微細パターンの形成方法およびその形成材料
【課題】 微細パターンの形成方法において、解像性および寸法制御性の向上を図る。
【解決手段】 本発明の微細パターンの形成方法は、基板上に、露光波長λでの屈折率がｎbのレジスト膜と、露光波長λでの屈折率がｎcで膜厚がｄの上層膜を形成し、露光波長λでの屈折率がｎdの露光媒体中において、レンズ開口数がＮＡで露光波長がλの縮小投影露光によりフォトリソグラフィを行なうパターン形成方法であって、
ｎc＝（ｎb・ｎd）1/2
ｄ＝ｋ・λ／［４ｎcｃｏｓ｛ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ／ｎc）｝］ （ｋ＝１，３，５・・・）
であることを特徴とする。
【解決手段】 本発明の微細パターンの形成方法は、基板上に、露光波長λでの屈折率がｎbのレジスト膜と、露光波長λでの屈折率がｎcで膜厚がｄの上層膜を形成し、露光波長λでの屈折率がｎdの露光媒体中において、レンズ開口数がＮＡで露光波長がλの縮小投影露光によりフォトリソグラフィを行なうパターン形成方法であって、
ｎc＝（ｎb・ｎd）1/2
ｄ＝ｋ・λ／［４ｎcｃｏｓ｛ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ／ｎc）｝］ （ｋ＝１，３，５・・・）
であることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、解像性の高い光学像が得られる微細パターンの形成方法に関する。特に、大口径レンズを有する投影露光装置を用いるフォトリソグラフィにおいても、広角入射光により微細なピッチパターンを高精度に形成することができる微細なパターンの形成方法およびそれに使用する形成材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
大口径のレンズ開口数を有する投影露光装置を用いるフォトリソグラフィにおいて、ピッチ、パターンの微細化に伴ない、フォトレジストへの光入射角度の広角化が進んでいる。光入射角の広角化により偏光を考慮したベクトル干渉効果の影響が大きくなり、ｐ偏光による光学コントラストが、ｓ偏光による光学コントラストより劣化する傾向がある。このため、ｐ偏光よりｓ偏光を多く吸収するレジスト膜を形成する方法が有効であり、またレジスト膜上の上層膜の特性を最適化する方法が知られている（非特許文献１参照）。同文献によれば、これらの方法は、非液浸のドライプロセスであり、レジスト膜上に形成する上層膜の屈折率は、１．２５が理想的であるとするが、この値は材料化学的に見て非現実的である。
【０００３】
一方、液浸法による微細フォトリソグラフィについては、ドライ法と異なる種々の知見が得られており、たとえば、屈折率１．４４の水を露光媒体として使用することにより、極小ピッチの形成が可能となる（非特許文献２および３参照）。また、レジスト膜を露光媒体から隔離する技術として、レジスト膜上に上層膜を形成する方法が開発されている。上層膜は、露光する光に対する透過性が優れ、露光媒体とレジスト膜に対して不活性である必要があり、東京応化工業製のＴＳＰ−３Ａが例示されている。
【非特許文献１】Kouichirou Tsujita & Isao Mita, Improvement of deteriorated resolution caused by polarization phenomenon with TARC process, "Optical Microlithography XVII, edited by Bruce W. Smith, Proceedings of SPIE" (2004) vol. 5377 pp80-90
【非特許文献２】Bruce W. Smith et al., Approaching the numerical aperture of water immersion lithography at 193nm "Optical Microlithography XVII, edited by Bruce W. Smith, Proceedings of SPIE" (2004) vol. 5377 pp273-284
【非特許文献３】Alex K. Raub et al., Deep-UV Immersion Interferometric Lithography, "Optical Microlithography XVII, edited by Bruce W. Smith, Proceedings of SPIE" (2004) vol. 5377 pp306-318
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
大口径レンズを用いる投影露光装置において広角入射光により微細パターンを形成する場合に、レジスト膜上に上層膜を形成しないと、また上層膜を形成するとしても、上層膜の屈折率および膜厚を考慮しない場合には、広角の斜め入射光の偏光制御および反射率制御が不十分となる。
【０００５】
また、露光による偏光を制御する場合、適切な上層膜を形成しないと、解像性の高いｓ偏光の透過率が低くなり、感度劣化に繋がり、さらに、パターンピッチによる入射角度の変化に伴ない透過率が変化するため、光学近接効果の一因となり、パターンのデザイン忠実性が劣化する。
【０００６】
本発明の課題は、上層膜の屈折率および膜厚を広角入射角に対して最適化し、解像性の高いｓ偏光のレジスト膜への透過率を向上させるとともに、広角入射光を含む実効的入射光に対するレジスト上層反射防止効果を得て、微細パターンを高精度に形成する方法を提供することにある。また、かかる方法に使用する微細パターンの形成材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の微細パターンの形成方法は、基板上に、露光波長λでの屈折率がｎbのレジスト膜と、露光波長λでの屈折率がｎcで膜厚がｄの上層膜を形成し、露光波長λでの屈折率がｎdの露光媒体中において、レンズ開口数がＮＡで露光波長がλの縮小投影露光によりフォトリソグラフィを行なうパターン形成方法であって、
ｎc＝（ｎb・ｎd）1/2
ｄ＝ｋ・λ／［４ｎcｃｏｓ｛ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ／ｎc）｝］ （ｋ＝１，３，５・・・）
であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
