JPH02971A - レジストパターンの形成方法 - 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］ この発明はレジストパターンの形成方法に関するもので
あり、特に、半導体素子などの作製において採用される
、微細レジストパターンの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ともにパターンの微細化も
進んでいる。そこでは、依然として、光を光源とした光
りソグラフィが使用されている。

そして、現在ではその解像性と優れたアライメント精度
を備えた縮小投影露光法が主に採用されている。ところ
で、光りソグラフィにおいて、１層レジスト法にて微細
レジストパターンを形成する場合、解決しなければなら
ない課題がいくつかある。それは、膜内多重反射効果、
バルク効果、ノツチング効果および定在波効果の抑制で
ある。以下、これらの内容を簡単に説明する。

膜内多重反射効果およびバルク効果 デバイスの集積化が高まるに従い、パターンの微細化が
進むとともに、デバイス構造の多層化が進んできている
。このような場合に、上述の膜内多重反射効果およびバ
ルク効果か問題となる。

第３図、第４図、第５図および第６図は、これらの効果
を説明するための図である。第３図は段差を有する基板
上にレジストを塗布したときの基板の断面図である。第
４図は段差を有する基板上にレジストを塗布して、光リ
ングラフィを行ないレジストパターンを形成したときの
、レジストパターン寸法とレジスト膜厚との関係図であ
る。第５図は、段差を有する基板上に塗布されたレジス
トに向けて光を照射したときの様子を示した、基板の断
面図である。第６図は、レジストパターン寸法とレジス
ト膜厚との関係図より、膜内多重反射効果とバルク効果
を定量する方法を示した図である。

さて、第３図を参照して、多層構造を備えた半導体装置
においては、基板１に大きな段差１ａが生じる場合があ
る。写真製版工程においては、このような段差ｌａ上で
も、マスク寸法通りに微細パターンを形成することが要
求される。しかし、こうした段差ｌａ上でレジスト２を
塗布すると、図のように、段差１ａの上部と下部でレジ
ストの膜厚（ｔ＋、ｔ２）が変化し、また、これに伴い
、第４図に示すように、レジストパターンの寸法（幅方
向の寸法）が変動する。レジスト膜厚の変動に伴う、レ
ジストパターン寸法の変動を引き起こす要因として、上
述の膜内多重反射効果とバルク効果が挙げられる。膜内
多重反射効果は、第５図に示すように、照射された光３
と下地の基板１からの反射光との干渉によって生じるも
ので、その寄与分が第６図中の振幅（Ａ）に相当し、レ
ジスト膜厚の変動による周期的なレジストパターン寸法
の変動となって現われる。一方、バルク効果は、基板１
の段差によるレジスト膜厚の局所的変動によるパターン
寸法の変化であり、第６図中の傾き（Ｂ）に相当する。

これは、レジスト２の吸光性や溶解性などの材料そのも
のが持つ特性によるものと考えられているが、そのメカ
ニズムは明らかにされていない。

ノツチング効果 第７図はノツチング効果を説明するための図であり、基
板の断面図で表わされている。第７図をり照して、段差
を含む基数１上にレジスト２を塗布し、マスク４を用い
て光３を照射する。すると、基板１の段差の側壁からの
散乱光がレジスト２を局所的に過剰に露光する現象が起
こり、図のようにパターン２′の寸法の細りが生じる。

この現象をノツチング効果という。

定在波効果 第８図は、定在波効果を説明するための図であり、基板
の断面図で表わされている。第８図を参照して、レジス
ト２にマスク４を用いて光を照射すると、レジスト２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２′の断面形状にそれに対応した波打ちが
生じる。この現象を定在波効果という。これは、マスク
４を通ってきた入射波３ａと基板１から反射される反射
波３ｂとの干渉作用によって生じるものである。

以上説明した膜内多重反射効果、バルク効果、ノツチン
グ効果および定在波効果は、１層レジスト法において見
られるもので、レジストパターンの寸法の変動や解像不
良の原因となるから、その解決のために、従来より、多
層レジスト法、ＡＲＣ法、ＡＲＣＯＲ法などが提案され
ている。

