JP2692241B2 - レジストパターンの形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明はレジストパターンの形成方法に関するもの
であり、特に、半導体素子などの作製において採用され
る、微細レジストパターンの形成方法に関するものであ
る。

［従来の技術］ 半導体素子の集積度の向上とともにパターンの微細化
も進んでいる。そこでは、依然として、光を光源とした
光リソグラフィが使用されている。そして、現在ではそ
の解像性と優れたアライメント精度を備えた縮小投影露
光法が主に採用されている。ところで、光リソグラフィ
において、１層レジスト法にて微細レジストパターンを
形成する場合、解決しなければならない課題がいくつか
ある。それは、膜内多重反射効果、バルク効果、ノッチ
ング効果および定在波効果の抑制である。以下、これら
の内容を簡単に説明する。

膜内多重反射効果およびバルク効果 デバイスの集積化が高まるに従い、パターンの微細化
が進むとともに、デバイス構造の多層化が進んできてい
る。このような場合に、上述の膜内多重反射効果および
バルク効果が問題となる。

第３図、第４図、第５図および第６図は、これらの効
果を説明するための図である。第３図は段差を有する基
板上にレジトを塗布したときの基板の断面図である。第
４図は段差を有する基板上にレジストを塗布して、光リ
ソグラフィを行ないレジストパターンを形成したとき
の、レジストパターン寸法とレジスト膜厚との関係図で
ある。第５図は、段差を有する基板上に塗布されたレジ
ストに向けて光を照射したときの様子を示した、基板の
断面図である。第６図は、レジストパターン寸法とレジ
スト膜厚との関係図より、膜内多重反射効果とバルク効
果を定量する方法を示した図である。

さて、第３図を参照して、多層構造を備えた半導体装
置においては、基板１に大きな段差1aが生じる場合があ
る。写真製版工程においては、このような段差1a上で
も、マスク寸法通りに微細パターンを形成することが要
求される。しかし、こうした段差1a上でレジスト２を塗
布すると、図のように、段差1aの上部と下部でレジスト
の膜厚（t₁、t₂）が変化し、また、これに伴い、第４図
に示すように、レジストパターン寸法（線幅寸法）が変
動する。レジスト膜厚の変動に伴う、レジストパターン
寸法の変動を引き起こす要因として、上述の膜内多重反
射効果とバルク効果が挙げられる。膜内多重反射効果
は、第５図に示すように、照射された光３と下地の基板
１からの反射光との干渉によってレジスト膜中に吸収さ
れるエネルギーがレジストの膜厚に対し周期的に変化し
て生じるもので、その寄与分が第６図中の振幅（Ａ）に
相当し、レジスト膜厚の変動による周期的なレジストパ
ターン寸法の変動となって現れる。一方、バルク効果
は、基板１の段差によるレジスト膜厚の局所的変動によ
るパターン寸法の変化であり、第６図中の傾き（Ｂ）に
相当する。これは、レジスト２の吸光性や溶解性などの
材料そのものが持つ特性によるものと考えられている。

ノッチング効果 第７図はノッチング効果を説明するための図であり、
基板の断面図で表わされている。第７図を参照して、段
差を含む基板１上にレジスト２を塗布し、マスク４を用
いて光３を照射する。すると、基板１の段差の側壁から
の散乱光がレジスト２を局所的に過剰に露光する現象が
起こり、図のようにパターン２′の寸法の細りが生じ
る。この現象をノッチング効果という。

定在波効果 第８図は、定在波効果を説明するための図であり、基
板の断面図で表わされている。第８図を参照して、レジ
スト２にマスク４を用いて光を照射すると、レジスト２
の厚さ方向に周期的な光強度の分布が生じ、現像後のレ
ジストパターン２′の断面形状にそれに対応した波打ち
が生じる。この現象を定在波効果という。これは、マス
ク４を通ってきた入射波3aと基板１から反射される反射
波3bとの干渉作用によって生じるものである。

以上説明した膜内多重反射効果、バルク効果、ノッチ
ング効果および定在波効果は、１層レジスト法において
見られるもので、レジストパターンの寸法の変動や解像
不良の原因となるから、その解決のために、従来より、
多層レジスト法、ARC法、ARCOR法などが提案されてい
る。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、多層レジスト法は、レジスト層を２層
または３層形成し、その後パターン転写を行なってマス
クとなるレジストパターンを形成するため、工程数が多
く、スループットが低いという問題点があった。ARC法
は反射防止膜を用いる方法であり、レジスト下部に形成
した反射防止膜を現像によりウェットエッチングするた
め、サイドエッチ量が多く、寸法精度の低下が大きいと
いう問題点があった。また、ARCOR法とは、レジスト膜
の上に１層および多層の干渉型反射防止膜を塗布して、
レジスト膜中での多重反射を抑える方法であるが、やは
り工程数の増加、使用材料が増加するという問題点があ
った。なお、ARC法は、特開昭59−93448号に、ARCOR法
は特開昭62−62520号に記載されている。

