JPH06132216A - パターン形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 この発明は、２層のレジスト膜を２段露光・
現像により光位相シフト効果を用いて任意のパターンを
形成するパターン形成方法において、第１段の露光・現
像で矩形の段差を形成することができ、しかも、段差の
深さを簡単にコントロールできるようにしたパターン形
成方法を提供することを目的とする。 【構成】 半導体基板１上に下層レジスト膜２を成膜し
た上に、下層レジスト膜と光学的特性の異なる上層レジ
スト膜３を成膜し、第１段階の露光・現像で、マスクパ
ターン４を用いて上層レジスト膜３を露光・現像して上
層レジスト膜３の膜厚と概ね同じ厚さの矩形の表面段差
を形成する構成とする。

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製造方法に係
り、特にリソグラフィによるパターン形成方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の半導体素子の高集積化、高密度化
に伴い、パターン形成工程において形成されるレジスト
パターンを微細に加工することがますます厳しく要求さ
れるようになっている。具体的には、リソグラフィにお
ける露光光波長以下の微細加工が求められるようになっ
てきており、これを実現するために縮小投影露光装置の
高ＮＡ（NUMERICAL APERTURE）化、レジスト性能の向上
とともに、位相シフト露光法が有望な手段と目されてい
る。

【０００３】位相シフト露光法を実現するためには、位
相シフトマスクを用いる方法と、ウェハ表面のレジスト
膜をシフタとして用いる方法とが提案されている。

【０００４】位相シフトマスクを用いる方法は、１９８
９年発行のＳＰＩＥ第１０８８巻、２５〜３３頁に開示
されているように、微細デザイン部において位相が１８
０°反転するような部分を局部的に持つマスク（位相シ
フトマスク）を用意して、光の干渉効果により光コント
ラストを強調する方法である。これに関して様々の応用
・改良例が紹介されてきたが、改良を加えれば加えるほ
どマスク作成が複雑になるという問題があった。

【０００５】ウェハ表面のレジスト膜をシフタとして用
いる方法は、例えば１９９１年発行のＩＥＤＭ、６３〜
６６頁に記載されており、第１段の露光・現像によりレ
ジスト膜に表面段差を形成し、第２段の露光の時にマス
ク上でなくウェハ上で位相シフト効果を得て光コントラ
ストを強調する方法である。

【０００６】この方法のプロセスは、例えば図４の工程
図に示すように、まず、第１段の露光で通常のフォトマ
スク１０１を用い、露光のエネルギーを調整することに
より、２回目の露光光の位相が１８０°反転される深さ
までレジスト膜１０２を感光させる（図４（ａ）参
照）。この露光に引き続いて第１段の現像をすることに
より２回目の露光光の位相が１８０°反転される深さの
段差部１０３が形成される（図４（ｂ）参照）。続い
て、第２段階の露光では段差部１０３を含めてレジスト
膜１０２全体がマスクレスで一括露光される（図４
（ｃ）参照）。

【０００７】図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、この
一括露光時に照射された光は段差１０３のエッジの凹
部、凸部で光の位相が１８０°反転し、図５（ｃ）に示
すように、急峻な遮光部ｓがエッジ及びその近傍で形成
される。したがって、第２段の露光に引き続いて行われ
る現像では、その遮光部ｓに対応する部分のレジスト膜
が残り、図４（ｄ）に示すように、微細な幅のレジスト
パターン１０４が基板１０５上に形成されることにな
る。

【０００８】この従来方法は、特別な位相シフトマスク
を用意する必要がなく、従来の通常のフォトマスク１０
１を使用できるという利点がある。また、同一サイズの
パターンに関して、位相シフトマスクを用いる場合に比
べて、パターンエッジの光コントラストが高くなること
が確認されている。

