(57)【要約】【課題】多層レジストプロセス用の下層膜にクラック耐性をもたせるパターン形成方法、下層膜形成組成物、及び半導体装置の製造方法を提供すること。【解決手段】半導体基板（１）上に形成された被加工膜（２）上に下層膜（３）を形成する工程と、前記下層膜（３）に酸化処理を行う工程と、前記下層膜（３）のマスクとなる中間膜（５）を形成する工程と、前記中間膜（５）上にレジスト膜（６）を形成する工程と、前記レジスト膜（６）を露光し、レジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンを前記中間膜（５）に転写し、中間膜パターンを形成する工程と、前記中間膜パターンを前記下層膜（３）に転写し、下層膜パターンを形成する工程と、を有する。【選択図】      図３
2006140222.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成された被加工膜上に下層膜を形成する工程と、
前記下層膜に酸化処理を行う工程と、
前記下層膜のマスクとなる中間膜を形成する工程と、
前記中間膜上にレジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜を露光し、レジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンを前記中間膜に転写し、中間膜パターンを形成する工程と、
前記中間膜パターンを前記下層膜に転写し、下層膜パターンを形成する工程と、
を有することを特徴とするパターン形成方法。
【請求項２】
半導体基板上に形成された被加工膜上に下層膜を形成する工程と、
前記下層膜に酸化処理を行う工程と、
前記下層膜上に無機元素を含有するレジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜を露光し、レジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンを前記下層膜に転写し、下層膜パターンを形成する工程と、
を有することを特徴とするパターン形成方法。
【請求項３】
前記下層膜は、炭素含有量が８０重量％以上の高分子材料からなることを特徴とする請求項１または２に記載のパターン形成方法。
【請求項４】
前記下層膜の酸化処理は、大気中の酸素濃度以上の酸素雰囲気下で前記下層膜の加熱処理を行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のパターン形成方法。
【請求項５】
前記下層膜の酸化処理は、酸化剤を前記下層膜に暴露する処理であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のパターン形成方法。
【請求項６】
前記下層膜の酸化処理は、前記下層膜に直接エネルギービームを照射する処理であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のパターン形成方法。
【請求項７】
前記下層膜の酸化処理は、前記下層膜を液体に浸漬し、エネルギービームを照射する処理であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のパターン形成方法。
【請求項８】
多層レジストプロセス用の下層膜を形成する組成物であり、酸化剤を含有することを特徴とする下層膜形成組成物。
【請求項９】
前記酸化剤は、アゾ化合物、過酸化物、アルキルアリールケトン、シリルペルオキシド、及び有機ハロゲン化合物の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項８に記載の下層膜形成組成物。
【請求項１０】
前記下層膜にクラックが生じた場合、この下層膜のクラックに酸化剤を含有する下層膜形成組成物又は前記下層膜と同じ下層膜形成組成物を埋め込み、第二の下層膜を形成する工程をさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載のパターン形成方法。
【請求項１１】
請求項１乃至７および１０のいずれかに記載のパターン形成方法により半導体装置を製造することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造におけるリソグラフィー工程に係わり、特に多層レジストプロセスにおけるパターン形成方法、下層膜形成組成物、及び半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体素子の微細化に伴い、レジスト膜厚が薄膜化しマスク耐性が不足することに対処するため、多層レジストパターン形成方法が行われている。多層レジストパターン形成方法とは、ウェハ基板上に形成された被加工膜上に、下層膜／中間膜／レジスト膜の三層からなる膜を形成し、レジストパターンを中間層／下層膜／被加工膜に対して順次パターン転写する方法である。
【０００３】
