JPH06264267A

JPH06264267A - パターン形成方法

Info

Publication number: JPH06264267A
Application number: JP5078393A
Authority: JP
Inventors: Kazunari Takemoto; 一成竹元; Atsushi Amatatsu; 篤志天辰; Tomoko Hiraiwa; 知子平岩; Harunobu Saito; 治信斉藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-03-11
Filing date: 1993-03-11
Publication date: 1994-09-20

Abstract

(57)【要約】【目的】レジストの感度を向上し、かつ、基板上の大
きい凹凸の段差にならって均一な膜厚に形成可能な、レ
ジストを用いた高精度のパターン形成方法の提供。【構成】第１の発明…被加工面内に大きい段差を有す
る基板に形成された被加工薄膜上に、蒸着重合法によっ
てレジストパターンを形成し、前記被加工薄膜をパター
ン化する方法において、前記レジストパターンを、ビス
（４−アミノフェニル）テトラメチルジシランと酸二無
水物から形成されるポリイミドあるいはポリアミド酸に
て形成する。第２の発明…前記被加工薄膜上に、炭素膜，金属薄膜，
感光性の蒸着重合膜が形成されてなる積層膜の前記被加
工薄膜をパターン化する方法において、前記蒸着重合膜
を、ビス（４−アミノフェニル）テトラメチルジシラン
と酸二無水物から蒸着重合により形成されるポリイミド
あるいはポリアミド酸にて形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はリソグラフィ技術におけ
る微細加工法に係り、特に、大きな段差をもつ基板上の
薄膜を物理スパッタ法によって精度良く加工する方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】被加工薄膜にレジストパターンを形成
し、このレジストパターンのうちレジストのない部分の
被加工材料をイオンミリングで除去して所望のパターン
を得る方法は周知であり、同時に該方法は、湿式エッチ
ングや反応性乾式エッチングで加工できない材料を微細
加工するために必須の方法でもある。このレジストとし
て、例えば、フェノールノボラック系レジスト（東京応
化製ＯＦＰＲ‐８００）等が用いられる。これらのレジ
ストは、薄膜を形成するためには、レジスト材料を溶剤
に溶かし、適当な粘度として被加工薄膜上に滴下し、基
板を回転させて行う、いわゆる、回転塗布法が用いられ
る。

【０００３】しかし、集積回路の高集積化により素子や
配線が多層化してきたり、薄膜技術の応用分野が広くな
るにつれて、凹凸の高低差が大きい基板上の薄膜をパタ
ーン化する必要が増大してきた。

【０００４】ところが、前述の回転塗布法でレジストを
形成する場合には基板上の凹部と凸部でレジストの厚み
が異なるため、レジストの厚い部分の寸法精度が著しく
低下するという問題があった。

【０００５】この問題を解決するために、レジストの下
層に基板上の凹凸を平坦化する有機樹脂層を形成した積
層膜によるパターン形成法が提案されている。しかしこ
の方法では、基板上の凹部で、有機樹脂層の膜厚が厚
く、かつ、パタ−ン化後の有機樹脂層の壁面がほぼ垂直
に切り立った状態になっているので、物理スパッタを主
とする方法で加工した場合、この壁面にスパッタされた
粒子が付着するいわゆる再付着現象が発生する。この再
付着現象は、該付着部の寸法精度を悪くするとともに、
付着粒子が壁面からつの（角）状に堆積して突起状部を
形成し、好ましくない断面形状を形成する問題点を有し
ていた。

【０００６】この問題を解決するために、特開昭６３―
２９７４３５号公報において、炭素膜とプラズマ重合に
よって形成したレジスト薄膜の二層膜によるパターン形
成方法が提案されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記特開昭６３―２９
７４３５号公報に係るパターン形成方法は、炭素膜とレ
ジスト膜が段差にならって均一な膜厚に形成されること
と、感光してパターンを与える層と物理的スパッタに耐
えるマスク層とを別の材料で構成するため、膜厚を薄く
できることの二点から、高精度パターン形成には非常に
優れた方法であるといえる。

