JP3342856B2 - 微細パターンの形成方法および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微細パターンの形
成方法および半導体装置の製造方法に係り、特に、レジ
ストパターンの新規な処理方法を含む微細パターン形成
方法、およびその形成方法を用いた半導体装置の製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ等の回路パターンを形成する工程
では、縮小投影露光法が広く用いられている。近年、露
光法において、露光光の短波長化による解像度の向上が
進みつつある。従来から広く用いられてきたＫｒＦエキ
シマレーザ（波長２４８ｎｍ）に代わってＡｒＦエキシ
マレーザ（波長１９３ｎｍ）を用いることによって０.
１μｍ レベルの加工が可能になると考えられている。

【０００３】ＡｒＦエキシマレーザによる露光では、フ
ォトレジストの光吸収によるパターン形状の劣化やフォ
トレジストの感度等が問題となる。このため、光吸収が
少なくかつ高感度な化学増幅型レジストが開発され、実
用化に向けて様々な検討がなされてきた。その中で、ポ
リメチルメタクリレート(PMMA)等の芳香環を含まない樹
脂を基本骨格とする化学増幅型レジストが検討されてき
た。しかしながら、これらの材料は芳香環を含まないた
め耐ドライエッチング耐性が十分ではない。そこで、樹
脂にアダマンチル基等の耐エッチング性の高い官能基を
エステル結合させることが提案された(特許2881969
号)。また、脂環式炭化水素部分を含有するモノマーと
無水マレイン酸モノマーとの重合生成物、あるいは、ノ
ルボルネンモノマーの重合生成物を主成分としたフォト
レジストも高い解像性を示すことがわかっている(特開
平10-10739, 特開平10-207070)。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、我々が行った
実験では、上記に示したような樹脂からなるレジストパ
ターンを介してフッ素原子を有するガスを用いて下地基
板をエッチングした場合、フォトレジストの表面に荒れ
が生ずることがわかった。図１（ａ）は荒れの生じたフ
ォトレジストの表面のSEM像であり、その一辺は1.7μｍ
に相当する。また、図１（ｂ）はそのレジスト断面のSE
M像である。このようにフォトレジストの表面に荒れが
生ずるのは、そのレジストのエッチングが進行するにつ
れてフォトレジストのエッチングレートが局所的に大き
くなることに起因するものである。エッチングレートが
局所的に大きくなった部分では下地がエッチングされる
可能性が大きくなり、高精細な微細パターンの形成が困
難となる。

【０００５】本発明は、上記のような課題を解決するた
めになされたもので、２００nm以下の波長を用いたリソ
グラフィーで精度良くレジストパターンを形成すること
ができ、かつ、下地基板に微細パターンを形成する工程
においてフォトレジストのエッチングレートが局所的に
大きくなるのを防止することのできる微細パターンの形
成方法を提供することを第１の目的とする。また、本発
明は、そのような微細パターンの形成方法を用いた半導
体装置の製造方法を提供することを第２の目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】フォトレジストの表面に
荒れが生ずる原因について検討を重ねた結果、エッチン
グ処理に先だってパターニングされたフォトレジストに
対して、波長が２００nm以下の放射線を照射すると、レ
ジスト表面の荒れを抑制できることがわかった。 （１）そこで、本発明に係る微細パターンの形成方法
は、所望パターンにパターニングされたフォトレジスト
をマスクとして微細パターンを形成する方法であって、
下地基板上に、メタクリル酸エステルを主成分とするＡ
ｒＦエキシマレーザーリソグラフィ用のフォトレジス
ト、または脂環式炭化水素部分を含有するモノマーと無
水マレイン酸モノマーとの重合生成物を主成分とするＡ
ｒＦエキシマレーザーリソグラフィ用のフォトレジスト
の膜を形成する工程と、前記フォトレジストの膜の所定
部分を露光する工程と、露光後の前記フォトレジストを
現像して、そのフォトレジストを前記所望パターンにパ
ターニングする工程と、パターニングされた前記フォト
レジストの全面に、波長２００nm以下の光を照射する前
処理を施す工程と、前記前処理の後に、パターニングさ
れた前記フォトレジストをマスクとして、前記フォトレ
ジストの下地層に微細パターンを形成する工程と、を含
むことを特徴とする。

【０００７】本発明によれば、エッチングやイオン注入
などを伴う微細パターン形成工程において、フォトレジ
ストのエッチングレートが局所的に大きくなるのを防止
して、レジストパターンの表面に大きな荒れが生ずるの
を防ぐことができる。

【０００８】（２）また、前記前処理は、前記フォトレ
ジストに対して、波長２００nm以下の光を３(J/cm²)以
上の照射強度で照射する工程を含むことが望ましい。本
条件が満たされると、微細パターン形成工程におけるレ
ジスト表面の荒れを十分に抑制することができる。

【０００９】（３）また、前記微細パターンの形成工程
にて除去される前記フォトレジスト膜厚をＴ(nm)とした
とき、前記前処理で使用される光に対して、前記フォト
レジストが、膜厚Ｔ(nm)当たり１０％以上の透過率を示
すことが望ましい。フォトレジストの透明度が低い場
合、フォトレジストの膜質を膜厚全体にわたって改質す
るためには非常に大きな光エネルギーが必要となる。前
処理で用いられる光がそのように大きなエネルギーを有
する場合、フォトレジストの表面近傍に供給される光エ
ネルギーが過剰となり、フォトレジスト中でポリマーの
切断反応が進行し易くなるため、フォトレジスト膜厚が
減少する事態が生ずる。本発明によれば、そのような不
都合を伴うことなく、フォトレジストの全体に優れた耐
エッチング特性を付与できるため、微細パターン形成工
程におけるプロセスマージンを十分に確保することがで
きる。

