JP2005136244A - 露光方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 偏光現象による解像性の劣化を防ぐことができる露光方法を得る。
【解決手段】 被加工基体上にレジスト膜を形成する工程と、レジスト膜上に上層膜を形成する工程と、上層膜を通してレジスト膜に露光光を照射する工程とを有し、上層膜を形成する際に、レジスト膜に入射される露光光のs偏光のp偏光に対する比率が大きくなるように上層膜の屈折率及び膜厚を調整する。
【選択図】 図1

Description

本発明は、偏光現象による解像性の劣化を防ぐことができる露光方法に関するものである。
Si基板などの被加工基体にパターンを形成するためのフォトリソグラフィにおいて、被加工基体上にレジスト膜を形成し、マスク上のパターン像を、投影光学系を介して被加工基体に露光する投影露光方法が用いられる。そして、レジスト膜厚の変動によるレジスト中に取り込まれる露光エネルギーの変動量を小さくするために、レジスト膜の上に、透明かつ低屈折率の材質からなる上層膜(Top Anti-Reflection Coating: TARC)を形成し、この上層膜を通して前記レジスト膜に露光光を照射する露光方法がある。
この従来の露光方法では、上記の効果を得るために、上層膜の屈折率と膜厚を調整する必要がある。この調整について以下に説明する。前提として、図6に示すように、レジスト61上に設けられた上層膜62に、入射光を空気63中から垂直入射させる場合を考える。
まず、多重反射した場合の上層膜14表面での反射率Mrefは数式1のように表される。
Figure 2005136244
ここで、r62は上層膜62表面での入射光の反射率、r61は上層膜62とレジスト61の界面での入射光の反射率、δは上層膜62中の往復光路分による位相変化である。
この反射率Mrefが0になる条件を求めると数式2及び数式3が得られる。
Figure 2005136244
Figure 2005136244
この数式2から、次の数式4が得られる。
Figure 2005136244
ここで、n61はレジスト61の屈折率、n62は上層膜62の屈折率、n63は空気63の屈折率である。そして、空気の屈折率n63=1とすると数式4から、次の数式5が得られる。
Figure 2005136244
一方、数式3からδ=πが得られ、これを次の数式6に代入する。
(数6)
δ=4πd6262/λ(数式6)
ここで、d62は上層膜62の膜厚、λは露光波長である。これにより、次の数式7が得られる。
(数7)
62=λ/4n62(数式7)
こうして得られた数式5及び数式7から上層膜の屈折率と膜厚を調整する。
しかし、この従来の露光方法は、露光光が上層膜に対して垂直入射する場合だけを考えおり、露光光が斜め入射する場合について考えていない。そのため、露光機の投影光学系のNA(Numerical Aperture:レンズ開口数)が高くなると、結像面での回折光の斜入射度が高くなるため、従来の露光方法は適用できなくなる。
一方、近年では、半導体素子等の集積度の向上に伴って、露光機の投影光学系のNAが高くなっている。このような高NA露光における露光光の偏光の影響について種々の研究がなされている(例えば、非特許文献1参照)。以下、高NA露光における露光光の偏光の影響について説明する。
露光光は偏光特性を有し、p偏光とs偏光に分けられる。p偏光は光の入射/反射面に対し、電界が平行に振動している光であり、s偏光はその面に対し電界が垂直に振動している光である。そして、一般的な露光機の照明系ではp偏光とs偏光の比率は同一であり、両者の合成が実際の光学像となる。
両偏光について2光束干渉での干渉状態を図7に示す。p偏光の場合、図7(a)に示すように、それぞれの光束の電界は平行でないため、電界強度の最大ベクトル長と最小ベクトル長の電界強度の差は小さい。これはパターンの明暗差(コントラスト)が小さいことを意味する。一方、s偏光の場合、図7(b)に示すように、それぞれの光束の電界は平行であるため、電界強度の最大ベクトル長は基準電界ベクトルの2倍になり、最小ベクトル長はゼロになる。よって、干渉像のコントラストにおいて、s偏光の方がp偏光より優れている。
