JP3872928B2 - パターン形成方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に係り、特に、半導体ウェハー基板表面上におけるパターン形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の製造プロセスは、シリコンウェハー上に被加工膜として複数の物質を堆積し、所望のパターンにパターニングする工程を多く含んでいる。この被加工膜のパターニングは、次のようにして行われる。
【０００３】
まず、一般に、レジストと呼ばれる感光性物質を被加工膜上に堆積してレジスト膜を形成し、このレジスト膜の所定の領域に露光を施す。次いで、レジスト膜の露光部または未露光部を現像処理により除去してレジストパターンを形成し、更に、このレジストパターンをエッチングマスクとして用いて、被加工膜をドライエッチングする。
【０００４】
露光光源としては、スループットの観点から、ＫｒＦエキシマレーザ、ＡｒＦエキシマレーザなどの紫外光が用いられているが、ＬＳＩの微細化に伴い、必要な解像度が波長以下になり、露光量裕度、フォーカス裕度などの露光プロセス裕度が不足してきている。これらのプロセスマージンを補うには、レジスト膜の膜厚を薄くして解像性を向上させることが有効であるが、一方で被加工膜のエッチングに必要なレジスト膜厚を確保できなくなるという問題が生じる。
【０００５】
この問題を解決するため、被加工膜上に下層膜、中間膜、およびレジスト膜を形成し、レジストパターンを中間膜を介して下層膜に転写して下層膜パターンを形成した後、下層膜パターンをエッチングマスクとして被加工膜の加工を行なう多層レジスト法が、Solid State Technology, 26(5), 105(1983)に開示されている。
【０００６】
この方法では、下層膜はエッチングマスクとして作用する必要があり、スパッタリングされにくく、エッチング耐性がある炭素原子を多く含む材料が望ましい。しかしながら、炭素含有量が高い下層膜は、ガス透過性が低いため、中間膜パターンをエッチングマスクとして下層膜をエッチングする際に、下層膜と中間膜との間にソースガスまたはその一部がたまり、その結果、中間膜が発泡し、破裂するという現象が生ずる。そのため、下層膜の加工を正常に行うことが困難であった。
【０００７】
【発明が解決しようとしている課題】
本発明は、以上に鑑みてなされ、下層膜に炭素含有量が高い材料を用いても、下層膜上に形成したエッチングマスクの破裂を起こすことなく、支障なく下層膜を加工することが可能なパターン形成方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段と作用】
上記課題を解決するため、本発明者は鋭意検討を行った結果、中間層が下層膜のエッチング途中で破裂するのは、中間膜と下層膜の密着性が低いことによるものであることを見出した。即ち、下層膜と中間膜との間にガスがたまったとしても、中間層と下層膜の密着性が強ければ、中間膜の発泡ないし破裂が生ずることがないことを見出し、本発明をなすにいたった。
【０００９】
即ち、本発明は、被加工膜上に炭素原子の含有量８０ｗｔ％以上の下層膜を形成する工程と、前記下層膜の表面にエネルギービームを照射する処理または前記下層膜をオゾンに暴露する処理からなる密着性促進処理を施す工程と、前記密着性促進処理が施された前記下層膜の表面に、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタン、及び酸化タングステンからなる群から選ばれた無機酸化物を含む中間膜を形成する工程と、前記中間膜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パターン露光を行って、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前記中間膜に転写して中間膜パターンを形成する工程と、前記中間膜パターンを前記下層膜に転写して前記下層膜パターンを形成する工程とを具備することを特徴とするパターン形成方法を提供する。
【００１０】
また、本発明は、被加工膜上に炭素原子の含有量８０ｗｔ％以上の下層膜を形成する工程と、前記下層膜の表面にエネルギービームを照射する処理または前記下層膜をオゾンに暴露する処理からなる密着性促進処理を施す工程と、前記密着性促進処理が施された前記下層膜の表面に、酸素と結合した、シリコン、アルミニウム、チタン、タングステン、及びゲルマニウムからなる群から選ばれた無機元素を含有するレジスト膜を形成する工程と、前記レジスト膜に対してパターン露光を行って、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前記下層膜に転写して前記下層膜パターンを形成する工程とを具備することを特徴とするパターン形成方法を提供する。
【００１３】
更に、本発明は、被加工膜上に炭素原子の含有量８０ｗｔ％以上の下層膜を形成する工程と、前記下層膜の表面に密着性促進膜を形成する工程と、前記密着性促進膜上に、中間膜を形成する工程と、前記中間膜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パターン露光を行って、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前記中間膜に転写して中間膜パターンを形成する工程と、前記中間膜パターンを前記下層膜に転写して前記下層膜パターンを形成する工程とを具備することを特徴とするパターン形成方法を提供する。
【００１４】
以上のように構成される本発明の方法では、下層膜の表面に密着性促進処理を施すか、または密着性促進膜を形成している。そのため、下層膜の炭素含有量が高く、ガス透過性が低いため、下層膜をエッチングする際に、下層膜とその上のエッチングマスクとの間にソースガスまたはその一部がたまったとしても、下層膜とエッチングマスクとが強く密着しているため、エッチングマスクが発泡し、破裂するという現象が生ずることがない。そのため、下層膜の加工を正常に行うことが可能である。
【００１６】
【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。
【００１７】
まず、図１（ａ）に示すように、ウェハー基板１上に形成された被加工膜２上に下層膜３を形成する。被加工膜２は、特に限定されることはないが、例えば、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、或はスピンオングラス、マスクの製造の際に用いられるブランク材などのシリコン系絶縁膜、アモルファスシリコン、ポリシリコン、シリコン基板などのシリコン系材料、アルミニウム、アルミニウムシリサイド、カッパー、タングステンなどの配線材料などを挙げることができる。
【００１８】
下層膜３の膜厚は、２０〜５０００ｎｍの範囲にあることが好ましい。その理由は、膜厚が２０ｎｍ以下では、被加工膜２のエッチングの途中で下層膜３が削れてなくなってしまい、被加工膜２を所望の寸法で加工することが困難になり、一方、５０００ｎｍより厚いと、レジストパターンをドライエッチング法で下層膜３にパターン転写する際に、寸法変換差が顕著に発生するためである。
【００１９】
下層膜３の形成方法は、塗布法が好ましい。その理由は、ＣＶＤ法と比べると塗布法はプロセスが簡易で、プロセスコストを抑えることができるからである。ここで、塗布法による下層膜形成方法について詳述する。
【００２０】
まず、炭素を含有する化合物を有機溶媒に溶解して下層膜溶液を調製する。ここで炭素を含有する化合物は、特に限定されることはないが、例えばポリアリーレン、ポリアリーレンエチル、フェノール樹脂、フェノールノボラック、芳香族多環樹脂などが挙げられる。
【００２１】
