(57)【要約】【課題】  本発明は、Ｆ２リソグラフィー対応のフォトレジスト開発用の新規なコンタクト露光方法、そのために使用される好適な露光マスク、およびかかる方法を実施するための露光装置を提供することを目的とする。【解決手段】凸型形状を有する露光マスクを使用した、コンタクト露光方法。【選択図】  図１３  
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
凸型形状を有する露光マスク。
【請求項２】
ＴＩＲが５ミクロン以下である請求項１記載の露光マスク。
【請求項３】
露光マスクとウエハのギャップを０．２μｍ以下とする、コンタクト露光方法。
【請求項４】
露光マスクが凸型形状を有する、請求項３記載の露光方法。
【請求項５】
露光マスクのＴＩＲが５ミクロン以下である、請求項３記載の露光方法。
【請求項６】
凸型形状を有する露光マスク、およびマスクとウエハを密着させるための手段を有する露光装置。
【請求項７】
露光マスクのＴＩＲが５ミクロン以下である、請求項６記載の露光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は凸型形状を有する露光マスクに関し、かかる露光マスクは半導体製造等に使用されるフォトレジストの改良されたコンタクト露光において好適に使用される。本発明はさらに該露光マスクを用いた新規な露光方法および露光装置に関する。より詳細には本発明は、１５７ｎｍのＦ２エキシマレーザーを用いた、フォトレジストの改良されたコンタクト露光において好適に使用される露光マスク、該マスクを使用する露光方法、および該露光方法の実施に関して好適に使用される新規な露光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ポストＡｒＦ（１９３ｎｍ）エキシマレーザ・プロセスはＦ２（１５７ｎｍ）エキシマレーザ・プロセスと言われている［非特許文献１］。Ｆ２エキシマレーザ光はＡｒＦの露光波長より更に２０％も短波長であり、ＡｒＦレジストに代表される脂環式化合物であるアダマンチルメタクリレート（ＡｄＭＡ）［非特許文献２］では主鎖の飽和炭化水素のσ−σ＊遷移の吸収が生じ、著しく透過率が低下する［非特許文献３］。そのため、例えば、ＡｄＭＡポリマーをＦ２エキシマレーザ露光に用いると、脱保護反応とは別に主鎖の切断やポリマー間の架橋反応が起こる。
【０００３】
図１にＡｒＦエキシマレーザレジストであるＰＡＲ−１０１（ＡｄＭＡポリマー：住友化学製）をＦ２露光した場合の現像速度曲線を示す。現像速度曲線は途中で折れ曲がり２段階の速度分布を呈する。５０ｍＪ／ｃｍ２程度の露光量では１１５０ｃｍ−１における赤外吸収の変化から脱保護反応が進行していることがわかるが逆に、１００ｍＪ／ｃｍ２以上の露光量ではポリマーの架橋によるネガ化が確認された。このようなＡｒＦレジストをＦ２リソグラフィーに転用することは困難であり、Ｆ２リソグラフィー用の専用レジストの開発が必須である。
【０００４】
１５７ｎｍに対する透過性に関してはフッ素を含むポリマーが提唱され［非特許文献４］、このフッ素を含むポリマーを用いたレジストも提案されている［非特許文献５］。たとえばＡｒＦレジストのポリマーのプラットホームであるポリ（ノルボルネン−無水マレイン酸）のノルボルネンユニットにヘキサフルオロイソパノール（ＨＦＩＰＡ）基を付与したものが、ＨＦＩＰＡ基がフェノールと同等のｐＫａを持っていることから溶解性と透明性向上の両立を図ることが出来きるとされている［非特許文献６］。
【０００５】
しかし、Ｆ２エキシマレーザを用いたステッパがまだ実用化されておらず、プロセスの検討やフォトレジストの開発において最大のネックとなっている。
また、コンタクト露光においてはマスクとレジスト面のコンタクトが不十分であるとパターンが解像しないので、マスク面とレジスト表面のギャップ（空間距離）を小さくするとともに、ウエハ全面にわたり均一に維持することが重要となる。
しかし、従来、密着露光は通常４３６ｎｍ程度の光を用い、１０ミクロン程度のパターンを解像するのが通常であったので、多少マスクにゆがみがあり、マスクとウエハの距離にばらつきがあっても現実的には問題とはなっていなかった。そのため、具体的にどの程度までギャップを小さくすればよいかという知見はもちろん、マスク面とレジスト表面のギャップ（空間距離）を、ウエハ全面にわたり均一に密着させる方法も知られていなかった。
【０００６】
【非特許文献１】光リソグラフィー技術調査研究委員会：“平成11年度  光リソグラフィー技術調査研究報告書”，技術研究組合  超先端電子材料開発機構，平成11年度 NEDO委託調査研究，p. 96 (2000).
