JPH0982596A

JPH0982596A - パターン形成方法

Info

Publication number: JPH0982596A
Application number: JP23440695A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Ikeda; 隆洋池田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-09-12
Filing date: 1995-09-12
Publication date: 1997-03-28

Abstract

(57)【要約】【課題】レジスト底部の裾の発生を抑制して良好なレ
ジストプロファイルを形成することができ、レジストパ
ターンの寸法精度向上をはかる。【解決手段】被加工基板上に形成されたフォトレジス
トに所望パターンを露光して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、フォトレジスト１とアル
ミニウム膜３との間に、フォトレジスト１とその直下の
層との境界面からフォトレジスト１へ戻る露光光の成分
の強度又は位相を、露光波長に応じて調整するための有
機薄膜２を設け、フォトレジスト１に入射する光の進行
方向を基準にとり、フォトレジスト側からフォトレジス
ト１とその下層の有機薄膜３との界面に入射する第１の
光５の位相に対して、界面からフォトレジスト側へ戻る
第２の光６の位相が、２７０°の値を持って進むよう
に、有機薄膜２の膜厚及び光学定数を調整した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レジストパターン
の形成方法に係わり、特に大規模半導体集積回路（ＬＳ
Ｉ）等の電子部品の微細加工に用いられるパターン形成
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路を始めとする各種電子部
品の製造工程には、フォトリソグラフィによる微細加工
技術が用いられている。この技術では、例えばシリコン
ウェハ上及びその上に形成された絶縁体・導体・半導体
薄膜上にフォトレジスト層を回転塗布法等により形成
し、フォトレジスト層をパターン露光した後、現像工程
を経てレジストパターンを形成する。そして、このレジ
ストパターンをエッチングマスクとして用い、基板上に
形成された絶縁体・導体・半導体薄膜をエッチングする
ことにより微細な配線や開口孔等を形成する。

【０００３】フォトリソグラフィ技術においては、レジ
ストパターンの寸法を高精度で制御することが重要であ
る。しかし、配線パターンを形成するための金属若しく
はシリコン薄膜等、露光光に対して高い反射率を有する
基板上でのパターン形成工程においては、基板段差部か
らの反射光の作用によって局所的なレジスト寸法の変動
やプロファイルの劣化の生じる場合がある。また、レジ
スト直下に紫外線に対して比較的透明な珪素酸化物や珪
素窒化物膜が存在する場合には、露光光はこれらの膜中
で多重反射する。それ故、これらの膜厚が変動すると上
記多重反射の振るまいがその影響を受ける。

【０００４】その結果、実質的にレジスト層に与えられ
る光エネルギーの量が変動し、レジスト寸法の制御性に
重大な支障を来たす。さらには、レジスト層中でも多重
反射が起こるためにレジスト膜厚の変動がある場合には
やはり寸法変動に大きな影響を与えてしまう。

【０００５】そこで最近、上記の問題点を解決するため
に、図９に示すように、フォトレジスト１と被加工膜
（被加工膜基板）３との間に反射防止膜２を形成する方
法が採られている。この方法では、レジスト１を通過し
た光がレジスト下層にある反射防止膜２に吸収されるた
めに、再度レジスト１に反射する光の強度を著しく低下
せしめることができる。しかも、反射防止膜２の下層中
での多重反射の影響を除くことができ、さらには上述の
レジスト膜厚の変動に伴う寸法変動やプロファイル劣化
を低減することができる。

【０００６】このような反射防止膜としては種々のもの
が提案されている。例えば、特開昭５９−９３４４８号
公報においては、露光光を吸収する性質のある樹脂、若
しくは露光光を吸収する性質のある染料、例えばクルク
ミン，クマリンなどを樹脂中に分散させたものをスピン
塗布法で基板上に形成し、反射防止膜として用いる方法
が提案されている。また、特開平５−３０８０４９号公
報においては炭素化合物よりなる反射防止膜、特開平５
−２９９３３８号公報や特開平６−１９６４００号公報
においてはシリコン化合物よりなる反射防止膜を用いる
方法が提案されている。