また、１層レジスト法において生じる上述の問題点の
うち１つである定在波効果を抑制して、レジストパター
ンの断面形状をスムーズ化し、かつ現像後の残渣不良を
なくす方法として、従来から露光後現像前ベーク（Post
Exposure Bake）法が知られている。この方法はIEEE T
ransactions on Electron Devices,Vol.ED−22,No.7,Ju
ly 1975の464頁〜466頁に記載されている。この方法
は、露光後、現像前において、もう一度レジストをベー
キングするという方法である。この方法は１工程が増加
するだけで、なおかつ連続処理が可能であるという優れ
た方法であるが、SPIE Preceding Vol.469 Advances in
Resiot Technology（1984）の65頁〜71頁にも記載され
ているように、以下の欠点を有していた。すなわち、こ
の方法においては、マスク寸法通りのレジストパターン
寸法を得るのに要する露光量（E₀）が増大し、レジスト
の種類によっては、未露光部の膜減りが生じる。

また、この方法においては、定在波効果（すなわち、
レジストパターンの断面形状の波打ちが生じる効果）を
抑制することはできるが、１層レジスト法において生じ
る他の問題点（すなわち、膜内多重反射効果、バルク効
果およびノッチング効果）を解決することはほとんどで
きなかった。

それゆえに、この発明は、従来の現像後前ベーク法の
欠点を補うことのできる、レジストパターン形成方法を
提供することにある。

この発明の他の目的は、感度の低下、膜減りの増大な
しに、上記定在波効果を抑制することのできるレジスト
パターン形成方法を提供することにある。

この発明のさらに他の目的は、上記定在波効果の抑制
のみならず、バルク効果を大幅に減少させ、膜内多重反
射効果を抑制し、さらに解像力、焦点深度をも改善する
方法を得ることにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明者等は、従来の露光後現像前ベーク法のメカニ
ズム、および上記従来１層レジスト法の欠点（バルク効
果、膜内多重反射効果、ノッチング効果、定在波効果に
よるパターン寸法の変動）の発生機構を詳細に検討して
きた。その結果、従来の露光後現像前ベーク法（この方
法により、定在波効果が抑制される）を採用しつつ、１
層レジスト法の持つその他の問題点（膜内多重反射効
果、バルク効果、ノッチング効果）を解決するために
は、そこで用いられるポジ型フォトレジストの材料組成
を上記膜内多重反射効果、バルク効果、ノッチング効果
の抑制が行なわれるように、最適化することが最も効果
的であることを見い出し、本発明を完成させるに至っ
た。

すなわち、本発明に係るレジストパターンの形成方法
は、基板を準備する第１の工程と、前記基板上にキノン
ジアジド系感光剤とアルカリ可溶性ノボラック樹脂とを
含むポジ型フォトレジスト材料を塗布する第２の工程
と、前記キノンジアジド系感光剤はヒドロキシベンゾフ
ェノンのナフトキノンジアジドスルホン酸によるエステ
ル化物であり、前記ヒドロキシベンゾフェノンはベンゾ
フェノン１個あたり４個以上の水酸基を有し、平均して
その水酸基の75％以上が前記ナフトキノンジアジドスル
ホン酸によってエステル化されており、前記ポジ型フォ
トレジスト材料1grあたりの前記ナフトキノンジアジド
スルホン酸のmgr当量は0.7以上にされており、前記塗布
されたポジ型フォトレジストの膜を第１の温度で加熱す
る第３の工程と、前記第１の温度で加熱された前記ポジ
型フォトレジストの膜に選択的に光を照射する第４の工
程と、前記選択的に光を照射されたポジ型フォトレジス
トの膜を前記第１の温度よりも高い第２の温度で加熱す
る第５の工程と、前記第２の温度で加熱された前記ポジ
型フォトレジストの膜を現像して前記基板上にレジスト
パターンを形成する第６の工程とを含み、前記第５の工
程において前記ポジ型フォトレジストの膜内の前記キノ
ンジアジド系感光剤を熱拡散することを特徴としてい
る。

本発明において、レジスト膜の加熱温度は、レジスト
に使われる溶媒の種類にも依存し、特に限定的でない
が、一般に、上記第１の温度は90℃以下の温度であり、
上記第２の温度は100℃以上の温度であるのが好適であ
る。

