(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レジスト膜に対して、１ｎｍ帯〜３０ｎｍ帯の波長を持つ極紫外線を５ｍＪ／ｃｍ2以下の露光エネルギーで且つ５Ｗ以下の露光出力で選択的に照射してパターン露光を行なう工程と、
パターン露光された前記レジスト膜を現像してレジストパターンを形成する工程とを備えていることを特徴とするパターン形成方法。
【請求項２】
前記レジスト膜は、化学増幅型レジスト材料よりな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３】
前記極紫外線の波長は１３．５ｎｍ帯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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造プロセスに用いられるパターン形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路装置の大集積化及び半導体素子のダウンサイジング化に伴って、リソグラフィ技術の開発の加速が望まれている。
【０００３】
現在のところ、水銀ランプ、ＫｒＦエキシマレーザ又はＡｒＦエキシマレーザ等を露光光とする光リソグラフィによりパターン形成を行なっているが、０．１μｍ以下、特に５０ｎｍ以下の微細なパターンを形成するためには、前記の露光光よりも波長の短い極紫外線（波長帯：１ｎｍ〜３０ｎｍ）を用いることが望まれている。これは、量産性に優れた、露光光を用いるパターン形成方法を延命させることが求められているためである。
【０００４】
また、露光光として極紫外線を用いる場合には、解像度及び感度に優れる化学増幅型レジスト材料を用いることが好ましい。
【０００５】
以下、露光光として極紫外線を用いるパターン形成方法について、図５(a) 〜(d) を参照しながら説明する。
【０００６】
まず、以下の組成を有する化学増幅型レジスト材料を準備する。
【０００７】
ポリ（(２−メチル−２−アダマンチルアクリレート)−(γ−ブチロラクトンメタクリレート)）（但し、２−メチル−２−アダマンチルアクリレート：γ−ブチロラクトンメタクリレート＝６０mol%：４０mol% ）（ベースポリマー）……………………………………………………………………………………………２ｇ
トリフェニルスルフォニウムトリフレート（酸発生剤）……………０．０４ｇ
プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（溶媒）…………２０ｇ
【０００８】
次に、図５(a) に示すように、半導体基板１の上に前記の化学増幅型レジスト材料を塗布して、０．２μｍの厚さを持つレジスト膜２を形成した後、該レジスト膜２に対してプリベークを行なう。
【０００９】
次に、図５(b) に示すように、プリベークされたレジスト膜２に対して、レーザプラズマ光源から出力された、１０Ｗの露光出力及び２０ｍＪ／ｍ2 の露光エネルギーを持つ極紫外線（１３．５ｎｍ帯）３を図示しない反射型マスクを介して選択的に照射してパターン露光を行なう。
【００１０】
次に、図５(c) に示すように、パターン露光されたレジスト膜２に対して、ホットプレートを用いて１００℃の温度下で６０秒間の加熱４を行なう。このようにすると、レジスト膜２における露光部２ａは、酸発生剤から発生する酸の作用によりアルカリ性現像液に対して可溶性に変化する一方、レジスト膜２における未露光部２ｂは、酸発生剤から酸が発生しないのでアルカリ性現像液に対して難溶性のままである。
【００１１】
次に、図５(d) に示すように、レジスト膜２に対して、２．３８ｗｔ％テトラメチルアンモニウムハイドロキサイド現像液（アルカリ性現像液）を用いて現像を行なって、０．０７μｍの線幅を持つレジストパターン５を形成する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、図５(d) に示すように、得られたレジストパターン５の断面形状は劣化していた。レジストパターン５の形状が劣化すると、該レジストパターン５をマスクとして得られたパターンに不良が発生するので、半導体プロセスにおける歩留まりの低下を招く。
