JPH1083947A

JPH1083947A - レジストパターン形成方法およびその装置

Info

Publication number: JPH1083947A
Application number: JP8237527A
Authority: JP
Inventors: Atsuko Yamaguchi; 敦子山口; Toshihiko Tanaka; 稔彦田中
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-09-09
Filing date: 1996-09-09
Publication date: 1998-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】ドライエッチング耐性に優れたレジストをＫｒ
Ｆレーザや低加速電子線，軟Ｘ線で加工する際には、レ
ジストによる露光ビームの吸収率の高さから、レジスト
底部で感光が不足する。このためレジストパターンがテ
ーパー状になったり、パターン倒れが発生したりする。
このような、透過率不足に由来するパターン形状劣化を
低減する簡便な方法を提供する。【解決手段】パターン露光光源とは別に、レジスト中で
は吸収されず、下地層で吸収されて熱を発生するビーム
を全面照射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子の製造
方法に係り、特に微細パターンを形成する際に用いられ
るレジストパターン形成方法およびその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の集積度および動作速度の向
上を目的とし、回路パターンの微細化が進められてい
る。

【０００３】シリコン基板上に半導体，金属，絶縁体か
らなる微細な回路パターンを形成するためには、被加工
物上にレジスト薄膜を形成し、そのレジスト膜に所望の
パターンを有する光，軟Ｘ線，電子線等の電離放射線を
照射して潜像を形成し、未露光部ないしは露光部を除去
するというリソグラフィ工程が必要である。従って、こ
のリソグラフィ工程の解像度が半導体素子の微細性を左
右するといえる。パターン露光に用いる電離放射線の波
長が短いほど解像度も高くなるため、半導体の集積度が
上がるにつれ、光源の短波長化が進み、近年ではＫｒＦ
エキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）の導入が本格的に検
討されている。

【０００４】ＫｒＦあるいは、より短波長の光を用いる
リソグラフィでは、露光用電離放射線に対する高い透過
率と、ドライエッチングに対する十分な耐性の両方をあ
わせ持つレジスト材料の探索が重要な課題である。ドラ
イエッチング耐性に優れたノボラック樹脂は短波長光に
対し、高い吸収率を持つため、これをレジストに使用す
ると、レジスト膜の底部まで十分な強度で露光すること
ができない。従って、たとえばポジ型のレジストプロセ
スの場合、現像後、パターンの露光部にレジスト残渣が
生じたり、パターンの断面が台形になったりする。逆に
ネガ型プロセスではレジスト底部が現像液に溶解してし
まうため、パターン倒れが発生したり、パターンが逆テ
ーパになったりする。このままドライエッチングを行っ
たのでは、下地層の加工寸法は制御できない。

【０００５】これに対し、膜厚方向に対するレジストの
感度特性が異なるレジスト膜を用いるという解決策が提
案されている。この方法は例えば特開平1−136141 号公
報に詳しく記述されている。このようなレジスト膜の形
成には、特開平5−144693 号公報に述べられているよう
に、スピン塗布を複数回行う方法が考えられるが、工程
数が著しく増加する。また、スピン塗布を行う際、既に
形成された膜が再度溶媒にとけるなどして、面内の均一
性を保ちにくいという問題があり、実現が難しい。一
方、レジスト膜を化学気相成長法により堆積させ、堆積
中に膜の成長条件を変化させて行くことにより、膜中の
深さにより露光感度が異なるレジスト膜を作製する方法
が提案されている。この方法は例えば特開平7−106224
号公報に記されている。しかし、化学気相成長法で、膜
の成長条件により、レジスト中の感光性を担う成分の含
有率を制御するのは極めて難しく、高い歩留まりや高ス
ループットは望めない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上に述べたように、エ
キシマレーザや低加速電子線，Ｘ線を用いたリソグラフ
ィに従来のドライエッチング耐性に優れたレジストをそ
のまま適用すると、パターン形状が劣化する。また、こ
れを防ぐためにレジスト膜の深さ方向で感光性を変化さ
せるという方法は、膜堆積工程で、実現が難しい。