【０００７】しかしながら、このような反射防止膜を用
いた場合でも、屈折率及び消衰係数の値、及び膜厚の選
び方が適当でない場合には、レジストプロファイルが図
９に示すような裾引き形状を示す場合がある。レジスト
がこのような形状になった場合、これをマスクとしてエ
ッチングを行うと、レジスト底部の裾がエッチングの寸
法変換差を大きくし、このために加工寸法の制御性を著
しく低下させる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、レジ
ストパターンの形成には、レジスト層とその下層との間
に反射防止膜を形成する方法が採られているが、反射防
止膜を用いた場合でも、膜厚及び光学定数の選び方が適
切でない場合には、レジストプロファイルが図９に示す
ような裾引き形状を示す場合がある。レジストがこのよ
うな形状になった場合、これをマスクとしてエッチング
を行うと、レジスト底部の裾がエッチングの寸法変換差
を大きくし、このために加工寸法の制御性を著しく低下
させる。

【０００９】本発明は、上記の事情を考慮してなされた
もので、その目的とするところは、レジスト下地からの
反射に起因するレジスト寸法変動を低減できるのは勿論
のこと、レジスト底部の裾の発生を抑制して良好なレジ
ストプロファイルを形成することができ、レジストパタ
ーンの寸法精度向上をはかり得るパターン形成方法を提
供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】（概要）上記課題を解決するために本発明は、次のよう
な構成を採用している。即ち本発明は、被加工基板上に
形成されたフォトレジスト層に所望パターンを露光して
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、前記フォトレジスト層と被加工基板との間に、フォ
トレジスト層とその直下の層との境界面からフォトレジ
スト層へ戻る露光光の成分の強度又は位相を、露光波長
に応じて調整するための薄膜を設け、前記フォトレジス
ト層に入射する光の進行方向を基準にとり、フォトレジ
スト側からフォトレジスト層とその下層の薄膜との界面
に入射する第１の光の位相に対して、界面からフォトレ
ジスト側へ戻る第２の光の位相が、２４０〜３００°の
範囲の値を持って進むように、薄膜の膜厚及び光学定数
を調整したことを特徴とする。さらに、第１の光に対す
る第２の光の位相の進みを、２７０°近傍に設定したこ
とを特徴とする。（作用）本発明によれば、フォトレジスト層と被加工基
板との間に反射防止膜等の薄膜を設けることにより、レ
ジスト下地からの反射に起因するレジスト寸法変動を低
減することができる。これに加えて、フォトレジスト側
からフォトレジスト層とその下層の薄膜との界面に入射
する第１の光の位相に対して、界面からフォトレジスト
側へ戻る第２の光の位相が、２４０〜３００°の範囲の
値を持って進むように、薄膜の膜厚及び光学定数を調整
することにより、レジスト底部の裾の発生を抑制して良
好なレジストプロファイルを形成することができる。こ
れにより、レジストパターンの寸法精度向上をはかるこ
とが可能となる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を説明する前
に、まず本発明の基本原理について説明する。前述した
レジスト底部の形状に関して本発明者らが各種実験及び
鋭意研究を重ねた結果、レジスト底部が裾引き形状とな
る現象は、以下の原因によって生じることが明らかにな
った。これを、図１を用いて説明する。

【００１２】露光光４の照射によりレジスト−空気界面
からレジスト１中に入射した露光光５は、その強度と位
相を変化させつつレジスト−下地界面に到達する。この
レジスト−下地界面における露光光５の複素振幅強度
を、入射光の方向を光波の進行方向の基準としてＡ＝Ａ₀ cos （ｑｘ−ωｔ＋φ₁ ） … (1) のように表すことができる。ここで、ｑはレジスト中で
の露光光の波数であり、真空中での波長λ、レジストの
複素屈折率η₁ ＝ｎ₁ −ｊｋ₁ によって、ｑ＝２πη₁ ／λ … (2) と示される。

【００１３】次に、レジスト−下地界面に到達した露光
光５は、下地の層構造と下地を構成する材質の複素屈折
率によって一意に定まる複素反射率γに従ってレジスト
側へと反射する。その複素振幅はＲ＝γＡ＝Ｒ₀ cos （ｑｘ＋ωｔ＋φ₂ ）… (3) のように表せる。

【００１４】レジスト１に吸収される光の強度、従って
レジスト１の感光反応に影響する実効的な光の振幅は、
上記Ａ＋Ｒに比例する。一方、レジスト１よりも下層に
ある層の構造と複素屈折率の如何によっては、上記入射
光５と反射光６との位相関係は、両者が強め合う関係に
も弱め合う関係にもなり得る。

