(57)【要約】【課題】  窒素を含む膜に寸歩精度の高いパターンを形成することができるパターン形成方法を提供する。【解決手段】  本発明は、レジストパターン形成方法であって、被膜形成工程と、薄膜形成工程と、レジストパターン形成工程とを備える。被膜形成工程において、基板上に窒素を含む被膜を生成する。薄膜形成工程において、被膜に対して、プラズマ処理を行い、薄膜を形成する。レジストパターン形成工程において、プラズマ処理された薄膜上にレジストパターンを形成する。薄膜はレジストパターンに対して非反応性である。【選択図】  図１Ｂ
2005216960.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に窒素を含む被膜を生成する被膜形成工程と、
前記被膜に対して、プラズマ処理を行い、薄膜を形成する薄膜形成工程と、
前記プラズマ処理された薄膜上にレジストパターンを形成するレジストパターン形成工程とを備え、
前記薄膜は前記レジストパターンに対して非反応性である、レジストパターン形成方法。
【請求項２】
前記プラズマ処理工程の直前に、不活性ガスでスパッタリング処理を行うスパッタリング処理工程をさらに備える、請求項１に記載のレジストパターン形成方法。
【請求項３】
前記被膜は、塩素を含む膜であることを特徴とする、請求項２に記載のレジストパターン形成方法。
【請求項４】
前記プラズマ処理は、酸素を含むガスを用いて行われる、請求項１に記載のレジストパターン形成方法。
【請求項５】
前記被膜は、金属元素を含む膜であることを特徴とする、請求項１に記載のレジストパターン形成方法。
【請求項６】
前記プラズマ処理は、フロロカーボンを含むガスを用いて行われる、請求項５に記載のパターン形成方法。
【請求項７】
前記被膜は、チタンナイトライド膜であることを特徴とする、請求項１に記載のパターン形成方法。
【請求項８】
基板上に窒素を含む被膜を生成する被膜形成工程と、
前記被膜に対して、プラズマ処理を行い、薄膜を形成する薄膜形成工程と、
前記プラズマ処理された薄膜上にレジストパターンを形成するレジストパターン形成工程と、
前記レジストパターンをマスクとして前記被膜をエッチングするエッチング工程と、
前記レジストパターンを除去するレジストパターン除去工程と、
前記薄膜を除去する薄膜除去工程とを備える、パターン形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パターンの形成方法に関し、より特定的には、基板上にパターンを形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多機能・高性能なＬＳＩを実現するには、微細なパターンを形成する高集積化技術が必須である。より先端的な設計基準を可能にし、ＬＳＩの高集積化を推進してきた微細化技術の中心が、フォトリソグラフィー技術である。フォトリソグラフィー技術は、材料膜に回路パターンを形成するものであり、具体的には、フォトレジスト膜を被加工材料膜上に形成し、パターン露光した後、現像工程を経てレジストパターンを形成する。
【０００３】
また、近年、露光光の短波長化が進み、露光光の主流は、ＫｒＦエキシマレーザ光（波長２４８ｎｍ）から、ＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）に代わりつつある。短波長の露光光で露光することによって、レジストの解像力を向上させることができる。しかし、ＡｒＦエキシマレーザ光による露光においても、製品を量産するためには、技術的に克服すべき課題が多く存在する。例えば、短波長光による露光では、レジスト材料として化学増幅レジストが用いられる。化学増幅レジストは、レジストによる光吸収が少なく、高感度であるという特徴を有している。
【０００４】
