JPH0883754A

JPH0883754A - レジストパターン形成方法

Info

Publication number: JPH0883754A
Application number: JP21857794A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Tanaka; 聡田中; Soichi Inoue; 壮一井上; Tadahito Fujisawa; 忠仁藤澤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1994-09-13
Filing date: 1994-09-13
Publication date: 1996-03-26

Abstract

(57)【要約】【目的】レジスト膜中における定在波効果を低減し、
それによって、レジスト膜厚によらず所望の寸法のパタ
ーンが得られるパターン形成方法を提供する。【構成】基板上に、微細な凹凸をその表面に不規則に
有する膜を、露光光に対して吸収性を有する材料で形成
する工程、前記微細な凹凸を有する吸収性膜上に感光性
組成物を塗布し、樹脂層を形成する工程、前記樹脂層に
パターン露光を施す工程、および、前記露光後の樹脂層
を、現像液を用いて現像処理する工程を具備するパター
ン形成方法である。微細な凹凸は、その凸部のピーク間
の距離及び深さが、レジスト膜中での露光波長以下であ
ることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の微細加工
に用いられるレジストパターンの形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、フォトリソグラフィー技術の発展
は目覚ましく、露光光として、ｉ線（３６５ｎｍ）およ
びＫｒＦエキシマレーザー（２４８ｎｍ）のような短波
長光が用いられつつある。また、投影露光装置も高性能
化する傾向にあり、特にレンズの高ＮＡ化によって、よ
り微細なレジストパターンをウェハ上に形成することが
できるようになった。

【０００３】しかしながら、従来のレジストは、ＫｒＦ
などの短波長に対し樹脂の透過率が小さいので、そのま
ま使用することができなかった。そこで、露光光に対し
透明度の高い樹脂、溶解抑止剤、および少量の酸発生剤
を混入した、いわゆる化学増幅型レジストが提案されて
いる。このレジストは、未露光の状態では溶解抑止成分
の作用によりアルカリ現像液への溶解性が抑えられてい
るが、化学放射線を照射することによって酸発生剤が分
解する。これにより発生した酸は、ベーキング処理によ
り触媒として作用して溶解抑止剤を分解し、露光領域と
未露光領域とでの現像時における溶解速度の差を生ぜし
めるものであり、高い透過率を有する。

【０００４】レジストの感度を向上させたり、急峻な側
壁を有するレジストパターンを現像後に得るためには、
レジストの透過率は大きい方が有利である。しかしなが
ら、レジストの透過率が大きい場合には、レジスト下地
からの反射が与える影響が大きくなるので、レジスト膜
厚や下地の材質によって、露光・現像後のレジスト解像
寸法が異なってくるという現象が発生する。さらに、下
地基板が段差形状を有する場合には、“ノッチング”と
呼ばれるレジストパターン形状となってしまうことが知
られている。

【０００５】これらの現象を軽減あるいは回避するため
の手段として、例えば、下地からの反射光強度を低下さ
せることを目的とした、いわゆる反射防止膜を形成する
ことが提案されている（特開昭５６−８０１３３号）。
また、特開平２−１７８９３２号、および特開平４−１
６５６１２号などには、下地表面を粗面化処理を施すこ
とが開示されている。

【０００６】反射防止膜としては、ある程度の厚さを有
する透過性膜を形成し、この透過性膜によって、下地基
板から反射する光と、負の干渉を生じさせることによっ
て反射光強度を低下させるタイプ、ある程度の膜厚を有
する吸収性膜を形成することによって、吸収性膜下の材
質の影響を抑制するタイプ、および、これらの混合型な
どが知られている。

【０００７】しかしながら、透過性膜を用いる場合、反
射防止膜として最適な膜厚は、下地の屈折率または光の
入射角度に依存して異なってしまう。このため、下地が
複数の材質のパターンから形成されていたり、下地に段
差が存在する場合には、十分な反射防止効果が得られな
いので適用が難しい。また、吸収性膜を用いる場合に
は、過剰に厚い膜厚で形成できないので、吸収性膜の吸
収係数をある程度大きくとる必要がある。このため、レ
ジスト膜と吸収性膜との間に、それぞれの複素屈折率の
差から生じるある程度の反射率を有し、それによって定
在波効果が残ることが考えられる。

