(57)【要約】【課題】さらなる微細なパターンを形成でき、高温の熱処理が不要となるパターンの形成方法を提供する。【解決手段】被加工層上にマスク積層体を形成し、マスク積層体にパターンを形成する方法において、マスク積層体を形成するときに、少なくとも、電磁波あるいは荷電粒子線の照射により硬化するマスク層を形成し、このマスク層に電磁波あるいは荷電粒子線を照射してマスク層を硬化させる。例えば、被加工層１１上に第１マスク層１２を形成し、この上層に電磁波あるいは荷電粒子線の照射により硬化する第２マスク層１３を形成し、紫外線Ｘなどの電磁波あるいは荷電粒子線を照射して第２マスク層１３を硬化させ、この上層にフォトレジスト膜である第３マスク層１４を形成し、第３マスク層１４にパターン露光して現像処理を行い、第３マスク層１４をパターン加工する。【選択図】　　　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工層上にマスク積層体を形成し、前記マスク積層体にパターンを形成するパターンの形成方法であって、
前記マスク積層体を形成する工程が、少なくとも、電磁波あるいは荷電粒子線の照射により硬化するマスク積層体形成層を形成する工程と、前記マスク積層体形成層に電磁波あるいは荷電粒子線を照射して前記マスク積層体形成層を硬化させる工程とを含む
パターンの形成方法。
【請求項２】
被加工層上に第１マスク層を形成する工程と、
前記第１マスク層の上層に電磁波あるいは荷電粒子線の照射により硬化する第２マスク層を形成する工程と、
前記第２マスク層に電磁波あるいは荷電粒子線を照射して前記第２マスク層を硬化させる工程と、
前記第２マスク層の上層にフォトレジスト膜である第３マスク層を形成する工程と、
前記第３マスク層にパターン露光する工程と、
現像処理により前記第３マスク層をパターン加工する工程と
を有するパターンの形成方法。
【請求項３】
前記第２マスク層として感光性基を有する無機材料と光架橋剤とを含む材料を用いる
請求項２に記載のパターンの形成方法。
【請求項４】
前記無機材料としてオルガノポリシロキサンまたは溶剤に溶解した酸化シリコンを含む材料を用いる
請求項３に記載のパターンの形成方法。
【請求項５】
前記第２マスク層を硬化させる工程において、前記電磁波または荷電粒子線の照射とともに補助的に熱処理を行う
請求項２に記載のパターンの形成方法。
【請求項６】
前記第２マスク層を硬化させる工程において前記電磁波または荷電粒子線の照射とともに行う補助的な熱処理が２５０℃以下である
請求項５に記載のパターンの形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はパターンの形成方法に関し、特にレジスト膜を含む多層のマスク層を形成してパターンを形成する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造工程において、フォトリソグラフィ技術によりフォトレジスト膜をパターン形成する方法は、半導体装置のさらなる微細化を実現するために益々重要な技術となってきている。
【０００３】
例えば、図５は、従来方法に係るパターンの形成方法を用いて、被加工層をパターン加工した半導体装置の断面図である。
トランジスタなどの半導体素子、配線および絶縁膜などを含む半導体基板１００上に、導電層あるいは絶縁層などからなるパターン加工層１０１ａが形成されている。
【０００４】
上記の半導体装置の製造に用いるパターンの形成方法について説明する。
まず、図６（ａ）に示すように、トランジスタなどの半導体素子、配線および絶縁膜などを含む半導体基板１００上に、導電層あるいは絶縁層などからなる被加工層１０１を形成し、その上層に例えば感光すると現像液可溶性となるタイプのフォトレジスト膜１０２を成膜する。
【０００５】
次に、図６（ｂ）に示すように、所望のパターンを有するフォトマスクＰＭを用いて紫外線などの光ＬＴでフォトレジスト膜１０２をパターン露光し、未露光部のフォトレジスト膜１０２ａと感光部１０２ｂを生成する。例えば、フォトレジスト膜１０２が感光すると現像液可溶性となるタイプの場合、パターンとして残す部分にマスクをして露光せず、溶出させる部分に露光する。