【０００９】このようにしてウェハ表面のレジストに段
差を形成し、この段差のエッジの凹部、凸部で光位相を
１８０°反転させる光位相シフト露光法では、露光光学
系の解像限界は段差のパターニングにのみ関与し、段差
部は通常用いられるレジストよりも薄いので、焦点深度
の制約も少なく微細なパターンが形成しやすく、位相シ
フト効果と合わせて通常露光法の２倍以上解像度の高い
パターニングが可能になる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述のウェ
ハ表面におけるレジスト表面段差による位相シフト露光
法を用いてレジストパターンを形成する場合、第１段階
の露光・現像によって形成される段差１０３は、例えば
図６の模式図に示すように、エッジの段付け面１０６と
段差１０３の底面１０７とが直角に交わる矩形であるこ
とが好ましい。なぜならば、この段差１０３のエッジ部
での急峻な光の位相反転がコントラストを高めることに
寄与するからである。

【００１１】しかしながら、従来、この段差１０３はア
ンダー露光等のプロセス条件の微調整によって形成して
いるので、図７の模式図に示すように、エッジの段付け
面１０６と段差１０３の底面１０７とにわたって隅肉１
０８が残り、エッジの段付け面１０６が段差１０３の底
面１０７になだらかに連続する形状に形成されてしま
い、光位相シフトによるコントラスト強調効果が損なわ
れる。

【００１２】また、この従来方法では、図８の模式図に
示すように、パターンの開口部幅によって段差１０３の
深さに差が生じ、パターンサイズによって得られる光位
相シフト効果に差異が生じて、種々のパターンサイズで
同時に最適な光位相シフト効果を得ることができないと
いう問題点がある。

【００１３】さらに、所望深さの段差１０３を形成する
ための露光量、現像時間等のプロセス条件の設定はかな
りの困難を伴い、極僅かなプロセス条件変動によって段
差１０３の深さが変化し、その結果、光の位相シフト量
が変化し、最終的に得られるレジストパターン形状が不
安定になるという重大な欠点がある。

【００１４】本発明は、上記の事情を鑑みてなされたも
のであり、半導体基板上に２層のレジスト膜を塗布し、
２段階露光・現像により光位相シフト効果を用いて任意
のパターンを形成することができ、しかも、段差の深さ
をパターンサイズやプロセス条件の僅かな変動とは無関
係に、簡単にコントロールできるようにしたパターン形
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】本発明は、半導体基板上
に２層のレジスト膜を塗布し、２段階露光・現像により
光位相シフト効果を用いて任意のパターンを形成するパ
ターン形成方法を前提として、上記の目的を達成するた
め、半導体基板上に下層レジスト膜を成膜した上に、前
記下層レジスト膜と光学的特性の異なる上層レジスト膜
を成膜し、第１段の露光・現像時に、マスクパターンを
用いて上層レジスト膜のみを感光させ、現像して上層レ
ジスト膜の膜厚と概ね同じ厚さの矩形の表面段差を形成
することを特徴とするパターン形成方法である。

【００１６】

【作用】本発明においては、上層レジスト膜と下層レジ
スト膜との露光光に対する光学感度やコントラスト特性
（ガンマ値）など、いわゆる光学的特性を異ならせてい
る。すなわち、上層レジスト膜の露光時の下層レジスト
膜の感光を確実に防止するために、光位相シフタとして
働く上層レジスト膜には下層レジスト膜より光感度が高
いレジスト素材または、上層レジスト膜に下層レジスト
膜よりもコントラスト特性（ガンマ値）の低いレジスト
素材を用いている。

【００１７】その結果、本発明においては、第１段階の
露光において、上層レジスト膜と下層レジスト膜との感
光特性の差によって、上層レジスト膜の露光部分のみが
感光して現像剤に対する溶解性（あるいは非溶解性）を
付与される。また、下層レジスト膜はほとんど感光する
ことなく、感光によって現像液に対する溶解性（あるい
は非溶解性）が付与されることはない。したがって、第
１段の現像では、隅肉を残さずに上層レジスト膜の露光
部分を現像することができ、ほぼ矩形の理想的な表面段
差を形成できる。また、段差のエッジ部の高さは上層レ
ジスト層の厚さと等しくなるので、フォトマスクの開口
の大小や、露光量、現像時間等の僅かな変化に関係な
く、上層レジスト膜の膜厚制御を行うことにより正確に
段差の深さを制御することができる。

