JP3164565B2

JP3164565B2 - フォトレジストシステム

Info

Publication number: JP3164565B2
Application number: JP17849199A
Authority: JP
Inventors: アタル・ジョエル
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1988-03-02
Filing date: 1999-06-24
Publication date: 2001-05-08
Anticipated expiration: 2016-05-08
Also published as: EP0331494A3; JP2000029226A; JP3028816B2; JPH027053A; EP0331494A2

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、半導体材
料にエッチングを施すためのフォトレジスト工程に関す
るものである。とりわけ、特に、多重レベルフォトレジ
スト工程において、吸収色素を用いて、ラインの解像度
及び均一性を改良する、フォトレジスト工程に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】何といっても、解像度が増せば、集積回
路チップに、より多くの回路とより小形のデバイスを設
けることが可能になるため、フォトレジストの解像度を
増すために多大の努力が払われてきた。こうして回路密
度が増し、デバイスが小形化されると、結果として、前
記集積回路のスピードが増すことになる。

【０００３】平坦な基板を利用する場合、最近の光学式
投影転写工程によれば、すぐれたライン幅制御により、
数種のフォトレジスト材料について幅が約１ミクロン以
下のラインを解像することが可能である。あいにく、フ
ォトレジストの厚さの変動や、表面形状有する基板に堆
積したフォトレジスト材の露光時に生じる光学反射によ
って、こうした工程には数多くの制御問題が生じる。フ
ォトレジストの厚さが不均一な場合、露光が不均一にな
り、このため、望ましくないライン幅の変動が生じる。
結果として得られるパターンは、多分、傾斜した壁面を
備える。従って、基板表面におけるフォトレジストのパ
ターン幅は、フォトレジストの厚さによって変動する可
能性がある。さらに、平坦でない表面に堆積した材料の
層は、本質的に厚さが一定しないので、基板表面の形状
は、本質的にライン幅に変動を生じるもとになる。

【０００４】こうした問題を補償するため、比較的厚い
フォトレジスト層を利用することもあるが、フォトレジ
ストの露光に必要な時間は、一般、フォトレジストの厚
さの増加関数であるため、露光するフォトレジストの量
が増すと、光の量を増す必要がある。その効果について
はさらに詳細に後述するが、単色光源を用いた露光に関
連したいくつかの共振効果のため、露光時間には、フォ
トレジストの厚さの変動によって連続した最大値と最小
値の間で変動する調波成分も含まれる可能性がある。

【０００５】光の反射によって、もう１組の問題が生じ
る。例えば、基板／フォトレジストの界面からの反射に
よって、露光時に、フォトレジストにおける光の強さが
変動し、こうした変動によって、ライン幅が不均一にな
るのが普通である。すなわち、入射光が、界面で散乱し
て、露光するつもりのないフォトレジスト領域に送り込
まれることがある。この結果、ライン幅が広がる。すな
わち、ブルーミングが生じる。このタイプの反射は、半
導体基板に金属による相互接続部も配置される場合特に
発生し易い。こうした金属による相互接続部が表面形状
のみならず、高反射率の領域も形成するためである。こ
うした散乱及び反射の量は、また、チップ毎に変動し、
従って、チップ毎に望ましくないライン幅の変動が生じ
る。

【０００６】フォトレジスト層を多色入射光が通る場合
には、別の散乱タイプの問題が生じる。こうした問題を
最小限におさえるため、ほとんどのフォトレジストの投
影転写技術においては、単色光または準単色光を用いる
のが普通である。多くのこうした単色光源が提案されて
いるが、それぞれ、一般的な、あるいは特定の、いくつ
かの欠点を伴うものである。概して言えば、単色（また
は準単色）光を用いて、フォトレジストを露光する場
合、単色光が基板／フォトレジストの界面から反射する
と、反射光は、入射光と干渉して、フォトレジスト内に
定在波を形成するため、界面での反射の解像度に対する
影響は、とりわけ厄介である。

【０００７】反射率の高い基板領域の場合、結果とし
て、定在波比が大きくなるので、定在波最小の位置で
は、露光不足のフォトレジスト層が生じる。こうした露
光不足の層は、完全なフォトレジストの現像を妨げ、最
終的には、ラインの輪郭がぎざぎざになる可能性があ
る。また、フォトレジストの上部表面から基板へ、反射
光の一部が送り返される可能性もある。フォトレジスト
層の上部表面と下部表面の間におけるこうした入射光の
多重反射は、通常、共振を生じることになり、これによ
って、さらにフォトレジスト内での光の強さに影響を及
ぼし、最終的には、望ましくないライン幅の変動を生じ
ることになる。

【０００８】しかし、ずっと以前から認識されているよ
うに、基板／フォトレジストの界面によるこうした散乱
及び反射に起因するフォトレジストのライン幅の制御問
題は、基板の反射を減少させるか、なくすことによって
最小限におさえることができる。例えば、少なくとも１
つの参考文献（1970年6月刊行のＩＢＭ Technical Disc
losure Bulletin 第13巻第1号38頁に掲載の、H.A.Koury
及び K.V.Patel による”Anti-Interference Phenomen
a Coationg”参照のこと）には、こうした光の反射をお
さえるため、メチルオレンジやメタニルイエローといっ
た色素を含む紫外線吸収剤を用いて、基板とフォトレジ
ストの界面に薄い層を形成するという方法の教示があ
る。

【０００９】ポータブルコンフォーマブルマスク（ＰＣ
Ｍ）システムにおける基板表面の形状に特に関連した問
題のいくつかについては、ＳＰＩＥ第174巻 Developme
ntsin Semiconductor Microlithography IV（1979年）
の114頁に掲載された、B.J.Lin による”Portable Conf
ormable mask - a hybrid near - ultraviolet and dee
p - ultraviolet patterring technigue”と題する論文
において取り扱われている。この論文の教示によれば、
基板にポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）の厚い下部
層（例えば、1〜3ミクロン）を堆積させて、平坦な表面
を形成し、その上に、もう１つのフォトレジストの薄い
層（例えば、0.2ミクロン）を堆積させることが可能で
ある。上部フォトレジストを（例えば、投影転写技術に
よって）近紫外線または電子ビームで露光させてから、
現像すると、多色の遠紫外線に対し不透明なマスクが形
成される。その後、下部層ＰＭＭＡをマスクを介して遠
紫外露光させてから、現像すると、所望のフォトレジス
トパターンが形成される。結果として行われる多色深紫
外線による露光で、基板表面の形状に関連した問題は大
幅に軽減されることになる。

