JPH01136141A - パターン形成方法および材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野〕 本発明は１例えば半導体装置、磁気バブル装置。

超伝導装置等の作製方法に係り、特に微細なパターンを
形成する上で有効なパターン形成方法およびその材料に
関する。

〔従来の技術〕

ＬＳＩの集積度および動作速度は使用しているパターン
の微細度に大きく依存しており、微細であればあるほど
集積度は向上し、動作速度も向上する。このため超高集
積ＬＳＩの製造には解像度の高い縮小投影露光法が主に
用いられている。また、露光々の波長を短かくしてより
一層解像度を向上させる努力が続けられている。この例
としてはＫ　ｒ　Ｆレーザー（波長約２４８ｎｍ）を用
いたエキシマレーザ−露光法があげられる。この方法で
は解像度の高い光強度分布が得られるが、レジストに問
題があり光学系から予測されるほどの解像度は示さない
という問題があった。

フォトレジストは被加工基板のエツチングマスクとして
使用されるため、十分なドライエツチング耐性が要求さ
れる。ドライエツチングを高めるにはベンゼン環を含む
化合物を材料の中に加えておけばよいが、ベンゼン環は
波長２４８ｎｍの光をよく吸収する。このため、ドライ
エツチング耐性のあるレジストは光吸収が極めて大きく
なり、その結果、レジストの底部まで露光々がとどかな
くなり、ポジ型レジストの場合は台形状、ネガ型レジス
トの場合は逆台形状のレジストパターンとなる。レジス
ト側面が傾斜しているため、エツチング時にレジストが
後退し、加工精度が低下する。

またネガレジストの場合は底部が細くなるため、時とし
てパターンが倒れたり消失したりする。このため実用的
な意味で解像度の高いパターンは得られなかった。

また、すべての工程にドライエッチ耐性が高いレジスト
が必要なわけではないので、そのような工程にはＰＭＭ
Ａのような透明度の高いレジストを用いることができる
。しかし日経マイクロデバインダ２月号１２５頁から１
３４頁（１９８７年）で紹介されているように、露光々
が帯域の狭いレーザー光であるためこのような透明なレ
ジストではレジスト膜内で定在波が生じ、解像度が低下
するという問題がある。

なお、短波長光利用露光法については日経マイクロデバ
イス　２月号１２５頁から１４２頁（１９８７年）で、
フォトレジストについてはマイクロエレクトロニックエ
ンジニアリング１巻３号日（１９８３年）第１８５頁か
ら第１９６頁（ＭｉｃｒｏｅＬｅｃｔｒｏｎｊｃ　Ｅｎ
ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　１　（１９８３）ｐ１８５−１９
’６）で論じられている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来の技術はレジスト内の光吸収のためレジスト断
面形状が台形あるいは逆台形となり、加工時の寸法シフ
ト量が増え、また寸法精度が低下するという問題があっ
た。特に逆台形形状の場合は底部が細るためパターンが
倒れる。あるいは消失するという問題があり、事実上加
工マスクとしての機能を果さなかった。透明なレジスト
では定在波が生じ解像度が低下するという問題があった
。

本発明の目的は上記問題点を解決し、高精度かつ高解像
なレジストパターンを形成することにある。

なお、上記説明では特にエキシマレーザ−光を用いたり
ソグラフイの場合を示したが、この問題はエキシマレー
ザ−光を露光々とじた場合に限らず、程度に差はあるも
のの現在主に使われている水銀のｇ線（波長４３６ｎｍ
）、ｉ線（波長３６５ｎｍ）を露光々とじた場合にも同
様にあてはまる。

〔問題点を解決するための手段〕

上記従来の問題点は、レジストの膜厚方向の溶解特性を
、ポジ型レジストの場合はレジスト表層部より下層部（
基板接触部）に向かうに従い溶解速度が上がり、ネガ型
レジストの場合はレジスＩ・表層部より下層部に向かう
に従い溶解速度が下がるようにすることにより達成され
る。

これを達成するための１つの方法としては以下のものが
ある。ネガ型レジストの場合は、そのレジストにパター
ン露光々とは異なる波長の光（これを第２露光々と呼ぶ
ことにする）に対してポジ型を示す感光剤を添加してお
き、パターン露光を行なった後、又は行なう前に第２露
光々を基板全面に一様に照射する。第２露光々に対する
上記レジストの光吸収が弱い場合は第２露光々を吸収す
る色素を適量添加する。