本発明で用い得る光は、キノンジアジド系感光剤が感
光する波長を有する光であれば特に制限されずに用いら
れ、一般には、180〜450nmの波長範囲内の光である。と
りわけ、ｉ線（365nm）、Xe−Clエキシマレーザ光（308
nm）、KrFエキシマレーザ光（248nm）、ArFエシキマレ
ーザ光（193nm）が好ましく用いられる。

本発明で用い得るヒドロキシベンゾフェノンは、ベン
ゾフェノン１個あたり４個以上の水酸基を有するもので
あれば、特に制限されずに用いられ、最も一般的に用い
られるものは2,3,4,4′−テトラヒドロキシベンゾフェ
ノンである。また、ナフトキノンジアジドスルホン酸と
しては、1,2ナフトキノンジアジド−５−スルホン酸が
好ましく用いられる。そして、上記2,3,4,4′−テトラ
ヒドロキシベンゾフェノンの水酸基の平均して75％が上
記1,2ナフトキノンジアジド−５−スルホン酸によって
エステル化されており、上記ポジ型フォトレジスト材料
1grあたりの上記1,2ナフトキノンジアジド−５スルホン
酸のmgr当量が0.8のものが最も好ましく用いられる。

アルカリ可溶性ノボラック樹脂の組成については特に
限定しないが、ｍ−クレゾールとｐ−クレゾールで形成
されたノボラック樹脂は最も一般的に用いられる。この
ｍ−クレゾールとｐ−クレゾールを主成分としたノボラ
ック樹脂のうち、重量平均分子量が5,000前後のものが
とりわけ好ましく用いられるが、この発明はこの分子量
のものに限定されない。

［作用］ 本発明において、ポジ型フォトレジストの材料組成を
上述のように構成することによって、どうして膜内多重
反射効果、バルク効果、ノッチング効果および定在波効
果のいずれもが抑制されるのか、その作用機構自体はま
だ十分には解明されていない。しかしながら、上記組成
を有するポジ型フォトレジスト材料を選んで用い、露光
後現像前ベーク法を行なうことによって、未露光感光剤
が上記膜内多重反射効果、バルク効果、ノッチング効果
および定在波効果を抑制し得るように理想的に拡散さ
れ、それによって、現像時における露光部・未露光部の
レジストの厚さ方向の溶解スピード特性が変動したもの
と推定される。

［実施例］ 以下、この発明の実施例を図について説明する。

第1A図〜第1E図は、本発明の一実施例の工程を、基板
の断面図で示したものである。

第1A図を参照して、シリコン基板１上に、ｍ−クレゾ
ールとｐ−クレゾールで形成される平均分子量約5000の
ノボラック樹脂とナフトキノンジアジド系感光剤とから
なるポジ型フォトレジストを回転塗布し、該シリコン基
板１上に約1.16μｍ厚さのレジスト膜２を形成した。こ
こで、ナフトキノンジアジド系感光剤として、2,3,4,
4′−テトラヒドロキシベンゾフェノンの平均して75％
の水酸基が1,2−ナフトキノンジアジド−５−スルホン
酸でエステル化された構造を有し、ポジ型フォトレジス
ト材料（＝ノボラック樹脂＋キノンジアジド系感光剤）
1grあたりの上記ナフトキノンジアジド−５−スルホン
酸のmgr当量が0.8であるものを使用した。

なお、ポジ型フォトレジスト材料（＝ノボラック樹脂
＋キノンジアジド系感光剤）1grあたりのナフトキノン
ジアジド−５−スルホン酸のmgr当量は、ナフトキノン
ジアジド基のミリグラム当量をレジスト固型分（感光剤
＋ノボラック樹脂）のグラム数で割ったものである。

次に、第1B図を参照して、ポジ型フォトレジスト材料
２が塗布されたシリコン基板１を、ホットプレート５上
に置き、80℃で60秒間、大気中でプリベークした。この
プリベークによって、ポジ型フォトレジスト材料中の溶
媒の一部が揮発される。

その後、この試料をNA−0.42のレンズを搭載した縮小
投影露光装置内に導入し、第1C図に示すように、波長43
6nmのｇ線光６を用いて当該試料を選択的に露光した。

次に、第1D図を参照して、ホットプレート５上に、露
光後の試料を載せ、120℃で60秒間、大気中で露光後現
像前ベークを行なった。なお、比較用サンプルとして、
露光後現像前ベークを行なわなかったものも用意した。

