JPH1197334A

JPH1197334A - パターン形成方法

Info

Publication number: JPH1197334A
Application number: JP9259590A
Authority: JP
Inventors: Minoru Chokai; 実鳥海
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-09-25
Filing date: 1997-09-25
Publication date: 1999-04-09

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体集積回路等の製造に用いられる微細な素
子パターンの形成を効率よく短時間で処理する実用的な
方法および装置を提供する。【解決手段】復調用光源２０からの光を干渉させて、第
２の格子縞２６を作成することによりレジスト２７中に
パターンを転写することにより１／４波長のパターンを
光露光し、より微細なパターンを電子線描画する。

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、リソグラフィー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。特に位相シフト法は
露光波長の１／２の微細パターンまで解像できるという
特徴がある。

【０００３】更に小さな微細パターンの形成には電子線
描画を用いる方法がある。電子光学系により容易に波長
以下の直径の微細電子線に絞り込むことが出来るため
に、電子線描画は高い解像性を有し、微細パターンの形
成には好適である。しかし、パターン描画には長時間を
要するために大量生産は不向きである。この欠点を補う
ために特開平4−155812 号では、同一レジストに大きな
パターンと、微細なパターンを同時に形成する方法とし
て、レジスト膜形成後に、前者の大きなパターンを位相
シフト法で露光し、後者のパターンを電子線で描画し、
現像することにより、２種類のパターンを同一基板内に
形成する方法を開示している。この方法の目的は上述し
たように、大きなパターンは位相シフト法で、微細パタ
ーンは電子線描画を用いて、能率良くパターン形成する
ことにある。

【０００４】最近、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、いわゆるモアレ法
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7−326573 号公報に開示されている。この方法に
よれば露光波長の１／４の非常に微細なパターンまで光
露光によりパターン露光できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】特開平4−155812 号公
報では、量産性を上げるために、位相シフト法と電子線
描画法を組み合わせて微細パターンを形成する技術が開
示されており、光露光の高効率と電子線描画の高解像性
を利用して微細パターンを高スループットで作製してい
る。しかし、半導体集積回路等のパターンの微細化が更
に進むにしたがって、素子を構成するパターンのほとん
どが微細パターンの場合、位相シフト法では解像出来ず
に、微細パターンのほとんどを電子線を用いて描画する
こととなり、時間短縮の効果は望めない。

【０００６】本発明の課題は、微細な素子パターンの形
成を効率よく短時間で処理する実用的なパターン形成方
法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、素子の製造
過程における、あるパターン層の形成のためのリソグラ
フィー工程において、同一のレジストに対するパターン
転写を、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該フー
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、前記レジスト中に、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
影光学系を介して前記レジスト中に投影しパターンを形
成する光露光と、電子線露光を用いて行うことにより達
成される。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について述
べる。これらの実施例は本願の一例に過ぎず、これらに
限定されるものではない。

【０００９】投影露光方法では、変調工程として、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、基板上のレジスト中で復
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、レジスト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。

【００１０】この復調用薄膜に２方向から光を照射し上
記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。このようにして露光波長の１／４の微細パ
ターン転写を行うことができる。これは位相シフト法の
理論的限界である露光波長の１／２よりも高い解像性を
有する利点がある。もちろん、このモアレ法は、１／２
波長のパターンサイズにおいても、位相シフト法よりも
良好な露光形状を提供できることは言うまでもない。

【００１１】このモアレ法のパターン転写で第２の復調
格子は必ずしも光学密度が変化した明暗格子でなくても
よく、屈折率が変化した位相シフト格子でも使用でき
る。位相シフト格子の場合には、復調膜に露光光のエネ
ルギーが吸収されないので、露光時間が明暗格子よりも
短時間にできる利点がある。

【００１２】復調作用を大きくするには、明暗格子のモ
アレ縞を作る場合、復調膜の吸光度変化が１以上である
ことが望ましい。位相格子のモアレ縞を作る場合、復調
膜の位相の変化が１／２波長以上であることが望まし
い。

【００１３】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しても良い。この場合には復調膜の
厚さに制限が無いので、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利点がある。

【００１４】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
れるエネルギーが大きくなり、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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】本発明に用いるレジストは通常のポジ型お
よびネガ型レジストを用いることが出来る。特に、化学
増幅系レジストはその感度が高いので、より好ましい。
化学増幅系レジストの場合には、復調層が、レジストの
劣化を防ぐ保護膜となるので、露光後の引き置き時間依
存性がなくなり、安定なリソグラフィー工程となる利点
がある。

【００１８】また、多層レジスト法を用いることによ
り、焦点深度が浅い条件下でも微細パターンを良好に形
成することができる。

【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。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１の第２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１
から発する光はビーム・エキスパンダ２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３を照
明する。以下ではマスク基板３をレティクル３と称す
る。レティクル３上に描かれたパターン４は倍率１／５
の投影レンズ５を介してウエハ６上に投影される。な
お、レティクル３はレティクル位置制御手段７で制御さ
れたステージ８上に載置され、その中心と投影レンズ５
の光軸とが正確に位置合わせされている。

