JPH02269353A - フォトリソグラフィーによる半導体の製造方法 - Google Patents

フォトリソグラフィーによる半導体の製造方法

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JPH02269353A
JPH02269353A JP1281626A JP28162689A JPH02269353A JP H02269353 A JPH02269353 A JP H02269353A JP 1281626 A JP1281626 A JP 1281626A JP 28162689 A JP28162689 A JP 28162689A JP H02269353 A JPH02269353 A JP H02269353A
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bleachable
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JP1281626A
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James R Sheats
ジェームス・アール・シーツ
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  • Exposure And Positioning Against Photoresist Photosensitive Materials (AREA)
  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)

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、多層ホトリソグラフィー集積回路プロセスに
関するものである。
〔従来技術とその問題点〕
集積回路(IC)のホトリソグラフィー技術においては
、ホトレジスト・プロセスの解像度の向上に著しい努力
が費やされている。なぜなら、より高い解像度によって
より多くの回路を単一のチップ上に配置させることを可
能とするからである。
これは回路密度(circuit density)を
増加させ、その結果得られる集積回路の複雑さ(pot
ential complexity)が増し、速度も
増加する。このようなホトレジスト・プロセスでは、プ
ロセス中のウェーハヘホトレジストを回転塗布した(S
pinonto)後、投影マスク(projectio
n mask)を通る光によってホトレジストの選択さ
れた領域を露光する。
投影マスクのパターンがこの光で露光されるホトレジス
トの領域を決定する。次に、ホトレジストを現像し、ウ
ェーハ上に接触マスク(contact mask)を
形成させる。集積回路フィーチャー(feat肛eS)
の品質は、多様の集積回路プロセス段階で使用されるホ
トレジスト接触マスクの品質から影響を強く受ける。従
って、この接触マスクにより投影マスクのパターンが精
密に複製されることが極めて重要となる。
光学的投影印刷(optical projectio
n printing)における従来の方法では、平坦
で低反射率の基板を使用する際、良好な線幅制御でホト
レジストの1μlの線を解像することができる。しかし
、表面に凹凸を有する(with 5urface t
opography。
表面トポグラフィ−)基板上のレジストを露光する場合
、光学的反射及びレジストの厚みの不均一性によって生
じるレジスト制御の問題がある。レジスト−基板界面(
interface)で反射した光は、入射光に対して
光の干渉を起こし、ホトレジスト内に望ましくない光強
度の変動が生じる。レジスト露光における望ましくない
変動は、このレジスト接触マスクより形成されたICフ
ィーチャーを劣化させてしまう。
線幅制御に関する問題も基板トポグラフィ−から生じる
。ホトリソグラフィー露光システムの深度(depth
 of ffeld)が小さいため、フォトレジストフ
ィルムは薄膜で平坦なものでなければならない。しかし
、これらホトレジスト・プロセスの後半の段階では、こ
れより前のプロセス段階で形成されたフィーチャーのた
め平坦でない(nonplanar)表面上にホトレジ
ストがデイポジットされる。
このような非平坦性(口onplanari ty)に
より、レジスト層の厚さが変化し、深度に制限があるた
め、この層の結像の鮮明度もまた劣化する。
1982年11月7日に発行された、「吸光性染料を利
用した多層ホトレジスト・プロセス」と題する米国特許
第4.362.809号には、これらの問題を2層プロ
セスによって解決している。この2層プロセスでは、下
側レジスト層は平坦な上側表面を形成するのに十分厚い
