技術 レジストパタ−ンの形成方法

0001

本発明は、微細なレジストパタ−ンを半導体基板上に形成する方法に関する。

0002

ＩＣ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）の高集積化は、３年で４倍の割合で増加しており、素子の微細化が進んでいる。このため、微細加工技術により、素子を半導体基板上に作り込むことが要求されている。

0003

微細加工技術においては、フォトレジストにより、素子分離、電極、コンタクトホ−ル、配線などのパタ−ンを、所望どおりに精度よく形成することが重要になっていくる。

0004

なお、フォトレジストは、上記パタ−ンを形成するためのエッチングやイオン注入のマスク材として使用されるものである。図１８は、半導体基板上にレジストパタ−ンを形成するための従来の方法を概略的に示すものである。

0005

まず、半導体基板上にレジストを塗布する。そして、所定の光学系により露光を行い、レジストを結像させる。また、レジストが化学増幅型レジストである場合には、所定の熱処理を行った後に、レジストが通常のレジスト（ノボラック系レジスト）である場合には直ちに現像処理を行うと、当該レジストに生じた潜像が溶解又は残存し、レジストパタ−ンが形成される。

0006

この後、当該レジストをマスクとしてエッチングやイオン注入などを行うことにより、素子分離、電極、コンタクトホ−ル、配線などのパタ−ンが所望の精度で形成される。

0007

なお、化学増幅型レジストとは、露光部に酸基が発生し、この後に熱処理を行うと露光部が可溶化又は難溶化する性質を持つレジストのことである。また、通常のレジストとは、露光部が可溶化又は難溶化する性質を持つレジストのことである。

0008

フォトレジストは、当該レジストに生じた潜像を現像する場合に、露光された部分が溶解するか、又は露光されていない部分が溶解されるかにより、その類型が大きく２つに分けられている。

0009

一般に、露光された部分の溶解性が高くなるレジストをポジ型レジストといっており、露光されていない部分の溶解性が高くなるレジストをネガ型レジストといっている。

0010

現像剤としては、解像性の向上のため、現像中にパタ−ンの膨潤をあまり起こさない水溶液系のものが広く使用される。これは、一般に、フォトレジストが有機物から構成されているためである。

0011

上記方法により形成されたフォトレジストパタ−ンの解像度（Ｒ）は、一般に式（１）で表すことが知られている（Ｒａｙｌｅｉｇｈ理論）。
Ｒ ＝ ｋ・（λ／ＮＡ） …（１）
ここで、λは、光の波長であり、ＮＡは、レンズ開口数であり、ｋは、定数（一般には０．６を使用）である。

0012

即ち、レジストパタ−ンの解像度の向上には、短波長化、及びレンズ開口数を大きくすることが有効であることがわかる。例えば、ｉ線（波長３６５ｎｍ）ステッパを用いた場合、式（１）から得られる解像度（Ｒ）は、約０．３５μｍ（λ＝３６５ｎｍ、ＮＡ＝０．６３の場合）である。しかし、ｉ線ステッパの実用解像度は、表１に示すように、レジストパタ−ンの種類により異なることがわかっている。

0013

0014

即ち、図１９に示すように、ライン＆スペ−スパタ−ン（ａ）、孤立ラインパタ−ン（ｂ）及びピラ−パタ−ン（ｃ）などの残存したレジスト自体がパタ−ンとなるものについては、（１）式から得られる理論値とほぼ一致する実用解像度（０．３５μｍ）が得られるのに対し、コンタクトホ−ルパタ−ン（ｄ）及び狭スペ−スパタ−ン（ｅ）などのレジストの溶解された部分がパタ−ンとなるものについては、（１）式から得られる理論値よりも悪い実用解像度（０．４〜０．４５μｍ）が得られる。

0015

このような現象は、ｇ線（４３６ｎｍ）ステッパ、ＫｒＦ線（２４８ｎｍ）ステッパ、ＡｒＦ線（１９３ｎｍ）ステッパについても発生する。本発明は、上記欠点を解決すべくなされたもので、その目的は、コンタクトホ−ルパタ−ンや狭スペ−スパタ−ンなどのレジストの溶解された部分をパタ−ンとする場合において、レジストパタ−ンの実用解像度を向上させ、素子の微細化に対応し得るレジストパタ−ンの形成方法を提供することである。

0016

上記目的を達成するため、本発明のレジストパタ−ンの形成方法は、半導体基板上にポジ型レジストを塗布し、マスクを用いて前記ポジ型レジストを部分的に露光し、前記ポジ型レジストを現像して前記半導体基板上に第１レジストパタ−ンを形成し、前記半導体基板上にネガ型レジストを塗布し、前記第１レジストパタ−ン及び前記ネガ型レジストの全体を露光し、前記第１レジストパタ−ン及び前記ネガ型レジストを現像し、前記第１レジストパタ−ンのみを溶解して前記半導体基板上に第２レジストパタ−ンを形成する、という一連の工程から構成されるものである。

