JP2006120941A - レジストパターンの形成方法、露光装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 良好な形状の微細パターンを容易に形成するためレジストのパターンの露光装置を提供すること。
【解決手段】 フォトマスク１のパターンの像を基板３上のレジスト膜５上に投影するための投影光学系７と、基板３が載置されるＸ−Ｙステージ４と、レジスト膜５の一部の領域上に液浸用液体８を供給するための液体供給装置９と、レジスト膜５の一部の領域上に供給された液浸用液体８を回収するための第１の液体回収装置１２と、第１の液体回収装置１２により回収されずにレジスト膜５上に残留する液浸用液体８を回収するための第２の液体回収装置１３とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体分野におけるレジストパターンの形成方法、露光装置および半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置の製造方法においては、一般に、ウエハ上に被加工膜を形成する工程と、該被加工膜を所望の形状に加工する工程とを含む一連の工程が繰り返して行われる。被加工膜は、導電膜であったり、あるいは絶縁膜であったりする。

被加工膜を所望の形状に加工する工程は、被加工膜上にレジスト膜と呼ばれる感光性物質が含まれる膜を形成する工程と、レジスト膜の所定の領域を露光する工程と、レジスト膜の感光部または未露光部を現像処理により除去する工程と、感光部または未露光部を除去したレジスト膜（レジストパターン）をマスクにして被加工膜をドライプロセスによりエッチングする工程とを含む。

レジスト膜の所定の領域を露光する工程では、スループットの観点から、ＫｒＦエキシマレーザーや、ＡｒＦエキシマレーザーなどの紫外光が発せされる光源が露光光源として使用されている。

近年、ＬＳＩの微細化に伴い、上記紫外光の波長以下の解像度が要求されるようになってきる。そのため、露光量裕度、フォーカス裕度などの露光プロセス裕度が不足してきている。

そこで、従来の露光光源を用いながら解像力を向上させる技術として、液浸露光技術が提案されている（特許文献１）。しかしながら、従来の液浸露光技術を用いて形成されたパターンには、パターン異常（パターン欠陥）が見られることがある。したがって、現状では、液浸露光技術により、良好な形状を有する微細パターンを形成することは容易ではない。
特開平１０−３０３１１４号公報

本発明は、良好な形状の微細パターンを容易に形成するためレジストのパターンの形成方法、露光装置および半導体装置の製造方法を提供することにある。

本発明の一態様によれば、フォトマスクのパターンの像を、液体を介して基板上のレジスト膜上に投影して、前記レジスト膜を露光する工程であって、前記レジスト膜の一部の領域上に液体を供給する工程と、前記一部の領域上に供給された前記液体を回収する工程と、前記一部の領域の周囲領域上に気流を形成し、該気流により、前記レジスト膜上に残留する前記液体を除去する工程とを含む、前記レジスト膜を露光する工程と、前記レジスト膜を加熱する工程と、前記レジスト膜を現像する工程とを有することを特徴とするレジストパターンの形成方法が提供される。

本発明の一態様によれば、フォトマスクのパターンの像を、液体を介して基板上のレジスト膜上に投影して、前記レジスト膜を露光する工程であって、前記レジスト膜の一部の領域上に第１の液体を供給する工程と、前記一部の領域上に供給された前記第１の液体を回収する工程と、前記一部の周囲領域上に第２の液体を供給し、該第２の液体により、前記レジスト膜上に残留する第１の液体を除去する工程とを含む、前記レジスト膜を露光する工程と、前記レジスト膜を加熱する工程と、前記レジスト膜を現像する工程とを有することを特徴とする係るレジストパターンの形成方法が提供される。

本発明の一態様によれば、フォトマスクのパターンの像を基板上のレジスト膜上に投影するための投影光学系と、前記基板が載置される載置手段と、前記レジスト膜の一部の領域上に液体を供給するための液体供給手段と、前記レジスト膜の一部の領域上に供給された前記液体を回収するための液体回収手段と、前記液体回収手段により回収されずに前記レジスト膜上に残留する液体を回収するための残留液体回収手段とを具備してなることを特徴とする露光装置が提供される。

本発明の一態様によれば、本発明の一態様に係るレジストパターンの形成方法により、基板上にレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンをマスクにして前記基板をエッチングする工程とを有することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。

