JPH10256133A - パターン形成方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】半導体集積回路等の製造に用いられる投影露光
装置の従来の解像限界を超える微細なパターンを転写で
きるパターン形成方法およびその装置を提供する。 【解決手段】復調用光源２４からの光を三光束干渉させ
て、第２の格子縞３０を作成することによりレジスト３
１上にパターンを転写する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料基板上に半導
体集積回路や液晶素子等のパターンを転写する方法およ
びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路や液晶素子等のパターン
の形成には、リソグラフィ技術と呼ばれているマスク上
に描かれたパターンを試料基板上に転写する方法が広く
採用されている。このパターン転写を行うために、一般
には、マスク上のパターンを縮小して転写する縮小投影
型の投影露光装置が用いられる。

【０００３】半導体集積回路等のパターンの微細化が進
むにしたがって、投影露光装置には、従来以上に解像力
が高い微細なパターンの転写が要求されている。一般
に、投影レンズの開口数（ＮＡ）が大きいほど、あるい
は露光に用いられる光の波長が短いほど解像力は向上す
る。しかし、投影レンズは露光領域が広いことも同時に
要求され、実際上ＮＡの向上には限界がある。また、露
光に用いられる光の短波長化も、対応できる光源，投影
レンズの材料およびレジスト材料の制約の面から限界に
近づいている。

【０００４】そこで、現状の投影露光装置を用いて、従
来の解像限界を超える微細パターンを転写する試みがな
されている。マスクパターンのフーリエ変換パターンが
形成される面上においてフーリエ変換パターンの位置を
所定量シフトさせて空間周波数を変える変調工程と、ウ
エハ基板上において、変調工程における変調量と関連づ
けて空間周波数のシフトによりマスクパターンを再現す
る復調工程とを有するパターン形成方法により、従来の
解像性能を超える解像力を与えることが特開平7−32657
3号公報に開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】特開平7−326573 号公
報にはマスクパターンのフーリエ変換パターンが形成さ
れる面上においてフーリエ変換パターンの位置を所定量
シフトさせて空間周波数を変える変調工程と、ウエハ基
板上において、この変調工程における変調量と関連づけ
て空間周波数のシフトにより前記マスクパターンを再現
する復調工程とを有するパターン形成技術が開示されて
おり、従来の露光技術では投影レンズを通過できなかっ
た高い解像性を有する露光光が投影レンズを通過できる
ように変調し、その光を復調することによって解像力向
上を実現している。

【０００６】この露光技術で重要な特性の一つがウエハ
基板上に形成される復調用薄膜の光学特性である。特開
平7−326573 号公報には二光干渉法によりこの復調用薄
膜中に明暗の格子縞を作製し、復調格子の役割を果たす
ことが記載されている。そのために、復調用薄膜は十分
に薄く、且つ、格子縞の明暗部の光学密度の差は十分に
大きくなければならない。復調用薄膜は十分に薄くなけ
ればならない理由は次の通りである。例えば、二つの平
面波により形成される二光束干渉の縞は、ウエハ基板に
対して垂直に長く伸びた明暗の縞を与える。そのため
に、復調層用薄膜の膜厚が光の波長以上に厚くなると露
光光が復調層用薄膜を通過できなくなり、復調層用薄膜
下の感光性材料、すなわちレジストに光が届かなくな
り、実用性がない。従って、復調層用薄膜の厚さは薄く
なければならない。しかし、この膜厚と膜全体の光学密
度を大きくすることは相反する関係にあるために、復調
層用薄膜に使用できる材料が限られてしまっていた。

