JPS60165723A - 微細パタ−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】 〔発明の技術分野〕 本光明は、光化学反応を利用して形成した薄膜にマスク
パターン等を形成する微細パターン形成方法に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

近年、集積回路は微細化の一途を辿り、最近では最小パ
ターン寸法が１〜２［ｚｚｍ］の超ＬＳＩも試作開発さ
れるに至っている。このような微細加工は、被加工試利
十にエツチングマスクを形成し、これをマスクどして反
応性イオンエツチング等により試料を選択的にエツチン
グするのが通常であり、エツチングマスクとしては有機
感光材料であるフＡ１〜レジスト或いはＰＭＭＡ（ポリ
メチルメタクリレ−１・）等の電子線レジストが用いら
れる。即ち、有（幾溶剤に溶解したレジスト材料をウェ
ハに塗布し焼き固めた後露光を行い、次いで現像液に浸
しマスクパターンを形成してエツチングマスクを形成し
、その後さらに焼き固めて次のエツチング工程へと進む
わけである。

しかしながら、この積の方法にあっては次のような問題
があった。即ち、現在のエツチングマスク形成工程では
液体の処理剤を用いる必要があり、液体を用いた場合そ
の表面張力のため、微細パターンに均一に処理液が供給
されないことが起こる。

このため、形成すべきパターンが微細化する程加工精度
が低下し、将来のサブミクロンのパターン形成にはこれ
らの工程は不適であると考えられている。また、上述し
たレジスト塗布→露光→現像→エツチング等の一連の工
程は集積回路のパターンを形成する重要な工程であり、
空気中の塵の付着によるパターンの欠陥を防ぐため、特
に程度の高いクリーンルームな必要とする工程である。

そして、集積回路の微細化が進むに伴いこのクリーンル
ームもさらに塵の少ないものが要求され、非常に高額な
設備が必要となっている。また、現在５− 用いられている電子線レジストではエツチングマスクと
しての耐エツチング性が低く、エツチングに強い材料が
望まれている。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、液体の処理剤を用いることなくエツチ
ングマスクの基どなる薄膜及びそのパターンを形成する
ことができ、パターン加工精度の向上をはかり得る微細
パターン形成方法を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明の骨子は、光化学反応を利用してエッチグマスク
の基どなる有機薄膜を形成すると共に、エネルギービー
ムの選択照射により上記薄膜に所望のパターンを形成す
ることにある。

即ち本発明は、微細加工すべき試料基板上にエツチング
マスクとなるＳ膜パターンを形成する微細パターン形成
方法において、上記基板を該基板上にｊｔ１積すべき薄
膜の原料を含む原料ガスと少なくともハロゲン元素を含
む反応性ガスとの混合ガス中に晒し、上記混合ガスに光
を照射して光化学６一 反応により上記基板上に薄膜を堆積し、次いで前記基板
を高真空中に配置し、しかるのち前記基板上に形成すべ
きパターンに応じてＫＫｌｊＡ板上の薄膜に所定のエネ
ルギービームを選択的に照！）ｊ　’ｌるようにした方
法である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、エツチングマスクの基となる薄膜の形
成及び露光・現像の工程をガス雰囲気中若しくは真空中
で連続して行うことができるので、液体を用いる従来方
法に比べ、パターン加Ｉｉ１度の向上をはかり得る。さ
らに、工程の短縮及び肢置数の低減にＪ：り高１ｉＩｌ
ｉなりリーンルームを節約することができる。このため
、将来の集積回路の１Ｊブミクロン化にも十分に対処す
ることができる。

