JPH0737799A - 半導体装置の微細パターン形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】反射防止膜の形成条件を広げ、効率的なパター
ン形成を実現する。 【構成】半導体基板１上のAl等の配線をパターン形成す
る薄膜５に対し、この膜をレジストでパターン化させる
際、薄膜５からの露光反射を防ぐため、反射防止膜とし
て窒化シリコン膜(SiN_x 膜) ６をプラズマＣＶＤ法等に
より成膜する。複素屈折率n'-jk のｋが０でない時に減
衰が生じて半透明となる。成膜条件としては屈折率n'の
範囲で規定する。半透明な SiN_x 膜は、化学量論組成よ
りもSi原子過剰な膜であればよい。干渉による反射率減
衰の谷ピークの膜厚は組成および入射角によって多少変
化する。減衰と干渉による反射率が60％以下であればど
の膜厚でもよく、谷ピークとなる膜厚とする必要はな
い。入射角が45°の場合を考慮することでほぼ実情にあ
った反射率を利用できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はホトリソグラフィを用い
た半導体装置の微細パターン形成方法に関し、特に高密
度集積回路のそれに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置の高密度集積化（ＶＬ
ＳＩ化）が進み、利用される配線の線幅もサブμｍのオ
ーダーになってきている。ここで、配線はアルミで形成
するのが最もコスト的に良く、ＶＬＳＩ化された半導体
装置でも良く利用されている。このアルミ配線のパター
ン形成において、従来フォトリソグラフィ技術が用いら
れている。これは、まず半導体装置の表面にアルミ膜を
形成したのち、ホトレジスト（感光材）を塗布し、そし
てホトマスクを用いて露光、感光し、必要部分のアルミ
膜を残してエッチングを行うことにより、配線をパター
ン形成する方法である。この際に、配線幅が細くなって
くると、ホトレジストを露光する際のホトマスクの位置
合わせやマージンは厳しい条件となる。かつ、エッチン
グの対象とするアルミ膜は、露光のための照射光をほぼ
９０％以上反射してしまうとともに、通常その下地の状
態により、表面が平坦とは限らないため、反射光は所定
のマスク領域を越える範囲に広がってしまい、目的のパ
ターン寸法を実現できなくなることになる。これにより
ショートや断線の原因となってしまうことが生じてい
る。また、アルミ配線上の透明な絶縁膜にホトリソグラ
フィでコンタクトホールを形成する際にも同様な問題が
ある。

【０００３】このため、特公平4-27687 号公報や特開昭
61-23326号公報、特開平3-57225 号公報等に見られるご
とく、アルミ配線の表面に反射防止膜を形成することが
提案されている。特公平4-27687 号公報では、十分な減
衰効果を得るために吸収係数の大きいアモルファスシリ
コン(a-Si)膜を用いているが、これはシリコンがメタル
配線内に拡散し、凝集し易く、配線の信頼性を損ねる問
題がある。これを回避するためＥＣＲ型プラズマ堆積法
によって反射防止膜を低温で成膜しているが、後工程で
予め除去するにしても生産性が低下する問題がある。反
射防止膜として用いられる光吸収性の大きい窒化シリコ
ン膜(SiN_x 膜と記す）では、上記のような問題は少ない
が、望ましい２００ｎｍ程度の膜厚では露光に使用する
光の波長に対して透過性があるため、単純に成膜するだ
けでは反射防止膜として機能せず、特開昭61-23326号公
報の提案に示されるように、必要な減衰量が得られるま
で膜厚を厚く形成したり、特開平3-57225 号公報に見ら
れる如く、透明膜の反射の干渉を利用して、光路差が半
波長の整数倍となるような膜厚に形成する必要がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、反射防
止膜としてはレジスト層の下に形成するために、あまり
厚く不透明な膜を成膜することは相応しくなく、しかし
逆に薄すぎると反射防止としての効果が出ないという状
況で、薄く透明な膜を干渉条件に合わせて膜厚を形成す
ることのみでは、半導体表面の凹凸による膜厚の差や傾
きに対して膜厚を調整することは難しく、限定され過ぎ
た条件で実現しにくい、という問題がある。従って本発
明の目的は、厳しい反射防止膜の形成条件を広げて、効
率的なパターン形成を実現することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め本発明の構成は、半導体装置の面上で、高反射率な被
パターン膜上に、レジスト層を塗布し、露光、現像処理
を行うホトリソグラフィを施して、該被パターン膜に所
望パターンを形成する半導体装置の微細パターン形成方
法において、前記レジスト層と前記被パターン膜との間
に、露光波長に対して半透明な SiN_x 膜をおよそ200nm
以下で成膜し、前記 SiN_x 膜のN/Si組成比を0.50〜0.85
の間に成膜することで前記被パターン膜からの反射光を
光吸収と光干渉とで相乗的に減衰させることである。