解像性の高いｓ偏光のレジスト膜への透過率が高く、広角入射光を含む実効的入射光に対するレジスト上層反射防止効果が得られ、微細なピッチのパターンを高精度に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図３は、本発明において、化学増幅ポジ型レジストを用いた、ＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）照射によるレジストパターン形成方法を示した工程図である。まず、図３（ａ）に示すように、半導体基板３１上に化学増幅ポジ型レジスト膜３２をスピンコートする。つぎに、図３（ｂ）に示すように、約８０℃〜１５０℃の露光前べークにより約１５０ｎｍ〜２５０ｎｍの膜厚に形成する。つぎに、カルポン酸基を含む部分アルキル保護アクリル酸ユニットとフッ化アルコール基を有する化合物との共重合体ポリマー主成分とするアルコール溶液を、レジスト膜３２上に、上層膜３３としてスピンコートする（図３（ｃ））。アルコール溶媒は、下層のレジスト膜３２を溶解しないエチルアルコール、イソプロピルアルコールまたはイソブチルアルコールを溶媒に用いるのが好ましく、ここでは、イソブチルアルコールを単独で用いた。溶媒はアルコール系に限らず、下層レジスト膜３２を溶解せず、上層膜３３に含まれる成分を溶解し、かつ露光媒体３４と相溶せず、成膜可能な溶剤から選択することができる。スピンコートされた上層剤は溶剤を蒸発させるため約８０℃〜１３０℃で熱処理を施す（図３（ｄ））。
【００１０】
つぎに、上層膜３３とレジスト膜３２の塗布された基板を、高開口数（ＮＡ）を持つ縮小投影露光装置に挿入し、露光媒体３４である水に浸す。その後、液浸状態でレチクル３５パターンをＡｒＦエキシマレーザ光（１９３ｎｍ）で照射し、上層膜３３を透過した光でレジスト膜３２を感光させる。感光後、現像し（図３（ｆ））、乾燥すると、パターン化したレジスト膜３２ａが得られる（図３（ｇ））。図２に、基板２１上に、レジスト膜２２、上層膜２３を形成し、露光媒体２４中で露光する場合の透過光の状態を例示する。この際、上層膜２３を透過する光は、図２に示される紙面に垂直な方向に電界ベクトルを持つs偏光と、紙面に平行な方向に電界ベクトルを持つp偏光とで透過率が異なってくる。たとえば、上層膜が存在しない場合のs偏光とp偏光の電界振幅透過率ｔabは、つぎのように、フレネルの公式により異なった値を示し、光強度透過率（Ｔab）はこの２乗にエネルギー密度に変換するため、入射側と透過側の屈折率と余弦の比で校正した式で表され、各々異なる入射角度依存性を示す。
ｔab（ｓ）＝２ｎaｃｏｓθa／（ｎaｃｏｓθa＋ｎbｃｏｓθb）
ｔab（ｐ）＝２ｎaｃｏｓθb／（ｎaｃｏｓθb＋ｎbｃｏｓθa）
Ｔab＝｛（ｎb／ｃｏｓθb）／（ｎa／ｃｏｓθa）｝・|ｔab|2
ここで、aは上層の露光媒体を示し、bは下層のレジスト膜を示す。したがって、ｎaは露光媒体の屈折率、ｎbはレジスト膜の屈折率を表し、θaは露光媒体中の入射角度、θbはレジスト膜中の入射角度を表す。
【００１１】
つぎに、図４（ａ）に、s偏光４１とp偏光４２の透過率の入射角度の正弦関数（ｎwater・ｓｉｎθwater）への依存性を示す。露光媒体は水を代表に計算したが、水より屈折率の低い空気の場合、水より屈折率の高い液の場合でも、図４（ａ）と同様の角度の正弦関数依存性を示す。
【００１２】
また、図５に、結像点の両側から光強度（電界ベクトルの２乗）と入射角度が等しい２光束干渉条件での、位相が同じで強め合い合成光強度が最大となる場合（Ｉmax）と、位相が逆で打ち消し合い合成光強度が最小となる場合（Ｉmin）とから得られる、光学コントラスト（（Ｉmax−Ｉmin）／（Ｉmax＋Ｉmin））についての入射光の入射角度依存性を各偏光成分について図示する。図５（ａ）はｐ偏光について、また図５（ｂ）にはｓ偏光について例示する。斜め入射光の電界ベクトルのベクトル和を考慮した場合、ｓ偏光の場合はベクトル方向が常に紙面に垂直なため同位相では強め合い、合成電界ベクトルは２倍になり、光強度はその２乗で４倍となる。一方、逆位相では完全に打ち消し合い合成電界ベクトルとその２乗の光強度ともゼロとなる。したがって、ｓ偏光の場合は、（（Ｉmax−Ｉmin）／（Ｉmax＋Ｉmin））は入射角に依らず一定な完全干渉となる。
【００１３】
しかし、ｐ偏光はベクトル方向が紙面に平行なため、入射角度θにより同位相（Ｉmax）でも合成電界ベクトルは２倍にはならない。また、逆位相（Ｉmin）でもゼロにはならない。ｐ偏光の場合は合成される電界ベクトルが、入射角度の広角化により合成電界ベクトルは水平方向から垂直方向に移行していき、レジスト膜内での基板への入射角度が４５°では同位相（Ｉmax）の水平と逆位相（Ｉmin）の垂直の合成電界ベクトルとその２乗の光強度は等しい値となり、光学コントラスト（（Ｉmax−Ｉmin）／（Ｉmax＋Ｉmin））はゼロまで小さくなる。
【００１４】
これ以上の入射角度の広角化では、ＩmaxとＩminの強度は逆転し、光学像は反転する。すなわち、大口径のレンズ開口数を有し、広入射角入射光を利用するフォトリソグラフィでは、ｓ偏光が高コントラストで、p偏光は低コントラストで不要な成分と言える。図４（a）を見ると入射角が広角化するに従い、ｐ偏光の透過率よりs偏光の透過率は小さくなり、光学コントラストに悪影響を及ぼす。
【００１５】
つぎに、レジスト膜の上層に上層膜を形成した場合において、上層膜での多重反射を考慮した電界振幅透過率Ｍｔと位相差δを、つぎに示す。
Ｍｔac＝｛ｔabｔbcｅｘｐ（−ｉδ／２）｝／｛１＋ｒabｒbcｅｘｐ（−ｉδ）｝
δb＝（４πｎbｄbｃｏｓθb）／λ
ここでaは最上層の露光媒体、bは中間層の上層膜、cが最下層のレジスト膜を示す。したがって、ｔabは、露光媒体から上層膜への電界振幅透過率、ｔbcは上層膜からレジスト膜への電界振幅透過率、ｒabは露光媒体への上層膜表面の電界振幅反射率、ｒbcは上層膜へのレジスト膜表面の電界振幅反射率を示す。また、上層膜における屈折率をｎb、膜厚をｄb、入射角をθbとし、δbは上層膜の１往復で生じる位相差を表す。最終的に計算されるＭｔacが上層膜での多重反射を考慮した露光媒体からレジスト膜への電界振幅透過率を表し、この２乗にエネルギー密度に変換するため、入射側と透過側の屈折率と余弦の比で校正した次式で、光強度の露光媒体からレジスト膜への透過率Ｔacを表す。なお、ｒαβはサフイックス界面の電界振幅反射率、ｔαβはサフイックス界面電界振幅透過率を意味する。
Ｔac＝（ｎc／ｃｏｓθc）／（ｎa／ｃｏｓθa）・|Ｍｔac|2
図４（b）に、水を露光媒体とし、上層膜（膜厚３５ｎｍ）として上層膜の標準品である東京応化工業株式会社製のＴＳＰ３Ａを用いた場合における、各偏光（s偏光、ｐ偏光）の透過率の入射角度の正弦関数（ｎwater・ｓｉｎθwater）への依存性を示す。図４（ｂ）を見ると入射角が広角化するに従い、ｐ偏光４２の透過率よりs偏光４１の透過率は小さくなり、光学コントラストに悪影響を及ぼすことがわかる。
【００１６】
図６（a）に、液浸の場合であって、ＮＡ＝ｎwater×ｓｉｎθwater＝１．２で、露光媒体である水に入射する光に対し、上層膜の屈折率と膜厚変化に対して、全透過光に対するs偏光の透過率の比（Ｔs／（Ｔs十Ｔp））を表す等高線グラフを示す。また、図６（b）に、図６（a）で得られた最適上層膜の屈折率と膜厚での、ｓ偏光６１とｐ偏光６２の透過率の入射角度の正弦関数（ｎwater・ｓｉｎθwater）への依存性を示す。
【００１７】
図４（ａ）に示す上層膜が存在しない場合と、上層膜を用いた場合の図６（ｂ）を比較し、最適な屈折率と膜厚を有する上層膜を用いた場合の広角入射時の光学コントラストに有利なs偏光の透過率低下抑制効果を確認できる。これによって、大口径のレンズ開口数を有する投影露光装置を用いたフォトリソグラフィにおいて、フォトレジストへの光入射角度の広角化が進んだ時に良好な光学コントラストでのパターン形成が可能となる。
