(57)【要約】【課題】  本発明は、フォトレジスト膜がエッチングされていくスパイク現象を無くし、下地膜に対して十分なドライエッチング耐性を有し、かつ、微細なレジストパターンを再現性良く形成可能な半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】  本発明は、フォトレジスト膜をドライエッチング加工時のマスクとしてパターンニングを行う半導体装置の製造方法において、第一層目にポジ型フォトレジスト膜４を用い、そのポジ型フォトレジスト膜４によりパターンを形成する工程と、この工程のパターンを全面露光する工程と、前記ポジ型フォトレジスト膜４上に第二層目の樹脂膜８を成膜する工程と、前記第一層目のフォトレジスト膜４中に発生する酸を触媒として前記パターンと該第二層目樹脂膜界面を架橋反応させる工程と、この工程で架橋していない樹脂膜を除去する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトレジスト膜をドライエッチング加工時のマスクとして、パターニングを行う半導体装置の製造方法において、第一層目のフォトレジスト膜のパターン上のみに、自己整合的に第二層目の樹脂膜を上乗せすることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記第一層目のフォトレジスト膜中に酸を発生させ、前記第二層目の樹脂膜と前記第一層目のフォトレジスト膜中に酸を触媒として架橋反応させた部分をドライエッチング加工時のマスクとして利用することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記第二層目の樹脂膜は、ノボラック系樹脂やポリヒドロキシスチレン系樹脂等のベンゼン環を含むドライエッチング耐性に優れた分子構造と、酸触媒反応により樹脂を架橋させるメラミン等の架橋剤から成ることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
フォトレジスト膜をドライエッチング加工時のマスクとしてパターンニングを行う半導体装置の製造方法において、第一層目にポジ型フォトレジスト膜を用い、そのポジ型フォトレジスト膜によりパターンを形成する工程と、この工程のパターンを全面露光する工程と、前記ポジ型フォトレジスト膜上に第二層目の樹脂膜を成膜する工程と、前記第一層目のフォトレジスト膜中に発生する酸を触媒として前記パターンと該第二層目樹脂膜界面を架橋反応させる工程と、この工程で架橋していない該樹脂膜を除去する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記全面露光に用いる露光波長を、前記第一層目のポジ型フォトレジスト膜で形成した微細構造内の前記第二層目のとの架橋反応を抑制するため、第一層目のパターン形成における露光で用いた露光波長より長波長の光源を選択し、かつ第一層目の光酸発生剤は、前述の両波長に対し吸収を有し、かつ酸発生効果は、第一層目の露光光で高いことを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記第一層目のパターン形成における露光で用いた露光単波長が３５６ｎｍ以下であることを特徴とする請求項５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記第一層目のパターン形成における露光で用いた露光単波長が１９３ｎｍであることを特徴とする請求項６記載の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、下地膜に対して十分なドライエッチング耐性を有し、かつ、微細なレジストパターンを再現性良く形成可能な半導体装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のドライエッチングマスクとしてフォトレジスト膜を用いた半導体装置の製造方法は、図４に示すものである。
この方法は、シリコン基板１４上に、ＣＶＤ法によりシリコン酸化膜１５を４００ｎｍ堆積する。
さらに、その上に、有機系の反射防止膜１６およびフォトレジスト膜をそれぞれ４０ｎｍおよび３５０ｎｍの膜厚になるようスピン塗布により成膜し、露光、現像を経て、フォトレジストパターン１７を形成する。
その後、フォトレジストパターン１７をマスクとして、ドライエッチングにより、シリコン酸化膜１５にパターンを転写する（図示していない）。
【０００３】
なお、被エッチング膜は、シリコン酸化膜以外にも、シリコン窒化膜、ポリシリコン膜、各種金属膜などに置き換えられ、反射防止膜、フォトレジスト膜の膜厚はそれぞれの被エッチング膜に適した膜厚が与えられる。
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−９１３０９号公報
【特許文献２】特開２００２−１１６５３２号公報
【特許文献３】特開２００２−３４３７６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したフォトレジスト膜の膜厚は、透過性、解像性能、対パターン倒れ安定性により決定され、微細加工の傾向に追従して、小さく（薄膜化）なってきている。しかし、フォトレジストの薄膜化により、ドライエッチングのマスク性能は低下し、微細化の妨げとなっている。
