JPH0468769B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はデバイスプロセス、より具体的には高
分解能でパターンを形成する必要のあるデバイス
プロセスに係る。

半導体デバイス及び磁気バブルデバイスのよう
なデバイスの製作は、リングラフイプロセスに著
しく依存する。これらのリソグラフイプロセスに
おいて、レジスト材料はたとえばＸ線、電子又は
光のような露光エネルギーで、所望のパターン中
を照射される。この露光はレジスト材料の照射領
域中に、化学反応を誘発する。化学反応により現
像が可能になる。すなわち、露光された領域の溶
解度が露光されない領域に比べ変化し、ポジ形レ
ジストの場合は露出された領域が、またネガレジ
ストの場合は露出されない領域が除去されること
により、パターンの形成ができる。多くのレジス
ト材料が開発されてきた。たとえば、ポリメチル
メタクリレート（PMMA）がレジスト材料とし
て用いられ、比較的良い解像度が得られている。
すなわち、厚い基板（10μより厚い）上で、
10000Åないし1000Å（1000ないし100ナノメー
タ）の範囲の線幅の解像度が得られている。
PMMAは比較的高い解像度をもつが、その感度
は高い生産性を必要とする用途に対しては、やや
低い。

PMMAは感度のような特性の修正をするため、
各種の方法により修正されてきた。たとえば、
PMMAの基本モノマすなわちメチルメタクリレ
ートは、メタクリル酸とともに共重合された。こ
の共重合体はPMMAの優れた解像度は示さない
が、それは増加した感度を示し、非常に高い分解
能は本質的ではないが、比較的高い感度がより望
ましいLSI（大規模集積回路）のパターン接続線
のような用途が考えられてきた。

PMMAの低い感度はまた、高分解能を得るた
めに設計されたレジスト形態中でも利用されてき
た。たとえば、メタクリル酸共重合体の上部層と
PMMAの下部層を含む二層複合レジストの使用
について、議論されてきた。（グロブマン
（Grobman）ら、Proceeging of IEEE、1978、
IEDM、58頁）この複合レジストが上部重合体層
を露光するのに十分な線量で照射された時、下部
PMMA層にはほとんど化学的変化は起らない。
（これはPMMAの低い感度のために起る。）上部
層は現像され、この現像工程後被覆されない
PMMAを溶解するため、溶媒が導入される。

次第に解像度が改善されるにつれ、非常に大規
模な集積化及び非常に微細なパターンに依存する
個別デバイスの可能性が大きくなつてきたため、
二層方式において解像度を増すこと及び解像度を
増すための複合レジストの研究が活発になつてき
た。一般に、二層方式では2500Åから20000Å
（250ないし2000ナノメータ）また単一レジスト組
成の場合は1000Åないし30000Å（100ないし3000
ナノメータ）の解像度が、10μm以上の厚い基板
上において、現在得られる。

非常に良い解像度、すなわち400Å（40ナノメ
ータ）のような良い解像度は、注意深く選択した
二層複合レジストすなわち、間に下部層のポジ形
レジスト材料をもち、基板と上部ポジ形レジスト
材料の両方と密着するようなものを用いることに
より、得ることは可能である。下部レジスト材料
の厚さは、上部レジスト材料の下部表面における
ある領域中に照射された後方散乱の電子数を減少
させるように選択される。加えて、上部レジスト
材料は下部レジスト材料より薄くすべきで、下部
レジスト材料の感度は、厚さのこの差を補償する
のに十分高くなければならない。

本発明の例におけるレジストの例は、PMMA
の上部層とメチルメタクリレート及びメタクリル
酸（Ｐ（MMA／MAA））の共重合体の下部層を
含む二層構成である。この例の構成では、400Å
（40ナノメータ）の狭い線が得られる。

