JPH10163095A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 露光に要する作業時間を短すると共に、保守
点検等のコストを安くし、しかも、リフトオフしたとき
に電極にばりが発生することを防止して高品質の電極を
形成する。 【解決手段】 本発明の半導体装置の製造方法は、半導
体基板１１の上にフォトレジスト層１２を形成した後、
フォトレジスト層１２の表面部分に溶解速度が低いレジ
スト難溶解層１３を形成し、そして、フォトレジスト層
１２を紫外線等の光で露光してから現像することにより
フォトレジスト層１２にオーバーハング部１４ａを有す
る開口部１４を形成し、この後、フォトレジスト層１２
の上に金属層１５を形成してから、フォトレジスト層１
２をリフトオフすることにより電極１６を形成する方法
を備えている。この方法によれば、紫外線等の光を用い
るステッパ露光装置を使用可能な構成でありながら、開
口部１４の内側壁の形状をオーバーハング部１４ａを有
する形状とすることができ、ばりのない高品質の電極１
６を形成することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置として
例えばハーフミクロン程度の微細なゲート電極を有する
電界効果トランジスタを製造するような場合に好適する
半導体装置の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ミリ波等の周波数帯域で動作させる電界
効果トランジスタ（以下、ＦＥＴと称す）である例えば
ＧａＡｓＦＥＴ、ＨＥＭＴ、ＭＥＳＦＥＴ等には、ゲー
ト長がハーフミクロン程度の微細なゲート電極が用いら
れている。このようなゲート電極を用いると、ＦＥＴの
動作特性を向上させることができる。上記微細なゲート
電極を形成する方法の一例として、特開平５−２９２１
３号公報に記載された方法がある。

【０００３】この方法では、電子ビーム描画によってレ
ジスト層にゲート電極形成用の開口部を形成するように
構成されている。具体的には、図８に示すように、半導
体基板１の上にレジスト層２を形成した後、このレジス
ト層２を電子ビーム描画してから現像することにより、
レジスト層２にゲート電極形成用の開口部３を形成す
る。この場合、電子ビームの特徴を活かすことにより、
開口部３の内側壁が逆テーパ形状をなすように形成す
る。そして、このようなレジスト層２の上にゲート電極
用の金属を蒸着して金属層４を形成する。図８に示す状
態は、上記金属層４を形成した状態を示している。この
後、レジスト層２及びこのレジスト層２の上に形成され
ている金属層４をリフトオフすることにより、ゲート電
極５を形成する。

【０００４】上記した製造方法によれば、レジスト層２
の開口部３の内側壁を逆テーパ形状に構成したので、ハ
ーフミクロン程度の微細なゲート電極５を形成する場合
であっても、リフトオフしたときに、ゲート電極５にば
りが発生しなくなり、高品質のゲート電極５を形成する
ことができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した電子
ビーム描画によりレジスト層２を露光する方法の場合、
電子ビーム描画に要する作業時間が長いという事情があ
るため、製造に要する時間が全体として長くなってしま
うという不具合があった。また、電子ビーム描画用の装
置は、保守点検等に多大なコストがかかるという問題点
もあった。

【０００６】これに対して、ハーフミクロン程度の微細
なパターン解像力を持っていると共に、露光に要する作
業時間が短く、しかも、保守点検等のコストが安くて済
む装置として、ｉ線紫外線を用いたステッパ露光装置が
ある。このステッパ露光装置を使用する場合は、半導体
基板の上にフォトレジスト層（ｉ線レジスト層）を形成
した後、該フォトレジスト層を上記ステッパ露光装置に
より露光し、更に現像することにより、フォトレジスト
層にゲート電極形成用の開口部を形成する。しかし、上
記ステッパ露光装置によりゲート電極形成用の開口部を
形成した場合、該開口部の内側壁の形状を逆テーパ形状
にすることが困難であった。このため、フォトレジスト
層をリフトオフしたときに、ゲート電極にばりが発生す
ることがあり、ゲート電極の品質が低下するという問題
点があった。