【００１０】あいにく、上記参考文献に教示の技術で
は、解決されない問題がいくつかある。従って、望まし
くない光の反射によってＰＣＭシステムに生じる他のい
くつかの問題を解決するため、また、それによってライ
ンの解像度を改良するために、界面の反射率及び基板表
面の形状によって生じる問題を同時に扱う他の技術が開
発された。米国特許第4,362,809号（“特許809”と呼称
する）あるいは特願昭57−50883には、この技術におけ
るこうした進展の1つについて詳細に説明されており、
参考までに記す。

【００１１】特許809には、下部フォトレジストが感光
する範囲外の波長に感光するように、上部フォトレジス
ト層の選択を行なうという、改良されたＰＣＭ技術につ
いての説明がある。すなわち、上部フォトレジストの露
光に用いる光は、特に、上部フォトレジストは感光する
が、下部フォトレジストは感光しない範囲内で選択され
ることになり、波長が約436nmのｇ線光源が選択され
た。それは、一般に、“光学式ｇ線ステップ・アンド・
リピート・リソグラフィ工程”と呼ばれる工程に用いら
れている。また、特許809によれば、上部と下部のフォ
トレジスト層の界面による反射を回避するため、用いら
れるｇ線の波長における屈折率がほぼ等しくなるよう
に、上部と下部のフォトレジストを選択するのが望まし
い。上部層の薄く平坦な特徴に加え、これらのパラメー
タの選択を行なう結果として、マスクを介して上部層に
投射される入射ｇ線の光による上部層の露光は、より鮮
鋭に焦点の合った光で行なわれることになり、下部層の
光の焦点がずれた部分は活性化されない。特許809に開
示のＰＣＭシステムは、特に繰り返し性が主要な要件と
なる生産環境において、極めて有効な技術であることが
証明されている。

【００１２】しかし、実際には、特許809に開示のＰＣ
Ｍシステムは、他のほとんどの既知ＰＣＭのフォトレジ
ストエッチング工程と同様、その単色光源として水銀ス
ペクトルのｇ線のピークしか用いることができない。例
えば、同じＰＣＭシステムの露光にｈ線またはｉ線の光
源を用いる場合には、全く効果がない。あいにく、特許
809に開示のようなｇ線テクノロジーには、必然的にい
くつかの欠点を伴う。例えば、広視野で倍率が5のｇ線
レンズを分析した結果、その像フィールドの曲率によっ
て、利用できる焦点深度が制限されるということが分っ
た。

【００１３】さらに、当該技術の熟練者の多くの意見に
よれば、ｇ線光源に基づくテクノロジーは、どれも、特
許809に開示のようなｇ線テクノロジーで現在得られる
ものよりもわずかにライン幅の狭い集積回路さえつくり
出すことは不可能である。このため、光学式ｇ線ステッ
プ・アンド・リピート・リソグラフイーに代わる可能性
のある数多くの提案がなされてきた。これらの提案は、
水銀スペクトルのｈ線やｉ線のピークの利用だけでな
く、例えば、各種電子ビーム、Ｘ線、イオンビーム、及
び、エキシマ源といった水銀スペクトル以外の光源に基
づくものであった。こうした提案のほとんどは、冷淡に
受けとめられ、かつ、にべもなくはねつけられるか、あ
るいは、そのいずれかであった。例えば、電子ビーム技
術は、適合する感光樹脂が現在のところ不足しているた
め、拒絶されている。Ｘ線によるリソグラフィ技術の場
合は、光源の強度の低さが、主たる制限であるように思
われる。さらに、欠陥のないＸ線マスクの製造プロセス
は、未だに、開発されていない。エキシマレーザ−ＵＶ
レンズは、おそらく、代替可能な候補ではあるが、最初
の設計をあまりにも緩慢に反復しているように思われ
る。コントラストを強調するフォトレジスト、無機フォ
トレジスト、及び、像反転フォトレジストといった、他
のフォトレジストの代替案も、全て、ある程度考慮され
たが、さまざまな理由によって拒絶された。

【００１４】前述のように、ｇ線（436nm）光以外の単
色光源に基づくテクノロジーが提案されている。例え
ば、水銀スペクトルのｈ線（405nm）及びｉ線（365nm）
のピークから出射する光源については、短い波長の利用
が、それ自体、解像度のよくなる可能性があるため、か
なり考慮が払われてきた。しかし、現在までのところ、
レンズメーカーによる適合するｈ線レンズの開発は非常
に緩慢であり、市販できるｈ線テクノロジーが現在のと
ころ存在しない。おそらく、レンズメーカーには、こう
したｈ線テクノロジーに必要とされるレンズ、アライメ
ント制御装置、及び、フォトレジストシステムの開発を
行なう多大のコストを正当化できていないからである。
いまだ未知のｈ線テクノロジーによって得られる可能性
のある利点が、現在の頼みの網であるｇ線テクノロジー
に比べてあまりにも少なすぎるという顧客の考えを当然
と理解しているためである。