あるいは、フォトレジスト膜１０２が電子線などの荷電粒子線に感光するタイプの場合、荷電粒子線により直接描画したり、あるいはステンシルマスクを用いてパターン露光することもできる。
【０００６】
次に、図６（ｃ）に示すように、フォトレジスト膜１０２を現像処理し、未露光部のフォトレジスト膜１０２ａのみを残存させるようにパターン加工する。
【０００７】
次に、図６（ｄ）に示すように、フォトレジスト膜１０２ａをマスクとして、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）などのエッチングを施し、被加工層１０１をパターン加工してパターン加工層１０１ａとする。
次に、フォトレジスト膜１０２ａを除去して、図５に示す構成の半導体装置とする。
【０００８】
上記のような半導体装置の製造工程におけるパターンの形成方法において、半導体装置のさらなる微細化を進めるために、さらに高い精度で加工する技術が求められてきている。
しかし、微細なパターンを形成するためには、パターン加工後にフォトレジスト膜が倒れるのを防止するため、フォトレジスト膜をある程度以下に薄くする必要があり、このため被加工層などに存在する段差の影響が無視できなくなり、また、エッチング耐性の低下が問題となってきており、さらに微細なパターンを形成することが困難となっている。
【０００９】
上記のような微細なパターンを形成することを可能にする方法として、エッチング加工のマスクとなる層としてレジスト膜を含む３層の積層体を用いるプロセスが開発されている。
【００１０】
上記のパターンの形成方法について説明する。
まず、図７（ａ）に示すように、トランジスタなどの半導体素子、配線および絶縁膜などを含む半導体基板１００上に、導電層あるいは絶縁層などからなる被加工層１０１を形成し、フォトレジスト膜からなる第１マスク層１０３を形成する。第１マスク層１０３を形成することで、被加工層１０１に存在する段差を平坦化することができる。
次に、第１マスク層の上層に、例えばオルガノポリシロキサンあるいはＳＯＧ（ｓｐｉｎ　ｏｎ　ｇｌａｓｓ：アルコールに溶解したガラス）を塗布し、第２マスク層１０４を成膜し、例えば加熱台１２０上に戴置して３００℃程度の高温の熱処理（図中Ｙで示す）を行い、第２マスク層１０４を硬化させる。
【００１１】
次に、図７（ｂ）に示すように、第２マスク層１０４の上層にフォトレジスト膜からなる第３マスク層１０５を形成する。
次に、微細な所望のパターンを有するフォトマスクＰＭを用いて紫外線などの光ＬＴで第３マスク層１０５をパターン露光し、未露光の第３マスク層１０５ａと感光した第３マスク層１０５ｂを生成する。例えば、第３マスク層１０５が感光すると現像液可溶性となるタイプのフォトレジスト膜からなる場合、パターンとして残す部分にマスクをして露光せず、溶出させる部分に露光する。
あるいは、第３マスク層１０５が電子線などの荷電粒子線に感光するタイプのフォトレジスト膜からなる場合、荷電粒子線により直接描画したり、あるいはステンシルマスクを用いてパターン露光することもできる。
【００１２】
次に、図７（ｃ）に示すように、第３マスク層１０５を現像処理し、未露光の第３マスク層１０５ａのみを残存させるようにパターン加工する。
次に、第３マスク層１０５ａをマスクとして、ＲＩＥなどのエッチングを施し、パターン加工された第２マスク層１０４ａを得る。
次に、第２マスク層１０４ａをマスクとして、ＲＩＥなどのエッチングを施し、パターン加工された第１マスク層１０３ａを得る。このとき第３マスク層１０５ａは除去される場合もあり、図面上は除去されない場合を示している。
このようにして、第１マスク層１０３ａ、第２マスク層１０４ａ、第３マスク層１０５ａからなるマスク積層体ＭＫが形成される。
【００１３】
第２マスク層１０４および第１マスク層１０３のパターンエッチングには、寸法変換差の少ないＲＩＥが用いられ、特に第１マスク層１０３のエッチングには通常酸素ガスを用いたＲＩＥが用いられる。
