JP4564489B2 - レジストパターン形成方法及びリンス液セット - Google Patents

レジストパターン形成方法及びリンス液セット Download PDF

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Description

本発明は、高アスペクト比の微細パターン現像時におけるパターン倒れのないレジストパターン形成方法及びそれに用いるリンス液セットに関するものである。
近年、半導体デバイスの小型化、集積化とともに、この微細加工用光源として、g線、i線のような紫外光、KrF、ArF及びFのようなエキシマレーザー光、EB、EUV等のような電子線などの使用及びそれに適合したホトレジスト組成物、例えば化学増幅型ホトレジスト組成物の開発が進められ、この方面におけるリソグラフィー技術上の課題の多くはすでに解決されつつある。
ところで、リソグラフィー技術により微細なレジストパターン、特に高アスペクト比のパターンを形成させる場合に生じる問題の1つにパターン倒れがある。このパターン倒れは、基板上に多数のパターンを並列状に形成させる際、隣接するパターン同士がもたれ合うように近接し、時によってはパターンが基部から折損したり、剥離するという現象である。このようなパターン倒れが生じると、所望の製品が得られないので、製品の歩留りや信頼性の低下を引き起こすことになる。
ところで、このパターン倒れの原因は既に究明され[「ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス(Jpn.Appl.Phys.)」、第32巻、1993年、p.6059−6064]、レジストパターンを現像した後のリンス処理において、リンス液が乾燥する際、そのリンス液の表面張力により発生することが分っている。
したがって、レジストパターンがリンス液に浸漬している間、すなわち現像後のリンス処理では、パターンを倒す力は生じないが、乾燥過程でリンス液が除去される際に、レジストパターン間にリンス液の表面張力に基づく応力が作用し、レジスト倒れを生じることになる。
このため、理論的には表面張力の小さい、すなわち接触角の大きいリンス液を用いれば、パターン倒れを防止することができるので、これまでリンス液に表面張力を低下させる或いは接触角を増大させる化合物を添加し、パターン倒れを防止する試みが多くなされている。
例えば、イソプロピルアルコールを添加したリンス液(JP6−163391A)、リンス液としてイソプロピルアルコールと水、又はイソプロピルアルコールとフッ素化エチレン化合物のような混合物を用いて、現像後のレジスト表面とリンス液との接触角を60〜120度の範囲になるように調整する方法(JP5−299336A)、レジスト材料の母材としてノボラック樹脂又はヒドロキシポリスチレン樹脂を用いたレジストに対し、アルコール類、ケトン類又はカルボン酸類の添加により、表面張力が30〜50dyne/cmの範囲に調整されたリンス液を使用する方法(JP7−140674A)、現像液とリンス液の少なくとも一方にフッ素系界面活性剤を添加する方法(JP7−142349A)、水によるリンス工程とレジストが水中に浸漬した状態で水より比重が大きく、表面張力が小さい非水混和性液体例えばパーフルオロアルキルポリエーテルで置換した後、乾燥する工程を含有する方法(JP7−226358A)、分子中にアミノ基、イミノ基又はアンモニウム基と炭素数1〜20の炭化水素基を有し、分子量45〜10000の窒素含有化合物を含有したリンス剤組成物(JP11−295902A)、現像液としてフッ素化カルボン酸又はフッ素化スルホン酸或いはそれらの塩を含む組成物を用いる方法(JP2002−323773A)、現像された基板をリンス処理したのちヒドロフルオロエーテルを含む有機系処理液で処理する方法(JP2003−178943A及びJP2003−178944A)などが提案されている。
しかしながら、これらのリンス液やリンス方法は、いずれも完全にパターン倒れを防止することができない上、形成されるパターンの物性、特に精度がそこなわれるおそれがあるため、実用化するには必ずしも満足しうるものではない。
