(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の最上層へのネガフォトレジスト層の全面的な（grossflaechiges）形成と、ネガフォトレジスト層のパターンを焼き付けるためのネガフォトレジスト層の部分的な感光と、前記ネガフォトレジスト層の感光されていない領域を除去するためのネガフォトレジスト層の現像という工程を有する半導体基板のフォトレジスト層のパターン化方法であって、
半導体基板の最上層との界面領域にあるパターン化されたネガフォトレジスト層は、前記界面領域のみが溶解し、その下に位置している層と界面で溶着されるように、ネガフォトレジストの少なくとも一構成部分の溶解温度より高い温度で短時間加熱されることを特徴とする半導体基板のフォトレジスト層のパターン化方法。
【請求項２】
半導体基板の最上層へのポジフォトレジスト層の全面的な形成と、ポジフォトレジスト層のパターンを焼き付けるためのポジフォトレジスト層の部分的な感光と、前記ポジフォトレジスト層の感光されている領域を除去するためのポジフォトレジスト層の現像という工程を有する半導体基板のフォトレジスト層のパターン化方法であって、
半導体基板の最上層との界面領域にあるパターン化されたポジフォトレジスト層は、前記界面領域のみが溶解し、その下に位置している層と界面で溶着されるように、ポジフォトレジストの少なくとも一構成部分の溶解温度より高い温度で短時間加熱されることを特徴とする半導体基板のフォトレジスト層のパターン化方法。
【請求項３】
上記フォトレジスト層が加熱される温度は、フォトレジストの少なくとも一構成部分の溶解温度より約０．１℃高いことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体基板のフォトレジスト層のパターン化方法。
【請求項４】
加熱工程の後、フォトレジスト層を即時に硬化させるために、冷却工程が行われることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体基板のフォトレジスト層のパターン化方法。
【請求項５】
半導体基板が、最上層として、基本的には、フォトレジストの溶解温度に相当する溶解温度を有する構成部分を含む層を備え、
その結果、界面のフォトレジストレジスト層を加熱すると、フォトレジスト層と、この領域のその下に位置する層との間に、溶解が生じることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体基板のフォトレジスト層のパターン化方法。
【請求項６】
半導体基板にネガフォトレジスト層を形成する工程と、前記ネガフォトレジスト層にパターンを焼き付けるための感光処理工程と、前記ネガフォトレジスト層の非感光領域を除去するための現像処理工程とを有する半導体基板のフォトレジスト層のパターン化方法において、
前記ネガフォトレジスト層を構成する一構成部分の溶解温度より高い温度になるように、短期的に、前記ネガフォトレジスト層を加熱し、半導体基板との界面領域のみを溶解する加熱工程を有することを特徴とする半導体基板のフォトレジスト層のパターン化方法。
【請求項７】
半導体基板にポジフォトレジスト層を形成する工程と、前記ポジフォトレジスト層にパターンを焼き付けるための感光処理工程と、前記ポジフォトレジスト層の感光領域を除去するための現像処理工程とを有する半導体基板のフォトレジスト層のパターン化方法において、
前記ポジフォトレジスト層を構成する一構成部分の溶解温度より高い温度になるように、短期的に、前記ポジフォトレジスト層を加熱し、半導体基板との界面領域のみを溶解する加熱工程を有することを特徴とする半導体基板のフォトレジスト層のパターン化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板のフォトレジスト層をパターン化する方法、ならびにこの様な方法に使用するためのフォトレジストに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体基板に位置する集積回路は、一般に、平坦化技術によって製造される。平坦化技術では、リソグラフィー方法を使用することによって、半導体基板の局部的な加工が行われる。フォトリソグラフィー方法では、まず、薄い感光性のフィルム、いわゆるフォトレジスト層が半導体基板に析出される。このフォトレジスト層に、半導体基板に製造されるべきパターンを有している適切なマスクを通して、光が照射される。あるいは、フォトレジスト層にパターンを焼き付けるために、レントゲン放射線も使用することができる。さらに、所望するパターンを、直接フォトレジストに電子放射線を用いて形成する可能性もある。
