(57)【要約】【課題】  イマージョン式光リソグラフィ技術を行う方法およびシステムを提供する。【解決手段】  フォトレジスト３０６が設けられた基板の上方には、少なくとも一つの対物レンズ３０４が設置されている。対物レンズ３０４は、所定の放射線をフォトレジスト３０６が設けられた基板上まで伝達する。基板と対物レンズ３０４との間には液体が充填されている。液体は、対物レンズ３０４および基板に設けられたフォトレジスト３０６に直接に接触している。そして、この液体はモル濃度が１０-7モル／リットルよりも高いヒドロキシルイオンを含む。【選択図】  図３Ｂ
2005303317.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の基板の上方に設置される少なくとも一つのレンズを備え、前記基板と前記レンズとの間に充填される液体を含むフォトリソグラフィシステムであって、
前記レンズは、所定の放射線を前記基板まで伝達させ、前記基板の上面には放射敏感物質が設けられ、
前記液体は、前記レンズおよび前記放射敏感物質に直接に接触し、
前記液体は、モル濃度が１０-1〜１０-7モル／リットルの間であるヒドロキシルイオンを含むことを特徴とするフォトリソグラフィシステム。
【請求項２】
前記液体は少なくとも水を含むことを特徴とする請求項１記載のフォトリソグラフィシステム。
【請求項３】
前記液体は少なくとも金属水酸化物を含むことを特徴とする請求項１記載のフォトリソグラフィシステム。
【請求項４】
前記金属水酸化物は、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウムまたは水酸化カリウムの少なくとも一つまたは二つ以上を含むことを特徴とする請求項３記載のフォトリソグラフィシステム。
【請求項５】
基板を準備し、前記基板の上方に放射敏感物質を設け、前記放射敏感物質をモル濃度が１０-1〜１０-7モル／リットルの間であるヒドロキシルイオンを含む液体に接触させるステップと、
前記基板の上方に少なくとも一つのレンズを設け、前記レンズを前記液体に接触させるステップと、
波長が２４８ｎｍ以下の電磁放射を提供し、前記レンズを透過して提供された所定の放射線を前記基板まで伝達するステップと、
を含むことを特徴とするイマージョン式フォトリソグラフィ技術の制御方法。
【請求項６】
前記液体は水を少なくとも含むことを特徴とする請求項５記載のイマージョン式フォトリソグラフィ技術の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の製造に使用するイマージョン式リソグラフィ工程に関し、特にイマージョン式リソグラフィシステムに使用されるイマージョンレンズ液体（immersion lens fluid）に関する。
【背景技術】
【０００２】
超ＬＳＩの製造工程には多くの光リソグラフィのステップが用いられ、半導体ウェーハ（基板）の表面上に、特定の回路および素子が定義されて製造されている。従来の光リソグラフィシステムには、例えば光源、光学伝達素子、フォトマスクおよび電子制御装置などといった、いくつかの基本サブシステムが含まれる。そして、これらのシステムにより一層のフォトレジスト薄膜を半導体ウェーハ上に塗布し、マスクにより特定の回路パターンを定義する。ＶＬＳＩ技術が進歩するに伴い、回路を幾何構造上より小さくして密集させ、更に小さい解析力の放射および印刷能力を備えたリソグラフィ設備を使用する必要がでてきた。また、これらの設備は１００ｎｍよりも小さい解析能力を備えていなければならなかった。そして、解析度が６５ｎｍまたはそれよりも優れたレベルに達する新しい素子工程を発展させるには、光リソグラフィ工程を大幅に改善する必要があった。
【０００３】
イマージョン式リソグラフィ工程は、大幅に改善された解析能力を備えているために、工程において広く応用されている。イマージョン式レンズリソグラフィ技術の特徴は、フォトレジストパターン工程の露光ステップにあり、液媒体（liquid medium）を利用して投光システム（light projection system）の末端にある対物レンズと半導体ウェーハの表面との間の隙間を全部充填する。イマージョン式レンズリソグラフィ技術の液体イマージョン媒体は露光光線に対して優れた屈折率（index of refraction）を提供するため、リソグラフィシステムの解析能力を改善することができる。この原理はレーリーの解像公式（Rayleigh Resolution formula：Ｒ＝（ｋλ／Ｎ．Ａ．））により表示することができる。ここである工程定数ｋ（certain process constants）、伝達光線波長λおよび投光システムの絞り番号Ｎ．Ａ．により解析度Ｒを決定する。ここで注意しなければならないことは、絞り番号Ｎ．Ａ．は屈折率の関数であるという点である（Ｎ．Ａ．＝ｎｓｉｎθ）。また、ｎは対物レンズとウェーハ表面との間の液媒体の屈折率を示し、θはレンズに対する伝達光線の入射角（acceptance angle）を示す。