また、耐エツチング性に優れたエツチングマスクを形成
できる等の利点がある。

〔発明の実施例〕

まず、発明の詳細な説明する前に本発明の基礎となった
実験結果について説明する。二酸化シリコン賎を堆積し
たウェハを塩素とテトラメチルシラン；　（ＣＨ３）４
　Ｓ　ｉ　：　（ＴＭＳ）との混合ガス雰囲気中に配置
し、第１図（ａ＞に示す如くウェハ１上方１［姻］をエ
キシマレーザ光（ＸｅＣ１，波長３０８ｎｍ、出力２Ｗ
／′ｃｄ）２をウェハ１と平行に通過させて有機ｉ１１
！３を堆積さゼたとぎの混合ガス中の塩素の割合とＩ「
積速度との関係を第２図に示す。ここで、混合ガスの圧
力は１０［ｔｏｒｒ］とした。その結果、塩素の割合が
６０［ｖ０１％］＠後で堆積速度は最大値を取ることが
判った。次に、エキシマレーザ光２を第１図（ｂ）に示
す如くつ１ハ１に垂直に照口１した時の間合ガス中の１
１１　ｖｇの！ｉ１１合と堆積速度との関係を第３図に
示す。ここで、混合ガスの圧力は上記と同様に１Ｑ［ｔ
ｏｒｒ］どした。この場合、混合ガス中における塩素の
割合が少ない程、つまりＴＭＳの割合が多い程堆積速度
は大きくなった。しかし、塩素が４５［ｖｏ１％］の点
での１１積膜は表面の凹凸が激しく塩素の鰻を７０−□
〇〇［ｖｏ１％］とした方が均一な膜が再現性良く得ら
れた。さらに、第４図１まＩＪ！素の割合１：Ｌ８５［
ｖｏ１％コに固定し、ウェハ１に垂直に光を照射したと
きの堆積速度と混合ガス圧力との関係を示す特性図であ
る。混合ガスの圧力の増加に伴いＪｉ積速度も増加して
行くが、この場合もおよそ１０００［入／１０］以上の
高い堆積速度で形成した躾は均一性に劣り、１０〜５０
　［ｔｏｒｒ］程度の圧力が適当であると考えられる。

次に、このようにして堆積形成した有機ＷＩＩｌａの熱
に対する特性を調べた結果を示す。第５図は５０００［
人］の堆積膜（有ＩＩＩ薄膜）が付着したウェハを真空
中で加熱した時のウェハの温度上昇ど堆積膜の減少した
鋤との関係を示した特性図である。温度上昇と共に堆積
膜は蒸発していき約１１０［℃］では完全になくなった
。このことは、上記堆積膜をレジストとして用いた場合
、真空中で選択的に光や電子線を照射することで露光ど
現像を同時に行うことが可能であることを示唆している
。さらに、第６図は基板を特定の温度に保ち、そこへ前
述の混合ガス中で基板と平行に光を通過させ堆積膜を形
成した場合の基板濃度と堆積速度との関係を示す特性図
である。５０　［℃］前後に９− ピークが存在し、８０［℃］程度で堆積は起こらなくな
る。このことよりＪｉ積速度を速くしたい時は基板を５
０　［℃］程度に４制御するとよい。また、局所的に８
０　［℃］以上に加熱するこ°とで、その部分には股は
形成されず、選択的ｔｉ積が可能となる。また、このｊ
ｔｉ積膜の耐エツチング性を確認するために半導体材料
のエツチング種として代表的な塩ｔｉラジカルと弗素ラ
ジカルに晒したところ全くエツチングされないことが確
認された。

また、本発明者等の実験では塩素とＴ　Ｍ　Ｓとの混合
ガス中に微量の水銀を添加し、水銀を励起する光を斂出
する低圧水銀ランプを用い、この光を工：ｔシマレーザ
光と併用して照射し、水銀増感法による堆積速度の増加
を試みた。第７図はウェハ付近にエキシマレーザ光と１
」ｏランプ光を共にウェハと平行に通過させた時の混合
ガス中の塩素の割合に対する堆積速度の変化を調べた結
果である。

この図から判るように、塩素が７０［ｖｏ１％］前後含
まれる時に堆積速度はピークを持つが、塩素を８０〜９
０［ｖ０１％］とした方が平坦な均一性１０− の良い薄膜が得られた。また、第２図と比較し水銀増感
法を用いることでｌｆｉ積速度は約２倍に増加すること
が判る。第８図は塩素の割合を８５［ｖ０１％］として
混合ガス圧力に対するｊｆｔ積速度の変化を調べた結束
であり、同様に水銀増感法を用いている。

