JP5132625B2 - パターン形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、パターン形成方法に関する。

半導体装置を製造する際のリソグラフィ工程では、微細なパターンを形成するために、実際に形成するパターンの４倍サイズのマスク（レチクル）と、縮小投影光学系から構成される露光装置とを用いる。

ところが、近年ではパターンの微細化に伴い、４倍体のマスクを用いてもマスクパターンの形成が困難になりつつある。また、光学系の設計や部材の物理的な制限により、ウェハ上に形成可能なパターンのサイズも限界に近づいている。こうした問題に対する超解像技術（ＲＥＴ：Resolution Enhancement Techniques）として、ダブルパターニングなどの新規な露光技術が提案されている。このダブルパターニングでは最初の露光と２回目の露光との重ね合わせの際に生じるズレなど、解決しなければならない問題が多数あり容易ではない。

こうした問題を解決する手法として、既存の露光技術で形成したウェハ上のパターンをシフターとして作用させるような全面露光を用いることにより、微細なパターンを形成する技術が提案されている（特許文献１参照）。

しかしながら、上記特許文献１の提案では、パターンサイズの縮小は可能である一方、レジストの凹部と凸部を透過するそれぞれの光の位相をシフトさせて両者を打消しあわせることで微細パターンを形成するため、レジストの凹部と凸部のエッジ下方にしかパターンを形成できず、また、エッジ下方にできるパターンは微細パターンに限られるといったパターン設計の自由度が低いという問題があった。

特開平５−４７６２３号公報

本発明は、微細な種々のパターンを容易に形成できるパターン形成方法を提供することを目的とする。

本願発明の一態様によれば、基板上へのパターン形成方法において、前記基板上で、所望パターンの形成に用いるパターン形成層の上層側に第１のレジスト層を積層するレジスト層積層ステップと、所定のピッチｐで開口した開口部を有するとともに露光光を回折させる回折パターンを、前記第１のレジスト層よりも上層側に形成する回折パターン形成ステップと、波長λの露光光を前記回折パターン上から照射して前記回折パターンで回折された回折光で、前記露光光に対する屈折率がｎとなる前記第１のレジスト層への全面露光を行う全面露光ステップと、前記全面露光された第１のレジスト層を現像して形成されたレジストパターンを用いて前記パターン形成層に所望パターンを形成するパターン形成ステップと、を含み、前記回折パターンの所定ピッチｐ、前記露光光の波長λ及び屈折率ｎが、ｐ＞λ／ｎを満たすことを特徴とするパターン形成方法が提供される。

本発明によれば、微細な種々のパターンを容易に形成できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態にかかる回折パターンとレジスト層の構成を示す断面図である。 図２は、パターン形成層へのパターン形成処理手順を示す図である。 図３は、第１のレジスト層の配置位置と光強度分布との関係を説明するための図である。 図４は、回折パターンに対するレジストパターンの構成例を示す図である。 図５は、回折パターンの寸法と光強度分布との関係を説明するための図である。 図６は、マスクパターン補正装置の構成を示すブロック図である。 図７は、マスクパターン補正装置のハードウエア構成を示す図である。 図８は、光強度分布に基づいたマスクパターンの補正処理手順を示すフローチャートである。 図９は、上面側から見た場合の回折パターンと光強度分布の一例を示す図である。 図１０は、回折パターンとレジスト層との間に配置する種々の層を説明するための図である。 図１１は、回折パターンのパターンエッジ部以外の位置に所望のパターンを形成する場合の光強度分布を示す図である。 図１２は、孤立パターンを用いた場合の光強度分布を示す図である。

以下に添付図面を参照して、本発明の実施の形態にかかるパターン形成方法を詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

（実施の形態）
本実施の形態では、所望のパターン形成を行う層（パターン形成層）よりも上層側に露光光を回折させる回折パターンを形成しておき、回折パターン上から全面露光を行う。これにより、上層の回折パターンよりも微細な所望寸法のパターンを種々形成する。

図１は、実施の形態にかかる回折パターンとレジスト層の構成を示す断面図である。同図に示すように、本実施の形態では、ウェハなどの基板（図示せず）上にパターン形成を行うパターン形成層４Ｘを積層し、パターン形成層４Ｘの上層にレジスト層３Ｘを積層しておく。さらに、レジスト層３Ｘの上層に中間層（オフセットレイヤ）２を積層し、中間層２の上層に、回折格子として機能する回折パターン（イニシャルパターン）１Ｃを形成しておく。中間層２は、レジスト層３Ｘと回折パターン１Ｃとの間の距離を制御（調整）するための膜である。回折パターン１Ｃは、現像後のレジストパターンであってもよいし、現像後のレジストパターンを用いてエッチングされたマスク材（エッチング後パターン）であってもよい。また、回折パターン１Ｃは、ナノインプリントによって形成されたパターンであってもよいし、側壁プロセスを用いて形成されたパターンであってもよい。