0017

前記第１レジストパタ−ンは、ピラ−パタ−ン又は孤立ラインパタ−ンであり、前記第２レジストパタ−ンは、コンタクトホ−ルパタ−ン又は狭スペ−スパタ−ンである。

0018

以下、図面を参照しながら、本発明のレジストパタ−ンの形成方法について詳細に説明する。図１は、本発明のレジストパタ−ンの形成方法の全工程を概略的に示すものである。また、図２〜図６は、本発明のレジストパタ−ンの形成方法の各工程を示すものである。

0019

なお、以下では、通常のノボラック系フォトレジストを用いて、半導体基板上にコンタクトホ−ルパタ−ンを形成する場合を例として説明することにする。まず、図２に示すように、半導体基板１１上にポジ型のフォトレジスト１２を塗布する。そして、コンタクトホ−ルパタ−ンを反転させたパタ−ン（ピラ−パタ−ン）を有するマスク１３を用いて、所定の波長（例えば５００ｎｍ以下）の光１４をレジスト１２に当て、露光を行う。

0020

なお、１５は、遮蔽膜である。また、マスク１３に位相シフト膜を設け、解像度の向上を図るようにしてもよい。ここで言う「コンタクトホ−ルパタ−ン」とは、コンタクトホ−ルの部分以外の部分に遮蔽膜が形成され、コンタクトホ−ルの部分にのみ光が当たるようにしたパタ−ンのことである。

0021

即ち、ポジ型のフォトレジストを用いた場合、コンタクトホ−ルの部分にのみ光を当てて、その部分のレジストを現像により溶解すれば、従来の方法によりコンタクトホ−ルパタ−ンが形成できるからである。

0022

従って、コンタクトホ−ルパタ−ンを形成する部分には、遮蔽膜１５により光１４が当たらない。次に、図３に示すように、アルカリ溶液による現像処理を行うと、コンタクトホ−ルパタ−ンを形成する部分に、ピラ−パタ−ン１２ａが形成される。ここで、上記表１に示すように、ピラ−パタ−ンは、コンタクトホ−ルパタ−ンよりも実用解像度が良くなっている。

0023

次に、図４に示すように、半導体基板１１上にネガ型のフォトレジスト１６を塗布する。そして、所定の波長（例えば５００ｎｍ以下）の光１４をレジスト１２ａ，１６に当て、露光を行う。その結果、ポジ型フォトレジスト（ピラ−パタ−ン）１２ａは、可溶となり、ネガ型フォトレジスト１６は、不可溶となる。

0024

次に、図５に示すように、アルカリ溶液による現像処理を行うと、ポジ型フォトレジスト（ピラ−パタ−ン）１２ａが溶解され、コンタクトホ−ルパタ−ンが形成される。

0025

ここで、コンタクトホ−ルパタ−ンは、上記表１に示すピラ−パタ−ンの実用解像度と同じ実用解像度を有しているため、コンタクトホ−ルパタ−ンの実用解像度を向上させることができ、素子の微細化に対応することができる。

0026

例えば、表２に示すように、ｉ線（波長３６５ｎｍ）ステッパを用いた場合において、コンタクトホ−ルパタ−ンの実用解像度を約０．４５μｍから約０．３５μｍに向上させることができ、狭スペ−スパタ−ンの実用解像度を約０．４μｍから約０．３５μｍに向上させることができる。

0027

0028

次に、化学増幅型のフォトレジストを用いて、半導体基板上にコンタクトホ−ルパタ−ンを形成する場合について説明する。まず、図２に示すように、半導体基板１１上にポジ型のフォトレジスト１２を塗布する。このフォトレジスト１２は、露光部に酸基が発生し、熱処理を行うと露光部が可溶化する性質を有するものである。

0029

コンタクトホ−ルパタ−ンを反転させたパタ−ン（ピラ−パタ−ン）を有するマスク１３を用いて、所定の波長（例えば５００ｎｍ以下）の光１４をレジスト１２に当て、露光を行う。

0030

レジスト１２の露光部には、酸基が発生し、この後、熱処理を行うと、レジスト１２の露光部が可溶化される。次に、図３に示すように、アルカリ溶液による現像処理を行うと、コンタクトホ−ルパタ−ンを形成する部分に、ピラ−パタ−ン１２ａが形成される。ここで、上記表１に示すように、ピラ−パタ−ンは、コンタクトホ−ルパタ−ンよりも実用解像度が良くなっている。

0031

次に、図４に示すように、半導体基板１１上にネガ型のフォトレジスト１６を塗布する。このフォトレジスト１６は、露光部に酸基が発生し、熱処理を行うと露光部が難溶化する性質を有するものである。