【０００４】
入射角を固定した場合、屈折率（ｎ）が大きいほど、放射システムの絞り番号（Ｎ．Ａ．）も大きくなるため、光リソグラフィシステムへさらに小さい解析力（Ｒ）を提供することができる。従来のイマージョン式リソグラフィシステムは、脱イオン水（de-ionized water）を対物レンズとウェーハ基板との間を介するイマージョンレンズ液体とする。２０℃の条件において、空気の屈折率は約１．００であるのに対し、脱イオン水の屈折率は約１．３３である。そのため、脱イオン水をイマージョンレンズ液体にした場合、光リソグラフィ工程の解析能力が大幅に改善されることが分かる。
【０００５】
図１は、従来のイマージョン式リソグラフィ工程を示す断面図である。イマージョン式リソグラフィシステムのイマージョン式印刷領域１００は、ウェーハ基板１０２の表面上に塗布された一層のフォトレジスト１０４を含む。脱イオン水イマージョン液体１０６がフォトレジスト１０４上に設けられ、イマージョン式リソグラフィシステムのフォトレジスト１０４と対物レンズ１０８とで挟まれた空間を充填する。対物レンズ１０８は、例えばシリコン酸化物（silicon oxide）、フッ化カルシウム（calcium fluoride）またはその他同様の機能を有する材料からなる。そして、水イマージョン液体はフォトレジスト１０４の上面および対物レンズ１０８の下表面へ同時に直接に接触する。ここで注意しなければならないことは、フォトレジスト保護層（図示せず）を使用する場合、このフォトレジスト保護層は水イマージョン液体１０６とフォトレジスト１０４の上面との間にあり、イマージョン液体１０６と直接に接触するということである。図１において、リソグラフィシステムの末端にある対物レンズ１０８の上方にある下向き矢印１１０は、パターン画像露光光線の伝達方向が対物レンズへ向かってイマージョン液体１０６を透過することを示している。
【０００６】
しかし、従来のイマージョン式リソグラフィシステムで脱イオン水をイマージョン液体に使用した場合、操作工程において重要な影響が発生した。つまり、リソグラフィ印刷を行うとき、基板１０２の上方にあるフォトレジスト１０４は外部に向かって気体を排出してイマージョン液体１０６中に微小気泡を発生させるが、これらの気泡は印刷パターンを破壊して印刷画像の焦点を妨害するのに足るものである。露光転写の工程において、フォトレジスト１０６上へ放射された光エネルギーはフォトレジスト中の内在性酸分子に解離（dissociation）および遷移（migration）現象を発生させてイマージョン液体１０６中に入った。イマージョン液体１０６中では、酸分子解離後に発生する水素イオン（Ｈ+）が、対物レンズ１０８の成分（通常はフッ化カルシウムおよび／または二酸化ケイ素）およびフォトレジスト１０４の表面を攻撃またはエッチング／腐食し始める。対物レンズ１０８およびフォトレジストパターン１０４が酸腐食された場合、損壊または効果が低い印刷パターンを発生させた。また、対物レンズ１０８およびフォトレジスト１０４に対し、脱イオン水はそれ自身が腐食性を備えている可能性がある。
【０００７】
水分子がフォトレジストへ移動することと、フォトレジスト中から移動して出てくる水素イオンにより発生する腐食効果とを予防または減少させるため、従来の半導体製造工程ではフォトレジストの上方に一薄膜の透明保護層（transparent protective layer）が加えられていた。イマージョン式光リソグラフィ工程では、この保護層を一機械的バリア（mechanical barrier）にすることにより、水分子、小気泡およびイオンの遷移を抑制したり防いだりしたりすることができる。しかし、このような保護措置は一定レベルの効果しか備えておらず、この方法を製造設備および製造工程中に導入した場合、製造材料、生産設備、労働コストおよび消耗時間が増大した。同様に注意しなければならないこととして、フォトレジスト上の保護層は、水と水イマージョン液体中のイオンがリソグラフィ設備の対物レンズに与える腐食作用を制御することができない点がある。
【０００８】