ポジ型レジストの場合は、上記ネガ型レジストの場合で
示したポジ型感光剤の添加の代わりに、ネガ型感光剤を
添加し、上記ネガ型レジストの場合と同様のプロセスを
用いる。

〔作用〕

最初に本発明の作用をネガレジストの場合で説明する。

本発明の本質はレジスト膜の底部に向かうほど表層部よ
り溶解速度を下げることにより、レジスト内光吸収によ
って生ずる膜厚方力の溶解速度の変化を相殺することに
ある。

レジスト内での光吸収により、現像抑止剤の濃度（感光
剤の感光濃度）はレジスト膜厚方向に分布をもつように
なる。レジスト底部に向かうほど露光々は吸収されて弱
まるため、レジスト底辺部の現像抑止剤の濃度はレジス
ト表層部に比べ相対的に高い。このままではレジスト底
辺部に向かうほど溶解速度は速まり、その結果、パター
ンエツジ付込、すなわち露光部と未露光部の境界付込に
おける底辺部のレジストはえぐらり、逆台形形状となる
。

本発明では後で述べるように、レジスト膜の底部に向か
うほど表層部より溶解速度が下げられているため、光吸
収にともなう溶解速度の変化と相殺され、膜厚方向に対
しほぼ一様な現像溶解速度が得られる。このため、垂直
な断面をもつレジストパターンが得られる。

すでに述べたように、このレジストに所望のパターンを
露光する光とは異なる波長（この光を第２露光々と名づ
ける）に感光するポジ型の感光剤を添加しておき、全面
照射光をレジストを被着したウェーハ全面に照射する。

ここで第２ｉｌｌ光々にはレジスト内で光吸収が起こり
減衰する光を用いるか、あるいはこの光に対する吸光剤
をレジストに添加しておく。このようにすると第２露光
々の減衰により、ポジ型の感光剤はレジスト膜厚方向に
感光分布を生じ、表層部が溶解しやすく、底辺部に向か
うほど溶解しにくくなる。このような作用によりレジス
ト膜の底部に向かうほど表層部より溶解速度を下げるこ
とができる。

なお、パターン露光々（所望のパターンを露光する光）
を照射すると第２露光々に対する透過率が下がる性質を
レジストの感光剤あるいはベース樹脂あるいはその両者
にもたせ、パターン露光を行なった後第２露光を行なう
と、より垂直なレジスト断面形状が得られ、解像度も向
上する。

これは、パターン露光々照射部分は未照射部分に比べ第
２露光々に対する透過率が下がり１、第２露光々に対し
一種のマスク効果をはたすためである。このマスク効果
によりコントラストが向上する。このため、垂直なレジ
スト断面形状が得られ、解像度も向上する。

次にポジ型レジストの場合を説明する。

通常のポジ型レジストの場合、レジスト内で光吸収があ
るとレジスト内で露光々は減衰するため、現像抑止剤の
濃度（未感光の感光剤の濃度）は相対的に表層部のほう
が低く、レジスト底辺に向かうほど高くなる１回折等の
影響により露光強度は空間分布をもつので、現像抑止剤
等濃度面も山型の空間分布を持つ、その結果、現像を行
なうとレジスト形状は山型となる。

本発明の方法ではポジ型レジストにパターン露光々とは
別の波長の光（第２ｎ先々）に対しネガ型を示す感光剤
を添加しておく。また現像前に第２露光々をウェーハ全
面に一様に照射する。ネガ型レジストの場合と同様、第
２ｆｉ先々にはレジスト内で光吸収が起こり減衰する光
を用いるか、あるいはこの光に対する吸光剤をレジスト
に添加しておく。このようにすると表層部は嬬溶となり
、深部（レジスト底部）ほど比較的溶解しやすくなる。

このようにしてポジ型レジストの場合問題となるレジス
ト内での光吸収によって生ずる膜厚方向の溶解速度の変
化を相殺し、垂直なレジスト形状を得る。

なお、同一波長域で感光するネガ型感光剤とポジ型感光
剤を用いてレジストを調整すると、レジストのコントラ
スト（γ特性）が低下し、解像度が悪くなるが、本方法
の場合、添加した感光剤の高感度感光波長域は本体のレ
ジストの感光波長域と異なるようにしたため、このよう
な問題は生じない。

