JPH0222657A - パターン形成方法および半導体装置製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は荷電粒子線を用いる多層レジスト法によりパタ
ーン形成を行う半導体装置の製造に係り、特に荷電粒子
線によるパターン潜像形成時の電荷の蓄積によるレジス
ト膜のチャージアップ現象を低減し高精度のパターン形
成を可能にするパターン形成方法、該方法に用いるレジ
スト組成物、および該方法を用いる半導体装置の製造方
法に関する。

〔従来の技術〕

高集積半導体装置の製造において、段差を有する被加工
面の加工に際して、被加工面を平坦化し、かつ、被加工
面のドライエツチング耐性を上げるために、ドライエツ
チング耐性の大きな有機樹脂層を下層レジストとして用
いるいわゆる多層レジスト法が用いられている。しかし
、従来用いられてきた有機樹脂層はほとんどが絶縁体で
あり、微細加工性に優れた電子線描画にこの多層レジス
ト法を適用した場合、描画中に電荷が上記下層レジスト
に蓄積して被加工基板表面の電界を乱し、高精度のパタ
ーン形成を行い得ないという問題があった・ この電荷蓄積の現象を軽減するために、これまでに、下
層レジスト組成物として、導電性高分子として知られて
いる高分子ポリカチオンとテ１〜ラシアノキノジメタン
との塩型錯体とドライエツチング耐性に優れた合成樹脂
とを混合して用いる試み（特開昭筒６２−１１３１３５
号）が知られている。すなわち、下層レジストは十分な
ドライエツチング耐性を持つことが必要条件であるため
、上記導電性高分子をそのまま下層レジストとして用い
ることができず、上記導電性高分子をドライエツチング
耐性に優れた合成樹脂と混合して導電率を改良して用い
ようとする試みである。しかし、この方法で得られる下
層レジスト組成物の導電率はｚｏ−１２〜１Ｏ−１５Ｓ
−ｃｓ−１であり、この値は絶縁体として知られる二酸
化ケイ素系ガラスなどの導電率と同程度の値で、その効
果は極めて限定的なものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記したように、従来技術においては、下層レジストと
して要求される特性、すなわちドライエツチング耐性と
高導電性とを兼ね備えた特性を有する材料が見出されて
いなかった。

本発明の目的は、下層レジストとしての上記要求特性を
満足し、しかも、従来のレジスト形成工程に大きな変化
を与えることなく、荷電粒子線描画にともなう電荷蓄積
効果を減少して高精度のパターン形成を得ることのでき
るパターン形成方法、レジスト組成物、および該方法を
用いた半導体装置の製造方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、下層レジスト組成物として放射線誘起導電
性樹脂組成物を用いること、および、荷電粒子線照射と
実質的に同時に活性化エネルギー線を照射する機構を有
する荷電粒子線装置を用いてパターン形成を行うことに
よって達成することができる。

ここで、まず放射線誘起導電性樹脂組成物としては、多
くの光導電性樹脂組成物、例えばポリ−Ｎ−ビニルカル
バゾールやその誘導体であるポリ−Ｎ−ビニルブロモカ
ルバゾール、ポリ−Ｎ−ジブロモカルバゾール、ポリ−
２−ビニルカルバゾール、ポリ−３−ビニルカルバゾー
ルおよびこれらの共重合体、ポリ−１−ビニルナフタレ
ン、ポリアセナフチレン、ポリビニルフェナントレン、
ポリビニルアクリジン、ポリビニルプレンなどの側鎖に
多くのパイ（π）電子を有する光導電性ポリマーおよび
これらの光導性ポリマーに塗膜の膜質改善、光導電性改
良のための添加剤を混合した系を用いることができる。

なお、側鎖に多くのπ電子を有するポリマーは一般に大
きなドライエッチング耐性を有するため、これらのポリ
マーをレジスト組成物として用いやことによって、下層
レジストとしてのドライエツチング耐性を保つことがで
きる。

また、パターン形成に際して用いる荷電粒子線としては
例えば加速電子線を、また、荷電粒子線照射と実質的に
同時に照射する活性エネルギー線としては荷電粒子線系
に影響を与えない電磁放射線（紫外線、Ｘ線、赤外線）
を用いることができる。

