(57)【要約】【課題】高アスペクトなパターンの形成が可能となる近接場露光によるレジストパターンの形成方法、及び該レジストパターンの形成方法を用いた基板の加工方法、デバイスの作製方法を提供する。【解決手段】近接場露光用マスクを基板上に形成したレジスト層に近接させ、該マスクの面側に光を照射した際に該マスクの微小開口から滲み出る近接場光を用いて露光し、前記レジスト層にマスクパターンを転写する近接場露光によるレジストパターンの形成方法において、前記基板上に、近接場光のしみ出し深さ以上の厚さのネガ型レジスト層を形成する工程と、前記ネガ型レジスト層を、前記近接場光を用いて露光する露光工程と、前記露光されたネガ型レジスト層を現像液で現像し、該ネガ型レジスト層の厚さよりも浅い領域にパターンを形成する現像工程と、を少なくとも有する構成とする。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
露光光の波長サイズ以下の微小開口を備えた遮光膜を有する露光用マスクを、基板上に配されたレジスト層に近接させ、前記露光用マスクを介して露光光を前記レジスト層に向けて照射することで、前記微小開口から近接場光をしみ出させ、前記近接場光を用いて前記レジスト層を露光し、前記レジスト層にマスクパターンを転写するレジストパターンの形成方法において、
前記基板上に、近接場光のしみ出し深さ以上の厚さのネガ型レジスト層を形成する工程と、
前記ネガ型レジスト層を、前記近接場光を用いて露光する露光工程と、
前記露光されたネガ型レジスト層を現像液で現像し、該ネガ型レジスト層の厚さよりも浅い領域にパターンを形成する現像工程と、
を少なくとも有することを特徴とする近接場露光によるレジストパターンの形成方法。
【請求項２】
前記露光工程において、所定の露光量により、前記近接場光のしみ出し深さまではマスクパターンを反映したパターンを形成し、該しみ出し深さより深い部分では近接場光から変換されて拡散した伝搬光で全面硬化させることを特徴とする請求項１に記載の近接場露光によるレジストパターンの形成方法。
【請求項３】
前記露光工程で露光した後、前記現像工程での現像前に、前記基板を加熱する加熱工程を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の近接場露光によるレジストパターンの形成方法。
【請求項４】
前記ネガ型レジストが、化学増幅型レジストであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の近接場露光によるレジストパターンの形成方法。
【請求項５】
請求項１〜４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パターンの形成されたレジスト層上に、酸素プラズマエッチング耐性を持つ層を形成する工程と、
前記パターンの形成部以外の酸素プラズマエッチング耐性を持つ層をエッチバックにより除去する工程と、
前記パターンの形成部に残存した酸素プラズマエッチング耐性を持つ層をマスクとして、前記レジスト層を酸素プラズマエッチングで除去する工程と、
を有することを特徴とする近接場露光によるレジストパターンの形成方法。
【請求項６】
前記酸素プラズマエッチング耐性を持つ層が、シリコン原子またはチタン原子を含有することを特徴とする請求項５に記載の近接場露光によるレジストパターンの形成方法。
【請求項７】
前記酸素プラズマエッチング耐性を持つ層を形成する工程の前に、基板を加熱する工程を有することを特徴とする請求項５または請求項６に記載の近接場露光によるレジストパターンの形成方法。
【請求項８】
前記酸素プラズマエッチング耐性を持つ層が、ゾルゲル法により形成されることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の近接場露光によるレジストパターンの形成方法。
【請求項９】
請求項５〜８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形成された基板を、ドライエッチング、ウエットエッチング、金属蒸着、リフトオフまたはめっき、等を行って前記基板を加工する工程、を有することを特徴とする基板の加工方法。
