JP3903149B2 - レジストパターン形成方法、デバイスの作製方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトマスクに描かれた回路パターンを、試料の表面に塗布されたレジスト膜上に転写するレジストパターン形成方法、かかる工程を有するデバイスの作製方法につき、特にナノメータサイズのパターニングを実現することに好適なレジストパターン形成方法、デバイスの作製方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年において、集積回路(IC)の出現から、大規模集積回路(LSI)へと集積度の向上が進み、回路パターンにおける設計寸法につき更なる制約が課され、半導体製造プロセスにおける微細加工の研究が盛んに行われている。
【0003】
光リソグラフィは、かかる微細加工の一手段であり、シリコン酸化膜等の基板表面にレジスト膜を形成し、集積回路パターンの描かれたマスクを介して露光することにより当該パターンを転写し、さらにこれを現像して得られたレジストパターンに基づき基板にエッチング等の加工を行う方法である(例えば、非特許文献1参照。)。
【0004】
図6は、光リソグラフィの概略を説明するための図である。先ずステップS51において、被加工膜72を形成した基板71上にレジスト等の有機感光樹脂をスピンナーを用いて塗布し、均一なレジスト膜73を形成する。このレジスト膜73を加熱乾燥させた後に、ステップS52へ移行し、集積回路パターンが描かれたマスク74を基板71に重ね合わせる。
【0005】
次にステップS53へ移行し、後述する露光装置を用いて、上記フォトマスク74に描かれた集積回路パターンを基板71上のレジスト膜73へ転写する。すなわち、集積回路パターンの描かれたマスクを介して露光することにより、レジスト膜73に対して光化学反応を起こさせる。
【0006】
次に、ステップS54へ移行し、レジスト膜73を現像液を用いて現像することにより、レジストパターンを形成する。上記レジスト膜73が、アルカリ水溶液からなる現像液に対して感光部が可溶化するポジ型のレジスト膜である場合には、かかる感光部につき現像液を用いて取り除くことができる。
【0007】
このようにして形成したレジストパターンを、次のステップS55において、いわゆるエッチングマスクとして被加工膜72をエッチングし、さらにステップS56においてレジスト膜73を剥離することにより、一連のリソグラフィ工程が終了することになる。
【0008】
また図7は、集積回路パターンの転写に用いる露光装置の原理的な構成図である。
【0009】
この露光装置8は、光を出射する光源81と、光源81から出射された光を集光する照明光学系82と、集積回路パターンが描かれたフォトマスク83と、フォトマスク83を透過した光を基板71に結像させる投影光学系84とを備えている。
【0010】
フォトマスク83に描かれた集積回路パターンは、照明光学系82を介して照明され、その透過光のみが投影光学系84により結像される。その結果、基板71上に形成されているレジスト膜74は、かかる集積回路パターンの像に対応して感光することになる。
【0011】
【非特許文献1】
N.Shiraishi,et al.:Proc. SPIE, Vol.1674,p.741(1992)
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年進んでいる光情報通信の大容量化に伴い、半導体デバイスの更なる高集積化、高密度化を図るべく、ナノメータサイズの集積回路パターンを形成する必要がある。通常、このような超微細なパターニングを実現するためには、上述した光源81の代替として真空紫外光源やX線光源を用いることにより、短波長の光をレジスト膜74上に照射する必要がある。
【0013】
しかしながら、真空紫外光源やX線光源を用いる場合には、既存の光リソグラフィに用いる露光装置に新たな光源や光部品を付加する必要があるため、ユーザの労力の負担が増大し、またシステム全体のコストを抑えることができないという問題点がある。
【0014】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、ユーザによる労力の負担を解消し、さらにシステム全体のコスト削減を図るべく、既存の露光装置をそのまま適用することにより、レジスト膜上にナノメータサイズのパターニングを施すことができるレジストパターン形成方法、及びかかる工程を有するデバイスの作製方法を提供することを目的とする。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明を適用したレジストパターン形成方法は、上述の課題を解決するために、フォトマスクに描かれた回路パターンを試料の表面に塗布したレジスト膜上に転写するレジストパターン形成方法において、フォトマスクに対してレジスト膜を構成する分子間の共鳴エネルギーに基づく波長より長い光を照射することにより、回路パターンのエッジ部分に近接場光を発生させ、発生させた近接場光により上記レジスト膜を感光させる。
