JP2919023B2

JP2919023B2 - レジストパターン形成方法

Info

Publication number: JP2919023B2
Application number: JP22611090A
Authority: JP
Inventors: 吉雄山下; 秀之神保; 佳幸河津
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1990-08-28
Filing date: 1990-08-28
Publication date: 1999-07-12
Anticipated expiration: 2014-07-12
Also published as: JPH04107457A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）この発明は、半導体装置等の製造工程中で使用される
レジストパターンの形成方法に関するものである。

（従来の技術）投影露光によるホトリソグラフィ技術の分野において
も、半導体装置の高集積化に対応出来る微細なレジスト
パターンを形成出来る技術が種々提案されている。

それらの技術の中で注目されている技術の一つに位相
シフト法と称される技術がある。

この位相シフト法は、Levenson（レベンスン等）によ
って例えば文献（アイイーイーイートランザクショ
ンエレクトロンデバイス（IEEE Tran.Electron Dev
ice,Vol.ED−29（1982）p.1828,同Vol.ED−31（1984）
p.753）に報告されている技術であり、ウエハ上での光
コントラストを上げるためにホトマスク上に露光光の位
相をずらす透明な薄膜（シフタ）を部分的に設けて投影
露光法の解像力を向上させる技術である。

位相シフト法の具体的な利用例として従来は以下に示
すような技術があった。

先ず、特公昭62−59296号公報に開示の技術。これに
ついて、第３図（Ａ）〜（Ｄ）及び第４図（Ａ）〜
（Ｄ）を参照して簡単に説明する。ここで、第３図
（Ａ）は、ガラス基板11にクロム膜で構成した遮光部13
及びこれら間に構成される光透過部15を具えた通常のホ
トマスクの断面図、第４図（Ａ）は、位相シフト法を利
用しているホトマスク（位相シフト法用ホトマスク）の
断面図、残る各図は、ホトマスク上或いはウエハ上の位
置に対する電場或いは光強度の様子を示した図である。

通常のホトマスクでは、ライン・アンド・スペースの
ピッチ（遮光部13及び光透過部15のピッチ）が小さくな
ると、ウエハの遮光部13と対向する部分の光強度は光透
過部15からの光の回折があるため小さくならない（第３
図（Ｄ））。このため、レジストパターンを解像出来な
くなる。

これに対し、特公昭62−59296号公報に開示の位相シ
フト法用のホトマスクは、光透過部15の隣り合ったもの
の少なくとも一対において、透過光が干渉して強め合う
ことがないように上記１対の光透過部を通過する光に位
相差を与えるシフタ17が上記１対の光透過部の一方に設
けられている。このため、隣接する光透過部を通過した
光同士は位相が180゜ずれているので（第４図
（Ｂ））、回折光は相殺され、ウエハの遮光部13と対向
する部分での光強度はシフタが無い場合に比べ小さくな
る。このため、ウエハの遮光部13と対向する部分及び光
透過部15と対向する部分の光強度比が大きくなるので
（第４図（Ｄ））、シフタが無いホトマスクを用いる場
合より、微細なライン・アンドスペースパターンが得ら
れる。

また、例えばこの出願の出願人に係る文献（半導体
集積回路技術第37回シンポジウム講演論文集（1989.1
2）p.13〜18）には、ネガ型レジストに微細なホールパ
ターンを形成するべく位相シフト法を利用した技術が開
示されている。具体的には、第５図（Ａ）又は（Ｂ）に
平面図を以って示すように、ホトマスク21のホールパタ
ーン用の遮光部形成予定領域23をクロム膜25で全て構成
するのではなく一部シフタ27で構成している技術であ
る。シフタ27を通った光と遮光部形成予定領域23以外の
領域を通った光とを干渉させてホトマスク21の当該領域
23下方での光強度を低下させている。なお、第５図
（Ａ）及び（Ｂ）は共に平面図であるが、クロム膜25及
びシフタ27を強調するためこれらにハッチングを付して
示してある。