【００１８】
上層膜の屈折率および吸収係数などについては、カルボン酸基、フェノール基、フッ化アルコール基、スルホン酸基または無水マレイン酸基のいずれか１種または複数種を含有するポリマーを主成分とする上層膜材料を用い、その官能基の含有率の調整により最適化することができる。
【００１９】
同様に、図１に示すように、上層膜３とレジスト膜２の塗布された基板１を、高開口数（ＮＡ）を持つ縮小投影露光装置に挿入し、露光媒体４である水に浸し、液浸状態でレチクルパターンをＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）で照射し、上層膜３を透過した光でレジスト膜を感光させる。この際に、パターン形成に有効な全ての入射角の入射光に対し、基板反射を経てレジスト膜２内へ再入射する光ｅ1、ｅ2を、上層膜３内の薄膜干渉効果により最小化してパターン形成に有効な全ての入射角成分の総再入射光を最弱にする。これにより、レジスト膜２の膜厚振れによるレジスト膜内の多重反射によるレジスト膜の実効Dose量のバラツキを抑制するレジスト上層反射防止膜を形成することができる。基板反射を経てレジスト膜内へ再入射する光を、上層膜３内の薄膜干渉効果により最小化する方法としては、入射角度θで電界振幅e0の入射光の、上層膜３／レジスト膜２界面でのレジスト膜２への再入射光電界振幅e2と、露光媒体４／上層膜３界面での反射を経由する再入射光電界振幅elの和を、逆位相で同振幅に近づけることにより実施することができる。正確には、上層膜３内の多重反射を考慮して、基板１からレジスト膜２と上層膜３の界面への反射光の強度を１とした場合の再入射反射光の電界振幅反射率Ｍｒcaを数式化すると、次式のようになり、光強度はこの２乗で表される。ここで、aは最上層の露光媒体、bは中間層の上層膜、ｃが最下層のレジスト膜を示す。
Ｍｒca＝｛ｒcb＋ｒba・ｅｘｐ（−ｉδ）｝／｛１＋ｒcbｒba・ｅｘｐ（−ｉδ）｝
この理論式に基づき、まず、垂直入射で水を露光媒体としたときに、レジスト膜への再入射反射光を最小化する上層膜の屈折率と膜厚を図７に示す。図７は、屈折率と膜厚の変化に対するｓ偏光とｐ偏光の平均値の等高線グラフを示す。図７から、垂直入射の光に対しては、上層膜の屈折率と膜厚の最適値は、屈折率＝１．５６で、膜厚が３２ｎｍであることがわかる。これに対し、屈折率を１．５６に固定し、液浸のＮＡ＝ｎwater×ｓｉｎθwaterの入射角で、露光媒体である水に入射する光に対し、上層膜の膜厚変化に対して、再入射反射光（s偏光とp偏光の平均値）の値を計算した結果を図８に示す。図８から、膜厚が垂直入射の最適値３２ｎｍの場合、ＮＡ＝ｎwater×ｓｉｎθwaterが広角化したときに再入射反射光の強度が強くなり、レジスト上層の反射防止膜機能を果たさなくなる。
【００２０】
この結果を、屈折率を１．５６に固定し、横軸を入射角（ＮＡ＝ｎwater×ｓｉｎθwater）、縦軸をs偏光とp偏光の平均値で表し、再入射光強度として図９に示す。図９から、ＮＡ＝ｎwater×ｓｉｎθwater＝１．３までの全入射角に対し、再入射光を抑制するには、垂直入射の最適値３２ｎｍではなく、膜厚は４２ｎｍ辺りであることがわかる。実際にレジストパターンを形成する際に入射する光は、照明形状とパターンレイアウトによって変わることになる。具体的には、６５ｎｍのラインアンドスペースをＤｉｐｏｌｅ照明で形成する際の投影レンズ瞳面の光強度分布の立体図を図１０に示す。図１０に示すように、光強度分布は、領域１１に回折光の光強度分布が集中している。なお、領域１２は斜影部である。
【００２１】
このように、形成パターンと照明によっては、考慮すべき入射角は限定されてくる場合がある。実効的な再入射光強度Ｒeffectiveは、次式で与えられる。ここで、rがレンズ瞳面のレンズ中心からの距離、θlensはレンズ瞳面の方位角であり、Ｄ（ｒ，θlens）は投影レンズ瞳面の光強度分布である。
【００２２】
【数１】
【００２３】
この数式に表されるように、パターン形成に有効な全入射角（θlens）成分の総再入射光を最弱にすることによりレジスト上層反射防止膜機能を最大限に発揮することができ、微細パターンの寸法精度向上を果たすことができる。
【００２４】
以上のことから、露光媒体が水であり、屈折率ｎwater＝１．４４に対して、レジスト膜の（複素）屈折率をｎresist＝１．７０−０．０１ｉ〜１．７４−０．０３ｉとした場合に、上層膜の屈折率が約１．５５〜１．５８で、膜厚が３８ｎｍ〜４２ｎｍとしたとき、垂直〜広角入射の全入射角の光のs偏光透過率の低下を抑制できるとともに、垂直〜広角入射の全入射角の光に対しレジスト膜上層の再入射防止用反射防止膜となる。
【００２５】
この屈折率と膜厚の構成は上記の薄膜多重反射の理論を用いなくとも、近似的には図１に示すように、レジスト膜上に上層膜が存在し、垂直に光が入射し（θ＝０°のとき）、電界振幅ｅ0の入射光の、上層膜３／レジスト膜２界面でのレジスト膜２内への再入射光電界振幅ｅ2と、露光媒体４／上層膜３界面での反射を経由する再入射光電界振幅ｅ1を同振幅にし、逆位相にすることにより、垂直入射光に対するレジスト膜内への再入射を最弱にする屈折率をつぎのように計算する。
【００２６】
図１に示すように、基板１から反射してレジスト膜２／上層膜３の界面に向かう光の電界振幅を１とした場合に、ｅ1とｅ2の電界振幅は各々下式で得られる。ここで、ｄは最上層の露光媒体４、ｃは中間層の上層膜３、ｂが最下層のレジスト膜２を示し、ｒαβはサフィックス界面の電界振幅反射率、ｔαβはサフィックス界面電界振幅透過率を意味する。したがって、露光波長λでの屈折率ｎは、レジスト膜がｎb、上層膜がｎc、露光媒体がｎdである。
ｅ2＝ｒbc
＝（ｎb−ｎc）／（ｎb＋ｎc）
ｅ1＝ｔbc・ｒcd・ｔcb
＝｛２ｎb／（ｎb＋ｎc）｝・｛（ｎc−ｎd）／（ｎc＋ｎd）｝・｛２ｎc／（ｎc＋ｎb）｝
ｅ1＝ｅ2として近似解を求めると、
ｎc＝（ｎb・ｎd）1/2
が得られる。したがって、レジスト膜の屈折率ｎbが１．７２で、露光媒体である水の屈折率ｎdが１．４４とした時、上層膜の屈折率ｎcは、
ｎc＝（１．７２・１．４４）1/2
＝１．５７４
となる。
【００２７】
本発明の微細パターンの形成方法の原理を図１１に示す。図１１に示すように、基板１１上に、レジスト膜１２、上層膜１３を形成し、露光媒体１４中で縮小投影露光により、フォトリソグラフィを行ない、パターンを形成する。露光波長λでの屈折率ｎは、レジスト膜１２がｎb、上層膜１３がｎc、露光媒体１４がｎdである。また、上層膜１３の膜厚はｄであり、縮小投影露光におけるレンズ開口数をＮＡとする。屈折率がｎdの露光媒体中のレンズ開口数ＮＡとは、レンズの最外周から入射する最大入射角の正弦に屈折率ｎdを乗じたものであるり、
ＮＡ＝ｎdｓｉｎθdmax
である。
【００２８】