〔作用〕

前記下層レジストとして用いる放射線誘起導電性組成物
は加速電子線などの放射線の照射を受けると励起されて
導電性となるため、パターン潜像を形成する上層レジス
トが荷電粒子線の照射を受けた場合、同時に、下層レジ
ストも該荷電粒子線の照射を受け、励起されて導電性と
なる結果、該レジスト層が接地された導電性層と接触し
ている場合、上記荷電粒子線照射により上層レジスト層
に誘起される電荷の蓄積が速やかに解消される。

この結果、レジスト層に電荷が蓄積されて生ずる電界に
よる荷電粒子線の所定照射位置からの偏向を極めて小さ
く止めることができる。

また、側鎖に多くのπ電子を有する光導電性高分子はそ
のままでも放射線誘起導電性被膜として用いることがで
きるが、これを下層レジストとして用いる場合、種々の
添加剤を用いることが有効である。すなわち、例えば、
通常の場合、下層レジストは、その上に中間層あるいは
上層レジストを回転塗布法によって形成するため、これ
らの塗布溶媒に対して不溶性となっている必要があり、
添加剤として架橋反応性を有する化合物あるいは樹脂を
用いて上記放射線誘起導電性樹脂層を架橋させ、溶剤に
対して不溶化することが有効である。

また、側鎖に多くのπ電子を有する上記光電性高分子と
会合し、その放射性誘起導電性を促進させることのでき
る添加剤を用いることも有効である。

また、放射線誘起発光性化合物や塗布性を改善するため
の界面活性剤を添加剤として用いることも有効である。

また、放射線誘起導電性組成物として光導電性組成物を
用いることができるので、パターン潜像形成のための荷
電粒子線装置に、潜像形成のための荷電粒子線照射と同
時に被加工基板面の潜像形成域を含む面に放射線誘起導
電性組成を十分励起することのできる活性エネルギー線
照射機構を付加することによって、パターン潜像形成時
の下層レジストの導電性をさらに向上させ、上層レジス
ト層電荷蓄積改消の効果をさらに向上させることができ
る。

〔実施例〕

以下１本発明の内容について実施例によってさらに具体
的に説明する。

実施例１ 第１図は３層レジスト法を適用した場合の本発明の一実
施例の加工手順を示す工程図である。

まず、（ａ）は、半導体基板１上に設けた配線層形成の
ための被加工アルミニウム膜（厚さ１μｍ）　２上に放
射線誘起導電性樹脂膜（厚さ２．５μｍ）　３を塗布し
た後、塗布性二酸化シリコン層４を厚さ０．１μ１１塗
布して２００℃３０分間の熱処理を行い、さらに、ポジ
型電子線レジストＲＥ　５０００　Ｐ（日立化成工業（
株）製、商品名）５を０．５μＩの厚さに塗布した状態
を示すものである。ここで、上記放射線誘起導電性樹脂
膜３は、カチオン重合法によって得たポリ−Ｎ−ビニル
カルバゾールをシクロヘキサノンに溶解し、この溶液を
回転塗布法により基板上に塗布した後、ホットプレート
上２３０℃２０分間の熱処理を行って得たものである。

（ｂ）は、（ａ）によって得られた基材について、可変
矩形ビーム型電子線描画装置を用いて、電子線すを加速
電圧３０ｋＶ、照射量２μＣ／　ａｓ　”で配線パター
ンを描画した後、水酸化テトラメチルアンモニウムを２
重量パーセント含む水溶液を用いて現像して上層レジス
トパターン７を得た状態を示す。

（ｃ）は、上記（ｂ）の基材について、フッ素を含むプ
ラズマ中で塗布性二酸化シリコン膜４をエツチングして
上層レジストパターン７を転写して、塗布性二酸化シリ
コンパターン８を得た状態を示す。

（ｄ）は、上記（ｃ）の基材について、酸素プラズマに
よる反応性イオンエツチングによって放射線誘起導電性
樹脂層３をエツチングして塗布性二酸化シリコンパター
ン８を転写して下層レジストパターン９を得た状態を示
す。