また、第２マスク層１０４は第１マスク層１０３をエッチング加工する際のマスクとして作用する必要があるので、酸素ガスのＲＩＥに対して耐性のある材料が用いられ、容易にスピン塗布などで成膜できるオリガノポリシロキサンやＳＯＧなどが用いられる。
【００１４】
次に、図７（ｄ）に示すように、上記のマスク積層体ＭＫをマスクとして、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）などのエッチングを施し、被加工層１０１をパターン加工してパターン加工層１０１ａとする。
次に、マスク積層体ＭＫを除去して、図５に示す構成の半導体装置とする。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の３層の積層体をマスクとするパターンの形成方法においては、第２マスク層を形成する工程において、第２マスク層を硬化させるために３００℃程度の高温の処理が必要となっており、半導体装置に高温の熱履歴が残されることになり、半導体装置に負荷がかかって信頼性の低下を招くことになる。これは、例えば熱履歴によりストレスがかかってボイドを引き起こしたり、あるいは例えば銅を配線材料などに用いている場合に、グレインサイズが大きく成長することなどの原因となると考えられる。
また、３００℃程度の高温の処理を行うためには、急激に昇温すると膜にクラックが入ったりするので、これを防止するため緩やかな昇温が必要で、熱処理条件が厳しく制限される。
また、３００℃程度の高温の処理を行うと、昇華物によるパーティクルが発生し、歩留りの低下を招く。
【００１６】
本発明は上記の状況に鑑みてなされたものであり、従って本発明の目的は、さらなる微細なパターンを形成でき、高温の熱処理が不要となるパターンの形成方法を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の第１の観点に係るパターンの形成方法は、被加工層上にマスク積層体を形成し、前記マスク積層体にパターンを形成するパターンの形成方法であって、前記マスク積層体を形成する工程が、少なくとも、電磁波あるいは荷電粒子線の照射により硬化するマスク積層体構成層を形成する工程と、前記マスク積層体構成層に電磁波あるいは荷電粒子線を照射して前記マスク積層体構成層を硬化させる工程とを含む。
【００１８】
また、上記の目的を達成するため、本発明の第２の観点に係るパターンの形成方法は、被加工層上に第１マスク層を形成する工程と、前記第１マスク層の上層に電磁波あるいは荷電粒子線の照射により硬化する第２マスク層を形成する工程と、前記第２マスク層に電磁波あるいは荷電粒子線を照射して前記第２マスク層を硬化させる工程と、前記第２マスク層の上層にフォトレジスト膜である第３マスク層を形成する工程と、前記第３マスク層にパターン露光する工程と、現像処理により前記第３マスク層をパターン加工する工程とを有する。
【００１９】
上記の本発明の第１の観点に係るパターンの形成方法の作用は、被加工層上にマスク積層体を形成し、マスク積層体にパターンを形成する方法において、マスク積層体を形成するときに、少なくとも、電磁波あるいは荷電粒子線の照射により硬化するマスク層を形成し、このマスク層に電磁波あるいは荷電粒子線を照射してマスク層を硬化させる。
【００２０】
上記の本発明の第２の観点に係るパターンの形成方法の作用は、被加工層上に第１マスク層を形成し、第１マスク層の上層に電磁波あるいは荷電粒子線の照射により硬化する第２マスク層を形成し、第２マスク層に電磁波あるいは荷電粒子線を照射して第２マスク層を硬化させる。次に、第２マスク層の上層にフォトレジスト膜である第３マスク層を形成する。次に、第３マスク層にパターン露光する工程と、現像処理により第３マスク層をパターン加工する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２２】
第１実施形態
図１は、本実施形態に係るパターンの形成方法を用いて、被加工層をパターン加工した半導体装置の断面図である。
