(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
露光装置を用いて素子を基板上に形成するためのレジストパターンを該基板上に形成するパターン形成方法において、
前記基板上にポジレジストを塗布するレジスト塗布工程と、
前記ポジレジストのうちの前記素子に対応する部分以外の領域を露光する第１の露光工程と、
前記第１の露光工程で露光した部分を現像して除去し、第１のレジストパターンを形成する第１の現像工程と、
前記第１のレジストパターンのうちの最小加工部分を前記第１の露光工程と同程度の露光量で露光する第２の露光工程と、
前記第２の露光工程で露光した部分を前記第１の現像工程と同じ現像液を用いて該第１の現像工程よりも短い時間で現像して除去し、前記第１及び第２の露光工程で使用する露光装置の最小ビーム径以下の加工部分を有する素子を前記基板上に形成するための第２のレジストパターンを該基板上に残す第２の現像工程とを、
行うことを特徴とするパターン形成方法。
【請求項２】
露光装置を用いて素子を基板上に形成するためのレジストパターンを該基板上に形成するパターン形成方法において、
前記基板上にポジレジストを塗布するレジスト塗布工程と、
前記ポジレジストのうちの前記素子に対応する部分以外の領域を露光する第１の露光工程と、
前記第１の露光工程で露光した部分を現像して除去し、第１のレジストパターンを形成する第１の現像工程と、
前記第１のレジストパターンのうちの最小加工部分を前記第１の露光工程における露光量以上で露光する第２の露光工程と、
前記第２の露光工程で露光した部分を前記第１の現像工程に用いた現像液よりも現像速度の遅い現像液を用いて現像して除去し、前記第１及び第２の露光工程で使用する露光装置の最小ビーム径以下の加工部分を有する素子を前記基板上に形成するための第２のレジストパターンを該基板上に残す第２の現像工程とを、
行うことを特徴とするパターン形成方法。
【請求項３】
前記露光装置の露光源は、電子線であることを特徴とする請求項１又は２記載のパターン形成方法。
【請求項４】
前記露光装置の露光源は、深紫外光、Ｘ線、イオンビーム、又は波長が150nm から450nm の紫外及び可視領域の光であり、その場合、該露光装置の開口数をNA、露光波長をλとしたときに該露光装置の最小ビーム径が０．６１＊λ／NAであることを特徴とする請求項１又は２記載のパターン形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばＬＳＩ（大規模集積回路）等の半導体素子の製造に用いられ、露光装置の最小ビーム径以下の加工部分を有する素子を基板上に形成するためのレジストパターンを形成するパターン形成方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の技術としては、例えば、次のような文献に記載されるものがあった。
文献；Ｅｌｅｃｔｒｏｎ，Ｉｏｎ  ａｎｄ  Ｐｈｏｔｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ａｎｄ  Ｎａｎｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  （１９９５）、Ｅｆｆｅｎｄｉ  Ｌｅｏｂａｎｄｕｎｇ，Ｌｉｎｇｊｉｅ  Ｇｕｏ，Ｙｕｎ  Ｗａｎｇ  ａｎｄ  Ｓｔｅｐｈｅｎ  Ｙ．Ｃｈｏｕ共著、“７７  Ｋ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｄｏｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ”、      Ｐ．３３３−３３４
半導体素子の微細化は留まるところを知らず、  ０．１μｍ以下のゲート長のデバイスの試作も進んでいる。又、低消費電力化や高速化等をめざし、０．０１μｍ程度のゲート長のデバイスも検討され始めている。更に、その究極的な姿として電子１個の動きを利用する単電子トランジスタ（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ、以下、ＳＥＴという）の研究も進められている。そして、これらを基板上にパターン形成する手段として、電子線描画が主に用いられている。
【０００３】
図２は、前記文献に記載されたＳＥＴの構造図である。この図２では、ＳＩＯＭＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ  ｂｙ  Ｉｍｐｌａｎｔｅｄ  Ｏｘｙｇｅｎ）  基板１を用いたＳＥＴの構造が示されている。
又、図３は、図２のＳＥＴを形成するために用いたレジストパターンを示す図である。この図３では、図２のＳＥＴの中央の島パターン２を両側からトンネル接合で挟むように形成するために、くびれ１１が形成されている。このレジストパターンをマスクにしてＳＩＭＯＸ  基板１上のＳｉ層３をエッチングし、その後、酸化することにより、島パターン２をＳｉ酸化膜１ａで基板１ｂから電気的に分離する。このＳｉ酸化膜１ａをうまく形成することにより、トンネル酸化膜にすることができる。このようなレジストパターンは、レジストにポジ型のものを用いることにより、電子線描画で比較的良好に形成することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図３のレジストパターンの形成に用いられる電子線描画では、次のような課題があった。
