JPH0620943A - レジストパターンの形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】レジストパターンの形成において、高解像力，
広い焦点深度を確保するとともに下地段差の反射に起因
する多重干渉効果，ハレーションを防止する。 【構成】ポジ型レジストの下層に薄い反射防止膜１０５
を設け、パターニングしたポジ型レジスト１０６を形成
し、このポジ型レジスト１０６を全面露光して露光され
たポジ型レジスト１０７を形成し、シリル化処理により
この露光されたポジ型レジスト１０７の表面にシリル化
された領域１０８を形成する。表面にシリル化された領
域１０８を有するレジスト１０７をマスクにして反射防
止膜１０５のパターニングを行ない、反射防止膜１０５
ａを形成する。

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方法に
おけるリソグラフィ工程のレジストパターンの形成方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＬＳＩの高集積化に伴ない、微細
パターン形成に対する要求が高まっている。現在、この
微細パターン形成技術（リソグラフィ技術）の主力は光
露光技術であり、光露光装置の性能向上と合わせてレジ
ストプロセスの高集積化がはかられている。特に、解像
力向上のために露光装置のＮＡ（レンズ開口数）を増大
させると、逆に、焦点深度が狭くなることが指摘されて
いる。最近のデバイスの多層配線化に伴ない、高段差化
とあわせて焦点深度の確保が重要なテーマとなってきて
いる。

【０００３】また、最近の微細化動向に伴ない、寸法精
度に対する要求も厳しくなっている。例えば０．３５μ
ｍルールの場合、±１０％以内の精度を考えると、寸法
精度は±０．０４μｍ以内となる。しかしながら、段差
を有する半導体基板上に反射膜が形成されると、レジス
ト膜厚変動に起因する多重干渉効果，あるいは段差側面
からの光反射によるレジストのくびれ（ハレーション）
が生じやすくなる。これらの反射の影響を低減するため
の種々の手法が提案せれている。１９８９年発行のプロ
シーディング・オブ・ソサイティー・オブ・フォト−オ
プティカル・インストラメンテイション・エンジニアー
ス第１０８６巻２４２頁（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ
Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｐｈｏｔｏ−Ｏｐｔｉｃａｌ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，ｖｏｌ．１０８６，ｐ．２４
２，（１９８９））には、ダイ入レジストと反射防止膜
とを用いた方法が提示されている。この方法では、反射
基板上に露光光を吸収する反射防止膜を形成した後、レ
ジストの塗布を行なっている。また、１９７９年発行の
ジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス・テクノロ
ジー第１６巻１６２０頁（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖａ
ｃｕｕｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖ
ｏｌ．１６，ｐ．１６２０，（１９７９））には多層レ
ジストを用いたドライ現像法が報告され、１９８８年発
行のプロシーディング・オブ・ソサイティー・オブ・フ
ォト−オプティカル・インストラメンテイション・エン
ジニアース第９２０巻２６０頁（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ
ｏｆＳｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｐｈｏｔｏ−Ｏｐｔｉｃ
ａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，ｖｏｌ．９２０，ｐ．２６
０，（１９８８））にはシリル化法が報告されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】以上の従来の反射の影
響の低減手法の中で、ダイ入レジスト法は、図２に示す
ように、光退色しない材料をレジスト中に添加したもの
で、ダイ無しの通常のレジストに較べて多重干渉効果に
は効果があるものの、バルク効果（図２に示した寸法−
レジスト膜厚の関係において全体の傾きを示す）は通常
の方法と大差なく、かつレジスト形状がテーパー状にな
りやすい。また、ダイ入レジストは、一般的に露光時の
焦点深度が急激に低下するという重大な欠点がある。

【０００５】反射防止膜法は、図２からも明らかなよう
に、通常の光透過性の高いレジスト材料を使用できるた
め、多重干渉効果，バルク効果がともに小さく、良好な
レジスト形状，寸法均一性が達成できる。