【００１５】一方、現存する倍率が5及び10のｉ線レン
ズは、すでに、解像度において現在のｇ線レンズをしの
ぐ大幅な向上を示している。従って、ｉ線システムによ
って、もっと迅速に、より微細なラインを形成する能力
が得られ、従って、回路密度（ピクセル数）をより高め
ることが可能になる。前述のように、この可能性は、レ
ンズの解像度が波長に比例し、露光手段の開口数に反比
例するという事実によるものである。さらに、焦点深度
は、波長に比例し、任意の波長に関して、露光手段の開
口数の二乗に反比例する。従って、ｉ線の光の波長は、
ｇ線の光に比べて短いので、とりわけ現在利用し得るレ
ンズ製造テクノロジーにおいて、ｉ線システムは、本質
的に、解像度が高くなり、焦点深度が深くなることにな
る。さらに、水銀灯に関するｉ線の光出力の強さは、ｇ
線の強さを上まわっている。このため、ｉ線での化学的
活動量はより大きく、露光時間は短縮される。

【００１６】しかし、上述の興味をそそられる技術的可
能性及び誘因があるにもかかわらず、これまでのとこ
ろ、ｉ線光源を利用した実際に有効なフォトエッチング
工程は開発されていない。この不首尾は、おそらく、主
として、これまで実際に適合するｉ線フォトレジスト及
び実際に有効なｉ線吸収色素が知られていなかったとい
う事実に帰することができよう。単層のフォトレジスト
で、ｉ線に用いることを意図して設計されたものもある
が、これらは、ｉ線（365nm）での感度が不十分で、し
かも、露光後のべーキング処理時に不安定であるか、あ
るいは、そのいずれかであることが証明されている。同
様に、ｉ線光源に関連して、特許809に開示のようなｇ
線に感光する多層フォトレジストシステムも試みられた
が、やはり許容できないことが分っている。ＰＣＭシス
テムが必要とする高い程度まで、ｉ線の光を吸収し、か
つ、現在のＰＣＭテクノロジーの一部であるベーキング
処理手順に耐えることができる色素を見つけるという問
題にとりわけ悩ませられるということが分った。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は：
（1）ｉ線に感光して結像する上部層の有効なフォトレ
ジスト材料と、（2）さらに、1つ以上のより効果的にｉ
線を吸収する色素系からなる下部層のフォトレジスト材
料に関連して、水銀スペクトルのｉ線のピークを用いた
ＰＣＭ類のフォトエッチング工程を開発し上記の問題を
解消することである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明で用いる色素系
は、とりわけ、例えば、365nm±25nmといった、ｉ線の
ピ−ク波長またはほぼそれに近い波長における高吸収係
数を特徴とする。本願発明での工程の実施には、露光ツ
ールシステムにフィルタを用いることによって、こうし
た波長の公差要件は、かなり低いレベルまでおさえるこ
とが可能になる（例えば、±3nm）。こうした処理に対
する一般的な露光時間は、約200〜約800ミリ秒であり、
400ミリ秒程度がより望ましい。一般的な露光に関する
一般的なｉ線の光の強度は、約200ミリジュールから約6
00ミリジュール／cm³である。例えば、上部フォトレジ
スト層が、ＫＯＤＡK 809フォトレジスト（ノボラック
樹脂にCellosolve系に含まれるエチレングリコールのモ
ノあるいはジアルキルエーテルなどを付加したフォトレ
ジスト材料）の１ミクロンの層から成る場合、約400ミ
リ秒の持続時間を要する露光には、約400ミリジュール
／cm³の光の強さが最適である。本発明での色素系は、
また、多くの下部フォトレジスト層材料を作るのに用い
られる多くの一般的なキャリヤ溶剤に溶かすことができ
るものである。幸いにも、本明細書に開示の色素は、例
えば、クロロベンゼンには広範囲の濃度（例えば、約1.
0％〜約10％W/V）で溶解する。従って、こうした色素を
こうした下部層フォトレジス卜材料において十分な濃度
にして、基板／フォトレジストの界面反射を許容可能な
レベルにまでおさえることが可能である。普通、本発明
での工程において、基板の照射から反射されるｉ線の強
さは、ｉ線の入射光の大きさの約3％にしかすぎない。

【００１９】さらに、本発明の色素は、上部層を露光さ
せる波長では、螢光を発しない。さらに、一般的なフォ
トエッチング製造工程においてこうしたフォトレジスト
が受けるベーキングサイクル時に、フォトレジストフィ
ルム内の該色素は、極めて安定している。さらに、下部
層材料のキャリヤが蒸発する際、本明細書に開示の色素
は、結晶化しない。そうした結晶化が生じると、不均一
で、潜在的に不完全な吸収が行なわれることになる可能
性があるため、やはり、これは好都合である。該色素
は、また、下部層の露光に用いられる非ｉ線の光として
望ましい紫外線に対しては実質的に透明である。こうし
た条件下で、該色素が透明でなければ、下部層に要する
露光時間は、処理スピードが大幅に低下するほどに増大
するかもしれない。該色素のもう1つの利点は、ある可
視波長の光にたいしてかなり透明であるということであ
る。これは、投影転写時におけるアライメントを容易に
する上で、有効な特徴である。最後に、本明細書に開示
のｉ線感光色素には、半導体基坂を汚染するナトリウム
やカリウムといった元素が含まれていない。

【００２０】上述の利点は、全て、活性色素成分として
ブタジエンまたは臭素で置換されるブタジエンを用い
た、ｉ線によるフォトエッチング工程で得ることが可能
である。Ｎ，Ｎ’−ジブチル−Ｎ、Ｎ’−ジ（１−
（４，４−ジシア１−１，３−ブタジエン））−１，６
−へキサンジアミンが、本発明での処理において特に望
ましい色素である。該処理のもう1つの望ましい実施例
では、下部層にもう1つの色素を用いることによって、
引き続く紫外線による下部層の露光に起因した、表面形
状や粒状基板上のフォトレジストのノッチングを大幅に
除去することができる。例えば、一般に、クマリン色素
は、とりわけ、クマリン６（化学式：３−（２−ベンゾ
チアゾリル）−７−（ジエチルアミノ）−２Ｈ−１−ベ
ンゾピラン−２−オン）は、特許809に開示の方法に従
って下部フォトレジスト層材料の露光を行なうのに望ま
しい光源である紫外線の吸収に極めて有効である。例え
ば、ポリメタクリル酸メチルによる1.3ミクロンの下部
層の場合、前記ポリメタクリル酸メチルをフォトレジス
ト材料とする下部層の適正な露光に、約2000〜約5000
（できれば約3800）ミリジュール／cm³の入射光エネル
ギーが望ましい。さらに、注意すべきは、本発明の工程
は、単層と多層の両方のフォトレジスト工程に適用でき
るという点である。多層工程とは、”上部層”と”下部
層”の両方または一方が、それら自体、フォトレジスト
材料と色素などの他の材料の両方または一方の層による
多層で構成されるフォトレジスト工程である。しかし、
本明細書に開示の工程は、とりわけ、エッチングを施さ
れる半導体材料のような基板、比較的厚い下部層、及
び、比較的薄い上部層を有するＰＣＭシステムに用いる
のに適したものである。

