JPH0786127A - レジストパターンの形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】裾引きやくびれを有しない断面を有するパター
ンを形成するためのレジストパターンの形成方法を提供
する。 【構成】基板上に光の照射により酸を発生する物質を含
む反射防止膜を形成する工程と、前記反射防止膜の上に
溶解抑止基を導入した樹脂と光の照射により酸を発生す
る物質とからなる化学増幅型レジスト膜を形成する工程
と、前記化学増幅型レジスト膜を所定のパターンに露光
する工程と、露光後のレジスト膜を現像する工程とを具
備するレジストパターンの形成方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造に用
いられるレジストパターンの形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の集積度は、２〜３年で
４倍というスピードで高集積化しており、これに伴って
回路素子のパターン寸法も年々微細化しているので、寸
法精度を厳密にコントロールすることが必要になってき
ている。

【０００３】半導体集積回路の製造においては、半導体
薄膜などの被加工膜上に微細なパターンを形成し、この
パターンをマスクとして該被加工膜をエッチングする方
法が多用されているが、この場合のパターンの形成は、
通常次のような操作により行われる。即ち、半導体薄膜
などの被加工膜上に樹脂及び感光剤を含む溶液を塗布
し、それを乾燥してレジスト膜を形成し、該レジスト膜
に対し選択的に光などのエネルギー線を照射する露光処
理を行なった後、現像処理によって基板上にマスクパタ
ーン（レジストパターン）を得るものである。

【０００４】従来、このようなパターンの形成に使用さ
れるレジスト材料としては、露光光に対する感度、及び
ドライエッチング耐性に優れたフェノール樹脂を用いた
ものが主であったが、最近では、高解像性と高感度とを
有する酸触媒を利用した化学増幅型レジストへの期待が
高まっている。この化学増幅型レジストは、溶解抑止基
を導入した樹脂と光酸発生剤（ＰＡＧ：フォトアシッド
ジェネレーター）とを含むものであり、ポジ型レジスト
の場合は、露光によりＰＡＧから酸が発生してこの酸が
露光後ベーク（ＰＥＢ：ポストエクスポージャーベー
ク）によりレジスト中に拡散し、溶解抑止基に触媒とし
て作用して樹脂からこれを解離させる。この結果、露光
部は現像液に対して可溶性となるため、ポジ型パターン
が形成される。また、ネガ型レジストの場合は、上記の
成分に加えてさらに架橋剤を含んでおり、ＰＡＧから発
生した酸が触媒として架橋剤に作用し、この中に活性点
を作り出す。この活性点を介して樹脂の架橋が進むこと
により、架橋された領域は現像液に対して難溶性となっ
てネガ型パターンが形成される。

【０００５】このような化学増感型レジストは、酸触媒
反応を利用しているので高感度であり、かつ少量の感光
剤によりパターンの形成が可能である。特に光を用いた
露光においては露光波長の光でのレジストによる吸収が
小さく、深さ方向での光強度の低下が少ない。即ち、化
学増幅型レジストは透明性が高いため、パターン側壁の
垂直性がよく、寸法精度の優れたパターンを形成し易い
という利点がある。

【０００６】しかし、この高い透明性のために、化学増
幅型レジストを塗布したレジスト膜は、下地からの露光
光の反射の影響を受け易い。即ち、レジスト膜中におけ
る定在波効果が大きいので、レジスト中に吸収される光
エネルギーが、膜厚変動により大きく変わる。この光エ
ネルギーの吸収量の変化は、パターンの寸法変動の要因
となり、レジストや下地等の膜厚変動、及び段差によっ
て、図３（ａ）に示すように寸法が大きく変わることに
なる。ＡｌやＷＳｉなどの高反射率基板や露光光に対し
て透明な酸化膜基板などを用いた場合には、これらの寸
法変動が特に懸念され、後者の酸化膜基板は、下地の膜
厚変動によるレジストの光エネルギーの吸収量の変化が
特に大きい。また、高反射率基板上では、ハレーション
やノッチングが起き易いという問題点がある。このため
に、光露光による化学増幅型レジストプロセスでは、反
射防止膜が必要となり、塗布型の有機系反射防止膜やス
パッタ法、ＣＶＤ法により形成される無機系反射防止膜
が検討されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
有機系反射防止膜や無機系反射防止膜を基板上に形成し
た場合、レジスト膜と反射防止膜との間の界面におい
て、図４（ｃ）に示すようなパターンの裾引き（ポジ型
レジストの場合）、又は図４（ｄ）に示すようなパター
ンのくびれ（ネガ型レジストの場合）が起こるというプ
ロファイルの異常が問題となった。ポジ型の場合に発生
するパターンの裾引きは、被加工膜のエッチング時に寸
法変動の要因となり、加工後の膜の側壁形状を悪化させ
る原因ともなる。また、ネガ型の場合のくびれは寸法制
御を困難にし、最悪の場合にはパターンの倒れを引き起
こす。

