(57)【要約】      （修正有）【課題】  レジストパターンのエッジラフネスを低減すると共にそのエッチング耐性を向上させることにより、特性ばらつきの少ない微細な半導体装置及びその製造方法を提供する。【解決手段】  シリコン基板１上に形成されたレジストパターン５をマスクとして用いて半導体デバイスを製造する際に、レジストパターン５を液体金属溜め６内の液体金属（例えば、ガリウム、インジウム又はガリウムインジウム合金）の触媒効果を用いてグラファイト化処理する。【選択図】図３
2007115903.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成されたレジストパターンをマスクとして用いて半導体装置を製造するための半導体装置の製造方法において、
上記基板上に形成されたレジストパターンを、ガリウム液体の触媒効果を用いてグラファイト化処理することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記ガリウム液体に、鉄、ニッケルおよびコバルトから成るグループの中から選ばれた少なくとも一種を添加することを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
基板上に形成されたレジストパターンをマスクとして用いて半導体装置を製造するための半導体装置の製造方法において、
上記基板上に形成されたレジストパターンを、インジウム液体の触媒効果を用いてグラファイト化処理することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記インジウム液体に、鉄、ニッケルおよびコバルトから成るグループの中から選ばれた少なくとも一種を添加することを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
基板上に形成されたレジストパターンをマスクとして用いて半導体装置を製造するための半導体装置の製造方法において、
上記基板上に形成されたレジストパターンを、ガリウムインジウム合金の液体の触媒効果を用いてグラファイト化処理することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記ガリウムインジウム合金の液体に、鉄、ニッケルおよびコバルトから成るグループの中から選ばれた少なくとも一種を添加することを特徴とする請求項５に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記グラファイト化処理は、前記レジストパターンのラインエッジラフネスを低減するために実施されることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記レジストパターンは、炭素樹脂系のレジスト材料から成ることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記炭素樹脂系のレジスト材料は、有機分子のポリマーをベース樹脂に用いた材料であることを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記有機分子のポリマーをベース樹脂に用いた材料は、ノボラック系樹脂、ＰＨＳ（ポリヒドロキシスチレン）系樹脂、ＰＭＭＡ（ポリメタクリレート）系樹脂、ＣＭＳ（クロルメチルスチレン）系樹脂、カリックスアレーン系樹脂及びフラーレン系分子から成るグループの中から選ばれた少なくとも一つの材料であることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記グラファイト化処理中に、前記レジストパターンから炭素以外の元素又はレジストパターン中の空隙が除去されることにより、前記レジストパターン自体が縮小することを特徴とする請求項８に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
基板を有する半導体装置の製造方法において、
基板上にゲート絶縁膜を形成し、
ゲート絶縁膜上にゲート電極膜を形成し、
ゲート電極膜上にレジスト膜を形成し、
レジスト膜を露光・現像することによりレジストパターンを形成し、
レジストパターンを有する基板をグラファイト化処理装置に導入して、液体金属溜めに接触させて、グラファイト化処理を行った後基板を引き上げ、
