JP6816083B2

JP6816083B2 - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP6816083B2
Application number: JP2018198535A
Authority: JP
Inventors: 塩原　英志; 英志塩原
Original assignee: Kioxia Corp
Current assignee: Kioxia Corp
Priority date: 2018-10-22
Filing date: 2018-10-22
Publication date: 2021-01-20
Anticipated expiration: 2035-01-23
Also published as: JP2019053305A

Description

本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置の微細化を実現するため、露光光にＥＵＶ（extreme ultraviolet）光を用いたリソグラフィ技術が提案されている。
ＥＵＶリソグラフィでは、ＥＵＶ光源の出力を高めることが難しいため、レジスト膜の高感度化が重要になってくる。そのため、レジスト膜中に露光光の吸収を高める物質を含有させることが提案されている。しかしながら、レジスト膜の厚さ方向で光吸収係数が一律であると、レジスト膜の上面から下面に向かって光吸収量が減少してしまう。そのため、レジスト膜の厚さ方向全体で十分な露光量を確保することが難しくなる。

このような問題に対して、レジスト膜の下に露光光に対する感度を高めるための増感剤を含有した下層膜を設け、この下層膜からレジスト膜中に増感剤を拡散させる方法が提案されている。しかしながら、下層膜とレジスト膜とのミキシングを防止するために、レジスト膜を形成する前に下層膜を高温で十分に硬化させておく必要がある。すなわち、下層膜からレジスト膜中に増感剤を拡散させる際の温度よりも高い温度で下層膜を硬化させておく必要がある。そのため、下層膜からレジスト膜中に十分に増感剤を拡散させることが難しいという問題がある。

したがって、レジスト膜中に十分に増感剤を含有させることが可能な方法が望まれている。

特開２０１３−１３５０６６号公報特開２００９−１０５２１８号公報特許第４５６４９７７号公報国際公開第１２／０６７０４０号

レジスト膜中に十分に増感剤を含有させることが可能な半導体装置の製造方法を提供する。

実施形態に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板を含む下地領域上に、レジスト膜への露光光に対する感度を高めるための増感剤を含有したエネルギー線硬化性樹脂層を形成する工程と、前記エネルギー線硬化性樹脂層にエネルギー線としてＵＶ光を照射して前記エネルギー線硬化性樹脂層を室温で硬化させて前記増感剤を含有した下層膜を形成する工程と、前記下層膜上に前記レジスト膜を形成する工程と、熱処理によって前記下層膜から前記レジスト膜中に前記増感剤を拡散させる工程と、前記増感剤が拡散したレジスト膜にフォトマスクを介して露光光としてＥＵＶ光を照射して前記レジスト膜に所望のパターンを転写する工程と、前記露光光が照射されたレジスト膜を現像し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マスクとして用いて前記下層膜をエッチングして下層膜パターンを形成する工程と、前記レジストパターン及び前記下層膜パターンをマスクとして用いて前記下地領域をエッチングして前記下地領域に回路パターンを形成する工程と、前記レジストパターン及び前記下層膜パターンを除去して前記下地領域に前記回路パターンを残す工程と、を備え、前記レジスト膜中に拡散した増感剤の濃度は、前記レジスト膜の上面から下面に向かって増加しており、前記増感剤は、露光光を吸収して２次電子を発生するものであり、前記レジスト膜は、２次電子のエネルギーによって酸を発生する酸発生剤を含有し、前記エネルギー線硬化性樹脂層は、第１の樹脂、第２の樹脂及び第３の樹脂から選択された樹脂によって形成され、前記第１の樹脂は、カチオン重合可能な反応性基を有する重合性化合物と光カチオン重合開始剤との混合物と、前記増感剤とを含み、前記第２の樹脂は、ラジカル重合可能なエチレン性不飽和結合を有する重合性化合物と光ラジカル重合開始剤との混合物と、前記増感剤とを含み、前記第３の樹脂は、シリコン酸化物又はメタル酸化物を主成分とするエネルギー線重合性化合物と光カチオン重合開始剤又は光ラジカル重合開始剤との混合物と、前記増感剤とを含む。