【非特許文献２】Y. Uetani, and K. Fujishima, “Development of ArF single layer resist”, J. Photopolymer Sci. Technol., Vol. 8, p. 9 (1999).
【非特許文献３】A. Katsuyama, M. Endo, and M. Sasago, “Proposal for Transparency of Resist materials for F2 Excimer Laser Lithography”, Extended Abstract of the 46th Spring Meeting, The Japan Society of Applied Physics and Related Societies, Vol. 2, 29a-YB-8, p.745 (1999).
【非特許文献４】H. Ito et al, “Novel Fluoroplymers for use in 157nm Lithography”, J. Photopolym. Sic. Technol., Vol 14, p. 583 (2001).
【非特許文献５】A. Sekiguchi, Y. Sensu and Y. Miyake, “Approach for High-resolution Chemically Amplified Resist Using Rate Editor Software”, Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 42, p. 16 (2003).
【非特許文献６】M. K. Crawford et al., “New Materials for 157nm Photo-resist: Characterization and Properties”, Proc. SPIE, Vol 3999, p. 357 (2000).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、Ｆ２リソグラフィー対応のフォトレジスト開発用の新規なコンタクト露光方法、そのために使用される好適な露光マスク、およびかかる方法を実施するための露光装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、Ｆ２エキシマレーザを用いたステッパにおいて、どの程度までマスクとウエハのギャップを小さくすればよいか、またどの程度の精度でギャップを制御しなければならないかを検討するため、密着露光シミュレータＰｒｏＳｉｍ  Ｉを用いてマスク面とレジスト面のギャップの効果を調べた。
以下、本発明者らが開発した、密着露光シミュレータＰｒｏＳｉｍ  Ｉについて説明する。
【０００９】
１．光強度分布の計算
（１・１）レジスト表面の光強度分布  
図２にレジストに露光される光強度分布の模式図を示す。マスク上のＣｒパターンのスリットを透過した光は、Ｃｒパターンにより回折が起こる。回折した光により、レジスト表面上の光強度分布は、理想光強度分布に比べて劣化する。このマスク透過後の光強度分布はｖａｎ  Ｃｉｔｔｅｒｔ−Ｚｅｒｎｉｋｅの理論 およびＨｏｐｋｉｎｓの式より求めた。
今、プロキシミティ露光光学系を考えた場合、レジスト面を表すＱ平面上での相対的光強度Ｉ（Ｑ）を示す式（１）と光学系の図を図３に示す。
式１中、λは光の波長、Ｓは光源、Ａはマスク面、Ｐ１とＰ2 はマスク面上の点、Ｒ１とＲ2は光源Ｓからマスク面上Ａの点Ｐ１とＰ２までの距離、Ｓ１とＳ2 は点Ｐ１とＰ2 からフォトレジスト表面Ｑまでの距離を表す。
【００１０】
（１・２）レジスト内部の光強度分布
プロキシミティ露光におけるフォトレジスト膜内の光強度分布の模式図を図４に示す。まず、フォトレジスト膜Ｄを１００等分し、分割した各層の界面に表面から基板に向かってＤ１からＤ１００の番号を付ける。この１００層の界面位置にフォトレジスト表面位置における光強度の計算結果を用いる。フォトレジスト線幅方向Ｘ（水平方向）については、１２８に分割してフォトレジスト表面位置における光強度の計算結果を用いる。