また、例えば文献（エスピーアイイー（SPIE）,Vol.1
088（1989）,p25）には、ポジ型レジストに微細なホー
ルパターンを形成するべく位相シフト法を利用した技術
が開示されている。この文献に開示されているホトマス
ク31は、第６図に平面図を以って示すように、目的とす
るホールを得るための主光透過部33と、主光透過部33近
傍に設けられこれ自体ではレジストのパターンを解像し
得ない非常に微細な幅（0.5μｍ程度の幅）の補助光透
過部35とを具え、かつ、補助光透過部35上にシフタ37
（図中ハッチングを付したもの）を具えて成っていた。
主光透過部33を通った光とシフタ付き補助光透過部35を
通った光とを干渉させ主光透過部33下方での光強度を低
下させている。なお、第６図において39は遮光膜（クロ
ム膜）である。また、この図においても、第５図同様、
クロム膜39及びシフタ37を強調するためこれらにはハッ
チングを付してある。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、上述のいずれの技術であっても、より
微細なレジストパターンを形成する場合、投影露光装置
の解像力等の制約からおのずと限界がある。従って、ネ
ガ型レジストを用い孔径が例えば0.2μｍ以下のレベル
のホールパターンを、またポジ型レジストを用い例えば
太さが例えば0.2μｍ以下のレベルのピラーパターンを
形成することは非常に困難であり、また、このようなパ
ターンが形成出来たとしてもそれを得るためのフォーカ
スマージンは非常に狭くなると予想される。

この発明はこのような点に鑑みなされたものであり、
従ってこの発明の目的は、0.2μｍレベル以下の微細な
ホールパターンやピラーパターンを形成出来ると共にそ
の際のフォーカスマージンが広いレジストパターン形成
出来る方法を提供することにある。

（課題を解決するための手段）この目的の達成を図るため、この出願の発明者は種々
の検討を重ねた。その結果、位相シフト法で用いるシフ
タのエッジ部がホトマスクの光透過部内に存在する場
合、このエッジ部と対向するレジスト部分上にはシフタ
側を通過した露光光と光透過部側を透過した露光光との
干渉により光強度が非常に小さい領域が生じることに着
目した。そして、このことをレジストパターン形成に積
極的に利用することにより、この発明を完成するに至っ
た。

従って、この発明によれば、投影露光法によりピラー
又はホール形成用のレジストパターンを形成するに当た
り、光の位相をシフトさせるシフタを有するホトマスクの
該シフタのエッジラインが、レジストの前記ピラー又は
ホール形成予定部分上方を通るように、該ホトマスクを
用い該レジストに対して第１の露光を行う工程と、前記ホトマスクまたは、該ホトマスクとは別のホトマ
スクであって光の位相をシフトさせるシフタを有する第
２のホトマスクを、当該ホトマスクのシフタのエッジラ
インが、前記第１の露光時のシフタのエッジラインに対
し前記ピラー又はホール形成予定部分上方にて交差する
ように用い、前記レジストに対し第２の露光を行う工程
とを含むことを特徴とする。

なお、この発明の実施に当たり、前述のシフタのエッ
ジラインは通常は直線とするのが良いが、設計によって
は曲線、ジグザグ線等任意のラインに出来る。またシフ
タの膜厚ｔは、シフタを透過した光の位相と、光透過部
のシフタを設けていない部分を透過した光の位相とを18
0゜ずらすことが出来る膜厚が最も好ましくその場合は
ｔ＝λ（２（ｎ−１））を満足する値とすれば良い（但
し、λは露光光の波長、ｎはシフタを構成する材料の前
記露光光に対する屈折率である。）。しかし、膜厚ｔが
ｔ＝λ（２−（ｎ−１）を満足する値から多小ずれて
も、効果は得られる。この膜厚ｔは設計に応じて適正な
値に決定するのが良い。

また、シフタは、露光光に対し透明な材料で構成する
のが好ましく、例えばSiO₂膜、SiN膜、スピオングラ
ス、レジスト等で構成するのが好適である。

また、第２の露光においてホトマスクのシフタのエッ
ジラインを第１の露光時のシフタのエッジラインに対し
交差させるさえ方は、直交させても良いし、直交以外の
ある角度で交差させても良く、パターン設計に応じ任意
な方法と出来る。

また、第１の露光と、第２の露光における露光量は同
じでも異なっても良く設計に応じ変更すれば良い。但
し、第１及び第２露光それぞれの露光量は、用いるレジ
ストの感度以上とする必要がある。

また、この発明のレジストパターン形成方法におい
て、パターンの解像度は、光学系に関しては、投影レン
ズの開口数、露光光のコヒーレンスσ、また露光光の波
長に依存する。具体的には、短波長化、高開口数化、ま
たコヒーレンシを上げること（σを小さくすること）に
より解像度は向上する。従って、露光装置等はこの点を
考慮して決定するのが良い。