0032

所定の波長（例えば５００ｎｍ以下）の光１４をレジスト１２ａ，１６に当て、露光を行う。ポジ型フォトレジスト（ピラ−パタ−ン）１２ａには、酸基が発生し、この後、熱処理を行うと、レジスト１２ａが可溶化される。また、ネガ型フォトレジスト１６には、酸基が発生し、この後、熱処理を行うと、レジスト１６が難溶化される。

0033

次に、図５に示すように、アルカリ溶液による現像処理を行うと、ポジ型フォトレジスト（ピラ−パタ−ン）１２ａが溶解され、コンタクトホ−ルパタ−ンが形成される。

0034

ここで、コンタクトホ−ルパタ−ンは、上記表１に示すピラ−パタ−ンの実用解像度と同じ実用解像度を有しているため、コンタクトホ−ルパタ−ンの実用解像度を向上させることができ、素子の微細化に対応することができる。

0035

なお、上記実施の形態では、コンタクトホ−ルパタ−ンを形成する場合について述べたが、狭スペ−スパタ−ンを形成する場合にも本発明が適用できることは言うまでもない。

0036

図７乃至図１０は、本発明を、ＭＯＳトランジスタのゲ−ト及びソ−ス・ドレイン上のコンタクトホ−ルの形成に適用した場合の各工程を示すものである。なお、以下では、通常のノボラック系フォトレジストを用いてコンタクトホ−ルパタ−ンを形成する場合を例として説明する。

0037

まず、図７に示すように、半導体基板２１上に、ゲ−ト２２、ソ−ス・ドレイン２３を有するＭＯＳトランジスタを形成する。この後、半導体基板２１上の全面に、絶縁膜２４を形成する。

0038

絶縁膜２４上に、ポジ型のフォトレジスト２５を塗布する。そして、コンタクトホ−ルパタ−ンを反転させたパタ−ン（ピラ−パタ−ン）を有するマスクを用いて、所定の波長（例えば５００ｎｍ以下）の光をレジスト２５に当て、露光を行う。

0039

この後、アルカリ溶液による現像処理を行うと、コンタクトホ−ルパタ−ンを形成する部分に、ピラ−パタ−ン２５が形成される。ここで、ピラ−パタ−ン２５は、コンタクトホ−ルパタ−ンよりも実用解像度が良い。

0040

次に、図８に示すように、絶縁膜２４上にネガ型のフォトレジスト２６を塗布する。そして、所定の波長（例えば５００ｎｍ以下）の光をレジスト２５，２６に当て、露光を行う。その結果、ポジ型フォトレジスト（ピラ−パタ−ン）２５は、可溶となり、ネガ型フォトレジスト２６は、不可溶となる。

0041

次に、図９に示すように、アルカリ溶液による現像処理を行うと、ポジ型フォトレジスト（ピラ−パタ−ン）２５が溶解され、コンタクトホ−ルパタ−ンが形成される。

0042

ここで、コンタクトホ−ルパタ−ンは、ピラ−パタ−ンの実用解像度と同じ実用解像度を有しているため、コンタクトホ−ルパタ−ンの実用解像度を向上させることができ、素子の微細化に対応することができる。

0043

次に、図１０に示すように、フォトレジスト２６をマスクにして絶縁膜２４をエッチングした後、フォトレジスト２６を剥離すれば、ＭＯＳトランジスタのゲ−ト２２及びソ−ス・ドレイン２３に達するコンタクトホ−ルが形成される。

0044

なお、本実施の形態における製造方法は、ゲ−ト・ソ−ス・ドレインに達するコンタクトホ−ルを形成する場合のみならず、多層配線間のコンタクトホ−ルの形成や、ＤＲＡＭのトレンチキャパシタの形成などに適用することができる。

0045

上記製造方法によれば、１回目の露光・現像では、ポジ型レジストを用いてピラ−パタ−ンを形成し、２回目の露光・現像では、ネガ型レジストを塗布し、ピラ−パタ−ンのみを溶解して、コンタクトホ−ルパタ−ンを形成している。

0046

従って、コンタクトホ−ルパタ−ンの実用解像度を向上させることができ、素子の微細化に対応することができる。図１１乃至図１７は、本発明を、ダマシン法における配線溝の形成に適用した場合の各工程を示すものである。

0047

なお、以下では、通常のノボラック系フォトレジストを用いて配線溝を形成する場合を例として説明する。まず、図１１に示すように、ＣＶＤ法などを用いて、半導体基板３１上に絶縁膜３２，３３を形成する。

0048

次に、図１２に示すように、絶縁膜３３上に、ポジ型のフォトレジスト３４を塗布する。そして、配線溝パタ−ンを反転させたパタ−ンを有するマスクを用いて、所定の波長（例えば５００ｎｍ以下）の光をフォトレジスト３４に当て、露光を行う。この後、アルカリ溶液による現像処理を行うと、配線溝を形成する部分に、フォトレジスト（孤立ラインパタ−ン）３４が残存する。