【００１１】
２．レジスト膜深さ方向の溶解速度分布の測定
フォトレジストの溶解速度は非接触型の膜厚測定装置（Ｆｏｏｔｈｉｌｌ社製モデルＫＴ−２２ｔ）を用いて測定した。溶解速度測定方法のフローを図５に示す。まず、フォトレジスト塗布・プリベークを行った基板の面内に２２種類の露光量Ｅ１ からＥ２２ （０から２０００ｍＪ／ｃｍ２）を露光したサンプルを６枚準備する。６枚のサンプルの現像時間は５分、１０分、１５分、２０分、２５分、３０分とした。各サンプルの２２種類の露光部の現像後のフォトレジスト残膜値Ｔ１ からＴ２２ を膜厚測定装置にて測定することにより、各露光量における現像時間対フォトレジスト膜厚値の測定を行った。得られた現像時間対フォトレジスト膜厚値の結果を図６に示す。さらに、図６の現像時間とフォトレジスト膜厚値の関係を微分することにより各露光量に対するフォトレジスト膜内方向の溶解速度分布が得られる（図７）。図６および図７において、グラフの各プロットは図７右に示された露光量（ｍＪ／ｃｍ２）におけるデータを示す。
【００１２】
３．フォトレジスト膜中溶解速度分布の計算
フォトレジスト膜内の溶解速度分布の計算手法を図８から１０に示す。先に示したフォトレジスト膜中光強度分布Ｅ（Ｘｍ，Ｄｎ）は、空間上での光強度分布であり、フォトレジスト表面位置における光強度分布の計算結果を膜中の全ての位置 Ｄ１からＤ１００ に用いた（図８）。今、膜中光強度分布のフォトレジスト線幅方向の位置Ｘｍ， 深さＤｎ における光強度Ｅが例えば６５０ ｍＪ／ｃｍ２であるとする。この光強度 ６５０ ｍＪ／ｃｍ２  は、フォトレジストの光吸収効果を考慮していないので光学系により決定される光強度のみを表している。次にフォトレジスト膜内での光吸収効果や多重干渉効果を考慮した位置（Ｘｍ，Ｄｎ）におけるフォトレジスト溶解速度を求める必要がある。なぜならば、これらの効果すべてが実測の溶解速度分布の中に取り込まれているからである。この効果は実測データから求められる。図９は、実測されたフォトレジスト膜中溶解速度分布である。図の右の照射エネルギーはレジスト表面における値である。フォトレジスト表面の光強度はフォトレジストの光吸収を含まないのでこの光強度に対応する深さＤｎ におけるフォトレジスト溶解速度を求める。図９のように６５０ ｍＪ／ｃｍ２ に直接対応するデータは無いが、６００ ｍＪ／ｃｍ２ と７００ ｍＪ／ｃｍ２ に関するデータが存在するので内挿により６５０ ｍＪ／ｃｍ２ に対応する溶解速度Ｒ（Ｘｍ，Ｄｎ）を決定する。図１０のように以上の操作をすべてのセルについて行うとレジスト膜中溶解速度分布が作成できる。以上の処理により、位置（Ｘｍ，Ｄｎ）における溶解速度が推定できたことになる。
この妥当性については、Ｍａｃｋらのモデルを表す式（２）を参照することにより明確になる。
Ｉ（ｘ，ｄ，ｚ）＝Ｉｉ（ｘ，ｄ）Ｉｓ（ｚ）          （２）
Ｉｉ（ｘ，ｄ）は、レジスト表面における光強度分布であり、Ｉｓ（ｚ）は、光の多重干渉、吸収の項である。すなわち、フォトレジストが全く存在しない場合には、露光された光は減衰しないので深さｄにおける光強度分布Ｉｉ（ｘ，ｄ）で表されるが、実際にはフォトレジストが存在し、種々の効果を受けるので深さｄにおける光強度分布は、Ｉｉ（ｘ，ｄ）のままで有り得ずＩｓ（ｚ）の分だけ変化することになる。本発明者らの手法ではＲ（Ｘｍ，Ｄｎ）がＩｓ（ｚ）に相当すると考えられる。
【００１３】
４．レベル・セット法による現像計算
フォトレジスト膜中溶解速度分布とレベル・セット法 を用いて現像計算を行う。レベル・セット法は、原理的には、光学で用いられるＥｉｋｏｎａｌ方程式の解法であり、レジスト表面の移動について最短時間の原理を適用する。手法としてはセル・リムーバル方法に似た計算方法である。