化合物の分子量は、特に限定されることはないが、２００〜１００，０００が好ましい。その理由は、分子量が２００未満では、レジストの溶剤に下層膜が溶解してしまい、一方、１００，０００を超えると、有機溶剤に溶解しにくく、溶液材料を作成しにくくなるためである。
【００２２】
化合物は、一種類に限ることはなく、数種類の化合物を混合してもよい。また、必要に応じて、貯蔵安定性をはかるために熱重合防止剤、被加工膜への密着性を向上させるための密着性向上剤、被加工膜からレジスト膜中へ反射する光を防ぐために紫外光を吸収する染料、ポリサルフォン、ポリベンズイミダゾールなどの紫外光を吸収するポリマー、導電性物質、光、熱で導電性が生じる物質、或は金属化合物を架橋させ得る架橋剤を添加してもよい。
【００２３】
有機溶剤は、特に限定されることはないが、例えばアセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン系溶剤、メチルセロソルブ、メチルセロソルブアセテート、エチルセロソルブアセテート等のセロソルブ系溶剤、乳酸エチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸イソアミル等のエステル系溶剤、メタノール、エタノール、イソプロパノール等のアルコール系溶剤、その他アニソール、トルエン、キシレン、ナフサなどを挙げることができる。
【００２４】
以上の方法で塗布材料を作成し、被加工膜２上に、例えばスピンコーティング法などで溶液材料を塗布した後、加熱して溶剤を気化することにより、下層膜３を形成する。
【００２５】
加熱後の下層膜３中の炭素原子の含有率は、下層膜１００重量部に対して８０重量部以上でなければならない。その理由は、８０重量部未満では、被加工膜２のエッチング時に必要な、充分なエッチング耐性が得られないためである。
【００２６】
次に、下層膜３の加工時に必要なエッチングマスクの発泡・破裂を防ぐために、下層膜３とその上の膜との密着性を促進する処理を行なう。密着性促進処理としては、下層膜３の極性を増加させる処理が好ましい。下層膜３の極性の増加は、純水に対する接触角で、２０゜以下、より好ましくは１０゜以下となるように行うことが好ましい。
【００２７】
下層膜３の極性を増加させるには、カルボニル基のような酸素を有する置換基を下層膜３を構成する化合物に含ませることが有効であるが、酸素はエッチング耐性の劣化を招く場合がある。下層膜３の表面の純水に対する接触角が２０゜以上の場合、図１（ｂ）に示すように、エネルギービームの照射処理、或はオゾンを含む雰囲気に下層膜３を暴露することで、下層膜３の表面領域４を酸化させて、極性を増加させても良い。
【００２８】
エネルギービームとしては、特に限定されることはないが、波長７００ｎｍ以下の波長領域を含む光、或はＸ線が好ましい。その理由は、７００ｎｍ以上ではエネルギーが弱く、下層膜３の表面を酸化させることが難しい。露光量は、１ｍＪ／ｃｍ2 〜１０００ｍＪ／ｃｍ2 の範囲が好ましく、１ｍＪ／ｃｍ2 以下ではエネルギーが弱く、下層膜３の表面を酸化させることが難しく、１０００ｍＪ／ｃｍ2 以上では露光量が高過ぎて、スループットの低下を招いてしまう。
【００２９】
また、エネルギービームとして電子ビームを用いても良く、電子ビームの照射量は０．１μＣ／ｃｍ2 〜１０００Ｃ／ｃｍ2 の範囲にあることが好ましく、０．１μＣ／ｃｍ2 以下ではエネルギーが弱く、下層膜表面を酸化させることが難しく、１０００Ｃ／ｃｍ2 以上では照射量が高過ぎて、スループットの低下を招いてしまう。
【００３０】
更に、下層膜３の極性を増加させることによって密着性を向上させる処理以外にも、下層膜３の表面に粘着性を付与する処理、下層膜３の表面を粗面化する処理等を行なうことも可能である。また、下層膜３とその上の膜、例えば後述する中間膜との密着性を向上させる密着性促進膜を形成しても良い。このような密着性促進膜としては、極性が高い材料で構成されるのが好ましく、例えば、フェノール樹脂、ノボラック樹脂などを挙げることができる。
【００３１】
次に、図１（ｃ）に示すように、下層膜上３上に中間層５を形成する。中間層５の膜厚は、１０〜１０００ｎｍの範囲にあることが好ましく、１０ｎｍ以下では下層膜３のエッチング途中で中間膜５が削れてなくなり、１０００ｎｍ以上では中間膜５を加工しにくくなる。
【００３２】
中間膜５の材料としては、下層膜３のエッチング時に用いる酸素プラズマに対して不揮発な成分を含む材料であれば、特に限定されることはないが、例えば無機酸化物が挙げられ、具体的には、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタン、或は酸化タングステンなどを挙げることができる。
【００３３】
これらの材料は、酸素と無機元素との結合が極性を帯びており、極性が高い下層膜表面領域４との濡れ性が向上し、密着性を増すため、エッチングマスクの破裂を防止することができる。
【００３４】
その後、図２（ｄ）に示すように、中間膜５上にレジスト溶液を塗布して、加熱処理を行い、レジスト膜６を形成する。レジスト膜６の膜厚を薄くすれば、それだけ、露光時の露光量裕度、フォーカス裕度、或は解像度を向上させることができる。そのため、レジスト膜６の膜厚は、下層膜３を寸法制御性よくエッチングできる膜厚であれば薄い方がよく、１０〜１００００ｎｍの範囲が好ましい。
【００３５】
レジストの種類は、特に限定されることはなく、目的に応じて、ポジ型またはネガ型を選択して使用することができる。具体的には、ポジ型レジストとしては、例えば、ナフトキノンジアジドとノボラック樹脂とからなるレジスト（ＩＸ−７７０、日本合成ゴム社製）、ｔ−ＢＯＣで保護したポリビニルフェノール樹脂と酸発生剤とからなる化学増幅型レジスト（ＡＰＥＸ−Ｅ、シップレー社製）などが挙げられる。また、ネガ型のレジストとしては、例えば、ポリビニルフェノールとメラミン樹脂および光酸発生剤からなる化学増幅型レジスト（ＳＮＲ２００、シップレー社製）、ポリビニルフェノールとビスアジド化合物とからなるレジスト（ＲＤ−２０００Ｎ、日立化成社製）などが挙げられるが、これらに限定されることはない。
【００３６】
これらのレジスト溶液を下層膜３上に、例えばスピンコーティング法、ディップ法などで塗布した後、加熱して溶媒を気化させることで、レジスト膜５を作成する。露光光源については限定されることはなく、例えば紫外光、Ｘ線、電子ビーム、イオンビームなどが挙げられる。紫外光としては、水銀灯のｇ線（４３６ｎｍ）、ｉ線（３６５ｎｍ）、或いはＸｅＦ（波長＝３５１ｎｍ）、ＸｅＣｌ（波長＝３０８ｎｍ）、ＫｒＦ（波長＝２４８ｎｍ）、ＫｒＣｌ（波長＝２２２ｎｍ）、ＡｒＦ（波長＝１９３ｎｍ）、Ｆ２（波長＝１５１ｎｍ）等のエキシマレーザーを挙げることができる。
【００３７】
そして、図２（ｅ）に示すように、ＴＭＡＨ、コリンなどのアルカリ現像液で現像処理を行い、レジストパターン７を形成する。また、必要に応じて、光露光を行った場合に生じるレジスト中の多重反射を減少させるために、上層反射防止膜、或いは、電子ビーム露光を行った場合に生じるチャージアップを防ぐために、上層帯電防止膜をレジスト膜の上層に形成してもよい。
【００３８】
次に、図２（ｆ）に示すように、ドライエッチング法を用いてレジストパターン７のパターン形状を中間膜５に転写して中間膜パターン８を得る。エッチング方式としては、例えば反応性イオンエッチング、マグネトロン型反応性イオンエッチング、電子ビームイオンエッチング、ＩＣＰエッチング、またはＥＣＲイオンエッチングなど、微細加工可能なものであれば、特に限定されることはない。
【００３９】