【０００８】段差を有する基板上にパターンを形成した
場合には、反射防止膜を設けることにより寸法の不均一
は避けられたが、図３（ｂ）に示すようにパターンの下
部に裾引きが発生した。

【０００９】このような現象は、化学増幅型レジストの
酸触媒反応を利用するパターン形成方法に原因があると
考えられている。また、これら反射防止膜の他に、多層
レジストプロセスで用いる中間層としての樹脂層や、Ｂ
ＰＳＧ、ＳＯＧ、Ａｌ等の特定の被加工膜との界面にお
いてレジストパターンプロファイルの異常が発生する。
例えば、Ｓｕｇａらは化学増幅型ネガレジストにおい
て、パターンのアンダーカットが発生することを報告し
ている（Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎ
ｅｅｒｉｎｇ １４（１９９１）２４９）。

【００１０】以上の化学増幅型レジストの基板との界面
でのプロファイルの異常を解決する手段としては、いく
つか提案されているが、いずれも多層レジストプロセス
に限定されている。例えば、特開平５−９４０２３号に
は、多層プロセスで用いる化学増幅型レジストの下地の
樹脂膜として、水酸基を有しない有機高分子材料を用い
る方法が開示されており、特開平５−１０７７６９号に
は、光酸発生剤を含有したシリコン含有樹脂層を用いる
方法が開示されている。これらの方法は、単層レジスト
プロセスで重要な反射防止の必要性を考慮しておらず、
また、多層プロセスにおいては、中間層や下層レジスト
層のドライ現像によるエッチング変換差が大きくなるの
で工程も煩雑になる。したがって、これらの方法を単層
レジストプロセスに適用することは実用的でない。そこ
で、本発明の目的は、寸法安定性に優れ、かつ下地との
界面における裾引きやくびれを防止したレジストパター
ンの形成方法を提供することにある。

【００１１】

【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、基板上に光の照射により酸を発生する物
質を含む反射防止膜を形成する工程と、前記反射防止膜
の上に溶解抑止基を導入した樹脂と光の照射により酸を
発生する物質とからなる化学増幅型レジスト膜を形成す
る工程と、前記化学増幅型レジスト膜を所定のパターン
に露光する工程と、露光後のレジスト膜を現像する工程
とを具備するレジストパターン形成方法を提供する。

【００１２】本発明の方法において形成される反射防止
膜は、ベース樹脂として、ノボラック系の樹脂やポリイ
ミドなど露光波長に対して吸収を有する高分子材料を使
用することが好ましい。なお、ベース樹脂を適宜選択す
ることにより適切な屈折率を与えることができる。

【００１３】また、酸発生剤としては、トリフェニルス
ルフォニウム塩などのオニウム塩やナフトキノンジアジ
ド系の感光剤があげられる。この酸発生剤は、ベース樹
脂に対して０．１〜３０％程度加えることが好ましい。

【００１４】本発明で使用される反射防止膜は、ベース
樹脂に酸発生剤を混合した後、溶剤で稀釈して基板上に
塗布する。なお、予め酸性の感光性組成物を塗布して反
射防止膜を形成することは、本発明においては好ましく
ない。例えば、ポジ型レジストでは未露光領域の基板界
面が可溶性となるため、現像時にレジストパターンの剥
がれが起こるおそれがあり、またネガ型レジストでは、
未露光領域でレジストの架橋反応が起こり、レジスト残
渣の残るおそれがある。

【００１５】

【作用】従来問題とされていた反射膜防止膜上でのパタ
ーン形状の異常について、本発明者らは、レジスト膜と
反射防止膜との界面付近での酸の基板への拡散、及び反
射防止膜中に存在する不純物のレジスト膜内への拡散に
起因すると考えた。即ち、図４（ａ）に示すように、露
光によりレジスト膜内に発生した酸は、ＰＥＢ工程で反
射防止膜に拡散する（図４（ｂ））ため、界面付近の酸
触媒反応が阻害される。この結果、ポジ型レジストで
は、露光領域内での下地との界面付近で親水性基の発生
が抑制され、現像液に対する溶解性が不十分になり、図
４（ｃ）に示すように難溶化層によるすそ引きが発生
し、ネガ型レジストの場合には、レジストの架橋反応が
抑制されるので、図４（ｄ）に示すようにパターンにア
ンダーカットが発生する。

