JP4601514B2 - レジストパターンの形成方法 - Google Patents

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この発明は、パターン形状の変形を防止するレジストパターンの形成方法に関する。
レジストパターンの形成工程において、レジストパターンのエッチング時の耐熱性及び耐プラズマ性の向上、パターンの収縮の防止、イオン注入前のレジスト脱ガス促進等を目的とする、いわゆるUV(紫外線)キュア(UVキュアリングとも称される。)処理が知られている。
UVキュア処理は、一般に現像後のレジストパターン(基板)に対して、UV照射及び加熱処理を並行して進行させることにより行われる。
例えば、10重量%〜50重量%という多量の染料を含有するポジ型フォトレジスト材料を使用して色フィルタを製造する場合に、レジスト材料のパターニング後に、紫外線照射処理を行いつつ昇温加熱処理を行う、すなわちUVキュア処理工程が知られている(特許文献1参照。)。
特開平11−014817号公報
このUVキュア処理工程における加熱処理は、一般に、処理室内の温度を徐々に上昇させる昇温加熱により行われるが、特許文献1(特に実施例を参照されたい。)が開示するように、高濃度の染料を含有しない通常の紫外線硬化型レジスト材料を用いてパターニングを行った後、0.5℃/秒以上の昇温率で昇温加熱処理を行った場合には、レジストパターン形状が伸縮してパターン精度が悪化してしまうため、後のエッチング工程又はイオン注入工程に悪影響を及ぼすおそれがある。
この発明は、上述した従来技術にかかる問題点に鑑みなされたものである。すなわち、この発明の目的は、いわゆるUVキュア処理工程によるレジストパターンの伸縮を効果的に防止することができるレジストパターンの形成方法を提供することにある。
これらの目的の達成を図るため、この発明のレジストパターンの形成方法は、下記のような工程を含んでいる。
すなわち、基板上に、ポジ型レジスト材料を用いてレジスト層を形成する工程と、プリベーク処理、露光処理及び現像処理を順次に行って、レジスト層をパターニングする工程と、110℃から120℃の温度範囲内で、ポストベーク処理を行う工程と、開始温度をポストベーク処理温度より低い100℃とし、紫外線照射処理を行いつつ、最大でも0.5℃/秒の昇温率で、140℃以上160℃未満である最終温度まで温度を上昇させる熱処理を行う工程と、最終温度に達した時点で熱処理を終了し、温度を下げる降温処理を行う工程とを含み、紫外線照射処理は、ランプ照度を1.5mW/cm 2 とし、昇温開始から5秒間照射する第1段階と、ランプ照度を500mW/cm 2 として75秒間照射する第2段階とを連続的に含んでいる。
これらの目的の達成を図るため、この発明の他のレジストパターンの形成方法は、下記のような工程を含んでいる。
基板上に、ポジ型レジスト材料を用いてレジスト層を形成する工程と、プリベーク処理、露光処理及び現像処理を順次に行って、レジスト層をパターニングする工程と、110℃から120℃の温度範囲内で、ポストベーク処理を行う工程と、開始温度をポストベーク処理温度より低い100℃とし、紫外線照射処理を行いつつ、最大でも0.5℃/秒の昇温率で、140℃以上160℃未満である最終温度まで温度を上昇させる熱処理を行う工程と、最終温度に達した時点で熱処理を終了し、温度を下げる降温処理を行う工程とを含み、紫外線照射処理は、ランプ照度を1.5mW/cm 2 とし、昇温開始から5秒間照射する第1段階と、ランプ照度を200mW/cm 2 として5秒間照射する第2段階と、ランプ照度を500mW/cm 2 として90秒間照射する第3段階とを連続的に含んでいる。
この発明のレジストパターンの形成方法によれば、紫外線照射処理を行いつつ、最大でも0.5℃/秒の昇温率で、最終温度まで温度を上昇させる熱処理を行う。このような工程により、UVキュア処理によるレジストパターンの形状の伸縮(変形)を効果的に防止することができる。よって、レジストパターン形状の精度を硬化処理前、レジストパターンの形状をすなわち所期の形状と同等にすることができるため、引き続き行われるエッチング工程、イオン注入工程等を精度よく行うことができる。結果として、簡易な工程で製造される半導体装置の電気的特性が向上する。また、製品歩留まりが向上することが期待される。
以下、この発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、以下に挙げる数値的条件等は単なる例示に過ぎないことを理解されたい。