【０００３】
パターンをフォトレジスト層に焼き付けた後、レジストは、現像され、続いて硬化される。そして、このようにフォトレジスト層に形成されたパターンは、特別なエッチング方法を用いることによって、その下に位置する半導体層に転写される。しかし、フォトレジスト層は、それ自体でも、半導体層の局部的マスキングとして、例えば、イオンインプランテーション用に使用される。
【０００４】
フォトリソグラフィーは、ポジレジスト技術とネガレジスト技術とに細分される。ポジレジスト技術の場合、感光されたフォトレジストの部分が、レジスト現像の際に溶解される。これに対比して、感光されていない領域は、マスクされたままである。このことは、ネガレジスト技術の場合、ちょうど反対となる。すなわち、感光された部分は、レジスト現像の後マスクされたままとなり、一方、現像の際に感光されていない部分が溶解される。
【０００５】
リソグラフィー技術の範囲では、集積回路の小型化が進むと、パターン幅（Strukturbreiten）を一層小さくフォトレジスト層に形成することが要求される。この際、パターン化されたフォトレジスト層を、その下に位置している半導体層をパターン化するためのエッチングマスクとして使用することは、同時に、フォトレジスト層が確実にエッチングに耐えるように、所定の最小の層の厚さを必要とする。このことは、結果として、構成部分の幅（Bauteilbreiten）がますます小さくなる場合、フォトレジストパターンの面積比率、つまり、個々のパターンの幅対高さの相関が好ましくなくなるということを伴う。さらに、このことは、その後に続くプロセス工程の際に、レジストパターンが倒れる危険性を大きくする。従って、このことから、レジストパターンを半導体層に転写する際の欠陥パターン、すなわち欠陥集積回路に繋がることがある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、レジストパターンが倒れるのを防ぐため、半導体表面にレジストをよく固着させることが必要である。半導体表面へのフォトレジストの固着を改善するために、一般には、レジストを形成する前に、いわゆるプライマー（シリコン基板の場合に典型的なのは、ＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラザン））によって、表面活性化（Oberflaechenbenetzung）が行われる。そして、シリコン基板のＨＭＤＳ表面活性化によって有機的な表面が形成される。この有機的な表面は、従来のような同様の有機フォトレジスト層に比べて、高い接触角度を形成し、このことにより、接触面は大きくなる。あるいは、プライマーとしてＨＭＤＳを使用するため、フォトレジスト層と半導体基板との間に、有機反射防止層も使用される。この有機反射防止層は、ＨＭＤＳ層と類似して、シリコン基板に、有機的な表面をもたらし、さらに、フォトレジスト層の感光の際に反射減少を保証する。しかし、このようなプライマーを使用しても、特にμｍ領域以下（Sub-μm−Bereich）のパターン幅の場合には、なおフォトレジストパターンが倒れる危険性がある。
【０００７】
従って、本発明の目的は、フォトレジストリソグラフィー方法と、この様なフォトレジストリソグラフィー方法に使用するためのフォトレジストとを提供することであり、これらによって、半導体表面への改善されたレジスト固着が保証される。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本目的は、請求項１または２による方法によって達成される。好ましい実施形態を、従属請求項に挙げる。
【０００９】
本発明の半導体基板のフォトレジスト層のパターン化方法は、上記の課題を解決するために、半導体基板の最上層へのネガフォトレジスト層の全面的な（grossflaechiges）形成と、ネガフォトレジスト層のパターンを焼き付けるための、ネガフォトレジスト層の部分的な感光と、前記ネガフォトレジスト層の感光されていない領域を除去するための、ネガフォトレジスト層の現像という工程を有する半導体基板のフォトレジスト層のパターン化方法であって、半導体基板の最上層との界面領域にあるパターン化されたネガフォトレジスト層は、その下に位置している層と界面で溶着されるように、ネガフォトレジストの少なくとも一構成部分の溶解温度より高い温度で短時間加熱されることを特徴としている。
