JP3288884B2 - レジストパターン形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、微細なレジストパター
ンの形成方法に係わり、特にライン＆スペースパターン
の作成に適したレジストパターン形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスでは、例えばダイナミッ
クＲＡＭのように微細化が進み、２５６Ｍダイナミック
ＲＡＭ以降では０．２５μｍ以下の最小加工線幅が必要
になると言われている。この領域になると、光学式の露
光装置では限界に近づき露光装置の光源の短波長化やレ
ジスト材料の改良だけでは十分ではなく、マスクや投影
光学系にも工夫を施すことで解像度の焦点深度の向上を
図る研究開発が活発に行われている。

【０００３】マスクに対する工夫の代表的な例は、マス
クを透過する光の一部に位相差を与える位相シフト法で
ある。これは、図９に示すように、マスク上の隣接する
２箇所の透明部分を透過する光の位相を変えるというも
のである。図中の９１はフォトマスク基板、９２は遮光
膜、９３，９４は照射光の位相を反転させる層（以下、
位相シフタと称す）、９５は被露光基板、９６は感光材
料（以下、レジスト）と称す）を示している。

【０００４】マスク上の隣接する２箇所の透明部分を通
過する光の位相を変化させるマスクパターンについて
は、（IEEE trans on Electron Devices,Vol.ED-29,No.
12,p1828(1982)）における（Marc D.Levenson ）等によ
る（Improving Resolution inPhotolithography with a
Phase-Shift Mask）と題する文献において論じられて
いる。

【０００５】この文献で提案しているマスクでは、マス
ク基板上にパターンの原画となる遮光部を設け、隣接す
る透過部上の一方に位相シフタを設けている。この位相
シフタの条件としては、膜厚をｄ、屈折率をｎ、露光波
長をλとすると、 ｄ＝λ／｛２（ｎ−１）｝ の関係が必要である。このような位相シフタを通過した
光は他の透過光と逆位相であるため、パターン境界部で
光強度が零となり、パターンが分離し解像度が向上す
る。

【０００６】しかしながら、実際に製作されたマスクの
遮光部やシフタ部には有限の厚みを持っており、図９
（ａ）に示すようにシフタを上から張り付けるタイプで
は、シフタ内での多重反射が問題となる。さらに、図９
（ｂ）に示すようにシフタをマスク基板に掘込むタイプ
では、掘込んだ部分を通過する光に対しての導波路効果
によって、シフタを通過してウェハ面に到達する光量と
シフタの付いていない開口部を通過してウェハ面に到達
する光量とが１：１にはならず、図９（ｃ）に示すよう
に非対称になる。このため、図９（ｄ）に示すように、
現像後パターンは１：１の周期パターンにはならない。

【０００７】また、露光装置に対する工夫では、照明光
学系内に遮光板などを挿入して変形された２次光源を形
成したり、瞳位置に位相フィルタを挿入するなどして焦
点深度の向上効果が得られる。しかしながら、限界解像
度は位相シフトマスクには及ばない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、光学
式の露光方法によって細い線幅を持つ周期パターンを形
成するために、位相シフトマスクを用いた場合には、
１：１の周期パターンを得るのは困難であった。また、
変形照明や瞳位置でのフィルタリング法を用いた場合に
は、その限界解像力は位相シフトマスクには及ばなかっ
た。

【０００９】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、位相シフトマスクを用
いることなしに、マスク上の周期パターンの空間周波数
より高い空間周波数を持つ微細レジストパターンを形成
することのできるレジストパターン形成方法を提供する
ことにある。

【００１０】

【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、次のような構成を採用している。即ち、本
発明（請求項１）は、レジストパターンの形成方法にお
いて、被露光基板上にポジ型の第１のレジストを形成し
た後、第１のレジストを所望パターンに露光し、次いで
第１のレジストを現像して、第１のレジストの露光部を
除去し、次いで第１のレジストからなるパターンの少な
くともスペース部分にネガ型の第２のレジストを形成
し、次いで第１のレジストと第２のレジストの境界部分
を含む領域を露光し、次いで第１及び第２のレジストを
現像して、第１のレジストの露光部及び第２のレジスト
の未露光部を除去するようにした方法である。

