JP2005045083A

JP2005045083A - 露光方法

Info

Publication number: JP2005045083A
Application number: JP2003278712A
Authority: JP
Inventors: Koichi Takeuchi; 幸一竹内
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-07-24
Filing date: 2003-07-24
Publication date: 2005-02-17

Abstract

【課題】光学レンズ部の光出射端と基板との間に液体を介在させずに露光精度を向上させること。
【解決手段】本発明は、光学レンズ部１の光出射端１ａから基板Ｓ上のレジスト２に対して転写パターンに対応した光を照射して露光を行う露光方法において、基板Ｓ上のレジスト２の上に、屈折率が１より大きく、かつ光を十分に透過する透明膜３を形成しておき、光学レンズ部１の光出射端１ａから光を出射して露光するにあたり、透明膜３を介してレジスト２の表面に光を結像させる露光方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、微細パターンを露光可能な露光方法に関し、特に光学レンズ部の光出射端と露光対象との間に液体を介在させずに露光精度を向上させる露光方法に関する。

半導体製造等に用いられている光リソグラフィ技術では、形成するパターンの解像度は以下のレイリーの式で与えられる。

Resolution＝k1・λ/NA＝k1・λ/(n・sinθ)＝k1・(λ/n)/sinθ

ここで、k1はプロセスファクターで、λは露光波長、NAは投影レンズの開口数で、媒質の屈折率ｎと最大取り込み角度θのSinとの積である。

形成するパターンの解像度を上げる手段としては、投影レンズと基板上のレジストの間に液体を満たす方法（液浸式露光方法、Immersion Lithography ）が提案されている。通常の露光装置において、レンズと露光対象との間の媒質は空気で、その屈折率は１である。しかし、媒質に液体を用いると、液体の屈折率（約1.3から1.5）が空気の屈折率より大きいため、開口数NAは上がり、解像度を向上できることになる。これは、媒質中での光学的な露光波長λ/ｎが、空気中より小さくなるとも解釈できる。

Immersion Lithography技術としては、以下の特許文献１、特許文献２に開示されている。

特開平１０−３０３１１４号公報国際公開第９９／４９５０４号パンフレット

しかし、上記のように、光学レンズ部の光出射端と基板との間に液体を満たして行う露光方法では次のような問題点がある。すなわち、半導体製造等に用いられている光リソグラフィ技術では、ステージを動かして、逐次基板上にパターンを形成する。そのとき、光学レンズ部の鏡筒と液体とが接しているところで乱流が起こり、気泡が生じる。また、液体中ではパターティクルが発生しやすい。これらにより、形成したパターンの一部に欠陥が生じるという問題がある。さらに、液体中のわずかな温度分布の不均一が、液体の屈折率分布の不均一となり、形成したパターンの寸法がばらつくという問題もある。また、液体を満たすため、ステージと通常のラインとの遮蔽が必要で、基板の搬送等に多くの時間を要するという問題もある。

本発明は、このような課題を解決するために成されたものである。すなわち、本発明は、光学レンズ部の光出射端から基板上の感光材料に対して転写パターンに対応した光を照射して露光を行う露光方法において、基板上の感光材料の上に、屈折率が１より大きく、かつ前記光を十分に透過する透明膜を形成しておき、光学レンズ部の光出射端から光を出射して露光するにあたり、透明膜を介して感光材料表面に光を結像させる露光方法である。

このような本発明では、基板上の感光材料の上に、屈折率が１より大きく、かつ光を十分に透過する透明膜を形成しておいた状態で、この透明膜を介して光を感光材料表面に結像させているため、液体を介在させる露光で問題となる液体の乱流の影響を受けることなく高ＮＡ化による解像度向上を図ることができるようになる。

本発明では、露光装置における光学レンズ部の光出射端と基板との間に液体を介在させる必要がなくなるため、液体による乱流やパーティクルの影響を受けることなく高ＮＡ化を達成でき、寸法精度よく、さらに従来の露光と同じスループットで、しかも従来の露光より微細なレジスト・パターンを形成することが可能となる。これにより、微細な半導体装置、マイクロマシーンなどを作成することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づき説明する。図１は、本実施形態に係る露光方法を説明する模式図である。すなわち、本実施形態に係る露光方法は、光学レンズ部１の光出射端１ａから基板Ｓ上のレジスト（感光材料）２に対して露光を行うにあたり、予めレジスト２の上に、屈折率が１より大きく、かつ露光波長に対して吸収率が十分小さい透明膜３を形成しておき、この透明膜３を介してレジスト２の表面に光を結像させて露光を行う点に特徴がある。