【００１０】
また、本発明の半導体基板のフォトレジスト層のパターン化方法は、上記の課題を解決するために、半導体基板の最上層へのポジフォトレジスト層の全面的な形成と、ポジフォトレジスト層のパターンを焼き付けるための、ポジフォトレジスト層の部分的な感光と、前記ポジフォトレジスト層の感光されている領域を除去するための、ポジフォトレジスト層の現像という工程を有する半導体基板のフォトレジスト層のパターン化方法であって、半導体基板の最上層との界面領域にあるパターン化されたポジフォトレジスト層は、その下に位置している層と界面で溶着されるように、ポジフォトレジストの少なくとも一構成部分の溶解温度より高い温度で短時間加熱されることを特徴としている。
【００１１】
本発明によると、従来のリソグラフィー技術を用いてパターン化されたネガもしくはポジフォトレジスト層の場合、界面のフォトレジスト層を、その下に位置している層と溶着するために、その下に位置している層との界面領域にあるフォトレジスト層は、フォトレジスト層の少なくとも一構成部分が溶解する温度（以下、溶解温度と称す）より高い温度で、短期的に加熱される。
【００１２】
よって、本発明によるフォトレジストパターン技術を用いることにより、その土台へのフォトレジスト輪郭（Fotolacklinien）の機械的な安定化が達成される。その下に位置している層に対する、フォトレジスト層の界面において溶解し、フォトレジスト層の構成部分は、この層に融合し、この層と、界面において溶着することができる。このことから、フォトレジスト層とその下に位置している層との間の、強化された相互作用が達成される。
【００１３】
好ましい実施形態として、上記フォトレジスト層が加熱される温度は、フォトレジストの少なくとも一構成部分の溶解温度より約０．１℃高いことがより好ましい。
【００１４】
これにより、フォトレジスト層が過熱される温度は、溶解温度よりも約０．１℃だけ高い。このことから、フォトレジスト層は、界面領域においてのみ、固体状から液状への遷移するということが確実に保証される。つまり、フォトレジスト層は、一層の厚さだけ溶解し、これに対してフォトレジスト層の残留部分は、固いまま残っている。このことにより、フォトレジスト層のパターン、すなわち、感光過程で転写されるマスク柄は、変化させないようにすることができる。
【００１５】
さらに好ましい実施形態として、加熱工程の後、フォトレジスト層を即時に硬化させるために、冷却工程が行われることがより好ましい。
【００１６】
これにより、過熱工程の後に、溶解されたフォトレジスト層を即時に硬化させるさらなる冷却工程が行われる。このことにより、溶解過程によるフォトレジストパターンの変化をできる限り少なくとどめることが保証される。
【００１７】
さらに好ましい実施例として、半導体基板が、最上層として、基本的には、フォトレジストの溶解温度に相当する溶解温度を有する構成部分を含む層を備え、その結果、界面のフォトレジストレジスト層の加熱すると、フォトレジスト層と、この領域のその下に位置する層との間に、溶解が生じることがより好ましい。
【００１８】
これにより、半導体基板の最上層として、溶解温度がフォトレジストの溶解温度にほぼ相当している構成部分を有する層が備えられている。このことから、界面のフォトレジスト層だけではなく、その下に位置している層も加熱の際に溶解される。従って、これら両方の層は、界面において、相互に流れ、最良の溶着、すなわち強化されたフォトレジスト輪郭の固着が行える。
【００１９】
本発明の半導体基板のフォトレジスト層のパターン化は、上記の課題を解決するために、半導体基板にネガフォトレジスト層を形成する工程と、前記ネガフォトレジスト層にパターンを焼き付けるための感光処理工程と、前記ネガフォトレジスト層の非感光領域を除去するための現像処理工程とを有する半導体基板のフォトレジスト層のパターン化方法において、前記ネガフォトレジスト層を構成する一構成部分の溶解温度より高い温度になるように、短期的に、前記ネガフォトレジスト層を加熱する加熱工程を有することを特徴としている。
【００２０】