〔実施例〕

以下１本発明を実施例を用いて説明する。

実施例１ 第１図（ａ）に示すようにＳｉ基板１上にレジストを塗
布した後、溶媒を揮発させるための熱処理を行なってレ
ジスト膜２を形成した。レジスト膜厚は約１μｍとした
。ここで、このレジストとしてはポリ（ｐ−ビニルフェ
ノール）樹脂に３゜３′−ジアジドジフェニルスルホン
を樹脂に対し２０重量％および２，３．４−トリー（１
，２−０−ナフトキノンジアジド−５−スルホニルオキ
シ）−ベンゾフェノンを同じく５重量％添加したものを
用いた。３，３′−ジアジドジフェニルスルホンはＤｅ
ｅｐＵＶに感光するネガ型の感光剤であり、２，３．４
−トリー（１，２−ｏ−ナフトキノンジアジド−５−ス
ルホニルオキシ）−ベンゾフェノンはＵＶ光に感光する
ポジ型の感光剤である。

次に第１図（ｂ）に示すように所望のパターンが形成さ
れているマスク３を介してパターン露光光４を基板に照
射した。この露光々にはＫｒＦレーザー光（波長約２４
８ｎｍ）を用いた。露光方法としては縮小投影露光法を
用いた。使用したレンズのＮＡ（開口数）は０．３５で
ある。

次に第１図（ｃ）に示すように、第２露光々５をウェー
ハ全面に一様に照射した。第２露光々５としては超高圧
水銀灯のｉ線（波長３６５ｎｙｎ）の光を用いた。

その後、ＮＭＤ３（東京応化（株）社商品名）の４０％
水溶液を用いて現像を行ない第１図（ｄ）に示すように
レジストパターン２′を形成した。

レジスト膜２にＫｒＦレーザー光を照射するとわずかに
ブリーチングを起こすがその度合は低く、例えば１５０
　ｍ　Ｊ　／ａｍ”照射したときのＫ　ｒ　Ｆレーザー
光に対する透過率は約１．５％であった（レジスト膜厚
１μｍ）。一方、ｉ線に対する透過率はレーザー光の照
射量を増すほど低下し、たとえば、ＫｒＦレーザー光の
照射量をＯｍ　Ｊ　／ａｍ”。

５０ｍＪ／ｃｍ”、　１００ｍＪ／ｃｕ＋”、　１５０
ｍＪ／ａｍ２としたときのｉ線に対する透過率はそれぞ
れ約４８％、３０％、２３％および１６％であった（レ
ジスト膜厚１μｍ）。すなわち、レジスト膜２はＫｒＦ
レーザー光の照射により、ｉ線に対しては不透明化（遮
光膜化）する性質がある。したがってＫｒＦレーザーで
レジストにパターンを描画すると、ｉ線に対するマスク
パターンがレジストに転写されたことになる。

またこのレジストは第２露光々を吸収するためレジスト
膜厚方向に２．３．４−）−リ−（１，２−〇−ナフト
キノンジアジドー５−スルホニルオキシ）−ベンゾフェ
ノン感光剤の感光分布が生ずる。

パターン露光々に対して光吸収が大きいレジストを用い
ているにもかかわらず、本方法によって形成したネガ型
レジストパターン２′の断面はほぼ垂直であった。一方
、比較のために第２露光を行なわず、パターン露光のみ
を行なう通常の方法を用いてパターンを形成した。この
とき、レジストパターンの断面形状は台形状、糸まき状
あるいは逆台形状となり、垂直な断面を得ることができ
なかった。また、従来通常使われているＲＤ２００ＯＮ
（日立化成（株）社商品名）を用いて通常の露光を行な
った場合もレジスト断面形状は台形状、糸まき状あるい
は逆台形状となり垂直な断面を得ることができなかった
。

またＲＤ２００ＯＮを用いた場合は現像時間、現像温度
および現像濃度などが変化すると敏感にレジスト形状が
変化し、したがってレジストパターン底辺部の寸法は大
幅に変化した。つまりこれらの現像パラメータに対する
マージンが少なく、寸法精度低下の大きな要因であった
。しかし本方法を用いるとこれらの要因に対しレジスト
形状の変化が少ないため、寸法の変化も少なかった。寸
法精度はおよそ１．５倍向上した。

次にＳｉ基板にこのし°シストパターンを転写した。Ｓ
ｉエツチングには反応性イオンエツチング装置を用い、
そのエツチングパワーは０．３２Ｗ／ｃｍ”、ガス種は
ＣＣＱ４．流量は約２０３ｃｃｍとした。エツチング深
さは０．５μｍとした。このときのレジストとＳｉ基板
のエツチング速度比は約１であったため、レジストもエ
ツチングされ、転写されたパターンはレジスト形状が反
映されたものとなる。本方法を用いてパターンを形成し
た場合はレジスト断面形状が矩形形状に近いため、エツ
チングされたパターンの上端部の長さも下端部の長さも
ほぼ等しい溝を形成することができた。

