JP2004241575A - パターン形成方法及びパターン形成装置 - Google Patents
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Abstract
【目的】ナノメートルサイズのレジストパターンを高精度に形成する。
【手段】パターン形成方法は、レジスト膜に対して露光及び現像を行って第１のレジストパターンを形成し、第１のレジストパターンに電子ビームを走査して、発生する２次電子を検出することにより、第１のレジストパターンの２次電子像を取得する（ステップＳＡ１）。次に、２次電子像及び所望のパターン寸法に基づいて、第１のレジストパターンをエッチングにより除去すべき領域であるエッチング領域を算出する（ステップＳＡ２）。そして、第１のレジストパターンの表面に酸素原子を含むガスを供給しながら、エッチング領域に電子ビームを照射することにより第１のレジストパターンよりも幅が狭い第２のレジストパターンを形成する（ステップＳＡ３）。
【選択図】 図３
【手段】パターン形成方法は、レジスト膜に対して露光及び現像を行って第１のレジストパターンを形成し、第１のレジストパターンに電子ビームを走査して、発生する２次電子を検出することにより、第１のレジストパターンの２次電子像を取得する（ステップＳＡ１）。次に、２次電子像及び所望のパターン寸法に基づいて、第１のレジストパターンをエッチングにより除去すべき領域であるエッチング領域を算出する（ステップＳＡ２）。そして、第１のレジストパターンの表面に酸素原子を含むガスを供給しながら、エッチング領域に電子ビームを照射することにより第１のレジストパターンよりも幅が狭い第２のレジストパターンを形成する（ステップＳＡ３）。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路装置の製造プロセスに用いられるリソグラフィ技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路の高集積化に伴い、回路パターンの微細化が進み、フォトリソグラフィの解像度の向上が要求されている。フォトリソグラフィでは、露光源の短波長化が進み、波長１９３ｎｍのＡｒＦ エキシマレーザを用いるリソグラフィにより、波長の半分程度の１００ｎｍの解像度が得られている。
【０００３】
また、電子ビーム露光法を用いると、高い解像度が得られることは良く知られているが、十数ｎｍの解像度を得ることが限界である。これは、電子ビームは１ｎｍ以下のビーム径まで絞ることができるが、解像度はレジストの分子サイズによって決定されてしまうので、十数ｎｍの解像度を得ることが限界となっている。
【０００４】
最近、レジストパターンのさらに微細化を実現するために、露光、現像後のレジストパターンを細らせる種々のスリミング方法が提案されている。例えば、特許文献１に示すように、オゾンを用いる等方性エッチングによりレジストパターンを細らせる方法がある。また、特許文献２に示すように、ＵＶ光を照射しながらオゾンによるアッシングによりレジストパターンを細らせる方法もある。特許文献２においては、ＵＶ光を局所的に照射してアッシングする方法が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２３１６０８号公報
【特許文献２】
特開２００１−８５４０７号公報
【非特許文献】
超微細加工入門、古川静二郎・浅野種正共著、ｐｐ．１６４〜１７１
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなパターン形成方法では、フォトリソグラフィでレジストパターンを形成した後、レジストパターンを細らせるが、１０ｎｍ以下の寸法のレジストパターンをサブナノメートルの精度で得ることが困難であった。
【０００７】
オゾンを用いる等方性エッチングによりレジストパターンを細らせる方法では、フォトリソグラフィで形成したレジストパターンをその寸法の７０％まで細らせることが限界であると考えられる。また、エッチングをそれ以上に行うとレジストパターンの形状が劣化して、レジストパターンの形状の精度が落ちるという問題が生じる。
【０００８】
また、レジストパターンにＵＶ光を局所的に照射するという方法では、ＵＶ光のビーム径は使用する光源の波長の半分程度が限界であるため、ビーム径に依存するレジストパターンのエッチングの精度は数１０ｎｍ程度が限界である。またオゾンを用いるエッチングを行うため、ＵＶ光が照射されていない部分も若干エッチングされるので、レジストパターンの形状に劣化が多少生じる。
【０００９】
以上のように、従来のレジストパターンのスリミング方法では、ナノメートルサイズのレジストパターンを形成することが困難であると共に、レジストパターンの形状に劣化を生じさせることなく高精度にレジストパターンを形成することが困難である。
【００１０】
本発明は、前記課題を一挙に解決するものであり、ナノメートルサイズのレジストパターンを高精度に得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明のパターン形成方法は、レジスト膜に対して露光及び現像を行って第１のレジストパターンを形成する第１の工程と、第１のレジストパターンに電子ビームを走査して、発生する２次電子を検出することにより、第１のレジストパターンの２次電子像を取得する第２の工程と、２次電子像及び所望のパターン寸法に基づいて、第１のレジストパターンをエッチングにより除去すべき領域であるエッチング領域を算出する第３の工程と、第１のレジストパターンの表面に酸素原子を含むガスを供給しながら、エッチング領域に電子ビームを照射することにより第１のレジストパターンよりも幅が狭い第２のレジストパターンを形成する第４の工程とを備えるものである。
【００１２】
本発明のパターン形成方法によると、第１のレジストパターンに酸素原子を含むガスを供給しながらエッチング領域に電子ビームを照射するため、第１のレジストパターンにおける電子ビームの照射部のみにおいて、レジスト材料の酸化と分解が進行してエッチングが行われる。従って、第１のレジストパターンをスリミングしてナノメートルサイズの第２のレジストパターンを形成することができる。また、第１のレジストパターンの２次電子像及び所望のパターン寸法を基にして第１のレジストパターンのエッチング領域を求めるので、第１のレジストパターンの形状を高精度にスリミングして第２のレジストパターンを形成することができる。
【００１３】
本発明のパターン形成方法において、第３の工程は、第１の工程において取得した２次電子像のデータと所望のパターン寸法に基づき得られる設計パターンデータとを比較して、２次電子像のデータと設計パターンデータとの差分領域をエッチング領域として算出する工程を含むことが好ましい。
【００１４】
このようにすると、エッチング領域の精度が向上するので、精度の高い第２のレジストパターンを形成することができる。
【００１５】
本発明のパターン形成方法において、第４の工程は、矩形状に整形された電子ビームをエッチング領域に照射する工程を含むことが好ましい。
【００１６】
このようにすると、第１のレジストパターンのエッチング領域を除去する速度を上げることができる。
【００１７】
本発明のパターン形成方法において、第４の工程は、スポット状に集束された電子ビームをエッチング領域に走査することが好ましい。
【００１８】
このようにすると、第１のレジストパターンをエッチングする際の寸法精度が高くなる。
【００１９】
本発明のパターン形成方法において、第４の工程は、スポット状に集束された電子ビームをエッチング領域に対して、第１のレジストパターンの側面に平行に走査する工程を含むことが好ましい。
【００２０】
このようにすると、第２のレジストパターンの側壁のラフネスを低減することができる。
【００２１】
本発明のパターン形成装置は、電子ビームを出射する手段と、レジスト膜に対して露光及び現像が行われることにより形成された第１のレジストパターンに電子ビームを走査して、発生する２次電子を検出することにより、第１のレジストパターンの２次電子像を取得する手段と、２次電子像及び所望のパターン寸法に基づいて、第１のレジストパターンをエッチングにより除去すべき領域であるエッチング領域を算出する第３の工程と、第１のレジストパターンの表面に酸素原子を含むガスを供給する手段と、エッチング領域に電子ビームを照射することにより第１のレジストパターンよりも幅が狭い第２のレジストパターンを形成する手段とを備えているものである。
【００２２】
本発明のパターン形成装置によると、第１のレジストパターンに酸素原子を含むガスを供給しながらエッチング領域に電子ビームを照射するため、第１のレジストパターンにおける電子ビームの照射部のみにおいて、レジスト材料の酸化と分解が進行してエッチングが行われる。従って、第１のレジストパターンをスリミングしてナノメートルサイズの第２のレジストパターンを形成することができる。また、第１のレジストパターンの２次電子像及び所望のパターン寸法を基にして第１のレジストパターンのエッチング領域を求めるので、第１のレジストパターンの形状を高精度にスリミングして第２のレジストパターンを形成することができる。