【０００８】また、下地表面に粗面化処理を施す場合に
は、いずれも下地として金属表面を仮定しており、その
表面を直接荒らしたり、金属粒子を下地表面に直接形成
する。このような工程は、下地の物性に影響を与え、結
果として最終的に得られるＬＳＩの回路特性に悪影響を
与えるおそれがある。

【０００９】図３を参照して、反射防止膜７を介して基
板６上にレジスト膜８が形成された被露光基板に露光す
る場合の定在波効果を説明する。図３（ａ）に示す反射
防止膜７は、露光光に対して吸収率の大きな材質からな
り、十分な厚さで形成されている。

【００１０】このように構成された被露光基板に露光処
理を施す場合においても、レジストと反射防止膜との屈
折率の違いから起こる反射によって、図３（ｂ）に示す
ようにレジスト膜８中に多重反射が発生する。その結
果、現像後のレジストパターンは、図３（ｃ）に示すよ
うに側面に波面構造が生じる。

【００１１】パターン側面での波面構造は、レジスト膜
内の膜厚方向で光強度が空間的変動を生じる、いわゆる
定在波に起因する。この定在波の計算例を図４に示す。
なお、図４は、図３（ａ）に示すような被露光膜に、波
長２４８ｎｍ（ＫｒＦエキシマレーザ）の光を、基板表
面に対して垂直に入射した際のレジスト中での光強度分
布を表わす。図中の膜中位置は、レジスト膜８中の反射
防止膜７表面からの距離であり、実線および一点鎖線
は、それぞれ１．０μｍおよび１．０５μｍの膜厚で形
成されたレジスト膜中における光強度である。

【００１２】いずれの膜厚で形成した場合でも、レジス
ト膜中における光強度は、著しく変動していることがわ
かる。さらに、レジスト膜厚を変えることによって、レ
ジスト中に入射される光量の変化の程度が大きくなるの
で、結果として現像後のレジストパターンの寸法変動が
大きくなってしまう。したがって、段差のある基板上に
形成されたレジスト膜にパターニングする場合、所定の
寸法のパターンを形成することが困難となるおそれがあ
る。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、露光光
に対し吸収性を有する反射防止膜を、レジスト膜と基板
との間に形成した場合であっても、レジスト膜中での定
在波の形成を完全に防止することは困難であった。この
ため、現像後に得られるパターン寸法が、レジスト膜厚
によって変動するという問題があった。

【００１４】そこで、本発明は、レジスト膜中における
定在波効果を低減し、それによって、レジスト膜厚によ
らず、所望の寸法のパターンが得られるパターン形成方
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】上記課題を解決するため
に、本発明は、基板上に、微細な凹凸をその表面に不規
則に有する膜を、露光光に対して吸収性を有する材料で
形成する工程、前記微細な凹凸を有する吸収性膜上に感
光性組成物を塗布し、樹脂層を形成する工程、前記樹脂
層にパターン露光を施す工程、および、前記露光後の樹
脂層を、現像液を用いて現像処理する工程を具備するパ
ターン形成方法を提供する。

【００１６】なお、吸収性を有する膜の表面に形成され
る微細な凹凸は、その凸部のピーク間の距離および深さ
が、レジスト膜中における露光波長以下であることが好
ましい。

【００１７】以下、本発明を詳細に説明する。本発明に
用いられ得る基板としては、例えば、シリコンウェハ、
表面に各種の絶縁膜や電極、配線が形成されたシリコン
ウェハ、ブランクマスク、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓなど
の III-V族化合物半導体ウェハ等を挙げることができ
る。また、クロムまたは酸化クロム、ＭｏＳｉなどを蒸
着したマスクブランクス；アルミ、ＢＰＳＧ、ＰＳＧ、
ＳＯＧなどを成膜した基板；その他、プリント基板など
が挙げられる。

