JPH028853A - 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〕 この発明は、半導体素子などの作製における微細加工法
に係り、フォトリソグラフィにおけるパターン形成方法
に関するものである。

〔従来の技術〕

半導体素子の集積度の向上と共にパターンの微細化も進
んでいる。パターン形成においては依然として光を光源
とした光りソグラフィが使われている。そして現在では
、その高解像性と優れたアライメント精度ゆえ、縮小投
影露光法が主流である。このような光リソグラフイ−に
より、−ｍレジスト法にて微細パターンを形成する際の
課題は、基板段差によるレジスト膜厚の変動によるパタ
ーン寸法の変化（バルク効果）、基板段′差側壁等から
の散乱光によるレジストの局所的過剰露光によるパター
ン寸法の細り（ノツチング効果）等がある。

ざらに、縮小投影露光法においては屈折光学系を使うの
で、単色光を光源として用いている。このため、レジス
トへの入射光、レジスト表面からの反射光、レジスト／
Ｍ板界而からの反射光の相互間で干渉が生じる。その結
果、レジスト膜厚のわずかな変動に伴ってレジスト中へ
吸収される実効的先組の変動がλ／２ｎ（λ：露光波長
、ｎ；レジストの屈折率）の周期で生じ、レジストパタ
ーン寸法に変動が生じたり（膜内多重反射効果）、レジ
ストの厚さ方向に周期的な光強度の分布が生じ、現像後
のレジストパターン断面にそれに対応した波打ら形状が
生じたりする（定在波効果）。

これら、単色光を用いることによって生じる問題点はい
ずれもレジストパターン寸法の変動や解像不良の原因と
なる。なお、第２図にバルク効果によるレジストパター
ン寸法変化ｆｆ１Ａと、膜内多重反射効果による寸法変
化ｆｆ１Ｂを示す。

上記した従来の一層しシスト法の問題点を解決する方法
として、多層レジスト法や反射防止膜（ＡＲＣ）法１反
射防止膜オンレジスト（ＡＲＣＯＲ）法などが促案され
ている。しかし、多層レジスト法は、レジスト層を三層
または二層形成し、その１ｎパターン転写を行ってマス
クとなるレジストパターンを形成するため、工程数が多
くスルーブッ１−が低いという問題がある。また、ＡＲ
Ｃ法はレジスト下部に形成した反射防止膜を現像により
つＴットエツチングする為、ナイドエッチ吊が多く、こ
のことによる寸法精度の低下が大ぎいという問題がある
。また、ＡＲＣＯＲ法はレジスト膜の上に一層及び多層
の干渉型反射防止膜を塗布して、レジスト膜中での多重
反射を抑える方法であるが、やはり工程数、使用材料が
増加するという問題がある。なお、多層レジスト法に関
しては待聞昭第５１−１０７７５号などに記載されてい
る。またＡＲＣ法としては特開昭第５９−９３４４８号
に、ＡＲＣＯＲ法は特開昭第６２−６２５２０号に記載
されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

これらの従来の一層しシスト法の問題点のうち、前述の
定在波効果を抑ｉ！ｉ１１シて、レジストパターン断面
形状をスムーズ化し、かつ現像後の残漬不良をなくず方
法として従来から露光後現像前ベーク法がある（本方法
はＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃ口ｏｎｓ　ｏｎ　Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅｓ、　Ｖｏｌ、ＦＤ−２２，Ｎ
ｏ、７．Ｊｕｌｙ　１９７５の０４６４〜１１８６に記
載されている。）。この方法は従来の一層しシスト法に
１工程が増加するだけで、なおかつ連続処理が可能な優
れた方法であるが、ＳＰＩＦＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇ　　
Ｖｏｌ、４６９　　八ｄｖａｎｃｅｓ　　ｉｎ　　Ｒｅ
５ｉｓｔ　　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　（１９８４）のｐ
ｅｓ〜７１にも記載されているように従来、以下の欠点
を有していた。即ち、マスク寸法通りのレジストパター
ン寸法を得るのに要する露光ｆｆｉ　（Ｅｏ）が増大し
、レジストの種類によっては、未露光部のＰｌｊりが生
じる。そして、定在波効果、即ちレジストパターン断面
形状の波打ちをスムーズ化する以外は、従来の一層しシ
スト法の問題点を解決することはほとんどできない。

