(57)【要約】      （修正有）【課題】リソグラフィ限界以上のピッチを有する微細パターンを形成することができる方法を提供する。【解決手段】半導体素子の微細パターン形成方法に関し、被食刻層が形成された半導体基板上に第１フォトレジスト組成物を塗布して第１フォトレジスト膜を形成する段階と、前記第１フォトレジスト膜に露光及び現像工程を行って第１フォトレジストパターンを形成する段階と、前記結果物上に前記第１フォトレジストパターンと非反応性の第２フォトレジスト膜を形成する段階と、前記第２フォトレジスト膜に露光及び現像工程を行って前記第１フォトレジストパターンの間に第２フォトレジストパターンを形成する段階とを含む。【選択図】図１ｃ
2008172190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被食刻層が形成された半導体基板上に第１フォトレジスト組成物を塗布して第１フォトレジスト膜を形成する段階と、
前記第１フォトレジスト膜に露光及び現像工程を行い、第１フォトレジストパターンを形成する段階と、
前記結果物上に前記第１フォトレジストパターンと非反応性の第２フォトレジスト膜を形成する段階と、
前記第２フォトレジスト膜に露光及び現像工程を行い、前記第１フォトレジストパターンの間に第２フォトレジストパターンを形成する段階と
を含む半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項２】
前記第１フォトレジスト組成物は酸に敏感な保護基を有する(メタ)アクリル酸エステルから誘導される反復単位、ヒドロキシル基を有する(メタ)アクリル酸エステルから誘導される反復単位及びアクリルアミドから誘導される反復単位を含む付加共重合体、光酸発生剤、及び有機溶媒を含む組成物により形成されることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項３】
前記重合体は２‐メチル‐２‐アダマンチルメタクリレート反復単位、２‐ヒドロキシエチルメタクリレート反復単位及びＮ‐イソプロピルアクリルアミド反復単位を含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項４】
前記第１フォトレジスト組成物は有機塩基をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項５】
前記有機塩基はトリエチルアミン、トリイソブチルアミン、トリイソオクチルアミン、トリイソデシルアミン、ジエタノールアミン及びトリエタノールアミンからなる群から選択された少なくとも一つであることを特徴とする請求項４に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項６】
前記第１フォトレジスト組成物は、組成物１００重量部に対し５〜２０重量部の重合体、０．０５〜１重量部の光酸発生剤、及び残量の有機溶媒を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項７】
前記第１フォトレジスト膜を形成する段階は、前記第１フォトレジスト組成物を９０〜１５０℃の温度で３０〜１８０秒間ベークし、第１フォトレジスト膜を形成する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項８】
前記第１フォトレジストパターンを形成する段階は
Ａピッチのラインパターンを有する第１露光マスクを用いて１０〜２００ｍＪ／ｃｍ２の露光エネルギーで第１フォトレジスト膜を露光する段階と、
前記結果物を９０〜１５０℃の温度で３０〜１８０秒間ポストベークする段階と;
前記結果物を現像する段階と
を含むことを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項９】
前記第１フォトレジストパターンの間に第２フォトレジストパターンを形成する段階は
Ａピッチのラインパターンを有する第２露光マスクを用いて１０〜２００ｍＪ／ｃｍ２の露光エネルギーで第２フォトレジスト膜を露光する段階と、
前記結果物を９０〜１５０℃の温度で３０〜１８０秒間ポストベークする段階と;
前記結果物を現像する段階と