【請求項１０】
デバイスの設計に基づいたパターンを形成した露光用マスクを用意する工程と、
デバイス作製用の基板上に請求項９に記載の基板の加工方法によりパターンを形成する工程と、
を有するデバイスの作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近接場露光によるレジストパターンの形成方法、及び該レジストパターンの形成方法を用いた基板の加工方法、デバイスの作製方法に関し、特にネガ型レジストによるレジストパターンの形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体デバイスを始めとする微細加工を必要とする各種電子デバイスの分野では、デバイスの高密度化、高集積化の要求がますます高まっており、これらの要求を満たすには、パターンの微細化が必須となってきている。そして半導体デバイス製造工程で、微細パターン形成に重要な役割を果たしているのが、フォトリソグラフィ工程である。
【０００３】
現在のフォトリソグラフィ工程は、縮小投影露光で行われているが、その解像度は光の回折限界で制約され、光源の波長の３分の１程度である。このため、露光光源にエキシマレーザを用いるなど短波長化がはかられ、１００ｎｍ程度の微細加工が可能となっている。
このように、微細化が進むフォトリソグラフィであるが、光源の短波長化に伴い、装置の大型化、その波長域でのレンズの開発、装置のコスト、あるいはそれらに対応するレジストのコストなど、解決すべき課題が数多く浮上してきている。
【０００４】
このような課題に対して、近年、０．１μｍ以下の微細加工を可能にする手段として近接場光学顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｎｅａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＮＯＭ）の原理を用いたもの（特許文献１）や、光源波長より狭い開口が形成された遮光体を有するフォトマスクから滲み出る近接場光を用いたものが提案された（特許文献２）。
例えば、特許文献１では、マスク面の法線方向に弾性変形可能なマスクをレジストに密着させ、マスク面に形成した１００ｎｍ以下の大きさの微小開口パターンから滲み出す近接場光を用いて被露光物に光の波長限界を越える局所的な露光を行う近接場露光装置が提案されている。この近接場光リソグラフィによれば、光の回折限界の制約を受けずにナノメータオーダの空間分解能を得ることができる。
【特許文献１】特開平７−１０６２２９号公報
【特許文献２】特開平１１−１４５０５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献２の波長サイズ以下の微小開口を遮光膜に形成したマスクを像形成層に近接させ、光を照射した際に該微小開口から滲み出る近接場光を用いて露光する近接場光リソグラフィにおいては、近接場光は微小開口からの距離に対して指数関数的に強度が減少する。したがって、レジストの現像コントラストを得るために必要な光強度コントラストの得られる深さが浅くなる傾向にある。このため、従来の単層レジストプロセスではアスペクト比が不足する場合が生じ、より高アスペクトなパターン形成が求められていた。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みて、高アスペクトなパターンの形成が可能となる近接場露光によるレジストパターンの形成方法、及び該レジストパターンの形成方法を用いた基板の加工方法、デバイスの作製方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、以下のように構成した近接場露光によるレジストパターンの形成方法、及び該レジストパターンの形成方法を用いた基板の加工方法、デバイスの作製方法を提供するものである。