【０００６】しかしながらこの方法は、レジストパター
ン形成後の反射防止膜の除去の際に、問題を生ずる。レ
ジストパターンの形成方法を説明するための断面図であ
る図３を参照すると、上記の問題は以下のような点であ
る。まず、シリコン基板２０１表面にゲート酸化膜２０
２等を形成した後、全面にポリシリコン膜２０４を堆積
し、このポリシリコン膜２０４上に反射防止膜を形成
し、全面にポジ型レジストを塗布形成する。次に、露
光，現像によるポジ型レジスト２０６ａのパターンを得
る。続いて、ウェット処理によりポジ型レジスト２０６
ａ直下以外の領域の反射防止膜を除去すると、アンダー
カットされた姿態を有する反射防止膜２０５ａが形成さ
れるか，もしくはテーパー状のスカム（ｓｃｕｍ）の発
生が起り、寸法精度が著しく劣化することになる〔図３
（ａ）〕。

【０００７】逆に、寸法精度向上のため、上述の不用領
域の反射防止膜の除去をドライ（プラズマ）処理で行な
うと、残留形成される反射防止膜２０５ｂにはアンダー
カットは持たないが、ポジ型レジスト２０６ａがポジ型
レジスト２０６ｂに変形する〔図３（ｂ）〕。これは、
上記ドライ処理が酸素を主体とする異方性プラズマエッ
チングであるため、レジスト２０６ａの上部もエッチン
グされ、特にレジスト２０６ａの上部の角落ちが起る。
このような形状のレジスト２０６ｂでは、後の下地のポ
リシリコン膜２０４のドライエッチングの際に寸法が変
動する恐れがある。特に、解像力，焦点深度向上のため
にレジストを薄膜化した場合、この現象は深刻な問題と
なる。

【０００８】多層レジスト法の場合には、リソグラフィ
の工程数が増加して生産性が大幅に低下する。さらに厚
い下層レジストのドライ現像時にエッチング条件によっ
てはパターン変動（ボーイング形状，サイドエッチ等）
を生じやすいという問題がある。

【０００９】シリル化法においては、厚いレジスト膜を
ドライ現像するためにレジスト中へのシリコン拡散を充
分に行なう必要があるが、高温，長時間のシリル化処理
が必要となり、レジスト材料の変質等を受けやすい。ま
た、本質的にパターン界面でのシリコンは濃度勾配を持
つため、ドライ現像中に寸法が徐々に細くなるという欠
点がある。さらに重要な問題点として基板段差のため焦
点位置が多少ずれた場合、本来、遮光される部分にも光
がわずかに到達し、その結果、シリル化処理中にシリコ
ンがその領域にも拡散され、ドライ現像時にスカムが発
生するという現象が観測されている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題に対し、本発明
のレジストパターンの形成方法は、薄い反射防止膜上に
ポジ型レジストを塗布して露光，現像処理してレジスト
パターンを形成し、さらにレジストパターンに露光した
後、このレジストパターンにのみシリコンを拡散（シリ
ル化）する。次に、酸素を主体としたプラズマで下地の
反射防止膜をドライエッチングするものである。

【００１１】

【作用】次に、本発明の原理について述べる。

【００１２】図２に示したように、充分な露光光の吸収
能を有する反射防止膜があれば、多重干渉効果，バルク
効果はともに大幅に低減できる。さらに下地の反射の心
配がないと、垂直な形状のレジストパターンを実現する
ために上部のレジストの光透過性はできるだけ増大させ
ることができる。一般に、光透過性の増大は解像力向
上，および許容焦点深度の拡大をもたらす。また、反射
の生じやすい基板上ではレジスト膜厚が減少するほど多
重干渉効果が増大するが、本発明の場合には反射の影響
が無いためレジストを薄膜化することができる。この薄
膜化により、さらに焦点深度，解像力が大幅に向上す
る。

【００１３】次に、レジスト現像後、全面露光してレジ
スト中へのシリコンの拡散，樹脂との反応を起しやすく
する。ここで、反射防止膜としてハードベークノボラッ
ク樹脂，ポリイミド樹脂を用いると、これらの膜にはシ
リル化反応は起らない。ｇ，ｉ線露光に用いられるノボ
ラックレジストの場合、感光剤であるナフトキノンジア
ジドを露光により光反応させインデンカルボン酸に変え
るとシリル化剤（代表的なものはヘキサメチルジシラザ
ン，以下ＨＭＤＳと略す）が容易にレジスト中に拡散し
てノボラック樹脂と反応し、水酸基の酸素とトリメチル
シリル基とが結合する。また、化学増幅系ポジ型レジス
トでは光酸発生剤が光を吸収して小量の酸を発生し、次
にベーク処理（１００〜１５０℃て数分程度）を行なう
と、樹脂として主に用いられるポリビニルフェノールの
水酸基がシリル化剤と反応しやすくなる（これには第３
の物質として添加されているシリコン拡散抑制剤がその
酸によりその働きを失なう場合と、ポリビニルフェノー
ルの水酸基が現像液に不溶の他の基，例えばｔｅｒｔ−
ブトキシカルボニル基によって修飾されていたのが酸に
より解離される場合などが考えられる）。