【０００８】しかし、プラズマ重合で形成したレジスト
は、感光基をもつモノマに高周波等を用いてプラズマ状
態にして成膜するため、プラズマの高エネルギで感光基
も一部分解することが避けられない。従って、生成した
レジストは感度が低いという問題点を有していた。

【０００９】本発明は、前記従来技術の問題点に鑑み、
レジストの感度を向上し、かつ、前記段差にならって均
一な膜厚に形成可能な、レジストを用いた高精度のパタ
ーン形成方法を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本発明は、その第１の発明を、被加工面内に大きな高低
差の凹凸を有する基板に形成された被加工薄膜上に、蒸
着重合法によってレジストパターンを形成し、物理スパ
ッタ法を主とする乾式エッチング方法によりレジストの
ない部分の前記被加工薄膜を除去してパターン化するパ
ターン形成方法において、前記レジストパターンを、ビ
ス（４−アミノフェニル）テトラメチルジシランと酸二
無水物から形成されるポリイミドあるいはポリアミド酸
にて形成する構成にしたものだある。

【００１１】そして、第２の発明を、被加工面内に大き
な高低差の凹凸を有する基板に形成された被加工薄膜上
に、酸素プラズマにより除去され易い材料からなる第一
層の膜が形成され、該膜上に前記酸素プラズマにより除
去され難い材料からなる第二層の膜が形成され、さらに
第二層の膜上に、電磁波または粒子線照射、および現像
によりパターン形成可能な第三層の膜が形成されてなる
三層積層膜の前記被加工薄膜を除去してパターン化する
パターン形成方法において、前記第三層の膜を、ビス
（４−アミノフェニル）テトラメチルジシランと酸二無
水物から蒸着重合により形成されるポリイミドあるいは
ポリアミド酸にて形成する構成にしたものである。

【００１２】

【作用】蒸着重合法においては、有機化合物の薄膜を、
基板上の段差部の高い部分、あるいは低い部分、もしく
は斜面の部分でもほぼ等しい膜厚に形成することが可能
である。このため、該薄膜が感光性をもつようにするこ
とによって、段差のある被加工薄膜をどの部分でも高精
度に加工することが可能になる。ここで、感光性とは、
紫外線、遠紫外線、電子線、Ｘ線に感応する性質を示
す。本発明に用いるレジストのパタ−ン化は、Ｓｉ−Ｓ
ｉ結合の開裂によりポリマ−の溶剤に対する溶解度が変
化することによるものである。したがって、主に遠紫外
線が用いられる。

【００１３】また、感光性の蒸着重合膜の下層に、酸素
プラズマによる乾式エッチングされ難い材料からなる薄
膜を形成し、さらに、この下層に酸素プラズマでエッチ
ングされ易く、かつ、物理スパッタされ難い材料からな
る薄膜を形成した構成をもつ場合、感光層に焼き付けら
れたパターンを、順次、下層に転写することで、難加工
性の材料から成る被加工薄膜を高精度で加工することが
可能になる。ここで、物理スパッタとは、イオンミリン
グ，反応性イオンミリング，反応性イオンエッチング等
を言う。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の第１の発明の実施例を図１に
より、また、第２の発明の実施例を図２によりそれぞれ
説明する。図１，２は、いずれもパターン形成の工程を
示す図で、図１は蒸着重合膜のみを用いるパターン形成
の工程図、図２は三層積層膜を用いたパターン形成の工
程図である。

【００１５】図１において、（ａ）は、蒸着重合膜１を
大きな高低差の凹凸をもつ被加工薄膜２上に形成する工
程を示す。本発明に用いる蒸着重合膜１は、紫外線、遠
紫外線、電子線、Ｘ線などを照射すると化学反応を起
し、ポリマーに対応した特定の溶剤に対する溶解度の変
化が生じ、これを利用してパターン形成が可能な性質を
有する薄膜である。

