JP2592214B2 - 誘導電流による電子ビーム・リソグラフィ・プロセス - Google Patents

誘導電流による電子ビーム・リソグラフィ・プロセス

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JP2592214B2 JP5207539A JP20753993A JP2592214B2 JP 2592214 B2 JP2592214 B2 JP 2592214B2 JP 5207539 A JP5207539 A JP 5207539A JP 20753993 A JP20753993 A JP 20753993A JP 2592214 B2 JP2592214 B2 JP 2592214B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一般に、基板上に集積回
路形状を形成するリソグラフィ・プロセスに関し、特に
実際の生産において、基板上に精巧な集積回路形状を形
成する改良された電子ビーム・リソグラフィ・プロセス
に関する。
【０００２】
【従来の技術】リソグラフィはＶＬＳＩ技術において、
小さな形状の形成を可能とした。今日、リソグラフィは
周知のように、通常、基板上のフォトレジスト・コーテ
ィングを光で露光し、その後のプロセスに必要なフォト
レジストの化学変化を発生することにより実施される。
これらの化学変化は、使用される特定のタイプのレジス
トに依存する。放射線で露光されるレジスト領域の耐溶
剤性をより高くするために使用されるネガティブ・レジ
ストは、重合を誘導する。一方、放射線で露光されるレ
ジスト領域の耐溶剤性をより低くするために使用される
ネガティブ・レジストは、レジスト中の増感剤の分解を
誘導する。用語"硬化"（cure）は、本明細書では、一般
的な意味においてこのような化学変化を示すために使用
される。
【０００３】形状のサイズが縮小化するにつれて、形成
されようとする形状よりも光の波長が大きいために、フ
ォトリソグラフィは制限を受けるようになる。この光の
波長制限に対して、いくつかの方法が取られてきた。１
つの解決方法は、エネルギー露光媒体として、光の代わ
りにＸ線を使用する。これはＸ線の波長が光の波長より
も極めて短いことによる。光学系を使用する別の解決方
法に、紫外線の利用があるが、この場合には可視光の場
合と類似の制限が存在する。更に別の解決方法に、電子
ビーム露光媒体の利用がある。
【０００４】一般的に、サブミクロン回路を製造する上
で、電子ビーム・リソグラフィが好適な方法と認識され
ている。しかしながら、電子ビーム・リソグラフィは露
光速度が遅く（すなわち低スループットである）、生産
におけるその採用を妨げている。電子ビームがレジスト
の単位面積当たり、多くの電荷を提供する必要がないよ
う、電子ビーム強度を増大するのではなく、より高感度
のレジストを作成する努力が従来成されてきた。しかし
ながら、今日に至るまで、生産環境において電子ビーム
の使用を可能とするスループットを達成する高感度のレ
ジストは、開発されていない。
【０００５】より高感度のレジストが存在しないため、
従来の電子ビーム・リソグラフィは、かなり強い電子ビ
ーム（すなわち高電流）を必要とする。同一電荷の電子
は、互いに反発する傾向を示す。これは軌道問題を引起
こし、電子の数が増加するにつれて、電子ビームのエネ
ルギーの広角化する。解像度は電子ビームのエネルギー
と軌道変位に関連して直接変化する。すなわち、低電流
であれば解像度は増す。更に、電子ビームはいわゆる近
接効果を引起こす。そして、ロング・レンジ・コンポー
ネントとショート・レンジ・コンポーネントという２つ
の近接効果コンポーネントが存在する。ロング・レンジ
・コンポーネントは、電子ビーム内の１次電子と類似の
エネルギーを有する電子をレジスト内に含む。１次電子
がレジストを透過し基板に至ると、これらは基板内の類
似のエネルギーの電子をレジスト内に散乱させ、形成し
ようとする形状を歪めることになる。このロング・レン
ジ・コンポーネントはバックスキャタリング（後方散
乱）としても知られており、後に詳しく説明される。シ
ョート・レンジ・コンポーネントは、１次電子よりも小
さなエネルギーの電子をレジスト内に含む。これらの電
子はより少ないエネルギーを有するため、それらがエネ
ルギーを喪失する以前に移行できる距離は短い。従っ
て、ショート・レンジ電子により引起こされる歪みは、
ロング・レンジ電子により引起こされる歪みに比較して
はるかに小さい。ショート・レンジ近接効果コンポーネ
