JPH11119431A

JPH11119431A - 金属パターンの形成方法

Info

Publication number: JPH11119431A
Application number: JP27578597A
Authority: JP
Inventors: Nobuyuki Kawakami; 信之川上; Motoharu Yamashita; 元治山下; Kohei Suzuki; 康平鈴木
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1997-10-08
Filing date: 1997-10-08
Publication date: 1999-04-30

Abstract

(57)【要約】【課題】工程数を低減して、品質制御を容易にするこ
とができ、これにより、スループットを高めることがで
きると共に、低コストで高解像度の金属パターンを得る
ことができる金属パターンの形成方法を提供する。【解決手段】金属パターンを形成する基板１上の一面
に、有機金属錯体膜２を成膜する。次に、有機金属錯体
膜２の上方から、所望の形状でイオンビーム４を照射す
る。これにより、有機金属錯体膜２のイオンビーム４が
照射された領域が金属に変質し、金属膜８となる。次い
で、有機溶媒洗浄によって、イオンビーム４が照射され
ていない有機金属錯体膜２を除去することにより、金属
パターン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】本発明は半導体素子及び集積
回路の作製工程における微細金属配線、リソグラフィに
使用されるマスクの金属パターン並びにマイクロマシン
に使用される金属部品の形成に好適である金属パターン
の形成方法に関し、特に、工程数を減少させてパターン
の品質制御を容易にすることができると共に、低コスト
で高解像度の金属パターンを得ることができる金属パタ
ーンの形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】図２乃至７は半導体プロセス及びリソグ
ラフィマスク等における従来の金属パターンの形成方法
を工程順に示す断面図である。これを第１の従来技術と
いう。図２に示すように、先ず、金属パターンを形成す
る基板１１上の一面に、スパッタ法によって金属膜１２
を成膜する。次に、図３に示すように、この金属膜１２
上の一面にフォトレジスト膜１３を塗布する。次いで、
図４に示すように、フォトレジスト膜１３の上方から、
所望の形状で紫外線１４を照射する。この紫外線１４の
照射によりフォトレジスト膜１３の一部が改質される。

【０００３】その後、図５に示すように、フォトレジス
ト膜１３を現像することにより、紫外線１４が照射され
ていない領域が除去され、紫外線照射領域のみが残存し
て、所望のパターンのレジストパターン１５が形成され
る。その後、図６に示すように、レジストパターン１５
をエッチングマスクとして、プラズマを使用した反応性
イオンによりドライエッチングすることによって、レジ
ストパターン１５に被覆されていない領域の金属膜１２
ａをエッチング除去する。その後、図７に示すように、
レジストパターン１５を除去することにより、金属パタ
ーン１６を形成することができる。

【０００４】上述した第１の従来技術により金属パター
ン１６を形成する場合、図３乃至５に示すフォトリソグ
ラフィ工程においては、フォトレジスト膜１３の材料と
して、例えばノボラック樹脂を主成分としたフォトレジ
ストが使用される。しかし、このようなフォトレジスト
は光吸収が大きいという性質を有しているので、フォト
レジスト膜１３の下部にまで光が十分に到達せず、レジ
ストパターン１５が下部の方で広がったテーパ形状とな
り、正確な形状のパターンを形成することができないと
いう問題点がある。

【０００５】また、フォトレジスト膜１３のドライエッ
チ耐性が不十分であるので、金属膜１２をエッチングす
る際に、レジスト膜１３と金属膜１２との選択比が不十
分となり、パターンの寸法が大きく異なるという欠点も
ある。

【０００６】そこで、微細パターンのリソグラフィ技術
としては、電子ビームを使用する方法がある。この場合
にレジスト膜として使用する電子線レジストは、極めて
高い解像度を有するが、このレジスト膜もドライエッチ
ング耐性が低いという難点がある。また、配線の線幅は
リソグラフィ工程において形成されるレジストパターン
の線幅に依存するが、このレジストパターンはウェット
現像液を使用した現像処理により形成されるので、その
形成工程は現像処理時間に大きく依存する。従って、レ
ジストパターンの線幅の正確な制御が極めて困難とな
る。更に、金属膜のエッチングは技術的に困難であっ
て、エッチング後の形状が下部の方で狭くなった逆テー
パ形状となると共に、金属が腐食されるという問題点を
有しており、これにより、所望の寸法の金属パターンを
得ることが困難となる。