を含むことを特徴とする請求項８に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項１０】
前記第２露光マスクは、前記第１露光マスクを所定距離移動させて用いることを特徴とする請求項９に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項１１】
前記第２露光マスクは、別途の露光マスクを用いることを特徴とする請求項９に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項１２】
前記第１フォトレジストパターンを形成する段階の露光工程はイマージョンリソグラフィ用装備を用いることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項１３】
前記第１フォトレジストパターンの間に第２フォトレジストパターンを形成する段階の露光工程はイマージョンリソグラフィ用装備を用いることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項１４】
前記第１フォトレジストパターン間のピッチはＡで、第１フォトレジストパターンと第２フォトレジストパターンとの間のピッチはＡ／２であることを特徴とする請求項１に記載の半導体素子の微細パターン形成方法。
【請求項１５】
酸に敏感な保護基を有する(メタ)アクリル酸エステルから誘導される反復単位、ヒドロキシル基を有する(メタ)アクリル酸エステルから誘導される反復単位及びアクリルアミドから誘導される反復単位を含む付加共重合体、光酸発生剤及び有機溶媒を含むことを特徴とするフォトレジスト組成物。
【請求項１６】
前記組成物は２‐メチル‐２‐アダマンチルメタクリレート反復単位、２‐ヒドロキシエチルメタクリレート反復単位及びＮ‐イソプロピルアクリルアミド反復単位を含む重合体、光酸発生剤及び有機溶媒を含むことを特徴とする請求項１５に記載のフォトレジスト組成物。
【請求項１７】
前記組成物は有機塩基をさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載のフォトレジスト組成物。
【請求項１８】
前記有機塩基はトリエチルアミン、トリイソブチルアミン、トリイソオクチルアミン、トリイソデシルアミン、ジエタノールアミン及びトリエタノールアミンからなる群から選択された少なくとも一つであることを特徴とする請求項１７に記載のフォトレジスト組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の微細パターン形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ますます微細化する半導体素子を製造するため、パターンのサイズもますます小さくなっている傾向である。これまで微細なパターンを得るため、露光装備とそれに対応するレジストを開発する方向に研究が進められてきた。
露光装備において、露光光源は主に２４８ｎｍ波長のＫｒＦまたは１９３ｎｍ波長のＡｒＦ光源が生産工程に適用されたが、徐徐にＦ２（１５７ｎｍ）またはＥＵＶ（１３ｎｍ）などのような短波長化光源とレンズ開口数(numerical aperture)を増やすための努力が試みられている。
しかし、Ｆ２またはＥＵＶなど新しい光源を採用する場合は新しい露光装置が必要になるので、製造コストの面で非効率的であり、開口数を増やす方策も焦点深度幅が低下するという問題点がある。
最近、このような問題を解決するため、高屈折率を有するイマージョン溶液を用いるイマージョンリソグラフィ工程が開発されたが、未だ量産に適用するには多くの問題点がある。
一方、二重露光方法を用いてリソグラフィ限界以上の解像度を有する微細パターンを形成したが、重畳度及び整列度のマージン確保が容易ではなく、コストと工程時間などが過剰に費やされるという問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は前記と従来の技術の問題点を解決するため、溶解度の差を利用して既に形成された第１フォトレジストパターン上に第２フォトレジスト膜を形成した後、第２フォトレジストパターンを形成することにより、リソグラフィ限界以上のピッチを有する微細パターンを形成することができる方法を提供することにその目的がある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明では下記の段階を含む半導体素子の微細パターン形成方法を提供する。