一方、ＲＤ２００ＯＮを用い通常の方法によりパターン
を形成した場合はレジスト形状が矩形形状でなかったた
め、断面の垂直な溝を形成することはできなかった６ま
た寸法シフト量も大きく、エツチング前のレジストの底
辺寸法に比ベエッチング後のＳｉ上面（レジストとＳｉ
との接触面）のパターン寸法は約０．４μｍシフトした
。一方、本実施例の方法ではシフト量は約０．２μｍで
あった。

本実施例ではレジストとしてポリ（ｐ−ビニルフェノー
ル）樹脂、３，３′−ジアジドフェニルスルホンおよび
２，３．４−トリー（１，２−。

−ナフトキノンジアジド−５−スルホニルオキシ）−ベ
ンゾフェノンの調製物を用いた。ベース樹脂（ポリ（ｐ
−ビニルフェノール）樹脂）、ネガ型感光剤（３，３’
　−ジアジドフェニルスルホン）およびポジ型感光剤（
２，３，４−トリー（１゜２−ｏ−ナフトキノンジアジ
ド−５−スルホニルオキシ）−ベンゾフェノン）の組み
合わせはこれに限らず、例えばベース樹脂として、タレ
ゾールノボラック樹脂を、ネガ型感光剤としては３，４
′−ジアジドジフェニルスルホン、２，４−ショート−
３−アジド−ニトロベンゼン、４−アジドナフトール、
２，６−ジ（４′−アジドベンザル）−４−メチルシク
ロヘキサノン、４−ニトロ−４′−７ジドビフエニル、
４．４′−ジアジドジベンジル、４−アジド−４′−メ
トキシカルコン、４．４′−ジアジドカルコン、０−ア
ジド安息香酸、３−メトキシ−４−アジドニトロベンゼ
ン、３−ヒドロキシ−４−アジドニトロベンゼンを、ポ
ジ型感光剤として０−キノンジアジドスルホン酸エステ
ル、２，３−ジー（１，２−ｏ−ナフトキノンジアジド
−５−スルホニルオキシ）−ベンゾフェノン、３，４−
ジー（１，２−ｏ−ナフトキノンジアジド−５−スルホ
ニルオキシ）−ベンゾフェノン、２，４−ジー（１，２
−ｏ−ナフトキノンジアジド−５−スルホニル・オキシ
）−ベンゾフェノン、モノ−（１，２−ｏ−ナフトキノ
ンジアジド−５−スルホニルオキシ）−ベンゾフェノン
を用いることもできる。

本実施例では第２露光々として超高圧水銀灯のｉ線を用
いたが、この代わりに超高圧水銀灯のｇ線（波長４３６
ｎｍ）を用いたところ、レジスト形状改善の効果は少な
かった。これはこのレジストのｇ線に対する光吸収が約
０．０１μｍ−”と小さいため、第２露光を行なった後
の２．３．４−トリー（１，２−ｏ−ナフトキノンジア
ジド−５−スルホニルオキシ）−ベンゾフェノンポジ型
感光剤の感光分布がレジスト深さ方向に対しほぼ一様に
なったためと考えられる。そこでこのレジストにｇ線を
吸収する色素としてクマリン５０４を添加したところレ
ジスト形状は改善され、垂直な断面を得ることができた
。またｇ線の代わりに波長約３５０〜４５０ｎｍの光を
第２露光々を用いたところ、第２露光による定在波効果
も全く認められなかった。

なお、パターン露光々としてはＫｒＦレーザー光を用い
たがこれに限らず、他の波長のエキシマレーザ−光、あ
るいはアークランプ等によって発生するディープ（Ｄｅ
ｅｐ）　Ｕ　Ｖ　、ミツド（ｍｉ、ｄ）ＵＶ光を用いる
ことができる。

