JPH05234883A

JPH05234883A - レジスト・パターンの形成方法

Info

Publication number: JPH05234883A
Application number: JP7251392A
Authority: JP
Inventors: Mitsuharu Takagi; 光治高儀
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1992-02-21
Filing date: 1992-02-21
Publication date: 1993-09-10

Abstract

(57)【要約】【目的】段差を有する基板上においても、フォトリソ
グラフィにより均一なパターン幅を有するレジスト・パ
ターンを形成する。【構成】フォトレジスト塗膜３の形成工程をたとえば
３回の副工程に分割し、最初の副工程で粘度の比較的大
きいポジ型フォトレジスト材料を高速回転数にてスピン
コートし、ウェハの段差にほぼ倣った均一な厚さの第１
のフォトレジスト塗膜３ｆを形成する。その後、紫外線
硬化処理を行ってレジスト強度を増大させる。第２のフ
ォトレジスト塗膜３ｓ、第３のフォトレジスト塗膜３ｔ
も同様に形成する。フォトレジスト塗膜３の膜厚が均一
なので、レチクル４を介した選択露光および現像後の未
露光部３ａのパターン幅Ｌ_u，Ｌ_dが段差上下で等しく
なる。未露光部３ａをマスクとしてエッチングを行え
ば、等しい線幅を有する配線パターン２ａが形成でき
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工程等
において行われるレジスト・パターンの形成方法に関
し、特に段差を有する基板上に均一な膜厚のフォトレジ
スト塗膜を形成することにより、フォトリソグラフィの
工程において該段差に起因する寸法変換差の発生を防止
する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年のＶＬＳＩ，ＵＬＳＩ等にみられる
ように半導体装置の高集積化および高性能化が進展する
に伴い、デバイス・チップの面積の大幅な増大を防止す
るために、トランジスタ，ダイオード，抵抗等の基本素
子や配線を三次元方向に積層することが必須の技術とな
っている。しかし、回路の性能や信頼性を維持する観点
から、三次元方向のデザイン・ルールの縮小の歩みは二
次元方向の縮小に比べて遅く、このことが基板（ウェ
ハ）の表面段差を必然的に増大させている。

【０００３】ところで、かかる基板表面の大きな段差
は、フォトリソグラフィ工程における均一露光を阻害
し、ひいては設計寸法と実際に得られる加工寸法との間
に差異を生ずる原因となっている。この問題を、配線加
工とホール加工とを例として、それぞれ図４および図５
を参照しながら説明する。

【０００４】まず、図４（ａ）に示されるように、下層
配線の形成等により段差が発生している基板１１上に導
電材料層１２がこの段差に倣って形成され、さらにこの
段差を吸収するごとく一例としてポジ型のフォトレジス
ト塗膜１３が形成されてなるウェハを考える。この場合
の基板１１の少なくとも表層部は、典型的には層間絶縁
膜等から構成される。上記フォトレジスト塗膜１３は、
ごく一般的には粘度約２０〜５０Ｃｐのフォトレジスト
材料を使用して形成され、スピンコートされる過程で自
らの流動性によりウェハの表面を略平坦化するので、そ
の膜厚は段差上部では相対的に薄く、段差下部では相対
的に厚くなっている。

【０００５】いま、上記導電材料層１２を加工する際の
エッチング・マスクを形成するため、ガラス基板１５上
に所定の配線パターンにしたがってＣｒ（クロム）膜か
らなる遮光部１６が形成されたレチクル１４を介し、上
記フォトレジスト塗膜１３の選択露光を行ったとする。
なお、実際のフォトリソグラフィはステッパの縮小投影
光学系を介して行われ、レチクル上のパターン寸法とウ
ェハ上のパターン寸法との比、すなわち縮小比が５：１
程度に設定されているものが一般的であるが、この図で
は説明の便宜上、両パターン寸法を同じ縮尺で示す。

