(57)【要約】【課題】レジスト膜上にナノメータサイズのパターニングを施す。【解決手段】レジスト膜２２を構成する分子間の共鳴エネルギーに相当する光の波長よりも長いいわゆる非共鳴光をフォトマスク１３に対して照射し、当該フォトマスク１３に描かれた回路パターンに基づき、ナノメータサイズの領域に近接場光を発生させ、発生させた近接場光によりレジスト膜２２を感光させることにより、回路パターンをレジスト膜２２上に転写したレジストパターンを形成する。このレジストパターンに基づいてデバイスの微細加工も実現することができる。【選択図】  図２
2004235574.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトマスクに描かれた回路パターンを試料の表面に塗布したレジスト膜上に転写するレジストパターン形成方法において、
フォトマスクに対して、上記レジスト膜を構成する分子間の共鳴エネルギーに基づく波長より長い光を照射することにより、上記回路パターンに応じた局所領域に近接場光を発生させ、
上記発生させた近接場光により上記レジスト膜を感光させること
を特徴とするレジストパターン形成方法。
【請求項２】
上記レジスト膜に接触させたフォトマスクに対して光を照射すること
を特徴とする請求項１記載のレジストパターン形成方法。
【請求項３】
さらに上記照射する光の上記フォトマスクに対する入射角度及び／又は偏光方向を制御すること
を特徴とする請求項１記載のレジストパターン形成方法。
【請求項４】
フォトマスクに描かれた回路パターンを、材料の表面に塗布したレジスト膜上に転写する光リソグラフィ工程を有するデバイスの作製方法において、
上記光リソグラフィ工程では、フォトマスクに対して、上記レジスト膜を構成する分子間の共鳴エネルギーに基づく波長より長い光を照射することにより、上記回路パターンに応じた局所領域に近接場光を発生させ、上記発生させた近接場光により上記レジスト膜を感光させること
を特徴とするデバイスの作製方法。
【請求項５】
上記レジスト膜に接触させたフォトマスクに対して光を照射すること
を特徴とする請求項４記載のデバイスの作製方法。
【請求項６】
さらに上記照射する光の上記フォトマスクに対する入射角度及び／又は偏光方向を制御すること
を特徴とする請求項４記載のデバイスの作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトマスクに描かれた回路パターンを、試料の表面に塗布されたレジスト膜上に転写するレジストパターン形成方法、かかる工程を有するデバイスの作製方法につき、特にナノメータサイズのパターニングを実現することに好適なレジストパターン形成方法、デバイスの作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年において、集積回路（ＩＣ）の出現から、大規模集積回路（ＬＳＩ）へと集積度の向上が進み、回路パターンにおける設計寸法につき更なる制約が課され、半導体製造プロセスにおける微細加工の研究が盛んに行われている。
【０００３】
光リソグラフィは、かかる微細加工の一手段であり、シリコン酸化膜等の基板表面にレジスト膜を形成し、集積回路パターンの描かれたマスクを介して露光することにより当該パターンを転写し、さらにこれを現像して得られたレジストパターンに基づき基板にエッチング等の加工を行う方法である（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
図６は、光リソグラフィの概略を説明するための図である。先ずステップＳ５１において、被加工膜７２を形成した基板７１上にレジスト等の有機感光樹脂
をスピンナーを用いて塗布し、均一なレジスト膜７３を形成する。このレジスト膜７３を加熱乾燥させた後に、ステップＳ５２へ移行し、集積回路パターンが描かれたマスク７４を基板７１に重ね合わせる。
【０００５】
次にステップＳ５３へ移行し、後述する露光装置を用いて、上記フォトマスク７４に描かれた集積回路パターンを基板７１上のレジスト膜７３へ転写する。すなわち、集積回路パターンの描かれたマスクを介して露光することにより、レジスト膜７３に対して光化学反応を起こさせる。