【００１０】（４）また、前記前処理は、前記フォトレ
ジストの周囲の雰囲気に含まれるオゾン濃度が２×１０
^-7(mol/l)以下の状態で行われることが望ましい。大気
中に含まれる酸素は、波長２００nm以下の光を受けると
容易にオゾンに変化する。オゾンは、フォトレジストを
化学的にエッチングするので、その濃度が高いとフォト
レジストの膜厚が減少する事態が生ずる。本発明によれ
ば、前処理の過程でフォトレジストの膜厚が減少するの
を有効に防止することができるため、微細パターン形成
工程におけるプロセスマージンを十分に確保することが
できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。尚、各図において共通する
要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略す
る。

【００１２】実施の形態１．以下、図２および図３を参
照して本発明の実施の形態１について説明する。実施の
形態１では、本発明に係る微細パターン形成方法の実施
例１〜５、および、それらとの比較に用いる比較例１〜
４について説明する。

【００１３】図２は、実施例１〜５および比較例１〜４
における微細パターンの形成方法を説明するための図で
ある。図２において符号１はフォトレジストを、符号１
ａはパターニング後のフォトレジストを、符号１ｂは下
地基板エッチング後のフォトレジストを、符号２は酸化
シリコン(SiO₂)膜を、符号３は窒化シリコン(SiN)膜
を、符号４はシリコン基板を、符号５および６は、フォ
トレジスト１の露光に用いられるマスクおよび露光光を
示す。また、７は放射線を示す。

【００１４】実施例１〜５および比較例１〜４の微細パ
ターン形成方法では、日本ASM社製の平行平板型プラズ
マＣＶＤ装置を用いて、図２（ａ）に示すように、基板
４上に５２nmの膜厚を有する窒化シリコン膜３、および
８００nmの膜厚を有する酸化シリコン膜２が順次形成さ
れる。次に、酸化シリコン膜２の上に回転塗布法により
フォトレジスト1が形成される。

【００１５】フォトレジスト１の塗布工程では、先ず、
酸化シリコン膜２が形成された後の基板が、ヘキサメチ
ルジシラザン(HMDS)雰囲気中に９０℃の加熱状態で６０
秒間曝露される。次に、メタクリル酸エステルを含む住
友化学工業社製ＡｒＦエキシマレーザーリソグラフィー
用レジスト(PAR-101）が６００nmの厚さで塗布される。
その後、ホットプレート上で基板が６０秒間１２０℃に
加熱される。その結果、図２（ａ）に示す状態が形成さ
れる。

【００１６】次に、ＩＳＩ社製プロトタイプＡｒＦエキ
シマレーザーステッパーにより、コンタクトホールパタ
ーンの露光が実行される（図２（ｂ））。露光装置のＮ
Ａ(Numerical Aperture)は０．６、σは０．７である。

【００１７】その後、ホットプレート上にて６０秒間基
板が１２０℃に加熱され、テトラメチルアンモニウムヒ
ドロキシド(TMAH)水溶液等の有機アルカリ系水溶液を現
像液としてパドル法で現像処理が実行される。その結
果、１６０nm径のコンタクトホールパターンを有するフ
ォトレジスト１ａが形成される（図２（ｃ））。

【００１８】次に、エッチングの前処理として、基板全
面に放射線７が照射される（図２（ｄ））。表1に、比
較例１〜４および実施例１〜５のそれぞれにおいて用い
られる放射線７の種類および強度の設定を示す。尚、本
工程において、基板温度は２５℃に設定した。

【００１９】

【表１】

【００２０】次に、上記の処理により得られたレジスト
パターン１ａをマスクとして酸化シリコン膜２がエッチ
ングされる。その結果、酸化シリコン膜２にコンタクト
ホールのパターンが転写される（図２（ｅ））。本実施
形態において、上記のエッチングは、東京エレクトロン
社製の平行平板型プロトタイプエッチング装置を用い
て、また、エッチングガス種としてＣ₄Ｆ₈（１１sccm)
／Ｏ₂（８sccm）／Ａｒ（４００sccm)混合ガスを用いて
行われる。この際、エッチングチャンバー内の圧力は３
０mtorrに、上部電極のプラズマパワーは２０００Ｗ
（２７MHz）に、下部電極のプラズマパワーは１２００
Ｗ（８００kHz）に、またウェハ温度は−２０℃にそれ
ぞれ設定した。

【００２１】このようにして得られたレジストパターン
１ｂの断面を走査型電子線顕微鏡(日立製作所製S-5000)
で観察した結果、実施例１〜５の場合と、比較例１〜４
の場合とでレジストパターン１ｂの状態に明瞭な相違が
見られた。図３（ａ）は比較例１〜４の方法で加工され
た基板の断面図を、また、図３（ｂ）は実施例１〜５の
方法で加工されたフォトレジスト１ｂの断面図を示す。
これらの図に示されるように、実施例１〜５の方法で形
成されたフォトレジスト１ｂの表面の荒れは、比較例１
〜４の方法で形成されたフォトレジスト１ｂの表面の荒
れに比して小さいことがわかった。

【００２２】次に、我々は、レジストパターンの表面荒
れを、「未露光部分のレジスト残膜量ばらつきの3σ
値」と定義して、その大きさｄを定量化した（図２
（ｅ）参照）。なお、残膜量のばらつきの測定には原子
間力顕微鏡(AFM）を用いた。我々の実験より表面荒れｄ
が５０nm以下であれば、エッチングによって形成される
パターンの寸法精度が低下しないことがわかっている。

【００２３】表1中「表面荒れｄ(nm)」の欄は、上述し
た方法で定量された表面荒れｄの値を示す。表１より明
らかなように、エッチングの前処理として２００nm以下
の波長を有する放射線をフォトレジストに照射すると、
表面荒れdを５０nm以下に抑制することができる。この
ように、実施例１〜５の方法によれば、エッチング工程
におけるフォトレジスト１の表面荒れを有効に抑制する
ことができる。