【０００６】この選択露光により、フォトレジスト塗膜
１３には遮光部１６に対応した未露光部１３ａと、ガラ
ス基板１５を透過した露光光による露光部１３ｂとが形
成される。露光部１３ｂではポジ型フォトレジスト材料
の光分解反応が進行するが、フォトレジスト塗膜１３の
膜厚方向における透過光量の分布や遮光部１６のエッジ
における露光光の回折等に起因して、未露光部１３ａの
断面形状はテーパー化する。

【０００７】露光後に上記ウェハを現像すると、図４
（ｂ）に示されるように、導電材料層１２の上にはテー
パー形状を有する未露光部１３ａが溶解除去されずに残
る。しかし、フォトレジスト塗膜１３のあらゆる領域に
てほぼ等しい傾きでテーパー化が生ずる結果、導電材料
層１２の表面における未露光部１３ａのパターン幅は段
差上部においてｌ_u、段差下部においてｌ_dとなり、こ
の両者の大小関係はｌ_u＜ｌ_dとなってしまう。

【０００８】このような未露光部１３ａからなるレジス
ト・パターンをエッチング・マスクとして導電材料層１
２を異方性エッチングすると、図４（ｃ）に示されるよ
うに、形成される配線パターン１２ａの線幅は段差上部
で細く、段差下部で広くなる。この線幅の差は、元の基
板１１の段差が大きくなるほど増大する。段差上部にお
ける配線パターンの線幅ｌ_uが過度に小さくなると、電
流密度の増大によるエレクトロマイグレーション耐性の
劣化や、ストレスマイグレーションによる断線の発生が
顕著となる。

【０００９】寸法変換差の問題は、ホール加工において
も発生する。たとえば、図５（ａ）に示されるように、
段差が発生している基板１７上に層間絶縁膜１８がこの
段差に倣って形成され、さらにこの段差を吸収するごと
く一例としてポジ型のフォトレジスト塗膜１３が形成さ
れてなるウェハを考える。この場合の基板１７の少なく
とも表層部は、典型的には下層配線等から構成される。
上記フォトレジスト塗膜１３には、局部的な膜厚差が発
生している。

【００１０】いま、上記層間絶縁膜１８を加工する際の
エッチング・マスクを形成するため、ガラス基板１５上
に所定のホール・パターンにしたがってＣｒ（クロム）
膜からなる遮光部１６が形成されたレチクル１４を介
し、上記フォトレジスト塗膜１３の選択露光を行ったと
する。この選択露光によりフォトレジスト塗膜１３には
未露光部１３ａと露光部１３ｂとが形成され、前述の理
由により未露光部１３ａの断面形状はテーパー化する。

【００１１】このウェハを現像すると、図５（ｂ）に示
されるように、層間絶縁膜１８の上にはテーパー形状を
有する未露光部１３ａが溶解除去されずに残る。しか
し、今度は溶解除去された露光部１３ｂに対応する部分
がホールのパターンとなるため、層間絶縁膜１８の表面
における開口径は段差上部においてｃ_u、段差下部にお
いてｃ_dとなり、この両者の大小関係はｃ_u＞ｃ_dとな
ってしまう。

【００１２】かかる未露光部１３ａからなるレジスト・
パターンをエッチング・マスクとして層間絶縁膜１８を
異方性エッチングすると、図５（ｃ）に示されるよう
に、形成されるホール１８ａの開口径は段差上部で広
く、段差下部で狭くなる。この開口径の差は、元の基板
１７の段差が大きくなるほど増大する。段差下部におけ
るホール１８ａの開口径ｃ_uが過度に狭くなることはア
スペクト比の増大を意味し、金属配線層を被着形成する
際の段差被覆性（ステップ・カバレッジ）の低下や、開
口端における金属配線層の破断を生ずる原因となる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、フォト
リソグラフィにおける寸法変換差の発生は段差を有する
基板上でのフォトレジスト塗膜の膜厚の不均一性に起因
しているのであるから、この寸法変換差を解消するため
にはフォトレジスト塗膜の膜厚を均一化すれば良いと考
えられる。フォトレジスト塗膜の膜厚の均一性は、塗布
条件やフォトレジスト材料の粘度に依存している。たと
えば、スピンコート法により塗布を行う場合には、粘度
の比較的高いフォトレジスト材料を比較的速い回転速度
で塗布した場合に、均一性を高めることができる。ただ
し、良好な均一性が達成できるのは膜厚がせいぜい５０
０〜７００ｎｍの範囲までであり、後のエッチング工程
における被エッチング材料層との選択比を考慮すると、
この程度の膜厚ではエッチング・マスクとしては到底使
用に耐えない。一方、エッチング・マスクとして通常要
求される膜厚にフォトレジスト塗膜を形成しようとする
と、フォトレジスト材料の自重等に起因するリフロー効
果によりやはり段差下部における膜厚が大きくなってし
まう。

