JPH05291130A

JPH05291130A - 多層レジスト法及び半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH05291130A
Application number: JP9628592A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Shiraishi; 洋白石; Takashi Soga; 隆曽我; Fumio Murai; 二三夫村井; Hidenori Yamaguchi; 秀範山口; Toshio Sakamizu; 登志夫逆水
Original assignee: Hitachi Chemical Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Showa Denko Materials Co Ltd
Priority date: 1992-04-16
Filing date: 1992-04-16
Publication date: 1993-11-05

Abstract

(57)【要約】【構成】酸素の反応性イオンエッチング耐性を有するシ
リコン含有化学増幅系レジストを用いて形成した上層レ
ジスト２に接する下層レジスト層３の組成中に、化学増
幅系レジストの現像に係わる潜像形成反応で使用される
触媒と同種の触媒を発生させる触媒前駆体をあらかじめ
含有させ、活性化学線１のパタン露光によって、上層レ
ジスト中に化学増幅反応の触媒発生部からなる露光潜像
形成と同時にその潜像に接する下層レジスト部にも触媒
物質を発生させる。【効果】化学増幅系シリコン含有レジストからなる上層
レジスト中に発生した触媒物質の、有機樹脂からなる下
層レジストへの拡散に伴う上層レジストパタンの劣化を
防ぎ、高集積半導体装置の微細加工を高精度かつ高効率
で実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＫｒＦエキシマレーザ
（２４８ｎｍ）等を光源にした遠紫外線リソグラフィや
電子線リソグラフィに多層レジスト法を適用してパタン
形成を行う半導体装置の製造方法に係り、特に、これら
の線源に高い感度を示す化学増幅系シリコン含有レジス
トを用いて、工程の簡略化を図った多層レジスト法及び
多層レジスト法を用いた半導体装置の製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、光リソグラフィで用いられる感光
性樹脂材料、フォトレジストは、被エッチング加工基板
上に形成された塗膜として用いられ、この塗膜に所定の
パタン状の光を照射し、当該パタン状潜像を当該塗膜中
に形成し、現像することで所定パタンのレジスト像を得
る。光リソグラフィは、このレジスト像をマスクとして
エッチング工程により被エッチング加工基板上に所定パ
タンを形成するものであった。

【０００３】近年、このような単層レジスト法では、加
工寸法に対して基板の段差が無視できない大きさにな
り、段差によって生じるレジストの膜厚変動が解像度に
影響する事態となってきた。すなわち、パタン状照射光
と基板からの反射光とはレジスト膜中で定在波を形成
し、そのレジスト中の潜像に影響を与えるが、基板段差
によってレジスト膜厚が変化していればその像質に対す
る影響も大きくなる。さらに、最適な現像時間もレジス
ト膜厚によって異なるので、解像性能は、基板段差の有
無により更に左右される。

【０００４】このような問題を解決する手段の一つは、
多層レジスト法と呼ばれる方法で、代表的な方法は、エ
ッチング加工するべき基板上にそのエッチング加工に大
きな耐性を持つ有機樹脂からなる下層レジスト，塗布性
ガラス等からなる比較的薄い中間層、そして、紫外線等
のパタン状露光によって所定パタンイメージを形成する
上層レジストの３層を用いる３層レジスト法と呼ばれる
ものである。３層レジスト法等の多層レジスト法では、
段差のある基板も下層レジストによって平坦化される。
そのため、この下層レジストは、平坦化層とも呼ばれ
る。平坦化層上に形成された中間層は、所定パタンイメ
ージを形成した上層レジストをマスクとするエッチング
によりパタン転写される。続いて、この中間層パタンを
マスクに、酸素の反応性イオンエッチング(Ｏ₂ＲＩＥ）
等により有機樹脂からなる下層平坦化層にパタン転写を
行う。

【０００５】この方法では、下層平坦化層を、パタン形
成前に充分熱架橋反応等で安定化できるので、さまざま
な基板のドライエッチングに対しても充分な耐性を持た
せることができて、汎用性が高く、下層レジストへのパ
タン転写に用いるエッチング加工に方向性のある反応性
イオンエッチングを使用できるので形成された下層レジ
ストパタンは、高いアスペクト比のものになる。また、
上層イメージングレジストも、すでに平坦化された基板
上に形成でき、しかも、一般に、有機高分子系のレジス
トは、中間層であるガラス質のエッチングに用いるフッ
素プラズマに対する耐性が大きく、比較的薄膜で使用で
きるので、単層レジストを用いたリソグラフィに比べ解
像性能の点で有利である。