以下、従来のフォトリソグラフィー法による半導体装置のパターン形成方法について説明する（非特許文献１）。ここで、図３Ａ〜Ｄは、従来のパターン形成方法における各工程での半導体装置の断面図を示している。まず、半導体装置の表面上に絶縁膜３１を形成する（図示せず）。絶縁膜３１は、例えばシリコン酸化膜であって、例えば、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって形成される。次に、図３Ａに示すように、絶縁膜３１上にＴｉＮ膜３３を形成する。ＴｉＮ膜３３は、例えば、プラズマＣＶＤ法によって形成される。
【０００５】
次に、図３Ｂに示すように、ＴｉＮ膜３３上に、レジスト膜３７を形成する。レジスト膜３７の材料は、典型的には、化学増幅型レジストである。その後、図３Ｃに示すように、レジスト膜３７対してエキシマレーザで露光し、現像処理を行うことによって、レジストパターンを形成する。
【０００６】
そして、図３Ｄに示すように、レジストパターンをマスクとしてＴｉＮ膜３３をエッチングし、配線パターンを形成する。以上のように、図３Ａ〜Ｄに示す工程を経て、エッチングによるＴｉＮ膜３３のパターン形成が完了する。
【非特許文献１】丹呉浩侑、半導体工学シリーズ９  半導体プロセス技術、培風館、１９９８年１１月、Ｐ．９７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
プラズマＣＶＤ法を用いてＴｉＮ膜３３を形成する場合、反応ガスとして、一般的には塩化チタン（ＴｉＣｌ4）とアンモニア（ＮＨ3）とを用いる。しかしながら、アンモニアを塩化チタンで窒化することによって形成されたＴｉＮ膜３３の膜中には、窒素が含まれる。ＴｉＮ膜３３に含まれる窒素は、ポジ型化学増幅型レジストの露光時にレジスト内部に発生する酸をトラップして中和するため、レジストが現像液に溶解しにくくなる。従って、レジストパターンの形成時に、レジストパターンに形状異常が発生するという問題がある。
【０００８】
具体的には、図３Ｃに示すように、現像時にレジストが全て溶解せずに溶け残る、いわゆるレジストパターンの裾引き３９が発生する。レジストパターンに裾引き３９が発生すると、図３Ｄに示すように、レジストパターンをマスクとしたＴｉＮ膜３３のエッチング時のパターン寸法にばらつきが生じる。従って、パターン精度が低下し、所望の寸法を有するパターンを形成することができない。なお、レジストパターンの形成異常は、ＴｉＮ膜だけでなく、ＴｉＮ膜以外の窒素成分を含む膜においても生じうる。
【０００９】
それゆえに、本発明の目的は、窒素を含む膜に寸歩精度の高いパターンを形成することができるパターン形成方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、レジストパターン形成方法であって、被膜形成工程と、薄膜形成工程と、レジストパターン形成工程とを備える。被膜形成工程において、基板上に窒素を含む被膜を生成する。薄膜形成工程において、被膜に対して、プラズマ処理を行い、薄膜を形成する。レジストパターン形成工程において、プラズマ処理された薄膜上にレジストパターンを形成する。薄膜はレジストパターンに対して非反応性である。
【００１１】
また、レジストパターン形成方法は、プラズマ処理工程の直前に、スパッタリング処理工程をさらに備えていてもよい。スパッタリング処理工程は、不活性ガスでスパッタリング処理を行う。
【００１２】
プラズマ処理は、酸素を含むガスを用いて行われてもよく、また、フロロカーボンを含むガスを用いて行われてもよい。
【００１３】