［発明が解決しようとする課″８］ しかしながら、多層レジスト法は、レジスト層を２層ま
たは３層形成し、その後パターン転写を行なってマスク
となるレジストパターンを形成するため、工程数が多く
、スルーブツトが低いという問題点があった。ＡＲＣ法
は反射防止膜を用いる方法であり、レジスト下部に形成
した反射防止膜を現像によりウェットエツチングするた
め、すイドエッチ量が多く、寸法精度の低下が大きいと
いう問題点があった。また、ＡＲＣＯＲ法とは、レジス
ト膜の上に１層およ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、
やはり工程数の増加、使用材料が増加するという問題点
があった。なお、ＡＲＣ法は、特開昭５９−９３４４８
号に、ＡＲＣＯＲ法は特開昭６２−６２５２０号に記載
されている。

また、１層レジスト法において生じる上述の問題点のう
ちの１つである定在波効果を抑制して、レジストパター
ンの断面形状をスムーズ化し、かつ現像後の残差不良を
なくす方法として、従来から露光後現像前ベーク（Ｐｏ
ｓｔ　　Ｅｘｐｏｓｕｒｅ　　Ｂａｋｅ）法が知られて
いる。この方法はＩＥＥＥ　　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ
ｓ　　ｏｎ　　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　Ｄｅｖｉｃｅｓ、
Ｖｏｌ、ＥＤ２２、Ｎｏ、７．Ｊｕｌｙ　　１９７５の
４６４頁〜４６６頁に記載されている。この方法は、露
光後、現像前において、もう−度しシストをベーキング
するという方法である。この方法は１工程が増加するだ
けで、なおかつ連続処理が可能であるという優れた方法
であるが、５ＰＩＥ　　Ｐｒｅｃｅｄｉｎｇ　　Ｖｏｌ
、４６９　　Ａｄｖａｎｃｅｓ　　ｉｎ　　Ｒｅ５ｉｏ
ｔ　　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（１９８４）の６５頁〜７
１頁にも記載されているように、以下の欠点を有してい
た。すなわち、この方法においては、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ｆｆ１（Ｅ
ｏ）が増大し、レジストの種類によっては、未露光部の
膜減りが生じる。なぜなら、露光後、現像前のレジスト
をベータするから、このベークによって感光剤がレジス
ト中に均一に拡散し、その結果、レジストパターンが太
くなる。この太くなった部分を削り取り、マスク寸法通
りのレジストパターンを得るために、露光量を増大させ
る必要があったのである。しかしながら、前述のとおり
、露光量を増大させると、レジストの種類によっては未
露光部の膜減りが生ずるという問題がある。

また、この方法においては、定在波効果（すなわち、レ
ジストパターンの断面形状の波打ちが生じる効果）を抑
制することはできるが、１層レジスト法において生じる
他の問題点（すなわち、膜内多重反射効果、バルク効果
およびノツチング効果）を解決することはほとんどでき
なかった。

それゆえに、この発明は、従来の現像後前べ一り法の欠
点を補うことのできる、レジストパターン形成方法を提
供することにある。

この発明の他の目的は、感度の低下、膜減りの増大なし
に、上記定在波効果を抑制することのできるレジストパ
ターン形成方法を提供することにある。

この発明のさらに他の目的は、上記定在波効果の抑制の
みならず、バルク効果を大幅に減少させ、膜内多重反射
効果を抑制し、さらに解像力、焦点深度をも改善する方
法を得ることにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明者等は、従来の露光後現像前ベーク法のメカニズ
ム、および上記従来１層レジスト法の欠点（バルク効果
、膜内多重反射効果、ノツチング効果、定在波効果によ
るパターン寸法の変動）の発生機構を詳細に検討してき
た。その結果、従来の露光後現像前ベーク法（この方法
により、定在波効果が抑制される）を採用しつつ、１層
レジスト法の持つその他の問題点（膜内多重反射効果、
バルク効果、ノツチング効果）を解決するためには、そ
こで用いられるポジ型フォトレジストの材料組成を上記
膜内多重反射効果、バルク効果、ノツチング効果の抑制
が行なわれるように、最適化することが最も効果的であ
ることを見い出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明に係るレジストパターンの形成方法は
、基板を準備する工程と、上記基板上に、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とを含むポ
ジ型フォトレジスト材料を塗布する工程を含んでいる。