ントを減らすための努力が成されてきたが、従来の技術
はバックスキャタリング問題について指摘していない。
ショート・レンジ近接効果コンポーネント問題に対して
提案された解決法の例としては、東芝による日本国特許
出願第６０−１７８６２３号 "電荷ビーム露光方法" を
参照されたい。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】従来技術は光波長に起
因する制限に対するいくつかの異なる或いは一時的な解
決を提供するが、今日及び将来に渡り、精巧な形状を形
成することが望まれる集積回路の生産において、電子ビ
ーム・システム技術はほとんど使用されていない。ま
た、バックスキャタリングを排除する電子ビーム・シス
テムも使用されていない。電子ビーム・システムは重大
なスループットの問題を抱えているため、電子ビーム技
術は生産段階ではほとんど使用されていない。従って、
イメージの制御を可能とし、且つ近接効果の２つのコン
ポーネントを排除しつつ、スループットを犠牲にしない
ような、実用的な高解像電子ビーム・システムが求めら
れる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】要するに、本発明は生産
環境において使用可能であり、上述の欠点を解決する高
解像電子ビーム・リソグラフィ・システムに対する要求
を満足するものである。本発明のプロセスにおいて、基
板にレジスト層を塗布し、これを横断してなだれ閾値以
上の電界を誘導する。次にレジストの領域を電子ビーム
で露光し、なだれタイプ（アバランシェ）の電流を露光
レジスト領域に誘導する。すなわち、誘導電界と関連す
る電子ビームが、レジスト内の選択された露光領域に、
レジストを硬化するのに十分ななだれタイプ電流を発生
させるように、レジスト層の選択領域を電子ビームで露
光する。このプロセスはスループットを極めて向上さ
せ、精巧な形状の形成を可能とし、従来の電子ビーム・
システムに関連する近接効果を排除する。
【０００８】本発明の第２の実施例では、走査型トンネ
ル顕微鏡（Scanning TunnelingMicroscope）などの高解
像電子露光装置を、レジスト層に近接して配置し、電子
を供給する。電子ビーム電流は非常に小さいが、電子の
照射精度は非常に高い。レジストを横断する電界によ
り、この小さな電子ビーム電流はなだれ効果を引起こ
し、スループットはもはや問題とはならない。本発明に
おいて、レジストを横断する電界は可変であり、レジス
ト内のなだれ電流の強度を制御するように可変される。
この可変電界は、レジスト内の近接効果を排除すること
ができる。
【０００９】
【実施例】図３は従来の電子ビーム・リソグラフィ・シ
ステムの作用を示す。基板１０はレジスト層１２により
覆われる。電子ビーム１４は、レジスト内に目的の形状
１６を形成するために使用される。電子ビーム１４の１
次電子は基板１０に侵入して、電子のバックスキャタリ
ングを引起こし、その結果、目的の形状１６の歪み２０
を生じる。１次電子は実質的にレジスト層１２に吸収さ
れる。
【００１０】図４は、電子ビーム・リソグラフィを使用
してレジスト２４内に形成しようとする隣接する形状２
２及び２６を表す上面図である。電子ビーム（図示せ
ず）が形状２２を形成しようとする時、バックスキャタ
リング電子が形状２６の領域２８へ侵入する。その結
果、領域２８において形状２６の不要な硬化が発生し、
図５に示すように、領域３０に比較して、領域２８の形
状が広がってしまう。
【００１１】従来の電子ビーム・リソグラフィは、低ス
ループット及びショート・レンジ近接効果と同様に、バ
ックスキャタリング作用の影響を受ける。本発明は、電
子ビーム露光とレジスト内におけるなだれ効果による電
界誘導とのユニークな組合わせを通じて、従来の電子ビ
ーム・リソグラフィにおけるこれら全ての制限に対する
解決を提供するものである。
【００１２】各材料は、いわゆるなだれ効果が開始する
閾値電界を有する。なだれ効果は周知であり、基本的に
は閾値以上の電界が任意の材料にかけられ、且つ"触媒"
電子が材料内に導入された時、その材料内の電子により
生成される大電流である。例えば、G．A．Sai-Halasz及
びG．Gazeckiによる"Influence of an ElectricField o
n Beam-induced Adhesion Enhancement"、45 Appl．Phy
s．Lett．1067（1984）を参照されたい。この閾値は、
なだれが発生する材料のタイプに依存する。本発明にお
