JPH05160019A

JPH05160019A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH05160019A
Application number: JP34786191A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Tsuji; 均辻; Hiroto Misawa; 寛人三沢
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1991-12-03
Filing date: 1991-12-03
Publication date: 1993-06-25

Abstract

(57)【要約】【目的】0.1μｍレベルの微細パターンを転写すると
き、（イ）例えばレジストをマスクとして絶縁膜に開口
パターンを形成する際、エッチングされる物質がレジス
ト開口部の側壁にスパッタし、レジスト除去後も変質物
質膜として残ったり、（ロ）パターン寸法の大小によっ
てエッチングレートが異なったり、（ハ）リフトオフ法
によるゲートパターンなどを形成するときステップカバ
レージが悪いことなどの課題を解決する。【構成】現像後直ちに、または現像後ホトレジスト膜に
Ｏ₂プラズマ処理を行ない表面に変質層を形成した後、
レジスト膜を加熱してリフローさせ、レジストパターン
の開口部側壁を曲線状の順テーパーに変形させることに
より、目的を達成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造方法
に関するもので、特にリソグラフィー技術における微細
パターンを転写するためのレジストパターンの形成に使
用される。

【０００２】

【従来の技術】微細パターンを転写する第１の従来例と
して、半導体基板上に形成された絶縁膜にレジストをマ
スクとし微細な開口パターンを転写する工程を例にとり
説明する。

【０００３】従来、レジストなどをマスクにして絶縁膜
をドライエッチングしてパターンを転写する場合には、
マスクとなるレジストの開口部幅寸法は、設計値に近い
寸法で、かつほぼ側壁が垂直か、若干テーパーを成して
いるものが理想的であり、そのレジストパターン（レジ
スト上に開口溝で描いた図形、または図形が描かれたレ
ジスト膜）を使い、目的の下地絶縁膜をエッチングして
いる。図８及び図９は、レジストパターニングを行な
い、下地絶縁膜をエッチングするときの従来の製造工程
を示す断面図である。

【０００４】図８（ａ）は、Ｇa Ａs 基板３に形成され
たＳi Ｏ₂またはＳi ₃Ｎ₄等の絶縁膜２上に、レジス
ト１を塗布し、開口部４を持つ 0.1μｍレベルの開口パ
ターン（ヌキパターンとも呼び開口溝で描かれた図形）
６ａを形成した図である。サブミクロンからさらに超微
細化した 0.1μｍ以下の寸法レベルにおいては、現状で
は電子ビームを使用し、レジストパターニングを行なっ
ている。この場合、現像後のレジストパターンの開口部
側壁は、垂直、もしくは電子ビームのバックスキッタの
影響を受けて逆テーパー形状となる。次に同図（ｂ）に
おいて、上記形状のレジストパターンを用い、下地層
（Ｓi Ｏ₂膜など）２を（ＣＦ₄＋Ｏ₂）／（ＣＦ₄＋
Ｈ₂）などでエッチングすると、側壁がほぼ垂直に切り
立った加工が可能である。しかし、この場合開口部の幅
が狭いため、通常のドライエッチングでは効率良くエッ
チングされ飛び散る（スパッタ）べき物質５ａが、どう
しても開口部側壁に付着してしまう。そのため本来のエ
ッチングが終了した後、レジストをＯ₂アッシャーなど
で剥離した場合、図９（ａ）に示すように、薄い膜状の
レジストとエッチングされた物質、さらにエッチングガ
ス材の混合物からなる変質物質膜５が残ってしまう。な
お符号６は、絶縁膜２に転写された開口パターンであ
る。このため同図（ｂ）に示すように、例えばフッ化ア
ンモニウムで変質物質膜５を除去するウェット処理など
の追加を必要とする。

