JP4545426B2

JP4545426B2 - パターン形成方法

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Inventors: 哲郎塙
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Description

本発明は、パターン形成方法に関し、特に、化学増幅型のレジスト膜を用いたパターン形成方法に関する。

近年、半導体装置の集積度の増加に伴い個々の素子の寸法は微小化が進み、各素子を構成する配線やゲートなどの幅も微細化されている。

この微細化を支えているフォトリソグラフィ技術には、被加工基板の表面にレジスト組成物を塗布してレジスト膜を形成する工程、光を照射して所定のレジストパターンを露光することによりレジストパターン潜像を形成する工程、必要に応じ加熱処理する工程、次いでこれを現像して所望の微細パターンを形成する工程、および、この微細パターンをマスクとして被加工基板に対してエッチングなどの加工を行う工程が含まれる。

パターンの微細化を図る手段の一つとして、上記のレジストパターン潜像を形成する際に使用される露光光の短波長化が進められている。

従来、例えば６４Ｍビットまでの集積度のＤＲＡＭの製造には、高圧水銀灯のｉ線（波長：３６５ｎｍ）が光源として使用されてきた。近年では、２５６メガビットＤＲＡＭの量産プロセスには、ＫｒＦ（フッ化クリプトン）エキシマレーザ（波長：２４８ｎｍ）を露光光源として用いた技術が実用化されている。また、１ギガビット以上の集積度を持つＤＲＡＭの製造には、ＡｒＦ（フッ化アルゴン）エキシマレーザ（波長：１９３ｎｍ）の実用化が検討されている。さらに、１００ｎｍ以下のデザイン・ルールに対応する微細パターンを実現する技術として、より波長の短いＦ_２（フッ素）エキシマレーザ（波長：１５７ｎｍ）、さらには極端紫外（ＥｘｔｒｅｍｅＵｌｔｒａＶｉｏｌｅｔ）光（波長：１３ｎｍ）を露光光源として用いることも考えられている。

このようなフォトリソグラフィ技術においては、従来より化学増幅型レジストが用いられている。

一般に、ポジ型の化学増幅型レジストは、アルカリ不溶性ポリマーおよび酸発生剤を含有する。ここで、アルカリ不溶性ポリマーは、例えば、脂肪族系ベースポリマーの側鎖に結合したアルカリ可溶性基を保護基によってブロックした構造を有している。

このような化学増幅型レジストに対し、適当なマスクを介して露光光を照射すると、露光部で酸発生剤が分解することによって酸を生じる。次に、加熱処理を行うと、アルカリ可溶性基をブロックしている保護基（酸不安定基）が酸の触媒作用により加熱分解して脱離する。これにより、化学増幅型レジストは、露光部においてアルカリ可溶性となる。その後、アルカリ現像液を用いた現像処理によって露光部を溶解除去すると、未露光部からなるレジストパターンが形成される。得られたレジストパターンをマスクとして下地膜をエッチングすることにより、下地膜に所定のパターンを形成することができる。

図１１（ａ）は、マスクを透過した露光光によって形成される空間像の強度分布を示したものである。図において、横軸はレジスト膜上での座標ｘを、縦軸は強度分布Ｉ（ｘ）をそれぞれ示している。

図１１（ａ）に示すように、露光光２０は、遮光部２１と透光部２２がライン・アンド・スペースパターンに形成されたマスク２３を透過して空間像２４を形成する。

ところで、露光光は、空気などの雰囲気中、レジスト膜中および下地膜中でそれぞれ異なる屈折率を有している。したがって、レジスト膜の内部に入射した露光光は、その一部がレジスト膜に吸収されることによって減衰しながら下地膜に到達する。到達した露光光は、下地膜との界面で反射して反射光となる。この反射光と入射光との間で干渉が起こることによって、レジスト膜中に発生する酸の濃度は膜厚方向に分布を持つようになる。

図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の露光光２０がレジスト膜２５中に形成する潜像（ＬａｔｅｎｔＩｍａｇｅ）２６を示したものであり、酸発生剤から生じた酸の濃度分布に対応している。図１１（ｂ）より、酸の濃度はレジスト膜の表面付近（図の上方向）ほど高くなることが分かる。

