(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にポジ型のフォトレジスト層を形成し、
最終的にパターンの形成を所望する部位に開口を有する反転マスクを用いてフォトレジスト層を露光及び現像することで、前記部位の基板が露出するようにフォトレジスト層に開口部を形成し、
フォトレジスト層を含む基板全面に非感光性有機膜を塗布することで、非感光性有機膜で開口部を埋め込み、
フォトレジスト層上の非感光性有機膜をフォトレジスト層が露出するまで全面エッチバックし、
フォトレジスト層全面を露光及び現像してフォトレジスト層を除去することで、所望するパターンの非感光性有機膜を得ることを特徴とするパターンの形成方法。
【請求項２】
非感光性有機膜が、吸光材を含む高分子化合物膜からなり、反射防止膜として使用される請求項１に記載の形成方法。
【請求項３】
非感光性有機膜により形成を所望するパターンが、ピラーパターンである請求項１又は２に記載の形成方法。
【請求項４】
反転マスクが、位相シフトマスクである請求項１〜３のいずれか１つに記載の形成方法。
【請求項５】
フォトレジスト層が、ｉ線、ＫｒＦ線、ＡｒＦ線又はＥＢを照射することで露光される請求項１〜４のいずれか１つに記載の形成方法。
【請求項６】
基板上にポジ型の第１のフォトレジスト層を形成し、
最終的にパターンの形成を所望する部位に開口を有する反転マスクを用いて、所定の波長の露光光により第１の露光及び現像することで、前記部位の基板が露出するように第１のフォトレジスト層に開口部を形成し、
開口部を埋め込むように第１のフォトレジスト層を含む基板全面に前記露光光を透過しない第２のフォトレジスト層を塗布により形成し、
第１のフォトレジスト層上の第２のフォトレジストを第１のフォトレジスト層が露出するまで全面エッチバックし、
開口部の形成に使用した露光光と同一の波長の露光光を、第１のフォトレジスト層と第２のフォトレジスト層の全面に照射して露光及び現像することで、第１のフォトレジスト層を除去して、所望するパターンの第２のフォトレジスト層を得ることを特徴とするパターンの形成方法。
【請求項７】
第１のフォトレジスト層がポリヒドロキシスチレンをベース樹脂として含み、第２のフォトレジスト層がノボラック樹脂をベース樹脂として含み、露光光が２４８ｎｍの波長の光からなる請求項６に記載の形成方法。
【請求項８】
第１のフォトレジスト層がポリメタクリル酸をベース樹脂として含み、第２のフォトレジスト層がポリヒドロキシスチレンをベース樹脂として含み、露光光が１９３ｎｍの波長の光からなる請求項６に記載の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パターンの形成方法に関する。更に詳しくは、本発明は、高精度でかつ良好な形状のパターンの形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の高集積化、高性能化が進展するに伴い、配線等の形成に際して高精度な微細加工が要求され、それに伴いフォトリソグラフィー技術での高精度なパターンの形成が重要になってきている。従来のフォトリソグラフィー技術による半導体基板上へのパターンの形成方法を、図２（ａ）〜（ｃ）を用いて簡単に説明する。
【０００３】
まず、図２（ａ）に示すように、半導体基板１上にフォトレジスト層２を塗布する。次に、図２（ｂ）に示すように、マスク３を介して紫外線、電子ビーム（ＥＢ）等の所定の露光光を用いて露光を行い、所望のパターンの像をフォトレジスト層２に結像させる。次いで、アルカリ水溶液等の現像液で現像を行うと、フォトレジスト層２が溶解又は残存し、レジストからなるパターン４が形成される。
【０００４】
ここで、露光された部分が現像により溶解するレジストはポジレジスト、反対に残存するレジストはネガレジストと呼ばれている。ｇ線及びｉ線の露光波長を用いたフォトリソグラフィー技術においては、レジスト性能（解像性、焦点深度等）の高いポジレジストが通常使用されている。
【０００５】
更に、より高解像度でレジストパターンを形成する方法が、特開平９−１９０９５９号公報に記載されている。この公報に記載された方法は、レジストパターンの解像性がパターンそのものに依存することを利用し、狭スペースやコンタクトホールを形成することを目的とした方法である。
【０００６】
上記公報記載の方法を図３（ａ）〜（ｃ）を用いて簡単に説明する。
