JP3638266B2

JP3638266B2 - Manufacturing method of semiconductor device

Info

Publication number: JP3638266B2
Application number: JP2001395051A
Authority: JP
Inventors: 哲郎塙
Original assignee: 株式会社半導体先端テクノロジーズ
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2005-04-13
Anticipated expiration: 2021-12-26
Also published as: JP2003195522A

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the dry etching resistance of a fine resist pattern formed by ArF lithography and to process a film to be processed with good size and shape controllability by improving the shape of a resist pattern top part. <P>SOLUTION: The film to be processed 2 is formed on a substrate 1 and ArF resist 4 is formed on the process film 2. After the ArF resist 4 is exposed to ArF laser light through a photomask, a base resin 5 having a benzen ring structure is formed on the ArF resist 4. Baking is carried out to thermally diffuse an acid in the ArF resist 4 into the base resin 5. The ArF resist 4 and the base resin 5 are developed. The film to be processed 2 is processed by dry etching by using an ArF resist pattern 43 and a base resin pattern 53 patterned by the development as a mask. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に係り、特にArFリソグラフィ技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造工程において、縮小投影露光装置による写真製版プロセスを用いて微細回路パターンが形成されている。
近年のデバイスの高集積化・微細化に対応するため、露光波長の短波長化よる高解像度化が行われており、現在ではArFエキシマレーザ光（λ=193nm）を光源とした露光装置が実用化されようとしている。さらに、F₂レーザ光（λ=157nm）を光源とするリソグラフィの検討も盛んに行われている。
【０００３】
ところで、KrFリソグラフィ（λ=248nm）用のレジストに用いられているベース樹脂（図４参照）は、ベンゼン環構造を有しており、短波長の露光光（例えば、ArFレーザ光）の吸収が大きい。このため、例えばArFレーザ光のような短波長の露光光源に対しては使用することができない。
そこで、ArFリソグラフィ用のレジスト（以下、「ArFレジスト」という。）では、ArFレーザ光の吸収が少ない脂肪族系ベース樹脂（図６参照）が主に用いられている。すなわち、ArFリソグラフィでは、酸触媒反応により脱離しアルカリ現像液に対する溶解性を変化させる基を側鎖に有する脂肪族系ベース樹脂と、活性光線の照射により酸を発生する光酸発生剤とを含む化学増幅型レジストが用いられている。
【０００４】
以下、従来の半導体装置の製造方法、詳細には、ArFリソグラフィを用いた、従来の微細パターン形成方法について説明する。
図７及び図８は、従来の半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。
【０００５】
先ず、図７（ａ）に示すように、基板１上に被加工膜２を形成する。
次に、図７（ｂ）に示すように、レジスト塗布装置でスピン塗布法を用いて、被加工膜２上に40nm〜110nm程度の厚さで反射防止膜３を形成し、さらに反射防止膜３上に200nm〜600nm程度の厚さでArFレジスト４を形成する。
そして、図７（ｃ）に示すように、縮小投影露光装置で、ArFレーザ光７をフォトマスク６を介してArFレジスト４に選択的に照射（露光）する。この時、ArFレジスト４のうちArFレーザ光７が露光された部分（以下、「露光部」という。）４１では、レジスト４に含まれる光酸発生剤から酸が発生する。
【０００６】
次に、図８（ｄ）に示すように、温度100℃〜150℃で60sec〜90secの時間だけベーク（露光後ベーク）を行う。この時、露光部４１では、アルカリ現像液に対する溶解性を阻害する側鎖部の基が、酸触媒反応により脂肪族系ベース樹脂から脱離する。これにより、アルカリ現像液に対する溶解性が高い露光部４２となる。
そして、図８（ｅ）に示すように、アルカリ現像液による現像処理を行う。これにより、ドライエッチング加工時のマスク材料となるArFレジストパターン４３が得られる。
【０００７】
次に、図８（ｆ）に示すように、ArFレジストパターン４３をマスクとして、プラズマ８を用いたドライエッチング処理を行う。これにより、反射防止膜３および被加工膜２がパターニングされ、反射防止膜パターン３２および被加工膜パターン２２となる。
最後に、図８（ｇ）に示すように、ArFレジストパターン４３および反射防止膜パターン３２をプラズマアッシング処理やウェット処理により除去する。これにより、被加工膜パターン２２が形成される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ArFレジスト４を用いた従来の半導体装置の製造方法には、以下のような問題があった。
先ず、第１の問題について説明する。
ArFレジスト４のベース樹脂はベンゼン環構造を有していないため、プラズマを用いたドライエッチング処理時の耐性（以下、「ドライエッチング耐性」という。）が、従来のKrFレジストやｉ線レジスト等に比べ劣ってしまうという問題があった。このため、所望の寸法でArFレジストパターン４３を形成できたとしても、被加工膜２を所望の寸法および形状に仕上げることができないという問題があった。以下、この問題について、詳細に説明する。
