ
とにより、従来のパターン形成材料６の露光部6Aを溶解
除去し、ポジ型パターン6Bを得ていた（第８図
（ｄ））。しかし前述したように従来の化学増幅型レジ
ストはｉ線に対しての吸収がほとんどないため、第８図
（ｂ）のごとく基板からの反射の影響をうけやすく、第
８図（ｄ）に示すごとく逆テーパーのパターンが形成さ
れ、パターン形成としては十分満足すべきものではなか
った。
発明が解決しようとする課題 上述したように、本発明者らは従来の化学増幅型レジ
ストがｉ線領域でも有効であることを確認したが、前述
したようにｉ線に対しての吸収がほとんどないため、基
板からの反射の影響をうけやすく、逆テーパーのパター
ンが形成されるという問題点を有していることが判明し
た。
本発明はかかる点に鑑み、露光エネルギー源として、
ｉ線（波長365nm）又はそれ以下の紫外線を用い、レジ
ストとして化学増幅型レジストを用いた場合の、高感度
で、マスクリニアリティー・フォーカス余裕度といった
プロセス余裕度が広い、良好なパターン形状のポジ型の
パターンを形成する際のパターン形成方法を提供するこ
とを目的とする。
課題を解決するための手段 本発明は、上記の目的を達成するために、基板上に、
酸感応基がターシャルブトキシ基、メチル基、イソプロ
ポキシ基、イソプロポキシメチル基、トリメチルシリル
基、ターシャルブトキシカルボニル基、イソプロポキシ
カルボニル基のいずれかを含有するポリビニルフェノー
ルから誘導される酸感応性樹脂、酸発生化合物、365nm
付近の光により光の吸収が小さくなるナフトキノンジア
ジド化合物の染料及び酸感応性樹脂と酸発生化合物と染
料を溶解可能な溶媒を含有するポジ型化学増幅型レジス
ト膜を形成する工程と、365nm付近の光でレジスト膜を
選択的に露光する工程と、基板を加熱処理する工程と、
テトラメチルアンモニウム水溶液により現像する工程と
を有する構成となっている。
作用 第６図に既に存在する材料からなる化学増幅型レジス
トの紫外線分光曲線図を示す。第６図からも分かるよう
に、従来の化学増幅型レジストはｉ線に対してほとんど
吸収を持たない。そのため、従来の化学増幅型レジスト
をこのまま露光すると第７図に示すようなＴ字状や逆テ
ーパー状のレジストパターン6Bが得られる。
本発明者らは従来の化学増幅型レジストにスーダンオ
レンジなどの染料や、露光により吸収が小さくなる染料
としてナフトキノンジアジドスルフォン酸エズテルなど
を入れ、ｉ線領域に吸収を持たせた。染料を添加した化
学増幅型レジストの透過率を、40〜80％に調整すると、
良好な形状のパターンが得られることを確認した。これ
は染料を入れることにより、基板からの反射の影響を受
け難くなるためである。また、露光により吸収が小さく
なる染料を添加した化学増幅型レジストの透過率を、露
光前で40〜80％、露光後で90〜98％に調整するとさらに
良好なパターンが得られる。これは、基板からの反射の
影響を受け難くなるだけでなく、染料が露光により吸収
が小さくなる、いわゆるフォトブリーチするため露光部
と未露光部とのコントラストが大きくなり、より良好な
パターンを形成するためである。
このように、化学増幅型レジストに染料、もしくは露
光により吸収が小さくなる染料を添加することにより、
基板からの反射の影響を受け難くなり、また染料がフォ
トブリーチするため露光部と未露光部とのコントラスト
が大きくなり、より良好なパターンを形成する事が出来
る。
実施例 実施例１ 下記の組成で試薬を調整し、パターン形成材料とし
た。
ｐ−トルエンスルホン酸2,6−ジニトロベンジル 1.5g ナフトキノンジアジドスルフォン酸エステル（染料）0.