【０００７】ところで、半導体素子及び集積回路等にお
いては、通常、多層配線技術が使用されている。即ち、
多重に形成された金属層間には絶縁層が設けられてお
り、この絶縁層に設けた微細なホールによって金属層同
士を電気的に接続して、回路を形成している。従って、
ホールが設けられた絶縁層上に金属膜を成膜する場合、
このホールを金属によって埋め込んで、その下層に形成
された金属膜又は基板とのコンタクトをとることが必要
である。

【０００８】しかし、近時の集積回路の高密度化に伴っ
て、絶縁層に設けるホールもより一層微細なものになっ
ているため、ホールのアスペクト比が増大した場合、従
来と同様のスパッタ法により金属膜を形成しようとして
も、ホールへの金属膜の埋め込みが困難になってしま
う。

【０００９】そこで、半導体素子及び集積回路の作製工
程における金属配線パターンに関して、上述の問題点を
解決する方法として、配線パターン形成材料及びパター
ン形成方法が提案されている（特開平６−２６７９３４
号公報）。これを第２の従来技術という。図８乃至１４
は第２の従来技術による金属配線パターンの形成方法を
工程順に示す断面図である。図８に示すように半導体基
板２１上の一面に、高分子有機膜２２を塗布し、熱処理
する。この高分子有機膜２２は、高分子有機化合物と、
有機金属錯体又は金属塩とからなるものである。次に、
図９に示すように、高分子有機膜２２上の一面にレジス
ト膜２３を塗布し、熱処理した後、レジスト膜２３の上
方から所望の形状で紫外線（又は電子線）２４を照射す
る。この紫外線（又は電子線）２４の照射により、レジ
スト膜２３の一部が改質される。

【００１０】その後、図１０に示すように、レジスト膜
２３を現像することにより、紫外線（又は電子線）２４
が照射されていない領域が除去され、所望の形状のレジ
ストパターン２５が形成される。その後、図１１に示す
ように、レジストパターン２５が形成された高分子有機
膜２２の表面に、還元液２７を滴下する。これにより、
図１２に示すように、レジストパターン２５により被覆
されていない領域の高分子有機膜２２の表面に、有機金
属錯体又は金属塩が析出して、金属層２８が形成され
る。

【００１１】その後、図１３に示すように、レジストパ
ターン２５を除去する。その後、図１４に示すように、
熱処理によって高分子有機膜２２中の高分子有機化合物
が架橋反応して、これが硬化し、絶縁膜２９が形成され
る。このようにして、金属パターンを形成することがで
きる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
第１の従来技術においては、金属膜１３を形成するスパ
ッタ工程、フォトレジスト膜１３を塗布して配線パター
ンに形成するリソグラフィ工程及び金属膜１３を所望の
パターンに形成するエッチング工程があり、長く、複雑
な工程を必要とするので、工程中の品質制御が極めて困
難になってしまう。また、製造コストが上昇すると共
に、スループットが低いという問題点もある。

【００１３】更に、前述の如く、ドライエッチングを使
用する場合は、エッチング時に所望の寸法と得られる寸
法とのずれが発生すると共に、金属膜が腐食するという
問題点がある。また、紫外線によるリソグラフィを利用
した場合、厚膜のレジスト膜を形成すると、そのパター
ン形成時においてパターンがテーパ形状になり、正確な
パターン形状を得ることができない。

【００１４】一方、第２の従来技術においては、ドライ
エッチング工程がないので、エッチング時のレジストパ
ターン２５の寸法のずれ、金属パターン（金属層２８）
の形状異常及び腐食等の問題点は発生しない。