また、本発明はレジストパターン形成方法のみならず、パターン形成方法についても向けられている。パターン形成方法は、被膜形成工程と、薄膜形成工程と、レジストパターン形成工程と、エッチング工程と、レジストパターン除去工程と、薄膜除去工程とを備える。被膜形成工程において、基板上に窒素を含む被膜を生成する。薄膜形成工程において、被膜に対して、プラズマ処理を行い、薄膜を形成する。レジストパターン形成工程において、プラズマ処理された薄膜上にレジストパターンを形成する。エッチング工程において、レジストパターンをマスクとして被膜をエッチングする。レジストパターン除去工程において、レジストパターンを除去する。薄膜除去工程において、薄膜を除去する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るレジストパターン形成方法は、窒素を含む被膜上にプラズマ処理を行い、レジスト膜に対して非反応性の薄膜を形成する。従って、被膜に含まれる窒素成分が表面に露出することを防止することができる。これにより、レジスト膜に露光によって発生する酸との中和反応を防止し、いわゆるレジストパターンの裾引きの発生を防止することができる。
【００１５】
また、被膜が塩素を含む場合、プラズマ処理を行うことによって、塩素が被膜の表面に露出することを防止できる。これにより、塩素と大気中のアンモニアとの反応物である塩化アンモニウムの生成を防止することができる。
【００１６】
さらに、スパッタリング処理を行うこととすれば、被膜上にすでに塩化アンモニウムが析出している場合においても、塩化アンモニウムを除去することができる。
【００１７】
また、パターン形成方法において、薄膜除去工程を備えることとすれば、清浄な表面を有する被膜のパターンを形成することができる。また、薄膜を除去することにより、ＯＨ基が存在することによるトランジスタ特性の劣化を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施形態に係る半導体装置のパターン形成方法について図面を参照しながら説明する。図１Ａ〜Ｇは、パターン形成方法における各工程での半導体装置の断面構造を示している。
【００１９】
本実施形態に係るレジストパターン形成方法では、まず、半導体基板（図示せず）の表面に絶縁膜１１を形成する。半導体基板は、典型的にはＳｉ基板であり、絶縁膜１１は、例えばシリコン酸化膜である。次に、図１Ａに示すように、絶縁膜１１上に、ＴｉＮ膜１３を形成する。当該ＴｉＮ膜１３は、例えば、塩化チタンとアンモニアガスを反応ガスとするプラズマＣＶＤ法によって形成される。
【００２０】
次に、ＴｉＮ膜１３の表面にスパッタリング処理を行う。スパッタリング処理は、例えば２周波電源型のマイクロ波エッチング装置を用いて行われる。エッチング装置でスパッタリング処理を行う場合、チャンバ内に半導体基板を設置し、Ａｒガスを用いてＴｉＮ膜１３の表面をスパッタリング処理する。エッチング装置の稼働条件は、例えば、バイアスパワーが１２０Ｗ、圧力が５Ｐａである。この稼働条件で１３秒間スパッタリング処理を行った場合、ＴｉＮ膜１３の表面が５ｎｍ程度除去される。これにより、ＴｉＮ膜１３表面の清浄化およびＴｉＮ膜１３表面上に残留した膜堆積時の残留塩素成分、ＴｉＮ膜１３中に含有されるＮ−Ｈ結合構造の除去を行うことができる。さらに、スパッタリング処理を行うことによって、ＴｉＮ膜１３の表面に析出する塩化アンモニウムを除去することができる。なお、Ａｒガスに代えて、他の希ガスであるＨｅガスやＮｅガス、または他の不活性ガスを用いてスパッタリング処理を行ってもよい。
【００２１】
その後、図１Ｂに示すように、スパッタリング処理したＴｉＮ膜１３の表面に不活性層１５を形成する。不活性層１５は、酸素プラズマ処理によって形成される。酸素プラズマは、酸素ガスだけでなく、酸素を含むガスを用いて行われてもよい。酸素を含むガスは、例えば、ＣＯXガスやＨXＯガス、ＳＯXガス等の酸化性ガスである。
【００２２】
酸素プラズマ処理によって、ＴｉＮ膜１３を堆積する際に反応ガスとして用いられるアンモニア（ＮＨ3）の水素と、酸素プラズマの酸素とが結合し、ＯＨ基が生成される。ＯＨ基が高濃度に吸着して不活性層１５となる。マイクロ波パワーが２０００Ｗ、酸素圧力が５Ｐａの稼働条件で５秒間酸素プラズマ処理を行った場合、約２〜３ｎｍの厚みの不活性層１５が形成される。なお、スパッタリング処理と酸素プラズマ処理とは同一のチャンバ内で連続的に行うのが望ましい。また、スパッタリング処理を行わずに、酸素プラズマ処理のみを行ってもよい。