【００１６】本発明のパターン形成方法においては、光
の照射により酸を発生する物質（光酸発生剤）を含む反
射防止膜を、基板とレジストとの間に設けている。その
ため、上述のようなパターン形状の異常を防ぐことがで
きる。即ち、露光により、露光領域のレジスト膜及びそ
の下層に位置する反射防止膜に発生した酸は、後の熱処
理工程においても、該露光領域内に存在し、レジスト中
に発生した酸が反射防止膜中に拡散することはない。し
たがって、基板付近の酸濃度がレジストのバルク中の濃
度と同程度となるので断面矩形の良好な形状のパターン
が得られる。

【００１７】なお、反射防止の機能により、段差のある
基板においても、レジストや下地の膜厚変動による寸法
変動やハレーション及びノッチングによるパターンの異
常もなく、寸法精度よくパターンを容易に形成すること
ができる。

【００１８】また、本発明の反射防止膜は、前述した多
層プロセスによる方法と異なり、０．２μｍ以下の膜厚
で十分である。このため、この反射防止膜は、下層をド
ライエッチング法でパターン形成する場合でも、エッチ
ングによる変換差は付きにくいという利点がある。

【００１９】

【実施例】以下に図面を参照して、本発明のパターンの
形成方法を具体的に説明する。図１に、本発明のパター
ンの形成方法の工程順に示す断面図である。まず、図１
（ａ）に示すように、酸発生剤を含む感光性組成物を、
下地基板１上に０．０５〜０．３μｍ程度の膜厚で塗布
し、反射防止膜２を形成する。このときの膜厚は、レジ
スト膜厚及び下地膜厚の変動により、レジスト膜の光エ
ネルギーの吸収量が変化しないために十分であればよ
い。なお、ここで使用する基板は、段差を有していても
よい。

【００２０】この基板１上に塗布された反射防止膜を加
熱又はＵＶ照射などの方法により架橋させ、それによっ
てレジストに対して不溶化する。この工程により、レジ
スト塗布時におけるレジストと反射防止膜とのミキシン
グを防止することができる。なお、架橋のための手法
は、２つ以上を組み合わせて用いてもよい。

【００２１】続いて、前記反射防止膜２上に化学増幅型
レジストを所定の厚さに塗布し、レジスト膜３を形成す
る。次いで、レジスト膜中に、図１（ａ）に示すよう
に、マスク５を介して露光光４を照射する。これによっ
て、レジスト膜３の露光領域３ａ、及びその下層に位置
する反射防止膜２の部分に酸６が発生する。

【００２２】次に、十分な感度が得られ、かつ溶解抑止
剤が分解しない温度範囲で、８０〜１３０℃でＰＥＢを
行ない、先に発生した酸を露光領域のレジスト膜中に拡
散させて、レジスト膜３中の露光領域３ａと未露光領域
３ｂとに現像液に対する溶解速度のコントラストをつけ
る。本発明の方法においては、反射防止膜２中でも酸が
発生しているので、レジスト膜３の界面付近において酸
が欠乏することはない。即ち、露光領域のレジスト膜３
ａにおいては、界面付近での酸濃度が、バルク中の酸濃
度と同程度となっている。

【００２３】最後に、現像処理を行ない、レジスト膜３
の露光領域３ａを除去することにより、図１（ｃ）に示
すような断面矩形の良好な形状のパターンが得られる。
以下、本発明の具体例及び比較例を示して、本発明によ
るレジストパターン形成方法を詳細に説明する。なお、
これらの実施例は、本発明の理解を容易にする目的のた
めに記載されるものであり、本発明を限定するものでは
ない。

【００２４】（実施例１）ベース樹脂及び光酸発生剤と
して、それぞれ、ｉ線用レジストＩＸ５００ＥＬ（日本
合成ゴム社製）及びトリフェニルスルフォニウム−トリ
フルオメタンスルフォネートを用いて感光性樹脂組成物
を調製した。光酸発生剤は、樹脂固形分に対して３％の
濃度で添加し、乳酸エチルで薄めて使用した。得られた
感光性樹脂組成物を、０．１μｍの段差を有するＡｌ基
板上にスピンコート法を用いて塗布した。ついで、ホッ
トプレート上で１６０℃で３０分間加熱し、レジスト溶
剤に対して不溶な０．１μｍの膜厚を有する反射防止膜
を形成した。

【００２５】反射防止膜を形成した基板を室温まで冷却
した後、前記反射防止膜上に化学増幅型ポジレジストＡ
ＰＥＸ−Ｅ（ＩＢＭ社製）を塗布し、ホットプレート上
で９０℃で９０秒間加熱して、約０．１μｍ膜厚のレジ
スト膜を形成した。

