JPH07220991A - パターン形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】光を吸収する感光性薄膜を被加工基板上に形成
し、感光性薄膜を第一の波長で画像形成露光し、第二の
波長の光で一括露光し、露光した感光性薄膜を現像する
ことにより、感光性薄膜を選択的に除去するパターン形
成方法では、選択露光により感光性薄膜中に生じる光学
的マスクを用いて一括露光することを特徴とするパター
ン形成方法。 【効果】凹凸のある被加工基板で良好な微細パターンを
形成でき、焦点裕度が増大し、多重露光することができ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、新規なパターン形成方
法に係り、特に、集積回路（ＩＣ）や大規模集積回路
（ＬＳＩ）などの半導体デバイスの製造における微細加
工用として用いて好適な解像性に優れた微細パターン形
成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路素子の製造では、被加工
基板上に作成する微細パターンの形成工程が最も重要な
技術の一つである。従来から広く用いられている微細パ
ターン形成方法は、フォトリソグラフィである。すなわ
ち、最終的に所要の加工を施したい被加工基板上に塗布
した感光性薄膜（以下レジストと記す）を、所定の図形
パターンを有するフォトマスクを介して図形状に位置選
択的に露光する（この露光を画像形成露光と言う。）。
次いでこの照射されたレジストを溶媒（この溶媒を現像
液と言う。）で選択的に溶解する（この工程を現像と言
う。）。フォトレジストは照射によって現像液に溶けや
すくなるものはポジ型、逆に溶けにくくなるものはネガ
型と呼ばれている。次にこの現像工程により被加工基板
上に形成されたレジストの微細パターンを利用してドラ
イ法又はウエット法により下地基板のエッチングを行
い、前記レジストを剥離して所望の基板の微細パターン
を得る。半導体集積回路素子の製造では、通常、このよ
うなフォトリソグラフィー技術が用いられており、最終
的な集積回路素子を得る為に、このような操作が何度も
繰り返される。

【０００３】フォトマスクパターン像をウェハ等の被加
工基板上のレジストに縮小投影する縮小投影技術による
露光が行われている。しかし、縮小投影技術は結像光学
系である為に、焦点深度が浅い。従って、表面に凹凸が
ある基板ではレジストの厚さが不均一になり、レジスト
の解像性が低下するという欠点があった。この問題を解
決するため、従来技術として、ポータブル・コンホーマ
ブル・マスク(ＰＣＭ)法と呼ばれる二層構造法が知られ
ている。この技術ではポリメタクリル酸メチルの厚い下
部層を基板に被覆して実質的に平坦表面を生じさせ、そ
して第二のレジストの層がその上に被覆される。そして
上部レジストは、たとえば、近紫外線光を用いた縮小投
影技術により露光され、現像されて遠紫外線光を通さな
いマスクを生成する。ポリメタクリル酸メチルの下部層
は次にそのマスクを介して遠紫外線で露光され、現像さ
れて所望のレジストパターンを生成する。このＰＣＭ法
により基板表面の凹凸に起因する問題は軽減される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
は、通常の単層レジストを用いたプロセスと比較して、
上層レジストの塗布，現像工程が新たに加わり、プロセ
スが複雑になる等の実用上の問題があった。

【０００５】本発明の目的は、基板表面の凹凸に起因す
る問題を克服し、工業的な実施に適したパターン形成方
法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明者は被加工基板にレジストを塗布し、前記レジス
トを第一の波長の光を用いて選択的に露光し、前記選択
的に露光したレジストを第二の波長の光を用いて一括露
光し、前記露光したレジストを現像することにより、前
記レジストを選択的に除去するパターン形成方法におい
て、前記選択的露光によりレジスト中に生じた光学的マ
スクを用いて前記一括露光する。

【０００７】第一の波長の光による選択的露光、すなわ
ち、パターン露光により光学的マスクを作成する為に、
ホトクロミック材料を使用した。あるいは、第一の波長
の光によるパターン露光により光学的マスクを作成する
ため、第一の波長の光により生じた反応中間体を使用し
た手段も可能である。

【０００８】レジストを第一の波長の光を用いて選択的
に露光する工程及び前記選択的に露光したレジストを第
二の波長の光を用いて一括露光する工程を複数回繰り返
し、複数のマスク・パターンを単一のレジストに形成す
る手段も可能である。

