JPH08293481A

JPH08293481A - パターン形成方法および素子形成方法

Info

Publication number: JPH08293481A
Application number: JP9825195A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Yoshimura; 俊之吉村; Yasushi Goto; 康後藤; Shinji Okazaki; 信次岡崎
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-04-24
Filing date: 1995-04-24
Publication date: 1996-11-05

Abstract

(57)【要約】【目的】薄膜レジストを用いても、パターン転写の際の
レジストマスクパターン劣化を抑制する。【構成】Ｓｉ基板２１上にエッチングストッパとして熱
酸化膜２２を形成し、その上に被加工材料である多結晶
Ｓｉ２３を形成し、酸化反応により多結晶Ｓｉ２３表面
に酸化膜２４を形成する。ネガ型レジスト２５に電子線
２６を照射し、現像した後に、レジストパターンを酸化
膜２４に転写して、引き続き多結晶Ｓｉ２３のエッチン
グを行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体の微細加工におけ
るパターン形成方法に係り、特に、極微細な半導体パタ
ーン形成に好適なパターン形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体形成で、パターンを形成する技術
を一般にリソグラフィと呼ぶ。リソグラフィ技術による
微細パターン形成方法で、現在主に用いられている方法
は図１に示す手順に従っている。ここでは最も標準的
な、レジスト１層（単層）による加工方法について説明
する。そして、簡単のために被加工材料としては、半導
体基板そのものを仮定する。

【０００３】まず加工すべき半導体の基板１１上に疎水
化処理を施して、レジストと呼ばれる炭素Ｃを主成分と
する主に有機高分子からなる薄膜の基板１１への接着性
を高める処理を行う。次に、レジスト１２溶液を基板１
１上に滴下して、主に回転塗布等の方法で図１（ａ）に
示すようにレジスト１２を基板１１に被着させる。そし
てレジスト溶液中の溶媒を飛散させるため、一般に加熱
処理（ベーク）を行う。ベークは一定の温度に設定され
たホットプレート上で基板を一定時間静置することによ
り行われる。

【０００４】そして、図１（ｂ）に示すように紫外線や
電子線等のエネルギ線１３を所望のパターンに従い選択
的に照射し、パターンの潜像１４を形成する。次いで現
像液中に基板１１を浸漬する。ここでエネルギ線１３の
照射によりレジスト１２内に化学変化が発生し、この現
像処理でパターン照射部である潜像１４部とパターン未
照射部とに現像液への溶解速度に差が生じるため、所望
のパターンを形成することができる。潜像１４部の溶解
速度が大きくなってこの部分が溶解する場合、図１
（ｃ）に示すようにポジ型のレジストパターンが得られ
る。一方、潜像１４部の溶解速度が小さくなってこの部
分が残存する場合、図１（ｄ）に示すようにネガ型のレ
ジストパターンが得られる。

【０００５】このようにしてレジストパターンを形成し
た後に、これをマスクとして例えばドライエッチングに
より、図１（ｅ）に示すようにドライエッチングによる
基板１１の加工が行われてきた。

【０００６】このようにパターン形成の際には、レジス
トパターンが基本となり基板１１へパターンが転写され
る。この際に、例えば、ジャーナルオブバキューム
サイエンスアンドテクノロジーズＢ第１０巻
２７８頁から２８５頁（１９９２年）(J. Vac. Sci.
Technol. B10， 278-285 (1992))に記述されているよう
に、パターン寸法が小さくなると共に、解像性を向上さ
せるためにレジストの膜厚を薄くする必要性がある。高
集積あるいは高機能の半導体素子を実現するために必要
とされる、パターン寸法が０.１ μｍ以下となった領域
では、レジスト膜厚は０.１から０.３μｍ程度になるこ
とが予想される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、パターン寸法
の微細化と共に、従来の単層レジストによるパターン形
成方法では不十分なことが明らかになってきた。すなわ
ち、従来法では基板の加工を行うドライエッチングの際
に、レジスト自体も同時にエッチングされてしまい、図
１（ｅ）に示すようにレジスト膜厚が減少する。このた
め、特にパターン寸法が０.１ μｍ以下の場合では、レ
ジスト薄膜化には限界があるという点である。

