JP4601514B2 - レジストパターンの形成方法 - Google Patents

Description

この発明は、パターン形状の変形を防止するレジストパターンの形成方法に関する。

レジストパターンの形成工程において、レジストパターンのエッチング時の耐熱性及び耐プラズマ性の向上、パターンの収縮の防止、イオン注入前のレジスト脱ガス促進等を目的とする、いわゆるＵＶ（紫外線）キュア（ＵＶキュアリングとも称される。）処理が知られている。

ＵＶキュア処理は、一般に現像後のレジストパターン（基板）に対して、ＵＶ照射及び加熱処理を並行して進行させることにより行われる。

例えば、１０重量％〜５０重量％という多量の染料を含有するポジ型フォトレジスト材料を使用して色フィルタを製造する場合に、レジスト材料のパターニング後に、紫外線照射処理を行いつつ昇温加熱処理を行う、すなわちＵＶキュア処理工程が知られている（特許文献１参照。）。
特開平１１−０１４８１７号公報

このＵＶキュア処理工程における加熱処理は、一般に、処理室内の温度を徐々に上昇させる昇温加熱により行われるが、特許文献１（特に実施例を参照されたい。）が開示するように、高濃度の染料を含有しない通常の紫外線硬化型レジスト材料を用いてパターニングを行った後、０．５℃／秒以上の昇温率で昇温加熱処理を行った場合には、レジストパターン形状が伸縮してパターン精度が悪化してしまうため、後のエッチング工程又はイオン注入工程に悪影響を及ぼすおそれがある。

この発明は、上述した従来技術にかかる問題点に鑑みなされたものである。すなわち、この発明の目的は、いわゆるＵＶキュア処理工程によるレジストパターンの伸縮を効果的に防止することができるレジストパターンの形成方法を提供することにある。

これらの目的の達成を図るため、この発明のレジストパターンの形成方法は、下記のような工程を含んでいる。

すなわち、基板上に、ポジ型レジスト材料を用いてレジスト層を形成する工程と、プリベーク処理、露光処理及び現像処理を順次に行って、レジスト層をパターニングする工程と、１１０℃から１２０℃の温度範囲内で、ポストベーク処理を行う工程と、開始温度をポストベーク処理温度より低い１００℃とし、紫外線照射処理を行いつつ、最大でも０．５℃／秒の昇温率で、１４０℃以上１６０℃未満である最終温度まで温度を上昇させる熱処理を行う工程と、最終温度に達した時点で熱処理を終了し、温度を下げる降温処理を行う工程とを含み、紫外線照射処理は、ランプ照度を１．５ｍＷ／ｃｍ ² とし、昇温開始から５秒間照射する第１段階と、ランプ照度を５００ｍＷ／ｃｍ ² として７５秒間照射する第２段階とを連続的に含んでいる。

これらの目的の達成を図るため、この発明の他のレジストパターンの形成方法は、下記のような工程を含んでいる。
基板上に、ポジ型レジスト材料を用いてレジスト層を形成する工程と、プリベーク処理、露光処理及び現像処理を順次に行って、レジスト層をパターニングする工程と、１１０℃から１２０℃の温度範囲内で、ポストベーク処理を行う工程と、開始温度をポストベーク処理温度より低い１００℃とし、紫外線照射処理を行いつつ、最大でも０．５℃／秒の昇温率で、１４０℃以上１６０℃未満である最終温度まで温度を上昇させる熱処理を行う工程と、最終温度に達した時点で熱処理を終了し、温度を下げる降温処理を行う工程とを含み、紫外線照射処理は、ランプ照度を１．５ｍＷ／ｃｍ ² とし、昇温開始から５秒間照射する第１段階と、ランプ照度を２００ｍＷ／ｃｍ ² として５秒間照射する第２段階と、ランプ照度を５００ｍＷ／ｃｍ ² として９０秒間照射する第３段階とを連続的に含んでいる。

