JPH07153667A

JPH07153667A - 複合レジストパターンを有する基材の製造方法

Info

Publication number: JPH07153667A
Application number: JP30031693A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Ichijo; 力一條
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1993-11-30
Filing date: 1993-11-30
Publication date: 1995-06-16

Abstract

(57)【要約】【構成】感放射線性レジストと有機薄膜から構成される
複合レジストパターンを有する基材の製造方法におい
て、基材上の、パターン化された感放射線性レジストの
表面に有機薄膜を形成した後、異方性エッチングによっ
て、該有機薄膜の一部を除去して、該基材の一部を露出
させることを特徴とする複合レジストパターンを有する
基材の製造方法。【効果】本発明によれば、より微細な抜きパターンを形
状良く形成することができ、さらに高いフォーカス深度
が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は新規な複合レジストパタ
ーンを形成する方法に関するものであり、特に微細なパ
ターンを提供する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】これまでにＬＳＩ製造においては、半導
体の大容量化に伴い、より微細な加工技術が要求され続
けている。その微細加工にはリソグラフィ技術を用いる
のが一般的である。

【０００３】ここで一般的な半導体集積回路製造のリソ
グラフィ技術について説明する。半導体基板の上に感放
射線性レジストを成膜し、所望の感放射線性レジストパ
ターンを得られるべく放射線を選択的に照射し、次いで
現像を行い感放射線性レジストパターンを形成する。感
放射線性レジストパターンをマスク材として、エッチン
グ、イオン注入、蒸着などのプロセスを行い、この工程
を繰り返して、半導体の製造を行う。

【０００４】感放射線性レジストパターンの大きさは、
日々微細化が要求されている。レジストパターンの微細
化の手法としては、例えば、放射線として単一波長の光
を用い、原図を投影露光することによりパターン露光す
る方法があげられる。上に示したように微細化とフォー
カス深度拡大の目的で、光の短波長化が要求されてい
る。歴史的に見ると、波長４３６ｎｍのいわゆるｇ線、
波長３６５ｎｍのいわゆるｉ線の順に、実用化が進んで
きた。さらに、ＫｒＦエキシマーレーザによる波長２４
８ｎｍでの検討が進められてきている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】パターンの微細化とと
もに、重要視されているのが、フォーカス深度である。
投影露光方式の場合、パターン露光は感放射線性レジス
ト層の表面近くに結像するが、焦点の位置が光軸方向に
移動することにより、感放射線性レジストパターンは所
望の寸法から変化したり、さらにはパターン形成ができ
なくなってしまう。実際には、露光機のレンズの歪み
や、基材のそりなどの原因によって、焦点のずれが発生
するため、フォーカス深度を広くできるリソグラフィプ
ロセスが重要視されてきた。

【０００６】パターンの微細化とフォーカス深度拡大と
いう課題の中で、さらに重要な課題は、ホールや直線状
のスペースなどの、レジストのごく一部だけが除去され
た形状、いわゆる抜きパターンの形成にある。すなわち
抜きパターンの微細化やフォーカス深度を十分確保しに
くいという問題が常に解決すべき課題として存在してい
た。本願発明の目的は、かかる課題を解決することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は下記の構成を有する。

【０００８】「感放射線性レジストと有機薄膜から構成
される複合レジストパターンを有する基材の製造方法に
おいて、基材上の、パターン化された感放射線性レジス
トの表面に有機薄膜を形成した後、異方性エッチングに
よって、該有機薄膜の一部を除去して、該基材の一部を
露出させることを特徴とする複合レジストパターンを有
する基材の製造方法。」以下、本発明について説明す
る。なお以下、感放射線性レジストパターンおよび複合
レジストパターンで基板の露出する部分の寸法を開口部
寸法と称する。また直線状の抜きパターンをスペース、
円形の穴のパターンをホールと称することにする。

