JPH09134867A - 膜形成およびパターン形成方法 - Google Patents

膜形成およびパターン形成方法

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JPH09134867A
JPH09134867A JP7292466A JP29246695A JPH09134867A JP H09134867 A JPH09134867 A JP H09134867A JP 7292466 A JP7292466 A JP 7292466A JP 29246695 A JP29246695 A JP 29246695A JP H09134867 A JPH09134867 A JP H09134867A
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JP
Japan
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film
processed
resist
forming
nitrogen
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JP7292466A
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English (en)
Inventor
Ryoko Yamanaka
良子 山中
Naoko Asai
尚子 浅井
Toshiyuki Mine
利之 峰
Toshihiko Tanaka
稔彦 田中
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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  • Exposure Of Semiconductors, Excluding Electron Or Ion Beam Exposure (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】レジスト膜が塗布される下地膜(被加工膜ある
いは反射防止膜)が、シリコン以外の材料(窒化シリコ
ン等)であっても良好な形状のレジストパターンを形成
する。 【解決手段】下地膜形成において、下地膜形成の終了前
に、不活性ガスあるいは酸素ガスを導入することによっ
て、上記下地膜の表面に酸化膜あるいは単一原子からな
る膜を形成し、その後、レジスト塗布,ベーク,露光,
露光後ベークおよび現像を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体,磁
性体,超伝導体,誘電体等の固体素子の製造における微
細パターン形成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】LSI等の回路パターン形成では、縮小
投影露光法が広く用いられている。近年、露光法におい
て、露光光の短波長化による解像度の向上が進みつつあ
る。従来から広く用いられてきた水銀ランプに代わっ
て、KrFエキシマレーザ(波長248nm)によって
0.25μm レベルのパターンが、ArFエキシマレー
ザ(波長193nm)によって0.2μm レベルの加工
が可能になると考えられている。また、さらに微細なパ
ターンを形成するために、X線および電子線リソグラフ
ィの検討も進められている。
【0003】短波長光やX線および電子線による露光で
は、レジストの光吸収によるパターン形状劣化や感度が
問題となるため、光吸収が少なくかつ高感度な化学増幅
型レジストが開発され、実用化に向けて様々な検討がな
されてきた。その中で、化学増幅型レジストの量産レベ
ルでの実用化を阻む問題点が明らかになってきた。
【0004】化学増幅型レジストにおける代表的な問題
の一つに、種々の下地膜上におけるパターン断面異常が
挙げられる。特に下地膜が窒化シリコン,窒化チタンな
どの窒素原子を含有する膜であった場合にポジ型のレジ
ストが示す裾引き形状は深刻な問題である。窒化シリコ
ン膜はLOCOS形成時のエッチングマスクとして用い
られる。また、窒化シリコンおよび窒化チタンは有望な
無機反射防止膜である。そのため、窒化膜系材料上にお
けるパターニングは必須であり、のようなパターン形状
異常を解決する必要がある。
【0005】このようなパターン形状異常の原因として
窒化膜表面の残留アンモニアや環境による汚染アンモニ
アによる酸のトラップ、あるいは膜中の窒素原子の非共
有電子対による酸のトラップなどが考えられてきた。ま
た、解決法としては、窒化シリコン膜表面を酸素プラズ
マによって酸化膜化する方法,中性の有機膜をレジスト
と下地膜の中間にはさむ方法,レジストに塩を加える方