露光後の加熱処理によって、酸はレジスト膜中をある程度拡散する。しかしながら、レジスト膜全体で酸濃度が均一化するまでには至らず、加熱処理後においてもなおレジスト膜の表面付近の方がレジスト膜の内部よりも酸濃度は高い。このため、保護基（酸不安定基）の脱離反応はレジスト膜の内部よりも表面付近で多く起こり、表面付近の方が内部よりもアルカリ可溶性となる。これにより、図１１（ｃ）に示すように、現像後のレジストパターン２７の断面形状は矩形状とはならず、断面上部２７ａがテーパ形状を呈するようになる。このため、レジスト寸法の制御性が著しく低下するという問題があった。また、得られたレジストパターン２７をマスクとして下地膜（図示せず）の加工を行う場合にも、所望の寸法および形状を有するパターンに加工できないという問題があった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものである。即ち、本発明の目的は、化学増幅型のレジスト膜を用いて被加工基板に所定の微細パターンを形成することのできるパターン形成方法を提供することにある。

本発明の他の目的および利点は、以下の記載から明らかとなるであろう。

第１の発明に係るパターン形成方法は、被加工基板の上に、アルカリ水溶液に可溶なベースポリマーの少なくとも一部の官能基に酸不安定基が導入されたアルカリ不溶性ポリマーと、酸発生剤とを含む炭素−酸素結合を有する膜厚が６００nm以下の化学増幅型のレジスト膜を形成する工程と、該レジスト膜の全面に波長２００nm以下の真空紫外光を１０ｍＷ／ｃｍ ^２以上１００ｍＷ／ｃｍ ^２以下の照度および１０秒以下の照射時間で連続的またはパルス的に照射することによって、該レジスト膜の表面付近において、該酸不安定基が導入された官能基の脱離反応を起こす工程と、該レジスト膜に所定のマスクを介して露光光を照射することによって、露光部で該酸発生剤から酸を発生させる工程と、
該レジスト膜に加熱処理を行うことによって、該露光部における該アルカリ不溶性ポリマーの該酸不安定基を該酸の作用により脱離させてアルカリ可溶性ポリマーにする工程と、該レジスト膜に現像処理を行うことによって、該レジスト膜の未露光部からなるレジストパターンを形成する工程と、該レジストパターンをマスクとする該被加工基板のエッチングによって、該被加工基板にパターンを形成する工程とを有することを特徴とする。

第２の発明に係るパターン形成方法は、被加工基板の上に反射防止膜を形成する工程と、該反射防止膜の上に、アルカリ水溶液に可溶なベースポリマーの少なくとも一部の官能基に酸不安定基が導入されたアルカリ不溶性ポリマーと、酸発生剤とを含む炭素−酸素結合を有する膜厚が６００nm以下の化学増幅型のレジスト膜を形成する工程と、該レジスト膜の全面に波長２００nm以下の真空紫外光を１０ｍＷ／ｃｍ ^２以上１００ｍＷ／ｃｍ ^２以下の照度および１０秒以下の照射時間で連続的またはパルス的に照射することによって、該レジスト膜の表面付近において、該酸不安定基が導入された官能基の脱離反応を起こす工程と、該レジスト膜に所定のマスクを介して露光光を照射することによって、露光部で該酸発生剤から酸を発生させる工程と、該レジスト膜に加熱処理を行うことによって、該露光部における該アルカリ不溶性ポリマーの該酸不安定基を該酸の作用により脱離させてアルカリ可溶性ポリマーにする工程と、該レジスト膜に現像処理を行うことによって、該レジスト膜の未露光部からなるレジストパターンを形成する工程と、該レジストパターンをマスクとする該被加工基板のエッチングによって、該被加工基板にパターンを形成する工程とを有することを特徴とする。

第３の発明に係るパターン形成方法は、被加工基板の上に、アルカリ水溶液に可溶なベースポリマーの少なくとも一部の官能基に酸不安定基が導入されたアルカリ不溶性ポリマーと、酸発生剤とを含む炭素−酸素結合を有する膜厚が６００nm以下の化学増幅型のレジスト膜を形成する工程と、該レジスト膜の全面に電子線を１ｋｅＶ以上１０ｋｅＶ以下の加速電圧で５００μＡ／ｃｍ ^２以上５０ｍＡ／ｃｍ ^２以下の電流密度の電子線を１０μＣ／ｃｍ ^２以上５００μＣ／ｃｍ ^２以下の電荷量で連続的またはパルス的に照射することによって、該レジスト膜の表面付近において、該酸不安定基が導入された官能基の脱離反応を起こす工程と、該レジスト膜に所定のマスクを介して露光光を照射することによって、露光部で該酸発生剤から酸を発生させる工程と、該レジスト膜に加熱処理を行うことによって、該露光部における該アルカリ不溶性ポリマーの該酸不安定基を該酸の作用により脱離させてアルカリ可溶性ポリマーにする工程と、該レジスト膜に現像処理を行うことによって、該レジスト膜の未露光部からなるレジストパターンを形成する工程と、該レジストパターンをマスクとする該被加工基板のエッチングによって、該被加工基板にパターンを形成する工程とを有することを特徴とする。

