JPH09236932A

JPH09236932A - 微細パターン形成方法

Info

Publication number: JPH09236932A
Application number: JP9054364A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Tada; 哲也多田; Toshihiko Kanayama; 敏彦金山
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1997-03-10
Filing date: 1997-03-10
Publication date: 1997-09-09

Abstract

(57)【要約】【課題】電子線を用いるリソグラフィー法により、部
分的に異なる耐エッチング性を有する微細パターンを容
易に形成することができ、１回のエッチング処理によ
り、２段ステップ加工を行いうる方法を提供する。【解決手段】基板上に、ポリメチルメタクリレートの
ようなエチレン性不飽和単量体の重合体薄膜を設け、低
照射線量の電子線を照射したのち、さらに高照射線量の
電子線を照射し、次いでアセトンのような低分子量ケト
ンを用いて現像する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、微細パターン形成方法
の改良に関するものである。さらに詳しくいえば、本発
明は、電子線を用いたリソグラフィー法により、部分的
に異なる耐エッチング性を有する微細パターンを容易に
形成することができる微細パターン形成方法に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＩＣやＬＳＩなどの半導体素子な
どの製造プロセスにおいては、ホトレジストを用いたリ
ソグラフィー法による微細加工がなされている。これ
は、シリコンウエーハなどの基板上にホトレジストの薄
膜を形成し、これに活性光線を照射して画像形成処理し
たのち、現像処理して得られたレジストパターンをマス
クとして、基板をエッチングする方法である。

【０００３】近年、半導体素子の高集積化度が急速に高
まり、高い精度の微細加工が要求されるようになってき
た。それに伴い、照射に用いられる活性光線も電子線、
エキシマレーザー、Ｘ線などが使用され始めている。

【０００４】上記電子線に感応する有機レジストとし
て、多種多様のものが知られているが、従来の有機レジ
ストは、解像度が低い上に、耐ドライエッチング性が不
十分なため、１０ｎｍオーダー程度の微細なエッチング
加工を行う場合には、リフトオフやエッチングにより他
のドライエッチング耐性を有する材料に転写するという
煩雑な方法を用いなければ、アスペクト比の高い微細パ
ターンを得ることができなかった。

【０００５】他方、半導体素子の高集積化に際し、基板
上にエッチングにより複数段のパターンを形成させるこ
とが必要になってきている。従来、このような多段パタ
ーン形成するには、例えば図１に示す工程図に従い、先
ず基板１の上に感光層２を設け（ａ）、所定の領域２′
のみに選択的な露光処理を施して画像を形成させ
（ｂ）、現像処理して領域２′以外の感光層を除いて第
一パターンを形成させ（ｃ）、このパターンをマスクと
してドライエッチング処理して第一のステップ３を形成
させたのち（ｄ）、再び基板表面に感光層４を設け
（ｅ）、前記と同様に露光、現像を行って第二パターン
４′を形成させ（ｆ、ｇ）、さらにドライエッチング処
理して第二のステップ５を形成させる（ｈ）という複雑
な工程がとられていた。この方法においては、第１段階
の画像形成処理後、描画装置から試料を取り出し、エッ
チングなどの加工を行ったのち、再び第２段階の画像形
成処理のために、試料を描画装置に戻さねばならず、し
たがって、第２段階の画像形成では、第１段階のパター
ンに対する位置合わせが必要であって、かなりの高精度
な位置合わせが要求されるなどの問題があり、ナノメー
ターオーダーの加工は不可能であった。このため、この
ような工程を簡略化して、工業的に実施するのに適した
方法に対する要望が高まってきていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
事情のもとで、電子線を用いるリソグラフィー法によ
り、部分的に異なる耐エッチング性を有する微細パター
ンを容易に形成することができ、１回のドライエッチン
グにより二段ステップ加工を行いうる方法を提供するこ
とを目的としてなされたものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】プロピレン、スチレン、
アクリル酸、メタクリル酸、アクリル酸エステル、メタ
クリル酸エステル、アクリルアミド、メタクリルアミド
などのエチレン性不飽和単量体の重合体又は共重合体の
中である程度高い分子量（約１０⁴ａｍｕ以上）をもつ
ものは、メチルイソブチルケトンのような比較的高い分
子量のケトンに不溶であるが、電子線を照射すると、主
鎖が切断され、このケトンに溶解するようになるので、
この物性を利用して、ポジ型レジストとして用いられて
いる。