次に、第1E図を参照して、テトラメチルアンモニウム
ハイドロオキサイドの2.38％のアルカリ水溶液で現像し
て、シリコン基板１上にレジストパターン２′を形成し
た。このとき、大面積露光部における、レジストの現像
後の残膜厚が０になるのに要する露光量（E_TH）は、露
光後現像前ベークがない場合が100mJ/cm²であったのに
対し、露光後現像前ベークをした場合85mJ/cm²となり、
感度が上昇していることがわかった。また、マスク寸法
通りにレジストパターン寸法が仕上る露光量（E₀）は、
露光後現像前ベークがあってもなくても、150mJ/cm²で
あり、感度の低下は認められなかった。レジストパター
ンの断面形状も、露光後現像前ベークをすると波打ち形
状がなくなり、スムーズでシャープな形状になった。解
像が困難なスペースパターンの解像能力は、露光後現像
前ベークがない場合が0.7μｍであるのに対し、露光後
現像前ベークがあると0.6μｍとなり、露光後現像前ベ
ークによって解像能力は改善された。また、焦点深度
も、露光後現像前ベークを行なうと、露光後現像前ベー
クを行なわない場合に比べて、約50％向上した。

第２図は、レジスト膜厚とパターン寸法との関係図で
ある。第２図を参照して、バルク効果によるレジストパ
ターン寸法の変化量（Ａ）と膜内多重反射効果によるレ
ジストパターン寸法の変化量（Ｂ）とを、１μｍパター
ンについて評価した。その結果、レジスト膜厚が0.5μ
ｍ変化したときのＡの値は、露光後現像前ベークを行な
わないときには0.16μｍであったが、露光後現像前ベー
クを行なうことによって0.05μｍとなり、露光後現像前
ベークによってバルク効果は大幅に改善された。さら
に、Ｂの値は露光後現像前ベークを行なわないときには
0.19μｍであったが、露光後現像前ベークを行なうこと
によって、0.15μｍとなり、露光後現像前ベークによっ
て膜内多重反射効果が抑制された。

以上のパターン形成特性の改善の度合は、露光後現像
前ベーク法を採用した従来の１層レジスト法では得られ
なかった大幅な改善である。

比較例 次に、上述したような材料組成を有しないポジ型フォ
トレジストを用いて、同様の実験を行なった。レジスト
としてはMPS1400（シップレー社製品名）を用いた。こ
のレジストの感光剤の構造は、ベンゾフェノン１個あた
りの水酸基の数が３個で、平均してその67％がナフトキ
ノンジアジドスルホン酸でエステル化されている構造を
有し、レジスト材料1grあたりのナフトキノンジアジド
スルホン酸のmgr当量は約0.58前後である。このレジス
トを用いて、実施例と同一条件下で、基板上に微細レジ
ストパターンを形成した。すなわち、第1A図〜第1E図を
参照して、塗布→プリベーク→露光→露光後現像前ベー
ク→現像の工程を経て基板上に微細レジストパターンを
形成した。その結果、マスクパターン寸法通りにレジス
トパターンが仕上がる露光量（E₀）は、露光後現像前ベ
ークを行なわなかった場合は98mJ/cm²で、露光後現像前
ベークを行なうと120mJ/cm²となり、露光後現像前ベー
クによって、約20％も感度低下が生じた。また、解像が
困難なスペースパターンの解像能力は露光後現像前ベー
クの有無にかかわらず、0.7μｍで、改善は認められな
かった。定在波効果によるレジストパターン断面の波打
ち形状はスムーズになり、定在波効果は抑制されたが、
第２図に示されるバルク効果および膜内多重反射効果に
よる寸法変化量（Ａ）および（Ｂ）については、目立っ
た改善は認められなかった。また焦点深度についても目
立った改善は認められなかった。

さらに、以上と同様の比較実験をOFPR800（東京応化
商品名）についても行なったが、MPS1400の場合とほぼ
同様な結果を与えた。すなわち、定在波効果についての
み著しく改善され、他の特性については、大幅な改善は
認められなかった。この場合、感度は大幅に低下した。
なお、OFPR800に用いられている感光剤は、ベンゾフェ
ノン１個あたりの水酸基の数が３個で、平均してその67
％がナフトキノンジアジドスルホン酸でエステル化され
ており、レジスト材料1grあたりのナフトキノンジアジ
ドスルホン酸のmgr当量は約0.45前後であるという構造
を有している なお、上記実施例では、露光波長として436nmのｇ線
光を用いた場合について記したが、ｉ線（365nm）、Xe
−Clエキシマレーザ光（308nm）、KrFエキシマレーザ光
（248nm）、ArFエキシマレーザ光（193nm）および多波
長を有する光源を使用しても、実施例と同様の効果を実
現する。