【００２４】ところで、実施の形態１では、フォトレジ
スト１の塗布直前にシリコン基板４をHMDS雰囲気に暴露
することで、基板の表面に、フォトレジスト１との密着
性を高めるための密着層を形成している。しかしなが
ら、本発明はこれに限定されるものではなく、フォトレ
ジスト１とその下地との密着が十分に確保できる場合に
は、この密着層の形成は省略してもよい。

【００２５】また、実施の形態１の方法では、レジスト
パターンの露光工程でＡｒＦエキシマレーザを用いた縮
小露光が行われるが、露光の手法はこれに限定されるも
のではなく他の方法を用いても良い。例えば、電子線露
光、ＫｒＦエキシマレーザ密着露光あるいは縮小投影露
光、Ｆ₂エキシマレーザ密着露光あるいは縮小投影露
光、紫外線を光源とするステップアンドスキャン反射型
縮小投影露光、または軟Ｘ線等を用いることができる。

【００２６】また、実施の形態１の方法では、露光装置
のＮＡおよびσを、それぞれ０．６および０．７として
いるが、それらの値もこれに限定されるものではない。
レジスト膜厚についても下地のエッチング工程終了後に
十分な残膜量が確保されている限りは任意である。ま
た、転写パターンはコンタクトホールに限らず、ライン
パターンや溝パターン等でも良い。

【００２７】また、実施の形態１では、エッチングされ
る下地膜が酸化シリコン膜２であるが、その下地膜は、
窒化シリコン膜、窒化チタン膜、タングステン膜、シリ
コン酸化窒化膜、またはポリシリコン膜等であってもよ
い。

【００２８】また、実施の形態１では、エッチングガス
としてＣ₄Ｆ₈／Ｏ₂／Ａｒの混合ガスが用いられている
が、エッチングガスはこれに限定されるものではなく、
ＣＦ ₄、ＣＨＦ₃、Ｃ₂Ｆ₆、Ｃ₅Ｆ₈等のようなフッ素原子
を含むエッチングガスは何れも本実施形態の方法に使用
することができる。その他、当業者にとって自明な範囲
で種々の変更、改良、組み合わせ等が可能である。

【００２９】尚、半導体装置の製造の過程で、実施の形
態１の方法を用いて、図２（ｃ）に示すフォトレジスト
１ａの形成後に、そのレジストパターン1ａを介して下
地の酸化シリコン膜２、あるいは酸化シリコン膜２およ
び窒化シリコン膜３の双方をエッチングすることによれ
ば、半導体装置を構成する絶縁膜の微細パターンを形成
することができる。

【００３０】また、フォトレジスト１ａの下地膜が導電
膜である場合は、半導体装置の製造の過程で、実施の形
態１の方法を用いて導電膜をエッチングすることで、半
導体装置を構成する導電膜の微細パターンを形成するこ
とができる。以後、一連の製造工程を経て半導体装置が
製造されるが、それらの工程については説明を省略す
る。

【００３１】また、実施の形態１では、前処理の終了後
にフォトレジスト１ａをマスクとしてエッチングを行う
ことで微細パターンを形成することとしているが、本発
明はこれに限定されるものではない。すなわち、前処理
の終了したフォトレジスト１ａは、シリコン基板４にイ
オンを注入する際のマスクとしても使用することができ
る。この場合、フォトレジスト１ａの表面荒れが抑制さ
れるため、例えばトランジスタのソースドレイン領域等
のパターンを精度良く形成することが可能となる。

【００３２】以上説明したように、実施の形態１の微細
パターン形成方法によれば、フォトレジストにパターン
が形成された後に、エッチングの前処理として波長が２
００nm以下の放射線７が基板の全面に照射される。その
結果、フォトレジストをマスクとしてその下地膜をエッ
チングする工程において、フォトレジストのエッチング
レートが局所的に大きな値となるのを効果的に防ぐこと
が可能となる。従って、実施の形態１の方法（実施例１
〜５の方法）によれば、微細で高精度な絶縁膜あるいは
導電膜のパターンを形成することができ、さらに、その
ような微細パターンを有する半導体装置などを製造する
ことができる。

【００３３】実施の形態２．以下、図２を参照して本発
明の実施の形態２について説明する。実施の形態２で
は、本発明に係る微細パターン形成方法の実施例６〜１
２、およびそれらとの比較に用いられる比較例５〜８に
ついて説明する。

【００３４】本発明の実施例６〜１２および比較例５〜
８の微細パターンの形成方法は、実施の形態１の場合と
同様に図２（ａ）〜図２（ｅ）を用いて説明することが
できる。実施の形態２の微細パターン形成方法では、日
本ASM社製の平行平板型プラズマＣＶＤ装置を用いて、
図２（ａ）に示すように、基板４上に５３nmの膜厚を有
する窒化シリコン膜３、および８００nmの膜厚を有する
酸化シリコン膜２が順次形成される。次に、酸化シリコ
ン膜２の上に回転塗布法によりフォトレジスト1が形成
される。

【００３５】フォトレジスト１の塗布工程では、先ず、
酸化シリコン膜２が形成された後の基板が、ヘキサメチ
ルジシラザン(HMDS)雰囲気中に１１０℃の加熱状態で１
２０秒間曝露される。次に、脂環式炭化水素部分を含有
するモノマーと無水マレイン酸モノマーとの重合生成物
を主成分とする東京応化工業社製ＡｒＦエキシマレーザ
ーリソグラフィー用レジストが６００nmの厚さで塗布さ
れる。その後、ホットプレート上で、基板が６０秒間１
３０℃に加熱される。その結果、図２（ａ）に示す状態
が形成される。

【００３６】次にニコン社製プロトタイプＡｒＦエキシ
マレーザーステッパー(NSR-S302A)によりコンタクトホ
ールパターンの露光が実行される（図２（ｂ））。露光
装置のＮＡは０．６、σは０．７５である。

【００３７】その後、ホットプレート上にて、基板が６
０秒間１３０℃に加熱され、テトラメチルアンモニウム
ヒドロキシド(TMAH)水溶液等の有機アルカリ系水溶液を
現像液としてパドル法で現像処理が実行される。その結
果、１５０nm径のコンタクトホールパターンを有するフ
ォトレジスト１ａが形成される（図２（ｃ））。