【００１６】（ｂ）は、蒸着重合膜１に所望のパターン
を焼き付け（露光）、現像してレジストパターンを作成
する工程を示す。

【００１７】（Ｃ）は、例えば、Ａｒイオンによるイオ
ンミリングなどでエッチングしてレジストパターンを被
加工薄膜２に転写する工程を示す。

【００１８】上記図１に示すパターン形成方法を、具体
例について以下に説明する。深さ１０μｍ、幅５０μｍ
のラインアンドスペースのポリイミド系樹脂（例えば、
日立化成製ＰＩＱ樹脂）の縞模様パターンをもつ直径３
インチのシリコンウェハに、パーマロイ（被加工薄膜）
２をスパッタ法で１μｍの厚さに形成した。この上に、
ピロメリット酸二無水物と、ビス（４−アミノフェニ
ル）テトラメチルジシランとを当モル量別々に真空装置
内に設置し、１×１０~⁴Ｐａ以上の真空度に排気後、ピ
ロメリット酸二無水物を１５０℃に、ビス（４−アミノ
フェニル）テトラメチルジシランを８０℃に加熱して、
１００分間蒸発させ、４０℃に加熱した基板上に堆積さ
せた。この堆積物を２００℃に加熱処理して１．５μｍ
の厚さのポリイミド膜を得た。このようにして形成した
薄膜に、５μｍ幅のラインアンドスペースの縞模様パタ
−ンを有するフォトマスクをポリイミド系樹脂パターン
と直交するように配置して５００ｍＪ／cm²（２５４ｎ
ｍ）の紫外光を照射し、ジメチルアセトアミドとエタノ
−ルとの２：１（容量比）の現像液に浸して現象した。
この結果、ポジ形のレジストパターンが形成され、パー
マロイ２が露出した。

【００１９】次に、前記露出したパーマロイ２を、Ａｒ
イオンのイオンミリングによってエッチングした。イオ
ンミリング条件は、加速電圧７００Ｖ減速電圧２００Ｖアーク電圧８０ＶＡｒ流量１５ｍｌ／ｍｉｎイオン入射角３０° である。

【００２０】上記方法にて形成したパーマロイ２のライ
ンアンドスペースパターンの線幅を測定したところ、基
板面内３０箇所の寸法のばらつきは、５．４９±０．４
５μｍの高精度の測定結果が得られた。また、パターン
形状も良好な結果が得られ、前記スパッタ粒子の再付着
は認められなかった。

【００２１】つぎに、使用するモノマを変えた場合にお
ける上記との比較例について説明する。前記図１の具体
例と同様に、シリコンウェハ上に深さ１０μｍ、幅５０
μｍのラインアンドスペースのポリミイド系樹脂パター
ンを形成し、さらに、この上にパーマロイをスパッタ法
で１μｍの厚さに形成した。

【００２２】この基板上に、前記従来技術の項にて説明
した特開昭６３―２９７４３５号公報に記載の発明に使
用されているモノマの１つである、メチルイソプロペニ
ルケトンのプラズマ重合膜を２．０μｍの厚さ形成し
た。成膜条件は、モノマ流量４０ｍｌ／ｍｉｎモノマ圧力１３．３ＰａＲＦ電力８０Ｗ基板温度７０℃ である。

【００２３】このようにして得たレジストに、前記図１
の具体例と同じフォトマスクを用いてパタ−ン形成を試
みたところ、５００ｍＪ／cm²（２５４ｎｍ）の露光量
の遠紫外光では、エチルアルコ−ルで現象したところ、
パターンは全く現われなかった。そのため、さらに８０
００ｍＪ／cm²（２５４ｎｍ）で追加露光して始めて明
確なネガ形パターンのレジストとなった。これは、前記
図１の具体例と比べて感度が一桁以上悪く、本発明の有
効性が実証された。

【００２４】次に、第２の発明の実施例を図２を参照し
て説明する。図２において、（ａ）は、大きな段差の凹
凸をもつ被加工薄膜２に酸素プラズマによってエッチン
グされ易く、かつ、物理スパッタされ難い材料からなる
第１層の膜３（例えば炭素膜で、以下炭素膜３という）
を形成する工程を示す。ここで、炭素膜３は以下に示す
ような手段によって形成可能である。