図１１に示すように、露光媒体１４内の入射角をθdとし、上層膜１３内の入射角をθcとしたとき、上層膜１３の１回のパスでのｅ1とｅ2の位相差を１８０度にすることで、入射角θdの再入射反射率を極小にすることができる。この干渉条件は、露光波長をλとして、図１１に従い、つぎの式で表現することができ、上層膜１３の膜厚ｄは最終的に、
ｄ＝ｋ・λ／（４ｎcｃｏｓθc） （ｋ＝１，３，５・・・）
となる。
Optical pass defference＝２ｄ'−α
ＮＡ＝ｎdｓｉｎθd＝ｎcｓｉｎθc
ｓｉｎθc＝ＮＡ／ｎc
また、θc＝ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ／ｎc）
ｄ'＝ｄ／ｃｏｓθc
β＝２ｄ'ｓｉｎθcより
α＝βｓｉｎθc＝２ｄ'ｓｉｎ2θc
Optical pass defference＝２ｄ'−２ｄ'ｓｉｎ2θc＝２ｄ'ｃｏｓ2θc＝２ｄｃｏｓθc
逆位相になるためには、Optical pass defference＝｛λ／（２ｎc）｝×ｋ （ｋ＝１，３，５・・・）より
２ｄｃｏｓθc＝｛λ／（２ｎc）｝×ｋ （ｋ＝１，３，５・・・）
ｄ＝ｋ・λ／（４ｎcｃｏｓθc）
であり、
θc＝ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ／ｎc）
ｋ＝１，３，５・・・
である。
【００２９】
これらの式をまとめると、つぎの式となる。
ｄ＝ｋ・λ／［４ｎcｃｏｓ｛ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ／ｎc）｝］ （ｋ＝１，３，５・・・）
このように、上層膜の屈折率と膜厚を広角入射角に対して最適化することにより、解像性の高いｓ偏光のレジスト膜への透過率を高めるとともに、広角入射光を含む実効的入射光に対するレジスト上層反射防止効果を得られ、微細なピッチのパターンを高精度に形成することができる。
【００３０】
かかる観点から、具体的には、露光媒体がｎd＝１．４４の水であり、レジスト膜が１．６５≦ｎb≦１．８であり、上層膜が１．５４≦ｎc≦１．６１である態様が好ましい。さらに、露光媒体がｎd＝１．４４の水であり、レジスト膜が１．７１≦ｎb≦１．７３であり、上層膜が１．５６４≦ｎc≦１．５８４である態様がより好ましい。
【００３１】
また、露光媒体が１．６≦ｎd≦１．７の高屈折率液体であり、レジスト膜が１．６５≦ｎb≦１．８であり、上層膜が１．６２≦ｎc≦１．７５である態様が好ましい。さらに、露光媒体が１．６３≦ｎd≦１．６５の高屈折率液体であり、レジスト膜が１．７１≦ｎb≦１．７３であり、上層膜が、１．６７≦ｎc≦１．６９である態様がより好ましい。このような露光媒体としては、ｎd＝１．６４のＪＳＲ株式会社製ＨＩＬ−１またはデュポン社製のＩＦ１３２が好適である。
【００３２】
一方、露光媒体がｎd＝１．００の大気であり、レジスト膜が１．６５≦ｎb≦１．８であり、上層膜が１．２８≦ｎc≦１．３４である態様が好ましい。さらに、露光媒体がｎd＝１．００の大気であり、レジスト膜が１．７１≦ｎb≦１．７３であり、上層膜が１．３０８≦ｎc≦１．３１５である態様が好ましい。
【００３３】
また、上層膜の膜厚ｄを、
ｄ＝ｋ・λ／［４ｎcｃｏｓ｛ａｒｃｓｉｎ（α・ＮＡ／ｎc）｝］ （ｋ＝１，３，５・・・）
とし、レンズの瞳面上に形成されるマスクパターンの回折空間周波数分布に対応して実効的にパターン形成に用いられるレンズ開口数を、０≦α≦１の範囲で調整することにより、マスクパターンに対して上層膜の膜厚ｄを最適化することができる。α値は、パターンレイアウトに依存するものであり、０≦α≦１の範囲で最適化すべきであるが、標準的なシステムＬＳＩのゲートパターンでのレンズ瞳面上の回折光分布では、０．６≦α≦０．８が望ましく、０．７が好適である。
【００３４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
微細パターンを高精度で寸法制御性よく形成できるため、高密度で高速の半導体デバイス、たとえば、９０ｎｍ〜３２ｎｍデザインルールの半導体デバイス全般を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】露光媒体に浸し、縮小投影露光する本発明の微細パターンの形成方法を示す図である。
【図２】本発明のパターンの形成方法において、ｓ偏光とｐ偏光の透過状態を示す図である。
【図３】本発明のパターンの形成方法を示す工程図である。
【図４】s偏光とp偏光の透過率と入射角度の正弦関数との関係を示す図である。
【図５】光学コントラストについての入射光の入射角度依存性を示す図である。
【図６】（ａ）は、全透過光に対するs偏光の透過率の比を表す図である。また、（ｂ）は、透過率と入射角度の正弦関数との関係を示す図である。
【図７】垂直入射の場合における、上層膜の屈折率と膜厚との関係を示す図である。
【図８】上層膜の膜厚変化に対して、再入射反射光の値を計算した結果を示す図である。
【図９】入射角度の正弦関数と再入射光強度との関係を示す図である。
【図１０】６５ｎｍのラインアンドスペースをＤｉｐｏｌｅ照明で形成する際の投影レンズ瞳面の光強度分布を示す図である。
【図１１】本発明の微細パターンの形成方法の原理を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１，１１ 基板、２，１２ レジスト膜、３，１３ 上層膜、４，１４ 露光媒体。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、解像性の高い光学像が得られる微細パターンの形成方法に関する。特に、大口径レンズを有する投影露光装置を用いるフォトリソグラフィにおいても、広角入射光により微細なピッチパターンを高精度に形成することができる微細なパターンの形成方法およびそれに使用する形成材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
大口径のレンズ開口数を有する投影露光装置を用いるフォトリソグラフィにおいて、ピッチ、パターンの微細化に伴ない、フォトレジストへの光入射角度の広角化が進んでいる。光入射角の広角化により偏光を考慮したベクトル干渉効果の影響が大きくなり、ｐ偏光による光学コントラストが、ｓ偏光による光学コントラストより劣化する傾向がある。このため、ｐ偏光よりｓ偏光を多く吸収するレジスト膜を形成する方法が有効であり、またレジスト膜上の上層膜の特性を最適化する方法が知られている（非特許文献１参照）。同文献によれば、これらの方法は、非液浸のドライプロセスであり、レジスト膜上に形成する上層膜の屈折率は、１．２５が理想的であるとするが、この値は材料化学的に見て非現実的である。
【０００３】
一方、液浸法による微細フォトリソグラフィについては、ドライ法と異なる種々の知見が得られており、たとえば、屈折率１．４４の水を露光媒体として使用することにより、極小ピッチの形成が可能となる（非特許文献２および３参照）。また、レジスト膜を露光媒体から隔離する技術として、レジスト膜上に上層膜を形成する方法が開発されている。上層膜は、露光する光に対する透過性が優れ、露光媒体とレジスト膜に対して不活性である必要があり、東京応化工業製のＴＳＰ−３Ａが例示されている。