図２Ａから図２Ｃは、水および酸が対物レンズおよびフォトレジストを攻撃することにより発生する腐食問題を示している。図２Ａは断面図２００であり、それは水イマージョン液体２０２、その液体２０２と対物レンズ２０４とが接触する界面、およびその液体２０２とウェーハ上のフォトレジスト２０６とが接触する界面を示す模式図である。水イマージョン液体２０２と対物レンズ２０４の底面とが直接に接触する界面は界面２０８である。そして、水イマージョン液体２０２とフォトレジスト２０６（またはフォトレジスト保護層）の上面とが直接に接触する界面は界面２１０である。完全な状態の下、水分子（Ｈ2Ｏ）および水分子が解離された後に発生する水素イオン（Ｈ+）およびヒドロキシルイオン（ＯＨ-）は、図２Ａが示すように水イマージョン液体２０２中に位置する。また、完全な酸分子（ＨＡ）は、図２Ａが示すようにフォトレジスト２０６中に位置する。図２Ａにおいて、完全な酸分子はＨＡで示され、そのＨＡは水素イオン（Ｈ+、hydrogen ion）と酸アニオン（Ａ-、acid anion）との結合からなる。水イマージョン液体２０２およびフォトレジスト２０６中の平衡化学分子およびイオンを示す符合は、腐食反応が発生する前の化学分子の位置を示す。
【０００９】
図２Ｂは図２Ａに類似する断面図であり、図２Ｂは非常に多くの水イマージョン液体２０２がイマージョン液体とフォトレジストとの間の界面２１０を透過してフォトレジスト２０６中に入った後に発生する腐食メカニズムを示している。フォトレジスト２０６に入った水分子Ｈ2Ｏは酸分子ＨＡに接触し、酸分子を水素イオン（Ｈ+）および酸アニオン（Ａ-）に解離させる。同時に、光リソグラフィシステムの露光光線２１２が提供するエネルギーは、酸分子の解離反応を加速させるか触媒させることができる。システム２００中で遊離している水素イオンはその後移動して腐食問題を発生させる。ここで注意しなければならないことは、分子とイオンとがイマージョン液体およびフォトレジストの界面２１０を越える遷移および運動現象が、水イマージョン液体２０２の屈折率の動態変化（dynamic change）を起こすということである。イマージョン液体中の動態変化率は屈折率を徐々に変化させるため、屈折率の変化を制御したり鑑定したりすることは非常に困難であった。この制御不能状態（uncontrollability）はイマージョン式リソグラフィシステムの解析品質を劣化させ、さらには不良パターンや損壊された印刷画像を発生させることもあった。
【００１０】
図２Ｃは図２Ａおよび図２Ｂに類似するもう一つの断面図である。図２Ｃは、フォトレジスト２０６中の水素イオンがフォトレジストおよびイマージョン液体の界面２１０を透過して水イマージョン液体２０２中に入る。水素イオンは、フォトレジストおよびイマージョン液体の界面２１０上のフォトレジスト（またはフォトレジスト保護層）表面２０６に腐食を発生させる。水中に遷移された水素イオンは、イマージョン液体と対物レンズとの界面２０８へ移動されて対物レンズ２０４の表面を腐食し始めることがあった。同様に光リソグラフィシステムが提供する露光光線２１２も、これらの解離や腐食の工程を加速させたり触媒させたりすることができる。そして、これは対物レンズ２０４の絞り番号が大きくなるほど、対物レンズの腐食が発生しやすくなった。特に、これは対物レンズの絞り番号が０．７５よりも大きいときに発生しやすくなった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の主な目的は、イマージョン式光リソグラフィ技術を行う方法およびシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の目的を達成するため、本発明は基板の上方に設置される少なくとも一つのレンズを備える。レンズは、所定の放射線を所定の基板上まで伝達する。レンズと基板との間に充填される液体は、レンズおよび基板に直接に接触する。そして、この液体はモル濃度が１０-7モル／リットルよりも高いヒドロキシルイオンを含む。
【発明の効果】
【００１３】
上述したことから分かるように、本発明は、イマージョン液体がリソグラフィ対物レンズおよびフォトレジストに対して発生させる腐食を最低まで下げるか全く発生させない方法を提供する。このイマージョン液体は、酸分子が解離された後に発生する水素イオンがフォトレジストからイマージョン液体へ入る遷移を制御したり抑制したりすることができ、酸分子の解離反応を抑制することもできる。また、このイマージョン液体は化学性質の安定性を保持することができ、全体の液体体積における液体の屈折率を固定して均一に一致させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、イマージョン式リソグラフィシステム中のイマージョン液体の性質を制御する改良方法を提供する。本発明の方法は、高濃度のヒドロキシルイオンを含むイマージョン液体によりリソグラフィ対物レンズおよびウェーハ上のフォトレジストの腐食を大幅に減らしたり防いだりすることができる。本発明が提供するイマージョンレンズ液体は、酸分子の解離反応を制御したり抑制したりすることができ、酸分子が解離された後に発生される水素イオンがイマージョン液体とフォトレジストとの界面を越える遷移動作を抑制するとともにイマージョン液体の屈折率を安定させることができる。
