JPS61180241A - パタ−ン形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明はパターン形成方法に関し、さらに詳しくは、基
板表面に段差が存在する場合においても、微細なパター
ンを高い精度で形成することのできるパターン形成方法
に関する。

〔発明の背景〕

近年、半導体集積回路の規模の増大と高密度化にともな
い、基板上に極めて微細なパターンを高い精度で形成す
ることが一層強く要求されるようになっている。周知の
ように、基板上に各種の微細なパターンを形成する場合
には、一般にホトリソグラフィと呼ばれる方法が用いら
れる。このホトリソグラフィは平滑で低反射率の基板を
用いる場合には、線幅１μｍ程度の良好なレジストパタ
ーンを形成することができるが、基板に凹凸もしくは段
差（本明細書では単に段差と記す）がある場合には、入
射した光が段差部で乱反射して、いわゆるハレーション
が発生してパターン形状の劣化（崩れ）が生じ、良好な
レジストパターンは形成できない。また、基板段差部の
上部及び下部ではレジスト膜の膜厚が異なるために、レ
ジスト膜内での光干渉状態が変化し、線の太りまたは細
りが発生してパターン寸法の変動を起こす。基板表面の
段差によって生じるこれらの問題を解決して良好なパタ
ーニングを行なう方法の一つとして、多層レジスト法と
よばれる方法が提案されている。

多層レジスト法は基板の段差を吸光性の高い、厚い有機
物層で平坦化した後、その上に周知のりソグラフイ技術
を用いて、薄いレジストパターンを形成し、このレジス
トパターンを上記の厚い有機物層に転写して、上記基板
の露出された部分をエッチする方法である。上記レジス
トパターンをマスクに用いて上記の厚い有機物層をエッ
チすることもできるが、両者の間に耐ドライエツチ性の
大きい薄膜を介在させ、この膜をマスクとして上記の厚
い有機物層をエッチしてもよい。

多層レジスト法においては、基板表面の段差は吸光性の
高い有機物層で平坦化されているため、その上に形成さ
れたホトレジスト層を通過した露先光は上記有機物層で
吸収されるので、基板表面からの光の反射や散乱に起因
する基板段差部でのハレーションやレジスト膜内での光
干渉等の現象を低減させることができ、パターン形状の
崩れや寸法の変動を抑制することができる。

上記段差の平坦化するための有機物層として、従来は、
ノボラック樹脂系のポジ型レジスト、あるいは吸光性の
良い染料等を添加する方法（特開昭５７−１７２７３６
　）が提案され−でいる。

しかしながら、上記のノボラック樹脂系のポジ型レジス
トを下層材料として用い、縮小投影露光法の露光波長で
ある４３６層ｍあるいは４０５層ｍの光を吸収するよう
にするためには、２００℃以上の高温ベータが必要であ
り、このベーク温度が高いほど露光光の吸収は強くなる
。しかしながら、２００℃以上の高温ベークを施こすと
、表面の炭化がはじまり、上層との接着性が不充分とな
ったり、より長波長の位置合わせ用検出光を吸収するよ
うになってしまう等の欠点があった。

一方、ポジ型レジストに染料を加えたものを、露光光吸
収性下層材料として用いる試みも報告されているが、Ｍ
ｉｃｈｅｌ　Ｍ、　０’　Ｔｏｏｌｅ他著、“Ｌｉｎｅ
ｗｊ、ｄｔｈ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｉｎ　Ｐｒｏｊｅｃｔ
ｉｏｎ　ＬｊｔｈｏｇｒａｐｈｙＵｓｉｎｇ　ａ　Ｍｕ
ｌｔｉｌａｙｅｒ　Ｒｅ５ｉｓｔ　Ｐｒｏｃｅｓｓ”Ｉ
ＥＥＥＥｌｅｃｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅ誌、ＥＤ−２８
巻、１４０５頁（１９８１年）に見られるごとく、染料
の昇華または分解を防ぐためには、せいぜい１６０層程
度までしかベータ温度を上げられず、そのため下層膜の
不溶化が不充分で、上層のホトレジストを塗布する時に
下層膜が溶解し多層構造形成が困難となったり、また、
エツチングプロセスにおけるレジストの耐性の向上をは
かるために、上層と下層との間に中間層としてスピンオ
ングラス（Ｓｐｉｎ−ｏｎ　ｇｌａｓｓ（Ｓ　ＯＧ　）
　）を用いる場合に、下層のベーク温度が低温であった
ために、中間層である８００層のベーク時に下層からの
ガスの放出があって、そのため８００層にクラックが発
生し、積層膜の形成が困難になるという問題があった。