【００２１】もちろん、上部層は、ｉ線の光に感光する
フォトレジスト材料で作るのが望ましい。この材料に
は、図1Ａに示す赤外（ＩＲ）色素のような他の材料を
含めることも可能である。上部層として特に望ましいフ
ォトレジスト材料は、前記「ＫＯＤＡＫ 809」である。
下部層は、ｉ線の光に感光せず、こうした処理に用いら
れるｉ線の光を吸収する色素の溶解が可能な、フォトレ
ジスト材料で形成するのが望ましい。ポリメタクリル酸
メチルが、こうした目的の全てにとりわけよく適してい
る。下部層にも、上部層の露光に用いられる波長の光を
吸収できる別の色素を含めるのが、最も望ましい。

【００２２】従って、本発明の汎用版は：（1）ｉ線の
光には感光せず、その感光性主成分が、ほぼ水銀スペク
トルのｉ線の波長を備えた単色光（ｉ線の光）をかなり
吸収することができるブタジエン色素及び臭素で置換さ
れるブタジエン色素から成るグループから選択されてい
る少なくとも１つの色素と、例えば、下部層の露光に用
いることができるもう１つの波長の光、すなわち、紫外
線を吸収することができるクマリン色素といった他の色
素を含む第１のフォトレジスト材料からなる下部フォト
レジスト層を基板に堆積させて、ほぼ平面の上部表面を
備えた下部フォトレジスト層を形成することと；（2）
ｉ線の光に感光する第２のフォトレジスト材料からなる
少なくとも１つの上部フォトレジスト層を堆積させて、
上部フォトレジスト層、及び、基板と上部フォトレジス
ト層の間にはさまれた下部フォトレジスト層が形成され
るようにすることと；（3）その波長が水銀スペクトル
のｉ線の波長と近似しており、下部フォトレジスト層の
第１のフォトレジスト材料をほとんど露光させることが
できない単色光源に上部フォトレジストを露光させ、前
記ｉ線光源がマスクを通過して、上部フォトレジスト層
での選択部分だけが露光されるようにすることと；
（4）上部フォトレジスト層を現像し、あるパターンを
有するＰＣＭを形成することと；（5）上部フォトレジ
スト層に形成されたＰＣＭを介して、下部層の第１のフ
ォトレジスト材料の露光が可能で、残りの上部層材料
は、それに対し不透明な、ｉ線の光以外の光源に前記下
部フォトレジスト層を露光させることによって、ｉ線の
光を吸収することが可能な色素を含む下部フォトレジス
ト層にＰＣＭのパターンを複製することから構成され
る：ＰＣＭによるさまざまなフォトエッチング工程を構
成することになる。

【００２３】該工程のさらに特定の版の場合には：
（1）ｉ線の光に感光せず、（ａ）その感光性主成分
が、ほぼ水銀スペクトルのｉ線の波長を備えた単色光
（ｉ線の光）をかなり吸収することができるブタジエン
色素及び臭素で置換されるブタジエン色素から成るグル
ープから選択されている少なくとも１つの色素と、
（ｂ）その感光性主成分が、下部フォトレジスト層の露
光に用いられる非ｉ線光源に感光する少なくとも1つの
色素を含む、第１のフォトレジスト材料による下部フォ
トレジスト層を基板上に堆積させて、ほぼ平面の上部表
面を備えた下部フォトレジスト層を形成することと；
（2）ｉ線の光に感光する第２のフォトレジスト材料及
び下部フォトレジスト層の露光に用いられる第２の光源
からの光を吸収できる色素から成る少なくとも１つの上
部フォトレジスト層を堆積させて、上部フォトレジスト
層、及び、基板と上部フォトレジスト層の間にはさまれ
た下部フォトレジスト層を備える多層フォトレジスト系
が形成されるようにすることと；（3）その波長が水銀
スペクトルのｉ線の波長と近似しており、下部フォトレ
ジスト層の第１のフォトレジスト材料をほとんど露光さ
せることができない単色光源に上部フォトレジストを露
光させ、前記ｉ線光源がマスクを通過して、上部フォト
レジストの選択部分だけが露光されるようにすること
と；（4）上部フォトレジスト層を現像し、あるパター
ンを有するＰＣＭを形成することと；（5）上部フォト
レジスト層に形成されたＰＣＭを介して、下部層の第１
のフォトレジスト材料の露光可能で、上部層のフォトレ
ジストが不透明な、ｉ線の光以外の光源に前記下部フォ
トレジスト層を露光させることによって、ｉ線の光を吸
収することが可能な色素を含む下部フォトレジスト層に
ＰＣＭのパターンを複製することから構成される：ＰＣ
Ｍによるさまざまなフォトエッチング工程を構成する。