【００１３】
前記に鑑み、本発明は、レジスト膜に極紫外線を選択的に照射して得られるレジストパターンの形状を良好にすることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本件発明者らは、レジスト膜に極紫外線を照射してレジストパターンを形成した場合、得られるレジストパターンの形状が劣化する原因について検討を加えた結果、極紫外線を照射したときにレジスト膜の温度が急激に上昇するためであることを見出した。これは、従来のパターン形成方法においては、レジスト膜に照射される極紫外線の露光エネルギー及び露光出力が大き過ぎるためであると考えられる。
【００１５】
そこで、本件発明者らは、レジストパターンの形状が確実に劣化しないような、基板の急激な温度上昇について実験を行なった結果、基板の急激な温度上昇を１℃度程度に抑制すると、レジストパターンの形状は確実に劣化しないことが分かった。
【００１６】
次に、本件発明者らは、極紫外線の露光エネルギーと基板の急激な温度上昇との関係、及び極紫外線の露光出力と基板の急激な温度上昇との関係について、実験を行なった結果、極紫外線の露光エネルギーを５ｍＪ／ｃｍ2 以下に設定するか又は極紫外線の露光出力を５Ｗ以下に設定すると、基板の急激な温度上昇を１℃度程度に抑制できることを見出した。
【００１７】
本発明は、前記の知見に基づいてなされたものであって、具体的には、以下のパターン形成方法により実現される。
【００１８】
本発明に係る第１のパターン形成方法は、レジスト膜に対して、１ｎｍ帯〜３０ｎｍ帯の波長を持つ極紫外線を５ｍＪ／ｃｍ2 以下の露光エネルギーで選択的に照射してパターン露光を行なう工程と、パターン露光されたレジスト膜を現像してレジストパターンを形成する工程とを備えている。
【００１９】
第１のパターン形成方法によると、レジスト膜に極紫外線を５ｍＪ／ｃｍ2 以下の露光エネルギーで選択的に照射してパターン露光を行なうため、基板の急激な温度上昇を１℃程度に抑制できるので、良好な断面形状を持つレジストパターンを得ることができる。
【００２０】
本発明に係る第２のパターン形成方法は、レジスト膜に対して、１ｎｍ帯〜３０ｎｍ帯の波長を持つ極紫外線を５Ｗ以下の露光出力で選択的に照射してパターン露光を行なう工程と、パターン露光されたレジスト膜を現像してレジストパターンを形成する工程とを備えている。
【００２１】
第２のパターン形成方法によると、レジスト膜に極紫外線を５Ｗ以下の露光出力で選択的に照射してパターン露光を行なうため、基板の急激な温度上昇を１℃程度に抑制できるので、良好な断面形状を持つレジストパターンを得ることができる。
【００２２】
本発明に係る第３のパターン形成方法は、レジスト膜に対して、１ｎｍ帯〜３０ｎｍ帯の波長を持つ極紫外線を５ｍＪ／ｃｍ2 以下の露光エネルギーで且つ５Ｗ以下の露光出力で選択的に照射してパターン露光を行なう工程と、パターン露光されたレジスト膜を現像してレジストパターンを形成する工程とを備えている。
【００２３】
第３のパターン形成方法によると、レジスト膜に極紫外線を５ｍＪ／ｃｍ2 以下の露光エネルギーで且つ５Ｗ以下の露光出力で選択的に照射してパターン露光を行なうため、基板の急激な温度上昇を１℃程度に抑制できるので、良好な断面形状を持つレジストパターンを得ることができる。
【００２４】
第１〜第３のパターン形成方法において、レジスト膜は、化学増幅型レジスト材料よりなることが好ましい。
【００２５】
このように、解像度及び感度に優れる化学増幅型レジスト材料を用いると、極紫外線の露光エネルギーを５ｍＪ／ｃｍ2 以下にしたり、極紫外線の露光出力を５Ｗ以下にしても、良好なレジストパターンを得ることができる。
【００２６】
第１〜第３のパターン形成方法において、極紫外線の波長は１３．５ｎｍ帯であることが好ましい。