（ｅ）は、上記（ｄ）の基材について、希フッ化水素酸
水溶液で塗布性二酸化シリコンパターン８を除去した後
、塩素を含む反応性イオンエツチングによってアルミニ
ウム膜２をエツチングしてアルミニウム配線パターン１
０を得た状態を示す。

（ｆ）は、上記（ｅ）の基材について、不要となった下
層レジストパターン８を酸素プラズマによって除去して
、半導体基板１上にアルミニウム配線パターン１０を形
成した状態を示すものである。

比較例として、上記の中放射線誘起導電性樹脂の代りに
通常のポジ型ホトレジスト　０ＦＰＲ−８００（東京応
化工業（株）製。商品名）を塗布し２３０℃３０分間熱
処理して得た厚さ２．５μｍの樹脂層を下層レジストと
して用い、他は上記と同様条件で半導体基板１上にアル
ミニウム配線パターンを形成した試料を作成した。

上記２種の試料について電子線を６ｍｍ偏向した位置で
の位置ずれを測定した結果、通常のポジ型ホトレジスト
を用いた後者の試料が０．５μｍの位置ずれを示したの
に対し、本発明による放射性誘起導電性樹脂組成物を用
いた前者の試料は０．０５μｍ以下の位置ずれを示すに
止まった。

なお、前者の放射線誘起導電性樹脂組成物を下層レジス
トとして用いた場合のアルミニウム膜のドライエツチン
グ耐性は、上記ＯＦ　Ｐ　Ｒ−８００を塗布し２３０℃
３０分間熱処理して得た下層レジストを用いた場合のド
ライエツチング耐性と同等の結果を示した。

実施例２ 実施例１におけるアルミニウム配線層に代えシリコーン
膜を用いてゲートパターン形成を行ったところ、実施例
１の場合と同様の位置精度向上がみられた。なお、この
場合、シリコーン膜のエツチングにはふっ素を含むプラ
ズマによる反応性イオンエツチングを用いた。

実施例３ 実施例１で用いた可変矩形ビーム型電子線描画装置を改
造し描画室内に紫外線投光器を併設した装置を用いて、
電子線描画中に、低圧水銀灯からの紫外線を石英ファイ
バー製光ガイドを通して試料基板面を露光し、他は実施
例１と同様条件で形成したアルミニウム配線パターンの
位置精度を調べた結果、位置精度はさらに向上し、位置
ずれ０．０４μｍ以下の結果を示した。

実施例４ 実施例１の放射線誘起導電性樹脂層として用いたポリ−
Ｎ−ビニルカルバゾールのみからなる塗膜は熱処理後塗
膜面の一部にクラックを生じていたので、塗膜面を改質
する目的で、種々の添加剤について検討した。

その結果、１，２−ナフトキノン−（２）−ジアジド−
５−スルホン酸と２．３．４−トリヒドロキシベンゾフ
ェノンとのエステル、上記ナフトキノンジアジドスルホ
ン酸と４，４′　−ジヒドロキシジフェニル−（２）−
プロパンとのエステルなどのナフトキノンジアジド誘導
体、１−（−４−アジドベンジリデン）−３−（α−ヒ
ドロキシ−４−アジドベンジル）インデン、４−４′　
−ジアジドカルコン、２，６−ビス（４′　−アジドベ
ンザル）シクロヘキサンなどのジアジド化合物、ビスフ
ェノールＡ型固形エポキシ樹脂（Ｄ、　Ｅ、　Ｒ−６６
１゜ダウケミカル日本（株）製品）、エポキシノボラッ
ク樹脂（ＴＡＣＴ　Ｉ　Ｘ−４８５゜ダウケミカル日本
（株）製品）などのエポキシ樹脂などをそれぞれ単独あ
るいは組み合わせて添加したところ、２３０℃２０分間
の熱処理後の塗膜は塗膜面にクラックを生ずることなく
溶剤不溶性となり、膜質が改善されたことを示した。混
合塗膜の組成例の一部を第１表に示す。なお、表中の数
字の単位は重量パーセントである。