【０００８】ところで、前記の重合体や共重合体は、ア
セトンのような低分子量のケトンには分子量の大小にか
かわらず溶解するが、主鎖切断が進行する照射量よりも
大きい照射量の電子線を照射すると、側鎖の脱離と重合
が起りはじめ、１種の炭化現象が進行する結果、低分子
量ケトンにも不溶となり、この物性を利用して現像すれ
ば電子線の照射部分のみをパターンとして残すことがで
きる。この現像は、低分子量ケトンのみにより可能であ
って、従来現像液として用いられてきたメチルイソブチ
ルケトンのような高分子量ケトンでは、良好なコントラ
ストで現像することはできない。

【０００９】そして、前記の重合体又は共重合体を電子
線感応層として基板表面に施し、それぞれ異なった照射
量の電子線照射による画像形成処理を行ったのち、低分
子量ケトンによる現像処理を行うと、耐ドライエッチン
グ性の異なる複数ステップのパターンが形成されるの
で、これをドライエッチングすることにより、基板に１
回の操作で複数ステップの微細加工を行うことができ
る。本発明は、これらの知見に基づいてなされたもので
ある。

【００１０】すなわち、本発明は、基板上に、エチレン
性不飽和単量体単位の少なくとも１種を繰り返し単位と
する重合体又は共重合体から成る電子線感応層を設け、
それぞれ異なった照射量の電子線照射による画像形成処
理を行ったのち、低分子量ケトンにより現像処理するこ
とを特徴とする部分的に異なる耐エッチング性を有する
微細パターン形成方法を提供するものである。

【００１１】本発明の微細パターン形成法においては、
電子線感応層をエチレン性不飽和単量体単位の少なくと
も１種を繰り返し単位とする重合体又は共重合体で形成
することが重要である。この重合体又は共重合体とし
て、好ましくは、一般式（Ｉ）

【化２】（式中のＲ¹は水素原子又はメチル基、Ｒ²は水素原子、
メチル基、フェニル基、カルボキシル基、エステル基又
はアミド基である）で表わされる少なくとも１種のエチ
レン性不飽和単量体から誘導される単位を繰り返し単位
とする重合体又は共重合体が用いられる。この一般式
（I）の重合体又は共重合体を形成するための単量体と
しては、アクリル酸、メタクリル酸、２‐フェニルアク
リル酸、２‐アセチルアクリル酸、アクリル酸メチル、
メタクリル酸メチル、２‐フェニルアクリル酸メチル、
２‐アセチルアクリル酸メチル、アクリルアミド、メタ
クリルアミド、２‐フェニルアクリルアミド、２‐アセ
チルアクリルアミドなど少なくとも１種が用いられる
が、これらの中でメタクリル酸メチルを単独で用いるの
が好ましい。これらの重合体又は共重合体が電子線によ
り、側鎖の脱離や再重合を起すことは、これまで既に知
られている（例えば、昭和５９年７月３０日産業図書出
版株式会社発行、鳳紘一郎編著、「半導体リソグラフィ
ー技術」，第２章参照）

【００１２】本発明において、電子線感応層を形成する
重合体又は共重合体は、分子量が１０００〜２００万の
範囲のものが好適であり、また単独で用いてもよいし、
２種以上を組み合わせて用いてもよいが、特にポリメチ
ルメタクリレートが好適である。

【００１３】本発明方法においては、まず基板上に前記
重合体又は共重合体から成る電子線感応層を設ける。こ
こで、基板については特に制限はなく、従来リソグラフ
ィー法による微細パターン形成において慣用されている
もの、例えばシリコンウエーハをはじめ、窒化ケイ素、
ガリウム‐ヒ素、アルミニウム、インジウム、チタン酸
化物などの被膜を有するものを用いることができる。

【００１４】基板上に電子線感応層を設けるには、例え
ば前記重合体又は共重合体を適当な溶媒に溶解して塗布
液を調製し、これをスピンナーなどで基板上に塗布し、
乾燥させる方法などが好ましく用いられる。この電子線
感応層の厚さは、通常１０〜１００ｎｍの範囲で選ばれ
る。

【００１５】次に、このようにして基板上に設けられた
電子線感応層に、異なった照射量の電子線を照射して画
像を形成させる。この画像形成処理は２回以上行うのが
好ましいが、後述するように、電子線自体の有する強度
分布を利用することで１回だけとすることもできる。電
子線の照射量については、前記重合体又は共重合体の主
鎖切断が進行する電子線照射量より多い照射量の電子線
を照射し、側鎖も脱離と重合が起こる状態、いわば炭化
したような状態にすることが肝要である。このような状
態になると、アセトンなどの低分子量ケトンに不溶とな
るため、次工程の低分子量ケトンによる現像処理におい
て、電子線の未照射部分が溶解除去され、照射部分のみ
が残り、コントラストよく現像される。

