JPH0831726A - フォトレジストパターンの形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 定在波効果による影響を抑制し、フォトレジ
スト膜厚に変動があっても安定した寸法のフォトレジス
トパターンを形成することができるフォトレジストパタ
ーンの形成方法を提供する。 【構成】 フォトレジストパターンの形成方法におい
て、下地層上に第１のフォトレジストを形成する工程
と、第１のフォトレジストにマスクパターンを露光する
工程と、露光により第１のフォトレジスト側壁に形成さ
れた凹凸部を残して現像する工程と、凹凸部の凹部を埋
め込む工程を含むことにより、定在波効果による影響を
抑制し、安定した寸法のフォトレジストパターンを形成
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はフォトレジストパターン
の形成方法に関し、特に露光の際に生じる定在波効果に
起因する回路パターンや配線パターン等の寸法変動を抑
制することができるフォト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、半導体集積回路の微細化高集積化
が進むのにともない、回路パターンや配線パターンの微
細化が要求されている。これらのパターンの形成にあた
っては下地層となる基板や絶縁膜上にフォトレジストを
塗布した後、マスクパターンを露光し現像を行なってフ
ォトレジストをパターニングし、このパターニングされ
たフォトレジストを用いて基板等の下地層の所望の領域
を選択的に除去することなどにより行なっていた。

【０００３】しかしながら上述した従来のフォトレジス
トパターンの形成方法においては、露光の際に照射した
光の下地層からの反射によってフォトレジスト内に定在
波が生じ、その結果としてフォトレジストパターンが不
安定になり、最終的に形成される回路パターン等の線幅
が安定しないという問題点があった。

【０００４】上述した従来の技術の問題点をより詳細に
説明する。フォトレジストパターンの露光工程には、例
えば水銀ランプのｇ−線、ｉ−線を露光光源とした縮小
投影露光装置が用いられている。これらの露光光源はそ
の波長が一定であるため、照射した光は下地層からの反
射により下地層上に形成されたフォトレジスト内で定在
波を生じ、フォトレジスト内の各部分における光源から
の光強度は変動してしまう。これはフォトレジスト膜厚
の違いによるところが大きく、わずかなフォトレジスト
膜厚の違いにより各膜厚の異なるフォトレジスト内の部
分の光強度は大きく異なる。そのため同一の露光量で露
光して形成したフォトレジストパターンでも、その寸法
はフォトレジスト膜厚の微妙な変化により大きく変動
し、また寸法の変動により形状が変化してしまう場合も
考えられる。さらにそのようなフォトレジストパターン
を用いて、例えばエッチングを行なって回路パターン等
を形成した場合には、その線幅は不安定なものとなって
しまう。このような定在波に起因する光強度の変動は定
在波効果と呼ばれ、フォトレジストパターンの寸法変動
や形状の不安定さの最も大きな原因となっている。

【０００５】実際に半導体デバイスを形成するシリコン
基板上には、様々な薄膜の形成とエッチングの繰返しに
より数１００ｎｍ〜数μｍ程度の段差が生じている。こ
の段差のある基板上に回転塗布されるレジストは、段差
の凹凸に応じて膜厚が変動する。したがって膜厚変動に
対する定在波効果の影響の違いにより、設計上は同一寸
法にしてあるフォトマスク上のパターンであっても、レ
ジストパターンの仕上がり寸法としては大きく異なって
しまう場合が生じる。このような悪影響を及ぼす定在波
効果を抑制することが微細な回路パターンを正確に形成
するための大きな課題の１つになっている。

【０００６】定在波効果を抑制するためには、フォトレ
ジストの下層または上層に反射防止膜を形成して露光光
源からの光が下地層により反射することを防止し、フォ
トレジスト内に発生する定在波自体を抑制する方法が提
案されている。

【０００７】特開平４−２９０２１８号公報に記載され
たフォトレジストパターニング方法は、フォトレジスト
の下層に反射防止膜を形成したものの一例である。この
フォトレジストパターニング方法においては、被加工基
板上に塗布されるフォトレジスト下に、このフォトレジ
ストとは屈折率の異なる半透明薄膜を設けてパターニン
グすることにより、フォトレジスト下部の定在波効果を
低減しようとするものである。