【００２４】この特定の工程も、（1）ｉ線の光を吸収
する色素が、Ｎ，Ｎ’−ジブチル−Ｎ，Ｎ’−ジ（１−
（４，４’−ジシアノ−１，３−ブタジエン））−１，
６ヘキサンジアミンであり；（2）上部フォトレジスト
層が、例えば、ＫＯＤＡＫＩＲ 140のような紫外線吸
収色素を有するＫＯＤＡＫ 809であり；（3）下部フォ
トレジスト層が、ポリメタクリル酸メチルであり；
（4）下部フォトレジスト層におけるもう1つの色素がク
マリンであり；（5）ｉ線の光の波長が、ほぽ365nmであ
る；場合に最もよく作用する。この２つの色素を含む下
部フォトレジストにおいて、非ｉ線の光を吸収できる色
素として最も望ましいのは、クマリン６である。クマリ
ン６の紫外線吸収色素としての特質の１つは、深紫外線
により露光されると、漂白されるという点にある。この
漂白作用の結果として、下部層に関する露光時間が、漂
白を受けない場合に比べ短縮され、解像度が向上する。

【００２５】本発明は、また、上述のフォトレジストエ
ッチング工程だけでなく、フォトレジストシステム、す
なわち、装置にも関連する。

【００２６】

【発明の実施の形態】図１Ａには、本発明に従って構成
された代表的なＰＣＭシステム８の初期状態が示されて
いる。その上部表面12に不規則部11のある基板10が示さ
れている。基板10は、ポリメタクリル酸メチルのような
第１のフォトレジスト材料の比較的厚い下部層14によっ
てカバーされている。下部層14に記入の数字13によっ
て、ｉ線の光を吸収する下部層14に溶解した色素の存在
が示されている。同様に、数字15によって、下部層14に
溶解した、紫外線を吸収可能な色素の存在が示されてい
る。基板10と下部層14の間の界面は、一般に、界面12Ａ
として表示されている。さらに、下部層14は、比較的薄
い上部層16でカバーされる。下部層14と上部層16の間の
界面は、一般に界面18として表示されている。上部層16
に入射するｉ線の入射光20が示されている。下部層14の
厚さ22は、上部層16の厚さ24を超えるのが望ましい。

【００２７】工程中において、図１Ａに示す色素13（例
えば、Ｎ，Ｎ’−ジブチル−Ｎ，Ｎ’−ジ（１−（４，
４−シジアノ−１，３−ブタジエン）−１，６−ヘキサ
ンジアミン）は、基板／下部レジスト層の界面12Ａから
の光の反射によって生じる問題を軽減または解消する能
力を有している。本発明でのｉ線システムに関する下部
レジスト層14は、本発明のｉ線吸収色素を溶解させるこ
とができる、任意のフォトレジスト材料で形成すること
が可能である。ただし、下部層14にとって極めて望まし
いフォトレジスト材料は、ポリメタクリル酸メチル（Ｐ
ＭＭＡとしても知られ、米国デラウェア州ウィルミント
ン19898にあるDupont Companyから入手可能）である。
とりわけ、本発明に用いれるｉ線の色素を簡単に溶解さ
せることができるという長所がある。色素13が、ｉ線の
光を吸収できる、本明細書に開示の任意の２つ以上の色
素を表わすものとすることも可能である。例えば、ポリ
メタクリル酸メチルの下部層14に、特許809に教示のや
り方で、2.6％のクマリン６レーザー色素（米国ニュー
ヨーク州ロチェスター14650にある Eastman Kodak Comp
anyで製造）のドーピングを施すことも可能である。

【００２８】下部層14は、下部層14と上部層16の間にほ
ぼ平面の界面18を形成するのに十分な厚さを備えるのが
望ましい（例えば、約1.5ミクロン）。普通、本明細書
に開示のシステムにおける下部層14は、全製造工程中
に、約175℃で、約１分間、ベーキングを施されること
になる。比較的薄い（例えば、１ミクロン未満）上部フ
ォトレジスト層16も、例えば、水銀灯を光源とするｉ線
の水銀光に感光するフォトレジストを表わす意図のもの
である。発明者の発見によれば、ＫＯＤＡＫ 809のポジ
のフォトレジスト（Eastman Kodak Company製）が、こ
うした感度を備えており、やはり、本発明の基本的工程
に役立つ、当該技術では周知の赤外（ＩＲ）色素のよう
な他のいくつかの材料を溶解することができる。例え
ば、第２のフォトレジスト材料は、ＫＯＤＡＫ 809フォ
トレジスト１リットル毎に、約2ｇの、ＣＡＳ登録番号5
3655-17-7の赤外吸収色素ＫＯＤＡＫＩＲ−140から構
成することができる。ＫＯＤＡＫＩＲ−140（以下、
ＩＲ−140と略記する）の化学構造は次のとおりであ
る：

【００２９】

【化２】

【００３０】ＩＲ−140の最大吸収率は823nmのＤＭＳＯ
において、15.60×10⁴L/cm/モルであり、分子量は、77
9.21である。ＩＲ−140のＫＯＤＡＫ809における最大吸
収率は、約14×10⁴である。ＫＯＤＡＫ 809は、また、
多くの代表的な下部層14用フォトレジスト材料に簡単に
堆積させることができる。さらに、望ましい下部層14材
料であるＰＭＭＡが感光する。200nm〜250nmの領域にお
いては不透明であるため、現像後、上部層16が下部層14
に関して密着マスクとしての働きが可能になるという付
加的長所もある。この特定の上部層16用材料は、露光前
に、約82℃で、約１分間のベーキングを施して、上部層
のパターン形成を行なうのが望ましい。

【００３１】図１Ａは、また、処理工程中において、不
図示の投影転写器を用いて、上部層16をｉ線光源に露光
させる方法をも示そうとするものである。前述のよう
に、この波長では、ＰＭＭＡは感光しないので、365nm
の光は、上部フォトレジスト層18の露光においてのみ有
効である。単なる例示ではあるが、露光の強さが約400
ミリジュール／cm³の場合、ｉ線の光吸収色素は、下部
層内で十分な濃度が得られ（例えば、最適濃度を約3％
として、約2％から約6％）、365±25nmの波長で吸収率
が十分になるため、下部層14の１回の通過で、前記下部
層への入射光の少なくとも約80％が吸収されることにな
る。ｉ線吸収色素13と紫外線吸収色素15（例えば、クマ
リン６）の吸収帯域は、いくぶん狭いほうが望ましい
（例えば、図２参照）。ただし、こうした色素は、可視
範囲はあまり吸収しないので、色素13と色素15の両方ま
たは一方が存在しても、投影転写のアライメントを取る
際、あまり、基板上におけるアライメントマークを見る
妨げにはならない。