また、反射率の高い下地基板（たとえば、Al薄膜）の
上に微細にレジストパターンを形成する場合には、基板
からの反射の影響を抑えるために、ポジ型フォトレジス
ト材料に吸光剤を加えてもよい。また他の目的で、ポジ
型フォトレジスト材料に増感剤や架橋剤等の添加剤を使
用しても、本発明の方法は有効である。

また、本発明の方法を３層レジスト法の上層レジスト
パターン形成に適用してもよい。この場合、上層レジス
トと中間層との界面からのわずかな反射に基づく、膜内
多重反射効果によるパターン寸法変動が抑制されるとと
もに、レジストパターン断面形状の改善もなされ、さら
には焦点深度についても改善される。

また、PCM2層レジスト法や、Si含有型ノボラック−ナ
フトキノンジアジド系ポジ型フォトレジストを上層レジ
ストとして使うSi系２層レジスト法の、上層レジストの
パターン形成に、本発明の方法を適用しても相当の効果
がある。

また、下地基板とポジ型フォトレジストの間に、吸光
度の高い吸収型反射防止膜や屈折率および膜厚を抑制し
た干渉型反射防止膜を形成して、レジストパターン形成
を行なう反射防止膜法（ARC法）に、本発明を適用して
も有効である。さらに、ポジ型フォトレジストの上に、
屈折率および膜厚を制御した干渉型の１層または多層の
反射防止膜を被覆してパターン形成を行なう方法に、本
発明を適用しても有効である。

また、ポジ型フォトレジストの上に、露光波長の光に
対して光退色性を示す成分を主成分とする材料（CEL材
料）を塗布した後に、露光して、パターン形成を行なう
コントラストエンハンスリソグラフィ法（CEL法;Polyn.
Eng.Sci.,23,p.947（1983年）に詳細に記載されてい
る。）においても、本発明の方法は有効である。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、露光後現像前ベーク
によるポジ型フォトレジストの反応を、ポジ型フォトレ
ジストの材料の構造組成により最適化した。これによっ
て、従来の１層レジスト法のもつ問題点を解決し、複雑
で、高価な装置を必要とする多層レジスト法並みの、微
細で高精度なレジストパターンの形成が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第1A図〜第1E図は、この発明の一実施例の工程を示した
図である。 第２図は、本発明の効果を説明するための、レジストパ
ターン寸法とレジスト膜厚との関係図である。 第３図は、段差を有する基板上にレジストを塗布したと
きの基板の断面図である。 第４図は、段差を有する基板上にレジストを塗布して、
フォトリソグラフィを行ない、レジストパターンを形成
したときの、レジストパターン寸法とレジスト膜厚との
関係図である。 第５図は、段差を有する基板上に塗布されたレジストに
光を照射したときの様子を示した、基板の断面図であ
る。 第６図は、レジストパターン寸法とレジスト膜厚との関
係図より、膜内多重反射効果とバルク効果を定量する方
法を示した図である。 第７図は、ノッチング効果を説明するための図である。 第８図は、定在波効果を説明するための図である。 図において、１は基板、２はポジ型フォトレジスト材
料、５はホットプレート、６はｇ線光、２′はレジスト
パターンである。 なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板を準備する第１の工程と、前記基板上
   にキノンジアジド系感光剤とアルカリ可溶性ノボラック
   樹脂とを含むポジ型フォトレジスト材料を塗布する第２
   の工程と、前記キノンジアジド系感光剤はヒドロキシベ
   ンゾフェノンのナフトキノンジアジドスルホン酸による
   エステル化物であり、前記ヒドロキシベンゾフェノンは
   ベンゾフェノン１個あたり４個以上の水酸基を有し、平
   均してその水酸基の75％以上が前記ナフトキノンジアジ
   ドスルホン酸によってエステル化されており、前記ポジ
   型フォトレジスト材料1grあたりの前記ナフトキノンジ
   アジドスルホン酸のmgr当量は0.7以上にされており、前
   記塗布されたポジ型フォトレジストの膜を第１の温度で
   加熱する第３の工程と、前記第１の温度で加熱された前
   記ポジ型フォトレジストの膜に選択的に光を照射する第
   ４の工程と、前記選択的に光を照射されたポジ型フォト
   レジストの膜を第１の温度よりも高い第２の温度で加熱
   する第５の工程と、前記第２の温度で加熱された前記ポ
   ジ型フォトレジストの膜を現像して前記基板上にレジス
   トパターンを形成する第６の工程とを含み、前記第５の
   工程において前記ポジ型フォトレジストの膜内の前記キ
   ノンジアジド系感光剤を熱拡散することを特徴とするレ
   ジストパターンの形成方法。