JP2014228838A - 微細パターンの形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】任意の断面形状を有する微細パターンを効率的に形成する。
【解決手段】回折格子の溝パターンを形成する方法は、光学特性のシミュレーションに基づいて所望の光学特性を得るための断面形状の最適化工程Ｓ４０１と、加工プロセスのシミュレーションに基づいて所望の断面形状を得るための加工プロセスの最適化工程Ｓ４０２と、最適化工程Ｓ４０２で最適化された加工プロセスに基づいて基板を加工する加工工程Ｓ４０３と、加工工程Ｓ４０３で加工された基板の断面形状を測定する測定工程Ｓ４０４と、加工された基板の光学特性を評価する評価工程Ｓ４０５とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、微細パターンの形成技術に関し、主として半導体製造に用いられるリソグラフィ技術を用いて、回折格子、フォトニック結晶、光学フィルムのような光学素子等を製造する方法に関する。

回折格子は、ガラス基板等の表面に微細な溝を繰り返し形成したもので、隣り合う溝の表面で散乱した光の光路差によって散乱光の強度が強め合うことを利用し、波長に対応した角度方向に光を分散させる光学素子である。

従来、回折格子の溝を形成する方法として、ルーリングエンジンと呼ばれる機械的な刻線方式と、２光束干渉を利用したホログラフィック露光方式とが用いられてきた。

ルーリングエンジンを用いて形成した回折格子は、溝の断面形状を鋸歯状に形成できるため、高い回折効率が得られるという特徴がある。一方、ホログラフィック露光方式を用いて形成した回折格子は、溝の断面形状が正弦波状となるので、ルーリングエンジンによるもの程高い回折効率は得られない反面、光の干渉を利用することから、溝ピッチのばらつきがほとんど生じないため、迷光が少ないという特徴がある。

また、上記２方式の長所を兼ね備えた回折格子を製造する方法として、特許文献１では、ホログラフィック露光方式で形成したパターンをマスクとして、基板を斜め方向からエッチングすることで鋸歯状の断面形状を有する溝を形成し、ルーリングエンジンによるものと同等の回折効率を実現している。

さらに、非特許文献１に開示されているような、半導体集積回路等の微細パターン形成に用いられるマスク露光方式によって、鋸歯状の断面形状を有する溝を形成する方法も開発されている。

上記したマスク露光方式で溝の断面形状を鋸歯状に形成する方法は、製造プロセスのばらつきにより、形成される溝の断面形状もばらつくことが考えられる。そこで、溝の断面形状を測定し、適切な形状が得られているか否かを検査する必要が生じる。

繰り返し形成された溝の断面形状を測定する技術として、非特許文献２に記載の方法がある。この方法は、いわゆるスキャトロメトリ（Scatterometry）法と呼ばれる手法の一つであるが、スキャトロメトリ法では、測定対象の断面形状をモデル化する必要がある。従来の手法では、台形を垂直方向に複数積み重ねた形状を用いていたのに対し、非特許文献２では、水平に配置した複数のガウス分布を重ね合わせてモデル化する。こうすることで、断面形状を規定するパラメータの数を大幅に減らすことができるため、必要な演算時間を大幅に短縮することができる。

特許第１０４６７６３号公報

第７２回応用物理学会学術講演会予稿集 30p-ZL-4 第７３回応用物理学会学術講演会予稿集 12p-F8-9

半導体製造におけるマスク露光工程では、まず、図１０（ａ）に示すように、半導体基板６０１上に感光性を有するフォトレジスト６０２を塗布する（レジスト塗布）。続いて、図１０（ｂ）に示すように、露光装置の投影光学系６０３によってフォトマスク６０４の回路パターンをフォトレジスト６０２に転写する（マスク露光）。次に、フォトレジスト６０２を現像することにより、図１０（ｃ）に示すように、フォトレジスト６０２に所定の回路パターンを形成する。このとき、フォトレジスト６０２がポジ型である場合は、フォトレジスト６０２の光が当たった部分が除去され、ネガ型である場合は、光が当たらなかった部分が除去される。

このように、通常のマスク露光では、現像後にフォトレジスト６０２の底面までパターンが除去されるように、フォトレジスト６０２を十分感光させる。

これに対し、非特許文献１では、露光量に応じてフォトレジストに残膜が生じることに着目し、フォトレジストの底面までパターンが除去されるほど十分な露光を行わない。

非特許文献１の概要について、図１１および図１２を用いて説明する。図１１に示すように、フォトマスク７０２は、露光光７０１の波長に近い幅ａを有し、紙面に垂直な方向に延在するライン状のパターンを設けたものを用いる。なお、実際のフォトマスク７０２は、このようなライン状のパターンが左右方向に多数設けられているが、図には、１本のライン状のパターンのみを示す。