本実施の形態では、パターン形成層４Ｘに所望パターンを形成する際に、回折パターン１Ｃの上層側から全面露光を行う。このとき、全面露光なのでフォトマスクや投影光学系は不要であり、露光用の照明を基板上（回折パターン１Ｃの上層側）に照射する。

また、全面露光として、回折現象が起きる条件にて露光する必要がある。回折現象が起こる条件とは、例えば、回折パターン１Ｃのピッチｐが、全面露光における露光光の波長λ／全面露光における露光光に対する回折パターンの屈折率ｎよりも大きいこと（ｐ＞λ／ｎ）が条件である。ここで、全面露光にＥＵＶ光を用いた場合、屈折率ｎを略１と仮定することが可能であるため、回折パターン１Ｃのピッチの寸法よりも短い波長の露光光を用いる。

さらに、回折パターン１Ｃのピッチの最小ピッチは、回折パターン１Ｃを形成する際に用いた露光光の波長に依存する。このため、全面露光に用いる露光光として、回折パターン１Ｃを形成する際に用いた露光光の波長よりも小さい波長を有する露光光を用いることが望ましい。例えば、回折パターン１Ｃを形成する際にｉ線（波長３６５ｎｍ）を用いた場合、このｉ線よりも波長の短いＫｒＦエキシマレーザ（波長２４８ｎｍ）、ＡｒＦエキシマレーザ（波長１９３ｎｍ）、Ｆ２エキシマレーザ（波長１５７ｎｍ）、ＥＵＶ（Extreme Ultraviolet Lithography）（波長１３．６ｎｍ）などを用いて全面露光が行われる。なお、回折パターン１Ｃの形成や全面露光には、液浸露光や電子線を用いてもよい。本実施の形態では、例えばＡｒＦエキシマレーザを用いて回折パターン１Ｃを形成し、ＥＵＶを用いて全面露光を行う。

回折パターン１Ｃ上から全面露光を行うと、中間層２、レジスト層３Ｘ、パターン形成層４Ｘに光強度分布が表れる。図１では、光強度分布のうち、光強度分布の弱い領域を低強度領域Ａ１で示し、光強度分布の強い領域を高強度領域Ｂ１で示している。低強度領域Ａ１は、回折パターン１Ｃによる露光光の回折によって光の強度分布が弱くなる領域であり、高強度領域Ｂ１は、回折パターン１Ｃによる露光光の回折によって光の強度分布が強くなる領域である。

中間層２、レジスト層３Ｘ、パターン形成層４Ｘのうち、露光後の現像処理によってレジストパターンが形成されるのはレジスト層３Ｘである。レジスト層３Ｘがポジレジストの場合、レジスト層３Ｘの低強度領域Ａ１は、露光後の現像処理によってレジストパターンが残り、レジスト層３Ｘの高低強度領域Ｂ１は、露光後の現像処理によってレジストパターンが除去される。レジスト層３Ｘを現像処理した後、現像後のレジスト層３Ｘをマスクとしてパターン形成層４Ｘをエッチングすることにより、パターン形成層４に所望パターンが形成されることとなる。

つぎに、パターン形成層へのパターン形成処理手順について説明する。図２は、パターン形成層へのパターン形成処理手順を示す図である。図２の（ａ）〜（ｊ）では、基板の断面を示している。

図２の（ａ）に示すように、基板（パターン形成層４Ｘ）を準備し、図２の（ｂ）に示すようにパターン形成層４Ｘ上に第１のレジスト層３Ｘを積層する。この第１のレジスト層３Ｘは、この後、全面露光されるレジスト層である。なお、パターン形成層４Ｘは、半導体基板に限らず、金属層、絶縁層などいずれの層であってもよい。

パターン形成層４Ｘ上にレジスト層３Ｘを積層した後、図２の（ｃ）に示すように、レジスト層３Ｘ上に中間層２を積層する。さらに、図２の（ｄ）に示すように、中間層２の上層に第２のレジスト層１Ｘを積層する。この第２のレジスト層１Ｘは、回折パターン１Ｃの形成に用いられるレジスト層である。

中間層２の上層に第２のレジスト層１Ｘを積層した後、図２の（ｅ）に示すように、第２のレジスト層１Ｘへの露光（例えばＡｒＦエキシマレーザによる露光）を行う。この第２のレジスト層１Ｘへの露光は、フォトマスク、投影光学系を用いた露光である。これにより、第２のレジスト層１Ｘのうち、フォトマスクの遮光部に対応する位置（パターン１Ａ）は露光されず、透光部の位置（パターン１Ｂ）が露光される。

第２のレジスト層１Ｘを露光した後、図２の（ｆ）に示すように、現像が行われ、さらに図２の（ｇ）に示すようにＰＥＢ（Post Exposure Bake）が行われる。現像によってパターン１Ａのみが残り、パターン１Ｂは除去される。また、ＰＥＢによってパターン１Ａは硬化し、回折パターン１Ｃとなる。