【０００９】
図９は、ArFレジストとKrFレジストのドライエッチング耐性を比較するための断面図である。
図９（ａ），（ａ’）に示すように、被加工膜２上に形成された反射防止膜３上に、ArFレジストパターン４３およびKrFレジストパターン１４３が所望の寸法でそれぞれ形成されている。
【００１０】
図９（ｂ），（ｂ’）は、プラズマ８を用いたドライエッチング処理が行われた後の、各レジストパターン４３，１４３を示している。
図９（ｂ’）に示すように、KrFレジストパターン１４３は、レジスト表面が荒れることなく、且つ異方的に膜厚ｂだけ膜減りしている。従って、KrFレジストパターン１４３が、高いドライエッチング耐性を有することが分かる。
一方、図９（ｂ）に示すように、ArFレジストパターン４３は、KrFレジストマスク１４３（図９（ｂ’）参照）と比較して、レジストの膜減り量が多く、且つレジスト表面が荒れている。さらに、ArFレジストパターン４３の上面から被加工膜２の内部に達するスパイク状のエッチング（以下、「スパイク」という。）２００が発生している。このため、反射防止膜パターン３２や被加工膜パターン２２の寸法や形状が、規定された通りには仕上がらなくなる。
【００１１】
ドライエッチング後、各レジストパターン４３，１４３および反射防止膜パターン３１，３２を、プラズマアッシング処理やウェット処理により除去する。
ここで、図９（ｃ’）に示すように、KrFレジストパターン１４３を用いた場合には、所望の寸法および形状の被加工膜パターン２３に仕上げることができる。すなわち、KrFレジストパターン１４３の寸法通りに、被加工膜２を仕上げることができる。
一方、図９（ｃ）に示すように、ArFレジストパターン４３を用いた場合には、上述したレジストパターン４３の表面荒れやスパイク２００により、被加工膜２を所望の寸法および形状に加工することができないという問題があった。また、ArFレジストパターン４３と被加工膜２２との間に寸法差が生じてしまうという問題があった。
【００１２】
次に、第２の問題について説明する。
図１０は、従来のレジストプロセスにおいて、酸の熱拡散を説明するための断面図である。
図１０（ａ）に示すように、ArFレーザ光７をフォトマスク６を用いてArFレジストに照射する際に、空間像９が形成される。
そして、上記空間像９がArFレジスト４に照射されると、図１０（ｂ）に示すように、ArFレジスト４中に潜像（Latent image）１００が形成される。この潜像１００は、ArFレジスト４で発生する酸の分布と等価である。ここで、▲１▼ArFレジスト４とその周りの空間との屈折率と、ArFレジスト４とその下地（例えば反射防止膜や被加工膜）との屈折率と、が異なること、▲２▼下地からの反射光との干渉が生じること、によって、ArFレジスト４（露光部４１）の表面近傍での酸（酸触媒反応部）の分布は、レジスト内部の酸の分布よりも高くなっている。
【００１３】
次に、図１０（ｃ）に示すように、露光後に行われるベークによって、露光部４１の表面近傍に多く存在する酸が熱拡散し、酸触媒反応部が再分布する（参照符号１０１）。
しかし、ベークによって酸が熱拡散しても、ArFレジスト４における酸の分布は均一にならず、レジスト４表面における酸の分布が、レジスト内部の酸の分布よりも高いという問題は依然として解決されない。このため、ArFレジストパターン４３のトップ部が膜減りしてしまい、被加工膜パターン２２の形状が劣化してしまう問題があった。
【００１４】
本発明は、上記従来の課題を解決するためになされたもので、ArFリソグラフィにより形成された微細レジストパターンのドライエッチング耐性を向上させることを目的とする。また、本発明は、レジストパターントップ部の形状を改善することにより、被加工膜を寸法および形状制御性良く加工することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決する為の手段】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板上に被加工膜を形成する工程と、
前記被加工膜上にレジストを形成する工程と、
所定の波長以下の光を、フォトマスクを介して前記レジストに露光する工程と、
前記レジスト上に、酸触媒反応により現像液への溶解性が変化する層を形成する工程と、
前記層を形成した後、ベークを行う工程と、
前記レジストおよび前記層を現像して、前記レジストおよび前記層をパターニングする工程と、
パターニングされた前記レジストおよび前記層をマスクとして、前記被加工膜をドライエッチングする工程とを含み、
前記層が、ノルボルネンと無水マレイン酸との共重合体、又はその誘導体からなることを特徴とするものである。
【００２１】
本発明に係る半導体装置の製造方法は、基板上に被加工膜を形成する工程と、
前記被加工膜上にレジストを形成する工程と、
所定の波長以下の光を、フォトマスクを介して前記レジストに露光する工程と、
前記レジスト上に、酸触媒反応により現像液への溶解性が変化する層を形成する工程と、
前記層を形成した後、ベークを行う工程と、
前記レジストおよび前記層を現像して、前記レジストおよび前記層をパターニングする工程と、
パターニングされた前記レジストおよび前記層をマスクとして、前記被加工膜をドライエッチングする工程とを含み、
前記層が、ポリ（４−ヒドロキシスチレン）の tert −ブトキシカルボネート、ポリ（４−ヒドロキシスチレン）の tert −ブチルエステル、ポリ（４−ヒドロキシスチレン）のエトキシエチルエーテル、ポリ（４−ヒドロキシスチレン）のテトラヒドロピラニルエーテル、４−ヒドロキシスチレン− tert −ブチルアクリレート共重合体、ポリ（３−ヒドロキシスチレン）の tert −ブトキシカーボネート、又はそれらの誘導体からなることを特徴とするものである。
【００２２】
本発明に係る半導体装置の製造方法において、
前記層を５０ｎｍ〜２００ｎｍの厚さで形成することが好適である。
【００２３】
本発明に係る半導体装置の製造方法において、
前記所定の波長が１９３ｎｍであることが好適である。
【００２４】
【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。図中、同一または相当する部分には同一の符号を付してその説明を簡略化ないし省略することがある。
【００２５】
実施の形態１．