【００２５】ｉ）炭化水素を含むガスをプラズマ中で分
解し、炭素膜３を堆積させるプラズマＣＶＤ法。

【００２６】ii）カーボンをターゲットとしてプラズマ
のイオンで炭素膜３をたたき出し、相対する基
板上に堆積させるスパッタ法。

【００２７】iii）炭化水素ガスをイオン化し、加速し
て基板と衝突させ、炭素膜３を堆積させるイオンビーム
デポジション法。

【００２８】iv）グラファイトの蒸着法。

【００２９】（ｂ）は、酸素プラズマによってエッチン
グされ難い材料から成る第２層の膜４（例えばＳｉの金
属薄膜で、以下Ｓｉ４という）を形成する。酸素プラズ
マによってエッチングされ難い材料としては、金属や金
属酸化物が挙げられる。炭素膜３に対する接着性が良好
な点と、乾式エッチングが容易な点から、ＳｉやＴｉな
どの使用が好ましい。

【００３０】（ｃ）は、第３層の膜である蒸着重合膜１
を形成する工程である。本発明に用いる蒸着重合膜１
は、ビス（４−アミノフェニル）テトラメチルジシラン
と酸二無水物から形成されるポリイミドあるいはポリア
ミド酸である。酸二無水物としては特に限定はないが、
ピロリット酸二無水物、ベンゾフェノンテトラカルボン
酸二無水物、ビフェニルテトラカルボン酸二無水物、エ
チレングリコ−ルビストリメリテ−ト酸二無水物などが
挙げられる。蒸着重合は、通常、真空層内で等モル量の
両モノマを別々の容器に設置し、加熱して蒸発させる。
このとき、両モノマの蒸発速度が等しくなるように温度
制御する。このようにして、基板上に得られた薄膜はポ
リアミド酸である。ポリアミド酸のままでレジストとし
て用いても良いが、さらにこれを加熱処理して、ポリイ
ミドに化学変化させてレジストとすることもできる。

【００３１】（ｄ）は、露光、現像によって蒸着重合膜
１に所望のレジストパターンを形成する工程である。露
光は、通常遠紫外線を用い、蒸着重合膜１の形成条件に
よって露光エネルギ−の適正値を選ぶ。通常、最大、数
百ｍＪ／cm²（２５４ｎｍ）である。現像はポリアミド
酸の良溶媒であるジメチルホルミアミド、ジメチルアセ
トアミド、Ｎ−メチルピロリドン等を単独で用いるか、
ポリアミド酸の貧溶媒である水、メタノ−ル、エタノ−
ル等との混合溶媒が使用される。

【００３２】（ｅ）は、蒸着重合膜１に形成されたパタ
ーンをマスクにしてＳｉ４をエッチングする工程であ
る。このときのエッチングは、乾式エッチング、なかで
も異方性に優れたフッ素系ガスを用いたリアクティブイ
オンエッチング（以下、ＲＩＥという）や、Ａｒガスを
用いたイオンミリングが好ましい。

【００３３】（ｆ）は、Ｓｉ４に形成されたパターンを
マスクにして炭素膜３をエッチングする工程である。炭
素膜３のエッチングは、酸素プラズマによる乾式エッチ
ングが望ましい。さらに望ましくは、酸素プラズマによ
るＲＩＥである。蒸着重合膜１は、通常、この工程でエ
ッチングされて除去される。このように、（ｅ）および
（ｆ）の工程に異方性の優れたＲＩＥを用いることで、
レジストパターンを精度良く下層材料のＳｉ４および炭
素膜３に転写することが可能になる。

【００３４】（ｇ）は、Ｓｉ４および炭素膜３に形成さ
れたパターンをマスクにして、被加工薄膜２をパターン
化する工程である。このパターン化には、通常、Ａｒイ
オンのイオンミリングが用いられる。このとき、エッチ
ングマスクとなるのは主として炭素膜３で、Ｓｉ４は、
通常、この工程で炭素膜３の一部上層とともにエッチン
グされて除去される。なお、（ｇ）の工程が終了した後
に、残存する炭素膜３をそのまま残して次の工程に移る
こともできるし、また、酸素プラズマによりエッチング
して除去することもできる（図示せず）。