この発明は、上記のような従来の一層しシスト法の問題
点を解消するためになされたもので、従来の露光後現像
前ベーク法の欠点を補い、かつ、従来法以上の性能を得
ること、即ち感度の低下、及びｇ！減りの増大なしに、
前記の定在波効果の抑制のみならず、バルク効果を減少
させ、膜内多重反射効果を間接的に抑制し、更に解像力
、焦点深度を改善する、多層レジスト法並みの優れたパ
ターン形成方法を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

この発明にかかるパターン形成方法は、前記基板上にキ
ノンジアジド系感光剤とアルカリ可溶性ノボラック樹脂
からなるポジ型フォ１〜レジスト層を形成する第１の工
程と、前記第１の工程で形成されたフォトレジスト層を
アルカリ性ガス雰囲気下でプリベークする第２の工程と
、前記第２の工程でプリベークされたフォトレジスト層
に対し選択的に波長範囲が１８０ｎｍ〜４５０ｎｍの光
線を照射する第３の工程と、前記第３の工程で前記光線
が照射されたフォトレジスト層をベーク処理する第４の
工程と、前記第４の工程でベーク処理されたフォトレジ
スト層を現像し、前記第３の工程で前記光線を照射した
箇所を除去することで前記フｓ　ｔ−レジスｌ−１ｄを
パターニングする第５０工程とを含んでいる。

〔作用〕

この発明における第２の工程は、第１の工程で、形成さ
れたフォトレジスト層をアルカリ性ガス雰囲気下でプリ
ベークするため、このフォトレジスト層表面から、深さ
方向に濃度傾斜をもったアルカリの分布をフォトレジス
ト層中に形成することができる。

〔実施例〕

発明者等は、従来の一層しシスト法の欠点のうち、バル
ク効果、膜内多重反射効果、定在波効果のいずれもが、
レジスト膜内の光吸収および光干渉に起因した未露光（
未分解）感光剤のレジスト膜厚方向の濃度分布によって
、現像時の露光部レジストのレジスト膜厚方向の溶解ス
ピードが変動することによって生じるという事実、及び
露光後現像面ベークによって、主に未露光感光剤の拡散
がおこるという事実に着目した。

そこで、露光工程の前にレジストをアルカリ性ガス雰囲
気下でプリベークし、このレジスト表面から、深さ方向
に濃度傾斜をもったアルカリの分布をレジスト中に形成
することで、その侵の露光工程によるレジスト中の感光
剤の分解、露光後現像前ベーク工程による未露光感光剤
の拡散、及び現像工程に至るまでのその他の副反応を通
して、レジストの露光部および未露光部の現像時溶解速
度のレジスト内空間分布を最適化することを考えた。

第１図（ａ）〜（ｅ）は各々この発明の一実施例である
パターン形成方法を示す断面図である。以下、同図を参
照しつつこの発明によるパターン形成方法の一員体例に
ついて説明する。まずシリコン結晶基板１上にキノンジ
アジド系感光剤とアルカリ可溶性ノボラック樹脂からな
るポジ型フォトレジスト〈例えば、ＭＣＰＲ２０００Ｈ
（三菱化成製商品名））を回転塗布し、同図（ａ）に示
すようにフォトレジスト層２を形成する。

次に、フォトレジスト層２が上面に形成されたシリコン
結晶基板１から成る試料を容器７中のホットプレート３
上に設置する。そして、アルカリ性ガス発生器４より、
ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイ
ド）の飽和蒸気から成るアルカリ性ガスを発生させ、こ
れを容器７中に注入することにより、この試料をアルカ
リ性ガス雰囲気４′下で８０〜１００℃の温度で６０秒
間プリベークした（第１図（ｂ））。なお、５は排気口
である。

