JPH10270330A

JPH10270330A - パターン形成方法及び装置

Info

Publication number: JPH10270330A
Application number: JP7498997A
Authority: JP
Inventors: Minoru Chokai; 実鳥海; Tsuneo Terasawa; 恒男寺澤; Atsuko Yamaguchi; 敦子山口
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-03-27
Filing date: 1997-03-27
Publication date: 1998-10-09

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及びその装置を提供する。【解決手段】第２の光源を用い、レジスト２の非線型光
学現象を利用することにより微細なパターンを転写す
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、基板上に形成され
る転写パターンの解像力を向上させる技術に関する。

【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
むに従って、上記投影露光装置には、従来以上に解像力
が高い微細なパターンを転写する性能が要求されてい
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。例えば、アプライド・フィジックス・レタ
ー，第６８巻，第４号，第４５５頁，１９９６年には、
レジストの非線型光学特性を利用することにより解像力
を向上させる技術が示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】アプライド・フィジッ
クス・レター，第６８巻，第４号,第４５５頁,１９９６
年に開示された技術は、パターン形成光自身によりレジ
スト材料が非線型効果を起こし、自己集光することによ
りパターン形成光より微細なパターン形成を行ってい
る。しかし、このパターン形成方法では、パターン形成
以外に、レジストの非線型特性が露光量で決まるため、
露光量の制御が難しくなる。つまり、露光量はレジスト
の感度に合わせるだけでなく、レジストの非線型特性と
の関係でも微細なパターンがうまく形成できるように決
定されなければならない。従ってレジスト材料は、感度
と非線型光学特性の両方の条件を同時に満たす必要があ
り、このようなレジスト材料を実現することは、事実上
難しい。

【０００６】本発明の課題は、従来のレジスト材料をそ
のまま用いても容易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。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題は、第１の光源
からの光を、投影光学系を介してマスク基板上に描かれ
ているマスクパターンに基づく露光光としてウエハ基板
上のレジスト薄膜に投影するパターン形成方法または装
置において、第２の光源を用いて前記レジスト薄膜また
はその上に形成した薄膜の光学特性を変化させ、前記レ
ジスト薄膜またはその上に形成した薄膜中の光形状を所
望の形状に制御することにより達成される。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明では非線型光学特性を引き
起こす光源をパターン形成光源とは別の第２の光源とし
て用意する。即ち、第２の光源によりレジスト材料が非
線型効果を示し、それによりパターン形成光が自己集光
を起こし、微細なパターンが形成される。

【０００９】第２の光源としてはアルゴン・イオン・レ
ーザ，ヤグ・レーザ，エキシマ・レーザなどのレーザの
基本波やその高調波を用いることができる。これらは連
続発振でもよいし、パルス発振でも用いることができ
る。

【００１０】特に、パルス発振の場合には、第１の光源
からのパターン形成光（露光光）と同期をとることによ
り、パルスレーザでレジストの光学特性が変化した直後
にパターン形成光を入射させることで、パターン形成光
の制御が容易になるという利点がある。パルス光源とし
ては、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・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、本発
明に特に適している。勿論、キセンノン・水銀ランプや
超高圧水銀灯などの光を用い、フィルターや分光器によ
り所望の波長の光を選択し、前記第２の光源として用い
ることもできる。

【００１１】以下、レジスト中で非線型現象を起こす場
合を例に説明するが、レジストとは別にその上に形成し
た薄膜中で非線型現象を起こす場合でも同様である。

【００１２】レジストが非線型特性を示すことは公知で
あり、その原因はレジストが吸光したことにより電子励
起状態などを形成し、レジスト全体の屈折率が変化する
ことによると考えられる。従って、アプライド・フィジ
ックス・レター，第６８巻，第４号，第４５５頁，１９
９６年に用いられているようなレジストの架橋反応自体
に基づく屈折率変化を非線型現象として利用してもよ
い。

【００１３】また、特開平7−326573 号に開示されてい
るように、非線型現象としてレジストの光化学反応以外
の光吸収を利用してもよい。この場合には、可逆的変化
であるから、第２の光が照射されて励起状態が形成され
ている間だけレジストの屈折率が変化し、励起状態の寿
命後に基底状態に戻り、レジストの屈折率は元の値に戻
る。従って、レジストに第２の光を複数回にわたって照
射することができる。

【００１４】また、第２の光はレジストに架橋や光分解
を起こさせないために、パターン形成光のパターン形状
と独立に任意の照射形状でレジストに照射できるという
利点がある。

【００１５】以上、レジスト中で非線型現象を利用する
場合で説明したが、レジスト上の薄膜中で非線型現象を
起こす場合でも同様である。この薄膜としては、レジス
トの特性を劣化させない限り、通常の薄膜を用いること
ができる。例えば、水溶性高分子に色素を添加させた高
分子薄膜などを用いることができる。この場合には、化
学増幅系レジストで問題となる大気中の塩基物質による
汚染を防ぐための保護膜としての機能も兼ねることがで
きる。また、レジスト中での定在波を低減するための反
射防止膜の機能も兼ねることができることは言うまでも
ない。