【００１４】
上記の密着露光シミュレータＰｒｏＳｉｍ  Ｉを用い、パターンの寸法は０．１５μｍライン・アンド・スペースパターン、露光波長は１９３ｎｍおよび１５７ｎｍ、コリメーションアングルは１．５度とし、露光強度と位置との関係を計算した。結果を図１１に示す。
（ａ）は１９３ｎｍ露光、（ｂ）は１５７ｎｍ露光の計算結果である。１９３ｎｍではギャップが０−０．２μｍでは十分な光強度が得られているが０．３μｍ以上では光強度は反転している。１５７ｎｍにおいてもほぼ同じ結果が得られている。この結果から１５７ｎｍでのコンタクト露光を行う場合、マスクとレジスト面のギャップを０．２μｍ以下まで密着させる必要があることが分かった。
このように、本発明は、マスクとレジスト面のギャップを０．２μｍ以下まで密着させる必要があるという、新たな課題の発見に基づいてなされたものである。すなわち、本発明は露光マスクとウエハのギャップを０．２μｍ以下とする、コンタクト露光方法を提供するものである。露光マスクとウエハのギャップはウエハの全面にわたり０．２μｍ以下とすることが好ましい。
【００１５】
マスクとウエハのギャップをウエハの全面にわたり０．２μｍ以下まで密着させるためには、圧力を加えて、両者を強制的に密着させることが好ましい。しかし、ウエハは薄く、容易に変形するため、従来の平面である露光マスクを使用して、マスクおよびウエハの周辺部に圧力を加えても、良好な結果は得られなかった。
【００１６】
本発明者は、マスクを凸型形状とすることによりかかる課題を解決できることを見いだし、本発明をなしたものである。
すなわち、本発明は凸型形状を有する露光マスク、およびかかるマスクを使用するを使用する、コンタクト露光方法に関する。
【００１７】
マスクの一面を凸面とし、かかる凸面とウエハを密着させた上で、マスクの周辺部位においてマスクとウエハを密着させるように圧力を加えると、ウエハが変形し、マスク凸面の全面にわたり良好な密着が得られるのである。マスクの形状、およびマスクとウエハとの関係を示す図を図１２として示す。また、マスクとウエハを密着させた上で、マスクの周辺部位においてマスクとウエハを密着させるように圧力を加えるための装置の一例を図１３に示す。このような装置は種種のものが製造でき、マスクとウエハを密着させるとの所期の目的を達成することができるすべての装置を本発明において用いることができる。マスクへの荷重の大きさ、荷重方法などは当業者が適宜決定できる事項である。たとえば、マスクとウエハを重ね、ウエハ外周より内側に１０ｍｍ程度の位置において、たとえば１２個程度の適当な数のねじにより固定し、両者を密着することができる。また加えられる力はネジの締め付けトルクやネジの締め込みピッチ数などにより調整することができる。  
【００１８】
なお、レーザ光が入射する側のマスク面にはパターンが形成されるので、当然に平面であり、ウエハ面と接触する側のみが凸面にされる。凸面の程度は任意であるが、ウエハとの密着時にウエハに過剰なひずみや応力が生じない程度のものであることが必要である。さらに、後述のようにマスクのＴＩＲは５ミクロン以下であることが好ましいので、このようなＴＩＲを与えることができる凸面であることが好ましい。
【００１９】
またマスクは１５７ｎｍの光を透過する任意の材料で作ることができるが、好ましくはＣａＦ２、ＭｇＦ２、ＬｉＦなどで作られる。マスクの材質は１５７ｎｍの光を９０％以上透過するように、最も好ましくは、ＭｇＦ２が使用される。典型的には、ＭｇＦ２基板をカットした後、好ましくは平行度１／１０００ｍｍ以下に表面を研磨した後、基板の中心部が凸になるように更に研磨を行うことにより作成される。
【００２０】
さらに本発明者は、露光マスクのＴＩＲが５ミクロン以下である場合に良好な結果が得られることを見いだした。すなわち、本発明は凸型形状を有し、ＴＩＲが５ミクロン以下である露光マスク、およびかかるマスクを使用し、露光マスクとウエハのギャップを０．２μｍ以下とするコンタクト露光方法に関する。