次に、図３（ｇ）に示すように、ドライエッチング法を用いて中間膜パターン８のパターン形状を下層膜３に転写して、下層膜パターン９を得る。エッチング方式としては、例えば反応性イオンエッチング、マグネトロン型反応性イオンエッチング、電子ビームイオンエッチング、ＩＣＰエッチング、またはＥＣＲイオンエッチングなど、微細加工可能なものであれば特に限定されることはないが、ソースガスとしては、酸素原子、或は塩素原子を含むガスを用いることが好ましく、酸素ラジカル、塩素ラジカルと下層膜との反応性が高く、良好なスループットで被加工膜を加工することが出来る。酸素原子、或は塩素原子を含むガスとして、Ｏ２、ＣＯ、ＣＯ２、Ｃｌ２などが挙げられる。更に、ソースガスには、窒素原子、或いは硫黄原子を含むことが好ましく、その理由は下層膜を異方性良く加工できるからである。この他に、Ａｒ、Ｈｅなどのガスを含んでも良い。
【００４０】
以上のようにして、下層膜３をエッチングすることによって、中間膜パターン８が破裂を起こすことなく、下層膜３を正常に加工することができる。この理由は、次のように考えられる。
【００４１】
即ち、従来の方法では、下層膜３をエッチングすると、ソースガスから生成したラジカルと下層膜が反応して生成した揮発性成分が、或いはソースガスが、下層膜表面に充満し、エッチングが進行すると、下層膜表面に充満した揮発成分により中間膜パターン８が破裂を起こす。
【００４２】
これに対し、本発明の方法によれば、下層膜の表面の極性を増加させることにより、中間膜パターン８と下層膜３の密着性を向上させたので、下層膜３の表面に揮発性成分が充満しても、中間膜パターン８は破裂しにくくなったものと考えられる。
【００４３】
次に、図３（ｈ）に示すように、ドライエッチング法を用いて下層膜パターン９のパターン形状を被加工膜２に転写して、被加工膜パターン１０を得る。エッチング方式は、中間膜のパターニングと同様である。このようにして、高い異方性で、被加工膜をパターニングすることが可能である。
【００４４】
上述の実施形態は、レジストパターンのパターン形状を中間層、下層膜に順次転写する場合について説明したが、下層膜上に直接、レジストパターンを形成し、下層膜の加工を行なっても良い。この場合、レジストは、下層膜のエッチングマスクとして作用するために、無機元素を含む必要がある。無機元素としては、シリコン、アルミニウム、チタン、タングステン、ゲルマニウム等を挙げることが出来る。
【００４５】
無機元素を含むレジストでは、酸素と無機元素との結合が極性を帯びているため、極性が高い下層膜表面との濡れ性が向上し、下層膜とレジストパターンとの間の密着性が増加する。そのため、レジストパターンからなるエッチングマスクの破裂を防止することができる。
【００４６】
なお、以上のように、下層膜上に直接、レジストパターンを形成し、下層膜の加工を行なう場合にも、レジストと下層膜との間の密着性を向上させるために、下層膜上に密着性促進膜を形成しても良い。この場合には、レジストは、無機元素を含む必要はない。
【００４７】
【実施例】
以下に、本発明の種々の実施例について説明する。
【００４８】
［実施例１］
本実施例では、レジスト、中間膜、下層膜を順次マスクとして用いて、被加工膜としてのＳｉＯ2 膜を加工した例について、図１〜図３を参照して説明する。
【００４９】
シリコンウェハー１上に被加工膜として厚さ５００ｎｍのＳｉＯ2 膜２をＬＰＣＶＤ法で形成した。次いで、被加工膜２上に、下記（Ｒ１）〜（Ｒ５）及び（Ｓ１）〜（Ｓ１０）の方法で、下層膜３を形成した（図１（ａ））。
【００５０】
下層膜３は、必要に応じて、図１（ｂ）に示すように、エネルギービームの照射やオゾンに暴露するなどにより、下層膜３の極性を向上される処理を施してある。
【００５１】
（Ｒ１）：下記式（１）に記載の炭素含有化合物１０ｇを乳酸エチル９０ｇに溶解して下層膜溶液を調製した後、ホットプレートを用いて酸素濃度５０ｐｐｍ以下の窒素雰囲気中で３５０℃で１２０秒間ベーキングして、下層膜を形成した。なお、何れの下層膜も膜厚は３００ｎｍである。
【００５２】
【化１】
【００５３】
（Ｒ２）：（Ｒ１）において、酸素濃度を１％とした。
【００５４】
（Ｒ３）：（Ｒ１）において、酸素濃度を２０％とした。
【００５５】
（Ｒ４）：グラファイト板をターゲットとしたＤＣスパッタリングをアルゴン雰囲気中で行なって、カーボン膜を形成し、下層膜とした。
【００５６】
（Ｒ５）：平均重量分子量１２，０００のクレゾールノボラック１０ｇを乳酸エチルに溶解して下層膜溶液を調製した後、大気中で３５０℃で１２０秒間ベーキングして、下層膜を形成した。
【００５７】
（Ｓ１）：（Ｒ１）の方法で形成したカーボン膜を１５ｐｐｍの濃度のオゾン水中に１秒間浸透して、カーボン膜表面の極性を増加させた。
【００５８】
（Ｓ２）：（Ｓ１）において、浸透時間を１０秒間とした。
【００５９】
（Ｓ３）：（Ｓ１）において、浸透時間を６０秒間とした。
【００６０】
（Ｓ４）：（Ｓ１）の方法で形成したカーボン膜に対し、波長１５２ｎｍの光を含むエキシマランプを１００ｍＪ／ｃｍ2 で照射して、カーボン膜表面の抵抗を増加させた。
【００６１】
（Ｓ５）：（Ｓ１）の方法で形成したカーボン膜に対し、電子ビームを照射量１Ｃ／ｃｍ2で照射して、カーボン膜表面の抵抗を増加させた。
【００６２】
（Ｓ６）：（Ｒ４）の方法で形成したカーボン膜を、１５ｐｐｍの濃度のオゾン水中に１０秒間浸透して、カーボン膜表面の極性を増加させた。
【００６３】
（Ｓ７）：（Ｒ４）の方法で形成したカーボン膜を、１５ｐｐｍの濃度のオゾン水中に６０秒間浸透してカーボン膜表面の極性を増加させた。
【００６４】
（Ｓ８）：（Ｓ１）の方法で形成したカーボン膜に対し、波長１５２ｎｍの光を含むエキシマランプを１００ｍＪ／ｃｍ2 照射して、カーボン膜表面の抵抗を増加させた。
【００６５】
（Ｓ９）：（Ｓ８）において、照射量を１Ｊ／ｃｍ2とした。
【００６６】
（Ｓ１０）：（Ｒ１）において、下層膜の薬液調製時に、下記式（２）に記載の界面活性剤０．１ｇ添加して、下層膜の表面の極性を増加させた。
【００６７】
【化２】
【００６８】
（Ｓ１１）：（Ｒ１）の方法で形成した下層膜上に、重量平均分子量１２，０００のポリビニルフェノール９ｇを乳酸エチル９１ｇに溶解して調製した溶液をスピンコーティング法で塗布した後、ホットプレートで大気中で３００℃で１２０秒間ベーキングして、膜厚５０ｎｍの密着性促進膜を形成した。
【００６９】
（Ｓ１２）：（Ｒ２）の方法で形成した下層膜上に、（Ｓ１１）の方法で密着性促進膜を形成した。
【００７０】
（Ｓ１３）：（Ｒ３）の方法で形成した下層膜上に、（Ｓ１１）の方法で密着性促進膜を形成した。
【００７１】
（Ｓ１４）：（Ｒ４）の方法で形成した下層膜上に、（Ｓ１１）の方法で密着性促進膜を形成した。
【００７２】
（Ｓ１５）：（Ｒ５）の方法で形成した下層膜を、１５ｐｐｍの濃度のオソン水に１０秒間浸漬して、カーボン膜表面の極性を増加させた。
【００７３】
以上の方法で形成した下層膜の炭素含有量を元素分析法で分析した結果を、下記表１に示す。また、純水に対する接触角を測定した結果を同様に下記表１に示す。
【００７４】
次に、下記式（３）に記載のポリシロキサン８ｇをイソプロピルアルコール９２ｇに溶解して中間膜溶液を調製し、下層膜３上にスピンコーティング法で塗布した後、ホットプレートを用いて３００℃で１２０秒間ベーキングを行なって、図１（ｃ）に示すように、膜厚７０ｎｍの中間膜５を形成した。
【００７５】
【化３】
【００７６】
次いで、中間膜５上に、ポジ型の化学増幅型レジストＫＲＦ Ｍ２０Ｇ（ＪＳＲ社製）をスピンコーティング法を用いて塗布した後、ホットプレートを用いて１４０℃で９０秒間加熱を行なって、図２（ｄ）に示すように、膜厚１５０ｎｍのレジスト膜６を形成した。
【００７７】
そして、ＫｒＦエキシマレーザーを光源とする縮小光学型ステッパー（ＮＡ＝０．６）を用いてパターン露光を行った後、ホットプレートを用いて１４０℃で９０秒間加熱を行った。
【００７８】
続いて、０．２１規定のテトラアンモニウムヒドロキシサイドを用いて３０秒間のパドル現像を行ない、図２（ｅ）に示すように、直径０．１５μｍのコンタクトホールパターン７を形成した。
【００７９】