【０００９】

【作用】本発明では、基板表面の凹凸に起因する問題
を、上記手段により解決する。その課題解決の技術的手
段の働きを以下に説明する。

【００１０】照射光を吸収するレジスト薄膜を被加工基
板上に形成する工程は通常の方法で行い、被加工基板上
に均一な厚さのレジスト薄膜が形成できる。即ち、被加
工基板上にレジスト溶液をスピンナ等により回転塗布し
た後、９０から２００℃の温度で乾燥処理する。この
際、適正な乾燥温度や乾燥時間は使用する材料による
が、ホットプレートを利用する場合、１分以上、好まし
くは２から１０分程度である。

【００１１】このように形成されたレジストに、所望の
パターンが描かれたマスクを介して第一の波長の光を照
射し、レジスト中にマスク・パターンを形成する。その
為には、レジストにホトクロミック材料を用いる方法及
び第一の波長の光により形成された反応中間体を用いる
方法がある。

【００１２】先ず、ホトクロミック材料を用いる方法に
ついて述べる。ホトクロミズムを示す材料は、ヒドラゾ
ン，オサゾン，フルギド，スチルベン、またサリチルア
ルデヒド，スピロピラン，ビイミダゾリルなどの誘導体
などの多くの有機化合物が知られている。ホトクロミッ
ク材料には、これらの化合物のうち第一の波長に吸収を
持つ化合物を使用することができる。第一の波長の光を
吸収すると、ホトクロミズムにより、他の波長領域に吸
収を持つようになる。この吸収が生じる波長領域を第二
の光の波長とする。このように材料，第一及び第二の波
長を選択すれば、マスク・パターンを介した第一の波長
による露光でレジスト中にそのマスクに対応した第二の
波長の露光に対してマスク・パターンとして働く光学的
吸収層が形成される。この第二の波長に感光性を有する
感光剤を含んだレジストを使用することにより第二の波
長で一括露光することにより、レジスト中に第一の波長
によるパターン露光に対応した潜像が形成される。この
レジストを現像することにより、所望のレジスト・パタ
ーンが形成される。

【００１３】以上の工程でホトクロミック材料の濃度及
び第一の波長の露光量は、第一の波長の光がレジストの
表面で吸収されるように調整することが望ましい。具体
的には第一の波長におけるレジストの吸光度が２以上で
あることが望ましい。第二の波長の露光に対してマスク
・パターンとして働く光学的吸収層の吸光度は大きい方
が好ましいことは言うまでもない。

【００１４】次に反応中間体を用いる方法について述べ
る。ここで、反応中間体とは、化学反応で反応物から生
成物に至る反応経路の途中で生じる化学種のことで、リ
ソグラフィではレジストの構成物が露光時に光を吸収し
て最終生成物になるまでに経過する過渡的な中間種に相
当し、具体的には電子励起一重項，電子励起三重項，解
離断片種，ラジカル，振動励起状態などである。したが
って、多くの有機材料で、露光後μｓ程度以下の短時間
領域で、反応中間体を形成する。この反応中間体形成材
料には第一の波長に吸収を持つ化合物を使用することが
できる。この第一の波長の光を吸収すると、露光直後に
反応中間体が形成されるので、この反応中間体に対応し
て他の波長領域に吸収を持つようになる。この吸収が生
じる波長領域を第二の光の波長とする。このように材
料，第一及び第二の波長を選択すれば、マスク・パター
ンを介した第一の露光でレジスト中にそのマスクに対応
した第二の波長の露光に対してマスク・パターンとして
働く光学的吸収層が形成される。この第二の波長に感光
性を有する感光剤を含んだレジストを使用することによ
り第二の波長で一括露光することにより、レジスト中に
潜像が形成される。このレジストを現像することによ
り、所望のレジスト・パターンが形成される。

【００１５】以上の工程で反応中間体形成材料の濃度，
第一の波長の露光量及び露光時間は、第一の波長の光が
レジストの表面で吸収されるように調整することが望ま
しい。具体的には第一の波長におけるレジストの吸光度
が２以上であることが望ましい。特に、第一の波長によ
る露光は、エキシマレーザなどのように短時間で露光す
る方法が、多くの反応中間体を短時間に形成できるので
好ましい。或いは、露光時にレジストの温度を冷して、
反応中間体の寿命を長くすれば、反応中間体の効果が増
し、第二の露光に対して吸収の大きい良好なマスクが形
成される。この場合には、反応中間体の寿命が長くなる
ので、短時間で露光しなくても良い。

【００１６】ホトクロミック材料は光や熱により元に戻
ることが知られている。また、反応中間体から元の反応
物に戻る材料も多く知られている。これらの材料を用い
た場合には、第二波長による露光後に、第一波長による
露光により形成されたマスクを消去して、元に戻すこと
ができる。従って、複数のマスクを用いて繰返し露光す
る、多重露光が可能となる。