【００１８】第２段のマスクレスでの一括露光において
は、パターンの開口幅によらず表面段差のエッジで急峻
な遮光部が発生し、下層レジスト膜に転写される。その
結果、下層レジスト膜は理想的な光位相シフト露光を受
け、解像力の高いレジストパターンが形成される。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の一実施例に係るパターン形成
方法を図１ないし図３に基づいて具体的に説明する。

【００２０】まず、図１（ａ）に示すように、半導体基
板１上に下層レジスト２としてｇ線用フォトレジスト
（東京応化社製ＴＳＭＲ−Ｖ３）を概ね１２００ｎｍの
膜厚になるようにスピンコート法で塗布し、引き続き上
層レジスト３としてｇ線用フォトレジスト（東京応化社
製ＴＳＭＲ−８９００）をスピンコート法で３２０ｎｍ
塗布する。

【００２１】図２のレジスト感度特性曲線（レジスト膜
厚１．２６μｍのデータ）に示すように、上層レジスト
膜３の感度（感度特性曲線がＸ軸と交わる点＝レジスト
残膜率が０％になる最低の露光量Ｅthを示す。）ａは下
層レジスト膜２の感度ｂよりも高く、また、上層レジス
ト膜３のコントラスト特性を示すガンマ値（感度特性曲
線がＸ軸と交わる点で造る角度の正接：ｔａｎθ）ｃは
下層レジスト膜２のガンマ値ｄよりも低い。

【００２２】上層レジスト３の塗布膜厚は、２回目の露
光光の位相を１８０°シフトさせるシフタの最適膜厚を
示す次式によって決定される。

【００２３】

【数１】ｔ＝λ／｛２（ｎ−１）｝

【００２４】上式において、λは露光光波長、ｎは波長
λにおける上層レジスト３の屈折率であり、この実施例
では、λ＝４３６ｎｍ（ｇ線）、ｎ＝１．６８を用いて
上式より得た最適膜厚ｔ＝３２０ｎｍを上層レジスト膜
３の膜厚とした。

【００２５】この上下２層のレジスト膜２，３を形成し
た半導体基板１を通常のｇ線ステッパーを用いて所謂投
影露光法によりマスク４の所望のパターンを露光エネル
ギー３５ｍＪ／ｃｍ² で上層レジスト３に転写する。

【００２６】このときの露光エネルギーは図２に示すよ
うに、通常の現像処理を行なったときに上層レジスト膜
３が表面から５００ｎｍ程度除去される露光量であり、
パターン開口幅によらず良好な断面形状を得るために、
ややオーバー露光気味に設定している。しかしながら、
このとき下層レジスト２はたとえ上層レジスト３が存在
しないとしても、図２に示すように、３５ｍＪ／ｃｍ²
の露光エネルギーではほとんど感光されず、第１段の現
像処理を経てもその膜厚は塗布膜厚と同じ１２００ｎｍ
に保たれる。

【００２７】このような感度特性を持つ２種のレジスト
を上層レジスト膜３、下層レジスト膜２を用いて上記の
ように第１段の露光をした後、現像剤（ＮＭＤ−３；東
京応化社製ＴＭＡＨ溶液）を用いて現像処理を行なう
と、図１（ｂ）に示すように、上層レジスト３の厚さと
概ね同じ厚さの矩形の表面段差（光位相シフタ）５を、
僅かなプロセス条件の変動や、マスク４の開口幅に影響
されずに得られる。

【００２８】次に、図１（ｃ）に示すように、第２段の
露光として、マスクレスで上層レジスト膜３及び下層レ
ジスト膜２の一括露光を露光エネルギー１５０ｍＪ／ｃ
ｍ²で行なう。