具体的には、露光光としては、現在使用されているｇ
線、ｉ線、将来有望視されているKrFやArF等のエキシマ
レーザ等の種々のものを使用出来る。また、露光光のコ
ヒーレンシ−σは、0.1〜0.7の範囲にあることが解像力
の点から好ましい。より高解像力化を図るためには、σ
は0.2〜0.3であることが好ましい。

また、この発明のレジストパターン形成方法は、用い
るレジストをネガ型のレジストとすることによりこのレ
ジストにホールパターンを形成することが出来、用いる
レジストをポジ型のレジストとすることによりをこのレ
ジストにピラーパターンを形成することが出来る。

用いるレジストとしては、特に限定はないが、ネガ型
レジスト、ポジ型レジスト共、露光光に高い感度を有し
かつ高解像力を有するものが好ましい。

（作用）この発明のレジストパターン形成方法によれば、第１
の露光及び第２の露光は、各露光で用いるホトマスクを
それに備わるシフタのエッジがレジストのピラー又はホ
ール形成予定部分上方で交差するように用いて行われ
る。ここで、位相シフト法用のシフタのエッジライン下
方では、シフタを通過した光とシフタ以外を通過した光
との干渉により光強度は低下する。このため、第１の露
光及び第２の露光が終了すると、レジストの、第１及び
第２の露光で用いたホトマスクのシフタのエッジライン
の交差部分に対応する部分が、未露光部になる。従っ
て、レジストがネガ型レジストであればこの未露光部が
現像液により溶解しホールパターンになり、ポジ型レジ
ストでればこの未露光部が現像後も残存しピラーパター
ンになる。

また、シフタのエッジライン下方での光強度の低下具
合は、露光量を増加させると少くなり露光量を減少させ
ると多くなるから、上記未露光部の面積は露光量を増加
させると小さくなり、露光量を減少させると大きくな
る。従って、パターン寸法を露光量により制御出来るの
で、この発明のレジストパターン形成方法はフォーカス
マージンが広いパターン形成方法といえる。また、露光
量を変えることによりパターン寸法が変化するというこ
とは、第１の露光の露光量と第２の露光の露光量とを違
えることにより楕円のホールパターンや楕円のピラーパ
ターンの形成が可能なことを意味し、この点でも有用で
ある。

（実施例）以下、ｉ線用投影露光装置及びネガ型レジストを用い
このレジストにホールパターンを形成する例により、こ
の発明のレジストパターン形成方法の実施例を説明す
る。しかしながら、この実施例で述べる使用材料、使用
装置及び膜厚、時間等の数値的条件はこの発明を説明す
るための単なる例示にすぎない。従って、この発明が、
これら材料、装置、数値的条件に限定されるものでない
ことは理解されたい。また、以下の説明を図面を参照し
て行うが、参照する図面はこの発明を理解出来る程度に
各構成成分の寸法、形状配置関係を概略的に示してある
にすぎない。

用いたホトマスクの説明まず、この実施例で用いたホトマスクについて説明す
る。第１図（Ａ）は第１の露光で用いたホトマスク41
（以下、第１のホトマスク41）の要部を上方から見て概
略的に示した平面図、第１図（Ｂ）は第２の露光で用い
たホトマスク51（以下、第２のホトマスク51）の要部を
上方から見て概略的に示した平面図である。両ホトマス
ク41,51は、いずれも、ガラスブランク43と、該ガラス
ブランク43の一部領域上に設けたシフタ45と、ガラスブ
ランク43のシフタを設けなかった部分から成る光透過部
47とで構成してある。なお、両図ではホトマスクに備わ
るシフタ45を強調するため、シフタ45はハッチングを付
して示してある。

ここでシフタ45は、この部分を透過する光の位相と光
透過部47を透過する光の位相とに差を生じさせるための
もので、この実施例では、ポリメチルメタクリレート
（PMMA）から成る薄膜であって厚さが320nmの薄膜で構
成してある。この膜厚は、ｉ線に対し推定されるPMMAの
屈折率から計算してシフタ47を透過した露光光の位相が
ほぼ反転する値になる。すなわち、ホトマスクの、シフ
タ45を透過した光と、光透過部47を透過した光とは位相
がほぼ180゜ずれることになる。

なお、第１のホトマスク41と第２のホトマスクとは、
別途に作製しても良いし、または、第１のホトマスク41
を平面的に所定の角度回転させて使用することで兼用し
ても良い（図示例の場合は第１のホトマスク41を90゜右
回転させると第２のホトマスク51として使用出来
る。）。