【００１７】第一の波長によるパターン露光と第二の波
長による一括露光とにそれぞれ対応した層からなる多層
レジスト構造を用いることもできる。この場合には第一
の波長によるパターン露光は表面だけでなく、この機能
を持った層全体を吸光性の層にすることができるので、
より効果的である。

【００１８】

【実施例】

（実施例１）本実施例では、ホトクロミック材料を用い
て微細パターンを形成した例を述べる。

【００１９】Ｎ，Ｎ′−ジ−（ｐ−メチルフェニル）−
γ，γ′−ジピリジリウム−ジメチルアニリン錯体とノ
ボラック樹脂及びキノンジアジド化合物を１０：１０
０：３０の重量組成比で、溶媒に溶解した。この溶液を
０.２μｍ のフィルタで濾過して、固形分濃度が３０重
量％のレジスト溶液を調製した。これをシリコンウェハ
に回転塗布機を用いて塗布した。次いでこのシリコンウ
ェハを９０℃のホットプレートで９０秒間乾燥を行い、
１.３μｍ の厚さのレジスト薄膜を作製した。次にこの
ウェハに２４８ｎｍの露光波長のエキシマレーザを有す
る縮小投影露光機を用いて、微細パターンを有するマス
クを介して単一パルスで５０ｍＪ／cm²の露光量でマス
クパターン形状を照射した。次に４３６ｎｍの露光波長
でウェハ全面に１００ｍＪ／cm² の一括照射を行った。
次に、これをテトラメチルアンモニウム水溶液で６０秒
間現像して、上記４３６ｎｍの光に露光した部分を除去
した。形成された微細パターンを走査型電子顕微鏡で観
測したところ、０.３μｍの良好なネガ型の微細パター
ンが形成された。

【００２０】本実施例の微細パターン形成方法を実際の
半導体デバイス作製に適用し、目的の微細パターンを有
する半導体デバイスが作製できた。

【００２１】本実施例におけるホトクロミック材料であ
るＮ，Ｎ′−ジ−（ｐ−メチルフェニル）−γ，γ′−
ジピリジリウム−ジメチルアニリン錯体が第二の波長で
マスクとして働く理由を以下に説明する。

【００２２】このホトクロミック材料は２４８ｎｍの露
光により光化学反応により電荷移動反応を引き起こし、
４３６ｎｍに吸収を示す。従って、この段階でレジスト
薄膜上に４３６ｎｍの吸収を有するマスク・パターンが
形成されている。次に４３６ｎｍで全面露光するとこの
マスク・パターンが形成された領域では４３６ｎｍの光
は表面で吸収されてしまい、４３６ｎｍの光はレジスト
の内部に入らない。一方、マスク・パターンが形成され
ていない領域では、４３６ｎｍの全面露光の光はレジス
トの内部にまで入り、マスク・パターンに対応した画像
形成露光が行える。尚、２４８ｎｍの露光により形成さ
れたマスク・パターン部分は感光剤の一部が光分解し、
現像時に膜減りとなるが、ごく表面部分だけであるの
で、実質上問題ない。

【００２３】本実施例では、レジスト上に密着マスクが
あるのと同じである為に、解像度の劣化につながる光の
回折の効果が小さくなり、解像性が高くなっている。

【００２４】（実施例２）本実施例では、反応中間体を
用いて微細パターンを形成した例を述べる。

【００２５】ナフタレンとノボラック樹脂及びキノンジ
アジド化合物を１０：１００：３０の重量組成比で、溶
媒に溶解した。この溶液を０.２μｍ のフィルタで濾過
して、固形分濃度が３０重量％のレジスト溶液を調製し
た。これをシリコンウェハに回転塗布機を用いて塗布し
た。次いでこのシリコンウェハを９０℃のホットプレー
トで９０秒間乾燥を行い、１.５μｍ の厚さのレジスト
薄膜を作製した。次にこのウェハに２４８ｎｍの露光波
長のエキシマレーザを有する縮小投影露光機を用いて、
微細パターンを有するマスクを介して単一パルスで８０
ｍＪ／cm² の露光量でマスクパターン形状を照射した。
通常の同期技術を用いて、この露光と同期させて４３６
ｎｍの露光波長でウェハ全面に１７０ｍＪ／cm² の一括
照射を行った。次に、これをテトラメチルアンモニウム
水溶液で６０秒間現像して、436ｎｍの光に露光した部
分を除去した。形成された微細パターンを走査型電子顕
微鏡で観測したところ、０.３５μｍ の良好なネガ型の
微細パターンが形成された。

