(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられた被エッチング層上に、ラクトン基含有骨格を有するレジストパターンを形成する第１工程と、
前記レジストパターンのガラス転移温度または軟化点が低下するように、水素含有ガスを用いたプラズマ処理を行う第２工程と、
エッチングにより、プラズマ処理後の前記レジストパターンを、前記被エッチング層に転写することで、前記被エッチング層のパターンを形成する第３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】
請求項１記載のパターン形成方法において、
前記レジストパターンを構成する高分子材料中の前記ラクトン基含有骨格の重量比は、２０重量％以上３５重量％以下である
ことを特徴とするパターン形成方法。
【請求項３】
請求項１記載のパターン形成方法において、
前記第１工程では、前記被エッチング層上に、反射防止膜を介して前記レジストパターンを形成し、
前記第１工程の後で、第３工程よりも前に、
前記レジストパターンをマスクに用いたエッチングにより、前記反射防止膜のパターンを形成する工程を行う
ことを特徴とするパターン形成方法。
【請求項４】
請求項３記載のパターン形成方法において、
前記第２工程では、前記反射防止膜のパターンの形成を兼ねて、前記プラズマ処理を行う
ことを特徴とするパターン形成方法。
【請求項５】
請求項１記載のパターン形成方法において、
前記第２工程から前記第３工程までの間に、熱処理を行う
ことを特徴とするパターン形成方法。
【請求項６】
請求項５記載のパターン形成方法において、
前記熱処理は、低下させた前記レジストパターンのガラス転移温度または軟化点よりも高い温度で行う
ことを特徴とするパターン形成方法。
【請求項７】
請求項５記載のパターン形成方法において、
前記第２工程では、前記熱処理を兼ねて前記プラズマ処理を行う
ことを特徴とするパターン形成方法。
【請求項８】
請求項５記載のパターン形成方法において、
前記第２工程と第３工程の間に、前記熱処理を行う
ことを特徴とするパターン形成方法。
【請求項９】
請求項５記載のパターン形成方法において、
前記第３工程では、前記熱処理を兼ねて前記被エッチング層のパターンの形成を行う
ことを特徴とするパターン形成方法。
【請求項１０】
基板上に設けられたゲート電極膜上に、ラクトン基含有骨格を有するレジストパターンを形成する第１工程と、
前記レジストパターンのガラス転移温度または軟化点が低下するように、水素含有ガスを用いたプラズマ処理を行う第２工程と、
エッチングにより、プラズマ処理後の前記レジストパターンを前記ゲート電極膜に転写することで、ゲート電極を形成する第３工程とを有する
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、パターン形成方法および半導体装置の製造方法に関し、より詳しくはラクトン基含有骨格を有するレジストパターンをマスクに用いたパターン形成方法および半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイス、液晶デバイス等の各種電子デバイスにおける微細構造の製造には、リソグラフィ法およびリソグラフィ法によって作製されたレジストパターンをマスクとする被エッチング層のプラズマエッチング法が多用されているが、デバイス構造の微細化に伴って、プラズマエッチング工程後の被エッチング層のパターンの微細化が要求されている。
【０００３】
現在では、リソグラフィ法及びこれに引き続くプラズマエッチング法により、例えば、最先端の領域では、線幅が６５ｎｍ程度の微細な被エッチング層のパターンを形成することが可能となっているが、今後はさらに微細なパターン形成が要求される。このような、ナノメータオーダの高解像度の微細パターンにおいては、パターンの線幅に対するエッジラフネスの占める割合が大きくなり、また、従来以上にパターンのエッジラフネスの低減が困難となってきていることから、その改善が強く望まれている。