【０００７】そこで、本発明の目的は、露光に要する作
業時間を短くし得ると共に、保守点検等のコストを安く
することができ、しかも、リフトオフしたときに電極に
ばりが発生することを防止でき、高品質の電極を形成す
ることができる半導体装置の製造方法を提供するにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明によれ
ば、半導体基板の上にフォトレジスト層を形成した後、
フォトレジスト層の表面部分に溶解速度が低いレジスト
難溶解層を形成し、そして、このようなフォトレジスト
層を紫外線等の光で露光してから現像することにより、
フォトレジスト層にオーバーハング部を有する開口部を
形成するように構成した。この方法によれば、紫外線等
の光を用いるステッパ露光装置を使用可能であるから、
微細な開口部を形成できる機能を有する構成でありなが
ら、露光に要する作業時間が短くなると共に、保守点検
等のコストを安くし得る。また、開口部の内側壁の形状
をオーバーハング部を有する形状としたので、リフトオ
フしたときに電極にばりが発生することを防止でき、高
品質の電極を形成することができる。

【０００９】請求項２の発明においては、フォトレジス
ト層をノボラック系ポジ型レジストにより構成すると共
に、このフォトレジスト層をアルカリ水溶液中に浸漬す
ることによりフォトレジスト層の表面にレジスト難溶解
層を形成するように構成した。このように構成すること
により、フォトレジスト層の表面部分にレジスト難溶解
層を形成する構成を容易に実現することができる。

【００１０】また、レジスト難溶解層を形成する処理を
実行すると、フォトレジスト層の膜厚が不均一になって
露光時のパターンの解像度が劣化することがある。これ
に対して、請求項３の発明によれば、レジスト難溶解層
を形成する工程を実行した後、フォトレジスト層をベイ
クする工程を実行するように構成したので、フォトレジ
スト層の膜厚を均一にすることができ、露光時のパター
ンの解像度を高くすることができる。

【００１１】請求項４の発明によれば、金属を蒸着する
ことにより金属層を形成するように構成し、そして、開
口部の内底部の一端部とこの一端部側のオーバーハング
部の先端部とを通る平面と、半導体基板の表面とがなす
角度を、金属蒸着時の金属粒子の入射角度以下に設定す
るように構成した。このように構成することにより、リ
フトオフしたときに電極にばりが発生することを確実に
防止し得る。

【００１２】請求項５の発明によれば、フォトレジスト
層を紫外線等の光で露光する場合、焦点を半導体基板に
近い側に位置させるように構成したので、開口部の内底
部の端部の立上がり角度をほぼ９０度に設定することが
できる。これにより、一層高品質の電極を形成すること
ができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例について
図１ないし図７を参照しながら説明する。本実施例は、
例えばＧａＡｓＦＥＴ、ＨＥＭＴ、ＭＥＳＦＥＴ等の半
導体素子のゲート電極を形成する場合に適用した実施例
である。まず、図１（ａ）ないし図２（ｆ）は、本実施
例のレジストパターン形成工程及び電極形成工程を示す
図である。

【００１４】この図１（ａ）に示すように、最初に、例
えばＧａＡｓ基板やＩｎＰ基板からなる半導体基板１１
の上に、フォトレジスト層１２を形成する工程を実行す
る。この場合、半導体基板１１には、ゲート電極を形成
する前の状態まで、半導体素子の各部分を予め作成して
おく。そして、上記フォトレジスト層１２を形成するに
当たっては、半導体基板１１（具体的には、多数の半導
体素子を形成するウエハ）を例えば５０００ｒｐｍ程度
の高回転で回転させながら、例えばノボラック系ポジレ
ジストを塗布（このような塗布方法をスピン塗布とい
う）することにより、膜厚が例えば０．７１μｍのフォ
トレジスト層１２を形成する。