【００２３】
本発明のパターン形成装置において、酸素原子を含むガスを供給する手段は、第１のレジストパターンからの距離が１０ｃｍ以下である位置に噴射口を持つガス供給ノズルを有していることが好ましい。
【００２４】
このようにすると、レジスト材料の酸化と分解によるエッチングを精度良く行うために必要な酸素を含むガスを無駄なく効率的に第１のレジストパターン上に供給することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係るパターン形成方法の概略について、図１を参照しながら説明する。
【００２６】
ステップＳＴ１に示すように、半導体基板上に、化学増幅型レジストをスピンコートして塗布膜を形成した後、ステップＳＴ２に示すように、塗布膜に対してプリベークを行って、膜厚が約１００ｎｍであるレジスト膜を形成する。次に、ステップＳＴ３に示すように、ＡｒＦ エキシマレーザ等を用いる縮小投影露光法によりレジスト膜に対してパターン露光を行った後、ステップＳＴ４に示すように、パターン露光されたレジスト膜に対して露光後ベークを行う。次に、ステップＳＴ５に示すように、アルカリ現像液を用いる現像を行って第１のレジストパターンを形成する。次に、ステップＳＴ６に示すように、電子ビームを用いて第１のレジストパターンのスリミングを行うことにより、第１のレジストパターンよりも幅が狭い第２のレジストパターンを形成する。
【００２７】
以下に、前記ステップＳＴ６に用いられる本発明の第１の実施形態に係るパターン形成装置について説明する。
【００２８】
図２に示すように、パターン形成装置は、真空チャンバ１００を備えており、真空チャンバ１００の底部には、第１のレジストパターンが形成された半導体基板１０１を保持する試料ステージ１０２が設けられている。真空チャンバ１００の下部には、酸素ボンベ１０３から供給された酸素ガスを流路開閉バルブ１０４を介して第１のレジストパターンの表面に導入する酸素供給ノズル１０５が設けられており、酸素供給ノズル１０５の噴射口は第１のレジストパターンの近傍に設けられている。真空チャンバ１００の下部には、拡散ポンプ１０６が設けられており、拡散ポンプ１０６は真空チャンバ１００内の圧力を所望の圧力に減圧する。
【００２９】
真空チャンバ１００の頂部には、１ｎｍ以下のビーム径を有する電子ビームを出射する電子銃１０７が設けられている。また、真空チャンバ１００の上部には、電子銃１０７から出射された電子ビームのスイッチングを行うブランキング系１０８と、電子銃１０７から出射された電子ビームを第１のレジストパターンに２次元的に走査させる偏向系１０９とが設けられている。さらに、真空チャンバ１００の下部には、第１のレジストパターンから発生する２次電子を検出する２次電子検出系１１０が設けられている。ブランキング系１０８、偏向系１０９及び２次電子検出系１１０はインターフェース１１１を介してコンピュータ１１２によって制御される。
【００３０】
電子銃１０７から出射された電子ビームを偏向系１０９により第１のレジストパターン上に走査し、第１のレジストパターンから発生する２次電子を２次電子検出系１１０により検出する。２次電子検出系１１０により検出された２次電子の信号はコンピュータ１１２に入力され、該コンピュータ１１２がその検出信号を処理することにより、第１のレジストパターンの２次電子像を取得する（参考文献「超微細加工入門、古川静二郎・浅野種正共著、ｐｐ．１６４〜１７１）。コンピュータ１１２は、取得した２次電子像の画像処理を行って第１のレジストパターンの位置座標を求めた後、該第１のレジストパターンの位置座標と所望のパターン寸法とに基づいて、第１のレジストパターンをエッチングにより除去すべき領域であるエッチング領域を算出する。
【００３１】
その後、酸素供給ノズル１０５により第１のレジストパターンの表面に酸素ガスを供給しながら、偏向系１０９により、電子銃１０７から出射された電子ビームをエッチング領域に照射することにより、第１のレジストパターンよりも幅が狭い第２のレジストパターンを形成する。このとき、酸素供給ノズル１０５の噴射口と半導体基板１０１上に形成された第１のレジストパターンとの距離は５ｃｍであり、このように、酸素供給ノズル１０５を第１のレジストパターンに近接した位置に設けるため、第１のレジストパターンの表面に酸素ガスを十分に供給できるので、エッチング領域のレジストを除去する精度を上げることができる。尚、酸素供給ノズル１０５と第１のレジストパターン１１との距離は、５ｃｍに限定する趣旨ではなく、その距離が１０ｃｍ以下であって、電子ビームの照射が妨げられないような距離であれば構わない。また、エッチング領域への電子ビームの照射とは、スポット状に集束された電子ビームをエッチング領域に走査しながら照射する場合を含む概念である。
【００３２】
以上のように、第１の実施形態によると、第１のレジストパターンに１ｎｍ以下のビーム径を有する電子ビームを走査することにより、現像により形成された第１のレジストパターンの位置座標を算出するので、該位置座標及び所望のパターン寸法に基づいて算出したエッチング領域に対して、酸素ガスを供給しながら電子ビームを照射する位置精度を１ｎｍ以下にすることができる。また、エッチング領域のレジストを除去する電子ビームのビーム径も１ｎｍ以下であるので、１０ｎｍ以下の寸法の第２のレジストパターンを１ｎｍ以下の寸法精度で形成することができる。さらに、第１のレジストパターンの表面に酸素ガスを供給しながら電子ビームを照射するため、電子ビームが照射されたレジスト部分のみを除去できるので、レジストパターンの形状を損なうことなく、高アスペクト比のレジストパターンを形成することができる。
【００３３】
尚、本実施形態では、レジスト膜に対してパターン露光及び現像を行うことによって形成された第１のレジストパターンをスリミングする方法について説明したが、従来例等により一旦スリミングした後のレジストパターンに対して、本発明を適用することによりさらにスリミングを行っても構わない。
【００３４】
また、本実施形態では、第１のレジストパターンの表面に酸素ガスを供給しながら電子ビームを照射する場合について説明したが、酸素原子を含むガスであれば構わない。すなわち、酸素原子を含むガスとは、酸素ガスに限らず、ＣＯ２ を含む概念である。
【００３５】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について、図３〜図６を参照しながら説明する。
【００３６】
図３は、前記第１の実施形態で参照した図１におけるステップＳＴ６に示した電子ビームによるスリミング工程について詳細に説明する図である。
【００３７】
ステップＳＡ１に示すように、現像により得られた第１のレジストパターンに電子ビームを走査して、第１のレジストパターンの２次電子像を取得する。
【００３８】
次に、ステップＳＡ２に示すように、所望の寸法パターンになるように、第１のレジストパターンの２次電子像におけるエッチングすべき領域であるエッチング領域の位置座標を計算する。
【００３９】
次に、ステップＳＡ３に示すように、第１のレジストパターン上に酸素ガスを供給しながら、エッチング領域に対して電子ビームを照射することにより、第１のレジストパターンよりも幅が狭い第２のレジストパターンを形成する。
【００４０】
以下、前記図３で示したパターン形成方法について具体的に説明する。
【００４１】
半導体基板上に、化学増幅型レジストをスピンコートして塗布膜を形成し、該塗布膜に対して１２０℃で６０秒間プリベークを行って、膜厚が１００ｎｍであるレジスト膜を形成する。次に、ＡｒＦ エキシマレーザを用いる縮小投影露光装置によりレジスト膜に対してパターン露光を行った後、パターン露光されたレジスト膜に対して１２０℃で６０秒間露光後ベークを行う。次に、アルカリ現像液を用いる現像を６０秒間行って、図４（ａ）に示すように、半導体基板２０１上に、パッド部１１ａ及びライン部１１ｂよりなる第１のレジストパターン１１を形成する。
【００４２】
次に、前記図２に示したパターン形成装置の真空チャンバ１００内の試料ステージ１０２の上に、第１のレジストパターン１１が形成された半導体基板２０１を導入する。電子銃１０７から出射された電子ビームを偏向系１０９により第１のレジストパターン１１上に走査させることにより、第１のレジストパターン１１から発生する２次電子を２次電子検出系１１０により検出する。ここで、電子ビームの加速電圧は２０ｋＶであり、電流は１００ｐＡ、ビーム径は１ｎｍである。次に、コンピュータ１１２は検出された２次電子を基に第１のレジストパターン１１の２次電子像を取得する。コンピュータ１１２は取得した２次電子像の画像処理をさらに行うことにより、第１のレジストパターン１１の位置座標を求める。その結果、図４（ａ）に示すように、第１のレジストパターン１１のライン部１１ｂの幅が１０２ｎｍであり、パッド部ａの幅が２９０ｎｍであると計算された。ここで、所望のパターン寸法として、ライン部１１ｂを目標幅８ｎｍまで細らせる場合、図４（ｂ）に示すように、第１のレジストパターン１１のエッチング領域１１ｃを算出して、その位置座標を求める。
