JP4308638B2

JP4308638B2 - パターン形成方法

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Publication number: JP4308638B2
Application number: JP2003419444A
Authority: JP
Inventors: 政孝遠藤; 勝笹子
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-12-17
Filing date: 2003-12-17
Publication date: 2009-08-05
Anticipated expiration: 2023-12-17
Also published as: JP2005183523A; US20050136361A1; US7700268B2

Description

本発明は、半導体装置の製造プロセス等において用いられる露光装置及びそれを用いたパターン形成方法に関する。

半導体集積回路の大集積化及び半導体素子のダウンサイジングに伴って、リソグラフィ技術の開発の加速が望まれている。現在のところ、露光光としては、水銀ランプ、ＫｒＦエキシマレーザ又はＡｒＦエキシマレーザ等を用いる光リソグラフィによりパターン形成が行なわれていると共に、より短波長であるＦ₂ レーザの使用も検討されているが、露光装置及びレジスト材料における課題が未だ多く残されているため、より短波長の露光光を用いる光リソグラフィの実用化の時期は未だ先になっている。

このような状況から、最近従来の露光光を用いてパターンの一層の微細化を進めるべく、液浸リソグラフィ（immersion lithography）法が提案されている（非特許文献１を参照。）。

この液浸リソグラフィ法によれば、露光装置内における投影レンズとウエハ上のレジスト膜との間の領域が屈折率がｎである液体で満たされることになるため、露光装置のＮＡ（開口数）の値がｎ・ＮＡとなるので、レジスト膜の解像性が向上する。

以下、従来の液浸リソグラフィを用いるパターン形成方法について図７（ａ）〜図７（ｄ）を参照しながら説明する。

まず、以下の組成を有するポジ型の化学増幅型レジスト材料を準備する。

ポリ（（ノルボルネン−5−メチレン-t-ブチルカルボキシレート）(50mol%)−（無水マレイン酸）(50mol%)）（ベースポリマー）…………………………………………………２ｇ
トリフルオロスルフォニウムトリフラート（酸発生剤）………………………０．０６ｇ
プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（溶媒）……………………２０ｇ
次に、図７（ａ）に示すように、基板１の上に前記の化学増幅型レジスト材料を塗布して、０．３５μｍの厚さを持つレジスト膜２を形成する。

次に、図７（ｂ）に示すように、レジスト膜２の上に液浸溶液（水）３を配して、ＮＡが０．６８であるＡｒＦエキシマレーザよりなる露光光４をマスク５を介してレジスト膜２に照射してパターン露光を行なう。

次に、図７（ｃ）に示すように、パターン露光が行なわれたレジスト膜２に対して、ホットプレートにより１１０℃の温度下で６０秒間加熱した後、２．３８ｗｔ％のテトラメチルアンモニウムハイドロキサイド現像液（アルカリ性現像液）により現像を行なうと、図７（ｄ）に示すように、レジスト膜２の未露光部よりなり０．０９μｍのライン幅を有するレジストパターン２ａを得られる。
M. Switkes and M. Rothschild, "Immersion lithography at 157 nm", J. Vac. Sci. Technol., B19, P.2353 (2001)

ところが、図７（ｄ）に示すように、従来の液浸リソグラフィを用いたパターン形成方法により得られるレジストパターン２ａのパターン形状は不良であった。

本願発明者らは、液浸リソグラフィにより得られるレジストパターンの形状が不良となる原因を検討した結果、以下のような結論を得ている。すなわち、パターン露光に用いるＡｒＦエキシマレーザ光はその波長が１９３ｎｍと短く且つ光のエネルギーが高い。その結果、液浸溶液３を介してレジスト膜２にパターン露光を行なうと、液浸溶液３における露光光の照射部分は、光のエネルギーを受けてその溶液の温度が上昇する。このとき、液浸溶液における露光光の照射部分とマスクされた非照射部分とでは、溶液が受ける光のエネルギーの量が大きく異なるため、液浸溶液３中の温度分布にばらつきが生じる。液浸溶液３に温度分布のばらつきが生じると、液浸溶液３が持つ光の屈折率ｎの値も局所的に変動する。その結果、この液浸溶液３の屈折率ｎが局所的に変動する（ばらつきが発生する）。すなわち、露光時の開口数の値（ｎ・ＮＡ）が露光領域内において変動するため、パターン露光時にレジスト膜２に対するフォーカス不良が発生するというものである。