【０００７】本発明の目的は、これらのリソグラフィ
で、露光光の透過率の低さに由来するパターン形状劣化
を低減する簡便な方法およびそれを実現する装置を提供
することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、露光によ
り供給されるエネルギのレジスト底部における不足分
を、熱エネルギによって供給することにより達成され
る。即ち、加熱により、露光反応と等しい化学反応（感
光剤の反応）をレジスト底部にのみ生じさせたり、露光
に引き続いて起こる分解ないし架橋反応（化学増幅系レ
ジストプロセスにおける酸の拡散等）をレジスト底部で
のみ促進させたりする。そのためには、特にレジスト底
部に熱が集中するよう、膜厚方向の温度分布を制御しな
くてはならない。

【０００９】レジスト膜を形成した基板をホットプレー
ト上に置いた場合、レジスト膜厚方向に温度勾配が生じ
ることは知られているが（例えば、１９９２年第５３回
応用物理学会学術講演会講演予稿集第２巻第５３５
頁）、この方法では基板全体が定常的に温められてしま
うため、温度分布がゆるやかになってしまう。

【００１０】本発明では、レジスト中を透過し、下地層
で吸収される第二の放射線を全面に照射し、レジスト底
部近傍のみにエネルギを与えるという方法をとる。その
ことにより、与える熱量と加熱時間の制御を可能にし、
それによりレジスト底部の温度制御，膜中の急峻な温度
勾配を実現し、パターン形状を改善した。

【００１１】図１，図２，図３および図４を用いて、本
発明の原理を説明する。

【００１２】図１に示すように、レジストの現像液に対
する溶解度の変化は、その単位体積あたりのエネルギ吸
収量Ｄがある閾値（Ｄ₀ とする）以上にならないと、生
じない。図２は化学増幅系ポジ型レジストへのパターン
形成を従来法を用いて行った場合、図３は本発明に従っ
て行った場合の模式図、図４は各方法の加熱時における
レジスト膜中の温度分布である。

【００１３】図２，図３の両図で、１は第一の放射線、
２は下地層、３は化学増幅系ポジ型レジスト膜、斜線部
４は第一の放射線の照射によりＤ＞Ｄ₀ となっている領
域、打点部５は酸が拡散してアルカリ現像液に対して高
い溶解度を持つようになった領域を表わす。

【００１４】図２（ａ）はパターン露光時の様子であ
る。パターンを有する第一の放射線１を照射すると、エ
ネルギの吸収が起こるが、レジスト底部までは十分な強
度の放射線が届かない。図２（ｂ)，(ｃ）は露光後のこ
の基板にレジスト膜を形成している反対側の面から熱源
（図示せず）を接触させた時の様子である。レジスト膜
中の露光部で発生した酸が熱によって拡散するが、熱容
量の大きい熱源により定常的に加熱されているため、レ
ジスト中の膜厚方向の温度分布は図４（ａ）に示すよう
に均一になり、酸は等方的に拡散する。従って、レジス
ト表面でパターン寸法のずれを小さくしようとすると図
２（ｂ）のように、領域５はレジスト底部に届かず、ま
たレジスト底部にまで酸を拡散させようとして熱源の温
度を高くしたり、加熱時間を長くしたりすると図２
（ｃ）に示すように酸の拡散が進みすぎる。さらに現像
後の様子を（ｄ)，(ｅ）に示す。前者は（ｂ）に示した
レジストを、後者は（ｃ）に示したレジストを現像した
ところである。

【００１５】これに対し、第一の放射線の照射後に第二
の放射線を全面照射した場合の作用を図３に示す。６は
第二の放射線である。図２（ａ）のように第一の放射線
によりパターン露光を行った後、図３（ａ）に示すよう
に第二の放射線６をレジスト全面に照射すると、放射線
６はレジスト膜を透過して下地層２に吸収され、そのエ
ネルギはそこで熱に変化する。このようにして生じた熱
は、その発生源が局所的であり、又、放射線６の強度を
調節することによりその量を容易に制御することが可能
であるため、レジスト膜中で図４（ｂ）のような温度分
布を生じさせることができる。このとき、図３（ｂ）に
示すように、特にレジスト底部で酸の拡散が進み、領域
５はレジスト底部へ向かって延びる。これを現像する
と、図３（ｃ）に示すように、改善された形状のレジス
トパターンが得られる。

【００１６】又、レジスト材料が電離放射線照射による
電子の励起だけでなく、熱による格子振動の励起によっ
ても露光時と同じ分解（または架橋）反応を生じる場
合、パターン露光時の、レジスト底部におけるエネルギ
の不足を加熱で補うことができる。この様子を図１にそ
って説明する。

