JPS6195529A - 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、半導体装置の製作におけるスルーホールや溝
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
のエッチレートの差異、つまりエツチング選択性が小さ
い、したがって、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ィでは、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、アンダーカッ
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は残り
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ッチレー
トが減少することによる。このエッチレートの減少は、
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１ｕＩａ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
ってエツチング時間や条件の設定が困難になり、僅かな
条件変動によっても抜は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ｇｉ
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の画部
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っ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りフ
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ってそのパターンよ
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
って付着し、急斜面（垂直、オーバーハング状あるいは
アンダーカット状を含む、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ｌ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０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。したがって、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、残った膜部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
に残ったパターン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）〜（ａ）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′　（第２図
（Ｑ）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、残ったパターン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。したがって、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
易い抜は残りも無いなど、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
、その付着膜に関ロバ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、実施例にしたがって本発明の詳細な説明する。

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Ｏ，Ｚｕｍの厚さに塗布し、電子
線直接描画法によって所定のパターンを描画、現像し、
最小寸法０．１−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の高さすなりち
レジストの現像後残り膜厚は約ｏ、ｉｓ−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５ｉ０２１］ｉ２を約０．８−の厚さに形
成した。続いて、緩衝弗酸液（５０％弗酸１体積十弗化
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、ＳｉＯ□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Ｓｉｎ、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０．１−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て容易に
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度の傾斜をもっている
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５ＩＯ２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Ｓｉ○２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１本発明の別の実施例として、パターンを二種の材
料の積層端造とする方法を第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ｏ、ｉ、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０．１．登含む
膜厚０．２７ａ＋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Ｃ
Ｆ４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、僅かなアンダーカットを生
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、５ｉｎ２膜２を約０．８−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
の間のアンダーカッ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
グによって、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Ｓ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ＳｉＯ□
瞑の分能工程をいっ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って極めて容易に
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っ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Ｘａ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１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［１ｆｆｌ　（ａ）〜（ｅ）に
したがって説明する。

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ット状でもよい）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面金体に、
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膿
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、残っ
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の露光を行なっ
た後、続けて現像をし、その後、第２の露光・現像を行
なってもよい、また、網目露光の代わりに、干渉光学系
を用いて微細なピッ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ｃｃｎ４．ｃｎ、など
のハロゲン含有ガスや、ＣＨ４，Ｃ，Ｈ，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。

したがって、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っ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

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （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って該パターンより
   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
   たって付着する第２の工程と、エッ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. （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. （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. （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
   によっ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って付着する第２の工程と、
   エッ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. （５）上記第１の工程において、露光・現像処理によっ
   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. （６）上記第１の工程において、ガスプラズマによる表
   面処理によっ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
   。