このように形状が不良なレジストパターンを用いて被処理膜に対してエッチングを行なうと、得られるパターンの形状も不良になってしまうため、半導体装置の製造プロセスにおける生産性及び歩留まりが低下してしまうという問題が発生する。

前記に鑑み、本発明は、液浸リソグラフィにより得られるレジストパターンの形状を良好にすることを目的とする。

本願発明者らは、上記の検討結果から、露光中の液浸溶液を流動状態におくことにより、露光光によって液浸溶液に生じる温度分布のばらつきを防止できるという知見を得ている。本発明は、前記の知見に基づいてなされ、露光中の液浸溶液を流動させることにより、液浸溶液に生じる温度分布のばらつきを防止するものであって、具体的には以下の方法によって実現される。

本発明に係る第１の露光装置は、基板上に形成されたレジスト膜の上に液浸溶液を供給する溶液供給部と、レジスト膜の上に液浸溶液を配した状態で、レジスト膜にマスクを介した露光光を照射する露光部とを備え、溶液供給部は、露光中に液浸溶液を循環する溶液循環手段を有していることを特徴とする。

第１の露光装置によると、レジスト膜上に液浸溶液を供給する溶液供給部が露光中に液浸溶液を循環するため、露光中の液浸溶液における露光光の照射部分と非照射部分とに生じる温度分布のばらつきが解消されて、液浸溶液の温度が均一化される。この液浸溶液の温度の均一化により、液浸溶液における屈折率のばらつきがなくなるので、フォーカス不良等の露光異常を防止することができるようになり、その結果、液浸リソグラフィにより得られるレジストパターンの形状が良好となる。

本発明に係る第２の露光装置は、基板上に形成されたレジスト膜の上に液浸溶液を供給する溶液供給部と、レジスト膜の上に液浸溶液を配した状態で、レジスト膜にマスクを介した露光光を照射する露光部とを備え、溶液供給部は、液浸溶液を攪拌する溶液攪拌手段を有していることを特徴とする。

第２の露光装置によると、レジスト膜上に液浸溶液を供給する溶液供給部の溶液攪拌手段が露光中に液浸溶液を攪拌するため、露光中の液浸溶液における露光光の照射部分と非照射部分とに生じる温度分布のばらつきが解消されて、液浸溶液の温度が均一化される。これにより、液浸溶液における屈折率のばらつきがなくなるので、フォーカス不良等の露光異常を防止することができるようになり、その結果、液浸リソグラフィにより得られるレジストパターンの形状が良好となる。

第１の露光装置において、溶液供給部は、液浸溶液を攪拌する溶液攪拌手段を有していることが好ましい。

第１又は第２の露光装置において、液浸溶液には水又はパーフルオロポリエーテルを用いることができる。

本発明に係るパターン形成方法は、基板の上にレジスト膜を形成する工程と、レジスト膜の上に液浸溶液を配した状態で、レジスト膜に対して露光光を選択的に照射してパターン露光を行なう工程と、パターン露光が行なわれたレジスト膜に対して現像を行なってレジストパターンを形成する工程とを備え、パターン露光を行なう工程において、露光中に液浸溶液を流動させることを特徴とする。

