JPH04204848A - 微細パターン形成方法 - 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＆よ　半導体素子や集積回路を電子ビームを用い
てパターン形成を行ｂ（制作する際に使用する微細パタ
ーン形成方法に関するものであり、特に　化学増幅型レ
ジストを用いてパターン形成を行う場合の微細パターン
形成方法に関するものであも 従来の技術 従来　ＩＣ及びＬＳＩ等の製造において（よ　紫外線を
用いたホトリソグラフィーによってパターン形成を行な
ってい仏　素子の微細化に伴なり＼ステッパーレンズの
高ＮＡＩＬ　　短波長光源の使用等がすすめられている
が、　それによって焦点深度が浅くなるという欠点があ
ム　ま７’、、ＬＳＩ素子のパターン寸法の微細イし　
ＡＳＩＣの製造等にともな（＼　電子ビームリソグラフ
ィーが用いられるようになってきていも　この電子ビー
ムリソグラフィーによる微細パターン形成にはポジ型電
子線レジストは欠くことのできないものであも　その中
でポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）は最も解像性
の良いものとして知られている力（低感度であることが
欠点であム　それ渡　近年ポジ型電子線レジストの感度
を高める多くの報告が行なわれており、例えばポリメタ
クリル酸ブチ１５　　メタクリル酸メチルとメタクリ酸
との共重合体　メタクリル酸とアクリロニトリルとの共
重合体　メタクリル酸メチルとイソブチレンとの共重合
体ポリブテン−１−スルホン、ポリイソプロペニルケト
ン、含フツ素ポリメタクリレート等のポジ型電子線レジ
ストが発表されていも　これらのレジストはいづれＬ　
側鎖に電子吸引性基を導入、または主鎖に分解しやすい
結合を導入することによって、電子ビームによる主鎖切
断が容易におこるようにしたレジストであり、高感度化
をねらったものである力叉　解像度と感度の両方を十分
に満たしたものであるとはいえな’ｂｓ＊ｔ＝　　耐ド
ライエツチ法　耐熱性も十分良好なものであるとはいえ
ないた数　ドライエツチング用のマスクとしては使用し
にくく、その利用は限られていも　環化ゴムをベースと
したネガ型電子線レジスト（よ　基板との密着性が悪く
、基板表面上に均一に高品質のピンホールのない塗膜を
得ることが困難であゑ熱安定法　解像度が良くないとい
う欠点かあムそれ渡　従来からネガ型電子線レジストの
さまざまな改良がなされていも　例えば　ポリグリシジ
ルメタクリレート、クロロメチル化ポリスチレン、クロ
ロメチル化α−メチルポリスチレン、ポリメタクリレー
トマレイン酸エステ）ｋ　　塩素化ポリスチレン、グリ
シジルメタクレートとエチルアクリレートとの共重合体
等のネガ型電子線レジストが発表されていも　これらの
レジストはいづれＬ　電子に反応しやすいエポキシ基や
、塩素原子を導入することによって、電子ビームにより
ラジカルが容易に発生し　架橋反応がおこるようにした
レジストであり、高感度化をねらったものである力（解
像度　耐熱性ともにまだ十分であるとはいえな（ｌ　こ
のような環化ゴムやポリイソプレンをベースとしたゴム
状熱可塑性ポリマーを使用したネガ型レジストを現像す
るには　有機溶媒を必要とし　現像時に描画されたレジ
ストが有機溶媒現像液中で膨潤してしまうことがあム　
従って、パターンの分解能は低下し　場合によってはパ
ターンがゆがへ　使用できなくなってしまう。ざらへ　
有機溶媒現像液は環境土　健康上有害でありさらに引火
性の点でも望ましくない。

そこで、電子ビームリソグラフィーにおいてに化学増幅
型レジストが開発されていも　化学増幅系ポジ型レジス
ト（戴　酸発生剤と酸分解性高分子の２成分、また（よ
　酸発生剤と酸分解性高分子と溶解抑制の３成分から成
っていも　また　化学増幅系ネガ型レジスト（ヨ　　酸
発生剤と酸反応性モノマーと酸重合性ポリマーの３成分
から成っていもこれらのレジストは酸発生剤を含んでい