【００１６】本発明では、非線型現象を用いてレジスト
の屈折率を変化させ、パターン形成光を集光して制御す
る。集光する方法としては、二光束干渉などを用いるこ
とができる。二光束干渉の場合にはその干渉縞のピッチ
や位置をパターン形成光と一致させることによりパター
ン形成光を効率的に集光し、微細なパターン露光が可能
になる。干渉縞の位置はミラーの位置を微調整すること
により容易に移動させることができる。これにより、パ
ターン形成光を集光するだけでなく、逆に発散させた
り、レジスト中の任意の位置に集光することも可能とな
る。従って、露光時の焦点深度を広げることもできる。
これは実際に半導体等を作製する際に大きな利点とな
る。

【００１７】この二光束干渉の方法は周期パターンの場
合に効果が顕著である。二光束干渉以外にもオプト・ガ
ルバノミラーなどを用いて任意形状で非線型現象を起こ
してもよい。この場合には任意のパターンで非線型現象
が効率よく利用できる利点がある。

【００１８】以下では、本発明の具体的実施例について
述べる。これらの実施例は本発明の１例に過ぎず、これ
らに限定されるものではない。

【００１９】（実施例１）まず、図１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。パターン形成装置には通常の縮小投影露
光装置を用い、その一部を改良してパターン形成を行っ
た。パターン形成光となる第１の光源（図示略）には波
長３６５ｎｍの光を用いた。このパターン形成光は通常
の縮小投影露光方法でウエハ１上のレジスト２上に結像
される。

【００２０】第２の光源３にはアルゴン・イオン・レー
ザを用いて、波長４８８ｎｍの光を利用した。この光を
ビームスプリッタ４で二分割し、ミラー５，６でレジス
ト上に二光束干渉させた。この二光束干渉の周期は形成
されるパターンに一致させた。この二光束干渉の周期は
二つの光束の入射角度を調整することにより制御でき
る。また周期の位置はミラー６に接続したミラー位置制
御手段７により微調整し、パターンと一致させることが
できる。

【００２１】第２の光源３は制御回路８を介して縮小投
影光学系（図示略）と接続されており、第２の光源３に
よりレジスト２の屈折率が変化した後にパターン形成光
がレジストを露光するように同期がとられる。

【００２２】この装置を用いて、波長３６５ｎｍ用のレ
ジスト２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、レジスト２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、９０ｎｍの線幅
の良好な形状の微細パターンが形成されていた。

【００２３】（実施例２）第２の実施例では、レジスト
上に高分子薄膜を形成し、この薄膜の非線型現象を利用
した点を除き、実施例１と同じ装置構成でパターン形成
を行った。本実施例では図２のように、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、非線型光学薄膜９を作製した。
この薄膜９は波長４８８ｎｍ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、
４８８ｎｍ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、
非線型現象を示し、短時間の内にミリ秒以下の寿命で元
の屈折率に戻る。

【００２４】この装置を用いて、３６５ｎｍ用のレジス
ト２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、レジスト２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、９０ｎｍの線幅の
良好な形状の微細パターンが形成されていた。この時の
薄膜９の屈折率変化は０.５波長であった。

【００２５】（実施例３）第３の実施例では、露光波長
２４８ｎｍの縮小投影露光装置を用い、レジスト２を通
常の２４８ｎｍ用のレジスト２を用いた点を除き、実施
例２と同じ装置構成でパターン形成を行った。

【００２６】この装置を用いて、レジスト２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、レジ
スト２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、６０ｎｍの線幅の良好な形状の微細
パターンが形成されていた。この時の薄膜９の屈折率変
化は０.５波長であった。

【００２７】（実施例４）第４の実施例では、露光波長
４３６ｎｍの縮小投影露光装置を用い、第２の光源３と
してヤグ・レーザの第４高調波（波長：２６６ｎｍ）の
光を用い、レジスト上に高分子薄膜として２−アセナト
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２と同じ装置構成でパターン形成
を行った。

【００２８】本実施例では、２−アセナトフトンとポリ
メチルメタクリレートの溶液をレジスト上に回転塗布
し、加熱乾燥し、非線型光学薄膜９を作製した。この薄
膜９は波長２６６ｎｍ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。従って、第２
の光源であるヤグ・レーザ３と、パターン形成光とが同
期制御されているために、パターン形成光が薄膜９を通
過する時には十分なコントラストの二光束干渉の格子縞
が形成され、非線型現象が効率よく行われ、良好なパタ
ーン転写をすることができた。

【００２９】上記薄膜９の吸光度を測定したところ１.
２であることがわかった。

【００３０】

【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という効
果がある。

【００３１】さらに、専用の第２の光源を用いて非線型
現象を利用するため、通常のホトレジストを用いること
ができるという利点もある。

【００３２】さらに、非線型現象は微細なパターンほど
効果があるので、通常のパターン形成方法ではパターン
形成できないほど回折効果で劣化した微細パターンを設
計通りに形成するのに最適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の投影露光装置の要部の構成
図。