【0016】
このレジストパターンの形成方法では、レジスト膜を構成する分子間の共鳴エネルギーに相当する光の波長よりも長いいわゆる非共鳴光をフォトマスクに対して照射し、当該フォトマスクに描かれた回路パターンに基づき、ナノメータサイズの領域に近接場光を発生させ、発生させた近接場光によりレジスト膜を感光させる。
【0017】
また、本発明を適用したデバイスの作製方法は、上述の課題を解決するために、フォトマスクに描かれた回路パターンを、材料の表面に塗布したレジスト膜上に転写する光リソグラフィ工程を有するデバイスの作製方法において、光リソグラフィ工程では、フォトマスクに対してレジスト膜を構成する分子間の共鳴エネルギーに基づく波長より長い光を照射することにより回路パターンのエッジ部分に近接場光を発生させ、発生させた近接場光によりレジスト膜を感光させる。
【0018】
このデバイスの作製方法では、レジスト膜を構成する分子間の共鳴エネルギーに相当する光の波長よりも長いいわゆる非共鳴光をフォトマスクに対して照射し、当該フォトマスクに描かれた回路パターンに基づき、ナノメータサイズの領域に近接場光を発生させ、発生させた近接場光によりレジスト膜を感光させる光リソグラフィ工程を有する。
【0019】
【発明の実施の形態】
先ず、本発明に係るレジストパターン形成方法を実現するための露光システム1につき、図1を参照して詳細に説明する。
【0020】
露光システム1は、光を出射するための光源11と、光源11から出射された光を集光する照明光学系12と、集積回路パターンが描かれたフォトマスク13とを備えている。また、この露光システム1には、例えばシリコン酸化膜等で構成され、表面にレジスト膜22が形成された基板21が、フォトマスク13に接触するように配設される。
【0021】
光源11は、図示しない駆動電源による制御に基づき、約684nmの波長の光を出射するパルス光源である。ちなみに、この光の波長は、レジスト膜22を構成する分子が感光する波長より長ければ、換言すれば、レジスト膜を構成する分子間の共鳴エネルギーに相当する光の波長より長い、いわゆる非共鳴光であればよい。ちなみにこの光源11の周囲には、図示しない冷却装置から送出される冷却媒体を循環させてもよい。
【0022】
照明光学系12は、偏光レンズを有し、光源11から出射された光の偏光方向を、集積回路パターンの座標や方向に基づき制御する。また、この照明光学系12は、焦束レンズを有し、フォトマスク13上に照射するビーム径やビーム形状を制御する。また照明光学系12は、光源11と相俟って、フォトマスク13に対する光の入射角度を制御する。
【0023】
フォトマスク13は、光を遮蔽するCr薄膜を集積回路パターンに応じて形成した石英ガラス板からなり、上述した照明光学系12によりビーム径等が制御された光が照射される。このフォトマスク13において、Cr薄膜が形成されている領域に照射される光は遮蔽され、またCr薄膜が形成されていない領域を透過した光は、そのままレジスト膜22を照明することになる。すなわち、この集積回路パターンを予め描いたフォトマスク13に、上述の如く光を照射することにより、当該パターンをレジスト膜2へ転写することができる。
【0024】
なお、この露光システム1では、フォトマスク13と、前工程のおける集積回路パターンとの間で容易にマスク合わせを行うために、高精度ステージや干渉系による位置決め機構、さらにはアライメントマーク読み取り光学系等を備えるようにしてもよい。
【0025】
レジスト膜22は、光に感応して化学反応を起こす有機感光樹脂である。このレジスト膜22として、光の照射された領域につき、重合,架橋して現像液に不溶になるネガ型、又は、光の照射された領域につき分解して現像液に対して可溶になるポジ型のいずれを適用してもよい。
【0026】
次に本発明を適用したレジストパターン形成方法を含む光リソグラフィ工程につき図2を用いて詳細に説明をする。
【0027】
先ずステップS11において、基板21上にレジスト膜22を形成する。このレジスト膜22の形成には、例えばスピンナー法を採用してもよい。このスピンナー法では、レジストの粘度、固形分含有量及び溶剤の蒸発速度を参照しつつ、スピンナーの回転数を制御することにより、所望の膜厚を得ることができる。ちなみに、レジスト膜22の形成後、膜中に含まれている溶剤を除去すべくプリベークを行う。
【0028】
次にステップS12に移行し、基板21に対するフォトマスク13の重ね合わせを実行する。このステップS12において、レジスト膜22が塗布された基板21とフォトマスク13とが密着させるようにすることで、発生させた近接場光がレジスト膜22に到達するようになる。なお、このステップS12において、レジスト膜22が塗布された基板21とフォトマスク13との間隔につき、照射する光の波長に基づき決定してもよい。
