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JP3007095B2 - Method of forming fine pattern - Google Patents
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JP3007095B2 - Method of forming fine pattern - Google Patents

Method of forming fine pattern

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JP3007095B2
JP3007095B2 JP1109932A JP10993289A JP3007095B2 JP 3007095 B2 JP3007095 B2 JP 3007095B2 JP 1109932 A JP1109932 A JP 1109932A JP 10993289 A JP10993289 A JP 10993289A JP 3007095 B2 JP3007095 B2 JP 3007095B2
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Description

【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> この発明は、微細パターンの形成方法に関し、より詳
しくは、電子線描画によって、半導体基板上にレジスト
の微細パターンを形成する方法に関する。また、そのよ
うな微細パターンの形成方法を利用した半導体装置の製
造方法に関する。
The present invention relates to a method for forming a fine pattern, and more particularly, to a method for forming a fine resist pattern on a semiconductor substrate by electron beam drawing. The present invention also relates to a method for manufacturing a semiconductor device using such a method for forming a fine pattern.

<従来の技術> 広く知られているように、電界効果トランジスタ(FE
T)の性能を向上させるために、ゲート長(Lg)を短縮
することが極めて重要である。
<Prior Art> As is widely known, a field effect transistor (FE)
To improve the performance of T), it is extremely important to reduce the gate length (Lg).

FETのゲートを形成する場合、一般に行われている方
法としては、まず、半導体基板上に単層のレジストを塗
布し、ゲートを形成すべき箇所を電子ビームで描画して
上記レジストに開口部を形成し、この上に金属を蒸着し
た後、リフトオフを行って上記レジスト上の金属を除去
する一方、上記開口部内の基板上に金属を残してゲート
電極とする方法がある。しかし、この方法は、第5図に
示すように、半導体基板11上にゲート長Lgが0.25μm程
度以下のゲート12を形成する場合、リフトオフを行う際
にゲート電極の先端12aが先細りの断面形状となり、こ
の結果、ゲート抵抗Rgが大きくなって、FETの高周波特
性、特に雑音特性が損われることになる。
When forming a gate of an FET, a common method is to first apply a single-layer resist on a semiconductor substrate, draw an electron beam on a portion where a gate is to be formed, and form an opening in the resist. There is a method of removing the metal on the resist by performing lift-off after depositing and vapor-depositing a metal thereon, while leaving the metal on the substrate in the opening as a gate electrode. However, in this method, as shown in FIG. 5, when a gate 12 having a gate length Lg of about 0.25 μm or less is formed on a semiconductor substrate 11, the tip 12a of the gate electrode is tapered when lift-off is performed. As a result, the gate resistance Rg increases, and the high-frequency characteristics, particularly the noise characteristics of the FET are impaired.

