JP2009200491A - 液浸紫外線フォトリソグラフィ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 液浸紫外線フォトリソグラフィ方法を提供する。
【解決手段】 本発明は、１９３ナノメートルまたは１５７ナノメートルの紫外線フォトリソグラフィに関する。解像度を最大にするために、非常に高い開口数を有する光学系を用いるが、この高い開口数から最大の利益を得るのに十分な屈折率を有するフォトレジストを使用しない。標準レジスト（ＰＲ）を使用するが、投影光学系（ＯＬ）とフォトレジスト（ＰＲ）との間に浸漬液（ＬＱ）があるにもかかわらず、入射角の非常に大きい光線が全反射する場合はエバネッセント波によって局所的に露光されるほど薄い厚さのものを使用することを提案する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、解像度が非常に高いフォトリソグラフィに関する。

現在、特に電子回路または光学回路の生産のために非常に狭小の設計形状を得るため、従来１９３ナノメートルまたは１５７ナノメートルでさえもある紫外線波長で動作するフォトリソグラフィ機器が使用されている。

より短い波長を用いるために試みがなされてきており、これにより、より小さい形状でさえも作ることが可能となっている。見込まれる波長は１３．６ナノメートル（超紫外線）であるが、マスクの製造工程がより複雑になる。

このため、本目的は、従来の紫外線波長、特に１９３ナノメートルの波長（フッ化アルゴンエキシマレーザーによって得られる）を用いて解像度を最大にしようとすることである。

光学解像度の限界は、式ｄ＝ｋλ／ＮＡによって得られる大きさｄによって定まり、ここで、λは波長であり、ＮＡは開口数であり、ｋは、特定の露光工程の技巧を考慮しない場合は１に近い補正因子であり、このような技巧を考慮する場合は０．３またはこれを下回りさえもすることもある。開口数ＮＡはｎｓｉｎθ_ｍに等しく、ここでｎはＵＶが通過する最終の媒体の光学屈折率であり、θ_ｍは光学系が果たすことのできる最大角度である。

このため、解像度を改善する（つまり、大きさｄを減少させる）方法の１つに、開口数ＮＡを増大させることがある。しかし、エッチングする形状を定めるために、光学系が空中に配置された際、つまり、空気層が光学系と露光しようとするフォトリソグラフィレジストとの間に介在した際、開口数を増大させると問題が発生する。これは、開口数が１よりも大きい場合、光学系のガラス（または他のいかなる透明な材料）と空気との間の界面が、光学系の最終レンズからの入射角の大きい光線が空気に向かい、その後レジストに向かって出射するのを妨げる傾向があるためである。

このため、光学系の出射レンズは、光学系の開口数以上の屈折率のフォトリソグラフィレジストと直接接触して配置されることがある。この場合、入射角の大きい光線は、継続して光学系を出射しレジストを貫通する。しかし、産業用のフォトリソグラフィを実行しようとする場合、光学系をレジストに直接接触させて配置することは問題を生じさせることを理解する必要がある。広い領域を接触させるのは困難であり、レジスト層にも光学系の最終レンズの表面にさえもダメージを与える危険がある。

これが、従来技術において、レンズと露光するフォトリソグラフィレジストとの間に浸漬液と呼ばれる液体を介在させることが考えられてきた理由である。レジストを露光するために、入射角の大きい光線が光学系を出射してレジストを貫通できるように、この浸漬液が使用する波長で透明であることだけでなく、この波長において光学系の開口数の値よりも高い屈折率を有することも必要である。浸漬液の屈折率が光学系の開口数よりも低いことがあると、入射角の大きい光線は最終レンズを出射しない。レジストの屈折率についても、開口数よりも高い必要がある。

このため、従来技術で、１９３ｎｍまたは１５７ｎｍの波長について、シリカを用いた約１．３の開口数を有する光学系と、初めは水であったが約１．５４〜１．６０の屈折率を有する液体に置き換えることを試みた浸漬流体と、可能な限り１．６〜１．７５の可能な限り最高の屈折率を有するフォトレジストとを用いて実験を行った。

しかし、解像度をさらに改善することが求められる場合、特に非常に高い屈折率の（例えば、１．７よりも大きい開口数を得るために、２よりも大きい）レンズ材料を用いて、光学系の開口数を増大させる必要がある。このため、いずれも１．７よりも高い屈折率を有する浸漬液およびフォトレジストを有する必要があるために問題が生じる。

