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JP2737613B2 - Method of forming fine pattern - Google Patents

Method of forming fine pattern

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JP2737613B2
JP2737613B2 JP5273929A JP27392993A JP2737613B2 JP 2737613 B2 JP2737613 B2 JP 2737613B2 JP 5273929 A JP5273929 A JP 5273929A JP 27392993 A JP27392993 A JP 27392993A JP 2737613 B2 JP2737613 B2 JP 2737613B2
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Japan
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gas
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etching
fine pattern
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平司 渡部
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Nippon Electric Co Ltd
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  • Drying Of Semiconductors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は原子層レベルの不活性層
マスクと、電子ビームによるマスクパターン描画を応用
した微細構造形成のための技術であり、次世代半導体素
子および新機能デバイスの作製に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a technique for forming a fine structure using an inert layer mask at the atomic layer level and mask pattern drawing by an electron beam, and relates to the fabrication of next-generation semiconductor elements and new functional devices. Things.

【0002】[0002]

【従来の技術】微細パターンの形成技術はLSIの高集
積化や新機能デバイスの実現に重要であり、より低損傷
の極微細構造の形成方法が要求されている。現在のLS
Iの製造工程においては、各種リソグラフィー方法によ
り作製したレジストパターンをマスクとして、イオンに
よるアシスト効果を利用したエッチング方法(例えば反
応性イオンエッチング(RIE)法など)により被加工
物に転写している。
2. Description of the Related Art A technique for forming a fine pattern is important for high integration of LSI and realization of a device having a new function, and a method for forming a very fine structure with less damage is required. Current LS
In the manufacturing process of I, the resist pattern formed by various lithography methods is used as a mask to transfer the material to the workpiece by an etching method utilizing the assist effect of ions (for example, a reactive ion etching (RIE) method).

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかし、この様なパタ
ーン転写方法には、以下のような問題点がある。まず、
エッチング過程においてイオン衝撃による反応促進効果
を用いたとき被加工物中に欠陥が導入され、電気的・光
学的特性を劣化させる。また、レジストパターンはエッ
チング工程に耐えるために一定以上の膜厚が要求され
る。従って極微細パターン形成が困難となる。さらにレ
ジスト塗布工程で大気に曝されたり、レジストを構成す
る高分子が表面を汚染するため、再成長界面の不純物濃
度が高く実用に耐えない。この様な問題は、素子の微細
化が進むに従って顕著になる。
However, such a pattern transfer method has the following problems. First,
When the reaction promoting effect by ion bombardment is used in the etching process, defects are introduced into the workpiece and the electrical and optical characteristics are degraded. Further, the resist pattern is required to have a certain thickness or more to withstand the etching process. Therefore, it becomes difficult to form an extremely fine pattern. Further, the resist is exposed to the air during the resist coating process, or the polymer constituting the resist contaminates the surface, so that the impurity concentration at the regrowth interface is high and cannot be put to practical use. Such a problem becomes more remarkable as the element becomes finer.

【0004】これらの問題点を解決するために、電子ビ
ームを用いた、レジスト塗布工程のないエッチング方法
が検討されている。特開平2−182530号公報に
は、ウェーハ表面に大気中で吸着した酸素、炭素に対
し、真空中で電子ビームを照射すると、照射部分の酸
素、炭素がはぎ取られてウェーハ表面が露出するので、
反応性ガスを接触させることでエッチングできる、とい
う発明が記載されている。
[0004] In order to solve these problems, an etching method using an electron beam without a resist coating step has been studied. Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 2-182530 discloses that, when oxygen and carbon adsorbed on the wafer surface in the atmosphere are irradiated with an electron beam in a vacuum, the irradiated portion of oxygen and carbon is stripped off and the wafer surface is exposed. ,
The invention describes that etching can be performed by contacting a reactive gas.

【0005】また特開平3−11721号公報ににはG
aAs基板を有機溶剤に浸して表面に炭素、酸素の吸着
を行い、塩素ガスを当てながら電子ビームを照射する
と、照射部分の吸着層が除去され、その部分の基板が塩
素によってエッチングされる、という発明が記載されて
いる。
Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 3-11721 discloses G
When an aAs substrate is immersed in an organic solvent to adsorb carbon and oxygen on the surface, and irradiated with an electron beam while applying chlorine gas, the adsorbed layer in the irradiated portion is removed and the substrate in that portion is etched by chlorine. The invention has been described.