【０００８】また、「ＳＰＩＥ ｖｏｌ．１６７４ Ｏ
ｐｔｉｃａｌ／Ｌａｓｅｒ Ｍｉｃｒｏｌｉｔｈｏｇｒ
ａｐｈｙ Ｖ（１９９２）」の第１５７〜１６４頁に
は、フォトレジストの上層に反射防止膜を形成したもの
の一例が示されている。これはフォトレジストの上層に
ＡＲＣＯＲ（Ａｎｔｉ−ＲｅｆｌｅｃｔｉｖｅＣｏａｔ
ｉｎｇ Ｏｎ Ｒｅｓｉｓｔ）膜と呼ばれる反射防止膜
を形成することにより、露光光を大気とＡＲＣＯＲ膜と
の界面およびＡＲＣＯＲ膜とレジスト膜との界面の両方
で反射させ、露光光がＡＲＣＯＲ膜がない場合のように
大気／レジスト膜界面で均一に反射して無用な干渉を起
こすことを防止している。この方法によっても定在波効
果を低減することができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらフォトレ
ジストの下層に反射防止膜を形成した場合には、現像時
にフォトレジストと同時に除去されるタイプのものでは
高解像度が得にくいという問題点がある。図７はこのこ
とを説明するための図であり、下地層１２上に反射防止
膜１３とフォトレジスト１４を形成し、露光、現像を行
ってフォトレジストをパターニングしたものを示してい
る。図７（ａ）に示したように現像時に、レジストで覆
われた部分以外の部分の反射防止膜が除去されるが、パ
ターンが微細になるに従ってパターニングされたレジス
トの下にレジストと同じサイズで正確に反射防止膜を残
すことが難しくなり、図７（ｂ）に示したようにレジス
トパターンが倒れてしまったり、反射防止膜が残りすぎ
て実際に下地層をマスクする部分の寸法がレジストの寸
法とは変わってしまったりする。このような理由により
高解像度が得にくくなり、不適切である。また現像後も
残るタイプのものではレジストの下層の反射防止膜をエ
ッチングにより除去することになるが、フォトレジスト
パターンの寸法変動はレジストとレジスト下層の反射防
止膜の間のエッチングの選択比に依存するため、エッチ
ング制御が難しくなる。すなわち、例えば選択比が低い
場合には反射防止膜をエッチングしている間にレジスト
も大きくエッチングされてしまい、必要なレジストパタ
ーンサイズを得ることが困難になる。さらにフォトレジ
ストの上層に形成した反射防止膜を用いた場合には、フ
ォトレジスト表面の凹凸に応じて反射防止膜の膜厚が変
動してしまい、定在波効果によるフォトレジストパター
ンの寸法変動の影響を抑制する効果は十分ではないとい
う問題点がある。

【００１０】本発明は上記従来の技術の問題点を解決す
るためになされたものであり、定在波効果による影響を
抑制し、フォトレジスト膜厚に変動があっても安定した
寸法のフォトレジストパターンを形成することができる
フォトレジストパターンの形成方法を提供することを目
的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ために、本発明のフォトレジストパターンの形成方法
は、下地層上に第１のフォトレジストを形成する工程
と、第１のフォトレジストにマスクパターンを露光する
工程と、露光により第１のフォトレジスト側壁に形成さ
れた凹凸部を残して現像する工程と、凹凸部の凹部を埋
め込む工程を含むことを特徴とする。

【００１２】また、本発明のフォトレジストパターンの
形成方法は、凹部を埋め込む工程は第１のフォトレジス
トは感光しない波長の光に感光する第２のフォトレジス
トで埋め込み、さらに第２のフォトレジストのみが感光
する光で前記第２のフォトレジストを露光し現像する工
程を有することを特徴とする。

【００１３】さらに、本発明のフォトレジストパターン
の形成方法は、凹部を埋め込む工程はエッチングガスを
導入することにより生じる副生成物で埋め込むことを特
徴とする。