本発明の二層系を用いると、構成レジスト材料
のいずれかの単一層で得られるものより高い解像
度が得られる。この現像の考えられる説明は、露
光放射、たとえば電子がその上にレジスト材料が
堆積されている基板を照射した時、二次電子が生
成するということである。二次電子及び後方散乱
された一次電子は隣接するレジスト材料に当り、
化学反応を起す原因となる。この電子の後方散乱
は2πステラジアン立体角に渡つて起るので、下
部レジスト材料の露光領域は、入射放射により直
接照射される領域より大きい。二層方式を用いる
ことにより、後方散乱された電子は、最初に下部
レジスト材料に当る。もし、このレジスト材料が
比較的厚いと、これらの電子は十分拡散し、その
ためそれらは上部レジスト材料中での化学的変化
を、十分起させることはなくなる。すなわち、下
部レジスト材料が厚くなるにつれ、より少数の後
方散乱電子が、上部及び下部レジスト材料界面に
おける上部レジスト材料の単位領域に、到達する
ことになる。後方散乱によるこの露光量が小さく
なればなるほど、解像度の劣化は小さくなる。従
つて、下部レジスト材料は得られる所望の解像度
を妨げないように、十分厚くなければならない。

下部レジスト材料の厚さに対する解像度依存性
は、下部レジストのある組成及び厚さで得られた
解像度を評価するための、制御された試料を用い
ることにより決定できる。好ましい実施例におい
て、厚さは後方散乱された電子が実現される解像
度を制限しないように、すなわち解像度が下部レ
ジストの厚さが増すことにより低下されないよう
に、十分厚く選ばなければならない。後方散乱さ
れる電子の数は、基板組成と露光放射のエネルギ
ーに依存する。一般に、シリコンのような基板材
料と、25KeVから30KeVの範囲の典型的な電子
ビームエネルギーの場合、レジスト材料はこの条
件を満すため、少くとも1000Å（100ナノメータ）
好ましくは2000Å以上にすべきである。

上に述べた厚さに対する条件が満されたとする
と、上部レジスト材料の厚さ及び組成が、プロセ
スパラメータとともに、得られる解像度を決定す
る。一般に、レジストが厚くなるにつれ、解像度
は悪くなる。レジストを放射で露光すると、露出
されたレジスト材料の適当な現像液中での溶解度
を増す。露光線量が多ければ多いほど、飽和点ま
での溶解速度は一層大きくなる。露光に伴う溶解
速度の変化は、材料の組成に依存する。レジスト
が現像液で処理される時、溶解は上部レジスト材
料の上部表面で始る。現像はすべての方向に、あ
る方向にその方向で生じる化学的変化の程度に依
存した速度で進む溶解とともに進む。すなわち、
化学変化が大きければ大きいほど、速度は大きく
なる。従つて、現像速度は露光放射の方向で最大
になるが、散乱された電子による露光のため、他
の方向にもまた著しい。材料の厚さが厚いほどま
たは溶解速度の変化が小さいほど、レジストの厚
さを通して所望のパターンを生成するのに必要な
時間は、より長くなる。現像時間が長ければ長い
ほど、このパターンに隣接した領域中の溶解量は
より多くなり、従つて解像度は低下する。

本発明は5000Å（500ナノメータ）又はそれ以
下の解像度を実現するために、適用すると有利で
ある。そのような解像度を得るため、上部レジス
ト材料及びこの材料の厚さは、露出とその後の現
像で生じたレジスト材料の上部表面中の穴が、こ
の微細パターンを必要とするパターン領域中で、
5000Å（500ナノメータ）又はそれ以下であるよ
うに選ばなければならない。典型的な場合、
PMMAのような材料では1μm以下の厚さの上部
レジスト材料を用いることにより、これは達成で
きる。電子顕微鏡の観測で、上部表面における穴
の幅と、得られた解像度を測定することができ
る。ある選択された材料の場合、所望の解像度を
得るのに必要な厚さは、制御された試料を用いる
とともに、この測定技術を用いることにより、こ
うして決定される。