【０００４】
例えばトランジスタのゲート線幅のばらつきは、６５ｎｍ世代の半導体については、２．２ｎｍ以下、４５ｎｍ世代の半導体については、１．６ｎｍ以下となることが要求されている（例えば、下記非特許文献１参照）。すなわち、レジストパターンをマスクとしたエッチングによりパターンニングされた被エッチング層のパターンの線幅ばらつきは、上記の値以下になることが要求されているのである。
【０００５】
そこで、被エッチング層のパターンの線幅ばらつきを低減するために、様々な方法が検討されている。一例として、ＨＢｒガスを用いたプラズマ処理を行うことで、レジスト膜を硬化させて、レジストパターンのエッジラフネスを低減させる方法がある。そして、このレジストパターンをマスクに用いて、被エッチング層のパターンニングを行った結果、被エッチング層のパターンのエッジラフネスが低減されることが報告されている（例えば、下記非特許文献２参照）。
【０００６】
また、他の一例として、レジスト膜の露光後加熱（Post Exposure Bake（ＰＥＢ））過程における加熱温度を段階的に変更することで、レジストパターンのエッジラフネスを低減させる方法がある。この方法によっても、被エッチング層のエッジラフネスが低減されることが報告されている（例えば、下記特許文献１参照）。
【０００７】
【非特許文献１】International Technology Roadmap for Semiconductors（ＩＴＲＳ），［online］2003年版，Table 77ａおよびｂ［平成１８年２月６日検索］インターネット＜ＵＲＬ:http://public.itrs.net＞
【非特許文献２】A.P.Maholowara他、「Proceedings of SPIE」（米）2005年，Vol.5753, p.380
【特許文献１】特開２００３−６８６０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上述したようなＨＢｒガスを用いたプラズマ処理によりレジスト膜を硬化させる方法、また、ＰＥＢ過程の加熱温度を段階的に変える方法では、レジストパターンのエッジラフネスの低減は十分ではなかった。このため、このレジストパターンをマスクに用いたエッチングにより、被エッチング層をパターンニングしても、被エッチング層のパターンのエッジラフネスの低減は十分ではなく、パターンの線幅ばらつきを低減することは困難であった。
【０００９】
本発明は、かかる問題点を改善するために提案されたものであり、被エッチング層のパターンの線幅ばらつきを低減させるパターン形成方法および半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の目的を達成するために、本発明のパターン形成方法は、次のような工程を順次行うことを特徴としている。まず、第１工程では、基板上に設けられた被エッチング層上に、ラクトン基含有骨格を有するレジストパターンを形成する。次に、第２工程では、レジストパターンのガラス転移温度または軟化点が低下するように、水素含有ガスを用いたプラズマ処理を行う。次いで、第３工程では、エッチングにより、プラズマ処理後のレジストパターンを、被エッチング層に転写することで、被エッチング層のパターンを形成する。なお、本発明における「ラクトン基」とは、ラクトンから水素原子１つを除いた基である。
【００１１】
このようなパターン形成方法によれば、第２工程において、水素含有ガスを用いたプラズマ処理を行うことで、レジストパターン中のラクトン基がレジストパターンを構成する高分子材料から脱離する。そして、脱離したラクトン基がレジストパターン中に残留し、可塑剤として機能することで、レジストパターンのガラス転移点または軟化点が低くなり、レジストパターンが軟化する。これにより、上記プラズマ処理を行わない場合と比較して、レジストパターンの表面が平滑化され、エッジラフネスが低減される。よって、第３工程で、エッチングにより、このレジストパターンを被エッチング層に転写することで、被エッチング層のパターンのエッジラフネスが低減される。