このフォトマスク７０２と投影光学系７０３とを用いて基板７０４上のフォトレジスト７０５を１回だけ露光した場合は、比較的単純な形状の断面を有する溝パターン７０６が形成されるが、図１２に示すように、露光光７０１の強度を変え、かつ投影光学系７０３を左右方向にずらしながら複数回露光すると、断面形状が鋸歯状で、左右が非対称となっ溝パターン７０７を形成することができる。

次に、この溝パターン７０７が形成されたフォトレジスト７０５および基板７０４を順次エッチングすると、図１３に示すように、基板７０４の表面に鋸歯状の断面形状を有する溝７０８が多数形成された回折格子７０９が得られる。

しかしながら、非特許文献１に記載されたようなマスク露光方式によって回折格子を形成する場合は、レジスト塗布等の各工程においてプロセスばらつきが生じるため、最終的に形成される溝の断面形状にもばらつきが生じ得る。このことは、逆に、積極的にプロセス条件を変えることによって、所望の断面形状を有する溝を形成できるということでもある。特に、マスク露光の際の条件、すなわち露光回数、各露光時のパターン幅（図１１に示すライン状のパターンの幅ａ）、フォトマスクの位置および露光強度等を変えることにより、様々な断面形状を有する溝を形成できるものと考えられる。

また、溝の断面形状が異なると回折効率も異なってくる。このことは、積極的に溝の断面形状を変えることによって、所望の波長で回折効率の高い回折格子を製造できるということでもある。

すなわち、回折格子の製造プロセスを最適化することにより、所望の断面形状を有する溝を形成することができ、その結果として、所望の波長で高い回折効率を有する回折格子を得ることができる。

プロセス条件の最適化手法としては、実際に、様々なプロセス条件で回折格子を製造し、その断面形状を確認すると共に回折効率を測定する方法が考えられる。しかしながら、この方法では、膨大な量の評価サンプルの製作、断面形状の測定および性能評価が必要となるため、現実には実行困難である。

本発明の目的は、任意の断面形状を有する微細パターンを効率的に形成することのできる技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

上記課題を解決するために、本願発明では、光学特性のシミュレーションに基づいて所望の光学特性を得るための加工形状の最適化を行う工程と、加工プロセスのシミュレーションに基づいて所望の断面形状を得るための加工プロセスの最適化を行う工程と、前記加工プロセスの最適化工程で最適化された加工プロセスに基づいて基板を加工する工程と、前記加工工程で加工された基板の断面形状を測定する工程と、加工された基板の光学特性を評価する評価工程とを組み合わせることにより、所望の断面形状を有する微細パターンを形成する。

なお、半導体製造分野においても、露光シミュレータを用いてフォトマスクのパターンレイアウトを最適化することや、プロセス条件を最適化することは、一般的に行われている。しかしながら、半導体製造におけるプロセス条件の最適化は、トランジスタや配線等の平面的なレイアウトを適切に形成することが主目的であり、トランジスタや配線等の断面形状についてはほとんどの場合、矩形または矩形に近い台形であることを想定している。言い換えると、半導体製造におけるプロセス条件の最適化は、トランジスタや配線等の平面的なパターンにショートや断線を生じさせないことが主目的であり、トランジスタや配線等として動作、機能するのであれば、それらの断面形状については、どのような形状でもよいのである。

一方、例えば回折格子を製造する場合は、溝パターンの断面形状が回折格子の性能と直結していることから、プロセス条件の最適化は、溝パターンの断面を適切な形状に形成することが主目的となる。また、フォトニック結晶等の光学素子の製造においても、光学材料の平面的なレイアウトだけでなく、断面形状を最適化することが重要な課題となる。

このように、微細パターンの断面形状を最適化すること、および微細パターンの断面形状に基づくデバイス特性を最適化することが、従来の半導体製造におけるプロセスの最適化と本願発明との相違点である。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下の通りである。