図１及び図２は、本発明の実施の形態１による半導体装置の製造方法を説明するための断面図である。具体的には、図１及び図２は、ArFリソグラフィを用いた、本実施の形態１による微細パターン形成方法を工程順に示した断面図である。
【００２６】
先ず、図１（ａ）に示すように、基板１上に被加工膜２を形成する。ここで、基板１は、シリコン基板のような半導体基板に限らず、石英基板のような絶縁基板や、セラミック基板であってよい。また、被加工膜２としては、絶縁膜や導電膜が挙げられる。
次に、図１（ｂ）に示すように、レジスト塗布装置でスピン塗布法を用いて、被加工膜２上に40nm〜110nm程度の厚さで反射防止膜３を形成し、さらに反射防止膜３上に200nm〜600nm程度の厚さでArFレジスト４を形成する。ここで、ArFレジスト４は、酸触媒反応により脱離しアルカリ現像液に対する溶解性を変化させる基を側鎖に有する脂肪族系ベース樹脂と、活性光線の照射により酸を発生する光酸発生剤とを含む化学増幅型レジストである。なお、反射防止膜３をＣＶＤ法により形成してもよい。
【００２７】
そして、図１（ｃ）に示すように、縮小投影露光装置で、ArFレーザ光７をフォトマスク６を介してArFレジスト４に選択的に照射（露光）する。この時、ArFレジスト４のうちArFレーザ光７が露光された部分（以下、「露光部」という。）４１では、当該ArFレジスト４に含まれる光酸発生剤から酸が発生する。
【００２８】
次に、図１（ｄ）に示すように、ArFレジスト４上に、酸触媒反応により現像液への溶解性が変化する層、詳細には酸触媒反応により脱離しアルカリ現像液に対する溶解性を変化させる基を側鎖による物質の層を形成する。本実施の形態１では、上記層としてベンゼン環構造を有するKrFレジスト用のベース樹脂を50nm〜200nm程度の厚さで形成する。ここで、ベンゼン環を有するKrFレジスト用のベース樹脂の一例を図４に示す。具体的には、ポリ（４−ヒドロキシスチレン）のtert−ブトキシカルボネート、ポリ（４−ヒドロキシスチレン）のtert−ブチルエステル、ポリ（４−ヒドロキシスチレン）のエトキシエチルエーテル、ポリ（４−ヒドロキシスチレン）のテトラヒドロピラニルエーテル、４−ヒドロキシスチレン−tert−ブチルアクリレート共重合体、ポリ（３−ヒドロキシスチレン）のtert−ブトキシカーボネート、及び、それらの誘導体等である。
かかるKrFレジスト用のベース樹脂は、ArFレジスト４に含まれるベース樹脂と同一の反応機構で極性が変化する。すなわち、露光後ベーク（後述）で起こる酸触媒反応により、アルカリ現像液に対する溶解を阻害する側鎖部の基がベース樹脂から脱離する。
また、KrFレジスト用のベース樹脂は、ベンゼン環構造を有するため、高いドライエッチング耐性を有する（後述）。
【００２９】
次に、図２（ｅ）に示すように、温度100℃〜150℃で60sec〜90secの時間だけベーク（「露光後ベーク」ともいう。）を行う。この時、詳細は後述するが、露光部４１の表面近傍に多く存在する酸がベース樹脂５に熱拡散することにより、露光部４１およびその直上のベース樹脂５では、アルカリ現像液に対する溶解性を阻害する側鎖部の基が酸触媒反応により脱離する。このため、脱離反応が起こった露光部４２およびベース樹脂５２は、アルカリ現像液に対する溶解性が高くなる。
【００３０】
次に、図２（ｆ）に示すように、アルカリ現像液による現像処理を行う。これにより、ArFレジスト４１およびベース樹脂５がパターニングされる。すなわち、ドライエッチング加工時のマスク材料となるArFレジストパターン４３およびベース樹脂パターン５３が形成される。ここで、上述したように、ベース樹脂５は、ArFレジスト４に含まれるベース樹脂と同一の反応機構で極性が変化するため、現像によりArFレジスト４とベース樹脂５とを同時にパターニングすることができる。
【００３１】
次に、図２（ｇ）に示すように、ArFレジストパターン４３およびベース樹脂パターン５３をマスクとして、プラズマ８を用いたドライエッチング処理を行う。これにより、反射防止膜３および被加工膜２が微細加工され、反射防止膜パターン３１および被加工膜パターン２１となる。
そして、図２（ｈ）に示すように、レジストパターン４３および反射防止膜パターン３１をプラズマアッシング処理やウェット処理により除去する。これにより、所望の寸法および形状の被加工膜パターン２１が得られる。
【００３２】
次に、図３を参照して、本実施の形態１におけるドライエッチング耐性向上の原理を説明する。
図３は、本実施の形態１において、ドライエッチング耐性向上の原理を説明するための断面図である。
図３（ａ）は、ドライエッチング加工時のマスク材料となるArFレジストパターン４３およびベース樹脂パターン５３を示したものである。
図３（ｂ）は、プラズマ８の照射によるArFレジストパターン４３およびベース樹脂パターン５３へのダメージを示したものである。図３（ｂ）に示すように、ベース樹脂パターン５３のみがプラズマ８の照射により所定の膜厚ａだけ膜減りしている。従って、ベース樹脂パターン５３がArFレジストパターン４３のマスクとなるため、ArFレジストパターン４３はプラズマ８によるダメージを受けにくくなる。このため、ｉ線やKrFレジストマスクと同等のドライエッチング耐性が得られる。よって、被加工膜２を、ArFレジストパターン４３により規定された寸法通りに仕上げることができる。
そして、図３（ｃ）に示すように、ArFレジストパターン４３および反射防止膜パターン３１をプラズマアッシング処理やウェット処理により除去する。ArFレジストパターン４３は表面荒れやスパイク等が形成されないため、所望の寸法および形状の被加工膜パターン２１を形成することができる。
【００３３】
次に、図５を参照して、本実施の形態１のレジストプロセスにおける酸の熱拡散について説明する。
図５は、本発明の実施の形態１によるレジストプロセスにおいて、酸の熱拡散を説明するための断面図である。
図５（ａ）は、ArFレーザ光７をフォトマスク６を用いてArFレジスト４に照射する際に形成される空間像９を示している。
この空間像９がArFレジスト４に照射されると、図５（ｂ）に示すように、ArFレジスト４中に潜像（Latent image）１００が形成される。この潜像１００は、ArFレジスト４で発生する酸の分布と等価である。この時、▲１▼ArFレジスト４とその周りの空間との屈折率と、ArFレジスト４とその下地（例えば反射防止膜や被加工膜）との屈折率とが異なること、▲２▼下地からの反射光との干渉が生じること、によって、ArFレジスト４の表面近傍での酸の分布は、レジスト内部の酸の分布より高くなる。次に、図５（ｃ）に示すように、露光後ベークを行う前に、KrFレジストのベース樹脂（図４参照）をArFレジスト４上に形成する。