この発明のレジストパターンの形成方法によれば、紫外線照射処理を行いつつ、最大でも０．５℃／秒の昇温率で、最終温度まで温度を上昇させる熱処理を行う。このような工程により、ＵＶキュア処理によるレジストパターンの形状の伸縮（変形）を効果的に防止することができる。よって、レジストパターン形状の精度を硬化処理前、レジストパターンの形状をすなわち所期の形状と同等にすることができるため、引き続き行われるエッチング工程、イオン注入工程等を精度よく行うことができる。結果として、簡易な工程で製造される半導体装置の電気的特性が向上する。また、製品歩留まりが向上することが期待される。

以下、この発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、以下に挙げる数値的条件等は単なる例示に過ぎないことを理解されたい。

〈レジストパターンの形成方法〉
まず、レジストパターンの第１の形成方法につき説明する。

レジストパターンを形成する対象となるシリコン基板、樹脂基板、或いは金属基板といった基板を準備する。基板の種類は特に限定されないが、半導体装置の製造方法においてこの発明のレジストパターンの形成方法を適用する場合には、例えばｐ型シリコン基板（ウェハ）といった従来公知の基板を適用すればよい。

また、この発明のレジストパターンの形成方法は、種々の下地上にレジストパターンを形成する場合に適用することができる。すなわち、この発明のレジストパターンの形成方法は、基板面に直接的にレジストパターンを形成する場合のみならず、基板上に形成されている酸化膜、金属膜等の膜構造上にレジストパターンを形成する場合にも適用できる。

次に、基板（下地）上に、レジスト材料を塗布してレジスト層を形成する。この発明のレジストパターンの形成方法に適用して好適なレジスト材料は、特に限定されないが、好ましくはいわゆるノボラック樹脂を基材とするレジスト材料を適用するのが好適である。

レジスト材料は、一般に任意好適な染料を適宜の含有量で含有する場合がある。この発明のレジストパターンの形成方法に適用して好適なレジスト材料は、好ましくは、染料を非含有であるか又は染料を含有しているとしてもこの含有量を最大でも１重量％程度とするのがよい。

また、レジスト材料は、いわゆるＵＶキュア工程が必要なレジスト材料全般に適用することができるが、具体的には例えばポジ型レジスト材料が想定されている。

次いで、適用されたレジスト材料に適切な条件で、従来公知のプリベーク処理、露光処理及び現像処理を順次に行って、レジスト層を任意好適なパターン形状にパターニングする。引き続き、ポストベーク処理を行う。ポストベーク処理を行う工程は、従来公知の任意好適な方法に従って、１１０℃から１２０℃の温度範囲内で行うのがよい。

この発明のレジストパターンの形成方法によれば、さらに、熱処理及び紫外線照射処理を並行して行う加熱処理工程を行う。

この熱処理は、大気雰囲気下、開始温度をポストベーク処理温度より低い温度として行うのがよい。

また、この熱処理は、開始温度からスタートして、この開始温度から最大でも０．５℃／秒の昇温率で、最終温度まで温度を上昇させることにより行うのがよい。この最終温度は、使用されるレジスト材料に適宜の温度とすればよい。この最終温度は、１６０℃程度からレジストパターンの形状劣化が観測される場合には、若干の余裕を見て１４０℃程度と設定する。

並行して行われる紫外線照射処理は、少なくとも熱処理開始から温度が最終温度に達するまでの時間行う。

この紫外線照射処理は、任意好適な光量で行うことができるが、例えば２００ｎｍ〜６００ｎｍの範囲の波長の光を含む紫外線を発生する紫外線ランプを用いて行うのがよい。また、この紫外線照射処理は、処理が行われる処理装置のウェハが載置されるプレート上における照度を照度計による計測値で５００ｍＷ／ｃｍ²或いはその程度として行うのがよい。

このようなレジストパターンの形成方法によれば、開始温度から最大でも０．５℃／秒の昇温率で、最終温度まで温度を上昇させる、すなわち、より低い昇温率でいわゆるＵＶキュア工程を行うので、レジストパターンの所期の形状を損なうことなく、精度よくレジストパターンを形成することができる。

