(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を処理する方法であって、
基板を受け取るステップであって、前記基板が、
前記基板上の下層と、
前記下層上の感放射線性材料層と
を含み、前記感放射線性材料層が、
前記感放射線性材料層中の酸の生成を第１の酸濃度に制御し、かつ前記感放射線性材料層中の光増感剤分子の生成を制御する第１の光波長活性化閾値と、
前記感放射線性材料層の前記光増感剤分子を励起することができ、それにより前記第１の酸濃度を超える第２の酸濃度を構成する酸をもたらす第２の光波長活性化閾値であって、第２の光波長が第１の光波長と異なる、第２の光波長活性化閾値と
を含む、ステップと、
パターン化マスクを介して第１の波長の光を前記感放射線性材料層上に露光するステップであって、前記第１の波長の光がＥＵＶスペクトル内の波長を含む、ステップと、
第２の波長の光を前記感放射線性材料層にフラッド露光するステップであって、前記第２の波長の光が前記第１の波長の光と異なる、ステップと、
メトロロジーシステムで前記感放射線性材料層中の光増感剤分子の濃度を測定するステップと
を含む、方法。
【請求項２】
前記メトロロジーシステムがフォトリソグラフィトラックシステム内に統合されるか、又は前記メトロロジーシステムがスタンドアロンメトロロジーシステムである、請求項１
に記載の方法。
【請求項３】
前記メトロロジーシステムが、エリプソメーター、分光エリプソメーター、リフレクトメーター、スキャトロメーター、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、又は取得したフーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）スペクトルから前記光増感剤分子の濃度を直接測定するように構成されたフーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）分光計を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記フーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）分光計が、取得したフーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）スペクトルから前記光増感剤分子の濃度を直接測定するように構成される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記光増感剤分子の濃度を測定する前記ステップが、前記パターン化マスクを介して前記第１の波長の光を露光する前記ステップの後かつ前記第２の波長の光をフラッド露光する前記ステップの前に行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記パターン化マスクを介して前記第１の波長の光を露光する前記ステップの後かつ前記第２の波長の光をフラッド露光する前記ステップの前に前記基板を加熱するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記光増感剤分子の濃度を測定する前記ステップが、前記パターン化マスクを介して前記第１の波長の光を露光する前記ステップの後かつ前記基板を加熱する前記ステップの前に行われる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記光増感剤分子の濃度を測定する前記ステップが、前記基板を加熱する前記ステップの後かつ前記第２の波長の光をフラッド露光する前記ステップの前に行われる、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記感放射線性材料層の選択された光学的性質を前記光増感剤分子の濃度に相関付けるステップをさらに含み、
前記メトロロジーシステムが、前記感放射線性材料層の選択された前記光学的性質を測定し、前記感放射線性材料層の選択された前記光学的性質と前記光増感剤分子の濃度との相関を利用して前記光増感剤分子の濃度を決定するように構成される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
選択された前記光学的性質が、前記感放射線性材料層の屈折率又は光吸収係数を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記メトロロジーシステムが、複数の位置で前記感放射線性材料層の選択された前記光学的性質を測定し、前記感放射線性材料層の光学的性質プロファイルを構築するように、かつそこから前記光増感剤分子の濃度プロファイルを測定するように構成される、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記感放射線性材料層の選択された前記光学的性質を前記光増感剤分子の濃度に相関付ける前記ステップがライブラリーの作成を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
光増感剤濃度データをモニターし、かつフォトリソグラフィプロセス又は後続のプロセスの少なくとも一つのプロセスパラメーターを変更することが可能な制御ユニットに前記光増感剤分子の測定濃度を伝達するステップと、