すなわち、本発明のレジストパターンの形成方法は、露光光の波長サイズ以下の微小開口を備えた遮光膜を有する露光用マスクを、基板上に配されたレジスト層に近接させ、前記露光用マスクを介して露光光を前記レジスト層に向けて照射することで、前記微小開口から近接場光をしみ出させ、前記近接場光を用いて前記レジスト層を露光し、前記レジスト層にマスクパターンを転写するレジストパターンの形成方法において、前記基板上に、近接場光のしみ出し深さ以上の厚さのネガ型レジスト層を形成する工程と、前記ネガ型レジスト層を、前記近接場光を用いて露光する露光工程と、前記露光されたネガ型レジスト層を現像液で現像し、該ネガ型レジスト層の厚さよりも浅い領域にパターンを形成する現像工程と、を少なくとも有することを特徴としている。
また、本発明のレジストパターンの形成方法は、上記したレジストパターンの形成方法によりパターンの形成されたレジスト層上に、酸素プラズマエッチング耐性を持つ層を形成する工程と、前記パターンの形成部以外の酸素プラズマエッチング耐性を持つ層をエッチバックにより除去する工程と、前記パターンの形成部に残存した酸素プラズマエッチング耐性を持つ層をマスクとして、前記レジスト層を酸素プラズマエッチングで除去する工程と、を有することを特徴としている。
また、本発明の基板の加工方法は、上記した酸素プラズマエッチング耐性を持つ層によるレジストパターンの形成方法によって形成された基板を、ドライエッチング、ウエットエッチング、金属蒸着、リフトオフまたはめっき、等を行って前記基板を加工する工程、を有することを特徴としている。
また、本発明のデバイスの作製方法は、デバイスの設計に基づいたパターンを形成した露光用マスクを用意する工程と、デバイス作製用の基板上に上記した基板の加工方法によりパターンを形成する工程と、を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ネガ型レジストを用いた近接場光リソグラフィによって、高アスペクトなパターンの形成が可能となる近接場露光によるレジストパターンの形成方法、及び該レジストパターンの形成方法を用いた基板の加工方法、デバイスの作製方法を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態におけるネガ型レジストを用いた近接場露光によるレジストパターンの形成方法について説明する。
ここで、被加工基板としては、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ等の半導体基板や、ガラス、石英、ＢＮなどの絶縁性基板、またはこれらの基板上にレジスト、金属、酸化物、窒化物など１種類あるいは複数種類を成膜したものなど、広い範囲のものを使用することができる。
また、ネガ型レジストとしては、例えば酸触媒縮合架橋（化学増幅）型、光カチオン重合型、光ラジカル重合型、ポリヒドロキシスチレン−ビスアジド型、環化ゴム−ビスアジド型、ポリケイ皮酸ビニル型、等が挙げられる。感度の観点からは酸触媒縮合架橋型が特に好ましい。
【００１０】
前記レジストの塗布は、スピンコータ、ディップコータ、ローラコータなどのような公知の塗布装置、方法を使用して行うことができる。膜厚は、下地基板の加工深さと、前記レジストのプラズマエッチ耐性及び近接場光の強度プロファイル等を鑑みて、総合的に決定される。通常、プリベーク後で５０〜３００ｎｍとなるように塗布するのが望ましい。
【００１１】
さらに、前記レジストの塗布前に、プリベーク後膜厚を薄くすることを目的として、レジストにベンジルエチルエーテル、ジ−ｎ−ヘキシルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、アセトニルアセトン、イソホロン、カプロン酸、カプリル酸、１−オクタノール、１−ノナノール、ベンジルアルコール、酢酸ベンジル、安息香酸エチル、シュウ酸ジエチル、マレイン酸ジエチル、γ−ブチロラクトン、炭酸エチレン、炭酸プロピレン、エチレングリコールモノフェニルエーテルアセテート等の高沸点溶剤を１種以上添加することもできる。
前記レジストの塗布膜は、８０〜１５０℃、好ましくは８０〜１１０℃でプリベークされる。プリベークにはホットプレート、熱風乾燥機などの加熱手段を用いることができる。
【００１２】
つぎに、図１の模式図を用いて、本実施の形態における近接場マスク露光によるレジストパターンの形成方法について説明する。
まず、ネガ型レジストを、被加工基板上に近接場光のしみ出し深さ以上の厚さで形成する。