【０００６】また第一関連発明の構成は、前記露光の波
長がｉ線（波長＝365nm ）であり、前記ｉ線の波長にお
ける前記 SiN_x 膜の複素屈折率ｎ（ n = n'- jk ， n';
屈折率、k;消衰係数）が、2.20≦n'≦2.70（0.03≦ｋ≦
0.24）、あるいは波長633nmにおける屈折率(n=n')の場
合、2.05≦n'≦2.40の範囲にあることを特徴とする。さ
らに第二関連発明の構成は、前記露光の波長がｇ線（波
長＝436nm)であり、前記 SiN_x 膜の、波長633nm におけ
る屈折率(n=n')が、2.15≦n'≦2.40の範囲にあることを
特徴とする。

【０００７】

【作用】SiN_x 膜をN/Si組成比0.50〜0.85の間で成膜す
ることは、 SiN_x 膜の組成比がSi過剰となり、膜が光吸
収性を持つ、ほど良い条件である。N/Si組成比が0.85以
上であれば、組成比が化学量論組成のSi₃N₄ に近くな
り、膜が透明となる。また0.50以下であるとSi原子がさ
らに過剰となってa-Si膜に近い性質、即ち膜とシリサイ
ドを形成してしまう。 SiN_x 膜の組成比は、波長が633n
m における、吸収のない屈折率でリニアに対応付けられ
ることが判っているので、屈折率で規定できる。 SiN_x
膜の成膜は、周知のＣＶＤ法等でガス流量等を制御して
適性範囲の屈折率とすることができる。レジスト層を露
光させるために用いるｉ線とｇ線とでは少し屈折率が異
なり、成膜条件の屈折率も少し異なる。消衰係数は屈折
率に従属して決まり、上記の値となる。

【０００８】ホトレジスト層に入射された光は、レジス
ト層を感光しつつ通過し、吸収されない分が、被パター
ン膜上に形成された SiN_x 膜を、一部吸収されながら通
り抜けて、下層の高反射率な被パターン膜でほとんど反
射され、再び SiN_x 膜を減衰しながらレジスト層に戻っ
てくる。その場合、被パターン膜が平坦ではなく、乱反
射を起こしてしまうような状態であっても、 SiN_x 膜で
一部干渉を生じて減衰してレジスト層に戻ってくる。即
ち SiN_x 膜で、レジスト層の下界面における下層膜から
の反射光を、光吸収と光学薄膜干渉とを相乗させて低減
させる。従ってたとえ余分な方向に光が反射されても、
入射光の60％以下の強度とできるので、マスク開口部以
外の余分なレジストを感光させない。なお、反射率が60
％以下であればホトリソグラフィ時の不具合を抑制でき
ることを発明者らは実験的に確認している。

【０００９】

【発明の効果】反射防止膜として実用的な膜厚で反射率
の十分な低下（例えば６０％以下）が得られ、また、余
分なレジストが感光しないので、狙ったマスクパターン
通りの寸法でパターン形成でき、微細な配線を形成でき
る。また SiN_x 膜は、配線を汚染しにくいので半導体装
置の信頼性を高いものとすることができる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説
明する。本発明の実施例として、例えば図１に示すよう
な、半導体基板１上の絶縁膜２上に設けられた膜をパタ
ーン形成で配線にする構造へ適用する。ゲート電極３や
配線等を保護絶縁する層間絶縁膜４を形成した後、その
上部に、アルミ等の配線をパターン形成するための薄膜
５を成膜する。層間絶縁膜４は図１に示されるごとく、
平坦とは限らないので、この膜をレジストでホトリソグ
ラフィによりパターン化させる際に、薄膜５からの露光
反射を防ぐために、反射防止膜として窒化シリコン膜(S
iN_x 膜と記す) ６を周知の技法、例えばプラズマＣＶＤ
法により成膜する。この反射防止膜６は膜厚に対し、計
算上、図２のような特性を示す。計算式は後述するが、
これは、パターン化する薄膜５をアルミ膜として、その
複素屈折率ｎ＝0.39−j3.5とし、その上層の反射防止膜
（ SiN_x 膜）６の屈折率をｎ＝2.45−j1.7 とし、レジ
スト材の屈折率を約1.7 としたとき、その際に露光に用
いる光の波長が例えばｉ線(365nm）であるとして、入射
角45°で、この波長における SiN_x 膜の反射率の様子を
膜厚によって変化する様子を計算で示したものである。
図からわかるように、比較的薄い膜厚の領域でも反射率
は60％以下となっている。膜厚が０ｎｍでも反射が100
％ではないのは、アルミ膜も複素屈折率、即ち吸収を生
じていることによる。

