(57)【要約】【目的】  本発明は、特に波長１５７ｎｍのＦ２リソグラフィあるいは波長１９３ｎｍのＡｒＦリソグラフィにおいて、フッティングのようなレジスト形状が異形状となる現象を回避し、かつ、微細なパターンを寸法精度よく形成することができる方法を実現することを目的とする。【構成】  シリコン基板に堆積した被エッチング膜上に、高いエッチングレートを持った有機反射防止膜をスピンコーティング法などにより形成する。その後、緻密でエッチングレートの低い有機反射防止膜を同様にして形成する。下層の有機反射防止膜によって全体のエッチング時間を抑えることができる。また、上層の有機反射防止膜の作用によって、レジストからの酸拡散を防止し、フッティングのないレジストパターニング形状を得ることが可能になる。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に第一の有機反射防止膜を形成する工程と、前記第一の有機反射防止膜上に第二の有機反射防止膜を形成する工程と、前記第二の有機反射防止膜上にフォトレジスト層を形成する工程と、前記フォトレジスト層に単一波長の光源を用いてフォトマスク上のパターンを転写する工程と、前記パターンが転写されたフォトレジストをマスクとして、前記反射防止膜と前記基板をエッチングして所望のパターンを形成する工程を有する微細パターン形成方法であって、
前記第二の有機反射防止膜材料として、前記第一の有機反射防止膜材料よりエッチングレートが遅い材料を用いることを特徴とするパターン形成方法。
【請求項２】
前記第一の有機反射防止膜材料が、アクリル系樹脂であることを特徴とする請求項１記載のパターン形成方法。
【請求項３】
前記第二の有機反射防止膜材料が、ノボラック系樹脂であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパターン形成方法。
【請求項４】
前記フォトレジスト層材料が、フッ素を含有する有機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５】
前記光源の単一波長が、１５７ｎｍ以下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６】
基板上に第一の有機反射防止膜を形成する工程と、前記第一の有機反射防止膜上に第二の有機反射防止膜を形成する工程と、前記第二の有機反射防止膜上にフォトレジスト層を形成する工程と、前記フォトレジスト層に波長が１５７ｎｍまたは１９３ｎｍの単一波長の光源を用いてフォトマスクに形成されたパターンを転写する工程と、前記パターンが転写されたフォトレジストをマスクとして、前記反射防止膜と前記基板をエッチングして所望のパターンを形成する工程を有する微細パターン形成方法であって、
前記第二の有機反射防止膜材料として、前記第一の有機反射防止膜材料よりエッチングレートの遅い材料を用い、かつ前記第一の有機反射防止膜及び第二有機反射防止膜の屈折率ｎが１．５０以上１．９０以下であり、消衰係数ｋが０．２０以上であり、前記第一の有機反射防止膜と前記第二の有機反射防止膜の合計の膜厚が１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とす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、ドライエッチング技術で半導体の微細加工を行うパターン形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体の微細加工技術では、光とレジストを用いて必要なパターンを形成している。年々半導体に形成するパターンの微細化が進むにつれて、光は短波長化されている。それにつれて解決すべき問題点が顕在化しているが、そのひとつに、レジストに照射された入射光と、この入射光が基板表面で反射した反射光との干渉によって生成する定在波の問題がある。レジスト中にこの定在波が発生すると、レジストの厚さ方向で光強度が不均一化し、その結果、レジストパターンの寸法精度が低下する現象が生じる。この解決策として、従来反射の大きい基板上に、入射光を吸収する有機膜を形成する方法（ＢＡＲＣ法と呼ばれている。）があり、すでに一般的に使用されている。