本発明は、これまでのパターン倒れ防止方法とは全く異なった原理に基づくリンス処理により、形成しようとするパターンの物性をそこなうことなく、高品質の製品を製造する方法及びその方法に好適に使用できる新規なリンス液セットを提供することを目的としてなされたものである。
本発明者らは、リソグラフィー技術によりホトレジストパターンを形成させる方法において、現像時のパターン倒れを防止する方法について鋭意研究を重ねた結果、現像処理に続いて、膜表面上の接触角を40度以下に低減せしめる工程と、続いて膜表面上の接触角を70度以上に上昇せしめる工程を経たのち、乾燥することにより、レジスト自体の物性をそこなうことなく、パターン倒れを防止し得ることを見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。
すなわち、本発明は、基板上に設けたホトレジスト層に像形成露光を施したのち、現像処理してレジストパターンを形成する方法において、現像処理後、レジストパターン表面上の水に対する接触角を40度以下に低下させる処理及び続いて70度以上に上昇させる処理を行ったのち、乾燥することを特徴とするレジストパターン形成方法、及び窒素原子を含む単量体単位を有する水溶性樹脂溶液からなる第一処理液と、この第一処理液の後に用いられ、水溶性又はアルコール系溶剤可溶性のフッ素化合物を含有する溶液からなる第二処理液とから構成され、第一処理液中における水溶性樹脂濃度が10質量%を超えないことを特徴とするリンス液セットを提供するものである。
次に、本発明のレジストパターン形成方法について詳細に説明する。
本発明方法には、基板上にホトレジスト層を形成させる工程が含まれるが、この基板としては、通常半導体デバイスの基板として慣用されているもの、例えば、ケイ素、ゲルマニウム及びそれらの合金を用いることができる。
この基板上に設けられるホトレジスト層の形成には、従来レジストパターンの形成に慣用されているホトレジストの中から任意に選んで用いることができ、これはポジ型又はネガ型ホトレジストのいずれでもよい。
基板上に設けられたホトレジスト層は、マスクパターンを通し、g線、i線のような紫外光、KrF、ArF及びFのようなレーザー光、あるいはEB及びEUVのような電子線を照射して像形成露光させたのち、現像処理に付される。この際の現像液としては、通常テトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液のようなアルカリ水溶液が用いられる。
本発明方法においては、このようにして現像したレジストパターンを、その表面が乾燥しない、まだ濡れた状態の間に、先ず膜表面上の接触角を40度以下、好ましくは30度以下に低減せしめる。この段階で好適に用いられる第一処理液としては、窒素原子を含む水溶性樹脂の溶液を用いることが好ましい。この窒素原子を含む水溶性樹脂は、基幹分子鎖中に窒素原子を有するものでもよいし、また側鎖に窒素原子をもつものでもよい。基幹分子鎖に窒素原子をもつ水溶性樹脂としては、例えば、ポリエチレンイミンがある。また、側鎖に窒素原子をもつ水溶性樹脂としては、例えばアミノ基又は置換アミノ基をもつ水溶性樹脂があるが、特に好ましいのは、例えばピリジン、ピラジン、ピリダジン、ピリミジントリアゾール、ピロール、ピラゾール、イミダゾール、チアゾール、オキサゾール、イミダゾリン、ピロリドンなどのような含窒素複素環基をもつ単量体を構成単位として含む樹脂である。これらの樹脂は、酸の存在下で、環上の電荷が偏在して正に帯電する原子を生じ、この部位と酸残基との間でコンプレックスを形成する性質を有している。
上記水溶性樹脂としては、一般式
Figure 0004564489
(式中のRは水素原子又はメチル基、Xは含窒素複素環基である)
で表わされる含窒素複素環基をもつ単量体単位を含む水溶性樹脂を用いることが好ましい。
このような一般式で表わされる単量体として、特に、ビニルイミダゾール基、ビニルイミダゾリン基及びビニルピロリドン基をもつ単量体の中から選ばれる少なくとも1種が好ましい。