【００３８】次に、エッチングの前処理として、基板全
面に放射線７が照射される（図２（ｄ））。放射線７の
照射源としては、ウシオ電機（株）製のエキシマランプ
照射装置 (UVS-4200)を用いた。本装置における照射光
の中心波長は１７２nmである。表２に、実施例６〜１２
および比較例５〜８のそれぞれで用いられる照射エネル
ギーを示す。

【００３９】

【表２】

【００４０】次に、上記の処理により得られたレジスト
パターン１ａをマスクとして酸化シリコン膜２がエッチ
ングされる。その結果、酸化シリコン膜２にコンタクト
ホールのパターンが転写される（図２（ｅ））。本実施
形態において、上記のエッチングは、東京エレクトロン
社製の平行平板型プロトタイプエッチング装置を用い
て、また、エッチングガス種としてＣ₄Ｆ₈（１１sccm)
／Ｏ₂（６sccm）／Ａｒ（３５０sccm)混合ガスを用いて
行われる。この際、エッチングチャンバー内の圧力は２
５mtorrに、上部電極のプラズマパワーは２０００Ｗ
（２７MHz）に、下部電極のプラズマパワーは１０００
Ｗ（８００kHz）に、ウェハ温度は−２０℃に、また、
エッチングの処理時間は２分に、それぞれ設定した。

【００４１】このようにして得られたレジストパターン
１ｂの表面の荒れをＡＦＭにより測定した。表２におけ
る「表面荒れｄ(nm)」の欄は上記の如く測定された表面
荒れｄの値を示す。表２に示す結果より、放射線７の照
射エネルギーを3(J/cm²)以上に設定すると、レジスト表
面の荒れｄを５０nm以下に抑制することができ、高精度
なパターン転写が可能となることがわかった。

【００４２】ところで、実施の形態２の方法では、フォ
トレジスト１を基板上に塗布する直前に、基板をHMDS雰
囲気に曝露して密着層を形成しているが、フォトレジス
ト１と下地との密着が十分である場合には、この密着層
を省略してもよい。

【００４３】また、実施の形態２の方法では、レジスト
パターンの露光工程でＡｒＦエキシマレーザを用いた縮
小露光が行われるが、露光の手法はこれに限定されるも
のではなく他の方法を用いても良い。例えば、電子線露
光、ＫｒＦエキシマレーザ密着露光あるいは縮小投影露
光、Ｆ₂エキシマレーザ密着露光あるいは縮小投影露
光、紫外線を光源とするステップアンドスキャン反射型
縮小投影露光、または軟Ｘ線等を用いることができる。

【００４４】また、実施の形態２の方法では、露光装置
のＮＡおよびσを、それぞれ０．６および０．７５とし
ているが、それらの値もこれに限定されるものではな
い。レジスト膜厚についても下地のエッチング工程終了
後に十分な残膜量が確保されている限り任意である。ま
た、転写パターンはコンタクトホールに限らず、ライン
パターンや溝パターンなどでも良い。

【００４５】また、実施の形態２では、エッチングされ
る下地膜が酸化シリコン膜２であるが、その下地膜は、
窒化シリコン膜、窒化チタン膜、タングステン膜、シリ
コン酸化窒化膜、またはポリシリコン膜等であってもよ
い。

【００４６】また、実施の形態２では、エッチングガス
としてＣ₄Ｆ₈／Ｏ₂／Ａｒの混合ガスが用いられている
が、エッチングガスはこれに限定されるものではなく、
ＣＦ ₄、ＣＨＦ₃、Ｃ₂Ｆ₆、Ｃ₅Ｆ₈等のようなフッ素を含
むエッチングガスは何れも本実施形態の方法に使用する
ことができる。その他、当業者にとって自明な範囲で、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能である。

【００４７】尚、半導体装置の製造の過程で、実施の形
態２の方法を用いて、図２（ｃ）に示すフォトレジスト
１ａの形成後に、そのレジストパターン１ａを介して下
地の酸化シリコン膜２、あるいは酸化シリコン膜２およ
び窒化シリコン膜３の双方をエッチングすることによれ
ば、半導体装置を構成する絶縁膜の微細パターンを形成
することができる。

【００４８】また、フォトレジスト１ａの下地膜が導電
膜である場合は、半導体装置の製造の過程で、実施の形
態２の方法を用いて、そのレジストパターン１ａを介し
て導電膜をエッチングすることで、半導体装置を構成す
る導電膜の微細パターンを形成することができる。以
後、一連の製造工程を経て半導体装置が製造されるが、
それらの工程については説明を省略する。

【００４９】また、実施の形態２では、前処理の終了後
にフォトレジスト１ａをマスクとしてエッチングを行う
ことで微細パターンを形成することとしているが、本発
明はこれに限定されるものではない。すなわち、前処理
の終了したフォトレジスト１ａは、半導体基板にイオン
を注入する際のマスクとしても使用することができる。
この場合、フォトレジスト１ａの表面荒れが抑制される
ため、例えばトランジスタのソースドレイン領域等のパ
ターンを精度良く形成することが可能となる。

【００５０】以上説明したように、実施の形態２の微細
パターン形成方法（実施例６〜１２）によれば、フォト
レジストにパターンを形成した後に、エッチングの前処
理として、基板の全面に３(J/cm²)以上の照射エネルギ
ーを有する放射線７が照射される。その結果、フォトレ
ジストをマスクとしてその下地膜をエッチングする過程
で、フォトレジストのエッチングレートが局所的に増大
するのを効果的に抑制することが可能となる。従って、
実施の形態２（実施例６〜１２）の微細パターン形成方
法によれば、微細な絶縁膜あるいは導電膜のパターンを
精度良く形成することができ、さらに、そのような微細
パターンを有する半導体装置などを製造することができ
る。