次に、図２（ｆ）に示すように、レジストパターン７を中間膜３に転写して、中間膜パターン８を形成した。エッチング装置としてはマグネトロン型エッチング装置を用い、ソースガスとして、それぞれ流量２０／２０／１００ＳＣＣＭのＣＦ4／Ｏ2／Ａｒを用い、真空度７５ｍＴｏｒｒ、励起電力密度２Ｗ／ｃｍ2 、基板温度８０℃の条件で、エッチングを行った。エッチング時間は、パターン内のエッチングレートから算出したジャスト時間に対して５０％のオーバーエッチングを行った。
【００８０】
その後、図３（ｇ）に示すように、中間膜パターン８を下層膜３に転写して下層膜パターン９を形成した。エッチング装置としてはマグネトロン型反応性イオンエッチング装置を用い、ソースガスとして、流量１００／２００ｓｃｃｍのＯ2 ／Ｎ2を用い、励起起電力密度２Ｗ／ｃｍ、真空度４０ｍＴｏｒｒ、基板温度２０℃の条件でエッチングを行った。
【００８１】
その結果、接触角が高い（２０°を超える）下層膜（Ｒ１〜Ｒ４、Ｓ１０）の上の中間膜については、図３（ｇ′）に示すように、中間膜内に多数の発泡が見られ、中間膜の破裂が生じた。
【００８２】
下層膜の接触角と中間膜の発泡の数を調べた結果を下記表１に示す。また、接触角に対して発泡の数をプロットした結果を図６に示す。下記表１および図６から、接触角が低いほど発泡の数が減っており、概ね２０゜以下で効果が現れ、１０゜以下で完全に発泡が防止できていることがわかる。
【００８３】
なお、下記表１において、（Ｒ５）と（Ｓ１５）とを比較すると、オゾン水処理により接触角が低下しており、発泡の数が減少していることがわかる。下層膜と中間膜との間の密着性が増加したことにより、中間膜の発泡が起こりにくくなったものと考えられる。
【００８４】
次に、図３（ｈ）に示すように、下層膜パターン９を被加工膜２に転写し、た。使用したエッチング装置及びエッチング条件は、レジストパターン６をエッチングマスクとして中間膜５をエッチングした時と同様である。
【００８５】
被加工膜のテーパー角を、各下層膜に付いて調べた結果を下記表１に示す。また、炭素含有量に対してテーパー角をプロットした結果を図６に示す。下記表１および図６から、炭素含有量が高いほど、高い異方性で被加工膜の加工を行うことが出来、概ね８０重量％以上の炭素含有量で、許容値であるテーパ角θが８５゜以上の異方性を達成することが出来ることがわかる。
【００８６】
下層膜の炭素含有量が高いほど、被加工膜の加工に高い異方性が得られるのは、炭素原子は被加工膜のエッチング中にスパッタリングされにくく、炭素含有量が高いほど下層膜パターンがエッチング中に後退しにくいためと考えられる。
【００８７】
【表１】
【００８８】
［実施例２］
本実施例では、実施例１において、下層膜の加工のエッチングマスクとしてシリコンを含むレジストを用いた例について、図４および図５を参照して説明する。
まず、実施例１と同様にして、図４（ａ），（ｂ）に示すように、シリコンウエハー１１上に、被加工膜１２、下層膜１３を順次形成した。なお、極性増加処理が施された下層膜１３については、表面に高極性領域１４が形成されている。
【００８９】
次いで、下層膜１３上に、抑止剤樹脂として、水酸基の４０％をトリメチルシリル基で置換した重量平均分子量１２，０００のポリビニルフェノール９．８ｇ、酸発生剤としてスルフォンイミド０．２ｇを乳酸エチル９０ｇに溶解して調製したレジストをスピンコーティング法によって塗布した後、ホットプレートで１２０℃で９０秒間ベーキングして、図４（ｃ）に示すように、膜厚１５０ｎｍのレジスト膜１５を形成した。
【００９０】
そして、ＫｒＦエキシマレーザーを光源とする縮小光学型ステッパー（ＮＡ＝０．６）を用いて、レジスト膜１５にパターン露光を行った後、ホットプレートを用いて１２０℃で９０秒間加熱を行った。続いて、０．２１規定のテトラアンモニウムヒドロキシサイドを用いて３０秒間のパドル現像を行なって、図５（ｄ）に示すように、直径０．１５μｍのコンタクトホールパターンを有するレジストパターン１６を形成した。
【００９１】
次に、図５（ｅ）に示すように、レジストパターン１６を下層膜１３に転写して、下層膜パターン１７を形成した。使用したエッチング装置及びエッチング条件は、実施例１で中間膜パターンを下層膜に転写した時と同様である。
【００９２】
下層膜の接触角とレジストパターンの発泡の数を調べたところ、実施例１と同様の結果を得た。即ち、接触角が低いほど発泡の数が減っており、概ね２０゜以下で効果が現れ、１０゜以下で完全に発泡を防止することが出来た。
【００９３】
次に、図５（ｆ）に示すように、以上のように形成した下層膜パターン１７を被加工膜１２に転写しテ、被加工膜パターン１８を得る。使用したエッチング装置及び条件は、実施例１でレジストパターンを中間膜に転写した時と同様である。
【００９４】
被加工膜のテーパー角を各下層膜について調べたところ実施例１と同様の結果が得られ、概ね８０重量％以上の炭素含有量で、許容値であるテーパ角θが８５゜以上の異方性を達成することが出来た。下層膜の炭素含有量が高いほど高い異方性が得られるのは、炭素原子はエッチング中にスパッタリングされにくく、炭素含有量が高いほど下層膜パターンがエッチング中に後退しにくいためと考えられる。
【００９５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によると、下層膜の表面に密着性促進処理を施すか、または密着性促進膜を形成しているため、下層膜の炭素含有量が高く、ガス透過性が低いため、下層膜をエッチングする際に、下層膜とその上のエッチングマスクとの間にソースガスまたはその一部がたまったとしても、下層膜とエッチングマスクとが強く密着しているため、エッチングマスクが発泡し、破裂するという現象が生ずることがない。そのため、下層膜の加工を正常に行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係るパターン形成方法を工程順に示す断面図。
【図２】本発明の実施例１に係るパターン形成方法を工程順に示す断面図。
【図３】本発明の実施例１に係るパターン形成方法を工程順に示す断面図。
【図４】本発明の実施例２に係るパターン形成方法を工程順に示す断面図。
【図５】本発明の実施例２に係るパターン形成方法を工程順に示す断面図。
【図６】下層膜表面の極性と発泡の数の関係を示す特性図。
【図７】下層膜中の炭素含有量と被加工膜のテーパー角を示す特性図。
【符号の説明】
１，１１…シリコンウェハー
２，１２…被加工膜
３，１３…下層膜
４，１４…極性が向上した下層膜の表面
５…中間膜
６，１５…レジスト膜
７，１６…レジストパターン
８…中間膜パターン
９，１７…下層膜パターン
１０，１８…被加工膜パターン
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法に係り、特に、半導体ウェハー基板表面上におけるパターン形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の製造プロセスは、シリコンウェハー上に被加工膜として複数の物質を堆積し、所望のパターンにパターニングする工程を多く含んでいる。この被加工膜のパターニングは、次のようにして行われる。
【０００３】
まず、一般に、レジストと呼ばれる感光性物質を被加工膜上に堆積してレジスト膜を形成し、このレジスト膜の所定の領域に露光を施す。次いで、レジスト膜の露光部または未露光部を現像処理により除去してレジストパターンを形成し、更に、このレジストパターンをエッチングマスクとして用いて、被加工膜をドライエッチングする。
【０００４】
露光光源としては、スループットの観点から、ＫｒＦエキシマレーザ、ＡｒＦエキシマレーザなどの紫外光が用いられているが、ＬＳＩの微細化に伴い、必要な解像度が波長以下になり、露光量裕度、フォーカス裕度などの露光プロセス裕度が不足してきている。これらのプロセスマージンを補うには、レジスト膜の膜厚を薄くして解像性を向上させることが有効であるが、一方で被加工膜のエッチングに必要なレジスト膜厚を確保できなくなるという問題が生じる。
