JPH01140145A - パターン形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はたとえば半導体装置、磁気バルブ装置、超伝導
装置などの作製方法に係り、特に微細パターン形成に好
適なフォトリソグラフィ方法に関す２゜ 【従来の技術〕 ＬＳＩの集積度向上および動作速度の高速化等諸性能の
向上を行なうためには、その加工の微細度を高める必要
がある。すなわち、微細パターンを形成する必要がある
。特に配線間の導通をとるためのコント穴の微細化が要
求されている。コント穴の基板全面に対する占有率は低
い１歩留りを大きく左右するマスク上ゴミ付着による欠
陥の発生を考えると、このような穴パターンはポジ型の
露光方法でパターンを形成する必要がある。

現在、高集積半導体装置ならびに磁気バブル装置におけ
る微細パターンの形成には縮小投影露光法が主として用
いられている０本方法で微細パターンを形成するために
は露光々の短波長化が有効である。これは露光装置で用
いている投影レンズの開口数をＮＡ　（Ｎｕｍｅｒｉｃ
ａｌ　Ａｐａｒｔｕｒａ）　、露光々の波長をλとする
と、レンズの分解能Ｒは一般にレーリーの式 ％式％ となるためである、短波長化により回折が起こりにくく
なり解像度が上がる。このため現在主に用いられている
水銀のｇ線（波長４３６ｎｍ）より波長の短かいエキシ
マレーザ−光（例えばＫｒＦの２４９ｎｍ）を用いたり
ソグラフイがさかんに検討されている。

短波長光を用いた場合の最大の問題はドライエツチング
耐性が十分なレジスト材料がないことである。レジスト
は被加工膜を加工するときのエツチングマスクとして働
く。高精度なエツチングにはドライエツチングを用いて
いるため、レジストには高いドライエツチング耐性が要
求される。ドライエツチング耐性を高めるためにはベン
ゼン環を含んだ材料でレジストを構成すればよいことが
知られている。しかしベンゼン環は２４Ｑｎｍ付辺の光
を極めてよく吸収する。このため、露光々はレジスト底
部まで達つせず、したがって微細パターンを形成するこ
とはできない。光吸収の高いレジストを用いると断面が
傾斜したテーパー形状になる。

ＬＳＩの基板には配線層、絶縁層などが縦横に走ってい
るため複雑かつ大きな段差が形成されている。特に導通
をとるべきコンタクト形成工程ではすでに基板上に配線
が複雑に形成されており、この工程では１〜２μｍ程度
の大きな段差が形成されている基板上に正確な大きさの
孔をあける必要がある。孔の大きさがバラツクと導通抵
抗が変わり、また目あきなどのプロセス上の問題も発生
するため、孔の寸法精度は高くなければならない。

基板に段差があるとレジスト膜厚は変わる。レジスト断
面形状がテーパー状だとレジスト膜厚が厚いところと薄
いところで寸法が異なる８寸法精度が低くなるため１歩
留まりが下がり使えない。

さらに段差をカバーするためレジスト膜厚は厚くなくて
はならない、しかしレジスト形状がテーパー状なため解
像度は上がらない、このため孔バラ。

−ンに限らず微細パターンを形成するのが困難という状
況にあった。

これらの問題を対策するための方法として多層レジスト
法が提案されている。この方法は厚い有機物層（Ｂ　Ｌ
　：　Ｂｏｔｔｏ■しａｙｅｒ）の上にフォトレジスト
層を形成し、フォトレジスト上にパターンを形成した後
ＢＬＪ１１へパターン転写し、基板加工用のエツチング
マスクを形成するものである。ＢＬ層で基板段差は緩和
されるため、フォトレジスト層は膜厚変動も少なく、ま
た膜厚も薄くてよい、またＢＬＭに露光々を吸収する性
質をもたせることにより基板からの反射光の影響を受け
な−い高精度なパターン形成することができる。