いて対象となる材料はレジストである。
【００１３】閾値電界を越えるまで、なだれ電流はレジ
スト内に誘導されない。そのポイントまで、レジストに
影響を及ぼす別の効果が発生するが、なだれ効果に比較
して影響は小さく、近接効果による２つのコンポーネン
トを排除しない。このなだれ前効果はコロナ放電として
知られている。従来技術のコロナ放電電子ビーム露光法
の例として、東芝による日本国特許出願第６０−２５８
９２１号 "イオン・ビームによる露光方法" を参照され
たい。
【００１４】本発明はレジストを小エネルギーにより硬
化するために、初めてなだれ効果を電子ビーム・リソグ
ラフィとの組合わせで使用する。なだれ効果は電界強度
に対して超線型的に増加するため、レジストは誘導電界
の無い時に電子ビームから受取る露光の１００倍から１
０００倍の露光を容易に受取ることができる。これはす
なわち、電子ビームが任意の領域において要する時間が
より短くなり（すなわちスループットが顕著に向上す
る）、より少ない電荷（すなわち低電子ビーム電流）の
供給で済むことになる。
【００１５】図１は本発明による電子ビーム・リソグラ
フィ・プロセスを示す。おおよそ０．１ミクロン乃至
２．０ミクロンの標準厚のレジスト層３８により覆われ
ている基板３６の一部の断面図が示されている。レジス
トはネガでもポジでもよい。レジスト層３８を導電材料
層４０でコートする。典型的には、基板３６はシリコン
・ウエハであり、導電材料４０はアルミニウムなどの金
属である。導電層４０の厚みは、１００オングストロー
ムのオーダである。バイアス電位４２を導電層４０と基
板３６との間に接続する。順方向または逆方向のバイア
スを供給する。電子パス４４は、従来方法により生成さ
れる電子ビーム４５の一部の電子のパスを示す。ここ
で、電子ビーム４５が硬化する選択領域とは、レジスト
層３８の一部或いは全体の層を含むものと理解できる。
レジスト層３８内のなだれ電流４６は、パス４４を通過
する電子と、可変バイアス電位４２により生成されるレ
ジスト３８内の電界との組合わせ作用により生成され
る。
【００１６】図１において、レジスト３８内に誘導され
る電界は、可変バイアス電位４２により生成される。従
って、目的とするなだれ効果の強度は、バイアス電位４
２の変化を通じて達成される。レジストを横断して電界
を生成するために使用される電圧は、レジストの厚みに
直接依存する。例えば、レジスト厚を２倍にすると、同
一の電界強度を生成するために必要な電圧も２倍とな
る。導電層４０は、ここでは主にレジスト３８を横断す
る電界を生成するために使用されるが、しばしばレジス
ト・システムでは、電荷流出層として使用される。レジ
ストは絶縁体であり、通常比較的厚く、レジスト内にお
ける電荷形成は電子ビームの屈折を引起こす可能性があ
るため、電子ビームによる電荷形成の消散が必要であ
る。導電層は電荷の消散を可能とし、電子ビームの屈折
を阻止する。大部分のシステムでは、導電層４０の追加
は必ず実施されねばならない追加ステップではない。
【００１７】初期のリソグラフィ・プロセスが完了後、
導電層４０を取り除き、レジストを通常の現像にかけ
る。導電層４０を標準の現像液の中で溶解、除去するこ
とができる。次のリソグラフィ・レベルにおいて、この
プロセスが繰返される。
【００１８】レジストを横断して電界を加えることによ
り、ショート・レンジ近接効果が排除されるという固有
の作用が分かっている。なだれプロセスに関わる電子
は、典型的には低エネルギーであり、おおよそ数百ｅＶ
である。低エネルギーでは、電子は遠方へは移動でき
ず、或いは他の電子を遠方へ移動できないので、ショー
ト・レンジ近接効果を排除できる。電界の方向が、この
固有の作用に影響を及ぼすことは知られていない。しか
しながら、特定の材料が、特定の電界方向についてより
はっきりした固有の作用を示すか、またはそのように要
求されることが理解されよう。残りのロング・レンジ近
接効果或いはバックスキャタリングの問題を排除するた
めに、レジスト内における電界を変化することを採用で
きる。
【００１９】本発明のプロセスは、電界強度を閾値以下
に弱めることはないが、形状２２からの電界強度を弱め
る（可変バイアス電位を低下させる）ことにより、図５
に示される歪みを補償するために使用される。これによ
り、なだれ電流作用は軽減され、レジストを横断する初
期電界の印加によって取り除くことのできないバックス
キャタリングの量を低減することができる。これはま
た、図５に示される形状２６の領域２８の歪みも取り除
くことができる。
【００２０】形成される形状或いは任意の形状の領域に