【０００５】
この問題を解決するため、被加工膜上に下層膜、中間膜、およびレジスト膜を形成し、レジストパターンを中間膜を介して下層膜に転写して下層膜パターンを形成した後、下層膜パターンをエッチングマスクとして被加工膜の加工を行なう多層レジスト法が、Solid State Technology, 26(5), 105(1983)に開示されている。
【０００６】
この方法では、下層膜はエッチングマスクとして作用する必要があり、スパッタリングされにくく、エッチング耐性がある炭素原子を多く含む材料が望ましい。しかしながら、炭素含有量が高い下層膜は、ガス透過性が低いため、中間膜パターンをエッチングマスクとして下層膜をエッチングする際に、下層膜と中間膜との間にソースガスまたはその一部がたまり、その結果、中間膜が発泡し、破裂するという現象が生ずる。そのため、下層膜の加工を正常に行うことが困難であった。
【０００７】
【発明が解決しようとしている課題】
本発明は、以上に鑑みてなされ、下層膜に炭素含有量が高い材料を用いても、下層膜上に形成したエッチングマスクの破裂を起こすことなく、支障なく下層膜を加工することが可能なパターン形成方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段と作用】
上記課題を解決するため、本発明者は鋭意検討を行った結果、中間層が下層膜のエッチング途中で破裂するのは、中間膜と下層膜の密着性が低いことによるものであることを見出した。即ち、下層膜と中間膜との間にガスがたまったとしても、中間層と下層膜の密着性が強ければ、中間膜の発泡ないし破裂が生ずることがないことを見出し、本発明をなすにいたった。
【０００９】
即ち、本発明は、被加工膜上に炭素原子の含有量８０ｗｔ％以上の下層膜を形成する工程と、前記下層膜の表面にエネルギービームを照射する処理または前記下層膜をオゾンに暴露する処理からなる密着性促進処理を施す工程と、前記密着性促進処理が施された前記下層膜の表面に、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタン、及び酸化タングステンからなる群から選ばれた無機酸化物を含む中間膜を形成する工程と、前記中間膜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パターン露光を行って、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前記中間膜に転写して中間膜パターンを形成する工程と、前記中間膜パターンを前記下層膜に転写して前記下層膜パターンを形成する工程とを具備することを特徴とするパターン形成方法を提供する。
【００１０】
また、本発明は、被加工膜上に炭素原子の含有量８０ｗｔ％以上の下層膜を形成する工程と、前記下層膜の表面にエネルギービームを照射する処理または前記下層膜をオゾンに暴露する処理からなる密着性促進処理を施す工程と、前記密着性促進処理が施された前記下層膜の表面に、酸素と結合した、シリコン、アルミニウム、チタン、タングステン、及びゲルマニウムからなる群から選ばれた無機元素を含有するレジスト膜を形成する工程と、前記レジスト膜に対してパターン露光を行って、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前記下層膜に転写して前記下層膜パターンを形成する工程とを具備することを特徴とするパターン形成方法を提供する。
【００１３】
更に、本発明は、被加工膜上に炭素原子の含有量８０ｗｔ％以上の下層膜を形成する工程と、前記下層膜の表面に密着性促進膜を形成する工程と、前記密着性促進膜上に、中間膜を形成する工程と、前記中間膜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パターン露光を行って、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前記中間膜に転写して中間膜パターンを形成する工程と、前記中間膜パターンを前記下層膜に転写して前記下層膜パターンを形成する工程とを具備することを特徴とするパターン形成方法を提供する。
【００１４】
以上のように構成される本発明の方法では、下層膜の表面に密着性促進処理を施すか、または密着性促進膜を形成している。そのため、下層膜の炭素含有量が高く、ガス透過性が低いため、下層膜をエッチングする際に、下層膜とその上のエッチングマスクとの間にソースガスまたはその一部がたまったとしても、下層膜とエッチングマスクとが強く密着しているため、エッチングマスクが発泡し、破裂するという現象が生ずることがない。そのため、下層膜の加工を正常に行うことが可能である。
【００１６】
【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。
【００１７】
まず、図１（ａ）に示すように、ウェハー基板１上に形成された被加工膜２上に下層膜３を形成する。被加工膜２は、特に限定されることはないが、例えば、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、或はスピンオングラス、マスクの製造の際に用いられるブランク材などのシリコン系絶縁膜、アモルファスシリコン、ポリシリコン、シリコン基板などのシリコン系材料、アルミニウム、アルミニウムシリサイド、カッパー、タングステンなどの配線材料などを挙げることができる。
【００１８】
下層膜３の膜厚は、２０〜５０００ｎｍの範囲にあることが好ましい。その理由は、膜厚が２０ｎｍ以下では、被加工膜２のエッチングの途中で下層膜３が削れてなくなってしまい、被加工膜２を所望の寸法で加工することが困難になり、一方、５０００ｎｍより厚いと、レジストパターンをドライエッチング法で下層膜３にパターン転写する際に、寸法変換差が顕著に発生するためである。
【００１９】
下層膜３の形成方法は、塗布法が好ましい。その理由は、ＣＶＤ法と比べると塗布法はプロセスが簡易で、プロセスコストを抑えることができるからである。ここで、塗布法による下層膜形成方法について詳述する。
【００２０】
まず、炭素を含有する化合物を有機溶媒に溶解して下層膜溶液を調製する。ここで炭素を含有する化合物は、特に限定されることはないが、例えばポリアリーレン、ポリアリーレンエチル、フェノール樹脂、フェノールノボラック、芳香族多環樹脂などが挙げられる。
【００２１】
化合物の分子量は、特に限定されることはないが、２００〜１００，０００が好ましい。その理由は、分子量が２００未満では、レジストの溶剤に下層膜が溶解してしまい、一方、１００，０００を超えると、有機溶剤に溶解しにくく、溶液材料を作成しにくくなるためである。
【００２２】
化合物は、一種類に限ることはなく、数種類の化合物を混合してもよい。また、必要に応じて、貯蔵安定性をはかるために熱重合防止剤、被加工膜への密着性を向上させるための密着性向上剤、被加工膜からレジスト膜中へ反射する光を防ぐために紫外光を吸収する染料、ポリサルフォン、ポリベンズイミダゾールなどの紫外光を吸収するポリマー、導電性物質、光、熱で導電性が生じる物質、或は金属化合物を架橋させ得る架橋剤を添加してもよい。
【００２３】
有機溶剤は、特に限定されることはないが、例えばアセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン等のケトン系溶剤、メチルセロソルブ、メチルセロソルブアセテート、エチルセロソルブアセテート等のセロソルブ系溶剤、乳酸エチル、酢酸エチル、酢酸ブチル、酢酸イソアミル等のエステル系溶剤、メタノール、エタノール、イソプロパノール等のアルコール系溶剤、その他アニソール、トルエン、キシレン、ナフサなどを挙げることができる。
【００２４】
以上の方法で塗布材料を作成し、被加工膜２上に、例えばスピンコーティング法などで溶液材料を塗布した後、加熱して溶剤を気化することにより、下層膜３を形成する。