そして、露光後ベークを行う。この露光後ベークによって、露光部４１の表面近傍に多く存在する酸が熱拡散して、図５（ｃ）の参照符号１１０に示すように酸が再分布し、酸触媒反応部１１１（図５（ｄ）参照）の分布が改善される。ここで、従来の酸の再分布（図１０（ｃ）参照）に比べて、レジスト表面部での酸の量を大幅に減少させることができる。従って、レジストパターントップ部の膜減りを抑制することができる。これにより、所望の寸法および形状の被加工膜パターンを得ることができる。
【００３４】
以上説明したように、本実施の形態１による半導体装置の製造方法では、ArFレーザ光７を露光した後、露光後ベークに先立って、ベンゼン環構造を有するベース樹脂５をArFレジスト４上に形成した。そして、露光後ベークを行うことにより、ArFレジスト４の露光部４１表面からベース樹脂５に酸を熱拡散させ、現像によりArFレジスト４とベース樹脂５とをパターニングした。そして、ArFレジストパターン４３とベース樹脂パターン５３とをマスクとして用いて、被加工膜２をドライエッチング処理した。
【００３５】
本実施の形態１によれば、ベース樹脂５は高いドライエッチング耐性を有するため、従来のようにArFレジストパターンの表面荒れやスパイクの発生を防止することができる。従って、ArFリソグラフィにより形成された微細レジストパターン４３のドライエッチング耐性を向上させることができる。これにより、被加工膜２を所望の寸法および形状で微細加工することができる。また、ArFレジストパターン４３と被加工膜パターン２１の寸法差や形状劣化を抑えることができる。
【００３６】
また、露光後ベーク時に、ArFレジスト４の表面近傍の酸がベース樹脂５に熱拡散するため、従来よりもArFレジスト４の表面部での酸の量を大幅に減少させることができる。これにより、レジストパターントップ部の膜減りを大幅に抑制することができる。従って、所望の寸法および形状の被加工膜パターン２１が得られる。
【００３７】
実施の形態２．
前述した実施の形態１では、ArFレジスト４を形成した後、露光後ベークに先立って、ArFレジスト４上にKrFレジスト用のベンゼン環構造を有するベース樹脂５を形成した。
本発明の実施の形態２では、上記KrFレジスト用のベース樹脂５の代わりに、ArFレジスト用の共重合系ベース樹脂、ArFレジスト用のアクリル系ベース樹脂の少なくとも何れか１つを、ArFレジスト４上に形成した。
ここで、上記共重合系ベース樹脂の一例を図６（ｂ）に示す。具体的には、ノルボルネンと無水マレイン酸との共重合体、及びその誘導体等である。また、上記アクリル系ベース樹脂の一例を図６（ａ）に示す。具体的には、アクリル系樹脂、及びその誘導体等である。
なお、この共重合系ベース樹脂およびアクリル系ベース樹脂は、実施の形態１と同様に、50nm〜200nm程度の厚さで形成した。その他の製造方法についても実施の形態１と同様であるため、本実施の形態２ではその説明を省略する。
【００３８】
本実施の形態２では、実施の形態１のベンゼン環構造を有するベース樹脂の代わりにアクリル系ベース樹脂又は共重合系ベース樹脂を用いた。
すなわち、ArFレーザ光７をArFレジスト４に露光した後、露光後ベークに先立って、アクリル系ベース樹脂又は共重合系ベース樹脂をArFレジスト４上に形成した。その後、露光後ベークによりArFレジスト４の露光部４１からベース樹脂に酸を熱拡散させ、現像によりArFレジスト４とベース樹脂とをパターニングした。そして、ArFレジストパターンとベース樹脂パターンをマスクとして用いて、被加工膜２をドライエッチング処理した。
この場合も、実施の形態１と同様に、露光後ベーク時に、ArFレジスト４の表面近傍の酸がベース樹脂５に熱拡散するため、ArFレジスト４の表面部での酸の量を減少させることができる。これにより、従来と比べて、レジストパターントップ部の膜減りを大幅に抑制することができる。従って、所望の寸法および形状で被加工膜２を微細加工することができる。
また、ベース樹脂の膜厚の分だけ、ドライエッチングに用いるマスクの膜厚が増加するため、高いドライエッチング耐性を有するエッチングマスクが得られる。
【００３９】
なお、本実施の形態２において、アクリル系ベース樹脂、共重合系ベース樹脂の少なくとも１つをベース樹脂としたが、実施の形態１によるベンゼン環構造を有するベース樹脂との積層構造を有するものであってもよい。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、ArFリソグラフィにより形成された微細レジストパターンのドライエッチング耐性を向上させることができる。また、レジストパターントップ部の形状を改善することができ、被加工膜を寸法および形状制御性良く加工することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による半導体装置の製造方法を説明するための断面図である（その１）。
【図２】本発明の実施の形態１による半導体装置の製造方法を説明するための断面図である（その２）。
【図３】本発明の実施の形態１において、ドライエッチング耐性向上の原理を説明するための断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１において、ベンゼン環構造を有するベース樹脂の一例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１によるレジストプロセスにおいて、酸の熱拡散を説明するための断面図である。
【図６】本発明の実施の形態２において、アクリル系ベース樹脂および共重合系ベース樹脂の一例を示す図である。
【図７】従来の半導体装置の製造方法を説明するための断面図である（その１）。
【図８】従来の半導体装置の製造方法を説明するための断面図である（その２）。
【図９】 ArFレジストマスクとKrFレジストマスクのドライエッチング耐性を比較するための断面図である。
【図１０】従来のレジストプロセスにおいて、酸の熱拡散を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１基板
２被加工膜
３反射防止膜
４ ArFレジスト
５ベース樹脂
６フォトマスク
７ ArFレーザ光
８プラズマ
９空間像
２１被加工膜パターン
３１反射防止膜パターン
４１，４２露光部
４３ ArFレジストパターン
５２ベース樹脂
５３ベース樹脂パターン
１００潜像
１１１分布
ａ膜厚[0001]
[Technical field to which the invention belongs]
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to an ArF lithography technique.