本発明によれば、良好な形状を有する微細パターンを容易に形成するためのレジストパターンの形成方法、露光装置および半導体装置の製造方法を提供できるようになる。

（第１の実施形態）
本願発明者等は、従来の液浸露光技術では、良好な形状を有する微細パターン（５５ｎｍ以下）を容易に形成できない理由を以下のように考えている。

液浸露光技術では、露光時に水が使用される。該水が基板上に残留したまま、ＰＥＢ工程が行われると、基板上に水しみ（ウォーターマーク）が形成される。該ウォーターマークは、パターン異常（欠陥）を引き起こす。

本願発明者等は、ウォーターマークの発生を防止するために、撥水性オーバーコート膜の材料や、新たなレジスト材料の開発の検討も行っている。しかし、これら材料の改良では、ウォーターマークを完全に回避することはできていない。

そこで、本願発明者等は、ウォーターマークの原因となる基板上に残留した水を十分に低減できる液浸露光技術を開発した。以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る露光装置を示す平面図である。図２は、図１の矢視Ａ−Ａ’断面図である。

本実施形態の露光装置は、フォトマスク１上に形成されたパターンを照明するための光源（露光光源）を含む照明光学系２と、基板３が設置されるＸ−Ｙステージ４（載置手段）と、Ｘ−Ｙステージ４上に設置された基板３上に形成されたレジスト膜５に、上記光源で照明されたフォトマスクのパターンの像を投影するための投影レンズ（露光レンズ）６を含む投影光学系７と、投影光学系７により、フォトマスク１のパターンの像をレジスト膜５上に投影するときに、レジスト膜５と投影レンズ６の先端部との間が液体（液浸用液体）８で満たされるように、レジスト膜５の一部の領域上に液体を供給するための液体供給装置９（液体供給手段）と、レジスト膜５の一部の領域上に供給された液浸用液体８を回収するための液体回収装置１０（液体回収手段）とを備えた液浸型露光装置である。

上記光源は、例えば、ＫｒＦ光源や、ＡｒＦ光源等の紫外光光源である。

液浸用液体８は、代表的には、純水である。

液体供給装置９はスリット状の水供給口９ｐを備えており、水供給口９ｐからレジスト膜５上に液浸用液体８が供給される。スリット状の水供給口９ｐの代わりに、分散配置された複数のノズルを含む水供給口を用いても構わない。

レジスト膜５に対してのパターン露光は、上記光源から発生した露光光がフォトマスク１を照射し、フォトマスク１を通過した露光光が、投影レンズ６および液浸用液体８を介して、Ｘ−Ｙステージ４上に搭載された基板３上のレジスト膜５を照射することで行われる。

上記パターン露光の際には、Ｘ−Ｙステージ４により基板３が所定方向に沿って移動されながら、液体供給装置９および液体回収装置１０により、液浸用液体８の供給および回収が行われる。このように液浸露光が逐次行われ、露光領域の全体が露光されることになる。

本実施形態の液体供給装置９は従来と同じであるが、液体回収装置１０は従来とは異なっている。

すなわち、本実施形態の液体回収装置１０は、スリット状の回収口１１および図示しない吸気機構を含む周知の第１の液体回収装置１２と、第１の液体回収装置１２で回収されずにレジスト膜５上に残留する液浸用液体８（残留液体）を回収するための第２の液体回収装置１３（残留液体回収手段）とを備えている。

第２の液体回収装置１３は、液浸用液体８が蒸発することを防止するための乾燥防止機構１３Ａと、乾燥防止機構１３Ａの外側に設けられ、レジスト膜５上の残留液体を回収するための第１の残留液体回収機構１３Ｂと、第１の残留液体回収機構の外側に設けられ、レジスト膜５上の残留液体を回収するための第２の残留液体回収機構１３Ｃとを備えている。

乾燥防止機構１３Ａは、蒸気（ここでは水蒸気）を含む気体（例えばＡｒ等の不活性ガス）１４を配管１５を介してレジスト膜５の表面上に吹き付け、水蒸気を含む気体１４の流れ（気流）でレジスト膜５の表面を覆うことにより、液浸用液体８の蒸発を防止する。上記蒸気は液浸用液体８と同じ液体の蒸気が好ましい。気体１４は図示しないガス供給系から供給される。

第１の残留液体回収機構１３Ｂは、上端開口（与圧口）が正圧に保たれる与圧配管１６と、上端開口（回収口）が負圧に保たれる回収配管１７とを備えている。回収口のサイズは例えば３５ｍｍ×２ｍｍ（スリット）である。与圧口および回収口の圧力は、図示しない圧力制御系により制御される。与圧口および回収口の圧力は共通の圧力制御装置で制御される場合もあるし、あるいは、それぞれ独立の圧力制御装置で制御される場合もある。