【００１５】しかしながら、他の従来技術と同様に、レ
ジストパターン２５はウェット現像液を使用した現像処
理により形成されるので、現像時の寸法制御が困難であ
るという問題点は改善されていない。また、図１１及び
１２に示すように、還元液２７によって金属層２８を析
出させる工程においては、還元液２７の高分子有機膜２
２への拡散を利用しているので、配線（金属層２８）の
線幅がレジストパターン２５の開口幅よりも広くなって
しまうと共に、この線幅の制御が困難である。更に、第
２の従来技術は、金属層２８の下に、金属層２８の形成
と同時に絶縁層２９を形成する方法であるので、通常の
半導体素子及び集積回路等のように、下層の配線とのコ
ンタクトをとる必要があるものに対しては、応用するこ
とができない。

【００１６】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
のであって、工程数を低減して、品質制御を容易にする
ことができ、これにより、スループットを高めることが
できると共に、低コストで高解像度の金属パターンを得
ることができる金属パターンの形成方法を提供すること
を目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る金属パター
ンの形成方法は、基板上に有機金属錯体膜を形成する第
１工程と、前記有機金属錯体膜に所定のパターン形状で
電子ビームを照射して、電子ビームが照射された領域を
金属に変質させる第２工程と、前記有機金属錯体膜にお
ける電子ビームが照射されていない領域を前記基板から
除去する第３工程と、を有することを特徴とする。

【００１８】本発明に係る他の金属パターンの形成方法
は、基板上に有機金属錯体膜を形成する第１工程と、前
記有機金属錯体膜に所定のパターン形状でイオンビーム
を照射して、イオンビームが照射された領域を金属に変
質させる第２工程と、前記有機金属錯体膜におけるイオ
ンビームが照射されていない領域を前記基板から除去す
る第３工程と、を有することを特徴とする。

【００１９】有機金属錯体は、金属に有機官能基が結合
された構造を有するものである。本発明においては、有
機金属錯体からなる膜に、例えば、イオンビームを使用
してエネルギーを与えるので、電子が有機官能基から金
属基に移動して、両者の結合が切断され、これにより、
有機金属錯体膜のビーム照射領域のみを金属に変質させ
ることができる。

【００２０】有機金属錯体膜における電子ビームが照射
されていない領域を基板から除去する方法として、例え
ば、前記有機金属錯体膜を有機溶媒により洗浄する方法
を使用することができる。金属は有機溶媒に不溶である
と共に、ビームが照射されていない有機金属錯体膜は有
機溶媒に可溶であって、両者の溶媒に対する選択比は無
限大であるので、ビーム照射後に現像液として有機溶媒
を使用して、ビームが照射されていない領域を除去する
と、金属に変質したビーム照射領域のみを残存させるこ
とができる。従って、現像時に線幅のずれが発生せず、
高精度で金属パターンを形成することができる。

【００２１】このように、本発明においては、有機金属
錯体膜を形成する工程と、例えば、イオンビームを所定
のパターン形状で有機金属錯体膜に照射する工程と、ビ
ームが照射されていない領域を基板から除去する工程の
み、即ち、通常のリソグラフィの１工程分のみで金属パ
ターンを形成することができる。従って、金属パターン
の形成工程を簡略化して、製造コストを低減することが
できると共に、スループットを高めることができる。

【００２２】また、ドライエッチングの工程が不要であ
るので、所望のパターン寸法と得られる寸法にずれが発
生することがないと共に、金属からなる膜の腐食も防止
することができる。更に、ビームリソグラフィによりパ
ターンを形成しているので、有機金属錯体膜が厚膜であ
る場合においても、紫外線リソグラフィを使用した場合
と比較して、パターンがテーパ形状になることを防止す
ることができる。このように、パターンの線幅はビーム
径にのみ依存するので、極めて容易に線幅を制御するこ
とができ、集束性が優れたビームを使用と、より一層微
細なパターンを形成することができる。

【００２３】本発明において、前記第１工程は、有機金
属錯体を有機溶媒に溶解させたものをスピン塗布により
前記基板上に塗布する工程であることが好ましい。有機
金属錯体は有機溶媒に溶解させると、高い流動性を有す
る溶液となる。従って、有機金属錯体膜を形成する面に
微細な凹凸又はホール等が存在する場合においても、こ
のような溶液を基板上にスピン塗布すると、容易にその
凹凸を埋めることができ、半導体素子及び集積回路等の
ように、下層の配線とのコンタクトをとる必要があるも
のに対しても、応用することができる。