【0006】しかしこれらの発明では、表面のマスク層
を大気中での吸着で形成しており、制御性と再現性に問
題がある。また実際には表面に酸化膜が形成されている
はずであり、それも制御性と再現性に悪影響を与える。
また炭素や酸素は明らかに汚染物質であり、その汚染物
質をマスク材料として使うため基板が汚染するという問
題がある。
However, in these inventions, the mask layer on the surface is formed by adsorption in the air, and there is a problem in controllability and reproducibility. In addition, an oxide film must actually be formed on the surface, which adversely affects controllability and reproducibility.
In addition, carbon and oxygen are obviously contaminants, and there is a problem that the contaminants are used as a mask material and contaminate the substrate.

【0007】本発明の目的は上述した問題点をなくした
微細パターン形成方法とその装置を提供することにあ
る。
An object of the present invention is to provide a method and apparatus for forming a fine pattern which eliminate the above-mentioned problems.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は、真空中で被加
工物の清浄表面に吸着層を形成することで不活性処理を
施し、これを以後のエッチングに対するマスク層として
用いることを特徴とする微細パターン形成方法である。
The present invention is characterized in that an inert treatment is performed by forming an adsorption layer on a clean surface of a workpiece in a vacuum, and this is used as a mask layer for subsequent etching. This is a method for forming a fine pattern.

【0009】エッチングとしては、不活性層マスクに電
子線を照射して所望の領域の吸着層をはぎ取ってパター
ン形成し、その後にガスエッチングを行う方法を用いる
と良い。
For the etching, a method of irradiating an inert layer mask with an electron beam, stripping the adsorption layer in a desired area to form a pattern, and thereafter performing gas etching may be used.

【0010】ガスエッチングの後に真空中で再び所望の
領域の不活性層を除去して清浄表面を得て、引き続き新
たなパターン形成あるいは再成長を行うこともできる。
After the gas etching, the inert layer can be removed again in a desired area in a vacuum to obtain a clean surface, and a new pattern can be formed or regrown.

【0011】また吸着層としては水素や硫化水素などを
用い、ラジカル化して供給すると、単に吸着させるより
制御性や再現性が向上する。
When hydrogen or hydrogen sulfide is used as the adsorbing layer and supplied in the form of radicals, controllability and reproducibility are improved as compared with simple adsorption.

【0012】また本発明の微細パターン形成方法を実現
するための装置としては、吸着層を形成するガスを供給
する導入口とそのガスをラジカル化する装置を備えた吸
着層形成用真空チャンバと、電子銃とその偏向系および
被加工物の精密移動機構を備えた電子線照射用真空チャ
ンバと、ガスエッチング用真空チャンバを備え、これら
のチャンバを真空搬送機構で接続したものを用いる。
Further, as an apparatus for realizing the fine pattern forming method of the present invention, there are provided an inlet for supplying a gas for forming an adsorbing layer, a vacuum chamber for forming an adsorbing layer provided with a device for radicalizing the gas, and A vacuum chamber for electron beam irradiation provided with an electron gun, its deflection system and a precision moving mechanism for a workpiece, and a vacuum chamber for gas etching are used, and these chambers are connected by a vacuum transfer mechanism.

【0013】[0013]