下部層として用いる材料は、上部層としての材
料の選択に依存する。上に述べたように、上部層
は与えられた解像度が得られるように、選択され
る。上部レジスト材料は、現像により露光された
領域の全厚さが、解像度の劣化を防ぐのに適当な
時間内で、除去されるように露光される。下部レ
ジスト材料は、必然的に上部レジスト材料を露出
するのに用いられる入射放射と本質的に同じ線量
で露光される。（上部レジスト材料に達し、下部
レジスト材料に到達しないエネルギーの電子又は
他の露出ユニツトの数は、全入射放射に比べ無視
できる。） 使用される線量の場合、下部レジスト材料もま
た入射放射及び基板から後方散乱された電子によ
り生ずる十分な反応を受け、それにより露光され
た領域内の全厚さが、解像度を著しく劣化させる
ことなく、除去されるようでなければならない。
この条件を満すか否かは、材料の厚さと感度に依
存する。一般に、単位面積当り上部材料に達する
後方散乱電子の数を制限し、解像度を5000Å
（500ナノメータ）より良好に維持するため、下部
レジストの上部レジストに対する厚さの比は、
50：１より小さく１：１より大きい範囲にあるこ
とが必要である。

現像液は上部レジスト材料の厚さを通して下部
レジスト材料が溶解されるまで、下部レジスト材
料には到達しないから、下部レジスト材料の感度
は、解像度の劣化を防ぐため、上部レジスト材料
のそれより大きくなければならない。上部層は下
部層の適当な現像に必要な時間中、現像を続け
る。より大きな放射が入射した領域（所望のパタ
ーン対応した領域）はすでに除去されているが、
入射の少い領域（パターンに隣接した領域）は溶
解し続ける。もし、この余分の現像時間が過剰で
あると、解像度の劣化も著しくなる。基本的な条
件は、下部レジスト材料の感度は、下部レジスト
材料の現像時間が、所望の解像度の達成を妨げな
いように、十分高くなければならない。従つて、
下部レジスト材料の感度は、常に上部レジスト材
料の感度より著しく大きくなければならない。一
般に、この目的は上部層に必要な（ある入射露光
及びある現像液に対し）現像時間の２分の１、好
ましくは1/4以下の現像時間しか必要としない下
部レジスト材料を用いることにより、達成され
る。

好ましい実施例において、25KeVないし
30KeVの範囲の平均電子エネルギーと、レジス
ト組成の上部層で10A/cm²ないし0.3A/cm²の範囲の
電流密度をもつ電子ビームが用いられる。（Ｘ線
露光も可能である。）しかし、これ以上エネルギ
ーの高い電子も除かれない。より大きな電流密度
もまた、ビームの可干渉性が維持されるならば、
除外されない。上部レジスト材料の上部表面にお
けるビームの断面積の大きさは、パターン形成さ
れる最も小さい寸法より小さいように、維持され
なければならない。過剰な又は不十分な線量は、
解像度劣化の原因となる。通常、１cm²当り200な
いし400μCの線量が用いられる。本発明とともに
使用が適当な電子ビームは、たとえば通常の走査
電子顕微鏡装置を用いて得られる。

本発明のレジスト組成の露出を通して得られる
構造は、第１図に示されていることに注意された
い。下部レジスト材料５はその高い感度のため、
露光及び現像により、アンダーカツト領域４を示
す。もしパターンの形状が密接していると、下部
レジスト材料中の二つのアンダーカツト領域は、
第２図の断面図に示されるように重なりあい、露
光された領域が現像により消滅してしまう可能性
がある。（６で示された点線は、二つのアンダー
カツト領域が重なる部分を表す。もしパターンの
線が与えられた重なりの度合いに対し、あまりに
長いと、レジストの支持されていない領域はつぶ
れる。）一般に、あらゆる重なりを防止するため、
下部レジスト厚は所望のパターン中の形状間の間
隙の、２倍以下にすべきである。アンダーカツト
が起り、上部レジストの限定された長さの宙に浮
いた部分が残ることは、確実につぶれることなく
起りうる。一般に、消滅を防止するため、支持さ
れていない部分は幅の５倍以下の長さを持つべき
である。先に述べた他の条件により、もしこれが
満されないならば、パターンの間隙を増すべきで
ある。先に述べたように、下部レジスト材料の感
度は解像度を制限しないように、十分高いことが
必要である。もしこの感度がパターン線間の所望
の距離でパターン形成することを妨げるならば、
間隙を大きくしなければならない。典型的な場
合、本発明を用いたとえば1500Å（150ナノメー
タ）の長さで500Å（50ナノメータ）の間隙、又
は5000Å（500ナノメータ）の長さで1400Å（140
ナノメータ）の間隙の寸法をもつパターンが得ら
れる。