次にp偏光の干渉における入射角度の影響について説明する。まず、入射角度が45度よりかなり小さい場合、図8(a)に示すように、最大強度と最小強度の差が大きく、コントラストが大きい。次に、入射角度が45度の場合、図8(b)に示すように、最大強度と最小強度が一致し、コントラストは0になる。そして、45度を超えた場合、図8(c)に示すように、コントラストが逆になる。
次に、パターンサイズを変えて行った具体的な光学計算の結果を図9に示す。図9(a)〜(d)は、それぞれパターンサイズを100nmL/S、80nmL/S、70nmL/S、60nmL/Sとした場合である。その他の条件は、露光光の波長が193nm、レンズNAが0.85、照明がdipole(σcenter=0.9、σradius=0.1)である。これらの計算結果から分かるように、p偏光像の方がs偏光像よりコントラストが常に劣っている。また、s偏光と比べて、p偏光は微細度とともにコントラストが劣化し、特に、60nmL/Sまで微細するとp偏光のコントラストは逆転し、s偏光とp偏光の合成波の像質が劇的に劣化する。即ち、パターンが微細になる程、偏光現象により、解像性が劣化することになる。
B. Smith, et al. SPIE Vol.4691 (2002) p. 11-24
上記のように、従来の露光方法では、露光光が上層膜に対して垂直入射する場合だけを考えており、露光光が斜め入射する場合について考えてない。そのため、偏光現象による解像性の劣化を防ぐことができない。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、偏光現象による解像性の劣化を防ぐことができる露光方法を得るものである。
本発明に係る露光方法は、被加工基体上にレジスト膜を形成する工程と、レジスト膜上に上層膜を形成する工程と、上層膜を通してレジスト膜に露光光を照射する工程とを有し、上層膜を形成する際に、レジスト膜に入射される露光光のs偏光のp偏光に対する比率が大きくなるように上層膜の屈折率及び膜厚を調整する。本発明のその他の特徴は以下に明らかにする。
本発明により、偏光現象による解像性の劣化を防ぐことができる。
実施の形態1.
本発明の実施の形態1に係る露光方法は、図1に示すように、被加工基体であるSi基板11上に反射防止膜12を形成し、反射防止膜12上にレジスト膜13を形成し、レジスト膜13上に上層膜14を形成し、上層膜14を通してレジスト膜13に露光光を照射する。ただし、上層膜14を形成する際に、レジスト膜13に入射される露光光のs偏光のp偏光に対する比率が大きくなるように上層膜14の屈折率及び膜厚を調整する。このように、解像性に優れるs偏光の比率を大きくすることで、レジスト膜13中での光学像の解像性を向上させることができる。以下、上層膜の屈折率及び膜厚を調整する方法について具体的に説明する。前提として、図1に示すように、レジスト膜13上に設けられた上層膜14に、入射光を空気15中から斜め入射させる場合を考える。
まず、上層膜14の適正屈折率及び適正膜厚を求めるために、従来と同様に上記の数式1の反射率Mrefが0になる条件を用いた場合について説明する。この条件は、p偏光及びs偏光の双方を十分にレジスト中に取り込める条件、即ち、入射光の上層膜表面での反射を抑制する条件である。そして、この条件から従来と同様にして、上記の数式2及び数式3が得られる。ただし、斜め入射であるため、従来とは異なり、上記の数式2から、p偏光及びs偏光に関し、それぞれ、次の数式8及び数式9が得られる。
Figure 2005136244
Figure 2005136244
ここで、n13はレジスト膜13の屈折率、n14は上層膜14の屈折率、n15は空気15の屈折率、r14は上層膜14表面での入射光の反射率、r13は上層膜14とレジスト膜13の界面での入射光の反射率、θ15は空気15中から上層膜14への入射光の入射角度(上層膜14表面と垂直な方向からの傾き)、θ14は上層膜14中での入射角度、θ13はレジスト膜13中での入射角度である。
そして、空気の屈折率n15=1とすると数式8及び数式9から、それぞれ、次の数式10及び数式11が得られる。
Figure 2005136244
Figure 2005136244
以上により求められた数式10及び数式11は、屈折率n14に依存するcosθ14を含んでおり、屈折率n14を独立分離していない。このため、これらの数式を解いても、上層膜14の適正屈折率及び適正膜厚を求めることができない。そこで、本実施の形態では、以下に説明する方法により、上層膜14の適正屈折率及び適正膜厚、更には、レジスト膜の適正膜厚を求める。