【００３２】図１Ｂには、上部層16の現像部分の結果が
示されている。また、該図は、適合する染色を施された
下部フォトレジスト層14が、365nmの光を吸収して、基
板10と下部フォトレジスト層14の界面12Ａからの反射が
減少することにより、上部層16におけるライン幅の解像
度が向上する点を示そうとするものである。また、上部
層16を現像する際、ライン幅制御が良好に保たれ、ＰＣ
Ｍが形成されるということを示そうとするものである。
ＫＯＤＡＫ 809の上部層16は、ＫＯＤＡＫ 809現像液へ
の約90秒の浸漬を含むさまざまな既知の方法によって現
像することが可能であり、その後、脱イオン水ですすぎ
が施される。

【００３３】図１Ｃには、上部層16に数字26で示すよう
な現像領域を通る紫外線21のような非ｉ線の光に露光さ
れる下部層14が示されている。例えば、紫外線21は、10
00ＷのＨｇ−Ｘｅによる短いプーク灯（不図示）や、マ
イクロ波によるポンピングを受ける紫外線光源（やは
り、不図示）といったいくつかの適切な光源から供給さ
れ、例えば、強さが25〜30mW/cm³の深紫外線を表わすも
のである。

【００３４】図１Ｄに示すように、下部層14は、上部層
のパターンを正確に複製することができる。これは、い
くつかの理由によるものである。第１に、こうした深紫
外線による下部層14の露光を行なうと、下部層14内での
定在波及び共振効果が減少する。第２に、ほとんどの半
導体基板材料の反射率は、例えば、ＰＭＭＡの露光に用
いる深紫外線の波長では減少する。さらに、本明細書で
用いられる周波数は、回折を減少させるので、下部層14
に対しコントラストの強い露光が行なわれる。このコン
トラストの強さを保つため重要なことは、こうしたＰＭ
ＭＡの露光で用いられる高周波数において、色素13の吸
収がそれほどでもないということである。あいにく、ク
マリンは、220nm〜250nmの領域で多少吸収するが、濃度
は、色素13とは関係なく制御できるので、前述のフォト
レジストのノッチングが防止され、しかもなお、ライン
幅の解像度を低下させたり、あるいは、必要な露光線量
が増すこともない。例えば、紫外線の露光時間が２倍に
延長されると、着色ＰＭＭＡによっても非着色ＰＭＭＡ
の場合と同じ垂直側壁が形成される。やはり一例とし
て、ポリメタクリル酸メチルの下部層は、例えば、100
％のメチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ）溶液に90秒
間、25％のＭＩＢＫ溶液に90秒間、さらに、100％のイ
ソプロパノール溶液に60秒間、順次浸漬することによっ
て現像することができ、その後、脱イオン化水によって
すすぎ落される。下部層14の現像に用いることが可能な
クロロベンゼンのような他の現像液も、これが所望の終
了結果であれば、上部層16をそのままにしておける。

【００３５】実験方法及び装置（レンズ）一組のレンズが、溶解度、被写界のサイズ、
動作波長、縮小率、被写界のゆがみに基づいて分類され
た。各レンズは、結像レべリング、及び、アライメント
制御システムの特定の組合とともに用いられるため、そ
れらは、それに関連するステッパサブシステムの枠組内
で評価された。これに関連して、各レンズの性能が、そ
の被写界（image field）の完全な三次元包絡面（envel
ope）について調べられた。露光手段の選択において
は、ソフトウェア、売手の支援、及び、システムの信頼
性についても注意が向けられた。工程制御のマージンを
最大にするため、連係するステッパの焦点サブシステム
に関連して、レンズの評価が行なわれた。この評価に
は、工程に関連する表面形状、ウェーハのそり、湾曲、
及び、テーパが考慮されている。被写界の深さに影響す
るさまざまな要因の割当が、表１に示されている。

【００３６】

【表１】

【００３７】表２には、この工程に利用できる各種レン
ズのリストが示されている。各レンズ毎に、計算された
焦点深度が示されている。研究により分ったことは、こ
の導き出された値は、これらのレンズの大部分に関する
測定結果に近いという点である。各レンズ毎に、動作焦
点マージンを得るため、該処理に関する焦点予算は、導
き出された焦点深度から減算された。この結果について
も、表２に示されている。

【００３８】

【表２】

【００３９】明らかに、上述の焦点のマージンは非常に
きびしいものである。従って、各レンズの解像度は、形
状をシミュレートしたウェーハを用いて、全被写界につ
いて検査された。利用可能な焦点マージンを改善するた
め、いくつかの処置がとられた。低背面接触シリコンピ
ンチャックによって、マージンの利用が改良された。ま
た、それによって、ウェーハとチャックとの間における
粒子によって誘起される問題の発生が大幅に軽減され
た。明らかに、自動ウェーハレベリングによって、焦点
マージンが増大した。結像されるレジストにクマリン６
のような赤外吸収色素を含めることによって、下部層14
からスプリアス放射が除去され、その結果、ＩＲを感知
する焦点制御サブシステムの性能が改善された。

【００４０】発明者の知り得たところでは、倍率が5及
び10のｉ線レンズが、現在のｇ線レンズに比べて、解像
度及び回路密度（ピクセル数即わち画素数）の大幅な向
上を示した。このパイロット工程について、ＮＡが0.32
のZeiss 107834が、とりわけ、プロトタイブの工程開発
に都合のよい試験台用レンズであることが分った。試験
台システムは、Zeiss 107834レンズや、ＧＣＡ Autofoc
usII焦点制御サブシステムと共に、ＧＣＡ4800ステッパ
フレームを用いて構成された。試験台は、低背面接触チ
ャックによって改善された。試験台には、プロトタイプ
のｉ線光源が設けられた。まず、最初に用いたｉ線フィ
ルターが、紫外線束によって劣化した。このフィルター
は、最初に深紫外線をブロックして、長い波長のフィル
ターと、ｉ線が通る干渉スタックが色中心を生じたり、
あるいは、熱的に劣化したりすることがないように再設
計された。