【０００９】図１〜図４は、本発明の複合レジストパタ
ーンの製造方法の概略を示したものであり、これらの図
を用いて、製造方法の概要をまず説明する。

【００１０】図１に示すように、基材１の上に、所望よ
り大きい開口部寸法の感放射線性レジストパターン２を
得る。次に図２に示すように、基材および感放射線性レ
ジストパターンを有機薄膜３で被覆する。次に、基材方
向への異方性エッチングによって、基板を被覆している
有機薄膜を除去して、図３または図４に示すように、基
材１上に感放射線性レジストパターン２と有機薄膜３と
からなる複合レジストパターンを得る。異方性エッチン
グの効果によって、複合レジストパターンの側壁は、エ
ッチングされにくいため、側壁に有機薄膜が残存し、よ
って当初設けられた感放射線性レジストパターンよりも
小さい開口部となり、所望の開口部寸法を得ることにな
る。なお図３は感放射線性レジストパターンの上部の重
合体薄膜も除去されている場合であり、図４は感放射線
性レジストパターンの上部の有機薄膜が残存している場
合である。感放射線性レジストパターンの上部の有機薄
膜が残存するか否かは、有機体薄膜の被覆状況、異方性
エッチングの条件によって決定されるが、いずれの形態
でもかまわない。また異方性エッチングによって感放射
線性レジストパターンの上層部分を若干エッチングする
ことも任意である。なお図１〜図４では、感放射線性レ
ジストパターンおよび有機薄膜の側壁を垂直に図示して
いるが、実際に側壁に傾斜があることも認められる。

【００１１】さらに、本発明の詳細について説明する。

【００１２】本発明で用いられる基材としては任意であ
るが、半導体集積回路の製造プロセスにおけるものに効
果を発揮し、その場合、シリコン、ゲルマニウム、ガリ
ウム化合物、インジウム化合物などの半導体特性を有す
る基材、またはこれらの基材に、不純物拡散、窒化物、
酸化物、絶縁膜、導電層、電気配線などを被覆したもの
が、基材として例示される。

【００１３】次に、感放射線性レジストおよびそのパタ
ーン形成方法について説明する。選択的な放射線露光、
現像のプロセスによってパターンを形成しうる任意の感
放射線性レジストが選ばれる。例えば感放射線性の成分
として、キノンジアジド系化合物、ナフトキノンジアジ
ド化合物、アジド化合物、ビスアジド化合物などを含有
する感放射線性レジスト、また放射線露光によって酸を
発生する化合物と、その酸によって分子量の変動または
官能基の変換が行われる化合物からなる、いわゆる化学
増幅型感放射線性レジスト、その他放射線露光によって
分子量の増減や化合物の官能基の反応が行われる化合物
からなる感放射線性レジストがあげられる。これらのう
ちポジ動作のものが、高解像度解像が得られるという点
で好ましく用いられる。これらの感放射線性レジストは
一般的には溶液状態で塗布され、熱処理によって溶剤を
気化させて感放射線性レジスト層を形成するのが一般的
である。

【００１４】感放射線性レジスト層形成の後、選択的な
放射線露光を行う。放射線としては、Ｘ線、ｄｅｅｐＵ
Ｖ，ＵＶなどの電磁波、電子線などの荷電粒子線が例示
され、本発明の効果が現れるものとしては、電磁波であ
り、さらに１５０ｎｍ以上の波長を有する電磁波が有効
である。例えば波長が約４３６ｎｍ，約４０５ｎｍ、約
３６５ｎｍ，約２５４ｎｍなどの水銀灯輝線、約３６４
ｎｍ，約２４８ｎｍ、約１９３ｎｍのレーザ光などがあ
げられる。選択的な放射線露光の方法としては、支持体
の上に放射線遮蔽性のパターンが形成されたフォトマス
クを通じて投影露光する方法や、細く絞られた放射線の
ビームを掃引する方法が例示される。

【００１５】選択的な放射線露光の後、現像を行う。現
像としては、現像液に感放射線性レジスト層を浸漬し
て、感放射線性レジストの一部を溶解する方法が一般的
に用いられる。現像液としては、使用される感放射線性
レジストの現像に適したものが任意に選ばれる。以上の
方法によって、感放射線性レジストのパターンが得られ
る。本発明の方法では、感放射線性レジストパターンの
開口部寸法は、所望の寸法より大きいことが求められ
る。開口部寸法を大きくする方法としては、現像時間を
長くとる方法や、露光量や、露光強度分布を変化させる
方法が例示される。なかでも、投影露光方式を採用する
場合には、フォーカス深度を高くするため、フォトマス
クパターンの寸法を変化（感放射線性レジストがポジ動
作の場合には、透過部分を大きく、ネガ動作の場合に
は、遮光部分を大きくする）する方法や、露光量を変化
させる方法が好ましく使用される。