【００１４】

【作用】本発明のフォトレジストパターンの形成方法を
用いれば、定在波効果による影響を抑制し、フォトレジ
スト膜厚に変動があっても安定した寸法のフォトレジス
トパターンを形成することができる。したがってそのよ
うなフォトレジストパターンを用いて下地層のエッチン
グやイオン注入、成膜などを行えば、期待する結果を得
ることができる。

【００１５】

【実施例】図１を参照して本発明の原理を説明する。な
お、図１においては本発明の特徴部分が明確になるよう
に、下地層とフォトレジストとの相対的な厚さなど、実
際のものとは異ならせて模式的に示しており、以下の説
明においても同様である。図１はフォトレジスト内に生
じる露光光の定在波の影響によるフォトレジストパター
ン寸法の変動を示し、下地層上に形成したフォトレジス
トを露光、現像する過程を、定在波効果が強く生じてい
る部分と定在波効果が弱く生じている部分とを対比する
形で示してある。図１（ａ）ないし（ｃ）は定在波効果
が強く生じている部分に関するものであり、図１（ｄ）
ないし（ｅ）は定在波効果が弱く生じている部分に関す
るものである。この定在波効果発生の大小はフォトレジ
スト膜厚によるところが大きい。図１（ａ）および図１
（ｄ）は、例えば半導体基板などの下地層１の上にポジ
型フォトレジスト２を形成し、図示しないマスクパター
ンを介してその後ポジ型フォトレジスト２を露光する工
程までを示してあり、３はポジ型フォトレジスト２の未
露光部、４はポジ型フォトレジスト２の露光部、５はフ
ォトレジスト２の未露光部３と露光部４の境界部（凹凸
部）である。図１（ａ）と図１（ｄ）の対比からわかる
とおり、定在波効果の影響はフォトレジストパターンの
側壁に生じる凹凸部５の大きさとして表われ、定在波が
強く生じているところでは凹凸部５が大きく、弱く生じ
ているところでは凹凸部５が小さくなる。この凹凸部５
について通常は、露光後現像前にベーク（ＰＥＢ：ＰＯ
ＳＴ ＥＸＰＯＳＵＲＥ ＢＡＫＥ）を行なうことによ
り、凹凸部５を緩和してから現像を行なっている。図１
（ｂ）および図１（ｅ）は、通常露光後現像前に行なわ
れるベークを施した工程を示したものである。ＰＥＢを
行なった場合にフォトレジストパターン側壁の凹凸部５
は緩和され、フォトレジスト２の未露光部３と露光部４
の境界は略平面状になり、またその境界は凹部と凸部と
の中間程度の位置となる。したがって現像後のフォトレ
ジストパターンのサイズは、図１（ｃ）および図１
（ｆ）にそれぞれ記号ＡおよびＡ’で示すような凹部と
凸部との中間程度の位置で画定されるサイズとなる。図
１（ｃ）および図１（ｆ）は、ベークを施したフォトレ
ジストを現像した工程を示したものである。現像により
フォトレジスト２の露光部４は除去され、エッチングや
イオン注入などに用いることができるフォトレジストパ
ターンが完成する。

【００１６】図１（ｃ）および図１（ｆ）にそれぞれ記
号Ａ、Ａ’で示したように、ポジ型フォトレジスト２に
ホールパターンを形成した場合、定在波が強く生じるフ
ォトレジスト膜厚になっているところでは定在波が弱く
生じるフォトレジスト膜厚になっているところより形成
されるフォトレジストパターンサイズ（この場合はホー
ル底の寸法）が大きくなっている（Ａ＞Ａ’）。すなわ
ち定在波効果によるフォトレジストパターンの寸法の変
動幅は、定在波が強く生じている部分のパターンサイズ
Ａと定在波が弱く生じている部分のパターンサイズＡ’
との差Ａ−Ａ’で決まることになる。したがって、定在
波効果が強く生じている部分でホールの寸法を小さくす
るように補正するような方法を用いれば、定在波効果に
よる寸法変動の幅は抑えられることになる。この場合も
ちろん、補正後の寸法が最終的に得たいホール寸法とな
るように考慮すべきである。

