JPH10208997A - レジスト膜のパターン形成方法及びパターン形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体集積回路装置の回路パターンの形成の際
エッチングのマスクとして用いるレジストパターン、特
に化学増幅レジストによるレジストパターンの形成方法
に関し、パターンが微細化されても、切れのよいレジス
トパターンを得る。 【解決手段】少なくとも基材樹脂と光酸発生剤とを含む
化学増幅レジストを基板１１１上の被パターニング体の
上に塗布して、レジスト膜１１２を形成する工程と、露
光光によりレジスト膜１１２を露光し、露光光とレジス
ト膜１１２中の光酸発生剤とを反応させてレジスト膜１
１２中に酸を発生させる工程と、加湿された雰囲気中で
露光されたレジスト膜１１２を加熱して、酸による基材
樹脂の可溶化又は架橋化を促進する工程と、レジスト膜
１１２を現像する工程とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レジスト膜のパタ
ーン形成方法及びパターン形成装置に関し、より詳しく
は、半導体集積回路装置の回路パターンの形成の際エッ
チングのマスクとして用いるレジストパターン、特に化
学増幅レジストによるレジストパターンの形成方法及び
パターン形成装置に関する。

【０００２】近年、半導体集積回路装置は、更なる高集
積化が要求されており、そのため回路パターンの微細化
が一層必要となっている。そのため、露光装置の高解像
力化、短波長化が進みつつあり、レジストにも高解像力
化、より一層の線幅安定性が求められている。レジスト
については、最近、光酸発生剤を含む、感度の高い化学
増幅レジストが脚光を浴びており、開発が盛んに行われ
ている。

【０００３】

【従来の技術】以下に、従来の化学増幅レジストによる
レジストパターンの形成方法について説明する。一連の
処理を連続して行うため、図７に示すパターン形成装置
のようなインラインシステムが採用されている。このイ
ンラインシステムを用いてパターン形成する場合、ま
ず、レジスト塗布部で、スピンコータ３１に基板１０１
を載せてレジストを滴下し、スピンコータ３１を回転さ
せて、スピン塗布法（回転塗布法）により化学増幅レジ
ストを塗布する。基板１０１の被パターニング体の上に
はレジスト膜１０２が形成される。このとき、基板１０
１の周囲温度により形成されるレジスト膜厚が影響を受
けるので、基板１０１そのものの温度や周辺の湿度を調
整するとともに、図８（ａ）に示すように、温湿度調整
器３７により湿度調整された窒素ガスや大気ガスをカッ
プ３２内に流して基板１０１周囲の温度分布や湿度分布
に影響を与える基板１０１周囲の気流の調整も行ってい
る。なお、化学増幅レジストは、三元系を例にとるとポ
ジ型の場合基材樹脂と光酸発生剤と溶解抑止剤とを含
む。

【０００４】続いて、第１の加熱処理部で、レジスト膜
１０２を硬化させるため、第１の加熱手段３９によりレ
ジスト膜１０２を加熱する。次いで、露光部で、レチク
ル４１を介して或いは直接レジスト膜１０２を露光光に
より露光する。レジスト膜１０２の露光された部分では
露光により光酸発生剤から酸などの反応性物質が生成す
る。

【０００５】次に、第２の加熱処理部で、第２の加熱手
段４３により露光後の加熱処理（ＰＥＢ）を行う。これ
により、ポジ型化学増幅レジストの場合、溶解抑止剤の
溶解抑止効果の解除が促進し、発生した酸が基材樹脂を
可溶化する。その際、発生した酸は触媒として多くの基
材樹脂を現像液に可溶化するため感度を上げることがで
きる。