0049

次に、図１３に示すように、絶縁膜３３上にネガ型のフォトレジスト３５を塗布する。そして、所定の波長（例えば５００ｎｍ以下）の光をレジスト３４，３５に当て、露光を行う。その結果、ポジ型フォトレジスト３４は、可溶となり、ネガ型フォトレジスト３５は、不可溶となる。

0050

次に、図１４に示すように、アルカリ溶液による現像処理を行うと、ポジ型フォトレジスト３４が溶解され、配線溝パタ−ンが形成される。次に、図１５に示すように、フォトレジスト３５をマスクにして絶縁膜３３をエッチングした後、フォトレジスト３５を剥離すれば、絶縁膜３３に配線溝３６が形成される。

0051

次に、図１６に示すように、絶縁膜３３上に、配線溝３６を完全に満たす金属膜（例えばアルミニウム膜）３７を形成する。次に、図１７に示すように、ＣＭＰ（化学機械的研磨）法を用いて、金属膜３７を研磨し、配線溝内のみに金属膜を残存させると、配線溝内に配線層３８が形成される。

0052

なお、本実施の形態における製造方法は、ダマシン法による配線溝を形成する場合のみならず、ＲＩＥを用いた狭スペ−スパタ−ン配線の形成などに適用することができる。

0053

上記製造方法によれば、１回目の露光・現像では、ポジ型レジストを用いて孤立ラインパタ−ンを形成し、２回目の露光・現像では、ネガ型レジストを塗布し、孤立ラインパタ−ンのみを溶解して、配線溝パタ−ンを形成している。従って、配線溝パタ−ンの実用解像度を向上させることができ、素子の微細化に対応することができる。

0054

以上、説明したように、本発明のレジストパタ−ンの形成方法によれば、次のような効果を奏する。１回目の露光・現像では、ポジ型レジストを用いて、ピラ−パタ−ン又は孤立ラインパタ−ンを形成し、２回目の露光・現像では、ネガ型レジストを塗布し、かつ、ポジ型及びネガ型の双方のレジストを露光してピラ−パタ−ン又は孤立ラインパタ−ンのみを溶解し、コンタクトホ−ルパタ−ン又は配線溝パタ−ンを形成している。従って、コンタクトホ−ルパタ−ン又は配線溝パタ−ンの実用解像度を従来よりも向上させることができ、素子の微細化に対応することができる。

0055

図１本発明のレジストパタ−ンの形成方法の全工程を概略的に示す図。
図２本発明のレジストパタ−ンの形成方法の一工程を示す図。
図３本発明のレジストパタ−ンの形成方法の一工程を示す図。
図４本発明のレジストパタ−ンの形成方法の一工程を示す図。
図５本発明のレジストパタ−ンの形成方法の一工程を示す図。
図６本発明のレジストパタ−ンの形成方法の一工程を示す図。
図７本発明の方法をコンタクトホ−ルパタ−ンの形成に適用した場合の一工程を示す図。
図８本発明の方法をコンタクトホ−ルパタ−ンの形成に適用した場合の一工程を示す図。
図９本発明の方法をコンタクトホ−ルパタ−ンの形成に適用した場合の一工程を示す図。
図１０本発明の方法をコンタクトホ−ルパタ−ンの形成に適用した場合の一工程を示す図。
図１１本発明の方法を配線溝パタ−ンの形成に適用した場合の一工程を示す図。
図１２本発明の方法を配線溝パタ−ンの形成に適用した場合の一工程を示す図。
図１３本発明の方法を配線溝パタ−ンの形成に適用した場合の一工程を示す図。
図１４本発明の方法を配線溝パタ−ンの形成に適用した場合の一工程を示す図。
図１５本発明の方法を配線溝パタ−ンの形成に適用した場合の一工程を示す図。
図１６本発明の方法を配線溝パタ−ンの形成に適用した場合の一工程を示す図。
図１７本発明の方法を配線溝パタ−ンの形成に適用した場合の一工程を示す図。
図１８従来のレジストパタ−ンの形成方法の全工程を概略的に示す図。
図１９レジストパタ−ンの種類を示す図。

0056

１１，２１，３１ ：半導体基板、
１２，２５，３４ ：ポジ型フォトレジスト、
１２ａ ：ピラ−パタ−ン、
１３ ：マスク、
１４，１７ ：光、
１５ ：遮蔽膜、
１６，２６，３５ ：ネガ型フォトレジスト、
２２ ：ゲ−ト、
２３ ：ソ−ス・ドレイン、
２４，３２，３３ ：絶縁膜、
３６ ：配線溝、
３７ ：金属膜、
３８ ：配線層。