〈レジストパターンの形成方法〉
まず、レジストパターンの第1の形成方法につき説明する。
レジストパターンを形成する対象となるシリコン基板、樹脂基板、或いは金属基板といった基板を準備する。基板の種類は特に限定されないが、半導体装置の製造方法においてこの発明のレジストパターンの形成方法を適用する場合には、例えばp型シリコン基板(ウェハ)といった従来公知の基板を適用すればよい。
また、この発明のレジストパターンの形成方法は、種々の下地上にレジストパターンを形成する場合に適用することができる。すなわち、この発明のレジストパターンの形成方法は、基板面に直接的にレジストパターンを形成する場合のみならず、基板上に形成されている酸化膜、金属膜等の膜構造上にレジストパターンを形成する場合にも適用できる。
次に、基板(下地)上に、レジスト材料を塗布してレジスト層を形成する。この発明のレジストパターンの形成方法に適用して好適なレジスト材料は、特に限定されないが、好ましくはいわゆるノボラック樹脂を基材とするレジスト材料を適用するのが好適である。
レジスト材料は、一般に任意好適な染料を適宜の含有量で含有する場合がある。この発明のレジストパターンの形成方法に適用して好適なレジスト材料は、好ましくは、染料を非含有であるか又は染料を含有しているとしてもこの含有量を最大でも1重量%程度とするのがよい。
また、レジスト材料は、いわゆるUVキュア工程が必要なレジスト材料全般に適用することができるが、具体的には例えばポジ型レジスト材料が想定されている。
次いで、適用されたレジスト材料に適切な条件で、従来公知のプリベーク処理、露光処理及び現像処理を順次に行って、レジスト層を任意好適なパターン形状にパターニングする。引き続き、ポストベーク処理を行う。ポストベーク処理を行う工程は、従来公知の任意好適な方法に従って、110℃から120℃の温度範囲内で行うのがよい。
この発明のレジストパターンの形成方法によれば、さらに、熱処理及び紫外線照射処理を並行して行う加熱処理工程を行う。
この熱処理は、大気雰囲気下、開始温度をポストベーク処理温度より低い温度として行うのがよい。
また、この熱処理は、開始温度からスタートして、この開始温度から最大でも0.5℃/秒の昇温率で、最終温度まで温度を上昇させることにより行うのがよい。この最終温度は、使用されるレジスト材料に適宜の温度とすればよい。この最終温度は、160℃程度からレジストパターンの形状劣化が観測される場合には、若干の余裕を見て140℃程度と設定する。
並行して行われる紫外線照射処理は、少なくとも熱処理開始から温度が最終温度に達するまでの時間行う。
この紫外線照射処理は、任意好適な光量で行うことができるが、例えば200nm〜600nmの範囲の波長の光を含む紫外線を発生する紫外線ランプを用いて行うのがよい。また、この紫外線照射処理は、処理が行われる処理装置のウェハが載置されるプレート上における照度を照度計による計測値で500mW/cm2或いはその程度として行うのがよい。
このようなレジストパターンの形成方法によれば、開始温度から最大でも0.5℃/秒の昇温率で、最終温度まで温度を上昇させる、すなわち、より低い昇温率でいわゆるUVキュア工程を行うので、レジストパターンの所期の形状を損なうことなく、精度よくレジストパターンを形成することができる。
既に説明した熱処理を行う工程は、開始温度を、通常のポストベーク処理温度よりも低い温度である100℃とし、最終温度を140℃として行う工程とするのがよい。
このように、開始温度をポストベークの温度以下とすれば、熱によるレジストパターンの形状劣化をより効果的に抑制することができる。
この発明のレジストパターンの第2の形成方法によれば、従来行われている、いわゆるポストベーク処理を不実施とすることもできる。
この場合には、既に説明したパターニングする工程の後に、いわゆるポストベーク処理を不実施とし、既に説明した熱処理を行う工程は、ポストベーク処理が不実施の基板に対して、開始温度を90℃として、紫外線照射処理を行いつつ、最大でも0.5℃/秒の昇温率で、最終温度まで温度を上昇させる工程とすればよい。
データは示さないが、ノボラック樹脂を基材とするレジストパターンの変形は110℃程度から始まることがわかっている。従って、パターニングの開始温度を90℃とすれば、レジストパターンの変形を効果的に防止することができる。