【０００３】
さらに微細化を達成するために光源としてエキシマレーザ光を使用する場合、使用するレジストとしては、光によって酸を発生させ、その酸によってアルカリ現像液に可溶とさせるいわゆる化学増幅型レジストが使用される。
【０００４】
また、１５７ｎｍ（Ｆ２レーザ）光を使用するリソグラフィでは、従来の樹脂では透明性が不足し、レジストを厚膜化することによって高解像度を得る手法を採用することができないため、レジスト材料にフッ素を導入して透明性を向上する方法がとられている。しかし、レジスト材料にフッ素を導入することによって、下地加工をする際の耐ドライエッチ性が低下する問題が発生する。この１５７ｎｍリソグラフィにおいても、上記のＢＡＲＣ法を使用することができるが、このＢＡＲＣ法による膜もレジストパターンをマスクとしてドライエッチングするため、そのエッチングレートが高いほど望ましい。
【０００５】
さらに、ＢＡＲＣ法による膜とレジストの組み合わせによっては、露光によって発生したレジスト中の酸がＢＡＲＣ中へ拡散し、レジストパターン形状がいわゆるフッティング形状と呼ばれている異形状となる場合がある。特にフッ素を導入したレジストの場合、フッティング形状になりやすい。このフッティングを回避するためＢＡＲＣ中に、あらかじめ酸性物質を添加する方法が知られている。しかしながら、レジストの種類、厚さ、処理条件等によって酸の拡散速度が異なるため、組み合わせるレジストに対応して、添加量等を調整することが困難である。
【０００６】
従来、光反射防止膜として、２４８ｎｍ（ＫｒＦレーザ）光で使用されているノボラック系樹脂のＢＡＲＣ法による膜は、緻密でエッチングレートが遅く、レジストからの酸拡散が起こりにくくフッティング形状を回避できることがわかっているが、エッチングレートが非常に遅いため、下地加工に使用することができない。
一方、アクリル系樹脂をＢＡＲＣ膜として用いることが知られている（特許文献１参照）。ところで、この方法ではエッチングレートは高いが、酸拡散しやすくレジストパターンがフッティング形状になるという問題がある。
【０００７】
以上のように、従来の１５７ｎｍリソグラフィにおいては、エッチングレートが大きく、かつレジストパターンがフッティング形状となることを回避するとともにＢＡＲＣ法による寸法精度の優れたパターンを形成することができないという問題があった。
【特許文献１】特開平６−１１８６５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、従来技術の上記問題点を解決するためになされたもので、特に波長１５７ｎｍのＦ２リソグラフィあるいは波長１９３ｎｍのＡｒＦリソグラフィにおいて、フッティングのようなレジスト形状が異形状となる現象を回避し、かつ、微細なパターンを寸法精度よく形成することができる方法を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、有機反射防止膜を２層とし、下層にはエッチングレートが大きい有機反射防止膜、上層には緻密でレジストから酸が拡散しない有機反射防止膜を形成することを特徴とする。
【００１０】
すなわち第１の本発明は、基板上に第一の有機反射防止膜を形成する工程と、前記第一の有機反射防止膜上に第二の有機反射防止膜を形成する工程と、前記第二の有機反射防止膜上にフォトレジスト層を形成する工程と、前記フォトレジスト層に単一波長の光源を用いてフォトマスク上のパターンを転写する工程と、前記のパターンが転写されたフォトレジストをマスクとして、前記反射防止膜と前記基板をエッチングして所望のパターンを形成する工程を有する微細パターン形成方法であって、
前記第二の有機反射防止膜材料として、前記第一の有機反射防止膜材料よりエッチングレートが遅い材料を用いることを特徴とするパターン形成方法である。
【００１１】
前記第１の本発明において、前記第一の有機反射防止膜材料が、アクリル系樹脂であることが好ましく、前記第二の有機反射防止膜材料が、ノボラック系樹脂であることが好ましい。さらに、前記フォトレジスト層材料が、フッ素を含有する有機膜であることが好ましい。前記光源の単一波長としては、１９３ｎｍ以下の波長が好ましく、特に１５７ｎｍ以下の波長であることが更に好ましい。
