(57)【要約】【課題】  微細な線幅が要求される場合においても、スループット良く、ウエハ上にパターンを形成する方法を提供する。【解決手段】  まず、（ａ）に示す穴あきステンシルレチクル１に形成されたコンタクトホールパターン２ａ、２ｂ、２ｃを、荷電粒子線露光装置を用いてウエハ５のレジスト上に露光転写する。転写されたコンタクトホールパターンを、２ａ’、２ｂ’、２ｃ’で示す。続いて、プロセスシュリンク技術を応用して、レジストに形成された孔の寸法を小さくする。その後、KrＦステッパを使用し、（ｂ）に示されたようなパターンを、同一のレジスト上に露光転写する。転写されたパターンを４ａ’〜４ｆ’で示す。そしてレジストを現像することにより、最終的には、図１（ｃ）に示すようなパターンがレジスト上に形成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レチクルに形成されたパターンをレジストを塗布したウエハに露光転写し、その後レジストを現像して、残ったレジストをマスクとしてエッチングによりウエハ上にパターンを形成する方法であって、少なくともコンタクトホールパターンを含むクリティカルパターン部分を、電子線露光装置により露光し、その後、レジストを現像して、プロセスシュリンク技術により、前記レジストに形成された穴部の寸法を小さくした後、同じレジストに、前記クリティカルパターン部分以外のパターンを、電子線露光装置以外の露光装置により露光し、再び前記レジストを現像した後、残った前記レジストをマスクとしてエッチングによりウエハ上にパターンを形成することを特徴とするウエハのパターン形成方法。
【請求項２】
レチクルに形成されたパターンをレジストを塗布したウエハに露光転写し、その後レジストを現像して、残ったレジストをマスクとしてエッチングによりウエハ上にパターンを形成する方法であって、少なくともコンタクトホールパターンを含むクリティカルパターン部分、以外のパターンを、電子線露光装置以外の露光装置により露光し、レジストを現像した後、前記クリティカルパターン部分を電子線露光装置により露光し、その後、再び前記レジストを現像して、プロセスシュリンク技術により、前記レジストに形成された穴部とパターン部の寸法を小さくした後、前記レジストをマスクとしてエッチングによりウエハ上にパターンを形成することを特徴とするウエハのパターン形成方法。
【請求項３】
レチクルに形成されたパターンをレジストを塗布したウエハに露光転写し、その後レジストを現像して、残ったレジストをマスクとしてエッチングによりウエハ上にパターンを形成する方法であって、少なくともコンタクトホールパターンを含むクリティカルパターン部分を、電子線露光装置により露光し、かつ、前記クリティカルパターン部分以外のパターンを、電子線露光装置以外の露光装置により露光し、その後、当該レジストを現像して、プロセスシュリンク技術により、前記レジストに形成された穴部とパターン部の寸法を小さくした後、前記レジストをマスクとしてエッチングによりウエハ上にパターンを形成することを特徴とするウエハのパターン形成方法。
【請求項４】
前記クリティカルパターンには、コンプリメンタリ分割しなければならないパターンを含まないことを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載のウエハのパターン形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、従来の光学的露光装置や極端紫外線露光装置で形成が困難であるクリティカルパターンを含んだパターンを、ウエハ上に形成する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスの集積度が高まるにつれて、微細な線幅を有するパターンをウエハ上に形成するための露光方法が開発されてきている。従来の光を使用した露光方法においては、露光可能な線幅は、投影光学系のＮＡに逆比例し、露光に使用する波長に比例することが知られている。このうち、ＮＡについては、その大きさがほぼ限界に達しており、従って、露光に使用する波長を短くすることに開発の重点がおかれている。
【０００３】
露光に使用する波長としては、ｇ線、ｉ線等の可視光が実際に使用されており、又はKrＦ、ArＦ、Ｆ２エキシマレーザ光を使用した紫外線を使用する開発が進められている。
【０００４】
一方、0.1μｍノードより細かい線幅のパターンを露光する装置として、分割露光転写方式の電子線（ＥＢ）露光技術の開発が進められている。これらのＥＢ露光技術は、従来の単純な基本図形アパーチャを持ち、それらのパターンの重ね合わせで所望のパターンを形成していく、いわゆるセルプロジェクションや可変成形法等の直描技術の延長とは異なり、光ステッパーと同様に所望のパターンの拡大パターンをレチクルパターンとして持ち、そのパターンをそのまま縮小投影露光してデバイスパターンを形成するところに大きな特徴がある。この技術はレチクルを用いた縮小転写方法の採用、及び大口径ビームを可能とした革新的なＥＢ光学系の採用により、量産性(スループット)を格段に向上させることが可能な方法である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