【００４３】
次に、酸素供給ノズル１０５から第１のレジストパターン１１が形成された半導体基板２０１上に酸素ガスを供給しながら、第１のレジストパターン１１のエッチング領域１１ｃの全面にむらなく電子ビームが照射されるように、電子銃１０７から出射された電子ビームを偏向系１０９により２次元的に走査させる。ここで、電子ビームの加速電圧は２０ｋＶであり、電流は１００ｐＡ、ビーム径は１ｎｍ、酸素ガスの圧力は２Ｐａである。エッチング領域１１ｃのレジスト膜に電子ビームが照射されると、照射部の表面のポリマーが励起されて、供給される酸素ガスによってポリマーが分解される酸化分解が起きるので、電子ビームが照射される部位、すなわちエッチング領域１１ｃだけがエッチングされる。その結果、図４（ｃ）に示すように、パッド部１２ａと、第１のレジストパターン１１のライン部１１ｂよりも幅が狭くなったライン部１２ｂとよりなる第２のレジストパターン１２が形成される。
【００４４】
特に、図５に示すように、第１のレジストパターン１１のエッチング領域１１ｃを除去する際に、電子ビームを走査する方向１１ｄは、第１のレジストパターン１１のライン部１１ｂの側面と平行な方向にする。これにより、エッチング後に形成される第２のレジストパターン１２の側壁のラフネスを小さくすることができる。エッチング領域１１ｃへの電子ビームの走査が全て終了すると、ブランキング系１０８により電子ビームをオフにすると共に、流路開閉バルブ１０４により、酸素ボンベ１０３からの酸素ガスの導入を停止する。
【００４５】
このように、第１のレジストパターン１１をエッチングによりスリミングして第２のレジストパターン１２を形成した後、再度、第２のレジストパターン１２上に電子ビームを走査させて第２のレジストパターン１２の２次電子像を取得した。その結果、第１のレジストパターン１１をスリミングした後の第２のレジストパターン１２のライン幅が８．３ｎｍであることが確認できた。一方、電子ビームが照射されていない部位は、酸素ガスによる酸化分解が生じないため、エッチングされないので、第２のレジストパターン１２のライン部１２ｂのレジストの高さは第１のレジストパターン１１の膜厚である１００ｎｍのままであった。
【００４６】
以上のように、第１の実施形態によると、第１のレジストパターンに１ｎｍ以下のビーム径を有する電子ビームを走査することにより、現像により形成された第１のレジストパターンの位置座標を算出するので、該位置座標及び所望のパターン寸法に基づいて算出したエッチング領域に対して、酸素ガスを供給しながら電子ビームを照射する位置精度を１ｎｍ以下にすることができる。また、エッチング領域のレジストを除去する電子ビームのビーム径も１ｎｍ以下であるので、１０ｎｍ以下の寸法の第２のレジストパターンを１ｎｍ以下の寸法精度で形成することができる。さらに、第１のレジストパターンの表面に酸素ガスを供給しながら電子ビームを照射するため、電子ビームが照射されたレジスト部分のみを除去できるので、レジストパターンの形状を損なうことなく、高アスペクト比のレジストパターンを形成することができる。
【００４７】
尚、本実施形態では、電子ビームの加速電圧が２０ｋＶ、且つ電流が１００ｐＡの条件として説明したが、電子ビームの分解能が１０ｎｍ以上に悪化しなければ、加速電圧及び電流はいかなる条件でも構わない。また、酸素ガスの圧力に関しても、１ｍＰａ以上であればよい。
【００４８】
また、電子ビームの照射方法は、図５で説明したように、電子ビームを走査する方法の他に、図６に示すように、エッチング領域１１ｃを包含するように矩形状に整形された電子ビームを用いて、照射位置１１ｅに対して矩形状の電子ビームを固定して照射することにより、エッチング領域１１ｃのうちの一方をエッチングしても構わない。このようにすると、エッチング領域１１ｃに対して矩形状の電子ビームを照射してエッチングするので、エッチングの処理速度を上げることができる。尚、矩形状の電子ビームは、電子銃１０７とブランキング系１０８と間にアパーチャーを挿入することによって整形することができる。
【００４９】
尚、本実施形態では、レジスト膜に対してパターン露光及び現像を行うことによって形成された第１のレジストパターンをスリミングする方法について説明したが、従来例等により一旦スリミングした後のレジストパターンに対して、本発明を適用することによりさらにスリミングを行っても構わない。
【００５０】
また、本実施形態では、第１のレジストパターンの表面に酸素ガスを供給しながら電子ビームを照射する場合について説明したが、酸素原子を含むガスであれば構わない。すなわち、酸素原子を含むガスとは、酸素ガスに限らず、ＣＯ２ を含む概念である。
【００５１】
また、本実施例では、ＡｒＦ エキシマレーザを用いる縮小投影露光装置により第１のレジストパターンを形成したが、ＡｒＦ エキシマレーザの他に、Ｆ２ 分子レーザ、ＫｒＦ エキシマレーザ又はＩ線を用いる露光装置でも構わない。また、光によるパターン露光の代わりに電子ビームを用いるパターン露光を行っても構わない。
【００５２】
また、塗布膜に対するプリベーク、パターン露光されたレジスト膜に対する露光後ベーク又は現像の条件は、本実施形態に記載した条件に限らない。
【００５３】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について図７〜図９を参照しながら説明する。
【００５４】
図７は、前記第１の実施形態で参照した図１におけるステップＳＴ６に示した電子ビームによるスリミング工程について詳細に説明する図である。
【００５５】
ステップＳＢ１に示すように、ＤＵＶ光を用いる縮小投影露光法等によりパターン露光した後、現像により得られた第１のレジストパターンに電子ビームを走査して、第１のレジストパターンの２次電子像を取得する。
【００５６】
次に、ステップＳＢ２に示すように、２次電子像と所望のパターン寸法に基づき得られる設計パターンデータとを比較して、２次電子像と設計パターンデータとの差分を求める。
【００５７】
次に、ステップＳＢ３に示すように、設計パターンデータよりも２次電子像のデータが大きい領域をエッチングにより除去すべきエッチング領域として設定して、その位置座標を計算する。
【００５８】
次に、ステップＳＢ４に示すように、第１のレジストパターン上に酸素ガスを供給しながら、エッチング領域に対して電子ビームを照射することにより、第１のレジストパターンよりも幅が狭い第２のレジストパターンを形成する。
【００５９】
以下、前記図７で示したパターン形成方法について具体的に説明する。
【００６０】
半導体基板上に、化学増幅型レジストをスピンコートして塗布膜を形成し、該塗布膜に対して１２０℃で６０秒間プリベークを行って、膜厚が７０ｎｍであるレジスト膜を形成する。次に、Ｆ２ 分子レーザを用いる縮小投影露光装置により、レジスト膜に対してパターン露光を行った後、パターン露光されたレジスト膜に対して１２０℃で６０秒間露光後ベークを行う。次に、露光後ベークが行われたレジスト膜に対して、アルカリ現像液を用いる現像を６０秒間行って、図８（ａ）に示すように、半導体基板３０１上に、パッド部２１ａ及びライン部２２ｂよりなる第１のレジストパターン２１を形成する。次に、前記図２に示したパターン形成装置の真空チャンバ１００内の試料ステージ１０２の上に、第１のレジストパターン２１が形成された半導体基板３０１を導入する。電子銃１０７から出射された電子ビームを偏向系１０９により第１のレジストパターン２１に走査させることにより、第１のレジストパターン２１から発生する２次電子を２次電子検出系１１０により検出する。ここで、電子ビームの加速電圧は２ｋＶであり、電流は１００ｐＡ、ビーム径は０．５ｎｍである。次に、コンピュータ１１２は検出された２次電子を基に第１のレジストパターン２１の２次電子像を取得する。コンピュータ１１２は取得した２次電子像の画像処理をさらに行うことにより、第１のレジストパターン２１の位置座標を求める。その結果、図８（ａ）に示すように、第１のレジストパターン２１のライン部２１ｂの幅が７０ｎｍであった。
【００６１】
一方、図８（ｂ）に示すように、所望のパターン寸法に基づき得られる設計パターンデータ２２のライン部２２ｂの幅は５ｎｍである。従って、図８（ａ）に示す２次電子像のデータと図８（ｂ）に示す設計パターンデータとの差分を計算すると、図８（ｃ）に示すように、差分データ２３が得られる。図８（ａ）及び（ｂ）に示したように、２次電子像のデータが示す領域が設計パターンデータが示す領域よりも大きいので、図８（ｃ）に示した差分データ２３がエッチング領域として設定でき、その位置座標を算出する。
【００６２】