[0002]
[Prior art]
In a semiconductor device manufacturing process, a fine circuit pattern is formed using a photoengraving process by a reduction projection exposure apparatus.
In order to cope with the higher integration and miniaturization of devices in recent years, higher resolution has been achieved by shortening the exposure wavelength, and now an exposure apparatus using ArF excimer laser light (λ = 193 nm) as the light source is practical. It is going to be made. Furthermore, studies on lithography using an F ₂ laser beam (λ = 157 nm) as a light source have been actively conducted.
[0003]
By the way, the base resin (see FIG. 4) used in the resist for KrF lithography (λ = 248 nm) has a benzene ring structure and absorbs short-wave exposure light (for example, ArF laser light). large. For this reason, it cannot be used for a short wavelength exposure light source such as ArF laser light.
In view of this, a resist for ArF lithography (hereinafter referred to as “ArF resist”) mainly uses an aliphatic base resin (see FIG. 6) that absorbs less ArF laser light. That is, ArF lithography includes an aliphatic base resin having a side chain with a group that is desorbed by an acid-catalyzed reaction and changes the solubility in an alkaline developer, and a photoacid generator that generates an acid upon irradiation with actinic rays. A chemically amplified resist is used.
[0004]
Hereinafter, a conventional method for manufacturing a semiconductor device, specifically, a conventional fine pattern forming method using ArF lithography will be described.
7 and 8 are cross-sectional views for explaining a conventional method for manufacturing a semiconductor device.
[0005]
First, as shown in FIG. 7A, a film to be processed 2 is formed on a substrate 1.
Next, as shown in FIG. 7B, an antireflection film 3 is formed on the film 2 to be processed with a thickness of about 40 nm to 110 nm by using a spin coating method with a resist coating apparatus. An ArF resist 4 is formed on 3 with a thickness of about 200 nm to 600 nm.
Then, as shown in FIG. 7C, the ArF resist 4 is selectively irradiated (exposed) to the ArF resist 4 through the photomask 6 by a reduction projection exposure apparatus. At this time, in the ArF resist 4 where the ArF laser light 7 is exposed (hereinafter referred to as “exposed portion”) 41, acid is generated from the photoacid generator contained in the resist 4.
[0006]
Next, as shown in FIG. 8D, baking (post-exposure baking) is performed at a temperature of 100 ° C. to 150 ° C. for a time of 60 sec to 90 sec. At this time, in the exposure part 41, the group of the side chain part that inhibits the solubility in an alkaline developer is detached from the aliphatic base resin by an acid catalyst reaction. As a result, the exposed portion 42 is highly soluble in an alkaline developer.
Then, as shown in FIG. 8E, development processing with an alkaline developer is performed. Thereby, an ArF resist pattern 43 serving as a mask material at the time of dry etching is obtained.
[0007]
Next, as shown in FIG. 8F, a dry etching process using plasma 8 is performed using the ArF resist pattern 43 as a mask. Thereby, the antireflection film 3 and the film 2 to be processed are patterned, and an antireflection film pattern 32 and a film pattern 22 to be processed are obtained.
Finally, as shown in FIG. 8G, the ArF resist pattern 43 and the antireflection film pattern 32 are removed by plasma ashing or wet processing. Thereby, the film pattern 22 to be processed is formed.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional method for manufacturing a semiconductor device using the ArF resist 4 has the following problems.
First, the first problem will be described.
Since the base resin of ArF resist 4 does not have a benzene ring structure, the resistance to dry etching using plasma (hereinafter referred to as “dry etching resistance”) is lower than that of conventional KrF resists and i-line resists. There was a problem that it was inferior. Therefore, even if the ArF resist pattern 43 can be formed with a desired dimension, there is a problem that the film 2 to be processed cannot be finished to a desired dimension and shape. Hereinafter, this problem will be described in detail.
[0009]
FIG. 9 is a cross-sectional view for comparing the dry etching resistance of an ArF resist and a KrF resist.
As shown in FIGS. 9A and 9A, an ArF resist pattern 43 and a KrF resist pattern 143 are formed with desired dimensions on the antireflection film 3 formed on the film 2 to be processed. .
[0010]
9B and 9B show the resist patterns 43 and 143 after the dry etching process using the plasma 8 is performed.
As shown in FIG. 9B ′, the KrF resist pattern 143 is anisotropically reduced by the film thickness b without causing the resist surface to become rough. Therefore, it can be seen that the KrF resist pattern 143 has high dry etching resistance.
On the other hand, as shown in FIG. 9B, the ArF resist pattern 43 has a larger amount of resist reduction and the resist surface is rougher than the KrF resist mask 143 (see FIG. 9B ′). Yes. Further, a spike-like etching (hereinafter referred to as “spike”) 200 occurs from the upper surface of the ArF resist pattern 43 to the inside of the film 2 to be processed. For this reason, the dimensions and shapes of the antireflection film pattern 32 and the film pattern 22 to be processed are not finished as prescribed.
[0011]
After the dry etching, the resist patterns 43 and 143 and the antireflection film patterns 31 and 32 are removed by a plasma ashing process or a wet process.
Here, as shown in FIG. 9C ′, when the KrF resist pattern 143 is used, the film pattern 23 to be processed having a desired size and shape can be finished. That is, the processed film 2 can be finished according to the dimensions of the KrF resist pattern 143.