また、本発明の半導体基板のフォトレジスト層のパターン化方法は、上記の課題を解決するために、半導体基板にポジフォトレジスト層を形成する工程と、前記ポジフォトレジスト層にパターンを焼き付けるための感光処理工程と、前記ポジフォトレジスト層の感光領域を除去するための現像処理工程とを有する半導体基板のフォトレジスト層のパターン化方法において、前記ポジフォトレジスト層を構成する一構成部分の溶解温度より高い温度になるように、短期的に、前記ポジフォトレジスト層を加熱する加熱工程を有することを特徴としている。
【００２１】
上記の構成によれば、従来のリソグラフィー技術を用いてパターン化されたネガもしくはポジフォトレジスト層の場合、界面のフォトレジスト層を、その下に位置している層と溶着するために、その下に位置している層との界面領域にあるフォトレジスト層は、フォトレジスト層の少なくとも一構成部分（例えば、マトリックス部分）が溶解する温度（以下、溶解温度と称す）より高い温度で、短期的に加熱される。
【００２２】
なお、ここでいう、「短期的に」とは、例えば、フォトレジスト層や半導体基板の部材が溶解し過ぎて使用不能にならない時間をいう。即ち、フォトレジスト層や半導体基板の部材が溶解しすぎて、本来の機能を発揮できない状態にならない時間である。
【００２３】
よって、本発明によるフォトレジストパターン技術を用いることにより、その土台へのフォトレジスト輪郭（Fotolacklinien）の機械的な安定化が達成される。その下に位置している層に対する、フォトレジスト層の界面において溶解し、フォトレジスト層の構成部分は、この層に融合し、この層と、界面において溶着することができる。このことから、フォトレジスト層とその下に位置している層との間の、強化された相互作用が達成される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明を図に基づき詳述する。
【００２５】
図１（ａ）〜図１（ｆ）は、本発明によるネガリソグラフィー技術、図２（ａ）〜図２（ｆ）は、本発明によるポジリソグラフィー技術、および図３（ａ）・図３（ｂ）は、フォトレジスト層を溶解するための加熱装置の２つの実施形態を示す。
【００２６】
高集積回路は、従来の方法により、平坦化技術を用いて半導体基板に実施される。平坦化技術の場合、半導体基板のパターンは、一貫して、リソグラフィー技術を用いて行われる。この技術の重要な特徴は、感光されたもしくは感光されていない領域のみ適切な現像剤によって除去されるように、所望の領域が感光される、感光性のフォトレジスト層である。従って、この様に生じたレジスト柄は、その上に行われるプロセス工程、例えば、エッチングまたはイオンインプランテーションのためのマスクとして役立つ。そして、最後には、レジストマスクは、再度溶解して取り除かれる。フォトレジストの感光のために、紫外線、レントゲン放射線、ならびに加速電子およびイオンを使用できる。
【００２７】
リソグラフィーは、基本的に、ポジレジスト技術とネガレジスト技術とに細分される。ポジレジスト技術の場合、フォトレジストは、感光された部分が現像剤によって溶解され、これに対比して、感光されていない領域は、マスクされたままである。ネガレジスト技術の場合、ちょうど反対に、感光された部分は、マスクされたままであり、一方、感光されていないレジストが、現像の際に溶解される。基本的な問題は、パターンされたフォトレジスト層の安定性と機械的負荷耐性である。半導体基板にある集積回路の小型化が進むと、ますます小さなレジストパターンが必要とされ、このことは、レジストパターンが、後に続くプロセスにおいて破損するもしくは倒れるという危険性が高くなる。従って、このことから、半導体層のマスクもしくはパターンの欠陥、すなわち、欠陥集積回路に繋がることが考えられる。
【００２８】
改善されたレジスト固着を達成するために、本発明によると、この界面にあるフォトレジスト層を、その下に位置する層に対して溶着し、このことによりフォトレジスト層をその下に位置している層と接続するために、現像過程の後、その下に位置する半導体基板の層との界面領域にある、パターン化されたフォトレジスト層を、フォトレジスト層の少なくとも一構成部分が溶解する温度（以下、溶解温度と称する）より高い温度で短期的に加熱することが提案される。このことにより、パターン化されたフォトレジスト層の改善された固着が達成される。この固着によって、μｍ領域以下でのパターンの場合にも、その後に続くプロセスの際にレジストパターンが倒れるのを防ぐことができ、十分に高い安定性が達成される。