ここで、光リソグラフィ技術では、形成するパターンの解像度は以下に示すレイリーの式で与えられる。

Resolution＝k1・λ/NA＝k1λ/(n・sinθ)＝k1(λ/n)/sinθ

上記レイリーの式で、k1はプロセスファクター、λは露光波長、NAは投影レンズの開口数であり、媒質の屈折率ｎと最大取り込み角度θのSinとの積である。

このとき、透明膜３の屈折率分だけ光学的な露光波長が短くなり、微細なパターンを解像させることができる。本実施形態では、媒質に液体を用いていないので、液体の乱流等によるパターンの劣化が発生しない。しかも、液体を供給、回収するための装置が不要となり、装置の小型化を可能にするとともに、基板Ｓの搬送も従来と同様に行うことができる。

透明膜３には、反射防止膜で用いられているような水溶性高分子膜を用いることができる。例えば、ポリビニルアルコール類、ポリビニルピロリドン類、多糖類、ポリビニルアセタール類などであり、これらを１種類もしくは２種類以上混ぜて使用する。これにより、透明膜３を回転塗布装置を用いて容易かつ均一に成膜することができる。なお、透明膜３は、レジスト２を現像するときに除去される。

図２は、本実施形態の露光方法で用いる投影露光装置の光学系を説明する模式図である。本実施形態は等倍投影露光装置および縮小投影露光装置にも適用できるが、図２に示す例では等倍投影露光装置となっている。また、反射光学系の露光装置でも原理は変わらない。

露光のための光を転写するパターンの原版であるマスクＭを介して投影レンズ光学系１０に送られる。投影レンズ光学系１０には開口絞り１１が設けられており、この開口絞り１１を通過したパターン光がウエハ等の基板Ｓに向かうことになる。

基板Ｓの上には感光材料であるレジスト２が塗布されており、このレジスト２の上に、露光波長に対して十分な透過率かつ屈折率が１を越える透明膜３が形成されている。この状態で露光を行うと、マスクＭ上の一点から出た回折光は、投影レンズ光学系１０で集められ、途中の開口絞り１１で余分な光が遮られ、透明膜３を介してレジスト２の表面でマスクＭと鏡映の位置に結像する。

開口絞り１１で取り込める最大角度をθとし、透明膜３の屈折率をｎとすると、この投影露光系の開口数ＮＡは、ｎ・ｓｉｎθで表せる。

ここで、レジスト２の上に、レジスト上側の界面での反射防止を目的として反射防止膜を形成する技術が従来からある。そのとき用いられる反射防止膜の厚さは、無反射条件として、（露光波長）／４×（反射防止膜の露光波長に対する屈折率）、もしくはそれに近い値にする。いわゆる、四分の一波長である。かつ無反射条件として、屈折率は、√（空気の屈折率×レジストの屈折率）にする必要がある。

一方、本実施形態では、透明膜３を介してレジスト２の表面で結像させるのが目的であるから、レジスト２上に形成する透明膜３としては露光波長より小さい厚さでは、実効的に短波長化させる効果がない。つまり、透明膜３の中に、露光波の山谷が複数含まれる必要がある。よって、本実施形態で用いる透明膜３は、露光波長以上とする必要がある。また、屈折率は、空気の屈折率（１）より大きければ良い。

このような本実施形態の露光方法により、投影レンズ光学系１０における光出射端１ａと基板Ｓとの間に液体を介在させずに、透明膜３の屈折率を利用して高精細な露光を行うことが可能となる。また、液体を用いる場合の乱流等の影響を受けることがないため、高精度なパターニングを行うことが可能となる。

ウエハ等の基板上に、PHS（Polyhydroxystyrene）をベース樹脂とする化学増幅型ポジレジストを400nm厚に塗布形成する。さらに、その上に、水を溶媒としてポリビニルアルコールを主成分とし、レジスト上での塗布性を向上させるためにモノエタノール数重量パーセント添加した材料を塗布し、基板を回転させて3μｍ厚の透明膜を形成する。露光波長243nmに対して、この透明膜の屈折率ｎは1.5、吸収係数kは0である。

次に、KrFエキシマレーザを露光光源とする縮小投影型露光装置を用い、投影レンズの像側の開口数NA＝0.63、σ（投影レンズの照明側の開口数／投影レンズの像側の開口数）＝0.75、1/2輪帯照明絞りの条件で、図３に示すようなDRAMのビット・ラインのパターンを露光転写する。