【０００６】
図５にドライエッチングにおいて、マスク性能の低下が引き起こす問題を２つ列記する。
図５は、後述する図３に示す構造の基板をエッチングしたものである。つまり、フォトレジストパターン１７をマスクとして、反射防止膜１６をエッチングし、続けて、シリコン酸化膜１５をエッチングしている。ドライエッチング中においては、フォトレジスト膜１７のパターンコーナー部がエッチング（スパッタリング）されやすい。
【０００７】
したがって、フォトレジスト膜１７のエッチングレートが大きいと、例えば図５（ａ）のシリコン酸化膜１８のように、パターンコーナー部もエッチングされてしまう。フォトレジスト膜１７のエッチングレートがさらに大きいと、図５（ａ）に示すように、エッチング中にフォトレジスト膜１７および反射防止膜１６が消失し、シリコン酸化膜１８のように、元来の膜厚よりも矢印で示す分だけ膜減りしてしまう。
また、図５（ｂ）に示すように、集中的にフォトレジスト膜がエッチングされていくスパイク現象によりフォトレジスト膜２１だけでなく、反射防止膜２０およびシリコン酸化１９膜にもピンホールが転写されてしまう。
【０００８】
以上説明したように、従来の方法では、フォトレジスト膜がエッチングされていくスパイク現象によりフォトレジスト膜２１だけでなく、反射防止膜２０およびシリコン酸化１９膜にもピンホールが転写されてしまうという問題があった。
【０００９】
本発明は上述した従来の問題に対処してなされたものであって、フォトレジスト膜がエッチングされていくスパイク現象を無くし、下地膜に対して十分なドライエッチング耐性を有し、かつ、微細なレジストパターンを再現性良く形成可能な半導体装置の製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するために、図１に示すように、パターニングしたフォトレジスト膜と、その上にさらに塗布したフォトレジスト膜とを、架橋させる半導体装置の製造方法にある。
【００１１】
本発明の方法により、ドライエッチングにおけるマスクとなるフォトレジスト膜の膜厚を自己整合的に増大させ、同時に比較的エッチング耐性を有する構造の膜で表面を被覆させることができる。
【００１２】
具体的な本発明は、フォトレジスト膜をドライエッチング加工時のマスクとして、パターニングを行う半導体装置の製造方法において、第一層目のフォトレジスト膜のパターン上のみに、自己整合的に第二層目の樹脂膜を上乗せすることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、前記第一層目のフォトレジスト膜中に酸を発生させ、前記第二層目の樹脂膜と前記第一層目のフォトレジスト膜中に酸を触媒として架橋反応させた部分をドライエッチング加工時のマスクとして利用することを特徴とする。
【００１４】
さらに、本発明は、前記第二層目の樹脂膜は、ノボラック系樹脂やポリヒドロキシスチレン系樹脂等のベンゼン環を含むドライエッチング耐性に優れた分子構造と、酸触媒反応により樹脂を架橋させるメラミン等の架橋剤から成ることを特徴とする。
【００１５】
さらに、本発明は、フォトレジスト膜をドライエッチング加工時のマスクとしてパターンニングを行う半導体装置の製造方法において、第一層目にポジ型フォトレジスト膜を用い、そのポジ型フォトレジスト膜によりパターンを形成する工程と、この工程のパターンを全面露光する工程と、前記ポジ型フォトレジスト膜上に第二層目の樹脂膜を成膜する工程と、前記第一層目のフォトレジスト膜中に発生する酸を触媒として前記パターンと該第二層目樹脂膜界面を架橋反応させる工程と、この工程で架橋していない該樹脂膜を除去する工程を含むことを特徴とする。
【００１６】
さらにまた、本発明は、前記全面露光に用いる露光波長を、前記第一層目のポジ型フォトレジスト膜で形成した微細構造内の前記第二層目のとの架橋反応を抑制するため、第一層目のパターン形成における露光で用いた露光波長より長波長の光源を選択し、かつ第一層目の光酸発生剤は、前述の両波長に対し吸収を有し、かつ酸発生効果は、第一層目の露光光で高いことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、ＡｒＦ用化学増幅レジスト膜のように、比較的エッチング耐性が低いレジスト上に、さらにエッチング耐性が優れているベンゼン環を含むノボラック系樹脂、あるいはポリヒドロキシスチレン樹脂などから構成される樹脂膜を成膜し、架橋反応により形成した膜をドライエッチングマスクとして使用することにより、図５に示すような、マスクの消失、スパイク現象などが解消され、図３に示すように、安定的に被エッチング膜への転写が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
本発明の実施形態のプロセスフローを図１に示す。
【００１９】
図１（ａ）に示すように、シリコン基板１上に、ＣＶＤ法によりシリコン酸化膜２を４００ｎｍ堆積し、さらに１９３ｎｍの波長光に最適化した有機系反射防止膜３およびＡｒＦ用ポジ型化学増幅フォトレジスト膜４をスピン塗布により、それぞれ４０ｎｍおよび３００ｎｍ成膜し、フォトマスク５を介して、ＡｒＦエキシマレーザー（λ＝１９３ｎｍ）を光源とした露光装置により感光させる。化学増幅レジスト膜４は、光に反応して酸発生剤より酸が発生し、この酸が触媒反応的に主鎖にあるアルカリ性に可溶な官能基を保護している保護基を分解させ、露光部のアルカリ性現像液に対する溶解性を向上させるシステムを有している。