2g ジエチレングリコールジメチルエーテル 70 ｇ 第１図を用いて本発明のパターン形成方法を説明す
る。半導体シリコン基板１上に上記の組成で調整された
パターン形成材料２を用いて回転塗布し、90℃、90sec
間ホットプレート３でソフトベークし、厚さ1.28μｍの
パターン形成膜を得た（第１図（ａ））。なお、基板１
上には絶縁、半導体、導体膜等が形成されていることが
多い。このときの紫外線分光曲線を第２図に示す。この
レジストの透過率は、露光前が60％、露光後が95％であ
った。また、第３図には照射特性を示す。このように高
感度、高γ値を得た。次に365nmのｉ線４をマスク５を
介して露光した（第１図（ｂ））。このとき、ナフトキ
ノンジアジドスルフォン酸エステルはフォトブリーチす
るため露光部2Aでは、透過率が露光されてくるとともに
大きくなり、ある透過率に達した時点から酸発生剤であ
るｐ−トルエンスルホン酸2,6−ジニトロベンジルが酸
を発生し出す。また露光部と未露光部の境界の微弱な露
光光はナフトキノンジアジドスルフォン酸エステルに吸
収されるため、その領域では酸は発生しにくい。また、
基板からの反射光もナフトキノンジアジドスルフォン酸
エステルに吸収されるため、未露光部が露光されるとい
った基板からの反射光の影響もほとんど受けない。その
ため露光部と未露光部での酸の発生率が大きく異なるこ
とになる。通常半導体基板上にはAl配線パターン等が形
成され、反射が大きい。従って、本発明はこのような場
合特に有効となる。
そして110℃、90sec間ホットプレート３でベークする
ことにより（第１図（ｃ））、発生した酸がレジスト材
料２のベースポリマーを攻撃し以下に示す反応の結果、
ベースポリマーがポリビニルフェノールに変化し、アル
カリ水溶液のような極性のある現像液で溶解可溶とな
る。
またこの反応でも酸が発生し、この酸が別のポリマー
を攻撃し同様の反応を起こす。このように感光は露光後
の熱処理で主に生じるため、発生させる酸はわずかでよ
く、その結果感度が非常に高くなる。熱処理後、テトラ
メチルアンモニュウムハイドロオキサイド（TMAH）と10
％イソプロパノールの混合液で30sec間現像することに
より、パターン形成材料２の露光部2Aを溶解除去し、ポ
ジ型パターン2Bを得た（第１図（ｄ））。このとき、露
光時に露光部と未露光部での酸の発生率が大きく異なる
ことから、高コントラストのパターンが得られた。
第４図に0.6μｍのラインアンドスペースのパターン
を示す。
パターン形成実験の結果、第４図からも明らかなごと
く良好な特性が得られ高コントラストのパターンを形成
することが可能であった。
以下に染料を添加していない従来の化学増幅型レジス
トとの比較を示す。
上記のように本発明のレジストは染料を添加している
ため、コントラストを表すγ値が大きくなっている。ま
た同様の理由から、基板からの反射の影響もほとんど受
けていないため、染料を添加していない従来のレジスト
のように露光部と未露光部のコントラストが小さくなる
0.6μｍ以下のパターンが細ってしまうというなことも
なく、0.40μｍまでマスク寸法に忠実なパターン形成が
できている。第５図に本発明のレジストの0.5μｍライ
ンにおけるフォーカス余裕度を示す。このようにレンジ
で3.3μｍと広いフォーカス余裕度を有している。限度
解像度も高コントラストであるため、染料を添加してい
ない従来のレジストが0.45μｍであるのに対し、本発明
のレジストでは0.35μｍと非常に高解像度が得られる。
さらに、本実施例ではベースポリマーにポリビニルフェ
ノールを含有しているため、耐熱性も向上している。
以上のように、染料を添加していない従来のレジスト
に比べ本発明のレジストの方が極めて優れていることが
分かる。
実施例２ 樹脂を下記の組成に変更する以外は、実施例１と同様
の実験を行なった。
その結果、実施例１と同様の良好な結果が得られた。
実施例３ 酸発生剤を下記の組成に変更する以外は、実施例１と
同様の実験を行なった。
その結果、実施例１と同様の良好な結果が得られた。
実施例４ 染料としてスーダンオレンジを添加する以外は、実施
例１と同様の実験を行なった。
その結果、若干感度は落ちるが実施例１と同様の良好
な結果が得られた。
ただし、ここでベースポリマーとしてポリビニルフェ
ノールの水酸基をtert−ブトキシ基で保護したポリマー
を用いたが、メチル基、イソプロピル基、メトキシメチ