【０００８】ドライエッチングの際に、被加工材料とマ
スク材料のエッチング速度の比を一般に「エッチング速
度比」と呼ぶ。これが大きいほど、エッチング時のマス
ク材料の減少が少なく、薄膜であっても良好なマスクと
して機能することになる。通常の場合、例えば、被加工
材料を多結晶シリコン（Ｓｉ）等のＳｉとした場合、被
加工材料とレジストのエッチング速度比は５程度であ
る。この際、Ｓｉのエッチング深さにも依存するが、ド
ライエッチング進行中にレジストマスクの内で、被加工
材料上に残存したレジストが薄くなったパターン端部
や、エネルギ線照射量の分布のためにレジスト残膜厚が
薄くなった部分で、レジスト自体がエッチングされるた
め、実効的にレジストが消失する部分ができる現象が発
生する。このために、マスク形状が劣化してレジストパ
ターン形状が忠実には転写されない問題点が生じる。特
にレジストが薄膜化した場合、この問題は顕著となる。

【０００９】そこで、レジストパターン形状を被加工材
料に忠実に転写するために、エッチング速度比が１０以
上のマスク材料を、被加工材料上に形成する方法が取ら
れる場合がある。例えば、ジャパニーズジャーナル
オブアプライドフィズィックス第１１巻３２７
７頁から３２８１頁（１９９１年）(Jpn. J. Appl．Phy
s. 11， 3277-3281 (1991))に記述されているように、
多結晶Ｓｉ加工のために、化学的気相成長（ＣＶＤ）法
により酸化膜を多結晶Ｓｉ上に形成する方法が取られて
いる。多結晶Ｓｉと酸化膜のエッチング速度比は１０以
上であり、酸化膜は良好なマスクとして機能する。ここ
では、一旦、レジストパターンをマスク材料（酸化膜）
に転写する工程を経て、引き続き被加工材料（多結晶Ｓ
ｉ）をエッチングする。この方法によれば、マスク材料
（酸化膜）は被加工材料（多結晶Ｓｉ）に比べて十分薄
膜でよい。また、酸化膜とレジストのエッチング速度比
は１程度であることが知られている。したがって、レジ
スト自体の膜厚も薄膜化でき、レジストパターンの転写
でエッチング時間を短縮可能となり、上記のドライエッ
チング時におけるレジストパターンの劣化を抑制するこ
とが可能である。ところが、この場合にはＣＶＤ法やス
パッタ法等によるマスク材料（酸化膜）の形成工程が必
要であり、高価な装置や、真空排気に伴い長い形成時間
を要するという問題点がある。

【００１０】したがって、０.１μｍ以下の極微細パタ
ーンを高精度に形成する際に、解像性（パターン忠実
性）と簡便性（低コストで短時間処理）を両立させるこ
とが、高集積あるいは高機能の半導体素子を実用的に形
成するにあたり、大きな課題である。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
には、被加工材料自体の化学反応により、被加工材料が
露出した表面に薄膜を形成する工程，薄膜上にマスクパ
ターン形成材料を形成する工程，マスクパターン形成材
料にエネルギ線を選択的に照射して、マスクパターンの
潜像を形成する工程，現像処理によりマスクパターン形
成材料からなるマスクパターンを形成する工程，マスク
パターンをマスクとして薄膜をエッチングした後に、被
加工材料をエッチングする工程からなるパターン形成方
法、あるいはこれを用いた素子形成方法を取ればよい。

【００１２】

【作用】発明者等の実験によれば次のことが分かった。
すなわち、Ｓｉをドライエッチングにより加工する際、
Ｓｉ上に酸化反応または窒化反応により、酸化膜または
窒化膜を形成すると、これがマスクとして適用可能とい
う点である。通常の自然酸化膜は約０.５ｎｍ程度の厚
さである。一方、例えば、バレル型のプラズマ発生装置
内で、圧力１Torr，パワー２００Ｗの酸素プラズマ中に
１０分間放置すると、Ｓｉ基板上では１.５ｎｍ、不純
物を添加しない多結晶Ｓｉ上では３ｎｍの酸化膜が成長
する。同様に、窒素プラズマ中では多結晶Ｓｉ上で２ｎ
ｍの窒化膜が成長する。ここで言う酸化膜とは、二酸化
珪素(ＳｉＯ₂）を基本とするが、Ｓｉの酸化物一般を含
める。また窒化膜とは、四窒化三珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を基
本とするが、Ｓｉの窒化物一般を含める。

