JPH0518457B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体装置の製作におけるスルーホ
ールが溝状パターンのような各種の開口パターン
を形成する方法に係り、特に極めて微細な開口を
含む開口パターンの形成方法に関する。

〔従来の技術〕

従来のこの種のパターン形成方法を第４図ａ〜
ｄにより説明する。まず、第４図ａに示すよう
に、基板１上に開口を形成すべき膜２を付着し、
この上にレジスト材料等からなる所定のマスクパ
ターン３を第４図ｂに示すごとく形成したのち、
そのマスクの開口部４を通して膜２の露出してい
る部分を第４図ｃに示すようにエツチングにより
除去する。然るのち、マスクパターン３を除去す
ることにより第４図ｄに示すごとく所望の開口パ
ターン５を得るものである。

しかし、この方法の欠点は、膜２のエツチング
において微細な開口を得るのが容易でないことで
ある。すなわち微細な加工寸法・形状を精度良く
実現するには反応性イオンエツチング法（以下、
RIEと記す）等のエツチング方向性の強い加工方
法が必要となるが、この種の加工法では一般に異
なる材料間のエツチレートの差異、つまりエツチ
ング選択性が小さい。したがつて、所要の厚さの
膜２を加工するためにはマスクパターン層３の膜
厚はできるだけ厚くする必要がある。ところがマ
スクパターンの形成に通常用いられる紫外光や電
子ビームによるリソグラフイでは、レジストマス
クの膜厚はできるだけ薄くすることが微細なパタ
ーンを解像するために必要であり、エツチングの
マスクとしての所要条件と相反する。またRIE等
の処理条件を調節して選択性をできるだけ大きく
しようとすれば、エツチングの方向性が弱くなる
傾向にあり、アンダーカツトを生じるなどのため
マスク寸法に忠実な加工を行なうことが著しく困
難になる。

さらにRIE等のドライエツチング法を用いた場
合の他の問題として、微細な開口ではエツチング
での抜け残りを生じやすいということがある。こ
の原因は主に、開口寸法が小さくなるほどエツチ
レートが減少することによる。このエツチレート
の減少は、サブミクロン幅の溝やスルーホールで
は特に顕著であり、このためサブミクロン幅の開
口と1μｍ前後の寸法の開口とを同時に含むパタ
ーンを加工する場合はエツチングの終了時点が開
口ごとに異なることになる。したがつてエツチン
グ時間や条件の設定が困難になり、僅かな条件変
動によつても抜け残りが生じやすい問題がある。

また、上記のような加工方法に起因する問題を
避けるための他の従来方法として、リフトオフと
呼ばれる技術がある。このリフトオフ法を第５図
ａ〜ｃにより説明する。まず、第５図ａに示すよ
うに、基板１上にレジスト材料等からなる所定の
パターン３を形成し、このパターン３の厚みを超
えない膜厚で所望の材料膜２を真空蒸着法などに
より基板１面に垂直な方向から全面に付着する。
このとき第５図ｂに示すごとくパターン３の側面
６には膜２が付着せず、しかもパターン３の厚み
が膜２よりも厚いためパターン３上に付着した部
分２−１と基板１上に付着した部分２−２とは分
離される。さらにこのパターン３と部分２−２と
の分離間隙を通してパターン３を溶解・除去する
ことによりパターン３上の膜部２−１の部分を取
り去り、第５図ｃに示すように、所望の開口パタ
ーン５を得るものである。

しかしこの方法もまた、付着膜部２−１，２−
２の両部分を確実に分離するためにはパターン３
の厚さを付着すべき膜２よりも十分厚くしなけれ
ばならず、さらにパターン３の側面を垂直あるい
はオーバーハング状傾斜に制御する必要があるた
め、実際に形成できる微細パターンの寸法には限
度があり、所要の厚さの膜２に任意寸法の開口パ
ターン５を得るのは困難である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は、上記のように任意の厚さの膜に微細
な開口を形成することが困難であつた従来の問題
点を解決し、半導体装置用の種々の材料膜にその
膜厚にかかわりなく、極めて微細な寸法を含む任
意の開口パターンを容易に形成できる。方向性膜
付着法の特性を利用した新たなリフトオフ法を提
供するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