【００２５】
加熱後の下層膜３中の炭素原子の含有率は、下層膜１００重量部に対して８０重量部以上でなければならない。その理由は、８０重量部未満では、被加工膜２のエッチング時に必要な、充分なエッチング耐性が得られないためである。
【００２６】
次に、下層膜３の加工時に必要なエッチングマスクの発泡・破裂を防ぐために、下層膜３とその上の膜との密着性を促進する処理を行なう。密着性促進処理としては、下層膜３の極性を増加させる処理が好ましい。下層膜３の極性の増加は、純水に対する接触角で、２０゜以下、より好ましくは１０゜以下となるように行うことが好ましい。
【００２７】
下層膜３の極性を増加させるには、カルボニル基のような酸素を有する置換基を下層膜３を構成する化合物に含ませることが有効であるが、酸素はエッチング耐性の劣化を招く場合がある。下層膜３の表面の純水に対する接触角が２０゜以上の場合、図１（ｂ）に示すように、エネルギービームの照射処理、或はオゾンを含む雰囲気に下層膜３を暴露することで、下層膜３の表面領域４を酸化させて、極性を増加させても良い。
【００２８】
エネルギービームとしては、特に限定されることはないが、波長７００ｎｍ以下の波長領域を含む光、或はＸ線が好ましい。その理由は、７００ｎｍ以上ではエネルギーが弱く、下層膜３の表面を酸化させることが難しい。露光量は、１ｍＪ／ｃｍ2 〜１０００ｍＪ／ｃｍ2 の範囲が好ましく、１ｍＪ／ｃｍ2 以下ではエネルギーが弱く、下層膜３の表面を酸化させることが難しく、１０００ｍＪ／ｃｍ2 以上では露光量が高過ぎて、スループットの低下を招いてしまう。
【００２９】
また、エネルギービームとして電子ビームを用いても良く、電子ビームの照射量は０．１μＣ／ｃｍ2 〜１０００Ｃ／ｃｍ2 の範囲にあることが好ましく、０．１μＣ／ｃｍ2 以下ではエネルギーが弱く、下層膜表面を酸化させることが難しく、１０００Ｃ／ｃｍ2 以上では照射量が高過ぎて、スループットの低下を招いてしまう。
【００３０】
更に、下層膜３の極性を増加させることによって密着性を向上させる処理以外にも、下層膜３の表面に粘着性を付与する処理、下層膜３の表面を粗面化する処理等を行なうことも可能である。また、下層膜３とその上の膜、例えば後述する中間膜との密着性を向上させる密着性促進膜を形成しても良い。このような密着性促進膜としては、極性が高い材料で構成されるのが好ましく、例えば、フェノール樹脂、ノボラック樹脂などを挙げることができる。
【００３１】
次に、図１（ｃ）に示すように、下層膜上３上に中間層５を形成する。中間層５の膜厚は、１０〜１０００ｎｍの範囲にあることが好ましく、１０ｎｍ以下では下層膜３のエッチング途中で中間膜５が削れてなくなり、１０００ｎｍ以上では中間膜５を加工しにくくなる。
【００３２】
中間膜５の材料としては、下層膜３のエッチング時に用いる酸素プラズマに対して不揮発な成分を含む材料であれば、特に限定されることはないが、例えば無機酸化物が挙げられ、具体的には、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタン、或は酸化タングステンなどを挙げることができる。
【００３３】
これらの材料は、酸素と無機元素との結合が極性を帯びており、極性が高い下層膜表面領域４との濡れ性が向上し、密着性を増すため、エッチングマスクの破裂を防止することができる。
【００３４】
その後、図２（ｄ）に示すように、中間膜５上にレジスト溶液を塗布して、加熱処理を行い、レジスト膜６を形成する。レジスト膜６の膜厚を薄くすれば、それだけ、露光時の露光量裕度、フォーカス裕度、或は解像度を向上させることができる。そのため、レジスト膜６の膜厚は、下層膜３を寸法制御性よくエッチングできる膜厚であれば薄い方がよく、１０〜１００００ｎｍの範囲が好ましい。
【００３５】
レジストの種類は、特に限定されることはなく、目的に応じて、ポジ型またはネガ型を選択して使用することができる。具体的には、ポジ型レジストとしては、例えば、ナフトキノンジアジドとノボラック樹脂とからなるレジスト（ＩＸ−７７０、日本合成ゴム社製）、ｔ−ＢＯＣで保護したポリビニルフェノール樹脂と酸発生剤とからなる化学増幅型レジスト（ＡＰＥＸ−Ｅ、シップレー社製）などが挙げられる。また、ネガ型のレジストとしては、例えば、ポリビニルフェノールとメラミン樹脂および光酸発生剤からなる化学増幅型レジスト（ＳＮＲ２００、シップレー社製）、ポリビニルフェノールとビスアジド化合物とからなるレジスト（ＲＤ−２０００Ｎ、日立化成社製）などが挙げられるが、これらに限定されることはない。
【００３６】
これらのレジスト溶液を下層膜３上に、例えばスピンコーティング法、ディップ法などで塗布した後、加熱して溶媒を気化させることで、レジスト膜５を作成する。露光光源については限定されることはなく、例えば紫外光、Ｘ線、電子ビーム、イオンビームなどが挙げられる。紫外光としては、水銀灯のｇ線（４３６ｎｍ）、ｉ線（３６５ｎｍ）、或いはＸｅＦ（波長＝３５１ｎｍ）、ＸｅＣｌ（波長＝３０８ｎｍ）、ＫｒＦ（波長＝２４８ｎｍ）、ＫｒＣｌ（波長＝２２２ｎｍ）、ＡｒＦ（波長＝１９３ｎｍ）、Ｆ２（波長＝１５１ｎｍ）等のエキシマレーザーを挙げることができる。
【００３７】
そして、図２（ｅ）に示すように、ＴＭＡＨ、コリンなどのアルカリ現像液で現像処理を行い、レジストパターン７を形成する。また、必要に応じて、光露光を行った場合に生じるレジスト中の多重反射を減少させるために、上層反射防止膜、或いは、電子ビーム露光を行った場合に生じるチャージアップを防ぐために、上層帯電防止膜をレジスト膜の上層に形成してもよい。
【００３８】
次に、図２（ｆ）に示すように、ドライエッチング法を用いてレジストパターン７のパターン形状を中間膜５に転写して中間膜パターン８を得る。エッチング方式としては、例えば反応性イオンエッチング、マグネトロン型反応性イオンエッチング、電子ビームイオンエッチング、ＩＣＰエッチング、またはＥＣＲイオンエッチングなど、微細加工可能なものであれば、特に限定されることはない。
【００３９】
次に、図３（ｇ）に示すように、ドライエッチング法を用いて中間膜パターン８のパターン形状を下層膜３に転写して、下層膜パターン９を得る。エッチング方式としては、例えば反応性イオンエッチング、マグネトロン型反応性イオンエッチング、電子ビームイオンエッチング、ＩＣＰエッチング、またはＥＣＲイオンエッチングなど、微細加工可能なものであれば特に限定されることはないが、ソースガスとしては、酸素原子、或は塩素原子を含むガスを用いることが好ましく、酸素ラジカル、塩素ラジカルと下層膜との反応性が高く、良好なスループットで被加工膜を加工することが出来る。酸素原子、或は塩素原子を含むガスとして、Ｏ２、ＣＯ、ＣＯ２、Ｃｌ２などが挙げられる。更に、ソースガスには、窒素原子、或いは硫黄原子を含むことが好ましく、その理由は下層膜を異方性良く加工できるからである。この他に、Ａｒ、Ｈｅなどのガスを含んでも良い。
【００４０】
以上のようにして、下層膜３をエッチングすることによって、中間膜パターン８が破裂を起こすことなく、下層膜３を正常に加工することができる。この理由は、次のように考えられる。
【００４１】
即ち、従来の方法では、下層膜３をエッチングすると、ソースガスから生成したラジカルと下層膜が反応して生成した揮発性成分が、或いはソースガスが、下層膜表面に充満し、エッチングが進行すると、下層膜表面に充満した揮発成分により中間膜パターン８が破裂を起こす。
【００４２】
これに対し、本発明の方法によれば、下層膜の表面の極性を増加させることにより、中間膜パターン８と下層膜３の密着性を向上させたので、下層膜３の表面に揮発性成分が充満しても、中間膜パターン８は破裂しにくくなったものと考えられる。
【００４３】