伝達された前記光増感剤濃度データに応じてフォトリソグラフィプロセス又は後続のプロセスの少なくとも一つのプロセスパラメーターを変更するステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記少なくとも一つのプロセスパラメーターの前記変更がフィードバック方式又はフィードフォワード方式で行われる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記少なくとも一つのプロセスパラメーターが、フラッド露光プロセス、焼成プロセス、現像プロセス、露光プロセス、又は後続のエッチングプロセスのパラメーターを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記少なくとも一つのプロセスパラメーターの前記変更が、ダイ内、ダイ間、基板内、又は基板ロット間で行われる、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１４年２月２４日出願の“ＭＥＴＲＯＬＯＧＹ  ＣＯＣＥＰＴＳ  ＦＯＲ  ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ  ＯＦ  ＰＨＯＴＯＳＥＮＳＩＴＩＺＥＲ  ＣＯＮＣＥＮＴＲＡＴＩＯＮ  ＷＩＴＨＩＮ  ＰＳ−ＣＡＲ  ＲＥＳＩＳＴ  ＣＲＥＡＴＥＤ  ＢＹ  ＰＲＩＭＡＲＹ  ＥＸＰＯＳＵＲＥ  ＦＯＲ  ＣＯＮＴＲＯＬ  ＯＦ  ＳＥＣＯＮＤＡＲＹ  ＥＸＰＯＳＵＲＥ”という名称の同時係属米国仮特許出願第６１／９４４，０５０号明細書（参照番号ＣＴ−１２２ＰＲＯＶ）に依拠し、その利益および優先権を主張するものであり、その内容はすべて参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、半導体製造時のパターニング方法に関する。具体的には、光増感化学増幅レジスト（ＰＳ−ＣＡＲ）を利用するパターニング（リソグラフィ）のためのメトロロジーに関する。
【背景技術】
【０００３】
半導体デバイスのリソグラフィパターニングでは、技術ノード、すなわち特徴サイズの縮小化に伴い、波長は極紫外（ＥＵＶ）領域に達している。現時点では、ＥＵＶ光源は、依然として活発に開発が進められている段階であり、今のところ前世代の照射レベルの光源の開発および供給はできていない。こうした欠点に対処するとともに、なおも現世代のＥＵＶ光源を利用できるようにするために、光増感化学増幅レジスト（ＰＳ−ＣＡＲ）と呼ばれるレジスト化学および関連方法が開発されてきた。ＰＳ−ＣＡＲは、従来の化学増幅レジスト（ＣＡＲ）と同様に、脱保護のためにレジスト特徴内で生成された酸を利用するが、１回のパターン露光のみが使用されるＣＡＲと異なり、酸は２工程の照射プロセスで生成される。
【０００４】
ＰＳ−ＣＡＲでは、第１のＥＵＶパターン露光は、比較的少量の生成された酸によりパターン（レジスト内の潜像）を形成するために、それと同時に、例えばＰＳ−ＣＡＲレジストに添加された光増感剤発生剤から光増感剤（ＰＳ）化合物を生成するために使用される。第１のＥＵＶパターン露光時、酸および光増感剤（ＰＳ）の両方がＰＳ−ＣＡＲレジストの照射部のみで生成される。その後、第２のフラッド露光が行われる。すなわち、パターンを用いることなく第１のＥＵＶ露光の波長と異なる第２の波長の光で露光が行われる。ＰＳ−ＣＡＲレジスト化学は、第２のフラッド露光で使用される第２の波長の光に対して光増感剤（ＰＳ）は感度を有するが、他のレジスト成分は感度を有していないように選択される。光増感剤（ＰＳ）は、第１のＥＵＶパターン露光時に形成されたパターン中に存在する場合は常に、第２のフラッド露光時に酸のさらなる生成を引き起こし、例えば、典型的には酸の濃度を１０倍に増加させる。こうして光増感剤により酸濃度を増加させるとコントラストが大幅に増加するため、特にＲＬＳトレードオフ（解像度−ライン幅ラフネス−感度）に関してプロセス許容度が高くなる。したがって、現在の出力レベルでＥＵＶ源を製造に使用してリソグラフィが可能になるため、ＰＳ−ＣＡＲはＥＵＶリソグラフィの実現技術を提供する。
【０００５】
この場合、ＰＳ−ＣＡＲプロセスは、例えば第１のＥＵＶパターン露光と第２のフラッド露光との間に追加のステップを含み得ることに留意すべきである。以上の記述は明確を期して単純化した。また、いくつかのＰＳ−ＣＡＲ化学の実施形態では、第１のＥＵＶパターン露光時に酸を生成せずに光増感剤（ＰＳ）のみを生成してもよく、こうして生成された光増感剤（ＰＳ）は、第２のフラッド露光時にすべての酸の生成を引き起こす。なおも他の選択肢として、以上に説明したように酸を少量生成してもよいが、クエンチングイベント（ＰＳ−ＣＡＲレジスト中に存在するクエンチャーの量に依存する）などの競合する化学反応により、効果的に消費し得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