【００１７】パターンを有する第一の放射線により、露
光部のレジスト上部にはＤ₀ 以上のエネルギが与えられ
ており、一方、底部にはＤ_B のエネルギが吸収されてい
る。ここでＤ_B ＜Ｄ₀ であるため、露光部底部では反応
が起こらない。次に第二の放射線を全面照射して熱を発
生させ、レジストの下地層近傍にエネルギＤ_C を与え
る。ここでＤ_C はＤ_C ＜Ｄ₀ かつＤ_B ＋Ｄ_C ＞Ｄ₀ 、を
満たす。するとレジスト底部では、露光部に、第一の放
射線照射だけにより与えられるエネルギＤ_B はＤ₀ に満
たないが、Ｄ_B ＋Ｄ_C ＞Ｄ₀ となるため、露光反応が生
じる。一方。第一の放射線を照射しなかった部分のレジ
スト底部では、吸収されるエネルギの総和はＤ_C であ
り、これは反応を生じさせるには至らない程度に小さい
ので、解像度を低下させることはない。

【００１８】又、第一の放射線を照射する工程と第二の
放射線を照射する工程とを同時に行うことにより、反応
室が一つでよいため装置が簡便になることに加え、現像
工程が一度でよいため、高いスループットで目的を達成
することができる。

【００１９】又、露光に用いる第一の放射線として、波
長２５０ｎｍ以下の光またはＸ線，加速電圧１０ＫＶ以
下の電子線またはイオンビームのように潜在的な解像度
は高いが、レジスト表面で吸収されやすいビームを用い
た場合、解像度の向上は特に顕著である。

【００２０】又、第二の放射線は、一般に吸収されて格
子振動を誘起しやすい、長波長の電磁波や、透過率が高
く、シリコン基板やシリコン酸化膜で吸収されて熱を発
生しやすい、加速電圧２０ＫＶ以上の電子線が適してお
り、このような放射線を用いると、スループットが向上
する。

【００２１】又、第二の放射線照射を連続的に行うと、
エネルギの供給が過剰になり、レジスト膜全体の温度が
一様に上昇するため、厚さ方向の温度勾配が小さくな
り、レジスト表面でも反応が促進される。従って、特に
高い解像度を得るためには、レジスト材料および下地層
の熱伝導率を考慮して、エネルギの供給を断続的に行う
必要がある。この目的を達成するためには、第二の放射
線はパルス幅が０.１秒以下のパルス光であることが望
ましい。

【００２２】又、赤外光や電子線を第二の放射線として
用いる場合、熱伝導率を考慮して、レジスト底部を１０
０℃以下に保つときには熱伝導率の高いシリコン基板
が、それ以上の温度が必要であれば、熱を逃がさないシ
リコン酸化膜が望ましい。これに関する報告はジャーナ
ル・オブ・バキューム・サイエンス・アンド・テクノロ
ジーＢ第５巻第１０５頁から第１０９頁、ジャーナ
ル・オブ・バキューム・サイエンス・アンド・テクノロ
ジーＢ第８巻第１８９８頁から第１９０２頁があ
る。

【００２３】又、第二の放射線の波長領域に強い吸収を
示す材料を下地層に用いると効率よく熱を発生させるこ
とができる。可能な材料は、高分子や化学染料がある。
高分子を用いる場合、スピン塗布による薄膜化が容易で
ある。また、化学染料は塗布しやすい高分子に混入させ
て薄膜化する方法が適している。

【００２４】安全性，安定性が高く、可視光吸収材料な
いしは化学染料混入のためのマトリクスとして適してい
る高分子は、ポリフェニルビニレン，ポリＮ−ビニルカ
ルバゾール，ポリアクリレートないしはその誘導体，ポ
リスチレンないしはその誘導体，ポリオレフィン・スル
ホン，ポリシロキサンないしはその誘導体があげられ
る。

【００２５】又、取扱いが容易で安価な化学染料はペリ
レン，アントラセン，３−(２′−ベンゾチアゾイル）
−７−ジエチルアミノクマリン，８−キノリノールアル
ミニウム錯体，フタロペリノン誘導体，フェノキサゾン
があげられる。

【００２６】上記のレジスト膜および下地層を保持する
ホルダの材質は、全体を比較的高い温度に保つ必要があ
るとき、またはレジスト表面を冷却する手段が他にある
ときは、石英やセラミックが好ましい。しかし、それ以
外のときは熱伝導率の高い金属がよい。