この多層レジスト法はフォトレジスト層からＢＬ層へパ
ターンを転写するときの転写の方法によって、主に次の
２つに分類される。

一つはドライエツチングを用いる方法である。

この方法ではＢＬにドライエッチ耐性のある材料を用い
ることができ、高解像かつ高精度なパターンを形成でき
る反面、スループットが低く、工程数も多く、多大な設
備とする。このため、この方法はあまり工業的ではない
。

もう一つは露光・現像によって感光性を有するＢ　Ｌへ
パターン転写するＰ　ＣＭ　（ＰｏｒｔａｂｌｅＣｏｎ
ｆｏｒ園ａｂｌｅ　Ｍａｓｋ）法とよばれる方法である
。この方法は工程が比較的簡便であり工業的メリットが
大きい、しかしこの方法は材料上の制約からフォトレジ
スト層に３６５〜４３６ｎｍ程度の紫外光に感光性のあ
る材料を、ＢＬに遠紫外光に感光する材料となっており
、本目的である遠紫外光によるパターン露光には適応し
ない、またＢＬにはＰＭＭＡやＰＰＭＧＩなどを用いて
いるがこれらの材料はドライエツチング耐性が十分でな
いという問題があった。

以上まとめると、通常のレジスト法、多層レジスト法と
もに遠紫外光露光に対してはドライエツチング耐性が低
い、解像度が低い、あるいは工程数が多くなるといった
問題があった。

なお１本発明に似た方法としてＢ　ＯＭ　（Ｂｕｉｌｔ
ｏｎ　Ｍａｓｋ）法がある。しかし、この方法は光が当
ると光吸収のピークが長波長側に移動するレッドシフト
を利用したものであり、パターン露光を行なった部分は
より波長の長い光に対し遮光性を示すため、所望のパタ
ーンを露光した後より波長の長い光を用いてレジストを
感光させパターンを形成するＲＯＭ法ではネガ型の露光
となる。ポジ型のレジストパターン形成を目的とした本
方法とは異なる。

なお、ドライエツチングを用いた多層レジスト法につい
ては特開昭５１−１０７７７５で、ＰＣＭ法については
特開昭５６−５１７３８および特開昭５７−２４５３９
などで、エキシマ霞光法については日経マイクロデバイ
ス２月号第１２５頁から第１３４頁（１９８７年）にか
けて、８０Ｍ法についてはマイクロエレクトロニックエ
ンジニアリング３　（１９８５年）第２４５頁から第２
５２頁（ＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＲｎｇｉｎｅ
ｅｒｉｎｇ３　（１９８５）ｐｐ２４５−２５２）にお
いて論じられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明の目的は上記従来の問題点を解決したＤｅｅｐ　
ｔＪ　Ｖ露先に最適なポジ型のパターン形成方法を提供
することにある。すなわちＤｅｅｐＵＶＷ光法において
、解像度が高く、耐ドライエツチ耐性が十分あり、基板
段差および基板からの反射光の影響をほとんど受けない
高精度かつ高解像なポジ型パターン形成方法を提供する
ことにある。

〔問題点を解決するための手段〕

フォトレジスト層の上に以下に記す特性を有する膜（以
下上層膜と称す）を形成し、所望のパターンを露光（以
下パターン露光と称す）した後、パターン露光々より波
長の長い光（この光を全面照射光と称す）をウェーハ全
面に照射した後、上層膜を除去し、フォトレジスト層を
現像してパターンを形成する。

上層膜に要求される性質は ■パターン露光々が上層膜に照射されるとパターン露光
々に対する透過率が上がる。

■全面照射光の照射に対しては透過率の変化はあまり起
こらない。

である。

フォトレジストとして耐ドライエツチ性の高い材料、ベ
ンゼン環を含む材料、例えばノボラック樹脂を含む材料
を用い、パターン露光々にＤｅｅｐＵＶ光、全面照射光
にＵＶ光を用いると上記問題点を解決できる。