【００１３】このような薄膜酸化膜または薄膜窒化膜
を、臭化水素（ＨＢｒ）プラズマ中における通常のＳｉ
ドライエッチング条件に置くと、Ｓｉとのエッチング速
度比は３０以上であることが分かった。ここでＳｉに
は、単結晶，多結晶，不定形（アモルファス）が含まれ
る。つまり、厚さ０.１ μｍ程度のＳｉ加工を行おうと
した場合には、上記の薄膜酸化膜または薄膜窒化膜を約
３ｎｍ形成すると、エッチングマスクとして十分に機能
する。したがって、解像性を向上させるためにレジスト
膜厚を薄膜化しても、酸化膜または窒化膜への転写のた
めのドライエッチング処理は短時間で可能であるため、
パターン忠実性は劣化せずに極微細パターン形成が可能
となる。

【００１４】

【実施例】

（実施例１）図２（ａ）に示すように、基板としてのＳ
ｉ基板２１上には、例えばエッチングストッパとして熱
酸化膜２２が公知の熱酸化法により１０ｎｍの厚さで形
成され、その上に被加工材料である多結晶Ｓｉ２３が公
知のＣＶＤ法で１００ｎｍの厚さで形成されている。多
結晶Ｓｉ２３には、不純物が添加されてもよい。

【００１５】そして、Ｓｉ基板２１，熱酸化膜２２，多
結晶Ｓｉ２３の全体を、例えばバレル型のプラズマ発生
装置に置き、圧力１Torr，周波数１３.５６ＭＨｚ，高
周波パワー２００Ｗの条件の酸素プラズマ中に１０分間
静置する。これにより図２（ｂ）に示すように、多結晶
Ｓｉ２３表面に酸化反応によって、厚さ３ｎｍの酸化膜
２４が形成される。酸化膜２４の厚さは、光学的測定法
により面内で一様であることが分かった。酸化膜２４の
厚さはプラズマ中の静置時間や高周波パワーの制御によ
り調整可能であり、静置時間や高周波パワーの増大と共
に膜厚は増大する。

【００１６】そして図２（ｃ）に示すように、公知のネ
ガ型レジスト２５を、例えば回転塗布法により５０ｎｍ
の膜厚に形成する。膜厚は５０ｎｍに限らず、膜厚を薄
くするほど解像性が向上して微細加工が可能となる。こ
こで、レジスト中の溶媒を飛散させるために、例えば１
００℃，２分間の熱処理を行う。

【００１７】エネルギ線として、ここでは電子線を用い
る場合について記述する。レジストの形成されたＳｉ基
板２１全体を公知の電子線直接描画装置に入れ、例えば
加速電圧５０ｋＶの電子線２６を、所望のパターンに基
づき選択的に照射する。電子線照射量は、例えば２０μ
Ｃ／cm²とする。これにより潜像２７が形成される。

【００１８】そして、例えば公知の湿式現像法により、
図２（ｄ）に示すようにネガ型レジスト２５のパターン
が形成される。ここでレジストの種類によっては、レジ
スト反応促進のために、現像前に熱処理を行う場合もあ
る。

【００１９】このようにレジストパターンが形成された
Ｓｉ基板２１全体を公知の平行平板型のドライエッチン
グ装置内に入れる。例えば、エッチングガスとしてＨＢ
ｒを用い、圧力２０ｍTorr，高周波パワー６００Ｗの条
件で３０秒間のエッチングを行うことにより、図２
（ｅ）に示すようにネガ型レジスト２５のパターンが酸
化膜２４に転写される。ここでネガ型レジスト２５もエ
ッチングされ膜厚が減少するが、酸化膜２４の膜厚が薄
くエッチング時間が短いために、レジストパターンが完
全に消失することはない。

【００２０】引き続き同一装置内で高周波パワーを３０
０Ｗと低下させることにより、多結晶Ｓｉ２３と酸化膜
２４のエッチング速度差を増大することが可能となり、
多結晶Ｓｉ２３のエッチングが進行する。３分間のエッ
チングを行うことにより、図２（ｆ）に示すようにネガ
型レジスト２５のパターンが忠実に転写された多結晶Ｓ
ｉ２３のパターンが高精度に形成される。この図ではネ
ガ型レジスト２５が消失しているが、酸化膜２４がマス
クとして機能するために忠実なパターン転写が可能とな
る。ここで、多結晶Ｓｉ２３のエッチングの際にネガ型
レジスト２５が残存してもよい。この際にはパターン端
部でレジストが消失しても、酸化膜２４がマスクとして
機能して、パターン転写には問題がない。このようにし
て、寸法０.１ μｍ以下のパターンが含まれる多結晶Ｓ
ｉパターンを高精度に形成することが可能となった。こ
こで多結晶Ｓｉ２３上に残った酸化膜２４は、多結晶Ｓ
ｉ２３の絶縁のために形成される層間絶縁膜の一部とし
て用いることができる。