【００２７】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係るパターン形成方法について、図１(a) 〜(d) 及び図２を参照しながら説明する。第１の実施形態に係るパターン形成方法は、レジスト膜に対して１３．５ｎｍ帯の波長を持つ極紫外線を５ｍＪ／ｃｍ2 以下の露光エネルギーで選択的に照射してパターン露光を行なうことを特徴とする。
【００２８】
まず、以下に説明する化学増幅型レジスト材料を準備する。尚、第１の実施形態に用いる化学増幅型レジスト材料においては、従来のパターン形成方法に用いる化学増幅型レジスト材料に比べて、酸発生剤の量を５倍に増加させた。
【００２９】
ポリ（(２−メチル−２−アダマンチルアクリレート)−(γ−ブチロラクトンメタクリレート)）（但し、２−メチル−２−アダマンチルアクリレート：γ−ブチロラクトンメタクリレート＝６０mol%：４０mol%）（ベースポリマー）………………………………………………………………………………………………２ｇ
トリフェニルスルフォニウムトリフレート（酸発生剤）………………０．２ｇ
プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（溶媒）…………２０ｇ
【００３０】
次に、図１(a) に示すように、半導体基板１０の上に前記の化学増幅型レジスト材料を塗布して、０．２μｍの厚さを持つレジスト膜１１を形成した後、該レジスト膜１１に対してプリベークを行なう。
【００３１】
次に、図１(b) に示すように、プリベークされたレジスト膜１１に対して、レーザプラズマ光源から出力された、１０Ｗの露光出力及び４ｍＪ／ｍ2 の露光エネルギーを持つ極紫外線（１３．５ｎｍ帯）１２を図示しない反射型マスクを介して選択的に照射してパターン露光を行なう。
【００３２】
次に、図１(c) に示すように、パターン露光されたレジスト膜１１に対して、ホットプレートを用いて１００℃の温度下で６０秒間の加熱１３を行なう。このようにすると、レジスト膜１１の露光部１１ａは、酸発生剤から発生する酸の作用によりアルカリ性現像液に対して可溶性に変化する一方、レジスト膜１１の未露光部１１ｂは、酸発生剤から酸が発生しないのでアルカリ性現像液に対して難溶性のままである。
【００３３】
次に、図１(d) に示すように、レジスト膜１１に対して、２．３８ｗｔ％テトラメチルアンモニウムハイドロキサイド現像液（アルカリ性現像液）を用いて現像を行なって、０．０７μｍの線幅を持つレジストパターン１４を形成する。
【００３４】
図２は、極紫外線１２の露光エネルギーと、半導体基板１０の１０秒間における温度上昇（急激な温度上昇）との関係を示している。図２から極紫外線１２の露光エネルギーを５ｍＪ／ｍ2 以下に設定すると、基板の急激な温度上昇を１℃程度に抑制できることが分かる。
【００３５】
第１の実施形態によると、レジスト膜１１に対して極紫外線を５ｍＪ／ｃｍ2 以下の露光エネルギーで選択的に照射してパターン露光を行なうため、基板の急激な温度上昇を１℃程度に抑制できるので、レジストパターン１４の形状劣化を抑制して、良好な断面形状を持つレジストパターン１４を得ることができる。
【００３６】
尚、極紫外線１２の露光エネルギーの下限は、パターン露光されたレジスト膜１１に対してアルカリ性現像液を用いて現像を行なったときにレジストパターン１４が形成される程度である。換言すると、極紫外線１２の露光エネルギーは、レジストパターン１４を形成することができる限度で低い方が好ましい。
【００３７】
また、基板の急激な温度上昇については、レジスト膜１１の厚さにも関係するが、レジスト膜１１の厚さが通常の厚さ（０．２μｍ）である場合に、極紫外線１２の露光エネルギーが５ｍＪ／ｍ2 以下であると、基板の急激な温度上昇を１℃程度に抑制することができる。
【００３８】
ところで、極紫外線（１３．５ｎｍ帯）のエネルギーを５ｍＪ／ｍ2 以下に設定する場合には、従来に比べて、化学増幅型レジスト材料の感度を高くする必要がある。
【００３９】