この後、図２の（ｈ）に示すように、回折パターン１Ｃの上面側から全面露光が行われる。このとき、第２のレジスト層１Ｘを露光する際に用いた波長よりも短い波長の露光光によって全面露光（例えばＥＵＶによる全面露光）が行なわれる。これにより、第１のレジスト層３Ｘのうち、回折パターン１Ｃに応じた所定の位置（後述のレジストパターン３Ａの位置）は露光されず、レジストパターン３Ａ以外の位置（除去パターン３Ｂ）が露光される。

回折パターン１Ｃの上面側から全面露光を行った後、回折パターン１Ｃ、中間層２の除去が行われる。さらに、現像やＰＥＢが行われる。これにより、図２の（ｉ）に示すように、レジストパターン３Ａのみが残り、除去パターン３Ｂは除去される。この後、現像後のレジストパターン３Ａをマスクとしてパターン形成層４Ｘのエッチングが行われ、図２の（ｊ）に示すように、所望パターン（エッチング後パターン）４Ａが形成される。

ここで、第１のレジスト層３Ｘの配置位置と光強度分布との関係について説明する。図３は、第１のレジスト層の配置位置と光強度分布との関係を説明するための図である。図３では、回折パターン１Ｃのスペース幅とライン幅が同じ寸法である場合について説明する。同図に示すように、回折パターン１Ｃの上部から全面露光を行うと、回折パターン１Ｃの下部側には、光強度分布（コントラスト）が発生することとなる。この光強度分布に応じて第１のレジスト層３Ｘの何れの箇所が露光されるかが決定する。このため、光強度分布に応じて第１のレジスト層３Ｘの何れの箇所が現像後にレジストパターンとなるかが決定する。したがって、本実施の形態では、回折パターン１Ｃに対応する光強度分布に基づいて、何れの位置に第１のレジスト層３Ｘを配置するかを決めておく。

図３では、光強度分布の弱い低強度領域Ａ２と光強度分布の強い高強度領域Ｂ２とによって光強度分布が構成されている場合について説明する。この場合において、層間位置Ｚ１〜Ｚ３の高さ（コントラストパターン形成位置）に第１のレジスト層３Ｘを配置しておくと、各層間位置Ｚ１〜Ｚ３での低強度領域Ａ２に応じた位置にレジストパターンが形成される。

例えば、層間位置Ｚ１の高さでの低強度領域Ａ２の分布（ライン幅）は、回折パターン１Ｃのライン幅（スペース幅）の２分の１となっている。したがって、層間位置Ｚ１の高さに第１のレジスト層３Ｘを配置しておくと、回折パターン１Ｃに対して２倍ピッチとなるレジストパターンを形成することが可能となる。

２倍ピッチのレジストパターンとは、回折パターン１Ｃのライン幅と比べてライン幅が２分の１となるレジストパターンである。同様に、３倍ピッチのレジストパターンとは、回折パターン１Ｃのライン幅と比べてライン幅が３分の１となるレジストパターンであり、４倍ピッチのレジスパターンとは、回折パターン１Ｃのライン幅と比べてライン幅が４分の１となるレジストパターンである。本実施の形態では、レジストパターンのライン幅が回折パターン１Ｃのライン幅のＮ分の１となる場合を、Ｎ倍ピッチという。

また、層間位置Ｚ２の高さでの低強度領域Ａ２の分布（ライン幅）は、回折パターン１Ｃのライン幅の４分の１となっている。したがって、層間位置Ｚ２の高さに第１のレジスト層３Ｘを配置しておくと、回折パターン１Ｃに対して４倍ピッチとなるレジストパターンを形成することが可能となる。

また、層間位置Ｚ３の高さでの低強度領域Ａ２の分布（ライン幅）は、回折パターン１Ｃのライン幅の３分の１となっている。したがって、層間位置Ｚ１の高さに第１のレジスト層３Ｘを配置しておくと、回折パターン１Ｃに対して３倍ピッチとなるレジストパターンを形成することが可能となる。なお、図３に示した低強度領域Ａ２は一例であり、回折パターン１Ｃの寸法や全面露光の際の露光波長（全面露光波長）によっては、他の光強度分布が形成される場合もある。

ここで、回折パターン１Ｃに対して２倍ピッチ、３倍ピッチ、４倍ピッチとなるレジストパターンの構成について説明する。図４は、回折パターン１Ｃに対するレジストパターンの構成例を示す図である。なお、図４では、図１，３と同様に回折パターン１Ｃの断面図を示している。

以上のように、本実施形態に係るパターン形成方法では、各層間位置において低光強度領域の形状・位置を調整することが可能となるため、最終的に得られるパターンの寸法・位置を種々に調整することが可能である。また、図３では、省略しているが、レジスト上に中間層を設け、その中間層の膜厚を適宜調節することで、レジスト膜厚等を調整することなく、レジストに形成される光強度分布を調整することができる。