本発明のパターン形成方法によると、パターン露光を行なう工程において、露光中に液浸溶液を流動させるため、露光中の液浸溶液における露光光の照射部分と非照射部分とに生じる温度分布のばらつきが解消されて、液浸溶液の温度が均一化される。この液浸溶液の温度の均一化により、液浸溶液における屈折率のばらつきがなくなるので、フォーカス不良等の露光異常を防止することができるようになり、その結果、液浸リソグラフィにより得られるレジストパターンの形状が良好となる。

本発明のパターン形成方法において、パターン露光を行なう工程は、液浸溶液を露光中に循環させる工程を含むことが好ましい。

また、本発明のパターン形成方法において、パターン露光を行なう工程は、液浸溶液を露光中に攪拌する工程を含むことが好ましい。

また、本発明のパターン形成方法において、パターン露光を行なう工程は、液浸溶液を露光中に排出する工程を含むことが好ましい。

また、本発明のパターン形成方法において、パターン露光を行なう工程は、新たな液浸溶液をレジスト膜の上に露光中に供給することが好ましい。

また、本発明のパターン形成方法において、パターン露光を行なう工程は、液浸溶液を露光中に攪拌することが好ましい。

本発明の露光装置及びパターン形成方法において、液浸溶液には水又はパーフルオロポリエーテルを用いることができる。

本発明の露光装置及びパターン形成方法において、露光光には、ＫｒＦエキシマレーザ光、ＡｒＦエキシマレーザ光、Ｆ₂ レーザ光、Ｋｒ₂ レーザ光、ＡｒＫｒレーザ光又はＡｒ₂ レーザ光を用いることができる。

より具体的には、液浸溶液としては、光の透過率の観点から、水銀ランプのｇ線及びｉ線等を使用する紫外線露光並びにＫｒＦエキシマレーザ光及びＡｒＦエキシマレーザ光等を使用する遠紫外線露光には水を用いることができる。また、Ｆ₂ レーザ光等を使用する真空紫外線露光には、パーフルオロポリエーテルを用いることができる。なお、パーフルオロポリエーテルは、ｇ線及びｉ線等による紫外線露光並びにＫｒＦエキシマレーザ光及びＡｒＦエキシマレーザ光等による遠紫外線露光にも用いることができる。

本発明に係る露光装置及びそれを用いたパターン形成方法によると、レジスト膜の上に配する液浸溶液の温度のばらつきが解消されるため、フォーカス不良等の露光異常を防止することができるので、良好な形状を有するレジストパターンを得ることができる。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る液浸リソグラフィによるパターン形成方法を実現する露光装置の要部であって、（ａ）は断面構成を模式的に示し、（ｂ）は平面構成を模式的に示している。

図１（ａ）に示すように、第１の実施形態に係る露光装置は、チャンバー１０内に設けられ、ウェハ２０上に塗布されたレジスト膜（図示せず）に設計パターンを露光する光源である照明光学系３０と、露光時にウェハ２０のレジスト膜の上に、露光光の開口数値を上げる液浸溶液２１Ａを配する、流入口４０ａ及び排出口４０ｂが設けられたバケット型の溶液貯留部４０とを有している。

照明光学系３０の下方には、レジスト膜に転写される設計パターンを有するマスク（レチクル）２３を通って入射される照明光学系３０からの露光光を液浸溶液２１Ａを介してレジスト膜に投影する投影レンズ３１と、ウェハ２０を保持するウェハステージ３２とが配置されている。投影レンズ３１は、露光時にはウェハ２０のレジスト膜上に供給された液浸溶液２１Ａの液面と接するように保持される。

また、図１（ｂ）に示すように、チャンバー１０の内部には、液浸溶液２１Ａを溶液貯留部４０との間で循環させる循環機構を有する液浸溶液タンク４１が配置されており、該液浸溶液タンク４１と溶液貯留部４０との間には、液浸溶液２１Ａを流通する循環パイプ４２が設けられている。

以下、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示した露光装置を用いたパターン形成方法について図２（ａ）〜図２（ｄ）を参照しながら説明する。