化学増幅型レジスト材料の感度を高くする方法としては、前述のように、化学増幅型レジスト材料に含まれる酸発生剤の量を例えば５倍に増量したり、以下に説明するように、感度の高い化学増幅型レジスト材料を用いたり、化学増幅型レジスト材料に含まれる酸発生剤の酸強度を強くしたり、ベースポリマーを構成する保護基として酸により脱離し易いものを用いたりすればよい。
【００４０】
(1) 以下、感度の高い化学増幅型レジスト材料の例を挙げる。
(a) フェノール系ポリマーを含む化学増幅型レジスト材料の例
ポリ（(１−エトキシエトキシスチレン)−(ビニールフェノール)）（但し、(１−エトキシエトキシスチレン)：(ビニールフェノール)＝３５mol%：６５mol%）（ベースポリマー）………………………………………………………………２ｇ
１，４−ジフェニルジアゾジスルフォン（酸発生剤）………………０．１６ｇ
プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（溶媒）…………２０ｇ
【００４１】
(b) シクロオレフィン系ポリマーを含む化学増幅型レジスト材料の例
ポリ（(５−ｔ−ブチルノルボルネンカルボキシレート)−(無水マレイン酸)）（但し、(５−ｔ−ブチルノルボルネンカルボキシレート)：(無水マレイン酸)＝５０mol%：５０mol%）（ベースポリマー）………………………………………２ｇ
トリフェニルスルフォニウムノナフルオロブタンスルフォン酸（酸発生剤）……………………………………………………………………………………０．２２ｇ
プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（溶媒）…………２０ｇ
【００４２】
(2) 以下、酸強度の強い酸発生剤の例を挙げる。
○  トリフェニルスルフォニウムトリフルオロメタンスルフォン酸
○  トリフェニルスルフォニウムノナフルオロブタンスルフォン酸
○  ベンゼンイミノトリフルオロメタンスルフォン酸
○  ナフタレンイミノトリフルオロメタンスルフォン酸
○  フタルイミノトリフルオロメタンスルフォン酸
○  ベンゼンイミノノナフルオロブタンスルフォン酸
○  ナフタレンイミノノナフルオロブタンスルフォン酸
○  フタルイミノノナフルオロブタンスルフォン酸
【００４３】
(3) 以下、酸により脱離し易い保護基の例を挙げる。
○  １−エトキシエチル基
○  １−メトキシエチル基
○  １−ベンジルオキシエチル基
○  １−フェノキシエチル基
○  トリメチルシリル基
【００４４】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係るパターン形成方法について、図３(a) 〜(d) 及び図４を参照しながら説明する。第２の実施形態に係るパターン形成方法は、レジスト膜に対して１３．５ｎｍ帯の波長を持つ極紫外線を５Ｗ以下の露光出力で選択的に照射してパターン露光を行なうことを特徴とする。
【００４５】
まず、以下に説明する化学増幅型レジスト材料を準備する。尚、第２の実施形態に用いる化学増幅型レジスト材料は、従来のパターン形成方法に用いる化学増幅型レジスト材料と同じである。
【００４６】
ポリ（(２−メチル−２−アダマンチルアクリレート)−(γ−ブチロラクトンメタクリレート)）（但し、２−メチル−２−アダマンチルアクリレート：γ−ブチロラクトンメタクリレート＝６０mol%：４０mol%）（ベースポリマー）………………………………………………………………………………………………２ｇ
トリフェニルスルフォニウムトリフレート（酸発生剤）……………０．０４ｇ
プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（溶媒）…………２０ｇ
【００４７】
次に、図３(a) に示すように、半導体基板２０の上に前記の化学増幅型レジスト材料を塗布して、０．２μｍの厚さを持つレジスト膜２１を形成した後、該レジスト膜２１に対してプリベークを行なう。
【００４８】
次に、図３(b) に示すように、プリベークされたレジスト膜２１に対して、レーザプラズマ光源から出力された４Ｗの露光出力を持つ極紫外線（１３．５ｎｍ帯）２２を図示しない反射型マスクを介して選択的に照射してパターン露光を行なう。