【００１６】また感放射線性レジストパターン形成後、
エッチング耐性付与や耐熱性付与などの目的で熱処理
や、ｄｅｅｐＵＶ処理などの後処理を行うことも有用で
ある。次に、有機薄膜およびその形成方法について説明
する。有機薄膜としては特に限定されるものではなく、
飽和炭化水素アルケン化合物、アルキン化合物、芳香族
化合物、アルコール化合物、エーテル化合物、アセター
ル化合物、アルテヒド化合物、ケトン、カルボン酸、エ
ステル、ラクトン、酸無水物、アミン、アミド、イミ
ド、複素環化化合物、またそれらの重合体が例示され
る。なかでも、基材のエッチングに対して耐性を有して
いるこどか望まれるため、有機薄膜は重合体薄膜である
こどか好ましく、さらに、芳香族の重合体や共役系重合
体などが好ましく使用される。

【００１７】芳香族の重合体としては、芳香族ポリアミ
ド、芳香族ポリエステル、芳香族ポリスルホン、芳香族
ポリイミド、芳香族ポリカーボネート、ポリスチレン、
ノボラック樹脂、レゾール樹脂およびそれらの誘導体な
どが例示される。また共役系重合体としては、ポリアセ
チレン、ポリピロール，ポリチオフェン、ポリフェニレ
ンビニレン、ポリチオフェンビニレンおよびそれらの誘
導体が例示される。

【００１８】また、後に行われる異方性エッチングにお
ける加工性の面から、重合体薄膜中に含まれる炭素、水
素、酸素、窒素、硫黄、ハロゲン原子以外の元素の含有
量は、元素数にして１０％以下、さらに１％以下である
ことが好ましい。

【００１９】重合体薄膜の形成方法としては、重合体の
溶液塗布による方法、気体原料からの直接重合などが例
示されるが、本発明のパターン形成方法を効果的に得る
ためには、重合体薄膜が基材および感放射線性レジスト
表層の形状に忠実な形状で成膜されることが望まれる。
この形状としては、図５に示すように、感放射線性レジ
ストパターン上部に被覆している部分の重合体薄膜の膜
厚をＡとし、レジストパターン側壁の基材近傍付近での
膜厚をＢとし、レジストパターン開口部に被覆している
重合体薄膜の膜厚をＣとした場合、Ｃ／Ａが０．７〜
１．５、望ましくは０．８〜１．２、またＢ／Ｃが０．
７〜１．５望ましくは０．８〜１．２であることが好ま
しい。

【００２０】このような被覆状態を得るための方法とし
ては、気体原料から重合反応によって薄膜を得る方法が
好ましく用いられる。重合反応を起こす方法としては、
感放射線性レジストパターンへのダメージをなるべく避
けたいことから、温和な条件であることが望まれ、よっ
て単独では重合開始しない原料を２種類以上を混合し、
重合反応させる方法が好ましく用いられる。この場合、
原料すべてを気体として混合して重合開始させる方法
や、一方の原料を液体または固体の状態で、基材および
感放射線性レジストの表面に付着させておき、残り一方
の原料を気体状態として、混合させて重合させる方法が
例示される。なかでも、下地の形状に忠実な形状で重合
体薄膜が形成されやすいという面で、気体同士の原料を
混合する方法が好ましく用いられる。

【００２１】２種類以上の原料によって重合開始する反
応としては、まず原料として２種類のモノマを反応させ
重合体を形成する方法があげられる。例えばポリエステ
ル、ポリアミドなどの重縮合、ポリウレタン、ポリ尿素
などの重付加反応が示される。また、一方、原料とし
て、モノマと重合開始剤とを使用し、連鎖重合反応を行
う方法があげられる。ここでモノマとしてビニル系化合
物、アセチレン系化合物、環状エーテル化合物などが例
示される。

