JP4319642B2 - デバイス製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、リソグラフィを使用するデバイス製造方法に関する。

リソグラフィ装置は、所望のパターンを基板の目標部分に適用する機械である。リソグラフィ装置は例えば、集積回路デバイス（ＩＣ）などのデバイスの製造において使用可能である。この状況で、代替的にマスクまたはレチクルとも呼ばれるパターニング手段は、ＩＣの個々の層に対応する回路パターンの生成に使用することができ、このパターンを、放射線感光原料（レジスト）の層を有する基板（例えばシリコンウェハ）上の目標部分（例えば１つあるいはそれ以上のダイから成る）に描像することができる。一般的に、１枚の基板は、順次照射される近接目標部分のネットワークを含んでいる。本明細書および請求の範囲では、「基板」という表現は、以前のリソグラフィ・プロセスのステップで生成された処理済み層を担持するか、担持しない基板を表すものと解釈されたい。既知のリソグラフィ装置は、全体マスクパターンを目標部分に１回の作動にて露光することによって各目標部分が照射される、いわゆるステッパと、所定の方向（「走査」方向にパターンを投影ビームで走査し、これと同時に基板をこの方向と平行に、あるいは反平行に走査することにより、各目標部分が照射される、いわゆるスキャナとを含む。

レチクルを照明し、レチクルでパターニングするために、放射線ソースから放射線のビームを受け、投影ビームと呼ばれ、断面に所望の均一性および強度分布を有する放射線の調整済みビームを供給するために、照明システムを設ける。ソースおよびリソグラフィ装置は、例えばソースがプラズマ放電ソースである場合に、別個の存在でよい。このような場合、ソースはリソグラフィ装置の一部を形成すると見なされず、放射線ビームは、例えば適切な集光ミラーおよび／またはスペクトル純度フィルタなどを有する放射線集光器の助けにより、ソースから照明システムへと渡される。他の場合、例えばソースが水銀ランプの場合は、ソースが装置の一体部品でもよい。

マスクパターンをレジストの層に複写できる解像度は、幾つかの要素によって決定される。これらの要素のうち主なものは、照明用放射線の波長である。マスクにて生じる回折は、照明パターンの解像度を低下させる傾向がある。このような解像度の低下は、比較的短い波長の放射線の方が少ない。したがって、多くの研究により、動作時の波長をさらに短くしたシステムが生産されている。現在の目標は、いわゆる「極（Ｅ）」ＵＶ範囲、つまり５０ｎｍ未満、例えば１３．４ｎｍまたは１１ｎｍの波長で動作するシステムを提供することである。ＥＵＶ放射線は、レジスト材料によって容易に吸収され、したがってＥＵＶを利用する処理は、通常は１００ｎｍのオーダーの極めて薄いレジスト層で動作しなければならないことが分かる。

放射線の波長が短くなるにつれ、レジストに衝突する光子のエネルギが増加し、レジスト内での二次電子の生成が増加する。実際、ＥＵＶの波長では、光子エネルギがもはやレジスト分子間の結合エネルギと一致しないので、レジストを露光する主なメカニズムを提供するのは二次電子である。この現象を、さらに二次電子がマスク転写の解像度を縮小できる理由も理解する上で、多少の背景情報が役に立つ。

レジスト層の露光中に、レジストに衝突する光子は、レジストの原子内で結合した電子に吸収され、電子が個々の原子殻から飛び出すように、これらの電子に十分なエネルギを与える。原子の特定の原子殻に空格子点が生じる。このプロセスは「光電離」として知られ、自由電子は「光電子」として知られる。露光領域の程度を画定する際に重要なパラメータは、
− レジストでの吸収によって決定される光子の平均自由路、
− 原子の様々な殻におけるエネルギレベル、
− レジストの原子密度、および
− 放射した光電子の角度分布、である。