【０００５】他方、素子のデザインにより、一般的にパ
ターンの開口部の幅寸法（以下単にパターン寸法と記
す）は大小様々なものが混在している。パターン寸法が
細いほどエッチングガスは入りにくいため、エッチング
レートが遅くなってしまう。そのため 0.1μｍと 1μｍ
程度の寸法差のパターンが混在しているとエッチングレ
ートが異なり、例えば 0.1μｍ領域のエッチング量を適
正値とすると、 1μｍ領域ではオーバーエッチングされ
てしまう。

【０００６】次に微細パターンを転写する第２の従来例
として、Ｇa Ａs デバイス（ＨＥＭＴなど）で用いられ
ているＴ型（マッシュルーム型）ゲートパターンを形成
する例について説明する。図１０は従来の二層レジスト
法によるＴ型ゲートパターンの製造工程を示す断面図で
ある。同図（ａ）において、Ｇa Ａs 基板３上に開口パ
ターン１５（例えばパターン寸法 0.2μｍ）を有する下
層レジスト膜１２を形成し、次に相溶性の無いレジスト
によりＴ型ゲートパターン頂部の上層レジスト膜１３を
形成し、ゲートメタル１４を堆積する。次にリフトオフ
法によりレジストを除去し、同図（ｂ）に示すようにＴ
型ゲートパターン１６を形成する。

【０００７】二層レジスト・プロセス法については、下
層レジスト膜１２で形成された開口パターン１５のパタ
ーン寸法により、ゲート長が決定される。そのため開口
パターン１５としては開口部の幅寸法の精度が良く、さ
らに開口部のレジスト側壁が垂直であるものが望まし
い。

【０００８】しかしし開口パターン１５が上記形状で
は、次の工程でゲートメタルを堆積した際、ステップカ
パレージ（step coverage 、ＬＳＩ等の半導体素子薄膜
の表面における微細な段差部での膜の被着状態のこと）
が悪くなるなどの原因から、ゲートメタル内に巣が発生
しやすくなる。

【０００９】次に微細パターンを転写する第３の従来例
として、前記Ｔ型ゲートパターンを別の従来技術、すな
わち絶縁膜をスペーサーとするＴ型ゲートパターンの形
成方法について説明する。図１１は、この製造工程を示
す断面図である。同図（ａ）において、Ｇa Ａs 基板３
上にスペーサーとなる厚さ100 nm〜200 nmのＳi Ｏ₂等
の絶縁膜２１を堆積し、その上にレジストパターン２２
を形成し、次に絶縁膜２１をドライエッチングして開口
部２５を形成する。次に同図（ｂ）に示すように、ゲー
トメタル２４を堆積し、次に同図（ｃ）に示すように、
リフトオフ法にてレジストを除去し、Ｔ型ゲートパター
ン２６を形成する。

【００１０】上記Ｔ型ゲートパターンの基板との接触部
分の寸法は絶縁膜２１の開口部２５の開口寸法で決定さ
れる。微細パターンの形成では、最近の傾向として、ウ
ェットエッチングからドライエッチングにエッチング方
法が変わっている。そのため、Ｓi Ｏ₂などの絶縁膜が
エッチングされると、開口部の側壁は、ほぼ垂直な形状
で形成されている。しかしスペーサーは100nm〜200 nm
程度の厚さであり、アスペクト比もあまり大きくならな
い。そのためゲートメタルを堆積したときのステップカ
バレージは十分であり巣の発生は見られない。

【００１１】しかし微細パターンのエッチングのため、
ドライエッチングに必要なＣＦ₄やＮＦ₃等のガスが開
口部に入りにくく、大きいパターン（例えば 1μｍレベ
ル）とのエッチングレートが異なってしまい、オーバー
エッチングによる損傷が心配される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】前記第１従来例のよう
に、レジストをマスクにして、下地絶縁膜に微細な開口
パターンを転写する場合（図８、図９参照）、パターン
寸法が 0.1μｍレベル程度に微細化されると、エッチン
グされる下地絶縁膜物質がスパッタしてレジストマスク
開口部の側壁に付着し、レジストマスク除去後も混合物
からなる変質物質膜が残り、これを除去するため余分の
処理を必要とする。一方微細寸法になるとエッチングガ
スが開口部に入りにくくなって、パターン寸法が例えば
1μｍと大きい他のパターンとエッチングレートが異な
り、損傷を受ける心配がある。