【００４１】（ｉ線フォトレジスト）：本発明を完成す
る上での最大の問題は、ｉ線光源を用いたシステムにお
いて利用するのに適したｉ線フォトレジスト材料及び色
素の欠如であった。やはり、発明者の知り得たこととし
て、いくつかの単ソフトウェアフォトレジストは、ｉ線
を意図して設計されたものであったとしても、ｉ線の波
長で感度が不十分であったり、露光後のベーキング手順
において不安定であったり、あるいは、その両方である
ことが証明された。従って、ｉ線のシステムに特に適し
たフォトレジスト及び色素を発見または開発することに
よって、高品質の結果が得られるようにしなければなら
なかった。

【００４２】ｉ線ＰＣＭには、ｉ線に感光する造影上部
層が必要であり、発明者に知り得たところでは、ＫＯＤ
ＡＫ 809フォトレジストが、水銀スペクトルの365nmの
ｉ線のピークで感度がすぐれている。さらに、露光及び
後続の現像ステップの後、ＰＣＭとしてパターン形成し
たＫＯＤＡＫ 809フォトレジストの層を利用して、本願
明細書に記載の多層フォトレジスト処理及び装置に関す
る下部層の紫外線フラッド露光を行なうことができる。

【００４３】この特定のＰＣＭ工程のより顕著な特徴
は、造影層における定在波の抑圧であった。前述のよう
に、下部層に有効なｉ線吸収色素を含めることによっ
て、上部層の定在波を除去することが可能になる。下記
リストには、こうした色素が、ｉ線の光の応用において
有効に用いられるために示す必要のある基本的な特性１
〜４がリストアップされている。従って、これらの特性
が、発明者の実験で意図した目標を示している。

【００４４】即わち、ｉ線フォトレジスト色素は、ＰＣ
Ｍ工程に用いられる下記１〜４の特性を備えていなけれ
ばならない：１．ｉ線の露光波長（適切なフィルターを用いた場合、
365nm±25nmまたは±約5nm）における高吸収係数。２．ｉ線照射の反射光の強さが、入射光の約3％になる
ようにするのに十分な下部層のキャリヤ溶剤における溶
解度。３．上部層の露光に用いられる波長における上記螢光発
光。４．ベーキングサイクル時に、レジストフィルム内にあ
って安定状態を保つ能力。

【００４５】前述のように、既成の色素は、どれも、発
明者のｉ線への適用要件に合致しなかった。従って、EA
STMAN KODAK Companyが発明者のためにいくつかの特殊
な色素を開発した。概して言えば、これらの色素には、
その活性i線光吸収成分として、ブタジエンと置換ブタ
ジエンの両方または一方が含まれている。これらの活性
成分色素に関連して、色素製造技術においては周知の他
の成分も、用いることが可能である。いずれにせよ、こ
うした色素の１つが、とりわけ有効であることが立証さ
れたわけである。それは、数回にわたるやりとりの後つ
くり出された。EASTMAN KODAKでは、この色素を”Ｄ−
３”と称しているが、その化学式は、Ｎ，Ｎ’−ジブチ
ル−Ｎ，Ｎ’−ジ（１−（４，４−ジシアノ−１，３−
ブタジエン））−１，６−ヘキサンジアミンである。

【００４６】クマリン６の吸収スペクトルを示した図２
には、代表的な下部層フィルムに溶解したＤ３の吸収ス
ペクトルも示されている。本発明につながる実験作業中
に、発明者の知り得たところによれば、下部層に強い紫
外線による露光を行なうと、形状や粒状基板を覆うフォ
トレジストにノッチングが生じることになるため、下部
層のフォトレジスト内にあって紫外線を吸収することが
可能な色素の利用は、極めて望ましい。発明者の発見に
よれば、下部層に紫外線吸収色素を加えることによっ
て、ｉ線システムに関するこうしたノッチングを解消す
ることが可能になる。すなわち、紫外線が下部層の露光
に用いられる非ｉ線の光である場合、この第２の色素
は、紫外線露光の波長帯域内での吸収を意図したもので
ある。クマリン色素のような既知の紫外線吸収色素が、
この目的にかなり役立つ。とりわけ、レーザー色素であ
るクマリン６は、紫外線帯域での吸収能力の故に望まし
い。ｉ線吸収色素における所望の特性に関する表３に
は、他の調査が加えられた特性のいくつかも掲載されて
いる。さらに、クマリン６は、約515nmで螢光発光す
る。この特性は、さらに詳述する方法で、もう１つの目
的に利用することが可能である。また、図２には、KODA
K Ｄ３の吸収スペクトルに加え、クマリン６の吸収ス
ペクトルにも示されている。

【００４７】（限界寸法の計量学）プロセス開発におい
ても、また、生産時におけるプロセスのモニター及び制
御においても、有効な限界寸法（ＣＤ）測定学上のテク
ニックが必要になる。制御指定が±10％のサブミクロン
のリソグラフィーの場合には、金でコーティングしたウ
ェーハのＳＥＭ画像を利用したＣＤ計量が最も有効であ
るように思われる。明らかに、各マスキングレベル毎に
加工されるロットからこの計量のためウェーハをとりだ
すことは許されない。一方、室内用ＳＥＭ検査ツールで
は、紫外線のフォトレジストに損傷を与えるように思わ
れる。