るた敢感度が高く、ノボラック樹脂等を含んでいるので
、耐熱法　耐ドライエツチ性も良好であム　さら艮現像
液として、有機アルカリ水溶液を使用してパターン形成
を行うことができるので、実用化に向けて、さまざまの
開発が行われていも　しかし本発明者らの検討によれｆ
′Ｌ　　化学増幅型レジスト（よ　酸発生剤を使用して
いるた臥　露光太　すぐに熱処理を行い、反応を促進さ
せなければ　露光により発生した酸が失活しすなわち活
性度を失いパターンが形成されないことがあり、その安
定性が実用化に向けての大きな問題であることが判明し
た また　電子ビームリソグラフィーにおいて（よｔ子ビー
ムレジストの耐ドライエツチ法　耐熱性の悪さ、電子の
前方散乱　後方散乱のための近接効果によるパターン精
度への影像　また　入射電子のチャージ・アップによる
パターン描画への影響等の欠点があム　これらの欠点を
おぎなうために　レジストの働きを感光層と平坦化層と
に分けた多層レジスト法は非常に有効な方法であム　第
４図は電子ビームリソグラフィーにおける多層レジスト
プロセスを説明する図であａ　近接効果をおさえるため
に下層膜４１として、高分子有機膜を２〜３μｍ厚塗布
ま　熱処理を行う（第４図（ａ））。

ざらに、　　この上に中間層４２として５ｉ０２等の無
機風あるいはＳＯＧ　（スピンオングラス）等の無機高
分子膜を０．２μｍ厚塗布し　上層レジスト４３として
電子線レジストを０．５μｍ厚塗布すム　この上へチャ
ージ・アップを防止するためにアルミ薄膜４４を約１０
０人蒸着する（第４図（ｂ））。電子ビーム描画抵　ア
ルカリ水溶液でアルミ薄膜を除去し　その後現像し　レ
ジストパターン４３Ｐを得る（第４図（Ｃ））。次にこ
のレジストパターンをマスクとして、中間層のドライエ
ツチングを行しく　さらに　この中間層をマスクとして
下層のドライエツチングを行う　（第４図（ｄ））。以
上のような多層レジストプロセスを用いることにより、
微細なパターンを高アスペクト比で形成することができ
も　しかしアルミ薄膜を蒸着する多層レジストプロセス
で（主工程がより複雑となり、また　コンタミネーショ
ンの課題　パターン転写時の寸法シフトが大きくなる等
の問題があり、実用的であるとはいえな（℃発明が解決
しようとする課題 上記のようにレジストの感度、耐熱法　耐ドライエツチ
性を向上させるに（友　化学増幅系レジスト（表　　非
常に有効なレジストであム　化学増幅型レジストのパタ
ーン形成のメカニズムは露光により、酸発生剤より発生
した酸力（その後の熱処理によって、　レジスト中のポ
リマーと反応してポジ型のパターンを形成する力＼　ま
た（よ　レジスト中のモノマーと架橋反応をおこして重
合して、ネガ型のパターンを形成するというものであム
　従って、露光によって発生した酸と、　レジスト中の
モノマーまたはポリマーとを、露光抵　すぐに熱処理に
よって反応させなけれは　酸が空気中の０２あるいはＣ
（ｈと反応してしま１．％　　失活してすなわち活性度
を消失してパターンを形成することができないという欠
点があａ　すなわ板　露光と、露光後熱処理との間の時
間が長いと、発生した酸が消失してしまし＼　レジスト
パターンが形成されな（ｌまな　第４図に示したアルミ
薄膜つきの多層レジストプロセスは有効な方法である力
（複雑な工鳳アルミのコンタミネーション、パターン転
写時のレジスト寸法の変動等の問題点かあも　まなアル
ミ薄膜をとりのぞいた多層レジストプロセスではチャー
ジ・アップの課題があム　チャージ・アップとは入射電
子が絶縁体であるレジスト、中間層　または下層にたま
る現象であも　このチャージ・アップ効果により、電子
ビームリソグラフィーにおいてＣヨ　　つなぎ合わせ精
度　重ね合わせ精度の劣化颯　大きな問題点が生じも　
また　単層レジストでもこのチャージ・アップ現象は見
られ　三層レジストと同様　つなぎ合わせ精度、重ね合
わせ精度の劣化をまねく。すなわ叛　電子ビームリソグ