【００１２】
また、本発明の半導体装置の製造方法は、上記のパターン形成方法をゲート電極の形成に適用したものであり、次のような工程を順次行うことを特徴としている。まず、第１工程では、基板上に設けられたゲート電極膜上に、ラクトン基含有骨格を有するレジストパターンを形成する。次に、第２工程では、レジストパターンのガラス転移温度または軟化点が低下するように、水素含有ガスを用いたプラズマ処理を行う。次いで、第３工程では、エッチングにより、プラズマ処理後のレジストパターンを、ゲート電極膜に転写することで、ゲート電極を形成する。
【００１３】
このような半導体装置の製造方法によれば、上述したパターン形成方法をゲート電極の形成に適用することで、ゲート電極のエッジラフネス、すなわちゲート線幅のラフネス（Line Width Roughness（ＬＷＲ））が低減される。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明のパターン形成方法によれば、被エッチング層のパターンのエッジラフネスが低減することで、パターンの線幅のばらつきが抑制されるため、精度よくパターンを形成することができる。また、このパターン形成方法を用いた半導体装置の製造方法によれば、ＬＷＲが低減されることで、ゲート線幅のばらつきが低減されるため、素子特性のばらつきが抑制され、半導体装置の性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１６】
＜レジスト材料＞
まず、本発明のパターン形成方法および半導体装置の製造方法に用いるレジスト材料について説明する。このレジスト材料は、ラクトン基含有骨格を有する高分子材料を含んでいる。ここで、この高分子材料の構造式の一例を下記構造式（１）に示す。ただし、構造式（１）中のｌ、ｍ、ｎは正の整数である。
【化１】
0004717658.tif 000002
【００１７】
上記構造式（１）に示すように、この高分子材料は、ラクトン基含有骨格を有するアクリル系樹脂である。より具体的には、メタクリル酸エステルとアクリル酸エステルとのコポリマーで主鎖が構成されており、エステル結合した側鎖により、３種類のエステルからなる骨格単位を有している。そのうち２つは、それぞれメタクリル酸と２−エチルアダマンチル基のエステル、アクリル酸と３−ヒドロキシアダマンチル基のエステルからなるアダマンチル基含有骨格であり、もう１つはメタクリル酸とγ―ブチロラクトン基のエステルからなるラクトン基含有骨格である。
【００１８】
ここで、本発明のパターン形成方法に用いるレジスト材料としては、高分子材料における上記ラクトン基含有骨格の重量比が、２０重量％以上３５重量％以下であることが好ましい。ラクトン基含有骨格の重量比が２０重量％以上であることで、後述するように、水素含有ガスを用いたプラズマ処理により、レジストパターンのガラス転移温度または軟化点が顕著に低下し、レジストパターンのエッジラフネスの顕著な低減が認められる。また、ラクトン基含有骨格の重量比が３５重量％以下であることで、十分なエッチング耐性を呈する。
【００１９】
なお、ここでは、ラクトン基含有骨格中のラクトン基がγ−ブチロラクトン基からなる例について説明するが、ノルボルネンラクトン（２，６−ノルボルナンカルボラクン）基であってもよく、他のラクトン基であってもよい。また、ここでは、ラクトン基含有骨格がメタクリル酸とラクトン基（γ−ブチロラクトン）のエステルで構成されていることとするが、ラクトン基を含有していれば、メタクリル酸はアクリル酸等の他のカルボン酸であってもよく、ラクトン基と結合可能な他の化合物であってもよい。
【００２０】