光電子によって残された空格子点を充填するために、電子が移動すると、前の状態と新しい状態との間の価電子帯の差によって画定されるエネルギを有する光子が放出される。このプロセスは、蛍光発光の一形態である。したがって、露光領域の程度を画定するさらなるパラメータは、
− 使用可能な殻間遷移（エネルギ差）、
− 移動が発生する確率、および
− 蛍光発光の角度分布、である。

光電子が、結合した電子に衝突すると、その衝撃は、結合電子を叩き落として、「二次」電子を提供するのに十分なほど強力なことがある。電子は、エネルギが低下した状態で新しい方向に移動する。その結果、露光領域の程度を画定する追加のパラメータは、
− 電子密度、
− 散乱／衝撃移動の確率、
− 散乱した一次電子の角度分布、
− 生成した二次電子の角度分布、および
− 両タイプの電子の平均自由路（原則として、電子エネルギが低下すると、平均自由路が、例えば５ｅＶの約５ｎｍから２４８ｎｍへと増加する）である。

この理論に関するさらに詳細な説明については、Ｄａｖｉｄ Ｔ．Ａｔｔｗｏｏｄの「軟Ｘ線および極紫外線：原理と応用（Soft x-rays and extreme ultraviolet radiation：principles and applications）」（ケンブリッジ大学出版局、１９９９年（ＩＳＢＮ ０ ５２１ ６５２１４ ６））およびＰ．Ｗ．Ｈ ｄｅ Ｊａｇｅｒの「イオンと電子の調整を組み合わせるナノ構造を作成し、分析する計器（An instrument for Fabrication and Analysis of Nanostructures Combining Ion and Electron Regulation）」（デルフト大学出版局、１９９７年 （ＩＳＢＮ ９０ ４０７ １４７８ ９））を参照されたい。

図１は、上記で概略を述べた様々なプロセスを概略的に示す。図示のように、レジストを実際に露光するエネルギは、これらのプロセスのいずれかにより、特に二次電子発生の結果として生じるものである。点光源の回折で制限された像に関して、二次電子の平均自由路は、光化学効果でレジストを効果的に露光しうる半径を画成する。この半径は、達成可能な最小解像度を制限する。任意のフューチャーの最小線縁粗さ（ＬＥＲ）は、レジストを通して散乱する二次電子のランダム生成路、およびランダム化した光子分布によって、第１オーダーまで画定される。ＬＥＲは、１本の線を中心とし、円の縁がちょうど接触する一連の円（散乱した二次電子のランダム生成路と等しい半径を有する）のエンベロープとして視覚化することができる。また、円の中心は、統計的に画定され、レジスト内の原子密度によって決定される。これを図２に示す。

二次電子は、露光の解像度に悪影響を及ぼすばかりでなく、レジスト層の下にある集積回路の層を損傷する結果ももたらし得る。これは、２つのシナリオが考えられる。
− レジスト層に収集された二次電子の電圧によって、損傷をもたらす電圧が生じる。
− 二次電子が選択層に入り、その層内の結合または構造を損傷する。

レジスト層内に電子が集合すると、露光された大きい区域の附近の小構造または構造にも悪影響を及ぼすことがある。所望の限界寸法（つまり、デバイス層の作成時に許容される線または接点などの２つのパターンのフューチャー間の最小スペースおよび／または線または任意の他の形態の最小幅）も変化することがある。

上述した問題を少なくとも部分的に緩和することが、本発明の目的である。

本発明の第一の態様によると、リソグラフィのプロセスを使用してデバイスを作成する方法で、基板の頂部に放射線感光性レジストを適用することと、レジストに電界を適用しながら、レジストの一部を放射線に露光することとを含み、前記電界の方向がレジスト層の面に対してほぼ直角である方法が提供される。

本発明を実現する作成方法は、二次電子がレジストの露光区域から非露光区域へ転移することを防止し、したがってプロセスの解像度を改善する傾向がある。同様に、レジストから出てデバイスの下層へと転移する電子を防止するか、減少させることができる。

本発明の第一の実施形態では、方法は、導電性材料の層をレジストの上面に適用することを含む。露光中に、例えば導電材料の層を固定電位と接続することにより、電界を適用する。導電材料は金属で、少なくとも部分的に露光放射線に対して透明でよい。１つの可能な導電性材料は、酸化すずインジウムである。