酸の生成および増幅に対する作用を介したパターニングプロセスの最終結果に光増感剤（ＰＳ）の濃度分布が重要であるため、ＰＳ−ＣＡＲパターニングプロセスの診断および制御に使用されるロバストなメトロロジーおよび先進的プロセス制御（ＡＰＣ）法を開発する必要性が存在する。具体的には、目標処理結果からの逸脱を補償するようにプロセス調整が行えるように、パターニングプロセス時の種々の時点で光増感剤（ＰＳ）の濃度および空間濃度プロファイルを決定する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、基板を処理する方法であって、基板を受け取るステップであって、基板が、基板上の下層と、下層上の感放射線性材料層とを含み、感放射線性材料層が、感放射線性材料層中の酸の生成を第１の酸濃度に制御し、かつ感放射線性材料層中の光増感剤（ＰＳ）分子の生成を制御する第１の光波長活性化閾値と、感放射線性材料層の光増感剤（ＰＳ）分子を励起することができ、それにより第１の酸濃度を超える第２の酸濃度を構成する酸をもたらす第２の光波長活性化閾値であって、第２の光波長が第１の光波長と異なる、第２の光波長活性化閾値とを含む、ステップと、パターン化マスクを介して第１の波長の光を感放射線性材料層上に露光するステップであって、第１の波長の光がＥＵＶスペクトル内の波長を含む、ステップと、第２の波長の光を感放射線性材料層にフラッド露光するステップであって、第２の波長の光が第１の波長の光と異なる、ステップと、メトロロジーシステムで感放射線性材料層中の光増感剤（ＰＳ）分子の濃度を測定するステップとを含む、方法を含む。
【０００８】
種々の実施形態では、メトロロジーシステムは、フォトリソグラフィトラックシステム内に統合されたメトロロジーシステムであり得るか、又はメトロロジーシステムは、スタンドアロンメトロロジーシステムであり得る。メトロロジーシステムは、エリプソメーター、分光エリプソメーター、リフレクトメーター、スキャトロメーター、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、又は取得したフーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）スペクトルから光増感剤分子の濃度を直接測定するように構成されたフーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）分光計を含み得る。種々の実施形態では、測定は、基板にわたり一箇所又は複数箇所で行うことが可能である。
【０００９】
本発明の他の態様では、光増感剤（ＰＳ）メトロロジーは、感放射線性材料の第２のフラッド露光の前もしくは後又はその両方、あるいはＰＳ−ＣＡＲパターニングプロセス内の任意の基板加熱（焼成）プロセスの前又は後で行うことが可能である。
【００１０】
本発明のさらなる態様は、感放射線性材料層の光学的性質と光増感剤分子の濃度との相関を利用した光学メトロロジー技術の使用を含む。この場合、メトロロジーシステムは、感放射線性材料層の選択された光学的性質を測定し、感放射線性材料層の選択された光学的性質と光増感剤分子の濃度との相関を利用して光増感剤分子の濃度を決定するように構成される。種々の実施形態では、選択された光学的性質は、感放射線性材料層の屈折率又は光吸収係数を含み得る。
【００１１】
他のさらなる態様は、光増感剤濃度データをモニターし、かつフォトリソグラフィプロセス又は後続のプロセスの少なくとも一つのプロセスパラメーターを変更することが可能な制御ユニットに光増感剤分子の測定濃度を伝達するステップと、伝達された光増感剤濃度データに応じてフォトリソグラフィプロセス又は後続のプロセスの少なくとも一つのプロセスパラメーターを変更するステップとを含む。種々の実施形態では、少なくとも一つのプロセスパラメーターの変更は、フィードバック方式又はフィードフォワード方式により、ダイ内、ダイ間、基板内、又は基板ロット間で行うことが可能である。
【００１２】
本発明のさらに他の態様は、感放射線性材料層を含むメトロロジーターゲットを含み、感放射線性材料層は、感放射線性材料層中の酸の生成を第１の酸濃度に制御し、かつ感放射線性材料層中の光増感剤分子の生成を制御する第１の光波長活性化閾値と、感放射線性材料層の光増感剤分子を励起することができ、それにより第１の酸濃度を超える第２の酸濃度を構成する酸をもたらす第２の光波長活性化閾値であって、第２の光波長は第１の光波長と異なる、第２の光波長活性化閾値とを含む。
【００１３】
本発明の他のさらなる態様は、以上に記載のメトロロジーターゲットを含む基板を含み、メトロロジーターゲットは、ダイ内又は基板のスクライブライン内に形成可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
本発明およびそれに付随する利点の多くは、以下の詳細な説明を参照することにより、特に添付図面と組み合わせて検討することでより詳細な理解が容易に得られることになる。
【００１５】
【図１Ａ】本発明の実施形態に係るＰＳ−ＣＡＲパターニングプロセスにおける光増感剤および酸の例示的な濃度プロファイルを示す。
【図１Ｂ】本発明の実施形態に係るＰＳ−ＣＡＲパターニングプロセスにおけるＥＵＶパターン露光ステップ後のデバイス断面を示す。
【００１６】
【図１Ｃ】本発明の実施形態に係るＰＳ−ＣＡＲパターニングプロセスにおける光増感剤および酸の例示的な濃度プロファイルを示す。
【図１Ｄ】本発明の実施形態に係るＰＳ−ＣＡＲパターニングプロセスにおけるフラッド露光ステップ後のデバイス断面を示す。
【００１７】
【図２】本発明の実施形態に係るメトロロジーステップを含むＰＳ−ＣＡＲパターニングプロセスの例示的なフローチャートを示す。
【００１８】
【図３】本発明の実施形態に係るメトロロジーステップを含む他のＰＳ−ＣＡＲパターニングプロセスの例示的なフローチャートを示す。
【００１９】
【図４】本発明の実施形態に係る光増感剤濃度の測定メトロロジーシステムおよび制御ユニットの概略図を示す。
【００２０】