【００４８】発明者は、色素の螢光発光を利用するテク
ニックを用いて、限界寸法の測定を行なった。発明者に
よるｉ線のＰＣＭ処理に関する望ましい実施例の１つで
は、ノッチング防止色素としてクマリン６を利用するた
め、このツールに関し、515nmの螢光発光が用いられ
た。所定の基板に関する螢光発光ツールの精度は、±0.
04ミクロンであり、ほぼＣＤ割当の実質的部分を占め
る。しかし、ＰＣＭ処理は極めてすぐれたＣＤ制御であ
る。全ＣＤ割当については、表３、表４に示されてい
る。このｉ線のＣＤ予算は、現行の生産プロセスにおけ
る要因分析の結果に基づくものである。数値を得るた
め、測定が、また、場合によっては、投影も利用され
た。全ての値は、ミクロン単位である。

【００４９】

【表３】

【００５０】（テスト結果）Zeiss 107834レンズに基づ
く試験台及びｉ線ＰＣＭレジストを用いたｉ線のパイロ
ットプロセスの実施は、このｉ線のフォトレジスト処理
の実行可能性を示す上で、とりわけ、有効であった。約
１年に及ぶ期間、いくつかのテストチップに処理を加え
る間に、提示したデータを収集した。これらのチップの
最小線幅（feture size）は、0.7または0.9ミクロンで
ある。ウェーハ作業のロットは、普通、25〜50個のウェ
ーハから成る。この研究で分ったのは、本発明でのＰＣ
Ｍフォトレジストの場合垂直なライン輪郭が得られる
が、下に位置する形状及び反射率の変動に対し許容力が
あるということである。ただし、やはり留意しておくべ
きは、本明細書に開示のＰＣＭ工程は、標準的な単層工
程に比べると、余分なステップがいくつかあるが、開示
のＰＣＭ工程におけるこれらのステップは、同等の単層
工程におけるステップに比べると、マージンがかなり広
くなるという点である。さらに、開示のシステムは、フ
ォトエッチング技術において出くわす、例えば、ポリシ
リコンゲート、金属製相互接続部、及び、ビアといった
最も困難なマスキングレベルのいくつかを扱うことが可
能である。このような場合において、本発明でのフォト
レジストの輪郭は、そのレジストの線が基板上のフィー
チャと公差する際垂直のままである。

【００５１】当該技術の熟練者には明らかなように、本
願発明の基本的教示にたいして、その範囲及び精神を逸
脱することなく、多くの明白な修正を加えることが可能
である。例えば、上部層に対する一次要件は、ｉ線の光
を感光するフォトレジスト材料であるという点さえ理解
していればよい。この材料の化学組成の重要性は二次的
なものである。下部層の一次的特性は、開示のｉ線吸収
色素を溶かすことができるフォトレジストであるという
ことになる。また、できれば、上部層のフォトレジスト
とは化学的に異なっているのが望ましい。最後に、本明
細書に開示のブタジエンまたは実質的なブタジエン色素
の最も重要な独自の特徴は、ｉ線の光をかなり吸収し、
下部層のフォトレジスト材料に溶けやすく、フォトレジ
スト材料が受けるベーキング処理に耐えるという点にあ
る。

【００５２】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の実施によ
りｉ線によるリソグラフィを実用することが可能とな
る。新しく開発された色素と独特の多層レジスト構成が
特に有効であり、それらは工程中のベーキング処理にも
耐えられるから、微細回路を容易に作り出すことが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１Ａ】本発明の一実施例のＰＣＭシステムで実行さ
れる工程の上部層露光ステップを示す図である。

【図１Ｂ】前記ＰＣＭシステムの上部層の現像効果を示
す図である。

【図１Ｃ】ＰＣＭとして上部層を用い下部層のＵＶフラ
ッド露光を示す図、即わち本発明の一実施例の工程によ
って得られたレジストのパターンを示し、下部層の現像
中に上部層がパターンを形成していることを示す図であ
る。

【図１Ｄ】上部層ＰＣＭがはく離され、下部層が現像さ
れるような工程を示す図、即わち下部層の現像中に上部
層レジスト層が除去されるような本発明の一実施例の工
程の結果であるレジストパターンを示す図である。

【図２】本発明の一実施例の基本的工程で用いる代表的
なｉ線感光及びＵＶ感光色素の透過特性を示す図であ
る。

【図３Ａ】ＩＲ色素のないレジストからのＩＲ感知信号
の代表例を示すグラフである。

【図３Ｂ】レジストにＩＲ色素を入れた後の表面からの
戻り信号を示すグラフである。

【符号の説明】

8 ：ＰＣＭシステム 10：基板 11：不規則部 12：上部表面 13：下部層14の色素（ｉ線吸収） 14：下部層 15：下部層14の色素（紫外線吸収） 16：上部層 20：入射光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 399117121 395 ＰａｇｅＭｉｌｌＲｏａｄＰａｌｏＡｌｔｏ，ＣａｌｉｆｏｒｎｉａＵ．Ｓ．Ａ. (56)参考文献特開昭63−41844（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−172735（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−203941（ＪＰ，Ａ) 特許3028816（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G03F 7/26 G03F 7/004 G03F 7/028 G03F 7/095 H01L 21/027

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】次の（イ）〜（ハ）を備えたフォトレジス
トシステム：（イ）半導体基板；（ロ）Ｎ，Ｎ’−ジブチル−Ｎ，Ｎ’−ジ（１−（４，
４’−ジシアノ−１，３−ブタジエン））−１，６−へ
キサジアミンのグループから選んだ色素と３−（２−ベ
ンゾチアゾリル）−７−（ジエチルアミノ）−２Ｈ−１
−ベンゾピラン−２−オンとが溶解されたポリメチル・
メタクリレートからなる、前記半導体基板上に堆積され
た下部レジスト層；（ハ）前記下部レジスト層上に堆積され、下記化学構造
を有する色素Ｂを含んだ、エチレン・グリコールのモノ
或いはジアルキル・エーテルのアセタート（溶媒）とジ
アゾ・ナフトキノンを添加したノボラック樹脂を含むレ
ジスト材を含む上部レジスト層；【化１】