【００１１】反射防止膜６における効果について説明す
る。図５に示すように、レジスト層７（屈折率ｎ₀)か
ら、膜厚ｄ₁ 、屈折率ｎ₁ の反射防止膜６（ SiN_x 膜）
に入射角ψ₀ で入射した場合を考える。この時、パター
ン化すべき高反射率膜５の屈折率をｎ₂ とする。図５の
第I 、第II面でのフレネルの反射係数をそれぞれｒ₀₁、
ｒ₁₂とし、当該膜６の両面での反射を考慮に入れて、全
体としての振幅反射率ｒを求めれば、

【数１】

【数２】δ ＝ ４πｎ₁ ・ｄ₁ COS(ψ₁)／λ で表される。ψ₁ は膜内の屈折角で、スネルの法則

【数３】ｎ₀ ・sin(ψ₀) ＝ ｎ₁ ・sin(ψ₁) より求まり、λは光の波長である。

【００１２】このｒ₀₁、ｒ₁₂の値はｐ成分（入射面に対
して光の電界ベクトルの振動面が平行）とｓ成分（前記
ベクトルが垂直）では異なるため、

【数４】

【数５】 で計算される。ｒ₁₂においては０→１、１→２に置き換
えた式となる。そして最終的に求めるエネルギー反射率
Ｒ² は、ｐ成分とｓ成分とについて数１式より求めた振
幅反射率ｒ_P 、ｒ_S より次式で求まる。

【数６】

【００１３】以上は単層膜に関するものであるが、多層
膜の場合は数１式で得られた振幅反射率を順次フレネル
の反射係数部分に置き換えていくことにより求められ
る。

【００１４】数１〜数５式において、吸収性のある膜が
介在する場合には、複素屈折率ｎ

【数７】ｎ ＝ ｎ’− ｊｋ （ ｎ’を屈折率、ｋを消衰係数と呼ぶ。）を用いて計
算するが、このｋが０でない時に減衰が生じて半透明で
ある。従って膜厚の違いによるこの反射率は図２のよう
な特性を示す。

【００１５】ｉ線やｇ線などの、使用する露光波長に対
して吸収を生じる、ｋが０でないような SiN_x 膜を形成
するには、化学量論組成よりもシリコン原子が過剰な膜
であればよいことがわかっている。この構成は通常、Ｃ
ＶＤ法によって成膜条件、例えばガス流量を適性に選択
することで実現する。

【００１６】従って、図６に示すような成膜ガス流量の
変化による成膜条件で成膜する（高周波電力380W、デポ
ジット圧力5.5Torr 、サセプタ温度360 ℃、ガス流量Si
H₄:NH₃:N₂ = 150〜200sccm:9 〜200sccm:1500〜4500sc
cmの条件）と、図６のＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄのような組成比の
異なる各 SiN_x 膜は、露光に用いるｉ線(365nm）におい
ては、図３(a) に示されるようなｎ’とｋの関係にな
る。このｎ’とｋとはほぼ対応しており、それゆえ吸収
の大きい、即ちｋが大きいＤの場合の組成が効果的とわ
かる。これらのＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの各 SiN_x 膜に対して、
膜厚に対する反射率特性を前述の計算をすると、図４
(a) のようになる。各膜の膜厚がおよそ２００ｎｍ以下
では、Ａを除き20〜30ｎｍの膜厚で反射率が60％以下に
なっていることがわかる。この計算結果は、実際の値と
よく合うことが発明者らで確かめられている。また、反
射率が60％以上になると、ホトリソグラフィ時の露光マ
ージンが十分確保できないことも確認している。

【００１７】SiN_x 膜の屈折率は、波長が６３３ｎｍに
おいて組成比とリニアに対応していることが知られてい
る。図６で各条件で形成した SiN_x 膜の実屈折率ｎ’は
図３(b) で示す値となり、窒素とシリコンの元素比N/Si
比が推定されることがわかっている。この値から、Ｄの
場合よりもシリコンが過剰になるとa-Si膜と同様の問題
を生じると言えるので、Ｄの成膜条件が限度と判定され
る。

【００１８】また図４(a) の図示する範囲内で、複素屈
折率のもう一つの効果である、干渉による減衰の谷ピー
クが生じている。この谷ピークの膜厚は組成および入射
角によって多少変化するために一律に決めることができ
ないが、図４(b) に示すように、谷ピークの反射率のみ
を比較すると、減衰の比較的小さいＡの最小値でも40％
を下回っており(200nm前後）、十分利用できる範囲とな
っている。