【００１５】その様子をレジスト中の光強度分布によっ
て示したのが、図２（ａ）〜（ｄ）である。この図か
ら、位相差（φ₂ −φ₁ ）が０°の場合と（φ₂ −φ
₁ ）が１８０°の場合とで、それぞれレジスト−下地界
面における光強度が極大・極小になることが分かる。

【００１６】しかしながら、この光学的潜像がフォトレ
ジストのパターニングの際に完全に忠実に再現されるわ
けではない。何故ならば、通常のレジストプロセスにお
いては、例えば定在波効果の低減のために露光後ベーク
などの付加プロセスを行っている。このため、レジスト
中の感光剤濃度分布は、レジスト中での感光剤の拡散等
の影響を受けて光学的潜像プロファイルがスムージング
されたプロファイルとなる。

【００１７】この様子を調べるために、ポストエクスポ
ージャーベーク後のレジスト中の潜像プロファイルを数
値計算により求めたのが図３（ａ）〜（ｄ）である。図
中の７は未露光部、８は露光部を示し、ポジ型レジスト
では未露光部７がパターンとして残っている。

【００１８】この結果から分かるように、実際のレジス
トプロファイルにおいて裾引きが顕著に現れるのは、前
述の位相差（φ₂ −φ₁ ）が９０°程度になる場合であ
る。従って、この現象を解消するためには、位相差（φ
₂ −φ₁ ）が９０°程度の値になるような下地構造及び
下地を構成する材料の光学定数及び膜厚の組合わせを避
け、上記位相差（φ₂ −φ₁ ）が２４０〜３００°の範
囲になるように、より望ましくは２７０°近傍となるよ
うに設定すればよい。

【００１９】また、本発明者らは上記位相差（φ₂ −φ
₁ ）の望ましい範囲を見つけるために、ＡＲＣ（Anti-R
eflection Coating:反射防止）薄膜を用いた場合の、入
射光に対する反射光の位相差とレジスト裾引き量との関
係を調べた。図４の横軸はＡＲＣ膜厚に相当する位相
差、縦軸は裾引き量である。位相差２７０°で裾引き量
は０となり、位相差９０°で裾引き量が最大となる。そ
して、裾引き量を０．０５μｍより小さく抑えるために
は、位相差を２７０°±３０°にすればよいことが分か
る。

【００２０】以下、本発明の実施形態を図面を参照して
説明する。（実施形態１）本実施形態は、被加工基板として表面に
アルミニウム膜を被着した基板（高反射基板）上に、屈
折率１．７，消衰係数０．３であるポリマー系の有機薄
膜を反射防止膜として形成し、さらにその上にフォトレ
ジスト層、例えばノボラック系のポジ型レジストからな
る層を形成する場合である。始めに、レジスト−反射防
止膜界面における入射光及び反射光の反射率及び位相を
計算するために、分光エリプソメータによりフォトレジ
スト及びアルミニウム膜の光学定数を測定した。その結
果、波長２４８ｎｍにおいて下記の（表１）のようにな
った。この結果を用いて、レジスト−基板界面での反射率及び
入射光・反射光の位相差を計算し、以下の手順によって
この層の適正な膜厚を求めた。

【００２１】図５は、上記の構成の下地上に、光波長に
おける屈折率が１．７、消衰係数が０．０３であるよう
なフォトレジストを塗布して露光を行う場合の、レジス
ト−反射防止膜界面における上述の定義になる位相差、
及びこの界面に入射する光Ａと、この界面からレジスト
側に戻る反射光Ｒの強度の比、即ち強度反射率｜Ｒ／Ａ
｜² を、様々な上記反射防止膜の膜厚に対して計算した
結果である。

【００２２】このような計算は、例えば文献（P.H.Bern
ing: Physics of Thin Films, Vol.1, pp69-121(1963),
A.E.Be ll & F.W.Spong: IEEE Jounal of Quantum Ele
ctronics, Vol.QE-14, pp487-495(1978)、K.Ohta & H.I
shida: Applied Optics, Vol.29, pp1952-1958(1990)）
に詳述される計算方法を用いて行うことができる。

【００２３】図５より、反射防止膜厚が４７ｎｍ，１１
３ｎｍ，１８４ｎｍ，２５６ｎｍとなる場合に反射率が
極小となることが分かるが、位相差を考慮しないでこの
ような値の中から膜厚を選んだ場合、例えば膜厚を４７
ｎｍ若しくは１１３ｎｍとすると、前記の位相差（φ₂
−φ₁ ）はそれぞれ１３２°，９７°となり、先に述べ
た理由によりレジスト底部の形状が裾を引いた形になっ
てしまう。