〔作用〕

パターン露光々が照射された部分のみ上層膜の全面露光
々に対する透過率が上がる。このため、パターン露光々
に比べ波長の長い全面露光々をパターン露光の後に照射
することにより、所望のパターンを露光した部分だけ選
が的にフォトレジストを感光させることができる。すな
わち上層膜はパターン露光々に感光し、全面照射光に対
してマスクとなるＰＣＭ法の上層レジストに相当する性
質を有する。波長が異なる光であるもののパターン露光
々が照射された部分のフォトレジストが選択的に感光さ
れるため、ポジ型の感光となる。

パターン露光々には解像度の高いＤｅｅｐＵＶ光が使え
る。全面露光々をＵＶ光（例えば波長３６５〜４３６ｎ
ｍの光）とすると、ドライエッチ耐性のあるベンゼン環
を含んだレジスト、例えばナフトキノンジアジドと）ボ
ラック樹脂からなるフオトレジス］・をレジスト内での
光吸収が小さい状態で用いることができる。このため解
像度は高く、レジスト断面形状も急峻にきりたった良好
なものとなる。よって解像度とドライエッチ耐性をとも
に満足することが可能となる。

ベンゼン環を含んだ材料はＤｅｅｐＵＶ光をよく吸収す
るのでパターン露光の際、上層膜の下に形成されている
フオトレジス１−は吸光層の役割りを果たす。このため
基板からの反射光の影響を取り除くことが可能となり１
寸法精度が向上する。帯域幅が狭いエキシマリレーザー
光をパターン露光々として用いると、レジスト内での光
吸収が少ない場合、定在波効果が生じ、解像度の高い良
好なパターンを形、成することはできないが、本方法で
はこのような問題は生じない。

上層膜は実質的にフォトレジストを露光するときのコン
フォーマプルマスクとして機能する。このため高い寸法
精度を得るためには上層膜の膜厚は均一でなければなら
ない、上層膜にとってフォトレジストは段差緩和層とし
ても働くため、基板に段差がある場合でも上層膜の膜厚
はバラつかず比較的均一になる。このため寸法精度は高
い。

〔実施例〕

以下１本発明の実施例を図を用いて説明する。

実施例１ 第１図（ａ）な示すように段差が形成されているＳｉ基
板１にフォトレジストを回転塗布し、その後ホットプレ
ート上で７０℃１分間の熱処理を行なってフォトレジス
ト層２を形成した。フォトレジストとしては東京応化■
社の０ＦＰＲ５０００を用いたが他のフォトレジストを
用いることもできる。

フォトレジスト膜の形成方法は回転塗布に限らない０例
えばディッピング塗布、蒸着法などを用いてもよい、フ
ォトレジスト塗布後の熱処理条件もこれに限らない、な
お、ここでは基板の段差を約１μｍ、平担なウェーハ上
でのフォトレジスト層の膜厚を約、５μｍ　とした、但
しこの条件は一例にすぎず、基板段差やレジスト膜厚は
この値に限らない。

次に第１図（ｂ）に示したようにフォトレジスト層２上
に上層膜３を形成した。上層膜３は４−（Ｎ、Ｎ−ジメ
チルアミノ）−ベンゼンジアゾニウムクロリド塩化亜鉛
複塩とポリビニルピロリドン−酢酸ビニル共重体の混合
物の水溶液を回転塗布して形成した。塗布膜厚は約１μ
ｍとした。基板１に段差があるにもかかわらず、フォト
レジスト層２の表面は比較的平坦になるため、上層膜３
の膜厚はほぼ均一であった。この上層膜は第２図に示す
ように波長２４８ｎｍの光を照射すると波長３６５ｎｍ
の光に対する透過率が上がるという性質を持つ、また波
長２４８ｎｍの光を照射しないときの波長３６５ｎｍの
光に対する透過率はほとんど０％である。