ル基、イソプロポキシメチル基、トリメチルシリル基、
ターシャルブトキシカルボニル基、イソプロポキシカル
ボニル基などで保護したポリマー等、酸雰囲気でアルカ
リ可溶性を示す基を有した樹脂であればなんでもよい。
また、酸発生剤もｐ−トルエンスルフォン酸2,6−ジニ
トロベンジルやオニウム塩を用いたが、スルフォン酸化
合物、カルボン酸化合物等紫外線により酸を発生するも
のであればなんでもよい。さらに、染料としてスーダン
オレンジ、紫外線露光で吸収が小さくなる染料としてナ
フトキノンジアジドスルフォン酸エステル化合物を用い
たが、紫外線領域で吸収を持つ染料、または紫外線領域
で吸収を持ち紫外線露光で吸収が小さくなる染料であれ
ばなんでもよい。
また下記に示すような紫外線領域で吸収を持つポリマ
ーや、紫外線領域で吸収を持ち紫外線露光で吸収が小さ
くなるポリマーを、ベースポリマーに用いることにより
同等の結果が得られる。
紫外線領域で吸収を持ち紫外線露光で吸収が小さくなる
ポリマー 発明の効果 以上説明したように、本発明によれば、紫外線特にｉ
線に対して高感度、高コントラスト、およびリソグラフ
ィープロセスに対する安定性を有する新規なパターン形
成材料を用いたパターン形成方法を提供するものであ
り、本発明によれば0.45μｍ〜0.50μｍルールのデバイ
スへの応用が可能となり、結果として半導体素子の微細
化、歩留りの向上につながり、工業的価値が高い。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例のパターン形成方法の工程断
面図、第２図は本発明の一実施例のパターン形成材料の
紫外線分光曲線図（ただし、実線は露光前、破線は露光
後）、第３図は本発明の一実施例のパターン形成材料の
照射特性図、第４図は本発明の一実施例のパターン形成
材料のパターン形状図、第５図は本発明の一実施例のパ
ターン形成材料のフォーカス余裕度を示した図、第６図
は既存の材料からなる化学増幅型レジストの紫外線分光
曲線図、第７図は染料を添加していない従来の化学増幅
型レジストのパターン形状図、第８図は従来のパターン
形成方法の工程断面図である。 １……シリコン基板、２……本発明のパターン形成材
料、2B……レジストパターン、３……ホットプレート、
４……露光光（ｉ線）、５……マスク。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平３−241355（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−259260（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−223860（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−87553（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板上に、酸感応基がターシャルブトキシ
    基、メチル基、イソプロポキシ基、イソプロポキシメチ
    ル基、トリメチルシリル基、ターシャルブトキシカルボ
    ニル基、イソプロポキシカルボニル基のいずれかを含有
    するポリビニルフェノールから誘導される酸感応性樹
    脂、酸発生化合物、365nm付近の光により光の吸収が小
    さくなるナフトキノンジアジド化合物の染料及び前記酸
    感応性樹脂と前記酸発生化合物と染料を溶解可能な溶媒
    を含有するポジ型化学増幅系レジスト膜を形成する工程
    と、365nm付近の光で前記レジスト膜を選択的に露光す
    る工程と、前記基板を加熱処理する工程と、テトラメチ
    ルアンモニウム水溶液により現像する工程とを有するパ
    ターン形成方法。
  2. 【請求項２】基板上に または または で表される酸感応性樹脂、酸発生化合物、及び前記酸感
    応性樹脂及び前記酸発生化合物を溶解可能な溶媒を含有
    するポジ型化学増幅系レジスト膜を形成する工程と、36
    5nm付近の光で前記レジスト膜を選択的に露光する工程
    と、前記基板を加熱処理する工程と、テトラメチルアン
    モニウム水溶液により現像する工程とを有するパターン
    形成方法。
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