この第2の形成方法によれば、ポストベーク工程を不実施とできるので、工程数が削減される。従って、より簡易な工程で、レジストパターンの所期の形状を損なうことなく、精度よくレジストパターンを形成することができる。結果として製造コストの削減が期待される。
ポストベーク処理を不実施とする場合の熱処理を行う工程は、最終温度を140℃として行う工程とすればよい。
既に説明した第1及び第2の方法のいずれのレジストパターンの形成工程においても、紫外線照射処理は、昇温開始時からに照射線量を徐々に増加させる処理とするのがよい。
この紫外線処理は、具体的には段階的に線量を増加させることにより行うのがよい。ここでいう「段階的」とは、ランプ照度と照射時間とを一組として何組かに分けて段階的に切り替えて照射を行うことを意味する。また、これら各段階は連続的に途切れなく行われる。
この段階的な紫外線処理は、例えば、常時点灯している紫外線ランプを用い、紫外線ランプの下部に位置する絞り及び印加電圧を適宜調整することにより照度を調節すればよい。紫外線ランプは、例えば200nm〜600nm程度の範囲の波長の紫外光を発するものを適用すればよい。
この段階的な紫外線照射処理は、ランプ照度を1.5mW/cm2として昇温開始から5秒間照射する第1段階と、ランプ照度を200mW/cm2として5秒間照射する第2段階と、ランプ照度を500mW/cm2として90秒間照射する第3段階を含むのがよい。このようにすれば、より精度よくレジストパターンを形成することができる。
既に説明した第1及び第2の方法のいずれのレジストパターンの形成工程においても、レジスト層を形成する工程は、ポジ型レジスト材料によりレジスト層を形成する工程とするのがよい。
以下に図1〜図3を参照して、この発明のレジストパターンの形成方法の実施例につき説明する。
(実施例1)
図1を参照して、レジストパターンの形成方法の一実施例につき説明する。
図1は、熱処理条件を説明するためのグラフである。(A)図は紫外線(UV)照射条件を示し、(B)図は経時的な昇温過程を示している。なお、(A)図及び(B)図において横軸は同一スケールで示す時間(秒)である。(A)図における縦軸は光量(mW/cm2)を示し、符号「N」は極小照度、すなわち照度(ランプ照度)1.5mW/cm2であり、符号「L」は低照度、すなわち照度200mW/cm2であり、かつ符号「H」は高照度、すなわち照度500mW/cm2である。また、(B)図における縦軸は温度(℃)を示している。
この例は、p型シリコン基板を用い、既に説明したプリベーク処理、露光処理及び現像処理を順次に行って、ノボラック樹脂系ポジ型レジスト(染料非含有)を材料とするレジスト層をパターニングし、然る後、ポストベーク処理を行ったサンプルに対して、紫外線照射処理を伴う熱処理を実施した例である。以下に具体的な熱処理条件を説明する。
図1(A)及び(B)に示すように、時刻t0を開始時点として、同時に、紫外線照射及び熱処理(昇温)を開始した。
この例では、開始時点(t0)での紫外線の光量(ランプ照度)は1.5mW/cm2であり、熱処理の開始温度は既に説明したポストベーク処理温度より低い温度である100℃とした。
熱処理の昇温率(1秒間あたりの上昇温度)は0.5℃/秒とし、最終温度は140℃に設定した。従って、100℃から140℃に達するまでの昇温にかかる時間〔tN(照度Nで照射処理が行われる時間)+tH(照度Hで照射処理が行われる時間)〕は、80秒間である。なお、最終温度に達した時点で昇温は終了し、3.0℃/秒の降温率で温度を下げる処理(降温処理)を行った。
この降温処理は、次工程に備えた装置のステージ冷却を意図したものでもある。従って、次工程に必要な条件を考慮しつつ、レジストパターンの精度に悪影響を及ぼさないことを条件として、この降温率は任意好適なものとすることができる。
紫外線照射処理は、開始時点t0からtN秒間、この例では5秒間、1.5mW/cm2の照度で紫外線照射行い、引き続きtH秒間、この例では75秒間、500mW/cm2の照度で紫外線照射を行った。
この照度の調整は、常時点灯している紫外線ランプに対して、任意好適な絞り手段を適用するか、紫外線ランプ自体に加えられる電圧を適宜変えることにより行えばよい。
(実施例2)
図2は、熱処理条件を説明するためのグラフ(2)である。図1と同様に(A)図は紫外線(UV)照射条件を示し、(B)図は経時的な昇温過程を示している。(A)図及び(B)図において横軸は同一スケールで示す時間(秒)である。(A)図における縦軸は光量(mW/cm2)を示し、符号「N」は極小照度、すなわち照度(ランプ照度)1.5mW/cm2であり、符号「L」は低照度、すなわち照度200mW/cm2であり、かつ符号「H」は高照度、すなわち照度500mW/cm2である。また、(B)図における縦軸は温度(℃)を示している。