これらの問題を解決するために、本発明者らは先に、芳
香族アジド化合物を多層レジストの下層有機物層に添加
しパターニングする方法（特願昭５９−１９１４４８　
）を提案したが、極めて微細なパターンを高精度で形成
するためには、さらにすぐれた方法が望まれる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、上述した従来の多層レジスト法の欠点
を解消し、露光に用いる光に対する吸収性が大きく、位
置合わせ用の光の吸収性が小さい材料を、多層レジスト
法における下層有機物層として用いることによって、凹
凸もしくは段差のある基板上に極めて寸法精度の高い微
細なパターンを形成する方法を提供することにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために、本発明は下層の有機物層内
に芳香族スルホニルアジド化合物を含有させて、加熱も
しくは全面露光処理によって、露光に用いる光吸収性が
大きく（光の透過重重）、かつ位置合わせ用の光に対し
ては吸収性の小さな（光の透過重大）物質に変化させた
下層有機物層となし、多層レジスト法によってパターニ
ングすることを骨子とするものである。

本発明者らは、種々の光吸収性化合物を探索した結果、
芳香族スルホニルアジド化合物が種々の高分子化合物（
ポリマ）膜内において、加熱（ベーク）もしくは全面露
先処理によって分解し、ポリマと反応して、不揮発性で
あり、しかも、上述の芳香族アジド化合物とは異なって
分解によりスペクトルがほとんど変化しないことを見い
だした。

そして、これが多層レジストプロセスにおける光吸収性
の下層有機物層として利用できることを知見し、本発明
を完成するに至った。

本発明は１段差のある基板上に有機物層を形成し、その
上部にホトレジスト層を形成させるか、あるいは上記の
有機物層とレジスト層との間に、中間層を形成させて、
周知の露光・現象処理によって、上記レジスト層に所望
のレジストパターンを形成し、このレジストパターンを
上記下層の有機物層へ転写させることによって、上記基
板上に所望のパターンを形成する多層レジスト法におい
て、上記の基板上に形成する有機物層内に芳香族スルホ
ニルアジド化合物を含有させ、加熱もしくは全面露光処
理によって、上層の上記レジスト層の選択的露光に用い
られる光に対する透過率を減少させ、かつマスクの位置
合わせ用の光に対しては透過率を大きくさせる点に最大
の特徴がある。

本発明において、芳香族スルホニルアジド化合物を高分
子化合物（ポリマ）と混合して下層の有機物層の材料と
して用いる場合、使用する芳香族スルホニルアジド化合
物は、その吸収極大波長が上層のホトレジスト層の露光
に用いる波長に適合するように選択される。例えば、汎
用の縮小投影露光法の露光波長である４３６ｎｍの光を
吸収するようにするには、吸収極大波長が３５０〜４５
０ｎｍの芳香族スルホニルアジド化合物を選定すること
が望ましい。そして、芳香族スルホニルアジド化合物と
しては、例えば第１表に示す化合物を用いることができ
る。

第１表 また、本発明による多層レジストプロセスにおいては、
下層の有機物層の上に、８００層などの中間層あるいは
直接に上層であるホトレジストを塗布する。したがって
、下層である有機物層はベークあるいは全面露光処理な
どによって、下層を構成するポリマを有機溶媒に対して
不溶化させることが必要である。このためには、芳香族
スルホニルアジド化合物は二官能性、すなわち、ビスス
ルホニルアジド化合物であることが望ましい。しかし本
明細書において、後述するごとく、スルホニルアジド化
合物に光吸収特性を、そして溶媒に対する不溶化特性を
別種の化合物に分担させることも可能であり、例えば、
芳香族アジド化合物のような光あるいは熱によってポリ
マを不溶化させることのできる化合物を添加することが
できる。