ラフィーにおいて、入射した電子はレジスト中を散乱す
る力＼　レジスト表面から１〜１゜５μｍの深さのとこ
ろで止まってしま匹　その領域でチャージがたまってし
まう。この蓄積されたチャージにより電子ビームが曲げ
られ　つなぎ合わせ精度　重ね合わせ精度の劣化をひき
おこすと考えられも また　アルミ薄膜を用いたレジストプロセスでζよ　ア
ルミ薄膜を除去する時に　アルカリ水溶液を使用するた
べ　有機アルカリ水溶液を現像液とするノボラック型レ
ジストは使用できないという問題点もあム　本発明者ら
（Ｌ　これらの課題を解決するために　電子ビームリソ
グラフィーを用いた微細パターン形成方法を完成しな 課題を解決するための手段 本発明の微細パターン形成方法ζ飄　半導体基板上に酸
発生剤を１成分とする化学増幅型レジストを塗布し熱処
理する工程と、上記レジスト膜上に水溶性高分子樹脂を
塗布する工程と、電子ビームを用いてパターンを描画後
、上記水溶性高分子樹脂を除去する工程と、熱処理を行
うことによって上記化学増幅型レジスト膜中にパターン
の潜像を形成した後、アルカリ水溶液で現像を行うこと
によってパターン形成する工程とを備えて成る方法を提
供するものであム　すなわ板　化学増幅型レジスト膜上
（それと相溶性のない水溶性高分子樹脂を塗布すること
により、　レジスト膜中に発生した酸を空気中の０２ま
たはＣＯ２から保護上　失活することを防ぐようにする
ものであム　ざらへ　望ましくは水溶性高分子樹脂とし
て、イオン伝導法または　電子伝導性のある高分子から
成るものを使用してパターン形成を行うことを提供すム
また　本発明（よ　半導体基板上に高分子有機膜を塗布
し熱処理する工程と、上記高分子有機膜上に無機膜また
は無機高分子膜を形成する工程と、上記無機膜上に酸発
生剤を１成分として含む化学増幅型レジストを塗布し熱
処理する工程と、上記レジスト膜上に水溶性高分子樹脂
を塗布する工程と、電子ビームを用いてパターンを描画
眞　熱処理を行う工程と、上記水溶性高分子樹脂を除去
した丸　アルカリ水溶液を用いて現像を行１．％　　レ
ジストパターンを形成する工程と、このレジストパター
ンをマスクとして上記無機または無機高分子膜および高
分子有機膜をエツチングする工程とを備えて成る方法を
提供するものであム 作用 本発明（よ　前記したレジストプロセスにより、不安定
な化学増幅型レジストでｋ　安定した　露光から露光後
熱処理までの時間に依存しな（＼　正確なレジストパタ
ーンを形成することができも特へ　水溶性高分子樹脂を
用いることによって、レジスト膜との相溶性もなく、水
で容易に除去することができるので、レジストプロセス
工程が簡略て　安定に正確な微細パターンを形成するこ
とができも　また　この水溶性高分子樹脂に導電性をも
たせることによって、容易にチャージ・アップによるパ
ターンひずみを防止でき、正確な微細パターンを形成す
ることができも 特にアルミ薄膜を蒸着する必要がなく、コンタミネーシ
ョンの問題もなく、またレジストプロセス工程を簡略化
することができ、安定に　高感度にアルカリ水溶液を現
像液として用いることができ、描画素子によるチャージ
・アップを防止して、正確な微細レジストパターンを形
成することができも　従って、本発明を用いることによ
って、正確な高解像度な微細パターン形成に有効に作用
すム 実施例 まず、本発明の概要を述べも　本発明ζよ　酸発生剤を
１成分とする化学増幅型レジスト膜の上へレジスト膜と
相溶性のな（＼　ミキシングがおこらない水溶性高分子
樹脂を塗布することによって、上記のような問題点を解
消しようというものであム 電子ビームを照射した際に酸発生剤から発生した酸ζ友
　露光後熱処理　空気中に放置しておくと、酸は次第へ
０２またはＣＯ２と反応して失活してしまｔ、Ｘ、その
後、熱処理を行ってＬ　パターンを形成することができ
な（ｔ　そこで、このレジスト膜上く　水溶性高分子樹
脂を塗布し　レジスト膜が唐風　空気と接しないように
