JPS6378523A - パタ−ン形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はパターン形成方法に係り、ＬＳＩ製造等におけ
るビームリソグラフィにおいて、特にコントラストおよ
び解像性に優れたレジストパターンを得るためのパター
ン形成法に関する。

〔従来の技術〕

電子ビームリソグラフィは、例えばアイ・イー・イー・
イー、トランザクション　オン　エレクトロン　デバイ
セズ　イーディー２８．１１（１９８１年）第１２６８
頁から第１２７８頁（Ｉ　　Ｅ　Ｅ　　Ｅ　、　　Ｔｒ
ａｎｓ、　　ｏｎ　　Ｅ　１ｅｃｔ、ｒｏｎ　　Ｄｅｖ
ｉｃｅｓ。

Ｖｏｌ、ＥＤ　　２８．　Ｎｏ、Ｌ　Ｌ　　（１９８１
）ｐｐ、１２６８−１２７８）において論じられている
ように、サブミクロン寸法領域以下で従来の光学式リソ
グラフィでは実現し得ない超微細パターンを形成し得る
次世代りソグラフイ技術であり、来たるべき１６Ｍ、６
４Ｍｂｉｔ以上という超高集積半導体メモリ素子１等を
実現する上で必須の技術とされている。これは電子線が
光に比べて桁違いに短い波長を有していることと、数十
人という極めて微細に収束できてパターン１つ１つを描
画していく方式を採れることによるものである。

（文献） Ｉ　　Ｅ　Ｅ　　Ｅ　　、　　Ｔｒａｎｓ、　　ｏｎ　
　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　　Ｄｅｖｉｃｅｓ。

Ｖｏｌ、ＥＤ−２８，Ｎｏ、１１　　（１９８１）ｐｐ
、１２６８−１２７８゜ 〔発明が解決しようとする問題点〕 電子ビームリングラフィでは第２図に示すように従来の
光学式リングラフィと同様に基板１上に塗布されたレジ
スト高分子材料２に選択的な露光照射３を行なうと、レ
ジスト高分子２内に選択的な化学反応を誘起し現像過程
においてレジストを不溶化（ネガ型レジストの場合）あ
るいは可溶化（ポジ型レジストの場合）するためのエネ
ルギ堆積６がなされる。この現像前の堆積エネルギ分布
６は一般に″潜像″と呼ばれ、現像後に実際に得られる
゛′実実像上の間に密接な関係を持つ。すなわち現像過
程では潜像におけるエネルギ堆積量の大きさに依存した
レジストの溶解速度が定まり。

潜像以外の領域の溶解速度との間に溶解コントラストを
生じて実像パターンが形成されている。したがって描画
後のレジスト内潜像におけるコントラストあるいは解像
性の良否が実像パターンのコントラストが解像性の良否
を決めることになる。

一方、電子ビームリソグラフィにおいては、試料内に入
射した電子が試料を構成する様々の元素との間で衝突。

散乱し、第３図で示す如く入射点１３以外の広い領域に
わたってその影響を及ぼすという問題がある（近接効果
）。このため極めて微細に収束した電子ビームにより精
度良くパターンを描画したとしても、上記近接効果のた
めに本来描画を施さない領域にまでも何がしかの描画効
果を与えることになる。この結果、描画／未描画という
描画コントラストが実効的に低下し、上記潜像のコント
ラストあるいは解像性は著しく低下する。これを第４図
を用いてより詳細に説明する。