すなわち本発明を概説すれば、本発明のパター
ン形成方法は、基板上にパターン断面形状がほぼ
釣鐘形の１つの微小パターン、または複数の隣り
合う該微小パターンがその底部を互いにほぼ接
し、上部が隙間を有するように配された集合体パ
ターンの少なくとも一方を形成し、もしくは少な
くともその頂部に凹凸を有するパターンを形成
し、方向性を有する膜付着法によつてそのパター
ンよりも厚い膜を少なくとも該パターンおよび基
板上にわたつて付着し、急斜面（垂直、オーバー
ハング状あるいはアンダーカツト状を含む。以下
同様）を有するパターンに接する付着膜がエツチ
ングされ易いという特性に基づき、まず、パター
ンと接した脆弱部のみを選択的に除去して、その
付着膜に所定の開口パターンを構成せしめること
を特徴とする。なお、上記急斜面は、後で詳しく
述べるパターンの少なくとも頂部に形成された凹
凸の概念も含む。

本発明の基本工程を第１図ａ〜ｄを用いて説明
する。まず、第１図ａに示すように、基板１上に
レジスト等の材料により微細な釣鐘形の突起また
はその集合体からなるパターン３を形成する。こ
のときこのパターンの頂部にはなるべく平坦面が
生じないよう、１つのパターン全体をできるだけ
小さくし、また該頂部は尖鋭に形成することが望
ましい。次に、第１図ｂに示すように、このパタ
ーン３の形成された基板１面に所望の材料膜２
を、ECRプラズマ付着法などの方向性を有する
膜付着法により、基板１に垂直な方向から所望の
厚さに形成する。このとき、このような方向性膜
付着法に特有な現象である膜質の下地面急斜角
（垂直も含む）依存性のため、基板面に傾斜した
もしくは垂直な面上の付着膜は水平な面上の付着
膜に比べ、極めてエツチングされ易い膜質とな
る。したがつて、第１図ｂに示したパターン３の
側面に接して成長した膜部２′（第１図ｂにおい
て、梨地で示す）は、僅かなエツチング処理を施
すだけで、直接基板面上に成長した膜や、パター
ン３上部に成長した膜をほとんど削らずに、容易
に除去できる。この性質を利用し、第１図ｃに示
すように、材料膜２の種類に応じた適宜な反応ガ
スや薬品を用いた乾式ないし湿式エツチング処理
を行ない脆弱膜部２′を選択的に除去して、パタ
ーン３上の膜部２−１と基板１上の膜部２−２と
を分離する。さらに第１図ｄに示すように、膜部
２−１とパターン３の頂部との接触部の面積が消
失するまで上記エツチング処理を続行するか別途
条件のエツチング処理を追加するかして膜部２−
１をパターン３上から完全に分離・除去し、ある
いはパターン３をその露出した側面からエツチン
グ等適宜な処理方法で溶解・除去することにより
同時に膜部２−１を取り去り、残つた膜部２−２
のみにより所望の開口パターン５を構成せしめ
る。前者の場合は、開口パターン５の内部に残つ
たパターン３は、必要に応じて、適宜な処理によ
り除去する。

次に、本発明の他の基本工程を第２図ａ〜ｅを
用いて説明する。まず、第２図ａに示すように、
基板１上にレジスト等の材料からなる所望のパタ
ーン３を形成する。このパターン３は、従来法の
場合と同様に所要の寸法の図形をそのまま形成す
ればよく、微細なパターンの集合に変換する必要
はない。続いて、第２図ｂに示すように、適宜な
処理によりパターン３の少なくとも頂部表面にで
きるだけ微細な凹凸を形成する。なお、第２図ａ
に示した工程と第２図ｂに示した工程とは順序が
逆でもよい。すなわち、表面に凹凸を有する膜を
形成してから、該膜をパターン化してもよい。さ
らに、第２図ｃに示すように、基板１面に、所望
の材料膜２をECRプラズマ付着法などの方向性
を有する膜付着法により、基板１に垂直な方向か
ら所望の厚さに形成する。このときパターン３の
側面や頂部凹凸表面に接して形成された膜部２″
（第２図ｃにおいて、梨地で示す）は、水平な基
板１表面上に形成された膜に比べ極めて脆弱であ
り、第２図ｄに示すように、適宜な乾式ないし湿
式エツチング処理を行なうことで容易に選択除去
される。この後は本発明の前記基本工程と同様、
必要に応じて第２図ｅに示すように、残つたパタ
ーン３を除去して、所望の開口パターン５を形成
する。

