JPH0664341B2

JPH0664341B2 - 半導体デバイスの製作法

Info

Publication number: JPH0664341B2
Application number: JP50042784A
Authority: JP
Inventors: テイングテイングオング、エデイス
Original assignee: AT&T Technologies Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1983-01-24
Filing date: 1983-12-19
Publication date: 1994-08-22
Anticipated expiration: 2009-08-22
Also published as: CA1194615A; JPS60500229A; WO1984002986A1; EP0134789A4; GB8401558D0; EP0134789A1; GB2135793A; GB2135793B; DE3377302D1; EP0134789B1

Description

【発明の詳細な説明】本発明は処理すべき基板をフオトレジストの下部層で被
覆する工程と、フオトレジストの上部層で下部層を被覆
する工程と、第１の紫外光の焦点を合わせた像を上部層
上に照射するために、光学装置を用いる工程と、基板を
第１の紫外光に対し反射性とする工程と、第１のマスク
を形成するため、上部層を現像する工程と、マスクされ
た下部層を第２の紫外光に照射する工程と、第２のマス
クを形成するために、下部層を現像する工程と、その後
基板を処理する工程とから成る半導体デバイスの作成方
法に係る。

半導体集積回路のようなデバイスの製作において、所望
の形状に従い基板の最上部表面層を（形状を選択的にエ
ツチングすることにより）パターン形成することは、典
型的な場合、基板の最上部表面に接触したパターン形成
されたフオトレジスト（光感光性エツチング抵抗材料）
から成るパターン形成された保護層を用いることにより
実行される。フオトレジスト層は基板の最上部表面の所
望の形状のパターン形成に従い、パターン形成される。
このようにパターン形成されたフオトレジスト層は基板
の最上部表面をエツチングすることに対する形状を、選
択的に保護するマスクとして働く。フオトレジスト層は
それ自身は、典型的な場合、最初光放射のパターンでそ
れを形状的に選択照射することにより、パターン形成さ
れる。パターンは最終的に所望の基板表面パターン（又
は以下で十分述べるように、その相補的なもの）に従
い、明領域及び暗領域のパターンを、フオトレジスト層
中に生成するように構成される。次に、フオトレジスト
はそれを溶媒で処理することにより現像し、溶媒は放射
のパターンに従い、選択的に溶解することによりレジス
トを現像する。

フオトレジストは（光放射により先に照射された部分が
溶解する）“ポジ”フオトレジスト又は（先に照射され
なかつた部分が溶解する）“ネガ”フオトレジストのい
ずれかでよい。いずれの場合も、ピンホールの問題を避
けるために、十分な厚さ（典型的な場合、少なくとも0.
4ミクロンの厚さ）にすべきである。従つて、フオトレ
ジスト層は現像後照射パターン（ポジフオトレジスト）
又は相補パターン（ネガフオトレジスト）に従いパター
ン形成される。このようにパターン形成されたフオトレ
ジストの層を、エツチングに対するマスクとして用い、
基板の最上部表面層材料を侵食するが、フオトレジスト
の材料は侵食しないエツチヤントで処理することによ
り、フオトレジストのパターンに従い層の一部を選択的
に除去することによつて、パターン形成される。このよ
うな方法で、基板の最上部表面層は所望の形状にパター
ン形成され、フオトレジストに伝えられた光放射のパタ
ーン（又はその相補的なもの）、従つて基板の最上部層
表面にすでに伝えられたフオトレジストのパターンが得
られる。

このようにフオトレジスト中にパターンを規定するため
に用いられる光反射は、サブミクロンのパターン（形状
寸法）規定を実現するために、典型的な場合、近紫外
（約3000ないし4000オングストロームの波長範囲）又は
遠紫外（約2000ないし3000オングストロームの波長範
囲）である。いずれの場合も、パターンを規定するため
に用いられる光システムの性質及び形状に依存して、光
の回折効果が形状の寸法を約１波長又はそれ以上に制限
する。

当業者には周知のように、所望のパターンを光放射から
フオトレジストに転写することに伴い、そのために用い
る方法の詳細に依存して、問題が存在する。典型的な三
つのそのような方法がある。光接触プリント、光近接プ
リント及び光投影プリントである。最初の二つは、限界
を有し、それらについては以下で述べる。