既に説明した熱処理を行う工程は、開始温度を、通常のポストベーク処理温度よりも低い温度である１００℃とし、最終温度を１４０℃として行う工程とするのがよい。

このように、開始温度をポストベークの温度以下とすれば、熱によるレジストパターンの形状劣化をより効果的に抑制することができる。

この発明のレジストパターンの第２の形成方法によれば、従来行われている、いわゆるポストベーク処理を不実施とすることもできる。

この場合には、既に説明したパターニングする工程の後に、いわゆるポストベーク処理を不実施とし、既に説明した熱処理を行う工程は、ポストベーク処理が不実施の基板に対して、開始温度を９０℃として、紫外線照射処理を行いつつ、最大でも０．５℃／秒の昇温率で、最終温度まで温度を上昇させる工程とすればよい。

データは示さないが、ノボラック樹脂を基材とするレジストパターンの変形は１１０℃程度から始まることがわかっている。従って、パターニングの開始温度を９０℃とすれば、レジストパターンの変形を効果的に防止することができる。

この第２の形成方法によれば、ポストベーク工程を不実施とできるので、工程数が削減される。従って、より簡易な工程で、レジストパターンの所期の形状を損なうことなく、精度よくレジストパターンを形成することができる。結果として製造コストの削減が期待される。

ポストベーク処理を不実施とする場合の熱処理を行う工程は、最終温度を１４０℃として行う工程とすればよい。

既に説明した第１及び第２の方法のいずれのレジストパターンの形成工程においても、紫外線照射処理は、昇温開始時からに照射線量を徐々に増加させる処理とするのがよい。

この紫外線処理は、具体的には段階的に線量を増加させることにより行うのがよい。ここでいう「段階的」とは、ランプ照度と照射時間とを一組として何組かに分けて段階的に切り替えて照射を行うことを意味する。また、これら各段階は連続的に途切れなく行われる。

この段階的な紫外線処理は、例えば、常時点灯している紫外線ランプを用い、紫外線ランプの下部に位置する絞り及び印加電圧を適宜調整することにより照度を調節すればよい。紫外線ランプは、例えば２００ｎｍ〜６００ｎｍ程度の範囲の波長の紫外光を発するものを適用すればよい。

この段階的な紫外線照射処理は、ランプ照度を１．５ｍＷ／ｃｍ²として昇温開始から５秒間照射する第１段階と、ランプ照度を２００ｍＷ／ｃｍ²として５秒間照射する第２段階と、ランプ照度を５００ｍＷ／ｃｍ²として９０秒間照射する第３段階を含むのがよい。このようにすれば、より精度よくレジストパターンを形成することができる。

既に説明した第１及び第２の方法のいずれのレジストパターンの形成工程においても、レジスト層を形成する工程は、ポジ型レジスト材料によりレジスト層を形成する工程とするのがよい。

以下に図１〜図３を参照して、この発明のレジストパターンの形成方法の実施例につき説明する。

（実施例１）
図１を参照して、レジストパターンの形成方法の一実施例につき説明する。

図１は、熱処理条件を説明するためのグラフである。（Ａ）図は紫外線（ＵＶ）照射条件を示し、（Ｂ）図は経時的な昇温過程を示している。なお、（Ａ）図及び（Ｂ）図において横軸は同一スケールで示す時間（秒）である。（Ａ）図における縦軸は光量（ｍＷ／ｃｍ²）を示し、符号「Ｎ」は極小照度、すなわち照度（ランプ照度）１．５ｍＷ／ｃｍ²であり、符号「Ｌ」は低照度、すなわち照度２００ｍＷ／ｃｍ²であり、かつ符号「Ｈ」は高照度、すなわち照度５００ｍＷ／ｃｍ²である。また、（Ｂ）図における縦軸は温度（℃）を示している。

この例は、ｐ型シリコン基板を用い、既に説明したプリベーク処理、露光処理及び現像処理を順次に行って、ノボラック樹脂系ポジ型レジスト（染料非含有）を材料とするレジスト層をパターニングし、然る後、ポストベーク処理を行ったサンプルに対して、紫外線照射処理を伴う熱処理を実施した例である。以下に具体的な熱処理条件を説明する。