任意の断面形状を有する微細パターンを効率的に形成することが可能となる。

実施の形態１の溝パターン形成方法を示すフロー図である。 断面形状の最適化工程を説明する図である。 断面形状の最適化工程を説明する図である。 加工プロセスの最適化工程を説明する図である。 加工プロセスの最適化工程を説明する図である。 加工工程を示すフロー図である。 スキャトロメトリに必要な対象パターンのモデル化手法の一例を説明する図である。 非特許文献２に記載されたスキャトロメトリに必要な対象パターンのモデル化手法を説明する図である。 実施の形態２の溝パターン形成方法を示すフロー図である。 （ａ）〜（ｃ）は、半導体製造におけるマスク露光工程を説明する図である 非特許文献１に記載された溝パターン形成方法を説明する図である。 非特許文献１に記載された溝パターン形成方法を説明する図である。 非特許文献１に記載された溝パターン形成方法を用いて製造された回折格子の断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。さらに、実施の形態を説明する図面においては、構成を分かり易くするために、断面図であってもハッチングを省略する場合がある。

（実施の形態１）
本実施の形態１は、マスク露光を複数回繰り返すことによって、回折格子用基板の表面に鋸歯状の断面形状を有する微細な溝パターンを形成する方法に適用したものである。

図１は、本実施の形態１の溝パターン形成方法を示すフロー図である。図１に示すように、本実施の形態１による回折格子の製造工程は、光学特性のシミュレーションに基づいて所望の光学特性を得るための断面形状の最適化工程Ｓ４０１と、加工プロセスのシミュレーションに基づいて所望の断面形状を得るための加工プロセスの最適化工程Ｓ４０２と、最適化工程Ｓ４０２で最適化された加工プロセスに基づいて基板を加工する加工工程Ｓ４０３と、加工工程Ｓ４０３で加工された基板の断面形状を測定する測定工程Ｓ４０４と、加工された基板の光学特性を評価する評価工程Ｓ４０５とを有する。

＜断面形状の最適化工程Ｓ４０１＞
まず、断面形状の最適化工程Ｓ４０１では、回折格子が備えるべき光学特性、すなわち特定波長とその回折効率の目標仕様を達成するために、光学特性のシミュレーションに基づいて、回折格子を構成する溝の断面形状を最適化する。

断面形状の最適化工程Ｓ４０１について、基板上に形成されたレジストパターンを例に、図２および図３を用いて説明する。

図２に示すように、仮想的な加工対象物（ここでは基板１０１およびフォトレジスト１０２）の層構成、現像後のフォトレジスト１０２の断面形状１０３、および加工対象物の光学的材質（屈折率および消衰係数）が既知であれば、基板１０１に形成される溝の回折効率をシミュレーションして算出することができる。回折効率のシミュレーションは、例えば厳密結合波解析(ＲＣＷＡ：Rigorous Coupled Wave Analysis)法を用いて行うことができる。

次に、図３に示すように、上記のシミュレーションの結果に基づき、選定波長λ１で回折効率が仕様値Ｅ１となるように、基板２０１上のフォトレジスト２０２の断面形状２０３を最適化する。このとき、形成し得る断面形状２０３を表現できる断面形状モデルが必要となるが、これについては、非特許文献２に記載のガウス分布を用いる方法が適している。なお、ガウス分布を用いた断面形状のモデル化については後述する。

フォトレジスト２０２の断面形状２０３の最適化は、市販の解析ソフトウェア、例えばＤｉｆｆｒａｃｔＭＯＤ（ＲＳＯＦＴ社製解析ソフトウェア）等を用いて行うことができる。また、フォトレジスト２０２の断面形状２０３だけでなく、フォトレジスト２０２および基板２０１の材質も最適化対象とすれば、より自由度の高い最適化が可能となる。

＜加工プロセスの最適化工程Ｓ４０２＞
次に、加工プロセスのシミュレーションに基づき、所望の断面形状を得るための加工プロセスを最適化する。

図４において、符号３０１は、断面形状のシミュレーションに用いる仮想的な露光装置の露光強度、３０２はフォトマスク、３０３は投影光学系、３０４はフォトレジスト、３０５は基板である。ここで、フォトマスク３０２のパターン形状、投影光学系３０３の特性、フォトレジスト３０４の特性等を仮想することにより、現像後のフォトレジスト３０４の断面形状３０６をシミュレーションで求めることができる。

次に、上記シミュレーションの結果に基づき、所望の断面形状を形成するための加工プロセス条件を最適化する。

図５において、符号４０１は、加工に用いる露光装置の露光強度、４０２はフォトマスク、４０３は投影光学系、４０４はフォトレジスト、４０５は基板、４０６は現像後のフォトレジストの断面形状である。

このとき最適化するパラメータとしては、複数回のマスク露光によってレジストパターンを形成することから、マスク露光の回数、各露光時におけるフォトマスク４０２の位置および露光強度４０１が主として挙げられる。また、必要に応じてフォトリソグラフィに関するパラメータ、例えばフォトレジスト４０４の特性や、露光装置の投影光学系４０３のパラメータ等も最適化の対象とすることができる。