依存して電界を変化させるために、バックスキャタリン
グのオーバラップが発生する時期をモニタし、予め決定
する。潜在的なバックスキャタリング・オーバラップ領
域の事前決定は周知の技術であり、ここでは触れないこ
とにする。１つの例として、図４及び図５に示されるよ
うに、互いに近接して形成される形状が挙げられる。
【００２１】本発明の第１の実施例では、電子ビーム・
リソグラフィにおいて、レジスト内のなだれ効果を利用
する。これは従来の電子ビーム・リソグラフィをはるか
に越えるスループットを提供し、ショート・レンジ近接
効果を排除し、優れたイメージの制御を提供する。第１
の実施例は更に、レジストを横断する電界強度を可変に
することにより、形成される形状の感光領域におけるな
だれ効果の強度を調整し、それにより従来の電子ビーム
・リソグラフィにおいて存在するロング・レンジ近接効
果（バックスキャタリング）をも排除する。
【００２２】図２は本発明の第２の実施例を示す。図２
の電子ビーム・リソグラフィのセットは、電子供給シス
テムを除けば、図１のそれと類似する。レジスト３８は
標準の厚みであり、おおよそ０．１ミクロン乃至２．０
ミクロンである。一般に、レジストは典型的には、形成
される形状に比較してそう厚くはない。この第２の実施
例では、パス４９を通じて供給される入射電子により誘
導されるなだれ電流４８は、図１のなだれ電流の場合よ
りも、より精巧な形状を形成できる。走査型トンネル顕
微鏡（ＳＴＭ：scanning tunneling microscope ）など
の高解像電子露光装置が、なだれ効果と関連してこうし
た超精巧な形状を形成するために求められる。ＳＴＭを
使用する従来の電子ビーム・リソグラフィでは、超薄膜
のレジスト層（約０．０５ミクロン以下）だけが露光さ
れた。これはＳＴＭが少ない数の低エネルギー電子を供
給する事実による。従って、レジストが約０．５ミクロ
ンよりも厚くなければならない半導体製造において、Ｓ
ＴＭは非実用的であった。なだれ効果の利用は、電子ビ
ーム・リソグラフィにおけるＳＴＭの使用に関する制限
を解決し、生産環境において、超精巧な形状の形成を可
能とする。
【００２３】走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）（図示せ
ず）の先端部５０は、従来の電子ビーム・システムに比
較して、より少ない数の電子を供給する。ＳＴＭ先端は
原子的スケールであり、その配置に関し優れた精度を提
供する。従って、ＳＴＭは一度に全部のレジスト層を硬
化しない。むしろ、ＳＴＭから放出される電子ビームの
幅により制限される領域だけが露光される。
【００２４】ＳＴＭ先端５０は導電層４０と近接して配
置される。この距離は小さく０．００１ミクロン乃至
０．１ミクロンのオーダである。バイアス電位５２は１
０ボルト乃至１００ボルトのオーダであり、ＳＴＭ先端
５０と導電層４０との間に印加され、電子の配置精度を
保証する。電圧が増大すると、ＳＴＭ先端５０と導電層
４０との間の距離が大きくできる。ＳＴＭ先端５０は導
電層４０よりも電位は低く、先端から放出される電子は
導電層に引き寄せられる。
【００２５】ＳＴＭにより供給される電子は、典型的に
は、数ｅＶのオーダのエネルギーを有する。こうした低
エネルギー且つ少数では、従来の電子ビーム・リソグラ
フィにおいて見られた近接効果は問題とはならない。
【００２６】これまで走査型トンネル顕微鏡について特
に述べてきたが、例えば走査型力顕微鏡（Scanning For
ce Microscope ）などの他の装置についても、高解像電
子露光を目的として使用可能なことは理解されよう。
【００２７】本発明は特定の実施例をもとに述べられて
きたが、これはスループットを著しく向上させる高解像
電子ビーム・リソグラフィの提供により、従来技術を改
良するものである。これにより、レジスト層内に精巧な
形状を形成するのに好適なプロセスである電子ビーム・
リソグラフィが、実際の生産において使用可能となる。
本発明はまた、電子ビーム・リソグラフィに関連する大
部分の近接効果を排除し、レジスト層内に可変電界を提
供することにより、残りの近接効果を矯正する。本発明
の第２の実施例では、より少数電子の配置により、より
優れた制御を提供する改良された電子供給システムが示
され、これにより超精巧な形状が形成される。
【００２８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
スループットを犠牲にしない実用的な高解像電子ビーム