【０００６】しかし多層レジスト法は、そのプロセスが
複雑で工業的に用いるうえで不利である。これを補うた
めに、上層レジストとして、Ｏ₂ＲＩＥ耐性の大きなシ
リコン含有型のレジストを用いる方法も開発されてい
る。このような２層レジスト法に使用できるシリコン含
有レジストに関しては、米国特許第4,689,288 号，第4,
722,881号等に記載されている。

【０００７】一方、最近リソグラフィ光源に関して、光
学的解像度を向上するため、従来広く用いられていた、
高圧水銀ランプの輝線であるｇ-線（４３６ｎｍ）やｉ-
線（３６５ｎｍ）より短波長の線源である、ＫｒＦエキ
シマレーザ（２４８ｎｍ）等を光源にした遠紫外線リソ
グラフィや、電子線リソグラフィ，Ｘ線リソグラフィ等
の検討が進められている。これらの線源に感度や解像
度，露光プロファイル等の点で有利な種々の化学増幅系
レジストが開発された。特開平2−173647 号,特開平2−
129642 号，特開平2−105156 号公報に記載されている
ように、２層レジスト法への適用をめざしたシリコン含
有型の化学増幅系レジストの開発も行われている。

【０００８】化学増幅系レジストとは、パタン状露光に
よって触媒物質を生成せしめ、この触媒物質を触媒とす
る反応によって、現像に関わるパタン形成反応を誘起す
ることを利用したレジストである。従って、パタン状露
光によって、直接、現像に係わる潜像の形成反応を誘起
する従来のレジストに比べ、露光によって生成するわず
かな触媒を潜像形成反応に利用するので、実効的に高い
感度となる。

【０００９】しかし、これを上層イメージングレジスト
として多層レジスト法に用いる場合、露光によって生じ
たわずかな触媒が、それと接する下層レジストに拡散す
ることで、界面部の触媒濃度が低下し、潜像形成反応が
不十分となり、現像パタンが劣化する。３層レジストプ
ロセスに化学増幅系レジストを適用した場合に出現する
このような現象とその対策に関しては、特開平3−14163
2号，特開平2−290012号に述べられている。しかし、シ
リコン含有化学増幅系レジストを用いた２層レジスト法
では、上層イメージングレジストに接する下層は有機樹
脂層であり、公知例に記載された方法を用いることはで
きない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の課題
は、シリコン含有化学増幅系レジストを上層イメージン
グレジストとして形成したパタンを、有機樹脂からなる
下層レジストに酸素の反応性イオンエッチングで転写す
る多層レジスト法で問題となる露光生成触媒の下層への
拡散に基づくパタン劣化を防止し、工業的に有利な多層
レジスト法を実現することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題は、シリコン含
有化学増幅系レジストを用いて形成した上層レジストパ
タンをマスクとして、このパタンを酸素プラズマを含む
ドライエッチング媒体を用いて有機樹脂からなる下層レ
ジスト層に転写する多層レジスト法において、前記下層
レジストの少なくとも前記上層レジストに接触する部分
の組成中に、化学増幅系レジストの現像に係わる潜像形
成反応で使用される触媒と同種の触媒を発生させる触媒
発生剤を含有することを特徴とする多層レジスト法によ
って達成される。

【００１２】本発明に使用できるシリコン含有化学増幅
系レジストは、特開平2−173647 号，特開平2−129642
号，特開平2−105156 号公報に記載される活性化学線の
照射によって、酸等の触媒物質を生成し、触媒物質生成
部に沿って、現像に係わる潜像を触媒反応によって形成
するシリコン樹脂を用いたパタン形成用組成物が挙げら
れる。

【００１３】本発明の下層レジストの少なくとも上層レ
ジストに接触する部分の組成中に、含有させる触媒発生
剤は、上層レジストの現像に係わる潜像形成反応で使用
される触媒と同種の触媒を発生させる触媒発生剤、たと
えば、触媒が酸性物質であれば同様の酸性物質であれば
良い。しかし、同一の触媒を生成するものであればさら
に好適である。