以上の実験結果より、塩素とＴ　Ｍ　Ｓとの混合ガス中
で塩素を解離する光を照射することで有ｔｉＴａ膜を形
成することができ、この膜はハロゲン元素のエツチング
種に対して耐エツチング性がある一方、真空中での加熱
により蒸発することが判った。

そのため、真空中で光、電子或いはイオン等を照射する
ことで微細パターンの形成ができるエツチングマスクと
して使用できることが明らかとなった。さらに、このよ
うな有機薄膜を形成するためには塩素とＴＭＳといった
構成のみならずＣＨａ基を含む化合物や水素及び炭素を
含む化合物等とハロゲン元素を含む反応性ガスとの構成
でも可能である。この場合、薄膜形成に用いる光は使用
したハロゲンガスを解離する波長を含む光を紫外からＸ
　ＨＡ　ｆａ　Ｉａより選べばよい。また、ＶＭＳ等の
有機化合物ガスを直接励起する短波長の光を用いても同
様の結果が得られた。さらに、水銀増感法により１（（
積速度を増ハロすることができることも判明し　ｌこ　
。

１メ下、本発明を適用した各実施例方法について説明す
る。

第９図は本発明の第１の実施例に使用した装置を示を概
略構成図である。図中１１は真空容器で、この容器１１
内には試料基板１２を載置するウェハボルダ−１３が配
置されている。このホルダー１３は駆動１幾横１４によ
り上下方向に移動されるものとなっている。また、容器
１１にはｊＭｓ等の原料ガス及び塩素等の反応性ガスを
導入するためのガス導入口１５及び容器１１内のガスを
排気するためのガス排気口１６が設けられている。

一方、容器１１の左方には上記反応性ガスを解離するた
めの光源１７が配置されている。この光源１７は、塩素
の吸収スペクトルに含まれる波長、約３３０　［ｎｍ］
付近の光を発生ずるもので、例えばエキシマレーザであ
る。イして、光源１７がらの光１８は容器１１の側壁に
設けられた光通過窓１９を介して容器１１内に導光され
、原料ガスと反応性ガスとの混合ガスに照射されるもの
となっている。また、容器１１の上方には光エッチング
のための光［２０が配置されている。そして、この光源
２０からの光２１は図示しないマスク及び光通過窓２２
等を介して容器１１内に導光され、基板１２上に垂直に
照射されるものどなつ−Ｃいる。

なお、図中３１は原料ガスの流量を制御Ｉ　ｉ″るカス
流量制御器、３２は反応性ガスの流−を制御づ”るガス
流員制御器、３３はに判基板１２を容器１１の内外で出
し入れするためのグー１〜バルブをぞれぞれ示している
。

次に、上記ｉＡ１を用いた微細パターン形成方法につい
て説明する。まず、試料基板１２としては第１０図（ａ
）に示す如＜Ｓｉウェハ４１上に被加工材料として５１
０２膜４２を形成したものを用いた。原料ガスとしてテ
トラメチルシラン（ＴＭＳ＞を、反応性ガスとして塩素
を用い、それぞ１３− れのガスを容器１１内に導入した。次いで、容器］１内
に光源１７からの■キシマレーザ光１８を導光した。こ
れにより、混合ガス中の塩素ガスが解離され、さらにこ
の塩素ラジカルとＴＭＳとが反応して、第１０図（ｂ）
に示す如＜５ｉ０２１１１４２上に有ａ薄膜４３が堆積
形成された。

次いで、容器１１内のガスを排気した後、光源２０から
の光２１ににり試料基板１２をパターニングした。即ち
、第１０図（Ｃ）に示す如く石英基板４５上にマスク材
４６を取着してなるマスク基板、４７を介して有１薄８
１４３上に光２１を選択的に照射した。この光照射によ
り、有機薄膜４３が露光・現像され、エツチングマスク
のパターン４４が形成された。なお、この露光・現像工
程では、光源と試料基板１２とをできるだけ近付けた方
がｈ効である。