本発明方法においては、窒素原子を含む単量体単位を有する水溶性樹脂を有効成分として含む第一処理液と、一般式(II)で表わされる水溶性又はアルコール系溶剤可溶性フッ素化合物を有効成分として含有する第二処理液とが用いられる。第一処理液の有効成分は、窒素原子を含む単量体単位と、単独で水溶性重合体を形成する単量体単位、例えばビニルアルコール、アクリル酸又はメタクリル酸及びこれらのヒドロキシアルキルエステルなどの単量体を構成単位として含む共重合体である。これらの各単量体単位は、それぞれ単独で含まれていてもよいし、また2種以上組み合わせて含まれていてもよい。これらの共重合体は、例えば、ビー・エー・エス・エフ(BASF)社から製品名「ルビテック(LUVITEC)VPI55K72W」及び「ルビテック(LUVITEC)VPI55K18」として市販されている。またポリビニルイミダゾリンは東ソー社から市販されている。
本発明方法において用いられる水溶性樹脂中の窒素原子を含む単量体単位と単独で水溶性重合体を形成する単量体単位との割合は、質量比で10:0ないし1:9、好ましくは9:1ないし2:8の範囲が選ばれる。これよりも窒素原子を含む単量体単位の割合が少なくなると、レジスト表面への吸着性能とフッ素化合物とのコンプレックス形成能が低くなり、所望の特性、すなわちパターン倒れ防止能力が低下する。この共重合体の分子量は、500〜500000、好ましくは1000〜200000の範囲内で選ばれる。
この窒素原子を含む水溶性樹脂は、常法に従い2種又はそれ以上の原料単量体を溶液重合法、懸濁重合法などにより共重合させることによって製造することができる。
本発明方法においては、現像処理後のレジストパターンを、第一処理液に接触させるが、この処理液中の水溶性樹脂濃度としては、0.001〜10質量%、好ましくは0.01〜3質量%の範囲の濃度が選ばれる。この第一処理液での処理時間は、1〜30秒で十分である。
この第一処理液で処理することにより、レジスト表面と水溶液との接触角を40度、より好ましくは30度以下に低下させるので、現像液と水リンス液との接触が良好に行われる。そして、この接触角は、必要に応じて行われる後続の水によるリンス処理の間も一定に保たれる。また、付帯的な効果として現像欠陥(ディフェクト)の防止という効果も得られる。
この第一処理液には、所望に応じ酸を添加して酸性に調整することもできるし、またアミン化合物や第四アンモニウム水酸化物を加えてpH8以上の塩基性に調整することもできる。このような化合物の添加は組成物の経時的劣化を防止するのに有効である。
このように現像後のレジストパターン表面の接触角を下げることにより、前記ディフェクトを低減する効果、すなわち洗浄効率を高める効果が得られ、さらにその接触角を下げる手段として具体的に前記水溶性樹脂を用いることにより、再付着防止機能を付与し再析出系ディフェクトをさらに低減する効果、及び第二処理液において用いられるフッ素化合物との吸着作用を高めることにより接触角を上昇せしめる効果がさらに向上する。
次に、このように第一処理液で処理した後のレジストパターンに、必要に応じて純水による水リンス処理を行い、続いて膜表面上の接触角を70度以上、好ましくは80度以上に上昇せしめる。この段階で、前記した水溶性樹脂に含まれる窒素原子部分とコンプレックスを形成することができる官能基をもつ水溶性又はアルコール系溶剤可溶性フッ素化合物の溶液からなる第二処理液と接触させる。第一処理液中の水溶性樹脂に含まれる窒素原子部分とコンプレックスを形成する官能基としては、陰イオン性基例えばカルボン酸基、スルホン酸基、リン酸基などがあるが、その他の陰イオン性基でもよい。
このような水溶性又はアルコール系溶剤可溶性フッ素化合物として好ましいのは、一般式
f1−Y (II)
(式中のRf1は、酸素原子又は窒素原子或いはその両方を含んでいてもよい環状又は鎖状炭化水素中の全部又は一部の水素原子がフッ素原子により置換された基であり、Yはカルボン酸又はスルホン酸残基である)
で表わされるフッ素化合物である。
この式中のRf1として好ましいのは、その水素原子の一部又は全部がフッ素原子により置換されたアルキル基又はその一部又は全部がフッ素原子により置換されたシクロアルキル基或はこれらの基における炭素原子の少なくとも1個が酸素原子又は窒素原子或はその両方で置換されたものである。