【０００６】続いて、現像部で、加熱後のレジスト膜１
０２を現像液４４に浸して現像すると可溶化した基材樹
脂が現像液４４に溶解し、除去されてパターンが形成さ
れる。上記の場合、露光後の加熱処理においては、第２
の加熱手段４３としてホットプレートを使用し、図８
（ｂ）に示すように、温度分布、レジスト膜からの昇華
物の影響を考慮してホットプレート４３を収納するチャ
ンバ４２内に乾燥窒素ガスを流している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の化学
増幅レジストのパターン形成方法においては、露光後の
加熱処理（ＰＥＢ）が基材樹脂を可溶化させる反応の大
部分を担うため、ホットプレート４３の温度制御性、面
内温度分布の均一性、時間制御性等に高い性能が要求さ
れている。

【０００８】しかしながら、温度制御性、面内温度分布
の均一性、時間制御性が高いホットプレート４３を露光
後の加熱処理（ＰＥＢ）に使用しても、図９（ａ）に示
すように、レジストパターン１０２ａが膜厚方向中央部
付近で歪みになったり、図９（ｂ）に示すように、隣接
するレジストパターン１０２ｂ同士が繋がったりする場
合がある。

【０００９】本発明は、上記の従来例の問題点に鑑みて
創作されたものであり、パターンが微細化されても、切
れのよいレジストパターンが得られるレジスト膜のパタ
ーン形成方法及びパターン形成装置を提供するものであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題は、第１の発明
である、少なくとも基材樹脂と光酸発生剤とを含む化学
増幅レジストを基板上の被パターニング体の上に塗布し
て、レジスト膜を形成する工程と、露光光により前記レ
ジスト膜を露光し、該露光光と前記レジスト膜中の光酸
発生剤とを反応させて前記レジスト膜中に酸を発生させ
る工程と、加湿された雰囲気中で前記露光されたレジス
ト膜を加熱して、前記酸による前記基材樹脂の可溶化又
は架橋化を促進する工程と、前記レジスト膜を現像する
工程とを有するレジスト膜のパターン形成方法によって
解決され、第２の発明である、乾燥させたガスを水中を
通過させることにより前記加湿された雰囲気を形成する
ことを特徴とする第１の発明に記載のレジスト膜のパタ
ーン形成方法によって解決され、第３の発明である、前
記加湿された雰囲気の湿度は１０％以上８０％以下望ま
しくは３０％以上５０％以下であることを特徴とする第
１又は第２の発明に記載のレジスト膜のパターン形成方
法によって解決され、第４の発明である、レジスト塗布
手段と、レジスト膜を露光する露光手段と、前記露光後
のレジスト膜を加熱する加熱手段と、前記露光後のレジ
スト膜を現像する現像手段と、湿度調整されたガスを生
成する手段と、前記湿度調整されたガスを前記加熱手段
に導く手段とを有することを特徴とするレジスト膜のパ
ターン形成装置によって解決される。

【００１１】本願発明者は、化学増幅レジストを用いた
パターン形成方法において、酸による基材樹脂の可溶化
又は架橋化を促進する露光後の加熱処理の際、加湿され
た雰囲気又は湿度調整された雰囲気で行うことで、レジ
ストパターンの切れが良くなることを実験により見いだ
し、本発明のパターン形成方法及びパターン形成装置に
適用した。

【００１２】加湿された雰囲気は、乾燥窒素や乾燥空気
を水中に吹き込んでバブリングし、その加湿されたガス
を露光後のレジスト膜の加熱箇所に導き、放出すること
により得られる。また、湿度調整された雰囲気は、例え
ばレジスト塗布手段に導いている湿度調整された不活性
ガスや大気ガス等を分岐させて、露光後のレジスト膜の
加熱箇所に導き、放出することで得られる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて図面を参照しながら説明する。 （１）第１の実施の形態 図１は、本発明の第１の実施の形態に係るパターン形成
装置を示す構成図である。図２（ａ）はレジスト塗布部
の詳細を示す側面図であり、図２（ｂ）は第２の加熱処
理部の詳細を示す側面図である。