【００５１】実施の形態３．以下、図２を参照して本発
明の実施の形態３について説明する。実施の形態３で
は、本発明に係る微細パターン形成方法の実施例１３〜
１６と、それらを基礎とする変形例１〜４とについて説
明する。

【００５２】本発明の実施例１３〜１６および変形例１
〜４の微細パターンの形成方法は、実施の形態１または
２の場合と同様に図２（ａ）〜図２（ｅ）を用いて説明
することができる。本実施の形態の微細パターン形成方
法では、日本ASM社製の平行平板型プラズマＣＶＤ装置
を用いて、図２（ａ）に示すように基板４上に２５nmの
膜厚を有するシリコン酸化窒化膜（SiON膜）が形成さ
れ、その上に７００nmの膜厚を有する酸化シリコン膜２
が形成される。次に、酸化シリコン膜２の上に回転塗布
法によりフォトレジスト1が形成される。

【００５３】フォトレジスト１の塗布工程では、先ず、
酸化シリコン膜２が形成された後の基板が、ヘキサメチ
ルジシラザン(HMDS)雰囲気中に１１０℃の加熱状態で６
０秒間曝露される。次に、メタクリル酸エステルを主成
分とする三菱レイヨン社製ＡｒＦエキシマレーザーリソ
グラフィー用レジスト(MRC1001)が６００nmの厚さで塗
布される。その後、ホットプレート上で基板が６０秒間
１２０℃に加熱される。その結果、図２（ａ）に示す状
態が形成される。

【００５４】次にキャノン社製ＡｒＦエキシマレーザー
露光装置によりコンタクトホールパターンの露光が実行
される（図２（ｂ））。露光装置のＮＡは０．６、σは
０．７である。

【００５５】その後、ホットプレート上にて６０秒間、
基板が１２０℃に加熱され、テトラメチルアンモニウム
ヒドロキシド(TMAH)水溶液等の有機アルカリ系水溶液を
現像液としてパドル法で現像処理が実行される。その結
果、１８０nm径のコンタクトホールパターンを有するフ
ォトレジスト１ａが形成される（図２（ｃ））。

【００５６】次に、エッチングの前処理として、基板全
面に放射線７が照射される（図２（ｄ））。表３に、実
施例１３〜１６および変形例１〜４のそれぞれにおいて
用いられる放射線の波長および強度についての設定を示
す。放射線の波長は、重水素ランプにフィルターをかけ
ることにより所望の値を得た。基板温度の設定値は、実
施の形態１３〜１６および比較例１〜４の全てにおいて
−１０℃である。

【００５７】

【表３】

【００５８】上記の処理により得られたレジストパター
ン１ａをマスクとして酸化シリコン膜２がエッチングさ
れる。その結果、酸化シリコン膜２にコンタクトホール
のパターンが転写される（図２（ｅ））。本実施形態に
おいて、上記のエッチングは、住友金属工業（株）製表
面波プラズマエッチング装置(Wave-X4000)を用いて、ま
た、エッチングガス種としてＡｒ（１０００sccm）／Ｃ
₄Ｆ₈（３０sccm)／Ｏ₂（１２sccm）／ＣＯ（６０sccm)
混合ガスを用いて行われる。この際、エッチングチャン
バー内の圧力は４０mtorrに、上部電極のプラズマパワ
ーは２９００Ｗに、下部電極のプラズマパワーは１８０
０Ｗに設定した。また、下部電極温度は０℃に、エッチ
ングの処理時間は５分に、それぞれ設定した。上記のエ
ッチングが行われると、フォトレジスト１ａは２００nm
程度除去される。

【００５９】表３において「レジストの透過率（％/２
００nm）」の欄は、エッチングの前処理で使用される放
射線７の波長に対するレジスト透過率、より具体的に
は、上記のエッチングによって除去されるレジストの膜
厚 (本実施の形態では２００nm)当たりのレジスト透過
率を示す。

【００６０】フォトレジストの透過率が低い場合、フォ
トレジストの膜質を膜厚全体にわたって改質するために
は非常に大きな光エネルギーが必要となる。前処理で用
いられる光がそのように大きなエネルギーを有する場
合、その光のエネルギーにより、特にフォトレジストの
表面付近においてポリマーの切断反応が進行し易くな
る。ポリマーの切断反応が進行すると、フォトレジスト
の膜厚は減少する。このため、前処理後のレジスト残膜
量は、表３に示すように、レジスト透過率が低く、大き
な所要エネルギーが要求される場合ほど小さな値とな
る。

【００６１】表３に示す結果より、エッチングで除去さ
れる膜厚当たりのレジスト透過率が１０％以上である場
合は、前処理の後に十分に大きなレジスト残膜量が確保
できることがわかる。従って、本実施形態の方法では、
そのレジスト透過率を１０％以上に設定することによ
り、エッチング工程におけるプロセスマージンを、特に
大きく確保することが可能となる。

【００６２】ところで、実施の形態３の方法では、フォ
トレジスト１を基板上に塗布する直前に、基板をHMDS雰
囲気に曝露して密着層を形成しているが、フォトレジス
ト１と下地との密着が十分である場合には、この密着層
形成工程は省略してもよい。

【００６３】また、実施の形態３の方法では、レジスト
パターンの露光工程でＡｒＦエキシマレーザを用いた縮
小露光が行われるが、露光の手法はこれに限定されるも
のではなく他の方法を用いても良い。例えば、電子線露
光、ＫｒＦエキシマレーザ密着露光あるいは縮小投影露
光、Ｆ₂エキシマレーザ密着露光あるいは縮小投影露
光、紫外線を光源とするステップアンドスキャン反射型
縮小投影露光、または軟Ｘ線等を用いることができる。

【００６４】また、実施の形態３の方法では、露光装置
のＮＡおよびσを、それぞれ０．６および０．７として
いるが、それらの値もこれに限定されるものではない。
レジスト膜厚についても下地のエッチング工程終了後に
十分な膜厚が確保されている限り任意である。また、転
写パターンはコンタクトホールに限らず、ラインパター
ンや溝パターンなどでもよい。