被食刻層が形成された半導体基板上に第１フォトレジスト組成物を塗布して第１フォトレジスト膜を形成する段階、
前記第１フォトレジスト膜に露光及び現像工程を行って第１フォトレジストパターンを形成する段階、
前記結果物上に前記第１フォトレジストパターンと非反応性の第２フォトレジスト膜を形成する段階、及び
前記第２フォトレジスト膜に露光及び現像工程を行い、前記第１フォトレジストパターンとの間に第２フォトレジストパターンを形成する段階。
【０００５】
前記第１フォトレジスト組成物は酸に敏感な保護基を有する（メタ）アクリル酸エステルから誘導される反復単位、ヒドロキシル基を有する（メタ）アクリル酸エステルから誘導される反復単位及びアクリルアミドから誘導される反復単位を含む付加共重合体、好ましくは２‐メチル‐２‐アダマンチルメタクリレート反復単位、２‐ヒドロキシエチルメタクリレート反復単位及びＮ‐イソプロピルアクリルアミド反復単位を含む重合体、光酸発生剤、有機溶媒及び選択的に有機塩基を含む組成物により形成され、
前記第１フォトレジスト組成物は、組成物１００重量部に対し５〜２０重量部の重合体、０．０５〜１重量部の光酸発生剤、及び残量の有機溶媒を含み、
前記第１フォトレジスト膜を形成する段階は、前記第１フォトレジスト組成物を９０〜１５０℃の温度で３０〜１８０秒間ベークして第１フォトレジスト膜を形成する段階を含み、
前記第１フォトレジストパターンを形成する段階は、Ａピッチのラインパターンを有する第１露光マスクを用いて１０〜２００ｍＪ／ｃｍ2の露光エネルギーで第１フォトレジスト膜をイマージョンリソグラフィ用装備で露光する段階、前記結果物を９０〜１５０℃の温度で３０〜１８０秒間ポストベークする段階、及び前記結果物を現像する段階を含み、
前記第１フォトレジストパターンの間に第２フォトレジストパターンを形成する段階はＡピッチのラインパターンを有する第２露光マスクを用いて１０〜２００ｍＪ／ｃｍ2の露光エネルギーで第２フォトレジスト膜をイマージョンリソグラフィ用装備で露光する段階;前記結果物を９０〜１５０℃の温度で３０〜１８０秒間ポストベークする段階、及び前記結果物を現像する段階を含み、
前記第２露光マスクは前記第１露光マスクを所定距離移動させて用いるか、別途の露光マスクを用いるものであり、
前記第１フォトレジストパターン間のピッチはＡで、第２フォトレジストパターン間のピッチはＡ／２であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明に係る半導体素子の微細パターン形成方法によると、既に形成された第１フォトレジストパターン上にこれと反応性のない第２フォトレジスト組成物を塗布し、第２フォトレジストパターンを第１フォトレジストパターン等の間に形成することにより、リソグラフィ限界以上のピッチを有する微細パターンを形成することができる。併せて、前記の方法を数回繰返して行うことにより、一層微細なパターンも解像が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図を参考としながら、本発明の好ましい実施形態を説明する。
図１ａ〜図１ｃは、本発明に係る半導体素子の微細パターン形成方法を示した断面図である。
【０００８】
図１ａに示されているように、所定の下部構造物を含む被食刻層が備えられた半導体基板１１上にハードマスク層１３を形成し、その上部に反射防止膜１５を形成する。
次に、反射防止膜１５の上部に第１フォトレジスト組成物を塗布した後、９０〜１５０℃の温度で３０〜１８０秒間ベークして第１フォトレジスト膜（図示省略）を形成する。
前記第１フォトレジスト組成物は、酸に敏感な保護基を有する（メタ）アクリル酸エステルから誘導される反復単位、ヒドロキシル基を有する（メタ）アクリル酸エステルから誘導される反復単位、及びアクリルアミドから誘導される反復単位を含む付加共重合体、光酸発生剤及び有機溶媒を含む。
前記重合体は、第１フォトレジスト組成物１００重量部に対し５〜２０重量部で用いるのが好ましいが、５重量部より少なく用いればフォトレジスト膜の厚さが薄すぎて好ましくなく、２０重量部を超えて用いればフォトレジスト膜の厚さが厚すぎるとの点で好ましくない。