【００２４】また、前記第１工程と前記第２工程との間
に、前記有機金属錯体膜を乾燥させる第４工程を有する
ことが好ましい。有機金属錯体を有機金属に溶解させて
基板上に塗布した場合には、得られた有機金属錯体膜を
乾燥させないと、有機溶媒が残存して、第２工程が実施
される処理チャンバ内の真空度が低下することがある。
従って、有機金属錯体膜を乾燥させる第４工程の後に、
前記第２工程を実施することが好ましい。

【００２５】更に、第３工程の後に、前記基板を熱処理
する第５工程を有することが好ましく、この第５工程は
水素雰囲気中において実施することが望ましい。パター
ニングされた金属膜には余分な酸素が含有される場合が
ある。従って、不要な有機金属錯体膜を基板から除去し
た後に、基板を熱処理すると、余分な酸素を除去するこ
とができる。なお、水素雰囲気中で熱処理すると、より
一層、酸素を除去する還元反応を促進することができ
る。

【００２６】更にまた、イオンビームを使用する場合
は、そのイオン種として、Ｂｅイオン（Ｂｅ⁺⁺）を使用
することが好ましい。ビームは有機金属錯体膜にエネル
ギーを与え、これを金属に変質させるために使用するも
のであるので、全ての元素の全てのイオン種を使用する
ことができるが、特に、Ｂｅ⁺⁺は軽イオンであるので、
イオン種としてＢｅ⁺⁺を使用すると、膜中における散乱
が少なく、より一層微細なパターンを容易に形成するこ
とができる。また、Ｂｅ⁺⁺をイオン源とすると、Ａｕ−
Ｓｉ−Ｂｅの液体金属イオン源を使用した場合と比較し
て、更に一層安定して十分な量のビームを引き出すこと
ができる。

【００２７】更にまた、前記有機金属錯体膜の原材料と
して、有機銅錯体Ｃｕ（ＯＣＨ₂ＣＨ₂ＯＣＨ₃）₂、有機
ニッケル錯体Ｎｉ（ＯＯＣＣ₇Ｈ₁₅）（ＯＣ₃Ｈ₇）及び
有機白金錯体Ｐｔ（ＣＨ₃ＣＯＣＨＣＯＣＨ₃）₂からな
る群から選択された１種の有機金属錯体を使用すること
が望ましい。銅、ニッケル及び白金は酸化物生成エンタ
ルピーが大きいので、有機金属錯体膜の原材料として、
有機銅錯体、有機ニッケル錯体及び有機白金錯体からな
る群から選択された１種の有機金属錯体を使用すると、
ビーム照射により金属膜を形成する際に、酸化物が生じ
にくいという効果を得ることができる。

【００２８】本発明においては、イオンビームの代わり
に電子ビームを使用することによっても、イオンビーム
と同様のエネルギーを付与することができる。近時、電
子ビームに関する技術が発達しているので、電子ビーム
を使用することによりイオンビームと同様に、微細パタ
ーンの形成が可能である。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例について添
付の図面を参照して具体的に説明する。図１は本発明の
実施例に係る金属パターンの形成方法を工程順に示す断
面図である。先ず、図１（ａ）に示すように、金属パタ
ーンを形成する基板１上の一面に、有機金属錯体膜２を
成膜する。次に、図１（ｂ）に示すように、有機金属錯
体膜２の上方から、所望の形状でイオンビーム４を照射
する。これにより、有機金属錯体膜２のイオンビーム４
が照射された領域が金属に変質し、金属膜８となる。次
いで、図１（ｃ）に示すように、有機溶媒洗浄によっ
て、イオンビーム４が照射されていない有機金属錯体膜
２を除去することにより、金属パターン６を形成するこ
とができる。