最近になってP.C.チャオ(P.C.Chao)らによって、上
記ゲート抵抗Rgを低減するために、第4図(a)乃至
(c)に示すように、T字状断面を有するゲート(以
下、「T字状ゲート」という)の形成方法が提案されて
いる(1983アイ・イー・ディ・エム,プロシーディング
(IEDM,Prcoceeding)27−5,P613)。まず、半導体基板
21上に、PMMA(ポリメタクリル酸メチル)からなる低感
度の下層レジスト28と、P(MMA−MAA)共重合体からな
る高感度の中層レジスト27と、PMMAからなる中程度の感
度の上層レジスト26とを順に積層して、この上からゲー
ト25を形成すべき箇所を略垂直に電子ビームで描画する
(第4図(a))。そして、第4図(b)に示すよう
に、電子ビームを照射した部分(第4図(a)中に破線
で示す)のレジストを現像して除去して、上記3層のレ
ジスト26,27,28を貫通する開口部23を形成する。この開
口部23の幅は、上記各層のレジストの感度に対応して上
記基板21側から順に狭く、広く、中程度になる。続い
て、上記上層レジスト26の上から、ゲート25の材料とし
て金属24を蒸着する。このとき、上記開口部23内に蒸着
された金属24aは、基板表面21aに接触すると共に、断面
の両翼24b,24bが中層レジスト27の開口部23m内に広がっ
た形状となる。そして、第4図(c)に示すように、上
記各層のレジスト26,27,28を溶解してリフトオフするこ
とによって、両翼25b,25bを有するT字状ゲート25を形
成する。このようにして、ゲート抵抗Rgを低減させるよ
うにしている。
Recently, in order to reduce the gate resistance Rg, as shown in FIGS. 4 (a) to 4 (c), a PC having a T-shaped cross section (hereinafter, referred to as a “T-shaped”) has been proposed by PC Chao et al. (Referred to as 1983 IED, Proceding (IEDM, Prcoceeding) 27-5, P613). First, the semiconductor substrate
A low-sensitivity lower resist 28 made of PMMA (polymethyl methacrylate), a high-sensitivity middle resist 27 made of P (MMA-MAA) copolymer, and a medium-sensitivity upper resist made of PMMA 26 are sequentially stacked, and a portion where the gate 25 is to be formed is drawn substantially vertically by an electron beam from above (FIG. 4 (a)). Then, as shown in FIG. 4 (b), the resist in the portion irradiated with the electron beam (indicated by a broken line in FIG. 4 (a)) is developed and removed, and the above three-layer resists 26 and 27 are removed. , 28 are formed. The width of the opening 23 becomes narrower, wider, and medium in order from the substrate 21 side in accordance with the sensitivity of the resist in each layer. Subsequently, a metal 24 is deposited as a material of the gate 25 from above the upper resist 26. At this time, the metal 24a deposited in the opening 23 comes into contact with the substrate surface 21a and has a shape in which both wings 24b, 24b of the cross section spread into the opening 23m of the middle-layer resist 27. Then, as shown in FIG. 4 (c), the resists 26, 27, 28 of each layer are dissolved and lifted off to form a T-shaped gate 25 having both wings 25b, 25b. Thus, the gate resistance Rg is reduced.

また、電子ビーム描画を行う際、電子ビームを放出す
るために、W(タングステン)またはLaB6(六ホウ化ラ
ンタン)材料からなる熱電子放射型エミッタを有するベ
クタスキャン方式スポットビーム型描画装置を使用して
いる。上記エミッタ径は10μm程度以上となっており、
このエミッタから放出される電子ビームを電子光学系で
絞って(縮小比10以上)サブミクロンのビーム径として
いる。
Also, when performing electron beam writing, a vector scan type spot beam writing apparatus having a thermionic emission type emitter made of W (tungsten) or LaB 6 (lanthanum hexaboride) material is used to emit an electron beam. are doing. The emitter diameter is about 10 μm or more,
The electron beam emitted from the emitter is narrowed by an electron optical system (reduction ratio of 10 or more) to have a submicron beam diameter.

<発明が解決しようとする課題> しかしながら、上記従来のT字状ゲートの形成方法
は、例えばゲート長0.1μmのHEMT(高電子移動度トラ
ンジスタ)に適用する場合、確かにゲート抵抗Rgを低減
させる効果はあるけれども、次のような問題点を生じる
ことが判った。第1に、上記HEMTの入力容量Cgsおよび
帰還容量Cgdtは設計値よりも大きくなり、第2に、この
入力容量Cgsの素子間バラツキが大きく、第3に設計面
からソース抵抗Rsを大きくせざるを得ず、したがって相
互コンダクタンスgmが小さくなる点である。
<Problem to be Solved by the Invention> However, when the above-described conventional method of forming a T-shaped gate is applied to, for example, a HEMT (high electron mobility transistor) having a gate length of 0.1 μm, the gate resistance Rg is certainly reduced. Although effective, the following problems have been found. First, the input capacitance Cgs and the feedback capacitance Cgdt of the HEMT become larger than designed values. Second, there is large inter-element variation in the input capacitance Cgs. Third, the source resistance Rs must be increased from the design aspect. And therefore the transconductance gm is reduced.