即ち、電子線描画を用いても、作製する島パターン２の寸法が電子ビーム径  （電子ビームの広がり）  に近いため、該島パターン２のコントラストが小さい。そのため、くびれ１１の形状をうまく制御することができず、容量の小さい（即ち、短い）トンネル接合を形成できないという問題があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明のうちの第１の発明は、露光装置を用いて素子を基板上に形成するためのレジストパターンを該基板上に形成するパターン形成方法において、次のような工程を行うようにしている。
即ち、前記基板上にポジレジストを塗布するレジスト塗布工程と、前記ポジレジストのうちの前記素子に対応する部分以外の領域を露光する第１の露光工程と、前記第１の露光工程で露光した部分を現像して除去し、第１のレジストパターンを形成する第１の現像工程と、前記第１のレジストパターンのうちの最小加工部分を前記第１の露光工程と同程度の露光量で露光する第２の露光工程と、前記第２の露光工程で露光した部分を前記第１の現像工程と同じ現像液を用いて該第１の現像工程よりも短い時間で現像して除去し、前記第１及び第２の露光工程で使用する露光装置の最小ビーム径以下の加工部分を有する素子を前記基板上に形成するための第２のレジストパターンを該基板上に残す第２の現像工程とを、行うようにしている。
【０００６】
第１の発明によれば、以上のようにパターン形成方法を構成したので、第２の露光工程で最小加工部分が第１の露光工程と同程度の露光量で露光され、その後、第２の現像工程において、第２の露光工程で露光された部分に対して第１の現像工程よりも短時間の現像が行われる。そのため、前記最小加工部分は、露光装置のビーム径以下になる。
第２の発明では、第２の露光工程は第１の露光工程における露光量以上の露光量で行い、かつ第２の現像工程は第１の現像工程に用いた現像液よりも現像速度の遅い現像液を用いて現像するようにしている。
第２の発明によれば、第２の露光工程で最小加工部分が露光され、その後、第２の現像工程において、第２の露光工程で露光された部分に対して第１の現像工程よりも溶解速度の小さい現像液を用いて現像が行われる。そのため、前記最小加工部分は、露光装置のビーム径以下になる。従って、前記課題を解決できるのである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態
図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態を示すパターン形成方法の工程図である。以下、第１の実施形態のパターン形成工程（１）〜（３）を図１（ａ）〜（ｃ）を参照しつつ説明する。
（１）  レジスト塗布工程
電子線描画用のアライメントマークを形成したシリコンウエハ２１上にポジレジスト（例えば、ＺＥＰ５２０（日本ゼオン）  ）を膜厚７０ｎｍで塗布し、２００℃のホットプレートで２分間ベークする。
（２）  第１の露光工程及び第１の現像工程（図１（ａ）の工程）
電子線描画機（例えば、日立製作所製ＨＬ−７００Ｆ２）を用い、図示しないアライメントマークに合わせて図１（ａ）に示すようなパターン２２（即ち、素子に対応する部分以外の領域）を露光量５ＯμＣ（クーロン）／ｃｍ２  で描画する。その後、キシレンで１２０ｓ間現像してパターン２２のレジストを除去し、第１のレジストパターン２１Ｒを形成する。
【０００８】
（３）  第２の露光工程及び第２の現像工程（図１（ｂ）の工程）
パターン２２に重なるように再びアライメントを行い、２本の線パターン２３を第１の露光工程と同様の露光量５ＯμＣ／ｃｍ２  で描画する。その後、第１の現像工程と同様のキシレンを用いて該第１の現像工程よりも短い２０ｓ  間現像してパターン２３のレジストを除去し、図１（ｃ）に示すような電子線ビーム径以下の最小加工部分２１ａを有する第２のレジストパターン２１ＲＡを得る。
図４は、ＺＥＰ  レジストの溶解速度の露光量依存性を示す図であり、縦軸に溶解速度、及び横軸に露光量がとられている。
この図４を用いて図１（ｃ）に示す電子線ビーム径以下のパターンが得られる理由を説明する。
【０００９】
図４では、露光量が３５μＣ／ｃｍ２  以下の領域に比べ、それ以上の露光量の領域では、露光量の変化に対する溶解速度の変化が大きいことが示されている。電子ビームの強度は正規分布的に広がりを持っており、中心部では強度が強く、周辺に行くほど弱くなっている。図４に示す現像溶解特性を利用すると、溶解速度を電子ビームの中心部では大きくしても、電子ビームの周辺部では抑えられるので、コントラストの高い現像を行うことができる。くびれを入れたパターンを形成する場合、そのくびれの部分は僅かに溶解させるだけであるから、他のパターンと同時に露光及び現像する場合、全て溶解速度の低い露光量で露光しなければならないため、現像コントラストが低くなる。一方、本実施形態では、くびれを入れたパターンだけを形成するように短時間の現像を行うので、高い露光量で露光でき、コントラストの高い現像が行われる。そのため、安定したパターン形成ができる。又、２度目の現像では、くびれの部分の現像を開始するときの表面が細線部の側壁となるため、くびれの部分のレジストの膜減りが小さくでき、それによりパターン形成が安定する。この方法は同じ現像液で行えるため、新たな現像ラインを増設する必要がない。