この例は、p型シリコン基板を用い、既に説明したプリベーク処理、露光処理及び現像処理を順次に行って、ノボラック樹脂系ポジ型レジスト(染料非含有)を材料とするレジスト層をパターニングした後、ポストベーク処理を不実施としたサンプルに対して、紫外線照射処理を伴う熱処理を実施した例である。以下に具体的な熱処理条件を説明する。
図2(A)及び(B)に示すように、時刻t0を開始時点として、同時に、紫外線照射及び熱処理(昇温)を開始した。
この例では、開始時点(t0)での紫外線の光量(ランプ照度)は1.5mW/cm2であり、熱処理の開始温度は既に説明した、従来行われるポストベーク処理温度より低い温度である90℃とした。
熱処理の昇温率は0.5℃/秒とし、最終温度は140℃に設定した。従って、90℃から140℃に達するまでの昇温にかかる時間(tN+tH)は、100秒間である。なお、最終温度に達した時点で昇温は終了し、実施例1と同様に3.0℃/秒の降温率で温度を下げる処理(降温処理)を行った。
紫外線照射は、開始時点t0からtN秒間、この例では5秒間、1.5mW/cm2の照度で紫外線照射行い、引き続きtH秒間、この例では95秒間、500mW/cm2の照度で行った。
(変形例)
図3は、熱処理条件を説明するためのグラフ(3)である。図1と同様に(A)図は紫外線(UV)照射条件を示し、(B)図は経時的な昇温過程を示している。(A)図及び(B)図において横軸は同一スケールで示す時間(秒)である。(A)図における縦軸は光量(mW/cm2)を示し、符号「N」は極小照度、すなわち照度(ランプ照度)1.5mW/cm2であり、符号「L」は低照度、すなわち照度200mW/cm2であり、かつ符号「H」は高照度、すなわち照度500mW/cm2である。また、(B)図における縦軸は温度(℃)を示している。
この例は、p型シリコン基板を用い、既に説明したプリベーク処理、露光処理及び現像処理を順次に行って、ノボラック樹脂系ポジ型レジストを材料とするレジスト層をパターニングした後、ポストベーク処理を不実施としたサンプルに対して、紫外線照射処理を伴う熱処理を実施した例である。以下に具体的な熱処理条件を説明する。
図3(A)及び(B)に示すように、時刻t0を開始時点として、同時に、紫外線照射及び熱処理(昇温)を開始した。
この例では、開始時点(t0)での紫外線の光量(ランプ照度)は1.5mW/cm2であり、熱処理の開始温度は既に説明した、、従来行われるポストベーク処理温度より低い温度である90℃とした。
熱処理の昇温率は0.5℃/秒とし、最終温度は140℃に設定した。従って、90℃から140℃に達するまでの昇温にかかる時間(tN+tL+tH)は、100秒間である。なお、最終温度に達した時点で昇温は終了し、実施例1と同様に3.0℃/秒の降温率で温度を下げる処理(降温処理)を行った。
紫外線照射は、開始時点t0からtN秒間、この例では5秒間、1.5mW/cm2の照度で紫外線照射行い、引き続きtL秒間、この例では5秒間、200mW/cm2の照度で行い、然る後tH秒間、この例では90秒間、500mW/cm2の照度で行った。
このように紫外線照射時の光量を複数段階に分けて上昇させる工程とすれば、レジストから発生するガスによる発泡及びその破裂をより効果的に防止し、レジストパターンの形状精度を向上させることができる。
なお、この例では、実施例2の熱処理(昇温)工程における上述の紫外線照射処理を組み合わせる例を説明したが、実施例1の熱処理(昇温)工程と組み合わせることもできる。
(結果)
図4を参照して、既に説明した実施例1及び2のレジストパターンの形成方法それぞれにより、得られたレジストパターンにつき説明する。
図4は、レジストパターンの形状(プロファイル)を説明するための写真図である。この写真図は基板とレジスト層とが画成する段差を示している。(A)図は、パターニング後であって、UVキュア工程前のレジストパターンのプロファイルを示す対照図である。(B)図は後述する従来公知のUVキュア工程が行われたレジストパターンのプロファイルを示す対照図である。(C)図は実施例1のレジストパターンのプロファイルを示している。(D)図は実施例2のレジストパターンのプロファイルを示している。
まず、(B)図に示すプロファイルが観察された従来のUVキュア工程につき説明する。