【非特許文献１】Kouichirou Tsujita & Isao Mita, Improvement of deteriorated resolution caused by polarization phenomenon with TARC process, "Optical Microlithography XVII, edited by Bruce W. Smith, Proceedings of SPIE" (2004) vol. 5377 pp80-90
【非特許文献２】Bruce W. Smith et al., Approaching the numerical aperture of water immersion lithography at 193nm "Optical Microlithography XVII, edited by Bruce W. Smith, Proceedings of SPIE" (2004) vol. 5377 pp273-284
【非特許文献３】Alex K. Raub et al., Deep-UV Immersion Interferometric Lithography, "Optical Microlithography XVII, edited by Bruce W. Smith, Proceedings of SPIE" (2004) vol. 5377 pp306-318
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
大口径レンズを用いる投影露光装置において広角入射光により微細パターンを形成する場合に、レジスト膜上に上層膜を形成しないと、また上層膜を形成するとしても、上層膜の屈折率および膜厚を考慮しない場合には、広角の斜め入射光の偏光制御および反射率制御が不十分となる。
【０００５】
また、露光による偏光を制御する場合、適切な上層膜を形成しないと、解像性の高いｓ偏光の透過率が低くなり、感度劣化に繋がり、さらに、パターンピッチによる入射角度の変化に伴ない透過率が変化するため、光学近接効果の一因となり、パターンのデザイン忠実性が劣化する。
【０００６】
本発明の課題は、上層膜の屈折率および膜厚を広角入射角に対して最適化し、解像性の高いｓ偏光のレジスト膜への透過率を向上させるとともに、広角入射光を含む実効的入射光に対するレジスト上層反射防止効果を得て、微細パターンを高精度に形成する方法を提供することにある。また、かかる方法に使用する微細パターンの形成材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の微細パターンの形成方法は、基板上に、露光波長λでの屈折率がｎbのレジスト膜と、露光波長λでの屈折率がｎcで膜厚がｄの上層膜を形成し、露光波長λでの屈折率がｎdの露光媒体中において、レンズ開口数がＮＡで露光波長がλの縮小投影露光によりフォトリソグラフィを行なうパターン形成方法であって、
ｎc＝（ｎb・ｎd）1/2
ｄ＝ｋ・λ／［４ｎcｃｏｓ｛ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ／ｎc）｝］ （ｋ＝１，３，５・・・）
であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
解像性の高いｓ偏光のレジスト膜への透過率が高く、広角入射光を含む実効的入射光に対するレジスト上層反射防止効果が得られ、微細なピッチのパターンを高精度に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図３は、本発明において、化学増幅ポジ型レジストを用いた、ＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）照射によるレジストパターン形成方法を示した工程図である。まず、図３（ａ）に示すように、半導体基板３１上に化学増幅ポジ型レジスト膜３２をスピンコートする。つぎに、図３（ｂ）に示すように、約８０℃〜１５０℃の露光前べークにより約１５０ｎｍ〜２５０ｎｍの膜厚に形成する。つぎに、カルポン酸基を含む部分アルキル保護アクリル酸ユニットとフッ化アルコール基を有する化合物との共重合体ポリマー主成分とするアルコール溶液を、レジスト膜３２上に、上層膜３３としてスピンコートする（図３（ｃ））。アルコール溶媒は、下層のレジスト膜３２を溶解しないエチルアルコール、イソプロピルアルコールまたはイソブチルアルコールを溶媒に用いるのが好ましく、ここでは、イソブチルアルコールを単独で用いた。溶媒はアルコール系に限らず、下層レジスト膜３２を溶解せず、上層膜３３に含まれる成分を溶解し、かつ露光媒体３４と相溶せず、成膜可能な溶剤から選択することができる。スピンコートされた上層剤は溶剤を蒸発させるため約８０℃〜１３０℃で熱処理を施す（図３（ｄ））。
【００１０】
つぎに、上層膜３３とレジスト膜３２の塗布された基板を、高開口数（ＮＡ）を持つ縮小投影露光装置に挿入し、露光媒体３４である水に浸す。その後、液浸状態でレチクル３５パターンをＡｒＦエキシマレーザ光（１９３ｎｍ）で照射し、上層膜３３を透過した光でレジスト膜３２を感光させる。感光後、現像し（図３（ｆ））、乾燥すると、パターン化したレジスト膜３２ａが得られる（図３（ｇ））。図２に、基板２１上に、レジスト膜２２、上層膜２３を形成し、露光媒体２４中で露光する場合の透過光の状態を例示する。この際、上層膜２３を透過する光は、図２に示される紙面に垂直な方向に電界ベクトルを持つs偏光と、紙面に平行な方向に電界ベクトルを持つp偏光とで透過率が異なってくる。たとえば、上層膜が存在しない場合のs偏光とp偏光の電界振幅透過率ｔabは、つぎのように、フレネルの公式により異なった値を示し、光強度透過率（Ｔab）はこの２乗にエネルギー密度に変換するため、入射側と透過側の屈折率と余弦の比で校正した式で表され、各々異なる入射角度依存性を示す。
ｔab（ｓ）＝２ｎaｃｏｓθa／（ｎaｃｏｓθa＋ｎbｃｏｓθb）
ｔab（ｐ）＝２ｎaｃｏｓθb／（ｎaｃｏｓθb＋ｎbｃｏｓθa）
Ｔab＝｛（ｎb／ｃｏｓθb）／（ｎa／ｃｏｓθa）｝・|ｔab|2
ここで、aは上層の露光媒体を示し、bは下層のレジスト膜を示す。したがって、ｎaは露光媒体の屈折率、ｎbはレジスト膜の屈折率を表し、θaは露光媒体中の入射角度、θbはレジスト膜中の入射角度を表す。
【００１１】
つぎに、図４（ａ）に、s偏光４１とp偏光４２の透過率の入射角度の正弦関数（ｎwater・ｓｉｎθwater）への依存性を示す。露光媒体は水を代表に計算したが、水より屈折率の低い空気の場合、水より屈折率の高い液の場合でも、図４（ａ）と同様の角度の正弦関数依存性を示す。
【００１２】