してやり、水溶性高分子樹脂を現像前に水で除去するこ
とによって露光によって発生したレジスト中の酸を、空
気中のＯ！やＣＯａと反応させることなく、失活させる
ことなく、保護することができも　従って、露光と露光
後熱処理との間の時間に依存することなく、安定したレ
ジストパターンを形成することができもこの水溶性高分
子樹脂としては　レジスト膜とミキシングしなＬＬ　　
水溶性ポリマーであれは　いかなるものでもよむも　特
級　望ましく１ヨ　　電子ビームのチャージ・アップを
防止するため顛　イオン伝導法　または電子伝導性ポリ
マーであることがよＬ＋”ｌ）　　例えば （実施例１） 本発明の第１の実施例を第１図に示す。半導体基板１１
上に電子線レジスト１２として、スルホニウム塩等の酸
発生材とｔ−ブトキシカルボニルで保護されたポリスチ
レン等の酸分解性ポリマーから成る化学増幅系ポジ型レ
ジストを１．０μｍ厚塗布し９０＼　９０秒間の熱処理
を行った（第１図（ａ））。このレジスト膜上に　水溶
性高分子膜１３として、ポリスチレンアンモニウム塩を
０．２μｍ厚塗布し　加速電圧３０ｋＶ、ドーズ量１０
μＣ／Ｃｍ”で電子ビーム描画を行った（第１図（ｂ）
）。その丸　水溶性高分子膜を水で除去し　さらに　１
００＼　９０秒間の熱処理を行うことによって、　レジ
スト膜中に発生した酸とポリマーとの反応を促進させ、
レジスト膜に潜像１２Ｐを形成した（第１図（Ｃ））。

これを、有機アルカリ水溶液を用いて現像除去すること
によって、正確に高感度番ミ　　安定した微細ポジ型レ
ジストパターン１２Ｒを形成することができた（第１図
（ｄ））。

以上のよう番ζ　本実施例によれば　化学増幅型レジス
ト膜上に水溶性高分子膜を塗布することによって、高精
度に微細なレジストパターンを形成することができも　
この時のレジストパターン寸法と、露光から露光後熱処
理までの放置時間との関係を示した図が第２図であム　
破線１よ　従来の化学増幅系レジストを使用した方法　
実線力（今回の新しい方法であム　従来法で（表　放置
時間が長くなることによって、レジスト膜中の酸が失活
するた数　レジストパターンが次第にでにくくなってい
ることがわか＆　　−Ｘ　　今回の新しい本発明の方法
で（表　放置時間に依存することなく、正確な一定した
レジストパターン寸法を示しており、レジスト膜上に水
溶性高分子膜を塗布することによって、発生した酸の失
活を防止することができることがわかっ九　また　この
水溶性高分子膜はイオン伝導性があるので、電子ビーム
描画時のチャージ・アップを防止することができ、パタ
ーンひずみのなしく　正確なレジストパターンを形成す
ることができ九 （実施例２） 本発明の第２の実施例を第３図に示す。半導体基板１１
上に下層膜３１として高分子有機膜を２μｍ厚塗布Ｌ２
２０−９０秒間熱処理を行った　さらにこの上へ　中間
相３２として、５ｉＯａ膜を０．２μｍ厚形成し九　な
耘５ｉＯｚ膜の代わりに他の無機高分子膜でもよｕＸｏ
　　この上に上層電子線レジスト３３として、酸発生剤
と、酸反応性モノマーと酸重合性ポリマーとから成る化
学増幅系ネガ型レジストを０゜５μｍ厚塗布り、　　９
０ｔ、　　９０秒間熱処理を行った（第３図（ａ））。

さらく　このレジスト膜３３上へ　水溶性高分子膜３４
として、ポリスチレンスルホニウム塩を０．２μｍ厚塗
布し　加速電圧３０ｋＶ、　　ドーズ量１０μＣ／ｃａ
＋’でレジスト３３に電子ビーム描画を行った（第３図
（ｂ））。

その抵　水溶性高分子膜３４を水で除去し　さらに１０
０ｔ、　　９０秒間の露光後熱処理を行うことによって
、　レジスト膜中に発生した酸とモノマーとの反応させ
、レジストＭ３３に潜像を形成しな　その後有機アルカ
リ水溶液を用いて現像することによって、正確に高感度
に安定した微細ネガ型レジストパターン３３Ｐを形成す
ることができたく第３図（Ｃ））。このレジストパター
ン３３Ｐをマスクとして中間層と下層のドライエツチン
グを行ｕＸ、正確で垂直な微細レジストパターンを得る