まず、計算に用いる数式12〜54について説明する。多重反射した場合の上層膜14表面での反射率Mrefは次のように表される。
Figure 2005136244
次に、入射光がSi基板11に透過する透過率Mtransは次のように表される。
Figure 2005136244
次に、入射光の上層膜14への入射角度θ15は、露光機のNAを用いて次のように表される。
(数14)
θ15=arc−sinNA (数式14)
次に、上層膜14中での露光光の入射角度θ14、レジスト膜13中での露光光の入射角度θ13、反射防止膜12中での入射角度θ12、Si基板11中での入射角度θ11は、それぞれ次のように表される。
Figure 2005136244
Figure 2005136244
Figure 2005136244
Figure 2005136244
ここで、Re[n]はnの実数部分を表し、n12は反射防止膜12の屈折率、n11はSi基板11の屈折率である。
次に、上層膜14表面での入射光のp偏光の反射率rp14、s偏光の反射率rs14、上層膜14とレジスト膜13の界面での入射光のp偏光の反射率rp13、s偏光の反射率rs13、レジスト膜13と反射防止膜12の界面での入射光のp偏光の反射率rp12、s偏光の反射率rs12、反射防止膜12とSi基板11の界面での入射光のp偏光の反射率rp11、s偏光の反射率rs11は、それぞれ次のように表される。
Figure 2005136244
Figure 2005136244
Figure 2005136244
Figure 2005136244
Figure 2005136244
Figure 2005136244
Figure 2005136244
Figure 2005136244
次に、空気15と上層膜14の界面での入射光のp偏光の透過率tp14、s偏光の透過率ts14、上層膜14とレジスト膜13の界面での入射光のp偏光の透過率tp13、s偏光の透過率ts13、レジスト膜13と反射防止膜12の界面での入射光のp偏光の透過率tp12、s偏光の透過率ts12、反射防止膜12とSi基板11の界面での入射光のp偏光の透過率tp11、s偏光の透過率ts11は、それぞれ次式で表される。
Figure 2005136244
Figure 2005136244
Figure 2005136244
Figure 2005136244
Figure 2005136244
Figure 2005136244
Figure 2005136244
Figure 2005136244
次に、上層膜14中の往復光路分による位相変化δ14、レジスト膜13中での往復光路分による位相変化δ13、反射防止膜12中での往復光路分による位相変化δ12は、次のように表される。
Figure 2005136244
Figure 2005136244
Figure 2005136244
次に、上層膜14表面で反射する多重反射した反射光のp偏光の振幅ξp14、s偏光の振幅ξs14、上層膜14とレジスト膜13の界面での多重反射した反射光のp偏光の振幅ξp13、s偏光の振幅ξs13、レジスト膜13と反射防止膜12の界面での多重反射した反射光のp偏光の振幅ξp12、s偏光の振幅ξs12は、それぞれ次のように表される。
Figure 2005136244
Figure 2005136244
Figure 2005136244
Figure 2005136244
Figure 2005136244
Figure 2005136244
次に、空気15と上層膜14の界面での多重反射した透過光のp偏光の振幅ηp14、s偏光の振幅ηs14、上層膜14とレジスト膜13の界面での多重反射した透過光のp偏光の振幅ηp13、s偏光の振幅ηs13、レジスト膜13と反射防止膜12の界面での多重反射した透過光のp偏光の振幅ηp12、s偏光の振幅ηs12は、それぞれ次のように表される。
Figure 2005136244
Figure 2005136244
Figure 2005136244
Figure 2005136244
Figure 2005136244
Figure 2005136244