【００１７】しかしながら、定在波が強く生じている部
分と弱く生じている部分のそれぞれのパターンにおい
て、最もホールの幅が小さくなっている部分の幅（対向
する凸部間の間隔）の差は、凹凸の中間位置での幅の差
より小さくなっている。図２を参照してこのフォトレジ
ストパターンの変動量について説明する。図２（ａ）
（定在波が強く生じている部分のホール）および図２
（ｂ）（定在波が弱く生じている部分のホール）に示し
たように、定在波が強く生じている部分において最もホ
ールの幅が小さくなっている部分のホール幅をＢ、定在
波が弱く生じている部分において最もホールの幅が小さ
くなっている部分のホール幅をＢ’、定在波が強く生じ
ている部分における凹凸の中間位置でのホール幅をＣ、
定在波が弱く生じている部分における凹凸の中間位置で
のホール幅をＣ’とすれば、ＢとＢ’との差Ｂ−Ｂ’
は、ＣとＣ’との差Ｃ−Ｃ’より小さくなっている。そ
こでＢ、Ｂ’の位置で下地層となる基板や絶縁膜等を例
えばエッチング等ができるようにすれば、定在波効果に
よるフォトレジストパターンの寸法変動の影響を最小限
に抑制することができる。

【００１８】しかしながら図３に示したように、フォト
レジストパターン側壁の凹凸は、その後の工程に悪影響
を及ぼす。すなわち、そのようなフォトレジストパター
ンを用いて例えばエッチングを行なおうとした場合、フ
ォトレジストパターン側壁に生じた凹凸部は、図３
（ａ）に示したように下地層１のエッチングの際のエッ
チングガス６の流入方向を変化させたり、図３（ｂ）に
示したようにフォトレジスト自身がエッチング（図３
（ｂ）の矢印方向）されて、エッチング対象物となる下
地層１の寸法や形状の変化を生じさせるため、凹凸部５
が残ったままのフォトレジストパターンをエッチングの
マスクとして使用することは困難である。そこで本発明
においては他のフォトレジスト等を用いて、図４に示す
ようにフォトレジストパターン側壁の凹凸部５を埋め込
むことによりこの問題を解決している。

【００１９】上述した技術思想に基づく本発明を実施例
を用いてより詳細に説明する。 （実施例１）この実施例においては、ｉ−線ポジ型フォ
トレジストでレジストパターンを形成し、ＫｒＦエキシ
マレーザー用ポジ型フォトレジストで上記レジストパタ
ーン側壁の凹部を埋め込むプロセスを用いている。ｉ−
線ポジ型フォトレジストとしては一般的なナフトキノン
ジアジドーノボラック樹脂を用いているが、この材料系
は波長が３００ｎｍ以下の光に対しては透過率がほぼ０
％であり、ＫｒＦエキシマレーザーの光（２４８ｎｍ）
は透過しないことが知られている。

【００２０】図４に実施例１のフォトレジストパターン
の形成方法を示す。まず、図４（ａ）に示したように、
下地層１にｉ−線ポジ型フォトレジストを塗布し、単色
光源（この場合は水銀ランプのｉ−線）を用いた縮小投
影露光装置で露光する。これは通常のフォトレジストパ
ターンの形成過程と同様にして形成できる。そして現像
時に生じたフォトレジスト側壁の凹凸部５が消失しない
程度のベークを行なう。ベークを行うことにより、感光
した部分と感光していない部分のレジストを相互拡散さ
せ、定在波効果によるレジストパターン側壁の凹凸部を
緩和することができ、定在波の強く生じている部分と弱
く生じている部分での寸法の差を調整することができ
る。つまりベークを行うことによりベーク時間に依存し
て図２におけるＢ、Ｂ’の間隔が広がるため、ベーク時
間を適切に調整することにより両者の寸法差をより小さ
くすることができる。このとき例えばＢとＢ’がほぼ等
しい場合など、ベークをせずにそのまま現像を行った方
がパターン寸法差を抑える上で好都合の場合にはベーク
は行なわなくてもよい。その後現像を行なって、さらに
フォトレジスト表面を乾燥させる。このとき必要であれ
ばフォトレジストを硬化させるためにベークを行なう。
次に図４（ｂ）に示したように、ＫｒＦエキシマレーザ
ー用のポジ型フォトレジスト７を下地層１およびフォト
レジスト２上に塗布する。次に図４（ｃ）に示したよう
に全面にＫｒＦエキシマレーザーの光８を照射する。こ
のとき、ＫｒＦエキシマレーザー用ポジ型フォトレジス
ト７は感光し露光部９を形成するが、ｉ−線フォトレジ
スト２はエキシマレーザーの光８を通さないため、フォ
トレジスト２の側壁の凹凸部５の凹部に入り込んだエキ
シマレーザー用フォトレジスト７部分は感光しない。し
たがってこの後現像を行なうと図４（ｄ）に示したよう
にｉ−線フォトレジスト２の側壁の凹部以外のエキシマ
レーザー用フォトレジストは除去され、ｉ−線フォトレ
ジスト側壁の凹部だけをエキシマ用レーザーフォトレジ
スト７で埋め込むことができる。すなわち、フォトレジ
ストの側壁に表われる定在波による凹凸部を、パターン
を形成したフォトレジストでは透過しない（感光しな
い）波長の光に感光するフォトレジストで埋め込み、全
面を後者のフォトレジストだけが感光する光で露光し現
像することにより、定在波に起因する凹凸部のみを埋め
込むことができる。