【００６５】また、実施の形態３では、エッチングされ
る下地膜が酸化シリコン膜２であるが、その下地膜は、
窒化シリコン膜、窒化チタン膜、タングステン膜、シリ
コン酸化窒化膜、またはポリシリコン膜等であってもよ
い。

【００６６】また、実施の形態３では、エッチングガス
としてＣ₄Ｆ₈／Ｏ₂／Ａｒの混合ガスが用いられている
が、エッチングガスはこれに限定されるものではなく、
ＣＦ ₄、ＣＨＦ₃、Ｃ₂Ｆ₆、Ｃ₅Ｆ₈等のようなフッ素原子
を含む公知のエッチングガスは何れも本実施形態の方法
に使用することができる。その他、当業者にとって自明
な範囲で、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能であ
る。

【００６７】尚、半導体装置の製造の過程で、実施の形
態３の方法を用いて、図２（ｃ）に示すフォトレジスト
１ａの形成後に、そのレジストパターン１ａを介して下
地の酸化シリコン膜２、あるいは酸化シリコン膜２およ
び窒化シリコン膜３の双方をエッチングすることによれ
ば、半導体装置を構成する絶縁膜の微細パターンを形成
することができる。

【００６８】また、フォトレジスト１ａの下地膜が導電
膜である場合は、半導体装置の製造の過程で、実施の形
態３の方法を用いて、そのレジストパターン１ａを介し
て導電膜をエッチングすることで、半導体装置を構成す
る導電膜の微細パターンを形成することができる。以
後、一連の製造工程を経て半導体装置が製造されるが、
それらの工程については説明を省略する。

【００６９】また、実施の形態３では、前処理の終了後
にフォトレジスト１ａをマスクとしてエッチングを行う
ことで微細パターンを形成することとしているが、本発
明はこれに限定されるものではない。すなわち、前処理
の終了したフォトレジスト１ａは、半導体基板にイオン
を注入する際のマスクとしても使用することができる。
この場合、フォトレジスト１ａの表面荒れが抑制される
ため、例えばトランジスタのソースドレイン領域等のパ
ターンを精度良く形成することが可能となる。

【００７０】以上説明したように、実施の形態３の微細
パターンの形成方法では、下地基板のエッチング工程に
て除去されるレジスト膜厚Ｔ(nm)当たりのレジスト透過
率が、放射線７の中心波長に対して１０％以上となるよ
うな設定が施されることが望ましい。すなわち、変形例
２〜４の設定が施されることが望ましい。このような設
定によれば、エッチング工程の開始時点でフォトレジス
ト１ｂの残膜量を十分に確保できるため、エッチングに
伴うレジスト表面の荒れｄを十分に抑制しつつ、エッチ
ング工程におけるプロセスマージンを特に大きく確保す
ることが可能となる。

【００７１】実施の形態４．以下、図２を参照して本発
明の実施の形態４について説明する。実施の形態４で
は、本発明に係る微細パターン形成方法の実施例１７〜
２０、およびそれらを基礎とする変形例５〜７について
説明する。

【００７２】本発明の実施例１７〜２０および変形例５
〜７の微細パターンの形成方法は、実施の形態１乃至３
の場合と同様に図２（ａ）〜図２（ｅ）を用いて説明す
ることができる。実施の形態４の微細パターン形成方法
では、日本ASM社製の平行平板型プラズマＣＶＤ装置を
用いて、図２（ａ）に示すように基板４上に５５nmの膜
厚を有する窒化シリコン膜３が形成された後、その上に
８００nmの膜厚を有する酸化シリコン膜２が形成され
る。次に、酸化シリコン膜２の上に回転塗布法によりフ
ォトレジスト1が形成される。

【００７３】フォトレジスト１の塗布工程では、先ず、
酸化シリコン膜２が形成された後の基板が、ヘキサメチ
ルジシラザン(HMDS)雰囲気中に１１０℃の加熱状態で１
８０秒間曝露される。次に、メタクリル酸エステルを主
成分とする信越化学工業（株）製ＡｒＦエキシマレーザ
ーリソグラフィー用レジスト(SAIL-X09)が１０００nmの
厚さで塗布される。適当なベーク処理が行われることに
より図２（ａ）に示す状態が形成される。

【００７４】次にニコン製ＡｒＦエキシマレーザー露光
装置(NSR-S302A)によりコンタクトホールパターンの露
光が実行される（図２（ｂ））。露光装置のＮＡは０．
６、σは０．７５である。

【００７５】その後、ホットプレート上にて６０秒間、
基板が１３０℃に加熱され、テトラメチルアンモニウム
ヒドロキシド(TMAH)水溶液等の有機アルカリ系水溶液を
現像液としてパドル法で現像処理が実行される。その結
果、２５０nm径のコンタクトホールパターンを有するフ
ォトレジスト１ａが形成される（図２（ｃ））。

【００７６】次に、エッチングの前処理として、波長１
７２nmの放射線７が基板全面に照射される（図２
（ｄ））。本実施形態において、上記の前処理は、密閉
可能なチャンバー内にエキシマランプ照射装置を設置し
て、照射量を５(J/cm²)として行われる。上記の照射装
置には、ウシオ電機(株)製エキシマランプ装置(UVS420
0)を用いた。

【００７７】照射装置を内包するチャンバーには窒素お
よび酸素を任意の濃度比で送り込むことができる。チャ
ンバー中に送り込む酸素の濃度を小さくし、その内部に
窒素ガスを充填すると、前処理工程中に発生するオゾン
量を少量とし、チャンバー内のオゾン濃度を小さくする
ことができる。実施例１７〜２０および比較例５〜７の
それぞれにおいて、前処理工程中にチャンバー内に含ま
れるオゾンの量を表４に示す。