このパターンは、ビット・ラインＬ１の幅が110nm、ビット・ライン間のスペースが110nmのライン＆スペース・パターンである。次に、基板を130℃で、60秒間加熱して、露光によりレジスト中に発生した酸を拡散させる。さらに、TMAH2.38％のアルカリ性現像液で現像し、その後、基板を回転させながら純水でリンスする。リンス後も、基板を高速で回転させる。

以上により、110nm/110nmのライン＆スペースから成るビット・ラインのレジスト・パターンを寸法精度良く形成することができる。なお、レジスト上に、上記透明膜を形成しないで露光を行う場合には、110nm/110nmのライン＆スペースは解像せず、160nm/160nmのライン＆スペースとなる。

実施例１と同様な条件で、図４に示すようなロジック回路のゲートのレジスト・パターンＬ２を形成する。最小線幅ｄは100nmとなる。一方、レジスト上に上記透明膜を形成しないで露光を行う場合には、最小線幅が150nm以上のゲート・パターンしか解像できない。

実施例１と同様な条件で、図５に示すようなロジック回路のコンタクトホールのレジスト・開口パターンｈを形成する。ホールの直径は130nmであり、最小ピッチは260nmである。ただし、露光条件は、NA＝0.63、σ＝0.60、通常の円形の照明絞りである。レジスト上に上記説明した透明膜を形成して露光を行うとホール直径130nmのコンタクトホールが解像できるが、レジスト上に上記透明膜を形成しないで露光を行うと、ホール直径200nm以上、ピッチ400nm以上のホール・パターンまでしか解像できない。

実施例１から実施例３で、レジスト上の透明膜の主成分をポリビニルピロリドン単体重合体、ポリアクリル酸重合体を用いても、同じ結果が得られる。

ウエハ等の基板上に、ポリアクリレートをベース樹脂とする化学増幅型ポジレジストを220nm厚に塗布形成する。さらに、その上に、水を溶媒としてポリビニルアルコールを主成分とし、レジスト上での塗布性を向上させるためにモノエタノール数重量パーセント添加した材料を塗布し、基板を回転させて3μm厚の透明膜を形成する。露光波長193nmに対して、この透明膜の屈折率nは1.4、吸収係数kは0である。

次に、ArFエキシマレーザを露光光源とする縮小投影型露光装置を用い、投影レンズの像側の開口数NA=0.75、σ（投影レンズの照明側の開口数／投影レンズの像側の開口数）＝0.75、2/3輪帯照明絞りの条件で、図３に示すようなDRAMのビット・ラインのパターンを露光転写する。

このパターンは、ビット・ラインＬ１の幅が70nm、ビット・ライン間のスペースが70nmの単純なライン＆スペース・パターンである。次に、基板を140℃で、60秒間加熱して、露光によりレジスト中に発生した酸を拡散させる。さらに、TMAH2.38％のアルカリ性現像液で現像し、その後、基板を回転させながら純水でリンスする。リンス後も、基板を高速で回転させる。

以上により、70nm/70nmのライン＆スペースのビット・ラインのレジスト・パターンを寸法精度良く形成することができる。なお、レジスト上に、上記透明膜を形成しないで露光を行う場合には、70nm/70nmのライン＆スペースは解像せず、90nm/90nmのライン＆スペースまでしか解像しない。

実施例５で、レジスト上の透明膜の主成分をポリビニルピロリドン単体重合体、ポリアクリル酸重合体を用いても、同じ結果が得られる。

本実施形態に係る露光方法を説明する模式図である。本実施形態の露光方法で用いる投影露光装置の光学系を説明する模式図である。 DRAMのビット・ラインのパターンの例を示す模式図である。ロジック回路のゲートのレジスト・パターンの例を示す模式図である。ロジック回路のコンタクトホールのレジスト・開口パターンの例を示す模式図である。

符号の説明

１…光学レンズ部、１ａ…光出射端、２…レジスト、３…透明膜、１０…投影レンズ光学系、Ｍ…マスク、Ｓ…基板

Claims

光学レンズ部の光出射端から基板上の感光材料に対して転写パターンに対応した光を照射して露光を行う露光方法において、
前記基板上の感光材料の上に、屈折率が１より大きく、かつ前記光を十分に透過する透明膜を形成しておき、
前記光学レンズ部の光出射端から光を出射して露光するにあたり、前記透明膜を介して前記感光材料表面に前記光を結像させる
ことを特徴とする露光方法。
前記透明膜は、前記光の波長より十分厚く形成する
ことを特徴とする請求項１記載の露光方法。
前記透明膜は、水溶性高分子膜から成る
ことを特徴とする請求項１記載の露光方法。