次に、図３（ｈ）に示すように、ドライエッチング法を用いて下層膜パターン９のパターン形状を被加工膜２に転写して、被加工膜パターン１０を得る。エッチング方式は、中間膜のパターニングと同様である。このようにして、高い異方性で、被加工膜をパターニングすることが可能である。
【００４４】
上述の実施形態は、レジストパターンのパターン形状を中間層、下層膜に順次転写する場合について説明したが、下層膜上に直接、レジストパターンを形成し、下層膜の加工を行なっても良い。この場合、レジストは、下層膜のエッチングマスクとして作用するために、無機元素を含む必要がある。無機元素としては、シリコン、アルミニウム、チタン、タングステン、ゲルマニウム等を挙げることが出来る。
【００４５】
無機元素を含むレジストでは、酸素と無機元素との結合が極性を帯びているため、極性が高い下層膜表面との濡れ性が向上し、下層膜とレジストパターンとの間の密着性が増加する。そのため、レジストパターンからなるエッチングマスクの破裂を防止することができる。
【００４６】
なお、以上のように、下層膜上に直接、レジストパターンを形成し、下層膜の加工を行なう場合にも、レジストと下層膜との間の密着性を向上させるために、下層膜上に密着性促進膜を形成しても良い。この場合には、レジストは、無機元素を含む必要はない。
【００４７】
【実施例】
以下に、本発明の種々の実施例について説明する。
【００４８】
［実施例１］
本実施例では、レジスト、中間膜、下層膜を順次マスクとして用いて、被加工膜としてのＳｉＯ2 膜を加工した例について、図１〜図３を参照して説明する。
【００４９】
シリコンウェハー１上に被加工膜として厚さ５００ｎｍのＳｉＯ2 膜２をＬＰＣＶＤ法で形成した。次いで、被加工膜２上に、下記（Ｒ１）〜（Ｒ５）及び（Ｓ１）〜（Ｓ１０）の方法で、下層膜３を形成した（図１（ａ））。
【００５０】
下層膜３は、必要に応じて、図１（ｂ）に示すように、エネルギービームの照射やオゾンに暴露するなどにより、下層膜３の極性を向上される処理を施してある。
【００５１】
（Ｒ１）：下記式（１）に記載の炭素含有化合物１０ｇを乳酸エチル９０ｇに溶解して下層膜溶液を調製した後、ホットプレートを用いて酸素濃度５０ｐｐｍ以下の窒素雰囲気中で３５０℃で１２０秒間ベーキングして、下層膜を形成した。なお、何れの下層膜も膜厚は３００ｎｍである。
【００５２】
【化１】
（Ｒ２）：（Ｒ１）において、酸素濃度を１％とした。
【００５４】
（Ｒ３）：（Ｒ１）において、酸素濃度を２０％とした。
【００５５】
（Ｒ４）：グラファイト板をターゲットとしたＤＣスパッタリングをアルゴン雰囲気中で行なって、カーボン膜を形成し、下層膜とした。
【００５６】
（Ｒ５）：平均重量分子量１２，０００のクレゾールノボラック１０ｇを乳酸エチルに溶解して下層膜溶液を調製した後、大気中で３５０℃で１２０秒間ベーキングして、下層膜を形成した。
【００５７】
（Ｓ１）：（Ｒ１）の方法で形成したカーボン膜を１５ｐｐｍの濃度のオゾン水中に１秒間浸透して、カーボン膜表面の極性を増加させた。
【００５８】
（Ｓ２）：（Ｓ１）において、浸透時間を１０秒間とした。
【００５９】
（Ｓ３）：（Ｓ１）において、浸透時間を６０秒間とした。
【００６０】
（Ｓ４）：（Ｓ１）の方法で形成したカーボン膜に対し、波長１５２ｎｍの光を含むエキシマランプを１００ｍＪ／ｃｍ2 で照射して、カーボン膜表面の抵抗を増加させた。
【００６１】
（Ｓ５）：（Ｓ１）の方法で形成したカーボン膜に対し、電子ビームを照射量１Ｃ／ｃｍ2で照射して、カーボン膜表面の抵抗を増加させた。
【００６２】
（Ｓ６）：（Ｒ４）の方法で形成したカーボン膜を、１５ｐｐｍの濃度のオゾン水中に１０秒間浸透して、カーボン膜表面の極性を増加させた。
【００６３】
（Ｓ７）：（Ｒ４）の方法で形成したカーボン膜を、１５ｐｐｍの濃度のオゾン水中に６０秒間浸透してカーボン膜表面の極性を増加させた。
【００６４】
（Ｓ８）：（Ｓ１）の方法で形成したカーボン膜に対し、波長１５２ｎｍの光を含むエキシマランプを１００ｍＪ／ｃｍ2 照射して、カーボン膜表面の抵抗を増加させた。
【００６５】
（Ｓ９）：（Ｓ８）において、照射量を１Ｊ／ｃｍ2とした。
【００６６】
（Ｓ１０）：（Ｒ１）において、下層膜の薬液調製時に、下記式（２）に記載の界面活性剤０．１ｇ添加して、下層膜の表面の極性を増加させた。
【００６７】
【化２】
（Ｓ１１）：（Ｒ１）の方法で形成した下層膜上に、重量平均分子量１２，０００のポリビニルフェノール９ｇを乳酸エチル９１ｇに溶解して調製した溶液をスピンコーティング法で塗布した後、ホットプレートで大気中で３００℃で１２０秒間ベーキングして、膜厚５０ｎｍの密着性促進膜を形成した。
【００６９】
（Ｓ１２）：（Ｒ２）の方法で形成した下層膜上に、（Ｓ１１）の方法で密着性促進膜を形成した。
【００７０】
（Ｓ１３）：（Ｒ３）の方法で形成した下層膜上に、（Ｓ１１）の方法で密着性促進膜を形成した。
【００７１】
（Ｓ１４）：（Ｒ４）の方法で形成した下層膜上に、（Ｓ１１）の方法で密着性促進膜を形成した。
【００７２】
（Ｓ１５）：（Ｒ５）の方法で形成した下層膜を、１５ｐｐｍの濃度のオソン水に１０秒間浸漬して、カーボン膜表面の極性を増加させた。
【００７３】
以上の方法で形成した下層膜の炭素含有量を元素分析法で分析した結果を、下記表１に示す。また、純水に対する接触角を測定した結果を同様に下記表１に示す。
【００７４】
次に、下記式（３）に記載のポリシロキサン８ｇをイソプロピルアルコール９２ｇに溶解して中間膜溶液を調製し、下層膜３上にスピンコーティング法で塗布した後、ホットプレートを用いて３００℃で１２０秒間ベーキングを行なって、図１（ｃ）に示すように、膜厚７０ｎｍの中間膜５を形成した。
【００７５】
【化３】
次いで、中間膜５上に、ポジ型の化学増幅型レジストＫＲＦ Ｍ２０Ｇ（ＪＳＲ社製）をスピンコーティング法を用いて塗布した後、ホットプレートを用いて１４０℃で９０秒間加熱を行なって、図２（ｄ）に示すように、膜厚１５０ｎｍのレジスト膜６を形成した。
【００７７】
そして、ＫｒＦエキシマレーザーを光源とする縮小光学型ステッパー（ＮＡ＝０．６）を用いてパターン露光を行った後、ホットプレートを用いて１４０℃で９０秒間加熱を行った。
【００７８】
続いて、０．２１規定のテトラアンモニウムヒドロキシサイドを用いて３０秒間のパドル現像を行ない、図２（ｅ）に示すように、直径０．１５μｍのコンタクトホールパターン７を形成した。
【００７９】
次に、図２（ｆ）に示すように、レジストパターン７を中間膜３に転写して、中間膜パターン８を形成した。エッチング装置としてはマグネトロン型エッチング装置を用い、ソースガスとして、それぞれ流量２０／２０／１００ＳＣＣＭのＣＦ4／Ｏ2／Ａｒを用い、真空度７５ｍＴｏｒｒ、励起電力密度２Ｗ／ｃｍ2 、基板温度８０℃の条件で、エッチングを行った。エッチング時間は、パターン内のエッチングレートから算出したジャスト時間に対して５０％のオーバーエッチングを行った。
【００８０】
その後、図３（ｇ）に示すように、中間膜パターン８を下層膜３に転写して下層膜パターン９を形成した。エッチング装置としてはマグネトロン型反応性イオンエッチング装置を用い、ソースガスとして、流量１００／２００ｓｃｃｍのＯ2 ／Ｎ2を用い、励起起電力密度２Ｗ／ｃｍ、真空度４０ｍＴｏｒｒ、基板温度２０℃の条件でエッチングを行った。
【００８１】
その結果、接触角が高い（２０°を超える）下層膜（Ｒ１〜Ｒ４、Ｓ１０）の上の中間膜については、図３（ｇ′）に示すように、中間膜内に多数の発泡が見られ、中間膜の破裂が生じた。
【００８２】
下層膜の接触角と中間膜の発泡の数を調べた結果を下記表１に示す。また、接触角に対して発泡の数をプロットした結果を図６に示す。下記表１および図６から、接触角が低いほど発泡の数が減っており、概ね２０゜以下で効果が現れ、１０゜以下で完全に発泡が防止できていることがわかる。
【００８３】