パターニング実験スピンコート法により、シリコン基板上にネガ型レジ
ストとしてこの実施例の場合FSMR（冨士薬品工業（株）
製レジスト）を所定の膜厚で塗布する。

次に、レジスト塗布済みのこのシリコン基板をホット
プレートを用い熱処理しレジストのプリベークを行う。

次に、この試料をｉ線用の10:1縮少投影露光装置（開
口数＝0.42,コヒレンシ−σ＝0.5）にセットし、先ず第
１のホトマスク41を介し170mJ/cm²の露光量で第１の露
光をする。第２図（Ａ）は、第１の露光終了後のレジス
トに形成される潜像を示した図である。レジスト61で
は、第１のホトマスク41のシフタ47のエッジラインａ−
ａと対応する部分が未露光部63となり、それ以外の部分
が露光部65（ハッチングを付してある部分。）となる。

次に、露光装置にセットしてある第１のホトマスク41
を第２のホトマスク51と交換し、然も、第２のホトマス
ク51のシフタ47のエッジラインｂ−ｂが第１のホトマス
ク41のシフタのエッジラインａ−ａに対し交差するよう
に（この実施例では直交するように）第２のホトマスク
51を露光装置にセットし、この第２のホトマスク51を介
し第１の露光時と同じ露光量で上記試料を露光する。

この第２の露光終了後にレジスト61に形成される潜像
は、露光が第２の露光のみの場合であれば第２図（Ｂ）
に示すように第２のホトマスク51のシフタ47のエッジラ
インｂ−ｂと対応する部分が未露光部63となりそれ以外
の部分が露光部65となる潜像であるが、第１の露光が既
に行われていることから、第１及び第２の露光終了後に
レジスト61に形成される潜像は、第２図（Ｃ）に示すよ
うに、２つのエッジラインａ−a,b−ｂの交差部分に対
応するレジスト部分ｃのみが未露光部63となる潜像にな
る。

ここで、170mJ/cm²という上記露光量は、FSMRの感度
Ｄ^1.0（現像後の残存膜厚が初期膜厚の100％となる露光
量100mJ/cm²）より十分多い露光量であるので、第１の
露光或いは第２の露光でのレジストの露光部は現像液に
対し充分に不溶化する。

次に、この試料をFSMR専用現像液を用い120秒間スプ
レー現像する。

次に、現像の終了した試料を走査型電子顕微鏡を用い
観察したところ、0.2μｍ径のホールパターンが２つの
エッジラインａ−a,b−ｂの交差部分に対応するレジス
ト部分ｃに形成されていることが分った。

次に、第１及び第２の露光の露光量を共に100mJ/cm²
としたこと以外は上述のパターニング実験の手順と同様
な手順で別途にパターニング実験を行う。このパターニ
ング実験においても、２つのエッジラインａ−a,b−ｂ
の交差部分に対応するレジスト部分ｃにホールパターン
が形成出来たが、このホールパターンは0.3μｍ径のも
のであった。

上述のパターニング実験結果から明らかなように、こ
の発明のレジストパターン形成方法によれば、レジスト
の、第１及び第２のホトマスクのシフタのエッジライン
の交差部と対応する部分に、従来の方法では解像し得な
い微細なホールパタンが形成出来、さらに、このホール
パターンの寸法は、露光量の関数であり第１及び第２の
露光時の露光量を変えることにより変更出来ることが理
解出来る。

上述においては、この発明のレジストパターン形成方
法の実施例について説明したが、この発明は上述の実施
例に限られるものではない。

例えば、レジストをポジ型レジストとしても勿論良
い。ポジ型レジストを用いる場合は、このレジストの上
記２つのエッジラインの交差部に対応する部分に従来解
像し得ない微細なピラーパターンを形成出来る。ここで
用い得るポジ型レジストとしては、種々のものを用いる
ことが出来るが、露光光がｇ線なら例えばTSMR−V5（東
京応化工業（株）製レジスト）を、露光光がｉ線なら例
えばTSMR−365IR（東京応化工業（株）製レジスト）を
用いることが出来る。

また、露光光をｉ線以外のものとしレジストをこの光
源に対応するレジストとしても良い。例えば、露光光を
KrFエキシマレーザとしレジストを例えばSNR−248−１
（シップレー社製ホトレジスト）とした構成の場合も実
施例と同様な効果を得ることが出来る。