実施例２ クレゾールノボラック樹脂と１−オキソ−２−ジアゾナ
フトキノン−４−アクリルスルフォネートと３−　（４
−（ｐ−アジドフェニル）−１，３−ブタジェニル）−
５，５−ジメチル−２−シクロヘキセン−１−オンの調
製物をフォトレジストとして用い、実施例１と同様な方
法でパターンを形成した。但し、第２露光々には超高圧
水銀灯のｇ線（波長４３６ｎｍ）を用いた。現像液とし
てはＭＰ２４０１　（シプレー社商品名）の４０％水溶
液を用いた。１−オキソ−２−ジアゾナフトキノン−４
−アリルスルフォネートは１）ｅｓｐＵＶ光に感光する
ポジ型感光剤であり、クレゾールノボラック樹脂に対し
１５重量％添加した。３−　（４−（ｐ　−アジドフェ
ニル）−１，３−ブタジニル）−５゜５−ジメチル−２
−シクロヘキセン−１−オンはＵＶ光に感光するネガ型
感光剤であり、クレゾールノボラック樹脂に対し５重量
％添加した。

このレジストはベンゼン環を多く含んでいるため、Ｄｅ
ｅｐＵＶ光をよく吸収するにもかかわらず、断面の比較
的急峻な（約６０°）レジストパターンをポジタイプで
形成できた。一方、ＤｅｓｐＵＶ光用ポジタイプレジス
トとして知られているＡＺ２４００（ヘキスト社商品名
）を用いて通常の露光を行なった場合は断面傾斜角は約
４５°であった。

実施例３ 段差が約０．５μｍある凹凸Ｓｉ基板上に実施例１と同
様な方法でネガ型のレジストパターンを形成した。また
ＲＤ２００ＯＮを用い、通常の方法でネガ型のレジスト
パターンを形成し本発明の方法と比較した。本発明の方
法を用いた場合には基板の凹凸にかかわらずパターンを
形成できたが。

ＲＤ２００ＯＮを用いた従来の方法では段差凹部上のパ
ターンにアンダーカットが生じ、寸法精度が低下した。

また０、７μｍより細かいパターンではアンダーカット
のためパターンが倒れたり、現像時に洗い流されてパタ
ーンが消失したりした。一方。

本方法では０．６μｍパターンも凹凸段差上で形成する
ことができた。

〔発明の効果〕

上記本発明によりレジスト断面がほぼ垂直なパターンを
形成することができる。このため、従来ネガ型レジスト
でしばしば生じたパターン倒れを防止することができ、
基板加工時の転写（エツチング）精度も向上した。また
、基板に凹凸がある場合も凹凸による影響を受けにくく
、寸法精度は向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す工程断面図である。 １・・・Ｓｉ基板、２・・・レジスト膜、２′・・・レ
ジストパターン、３・・・マスク、４・・・パターン露
光々、５・・・第２露光々。 一つ９ 第　１　目 （０，ン （Ｃ） （ｃＬ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被加工基板上にレジスト層を形成し、所望のパター
   ンを露光後現象を行なつて該基板上に所望のレジストパ
   ターンを形成するパターン形成方法において、レジスト
   膜厚方向に対するレジストの感度特性が異なるレジスト
   を用いることを特徴とするパターン形成方法。 ２、上記レジストがネガ型レジストであり、かつレジス
   ト表層部よりレジスト下層部（被加工基板接触部）ほど
   相対的に現像液溶解性が低いことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項記載のパターン形成方法。 ３、上記レジストがポジ型レジストであり、かつレジス
   ト表層部よりレジスト下層部（被加工基板接触部）へむ
   かうにしたがい相対的に現像溶液溶解性が高いことを特
   徴とする特許請求範囲第１項記載のパターン形成方法。 ４、所望のパターンを露光する第１の露光工程と第１の
   露光々とは異なる波長の光を用いて基板全面に一様に光
   を照射する第２の露光工程を含み、かつ上記レジストは
   第１の露光々に対しネガ型であり、さらに第２の露光々
   に対しポジ型を示す感光剤が該レジストに添加されてい
   ることを特徴とする特許請求範囲第１項記載のパターン
   形成方法。 ５、所望のパターンを露光する第１の露光工程と第１の
   露光々とは異なる波長の光を用いて基板全面に一様に光
   を照射する第２の露光工程を含み、かつ上記レジストは
   上記第１の露光々に対しポジ型であり、さらに上記第２
   の露光々に対しネガ型を示す感光剤が該レジストに添加
   されていることを特徴とする特許請求範囲第１項記載の
   パターン形成方法。 ６、フォトレジスト材料において、ある適当な波長の光
   に対してはネガ型を示す感光基と、上記光と別の波長の
   適当な光に対してポジ型を示す感光基が添加されている
   ことを特徴とするパターン形成材料。