【００１２】
第２の本発明は、基板上に第一の有機反射防止膜を形成する工程と、前記第一の有機反射防止膜上に第二の有機反射防止膜を形成する工程と、前記第二の有機反射防止膜上にフォトレジスト層を形成する工程と、前記フォトレジスト層に波長が１５７ｎｍまたは１９３ｎｍの単一波長の光源を用いてフォトマスク上のパターンを転写する工程と、前記パターンが転写されたフォトレジストをマスクとして、前記反射防止膜と前記基板をエッチングして所望のパターンを形成する工程を有する微細パターン形成方法であって、
前記第二の有機反射防止膜材料として、前記第一の有機反射防止膜材料よりエッチングレートが遅い材料を用い、かつ前記第一の有機反射防止膜及び第二有機反射防止膜の屈折率ｎが１．５０以上１．９０以下であり、消衰係数ｋが０．２０以上であり、前記第一の有機反射防止膜と前記第二の有機反射防止膜の合計の膜厚が１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とするパターン形成方法である。
【発明の効果】
【００１３】
有機反射防止膜を２層で使用することによって、１５７ｎｍ（Ｆ２レーザ）リソグラフィあるいは１９３ｎｍ（ＡｒＦレーザ）リソグラフィにおいて、レジストパターニング形状のフッティング現象がなく、かつエッチングレートを高くとることができるため、フォトレジストの膜厚を薄くでき微細パターンの形成が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態であるパターン形成方法について説明する。図１が、本発明の実施の形態のパターン形成方法を示す図である。
まず、図１（ａ）に示すように、シリコンウェハあるいはその表面に各種機能膜を形成した基板１１上に、第１の有機反射防止膜１２を形成する。
この第１の有機反射防止膜１２は、以下に説明する第２の有機反射防止膜材料１３より、エッチングレート、特にドライエッチングレートが、高い材料である必要がある。さらに、その屈折率ｎは、１．５０以上、１．９０以下であることが望ましい。この屈折率は、有機反射防止膜に形成するレジストの屈折率と整合させる必要があり、それをはずれる場合、有機反射防止膜の膜厚が厚くなり好ましくない。
また、この第１の有機反射防止膜材料は、消衰係数ｋが、０．２０以上であることが望ましい。この消衰係数が、０．２０に満たない場合には、必要な有機反射防止膜の膜厚が厚くなる問題があり、好ましくない。
【００１５】
このような第１の有機反射防止膜材料としては、アクリル系樹脂が適している。本実施の形態において用いられるアクリル系樹脂は、アクリル酸、アクリル酸エステル、目タクリル酸、またはメタクリル酸エステルを単独で、あるいはこれらを混合して、さらには、他の不飽和二重結合を有する単量体を混合し、重合して得られる単独重合体樹脂もしくは共重合体樹脂であり、次の一般式で表されるものである。
【００１６】
【化１】
2005142339.tif 000002
式中、Ｒ１〜Ｒ４は、水素もしくはアルキル基であり、Ｒ５〜Ｒ８は、水素もしくは、アルキル基、置換アルキル基、ハロゲン元素、スルフォン基、芳香族基、置換芳香族基、などである。また、ｘは、少なくとも１０の正の整数であり、ｙは、ゼロもしくは正の整数である。このような樹脂は、上記単量体をラジカル重合、アニオン重合、もしくはカチオン重合などの方法によって重合したものであり、その分子量は、反射防止膜に求められる特性によって左右されるが、通常、３，０００〜１，０００，０００の範囲のものを用いることができる。また、この反射防止膜材料は、この反射防止膜材料を用いて行うリソグラフィに使用する波長帯域の紫外線を吸収する紫外線吸収剤を添加して用いるか、あるいはその波長帯域の紫外線を吸収する基を備えたものとすることができる。
【００１７】
この第１の有機反射防止膜１２は、上記第１の有機反射防止膜材料を、有機溶剤に溶解し、回転塗布法などの手段により、基板１１上に塗布し、乾燥して形成される。この際に用いられる有機溶剤としては、メトキシメチルアセテート、エトキシメチルアセテート、エチレングリコールエーテル、メチルエチルケトン、シクロヘキサン、ジオキサン、テトラヒドロフラン、酢酸エチルなどの溶剤を用いることができる。この溶液の濃度は、固形分濃度として、５〜５０重量％程度の範囲が好ましい。