【００１１】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は、次のものがあげられる。(1) 第１のレジストに露光
するパターンは、１：１のライン＆スペースであるこ
と。

【００１２】また、本発明（請求項２）は、レジストパ
ターンの形成方法において、被露光基板上にポジ型の第
１のレジストを形成した後、第１のレジストを所望パタ
ーンに露光し、次いで第１のレジストを現像して、第１
のレジストの露光部を除去し、次いで第１のレジストか
らなるパターンの少なくともスペース部分にネガ型の第
２のレジストを形成し、次いで第１のレジストと第２の
レジストの境界部分を含む領域を露光し、次いで被露光
基板を所定のガス雰囲気に晒し、第１のレジストの露光
部及び第２のレジストの未露光部に変質層を形成し、次
いで変質層をマスクに第１及び第２のレジストを選択エ
ッチングするようにした方法である。

【００１３】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は、次のものがあげられる。 (1) 第１のレジストに露光するパターンは、１：１のラ
イン＆スペースであること。(2) 変質層を形成するためのガス雰囲気はシリル化剤雰
囲気であり、変質層はシリル化層であること。(3) 変質層をマスクに第１及び第２のレジストを選択エ
ッチングする手段として、酸素プラズマエッチングを行
うこと。

【００１４】また、本発明（請求項３）は、レジストパ
ターンの形成方法において、被露光基板上に露光量の増
加に伴いポジ型からネガ型に反転するレジストを形成し
たのち、このレジストを所望パターンに露光し、次いで
レジストを現像して、該層の低露光量領域と高露光量領
域に対応する部分を残し、中間露光量領域に対応する部
分を除去するようにした方法である。

【００１５】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は、次のものがあげられる。 (1) レジストに露光するパターンは、１：１のライン＆
スペースであること。 (2) レジストの低露光領域に対し、少なくとも不要部分
に露光光を照射し、その後の現像により不要パターンを
取り除くこと。

【００１６】また、本発明（請求項４）は、レジストパ
ターンの形成方法において、被露光基板上に露光量の増
加に伴いネガ型からポジ型に反転するレジストを形成し
たのち、このレジストを所望パターンに露光し、次いで
レジストを現像して、該層の低露光量領域と高露光量領
域に対応する部分を除去し、中間露光量領域に対応する
部分を残すようにした方法である。

【００１７】ここで、本発明の望ましい実施態様として
は、次のものがあげられる。 (1) レジストに露光するパターンは、１：１のライン＆
スペースであること。 (2) レジストの中間露光領域に対し、少なくとも不要部
分に露光光を照射し、その後の現像により不要パターン
を取り除くこと。

【００１８】

【作用】本発明（請求項１）によれば、ポジ型及びネガ
型の２種類のレジストと２回露光を行うことにより、マ
スク上の周期パターンの空間周波数の２倍の空間周波数
を持つ微細周期レジストパターンを形成することができ
る。そしてこの場合、製造，検査，修正，洗浄が難しい
位相シフト付きマスクを使用せずに、位相シフト露光以
上の解像度及び焦点深度を持つ露光が可能になる。さら
に、本発明（請求項２）では、これに加え、２回目の露
光後に耐エッチング性を持つ層を選択的にレジスト上層
に形成し、エッチングすることによって寸法制御性の良
い周期レジストパターニングを可能にする。

【００１９】また、本発明（請求項３）によれば、露光
照明量を増していくとポジ型からネガ型に反転するレジ
ストを用いているので、通常の露光，現像のプロセスと
同様に行うだけで１／２周期のレジストパターニングが
可能となる。また、特定の部分に露光光を再度照射する
ことにより、照射された部分では低露光量領域が中間露
光量領域となるため、マスクの開口寸法の半分の１倍周
期レジストパターンを形成することもできる。さらに、
周期パターンと孤立パターンとが同一層にある場合に、
孤立部に露光光を再度照射することにより、周期部には
１／２周期のレジストパターン、孤立部にはマスクの開
口寸法の半分の孤立レジストパターンを形成することが
可能となる。

