JP2676746B2 - 微細パターンの形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば半導体装置の製造等に適用される微
細パターンの形成方法に関する。 〔発明の概要〕 本発明は、微細パターンの形成方法において、原料ガ
スを含む雰囲気中で基板に所要のパターンで電荷粒子線
を照射することによりパターンに沿った原料ガスよりの
生成物である第１物質よりなるマスクパターンを形成
し、このマスクパターンをおおって第２物質の層を形成
した後、マスクパターンの第１物質を選択的に除去し、
次いで第２物質の層をマスクとして基板上に第３物質を
形成することによって、極微細パターンの形成を可能に
したものである。 〔従来の技術〕 従来、大規模集積回路（LSI）等の微細構造を製造す
るに際しては、光を用いた所謂フォトリソグラフィー技
術が主流として用いられてきた。しかし、200Åサイズ
の微細構造の製造になると、例え遠赤外線を用いても１
桁大き過ぎ、さらにＸ線を用いても難しい。すなわち、
例えば200Åの微細構造を製造するには、それ以下の分
解能が必要であり、波長が200Å以下であることが必要
となる。これは、Ｘ線の領域であり、光源とマスク材の
両面が解決すべき問題が山積しているのが現状である。 一方、これに代わる方法として電子ビームによるパタ
ーニングが最近行なわれ始めてきた。第４図及び第５図
にその例を示す。 第４図はポジ型レジストを使用した場合であり、基板
（１）上にポジ型レジスト（２）を塗布し（第４図Ａ参
照）、電子ビーム露光（４）及び現像によりレジスト
（２）のパターニングを行う（第４図Ｂ参照）。次に全
面にパターン形成材料（３）を被着形成し（第４図Ｃ参
照）、レジスト（２）をその上のパターン形成材料
（３）と共に剥離（リフトオフ）して基板（１）上に所
定パターンのパターン形成材料（３）を形成する（第４
図Ｄ参照）。 第５図はネガ型レジストを使用した場合であり、基板
（11）上にパターン形成材料（12）を形成し、さらにこ
の上にネガ型レジスト（13）を被着形成し（第５図Ａ参
照）、電子ビーム露光（14）及び現像によりレジスト
（13）のパターニングを行う（第５図Ｂ参照）。次にレ
ジスト（13）をマスクにパターン形成材料（12）を選択
エッチングしてパターン形成材料（12）のパターニング
を行う（第５図Ｃ参照）。そしてレジスト（13）を剥離
する（第５図Ｄ参照）。 〔発明が解決しようとする問題点〕 上述の電子ビームによるパターニング方法は、ポジ
型、ネガ型のいずれのレジストも、予めレジストを数千
Å塗布した後、電子ビーム露光でレジスト材質を変化さ
せて所望のパターンを得るようにしている。この場合の
最終目的であるパターンを形成するところの出発物質は
固体のレジストであり、入射電子ビームに対し、多重散
乱体として働く。このとき、例えばウイルキンソン氏等
が示すように（Superlattices and Microstrctures,Vo
l.2 No.6 1986）、第６図及び第７図のような電子の軌
跡が予想される。第６図は５μｍ厚のSi基板（21）上に
形成した厚さ0.3μｍのレジスト層（22）に50KVの電子
ビーム（23）を入射した後の散乱した100個の電子の軌
跡を示し、第７図は10kVの電子ビーム（24）を同じ試料
に入射した後の電子の軌跡を示す。 この図からも判るように、レジスト中での電子の多重
散乱によりレジスト通過中に当初の空間分解能が失われ
る。特にネガ型レジストでは致命的である。また、電子
の基板からの後方散乱のため、他所のレジストをも電子
が叩くことになる。図はSi基板であるが、GaAs基板など
ではこの効果は拡大する。従って、電子が通過したとこ
ろは、好むと、好まざるとにかかわらず感光するので、
これらは全て極微細構造の製造の妨げとなる。 尚、パターン形成方法として、金属或いは半導体等の
構成物質を含むガス雰囲気中に基板を配し、その基板表
面の所望の部分に電子ビームを照射して所望パターンの
金属或いは半導体を基板上に堆積させる方法が知られて
いる（特開昭62−42417号公報参照）。また気体レジス
ト雰囲気中に基板を配し、基板表面に電子ビームを照射
して所要パターンのレジストを堆積させる方法も知られ
ている（Applied Physics Letters,Vol.29,No.9 1976 5