【０００７】本発明の課題は、厚い復調層でも十分に従
来の解像限界を超える微細パターンを転写できるパター
ン形成方法および装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】課題は、マスク基板上に
描かれているマスクパターンのフーリエ変換パターンが
形成される面上において前記フーリエ変換パターンの位
置を所定量シフトさせて空間周波数を変える変調工程
と、前記ウエハ基板上において、前記変調工程における
変調量と関連づけて空間周波数のシフトにより前記マス
クパターンを再現する復調工程とを有する投影光学系を
介してウエハ基板上に投影しパターンを形成するパター
ン形成方法において、前記復調工程として、前記ウエハ
基板上に薄膜を形成し、前記薄膜中に三光束干渉の光を
照射することにより達成される。

【０００９】従来の投影露光方法では、マスクパターン
に第１の格子縞を重ねることによって空間周波数の異な
るパターンすなわちモアレ縞を構成する回折光が投影レ
ンズを通過することによってパターン情報をウエハ上に
伝達する。そして、ウエハ上で復調することによりパタ
ーン転写を行う。この復調工程としては、ウエハの表面
にごく短い時間だけ光に応答して透過率や屈折率が変化
する材料を塗布しておく。この復調用薄膜に２方向から
光を照射し薄膜中に二光束干渉の縞を形成する。この干
渉縞がパターン転写を行う露光用の光に対して第２の干
渉縞として作用する。このようにしてパターン転写を行
っていた。

【００１０】これに対し、本発明では同じモアレ縞を用
いるが、復調層用膜中に二光束干渉と共にウエハ面の法
線方向から光を入射する三光束干渉を用いることにより
復調格子を作製する。この詳細を以下に説明する。

【００１１】本発明では復調膜は三光束干渉で図１に示
すような縞を作製する。この場合には干渉縞はウエハ面
の法線方向（Ｚ方向）に長く続くことがないために、露
光光が復調膜を透過できる。すなわち復調膜の厚さに関
して制限がなくなり、復調膜に多くの材料が使用できる
ようになる。例えば、復調格子作製用の光に対して、単
位長さ当たりの光学密度の変化が小さい材料でも、復調
膜の厚さを大きくすれば、膜全体としての光学密度が大
きくなるので使用できるようになる。逆に言えば、復調
材料の光学密度の変化が小さくてもよいのであるから、
復調用光の強度を弱くして復調材料の光劣化を抑制でき
る利点がある。更に、三光束干渉による縞は一種の回折
格子として見なせば、その回折効率は厚さ方向全体の体
積で効くので１００％にすることができ、完全な復調効
果が達成できる。これは、従来の薄膜の復調格子では不
可能であった。

【００１２】原理により、パターン転写を行うわけであ
るが、第２の復調格子は必ずしも光学密度が変化した明
暗型でなくてもよく、屈折率が変化した位相シフト型の
縞でも使用できる。位相シフト型の場合には、復調膜に
露光光のエネルギが吸収されないので、露光時間が明暗
型よりも短時間にできる利点がある。

【００１３】明暗型の縞である場合で考えると、原理
上、明暗のコントラストが高いほど復調効果が大きくな
る。高いコントラストを得るためには、第２の格子縞を
形成するための光の強度が高いことが望ましい。しか
し、高い強度で定常的に露光すると、復調材料に蓄積さ
れるエネルギが大きくなり、復調材料が熱的な損傷を起
こし問題となる。そのために、光源としては、強度は強
いが短時間だけ露光するパルス励起が望ましい。パルス
励起で第２の格子縞を形成すると、復調材料中の形成さ
れる縞は短時間に消えて元の透明な状態に戻る。これは
上下の格子縞を同期走査するために、第１の格子縞は機
械的に走査できるが、下の第２の格子縞は、光学的に干
渉縞を走査させるのであるから、干渉縞を形成する光が
走査されて、光が当たらなくなったら直ぐに元の透明な
状態に戻らねばならないという測定原理から望まれる特
性である。復調材料にパターン露光光が定常的にウエハ
上に照射されると、格子縞が消えた後も露光されるため
に、復調効果が低減する。第２の格子縞は縞が形成され
た直後が一番鮮明な縞になっているので、縞形成直後だ
けをパターン露光することが、復調効果を最大にする方
法である。従って、パターン露光の光もパルス化し、第
２の格子縞を形成するパルス光と同期をとり、第２の格
子縞が形成された直後だけにパターン露光するのが望ま
しい。