【００１３】また前記第２従来例のように、二層レジス
トのリフトオフ法により基板上にＴ型ゲートパターンを
形成する場合（図１０参照）レジスト開口部のステップ
カバレージが悪く、ゲートメタル内に巣が発生するとい
う課題がある。

【００１４】また前記第３従来例のように、絶縁物をス
ペーサーとし、リフトオフ法により基板上にＴ型ゲート
パターンを形成する場合（図１１参照）には、ステップ
カバレージの課題はなくなるが、パターン寸法の大小に
より、エッチングレートが異なり、大きいパターンがオ
ーバーエッチングとなり、損傷を受ける心配がある。

【００１５】本発明は、微細パターンを転写するときの
上記課題を解決するためになされたもので、第１の目的
は、下地絶縁膜などに開口パターンを形成する際、エッ
チングされる物質がレジスト開口部の側壁にスパッタさ
れるのを押さえ、混合物から成る変質物質膜の成長を防
ぐことを可能とし、第２の目的は、微細パターンの開口
部にも、できるだけエッチングガスを送り込み、大きい
パターン寸法のエッチングレートに近いレートでエッチ
ングすることを可能とし、第３の目的はゲートメタルな
どの堆積時にステップカバレージを良くし、巣の発生を
防止できる半導体装置の製造方法を提供することであ
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
半導体装置の製造方法は、パターンを露光したホトレジ
スト膜を現像した後、該レジスト膜を加熱してリフロー
させることにより前記レジストパターンの開口部側壁を
曲線状の順テーパー（レジスト側壁が下地層主面に90°
以下の傾斜角を持つもの）に変形させる工程を含むこと
を特徴とするものである。

【００１７】また本発明の請求項２に係る半導体装置の
製造方法は、前記現像後のホトレジスト膜に、Ｏ₂プラ
ズマ処理を行ない該ホトレジスト膜表面に変質層を形成
した後、該レジスト膜を加熱してリフローさせることに
より前記レジストパターンの開口部側壁を曲線状の順テ
ーパーに変形させる工程を含む請求項１記載の半導体装
置の製造方法である。

【００１８】

【作用】現像後のレジストは、一般的にポストベークを
行ない、現像液を蒸発させたり、次工程のため、加熱に
よりある程度硬化させる。しかし本発明の請求項１に係
る製造方法では、現像後のレジストパターンのポストベ
ーク温度を従来より高いレジストのガラス転移温度付近
まで上げると、リフローが始まり、表面張力の作用によ
り開口部の肩口は角がとれ、丸みをおびレジスト上部が
広がる方向に移動し、最終的には下地との接触部分の寸
法は変動せず、開口部上部は広がり、開口部側壁は、カ
マボコ状の順テーパーとなり、安定化する（図１（ｃ）
参照）。

【００１９】このような開口部側壁がカマボコ状のレジ
ストパターンを、例えばエッチング用マスクとして下地
絶縁膜をエッチングすれば、エッチングによりスパッタ
して開口部側壁に付着する絶縁膜物質は大幅に減少し、
その付着する変質物質膜は極めて薄く、次工程のＯ₂ア
ッシャーにより、レジストと共に完全に除去される。ま
たこのような形状の開口部では、エッチングガスの送り
込みも容易となり、そのエッチングレートは大きい寸法
の開口パターンのエッチングレートに近い値とすること
ができる。またこのような形状の開口部を持つレジスト
パターンで、リフトオフ法によるゲートパターンを形成
すると、開口部肩部におけるステップカバレージは大幅
に改善される。

【００２０】本発明の請求項２に係る製造方法は、現像
後のレジストパターンに対し、Ｏ₂プラズマを放射し、
レジストの表面層を化学的にとけにくい物質に変化させ
た後、上記請求項１と同様の製造方法を適用するもので
ある。