【００１４】以上のようにレジスト表面にシリコンが拡
散すると、次に酸素を主体とするプラズマによって下地
反射防止膜を異方性エッチングする際に、上部レジスト
の表層にはシリコン酸化膜が生成するため、レジストの
膜減り，角落ちが生じない。また、下地反射防止膜の膜
厚は薄いため、シリル化の度合は軽度で充分であり、し
たがって短時間のシリル化処理ですみ、レジストのだれ
や変質も生じない。さらに従来のドライ現像法に較べ、
ドライエッチングする膜厚が薄いため、寸法精度が格段
に向上する。

【００１５】以上本発明を適用することにより、高い現
像力，焦点深度を確保すると同時に、段差のある反射基
板に起因する寸法変動も大幅に低減できるため、高い寸
法精度が実現できる。

【００１６】

【実施例】次に、本発明について図面を参照して説明す
る。

【００１７】使用するポジ型レジストとして、通常のノ
ボラック系のｉ線レジストの場合について述べる。ＭＯ
Ｓトランジスタの微細ポリシリコンゲートパターンの形
成を説明するための工程順の断面図である図１を参照す
ると、本発明の第１の実施例は、まず、シリコン基板１
０１上にゲート酸化膜１０２とフィールド酸化膜１０３
とを熱酸化により形成し、さらにその上に０．２〜０．
４μｍ厚のポリシリコン膜１０４をＣＶＤ法により堆積
する。次に、上記のような膜厚の下地ポリシリコン膜１
０４からの反射をほぼ完全に吸収する程度の色素を添加
した膜厚０．２μｍ前後の反射防止膜１０５を塗布す
る。この反射防止膜１０５としては、ハードベークノボ
ラック樹脂，あるいはポリイミド樹脂が適当である。ま
た、この反射防止膜１０５自体は解像性が問題にされな
いので、下地基板の反射率を考慮せずに任意の色素を添
加することができる。次に、透過性を上げたポジ型レジ
ストを０．５〜１．０μｍ厚塗布し、露光，露光後ベー
ク処理を行ない、アルカリ現像液で現像し、ポジ型レジ
スト１０６のパターンを得る〔図１（ａ）〕。この際、
レジストの膜厚を通常の１．０μｍ程度から０．５μｍ
まで薄膜化すると、解像力，焦点深度は大幅に拡大す
る。

【００１８】次に、全面露光を行ない、ポジ型レジスト
１０６を感光させて露光されたポジ型レジスト１０７に
変換する。その際の露光光はｉ線，あるいはｄｅｅｐ
ＵＶのいずれでもよい。さらにこの露光されたポジ型レ
ジスト１０７をシリル化処理し、ポジ型レジスト１０７
の表面にシリル化された領域１０８を形成する〔図１
（ｂ）〕。シリル化剤としては、前述のＨＭＤＳ，ある
いはジクロルジメチルシラン等を用いる。反応室を１０
^-4ｔｏｒｒ程度に排気し、そこに窒素ガスをキャリアガ
スとしてＨＭＤＳ等のシリル化剤を導入する（反応ガス
圧は例えば〜１００ｔｏｒｒ前後）。また、反応温度は
１２０〜１５０℃に調整する。シリル化された領域１０
８の膜厚は薄膜である反射防止膜１０５をエッチングす
るのに必要な厚さであればよいので、この領域１０８を
形成するための反応時間は３０秒〜３分程度でよい。ま
た、シリル化を促進するために紫外光を照射してもよ
い。