図４の（ａ）は、回折パターン１Ｃに対して２倍ピッチとなるレジストパターン３ａを形成した場合の断面構成を示している。図４の（ｂ）は、回折パターン１Ｃに対して３倍ピッチとなるレジストパターン３ｂを形成した場合の断面構成を示している。図４の（ｃ）は、回折パターン１Ｃに対して４倍ピッチとなるレジストパターン３ｃを形成した場合の断面構成を示している。

つぎに、回折パターン１Ｃの寸法と光強度分布との関係について説明する。本実施の形態では、回折パターン１Ｃによる露光光の回折を利用して第１のレジスト層３Ｘにレジストパターンを形成しているので、回折パターン１Ｃの寸法（ライン幅やスペース幅）に応じて、第１のレジスト層３Ｘに表れる光強度分布も異なることとなる。換言すると、回折パターン１Ｃの寸法（バイアス量）によって、形成されるレジストパターンの寸法や形状も異なることとなる。

図５は、回折パターンの寸法と光強度分布との関係を説明するための図である。図５の（ａ）では、回折パターン１Ｃとして、開口部の寸法が３６ｎｍである回折パターン１Ｄを用いた場合を示し、図５の（ｂ）では、回折パターン１Ｃとして、開口部の寸法が４４ｎｍである回折パターン１Ｅを用いた場合を示している。なお、図５では、中間層２やパターン形成層４Ｘにおける光強度分布の図示を省略している。

例えば、図５の（ａ）に示すように、回折パターン１Ｄの開口部の寸法が３６ｎｍの場合、回折パターン１Ｄに対して２倍ピッチのレジストパターンを形成できる低強度領域Ａ３と高強度領域Ｂ３が形成される。また、図５の（ｂ）に示すように、回折パターン１Ｅの開口部の寸法が４４ｎｍの場合、回折パターン１に対して４倍ピッチのレジストパターンを形成できる低強度領域Ａ４と高強度領域Ｂ４が形成される。なお、図５の（ａ）や（ｂ）に示した低強度領域Ａ３，Ａ４と高強度領域Ｂ３，Ｂ４は一例であり、中間層２の厚さや全面露光波長によっては、他の光強度分布が形成される場合もある。

本実施の形態では、回折パターン１Ｃの寸法、全面露光波長、レジスト層３Ｘの配置位置などに基づいて、光強度分布を算出する。このため、回折パターン１Ｃの寸法、全面露光波長、レジスト層３Ｘの配置位置などを予め決定しておく。そして、算出した光強度分布に基づいて、回折パターン１Ｃを変更（補正）する。このとき、所望パターンを形成可能な光強度分布となるよう回折パターン１Ｃを変更する。なお、算出した光強度分布に基づいて、所望パターンを形成可能な光強度分布となるよう、レジスト層３Ｘの配置位置を変更してもよいし、全面露光波長を変更してもよい。回折パターン１Ｃを変更する場合には、回折パターン１Ｃを形成する際に用いるマスクのマスクパターンを補正する。また、レジスト層３Ｘの配置位置を変更する際には、中間層２などの厚さを変更する。

回折パターン１Ｃを形成する際に用いるマスクパターンの補正は、マスクパターン補正装置（マスクパターン作成装置）によって行う。図６は、マスクパターン補正装置の構成を示すブロック図である。マスクパターン補正装置２０は、マスクパターンを補正するコンピュータなどであり、入力部２１、記憶部２２、光強度算出部２６、マスクパターン補正部２７、出力部２８を有している。

入力部２１は、記憶部２２に格納する種々の情報などを入力し、記憶部２２に送る。記憶部２２は、入力部２１から送られてくる情報としてマスクパターン情報２３、全面露光情報２４、レジスト配置位置情報２５を記憶するメモリなどである。マスクパターン情報２３は、回折パターン１Ｃを形成する際に用いるマスクパターンに関する情報である。全面露光情報２４は、全面露光の条件に関する情報であり、例えば全面露光に用いる波長の値、この波長における上層膜の光学定数などである。レジスト配置位置情報２５は、第１のレジスト層３Ｘの配置位置（回折パターン１Ｃからの厚さ方向の距離）に関する情報である。

光強度算出部２６は、記憶部２２内のマスクパターン情報２３、全面露光情報２４、レジスト配置位置情報２５を用いて、回折パターン１Ｃの下部に形成される光強度分布を算出する。

マスクパターン補正部２７は、光強度算出部２６が算出した光強度分布に基づいて、所望パターンを形成できるよう、マスクパターン情報２３内のマスクパターンを補正する。出力部２８は、マスクパターン補正部２７が補正したマスクパターン情報２３を外部出力する。