【００２１】微細化が進み、パターン寸法が例えば 0.1
μｍレベル以下に細くなると、現像後のレジスト膜を加
熱してリフローさせると、逆に開口部が塞がってしまう
ことがある。請求項２の製造方法ではレジスト表面にと
けにくい変質層を形成し、開口部が塞がるのを防止す
る。すなわちレジスト膜表面の変質層は、対向するレジ
スト開口部側壁がリフローにより互いに接近接触して開
口部を塞ぐのを防止する作用をする。

【００２２】

【実施例】まず、現像後のホトレジスト膜を加熱してリ
フローさせることにより、レジストパターンの開口部側
壁を曲線状の順テーパーに変形させる工程について、図
１を参照して説明する。同図（ａ）は、Ｇa Ａs 基板３
上にＳi Ｏ₂膜２（膜厚 500nm以下）を堆積し、その上
に開口部４を有するレジストパターン（開口パターンま
たはヌキパターンと呼ぶこともある）７ａを形成した断
面図である。次にレジスト１を加熱して、レジストのガ
ラス転移温度の付近まで上げるとリフローが始まる。同
図（ｂ）に示すように、リフローが始まると表面張力の
作用により開口部４ではレジスト上部が広がる方向に移
動する。符号７ｂは広がり始めたレジストパターンを表
わす。最終的には、同図（ｃ）に示すように、下地層２
との接触部分の寸法は変動せず、すなわち開口底部の寸
法ｍは変動せず、側壁がカマボコ状の曲線９を形成して
安定化する。符号８は最終的なレジストパターンを表わ
す。この形状は 0.1μｍ以下のレベルのパターン寸法で
も形成可能である。ホトレジスト膜１が、リフローの状
態で、その形状が安定化するのは、ガラス転移温度付近
にあるレジストの表面張力、該レジストと下地層との間
の静摩擦力（界面張力）及びレジスト膜の自重等の力が
バランスするためと推定される。

【００２３】本発明は、主として微細なパターン転写に
適用されるものであり、例えば下地の被エッチング層の
膜厚が500 nm以下の薄膜のエッチングに効果があると考
えられる。

【００２４】またＧa Ａs デバイス、特にＨＥＭＴなど
の素子では、構成上、Ｇa Ａs 基板とゲート電極の接点
部分を、リセスエッチングにより、あらかじめ数十nm程
度エッチングする必要がある。この工程を必要とするた
め、ゲート形成もレジストパターンを使いゲートメタル
をリフトオフで形成しているので、本発明の適用が望ま
しい。

【００２５】次に前記第１従来例に、本発明の請求項１
を適用した第１の実施例について図２及び図３を参照し
て説明する。図２（ａ）に示すように、Ｇa Ａs 基板３
上に堆積したＳi Ｏ₂またはＳi ₃Ｎ₄等の絶縁膜２上
に 0.1μｍレベルのレジストパターン７ａを形成する。
本実施例では、レジスト１にＰＭＭＡ（ポリメチルメタ
クリレート）やＺＥＰ・日本ゼオンを用いた．レジスト
現像後、 100℃〜150℃の温度で加熱処理する。レジス
トリフローが開始し、リフローが安定化した時点で加熱
処理を終了する。図２（ｂ）に示すように、側壁が曲線
状の順テーパー９に変形したレジストパターン８が得ら
れる。次に下地絶縁膜２をＣＦ₄＋Ｈ₂、ＣＦ₄＋Ｏ₂
ガスを用いて、図３（ａ）に示すように、ドライエッチ
ングによりエッチングした。エッチング後、レジスト１
を、Ｏ₂アッシング（酸素プラズマ中でホトレジストを
灰化により除去すること）により、図３（ｂ）に示すよ
うに除去する。上記実施例で、レジストパターン８
は、曲線状の順テーパー９を有していたが、500 nm以下
の下地膜厚では、エッチング時のテーパーによる寸法変
換差は、大きくなかった。なお寸法変換差は図２（ａ）
に示す開口部の幅ｗ₁と、図３（ｂ）に示す下地層２の
開口底部の幅ｗ₂との差である。また絶縁膜２に転写さ
れた開口パターン６の側壁は、若干テーパーがつくた
め、ゲートメタルを堆積したときのカバレージも良かっ
た。