導電層の厚さは、透過光の減衰を最小限例えば１０％未満で、好ましくは約２％以下とするために十分薄くしなければならない。層は、５０ｎｍ未満、例えば約１０ｎｍの厚さまで適用することができる。

代替実施形態では、方法は、レジストの下面にある導電材料の層を、レジストとデバイスの表面との間に設けることを含む。前記電界を、露光中に、例えば導電材料の層を固定電位に接続することによって適用する。導電層は金属性で、例えば酸化錫インジウムでよい。

さらに別の実施形態では、方法は、導電材料の層をレジストの上面に適用することと、レジストの下面に導電材料の層を、レジストとデバイスの表面との間で設けることと、露光中に、２つの導電層の間に電位差を適用することによって、前記電界を適用することとを含む。

さらに別の実施形態では、電界は、レジストを固定電位に直接結合することによって適用する。例えば、固定電位に接続したプローブを、露光開始直後にレジストに接触させる。導電材料をレジストに組み込むことが好ましい。

本発明の第二の態様によると、放射線の投影ビームを提供する照明システムと、パターンを投影ビームに与えるためにパターニングデバイスを支持する支持構図と、基板を保持する基板テーブルと、パターン形成したビームを基板の目標部分に投影する投影システムと、基板の表面に設けたレジスト層にわたって電界を適用させる電界生成器とを備え、電界の方向がレジスト層の面にほぼ直角であるリソグラフィ装置が提供される。

本発明の第三の態様によると、リソグラフィのプロセスを使用してデバイスを作成する方法で、導電性材料を含む放射線感光性レジストをデバイスの頂部に適用することと、さらにレジストに電界を適用しながら、レジストの一部を放射線に露光することを含む方法が提供される。

本発明をさらによく理解し、これを実現させる方法を示すために、次に例示的に添付図面を参照する。

以下の説明は、本発明の特定の実施形態に言及するが、本発明は下記以外でも実践できることが理解される。説明は本発明を制限するものではない。

図３は、典型的なリソグラフィ装置を概略的に示したものである。この装置は、
− 放射線（例えばＵＶまたはＥＵＶ放射線）の投影ビームＰＢを供給する照明システムＩＬと、
− パターニングデバイス（例えばマスク）ＭＡを支持し、かつ、品目ＰＬに対して正確にパターニングデバイスの位置決めを行う第一位置決め装置に連結を行った第一支持構造（例えばマスクテーブル）ＭＴと、
− 基板（例えばレジスト塗布したシリコンウェハ）Ｗを支持し、かつ、品目ＰＬに対して正確に基板の位置決めを行う第二位置決め装置ＰＷに連結を行った基板テーブル（例えばウェハテーブル）ＷＴと、
− パターニングデバイスＭＡによって投影ビームＰＢに与えられたパターンを基板Ｗの目標部分Ｃ（例えば、１つあるいはそれ以上のダイから成る）に描像する投影システム（例えば反射性投影レンズ）ＰＬを有する。

ここで示しているように、本装置は反射タイプである（例えば反射マスクまたは上記で言及したようなタイプのプログラマブルミラーアレイを使用する）。あるいは、装置は透過タイプでもよい（例えば透過マスクを使用する）。

照明システムＩＬは放射線ソースＳＯから放射線のビームを受け取る。ソースとリソグラフィ装置とは、例えばソースがプラズマ放電ソースである場合に、別個の存在でよい。このような場合、ソースはリソグラフィ装置の一部を形成すると見なされず、放射線ビームは、例えば適切な集光ミラーおよび／またはスペクトル純度フィルタなどを有する放射線集光器の助けにより、ソースＳＯから照明装置ＩＬへと渡される。他の場合、例えばソースが水銀ランプの場合は、ソースが装置の一体部品でもよい。ソースＳＯおよび照明装置ＩＬは、放射線システムと呼ぶことができる。