【００２９】
本発明によるリソグラフィー技術は、以下に例として示すように、ポジレジスト技術でも、ネガレジスト技術でも使用される。ここで、図１は、ネガフォトレジスト技術によってシリコン基板の表面にレジスト輪郭を生成するためのプロセス順序を図式的に示す。
【００３０】
ネガフォトレジストは、一般に、硬いマトリックス部分および感光性部分を有するポリマーからなる。マトリックス部分は、基本的には、レジストの温度特性を決定する。感光性部分は、レジストの波長領域および感度を決定する。ネガフォトレジストは、感光されていない状態で、現像溶液、好ましくは、アルカリ溶液によって、溶解されるように配置されている。感光された領域に、ネガフォトレジストの変化をもたらす感光性部分の化学反応が、感光によって引き起こされる。その結果、この領域は、現像液中でもはや溶解しない。
【００３１】
レジスト層を形成する前においては、一般に、図１（ａ）に示すような、半導体基板１の表面活性化が、いわゆるプライマー２によって行われる。シリコン基板の場合のプライマーとしては、ＨＭＤＳ（ヘキサメチルジシラザン）が通常使用される。表面活性化のためには、真空または大気圧の場合は窒素に取り囲まれているシリコン基板が、ＨＭＤＳ溶液の蒸気に晒される。その結果、シリコン表面は活性化される。あるいは、単層の強いＨＭＤＳ層の替わりに、多くの場合、有機反射防止層が、レジストを行う前に施される。さらに、この有機反射防止層は、フォトレジスト層の露光のために使用される光波が半導体表面に反射するのを防止するために作用する。従って、妨害効果は、可能な限り遮蔽される。
【００３２】
シリコン基板にある有機プライマー層もしくは有機反射防止層は、施されるべきレジストのための接触表面を縮小することによって、このことによって、固着性を削減することになるであろう自由ＯＨ-グループ（freie OH- Gruppen）が、シリコン表面に飽和されるようにする。
【００３３】
ネガフォトレジスト３が上に施された（Aufschleudern）後に、図１（ｂ）に示すように、層の安定性を改善するため、一般には、さらに熱による後加工が行われる。あるいは、半導体基板は、約１００℃の温度領域で数分乾燥される。そして、ネガフォトレジスト層３は、図１（ｃ）に示すように、フォトマスク４を用いて感光される。フォトマスク４は、半導体基板の所望のパターンの柄を、一般には、透明なキャリアにあるクロム層として有している。フォトマスク４の柄は、感光放射線（Belichtungsstrahlung）を用いて、フォトレジスト層３に焼き付けられる。この場合、感光放射線は、受光性の構成部分の化学反応を、ネガフォトレジストに引き起こす。この領域を、図１（ｄ）のフォトレジスト層３に、参照番号３１で示す。感光によって引き起こされた化学反応は、フォトレジスト層の相当する領域が、後に使用される現像溶液によって、ほとんど侵食されないようにすることが可能である。つまり、現像溶液に対して溶解しないままである。現像過程の後のネガフォトレジスト層を有する半導体基板を図１（ｅ）に示す。現像溶液は、ネガフォトレジスト層３の全ての感光されていない領域を溶解し、その結果、感光領域３１だけが残留するようにする。
【００３４】
ネガフォトレジストパターン３１の半導体基板１への固着を高めるために、フォトレジスト層の現像の後、その下に位置している固着媒体２との界面に残っているレジスト輪郭３１は短期的に、ネガフォトレジストの少なくとも一構成部分の溶解温度より高い温度まで加熱される。ネガフォトレジスト構成部分の溶解温度は、通常１４０℃から１５０℃までの領域内にある。フォトレジスト輪郭３１と土台との界面が加熱される温度は、溶解温度よりも約０．１℃高くなるように選択されることが好ましい。さらに、加熱は、数秒間だけレジスト層の界面の溶解温度を超過するように制御される。従って、溶解されたフォトレジストを急速に再硬化させるため、加熱工程の後、溶解されたフォトレジストを即時に硬化させるさらなる冷却工程が行われることが好ましい。界面の薄いレジストフィルムが、その下に位置している層に対して溶解される短い期間に、このフィルムは溶融し、その下に位置している層２に混ざり合う。このことにより、溶着層３２（図１（ｆ））が、半導体基板１の最上層２の構成部分およびフォトレジスト層３の構成部分から生じ、これら構成部分は、フォトレジストレジスト構成部分が硬化された後に、土台にレジスト輪郭の改善された固着を行う。フォトレジスト層とその下に位置する層とは、このとき、加熱工程の際に、界面のフォトレジスト層の下に位置している層の材料要素の少なくとも一部の溶解温度を超過するように、選択されていることが好ましい。このことから、改善された溶着、すなわち、再硬化後のレジスト輪郭のさらに強化された固着が行われる。