【００２７】

【発明の実施の形態】

（実施例１）以下、本発明の一実施例を図５に従って具
体的に説明する。７はシリコン基板、８はシリコン基板
上に形成された下地層、９はレジスト膜、１０はレジス
ト膜上で０.２μｍライン・アンド・スペースとなるパ
ターンを有するＫｒＦレーザ光、１１は石英ガラス製の
ベーク用ステージ、１２はＹＡＧレーザ光、１３はレジ
ストパターンである。

【００２８】尚、本実施例に用いた下地層８は熱酸化法
により形成された厚さ０.１μｍのＳｉＯ₂ 膜である。
またレジスト膜９の材料はターシャルブチルカルボニル
基を保護基として持つ、ポリビニルフェノールと酸発生
剤からなる化学増幅系レジストである。ＫｒＦレーザは
繰返し周波数４００Ｈｚ，１パルスあたりの強度が０.
１ｍＪ／cm²である。ＹＡＧレーザは繰返し周波数１０
Ｈｚ，１パルスあたりの強度は５ｍＪ／cm²である。

【００２９】まず、下地層の上にレジストをスピン塗布
後９０℃で９０秒ベークし、厚さ０.８μｍの薄膜９を
形成した。その上に、図５（ａ）に示すようにＫｒＦレ
ーザ光１０を０.５秒照射してパターン露光を行い、図
５（ｂ）のように、引き続きベーク用ステージ１１上に
シリコン基板を移した後、ＹＡＧレーザ光１２を１０秒
間、全面に照射した。

【００３０】その後、アルカリ現像を行い、図５（ｃ）
に示す、良好な形状の０.２μｍライン・アンド・スペ
ースのレジストパターン１３を得た。

【００３１】（実施例２）以下、本発明の一実施例を図
６に従って具体的に説明する。１４はシリコン基板、１
５は下地層、１６はレジスト膜、１７はＫｒＦレーザを
光源に用いた投影露光装置、１８はステンレス製のステ
ージ、１９はキセノンランプ、２０はシャッタである。

【００３２】尚、本実施例では、レジスト材料にはノボ
ラック樹脂とナフトキノンからなるポジ型レジストを用
いた。また、投影露光装置１７内にあるマスクパターン
はライン・アンド・スペースであり、光学系はマスクパ
ターンがレジスト上で０.２μｍライン・アンド・スペ
ースの像となるよう調節されている。またその強度は１
ｍＷ／cm² である。シャッタは繰返し周波数が１０Ｈｚ
であり、０.０５秒間開いてランプ光を通したのち、
０.０５秒間閉じてランプ光を遮断する一周期を繰返す
しくみになっている。

【００３３】シリコン基板１４上に、ポリ(Ｎ−ビニル
カルバゾール)にアントラセンとペリレンを各々１モル
％，０.５モル％添加したポリマ溶液をスピン塗布し、
１００℃で５分ベークして厚さ０.１μｍの下地層１５
を形成した。さらにその下地層の上にレジスト溶液をス
ピン塗布し、８０℃で２分間ベークして厚さ１μｍのレ
ジスト膜１６を形成した。

【００３４】次に図６に示すようにその基板１４をステ
ージ１８に装着し、露光装置１７とキセノンランプ１９
とシャッタ２０を１０秒間動作させレジスト膜１６に潜
像を形成した。

【００３５】その後、アルカリ現像を行い、アスペクト
比５の０.２μｍライン・アンド・スペースのレジスト
パターンを得た。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、レジストの光吸収に由
来する解像性の低下を防ぎ、優れた形状のレジストパタ
ーンを簡便な方法で形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】レジストの露光時によるエネルギ吸収量と反応
量との関係を示すグラフ。