【００１８】
この第１の有機反射防止膜１２は、厚さ１０〜５０ｎｍの範囲で成膜することが好ましい。膜厚が上記範囲を下回ると、塗布成膜が困難となる点で不都合であり、一方、上記範囲を上回ると、必要なレジスト膜厚が厚くなる点で不都合である。
【００１９】
次いで、図１（ｂ）に示すように、上記第１の有機反射防止膜１２の表面に、第２の有機反射防止膜１３を形成する。この第２の有機反射防止膜材料としては、緻密で、酸などの物質移動を阻止する機能を有し、かつエッチングレート、特にドライエッチングレートが上記第１の有機反射防止膜材料より低い材料が適している。本発明においては、前記第一の有機反射防止膜と前記第二の有機反射防止膜とのエッチングレートの比が、１．５以上であることが好ましい。この比が、上記範囲を下回ると、２層にして必要なレジスト膜厚を薄くする効果が期待できない。
【００２０】
さらに、その屈折率ｎが、１．５０以上、１．９０以下であることが望ましい。この屈折率ｎは、有機反射防止膜に形成するレジストの屈折率と整合させる必要があり、それをはずれる場合、有機反射防止膜の膜厚が厚くなり好ましくない。
【００２１】
また、この第１の有機反射防止膜材料は、消衰係数ｋが、０．２０以上であることが望ましい。この消衰係数が、０．２０に満たない場合には、必要な有機反射防止膜の膜厚が厚くなる問題があり、好ましくない。
【００２２】
この第２の有機反射防止膜材料としては、ノボラック系樹脂が適している。このノボラック系樹脂は、フェノール類とアルデヒド類を酸触媒の存在下で縮合反応させたものである。具体的には、フェノール、クレゾール、キシレノール、トリメチルフェノール、カテコール、レゾルシン、ビスフェノールＡなどのフェノール類と、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、ベンズアルデヒドなどのアルデヒド類を、シュウ酸、塩酸、過塩素酸、硫酸、トルエンスルホン酸などの酸触媒を用いて、水、アセトン、メチルエチルケトン、トルエン、メタノールなどの溶剤中で、８０〜２００℃程度の温度で反応させることによって得られるものを用いることができる。
【００２３】
この第２の有機反射防止膜１３は、上記第１の有機反射防止膜と同様に、有機反射防止膜材料を有機溶剤に溶解し、回転塗布法などの手段により、基板１１上に形成されている第１の有機反射防止膜１２上に塗布し、乾燥して形成される。この第２の有機反射防止膜１３の膜厚は、上記第１の有機反射防止膜１２より薄膜に形成することが望ましい。このように、２層の有機反射膜のうち、下層の反射防止膜を厚くし、上層の緻密な反射防止膜を塗布可能な最小の膜厚としても、効果的にレジストからの酸の拡散を防止することができるとともに、全体としてのエッチングレートを大きくすることができる。具体的には、その膜厚としては、１０〜３０ｎｍの範囲が好ましい。この膜厚が、上記範囲を下回った場合、塗布成膜が困難となる点で不都合であり、膜厚が上記範囲を上回った場合、必要なレジスト膜厚が厚くなる点で不都合である。
【００２４】
次いで、図１（ｃ）に示すように、上記第２の有機反射防止膜１３上に、フッ素原子を含有するフォトレジストを塗布し、ベーキングしてフォトレジスト層１４を形成する。
このフッ素原子含有フォトレジストとしては、ポリマー骨格の主鎖または側鎖にフッ素原子を導入した構造の樹脂を用いることができる。このようなフッ素樹脂は、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ．ｖｏｌ．３６７８ｐ．１３（１９９９）、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ．ｖｏｌ．３９９９ｐ．３３０（２０００）、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ．ｖｏｌ．３９９９ｐ．３５７（２０００）、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ．ｖｏｌ．３９９９ｐ．３６５（２０００）、や、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ．ｖｏｌ．４３４５ｐ．３７１（２００１）などに説明されている。