法などが検討されている。これらの解決法は例えば、1
994年第41回春季応用物理学会予稿集,第2分冊,
566頁,29a−MB−10および29p−MB−1
に示されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明が解決しようと
する課題を明らかにするために、レジストパターンが形
成される下地膜(反射防止膜あるいは被加工膜)が窒化
シリコン膜である場合について説明する。
【0007】まず、ポジ型化学増幅型レジストにおける
パターン形成の機構を図2を用いて説明する。被加工基
板1上に窒化シリコン膜2,レジスト膜3を順次被着
し、マスク5を介して遠紫外光4をレジスト膜3に照射
すると、レジスト膜中に酸6が発生する。化学増幅型レ
ジストでは、この酸を触媒としてレジストの可溶化反応
が起こるため、現像時にエネルギ線照射部分のみが現像
液に溶解し、レジストパターンが形成される。しかし、
レジスト膜の下地材料が窒化シリコン膜に代表される窒
化膜系の材料であった場合、図2(e)に示すように酸
の濃度が膜厚方向に分布を持ち、図2(f)に示すよう
な裾引き状のパターン断面形状7になり、寸法精度が悪
くなる問題点がある。なお、ネガ型レジストの場合、パ
ターン断面形状に基板界面付近での食い込みが生じ、レ
ジストパターンの剥がれが引き起こされる問題がある。
【0008】このような窒化シリコン膜上でのレジスト
パターン形状異常を解決するために、我々はまず、その
原因について検討を重ねた。その結果、窒化シリコン膜
表面に約1原子層の表面酸化膜が存在し、この表面酸化
膜中の水酸基が塩基としてふるまうことがわかった。窒
化膜表面では、図3(a)に示すように、この塩基性水
酸基がレジスト中の酸6をトラップし、また、レジスト
ポリマー13と結合するため、化学増幅型レジストの可
溶化はもちろんのこと、溶解阻害型レジストの現像も阻
害される。一方、シリコンウェハの表面酸化膜中の水酸
基は酸としてふるまい、図3(b)に示すようにレジス
トの反応に影響を及ぼしていないこともわかった。さら
に、このような窒化シリコン膜表面の水酸基の性質は水
酸基の結合しているシリコン原子の他の結合手が結合し
ている窒素原子の影響であることが予測された。以上よ
り、パターン断面異常を解決するためには、このような
表面水酸基の性質を改善する必要がある。本発明の目的
は、窒化膜等の下地膜表面の水酸基をより簡便な方法で
改質し、反射防止膜あるいは被加工膜での良好なレジス
トパターンを形成する方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的は、反射防止膜
あるいは被加工膜の形成過程において、不活性ガスある
いは酸素ガスを導入するか、あるいはガス導入を中止
し、反射防止膜あるいは被加工膜表面に複数の原子層の
酸化膜あるいは単一原子からなる膜を形成することによ
り達成される。
【0010】本発明の作用を反射防止膜に窒化シリコン
膜,膜形成方法としてスパッタ法を用いた場合を例にと
り、図1を用いて説明する。被加工基板1をシリコンを
ターゲットとしたスパッタ装置内に入れ、窒素ガスある
いは窒素混合ガスをバッファガスとして導入し、スパッ
タを開始する。ターゲットから生成したシリコン原子8
とバッファガス中の窒素原子9が被加工基板表面で窒化
シリコンを形成し、膜2が形成される。所望の厚さだけ
形成した後、バッファガスをアルゴンに変えてさらに膜
形成を続ける。このとき、バッファガスの組成を徐々に
変化させてもよい。結果として、複数の原子層のシリコ
ン層12を表面に形成する。そのあと、被加工基板をス
パッタ装置から取り出すと自然酸化膜が表面に形成され
る。表面の酸化膜あるいはシリコン膜が2原子以上あれ
ば、膜表面の水酸基が結合するシリコンのバックボンド
がシリコンあるいは酸素となるため、表面水酸基が塩基
ではなく酸の性質を持つ。このため、その後、レジスト
膜3を表面に塗布し露光マスク5及び適当な光学系を介
して遠紫外線4を照射し、遠紫外線照射部(以下露光
部)に酸6を発生させても、この酸に窒化膜は何ら影響
を及ぼさない。また、レジストポリマとの結合も生じ
ず、露光後ベークおよび現像ののちに良いレジストパタ
ーン7を得る。
【0011】これまでの説明は全て光リソグラフィ、特
に遠紫外光を用いた場合について述べて来たが、通常の
水銀灯を用いた紫外光による露光,電子線やX線等の他
のエネルギ線を用いた露光でも同様であることはいうま
でもない。
【0012】
【発明の実施の形態】被加工基板であるシリコン基板上
に反射防止膜を形成するため、印加電極とスパッタター
ゲットであるシリコン基板を備えたスパッタ装置内に上
記基板を搬入し、チャンバ内を真空引きした。窒素ガス