【００２１】上記のエッチングにおける手順を説明す
る。ここでは、プラズマ中に生成するハロゲン（ここで
はＢｒ）ラジカルからの発光強度をモニタすることによ
り、エッチングの進行を判定することが可能である。例
えば、上記のエッチングでは始めの酸化膜エッチング時
の３０秒後に、露出したＳｉとラジカルが反応開始する
ために濃度が低下して発光強度は低下する。ここで高周
波パワーを低下させて多結晶Ｓｉのエッチングを進行さ
せる。そして発光強度が低下した状態が２分続いた後
に、多結晶Ｓｉのエッチングが終了する。ここで熱酸化
膜が露出するために、再び発光強度が上昇する。この状
態で１分間エッチングを続行して、オーバーエッチング
を行うことでエッチング残渣を除去する。酸化膜エッチ
ングの際にも、オーバーエッチングを行ってもよい。こ
のように、合計３分後にガス供給と高周波印加を停止し
て、エッチングを終了し、良好な形状を形成することが
できる。

【００２２】ここではネガ型レジストの場合について述
べたが、ポジ型レジストを用いた場合でも全く同様の考
え方が適用できる。また、ここでは酸化膜２４形成のた
めに酸素プラズマ中での反応を用いたが、酸化性の液中
での酸化反応，酸化性の気体中での酸化反応によっても
よい。また、被加工材料である多結晶Ｓｉの膜厚が薄い
場合には、通常Ｓｉ基板上に形成される極薄膜である自
然酸化膜を用いてもよい。

【００２３】また、上記ではＳｉとして多結晶の場合に
ついてのべたが、単結晶Ｓｉや不定形（アモルファス）
Ｓｉを加工する場合にも適用可能である。

【００２４】また、ここでは２回のドライエッチングを
同一の装置で行ったが、異なった装置でエッチングを行
ってもよい。エッチング装置としても平行平板型の他
に、マイクロ波プラズマエッチング装置，ヘリコン波プ
ラズマエッチング装置，誘導結合型プラズマエッチング
装置等を用いてもよく、イオン照射により加工材料をエ
ッチングする装置すべてで有効である。

【００２５】さらに、ここでエッチングガスとして用い
たＨＢｒの他に、塩素等のハロゲンを含むガスを用いる
ことにより、同様の結果を得ることができる。

【００２６】（実施例２）実施例１では、マスクパター
ンとして酸化膜を用いる場合について述べたが、ここで
は窒化膜を用いる例について述べる。図２と同様の工程
において、基板としてのＳｉ基板上には、例えばエッチ
ングストッパとして公知のＣＶＤ法によるＣＶＤ窒化膜
が１０ｎｍの厚さで形成され、その上に被加工材料であ
る多結晶Ｓｉが公知のＣＶＤ法で５０ｎｍの厚さで形成
されている。この多結晶Ｓｉには、不純物が添加されて
もよい。そして、Ｓｉ基板，窒化膜，多結晶Ｓｉの全体
を、例えば、平行平板型のプラズマ発生装置に置き、圧
力４０ｍTorr，高周波パワー４００Ｗの条件の窒素プラ
ズマ中に１０分間静置する。ここで多結晶Ｓｉ表面に窒
化反応によって、厚さ２ｎｍの窒化膜が形成される。こ
の窒化膜の厚さは、光学的測定法により面内で一様であ
ることが分かった。窒化膜の厚さはプラズマ中の静置時
間や高周波パワーの制御により調整可能であり、静置時
間や高周波パワーの増大と共に膜厚は増大する。

【００２７】そして、公知のネガ型レジストを、例えば
回転塗布法により３０ｎｍの膜厚に形成する。膜厚は３
０ｎｍに限らず、膜厚を薄くするほど解像性が向上して
微細加工が可能となる。ここで、レジスト中の溶媒を飛
散させるために、例えば100℃，２分間の熱処理を行
う。

【００２８】エネルギ線として、ここでは電子線を用い
る場合について記述する。レジストの形成されたＳｉ基
板全体を公知の電子線直接描画装置に入れ、例えば加速
電圧５０ｋＶの電子線を、所望のパターンに基づき選択
的に照射する。電子線照射量は、例えば４０μＣ／cm²
とする。これにより潜像が形成される。