【００２５】
このフォトレジスト層１４の厚さとしては、上記第１の有機反射防止膜１２および第２の有機反射防止膜１３をドライエッチングする速度に合わせて、これらをエッチングする時間経過後にもフォトレジスト層１４が残存する程度以上の厚さとする。好ましいフォトレジスト層の厚さとしては、５０〜２００ｎｍ程度である。
また、前記第一の有機反射防止膜と前記第二の有機反射防止膜の合計の膜厚は、１０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲とすることが好ましい。この合計の膜厚が上記範囲を下回ると、塗布成膜が困難となる問題が発生し、一方合計の膜厚が上記範囲を上回ると、必要なレジスト膜厚が厚くなる問題が発生し、それぞれ好ましくない。
【００２６】
次いで、図１（ｄ）に示すように、パターンを形成したフォトマスク１５を介してエキシマレーザ等の光源を用いて露光し、フォトレジスト層１４にパターンを転写する。
【００２７】
次いで、図１（ｅ）に示すように、フォトレジスト層１４に露光したパターンを現像処理して、レジストパターン１４ａを形成する。この際に、フッ素含有レジストを現像する処理液としては、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）などを使用することができる。
【００２８】
次いで、図１（ｆ）に示すように、パターン形成されたレジストパターン１４ａをマスクとして用いて、第１の有機反射防止膜１２および第２の有機反射防止膜１３をドライエッチングして、第１の有機反射防止膜パターン１２ａおよび第２の有機反射防止膜パターン１３ａを形成する。
【００２９】
以下、これらのパターン１１ａ、１２ａ、１３ａ、および１４ａをマスクとして用いて基板１１にドーピング加工、エッチング加工など、半導体製造における公知の加工を施すことができる。
【００３０】
上記実施の形態においては、前記基板１１はシリコンウェハそのものであってもよいし、シリコンウェハの表面に、電極形成用の金属層を形成し、さらにその表面に該電極層加工用のレジスト材料を形成し、その表面に第１の有機反射防止膜を形成してもよい。さらに、誘電体膜や絶縁膜など、他の機能性薄膜を単独でもしくは組み合わせて形成した基板を用い、その表面に上記複数の有機反射防止膜を形成しても良い。
【実施例】
【００３１】
以下、本発明の実施例を、図２を用いて具体的に説明するが、本発明は下記実施例に制限されるものではない。
まず図２（ａ）におけるシリコン基板２１上に形成されたゲート電極となるタングステン膜２２上に、その加工時のマスクとなるシリコン窒化膜２３を７０ｎｍの厚さで形成した。なお、レジストパターンで加工するのは前記のシリコン窒化膜２３である。
【００３２】
次に図２（ｂ）に示すように、上記シリコン窒化膜２３上に第一の有機反射防止膜２４を形成した。第一の有機反射防止膜２４としては、屈折率ｎが１．５以上１．９以下であり、消衰係数ｋが０．１２以上０．３５以下であり、エッチングレートの大きいアクリル系樹脂を用いた。上記の反射防止膜を所望の厚さになるように塗布して、２０５℃６０秒間の条件でベークした。
【００３３】
次に図２（ｃ）に示すように、第二の有機反射防止膜２５を形成した。第二の反射防止膜２５としては、屈折率ｎが１．５以上１．９以下であり、消衰係数ｋが０．１２以上０．３５以下であり、緻密でエッチングレートの小さいノボラック系樹脂を用いた。このノボラック系樹脂層の形成方法は、第一の有機反射防止膜と全く同様とした。
【００３４】
次に図２（ｄ）に示すように、第二の有機反射防止膜２５上に１５７ｎｍリソグラフィ用のフッ素含有フォトレジスト２６を、１５０ｎｍの膜厚で塗布し、１１０℃  ６０秒間の条件でベークした。
【００３５】
次に図２（ｅ）に示すように、所望のパターンを、フォトマスク２７を介してＦ２露光機を用いて露光を行い、１１０℃６０秒間の条件でベークした。
【００３６】
