JPS6342122A - 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
ン形成方法に係り、縮少投影露光法に特に有効なパター
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の形成ｌζは、投影露光法が広く用
いられている。投影露光法、とくに縮少投影露光法は極
めて微細なパターンの形成に有用であるが、従来の投影
露光法においては、オ光光学系の焦点裕度は投影レンズ
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乗に反比例するので、解像度
を向上するために開口数を大きくすると１、それにとも
なって焦点深度は浅くなってしまう。このため、投影レ
ンズの像面型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
れまで周知の多層レジ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、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例えば、ジャーナル　
オブ　バキューム　サイエンス　アンドテクノロジー、
ビー１（４）、（１９８３）　　第１２３５頁から第１
２４０頁（Ｊ　、　　Ｖａｃ、Ｓｃｉ、Ｔｅｃｈｎｏｌ
。

Ｂｌ　（１９８３）　　ｐ９１２４０　）などに記載さ
れている。

また、縮少投影露光装置に関しては、種々のものが知ら
れており、たとえばセミコンダクター・ワールド（Ｓｅ
ｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｗｏｒｌｄ　）　　、　１９
８４年７月号第１１０〜１１４頁などに示されている。

〔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伴ない、パターンの
微細化と基板表面の凹凸段差が著るしく増大し、それら
への対応が要求されている０パターン形成に投影露光法
を用いる場合、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り大きな焦点深度が必要きなる。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。さらにまた、投影レンズの像面型により結像面は完
全平面ではないため、露光領域全面ｌこわたり、その表
面凹凸段差に対応して焦点深度を確保するのが困難とな
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、又、完全平坦化が
達成されたとしてもレンズの像面型のためマスクパター
ンの結像面は基板表面と一致しないため、上記問題点１
こ対処するのが困難であったＱ 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
数が大きくなっても、光学系の実質的な焦点深度の低下
を防止し、段差の上部と下部１こ、結像不良を生ずるこ
となしに良好な微細パターンを形成することのできるパ
ターン形成方法を提供することである０ 〔問題点を解決するための手段〕 本発明者の検討によれば、露光光学系の実効的焦点深度
は、同一光軸上で異なる結像点を有する複数の光を重ね
合せることによって実効的に深くすることができ、段差
の上下にわたって結像させることが可能になることが明
らかになった。ここで結像点とはマスクパターンの露光
光学系に対する共役面上の点をいう。そこで、レジスト
を塗布した基板上にパターンを露光する際、マスクパタ
ーンの共役面、すなわち結像面を、光軸上でレジスト啼
に対して相対的に異なる複数の位置に設定し同時又は段
階的に露光するか、又は光軸上でレジスト麺に対して連
続的に変化させながら露光を行なうことによって、上記
目的は達成される。

〔作用〕

第２図に、光軸方向の位置と０．７μｍラインアンドス
ペースの光強度コントラストの関係を、単一結像点の場
合と、互いに３　ａｍ、　３．５　ａｍ、　５ａｍ離れ
た２点を結像点とする光の合成による場合の各々に対し
て示す。第２図において光軸方向位置の原点は単−結像
点及び２つの結像点の中心点としである。第２図に示す
様に異なる結像点を有する光の合成により、単一結像点
の場合に比べて光強度コントラストの絶対値は減少する
ものの、より広範囲に一定水準以上のコントラストを帷
持することができる。又、２つの結像点間の距離を適宜
選択することにより、光軸方向の所望範囲内で一定の光
強度コントラストが得られる。本発明による実効的焦点
深度増大率は、使用するレジスト、現ａｗ、コントラス
ト・エンハンスメント・マテリアル等の材料とプロセス
で解像し得る光強度コントラストの下限界により決定さ
れる０第２図によれば、本発明による実効的焦点深度の
増大率は、２結像点間距離を３．５μｍとした場合、上
記光強度コントラストの下限界が０．５のきき４５％で
あるのに対し、上記光強度コントラストの下限界が０．
４のときには約７０％となる。さらに上記下限界が０．
３の場合、結像面の異なる光を３つ重ね合せることによ
り実効的焦点深度は約１５０％向上する。

露光領域の全面で基板表面の凹凸段差の上下においてレ
ジスト層にパターンが良好に解像するためには、投影レ
ンズの像面型、基板の平坦度、基板表面凹凸段差の高さ
で決まる光軸方向のある一定範囲内において、一定水準
以上の光強度コントラストが保持されていることが好ま
しい。パターン解像のために好ましい光強度の限界は、
現像や露光方法など他の条件によって異なることはいう
までもない。

タトえばＣＥＬ（コントラストエンハンスメントリング
ラフィ）のときの光強度コントラストの限界は約０．３
、たとえば東京応化（株）製のＴＳＭＲ８８００のよう
なγが３００以上の高γレジストを用いた場合は０．３
〜０．５、たとえばンップレイ社製のＭＰ１３００のよ
うな通常のレジストを用いた場合は０．８〜０．９であ
る。一方、投影露光法においては、レジスト層にパター
ンを形成するための光強度のコントラストがマスクパタ
ーンを忠実に反映する十分な値を有するのは、マスクパ
ターンの共役面、いわゆる結像面の近傍のみであり、そ
こから遠ざかるにつれコントラストは急激に低下する。