【００２０】また、本発明（請求項４）によれば、露光
照明量を増していくとネガ型からポジ型に反転するレジ
ストを用いているので、通常の露光，現像のプロセスと
同様に行うだけで１／２周期のレジストパターニングが
可能となる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。 （実施例１）図１は、本発明の第１の実施例に係わるレ
ジストパターン形成工程を示す断面図である。

【００２２】まず、図１（ａ）に示すように、被露光基
板１１上に第１のレジストとして、例えばポリヒドロキ
シスチレンをベースとした化学増幅型ポジ型レジスト１
２（商品名 APEX-E(IBM)）を塗布し、１：１のライン＆
スペースパターンを有するフォトマスク１３を用い、露
光光１４を照射して１回目の露光を行う。そして、アル
カリ現像液での現像を行い、ポジ型レジスト１２にライ
ン＆スペースパターンを形成する。

【００２３】次いで、図１（ｂ）に示すように、ポジ型
レジスト１２のスペース部分に第２のレジストとして、
例えばポリヒドロキシスチレンをベースとした化学増幅
型ネガ型レジスト１５（商品名 CGR(IBM))を塗布し、ネ
ガ型レジスト１５をポジ型レジスト１２とほぼ同じ高さ
になるようにアルカリ現像液でエッチングする。

【００２４】次いで、図１（ｃ）に示すように、１回目
の露光と同じフォトマスク１３を用い、レジスト１２，
１５の境界部を露光するように、１回目の露光とは１／
４ピッチずらして２回目の露光を行う。その後、レジス
ト１２，１５をアルカリ現像液で現像することにより、
図１（ｄ）に示すように、マスクの持つ空間周波数の２
倍の空間周波数を持つレジストパターンが被露光基板１
１上に形成された。

【００２５】このように本実施例によれば、ポジ型及び
ネガ型の２種類のレジスト１２，１５を用い、周期パタ
ーンを１／４ピッチずらして２回の露光を行うことによ
り、マスク１３上の周期パターンの空間周波数の２倍の
空間周波数を持つ微細周期レジストパターンを形成する
ことができる。そしてこの場合、位相シフト付きマスク
を用いた場合のように、多重反射やシフタの有無による
光量の差が問題となることはなく、位相シフト露光以上
の解像度及び焦点深度を持つ周期パターンを形成するこ
とができる。 （実施例２）図２は、本発明の第２の実施例に係わるレ
ジストパターン形成工程を示す断面図である。なお、図
中の２１〜２５は、図１の１１〜１５に相当している。

【００２６】まず、第１の実施例と同様に、被露光基板
２１上に第１のレジストとしてポジ型レジスト２２を塗
布し、１回目の露光及びアルカリ現像液での現像を行い
ライン＆スペースパターンを形成する。その後、図２
（ａ）に示すように、ポジ型レジスト２２のスペース部
分に第２のレジストとしてネガ型レジスト２５を塗布
し、ネガ型レジスト２５をポジ型レジスト２２とほぼ同
じ高さになるようにアルカリ現像液でエッチングする。

【００２７】次いで、図２（ｂ）に示すように、１回目
の露光とは１／４ピッチずらして２回目の露光を行う。
次いで、図２（ｃ）に示すように、シリル化剤雰囲気２
７に晒すことにより、ポジ型レジスト２２の露光部とネ
ガ型レジスト２５の未露光部をシリル化しシリル化層
（変質層）２６を形成する。

【００２８】次いで、酸素プラズマエッチングを行う
と、シリル化層２６がマスクとなりレジスト２２，２５
が選択エッチングされるため、図２（ｄ）に示すよう
に、マスクの持つ空間周波数の２倍の空間周波数を持つ
レジストパターンが被露光基板２１上に形成された。

