みやたけひさかず名位日規称目月難題学年根攻文与の専与授与論位蝋位氏授学学研学宮武'久和博士(工学) 平成19年3月27日学位規則第4条第1項東北大学大学院工学研究科('博士課程)電子工学専攻真空紫外光リソグラフィーによる超微細パターン形成に関する研究指導教.員論文審査委員東北大学教授伊藤隆司主査東北大学教授伊藤隆司東北大学教授坪内和夫東北大学教授吉信達夫東北大学助教授・小谷光司論文内容要旨集線路(lc)の微細加工において・1ツグラフィは微細化を先導する重緊術である得れまで露光技術における光源の短波長化と、これに感光するレジスト材料の開発により微細化が進められてきた・ぺ ArFリソグラジィでは真空紫外光波長193n皿のArFエキシマレーザーを光源とした露光装置と、この波畢での光吸収特性を満足する新たなレジスト材料が開発さわていたが、いずれも実用化には解決すべき課題があり、またこれらを用いた集積回路の超微細パターン形成の実現に多くの課題があった。この研究では、ArF露光技術及ぴレジズトプロセスに新規または独自の技術を開発して、レジス・トの超微細パターンを形成し、さらにドライエッチ.ング技術によってパターンを転写するビとにより、ICプロセスの: 超微細加工を実現した。ICの種々のデバイスに共通した標準的でかっ基本的なICプロセスを想定し、その全工程を6分割レた,プロセスモジュールのパターン形成を行った。その結果、・ArFリソグラフィ技術蝶用化が可能簸ること躾証逸・. 本論文は全文7章から構成されている。第1章は序論であり、研究の背景、目的、研究内容の概要及び論文の構成について述べている。第2章では、'ArF露光法術でめ解像度とDOFの向上及び装置の性能安定性について記している'。 ArF露光装厚内で一定時間待機したレジストがターンが、現像後にT-Topと呼ぶ丁字型断面形状を示した。KrFレジストと同様に、露光装置内のN恥雰囲気がレジスト表面層の酸発生剤を失活させて、アルカリ現像液に難溶となることが考えうれた。検言言の結果、・KrFレジストより約車桁低い0、2ppb以下の NHl号濃度管理が必要であることが判明した。その一因として、ArFレジストがKrFレジストより熱処理による線幅の縮小が大きいことがわ参り、レジスト分子の隙間(自由体積)がArFレジストの方炉大きいためにMI3分子のレジストヘの透過拡散が容易であることが考えられた。露光装置内のNH3発生箇所を一678一・賜嬉ね騨>魏轟⑦d・エ」エ.ユ勤倒止宿qddz'0贈譲εHNq甲21獣⑦暑¥∩羅轍賜ε/Z)q3:1当脆脳(P冨諜宍罪¥)∩η鱒日原=「回(o(Snoo且」0叫deσ)且oqη認凝望(り立罪羅臆無恥oq¥q綱目専叫調書胸く一卵(e・pdS層e町)S層q皿uO8P翻⑦彦。劉Y鯉山一紅9吾q昇孝ど4一#∠2魍α)∠r江q燦畔峯惣G障羽胆二r回コ1皿uoo9⑦慰z⑦皐η塾曲卑 ∩讐…彰母型丞藪ア2潔垂目Ψ薯辛一善くzト》裟顎(り困…彰懸認彫塗v一工4¥2撰集⑦〃く6》4'×年 2曾鯉礁厚墓∬接年一必∠つ4翠睡蜀1醜犀翠。望G9厚〃く価・42撹2'虚血η塵垂盲鞭美くヰキと》珊劃曾嘩GZ21罷照星理事号q甲コ1η2曾孝叩厚魂6耳∠享⑦興00Zコ甚珊ど4一#∠:面皐'∩21η 障>首(P謡扇本'q豫羽鼻血弾η2傷ゑη上し將皿uOOZ芋母憂鬱謁副届霧⑦2。マ∩…彰叢コ鵬翼一厚皇 G身η器魅4鶉副φ互≧rl》/1・ど孝一必∠撃ユ∩軽コlv一工4母ゑ阜母と堵“添`∠⑦認否坐皿uOglq 。犀∩畢魂⊇.∩・畢膣母珊…彰漂i崩着⑦R障蜴難講;∼翼果r吾一/1⑦墓諜身纏1'叫(りそ。寡警護芸64ユq321車頭寸×6/1。曾k食ユ>/禦コ悼r中取甥陽置幡寒⑦弘ンf2に14斗∠6/1¥rl弘東ε臨弘v一工砲口㎜00εn岡蝋⑦並並00ラ鯛一鴎醐蠣'∩蠣くaど弘」e測1皿8'0書肺Ψ 64ユ∩η働事劉曝⑦と身口.4寸宮64畔累曙塁淵繊弱↓二邸重潮⑦(ρ8)止痴皿ug●丁畔ゑα 壷u8Z・8雑堵丁0.1凋理⑦鄭○.0εT・q兜鞠⊃1鮮コ園螺(e耳Eae」ns・dx困s・d)Eadμ劉酬× 囲購謡理呂坦・転￠需2咳禦ユ皿既罪1副裂目￠皐Gも澱劉1醤。ヌq4喚ση1コ9ゑ爺腰縄劉醜くど64 塵φ筆草擁'q源η壷飾4丁瞬11邸α)謡理6一善×a田⑦立累年ロ∠劃臨@寡⑦2。9睾ηD・8ラ'0口 D.98・0弘D.09τ∼咽・一箪瀦旛一善ど'92η劉擢離塁6一善とv一工4⑦享年湖4誉灘平面囲脳車 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が小さくなるという関係があることを見出した。超微細パターンを高精度に形成する手法として、従来から用いられているUVキュアーに対し、これよ.り短波長(172皿)のVUV光を用いたレジストパターンの改質方法(VUVキュアー)を研究した。その結果、レジスト膜厚と線幅は縮小するが、レジストのC=0基が減少することによりレジストパターンのドライエッチ耐性が向上、CDSEMでの線幅縮小量は9n皿から2nmへ大幅に低減可能となり、LERは2n皿減少、さらにドライエッチングでのレジスト裾引き形状が改善されて、エヅチングパターンのLERはレジストパターン≧同等の6.1mとなりレジストパターンに忠実な転写が可能となった。