【００１４】そこで本発明は、段差を有する基板上に均
一かつ十分に大きな膜厚のフォトレジスト塗膜を形成す
ることにより、フォトリソグラフィの工程において該段
差に起因する寸法変換差の発生を防止することが可能な
レジスト・パターンの形成方法を提供することを目的と
する。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明にかかるレジスト
・パターンの形成方法は、上述の目的を達成するために
提案されるものであり、段差を有する基板上にフォトレ
ジスト材料を塗布することにより形成されたフォトレジ
スト塗膜を選択露光および現像処理によりパターニング
する方法であって、前記塗布の工程を複数の副工程に分
割し、各副工程において上記フォトレジスト塗膜の所望
の最終膜厚の一部を形成すると共に、各副工程間におい
てフォトレジスト塗膜に紫外線硬化処理を施すことによ
り、前記基板上で該最終膜厚を均一化することを特徴と
する。

【００１６】

【作用】本発明では、エッチング・マスクとして通常要
求されるフォトレジスト塗膜の最終膜厚を、１回の塗布
工程により達成するのではなく、複数の副工程により達
成する。１回の副工程で形成されるフォトレジスト塗膜
の膜厚は小さいので、フォトレジスト材料の粘度と塗布
条件を最適化すれば、基板の表面段差を反映して均一な
膜厚を有する、いわゆるコンフォーマルなフォトレジス
ト塗膜を形成することができる。しかも、各副工程にお
いて薄いフォトレジスト塗膜を形成する毎に紫外線硬化
処理を行ってその流動性を制限するので、次の副工程に
おいても薄いフォトレジスト塗膜を既に形成されたフォ
トレジスト塗膜上にコンフォーマルに積層することがで
きる。かかる塗布工程と紫外線硬化処理とをフォトレジ
スト塗膜の膜厚が所望の最終膜厚に達するまで繰り返せ
ば、エッチング・マスクとしての使用に十分耐え、しか
も均一な膜厚を有するフォトレジスト塗膜を形成するこ
とができる。

【００１７】フォトレジスト塗膜の膜厚が基板上で均一
化されれば、膜厚方向の透過光量分布も段差の上下でほ
ぼ等しくすることができるので、現像後に形成されるレ
ジスト・パターンに寸法変換差が発生する虞れがなくな
る。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例について説明
する。

【００１９】実施例１本実施例は、本発明を配線加工を行うためのレジスト・
パターンの形成に適用し、フォトレジスト塗膜を３回の
塗布工程、すなわち副工程にて形成した例である。フォ
トレジスト塗膜の形成プロセスは図１、レジスト・パタ
ーンの形成プロセスおよび配線加工は図２をそれぞれ参
照しながら説明する。

【００２０】まず一例として、図１（ａ）に示されるよ
うに、下層配線の形成等により段差が発生している層間
絶縁膜１上にＡｌ−１％Ｓｉ層２がこの段差に倣って形
成されたウェハを準備した。このウェハについて、２０
０℃，１分間のベーキングを行って水分を除去した後、
フォトレジスト材料との密着性を強化するためにＨＭＤ
Ｓ（ヘキサメチルジシラザン）処理を行って表面を疎水
化し、さらに２００℃，２分間のプリベーキングを行っ
て水分を除去した。