デバイスプロセスノードは現在でもムーアの法則に従い微細化されており、露光技術は、そのたびに、短波長化、ＲＥＴ(Resolution Enhancement Technology)技術などの新規技術でその流れを維持してきた。しかし、100nmノード以下の線幅が要求されるに至って、特にコンタクトホールパターンの形成が、従来の光リソグラフィでは限界に達しつつある。
【０００６】
電子線（ＥＢ）露光装置は、この問題を解決し、65nmノード以下のパターンの形成に対応できる技術として注目されている。しかしながら、分割露光転写方式においても、一度に露光できる部分の大きさは、0.25mm×0.25mm程度に限られており、従って、スループットが小さいという問題を有している。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、微細な線幅が要求される場合においても、スループット良く、ウエハ上にパターンを形成する方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するための第１の手段は、レチクルに形成されたパターンをレジストを塗布したウエハに露光転写し、その後レジストを現像して、残ったレジストをマスクとしてエッチングによりウエハ上にパターンを形成する方法であって、少なくともコンタクトホールパターンを含むクリティカルパターン部分を、電子線露光装置により露光し、その後、当該レジストを現像して、プロセスシュリンク技術により、前記レジストに形成された穴部の寸法を小さくした後、同じレジストに、前記クリティカルパターン部分以外のパターンを、電子線露光装置以外の露光装置により露光し、再び前記レジストを現像した後、残った前記レジストをマスクとしてエッチングによりウエハ上にパターンを形成することを特徴とするウエハのパターン形成方法（請求項１）である。
【０００９】
半導体デバイスの場合、最も微細で精密加工を要求されるパターンは、コンタクトホールパターンである。コンタクトホールパターンは、各パターンの中でも特に微細な寸法で精度よく形成することが要求されるので、焦点深度が深く、解像性に優れた電子線露光装置を使用することが好ましい。本手段においては、第１に、これらのコンタクトホールパターンを含めた、エキシマレーザ光の波長域までの光を使用した露光装置では加工が困難であるクリティカルパターンの部分のみを電子線露光装置により露光し、その他の部分を電子線露光装置以外の露光装置で露光する、いわゆる「同層ミックスアンドマッチ露光」を採用することにより、微細なパターンを有する半導体デバイス全体のパターンを形成するためのスループットを上げることを特徴としている。
【００１０】
しかしながら、このような手法を採用した場合でも、電子線露光装置のスループットが、他の光等を使用した露光装置に比べて遅いので、電子線露光装置自体のスループットを向上させる必要がある。そこで、本手段においては、プロセスシュリンク技術を採用して、この問題を解決している。
【００１１】
すなわち、クリティカルパターン部分については、レジストを現像した後、プロセスシュリンク技術により形成されたパターン寸法を縮めている。通常、電子線露光装置においてスループットを上げるためには、露光に用いる電子線の電流密度を上げればよいが、すると、クーロン効果のためにボケが大きくなり、レジストに形成されるパターンの寸法が目標値よりも大きくなってしまうという問題点がある。本手段においては、この、目標値より大きくなった部分をプロセスシュリンク技術により縮めることにより、露光に用いる電子線の電流密度を上げることができ、よって、電子線露光装置のスループットを上げることができる。
【００１２】
前記課題を解決するための第２の手段は、レチクルに形成されたパターンをレジストを塗布したウエハに露光転写し、その後レジストを現像して、残ったレジストをマスクとしてエッチングによりウエハ上にパターンを形成する方法であって、少なくともコンタクトホールパターンを含むクリティカルパターン部分、以外のパターンを、電子線露光装置以外の露光装置により露光し、レジストを現像した後、前記クリティカルパターン部分を電子線露光装置により露光し、その後、再び前記レジストを現像して、プロセスシュリンク技術により、前記レジストに形成された穴部とパターン部の寸法を小さくした後、前記レジストをマスクとしてエッチングによりウエハ上にパターンを形成することを特徴とするウエハのパターン形成方法（請求項２）である。