光投影プリントの技術において、典型的な場合レンズ又
は鏡の両方又は一方から成る光投影システムが、フオト
レジスト中の像として、放射の投影された光ビームを得
るため、焦点を合わせる目的で用いられる。この像は基
板の表面に転写すべき最終的な所望のパターンに従つ
て、投影システムにより決る明領域及び暗領域のパター
ンを有する。ここでの主な問題は、基板の最上部表面が
平坦でない場合に生じるもので、像のぼけ、従つて、最
終的なフオトレジストパターンの好ましくないぼけ又は
広がりであり、それは基板の最上部表面の段差の高さ
（非平坦さ）に比べ、光の焦点の深さが小さく、焦点ま
で到達しないことにより生じる。この問題は二層フオト
レジストシステム、すなわち、異なる材料のフオトレジ
ストの二つの層、最上部にあり他方と接触している層を
用いることにより、軽減される。両方の層は平坦な（プ
レーナ）最上部主表面を有すると有利である。底部のフ
オトレジスト層が平坦な最上部主表面を有するように
（最上部層と接触するように）、底部層は平坦な（プレ
ーナ）最上部表面を形成するために、十分な厚さをも
つ。焦点の深さが大きすぎることにより生じる問題を避
けるために、フオトレジストの最上部層は、典型的な場
合約0.5ミクロン（すなわち、像の焦点の深さより小さ
い）である十分小さな（かつ平坦な）厚さを有する。サ
ブミクロンの形状規定又はパターンの分解能（１ミクロ
ン以下）を得るためには、両方のフエトレジスト層は、
紫外（UV）放射に対し感受性をもつ。

たとえば、1980年７月８日、ラパドウラア（Lapadula）
他に付与された“遠紫外光露出マスクとしてのＯ−キソ
ン・ジアジド・感受性フエノール−フオルムアルデヒド
レジスト”と題する米国特許第4,211,834号は、以下の
ものから成る有機材料の二層フオトレジストシステムに
ついて明らかにしている。（１）ポジ型フオトレジスト
の底部層で、PMMA（ポリメチルメタクリレート）の層の
ように、それは遠紫外光に対して感度をもつが、近紫外
光反射（約3000ないし4000オングストローマの範囲の
λ）（近UV）に対しては、感度がなくかつ不透明ではな
い。（２）フエノール‐フオルムアルデヒド・フオトレ
ジストのような近UVに対し、感度をもつが不透明でなく
・遠赤外光放射に対し不透明なフオトレジストの最上部
層である。この二層システムは、パターン形成すべき基
板の最上部表面上に形成される。このシステムは最上部
層中の明領域及び暗領域の像パターンに焦点をあわせた
第１の光ビームに、最初露出される。ビーム従つて得ら
れた像の明領域は、近紫外範囲にかなりの量の放射エネ
ルギーをもつ。最上部層は焦点をあわせた像パターンに
従い、最上部層の部分を侵食し溶解する溶媒で現像され
る。すなわち、像の明領域に対応する部分が除かれ、暗
領域に対応する部分が完全なまま残る。次に、パターン
形成されない光放射の焦点のあつた（平行）ビームの型
の第２のビームが、最上部（すでにパターン形成されて
いる）層を通して、底層部に向けられる。次に、焦点の
あつた放射のビームは、最上部層の完全な部分及び底部
層の露出された部分の最上部表面のあらゆるところを照
射するが、この放射のかなりの量は、最上部層が遠UVに
対し不透明であるため、最上部層の完全な部分の下に配
置された底部層の部分には到達できない。この焦点のあ
つたビームは、2600オングストローム以下の波長におけ
る遠UV放射をかなりの量含み、この放射に対し底部フオ
トレジスト層は感度をもつが、最上部フオトレジスト量
はもたない。従つて底部フオトレジスト層の露出された
部分のみを選択的に溶解する溶媒による現像によつて、
最上部フオトレジスト層の先に形成されたパターン、従
つて最初に投影された光ビームの像パターンに従い、底
部層のパターンが得られる。次に、底部フオトレジスト
層の下にある基板の最上部表面層は、このようにパター
ン形成されたフオトレジストシステムの底部（及び最上
部）層を、エツチングに対する保護マスクとして用いた
エツチングプロセスにより、パターン形成される。