この一般式(II)で表されるフッ素化合物として特に好ましいのは、一般式
2m+1COOH (III)
又は
2m+1SOH (IV)
(式中のmは10〜15の整数である)、
で表されるフッ素化合物である。
そのほかの好ましい水溶性又はアルコール系溶剤可溶性のフッ素化合物としては、一般式
(C2n+1SONH (V)
(式中のnは1〜5の整数である)、
Figure 0004564489
(式中のxは2又は3の整数である)
又は
Figure 0004564489
(式中のRf2は水素原子の少なくとも一部がフッ素原子により置換されているアルキル基又は水酸基、アルコキシ基、カルボキシル基又はアミノ基をもつアルキル基及びy及びy´は2又は3の整数である)
で表わされるフッ素化合物である。
このようなフッ素化合物の例としては、C1021COOH、C1123COOH、C1021SOH、C1123SOH、(CSONH、(CSONH、式
Figure 0004564489
で表わされる化合物、及び式
Figure 0004564489
で表わされる化合物などを挙げることができる。
上記フッ素化合物を溶解させる溶剤としては、水又は水とアルコール系溶剤との混合物が用いられるが、特に水を溶剤として用いるのが有利であるので、上記のフッ素化合物中で特に水に容易に溶解するフッ素化合物、例えば一般式(VIII)又は(IX)で表される化合物が好ましい。
この第二処理液は、上記の水溶性又はアルコール系溶剤可溶性フッ素化合物を0.001〜1.0質量%、好ましくは0.01〜0.5質量%濃度で水又は水とアルコール系溶剤との混合物に溶解して調製される。
この第二処理液によるレジストパターンの処理は、第一処理液で処理した直後又は純水でリンス処理した後で、レジストパターンを第二処理液中に1〜30秒間接触させることによって行われる。この処理によって、レジストパターンの表面の接触角は70度、好ましくは80度以上に上昇するので、この状態でスピンドライすることにより、パターン倒れを防止することができる。この第二処理液による処理の後に、所望に応じ純水によるリンスを行うこともできる。
第二処理液によるレジストパターンの処理を行う際に、所望に応じ、第二処理液の温度を高めて処理することもできる。水の表面張力は、24℃において72dyne/cmであるが、80℃においては62.6dyne/cmに低下するので、温度を高めることにより、さらにパターン倒れを減少させることができる。
基板と第一処理液及び第二処理液を接触させる方法としては、通常パドル法が用いられるが、これに限定されるものではない。
次に添付図面に従って、本発明方法の作用機構を説明する。図1は、本発明方法の各リンス工程ごとのレジストパターン表面における各処理液中の樹脂及びフッ素化合物分子の挙動を示すモデル図である。
すなわち、例えば表面接触角75度の現像処理したレジストパターンを第一処理液中に接触させる[図1(A)]と、第一処理液中の窒素原子を有する水溶性樹脂分子が、レジストパターン表面に窒素原子を外側に露出して付着し[図1(B)]、その結果この段階で表面接触角は30度に低下する。次いで、純水によるリンスを施したのち、このレジストパターンを第二処理液に接触させる[図1(C)]と、第二処理液中の水溶性又はアルカリ可溶性フッ素化合物の官能基が、上記の窒素原子とコンプレックスを形成し[図1(D)]、レジスト表面が強い撥水性となり、接触角は急激に増大し、105度になる。
したがって、この段階でスピンドライに付すと、パターン倒れを起すことなく水が除去される。
は、本発明方法の各リンス工程ごとのレジストパターン表面における各処理液中の樹脂及びフッ素化合物分子の挙動を示すモデル図である。
次に、実施例により本発明を実施するための最良の形態を説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。
実施例1〜24