【００７８】

【表４】

【００７９】大気中に含まれる酸素は、波長２００nm以
下の光を受けると容易にオゾンに変化する。オゾンは、
フォトレジストを化学的にエッチングするので、その濃
度が高いと、前処理の過程でフォトレジスト１ａの膜厚
が減少する。このため、表４に示すように、前処理後の
レジスト残膜量は、前処理時におけるチャンバー内のオ
ゾン濃度が高いほど小さな値となる。

【００８０】上記の前処理が終了すると、次に、レジス
トパターン１ａをマスクとして酸化シリコン膜２がエッ
チングされる。その結果、酸化シリコン膜２にコンタク
トホールのパターンが転写される（図２（ｅ））。本実
施形態において、上記のエッチングは、住友金属工業
(株)製表面波プラズマエッチング装置(Wave-X4000)を用
いて、また、エッチングガス種としてＡｒ（１０００sc
cm)／Ｃ₄Ｆ₈（３０sccm）／Ｏ₂（１２sccm）／ＣＯ（６
０sccm)混合ガスを用いて行われる。この際、エッチン
グチャンバー内の圧力は４０mtorrに、上部電極のプラ
ズマパワーは２９００Ｗに、下部電極のプラズマパワー
は１８０Ｗに設定した。更に、下部電極温度は０℃に、
エッチング処理時間は２分間に、それぞれ設定した。

【００８１】上記のエッチングが実行されることによ
り、フォトレジスト１ａはある程度除去される。従っ
て、エッチング工程におけるプロセスマージンを十分に
確保するうえでは、その処理が開始される以前に大きな
レジスト残膜が確保されていることが望ましい。

【００８２】表４に示すように、前処理実行時における
チャンバー内のオゾン濃度が２．０×１０^{ー 7}(mol/l)以
下である場合は、前処理後のレジスト残膜量を十分に確
保し得ることがわかる。このため、本実施形態の方法で
は、チャンバー内のオゾン濃度が２．０×１０^{ー 7}(mol/
l)以下となる設定の下で前処理を実行することにより、
エッチング工程におけるプロセスマージンを、特に大き
く確保することが可能となる。

【００８３】ところで、実施の形態４の方法では、フォ
トレジスト１を基板上に塗布する直前に、基板をHMDS雰
囲気に曝露して密着層を形成しているが、フォトレジス
ト１と下地との密着が十分である場合には、この密着層
形成工程は省略してもよい。

【００８４】また、実施の形態４の方法では、レジスト
パターンの露光工程でＡｒＦエキシマレーザを用いた縮
小露光が行われるが、露光の手法はこれに限定されるも
のではなく他の方法を用いても良い。例えば、電子線露
光、ＫｒＦエキシマレーザ密着露光あるいは縮小投影露
光、Ｆ₂エキシマレーザ密着露光あるいは縮小投影露
光、紫外線を光源とするステップアンドスキャン反射型
縮小投影露光、または軟Ｘ線等を用いることができる。

【００８５】また、実施の形態４の方法では、露光装置
のＮＡおよびσを、それぞれ０．６および０．７５とし
ているが、それらの値もこれに限定されるものではな
い。レジスト膜厚についても下地のエッチング工程終了
後に十分な膜厚が確保されている限り任意である。ま
た、転写パターンはコンタクトホールに限らず、ライン
パターンや溝パターンなどでもよい。

【００８６】また、実施の形態４の方法では、エッチン
グの前処理中に発生するオゾンの濃度を低減させるため
に、処理チャンバー内を窒素ガスで充填することとして
いるが、オゾン濃度を低減させる手法はこれに限定され
るものではない。例えば、処理チャンバー内を真空状態
としてオゾン濃度を低減させることとしてもよい。

【００８７】また、実施の形態４では、エッチングされ
る下地膜が酸化シリコン膜２であるが、その下地膜は、
窒化シリコン膜、窒化チタン膜、タングステン膜、シリ
コン酸化窒化膜、またはポリシリコン膜等であってもよ
い。

【００８８】また、実施の形態４では、エッチングガス
としてＣ₄Ｆ₈／Ｏ₂／Ａｒの混合ガスが用いられている
が、エッチングガスはこれに限定されるものではなく、
ＣＦ ₄、ＣＨＦ₃、Ｃ₂Ｆ₆、Ｃ₅Ｆ₈等のようなフッ素原子
を含む公知のエッチングガスは何れも本実施形態の方法
に使用することができる。その他、当業者にとって自明
な範囲で、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能であ
る。

【００８９】尚、半導体装置の製造の過程で、実施の形
態３の方法を用いて、図２（ｃ）に示すフォトレジスト
１ａの形成後に、そのレジストパターン１ａを介して下
地の酸化シリコン膜２、あるいは酸化シリコン膜２およ
び窒化シリコン膜３の双方をエッチングすることによれ
ば、半導体装置を構成する絶縁膜の微細パターンを形成
することができる。

【００９０】また、フォトレジスト１ａの下地膜が導電
膜である場合は、半導体装置の製造の過程で、実施の形
態３の方法を用いて、そのレジストパターン１ａを介し
て導電膜をエッチングすることで、半導体装置を構成す
る導電膜の微細パターンを形成することができる。以
後、一連の製造工程を経て半導体装置が製造されるが、
それらの工程については説明を省略する。

【００９１】また、実施の形態４では、前処理の終了後
にフォトレジスト１ａをマスクとしてエッチングを行う
ことで微細パターンを形成することとしているが、本発
明はこれに限定されるものではない。すなわち、前処理
の終了したフォトレジスト１ａは、半導体基板にイオン
を注入する際のマスクとしても使用することができる。
この場合、フォトレジスト１ａの表面荒れが抑制される
ため、例えばトランジスタのソースドレイン領域等のパ
ターンを精度良く形成することが可能となる。