本発明者の解析によれば、入力容量Cgsおよび帰還容
量Cgdは次のメカニズムによって増大している。電子ビ
ームが各層レジスト中や基板21中で散乱され(近接効
果)て、第4図(b)に示すように、上記下層レジスト
28の開口端面28a,28aが基板表面21aに対して順テーパと
なる。したがって、この上に蒸着される金属24aの両翼2
4b,24bが逆テーパとなって、そのままT字状ゲート25の
両翼25b,25bとなるため、この両翼25b,25bと基板表面21
aとの間の距離が短くなって寄生容量を生じるのであ
る。また、上記近接効果によって、上層および中層レジ
スト26,27の各開口部23u,23mがそれぞれ0.8μm,1.0μm
程度に必要以上に広がっているので上記ゲート25の両翼
25b,25bがそれに応じて広がって、さらに上記寄生容量
を増大させている。次に、入力容量Cgsの素子間バラツ
キが大きい点について、走査型電子顕微鏡(SEM)によ
って観察したところ、上記下層レジスト28の開口端面28
a,28aが順テーパであって膜厚が薄くなっているため、
機械的強度が弱まって、金属24の蒸着工程においてこの
端面28a,28aが破損して、ゲート長Lgのバラツキを生じ
ているのが原因であることが判った。最後に、ソース抵
抗Rsが大きくなる理由は、上記T字状ゲート25の両翼25
b,25bが必要以上に広がるので、ソースとゲートとが互
いに接触しないように、設計上、ソースとゲートとを離
間しなければならないからである。また、上記下層レジ
スト28の開口端部が薄くなっているので、上記接触防止
のために、このレジスト28をマスクとしてエッチング形
成した溝上にゲートを設けて(リセスゲート構造)、ソ
ースとゲートを近接させることができないからである。
このように、各層レジスト26,27,28を貫通する上記開口
部23の形状に起因して多くの問題点を生じている。
According to the analysis of the inventor, the input capacitance Cgs and the feedback capacitance Cgd are increased by the following mechanism. The electron beam is scattered in the resist of each layer and in the substrate 21 (proximity effect), and as shown in FIG.
The opening end surfaces 28a of the 28 have a forward taper with respect to the substrate surface 21a. Therefore, the two wings 2 of metal 24a deposited on this
4b and 24b are reversely tapered and become the two wings 25b and 25b of the T-shaped gate 25 as they are, so that these two wings 25b and 25b and the substrate surface 21
The distance from a becomes shorter, causing parasitic capacitance. Also, due to the proximity effect, the openings 23u and 23m of the upper and middle resists 26 and 27 are 0.8 μm and 1.0 μm, respectively.
It spreads more than necessary to the extent that both wings of the above gate 25
25b, 25b spread accordingly, further increasing the parasitic capacitance. Next, a point at which the variation in the input capacitance Cgs between elements was large was observed by a scanning electron microscope (SEM).
Since a and 28a have forward taper and thin film thickness,
It has been found that the mechanical strength is weakened, and the end faces 28a, 28a are damaged in the deposition process of the metal 24, causing a variation in the gate length Lg. Finally, the reason why the source resistance Rs is large is that the two wings 25 of the T-shaped gate 25
This is because the source and the gate must be separated from each other in design so that the source and the gate do not come into contact with each other, because b and 25b spread more than necessary. Since the opening end of the lower resist 28 is thin, a gate is provided on a groove formed by etching using the resist 28 as a mask (recess gate structure) to prevent the contact, and the source and the gate are brought close to each other. Because they cannot do it.
As described above, there are many problems due to the shape of the opening 23 penetrating the resists 26, 27, and 28 of each layer.

ところで、上記開口部23の形状は、電子ビームを照射
した際、レジスト中に蓄積した電荷の量に応じて形成さ
れるものである。知られているように、強度分布が径方
向にガウス分布で表わされる電子ビームについて、蓄積
電荷分布F(r)は、次の式(1)のように近似され
る。
By the way, the shape of the opening 23 is formed in accordance with the amount of charge accumulated in the resist when the electron beam is irradiated. As is known, for an electron beam whose intensity distribution is represented by a Gaussian distribution in the radial direction, the accumulated charge distribution F (r) is approximated by the following equation (1).