以下余白 第　　１　　表 ＰＶＣｚ：ポリ−Ｎ−ビニルカルバゾールＮＱＤ：１，
２−ナフトキノン−（２）−ジアジド−５−スルホン酸
−２，３，４− トリヒドロキシベンゾフェノンエス テル ＥＰＸ　　：エポキシノボラック樹脂（Ｔ　Ａ　ＣＴｌ
Ｘ−４８５゜（ダウケミカル日本（株）製品） 第１表の各組成をシクロヘキサノンに溶解して塗布溶液
とし、実施例１のＰＶＣｚシクロヘキサノン溶液に代え
て用いて、他は実施例１と同様条件で、アルミニウム配
線層を形成したところ、いずれの試料についても、通常
のポジ型ホトレジストの熱処理塗膜を下層レジストとし
て用いた場合に比べて、格段の位置精度の向上が認めら
れた。

なお、上記実施例においては中間層に塗布性二酸化シリ
コン膜を用いた３層レジスト構成の場合について説明し
たが、中間層を用いることなく、パターン潜像を形成す
る上層レジストとして酸素プラズマ耐性の高いシリコー
ン含有レジストを用いた場合にも全く同様の効果を得る
ことができた。

〔発明の効果〕

以上述べてきたように、本発明によるレジスト組成物お
よび製造方法を適用することによって、従来技術の有し
ていた課題を解消して、荷電粒子線描画中におけるレジ
スト膜の電荷蓄積現象を軽減してパターン位置精度を向
上させることができ、ひいて、高集積半導体装置を歩留
りよく、かつ容易に得ることができた。

また１本発明による場合、下層レジスト層として放射線
誘起導電性樹脂組成物層を形成するだけで足り、新たな
工程の追加を必要としないため、経済的な効果もある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の加工手順を示す工程図であ
る。 １・・・半導体基板 ２・・・被加工アルミニウム膜 ３・・・放射線誘起導電性樹脂膜 ４・・・塗布性二酸化シリコン膜 ５・・・ポジ型電子線レジストＲＥ　５０００　Ｐ６・
・・電子線 ７・・・上層レジストパターン ８・・・塗布性二酸化シリコンパターン９・・・下層レ
ジストパターン １０・・・アルミニウム配線パターン 代理人弁理士　　中　村　純之助 第１図

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. １．潜像形成に荷電粒子線を用いる多層レジスト法によ
   るパターン形成において、下層レジスト層が放射線誘起
   導電性組成物からなる有機レジスト層であることを特徴
   とするパターン形成方法。
2. ２．上記放射線誘起導電性組成物からなる有機レジスト
   層が接地された導電性層と接触している有機レジスト層
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のパ
   ターン形成方法。
3. ３．上記荷電粒子線が電子線であることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載のパターン形成方法。
4. ４．潜像形成のための荷電粒子線の照射と実質的に同時
   に、下層レジスト層の導電性を高めるための活性エネル
   ギー線の照射を行うことを特徴とする特許請求の範囲第
   １項記載のパターン形成方法。
5. ５．上記活性エネルギー線が荷電粒子線系に影響を与え
   ないような電磁放射線（紫外線、Ｘ線赤外線）であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第４項記載のパターン形
   成方法。
6. ６．潜像形成に荷電粒子線を用いる多層レジスト法によ
   るパターン形成において、少なくとも一層のレジストの
   組成が側鎖に１０以上１６以下のパイ（π）電子を有す
   る芳香環を持ったビニル重合体と添加物とからなる組成
   で、該組成中の該添加物の含有率が１０〜７０重量パー
   セントであることを特徴とするレジスト組成物。
7. ７．上記添加物が架橋反応性成分を含有する添加剤であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第６項記載のレジス
   ト組成物。
8. ８．上記芳香環がカルバゾール環を含む芳香環であるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第６項記載のレジスト組
   成物。
9. ９．潜像形成に荷電粒子線を用いる多層レジスト法によ
   るパターン形成を利用する半導体装置の製造において、
   多層レジスト中の少なくとも一層を放射線誘起導電性組
   成物からなるレジスト層とし、荷電粒子線と活性エネル
   ギー線との実質的同時照射により配線層の加工を行うこ
   とを特徴とする半導体装置の製造方法。