次に、酸素供給ノズル１０５から第１のレジストパターン２１が形成された半導体基板３０１上に酸素ガスを供給しながら、第１のレジストパターン２１のエッチング領域にむらなく電子ビームが照射されるように、電子銃１０７から出射された電子ビームを偏向系１０９により２次元的に走査させる。ここで、電子ビームの加速電圧は２ｋＶであり、電流は１００ｐＡ、ビーム径は０．５ｎｍ、酸素ガスの圧力は１Ｐａである。このとき、エッチング領域のレジスト膜に電子ビームが照射されると、照射部の表面のポリマーが励起されて、供給される酸素ガスによってポリマーが分解される酸化分解が起きるので、電子ビームが照射される部位、すなわちエッチング領域だけがエッチングされる。その結果、図９に示すように、パッド部２４ａと、第１のレジストパターン２１のライン部２１ｂよりも幅が狭くなったライン部２４ｂとよりなる第２のレジストパターン２４が形成される。全てのエッチング領域に対する電子ビームの走査が終了すると、ブランキング系１０８により電子ビームの出射をオフにした後、酸素ガスの導入を停止する。
【００６３】
このように、第１のレジストパターン２１をエッチングによりスリミングして第２のレジストパターン２４を形成した後、再度、第２のレジストパターン２４上に電子ビームを走査させての２次電子像を取得した。その結果、第１のレジストパターン２１をスリミングした後の第２のレジストパターンのライン幅が５ｎｍであることが確認できた。一方、電子ビームが照射されていない部位は、酸素ガスによる酸化分解が生じないため、エッチングされないので、第２のレジストパターン２４のライン部２４ｂのレジストの高さは第１のレジストパターン２４の膜厚である７０ｎｍのままであった。
【００６４】
以上のように、第３の実施形態によると、第１のレジストパターンに１ｎｍ以下のビーム径を有する電子ビームを走査することにより、現像により形成された第１のレジストパターンの位置座標を算出するので、該位置座標及び設計パターンデータに基づいて算出したエッチング領域に対して、酸素ガスを供給しながら電子ビームを照射する位置精度を１ｎｍ以下にすることができる。また、エッチング領域のレジストを除去する電子ビームのビーム径も１ｎｍ以下であるので、１０ｎｍ以下の寸法の第２のレジストパターンを１ｎｍ以下の寸法精度で形成することができる。さらに、第１のレジストパターンの表面に酸素ガスを供給しながら電子ビームを照射するため、電子ビームが照射されたレジスト部分のみを除去できるので、レジストパターンの形状を損なうことなく、高アスペクト比のレジストパターンを形成することができる。また、第１のレジストパターンの２次電子像のデータと設計パターンデータとの差分を基にエッチング領域を算出するので、設計値に忠実なパターン形状を得ることができる。
【００６５】
尚、本実施形態では、電子ビームの加速電圧が２ｋＶであり、且つ電流が１００ｐＡである条件を用いたが、電子ビームの分解能が１０ｎｍ以上に悪化しなければ、いかなる加速電圧及び電流の条件でも構わない。また、酸素ガスの圧力に関しても、１ｍＰａ以上であればいかなる圧力でも構わない。
【００６６】
また、本実施形態において、エッチング領域への電子ビームの照射とは、スポット状に集束された電子ビームをエッチング領域に走査しながら照射する場合と、前記第２の実施形態で説明したように、電子ビームを矩形上に整形された電子ビームをエッチング領域に照射する場合とを含む概念である。
【００６７】
尚、本実施形態では、レジスト膜に対してパターン露光及び現像を行うことによって形成された第１のレジストパターンをスリミングする方法について説明したが、従来例等により一旦スリミングした後のレジストパターンに対して、本発明を適用することによりさらにスリミングを行っても構わない。
【００６８】
また、本実施形態では、第１のレジストパターンの表面に酸素ガスを供給しながら電子ビームを照射する場合について説明したが、酸素原子を含むガスであれば構わない。すなわち、酸素原子を含むガスとは、酸素ガスに限らず、ＣＯ２ を含む概念である。
【００６９】
また、本実施形態では、Ｆ２ 分子レーザを用いる縮小投影露光装置によりパターン形成を行う場合であったが、Ｆ２ 分子レーザの他に、ＡｒＦ エキシマレーザ、ＫｒＦ エキシマレーザ又はＩ線を用いる露光装置でも構わない。また、光によるパターン露光の代わりに電子ビームを用いるパターン露光を行って構わない。
【００７０】
また、塗布膜に対するプリベーク、パターン露光されたレジスト膜に対する露光後ベーク又は現像の条件は、前記第２の実施例に記載した条件に限定されるものではない。
【００７１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によると、第１のレジストパターンに酸素原子を含むガスを供給しながらエッチング領域に電子ビームを照射するため、第１のレジストパターンにおける電子ビームの照射部のみにおいて、レジスト材料の酸化と分解が進行してエッチングが行われる。従って、第１のレジストパターンをスリミングしてナノメートルサイズの第２のレジストパターンを形成することができる。また、第１のレジストパターンの２次電子像及び所望のパターン寸法を基にして第１のレジストパターンのエッチング領域を求めるので、第１のレジストパターンの形状を高精度にスリミングして第２のレジストパターンを形成することができる。このように、光の回折限界又はレジストの分子サイズに起因する解像度の限界を超えるナノメートルサイズのパターンを高精度に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るパターン形成方法を示すフロー図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るパターン形成装置を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るパターン形成方法を示す図である。
【図４】（ａ）は本発明の第２の実施形態における第１のレジストパターンの２次電子像を説明する平面図であり、
（ｂ）は本発明の第２の実施形態における第１のレジストパターンのエッチング領域を説明する平面図であり、
（ｃ）は本発明の第２の実施形態における第２のレジストパターンの２次電子像を説明する平面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態における電子ビームの走査方向を説明する平面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態における第１のレジストパターンに対して矩形状の電子ビームを照射する方法を説明する平面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係るパターン形成方法を示すフロー図である。
【図８】（ａ）は本発明の第３の実施形態における第１のレジストパターンの２次電子像を示す平面図であり、
（ｂ）は本発明の第３の実施形態における設計パターンデータを示す平面図であり、
（ｃ）は本発明の第３の実施形態における差分データを示す平面図である。
【図９】本発明の第３の実施形態における第２のレジストパターンの２次電子像を示す平面図である。
【符号の説明】
１００ 真空チャンバ
１０１、２０１、３０１ 半導体基板
１０２ 試料ステージ
１０３ 酸素ボンベ
１０４ 流路開閉バルブ
１０５ 酸素供給ノズル
１０６ 拡散ポンプ
１０７ 電子銃
１０８ ブランキング系
１０９ 偏向系
１１０ ２次電子検出系
１１１ インターフェース
１１２ コンピュータ
１１、２１ 第１のレジストパターン
１２、２４ 第２のレジストパターン
１１ａ、１２ａ、２１ａ、２２ａ、２４ａ パッド部
１１ｂ、１２ｂ、２１ｂ、２２ｂ、２４ｂ ライン部
１１ｃ エッチング領域
１１ｄ 電子ビームの走査方向
１１ｅ 照射位置
２２ 設計パターンデータ
２３ 差分データ
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体集積回路装置の製造プロセスに用いられるリソグラフィ技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体集積回路の高集積化に伴い、回路パターンの微細化が進み、フォトリソグラフィの解像度の向上が要求されている。フォトリソグラフィでは、露光源の短波長化が進み、波長１９３ｎｍのＡｒＦ エキシマレーザを用いるリソグラフィにより、波長の半分程度の１００ｎｍの解像度が得られている。
【０００３】
また、電子ビーム露光法を用いると、高い解像度が得られることは良く知られているが、十数ｎｍの解像度を得ることが限界である。これは、電子ビームは１ｎｍ以下のビーム径まで絞ることができるが、解像度はレジストの分子サイズによって決定されてしまうので、十数ｎｍの解像度を得ることが限界となっている。
【０００４】
最近、レジストパターンのさらに微細化を実現するために、露光、現像後のレジストパターンを細らせる種々のスリミング方法が提案されている。例えば、特許文献１に示すように、オゾンを用いる等方性エッチングによりレジストパターンを細らせる方法がある。また、特許文献２に示すように、ＵＶ光を照射しながらオゾンによるアッシングによりレジストパターンを細らせる方法もある。特許文献２においては、ＵＶ光を局所的に照射してアッシングする方法が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２３１６０８号公報
【特許文献２】
特開２００１−８５４０７号公報
【非特許文献】
超微細加工入門、古川静二郎・浅野種正共著、ｐｐ．１６４〜１７１