第４の発明に係るパターン形成方法は、被加工基板の上に反射防止膜を形成する工程と、該反射防止膜の上に、アルカリ水溶液に可溶なベースポリマーの少なくとも一部の官能基に酸不安定基が導入されたアルカリ不溶性ポリマーと、酸発生剤とを含む炭素−酸素結合を有する膜厚が６００nm以下の化学増幅型のレジスト膜を形成する工程と、該レジスト膜の全面に電子線を１ｋｅＶ以上１０ｋｅＶ以下の加速電圧で５００μＡ／ｃｍ ^２以上５０ｍＡ／ｃｍ ^２以下の電流密度の電子線を１０μＣ／ｃｍ ^２以上５００μＣ／ｃｍ ^２以下の電荷量で連続的またはパルス的に照射することによって、該レジスト膜の表面付近において、該酸不安定基が導入された官能基の脱離反応を起こす工程と、該レジスト膜に所定のマスクを介して露光光を照射することによって、露光部で該酸発生剤から酸を発生させる工程と、該レジスト膜に加熱処理を行うことによって、該露光部における該アルカリ不溶性ポリマーの該酸不安定基を該酸の作用により脱離させてアルカリ可溶性ポリマーにする工程と、該レジスト膜に現像処理を行うことによって、該レジスト膜の未露光部からなるレジストパターンを形成する工程と、該レジストパターンをマスクとする該被加工基板のエッチングによって、該被加工基板にパターンを形成する工程とを有することを特徴とする。

この発明は以上説明したように、レジスト膜の全面に真空紫外光および電子線のいずれか一方を照射し、酸不安定基が導入された官能基の脱離反応をレジスト膜の表面付近で起こしてから露光および加熱を行うので、レジスト膜が全体として均一にアルカリ水溶液に溶解するようにすることができる。これにより、レジストパターンの上部断面形状がテーパ形状となるのを抑制して、非加工基板に所望のパターンを形成することが可能となる。

本実施の形態においては、半導体基板上にゲート絶縁膜を介してゲート電極材料が成膜された基板を被加工基板として用い、ゲート電極材料をエッチングしてゲート電極パターンを形成する例について述べる。但し、本発明がゲート電極パターンの形成に限られるものでないことはいうまでもない。例えば、レジストパターンを用いたコンタクトホールの形成や層間絶縁膜の加工などにも本発明を適用することが可能である。さらに、半導体基材以外の被加工基板（例えば、ガラス基板やプラスチック基板などの上に被加工膜が形成されたもの）に本発明を適用することも可能である。

図１〜図１０は、本発明にかかるパターン形成方法の一例を示したものである。尚、これらの図に示す半導体装置はＣＭＯＳ構造を有している。

まず、図１に示すように、半導体基板としてのシリコン基板１表面の所定領域に、素子分離領域２を形成してＮＭＯＳ領域とＰＭＯＳ領域とに区画する。その後、ＰＭＯＳ領域にＮウェル３を、ＮＭＯＳ領域にＰウェル４をそれぞれ形成する。

次に、シリコン基板１の上にゲート絶縁膜５を形成する（図２）。本実施の形態においては、ゲート絶縁膜５を構成する材料の種類および膜厚に特に制限はない。任意の材料を選択して適当な膜厚を有するゲート絶縁膜５を形成することができる。

例えば、熱酸化法によって、膜厚１．５ｎｍ程度のシリコン酸化膜を形成することができる。また、ゲート絶縁膜５としては、８５０℃程度の温度の酸化性ガス雰囲気中でシリコン基板１の表面を酸化して膜厚２．０ｎｍ程度のＳｉＯ_２（酸化シリコン）膜を形成した後、ＮＯ（一酸化窒素）ガス雰囲気中でこのＳｉＯ_２膜の表面を窒化することによって得られた膜を用いることもできる。さらに、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）、ＨｆＯ_２（酸化ハフニウム）若しくはＺｒＯ_２（酸化ジルコニウム）またはこれらの混合物を３．０ｎｍ〜５．０ｎｍ程度の膜厚で成膜したものをゲート絶縁膜５として用いてもよい。