【００１５】
実際の操作では、様々な方法によりイマージョン式リソグラフィ工程を制御することができる。一般には適当な化学組成物を含む液体を選択するとともに、製品の基板（例えば感光材料を有するウェーハ）とこの液体とを直接に接触させ、この液体の他方の一端と対物レンズとを接触させる。その後、リソグラフィシステムの放射源は、所定形式の電磁放射線（例えば所定の波長を有する光線）を提供して、レンズおよび液体を透過させ、製品基板を放射線に露出させる。
【００１６】
本発明のイマージョンレンズ液体の特徴は、水溶液が高濃度のヒドロキシルイオンを含んでいることにある。この高濃度のヒドロキシルイオンは、イマージョン液体の水素イオンの相対濃度を下げることができる。本実施形態のイマージョン液体は公知の化学アルカリ性水溶液（chemical aqueous base solution）でもよい。この水溶液は酸アルカリ値（ｐＨ）が７よりも大きい、つまり１０-7モル／リットルよりも高いヒドロキシルイオンの化学性質を備えている。他の好適な実施形態では、このヒドロキシルイオンのモル濃度は、約１０-7〜１０-1モル／リットルの間であるか、さらに狭い約１０-5〜１０-3モル／リットルや約１０-5〜１０-7モル／リットルの間であってもよい。ここで注意しなければならないことは、本実施形態のイマージョン液体の屈折率が、脱イオン水の屈折率に近いかそれよりも高いという特徴をさらに備え、本実施形態のイマージョン液体をイマージョン式リソグラフィシステムの解析度を改良するイマージョン液媒体にしてもよいということである。特に本実施形態のイマージョン液体中には水酸化ナトリウム（sodium hydroxide：ＮａＯＨ）、水酸化カルシウム（calcium hydroxide：Ｃａ（ＯＨ）2）および／または水酸化カリウム（potassium hydroxide：ＫＯＨ）の化学溶液などを含むことができる。
【００１７】
図３Ａおよび図３Ｂは、本発明の好適な実施形態によるイマージョン式リソグラフィ工程を示す断面図である。
本工程で使用されるイマージョン液体はヒドロキシルイオンの濃度が高いという特徴を有する。図３Ａは断面図３００であり、それは水イマージョン液体３０２、その液体３０２と対物レンズ３０４とが接触する界面３０８、およびその液体３０２と基板のフォトレジスト３０６とが接触する界面３１０を示す。図３Ａにおいて、水イマージョン液体３０２と対物レンズ３０４の底面とが直接に接触されて形成された界面は界面３０８であり、水イマージョン液体３０２とフォトレジスト（または保護層）３０６の上面とが直接に接触されて形成された界面は界面３１０である。図３Ａに示すように、完全な水分子Ｈ2Ｏ、水分子を解離した後に発生した水素イオン、ヒドロキシルイオンおよび添加された過量ヒドロキシルイオンはイマージョン液体３０２中にあり、完全な酸分子ＨＡはフォトレジスト３０６中にある。図３Ａが示す水イマージョン液体３０２およびフォトレジスト３０６中の平衡化学物質およびイオンを示す符号は、遷移システムが開始される前の化学分子およびイオンの位置を示す。
【００１８】
図３Ｂは、図３Ａに類似する断面図である。図３Ｂは、高濃度のヒドロキシルイオンが本実施形態のイマージョン液体３０２中からフォトレジスト３０６内へ遷移するとともに、フォトレジスト３０６中にある解離された自由水素イオンと反応する。イマージョン液体３０２中のヒドロキシルイオンは、イマージョン液体とフォトレジストとの間の界面３１０を透過し、自由な水素イオンと結合して中性（neutral）の水分子に形成される。水分子と残留された酸イオン（Ａ-）はフォトレジスト３０６中に留まる。そのため、イマージョン液体３０２およびフォトレジスト（またはフォトレジスト保護層）３０６の間の界面３１０、そしてイマージョン液体３０２および対物レンズ３０４の間の界面３０８に対する水素イオンの腐食能力は大幅に下がる。
【００１９】
図３Ｃは、図３Ａおよび図３Ｂに類似する断面図である。図３Ｃは、本実施形態のイマージョン液体中の過量ヒドロキシルイオンが、酸分子の解離後に発生する水素イオンの反応状態を示すとともに、本実施形態のイマージョン液体３０２におけるヒドロキシルイオンおよび水素イオンの位置を示す。ヒドロキシルイオンが水素イオンと結合して中性の水分子を形成することにより、本実施形態のイマージョン液体３０２を非常に低い水素イオン濃度に保つことができる。図３Ｃは、フォトレジスト３０６から発生された水素イオンが、イマージョン液体３０２およびフォトレジスト３０６の間の界面３１０に到達したときの状態を示す。水素イオンが上へ移動して界面３１０へ到達すると、自由なヒドロキシルイオンと反応して中性の水分子を形成する。