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなパターン形成方法では、フォトリソグラフィでレジストパターンを形成した後、レジストパターンを細らせるが、１０ｎｍ以下の寸法のレジストパターンをサブナノメートルの精度で得ることが困難であった。
【０００７】
オゾンを用いる等方性エッチングによりレジストパターンを細らせる方法では、フォトリソグラフィで形成したレジストパターンをその寸法の７０％まで細らせることが限界であると考えられる。また、エッチングをそれ以上に行うとレジストパターンの形状が劣化して、レジストパターンの形状の精度が落ちるという問題が生じる。
【０００８】
また、レジストパターンにＵＶ光を局所的に照射するという方法では、ＵＶ光のビーム径は使用する光源の波長の半分程度が限界であるため、ビーム径に依存するレジストパターンのエッチングの精度は数１０ｎｍ程度が限界である。またオゾンを用いるエッチングを行うため、ＵＶ光が照射されていない部分も若干エッチングされるので、レジストパターンの形状に劣化が多少生じる。
【０００９】
以上のように、従来のレジストパターンのスリミング方法では、ナノメートルサイズのレジストパターンを形成することが困難であると共に、レジストパターンの形状に劣化を生じさせることなく高精度にレジストパターンを形成することが困難である。
【００１０】
本発明は、前記課題を一挙に解決するものであり、ナノメートルサイズのレジストパターンを高精度に得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、本発明のパターン形成方法は、レジスト膜に対して露光及び現像を行って第１のレジストパターンを形成する第１の工程と、第１のレジストパターンに電子ビームを走査して、発生する２次電子を検出することにより、第１のレジストパターンの２次電子像を取得する第２の工程と、２次電子像及び所望のパターン寸法に基づいて、第１のレジストパターンをエッチングにより除去すべき領域であるエッチング領域を算出する第３の工程と、第１のレジストパターンの表面に酸素原子を含むガスを供給しながら、エッチング領域に電子ビームを照射することにより第１のレジストパターンよりも幅が狭い第２のレジストパターンを形成する第４の工程とを備えるものである。
【００１２】
本発明のパターン形成方法によると、第１のレジストパターンに酸素原子を含むガスを供給しながらエッチング領域に電子ビームを照射するため、第１のレジストパターンにおける電子ビームの照射部のみにおいて、レジスト材料の酸化と分解が進行してエッチングが行われる。従って、第１のレジストパターンをスリミングしてナノメートルサイズの第２のレジストパターンを形成することができる。また、第１のレジストパターンの２次電子像及び所望のパターン寸法を基にして第１のレジストパターンのエッチング領域を求めるので、第１のレジストパターンの形状を高精度にスリミングして第２のレジストパターンを形成することができる。
【００１３】
本発明のパターン形成方法において、第３の工程は、第１の工程において取得した２次電子像のデータと所望のパターン寸法に基づき得られる設計パターンデータとを比較して、２次電子像のデータと設計パターンデータとの差分領域をエッチング領域として算出する工程を含むことが好ましい。
【００１４】
このようにすると、エッチング領域の精度が向上するので、精度の高い第２のレジストパターンを形成することができる。
【００１５】
本発明のパターン形成方法において、第４の工程は、矩形状に整形された電子ビームをエッチング領域に照射する工程を含むことが好ましい。
【００１６】
このようにすると、第１のレジストパターンのエッチング領域を除去する速度を上げることができる。
【００１７】
本発明のパターン形成方法において、第４の工程は、スポット状に集束された電子ビームをエッチング領域に走査することが好ましい。
【００１８】
このようにすると、第１のレジストパターンをエッチングする際の寸法精度が高くなる。
【００１９】
本発明のパターン形成方法において、第４の工程は、スポット状に集束された電子ビームをエッチング領域に対して、第１のレジストパターンの側面に平行に走査する工程を含むことが好ましい。
【００２０】
このようにすると、第２のレジストパターンの側壁のラフネスを低減することができる。
【００２１】
本発明のパターン形成装置は、電子ビームを出射する手段と、レジスト膜に対して露光及び現像が行われることにより形成された第１のレジストパターンに電子ビームを走査して、発生する２次電子を検出することにより、第１のレジストパターンの２次電子像を取得する手段と、２次電子像及び所望のパターン寸法に基づいて、第１のレジストパターンをエッチングにより除去すべき領域であるエッチング領域を算出する第３の工程と、第１のレジストパターンの表面に酸素原子を含むガスを供給する手段と、エッチング領域に電子ビームを照射することにより第１のレジストパターンよりも幅が狭い第２のレジストパターンを形成する手段とを備えているものである。
【００２２】
本発明のパターン形成装置によると、第１のレジストパターンに酸素原子を含むガスを供給しながらエッチング領域に電子ビームを照射するため、第１のレジストパターンにおける電子ビームの照射部のみにおいて、レジスト材料の酸化と分解が進行してエッチングが行われる。従って、第１のレジストパターンをスリミングしてナノメートルサイズの第２のレジストパターンを形成することができる。また、第１のレジストパターンの２次電子像及び所望のパターン寸法を基にして第１のレジストパターンのエッチング領域を求めるので、第１のレジストパターンの形状を高精度にスリミングして第２のレジストパターンを形成することができる。
【００２３】
本発明のパターン形成装置において、酸素原子を含むガスを供給する手段は、第１のレジストパターンからの距離が１０ｃｍ以下である位置に噴射口を持つガス供給ノズルを有していることが好ましい。
【００２４】
このようにすると、レジスト材料の酸化と分解によるエッチングを精度良く行うために必要な酸素を含むガスを無駄なく効率的に第１のレジストパターン上に供給することができる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係るパターン形成方法の概略について、図１を参照しながら説明する。
【００２６】
ステップＳＴ１に示すように、半導体基板上に、化学増幅型レジストをスピンコートして塗布膜を形成した後、ステップＳＴ２に示すように、塗布膜に対してプリベークを行って、膜厚が約１００ｎｍであるレジスト膜を形成する。次に、ステップＳＴ３に示すように、ＡｒＦ エキシマレーザ等を用いる縮小投影露光法によりレジスト膜に対してパターン露光を行った後、ステップＳＴ４に示すように、パターン露光されたレジスト膜に対して露光後ベークを行う。次に、ステップＳＴ５に示すように、アルカリ現像液を用いる現像を行って第１のレジストパターンを形成する。次に、ステップＳＴ６に示すように、電子ビームを用いて第１のレジストパターンのスリミングを行うことにより、第１のレジストパターンよりも幅が狭い第２のレジストパターンを形成する。
【００２７】
以下に、前記ステップＳＴ６に用いられる本発明の第１の実施形態に係るパターン形成装置について説明する。
【００２８】
図２に示すように、パターン形成装置は、真空チャンバ１００を備えており、真空チャンバ１００の底部には、第１のレジストパターンが形成された半導体基板１０１を保持する試料ステージ１０２が設けられている。真空チャンバ１００の下部には、酸素ボンベ１０３から供給された酸素ガスを流路開閉バルブ１０４を介して第１のレジストパターンの表面に導入する酸素供給ノズル１０５が設けられており、酸素供給ノズル１０５の噴射口は第１のレジストパターンの近傍に設けられている。真空チャンバ１００の下部には、拡散ポンプ１０６が設けられており、拡散ポンプ１０６は真空チャンバ１００内の圧力を所望の圧力に減圧する。
【００２９】
真空チャンバ１００の頂部には、１ｎｍ以下のビーム径を有する電子ビームを出射する電子銃１０７が設けられている。また、真空チャンバ１００の上部には、電子銃１０７から出射された電子ビームのスイッチングを行うブランキング系１０８と、電子銃１０７から出射された電子ビームを第１のレジストパターンに２次元的に走査させる偏向系１０９とが設けられている。さらに、真空チャンバ１００の下部には、第１のレジストパターンから発生する２次電子を検出する２次電子検出系１１０が設けられている。ブランキング系１０８、偏向系１０９及び２次電子検出系１１０はインターフェース１１１を介してコンピュータ１１２によって制御される。
【００３０】
電子銃１０７から出射された電子ビームを偏向系１０９により第１のレジストパターン上に走査し、第１のレジストパターンから発生する２次電子を２次電子検出系１１０により検出する。２次電子検出系１１０により検出された２次電子の信号はコンピュータ１１２に入力され、該コンピュータ１１２がその検出信号を処理することにより、第１のレジストパターンの２次電子像を取得する（参考文献「超微細加工入門、古川静二郎・浅野種正共著、ｐｐ．１６４〜１７１）。コンピュータ１１２は、取得した２次電子像の画像処理を行って第１のレジストパターンの位置座標を求めた後、該第１のレジストパターンの位置座標と所望のパターン寸法とに基づいて、第１のレジストパターンをエッチングにより除去すべき領域であるエッチング領域を算出する。