【００２９】そして、例えば公知の湿式現像法により、
ネガ型レジストのパターンが形成される。ここでレジス
トの種類によっては、レジスト反応促進のために、現像
前に熱処理を行う場合もある。

【００３０】このようにレジストパターンが形成された
Ｓｉ基板全体を公知の平行平板型のドライエッチング装
置内に入れる。例えばエッチングガスとしてＨＢｒを用
い、圧力２０ｍTorr，高周波パワー６００Ｗの条件で２
０秒間のエッチングを行うことにより、ネガ型レジスト
のパターンが窒化膜に転写される。ここでネガ型レジス
トもエッチングされ膜厚が減少するが、窒化膜の膜厚が
薄くエッチング時間が短いために、レジストパターンが
完全に消失することはない。

【００３１】引き続き同一装置内で高周波パワーを３０
０Ｗと低下させることにより、多結晶Ｓｉと窒化膜のエ
ッチング速度差を増大することが可能となり、多結晶Ｓ
ｉのエッチングが進行する。９０秒間のエッチングを行
うことにより、ネガ型レジストのパターンが忠実に転写
された多結晶Ｓｉのパターンが高精度に形成される。こ
こでネガ型レジストが消失する場合もあるが、窒化膜が
マスクとして機能するために忠実なパターン転写が可能
となる。ここで、多結晶Ｓｉのエッチングの際にネガ型
レジストが残存してもよい。この際にはパターン端部で
レジストが消失しても、窒化膜がマスクとして機能し
て、パターン転写には問題がない。このようにして、寸
法０.１μｍ以下のパターンが含まれる多結晶Ｓｉパタ
ーンを高精度に形成することが可能となった。ここで多
結晶Ｓｉ上に残った窒化膜は、多結晶Ｓｉの絶縁のため
に形成される層間絶縁膜の一部として用いることができ
る。

【００３２】上記のエッチングにおける手順を説明す
る。ここでは、プラズマ中に生成するハロゲン（ここで
はＢｒ）ラジカルからの発光強度をモニタすることによ
り、エッチングの進行を判定することが可能である。例
えば、上記のエッチングでは始めの窒化膜エッチング時
の２０秒後に、露出したＳｉとラジカルが反応開始する
ために濃度が低下して発光強度は低下する。ここで高周
波パワーを低下させて多結晶Ｓｉのエッチングを進行さ
せる。そして発光強度が低下した状態が１分続いた後
に、多結晶Ｓｉのエッチングが終了する。ここで窒化膜
が露出するために、再び発光強度が上昇する。この状態
で３０秒間エッチングを続行して、オーバーエッチング
を行うことでエッチング残渣を除去する。上記の窒化膜
エッチングの際にも、オーバーエッチングを行ってもよ
い。このように、合計９０秒後にガス供給と高周波印加
を停止して、エッチングを終了し、良好な形状を形成す
ることができる。

【００３３】ここではネガ型レジストの場合について述
べたが、ポジ型レジストを用いた場合でも全く同様の考
え方が適用できる。また、ここでは窒化膜形成のために
窒素プラズマ中での反応を用いたが、これには限られず
窒化性の液中での窒化反応，窒化性の気体中での窒化反
応によってもよい。

【００３４】また、Ｓｉとして多結晶の場合についての
べたが、単結晶Ｓｉや不定形（アモルファス）Ｓｉを加
工する場合でも適用可能である。

【００３５】また、ここでは２回のドライエッチングを
同一の装置で行ったが、異なった装置でエッチングを行
ってもよい。エッチング装置としても平行平板型の他
に、マイクロ波プラズマエッチング装置，ヘリコン波プ
ラズマエッチング装置，誘導結合型プラズマエッチング
装置等を用いてもよく、イオン照射により加工材料をエ
ッチングする装置すべてで有効である。

【００３６】さらに、ここでエッチングガスとして用い
たＨＢｒの他に、塩素等のハロゲンを含むガスを用いる
ことにより、同様の結果を得ることができる。

【００３７】（実施例３）前記の実施例１，２では、ド
ライエッチングによりパターン転写を行う方法について
述べた。ここでは湿式方法（ウェットエッチング）によ
り、パターンを転写する方法について述べる。