つぎに、近接場露光用マスクとして、マスク母材１０２上に、微小開口を有する遮光膜１０３が形成されているものを用い、この遮光膜１０３とネガ型レジスト層１０４とを、近接場光が存在する領域まで近接させる。
マスク母材１０２へ、遮光膜１０３とは反対側から露光光１０１を照射すると、微小開口付近に近接場光が発生する。露光光の光源としては、公知の光源、例えば、カーボンアーク灯、水銀蒸気アーク灯、高圧水銀灯、キセノンランプ、ＹＡＧレーザ、Ａｒイオンレーザ、半導体レーザ、Ｆ２エキシマレーザ、ＡｒＦエキシマレーザ、ＫｒＦエキシマレーザ、可視光、などが用いられる。これら光源は１つまたは複数で使用できる。
【００１３】
この近接場光によってネガ型レジスト層１０４中に潜像を形成する（図１（Ａ））。
その後、必要に応じて露光後加熱を行う。露光後加熱を行う場合は８０〜１５０℃で行う。これを現像することにより、ネガ型レジスト層１０４に図１（Ｂ）のようなパターンが形成される。
【００１４】
ここで、図１（Ｂ）のようなパターンが形成される理由について、図２の近接場マスク露光における光強度プロファイルの模式図を用いて説明する。
遮光膜の開口部直下には最大１００ｎｍ程度の深さまでしみ出す近接場光２０４が発生する。発生した近接場光は再び伝搬光２０５に変換され、近接場光が到達し得ないレジスト膜下部にも到達する。この伝搬光２０５は露光光２０１よりも指向性が弱いため、遮光膜の下部にも到達する。一方、遮光膜直下においては、隣り合う開口から導波する表面プラズモンの位相がπずれる擬似位相シフト効果のため、必ず暗部が生じる。
【００１５】
このため、ネガ型レジストの近接場マスク露光において、露光時間を適切に設定することで、近接場パターン領域２０３において遮光膜直下だけが硬化せずに現像液に溶解し、図１（Ｂ）のようなパターンが形成される。つまり、近接場光のしみ出し深さまではマスクパターンを反映したパターンが形成され、このしみ出し深さより深い部分では近接場光から変換されて拡散した伝搬光２０５で全面硬化され、図１（Ｂ）のようなパターンが形成されることになる。
【００１６】
以下、上記のようにしてレジスト層上部に形成されたパターンを、高アスペクト化するプロセスについて説明する。
まず、パターンが形成されたレジスト層上に、酸素プラズマエッチング耐性膜を形成する図１（Ｃ）。
酸素プラズマエッチング耐性膜の厚さは、レジストパターンの段差が十分に被覆される厚さとする。
酸素プラズマエッチング耐性膜としては、レジストよりも酸素プラズマエッチング耐性が高いものなら全て適用可能だが、ＳｉＯ2などのＳｉ化合物及び、ＴｉＯ2が特に好ましい。酸素プラズマエッチング耐性膜の成膜方法としては、ゾルゲル法、スパッタ、ＣＶＤなどの方法が挙げられる。
ゾルゲル法を用いて酸素プラズマエッチング耐性膜を形成する場合、ネガ型レジストの耐溶剤性を向上させるために１１０〜２５０℃で加熱することが好ましい。
【００１７】
次に、酸素プラズマエッチング耐性膜のエッチバックを行ない、レジストパターン凹部以外の酸素プラズマエッチング耐性膜を除去し、図１（Ｄ）のような構造を得る。
エッチバックの深さとしては、図１（Ｃ）中に示したｔ１以上ｔ２以下の深さで、ｔ１にできるだけ近い深さとする。
エッチバックにはウエットエッチング、ドライエッチングが適用できるが、ドライエッチングの方が微細パターン形成に適しており、より好ましい。
ウエットエッチング剤としては、エッチング対象に応じてフッ酸水溶液、フッ化アンモニウム水溶液、リン酸水溶液、酢酸水溶液、硝酸水溶液、硝酸セリウムアンモニウム水溶液等を挙げることができる。
ここで、ドライエッチング用ガスとしては、ＣＨＦ3、ＣＦ4、Ｃ2、Ｆ6、ＳＦ6、ＣＣｌ4  、ＢＣｌ3、Ｃｌ2、ＨＣｌ、Ｈ2、Ａｒ、等を挙げることができ、必要に応じてこれらのガスを組み合わせて使用される。
【００１８】
エッチバックの後、残存した酸素プラズマエッチング耐性層をマスクとしてレジスト層の酸素プラズマエッチングを行ない、図１（Ｅ）のようなレジストパターンを形成する。
酸素プラズマエッチングに使用する酸素含有ガスとしては、例えば、酸素単独、酸素とアルゴン等の不活性ガスとの混合ガス、または酸素と一酸化炭素、二酸化炭素、アンモニア、一酸化二窒素、二酸化硫黄などとの混合ガスを用いることができる。