【００３１】
その後、酸素供給ノズル１０５により第１のレジストパターンの表面に酸素ガスを供給しながら、偏向系１０９により、電子銃１０７から出射された電子ビームをエッチング領域に照射することにより、第１のレジストパターンよりも幅が狭い第２のレジストパターンを形成する。このとき、酸素供給ノズル１０５の噴射口と半導体基板１０１上に形成された第１のレジストパターンとの距離は５ｃｍであり、このように、酸素供給ノズル１０５を第１のレジストパターンに近接した位置に設けるため、第１のレジストパターンの表面に酸素ガスを十分に供給できるので、エッチング領域のレジストを除去する精度を上げることができる。尚、酸素供給ノズル１０５と第１のレジストパターン１１との距離は、５ｃｍに限定する趣旨ではなく、その距離が１０ｃｍ以下であって、電子ビームの照射が妨げられないような距離であれば構わない。また、エッチング領域への電子ビームの照射とは、スポット状に集束された電子ビームをエッチング領域に走査しながら照射する場合を含む概念である。
【００３２】
以上のように、第１の実施形態によると、第１のレジストパターンに１ｎｍ以下のビーム径を有する電子ビームを走査することにより、現像により形成された第１のレジストパターンの位置座標を算出するので、該位置座標及び所望のパターン寸法に基づいて算出したエッチング領域に対して、酸素ガスを供給しながら電子ビームを照射する位置精度を１ｎｍ以下にすることができる。また、エッチング領域のレジストを除去する電子ビームのビーム径も１ｎｍ以下であるので、１０ｎｍ以下の寸法の第２のレジストパターンを１ｎｍ以下の寸法精度で形成することができる。さらに、第１のレジストパターンの表面に酸素ガスを供給しながら電子ビームを照射するため、電子ビームが照射されたレジスト部分のみを除去できるので、レジストパターンの形状を損なうことなく、高アスペクト比のレジストパターンを形成することができる。
【００３３】
尚、本実施形態では、レジスト膜に対してパターン露光及び現像を行うことによって形成された第１のレジストパターンをスリミングする方法について説明したが、従来例等により一旦スリミングした後のレジストパターンに対して、本発明を適用することによりさらにスリミングを行っても構わない。
【００３４】
また、本実施形態では、第１のレジストパターンの表面に酸素ガスを供給しながら電子ビームを照射する場合について説明したが、酸素原子を含むガスであれば構わない。すなわち、酸素原子を含むガスとは、酸素ガスに限らず、ＣＯ２ を含む概念である。
【００３５】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について、図３〜図６を参照しながら説明する。
【００３６】
図３は、前記第１の実施形態で参照した図１におけるステップＳＴ６に示した電子ビームによるスリミング工程について詳細に説明する図である。
【００３７】
ステップＳＡ１に示すように、現像により得られた第１のレジストパターンに電子ビームを走査して、第１のレジストパターンの２次電子像を取得する。
【００３８】
次に、ステップＳＡ２に示すように、所望の寸法パターンになるように、第１のレジストパターンの２次電子像におけるエッチングすべき領域であるエッチング領域の位置座標を計算する。
【００３９】
次に、ステップＳＡ３に示すように、第１のレジストパターン上に酸素ガスを供給しながら、エッチング領域に対して電子ビームを照射することにより、第１のレジストパターンよりも幅が狭い第２のレジストパターンを形成する。
【００４０】
以下、前記図３で示したパターン形成方法について具体的に説明する。
【００４１】
半導体基板上に、化学増幅型レジストをスピンコートして塗布膜を形成し、該塗布膜に対して１２０℃で６０秒間プリベークを行って、膜厚が１００ｎｍであるレジスト膜を形成する。次に、ＡｒＦ エキシマレーザを用いる縮小投影露光装置によりレジスト膜に対してパターン露光を行った後、パターン露光されたレジスト膜に対して１２０℃で６０秒間露光後ベークを行う。次に、アルカリ現像液を用いる現像を６０秒間行って、図４（ａ）に示すように、半導体基板２０１上に、パッド部１１ａ及びライン部１１ｂよりなる第１のレジストパターン１１を形成する。
【００４２】
次に、前記図２に示したパターン形成装置の真空チャンバ１００内の試料ステージ１０２の上に、第１のレジストパターン１１が形成された半導体基板２０１を導入する。電子銃１０７から出射された電子ビームを偏向系１０９により第１のレジストパターン１１上に走査させることにより、第１のレジストパターン１１から発生する２次電子を２次電子検出系１１０により検出する。ここで、電子ビームの加速電圧は２０ｋＶであり、電流は１００ｐＡ、ビーム径は１ｎｍである。次に、コンピュータ１１２は検出された２次電子を基に第１のレジストパターン１１の２次電子像を取得する。コンピュータ１１２は取得した２次電子像の画像処理をさらに行うことにより、第１のレジストパターン１１の位置座標を求める。その結果、図４（ａ）に示すように、第１のレジストパターン１１のライン部１１ｂの幅が１０２ｎｍであり、パッド部ａの幅が２９０ｎｍであると計算された。ここで、所望のパターン寸法として、ライン部１１ｂを目標幅８ｎｍまで細らせる場合、図４（ｂ）に示すように、第１のレジストパターン１１のエッチング領域１１ｃを算出して、その位置座標を求める。
【００４３】
次に、酸素供給ノズル１０５から第１のレジストパターン１１が形成された半導体基板２０１上に酸素ガスを供給しながら、第１のレジストパターン１１のエッチング領域１１ｃの全面にむらなく電子ビームが照射されるように、電子銃１０７から出射された電子ビームを偏向系１０９により２次元的に走査させる。ここで、電子ビームの加速電圧は２０ｋＶであり、電流は１００ｐＡ、ビーム径は１ｎｍ、酸素ガスの圧力は２Ｐａである。エッチング領域１１ｃのレジスト膜に電子ビームが照射されると、照射部の表面のポリマーが励起されて、供給される酸素ガスによってポリマーが分解される酸化分解が起きるので、電子ビームが照射される部位、すなわちエッチング領域１１ｃだけがエッチングされる。その結果、図４（ｃ）に示すように、パッド部１２ａと、第１のレジストパターン１１のライン部１１ｂよりも幅が狭くなったライン部１２ｂとよりなる第２のレジストパターン１２が形成される。
【００４４】
特に、図５に示すように、第１のレジストパターン１１のエッチング領域１１ｃを除去する際に、電子ビームを走査する方向１１ｄは、第１のレジストパターン１１のライン部１１ｂの側面と平行な方向にする。これにより、エッチング後に形成される第２のレジストパターン１２の側壁のラフネスを小さくすることができる。エッチング領域１１ｃへの電子ビームの走査が全て終了すると、ブランキング系１０８により電子ビームをオフにすると共に、流路開閉バルブ１０４により、酸素ボンベ１０３からの酸素ガスの導入を停止する。
【００４５】
このように、第１のレジストパターン１１をエッチングによりスリミングして第２のレジストパターン１２を形成した後、再度、第２のレジストパターン１２上に電子ビームを走査させて第２のレジストパターン１２の２次電子像を取得した。その結果、第１のレジストパターン１１をスリミングした後の第２のレジストパターン１２のライン幅が８．３ｎｍであることが確認できた。一方、電子ビームが照射されていない部位は、酸素ガスによる酸化分解が生じないため、エッチングされないので、第２のレジストパターン１２のライン部１２ｂのレジストの高さは第１のレジストパターン１１の膜厚である１００ｎｍのままであった。
【００４６】
以上のように、第１の実施形態によると、第１のレジストパターンに１ｎｍ以下のビーム径を有する電子ビームを走査することにより、現像により形成された第１のレジストパターンの位置座標を算出するので、該位置座標及び所望のパターン寸法に基づいて算出したエッチング領域に対して、酸素ガスを供給しながら電子ビームを照射する位置精度を１ｎｍ以下にすることができる。また、エッチング領域のレジストを除去する電子ビームのビーム径も１ｎｍ以下であるので、１０ｎｍ以下の寸法の第２のレジストパターンを１ｎｍ以下の寸法精度で形成することができる。さらに、第１のレジストパターンの表面に酸素ガスを供給しながら電子ビームを照射するため、電子ビームが照射されたレジスト部分のみを除去できるので、レジストパターンの形状を損なうことなく、高アスペクト比のレジストパターンを形成することができる。
【００４７】
尚、本実施形態では、電子ビームの加速電圧が２０ｋＶ、且つ電流が１００ｐＡの条件として説明したが、電子ビームの分解能が１０ｎｍ以上に悪化しなければ、加速電圧及び電流はいかなる条件でも構わない。また、酸素ガスの圧力に関しても、１ｍＰａ以上であればよい。