本発明のレジスト組成を用いると、アンダーカ
ツトが得られるので、斜め蒸着技術（Dolan，
Applied・Physics・Letters 第31巻、337頁
（1977）参照）が本発明のレジスト組成の使用と
両立する。たとえば、イー・エル・フー（E.L.
Hu）らによるIEEE、Transaction on
Magnetics、MAG 第15巻、585頁（1979）に述
べられているようなデバイスは、本発明のレジス
ト組成を用いて製作可能である。加えて、基板に
対し垂直な蒸着物流を用いる通常の蒸着技術も、
本発明のレジスト材料と両立可能である。

二層材料の形成は、通常の技術で実現できる。
第１図中の下部層は、スピンニングのような通常
の技術により、所望の基板上に最初に堆積され
る。（薄膜技術ハンドブツク（Handbook of
Thin Film Technolong）、エル・アイ・マイセ
ル（L.I.Maissel）及びアール・グラング（R.
Glang）、McGraw Hill、1970年、第７頁乃至第
31頁参照）好ましい実施例において、上部レジス
ト材料８がスピンニングのような通常の技術によ
り、下部レジスト材料上に堆積される。上部レジ
スト材料を下部レジスト材料上にスピンニングす
るために用いられる溶媒は、下部レジスト材料を
溶解しないことが望ましい。たとえば、上部レジ
スト材料としてPMMAを、また下部レジスト材
料としてＰ（MMA／MAA）を用いた時、クロロ
ベンゼン及び酢酸が上部レジスト及び下部レジス
ト材料層用のスピンニングキヤリヤとして、それ
ぞれ用いられる。スピンされた層の厚さは、スピ
ン溶液の濃度及びスピン中の回転速度で決まる。
ある溶液の必要な濃度及びある厚さを生じるよう
に選択されるスピン速度は、用いられる材料とと
もに変化し、それぞれの場合において、制御され
た試料を用いることにより、容易に決定される。

以下の例は本発明のレジスト及びそれらを用い
る手段の例である。

例 局部的な平滑さが100Å（10ナノメータ）以上
に細かい一研摩面をもつ１インチ×0.5インチ×
0.020インチ（2.54cm×1.27cm×0.0508cm）のシリ
コン基板を、高温の水／清浄剤溶液中に浸すこと
により、浄化した。溶液は約30分間超音波でかく
はんした。次に、基板を清浄剤溶液から取り出
し、次に湯及び続いて脱イオン水により洗つた。
次に、基板を脱イオン水中で無リント泡浄化棒を
用い、こすり洗いした水を除去するため、イソプ
ロピルアルコール蒸気を用い、気相脱脂処理し
た。次に、乾燥窒素ガスを用いて、基板を吹きつ
け乾燥させた。

シリコン基板は基本的にヘキサメチルデイジラ
ゼンである粘着性促進剤中に、70℃で３分間浸し
た。処理した基板をキシレン中で浄い、乾燥窒素
ガスで再び吹きつけ乾燥した。70℃の空気中で基
板をベークした。シプレイAZ13050Jレジスト
（シプレイ社が所有権をもつ製品）を、6000rpm
で30秒間基板の研摩した表面上にスピンさせた。
レジストがあまり速く乾燥するのを防止するた
め、この工程中スピン装置をカバーするのに、ビ
ーカを用いた。次に、レジストを70℃において30
分間ベークした。

