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レジストパタン形成方法

国内特許コード P05A008148
整理番号 TDU-014
掲載日 2006年1月27日
出願番号 特願2001-175821
公開番号 特開2002-075857
登録番号 特許第4613364号
出願日 平成13年6月11日(2001.6.11)
公開日 平成14年3月15日(2002.3.15)
登録日 平成22年10月29日(2010.10.29)
優先権データ
  • 特願2000-216647 (2000.6.14) JP
発明者
  • 堀内 敏行
出願人
  • 学校法人東京電機大学
発明の名称 レジストパタン形成方法
発明の概要 【課題】 従来の3分の2乃至は2分の1のピッチおよび線幅を有する微細パタンを形成する。
【解決手段】 露光フィールド内のパタンを2群のパタン群に分割し、下層レジスト膜および上層レジスト膜からなる2層レジストを用い、上層レジスト膜だけが感光する波長帯の露光光線により上層レジスト膜を前記の分割した第1のパタン群に対応した形状に露光し、現像を行って、上層レジストパタンを形成した後、該上層レジストパタンをほとんど透過できず、下層レジスト膜が感光する短波長露光光線により、前記上層レジストパタン間に露出した下層レジスト膜を前記の分割した第2のパタン群に対応するパタン形状に露光し、現像を行う。
従来技術、競合技術の概要
従来、半導体集積回路等の微細パタンは、レチクル、マスク等の原図基板上の微細パタンを半導体ウェハ等の被露光基板上に形成したレジストに転写したレジストパタンを基にして製造する。すなわち、前記原図基板を短波長可視光、紫外光、遠紫外光、真空紫外光、極端紫外光などの露光光線によって照明し、投影露光、近接露光、密着露光などの各種露光手段によって前記被露光基板上に形成したレジスト膜を前記原図基板上の微細パタン形状または該微細パタン形状と相関のある形状に露光する。露光後、前記レジスト膜に現像処理を加えると露光強度分布に応じてレジスト膜の一部が除去され、所望のレジストパタンが得られる。このように、露光と現像を組み合わせてレジストパタンを形成するプロセスをリソグラフィと称している。
【0003】
半導体集積回路や半導体素子、光エレクトロニクス素子、マイクロマシン用微細部品等のパタンの最小寸法は、リソグラフィにより形成するレジストパタンを如何に微細にできるかにより決まってしまう。そのため、上記の回路や素子や部品のパタンを微細化するには、リソグラフィで形成できるレジストパタン寸法を極力小さくする必要がある。
【0004】
ところで、とくにパタンの微細化が急務となっている半導体集積回路や半導体素子用パタンの形成には、レンズやミラー、またはそれらを組み合わせた投影露光光学系を用いて原図基板上の微細パタンを被露光基板上に投影露光する、投影露光法が主として用いられている。投影露光法により転写可能なレジストパタンの最小寸法、すなわち解像度を決定している主要因は、投影露光に使用する露光装置の投影露光光学系の開口数NAと露光波長λである。
【0005】
無収差の投影露光光学系を仮定すると、解像度Rは露光波長λに比例し、投影露光光学系の開口数NAに反比例する。したがって、短波長で露光する程、また、大きい開口数の投影露光光学系を用いて露光する程高解像となり、より微細なパタンが転写される。
【0006】
しかしながら、露光波長λを短くすること、あるいは、投影露光光学系の開口数NAを大きくすることはそれぞれ技術的に相当困難であり、いずれも現状技術の限界に達している。
【0007】
低収差の投影露光光学系を実現するには、レンズを用いた投影露光光学系が好ましいが、200nm以下の波長の光に対し高透過率を有して安定で安価なレンズ材料はほとんど存在しない。一方、ミラーを用いる投影露光光学系は空間的に配置する時の制約から使用できる面の数が限られてしまい、装置も大型化してしまうため、極微細レジストパタンを転写できる実用的な低収差投影露光光学系はまだ開発されていない。したがって、露光波長λを短くするには限界があり、現状ですでにほぼその限界に達している。
【0008】
また、実用的な大きさの露光フィールドを仮定すると、開口数NAを大きくとるには投影露光光学系の口径を大きくとることが必要であり、収差の補正も難しくなることから、開口数NAを大幅に大きくすることも難しく、現状ですでに可能な限りの高開口数化が図られている。