【０００６】
次に、ステップＳ５４へ移行し、レジスト膜７３を現像液を用いて現像することにより、レジストパターンを形成する。上記レジスト膜７３が、アルカリ水溶液からなる現像液に対して感光部が可溶化するポジ型のレジスト膜である場合には、かかる感光部につき現像液を用いて取り除くことができる。
【０００７】
このようにして形成したレジストパターンを、次のステップＳ５５において、いわゆるエッチングマスクとして被加工膜７２をエッチングし、さらにステップＳ５６においてレジスト膜７３を剥離することにより、一連のリソグラフィ工程が終了することになる。
【０００８】
また図７は、集積回路パターンの転写に用いる露光装置の原理的な構成図である。
【０００９】
この露光装置８は、光を出射する光源８１と、光源８１から出射された光を集光する照明光学系８２と、集積回路パターンが描かれたフォトマスク８３と、フォトマスク８３を透過した光を基板７１に結像させる投影光学系８４とを備えている。
【００１０】
フォトマスク８３に描かれた集積回路パターンは、照明光学系８２を介して照明され、その透過光のみが投影光学系８４により結像される。その結果、基板７１上に形成されているレジスト膜７４は、かかる集積回路パターンの像に対応して感光することになる。
【００１１】
【非特許文献１】
Ｎ．Ｓｈｉｒａｉｓｈｉ，ｅｔ  ａｌ．：Ｐｒｏｃ．  ＳＰＩＥ，  Ｖｏｌ．１６７４，ｐ．７４１（１９９２）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年進んでいる光情報通信の大容量化に伴い、半導体デバイスの更なる高集積化、高密度化を図るべく、ナノメータサイズの集積回路パターンを形成する必要がある。通常、このような超微細なパターニングを実現するためには、上述した光源８１の代替として真空紫外光源やＸ線光源を用いることにより、短波長の光をレジスト膜７４上に照射する必要がある。
【００１３】
しかしながら、真空紫外光源やＸ線光源を用いる場合には、既存の光リソグラフィに用いる露光装置に新たな光源や光部品を付加する必要があるため、ユーザの労力の負担が増大し、またシステム全体のコストを抑えることができないという問題点がある。
【００１４】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、ユーザによる労力の負担を解消し、さらにシステム全体のコスト削減を図るべく、既存の露光装置をそのまま適用することにより、レジスト膜上にナノメータサイズのパターニングを施すことができるレジストパターン形成方法、及びかかる工程を有するデバイスの作製方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明を適用したレジストパターン形成方法は、上述の課題を解決するために、フォトマスクに描かれた回路パターンを試料の表面に塗布したレジスト膜上に転写するレジストパターン形成方法において、フォトマスクに対してレジスト膜を構成する分子間の共鳴エネルギーに基づく波長より長い光を照射することにより、回路パターンに応じた局所領域に近接場光を発生させ、発生させた近接場光により上記レジスト膜を感光させる。
【００１６】
このレジストパターンの形成方法では、レジスト膜を構成する分子間の共鳴エネルギーに相当する光の波長よりも長いいわゆる非共鳴光をフォトマスクに対して照射し、当該フォトマスクに描かれた回路パターンに基づき、ナノメータサイズの領域に近接場光を発生させ、発生させた近接場光によりレジスト膜を感光させる。
【００１７】
また、本発明を適用したデバイスの作製方法は、上述の課題を解決するために、フォトマスクに描かれた回路パターンを、材料の表面に塗布したレジスト膜上に転写する光リソグラフィ工程を有するデバイスの作製方法において、光リソグラフィ工程では、フォトマスクに対してレジスト膜を構成する分子間の共鳴エネルギーに基づく波長より長い光を照射することにより回路パターンに応じた局所領域に近接場光を発生させ、発生させた近接場光によりレジスト膜を感光させる。
【００１８】