次に、Ｎウェル３およびＰウェル４に、それぞれ閾値電圧調整用の不純物を注入する。その後、ゲート絶縁膜５の上に、ゲート電極材料としての多結晶シリコン膜６を形成する（図２）。

多結晶シリコン膜６の形成は、例えば、ＳｉＨ_４（シラン）またはＳｉＤ_４などを原料とするＬＰＣＶＤ（ＬｏｗＰｒｅｓｓｕｒｅＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって行うことができる。また、多結晶シリコン膜６の膜厚は、例えば１５０ｎｍ程度とすることができる。

多結晶シリコン膜６を形成した後は、多結晶シリコン膜６にＰ（リン）などの不純物をイオン注入する。

次に、多結晶シリコン膜６の上にハードマスク材料としてのＳｉＯ_２膜７を形成する（図３）。ＳｉＯ_２膜７は、例えばＣＶＤ法によって形成することができる。また、ＳｉＯ_２膜７の膜厚は、例えば１００ｎｍ程度とすることができる。

ＳｉＯ_２膜７を形成した後は、この上に反射防止膜８を形成する（図４）。反射防止膜は、次に形成するレジスト膜をパターニングする際に、レジスト膜を透過した露光光を吸収することによって、レジスト膜と反射防止膜との界面における露光光の反射をなくす役割を果たす。反射防止膜８としては有機物を主成分とする膜を用いることができ、例えば、スピンコート法などによって形成することができる。また、反射防止膜８の膜厚は、例えば４０ｎｍ以上１１０ｎｍ以下とすることができる。尚、本実施の形態においては、反射防止膜８はなくてもよい。

次に、反射防止膜８の上にレジスト膜９を形成する（図４）。レジスト膜９の膜厚は、半導体装置の製造工程に応じた所定の膜厚とすることができるが、例えば、２００ｎｍ以上６００ｎｍ以下とすることができる。

レジスト膜９としては、アルカリ水溶液に可溶なベースポリマーの少なくとも一部の官能基に、保護基として酸不安定基が導入されたアルカリ不溶性ポリマーと、酸発生剤とを含む化学増幅型のレジスト膜を用いる。

ベースポリマーとしては、例えば、アクリル酸系ポリマーなどの脂肪族系ポリマーを用いることができる。

例えば、露光光が波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ光である場合には、ポリ（ノルボルネン−ｃｏ−無水マレイン酸）若しくはその誘導体またはポリ（メチルアダマンチルメタクリレート）若しくはその誘導体などを用いることができる。さらには、露光光が１５７ｎｍのＦ_２エキシマレーザ光である場合には、ポリ（ノルボルネンヘキサフルオロイソプロパノール）若しくはその誘導体またはポリ（テトラフルオロエチレン−ｃｏ−ノルボルネン−ｃｏ−テトラフルオロ−ｔ−ブチルメタクリレート）若しくはその誘導体などを用いることができる。

酸発生剤としては、トリフェニルスルホニウムトリフラートなどの光によって酸を発生する光酸発生剤を用いることができる。但し、本実施の形態においては、感光波長が真空紫外域にない光酸発生剤を用いることが好ましい。

本実施の形態においては、レジスト膜９の形成後であって酸発生のための露光前に、波長２００ｎｍ以下の光、すなわち、真空紫外（ＶａｃｕｕｍＵｌｔｒａＶｉｏｌｅｔ，以下、ＶＵＶという。）光１０をレジスト膜９の全体に照射することを特徴としている（図５）。

ＶＵＶ光としては、例えば、波長１２６ｎｍのＡｒ_２エキシマ光、波長１４６ｎｍのＫｒ_２エキシマ光、波長１５３ｎｍのＦ_２エキシマ光、波長１６５ｎｍのＡｒＢｒエキシマ光、波長１７２ｎｍのＸｅ_２エキシマ光、波長１７５ｎｍのＡｒＣｌエキシマ光、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマ光または波長１０７ｎｍのＫｒＢｒエキシマ光などを用いることができる。