【００３５】
レジスト輪郭とその下に位置する層２との界面を加熱するには、図３（ａ）に示すように、感光、例えば赤外線の光源７１を用いることによって行うことができる。また、あるいは、しかし、図３（ｂ）に示すように、加熱板（Heizplatte）７２も使用することができる。この場合、この様に急速に加熱するために、加熱板は、その加熱限度（thermische Masse）が半導体基板１に関しては小さいままであるように選択される。このとき重要なことは、加熱が、急速、かつ、高い均一性をもって行われることである。
【００３６】
あるいは、図２（ａ）〜（ｆ）では、ポジフォトレジストを有するフォトレジスト基板２をパターン化するためのプロセス順序を示す。ポジフォトレジストは、一般に、硬いマトリックス材料、感光性の部分、および溶解剤から構成されている。マトリックス材料は、従来のようにフェノール樹脂である。感光性の部分として、例えば、ジアゾナフトキノンが使用され、溶解剤として、エチレングリコールエチルエーテルアセテートが使用される。ポジフォトレジストは、ネガフォトレジストに類似して、図２（ｂ）に示すように、プライマー層２が、備えられた半導体基板１に施される。上に施されたフォトレジスト層５が乾燥すると、これは（dieser）、アルカリ溶液の中ではほとんど溶解しない。つまりフォトレジスト層は、現像溶液によって侵食されない。マスク６は、フォトレジスト層に構成されるべき、所望のパターンを含んでおり、このマスク６を介しての感光（図２（ｃ））は、フォトレジスト５の感光性の部分を、現像溶液によって溶解することができるように、化学的に変化するように（図２（ｄ））する。従って、フォトレジスト５１の感光されていない領域だけが、現像過程の後、図２（ｅ）に示すように、残ったままである。
【００３７】
従って、このポジフォトレジスト輪郭５１は、ネガフォトレジスト輪郭と同様、熱によって加工される。この加工では、その下に位置しているプライマー層２との界面が、短い期間、ポジフォトレジストの少なくとも一構成部分の溶解温度より高い温度で加熱される。このとき、同様に、加熱温度は、通常１４０℃と１５０℃との間であるポジフォトレジストの溶解温度より約０．１℃高くなるように選択されることが好ましい。この場合、界面の加熱は、図３（ａ）に示すような光源を用いる感光、または、図３（ｂ）に示すように加熱板によって、数秒の間だけ行われる。界面の溶解によって、同様に、薄いポジフォトレジストフィルムが、その下に位置しているプライマー層と溶融して、これと溶着され、再度硬化した後、レジスト輪郭の土台に対する改善された固着を行う。
【００３８】
上記の説明、図面、請求項に開示された本発明の特徴は、１つずつでも任意の組み合わせによっても、本発明を実現するため、その様々な実施形態に意味を持っている。また、本発明は上述した実施形態に限定されるのみではなく、図面、および請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）〜図１（ｆ）は、本発明によるネガリソグラフィー技術を示す図である。
【図２】図２（ａ）〜図２（ｆ）は、本発明によるポジリソグラフィー技術を示す図である。
【図３】図３（ａ）、図３（ｂ）は、フォトレジスト層を溶解するための加熱装置の２つの実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１    半導体基板
２    プライマー
３    ネガフォトレジスト層
４    フォトマスク
５    フォトレジスト層
６    マスク
３１    感光領域
３２    溶着層
５１    ポジフォトレジスト輪郭
５２    溶着層
【図１】
0004226287.tif 000002
【図２】
0004226287.tif 000003
【図３】
0004226287.tif 000004