そして、上記キノンジアジド系感光剤はヒドロキシベン
ゾフェノンのナフトキノンジアジドスルホン酸によるエ
ステル化物であり、上記ヒドロキシベンゾフェノンはベ
ンゾフェノン１個あたり４個以上の水酸基を有し、平均
してその水酸基の７５％以上が上記ナフトキノンジアジ
ドスルホン酸によってエステル化されており、上記ポジ
型フォトレジスト材料１ｇｒあたりの上記ナフトキノン
ジアジドスルホン酸のｍｇｒ当量は０．７以上にされて
いる。そして、上記塗布されたポジ型フォトレジスト材
料の膜を第１の温度で加熱する工程と、上記第１の温度
で加熱された上記ポジ型フォトレジストの膜に選択的に
光を照射する工程と、上記選択的に光を照射されたポジ
型フォトレジストの膜を第２の温度で加熱し、その後、
現像して上記基板上にレジストパターンを形成する工程
と、を備えている。

本発明において、レジスト膜の加熱温度は特に限定的で
ないが、一般に、上記第１の温度は９０℃以下の温度で
あり、上記第２の温度は１００℃以上の温度であるのが
好適である。

本発明で用い得る光は、キノンジアジド系感光剤が感光
する波長を有する光であれば特に制限されずに用いられ
、一般には、１８０〜４５０ｎｍの波長範囲内の光であ
る。とりわ１％、ｉ線（３６５ｎｍ）　、Ｘｅ−Ｃｌエ
キシマレーザ光（３０８ｎｍ）　、ＫｒＦ、１キシマレ
ーザ光（２４８ｎｍ）、ＡｒＦエシキマレーザ光（１９
３ｎｍ）が好ましく用いられる。

本発明で用い得るヒドロキシベンゾフェノンは、ベンゾ
フェノン１個あたり４個以上の水酸基を有するものであ
れば、特に制限されずに用いられ、最も一般的に用いら
れるものは２．３．４．４’−テトラヒドロキシベンゾ
フエノンである。また、ナフトキノンジアジドスルホン
酸としては、１゜２ナフトキノンジアジド−５−スルホ
ン酸が好ましく用いられる。そして、上記２，３，４．
４’−テトラヒドロキシベンゾフェノンの水酸基の平均
して７５％が上記１．２ナフトキノンジアジド−５−ス
ルホン酸によってエステル化されており、上記ポジ型フ
ォトレジスト材料１ｇｒあたりの上記１，２ナフトキノ
ンジアジド−５スルホン酸のｍｇｒ当量が０．８のもの
が最も好ましく用いられる。

アルカリ可溶性ノボラック樹脂の組成については特に限
定しないが、ｍ−クレゾールとｐ−クレゾールで形成さ
れたノボラック樹脂は最も一般的に用いられる。このｍ
−クレゾールとｐ−クレゾールとで形成されたノボラッ
ク樹脂のうち、平均分子量が約５０００のものがとりわ
け好ましく用いられるが、この発明はこの分子量のもの
に限定されない。

［作用］ 本発明において、ポジ型フォトレジストの材料組成を上
述のように構成することによって、どうして膜内多重反
射効果、バルク効果、ノツチング効果および定在波効果
のいずれもが抑制されるのか、その作用機構自体は明ら
かでない。しかしながら、上記組成を有するポジ型フォ
トレジスト材料を選んで用い、露光後現像前ベーク法を
行なうことによって、未露光感光剤が上記膜内多重反射
効果、バルク効果、ノツチング効果および定在波効果を
抑制し得るように理想的に拡散され、それによって、現
像時における露光部のレジストの厚さ方向の溶解スピー
ドが変動したものと推定される。