図１（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、時刻ｔ０を開始時点として、同時に、紫外線照射及び熱処理（昇温）を開始した。

この例では、開始時点（ｔ０）での紫外線の光量（ランプ照度）は１．５ｍＷ／ｃｍ²であり、熱処理の開始温度は既に説明したポストベーク処理温度より低い温度である１００℃とした。

熱処理の昇温率（１秒間あたりの上昇温度）は０．５℃／秒とし、最終温度は１４０℃に設定した。従って、１００℃から１４０℃に達するまでの昇温にかかる時間〔ｔＮ（照度Ｎで照射処理が行われる時間）＋ｔＨ（照度Ｈで照射処理が行われる時間）〕は、８０秒間である。なお、最終温度に達した時点で昇温は終了し、３．０℃／秒の降温率で温度を下げる処理（降温処理）を行った。

この降温処理は、次工程に備えた装置のステージ冷却を意図したものでもある。従って、次工程に必要な条件を考慮しつつ、レジストパターンの精度に悪影響を及ぼさないことを条件として、この降温率は任意好適なものとすることができる。

紫外線照射処理は、開始時点ｔ０からｔＮ秒間、この例では５秒間、１．５ｍＷ／ｃｍ²の照度で紫外線照射行い、引き続きｔＨ秒間、この例では７５秒間、５００ｍＷ／ｃｍ²の照度で紫外線照射を行った。

この照度の調整は、常時点灯している紫外線ランプに対して、任意好適な絞り手段を適用するか、紫外線ランプ自体に加えられる電圧を適宜変えることにより行えばよい。

（実施例２）
図２は、熱処理条件を説明するためのグラフ（２）である。図１と同様に（Ａ）図は紫外線（ＵＶ）照射条件を示し、（Ｂ）図は経時的な昇温過程を示している。（Ａ）図及び（Ｂ）図において横軸は同一スケールで示す時間（秒）である。（Ａ）図における縦軸は光量（ｍＷ／ｃｍ²）を示し、符号「Ｎ」は極小照度、すなわち照度（ランプ照度）１．５ｍＷ／ｃｍ²であり、符号「Ｌ」は低照度、すなわち照度２００ｍＷ／ｃｍ²であり、かつ符号「Ｈ」は高照度、すなわち照度５００ｍＷ／ｃｍ²である。また、（Ｂ）図における縦軸は温度（℃）を示している。

この例は、ｐ型シリコン基板を用い、既に説明したプリベーク処理、露光処理及び現像処理を順次に行って、ノボラック樹脂系ポジ型レジスト（染料非含有）を材料とするレジスト層をパターニングした後、ポストベーク処理を不実施としたサンプルに対して、紫外線照射処理を伴う熱処理を実施した例である。以下に具体的な熱処理条件を説明する。

図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、時刻ｔ０を開始時点として、同時に、紫外線照射及び熱処理（昇温）を開始した。

この例では、開始時点（ｔ０）での紫外線の光量（ランプ照度）は１．５ｍＷ／ｃｍ²であり、熱処理の開始温度は既に説明した、従来行われるポストベーク処理温度より低い温度である９０℃とした。

熱処理の昇温率は０．５℃／秒とし、最終温度は１４０℃に設定した。従って、９０℃から１４０℃に達するまでの昇温にかかる時間（ｔＮ＋ｔＨ）は、１００秒間である。なお、最終温度に達した時点で昇温は終了し、実施例１と同様に３．０℃／秒の降温率で温度を下げる処理（降温処理）を行った。

紫外線照射は、開始時点ｔ０からｔＮ秒間、この例では５秒間、１．５ｍＷ／ｃｍ²の照度で紫外線照射行い、引き続きｔＨ秒間、この例では９５秒間、５００ｍＷ／ｃｍ²の照度で行った。