【００１４】下層レジスト層は、半導体基板のドライエ
ッチング加工のレジストパタンそのものとなるので、熱
処理等によって架橋不溶化していることが望ましいが、
さらに、上層レジスト塗布時には、すでに塗布溶媒に対
して不溶していることが必要である。したがって、下層
レジスト中に含有せしめる触媒発生剤は、下層レジスト
の不溶化処理に十分耐性を持つことが望まれる。この点
で、加熱処理による下層レジストの不溶化を利用する場
合には、酸触媒反応を利用する化学増幅系に対しては、
耐熱性の大きなオニウム塩が好適であった。しかし、本
発明は、パタン露光に沿って上層レジストに接する下層
レジスト部分に、上層レジストの現像に係わる潜像を形
成する触媒反応を補償する触媒を生成せしめることに特
徴があるのであって、酸触媒発生剤としてオニウム塩に
限定するものではない。

【００１５】

【作用】シリコン含有化学増幅系レジストを用いて形成
した上層レジストパタンをマスクとして、パタンを酸素
プラズマを含むドライエッチング媒体を用いて有機樹脂
からなる下層レジスト層に転写する多層レジスト法で
は、上層レジスト中に潜像に沿って生成された触媒物質
は、下層レジスト層との界面付近において濃度勾配を生
じる。従って、下層レジスト層が上層レジストのマトリ
ックス樹脂と類似した有機樹脂層であると、濃度勾配に
依存した下層レジスト層への生成触媒物質の拡散は避け
られず、これに伴って上層レジストの現像に係わるパタ
ン潜像形成反応もこの界面付近において不十分となり、
良好な上層レジストパタンが得られなくなった。

【００１６】本発明では、下層レジストの少なくとも上
層レジストに接触する部分の組成中に、化学増幅系レジ
ストの現像に係わる潜像形成反応で使用される触媒と同
種の触媒を発生させる触媒発生剤を含有するので、上層
レジストへのパタン状露光にともなって、必然的に露光
される下層レジストの上層レジストに接する部分にも、
上層レジストの現像に係わるパタン潜像形成反応に使用
されるものと同種の触媒物質が生成される。この下層レ
ジスト中に生成した触媒物質が、上層レジスト中に潜像
に沿って生成された触媒物質の下層レジスト層への拡散
に伴って失われる触媒物質の補償作用をはたすため、上
層レジスト中の現像に係わる潜像形成反応が下層レジス
トとの界面において不十分となることは、大幅に減少、
あるいは、回避できる。

【００１７】

【実施例】

〈実施例１〉電子線描画技術を用いてシリコン半導体装
置の配線層を加工するプロセスに、本発明を適用した実
施例について図１を用いて説明する。

【００１８】シリコン半導体基板６上に配線層となる厚
さ０.７μｍのアルミニウム膜５を形成した後、放射線
誘起導電性下層レジスト材料ＲＥ−３９６０Ｂ（日立化
成工業製品）を塗布し、１８０℃で５分間ベークして厚
さ１.６μｍの第二の下層レジスト層４を形成した。

【００１９】その上に、クレゾールノボラック樹脂：８
０重量部、トリヒドロキシベンゾフェノンとｏ−ナフト
キノンジアジドスルホン酸の３置換エステルを熱架橋材
として１５重量部、酸発生剤としてトリフェニルスルホ
ニウムトリフルオロメタンスルホン酸塩：５重量部から
なる組成物を、固形分濃度約７ｗｔ.％で酢酸２−エト
キシエチルに溶解した溶液から回転塗布法で塗膜を形成
し、さらに、１８０℃で１０分間ベークして厚さ０.１
５μｍの酸発生剤を含有した第一の下層レジスト層３
とした。

【００２０】次に、シリコン含有化学増幅系レジストと
してアルカリ可溶性のシリコン樹脂であるポリヒドロキ
シベンジルシルセスキオキサン：９０重量部とジフェニ
ルシランジオール：１０重量部、トリフェニルスルホニ
ウムトリフルオロメタンスルホン酸塩：８重量部からな
る組成物を固形分濃度約２０ｗｔ.％で酢酸２−エトキ
シエチルに溶解した溶液から回転塗布法で塗膜を形成
し、さらに、８０℃で１０分間ベークして厚さ０.３μ
ｍの上層レジスト層２とした。