【作用】本発明の概念を図1に示す。超高真空において
被加工物103に基板加熱など各種の処理を施し清浄表
面を得る。この清浄面は例えばシリコンやガリウム砒素
などの半導体材料では再配列などを起こすものの基板構
成原子102が露出し、基本的には表面にダングリング
ボンド101が存在して材料内部に比べて非常に活性な
状態であり、これがある条件下で反応性ガスに曝される
とガスエッチングが進行する。本発明ではこの様な清浄
表面へ特定の分子・原子またはラジカルを供給する事で
表面に不活性層104を形成し、被加工物と反応性ガス
との接触を防げるマスクとして用いる。ここで不活性層
の形成に際しては、被加工物表面で基板構成原子と化学
的に結合し、安定な吸着層を作るようなガスを真空層内
へ導入すればよい。また、上述の化学結合105を促進
させるためには基板を昇温したり、供給すべきガスの加
熱やプラズマからラジカルを取り出すなどの手段が有効
である。さらにガスの選択にあたってはガスエッチング
に用いる反応性ガスへの耐性も考慮すべきである。一
方、上述した不活性層のパターニングには電子ビーム1
06照射に伴う吸着原子の脱離効果(電子衝撃脱離効
果)を利用して行う。電子衝撃脱離は電子ビームの照射
領域の表面反応を励起して吸着物を取り除くものであ
り、活性表面107が再び露出することになる。従って
先に形成した不活性層表面に集束電子線を照射し、これ
を所望の形状に走査する事でマスク層のパターニングが
行える。一般に電子線は各種のレンズ・偏向系を通して
ナノメーターレベルの集束ビームを高精度で制御可能で
あるだけでなく、取り除く表面層は吸着層に限られるた
め、微細パターンの形成が容易である。次に基板を一定
温度に設定して、反応性ガス108を供給することでガ
スエッチングを行う。ここで電子線により被加工物の活
性表面が露出した領域は反応性ガスの照射により反応生
成物109が脱離してエッチングが進行するのに対し
て、マスクとして不活性層が挿入された領域ではエッチ
ング反応が阻害される結果、微細パターンの形成が可能
となる。さらに、ある種の不活性層についてはエッチン
グ後に反応性ガスを排気してから基板を加熱する事で、
このマスク層の除去が可能であり、再び現れた清浄表面
を出発点としてさらに加工を進めたり、加工面上への再
成長が可能である。
FIG. 1 shows the concept of the present invention. Various processes such as substrate heating are performed on the workpiece 103 in an ultra-high vacuum to obtain a clean surface. This clean surface, for example, causes rearrangement in a semiconductor material such as silicon or gallium arsenide, but the substrate constituent atoms 102 are exposed, and basically dangling bonds 101 are present on the surface and are very active compared to the inside of the material. The gas etching proceeds when exposed to a reactive gas under certain conditions. In the present invention, by supplying specific molecules, atoms or radicals to such a clean surface, an inactive layer 104 is formed on the surface and used as a mask for preventing contact between a workpiece and a reactive gas. Here, in forming the inert layer, a gas that chemically bonds to the constituent atoms of the substrate on the surface of the workpiece and forms a stable adsorption layer may be introduced into the vacuum layer. In order to promote the above-described chemical bonding 105, it is effective to increase the temperature of the substrate, heat a gas to be supplied, or extract radicals from plasma. Further, when selecting the gas, consideration should be given to the resistance to the reactive gas used for gas etching. On the other hand, electron beam 1
This is performed using the effect of desorption of adsorbed atoms (electron impact desorption effect) accompanying the 06 irradiation. The electron impact desorption excites a surface reaction in an electron beam irradiation area to remove adsorbed substances, and the active surface 107 is exposed again. Accordingly, the mask layer can be patterned by irradiating the surface of the previously formed inactive layer with a focused electron beam and scanning it with a desired shape. In general, an electron beam not only can control a focused beam of a nanometer level with high precision through various lenses and deflection systems, but also can easily form a fine pattern because a surface layer to be removed is limited to an adsorption layer. Next, the substrate is set at a constant temperature, and a reactive gas 108 is supplied to perform gas etching. Here, in the region where the active surface of the workpiece is exposed by the electron beam, the reaction product 109 is desorbed by irradiation of the reactive gas and etching proceeds, whereas in the region where the inactive layer is inserted as a mask, As a result of the inhibition of the etching reaction, a fine pattern can be formed. Furthermore, for certain types of inactive layers, the reactive gas is exhausted after etching and then the substrate is heated,
This mask layer can be removed, and further processing can be performed starting from the clean surface that has reappeared as a starting point, and regrowth can be performed on the processed surface.

【0014】[0014]