また、図５に、結像点の両側から光強度（電界ベクトルの２乗）と入射角度が等しい２光束干渉条件での、位相が同じで強め合い合成光強度が最大となる場合（Ｉmax）と、位相が逆で打ち消し合い合成光強度が最小となる場合（Ｉmin）とから得られる、光学コントラスト（（Ｉmax−Ｉmin）／（Ｉmax＋Ｉmin））についての入射光の入射角度依存性を各偏光成分について図示する。図５（ａ）はｐ偏光について、また図５（ｂ）にはｓ偏光について例示する。斜め入射光の電界ベクトルのベクトル和を考慮した場合、ｓ偏光の場合はベクトル方向が常に紙面に垂直なため同位相では強め合い、合成電界ベクトルは２倍になり、光強度はその２乗で４倍となる。一方、逆位相では完全に打ち消し合い合成電界ベクトルとその２乗の光強度ともゼロとなる。したがって、ｓ偏光の場合は、（（Ｉmax−Ｉmin）／（Ｉmax＋Ｉmin））は入射角に依らず一定な完全干渉となる。
【００１３】
しかし、ｐ偏光はベクトル方向が紙面に平行なため、入射角度θにより同位相（Ｉmax）でも合成電界ベクトルは２倍にはならない。また、逆位相（Ｉmin）でもゼロにはならない。ｐ偏光の場合は合成される電界ベクトルが、入射角度の広角化により合成電界ベクトルは水平方向から垂直方向に移行していき、レジスト膜内での基板への入射角度が４５°では同位相（Ｉmax）の水平と逆位相（Ｉmin）の垂直の合成電界ベクトルとその２乗の光強度は等しい値となり、光学コントラスト（（Ｉmax−Ｉmin）／（Ｉmax＋Ｉmin））はゼロまで小さくなる。
【００１４】
これ以上の入射角度の広角化では、ＩmaxとＩminの強度は逆転し、光学像は反転する。すなわち、大口径のレンズ開口数を有し、広入射角入射光を利用するフォトリソグラフィでは、ｓ偏光が高コントラストで、p偏光は低コントラストで不要な成分と言える。図４（a）を見ると入射角が広角化するに従い、ｐ偏光の透過率よりs偏光の透過率は小さくなり、光学コントラストに悪影響を及ぼす。
【００１５】
つぎに、レジスト膜の上層に上層膜を形成した場合において、上層膜での多重反射を考慮した電界振幅透過率Ｍｔと位相差δを、つぎに示す。
Ｍｔac＝｛ｔabｔbcｅｘｐ（−ｉδ／２）｝／｛１＋ｒabｒbcｅｘｐ（−ｉδ）｝
δb＝（４πｎbｄbｃｏｓθb）／λ
ここでaは最上層の露光媒体、bは中間層の上層膜、cが最下層のレジスト膜を示す。したがって、ｔabは、露光媒体から上層膜への電界振幅透過率、ｔbcは上層膜からレジスト膜への電界振幅透過率、ｒabは露光媒体への上層膜表面の電界振幅反射率、ｒbcは上層膜へのレジスト膜表面の電界振幅反射率を示す。また、上層膜における屈折率をｎb、膜厚をｄb、入射角をθbとし、δbは上層膜の１往復で生じる位相差を表す。最終的に計算されるＭｔacが上層膜での多重反射を考慮した露光媒体からレジスト膜への電界振幅透過率を表し、この２乗にエネルギー密度に変換するため、入射側と透過側の屈折率と余弦の比で校正した次式で、光強度の露光媒体からレジスト膜への透過率Ｔacを表す。なお、ｒαβはサフイックス界面の電界振幅反射率、ｔαβはサフイックス界面電界振幅透過率を意味する。
Ｔac＝（ｎc／ｃｏｓθc）／（ｎa／ｃｏｓθa）・|Ｍｔac|2
図４（b）に、水を露光媒体とし、上層膜（膜厚３５ｎｍ）として上層膜の標準品である東京応化工業株式会社製のＴＳＰ３Ａを用いた場合における、各偏光（s偏光、ｐ偏光）の透過率の入射角度の正弦関数（ｎwater・ｓｉｎθwater）への依存性を示す。図４（ｂ）を見ると入射角が広角化するに従い、ｐ偏光４２の透過率よりs偏光４１の透過率は小さくなり、光学コントラストに悪影響を及ぼすことがわかる。
【００１６】
図６（a）に、液浸の場合であって、ＮＡ＝ｎwater×ｓｉｎθwater＝１．２で、露光媒体である水に入射する光に対し、上層膜の屈折率と膜厚変化に対して、全透過光に対するs偏光の透過率の比（Ｔs／（Ｔs十Ｔp））を表す等高線グラフを示す。また、図６（b）に、図６（a）で得られた最適上層膜の屈折率と膜厚での、ｓ偏光６１とｐ偏光６２の透過率の入射角度の正弦関数（ｎwater・ｓｉｎθwater）への依存性を示す。
【００１７】
図４（ａ）に示す上層膜が存在しない場合と、上層膜を用いた場合の図６（ｂ）を比較し、最適な屈折率と膜厚を有する上層膜を用いた場合の広角入射時の光学コントラストに有利なs偏光の透過率低下抑制効果を確認できる。これによって、大口径のレンズ開口数を有する投影露光装置を用いたフォトリソグラフィにおいて、フォトレジストへの光入射角度の広角化が進んだ時に良好な光学コントラストでのパターン形成が可能となる。
【００１８】
上層膜の屈折率および吸収係数などについては、カルボン酸基、フェノール基、フッ化アルコール基、スルホン酸基または無水マレイン酸基のいずれか１種または複数種を含有するポリマーを主成分とする上層膜材料を用い、その官能基の含有率の調整により最適化することができる。
【００１９】
同様に、図１に示すように、上層膜３とレジスト膜２の塗布された基板１を、高開口数（ＮＡ）を持つ縮小投影露光装置に挿入し、露光媒体４である水に浸し、液浸状態でレチクルパターンをＡｒＦエキシマレーザ光（波長１９３ｎｍ）で照射し、上層膜３を透過した光でレジスト膜を感光させる。この際に、パターン形成に有効な全ての入射角の入射光に対し、基板反射を経てレジスト膜２内へ再入射する光ｅ1、ｅ2を、上層膜３内の薄膜干渉効果により最小化してパターン形成に有効な全ての入射角成分の総再入射光を最弱にする。これにより、レジスト膜２の膜厚振れによるレジスト膜内の多重反射によるレジスト膜の実効Dose量のバラツキを抑制するレジスト上層反射防止膜を形成することができる。基板反射を経てレジスト膜内へ再入射する光を、上層膜３内の薄膜干渉効果により最小化する方法としては、入射角度θで電界振幅e0の入射光の、上層膜３／レジスト膜２界面でのレジスト膜２への再入射光電界振幅e2と、露光媒体４／上層膜３界面での反射を経由する再入射光電界振幅elの和を、逆位相で同振幅に近づけることにより実施することができる。正確には、上層膜３内の多重反射を考慮して、基板１からレジスト膜２と上層膜３の界面への反射光の強度を１とした場合の再入射反射光の電界振幅反射率Ｍｒcaを数式化すると、次式のようになり、光強度はこの２乗で表される。ここで、aは最上層の露光媒体、bは中間層の上層膜、ｃが最下層のレジスト膜を示す。
Ｍｒca＝｛ｒcb＋ｒba・ｅｘｐ（−ｉδ）｝／｛１＋ｒcbｒba・ｅｘｐ（−ｉδ）｝
この理論式に基づき、まず、垂直入射で水を露光媒体としたときに、レジスト膜への再入射反射光を最小化する上層膜の屈折率と膜厚を図７に示す。図７は、屈折率と膜厚の変化に対するｓ偏光とｐ偏光の平均値の等高線グラフを示す。図７から、垂直入射の光に対しては、上層膜の屈折率と膜厚の最適値は、屈折率＝１．５６で、膜厚が３２ｎｍであることがわかる。これに対し、屈折率を１．５６に固定し、液浸のＮＡ＝ｎwater×ｓｉｎθwaterの入射角で、露光媒体である水に入射する光に対し、上層膜の膜厚変化に対して、再入射反射光（s偏光とp偏光の平均値）の値を計算した結果を図８に示す。図８から、膜厚が垂直入射の最適値３２ｎｍの場合、ＮＡ＝ｎwater×ｓｉｎθwaterが広角化したときに再入射反射光の強度が強くなり、レジスト上層の反射防止膜機能を果たさなくなる。
【００２０】