【００２９】この露光エネルギーは期待するレジストパ
ターンの線幅によって異なるが、概ね下層レジスト膜２
のＥth（図２中ｂ）の２倍前後で選ばれる。このとき下
層レジスト膜２に入射する光は、図３（ａ）及び（ｂ）
に示すように上層レジスト膜３の有無によって、その位
相が１８０°反転するので光強度は、図３（ｃ）に示す
ように、上層レジスト膜３のエッジ部でゼロになり、急
峻な遮光部ｓが形成され、その遮光部ｓは未露光部とな
る。

【００３０】この露光に引き続いて、現像剤（ＮＭＤ−
３；東京応化社製ＴＭＡＨ溶液）により現像処理を行な
うと、図１（ｄ）のように未露光部が残り、微細なレジ
ストパターン７が得られる。

【００３１】なお、本実施例では下層レジスト膜２に比
べて、感度が高く、かつ、ガンマ値が低いレジスト膜を
上層レジスト膜３に用いているが、第１段の露光・現像
時における下層レジスト膜２の残膜率が充分に高いとこ
ろに設定できる特性であれば両条件を同時に満たす必要
はない。すなわち、上層レジストとして感度が高いだ
け、或いはガンマ値が低いだけでも、最適な露光条件を
得ることができる。

【００３２】さらに、上層レジスト膜３を下層レジスト
膜２上に塗布する際に、上下両レジスト膜２，３どうし
の混合を避けるために両層の間にバリア層を設けること
も可能である。

【００３３】また、上記実施例においては、第１段の露
光を通常のｇ線ステッパーを用いたた投影露光法により
行なっているが、これに限らず、マスクとレジストを密
着させる所謂コンタクト露光法、両者に数１０ミクロン
のギャップを設ける所謂プロキシミティ露光法を用い
て、パターンを形成しても同様の効果が得られることは
勿論のことである。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光学特性の異なるレジスト膜を上下２層に積層して形成
することにより、第１段の露光・現像において、上層レ
ジスト膜のみを感光させて現像することにより、マスク
の開口の大小や僅かなプロセス条件の変動に関係なく、
矩形の段差を形成することができ、段差のエッジ部の隅
肉によってコントラスト強調効果が損なわれることを防
止でき、優れた解像能力を安定良く得ることができる。

【００３５】また、第１段の露光・現像によって上層レ
ジスト層の膜厚と概ね同じ厚さを有する段差を形成でき
るので、上層レジスト膜の膜厚を露光波長の位相を１８
０°反転させる大きさに設定することにより、第２段の
一括露光時に下層レジスト膜に入射する露光の位相を段
差のエッジ部で急峻に反転させることができ、優れた解
像能力を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を工程別に示す断面図であ
る。

【図２】本発明の１実施例レジスト感度特性曲線図であ
る。

【図３】本発明の１実施例の原理図である。

【図４】従来方法を工程別に示す断面図である。

【図５】従来例の原理図である。

【図６】理想の段差の形状を示す模式図である。

【図７】従来例の問題点の一つを示す模式図である。

【図８】従来例の他の問題点を示す模式図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 下層レジスト膜 ３ 上層レジスト膜 ４ フォトマスク

【手続補正書】

【提出日】平成５年４月１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】本発明の１実施例を工程別に示す断面図であ
る。

【手続補正２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図７

【補正方法】変更

【補正内容】

【図７】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板上に２層のレジスト膜を塗布
   し、２段階露光・現像により光位相シフト効果を用いて
   任意のパターンを形成するパターン形成方法において、 半導体基板上に下層レジスト膜を成膜した上に、前記下
   層レジスト膜と光学的特性の異なる上層レジスト膜を成
   膜し、第１段の露光・現像時に、マスクパターンを用い
   て上層レジスト膜のみを感光させ、現像して上層レジス
   ト膜の膜厚と概ね同じ厚さの矩形の表面段差を形成する
   ことを特徴とするパターン形成方法。