【0029】
次にステップS13へ移行し、照明光学系12からフォトマスク13へ光を照射する。ちなみに、このレジストパターン形成方法において照射する光は、いわゆる非共鳴光であるため、レジスト膜22は、フォトマスク13を透過した光により直接的に感応せず、化学変化することない。
【0030】
しかしながら、後述するメカニズムにより、集積回路パターンのエッジ部分において、非共鳴の近接場光が発生する。そして、この近接場光にレジスト膜22が感応する結果、当該集積回路パターンに応じた局所領域において化学反応が進行することになる。
【0031】
次にステップS14へ移行し、レジスト膜22を現像液を用いて現像することにより、レジストパターンを形成する。レジスト膜22が、仮にポジ型である場合には、かかる近接場光に感応した領域につき現像液を用いて取り除くことができる。ちなみに、現像を終了させた後に、レジスト膜22と基板21との密着性を向上させるべく、ポストべークを行うようにしてもよい。
【0032】
このようにして形成したレジストパターンを、次のステップS15において、いわゆるエッチングマスクとして基板21をエッチングし、さらにステップS16においてレジスト膜22を剥離することにより、一連の光リソグラフィ工程が終了することになる。
【0033】
図3は、レジスト膜22を構成する各分子における原子核間距離に対するポテンシャルエネルギーの関係を示している。通常の露光では、ポジ型のレジスト膜22を構成する分子に対して、基底準位と励起準位とのエネルギー差Eaに相当する帯域の光(以下、この光を共鳴光という。)を照射することにより、励起準位へ励起させる。この励起準位は、解離エネルギーEbを越えているため、点線矢印で示される方向へ分子を光解離させることができる。
【0034】
ちなみに本発明において、レジスト膜22を構成する分子は、上述の如く非共鳴の近接場光を受け、複数回の光吸収による励起(多段階遷移過程)を経て解離する。例えば図3に示すように、レジスト膜22を構成する分子は、Eaに相当する光の波長より長い非共鳴光を受光して分子軌道準位へ一度励起し、次にこの分子軌道準位より高準位の分子軌道準位へ励起して、3回目の光吸収による励起により励起準位へ、若しくは分子解離軌道準位へ励起させることができる。
【0035】
このように、分子振動を励起させることができる理由は、近接場光が照射されることにより、ボルン・オッペンハイマー近似が破れ、分子の振動レベルへの直接的な励起が生じているためである。
【0036】
図4はかかる励起について調和振動子モデルを用いて説明するための図である。この図4において分子B1、B2は、レジスト膜22を構成する分子であり、また電子A1、A2は、各分子B1、B2と互いに対になる電子である。
【0037】
レジスト膜22に照射する近接場光の振幅分布は空間的に異なるため、原子A1、A2の振動状態も互いに異なる。例えば、互いに近接場光を受けた電子A1の振幅が電子A2の振幅よりも長い場合には、図4に示す各タイミングt1〜t3のうち、特にタイミングt1,t3において、電子間の距離が長くなる。かかるタイミングにおいて、電子A1と電子A2との引力が大きくなるため、各電子A1,A2と対になる分子B1,B2の距離も接近することになる。
【0038】
すなわち、このような空間的に振幅の異なる非共鳴の近接場光をレジスト膜22へ照射することにより、電子A1,A2のみならず、分子B1,B2の距離も周期的に変化させることにより、図中矢印方向へ振動させることができる。これにより、分子B1、B2を分解させて、これらを励起準位へ、若しくは分子解離軌道準位へ励起させることができる。
【0039】
図5は、上述した光リソグラフィ工程を経てパターニングした基板21を示している。幅10μmのCr薄膜が形成されたフォトマスク13に光を照射すると、かかるCr薄膜のエッジ部分においてそれぞれ近接場光が発生する。その結果、基板21は、かかる近接場光が発生したナノメータサイズの領域につき選択的にエッチングされ、最終的に、幅約30〜50nm、深さ約50nmの溝が形成されることになる。
【0040】
すなわち、本発明に係るレジストパターン形成方法を適用することにより、集積回路パターンに応じたナノメータサイズの領域に非共鳴の近接場光を発生させることができるため、当該発生させた近接場光に応じてナノメータサイズのレジストパターンを形成することができ、基板21の超微細加工も可能となる。
【0041】
特に本発明では、既存の光リソグラフィに用いる露光装置を、光源11の波長を変えることでそのまま適用することができるため、例えば真空紫外光源やX線光源等の他光源と交換する必要もなく、ユーザの労力の負担を解消することができ、システム全体のコストを大幅に削減することができる。
【0042】
