JPS63181318A - パタ−ン形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、たとえば半導体素子、磁気バブル素子、超電
導素子等の作製における投影露光法を用いた微細パター
ン形成方法に係９．特に縮小投影露光法に有効なパター
ン形成方法に関する。

〔従来の技術〕

周知のように、半導体装置や磁気バブルメモリ装置など
の各種微細パターン形成には、投影露光法が広く用いら
れている。投影露光法、特に縮小投影露光法は微細のパ
ターン形成に有用である。

投影露光法ではレンズの開口数の増加および露光波長の
短波長化により解像度が向上する。しかし。

従来の投影露光法においては、露光光学系の焦点深度は
投影レンズの開口数と露光波長に強く依存していた。投
影レンズの焦点深度はその開口数の２乗に反比例し、露
光波長に比例するため、解像度を上げるために開口数を
大きくしたり、短波長化を行なったシすると、それＫと
もなって焦点深度は浅くなってしまう。このため、投影
レンズの儂面歪や基板表面の凹凸段差によって生ずる障
害への対処が次第に困難となってきている。比較的微細
なパターンによって生ずる段差による障害については、
これまで周知の多層Ｖシスト法による平滑化によって対
処されてきた。しかし、この方法を用いても大面積パタ
ーンによって生じた段差を完全に平坦化することはでき
ず１段差の上部もしくは下部に結像不良が生ずるのは避
けられなかった。

なお、多層レジスト法については特開昭５１−１０７７
７５号などに記載されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

近年の半導体集積回路の高集積化にともない。

パターンの微細化と基板表面の凹凸段差が著しく増大し
、それらへの対応が要求されている。パターン形成に投
１ｆ／Ｗ元法を用いる場脅、凹凸段差の増大に対応する
ためには、露光光学系としてはよシ大きな焦点深度が必
要となる。しかし解像度を向上させるには投影レンズの
開口数を大きくする必要があるため、焦点深度は逆に浅
くなっている。

また、投影レンズの像面歪により結像面は完全平面では
ないため、露光領域全面にわた９、その表面凹凸段差に
対応して焦点深度全確保するのが困難になってきている
。

前記従来技術では大面積パターンによって生ずる凹凸段
差を完全に平坦化することはできず、また完全平坦化が
達成されたとしてもレンズの像面歪のため露光領域全面
にわたってマスクパターンの結像面を基板表面と一致さ
せることができず。

上記問題点に対処するのが困難であった。

本発明の目的は段差が表面に存在しても、十分高い精度
で微細なパターンを形成できるパターン形成方法を提供
することである。本発明の他の目的はレンズの開口数が
大きい場合および露光波長が短かい場合にも光学系の冥
質的な焦点深度の低下を防止し１段差の有無にかかわら
ず露光領域全面にわたって結像不良のない良好な微細パ
ターンを形成することである。

〔問題点？解決するための手段〕

上記目的はフォトレジストに露光光強度の増加にともな
い感度が向上する性質を有する材料を使用し、結像面位
置？変えて多重露光することにより達成される。

露光光強度の増加にともない感度が向上するレジストと
しては１例えば短時間照射のほうが感度が向上する相反
則不軌性を有する材料がある。

〔作用〕

微細パターンの場合、結像位置から離れた位置での、い
わゆるデフォーカスした像の光強度分布は裾の広がった
ゆるやかな山型とな９．そのピーク強度は結像位置上の
像のピーク強度に比べ低下する。

フォトレジストに照射時間が短いほど感度が向上する相
反則不軌の性質がある場合、照射光強度が強いほど感度
が向上し、照射光残置が弱いと露光量が多くてもフォト
レジストはほとんど感光しない。したがって結像位置を
変えて多重露光し。

かつ露光強度を適当に選択すると、デフォーカスした像
は光強度が弱いためフォトレジストをほとんど感光させ
ず、結像位置の合った。いわゆるベストフォーカスの像
のみがフォトレジストを感光させる。デフォーカスした
像を複数回露光するとデフォーカスした像のトータル露
光量は増え、ピントのあった像の露光量に比べ相対的に
大きくなるが、それにもかかわらずフォトレジストの相
反則不軌性、すなわち、感光現象は露光強度で決まると
いう性質により、ベストピントの像のみがフォトレジス
トを感光させる。

場所によりベストフォーカスの位置が異なる場合も結像
位置を変えて多重露光しているため、いずれかの露光に
ベストフォーカスの像がアシ、その像のみ選択的にフオ
トレジス）ｆ感光させるので、基板段差にともなう焦点
ボケ、およびレンズの像面歪による焦点ボケの問題を解
決できる。