投影ビームＰＢは、マスクテーブルＭＴ上に保持されているマスクＭＡに入射する。投影ビームＰＢはマスクＭＡで反射して、基板Ｗの目標部分Ｃ上にビームを集束するレンズＰＬを通過する。第二位置決め装置ＰＷおよび位置センサＩＦ２（例えば干渉計デバイス）の助けにより、基板テーブルＷＴは、例えばビームＰＢの経路における異なる目標部分Ｃに位置を合わせるために正確に運動可能である。同様に、第一位置決め装置ＰＭおよび位置センサＩＦ１を使用して、例えばマスクライブラリから機械的に検索した後に、あるいは走査運動の間に、ビームＰＢの経路に対してマスクＭＡを正確に位置決めすることができる。一般的に、オブジェクトテーブルＭＴおよびＷＴの運動は、位置決め装置ＰＭおよびＰＷの部分を形成するロングストロークモジュール（粗動位置決め）およびショートストロークモジュール（微動位置決め）にて行われる。しかし、ステッパの場合（スキャナとは対照的に）、マスクテーブルＭＴはショートストロークアクチュエータに連結されるだけであるか、あるいは固定される。マスクＭＡおよび基板Ｗは、マスクアラインメントマークＭ１、Ｍ２および基板アラインメントマークＰ１、Ｐ２を使用して位置合わせすることができる。

予め準備したウェハ１を図４ａに示す。感光性レジストの薄い均一なコーティング２を、ウェハの上面に設ける。レジスト層は、１００ｎｍのオーダーの厚さを有してよい。一般的に、レジスト層２は、ウェハを高速で回転し、１回または複数回にわたってレジストをウェハ表面に滴下することによって生成する。次に、回転したレジストを高速でベークする。導電性材料の薄いコーティング３（例えば金属層または金属を含む層を実現する）を、レジスト層２の表面に設ける。導電層は、露光波長で光に対して透明であることが好ましい。このような１つの材料は、酸化インジウム錫である。しかし、十分な光がレジスト層２へと透過できるほど十分に導電層３が薄い場合、このことは必要不可欠ではない。典型的な厚さは１０ｎｍであり、これは光透過損がわずか２％程度になる。導電層３は、例えば蒸着またはスパッタリングによって生成することができる。コーティング３が金属質の層である場合、追加の利点は、このような層が通常は、１３０ｎｍと４００ｎｍの間の波長の遠紫外線（「ＤＵＶ」）放射線を反射することである。概して、ＥＵＶ放射線ソースは、このようなＤＵＶ放射線も放射する。レジスト、特に化学的に増幅したレジストは、ＤＵＶ放射線に対して非常に敏感である。その結果、撮像したパターンに露光中にフレア、またはゴースト像まで存在することがあり、これはＥＵＶリソグラフィ装置の解像度性能を低下させる。金属質のトップコートは、露光中にレジスト層に前記ＤＵＶ放射線が存在するのを減少させるか、ほぼ抑制し、それによってフレアおよび／またはゴースト像の問題を緩和する。

図４ｂは、代替的な事前調整したウェハ構成を示し、ここではレジスト層２とウェハ１の表面との間に導電材料４の第二層を設ける。この層は光を透過する必要がないので、使用する材料および層自体の特性は、上の導電層３のそれと異なってよい。

図４ｃは、レジスト層２を提供するレジスト材料に導電材料を組み込んだ、別の代替的な事前調整したウェハ構成を示す。この導電材料は、例えばシリコンでよい。さらなるコーティング５をレジストの表面に設ける。このコーティングは、ＡＩＮ（窒化アルミ）、Ｒｕ、Ｉｒ、Ａｕ、ＳｉＮ、Ｒｈ、ＳｉまたはＣで形成することが好ましく、リソグラフィ装置にガス放出保護を提供する。これについて、以下でさらに説明する。バリア層６を、ウェハ１の表面上でウェハ１とレジスト層２の間に追加的に設ける。この層６は、導電性イオンがレジスト層からウェハ内に移動するのを防止するのに役立ち、これがない場合は、移動の問題が生じ、ウェハへの損傷を引き起こすことがある。