。この平坦化レジスト層(planariziHres
ist 1ayer)は、また染料を含み、薄膜の上側
レジスト層中で光の干渉を起こす前に入射光を吸収する
ために用いられる。下側レジスト層による平坦化(pl
anarization)により、精密な上側レジスト
層の露光を可能とする。下側層内の染料は、さもなけれ
ば基板−下側レジスト層で光の反射を起こす干渉を除去
する。
1987年11月lO日に発行された、[ホトリソグラ
フィー・プロセスの光化学的な解像度を向上させる方法
jと題する米国特許第4.705.729号においては
、上記の2層レジスト・プロセスの代わりに、その上側
に漂白可能な染料(bleachable dye)を
含む薄層を形成する、厚膜の平坦化レジスト層を用いた
プロセスである。投影マスクを介してこの層上に入射し
た光がこの層の選択された部分を漂白し、よって下側レ
ジスト層の露光に用いる接触マスクが形成される。上側
層が光漂白すると同時にこの光漂白プロセスの影響を実
質的に受けずに下側のホトレジスト層が形成される。こ
の接触マスクを通して下側層が露光される間、上側層の
それ以上の漂白を防止する。
上述のプロセスの一実施例では、光強度が相反レベル(
reciporocity 1evel)と呼ばれるし
きい値レベル以上の場合のみ、上側層を高速度で漂白す
る。このレベル以下では、反応量は光の量(即ち、光強
度と露光時間の積)の関数となる。相反しきい値以上と
なると漂白の速度がよりはやくなり、強度の関数が単調
に(monotonically)増加する。
したがって、漂白プロセスの間、強度は高く、光の総量
(total dose of light)は、下側
レジスト層を多く露光することなしに上側層を漂白する
ように選択される。そして、下側層を接触マスクを通し
て、このしきい値レベルより小さい、均一な光の強度で
露光し、よって、漂白可能層がそれ以上漂白することを
実質的に回避する。
第2の実施例では、上側層は周囲大気中に酸素が存在す
る場合にのみ漂白される。したがって、この接触マスク
を通してレジスト層が露光される間は、接触マスクの表
面から酸素を排除する。
しかしながら、薄膜の漂白可能層に使用される材料は、
最適化条件からかなり離れたものであった。第1の実施
例では、薄膜の漂白可能層は約20重量Xのアクリジン
を含むポリメタクリル酸メチル(poly(methy
lmethacrylate)、 PMAA)である。
この選択は2つの欠点があった。漂白が生じる強度のし
きい値は極めて大きく、この光強度を供給するには、エ
キシv−レーザ(excimer 1aser)が必要
となる。このような露光システムは、従来の他のシステ
ムよりかなり高価で、この高い光強度は光学系に損傷を
きたし、更に頻繁に交換しなければならなかった。
第2実施例では、漂白可能な層を形成するためにポリマ
ー中にアントラセン誘導体が用いられる。
ここでは、低強度の光が用いられているのでエキシマ・
レーザを必要としない。しかし、はとんどのポリマー(
これは、染料を溶解させる媒体として存在しなければな
らない)では、酸素をあまり透過させない。したがって
、フィルム中に十分な量の酸素を拡散させるため、極め
て長い露光時間が要求され、さもなければ、有害な相反
欠陥(detrimental reciprocit
y fatlure)が生じてしまう。
例えば、ポリメタクリル酸エチル(poly(ethy
lmethacrylate) )やポリスチレン等は
、良好なフィルム形成ポリマーで、通常市販されている
ものである。これらにはアントラセンを大量に<15−
40重量X)溶解させることが可能である。が、それら
を漂白可能染料を保持するマトリックスとして用いる場
合、約10から20秒の露光時間が必要である。これは
、約1.5秒あるいはそれ以下の露光時間、好ましくは
約0.5秒以下の露光時間が要求されるスルーブツトの
高い製造装置(manufacturing plan
t)には遅すぎる。
〔発明の目的〕
本願発明の目的は、上述の問題点を解決し、安価で相反
欠陥を生じないフォトリソグラフィーによる半導体の製
造方法を提供することにある。
〔発明の概要〕
本発明の好適な一実施例では、2層プロセスにおいて露
光時間を高スループツトの製造装置に使用するのに十分
短くすることが実現できる物質が提供される。ポリメタ
クリル酸エチルおよびポリスチレンよりもはるかに高い
酸素透過率を有するポリマーである。例えば、ポリジメ
チルシロキサンはポリメタクリル酸エチルのものより約
600倍大きい615 barrersの酸素透過率を
有し、レジスト層の上側の漂白可能層を用いて基板上に
接触マスクを形成するプロセスには十分に適している。
しかし、ジメチルアントラセンやジフェニルアントラセ
ン等のアントラセン誘導体は、ポリジメチルシロキサン