次に第１図（Ｃ）に示すように波長４３６ｎｍの紫外線
６を用いて開口数ＮＡ＝０．４２のレンズを搭載した図
示しない縮小投影露光装置（ステッパー）で選択的にフ
ォトレジスト層２を露光した。

そして、第１図（ｄ）に示すようにホットプレー１〜３
上でｉｏｏ〜１２０℃の温度で６０秒間べ一り処理した
。

そして、第１図（ｅ）に示すようにＴ　Ｍ　Ａ　ｌ−１
の２゜３８％水溶液で現像し、シリコン結晶基板１上に
レジストパターン２′を形成した。

このようなパターン形成方法によれば、マスクパターン
寸法通りレジストパターン寸法が仕上がる露光ｆｆ１（
Ｅｏ＞は、従来のレジスト塗布、ブリべ−り、露光、現
像の順に処理する一層しシスト法と同じ露光ｆｆｉ　（
１５０ｍＪ／ｃｉ）が得られ、感度の低下がみられなか
った。

また、アルカリ性ガス雰囲気４′下でのプリベークと露
光後現像前ベークとによって未露光部表面の難溶化が進
むため、解像限界の０．６μｍパターンまで残しパター
ンの膜減りは全熱発生しなかった。さらに、定在波効果
によるレジストパターン断面形状の波うちもスムーズに
なり、はぼ垂直なレジストパターン断面形状が解像限界
の０゜６μｍパターンまで得られた。又、解像が困難な
スペースパターンの解ａ能力は、従来の一層しシストプ
ロセスが０．７μｍなのに対し、本実施゛例では０．６
μｍが、大きなパターンサイズと同様のほぼ垂直な断面
形状で解像され、解像力でも大きな改善が得られた。

更に焦点深度についても従来の一層しシスト法に比べ、
約５０〜１００％の大幅な改善が得られた。具体的には
、フォトレジスト層２の膜厚０゜６μｍの場合０゜９μ
ｍから２．４μｍに、膜厚０．７μｍの場合２．５μｍ
から３．７μｍに焦点深度が改善されたことが確認され
た。更にフォトレジスト層２の膜厚を１．１６μｍ前後
で変化させて、バルク効果によるレジストパターン寸法
変化量と、膜・内多重反射効果による寸法変化量とにつ
いて調べた結果、第２図に示す従来の一層しシスト法に
おけるそれらの変化ｆｆ１Ａ、Ｂに比べ大幅に減少し著
しい改善が得られた。

さらに、この実施例ではフォトレジスト層２をアルカリ
雰囲気下でプリベークするため、アルカリ処理とプリベ
ーク処理が一工程で行え、製造工程が簡略化する。

以上の実施例で、露光侵現像前ベークを省略すると、上
記性能項目のうち、焦点深度、バルク効果および膜内多
重反射による寸法変化量、パターン断面形状について改
善がほとんど見られなかった。

また、以上の実施例では、露光波長として４３６ｒｖの
ｑ線の場合について記したが、勿論、１線（３６５ｎｍ
＞　、Ｘｅ−Ｃｌエキシマレーザ−光（３０８ｎｍ）　
、Ｋ　ｒ　Ｆエキシマレーザ−光（２４８ｎｍ）、Ａｒ
Ｆエキシマレーザ−光（１９３ｎｍ）、更には多波長光
踪の場合にも本発明は有効であり、−殻内には、波長範
囲が１８ＯｎＩ１１〜４５０ｎＩｇの光線であれば、有
効であることが確認されている。

また、本実施例ではアルカリ性ガスとして有様アルカリ
の水溶液で、ポジ型フォトレジスト用の現象液の１種で
あるＴＭＡＨの飽和蒸気を用いたが、他の有機アルカリ
の飽和蒸気やアン［ニア性ガス、ＫＯＨ等の無機アルカ
リの蒸気でも本発明の方法は有効であった。