しかし、このような高い屈折率のフォトレジストを見つけるのは非常に困難である。

このような理由から、本発明は、レジストが光学系と直接接触することを回避するため、かつ光学系が空中または水中（不十分な屈折率を有する）にあることを回避するために高屈折率の透明浸漬液を用いるフォトリソグラフィ方法であって、フォトリソグラフィレジストが浸漬液の屈折率よりも低い屈折率を有し、かつ非常に薄い厚さを有するように用意されることにより、入射角の大きい光線については、レジストを、レジスト内の屈折した光線によってではなく、これらの入射角の大きい光線がこれらの入射角とレジストの屈折率に対する液体の屈折率の比とにより全反射を遂げる位置で界面に存在するエバネッセント波によって、その全体の厚さにかけて露光するフォトリソグラフィ方法を用いることを提案する。

用語「フォトリソグラフィレジスト」とは、実際のレジスト自体を意味するか、または存在する場合「トップコート」と呼ばれる薄い保護膜によって被覆されたレジストを意味するものと理解される。

そして、レジストの厚さは、露光波長の０．１倍から０．５倍であることが好ましい。

このため、本発明は、高屈折率（１．７よりも高いことが好ましい）を有する固体投影レンズを含む、高い開口数（１．７以上）を有する投影光学系を介した紫外線ビームによる１．７以下の屈折率を有するフォトレジストの露光を含む、基板に成膜した層にエッチング形状を作るためのフォトリソグラフィ方法において、使用する波長で透明である浸漬液の層がレンズとフォトレジストとの間に介在し、この波長における液の屈折率が光学系の開口数以上であることを特徴とし、かつ浸漬液の屈折率がレジストの屈折率よりも高く、レジストの厚さが露光ビームの波長の約０．１倍から０．５倍であることを特徴とするフォトリソグラフィ方法を提供する。

最大角の光線（光学系の開口数の値を考慮に入れた）についてのエバネッセント波がこのような薄い厚さにかけてレジストに存在し、これを露光する。

このため、この方法の効力により、極端に高い屈折率のレジストを開発する必要がなくなり、いずれかを劣化させる危険のあるレンズとレジストとの直接接触も必要なくなる。

本発明の他の特徴となる特色および利点は、添付の図面を参照して示した以下の詳細な説明を読解することにより明らかになる。

本発明によるフォトリソグラフィ方法の概略的な原理を示している。 光線の入射角が全反射を起こす角度よりも小さい場合（図２ａ）および入射角が全反射を起こす角度よりも大きい場合（図２ｂ）のフォトレジストでの光線の概略的な動きを示している。 入射角が全反射を起こす角度よりも小さい場合（図３ａ）および入射角が全反射を起こす角度よりも大きい場合（図３ｂ）の非常に薄い厚さを有するフォトレジストでの光線の動きを示している。

図１は、１９３ｎｍであることが好ましいが１５７ｎｍでもあり得る波長の紫外線で動作する像投影光学系ＯＬを概略的に示したものである。像は、この波長で反応するフォトレジストＰＲを露光することが意図される。レジストは、平らな基板Ｓに堆積された被エッチング層に堆積されている。

図１は、検討を容易にするため、一定の率で縮尺したものではない。

示した例では、基板Ｓに堆積された層は、被エッチング層Ｃと、エッチング作業に役立つ第１の層Ｍ１と、これもまたエッチング作業に役立つ第２の層Ｍ２との積層を含むと考える。この積層の理由は後述する。フォトレジストＰＲは積層に堆積され、このため第２の層Ｍ２に堆積されている。

光学系ＯＬは、従来、多数のレンズ（図示せず）を含み、極力高い開口数を有しており、実用では、使用する波長において透明である十分な屈折率の固体材料を用いて、１．７以上の開口数を得ることが求められている。

典型では、１．７から１．８までの開口数の光学系を得るために、１９３ナノメートルの波長で２．１５の屈折率の透明材料、つまり、立方晶系構造のルテチウムアルミニウムガーネットを用いることが可能である。光学系ＯＬの最終レンズはこの材料で作られる。

これらの光学系は、光学系にもレジストにもダメージを与えないように、フォトレジスト層に直接には接触しない。空気は屈折率が低すぎることから（約１）入射角の大きい光線が光学系ＯＬを出射するのを防げるため、光学系がこのレジストから空気層によって離間しているのでもない。