【００１８】前記基板上に形成される吸収膜の材質とし
ては、露光波長を吸収する材料であれば、特に限定され
ない。すなわち、露光波長およびレジストに対して、な
るべく反射率の小さい材料であることが好ましい。例え
ば、カーボン、アモルファスＣ：Ｈ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、
ＳｉＯ_x Ｎ_y ：Ｈ、ＴｉＮ、およびＭｏＳｉ等の無機系
吸収膜；ポリスルホン、ポリイミド、および露光波長に
吸収を有する染料を添加したノボラック樹脂等の有機系
吸収膜を使用することができる。

【００１９】前記基板上に塗布され得る感光性組成物
は、可視光、紫外光などの露光によりパターニング可能
な化合物を含む組成物であれば、特に限定されない。ま
た、これらの感光性組成物は、目的に応じて、ポジ型ま
たはネガ型を選択して使用することができる。

【００２０】具体的には、ポジ型のレジストとしては、
例えば、ナフトキノンジアジドとノボラック樹脂とから
なるレジスト（ＩＸ−７７０、日本合成（株）製）、ｔ
−ＢＯＣで保護したポリビニルフェノール樹脂とオニウ
ム塩とからなる化学増幅型レジスト（ＡＰＥＸ−Ｅ、シ
ップレー社製）などが挙げられる。また、ネガ型のレジ
ストとしては、例えば、ポリビニルフェノールとメラミ
ン樹脂および光酸発生剤からなる化学増幅型レジスト
（ＸＰ−８９１３１、シップレー社製）、ポリビニルフ
ェノールとビスアジド化合物とからなるレジスト（ＲＤ
−２０００Ｎ、日立化成）などが挙げられるが、これら
に限定されるものではない。

【００２１】次に、本発明のレジストパターン形成方法
について説明する。まず、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ
ＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を用いて、均
一な膜厚で表面が滑らかな吸収膜を基板上に形成する。
なお、吸収膜の膜厚は、反応ガス流量、反応温度、時間
等の条件により適宜選択することができるが、下地基板
のエッチング処理などの際に生じる寸法変動差を考慮す
ると、通常は、１〜０．１μｍ以下とすることが好まし
い。

【００２２】次に、ＣＤＥ（ＣｈｅｍｉｃａｌＤｒｙ
Ｅｔｃｈｉｎｇ）等により、吸収膜表面に微細な凹凸
を不規則に形成する。なお、処理条件は、用いられる露
光波長に応じて適宜選択することができる。この際、吸
収膜表面において露光光があらゆる方向に反射するよう
に、凹凸を形成することが好ましい。特に、凸部のピー
クからピークまでの距離、および凹凸の深さは、最大で
もレジスト膜中における露光波長以下となるようにする
と、反射光の干渉が発生しても互いに平均化され相殺す
ることができるので好ましい。

【００２３】以上の工程により、単層の吸収膜が形成さ
れる。なお、吸収膜の構造は、単層に限定されず、例え
ば、屈折率の異なる複数の材料を用いて多層構造の吸収
膜を形成してもよい。この場合も、各吸収膜の表面に
は、同様の凹凸をそれぞれ形成することが好ましい。

【００２４】なお、表面に凹凸を有する吸収膜の形成方
法は、上述の工程に限定されるものではない。例えば、
成膜条件を変化させることによって、基板上に吸収膜を
成膜しつつ、その表面に凹凸を形成することもできる。

【００２５】次いで、凹凸が形成された吸収膜上に、感
光性組成物を含む溶液を塗布し、加熱乾燥して感光性の
樹脂層（レジスト膜）を形成する。塗布方法としては、
スピンコート法、ディッピング法等を使用することがで
きる。なお、加熱温度および時間は、感光性組成物の種
類に応じて適宜選択することができ、例えば、化学増幅
型レジストの場合には、１５０℃以下、好ましくは７０
〜１２０℃で乾燥することによりレジスト膜が形成され
る。