さらに、ラクトン基含有骨格以外の構成についても、上述した構造式（１）の一例に限定されることなく、高分子材料中にラクトン基含有骨格を有していればよい。例えば、アダマンチル基含有骨格については、メタクリル酸と２−エチルアダマンチル基のエステルとアクリル酸と３−ヒドロキシアダマンチル基のエステルの例について説明したが、メタクリル酸はアクリル酸であってもよく、アクリル酸はメタクリル酸であってもよい。また、２−エチルアダマンチル基は２−メチルアダマンチル基等他のアダマンチル基であってもよく、３−ヒドロキシアダマンチル基についても、特に限定されるものではない。さらには、アダマンチル基含有骨格以外で骨格単位が形成されていてもよい。
【００２１】
また、ここでは、メタクリル酸エステルとアクリル酸エステルのコポリマーで主鎖が構成された例について説明したが、メタクリル酸エステルまたはアクリル酸エステルのホモポリマーで主鎖が構成されていてもよく、骨格単位も２種類以上であればよい。さらに、上記構造式（１）中では、各骨格単位ごとに配列された構成（ブロック重合体）を記載するが、各骨格単位の配列順については、特に限定されるものではないし、またこのようなブロック重合体に限定されるものではなく、各骨格単位がランダム配列されたランダム重合体であってもよい。好ましいのは、後者のランダム重合体である。
【００２２】
そして、上述したような高分子材料と、例えば光酸発生剤、発生した酸の拡散を制御するアミンのようなクエンチャー成分、界面活性剤等のその他の添加剤とを溶剤中に溶解させたものが、感光性を有する化学増幅型のレジスト材料となる。
【００２３】
＜パターン形成方法＞
次いで、上記レジスト材料を用いた本発明のパターン形成方法および半導体装置の製造方法に係るゲート電極の形成方法を、図１〜図２の断面工程図を用いて説明する。
【００２４】
まず、図１（ａ）に示すように、例えばシリコンウェハからなる基板１１上に、例えば酸化シリコン膜からなるゲート絶縁膜（図示省略）を介して、例えばポリシリコンからなるゲート電極膜１２を形成する。次に、ゲート電極膜１２上に、例えばＴＥＯＳ（Tetraethoxy Silane）からなる保護膜１３を形成した後、例えばスピンコート法により、保護膜１３上に、例えば熱硬化性樹脂からなる反射防止膜１４を形成し、ベーク処理を行う。続いて、例えばスピンコート法により、反射防止膜１４上に、上述したレジスト材料を塗布し、レジスト膜１５を形成した後、ベーク処理を行う。
【００２５】
次いで、図１（ｂ）に示すように、上記レジスト膜１５（前記図１（ａ）参照）を露光して、ベーク処理を行い、アルカリ現像液を用いて現像することで、レジストパターン１５’を形成する。このレジストパターン１５’のエッジにはラフネスが生じている。
【００２６】
続いて、図１（ｃ）に示すように、エッチングにより、レジストパターン１５’を反射防止膜１４に転写して、反射防止膜１４をパターンニングする。その後、レジストパターン１５’と反射防止膜１４のパターンのトリムエッチングを行い、レジストパターン１５’および反射防止膜１４のパターンの線幅を細くする。
【００２７】
この状態の基板１１に、水素（Ｈ）含有ガスを用いたプラズマ処理を行う。ここでは、上記ガスとして、例えば臭化水素（ＨＢｒ）ガスを用いることとする。このプラズマ処理条件の一例としては、ＨＢｒガスの流量を４０ｍｌ／ｍｉｎ、ソースパワー３００Ｗ、圧力を０．５３Ｐａ、処理時間を１０秒間に設定する。また、基板１１を保持するステージの温度は５０℃と設定する。
【００２８】
上記プラズマ処理を行うことで、レジストパターン１５’中のラクトン基が高分子材料から脱離する。そして、脱離したフリーのラクトン基がレジストパターン１５’中に残留し、可塑剤として機能することで、レジストパターン１５’のガラス転移温度または軟化点が低くなり、レジストパターン１５’が軟化する。これにより、レジストパターン１５’の表面が平滑化され、エッジラフネスが低減される。特にレジストパターン１５’を構成する高分子材料中のラクトン基含有骨格の重量比を２０重量％以上３５重量％以下とすることで、エッチング耐性を維持するとともに、レジストパターン１５’のエッジラフネスを顕著に低減することが可能となる。
【００２９】