〔実施例〕

実施例１ 以下１本発明の一実施例を第１図を用いて説明する。

第１図＜ａ＞に示すようにフオ）Ｌ／ジストヲ段差のあ
る基板１上に塗布し、フォトレジスト層２を形成した。

仁こで、フォトレジストとしては０ＭＲ８３（東京応化
（株）社商品名）を用い、高解像化を目的としてその平
坦面上での膜厚を約０．４μｍとした。しかしＶシスト
膜厚はこの値に限らず解像度とのかね合いて自由に選べ
る。０ＭＲ８３の露光感度の露光強度依存性を第２図に
示す。露光強度が１５ｍＷ１０ｄｅ越えると急激にＯＭ
Ｂ、８３の感度は高くなる。

その後、第１図＜ａ＞に示すようにマスク３上に形成さ
れたマスクパターン４．４’ｔ−投影レンズ５を介して
露光した。この露光は次のようにして行なった。まず基
板ｌの凸面７上に、マスクパターンの結像面６がくるよ
うに、基板？固定し九ステージを移動し、その場所で１
回目のＭ元を行なった。次に第１図（ｂ）に示すように
基板１の凹面上８にマスクパターンの結像面６′がくる
ようにステージを元軸方向に沿って動かし、上記パター
ンの二回目の露光金貸なった。なお、上記露光装置とし
ては日立几Ａｌ０ＩＶＩ！ｌ縮小投影露光装置を使用し
、ＩＫ光強度は約ｓｍｗ、’ｉとした。露光波長は３６
５　ｎｍ、レンズの開口数は０．４２である。

その後現像を行なってレジストパターンを形成した。

本方法により３μｍ以上の段差がある場合でも段差の上
下ともに０．６μｍのラインアンドスペースパターンを
形成することができた。一方、従来法では段差が約２μ
ｍｌ越えると不良を生じた。

また０ＦＰＲ８００（東京応化（株）社商品名）などの
相反則性が成シ立つフォトレジストを用いた場合は、段
差の上下ともパターンは形成できるものの断面形状はゆ
るやかな山をとなシ、Ｖシスト残膜率も低い劣化したレ
ジストパターンしか形成できなかった。このためレジス
トと基板とのエツチング選択性の悪いエツチングに対し
ては、このレジストパターンはマスクとしての機能をは
たさなかった。また、０ＭＲ８３を用いた場合でも。

露光強度を２ｍＷ／ｃｆＡ以下とした場合は、ＯＦＦ几
ｓｏｏ’ｉ用いた場合と同様に良好なパターンは形成で
きなかった。これはこの光強度領域では第２図から明ら
かなように光強度による感度変化がほとんどないためで
おる。

また、露光雰囲気を窒素リッチにすると強い光強度領域
で感光感度の向上がおこり、酸素リッチにすると比較的
弱い強度領域から感度がちが９はじめる。雰囲気の酸素
量を制御することにより本露光に必要な光強度を選択す
ることができた。これは０ＭＲ８３の相反則不軌感光機
構が大気からの酸素の拡散に支配されているためである
。同様にフォトレジスト０ＭＲ８３上に酸素を透過しに
くいポリビニルアルコールなどの膜を適当な膜厚で形成
することにより露光に必要な光強度を選択することがで
きる。

なお、上記実施例においてはフォトレジストとしてＯＭ
ＥＬ８３を用いたが、これに限らずＯＮＮ几２０（東京
応化（株）社商品名）、ＫＴＦ几（コダック社商品名）
、ＫＰＲ（コダック社商品名）。

ＣＢＲ（日本合成ゴム（株）社商品名）、および環化ゴ
ムビスアジドなどの相反則不軌性をもつフォトレジスト
を用いることができた。また相反則不軌性を持つポジタ
イプフォトレジストでも同様に効果がるる。

また、本笑施例では露光波長を３６５ｎｍ、レンズの開
口数を０．４２としたが、これに限らない。

例えば短波長光であるエキシマレーザ−光も用いること
ができる。また１本実施例では単層レジストの例を示し
たが、多層Ｖシスト法と組み合わせることもできる。ま
た、ＣＥＬ　（コントラストエンハンスメント　リソグ
ラフィー：　ＣｏｎｔｒａｓｔＥｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ
　Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）法と組み合わせることがで
きる。

実施例２ 実施例１と同様に段差のある基板上にフォトレジスト塗
布、露光、現像を行なってパターンを形成した。レジス
ト材料およびその処理は実施例１と同様とした。但し下
記に示すように、露光方法は実施例１と変え友。