【実施例】本発明を実施するための試験装置の構成例を
図2に示す。装置は試料交換室201、マスク層形成室
202、電子線照射室203およびエッチング室204
の4室から成る。それぞれは真空排気系206を備えて
おり、試料交換室は操作性の点からターボ分子ポンプに
よる排気で10- 7 Torr台前半の到達真空度であ
る。マスク層形成室およびエッチング室については、各
種のガスを真空層内に導入するため排気にはケミカル仕
様のターボ分子ポンプで排気しており、到達真空度は1
- 1 0 Torr台である。また電子線照射室はイオン
ポンプにより排気し、到達真空度は10- 1 0 Torr
台である。被加工物であるSiやGaAsは装置への導
入の前に、各種のウエットエッチングにより試料表面の
各種汚染ならびに自然酸化膜を除去した。洗浄後素早く
試料交換室に導入し排気した。試料交換室の排気を十分
に行った後、トランスファーロッドによりマスク形成室
に試料を搬送した。次に加熱機構付き試料台207とス
パッタイオン銃213を用いたマスク形成室の真空度を
10- 1 0 Torr台に保ったまま、基板加熱またはイ
オンスパッタクリーニングと基板加熱によるダメージ回
復工程で、被加工物の清浄表面を得た。この表面にラジ
カル発生装置210を通じて、H2 やH2 Sなどのマス
ク層構成ガス211をラジカル状態で供給して最表面に
数原子層分の厚さの不活性吸着層を形成した。ガスを排
気後試料を電子線照射室203へ搬送し、電子銃209
の偏向系や精密移動機構付き試料ステージ208を用い
て試料上への集束電子ビームを走査し、不活性吸着層を
脱離させマスク層のパターニングを行った。これをエッ
チング室204に搬送し、所望の基板温度に設定した後
にエッチングガス212を導入して、不活性マスク層に
覆われていない領域をエッチングし、微細パターン転写
を行った。また引き続き、別のエッチングを行う場合に
は、試料をマスク層形成室にて加熱して、試料全面の不
活性吸着層を熱的に脱離させ、再び被加工物の清浄表面
を得た後、次のプロセスを進めた。
FIG. 2 shows an example of the configuration of a test apparatus for carrying out the present invention. The apparatus includes a sample exchange chamber 201, a mask layer forming chamber 202, an electron beam irradiation chamber 203, and an etching chamber 204.
Consists of four rooms. Each includes a vacuum evacuation system 206, a sample exchange chamber 10 in the exhaust by the turbo molecular pump from the viewpoint of operability - is 7 Torr stand half ultimate vacuum. The mask layer forming chamber and the etching chamber are evacuated by a chemical-specific turbo molecular pump to introduce various gases into the vacuum layer.
It is on the order of 0-10 Torr. The electron beam irradiation chamber is evacuated by the ion pump, the ultimate vacuum is 10 - 1 0 Torr
It is a stand. Before introducing Si and GaAs as workpieces into the apparatus, various contaminations on the sample surface and natural oxide films were removed by various types of wet etching. After washing, it was quickly introduced into the sample exchange chamber and evacuated. After sufficiently exhausting the sample exchange chamber, the sample was transported to the mask forming chamber by the transfer rod. Then vacuum mask formation chamber using a heating mechanism with the sample stage 207 and the sputtering ion gun 213 10 - while keeping the 1 0 Torr stand, with damage recovery step by substrate heating or ion sputter cleaning and heating the substrate, the A clean surface of the workpiece was obtained. A mask layer forming gas 211 such as H 2 or H 2 S was supplied in a radical state to this surface through a radical generator 210 to form an inert adsorption layer having a thickness of several atomic layers on the outermost surface. After exhausting the gas, the sample is transferred to the electron beam irradiation chamber 203, and the electron gun 209 is used.
The focused electron beam was scanned onto the sample using the deflection system and the sample stage 208 with a precision moving mechanism to desorb the inert adsorption layer and pattern the mask layer. This was transported to the etching chamber 204, and after setting to a desired substrate temperature, an etching gas 212 was introduced to etch a region not covered by the inert mask layer, thereby transferring a fine pattern. When another etching is subsequently performed, the sample is heated in the mask layer forming chamber, the inert adsorption layer on the entire surface of the sample is thermally desorbed, and a clean surface of the workpiece is obtained again. And proceeded with the following process.

【0015】[0015]

【発明の効果】本発明によれば、真空中でマスク層を形
成するため基板表面に酸化膜が形成されず制御性と再現
性が向上する。また水素や硫化水素などをラジカル状態
で供給して積極的にマスク層を形成しているので、単な
る炭素や酸素の吸着の場合より制御性と再現性に優れて
いる。また水素や硫化水素などはエッチングが終わった
あとで基板を加熱することで吸着層を脱離させることが
できるので、炭素や酸素マスクとして使う場合に比べ基
板が汚染されず、しかも、再び現れた清浄表面を出発点
としてさらに加工を進めたり、成膜したりすることがで
きる。またマスク層形成とそのパターニング、エッチン
グ、マスクの除去、それに続く加工や成膜をすべて真空
一貫プロセスで行えば加工や成膜の際界面の汚染等をな
くすことができる。
According to the present invention, since a mask layer is formed in a vacuum, no oxide film is formed on the substrate surface, and controllability and reproducibility are improved. Further, since the mask layer is positively formed by supplying hydrogen, hydrogen sulfide, or the like in a radical state, controllability and reproducibility are superior to those in the case of simply adsorbing carbon or oxygen. In addition, since the adsorption layer can be desorbed by heating the substrate after the etching is completed, the substrate is not contaminated with hydrogen or hydrogen sulfide as compared with the case where the substrate is used as a carbon or oxygen mask, and has appeared again. Further processing and film formation can be performed starting from the clean surface. If the formation of the mask layer and its patterning, etching, removal of the mask, and subsequent processing and film formation are all performed by a vacuum integrated process, contamination at the interface during processing and film formation can be eliminated.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram of the present invention.