また、上述の実施例は、主として今後のLSI（例えば2
56MbitDRAM等）製造において最も形成が困難とされるホ
ールパターンの形成にこの発明を利用した例であった
が、この発明は微細な未露光部を必要とする種々のパタ
ーン形成に適用出来ることは明らかである。

（発明の効果）上述した説明からも明らかなように、この発明のレジ
ストパターン形成方法によれば、位相シフト法用のシフ
タを有するホトマスクではシフタのエッジライン下方で
シフタを透過した光と光透過部を透過した光との干渉に
より光強度が極めて弱くなることを利用し、さらに、こ
のようなホトマスクを用い２回の露光を行いかつ２回目
の露光では上記エッジラインが第１回目のエッジライン
に交差するようにホトマスクを用いるので、２回の露光
が終了した後は、レジストの、上記エッジラインの交差
部と対向する部分に従来では形成し得ない微細な未露光
部を形成出来る。このため、ネガ型レジストを用いるこ
とによりこのレジストに0.2μｍ径レベルのホールパタ
ーンが形成出来、また、ポジ型レジストを用いることに
よりこのレジストに0.2μｍ径レベルのピラーパターン
が形成出来る。

また、上記微細な未露光部の面積は露光量を増減する
だけで容易に可変出来る。

従って、微細なレジストパターン形成が可能でかつフ
ォーカスマージンの広いレジストパターン形成方法を提
供出来る。

また、この発明のレジストパターン形成方法では、２
回の露光を行うので、一方の露光で用いたホトマスク
の、シフタのエッジライン以外の領域に欠陥（例えば遮
光効果を与えるようなゴミ等）が存在しても、他方の露
光においてこの欠陥部分に対応するレジスト部分は露光
されるようになる。このように、ホトマスクの欠陥がレ
ジストに影響しにくいため、欠陥の少いレジストパター
ン形成が可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例の第１の露光で用い
たホトマスク及び第２の露光で用いたホトマスクの説明
図、第２図（Ａ）〜（Ｃ）は実施例のレジストパターン形成
方法の説明に供する図、第３図（Ａ）〜（Ｄ）及び第４図（Ａ）〜（Ｄ）は、従
来技術の説明に供する図、第５図（Ａ）及び（Ｂ）は、従来技術の他の例の説明に
供する図、第６図は、従来技術のさらに他の例の説明に供する図で
ある。 41……第１の露光で用いたホトマスク（第１のホトマス
ク） 43……ガラスブランク 45……シフタ、47……光透過部ａ−ａ……シフタのエッジライン 51……第２の露光で用いたホトマスク（第２のホトマス
ク）ｂ−ｂ……シフタのエッジライン 61……レジスト、63……未露光部 65……露光部ｃ……２つのエッジラインの交差部分に対応するレジス
ト部分（未露光部）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G03F 1/00 - 1/16

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】投影露光法によりピラー又はホール形成用
のレジストパターンを形成するに当たり、光の位相をシフトさせるシフタを有するホトマスクの該
シフタのエッジラインが、レジストの前記ピラー又はホ
ール形成予定部分上方を通るように、該ホトマスクを用
い該レジストに対して第１の露光を行う工程と、前記ホトマスクまたは、該ホトマスクとは別のホトマス
クであって光の位相をシフトさせるシフタを有する第２
のホトマスクを、当該ホトマスクのシフタのエッジライ
ンが、前記第１の露光時のシフタのエッジラインに対し
前記ピラー又はホール形成予定部分上方にて交差するよ
うに用い、前記レジストに対し第２の露光を行う工程とを含むことを特徴とするレジストパターン形成方法。
【請求項２】請求項１に記載のレジストパターン形成方
法において、前記シフタの膜厚ｔを、ｔ＝λ（２（ｎ−１））を満足
する値を含むその近傍の値としたことを特徴とするレジ
ストパターン形成方法（但し、λは露光光の波長、ｎは
シフタを構成する材料の前記露光光に対する屈折率であ
る。）。
【請求項３】請求項１に記載のレジストパターン形成方
法において、前記レジストをネガ型レジストとし、該レジストの、前
記エッジラインの交差部に対応する部分にホールパター
ンを形成することを特徴とするレジストパターン形成方
法。
【請求項４】請求項１に記載のレジストパターン形成方
法において、前記レジストをポジ型レジストとし、該レジストの、前
記エッジラインの交差部に対応する部分にピラーパター
ンを形成することを特徴とするレジストパターン形成方
法。