第１の残留液体回収機構１３Ｂは、以下のようにして、残留液体を回収する。上記圧力制御装置により、回収配管１７の回収口の負圧の絶対値が、与圧配管１６の与圧口の正圧の絶対値よりも大きく設定される。これにより、残留液体は気体１４とともに、与圧配管１６の下端開口から回収配管１７の下端開口を通って、回収配管１７の上端開口（回収口）の外へと回収される。

第２の残留液体回収機構１３Ｃは、上端開口（与圧口）が正圧に保たれる与圧配管１８と、上端開口（回収口）が負圧に保たれる回収配管１９とを備えている。与圧口および回収口の圧力は図示しない圧力制御系により制御される。与圧口および回収口の圧力は共通の圧力制御装置で制御される場合もあるし、あるいは、それぞれ独立の圧力制御装置で制御される場合もある。さらに、第２の残留液体回収機構１３Ｃの圧力制御系と第１の残留液体回収機構１３Ｂの圧力制御系は共通でも良いし、あるいは、それぞれ独立であっても構わない。

第２の残留液体回収機構１３Ｃは、例えば、以下のようにして、残留液体を回収する。上記圧力制御装置により、回収配管１９の回収口の負圧の絶対値が、与圧配管１８の与圧口の正圧の絶対値よりも大きく設定される。これにより、残留液体が気体とともに、与圧配管１８の下端開口から回収配管１９の下端開口を通って、回収配管１９の回収口の外へと回収される。

さらに、残留液体が気体とともに、与圧配管１８の下端開口から第２の残留液体回収機構１３Ｃの外側へ（図中の左側へ）と移動される。該外側に移動される残留液体は、ステージ４の移動によって、最終的には、露光領域の外側に移動することになるので、問題はない。

次に、本実施形態の露光装置を用いたレジストパターンの形成方法について説明する。ここでは、照明光学系の光源としては、ＡｒＦエキシマレーザーを用い場合について説明する。

まず、図３に示すように、半導体基板２１上に層間絶縁膜２２が形成される。半導体基板２１は、例えば、シリコン基板やＳＯＩ基板である。層間絶縁膜２２は、例えば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜である。次に、層間絶縁膜２２上に厚さ８０ｎｍの反射防止膜２３がスピンコート法により形成され、その後、反射防止膜２３に対して２０５℃、６０秒のベーキング処理が行われる。半導体基板２１、層間絶縁膜２２および反射防止膜２３は、図２の基板３に相当する。

次に、図４に示すように、反射防止膜２３上に１５００ｎｍのＡｒＦ用ポジ型のＤＵＶレジスト膜２４がスピンコート法により形成され、その後、ＤＵＶレジスト膜２４に対して１３０℃、６０秒のベーキング処理が行われる。ＤＵＶレジスト膜２４は、図２のレジスト膜５に相当する。

次に、本実施形態の露光装置により、ＮＡ＝０．８５、ｓｉｇｍａ＝０．９０、３／４輪帯照明、露光量＝２８ｍＪ／ｃｍ² の条件で、透過率６％のハーフトーンマスクを用いて、０．０６μｍのＬ／Ｓパターンの液浸露光が行われ、ＤＵＶレジスト膜２４中に潜像が形成される。

このとき、第１の液体回収装置１２により回収されずにＤＵＶレジスト膜２４上に残留した液浸用液体は、上記の通り、第２の液体回収装置１３（第１および第２の残留液体回収機構１３Ｂ，１３Ｃ）により回収される。

次に、露光後のＤＵＶレジスト膜２４に対して１３０℃、９０秒のベーキング処理が行われ、その後、２．３８ｗｔ％のテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）水溶液を用いた３０秒間の現像が行われ、図５に示すように、レジストパターン２４’が得られる。

この後は、レジストパターン２４’を用いたエッチプロセスが続く。

すなわち、図６に示すように、レジストパターン２４’をマスクにして、反射防止膜２３、層間絶縁膜２２がＲＩＥ（Reactive Ion Etching）プロセスにより順次エッチングされ、層間絶縁膜２２の表面に０．０６μｍのＬ／Ｓパターン２５が形成される。