【００３８】図３（ａ）に示すように、例えば基板とし
て公知の絶縁膜上Ｓｉ（ＳＯＩ）基板を用いる。ここで
は薄膜の酸化膜３２をはさみ、単結晶のＳｉ基板３１と
単結晶のＳｉ領域３３が形成されている。公知の貼り合
わせ方法による場合、表面に熱酸化等により酸化膜を形
成したＳｉ基板を、酸化膜同士が接する形で貼り合わ
せ、その後一方のＳｉ基板を研磨して形成する。また公
知の酸素打込み法による場合、通常のＳｉ基板にイオン
打込み法により高エネルギの酸素イオンを導入して酸化
膜３２部分が形成される。ここでは、例えば酸化膜３２
が５０ｎｍの厚さで形成され、その上のＳｉ領域３３の
厚さは例えば１００ｎｍである。

【００３９】そして、Ｓｉ基板３１，酸化膜３２，Ｓｉ
領域３３の全体を、例えばバレル型のプラズマ発生装置
に置き、圧力１Torr，高周波パワー２００Ｗの条件の酸
素プラズマ中に１０分間静置する。これにより図３
（ｂ）に示すように、Ｓｉ領域３３表面に酸化反応によ
って、厚さ３ｎｍの表面酸化膜３４が形成される。

【００４０】そして図３（ｃ）に示すように、公知のネ
ガ型レジスト３５を、例えば回転塗布法により３０ｎｍ
の膜厚に形成する。ここでレジスト中の溶媒を飛散させ
るために、例えば１００℃，２分間の熱処理を行う。

【００４１】エネルギ線として、ここではＸ線を用いる
場合について記述する。レジストが形成されたＳｉ基板
３１全体を公知のＸ線露光装置に入れて、例えば波長１
３ｎｍのＸ線３６を、所望のパターンに基づき選択的に
照射する。Ｘ線露光量は、例えば１００ｍＪ／cm²とす
る。これにより潜像３７が形成される。

【００４２】そして、例えば公知の湿式現像法により、
図３（ｄ）に示すようにネガ型レジスト３５のパターン
が形成される。ここでレジストの種類によっては、レジ
スト反応促進のために、現像前に熱処理を行う場合もあ
る。

【００４３】このようにレジストパターンが形成された
Ｓｉ基板３１全体を、例えば１重量％のフッ酸水溶液に
９０秒間浸漬する。これにより、図３（ｅ）に示すよう
にネガ型レジスト３５のパターンが表面酸化膜３４に転
写される。

【００４４】そしてＳｉ基板３１全体を、例えば４０重
量％の水酸化カリウム水溶液に３０秒間浸漬する。これ
により、図３（ｆ）に示すようにネガ型レジスト３５の
パターンが忠実に転写されたＳｉ領域３３のパターンが
高精度に形成される。この図ではネガ型レジスト３５が
水酸化カリウム水溶液に溶解して消失しているが、酸化
膜２４が強固なマスクとして機能するために、忠実なパ
ターン転写が可能となる。ここで、Ｓｉ領域３３のエッ
チングの際にネガ型レジスト３５が残存してもよい。こ
の際、パターン端部でレジストが消失しても、酸化膜３
４がマスクとして機能し、パターン転写には問題がな
い。このようにして、寸法０.１ μｍ以下のパターンが
含まれる多結晶Ｓｉパターンを高精度に形成することが
可能となった。ここでＳｉ領域３３上に残った表面酸化
膜３４は、Ｓｉ領域３３の絶縁のために形成される層間
絶縁膜の一部として用いることができる。

【００４５】ここではネガ型レジストの場合について述
べたが、ポジ型レジストを用いた場合にも全く同様の考
え方が適用できる。また、ここでは酸化膜３４形成のた
めに酸素プラズマ中での反応を用いたが、これには限ら
れず酸化性の液中での酸化反応，酸化性の気体中での酸
化反応によってもよい。また、被加工材料であるＳｉ領
域の膜厚が薄い場合には、通常Ｓｉ上に形成される極薄
膜である自然酸化膜を用いてもよい。

【００４６】また、上記ではＳｉとして単結晶の場合に
ついてのべたが、多結晶Ｓｉや不定形（アモルファス）
Ｓｉを加工する場合でも適用可能である。

【００４７】また、上記ではＳｉエッチングのマスクと
して酸化膜を用いる場合について述べたが、窒化膜を用
いても同様の結果が得られる。

【００４８】また、水酸化カリウム水溶液によるエッチ
ングにより形成されるパターンは、Ｓｉ領域３３の結晶
面方位により変化する。例えば、結晶面方位が（１０
０）の場合、エッチングは異方的に進行して、Ｓｉ領域
３３の形状はピラミッド状となる。また結晶面方位が
（１１０）の場合、Ｓｉ領域３３の形状は柱状に近い形
状となる。