【００３５】上記図２に示すパターン形成方法の具体例
を、（その１）および（その２）について順に以下に説
明する。まず、具体例（その１）について説明する。

【００３６】前記図１に示すパターン形成方法の具体例
と同様に、直径３インチのシリコンウェハ上に深さ１０
μｍ、幅５０μｍ、のラインアンドスペースのポリイミ
ド系樹脂パターンを形成し、さらに、この上に厚さ１μ
ｍのパーマロイ（被加工薄膜）２を形成した。

【００３７】つぎに、上記基板上に厚さ１μｍの炭素膜
３を次の手順で形成した。（工程ａ）すなわち、ステン
レス製真空槽内部に、半径１０ｃｍの一対の円板状平行
平板電極をもち、その一方は、高周波電源とマッチング
ボックスとを介して電気的に接続され、他方は、真空槽
とともに接地された電極構造を有する構成のプラズマＣ
ＶＤ装置の高周波印加側電極上に前記基板を設置し、該
基板を２００℃に加熱した。ついで真空槽を１×１０~⁴
Ｐａの真空度まで排気した後、ｎ−ヘキサンを毎分１０
ｍｌ供給し、排気速度を調節して槽内圧力を２．６Ｐａ
に保持した。つぎに、周波数１３．５６ＭＨｚ、電力２
００Ｗの高周波電力を印加してプラズマを発生させ、こ
の状態で２０分間放電状態を保持した後、高周波電力の
印加を止めた。

【００３８】つぎに、前記基板上にＳｉ４をＲＦスパッ
タ法で０．２μｍの厚さに形成した。（工程ｂ）さら
に、この上に前記図１に示すパターン形成方法の具体例
と同じモノマから形成された蒸着重合膜１のパターン
を、該具体例と同様に形成した。ただし、このときの蒸
着重合膜１の厚さは、０．５μｍであった。（工程ｃ）つぎに、蒸着重合膜１に、前記図１に示すパターン形成
方法の具体例と同じフォトマスクを使用し、下層のポリ
イミド系樹脂パターンと直交するように配置して、４０
０ｍＪ／cm²（３６５ｎｍ）の紫外光を照射し、ついで
現像して、ネガパターンを得た。（工程ｄ）つぎに、上記基板を、炭素膜３を形成したときと同じ真
空装置、同じ電極側に設置し、真空排気の後、ＣＦ
₄（Ｏ₂５％入り）を毎分２０ｍｌの流量で導入して内圧
を１０Ｐａとし、高周波電力１００Ｗを４分間印加し
た。この工程でレジストのパターンがＳｉ４に転写され
た。（工程ｅ）続いて、該基板を真空装置内に入れたまま、一担真空排
気して１．３×１０~¹Ｐａにし、酸素ガスを毎分５ｍｌ
導入して内圧を１．３Ｐａにするとともに、高周波電力
１００Ｗを３０分間印加した。これにより、Ｓｉ４のパ
ターンが炭素膜３に転写され、レジストのない部分のパ
ーマロイ２が露出した。（工程ｆ）つぎに、パーマロイ２のイオンミリングを以下の通りに
行った。すなわち、前記基板をイオンミリング装置の基
板ホルダに設置し、加速電圧が７００Ｖ、減速電圧が２
００Ｖ、アーク電圧が８０Ｖ、Ａｒ流量が毎分１５ｍ
ｌ、イオン入射角が３０°の条件で２０分間イオンミリ
ングを行い、露出した部分のパーマロイ２を除去した。
（工程ｇ）上記方法にて形成したパーマロイ２のラインアンドスペ
ースパターンの線幅を測定したところ、基板面内３０箇
所の寸法のばらつきは、５．５４±０．４３μｍの高精
度の測定結果が得られた。また、パターン形状も良好な
結果が得られ、前記スパッタ粒子の再付着は認められな
かった。

【００３９】つぎに、具体例（その２）について説明す
る。前記具体例（その１）と同様に、直径３インチのシ
リコンウェハ上に深さ１０μｍ、幅５０μｍ、のライン
アンドスペースのポリイミド系樹脂パターンを形成し、
さらに、この上に厚さ１μｍのパーマロイ（被加工薄
膜）２を形成した。

