(57)【要約】【課題】従来のレジスト材料および装置を用いて、サーマルフローによりレジストパターンを形成する際に、当該レジストパターンを微細に制御することができる方法を提供すること。【解決手段】本発明は、基板上にレジスト膜を形成する工程と、パターンを形成するように該レジスト膜を露光する工程と、レジスト膜を現像する工程と、該現像後のレジストパターンの全面または一部面に放射線を照射する工程と、該放射線照射後のレジストパターンにベークを施して該パターンの寸法を変化させる工程とを包含する、レジストパターン形成方法を提供する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にレジスト膜を形成する工程と、パターンを形成するように該レジスト膜を露光する工程と、レジスト膜を現像する工程と、該現像後のレジストパターンの全面または一部面に放射線を照射する工程と、該放射線照射後のレジストパターンにベークを施して該パターンの寸法を変化させる工程とを包含する、レジストパターン形成方法。
【請求項２】
前記放射線の照射工程において、レジストパターンを構成する物質の主鎖が切断されて、分子量が減少す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３】
前記レジストパターンを構成する物質が、α−メチルスチレン系化合物とα−クロロアクリル酸メチル系化合物との共重合体、またはポリメチルメタクリレート系ポリマーであることを特徴とする、請求項１または２に記載のレジストパターン形成方法。
【請求項４】
前記レジストパターンの一部面に放射線を照射した後のレジストパターンにベークを施す工程において、放射線照射部分のレジストの軟化点以上でかつ放射線未照射部分の軟化点未満の温度にてベークを施すことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のレジストパターン形成方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のレジストパターン形成方法を用いてレジストパターンを形成する工程と、該レジストパターンをマスクとして基板をエッチングして、基板をパターンニングする工程とを包含する、半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記基板は、シリコン酸化膜により形成されていることを特徴とする、請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置におけるレジストパターンの形成方法に関し、より詳細には、超ＬＳＩなどに適用することができる半導体デバイスの微細なパターンを形成することができる、ポジ型放射線レジストなどの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。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の高集積化が求められる中、当該半導体の微細パターンの形成を実現するためには、紫外光（ｇ線：波長４３６ｎｍ、ｉ線：波長３６５ｎｍ）、さらに短波長のＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）やＡｒＦエキシマレーザ（１９３ｎｍ）、Ｆ２レーザ（１５７ｎｍ）、Ｘ線あるいは電子線（ＥＢ）などによる露光方法を用いてレジストパターンを微調節する手法が提案されている。
【０００３】
レジスト材料の光吸収を考慮することなくパターニングできる電子線（ＥＢ）描画装置を用いた場合、０．１μｍラインおよびスペースレベルのレジストパターン形成が可能であるが、さらなるパターンの微細化には、レジストの高解像度化を図るか、または電子線描画装置の性能を向上させる、例えば、加速電圧をアップさせることが必要であり、特殊なレジストや装置を用いる必要があった。
【０００４】
一方、露光方法による微細化の手法以外に、プロセスによる微細化も行われており、リソグラフィの解像限界を超える微細なレジストパターンを形成する方法として、レジストパターンを加熱して熱変形（リフロー）させてホール径を縮小する、いわゆるサーマルフローが提案されている。
【０００５】
例えば、レジスト樹脂として用いられるノボラックポリマーは、一般に約１４０℃まで加熱することにより軟化が開始し、軟化点温度以上の熱が加わるとレジストの表面張力が増大するので、レジストパターンの形状が変形する。さらに、１８０℃以上に加熱するとノボラックポリマー間に熱架橋が生じて、きわめて教鞭な膜となることが知られている（非特許文献１）。サーマルフローは、この軟化点温度以上の熱を加えることで、レジストパターンが形状変形することを利用した技術である。
【０００６】