【００２６】本実施例における反応中間体が第二の波長
でマスクとして働く理由を以下に説明する。２４８ｎｍ
の露光によりナフタレンは２４８ｎｍの光を吸収して、
反応中間体である電子励起状態を形成する。この反応中
間体は４３６ｎｍに吸収を示す。従って、この段階でレ
ジスト薄膜上に４３６ｎｍの吸収を有するマスク・パタ
ーンが形成されている。次に４３６ｎｍで全面露光する
とこのマスク・パターンが形成された領域では４３６ｎ
ｍの光は表面で吸収されてしまい、４３６ｎｍの光はレ
ジストの内部に入らない。一方、マスク・パターンが形
成されていない領域では、４３６ｎｍの全面露光の光は
レジストの内部にまで入り、マスク・パターンに対応し
た画像形成露光が行える。尚、２４８ｎｍの露光により
形成されたマスク・パターン部分は感光剤の一部が光分
解し、現像時に膜減りとなるが、ごく表面部分だけであ
るので、実質上問題ない。

【００２７】本実施例では、レジスト上に密着マスクが
あるのと同じである為に、解像度の劣化につながる光の
回折の効果が小さくなり、解像性が高くなっている。

【００２８】(実施例３）本実施例では、ネガ型の感光
性化合物でも反応中間体を用いて微細パターンが形成で
きることを述べる。

【００２９】ビフェニルとノボラック樹脂及びネガ型の
感光性化合物である３，３′−ジメトキシ−４，４′−
ジアジド−ビフェニルを１０：１００：２５の重量組成
比で、溶媒に溶解した。この溶液を０.２μｍ のフィル
タで濾過して、固形分濃度が３０重量％のレジスト溶液
を調製した。これをシリコンウェハに回転塗布機を用い
て塗布した。次いでこのシリコンウェハを９０℃のホッ
トプレートで９０秒間乾燥を行い、１μｍの厚さのレジ
スト薄膜を作製した。

【００３０】次にこのウェハに２４８ｎｍの露光波長の
エキシマレーザを有する縮小投影露光機を用いて、微細
パターンを有するマスクを介して単一パルスで１０ｍＪ
／cm² の露光量でマスクパターン形状を照射した。この
露光と同期させて３６５ｎｍの露光波長でウェハ全面に
１００ｍＪ／cm² の一括照射を行った。次に、これをテ
トラメチルアンモニウム水溶液で６０秒間現像して、上
記３６５ｎｍの光に露光した部分を除去した。形成され
た微細パターンを走査型電子顕微鏡で観測したところ、
０.３μｍの良好なポジ型の微細パターンが形成され
た。

【００３１】本実施例では、ネガ型の感光性化合物を含
むレジスト材料でも良好な微細パターン形成でき、適用
範囲が広い。

【００３２】（実施例４）本実施例では、反応中間体を
利用し、多重露光することにより、微細パターンが形成
できることを例示する。

【００３３】フルオレンとノボラック樹脂及びキノンジ
アジド化合物を１０：１００：３０の重量組成比で、溶
媒に溶解した。この溶液を０.２μｍのフィルタで濾過
して、固形分濃度が３０重量％のレジスト溶液を調製し
た。これをシリコンウェハに回転塗布機を用いて塗布し
た。次いでこのシリコンウェハを１００℃のホットプレ
ートで９０秒間乾燥を行い、１.３μｍ の厚さのレジス
ト薄膜を作製した。

【００３４】次にこのウェハに２４８ｎｍの露光波長の
エキシマーレーザを有する縮小投影露光機を用いて、微
細パターンを有するマスクを介して単一パルスで５０ｍ
Ｊ／cm² の露光量でマスクパターン形状を照射した。次
に４３６ｎｍの露光波長でウェハ全面に１００ｍＪ／cm
² の一括照射を行った。次に、上述のマスクを別の微細
パターンを有するマスクと交換した後、このマスクを介
して単一パルスで５０ｍＪ／cm² の露光量でマスクパタ
ーン形状をレジストに照射した。次に４３６nmの露光波
長でウェハ全面に１００ｍＪ／cm² の一括照射をレジス
トに行った。これをテトラメチルアンモニウム水溶液で
６０秒間現像して、４３６ｎｍの光に露光部分を除去し
た。形成された微細パターンを走査型電子顕微鏡で観測
したところ、二つのマスクパターンに対応して２４８ｎ
ｍの光で露光された部分が両方共に残ったネガ型の微細
パターンが形成された。