第４図はモンテカルロ法による試料的入射電子の散乱シ
ミュレーションにより、０．４μｍのラインを７木、０
．８μｍピッチで描画した際のレジスト内潜像である。

同図より描画していない領域においても潜像は完全に解
像していない上、７木のラインの中央付過程一層この傾
向が著しくなることがわかる。

したがってこのようにコントラストあるいは解像性が低
下した潜像状態で実像を求めようとすると、描画部と未
描画部とのレジスト溶解コントラストが低下しているた
めに、高コントラストの実像パターンが得られない。こ
れをネガ型レジストの場合を例に第５図で詳しく説明す
る。第５図は現像中のレジストの溶解過程すなわち膜減
り過程を示し、特にネガレジストの場合を例に表わした
ものである。図中曲線７は未描画部の膜減り過程であり
、曲線８は描画部のものである。未描画部の膜減りが完
了した時点９での描画部のレジスト残存量１０の大きさ
が一般にコントラストに相当するが、描画部においても
通常は膜減りが生じるために理想的な１００％のコント
ラストは得にくい。しかし近接効果が顕著な高集積パタ
ーン等では前述の如く未描画部にも実効的な描画効果が
与えられることになることから、未描画部の膜減り過程
は曲！ｌＡ７′のようになって膜減り完了時点９′が増
大する方向へ移行する。この結果、描画部のレジスト残
膜量１０′は相対的に減少するため、低コントラストの
パターンしか得られない、という問題があった。

本発明の目的は、従来の問題点を解決し、極めて微細な
レジストパターンを高コントラストで形成することにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的を達成するために本発明では１選択的にレジス
トパターンを焼きつけるための主露光の他に副露光をレ
ジスト全面あるいは所望パターン周囲に与えることによ
り、レジスト表面層において、新たにエネルギ堆積領域
を設けるようにする。

これを実現する手段として、主露光に高エネルギの電子
線、イオン線又はレジスト層下面まで到達する光、ある
いは短波長のＸ線を用いることができる。一方副露光と
して低エネルギの電子線、イオン線、レジスト表面近傍
での吸収の大きい波長の光、もしくは長波長のＸ線を用
いることができる。実際の適用に当ってはこれらの主露
光と副露光の中から適当な組合せを用いることが望まし
い。

〔作用〕

近接効果の影響を受けていても高コントラストな実像レ
ジストパターンを得るには、第５図において近接効果を
受けた未描画部の膜減り過程７′が完了した時点９′で
、描画部の膜減りが充分に進行しないようにすればよい
。本発明の作用を第１図を用いて説明する。第１図（ａ
）は本発明の概要を示す図である。すなわち本発明では
１本来の所望パターンを選択的にしかもレジスト深さ方
向全体に露光する主露光３と、レジスト表面層５に限っ
てレジストを露光させエネルギ堆積を生じせしめる副露
光４とを行なっている。この結果第１図（ｂ）に示すよ
うに描画部のレジスト深さ方向におけるレジスト内堆積
エネルギ分布Ｃは、主露光による堆積エネルギ分布ａと
副露光とによる分布すとの和として表わされることにな
る。この各レジスト内堆積エネルギ分布がレジストの膜
減り過程に及ぼす効果を示したのが第１図（Ｃ）である
。すなわち副露光４により未描画部の膜減り１１は従来
存在しなかった表面層付近の堆積エネルギ分布（第１図
（ｂ）のｂ）が寄与する為、当然従来の未描画部膜減り
７に比べてその速度が低下することになる。しかしなが
らこの状態はあくまでもレジスト表面層付近５に限られ
るものであるから、この領域を経た後は従来通りの膜減
り速度に回復し速やかに溶解が進むことになる。一方、
描画部の膜減り１２は副露光４および主露光３により第
１１３４（ｂ）で表わした如き堆積エネルギ分布Ｃが生
じているために、やはりレジスト表面層付近５内ではよ
り一層の膜減り速度の低下を来すことになる。レジスト
表面層付近５内では、第１図（ｂ）における未描画部堆
積エネルギ分布すと描画部堆積エネルギ分布Ｃとのエネ
ルギ強度差に応じた溶解コントラスト１５が生じる。こ
の後、未描画部は上述した如〈従来通りの膜減り速度で
速やかに溶解されるが、描画部の膜減りは尚上記レジス
ト表面層５内に停まっている。そこで未描画部の膜減り
１１が完了した時点１３において、描画部の膜減り１２
がレジスト表面層５内にあるようにすれば１４、従来低
下を余義なくされていたコントラストの低下を著しく回
復、改善することができる。