【００２６】続いて、前記レジスト膜にパターン露光を
行なう。露光光源としては、例えば、低圧水銀ランプの
ｉ線、ｈ線、ｇ線、キセノンランプ光、ＫｒＦやＡｒＦ
のエキシマレーザーのようなｄｅｅｐＵＶ等の各種紫外
線などを用いることができ、所定のマスクパターンを介
して選択的な露光を行なう方法、またはマスクを用いず
に、パターンデータにより描画を行なう方法等を選択す
ることができる。

【００２７】なお、位相シフトマスク、変形光源照明
法、瞳フィルタリング法、および多重焦点露光法等の各
種露光方法と組み合わせて露光を行なってもよい。本発
明のパターン形成方法は、レジスト膜／基板間の反射率
の大きな露光波長域で露光する際に、特に有効である。

【００２８】次いで、必要ならば、露光後のレジスト膜
を、熱板、オーブンを用いて、または赤外線照射等によ
って熱処理（ベーキング）する。なお、ベーキングの温
度は、レジストの種類に応じて適宜選択することがで
き、例えば、化学増幅型レジストの場合には、約５０〜
１３０℃の範囲内が好ましい。

【００２９】その後、上述の工程を経たレジスト膜を浸
漬法、スプレー法等にしたがって現像処理することによ
り、レジスト膜の露光部または未露光部を選択的に溶解
して、所望のパターンを得る。ここで用いられる現像液
は、各々のレジストに応じて適宜選択することができ
る。例えば、化学増幅型レジストの場合には、無機また
は有機アルカリ水溶液、有機溶媒等を使用することがで
きる。無機アルカリとしては、水酸化カリウム、水酸化
ナトリウム、炭酸ナトリウム、ケイ酸ナトリウム、メタ
ケイ酸ナトリウムなどを挙げらることができ、有機アル
カリとしては、テトラメチルアンモニウムヒドロキシ
ド、トリメチルヒドロキシエチルアンモニウムヒドロキ
シドなどを挙げることができる。さらに、これらにアル
コール、界面活性剤等を添加して用いてもよい。

【００３０】現像後の基板およびレジスト膜に対して
は、水等を用いてリンス処理を施し、さらに乾燥させる
ことにより所望のパターンが得られる。なお、本発明の
パターン形成方法においては、必要に応じて、レジスト
膜の上にコンタミネーション防止膜を形成してもよい。

【００３１】

【作用】本発明のレジストパターン形成方法において
は、不規則な凹凸を表面に有する吸収膜を、レジストの
塗布に先だって基板上に形成している。すなわち、露光
前のレジスト膜３は、図１（ａ）に示すように、表面に
凹凸を有する吸収膜２を介して基板１の上に形成されて
いる。

【００３２】このような形状の吸収膜２を介してレジス
ト膜３が形成された被露光基板に露光を施した場合に
は、図１（ｂ）に示すように、吸収膜２の凹凸によって
乱反射が起こる。すなわち、レジスト膜３中に入射され
た露光光４は、吸収膜２の表面でランダムな方向に反射
され、しかも、吸収膜２本来の性質によって反射光５の
強度は減少する。このため、レジスト膜３中における多
重反射を防止して、定在波効果を緩和することができ
る。

【００３３】なお、定在波効果を表わす指標として、以
下の関係で表わされるスイング比Ｓが用いられている。Ｓ＝４（Ｒ₁ Ｒ₂ ）^0.5 ｅｘｐ（−αＤ）Ｒ₁ およびＲ₂ は、それぞれ空気／レジスト膜間の強度
反射率、およびレジスト膜／基板間の強度反射率を表わ
し、αはレジストの吸収係数、Ｄはレジスト膜厚であ
る。