現像が終了した後は、ゲー］・バルブ３３を介して試１
１　基板１２を外部に取り出すことによってこの工程は
１ｇ了するが、このゲートバルブ３３を通して容器１１
を次の真空容器に接続することで、１４− 一連の微細加エエ稈を全て真空容器内で行うことが可能
である。

このように本実施例によれば、エツチングマスクの基と
なる有機ｉ％Ｉ膜４３の形成■桿及びエツチングマスク
のパターン形成のための露光・現像の工程をガス雰囲気
中若しくは真空中で連続して行うことができるので、液
体を用いる従来方法に比べ、パターン加工ｔｉｒＩの向
上をはかり得る。さらに、工程の短縮及び装置数の低減
により高１ＩＩＩｉなりリーンルームを節約することが
できる。このため、将来の集積回路のサブミクロン化に
も十分に対処することができる。また、耐エツチング性
に優れたエツチングマスクを形成できるので、該エツチ
ングマスクを用いた被加工材料の選択エツチングを容易
に行い得る等の利点がある。

第１１図は本発明の第２の実施例方法に使用した装置を
示す概略構成図である。なお、第９図と同一部分には同
一符号を付して、その詳しいＵ１明は省略する。この装
置は、前記薄膜形成→パターニング→選択エツチングの
一連の工程をそれぞれ独立した別の容器で行うようにし
たものである。

即ち、光化学反応により薄膜を形成するための真空容器
１１ａ、該薄膜をエツチングするための真空容器１１ｂ
及び薄膜パターンをマスクとして下１１１１　ｍエツヂ
ング材料を選択エツチングするための真空容器１１Ｃが
それぞれゲートバルブを介して順次接続されている。容
器１１ａの上方には前記光ｔＡ１７が配置され、この光
８！１７により試料１２上に光が垂直に照射されるもの
となっている。

容器１１ｂの上方には、光源２０．マスク基板４７及び
縮小レンズ系からなる光学的縮小転写装置４９が配置さ
れている。そして、この装置４９にＪ、り試料基板１２
上にマスク基板４７のパターンが縮小転写されるものと
なっている。

なお、図中１３ａ、１３ｂ、１３ｃはホルダー、１６ａ
、１６ｂ、１６Ｃはガス排気口、３３ａ。

３３ｂ、３３ｃ、３３ｄはゲートバルブ、５０はガス導
入口をそれぞれ示している。

この装置を用いた場合、まず先の実施例と同様に容器１
．１ａ内で試料基板１２上、つまり８１０２膜４２上に
有機薄［１４３を堆積形成する。次いで、容器１１ａ内
を真空排気した後、ゲートバルブ３３ｂを開き基板１２
を容器１１ｂのホルダー１３ｂ上に載置する。ここで、
縮小転写装置４９にＪ：リマスクパターンを転写する。

即ち、有機ＨＩＩ　４３をマスクパターンに応じてエツ
チングし、エツチングマスクを形成する。次いで、ゲー
トバルブ３３Ｃを開き基板１２を容器１１ｃ内のホルダ
ー１３Ｃ上に載置する。ここでは、通常のプラズマエツ
チング誌と同様にして、上記形成されたエツチングマス
クを用いて前記５１０２膜４２を選択エツチングする。

即ち、容器１１ｃ内にＣＩ　２やＣＦ４等の反応性ガス
を導入すると共に、ホルダー１３ｃと容器１１Ｃ（容器
の土壁）との間に高周波電力を印加し、平行平板型プラ
ズマエツチング誌と同様にしてＳ　ｉ　０２の選択エツ
チングを行う。これにより、被加工材料としての５ＩＯ
２躾４２を所望の形状に微細加工することができる。