図７は、マスクパターン補正装置２０のハードウエア構成を示す図である。マスクパターン補正装置２０は、半導体装置製造工程の露光処理に用いるフォトマスクのマスクパターン（パターンデータ）を作成するコンピュータなどの装置であり、ＣＰＵ（Central Processing Unit）９１、ＲＯＭ（Read Only Memory）９２、ＲＡＭ（Random Access Memory）９３、表示部９４、入力部９５を有している。マスクパターン補正装置２０では、これらのＣＰＵ９１、ＲＯＭ９２、ＲＡＭ９３、表示部９４、入力部９５がバスラインを介して接続されている。

ＣＰＵ９１は、マスクパターンの補正を行うコンピュータプログラムであるマスクパターン補正プログラム９７を用いてマスクパターンを補正する。表示部９４は、液晶モニタなどの表示装置であり、ＣＰＵ９１からの指示に基づいて、マスクパターン情報２３、全面露光情報２４、レジスト配置位置情報２５、光強度分布、補正後のマスクパターンなどを表示する。入力部９５は、マウスやキーボードを備えて構成され、使用者から外部入力される指示情報（マスクパターンの補正に必要なパラメータ等）を入力する。入力部９５へ入力された指示情報は、ＣＰＵ９１へ送られる。

マスクパターン補正プログラム９７は、ＲＯＭ９２内に格納されており、バスラインを介してＲＡＭ９３へロードされる。ＣＰＵ９１はＲＡＭ９３内にロードされたマスクパターン補正プログラムを実行する。具体的には、マスクパターン補正装置２０では、使用者による入力部９５からの指示入力に従って、ＣＰＵ９１がＲＯＭ９２内からマスクパターン補正プログラム９７を読み出してＲＡＭ９３内のプログラム格納領域に展開して各種処理を実行する。ＣＰＵ９１は、この各種処理に際して生じる各種データをＲＡＭ９３内に形成されるデータ格納領域に一時的に記憶させておく。

つぎに、光強度分布に基づいたマスクパターンの補正処理手順について説明する。図８は、光強度分布に基づいたマスクパターンの補正処理手順を示すフローチャートである。まず、回折パターン１Ｃのピッチを決定する（ステップＳ１０）。この回折パターン１Ｃのピッチは、パターン形成層４Ｘに形成するパターン（所望パターン）の寸法に基づいて決定される。例えば、回折パターン１Ｃの３倍ピッチでパターン形成層４Ｘにパターンを形成する場合、回折パターン１Ｃは、形成対象パターンの３倍の寸法で形成しておけばよい。また、回折パターン１Ｃのピッチは、全面露光波長や第１のレジスト層３Ｘの配置位置に基づいて決定してもよい。

この後、所望パターン（パターン形成層４Ｘに形成するパターン）に対応する光強度分布を形成することができる回折パターン１Ｃのマスクパターンを生成する（ステップＳ２０）。生成されたマスクパターンはマスクパターン情報２３としてマスクパターン補正装置２０に入力される。また、全面露光波長や光学定数は、全面露光情報２４としてマスクパターン補正装置２０に入力され、第１のレジスト層３Ｘの配置位置は、レジスト配置位置情報２５としてマスクパターン補正装置２０に入力される。具体的には、マスクパターン情報２３、全面露光情報２４、レジスト配置位置情報２５は、入力部２１から入力されて記憶部２２に送られる。記憶部２２は、マスクパターン情報２３、全面露光情報２４、レジスト配置位置情報２５を記憶しておく。

この後、光強度算出部２６は、生成したマスクパターン（回折パターン１Ｃ）上から全面露光した場合の光強度分布を算出する。具体的には、光強度算出部２６は、記憶部２２内のマスクパターン情報２３、全面露光情報２４、レジスト配置位置情報２５を用いて、回折パターン１Ｃの下部に形成される光強度分布を算出する（ステップＳ３０）。

マスクパターン補正部２７は、算出された光強度分布とレジスト配置位置情報２５とに基づいて、光強度分布のコントラストパターン形成位置（低強度領域と高強度領域）が適切であるか否かを判断する（ステップＳ４０）。コントラストパターン形成位置が不適切である場合（ステップＳ４０、ＮＧ）、マスクパターン補正部２７は、回折パターン１Ｃを形成するためのマスクパターンを補正する（ステップＳ５０）。なお、マスクパターン補正部２７は、コントラストパターン形成位置が不適切である場合に、第１のレジスト層３Ｘの配置位置（中間層２などの厚さ）を変えてもよい。

この後、マスクパターン補正装置２０は、光強度分布のコントラストパターン形成位置が適切になるまで、ステップＳ３０〜Ｓ５０の処理を繰り返す。すなわち、マスクパターンを補正した後、光強度算出部２６は、補正後のマスクパターン上から全面露光した場合の光強度分布を算出する（ステップＳ３０）。そして、マスクパターン補正部２７は、算出された光強度分布とレジスト配置位置情報２５とに基づいて、光強度分布のコントラストパターン形成位置が適切であるか否かを判断する（ステップＳ４０）。