次に第１図（ｃ）に示すように所望のパターンが形成さ
れているマスク４を介してパターンを露光した。パター
ン露光々５としてはＫｒＦエキシマレーザ−光（波長２
４８ｎｍ）を用いた。露光方法としては縮小投影露光法
を用いた。露光量は約０．７　Ｊ　／ａＪ　とした、こ
の光に対するフォトレジスト０ＦＰＲ５０００の感度は
１ａＩ／Ｊ以下なためほとんどフォトレジストは感光さ
れない、またこのフォトレジストはこの光をよく吸収（
吸収係数約５μ、、１）するため、上層膜３の感光に与
える基板からの反射光の影響はほとんどない。

次に第１図（ｄ）に示すように波長３６５ｎｍの光をウ
ェーハ全面に一様に照射した。この全面照射光６の光強
度は約１００ｍＪ／ａＩとした。第３図に上層膜３の波
長３６５ｎｍの光に対するブリーチング特性、すなわち
波長３６５ｎｍの光を照射したときの波長３６５ｎｍの
光の透過率を示す、ドーズ量が１００ｍＪ／ｃｊ以下で
はほとんど波長３６５ｎｍの光を透過しない。

第２図かられかるように波長２４８ｎｍの光が照射され
た部分の上層膜３′は波長３６５ｎｍの光に対する透過
率が上がる。このため２４８ｎｍの光が照射された部分
のフォトレジストは全面照射光６によって感光される。

一方、マスク４によって遮光されて波長２４８ｎｍの光
が当らなかった上層膜の部分３１は波長３６５ｎｍの光
に対して遮光膜として働くため、その部分のフォトレジ
ストを感光しない。

その後ＭＦ３１２（シラプレー社商品名）の４０％水溶
液を用いてフォトレジストをを現像し、第１図（ｅ）に
示すようにレジストパターン２′を形成した。なお、上
層膜３は水溶性であるため、現像の際自動的に除去され
た。

本方法により０．４μｍホールパターンを基板段差の上
にも下にも±０．０５μｍ以下の寸法精度で形成するこ
とができた。しかもレジストの断面形状は垂直にきりた
ったものであった。また０、４μｍホールパターンに限
らず、０．５゜０．６μｍなどのホールパターンをはじ
めライン＆スペースパターン、スペースパターン、孤立
ラインパターンなども高精度かつ、垂直な断面形状で形
成することができた。なお使用した投影レンズのＮＡは
０．３５である。ＮＡをより大きくすると、より微細な
パターンを形成することができる。ノボラック系のフォ
トレジストを用いているためドライエツチング耐性も十
分であった。

なお、比較のために従来法によりこの基板上に同種のパ
ターンを形成してみた。フォトレジストとしてＭＰ２４
００　（ヘキスト社商品名）を用いた場合、レジスト内
での光吸収が大きいために。

０．４μｍホールパターンを形成することはできなかっ
た。０．５μｍホールパターンも基板段差の上下ともに
解像させることはできなかった。テーパーが大きくつい
た断面形状のため、エツチングマスクとして不適であっ
た。フォトレジストとしてＰＭＭＡを用いると定在波が
激しく起き０．４μｍホールパターンを解像させること
はできなかった。またＰＭＭＡのエッチレートは本発明
の場合に比べ著しく大きくエツチングマスクとして不適
であった。例えば、０．０５ｔｏｒｒのＣＣＱ　４ガス
を用い、エツチング出力０．３２．Ｗｌｄ下でＲＩＩ！
：（リアクティブイオンエツチング）を行なったところ
、本発明の場合のフォトレジストのエッチレートは約５
０ｎｍ／ｍｉｎであつ九のに対し、ＰＭＭＡのエッチレ
ートは約１６０ｎｍ／ｍｉｎであった。

なお、本実施例ではＳｉ基板を用いた場合について説明
したが、Ｓｉに限らずＳ　ｚ　Ｏｚ膜やＳｉＮ°膜など
の絶縁膜が積層されている場合、あるいはＡＱ、Ｗ、Ｔ
ｉ、Ｍｏなどの金属膜あるいはシリサイド膜もしくはポ
リサイド暎などが被着されている場合も同様に効果があ
る。但し、反射率の高い基板の場合、全面照射光６の一
部が基板で反射し、フォトレジスト層２内で定在波を生
じ解像度が劣化したり、レジスト断面にリップルが立っ
た形状になったりする。