【００２２】重合開始剤としては、モノマを重合し得る
ものであれば、任意であるが、ＬＳＩの半導体特性、導
電性への影響を考慮して、非金属のものが好ましく用い
られ、さらに気化のしやすさから、有機化合物、水、非
金属の酸、非金属の塩基が好ましく用いられる。

【００２３】上記重合方法のなかで、連鎖重合反応が膜
形成速度の面で好ましく用いられる。上に説明したよう
な基材のエッチングへの耐性への効果と合わせると、ア
セチレン系モノマや芳香族を有するエチレン系モノマを
重合開始剤で重合する方法が好ましく用いられる。なか
でもアセチレン系モノマを、塩基性の有機化合物からな
る重合開始剤で重合する方法がさらに好ましく用いられ
る。アセチレン系モノマとしては、アセチレンの水素原
子が、シアノ基、カルボニルオキシ基、オキシカルボニ
ル基、アミノカルボニル基、ニトロ基などの電子吸引性
基で置換されたものを選び、アミン類を重合触媒として
重合する方法が好ましく用いられる。なかでもシアノ
基、アミノカルボニル基で置換されたアセチレンモノマ
が、膜形成速度の面で好ましい。

【００２４】これらの重合体薄膜の形成の際の基材の温
度としては、基材へのダメージを防止するために、２０
０℃以下、さらに１００℃以下が好ましく用いられる。
また膜成長速度の面から、気体原料を１Torr以上の分圧
として、薄膜形成することが好ましい。

【００２５】得られる有機薄膜の厚みとしては、厚すぎ
ると異方性エッチング加工で良好な形状の複合レジスト
パターンが得られにくいことから、０．３μｍ以下であ
ることが好ましく、さらに０．１５μｍ以下が好ましく
用いられる。

【００２６】以上の方法によって基材および感放射線性
レジストの上に、有機薄膜が形成される。ここで、有機
薄膜の重合度の上昇や架橋反応を起こさせるために、加
熱などの後処理を行うことも任意である。

【００２７】次に異方性エッチングによって、有機薄膜
の一部を除去して、基材の一部を露出させる。異方性エ
ッチングは、酸素ガスを主に用いたリアクティブイオン
エッチングが好ましく用いられる。

【００２８】以上の方法によって、複合レジストパター
ンが得られるが、引続き行われる基材のエッチングへの
耐性を向上させるために、さらに加熱、ｄｅｅｐＵＶ照
射などの後処理を行うことも有効である。

【００２９】投影露光において、本発明が効果を発揮す
る開口部寸法について説明する。結像に関するレイリー
（Rayleigh）の分解能の式を用いて、［開口部寸法］＝
ｋ×［露光波長］／［光学系開口数］の関係が導かれ
る。スペースパターンを形成する場合には、感放射線性
レジストパターンのｋを０．４〜２、望ましくは０．６
〜１、また複合レジストパターンのｋを０．１５〜０．
８，望ましくは、０．３〜０．７として導かれる開口部
寸法であることが効果的である。またホールパターンを
形成する場合には、感放射線性レジストパターンのｋを
０．６〜２、望ましくは０．７〜１．５、また複合レジ
ストパターンのｋを０．３〜１，望ましくは、０．５〜
０．８として導かれる開口部寸法であることが効果的で
ある。

【００３０】

【実施例】

実施例１シリコンウエハを基材として、シリコンウエハ上に、東
京応化工業製のポジ型フォトレジストＴＳＭＲ−Ｖ３を
塗布、９０℃でプリベークし、厚さ１．１μｍの感放射
線性レジスト層とした。次に露光機としてニコン製ｇ線
（波長４３６ｎｍ）１／５縮小投影露光機ＮＳＲ−１５
０５Ｇ６Ｅ（光学系開口数０．５４）を用い、幅０．５
μｍ（ウエハ面での寸法）の孤立スペースを有するフォ
トマスクを通じて、２２０ｍＪ／cm²の露光を行った。
次に１１０℃でポストエクスポージャベークを行い、さ
らに東京応化工業製現像液ＮＭＤ−３に６０秒間浸漬し
て現像し、次に水洗を行った。シリコンウエハ上に，開
口部寸法０．５０μｍの幅を有する感放射線性レジスト
のスペースパターンを得た。