【0009】
これに対し、近接露光や密着露光では、露光波長をλ、原図基板と被露光基板との間隙をzとする時、解像度Rはλzの平方根に比例する。すなわち、近接露光や密着露光の場合には、露光波長λと原図基板・被露光基板間隙zが解像度を決定する主要因である。
【0010】
したがって、解像度を上げるためには、露光波長λを短くして原図基板と被露光基板との間隙zを狭くすれば良い。しかし、近接露光や密着露光では、基本的に原図基板と同じ寸法の微細パタンしか転写できないため、原図基板上に極微細パタンを作ること自体が困難となってきている。加えるに露光波長λを短くすると原図基板の露光光線透過率が低下し、光の吸収による原図基板の伸縮が問題になる。また、原図基板・被露光基板間隙zを小さくしたり、両者を接触あるいは密着させたりすると、原図基板の汚染や被露光基板に形成したレジスト膜の損傷等が懸念される。したがって、露光波長λや原図基板・被露光基板間隙zを大幅に改善することは、事実上非常に困難である。
【0011】
一方、遮光部と透過部とを有する通常のレチクルやマスクの他に、各種位相シフタを適宜配置した位相シフトマスクが開発されている。該位相シフトマスクを用いると、レジスト膜を露光する光線の光強度分布の明暗コントラストが改善させ、同じ開口数NA、同じ露光波長λ、同じ原図基板・被露光基板間隙zに対して高解像が得られる。この方法も順次取り入れられて来ており、高解像化の有効な方策となっている。しかし、位相シフトマスクを適用してもなおかつ解像度は不足しており、さらなる解像度の向上が求められる状況にある。
【0012】
また、同じ光強度分布のコントラストに対してレジストパタンの形成方法やレジスト膜の構成、材料等を工夫して解像度を上げる試みもなされている。レジストの薄膜化、表面反応レジストプロセス、多層レジスト、コントラストエンハーンスメントレイヤ(以下CELと記す。)の適用等が代表例である。
【0013】
レジストの膜厚を薄くすると、その膜厚間を露光光線が通過する際の光路長が短くなり、レジスト基板の光強度分布をレジスト表面の光強度分布とあまり変わらないようにできる。また、投影露光時には、レジスト厚さ全体を焦点深度内に収めることができる。そのため、レジスト膜厚が厚い時に比して、レジスト膜を露光する光線の光強度分布の明暗コントラストが低くても解像する。
【0014】
表面反応レジストプロセスは、露光時にレジストの表面だけが反応するようにせしめ、シリル化等を利用して表面だけが反応した部分の形状を表面反応層の下に設けた材料に移して行く方法である。露光時にレジストの表面だけ感光させれば良いので、レジスト膜を露光する光線の光強度分布の明暗コントラストが低くても解像する。
【0015】
多層レジストはレジストを2層または多層に重ねて塗布し、最上層のレジストを薄くして、低コントラストの光強度分布でも該最上層のレジストが原図基板上の微細パタンに対応した形状に解像するようにする。そして、最上層から順次、上層レジストパタンをマスクにその下のレジスト膜をエッチングし、最終的には後続の工程に必要な最下層レジストのパタンを形成する。
【0016】
多層レジストを2層レジストの構成とし、エッチングを用いずに上層レジストパタンを遮光部として下層レジスト膜を露光し、露光後現像して上層レジストパタンの形状をそのまま下層レジスト膜に移す方法もたとえば、Jounal of Vacuum Science and Technology Vol.16,p.1620(1979)等に開示されている。しかしながら、開示されている方法では、下層レジスト膜露光時にはフィールド内全域を一括照射するため、下層レジストには、上層レジストパタンの形状がそのまま転写されるに過ぎない。したがって、下層レジスト膜を露光後、現像して最終的に得られるパタンのピッチは、上層レジストパタンと同じであり、上層レジストパタンのピッチより遥に小さいピッチのレジストパタンを形成することはできない。
【0017】
また、CELを用いる方法は、レジスト膜上にCEL膜を形成し、光強度の明暗の差を増強してレジストを感光させる方法である。CEL膜は露光によって感光部の透過率が増すので、露光部と未露光部の感光比率が改善される。このため、CELを用いない時に比して解像度が向上する。
【0018】