このため、浸漬液ＬＱが、光学系ＯＬの最終レンズのガラスとフォトレジストとの間に介在している。この浸漬液は極力透明である必要があり、これにより十分に透明でない一般のケースでは非常に薄い膜として配置される。見込まれる液体層の厚さのオーダーは数十ミクロンであるが、この厚さは、問題の波長における液体の光学吸収係数が高すぎる場合１ミクロンを下回る厚さに減少することもある。液体は、光学系ＯＬの開口数以上の屈折率、つまり、示した例では１．７または１．８よりも大きい屈折率を有する必要がある。

以下の液体は、浸漬液として用いられ得る。
−ＳｎＣｌ・２Ｈ_２Ｏ／グリセリン混合物：可視光線では１．７６の屈折率で、１９３ｎｍの紫外線では屈折率がより高い（約１．９５）。
−ＣＨ_２Ｉ_２：可視光線では１．７３８の屈折率で、１９３ｎｍの紫外線では屈折率がより高い（約１．９３）。
−ヨウ化ナトリウムまたはヨウ化セシウム：可視光線では１．７〜１．８の屈折率で、１９３ｎｍの紫外線では屈折率がより高い（約２）。
−三臭化ヒ素、またはセレン化合物存在下の三臭化ヒ素およびジスルフィドヒ素をベースとした混合物：可視光線では２．１の屈折率で、１９３ｎｍの紫外線では屈折率がより高い（約２．３）（例えば、米カーギル社（Ｃａｒｇｉｌｌｅ）のシリーズＨおよびシリーズＥＨ）。

吸収作用がわずかではないために厚さが非常に薄いときのみ十分に透明であるこれらの液体には、最大５０ミクロン、好ましくは１００ナノメートルよりも薄い液体厚さを用いる。

フォトレジストＰＲは、光学系の開口数よりも高い必要のある屈折率を有する。

不運なことに、開口数が非常に高い場合にこのような屈折率を有する産業上利用可能なフォトレジストは、未だ見つかっていない。

図２は、適度の入射角の光線が光学系を出射して浸漬液を貫通した際（図２ａ）、および入射角の非常に大きい光線が光学系を出射して浸漬液を貫通した際（図２ｂ）に起こることを示している。第１のケース（図２ａ）では、光線はレジストを貫通し、その全深さにかけて露光できている。第２のケース（図２ｂ）では、光線は浸漬液／レジストの界面で全反射し、レジストが露光されていない。

しかし、理論では、第２のケースでは、電磁光波と異なる屈折率の２つの層の界面との相互作用が、浸漬液を出射すると伝播する全反射波を作るだけでなく、伝播せず界面のすぐ近くにとどまる定常波をも作ることが示されている。この波はエバネッセント波と呼ばれ、その特有の特徴は、界面下の深さとともに非常に急速に減少する振幅を有することである。

本発明は、浸漬液とレジストとの界面で全反射する入射光線についてでさえもエバネッセント波によって露光することが可能な非常に薄い厚さをフォトレジストにもたらすことを提案する。本発明では、使用する紫外線波長の０．１倍から０．５倍のレジストの厚さを選択する。このため、入射角の非常に大きい光線が全反射することによる劣化を起こすことなく、非常に高い開口数を有する投影光学系を用いることによりもたらされる解像度の全ての利益が得られる。

これにより、光学系の開口数よりも低い屈折率を有する標準のフォトレジストを用いて、これを波長の０．１倍から０．５倍までの厚さとすることで、最大入射角の光線でさえもレジストをその全深さにかけて露光するのに使用可能であることがわかった。

図２と同様の図３は、適度の入射角の光線のケース（図３ａ）および非常に大きい入射角を有する光線のケース（図３ｂ）で起こることを示している。第１のケースでは、レジストは、屈折した後にレジストを伝播する光波によって露光されている。第２のケースでは、レジストは、固有エネルギーを有するエバネッセント波によって露光されている。

このように紫外線に露光されたレジストはその後、レジストがポジレジストであるかネガレジストであるかによって露光されていない部分または露光された部分を除去するために現像される。現像により、エッチング形状を定めるレジスト領域が残る。これらの領域は、下層を保護している。レジストよりも急速に下層をエッチングする選択エッチング液が、レジストの下の形状をエッチングするのに用いられる。