ここで、後述する検証試験では、上記プラズマ処理に、特に水素（Ｈ）含有ガスを用いることで、テトラフルオロメタン（ＣＦ4）ガスまたは塩素（Ｃｌ2）ガスを用いる場合と比較して、フリーのラクトン基のレジストパターン１５’中への残留比が高くなることが確認された。また、この検証試験によれば、レジストパターン１５’のガラス転移温度または軟化点の低下が、レジストパターン１５’中のフリーのラクトン基の残留量に依存し、ラクトン基含有骨格の重量比が多いレジスト材料を用いる方が、ガラス転移温度または軟化点が顕著に低下することが確認された。
【００３０】
なお、ここでは、上記プラズマ処理にＨＢｒガスを用いた例について説明したが、水素（Ｈ）を含有し水素プラズマを発生しうるガスであればよく、ＨＢｒの他に塩化水素（ＨＣｌ）、ヨウ化水素（ＨＩ）、水素（Ｈ2）であってもよい。また、水素（Ｈ）含有ガスとともに、酸素（Ｏ2）ガスや不活性ガスを供給してもよい。ただし、水素（Ｈ）含有ガスとともに、Ｏ2ガスや不活性ガスを用いる場合には、プラズマ処理によりレジストパターン１５’がエッチングされないように、処理条件を調整する。
【００３１】
ここで、上記プラズマ処理工程から後述するレジストパターン１５’をマスクに用いた保護膜１３のエッチング工程までの間に、熱処理を行うことで、レジストパターン１５’はさらに軟化し、レジストパターン１５’のエッジラフネスはさらに低減される。この熱処理は、低下させたガラス転移温度または軟化点以上の温度で行うことが好ましい。
【００３２】
例えば、上記熱処理を兼ねてプラズマ処理を行ってもよく、プラズマ処理工程と後述する保護膜１３のエッチング工程の間に熱処理を行ってもよい。また、熱処理を兼ねて保護膜１３のエッチングを行ってもよい。
【００３３】
上記熱処理は、基板１１を加熱して行ってもよいが、熱処理を兼ねてプラズマ処理または保護膜１３のエッチングを行う場合には、プラズマ処理またはエッチングによるレジストパターン１５’の温度上昇を熱処理としてもよい。
【００３４】
上記プラズマ処理の後は、エッチングにより、上記レジストパターン１５’を下層側に順次転写していく。まず、図１（ｄ）に示すように、このレジストパターン１５’をマスクに用いたエッチングにより、保護膜１３のパターンニングを行う。この際、レジストパターン１５’のエッジラフネスは低減されていることから、エッジラフネスの低減が維持された状態で転写され、保護膜１３のパターンのエッジラフネスも低減される。
【００３５】
次いで、図２（ｅ）に示すように、上記レジストパターン１５’（前記図１（ｄ）参照）および反射防止膜１４（前記図１（ｄ）参照）をアッシング除去し、保護膜１３のパターンを露出する。
【００３６】
続いて、図２（ｆ）に示すように、この保護膜１３のパターンをマスクに用いたエッチングにより、ゲート電極膜１２（前記図２（ｅ）参照）をパターンニングすることで、ゲート電極１２’を形成する。この際、上述したように、保護膜１３のパターンのエッジラフネスは低減されていることから、エッジラフネスの低減が維持された状態で転写され、ゲート電極１２’のエッジラフネスも低減される。これにより、ゲート線幅Ｗのラフネス（ＬＷＲ）が低減される。
【００３７】
このようなパターン形成方法およびこれを用いた半導体装置の製造方法によれば、ＨＢｒガスを用いたプラズマ処理を行うことで、レジストパターン１５’のエッジラフネスが低減される。このため、エッチングにより、レジストパターン１５’をゲート電極膜１２に転写することで、ＬＷＲが低減される。これにより、ゲート線幅Ｗのばらつきが低減するため、素子特性のばらつきが抑制され、半導体装置の性能を向上させることができる。
【００３８】
なお、本実施形態では、図１（ｃ）を用いて説明したように、レジストパターン１５’のトリムエッチング後に、プラズマ処理を行うこととしたが、図１（ｂ）を用いて説明したレジストパターン１５’を形成した後、反射防止膜１４をパターンニングする前に、上記プラズマ処理を行ってもよく、反射防止膜１４をパターンニングした後、トリムエッチングの前に上記プラズマ処理を行ってもよい。または、トリムエッチング工程を水素（Ｈ）含有ガスを用いて行ってもよい。ただし、この場合には、レジストパターン１５’をエッチングするため、水素（Ｈ）含有ガスに酸素ガスを添加するなど、プラズマ処理条件を適宜調整する。