まず、半導体基板１１上に比較的解像性が良好な密集ライン、孤立ライン、ピラー等のパターンを形成する。図３（ａ）では、一例としてピラーパターン１２を形成している。上記パターンの形成は、密集ライン、孤立ライン、ピラー等のパターンのようにフォトレジストの現像後の残存部がパターンとなる場合が、コンタクトホール及び孤立スペース等のパターンのようにフォトレジストの現像後の溶解部がパターンとなる場合に比べて、解像性が高いことを利用している。次いで、図３（ｂ）に示すように、ネガレジスト層１３を全面に形成する。この後、全面露光と現像を行ってピラーパターン１２のみを除去することで、最終的に図３（ｃ）に示すようにホールパターン１４を得ることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
半導体装置の微細化を実現するために、レジスト層の解像度を向上させることや、フォーカスずれに対する余裕度（焦点深度）が広くなるようにパターン形成時の各種条件を設定する必要がある。
【０００８】
特に、主としてイオン注入用マスクとして用いられるピラーパターンでは、その形状がトランジスタ特性に大きな影響を与えるため、より精度の高いパターンを形成することが要求される。更に、微細化が進んだ場合、レジスト形状もシビアに制御する必要が生じている。
【０００９】
しかし、上記従来技術のようなポジレジストを用いてピラー等のパターンを形成した場合、図４（ａ−１）及び（ａ−２）に示すように、露光時にマスク３の外部から回り込んだ光（回折光）の影響で、現像後のパターンの形状が図４（ｂ−１）及び（ｂ−２）に示すようななだらかな山形状となりやすい。
【００１０】
また、上記公報で述べられているように、ホールパターンよりもピラーパターンの方が比較的解像度が高いことは事実ではある。しかし、両者の解像度の差は、露光光がｉ線でポジ型レジストを用いた０．３５μｍルールの場合、０．０５μｍにすぎない。一方、フォーカスずれに対する余裕度（焦点深度）は、ピラーパターンの方が極度に小さい（表１参照）。この現象はパターンの加工寸法が微細になればなるほど顕著なものとなり、クォーターミクロン以降では安定した焦点深度を保ってピラーパターンを形成することは困難である。なお、表１中、焦点深度とは、各パターンの寸法が±０．０５μｍで、かつパターン不良（開口不良、ショート、断線、レジスト高さロス等）のないフォーカス範囲を意味する。
【００１１】
【表１】
0003874989.tif 000002
【００１２】
【課題を解決するための手段】
かくして本発明によれば、基板上にポジ型のレジスト層を形成し、
最終的にパターンの形成を所望する部位に開口を有する反転マスクを用いてフォトレジスト層を露光及び現像することで、前記部位の基板が露出するようにフォトレジスト層に開口部を形成し、
フォトレジスト層を含む基板全面に非感光性有機膜を塗布することで、非感光性有機膜で開口部を埋め込み、
フォトレジスト層上の非感光性有機膜をフォトレジスト層が露出するまで全面エッチバックし、
フォトレジスト層全面を露光及び現像してフォトレジスト層を除去することで、所望するパターンの非感光性有機膜を得ることを特徴とする第１のパターンの形成方法が提供される。
【００１３】
更に本発明によれば、基板上にポジ型の第１のフォトレジスト層を形成し、
最終的にパターンの形成を所望する部位に開口を有する反転マスクを用いて、所定の波長の露光光により第１の露光及び現像することで、前記部位の基板が露出するように第１のフォトレジスト層に開口部を形成し、
開口部を埋め込むように第１のフォトレジスト層を含む基板全面に前記露光光を透過しない第２のフォトレジスト層を塗布により形成し、
第１のフォトレジスト層上の第２のフォトレジストを第１のフォトレジスト層が露出するまで全面エッチバックし、
開口部の形成に使用した露光光と同一の波長の露光光を、第１のフォトレジスト層と第２のフォトレジスト層の全面に照射して露光及び現像することで、第１のフォトレジスト層を除去して、所望するパターンの第２のフォトレジスト層を得ることを特徴とする第２のパターンの形成方法が提供される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の第１の形成方法を説明する。
【００１５】
まず、基板上にポジ型のフォトレジスト層を形成する。
【００１６】
本発明に使用することができる基板は、特に限定されず、その上にパターンを形成することが望まれる基板をいずれも使用することができる。具体的には、半導体基板、ガラス基板、樹脂基板等が挙げられる。
【００１７】
また、ポジ型のフォトレジスト層は、当該分野で通常使用されるポジ型のフォトレジスト材を用いて形成することができる。フォトレジスト層は、０．５〜１．５μｍの厚さを有することが好ましい。フォトレジスト層の形成方法は、例えば、フォトレジスト材を含む溶液を基板上に回転塗布する方法が挙げられる。この方法で得られたフォトレジスト層は、所定の温度でプリベークに付すことが好ましい。