【図2】本発明を実施するための実験装置の例を示す図
である。
FIG. 2 is a diagram showing an example of an experimental device for implementing the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101 ダングリングボンド 102 基板構成原子 103 被加工物 104 不活性層 105 化学結合 106 電子ビーム 107 活性表面 108 反応ガス 109 反応生成物 201 試料交換室 202 マスク層形成室 203 電子線照射室 204 エッチング室 205 トランスファーロッド 206 真空排気系 207 加熱機構付き試料台 208 精密移動機構付き試料ステージ 209 電子銃 210 ラジカル発生装置 211 マスク層構成ガス 212 エッチングガス 101 Dangling Bond 102 Substrate Constituent Atom 103 Workpiece 104 Inactive Layer 105 Chemical Bonding 106 Electron Beam 107 Active Surface 108 Reaction Gas 109 Reaction Product 201 Sample Exchange Room 202 Mask Layer Forming Room 203 Electron Beam Irradiation Room 204 Etching Room 205 Transfer rod 206 Vacuum evacuation system 207 Sample table with heating mechanism 208 Sample stage with precision moving mechanism 209 Electron gun 210 Radical generator 211 Mask layer constituent gas 212 Etching gas

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 真空中で被加工物の構成原子が露出し、
表面にダングリングボンドが存在する清浄表面を形成し
た後、前記被加工物の構成原子と化学的に結合するガス
であって、前記被加工物の最表面に前記ダングリングボ
ンドと前記ガスによる吸着層とが化学結合した数原子層
分の厚さの不活性層を形成するだけガスを導入して、
活性処理を施し、前記不活性層を以後のエッチングに対
するマスク層として用いることを特徴とする微細パター
ン形成方法。
Claims: 1. A constituent atom of a workpiece is exposed in a vacuum ,
Form a clean surface with dangling bonds on the surface
After that, the gas chemically bonded to the constituent atoms of the workpiece
The dangling bob on the outermost surface of the workpiece.
Atomic layer chemically bonded to the adsorption layer of the gas and the gas
A method for forming a fine pattern, characterized in that a gas is introduced only to form an inactive layer having a thickness of an appropriate thickness, an inactive treatment is performed, and the inactive layer is used as a mask layer for subsequent etching.
【請求項2】 前記不活性層電子線を照射して所望の
領域の前記吸着層をはぎ取ってパターン形成した後にガ
スエッチングを行うことを特徴とする請求項1に記載の
微細パターン形成方法。
2. A fine pattern forming method according to claim 1, characterized in that the gas etching after patterning strip off the adsorption layer of the desired region by irradiating an electron beam to said inactive layer.
【請求項3】 ガスエッチングの後に真空中で再び所望
の領域の前記不活性層を除去して清浄表面を得て、引き
続き真空中で新たなパターン形成あるいは再成長を行う
請求項2に記載の微細パターン形成方法。
3. The method according to claim 2, wherein after the gas etching, the inactive layer in a desired region is removed again in a vacuum to obtain a clean surface, and subsequently, a new pattern is formed or regrown in a vacuum. Fine pattern forming method.
【請求項4】 真空中で被加工物の清浄表面に前記被加
工物の最表面に数原子層分の厚さの不活性吸着層を形成
するだけのマスク構成ガスを照射して、吸着層を形成す
ることで不活性処理を施し、これを以後のエッチングに
対するマスク層として用いる微細パターン形成方法であ
って、前記吸着層として、ラジカル状態で水素あるいは
硫化水素を被加工物の清浄表面に供給して形成した層を
用いることを特徴とする微細パターン形成方法。
4. The method according to claim 1 , further comprising the step of applying the workpiece to a clean surface of the workpiece in a vacuum.
An inert adsorption layer with a thickness of several atomic layers is formed on the outermost surface of the structure
Irradiate only the mask constituent gas to form an adsorption layer.
Passivation process, which is used for subsequent etching.
A fine pattern forming method used as a mask layer for
, As the adsorption layer, the fine pattern forming method which comprises using a layer formed of hydrogen or hydrogen sulfide in a radical state is supplied to the clean surface of the workpiece.
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