【００１５】ここで、上記したような高回転でスピン塗
布すると、フォトレジスト層１２の膜厚のばらつきが極
めて小さくなる。また、上記ノボラック系ポジレジスト
としては、例えば富士ハント製ＦＨＩ−３９５０を使用
した。この後、ヒータにより上記塗布したフォトレジス
ト層１２を例えば１１０℃で１８０秒間ベイクする。こ
れにより、図１（ａ）に示す状態となる。

【００１６】次に、フォトレジスト層１２の表面部分に
レジスト難溶解層１３を形成する工程を行う。具体的に
は、半導体基板１１及びフォトレジスト層１２を例えば
アルカリ水溶液中に５分間浸漬する。この浸漬用のアル
カリ水溶液としては、フォトレジスト層１２の現像液
（例えば富士ハント製ＦＨＤ−５）を使用している。続
いて、上記半導体基板１１及びフォトレジスト層１２
を、純水中にて例えば８０秒間リンスした後、ヒータに
より例えば１１０℃で９０秒間ベイクする。

【００１７】この場合、アルカリ水溶液に浸したことに
より、図１（ｂ）に示すように、フォトレジスト層１２
の表面部分に、現像液に対する溶解速度の低下したレジ
スト難溶解層１３が形成される。尚、上記した形成条件
の場合、レジスト難溶解層１３の膜厚は約０．１μｍと
なる。また、アルカリ水溶液に浸漬した後、ベイクする
理由は、アルカリ水溶液への浸漬によりフォトレジスト
層１２の表面部分が膨潤して、フォトレジスト層１２の
膜厚が不均一になるため、この不均一になったフォトレ
ジスト層１２の膜厚をベイクにより均一にするためであ
る。

【００１８】そして、上記ベイクにより、フォトレジス
ト層１２の膜厚が均一になった状態を図１（ｃ）に示
す。この場合、フォトレジスト層１２の膜厚が不均一な
ままであると、後の露光工程において解像度が低下する
ため、好ましくない。これに対して、フォトレジスト層
１２の膜厚が均一になると、後の露光工程において解像
度が高くなるので、それだけ最終的に形成されるゲート
電極の品質を高くすることができる。

【００１９】さて、この後、フォトレジスト層１２にゲ
ート電極形成用の開口部１４（図１（ｄ）参照）を形成
する工程を行う。具体的には、まず、ｉ線（波長３６５
ｎｍ）集束紫外線を用いるステッパ露光装置により上記
フォトレジスト層１２を露光する。この場合、ｉ線集束
紫外線（図１（ｃ）中矢印で示す）を照射する露光領域
は、形成するゲート電極に対応する領域である。また、
このとき使用したステッパ露光装置は、例えばＮＩＫＯ
Ｎ製ＮＳＲ−２００５−Ｉ１０Ｃであり、露光時間は３
５０ｍｓｅｃ、フォーカス距離は−０．７μｍ程度とし
た。

【００２０】ここで、フォーカス距離をマイナス側に設
定する理由、換言すると、フォーカスを半導体基板１１
の表面に近い側（即ち、フォトレジスト層１２の底部
側）に位置させるようにフォーカスオフセットをかける
理由は、フォトレジスト層１２の底部で光強度を強くす
ることにより、図１（ｄ）に示すように、開口部１４の
内側壁のうちのレジスト難溶解層１３以外のフォトレジ
スト層１２に形成される部分が半導体基板１１に対して
垂直になるように、即ち、開口部１４の内底部の隅部が
ほぼ９０度に立ち上がるように構成するためである。
尚、これについては詳しくは後述する。

【００２１】次に、上記露光したフォトレジスト層１２
（及びレジスト難溶解層１３）を現像する。この場合、
フォトレジスト層１２及び半導体基板１１を前述したア
ルカリ水溶液からなる現像液（富士ハント製ＦＨＤ−
５）中に例えば６５秒間浸漬して現像を行った後、純水
で例えば８０秒間リンスを行う。これにより、図１
（ｄ）に示すように、フォトレジスト層１２には、開口
縁部に内方へ突出するオーバーハング部１４ａを有する
開口部１４が形成され、もってレジストパターンが形成
される。上記オーバーハング部１４ａは、レジスト難溶
解層１３に対応する部分に形成される。