【００１６】このような電子線の照射量は、前記重合体
又は共重合体の種類に応じて適宜選ばれ、通常２０ｋｅ
Ｖの電子線では５×１０^-4Ｃ／ｃｍ²以上、好ましくは
５×１０^-3Ｃ／ｃｍ²以上であり、その上限は特に制限
はないが、実用上には１０²Ｃ／ｃｍ²、好ましくは１０
Ｃ／ｃｍ²である。本発明方法における電子線による画
像形成は、電子線走査による描画が一般的であるが、所
望ならば所定のマスクパターンを用い、これを介して行
うこともできる。

【００１７】このようにして、電子線照射したのち、現
像処理が施されるが、本発明においては、現像液とし
て、低分子量ケトン、中でもアセトン、メチルエチルケ
トン及びジエチルケトンの中から選ばれた１種又は２種
以上の混合物が用いられる。これらの中で、特にアセト
ンが現像性の点で好適である。現像処理方法としては、
通常従来慣用されている浸せき法が用いられる。この現
像処理により、未照射部分が除去され、原画に忠実なレ
ジストパターンが形成される。

【００１８】次に、常法により、このようにして形成さ
れたレジストパターンをマスクとして、基板のエッチン
グ処理を行う。このエッチング処理としては、ドライエ
ッチング処理が好ましく用いられ、特に電子サイクロト
ロン共鳴型（ＥＣＲ）エッチング装置を使用するドライ
エッチング処理が好適である。このようにして、アスペ
クト比の高い微細パターンが高解像度で、かつ容易に形
成される。

【００１９】このような本発明の微細パターン形成方法
は、レジストが前記したような炭化のメカニズムで電子
線に感光することを利用しているため、アセトンなどの
低分子量ケトンで溶解されなかった部分、すなわち形成
されたレジストパターンのドライエッチング耐性が高
く、したがって、従来技術のように、他のドライエッチ
ング耐性を有する材料へのパターン転写などの手法を用
いなくても、アスペクト比の高い微細パターンを形成す
ることができる。また、電子線の照射の際、レジストの
主鎖切断が進行して、分子の大きさが小さくなっている
ため、解像度も高くなる。

【００２０】本発明方法として、好ましくは、１回の現
像及びエッチング処理で複数段のステップをもつ微細パ
ターンを形成させる方法が用いられるが、これについて
以下説明する。

【００２１】本発明において用いられる電子線感応層を
構成する前記重合体又は共重合体は、一般に図２に示す
特性を有している。すなわち、領域Ａの低照射線量露光
領域では耐エッチング性が低く、一方、領域Ｂの高照射
線量露光領域では耐エッチング性が高い。このような特
性を利用し、前記のようにして基板上に形成された電子
線感応層に、まず低照射線量（領域Ａ）の電子線を照射
して所要の画像形成を行ったのち、この照射部分の一部
にさらに高照射線量（領域Ｂ）の電子線を照射して異な
った画像形成を行い、次いで、前記と同様にして現像処
理及びエッチング処理を施す。このエッチング処理によ
り、低照射線量の照射部分は耐エッチング性が低いた
め、エッチングの比較的早い時期にマスクが削り取られ
るが、高照射線量の照射部分は耐エッチング性が高いの
で、エッチングに対するマスクとして機能する。したが
って、１回の現像及びエッチング処理により、２段のス
テップをもつアスペクト比の高い微細パターンを高解像
度で、かつ容易に形成することができる。

【００２２】図３は、本発明方法により、１回の現像及
びエッチング処理で２段のステップをもつ微細パターン
を形成するための工程図の１例であり、まず、基板１上
に電子線感応層２を形成したのち［（ａ）工程］、低照
射線量の電子線を照射して第１回目の画像形成を行い
［（ｂ）工程］、次いでこの照射部分２′の一部２″に
高照射線量の電子線を照射して、第２回目の画像形成を
行う［（ｃ）工程］。次に、これを現像処理すると、そ
れぞれ耐エッチング性の異なるマスク（２′、２″）が
形成されるので、［（ｄ）工程］、エッチング処理する
ことにより、（ｅ）を経て、２段のステップをもつ微細
パターン（ｆ）が形成される。