このデバイスの作製方法では、レジスト膜を構成する分子間の共鳴エネルギーに相当する光の波長よりも長いいわゆる非共鳴光をフォトマスクに対して照射し、当該フォトマスクに描かれた回路パターンに基づき、ナノメータサイズの領域に近接場光を発生させ、発生させた近接場光によりレジスト膜を感光させる光リソグラフィ工程を有する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
先ず、本発明に係るレジストパターン形成方法を実現するための露光システム１につき、図１を参照して詳細に説明する。
【００２０】
露光システム１は、光を出射するための光源１１と、光源１１から出射された光を集光する照明光学系１２と、集積回路パターンが描かれたフォトマスク１３とを備えている。また、この露光システム１には、例えばシリコン酸化膜等で構成され、表面にレジスト膜２２が形成された基板２１が、フォトマスク１３に接触するように配設される。
【００２１】
光源１１は、図示しない駆動電源による制御に基づき、約６８４ｎｍの波長の光を出射するパルス光源である。ちなみに、この光の波長は、レジスト膜２２を構成する分子が感光する波長より長ければ、換言すれば、レジスト膜を構成する分子間の共鳴エネルギーに相当する光の波長より長い、いわゆる非共鳴光であればよい。ちなみにこの光源１１の周囲には、図示しない冷却装置から送出される冷却媒体を循環させてもよい。
【００２２】
照明光学系１２は、偏光レンズを有し、光源１１から出射された光の偏光方向を、集積回路パターンの座標や方向に基づき制御する。また、この照明光学系１２は、焦束レンズを有し、フォトマスク１３上に照射するビーム径やビーム形状を制御する。また照明光学系１２は、光源１１と相俟って、フォトマスク１３に対する光の入射角度を制御する。
【００２３】
フォトマスク１３は、光を遮蔽するＣｒ薄膜を集積回路パターンに応じて形成した石英ガラス板からなり、上述した照明光学系１２によりビーム径等が制御された光が照射される。このフォトマスク１３において、Ｃｒ薄膜が形成されている領域に照射される光は遮蔽され、またＣｒ薄膜が形成されていない領域を透過した光は、そのままレジスト膜２２を照明することになる。すなわち、この集積回路パターンを予め描いたフォトマスク１３に、上述の如く光を照射することにより、当該パターンをレジスト膜２へ転写することができる。
【００２４】
なお、この露光システム１では、フォトマスク１３と、前工程のおける集積回路パターンとの間で容易にマスク合わせを行うために、高精度ステージや干渉系による位置決め機構、さらにはアライメントマーク読み取り光学系等を備えるようにしてもよい。
【００２５】
レジスト膜２２は、光に感応して化学反応を起こす有機感光樹脂である。このレジスト膜２２として、光の照射された領域につき、重合，架橋して現像液に不溶になるネガ型、又は、光の照射された領域につき分解して現像液に対して可溶になるポジ型のいずれを適用してもよい。
【００２６】
次に本発明を適用したレジストパターン形成方法を含む光リソグラフィ工程につき図２を用いて詳細に説明をする。
【００２７】
先ずステップＳ１１において、基板２１上にレジスト膜２２を形成する。このレジスト膜２２の形成には、例えばスピンナー法を採用してもよい。このスピンナー法では、レジストの粘度、固形分含有量及び溶剤の蒸発速度を参照しつつ、スピンナーの回転数を制御することにより、所望の膜厚を得ることができる。ちなみに、レジスト膜２２の形成後、膜中に含まれている溶剤を除去すべくプリベークを行う。
【００２８】
次にステップＳ１２に移行し、基板２１に対するフォトマスク１３の重ね合わせを実行する。このステップＳ１２において、レジスト膜２２が塗布された基板２１とフォトマスク１３とが密着させるようにすることで、発生させた近接場光がレジスト膜２２に到達するようになる。なお、このステップＳ１２において、レジスト膜２２が塗布された基板２１とフォトマスク１３との間隔につき、照射する光の波長に基づき決定してもよい。
【００２９】