まず、基板表面の主平面が投影光学系の結像面より約４
μｍ下方（投影光学系から離れる方向）に位置するよう
に設定して露光を行なった後、基板を固定したステージ
を光軸に沿って約２５μｍずつ上方に移動させ、そのつ
と露光を行なった。

この操作を基板表面の主平面が結像面より約５μｍ上方
にくるまで続けた。

本実施例では基板段差が約ａ、５μｍ、投影光学レンズ
の像面歪が最大約２μｍ、基板の厚さの違いによる露光
面内の基板の傾きが、高さの差にして約１μｍあシ、投
影光学系に一番近い部分と一番遠い部分の基板表面の位
置の差は約６．５μｍあった。この高さの差にもかかわ
らず、露光面内全域にわたって例えば０．６μｍライン
アンドスペースパターンのような微細なパターンを形成
することができた。一方、従来法では基板段差が約３μ
ｍをこえると段差の上か下で解像不良が生じ、パターン
を形成できないばかりでなく、基板段差のない平坦面同
士でも像面歪および基板の傾きにより。

露光周辺領域の一部で解像不良が起こった。

本実施例では基板表面の主平面が投影光学系の結像面よ
シ約４μｍ下方から順次上方に基板を移動させながら露
光を行なったが、これに限らず。

基板表面の最も高い位！（投影光学系に最も近い位置）
が結像面よシ約２μｍ上方にくるようにステージ位置を
調整し、そこから順次上方に移動させながら露光を行な
っても効果があった。また。

逆に基板表面の敢も低い位置が結像面より約２μｍ下方
にくるようにステージ位ｔｅ調整し、そこから順次下方
に移動させながら露光を行なっても効果があった。２μ
ｍという値は一例でちゃ、焦点深度内の値であれば効果
がある。しかし焦点深度を越えた値を用いた場合には、
一部に解像不良が生じた。

本実施例では露光および基板の位置移動をステＺプ的に
行なったが、露光中基板位置を連続的に光軸方向に沿っ
て移動させてもよい。

本実施例では、結像面と基板表面の相対的位置は、基板
をのせるステージの位置移動によって変えていた。この
方法に限らず、マスクパターンの存在するＶチクルを光
軸方向に移動させる。露光光学系中に空気と異なる屈折
率を有する物質を挿入する。露光光学系の全体または一
部を含む部分の気圧を変動させる。多焦点Ｖンズを用い
る。設定結像面の異なる複数の光学系からの光を重ね合
わせる。同一光学系を用いて複数の異なるまたは連続し
た波長の光により露光するなど１種々な方法を用いて結
像面と基板表面の相対的位ｔｔｔ１に変えてもよい。

〔発明の効果〕

上記説明から明らかなように１本発明によれば投影露光
法における実効的焦点深度を増大させることができるの
で、投影レンズの高開口数化、像面歪、基板表面の凹凸
段差の増大に対応することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、　（ｂ）は本発明の一実施例を示す模式
図。 第２図は本発明の効果を表わす曲線図でおる。 １・・・基板、２・・・フォトレジスト層、３・・・マ
スク。 ４．４′・・・マスクパターン、５・・・投影レンズ、
６゜６′・・・マスクパターンの結像面上の像。 第　ｌ　凹 （α） （ｋ）） ｂ−ｂ　”Ｚ＆７５ｉ、ｒｉ 第　Ｚ　凹

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、所望の形状を有するマスクパターンを介してレジス
   ト膜へ投影露光し、その後現像を行なつてレジストパタ
   ーンを形成するパターン形成方法において、露光強度の
   増加にともない感光感度が向上するレジストを用い、か
   つ上記投影露光を上記マスクパターンの結像面と上記レ
   ジスト膜の相対的に異なる光軸上の複数の位置において
   行なうことを特徴とするパターン形成方法。 ２、上記結像面の複数の位置が基板段差の凸面および凹
   面近傍上に設定されていることを特徴とする特許請求範
   囲第１項記載のパターン形成方法。 ３、上記結像面が２箇所以上であり、その一方が基板表
   面上の投影露光光学系に最も近い位置近傍に設定され、
   他方が基板表面上の投影露光光学系から最も遠い位置近
   傍に設定され、３箇所以上の場合は残りの結像面がその
   両者の中間に設定されることを特徴とする特許請求範囲
   第１項記載のパターン形成方法。 ４、上記結像面の位置が少なくとも基板上面上の投影露
   光光学系に最も近い位置から光学系から最も遠い位置に
   至るまで上記基板位置あるいは結像面位置あるいはその
   両方の位置を連続的に変化させながら上記露光を行なう
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のパターン
   形成方法。