【図２】本発明の一実施例の投影露光装置の要部の構成
図。

【符号の説明】

１…ウエハ、２…レジスト、３…第２の光源、４…ビー
ム・スプリッタ、５…ミラー、６…ミラー、７…ミラー
位置制御手段、８…制御回路、９…非線型光学薄膜。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】投影光学系を介して、第１の光源からの光
をマスク基板上に描かれているマスクパターンに基づく
パターン露光光としてウエハ基板上のレジスト薄膜に投
影するパターン形成方法において、第２の光源を用いて
前記レジスト薄膜の光学特性を変化させることにより、
前記投影光学系の前記レジスト薄膜中の光形状を所望の
形状に制御することを特徴とするパターン形成方法。
【請求項２】投影光学系を介して、第１の光源からの光
をマスク基板上に描かれているマスクパターンに基づく
パターン露光光としてウエハ基板上のレジスト薄膜に投
影するパターン形成方法において、第２の光源を用いて
レジスト薄膜の上に形成された薄膜の光学特性を変化さ
せることにより、前記投影光学系の前記レジスト薄膜中
の光形状を所望の形状に制御することを特徴とするパタ
ーン形成方法。
【請求項３】請求項１または２に記載のパターン形成方
法において、第２の光源としてレーザを用いることを特
徴とするパターン形成方法。
【請求項４】請求項３に記載のパターン形成方法におい
て、前記第２の光源としてパルスレーザを用い、前記パ
ターン露光光を周期照射するとともに、前記パルスレー
ザの光と同期させることを特徴とするパターン形成方
法。
【請求項５】請求項４に記載のパターン形成方法におい
て、前記第２の光源により前記レジスト薄膜またはその
上に形成した薄膜に励起状態を形成し、前記励起状態の
寿命以内にパターン露光光を照射することを特徴とする
パターン形成方法。
【請求項６】請求項１から請求項５のいずれか記載のパ
ターン形成方法において、前記第２の光源により前記レ
ジスト薄膜またはその上に形成した薄膜に励起状態を形
成することで光学特性を制御し、パターン露光光の波長
における前記レジスト薄膜またはその上に形成した薄膜
の吸光度の変化が１以上あることを特徴とするパターン
形成方法。
【請求項７】請求項１から請求項４のいずれか記載のパ
ターン形成方法において、前記第２の光源により前記レ
ジスト薄膜またはその上に形成した薄膜に励起状態を形
成することで光学特性を制御し、パターン露光光の波長
における屈折率の変化により前記レジスト薄膜またはそ
の上に形成した薄膜中の光路差が０.５波長以上あるこ
とを特徴とするパターン形成方法。
【請求項８】第１の光源と、マスク基板上のマスクパタ
ーンをウエハ基板上のレジスト薄膜に投影する投影光学
系とを有するパターン形成装置において、第２の光源を
用いて前記レジスト薄膜の光学特性を変化させることに
より、前記投影光学系の前記レジスト薄膜中の光形状を
所望の形状に制御する手段を設けたことを特徴とするパ
ターン形成装置。
【請求項９】第１の光源と、マスク基板上のマスクパタ
ーンをウエハ基板上のレジスト薄膜に投影する投影光学
系とを有するパターン形成装置において、第２の光源を
用いて前記ウエハ基板上のレジスト薄膜の上に形成され
た薄膜の光学特性を変化させることにより、前記投影光
学系の前記レジスト薄膜中の光形状を所望の形状に制御
する手段を設けたことを特徴とするパターン形成装置。
【請求項１０】請求項８または請求項９に記載のパター
ン形成装置において、第２の光源としてレーザを用いる
ことを特徴とするパターン形成装置。
【請求項１１】請求項１０に記載のパターン形成装置に
おいて、前記第１の光源の光を周期的に照射する手段を
設け、前記第２の光源としてパルスレーザを用い、前記
パルスレーザの光を前記第１の光源からの光と同期させ
る手段を設けたことを特徴とするパターン形成装置。
【請求項１２】請求項１１に記載のパターン形成装置に
おいて、前記第２の光源により前記レジスト薄膜または
その上に形成した薄膜に励起状態を形成し、前記励起状
態の寿命以内に上記第１の光源からの光を照射すること
を特徴とするパターン形成装置。
【請求項１３】請求項８から請求項１２のいずれか記載
のパターン形成装置において、前記第２の光源により前
記レジスト薄膜またはその上に形成した薄膜に励起状態
を形成することにより光学特性を制御し、前記レジスト
薄膜またはその上に形成した薄膜の第一の光源の波長に
おける吸光度の変化が１以上あることを特徴とするパタ
ーン形成装置。
【請求項１４】請求項８から請求項１２のいずれか記載
のパターン形成装置において、前記第２の光源により前
記レジスト薄膜またはその上に形成した薄膜に励起状態
を形成することにより光学特性を制御し、第一の光源の
波長における屈折率の変化による前記レジスト薄膜また
はその上に形成した薄膜中の光路差が０.５波長以上あ
ることを特徴とするパターン形成装置。