【００１４】パルス光源は、連続光源を機械的シャッタ
でパルス化しても良いし、チタン・サファイア・レー
ザ，ヤグ・レーザ，エキシマー・レーザなどのようには
じめからパルス発振するレーザを用いてもよい。特に、
チタン・サファイア・レーザやオプト・パラメトリック
現象を利用したレーザなどは発振波長を連続的に所望の
値に設定できるので、特に適している。

【００１５】

【発明の実施の形態】

（実施例１）まず、図２を用いて本発明のパターン形成
方法を実現する投影露光装置の構成例の概要を説明す
る。露光に用いる光（波長：３６５ｎｍ）は第１のチタ
ン・サファイア・レーザ５の第二高調波パルス光を用い
た。このチタン・サファイア・レーザ光源５から発する
光はビーム・エキスパンダ６で所望の均一な光強度の断
面積のビームに変換され、マスク基板７を照明する。以
下ではマスク基板７をレティクル７と称する。レティク
ル７上に描かれたパターン８は倍率１／５の投影レンズ
９を介してウエハ１０上に投影される。なお、レティク
ル７はレティクル位置制御手段１１で制御されたステー
ジ１２上に載置され、その中心と投影レンズ９の光軸と
が正確に位置合わせされている。ウエハ１０は、投影レ
ンズ９の光軸方向すなわちｚ方向に移動可能なＺステー
ジ１３上に載置されている。Ｚステージ１３およびＸＹ
ステージ１４は、主制御系１５からの制御命令に応じて
それぞれの駆動手段１６，１７によって駆動されている
ので、投影露光装置のベース１８に対して所望の露光位
置に移動可能である。その位置はＺステージ１３に固定
されたミラー１９の位置として、レーザ測長器２０で正
確にモニターされている。また、ウエハ１０の表面位置
は、投影露光装置の通常の焦点位置計測手段により計測
される。計測結果に応じてＺステージ１３を駆動させる
ことにより、ウエハ１０の表面は常に投影レンズ９の結
像面と一致させることができる。

【００１６】本実施例では、レティクル７のごく近傍に
第１の格子縞として作用する透過型の格子状の光学素子
２１を配置した。ここでは位相格子を採用し、位相格子
２１のピッチを０.７５μｍ とした。この位相格子２１
はステージ２２に装着されており、駆動手段２３によっ
て面内に走査することができる。

【００１７】第２のチタン・サファイア・レーザからの
第二高調波（波長４３６ｎｍ）を復調格子縞を作るため
の光源２４とした。ウエハ１０の表面には、光源２４か
らの光をビームスプリッタ２５，２６，ミラー２７，２
８，２９を用いて復調用の薄膜３中で三光束干渉させ、
ピッチ０.１５μｍ の干渉縞３０を形成した。このピッ
チは、第１の格子縞のピッチ(０.７５μｍ）に投影レン
ズ９の倍率（１／５）を乗じた値である。

【００１８】ウエハ１０上にはホトレジスト３１を塗布
し、更にその表面には光化学反応が可逆的に生じる材料
を１μｍの厚さで塗布し、復調用薄膜３を形成した。本
実施例では、アクリジン・オレンジとポリビニルピロリ
ドンの溶液をレジスト上に回転塗布し、加熱乾燥し、復
調用薄膜３を作製した。この復調用薄膜３は、波長４３
６ｎｍの光に対してミリ秒以下の時間応答性を有し、か
つ可逆的に反応する。すなわち、４３６ｎｍのパルス光
が照射された時だけ、複素屈折率が変化し、３６５ｎｍ
において瞬時に屈折率が変化し、復調用の位相シフト型
格子縞３０を形成し、短時間の内にミリ秒以下の寿命で
元の屈折率に戻る。