次にステップＳ１３へ移行し、照明光学系１２からフォトマスク１３へ光を照射する。ちなみに、このレジストパターン形成方法において照射する光は、いわゆる非共鳴光であるため、レジスト膜２２は、フォトマスク１３を透過した光により直接的に感応せず、化学変化することない。
【００３０】
しかしながら、後述するメカニズムにより、集積回路パターンのエッジ部分において、非共鳴の近接場光が発生する。そして、この近接場光にレジスト膜２２が感応する結果、当該集積回路パターンに応じた局所領域において化学反応が進行することになる。
【００３１】
次にステップＳ１４へ移行し、レジスト膜２２を現像液を用いて現像することにより、レジストパターンを形成する。レジスト膜２２が、仮にポジ型である場合には、かかる近接場光に感応した領域につき現像液を用いて取り除くことができる。ちなみに、現像を終了させた後に、レジスト膜２２と基板２１との密着性を向上させるべく、ポストべークを行うようにしてもよい。
【００３２】
このようにして形成したレジストパターンを、次のステップＳ１５において、いわゆるエッチングマスクとして基板２１をエッチングし、さらにステップＳ１６においてレジスト膜２２を剥離することにより、一連の光リソグラフィ工程が終了することになる。
【００３３】
図３は、レジスト膜２２を構成する各分子における原子核間距離に対するポテンシャルエネルギーの関係を示している。通常の露光では、ポジ型のレジスト膜２２を構成する分子に対して、基底準位と励起準位とのエネルギー差Ｅａに相当する帯域の光（以下、この光を共鳴光という。）を照射することにより、励起準位へ励起させる。この励起準位は、解離エネルギーＥｂを越えているため、点線矢印で示される方向へ分子を光解離させることができる。
【００３４】
ちなみに本発明において、レジスト膜２２を構成する分子は、上述の如く非共鳴の近接場光を受け、複数回の光吸収による励起（多段階遷移過程）を経て解離する。例えば図３に示すように、レジスト膜２２を構成する分子は、Ｅａに相当する光の波長より長い非共鳴光を受光して分子軌道準位へ一度励起し、次にこの分子軌道準位より高準位の分子軌道準位へ励起して、３回目の光吸収による励起により励起準位へ、若しくは分子解離軌道準位へ励起させることができる。
【００３５】
このように、分子振動を励起させることができる理由は、近接場光が照射されることにより、ボルン・オッペンハイマー近似が破れ、分子の振動レベルへの直接的な励起が生じているためである。
【００３６】
図４はかかる励起について調和振動子モデルを用いて説明するための図である。この図４において分子Ｂ１、Ｂ２は、レジスト膜２２を構成する分子であり、また電子Ａ１、Ａ２は、各分子Ｂ１、Ｂ２と互いに対になる電子である。
【００３７】
レジスト膜２２に照射する近接場光の振幅分布は空間的に異なるため、原子Ａ１、Ａ２の振動状態も互いに異なる。例えば、互いに近接場光を受けた電子Ａ１の振幅が電子Ａ２の振幅よりも長い場合には、図４に示す各タイミングｔ１〜ｔ３のうち、特にタイミングｔ１，ｔ３において、電子間の距離が長くなる。かかるタイミングにおいて、電子Ａ１と電子Ａ２との引力が大きくなるため、各電子Ａ１，Ａ２と対になる分子Ｂ１，Ｂ２の距離も接近することになる。
【００３８】
すなわち、このような空間的に振幅の異なる非共鳴の近接場光をレジスト膜２２へ照射することにより、電子Ａ１，Ａ２のみならず、分子Ｂ１，Ｂ２の距離も周期的に変化させることにより、図中矢印方向へ振動させることができる。これにより、分子Ｂ１、Ｂ２を分解させて、これらを励起準位へ、若しくは分子解離軌道準位へ励起させることができる。
【００３９】
図５は、上述した光リソグラフィ工程を経てパターニングした基板２１を示している。幅１０μｍのＣｒ薄膜が形成されたフォトマスク１３に光を照射すると、かかるＣｒ薄膜のエッジ部分においてそれぞれ近接場光が発生する。その結果、基板２１は、かかる近接場光が発生したナノメータサイズの領域につき選択的にエッチングされ、最終的に、幅約３０〜５０ｎｍ、深さ約５０ｎｍの溝が形成されることになる。
【００４０】
すなわち、本発明に係るレジストパターン形成方法を適用することにより、集積回路パターンに応じたナノメータサイズの領域に非共鳴の近接場光を発生させることができるため、当該発生させた近接場光に応じてナノメータサイズのレジストパターンを形成することができ、基板２１の超微細加工も可能となる。