・リソグラフィ・システムが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電子ビーム・リソグラフィ・プロ
セスの断面図である。
【図２】本発明の第２の実施例による高解像電子露光装
置により実施される図１の電子ビーム・リソグラフィ・
プロセスを表す図である。
【図３】従来の電子ビーム・リソグラフィ・プロセスに
おける電子のバックスキャタリングによる近接効果を示
す断面図である。
【図４】従来の電子ビーム・リソグラフィ・プロセスに
よって形成しようとする隣接する形状を表す上面図であ
る。
【図５】従来の電子ビーム・リソグラフィ・プロセスに
よって形成された隣接する形状のバックスキャタリング
の効果を表す上面図である。
【符号の説明】
１０、３６ 基板 １２、３８ レジスト層 １４ 電子ビーム ２０ 歪み ２４ レジスト ２８ 領域 ４０ 導電材料層 ４２ 可変バイアス電位 ４４ 電子パス ４５ 電子ビーム ４６ なだれ電流 ５０ ＳＴＭ先端 ５２ バイアス電位
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 フリッツ・ジャルゲン・ホン アメリカ合衆国10589、ニューヨーク州 ソマーズ、ミッチェル・ロード 146 (72)発明者 トーマス・ハロルド・ニューマン アメリカ合衆国10549、ニューヨーク州 マウント・キスコ、スタンウッド・ロー ド 130 (72)発明者 ジョージ・アンソニー・サイ−ハラス アメリカ合衆国10549、ニューヨーク州 マウント・キスコ、ティンバー・リッジ 26 (56)参考文献 特開 平５−206018（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−185812（ＪＰ，Ａ)

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】基板の表面に精巧な集積回路形状を形成す
    るリソグラフィ・プロセスであって、 上記基板の表面にレジスト層を付着する工程と、 上記レジスト層を横断して当該レジスト層内において、
    なだれ閾値以上の電界を誘導する工程と、 上記誘導される電界と共に組合わせ作用をする電子ビー
    ムが、上記レジスト層内の選択された露光領域に、上記
    レジスト層を硬化するのに十分ななだれタイプ電流を発
    生させるように、上記レジスト層の上記選択された露光
    領域を上記電子ビームで露光する工程と、 を含むプロセス。
  2. 【請求項２】導電材料を上記レジスト層の表面に付着し
    て導電層を形成する工程と、 上記導電層と上記基板との間にバイアス電位を供給する
    工程とにより、 上記電界を誘導する、請求項１記載のプロセス。
  3. 【請求項３】基板の表面に超精巧な集積回路形状を形成
    するリソグラフィ・プロセスであって、 上記基板の表面にレジスト層を付着する工程と、 上記レジスト層を横断して当該レジスト層内において、
    なだれ閾値以上の電界を誘導する工程と、 上記誘導される電界と共に組合せ作用をする入射電子
    が、上記レジスト層の限定された露光領域に、上記レジ
    スト層を硬化するのに十分ななだれタイプ電流を発生さ
    せるように、高解像電子露光装置を使用して、上記レジ
    スト層の上記限定された露光領域を上記入射電子で露光
    する工程と、 を含むプロセス。
  4. 【請求項４】導電材料を上記レジスト層の表面に付着し
    て導電層を形成する工程と、 上記導電層と上記基板との間にバイアス電位を供給する
    工程とにより、 上記電界を誘導する、請求項３記載のプロセス。
  5. 【請求項５】上記電界が可変であり、上記レジスト層内
    における上記なだれタイプ電流の強度を制御するように
    可変される、請求項１または３記載のプロセス。
  6. 【請求項６】上記レジスト層の表面に導電材料による層
    を付着して導電層を形成する工程と、 上記高解像電子露光装置を上記限定された露光領域の表
    面の上記導電層に近接して配置する工程と、 上記高解像電子露光装置と上記導電層との間にバイアス
    電位を供給する工程とを含む工程とにより、 上記入射電子を供給する、請求項３記載のプロセス。
  7. 【請求項７】上記高解像電子露光装置が走査型トンネル
    顕微鏡である、請求項３、４、５または６の何れかに記
    載のプロセス。
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