【００３９】
また、本実施形態では、エッチングにより、レジストパターン１５’を保護膜１３に転写し、保護膜１３のパターンをゲート電極膜１２に転写することで、ゲート電極１２’を形成したが、保護膜１３を形成せずに、レジストパターン１５’をマスクに用いたエッチングにより、ゲート電極膜１２を直接パターンニングする場合であっても、本発明は適用可能である。この場合には、プラズマ処理後に行う熱処理を、ゲート電極膜１２のエッチングと兼ねて行ってもよい。
【００４０】
（検証試験１）
また、ここで、水素（Ｈ）含有ガスを用いたプラズマ処理によるレジスト膜のガラス転移温度の低下について検証試験を行った。まず、下記構造式（２）で示されるラクトン基含有骨格の重量比の異なる高分子材料Ａ〜Ｄ（以下、材料Ａ〜Ｄと略する）を用意した。
【化２】
0004717658.tif 000003
【００４１】
ここで、上記材料Ａ〜Ｄのｌ、ｍ、ｎ数およびラクトン基含有骨格の重量比を表１に示す。この表に示すように、材料ＡからＤの順にラクトン基含有骨格の重量比は増大している。
【表１】
0004717658.tif 000004
【００４２】
これらの材料Ａ〜Ｄをそれぞれ含むレジスト材料を、シリコン基板上に塗布し、２５０ｎｍの膜厚のレジスト膜を形成した。そして、各レジスト膜が設けられた基板に、Ｏ2／ＨＢｒガス、Ｏ2／ＣＦ4ガス、Ｏ2／Ｃｌ2ガスをそれぞれ用いたプラズマ処理を行った。この際、全てのガスの流量を２０ｍｌ／ｍｉｎに統一し、処理時間はレジスト膜の膜厚が２５０ｎｍから１２０ｎｍまでエッチングされる時間とした。
【００４３】
そして、プラズマ処理前後の各レジスト膜のフーリエ変換赤外吸収スペクトル（FT-IRスペクトル)を測定したところ、いずれのガスを用いたプラズマ処理でも、高分子材料の主鎖を構成するメタクリル酸単位に化学的に結合したラクトン基に帰属するピークが小さくなり、特にＯ2／ＨＢｒガスを用いたプラズマ処理で顕著なピークの低下を示した。これにより、いずれのガスを用いてもラクトン基は高分子材料から脱離し、Ｏ2／ＨＢｒガスを用いたプラズマ処理により脱離するラクトン基が多いことが確認された。また、上記ＦＴ−ＩＲスペクトルから、プラズマ処理により脱離したフリーのラクトン基のレジスト膜中への残留比を算出した結果を表２に示す。ただし、この残留比は、プラズマ処理前の各レジスト膜のラクトン基の初期量を１とした場合の相対比である。
【表２】
0004717658.tif 000005
【００４４】
表２に示すように、材料Ａ〜Ｄの全てにおいて、Ｏ2／ＨＢｒガスを用いたプラズマ処理後のレジスト膜は、Ｏ2／ＣＦ4ガス、Ｏ2／Ｃｌ2ガスを用いたプラズマ処理後のレジスト膜と比較して、フリーのラクトン基の残留比が顕著に高いことが確認された。また、材料Ａ〜Ｄでは、それぞれ初期量を１とした場合のラクトン基の残留比は０．３程度であるが、初期量は材料ＡからＤの順に高いため、ラクトン基の残留量は、材料ＡからＤの順に高くなる。すなわち、フリーのラクトン基の残留量はラクトン基含有骨格の重量比に依存する。
【００４５】
次に、材料Ａ〜Ｄを含む各レジスト膜のプラズマ処理前後のガラス転移温度の変化を表３に示す。
【表３】
0004717658.tif 000006
【００４６】
表３に示すように、材料ＡからＤの順に、プラズマ処理後のガラス転移温度の低下が顕著になることが確認された。すなわち、ガラス転移温度の低下は、レジスト膜中のフリーのラクトン基の残留量に依存し、レジスト材料中のラクトン基含有骨格の重量比が多い方が、ガラス転移温度または軟化点が顕著に低下することが確認された。
【００４７】
（検証試験２）