【００４１】
特に本発明では、既存の光リソグラフィに用いる露光装置を、光源１１の波長を変えることでそのまま適用することができるため、例えば真空紫外光源やＸ線光源等の他光源と交換する必要もなく、ユーザの労力の負担を解消することができ、システム全体のコストを大幅に削減することができる。
【００４２】
近接場光の発生する領域は、あくまで集積回路パターンに基づくものである。このため、集積回路パターンを近接場が発生し易い形状に設計することにより、レジスト膜２２上において、さらに幅３０ｎｍ以下の溝を含むレジストパターンを形成することも可能となる。
【００４３】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではない。近接場光の発生する領域は、フォトマスク１３に対して照射する光の角度及び／又は偏向方向に依存するため、さらに照明光学系１２等を制御することによりこれらを調整してもよい。また、近接場光に感応して化学反応するか否かは、使用するレジストの種類に依存するため、設計した集積回路パターンとの関係においてレジストを選択するようにしてもよい。
【００４４】
また、本発明では、基板２１とフォトマスク１３とを接触させるコンタクト露光方式、或いは基板２１とフォトマスク１３との間で１０〜２０μｍの間隙を設けるプロキシミティー露光方式を例にとり説明をしたが、かかる方式に限定されるものではなく、例えば、フォトマスク１３を透過した光を基板２１に結像させるための投影光学系を設けてもよい。
【００４５】
また、本発明は、光リソグラフィ工程におけるレジストパターン形成方法に限定されるものではなく、この光リソグラフィ工程を有するデバイスの作製方法に適用してもよいことは勿論である。
【００４６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明を適用したレジストパターンの形成方法、デバイスの作製方法では、レジスト膜を構成する分子間の共鳴エネルギーに相当する光の波長よりも長いいわゆる非共鳴光をフォトマスクに対して照射し、当該フォトマスクに描かれた回路パターンに基づき、ナノメータサイズの領域に近接場光を発生させ、発生させた近接場光によりレジスト膜を感光させる。
【００４７】
これにより、本発明では、発生させた近接場光に応じてナノメータサイズのレジストパターンを形成することができ、基板の超微細加工も可能となる。特に本発明では、既存の光リソグラフィに用いる露光装置を、光源の波長を変えることでそのまま適用することができるため、他光源と交換する必要もなく、ユーザの労力の負担を解消することができ、システム全体のコストを大幅に削減することができる。
【００４８】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレジストパターン形成方法を実現するための露光システムの構成図である。
【図２】本発明を適用したレジストパターン形成方法を含むリソグラフィ工程を示すフローチャートである。
【図３】レジスト膜を構成する各分子における原子間距離に対するポテンシャルエネルギーの関係を示す図である。
【図４】レジスト膜を構成する分子の励起について調和振動子モデルを用いて説明するための図である。
【図５】光リソグラフィ工程を経てパターニングした基板を示す図である。
【図６】光リソグラフィの概略を説明するための図である。
【図７】集積回路パターンの転写に用いる露光装置の原理的な構成図である。
【符号の説明】
１  露光システム、１１  光源、１２  照明光学系、１３  フォトマスク、２１  基板、２２  レジスト膜
【図１】
2004235574.tif 000003
【図２】
2004235574.tif 000004
【図３】
2004235574.tif 000005
【図４】
2004235574.tif 000006
【図５】
2004235574.tif 000007
【図６】
2004235574.tif 000008
【図７】
2004235574.tif 000009