【０００９】
前記光酸発生剤としては、トリフェニルスルホニウムノナフルオロブタンスルホネート、ジフェニルヨード塩ヘキサフルオロホスフェート、ジフェニルヨード塩ヘキサフルオロアルセネート、ジフェニルヨード塩ヘキサフルオロアンチモネート、ジフェニルパラメトキシフェニルトリプレート、ジフェニルパラトルエニルトリプレート、ジフェニルパライソブチルフェニルトリプレート、トリフェニルスルホニウムヘキサフルオロアルセネート、トリフェニルスルホニウムヘキサフルオロアンチモネート、トリフェニルスルホニウムトリプレート、トリフェニルスルホニウムトリフルオロメタンスルホネート及びジブチルナフチルスルホニウムトリプレートからなる群から選択された１以上の化合物を用い、前記第１フォトレジスト組成物１００重量部に対し０．０５〜１重量部で用いるのが好ましい。
【００１０】
さらに、前記有機溶媒にはメチル３‐メトキシプロピオネート、エチル３‐エトキシプロピオネート、プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、シクロヘキサノン、２‐ヘプタノン、ノーマルブタノール、ノーマルペンタノール及びエチルラクテートからなる群から選択された１以上の化合物を用いる。
【００１１】
また、本発明に係る第１フォトレジスト組成物は有機塩基をさらに含むことができる。前記有機塩基は大気中に含まれているアミンなどの塩基性化合物が露光後得られるパターンに及ぼす影響を最小化するとともに、パターンの形状を調節する役割を果たす。
前記有機塩基の例としては、トリエチルアミン、トリイソブチルアミン、トリイソオクチルアミン、トリイソデシルアミン、ジエタノールアミン及びトリエタノールアミンなどがあり、これらを単独にまたは混合して用いることができる。
【００１２】
次に、イマージョンリソグラフィ装備を用い、Ａピッチのラインパターンを有する第１露光マスクを用い、１０〜２００ｍＪ／ｃｍ２の露光エネルギーで前記第１フォトレジスト膜を露光する。また、露光工程の光源としてはＧ‐ライン（４３６ｎｍ）、ｉ‐ライン（３６５ｎｍ）、ＫｒＦ（２４８ｎｍ）、ＡｒＦ（１９３ｎｍ）、Ｆ２（１５７ｎｍ）またはＥＵＶ（１３ｎｍ）を用いる。
【００１３】
次に、前記結果物を９０〜１５0℃の温度で３０〜１８０秒間ポストベークした後、ＴＭＡＨ２．３８ｗｔ％水溶液を現像液で現像し、第１フォトレジストパターン１７を形成する。
図１ｂに示されているように、前記結果物上に第２フォトレジスト組成物を塗布して第２フォトレジスト膜１９を形成する。
前記第２フォトレジスト組成物としては、イマージョンリソグラフィ工程で通常用いられ得る全ての化学増幅型フォトレジスト組成物を用いることができる。前記第２フォトレジスト組成物は第１フォトレジストパターン１７を溶解しないため、これを塗布しても第１フォトレジストパターン１７の形状はほとんど変わらない。
【００１４】
図１ｃに示されているように、イマージョンリソグラフィ装備を利用し、Ａピッチのラインパターンを有する第２露光マスクを利用し、１０〜２００ｍＪ／ｃｍ２の露光エネルギーで第２フォトレジスト膜１９を露光する。さらに、露光工程の光源としてはＧ‐ライン（４３６ｎｍ）、ｉ‐ライン（３６５ｎｍ）、ＫｒＦ（２４８ｎｍ）、ＡｒＦ（１９３ｎｍ）、Ｆ２（１５７ｎｍ）またはＥＵＶ（１３ｎｍ）を用いる。
前記第２露光マスクは前記第１露光マスクを所定距離移動させて用いるか、別の露光マスクを用いる。
【００１５】
次に、前記結果物を９０〜１５0℃の温度で３０〜１８０秒間ポストベークした後、ＴＭＡＨ２．３８ｗｔ％の水溶液を現像液として現像し、第２フォトレジストパターン２１を第１フォトレジストパターン１７等の間に形成する。即ち、第２フォトレジストパターン２１はリソグラフィ工程の限界である最小ピッチサイズのパターンとの間にもう一つのパターンが形成されたものであり、最小ピッチサイズより小さいピッチサイズ（Ａ／２）のパターンに形成されたものである。
この際、第２フォトレジストパターン２１の形成時に露光及び現像工程で第１フォトレジストパターン１７が光を受けるようになっても、第１フォトレジストパターン１７は現像されない。
【００１６】