上記グラファイト化処理によりレジストパターンにグラファイト化層を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記液体金属は、ガリウム、インジウム又はガリウムインジウム合金であることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記液体金属に、鉄、ニッケルおよびコバルトから成るグループの中から選ばれた少なくとも一種を添加することを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記グラファイト層が形成されたレジストパターンをマスクとして、ソース・ドレイン電極を形成することを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記グラファイト化処理装置は、真空引きされていることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
前記グラファイト化処理装置は、脱酸素雰囲気にされていることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１８】
前記グラファイト化処理後の基板は、付着した液体金属を完全に除去するために真空化でアニール処理が行われることを特徴とする請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１９】
少なくとも基板を有する半導体装置において、
上記基板上に形成され、かつグラファイト化処理されたレジストパターンをマスクとして用いて製造された半導体装置。
【請求項２０】
前記レジストパターンは、炭素樹脂系のレジスト材料から成ることを特徴とする請求項１９に記載の半導体装置。
【請求項２１】
前記炭素樹脂系のレジスト材料は、有機分子のポリマーをベース樹脂に用いた材料であることを特徴とする請求項２０に記載の半導体装置。
【請求項２２】
前記有機分子のポリマーをベース樹脂に用いた材料は、ノボラック系樹脂、ＰＨＳ（ポリヒドロキシスチレン）系樹脂、ＰＭＭＡ（ポリメタクリレート）系樹脂、ＣＭＳ（クロルメチルスチレン）系樹脂、カリックスアレーン系樹脂及びフラーレン系分子から成るグループの中から選ばれた少なくとも一つの材料であることを特徴とする請求項２１に記載の半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置（半導体デバイス）及びその製造方法に関し、特に、ばらつきの少ない微細レジストパターンをマスクとして用いて製造された半導体装置及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスを微細化するために露光装置の解像度やレジストの解像度を向上する技術開発が進められている。同時に、レジストパターンのＬＥＲ（ラインエッジラフネス）低減やＣＤ（Ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ：最小寸法）制御も、デバイス間の特性バラツキを低減し、集積回路の性能を向上する上で重要な技術課題である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、半導体デバイスの加工寸法が小さくなるに従って、レジストパターン幅の揺らぎに起因するデバイス特性のばらつきの問題が顕著化している。例えば、ゲート電極などの細くて、デバイスの動作に直接関与する部分では、レジストパターンの一部が局所的に細くなっているだけでもデバイス特性への影響は大きくなる。
【０００４】
通常、レジストパターンのＬＥＲは、パターン転写などの行程を進めるに従って、少なくなることはなく、むしろ増大する方向に進む。さらに近年では、レジストパターンを現像した後に、エッチングによるシニング（削剥）処理によって、さらに微細なパターンを形成する技術が一般的になっている。このようなプロセスを経るとＬＥＲはさらに増大する傾向にある。
【０００５】
このような背景から、元々のパターンのＬＥＲを低減することは、微細な集積回路を作製する上で必須の要件になっている。そこで、これまではＬＥＲを低減するため、露光装置の性能向上、レジスト材料の性能向上、現像方法や条件の最適化などの取り組みが行われてきた。
【０００６】