（変形例）
図３は、熱処理条件を説明するためのグラフ（３）である。図１と同様に（Ａ）図は紫外線（ＵＶ）照射条件を示し、（Ｂ）図は経時的な昇温過程を示している。（Ａ）図及び（Ｂ）図において横軸は同一スケールで示す時間（秒）である。（Ａ）図における縦軸は光量（ｍＷ／ｃｍ²）を示し、符号「Ｎ」は極小照度、すなわち照度（ランプ照度）１．５ｍＷ／ｃｍ²であり、符号「Ｌ」は低照度、すなわち照度２００ｍＷ／ｃｍ²であり、かつ符号「Ｈ」は高照度、すなわち照度５００ｍＷ／ｃｍ²である。また、（Ｂ）図における縦軸は温度（℃）を示している。

この例は、ｐ型シリコン基板を用い、既に説明したプリベーク処理、露光処理及び現像処理を順次に行って、ノボラック樹脂系ポジ型レジストを材料とするレジスト層をパターニングした後、ポストベーク処理を不実施としたサンプルに対して、紫外線照射処理を伴う熱処理を実施した例である。以下に具体的な熱処理条件を説明する。

図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、時刻ｔ０を開始時点として、同時に、紫外線照射及び熱処理（昇温）を開始した。

この例では、開始時点（ｔ０）での紫外線の光量（ランプ照度）は１．５ｍＷ／ｃｍ²であり、熱処理の開始温度は既に説明した、、従来行われるポストベーク処理温度より低い温度である９０℃とした。

熱処理の昇温率は０．５℃／秒とし、最終温度は１４０℃に設定した。従って、９０℃から１４０℃に達するまでの昇温にかかる時間（ｔＮ＋ｔＬ＋ｔＨ）は、１００秒間である。なお、最終温度に達した時点で昇温は終了し、実施例１と同様に３．０℃／秒の降温率で温度を下げる処理（降温処理）を行った。

紫外線照射は、開始時点ｔ０からｔＮ秒間、この例では５秒間、１．５ｍＷ／ｃｍ²の照度で紫外線照射行い、引き続きｔＬ秒間、この例では５秒間、２００ｍＷ／ｃｍ²の照度で行い、然る後ｔＨ秒間、この例では９０秒間、５００ｍＷ／ｃｍ²の照度で行った。

このように紫外線照射時の光量を複数段階に分けて上昇させる工程とすれば、レジストから発生するガスによる発泡及びその破裂をより効果的に防止し、レジストパターンの形状精度を向上させることができる。

なお、この例では、実施例２の熱処理（昇温）工程における上述の紫外線照射処理を組み合わせる例を説明したが、実施例１の熱処理（昇温）工程と組み合わせることもできる。

（結果）
図４を参照して、既に説明した実施例１及び２のレジストパターンの形成方法それぞれにより、得られたレジストパターンにつき説明する。

図４は、レジストパターンの形状（プロファイル）を説明するための写真図である。この写真図は基板とレジスト層とが画成する段差を示している。（Ａ）図は、パターニング後であって、ＵＶキュア工程前のレジストパターンのプロファイルを示す対照図である。（Ｂ）図は後述する従来公知のＵＶキュア工程が行われたレジストパターンのプロファイルを示す対照図である。（Ｃ）図は実施例１のレジストパターンのプロファイルを示している。（Ｄ）図は実施例２のレジストパターンのプロファイルを示している。

まず、（Ｂ）図に示すプロファイルが観察された従来のＵＶキュア工程につき説明する。

このＵＶキュア工程は、ｐ型シリコン基板を用い、既に説明したプリベーク処理、露光処理及び現像処理を順次に行って、ノボラック樹脂系ポジ型レジストを材料とするレジスト層をパターニングした後、ポストベーク処理を実施したサンプルに対して、紫外線照射処理を伴う熱処理を実施している。以下に具体的な熱処理条件を説明する。

紫外線照射及び熱処理（昇温）を同時に開始した。

この例では、開始時点での紫外線の光量（ランプ照度）は１．５ｍＷ／ｃｍ²であり、熱処理の開始温度は既に説明したポストベーク処理温度より高い温度である１２０℃である。