【００２３】
次いで、図１Ｃに示すように、ＴｉＮ膜１３表面上にレジスト膜１７を形成する。レジスト膜１７の材料は、例えば化学増幅型ＫｒＦレジストであって、当該化学増幅型ＫｒＦレジストをスピンコーティングすることによって、レジスト膜１７が形成される。
【００２４】
その後、図１Ｄに示すように、レジスト膜１７上にレジストパターンを形成する。レジストパターンは、例えばＫｒＦエキシマレーザステッパを用いて、フォトマスクを介してレジスト膜１７に露光することによって形成される。
【００２５】
レジストパターンの形成後、図１Ｅに示すように、ＴｉＮ膜１３に対してドライエッチング処理を行い、配線パターンを形成する。ドライエッチングは、例えば平行平板型ＲＩＥ装置を用いて行われる。平行平板型ＲＩＥ装置を用いる場合、ドライエッチングの稼働条件は、例えば、Ｃｌ2ガスの流量が５０ｓｃｃｍ、圧力が５Ｐａである。ドライエッチングによって、レジスト膜１７でマスクされていないＴｉＮ膜１３だけでなく、不活性層１５も容易にエッチングすることができる。
【００２６】
ドライエッチング後、図１Ｆに示すように、半導体装置をアッシング処理することにより、レジスト膜１７を除去する。その後、図１Ｇに示すように、基板のウェットエッチングを行う。ウェットエッチング処理は、例えば緩衝フッ酸溶液を用いて行われる。このウェットエッチングによって、図１Ｅに示す工程で、レジスト膜１７に覆われていた不活性膜を除去する。これにより、清浄な表面を有するＴｉＮ膜１３のパターンを形成することができる。また、不活性膜を除去することにより、ＯＨ基が存在することによるトランジスタ特性の劣化を防止することができる。
【００２７】
図２は、ＴｉＮ膜１３上に形成したレジストパターン寸法のばらつき３σ（σは寸法の標準偏差）の、レジストパターン形成方法に対する依存性を示す図である。縦軸は、レジストパターン寸法のばらつき３σを表し、横軸は、レジストパターンを形成する前に行った処理を表す。ＴｉＮ膜１３上にレジスト膜１７を塗布する前に行う前処理の条件を変え、レジストパターンを形成後にレジストパターン寸法を測定することによって、前処理の条件とレジストパターンの寸法のばらつきとの関係を評価した。
【００２８】
レジスト膜１７塗布前の前処理は、前処理なし、酸素プラズマ処理、スパッタリング処理および酸素プラズマ処理の３種類である。前処理なしでレジスト膜１７を塗布し、レジストパターンを形成する方法は、従来のフォトリソグラフィー法と同様である。レジストのパターン寸法は、走査型電子線顕微鏡（日立製作所製  Ｓ−９２２０）を用いて測定した。
【００２９】
その結果、従来の方法でパターンを形成した場合、寸法ばらつき３σは、１８．５であった。スパッタリング処理を行わず、酸素プラズマ処理を行った後にパターンを形成した場合、寸法ばらつき３σは、８．７であった。また、Ａｒスパッタリング処理および酸素プラズマ処理を行った後にパターン形成した場合、寸法ばらつき３σは、５．３であった。
【００３０】
以上の結果から、寸法精度は、従来の方法でパターンを形成する場合と比較し、酸素プラズマ処理を行うことによって約２倍に高まり、酸素プラズマ処理とスパッタリング処理とを併用することによって３倍程度まで高まることが分かった。
【００３１】
以上のように、本実施形態によれば、表面がプラズマＣＶＤ法により形成されたＴｉＮ膜１３のような活性化した表面をもつ膜に対して、レジスト形成前に、スパッタリング処理を行うことによって、膜形成時の残留塩素成分やＮ−Ｈ結合構造を除去する。これにより、半導体基板の汚染の原因となる塩化アンモニウムの析出を防止することができる。
【００３２】