【図５】本発明の実施形態に係るダイ内およびスクライブライン内に形成されたＰＳ−ＣＡＲメトロロジーターゲットを有する基板の概略図を示す。
【００２１】
【図６】本発明の実施形態に係る単一ＰＳ−ＣＡＲメトロロジーターゲットの断面概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の実施形態は、半導体製造時に基板上の層をパターニングするためのプロセス、装置、およびシステムの設計および制御に関する。
【００２３】
以下の説明では、本発明の十分な理解が容易に得られるように限定ではなく説明を目的として、リソグラフィ、コータ／デベロッパ、露光ツールの特定のジオメトリ、ならびに種々の成分およびプロセスの説明などの具体的な詳細事項を示す。しかしながら、これらの具体的な詳細事項から逸脱する他の実施形態で本発明を実施し得ることを理解すべきである。
【００２４】
以下の説明では、感放射線性材料およびフォトレジストという用語は同義的に用い得るが、フォトレジストはフォトリソグラフィに使用するための多くの好適な感放射線性材料の一つにすぎない。同様に、これ以降では、基板という用語は、処理される工作物を表し、半導体ウエハ、ＬＣＤパネル、発光ダイオード（ＬＥＤ）、光起電力（ＰＶ）デバイスパネルなどの用語と同義的に用い得るとともに、それらのすべての処理は、特許請求される本発明の範囲内に含まれる。
【００２５】
本明細書全体を通して「一実施形態」又は「実施形態」に言及する場合、その実施形態に関連して記載された特定の特徴、構造、材料、又は特性は本発明の少なくとも一つの実施形態に含まれることを意味し、すべての実施形態に存在することを意味するものではない。したがって、本明細書全体を通して「一実施形態では」又は「実施形態では」という語句が種々の箇所に現れても、必ずしも本発明の同一の実施形態に言及しているとはかぎらない。さらに、特定の特徴、構造、材料、又は特性は、一つ以上の実施形態で任意の好適な方法により組み合わせ得る。
【００２６】
本発明を理解するのに最も役立つように、種々の操作を複数の個別の操作として順次説明する。しかしながら、説明の順序は、これらの操作が必然的に順番通りであることを示唆するものと解釈すべきではない。特に、これらの操作は、提示された順序で行う必要はない。記載の操作は、記載の実施形態と異なる順序で行い得る。種々の追加の操作を行ってもよく、かつ／又は追加の実施形態で記載の操作を省略してもよい。
【００２７】
さらに、光増感化学増幅レジスト（ＰＳ−ＣＡＲ）の使用は、レジスト（フォトレジスト）のみに限定されるものではなく、類似の感光化学を反射防止コーティング（ＡＲＣ）、下層反射防止コーティング（ＢＡＲＣ）、現像液可溶性下層反射防止コーティング（ＤＢＡＲＣ）などに導入することが可能である。本明細書に記載のＰＳ−ＣＡＲ化学および方法は、これらすべての材料およびそれらのパターニングに適用し得るため、レジスト、フォトレジスト、および感放射線性材料という用語は、これ以降では、これらすべての材料を意味するように同義的に用いられるものと理解される。
【００２８】
光増感化学増幅レジスト（ＰＳ−ＣＡＲ）の概念は、現在、例えば、S.Tagawa  et  al.,“Super  High  Sensitivity  Enhancement  by  Photo-Sensitized  Chemically  Amplified  Resist  Process”,Journal  of  Photopolymer  Science  and  Technology,Vol.26,Number  6(2013),pp.825-830（これ以降ではTagawa）により提案されている。一回のパターン露光（すなわちマスクを介して）により、それぞれ可溶性および不溶性領域を規定する脱保護型（ポジ型）レジスト領域又は保護型（ネガ型）レジスト領域を形成する従来のレジスト処理とは対照的に、ＰＳ−ＣＡＲ処理は、第１の波長の光で第１のパターン露光を行ってレジストの感度を増幅させてから第２の波長の光で第２の化学選択性フラッド露光を行って、最終パターンを規定することに依拠する。第２の波長の光は、第１の波長の光と異なるように選択される。これにより、光子密度が低い場合、より高感度のパターニングが可能になる。光増感剤（ＰＳ）は、第１のＥＵＶパターン露光時にレジストの露光領域のみに形成される。電子ビーム（ｅビーム）露光、ＫｒＦ露光、又はＡｒＦ露光もまた、第１のパターン露光に使用可能である。
【００２９】
フラッド露光波長の選択は、レジスト中の光酸発生剤（ＰＡＧ）の吸光度を最小限に抑えつつ光増感剤（ＰＳ）による吸収を最大化するという要件により決定される。典型的には、光のフラッド露光波長は光スペクトルのＵＶ部分にある。第２のフラッド露光により励起された光増感剤（ＰＳ）は、その近傍の光酸発生剤（ＰＡＧ）分子を分解することにより、未露光領域で本質的に酸を生成しない状態を維持しつつ、第１のＥＵＶパターン露光で露光された領域で酸生成の増幅を引き起こす。このことは、従来のフラッド露光プロセスに典型的に存在するＤＣバイアスシフトが存在しないことを意味する。
【００３０】