【００２１】このような方法でフォトレジストパターン
を形成することにより、図５（ａ）に示したように、例
えばエッチングを行なう場合には、エッチングガス６が
無用な散乱をすることなく所望の方向へ導入することが
でき、図５（ｂ）に示したように期待どおりのエッチン
グを行なうことができる。さらに、本実施例のように形
成されたフォトレジストパターンは、フォトレジストパ
ターン形成後にイオン注入や成膜を行なう場合などに
も、微細な加工に対応し得るものである。

【００２２】（実施例２）実施例２においてはフォトレ
ジスト側壁の凹凸部を埋め込むためにドライエッチング
時にフォトレジストに生じる堆積物を利用している。図
６に実施例２のフォトレジストパターンの形成方法を示
す。まず図６（ａ）に示したように下地層１上にポジ型
フォトレジスト２を形成し、定在波効果により生じるフ
ォトレジスト２の側壁の凹凸部５を残したフォトレジス
トパターンを形成する。ここまでは図４（ａ）を参照し
て説明した上述の実施例１と同様にして形成できる。そ
の後、図６（ｂ）に示したように堆積性の強いガス系の
エッチングガス１０を用いて下地層１のエッチングを行
なう。例えば下地層１がシリコン基板やシリコン酸化膜
の場合、ＣＨｎＦｍ（ｎ、ｍは整数）を含むガス系でエ
ッチングを行なえばフロロカーボン系の堆積物がエッチ
ングの副生成物として生じ、その結果凹凸部５の凹部が
堆積物１１で埋め込まれていく。また、異方性の強いエ
ッチングを行えばフォトレジスト２の側壁の凹凸部５の
凹部の内側はエッチングされにくいため、堆積物１１が
集まりやすくより有効である。エッチングによりこの堆
積物１１が生じる量と下地層１のエッチング量の比率
は、ガス系の流量比等をコントロールすることで調整す
ることができるため、下地層のエッチングとフォトレジ
スト側壁の埋め込みを同時に行なったり、流量比等の条
件をエッチング中に変更することでエッチングの初期に
効率よくフォトレジスト側壁の凹凸を埋め込み、堆積性
を弱くしてから下地層のエッチングを行なうこともでき
る。凹凸部をエッチングの際に生じる堆積物で埋め込み
つつ下地層をエッチングすることにより、図６（ｃ）に
示したように、実施例１の場合と同様にエッチングガス
は無用な散乱をすることなく下地層の方向へ導入するこ
とができ、期待どおりのエッチングを行なうことができ
る。

【００２３】上記２つの実施例においてはレジストパタ
ーンを形成するフォトレジストとしてポジ型フォトレジ
ストを例として取り上げたが、本発明におけるフォトレ
ジストはポジ型フォトレジストに限定されるものではな
く、ネガ型のフォトレジストに対しても適用できること
はいうまでもない。同様に、実施例１において、レジス
トパターンを形成するフォトレジスト側壁の凹凸部の凹
部を埋め込むレジストとしてもポジ型のフォトレジスト
を用いているが、これはフォトレジストパターンの形成
後の下地層の処理に悪影響を与えないものであれば構わ
ない。