【００１８】
次に、最終的にパターンの形成を所望する部位に開口を有する反転マスクを用いてフォトレジスト層を露光及び現像することで、前記部位の基板が露出するようフォトレジスト層に開口部を形成する。
【００１９】
この工程で使用できるマスクは、クロム遮へい板付きガラスマスク、ハーフトーン型の位相シフトマスク等が挙げられる。後者のマスクを使用すると、位相シフトマスクにより奏される効果（解像性の向上効果）と本発明の効果（焦点深度の向上効果）により、更に焦点深度の良好なパターンを形成することができる。
【００２０】
露光の光源としては、特に限定されず、紫外線、ｉ線、ｇ線、ＫｒＦ線、ＡｒＦ線、ＥＢ等が挙げられる。また、露光後、フォトレジスト層をベークに付すことが好ましい。現像に使用される現像液は、使用するフォトレジスト層を構成する材料に応じて適宜選択される。通常、現像液として、アルカリ水溶液が用いられる。
【００２１】
上記露光及び現像により、最終的にパターンの形成を所望する部位のフォトレジスト層に開口部が形成される。開口部の形状は、特に限定されず、用途に応じた所望形状を取りえる。例えば、半導体装置の分野では、ピラーパターン状、密集ラインパターン状、孤立ラインパターン状等の形状が挙げられる。
【００２２】
なお、現像後、水分の除去のためにポストベークに付すことが好ましい。
【００２３】
次いで、フォトレジスト層を含む基板全面に非感光性有機膜を形成することで、非感光性有機膜で開口部が埋め込まれる。
【００２４】
非感光性有機膜は、例えば、樹脂、溶剤、架橋剤等からなる有機材料を含む溶液を回転塗布することにより形成することができる。非感光性有機膜は、フラットな基板上に塗布した場合、０．０５〜０．５μｍの厚さになる条件で、基板上に塗布することが好ましい。非感光性有機膜を塗布により形成した場合、開口部が該膜で優先的に埋め込まれ、フォトレジスト層上には非感光性有機膜がほとんど形成されない。
【００２５】
この後、非感光性有機膜をベークに付すことが好ましい。ベーク温度及び時間は、フォトレジスト層中に残存する感光材が昇華等により飛散してしまわない温度及び時間、非感光性有機膜が十分に熱硬化又は架橋する温度及び時間、フォトレジスト層及び非感光性有機膜を構成する樹脂が互いに熱移動しない温度及び時間であれば、特に限定されない。即ち、フォトレジスト層と非感光性有機膜を構成する樹脂が溶融しあわない温度及び時間であれば、適宜条件を設定することができる。
【００２６】
次に、フォトレジスト層上の非感光性有機膜をフォトレジスト層が露出するまで全面エッチバックする。このエッチバックは、例えば酸素プラズマを使用して行うことができる。また、エッチバックにより、開口部のフォトレジスト層が３割程度深さ方向に減少する。
【００２７】
この後、フォトレジスト層全面を露光及び現像してフォトレジスト層を除去することで、所望するパターンの非感光性有機膜を得ることができる。この露光及び現像の条件は、開口部形成時の条件と同じ条件を採用することができる。
【００２８】
次に、本発明の第２の形成方法を説明する。
【００２９】
第２の形成方法は、第１のフォトレジスト層に形成された開口部に埋め込まれる樹脂層（第２のフォトレジスト層）を、非感光性有機膜に替えて、感光性の樹脂層（公知のフォトレジスト層）を使用したこと以外は、基本的に第１の形成方法と同じである。但し、第２のフォトレジスト層が、２回目の露光時に露光光の波長に対して吸収が大きく、露光光を透過しない樹脂からなることが好ましい。
【００３０】
例えば、ｉ線リソグラフィープロセスで主流のノボラック樹脂をベース樹脂として含むフォトレジストは、ＫｒＦエキシマレーザーからの光（波長λ＝２４８ｎｍ）に対して吸収が大きく、５％程度しか入射光を透過しない。
【００３１】
一方、ＫｒＦエキシマレーザー用のポリヒドロキシスチレン（ＰＨＳ樹脂）をベース樹脂として含むフォトレジストは、ＡｒＦエキシマレーザーからの光（波長λ＝１９３ｎｍ）に対して吸収が大きく、入射光をほとんど透過しない。
【００３２】
つまり、フォトレジストを現像してもパターンが形成されないように露光光の波長を調節することにより、露光してもフォトレジスト層の内部を大幅に露光不足状態とすることができる。つまり、第２のフォトレジスト層は反射防止膜としての機能も有する。
【００３３】
より具体的には、開口部に埋め込まれる第２のフォトレジスト層は、全く非感光性樹脂膜でなくても、露光光の波長が２４８ｎｍの場合、ノボラック樹脂をベース樹脂として含むｉ線用のフォトレジスト層であってもよい。同様に、露光光の波長が１９３ｎｍの場合、ポリヒドロキシスチレンをベース樹脂として含むＫｒＦエキシマレーザー用のフォトレジスト層であってもよい。