【００２６】上記実施例では、レジストパターンの開口
部側壁を曲線状の順テーパーに変形させたが、そのテー
パーが下地膜に転写されることなく、寸法変換差も最小
限に押さえられ、 0.1μｍレベルの開口パターンを形成
することができた。

【００２７】図３（ａ）に示す下地絶縁膜２のドライエ
ッチングに際し、スパッタによりレジスト開口側壁に成
長した変質物質膜は、従来技術に比し大幅に薄く、さら
にＯ₂アッシングでは、今回のレジスト形状により、順
次レジスト表面でスパッタエッチングを繰り返し、効率
的に除去されているため、Ｏ₂アッシングにより、簡単
に変質物質膜を含むレジストを除去することが可能とな
った。またレジストパターンの開口側壁が垂直や逆テー
パー形状の従来技術では、パターン寸法の大小によりエ
ッチングレートに差を生じていたが、開口側壁を曲線状
の順テーパーとすることにより、その差も若干小さくす
ることができた。

【００２８】次に前記第２従来例に、本発明の請求項２
を適用した第２の実施例（二層レジストのリフトオフ
法）について図４及び図５を参照して説明する。図４
（ａ）に示すように、ポジ型レジスト４１をＧa Ａs 基
板３上に塗布、ステッパーや電子ビーム露光装置を用い
て、パターンを描画した後、現像してレジストパターン
４７ａを形成する。次に通常のレジスト剥離処理に用い
るＯ₂プラズマアッシング装置を使い、50Ｗ程度の電力
にて、Ｏ₂流量150 cc／min で30秒間処理を行ない、同
図（ｂ）に示すように、レジスト表面層を化学的にとけ
にくい変質層４２にする。次に、120 ℃〜160 ℃、1 分
〜2 分程度、加熱板上で基板３を加熱し、ホトレジスト
４１をリフローさせ、同図（ｃ）に示すように、垂直に
形成されていたレジスト開口側壁を、開口底面の寸法変
換差0μｍにて約60度の順テーパーに形成した。符号４
８は、この順テーパー側壁４９を持つ下層レジストパタ
ーンを表わす。次に図５（ａ）に示すように、相溶性の
ないレジスト４３にてＴ型ゲート頂部の上層レジストパ
ターン４６を形成し、ゲートメタル４４を堆積する。同
図（ｂ）に示すように、リフトオフ法にてレジストを除
去し、ゲート４４ａを形成する。

【００２９】上記第２実施例の下層レジスト４１のレジ
ストパターン４７ａの側壁は、図４（ｃ）に示すよう
に、曲線状の順テーパー側壁４９に変形させられている
ので、ゲートメタル４４のステップカバレージは良く、
巣の発生することもない。また本実施例では、現像後の
ホトレジスト表面層をとけにくい変質層４２とした後、
リフローさせるので、開口寸法がより微細化されたレジ
ストパターン形成に対し、開口部の互いに対向する側壁
が接触してパターンが塞がってしまう現象も大幅に軽減
され、上記のようにほぼ60度の順テーパーを形成でき、
その際の開口底部寸法は 1割以内の変動であった。

【００３０】次に前記第３従来例に本発明の請求項２を
適用した第３の実施例（絶縁物をスペーサーとするリフ
トオフ法）について図６を参照して説明する。同図
（ａ）に示すように、Ｇa Ａs 基板３上に堆積されスペ
ーサーとなるＳi Ｏ₂等の絶縁膜５２上に、ポジ型レジ
スト５１から成るレジストパターン５７ａを形成した
後、前記第２実施例と同様のＯ₂プラズマ処理を行ない
レジスト膜表面に変質層５４を形成する。次に同図
（ｂ）に示すように、レジスト５１を加熱してリフロー
させることにより、開口部側壁を曲線状の順テーパー側
壁５９にする。次に同図（ｃ）に示すように、絶縁膜５
２をＲＩＥなどのドライエッチングにより加工し、レジ
ストを除去することにより、絶縁膜の開口パターン５６
を形成する。