上記本発明の基本工程によれば、開口の形成に
際してエツチング選択性の小さいRIE等の方向性
の強いエツチング工程は必要無い。したがつて、
パターン３を形成するレジスト等の膜厚は任意に
薄くすることができ、所要の最小開口寸法に応じ
たパターン３を形成するのに最適なレジスト膜厚
を選ぶことができ、任意の膜厚の膜に微細な開口
パターンを形成できる。さらに、RIEに伴い易い
抜け残りも無いなど、前述した従来技術の種々の
問題は除かれ、微細パターンの実現は極めて容易
となる。

〔作用〕

前にも述べたように、本発明のパターン形成方
法は、形成したパターンの急斜面に接した部分の
付着膜がエツチングされ易い特性を利用したもの
で、まず、このパターンの面に接した付着膜の脆
弱部のみを選択的に除去して、その付着膜に開口
パターンを形成するものである。なお、本発明は
パターンの凹凸に接した部分の付着膜もエツチン
グされ易い特性も利用している。すなわち、パタ
ーンにおける上記急斜面の概念は、パターンの少
なくとも頂部に設けた凹凸も含むものである。

〔実施例〕

以下、実施例にしたがつて本発明を詳細に説明
する。

実施例 １ まず、第１図ａに示すように、基板１上にネガ
形電子線レジストCMSを0.2μｍの厚さに塗布し、
電子線直接描画法によつて所定のパターンを描
画、現像し、最小寸法0.1μｍを含む方形および線
形レジストパターン３を形成した。このとき、パ
ターン３の高さすなわちレジストの現像後残り膜
厚は約0.15μｍであり、パターン３は１つもしく
は集合体のパターンからなり、それぞれの断面形
状は細い釣鐘形を呈した。なお、幅広の開口を形
成するための集合体パターン（第１図ａの右側の
３つの集合体パターン）の描画パターンデータ
は、所要の図形を密集した微細パターンの集合と
して作製した。

この上に第１図ｂに示すように、ECRプラズ
マ堆積法を用いてSiO₂膜２を約0.8μｍの厚さに形
成した。続いて、緩衝弗酸液（50％弗酸１体積＋
弗化アンモニウム飽和水溶液９体積）中で約45秒
エツチングし、SiO₂膜２のうちレジストパター
ンに付着していた部分２′およびパターン３上の
付着膜を第１図ｄに示すごとく完全に除去した。
この結果、基板１上の堆積SiO₂膜２には、基板
１面に対し約70度傾斜した側面をもつ開口パター
ン５が形成された。基板１界面での開口５の寸法
は、初めに描画したレジストパターン３の底部寸
法とほぼ同一であり、約0.1μｍまでの極めて微細
な開口を得ることができた。また、開口中のレジ
ストパターン３は酸素プラズマ処理による灰化で
容易に除去できた。

本発明の上記実施例によれば、前記した以外の
利点も得られる。すなわち、開口５の側面は基板
１に垂直ではなく、上記例の場合であれば約70度
の傾斜をもつているので、この開口パターン５を
LSI回路配線用のスルーホールとし、堆積SiO₂膜
２を層間絶縁膜とすれば、金属配線の形成に際し
てスルーホール中への金属膜の一様な付着が容易
となる。

また、上記実施例の別の用途として、基板１加
工用のマスクへの応用が可能である。すなわち、
上記の手順で形成したSiO₂膜２をマスク材とし、
その開口部５を通して、露出している基板１を
RIE等の適宜な方法で加工すれば、エツチング耐
性などの点でレジストをマスク材として使用でき
ない場合にも基板材料を効果的に加工することが
できる。

なお、上記実施例ではレジスト材料としてネガ
形を用いた場合を示したが、これをポジ形の材料
とした場合も本発明の効果に基本的に変りがない
のは明らかであり、ポジ形とするかネガ形とする
かは、パターンの形成しやすさや目的とする開口
パターンに対応した描画データあるいはホトマス
クの作成し易さなど、プロセス上の諸要件を満た
すように選択すればよい。

次に、本発明の別の実施例として、パターンを
二種の材料の積層構造とする方法を第３図ａ〜ｅ
を用いて下記の第２の実施例により示す。

実施例 ２ まず、第３図ａに示すように、基板１にポリSi
薄膜６を約0.1μｍの厚さに形成し、この上に上記
第一の実施例と同様の工程により、最小寸法0.1μ
ｍを含む膜厚0.2μｍの１つもしくは集合体の釣鐘
状パターンで構成された方形および線形状のレジ
ストよりなる第一のマスクパターン３を形成し
た。