【００４８】
また、電子ビームの照射方法は、図５で説明したように、電子ビームを走査する方法の他に、図６に示すように、エッチング領域１１ｃを包含するように矩形状に整形された電子ビームを用いて、照射位置１１ｅに対して矩形状の電子ビームを固定して照射することにより、エッチング領域１１ｃのうちの一方をエッチングしても構わない。このようにすると、エッチング領域１１ｃに対して矩形状の電子ビームを照射してエッチングするので、エッチングの処理速度を上げることができる。尚、矩形状の電子ビームは、電子銃１０７とブランキング系１０８と間にアパーチャーを挿入することによって整形することができる。
【００４９】
尚、本実施形態では、レジスト膜に対してパターン露光及び現像を行うことによって形成された第１のレジストパターンをスリミングする方法について説明したが、従来例等により一旦スリミングした後のレジストパターンに対して、本発明を適用することによりさらにスリミングを行っても構わない。
【００５０】
また、本実施形態では、第１のレジストパターンの表面に酸素ガスを供給しながら電子ビームを照射する場合について説明したが、酸素原子を含むガスであれば構わない。すなわち、酸素原子を含むガスとは、酸素ガスに限らず、ＣＯ２ を含む概念である。
【００５１】
また、本実施例では、ＡｒＦ エキシマレーザを用いる縮小投影露光装置により第１のレジストパターンを形成したが、ＡｒＦ エキシマレーザの他に、Ｆ２ 分子レーザ、ＫｒＦ エキシマレーザ又はＩ線を用いる露光装置でも構わない。また、光によるパターン露光の代わりに電子ビームを用いるパターン露光を行っても構わない。
【００５２】
また、塗布膜に対するプリベーク、パターン露光されたレジスト膜に対する露光後ベーク又は現像の条件は、本実施形態に記載した条件に限らない。
【００５３】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について図７〜図９を参照しながら説明する。
【００５４】
図７は、前記第１の実施形態で参照した図１におけるステップＳＴ６に示した電子ビームによるスリミング工程について詳細に説明する図である。
【００５５】
ステップＳＢ１に示すように、ＤＵＶ光を用いる縮小投影露光法等によりパターン露光した後、現像により得られた第１のレジストパターンに電子ビームを走査して、第１のレジストパターンの２次電子像を取得する。
【００５６】
次に、ステップＳＢ２に示すように、２次電子像と所望のパターン寸法に基づき得られる設計パターンデータとを比較して、２次電子像と設計パターンデータとの差分を求める。
【００５７】
次に、ステップＳＢ３に示すように、設計パターンデータよりも２次電子像のデータが大きい領域をエッチングにより除去すべきエッチング領域として設定して、その位置座標を計算する。
【００５８】
次に、ステップＳＢ４に示すように、第１のレジストパターン上に酸素ガスを供給しながら、エッチング領域に対して電子ビームを照射することにより、第１のレジストパターンよりも幅が狭い第２のレジストパターンを形成する。
【００５９】
以下、前記図７で示したパターン形成方法について具体的に説明する。
【００６０】
半導体基板上に、化学増幅型レジストをスピンコートして塗布膜を形成し、該塗布膜に対して１２０℃で６０秒間プリベークを行って、膜厚が７０ｎｍであるレジスト膜を形成する。次に、Ｆ２ 分子レーザを用いる縮小投影露光装置により、レジスト膜に対してパターン露光を行った後、パターン露光されたレジスト膜に対して１２０℃で６０秒間露光後ベークを行う。次に、露光後ベークが行われたレジスト膜に対して、アルカリ現像液を用いる現像を６０秒間行って、図８（ａ）に示すように、半導体基板３０１上に、パッド部２１ａ及びライン部２２ｂよりなる第１のレジストパターン２１を形成する。次に、前記図２に示したパターン形成装置の真空チャンバ１００内の試料ステージ１０２の上に、第１のレジストパターン２１が形成された半導体基板３０１を導入する。電子銃１０７から出射された電子ビームを偏向系１０９により第１のレジストパターン２１に走査させることにより、第１のレジストパターン２１から発生する２次電子を２次電子検出系１１０により検出する。ここで、電子ビームの加速電圧は２ｋＶであり、電流は１００ｐＡ、ビーム径は０．５ｎｍである。次に、コンピュータ１１２は検出された２次電子を基に第１のレジストパターン２１の２次電子像を取得する。コンピュータ１１２は取得した２次電子像の画像処理をさらに行うことにより、第１のレジストパターン２１の位置座標を求める。その結果、図８（ａ）に示すように、第１のレジストパターン２１のライン部２１ｂの幅が７０ｎｍであった。
【００６１】
一方、図８（ｂ）に示すように、所望のパターン寸法に基づき得られる設計パターンデータ２２のライン部２２ｂの幅は５ｎｍである。従って、図８（ａ）に示す２次電子像のデータと図８（ｂ）に示す設計パターンデータとの差分を計算すると、図８（ｃ）に示すように、差分データ２３が得られる。図８（ａ）及び（ｂ）に示したように、２次電子像のデータが示す領域が設計パターンデータが示す領域よりも大きいので、図８（ｃ）に示した差分データ２３がエッチング領域として設定でき、その位置座標を算出する。
【００６２】
次に、酸素供給ノズル１０５から第１のレジストパターン２１が形成された半導体基板３０１上に酸素ガスを供給しながら、第１のレジストパターン２１のエッチング領域にむらなく電子ビームが照射されるように、電子銃１０７から出射された電子ビームを偏向系１０９により２次元的に走査させる。ここで、電子ビームの加速電圧は２ｋＶであり、電流は１００ｐＡ、ビーム径は０．５ｎｍ、酸素ガスの圧力は１Ｐａである。このとき、エッチング領域のレジスト膜に電子ビームが照射されると、照射部の表面のポリマーが励起されて、供給される酸素ガスによってポリマーが分解される酸化分解が起きるので、電子ビームが照射される部位、すなわちエッチング領域だけがエッチングされる。その結果、図９に示すように、パッド部２４ａと、第１のレジストパターン２１のライン部２１ｂよりも幅が狭くなったライン部２４ｂとよりなる第２のレジストパターン２４が形成される。全てのエッチング領域に対する電子ビームの走査が終了すると、ブランキング系１０８により電子ビームの出射をオフにした後、酸素ガスの導入を停止する。
【００６３】
このように、第１のレジストパターン２１をエッチングによりスリミングして第２のレジストパターン２４を形成した後、再度、第２のレジストパターン２４上に電子ビームを走査させての２次電子像を取得した。その結果、第１のレジストパターン２１をスリミングした後の第２のレジストパターンのライン幅が５ｎｍであることが確認できた。一方、電子ビームが照射されていない部位は、酸素ガスによる酸化分解が生じないため、エッチングされないので、第２のレジストパターン２４のライン部２４ｂのレジストの高さは第１のレジストパターン２４の膜厚である７０ｎｍのままであった。
【００６４】
以上のように、第３の実施形態によると、第１のレジストパターンに１ｎｍ以下のビーム径を有する電子ビームを走査することにより、現像により形成された第１のレジストパターンの位置座標を算出するので、該位置座標及び設計パターンデータに基づいて算出したエッチング領域に対して、酸素ガスを供給しながら電子ビームを照射する位置精度を１ｎｍ以下にすることができる。また、エッチング領域のレジストを除去する電子ビームのビーム径も１ｎｍ以下であるので、１０ｎｍ以下の寸法の第２のレジストパターンを１ｎｍ以下の寸法精度で形成することができる。さらに、第１のレジストパターンの表面に酸素ガスを供給しながら電子ビームを照射するため、電子ビームが照射されたレジスト部分のみを除去できるので、レジストパターンの形状を損なうことなく、高アスペクト比のレジストパターンを形成することができる。また、第１のレジストパターンの２次電子像のデータと設計パターンデータとの差分を基にエッチング領域を算出するので、設計値に忠実なパターン形状を得ることができる。
【００６５】
尚、本実施形態では、電子ビームの加速電圧が２ｋＶであり、且つ電流が１００ｐＡである条件を用いたが、電子ビームの分解能が１０ｎｍ以上に悪化しなければ、いかなる加速電圧及び電流の条件でも構わない。また、酸素ガスの圧力に関しても、１ｍＰａ以上であればいかなる圧力でも構わない。
【００６６】
また、本実施形態において、エッチング領域への電子ビームの照射とは、スポット状に集束された電子ビームをエッチング領域に走査しながら照射する場合と、前記第２の実施形態で説明したように、電子ビームを矩形上に整形された電子ビームをエッチング領域に照射する場合とを含む概念である。
【００６７】
尚、本実施形態では、レジスト膜に対してパターン露光及び現像を行うことによって形成された第１のレジストパターンをスリミングする方法について説明したが、従来例等により一旦スリミングした後のレジストパターンに対して、本発明を適用することによりさらにスリミングを行っても構わない。
【００６８】
また、本実施形態では、第１のレジストパターンの表面に酸素ガスを供給しながら電子ビームを照射する場合について説明したが、酸素原子を含むガスであれば構わない。すなわち、酸素原子を含むガスとは、酸素ガスに限らず、ＣＯ２ を含む概念である。