以上のように、この第１の実施形態では、くびれをいれる部分を２度目の露光で描画し、その後、１度目の現像よりも短時間の現像を行うようにしたので、１回の露光及び現像では得られない電子線ビーム径以下のパターンが安定して得られる。
【００１０】
第２の実施形態
第２の実施形態のパターン形成方法（１）〜（３）を、第１の実施形態と同様に図１（ａ）〜（ｃ）を参照しつつ説明する。
本実施形態のパターン形成方法では、次の点が第１の実施形態と異なっている。
即ち、第２の露光工程（図１（ｂ）の工程）において、２本の線パターン２３を１回目の露光と同等以上の露光量（例えば、８０μＣ／ｃｍ２  ）で描画し、１回目の現像よりも溶解速度の小さい現像液（例えば、酢酸ｎ−へキシル）を用いて２０ｓ  現像し、図１（ｃ）に示すような電子線ビーム径以下の最小加工部分２１ａを有する第２のレジストパターン２１ＲＡを得る。
図５は、ＺＥＰレジストのキシレンと酢酸ｎ−ヘキシルの溶解速度の露光量依存性を示す図であり、縦軸に溶解速度、及び横軸に露光量がとられている。
【００１１】
図５において、露光量が４０μＣ／ｃｍ２  程度では、２種の現像液の溶解速度を比較すると、キシレンの方が酢酸ｎ−ヘキシルよりも１０倍以上大きいことが示されている。１度目の露光を５０μＣ／ｃｍ２  程度で行うと、細線部は１度目の露光の影響で３５μＣ／ｃｍ２  程度感光している部分もあるが、その部分は２度目の現像では現像が遅いために殆ど溶解しないので、１度目の露光の影響を無視して２度目のパターン形成が行える。この場合、第１の実施形態よりも現像液の種類が増える分だけ煩雑になるが、よりコントラストの高いパターン形成が行える。
以上のように、この第２の実施形態では、くびれをいれる部分を２度目の露光で描画し、その後、１度目の現像よりも溶解速度の小さい現像液を用いて現像することにより、１回の露光及び現像では得られない電子線ビーム径以下のパターンを安定して得ることができる。
尚、実施形態では、電子線を用いたパターン形成について述べたが、この方法は他の露光光源、例えば可視光、紫外光、深紫外光、Ｘ線等の電磁波、又は、イオンビーム等を用いても良い。
【００１２】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、第１の発明によれば、最小加工部分を第２の露光工程で露光し、その後、第２の現像工程において、第２の露光工程で露光した部分に対して第１の現像工程よりも短時間の現像を行うようにしたので、１回の露光及び現像では得られない露光装置のビーム径以下のパターンを安定して得ることができる。
第２の発明によれば、最小加工部分を第２の露光工程で露光し、その後、第２の現像工程において、第２の露光工程で露光した部分に対して第１の現像工程よりも溶解速度の小さい現像液を用いて現像を行うようにしたので、１回の露光及び現像では得られない露光装置のビーム径以下のパターンを安定して得ることができる。
第３の発明によれば、露光装置の露光源に電子線を用いた場合、要求される加工寸法が電子ビーム径に等しいか又はそれ以下になることがあるが、その場合に本発明のパターン形成方法が特に有効である。
第４の発明によれば、露光装置の露光源に、深紫外光、Ｘ線、イオンビーム、又は波長が150nm から450nm の紫外及び可視領域の光を用い、該露光装置の開口数をNA、露光波長をλとしたときに該露光装置の最小ビーム径が０．６１＊λ／NAである場合、要求される加工寸法が該最小ビーム径に等しいか又はそれ以下になることがあるが、その場合にも第３の発明と同様に本発明のパターン形成方法が有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示すパターン形成方法の工程図である。
【図２】ＳＥＴの構造図である。
【図３】図２のＳＥＴを形成するためのレジストパターンを示す図である。
【図４】ＺＥＰ  レジストの溶解速度の露光量依存性を示す図である。
【図５】キシレンと酢酸ｎ−ヘキシルの溶解速度の露光量依存性を示す図である。
【符号の説明】
２１                    シリコンウエハ（基板）
２１Ｒ                  第１のレジストパターン
２１ａ                  最小加工部分
２１ＲＡ                第２のレジストパターン
２２                    パターン（素子に対応する部分以外の領域）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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