レジストを第３図に示されたリードフレームの
パターン中にある水銀アークランプからの光で、
露出した。（示されている内側の窓は45μm四方で
ある。）このパターンを得るのに、標準的な光学
マスクを用いた。露出したレジストをクロロベン
ゼン中に５分間浸し、吹きつけ乾燥した。次に、
レジストを１対1AZ現像液水溶液中で、パターン
が十分現像されるまで、現像した。（AZ現像液は
シプレイ社が所有権をもつ製品で、基本的には湿
化剤を含む水酸化ナトリウム水溶液である。）現
像されたレジストパターンを有する基板を、標準
の抵抗加熱ボード蒸着装置の基板ホルダ中に置
き、1000Å（100ナノメータ）のAuを基板上に蒸
着した。基板を蒸着装置からとり出し、レジスト
薄膜がリフトオフされるまで、アセトン中にひた
した。（このようにしてシリコン上に形成された
リードフレームは、本発明のレジスト材料を以下
で使用する際の、参照用フレームとして用いられ
る。） 20mlの酢酸中にメタクリール酸とともに2.4グ
ラムのメチルメタクリレート共重合体を含む溶液
を用意した。この溶液を作るのに用いた重合体
は、約8.5重量パーセントのメタクリール酸を含
み、エチレングリコール・モノエチル・エーテル
の10重量パーセント溶液中に溶かした時、9.5の
相対粘性をもつた。この溶液を、リードフレーム
を含むシリコン基板の表面上にスピンした。
8000rpmのスピン速度を用いた。先のように、レ
ジストがあまり速く乾燥するのを防止するため、
ビーカを用いた。得られた下部レジスト層は約
4000Å（400ナノメータ）の厚さを有した。空気
中160℃において30分間試料をベークした。クロ
ロベンゼン及びKTI社電子ビームレジストの１
対１溶液を用意した。KTIレジストはポリメチ
ルメタクリレートの６重量パーセント溶液（平均
分子量950000）である。この溶液を約8000rpmの
スピン速度を用いて、下部レジスト層上にスピン
させた。この工程で約1200Å（120ナノメータ）
の厚さの上部レジスト薄膜が生じた。次に、試料
を空気中160℃で30分間ベークした。

露出用電子ビームの焦点を合わせる手助けとな
るように、リードフレームのAu薄膜中にレジス
トを通してけがくことにより、微細なスクラツチ
を作り、鋭い端部を作つた。銀ペースを用いた走
査電子顕微鏡（SEM）用基板ホルダ上に、試料
をマウントした。SEMの検出器を用い、先に作
つたスクラツチが鋭く規定されるように、ビーム
を調整することにより、電子ビームの焦点を合わ
せた。電子ビームは30KVの加速電圧、約11.3pA
の電流及び操作距離すなわち焦点合せレンズと基
板間の距離が15mmとなるようにセツトした。これ
らのパラメータを用いると、基板中に10pAの電
流が生じた。11μm四方の領域が露出されるよう
に、ビームをセツトした。第４図中に示されたパ
ターンを有する透明シートを、陰極線管（CRT）
上に傾けた。透明シートは一辺が約３インチ
（7.62cm）の寸法を有した。約１cm²の能動領域を
もつフオトセルを、CRTに沿いCRTから約６イ
ンチ（15.24cm）離れた光密閉箱中に置いた。
CRT中における電子ビームの掃引は、SEM中の
電子ビームの掃走と同期させた。

パターンを所望の位置にあわせるため、SEM
の電子ビームを制御するため、10KHzの発振器
を用いた。（動作時間の５パーセントの間基板に
当るように、この発振器は電子ビームをチヨツプ
するために用いた。）ビームは1KHzのｘ方向周
波数及び10KHzのｙ方向周波数を用いて、ビー
ムを走査した。SEMの電子ビームは、CRTから
の光がフオトセルにより検出されるとともに、透
明シート上のパターンによつて吸収されるとき、
完全に消された。従つて、透明シート上のパター
ンは、SEMにより結像されるように、基板の像
の上に重畳される。パターンはリードフレームの
開いた領域の境界内に全体が入るように、基板ホ
ルダの平行移動調整を用いて、基板の位置合せを
した。この位置合わせプロセスは、レジスト材料
が本質的に露光されないように、比較的速く行わ
れなければならない。上に述べた条件下での位置
合わせ時間を１分に限るならば、生ずる露出は無
視できる。） ｘ掃引周波数及びｙ掃引周波数を、それぞれ
5Hz及び0.0077Hzにセツトした。電子ビームが
チヨツプされないように、回路から発振器を取り
除いた。光が検出された時、電子が基板に当らな
いように、電子ビームを消去するため、光検出器
回路を調整した。掃引の方向は不透明な線に垂直
であつた。（ｘ軸は第４図中に示されている。）用
いるｘ掃引周波数及びｙ掃引周波数及び書き込み
電界が、線間隔を決めた。CRTのパターンは同
時にレジストを露出しながら１回行つた。露出さ
れたレジストはSEMからとり除かれ、メチルア
ルコール中のエチレン・グリコール・モノエチ
ル・エーテルの１：２溶液中で、５秒間現像し
た。次に試料を脱イオン水中で洗い、乾燥窒素ガ
スを用いて吹きつけ乾燥した。