次に、上層膜14表面で反射する多重反射した反射光のエネルギーのp偏光分R、s偏光分Rは、それぞれ次のように表される。
Figure 2005136244
Figure 2005136244
次に、Si基板11へ透過する多重反射した透過光のエネルギーのp偏光分Tp、s偏光分Tsは、それぞれ次のように表される。
Figure 2005136244
Figure 2005136244
次に、レジスト21中に取り込まれるエネルギーに対するs偏光分の比率yは、次のように表される。
Figure 2005136244
以上説明した数式を用いて、入射光が上層膜14表面で反射する反射光のエネルギーのp偏光分R及びs偏光分Rについて、それぞれ上層膜14の屈折率n14との関係を計算する。ただし、この計算において、p偏光及びs偏光の双方にとって、上層膜14の適正膜厚はλ/4n14cosθ14であることから、上層膜14の膜厚d14=λ/4n14cosθ14とする。この計算結果を図2に示す。なお、入射光の波長λを193nm、NAを0.68とした。
そして、この計算結果から、反射光のエネルギーのs偏光分のp偏光分に対する比率が小さくなるような上層膜14の適正屈折率を求める。しかし、図2に示した計算結果によると、反射光のエネルギーが最小となる上層膜の屈折率はどちらの偏光の場合もほぼ同等である。このため、ここでは、s偏光分Rが最小になる屈折率を上層膜の適正屈折率とする。このような屈折率をグラフから読み取ると、適正屈折率として1.27が求まる。そして、この求めた適正屈折率とλ/4n14cosθ14の式から、上層膜14の適正膜厚として45nmが求まる。このように適正屈折率及び適正膜厚を求め、上層膜14を形成する際に、上層膜14の屈折率及び膜厚をそれぞれ適正屈折率及び適正膜厚にすることで、偏光現象による解像性の劣化を防ぐことができる。
次に、求めた上層膜の適正屈折率及び適正膜厚を基準にして、入射光の上層膜への入射角度を変数とし、レジスト膜の膜厚をパラメーターとして、レジスト膜中へ取り込まれる入射光のエネルギーのs偏光分の比率yを計算する。この計算結果を図3に示す。ただし、λ=1930,n11=0.88-2.78i,n12=1.71-0.41i,n13=1.7-0.02i,n14=1.45-0.084i,n15=1,d12=345,d13=2400,d15=455とした。また、図3(a)は上層膜を有しない場合、図3(b)は上記で求めた適正屈折率及び適正膜厚の上層膜を有する場合であり、横軸は入射光の角度、縦軸はレジスト膜中へ取り込まれる入射光のエネルギーのs偏光分の比率yである。そして、2300〜3000Åの7種類のレジスト膜の膜厚について計算している。
図3(a)に示すように、上層膜を有しない場合、入射角度が小さいとp偏光とs偏光の比率が同等であるが、入射角度が大きくなるにつれて解像性に優れるs偏光の割合が少なくなる。具体的には、レジスト膜厚260nmについて、NA=0.68相当の入射角度43度ではs偏光の比率は0.45になり、さらに、NA=0.86相当の入射角度60度ではs偏光の比率は0.37まで小さくなる。一方、図3(b)に示すように、調整された上層膜を有する場合は、入射角度が大きくなっても、s偏光の比率の減少を抑制できる。
さらに、この計算結果から、露光機のNAに応じて、s偏光分の比率が大きくなるようなレジスト膜の適正膜厚を求め、レジスト膜を形成する際に、レジスト膜の膜厚を求めた適正膜厚にすることで、偏光現象による解像性の劣化を更に確実に防ぐことができる。
なお、図2に示す計算結果から、反射光のエネルギーのs偏光分のp偏光分に対する比率が最小となるような上層膜14の最適屈折率を求めるのが望ましい。そして、この最適屈折率とλ/4n14cosθ14の式から、上層膜の最適膜厚を求めるのが望ましい。また、図3に示す計算結果から、露光機のレンズ開口数NAに応じて、s偏光分の比率が最大となるようなレジスト膜の最適膜厚を求めるのが望ましい。ただし、図2及び図3に示すように、これらの値は最適値に限らず、所定の範囲の適正値であれば効果を奏する。
また、上記の例では、露光光の波長を193nm、NAを0.68とした場合について説明したが、実施の形態1に係る露光方法は、波長やNAには依存せず、全ての露光波長、NAにおいて有効である。ただし、NAの値によって、上層膜の適正屈折率・適正膜厚及びレジスト膜の適正膜厚の適正範囲は異なる。
実施の形態2.