【００２０】ウエハ６は、投影レンズ５の光軸方向すな
わちｚ方向に移動可能なＺステージ９上に載置されてい
る。Ｚステージ９およびＸＹステージ１０は、主制御系
１１からの制御命令に応じてそれぞれの駆動手段１２，
１３によって駆動されているので、投影露光装置のベー
ス１４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９に固定されたミラー１５の位置とし
て、レーザ測長器１６で正確にモニターされている。ま
た、ウエハ６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９を駆動させることにより、ウエハ６の表面は常
に投影レンズ５の結像面と一致させることが出来る。

【００２１】本実施例では、レティクル３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
１７を配置した。ここでは位相格子を採用し、位相格子
１７のピッチを０.７５μｍとした。この位相格子１７
はステージ１８に装着されており、駆動手段１９によっ
て面内に走査することが出来る。

【００２２】第２のチタン・サファイア・レーザからの
第２高調波（波長４３６ｎｍ）を復調格子縞を作るため
の光源２０とした。ウエハ６の表面には、光源２０から
の光をビームスプリッタ２１，２２，ミラー２３，２
４，２５を用いて復調用の薄膜２８中で三光束干渉さ
せ、ピッチ０.１５μｍの干渉縞２６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５の倍率（１／５）を乗じた値である。

【００２３】ウエハ６上にはポジ型レジスト２７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２８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２７上に回転塗布し、加熱乾燥
し、復調用薄膜２８を作製した。

【００２４】上記復調用薄膜２８は、波長４３６ｎｍ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２
６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。

【００２５】第１のチタン・サファイア・レーザ１と第
２のチタン・サファイア・レーザ２０は主制御系１１に
より４３６ｎｍの第２のチタン・サファイア・レーザ２
０が復調用の格子縞２６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１が格子縞２
６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１の露光光が復調層２８を通
過する時には十分なコントラストの格子縞２６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２６は、ミラー２４をミラー駆動手段２９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
２８内を移動する。第１の格子１７および第２の格子縞
２６を同期走査しながらパターン露光を行うことによっ
て、レジスト２７に０.１５μｍの微細パターンを露光
した。

【００２６】続いて、電子線描画により、０.１μｍの
微細なパターンを描画した。その後、上記復調用薄膜２
８を除去し、ポジ型レジスト２７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、モアレ法
で０.１５μｍピッチの良好な形状の微細パターンが、
電子線描画で０.１μｍの良好な形状の微細パターン形
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。

【００２７】上記パルスレーザにＹＡＧレーザを用いて
も同様の効果が得られた。

【００２８】

【発明の効果】本発明により、位相シフト法の限界を超
える微細パターンの１／４波長のパターンを効率的な光
露光で行い、１／４波長以下の微細パターンは電子線描
画により作製するので、高いスループットを有したま
ま、微細パターンの形成が可能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に用いる投影露光装置の構成を示すブロ
ック図。

【符号の説明】

１…露光光源、２…ビーム・エキスパンダ、３…レティ
クル、４…レティクル上のパターン、５…投影レンズ、
６…ウエハ、７…レティクル位置制御手段、８…レティ
クル・ステージ、９…Ｚステージ、１０…ＸＹステー
ジ、１１…システム主制御系、１２…Ｚステージ駆動手
段、１３…ＸＹステージ駆動手段、１４…投影露光装置
ベース、１５…ミラー、１６…レーザ測長器、１７…第
１の格子、１８…第１の格子用ステージ、１９…第１の
格子用ステージ駆動手段、２０…復調用のパルス光源、
２１，２２…ビームスプリッタ、２３，２４，２５…ミ
ラー、２６…第２の格子縞、２７…レジスト、２８…復
調用薄膜層、２９…ミラー駆動手段。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】素子の製造過程における、あるパターン層
の形成のためのリソグラフィー工程において、同一のレ
ジストに対するパターン転写を、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
れる面上において該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、前記レ
ジスト中に、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前記レジスト
中に投影しパターンを形成する光露光と、電子線露光を
用いて行うことを特徴とするパターン形成方法。
【請求項２】請求項１に記載のパターン形成方法におい
て、前記復調工程として、レジスト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。
【請求項３】請求項１に記載のパターン形成方法におい
て、前記投影光源および前記復調工程用光源共に、パル
ス光源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１に記載のパターン形成方法におい
て、前記復調工程用光源としてパルス光源を用いて、該
パルス光源により励起状態を形成し、該励起状態の寿命
以内に投影パルス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５】請求項１および４に記載のパターン形成方
法において、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４に記載のパターン形成方法
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
折率の変化により該薄膜中の光路差が露光波長の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７】請求項１から６に記載のパターン形成方法
において、前記レジストを平坦化層，中間層，上層など
で構成されたいわゆる三層レジスト、あるいは中間層の
無い、いわゆる二層レジストに置き換えたことを特徴と
するパターン形成方法。