なお、下記表１において、（Ｒ５）と（Ｓ１５）とを比較すると、オゾン水処理により接触角が低下しており、発泡の数が減少していることがわかる。下層膜と中間膜との間の密着性が増加したことにより、中間膜の発泡が起こりにくくなったものと考えられる。
【００８４】
次に、図３（ｈ）に示すように、下層膜パターン９を被加工膜２に転写し、た。使用したエッチング装置及びエッチング条件は、レジストパターン６をエッチングマスクとして中間膜５をエッチングした時と同様である。
【００８５】
被加工膜のテーパー角を、各下層膜に付いて調べた結果を下記表１に示す。また、炭素含有量に対してテーパー角をプロットした結果を図６に示す。下記表１および図６から、炭素含有量が高いほど、高い異方性で被加工膜の加工を行うことが出来、概ね８０重量％以上の炭素含有量で、許容値であるテーパ角θが８５゜以上の異方性を達成することが出来ることがわかる。
【００８６】
下層膜の炭素含有量が高いほど、被加工膜の加工に高い異方性が得られるのは、炭素原子は被加工膜のエッチング中にスパッタリングされにくく、炭素含有量が高いほど下層膜パターンがエッチング中に後退しにくいためと考えられる。
【００８７】
【表１】
［実施例２］
本実施例では、実施例１において、下層膜の加工のエッチングマスクとしてシリコンを含むレジストを用いた例について、図４および図５を参照して説明する。
まず、実施例１と同様にして、図４（ａ），（ｂ）に示すように、シリコンウエハー１１上に、被加工膜１２、下層膜１３を順次形成した。なお、極性増加処理が施された下層膜１３については、表面に高極性領域１４が形成されている。
【００８９】
次いで、下層膜１３上に、抑止剤樹脂として、水酸基の４０％をトリメチルシリル基で置換した重量平均分子量１２，０００のポリビニルフェノール９．８ｇ、酸発生剤としてスルフォンイミド０．２ｇを乳酸エチル９０ｇに溶解して調製したレジストをスピンコーティング法によって塗布した後、ホットプレートで１２０℃で９０秒間ベーキングして、図４（ｃ）に示すように、膜厚１５０ｎｍのレジスト膜１５を形成した。
【００９０】
そして、ＫｒＦエキシマレーザーを光源とする縮小光学型ステッパー（ＮＡ＝０．６）を用いて、レジスト膜１５にパターン露光を行った後、ホットプレートを用いて１２０℃で９０秒間加熱を行った。続いて、０．２１規定のテトラアンモニウムヒドロキシサイドを用いて３０秒間のパドル現像を行なって、図５（ｄ）に示すように、直径０．１５μｍのコンタクトホールパターンを有するレジストパターン１６を形成した。
【００９１】
次に、図５（ｅ）に示すように、レジストパターン１６を下層膜１３に転写して、下層膜パターン１７を形成した。使用したエッチング装置及びエッチング条件は、実施例１で中間膜パターンを下層膜に転写した時と同様である。
【００９２】
下層膜の接触角とレジストパターンの発泡の数を調べたところ、実施例１と同様の結果を得た。即ち、接触角が低いほど発泡の数が減っており、概ね２０゜以下で効果が現れ、１０゜以下で完全に発泡を防止することが出来た。
【００９３】
次に、図５（ｆ）に示すように、以上のように形成した下層膜パターン１７を被加工膜１２に転写しテ、被加工膜パターン１８を得る。使用したエッチング装置及び条件は、実施例１でレジストパターンを中間膜に転写した時と同様である。
【００９４】
被加工膜のテーパー角を各下層膜について調べたところ実施例１と同様の結果が得られ、概ね８０重量％以上の炭素含有量で、許容値であるテーパ角θが８５゜以上の異方性を達成することが出来た。下層膜の炭素含有量が高いほど高い異方性が得られるのは、炭素原子はエッチング中にスパッタリングされにくく、炭素含有量が高いほど下層膜パターンがエッチング中に後退しにくいためと考えられる。
【００９５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によると、下層膜の表面に密着性促進処理を施すか、または密着性促進膜を形成しているため、下層膜の炭素含有量が高く、ガス透過性が低いため、下層膜をエッチングする際に、下層膜とその上のエッチングマスクとの間にソースガスまたはその一部がたまったとしても、下層膜とエッチングマスクとが強く密着しているため、エッチングマスクが発泡し、破裂するという現象が生ずることがない。そのため、下層膜の加工を正常に行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係るパターン形成方法を工程順に示す断面図。
【図２】本発明の実施例１に係るパターン形成方法を工程順に示す断面図。
【図３】本発明の実施例１に係るパターン形成方法を工程順に示す断面図。
【図４】本発明の実施例２に係るパターン形成方法を工程順に示す断面図。
【図５】本発明の実施例２に係るパターン形成方法を工程順に示す断面図。
【図６】下層膜表面の極性と発泡の数の関係を示す特性図。
【図７】下層膜中の炭素含有量と被加工膜のテーパー角を示す特性図。
【符号の説明】
１，１１…シリコンウェハー
２，１２…被加工膜
３，１３…下層膜
４，１４…極性が向上した下層膜の表面
５…中間膜
６，１５…レジスト膜
７，１６…レジストパターン
８…中間膜パターン
９，１７…下層膜パターン
１０，１８…被加工膜パターン
Claims (4)
- 被加工膜上に炭素原子の含有量８０ｗｔ％以上の下層膜を形成する工程と、
前記下層膜の表面にエネルギービームを照射する処理または前記下層膜をオゾンに暴露する処理からなる密着性促進処理を施す工程と、
前記密着性促進処理が施された前記下層膜の表面に、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタン、及び酸化タングステンからなる群から選ばれた無機酸化物を含む中間膜を形成する工程と、
前記中間膜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パターン露光を行って、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前記中間膜に転写して中間膜パターンを形成する工程と、
前記中間膜パターンを前記下層膜に転写して前記下層膜パターンを形成する工程と
を具備することを特徴とするパターン形成方法。 - 被加工膜上に炭素原子の含有量８０ｗｔ％以上の下層膜を形成する工程と、
前記下層膜の表面にエネルギービームを照射する処理または前記下層膜をオゾンに暴露する処理からなる密着性促進処理を施す工程と、
前記密着性促進処理が施された前記下層膜の表面に、酸素と結合した、シリコン、アルミニウム、チタン、タングステン、及びゲルマニウムからなる群から選ばれた無機元素を含有するレジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜に対してパターン露光を行って、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前記下層膜に転写して前記下層膜パターンを形成する工程と
を具備することを特徴とするパターン形成方法。 - 前記密着性促進処理は、純水に対する接触角が２０゜以下になるように極性を増加させる処理であることを特徴とする請求項１または２に記載のパターン形成方法。
- 被加工膜上に炭素原子の含有量８０ｗｔ％以上の下層膜を形成する工程と、
前記下層膜の表面に密着性促進膜を形成する工程と、
前記密着性促進膜上に、中間膜を形成する工程と、
前記中間膜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パターン露光を行って、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前記中間膜に転写して中間膜パターンを形成する工程と、
前記中間膜パターンを前記下層膜に転写して前記下層膜パターンを形成する工程と
を具備することを特徴とするパターン形成方法。
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