ことができた（第３図（ｄ））。

またこの水溶性高分子膜３４はイオンの伝導性があるた
数　電子ビーム描画時のチャージ・アップを防止するこ
とができ、パターンひずみのない正確なレジストパター
ンを形成することができへまた　露光から露光後熱処理
までの俣　空気中で１００時間放置したもので耘　レジ
ストパターン寸法は放置していないものと同じ寸法であ
っな　以上のように　本実施例によれは　化学増幅形レ
ジスト膜上にイオン伝導性水溶性高分子膜を塗布するこ
とによって、高精度に安定した微細なレジストパターン
を形成することができも 発明の詳細 な説明したように　本発明によれば　酸発生剤を含んだ
化学増幅型レジスト膜上番ミ　　レジストと相溶性のな
い水溶性高分子樹脂を塗布し　露光によって発生した酸
が失活しないように空気から保護することによって、露
光から露光後熱処理までの間の時間に依存しな（Ｘ、安
定した　正確な微細レジストパターンを高感度に得るこ
とができａさらへ　この水溶性高分子樹脂ＧＱ　　イオ
ン伝導法または電子伝導性をもたせることによって、電
子ビーム描画時のチャージ・アップを防止することがで
き、パターンひずみのなしく　高精度て　高感度＆ζ　
安定した　正確な微細レジストパターンを容易に形成す
ることができ、超高密度集積回路の製造に大きく寄与す
ることができも

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における一実施例の工程断面文第２図は
本発明と従来法におけるレジストパターン寸法と、露光
から露光後熱処理までの放置時間との関係を示した医　
第３図は本発明における他の実施例の工程断面図　第４
図は従来の多層レジストプロセスの工程断面図であ也 １１・・・・半導体基板１２・・・・レジスト、１３・
・・・水溶性高分子風１４・・・・電子ビーち 代理人の氏名　弁理士　小鍜冶　明　ほか２名第１図 第２図 ’Ｇ−）ｔ、ｙ　らｔ光ａｍダ４ｆ里＃テノ＃ｆｆ１ｊ
ｉ’ＦＦＦＩ　（ｈＯｕｒ）第３図 ［４図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体基板上に、酸発生剤を１成分とする化学増
   幅型レジストを塗布し、熱処理する工程と、上記レジス
   ト膜上に水溶性高分子樹脂を塗布する工程と、電子ビー
   ムを用いて上記レジスト膜にパターンを描画後、上記水
   溶性高分子樹脂を除去する工程と、熱処理を行うことに
   よって、上記化学増幅型レジスト膜中にパターンの潜像
   を形成した後、アルカリ性水溶液で上記レジストの現像
   を行うことによって上記レジストのパターンを形成する
   工程とを備えて成ることを特徴とする微細パターン形成
   方法。
2. （２）水溶性高分子樹脂がイオン伝導性または電子伝導
   性高分子であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の微細パターン形成方法。
3. （３）半導体基板上に、高分子有機膜を塗布し熱処理す
   る工程と、上記高分子有機膜上に、無機膜または無機高
   分子膜を形成する工程と、上記無機膜または無機高分子
   膜上に、酸発生剤を１成分とする化学増幅型レジストを
   塗布し熱処理する工程と、上記レジスト膜上に水溶性高
   分子樹脂を塗布する工程と、電子ビームを用いて上記レ
   ジスト膜にパターンを描画後、熱処理を行う工程と、上
   記水溶性高分子樹脂を除去した後、アルカリ水溶液を用
   いて現像を行い、上記レジストのパターンを形成する工
   程と、このレジストパターンをマスクとして、上記無機
   膜および高分子有機膜をエッチングする工程とを備えて
   成ることを特徴とする微細パターン形成方法。
4. （４）水溶性高分子樹脂が、イオン伝導性または電子伝
   導性高分子であることを特徴とする特許請求の範囲第３
   項記載の微細パターン形成方法。