On the other hand, as shown in FIG. 9C, when the ArF resist pattern 43 is used, the film 2 to be processed is processed into a desired size and shape by the surface roughness of the resist pattern 43 and the spike 200 described above. There was a problem that could not. In addition, there is a problem that a dimensional difference occurs between the ArF resist pattern 43 and the film 22 to be processed.
[0012]
Next, the second problem will be described.
FIG. 10 is a cross-sectional view for explaining thermal diffusion of acid in a conventional resist process.
As shown in FIG. 10A, an aerial image 9 is formed when the ArF laser beam 7 is irradiated onto the ArF resist using the photomask 6.
When the aerial image 9 is irradiated on the ArF resist 4, a latent image 100 is formed in the ArF resist 4 as shown in FIG. This latent image 100 is equivalent to an acid distribution generated in the ArF resist 4. Here, (1) the refractive index of the ArF resist 4 and the surrounding space is different from the refractive index of the ArF resist 4 and its base (for example, an antireflection film or a film to be processed), and (2) the base Due to the interference with the reflected light from the surface, the distribution of the acid (acid catalytic reaction portion) in the vicinity of the surface of the ArF resist 4 (exposure portion 41) is higher than the distribution of the acid inside the resist.
[0013]
Next, as shown in FIG. 10C, the acid present in the vicinity of the surface of the exposed portion 41 is thermally diffused by baking performed after exposure, and the acid catalyst reaction portion is redistributed (reference number 101).
However, even if the acid is thermally diffused by baking, the acid distribution in the ArF resist 4 is not uniform, and the problem that the acid distribution on the surface of the resist 4 is higher than the acid distribution in the resist is still not solved. For this reason, there is a problem in that the top portion of the ArF resist pattern 43 is reduced in film thickness, and the shape of the film pattern 22 to be processed is deteriorated.
[0014]
The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and an object thereof is to improve the dry etching resistance of a fine resist pattern formed by ArF lithography. Another object of the present invention is to process a film to be processed with good size and shape controllability by improving the shape of the resist pattern top portion.
[0019]
[Means for solving the problems]
A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a film to be processed on a substrate,
Forming a resist on the film to be processed;
Exposing the resist to light having a predetermined wavelength or less through a photomask;
On the resist, forming a layer whose solubility in a developer is changed by an acid catalyst reaction;
Bake after forming the layer;
Developing the resist and the layer and patterning the resist and the layer;
Using the patterned resist and the layer as a mask, dry etching the film to be processed,
The layer is made of a copolymer of norbornene and maleic anhydride, or a derivative thereof .
[0021]
A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming a film to be processed on a substrate,
Forming a resist on the film to be processed;
Exposing the resist to light having a predetermined wavelength or less through a photomask;
On the resist, forming a layer whose solubility in a developer is changed by an acid catalyst reaction;
Bake after forming the layer;
Developing the resist and the layer and patterning the resist and the layer;
Using the patterned resist and the layer as a mask, dry etching the film to be processed,
The layer comprises poly (4-hydroxystyrene) tert -butoxy carbonate, poly (4-hydroxystyrene) tert -butyl ester, poly (4-hydroxystyrene) ethoxyethyl ether, poly (4-hydroxystyrene) tetrahydropyranyl ether of 4-hydroxystyrene - tert - butyl acrylate copolymer, tert poly (3-hydroxystyrene) - is characterized in Rukoto such a butoxy carbonate, or derivatives thereof.
[0022]
Oite the manufacture how the semiconductor device according to the present invention,
It is preferable to form the layer with a thickness of 50 nm to 200 nm.
[0023]
Oite the manufacture how the semiconductor device according to the present invention,
The predetermined wavelength is preferably 193 nm.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof may be simplified or omitted.
[0025]
Embodiment 1 FIG.
1 and 2 are cross-sectional views for explaining a method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. Specifically, FIG. 1 and FIG. 2 are sectional views showing the fine pattern forming method according to the first embodiment using ArF lithography in the order of steps.
[0026]
First, as shown in FIG. 1A, a film to be processed 2 is formed on a substrate 1. Here, the substrate 1 is not limited to a semiconductor substrate such as a silicon substrate, but may be an insulating substrate such as a quartz substrate or a ceramic substrate. Examples of the film 2 to be processed include an insulating film and a conductive film.
Next, as shown in FIG. 1B, an antireflection film 3 is formed on the film 2 to be processed with a thickness of about 40 nm to 110 nm by using a spin coating method with a resist coating apparatus, and the antireflection film is further formed. An ArF resist 4 is formed on 3 with a thickness of about 200 nm to 600 nm. Here, the ArF resist 4 is composed of an aliphatic base resin having a group in the side chain that is desorbed by an acid catalyzed reaction and changes the solubility in an alkaline developer, and a photoacid generator that generates an acid upon irradiation with actinic rays. Is a chemically amplified resist. The antireflection film 3 may be formed by a CVD method.
[0027]
Then, as shown in FIG. 1C, the ArF resist 4 is selectively irradiated (exposed) to the ArF resist 4 through the photomask 6 by a reduction projection exposure apparatus. At this time, in a portion of the ArF resist 4 exposed to the ArF laser light 7 (hereinafter referred to as “exposed portion”) 41, acid is generated from the photoacid generator contained in the ArF resist 4.
[0028]
Next, as shown in FIG. 1 (d), on the ArF resist 4, a layer whose solubility in the developer changes due to the acid catalyst reaction, specifically, it is desorbed by the acid catalyst reaction and has a solubility in the alkali developer. The changing group forms a layer of material with side chains. In the first embodiment, a base resin for a KrF resist having a benzene ring structure is formed as the layer with a thickness of about 50 nm to 200 nm. An example of a base resin for a KrF resist having a benzene ring is shown in FIG. Specifically, tert-butoxy carbonate of poly (4-hydroxystyrene), tert-butyl ester of poly (4-hydroxystyrene), ethoxyethyl ether of poly (4-hydroxystyrene), poly (4-hydroxystyrene) ) Tetrahydropyranyl ether, 4-hydroxystyrene-tert-butyl acrylate copolymer, poly (3-hydroxystyrene) tert-butoxycarbonate, and derivatives thereof.