【００１４】図１に示すパターン形成装置では、レジス
ト塗布・現像装置ＳＫ−８０ＢＷ（商品名）と縮小投影
露光装置ＮＳＲ−２００５ＥＸ８Ａ（商品名）を含むイ
ンラインシステムが構成される。この場合、レジスト塗
布・現像装置において、レジスト塗布部では、レジスト
を回転塗布するためのスピンコータ１と、スピンコータ
１の回転により飛散した不要なレジストを受けるための
カップ２と、レジスト放出具５とが設置されている。ま
た、塗布されるレジスト膜の膜厚が均一になるようにす
るため、図２（ａ）に示すように、カップ２内の温度や
湿度を調整する温湿度調整器７と、カップ２内に気流を
生じさせる不活性ガスや大気ガス等をカップ２に導き、
導入するガス配管６及びガス導入口３と、不活性ガスや
大気ガス等の流量調節バルブ８とが設置されている。

【００１５】現像部では、露光後の化学増幅レジストを
現像するため、ＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハ
イドロオキサイド）等の現像液２４を用いるスピン現像
（パドル法）が可能な構成となっている。なお、他の符
号２５は現像液放出具、２６は廃液口、２７はスピンデ
ベロッパー、２８は現像カップである。また、第１の加
熱処理部では、塗布された化学増幅レジスト膜１１２を
加熱により硬化させる第１のホットプレート（第１の加
熱手段）９が設置されている。第２の加熱処理部では、
加熱により化学増幅レジスト膜１１２中の溶解抑止剤の
溶解抑止効果や架橋抑止剤の架橋抑止効果の解除を促進
して、露光により生じた酸による化学増幅レジスト膜１
１２の基材樹脂の可溶化又は架橋化を促進させ、増幅さ
せる第２のホットプレート（第２の加熱手段）１５が設
置されている。第２のホットプレート１５はチャンバ１
４内に収納され、そのチャンバ１４には、加湿された不
活性ガス等をチャンバ１４内に導入するガス導入口１６
が設けられている。

【００１６】更に、図２（ｂ）に示すように、ガス導入
口１６には加湿された不活性ガス等を第２のホットプレ
ート１５の収納チャンバ１４に導くためのガス配管１７
ａが接続され、そのガス配管１７ａの他方の端部は超純
水を入れた容器２０に繋がっている。さらに、容器２０
の超純水２１中にはガスボンベ１９と接続した他のガス
配管１７ｂの先端が差し込まれており、ガス配管１７ｂ
の途中にはガス流量調節バルブ１８が設けられている。
超純水２１はホットプレート（加熱手段）等により所定
の温度２０℃〜７０℃に加熱される。これにより、ガス
ボンベ１９からガス配管１７ｂにより導かれた乾燥した
不活性ガス等が超純水２１中に吹き込まれて加湿され、
加湿された不活性ガス等はガス配管１７ａを通ってチャ
ンバ１４の方に導かれる。

【００１７】また、露光部には縮小投影露光装置が設置
されている。露光光の光源１１と、光源１１から発生し
た露光光を絞る光学系１２と、被パターニング体の形成
された半導体基板１１１等を載せる載置台１０とが設け
られている。露光光として波長２４８ｎｍのＫｒＦエキ
シマレーザを用いる。また、その開口数（ＮＡ）は０．
５０となっている。なお、露光光として電子線（電離放
射線）のような荷電粒子を用いることもできる。

【００１８】次に、図１，図２（ａ），（ｂ）に示すパ
ターン形成装置を用いて半導体基板上の被パターニング
体の上にレジストパターンを形成する方法について図３
（ａ）〜（ｄ）を参照しながら説明する。図３（ａ）〜
（ｄ）は断面図である。なお、化学増幅レジストにはポ
ジ型と、ネガ型があり、ポジ型の化学増幅レジストは、
三元系を例にとると基材樹脂と光酸発生剤と溶解抑止剤
とを含み、ネガ型の化学増幅レジストは、基材樹脂と光
酸発生剤と架橋抑止剤とを含む。ここでは、化学増幅レ
ジストとしてポジ型のものを用いる。