一方、反射率の高い下地基板（例えば、ＡＩ薄膜）上に
、微細レジストパターンを形成する際に従来から、基板
からの反射の影響を抑える為に、吸収剤を加えたポジ型
フオ］・レジストを用いてパターン形成が行われている
が、本発明の方法はそのような場合でも有効である。

またこの発明の方法を三層レジスト法の上層レジストの
パターン形成に適用しても、上層レジストと中間層との
界面からの僅かな反射による膜内多重反射によるパター
ン寸法変動を抑制すると共に、レジストパターン断面形
状の改善更には焦点深度の拡大の面でも有効である。Ｐ
ＣＭ二層レジスト法や、３ｉ含有型ノボラック−ナフト
キノンジアジド系ポジ型フォトレジストを上層レジスト
として使う３ｉ系二層レジスト法の上層レジストのパタ
ーン形成に、この発明の方法を導入しても効果がある。

下地基板とポジ型フォトレジストの間に、吸光度の高い
吸収型反射防止膜や、屈折率及び膜厚を制御した干渉反
射防止膜を形成して、レジストパターン形成を行うＡＲ
Ｃ法においても、更に、ポジ型フォトレジストの上に、
屈折率及び膜厚を制御した干渉型の一層又は多層の反射
防止膜をｗｉ覆してパターン形成を行なうパターン形成
方法においても本発明の方法は有効である。

ポジ型フォトレジストの上に、露光波長の光に対して光
退色性を示す成分を主成分とする材料（ＣＥＬ材料）を
塗布した後に露光してパターン形成を行なうコンｌ−ラ
ストエンハンスリソグラフィ法（ＣＥＬ法；　Ｐｏｌｙ
ｍ、　Ｅｎｇ、Ｓｃｉ、２３．　ｐ９４７．１９８３年
に詳細記載されている。）において−ｂ本発明の方法は
有効である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明によれば、第２の工程に
にす、第１の工程で形成されたフォトレジスト層をアル
カリ性ガス雰囲気下でプリベークして、このフォトレジ
スト層表面から、深さ方向に濃度傾斜をもったアルカリ
の分布をフォトレジスト層中に形成することに」；す、
多層レジメ１−並みの寸ぐれたレジストパターン形成を
可能にできた。

さらに、第２の工程はフォトレジスト層のアルカリ処理
とプリベーク処理を同時に行っているため、パターン形
成工程が簡略化する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（０）は各々この発明の一実施例である
パターン形成方法を示す所面図、第２図は従来法の問題
点を説明する図である。 図において、１はシリコン結晶基板、２はボジ型フォト
レジスト、 ２′ は現Ｊ＆後のレジストパタ ーン、 ３はホットプレート、 ４はアルカリ性ガス 発生器、 ６は紫外線である。 なお、 各図中同一符号は同一または相当部分を示寸。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）基板の表面上にレジストパターンを形成する方法
   であって、 前記基板上にキノンジアジド系感光剤とアルカリ可溶性
   ノボラック樹脂からなるポジ型フォトレジスト層を形成
   する第１の工程と、 前記第１の工程で形成されたフォトレジスト層をアルカ
   リ性ガス雰囲気下でプリベークする第２の工程と、 前記第２の工程でプリベークされたフォトレジスト層に
   対し選択的に波長範囲が１８０ｎｍ〜４５０ｎｍの光線
   を照射する第３の工程と、 前記第３の工程で前記光線が照射されたフォトレジスト
   層をベーク処理する第４の工程と、前記第４の工程でベ
   ーク処理されたフォトレジスト層を現像し、前記第３の
   工程で前記光線を照射した箇所を除去することで前記フ
   ォトレジスト層をパターニングする第５の工程とを含む
   パターン形成方法。