レジストホールパターン径を縮小させる従来例として、下記特許文献１には、レジストホールパターンを形成後、レジストの軟化点以上で加熱してレジストホールパターンを変形させ、ホール形状の制御と小径化を図る方法が開示されている。ここでは、フォトレジストの軟化点よりも１０度以上高い温度に加熱して、レジスト膜の熱変形によりホール径を縮小しているが、軟化点温度が高くなりすぎると、加熱により熱変形させるときに、レジストの熱変形寸法が大きくなり、寸法制御が難しくなることが問題であった。
【０００７】
サーマルフロープロセスは既存のレジスト材料を用いてラインパターンおよびスペースパターンや、ホールパターンを微細化することができるという利点を有するが、現像後のレジストパターンを軟化点以上の温度でフローするため、単位温度当りのレジストパターンサイズの変化量を厳密にコントロールしなければならない。特に、軟化点温度が高いレジスト材料の場合、単位温度あたりの寸法変化量が大きく、パターン寸法制御が難しいという問題があった。
【０００８】
また、サーマルフローに用いられるレジスト材料では、化学増幅型レジスト、ナフトキノンジアジドなどのキノンジアジド系感光剤、アルカリ可溶性樹脂および溶剤からなる放射線用ポジ型レジストに対して使用されるものが多く、レジストパターンに熱をかけた際、パターン寸法が大きくなると同時に、熱架橋反応が進行する場合があり、レジストの剥離が困難になるという問題もあった。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１０−２７４８５４号公報
【００１０】
【非特許文献１】
半導体集積回路用レジスト材料ハンドブック、１９９６年、リアライズ社  ２１５頁
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来の技術を解決するためになされたものであり、その目的は、従来のレジスト材料および装置を用いて、サーマルフローによりレジストパターンを形成する際に、当該レジストパターンを微細に制御することができる方法を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明のレジストパターン形成方法によれば、基板上にレジスト膜を形成する工程と、パターンを形成するように該レジスト膜を露光する工程と、レジスト膜を現像する工程と、該現像後のレジストパターンの全面または一部面に放射線を照射する工程と、該放射線照射後のレジストパターンにベークを施して該パターンの寸法を変化させる工程とを包含する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（パターン形成方法）
以下、この発明について図１を用いて説明する。図１はこの発明にしたがうパターン形成方法の各工程を示す概略断面図である。
【００１４】
本発明にしたがうレジストパターン形成方法によれば、基板上にレジスト膜を形成する工程と、パターンを形成するように該レジスト膜を露光する工程と、レジスト膜を現像する工程と、該現像後のレジストパターンの全面または一部面に放射線を照射する工程と、該放射線照射後のレジストパターンにベークを施して該パターンの寸法を変化させる工程とを包含する。
【００１５】
図１（Ａ）は、レジスト２が形成された基板１上において、当該レジスト２に所望のパターンを形成するように放射線３を露光する工程を示している。次いで、図１（Ｂ）に示されるように、露光されたレジスト２が現像されることにより、所望のレジストパターン４が形成される。
【００１６】
その後、当該現像されて所望のパターンに形成されたレジストパターン４の全面（図１（Ｃ））または一部面（図１（Ｅ））に、放射線６を照射する。放射線照射により、レジストを構成する物質の分子量が変化する。図１（Ｅ）の場合のように、レジストパターン４の一部面にのみ放射線６を照射する場合には、マスク５などを用いて照射する領域と照射しない領域とを区別することができる。
【００１７】
次いで、それぞれのレジストパターンについて、図１（Ｄ）および（Ｆ）に示されるように、ベークを施してレジストパターン４の寸法を変化させて、寸法変化後のレジストパターン７を形成するものである。
【００１８】
本発明において、特に、レジストパターン４の全面または一部面に放射線６の照射を行なうことにより、当該照射した部分のレジストを構成する物質の分子量が変化する。具体的には、上記物質の分子主鎖が切断され、分子量が低減されるものである。分子量が低減されることにより、レジストの軟化点が低下するので、その後の工程である、軟化点以上の温度を必要とするベーク処理において、放射線を照射しない場合よりも低温でベークを施すことができ、したがって、レジストパターンの微調節を行なうことができる。
【００１９】