しかし、露光装置に用いるレーザー波長で決まる物理的な微細化限界の問題、レジスト材料については、感度やエッチング耐性などの基本的性能を維持するために自由な材料設計が非常に困難であるなどの問題から、従来手法の延長では画期的にＬＥＲを低減することは難しいと考えられている。
【０００７】
そこで、本発明は、上記従来手法の問題点に鑑みて成されたものであり、その目的は、レジストパターンのエッジラフネスを低減すると共にそのエッチング耐性を向上させることにより、特性ばらつきの少ない微細な半導体装置及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明では、基板上に形成されたレジストパターンをマスクとして用いて半導体装置を製造するための半導体装置の製造方法において、上記基板上に形成されたレジストパターンを、ガリウム液体の触媒効果を用いてグラファイト化処理することを特徴とする。
【０００９】
前記ガリウム液体に、鉄、ニッケルおよびコバルトから成るグループの中から選ばれた少なくとも一種を添加することが好ましい。
【００１０】
また、本発明では、基板上に形成されたレジストパターンをマスクとして用いて半導体装置を製造するための半導体装置の製造方法において、上記基板上に形成されたレジストパターンを、インジウム液体の触媒効果を用いてグラファイト化処理することを特徴とする。
【００１１】
前記インジウム液体に、鉄、ニッケルおよびコバルトから成るグループの中から選ばれた少なくとも一種を添加することが好ましい。
【００１２】
また、本発明では、基板上に形成されたレジストパターンをマスクとして用いて半導体装置を製造するための半導体装置の製造方法において、上記基板上に形成されたレジストパターンを、ガリウムインジウム合金の液体の触媒効果を用いてグラファイト化処理することを特徴とする。
【００１３】
前記ガリウムインジウム合金の液体に、鉄、ニッケルおよびコバルトから成るグループの中から選ばれた少なくとも一種を添加することが好ましい。
【００１４】
ここで、前記グラファイト化処理は、前記レジストパターンのラインエッジラフネスを低減するために実施される。
【００１５】
前記レジストパターンは、例えば、炭素樹脂系のレジスト材料から成る。
【００１６】
前記炭素樹脂系のレジスト材料は、例えば、有機分子のポリマーをベース樹脂に用いた材料である。
【００１７】
好ましくは、前記有機分子のポリマーをベース樹脂に用いた材料は、ノボラック系樹脂、ＰＨＳ（ポリヒドロキシスチレン）系樹脂、ＰＭＭＡ（ポリメタクリレート）系樹脂、ＣＭＳ（クロルメチルスチレン）系樹脂、カリックスアレーン系樹脂及びフラーレン系分子から成るグループの中から選ばれた少なくとも一つの材料である。
【００１８】
ここで、前記グラファイト化処理中に、前記レジストパターンから炭素以外の元素又はレジストパターン中の空隙が除去されることにより、前記レジストパターン自体が縮小する。
【００１９】
また、本発明では、基板を有する半導体装置の製造方法において、基板上にゲート絶縁膜を形成し、ゲート絶縁膜上にゲート電極膜を形成し、ゲート電極膜上にレジスト膜を形成し、レジスト膜を露光・現像することによりレジストパターンを形成し、レジストパターンを有する基板をグラファイト化処理装置に導入して、液体金属溜めに接触させて、グラファイト化処理を行った後基板を引き上げ、上記グラファイト化処理によりレジストパターンにグラファイト化層を形成することを特徴とする。
【００２０】
前記液体金属は、ガリウム、インジウム又はガリウムインジウム合金であることが好ましい。
【００２１】
前記液体金属に、鉄、ニッケルおよびコバルトから成るグループの中から選ばれた少なくとも一種を添加することが好ましい。
【００２２】
そして、前記グラファイト層が形成されたレジストパターンをマスクとして、ソース・ドレイン電極を形成する。
【００２３】
前記グラファイト化処理装置は、真空引きされているか、あるいは脱酸素雰囲気にされていることが好ましい。
【００２４】
また、前記グラファイト化処理後の基板は、付着した液体金属を完全に除去するために真空化でアニール処理が行われることが好ましい。
【００２５】
また、本発明は、少なくとも基板を有する半導体装置において、上記基板上に形成され、かつグラファイト化処理されたレジストパターンをマスクとして用いて製造された半導体装置である。
【００２６】
ここで、前記レジストパターンは、例えば、炭素樹脂系のレジスト材料から成る。
【００２７】
また、前記炭素樹脂系のレジスト材料は、例えば、有機分子のポリマーをベース樹脂に用いた材料である。