本発明においてＴＩＲとは、トロペル社製の平坦度測定装置ＦＭ−２００により測定されたＴＩＲ値をいう。
理想的には、ＴＩＲは小さいほど良好な結果が得られるが、ＴＩＲを小さくすることは技術的に困難なだけではなく、コスト増大の要因にもなるので、許容限界を見いだすことは工業的に非常に重要なことである。本発明はかかる現実的な許容上限を見いだした点において価値あるものである。
【００２１】
本発明はさらに、凸型形状を有する露光マスク、およびマスクとウエハを密着させるための手段を有する露光装置に関する。好ましくは、本発明の装置はＴＩＲが５ミクロン以下である凸型形状の露光マスク、およびマスクとウエハを密着させるためのマスクへの圧力負荷手段を有するコンタクト露光装置である。
Ｆ２エキシマレーザ露光装置は、Ｆ２エキシマレーザ光源、光学系、および露光ステージから構成される。任意の公知の光源、および光学系が使用できる。典型的には、レーザ光源から出た１５７ｎｍのレーザ光は電子シャッターを通り、ビームエキスパンダレンズを用いて拡大され、さらに２５個（５×５）のホモジナイザ光学系を通り均一化された後、照射アパーチャーを通してウエハを照射する。ホモジナイザ光学系は１５７ｎｍの光を効率良く通す必要から、好ましくはＣａＦ２を用い製作される。また、光路は完全にＮ２に置換されることが好ましい。
露光量の制御は、光路の途中にハーフミラーを配置し、露光エネルギーをｉｎ  ｓｉｔｕモニターする事で行うことができる。好ましくは設定できる露光量は０．０１〜５００ｍＪ／ｃｍ２であり、０．０１ｍＪ／ｃｍ２ステップで露光が行えることが好ましい。    
露光エリアは典型的には１０ｍｍ角のオープン・フレームであり、露光面内の均一性は±５％以下とされることが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明により、１５７ｎｍエキシマレーザー光によるコンタクト露光方法および装置が新たに提供される。本発明のマスクを使用した露光方法および装置により、フッ素ポリマーを用いたＦ２露光用レジストのパターニングが可能となり、Ｆ２リソグラフィー用レジストの開発に有用に使用できる。
【実施例】
【００２３】
ＭｇＦ２基板を５インチ□、厚さ４．６ｍｍにカットし、平行度１／１０００ｍｍ以下に表面を研磨した後、基板の中心部が凸になるように更に研磨を行った。トロペル社製のＦＭ−２００を用いて平坦度を測定した。ＴＩＲで約４．０９μｍが得られた。
得られたＭｇＦ２基板に上にＣｒパターンを製作した。Ｃｒの厚さは２００ｎｍとした。マスク内にはコンタクトホールパターン、ライン・アンド・スペースパターン（ＢｒｉｇｈｔパターンおよびＤａｒｋパターン）および孤立ラインパターンを配置した。パターンの配置とパターンサイズ（設計値）を図１４および表１に示す。また、パターンの設計図を図１５に示す。
【００２４】
【表１】
2005156590.tif 000003
【００２５】
表２に実際に作成されたマスクパターンの寸法値を示す。密着露光マスクは等倍マスクになるのでライン・アンド・スペースパターンで０．１２μｍ、コンタクトホールで０．２μｍが解像限界であった。
図１６〜図１９に製作したＣｒパターンのＳＥＭ観察結果を示す。
【００２６】
【表２】
2005156590.tif 000004
【００２７】
得られたＦ２リソグラフィー用コンタクト露光マスクを、露光装置のコンタクト露光用ステージに装着してパターニングの検討を行った。ＡｒＦレジストのポリマーのプラットホームであるポリ（ノルボルネン−無水マレイン酸）のノルボルネンユニットにヘキサフルオロイソパノール（ＨＦＩＰＡ）基を付与したものをレジストとして用いた。
実験条件を示す。
レジスト：ＨＦＩＰＡレジスト
膜厚：１００ｎｍ
プリベーク：１３０℃、６０秒
ＰＥＢ：１３０℃、６０秒
ウエハ：Ｓｉウエハ    
露光波長：１５７ｎｍ（ＶＵＶＥＳ−４５００コンタクト露光モード）