実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。実施形態に係る半導体装置の製造方法の一部を模式的に示した断面図である。レジスト膜の光吸収係数及び吸収光子数の一例を示した図である。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。
図１〜図９は、実施形態に係る半導体装置の製造方法を模式的に示した断面図である。以下、図１〜図９を参照して、本実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。
まず、図１に示すように、半導体基板（図示せず）を含む下地領域１１上に、露光光（本実施形態では、ＥＵＶ光）に対する感度を高めるための増感剤を含有したエネルギー線硬化性樹脂液を塗布し、エネルギー線硬化性樹脂層１２ａを形成する。エネルギー線硬化性樹脂には、紫外線（ＵＶ）硬化性樹脂等の光硬化性樹脂や、電子線硬化性樹脂を用いることができる。すなわち、エネルギー線硬化性樹脂には、光や電子線等のエネルギー線を照射することによって硬化するものを用いることができる。増感剤には、露光光を吸収して２次電子を発生するものを用いることができる。

また、エネルギー線硬化性樹脂には、有機系樹脂或いは無機系樹脂を用いることができる。具体的には、エネルギー線硬化性樹脂は、以下に述べる第１の樹脂、第２の樹脂及び第３の樹脂から選択することができる。
第１の樹脂は、カチオン重合可能な反応性基を少なくとも１つ有する重合性化合物と光カチオン重合開始剤との混合物と、増感剤とを含む有機系樹脂である。

第２の樹脂は、ラジカル重合可能なエチレン性不飽和結合を少なくとも１つ有する重合性化合物と光ラジカル重合開始剤との混合物と、増感剤とを含む有機系樹脂である。
第３の樹脂は、酸化物を主成分とするエネルギー線重合性化合物と光カチオン重合開始剤又は光ラジカル重合開始剤との混合物と、増感剤とを含む無機系樹脂である。例えば、上記酸化物には、ＳＯＧ（spin-on-glass）等のシリコン酸化物や、チタン酸化物或いはタングステン酸化物等のメタル酸化物を用いることができる。

本実施形態では、エネルギー線硬化性樹脂として、ＥＵＶ光に対して高い光吸収性を有する高光吸収増感剤を含有した光硬化性樹脂を用いる。高光吸収増感剤としては、例えばヨウ素化合物を用いることができる。高光吸収増感剤は、モノマーでもよいしオリゴマーでもよい。光硬化性樹脂液には、室温で液体状態のものを用いてもよいし、高分子を溶媒に溶解したものを用いてもよい。光硬化性樹脂層１２ａの膜厚は、例えば５ｎｍ〜１００ｎｍ程度とする。

次に、図２に示すように、エネルギー線硬化性樹脂層１２ａにエネルギー線１３を照射して、エネルギー線硬化性樹脂層１２ａを室温で硬化させる。これにより、下地領域１１上に、増感剤を含有した下層膜１２ｂが形成される。エネルギー線１３には、ＵＶ光が用いられる。ＵＶ光源には、高圧水銀ランプ（波長：２５０〜３２０ｎｍ、３６５ｎｍ）、低圧水銀ランプ（波長：１８５ｎｍ、２５４ｎｍ）、エキシマランプ（波長：１２６ｎｍ、１４６ｎｍ、１７２ｎｍ、２２２ｎｍ、３０８ｎｍ）等を用いることができる。なお、必要であれば、エネルギー線１３を照射した後、レジスト塗布後のベーク処理温度よりも低い温度でベーク処理を行ってもよい。

次に、図３に示すように、下層膜１２ｂ上にフォトレジストを塗布してレジスト膜１４ａを形成する。本実施形態では、フォトレジストとしてＥＵＶレジストを塗布する。塗布方法は、例えばスピンコート法である。レジスト膜１４ａの膜厚は、例えば２０ｎｍ〜１００ｎｍ程度である。レジスト膜１４ａは、２次電子のエネルギーによって酸を発生する酸発生剤を含有している。下層膜１２ｂはエネルギー線照射によって硬化されているため、下層膜１２ｂとレジスト膜１４ａとのミキシングは防止される。

次に、図４に示すように、レジスト膜１４ａに対して１００℃〜１５０℃程度の温度で熱処理（ベーク処理）を行う。この熱処理により、レジスト膜１４ａに残存している溶媒が除去される。また、この熱処理によって下層膜１２ｂからレジスト膜１４ａ中に増感剤を拡散させる。図２の工程で、下層膜１２ｂを形成する際の硬化処理は、エネルギー線照射によって行われる。そのため、図２の工程では、エネルギー線硬化性樹脂は高温に晒されていない。したがって、本工程の熱処理（ベーク処理）により、下層膜１２ｂに含有されている増感剤を、下層膜１２ｂからレジスト膜１４ａ中に効果的に拡散させることができる。その結果、増感剤を含有するレジスト膜１４ｂが得られる。