にごくわずかしか溶けず、室温で固体のポリマーとして
十分高い分子量を有することは難しい。
相反しきい値以上になると(第5図およびダイ6図参照
)、漂白速度が低下するので漂白可能層のパラメータと
入射光の強さを漂白過程の間、入射光の強さを相反しき
い値■、以下となるように選択しなければならない。し
たがって、高い相反しきい値を有することは有益である
。このしきい値はほぼ次の関係で成立する。
Ic =  [uo” D″f  (μ) ) /I”
R、、、、(1)ここで、 f(μ)二 μ/ [1−e−”−μe−“〕、R=(
AlloT ] / (:(1−TO)To ”E )
Aoはアントラセン誘導体の初期濃度、Tは漂白可能相
の透過率、Eは単位面積当たりの入射光のエネルギー、
Toは初期温度、D a漂白可能相内の酸素拡散率、l
は漂白可能相の厚み、μ。は漂白可能相内の酸素の初期
濃度、μは初期ベースeの光学濃度(fnitial 
base e optical density)であ
る。
T及びEの数値は、漂白反応が開始した付近で測定する
。この式は、標準速な光漂白理論(standard 
pholobleachlng theroy)より誘
導することができる。(1986年のIEEE Ele
ctron、Device Lett、EDLL、 D
p、383−386参照)h(1)式により、!をちい
さくするか(より薄いフィルム)あるいはp=u、” 
Dの数値、即ち、漂白可能相の酸素透過率を増加させる
ことによって臨界強度を大きくすることができる。レジ
スト層の接触マスクとして十分機能する漂白可能層の不
透明度を保持するため、染料の濃度へ〇を十分増加させ
る場合のみ、フィルムをより薄くすることができる。米
国特許第4.705.429号と上述の論文(IEEE
Electron、l1evlce Lett、 uL
LiL383−386(1986))に示されているよ
うに、接触マスクとして働く漂白可能層のホトリソグラ
フィー性能は積A0°°!に比例する光学濃度の関数と
なる。このため、漂白可能染料のマトリクスとして作用
する適切なポリマーの選択は酸素透過率が高く、染料に
対する溶解度が十分に高いことが望まれる。高い酸素透
過率は、シロキシ基を有する部分を多く含むポリマーを
用いて実現することが見出されている。このポリマーに
おける染料に対する比較的高い溶解度は、ポリマーに適
切な有機成分を要求することによって達成され、対象の
有機染料が十分に溶解する媒質を提供することなる。
おいての実施例〕 第1図及び第2図に酸素透過性を備えるシロキシ基を含
む2種のポリマー構造を示す。これらは、漂白可能層/
レジスト2層の接触マスクのプロセスに有効な溶解度を
もつ有機漂白可能染料(organic bleach
able dyes)のマトリックスを提供する有機分
子を有する。このプロセスによれば(第4図参照)、基
板41上にレジスト層42を形成し、その上に漂白可能
層(bleachable 1ayer)43を形成す
る。レジスト層42は、十分な厚さを有することが好ま
しく、これよりその上に漂白可能層43が形成する平坦
な上側表面44を生成する。この平坦化(planar
izing)  レジスト層42には、また、漂白可能
層を漂白するために用いられる光45を吸収する染料が
含まれる必要がある。これより、この光が基板41の上
側表面46で反射することを防ぎ、そして漂白可能層に
漂白されるパターンの鮮鋭度(sharpness)を
妨げること(interfering)を防ぐ。このパ
ターンは、光源から投影マスク48を通って投射する光
45に漂白可能層を露光することによって形成される。
漂白可能層43の漂白が行われている間、光45の強さ
(tntensity)は相反しきい値より以下となる
典型的に、漂白可能相43は漂白可能染料を含むマトリ
ックス・ポリマーよりなる。ポリマーを用いることは、
漂白可能層43をレジスト層42上に回転塗布できるこ
とより有益である。第1図に示される、第1の種の化合
物は、R−シルセキスキオキサンポリマー(poly(
R−sisesquioxane)sよりなる。図示す
るように、これらの化合物はシロキシ・バックボーン(
siloxy backbone)を有するマトリック
ス・ポリマーで構成されている。シロキシ・バックボー
ンのサイドに結合する官能基Rは、同一である必要はな
いが、アルキル基(例えば、メチル、エチル等)及び/
またはアリル基(例えば、フェニル等)が好ましい。こ
れらの側鎖官能基は有機マトリックス界面となり、漂白
可能有機染料に対する高い溶解性をこのマトリックス・
ポリマーにもたらす。シロキシ・バックボーンはこのポ
リマーに高い酸素透過性を与える。これらポリマーはポ
リメタクリル酸エチルより約5から10倍の高い酸素透
過性を有する。ポリフェニルシリセスキオキサン(po