次に図２（ｆ）に示すように、露光された領域を、２．３８％テトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）現像液で溶解して、所望のレジストパターン２６ａを得た。このとき第二の有機反射防止膜２５の作用により、露光部の酸が反射防止膜中に拡散しないため、フッティングのない矩形のレジストパターン形状を得ることが可能になった。
【００３７】
次に図２（ｇ）に示すように、フォトレジストパターン２６ａをマスクにして第一の有機反射防止膜２４と第二の有機反射防止膜２５およびシリコン窒化膜２３をＣＦ４／Ｏ２系ガスを用いてドライエッチングし、各層にパターンを転写して、第一の有機反射防止膜パターン２４ａ、第二の有機反射防止膜パターン２５ａ、およびシリコン窒化膜パターン２３ａを形成した。
【００３８】
次に図２（ｈ）に示すように、フォトレジスト２６ａと第一及び第二の有機反射防止膜パターン２４ａ、２５ａを酸素プラズマにより除去した。
【００３９】
次に図２（ｉ）に示すように、最終的にパターン形成されたシリコン窒化膜２３ａをマスクとしてタングステン膜２２をエッチングし、６０ｎｍのゲート電極２２ａを形成した。
【００４０】
以上の本実施例の工程によって、シリコン基板上のタングステン金属膜をパターンニングしてゲート電極を形成した。
【００４１】
（比較例１）
一方、第１の有機反射防止膜を用いることなく、上記実施例において第一の有機反射防止膜と第二の有機反射防止膜との合計膜厚と等しい膜厚、すなわち３０ｎｍとなるように第二の有機反射防止膜を形成したこと以外には上記実施例と同じ条件で、上記実施例と同様のプロセスを用いてタングステン金属膜からゲート電極を形成した。
【００４２】
（比較例２）
一方、第二の有機反射防止膜を用いることなく、上記実施例において第一の有機反射防止膜と第二の有機反射防止膜との合計膜厚と等しい膜厚、すなわち３０ｎｍとなるように第一の有機反射防止膜を形成したこと以外には上記実施例と同じ条件で、上記実施例と同様のプロセスを用いてタングステン金属膜からゲート電極を形成した。
【００４３】
上記本発明の実施例と比較例において被エッチング膜である第一および第二の有機反射防止膜２４、２５と窒化シリコン２３とを、ドライエッチングするのに必要なフォトレジスト２６の膜厚を実験的に求めた。その結果を表１に示す。また、ドライエッチングされたフォトレジストのパターニング形状を比較した。
表１の結果から明らかなように、フッティングが生じないノボラック系樹脂単独で使用した比較例１においては、フォトレジスト膜厚として、１５７ｎｍの厚さが必要であったのに対して、本実施例の条件ではフォトレジスト２６の膜厚を、１４０ｎｍと薄くすることができ、より微細なパターンを形成することができることが明らかとなった。また、第二の有機反射防止膜を用いることなくエッチングを行った比較例においては、フォトレジストのエッチングパターン形状においてフッティングが発生していた。
【００４４】
【表１】
2005142339.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の実施の形態を示すパターン形成プロセスの断面構造図。
【図２】本発明の実施例であるパターン形成プロセスを示す断面構造図。
【符号の説明】
【００４６】
１１‥基板
１２‥第１の有機反射膜
１２ａ‥第１の有機反射膜パターン
１３‥第２の有機反射膜
１３ａ‥第２の有機反射膜パターン
１４‥フォトレジスト層
１４ａ‥フォトレジストパターン
１５‥フォトマスク
２１‥シリコン基板
２２‥タングステン金属膜
２２ａ‥タングステン金属膜で形成されたゲート電極
２３‥シリコン窒化膜
２３ａ‥シリコン窒化膜パターン
２４‥第一の有機反射防止膜
２４ａ‥第一の有機反射防止膜パターン
２５‥第二の有機反射防止膜
２５ａ‥第二の有機反射防止膜パターン
２６‥Ｆ２リソグラフィ用フッ素含有フォトレジスト
２６ａ‥Ｆ２リソグラフィ用フッ素含有フォトレジストで形成したレジストパターン
２６ｂ‥ドライエッチされたフォトレジストパターン
２７‥フォトマスク
【図１】
2005142339.tif 000004
【図２】
2005142339.tif 000005