【００２４】また本発明は、下地層としては半導体基
板、導体基板や絶縁性基板などの基板のほか、半導体装
置において用いられるシリコン酸化膜などの様々な膜に
対して適用できる。さらに実施例１のフォトレジストパ
ターンの形成方法は、上述したようにエッチングを行な
うためのフォトレジストパターンの形成方法として用い
ることができるほか、イオン注入や膜の形成などを行な
うためのフォトレジストパターンの形成方法としてもそ
の趣旨を逸脱しない範囲で適用することができる。

【００２５】

【発明の効果】以上のように本発明のフォトレジストパ
ターンの形成方法においては、露光の際にフォトレジス
ト側壁に生じる波状の段差（凹凸部）を残して現像し、
その後凹部を埋め込んで平坦なフォトレジスト側壁を形
成することにより、段差のある下地層上に形成したフォ
トレジスト上にマスクパターンを露光した際に生じる定
在波に起因する寸法変動を抑制することができる。した
がってそのようなフォトレジストパターンを用いて回路
パターン等を形成することにより、微細な回路パターン
等を正確に形成することができる。また、フォトレジス
ト側壁に生じる凹凸部の凹部をドライエッチングを行な
う際に生じる副生成物を用いて埋め込むことにより、側
壁の埋め込みとエッチングを同時、または連続して行な
うことができる。さらに本発明により形成されたフォト
レジストパターンにより、段差のある下地層上でも段差
の上下で寸法変動のないエッチング等の下地層の処理が
可能になる。さらに本発明により形成されたフォトレジ
ストパターンを用いることにより、段差のある下地層上
でも段差の上下で特性変動の少ない半導体装置を製造す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】フォトレジスト内に生じる露光光の定在波の影
響によるフォトレジストパターン寸法の変動を示す図で
ある。

【図２】フォトレジストパターンの変動量を説明するた
めの図である。

【図３】フォトレジストパターン側壁の凹凸がその後の
工程に与える影響を説明するための図である。

【図４】本発明の実施例１のフォトレジストパターンの
形成方法を示す図である。

【図５】本発明によるフォトレジストパターンを用いた
下地層のエッチングの過程を示す図である。

【図６】本発明の実施例２のフォトレジストパターンの
形成方法を示す図である。

【図７】従来技術であるレジストの下層に反射防止膜を
用いた場合の問題点を説明するための図である。

【符号の説明】

１ 下地層 ２ ポジ型フォトレジスト ３ ポジ型フォトレジストの未露光部 ４ ポジ型フォトレジストの露光部 ５ 凹凸部 ６ エッチングガス ７ ＫｒＦエキシマレーザー用ポジ型フォトレジスト ８ ＫｒＦエキシマレーザー光 ９ ＫｒＦエキシマレーザー用ポジ型フォトレジスト
の露光部 １０ 堆積性の強いガス系のエッチングガス １１ 堆積物

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】下地層上に第１のフォトレジストを形成す
   る工程と、前記第１のフォトレジストにマスクパターン
   を露光する工程と、前記露光により第１のフォトレジス
   ト側壁に形成された凹凸部を残して現像する工程と、前
   記凹凸部の凹部を埋め込む工程を含むことを特徴とする
   フォトレジストパターンの形成方法。
2. 【請求項２】前記凹部を埋め込む工程は前記第１のフォ
   トレジストは感光しない波長の光に感光する第２のフォ
   トレジストで埋め込み、さらに前記第２のフォトレジス
   トのみが感光する光で前記第２のフォトレジストを露光
   し現像する工程を有することを特徴とする請求項１に記
   載のフォトレジストパターンの形成方法。
3. 【請求項３】前記凹部を埋め込む工程はエッチングガス
   を導入することにより生じる副生成物で埋め込むことを
   特徴とする請求項１に記載のフォトレジストパターンの
   形成方法。