【００２２】この構成の場合、開口部１４の表面開口幅
寸法（図１（ｄ）中左右方向の幅寸法）として、約０．
５μｍ程度の微細なものを容易に形成することができ
る。そして、この表面開口幅寸法が、ゲート電極のゲー
ト長にほぼ対応している。また、オーバーハング部１４
ａにより、後述するリフトオフ処理を高品質に実行する
ことができる。尚、上記オーバーハング部１４ａの内方
への突出寸法の設定方法については、詳しくは後述す
る。

【００２３】次に、フォトレジスト層１２（レジスト難
溶解層１３）及び半導体基板１１の上に金属層１５を形
成する工程を実行する。具体的には、例えば３種類の金
属Ｔｉ、Ｐｔ、Ａｕを、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕの順に次の通
りの膜厚となるように蒸着して積層することにより、金
属層１５を形成した。ここで、Ｔｉの膜厚＝１００ｎ
ｍ、Ｐｔの膜厚＝２０ｎｍ、Ａｕの膜厚＝２３０ｎｍと
した。尚、蒸着を行う蒸着機として、例えば日本真空製
のＥＢＸ−１０Ｃを使用した。これにより、図２（ｅ）
に示す構造が得られる。

【００２４】そして、フォトレジスト層１２をリフトオ
フする工程を行う。具体的には、フォトレジスト層１２
を剥離するための剥離液の中に、図２（ｅ）に示す構造
の半導体基板１１を浸漬する。これにより、半導体基板
１１からフォトレジスト層１２及びこのフォトレジスト
層１２上に堆積された金属層１５が剥離される。この結
果、図２（ｆ）に示すように、半導体基板１１上にゲー
ト電極１６が形成される。この構成によれば、開口部１
４の内側壁の上部にオーバーハング部１４ａを形成した
ので、ゲート電極１６はばりのない高品質な電極とな
る。

【００２５】ここで、開口部１４のオーバーハング部１
４ａの内方への突出寸法（以下、この寸法を「ひさし長
ｔ」と定義する）の設定方法について、図３及び図４を
参照して説明する。まず、図３において、金属を蒸着す
るときにおける開口部１４内に入射する金属粒子の入射
角度θ（この角度θは、金属粒子の入射方向と半導体基
板１１の表面とがなす角度である）は、使用する蒸着機
の性能で決まる。本実施例で使用した蒸着機（日本真空
製のＥＢＸ−１０Ｃ）の場合、上記入射角度θはワース
トで８５．８度になること、即ち、金属粒子の入射角度
θは８５．８度以上であることを測定した。

【００２６】これに対して、開口部１４の内底部の一端
部（隅部）と、この一端部側のオーバーハング部１４ａ
の先端部とを通る平面Ｓと、半導体基板１１の表面とが
なす角度を、ひさし角度φと定義する。ここで、ひさし
角度φが入射角度θ以下であれば、即ち、φ≦θが成立
すれば、蒸着時に金属粒子が開口部１４の内側壁に付着
することがなくなり、リフトオフがスムーズに実行され
ることから、ばりのない高品質のゲート電極１６を形成
することができる。

【００２７】そこで、本実施例では、上記関係式φ≦θ
を成立させるために、オーバーハング部１４ａのひさし
長ｔを約６０ｎｍに設定すると共に、フォトレジスト層
１２の膜厚Ｌを約６５０ｎｍに設定した。これにより、
ひさし角度φは、ｔａｎφ＝６５０ｎｍ／６０ｎｍであ
ることから、この式を解くことにより、ひさし角度φを
計算することができ、計算結果は、φ＝８４．７度とな
る。この結果、ひさし角度φ≦入射角度θを満足するこ
とから、ばりのない高品質のゲート電極１６を形成する
ことができる。