なお、フォトマスク５は、０．１２μｍ□の開口領域のホールパターンを有している。
【００２０】
そして、アルカリ性に可溶になった露光部は、図１（ｂ）に示すように、２．３８％−ＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａ−Ｍｅｔｈｙｌ−Ａｎｍｏｎｉｕｍ−Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）水溶液により現像して、フォトレジストパターン６（０．１２μｍ□ホールパターン）が形成される。
【００２１】
次に図１（ｃ）に示すように、遮光部を有しないフォトマスク７を用いて、パターニングしたときと同じ露光波長で、該フォトレジストパターン６を全面露光する。この時の露光エネルギーは、該フォトレジストパターン６を形成した時に要したエネルギーの６０％程度でよい。また、これ以外の感光波長であるｉ線（λ＝３５６ｎｍ）や、ＫｒＦエキシマレーザ（λ＝２４８ｎｍ）で全面露光しても良い。
この全面露光により、前述したように、該フォトレジストパターン６内に、酸発生剤より酸（図１（ｃ）中のＨ＋）が生成される。その後、１００〜１３０℃程度の熱処理により触媒反応的に酸を増幅させても良い。
【００２２】
さらに、図１（ｄ）に示すように、第二層目の樹脂膜８を３００ｎｍ成膜する。このときの樹脂膜８は、一般的にエッチング耐性が優れているベンゼン環を含む極性変化基を有するノボラック系樹脂、あるいはポリヒドロキシスチレン系樹脂、そしてメラミン系架橋剤などの成分で構成されている。
【００２３】
この状態で１３０℃程度の熱処理を施すと、図１（ｅ）に示すように、該フォトレジストパターン６と該樹脂膜８との界面から、該酸による架橋反応（図２（ａ）（ｂ）に反応モデルを示す）が起こり、反応生成層９が約１００ｎｍの厚さで形成される。
図２に示す、第一層のフォトレジストパターン６と第二層目の樹脂膜８との架橋反応のモデルにおいて、図２（ａ）は架橋反応前の状態（図１（ｄ）相当）、図２（ｂ）は架橋反応後の状態（図１（ｅ）相当）の断面図および構造モデル図を示す。
また、上述の図１（ｄ）において、該酸はフォトレジストパターン６の側壁よりも、露光エネルギーが多く与えられた表面に多く存在するため、表面の架橋反応の方が速い。
【００２４】
そしてその後図１（ｆ）に示すように、現像液により架橋反応が起こっていない部分のフォトレジスト１０を除去し、エッチングマスクを形成する。
【００２５】
上述した実施形態に示す方法により、ＡｒＦ用化学増幅レジスト膜のように、比較的エッチング耐性が低いレジスト膜上に、さらにエッチング耐性が優れているベンゼン環を含むノボラック系樹脂、あるいはポリヒドロキシスチレン樹脂などから構成される樹脂膜を成膜し、架橋反応により形成した膜をドライエッチングマスクとして使用することにより、図５に示すような、マスクの消失、スパイク現象などが解消され、図３に示すような、安定的に被エッチング膜への転写が可能となる。
なお、図５は上述の如く、従来の半導体装置の製造方法による問題となる現象を示すもので、図５（ａ）はマスクの消失により、シリコン酸化膜のような被エッチング膜１８が膜減りしている様子を示す。また、図５（ｂ）は集中的にフォトレジストがエッチングされていくスパイク現象を示し、２１はスパイク現象によりピンホールが発生したフォトレジスト膜、２０はピンホールが転写された反射防止膜、１９はピンホールが転写されたシリコン酸化膜を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態におけるパターン形成プロセスにおける工程断面図。
【図２】本発明の実施形態における第一層目のフォトレジストパターン６と第二層目の樹脂膜８との架橋反応のモデルを示す図を示す。
【図３】本発明の実施形態によって形成したフォトレジストマスクにより被エッチング膜をドライエッチングしたときの断面図。
【図４】従来の方法を説明するための断面図。
【図５】従来の方法の問題を説明するための断面図。
【符号の説明】
【００２７】
１…シリコン基板
２…シリコン酸化膜
３…塗布形成型の有機系反射防止膜
４…ＡｒＦ用ポジ型化学増幅フォトレジスト膜
５…遮光部を有するホールパターン用フォトマスク
６…露光、現像してフォトレジスト４から得られたパターン
７…遮光部を有していないフォトマスク
８…第二層目の樹脂膜
９…フォトレジスト６と８の架橋層
１０…フォトレジスト８のうち架橋反応しなかったフォトレジスト膜
１１…シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、ポリシリコン膜、各種金属膜などの被エッチング膜
１２…反射防止膜
１３…ドライエッチングにより膜減りしたフォトレジストマスク（架橋層７の残り）。
【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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