【００３１】レジストパターンの側壁が垂直である従来
の場合より、本実施例では、曲線状の順テーパー側壁と
なっているので、エッチングレートは早くなり、パター
ン寸法の大きいパターンのエッチングレートに近くな
る。すなわちパターン寸法の大小によるエッチングレー
トの差を減少させることができる。また変質層５４を形
成することにより、請求項１に係る製造方法に比し、パ
ターン寸法がより細いパターンでも開口部が塞がること
なく形成できる。

【００３２】レジストパターンの開口部側壁の形状を順
テーパー形状にするためには、設計寸法より細くなるよ
うに、露光量不足で露光する方法もある（図７参照）。

【００３３】

【発明の効果】これまで詳述したように、本発明では現
像後のホトレジスト膜を直ちに、またはホトレジスト膜
表面に変質層を形成した後、リフローさせてレジストパ
ターンの開口部側壁を曲線状の順テーパーに変形させ
る。この発明により、例えば絶縁膜などに開口パターン
を形成する際、エッチングされる物質が、レジスト開口
部の側壁にスパッタされるのを押さえ、混合物から成る
変質物質膜の成長を防ぐことが可能となり、また微細パ
ターンの開口部にも、できるだけエッチングガスを送り
込み、大きいパターン寸法のエッチングレートに近いレ
ートでエッチングすることができ、さらにレジストパタ
ーンにゲートメタルなどを堆積する際のステップカバレ
ージを良くし、巣の発生を防止できる半導体装置の製造
方法を提供することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体装置の製造方法において、レジ
スト膜をリフローさせ開口部側壁を順テーパーに変形す
る工程を示す断面図である。

【図２】本発明の半導体装置の製造方法の第１実施例の
製造工程を示す断面図である。

【図３】本発明の半導体装置の製造方法の図２に続く製
造工程を示す断面図である。

【図４】本発明の半導体装置の製造方法の第２実施例の
製造工程を示す断面図である。

【図５】本発明の半導体装置の製造方法の図４に続く製
造工程を示す断面図である。

【図６】本発明の半導体装置の製造方法の第３実施例の
製造工程を示す断面図である。

【図７】レジスト開口パターンの開口部側壁を順テーパ
ー形状にするその他の方法を説明する断面図である。

【図８】半導体装置の製造方法の第１の従来例の製造工
程を示す断面図である。

【図９】第１の従来例の図８に続く製造工程を示す断面
図である。

【図１０】半導体装置の製造方法の第２の従来例の製造
工程を示す断面図である。

【図１１】半導体装置の製造方法の第３の従来例の製造
工程を示す断面図である。

【符号の説明】

１ホトレジスト２絶縁膜３Ｇa Ａs 基板４開口部５変質物質膜６絶縁膜の開口パターン７ａレジストパターン８レジストパターン９曲線状の順テーパー（側壁）４１ホトレジスト４２変質層４４ゲートメタル４４ａゲートパターン４７ａレジストパターン４９曲線状の順テーパー（側壁）５１ホトレジスト５２絶縁膜５４変質層５７ａレジストパターン５９曲線状の順テーパー（側壁）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パターンを露光したホトレジスト膜を現像
した後、該レジスト膜を加熱してリフローさせることに
より前記レジストパターンの開口部側壁を曲線状の順テ
ーパーに変形させる工程を含むことを特徴とする半導体
装置の製造方法。
【請求項２】前記現像後のホトレジスト膜に、Ｏ₂プラ
ズマ処理を行ない該ホトレジスト膜表面に変質層を形成
した後、該レジスト膜を加熱してリフローさせることに
より前記レジストパターンの開口部側壁を曲線状の順テ
ーパーに変形させる工程を含む請求項１記載の半導体装
置の製造方法。