したがって、レジストは、現像前に異なるプロセス条件下の異なる時間でレジスト内に化学物質の生成を引き起こし得る独立した活性化閾値を含み得る。具体的には、この概念は、Ｔａｇａｗａに記載されるように、レジスト内での光増感剤（ＰＳ）の生成と酸の増幅とを互いに分離することである。ＰＳ−ＣＡＲ化学のいくつかの実施形態では、第１のＥＵＶパターン露光時に酸ではなく光増感剤のみを生成し、後続の第２のフラッド露光時に酸の生成および増幅をまとめて行う。これらの実施形態では、光増感剤発生剤および光酸発生剤（ＰＡＧ）の光感度領域にオーバーラップは存在しない。ＰＳ−ＣＡＲ化学の他の実施形態では、光増感剤発生剤および光酸発生剤（ＰＡＧ）の光感度領域は、光増感剤（ＰＳ）が比較的少量の酸と同時に、典型的には第１のＥＵＶパターン露光時に増幅後に生成される酸の最終量の約半分未満で生成されるように、わずかにオーバーラップし得る。その場合、酸のこの初期生成量は第２のフラッド露光時に増幅される。ＰＳ−ＣＡＲの例示的な実施形態では、光の第１の（ＥＵＶ）波長は３００ｎｍ未満であり得るとともに、第２のフラッド露光に使用される光の第２の波長は、３００ｎｍ超、典型的には約３６５ｎｍであり得る。
【００３１】
実施形態では、レジストは、レジスト層での光増感剤（ＰＳ）分子の生成を制御する第１の光波長活性化閾値を含む光増感剤発生剤と、レジスト層での酸の生成および増幅を制御する第２の光波長活性化閾値を含む光酸発生剤（ＰＡＧ）化合物とを含み得るとともに、第２の活性化波長は、以上で述べたように第１の活性化波長と異なる。光増感剤分子は、光エネルギーを吸収してその光エネルギーを他の分子、例えば光酸発生剤（ＰＡＧ）に移動するように選択し得る。いくつかの光増感剤（ＰＳ）分子は、基底状態でエネルギーを移動し得るが、他のものは、励起状態でエネルギーを移動し得る。実施形態では、ＰＳ−ＣＡＲレジストの光増感剤発生剤は、アセトフェノン、トリフェニレン、ベンゾフェノン、フルオレノン（ｆｌｏｕｒｅｎｏｎｅ）、アントラキノン、フェナントレン、又はそれらの誘導体の少なくとも一つを含み得る。実施形態では、光酸発生剤（ＰＡＧ）は、吸収した光エネルギーを化学エネルギーに変換し得るカチオン光開始剤であり得る（例えば酸性反応）。光酸発生剤（ＰＡＧ）は、トリフェニルスルホニウムトリフレート、トリフェニルスルホニウムノナフレート、トリフェニルスルホニウムペルフルオロオクチルスルホネート、トリアリールスルホニウムトリフレート、トリアリールスルホニウムノナフレート、トリアリールスルホニウムペルフルオロオクチルスルホネート、トリフェニルスルホニウム塩、トリアリールスルホニウム塩、トリアリールスルホニウムヘキサフルオロアンチモネート塩、Ｎ−ヒドロキシナフタルイミドトリフレート、１，１−ビス［ｐ−クロロフェニル］−２，２，２−トリクロロエタン（ＤＤＴ）、１，１−ビス［ｐ−メトキシフェニル］−２，２，２−トリクロロエタン、１，２，５，６，９，１０−ヘキサブロモシクロドデカン、１，１０−ジブロモデカン、１，１−ビス［ｐ−クロロフェニル］２，２−ジクロロエタン、４，４−ジクロロ−２−（トリクロロメチル）ベンズヒドロール、１，１−ビス（クロロフェニル）−２，２，２−トリクロロエタノール、ヘキサクロロジメチルスルホン、２−クロロ−６−（トリクロロメチル）ピリジン、又はそれらの誘導体の少なくとも一つを含み得る。
【００３２】
さらに理解を促進するように、図１Ａから図１Ｄにおいて、後続の現像ステップおよびエッチングステップの前のＰＳ−ＣＡＲパターニングプロセスを記載している。図１Ｂにおいて、パターニングされる下層１６０を形成するように被覆又は改質された基板１５０を提供する。ＰＳ−ＣＡＲレジスト１７０を、例えば、スピンオンディスペンス技術を用いて下層１６０の露出表面に適用する。第１のＥＵＶパターン露光１０１では、マスク１８０を介して第１の波長の光１９０をＰＳ−ＣＡＲレジスト１７０上に露光して、ＰＳ−ＣＡＲレジスト１７０内に露光領域および未露光領域を交互に形成する。この露光時、ＰＳ−ＣＡＲレジスト１７０の露光領域で光増感剤発生剤から光増感剤（ＰＳ）が生成され、光増感剤（ＰＳ）濃度プロファイル１２０を形成する。これはまた、それぞれ光増感剤（ＰＳ）および酸の濃度プロファイル１２０および１１０のグラフ１００を用いて図１Ａに拡大して示している。ＰＳ−ＣＡＲレジスト化学に依存して、いくつかの実施形態では、第１のＥＵＶパターン露光１０１時にＰＳ−ＣＡＲレジスト１７０内の光酸発生剤（ＰＡＧ）分子から酸もまた生成して酸濃度プロファイル１１０を形成し得る。光増感剤発生剤および光酸発生剤（ＰＡＧ）の光感度領域間にオーバーラップが存在しない他の実施形態では、以上に記載したように第１のＥＵＶパターン露光１０１時に酸は生成されない。
【００３３】
続いて、図１Ｄに示すように、下層１６０とパターン露光されたＰＳ−ＣＡＲレジスト１７０とを有する基板１５０は、この時点で第１の波長の光１９０と異なる第２の波長の光２９０を用いて第２のフラッド露光２０１に付される。この際、第２のフラッド露光は、前露光（すなわち非マスク）領域で生成された光増感剤（ＰＳ）分子を用いてその近傍で光酸発生剤（ＰＡＧ）分子からの酸の生成を増幅することにより酸濃度プロファイル２１０を形成する。酸濃度プロファイル２１０は、より高いピークを有するため、第１のＥＵＶパターン露光１０１後の酸濃度プロファイル１１０よりも良好なコントラストを有する。第２のフラッド露光２０１が必要であるとはいえ、従来のフラッド露光処理と異なり、第１のＥＵＶパターン露光１０１時に未露光（マスク）領域に酸が生成されないため、ＤＣバイアスがなく高いコントラストが維持される。この理由は、光増感剤（ＰＳ）の存在下でのみＰＳ−ＣＡＲ酸生成および増幅が起こることにある。典型的には、光増感剤（ＰＳ）濃度プロファイル２２０は、第２のフラッド露光２０１後、初期光増感剤（ＰＳ）濃度プロファイル１２０からほとんど変化しないが、化学のある特定の実施形態では、光増感剤（ＰＳ）濃度プロファイル１２０および２２０の間でより大きい変化が起こり得る。図１Ｃは、第２のフラッド露光２０１後の光増感剤（ＰＳ）および酸の濃度プロファイルそれぞれ２２０および２１０のグラフ２００を示している。