この方法では、まず下地段差を十分に吸収する反射防止膜である下層膜を形成し、その上にＳＯＧ（スピン・オン・グラス）等のマスク耐性を有する中間層を形成し、さらにその上にレジスト膜を形成する。
【０００４】
次に、レジスト膜をフォトリソグラフィによりパターニングし、パターニングされたレジスト膜をマスクとして、エッチングにより中間膜にパターンを転写する。さらにパターニングされた中間膜をマスクとして、エッチングにより下層膜にパターンを転写し、最後にこの下層膜をマスクとして被加工膜を加工する。
【０００５】
この方法では、下層膜の形成の際に、溶液を塗布した後に下層膜にクラックが生じるため、下層膜形成組成物に架橋剤を添加することが一般に行われる。架橋剤としては、多核フェノールや、種々の市販の硬化剤であるエポキシ化合物、メラミン系硬化剤、グリコールウリル系硬化剤などが挙げられる。しかし架橋剤を過剰に添加すると、エッチングに対して反応性の高いＯ，Ｎ，Ｈなどの元素の含有量がポリマー中で多くなり、下層膜のエッチング耐性が悪化するという問題がある。
【０００６】
また、特開２００２−１９８２９５号公報には、多層レジストプロセスにより炭素を含む下層膜を形成し、下層膜上にＳｉ−Ｓｉ結合を主鎖とする脱離性シリコン化合物を含む中間膜を塗布形成するパターン形成方法が開示されている。
【特許文献１】特開２００２−１９８２９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、多層レジストプロセス用の下層膜にクラック耐性をもたせるパターン形成方法、下層膜形成組成物、及び半導体装置の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一形態のパターン形成方法は、半導体基板上に形成された被加工膜上に下層膜を形成する工程と、前記下層膜に酸化処理を行う工程と、前記下層膜のマスクとなる中間膜を形成する工程と、前記中間膜上にレジスト膜を形成する工程と、前記レジスト膜を露光し、レジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンを前記中間膜に転写し、中間膜パターンを形成する工程と、前記中間膜パターンを前記下層膜に転写し、下層膜パターンを形成する工程と、を有する。
【０００９】
本発明の他の形態のパターン形成方法は、半導体基板上に形成された被加工膜上に下層膜を形成する工程と、前記下層膜に酸化処理を行う工程と、前記下層膜上に無機元素を含有するレジスト膜を形成する工程と、前記レジスト膜を露光し、レジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンを前記下層膜に転写し、下層膜パターンを形成する工程と、を有する。
【００１０】
本発明の他の形態の下層膜形成組成物は、多層レジストプロセス用の下層膜を形成する組成物であり、酸化剤を含有する。
【００１１】
本発明の他の形態の半導体装置の製造方法は、上記のいずれかに記載のパターン形成方法により半導体装置を製造する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、多層レジストプロセス用の下層膜にクラック耐性をもたせるパターン形成方法、下層膜形成組成物、及び半導体装置の製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（第１の実施の形態）
本第１の実施の形態では、多層レジストプロセスにおいて、酸素雰囲気下で下層膜に加熱処理、酸化剤暴露、エネルギービーム照射等を行い、下層膜に酸化表面を形成することで、下層膜のクラック発生を防止する。
【００１４】
図１〜図７は、本第１の実施の形態における半導体装置の製造プロセスであるパターン形成の処理手順を示す断面図である。
【００１５】
まず図１に示すように、図示しない拡散層を含む素子（ＭＯＳトランジスタ）が形成されたウェハ基板（シリコン基板、半導体基板）１上に形成された絶縁膜等の被加工膜２上に、下層膜３を形成する。
【００１６】
下層膜３の材料としては特に限定されることはないが、アセナフチレン系、ポリアリーレン系、フェノール系やノボラック系など、炭素を含有する化合物（高分子化合物）が挙げられ、これを有機溶剤に溶解して下層膜溶液を調製する。化合物の分子量は２００〜１００，０００が好ましい。これは、２００未満では溶剤に溶解し、１００，０００を超えると溶液の調整が難しいためである。また、加熱後の下層膜３の炭素含有量は、８０重量（ｗｔ）％以上が好ましい。これは、８０ｗｔ％未満では十分なエッチング耐性が得られないからである。
【００１７】
下層膜３の膜厚は２０〜５０００ｎｍが好ましい。２０ｎｍ未満では、被加工膜２のマスクとしてのエッチング耐性としては不十分であり、５０００ｎｍを超えると、レジストのパターン転写の際に寸法変換差が著しくなり微細パターンの形成が困難になるからである。
【００１８】
下層膜３の組成物は特に一種類に限ることはなく、数種類の化合物の混合でもよい。また、必要に応じて以下のような架橋剤、バインダー樹脂、放射線吸収剤、界面活性剤、酸発生剤、消泡剤、保存安定剤、接着助剤などの添加剤を加えてもよい。