【００３１】次に，感放射線性レジストパターンを有す
る基材を反応容器に入れ、常圧、窒素気流下、２３℃
で、モノマとしてシアノアセチレン、触媒としてトリエ
チルアミンの両方のガスを反応容器に導入して、基材お
よび感放射線性レジスト表面に、忠実な形状でポリシア
ノアセチレンからなる有機薄膜を形成した。有機薄膜の
膜厚は基材露出部分、レジストパターン部分ともに０．
１２μｍであった。

【００３２】次に、酸素ガスを用いて、基板方向への異
方性リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）を行い、
重合体薄膜の一部を除去して、基材を露出させ、感放射
線性レジストと重合体薄膜とからなる複合レジストパタ
ーンを基材上に形成した。

【００３３】スペース部分を電子顕微鏡で観察したとこ
ろ、複合パターンの側壁は垂直に近く、またスペースの
開口部寸法は０．３μｍであった。

【００３４】比較例１シリコンウエハ上に実施例１と同様の感放射線性レジス
ト層を形成した。次に実施例１と同じ露光機を用いて、
幅０．３μｍ（ウエハ面での寸法）の孤立スペースを有
するフォトマスクを通じて、ウエハ面上に、フォーカス
変動（−５μｍ〜５μｍ）および露光量変動（１００ｍ
Ｊ／cm²〜１０００ｍＪ／cm²）の、ステップ露光を行
った。さらに実施例１と同様の方法でポストエクスポー
ジャベーク、現像、水洗を行った。ウエハ面内の各露光
条件のパターンを電子顕微鏡で観察したが、開口部寸法
０．３μｍの幅を持ち、かつ垂直に近い側壁を有するス
ペースパターンは見られなかった。

【００３５】実施例２シリコンウエハ上に実施例１と同様の感放射線性レジス
ト層を形成した。次に実施例１と同じ露光機を用いて、
径０．７５μｍ（ウエハ面での寸法）のホールパターン
を有するフォトマスクを通じて、露光量２００ｍＪ／cm
²で、フォーカス変動のステップ露光を行った。さらに
実施例１と同様の方法で、ポストエクスポージャベー
ク、現像、水洗を行った。パターンはベストフォーカス
で、開口部寸法０．７５μｍの径を有するホールであっ
た。

【００３６】さらに、膜形成時間を変えた他は、実施例
１と同様の方法で、基材および感放射線性レジスト表面
に、忠実な形状でポリシアノアセチレンからなる有機薄
膜を形成した。有機薄膜の膜厚は基材露出部分、レジス
トパターン部分ともに０．０９μｍであった。

【００３７】次に、実施例１と同様に基板方向へのリア
クティブイオンエッチングを行い、基材を露出させ、感
放射線性レジストと重合体薄膜とからなる複合レジスト
パターンを基材上に形成した。

【００３８】ホールパターンを電子線顕微鏡で観察した
ところ、複合レジストパターンの側壁は垂直に近いもの
であることを認めた。また露光におけるベストフォーカ
スでの、ホールの開口部寸法は０．６μｍであり、ま
た，０．５４〜０．６６μｍの開口部寸法を確保するフ
ォーカス深度は１．５μｍであった。

【００３９】比較例２シリコンウエハ上に実施例１と同様の感放射線性レジス
ト層を形成した。次に実施例１と同じ露光機を用いて、
径０．６μｍ（ウエハ面での寸法）のホールパターンを
有するフォトマスクを通じて、露光量２５０ｍＪ／cm²
で、フォーカス変動のステップ露光を行った。さらに実
施例１と同様の方法で、ポストエクスポージャベーク、
現像、水洗を行った。パターンはベストフォーカスで、
開口部寸法０．６μｍの径を有するホールであった。ま
た，０．５４〜０．６６μｍの開口部寸法を確保するフ
ォーカス深度は０．４μｍであり、小さい値を示した。