【００２１】活性化学線１として、加速電圧３０ｋＶの
電子線描画装置を用いて、所定の配線パタン状に電子線
を照射量：２マイクロクーロン／cm²で描画した。上層
レジスト中の電子線露光部に沿って形成された酸触媒発
生部分からなる潜像７の直下には、おなじ露光によって
上層レジスト中の酸触媒の拡散を補償する酸触媒発生部
８が形成される。

【００２２】次いで半導体基板を９０℃で１０分間ベー
クすることで、パタン形状に応じた現像に係わる潜像の
形成反応を促進し、水酸化テトラメチルアンモニウム水
溶液(濃度１.４ｗｔ％）を現像液として、上層レジスト
層２を現像し、現像パタン９を得た。現像パタン９をエ
ッチングマスクとして第二及び第一の下層レジスト層４
を酸素の反応性イオンエッチングによりエッチング処理
し、配線層５を加工するために用いる下層レジストパタ
ン１０を得た。このレジストパタンをエッチングマスク
としてアルミニウム配線層５をドライエッチング加工し
たところアスペクト比の良好な微細な配線パタン１１を
形成できた。

【００２３】〈実施例２〉電子線に代えて、波長２４８
ｎｍのＫｒＦエキシマレーザ光源を用いた遠紫外線露光
技術を用いた以外は、実施例１と同様なプロセスを用い
て、シリコン半導体装置の配線層を加工したところ、ア
スペクト比の良好な微細な配線パタンを形成できた。こ
のとき、遠紫外線の露光量は、５ミリジュール／cm²で
あった。

【００２４】〈実施例３〉実施例１における活性化学線
として、線幅０.５μｍ以下のパタンは、電子線を用い
て描画し、それより大きい線幅を持つパタンは実施例２
で使用したＫｒＦエキシマレーザステッパを用いて露光
したことを除いて他のプロセスは、実施例１に準じる方
法で、半導体基板状にアルミニウム配線層を加工したと
ころ実施例１より短時間で同様の良好なアスペクト比の
配線パタンを形成できた。

【００２５】

【発明の効果】本発明によれば、電子線やエキシマレー
ザ光源など遠紫外線を線源に用い、多層レジスト法を適
用してパタン形成を行う半導体装置の製造方法で、これ
らの線源に高い感度を示す化学増幅系シリコン含有レジ
ストを用いて、工程の簡略化を図った多層レジスト法及
び多層レジスト法を用いた半導体装置の製造方法で問題
となる露光によって発生した触媒物質の下層レジストへ
の拡散にもとづくパタンの劣化を防止できたので、高集
積半導体装置の微細加工を高精度かつ高効率で実現でき
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の多層レジスト法を適用して潜像形成に
電子線描画技術を用いたプロセスの説明図。

【符号の説明】

１…活性化学線、２…シリコン含有化学増幅系レジスト
からなる上層レジスト層、３…酸発生剤を含有する第一
の下層レジスト層、４…有機樹脂からなる第二の下層レ
ジスト層、５…配線金属層、６…半導体基板、７…補償
触媒発生部、８…潜像形成部、９…現像パタン、１０…
下層レジストパタン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者村井二三夫東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者山口秀範東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者逆水登志夫東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン含有化学増幅系レジストを用いて
形成した上層レジストパタンをマスクとして、前記上層
レジストパタンを酸素プラズマを含むドライエッチング
媒体を用いて有機樹脂からなる下層レジスト層に転写す
る多層レジスト法において、前記下層レジスト層の少な
くとも前記上層レジストに接触する部分の組成中に、化
学増幅系レジストの現像に係わる潜像形成反応で使用さ
れる触媒と同種の触媒を発生させる触媒発生剤を含有す
ることを特徴とする多層レジスト法。
【請求項２】請求項１において、前記化学増幅系レジス
トの現像に係わる潜像形成反応で使用される触媒が、酸
性物質であって、前記下層レジスト中に含有する触媒発
生剤が酸発生剤である多層レジスト法。
【請求項３】請求項２において、半導体基板上の所定の
膜構造をリソグラフィプロセスでパタン状に加工する工
程を含み、少なくとも一つのリソグラフィプロセスを含
む半導体装置の製造方法。
【請求項４】請求項３において、前記多層レジスト法の
適用プロセスが配線層の加工プロセスである半導体装置
の製造方法。