上記放射線照射領域を、マスク５を用いて選択する場合において、レジストパターン寸法を制御する部分にのみ放射線を照射し、その後のベーク工程では、選択的に放射線照射されたレジストの軟化点以上の温度でかつ、放射線照射されていない部分のレジスト軟化点よりも低い温度でベークを行い、レジストパターンをサーマルフローさせ、放射線照射されたレジストパターン部分の寸法を増大させることにより、ラインパターン同士の間隔、すなわちスペース自体の間隔を縮小したレジストパターンが得られる。
【００２０】
上記放射線が照射された場合、ラインパターンおよびスペースパターンでは、ライン部分の寸法が増大し、スペース部分の寸法が縮小される。ここで、ラインパターンとは、レジストパターンにおける凸部のことをいい、また、スペースパターンとは、レジストパターンにおける凹部のことをいう。つまり、放射線照射された部分のレジストは増大するので、凸部のレジストが増大すると、凸部の間に形成される凹部の間隔は狭くなる。一方で、ラインパターンおよびスペースパターンを合わせた寸法には変化はない。すなわち、これら両者をあわせた寸法のうち、それぞれのパターンが占める割合が変化することになる。
【００２１】
全レジストパターンを同じ縮小量で形成する場合には、レジストパターン全面に放射線照射を行い、選択的に縮小する場合には、あらかじめ縮小したい部分にのみ放射線照射を行うものである。
【００２２】
（基板）
本発明において、基板は、シリコンウエハ、フォトマスク用ブランクス、化合物半導体基板（ＩｎＰ、ＧａＡｓなど）、また基板表面に各種絶縁膜が成膜された基板などを用いることができる。
【００２３】
基板上にレジストの膜を形成する工程では、ポジ型放射線レジストを基板上に滴下し、スピンコートを行い、その後、ポストベークによって、レジストの膜中の溶剤を揮発させ、レジストの膜を基板上に形成するものである。
【００２４】
（放射線）
ポジ型放射線レジストのパターニングのために用いる放射線の照射（露光）には、特に限定されないが、放射線照射装置（アライナー、ステッパ、またはエキシマレーザを光源とする露光光源）、電子線描画装置、Ｘ線露光装置を用いることができる。特に電子線描画装置、Ｘ線露光装置が好適に用いられる。電子線描画では、マスクを介しない露光方法が用いられるが、フォトマスクを用いた短波長エキシマレーザーでの露光、あるいは、その他のマスク、たとえば、Ｘ線マスクを用いたＸ線露光、電子線用マスクのようなものを用いた電子線描画も用いることができる。
【００２５】
（レジスト）
ポジ型放射線レジストは、露光によって分子鎖が切断され、分子量が減少するポリマーを含むことを特徴としており、すなわち、放射線照射（露光）によってベース樹脂のポリマー鎖が切断されて分子量が変化することによって現像液に対する溶解性が向上する反応系であり、露光部分と未露光部分での溶解性の差がパターンのコントラストとなり、パターンが形成されるポジ型放射線レジストを用いることができる。本発明において、ポジ型放射線レジストは、ベース樹脂の外に、たとえば、界面活性剤などを含むことができる。
【００２６】
ベース樹脂の具体例としては、α―メチルスチレン系化合物とα―クロロアクリル酸メチル系化合物の共重合体、またはポリメチルメタクリレート系ポリマーを挙げることができる。
【００２７】
このような系は、非化学増幅型レジストであり、非化学増幅型レジストを用いた場合、化学増幅レジストでの熱による酸の発生などの、レジスト組成中において別の化学反応を起こすことなく、サーマルフローでのパターン寸法の変化が可能となる。また電子線描画パターンの場合には、サーマルフローにより、特有の電子ビームのつなぎに起因するパターンラフネスを解消することができる。
【００２８】
ポジ型放射線レジストのベース樹脂としては、たとえば、重量平均分子量が２００００〜１００００００、好ましくは５００００〜４０００００のα―メチルスチレン系化合物とα−クロロアクリル酸エステル系化合物の共重合体を用いることができる。分子量が小さいベース樹脂では、現像液に対する溶解性が高く、放射線によるレジストパターン形成時にパターンのコントラストは低下する場合がある。ここで、重量平均分子量は、ゲル・パーミエーション・クロマトグラフィ−によるポリエチレン換算値のことである。カラム溶媒としては、テトラヒドロフランを用いる。
【００２９】
上記のα−メチルスチレン系化合物とα−クロロアクリル酸エステル系共重合では、たとえば、α−メチルスチレンとα−クロロアクリル酸メチルを用いることが、良好なパターン形状が得られる点、また、高解像性の点で好ましい。
【００３０】
（現像）