コントラストパターン形成位置が不適切である場合（ステップＳ４０、ＮＧ）、マスクパターン補正部２７は、回折パターン１Ｃを形成するためのマスクパターンを再び補正する（ステップＳ５０）。一方、コントラストパターン形成位置が適切である場合（ステップＳ４０、ＯＫ）、マスクパターン補正装置２０は、コントラストパターン形成位置が適切であると判断されたマスクパターンを、回折パターン１Ｃのマスクパターンに決定する。決定したマスクパターンは、必要に応じて出力部２８から外部出力される。この後、決定したマスクパターンを用いてフォトマスクが作成される。そして、図２で説明した処理手順に従って所望パターン４Ａが形成される。

ここで、上面側から見た場合の回折パターン１Ｃと光強度分布について説明する。図９は、上面側から見た場合の回折パターンと光強度分布の一例を示す図である。図９の（ａ）は、回折パターン１Ｃの一例である。図９の（ａ）では、回折パターン１Ｃのうち実際のマスクパターンをパターンＰとして示している。回折パターン１Ｃは、例えば周期パターンと非周期パターンとを含んでいる。

図９の（ｂ）は、回折パターン１Ｃを用いて２倍ピッチの所望パターン４Ａを形成する場合の光強度分布を示している。図９の（ｂ）では、低強度領域を低強度領域Ａ１１で示し、高強度領を高強度領Ｂ１１で示している。

図９の（ｃ）は、回折パターン１Ｃを用いて３倍ピッチの所望パターン４Ａを形成する場合の光強度分布を示している。図９の（ｃ）では、低強度領域を低強度領域Ａ１２で示し、高強度領を高強度領Ｂ１２で示している。

半導体デバイスなどの半導体装置（半導体集積回路）を製造する際には、回折パターン１Ｃを用いた全面露光、現像処理、エッチング処理によって所望パターン４Ａを形成する処理が各レイヤで繰り返される。これにより半導体装置が作製される。

なお、本実施の形態では、回折パターン１Ｃとレジスト層３Ｘの間に中間層２を配置する場合について説明したが、回折パターン１Ｃとレジスト層３Ｘとの間には、中間層２以外の他の層を積層しておいてもよい。

図１０は、回折パターンとレジスト層との間に配置する種々の層を説明するための図である。図１０の（ａ）は、回折パターン１Ｃとレジスト層３Ｘの間に中間層２ａを配置した場合を示しており、図１などで説明した基板の断面構成に対応している。

図１０の（ｂ）は、回折パターン１Ｃとレジスト層３Ｘの間に下層膜５と中間層２ｂを配置した場合を示している。下層膜５は、回折パターン１Ｃを露光する際に用いるＢＡＲＣ（Bottom Anti Reflective Coating）であってもよいし、プロセス上必要とする保護膜であってもよい。図１０の（ｂ）に示す構成の場合であっても、図１０の（ａ）に示す構成の場合と同様に、光強度分布に基づいて下層膜５や中間層２の厚さを決定すればよい。

また、図１０の（ｃ）は、回折パターン１Ｃとレジスト層３Ｘの間に下層膜５を配置した場合を示している。図１０の（ｃ）に示す構成の場合であっても、図１０の（ａ）に示す構成の場合と同様に、光強度分布に基づいて下層膜５の厚さを決定すればよい。

図１０の（ａ）〜（ｃ）に示すように、回折パターン１Ｃとレジスト層３Ｘの間に種々の膜を積層するとともに、積層する膜の膜厚を調整しておくことにより、レジスト層３Ｘに所望の光強度分布を形成することが可能となる。これにより、レジスト層３Ｘを用いて所望のレジストパターンを形成でき、このレジストパターンをマスクとして所望のパターンをパターン形成層４Ｘに転写することが可能となる。

なお、図１や図９などでは、回折パターン１Ｃのパターンエッジ部（回折パターン１Ｃの直下近傍）に所望のパターンを形成する場合について説明したが、回折パターン１Ｃのパターンエッジ部以外の位置に所望パターンを形成することもできる。図１１は、回折パターンのパターンエッジ部以外の位置に所望のパターンを形成する場合の光強度分布を示す図である。回折パターン１Ｃのパターン形状、中間層２の厚さなどを調整しておくことによって、全面露光後に、パターンエッジ部以外の位置に所望のパターンを形成可能な光強度分布を形成することが可能となる。図１１では、光強度分布の弱い低強度領域Ａ５と光強度分布の強い高強度領域Ｂ５とによって光強度分布が構成されている。そして、光強度分布の弱い低強度領域Ａ５が回折パターン１Ｃのパターンエッジ部以外の位置に形成されている。図１１では、回折パターン１Ｃのライン幅が幅ｄ１である場合に、回折パターン１Ｃの直下近傍（幅ｄ１よりも大きい幅ｄ２の領域）には所望パターンを形成せず、幅ｄ２よりも外側の領域に所望パターン（幅ｄ３，ｄ４のパターン）を形成する場合を示している。