F(r)=K{exp(−r2)+(ηα2)exp(−r2)} …(1) 式(1)において、第1項は前方散乱、第2項は後方
散乱による寄与を示している。なお、αは入射ビームサ
イズ、ηは前方散乱吸収エネルギに対する後方散乱吸収
エネルギの比、βは後方散乱吸収エネルギ分布である。
この式(1)から入射ビームサイズαを小さくすれば、
蓄積電荷分布F(r)がシャープになるのが判る。しか
しながら、単に入射ビームサイズαを小さくすると、こ
れに比例してビーム電流が小さくなって、生産性が低下
し、実用に耐えられなくなる。
F (r) = K {exp (−r 2 / α 2 ) + (ηα 2 / β 2 ) exp (−r 2 / β 2 )} (1) In equation (1), the first term is forward scattering. , The second term indicates the contribution due to backscattering. Here, α is the incident beam size, η is the ratio of the backscattered absorbed energy to the forward scattered absorbed energy, and β is the backscattered absorbed energy distribution.
From the equation (1), if the incident beam size α is reduced,
It can be seen that the accumulated charge distribution F (r) becomes sharp. However, if the incident beam size α is simply reduced, the beam current is reduced in proportion to this, and the productivity is reduced, making it unusable for practical use.

そこで、この発明の目的は、上記近接効果を抑制する
ことによって、アスペクト比(幅に対する高さの比)を
高め、上層および中層レジストの開口の幅を適正化する
と共に下層レジストの開口端面を基板表面に対して略垂
直にして機械的強度を高めて、両翼の小さいT字状ゲー
トを形成することができ、また、リセスゲート構造を採
用することができ、したがって高性能FETを作製するこ
とができる実用的な微細パターンの形成方法を提供する
ことにある。また、そのような微細パターンの形成方法
を利用した半導体装置の製造方法を提供することにあ
る。
Therefore, an object of the present invention is to suppress the above-mentioned proximity effect, thereby increasing the aspect ratio (ratio of height to width), optimizing the width of the openings of the upper and middle resists, and forming the opening end face of the lower resist on the substrate. It is possible to form a small T-shaped gate with both wings by increasing the mechanical strength by making it almost perpendicular to the surface, and it is possible to adopt a recess gate structure, and thus to produce a high-performance FET. An object of the present invention is to provide a practical method for forming a fine pattern. Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device using such a method for forming a fine pattern.

<課題を解決するための手段> 上記目的を達成するために、この発明の微細パターン
の形成方法は、半導体上に、感度が低い第1のレジスト
を堆積し、この第1のレジスト上に感度が高い第2のレ
ジストを堆積し、さらにこの第2のレジスト上に感度が
中程度の第3のレジストを堆積した後、形成すべきパタ
ーンの露光を熱電界型エミッタより放射された収束電子
ビームで行う微細パターンの形成方法において、上記熱
電界型エミッタは、ジルコニアコートタングステンから
なり、かつエミッタ先端径が0.4μm乃至0.6μmの範囲
内にあることを特徴としている。
<Means for Solving the Problems> In order to achieve the above object, a method for forming a fine pattern according to the present invention comprises depositing a low-sensitivity first resist on a semiconductor, and forming a sensitivity on the first resist. After depositing a second resist having a high sensitivity, and further depositing a third resist having a medium sensitivity on the second resist, a pattern to be formed is exposed to a focused electron beam emitted from a thermal electric field type emitter. Wherein the thermal field emitter is made of zirconia-coated tungsten, and the tip diameter of the emitter is in the range of 0.4 μm to 0.6 μm.

また、この発明の半導体装置の製造方法は、上記微細
パターンの形成方法を含むことを特徴としている。
Further, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes the method of forming a fine pattern.

また、この発明の半導体装置の製造方法は、上記微細
パターンの形成方法によって微細パターンを形成した
後、上記第1のレジストをマスクとして上記半導体をエ
ッチングすることを特徴としている。
Further, a method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention is characterized in that after forming a fine pattern by the method for forming a fine pattern, the semiconductor is etched using the first resist as a mask.