上記の実施の形態1において上層膜の適正屈折率として1.27が得られた。しかし、これはかなり小さい値であり、現在用いられている上層膜の屈折率は1.45である。ただし、正確には吸収が若干あり、複素屈折率にして1.45−0.084iである。そこで、実施の形態2に係る露光方法では、適正屈折率より大きい屈折率の上層材を用いた場合の調整を行う。
適正屈折率より大きい屈折率の上層膜を有する場合において上記と同様の計算を行って得た、レジスト膜中へ取り込まれる入射光のエネルギーのs偏光分の比率yと入射角度の関係を図4に示す。ただし、図4(a)〜(e)はそれぞれ上層膜の膜厚を333Å、377Å、400Å、455Åとした場合である。この計算結果から分かるように、上層膜の適正膜厚は、必ずしも入/4n14cosθ14ではなく、それより厚い膜厚の方が効果的な場合もある。これは上層膜の屈折率が適正屈折率ではないからである。また、上記条件の一つである上層膜の膜厚を455Åとした場合を図5(a)に示し、上層膜が無い場合を図5(b)に比較して示す。この図5から、適正屈折率より大きい屈折率の上層膜を有する場合でも、偏光現象による解像性の劣化をある程度は防げることが分かる。
上記の計算結果から、露光機のNAに応じて、s偏光分の比率が大きくなるような上層膜の適正膜厚及びレジスト膜の適正膜厚を求め、上層膜14を形成する際に上層膜14の膜厚を適正膜厚にし、レジスト膜を形成する際にレジスト膜の膜厚を適正膜厚にすることで、偏光現象による解像性の劣化を防ぐことができる。
なお、デバイスの段差が大きい場合は、レジストの膜厚は変動するため、膜厚設定の意味は小さいが、現行のデバイスではCMPプロセスが標準化されており、デバイスの急激な段差はほとんど無いため、膜厚設定の意味合いは大きい。
次に、本実施の形態の露光方法の効果を確認するために行った露光実験の結果を示す。露光条件は、露光光の波長が193nm(ArF)、レンズがNA=0.68、照明がσ=0.3である。また、マスクとしてAlternating PSMの90nmL/Sを用いているため、2光束干渉になっている。また、マスクパターンは微細なため光束はレンズの瞳内の最外周近辺を通過しており、このレンズで達成できる最大の斜入射度に近くなっている。更にσも絞っているので、斜入射度の分布も抑制されている。この露光条件は上記の計算とほぼ合致した条件である。また、レジスト膜厚の厚みを250nm、レジスト膜と基板との間に設けた反射防止膜の厚みを78nmとしている。
以上の露光条件で、膜厚33nmの上層膜がある場合と、上層膜が無い場合について、リソグラフイーマージンを評価した結果を表1に示す。
Figure 2005136244
ここで、Eoは90nmL/Sがその通りになる露光時間、Ecはパターン分離とブリッジの境界露光時間で、その比のEo/Ecが大きいほどブリッジに対するマージンが優れている。Exposure latitudeは露光マージンで、寸法を10%変化させる露光量変化(%)で定義される。即ち、値が大きいほど露光量が寸法に与える影響が少なく、良好である。DOFはフォーカスマージンで寸法が10%変化するフォーカスの範囲であり、大きいほど好ましい。なお、上層膜の膜厚を33nmとしたのは、図4(a)に示す計算結果から分かるように、適正膜厚とは少し異なるがある程度の効果は奏する膜厚だからである。また、レジストの膜厚を250nmとしたのは、図5に示す計算結果から分かるように、上層膜の有無で、レジスト膜中に取り込まれる入射光のエネルギーのs偏光分の比率が大きくなる膜厚条件だからである。