熱処理の昇温率は１．０℃／秒とし、最終温度は１６０℃である。従って、１００℃から１６０℃に達するまでの昇温にかかる時間は、４０秒間である。なお、最終温度に達した時点で昇温は終了し、実施例１と同様に３．０℃／秒の降温率で温度を下げる処理（降温処理）を行った。

紫外線照射は、開始時点から５秒間、１．５ｍＷ／ｃｍ²の照度で紫外線照射行い、然る後３５秒間、５００ｍＷ／ｃｍ²の照度で行った。

（Ａ）図と従来のＵＶキュア処理を行った（Ｂ）図とを比較すると、（Ｂ）図においては、レジストパターンの形状が激しく変形し、レジストパターンの側端部と基板面との角度がより大きくなってしまっている。

（Ａ）図と実施例１の処理を行った（Ｃ）図とを比較すると、（Ｃ）図においては、レジストパターンの形状に若干の変形が見られるものの、従来技術である（Ｂ）図と比較するとレジストパターンの変形の度合いが顕著に抑制されていることがわかる。

（Ａ）図と実施例２の処理を行った（Ｄ）図とを比較すると、（Ｄ）図においては、レジストパターンの変形がほとんど見られない。（Ｃ）図と比較してもレジストパターンの変形の度合いはより顕著に防止されていることがわかる。

なお、写真図には示さないが既に説明した変形例によっても実施例２と同等のレジストパターンの変形防止効果が得られた。

なお、上述したように、この発明に適用して好適なレジスト材料は染料を含有していても或いは非含有であっても発明の効果に影響はないが、染料を含有する場合には最大でも１重量％程度のレジスト材料を選択するのが好適である。

（Ａ）図及び（Ｂ）図は、熱処理条件を説明するためのグラフ（１）である。 （Ａ）図及び（Ｂ）図は、熱処理条件を説明するためのグラフ（２）である。 （Ａ）図及び（Ｂ）図は、熱処理条件を説明するためのグラフ（３）である。 （Ａ）図、（Ｂ）図、（Ｃ）図及び（Ｄ）図は、レジストパターンの形状を説明するための写真図である。

Claims (2)

1. 基板上に、ポジ型レジスト材料を用いてレジスト層を形成する工程と、
   プリベーク処理、露光処理及び現像処理を順次に行って、前記レジスト層をパターニングする工程と、
   １１０℃から１２０℃の温度範囲内で、ポストベーク処理を行う工程と、
   開始温度をポストベーク処理温度より低い１００℃とし、紫外線照射処理を行いつつ、最大でも０．５℃／秒の昇温率で、１４０℃以上１６０℃未満である最終温度まで温度を上昇させる熱処理を行う工程と、
   前記最終温度に達した時点で前記熱処理を終了し、温度を下げる降温処理を行う工程と
   を含み、
   前記紫外線照射処理は、ランプ照度を１．５ｍＷ／ｃｍ ² とし、昇温開始から５秒間照射する第１段階と、ランプ照度を５００ｍＷ／ｃｍ ² として７５秒間照射する第２段階とを連続的に含むことを特徴とするレジストパターンの形成方法。
2. 基板上に、ポジ型レジスト材料を用いてレジスト層を形成する工程と、
   プリベーク処理、露光処理及び現像処理を順次に行って、前記レジスト層をパターニングする工程と、
   １１０℃から１２０℃の温度範囲内で、ポストベーク処理を行う工程と、
   開始温度をポストベーク処理温度より低い１００℃とし、紫外線照射処理を行いつつ、最大でも０．５℃／秒の昇温率で、１４０℃以上１６０℃未満である最終温度まで温度を上昇させる熱処理を行う工程と、
   前記最終温度に達した時点で前記熱処理を終了し、温度を下げる降温処理を行う工程と
   を含み、
   前記紫外線照射処理は、ランプ照度を１．５ｍＷ／ｃｍ ² とし、昇温開始から５秒間照射する第１段階と、ランプ照度を２００ｍＷ／ｃｍ ² として５秒間照射する第２段階と、ランプ照度を５００ｍＷ／ｃｍ ² として９０秒間照射する第３段階とを連続的に含むことを特徴とするレジストパターンの形成方法。