次に、上記材料Ａ〜Ｄをそれぞれ含むレジスト膜に、水素（Ｈ）含有ガスを用いてプラズマ処理を行った場合の各レジスト膜の軟化点の低下について検証試験を行った。
【００４８】
シリコン基板上に上記材料Ａ〜Ｄを含む各レジスト膜を２５０ｎｍの膜厚で形成した後、各レジスト膜が設けられた基板に、ＨＢｒガスを用いたプラズマ処理をそれぞれ行った。この際、ＨＢｒガスのガス流量は４０ｍｌ／ｍｉｎとし、処理時間を３０秒間とした。尚、このプラズマ処理による、レジスト膜厚の減少は、観察されなかった。
【００４９】
そして、プラズマ処理前後の各レジスト膜のＦＴ−ＩＲスペクトルを測定し、このＦＴ−ＩＲスペクトルから、プラズマ処理前の各レジスト膜のラクトン基の初期量を１とした場合の、プラズマ処理により脱離したフリーのラクトン基のレジスト膜中への残留比を算出した。この結果を表４に示す。
【表４】
0004717658.tif 000007
【００５０】
表４に示すように、ＨＢｒガスを用いたプラズマ処理後の材料Ａ〜Ｄを含む各レジスト膜に、フリーのラクトン基が残留し、ラクトン基の残留比は、材料ＡからＤの順に高くなり、ラクトン基の残留量も材料ＡからＤの順に高くなることが確認された。
【００５１】
ここで、材料Ａ〜Ｄを含む各レジスト膜のプラズマ処理前後の軟化点の変化を表５に示す。
【表５】
0004717658.tif 000008
【００５２】
表５に示すように、材料ＡからＤの順に、プラズマ処理後の軟化点の低下が顕著になることが確認された。すなわち、軟化点の低下は、レジスト膜中のフリーのラクトン基の残留量に依存し、レジスト材料中のラクトン基含有骨格の重量比が多い方が、軟化点が顕著に低下することが確認された。
【実施例】
【００５３】
本発明のパターン形成方法およびこれを用いた半導体装置の製造方法について、具体的に説明する。ここでは、図１〜図２を用いて説明した実施形態と同様の方法により、ゲート電極を形成した。
【００５４】
まず、図１（ａ）を用いて説明したように、シリコンウェハからなる基板１１上に、酸化シリコン膜からなる３ｎｍの膜厚で形成されたゲート絶縁膜（図示省略）を介して、ポリシリコンからなるゲート電極膜１２を１８０ｎｍの膜厚で形成した。次に、ゲート電極膜１２上にＴＥＯＳ（Tetraethoxy Silane）からなる保護膜１３を６０ｎｍの膜厚で形成した後、スピンコート法により、保護膜１３上に熱硬化樹脂からなる反射防止膜（例えばロームアンドハース社製反射防止膜ＡＲ４０）１４を９０ｎｍの膜厚で形成し、２１５℃で９０秒間のベーク処理を行った。続いて、スピンコート法により、反射防止膜１４上に、上述した材料Ａ〜Ｄをそれぞれ含むレジスト材料を塗布し、レジスト膜１５を２５０ｎｍの膜厚で形成した後、１１０℃で６０秒間のベーク処理を行った。
【００５５】
次いで、この状態の基板１１を露光装置（例えばニコン社製ＡｒＦ露光機Ｓ３０８−Ｆ）に導入し、レジスト膜１５にラインアンドスペースの露光を行った。露光条件は、ＮＡ（開口数：０．７５）、輪帯（Annular）照明、σ（outer)＝０．７５、σ（inner)＝０．５０とし、露光量は３３ｍＪ／ｃｍ2に設定した。
【００５６】
続いて、図１（ｂ）を用いて説明したように、露光後のレジスト膜１５が設けられた基板１１に、９５℃で６０秒間のベーク処理を行い、アルカリ現像液を用いて現像することで、レジストパターン１５’を形成した。
【００５７】
次いで、図１（ｃ）を用いて説明したように、レジストパターン１５’をマスクに用いたエッチングにより、反射防止膜１４をパターンニングした後、レジストパターン１５’と反射防止膜１４のパターンのトリムエッチングを行い、レジストパターン１５’および反射防止膜１４のパターンの線幅を細くした。ここでは、例えば線幅９０ｎｍ、ピッチ１８０ｎｍでパターンを形成した。
【００５８】
この状態の基板１１に、ＨＢｒガスを用いたプラズマ処理を行った。プラズマ処理条件は、第１実施形態と同様に、ＨＢｒのガス流量を４０ｍｌ／ｍｉｎ、ソースパワーを３００Ｗ、圧力を０．５３Ｐａ、処理時間を１０秒間に設定した。また、基板１１を保持するステージの温度は室温とした。