<作用> 電子銃のエミッタ径を小さくすると、電子ビームの輝
点(電子銃近傍に生じるクロスオーバ)が小さくなり、
遠視野像が広がってビームの収束性が失われる一方、大
きくすると、収束性が高まるが輝点が大きくなって電流
密度が低下する。そのため、エミッタ径を、形成すべき
開口部のいずれかの幅と同程度にして電子を放出する場
合、輝点の大きさが適正化される。そして、従来の場合
に比して、電子光学系の縮小比(輝点の大きさ/照射ス
ポットの大きさ)を抑えて1桁程度にすることによっ
て、電子ビームの収差が低減されると共に、照射方向に
対するビームの開口角が小さくなる。
<Operation> When the emitter diameter of the electron gun is reduced, the bright spot of the electron beam (crossover occurring near the electron gun) decreases,
On the other hand, when the far-field pattern is widened and the beam convergence is lost, the convergence is increased, but the bright spot becomes large and the current density is reduced. Therefore, when electrons are emitted with the emitter diameter approximately equal to the width of any of the openings to be formed, the size of the bright spot is optimized. By reducing the reduction ratio of the electron optical system (the size of the bright spot / the size of the irradiation spot) to about one digit as compared with the conventional case, the aberration of the electron beam is reduced, and The aperture angle of the beam with respect to the irradiation direction becomes smaller.

本発明者の実験によれば、ジルコニアコートタングス
テンからなり、かつエミッタ先端径が0.4μm乃至0.6μ
mの範囲内にある熱電界型エミッタより放射された収束
電子ビームを用いて、積層した3層レジストに対して形
成すべきパターンの露光を行った場合、近接効果が抑制
されて、従来の場合に比して、上層および中層レジスト
の開口部の幅が小さくなり適正化され、また、下層レジ
ストの開口端面が基板表面に対して略垂直になる。すな
わち、アスペクト比が高まる。したがって、このレジス
トの上から、金属を蒸着してT字状ゲートを形成する場
合、両翼の広がりが抑えられると共に、基板表面からの
距離が遠くなって寄生容量が小さくなる。さらに、下層
レジストの開口端部の厚みが増し、機械的強度が増すの
で、ゲート長Lgのバラツキが抑えられ、さらに、リセス
ゲート構造が採用可能となる。
According to the experiment of the present inventor, it is made of zirconia-coated tungsten and has an emitter tip diameter of 0.4 μm to 0.6 μm.
When a pattern to be formed is exposed on a laminated three-layer resist using a focused electron beam emitted from a thermal electric field type emitter within a range of m, the proximity effect is suppressed, and the conventional case is used. The widths of the openings of the upper and middle resists are smaller and optimized than those of the first embodiment, and the opening end faces of the lower resists are substantially perpendicular to the substrate surface. That is, the aspect ratio increases. Therefore, when forming a T-shaped gate by depositing a metal from above the resist, the spread of the two wings is suppressed, and the distance from the substrate surface is increased, so that the parasitic capacitance is reduced. Further, the thickness of the opening end of the lower resist is increased and the mechanical strength is increased, so that the variation of the gate length Lg is suppressed, and the recess gate structure can be adopted.

また、この発明の半導体装置の製造方法によれば、微
細パターンをもつ半導体装置が再現性良く製造される。
Further, according to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, a semiconductor device having a fine pattern is manufactured with good reproducibility.

<実施例> 以下、この発明の微細パターンの形成方法を実施例に
より詳細に説明する。
<Examples> Hereinafter, the method for forming a fine pattern according to the present invention will be described in detail with reference to examples.

第1図(a)乃至(e)は上記微細パターン形成方法
の第1の実施例を示している。
FIGS. 1A to 1E show a first embodiment of the above-mentioned fine pattern forming method.

GaAs基板100上に、それぞれメタクリル酸/メタクリ
ル酸フェニル共重合体からなる低感度の下層レジスト10
1,高感度の中層レジスト102,中感度の上層レジスト103
を次のようにして積層する(第1図(a))。なお、上
記基板100と下層レジスト101との間にSiO2,SiNXなどの
無機絶縁膜もしくはポリイミド,ホトレジストなどの有
機絶縁膜を挿入しても良い。
On a GaAs substrate 100, a low-sensitivity lower resist 10 made of methacrylic acid / phenyl methacrylate copolymer is used.
1, High-sensitivity middle-layer resist 102, Medium-sensitivity upper-layer resist 103
Are laminated as follows (FIG. 1 (a)). It is also possible to insert inorganic insulating film or a polyimide, such as SiO 2, SiN X, an organic insulating film such as photoresist between the substrate 100 and the lower layer resist 101.