さらに本発明では上記の如く事実上のパターン形成をレ
ジスト表面層５内で決めることができるため、第１図（
ａ）で見るようなレジスト内潜像６における解像性劣化
の影響を回避することができる。すなわち電子線リング
ラフィでは入射電子の試料的前方散乱や下地基板からの
後方散乱電子のため、また光学式リソグラフィでは下地
基板での反射光１等のために一般に潜像６の解像性劣化
はレジスト深部か基板界面部で最も極立つ傾向にあって
実像レジストパターンの解像性を著しく低下させている
。これに対し本発明ではこうしたレジスト深部、基板界
面部の影響を一切受けない状態でパターンを形成できる
。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により詳細に説明する。

（実施例１） 第６図は本発明のパターン形成法の実施例１を示す図で
ある。まず第６図（ａ）の様に加工対象とする基体（半
導体基板上の金属膜、絶縁膜等）■の表面上にレジスト
膜２として、感光性ネガ型レジストＲＤ２００ＯＮ　（
商品名２日立化成社製）を厚さ約０．４〜０．５μｍに
塗布する。上記レジスト膜を８０℃、２０分間熱処理す
る。

次に、第６図（ｂ）の様に上記レジスト膜２を特に波長
領域２００〜３００ｎｍを有する遠紫外光４により、全
面露光し、レジスト表面層にエネルギ堆積５を施す。こ
の場合、光源には、高圧水銀ランプ等を用い、強度約３
２０　ｍ　Ｗ／　ｃｍ　２で０．３秒間露光する。

次に第６図（ｅ）の様に遠紫外光で露光されたレジスト
膜２に電子線３を選択的に照射して、所望パターンの描
画を行なう。この場合、用いた電子線描画装置は加速電
圧３０ｋＶの可変矩形式のものであり、最適な電子線照
射量は現像条件によって異なるが１〜５０Ｘ１０−ｇｃ
／ｃｍ２である。

次に上記レジスト膜を現像する。現像液にはテトラメモ
ルアンモニウムハイドロオキサイドを主成分とする有機
アルカリ水溶液であり、例えばＮＭＤ３　（東京応化製
）等を使用する。現像液温度は２０″〜２３℃で１〜２
分間浸漬させ、第６図（ｄ）の様に電子線描画によるネ
ガ型パターン２′が形成される。

従来はレジスト残存景が約９０％の高コントラストパタ
ーンを得ようとすると、０．４μｍラインアンドスペー
ス程度が限界であったのが、ここでは、０．２μｍ程度
の超微細なレジストパターンが、通常の電子線リングラ
フィの工程に７１１に遠紫外光全面露光を取り入れると
いう非常にｆｌＷ　！ｌ’、な工程で容易に得ることが
できた。さらに第６図（ｅ）はＲＤ２００ＯＮレジスＩ
〜に対し何ら露光しない場合１６．電子線を露光（描画
）した場合１７、遠紫外光を露光した場合１８．遠紫外
光および電子線を露光した場合１９について、それぞれ
の膜減り過程を測定したものである。同図より明らかに
レジスト表面から全体の約４５％程度の深さにおいて上
記遠紫外光全面露光による膜減り速度の低下すなわちエ
ネルギ堆積層の形成が確認できた。ここで遠紫外露光と
電子Ｉ＠露光との露光順序に関して、これを入れ換えて
も同様の効果が得られた。また２つの露光を組合わせる
ことによ°す、電子線での感度が従来法に比べ飛四的に
向丘したことはいうまでもない。

（実施例２） 第７図は実施例２を説明する図である。実施例１と同様
にＲＤ２００ＯＮレジス１〜を加工対象とする基体上に
約０．４〜０．５μｍの膜厚で塗布。

熱処理した状態を第７図（ａ）で示す。

次に第７図（ｂ）の様に上記レジストｖ２を特に加速電
圧０．５〜３ｋＶの低加速電子線２０により全面露光し
レジスト表面にエネルギ堆積層５を設ける。この場合、
最適な電子線照射量は１〜１０ＸＩＯ−８ｃ／ｃｍ２で
ある。

次に第７図（ｃ）の様に低加速電子線で露光されたレジ
スト膜２に加速電圧３０ｋＶの高加速電子線３を選択的
に照射して、所望パターンの描画を行なう。この場合の
最適電子線照射量は１〜５０　Ｘ　１０−　Ｂｃ　／　
ｒ！ｎ２である。