【００１９】まず、半導体基板１１１上の被パターニン
グ体をＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラザン）に曝して処
理する。ＨＭＤＳ処理は半導体基板１１１とレジスト膜
１１２の密着性を向上させるためになされる。続いて、
図３（ａ）に示すように、この半導体基板１１１をスピ
ンコータ１に載置し、化学増幅レジスト（ＴＤＵＲ−Ｐ
００９（商品名））を滴下してスピンコータ１を回転さ
せ、被パターニング体上に膜厚０．７８μｍのレジスト
膜１１２を形成する。このとき、均一なレジスト膜厚が
得られるように、半導体基板１１１そのものの温度や周
囲の湿度を調整するとともに、湿度調整された空気等を
適量流して、半導体基板１１１の周囲の温度分布や湿度
分布に影響を与える気流調整も行う。

【００２０】次いで、第１のホットプレート（第１の加
熱手段）９上に半導体基板１１１を載せ、乾燥窒素を流
して温度９０℃で９０秒間加熱し、硬化させる。次に、
図３（ｂ）に示すように、０．３５μｍのライン＆スペ
ースが形成可能なレチクル１３に従ってレジスト膜１１
２を露光光により露光する。これにより、レジスト膜１
１２中の露光された部分で露光光と光酸発生剤が反応
し、光酸発生剤から酸が生成する。なお、露光光として
電子線（電離放射線）のような荷電粒子を用いる場合、
普通レチクル１３を介さず直接レジスト膜１１２上を走
査する。

【００２１】続いて、温度３０℃に加熱された超純水２
１中に露点１２℃の乾燥窒素ガスを吹き込んでバブリン
グし、その加湿された窒素ガスを流量１ｌ／分でチャン
バ１４内に導入する。上記のようにして加湿された窒素
ガスによるチャンバ内の湿度は４５％位である。そし
て、図３（ｃ）に示すように、加湿された窒素ガス中
で、露光後のレジスト膜１１２を第２のホットプレート
（第２の加熱手段）１５により温度１００℃で９０秒間
加熱する。この加熱により化学増幅レジスト膜１１２中
の溶解抑止剤の溶解抑止効果の解除が進み、酸による化
学増幅レジスト膜１１２の基材樹脂の可溶化が促進す
る。

【００２２】次いで、ＴＭＡＨの２．３８％水溶液（現
像液）２４に６０秒間浸漬してレジスト膜１１２を現像
する。これにより、図３（ｄ）に示すように、上記の可
溶化した部分が溶解し、０．３５μｍのライン＆スペー
スからなるレジストパターン１１２ａが形成される。次
に、上記のようにして作成されたレジストパターン１１
２ｃを走査型電子顕微鏡により観察した結果について説
明する。図４（ａ）は第１の実施の形態の場合のレジス
トパターン１１２ｃの観察結果を示す断面図である。比
較のため、化学増幅レジスト膜１１２の基材樹脂の可溶
化を促進する際に乾燥窒素等に水分を含ませないでその
まま第２の加熱手段１５の収納チャンバ１４に導入して
加熱処理した場合のレジストパターン１１２ｄの観察結
果についても図４（ｂ）に示す。

【００２３】観察結果によれば、露光後のレジスト膜に
ついて加湿された窒素ガス中で加熱した場合、図４
（ａ）に示すように、現像された後のレジストパターン
１１２ｃの切れが良くなる。一方、乾燥窒素等中で加熱
した場合、図４（ｂ）に示すように、現像された後のレ
ジストパターン１１２ｄは隣り合うパターン同士が繋が
ってしまい、良好なレジストパターン１１２ｄが得られ
なかった。