また基板段差の斜部で反射し遮光部を露光するハレーシ
ョンが起こったりする。このような場合にはフォトレジ
ストに吸光剤入りのものを用いればよい、一般に吸光剤
入りのレジストを用いるとハレーションや定在波は減る
がテーパーのついたレジスト形状になるという問題があ
る。しかし本方法ではフォトレジストの直上に遮光マス
クが形成されたことに相当するため、回折起因の像コン
トラストの低下が少なく、このため吸光性レジストを用
いてもレジスト断面は急峻なものとなる。

また全面照射光を多色光あるいは帯域の広い光とするこ
とにより定在波効果を低減することができる。また基板
の反射率が低くなるような波長の光を用いて全面露光を
行なっても定在波効果やハレーション効果などを低減す
ることができる。但し、上層膜にパターン露光々を照射
したとき、それらの光に対する透過率が上がる波長域か
らそれらの光を選ぶ必要がある。

以下にこれらの実施例を示す。

実施例２ 段差の形成されているＳｉ基板上にＡＱ膜を被着しその
後実施例１と同様の方法でパターンを形成した。但しフ
ォトレジストとして０ＦＰＲ５０００ではなく吸光剤が
添加されている０ＦＰＲ５０００−３３を用いた。この
結果、０．４μｍホールパターンをハレーションの影響
なしに形成することができた。定在波の発生も少なく、
定在波の発生による解像不良は一切認められなかった。

比較のために吸光剤の添加されていない０ＦＰＲｓｏｏ
ｏを用い、上記本方法にて上記ＡＱを被着した基板上に
パターンを形成したところ、全面照射光によるハレーシ
ョンおよび定在波効果が認められ、本来レジストが残る
べき遮光部の一部でレジストが消失した。また一部で解
像不良が生じた。

吸光剤を添加したことによるレジスト断面傾斜角の変化
を調べるために、ＰＩＱを塗布した反射率の低い基板を
用い、吸光剤の人っている０ＦＰＲ５０００と入ってい
ない０ＦＰＲ５０００を使って上記方法でパターンを形
成し、比較した。その結果、断面傾斜角に有意の差は認
められなかった。

なお、本実施例では０ＦＰＲ５０００−３３を用いた場
合について説明したがこれに限らず吸光剤の添加量がよ
り多い０ＦＰＲ５０００−８５なども用いることができ
る。また添加量の少ない０ＦＰＲ５０００−３Ｌも用い
ることができる。但し、添加量が少ないとハレーション
防止効果も弱まる。また０ＦＰＲ５０００−Ｓシリーズ
に限らず０ＮＰＲ８３０−Ｓシリーズ、　ＴＳＭＲ−Ｓ
シリーズ（東京応化■商品名）　、Ａ２１３１８３ＦＤ
（ヘキスト社商品名）なども用いることができる。なお
、吸光剤には退色性色素を用いることが望ましい。

なお、基板上にＡ　ＲＣ（Ｂｒｅｗａｒ社商品名）のよ
うな反射防止膜を形成しておき、その上に本方法を用い
てパターンを形成しても全面照射光によるハレーション
や定在波を防止できることはいうまでもない。

実施例３ Ｓｉウェーハ上にＷを蒸着した基板に上記本方法で穴パ
ターンを形成した。但し、全面照射光のバンド幅依存性
を調べるために、超高圧水銀灯のｉ線のみをバンドパス
フィルタを用いて選択した光、さらに帯域の狭いフィル
タを用いて狭帯化した光、および白色灯を用いバンドパ
スフィルタで波長３５０〜４００ｎｍの光を選択した光
、以上３種類の光を全面照射光として用い、比較した。