ポリ（（ノルボルネン−5−メチレン-t-ブチルカルボキシレート）(50mol%)−（無水マレイン酸）(50mol%)）（ベースポリマー）…………………………………………………２ｇ
トリフルオロスルフォニウムトリフラート（酸発生剤）………………………０．０６ｇ
プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（溶媒）……………………２０ｇ
次に、図２（ａ）に示すように、基板２０の上に前記の化学増幅型レジスト材料を塗布して、０．３５μｍの厚さを持つレジスト膜２２を形成する。

次に、図２（ｂ）に示すように、レジスト膜２２と投影レンズ３１との間に、水よりなる液浸溶液２１Ａを溶液貯留部４０に満たして、ＮＡが０．６８であるＡｒＦエキシマレーザよりなる露光光３３をマスク２３を介してレジスト膜２２に照射してパターン露光を行なう。ここで、液浸溶液２１Ａは、図１（ｂ）に示すように、液浸溶液２１Ａをウェハ２０上に配した露光中にも、溶液貯留部４０と液浸溶液タンク４１との間で循環される。

次に、図２（ｃ）に示すように、パターン露光が行なわれたレジスト膜２２に対して、ホットプレートにより１００℃の温度下で６０秒間加熱した後、２．３８ｗｔ％のテトラメチルアンモニウムハイドロキサイド現像液（アルカリ性現像液）により現像を行なうと、図２（ｄ）に示すように、レジスト膜２２の未露光部よりなり、０．０９μｍのライン幅を有するレジストパターン２２ａを得る。

このように、第１の実施形態に係るパターン形成方法によると、パターン露光時に、レジスト膜２２上に配される液浸溶液２１Ａは循環されて流動状態にあるため、露光中の液浸溶液２１Ａにおける露光光３３の照射部分と非照射部分とに生じる温度分布のばらつきが解消されて、該液浸溶液２１Ａの温度が均一化される。この液浸溶液２１Ａの温度の均一化により、液浸溶液２１Ａにおける屈折率のばらつきがなくなるので、フォーカス不良等の露光異常が防止されて、レジスト膜２２から良好な形状を有するレジストパターン２２ａを得ることができる。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図３は本発明の第２の実施形態に係る液浸リソグラフィによるパターン形成方法を実現する露光装置の要部の断面構成を模式的に示している。図３において、図１（ａ）に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。

図３に示すように、第２の実施形態に係る露光装置は、溶液貯留部４３をデイップ型の容器とし、さらに、該溶液貯留部４３の底面上に、貯留された液浸溶液２１Ｂを攪拌する攪拌機４４が露光を妨げない位置に設けられている。

以下、図３に示した露光装置を用いたパターン形成方法について図４（ａ）〜図４（ｄ）を参照しながら説明する。

ポリ（（ノルボルネン−5−メチレン-t-ブチルカルボキシレート）(50mol%)−（無水マレイン酸）(50mol%)）（ベースポリマー）…………………………………………………２ｇ
トリフルオロスルフォニウムトリフラート（酸発生剤）………………………０．０６ｇ
プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（溶媒）……………………２０ｇ
次に、図４（ａ）に示すように、基板２０の上に前記の化学増幅型レジスト材料を塗布して、０．３５μｍの厚さを持つレジスト膜２２を形成する。

次に、図４（ｂ）に示すように、レジスト膜２２と投影レンズ３１との間に、水よりなる液浸溶液２１Ｂを溶液貯留部４３に満たして、ＮＡが０．６８であるＡｒＦエキシマレーザよりなる露光光３３をマスク２３を介してレジスト膜２２に照射してパターン露光を行なう。ここで、図３に示すように、液浸溶液２１Ｂは、溶液貯留部４３に設けられた攪拌機４４により泡が発生しないように緩やかに攪拌される。