【００５９】
その後、図１（ｄ）を用いて説明したように、レジストパターン１５’をマスクに用いたエッチングにより、保護膜１３のパターンニングを行った後、図２（ｅ）を用いて説明したように、レジストパターン１５’（前記図１（ｄ）参照）および反射防止膜１４（前記図１（ｄ）参照）をアッシング除去し、保護膜１３のパターンを露出した。
【００６０】
続いて、図２（ｆ）を用いて説明したように、この保護膜１３のパターンをマスクに用いたエッチングにより、ゲート電極膜１２（前記図２（ｅ）参照）をパターンニングすることで、複数のゲート電極１２’をパターン形成した。
【００６１】
そして、基板１１上に形成されたゲート電極１２’を複数（約３０）の領域で測長ＳＥＭ観察を行い、ラインパターン（ゲート線幅Ｗ）のＬＷＲを計測した。ここで、図３は、材料Ｄを含むレジストパターン１５’が転写されたゲート電極１２’のＬＷＲが横軸となる。ＬＷＲは、長さ約０．３９μｍの領域での線幅のバラつきの標準偏差（σ）の３倍をもって定義した。標準偏差の３倍を持ってＬＷＲを定義したことを明記するため、図３中の横軸は、ＬＷＲ（３σ）と記載した。ゲート電極１２’のゲート線幅Ｗを複数（約３０）の領域で測定したため、ＬＷＲの計測値としては、各実験条件ごとに、複数個（３０個程度）の計測値が得られる。この複数個のＬＷＲの分布の標準偏差が、図３の縦軸の単位となる。すなわち、縦軸は、標準偏差の分布の標準偏差となる。このグラフでは、縦軸が０のところが複数（３０個程度）のＬＷＲ（３σ）の値の平均値を示す。
【００６２】
図３のグラフに示すように、プラズマ処理後のレジストパターン１５’を用いたＬＷＲ（３σ）の平均値は８ｎｍ以下であり、プラズマ未処理のＬＷＲ（３σ）の平均値は８ｎｍ以上を示した。これにより、レジストパターン１５’にプラズマ処理を行うことで、ＬＷＲ（３σ）が小さくなる方にシフトすることが確認された。
【００６３】
また、図４は、材料Ａ〜Ｄをそれぞれ含むレジストパターンを転写したゲート電極１２’のＬＷＲ（３σ）を横軸にとり、縦軸にＬＷＲ（３σ）の値の分布を表す標準偏差σを示すグラフである。
【００６４】
このグラフに示すように、材料Ｂと材料Ｃで結果が反転しているものの、ラクトン基含有骨格の重量比が増加するにともない、レジストパターン１５’にプラズマ処理を行うことで、ＬＷＲ（３σ）が小さくなる方にシフトする傾向が認められた。
【００６５】
また、特に、材料Ｄを含むレジストパターンにＨＢｒを用いたプラズマ処理を行った場合には、ＬＷＲ（３σ）の平均値が８ｎｍ以下であり、ＬＷＲ（３σ）が顕著に小さくなることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明のパターン形成方法および半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図（その１）である。
【図２】本発明のパターン形成方法および半導体装置の製造方法を説明するための工程断面図（その２）である。
【図３】レジストパターンのＨＢｒガスを用いたプラズマ処理の有無によるＬＷＲの３σ1の分布を示すグラフである。
【図４】ラクトン基含有骨格の重量比が異なるレジストパターンにＨＢｒガスを用いたプラズマ処理を行った場合のＬＷＲ３σの分布を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６７】
１１…基板、１２…ゲート電極膜、１２’…ゲート電極、１５’…レジストパターン
【図１】
0004717658.tif 000009
【図２】
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【図３】
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【図４】
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