【００２４】なお、上記で、乾燥窒素の代わりに乾燥さ
せた他の不活性ガスや乾燥空気を用いても同様に良好な
結果が得られた。以上のように、本発明の第１の実施の
形態においては、酸による基材樹脂の可溶化又は架橋化
を促進する露光後の加熱処理を、加湿された雰囲気中で
行っているので、レジストパターンが微細化された場合
でもレジストパターンの切れが良くなる。

【００２５】また、湿度調整された雰囲気中で加熱して
いるので、湿度の多少によらず切れのよいレジストパタ
ーンを再現性よく形成することができる。これにより、
半導体装置のパターンの微細化を一層図り、更なる集積
度の向上させることができる。 （２）第２の実施の形態 図５は、本発明の第２の実施の形態に係るパターン形成
装置を示す構成図である。

【００２６】図５に示すように、第１の実施の形態と異
なるところは、第２の加熱手段１５の収納チャンバ１４
に導入する湿度調整されたガスとしてレジスト塗布部の
スピンコータ１のカップ２に導入される湿度調整された
空気や不活性ガスを用い、第２の加熱手段１５の収納チ
ャンバ１４の方に分岐させて第２の加熱手段１５の収納
チャンバ１４に導入していることである。湿度調整され
た空気等を第２の加熱手段１５の収納チャンバ１４に導
くためのガス配管６ａの途中にはガス流量調節手段８ｂ
が設けられ、また、レジスト塗布部のカップ２に湿度調
整された空気や不活性ガスを導くガス配管６の途中には
ガス流量調節手段８ａが設けられている。これは、いず
れかを停止させた場合等にガス配管６ａ，６中のガス流
量を調整する為である。なお、パターン形成装置の他の
構成は図１と同様な構成とする。

【００２７】次に、第２の実施の形態に係るパターン形
成装置を用いて半導体基板１１１上の被パターニング体
の上にレジストパターンを形成する方法について説明す
る。化学増幅レジストとしてポジ型のものを用いる。こ
の場合は、露光後のレジスト膜１１２を加熱する際、以
下の湿度条件の空気等を導入することを除き、第１の実
施の形態と同一の工程及び条件でレジストパターンを形
成した。湿度調整された空気等として、湿度を４５±５
％，３５±５％の２条件にふったものを用い、それぞれ
についてレジストパターン１１２ｅ，１１２ｆを形成
し、形状を観察した。各条件での観察結果をそれぞれ図
６（ａ），（ｂ）に示す。

【００２８】観察結果に示すように、第２の実施の形態
に係るレジストパターンの形成方法により形成されたレ
ジストパターン１１２ｅ，１１２ｆの観察結果でも、第
１の実施の形態と同じように、切れのよいレジストパタ
ーン１１２ｅ，１１２ｆが得られた。以上のように、本
発明の第２の実施の形態においては、酸による基材樹脂
の可溶化又は架橋化を促進する露光後の加熱処理を、湿
度調整された雰囲気中で行っているので、湿度の多寡に
よらず切れのよいレジストパターンを再現性よく形成す
ることができる。

【００２９】これにより、半導体装置のパターンの微細
化を一層図り、更なる集積度の向上させることができ
る。なお、上記第１及び第２の実施の形態では、化学増
幅レジストとしてポジ型のものを用いているが、ネガ型
の化学増幅レジストにも本発明を適用することが可能で
ある。

【００３０】

【発明の効果】以上のように、本発明においては、酸に
よる基材樹脂の可溶化又は架橋化を促進する露光後の加
熱処理を、加湿された雰囲気又は湿度調整された雰囲気
中で行っているので、レジストパターンが微細化された
場合でもレジストパターンの切れが良くなる。

【００３１】また、湿度調整された雰囲気中で加熱する
ことにより、湿度の多寡によらず切れのよいレジストパ
ターンを再現性よく形成することができる。これによ
り、半導体装置のパターンの微細化を一層図り、更なる
集積度の向上に寄与しうることになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係るパタ
ーン形成装置の側面図である。