同一光軸上の異なる位置に結像点を有する光の合成によ
り得られる光のコントラストは、各々の光のコントラス
トを光強度の重みをつけて平均したものに等しい。従っ
て、単一結像点では光軸方向で光強度コントラストを必
要とする範囲全域に所望のコントラストを実現できない
場合でも、この範囲内で異なる位置に結像点をもつ複数
の光を重ね合せることにより、一定水準以上のコントラ
ストを上記範囲の全域に維持することが可能となる０ 〔実施例〕 実施例１ 以下、本発明の一実施例を第１図により説明する０ ホトレジストを基板１上に塗布しホトレジスト層２を形
成した。その上に投影露光装置（図示せず）を用いてパ
ターンを露光し、その後現像した。

この露光は次のようにして行なった。まず第１図（ａ）
に示す様（こ光６の結像点位置３（以下基板に対するこ
の位置を第１結像点と呼ぶ。）において露光を行なった
後、基板を固定したステージを光軸方向に移動し、第１
図（ｂ）（こ示す様に前記第１結像点３より光軸方向に
一定距離隔たった位置４を結像点（以下基板に対するこ
の位置を第２結像点と呼ぶ）おして上記パターンの２回
目の露光を行なった。なお、上記投影露光装置としては
、日立ＲＡＩＯＩＨＬ形縮少投影露光装置を使用した。

ここで上記第１結像点と第２結像点の距離を３．５ｊｍ
とし、基板１と第１結像点３の相対位置を光軸方向に変
えて露光を行なったところ０．７μｍラインアンドスペ
ースが解像する第１結像点位置の許容範囲、すなわち上
記パターンの実効的焦点裕度は約６ｊ１ｍとなった。従
来の単一結像点露光による上記パターンの焦点裕度は約
３．５μｍであり、本発明により焦点裕度は約７０％増
大した０ また基板表面に凹凸の段差がある基板を用いた場合、従
来法では段差が約１．６μｍを越えると解像不良を起こ
したが本発明を用いた場合、段差約４．０μｍにおいて
も解像不良を起こさず、従来法に比べ約３倍の段差まで
パターン解像が可能となった０ なお、上記実施例においてはホトレジストとしてＴＳＭ
Ｒ８８００（東京応化工業（株）商品名）を用いたが、
これのみではなく、ＭＰ１４００（８ｈｉｐｌｅ）’社
ｉ品名）、ＯＦＰ几５０００（東京応化工業（株）商品
名）、ＡＺ１３００ＳＦ’Ｄ（Ｈｏｃｈｓｔ社商品名）
などのポジレジストおよびＲＤ２０ＯＮ、１１．ＵＩ　
０ＯＯＮ（日立化成工業（株）社商品名）などのポリビ
ニルフェノール系ネガレジスト、ＣＢＲ（日本合成ゴム
（株）社商品名）などの環化ゴム系ネガレジストなど、
各種レジストを用いることができる。また本実施例にお
いては投影レンズの開口数０．４２、露光波長３６５１
ｍとしたが、開口数や露光波長を変えても、顕著な効果
が認められた。さらに結像面位置の設定法については基
板をのせるステージを光軸方向に移動させるだけでなく
、マスクパターンの存在するレ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、多焦点レンズを用いる、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ｌ
こより露光する等、種々な方法を用いることができる。

無機膜を形成し、その上にホトレジストを塗布して周知
の三層レジスト法を行なった。上記有機膜としてはＦＬ
８３９００Ｂ（日立化成（株）商品名）を回転塗布し約
２００　’０で熱処理したものを用いたがこれに限らず
、通常のレジストを熱処理したもの、あるいはポリイミ
ド膜など三層レジスト法における下層膜として使用でき
るものであればよい。中間膜である無機膜にはＳ　ＯＧ
　（５ｐｉｎ　ｏｎＧｌａｓｓ）を用いたが、ＣＶ　Ｄ
　Ｓ　ｒ　０２、スパッタＳ　ｒ　０２、プラズマ５ｉ
Ｎ１ＴｉＯｘ、　　など三層レジスト法の中間膜として
機能する材料であればこれに限らず屈いることができる
。

次に実施例１と同様に結像点を変えて二度露光を行ない
、その後現像を行なってパターンを形成した。

上層として形成したレジストパターンの断面形状は単一
結像点による従来法で形成したパターンの形状よりやや
丸みを帯びているが、十分に無機中間膜をパターニング
する際のマスクとして機能し、最終的に形成したパター
ンは、レジストパターンの断面が丸くなった影響を受け
ることなく、良好なパターンが形成された。焦点裕度は
、実施例１と同様に、従来露光法を用いた通常の三層レ
ジストｆｆｉに比べ約１．８倍焦点裕度を広げることが
できた。本実施例で示したように、本発明と三層レジス
ト法とを組み合わせることにより、下層膜の形状を劣化
させることなく焦点裕度を広げることができる。