【００１９】
架橋剤としては、塗布後のクラック防止剤として、多核フェノールやグリコールウリル系硬化剤、エポキシ化合物、メラミン系硬化剤が挙げられる。またバインダー樹脂としては、アクリル系樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂などの熱硬化性樹脂や、ポリエチレンやポリプロピレンなどの熱可塑性樹脂がある。被加工膜２からの反射光を吸収する放射線吸収剤としては、染料、ポリベンズイミダゾール、ポリサルフォンなどがある。その他に、塗布性やストリエーション、塗れ性、現像性改良のための界面活性剤、光酸発生剤や熱酸発生剤などの酸発生剤が挙げられる。
【００２０】
この下層膜溶液を、ウェハ基板１上に形成された被加工膜２上にスピンコーティング法により塗布し、その塗膜を加熱して下層膜３を形成する。
【００２１】
本第１の実施の形態では、下層膜や中間膜など塗膜の形成方法として、全てプロセスが簡易でかつ低コストの回転塗布法を用いているが、他の流延塗布、ロール塗布やＣＶＤ法などを用いてもよい。加熱温度は、下層膜の硬化に必要な温度範囲、一般的に９０〜５００℃程度であり、好ましくは１５０〜４００℃である。
【００２２】
ここで下層膜の加熱を通常の大気下ではなく、大気中の酸素濃度以上の酸素雰囲気下で行うことにより、下層膜３を酸化処理し、図２に示すような表面領域４を下層膜３に形成する。表面領域４の形成方法は、下層膜３の形成後に酸化処理を行う方法でもよく、下層膜３にオゾンや過酸化水素などの酸化剤を暴露することが可能である。また、下層膜３に直接エネルギービームを照射する方法、または下層膜３を水や過酸化水素水などに浸漬し、エネルギービームを照射する方法で酸化処理することも可能である。
【００２３】
エネルギービームとしては特に限定されることはないが、波長７００ｎｍ以下の光、Ｘ線および電子ビームが好ましい。波長７００ｎｍを超えるとエネルギーが弱く、下層膜３の表面を酸化させることが難しい。露光量は、酸化に十分なエネルギーが得られかつスループットを低下させない条件として、１〜１０００ｍＪ／ｃｍ２が挙げられる。同様の理由から、電子ビームの照射量としては、０．１μＣ／ｃｍ２〜１０００Ｃ／ｃｍ２が適当である。
【００２４】
次に図３に示すように、下層膜３の酸化表面領域４上に、下層膜３のマスクとなる中間膜５を形成し、中間膜５上にレジスト膜６を形成する。中間膜５の膜厚は、マスク耐性と加工限界から、１０〜１０００ｎｍであることが好ましい。中間膜５の材料としては、下層膜３のエッチングに用いる酸素プラズマに不揮発な成分である酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化タングステンなどの無機酸化物であればよい。
【００２５】
このＳＯＧ組成物をスピンコーティング法により下層膜３の酸化表面領域４上に塗布し、その塗膜を加熱して中間膜５を形成する。加熱温度は、中間膜５の硬化に必要な温度範囲、一般的に９０〜５００℃、好ましくは２００〜４５０℃である。
【００２６】
次に、中間膜５上にレジスト溶液を塗布後、その塗膜を加熱してレジスト膜６を形成する。レジストとしては特に限定されることはなく、光酸発生剤を含有するポジ型またはネガ型の化学増幅型レジストなどが挙げられる。レジスト膜厚は、１０〜１０，０００ｎｍが好ましい。これは、マスク耐性が十分であれば、薄膜であるほど露光時の露光量裕度、フォーカス裕度、解像度を向上させることが可能であるためである。
【００２７】
次に図４に示すように、例えばＫｒＦ、ＡｒＦエキシマレーザーにてレジスト膜６を露光後、アルカリ現像処理を行いレジストパターン７を形成する。露光する光は、紫外光、Ｘ線、電子ビーム、イオンビームなど特に限定されない。さらに図５に示すように、ドライエッチング法を用いてレジストパターン７を中間膜５に転写し、中間膜パターン８を形成する。同様に図６に示すように、中間膜パターン８を下層膜３に転写し、下層膜パターン９を形成する。そして図７に示すように、下層膜パターン９をマスクとして、被加工膜パターン１０を形成する。
【００２８】
以上のように本第１の実施の形態は、下層膜３と中間膜５とレジスト膜６の三層を用いたパターン形成方法であるが、下層膜３とレジスト膜６の二層を用いたパターン形成方法でも、同様の方法で下層膜３を酸化し、クラック耐性を持たせることが可能である。この場合のレジスト膜６の材料としては、下層膜３のマスク材となるので、シリコン、アルミニウム、チタン、タングステン、ゲルマニウムなどの無機元素を含有するレジストが挙げられる。
【００２９】
本第１の実施の形態によれば、下層膜３の表面に酸化処理を施すことにより、Ｏ元素の含有量が下層膜３の表面部で多くなり、下層膜３の架橋が促進され、下層膜３の弾性が上がりクラックが生じにくくなる。
【００３０】
（第２の実施の形態）
本第２の実施の形態では、第１の実施の形態に示した多層レジストプロセスにおいて、下層膜を形成する組成物の中に酸化剤としてラジカル発生剤を添加し、膜全体を均一に架橋促進することにより膜の弾性を上げ、クラックを防止する。