【００２１】次に、上記ウェハをスピンコーター（回転
塗布装置）にセットし、回転数８０００〜１００００ｒ
ｐｍにて回転させながら粘度８０〜１００Ｃｐを有する
市販のポジ型フォトレジスト材料を滴下し、厚さ約５０
０〜７００ｎｍの第１のフォトレジスト塗膜３ｆを形成
した。上記ポジ型フォトレジスト材料は、市販品として
は粘度の比較的高い部類に属するものであり、上記第１
のフォトレジスト塗膜３ｆはウェハの段差にならってほ
ぼコンフォーマルに形成された。その後、１２０℃，２
分間のポストベーキングを行って溶媒を除去した。

【００２２】さらに、レジスト強度を高めるため、ウェ
ハを約２００℃に昇温し、紫外線ランプの光を１分間程
度照射して紫外線硬化処理を行った。このときの紫外線
の波長は、レジスト反応に影響を及ぼさない範囲で適宜
選択すれば良く、たとえば上記フォトレジスト材料がｇ
線（４３６ｎｍ）リソグラフィ用であれば、３００ｎｍ
近傍の紫外線を使用することができる。

【００２３】次に、上記のウェハについて１００℃，２
分間のプリベーキングを行い水分を除去した後、上述と
同じフォトレジスト材料を同じ条件でスピンコートし、
図１（ｂ）に示されるように、厚さ約５００〜７００ｎ
ｍの第２のフォトレジスト塗膜３ｓを形成した。このと
き、先に形成された第１のフォトレジスト塗膜３ｆは紫
外線硬化処理によりレジスト強度が高められているた
め、流動や変形を来すことはなかった。したがって、こ
の第２のフォトレジスト塗膜３ｓも、ウェハの段差にな
らってほぼコンフォーマルに形成された。この後、溶媒
を除去するためのポストベーキング、およびレジスト強
度を高めるための紫外線硬化処理を、第１のフォトレジ
スト塗膜３ｓの形成時と同様に行った。

【００２４】さらに、上述のプリベーキング、スピンコ
ート、ポストベーキングを繰り返すことにより、図１
（ｃ）に示されるように、厚さ約５００〜７００ｎｍの
第３のフォトレジスト塗膜３ｔを形成した。以上の工程
により、第１のフォトレジスト塗膜３ｆ、第２のフォト
レジスト塗膜３ｓ、第３のフォトレジスト塗膜３ｔから
なるフォトレジスト塗膜３が、ウェハ上のいかなる部位
においてもほぼ均一な膜厚に形成された。

【００２５】次に、上記フォトレジスト塗膜３をパター
ニングして配線加工を行うためのエッチング・マスク、
すなわちレジスト・パターンを形成するため、フォトリ
ソグラフィを行った。このプロセスを、図２を参照しな
がら説明する。まず、図２（ａ）に示されるように、ガ
ラス基板５上に所定の配線パターンにしたがってＣｒ
（クロム）膜からなる遮光部６が形成されたレチクル４
を介し、上記フォトレジスト塗膜３の選択露光を行っ
た。なお、この図においても、説明の便宜上、縮小比は
１：１としてある。

【００２６】この選択露光により、フォトレジスト塗膜
３には遮光部６に対応した未露光部３ａと、ガラス基板
５を透過した露光光による露光部３ｂとが形成された。

【００２７】露光後に上記ウェハを現像すると、図２
（ｂ）に示されるように、Ａｌ−１％Ｓｉ層２上には未
露光部３ａがエッチング・マスクとして残る。このとき
の未露光部３ａの断面形状はテーパー化しているが、段
差上部におけるパターン幅Ｌ_uと段差下部におけるパタ
ーン幅Ｌ_dは等しく、従来技術におけるような寸法変換
差は発生しなかった。これは、露光前のフォトレジスト
塗膜３ａの膜厚が段差上部と段差下部とでほぼ均一であ
り、膜厚方向における透過光量の分布状態がほぼ同一で
あったからである。