【００４９】（実施例４）一般に、公知のＭＯＳ（金属
−酸化膜−半導体）型トランジスタにおけるゲート電極
は、多結晶Ｓｉからなっている。したがって、上記の加
工方法を用いて微細なゲート加工を行うことが可能とな
る。

【００５０】図４（ａ）に示すように基板としてのＳｉ
基板４１上には、ゲート酸化膜として熱酸化膜４２が公
知の熱酸化法により５ｎｍの厚さで形成され、その上に
被加工材料である多結晶Ｓｉ４３が公知のＣＶＤ法で５
０ｎｍの厚さで形成されている。この多結晶Ｓｉ４３に
は、不純物が添加されてもよい。そして、Ｓｉ基板４
１，熱酸化膜４２，多結晶Ｓｉ４３の全体を、例えば、
バレル型のプラズマ発生装置に置き、圧力１Torr，高周
波パワー２００Ｗの条件の酸素プラズマ中に５分間静置
する。ここで多結晶Ｓｉ４３表面に酸化反応によって、
厚さ１.５ｎｍの酸化膜４４が形成される。そして、公
知のネガ型レジスト４５を、例えば回転塗布法により２
０ｎｍの膜厚に形成する。ここで、レジスト中の溶媒を
飛散させるために、例えば１００℃，１分間の熱処理を
行う。レジストの形成されたＳｉ基板４１全体を公知の
電子線直接描画装置に入れ、例えば加速電圧５０ｋＶの
電子線を、所望のパターンに基づき選択的に照射する。
電子線照射量は、例えば５０μＣ／cm²とする。そし
て、例えば公知の湿式現像法により図２（ａ）に示すよ
うに、ネガ型レジスト４５のパターンが形成される。こ
こでレジストの種類によっては、レジスト反応促進のた
めに、現像前に熱処理を行う場合もある。

【００５１】このようにレジストパターンが形成された
Ｓｉ基板４１全体を、公知の平行平板型のドライエッチ
ング装置内に入れる。例えば、エッチングガスとしてＨ
Ｂｒを用い、圧力２０ｍTorr，高周波パワー６００Ｗの
条件で３０秒間のエッチングを行うことにより、図４
（ｂ）に示すようにネガ型レジスト４５のパターンが酸
化膜４４に転写される。ここでネガ型レジスト４５もエ
ッチングされ膜厚が減少するるが、酸化膜４４の膜厚が
薄くエッチング時間が短いために、レジストパターンが
完全に消失することはない。

【００５２】引き続き同一装置内で高周波パワーを３０
０Ｗと低下させることにより、多結晶Ｓｉ４３と酸化膜
４４のエッチング速度差を増大することが可能となり、
多結晶Ｓｉ４３のエッチングが進行する。９０秒間のエ
ッチングを行うことにより、図４（ｃ）に示すようにネ
ガ型レジスト４５のパターンが忠実に転写された多結晶
Ｓｉ４３のパターンが高精度に形成される。この図では
ネガ型レジスト４５が消失しているが、酸化膜４４がマ
スクとして機能するために忠実なパターン転写が可能と
なる。ここで、多結晶Ｓｉ４３のエッチングの際にネガ
型レジスト４５が残存してもよい。この際にはパターン
端部でレジストが消失しても、酸化膜４４がマスクとし
て機能して、パターン転写には問題がない。このように
して、寸法０.１ μｍ以下のパターンが含まれる多結晶
Ｓｉからなるゲート電極パターンを高精度に形成するこ
とが可能となった。ここで多結晶Ｓｉ２３上に残った酸
化膜２４は、多結晶Ｓｉ２３の絶縁のために形成され
る、層間絶縁膜の一部として用いることができる。

【００５３】ここではネガ型レジストの場合について述
べたが、ポジ型レジストを用いた場合にも全く同様の考
え方が適用できる。また、ここでは酸化膜２４形成のた
めに酸素プラズマ中での反応を用いたが、これには限ら
れず酸化性の液中での酸化反応，酸化性の気体中での酸
化反応によってもよい。また、被加工材料である多結晶
Ｓｉの膜厚が薄い場合には、通常Ｓｉ基板上に形成され
る極薄膜である自然酸化膜を用いてもよい。