この結果を、屈折率を１．５６に固定し、横軸を入射角（ＮＡ＝ｎwater×ｓｉｎθwater）、縦軸をs偏光とp偏光の平均値で表し、再入射光強度として図９に示す。図９から、ＮＡ＝ｎwater×ｓｉｎθwater＝１．３までの全入射角に対し、再入射光を抑制するには、垂直入射の最適値３２ｎｍではなく、膜厚は４２ｎｍ辺りであることがわかる。実際にレジストパターンを形成する際に入射する光は、照明形状とパターンレイアウトによって変わることになる。具体的には、６５ｎｍのラインアンドスペースをＤｉｐｏｌｅ照明で形成する際の投影レンズ瞳面の光強度分布の立体図を図１０に示す。図１０に示すように、光強度分布は、領域１１に回折光の光強度分布が集中している。なお、領域１２は斜影部である。
【００２１】
このように、形成パターンと照明によっては、考慮すべき入射角は限定されてくる場合がある。実効的な再入射光強度Ｒeffectiveは、次式で与えられる。ここで、rがレンズ瞳面のレンズ中心からの距離、θlensはレンズ瞳面の方位角であり、Ｄ（ｒ，θlens）は投影レンズ瞳面の光強度分布である。
【００２２】
【数１】
【００２３】
この数式に表されるように、パターン形成に有効な全入射角（θlens）成分の総再入射光を最弱にすることによりレジスト上層反射防止膜機能を最大限に発揮することができ、微細パターンの寸法精度向上を果たすことができる。
【００２４】
以上のことから、露光媒体が水であり、屈折率ｎwater＝１．４４に対して、レジスト膜の（複素）屈折率をｎresist＝１．７０−０．０１ｉ〜１．７４−０．０３ｉとした場合に、上層膜の屈折率が約１．５５〜１．５８で、膜厚が３８ｎｍ〜４２ｎｍとしたとき、垂直〜広角入射の全入射角の光のs偏光透過率の低下を抑制できるとともに、垂直〜広角入射の全入射角の光に対しレジスト膜上層の再入射防止用反射防止膜となる。
【００２５】
この屈折率と膜厚の構成は上記の薄膜多重反射の理論を用いなくとも、近似的には図１に示すように、レジスト膜上に上層膜が存在し、垂直に光が入射し（θ＝０°のとき）、電界振幅ｅ0の入射光の、上層膜３／レジスト膜２界面でのレジスト膜２内への再入射光電界振幅ｅ2と、露光媒体４／上層膜３界面での反射を経由する再入射光電界振幅ｅ1を同振幅にし、逆位相にすることにより、垂直入射光に対するレジスト膜内への再入射を最弱にする屈折率をつぎのように計算する。
【００２６】
図１に示すように、基板１から反射してレジスト膜２／上層膜３の界面に向かう光の電界振幅を１とした場合に、ｅ1とｅ2の電界振幅は各々下式で得られる。ここで、ｄは最上層の露光媒体４、ｃは中間層の上層膜３、ｂが最下層のレジスト膜２を示し、ｒαβはサフィックス界面の電界振幅反射率、ｔαβはサフィックス界面電界振幅透過率を意味する。したがって、露光波長λでの屈折率ｎは、レジスト膜がｎb、上層膜がｎc、露光媒体がｎdである。
ｅ2＝ｒbc
＝（ｎb−ｎc）／（ｎb＋ｎc）
ｅ1＝ｔbc・ｒcd・ｔcb
＝｛２ｎb／（ｎb＋ｎc）｝・｛（ｎc−ｎd）／（ｎc＋ｎd）｝・｛２ｎc／（ｎc＋ｎb）｝
ｅ1＝ｅ2として近似解を求めると、
ｎc＝（ｎb・ｎd）1/2
が得られる。したがって、レジスト膜の屈折率ｎbが１．７２で、露光媒体である水の屈折率ｎdが１．４４とした時、上層膜の屈折率ｎcは、
ｎc＝（１．７２・１．４４）1/2
＝１．５７４
となる。
【００２７】
本発明の微細パターンの形成方法の原理を図１１に示す。図１１に示すように、基板１１上に、レジスト膜１２、上層膜１３を形成し、露光媒体１４中で縮小投影露光により、フォトリソグラフィを行ない、パターンを形成する。露光波長λでの屈折率ｎは、レジスト膜１２がｎb、上層膜１３がｎc、露光媒体１４がｎdである。また、上層膜１３の膜厚はｄであり、縮小投影露光におけるレンズ開口数をＮＡとする。屈折率がｎdの露光媒体中のレンズ開口数ＮＡとは、レンズの最外周から入射する最大入射角の正弦に屈折率ｎdを乗じたものであるり、
ＮＡ＝ｎdｓｉｎθdmax
である。
【００２８】
図１１に示すように、露光媒体１４内の入射角をθdとし、上層膜１３内の入射角をθcとしたとき、上層膜１３の１回のパスでのｅ1とｅ2の位相差を１８０度にすることで、入射角θdの再入射反射率を極小にすることができる。この干渉条件は、露光波長をλとして、図１１に従い、つぎの式で表現することができ、上層膜１３の膜厚ｄは最終的に、
ｄ＝ｋ・λ／（４ｎcｃｏｓθc） （ｋ＝１，３，５・・・）
となる。
Optical pass defference＝２ｄ'−α
ＮＡ＝ｎdｓｉｎθd＝ｎcｓｉｎθc
ｓｉｎθc＝ＮＡ／ｎc
また、θc＝ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ／ｎc）
ｄ'＝ｄ／ｃｏｓθc
β＝２ｄ'ｓｉｎθcより
α＝βｓｉｎθc＝２ｄ'ｓｉｎ2θc
Optical pass defference＝２ｄ'−２ｄ'ｓｉｎ2θc＝２ｄ'ｃｏｓ2θc＝２ｄｃｏｓθc
逆位相になるためには、Optical pass defference＝｛λ／（２ｎc）｝×ｋ （ｋ＝１，３，５・・・）より
２ｄｃｏｓθc＝｛λ／（２ｎc）｝×ｋ （ｋ＝１，３，５・・・）
ｄ＝ｋ・λ／（４ｎcｃｏｓθc）
であり、
θc＝ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ／ｎc）
ｋ＝１，３，５・・・
である。
【００２９】
これらの式をまとめると、つぎの式となる。
ｄ＝ｋ・λ／［４ｎcｃｏｓ｛ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ／ｎc）｝］ （ｋ＝１，３，５・・・）
このように、上層膜の屈折率と膜厚を広角入射角に対して最適化することにより、解像性の高いｓ偏光のレジスト膜への透過率を高めるとともに、広角入射光を含む実効的入射光に対するレジスト上層反射防止効果を得られ、微細なピッチのパターンを高精度に形成することができる。
【００３０】
かかる観点から、具体的には、露光媒体がｎd＝１．４４の水であり、レジスト膜が１．６５≦ｎb≦１．８であり、上層膜が１．５４≦ｎc≦１．６１である態様が好ましい。さらに、露光媒体がｎd＝１．４４の水であり、レジスト膜が１．７１≦ｎb≦１．７３であり、上層膜が１．５６４≦ｎc≦１．５８４である態様がより好ましい。
【００３１】
また、露光媒体が１．６≦ｎd≦１．７の高屈折率液体であり、レジスト膜が１．６５≦ｎb≦１．８であり、上層膜が１．６２≦ｎc≦１．７５である態様が好ましい。さらに、露光媒体が１．６３≦ｎd≦１．６５の高屈折率液体であり、レジスト膜が１．７１≦ｎb≦１．７３であり、上層膜が、１．６７≦ｎc≦１．６９である態様がより好ましい。このような露光媒体としては、ｎd＝１．６４のＪＳＲ株式会社製ＨＩＬ−１またはデュポン社製のＩＦ１３２が好適である。
【００３２】
一方、露光媒体がｎd＝１．００の大気であり、レジスト膜が１．６５≦ｎb≦１．８であり、上層膜が１．２８≦ｎc≦１．３４である態様が好ましい。さらに、露光媒体がｎd＝１．００の大気であり、レジスト膜が１．７１≦ｎb≦１．７３であり、上層膜が１．３０８≦ｎc≦１．３１５である態様が好ましい。
【００３３】
また、上層膜の膜厚ｄを、