しかし、使用するレジストが非常に薄い厚さ（例えば、２０〜１００ナノメートル）であると、従来の数百ナノメートルの厚さであるときよりも、エッチング液に耐えるのが非常に困難であることが理解される。これが、数層の下層に形状を継続的に転写することによりエッチングするのが望ましい理由である。

これが、図１が積層された層Ｃ、Ｍ１、Ｍ２によって被覆された基板Ｓを示している理由であり、層Ｃはレジストを露光することにより定められた形状に最後にエッチングされる層であり、層Ｍ１および層Ｍ２はエッチング作業中に使用する中間マスキング層である。

薄い層Ｍ２は初めにエッチングされ、その後この層は層Ｍ１をエッチングするためのエッチングマスクとして用いられ、その後層Ｍ１（または、Ｍ１とＭ２との組み合わせ）は層Ｍ１の下に位置する層Ｃをエッチングするのに用いられる。

一例を挙げると、以下のマスキング層が用いられ得る。
−厚さが１０〜２０ナノメートルの酸化シリコン層Ｍ２
−「不活性層」と呼ばれる厚さが約１００ナノメートルのアモルファスカーボン層Ｍ１

レジスト層と層Ｍ２との間のエッチング選択性は、少なくとも３：５の比でなければならない（つまり、レジストのエッチングレートに対する層Ｍ２のエッチングレートの比）。以下に挙げた例では（厚さが１０〜２０ナノメートルの酸化シリコン層Ｍ２）、最大約５ナノメートルのレジストが酸化物をエッチングする際に消耗される。

層Ｍ２に関する酸化物のエッチング選択性が３より低い場合、エッチング外形の一定の劣化が認められるのであれば、エッチングはそれでもやはり続行可能であることを示し得る。これにより、層Ｍ２に転写された像は、露光後に現像されるレジスト形状の像よりもいわば不鮮明な像となる。

酸化層Ｍ２をマスキング層として用いてカーボン層Ｍ１をエッチングするために、高選択性を有するエッチング液、つまり、酸化物エッチングレートよりも少なくとも１０倍高いカーボンエッチングレートを有するエッチング液を見つけるのは容易であり、これにより層Ｍ１は層Ｍ２よりも大幅に厚くなり得る。次に層Ｃをエッチングするために、十分に厚い層Ｍ１を有することが重要である。

フォトレジストＰＲの露光、特に、浸漬液との間の屈折率の差により与えられる限界角よりも大きい入射角を有する光線によって生じる露光に戻ると、理論上の計算により、エバネッセント波の強度が式、
Ｉ＝ｅ^−ｚ／Ｐ
で表され得ることが証明され得る。ここで、ｚは浸漬液／レジストの界面から始まるレジストの変更可能な深さであり、Ｐは深さに例えられ得る大きさであり、
Ｐ＝λ／［４π（ｎ_ｅ ^２ｓｉｎ^２θ−ｎ_ｒ ^２）^１／２］
に等しい。ここで、λは波長であり、ｎｅは浸漬液の屈折率であり、ｎｒはレジストの屈折率であり、θは全反射を遂げる光線の入射角である。

例えば、液体の屈折率が２．１、レジストの屈折率が１．７、波長が１９３ナノメートル、入射角が６０°である場合、強度Ｉは、Ｉ＝ｅ^{−０．０４２ｚ}として表され、ｚはナノメートルであり、エバネッセント波のエネルギーが多く用いられ得る深さＰは（深さＰにおいて、エネルギーは界面直下にあるエネルギーよりも２．７倍小さい。）約２５ナノメートルであり得る。これは、界面における強度よりも２．７倍低い強度で良好に照射できる場合、約２５ナノメートルの厚さを有するレジスト層を用いることが可能であることを意味している。レジストの屈折率により近い液体の屈折率を選択すれば、大きさＰは大幅に増大し得る。

レジストの厚さは、２０〜６０ナノメートルであることが好ましい。

浸漬液を用いたフォトリソグラフィ装置の一例が、米国特許出願公開第２００６／００７２０８８号明細書のもとで公開された特許出願に示されている。これは、本発明の状況で使用可能である。特に、これは、照明光学系の外面とエッチングを行うウェーハの表面との間に液体を注入するという、この液体を送るシステムを含む。用語「ウェーハの表面」は、ここでは、被エッチング層Ｃおよびマスキング層Ｍ１、Ｍ２のみでなくレジストＰＲによっても被覆された基板Ｓの表面を意味するものと理解される。光学系の外面とウェーハの表面との間の距離は５０ミクロンよりも短いが、５０ミクロンの厚さに対して浸漬液が十分に透明でない場合は、より大幅に短くてもよい（例えば、約１００ナノメートル）。可能であれば、流体が均一に配されるようにウェーハ全体に送られる。