【００１３】
前記第１の手段においては、電子線露光装置による露光を先に行って、レジストを現像した後、プロセスシュリンク技術を使用して穴部の寸法を小さくし、その後、電子線露光装置以外の露光装置による露光を行っていた。
【００１４】
本手段では、逆に、電子線露光装置以外の露光装置による露光を先に行い、レジストを現像した後、電子線露光装置による露光を行って、さらにその後にプロセスシュリンク技術を適用している。本手段においても、前記第１の手段とほとんど同じ効果が得られるが、クリティカルパターン以外のパターンも、プロセスシュリンク技術により線幅が縮められるので、予めその分だけパターン幅を広くしておく必要がある。
【００１５】
前記課題を解決するための第３の手段は、レチクルに形成されたパターンをレジストを塗布したウエハに露光転写し、その後レジストを現像して、残ったレジストをマスクとしてエッチングによりウエハ上にパターンを形成する方法であって、少なくともコンタクトホールパターンを含むクリティカルパターン部分を、電子線露光装置により露光し、かつ、前記クリティカルパターン部分以外のパターンを、電子線露光装置以外の露光装置により露光し、その後、レジストを現像して、プロセスシュリンク技術により、前記レジストに形成された穴部とパターン部の寸法を小さくした後、前記レジストをマスクとしてエッチングによりウエハ上にパターンを形成することを特徴とするウエハのパターン形成方法（請求項３）である。
【００１６】
前記第１の手段、第２の手段においては、露光が終わるとその都度レジストの現像を行っていたが、本手段においては、電子線露光装置による露光と、それ以外の露光装置による露光の両方が終了してから（電子線露光装置による露光と、それ以外の露光装置による露光は、どちらを先に行ってもよい）レジストの現像を行っているので、現像が１回で済むという利点を有する。この場合においても、クリティカルパターン以外のパターンも、プロセスシュリンク技術により線幅が縮められるので、予めその分だけパターン幅を広くしておく必要がある。
【００１７】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段から第３の手段のいずれかであって、前記クリティカルパターンには、コンプリメンタリ分割しなければならないパターンを含まないことを特徴とするもの（請求項４）である。
【００１８】
電子線露光装置に用いられるレチクルとしては、電子線を散乱する物体に孔開け加工をした穴あきステンシルを用いるのが一般的である。このような穴あきステンシルにおいては、ドーナツ形状のようなパターンを形成することは不可能であるので、そのパターンをコンプリメンタリ（相補的）分割して、２回に分けて露光を行う必要がある。本手段においては、クリティカルパターンには、コンプリメンタリ分割しなければならないパターンを含まないようにしているので、電子線露光装置における露光回数を増やす必要が無く、スループットを低下させることが無くなる。
【発明の効果】
【００１９】
以上説明したように、本発明によれば、微細な線幅が要求される場合においても、スループット良く、ウエハ上にパターンを形成する方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。本実施の形態においては、KrＦステッパーと荷電粒子線露光装置を使用して、一つのレイヤーにおけるパターンの形成を行うものとする。最終的にウエハ上に形成したいパターンは図１（ｃ）に示すようなパターンであるとする。
【００２１】
これらのパターンを選別し、KrＦステッパで露光が可能な太い線幅の部分と、コンタクトホールパターンのように微細で精密加工が必要とされ、KrＦステッパで露光が困難な部分に分離する。図１（ａ）が、コンタクトホールパターンに対応するパターンであり、電子線露光装置用の穴あきステンシルレチクル１の上に、コンタクトホールパターン２ａ、２ｂ、２ｃが形成される。一方、図２（ｂ）が、KrＦステッパーで露光が可能な太い線幅のパターンであり、KrＦステッパ用のレチクル３にパターン４ａ〜４ｆが形成される。
【００２２】
図１（ｃ）に示すウエハ５の上には、電子線とKrＦエキシマレーザ光の双方に感度を有するレジストを塗布する。そして、まず、穴あきステンシルレチクル１に形成されたコンタクトホールパターン２ａ、２ｂ、２ｃを、荷電粒子線露光装置を用いてウエハ５のレジスト上に露光転写する。転写されたコンタクトホールパターンを、２ａ’、２ｂ’、２ｃ’で示す。そのとき、レジストを現像した際に、目的とする寸法のパターンがレジスト上に形成されるような露光電流よりも大きな電流を流し、その分、露光時間を短くすることによってスループットを向上させる。
【００２３】