【００２８】
好ましくは、前記有機分子のポリマーをベース樹脂に用いた材料は、ノボラック系樹脂、ＰＨＳ（ポリヒドロキシスチレン）系樹脂、ＰＭＭＡ（ポリメタクリレート）系樹脂、ＣＭＳ（クロルメチルスチレン）系樹脂、カリックスアレーン系樹脂及びフラーレン系分子から成るグループの中から選ばれた少なくとも一つの材料である。
【００２９】
グラファイトは、ダングリングボンドを持たない二次元のシート状炭素が積層する構造を持つ。従って、その表面は原子レベルで平坦である。さらにすべて炭素で構成されているためエッチング耐性が高いことは自明である。従って、エッチングのマスク材料としては理想的な特性を持っている材料である。
【００３０】
しかし、分子的な性質を持たないグラファイト自体をレジスト材料に用いることは原理的に困難である。また、マスク材料に用いるためにグラファイト膜を半導体基板上へ作製することが困難であることも、通常グラファイト膜作製に高温及び高圧が必要であることから容易に想像がつく。従って、これまでグラファイトを微細加工用のレジストやマスクに用いる技術は確立されていなかった。
【００３１】
しかし、これまでの研究の結果、低融点金属であるＧａに４００度程度の低温でアモルファスカーボンをグラファイト化する効果があることが分かった。一般的に用いられるレジストは、有機樹脂で構成されるため、特にネガレジストなどは露光後にアモルファスカーボンに近い構造を持つ。
【００３２】
従って、レジストを構成する炭素をグラファイト化することで、半導体プロセスに適用可能な温度条件で、グラファイトパターンを作製することができる。また、グラファイト化の過程において、レジストパターンから、炭素以外の元素やパターン中の微細な空隙が除去されるので、パターン自体が縮小する。
【００３３】
さらに、縮小と同時に新しいグラファイト構造が作製される。その過程で、レジストパターンの持つ表面形状が変化し、結果的によりＬＥＲの小さなパターンが形成される。
【００３４】
グラファイト化処理に用いる液体金属には、ガリウム(Ｇａ）以外にインジウム(Ｉｎ),ガリウムインジウム合金を用いることができる。また、ＧａやＩｎに触媒効果を高めるための異種金属を添加することも可能である。添加する金属には、例えば、鉄（Ｆｅ），コバルト（Ｃｏ），ニッケル（Ｎｉ）などのグラファイト化触媒効果を有する金属を使用することができる。いずれの場合も、処理温度、処理時間それぞれを適宜に選ぶことができる。
【発明の効果】
【００３５】
本発明では、レジストパターンのグラファイト化処理を用いることによって、従来リソグラフィ手法では作製不可能であったラインエッジラフネスの少ない微細レジストパターンを作製することができる。その結果、特性ばらつきの少ない半導体装置（半導体集積回路）を作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明の実施形態を、図１から図４を参照して説明する。
【００３７】
本発明の実施形態は、液体Ｇａを用いたレジストパターンのグラファイト化によってＬＥＲ（ラインエッジラフネス）を低減する方法を使った半導体デバイスの作製方法である。
【００３８】
まず、図１に示すように、ゲート絶縁膜２、ゲート電極用ポリシリコン３を製膜したシリコン基板１に、レジストを塗布してレジスト膜４を得る。このときのレジスト材料には、一般的に使用される炭素樹脂系のフォトレジストや、電子線レジストを使用する。例えば、ノボラック系樹脂、ＰＨＳ（ポリヒドロキシスチレン）系樹脂、ＰＭＭＡ（ポリメタクリレート）系樹脂、ＣＭＳ（クロルメチルスチレン）系樹脂、カリックスアレーン系樹脂、フラーレン系分子など、有機分子のポリマーをベース樹脂に用いたレジストあれば種類を問わない。
【００３９】
例えば、ＣＭＣ４（クロロメチルカリックス［４］アレーン）レジストを用いた場合、ＰＧＭＥＡ（プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート）溶媒に２重量％溶解したＣＭＣ４レジストを、シリコン基板に塗布し、窒素雰囲気中の１００度のホットプレートで２分間溶媒を蒸発させ、厚さ５０ｎｍのレジスト膜４を得ることができる。
【００４０】
続いて、レジスト材料に合わせた露光方法を用いて、所望のパターンを露光し、現像することで目的のレジストパターン５を作製する（図２参照）。
【００４１】