トランジスタなどの半導体素子、配線および絶縁膜などを含む半導体基板１０上に、導電層あるいは絶縁層などからなるパターン加工層１１ａが形成されている。
【００２３】
上記の半導体装置の製造に用いるパターンの形成方法について説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、トランジスタなどの半導体素子、配線および絶縁膜などを含む半導体基板１０上に、導電層あるいは絶縁層などからなる被加工層１１を形成し、その上層にスピン塗布などによりフォトレジスト膜からなる第１マスク層１２を例えば２．０μｍの膜厚で形成し、プリベーク加熱処理を行って第１マスク層１２中に含まれる溶剤を蒸発させる。
第１マスク層１２を形成することで、被加工層１１に存在する段差を平坦化することができる。
【００２４】
次に、図２（ｂ）に示すように、第１マスク層の上層に、例えば紫外線の照射により硬化する材料を用いて、例えばスピン塗布により例えば０．１μｍの膜厚で第２マスク層１３を形成する。
紫外線の照射により硬化する材料としては、例えば感光性基を有する無機材料を主成分として、これに紫外線照射によりカチオンが発生する光架橋剤（重合開始剤）を含有させた材料を用いる。
上記の無機材料としては、例えばオルガノポリシロキサン、またはアルコールなどの溶剤に溶解したガラス（酸化シリコン）、いわゆるＳＯＧなどを用いることができる。
上記の無機材料に含まれる感光性基としては、例えば脂環式エポキシ環あるいはオキセタン環などを挙げることができる。
また、紫外線照射によりカチオンが発生する材料としては、例えばヘキサフルオロアンチモネート塩、ヘキサフルオロホスフェート塩などを挙げることができる。
【００２５】
また、さらに第２マスク層１３の材料としては、さらに増感剤を用いることで紫外線照射による硬化性を高めることができる。
増感剤としては、例えばピレン、ペリレン、チオキサントンなどを挙げることができる。
【００２６】
次に、例えば高圧水銀灯などを用いて第２マスク層１３に対して全面に紫外線Ｘを照射し、第２マスク層１３を硬化させる。紫外線のエネルギー線量は、例えば８０ｍＪ／ｃｍ２　程度とし、照射時間は例えば２分程度とする。
このとき、第２マスク層１３を硬化させるための熱処理は行わない。
【００２７】
次に、図２（ｃ）に示すように、第２マスク層１３の上層に、例えばＫｒＦエキシマレーザ露光用のフォトレジスト材料を用いて、スピン塗布などにより、例えば０．４５μｍの膜厚で第３マスク層１４を形成する。
【００２８】
次に、図２（ｄ）に示すように、微細な所望のパターンを有するフォトマスクＰＭを用いてＫｒＦエキシマレーザなどの光ＬＴで第３マスク層１４をパターン露光し、未露光の第３マスク層１４ａと感光した第３マスク層１４ｂを生成する。露光のパターンは、例えば０．１８μｍのライン／スペースパターンとする。このとき、第２マスク層１３は露光時の反射防止膜として機能することが好ましい。
例えば、第３マスク層１４が感光すると現像液可溶性となるタイプのフォトレジスト膜からなる場合、パターンとして残す部分にマスクをして露光せず、溶出させる部分に露光する。
あるいは、第３マスク層１４が電子線などの荷電粒子線に感光するタイプのフォトレジスト膜からなる場合、荷電粒子線により直接描画したり、あるいはステンシルマスクを用いてパターン露光することもできる。
【００２９】
次に、図３（ａ）に示すように、第３マスク層１４を現像処理し、未露光の第３マスク層１４ａのみを残存させるようにパターン加工する。
【００３０】
次に、図３（ｂ）に示すように、第３マスク層１４ａをマスクとして、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）などのエッチングを施し、パターン加工された第２マスク層１３ａを得る。
【００３１】
次に、図３（ｃ）に示すように，第２マスク層１３ａをマスクとして、ＲＩＥなどのエッチングを施し、パターン加工された第１マスク層１２ａを得る。このとき第３マスク層１４ａは除去される場合もあり、図面上は除去されない場合を示している。