先の二層システムに付随した主な問題は、基板の最上部
表面による照射された近UV放射の反射から生じる。その
ような反射は標準的な光パターンを、特に最上部フオト
レジスト層中に生じ、最上部フオトレジスト層中に、明
領域の好ましくない定在波又は最上部層中のスポツトを
生じ、スポツトは適切なパターン規定では暗であるべき
領域に位置する。問題は、たとえば基板の最上部表面層
がアルミニウムで、紫外に対し高い反射率をもつ場合に
生じる。この問題は、有機ネガフオトレジスト層の代り
に、最上部層としてたとえばゲルマニウム‐セレンのよ
うな無機ネガフオトレジスト層を用いることにより、軽
減される。たとえば、ケイ・エル・タイ（K.L.Tai）
他、“無機レジスト／ポリマ二層方式を用いたサブミク
ロン光リソグラフイ“ジヤーナル・オブ・バキアム・サ
イエンス・テクノロジー（Journal of Vacuum Scientif
ic Technology）、第17巻、1169−1176頁（1980）に述
べられている。しかし、そのような無機層は、有機材料
で作られるスピン‐オンフオトレジストの比較的低価格
のプロセスではなく、費用のかかる真空堆積工程を必要
とする。従つて、基板の反射から生じる定在波の問題を
避ける完全な有機二層紫外フオトレジストを実現するこ
とが望ましい。

そのようなフオトレジストシステムにおいては、各層は
隣接する下の層と干渉の問題を起さないように選ぶ必要
がある。すなわち、問題というのは、二つの層の境界に
おける問題で、二つの層のフオトレジスト材料が混合を
起し、下の層の適切な現像を妨げる可能性がある。

これらの問題は、本発明に従い、二層紫外レジストシス
テムにより、解決される。それは第１の紫外光が遠紫外
範囲の波長をもち、上部層は有機材料で、遠紫外波長に
おける光学装置の焦点の深さ内に十分薄く、遠紫外光に
対し感度をもち、遠紫外光に対しては十分不透明である
厚さをもつことを特徴とする。

図において、第１図は本発明の一実施例に従い基板をパターン形成す
るための二層遠紫外フオトレジストの断面図、第２図ないし第６図は本発明の実施例に従い、基板をパ
ターン形成する一連の各種工程における第１図の二層シ
ステムの断面図である。

光を反射する基板の最上部表面上に配置された二層有機
フオトレジストは、遠紫外（UV）放射に感度をもちかつ
同時に遠紫外及び近紫外放射の両方に対し、本質的に不
透明な最上部有機ネガフオトレジストと、遠紫外又は近
紫外UV放射（又は両方）に対し感度をもつ底部有機ポジ
フオトレジスト層から成る。最上部及び底部フオトレジ
スト層の両方は、与えられた遠紫外波長又は与えられた
波長帯に対し感度をもつ材料から作られ、最上部及び底
部フオトレジスト層の両方をパターン形成するために、
同じUV源が使用できるようにすると有利である。“本質
的に不透明”ということは、（最上部）フオトレジスト
層の厚さは、遠紫外放射が層を透過後、その最初の（入
射時の）値の約10％以下の強度に下るのに十分な厚さを
意味する。すなわち、最上部フオトレジスト層の底部に
おけるUV強度が、ほとんど感度をもたず、その後の現像
（たとえば溶媒中）による底部層のパターン形成に、ほ
とんど影響を及ぼさないことを意味する。従つて、より
具体的にみると、底部フオトレジスト層を伝搬し、反射
性基板の最上部表面から反射された後、最上部フオトレ
ジスト層中で好ましくない定在波を生じうる遠UVの量
は、最上部フオトレジスト層のパターン形成に、好まし
くない影響を及ぼすには小さすぎる。他方、ネガフオト
レジスト層の厚さは、遠UV放射の焦点深さ内で十分小さ
く、典型的な場合0.4ないし0.8ミクロンの範囲の厚さに
すると有利である。最上部フオトレジスト層に適してい
ることが明らかになつた有機フオトレジスト材料は、ア
ジド‐フエノールレジンである。具体的には、フエノー
ルレジンポリ（ｐ＝ビニルフエノール）と混合されたジ
アゾジフエニル・スルフオン・感光アジド化合物で、ヒ
タチ・ケミカル・カンパニー・アメリカ社から“レイカ
ストRD2000N"として売られている。また、テー・アイウ
エイアナギ（Ｔ・Iway anagi）らにより、アイ・イ・
イ・イトランザクシヨンズオンエレクトロンデ
バイシイズ（IEEE Transactions on Electron Device
s）、第ED−28号、第11号（1981年11月）、1306−1310
頁に発表された“遠UVリソグラフイ用アジド‐フエノー
ル・レジンフオトレジスト”と題する論文中で、“MRS
−1"として詳細に述べられている。約0.5ないし0.6ミク
ロンの厚さのこのアジド化合物が有用で、遠UVに対し本
質的に不透明である。底部フオトレジスト層はPMMA（ポ
リメチル・メタクリレート）でよく、同じUV源により発
生できる遠UV放射に感度をもつ有機材料の他のポジフオ
トレジストも、最上部フオトレジスト層に感度をもたせ
るために用いることができる。この場合、最上部層をパ
ターン形成するために用いられる遠UV源は、近UV放射の
本質的な量を含んではならず、近UV放射に対しては、両
方の最上部層が不透明ではなく、底部フオトレジスト層
が感光性をもつ。そのような近UV放射を抑えるために、
適当な光学フイルタを用いることができる。