なお、容器１１ｃ内でのエツチングでは試料基板１２を
冷却しておく方がよい。

１７− かくして本実施例方法によれば、先の実施例方法と同様
に、エツチングマスクの基となる有機薄膜のｊ（ｆ積、
該薄膜のパターニング及び被加工月利の選択エツチング
等の一連の工程を、真空中若しくはガス雰囲気中で行う
ことができ、従って先の実施例と同様の効果が得られる
。また、別々の真空容器１１ａ、１１ｂ、Ｉｌｃを用い
ることにより、？！数の試＄３１１板１２を容器１１ａ
−）容器１１ｂ→容器ｔｉｅど一枚ずつ順次移動さ１４
各容器で独立して処理を行うことができ、これにより生
産性の向上をはかり冑る。

第１２図は本発明の第３の実施例方法に使用した装置を
示°す概略構成図である。この装置が前記第９図に示し
た装置と異なる点は、薄膜のエツチングを電子ビームで
行うことにある。即ち、前記光源２０の代りに容器１１
の上方には、電子銃５１、各種（ノンズ系５２．アパー
チャマスク５３及び鍋内系５４等からなる電子光学鏡筒
５５が設けられている。そして、この電子光学鏡筒５５
からの電子ビー１、は試料基板１２上で走査されるもの
＝１８− となっている。

この装置を用いても先の第１の実施例と同様な効果が得
られるのは、勿論のことである。

なお、本発明は、に述した各実施例に限定されるもので
はない。例えば、前記薄膜形成のために混合ガスに照射
する光と′して、反応性ガスを解離する波長の他に原料
ガスを励起する波長の光を併用するようにしてもよい。

さらに、ＩＩＩを露光・現像するためのエネルギービー
ムとしては、光や電子ビームに限るものではなく、イオ
ンビームを用いるようにしてもよい。また、原石ガスは
テ１〜ラメチルシランに同等限定されるものではなく、
金属若しくは半導体と炭素及び水素どの各種の化合物を
用いることが可能である。例えば、８１（ＣＨ１３）ａ
　、　Ｑｅ　（Ｃｔ（３）４　、　Ｃｄ　（ＣＩ−１３
）２　。

Ｚｎ　（Ｃ１−１３）２　、　Ｓｎ　（ＣＩ−１３）４
　、　Ｂ　ｌ　（ＣＨ３）３　、　Ｇａ　（Ｃ１１３＞
３或いは　Ａｌ２（ＣＩ９）ｓ等を用いることも可能で
ある。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変
形して実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第８図はそれぞれ本発明の基礎となった実験
結果を説明するためのもので第１図は光化学反応により
ＷＩ躾が形成される状態を示す断面図、第２図及び第３
図は堆積速度と混合ガス中のｊ８素の割合との関係を示
す特性図、第４図は堆積速度と混合ガス圧力との関係を
示す特性図、第５図は加熱時間に対するウェハ温度及び
堆積膜の減少聞の変化を示す特性図、第６図はウェハ温
度と堆積速度との関係を示す特性図、第７図は堆積速度
と混合ガス中の塩素の割合どの関係を示す特性図、第８
図は堆積速度と混合ガス圧力との関係を示寸特性図、第
９図は本発明の第１の実施例方法に使用した装置を示す
概略構成図、第１０図は上記装置を用いた微細パターン
形成工程を示す断面図、第１１図は第２の実施例方法に
使用した装置を示す概略構成図、第１２図は第３の実施
例方法に使用した装置を示す概略構成図である。 １・・・ウェハ、２・・・光、３・・・有機薄膜（堆積
膜）、１１．１１ａ、Ｉｌｂ、ＩＩＧ・・・真空容器、
１２・・・試料基板、１３．１３ａ、１３ｂ、　１３ｃ
ｍ’ｙＩハホルダー、１４・・・駆動機構、１５．５０
・・・ガス１人Ｄ、１６．１６ａ、１６ｂ、１６ｃｍ”
ｊｊスＩＪ［気口、１７・・・簿膜形成用光源、１８・
・・薄膜形成用光、１９．２２・・・光通過窓、２ｏ・
・・薄膜エツチング用光源、２１・・・ＩＩＩ！エツチ
ング用光、３１゜３２　・＝　カスｌ　ｌ　ｉｌＪ　Ｉ
ＩＩ　！、３３．３３ａ、３３ｂ。 ３３ｃ、３３ｄ・・・ゲートバルブ、４９・・・光学的
縮小転写装置、５５・・・電子光学鏡筒。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 ２１− 第１　図 −（讐＠ｍｌ 七 弓　、Ｏ ト／−／　寸 ぐ ど