この後は、図７に示すように、レジストパターン２４’および反射防止膜２３を除去する工程等の周知の工程が続き、半導体装置が製造される。

Ｌ／Ｓパターン２５は、例えば、ダマシン配線の配線溝である。該配線溝の形成前あるいは後に、ビアホールが層間絶縁膜２２中に形成される、Ｌ／Ｓパターン２５がダマシン配線の配線溝の場合、レジストパターン２４’および反射防止膜２３を除去した後、メッキ法によりＣｕ膜を層間絶縁膜２２上に形成する工程と、配線溝外のＣｕ膜をＣＭＰプロセスにより除去する工程等の周知の工程が続き、半導体装置が製造される。

本実施形態のパターン形成方法により得られたＬ／Ｓパターン２５を検査したところ、パターン異常（パターン欠陥）は検出されなかった。さらに、レジストパターン２４’を検査したところ、ウォーターマークは検出されなかった。すなわち、本実施形態によれば、良好な形状を有する微細パターンを容易に形成できることが確認された。

一方、第２の液体回収装置１３を備えていない液浸型露光装置、つまり、従来の液浸型露光装置を用いて、Ｌ／Ｓパターン２５を形成したところ、パターン異常（パターン欠陥）が検出され、また、レジストパターン２４上にはウォーターマークが検出された。

（第２の実施形態）
図８は、本発明の第２の実施形態に係る露光装置を示す断面図である。該断面図は、図２の断面図に相当する。図８において、図１と対応する部分には図１と同一符号を付してあり、詳細な説明は省略する。

本実施形態が第１の実施形態と異なる点は、第２の液体回収装置１３の構成である。本実施形態の第２の液体回収装置１３は、レジスト膜５の一部の領域上にアルコール３１を供給するための供給配管３２と、レジスト膜５の一部の領域上に供給されたアルコール３１および残留液体を含む液体を回収するための回収配管３３とを備えている。

図示しないアルコール供給装置により供給配管３２にアルコールが供給される。該アルコール供給装置は、アルコールを含む容器と該容器内のアルコールを供給配管３２に送り出すための圧力制御装置（ポンプ）とを備えている。

図示しない液体回収装置により回収配管３３から液体（アルコール、残留液体）が回収される。上記液体回収装置は、回収配管３３から液体を吸い上げるためのポンプを備えている。

本実施形態の第２の液体回収装置１３によれば、供給配管３２からレジスト膜５にアルコールが供給され、レジスト膜５上に供給されたアルコールが回収配管３３から回収されるとともに、レジスト膜５上にアルコール液流が形成される。水はアルコール中に溶け、アルコールは水に比べて接触角が小さい。そのため、レジスト膜５上に在留する純水（残留液体）はアルコール中に溶け、アルコールとともに回収配管３３から回収される。

第１の実施形態の図３−図７と同じ方法で同じ条件で、Ｌ／Ｓパターン２５を形成したところ、第１の実施形態と同様に、パターン異常（パターン欠陥）およびウォーターマークは検出されなかった。

なお、アルコール以外に、界面活性剤入り純水あるいは超臨界水などの液体を用いても構わない。これらの液体は、純水よりも接触角が小さいので、レジスト膜５上に残留する純水を除去するのに適している。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、レジスト膜５を露光する工程、つまり、レジスト膜５に潜像を形成する工程は、基板３を加熱しながら行っても構わない。基板３を加熱しながら潜像を形成することにより、従来は基板３上に残存していた液浸用液体が蒸発するので、ウォーターマークの発生をより効果的に抑制することができるようになる。

基板３の加熱は、Ｘ−Ｙステージ４下に抵抗ヒーター等の加熱装置を設けたり、Ｘ−Ｙステージ４上に基板３の回りを囲むように抵抗ヒーター等の加熱装置を設けたり、あるいは、基板３の上方にレーザー装置等の加熱装置を設けることにより、実施することができる。

また、上記実施形態では、層間絶縁膜２２（被加工膜）をエッチングする際に使用するレジストパターンの形成方法について説明したが、本発明は、多結晶シリコン膜等の半導体膜、タングステン膜等の金属膜あるいは半導体基板をエッチングする際に使用するレジストパターンの形成方法にも適用でき、層間絶縁膜２２の場合と同様の効果が得られる。