このようなアジド化合物としては、例えば３゜３′−ジ
アジトドフェニルスルホン、４．４’　−ジアジドジフ
ェニルメタン、４．４’　−ジアジドジフェニルエーテ
ル、４．４’　−ジアジドジフェニルスルフィド、４．
４’　−ジアジドジフェニルジスルフィド、４．４’−
ジアジドジフェニルスルホン、４．４’　−ジアジド“
スチルベンなどのビスアジド化合物が用いられる。また
、主層を形成するポリマとして熱硬化性樹脂を用いるこ
とも可能である。

本発明の多層レジストプロセスにおける下層有機物層の
材料として、熱硬化性樹脂もしくは、芳香族アジド化合
物によって熱的あるいは光化学的に硬化または溶剤に不
溶化し得るポリマが用いられる。例えば、ノ゛ボラック
樹脂、ポリビニルフェノールなどのフェノール樹脂、天
然ゴム、環化天然ゴムなどの変性ゴム、ポリブタジェン
、ポリイソプレン、環化ポリブタジェン、環化ポリイソ
プレン、スチレン・ブタジエンゴムなどの合成ゴム、な
らびにポリスチレン、ヨウ素化ポリスチレン。

ポリビニルブチラール、ポリメチルメタクリレート、ポ
リグリシジルメタクリレート、ポリメチルイソプロペニ
ルケトンなどの合成高分子化合物などを用いることがで
きる。

本発明における下層有機物層内において、芳香族スルホ
ニルアジド化合物または芳香族アジド化合物と下層を構
成するポリマとを反応させ、不溶化反応を行なわしめる
ベータ処理温度は１００〜３００℃が好ましく、さらに
は１４０〜２５０℃の温度範囲がより好ましい。また、
全面露光処理に使用する光は２００〜３００ｎｍの波長
範囲の光であればよく、上記の不溶化反応は充分に進行
させることができる。

本発明の下層有機物層に用いる芳香族スルホニルアジド
化合物は、芳香族スルホン酸またはその塩を酸塩化物を
変化せしめ、これをアジ化ナトリウムなどで処理するこ
とによって容易に得られる。

通常の場合、水溶性の染料である酸性染料あるいは直接
染料は芳香族スルホン酸誘導体であることが多く、染料
には数多くの色調を有するものが用意されている。した
がって、多層レジストプロセスにおける上層ホトレジス
ト層の露光光波長および位置合゛せマーク検出光の波長
によって、適当な下層有機物層用吸光剤を、これらの多
様な染料の中から選択してスルホニルアジド系化合物と
することによっても本発明に適用することが可能である
。

〔発明の実施例〕

（実施例１） まず、本発明による多層レジストプロセスの一例を図面
に基づいてさらに詳細に説明する。第１図（ａ）に示す
ごとく、表面に段差を有するＳｉ基板１上に、被加工膜
であるＡＱ膜２を形成した。

上記段差を平坦化するために、下層である有機物層３は
ポリマとして、ポリビニルフェノールを用い、芳香族ス
ルホニルアジド化合物として、１−フェニル−３−メチ
ル−４−（ｐ−アジドスルホフェニルアゾ）−５−ピラ
ゾロンをポリマに対して２０重量％加え、さらに、熱架
橋剤として、３゜３′−ジアジドジフェニルスルホンを
ポリマに対し２０重量％加え、シクロヘキサノンに溶解
し、これをスピン塗布することによって形成した。しか
る後、２００℃の温度で２０分間ベーク処理を施した。