【００２８】かかる未露光部３ａからなるレジスト・パ
ターンをエッチング・マスクとし、通常のＲＩＥ装置等
と塩素系ガスを用いてＡｌ−１％Ｓｉ層２をエッチング
し、未露光部３ａを通常のＯ₂プラズマ・アッシング等
により除去したところ、図２（ｃ）に示されるように、
段差上部においても段差下部においても等しいパターン
幅を有する配線パターン２ａを形成することができた。

【００２９】実施例２本実施例では、本発明をコンタクト・ホール加工を行う
ためのレジスト・パターンの形成に適用した例である。
本実施例で使用したウェハは、段差が発生している下層
配線７上に層間絶縁膜８がこの段差に倣って形成された
ものである。このウェハ上に、実施例１と同様に３回の
副工程により、均一な膜厚を有するフォトレジスト塗膜
３を形成した。

【００３０】次に、上記フォトレジスト塗膜３をパター
ニングしてコンタクト・ホール加工を行うためのエッチ
ング・マスク、すなわちレジスト・パターンを形成する
ため、フォトリソグラフィを行った。このプロセスを、
図３を参照しながら説明する。まず、図３（ａ）に示さ
れるように、ガラス基板５上に所定のコンタクト・ホー
ル・パターンにしたがってＣｒ（クロム）膜からなる遮
光部６が形成されたレチクル４を介し、上記フォトレジ
スト塗膜３の選択露光を行った。

【００３１】この選択露光により、フォトレジスト塗膜
３には遮光部６に対応した未露光部３ａと、ガラス基板
５を透過した露光光による露光部３ｂとが形成された。

【００３２】露光後に上記ウェハを現像すると、図３
（ｂ）に示されるように、層間絶縁膜８上には未露光部
３ａがエッチング・マスクとして残る。このときの未露
光部３ａの断面形状はテーパー化しているが、段差上部
における開口径Ｃ_uと段差下部における開口径Ｃ_dは等
しく、従来技術におけるような寸法変換差は発生しなか
った。

【００３３】かかる未露光部３ａからなるレジスト・パ
ターンをエッチング・マスクとして通常のＲＩＥ装置等
と高次フルオロカーボン系ガスを用いて層間絶縁膜８を
エッチングし、未露光部３ａを通常のＯ₂プラズマ・ア
ッシング等により除去したところ、図３（ｃ）に示され
るように、段差上部においても段差下部においても等し
い開口径を有するコンタクト・ホール８ａを形成するこ
とができた。

【００３４】以上、本発明を２例の実施例にもとづいて
説明したが、本発明はこれらの実施例に何ら限定される
ものではない。たとえば、上述の各実施例ではフォトレ
ジスト塗膜を形成するための副工程の数を３としている
が、この数は基板の段差の大きさ、フォトレジスト塗膜
の所望の最終膜厚、フォトレジスト材料の粘度等に応じ
て適宜設定することができる。

【００３５】また、上述の各実施例ではポジ型フォトレ
ジスト材料を使用した場合について説明したが、本発明
はネガ型フォトレジスト材料を使用した場合にも有効で
ある。その他、ウェハの構成や、ベーキング，スピンコ
ート，エッチング等の諸条件は適宜変更可能であること
は言うまでもない。

【００３６】

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明によれば段差を有する基板上においても均一な膜厚の
フォトレジスト塗膜を形成することが可能となり、フォ
トリソグラフィの精度を向上させることができる。した
がって本発明は、たとえば多層配線の導入等に伴って基
板に大きな表面段差が発生し易い半導体装置の製造工程
において極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明におけるフォトレジスト塗膜の形成工程
をその工程順にしたがって説明する概略断面図であり、
（ａ）は段差を有するＡｌ−１％Ｓｉ層または層間絶縁
膜上に第１のフォトレジスト塗膜が形成された状態、
（ｂ）は続いて第２のフォトレジスト塗膜が形成された
状態、（ｃ）はさらに第３のフォトレジスト塗膜が形成
され、全体としてほぼ均一な膜厚を有するフォトレジス
ト塗膜が形成された状態をそれぞれ表す。