を流量20[sccm],到達圧力5×10-4[Pa]で導
入し、印加電極に13.56MHz の高周波を印加し
た。
【0013】500[W],スパッタ圧力6.7×10
-1[Pa] で約9分間スパッタリングし、窒化シリコ
ン膜を被加工基板上に形成した。引き続いて、導入ガス
をArガスに切り替え、約一分間スパッタリングを継続
した。その結果、最表面に数原子層の酸化シリコン膜が
形成された厚さ約100nmの窒化シリコン膜を、被加
工基板上に得た。この窒化シリコン膜上に、部分保護化
ポリヒドロキシスチレンをベースポリマとし、トリフェ
ニルスルホニルトリフレートを酸発生剤として含有した
ポジ型化学増幅型レジストを塗布し、膜厚0.7μm の
レジスト膜を形成した。80℃2分間のソフトベークを
行った後、KrFエキシマレーザ縮小投影露光装置(N
A=0.45)と所望のマスクパターンを用いて、レジ
スト膜を露光した。
【0014】図4はKrFエキシマレーザ縮小投影露光
装置の概要である。光源21から発する光は、フライア
イレンズ22,コンデンサレンズ群23,25及びミラ
ー34を介してマスク26を照明する。マスク26上に
描かれたパターンは、投影レンズ27を介して被加工基
板であるウェハ28上に投影される。なお、マスク26
はマスク位置制御手段で制御されたマスクステージ36
上に載置され、その中心と投影レンズ27の光軸とは正
確に位置合わせがなされている。ウェハ28は、試料台
29上に真空吸着されている。試料台29は、投影レン
ズ27の光軸方向すなわちZ方向に移動可能なZステー
ジ30上に載置され、さらにXY方向に移動可能なXY
ステージ31上に搭載されている。Zステージ30およ
びXYステージ31は、主制御系37からの制御命令に
応じてそれぞれの駆動手段32,33によって駆動され
るので、所望の露光位置に移動可能である。その位置は
Zステージ30に固定されたミラー34の位置として、
レーザ測長器35で正確にモニタされている。また、ウ
ェハ28の表面位置は、通常の露光装置が有する焦点位
置検出手段で計測される。計測結果に応じてZステージ
30を駆動させることにより、ウェハ28の表面は常に
投影レンズ27の結像面と一致させることができる。
【0015】上記の露光後、80℃2分間の露光後ベー
クを行い、2.38% のテトラメチルアンモニウムハイ
ドロオキサイドで一分間現像した。
【0016】以上のプロセスによって形成されたレジス
トパターンの断面形状を走査型電子顕微鏡を用いて観察
した結果、線幅0.25μm のラインアンドスペースパ
ターンをはじめとする微細パターンで、裾引きのない垂
直なパターン形状を得たことを確認した。また、パター
ン寸法分布を測定した結果、非常によい寸法精度を得
た。さらに、プロセスをLSI加工に導入した結果、
0.25 ルールのデバイスが製造できた。
【0017】なお、反射防止膜は本実施例に示したもの
に限らず、スパッタターゲットをチタンに代えることに
よって、窒化チタンを形成することができる。また、本
実施例ではポジ型化学増幅型レジストにおける本発明の
効果を示したが、他の酸発生剤を含むポジ型化学増幅型
レジストや、架橋剤を含有したネガ型レジストの場合、
また、ナフトキノンジアジド等を含んだ溶解抑止型レジ
ストの場合も有効であった。
【0018】本実施例ではパターン露光にKrFエキシ
マレーザ縮小露光を用いたが、他の方法を用いても良
い。例えば、電子線露光,ArFエキシマレーザ密着露
光あるいは縮小投影露光,遠紫外線を光源とするステッ
プアンドスキャン反射型縮小投影露光または軟X線等を
用いることができる。また、NAもこれに限るものでは
ない。
【0019】また、本実施例ではRF電源を用いたスパ
ッタ法の場合を示したが、DC電源を用いてもよい。な
お、シランとアンモニアガスによるCVD法で窒化シリ
コン膜を形成し、CVD膜形成終了直前にシランガスの
みを導入して窒素を含まないシリコン膜を形成した場合
にも同様に形状改善,寸法精度向上に効果があった。
【0020】
【発明の効果】本発明によれば、レジストパターン断面
が裾引きあるいは食い込み形状になる反射防止膜あるい
は被加工膜上においても、極めて微細かつ良好な形状を
有するレジストパターンを、比較的簡単なプロセスで形
成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理を模式的に示す工程の説明図。
【図2】化学増幅型レジストにおける反応機構とパター
ンの劣化を模式的に示す工程の説明図。
【図3】窒化シリコン膜表面の水酸基の働きを模式的に
示す説明図。
【図4】KrFエキシマレーザ縮小投影露光装置の説明
図。
【符号の説明】
1…被加工基板、2…窒化シリコン膜、3…レジスト
膜、4…遠紫外線光、5…露光マスク、6…酸、7…レ