事前調整したウェハを調整した後、ウェハを図３の装置に導入し、投影システムＰＬに対して適正な位置で、マスクＭＡと位置合わせした状態にて基板テーブルＷＴを位置決めする。図４ａで示すウェハの場合は、プローブを導電層３と導電接触させる。プローブは大地電位に接続し、したがって導電層３をアースに接続する。次に、適切な光のパターンでウェハを照明する。露光ステップ中に生成される二次電子などの自由電子は、接地層３に向かう方向で移動する傾向があることが理解される。つまり、電子は、（図４ａに対して）水平面には移動しない傾向があり、したがって非照明区域の露光が減少する。

図４ｂのウェハを参照すると、投影システムＰＬでウェハを位置合わせした後、導電層３および４の両方と導電接触させる。上層３が下層４に対してプラスの電位になるように、２つの層の間に静止（ＤＣ）電位を適用する。この場合も、これは自由電子を上層３に向かって移動させ、横方向の動作を阻止する効果を有する。代替構成では、電位の極性が図５の図とは反対になる。これは、ウェハ表面に向かう自由電子を加速させ、レジストの感度を効果的に向上させる効果を有する。

図４ｃのウェハを参照すると、レジスト層２と導電接触し、層をアースに結合できるようにする。

図６は、デバイス作成手順の重要なステップを示す流れ図である。

プローブをデバイスの導電部分（レジストまたは追加の導電層とする）に結合するのは、実際には困難であることが判明することが理解される。よりよい解決法は、導電材料がウェハの側部に重なり、ウェハの基部の周囲に延在できるようにすることである。基部を固定電位と結合することにより、レジスト層２に適切な電界を適用することができる。

ＥＵＶ放射線で操作する場合にリソグラフィ装置の光学的構成要素が劣化するという問題は、例えば米国特許第６，４５９，４７２号で考察されている。これは、最終的な光学的構成要素（ミラーまたはレンズ）上のコーティングを形成するレジスト層の表面から材料のガスが放出することによって生じるようである。特に問題となるのは炭化水素および硫黄である。また、（例えば露光波長でのレジストの透過性を改善するために）シリコンを含むレジストのガス放出は望ましくない。シリコンを含むレジストは、露光中にシリコンを放出する傾向があり、自由なＳｉまたはＳｉイオンによって光学素子が劣化する。この問題は、レジスト層２を、レジストからのガス放出を防止するのに十分なほど密度が高いトップ層でコーティングすると、大幅に軽減されることが予想される。例えば、図４ａおよび図４ｂ（または図５）の配置構成が特に適切である。二次電子の効果を低下させる手段の一部として導電性トップ層を設けない場合（例えば、導電性材料をレジストに組み込む図４ｃ）は、追加のガス放出保護層５を追加することが好ましい。これは言うまでもなく、ガス放出保護層内の光の大幅な吸収を回避するために、十分に薄くなければならない。

米国特許第６，４５９，４７２号は、ウェハの表面からスパッタリングの残骸を除去する問題に対する解決法を提示し、それにはアルゴンガスを含む流路をリソグラフィ装置の最終的な光学構成要素とウェハの表面との間に導入しなければならない。アルゴンは、空気よりもＥＵＶ吸収率が非常に低い。室内のガスを連続的に流して、スパッタリングの残骸をウェハの表面から除去する。この方法の潜在的問題は、アルゴン原子が照明の放射線によってある程度イオン化させることである。レジストの頂部の導電層をアースに結合すると、アルゴンを含む室をプラスの電位に接続することができる。それを図７に示す。この配置構成により、イオンがレジスト材料（プラスに帯電している傾向がある）から放出され、ウェハに向かって引きつけられて、投影用光学機器から離れ、したがって光学機器が被る汚染のレベルが低下する。