【００２６】次いで、ＫｒＦエキシマレーザー光（λ＝
２４８ｎｍ）を光源とする縮小投影型露光装置ＮＳＲ１
７５５ＥＸ８Ａ（ＮＡ＝０．４５（ニコン社製））を用
いて、前記レジスト膜にパターン露光を行なった後、ホ
ットプレート上で９０℃で６０秒間加熱した。

【００２７】最後に、前記レジスト膜をＭＦ−３２１現
像液（シップレー社製）で現像し、反射防止膜上に０．
４μｍのラインアンドスペースのパターンを形成した。
このレジストパターンの断面を走査型電子顕微鏡により
観察したところ、Ａｌ上で見られるレジストパターンの
界面での裾引きはみられなかった。

【００２８】また、段差の上と下でのレジスト膜厚の変
動による寸法変動は、±０．０４μｍ以下であり、図２
に示すようにハレーションやノッチングのない良好な形
状のパターンを形成することができた。

【００２９】（比較例１）本発明による反射防止膜を用
いない以外は、実施例１と同様にしてパターン形成を行
なった。得られたパターンは、基板界面において裾引き
が生じており、かつ、段差の上下でパターン寸法の変動
が大きく、場所によっても非解像の部分が生じた。

【００３０】（実施例２）実施例１と同様に調製した感
光性樹脂組成物を、スピンコート法によりＡｌ基板上に
塗布し、ホットプレート上で１６０℃で３０分間加熱し
て、レジスト溶剤に対して不溶な０．１μｍの膜厚を有
する反射防止膜を形成した。

【００３１】室温まで冷却した後、この反射防止膜上に
化学増幅型ネガレジストＸＰ８９１３１（シップレー社
製）を塗布し、ホットプレート上で９０℃で９０秒間加
熱して、１．０μｍの膜厚のレジスト膜を形成した。

【００３２】次いで、前記レジスト膜をＫｒＦエキシマ
レーザ光（λ＝２４８ｎｍ）を光源とする縮小投影型露
光装置ＮＳＲ１７５５ＥＸ８Ａ（ＮＡ＝０．４５（ニコ
ン社製））によりパターン露光を行なった後、ホットプ
レート上で９０℃で６０秒間加熱した。

【００３３】最後に、前記レジスト膜をＸＰ−８９１１
４現像液（シップレー社製）で現像し、反射防止膜上に
０．４μｍのラインアンドスペースのパターンを形成し
た。このレジストパターンの断面を走査型電子顕微鏡に
より観察したところ、Ａｌ上で見られるレジストパター
ンの界面でのくびれはみられなかった。

【００３４】また、実施例１と同様に、レジスト膜厚の
変動による同一露光量での寸法変動は、±０．０４μｍ
以下であり、ハレーションやノッチングの影響のない良
好なパターンを形成することができた。

【００３５】（比較例２）反射防止膜を形成しない以外
は、すべて実施例２と同様にパターン形成を行なったと
ころ、Ａｌ基板界面でのパターンのくびれが生じてお
り、かつ、段差の上下でパターン寸法の変動が大きく、
場所によって非解像の部分が発生した。

【００３６】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
安定して断面矩形のパターンを形成可能な、レジストパ
ターンの形成方法が提供される。かかるパターン形成方
法は、段差を有する基板を用いた場合、又はレジスト膜
厚、下地膜厚等の変動がある場合に特に有効であり、半
導体装置製造のプロセスのフォトリソグラフィ技術にお
いて顕著な効果を奏するものであり、その工業的価値は
極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す化学増幅型ポジレジス
トを用いたパターンの形成方法を示す工程図。

【図２】本発明の方法により形成されたパターンプロフ
ァイルを示す図。

【図３】従来の方法により形成されたパターンプロファ
イルを示す図。

【図４】化学増幅型レジストを用いてパターンの形成を
行なう従来の方法の工程図。

【符号の説明】

１…基板，２…反射防止膜，３…レジスト膜，４…露光
光，５…マスク ６…酸，１０…基板，１１…未露光領域，１２…マス
ク，１３…基板 １４…反射防止膜，１５…未露光領域，１６…マスク，
１７…露光光。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に光の照射により酸を発生する物
   質を含む反射防止膜を形成する工程と、前記反射防止膜
   の上に溶解抑止基を導入した樹脂と光の照射により酸を
   発生する物質とからなる化学増幅型レジスト膜を形成す
   る工程と、前記化学増幅型レジスト膜を所定のパターン
   に露光する工程と、露光後のレジスト膜を現像する工程
   とを具備するレジストパターン形成方法。