シリコンウェーハ上に反射防止膜剤[ブリューワ(Brewer)社製、製品名「ARC29A」]を塗布し、215℃にて60秒間加熱処理して、膜厚77nmの反射防止膜を形成した。この反射防止膜上にポジ型レジスト(東京応化工業社製、製品名「TARF−P6111」)を塗布し、膜厚460nmのホトレジスト膜を形成した。
このホトレジスト膜が形成された基板に対して、ArFエキシマステッパー(ニコン社製、製品名「NSR−S302A」)を用いて、波長193nmの露光光をもって露光処理を行い、続いて130℃にて90秒加熱処理した。
次いで、2.38%テトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液を用いて23℃で60秒の現像処理を行い、さらにリンス処理を行った。
このリンス処理は、下記表1及び表2に示した第一処理液を500回転で3秒間滴下することによって行った。次いで、純水による20秒間のリンスを行い、その後、表1及び表2に示した第二処理液を500回転で3秒間滴下した。
各リンス処理後のレジストパターン表面上の水の接触角を接触角計(協和界面科学製、製品名「CA−X150」)を用いて測定した。得られた結果を表1、表2及び表3に示す。
なお、表1及び表2中の「VP/VI」はビニルピロリドンとビニルイミダゾールの共重合体[( )内は質量比を表す]を、「TMAH」はトリメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液を、「ROB07802」はCH(COH)OH(日本乳化剤社製)を、「ROB07803」は(CH(COH)OH(日本乳化剤社製)を、「EF−N331」は(C37SO22NH(ジェムコ社製)を、「PFMO3」は前記一般式(IX)の化合物(ジェムコ社製)を、「IPA」はイソプロピルアルコールをそれぞれ意味する。実施例1〜24における第一リンス処理液及び実施例22〜24を除く第二リンス処理液は、それぞれ各有効成分の0.1質量%水溶液及び0.005質量%水溶液とした。実施例22〜24の第二処理液は、混合溶媒中の有効成分が0.005質量%のものとした。( )内は質量比を表す。
Figure 0004564489

Figure 0004564489
比較例1、2
実施例1と同様にして現像処理を行ったのち、第一リンス処理を行わない接触角60°のレジストパターン表面を第二リンス液EF−N331又はPFMO3で処理したところ、接触角はいずれも62°であり、ほとんど変化は認められなかった。
実施例25〜27
シリコンウェーハ上に反射防止膜剤(ブリューワ社製、製品名「ARC29A」)を塗布し、215℃にて60秒間加熱処理して、膜厚77nmの反射防止膜を形成した。
この反射防止膜上にポジ型レジスト(東京応化工業製、製品名「TARF−P6111」)を塗布し、膜厚460nmのホトレジスト膜を形成した。
このホトレジスト膜が形成された基板に対して、ArFエキシマステッパー(ニコン社製、製品名「NSR−S302A」)を用いて、波長193nmの露光光をもって露光処理をおこない、ついで130℃にて90秒加熱処理した。
次いで、2.38%テトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液を用いて25℃で60秒の現像処理をおこない、さらにリンス処理を行った。
このリンス処理は、表3に示した第一処理液を500回転で3秒間滴下することによって行った。ついで、純水による20秒間のリンスを行い、その後、表3に示した第二処理液を500回転で3秒間滴下した。
実施例25〜27における第一リンス液は、0.1%VP/VI水溶液に添加物を含有させたものである。また、第二リンス液は、溶媒中の有効成分が0.005質量%のものとした。( )内は質量比を表す。
上記処理により得られたライン・アンド・スペース(110nm/150nm)パターンをSEMにて観察したところ、この部分のパターン倒れは観察されなかった。なお、このパターンのアスペクト比は約4.18であった。
Figure 0004564489
比較例3
上記の実施例25ないし27において、本発明リンス処理を行わず、純水によるリンスのみを行った以外は、全く同様の操作をおこないパターン形成をおこなった。得られたパターンをSEMにて観察したところ、パターン倒れが発生していた。