【００２９】このように本実施例によれば、先の第１の
実施例と同様に、２種類のレジスト１２，１５を用いて
２回の露光を行うことにより、微細周期レジストパター
ンを形成することができ、さらに位相シフト露光以上の
解像度及び焦点深度を持つ周期パターンを形成すること
ができる。これに加えて本実施例では、２回目の露光後
に耐エッチング性を持つシリル化層２６を選択的にレジ
スト上層に形成し、エッチングすることによって、寸法
制御性の向上をはかることも可能となる。 （実施例３）図３は、本発明の第３の実施例に係わるレ
ジストパターン形成工程を示す断面図である。

【００３０】まず、図３（ａ）に示すように、被露光基
板３１上に、例えば化学増幅型ポジ型レジストＡＰＥＸ
−Ｅに、３，３′−ジアジドジフェニルスルホンを、レ
ジスト溶液１００ｇに対して１ｇ添加したレジスト３２
を塗布する。このレジスト３２は、図４に示すように露
光量の増加に伴い、その極性がポジ型からネガ型に変換
するものである。

【００３１】次いで、周期パターンを設けたフォトマス
ク３３を用い、露光光３４の照射により露光を行う。こ
こで、最も強い光が照射される領域（高露光量領域）３
２ａと最も弱い光が照射される領域（低露光量領域）３
２ｃは現像液に対して不溶化しており、パターンエッジ
に位置する中間露光量領域３２ｂは現像液に対して可溶
化している。

【００３２】従って現像を行うことにより、図３（ｂ）
に示すように、マスク３３の持つ空間周波数の２倍の空
間周波数を持つレジストパターンが被露光基板３１上に
形成された。

【００３３】このように本実施例では、露光量の増加に
伴いポジ型からネガ型に反転するレジスト３２を用いる
ことにより、１回の露光と現像で、マスク３３上の周期
パターンの空間周波数の２倍の空間周波数を持つ微細周
期レジストパターンを形成することができる。従って、
第１の実施例と同様の効果が得られるのは勿論のこと、
製造プロセスが簡易になる利点を有する。 （実施例４）図５は、本発明の第４の実施例に係わるレ
ジストパターン形成工程を示す断面図である。

【００３４】まず、図５（ａ）に示すように、被露光基
板５１上に、例えば光分解型ポリマーであるイソプロペ
ニルフェノールとブテンスルホンとの共重合体２０ｇを
シクロヘキサン１００ｇに溶解させ、架橋剤として３，
３′−ジアジドジフェニルスルホンを１ｇ添加したレジ
スト５２を塗布する。このレジスト５２は、図６に示す
ように露光量の増加に伴い、その極性がネガ型からポジ
型に変換するものである。

【００３５】次いで、周期パターンを設けたフォトマス
ク５３を用い、露光光５４の照射により露光を行う。こ
こで、最も強い光が照射される領域（高露光量領域）５
２ａと最も弱い光が照射される領域（低露光量領域）５
２ｃは現像液に対して可溶化しており、パターンエッジ
に位置する中間露光量領域５２ｂは現像液に対して不溶
化している。

【００３６】従って現像を行うことにより、図５（ｂ）
に示すように、マスク５３の持つ空間周波数の２倍の空
間周波数を持つレジストパターンが被露光基板５１上に
形成された。

【００３７】このように本実施例によれば、露光量の増
加に伴いネガ型からポジ型に反転するレジスト５２を用
いることにより、１回の露光と現像で、マスク５３上の
周期パターンの空間周波数の２倍の空間周波数を持つ微
細周期レジストパターンを形成することができる。従っ
て、第３の実施例と同様の効果が得られる。 （実施例５）図７は、本発明の第５の実施例に係わるレ
ジストパターン形成工程を示す断面図である。

【００３８】まず、図７（ａ）に示すように、被露光基
板７１上に、前記図４に示すような露光量に応じてポジ
型からネガ型に変換するレジスト７２を塗布し、フォト
マスク７３を用いて露光光７４の照射により露光を行
う。ここで、最も強い光が照射される領域（高露光量領
域）７２ａと最も弱い光が照射される領域（低露光量領
域）７２ｃは現像液に対して不溶化しており、パターン
エッジに位置する中間露光量領域７２ｂは現像液に対し
て可溶化している。