【００９２】以上説明したように、実施の形態４の微細
パターンの形成方法では、エッチングの前処理工程にお
いてシリコン基板４の周囲の雰囲気中に含まれるオゾン
濃度が２×１０^-7(mol/l)以下となるような設定が施さ
れることが望ましい。すなわち、変形例５〜７の設定が
施されることが望ましい。このような設定によれば、エ
ッチング工程の開始時点でフォトレジスト１ｂの残膜量
を十分に確保できるため、エッチングに伴うレジスト表
面の荒れｄを十分に抑制しつつ、エッチング工程におけ
るプロセスマージンを特に大きく確保することが可能と
なる。

【００９３】

【発明の効果】本発明は以上説明したように構成されて
いるので、以下に示すような効果を奏する。請求項１記
載の発明によれば、パターニング後のフォトレジストに
２００nm以下の波長を含む光を照射することで、そのフ
ォトレジストのエッチング耐性を高めることができる。
このため、本発明によれば、微細パターンの形成時にレ
ジストパターンの表面に大きな荒れが生ずるのを防止し
て、微細パターンを高精度に形成することができる。

【００９４】請求項２記載の発明によれば、前処理の段
階で、フォトレジストに、十分な強度を有する光を照射
することができる。このため、本発明によれば、フォト
レジストのエッチング特性を十分に高めることができ
る。

【００９５】請求項３記載の発明によれば、フォトレジ
ストが十分な透過率を示すため、過剰な光エネルギーを
用いることなくフォトレジストの全体に、優れたエッチ
ング耐性を付与することができる。この場合、前処理の
実行に伴ってフォトレジストの膜厚が大きく減少しない
ため、微細パターン形成工程におけるプロセスマージン
を大きく確保することができる。

【００９６】請求項４記載の発明によれば、オゾン濃度
を十分に小さく抑制した状態で前処理が実行されるた
め、前処理の実行中にフォトレジストがオゾンによりエ
ッチングされるのを有効に防止することができる。この
場合、前処理の実行に伴ってフォトレジストの膜厚が大
きく減少しないため、微細パターン形成工程におけるプ
ロセスマージンを大きく確保することができる。

【００９７】請求項５記載の発明によれば、エッチング
耐性の優れたレジストパターンをマスクとしてエッチン
グを行うことにより、下地基板に優れた精度で微細パタ
ーンを形成することができる。

【００９８】請求項６記載の発明によれば、エッチング
耐性の優れたレジストパターンをマスクとしてイオン注
入を行うことにより、下地基板に優れた精度で微細パタ
ーンを形成することができる。

【００９９】請求項７記載の発明によれば、精度良く形
成された微細パターンを構成要素として備える半導体装
置を容易に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 シリコン基板上に形成されたフォトレジスト
を従来の方法でエッチングした場合に実現される状態を
表すSEM像である。

【図２】 本発明の実施の形態１乃至４の微細パターン
の形成方法において実行される一連の処理を説明するた
めの図である。

【図３】 本発明の実施の形態１乃至４の微細パターン
の形成方法で処理されたフォトレジストの状態（図３
（ｂ））と、比較例の方法で処理されたフォトレジスト
の状態（図３（ａ））とを比較して表した図である。

【符号の説明】

１、１ａ、１ｂ フォトレジスト ２、２′ 酸化シリコン膜 ３ 窒化シリコン膜 ４ シリコン基板 ５ マスク ６ 露光光 ７ 放射線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−110124（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−94477（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−295418（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−181132（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065 H01L 21/027

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所望パターンにパターニングされたフォ
   トレジストをマスクとして微細パターンを形成する方法
   であって、 下地基板上に、メタクリル酸エステルを主成分とするＡ
   ｒＦエキシマレーザーリソグラフィ用のフォトレジス
   ト、または脂環式炭化水素部分を含有するモノマーと無
   水マレイン酸モノマーとの重合生成物を主成分とするＡ
   ｒＦエキシマレーザーリソグラフィ用のフォトレジスト
   の膜を形成する工程と、 前記フォトレジストの膜の所定部分を露光する工程と、 露光後の前記フォトレジストを現像して、そのフォトレ
   ジストを前記所望パターンにパターニングする工程と、 パターニングされた前記フォトレジストの全面に、波長
   ２００nm以下の光を照射する前処理を施す工程と、 前記前処理の後に、パターニングされた前記フォトレジ
   ストをマスクとして、前記フォトレジストの下地層に微
   細パターンを形成する工程と、 を含むことを特徴とする微細パターンの形成方法。
2. 【請求項２】 前記前処理は、前記フォトレジストに対
   して、波長２００nm以下の光を３(J/cm²)以上の照射強
   度で照射する工程を含むことを特徴とする請求項１に記
   載の微細パターンの形成方法。
3. 【請求項３】 前記微細パターンの形成工程にて除去さ
   れる前記フォトレジスト膜厚をＴ(nm)としたとき、前記
   前処理で使用される光に対して、前記フォトレジスト
   が、膜厚Ｔ(nm)当たり１０％以上の透過率を示すことを
   特徴とする請求項１または２に記載の微細パターンの形
   成方法。
4. 【請求項４】 前記前処理は、前記フォトレジストの周
   囲の雰囲気に含まれるオゾン濃度が２×１０^-7(mol/l)
   以下の状態で行われることを特徴とする請求項1乃至３
   の何れか１項に記載の微細パターンの形成方法。
5. 【請求項５】 前記微細パターンを形成する工程は、前
   記パターニングされた前記フォトレジストをマスクとし
   て、フッ素原子を含むガスを用いて、前記フォトレジス
   トの下地層をエッチングする工程を含むことを特徴とす
   る請求項１乃至４の何れか１項に記載の微細パターンの
   形成方法。
6. 【請求項６】 前記微細パターンを形成する工程は、前
   記パターニングされた前記フォトレジストをマスクとし
   て、前記フォトレジストの下地層にイオンを注入する工
   程を含むことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項
   に記載の微細パターンの形成方法。
7. 【請求項７】 請求項１乃至４の何れか１項に記載の方
   法を用いて、前記下地層に、半導体装置の構成要素とな
   る微細パターンを形成する工程を含むことを特徴とする
   半導体装置の製造方法。