［実施例コ 以下、この発明の実施例を図について説明する。

第１Ａ図〜第１Ｅ図は、本発明の一実施例の工程を、基
板の断面図で示したものである。

第１Ａ図を参照して、シリコン基板１上に、ｍ−クレゾ
ールとｐ−クレゾールで形成される平均分子置駒５００
０のノボラック樹脂とナフトキノンジアジド系感光剤と
からなるポジ型フォトレジストを回転塗布し、該シリコ
ン基板１上に約１゜１６μｍ厚さのレジスト膜２を形成
した。ここで、ナフトキノンジアジド系感光剤として、
２，３４．４′−テトラヒドロキシベンゾフェノンの平
均して７５％の水酸基が１，２−ナフトキノンジアジド
−５−スルホン酸でエステル化された構造を有し、ポジ
型フォトレジスト材料（−ノボラック樹脂＋キノンジア
ジド系感光剤）１ｇ「あたりの上記ナフトキノンジアジ
ド−５−スルホン酸のｍｇｒ当量が０．８であるものを
使用した。

なお、ポジ型フォトレジスト材料（−ノボラッり樹脂子
キノンジアジド系感光剤）Ｉｇｒあたりのナフトキノン
ジアジド−５−スルホン酸のｍｇ「当量は、ナフトキノ
ンジアジド基のミリグラム当量をレジスト固型分（感光
剤子ノボラック樹脂）のグラム数で割ったものである。

次に、第１Ｂ図を参照して、ポジ型フォトレジスト材料
２が塗布されたシリコン基板１を、ホットプレート５上
に置き、８０℃で６０秒間、大気中でプリベークした。

このプリベークによって、ポジ型フォトレジスト材料中
の溶媒が揮散される。

なお、溶媒は若干残すのがよい。

その後、この試料をＮＡ−０，４２のレンズを搭載した
縮小投影露光装置内に導入し、第１Ｃ図に示すように、
波長４３６ｎｍのｇ線光６を用いて該試料を選択的に露
光した。

次に、第１Ｄ図を参照して、ホットプレート５上に、露
光後の試料を載せ、１２０℃で６０秒間、大気中で露光
後現像前ベークを行なった。なお、比較用サンプルとし
て、露光後現像前ベータを行なわなかったものも用意し
た。

次に、第１Ｅ図を参照して、テトラメチルアンモニウム
ハイドロオキサイドの２．３８％のアルカリ水溶液で現
像して、シリコン基板１上にレジストパターン２′を形
成した。このとき、大面積露光部における、レジストの
現像後の残膜厚が０になるのに要する露光ｆｆ１（Ｅｖ
、ｌ）は、露光後現像前ベータがない場合が１０１００
ｎ／ｃｍ２であったのに対し、露光後現像前ベークをし
た場合８５ｍＪ／ｃｍ２となり、感度が上昇しているこ
とがわかった。また、マスク寸法通りにレジストパター
ン寸法が仕上る露光ｆｆ１（Ｅｏ）は、露光後現像前ベ
ークがあってもなくても、１５０ｍＪ／ｃｍ２であり、
感度の低下は認められなかった。

レジストパターンの断面形状も、露光後現像前ベークを
すると波打ち形状がなくなり、スムーズでシャープな形
状になった。解像が困難なスペースパターンの解像能力
は、露光後現像前ベークがない場合が０．　７μｍであ
るのに対し、露光後現像前ベークがあると０．６μｍと
なり、露光後現像前ベークによって解像能力は改善され
た。また、焦点深度も、露光後現像前ベークを行なうと
、露光後現像前ベークを行なわない場合に比べて、約５
０％向上した。

第２図は、レジスト膜厚とパターン寸法との関係図であ
る。第２図を参照して、バルク効果によるレジストパタ
ーン寸法の変化ｆｆｉ　（Ａ）と膜内多重反射効果によ
るレジストパターン寸法の変化量（Ｂ）とを、１μｍパ
ターンについて評価した。