以上のようにして形成されたレジストパターンをマスクとしてドライエッチング、ウエットエッチング、金属蒸着、リフトオフまたはめっきすることで基板を加工し、所望のデバイスを製造することができる。
【００１９】
上記のような基板の加工方法を用いて、例えば、（１）半導体デバイス、（２）５０ｎｍサイズのＧａＡｓ量子ドットを５０ｎｍ間隔で２次元に並べた構造製造に用いることによる量子ドットレーザー素子、（３）５０ｎｍサイズの円錐状ＳｉＯ2構造をＳｉＯ2基板上に５０ｎｍ間隔で２次元に並べた構造製造に用いることによる光反射防止機能を有するサブ波長素子（ＳＷＳ）構造、（４）ＧａＮや金属からなる１００ｎｍサイズの構造を１００ｎｍ間隔で２次元に周期的に並べた構造製造に用いることによるフォトニック結晶光学デバイス、プラズモン光学デバイス、（５）５０ｎｍサイズのＡｕ微粒子をプラスティック基板上５０ｎｍ間隔で２次元に並べた構造製造に用いることによる局在プラズモン共鳴（ＬＰＲ）や表面増強ラマン分光（ＳＥＲＳ）を利用したバイオセンサやマイクロトータル解析システム（μＴＡＳ）、（６）トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡、近接場光学顕微鏡等の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）に用いられる５０ｎｍ以下のサイズの尖鋭な構造製造に用いることによるＳＰＭプローブ等のナノエレクトロメカニカルシステム（ＮＥＭＳ）素子等の具体的素子を製造することができる。
【実施例】
【００２０】
以下に、本発明の実施例について説明する。
本実施例は、上記した本発明の実施の形態のレジストパターンの形成方法を適用した具体例であり、これらを図１を用いて説明する。
まず、シリコン基板上に、ポリヒドロキシスチレンとメラミン樹脂を主成分とするネガ型レジストをスピンコータにて、プリベーク後の膜厚が１５０ｎｍとなるように塗布する。その後、ホットプレート上で９０℃６０秒の条件でプリベークを行なう。
【００２１】
マスクとして、シリコン基板に支持された窒化シリコン薄膜からなるマスク母材の上に蒸着したＣｒ層に、ＥＢ描画装置で転写元微細パターンである遮光膜を形成したフォトマスクを用いる。このマスクの開口幅は露光波長の２分の１以下とする。上記フォトマスクを、図１（Ａ）のように基板上の像形成用フォトレジスト層の全面にわたって接近させた状態で、ｉ線バンドパスフィルタを適用した水銀灯からの光を照射することで露光する。これをホットプレート上で１１０℃６０秒の条件で露光後加熱を行い、室温にまで冷却した後、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド２．３８％水溶液で現像し、フォトマスクと同じピッチをもつ深さ約５０ｎｍのレジストパターンを得る。
【００２２】
この基板をホットプレート上で２００℃１０分の条件で加熱した後、水素化シルセスキオキサンの１０重量％メチルイソブチルケトン溶液を、レジスト上にスピンコータにて塗布する。その後、この基板をホットプレート上で１１０℃９０秒加熱する。平坦なＳｉ基板上で約１００ｎｍ程度の厚さとなる条件で塗布することで、レジストパターンの約５０ｎｍの段差から影響をほとんど受けずに平坦な表面をもつ耐酸素プラズマエッチング層が形成される。
【００２３】
次にこの基板を、ＣＨＦ3ガスにより水素化シルセスキオキサン層を約１００ｎｍドライエッチングし、図１（Ｄ）のような構造を得る。
その後、パターンの凹部に残存した水素化シルセスキオキサン膜をマスクとして酸素プラズマエッチングを行うことで、図１（Ｅ）のような高さ１５０ｎｍのレジストパターンを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態におけるネガ型レジストを用いた近接場露光によるレジストパターンの形成方法の模式図。
【図２】本発明の実施の形態を説明する近接場マスク露光における光強度プロファイルの模式図。
【符号の説明】
【００２５】
１０１：露光光
１０２：マスク母材
１０３：遮光膜
１０４：ネガ型レジスト
１０５：基板
【図１】
2006013216.tif 000003
【図２】
2006013216.tif 000004