【００３４】
今や増幅された酸濃度プロファイル２１０がＰＳ−ＣＡＲレジスト１７０に存在して潜像を形成しているため、基板は、この時点では、従来のステップに続いてパターニングプロセスを終了させるべく、後続のパターニングプロセスステップ、例えば、下層１６０の焼成、現像、およびエッチングを行える状態にある。いくつかの実施形態では、第１のＥＵＶパターン露光１０１と第２のフラッド露光２０１との間で焼成ステップなどの追加の処理ステップを行い得る。さらに、本明細書では例としてＰＳ−ＣＡＲレジスト１７０を用いてプロセスを説明しているが、ＰＳ−ＣＡＲ化学を含む任意の他の材料、例えば、ＡＲＣ、ＢＡＲＣ、ＤＢＡＲＣなどの層に同一のプロセスを適用することが可能である。
【００３５】
図１Ａから図１Ｄおよび上記の考察は、結果的にコントラストを決定し最終的に現像ステップおよび後続のエッチングステップの結果を決定する最終酸濃度プロファイルに光増感剤（ＰＳ）濃度プロファイルがいかに重要であるかを示している。これらのパターニングプロセスステップの制御を可能にするために、本発明者らは、パターニングプロセス時の種々の時点で潜像中の光増感剤（ＰＳ）濃度をモニターすることにより、こうした測定を用いて測定に応じたパターニングプロセス変数の変化が可能になるように、メトロロジーを利用することが有利であることを見いだした。
【００３６】
図２は、かかるＰＳ−ＣＡＲパターニングプロセス３００の実施形態を示しており、メトロロジーステップを、ＰＳ−ＣＡＲレジスト中の光増感剤（ＰＳ）濃度をモニターするために第２のフラッド露光の前および第２のフラッド露光の後、すなわちその両方に挿入する。ステップ３１０では、基板、例えば、上側に形成されたパターニングされる下層１６０と下層１６０の上に堆積されたＰＳ−ＣＡＲレジスト１７０とを有する基板１５０が提供される。ステップ３１５では、ＰＳ−ＣＡＲレジストが典型的にはＥＵＶ領域の第１の波長の光を用いた第１のＥＵＶパターン露光に付され、これにより第１の活性化閾値をアクティブにしてＰＳ−ＣＡＲレジスト１７０中に存在する光増感剤発生剤から光増感剤（ＰＳ）を生成する。ステップ３２５では、以上に説明したように、ＰＳ−ＣＡＲレジスト１７０が第１の波長の光と異なる第２の波長の光で第２のフラッド露光に付されて第２の活性化閾値をアクティブにし、ＰＳ−ＣＡＲレジスト１７０中の光酸発生剤（ＰＡＧ）分子からの酸の生成および増幅を引き起こして最終酸濃度プロファイルを形成する。
【００３７】
パターニングプロセス３００の例示的なプロセスフローでは、第１のメトロロジーステップ３２０を、第１のＥＵＶパターン露光時に生成された光増感剤（ＰＳ）の濃度を測定するために第１のＥＵＶパターン露光ステップ３１５の後および第２のフラッド露光ステップ３２５の前に挿入し得る。この時点で光増感剤（ＰＳ）濃度を測定すれば、例えば、焦点ぼけの影響、及び／又は露光ツール／スキャナーからの他の系統的エラー誘発の影響、又は第１のＥＵＶパターン露光に関連するＥＵＶショットノイズの影響を決定することが可能になる。光増感剤（ＰＳ）濃度メトロロジーを行う理由は、上述の理由のみに限定されるものではないことは確かである。メトロロジーステップ３２０の代わりに又はそれに加えて、第２のフラッド露光ステップ３２５の直後のメトロロジーステップ３３０で光増感剤（ＰＳ）濃度を測定してもよい。
【００３８】
実際には、パターニングプロセス３００に加熱ステップ又は焼成ステップを挿入し得る。例えば、第１のＥＵＶパターン露光のＥＵＶショットノイズの影響を軽減するために、第１のＥＵＶパターン露光と第２のフラッド露光との間で加熱ステップを利用することにより、生成された光増感剤（ＰＳ）を拡散させて、ＥＵＶショットノイズにより影響を受けた光増感剤（ＰＳ）濃度プロファイルを平滑化し得る。かかるパターニングプロセスの一例４００を図３に示す。この場合、プロセスは、基板、例えば、上側に形成されたパターニングされる下層１６０と、下層１６０上に堆積されたＰＳ−ＣＡＲレジスト１７０とを有する基板１５０が提供されるステップ４１０で開始する。ステップ４１５では、ＰＳ−ＣＡＲレジストを典型的にはＥＵＶ領域の第１の波長の光を用いた第１のＥＵＶパターン露光に付し、これにより第１の活性化閾値をアクティブにしてＰＳ−ＣＡＲレジスト１７０中に存在する光増感剤発生剤から光増感剤（ＰＳ）を生成する。ステップ４２５では、基板を、例えばＥＵＶショットノイズの影響を軽減するために加熱（焼成）する。ステップ４３５では、以上に説明したように、ＰＳ−ＣＡＲレジスト１７０を第１の波長の光と異なる第２の波長の光での第２のフラッド露光に付して、第２の活性化閾値をアクティブにし、ＰＳ−ＣＡＲレジスト１７０中の光酸発生剤（ＰＡＧ）分子からの酸の生成および増幅を引き起こして最終酸濃度プロファイルを形成する。
【００３９】