次に基板を標準の蒸着装置中に置き、基板上に
垂直入射でAuを蒸着した。蒸着は300Å（30ナノ
メータ）の厚さをもつAu層が生ずるまで続けた。
試料を蒸着装置から取り出し、レジスト材料を除
去するため、沸騰したアセトン中に浸した。得ら
れたAuパターンは、長さ5000Å（500ナノメー
タ）、幅350Å（35ナノメータ）及び端部と端部が
1350Å（135ナノメータ）離れた線を有した。

【図面の簡単な説明】

第１及び第２図は本発明の一視点の例を示す
図、第３及び第４図は本発明を実施するのに用い
られるパターンの例を示す図である。 〔主要部分の符号の説明〕 ７…基板、５…下
部層、８…上部層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高い解像度パターンを必要とするデバイスの
   製作に特に有用で、基板から順にポジレジスト材
   料の下部層とポジレジスト材料の上部層との複合
   体からなり、該上部と下部のレジスト材料は露光
   エネルギーの照射によつて変化を受けるものであ
   る基板上の複合レジストにおいて、 該下部層の厚さは、該上部層より厚く露光エネ
   ルギーの照射の際に該基板表面から後方散乱され
   た電子の実質上全てが該下部層体内中で吸収され
   該上層部に達しないよう選択されており、 該下部層の材料は、該下部層の除去に必要な現
   像時間が該上部層の除去に必要な現像時間の半分
   以下になるよう選択され、それにより該下部層除
   去の現像が該上層部の解像度を劣化させないよう
   にされている複合レジスト。 ２ 特許請求の範囲第１項に記載の複合レジスト
   において、 該上部層のレジスト材料はポリメチルメタクリ
   レートであることを特徴とする複合レジスト。 ３ 特許請求の範囲第１項又は第２項に記載の複
   合レジストにおいて、 該下部層のレジスト材料はメタクリル酸とメチ
   ルメタクリレートの共重合体であることを特徴と
   する複合レジスト。 ４ 特許請求の範囲第１項、第２項又は第３項に
   記載の複合レジストにおいて、 該下部層の厚さは100ナノメータ（1000Å）よ
   り大きいことを特徴とする複合レジスト。 ５ 基板から順次ポジレジスト材料の下部層そし
   てポジレジスト材料の上部層とからなる複合レジ
   ストにパターンを描画する方法であつて、 露光エネルギーの照射の際に該基板表面から後
   方散乱された電子の実質上全てが該下部層体内中
   で吸収され該上部層に達しない程厚い該下部層を
   該基板上に形成し、 該下部層より薄い上部層を該下部層上に形成
   し、 パターンに該当する該複合レジストの所定の領
   域を露光エネルギーで露光し、そして 該複合レジストを現像することからなり、 該下部層の材料は、該下部層の除去に必要な現
   像時間が該上部層の除去に必要な現像時間の半分
   以下になるよう選択され、それにより該下部層除
   去の現像が該上部層の解像度を劣化させないよう
   にしている複合レジストパターン描画方法。 ６ 特許請求の範囲第５項に記載の方法におい
   て、 該上層部のレジスト材料としてポリメチルメタ
   クリレートを用いていることを特徴とするパター
   ン描画法。 ７ 特許請求の範囲第５項又は第６項に記載の方
   法において、 該下部層のレジスト材料としてメチルメタクリ
   レート及びメタクリル酸の共重合体を用いている
   パターン描画法。 ８ 特許請求の範囲第５項、第６項又は第７項に
   記載の方法において、 該下部層を100ナノメータ（1000Å）より大き
   い厚さに付着させているパターン描画法。