現像液：ＴＭＡＨ  ２．３８％  （２３℃ディップ現像）
【００２８】
以下に検討に用いたレジストの化学構造を示す。
【００２９】
【化１】
2005156590.tif 000005
【００３０】
図２０に０．２４〜０．１２μｍライン・アンド・スペースパターンの転写結果を示す。
図２０において０．１０μｍライン・アンド・スペースパターンが解像していないのはマスクが解像していないためである。検討に用いたレジストでＤＡＲＫパターンで０．１２、ＢＲＩＧＨＴパターンで０．１４μｍまで解像することが分かった。
図２１に本マスクを用いたウェハ面内の解像度分布を示す。
【００３１】
実験結果から、ＤＡＲＫフィールドのライン・アンド・スペースパターンで０．１２μｍ、ＢＲＩＧＨＴフィールドのライン・アンド・スペースパターンで０．１４μｍ、コンタクトホールパターンで０．２０μｍが解像可能であることが確かめられた。
また、良好な結果が得られたことから、マスクとウエハが０．２ミクロン以下のギャップで均一に密着されていることが示された。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】ＡｒＦエキシマレーザレジストをＦ２露光した場合の現像速度曲線を示す図。
【図２】レジストに露光される光強度分布の模式図。
【図３】光学系を示す図。
【図４】プロキシミティ露光におけるフォトレジスト膜内の光強度分布の模式図。
【図５】溶解速度測定方法のフローを示す図。
【図６】現像時間対フォトレジスト膜厚値の結果を示す図。
【図７】各露光量に対するフォトレジスト膜内方向の溶解速度分布を示す図。
【図８】フォトレジスト膜内の溶解速度分布の計算手法を示す図。
【図９】フォトレジスト膜内の溶解速度分布の計算手法を示す図。
【図１０】フォトレジスト膜内の溶解速度分布の計算手法を示す図。
【図１１】露光強度と位置との関係の計算結果を示す図。
【図１２】マスクの形状、およびマスクとウエハとの関係を示す図。
【図１３】マスクとウエハを密着させるように圧力を加えるための装置の図。
【図１４】パターンの配置とパターンサイズを示す図。
【図１５】パターンの設計図。
【図１６】ＣｒパターンのＳＥＭ観察結果を示す図。
【図１７】ＣｒパターンのＳＥＭ観察結果を示す図。
【図１８】ＣｒパターンのＳＥＭ観察結果を示す図。
【図１９】ＣｒパターンのＳＥＭ観察結果を示す図。
【図２０】０．２４〜０．１２μｍライン・アンド・スペースパターンの転写結果を示す図。
【図２１】本マスクを用いたウェハ面内の解像度分布を示す図。
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図８】
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【図１０】
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【図１２】
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【図１３】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図９】
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【図１１】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2005156590.tif 000021
【図１７】
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【図１８】
2005156590.tif 000023
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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