【００３９】従って現像を行うと、図７（ｂ）に示すよ
うに、マスク７３の持つ空間周波数の２倍の空間周波数
を持つレジストパターンが被露光基板７１上に形成され
た。この後、露光光７５により全面露光を行うことによ
り、低露光量領域７２ｃを中間露光量領域に変換する。

【００４０】その後、現像を行うことによって、図７
（ｃ）に示すように、不要なパターン７２ｃを取り去る
ことができた。 （実施例６）図８は、本発明の第６の実施例に係わるレ
ジストパターン形成工程を示す断面図である。

【００４１】まず、図８（ａ）に示すように、被露光基
板８１上に、前記図４に示すような露光量に応じてポジ
型からネガ型に変換するレジスト８２を塗布し、周期パ
ターンと孤立パターンとが混在するマスク８３を用いて
露光光８４の照射により露光を行う。ここで、最も強い
光が照射される領域（高露光量領域）８２ａと最も弱い
光が照射される領域（低露光量領域）８２ｃは現像液に
対して不溶化しており、パターンエッジに位置する中間
露光量領域８２ｂは可溶化している。

【００４２】従って現像を行うと、図８（ｂ）に示すよ
うに、マスク８３の持つ空間周波数の２倍の空間周波数
を持つレジストパターンが被露光基板上に形成された。
この後、周期パターン部が遮光部、孤立パターン部が開
口部であるフォトマスク８５を用いて、露光光８６によ
り不要パターン８２ｄを露光する。

【００４３】この後、現像することによって、図８
（ｃ）に示すように、不要パターン８２ｄを取り除き、
同一層内に孤立パターンと周期パターンとをマスク８３
の２倍の空間周波数で形成することができた。

【００４４】なお、本発明は上述した各実施例に限定さ
れるものではない。用いたマスクの限界解像度付近では
コントラストが低下するために、第１のレジストの本来
なら未露光部である部分も僅かに露光される。この僅か
な露光量は仕上がり寸法に影響を与えるために、第１の
レジストとして感光剤が可逆性を持つものを用いてもよ
い。また、輪帯照明，４点斜入射照明，２点斜入射照明
などの変形照明や瞳フィルタリング法、さらにはレベン
ソン型位相シフトマスク，ハーフトーン位相シフトマス
ク，エッジ強調型位相シフトマスク，シフタオンリー型
位相シフトマスクなどの位相シフト法との組み合わせも
可能である。マスクの移動について、１次元シフトであ
る必要はなく２次元シフトでもよい。また、シフト量も
１／４ピッチでなくてもよい。

【００４５】また、露光量の増加に伴いポジ型からネガ
型へと変換するレジストとしては、ポジ型レジスト材料
に光により架橋反応を生じせしめる添加剤を加えたレジ
ストが使用でき、望ましくはポジ型レジストとして高感
度な材料、特に化学増幅型ポジ型レジストが使用でき
る。また、架橋剤としては、アジド化合物，Ｎ−オキシ
ド化合物が用いられる。さらに、露光量の増加に伴いネ
ガ型からポジ型へと変換するレジストとしては、光分解
性ポリマーに光により架橋を生じる化合物を添加したレ
ジストが使用できる。光分解性ポリマーとしてはポリメ
チルメタクリレート，ポリイソプロペニルフェノール，
ポリブテンスルホン，或いはそれらの共重合体が使用で
きる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々
変形して実施することができる。

【００４６】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、マ
スク上の周期パターンの空間周波数の２倍の空間周波数
を持つ微細周期レジストパターンを形成することがで
き、製造，検査，修正，洗浄が難しい位相シフト付きマ
スクを使用せずに、位相シフト露光以上の解像度及び焦
点深度を持つ露光が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例に係わるレジストパターン形成工
程を示す断面図。