このようにして、例えば第１マスク層１２ａ、第２マスク層１３ａ、第３マスク層１４ａから構成されるマスク積層体ＭＫが形成される。
【００３２】
第２マスク層１３および第１マスク層１２のパターンエッチングには、寸法変換差の少ないＲＩＥが用いられ、特に第１マスク層１２のエッチングには通常酸素ガスを用いたＲＩＥが用いられる。
また、第２マスク層１３は第１マスク層１２をエッチング加工する際のマスクとして作用する必要があるので、酸素ガスのＲＩＥに対して耐性のある材料が用いられ、上述のようなオリガノポリシロキサンやＳＯＧなどを主成分とする材料が用いられる。
【００３３】
次に、図３（ｄ）に示すように、上記のマスク積層体ＭＫをマスクとして、ＲＩＥなどのエッチングを施し、被加工層１１をパターン加工してパターン加工層１１ａとする。
次に、アッシング処理などによりマスク積層体ＭＫを除去して、図１に示す構成の半導体装置とする。
【００３４】
本実施形態のパターンの形成方法によれば、さらなる微細なパターンを形成でき、３００℃程度の高温の熱処理が不要となるので、高温の熱履歴を残すことなく、熱処理条件の制限もないパターンを形成することができる。
【００３５】
本実施形態において、第２マスク層を構成する材料としては、Ｘ線などの紫外線以外の電磁波や電子線などの荷電粒子線により硬化するタイプの材料を用いることが可能である。
この場合、第２マスク層を成膜後、硬化させるために、それらに対応するＸ線などの電磁波や電子線などの荷電粒子線を照射する。
【００３６】
第２実施形態
本実施形態に係るパターンの形成方法は、実質的に第１実施形態と同様であるが、図４に示すように、第２マスク層１３を硬化させる工程において、紫外線Ｘなどの電磁波または荷電粒子線の照射とともに、補助的に熱処理（図中Ｙで示す）を行う。
【００３７】
第２マスク層を硬化させる工程において、電磁波または荷電粒子線の照射とともに行う補助的な熱処理は、２５０℃以下が好ましく、さらに好ましくは２００℃以下である。
３００℃程度の高温処理と異なり、緩やかな昇温をしなくてもクラックの形成を抑制できる。
また、熱処理温度を２５０℃程度にまで抑制すれば、熱履歴による半導体装置への負荷を大きく低減して、信頼性の低下を抑制することができ、さらに２００℃以下の熱処理は、通常の半導体装置の製造プロセスにおいて広く用いられている温度であり、熱履歴による負荷を回避することができる。
【００３８】
本実施形態のパターンの形成方法によれば、第１実施形態と同様に、さらなる微細なパターンを形成でき、３００℃程度の高温の熱処理が不要となるので、高温の熱履歴を残すことなく、熱処理条件の制限もないパターンを形成することができる。
【００３９】
（実施例）
半導体基板の被加工層上に、スピン塗布によりフォトレジスト膜からなる第１マスク層を２．０μｍの膜厚で形成してプリベーク熱処理を行った。
第１マスク層の上層に、エポキシ環を有するオルガノポリシロキサンに光架橋剤と増感剤を添加した材料をスピン塗布して０．１μｍの膜厚の第２マスク層を形成し、８０ｍＪ／ｃｍ２　のエネルギー線量で全面に紫外線を照射し、第２マスク層を硬化させた。
次に、第２マスク層の上層にＫｒＦエキシマレーザ露光用のフォトレジスト材料でスピン塗布により０．４５μｍの膜厚で第３マスク層を形成した。
次に、ＫｒＦエキシマレーザ光により０．１８μｍのライン／スペースパターンで第３マスク層を露光し、現像した。このとき、第３マスク層には裾引きなどの形状の異常はなく、良好な形状を得た。
次に、第３マスク層をマスクとして、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を施し、第２マスク層をパターン加工した。このとき、良好な形状の第２マスク層が得られた。
次に、第２マスク層をマスクとして、ＲＩＥを施し、第１マスク層をパターン加工した。このとき、良好な形状の第１マスク層が得られた。
次に、第１マスク層などをマスクとして、ＲＩＥなどのエッチングを施し、被加工層をパターン加工した。
【００４０】
（比較例）
半導体基板の被加工層上に、スピン塗布によりフォトレジスト膜からなる第１マスク層を２．０μｍの膜厚で形成してプリベーク熱処理を行った。