なお、回折パターン１Ｃの上面側から全面露光を行う場合、回折パターン１ＣのＤｕｔｙ（ライン寸法とスペース寸法との比）が異なると、第１のレジスト層３Ｘでの光強度分布も異なる。したがって、回折パターン１ＣのＤｕｔｙやピッチを種々変更することによって、同一レイヤで種々の寸法を有したレジストパターン（任意のレジストパターン）を形成することもできる。また、回折パターン１Ｃの高さは、レジストに形成される光強度分布に影響を与える。したがって、回折パターン１Ｃの高さを調整することによって、レジストに形成される光強度分布を調整することができる。

また、回折パターン１Ｃを孤立パターンとすることによって、回折パターン１Ｃよりも大きな寸法のレジストパターンを形成できる。図１２は、孤立パターンを用いた場合の光強度分布を示す図である。図１２では、回折パターン１Ｃを孤立パターンとした場合の光強度分布を示している。

孤立パターンは、回折パターン１Ｃのピッチ（スペース幅）が回折パターン１Ｃの寸法（ライン幅）よりも所定値または所定比以上大きなパターンである。この場合も回折パターン１Ｃのパターン形状、中間層２の厚さなどを調整しておくことによって、全面露光後に、パターンエッジ部以外の位置に所望のパターンを形成可能な光強度分布を形成することが可能となる。図１２では、光強度分布の弱い低強度領域Ａ６と光強度分布の強い高強度領域Ｂ６とによって光強度分布が構成されている。そして、光強度分布の弱い低強度領域Ａ６が回折パターン１Ｃのパターン寸法よりも大きな幅を有している。図１２では、回折パターン１Ｃのライン幅が幅ｄ５である場合に、幅ｄ５よりも大きな寸法（幅ｄ６）の所望パターン４Ａを形成する場合を示している。例えば、パターンピッチが２００ｎｍで回折パターン１Ｃの寸法幅が２０ｎｍの場合、８０ｎｍ幅の所望パターン４Ａを形成することが可能となる。

なお、同一レイヤにおいて回折パターン１Ｃよりも大きな寸法のレジストパターンと、２倍ピッチなどの回折パターン１Ｃよりも小さな寸法のレジストパターンと、の両方を同時に形成する場合、この両方のレジストパターンを形成できるよう、回折パターン１Ｃのパターン形状、中間層２の厚さなどを調整しておく必要がある。したがって、回折パターン１Ｃよりも大きな寸法のレジストパターンを形成できる回折パターン１Ｃのパターン形状および中間層２の厚さであって、かつ回折パターン１Ｃよりも小さな寸法のレジストパターンを形成できる回折パターン１Ｃのパターン形状および中間層２の厚さとなるよう回折パターン１Ｃと中間層２を調整しておく。

なお、本実施の形態では、回折パターン１Ｃのピッチ寸法よりも短い波長の露光光を全面露光に用いる場合について説明したが、回折パターン１Ｃのピッチ寸法よりも長い波長の露光光を全面露光に用いてもよい。この場合、近接場光露光を用いた露光処理となる。回折パターン開口部寸法よりも長い波長の露光光を全面露光に用いた場合、光の偏光状態で近接場光の分布が偏光の向きによって異なる方向をそれぞれ有しているので、回折パターン１Ｃの直下に２倍ピッチのレジストパターンを形成することが可能となる。

全面露光波長が回折パターン開口部寸法よりも長い場合も、図２、図８で説明した手順によって、所望パターン４Ａを形成することが可能となる。これにより、全面露光波長が回折パターン開口部寸法よりも長い場合であっても、回折パターン１Ｃよりも微細なパターン（２倍ピッチのパターン）を形成することが可能となる。なお、全面露光波長が回折パターン開口部寸法よりも長い場合に、全面露光で形成したレジストパターンを用いてさらに全面露光を行ってもよい。換言すると、全面露光によるレジストパターンの形成処理を複数回繰り返してもよい。