このように、大きな電流を流すと、クーロン効果のために露光の際の像のボケが大きくなり、レジストを現像した際に、目的とする寸法のパターンより大きな寸法の孔が形成される。そこで、プロセスシュリンク技術を応用して、レジストの上に有機膜をコートし、その後適当なプロセス処理（ベーク処理等）を施した後に、その有機膜を洗い流すと、レジストに形成された孔の寸法が小さくなる。コンタクトホールパターンは、特に簡単な形状をしているので、プロセスシュリンク技術を応用してパターン寸法を縮めるのに適している。
【００２４】
その後、KrＦステッパを使用し、図１（ｂ）に示されたようなパターンを、同一のレジスト上に露光転写する。転写されたパターンを４ａ’〜４ｆ’で示す。そしてレジストを現像することにより、最終的には、図１（ｃ）に示すようなパターンがレジスト上に形成される。よって、このレジストをマスクとして、ウエハをエッチングすることにより、図１（ｃ）に示すようなパターンをウエハ上に形成することができる。なお、図１（ｃ）に示すパターンには、コンプリメンタリ分割を必要とするパターンは無いが、一般にこのようなパターンは、KrＦステッパを用いて露光できる程度のパターン線幅であるので、図１（ｂ）のレチクル３に形成することができ、コンプリメンタリ分割を実際に行う必要はない。
【００２５】
このように、一つのレイヤーについて、一つのレジストを使用して電子線露光装置とそれ以外の露光装置で露光を行うには、用いるレジストは双方の露光装置の電子線、及び光に対して十分な露光感度を有すること、及び解像性を有することが必要である。因みに、例えば電子線とKrＦエキシマレーザ光に対して十分な露光感度と解像性を持たせるには、ベース樹脂は同一でもよいが、化学増幅型レジストの酸発生剤として電子線用及びKrＦエキシマレーザ光用それぞれを添加する必要があることもある。また、電子線とArＦエキシマレーザ光に対して十分な露光感度と解像性を持たせるには、ベース樹脂をArＦエキシマレーザ光に対して透過率の高いアクリル系をべ一スとし、その添加剤(酸発生剤、クエンチャーなど)も、電子線とArＦエキシマレーザ光それぞれに適するものを、共に加えることが必要な場合もあり得る。
【００２６】
なお、まず、電子線露光装置以外の露光装置で周辺回路部等のクリティカルパターンでない部分を露光後、未現像のままコンタトホール部等のクリティカルパターン部を電子線露光装置で露光し、ベーク処理の後現像し、プロセスシュリンク処理を行ってもよい。逆に、電子線露光装置でコンタトホール部等のクリティカルパターン部を露光後、未現像のまま、電子線露光装置以外の露光装置で周辺回路部等のクリティカルパターンでない部分を露光し、ベーク処理の後現像し、プロセスシュリンク処理を行ってもよい。
【００２７】
一方の露光を行った後に一度ベークし、現像後に別露光にて再度露光する場合には、後で行う露光時の必要露光ドーズ量を、より多くしなければならなくなる場合があったり、レジストによっては解像性が劣化することもある。このことやスループットを考慮すると、電子線露光装置による露光と別の露光装置による露光を続けて行った後、ベーク、現像は一度に行ってしまうのが、線幅制御性、プロセスマージン等の観点からもデバイス製造コストの観点からも好ましい。
【００２８】
上記プロセスシュリンクには、クラリアントより販売されている"RELACS"（商品名）や東京応化工業より先ごろ発売された"SAFIRE"（商品名）など、レジスト上に有機膜をコート後、レジスト樹脂のガラス転移点近傍で一定量ベーク処理し、パターン側壁を引きずり出してパターン寸法を小さくするものや、レジスト樹脂材料をガス化させてレジスト上に積層させてパターン幅を狭めるものなどあるが、そのどれを用いても基本的は差し支えない。
【００２９】
ただし、適応するデバイスによっては同一層上でパターンピッチが高密度から低密度まで複数存在するものがあり、それらに適応する場合には、プロセスシュリンクのパターンピッチ依存が少ない材料、あるいはプロセスシュリンク条件を用いることが望ましいのは言うまでもない。
【００３０】
また電子線露光装置では、光露光のようにレジスト中での露光光源の透過率低下は問題とならないため、露光レジスト材料は何ら限定されない。例えば、現在開発が進められているKrＦ材料ばかりではなく、ArＦ材料でも適応できる。ただし、基本的にポジレジスト上に露光、パターン形成する場合にしか本技術は適応できない。
【００３１】
また本発明における技術は特にホールレイヤーに適応すると有効である。デバイスデザインルールが100nmあたりから、光露光ではコンタクトホールパターン形成が非常に難しくなっており、電子線露光装置のような高解像パターンを形成できる技術で実用化間近なものは他にはない。
【００３２】
本技術をライン系パターンに適応する場合にはプロセスシュリンクによってライン幅とライン長がそれぞれシュリンクされるが、そのシュリンク量は異なり制御が若干難しい。しかし、ライン幅のみの制御で良い場合などではポジレジストを用いたライン系への適応も十分に可能である。