第5章では、ArFリソグラフィの研究結果を踏まえて・これをドライエッチングパターンに転写する高精度転写技術の研究について述べている。IC製造プロセスで130n皿技術を用いる標準的で基本的なデバイス・プロセスにおいて、すべての工程を6分割した工程を単位としたプロセスモジュールのパターン形成を行った。特にハードマズクとしてのSiN膜に高精度のパターン転写を行う際、sエN膜が塩基性を示すことから、レジスト/SiN界面付近でレジスト裾引き形状を示したlSiN膜表面を02プラズマ処理により塩基性を緩和した結果、SiN膜の垂直断面形状が得られた。高アスペクト比のsiO,膜コンタクトホール形成では、ホール内の側壁保護膜をレジスト成分で形成するため、レジストパターンで直接ドライエッチングを行った。課題としては、ホールの開口部より内部の径が大きくビアダル型形状の①ボーイング形状、ドライエヅチングがホール底に堆積した結果エッチングが停止する②エッチストップ、レジスト表面粗さが大きく極端な場合にレジスト微小穴が空き、その部位からエッチングが進行する③スパイクエヅチ等があった。側壁保護膜の形状を調べ、レジスト残渣あ成分分析の知見に基づき、C4F8系ガスがボーイング形状抑制に効果があることを予想し、実験結果一680一と手爪丁・(灰P墜9厳令壱q甲窒8猷0口無¥嗣磁・くを一婁。犀∩弔駈ぎ4∠んヨど壬6エ's4寡n塩一傑 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露光プロセスの開発,パターン寸法評価抹術の開発を行い,さらにドライエッチングによる超微細パターンの高精度転写技術を確立した。本論文はその研究成果をまとめたものであり,全文7章よりなる。第1章は序論である。第2章では,ArFレジスト表面がNH3雰囲気と反応し現像液に難溶性となりパターン異常が発生する問題を検証し,0.2ppb以下のMI3濃度管理が必要であることを明らかにした。また,露光装置の照明系に輪・帯照明法を導入することにより,130nm以下の微細パターン形成に必要な解像度とDOF(DepthOfFocus)が得られることを示した。露光装置のフォ[カスと露光面。傾きを補正するフォーカス・レベリング技術を新規に開発した。八rFリソグラフィ」の性能向上を実現したことは重要である。第3章では,レジスト現像工程での線幅制御について研究した。虹Fレジストの線幅が現像温度に敏感で為る4とを見出し,現像工程の熱処鯉装置の改良に繋げた。また,プロセス途中の待機時間に串る線幅の変化を定量化した。パターン寸法の温度および時間依存性を詳細に解析したことは評価できる。第4章では,レジストパタ」ンの評価法と新規なキュア方法について研究した。ArF.レジストパターンは電子線照射耐性に乏しいことを実験的に見出し,その傾向を実験式として導出した。その式を用い,電子線照射量を低減して線幅変動を抑制する条件'を提示した。また,電子線照射により架橋反応を起こすレジスト成分を混合することで線幅縮小を抑制できることを見出した。パターンエッジの凹凸を表すLER(LineEdge Roughness)を課題として提起し,輪帯照明の採用とレジ冬ト材料によるDOFの向上がLER低減に有効であることを見出した。ArFレジズトパターンに波長172n卑のVUV光を照射する新規なキュア技術を開発することにより,ドライエッチング耐性,電子線による線幅縮小およびLERの改良に効果があることを見出した。本方法は超微細パターン形成に極めて有効であり,重要な成果である。第5章では1ドライ出ッチングによる高精度パターン転写技術について研究した。プラズマCVDによるSiN 膜にレジストを積層すると現像不良が発生する。この問題を,SiN膜表面を02プラズマ処理することにより・解決した。塩基性レジストの難溶解層発生が防止でき,垂直断面形状パターンが得られるととを実証した。 w/梱/poly-Si・の3層膜ゲート構造の'ドライエッチングにおいては,反応ガスの最適化とエッチング終点制御により矩形の断面形状を形成可能とした。また,ドライエッチング時の側壁保護膜およびエッチング形状の評価結果からドライエッチング条件の最適化を図り,アスペクト比10の垂直なSiO2膜コンタクトホール形成を実現可能にした。これらの研究成果を応用した虹Fリソグラフィーとドライエッチング技術により,130nm 以下の世代のデバイス作製に必要な各種プロセスモジュールを試作し,超微細パターン形成の基本技術を確第6章では,虹F液浸露光技術の装置および材料面の技術動向調査を行い,将来展望を踏まえて,本研究成果の展開可能性を明示したことは意義がある。第7章は結論である。' 以上要するに本論文は,半導体集積回路の微細加工技術において,ArFリソグラフィーとドライエッチングの要素技術の研究により,デバイズ作製に必要なプロセスモジュールの形成を通して,超微細パターン形成のプ・ゼス技術を確立したものである.ArFリソグラフィーの高性能化に貢献した本研究成果は,半導体集積回路技術と電子工学の発展に寄与することが少なくない。よって,本論文は博士(工学)の学位論文として合格と認める。一682一 { 立したことは重要である。