【００３０】このように、本実施例においては、有機金
属錯体膜２を形成する工程と、イオンビーム４を所定の
パターン形状で有機金属錯体膜２に照射する工程と、ビ
ーム４が照射されていない領域を基板１から除去する工
程のみ、即ち、通常のリソグラフィの１工程分のみで金
属パターン６を形成することができるので、金属パター
ンの形成工程を簡略化して、製造コストを低減すること
ができると共に、スループットを高めることができる。

【００３１】また、ビームリソグラフィによりパターン
を形成しているので、金属パターン６の線幅はビーム径
にのみ依存する。従って、形成される金属パターン６の
寸法にずれが発生することがなく、極めて容易に線幅を
制御することができ、高解像度の金属パターンを得るこ
とができる。

【００３２】なお、第１の実施例においては、イオンビ
ーム４を使用して有機金属錯体膜２の一部を金属からな
る金属膜８に変質させたが、本発明においては、イオン
ビーム４の代わりに電子ビームを使用しても、上述の効
果と同様の効果を得ることができる。

【００３３】

【実施例】以下、本発明に係る金属パターンの形成方法
の実施例について具体的に説明する。

【００３４】先ず、種々の有機金属錯体を有機溶媒に溶
解し、これを４インチのシリコンウエハ（基板）にスピ
ン塗布して、ホットプレート上において、８０℃で５分
間のベークを施した後、これを乾燥させることにより、
基板上に有機金属錯体膜を形成した。次に、この有機金
属錯体膜に対してビーム照射し、この照射領域を金属に
変質させた。このとき、ラインアンドスペースパターン
形状及び正方形の形状で、ビームを走査させた。次い
で、ウエハ全体をメタノール中に２分間浸漬させた後、
超純水を使用してこれを２分間洗浄することにより、ビ
ームが照射されていない領域を基板から除去した。その
後、水素雰囲気中において、４００℃の温度でウエハを
３０分間アニール処理（熱処理）した。有機金属錯体膜
の形成条件を下記表１に示し、ビーム照射条件を下記表
２に示す。

【００３５】

【表１】

【００３６】

【表２】

【００３７】その後、形成されたラインアンドスペース
パターンの金属膜断面をＳＥＭ像により観察すると共
に、得られた１０μｍ角の正方形状の金属膜について、
この組成をオージェ分光により分析した。その結果、実
施例１乃至実施例６はいずれも、最小線幅が０．０８μ
ｍの金属パターンが形成されており、ビーム径と同様の
線幅でパターンが解像していた。また、実施例１及び実
施例２の金属膜の組成はＣｕ単体であり、実施例３及び
実施例４の金属膜の組成はＮｉ単体、実施例５及び実施
例６の金属膜の組成はＰｔ単体であった。

【００３８】また、シリコンウエハの表面上に、直径が
０．１μｍ、深さが０．３μｍのホールを有するシリコ
ン酸化膜を形成し、その上から上記表１に示す実施例１
〜実施例６の条件と同様にして有機金属錯体膜を形成し
た後、上記表２に示す実施例１〜実施例６の条件と同様
にしてビームを照射し、現像及びアニールを実施した。
そして、ホールパターンの断面をＳＥＭ像により観察す
ることによって、微細孔への金属膜の埋め込み性につい
て評価した。

【００３９】その結果、全ての実施例について、上述の
金属膜と同一の組成を有する金属膜によって、微細孔が
埋め込まれていた。

【００４０】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明方法によれ
ば、有機金属錯体膜の形成、ビーム照射及び現像という
通常のリソグラフィの１工程と同様の工程のみで金属パ
ターンを形成することができるので、品質管理が容易で
あり、これにより、スループットを高めることができる
と共に、低コストで金属パターンを得ることができる。
また、ビームを照射した領域のみが金属に変質し、金属
膜となるので、高精度で微細な金属パターンを優れた形
状で形成することができる。更に、ドライエッチングを
使用しないので、エッチング時に所望の寸法と得られる
寸法とのずれが発生したり、金属が腐食することを防止
することができる。