【００２３】このような方法においては、図２に示すよ
うに、レジストの耐エッチング性が領域Ａのような平ら
な部分、すなわち、耐エッチング性が電子照射量にほと
んど依存しない領域を途中でもっていることは重要なこ
とである。これは、このような領域があると、多少電子
線強度が揺らいでも、均一なパターンを形成することが
できるからである。つまり、照射する電子線の量が大ま
かに領域Ａ、領域Ｂに入るように照射線量を管理すれば
よい。逆に、このような領域がないと、形成されるパタ
ーンは電子線強度を敏感に反映することになるため、電
子線強度を極めて厳密に制御しなければならない。

【００２４】また、電子線は、一般にその全域にわたっ
て均一な強度分布を有しておらず、通常中心部が強く、
周辺部が弱く、また基板との相互作用により、二次電子
の発生で電子線の外側の部分も弱く露光される。したが
って、適当に電子線強度を調整することにより、電子線
の中心部が領域Ｂ、周辺部が領域Ａになり、電子線照射
量の異なった露光処理による画像形成処理、現像処理及
びエッチング処理を各１回行うことにより、２段のステ
ップをもつ微細パターンを高解像度で、かつ容易に形成
することができる。このようにして、１回の現像、エッ
チング処理で複数ステップの微細加工を行うことができ
る。

【００２５】

【発明の効果】本発明方法によると、電子線を用いたリ
ソグラフィー法により、部分的に異なる耐エッチング性
を有する微細パターンを容易に形成することができ、特
に１回の現像及びエッチング処理により、複数のステッ
プをもつアスペクト比の高い微細加工パターンを高解像
度で容易に形成することができる。

【００２６】

【実施例】次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説
明する。

【００２７】参考例分子量６０万のポリメチルメタクリレート（以下、ＰＭ
ＭＡと略記する）を、シリコン基板上にスピンコート法
により７５ｎｍの厚さに塗布し、電子線感応層を形成し
たのち、これに、２０ｋｅＶの電子線を、所定の微細パ
ターンに沿って、１０^-5〜１０^-1Ｃ／ｃｍ²の照射量の
範囲で照射し、次いでアセトンに２分間浸せきして現像
処理を行った。また、比較のために、同じ条件でメチル
イソブチルケトンによる現像処理を実施した。

【００２８】この際の感度特性を図４に示す。図４にお
いて、横軸は２０ｋｅＶ電子線の照射量を、縦軸は膜厚
を示す。また、Ａは露光後の膜厚、Ｂは露光後メチルイ
ソブチルケトンで現像した後の膜厚、Ｃは露光後アセト
ンで現像した後の膜厚である。

【００２９】この図４から分かるように、メチルイソブ
チルケトンによる現像では、１×１０^-3〜５×１０^-3Ｃ
／ｃｍ²の照射量のあたりでは残膜厚が揺らいでおり、
パターン形成には利用できない。これに対し、アセトン
による現像では揺らぎがみられず、コントラストよく現
像されている。

【００３０】さらに、図４から明らかなように、このＰ
ＭＭＡはネガティブ型レジストとして、５×１０^-3Ｃ／
ｃｍ²の感度を有している。また、電子線照射後の膜厚
は、電子線照射量が増大するほど薄くなっている。これ
は、電子線照射によってＰＭＭＡ分子の側鎖が脱離し、
さらに重合が進行して炭化されたようになるためであ
る。このため、エッチングに対する耐性も高くなる。

【００３１】次に、この分子量６０万のＰＭＭＡを、シ
リコン基板上にスピンコート法で７５ｎｍの厚さに塗布
したのち、２０ｋｅＶの電子線を０．１Ｃ／ｃｍ^２の照
射量で１０ｎｍドットのパターニングを行い、次いでア
セトンで２分間現像したところ、実際に直径１０ｎｍの
ドットパターンを形成することができた。次に、この試
料を電子サイクロトロン共鳴型（ＥＣＲ）エッチング装
置内に入れ、上記パターンをマスクとしてドライエッチ
ング（試料温度：−１３０℃、エッチングガス：ＳＦ₆
１×１０^-4ｔｏｒｒ、マイクロ波：２．４５ＧＨｚ、２
５０Ｗ、試料に１３．５６ＭＨｚ高周波５Ｗを印加）を
１分間行った。その結果、直径１０ｎｍ、高さ９０ｎｍ
のシリコンの柱を形成することができた。

【００３２】実施例１分子量６０万のＰＭＭＡを、シリコン基板上にスピンコ
ート法にて７５ｎｍの厚さに塗布し、電子線感応層を形
成したのち、これに、２０ｋｅＶの電子線を、所定の微
細パターンに沿って、２×１０^-4〜５×１０⁰ Ｃ／ｃｍ
²の範囲の照射量で照射し、次いでアセトンで２分間現
像処理し、さらに残ったＰＭＭＡ膜をマスクとして、実
施例１と同様にＳＦ₆ガスによるＥＣＲエッチングを行
った。