その結果、レジスト膜厚が０．５μｍ変化したときのＡ
の値は、露光後現像前ベークを行なわないときには０．
１６μｍであったが、露光後現像前べ−りを行なうこと
によって０．０５μｍとなり、露光後現像前ベークによ
ってバルク効果は大幅に改善された。さらに、Ｂの値は
露光後現像前ベータを行なわないときには０．１９μｍ
であったが、露光後現像前ベークを行なうことによって
、０゜１５μｍとなり、露光後現像前ベータによって膜
内多重反射効果が抑制された。

以上のパターン形成特性の改善の度合は、露光後現像前
ベーク法を採用した従来の１層レジスト法では得られな
かった大幅な改善である。

比較例 次に、上述したような材料組成を有しないポジ型フォト
レジストを用いて、同様の実験を行なった。レジストと
してはＭＰＳ１４００　（マイクロホジット社商品名）
を用いた。このレジストの感光剤の構造は、ベンゾフェ
ノン１個あたりの水酸基の数が３個で、平均してその６
７％がナフトキノンジアジドスルホン酸でエステル化さ
れている構造を有し、レジスト材料１ｇｒあたりのナフ
トキノンジアジドスルホン酸のｍｇｒ当量は約０゜５８
前後である。このレジストを用いて、実施例と同一条件
下で、基板上に微細レジストパターンを形成した。すな
わち、第１Ａ図〜第１Ｅ図を参照して、塗布−プリベー
ク−露光−露光後現像前べ一クー現像の工程を経て基板
上に微細レジストパターンを形成した。その結果、マス
クパターン寸法通りにレジストパターンが仕上る露光ｊ
ｌ（ＥＯ）は、露光後現像前ベークを行なわなかった場
合は９８ｍＪ／ｃｍ２で、露光後現像前ベークを行なう
と１２０ｍＪ／ｃｍ２となり、露光後現像前ベークによ
って、約２０％も感度低下が生じた。

また、解像が困難なスペースパターンの解像能力は露光
後現像前ベークの有無にかかわらず、０゜７μｍで、改
善は認められなかった。定在波効果によるレジストパタ
ーン断面の波打ち形状はスムーズになり、定在波効果は
抑制されたが、第２図に示されるバルク効果および膜内
多重反射効果による寸法変化ｆｆ１（Ａ）および（Ｂ）
については、目立った改善は認められなかった。また焦
点深度についても目立った改善は認められなかった。

さらに、以上と同様の比較実験を０ＦＰＲ８００（東京
応化商品名）についても行なったが、ＭＰＳ１４００の
場合とほぼ同様な結果を与えた。

すなわち、定在波効果についてのみ著しく改善され、他
の特性については、大幅な改善は認めらなかった。この
場合、感度は大幅に低下した。なお、０ＦＰＲ８００に
用いられている感光剤は、ベンゾフェノン１個あたりの
水酸基の数が３個で、平均してその６７％がナフトキノ
ンジアジドスルホン酸でエステル化されており、レジス
ト材料１ｇ「あたりのナフトキノンジアジドスルホン酸
のｍｇｒ当量は約０．４５前後であるという構造を有し
ている なお、上記実施例では、露光波長として４３６ｎｍのｇ
線光を用いた場合について記したが、ｉ線（３６５ｎｍ
）　、Ｘｅ−ＣＱ−エキシ７Ｌ／−ザ光（３０８ｎｍ）
　、ＫｒＦエキシマレーザ光（２４８ｎｍ）　、ＡｒＦ
ｘキシマレーザ光（１９３ｎｍ）および多波長を有する
光源を使用しても、実施例と同様の効果を実現する。

また、反射率の高い下地基板（たとえば、Ａｆｌ薄膜）
の上に微細レジストパターンを形成する場合には、基板
からの反射の影響を抑えるたために、ポジ型フォトレジ
スト材料に吸光剤を加えてもよい。また他の目的で、ポ
ジ型フォトレジスト材料に増感剤や架橋剤等の添加剤を
使用しても、本発明の方法は有効である。