一般に、ＶＵＶ光を有機膜に照射することによって、有機膜中の炭素−炭素結合を直接励起して切断することができる。そこで、本実施の形態においては、レジスト膜にＶＵＶ光を照射して、酸不安定基が導入された官能基をベースポリマーから脱離させる。ここで、官能基の脱離反応はレジスト膜の表面付近でのみ起こるようにする。このようにすることによって、露光後にレジスト膜表面付近での酸濃度が高くなっても、表面付近では、酸の触媒作用により脱離反応を起こす酸不安定基の数が少なくなっているので、レジスト膜全体でみれば略均一にアルカリ可溶性ポリマーが生成することになる。すなわち、レジスト膜の表面付近と内部とでアルカリ水溶液に対する溶解度の差が生じるのを防いで、露光されたレジスト膜の全体が均一にアルカリ水溶液に溶解できるようになる。

ＶＵＶ光の照射量は、酸不安定基が導入された官能基の脱離反応がレジスト膜の表面付近でのみ起こりレジスト膜の内部では起こらない量とする。具体的には、１０ｍＷ／ｃｍ^２以上１００ｍＷ／ｃｍ^２以下の照度のＶＵＶ光を１０秒以下の時間で連続的に照射することができる。この場合、連続照射でなく、パルス的にＶＵＶ光を照射してもよい。パルス的に照射することによって、ＶＵＶ光の照射量をさらに少ない値にすることが可能となる。但し、上記の照度および照射時間は、使用する光源に応じて適宜調整することが好ましい。

図５において、レジスト膜９′は官能基の脱離反応が起きたレジスト膜９の表面層を表わしている。

ＶＵＶ光１０を照射した後は、図６に示すように、所定のマスク１１を介してレジスト膜９に露光光１２を照射する。本実施の形態においては、深紫外（ＤｅｅｐＵｌｔｒａＶｉｏｌｅｔ）から真空紫外の光を露光光１２として用いることができる。例えば、波長１９３ｎｍのＡｒＦエキシマレーザ光、波長１５７ｎｍのＦ_２エキシマレーザ光または波長１３ｎｍのＥＵＶ光などが挙げられる。

この露光は、レジスト膜９に所定の潜像を形成することを目的として行うものである。この際、露光部９ａにおいては、レジスト膜中に含まれる酸発生剤から酸が生じるが、未露光部９ｂでは酸発生剤は露光されないので酸が生じることはない。

次に、露光後のレジスト膜９に対して加熱処理を行う。加熱処理の条件は、例えば、１００℃以上１５０℃以下の温度で６０秒以上９０秒以下の時間とすることができる。

加熱処理を行うと、露光部９ａにおけるレジスト膜９中のアルカリ不溶性ポリマーが、酸と反応してアルカリ可溶性ポリマーになる。すなわち、アルカリ可溶性の官能基をブロックしている酸不安定基が酸の触媒作用によって加熱分解して脱離する。これにより、露光部９ａにアルカリ可溶性ポリマーの構造が生じる。

例えば、アルカリ不溶性ポリマーが式（１）に示す構造を有する場合、露光により生じた酸と反応することによって、式（１）のポリマーは、式（２）に示すアルカリ可溶性ポリマーになる。尚、式（１）において、Ｒはｔ−ブチル基などであり、Ｒ′は水素原子またはメチル基などである。また、−ＣＯＯＲは、本明細書における「酸不安定基が導入された官能基」であり、−Ｒは「酸不安定基」である。

一方、式（１）のアルカリ不溶性ポリマーに弱いＶＵＶ光を照射すると、酸不安定基が導入された官能基（−ＣＯＯＲ）が部分的に脱離して式（３）に示す構造になる。式（３）のアルカリ不溶性ポリマーは、式（１）のアルカリ不溶性ポリマーにおいて、酸不安定基が導入された官能基（−ＣＯＯＲ）の一部が疎水性の基（−Ｒ″）に置換した構造を有している。

図７は、レジスト膜の赤外吸収スペクトルをＶＵＶ光照射前後で測定した結果の一例を示すものである。ＶＵＶ光を照射しない状態（すなわち、式（１）のポリマー構造を有する状態）では、波数１，７００ｃｍ^−１〜１，８００ｃｍ^−２付近にＣ＝Ｏの吸収が見られる。これに対して、ＶＵＶ光を照射するとＣ＝Ｏの吸収は小さくなることから、式（３）に示す構造が形成されていることが分かる。ここで、Ｃ＝Ｏの吸光度は、ＶＵＶ光の照射時間が長くなる程小さくなる。したがって、照射時間を調節することによって、残存するＣ＝Ｏの量を制御することが可能である。