【図２】図２（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係
るパターン形成装置のレジスト塗布部の詳細について示
す側面図である。図２（ｂ）は、本発明の第１の実施の
形態に係るパターン形成装置の第２の加熱処理部の詳細
について示す側面図である。

【図３】図３（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施の
形態に係るパターン形成方法について示す断面図であ
る。

【図４】図４（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係
るパターン形成方法により形成されたレジストパターン
の断面図である。図４（ｂ）は、比較例に係るパターン
形成方法により形成されたレジストパターンの断面図で
ある。

【図５】図５は、本発明の第２の実施の形態に係るパタ
ーン形成装置の部分構成を示す側面図である。

【図６】図６（ａ），（ｂ）は、本発明の第２の実施の
形態に係るパターン形成方法により異なる湿度条件でそ
れぞれ形成されたレジストパターンの断面図である。

【図７】図７は、従来例に係るパターン形成装置の側面
図である。

【図８】図８（ａ）は、従来例に係るパターン形成装置
のレジスト塗布部の詳細について示す側面図である。図
８（ｂ）は、従来例に係るパターン形成装置の第２の加
熱処理部の詳細について示す側面図である。

【図９】図９は、従来例に係るパターン形成方法により
形成されたレジストパターンの断面図である。

【符号の説明】

１ スピンコータ、 ２ カップ、 ３，１６ ガス導入口、 ４ 排気口、 ５ レジスト放出具、 ６，６ａ，１７ａ，１７ｂ ガス配管、 ７ 温湿度調整器、 ８，８ａ，８ｂ，１８ ガス流量調節バルブ、 ９ 第１のホットプレート（第１の加熱手段）、 １０ 載置台、 １１ 光源、 １２ 光学系、 １３ レチクル、 １４ チャンバ、 １５ 第２のホットプレート（第２の加熱手段）、 １９ ガスボンベ、 ２０ 容器、 ２１ 超純水、 ２２ ホットプレート（加熱手段）、 ２４ 現像液、 ２５ 現像液放出具、 ２６ 廃液口、 ２７ スピンデベロッパー、 ２８ 現像カップ、 １１１ 半導体基板（基板）、 １１２ レジスト膜、 １１２ａ 非露光部分、 １１２ｂ 露光部分、 １１２ｃ〜１１２ｆ レジストパターン。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも基材樹脂と光酸発生剤とを含
   む化学増幅レジストを基板上の被パターニング体の上に
   塗布して、レジスト膜を形成する工程と、 露光光により前記レジスト膜を露光し、該露光光と前記
   レジスト膜中の光酸発生剤とを反応させて前記レジスト
   膜中に酸を発生させる工程と、 加湿された雰囲気中で前記露光されたレジスト膜を加熱
   して、前記酸による前記基材樹脂の可溶化又は架橋化を
   促進する工程と、 前記レジスト膜を現像する工程とを有するレジスト膜の
   パターン形成方法。
2. 【請求項２】 乾燥させたガスを水中を通過させること
   により前記加湿された雰囲気を形成することを特徴とす
   る請求項１に記載のレジスト膜のパターン形成方法。
3. 【請求項３】 前記加湿された雰囲気の湿度は１０％以
   上８０％以下であることを特徴とする請求項１又は請求
   項２に記載のレジスト膜のパターン形成方法。
4. 【請求項４】 前記加湿された雰囲気の湿度は３０％以
   上５０％以下であることを特徴とする請求項１又は請求
   項２に記載のレジスト膜のパターン形成方法。
5. 【請求項５】 レジスト塗布手段と、 レジスト膜を露光する露光手段と、 前記露光後のレジスト膜を加熱する加熱手段と、 前記露光後のレジスト膜を現像する現像手段と、 湿度調整されたガスを生成する手段と、 前記湿度調整されたガスを前記加熱手段に導く手段とを
   有することを特徴とするレジスト膜のパターン形成装
   置。