【００１９】また対象とする被パターン膜が傾いている
と、入射光が傾くことに等しくなるため、膜厚の実効厚
さが変化して干渉の効果がずれていく（図４でも入射角
45°のデータを示している）。従って、必ずしも谷ピー
クとなる膜厚のみで成膜する必要はなく、目的に応じ
て、より薄く、かつ、より反射率が小さくなるような膜
厚条件を適用すればよい。主として膜が傾いている場合
に、反射光が散乱して不具合を引き起こすと考えられる
ので、図５に示すように、入射角が45°の場合を考慮す
ることでほぼ実情にあった反射率を利用できる。なお、
入射角を９０°と３５°とで求めた場合（図示しない）
でも、図２もしくは図４(a) で示される特性の各膜厚に
よる谷ピークの変化は大きくなく、ほぼ入射角45°を考
慮するだけで充分であることがわかっている。この谷ピ
ーク近傍では変化率が小さく、この領域を用いれば均質
なパターンを形成するために都合がよい。また谷に限ら
ず、変化率のなだらかな山ピークであっても、反射率が
目標値以下であれば、用いても一向に構わない。

【００２０】反射防止膜として形成した SiN_x 膜は、被
パターン膜を形成した後も、多層配線工程において、ス
ルーホール形成などに同様の反射防止効果とか、Al配線
のマイグレーション、Al/TiN/Ti 系のアフターコロージ
ョン現象等の寿命劣化を鈍らせる効果が期待できるので
残しておいても構わない。ただし特に SiN_x 膜の組成が
Si原子過剰の場合（実施例のＣやＤの場合）は、後工程
の熱処理により配線中へのシリコンの拡散が問題となる
ことがあるので、予めエッチッグで取り除いてから後の
工程に移ることが望ましい。また、エッチング条件を適
切に選択することで、この SiN_x 膜を、こうした高反射
率なアルミ配線のエッチング用マスクとして利用するこ
とも可能であり、その場合には、レジスト層の膜厚を薄
くできて高解像化にとって有利となる。

【００２１】この実施例では、露光波長をｉ線の３６５
ｎｍについて説明したが、ｇ線（４３６ｎｍ）に対して
も光吸収をする SiN_x 膜の組成を選択すれば同様の効果
をもつ。この場合はｉ線よりも吸収率が下がるため、充
分な反射防止効果を得る範囲は狭くなる（請求項３に示
す屈折率の範囲）。

【００２２】なお、本案ではレジスト層７の表面での反
射率が、波長６３３ｎｍにおいて６０〜９０％以上ある
ため、反射防止を施すことによって、ホトリソグラフィ
時のアライメントにおける不具合は発生しないので問題
はない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例を適用した半導体装置の表面断面図。

【図２】窒化シリコン膜の膜厚による反射率の変化を示
す特性図。

【図３】各窒化シリコン膜の屈折率、消衰係数および組
成比に関する特性図。

【図４】各窒化シリコン膜の膜厚による反射率の変化お
よび極小値（谷ピーク）を示す特性図。

【図５】反射率の関係を示す説明図。

【図６】屈折率と成膜ガス流量比の関係図。

【符号の説明】

１ 半導体基板 ２ 絶縁膜（ゲート酸化膜等） ３ 配線（poly Si 等） ４ 層間絶縁膜 ５ パターンすべき薄膜（アルミ等） ６ 反射防止膜（窒化シリコン膜） ７A レジスト層（露光領域） ７B レジスト層（マスク領域） ８ ホトマスク（現像後の状態） ９A 入射光 ９B 反射光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 仁 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体装置の面上で、高反射率な被パター
   ン膜上に、レジスト層を塗布し、露光、現像処理を行う
   ホトリソグラフィを施して、該被パターン膜に所望パタ
   ーンを形成する半導体装置の微細パターン形成方法にお
   いて前記レジスト層と前記被パターン膜との間に、露光
   波長に対して半透明な窒化シリコン膜をおよそ200nm 以
   下で成膜し、 前記窒化シリコン膜のN/Si組成比を0.50〜0.85の間に成
   膜することで前記被パターン膜からの反射光を光吸収と
   光干渉とで相乗的に減衰させることを特徴とする半導体
   装置の微細パターンの形成方法。
2. 【請求項２】前記露光の波長がｉ線（波長＝365nm ）で
   あり、 前記ｉ線の波長における前記窒化シリコン膜の複素屈折
   率ｎ（ n = n'- jk ，n';屈折率、k;消衰係数）が、2.2
   0≦n'≦2.70（0.03≦ｋ≦0.24）、あるいは波長633nm
   における屈折率(n=n')の場合、2.05≦n'≦2.40の範囲に
   あることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の微
   細パターンの形成方法。
3. 【請求項３】前記露光の波長がｇ線（波長＝436nm)であ
   り、 前記窒化シリコン膜の、波長633nm における屈折率(n=
   n')が、2.15≦n'≦2.40の範囲にあることを特徴とする
   請求項１に記載の半導体装置の微細パターンの形成方
   法。