この段階で下層の有機物層３の露光波長４３６ｎｍの光
に対する透過率は、膜厚１μｍ換算で０％であり、露光
時における基板からの反射光の影響を完全に防止するこ
とができた。次に、周知の方法で中間層４としてケイ素
化合物を塗布し、さらにその上にポジ型ホトレジストを
塗布し、ホトレジスト層５を形成した。しかる後、第１
図（ｂ）に示すごとく、通常のホトリソグラフィ法によ
って、所望のレジストパターン５′を形成した。この時
レジストパターン５′の形状は良好であり、露光光は下
層の有機物層３で効率よく吸収されていることが認めら
れた。その後、第１図（ｃ）に示すように、レジストパ
ターン５′をマスクとして、中間層４を選択エッチして
、中間層４からなるマスクパターン４′を形成し、さら
に、下層の有機物層３の露出部分を反応性プラズマエツ
チング法あるいはスパッタエツチング法によって順次エ
ツチングを行ない、所望のパターンを形成させた。その
結果、第１図（ｃ）に示すごとく、寸法精度の高い、良
好な形状のパターンを形成させることができた。

なお１本実施例の下層の有機物層３は、位置合せマーク
検出光、例えば５４６ｎｍの光に対して、ベーク処理前
には８２％の透過率を示し、２００℃ベーク処理後には
、これが６４％に変化した。

一方、上記のアジド化合物と同じ骨格をもつ、１−フェ
ニル−３−メチル−４−（ｐアジドフェニルアゾ）−５
−ピラゾロンでは、ベータ処理前には９０％の透過率を
示すが、２００℃ベーク処理によって２６％まで光の透
過率が低下した。このように、芳香族アジド化合物では
大幅な位置合せ検出光の透過率の変化が生じることが認
められた。

（実施例２） 上記下層有機物層３の吸光剤として、実施例１で用いた
吸光剤の代りに、４−Ｎ、Ｎ−ジメチルアミノ−４′−
アジドスルホアゾベンゼンを用いた。その結果、ベーク
処理前および処理後における波長４３６ｎｍの光の透過
率は、それぞれ、０％および１％であり、５４６ｎｍの
波長の光の透過率は、それぞれ、５５％および５４％で
あった。

このように、ベーク処理によってほとんど透過率が変化
しないことが確認された。一方、同じ骨格を有し、アジ
ド基が直接ベンゼン核に結合している、４−Ｎ、Ｎ−ジ
メチルアミノ−４′−アジドアゾベンゼンにおいては、
同条件（２００℃。

２０分）のベーク処理によって、波長４３６ｎｍの光の
透過率は、ベーク処理前で０％、処理後で１％とほとん
ど変化しないが、５４６ｎｍの光に対する透過率は、ベ
ーク処理前で８９％、処理後には３７％と大幅に低下し
た。

このように、芳香族スルホニルアジド系化合物は芳香族
アジド化合物に比べて、ベーク処理によるスペクトル変
化が小さいことが認められ、しかも、多層レジストプロ
セスにおける上層ホトレジスト層の露光光とマーク検出
光の透過率の比が大きく１位置合せ精度の向上がはから
れることがわかった。