また、酸素プラズマ処理を行って不活性層１５を形成することにより、ＴｉＮ膜１３中に含有するＮ−Ｈ結合、残留塩素成分の表面への露出を防止する。これにより、レジスト膜１７への露光によって発生する酸との中和反応を防止し、いわゆるレジストパターンの裾引きの発生を防止することができる。従って、図１Ｄに示すように、良好な断面形状を持ち、かつ寸法精度の高いパターンを形成することができる。
【００３３】
さらに、すでにＴｉＮ膜１３の表面に塩化アンモニウムが析出している場合においても、スパッタリング処理によって、析出した塩化アンモニウムを除去することができる。以下、スパッタリング処理による塩化アンモニウムの除去について説明する。
【００３４】
ＣＶＤ法によって形成されたＴｉＮ表面には、ＴｉＮ膜３３形成時の残留塩素成分が存在する。この残留塩素成分は、大気中のアンモニア成分と反応するため、ＴｉＮ膜３３の表面には、塩化アンモニウムが析出する。塩化アンモニウムは蒸気圧が低く、気化しにくいため、ＴｉＮ膜３３上に析出した塩化アンモニウムは、半導体基板への汚染やパーティクルの原因となる。
【００３５】
しかしながら、本実施形態によれば、スパッタリング処理を行うことによって、塩化アンモニウムは除去される。従って、塩化アンモニウムの析出が原因となって生じる基板の汚染やパーティクルの発生を防止することができる。
【００３６】
なお、本実施形態において、レジスト膜１７は、ＴｉＮ膜１３上に形成される。ここで、被膜は、窒素成分を含む膜であればＴｉＮ膜以外の膜であってもよい。窒素成分を含む膜は、例えば、ＳｉＮ膜である。この場合においても、レジストパターンの形状異常、つまりレジストパターンの裾引きを防止することができる。
【００３７】
なお、本実施形態において、不活性層１５は、酸素プラズマ処理によってＴｉＮ膜１３上に形成されるが、不活性層１５の代わりにフロロカーボン系の重合膜を形成してもよい。以下、フロロカーボン系の重合膜の形成方法について説明する。
【００３８】
フロロカーボン系の重合膜は、例えば、２周波電源型のマイクロ波エッチング装置で、ＣＨＦ3ガスを用いて形成される。周波電源型のマイクロ波エッチング装置でフロロカーボン重合膜を形成する場合、チャンバ内に基板を設置し、ＣＨＦ3ガスをチャンバ内に導入して放電する。マイクロ波パワー２０００Ｗ、圧力７０Ｐａの稼働条件で１０秒間放電した場合、約１〜３ｎｍの厚さの重合膜が形成される。重合膜の形成後、ＴｉＮ膜１３表面上にＫｒＦレジストをスピンコーティングして、レジスト膜１７を形成する。以下のレジストパターンを形成し、エッチングする方法は、本実施形態で説明した方法とほぼ同様であるが、アッシング処理によって、レジストと共に重合膜も除去されるため、ウエットエッチング処理は不要である。なお、フロロカーボン重合膜の形成の前に、スパッタ処理を行ってもよい。
【００３９】
フロロカーボン膜は、一般的に、基板を汚染する原因となることが知られている。しかしながら、アッシング処理によって、フロロカーボン重合膜を除去することができるため、基板を汚染する問題はない。
【００４０】
以上のように、フロロカーボン重合膜がＴｉＮ膜１３表面を被覆することによって、ＴｉＮ膜１３内部に存在する残留塩素成分やＮ−Ｈ結合構造がＴｉＮ膜１３の表面に露出することを防止する。これにより、レジスト膜１７を形成し、レジストパターンを形成した場合においても、アンモニア等によるレジスト現像への悪影響を防止し、高い寸法精度でレジストパターンを形成することができる。
【００４１】
この方法によれば、本実施形態と同様に、レジストパターンの寸法精度の向上という効果が得られる。さらに、ウェットエッチング処理が不要であるため、より低い製造コストで半導体装置を製造することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