これらのレジストプロセスを工夫する方法は、最上層または最上部分の材料を最初に露光する時の光強度分布に対応したパタンを形成する方法であり、以下の層または部分は、最上層または最上部分の材料に形成されたパタン形状を、後続のエッチング等に対する耐性を高めて作り直す目的で使用しているに過ぎない。したがって、解像度は最上層または最上部分の材料を露光する光強度分布でほぼ決まってしまう。また、最上層または最上部分の材料を露光する光強度分布自体が改善される訳ではないので、解像度の改良状況は一般に高々10~20%程度であり、あまり顕著ではない。
【0019】
さらに別の解像度改善方法として、露光フィールド内のパタンを2群のパタン群に分割し、分割した各群のパタンを2回に分けて露光する方法がDigestof Papers,Micro Process '94,pp.4-5に開示されている。この方法は、通常、レジストは光強度に比例して感光し、現像液に対する溶解性が露光強度に対応して変化するのに対し、感光性や現像液に対する溶解性が露光強度の2乗に比例して変化する2光子レジストを利用する方法である。2光子吸収レジストを利用して分割した2群のパタンを順次露光すれば、各パタン群露光時の光強度分布の明暗コントラストが低くてもそれを2乗した分布のコントラストは十分高くなるので、分割露光したパタンの合成により従来より狭いピッチのパタンを形成できる。但し、この方法では、上記の特別な特性を持つレジストが不可欠であるのに対し、必要とされる実用的な2光子吸収レジストは技術の開示後未だに開発されていない。
産業上の利用分野
本発明は半導体集積回路等の製造時に用いる、微細なレジストパタンの形成方法に関するものである。
特許請求の範囲 【請求項1】露光フィールド内のパタンを2群のパタン群に分割し、分割した各群のパタンを露光および現像する工程を順次行う、2段階のパタン形成工程を含むレジストパタン形成方法において、基板上または被膜付き基板上に形成した下層レジスト膜および上層レジスト膜からなる2層レジストを用い、下層レジスト膜が感光せず上層レジスト膜だけが感光する波長帯の露光光線により上層レジスト膜を前記の分割した第1のパタン群に対応した形状に露光し、前記露光の後、現像を行って、該第1のパタン群に対応した上層レジストパタンを形成する第1のレジストパタン形成工程を有し、前記第1のレジストパタン形成工程で形成した上層レジストパタンをほとんど透過できず、かつ、下層レジスト膜が感光し、第1のレジストパタン形成工程で用いる露光光線よりも短波長帯の露光光線により、前記上層レジストパタン中の任意のパタンと該任意のパタンに隣接するパタンとの間に露出した下層レジスト膜を前記の分割した第2のパタン群に対応するパタン形状に露光し、該露光の後、現像を行って、上層レジストパタンの直下および前記第2のパタン群に対応するパタン形状露光の際の暗部に、下層レジストパタンを形成する第2のレジストパタン形成工程を有することを特徴とするレジストパタン形成方法。
【請求項2】第1のレジストパタン形成工程において形成するレジストパタンの中心線間の間隔を該レジストパタンの最小線幅の3.5倍以上となし、第2のレジストパタン形成工程においてレチクルまたはマスクによって形成するレジストパタンの中心線間の間隔を該レジストパタンの最小線幅の3.5倍以上とすることを特徴とする、請求項1記載のレジストパタン形成方法。
【請求項3】周辺の光強度が中心の光強度より高い照明2次光源により原図基板を照明する投影露光法を用いて上層レジストパタンを形成する第1のレジストパタン形成工程および/または周辺の光強度が中心の光強度より高い照明2次光源により原図基板を照明する投影露光法を用いて下層レジストパタンを形成する第2のレジストパタン形成工程を有することを特徴とする、請求項1および請求項2記載のレジストパタン形成方法。
【請求項4】シフタエッジ型位相シフトマスクを用いて上層レジストパタンを形成する第1のレジストパタン形成工程および/またはシフタエッジ型位相シフトマスクを用いて下層レジストパタンを形成する第2のレジストパタン形成工程を有することを特徴とする、請求項1および請求項2記載のレジストパタン形成方法。
産業区分
  • 固体素子
  • 写真映画
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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出願権利状態 権利存続中
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