なお、上記のシミュレーションは、市販のソフトウェアを用いることで実現することが可能である。

＜加工工程Ｓ４０３＞
次に、前記最適化工程Ｓ４０２で最適化したプロセス条件に基づき、フォトレジストおよび基板を加工する。

加工の流れは、概ね図１２に示した流れと同様である。すなわち、図６に示すように、加工プロセスは、基板表面にフォトレジストを塗布する工程Ｓ９０１、フォトレジストを露光する工程Ｓ９０２およびフォトレジストを現像する工程Ｓ９０３、現像後のフォトレジストをマスクにしてフォトレジストおよび基板をエッチングする工程Ｓ９０５を含んでいる。また、必要に応じて、現像工程Ｓ９０３後のフォトレジスト表面に所望の材料を形成する成膜工程Ｓ９０４を加えてもよい。

この加工工程Ｓ４０３により、図１３と同様、基板の表面に鋸歯状の断面形状を有する溝を備えた回折格子が形成される。

＜測定工程Ｓ４０４＞
次に、前記加工工程Ｓ４０３で基板の表面に形成された溝の断面形状を測定する。すなわち、最適化したプロセス条件で加工された溝の断面形状が所望の形状となっているか否かを測定する。

溝の断面形状の測定方法としては、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）や走査型電子線顕微鏡（ＳＥＭ）を用いる方法がある。しかし、ＡＦＭには測定の再現性が低いという課題があり、ＳＥＭには測定領域が限られるという課題がある。

そこで、スキャトロメトリ法と呼ばれる光学的測定方法を用いることが有効である。スキャトロメトリ法では、溝パターン一つ一つの断面形状を確認することはできないが、測定領域での平均形状を再現性良く測定することが可能である。

本発明に有効なスキャトロメトリ手法として、非特許文献２がある。同文献では、スキャトロメトリに必要な対象パターンのモデル化手法として、図７に示すような台形５０１を垂直方向に積み重ねた形状として溝の断面形状５０２をモデル化するのではなく、図８に示すようなガウス分布５０３、５０４を水平方向に沿って配置し、それらを重ね合わせた形状として溝の断面形状をモデル化する。

水平方向に沿って配置した複数の分布形状を重ね合わせたモデルを用いる際は、分布形状として上記ガウス分布の他、ローレンツ分布、ｓｉｎｃ関数、ベッセル関数、サインカーブ等を用いることもできる。

＜評価工程Ｓ４０５＞
最後に、得られた回折格子の光学特性を評価する。まず、前記測定工程Ｓ４０４で測定した溝の断面形状と、断面形状の最適化工程Ｓ４０１で行ったシミュレーションで得られた溝の断面形状とを比較する。比較の結果、所望する断面形状が得られていれば問題はないが、断面形状が異なる場合には、図１に示すように、加工プロセスの最適化工程Ｓ４０２で行ったシミュレーションを調整する工程４０６が必要となる。この場合は、例えばフォトレジストの特性等が主として調整対象となる。それらを調整することにより、シミュレーションの精度を向上させ、加工プロセス条件の最適化精度を向上させることができる。

次に、得られた回折格子の回折効率を測定することによって、得られた回折格子が所望の光学特性を満たしているか否かを評価する。回折効率の測定手段としては、各種の分光測定装置が市販されているので、それらのいずれかを用いればよい。

回折格子の回折効率を測定した結果、所望する回折効率が得られていれば問題はないが、回折効率が所望する値と異なる場合には、図１に示すように、断面形状の最適化工程Ｓ４０１で行ったシミュレーションを調整する工程４０７が必要となる。この場合は、例えばシミュレーションに用いた材料（フォトレジストおよび基板）の光学的材質（屈折率および消衰係数）等が主な調整対象となる。それらのパラメータを調整することにより、回折効率のシミュレーション精度を向上させることができる。

以上の操作を複数回繰り返すことにより、シミュレーション精度を向上させることができる。シミュレーション精度が十分向上すれば、その後は、シミュレーションの調整は必要でなくなる。また、シミュレーション精度が十分向上すれば、所望の光学特性を備えた回折格子を短期間に効率良く開発することが可能となる。

（実施の形態２）
本実施の形態２は、実施の形態１で説明したシミュレーションを調整する工程４０７（図１参照）を実施し、シミュレーション精度が十分に向上した場合を想定している。