現像は、市販の現像液を用いても、その他、未露光部と露光部の溶解コントラストが得られる有機溶媒を用いてもよい。市販品（日本ゼオン（株）製）では、例えば、ＺＥＰ−ＲＤ（キシレン）、ＺＥＤ−Ｎ５０（酢酸ｎ−アミル）、ＺＥＰ−ＳＤ（ＭＩＢＫ／ＭＥＫ＝６０／４０）、ＺＭＤ−Ｇ（ＭＩＢＫ／ＭＥＫ＝２０／８０）ＺＥＤ−５００（ジエチルケトン／マロン酸ジエチル）、ＺＥＰ−７５０などが挙げられる。また、その他の有機溶剤としては、例えば、ＭＩＢＫとＩＰＡの混合物、２−ペンタノン、３−メチル−２−ブタノン、２−ヘキサノン、４−メチル−２−ペンタノン（ＭＩＢＫ）、２−ヘプタノン、ジエチルケトン、３−ヘキサノン、３−ヘプタノン、４−ヘプタノン、シクロヘキサノン、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸ｎ−プロピル、酢酸ブチル、酢酸イソアミル、プロピオン酸メチル、プロピオン酸エチル、酪酸メチル、酪酸エチル、エチル−３−エトキシプロピオネート（ＥＥＰ）、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（ＰＧＭＥＡ）、メチル−３−メトキシプロピオネート（ＭＭＰ）、プロピレングリコールモノエチルエーテルアセテート、シュウ酸ジエチル、マロン酸ジメチル、マロン酸ジエチル、コハク酸ジメチル、コハク酸ジエチルなどを用いることができる。
【００３１】
現像方法としては、レジストを塗布した基板を現像液に一定時間浸漬したのち、リンス液で洗浄（リンス）して乾燥する浸漬現像や、基板上のレジスト膜の表面に現像液を表面張力によって盛り上げて一定時間静止したのち、リンスして乾燥するパドル現像や、基板上のレジスト膜の表面に現像液をスプレーしたのち、リンスして乾燥するスプレー現像などを適用することができる。
【００３２】
上記リンス液としては、現像を停止させることができ、現像液を洗い流すことができる液体を用いることができる。当該リンス液としては、たとえば、メチルイソブチルケトン（以後、ＭＩＢＫ）やイソプロピルアルコール（以後、ＩＰＡ）などまたはそれらの混合液を用いることもできる。また、現像のみで特にリンスを行わなくてもよい。
【００３３】
本発明において、現像液には、たとえば、界面活性剤やその他の成分を少量であれば、添加することができる。この添加により、現像性が向上する効果がある。
【００３４】
（放射線照射）
本発明において、現像後のレジストパターンに放射線を照射することにより、照射された部分のレジストを構成するベース物質の分子主鎖が切断されることによって重量平均分子量が減少するので、軟化点が低下し、その結果、低温でのベーク処理が可能となる。さらに、低温でのベーク処理を行うことで、レジストの寸法変化量を低減させ、微細なレジストパターン制御が可能となる。
【００３５】
一般に、高分子材料の軟化点は、重量平均分子量を大きくすれば、軟化点は高まり、平均分子量を小さくすれば軟化点は低下するものである。
【００３６】
基板上に得られたレジストパターンの全面または選択的に放射線照射する場合、照射量を大きくするほど、レジスト分子量が小さくなる。その露光量は、レジスト重量平均分子量が４０００００以下になる照射量を照射することが望ましく、たとえば、重量平均分子量が１００００から４０００００、好ましくは２００００から１０００００となる露光量を照射することが望ましい。露光量が多い場合は、分子鎖が短くなりすぎて後工程のエッチング耐性、耐熱性が劣化する傾向がある。また、照射量が少なく、高分子量のままであると、熱フローで所望のパターンサイズを形成することは可能であるが、軟化点が高いため、高温でベークする必要があり、温度変化に対する寸法変化量も大きく、寸法再現性が難しい。ここで、寸法変化量とは、（放射線照射直後のレジスト寸法）−（放射線照射直前のレジスト寸法）で求めることができ、当該変化量は、レジストパターンの上面からＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いて測定することができる。
【００３７】
軟化点を低温化させることにより、熱フロー温度が低くなり、単位温度あたりの寸法変化量（軟化点から１０℃の範囲内で、サーマルフロー温度が１℃変化したときのレジスト寸法変化量）が低減し、寸法制御性が向上する。また、レジストパターンを形成する際、電子線描画を用いた場合には、電子ビーム描画に起因するパターンラフネスを、サーマルフローにより解消することができる。
【００３８】
得られたレジストパターンの全面または選択的に放射線を照射する場合、光源としては、Ｄｅｅｐ  ＵＶ，エキシマレーザ、ｉ線、ｇ線、電子線、Ｘ線など、レジストが感光し、レジスト分子鎖を切断できるものを用いることができる。また、量産効率を考慮した場合、Ｄｅｅｐ  ＵＶランプを用いる放射線照射が容易である点で有効である。さらに、選択的に放射線照射する場合のマスクとしてはフォトマスクを用いることができる。
【００３９】
（ベーク）