本発明は、窒素を含む膜に寸歩精度の高いパターンを形成することができるパターン形成方法等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１Ａ】本発明の一実施形態に係るパターン形成方法において、絶縁膜が形成されるときの半導体装置の断面図
【図１Ｂ】本発明の一実施形態に係るパターン形成方法において、不活性層が形成されるときの半導体装置の断面図
【図１Ｃ】本発明の一実施形態に係るパターン形成方法において、レジスト膜が形成されるときの半導体装置の断面図
【図１Ｄ】本発明の一実施形態に係るパターン形成方法において、レジストパターンが形成されるときの半導体装置の断面図
【図１Ｅ】本発明の一実施形態に係るパターン形成方法において、配線パターンが形成されるときの半導体装置の断面図
【図１Ｆ】本発明の一実施形態に係るパターン形成方法において、レジスト膜が除去されるときの半導体装置の断面図
【図１Ｇ】本発明の一実施形態に係るパターン形成方法において、不活性層が除去されるときの半導体装置の断面図
【図２】本発明の一実施形態に係るパターン形成方法において、レジストパターンの寸法ばらつきを示す図
【図３Ａ】従来のパターン形成方法において、絶縁膜が形成されるときの半導体装置の断面図
【図３Ｂ】従来のパターン形成方法において、レジスト膜が形成されるときの半導体装置の断面図
【図３Ｃ】従来のパターン形成方法において、レジストパターンが形成されるときの半導体装置の断面図
【図３Ｄ】従来のパターン形成方法において、配線パターンが形成されるときの半導体装置の断面図
【符号の説明】
【００４４】
１１、３１  絶縁膜
１３、３３  ＴｉＮ膜
１５  不活性層
１７、３７  レジスト膜
１９  レジストパターンの裾引き
【図１Ａ】
2005216960.tif 000003
【図１Ｂ】
2005216960.tif 000004
【図１Ｃ】
2005216960.tif 000005
【図１Ｄ】
2005216960.tif 000006
【図１Ｅ】
2005216960.tif 000007
【図１Ｆ】
2005216960.tif 000008
【図１Ｇ】
2005216960.tif 000009
【図２】
2005216960.tif 000010
【図３Ａ】
2005216960.tif 000011
【図３Ｂ】
2005216960.tif 000012
【図３Ｃ】
2005216960.tif 000013
【図３Ｄ】
2005216960.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成16年9月24日(2004.9.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３８】
フロロカーボン系の重合膜は、例えば、２周波電源型のマイクロ波エッチング装置で、ＣＨＦ3ガスを用いて形成される。周波電源型のマイクロ波エッチング装置でフロロカー
ボン重合膜を形成する場合、チャンバ内に基板を設置し、ＣＨＦ3 ガスをチャンバ内に導
入して放電する。マイクロ波パワー２０００Ｗ、圧力７０Ｐａの稼働条件で１０秒間放電した場合、約１〜３ｎｍの厚さの重合膜が形成される。重合膜の形成後、ＴｉＮ膜１３表面上にＫｒＦレジストをスピンコーティングして、レジスト膜１７を形成する。以下のレジストパターンを形成し、エッチングする方法は、本実施形態で説明した方法とほぼ同様であるが、アッシング処理によって、レジストと共に重合膜も除去されるため、ウェットエッチング処理は不要である。なお、フロロカーボン重合膜の形成の前に、スパッタ処理を行ってもよい。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
フロロカーボン重合膜は、一般的に、基板を汚染する原因となることが知られている。しかしながら、アッシング処理によって、フロロカーボン重合膜を除去することができるため、基板を汚染する問題はない。