【００３４】すなわち、Ｓの値を小さくすることによっ
て、定在波効果を減少させることができるが、Ｒ₁ を小
さくした場合には、下地の条件等によって十分な効果が
得られず、αを大きくした場合には、エッチング等の下
地加工の際に問題が生じてしまう。

【００３５】そこで、Ｒ₂ を小さくすることが最も好ま
しい。本発明では、下地からの反射光量を極めて減少さ
せているので、レジスト膜厚変動による露光・現像後の
レジストパターン寸法変動を大幅に低減することができ
る。しかも、レジスト膜中において、定在波はほとんど
形成されない。

【００３６】したがって、前記基板を現像した際には、
図１（ｃ）に示すように、滑らかな側壁を有するパター
ンが得られるので、レジスト膜厚によらず、所定の寸法
でパターンを形成することができる。

【００３７】

【実施例】以下に、図面を参照して本発明のレジストパ
ターン形成方法を詳細に説明する。図２に、本発明のパ
ターン形成方法の工程を表わす断面図を示す。

【００３８】まず、図２（ａ）に示すように、基板とし
てのシリコンウェハ１上にＣＶＤ法によりカーボンを堆
積して、膜厚約１００ｎｍの吸収膜２を成膜した。次
に、ＣＤＥ法を用いて、吸収膜２の表面に処理を施し
た。処理後の吸収膜の表面には、図２（ｂ）に示すよう
に不規則に凹凸が形成されており、その凸部間の間隔お
よび凹凸の深さは、最大でも１０ｎｍ程度であった。

【００３９】続いて、レジストとしてのＡＰＥＸ−Ｅ
を、処理後の吸収膜２の上にスピンコート法により塗布
し、９０℃、１分間のベーキングを行なって溶媒を乾燥
させ、図２（ｃ）に示すようにレジスト膜３を形成し
た。

【００４０】さらに、光源としてＫｒＦエキシマレーザ
ー（波長２４８ｎｍ）を用いて露光を行ない、９０℃、
１分間のＰＥＢを行なった後、０．２１Ｎのテトラメチ
ルアンモニウムハイドロオキサイド水溶液で現像してパ
ターンを形成した。

【００４１】得られたパターンの断面をＳＥＭにより観
察したところ、図１（ｃ）に示すように波面構造のない
平滑な側面を有していた。すなわち、吸収膜表面に凹凸
を形成したことによって、多重反射による定在波効果が
抑制されたことがわかった。

【００４２】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
吸収膜表面での反射に起因したレジスト膜中での多重反
射による定在波効果を軽減することができる。したがっ
て、現像後のレジストパターン解像寸法の、レジスト膜
厚よる変動を抑えることが可能となる。かかるレジスト
パターン形成方法は、電子部品の微細加工などのフォト
リソグラフィー技術において有効であり、その工業的価
値は絶大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のパターン形成方法に用いられる被露光
基板の断面図。

【図２】本発明のパターン形成方法の工程を示す断面
図。

【図３】従来のパターン形成方法に用いられる被露光基
板の断面図。

【図４】レジスト膜中の光強度分布を示すグラフ図。

【符号の説明】

１…基板，２…吸収膜，３…レジスト膜，４…露光光，
５…反射光６…基板，７…吸収膜，８…レジスト膜，９…露光光，
１０…反射光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に、微細な凹凸をその表面に不規
則に有する膜を、露光光に対して吸収性を有する材料で
形成する工程、前記微細な凹凸を有する吸収性膜上に感光性組成物を塗
布し、樹脂層を形成する工程、前記樹脂層にパターン露光を施す工程、および前記露光
後の樹脂層を、現像液を用いて現像処理する工程を具備
するパターン形成方法。
【請求項２】前記吸収性を有する膜の表面の凹凸の深
さ、および凸部間の距離が、樹脂層中における露光波長
以下である請求項１に記載のパターン形成方法。
【請求項３】前記吸収性を有する膜の表面の凹凸が、
基板上に、露光光に対して吸収性を有する材料を塗布し
た後、表面処理を施すことによって形成された請求項１
に記載のレジストパターン形成方法。