ウェーハは、露光が順次行われる際にウェーハを順次移動できる位置決めテーブルに配置される。

本発明による方法を用いるための１つの可能な手順は、流体を補充するか、または補充せずに、投影光学系とウェーハとの間の１ミリメートルのオーダーの厚さの浸漬液膜を維持しながら、ウェーハ上の隣接する２つのチップ間の間隔に応じたステップによりウェーハを移動させることからなり得る。次のチップが露光位置に到達すると、位置決めテーブルはウェーハ表面の平面を投影光学系によって形成された像平面に合わせる。ウェーハはその後、５０ミクロン以下の予定の距離になるようにより近くに移動され、像は投影光学系による紫外線によって露光される。ウェーハを光学系の近くに移動する工程の間は、浸漬液の流入が中断されることがある。

テーブルはその後、再度１ミリメートルのオーダーの距離に降下され、新たなチップ露光のために工程が繰り返される。

別の可能な手順は、ウェーハの高さを第１の露光から正確に配置し、その後ウェーハをこの高さを変更することなくチップからチップへと順次移動させることからなり、この間に浸漬液を補充してもよく補充しなくてもよい。これは明らかに、ウェーハと光学系との間の選択された作業距離が、ウェーハの凹凸の先端が移動中に光学系を擦る危険を冒さないように十分にあるものと仮定する。このため、ウェーハの粗さを粗さ計測器によって事前に計測しておくのが好ましく、可能であれば、標準の工程を用いて処理されたウェーハの平面性よりも高い平面性を有するウェーハを用いることが好ましい。

本発明を用いることができるように、投影光学系ＯＬによってもたらされる像がフォトレジストが配置される位置に形成される必要があり、このため、ウェーハと光学系との間の浸漬液で満たされた空間の高さに応じて光学系を設計する必要がある。側面が平行な平板を投影光学系の最終レンズの下方に追加してもよく、この平板の厚さは、像のずれは側面が平行な平板の厚さに比例するため、所定の投影光学系について形成された像の位置を調節するように選択される。

浸漬液の厚さを変更しなければならない場合、所望の変更に応じて像平面の位置を変更するための手段を設けることが好ましい。これらの手段は、機械によるものでもよく、空気作用によるものでもよく、電気によるものでもよい。

ＯＬ 投影光学系
ＬＱ 浸漬液
ＰＲ フォトレジスト
Ｍ１ マスキング層
Ｍ２ マスキング層
Ｃ エッチング層
Ｓ 基板

Claims (6)

1. 高屈折率（１．７より高いことが好ましい）を有する固体投影レンズを含む、高開口数（１．７以上）を有する投影光学系を介した紫外線光ビームによる１．７以下の屈折率を有するフォトレジストの露光を含む、基板に堆積した層にエッチング形状を作るためのフォトリソグラフィ方法において、使用する波長において透明である浸漬液の層がレンズとフォトレジストとの間に介在し、この波長における前記液の屈折率が光学系の開口数以上であることを特徴とし、かつ前記浸漬液の屈折率が前記レジストの屈折率よりも高く、前記レジストの厚さが前記露光ビームの波長の約０．１倍から０．５倍であることを特徴とするフォトリソグラフィ方法。
2. 前記光ビームが、１９３ナノメートルまたは１５７ナノメートルの波長の紫外線ビームであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記レジストの表面が、露光中、前記投影光学系から１００ナノメートル〜５０ミクロン離れて配置されることを特徴とする請求項１および２のいずれか一項に記載の方法。
4. 前記フォトレジストが、前記レジストの露光パターンに対応してエッチングされる層（Ｃ）に堆積された中間マスキング層（Ｍ１およびＭ２）に堆積されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のフォトリソグラフィ方法。
5. 前記被エッチング層（Ｃ）に堆積された第１のマスキング層（Ｍ１）がアモルファスカーボン層であることを特徴とする請求項４に記載のフォトリソグラフィ方法。
6. 前記第２のマスキング層（Ｍ２）が、１０〜２０ナノメートルの厚さの薄い酸化シリコン層であることを特徴とする請求項４および５のいずれか一項に記載のフォトリソグラフィ方法。

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