【００１９】第１のチタン・サファイア・レーザ５と第
２のチタン・サファイア・レーザ２４は、主制御系１５
により、４３６ｎｍの第２のチタン・サファイア・レー
ザ２４が復調用の格子縞３０を作成した直後に、パター
ン露光用の第１のチタン・サファイア・レーザ５が格子
縞３０を通過するように設定してある。そのため、第１
のチタン・サファイア・レーザ５の露光光が復調層３を
通過する時には十分なコントラストの格子縞３０が形成
されているために、復調が効率よく行われる。この第２
の格子縞３０は、ミラー２８をミラー駆動手段３２を用
いて光の位相を連続的に変化させることにより復調用薄
膜３内を移動する。第１の格子および第２の格子縞３０
を同期走査しながらパターン露光を行うことによって、
ホトレジスト３１に従来の解像限界を超える微細パター
ンを露光した。その後、復調用薄膜３を除去し、レジス
ト３１を現像し、そのパターン形状を走査型電子顕微鏡
で観察したところ、従来の解像限界を超える０.１５μ
ｍ ピッチの良好な形状の微細パターンが形成されてい
た。この時の復調膜の複素屈折率の変化は０.５ 波長で
あった。

【００２０】パルスレーザにＹＡＧレーザを用いても同
様の効果が得られた。

【００２１】三光束干渉で、ミラー２９から入射させる
光を第２のチタン・サファイア・レーザ２４からの基本
波（８７２ｎｍ）の光を用いても同様の効果が得られ
た。この場合、Ｚ方向のピッチが、第二高調波を用いた
場合のピッチよりも２倍に大きくなり、露光が効率よく
できた。三光束干渉に長い波長の光を用いてｚ方向の縞
のピッチを長くする方法は、厚膜の復調膜で特に有効で
ある。

【００２２】（実施例２）第２の実施例では、露光用波
長にチタン・サファイア・レーザの第２高調波（波長：
４３６ｎｍ）を用い、復調用薄膜中に第２の干渉縞を作
成するのに同じチタン・サファイア・レーザの第４高調
波（波長：２１８ｎｍ）の光を用いて、復調材料に２−
アセトナフトンを分散させたポリメチルメタクリレート
薄膜を用いた点を除き、実施例１と同じ装置構成で行っ
た。復調用薄膜３は波長２１８ ｎｍの光を吸収すると
露光波長である４３６ｎｍに過渡的に吸収を有するよう
になりミリ秒以下の時間応答性を有し、かつ可逆的に着
色・退色反応する。過渡的な明暗型の格子縞を形成す
る。したがって、第２の格子作製用のヤグ・レーザと、
露光用のチタン・サファイア・レーザとが同期制御され
ているために、露光用のチタン・サファイア・レーザが
復調層を通過する時には十分なコントラストの格子縞が
形成され、復調作用が効率よく行われ、良好なパターン
転写をすることができた。この時の復調膜の吸光度の変
化は１.５ であった。

【００２３】本実施例の場合のように、同一の光源の光
を露光用と復調格子作製用の両方に用いると、両者の光
の干渉性が高くなり調整がしやすくなる。

【００２４】また、膜厚を２μｍにして用いて良好なパ
ターン転写をすることができ、本発明により膜厚の厚い
復調層でも十分に復調作用が得られることがわかる。

【００２５】

【発明の効果】本発明により、光学式の投影露光装置を
用いて従来の解像限界を超える微細パターンを転写する
ことができる。すなわち、より高性能な投影レンズを導
入することなく、従来より微細な加工が実現できるの
で、半導体集積回路等の高集積化が容易になる。