The polarity of the base resin for the KrF resist changes by the same reaction mechanism as that of the base resin contained in the ArF resist 4. That is, a side chain group that inhibits dissolution in an alkaline developer is eliminated from the base resin by an acid-catalyzed reaction that occurs in post-exposure baking (described later).
Further, since the base resin for KrF resist has a benzene ring structure, it has high dry etching resistance (described later).
[0029]
Next, as shown in FIG. 2E, baking (also referred to as “post-exposure baking”) is performed at a temperature of 100 ° C. to 150 ° C. for 60 seconds to 90 seconds. At this time, as will be described in detail later, the acid present in the vicinity of the surface of the exposed portion 41 is thermally diffused into the base resin 5, so that the exposed portion 41 and the base resin 5 immediately above it have a solubility in an alkaline developer. Inhibiting side chain groups are eliminated by acid catalysis. For this reason, the exposed part 42 and the base resin 52 in which the elimination reaction has occurred become highly soluble in the alkaline developer.
[0030]
Next, as shown in FIG. 2F, development processing with an alkaline developer is performed. Thereby, the ArF resist 41 and the base resin 5 are patterned. That is, the ArF resist pattern 43 and the base resin pattern 53 that are mask materials for dry etching are formed. Here, as described above, since the polarity of the base resin 5 changes with the same reaction mechanism as that of the base resin contained in the ArF resist 4, the ArF resist 4 and the base resin 5 can be patterned simultaneously by development. .
[0031]
Next, as shown in FIG. 2G, a dry etching process using plasma 8 is performed using the ArF resist pattern 43 and the base resin pattern 53 as a mask. Thereby, the antireflection film 3 and the film 2 to be processed are finely processed, and an antireflection film pattern 31 and a film pattern 21 to be processed are obtained.
Then, as shown in FIG. 2H, the resist pattern 43 and the antireflection film pattern 31 are removed by a plasma ashing process or a wet process. Thereby, the to-be-processed film pattern 21 of a desired dimension and shape is obtained.
[0032]
Next, with reference to FIG. 3, the principle of improving dry etching resistance in the first embodiment will be described.
FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining the principle of improving dry etching resistance in the first embodiment.
FIG. 3A shows an ArF resist pattern 43 and a base resin pattern 53 that are mask materials for dry etching.
FIG. 3B shows damage to the ArF resist pattern 43 and the base resin pattern 53 due to the irradiation of the plasma 8. As shown in FIG. 3B, only the base resin pattern 53 is reduced by a predetermined film thickness a by the irradiation of the plasma 8. Accordingly, since the base resin pattern 53 serves as a mask for the ArF resist pattern 43, the ArF resist pattern 43 is not easily damaged by the plasma 8. Therefore, dry etching resistance equivalent to that of i-line or KrF resist mask can be obtained. Therefore, the film to be processed 2 can be finished according to the dimensions defined by the ArF resist pattern 43.
Then, as shown in FIG. 3C, the ArF resist pattern 43 and the antireflection film pattern 31 are removed by a plasma ashing process or a wet process. Since the ArF resist pattern 43 is free from surface roughness or spikes, the film pattern 21 to be processed having a desired size and shape can be formed.
[0033]
Next, the thermal diffusion of acid in the resist process of the first embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining acid thermal diffusion in the resist process according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5A shows an aerial image 9 formed when the ArF resist 4 is irradiated with ArF laser light 7 using the photomask 6.
When the aerial image 9 is irradiated on the ArF resist 4, a latent image 100 is formed in the ArF resist 4 as shown in FIG. This latent image 100 is equivalent to an acid distribution generated in the ArF resist 4. At this time, (1) the refractive index of the ArF resist 4 and the surrounding space is different from the refractive index of the ArF resist 4 and the base (for example, an antireflection film or a film to be processed); Due to the interference with the reflected light, the acid distribution near the surface of the ArF resist 4 becomes higher than the acid distribution inside the resist. Next, as shown in FIG. 5C, a KrF resist base resin (see FIG. 4) is formed on the ArF resist 4 before post-exposure baking.
Then, post-exposure baking is performed. By this post-exposure baking, a large amount of acid existing in the vicinity of the surface of the exposed portion 41 is thermally diffused, and the acid is redistributed as indicated by reference numeral 110 in FIG. (D) is improved. Here, compared to the conventional acid redistribution (see FIG. 10C), the amount of acid on the resist surface can be greatly reduced. Therefore, film loss at the resist pattern top portion can be suppressed. Thereby, the to-be-processed film pattern of a desired dimension and shape can be obtained.
[0034]
As described above, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment, after the ArF laser light 7 is exposed, the base resin 5 having a benzene ring structure is formed on the ArF resist 4 prior to post-exposure baking. did. Then, post-exposure baking was performed to thermally diffuse the acid from the surface of the exposed portion 41 of the ArF resist 4 to the base resin 5, and the ArF resist 4 and the base resin 5 were patterned by development. Then, the processed film 2 was dry-etched using the ArF resist pattern 43 and the base resin pattern 53 as a mask.
[0035]
According to the first embodiment, since the base resin 5 has high dry etching resistance, it is possible to prevent the occurrence of surface roughness and spikes in the ArF resist pattern as in the prior art. Accordingly, the dry etching resistance of the fine resist pattern 43 formed by ArF lithography can be improved. Thereby, the to-be-processed film | membrane 2 can be micro-processed with a desired dimension and shape. Further, the dimensional difference and shape deterioration between the ArF resist pattern 43 and the film pattern 21 to be processed can be suppressed.