【００３１】
本第２の実施の形態に係る下層膜形成組成物は、第１の実施の形態に記載の組成物以外に、添加剤として酸化剤を含有する。酸化剤としては、従来の下層膜形成組成物よりもクラック耐性が向上しうる限り、特に限定されるものではない。例えば、一般的なラジカル発生剤として、アゾ化合物、過酸化物、アルキルアリールケトン、シリルペルオキシド、有機ハロゲン化合物などが挙げられる。
【００３２】
下層膜３の加熱温度は、ラジカル発生剤の分解温度を考慮して選択する必要がある。１００℃以上の高温の加熱温度では、例えばクメンヒドロペルオキシド、ｔｅｒｔ−ブチルヒドロペルオキシド、ジ−ｔｅｒｔ−ブチルヒドロペルオキシドなどのラジカル発生剤を用い、１００℃未満の中温の加熱温度では、過酸化ベンゾイル、アゾビスイソブチロニトリル、過酸化アセチルなどのラジカル発生剤を用いる。
【００３３】
本第２の実施の形態によれば、下層膜形成組成物の中にラジカル発生剤である酸化剤を添加することにより、下層膜３全体が均一に酸化されＯ元素の含有量が多くなり、下層膜３の架橋が促進され、下層膜３の弾性が上がりクラック耐性を持たせることができる。
【００３４】
（第３の実施の形態）
本第３の実施の形態では、多層レジストプロセスにおいて、下層膜にクラックが生じた場合、再度下層膜に下層膜組成物を塗布し、クラックに埋め込む。
【００３５】
図８，図９は、本第３の実施の形態における半導体装置の製造プロセスであるパターン形成の処理手順を示す断面図である。図８，図９において図１と同一な部分には同符号を付してある。図１に示すように、ウェハ基板１上に形成された被加工膜２上に下層膜３を形成した後に、図８に示すように、下層膜３にクラック１１が生じた場合について説明する。
【００３６】
図９に示すように、クラック１１が生じている下層膜３上に、第２の実施の形態に示した酸化剤を含有する下層膜組成物をスピンコーティング法により塗布した後、加熱し、下層膜３のクラック１１に前記下層膜組成物を埋め込み、第二の下層膜１２を形成する。この第二の下層膜１２の組成物として、第一の下層膜３と同じ下層膜組成物を再度使用して、クラック１１に埋め込んでもよい。その後の工程では、第１の実施の形態の図３〜図７と同様にしてパターンを形成する。
【００３７】
また本第３の実施の形態は、第１の実施の形態と同様に、下層膜３と中間膜５とレジスト膜６の三層を用いたパターン形成方法であるが、下層膜３とレジスト膜６の二層を用いたパターン形成方法でも、同様の方法で下層膜３に下層膜組成物を塗布し、クラックに埋め込むことができる。この場合のレジスト膜６の材料としては、下層膜３のマスク材となるので、シリコン、アルミニウム、チタン、タングステン、ゲルマニウムなどの無機元素を含有するレジストが挙げられる。
【００３８】
本第３の実施の形態によれば、クラックが生じた下層膜３上に下層膜組成物を埋め込むことにより、クラックをなくすことができる。
【００３９】
なお、本発明は上記各実施の形態のみに限定されず、要旨を変更しない範囲で適宜変形して実施できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】第１の実施の形態における半導体装置の製造プロセスであるパターン形成の処理手順を示す断面図。
【図２】第１の実施の形態における半導体装置の製造プロセスであるパターン形成の処理手順を示す断面図。
【図３】第１の実施の形態における半導体装置の製造プロセスであるパターン形成の処理手順を示す断面図。
【図４】第１の実施の形態における半導体装置の製造プロセスであるパターン形成の処理手順を示す断面図。
【図５】第１の実施の形態における半導体装置の製造プロセスであるパターン形成の処理手順を示す断面図。
【図６】第１の実施の形態における半導体装置の製造プロセスであるパターン形成の処理手順を示す断面図。
【図７】第１の実施の形態における半導体装置の製造プロセスであるパターン形成の処理手順を示す断面図。
【図８】第３の実施の形態における半導体装置の製造プロセスであるパターン形成の処理手順を示す断面図。
【図９】第３の実施の形態における半導体装置の製造プロセスであるパターン形成の処理手順を示す断面図。
【符号の説明】
【００４１】
１…ウェハ基板  ２…被加工膜  ３…下層膜  ４…下層膜の表面領域  ５…中間膜  ６…レジスト膜  ７…レジストパターン  ８…中間膜パターン  ９…下層膜パターン  １０…被加工膜パターン  １１…クラック  １２…第二の下層膜
【図１】
2006140222.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2006140222.tif 000008
【図７】
2006140222.tif 000009
【図８】
2006140222.tif 000010
【図９】
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