バンド幅は狭いほうからあげると、約０．５ｎｍ。

約１０ｎｍ、約５０ｎｍである。

その結果、バンド幅約０．５　　ｎｍの光を用いた場合
、定在波が激しく生じ０．４　　μｍ六六ターンは解除
しなかった。バンド幅１０ｎｍの場合はところどころ解
像不良が認められ、バンド幅約５０ｎｍの光を用いた場
合は０．４μｍ穴パターンを１００％の歩留まりで形成
することができた。

また水銀灯のｉ線とｈ線の二色光線を全面照射光に用い
た場合も同様に効果があり定在波効果は小さかった。

また、全面照射光を照射後、８０〜１４０℃程度の熱処
理を行ない、その後上層膜の除去、フォトレジストの現
像を行なっても定在波を低減することができた。

実施例４ 凹凸パターンの形成されているＳｉウェーハ上に膜厚７
０ｎｍの酸化膜が形成されている基板に本方法を適用し
た。但し全面照射光として波長３５０ｎｍから４２０ｎ
ｍまでの光を用い、どの波長の光が最も良好なパターン
を形成できるか調べた。その結果、基板からの反射光が
最も弱くなる波長約４００ｎｍの光を用いたとき、最も
ハレーションによる遮光部のレジスト削れや定在波によ
るレジスト側面のリップルのない良好なパターンを形成
することができた。

なお、上記実施例では上層膜に４−　（Ｎ、Ｎ−ジメチ
ルアミノ）−ベンゼンジアゾニウムクロリド塩化商船複
塩とポリビニルピロリドン−酢酸ビニル共重体の混合物
を用い、膜厚を約１μｍとしたが、この材料および膜厚
に限らない。パターン露光々未照射部分では全面照射光
を遮光し、パターン露光々照射部分は十分透過すればよ
い。なお上層膜はパターン露光々自体に対してブリーチ
ングする性質、すなわちパターン露光々を照射するとそ
の波長の光の透過率が上がる性質を合わせ持つとよいこ
とはいうまでもない。また、パターン露光々によって上
層膜に潜像が形成され、全面照射光に対する上層膜の透
過率が潜像に応じて変わった後は全面照射光に対する光
透過率が変わらない、すなわち、上層膜は全面照射光（
の波長の光）によっては透過率変化が起らないことがよ
いのはいうまでもない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、解像度の高い波長の短かい光を用いて
レジストパターンを形成した場合の従来法の問題点であ
るドライエツチング耐性の不足。

解像度の不足、寸法精度の低下およびレジスト形状の劣
化といった問題をすべて解決し、高精度かつ高解像でド
ライエツチング耐性の高いパターンを形成することがで
きる。また基板からの反射光および基板段差の影響をほ
とんど受けないため、これらの要因に基づく寸法精度の
低下も少ない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す工程図である。 第２図および第３図は本発明で用いた材料の特性を示す
曲線図である。 １・・・Ｓｉ基板、２・・・フォトレジスト層、３・・
・上層膜、４・・・マスク、５・・・パターン露光々（
波長２４８ｎｍ）、６・・・全面照射光（波長３６５ｎ
ｍ）。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、レジストパターン形成方法において、基板上にレジ
   スト層を形成する工程と、上記レジスト層の上に上層膜
   を形成する工程と、所望のパターンを露光する工程と、
   上記パターン露光光より波長の長い光を用いて基板全面
   に光強度分布が一様な光を照射する工程と、前記上層膜
   を除去する工程と、前記レジストを現像する工程からな
   り、上記上層材料はパターン露光々の照射にともない全
   面照射光に対する透過率が上がる性質、いわゆるブリー
   チングする性質を有することを特徴とするパターン形成
   方法。 ２、上記レジスト中に吸光性色素を含むことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の、パターン形成方法。 ３、上記一様な光の露光が帯域幅の広い光であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の、パターン形成
   方法。 ４、上記一様な光の露光が多波長の光であることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の、パターン形成方法
   。 ５、基板面での反射率が低くなるような波長の光を全面
   照射光として用いることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載の、パターン形成方法。