[0036]
In addition, since the acid in the vicinity of the surface of the ArF resist 4 is thermally diffused into the base resin 5 at the time of post-exposure baking, the amount of acid on the surface portion of the ArF resist 4 can be greatly reduced as compared with the prior art. Thereby, the film loss of a resist pattern top part can be suppressed significantly. Therefore, a film pattern 21 to be processed having a desired size and shape is obtained.
[0037]
Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment, after the ArF resist 4 is formed, the base resin 5 having a benzene ring structure for the KrF resist is formed on the ArF resist 4 prior to post-exposure baking.
In Embodiment 2 of the present invention, instead of the base resin 5 for KrF resist, at least one of a copolymer base resin for ArF resist and an acrylic base resin for ArF resist is used. Formed on top.
Here, an example of the copolymer base resin is shown in FIG. Specifically, a copolymer of norbornene and maleic anhydride, a derivative thereof, and the like. An example of the acrylic base resin is shown in FIG. Specifically, acrylic resins and derivatives thereof.
The copolymer base resin and the acrylic base resin were formed with a thickness of about 50 nm to 200 nm as in the first embodiment. Since other manufacturing methods are the same as those in the first embodiment, the description thereof is omitted in the second embodiment.
[0038]
In the second embodiment, an acrylic base resin or a copolymer base resin is used instead of the base resin having the benzene ring structure of the first embodiment.
That is, after the ArF laser beam 7 was exposed to the ArF resist 4, an acrylic base resin or a copolymer base resin was formed on the ArF resist 4 prior to post-exposure baking. Thereafter, acid was thermally diffused from the exposed portion 41 of the ArF resist 4 to the base resin by post-exposure baking, and the ArF resist 4 and the base resin were patterned by development. Then, the processed film 2 was dry-etched using the ArF resist pattern and the base resin pattern as a mask.
Also in this case, as in the first embodiment, the acid in the vicinity of the surface of the ArF resist 4 is thermally diffused into the base resin 5 during the post-exposure baking, so that the amount of acid at the surface portion of the ArF resist 4 is reduced. Can do. Thereby, compared with the past, the film loss of a resist pattern top part can be suppressed significantly. Therefore, the film to be processed 2 can be finely processed with a desired size and shape.
Further, since the thickness of the mask used for dry etching is increased by the thickness of the base resin, an etching mask having high dry etching resistance can be obtained.
[0039]
In the second embodiment, at least one of the acrylic base resin and the copolymer base resin is used as the base resin, but it has a laminated structure with the base resin having a benzene ring structure according to the first embodiment. There may be.
[0040]
【The invention's effect】
According to the present invention, the dry etching resistance of a fine resist pattern formed by ArF lithography can be improved. Further, the shape of the resist pattern top portion can be improved, and the film to be processed can be processed with good size and shape controllability.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing method of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention (No. 1);
FIG. 2 is a cross-sectional view for explaining the method of manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment of the present invention (No. 2).
FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining the principle of improving dry etching resistance in the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing an example of a base resin having a benzene ring structure in Embodiment 1 of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view for explaining acid thermal diffusion in the resist process according to the first embodiment of the present invention;
6 is a diagram showing an example of an acrylic base resin and a copolymer base resin in Embodiment 2 of the present invention. FIG.
FIG. 7 is a cross-sectional view for explaining a conventional method of manufacturing a semiconductor device (No. 1).
FIG. 8 is a cross-sectional view for explaining a conventional method of manufacturing a semiconductor device (No. 2).
FIG. 9 is a cross-sectional view for comparing dry etching resistance of an ArF resist mask and a KrF resist mask.
FIG. 10 is a cross-sectional view for explaining thermal diffusion of acid in a conventional resist process.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Processed film 3 Antireflection film 4 ArF resist 5 Base resin 6 Photomask 7 ArF laser light 8 Plasma 9 Aerial image 21 Processed film pattern 31 Antireflection film patterns 41 and 42 Exposure part 43 ArF resist pattern 52 Base resin 53 Base resin pattern 100 Latent image 111 Distribution a Film thickness

Claims

Forming a film to be processed on the substrate;
Forming a resist on the film to be processed;
Exposing the resist to light having a predetermined wavelength or less through a photomask;
On the resist, forming a layer whose solubility in a developer is changed by an acid catalyst reaction;
Bake after forming the layer;
Developing the resist and the layer and patterning the resist and the layer;
Using the patterned resist and the layer as a mask, dry etching the film to be processed,
The method for manufacturing a semiconductor device, wherein the layer is made of a copolymer of norbornene and maleic anhydride, or a derivative thereof .

Forming a processed film on a board,
Forming a resist on the film to be processed;
Exposing the resist to light having a predetermined wavelength or less through a photomask;
Forming a layer on the resist in which solubility in a developer is changed by an acid catalyst reaction;
Bake after forming the layer;
Developing the resist and the layer and patterning the resist and the layer;
Using the patterned resist and the layer as a mask, and dry etching the film to be processed,
The layer comprises poly (4-hydroxystyrene) tert-butoxy carbonate, poly (4-hydroxystyrene) tert-butyl ester, poly (4-hydroxystyrene) ethoxyethyl ether, poly (4-hydroxystyrene) A process for producing a semiconductor device, comprising: tetrahydropyranyl ether, 4-hydroxystyrene-tert-butyl acrylate copolymer, poly (3-hydroxystyrene) tert-butoxycarbonate, or a derivative thereof.

In the manufacturing method of Claim 1 or 2 ,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the layer is formed with a thickness of 50 nm to 200 nm.

In the manufacturing method in any one of Claim 1 to 3 ,
The method of manufacturing a semiconductor device, wherein the predetermined wavelength is 193 nm.