【００３４】
なお、第２のフォトレジスト層は、回転塗布法により形成し、その後ベーク処理することが好ましい。ベーク処理の温度及び時間は、第１のフォトレジスト層と第２のフォトレジスト層を構成する樹脂が互いに溶融しあわない温度及び時間に適宜設定することが望ましい。
【００３５】
【実施例】
以下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００３６】
本発明の実施例を図１（ａ）〜（ｆ）を用いて説明する。
まず、図１（ａ）に示すように、半導体基板２１上に約１．０μｍのポジ型のフォトレジスト層２２を、フォトレジスト材（ＰＦＩ−３８Ａ９；住友化学社製）を用いて２５００ｒｐｍで回転塗布し、９０℃で６０秒プリベークすることにより形成した。
【００３７】
次に、図１（ｂ）に示すように、形成を所望するピラーパターンの部位に開口を有する反転マスクとしてのクロム遮へい板付きガラスマスク２４を用いて、ｉ線（波長３６５ｎｍ）で、縮小投影型露光装置（ステッパ）にて露光した。
【００３８】
次いで、露光後、ベーク（ＰＥＢ）を１００℃で６０秒行い、アルカリ水溶液（ＮＭＤ−Ｗ；東京応化工業社製）により現像を行った。これにより、ピラーパターンの形成を所望する箇所に、開口部２５を形成することができた（図１（ｃ）参照）。この後、フォトレジスト層２２に残留する水分を除去するために、１１０℃で６０秒間ポストベークを行った。ここで、開口部２５は、形成を所望するピラーパターンよりも深い焦点深度を有していた。更に、開口部２５はテーパーが小さい（即ち、矩形に近い）良好な形状であった。
【００３９】
次に、図１（ｄ）に示すように、フォトレジスト層２２を含む半導体基板２１の全面に非感光性有機膜２６を、フラットな基板上で約０．２μｍの厚さになる条件で、１５００ｒｐｍで回転塗布することにより形成した。非感光性有機膜の形成材料は、反射防止膜を形成しうるＸＨＲＩ−１１（Brewer Science社製）を使用した。ここで、開口部は０．９μｍ程度以上の高段差となっているため、非感光性有機膜の形成材料は、開口部にほとんど流れ込み、フォトレジスト層上には非感光性有機膜がほとんど形成されなかった。具体的には、非感光性有機膜は、開口部２５内に、厚さ０．７μｍ程度形成され、フォトレジスト層２２上に、厚さ０．０２μｍ程度形成された。この後、１００℃で６０秒間ベークを行った。
【００４０】
次に、図１（ｅ）に示すように、酸素プラズマを用いてフォトレジスト層２２上の非感光性有機膜をフォトレジスト層２２が露出するまで全面エッチバックした。このエッチバックにより開口部内の非感光性有機膜は厚さが０．６μｍ程度に減少した。
【００４１】
次いで、マスクを用いずに、フォトレジスト層２２をｉ線（波長３６５ｎｍ）で、縮小投影型露光装置（ステッパ）にて全面露光した。更にアルカリ水溶液で現像することで、フォトレジスト層２２は全て溶解除去され、図１（ｆ）に示すように残存する非感光性有機膜２６によるピラーパターン２３を形成することができた。
【００４２】
以上の実施例によれば、通常コンタクトホールをフォトリソグラフィ技術により形成することで得られるまで改善された焦点深度を有し、かつ良好な形状のピラーパターンを形成することできた。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、従来フォトレジストのみで形成していたパターンを、露光光の波長に対して非感光性有機膜に置き換えることで、従来よりも更に微細でアスペクト比が高く、十分な焦点深度を有し、良好な形状のパターンを形成することができる。このパターンを、エッチングマスク、注入阻止マスク等として使用すれば、マスクとしての精度が高いことから、高精度な半導体装置の形成が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のパターンの形成方法の概略工程断面図である。
【図２】従来のパターンの形成方法の概略工程断面図である。
【図３】従来のパターンの形成方法の概略工程断面図である。
【図４】従来のパターン形成方法の問題点を示す図である。
【符号の説明】
１、１１、２１  半導体基板
２、２２  フォトレジスト層
３、２４  マスク
４  パターン
１２、２３  ピラーパターン
１３  ネガレジスト層
１４  ホールパターン
２５  開口部
２６  非感光性有機膜
【図１】
0003874989.tif 000003
【図２】
0003874989.tif 000004
【図３】
0003874989.tif 000005
【図４】
0003874989.tif 000006