【００４１】更に、有機金属錯体を有機溶媒に溶解させ
たものをスピン塗布により基板上に塗布すると、微細孔
への埋め込み性が高くなるので、半導体素子及び集積回
路等のように、下層の配線とのコンタクトをとる必要が
あるものに対しても、適用することができる。更にま
た、パターニングされた金属膜を水素雰囲気中で熱処理
すると、金属膜中の余分な酸素を除去することができ
る。更にまた、イオンビームのイオン種として、Ｂｅ⁺⁺
を使用すると、より一層微細なパターンを容易に形成す
ることができ、有機金属錯体膜の原材料として、有機銅
錯体、有機ニッケル錯体又は有機白金錯体を使用する
と、金属膜中の酸化物の生成を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る金属パターンの形成方法
を工程順に示す断面図である。

【図２】半導体プロセス及びリソグラフィマスク等にお
ける従来の金属パターンの形成方法を工程順に示す断面
図である。

【図３】図２の次工程を示す断面図である。

【図４】図３の次工程を示す断面図である。

【図５】図４の次工程を示す断面図である。

【図６】図５の次工程を示す断面図である。

【図７】図６の次工程を示す断面図である。

【図８】第２の従来技術による金属配線パターンの形成
方法を工程順に示す断面図である。

【図９】図８の次工程を示す断面図である。

【図１０】図９の次工程を示す断面図である。

【図１１】図１０の次工程を示す断面図である。

【図１２】図１１の次工程を示す断面図である。

【図１３】図１２の次工程を示す断面図である。

【図１４】図１３の次工程を示す断面図である。

【符号の説明】

１、１１、２１；基板２；有機金属錯体膜４；イオンビーム６、１６；金属パターン８、１２、１２ａ；金属膜１３、２３；レジスト膜１４、２４；紫外線１５、２５；レジストパターン２２；高分子有機膜２７；還元液２８；金属層２９；絶縁膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板上に有機金属錯体膜を形成する第１
工程と、前記有機金属錯体膜に所定のパターン形状で電
子ビームを照射して、電子ビームが照射された領域を金
属に変質させる第２工程と、前記有機金属錯体膜におけ
る電子ビームが照射されていない領域を前記基板から除
去する第３工程と、を有することを特徴とする金属パタ
ーンの形成方法。
【請求項２】基板上に有機金属錯体膜を形成する第１
工程と、前記有機金属錯体膜に所定のパターン形状でイ
オンビームを照射して、イオンビームが照射された領域
を金属に変質させる第２工程と、前記有機金属錯体膜に
おけるイオンビームが照射されていない領域を前記基板
から除去する第３工程と、を有することを特徴とする金
属パターンの形成方法。
【請求項３】前記第１工程は、有機金属錯体を有機溶
媒に溶解させたものをスピン塗布により前記基板上に塗
布する工程であることを特徴とする請求項１又は２に記
載の金属パターンの形成方法。
【請求項４】前記第３工程は、前記有機金属錯体膜を
有機溶媒により洗浄する工程であることを特徴とする請
求項１乃至３のいずれか１項に記載の金属パターンの形
成方法。
【請求項５】前記第１工程と前記第２工程との間に、
前記有機金属錯体膜を乾燥させる第４工程を有すること
を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の金
属パターンの形成方法。
【請求項６】前記第３工程の後に、前記基板を熱処理
する第５工程を有することを特徴とする請求項１乃至５
のいずれか１項に記載の金属パターンの形成方法。
【請求項７】前記第５工程を水素雰囲気中において実
施することを特徴とする請求項６に記載の金属パターン
の形成方法。
【請求項８】前記イオンビームのイオン種として、Ｂ
ｅイオンを使用することを特徴とする請求項２乃至７の
いずれか１項に記載の金属パターンの形成方法。
【請求項９】前記有機金属錯体膜の原材料として、有
機銅錯体Ｃｕ（ＯＣＨ₂ＣＨ₂ＯＣＨ₃）₂、有機ニッケル
錯体Ｎｉ（ＯＯＣＣ₇Ｈ₁₅）（ＯＣ₃Ｈ₇）及び有機白金
錯体Ｐｔ（ＣＨ₃ＣＯＣＨＣＯＣＨ₃）₂からなる群から
選択された１種の有機金属錯体を使用することを特徴と
する請求項１乃至８のいずれか１項に記載の金属パター
ンの形成方法。