【００６９】
また、本実施形態では、Ｆ２ 分子レーザを用いる縮小投影露光装置によりパターン形成を行う場合であったが、Ｆ２ 分子レーザの他に、ＡｒＦ エキシマレーザ、ＫｒＦ エキシマレーザ又はＩ線を用いる露光装置でも構わない。また、光によるパターン露光の代わりに電子ビームを用いるパターン露光を行って構わない。
【００７０】
また、塗布膜に対するプリベーク、パターン露光されたレジスト膜に対する露光後ベーク又は現像の条件は、前記第２の実施例に記載した条件に限定されるものではない。
【００７１】
【発明の効果】
以上のように、本発明によると、第１のレジストパターンに酸素原子を含むガスを供給しながらエッチング領域に電子ビームを照射するため、第１のレジストパターンにおける電子ビームの照射部のみにおいて、レジスト材料の酸化と分解が進行してエッチングが行われる。従って、第１のレジストパターンをスリミングしてナノメートルサイズの第２のレジストパターンを形成することができる。また、第１のレジストパターンの２次電子像及び所望のパターン寸法を基にして第１のレジストパターンのエッチング領域を求めるので、第１のレジストパターンの形状を高精度にスリミングして第２のレジストパターンを形成することができる。このように、光の回折限界又はレジストの分子サイズに起因する解像度の限界を超えるナノメートルサイズのパターンを高精度に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るパターン形成方法を示すフロー図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るパターン形成装置を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るパターン形成方法を示す図である。
【図４】（ａ）は本発明の第２の実施形態における第１のレジストパターンの２次電子像を説明する平面図であり、
（ｂ）は本発明の第２の実施形態における第１のレジストパターンのエッチング領域を説明する平面図であり、
（ｃ）は本発明の第２の実施形態における第２のレジストパターンの２次電子像を説明する平面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態における電子ビームの走査方向を説明する平面図である。
【図６】本発明の第２の実施形態における第１のレジストパターンに対して矩形状の電子ビームを照射する方法を説明する平面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態に係るパターン形成方法を示すフロー図である。
【図８】（ａ）は本発明の第３の実施形態における第１のレジストパターンの２次電子像を示す平面図であり、
（ｂ）は本発明の第３の実施形態における設計パターンデータを示す平面図であり、
（ｃ）は本発明の第３の実施形態における差分データを示す平面図である。
【図９】本発明の第３の実施形態における第２のレジストパターンの２次電子像を示す平面図である。
【符号の説明】
１００ 真空チャンバ
１０１、２０１、３０１ 半導体基板
１０２ 試料ステージ
１０３ 酸素ボンベ
１０４ 流路開閉バルブ
１０５ 酸素供給ノズル
１０６ 拡散ポンプ
１０７ 電子銃
１０８ ブランキング系
１０９ 偏向系
１１０ ２次電子検出系
１１１ インターフェース
１１２ コンピュータ
１１、２１ 第１のレジストパターン
１２、２４ 第２のレジストパターン
１１ａ、１２ａ、２１ａ、２２ａ、２４ａ パッド部
１１ｂ、１２ｂ、２１ｂ、２２ｂ、２４ｂ ライン部
１１ｃ エッチング領域
１１ｄ 電子ビームの走査方向
１１ｅ 照射位置
２２ 設計パターンデータ
２３ 差分データ
Claims (7)
- レジスト膜に対して露光及び現像を行って第１のレジストパターンを形成する第１の工程と、
前記第１のレジストパターンに電子ビームを走査して、発生する２次電子を検出することにより、前記第１のレジストパターンの２次電子像を取得する第２の工程と、
前記２次電子像及び所望のパターン寸法に基づいて、前記第１のレジストパターンをエッチングにより除去すべき領域であるエッチング領域を算出する第３の工程と、
前記第１のレジストパターンの表面に酸素原子を含むガスを供給しながら、前記エッチング領域に電子ビームを照射することにより前記第１のレジストパターンよりも幅が狭い第２のレジストパターンを形成する第４の工程とを備えることを特徴とするパターン形成方法。 - 前記第３の工程は、前記第１の工程において取得した前記２次電子像のデータと前記所望のパターン寸法に基づき得られる設計パターンデータとを比較して、前記２次電子像のデータと前記設計パターンデータとの差分領域を前記エッチング領域として算出する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載のパターン形成方法。
- 前記第４の工程は、矩形状に整形された前記電子ビームを前記エッチング領域に照射する工程を含むことを特徴とする請求項１に記載のパターン形成方法。
- 前記第４の工程は、スポット状に集束された前記電子ビームを前記エッチング領域に走査することを特徴とする請求項１に記載のパターン形成方法。
- 前記第４の工程は、スポット状に集束された前記電子ビームを前記エッチング領域に対して、前記第１のレジストパターンの側面に平行に走査する工程を含むことを特徴とする請求項４に記載のパターン形成方法。
- 電子ビームを出射する手段と、
レジスト膜に対して露光及び現像が行われることにより形成された第１のレジストパターンに前記電子ビームを走査して、発生する２次電子を検出することにより、前記第１のレジストパターンの２次電子像を取得する手段と、
前記２次電子像及び所望のパターン寸法に基づいて、前記第１のレジストパターンをエッチングにより除去すべき領域であるエッチング領域を算出する手段と、
前記第１のレジストパターンの表面に酸素原子を含むガスを供給する手段と、
前記エッチング領域に前記電子ビームを照射することにより前記第１のレジストパターンよりも幅が狭い第２のレジストパターンを形成する手段とを備えていることを特徴とするパターン形成装置。 - 前記酸素原子を含むガスを供給する手段は、前記第１のレジストパターンからの距離が１０ｃｍ以下である位置に噴射口を持つガス供給ノズルを有していることを特徴とする請求項６に記載のパターン形成装置。
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|---|---|---|---|
| JP2003028662A JP2004241575A (ja) | 2003-02-05 | 2003-02-05 | パターン形成方法及びパターン形成装置 |
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| JP (1) | JP2004241575A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2012173699A1 (en) * | 2011-06-15 | 2012-12-20 | Applied Materials, Inc. | Methods and apparatus for performing multiple photoresist layer development and etching processes |
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2003
- 2003-02-05 JP JP2003028662A patent/JP2004241575A/ja active Pending
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| WO2012173699A1 (en) * | 2011-06-15 | 2012-12-20 | Applied Materials, Inc. | Methods and apparatus for performing multiple photoresist layer development and etching processes |
| US8709706B2 (en) | 2011-06-15 | 2014-04-29 | Applied Materials, Inc. | Methods and apparatus for performing multiple photoresist layer development and etching processes |
| TWI489521B (zh) * | 2011-06-15 | 2015-06-21 | Applied Materials Inc | 用於執行多光阻層顯影與蝕刻製程的方法與設備 |
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