本発明で二層フオトレジストシステムの最上部層にネガ
形フオトレジストを用いることにより、両方の層がポジ
形フオトレジスト（ポジ形フオトレジストシステム上に
ポジ形）の時に生じる上で述べた界面の問題が軽減され
る。この問題はポジ形フオトレジスト上にネガ形をおく
場合には生じない。なぜならば、最上部（ネガ形）層を
パターン形成するために用いられる溶媒は、ネガ形フオ
トレジストの非照射部分のみを除去するように設計され
るからである。すなわち、最上部層では光化学変化は起
らず、溶媒による除去が必要な部分でのみ必要となる。
しかし、ポジ形上のポジ形のシステムにおいては、最上
部用の溶媒は、照射され光化学変化を起した最上部フオ
トレジスト材料の部分のみを除去するよう設計される。
従つて、最上部及び底部フオトレジスト材料の混合のあ
る最上部及び底部フオトレジストの界面において、（混
合した）光化学反応生成物があり、それは（混合しない
材料とは十分異る可能性があり、界面における最上部フ
オトレジスト材料が適切に溶解されるのを妨げる。それ
によつて底部層のその後の現像は妨げられ、好ましくな
い。

図面を参照すると、第１図は遠紫外フオトリソグラフイ
用の二層フオトレジストシステム10を示し、それは有機
材量の最上部ネガ形フオトレジスト層11を含み、それは
遠紫外フオトリソグラフイにより、パターン形成すべき
基板13の最上部表面13、５上に配置された別の有機材料
の、底部ポジ形フオトレジスト層12上に配置されてい
る。基板13は本質的にアルミニウムで、それに用いられ
る遠UV放射を反射する。アルミナ基板13が典型的な場
合、下のシリコン集積回路（図示されていない）の最上
部層として形成される。アルミニウムの代りに、金、白
金又は金属シリサイドのような他の反射性金属又は金属
と同様の材料を用いてもよい。