下層膜１２ｂに含有されている増感剤は、レジスト膜１４ｂの下面から上面に向かって拡散していく。そのため、レジスト膜１４ｂ中に拡散した増感剤の濃度は、レジスト膜１４ｂの下面から上面に向かって減少している。言い換えると、レジスト膜１４ｂ中に拡散した増感剤の濃度は、レジスト膜１４ｂの上面から下面に向かって増加している。

図１０は、レジスト膜１４ｂの光吸収係数及び吸収光子数の一例を示した図である。図１０（ａ）は単位深さ当たりのレジスト膜１４ｂの光吸収係数であり、図１０（ｂ）は単位深さ当たりのレジスト膜１４ｂの吸収光子数である。図１０（ａ）の光吸収係数は、レジスト膜１４ｂ中の増感剤の濃度に実質的に比例している。したがって、図１０（ａ）は、レジスト膜１４ｂ中の増感剤の濃度プロファイルに実質的に対応している。

図１０に示すように、単位深さ当たりのレジスト膜１４ｂの吸収光子数が一定となるように、レジスト膜１４ｂ中の増感剤の濃度を制御することが好ましい。図４の熱処理（ベーク処理）における熱処理温度及び熱処理時間を的確に制御することで、図１０に示すような特性を得ることが可能である。図１０に示すような特性を有するレジスト膜１４ｂを形成することで、レジスト膜１４ｂの深さ方向（厚さ方向）における露光光の吸収量を均一化することができる。

以上のようにして、下地領域１１上に形成され、露光光に対する感度を高めるための増感剤を含有し、且つエネルギー線硬化性樹脂から形成された下層膜１２ｂと、下層膜１２ｂ上に設けられ、且つ下層膜１２に含有された増感剤と同種の増感剤を含有するレジスト膜１４ｂとを含む構造が得られる。

次に、図５に示すように、増感剤が拡散したレジスト膜１４ｂに露光光１５としてＥＵＶ光を照射する。すなわち、所望のパターン（回路パターン）を有するフォトマスクを介して、レジスト膜１４ｂにＥＵＶ光を照射する。これにより、レジスト膜１４ｂに所望のパターンが転写される。

レジスト膜１４ｂには、下層膜１２ｂから拡散した増感剤が含有されている。レジスト膜１４ｂに含有された増感剤は露光光（ＥＵＶ光）を吸収して２次電子を発生する。そして、２次電子のエネルギーにより、レジスト膜１４ｂに含有された酸発生剤から酸が発生する。すでに述べたように、増感剤の濃度は、レジスト膜１４ｂの上面から下面に向かって増加しており、レジスト膜１４ｂは、例えば図１０に示すような特性を有している。したがって、レジスト膜１４ｂの深さ方向（厚さ方向）における露光光の吸収量は均一化される。

さらに、所望のパターンが転写されたレジスト膜１４ｂに対してポストエクスポージャベークを行う。
次に、図６に示すように、露光光（ＥＵＶ光）が照射され、ポストエクスポージャベークが行われたレジスト膜１４ｂを現像する。これによりレジストパターン１４ｃが形成される。現像処理の薬液には、レジスト膜１４ｂがポジ型レジストの場合には、２．３８％濃度のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド水溶液等のアルカリ性水溶液を用いることができる。レジスト膜１４ｂがネガ型レジストの場合には、ｎ−ブチルアルコール等の有機溶媒を用いることができる。

なお、図５の露光工程において、レジスト膜１４ｂの最底部には、露光光が十分に到達しない場合もある。そのため、レジスト膜１４ｂがポジ型レジストの場合には、現像工程でレジスト膜１４ｂの最底部が残るおそれがある。しかしながら、レジスト膜１４ｂの最底部に残った部分は、次工程のドライエッチングによって除去することができる。また、レジスト膜１４ｂがネガ型レジストの場合には、レジスト膜１４ｂの最底部が溶解するおそれがある。しかしながら、下層膜１２ｂに酸性物質を含有させることで、レジスト膜１４ｂの溶解を防止することが可能である。

次に、図７に示すように、レジストパターン１４ｃをマスクとして用いて、下層膜１２ｂをドライエッチングする。これにより、下層膜パターン１２ｃが形成される。ドライエッチングには、酸素、窒素、水素、水、ハロゲン系ガス、硫黄化合物ガス、等のプラズマを用いることができる。下層膜１２ｂの種類に応じて、適当なドライエッチングガスを用いることができる。