ＣＭＣ４を用いた場合は、５０ｋＶ加速、１ｎＡのビーム電流を持つ電子線露光装置を用いて、１０ｎＣ／ｃｍ程度の露光量で線状パターンを露光する。その後、ＰＧＭＥＡに３０秒間浸漬してパターンを現像、イソプロピルアルコールで１０秒浸漬してリンスを行った後、乾燥窒素を吹き付けて溶液を除去すれば、線幅２０ｎｍ、高さ４０ｎｍ程度のレジストパターン５を得ることができる。このときの線幅のばらつきは、最大最小線幅差３ｎｍ、線幅の標準偏差０．８ｎｍ程度である。
【００４２】
次に、グラファイト化処理を行うために、図３に示すように、レジストパターン５を有するシリコン基板１を、グラファイト化処理装置３０に導入する。処理装置３０内は、１０−３Ｐａ程度に真空引きするか、脱酸素雰囲気にすることが好ましい。
【００４３】
そして、４００度程度に加熱した液体状の液体金属溜め６に接触させ、１分程度グラファイト化処理を行った後、シリコン基板１を引き上げる。ここでは、上記液体金属にガリウムを用いた。液体金属触媒の温度や処理時間は、レジスト材料、パターン形状や大きさに合わせて、適切に選ぶことができる。処理後のシリコン基板１は、付着した液体金属触媒を完全に除去するために、真空化でアニール処理を行ってもよい。
【００４４】
グラファイト化処理の結果、レジストパターン４には、図４に示すように、表面の数〜１０ｎｍの領域にグラファイト化層７が形成される。
【００４５】
このように、本発明の実施形態では、シリコン基板１上に形成されたレジストパターン５をマスクとして用いて半導体デバイスを製造する際に、レジストパターン５を液体金属溜め６内の液体金属の触媒効果を用いてグラファイト化処理する。
【００４６】
ここで、グラファイト化層７が形成されたレジストパターン４の平均線幅と高さは約３０％縮小、最大最小線幅差と線幅の標準偏差はいずれも５％程度低減した。また、ポリシリコンへパターン転写する時に用いるエッチング処理に対する耐性は、グラファイト化処理前と後では、大きな変化はなかった。
【００４７】
レジストパターン５のグラファイト化処理後は、通常のシリコン半導体デバイス作製プロセスを用いて、ソース、ドレイン、配線層などを形成して、最終的な半導体集積回路を得ることができる。
【００４８】
また、液体ガリウムにはグラファイト化の触媒効果を高めるためや、処理温度を低くする目的で、様々な添加物を加えることができる。
【００４９】
例えば、鉄やニッケル、コバルトは一般的なグラファイト化触媒活性の高い金属として知られている。しかし、これらの金属が触媒効果を発するには少なくても摂氏６００度以上の高い温度にして、炭素と共に溶融したような状態を形成しなければならない。
【００５０】
しかし、半導体デバイスプロセスでは、チャネルやソース/ドレイン層の不純物プロファイルを保持するために非常に厳しい温度制限があり、摂氏４００度以上の処理温度を設定することができない。しかし、融点が３０度以下のガリウムに、数％程度の鉄やニッケル、コバルトのいずれか又は複数種を添加することによって、４００度以下の低温で溶融状態となり、触媒効果を発揮することが可能となる。
【００５１】
例えば、０．５重量％の鉄を添加した場合、融点は１００度以下となり、グラファイト化処理温度が３００度以下でもレジストパターンのグラファイト化を確認することができた。
【００５２】
また、ガリウムにインジウムを２１．４重量％加えると、合金の共融点が摂氏１５．３度まで低下することが知られている。従って、ガリウムインジウム合金をベース液体金属に用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の実施形態におけるレジスト膜付きシリコン基板を示す概略図である。
【図２】本発明の実施形態におけるレジストパターン付きシリコン基板を示す概略図である。
【図３】本発明の実施形態におけるグラファイト化処理装置を示す概略図である。
【図４】本発明の実施形態におけるグラファイト化レジストパターン付きシリコン基板を示す概略図である。
【符号の説明】
【００５４】
１  シリコン基板
２  ゲート絶縁膜
３  ゲート電極用ポリシリコン
４  レジスト膜
５  レジストパターン
６  液体金属溜め
７  グラファイト化層
３０  グラファイト化処理装置
【図１】
2007115903.tif 000003
【図２】
2007115903.tif 000004
【図３】
2007115903.tif 000005
【図４】
2007115903.tif 000006