ネガ形フオトレジスト層は本質的にアジドフエノールレ
ジンで、それは第２の組の遠紫外UV波長のすべての波長
に対し、光感受性をもつ。遠UV光ビームがパターン形成
された不透明なマスクを通して投影され、ネガ形フオト
レジスト層の最上部表面上に向けられ、そこでビームは
このネガ形層中の光学像として、焦点が合せられる。こ
の像は明領域及び暗領域のパターンを有し、パターンは
基板の最上部表面から除去すべき所望のパターンと相補
的である。（除去すべきでない基板の領域上の像が明領
域で、暗領域は除去すべき領域上にある。）ビームは
（必然的に）第２の組の少なくとも一波長λ_１の放射を
含み、それに対してはポジ形フオトレジストも感度をも
つ。（すなわち、λ_１はまた第１の組の中にも入つてい
る）。ネガ形フオトレジストはλ_１のような任意の波長
に対し不透明であるように十分厚く作ると有利である。
その目的は、ポジ形層に感度をもたせることが望ましく
ない領域中のポジ形フオトレジストに、そのような波長
のUV光が入るのを妨げることである。ビームは（必然的
に）第２の組の少なくとも一つの波長λ_２を含み、それ
に対してはポジ形フオトレジスト層12は光感度をもたず
不透明で、基板はそれを反射する。従つて、ネガ形フオ
トレジスト層は定在波の問題を抑えるため、λ_２のよう
な波長に対し不透明であるように十分厚く作ると有利で
ある。更に、ネガ形フオトレジスト層は十分薄く作り、
ビーム中に含まれる第２の組のすべての波長の焦点深さ
内になるようにすると有利である。

底部フオトレジスト層12は約１ミクロンの（最小）厚さ
を有するPMMAのような遠UVに対し感度をもつポジ形フオ
トレジストである。この層は約5000rpmのスピン速度を
用いて、PMMA（クロロベンゼンの９％）をスピンコート
することにより、基板13の最上部表面13、５上に、典型
的な場合形成される。約150℃において約60分間ベーク
した後（３のシクロヘキサンに対する約７のアジド化合
物で稀釈された）光感光性アジドが約6000rpmのスピン
速度を用いてPMMAの最上部表面上にスピンコートされ、
約0.5ミクロンのネガ形フオトレジスト層11の厚さが生
じる。遠UV放射に対し層11が不透明であるためには、約
0.3ミクロンの厚さで十分であるが、ピンホールの問題
を避けるためには、約0.5ミクロンの厚さが好ましい。
しかし、この厚さは0.4ないし0.8ミクロンの範囲のいず
れにもできる。得られる二層システム10は約70℃で約30
分間ベークされる。

第２図に示されるように、遠UV投影光ビーム21が形成さ
れ、標準的な投影システム（図示されていない）によ
り、二層システム10上の（図示されていない）不透明パ
ターン形成マスクを通して向けられる。ビーム21はマス
クのパターンに従い、ネガ形フオトレジスト層11中の明
領域及び暗領域（第２図中でＢ及びＤと印されている）
の像パターンに焦点があわされる。遠UVビームは（図示
されていない）標準的な遠UVランプ源により供給され
る。たとえば約0.200ないし0.240ミクロン又は0.240な
いし0.280ミクロンの範囲の波長の遠UVを透過させるた
め、光学系が用いられる。UV源は典型的な場合、500ワ
ツト・キセノン‐水銀ランプである。UV放射は典型的な
場合、上で述べた波長範囲に対し、それぞれ約100ミリ
ジユール／cm²又は約140ミリジユール／cm²である。次
に、第３図に示されるように、最上部層11の現像によ
り、それはパターン形成された最上部層11、１に変換さ
れる。すなわち、マスク31の像に従いパターン形成され
る。特に先の明領域Ｂは残り、先の暗領域Ｄ（第２図）
は、現像工程により除去される。たとえば、この現像は
1:4／MF312:H₂Oの溶液で処理することにより実現され、
MF312はアンモニアイオンの過酸化分から成る。

別のベーキング（約150℃、約60分間）の後、二層シス
テム10は再びUV露出される。具体的に、第４図に示され
るように、遠UV放射の焦点のあらわされた（平行）ビー
ム41がシステムの最上部表面に均一に向けられる（あふ
れる）。ビーム41は約0.200ないし0.240ミクロンの範囲
の場合、約3000ミリジユール／cm²の放射ドーズを伝え
る。同じ遠UV源が先に発生させたビーム21（第２図）と
同様のビーム41を形成するために用いられた。メチルイ
ソブチルケトンのような適当な溶媒で約60秒処理するこ
とによる現像の後、底部フオトレジスト層12は第５図に
示されるように、パターン形成された底部フオトレジス
ト層12、１となる。