図９は、本実施の形態２の溝パターン形成方法を示すフロー図である。図９に示すように、本実施の形態２は、実施の形態１から溝の断面形状を測定する工程Ｓ４０４を除いた構成となっている。

すなわち、シミュレーションの精度が十分に向上していれば、断面形状の測定は必ずしも必要でなくなる。要は、回折格子として所望の光学特性を示すことを確認することができればよい。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

前記実施の形態では、回折格子の製造に適用した例を説明したが、本発明は、回折格子にとどまらず、フォトニック結晶や光学フィルム等、基板表面に形成された微細パターンの断面形状によって、その特性が規定される各種デバイスの製造に用いることができる。

本発明は、回折格子、フォトニック結晶、光学フィルム等、基板表面に形成された微細パターンの断面形状によってその特性が規定される各種デバイスの製造に適用することができる。

１０１ 基板
１０２ フォトレジスト
１０３ 断面形状
２０１ 基板
２０２ フォトレジスト
２０３ 断面形状
３０１ 露光強度
３０２ フォトマスク
３０３ 投影光学系
３０４ フォトレジスト
３０５ 基板
３０６ 断面形状
４０１ 露光強度
４０２ フォトマスク
４０３ 投影光学系
４０４ フォトレジスト
４０５ 基板
４０６ 断面形状
５０１ 台形
５０２ 断面形状
５０３、５０４ ガウス分布
５０５ 断面形状
６０１ 半導体基板
６０２ フォトレジスト
６０３ 投影光学系
６０４ フォトマスク
７０１ 露光光
７０２ フォトマスク
７０３ 投影光学系
７０４ 基板
７０５ フォトレジスト
７０６、７０７ 溝パターン
７０８ 溝
７０９ 回折格子

Claims (9)

1. （ａ）光学特性のシミュレーションに基づいて、所望の光学特性を得るための加工形状の最適化を行う工程、
   （ｂ）加工プロセスのシミュレーションに基づいて、所望の断面形状を得るための加工プロセスの最適化を行う工程、
   （ｃ）前記加工プロセスの最適化工程で最適化された加工プロセスに基づいて基板を加工する工程、
   （ｄ）加工された前記基板の断面形状を測定する工程、
   （ｅ）加工された前記基板の光学特性を評価する工程、
   を有する、微細パターンの形成方法。
2. 請求項１記載の微細パターンの形成方法において、
   前記（ｃ）工程は、前記基板の表面に回折格子を構成する複数の溝を形成する工程であり、
   前記光学特性は、前記回折格子の回折効率である、微細パターンの形成方法。
3. 請求項２記載の微細パターンの形成方法において、
   前記（ｃ）工程は、前記基板表面にフォトレジストを塗布する工程と、前記フォトレジストを露光および現像する工程と、現像後の前記フォトレジストをマスクにして前記フォトレジストおよび前記基板を順次エッチングする工程とを含む、微細パターンの形成方法。
4. 請求項１記載の微細パターンの形成方法において、
   前記（ａ）工程では、厳密結合波解析法を用いて前記光学特性のシミュレーションを行う、微細パターンの形成方法。
5. 請求項１記載の微細パターンの形成方法において、
   前記（ｄ）工程では、スキャトロメトリ法を用いて前記基板の断面形状を測定する、微細パターンの形成方法。
6. 請求項５記載の微細パターンの形成方法において、
   前記基板の断面形状の測定に用いる断面形状モデルとして、水平方向に沿って配置した複数の分布形状を重ね合わせたモデルを用いる、微細パターンの形成方法。
7. 請求項６記載の微細パターンの形成方法において、
   前記分布形状として、ガウス分布、ローレンツ分布、ｓｉｎｃ関数、ベッセル関数、およびサインカーブのいずれかを用いる、微細パターンの形成方法。
8. （ａ）光学特性のシミュレーションに基づいて、所望の光学特性を得るための加工形状の最適化を行う工程、
   （ｂ）加工プロセスのシミュレーションに基づいて、所望の断面形状を得るための加工プロセスの最適化を行う工程、
   （ｃ）前記加工プロセスの最適化工程で最適化された加工プロセスに基づいて基板を加工する工程、
   （ｄ）加工された前記基板の光学特性を評価する工程、
   を有する、微細パターンの形成方法。
9. 請求項８記載の微細パターンの形成方法において、
   前記（ｃ）工程は、前記基板の表面に回折格子を構成する複数の溝を形成する工程であり、
   前記光学特性は、前記回折格子の回折効率である、微細パターンの形成方法。

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