式（３）のアルカリ不溶性ポリマーに酸を作用させると、酸不安定基（−Ｒ）が脱離して、式（４）に示すアルカリ可溶性ポリマーになる。式（４）のアルカリ可溶性ポリマーでは、式（２）のアルカリ可溶性ポリマーに比べて、アルカリ可溶性の基であるカルボキシル基（−ＣＯＯＨ）の数が少なくなっており、代わって疎水性の基（−Ｒ″）が増えている。したがって、アルカリ水溶液に対する溶解度は、式（２）のポリマーに比べると式（４）のポリマーの方が低い。

以上のことをまとめると、次のようになる。

まず、式（１）の構造を有するレジスト膜を形成する。次に、レジスト膜にＶＵＶ光を照射し、レジスト膜の表面付近にのみ式（３）のアルカリ不溶性ポリマーが生じるようにする。続いて、レジスト膜にＡｒＦエキシマレーザなどの露光光を照射すると、酸発生剤から酸が発生する。発生した酸の濃度は、図１１（ｂ）で説明したのと同様に、レジスト膜の表面付近で高くなる。その後、加熱処理を行うと、式（１）および式（３）の酸不安定基（−Ｒ）が酸の触媒作用により加熱分解して脱離する。この際、レジスト膜の表面付近の方が酸濃度は高いので、酸不安定基の脱離反応は、レジスト膜の表面付近の方が内部に比べて起こりやすくなっている。しかし、上記のＶＵＶ光照射によって、表面付近に存在する酸不安定基（−Ｒ）の数を少なくしているので、生成するアルカリ可溶性ポリマーのアルカリ水溶液に対する溶解度は、膜厚方向に略均一な値を有するものとすることができる。

尚、本実施の形態においては、レジスト膜にＶＵＶ光を照射する代わりに電子線を照射しても上記と同様の効果を得ることができる。この場合においても、電子線の照射量は、酸不安定基が導入された官能基の脱離反応がレジスト膜の表面付近でのみ起こりレジスト膜の内部では起こらない量とする。具体的には、加速電圧１ｋｅＶ以上１０ｋｅＶ以下で電流密度５００μＡ／ｃｍ^２以上５０ｍＡ／ｃｍ^２以下の電子線を１０μＣ／ｃｍ^２以上５００μＣ／ｃｍ^２以下の電荷量となるように連続的に照射することができる。この場合、連続照射でなく、パルス的に電子線を照射してもよい。パルス的に照射することによって、電子線の照射量をさらに少ない値にすることが可能となる。

加熱処理を終えた後は、レジスト膜９に対して現像処理を行う。

現像液としては、アルカリ水溶液を用いることができる。アルカリ水溶液としては、例えば、濃度２．３８％のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイドの水溶液を用いることができる。尚、現像液として使用可能なアルカリ水溶液であれば、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド以外の他の物質が含まれていてもよい。

本実施の形態によれば、図６の露光部９ａに生成したアルカリ可溶性ポリマーは、アルカリ水溶液に対して膜厚方向に略均一に溶解する。したがって、現像後に形成されるレジストパターン１３の断面形状を略矩形状に形成することが可能となる（図８（ａ））。すなわち、図１１（ｃ）でレジストパターン２７の上部がテーパ形状に形成されるのに対して、本実施の形態によれば略矩形状のレジストパターン１３が得られる（図８（ｂ））。図８（ｂ）の１３ａはレジスト膜９′に対応し、ＶＵＶ光または電子線を照射することによって脱離反応が起きた層を示している。

レジストパターン１３を形成した後は、これをマスクとして反射防止膜８およびＳｉＯ_２膜７をエッチングする。これにより、反射防止膜パターン１４と、ハードマスクとしてのＳｉＯ_２膜パターン１５が形成される（図９）。例えば、ＣＦ_４（四フッ化炭素）、Ｏ_２（酸素）およびＡｒ（アルゴン）からなる混合ガスをエッチングガスとしたＲＩＥ（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ）法によって、反射防止膜８およびＳｉＯ_２膜７をドライエッチングすることができる。その後、不要となったレジストパターン１３および反射防止膜パターン１４をＯ_２ガスを用いたアッシングなどによって除去する。