【００３３】図５に、電子線照射量と、現像後のＰＭＭ
Ａの膜厚（Ｂ）及びＥＣＲエッチング後形成されたシリ
コンパターンのマスクで覆われていなかった部分から測
定した高さ（Ａ）との関係を示す。この高さは耐エッチ
ング性に相当する。その理由は、耐エッチング性が低い
と、レジストは比較的早く削り取られてしまい、以降
は、地のシリコンと同じ早さでエッチングされていくの
で、底からの段差があまりつかない。一方、耐エッチン
グ性が高いとマスクが長時間残っているので、マスクの
下のシリコンはなかなか削られ始められず、シリコンパ
ターンの高さが高くなるからである。

【００３４】この図５から分かるように、ＰＭＭＡは、
ネガティブレジストとして用いる場合、ドライエッチン
グに対する耐性が図３に示すような特性をもつ。すなわ
ち、領域Ａに相当するのは６×１０^-3〜１×１０^-1Ｃ／
ｃｍ²であり、領域Ｂに相当するのは２×１０^-1Ｃ／ｃ
ｍ²以上である。したがって、ＰＭＭＡを塗布したシリ
コン基板に、２０ｋｅＶの電子線を１×１０^-2Ｃ／ｃｍ
²の照射量で、１μｍ×１μｍの矩形領域を露光し、次
いで０．３Ｃ／ｃｍ²の照射量で直径１０ｎｍのドット
パターンを矩形領域の中に露光したのち、アセトンで２
分間現像処理し、上記と同条件でＥＣＲエッチングを行
うことによって、１μｍ²のテラスの上に直径１０ｎｍ
のシリコンの柱が立っている構造のものを作成すること
ができた。

【００３５】実施例２分子量６０万のＰＭＭＡを、シリコン基板上にスピンコ
ート法にて７５ｎｍの厚さに塗布し、電子線感応層を形
成したのち、これに、直径１０ｎｍ以下に絞った２０ｋ
ｅＶの電子ビームを、所定の微細パターンを有するマス
クを通して、０．３Ｃ／ｃｍ²の照射量で照射し、ドッ
トの列を２列描画した。この場合、ビームが直接当った
領域の外側（直径５０ｎｍ程度）も２次電子によって露
光されるため（推定照射量は６×１０^-3〜０．１Ｃ／ｃ
ｍ²）、アセトンで現像処理したのち、ＥＣＲエッチン
グを行うことにより、１０ｎｍのシリコンの柱が奥行き
５０ｎｍ、幅１００ｎｍ程度のテラスの上に立っている
構造のものを作成することができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】２段のステップをもつ微細パターンを形成す
るための従来のリソグラフィー法の１例を示す工程図。

【図２】本発明で用いられる電子線感応層における電
子線照射量と耐エッチング性との関係を示すグラフ。

【図３】本発明方法により、１回の現像及びエッチン
グ処理で２段のステップをもつ微細パターンを形成する
ための工程図。

【図４】参考例において、電子線感応層に２０ｋｅＶ
電子線を照射した際の特性を示すグラフ。

【図５】実施例１において、電子線照射量と、現像後
のＰＭＭＡの膜厚及びエッチング後形成されたシリコン
パターンのマスクで覆われていなかった部分から測定し
た高さとの関係を示すグラフ。

【符号の説明】

１基板２感光層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に、エチレン性不飽和単量体単位
の少なくとも１種を繰り返し単位とする重合体又は共重
合体から成る電子線感応層を設け、異なった照射量の電
子線照射による画像形成処理を行ったのち、低分子量ケ
トンにより現像処理することを特徴とする部分的に異な
る耐エッチング性を有する微細パターン形成方法。
【請求項２】電子線感応層が、一般式【化１】（式中のＲ¹は水素原子又はメチル基、Ｒ²は水素原子、
メチル基、フェニル基、カルボキシル基、エステル基又
はアミド基である）で表わされる少なくとも１種のエチ
レン性不飽和単量体から誘導される単位を繰り返し単位
とする重合体又は共重合体から成る請求項１記載の方
法。
【請求項３】低分子量ケトンがアセトン、メチルエチ
ルケトン及びジエチルケトンの中から選ばれた少なくと
も１種である請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】電子線感応層がポリメチルメタクリレー
トから成る請求項２又は３記載の方法。
【請求項５】５×１０^-4〜１０²Ｃ／ｃｍ²の範囲内の
照射量で電子線を照射する請求項１ないし４のいずれか
に記載の方法。