【００２８】そして、本実施例の場合、オーバーハング
部１４ａのひさし長ｔは、アルカリ処理時間で制御して
おり、この制御の一例として、パターン解像度を劣化し
ない程度の安定したひさし長ｔが得られる最小アルカリ
現像液浸漬時間に固定している。また、フォトレジスト
層１２の膜厚Ｌは、アルカリ処理及び現像処理によるレ
ジストの膜減り量とレジスト難溶解層１３の膜厚とを考
慮して設定しており、その設定量はフォトレジストをス
ピン塗布するときの回転数やフォトレジストの希釈率等
で制御している。

【００２９】ここで、オーバーハング部１４ａのひさし
長ｔと、フォトレジスト層１２の膜厚Ｌと、ひさし角度
φとの関係を図４に示す。この図４においては、ｘ軸を
ひさし長ｔとし、ｙ軸を膜厚Ｌとし、ｚ軸をひさし角度
φとしている。そして、上記図４によれば、図４に示す
曲面Ｔよりも上部に位置するように金属粒子の入射角度
θを設定すれば、バリの無いきれいなゲート電極１６を
形成できることがわかる。

【００３０】尚、上記式φ≦θが成立しない場合の電極
形成処理と、成立する場合の電極形成処理とを実験した
結果について、図５及び図６に従って説明する。まず、
式φ≦θが成立しない場合には、図５（ａ）に示すよう
に、フォトレジスト層１２に金属層１５を蒸着したと
き、開口部１４の内側壁にも金属が蒸着するようにな
る。このため、フォトレジスト層１２等をリフトオフす
ると、図５（ｂ）に示すように、ゲート電極１６の端部
上部に、ばり１６ａが発生するようになり、ゲート電極
１６の品質が低下する。

【００３１】これに対して、式φ≦θが成立する場合
は、図６（ａ）に示すように、フォトレジスト層１２に
金属層１５を蒸着したとき、開口部１４の内側壁に金属
が蒸着しなくなる。このため、フォトレジスト層１２等
をリフトオフしたとき、図６（ｂ）に示すように、ゲー
ト電極１６の端部上部に、ばりが発生しなくなり、ゲー
ト電極１６の品質が高くなる。

【００３２】一方、ｉ線ステッパ露光装置によりフォト
レジスト層１２を露光する際、フォーカス距離をマイナ
ス側に設定する理由について、図７を参照して説明す
る。この図７に示すように、通常、露光のフォーカスは
フォトレジスト層１２の膜厚方向のほぼ中央部（図７に
て±０で示す点）にセットする。そして、この場合に
は、図７中実線Ａ１で示すように、開口部１４の内側壁
が半導体基板１１に対して完全には垂直にならず、開口
部１４の底部の隅部が若干丸みを帯びた形状となる。開
口部１４がこのような形状であると、図７中実線Ａ２で
示すように開口部１４の内側壁が半導体基板１１に対し
てほぼ垂直になる形状の場合に比べて、蒸着時に開口部
１４の内側壁に金属が蒸着し易くなるから、それだけゲ
ート電極にばりが発生し易くなる。

【００３３】このため、本実施例では、フォーカスを半
導体基板１１の表面に近い側（即ち、フォトレジスト層
１２の底部側）であるマイナス側に位置させるようにフ
ォーカスオフセットをかけることにより、フォトレジス
ト層１２の底部で光強度を強くして、図７中実線Ａ２で
示すように、開口部１４の内側壁が半導体基板１１に対
してほぼ垂直になる形状とした。これによって、蒸着時
に開口部１４の内側壁に金属が蒸着し難くなるから、ゲ
ート電極にばりが発生することをより一層防止できる。

【００３４】一方、フォーカスを半導体基板１１の表面
から遠い側（即ち、フォトレジスト層１２の表面側）で
あるプラス側に位置させるようにフォーカスオフセット
をかけると、図７中実線Ａ３で示すように、開口部１４
の底部の隅部がかなり丸みを帯びた形状となる。このた
め、蒸着時に開口部１４の内側壁に金属が蒸着し易くな
り、ゲート電極の品質が一層低下してしまう。従って、
フォーカスをプラス側に位置させることは好ましくな
い。