ly(phenylsilsesquioxane))
はスピン・キャスト層(spin−cast 1aye
r)中のジフェニルアンドランセン(diphenyl
anthrancene)を約22重量Xまで結合(i
ncorporate)することができ、酸素透過性は
ポリメタクリル酸エチルを有する同様な層より約10倍
高い。これら2種の化合物についての相反欠陥曲線(r
eciproclty failure curve)
を第5図と第6図にそれぞれ示す。
光学濃度が約2.7(リソグラフィー用途に必要な最小
値)のベース10を備える漂白可能層を用いて、開口数
0.42のレンズと波長438 nmの光を備える投映
カメラで高い正確度(fidelty)で0.5ミクロ
ンのフィーチャーを印刷する。パターン転写(patt
ern transfer)のための波長260nmの
光を用いて露光時間は約1.5秒である。よって、製造
目的には適切である。メチルシルセスキオキサン(me
thylsl 1sesquioxanes)とフェニ
ルシルセスキオキサンの両方を用いた他の漂白可能層も
同様な特性を有する。
第2図に示す第2の種の化合物は、ポリマーのm/m+
nフラクションがポリメタクリル酸メチル−gポリジメ
チルシロキサン(poly(methylmethac
rlate)−g−poly(dimethylsil
oxane)s)  と残りのn/m+nフラクション
がジメチルシロキサン基がグラフトされるメタクリル酸
メチル基から構成される。
シロキサン含有量およびポリマーの分子量M、。
の変化を含むグラフト技術によって製造可能な、多様な
構造が存在する。加えて、ポリメタクリル酸エチルまた
は他のメタクリル酸(methacry!ateS)を
バックボーンに用いることも可能である。
これらの多様性は、プロセスの容易化と酸素透過特性に
おいて有利な点を与える。このような合成は例えば、1
987年、 vol、56,852のrPolymer
ic Mat、 sci、 Eng、 JのJ、 E、
 MaGrathによる論文等の文献でよく知られてい
る。これらのポリマーは、ポリメタクリル酸エチルより
も10から40倍の範囲の酸素透過性を示す。表1に3
0重量%のジフェニルアントラセンを溶解されるこの種
の化合物の5つの例を示す。
表I よって、P(02)のファクタがポリフェニルシルセス
キオキサンのP(0□)より過剰であることから、相反
しきい値は、ポリフェニルシルセスキオキサンのものよ
り大きい。このファクタは、例えば、約1〜4である。
従って、これは、露光時間を1゜5秒から製造プロセス
に好適な約0.5秒へと短縮させる。
構造式(1)に示されるように、相反しきい値1゜を上
昇させる第2の方法は、漂白可能層内の染料濃度を増加
させることである。これは、光学濃度を一定に保持しな
がら、フィルムの厚さを減少させることを可能にする。
このため、染料はジフェニルアントラセンの場合よりも
ポリマー中でよく溶けることが必要である。10.10
°−置換の1.2−ジ−9アントリルエタン(10,1
0°−5ubstituted 1,2−di(9−a
nthryl)ethanes)は極めて優れた溶解性
を有することを見出した。例えば、1.2−ビス−10
トリメチルシロキシ−9−アントリルエタン(1,2−
bis(10−trimethylsiloxy)−9
−anthryりethane) (第3図参照)を3
0重量%のポリフェニルシルセキオキサン溶液として結
晶化が見られず、フィルムへ鋳込成形(east) し
た。ところが、ポリフェニルシルセキオキサン中に溶解
した。20重量%のジフェニルアントラセン溶液では、
核生成位置(nucleatlngsites)を避け
るために厳重な予備措置をしなければ結晶が生成されて
しまう。ポリフェニルシルセキオキサンの均質なフィル
ムと結合する1、2−ビス−10トリメチルシロキシ−
9−アントリルエタンの最大フラクションは、少なくと
も40重量%となる。
よって、相反しきい値1.が漂白可能層の厚さIの2乗
によって決まり、lは(光学濃度が一定のとき)染料濃
度と反比例することから、ジフェニルアントラセンに対
する露光時間は、(40/22) ”または約3.3倍
に向上する。これはジフェニルアントラセンを用いて得
る1、5秒の露光時間を0.5秒以下に短縮し、製造工
程の必要条件に適合する。
1、−ビス−10−トリメチルシロキシ−9−アントリ
ルエタン(1,2−bis(10−trimelhyf
siloxy)−9−anthryl)ethane)
の漂白特性を第7図に示す。これは、ジフェニルアント
ラセンと同様なリソグラフィー特性を有することを示す
ものである。より優れた酸素透過率を得るため、このよ
うな染料を上述のグラフト共重合体と結合させることが