【００４９】
次に、図３(c) に示すように、パターン露光されたレジスト膜２１に対して、ホットプレートを用いて１００℃の温度下で６０秒間の加熱２３を行なう。このようにすると、レジスト膜２１の露光部２１ａは、酸発生剤から発生する酸の作用によりアルカリ性現像液に対して可溶性に変化する一方、レジスト膜２１の未露光部２１ｂは、酸発生剤から酸が発生しないのでアルカリ性現像液に対して難溶性のままである。
【００５０】
次に、図３(d) に示すように、レジスト膜２１に対して、２．３８ｗｔ％テトラメチルアンモニウムハイドロキサイド現像液（アルカリ性現像液）を用いて現像を行なって、０．０７μｍの線幅を持つレジストパターン２４を形成する。
【００５１】
図４は、極紫外線２２の露光出力と、半導体基板１０の１０秒間における温度上昇（急激な温度上昇）との関係を示しており、図４から極紫外線２２の露光出力を５Ｗ以下に設定すると、基板の急激な温度上昇を１℃程度に抑制できることが分かる。
【００５２】
第２の実施形態によると、レジスト膜２１に対して極紫外線を５Ｗ以下の露光出力で選択的に照射してパターン露光を行なうため、基板の急激な温度上昇を１℃程度に抑制できるので、レジストパターン２４の形状劣化を抑制して、良好な断面形状を持つレジストパターン２４を得ることができる。
【００５３】
尚、極紫外線２２の露光出力の下限は、パターン露光されたレジスト膜２１に対してアルカリ性現像液を用いて現像を行なったときにレジストパターン２４が形成される程度である。換言すると、極紫外線２２の露光出力は、レジストパターン２４を形成することができる限度で小さい方が好ましい。
【００５４】
また、基板の急激な温度上昇については、レジスト膜２１の厚さにも関係するが、レジスト膜２１の厚さが通常の厚さ（０．２μｍ）である場合に、極紫外線２２の露光出力が５Ｗ以下であると、基板の急激な温度上昇を１℃程度に抑制することができる。
【００５５】
尚、第２の実施形態においては、従来と同じ化学増幅型レジスト材料を用いたが、これに代えて、第１の実施形態において例を挙げた化学増幅型レジスト材料を用いてもよい。
【００５６】
また、第１の実施形態においては、レジスト膜に極紫外線を５ｍＪ／ｃｍ2 以下の露光エネルギーで照射し、第２の実施形態においては、レジスト膜に極紫外線を５Ｗ以下の露光出力で照射したが、レジスト膜に対して極紫外線を、５ｍＪ／ｃｍ2 以下の露光エネルギーで且つ５Ｗ以下の露光出力で照射してもよいのは当然である。
【００５７】
【発明の効果】
本発明に係る第１〜第３のパターン形成方法によると、基板の急激な温度上昇を１℃程度に抑制できるので、良好な断面形状を持つレジストパターンを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  (a) 〜(d) は、第１の実施形態に係るパターン形成方法の各工程を示す断面図である。
【図２】極紫外線の露光エネルギーと、基板の急激な温度上昇との関係を示す特性図である。
【図３】  (a) 〜(d) は、第２の実施形態に係るパターン形成方法の各工程を示す断面図である。
【図４】極紫外線の露光出力と、基板の急激な温度上昇との関係を示す特性図である。
【図５】  (a) 〜(d) は、従来のパターン形成方法の各工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１０  半導体基板
１１  レジスト膜
１１ａ  露光部
１１ｂ  未露光部
１２  極紫外線
１３  加熱
１４  レジストパターン
２０  半導体基板
２１  レジスト膜
２１ａ  露光部
２１ｂ  未露光部
２２  極紫外線
２３  加熱
２４  レジストパターン
【図１】
0003734756.tif 000002
【図２】
0003734756.tif 000003
【図３】
0003734756.tif 000004
【図４】
0003734756.tif 000005
【図５】
0003734756.tif 000006