このUVキュア工程は、p型シリコン基板を用い、既に説明したプリベーク処理、露光処理及び現像処理を順次に行って、ノボラック樹脂系ポジ型レジストを材料とするレジスト層をパターニングした後、ポストベーク処理を実施したサンプルに対して、紫外線照射処理を伴う熱処理を実施している。以下に具体的な熱処理条件を説明する。
紫外線照射及び熱処理(昇温)を同時に開始した。
この例では、開始時点での紫外線の光量(ランプ照度)は1.5mW/cm2であり、熱処理の開始温度は既に説明したポストベーク処理温度より高い温度である120℃である。
熱処理の昇温率は1.0℃/秒とし、最終温度は160℃である。従って、100℃から160℃に達するまでの昇温にかかる時間は、40秒間である。なお、最終温度に達した時点で昇温は終了し、実施例1と同様に3.0℃/秒の降温率で温度を下げる処理(降温処理)を行った。
紫外線照射は、開始時点から5秒間、1.5mW/cm2の照度で紫外線照射行い、然る後35秒間、500mW/cm2の照度で行った。
(A)図と従来のUVキュア処理を行った(B)図とを比較すると、(B)図においては、レジストパターンの形状が激しく変形し、レジストパターンの側端部と基板面との角度がより大きくなってしまっている。
(A)図と実施例1の処理を行った(C)図とを比較すると、(C)図においては、レジストパターンの形状に若干の変形が見られるものの、従来技術である(B)図と比較するとレジストパターンの変形の度合いが顕著に抑制されていることがわかる。
(A)図と実施例2の処理を行った(D)図とを比較すると、(D)図においては、レジストパターンの変形がほとんど見られない。(C)図と比較してもレジストパターンの変形の度合いはより顕著に防止されていることがわかる。
なお、写真図には示さないが既に説明した変形例によっても実施例2と同等のレジストパターンの変形防止効果が得られた。
なお、上述したように、この発明に適用して好適なレジスト材料は染料を含有していても或いは非含有であっても発明の効果に影響はないが、染料を含有する場合には最大でも1重量%程度のレジスト材料を選択するのが好適である。
(A)図及び(B)図は、熱処理条件を説明するためのグラフ(1)である。 (A)図及び(B)図は、熱処理条件を説明するためのグラフ(2)である。 (A)図及び(B)図は、熱処理条件を説明するためのグラフ(3)である。 (A)図、(B)図、(C)図及び(D)図は、レジストパターンの形状を説明するための写真図である。

Claims (2)

  1. 基板上に、ポジ型レジスト材料を用いてレジスト層を形成する工程と、
    プリベーク処理、露光処理及び現像処理を順次に行って、前記レジスト層をパターニングする工程と、
    110℃から120℃の温度範囲内で、ポストベーク処理を行う工程と、
    開始温度をポストベーク処理温度より低い100℃とし、紫外線照射処理を行いつつ、最大でも0.5℃/秒の昇温率で、140℃以上160℃未満である最終温度まで温度を上昇させる熱処理を行う工程と
    前記最終温度に達した時点で前記熱処理を終了し、温度を下げる降温処理を行う工程と
    を含み、
    前記紫外線照射処理は、ランプ照度を1.5mW/cm 2 とし、昇温開始から5秒間照射する第1段階と、ランプ照度を500mW/cm 2 として75秒間照射する第2段階とを連続的に含むことを特徴とするレジストパターンの形成方法。
  2. 基板上に、ポジ型レジスト材料を用いてレジスト層を形成する工程と、
    プリベーク処理、露光処理及び現像処理を順次に行って、前記レジスト層をパターニングする工程と、
    110℃から120℃の温度範囲内で、ポストベーク処理を行う工程と、
    開始温度をポストベーク処理温度より低い100℃とし、紫外線照射処理を行いつつ、最大でも0.5℃/秒の昇温率で、140℃以上160℃未満である最終温度まで温度を上昇させる熱処理を行う工程と、
    前記最終温度に達した時点で前記熱処理を終了し、温度を下げる降温処理を行う工程と
    を含み、
    前記紫外線照射処理は、ランプ照度を1.5mW/cm 2 とし、昇温開始から5秒間照射する第1段階と、ランプ照度を200mW/cm 2 として5秒間照射する第2段階と、ランプ照度を500mW/cm 2 として90秒間照射する第3段階とを連続的に含むことを特徴とするレジストパターンの形成方法。
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