次に、図４（ｃ）に示すように、パターン露光が行なわれたレジスト膜２２に対して、ホットプレートにより１００℃の温度下で６０秒間加熱した後、２．３８ｗｔ％のテトラメチルアンモニウムハイドロキサイド現像液（アルカリ性現像液）により現像を行なうと、図４（ｄ）に示すように、レジスト膜２２の未露光部よりなり、０．０９μｍのライン幅を有するレジストパターン２２ａを得る。

このように、第２の実施形態に係るパターン形成方法によると、パターン露光時に、レジスト膜２２上に配される液浸溶液２１Ｂは緩やかに攪拌されて流動状態にあるため、露光中の液浸溶液２１Ｂにおける露光光３３の照射部分と非照射部分とに生じる温度分布のばらつきが解消されて、該液浸溶液２１Ｂの温度が均一化される。この液浸溶液２１Ｂの温度の均一化により、液浸溶液２１Ｂにおける屈折率のばらつきがなくなるので、フォーカス不良等の露光異常が防止されて、レジスト膜２２から良好な形状を有するレジストパターン２２ａを得ることができる。

（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図５は本発明の第３の実施形態に係る液浸リソグラフィによるパターン形成方法を実現する露光装置の要部の断面構成を模式的に示している。図５において、図３に示す構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付すことにより説明を省略する。

図５に示すように、第３の実施形態に係る露光装置は、溶液貯留部４５をデイップ型の容器とし、さらに、該溶液貯留部４５の側部には、液浸溶液２１Ｃを流入する流入口４５ａと、流入された液浸溶液２１Ｃを排出する排出口４５ｂとが設けられている。

以下、図５に示した露光装置を用いたパターン形成方法について図６（ａ）〜図６（ｄ）を参照しながら説明する。

ポリ（（ノルボルネン−5−メチレン-t-ブチルカルボキシレート）(50mol%)−（無水マレイン酸）(50mol%)）（ベースポリマー）…………………………………………………２ｇ
トリフルオロスルフォニウムトリフラート（酸発生剤）………………………０．０６ｇ
プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（溶媒）……………………２０ｇ
次に、図６（ａ）に示すように、基板２０の上に前記の化学増幅型レジスト材料を塗布して、０．３５μｍの厚さを持つレジスト膜２２を形成する。

次に、図６（ｂ）に示すように、レジスト膜２２と投影レンズ３１との間に、露光前に、水よりなる液浸溶液２１Ｃを溶液貯留部４５の流入口４５ａから該溶液貯留部４５に所定量よりも多めに注入する。続いて、露光を開始する直前又は開始するのとほぼ同時に、溶液貯留部４５の排出口４５ｂから液浸溶液２１Ｃを排出し始め、該液浸溶液２１Ｃを排出した状態で、ＮＡが０．６８であるＡｒＦエキシマレーザよりなる露光光３３をマスク２３を介してレジスト膜２２に照射してパターン露光を行なう。

次に、図６（ｃ）に示すように、パターン露光が行なわれたレジスト膜２２に対して、ホットプレートにより１００℃の温度下で６０秒間加熱した後、２．３８ｗｔ％のテトラメチルアンモニウムハイドロキサイド現像液（アルカリ性現像液）により現像を行なうと、図６（ｄ）に示すように、レジスト膜２２の未露光部よりなり、０．０９μｍのライン幅を有するレジストパターン２２ａを得る。

このように、第３の実施形態に係るパターン形成方法によると、パターン露光時に、レジスト膜２２上に配される液浸溶液２１Ｂは排出されて流動状態にあるため、露光中の液浸溶液２１Ｃにおける露光光３３の照射部分と非照射部分とに生じる温度分布のばらつきが解消されて、該液浸溶液２１Ｃの温度が均一化される。この液浸溶液２１Ｃの温度の均一化により、液浸溶液２１Ｃにおける屈折率のばらつきがなくなるので、フォーカス不良等の露光異常が防止されて、レジスト膜２２から良好な形状を有するレジストパターン２２ａを得ることができる。