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料基板を該基板上に堆積すべぎ薄膜の原料を含
   む原料ガスと少なくともハロゲン元系を含む反応性ガス
   との混合ガス中に晒し、上記混合ガスに光を照射して光
   化学反応により上記基板上に薄膜を堆積し、次いで前記
   基板を高真空中【こ配冒し、しかるのち前記基板上に形
   成すべきパターンに応じて該Ｉ！根上の薄膜に所定のエ
   ネルギービームを選択的に照射することを特徴とする微
   細パターン形成方法。
2. （２）前記Ｉ　ＩＩのＪ［積を前記混合ガス及び光が導
   入された反応容器内で行い、次いで上記容器を真空排気
   したのち前記エネルギービームの照口・１を行うように
   したことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の微細
   パターン形成方法。
3. （３）前記ｗＩｍの１「積を前記混合ガス及び光が導入
   された反応容器内で行い、次いで上記薄膜がＪｒ１積さ
   れた基板を高真空排気された別の容器内に配置したのち
   前記エネルギービームの照射を行うようにしたことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の微細パターン形成
   方法。
4. （４）前記エネルギービームを選択照射する手段として
   、集束されたエネルギービームを前記基板、にで走査し
   て該基板上の薄膜に所望パターンを描画するＪ：うにし
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の微細パ
   ターン形成方法。
5. （５）前記エネルギービームを選択照射する手段どして
   、マスク基板を介して前記Ｗ　板上にエネルギービーム
   を照射し、該基板上の薄膜に上記マスクＵ板上のパター
   ンを転写するようにしたことを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の微細パターン形成方法。
6. （６）前記エネルギービームとして、光、電子或いは−
   イオンビームを用いるようにしたことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の微細パターン形成方法。
7. （７）＾ｒ１記原料ガスとして、金属若しくは半導体と
   炭素及び水素との化合物を用いるようにしたことを特徴
   とする特許請求の範囲第１項記載の微細パターン形成方
   法。
8. （８）前記原料ガスどして、Ｓ　Ｉ　（ＣＨａ　）　４
   　。 Ｓ　ｉ　（Ｃｈｌｌ　）６　、　Ｇｅ　（ＣＨ３）４　
   、　Ｃｄ　（ＣＨ３）２　、　Ｚｎ　（ＣＩ４３　）２
   　、８ｎ　（ＣＨ３）４　。 Ｂ　ｉ　（ＣＨ３）　３　、　Ｇａ　（ＣＩ−１：ｌ　
   ）　３或いはＡｌ１　（Ｏｆ−ｈ　）６を用いるように
   したことを特徴とする特許請求の範囲第７項記載の微細
   パターン形成方法。
9. （９）前記混合ガスに照射する光として、前記反応性ガ
   スを解離する波長の光を用いるようにしたことを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の微細パターン形成方法
   。
10. （１０）前記混合ガスに照射する光として、前記反応性
    ガスを解離する波長の光及び前記原料ガスを励起する波
    長の光を用いるようにしたことを特徴とする特許請求の
    範囲第１項記載の微細パターン形成方法。
11. （１１）前記原料ガス中に増感剤として水銀を添加し、
    同時に前記反応性ガスを解離する光の他に上記水銀を励
    起する光を併用するようにしたことを特徴とする特ｉ！
    ！Ｆ請求の範囲第９項又は第１０項記載の微細パターン
    形成方法。