できる。代わりに、ポリマーを生成する官能基に染料を
結合させることも可能である。
第3図に示す、l、2−ビス−1O−トリメチルシロキ
シ−9−アントリルエタン化合物は公知の手法によって
調製される。(1979年、 vol、 44. pp
、 4247−4251のOrg、 Cheai、  
に掲載のり、ベッカ、D、サンシェラ、A、アービドソ
ンらによって記載された論文参照)トリメチルシロキシ
基の代わりに様々な置換基を使用することができる。例
えば、メトキシ基、エトキシ基等のアルコキシ基、アセ
トキシ基、フエニル基、シクロヘキシル基、ブチル基お
よびその他の基がトリメチルシロキシ基の代わりに用い
られる。これらの基は、二量化を防止し、分光特性を所
望のようにシフトさせ、漂白の量子収率(quantu
m yield)を溶解特性と共に改善をすることがで
きる。二量化は望ましくないとされている。なぜならば
、漂白可能層43内に生成した接触マスクを通してレジ
スト層42が強い紫外線照射を受けると二量体が垂離す
る可能性があるからである。このような非漂白(ant
ibleaching)はこの接触マスクの品質を劣化
させてしまう。
第8図は基板41上に接触マスクを生成する製造過程の
各ステップを説明するものである。ステップ81では、
レジスト層42を基板41の上部に形成させる。これは
、例えば、レジストを回転塗布させて形成させる。ステ
ップ82では、レジスト層42の上側表面上に漂白可能
層44を形成させる。これは、例えば、漂白可能物質が
レジスト層上に回転塗布して、形成される。ステップ8
3では、この漂白可能層をパターン化された光で露光し
、この層中でこのパターンを複製する。これにより、接
触マスクが形成される。ステップ84では、この接触マ
スクを通して基板に照射する光に対して、マスクを感知
させないようにする。これは、光の強さを漂白可能層の
相反しきい値以下に低下させるかまたはい(つかの実施
例においては漂白可能層から酸素を排除することによっ
て行うことができる。後者の方法は、漂白可能層に窒素
を吹きつけるかまたは基板を容器(container
)に密封し、酸素を選択的に排除可能とすることにより
、実施することができる。ステップ85では、レジスト
層が接触マスクを通して露光され、このマスク・パター
ンをレジスト層に転写させる。
また、漂白可能染料が分散するポリマー・マトリックス
の生成に適した他の種の化合物として、シロキサン鎖が
付加したポリスチレン単位を有するポリマーおよびシロ
キサン鎖に結合したポリアミド単位を有するポリマーが
挙げられる。
(発明の効果〕 以上説明したように、本発明のプロセスでは、ホトリソ
グラフィー技術を用い、パターン転写する際に起こる望
ましくないさまざまな反射を回避するため、酸素透過率
が十分高い接触マスクを形成することができ、そして露
光時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例に用いる漂白可能染料のため
のマトリックス・ポリマーの化学構造を示す図。 第2図は他の実施例で用いる漂白可能染料のためのマト
リックス・ポリマーの化学構造を示す図。 第3図は他の実施例で用いる漂白可能染料のためのマト
リックス・ポリマーの化学構造を示す図。 第4図は本発明の一実施例により製造されたウェハの断
面図。 第5図および第6図は、第2図と第3図をそれぞれ含む
漂白可能染料の相反欠陥特性を示す図。 第7図は本発明の一実施例における漂白傾向を示す図。 第8図は本発明の一実施例の製造過程を説明する図。 41: 基板、 42ニレジスト層、 43: 漂白可能層。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)次の(イ)から(ホ)から成るフォトリソグラフ
    ィーによる半導体の製造方法。 (イ)基板上にレジスト層を形成させ、 (ロ)前記レジスト層の表面にシロキシ基と有機官能基
    を含むポリマー・マトリックスに漂白可能染料を有する
    漂白可能層を形成させ、 (ハ)前記漂白可能層を予め選択されたパターンの光で
    露光して、前記漂白可能層を接触マスクへ変換させ、 (ニ)前記接触マスクを通して前記レジスト層を露光す
    るために用いられる光によって接触マスクを漂白しない
    ように不活性化し、 (ロ)前記レジスト層を通して前記接触マスクを露光す
    る。
JP1281626A 1988-10-28 1989-10-27 フォトリソグラフィーによる半導体の製造方法 Pending JPH02269353A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

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