【００３３】
本技術を用いた場合、レジスト上でのホール寸法は最終目標寸法に対し、＋数10nmとなり、その分電子線露光装置のビーム径を大きくすることができる。よって、その分クーロン相互作用の影響を受けても良いために、ビーム電流量を増やすことができ、そのままスループットの向上につながる。また、ビームボケ量が大きくなっても、電子の加速電圧が高いので比較的厚めのレジストでも高解像パターンを得ることができる。そのため、単層プロセスを念頭に、例えばコンタクトホールレイヤーであれば500nm厚前後で露光するとよい。
【実施例】
【００３４】
（実施例１）
65nmノード対応のSPU、DRAM、LOGIC、SRAMを一つのチップ内に集積したいわゆるSOC(システム・オン・チップ)デバイスの作製の一工程として、コンタクトホールレイヤーの露光を行った。コンタクトホール加工終了目標サイズは75nmであり、同一レイヤー内に、コンタクトホールパターンと、スペース幅比が1:1、1:1.2、1:2、1:3(ピッチではそれぞれ、150、165、225、300nm)のＬ／Ｓパターン（周辺回路パターン部、トランジストパターン部等）が混在していた。まず、電子線露光装置により、コンタクトホールパターンのみを露光し、続けてKrＦスキャナーを用いて周辺回路パターン部、トランジストパターン部等を露光し、ベーク処理後に現像を行った。
【００３５】
レジストには富士フィルムアーチ製のPHS樹脂を主成分とするレジストを用いた。このレジストを膜厚400nm厚となるように塗布し、レジスト塗布後に120℃、90秒間ベークした。このレジストは、電子線露光装置によるホールパターン形成においては最適露光感度が9μC/cm２、KrＦステッパを用いた周辺回路等のラインパターン形成時には1mJ/cm２の最適露光感度を有する。
【００３６】
露光後に、110℃、90秒間のＰＥＢを行った後、2.38wt％のTMAH水溶液(例えば、ＮＭＤ３（ＴＯＫ）)にて60秒間現像処理を行った。このようにして、所望のコンタクトホールレイヤーのレジスト形成が完成した。
【００３７】
続いて、プロセスシュリンク剤をレジスト上にコートし、所定の温度(レジスト樹脂のガラス転移点以下の温度)で1分間程度べ一クの後、純水で洗い流した。なお、プロセスシュリンク剤には東京応化工業製のSAFIRE剤を用いたが、そのシュリンク量のパターンピッチ依存量は寸法制御範囲内であったため、最も厳しい75nmのコンタクトホール、150nmピッチのＬ／Ｓに合わせてリソグラフィプロセスを構築した。その後は、通常の方法によりウエハをエッチングして、所望のパターンを有するレイヤーを形成することができた。
（実施例２）
実施例1と同様の方法で露光を行ったが、電子線露光装置においてホールパターンを露光した後、レジストをそのままベーク処理、現像処理し、続いてプロセスシュリンク剤をレジスト上にコートし、所定の温度(レジスト樹脂のガラス転移点以下の温度)で1分間程度べ一クの後、純水で洗い流した。なお、プロセスシュリンク剤には東京応化工業製のSAFIRE剤を用いたが、そのシュリンク量のパターンピッチ依存量は寸法制御範囲内であったため、最も厳しい75nmコンタクト、150nmピッチに合わせてリソグラフィプロセスを構築した。
【００３８】
電子線露光装置による露光後のレジスト上でのコンタクトホール寸法は、レジスト上で105nmホールとなるようにした。よってレチクル上のホール寸法は420nmとなり、レジスト上のホール間スペースは最もピッチが細かい1:1のＬ／Ｓで45nmとなる。
【００３９】
その後、周辺回路部のみを予め抽出して作製したレチクルを用いてKrＦスキャナーで露光した。その際の露光ドーズ量は通常条件より若干多くした。その後ベーク処理、現像処理を経て、所望のコンタクトホールレイヤーのレジスト形成が完成した。その後は、プロセスシュリンク処理を施した後に、通常の方法によりウエハをエッチングして、所望のパターンを有するレイヤーを形成することができた。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】電子線露光装置用のレチクルに形成されたパターン、KrＦ露光装置用のレチクルに警醒されたパターン、及びウエハ上に形成されるパターンの関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１…穴あきステンシルレチクル、２ａ〜２ｃ…コンタクトホールパターン、２ａ’〜２ｃ’…転写されたコンタクトホールパターン、３…レチクル、３…KrＦステッパ用のレチクル、４ａ〜４ｆ…パターン、４ａ’〜４ｆ’…転写されたパターン、５…ウエハ
【図１】
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