表1に示す実験結果から、Eo/EcとExposure latitudeの改善が見られる。これらは光学像のコントラストに対応するものであるため、この実験結果から本発明の効果が実証される。また、本発明ではDOFを改善することはできないが、実験結果でも同様な結果となっている。よって、本実施の形態に係る露光方法により、偏光現象による解像性の劣化を防ぐことができることが実験によっても確認された。
入射光が上層膜へ斜め入射する様子を示す断面図である。 上層膜の屈折率と反射光のエネルギーの関係を示す図である。 適正屈折率及び適正膜厚の上層膜を有する場合について、レジスト膜中へ取り込まれる入射光のエネルギーのs偏光分の比率yと入射角度の関係を示す図である。 適正屈折率より大きい屈折率の上層膜を有する場合について、レジスト膜中へ取り込まれる入射光のエネルギーのs偏光分の比率yと入射角度の関係を示す図である。 上層膜を有しない場合と、適正屈折率より大きい屈折率及び膜厚455Åの上層膜を有する場合について、レジスト膜中へ取り込まれる入射光のエネルギーのs偏光分の比率yと入射角度の関係を示す図である。 入射光が上層膜へ垂直入射する様子を示す断面図である。 p偏光とs偏光について2光束干渉での干渉状態を示す図である。 p偏光の干渉における入射角度の影響を説明するための図である。 パターンサイズを変えて行った具体的な光学計算の結果を示す図である。
符号の説明
11 Si基板(被加工機体)
12 反射防止膜
13 レジスト膜
14 上層膜
15 空気

Claims (3)

  1. 被加工基体上にレジスト膜を形成する工程と、
    前記レジスト膜上に上層膜を形成する工程と、
    前記上層膜を通して前記レジスト膜に露光光を照射する工程とを有し、
    前記上層膜を形成する際に、前記レジスト膜に入射される前記露光光のs偏光のp偏光に対する比率が大きくなるように前記上層膜の屈折率及び膜厚を調整することを特徴とする露光方法。
  2. 入射光が前記上層膜へ斜め入射する場合に、前記入射光の前記上層膜への入射角度を露光機のレンズ開口数NAを用いてarc-sinNAとし、前記入射光の波長をλとし、前記上層膜の屈折率をnとし、前記上層膜中の前記入射光の入射角度をθとし、前記上層膜の膜厚をλ/4ncosθとして、前記入射光が前記上層膜表面で反射する反射光のエネルギーのp偏光分及びs偏光分について、それぞれ前記上層膜の屈折率との関係を計算する工程と、
    この計算結果から、前記反射光のエネルギーのs偏光分のp偏光分に対する比率が小さくなるような前記上層膜の適正屈折率を求める工程と、
    この求めた適正屈折率と前記λ/4ncosθの式から、前記上層膜の適正膜厚を求める工程とを有し、
    前記上層膜を形成する際に、前記上層膜の屈折率及び膜厚をそれぞれ前記適正屈折率及び前記適正膜厚にすることを特徴とする請求項1記載の露光方法。
  3. 前記上層膜の適正屈折率及び適正膜厚を基準にして、前記入射光の前記上層膜への入射角度を変数とし、前記レジスト膜の膜厚をパラメーターとして、前記レジスト膜中へ取り込まれる前記入射光のエネルギーのs偏光分の比率を計算する工程と、
    この計算結果から、前記露光機のレンズ開口数NAに応じて、前記s偏光分の比率が大きくなるような前記レジスト膜の適正膜厚を求める工程とを有し、
    前記レジスト膜を形成する際に、前記レジスト膜の膜厚を前記適正膜厚にすることを特徴とする請求項2記載の露光方法。
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