パターニングプロセス４００の例示的なプロセスフローでは、第１のメトロロジーステップ４２０は、第１のＥＵＶパターン露光時に生成された光増感剤（ＰＳ）の濃度を測定するために第１のＥＵＶパターン露光ステップ４１５の後および加熱ステップ４２５の前に挿入し得る。この時点で光増感剤（ＰＳ）濃度を測定すれば、以上で述べたように、光増感剤（ＰＳ）濃度に及ぼすＥＵＶパターン露光自体の影響、例えば、ＥＵＶショットノイズの影響又は焦点ぼけの影響、および露光ツール／スキャナーに関連する他の系統的エラー誘発の影響を決定することが可能になる。メトロロジーステップ４２０の代わりに又はそれに加えて、例えば、加熱ステップ４２５時の光増感剤（ＰＳ）拡散の影響を測定するために、加熱ステップ４２５の直後のメトロロジーステップ４３０で光増感剤（ＰＳ）濃度を測定してもよい。
【００４０】
ここで、図２および３のそれぞれのパターニングプロセス３００および４００に概説されるステップの具体的な順序はさまざまであり得ることに留意すべきである。具体的には、パターニングプロセス４００では、加熱ステップ４２５は、従来の露光後焼成（図示せず）を含む場合に、例えば、基板加熱ステップ４２５は、ステップ４３５の第２のフラッド露光の後に行い得る。かかる場合には、メトロロジーステップ４２０および４３０はまた、加熱ステップ４２５の直前および直後に行うようにプロセスフローの変更が可能であるため、両方とも第２のフラッド露光ステップ４３５の後に行われることになる。
【００４１】
図４は、本発明の実施形態に係る光増感剤（ＰＳ）濃度の測定に使用されるメトロロジーシステム５００の例示的な実施形態の概略図を示している。メトロロジーシステム５００は、フォトリソグラフィトラックツールもしくは露光ツール（パターンもしくはフラッド）内に統合され得るか、又はスタンドアロンキオスク型メトロロジーツールの一部であり得る。前者では、処理される各基板は、統合メトロロジーシステム５００を用いて検査可能であり、一方、後者の構成は、処理される基板の全数から選択されたサンプルのみが診断される状況により適したものであり得る。
【００４２】
メトロロジーシステム５００は、診断している間、基板５１０を取付け可能な基板ホルダー５２０を含み得る。メトロロジーデバイス５３０は、基板５１０上で実際の測定を行うために使用される。
【００４３】
実施形態では、例えば、ＦＴＩＲスペクトルを直接測定してこうしたスペクトル測定から光増感剤（ＰＳ）濃度を決定できるフーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）センサーをメトロロジーデバイス５３０が含んでいれば、メトロロジーデバイス５３０は、光増感剤（ＰＳ）濃度を直接測定可能であろう。ＦＴＩＲは化学変化を検出できるため、かつその感度が非常に高いため、例えば、パターニングプロセス３００のメトロロジーステップ３２０又はパターニングプロセス４００のメトロロジーステップ４２０のそれぞれで、第１のＥＵＶパターン露光時に起こる光増感剤発生剤からの光増感剤（ＰＳ）の初期生成を診断するのに独特に適している。
【００４４】
他の実施形態では、光増感剤（ＰＳ）濃度は、間接測定が可能であり、これにより、適切であれば、ＦＴＩＲほど高価でなく及び／又はそれよりも低感度の診断を利用できる可能性が開かれる。それほど高価でない診断を利用できる一つの可能性は、第１のＥＵＶパターン露光時の光酸発生剤（ＰＡＧ）分解に関連するＰＳ−ＣＡＲレジスト厚さの変化が小さいが測定可能であるという事実に依拠する。光増感剤発生剤分子からの光増感剤（ＰＳ）の生成はこのプロセスと同時に起こるため、ＰＳ−ＣＡＲレジストの厚さの変化をＰＳ−ＣＡＲレジスト内の光増感剤（ＰＳ）の濃度に相関付ける実験又はシミュレーションを用いて関係を構築し得る。実験計画法（ＤＯＥ）技術を用いて厚さ変化および光増感剤（ＰＳ）濃度の両方を直接測定する実験を行うことにより、かかる相関を実験的に確定し得るとともに、かかる相関をルックアップテーブル又はライブラリーとして保存することにより、ＰＳ−ＣＡＲレジスト厚さ変化の測定結果を後続の対応する光増感剤（ＰＳ）濃度の測定結果に直接変換することが可能である。厚さ変化は、異なるデバイス特徴タイプでは異なって現れるということに留意することが重要である。例えば、特徴が単純なパッドであるか、又はパッドを含む専用のメトロロジーターゲットである場合、厚さ変化は、パッドの全表面にわたり均一に起こる。しかしながら、特徴が未現像の密なライン−スペースパターンである場合、厚さ変化はＰＳ−ＣＡＲレジストの正弦波厚さ変動として現れる。したがって、ＰＳ−ＣＡＲレジスト厚さと光増感剤（ＰＳ）濃度との相関を構築するために実験又はシミュレーションを行う場合、特徴タイプを考慮に入れる必要がある。密なライン−スペースパターンの場合、厚さの正弦波変動の測定を利用して二工程相関プロセスを介して光増感剤（ＰＳ）濃度を決定できるように、正弦波厚さ変動と全厚さ変化との相関をさらに構築することが可能である。
【００４５】
次に再び図４を参照すると、メトロロジーデバイス５３０は、ＰＳ−ＣＡＲレジストの厚さを測定可能な任意のメトロロジーデバイスを含み得る。実施形態では、ＰＳ−ＣＡＲレジスト厚さを測定するメトロロジーデバイス５３０として非接触原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を利用し得る。ＡＦＭは、基板５１０上に形成されたメトロロジーターゲットと相互作用するようにタッピングモードで操作し得る。ＡＦＭチップは、メトロロジーターゲットの一部として形成された大きいパッドとの相互作用が可能であるか、又はメトロロジーターゲットの一部として形成されたライン−スペースパターンとの相互作用が可能である。次いで、メトロロジーデバイス５３０から制御ユニット５４０に伝達されたＡＦＭ測定結果は、制御ユニット５４０の一部であり得るライブラリー５５０に保存された相関を用いて光増感剤（ＰＳ）濃度データに容易に変換される。