第１マスク層の上層に、市販のＳＯＧをスピン塗布して０．１μｍの膜厚の第２マスク層を形成し、３００℃で４分の熱処理を施して第２マスク層を硬化させた。第２マスク層は急激に熱処理を行うとひびが入ってしまう場合があり、緩やかに昇温させる必要があった。
次に、第２マスク層の上層にＫｒＦエキシマレーザ露光用のフォトレジスト材料でスピン塗布により０．４５μｍの膜厚で第３マスク層を形成し、ＫｒＦエキシマレーザ光により０．１８μｍのライン／スペースパターンで第３マスク層を露光し、現像した。
次に第３マスク層をマスクとして、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）を施し、第２マスク層をパターン加工し、次に第２マスク層をマスクとして、ＲＩＥを施し、第１マスク層をパターン加工し、次に第１マスク層などをマスクとして、ＲＩＥなどのエッチングを施し、被加工層をパターン加工した。
得られた比較例の半導体装置は、高温の熱履歴による負荷のために、信頼性が低下した。
【００４１】
本発明は上記の実施の形態に限定されない。
例えば、実施形態においては３層の積層体からなるマスク層の場合について説明しているが、マスク積層体を形成する工程が、少なくとも、電磁波あるいは荷電粒子線の照射により硬化するマスク積層体構成層を形成する工程と、マスク積層体構成層に電磁波あるいは荷電粒子線を照射してマスク積層体構成層を硬化させる工程とを含んでいればよく、３層の積層体からなるマスク層以外のプロセスにも適用することができる。
また、実施形態における第１マスク層としては、第２マスク層などをマスクとして加工できる材料であればよく、フォトレジスト材料以外の材料を用いることも可能である。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明のパターンの形成方法によれば、さらなる微細なパターンを形成でき、高温の熱処理が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は第１実施形態に係るパターンの形成方法を用いて、被加工層をパターン加工した半導体装置の断面図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｄ）は第１実施形態に係るパターンの形成方法の工程を示す断面図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｄ）は図２の続きの工程を示す断面図である。
【図４】図４は第２実施形態に係るパターンの形成方法の工程を示す断面図である。
【図５】図５は第１および第２従来例に係るパターンの形成方法を用いて、被加工層をパターン加工した半導体装置の断面図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｄ）は第１従来例に係るパターンの形成方法の工程を示す断面図である。
【図７】図７（ａ）〜（ｄ）は第２従来例に係るパターンの形成方法の工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１０，１００…半導体基板、１１，１０１…被加工層、１１ａ，１０１ａ…パターン加工層、１２，１２ａ，１０３，１０３ａ…第１マスク層、１３，１３ａ，１０４，１０４ａ…第２マスク層、１４，１４ａ，１４ｂ，１０５，１０５ａ…第３マスク層、１０２，１０２ａ，１０２ｂ…フォトレジスト膜、ＭＫ…マスク積層体、Ｘ…紫外線、Ｙ…熱処理、ＰＭ…フォトマスク、ＬＴ…光。
【図１】
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【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】
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【図７】
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