ジストパターン、8…シリコン、9…窒素、10…窒素
プラズマ、11…アルゴンプラズマ、12…シリコン
膜。
フロントページの続き (72)発明者 田中 稔彦 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 (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】被加工基板上に反射防止膜を形成する工程
    と、レジスト膜を塗布する工程と、上記レジスト膜の所
    望の場所にエネルギ線を照射する工程と、上記レジスト
    膜を現像する工程を含むパターン形成方法、あるいは、
    上記被加工基板上に被加工膜を形成した後、上記被加工
    膜上に直接レジスト膜を塗布する工程と、上記レジスト
    膜の所望の場所にエネルギ線を照射する工程と、上記レ
    ジスト膜を現像する工程を含むパターン形成方法におい
    て、 上記反射防止膜あるいは被加工膜を形成する工程の最後
    に不活性ガスあるいは酸素ガスを導入することによっ
    て、上記反射防止膜あるいは被加工膜表面に複数の原子
    層の表面酸化膜を形成するか、表面酸化膜と単一原子で
    構成される2層膜を形成するか、あるいは複数の原子層
    の窒素を含まない膜を形成することを特徴とするパター
    ン形成方法。
  2. 【請求項2】上記レジスト膜がエネルギ線の照射によっ
    て酸を発生する酸発生剤を含有する化学増幅型レジスト
    である請求項1に記載のパターン形成方法。
  3. 【請求項3】上記レジスト膜がエネルギ線の照射によっ
    て溶解速度が変化するノボラック−ナフトキノン等の溶
    解阻害型レジストである請求項1に記載のパターン形成
    方法。
  4. 【請求項4】上記反射防止膜および被加工膜が、SiN
    x,SiNxOy,TiNx(xおよびyは任意の実
    数)、などの窒素原子を含んでいる膜である請求項1,
    2または3に記載のパターン形成方法。
  5. 【請求項5】上記反射防止膜および被加工膜をスパッタ
    ー法あるいはCVD法で形成する請求項1,2,3また
    は4に記載のパターン形成方法。
  6. 【請求項6】被加工基板上に窒素ガスを導入し、高電圧
    を印加して窒素プラズマを発生させ、これを用いて窒化
    膜を堆積する反射防止膜あるいは被加工膜の形成方法に
    おいて、上記窒化膜形成の終了前にアルゴンガスを導入
    し、上記窒化膜の最表面が酸化膜とする請求項1,2,
    3,4または5に記載のパターン形成方法。
  7. 【請求項7】被加工基板上に、シランとアンモニアを反
    応させて窒化シリコン膜を形成する反射防止膜あるいは
    被加工膜の形成方法において、上記窒化シリコン膜形成
    の終了前にアンモニアの導入を中止してシランのみを導
    入し、上記窒化膜の表面に2原子層以上のポリシリコン
    膜を形成するか、あるいは上記窒化シリコン膜形成の終
    了前にアンモニアに変えて酸素を導入し上記窒化膜の表
    面に酸化シリコン膜を形成する請求項1,2,3,4ま
    たは5に記載のパターン形成方法。
  8. 【請求項8】被加工膜あるいは反射防止膜である下地膜
    上に、レジスト膜を塗布する工程と、上記レジスト膜の
    所望の場所にエネルギ線を照射する工程と、上記レジス
    ト膜を現像する工程を含むパターン形成方法において、
    上記下地膜が最表面に酸性水酸基が形成された窒化膜で
    あることを特徴とするパターン形成方法。
  9. 【請求項9】反射防止膜あるいは被加工膜を形成する工
    程の最後に不活性ガスあるいは酸素ガスを導入すること
    によって、前記反射防止膜あるいは被加工膜表面に複数
    の原子層の表面酸化膜を形成するか、表面酸化膜と単一
    原子で構成される2層膜を形成するか、あるいは複数の
    原子層の窒素を含まない膜を形成することを特徴とする
    膜形成方法。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR970051923A (ja) * 1995-12-29 1997-07-29
KR100921932B1 (ko) * 2007-10-25 2009-10-15 포항공과대학교 산학협력단 다원자분자를 이용한 패터닝방법

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KR970051923A (ja) * 1995-12-29 1997-07-29
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