最後に、アルミニウム基板13の露出された部分を非等方
的に除去（エツチ）するために、システム10を標準的な
塩素プラズマ61（第６図）で処理する。このエツチング
中、残つたパターン形成されたフオトレジスト層11、１
又は12、１の一方又は両方が、これらフオトレジスト層
の残つた部分下の領域における基板13の最上部表面13、
５がエツチされるのを妨げる。従つて得られたパターン
形成されたアルミニウム基板13、１の最上部表面13、６
は、最初の最上部表面13、５より低い水平レベルにあ
る。通常アルミニウムの厚さ全体が除去されるまで、塩
素プラズマエツチングが続けられる。次に、たとえばO₂
（酸素）プラズマを用いた処理により、フオトレジスト
層11、１及び12、１が除去できる。

本発明について、具体的な実施例をあげて詳細に述べた
が、本発明の視野を離れることなく、各種の修正が可能
である。たとえば、PMMAの代りに底部フオトレジスト層
として、他のポジ型有機フオトレジストを用いることが
できる。たとおば、ポリ（メチルメタクリレート‐1-3-
オキシミノ‐2-ブタノン・メタクリレート）又は“Ｐ
（MOM）”、ポリ（メチルメタクリレート‐1-3-オキシ
ミノ‐2-ブタノンメタクリレート‐1-メタクリロ・ニト
リル）又は“PCM-OM-CN"、ポリ（メチル・イソプロピル
・ケトン）又は“PMIPK"又はポリ（メチルメタクリレー
ト‐1-インジノン）又は“PMI"である。それらのすべて
が約0.240ないし0.280ミクロンの波長範囲中の遠UVに対
し感度をもつ。最後に、遠UV放射としてキセノン‐水銀
光源の代りに、水銀光源又は遠UVレーザを用いることが
できる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】処理されるべき基板表面を有機ポジフォト
レジストの下部層（12）で被覆し、該下部層をネガフォ
トレジストの上部層（11）で被覆し、該上部層に該上部
層が感光する光成分を含む第１の紫外線（21）の光学像
を光学装置を用いて投影し、該上部層を現像して第１の
マスクを形成し、該第１のマスクでマスクされた該下部
層を第２の紫外線（41）で露光し、該下部層を現像して
第２のマスクを形成し、そして該基板を処理することか
らなる半導体デバイス製作法において、該上部層材料はアジドフェノールレジンからなり、該上部層は該投影された第１の紫外線中の該上部層が感
光する光成分に対する該光学装置の焦点深度より薄い
が、該上部層は該投影された第１の紫外線中の該下部層
が感光する成分に対しては不透明となり、かつ該投影さ
れた第１の紫外線中の該上部層が感光する光成分であっ
て該基板表面から反射され該上部層に到達する光成分に
対しても不透明となるような厚さに選ばれていることを
特徴とする半導体デバイス製作法。
【請求項２】請求の範囲第１項に記載の方法において、
該投影された第１の紫外線が遠紫外線成分と近紫外線成
分とを含む半導体デバイス製作法。
【請求項３】請求の範囲第２項に記載の方法において、
該上部層が感光する光成分は遠紫外線であり、そして該
上部層は遠紫外線と近紫外線との両方に対し不透明であ
る半導体デバイス製作法。
【請求項４】請求の範囲第３項に記載の方法において、
該下部層は近紫外線に対し感光するものである半導体デ
バイス製作法。
【請求項５】請求の範囲第３項に記載の方法において、
該下部層は遠紫外線に対し感光するものである半導体デ
バイス製作法。
【請求項６】請求の範囲第２項に記載の方法において、
該投影された第１の紫外線が単一のキセノン−水銀ラン
プにより放出されている半導体デバイス製作法。
【請求項７】請求の範囲第１項または第２項に記載の方
法において、該上部層は0.4〜0.8ミクロンの厚さを有す
るポリ（p-ビニルフェノール）と混合したジアジドフェ
ニル・スルフォンのアジド−フェノリックレジンである
半導体デバイスの製作法。
【請求項８】請求の範囲第１項に記載の方法において、
該基板はアルミニウム、金、白金または金属シリサイド
のような金属または金属同様の材料である半導体デバイ
スの製作法。