【００２４】そこで、反射防止膜厚の薄い方から数えて
３番目の極小に相当する１８４ｎｍの膜厚を選ぶことと
した。この膜厚においては反射率は０．１％、位相差は
２７２°となり、反射防止の点からもレジストプロファ
イルの点からも、良好な特性を期待できる膜厚条件であ
る。

【００２５】なお、ここではなるべく反射防止効果が大
きくなるように、レジスト−下地界面の反射率が極小と
なる条件のうちでさらに上記位相差が２７０°に近い条
件を採用したが、必ずしも反射率が極小値をとる必要は
なく、レジストパターンに要求される寸法精度が達成で
きる程度に反射率の値が小さい値に抑えられている条件
の中からさらに上記位相差が２７０°に近くなる条件を
選べばよい。

【００２６】上述の計算結果に基づいて、スパッタ法に
より４００ｎｍの膜厚で成膜したアルミニウム膜の上
に、上記の反射防止膜を１８４ｎｍの膜厚となるように
成膜した。その後、前記（表１）の光学定数を有するフ
ォトレジストを膜厚が１μｍとなるように形成した。次
いで、ＫｒＦエキシマレーザステッパによりパターン露
光を行い、その後、現像液として例えばテトラメチルア
ンモニウムヒドロキシド水溶液等の有機アルカリ系水溶
液を用いて現像を行って、０．３μｍラインアンドスペ
ースのレジストパターンを形成した。

【００２７】このようにして得られたレジストパターン
を走査型電子線顕微鏡で観察した結果、裾引きのないプ
ロファイルでかつ乱反射によるパターン寸法の乱れ、即
ちハレーションの生じていない良好なレジストパターン
が得られることを確認した。（実施形態２）ＷＳｉ基板
上に窒化珪素膜が１４０ｎｍの膜厚で成膜されている基
板上に塗布型反射防止膜を形成し、その上にフォトレジ
スト層、例えばノボラック系ポジ型レジストからなる層
を形成し、露光波長３６５ｎｍのｉ線を用いた場合につ
いて説明する。

【００２８】第１の実施形態の場合と同様に、反射防止
膜の最適膜厚を算出するために、波長３６５ｎｍにおけ
るフォトレジスト，窒化膜，ＷＳｉ膜の屈折率及び消衰
係数を、分光エリプソメータにより測定した。その結
果、各々以下の（表２）ような値が得られた。（表２）物質屈折率消衰係数フォトレジスト１．７０７０．００３ＳｉＮ２．０７４０．０００ＷＳｉ３．５２６２．８３３次に、前記基板の窒化膜上に、露光波長における屈折率
が１．７、消衰係数が０．２である有機膜を形成した。
この層の適正な膜厚は、以下の手順によって決めた。

【００２９】図６は、上記の構成の下地上に、光波長に
おける屈折率が１．７０７、消衰係数が０．００３であ
るようなフォトレジストを塗布して露光を行う場合の、
レジスト−反射防止膜界面における上述の定義になる位
相差、及びこの界面に入射する光Ａと、この界面からレ
ジスト側に戻る反射光Ｒの強度の比、即ち強度反射率｜
Ｒ／Ａ｜² を、様々な上記反射防止膜の膜厚に対して第
１の実施形態と同様の計算した結果である。

【００３０】この計算結果から、反射防止膜を用いない
場合には前記の位相差（φ₂ −φ₁）の値がおよそ約８
３°となり、レジストプロファイルが裾を引いた形状に
なる領域である。一方、反射防止膜厚を５７ｎｍ，１６
５ｎｍ，２１５ｎｍのいずれか、若しくは２７４ｎｍ以
上となるように選べば、前記位相差を約２７０°とする
ことができ、レジストの裾引きのない良好な形状が得ら
れることになる。

【００３１】特に、２７４ｎｍ以上の反射防止膜厚を選
ぶならば、このときの反射率及び位相差は、レジスト−
反射防止膜界面での反射によって定まる一定の値にな
る。このときの反射率は１．５％以下という非常に低い
値に抑えられ、また位相差も２５０〜２８５°の範囲に
収まっているために、反射防止膜や下地膜厚の変動の影
響を受けない寸法制御性が高い、しかも裾引きのない良
好なプロファイルのレジストパターンを形成することが
可能となる。