96〜598頁参照）。 本発明は、上述の点に鑑み、極微細構造の半導体装置
等の製造を可能にする微細パターンの形成方法を提案す
るものである。 〔問題点を解決するための手段〕 本発明は、原料ガスを含む雰囲気中で基板（51）に所
要のパターンで例えば、電子、陽電子、ミューオン等の
荷電粒子線（41）を照射することによりパターンに沿っ
た原料ガス（37）よりの生成物である第１物質よりなる
マスクパターン（52）を沈積する工程と、マスクパター
ン（52）をおおって第２物質の層（53）を形成する工程
と、マスクパターン（52）を形成する第１物質を選択的
に除去する工程と、第２物質（53）をマスクとして基板
（51）上に第３物質（55）を形成する工程とよりなるこ
とを特徴とする微細パターンの形成方法である。 〔作用〕 基板上の第１物質よりなるマスクパターン（52）は、
原料ガス雰囲気中の基板に電荷粒子線（41）を照射して
原料ガス（37）の生成物によって形成される。特に第１
物質がレジストの場合、出発物質が気体であるために、
レジスト中の電子の多重散乱がなく、又基板（51）から
の電子の後方散乱の影響も少ないので分解能のよい（微
細な）マスクパターン（52）が形成される。マスクパタ
ーン（52）はビームの照射条件を選ぶことによって膜厚
方法に底辺より上方に向かって幅狭となるような形状に
形成される。そして、マスクパターン（52）をおおって
第２物質の層（53）を形成した後に、マスクパターンの
第１物質を選択的に除去することにより、第２物質層
（53）に開口部を有すると共にひさし部が形成されるよ
うな空洞部（54）が形成される。次いで、第２物質層
（53）をマスクとして空洞部（54）内の基板上に第３物
質（55）を形成するのでこの第３物質（55）のパターン
はマスクパターン（52）よりも更に微細となる。 従って、極微細パターンの形成が可能となる。 〔実施例〕 以下、図面を参照して本発明による微細パターンの形
成方法の実施例を説明する。 第２図は本実施例で用いる装置の構成図である。同図
において、（31）は電子ビーム照射系、（32）はチェン
バー（23）内に設けられた試料室、（34）は試料室（3
2）のサセプタ（35）上に配された試料としての基板で
ある。（38）はチェンバー（33）の排気系、（39）は試
料室（32）の排気系である。試料室（32）には配管（3
6）を通じて原料ガス（37）が導入されるようになされ
る。 本例では、ネガ型レジスト（炭化水素）を構成物質と
して含むガス例えばアルキルナフタレンを原料ガス（3
7）として用い、これを試料室（32）内に導入する。チ
ェンバー（33）及び試料室（32）は同程度の高真空に排
気される。原料ガス材であるアルキルナフタレンは大気
中で液体であるが真空中ではガス化する。また、このア
ルキルナフタレンはこのままでは蒸気圧が低く或いは付
着係数は大きいが基板（22）とは何ら相互作用しない。
試料室（22）の原料ガス雰囲気の圧力は10^-5Torr〜10^-8
Torr、標準的には10^-7Torr程度である。 基板温度は室温〜−30℃程度の範囲内で適正温度に保
つ。 そして、例えば加速電圧6kV、ビーム電流20μＡの電
子ビーム（41）を収束レンズ（40）で収束して原料ガス
雰囲気中の基板（34）上の所望の部分に５秒間照射する
ことにより、原料ガスよりレジストが生成され、その所
望部分上にレジスト膜が沈積する。レジスト膜として
は、良好な耐酸性、耐RIE性で且つ選択エピタキシャル
用のレジスト膜が形成される。 ここでは、レジストの出発物質が固体でなく気体を用
いるため、レジスト中の多重散乱が原理的にない。また
このため基板入口でのビームの広がりがなく基板からの
後方散乱による反跳電子も固体レジストに対するほど広
がらないので、ぼけも小さい。分解能としては所謂ライ
ン・アンド・スペースで（すなわちストライプ状のレジ
スト膜を形成したときのストライプ幅と、隣り合うスト
ライプ間の空間幅とが夫々）約250Å程度まで得られて
いるが、電子ビーム（41）の加速電圧の最適化等で100
Å以下の分解能を得ることが可能である。この値は電子
ビームのぼけ（40Å程度）と炭化水素膜のポリマリゼー
ション厚（数十Å程度）の和で下限が支えられる。そし
て、第３図に示すように電子ビーム（41）を走査するこ
とにより、基板（34）表面に幅100Å以下のレジストパ