本発明によると、30〜100nmという微細なライン・アンド・スペースのレジストパターン、特に3以上という高アスペクト比の非常にパターン倒れを起しやすいレジストパターンを現像する場合であっても、パターン倒れなしに、しかもレジストパターン特性をそこなうことなく、パターン形成させることができる。したがって、本発明は、各種LSI、ULSIなどの製造に有用である。

Claims (11)

  1. 基板上に設けたホトレジスト層に像形成露光を施したのち、現像処理してレジストパターンを形成する方法において、現像処理後、レジストパターン表面上の水に対する接触角を40度以下に低下させる処理及び続いて70度以上に上昇させる処理を行ったのち、乾燥することを特徴とするレジストパターン形成方法。
  2. 接触角を40度以下に低下させる処理と70度以上に上昇させる処理のいずれかの処理後に純水によるリンス処理を行う請求項1記載のレジストパターン形成方法。
  3. 基板上に設けたホトレジスト層に像形成露光を施したのち、現像処理してレジストパターンを形成する方法において、現像処理後、レジストパターン表面が乾燥しない間に、先ず窒素原子をもつ水溶性樹脂の溶液に接触させ、次いでこの水溶性樹脂とコンプレックスを形成する官能基をもつ水溶性又はアルコール系溶剤可溶性のフッ素化合物の溶液と接触させたのち、乾燥することを特徴とするレジストパターン形成方法。
  4. 窒素原子をもつ水溶性樹脂が含窒素複素環基をもつ水溶性樹脂である請求項3記載のレジストパターン形成方法。
  5. 一般式
    Figure 0004564489
    (式中のRは水素原子又はメチル基、Xは含窒素複素環基である)
    で表わされる含窒素複素環基をもつ単量体単位を含む水溶性樹脂溶液からなる第一処理液と、この第一処理液の後に用いられ、水溶性又はアルコール系溶剤可溶性のフッ素化合物を含有する溶液からなる第二処理液とから構成され、第一処理液中における水溶性樹脂濃度が10質量%を超えないことを特徴とするリンス液セット。
  6. 第一処理液中の含窒素複素環基をもつ単量体単位が、ビニルイミダゾール単位、ビニルイミダゾリン単位及びビニルピロリドン単位から選ばれる少なくとも1種の単量体単位である請求項5記載のリンス液セット。
  7. 第二処理液中の水溶性又はアルコール系溶剤可溶性のフッ素化合物が、一般式
    f1−Y
    (式中のRf1は、酸素原子又は窒素原子或いはその両方を含んでいてもよい環状又は鎖状炭化水素中の全部又は一部の水素原子がフッ素原子により置換された基であり、Yはカルボン酸又はスルホン酸残基である)、
    (C2n+1SONH
    (式中のnは1〜5の整数である)、
    Figure 0004564489
    (式中のxは2又は3の整数である)
    又は
    Figure 0004564489
    (式中のRf2は水素原子の少なくとも一部がフッ素原子により置換されているアルキル基又は水酸基、アルコキシ基、カルボキシル基、アミノ基をもつアルキル基及びy及びy´は2又は3の整数である)
    で表わされるフッ素化合物である請求項5又は6記載のリンス液セット。
  8. 一般式Rf1−Yで表されるフッ素化合物が一般式
    2m+1COOH
    又は
    2m+1SO
    (式中のmは10〜15の整数である)
    で表されるフッ素化合物である請求項記載のリンス液セット。
  9. 第二処理液中のフッ素化合物が、
    Figure 0004564489
    である請求項記載のリンス液セット。
  10. 第二処理液中のフッ素化合物が、
    Figure 0004564489
    である請求項記載のリンス液セット。
  11. 第二処理液中のフッ素化合物濃度が1質量%を超えない請求項5ないし10のいずれかに記載のリンス液セット。
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