本発明の他の実施形態に係る半導体素子の微細パターン形成方法は、図１ａ〜図１ｃの工程を少なくとも２回以上繰返して実施することにより、一層微細なサイズのパターンを形成することができる。
【００１７】
以下では、本発明を実施例で詳しく説明する。但し、下記の実施例は本発明を例示するためのものであるだけで、当業者であれば特許請求範囲の技術的思想と範囲を介し多様な修正、変更、代替及び付加が可能なはずであり、このような修正・変更などは特許請求範囲に属するものと見なければならない。
【００１８】
（実施例1：本発明に係る第1フォトレジスト重合体の製造）
２‐メチル‐２‐アダマンチルメタクリレート１２ｇ、２‐ヒドロキシエチルメタクリレート８ｇ、Ｎ‐イソプロピルアクリルアミド１ｇ、重合開始剤であるアゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）０．６ｇ、及び重合溶媒であるプロピレングリコールメチルエーテルアセテート（ＰＧＭＥＡ）１００ｇを２５０ｍＬのラウンドフラスコ容器に入れた後、窒素雰囲気で８時間反応させた。反応が完了した後、１０００ｍＬのジエチルエーテルで沈澱を取った後、真空乾燥し、本発明に係る第１フォトレジスト重合体を８９％の歩留まりで得た(図２を参照)。
【００１９】
（実施例２：本発明に係る第１フォトレジスト組成物の製造）
前記実施例１で製造された第１フォトレジスト重合体１０ｇ、トリフェニルスルホニウムノナフルオロブタンスルホネート０．４ｇ及びトリエタノールアミン０．００６ｇを１７０ｇのシクロヘキサノンに溶解し、本発明に係る第１フォトレジスト組成物を製造した。
【００２０】
（実施例3：本発明に係る微細パターンの製造）
第１フォトレジストパターンの形成
ウェーハ上に前記実施例２で製造された第１フォトレジスト組成物を塗布した後、１００℃で６０秒間プリベークして第１フォトレジスト膜を形成した。ベーク後８０ｎｍのハーフピッチを有するマスクを利用し、イマージョンリソグラフィ装備を利用して３５ｍＪ／ｃｍ２の露光エネルギーで露光させた後、１００℃で６０秒間ポストベークしてからＴＭＡＨ２．３８ｗｔ％の水溶液で現像し、４０ｎｍサイズの第１フォトレジストパターンを得た。
【００２１】
第２フォトレジストパターンの形成
その後、ＪＳＲ社のＡＩＭ５０７６フォトレジスト組成物を前記結果物上に塗布した後、１００℃で６０秒間プリベークして第２フォトレジスト膜を形成した。ベーク後８０ｎｍのハーフピッチを有するマスクを利用し、イマージョンリソグラフィ装備を利用して３８ｍＪ／ｃｍ２の露光エネルギーで露光させた後、１００℃で６０秒間ポストベークしてからＴＭＡＨ２．３８ｗｔ％の水溶液で現像し、４０ｎｍサイズの第２フォトレジストパターンを得た。
結果として、第２フォトレジストパターンが前記第１フォトレジストパターン等の間に入るように形成したため、８０ｎｍのハーフピッチを有するマスクを利用して４０ｎｍのハーフピッチを有するパターンを得た（図３を参照）。この際、露光工程時に前記マスクは第１フォトレジストパターンの形成時に用いたマスクを所定距離移動させて用いた。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１ａ】本発明に係る半導体素子の微細パターン形成方法を示した断面図である。
【図１ｂ】本発明に係る半導体素子の微細パターン形成方法を示した断面図である。
【図１ｃ】本発明に係る半導体素子の微細パターン形成方法を示した断面図である。
【図２】実施例１により製造される第１フォトレジスト重合体のＮＭＲスペクトルである。
【図３】実施例３により製造される微細パターンのＳＥＭ写真である。
【符号の説明】
【００２３】
１１    半導体基板
１３    ハードマスク層
１５    反射防止膜
１７    第１フォトレジストパターン
１９    第２フォトレジスト膜
２１    第２フォトレジストパターン
【図１ａ】
2008172190.tif 000003
【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図２】
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【図３】
2008172190.tif 000007