次に、ＳｉＯ_２膜パターン１５をマスクとして、多結晶シリコン膜６のエッチングを行う。その後、ゲート絶縁膜５のエッチングを行うことによって、図１０に示すゲート電極パターン１６を得ることができる。

以上述べたように、本実施の形態によれば、レジスト膜にＶＵＶ光または電子線を照射し、酸不安定基が導入された官能基の脱離反応をレジスト膜の表面付近で起こした後に、所定のマスクを介しての露光工程および加熱処理工程を行うので、露光部に生じたアルカリ可溶性ポリマーが膜厚方向に均一にアルカリ水溶液に溶解するようにすることができる。これにより、レジストパターンの断面形状が上部でテーパ形状となるのを抑制することができるので、このレジストパターンをマスクとしてエッチングを行うことにより、被加工基板に微細なパターンを形成することが可能となる。

本実施の形態にかかるパターン形成方法を示す図である。本実施の形態にかかるパターン形成方法を示す図である。本実施の形態にかかるパターン形成方法を示す図である。本実施の形態にかかるパターン形成方法を示す図である。本実施の形態にかかるパターン形成方法を示す図である。本実施の形態にかかるパターン形成方法を示す図である。本実施の形態において、ＶＵＶ光照射前後でのレジスト膜の赤外吸収スペクトルの変化を示す図の一例である。本実施の形態にかかるパターン形成方法を示す図であり、（ａ）は半導体装置の断面図、（ｂ）はレジストパターンの拡大断面図である。本実施の形態にかかるパターン形成方法を示す図である。本実施の形態にかかるパターン形成方法を示す図である。従来のパターン形成方法の説明図であり、（ａ）は空間像を、（ｂ）は潜像を、（ｃ）はレジストパターンの断面図をそれぞれ示す。

符号の説明

１シリコン基板
２素子分離領域
３Ｎウェル
４Ｐウェル
５ゲート絶縁膜
６多結晶シリコン膜
７ＳｉＯ_２膜
８反射防止膜
９，２５レジスト膜
１０ＶＵＶ光
１１，２３マスク
１２，２０露光光
１３，２７レジストパターン
１４反射防止膜パターン
１５ＳｉＯ_２膜パターン
２１遮光部
２２透光部
２４空間像
２６潜像