これに続き、このレジストパターン３をマスク
としてCF₄プラズマによりポリSi膜６をエツチン
グ除去し、第３図ｂに示すように、僅かなアンダ
ーカツトを生じさせた。

この後、ECRプラズマ堆積法を用いて第３図
ｃに示すように、SiO₂膜２を約0.8μｍの厚さに形
成した。このとき、SiO₂膜２の基板上の部分と
パターン３に接した部分２′とは、レジスト３と
ポリSi膜６との間のアンダーカツト間隙により効
果的に分離された。

この結果、極めて短時間の緩衝弗酸液を用いた
エツチングによつて、レジストパターン３に付着
していた部分２′およびパターン３上の付着膜を
第３図ｄに示すように完全に除去することができ
た。

最後に、開口５中のレジストパターン３を酸素
プラズマ処理による灰化で除去し、第３図ｅに示
すように方形および線形の開口５を得た。

上記第２の実施例によれば、極めて薄く加工の
容易な材料膜を基板上に形成しておくことによ
り、堆積SiO₂膜の分離工程をいつそう容易かつ
安定確実なものとすることができる利点がある。
この実施例では、積層用の材料膜としてポリSiの
場合を示したが、これ以外の材料でも第一のマス
クパターン材料をマスクとして容易に加工し得る
ものであれば全く同様の効果を得ることができる
のは明らかである。また、開口中に残存するポリ
Si膜６′はCF₄プラズマ処理などによつて極めて
容易に除去できるので後工程に対してなんら障害
とならないばかりか、開口中に残したまま基板と
配線金属とのコンタクト層として使用することも
できる。

本発明方法の趣旨に従えば、パターン上に付着
する材料は、方向性の膜付着法で形成したとき下
地面すなわちパターンの急斜角によつて顕著な膜
質の差異、すなわちエツチングされ易さが変化す
るものであればよいから、第１および第２の実施
例に示したSiO₂以外の材料でも、例えば窒化シ
リコンなどでも用いることができる。また露光手
段としても実施例に示した電子ビーム以外のイオ
ンビームやＸ線あるいは紫外光線を用いても同様
の効果が得られることはいうまでもない。

さて、上記した本発明の基本工程では、前述の
ように、同一の基板上に微細幅のパターンと幅広
のパターンとを混在させて形成したい場合、幅広
のパターンを、第１図および第３図に示したごと
く、微細幅のパターンの密集したパターンとして
準備する必要がある。この場合、元になるホトマ
スクパターン、あるいは描画パターンデータは、
所要の図形を密集した微細パターンの集合として
変換・作製する必要があり、さらには密集した微
細パターンに対する露光・現像条件も、密集パタ
ーン部に堆積される付着膜の全体が効果的に除去
できるよう最適化されなければならない。このよ
うな諸要件を簡易に、かつ大きい余裕度で実現す
るため考案した本発明の別の基本工程による実施
例を第２図ａ〜ｅにしたがつて説明する。

まず、第２図ａに示すように、基板１上にレジ
スト等の材料からなる急斜面（図では垂直である
が、オーバーハング状でもアンダーカツト状でも
よい）を有する所望のパターン３を形成する。こ
のパターン３は、従来法の場合と同様に所要の寸
法の図形をそのまま形成すればよい。

続いて、第２図ｂに示すように、下記の適宜な
処理によりパターン３の頂部表面にできるだけ微
細な凹凸を形成する。

さらに、第２図ｃに示すように、基板１面全体
に、所望の材料膜２をECRプラズマ付着法など
の方向性を有する膜付着法により、基板１に垂直
な方向から所要の厚さに形成する。

このとき、パターン３の側面や頂部凹凸表面に
接して形成された膜部２″は、水平な基板表面上
に形成された膜に比べ極めて脆弱であるから、第
２図ｄに示すように、適宜な乾式ないし湿式エツ
チング処理により容易に選択除去される。