【００２０】
本実施形態の方法によると、化学アルカリ水溶液をイマージョン式リソグラフィシステム中のイマージョンレンズ液体にすることにより、リソグラフィ対物レンズおよびフォトレジストの腐食問題を効果的に制御したり大幅に抑制したりすることができる。本実施形態のイマージョン液体中の過量ヒドロキシルイオンは、イマージョンレンズ液体中の自由水素イオンの含有量を減らすとともに、イマージョン液体中へ移動する水素イオンを中和させることができる。そして、水素イオンの濃度を制御したり低下させることにより、フォトレジストパターン表面およびリソグラフィ設備の腐食問題を大幅に減らしたり抑制したりすることができる。同時に工程にフォトレジスト保護層を挿入することにより増加するコストおよび時間の浪費を減らすことができる。本実施形態のイマージョン液体は化学的な安定性を保持して、全体のイマージョン液体体積中の液体屈折率を固定して均等に保つことができる。
【００２１】
本実施形態の方法と特定ｐＨ値およびモル濃度のイマージョン液体は、現在ある様々な素子設備および工程に簡単に導入することができる。また、本実施形態の方法およびイマージョン液体は、現在使用されているイマージョン式リソグラフィシステム中に応用することもできる。これらイマージョン式リソグラフィシステムで使用される露光波長は、１９３ｎｍ〜２４８ｎｍの間である。同様に、約１９３ｎｍまたはそれよりも短い、例えば１５７ｎｍに近いかそれよりも短い波長である露光光線のイマージョン式リソグラフィシステムは本実施形態の方法およびイマージョン液体へ応用することもできる。また、対物レンズの絞り番号は、約０．７５〜０．８５の間である。他の好適な実施形態では、絞り番号を約０．８５〜１．０５の間にすることもできる。本実施形態の方法およびイマージョン液体は、信頼性、性能性および品質が高い先進技術の半導体素子の製造へ同様に適用することができる長所を有している。この本実施形態の改良はコストを大幅に下げ、現在ある設備を使用しながら他の製造メーカと同様の製品と同じ条件下で、競争力のあるコストおよび生産量を維持することができる。
【００２２】
上述した複数の好適な実施形態は、本発明の各特徴を応用した内容であるが、上述の好適な実施形態において述べられている要素およびステップは本発明を単に説明しただけのものであり、特許請求の範囲に記載されている内容を何ら制限するものではない。
【００２３】
本実施形態では高酸アルカリ値（ｐＨ）液体のイマージョン式リソグラフィ技術により本発明を示して説明したが、これらは決して本発明を限定するものではない。当該技術に熟知するものなら誰でも、本発明の趣旨と領域を脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って本発明の保護の範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来技術によるイマージョン式リソグラフィ工程を示す模式図である。
【図２Ａ】従来技術によるイマージョン式リソグラフィの工程中および工程前の各種化学分子およびイオンの位置と運動情況を示す模式図である。
【図２Ｂ】従来技術によるイマージョン式リソグラフィの工程中および工程前の各種化学分子およびイオンの位置と運動情況を示す模式図である。
【図２Ｃ】従来技術によるイマージョン式リソグラフィの工程中および工程前の各種化学分子およびイオンの位置と運動情況を示す模式図である。
【図３Ａ】本実施形態によるイマージョン式リソグラフィの工程中および工程前の各種化学分子およびイオンの位置と運動情況を示す模式図である。
【図３Ｂ】本実施形態によるイマージョン式リソグラフィの工程中および工程前の各種化学分子およびイオンの位置と運動情況を示す模式図である。
【図３Ｃ】本実施形態によるイマージョン式リソグラフィの工程中および工程前の各種化学分子およびイオンの位置と運動情況を示す模式図である。
【符号の説明】
【００２５】
３００  断面図、３０２  イマージョン液体、３０４  対物レンズ、３０６  フォトレジスト、３０８、３１０  界面、３１２  露光光線
【図１】
2005303317.tif 000003
【図２Ａ】
2005303317.tif 000004
【図２Ｂ】
2005303317.tif 000005
【図２Ｃ】
2005303317.tif 000006
【図３Ａ】
2005303317.tif 000007
【図３Ｂ】
2005303317.tif 000008
【図３Ｃ】
2005303317.tif 000009