【００４０】つぎに、前記基板上に、前記具体例（その
１）と同様にして、炭素膜３とＳｉ４の膜を形成した。
（工程ａ），（工程ｂ）つぎに、蒸着重合膜１を以下の通りに形成した。すなわ
ち、エチレングリコ−ルビストリメリテ−ト酸二無水物
とビス（４−アミノフェニル）テトラメチルジシランを
当モル量別々に真空装置内に設置し、１×１０~⁴Ｐａ以
上の真空度に排気後、酸二無水物を１００℃に、また、
ビス（４−アミノフェニル）テトラメチルジシランを８
０℃にそれぞれ加熱して３０分間蒸発させ、４０℃の前
記基板上に堆積させた。この堆積物を２００℃に加熱処
理して０．５μｍの厚さの蒸着重合膜１を得た。（工程
ｃ）つぎに、前記形成された蒸着重合膜１に、前記具体例
（その１）と同じフォトマスクを使用し、下層のポリイ
ミド系樹脂パターンと直交するように配置して、４００
ｍＪ／cm²（３６５ｎｍ）の紫外光を照射し、ついでＮ
−メチル−２−ピロリドンと水の３：１の現像液で現像
して、ポジパターンを得た。（工程ｄ）つぎに、上記基板を前記具体例（その１）と全く同様に
して、下層のＳｉ４および炭素膜３およびパ−マロイ２
をパタ−ン化した。（工程ｅ，ｆ，ｇ）上記方法にて形成したパーマロイ２のラインアンドスペ
ースパターンの線幅を測定したところ、基板面内３０箇
所の寸法のばらつきは、５．４２±０．４７μｍの高精
度の測定結果が得られた。また、パターン形状も良好な
結果が得られ、前記スパッタ粒子の再付着は認められな
かった。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、大きい凹
凸の段差部をもつ基板に、該段差部にならってほぼ均一
な厚さでレジストを形成することが可能になり、現像後
の寸法精度を向上するとともに、レジストの感度を向上
することができる。また、レジストの厚さを段差の凹部
でも薄くできるので、イオンミリングの際の再付着を防
ぐことができ、加工パターン精度の向上および断面形状
改善の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の発明の実施例で、蒸着重合膜の
みを用いるパターン形成の工程図である。

【図２】本発明の第２の発明の実施例で、三層積層膜を
用いたパターン形成の工程図である。

【符号の説明】

１…蒸着重合膜、２…被加工薄膜（パーマロイ）、３…
炭素膜（第１層の膜）、４…Ｓｉ（第２層の膜）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所 // Ｃ０８Ｇ 73/10 ＮＴＦ 9285−4Ｊ (72)発明者斉藤治信神奈川県小田原市国府津2880番地株式会社日立製作所ストレージシステム事業部内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被加工面内に大きな高低差の凹凸を有す
る基板に形成された被加工薄膜上に、蒸着重合法によっ
てレジストパターンを形成し、物理スパッタ法を主とす
る乾式エッチング方法によりレジストのない部分の前記
被加工薄膜を除去してパターン化するパターン形成方法
において、前記レジストパターンを、ビス（４−アミノ
フェニル）テトラメチルジシランと酸二無水物から形成
されるポリイミドあるいはポリアミド酸にて形成したこ
とを特徴とするパターン形成方法。
【請求項２】被加工面内に大きな高低差の凹凸を有す
る基板に形成された被加工薄膜上に、酸素プラズマによ
り除去され易い材料からなる第一層の膜が形成され、該
膜上に前記酸素プラズマにより除去され難い材料からな
る第二層の膜が形成され、さらに第二層の膜上に、電磁
波または粒子線照射、および現像によりパターン形成可
能な第三層の膜が形成されてなる三層積層膜の前記被加
工薄膜を除去してパターン化するパターン形成方法にお
いて、前記第三層の膜を、ビス（４−アミノフェニル）
テトラメチルジシランと酸二無水物から蒸着重合により
形成されるポリイミドあるいはポリアミド酸にて形成し
たことを特徴とするパターン形成方法。