【図２】従来法による化学増幅系ポジ型レジストのパタ
ーン形成プロセスを示す工程図。

【図３】本発明による化学増幅系ポジ型レジストのパタ
ーン形成プロセスを示す工程図。

【図４】露光後ベーク時のレジスト膜厚方向の温度分布
を表わすグラフ。

【図５】本発明によるレジストパターン形成プロセスの
例を示す工程図。

【図６】本発明によるレジストパターン形成装置の原理
を表わす説明図。

【符号の説明】

２…下地層、３…化学増幅系ポジ型レジスト膜、５…溶
解度の変化が生じた領域、６…放射線。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電離放射線を光源とする露光によりレジス
トパターンの潜像を形成した後、露光部ないしは未露光
部のレジスト膜のみを除去して所望のパターンを形成す
るレジストパターン形成方法において、下地層の上にレ
ジスト膜を形成する工程と、上記レジスト膜に、電離作
用があり所望のパターンを有する第一の放射線を照射す
る工程と、上記レジスト膜に対しては高い透過率を示
し、下地層には吸収されて熱を発生させる第二の放射線
をレジスト膜全面に照射する工程と、上記レジスト膜の
第一の放射線による露光部ないしは未露光部のみを除去
する現像工程とを含むことを特徴とするレジストパター
ン形成方法。
【請求項２】請求項１において、上記レジスト膜が、第
一の放射線を吸収して酸を生じる酸発生剤を含んでいる
レジストパターン形成方法。
【請求項３】請求項１において、上記現像工程で、上記
レジスト膜の露光部と未露光部の間に、現像液に対する
十分な溶解度の差を生じさせるために必要な単位体積あ
たりのエネルギ吸収量Ｄ₀ 、第一の放射線を照射する工
程において上記レジスト露光部の表面近傍に吸収される
単位体積当りのエネルギ量Ｄ_A 、上記レジスト露光部の
下地層近傍に吸収される単位体積当りのエネルギ量Ｄ
_B 、第二の放射線を照射する工程において上記レジスト
の下地層近傍に吸収される単位体積当りのエネルギ量Ｄ
_Cの間に、Ｄ_A＞Ｄ₀かつＤ_B＜Ｄ₀かつＤ_C＜Ｄ₀かつＤ_B＋
Ｄ_C＞Ｄ₀、という関係があるレジストパターン形成方
法。
【請求項４】請求項１または請求項２において、第一の
放射線を上記レジスト膜に照射する工程の後に、第二の
放射線を上記レジスト膜全面に照射する工程を行うレジ
ストパターン形成方法。
【請求項５】請求項１または請求項３において、上記第
一の放射線を上記レジスト膜に照射する工程と、上記第
二の放射線を上記レジスト膜全面に照射する工程とを同
時に行うレジストパターン形成方法。
【請求項６】請求項１，２，３，４または５において、
上記第二の放射線はパルス光であって、そのパルス幅は
０.１秒以下であるレジストパターン形成方法。
【請求項７】請求項１，２，３，４，５または６におい
て、上記第一の放射線は波長２５０ｎｍ以下の光または
Ｘ線、ないしは加速電圧１０ＫＶ以下の電子線またはイ
オンビームであるレジストパターン形成方法。
【請求項８】請求項１，２，３，４，５，６または７に
おいて、第二の放射線の波長は300ｎｍ以上の電磁波か
または加速電圧が２０ＫＶ以上の電子線であるレジスト
パターン形成方法。
【請求項９】請求項１，２，３，４，５，６，７または
８において、上記下地層はシリコンないしはシリコンの
酸化膜であるレジストパターン形成方法。
【請求項１０】請求項１，２，３，４，５，６，７，８
または９において、上記下地層は、高分子ないしは化学
染料を含むレジストパターン形成方法。
【請求項１１】請求項１０において、上記下地層が、ポ
リフェニルビニレン，ポリＮ−ビニルカルバゾール，ポ
リアクリレートないしはその誘導体，ポリスチレンない
しはその誘導体，ポリオレフィン・スルホン，ポリシロ
キサンないしはその誘導体を含むレジストパターン形成
方法。
【請求項１２】請求項１０または請求項１１において、
上記下地層に含まれる化学染料が、少なくとも、ペリレ
ン，アントラセン，３−（２′−ベンゾチアゾイル）−
７−ジエチルアミノクマリン，８−キノリノールアルミ
ニウム錯体，フタロペリノン誘導体，フェノキサゾンの
いずれか一つを含むレジストパターン形成方法。
【請求項１３】請求項１ないし請求項１２に記載の上記
レジストパターンを形成する装置であって、上記第二の
放射線の光源、上記第二の放射線の照射中に上記下地層
を保持するための治具とを少なくとも備えており、その
治具は石英ないしはセラミックスないしはステンレスな
いしはアルミニウムからなるレジストパターン形成装
置。