【００３５】また、上記図７においては、フォトレジス
ト層１２に複数の開口部１４を形成する様子を示してい
る。この構成の場合、隣接する２個の開口部１４につい
て、隣接するオーバーハング部１４ａの先端部間の距離
をＬｔとすると共に、開口部１４の内底部の隣接する隅
部間の距離をＬｄとすると、ひさし長ｔは次の式で定義
される。

【００３６】ｔ＝（Ｌｔ−Ｌｄ）／２ 尚、上記実施例では、ＧａＡｓＦＥＴ、ＨＥＭＴ、ＭＥ
ＳＦＥＴ等のゲート電極を形成する場合に適用したが、
他の半導体装置の電極を形成する場合に適用しても良
い。また、上記実施例では、ｉ線紫外線を用いるステッ
パ露光装置を使用したが、他の光を用いるステッパ露光
装置を使用しても良い。更に、上記実施例では、フォト
レジスト層１２をノボラック系ポジレジストにより形成
すると共にアルカリ水溶液に浸漬してレジスト難溶解層
１３を形成したが、フォトレジスト層を他のレジストに
より形成する場合は他の処理方法（例えば普通のフォト
レジストであれば現像前にモノクロベンゼン処理を行
う）でレジスト難溶解層を形成するように構成しても良
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すものであり、ゲート電
極の製造工程を示す縦断面図（その１）

【図２】ゲート電極の製造工程を示す縦断面図（その
２）

【図３】オーバーハング部のひさし長、フォトレジスト
の膜厚及びひさし角度を説明する縦断面図

【図４】オーバーハング部のひさし長とフォトレジスト
の膜厚とひさし角度との関係を示す図

【図５】ひさし角度が入射角度よりも大きい場合におけ
るゲート電極の形成処理を示す縦断面図

【図６】ひさし角度が入射角度以下である場合における
ゲート電極の形成処理を示す縦断面図

【図７】露光時のフォーカスの位置と開口部の内側壁の
形状との関係を示す縦断面図

【図８】従来構成を示す図２（ｅ）相当図

【符号の説明】

１１は半導体基板、１２はフォトレジスト層、１３はレ
ジスト難溶解層、１４は開口部、１４ａはオーバーハン
グ部、１５は金属層、１６はゲート電極、１６ａはばり
を示す。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板の上にフォトレジスト層を形
   成する工程と、 前記フォトレジスト層の表面部分に溶解速度が低いレジ
   スト難溶解層を形成する工程と、 前記フォトレジスト層を紫外線等の光で露光してから現
   像することにより前記フォトレジスト層にオーバーハン
   グ部を有する開口部を形成する工程と、 前記フォトレジスト層の上に金属層を形成する工程と、 前記フォトレジスト層をリフトオフすることにより電極
   を形成する工程とを備えて成る半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】 前記フォトレジスト層をノボラック系ポ
   ジ型レジストにより構成すると共に、 前記レジスト難溶解層を形成する工程において、前記フ
   ォトレジスト層をアルカリ水溶液中に浸漬することによ
   り前記レジスト難溶解層を形成することを特徴とする請
   求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 前記レジスト難溶解層を形成する工程を
   実行した後、前記フォトレジスト層をベイクする工程を
   実行することを特徴とする請求項２記載の半導体装置の
   製造方法。
4. 【請求項４】 前記金属層を形成する工程において、金
   属を蒸着することにより前記金属層を形成するように構
   成した場合、 前記開口部の内底部の一端部とこの一端部側の前記オー
   バーハング部の先端部とを通る平面と、前記半導体基板
   の表面とがなす角度を、前記金属蒸着時の金属粒子の入
   射角度以下に設定するように構成したことを特徴とする
   請求項１ないし３のいずれかに記載の半導体装置の製造
   方法。
5. 【請求項５】 前記フォトレジスト層を紫外線等の光で
   露光する場合、焦点を前記半導体基板に近い側に位置さ
   せるように構成したことを特徴とする請求項１ないし４
   のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。