【図２】第２の実施例に係わるレジストパターン形成工
程を示す断面図。

【図３】第３の実施例に係わるレジストパターン形成工
程を示す断面図。

【図４】第３の実施例に用いたレジストの露光量に対す
る極性変化を示す特性図。

【図５】第４の実施例に係わるレジストパターン形成工
程を示す断面図。

【図６】第４の実施例に用いたレジストの露光量に対す
る極性変化を示す特性図。

【図７】第５の実施例に係わるレジストパターン形成工
程を示す断面図。

【図８】第６の実施例に係わるレジストパターン形成工
程を示す断面図。

【図９】従来の位相シフトマスクを用いたレジストパタ
ーン形成方法と問題点を説明するための図。

【符号の説明】 １１，２１，３１，５１，７１，８１…被露光基板 １２，２２…ポジ型レジスト（第１のレジスト） １３，２３，３３，５３，７３，８３，８５…フォトマ
スク １４，２４，３４，５４，７４，８４，８６…露光光 １５，２５…ネガ型レジスト（第２のレジスト） ２６…シリル化層（変質層） ２７…シリル化雰囲気 ３２，５２，７２，８２…露光量により極性の変わるレ
ジスト ３２ａ，５２ａ，７２ａ，８２ａ，…高露光量領域 ３２ｂ，５２ｂ，７２ｂ，８２ｂ…中間露光量領域 ３２ｃ，５２ｃ，７２ｃ，８２ｃ…低露光量領域 ８２ｄ…不要パターン

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭58−43519（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−10930（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−170917（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−147314（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−255854（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−184222（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/027

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被露光基板上にポジ型の第１のレジストを
   形成する工程と、 第１のレジストを所望パターンに露光する工程と、 第１のレジストを現像して、第１のレジストの露光部を
   除去する工程と、 第１のレジストからなるパターンの少なくともスペース
   部分にネガ型の第２のレジストを形成する工程と、 第１のレジストと第２のレジストの境界部分を含む領域
   を露光する工程と、 第１及び第２のレジストを現像して、第１のレジストの
   露光部及び第２のレジストの未露光部を除去する工程
   と、 を含むことを特徴とするレジストパターン形成方法。
2. 【請求項２】被露光基板上にポジ型の第１のレジストを
   形成する工程と、 第１のレジストを所望パターンに露光する工程と、 第１のレジストを現像して、第１のレジストの露光部を
   除去する工程と、 第１のレジストからなるパターンの少なくともスペース
   部分にネガ型の第２のレジストを形成する工程と、 第１のレジストと第２のレジストの境界部分を含む領域
   を露光する工程と、 前記被露光基板を所定のガス雰囲気に晒し、第１のレジ
   ストの露光部及び第２のレジストの未露光部に変質層を
   形成する工程と、 前記変質層をマスクに第１及び第２のレジストを選択エ
   ッチングする工程と、を含むことを特徴とするレジスト
   パターン形成方法。
3. 【請求項３】被露光基板上に露光量の増加に伴いポジ型
   からネガ型に反転するレジストを形成する工程と、 前記レジストを所望パターンに露光する工程と、 前記レジストを現像して、該層の低露光量領域と高露光
   量領域に対応する部分を残し、中間露光量領域に対応す
   る部分を除去する工程と、 を含むことを特徴とするレジストパターン形成方法。
4. 【請求項４】被露光基板上に露光量の増加に伴いネガ型
   からポジ型に反転するレジストを形成する工程と、 前記レジストを所望パターンに露光する工程と、 前記レジストを現像して、該層の低露光量領域と高露光
   量領域に対応する部分を除去し、中間露光量領域に対応
   する部分を残す工程と、 を含むことを特徴とするレジストパターン形成方法。
5. 【請求項５】請求項３に記載されたレジストの低露光領
   域又は請求項４に記載されたレジストの中間露光領域に
   対し、少なくとも不要部分に露光光を照射し、その後の
   現像により不要パターンを取り除くことを特徴とするレ
   ジストパターン形成方法。