具体的には、図２に示したパターン形成処理手順において、レジスト層３Ｘとパターン形成層４Ｘとの間に、新たな中間層２（第２の中間層２）と第３のレジスト層３Ｘとを積層しておく。具体的には、パターン形成層４Ｘの上層に第３のレジスト層３Ｘを積層し、第３のレジスト層３Ｘの上層に第２の中間層２を積層する。そして、第２の中間層２の上層に第２のレジスト層３Ｘを積層する。さらに、図２で説明したように、第２のレジスト層３Ｘの上層に中間層２と第１のレジスト層１Ｘをこの順番で積層しておく。そして、図２の（ｈ）に示したように、第１のレジスト層３Ｘにレジストパターン３Ａを形成する。このとき、第１のレジスト層１Ｘを露光する際に用いた波長よりも長い波長の露光光によって全面露光を行う。この後、レジストパターン３Ａを回折パターンとして、レジストパターン３Ａよりも下層に形成しておいた第３のレジスト層３Ｘを全面露光する。このとき、第２のレジスト層１Ｘを露光する際に用いた波長よりも長い波長の露光光によって全面露光を行う。これにより、回折パターン１Ｃよりも微細なレジストパターン３Ａよりも、さらに微細なパターン（２倍ピッチのパターン）を形成することが可能となる。したがって、回折パターン１Ｃに対して４倍ピッチのパターンを形成することが可能となる。

また、第２のレジスト層３Ｘよりも下層側に形成しておいた下層膜からの反射光と、第２のレジスト層３Ｘへの照射光との干渉を利用して第２のレジスト層３Ｘにレジストパターン３Ａを形成してもよい。

このように実施の形態によれば、回折パターン１Ｃの最小ピッチの寸法とは異なる波長で、回折パターン１Ｃ上から全面露光を行うので、パターンの解像性を高めることができ、回折パターン１Ｃよりも微細な種々のパターンを容易に形成することが可能となる。

また、中間層２や下層膜５を用いてレジスト層３Ｘを全面露光しているので、レジスト層３Ｘと回折パターン１Ｃとの間の距離を容易に調整することができ、光強度分布に基づいたパターン形成を容易に行うことが可能となる。

また、光強度分布に基づいてパターン形成を行うので、回折パターン１Ｃのパターンエッジ部（回折パターン１Ｃの直下近傍）以外の位置に所望のパターンを形成することができる。したがって、種々の位置に種々のパターンを形成することが可能となる。

また、回折パターン１ＣのＤｕｔｙやピッチを種々変更することによって、種々の寸法で回折パターン１Ｃが形成されているので、パターン形成層４Ｘに種々のパターンを形成することが可能となる。また、光強度分布に基づいて回折パターン１Ｃのマスクパターンを補正するので、パターン形成層４Ｘへのパターンを容易に形成することが可能となる。

１Ｃ 回折パターン、２，２ａ，２ｂ 中間層、３Ａ，３ａ〜３ｃ レジストパターン、３Ｘ レジスト層、４Ａ 所望パターン、４Ｘ パターン形成層、５ 下層膜、２０ マスクパターン補正装置、Ａ１〜Ａ４，Ａ１１，Ａ１２ 低強度領域、Ｂ１〜Ｂ４，Ｂ１１，Ｂ１２ 高強度領域。

Claims (5)

1. 基板上へのパターン形成方法において、
   前記基板上で、所望パターンの形成に用いるパターン形成層の上層側に第１のレジスト層を積層するレジスト層積層ステップと、
   所定のピッチｐで開口した開口部を有するとともに露光光を回折させる回折パターンを、前記第１のレジスト層よりも上層側に形成する回折パターン形成ステップと、
   波長λの露光光を前記回折パターン上から照射して前記回折パターンで回折された回折光で、前記露光光に対する屈折率がｎとなる前記第１のレジスト層への全面露光を行う全面露光ステップと、
   前記全面露光された第１のレジスト層を現像して形成されたレジストパターンを用いて前記パターン形成層に所望パターンを形成するパターン形成ステップと、
   を含み、
   前記回折パターンの所定ピッチｐ、前記露光光の波長λ及び屈折率ｎが、ｐ＞λ／ｎを満たすことを特徴とするパターン形成方法。
2. 基板上へのパターン形成方法において、
   前記基板上で、所望パターンの形成に用いるパターン形成層の上層側に第１のレジスト層を積層するレジスト層積層ステップと、
   前記第１のレジスト層よりも上層側に第２のレジスト層を形成し、前記第２のレジスト層に第１の波長の露光光を用いたリソグラフィプロセスを適用して、所定の開口部を有するとともに露光光を回折させる回折パターンを形成する回折パターン形成ステップと、
   前記第１の波長よりも小さい第２の波長の露光光を前記回折パターン上から照射して前記回折パターンで回折された回折光で前記第１のレジスト層への全面露光を行う全面露光ステップと、
   前記全面露光された第１のレジスト層を現像して形成されたレジストパターンを用いて前記パターン形成層に所望パターンを形成するパターン形成ステップと、
   を含むことを特徴とするパターン形成方法。
3. 前記回折パターンは、前記第１のレジスト層上に形成された中間層上に形成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のパターン形成方法。
4. 前記所望パターンは、前記回折パターンのエッジ位置下部とは異なる位置に形成されることを特徴とする請求項１または２に記載のパターン形成方法。
5. 前記全面露光を、ＥＵＶ光を用いて行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のパターン形成方法。

Images