また、本発明の方法を３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よい。この場合、上層レジス
トと中間層との界面からのわずかな反射に基づく、膜内
多重反射効果によるパターン寸法変動が抑制されるとと
もに、レジストバター・ン断面形状の改善もなされ、さ
らには焦点深度についても改善される。

また、ＰＣＭ２層レジスト法や、Ｓｔ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Ｓｔ系２層レしスト法の、上層レジ
ストのパターン形成に、本発明の方法を適用しても相当
の効果がある。

また、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および膜厚を抑制した
干渉型反射防止膜を形成して、レジストパターン形成を
行なう反射防止膜法（ＡＲＣ法）に、本発明を適用して
も有効である。さらに、ポジ型フォトレジストの上に、
屈折率および膜厚を制御した干渉型の１層または多層の
反射防止膜を被覆してパターン形成を行なう方法に、本
発明を適用しても有効である。

また、ポジ型フォトレジストの上に、露光波長の先に対
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
コントラストエンハンスリソグラフィ法（ＣＥＬ法；Ｐ
ｏ１ｙｎ、Ｅｎｇ。

Ｓｃ　ｉ、、２３．ｐ、９４７　（１９８３年）に詳細
に記載されている。）においても、本発明の方法は有効
である。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、露光後現像前べ−りに
よるポジ型フォトレジストの反応を、ポジ型フォトレジ
ストの材料の構造組成により最適化した。これによって
、従来の１層レジスト法のもつ問題点を解決し、複雑で
、高価な装置を必要とする多層レジスト法益みの、微細
で高精度なレジストパターンの形成が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図〜第１Ｅ図は、この発明の一実施例の工程を示
した図である。 第２図は、本発明の詳細な説明するための、レジストパ
ターン寸法とレジスト膜厚との関係図である。 第３図は、段差を有する基板上にレジストを塗布したと
きの基板の断面図である。 第４図は、段差を有する基板上にレジストを塗布して、
フォトリソグラフィを行ない、レジストパターンを形成
したときの、レジストパターン寸法とレジスト膜厚との
関係図である。 第５図は、段差を有する基板上に塗布されたレジストに
光を照射したときの様子を示した、基板の断面図である
。 第６図は、レジストパターン寸法とレジスト膜厚との関
係図より、膜内多重反射効果とバルク効果を定量する方
法を示した図である。 第７図は、ノツチング効果を説明するための図である。 第８図は、定在波効果を説明するための図である。 図において、１は基板、２はポジ型フォトレジスト材料
、５はホットプレート、６はｇ線光、２′はレジストパ
ターンである。 なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。 第１Ａ図 萬２図 ８１Ｃ図 萬ＩＤ図 １／：、：゛スト月丸専 第３図 １ａ 第４図 第５図 ８６の レジスト膜厚 第８０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 基板を準備する工程と、 前記基板上に、キノンジアジド系感光剤とアルカリ可溶
   性ノボラック樹脂とを含むポジ型フォトレジスト材料を
   塗布する工程と、 前記キノンジアジド系感光剤はヒドロキシベンゾフェノ
   ンのナフトキノンジアジドスルホン酸によるエステル化
   物であり、 前記ヒドロキシベンゾフェノンはベンゾフェノン１個あ
   たり４個以上の水酸基を有し、平均してその水酸基の７
   ５％以上が前記ナフトキノンジアジドスルホン酸によっ
   てエステル化されており、前記ポジ型フォトレジスト材
   料１ｇｒあたりの前記ナフトキノンジアジドスルホン酸
   のｍｇｒ当量は０．７以上にされており、 前記塗布されたポジ型フォトレジストの膜を第１の温度
   で加熱する工程と、 前記第１の温度で加熱された前記ポジ型フォトレジスト
   の膜に選択的に光を照射する工程と、前記選択的に光を
   照射されたポジ型フォトレジストの膜を第２の温度で加
   熱し、その後、現像して前記基板上にレジストパターン
   を形成する工程と、 を備えたレジストパターンの形成方法。