（実施例３） 実施例１で用いた下層有機物層３の吸光剤の代りに、酸
性染料であるＫａｙａｎｏｌ　Ｙｅｌ、１ｏｗ　Ｎ５Ｇ
　（日本化薬製）をジメチルホルムアミド中、塩化チオ
ニルでスルホン酸塩化物とし、アジ化ナトリウム処理に
よってスルホニルアジド化した吸光剤を用いた。この吸
光剤の赤外スペクトルは２１３０ａｎ−１にスルホニル
アジド基の吸収を示す。その結果、２００℃、１５分間
のベーク処理の前後で、４３６ｎｍの光に対する透過率
は、それぞれ２％ずつであり、５４６ｎｍの光に対する
透過率は、それぞれ、９８％、９１％であることが認め
られた。本実施例における吸光剤のベーク処理前後のス
ペクトルの変化を第２図に示す。図において、（α）は
べ一り処理前、（β）はベーク処理後のスペクトルの変
化を示すカーブである。このように、露光光の光吸収性
が良好で、かつ、パターン合せ検出光の透過性の高い下
層有機物層を、多層レジストプロセスに用いることによ
って、極めて寸法精度の高い微細なパターンを得ること
ができた。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したように、本発明による多層レジスト
プロセスにおいて、基板上に塗布する下層の有機物層内
に芳香族スルホニルアジド化合物を含有させるとベーク
処理、あるいは全面露光処理によって、下層有機物層内
のポリマと反応することによって該層内から揮発せず、
露光光の吸収性がよく、かつパターン合せ用検出光の透
過性も高く、その上、溶媒に対する不溶性の有機物層が
得られるから、光の乱反射ならびに干渉によるレジスト
パターン形状の崩れや寸法の変動がほとんどなく、した
がって、寸法精度が高く、形状の良い優れたレジストパ
ターンが得られる。それゆえ、本発明によれば、基板表
面に凹凸や段差が存在する場合でも、極めて寧細なパタ
ーンを高い寸法精度および位置精度で形成することがで
き、集積密度の高い半導体集積回路装置や磁気バブルメ
モリ装置など各種装置の製作上極めて有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は本発明による多層レジ
スト法のプロセスを説明するための工程図、第２図は本
発明の実施例３における吸光剤の吸収スペクトルを示す
グラフである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、表面に段差を有する基板上に、芳香族スルホニルア
   ジド化合物と高分子化合物、もしくは芳香族スルホニル
   アジド化合物と芳香族アジド化合物と高分子化合物とを
   少なくとも含有する有機物層を形成して表面を平坦化す
   る工程と、上記有機物層を加熱もしくは全面露光処理す
   る工程と、上記有機物層上に所望の形状を有し、かつ上
   記有機物層よりも耐ドライエッチング性の大きな材料か
   らなるマスクパターンを形成する工程と、上記有機物層
   の露出された部分をドライエッチングによつて除去する
   工程とを少なくとも含むことを特徴とするパターン形成
   方法。 ２、上記マスクパターンは、上記有機物層上に形成され
   たレジスト層からなることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載のパターン形成方法。 ３、上記マスクパターンは、上記有機物層上に形成され
   た中間層からなることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項記載のパターン形成方法。 ４、上記芳香族スルホニルアジド化合物は、下記の第１
   表に示す化合物の群から選ばれた少なくとも１種である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第３項の
   いずれか１項記載のパターン形成方法。 第１表 ▲数式、化学式、表等があります▼ ５、上記芳香族スルホニルアジド化合物は、芳香族スル
   ホン酸誘導体である酸性染料もしくは直接染料をアジ化
   物によつて処理して得られるスルホニルアジド系化合物
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項ないし第
   ３項のいずれか１項記載のパターン形成方法。 ６、上記芳香族アジド化合物は、３、３′−ジアジドジ
   フェニルスルホン、４、４′−ジアジドジフェニルメタ
   ン、４、４′−ジアジドジフェニルエーテル、４、４′
   −ジアジドジフェニルスルフィド、４、４′−ジアジド
   ジフェニルジスルフィド、４、４′−ジアジドジフェニ
   ルスルホン、４、４′−ジアジドスチルベンの群から選
   ばれた少なくとも１種であることを特徴とする特許請求
   の範囲第１項ないし第３項のいずれか１項記載のパター
   ン形成方法。 ７、上記高分子化合物は、ノボラック樹脂、ポリビニル
   フェノール、天然ゴム、環化天然ゴム、ポリブタジエン
   、ポリイソプレン、環化ポリブタジエン、環化ポリイソ
   プレン、スチレン・ブタジエンゴム、ポリスチレン、ヨ
   ウ素化ポリスチレン、ポリビニルブチラール、ポリメチ
   ルメタクリレート、ポリグリシジルメタクリレート、ポ
   リメチルイソプロペニルケトンの群から選ばれた少なく
   とも１種であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   ないし第３項のいずれか１項記載のパターン形成方法。 ８、上記加熱処理は１００〜３００℃の温度で行なうこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項ない第７項のいず
   れか１項記載のパターン形成方法。 ９、上記全面露光処理は波長が２００〜３００ｎｍの光
   を用いて行なうことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   ないし第７項のいずれか１項記載のパターン形成方法。