本発明の範囲から逸脱することなく、上述した実施形態に様々な変更ができることが当業者には理解される。

フォトレジストへの二次電子生成メカニズムを示したものである。 フォトリソグラフィプロセスにおける線縁粗さへの制限を線図で示したものである。 典型的なリソグラフィ装置を線図で示したものである。 ａからｃは、図３の装置の解像度を改善する様々な手順を示すものである。 図３の装置の解像度を改善する代替手順を示したものである。 集積回路の作成において選択されたプロセスのステップを示す流れ図である。 図３の装置の解像度を改善するさらなる代替手順を示したものである。

Claims (13)

1. リソグラフィのプロセスを使用するデバイスの製造方法であって、
   基板上のレジスト層の一部を放射線に露光することと、
   レジスト層に電界を適用することとを含み、露光中、電界の方向が、レジスト層の面に対してほぼ直角であり、
   さらに、
   導電材料の層をレジストの上面に適用することと、
   導電材料の層をレジストの下面と基板の表面との間に設けることと、
   露光中の前記電界を、２つの導電層間に電位差を適用することによって適用することとを含む方法。
2. 前記導電材料が金属質である、請求項１に記載の方法。
3. さらに、前記導電材料の層を５０ｎｍ未満の厚さで適用することを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記導電材料の層が、基板の側部に重なり、基板の基部の少なくとも一部の中に延在する、請求項１に記載の方法。
5. 前記放射線が極紫外線範囲になる、請求項１に記載の方法。
6. さらに、レジスト層の上面がレジスト層の下面に対してプラスの電位になるように、電界を配向することを含む、請求項１に記載の方法。
7. さらに、レジスト層の上面がレジスト層の下面に対してマイナスの電位になるように、電界を配向することを含む、請求項１に記載の方法。
8. リソグラフィのプロセスを使用するデバイスの製造方法であって、
   基板上のレジスト層の一部を放射線に露光することと、
   導電材料を組み込んだレジスト層を固定電位に直接結合することによって、レジスト層に電界を適用することとを含み、露光中、電界の方向が、レジスト層の面に対してほぼ直角であり、
   さらに、レジスト層から基板の表面へ向かう導電性イオンの移動を防止するバリア層を、レジスト層の下面と基板の表面との間に設けることを含む方法。
9. 導電材料を組み込んだレジスト層が、基板の側部に重なり、基板の基部の少なくとも一部の中に延在する、請求項８に記載の方法。
10. さらに、ガス放出を減少させる層をレジストの上面に適用することを含む、請求項８に記載の方法。
11. ガス放出を減少させる層が、窒化アルミ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ａｕ、ＳｉＮ、Ｒｈ、ＳｉまたはＣのうち１つを有する、請求項１０に記載の方法。
12. リソグラフィ装置で、
    放射線の投影ビームを供給する照明システムと、
    投影ビームにパターンを与えるパターニングデバイスを支持する支持構造と、
    基板を保持する基板テーブルと、
    パターン形成したビームを基板の目標部分に投影する投影システムと、
    前記基板の表面に設けたレジスト層に電界を適用するように構成され、配置された電界生成器とを有し、前記電界の方向が、レジスト層の面に対してほぼ直角であり、
    前記電界生成器は、レジスト層の上面に設けた導電層と、レジスト層の下面と基板の表面との間に設けた導電層との間に電位差を適用することによってレジスト層に電界を適用するリソグラフィ装置。
13. リソグラフィ装置で、
    放射線の投影ビームを供給する照明システムと、
    投影ビームにパターンを与えるパターニングデバイスを支持する支持構造と、
    基板を保持する基板テーブルと、
    パターン形成したビームを基板の目標部分に投影する投影システムと、
    前記基板の表面に設けたレジスト層に電界を適用するように構成され、配置された電界生成器とを有し、前記電界の方向が、レジスト層の面に対してほぼ直角であり、
    前記電界生成器は、導電材料を組み込んだレジスト層を固定電位に直接結合することによって、レジスト層に電界を適用し、
    さらに、レジスト層の下面と基板の表面との間には、レジスト層から基板の表面へ向かう導電性イオンの移動を防止するバリア層が設けられているリソグラフィ装置。

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