また、レジスト膜５を露光する工程において、液浸用液体８が供給される領域の周囲のレジスト膜５上に、つまり、第２の液体回収装置１３により残留液体の回収が行われる領域の適当な領域上に、Ａｒ等の不活性ガス等のガスを吹き付けても構わない。この場合、レジスト膜５上の液体に上記ガスが吹き付けられ、該液体がレジスト膜５から離れて、回収される効果が得られる。これにより、より効果的に残留液体の発生を防止できるようになる。

また、上記実施形態では、液浸用液体として純水を用いた液浸露光の場合について説明したが、純水以外の他の液体を用いても構わない。この場合、第１の実施形態では、該他の液体よりも接触角が小さい液体の蒸気を含む気体１４が使用される。第２の実施形態では、上記他の液体よりも接触角が小さい液体がアルコール３１の代わりに使用される。

さらに、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施できる。

実施形態に係る露光装置を示す平面図。 図１の矢視Ａ−Ａ’断面図。 実施形態のパターン形成方法を示す断面図。 図３に続く実施形態のパターン形成方法を示す断面図。 図４に続く実施形態のパターン形成方法を示す断面図。 図５に続く実施形態のパターン形成方法を示す断面図。 図６に続く実施形態のパターン形成方法を示す断面図。 実施形態に係る露光装置を示す断面図。

符号の説明

１…フォトマスク、２…照明光学系、３…基板、４…Ｘ−Ｙステージ、５…レジスト膜、６…投影レンズ、７…投影光学系、８…液浸用液体、９…液体供給装置、９ｐ…水供給口、１０…液体回収装置、１１…回収口、１２…第１の液体回収装置、１３…第２の液体回収装置、１３Ａ…乾燥防止機構、１３Ｂ…第１の残留液体回収機構、１３Ｃ…第２の残留液体回収機構、１４…蒸気を含む気体、１５…配管、１６…与圧配管、１７…回収配管、１８…与圧配管、１９…回収配管、２１…半導体基板、２２…層間絶縁膜、２３…反射防止膜、２４…レジスト膜、２４’…レジストパターン、２５…Ｌ／Ｓパターン、３１…アルコール、３２…供給配管、３３…回収配管。

Claims (8)

1. フォトマスクのパターンの像を、液体を介して基板上のレジスト膜上に投影して、前記レジスト膜を露光する工程であって、前記レジスト膜の一部の領域上に液体を供給する工程と、前記一部の領域上に供給された前記液体を回収する工程と、前記一部の領域の周囲領域上に気流を形成し、該気流により、前記レジスト膜上に残留する前記液体を除去する工程とを含む、前記レジスト膜を露光する工程と、
   前記レジスト膜を加熱する工程と、
   前記レジスト膜を現像する工程と
   を有することを特徴とするレジストパターンの形成方法。
2. 前記気流は、前記液体の蒸気を含むことを特徴とする請求項１に記載のレジストパターンの形成方法。
3. 前記レジスト膜を露光する工程において、前記周囲領域上にガスを吹き付ける工程をさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載のレジストパターンの形成方法。
4. フォトマスクのパターンの像を、液体を介して基板上のレジスト膜上に投影して、前記レジスト膜を露光する工程であって、前記レジスト膜の一部の領域上に第１の液体を供給する工程と、前記一部の領域上に供給された前記第１の液体を回収する工程と、前記一部の周囲領域上に第２の液体を供給し、該第２の液体により、前記レジスト膜上に残留する第１の液体を除去する工程とを含む、前記レジスト膜を露光する工程と、
   前記レジスト膜を加熱する工程と、
   前記レジスト膜を現像する工程と
   を有することを特徴とするレジストパターンの形成方法。
5. 前記第２の液体は、アルコール、界面活性剤入り純水または超臨界水を含む液体であることを特徴とする請求項４に記載のレジストパターンの形成方法。
6. 前記レジスト膜を露光する工程は、前記基板を加熱する工程をさらに有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のレジストパターンの形成方法。
7. フォトマスクのパターンの像を基板上のレジスト膜上に投影するための投影光学系と、
   前記基板が載置される載置手段と、
   前記レジスト膜の一部の領域上に液体を供給するための液体供給手段と、
   前記レジスト膜の一部の領域上に供給された前記液体を回収するための液体回収手段と、
   前記液体回収手段により回収されずに前記レジスト膜上に残留する液体を回収するための残留液体回収手段と
   を具備してなることを特徴とする露光装置。
8. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載のレジストパターンの形成方法により、基板上にレジストパターンを形成する工程と、
   前記レジストパターンをマスクにして前記基板をエッチングする工程と
   を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。

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