実施例３ 実施例】においてホトレジスト上に紫外線照射により光
透過率が変化し、実効的な光コントラストが向上するコ
ントラストエンハンスメントマテリアルを塗布し、その
後実施例１と同様結像点を変えて二度露光を行なった。

本方法によりレジストパターン断面形状の丸み、および
残膜厚低下は著るしく低減され、従来法において最適結
像点位置で得られるパターンと同水準のレジスト断面形
状および残膜厚が広い結像位置範囲にわたって本方法で
得られた。

断面形状の改善はコントラストエンハンスメントマテリ
アルを用いる場合に限らず実効的にレジストのコントラ
ストが向上する現像液あるいは高コントラストなレジス
トの使用等、実効的にコントラストの高いレジストプロ
セスを用いても、同様の効果が認められた。

また第１．第２焦点間の距離を３．５βｍ以上に設定し
た場合も、コントラスト増強効果によりレジスト形状の
劣化や残膜率低下を救済することができ、実用上支障の
ないパターンを広い結像位置範囲にわたって得られた。

また三層レジスト法とコントラスト増強法を本発明と組
み合わせることにより、さらに一層焦点裕度、寸法精度
、レジスト形状が改善され、極めて良好な結果を得るこ
とができた。

また、結像点を同一光軸上で互いに３．５μｍ離れた３
点とすることにより実効的焦点裕度を従来法の約２．５
倍にすることができた。結像点数の多い多重露光は特に
穴パターンや溝パターンのような孤立パターンに効果が
あり、焦点裕度が特に門ヲした。

また種々のパターンで評価を行なったところ、結像点間
距離を３よそ従来法の焦点裕度程度とすることにより最
も焦点裕度を広げることができた。

従来法の焦点裕度はパターン寸法や形状に依存するので
本方法の最も効果のある結像点間距離は、上記実施例中
の値に限らず、最も焦点裕度を必要とするパターンの従
来法による焦点裕度程度である。

なお、コントラストエンハンスマテリアルを用いるＣＥ
Ｌ法については、たとえばアイ・イー・イー・イー・エ
レクトロン・デバイス・レター（ＩＥＥＢ　　ＥＩ６ｃ
ｔｒｏｎ　Ｄｅｖｉｃｅ　Ｌｅｔｔｅｒ　）、ＥＤＬ−
４巻、寛１．１９８３年１月、第１４頁〜第１８頁など
に記載されている。

実施例４゜ 実施例１，２．３において基板をのせたステージの光軸
方向の位置移動を露光を行ないながらなた。このように
結像点を連続に変化させた場合にも効果があった。

本発明において、段差の上部と下部に、互いに独立した
パターン（たとえばコンタクト孔）をそれぞれ形成する
場合、まず一方にヂ点を合わせて露光し、次ｌこ他方に
焦点を合わせて露光し、現像すればよい。いずれか一方
に露光している際に、他方にも露光されるが、他方に対
しては焦点が合っていないため、パターン形成の支障に
なることはない。この場合、段差の高さや、二結像点間
の間隔には、特に制限はない。

しかし、たとえば厚い絶縁膜上から基板表面へ延びる配
線を形成する場合のように、段差の上部と下部に連続し
たパターンを形成する際は、光軸方向における二つの結
像点の間隔があまり大きくなりすぎると、第２図に示し
たように、中間部の光強度コントラストの低下が著しく
なり、良好なパターンが形成が困難になる。従って段差
が著るしく大きく、２回の露光では結像点間の間隔か大
きすぎる場合は、露光の数を増加して、各結像点間の間
隔を小さくすればよい。良好な結果の得られる間隔は、
使用されるレジストの掻類や現像条件によって異なるが
、結像点間の間隔を約３．５ａｍ以下とすれば、極めて
良好な結果が得られる。

〔発明の効果〕

上記説明から明らかなように、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。焦点裕度
の増加量は使用する材料・プロセスが解像可能な光強度
コントラストの限界に依存するが、本発明を用いると、
従来法と比べて結像点数が２の場合約７０％、結像点数
が３でコントラスト・エンハンスメント・マテリアル等
、高コントラストリソグラフィを用いた場合約１５０％
、焦点裕度を増大することができる。

【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
式図である。 第２図は本発明の効果を表わす曲線図である。 １・・・基板、２・・ホトレジスト層、３・・・第１回
目の露光における結像点位置、４・・・第２回目の露光
における結像点の位置。

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
   ト膜へ投影露光する工程と、上記レジスト膜を現像する
   工程を含み、上記投影露光は、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われることを特徴とするパターン形
   成方法。 ２、上記結像点は上記レジスト膜近傍の２ケ所に設定さ
   れる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。 ３、上記結像点は上記レジスト膜近傍の３ケ所に設定さ
   れる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。 ４、上記投影露光は、複数回行なわれることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載のパターン形成方法。 ５、上記投影露光は、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な位置を変えながら連続的に行な
   われる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。