【００３５】本実施例で多重露光ができる理由を以下に
説明する。一回目の２４８ｎｍのパターン露光により生
じたビフェニルの反応中間体である電子励起状態は、二
回目の２４８ｎｍのパターン露光を行うまでに数百ｍｓ
の時間を要するために元の基底状態に戻っている。従っ
て、二回目のパターン露光をするまでに、レジスト上に
生じた一回目のマスク・パターンは消えていて、二回目
のパターン露光では、二回目のマスク・パターンに対応
したパターン露光が行われる。従って、前の露光の影響
がなく、多重露光が良好に行える。

【００３６】本実施例では、一つのレジスト薄膜上に多
重露光ができるので、複雑なパターンでも複数枚の簡単
なマスクに分けて露光できるなどの実用上の利点があ
る。

【００３７】（実施例５）本実施例では、二層レジスト
に適用した例を示す。

【００３８】４３６ｎｍ用の市販のポジ型レジストを通
常の方法でシリコンウェハ上に回転塗布し、加熱乾燥を
行い、１μｍの厚さのレジスト薄膜を作製した。次にこ
のレジスト薄膜上に、Ｎ，Ｎ′−ジ−（ｐ−メチルフェ
ニル）−γ，γ′−ジピリジリウム塩化物とポリ（Ｎ−
ビニル−２−ピロリドン）が３０：１００の重量比の水
溶液を回転塗布し、ホットプレート上で加熱乾燥を行
い、０.３μｍ の厚さの上層レジストを作成した。次に
このウェハに２４８ｎｍの露光波長のエキシマレーザを
有する縮小投影露光機を用いて、微細パターンを有する
マスクを介して単一パルスで５０ｍＪ／cm² の露光量で
マスクパターン形状を照射した。次に436ｎｍの露光波
長でウェハ全面に１００ｍＪ／cm² の一括照射を行っ
た。次に、これをテトラメチルアンモニウム水溶液で６
０秒間現像して、４３６ｎｍの光に露光部分を除去し
た。形成された微細パターンを走査型電子顕微鏡で観測
したところ、０.３μｍ の良好なネガ型の微細パターン
が形成された。

【００３９】本実施例により、多層レジストでも適用で
きることが分かる。

【００４０】

【発明の効果】本発明では、第一の波長による露光がレ
ジストの表面で吸収されるので、下地の凹凸の影響を受
けず高い解像性が達成でき、露光の焦点裕度が増大する
利点がある。

【００４１】本発明では、一回の現像工程からなるの
で、二回の現像工程からなる従来技術より工程が簡略化
され、経済的に大きな利点がある。

【００４２】本発明では、短波長の光で第一のマスク形
成露光を行うので解像性が高いという利点がある。更
に、このマスクはレジストの表面上に形成されているの
で実質上密着露光になり、第二波長の一括露光時に光の
回折の効果が小さく、高い解像性の露光ができる。

【００４３】本発明によれば、一括露光の後にホトクロ
ミック材料は元の状態に戻すことができるので、多重露
光することができるという利点がある。露光後に元の反
応物に戻る反応中間体を用いた場合でも、一括露光の後
に元の状態に戻るので、多重露光することができる。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板に感光性化合物を塗布して薄膜とし、
   前記薄膜を第一の波長の光を用いて選択的に露光し、選
   択的に露光した前記薄膜を第二の波長の光を用いて一括
   露光し、露光した前記薄膜を現像することにより、前記
   薄膜を選択的に除去するパターン形成方法において、前
   記第一の波長の光を用いた選択的露光により前記薄膜中
   に生じた光学的マスクを用いて前記第二の波長の光を用
   いて一括露光することを特徴とするパターン形成方法。
2. 【請求項２】請求項１において、前記第一の波長の光に
   よる選択的露光により光学的マスクを作成する材料にホ
   トクロミック材料を使用するパターン形成方法。
3. 【請求項３】請求項１において、前記第一の波長の光に
   よる選択的露光により光学的マスクを作成する材料に第
   一の波長の光により生じた反応中間体を使用するパター
   ン形成方法。
4. 【請求項４】請求項１において、前記薄膜を第一の波長
   の光を用いて選択的に露光する工程及び前記露光した薄
   膜を第二の波長の光を用いて一括露光する工程を複数回
   繰り返し、複数のマスク・パターンを単一の薄膜に形成
   するパターン形成方法。
5. 【請求項５】請求項１において、前記薄膜が第一の波長
   の光を用いた選択的露光により光学的マスクを形成する
   層及び第二の波長の光を用いた一括露光により感光する
   層とからなるパターン形成方法。