次に実施例１と同様の現像工程を施すと、第７図（ｄ）
の様なネガ型パターン２′が形成され。

０．２μｍ程度の超微細パターンが得られた。

ここで加速電圧Ｅに対する入射電子の試料内飛程Ｒｏ　
（Ｇ　ｒｉｉｎ　Ｒａｎｇｅ）を求めると、一般に次式
が成り立つことが知られている。

この式より加速電圧０．５〜３ｋＶの電子線の飛程はレ
ジスト内で約０．０１〜０．３μｍとなり、レジスト表
面層だけにエネルギ堆積が形成されることがわかる。こ
の結果、未露光部、露光部、描画部、未描画部の膜減り
を実施例１と同様に測定したところ、第６図（８）とほ
ぼ同様の過程を示し、レジスト表層のエネルギ堆積層を
確認することができた。

この場合、主露光、副露光の露光順序は本発明の効果に
特に関係なく、いずれにおいても同様の効果が得られる
。

（実施例３） 第８図は実施例２と同様に０．５〜３ｋＶの低加速電圧
のＩＥ子線ｆＫ（射によりレジスト表面層にエネルギ堆
積Ｐ７Ｊを形成する工程において、特に所望パターンを
包含する限られた領域のみに上記照射を施した実施例を
示す図である。

第８図（ａ）は実施例１と同様に基体１上に形成された
ＲＤ２００ＯＮレジスト膜２に対して、所望パターンを
包含する領域に選択的な電子線照射２０′を行い、レジ
スト表面層にエネルギ堆積層５′を形成した状態を示す
。この場合の加速電圧は実施例２と同様に０．５〜５ｋ
Ｖが適当である。したがってレジスト内飛程は約０．０
１〜０．３μｍ程度と計算される。

第８図（ｂ）は所望パターンを加速電圧３０ｋＶにて描
画した状態である。この後、実施例１と同様の現像処理
を施した結果、第８図（ｃ）に示すように実施例１ある
いは２と同様の微細レジストパターン２′を得るに到っ
た。

尚、未露光部および低加速電子照射部さらにパターン描
画部の各膜減りを測定したところ、実施例１と同様のレ
ジスト表面層におけるエネルギ堆積ｍを確認することが
できた。

この場合においても主副面露光の順による効果の差異は
見られなかった。

（実施例４） 第９図は所望パターンを露光するのに電子線に代わって
遠紫外光を用いた実施例４を示す。

第９図（ａ）は実施例１と同様に基体１上にレジストＲ
Ｄ２００ＯＮを０．４〜０．５μｍの膜厚で塗布、熱処
理した状態を示す。

次に第９図（ｂ）に示すように実施例１と同様に上記レ
ジスト膜２を特に波長領域２００−２５０ｎｍを有する
遠紫外光４により、全面露光′し、レジスト表面層にエ
ネルギ堆積層５を形成する。この場合の光源には高圧水
銀ランプ等を用い、強度約３２０ｍＷ／ｃｍ”で０．３
秒間露光する。

次に第９図（ｃ）に示すように光源として波長成分３０
８ｎｍのＸ　ｅ　ＣＱエキシマレーザ２１を用い、フォ
トマスク２２を介して所望パターン領域を選択的に露光
した。