【図２】本発明を適用して配線加工を行ったプロセス例
をその工程順にしたがって説明する概略断面図であり、
（ａ）は均一な膜厚を有するフォトレジスト塗膜を選択
露光した状態、（ｂ）は現像処理により未露光部が残さ
れた状態、（ｃ）は未露光部からなるレジスト・パター
ンをエッチング・マスクとしてＡｌ−１％Ｓｉ層をエッ
チングし、レジスト・パターンを除去することにより、
均一なパターン幅を有する配線パターンが形成された状
態をそれぞれ表す。

【図３】本発明を適用してコンタクト・ホール加工を行
ったプロセス例をその工程順にしたがって説明する概略
断面図であり、（ａ）は均一な膜厚を有するフォトレジ
スト塗膜を選択露光した状態、（ｂ）は現像処理により
未露光部が残された状態、（ｃ）は未露光部からなるレ
ジスト・パターンをエッチング・マスクとして層間絶縁
膜をエッチングし、レジスト・パターンを除去すること
により、均一な開口径を有するコンタクト・ホールが形
成された状態をそれぞれ表す。

【図４】従来の配線加工における問題点を説明する概略
断面図であり、（ａ）は導電材料層上の不均一な膜厚を
有するフォトレジスト塗膜を選択露光した状態、（ｂ）
は現像処理により未露光部が残された状態、（ｃ）は未
露光部からなるレジスト・パターンをエッチング・マス
クとして導電材料層をエッチングし、レジスト・パター
ンを除去することにより、段差上部と段差下部とで不均
一なパターン幅を有する配線パターンが形成された状態
をそれぞれ表す。

【図５】従来のホール加工における問題点を説明する概
略断面図であり、（ａ）は層間絶縁膜上の不均一な膜厚
を有するフォトレジスト塗膜を選択露光した状態、
（ｂ）は現像処理により未露光部が残された状態、
（ｃ）は未露光部からなるレジスト・パターンをエッチ
ング・マスクとして層間絶縁膜をエッチングし、レジス
トパターンを除去することにより、段差上部と段差下部
とで不均一な開口径を有するホールが形成された状態を
それぞれ表す。

【符号の説明】

１，８・・・層間絶縁膜２・・・Ａｌ−１％Ｓｉ層２ａ・・・配線パターン３・・・フォトレジスト塗膜３ｆ・・・第１のフォトレジスト塗膜３ｓ・・・第２のフォトレジスト塗膜３ｔ・・・第３のフォトレジスト塗膜３ａ・・・未露光部（レジスト・パターン）３ｂ・・・露光部４・・・レチクル５・・・ガラス基板６・・・遮光部７・・・下層配線８ａ・・・コンタクト・ホールＬ_u ・・・（段差上部における配線パターンの）パタ
ーン幅Ｌ_d ・・・（段差下部における配線パターンの）パタ
ーン幅Ｃ_u ・・・（段差上部におけるコンタクト・ホール
の）開口径Ｃ_d ・・・（段差下部におけるコンタクト・ホール
の）開口径

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】段差を有する基板上にフォトレジスト材
料を塗布することにより形成されたフォトレジスト塗膜
を選択露光および現像処理によりパターニングするレジ
スト・パターンの形成方法において、前記塗布の工程を複数の副工程に分割し、各副工程にお
いて上記フォトレジスト塗膜の所望の最終膜厚の一部を
形成すると共に、各副工程間においてフォトレジスト塗
膜に紫外線硬化処理を施すことにより、前記基板上で該
最終膜厚を均一化することを特徴とするレジスト・パタ
ーンの形成方法。