次に、図８に示すように、レジストパターン１４ｃ及び下層膜パターン１２ｃをマスクとして用いて、下地領域１１をエッチングする。これにより、下地領域１１に回路パターンが形成される。
次に、図９に示すように、レジストパターン１４ｃ及び下層膜パターン１２ｃを除去することで、下地領域１１に回路パターンが残る。

以上のように、本実施形態では、エネルギー線硬化性樹脂を用いて下層膜１２ｂが形成されており、エネルギー線照射によって下層膜１２ｂが硬化されている。そのため、図４の拡散工程が行われるまで、下層膜１２ｂは高温に晒されない。すなわち、下層膜１２ｂは、図４の熱処理が行われるまで図４の熱処理温度よりも高い温度に晒されない。したがって、図４の熱処理によって下層膜１２ｂからレジスト膜１４ａ中に容易に増感剤を拡散させることができる。その結果、レジスト膜１４ｂ中に十分に増感剤を含有させることが可能である。

また、本実施形態では、レジスト膜１４ｂ中の増感剤に対して、レジスト膜１４ｂの上面から下面に向かって増加するような濃度プロファイルを容易に与えることが可能である。そのため、図５の露光工程において、レジスト膜１４ｂの深さ方向（厚さ方向）における露光光の吸収量を均一化することができる。したがって、現像処理によって高精度のレジストパターンを形成することができる。

なお、上述した実施形態において、図３の工程でレジスト膜１４ａを形成した後、レジスト膜１４ａ上にトップコート膜を形成してもよい。レジスト膜１４ｂ中の増感剤はアウトガス成分となりやすいため、トップコート膜を形成することでアウトガスの発生を抑制することが可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１…下地領域１２ａ…エネルギー線硬化性樹脂層
１２ｂ…下層膜１２ｃ…下層膜パターン
１３…エネルギー線１４ａ…レジスト膜１４ｂ…レジスト膜
１４ｃ…レジストパターン１５…露光光

Claims

半導体基板を含む下地領域上に、レジスト膜への露光光に対する感度を高めるためのＥＵＶ光用増感剤であってＥＵＶ光に対して特異的に感度波長を有するＥＵＶ光用増感剤を含有したエネルギー線硬化性樹脂層を形成する工程と、
前記エネルギー線硬化性樹脂層にエネルギー線としてＵＶ光を照射して前記エネルギー線硬化性樹脂層を室温で硬化させて前記ＥＵＶ光用増感剤を含有した下層膜を形成する工程と、
前記下層膜上に前記レジスト膜を形成する工程と、
熱処理によって前記下層膜から前記レジスト膜中に前記ＥＵＶ光用増感剤を拡散させる工程と、
前記ＥＵＶ光用増感剤が拡散したレジスト膜にフォトマスクを介して露光光としてＥＵＶ光を照射して前記レジスト膜に所望のパターンを転写する工程と、
前記露光光が照射されたレジスト膜を現像し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マスクとして用いて前記下層膜をエッチングして下層膜パターンを形成する工程と、
前記レジストパターン及び前記下層膜パターンをマスクとして用いて前記下地領域をエッチングして前記下地領域に回路パターンを形成する工程と、
前記レジストパターン及び前記下層膜パターンを除去して前記下地領域に前記回路パターンを残す工程と、
を備え、
前記レジスト膜中に拡散したＥＵＶ光用増感剤の濃度は、前記レジスト膜の上面から下面に向かって増加しており、
前記ＥＵＶ光用増感剤は、露光光を吸収して２次電子を発生するものであり、
前記レジスト膜は、２次電子のエネルギーによって酸を発生する酸発生剤を含有し、
前記エネルギー線硬化性樹脂層は、第１の樹脂、第２の樹脂及び第３の樹脂から選択された樹脂によって形成され、
前記第１の樹脂は、カチオン重合可能な反応性基を有する重合性化合物と光カチオン重合開始剤との混合物と、前記ＥＵＶ光用増感剤とを含み、
前記第２の樹脂は、ラジカル重合可能なエチレン性不飽和結合を有する重合性化合物と光ラジカル重合開始剤との混合物と、前記ＥＵＶ光用増感剤とを含み、
前記第３の樹脂は、シリコン酸化物又はメタル酸化物を主成分とするエネルギー線重合性化合物と光カチオン重合開始剤又は光ラジカル重合開始剤との混合物と、前記ＥＵＶ光用増感剤とを含む
ことを特徴とする半導体装置の製造方法。