【００４６】
他の実施形態では、ＰＳ−ＣＡＲレジスト厚さを測定して測定結果を制御ユニット５４０に伝達するメトロロジーデバイス５３０として、リフレクトメーター、スキャトロメーター、エリプソメーター、分光エリプソメーターなどの光学メトロロジーデバイスを使用し得る。光学メトロロジーデバイスの照射ビームは、メトロロジーターゲットの一部として形成された大きいパッドと相互作用するように構成可能であるか、又はメトロロジーターゲットの一部として形成されたライン−スペースパターンとの相互作用が可能であり、この場合、ライン−スペースパターンは光学格子構造を形成する。スキャトロメトリー、リフレクトメトリー、およびエリプソメトリーによる膜厚および光学格子構造の測定方法は、光学メトロロジー技術分野の当業者に周知である。厚さの測定結果が制御ユニット５４０に伝達されると、以上で考察したように光増感剤（ＰＳ）濃度の測定結果に変換可能である。
【００４７】
その他のさらなる実施形態では、メトロロジーデバイス５３０として使用されるリフレクトメーター、スキャトロメーター、エリプソメーター、又は分光エリプソメーターは、屈折率（例えば、その実数部および虚数部、ｎおよびｋ）、光吸収係数、吸光係数などのＰＳ−ＣＡＲレジストの他の光学的性質の変化を測定することにより光増感剤（ＰＳ）濃度をより直接的に測定するために使用し得る。これらの実施形態では、こうして測定されたＰＳ−ＣＡＲレジストの光学的性質と測定された光増感剤（ＰＳ）濃度との相関を確証するために、実験計画法（ＤＯＥ）技術を用いることが可能であり、この相関は、測定された光学的性質から光増感剤（ＰＳ）濃度への変換が容易になるようにライブラリー５５０に保存し得る。
【００４８】
光増感剤（ＰＳ）濃度測定が行われて制御ユニット５４０で利用可能になると、パターニングプロセス自体のフィードバックおよびフィードフォワード制御のために又はパターニングプロセスの結果の影響を受ける後続のプロセスステップ、例えば後続のエッチングプロセスステップの制御のために利用できるようになる。フィードバックおよびフィードフォワード制御は、光増感剤（ＰＳ）濃度の測定結果に応じてパターニングプロセスパラメーターを変更するように処理ツール、例えばフォトリソグラフィトラックツールに指令する処理ツールコントローラー５６０に処理パラメーターの変更を伝達して、パターニングプロセス又は後続のプロセスの処理パラメーターを変更することにより達成可能である。その代わりに又はそれに加えて、処理パラメーターの変更はファブコントローラー５７０に伝達し得るとともに、プロセスパラメーターの変更はさらにそこから他の処理ツールに、例えば、エッチングプロセスなどの後続の処理ステップを実行するエッチングツールに伝達されることになる。
【００４９】
かかるプロセスパラメーターの変更は、制御ユニット５４０によりフィードフォワード方式およびフィードバック方式で行い得るとともに、ダイ内、ダイ間、基板内、又は基板ロット間で行い得る。例えば、プロセスパラメーターの変更は、より良好な臨界寸法制御のために、加熱ステップ、第２のフラッド露光ステップ、露光後焼成ステップ、現像ステップなどのいずれのＰＳ−ＣＡＲパターニングプロセスステップの偏差も補償するように行い得る。
【００５０】
実施形態では、図５に示されるように、基板６００の上に形成されたＰＳ−ＣＡＲレジスト層に複数のメトロロジーターゲット６２０および６３０が形成された状態で基板６００が提供される。メトロロジーターゲット６２０は、基板６００上に形成されたダイ６１０内に形成し得るが、メトロロジーターゲット６３０は、ダイ６１０間のスクライブライン内に形成し得る。したがって、光増感剤（ＰＳ）濃度測定は、例えば、パターニングプロセスの均一性に関する有用な情報を提供するために、基板６００上の複数の位置で実施可能である。
【００５１】
図６には、ＰＳ−ＣＡＲレジスト層７１０が基板７００の上に形成された状態で各メトロロジーターゲット６２０又は６３０の実施形態が示されている。ＰＳ−ＣＡＲレジスト層７１０内には、以上の考察で述べたように、光学診断に適した光学格子構造を形成するライン−スペースパターンを含むメトロロジーターゲット７２０を埋め込むことが可能である。他の選択肢として、メトロロジーターゲット７２０は、ＰＳ−ＣＡＲレジスト層７１０中に形成されたパッド（図示せず）を単に含み得る。他の実施形態では、メトロロジーターゲット７２０は、測定の確度、反復性を改善したり、系統誤差原因などを排除したりするために、使用される光学メトロロジー方法の要件により決定されるより複雑なパターンを含み得る。そのようなより複雑なメトロロジーターゲットの設計は、光学メトロロジー技術分野の当業者に周知である。
【００５２】
関連技術分野の当業者であれば、以上の教示に照らして多くの修正形態および変更形態が可能であることは理解できる。当業者であれば、図に示された種々の構成要素の種々の均等な組合せおよび置換形態を認識するであろう。したがって、本発明の範囲は、この詳細な説明により限定されるのではなく、本明細書に添付された特許請求の範囲により限定されることを意図している。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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