この後、必要に応じて第２図ｅに示すように、
残つたパターン３を除去して所望の開口パターン
５を形成した。

なお、第２図ｂに示したパターン３表面の凹凸
加工処理方法としては、種々の方法が適用でき
る。例えば、パターン３を形成すべきレジスト膜
に所定のパターン像の露光と、微細な網目状のマ
スクを通しての露光とを適宜な露光量比で重畳
し、現像することにより頂部に網目に対応する微
細な凹凸を有する所定のパターンを得る方法があ
る。この方法では所定パターン像の露光と網目露
光との順序は任意に選べる。また、第１の露光を
行なつた後、続けて現像をし、その後、第２の露
光・現像を行なつてもよい。また、網目露光の代
わりに、干渉光学系を用いて微細なピツチの干渉
縞を形成しても同じ効果が得られる。また、露光
以外の方法でも、例えば、レジストにガスプラズ
マを照射したときの表面変質による粗面化処理で
もよい。よく知られているように、Arガス等の
不活性ガス、あるいはCF₄やCCl₄、Cl₂などのハ
ロゲン含有ガスや、CH₄、C₂H₆などの炭化水素
系ガスを含んだプラズマで、レジストなどの有機
ポリマーを処理すると表面分子層の構造的・組成
的変化を生じ、表面に微細な凹凸が発生する。し
たがつて、所定のパターンを形成したレジスト
に、このようなプラズマ処理を施すことにより容
易に頂部を凹凸加工できる。

さらに、パターン３を形成すべきレジスト膜の
表面に凹凸を形成してから該レジスト膜をパター
ン化してもよい。

本実施例で例示した本発明の基本工程では、パ
ターン３を形成するためのホトマスクパターンや
描画パターンデータは、通常、半導体回路を作製
するときのレイアウトパターンと同じであるか
ら、パターンを変換・作製する工程は不要とな
り、工程の簡略化が図れる。またレジスト等でこ
のパターンを形成するときの露光・現像条件も従
来法と変わらないから、幅広のパターンに対して
改めて最適化を図る必要は無く、実用上十分な余
裕度を期待できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明のパターン形成方
法によれば、従来技術では実現の困難であつた極
微細な開口を含む任意の開口パターンを任意の膜
厚の膜に容易にかつ精度よく形成することができ
るので、半導体装置等の製作に顕著な効果を有す
るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ〜ｄは本発明のパターン形成方法の基
本工程および実施例の工程を示す図、第２図ａ〜
ｅは本発明のパターン形成方法の別の基本工程お
よび実施例の工程を示す図、第３図ａ〜ｅは本発
明の別の実施例の工程図、第４図ａ〜ｄおよび第
５図ａ〜ｃはそれぞれ従来のパターン形成方法の
工程図である。 １……基板、２……付着膜、２′，２″……付着
膜の脆弱部、３……レジスト等の材料からなるパ
ターン、４……同パターンに形成された開口部、
５……付着膜に形成された開口部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基板上に断面形状がほぼ釣鐘形の１つの微小
   パターン、もしくは複数の隣り合う該微小パター
   ンがその底部を互いにほぼ接し、上部が隙間を有
   するように配された集合体パターンの少なくとも
   一方を形成する第１の工程と、方向性を有する膜
   付着法によつて該パターンよりも厚い膜を少なく
   とも該パターンおよび上記基板上にわたつて付着
   する第２の工程と、エツチングにより該膜の上記
   パターン表面に接した部分を除去する第３の工程
   とを含み、該膜に所定の開口パターンを形成する
   ことを特徴とするパターン形成方法。 ２ 上記第１の工程において、まず上記基板上に
   第１の材料からなる膜を形成した後、第２の材料
   からなる上記微小パターンもしくは集合体パター
   ンの少なくとも一方を形成し、さらに該パターン
   をマスクとして上記第１の材料膜を選択的に除去
   する工程を含むことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載のパターン形成方法。 ３ 上記方向性を有する膜付着法がECRプラズ
   マ付着法であることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載のパターン形成方法。 ４ 基板上に少なくともその頂部に凹凸を有する
   パターンを形成する第１の工程と、方向性を有す
   る膜付着法によつて該パターンよりも厚い膜を少
   なくとも該パターンおよび上記基板上にわたつて
   付着する第２の工程と、エツチングにより該膜の
   上記パターン表面に接した部分を除去する第３の
   工程とを含み、該膜に所定の開口パターンを形成
   することを特徴とするパターン形成方法。 ５ 上記第１の工程において、露光・現像処理に
   よつて上記パターンの凹凸を形成することを特徴
   とする特許請求の範囲第４項記載のパターン形成
   方法。 ６ 上記第１の工程において、ガスプラズマによ
   る表面処理によつて上記パターンの凹凸を形成す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第４項記載の
   パターン形成方法。