なお、第３の実施形態において、パターン露光中に、溶液貯留部４５の流入口４５ａから液浸溶液２１Ｃを排出速度と同等かそれよりも小さい流入速度で流入してもよい。

また、第３の実施形態においては、液浸溶液２１Ｃをレジスト膜２２の上に供給する方法として、ディップ法を用いたが、第１の実施形態のようなバケット法、さらには、パドル（液盛り）法にも適用することができる。

また、第１の実施形態に係る溶液貯留部４０及び第３の実施形態に係る溶液貯留部４５にも、第２の実施形態に用いた攪拌機４４を設けてもよい。

また、露光光３３には、ＡｒＦエキシマレーザ光を用いたが、これに限られず、ＫｒＦエキシマレーザ光、Ｆ₂ レーザ光、ＫｒＡｒレーザ光又はＡｒ₂ レーザ光を用いることができる。

また、露光光源にＦ₂ レーザ等の真空紫外線を用いる場合には、液浸溶液にパーフルオロポリエーテルを用いるとよい。

本発明に係る露光装置及びパターン形成方法は、露光中の液浸溶液に生じる露光光の光のエネルギーによる温度のばらつきを解消することができるため、投影レンズのフォーカス不良等の露光異常を防止することができるので、良好な形状のレジストパターンを得ることができ、液浸リソグラフィ法を用いる露光装置及びパターン形成方法等として有用である。

（ａ）及び（ｂ）は本発明の第１の実施形態に係る露光装置の要部を示し、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は平面図である。本発明の第１の実施形態に係る露光装置を用いたパターン形成方法を示す工程順の断面図である。本発明の第２の実施形態に係る露光装置の要部を示す断面図である。本発明の第２の実施形態に係る露光装置を用いたパターン形成方法を示す工程順の断面図である。本発明の第３の実施形態に係る露光装置の要部を示す断面図である。本発明の第３の実施形態に係る露光装置を用いたパターン形成方法を示す工程順の断面図である。従来のパターン形成方法を示す工程順の断面図である。

符号の説明

１０チャンバー
２０ウェハ
２１Ａ液浸溶液
２１Ｂ液浸溶液
２１Ｃ液浸溶液
２２レジスト膜
２２ａレジストパターン
２３マスク
３０照明光学系
３１投影レンズ
３２ステージ
３３露光光
４０溶液貯留部（溶液供給部）
４０ａ流入口
４０ｂ排出口
４１液浸溶液タンク（溶液循環手段）
４２循環パイプ
４３溶液貯留部（溶液供給部）
４４攪拌機（溶液攪拌手段）
４５溶液貯留部（溶液供給部）
４５ａ流入口
４５ｂ排出口

Claims

基板の上にレジスト膜を形成する工程と、
ディップ型の貯留部において前記レジスト膜の上に液体を配した状態で、前記レジスト膜に対して前記液体を介して露光光を選択的に照射してパターン露光を行なう工程と、
パターン露光が行なわれた前記レジスト膜に対して現像を行なってレジストパターンを形成する工程とを備え、
前記パターン露光を行なう工程は、前記貯留部に貯留された前記液体を露光中に攪拌する工程を含み、
前記パターン露光を行なう工程において、露光中に前記液体を流動させることを特徴とするパターン形成方法。
前記パターン露光を行なう工程は、前記液体を露光中に排出する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載のパターン形成方法。
前記パターン露光を行なう工程は、新たな液体を前記レジスト膜の上に露光中に供給する工程を含むことを特徴とする請求項２に記載のパターン形成方法。
前記液体は水又はパーフルオロポリエーテルであることを特徴とする請求項１に記載のパターン形成方法。
前記露光光は、ＫｒＦエキシマレーザ光、ＡｒＦエキシマレーザ光、Ｆ₂レーザ光、Ｋｒ₂レーザ光、ＡｒＫｒレーザ光又はＡｒ₂レーザ光であることを特徴とする請求項１に記載のパターン形成方法。