レジストパターンの軟化点以上の温度でベークを施す際の方法としては、特に限定されるものではなく、ホットプレートを用いたコンタクトベークやプロキシミティーベーク、オーブンを用いた熱風循環ベーク等を用いることができる。ただし、基板面内に均一な温度がかかるようにする必要がある。また、１回のベークで寸法変化を完了させても、複数回ベークを行ってもよく、特に、ベークの形態は限定しない。
【００４０】
また、レジストパターンが直接感知する温度は、ベークの装置で異なってくるため、サーマルフロー条件は、レジスト材料の種類、熱処理方法、サーマルフローを行う前のレジストパターン寸法、及び、サーマルフロー後のパターン寸法等に対応して決定すればよい。ただし、単位温度あたりの寸法変化量が大きくなると、寸法制御が困難となるため、１５ｎｍ／℃以下の寸法変動量の温度領域でベークを行うことが望ましい。
【００４１】
（半導体装置の製造）
本発明において、上述のレジストパターン形成方法を用いて、微細なパターンを有する半導体装置を製造することができる。当該製造方法は、具体的には、基板上にレジスト膜を形成する工程と、パターンを形成するように該レジスト膜を露光する工程と、レジスト膜を現像する工程と、該現像後のレジストパターンの全面または一部面に放射線を照射して、該照射部分のレジストパターンにおける分子量を変化させる工程と、該放射線照射後のレジストパターンにベークを施して該パターンの寸法を変化させる工程とを含むレジストパターン形成方法により、レジストをパターニングし、その後、当該レジストパターンをマスクとして基板をエッチングし、基板をパターニングする。これにより、微細な加工を必要とする半導体デバイスに適用することができる基板の微細加工が可能となる。
【００４２】
【実施例】
（実施例１）
ＺＥＰ  ５２０（日本ゼオン（株）製）レジスト（平均分子量：約５７０００）をシリコンウエハ上に塗布して、１９０℃のホットプレートで１８０秒間プリベークした後、約２００ｎｍ厚のレジスト膜を得た。電子線描画装置で１００ｎｍラインパターンおよびスペースのパターンを描画し、２５℃のキシレン現像液で９０秒間現像を行った。現像後、１００ｎｍのラインパターンおよびスペースのパターンを得た。Ｄｅｅｐ  ＵＶランプ（ＵＳＨＩＯ製）でウエハ全面に１００ｍＪ／ｃｍ２の放射線照射を行った。照射後の重量平均分子量は約２５０００であった。その後、１４１℃で３分間ベークを行い、その結果、１２５ｎｍラインパターンおよび７５ｎｍスペースパターンを得た。単位温度当たりの寸法変化量は、５ｎｍ／℃であった。その得られたレジストパターンをマスクとして、ひきつづき下地膜をエッチングにより加工することで、シリコン酸化膜パターンを形成することができ、半導体装置を製造することができた。
【００４３】
（実施例２）
放射線照射部分を、マスクを用いて選択的に行なって、レジストパターンの一部面を照射した以外は、すべて上記実施例１と同様の条件で、レジストパターンを形成し、そして半導体装置を製造した。その結果、放射線照射した部分では１２５ｎｍラインパターンおよび７５ｎｍスペースパターンを得た。単位温度当たりの寸法変化量は、５ｎｍ／℃であった。また、放射線照射しなかった部分のパターン寸法に変動は見られなかった。
【００４４】
（比較例１）
ＺＥＰ  ５２０（日本ゼオン（株）製）レジストをシリコンウエハ上に塗布して、１９０℃のホットプレートで１８０秒間プリベーク後、約２００ｎｍ厚のレジスト膜を得た。電子線描画装置で１００ｎｍラインパターンおよびスペースパターンを描画し、２３℃のキシレン現像液で９０秒間現像を行った。現像後、０．１μｍラインパターンおよびスペースパターンを得た。重量平均分子量は約５７０００であった。その後、１５５℃で３分間、ベークを実施した。その結果、１００ｎｍラインパターンが２５ｎｍ寸法増加し、１２５ｎｍラインパターンおよび７５ｎｍスペースパターンを得た。単位温度当たりの寸法変化量は、１０ｎｍ／℃であった。
【００４５】
【発明の効果】
本発明のレジストパターン形成方法によれば、現像後に得られたレジストパターンの全面または選択的に放射線照射を行い、放射線照射部分のレジストパターンの分子量を変化させ、そのレジストパターンにベークを施すことにより、放射線照射部分のパターン寸法が変化し、レジストパターンの微細化が可能となる。レジストパターンの全面または一部面に放射線照射することで、縮小したい部分のみ選択的にサーマルフローの効果を得ることが可能であり、放射線照射による分子量低減により、レジストの軟化点温度が下がり、サーマルフローの寸法制御性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明にしたがうパターン形成方法の各工程を示す概略断面図である。
【符号の説明】
１  基板、２  レジスト、３  放射線、４  レジストパターン、５  マスク、６  放射線、７  寸法変化後のレジストパターン。
【図１】
2005005527.tif 000003