【００５４】以上の実施例ではＭＯＳトランジスタの製
造に関して記述したが、本発明は、０.１ μｍ以下の寸
法を必要とする半導体素子全般の形成に適用できる。機
能性素子としては、例えばバイポーラ(両極性)トランジ
スタ，バイポーラ−ＣＭＯＳ（相補性−金属−酸化膜−
半導体）トランジスタ，単一電子トランジスタ，超伝導
トランジスタ、及び量子効果トランジスタがあげられ
る。この他にも、０.１μｍ以下の寸法を必要とするも
のには全て適用できる。

【００５５】また、加工する対象は半導体素子に限られ
ず、光ディスク，光磁気ディスク等の無機材料を加工す
る必要がある場合にも適用できる。このように、加工寸
法が０.１ μｍ以下の領域が必要であり、パターンを転
写して加工基板を加工する場合には全て適用できる。

【００５６】上記の実施例では、レジストの基板上への
形成は公知の回転塗布法による場合について述べた。し
かし、形成方法として、公知の蒸着法，化学的気相成長
法，ラングミュア−ブロジェット法，液相成長法によっ
て基板上にレジスト膜を形成してもよい。

【００５７】また、上記の実施例ではエネルギ線として
電子線やＸ線の場合について述べた。その他のエネルギ
線として、イオン線等の粒子線や、紫外線，ガンマ線を
含む電磁波を用いた場合についても、全く同様の議論が
成り立つものである。

【００５８】また、上記ではＳｉエッチングのマスクと
して酸化膜を用いる場合について述べたが、窒化膜を用
いても同様の結果が得られる。

【００５９】また、印加高周波の周波数として１３.５
６ＭＨｚを用いたが、２ＭＨｚ等の他の周波数を用い
てもよい。

【００６０】そして、上記の実施例ではレジストの現像
方法として湿式現像法の場合について述べたが、公知の
乾式（ドライ）現像法を用いてもよい。

【００６１】さらに、上記の実施例では被加工材料とし
てＳｉの場合について述べたが、基本的に表面に酸化膜
を形成する材料であれば、全く同様の考え方を適用する
ことができる。それにあたる材料は、例えばアルミニウ
ム（Ａｌ），タングステン（Ｗ），銅（Ｃｕ），クロム
（Ｃｒ）およびそれらの合金があげられる。そして、基
板はそれら単独の場合であってもよく、あるいはガラス
等の絶縁材料、またはＧａＡｓ等の半導体材料、または
他の金属材料であって、これらの上に積層された構造で
あってもよい。

【００６２】

【発明の効果】本発明によれば薄膜レジストパターンを
忠実に被加工材料に転写でき、低コストで高集積で高機
能の半導体素子を形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のパターン形成方法の説明図。

【図２】本発明の一実施例によるパターン形成方法の説
明図。

【図３】本発明の一実施例によるパターン形成方法の説
明図。

【図４】本発明の一実施例によるゲート電極の形成方法
の説明図。

【符号の説明】

２１…Ｓｉ基板、２２…熱酸化膜、２３…多結晶Ｓｉ、
２４…酸化膜、２５…ネガ型レジスト、２６…電子線、
２７…潜像。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被加工材料のパターンを形成するパターン
形成方法において、前記被加工材料自体の化学反応によ
り、前記被加工材料が露出した表面に薄膜を形成する工
程、前記薄膜上にマスクパターン形成材料を形成する工
程、前記マスクパターン形成材料にエネルギ線を選択的
に照射して、マスクパターンの潜像を形成する工程、現
像処理により前記マスクパターン形成材料からなるマス
クパターンを形成する工程、前記マスクパターンをマス
クとして前記薄膜をエッチングした後に、前記被加工材
料をエッチングする工程からなることを特徴とするパタ
ーン形成方法。
【請求項２】前記パターンの少なくとも一部に、０.１
μｍ以下の領域が含まれる請求項１に記載のパターン形
成方法。
【請求項３】前記被加工材料の前記化学反応が前記被加
工材料の酸化反応または窒化反応であり、前記薄膜が前
記被加工材料の酸化膜または窒化膜である請求項１に記
載のパターン形成方法。
【請求項４】前記被加工材料がシリコンである請求項
１，２または３に記載のパターン形成方法。
【請求項５】請求項１，２，３または４に記載されたパ
ターン形成方法によって得られた前記パターンを用い
て、素子構成部分を形成する素子形成方法。