【００１９】次に、異方性ドライエッチングにより反射
防止膜１０５をエッチングして反射防止膜１０５ａを残
留形成する。反射防止膜１０５は膜厚が０．２μｍ前後
と薄いため、この反射防止膜１０５ａの形成に際して異
方性を保つこのは比較的容易である。このエッチングに
は平行平板型，ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）型，
マグネトロン型等のＲＩＥ（リアクティブ・イオン・エ
ッチング）装置が適用できる。エッチング条件はエッチ
ング装置により異なるが、数ｍ〜５０ｍｔｏｒｒ程度の
ガス圧で、主に酸素，あるいは酸素に塩素，臭素等のガ
スを添加し、１分以内，通常２０秒程度で終了する。次
に、表面にシリル化された領域１０８を有する露光され
たポジ型レジスト１０７と残留形成された反射防止膜１
０５ａとからなる２層構造のパターンをマスクとして、
ポリシリコン膜１０４を異方性エッチングし、ＭＯＳト
ランジスタの微細ポリシリコンゲートパターンとなるポ
リシリコン膜１０４ａを残留形成する〔図１（ｃ）〕。
このエッチングは、フロロカーボン系，あるいはそれに
塩素，臭素系ガスを混合して行なう。

【００２０】次に、化学増幅系ポジ型レジストに本発明
を適用した本発明の第２の実施例について述べる。本実
施例は、基本的には上記第１の実施例（ノボラック系レ
ジストの場合）と同様である。唯一の相違点は、レジス
トパターンを残留形成した後とシリル化処理との間に実
施する全面露光の後に、ベーク処理を追加することであ
る。これは、全面露光によって小量発生した酸の酸触媒
反応を促進するためであり、この処理によりシリコンの
拡散を抑制し、樹脂（主にポリビニルフェノール）の水
酸基とシリル化剤との反応を阻害する要因を除くためで
ある。酸発生剤と溶解抑制剤と樹脂とからなる３成分系
の場合は、露光後ベーク処理によって溶解抑制機能（こ
れはシリル化剤の拡散も抑制する）を失なわせる。一
方、溶解を阻止する基が水酸基に付加された樹脂と酸発
生剤との２成分系の場合は、上記ベーク処理によって溶
解阻止剤を樹脂から取り除き、シリル化剤と反応する水
酸基を自由な状態にする。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、ポジ型レ
ジストの下面に薄い反射防止膜を設け、露光，現像する
ためレジストパターンの寸法の均一性や解像力，焦点深
度の向上がはかれる。さらにこのレジストパターンに全
面露光した後、この表面をシリル化処理し、下層の反射
防止膜のパターンを形成するため、レジストパターンの
膜減り，角落ち等が無くなり、寸法均一性をより一層向
上させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を説明するための工程順
の断面図である。

【図２】従来の技術の問題点を説明するための図であ
り、多重干渉効果を説明するためのグラフである。

【図３】従来の技術の問題点を説明するための断面図で
ある。

【符号の説明】

１０１，２０１ シリコン基板 １０２，２０２ ゲート酸化膜 １０３ フィールド酸化膜 １０４，１０４ａ，２０４ ポリシリコン膜 １０５，１０５ａ，２０５ａ，２０５ｂ 反射防止膜 １０６，２０６ａ，２０６ｂ ポジ型レジスト １０７ 露光されたポジ型レジスト １０８ シリル化された領域

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面に加工される膜が設けられた半導体
   基板上に、あらかじめ、露光光を吸収する反射防止膜を
   塗布し、 前記反射防止膜上に、ポジ型レジストを塗布し、 露光，現像処理により、前記ポジ型レジストからなるレ
   ジストパターンを形成し、 前記レジストパターンを全面露光し、 前記レジストパターンの表面のみにシリコンを拡散し、 前記レジストパターンをマスクとして酸素を含むプラズ
   マにより前記反射防止膜を異方性エッチングすることに
   より、前記レジストパターンの直下に前記レジストパタ
   ーンと同形の反射防止膜パターンを形成することを特徴
   とするレジストパターンの形成方法。
2. 【請求項２】 前記ポジ型レジストがノボラック系レジ
   スト，あるいは化学増幅系レジストであることを特徴と
   する請求項１記載のレジストパターンの形成方法。
3. 【請求項３】 前記反射防止膜がダイを添加したハード
   ベークノボラック樹脂，もしくはポリイミド樹脂である
   ことを特徴とする請求項１，あるいは請求項２記載のレ
   ジストパターンの形成方法。