ｄ＝ｋ・λ／［４ｎcｃｏｓ｛ａｒｃｓｉｎ（α・ＮＡ／ｎc）｝］ （ｋ＝１，３，５・・・）
とし、レンズの瞳面上に形成されるマスクパターンの回折空間周波数分布に対応して実効的にパターン形成に用いられるレンズ開口数を、０≦α≦１の範囲で調整することにより、マスクパターンに対して上層膜の膜厚ｄを最適化することができる。α値は、パターンレイアウトに依存するものであり、０≦α≦１の範囲で最適化すべきであるが、標準的なシステムＬＳＩのゲートパターンでのレンズ瞳面上の回折光分布では、０．６≦α≦０．８が望ましく、０．７が好適である。
【００３４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
微細パターンを高精度で寸法制御性よく形成できるため、高密度で高速の半導体デバイス、たとえば、９０ｎｍ〜３２ｎｍデザインルールの半導体デバイス全般を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】露光媒体に浸し、縮小投影露光する本発明の微細パターンの形成方法を示す図である。
【図２】本発明のパターンの形成方法において、ｓ偏光とｐ偏光の透過状態を示す図である。
【図３】本発明のパターンの形成方法を示す工程図である。
【図４】s偏光とp偏光の透過率と入射角度の正弦関数との関係を示す図である。
【図５】光学コントラストについての入射光の入射角度依存性を示す図である。
【図６】（ａ）は、全透過光に対するs偏光の透過率の比を表す図である。また、（ｂ）は、透過率と入射角度の正弦関数との関係を示す図である。
【図７】垂直入射の場合における、上層膜の屈折率と膜厚との関係を示す図である。
【図８】上層膜の膜厚変化に対して、再入射反射光の値を計算した結果を示す図である。
【図９】入射角度の正弦関数と再入射光強度との関係を示す図である。
【図１０】６５ｎｍのラインアンドスペースをＤｉｐｏｌｅ照明で形成する際の投影レンズ瞳面の光強度分布を示す図である。
【図１１】本発明の微細パターンの形成方法の原理を示す図である。
【符号の説明】
【００３７】
１，１１ 基板、２，１２ レジスト膜、３，１３ 上層膜、４，１４ 露光媒体。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に、露光波長λでの屈折率がｎbのレジスト膜と、露光波長λでの屈折率がｎcで膜厚がｄの上層膜を形成し、露光波長λでの屈折率がｎdの露光媒体中において、レンズ開口数がＮＡで露光波長がλの縮小投影露光によりフォトリソグラフィを行なうパターン形成方法であって、
ｎc＝（ｎb・ｎd）1/2
ｄ＝ｋ・λ／［４ｎcｃｏｓ｛ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ／ｎc）｝］ （ｋ＝１，３，５・・・）
であることを特徴とする微細パターンの形成方法。
【請求項２】
前記露光媒体は、ｎd＝１．４４の水であり、前記レジスト膜は、１．６５≦ｎb≦１．８であり、前記上層膜は、１．５４≦ｎc≦１．６１であることを特徴とする請求項１に記載の微細パターンの形成方法。
【請求項３】
前記露光媒体は、１．６≦ｎd≦１．７の高屈折率液体であり、前記レジスト膜は、１．６５≦ｎb≦１．８であり、前記上層膜は、１．６２≦ｎc≦１．７５であることを特徴とする請求項１に記載の微細パターンの形成方法。
【請求項４】
前記露光媒体は、ｎd＝１の大気であり、前記レジスト膜は、１．６５≦ｎb≦１．８であり、前記上層膜は、１．２８≦ｎc≦１．３４であることを特徴とする請求項１に記載の微細パターンの形成方法。
【請求項５】
前記上層膜は、
ｄ＝ｋ・λ／［４ｎcｃｏｓ｛ａｒｃｓｉｎ（α・ＮＡ／ｎc）｝］ （ｋ＝１，３，５・・・）
であり、０≦α≦１であることを特徴とする請求項１に記載の微細パターンの形成方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の微細パターンの形成方法において使用する上層膜材料であって、カルボン酸基、フェノール基、フッ化アルコール基、スルホン酸基および無水マレイン酸基からなる群より選ばれる少なくとも１種の官能基を備えるポリマーを主成分とすることを特徴とする微細パターンの形成材料。
【請求項１】
基板上に、露光波長λでの屈折率がｎbのレジスト膜と、露光波長λでの屈折率がｎcで膜厚がｄの上層膜を形成し、露光波長λでの屈折率がｎdの露光媒体中において、レンズ開口数がＮＡで露光波長がλの縮小投影露光によりフォトリソグラフィを行なうパターン形成方法であって、
ｎc＝（ｎb・ｎd）1/2
ｄ＝ｋ・λ／［４ｎcｃｏｓ｛ａｒｃｓｉｎ（ＮＡ／ｎc）｝］ （ｋ＝１，３，５・・・）
であることを特徴とする微細パターンの形成方法。
【請求項２】
前記露光媒体は、ｎd＝１．４４の水であり、前記レジスト膜は、１．６５≦ｎb≦１．８であり、前記上層膜は、１．５４≦ｎc≦１．６１であることを特徴とする請求項１に記載の微細パターンの形成方法。
【請求項３】
前記露光媒体は、１．６≦ｎd≦１．７の高屈折率液体であり、前記レジスト膜は、１．６５≦ｎb≦１．８であり、前記上層膜は、１．６２≦ｎc≦１．７５であることを特徴とする請求項１に記載の微細パターンの形成方法。
【請求項４】
前記露光媒体は、ｎd＝１の大気であり、前記レジスト膜は、１．６５≦ｎb≦１．８であり、前記上層膜は、１．２８≦ｎc≦１．３４であることを特徴とする請求項１に記載の微細パターンの形成方法。
【請求項５】
前記上層膜は、
ｄ＝ｋ・λ／［４ｎcｃｏｓ｛ａｒｃｓｉｎ（α・ＮＡ／ｎc）｝］ （ｋ＝１，３，５・・・）
であり、０≦α≦１であることを特徴とする請求項１に記載の微細パターンの形成方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の微細パターンの形成方法において使用する上層膜材料であって、カルボン酸基、フェノール基、フッ化アルコール基、スルホン酸基および無水マレイン酸基からなる群より選ばれる少なくとも１種の官能基を備えるポリマーを主成分とすることを特徴とする微細パターンの形成材料。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００７−４９０２６（Ｐ２００７−４９０２６Ａ）
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２３３３６９（Ｐ２００５−２３３３６９）
【出願日】平成１７年８月１１日（２００５．８．１１）
【出願人】（５０３１２１１０３）株式会社ルネサステクノロジ (4,790)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月２２日（２００７．２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月１１日（２００５．８．１１）
【出願人】（５０３１２１１０３）株式会社ルネサステクノロジ (4,790)
【Ｆターム（参考）】
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