Claims

被加工基板の上に、アルカリ水溶液に可溶なベースポリマーの少なくとも一部の官能基に酸不安定基が導入されたアルカリ不溶性ポリマーと、酸発生剤とを含む炭素−酸素結合を有する膜厚が６００nm以下の化学増幅型のレジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜の全面に波長２００nm以下の真空紫外光を１０ｍＷ／ｃｍ ^２以上１００ｍＷ／ｃｍ ^２以下の照度および１０秒以下の照射時間で連続的またはパルス的に照射することによって、前記レジスト膜の表面付近において、前記酸不安定基が導入された官能基の脱離反応を起こす工程と、
前記レジスト膜に所定のマスクを介して露光光を照射することによって、露光部で前記酸発生剤から酸を発生させる工程と、
前記レジスト膜に加熱処理を行うことによって、前記露光部における前記アルカリ不溶性ポリマーの前記酸不安定基を前記酸の作用により脱離させてアルカリ可溶性ポリマーにする工程と、
前記レジスト膜に現像処理を行うことによって、前記レジスト膜の未露光部からなるレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンをマスクとする前記被加工基板のエッチングによって、前記被加工基板にパターンを形成する工程とを有することを特徴とするパターン形成方法。
被加工基板の上に反射防止膜を形成する工程と、
前記反射防止膜の上に、アルカリ水溶液に可溶なベースポリマーの少なくとも一部の官能基に酸不安定基が導入されたアルカリ不溶性ポリマーと、酸発生剤とを含む炭素−酸素結合を有する膜厚が６００nm以下の化学増幅型のレジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜の全面に波長２００nm以下の真空紫外光を１０ｍＷ／ｃｍ ^２以上１００ｍＷ／ｃｍ ^２以下の照度および１０秒以下の照射時間で連続的またはパルス的に照射することによって、前記レジスト膜の表面付近において、前記酸不安定基が導入された官能基の脱離反応を起こす工程と、
前記レジスト膜に所定のマスクを介して露光光を照射することによって、露光部で前記酸発生剤から酸を発生させる工程と、
前記レジスト膜に加熱処理を行うことによって、前記露光部における前記アルカリ不溶性ポリマーの前記酸不安定基を前記酸の作用により脱離させてアルカリ可溶性ポリマーにする工程と、
前記レジスト膜に現像処理を行うことによって、前記レジスト膜の未露光部からなるレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンをマスクとする前記被加工基板のエッチングによって、前記被加工基板にパターンを形成する工程とを有することを特徴とするパターン形成方法。
被加工基板の上に、アルカリ水溶液に可溶なベースポリマーの少なくとも一部の官能基に酸不安定基が導入されたアルカリ不溶性ポリマーと、酸発生剤とを含む炭素−酸素結合を有する膜厚が６００nm以下の化学増幅型のレジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜の全面に電子線を１ｋｅＶ以上１０ｋｅＶ以下の加速電圧で５００μＡ／ｃｍ ^２以上５０ｍＡ／ｃｍ ^２以下の電流密度の電子線を１０μＣ／ｃｍ ^２以上５００μＣ／ｃｍ ^２以下の電荷量で連続的またはパルス的に照射することによって、前記レジスト膜の表面付近において、前記酸不安定基が導入された官能基の脱離反応を起こす工程と、
前記レジスト膜に所定のマスクを介して露光光を照射することによって、露光部で前記酸発生剤から酸を発生させる工程と、
前記レジスト膜に加熱処理を行うことによって、前記露光部における前記アルカリ不溶性ポリマーの前記酸不安定基を前記酸の作用により脱離させてアルカリ可溶性ポリマーにする工程と、
前記レジスト膜に現像処理を行うことによって、前記レジスト膜の未露光部からなるレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンをマスクとする前記被加工基板のエッチングによって、前記被加工基板にパターンを形成する工程とを有することを特徴とするパターン形成方法。
被加工基板の上に反射防止膜を形成する工程と、
前記反射防止膜の上に、アルカリ水溶液に可溶なベースポリマーの少なくとも一部の官能基に酸不安定基が導入されたアルカリ不溶性ポリマーと、酸発生剤とを含む炭素−酸素結合を有する膜厚が６００nm以下の化学増幅型のレジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜の全面に電子線を１ｋｅＶ以上１０ｋｅＶ以下の加速電圧で５００μＡ／ｃｍ ^２以上５０ｍＡ／ｃｍ ^２以下の電流密度の電子線を１０μＣ／ｃｍ ^２以上５００μＣ／ｃｍ ^２以下の電荷量で連続的またはパルス的に照射することによって、前記レジスト膜の表面付近において、前記酸不安定基が導入された官能基の脱離反応を起こす工程と、
前記レジスト膜に所定のマスクを介して露光光を照射することによって、露光部で前記酸発生剤から酸を発生させる工程と、
前記レジスト膜に加熱処理を行うことによって、前記露光部における前記アルカリ不溶性ポリマーの前記酸不安定基を前記酸の作用により脱離させてアルカリ可溶性ポリマーにする工程と、
前記レジスト膜に現像処理を行うことによって、前記レジスト膜の未露光部からなるレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンをマスクとする前記被加工基板のエッチングによって、前記被加工基板にパターンを形成する工程とを有することを特徴とするパターン形成方法。
前記真空紫外光は、Ａｒ_２エキシマ光、Ｋｒ_２エキシマ光、Ｆ_２エキシマ光、ＡｒＢｒエキシマ光、Ｘｅ_２エキシマ光、ＡｒＣｌエキシマ光、ＡｒＦエキシマ光およびＫｒＢｒエキシマ光よりなる群から選ばれる請求項１又は２のいずれかに記載のパターン形成方法。
前記露光光は、ＡｒＦエキシマレーザ光、Ｆ_２エキシマレーザ光およびＥＵＶ光よりなる群から選ばれる請求項１〜５のいずれか１に記載のパターン形成方法。
前記ベースポリマーは脂肪族系ポリマーである請求項１〜６のいずれか１に記載のパターン形成方法。
前記脂肪族系ポリマーはアクリル酸系ポリマーである請求項７に記載のパターン形成方法。
前記アルカリ水溶液は、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイドを含む水溶液である請求項１〜８のいずれか１に記載のパターン形成方法。