近接場光の発生する領域は、あくまで集積回路パターンに基づくものである。このため、集積回路パターンを近接場が発生し易い形状に設計することにより、レジスト膜22上において、さらに幅30nm以下の溝を含むレジストパターンを形成することも可能となる。
【0043】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではない。近接場光の発生する領域は、フォトマスク13に対して照射する光の角度及び/又は偏向方向に依存するため、さらに照明光学系12等を制御することによりこれらを調整してもよい。また、近接場光に感応して化学反応するか否かは、使用するレジストの種類に依存するため、設計した集積回路パターンとの関係においてレジストを選択するようにしてもよい。
【0044】
また、本発明では、基板21とフォトマスク13とを接触させるコンタクト露光方式、或いは基板21とフォトマスク13との間で10〜20μmの間隙を設けるプロキシミティー露光方式を例にとり説明をしたが、かかる方式に限定されるものではなく、例えば、フォトマスク13を透過した光を基板21に結像させるための投影光学系を設けてもよい。
【0045】
また、本発明は、光リソグラフィ工程におけるレジストパターン形成方法に限定されるものではなく、この光リソグラフィ工程を有するデバイスの作製方法に適用してもよいことは勿論である。
【0046】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明を適用したレジストパターンの形成方法、デバイスの作製方法では、レジスト膜を構成する分子間の共鳴エネルギーに相当する光の波長よりも長いいわゆる非共鳴光をフォトマスクに対して照射し、当該フォトマスクに描かれた回路パターンに基づき、ナノメータサイズの領域に近接場光を発生させ、発生させた近接場光によりレジスト膜を感光させる。
【0047】
これにより、本発明では、発生させた近接場光に応じてナノメータサイズのレジストパターンを形成することができ、基板の超微細加工も可能となる。特に本発明では、既存の光リソグラフィに用いる露光装置を、光源の波長を変えることでそのまま適用することができるため、他光源と交換する必要もなく、ユーザの労力の負担を解消することができ、システム全体のコストを大幅に削減することができる。
【0048】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るレジストパターン形成方法を実現するための露光システムの構成図である。
【図2】本発明を適用したレジストパターン形成方法を含むリソグラフィ工程を示すフローチャートである。
【図3】レジスト膜を構成する各分子における原子間距離に対するポテンシャルエネルギーの関係を示す図である。
【図4】レジスト膜を構成する分子の励起について調和振動子モデルを用いて説明するための図である。
【図5】光リソグラフィ工程を経てパターニングした基板を示す図である。
【図6】光リソグラフィの概略を説明するための図である。
【図7】集積回路パターンの転写に用いる露光装置の原理的な構成図である。
【符号の説明】
1 露光システム、11 光源、12 照明光学系、13 フォトマスク、21 基板、22 レジスト膜
Claims (6)
- フォトマスクに描かれた回路パターンを試料の表面に塗布したレジスト膜上に転写するレジストパターン形成方法において、
フォトマスクに対して、上記レジスト膜を構成する分子間の共鳴エネルギーに基づく波長より長い光を照射することにより、上記回路パターンのエッジ部分に近接場光を発生させ、
上記発生させた近接場光により上記レジスト膜を感光させること
を特徴とするレジストパターン形成方法。 - 上記レジスト膜に接触させたフォトマスクに対して光を照射すること
を特徴とする請求項1記載のレジストパターン形成方法。 - さらに上記照射する光の上記フォトマスクに対する入射角度及び/又は偏光方向を制御すること
を特徴とする請求項1記載のレジストパターン形成方法。 - フォトマスクに描かれた回路パターンを、材料の表面に塗布したレジスト膜上に転写する光リソグラフィ工程を有するデバイスの作製方法において、
上記光リソグラフィ工程では、フォトマスクに対して、上記レジスト膜を構成する分子間の共鳴エネルギーに基づく波長より長い光を照射することにより、上記回路パターンのエッジ部分に近接場光を発生させ、上記発生させた近接場光により上記レジスト膜を感光させること
を特徴とするデバイスの作製方法。 - 上記レジスト膜に接触させたフォトマスクに対して光を照射すること
を特徴とする請求項4記載のデバイスの作製方法。 - さらに上記照射する光の上記フォトマスクに対する入射角度及び/又は偏光方向を制御すること
を特徴とする請求項4記載のデバイスの作製方法。
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