この後、実施例１と同様に現像処理を施した結果、フォ
トマスク寸法に忠実なレジストパターンが第９図（ｄ）
のように高コントラストに得られた。

この場合においても実施例１〜３と同様にレジスト表面
層での溶解速度の低下現象がｉ副された上、主副面露光
の順による効果の差異は見られなかった。

〔発明の効果〕

本９！明によれば、電子ビームリングラフィにおける近
接効果の欠点を改善し、高コントラストを有する高解像
度の微細パターン形成することができる。また、プロセ
ス工程を複雑化することなくｍにエネルギ強度を選んだ
副露光とするだけで、高コントラストで高解像度の微細
パターンを形成し得るので容易に実施することができ、
実用的利点が極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明を実施するための方法、第１図（
ｂ）、（ｃ）は本発明の有する効果と作用をそれぞれ表
わす図である。第２図は、電子ビームリソグラフィによ
るレジスト内の描画効果を示す図。第３図は近接効果の
原因である入射電子の試料的散乱現象をモンテカルロシ
ミュレーションで求めた図。第４図は同シミュレーショ
ンにより求めたレジスト内潜像の解像性劣化の様子を示
す図。第５図は描画部、未描画部のレジスト溶解コント
ラストを説明する図。第６図は本発明の実施例１を示す
図であり、遠紫外光と電子線とによる工程を示す。第７
図は本発明の実施例２を示し。 低加速の電子線を用いた工程を示す図である。第８図は
該低加速電子線を所望パターンを包含する領域にのみ限
定した実施例３を示す図である。第９図は、波長成分の
異なる遠紫外光をそれぞれ主。 副露光として用いた実施例４を示す図である。 １・・・基体、 ２・・・レジスト高分子材料、 ２′・・・形成されたパターン、 ３・・・主露光用の電子線、 ４・・・副露光用の電子線、 ５・・・エネルギ堆積層、 ６・・・レジスト内潜僅。 ７・・・未露光レジストの膜減り過程、７′・・・近接
効果を受けた未露光レジストの膜減り過程 ８・・・電子線露光部の膜減り過程、 ９・・・未露光レジストの膜減り完了時点、９′・・・
近接効果を受けた未露光レジストの膜減り完了時点。 １０・・・電子線露光部のレジスト残存量（コントラス
ト）、 １０’・・・近接効果を受けた電子線露光部のレジスト
残存量、 １１・・・副露光部の膜減り過程。 １２・・・主および副露光部の膜減り過程、１３・・・
副露光部の膜減り完了時点。 １４・・・主および副露光部のレジスト残存量（コント
ラスト）、 １５・・・レジスト表面のエネルギ堆積層内コントラス
ト。 １６・・・ＲＤ２００ＯＮレジストの未露光部模試り過
程。 １７・・・ＲＤ２００ＯＮレジストの電子線露光部膜減
り過程、 １８・・・Ｒ，Ｄ２００ＯＮレジストの遠紫外光露光部
膜減り過程、 １９・・・ＲＤ２００ＯＮレジストの遠紫外光および電
子線露光部の膜減り過程、 ２０・・・低加速定圧電子線（全面露光）２０′・・・
　　　　　　　（場所露光）２１・・・ＸｅＣαエキシ
マレーザ。 ２２・・・フォトマスク。 ２３・・・電子ビーム入射点。 竿　１０（０−） ＬＩＦＬＬＩＩ↓↓１１↓−４ ↓ｊＬＨ］↓ＩＪＪ　　４１！Ｊ！−Ｊｇ゛Ｌシ゛スＰ
内ソＶ像 ）１１　図　（Ｃ２ ２１Ｚ す３芭 Ｚ／Ｊ気 、ｓ”、＞ビ＾夜−ｌ 峯乙凹 ＋＋＋ｉ＋ｔ＋と９ Ｊ＋Ｌ　ＬＬｊ　！＋Ｆ〜３ 多重　る　１ｌｆｆｉ　　　（ｅ） 美も翳ミ膚か関（５ｅｃ） ０−ｉさり牛ブ乙ち゛よひｉ了ヒームＪ【尤滲Ｐ惇戻活
×ン坏７＠ ｊ　！　＋　＋　！　＋　ｉ　ｒ２θ ＋＋ｉ　ｎ＋　＋ＩＦ″−♂ 半Ｃ／ア

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、基体上に形成したレジスト高分子膜に選択的にエネ
   ルギ線を照射、現像し、所望のレジストパターンを得る
   パターン形成工程と、これとは別個にレジスト高分子膜
   全面あるいは少なくとも所望パターンを包含する領域に
   対して、そのレジスト高分子膜の深さ方向に対し表面層
   付近に選択的なエネルギ堆積を生じせしめるエネルギ線
   を照射する工程を付加したことを特徴とするパターン形
   成方法。