【００２６】更に、個々の効果を述べる。

【００２７】復調膜の厚さの制限がなくなったので、光
励起による屈折率変化の小さい材料でも、膜厚を大きく
することにより使用することができる。

【００２８】復調膜の厚さが大きくできることにより、
励起レーザ光による体積当たりの吸収エネルギが小さく
なり、励起レーザ光による熱的損傷が小さくできる。そ
のために、復調作用が効率良く行われ、良好なパターン
転写が可能になる。

【００２９】復調格子縞の形成にパルス光源を利用する
ので、復調材料への熱的損傷を与えずに高いコントラス
トを有する理想的な格子縞が形成できる。そのために、
復調作用が効率良く行われ、良好なパターン転写が可能
になる。

【００３０】露光光源と復調格子縞形成用の光源を共に
パルス光源を用いて両者の同期をとるので、復調格子縞
のコントラストが高い時間領域で、パターン形成の露光
パルスが復調材料層を通過することができる。そのため
に、復調作用が効率良く行われ、良好なパターン転写が
可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第２の格子縞を示す説明図。

【図２】本発明の投影露光装置の構成図。

【符号の説明】

１…屈折率の高い領域、２…屈折率の低い領域、３…復
調用薄膜層、４…レジスト及びウエハ層。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】マスク基板上に描かれているマスクパター
   ンのフーリエ変換パターンが形成される面上で前記フー
   リエ変換パターンの位置を所定量シフトさせて空間周波
   数を変える変調工程と、前記ウエハ基板上で、前記変調
   工程における変調量と関連づけて空間周波数のシフトに
   より前記マスクパターンを再現する復調工程とを有する
   投影光学系を介してウエハ基板上に投影しパターンを形
   成するパターン形成方法において、前記復調工程とし
   て、前記ウエハ基板上に薄膜を形成し、前記薄膜中に三
   光束干渉の光を照射することを特徴とするパターン形成
   方法。
2. 【請求項２】請求項１において、前記復調工程用光源に
   より励起状態を形成し、投影光源波長における前記ウエ
   ハ基板上の薄膜の吸光度の変化が１以上あるパターン形
   成方法。
3. 【請求項３】請求項１において、前記復調工程用光源に
   より励起状態を形成し、投影光源波長における前記ウエ
   ハ基板上に薄膜の屈折率の変化により前記薄膜中の光路
   差が０.５ 波長以上あるパターン形成方法。
4. 【請求項４】請求項１において、前記復調工程用光源と
   してパルス光源を用いて、前記パルス光源により励起状
   態を形成し、前記励起状態の寿命以内に投影パルス光を
   照射するパターン形成方法。
5. 【請求項５】マスク基板上に描かれているマスクパター
   ンのフーリエ変換パターンが形成される面上において前
   記フーリエ変換パターンの位置を所定量シフトさせて空
   間周波数を変える変調工程と、前記ウエハ基板上におい
   て、前記変調工程における変調量と関連づけて空間周波
   数のシフトにより前記マスクパターンを再現する復調工
   程とを有する投影光学系を介してウエハ基板上に投影し
   パターンを形成するパターン形成方法において、前記復
   調工程として、前記ウエハ基板上に薄膜を形成し、前記
   薄膜中に三光束干渉の光を照射することを特徴とするパ
   ターン形成装置。
6. 【請求項６】請求項５において、前記復調工程用光源に
   より励起状態を形成し、投影光源波長における前記ウエ
   ハ基板上に薄膜の吸光度の変化が１以上あるパターン形
   成装置。
7. 【請求項７】請求項５において、前記復調工程用光源に
   より励起状態を形成し、投影光源波長における前記ウエ
   ハ基板上に薄膜の屈折率の変化により前記薄膜中の光路
   差が０.５ 波長以上あるパターン形成装置。
8. 【請求項８】請求項５において、前記復調工程用光源と
   してパルス光源を用いて、前記パルス光源により励起状
   態を形成し、前記励起状態の寿命以内に投影パルス光を
   照射するパターン形成装置。