ターン（42）が直接描画される。 実施例１ ショットキ障壁型FETの製造に適用した場合につき述
べる。 先ず半導体基板例えばGaAs基板（51）を前述の第２図
の装置内に配置し、アルキルナフタレン雰囲気中で基板
（51）に対して電子ビーム（41）を照射して第１図Ａに
示すように基板（51）上にレジスト膜（52）を形成す
る。このとき、電子ビーム（41）の調整を最適化して分
解能を上げ、電子ビームの照射時間を長くすると第１図
Ａに示すように主たる底辺の幅ｌが1000Å程度で底辺で
は薄い裾状部（52a）を有し、また膜厚d₁が4000Å程度
で上方に向かって幅ｌが小となるような形状のレジスト
膜（52）が形成される。 次に、第１図Ｂに示すようにRIE（反応性イオンエッ
チング）によりトリミングし、裾状部（52a）を除去し
て底辺の幅ｌが1000Å程度、膜厚d₂が3000Åのレジスト
膜（52）に整形する。 次に、第１図C₁又は第１図C₂に示すようにレジスト膜
（52）を含むGaAs基板（51）上の全面にオーミックメタ
ル（53）を蒸着する。 次に、第１図Ｄに示すようにオーミックメタル（53）
を、レジスト膜（52）の上部が一部露出するまで等方的
に全面エッチングする。 次に、RIE等によりレジスト膜（52）のみを選択的に
除去する（第１図Ｅ）。このレジスト膜（52）の除去に
よって空洞部（54）が形成される。このオーミックメタ
ル（53）に形成された空洞部（54）の開口部の幅Ｗは底
辺の幅ｌの数分の１すなわち約200Å程度となる。 次に、第１図Ｆに示すようにショットキメタル（55）
を全面に蒸着する。これによりオーミックメタルによる
ソース電極（53S）及びドレイン電極（53P）間のGaAs基
板（51）の表面に開口部幅Ｗに対応する幅のショットキ
メタルによるゲート電極（55G）が形成される。斯くし
て、ソース及びドレイン間隔が1000Å以下でゲート長が
約200Åのショットキ障壁型のGaAsFET（56）が得られ
る。 尚、上例では本法をショットキ障壁型FETの製造に適
用したが、他の半導体装置の製造にも適用できる。又、
オーミックメタル、ショットキメタルに代えて、他の金
属、半導体、絶縁物等を利用することも可能である。 〔発明の効果〕 上述した本発明によれば、原料ガス雰囲気中で基板表
面に電荷粒子線を照射して第１物質のマスクパターンを
形成し、このマスクパターンをおおって第２物質槽を形
成した後、マスクパターンを選択的に除去し、次いで第
２物質層をマスクとしてマスクパターンの除去された空
洞部内の基板上に第３物質を形成することにより、極微
細パターンの第３物質層を形成することができる。従っ
て、本法は特に極微細構造の大規模集積回路等の半導体
装置の製造プロセスに用いて好適ならしめるものであ
る。

【図面の簡単な説明】 第１図Ａ〜Ｆは本発明をショットキ障壁型FETの製造に
適用した場合の工程図、第２図は本発明の実施に適用さ
れる装置の構成図、第３図は第２図の装置を用いて基板
上にマスクパターンを形成する状態を示す斜視図、第４
図Ａ〜Ｄは従来のポジ型レジストを用いた場合のパター
ン形成の例を示す工程図、第５図Ａ〜Ｄは従来のネガ型
レジストを用いた場合のパターン形成の例を示す工程
図、第６図及び第７図は夫々レジスト膜を電子ビーム露
光したときの電子の散乱状態を示す図である。 （31）は電子ビーム照射系、（32）は試料室、（34）は
基板、（37）は原料ガス、（51）はGaAs基板、（52）は
レジスト膜、（53）はオーミックメタル、（55）はショ
ットキメタルである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｌ 21/338 Ｈ０１Ｌ 21/30 ５６２ 29/812

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．原料ガスを含む雰囲気中で基板に所要のパターンで
   電荷粒子線を照射することにより上記パターンに沿った
   原料ガスよりの生成物である第１物質よりなるマスクパ
   ターンを沈積する工程、 上記マスクパターンをおおって第２物質の層を形成する
   工程、 上記マスクパターンを形成する第１物質を選択的に除去
   する工程、 上記第２物質をマスクとして基板上に第３物質を形成す
   る工程よりなる微細パターンの形成方法。