【００３２】そこで、上記の計算結果に基づき、１５０
ｎｍのＷＳｉ膜上に、ＣＶＤ法により１４０ｎｍとなる
ようにシリコン窒化膜を成膜した基板上に、屈折率１．
７、消衰係数０．２の塗布型反射防止膜を２８０ｎｍの
膜厚となるように塗布し、その後に膜厚１μｍのフォト
レジスト層を形成した。次いで、ｉ線ステッパにより
０．４μｍのラインアンドスペースパターンの露光を行
い、露光後にベークを行い、その後にＴＭＡＨ水溶液に
より現像を行った。

【００３３】上記パターニングの結果を調べるため、走
査型電子顕微鏡により断面観察を行った結果、図７のよ
うに裾引きのない良好な断面形状を有するフォトレジス
トパターンを得ることができた。但し、図中の９はレジ
ストパターン、１０は反射防止膜、１１はＳｉＮ膜、１
２はＷＳｉ膜を示している。

【００３４】また、比較のために、基板上に反射防止膜
１０を形成せずに同様のパターニングを行った結果を、
図８に示す。レジストの断面形状は大きな裾引き形状を
有し、また定在波効果のために側壁に著しいラフネスが
見られた。

【００３５】なお、本発明は上述した各実施形態に限定
されるものではない。例えば、露光光として実施形態で
はｉ線及びＫｒＦエキシマレーザを用いたが、本発明は
これらに限定されるものではなく、ｇ線やＡｒＦエキシ
マ光などいかなる波長及びバンド幅を有する露光光を用
いた場合にも適用が可能である。

【００３６】また、レジスト中の反射光の強度又は位相
調整のための膜としては、ここでは屈折率が１．７，消
衰係数が０．３又は０．２のポリマー系反射防止膜を用
いたが、これに対しても種々の変更が可能であり、例え
ば特開平５−３０８０４９号公報にあるような炭素化合
物よりなる反射防止膜、特開平５−２９９３３８号公報
にあるようなシリコン化合物よりなる反射防止膜を用い
るような場合においても上記の方法は適用可能である。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形し
て実施することができる。

【００３７】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、フ
ォトレジスト側からフォトレジスト層とその下層の薄膜
との界面に入射する第１の光の位相に対して、該界面か
らフォトレジスト側へ戻る第２の光の位相が２４０〜３
００°の範囲の値を持って進むように、薄膜の膜厚及び
光学定数を調整することにより、良好なレジストパター
ンを形成し、かつハレーション及び下地膜厚変動等に基
づく寸法変動のない、高精度のレジストパターンを形成
することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】レジスト中に入射した露光光の挙動を示す図。

【図２】レジスト中の光強度分布を等高線表示して示す
図。

【図３】ポストエクスポージャーベーク後のレジストの
線像プロファイルを示す図。

【図４】反射光の位相差とレジスト裾引き量との関係を
示す図。

【図５】第１の実施形態において、反射防止膜の最適膜
厚を決定するに用いた図。

【図６】第２の実施形態において、反射防止膜の最適膜
厚を決定するに用いた図。

【図７】第２の実施形態により得られたレジストパター
ンを示す図。

【図８】比較例により得られたレジストパターンを示す
図。

【図９】従来方法によって形成されたポジ型レジストの
パターンの形状を示す図。

【符号の説明】

１…レジストパターン２…反射防止膜３…被加工基板４…露光光５…レジスト−基板界面への入射光６…レジスト−基板界面からの反射光７…レジストの露光部８…レジストの未露光部９…レジストパターン１０…反射防止膜１１…ＳｉＮ膜１２…ＷＳｉ膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被加工基板上に形成されたフォトレジスト
層に所望パターンを露光して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、前記フォトレジスト層と被加工基板との間に、前記フォ
トレジスト層とその直下の層との境界面から前記フォト
レジスト層へ戻る露光光の成分の強度又は位相を、露光
波長に応じて調整するための薄膜を設け、前記フォトレジスト層に入射する光の進行方向を基準に
とり、前記フォトレジスト側からこのフォトレジスト層
とその下層の前記薄膜との界面に入射する第１の光の位
相に対して、該界面から前記フォトレジスト側へ戻る第
２の光の位相が、２４０〜３００°の範囲の値を持って
進むように、前記薄膜の膜厚及び光学定数を調整したこ
とを特徴とするパターン形成方法。
【請求項２】第１の光に対する第２の光の位相の進み
を、２７０°近傍に設定したことを特徴とする請求項１
記載のパターン形成方法。