【００４０】実施例３シリコンウエハ上に実施例１と同様の感放射線性レジス
ト層を形成した。次に実施例１と同じ露光機を用いて、
径０．７μｍ（ウエハ面での寸法）のホールパターンを
有するフォトマスクを通じて、露光量２８０ｍＪ／cm²
で、フォーカス変動のステップ露光を行った。さらに実
施例１と同様の方法で、ポストエクスポージャベーク、
現像、水洗を行った。パターンはベストフォーカスで、
開口部寸法０．８μｍの径を有するホールであった。

【００４１】さらに、膜形成時間を変えた他は、実施例
１と同様の方法で、基材および感放射線性レジスト表面
に、忠実な形状でポリシアノアセチレンからなる有機薄
膜を形成した。有機薄膜の膜厚は基材露出部分、レジス
トパターン部分ともに０．０７μｍであった。

【００４２】次に、実施例１と同様に基板方向へのリア
クティブイオンエッチングを行い、基材を露出させ、感
放射線製レジストと有機薄膜とからなる複合レジストパ
ターンを基材上に形成した。

【００４３】ホールパターンを電子線顕微鏡で観察した
ところ、複合レジストパターンの側壁は垂直に近いもの
であることを認めた。また露光におけるベストフォーカ
スでの、ホールの開口部寸法は０．７μｍであり、ま
た，０．６３〜０．７７μｍの開口部寸法を確保するフ
ォーカス深度は２．０μｍであった。

【００４４】比較例１シリコンウエハ上に実施例１と同様の感放射線性レジス
ト層を形成した。次に実施例１と同じ露光機を用いて、
径０．７μｍ（ウエハ面での寸法）のホールパターンを
有するフォトマスクを通じて、露光量２２０ｍＪ／cm²
で、フォーカス変動のステップ露光を行った。さらに実
施例１と同様の方法で、ポストエクスポージャベーク、
現像、垂線を行った。パターンはベストフォーカスで、
開口部寸法０．７μｍの径を有するホールであった。ま
た，０．６３〜０．７７μｍの開口部寸法を確保するフ
ォーカス深度は０．８μｍであり、小さい値を示した。

【００４５】

【発明の効果】基材およびレジストパターン表面に、有
機薄膜を形成し、さらに異方性エッチングによって基板
を露出させて、レジストパターンを形成することによっ
て、微細な抜きパターンを形成することができ、さらに
そのフォーカス深度も向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】複合レジストパターンの形成過程の概略を示し
た断面図である。

【図２】複合レジストパターンの形成過程の概略を示し
た断面図である。

【図３】複合レジストパターンの形成過程の概略を示し
た断面図である。

【図４】複合レジストパターンの形成過程の概略を示し
た断面図である。

【図５】有機薄膜の被覆状態での膜厚を説明するもので
ある。

【符号の説明】

１：基材２：感放射線性レジストパターン３：有機薄膜Ａ，Ｂ，Ｃ：基材および感放射線性レジストパターンを
被覆した有機薄膜の各所での膜厚

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】感放射線性レジストと有機薄膜から構成さ
れる複合レジストパターンを有する基材の製造方法にお
いて、基材上の、パターン化された感放射線性レジスト
の表面に有機薄膜を形成した後、異方性エッチングによ
って、該有機薄膜の一部を除去して、該基材の一部を露
出させることを特徴とする複合レジストパターンを有す
る基材の製造方法。
【請求項２】該有機薄膜が、重合体薄膜であることを特
徴とする請求項１記載の複合レジストパターンを有する
基材の製造方法。
【請求項３】該有機薄膜が、基材および感放射線性レジ
ストの表面の形状に忠実な形状で形成されることを特徴
とする請求項１〜２記載の複合レジストパターンを有す
る基材の製造方法．
【請求項４】該重合体が芳香族含有の重合体または共役
系重合体であることを特徴とする請求項２〜３記載の複
合レジストパターンを有する基材の製造方法。
【請求項５】該重合体薄膜が、気体原料の重合反応によ
り形成されることを特徴とする請求項２〜４記載の複合
レジストパターンを有する基材の製造方法。
【請求項６】該重合体薄膜が、２種類以上の気体原料の
混合による重合反応により形成されることを特徴とする
請求項５記載の複合レジストパターンの形成方法。