まず、低感度の下層レジスト101として、メタクリル
酸成分25.4モル%溶液(5重量%メチルセルソルブアセ
テート溶液)を上記GaAs基板100上に、回転速度2000r.
p.m.にてスピンコートし塗布した後、230℃,30分間のベ
ークを施す。ベーク後の下層レジスト101の膜厚は0.15
μmであった。次に、高感度の中層レジスト102とし
て、メタクリル酸成分5.7モル%溶液(8重量%イソア
ミルケトン溶液)を回転速度2000r.p.m.にてスピンコー
トして、230℃,30分間のベークを施す。ベーク後の中層
レジスト102の膜厚は0.45μmであった。次に、上層レ
ジスト103として、メタクリル酸成分20.0モル%溶液
(5重量%エチルセロソルブ溶液)を回転速度5000r.p.
m.にてスピンコートして、230℃,30分間のベークを施
す。ベーク後の上層レジスト103の膜厚は0.1μmであっ
た。上記三層レジスト全体の膜厚は0.7μmとなり、各
層間の界面においてレジストのミキシングは全く観察さ
れなかった。
First, a 25.4 mol% solution of a methacrylic acid component (5% by weight methylcellosolve acetate solution) was applied as a low-sensitivity lower resist 101 on the GaAs substrate 100 at a rotation speed of 2000 r.
After spin coating at pm and applying, baking is performed at 230 ° C. for 30 minutes. The thickness of the lower resist 101 after baking is 0.15
μm. Next, a 5.7 mol% solution of a methacrylic acid component (8 wt% isoamyl ketone solution) is spin-coated at a rotation speed of 2000 rpm as a high-sensitivity middle layer resist 102, and baked at 230 ° C. for 30 minutes. The thickness of the middle layer resist 102 after baking was 0.45 μm. Next, a 20.0 mol% methacrylic acid component solution (5% by weight ethyl cellosolve solution) was used as the upper resist 103 at a rotation speed of 5000 rpm.
Spin coat at m. and bake at 230 ° C for 30 minutes. The thickness of the upper layer resist 103 after baking was 0.1 μm. The thickness of the entire three-layer resist was 0.7 μm, and no mixing of the resist was observed at the interface between the respective layers.

次に、第1図(b)に示すように、所定の電子ビーム
描画装置を使用して、この試料200に電子ビームを照射
する。
Next, as shown in FIG. 1 (b), the sample 200 is irradiated with an electron beam using a predetermined electron beam drawing apparatus.

上記電子ビーム描画装置は、第3図に示すように、熱
電界放射型エミッタ201と、アノード202と、非点収差補
正用レンズ203と、第2,第3,第4の静電レンズ204,205,2
06と、この第3と第4の静電レンズの間にビームブラン
カ208および可動絞り209と、試料200を搭載する移動ス
テージ207を備えている。上記エミッタ201は、ジルコニ
アコートタングステンからなる熱電界放射型エミッタで
あって、発明者による様々な描画テストの結果から、エ
ミッタ径を最適の0.4〜0.6μmにしている。なお、エミ
ッタの温度を、1800Kとし、アノード202の電圧を4〜6K
Vとしたとき、経時変化の少ないビーム電流が得られ
た。また、上記各レンズからなる電子光学系の縮小比を
1とし、試料200の表面に対するビームの入射角度を0.8
mrad.としている。そして、加速電圧25KV,ビーム量1nA,
ビーム径300Å,線照射量2.0nC/cmの描画条件にて、線
パターンを描画する。
As shown in FIG. 3, the electron beam writing apparatus includes a thermal field emission type emitter 201, an anode 202, an astigmatism correction lens 203, and second, third, and fourth electrostatic lenses 204, 205, Two
06, a beam blanker 208, a movable stop 209, and a moving stage 207 on which the sample 200 is mounted, between the third and fourth electrostatic lenses. The emitter 201 is a thermal field emission type emitter made of zirconia-coated tungsten, and has an optimum emitter diameter of 0.4 to 0.6 μm based on the results of various drawing tests performed by the inventors. The temperature of the emitter is 1800K, and the voltage of the anode 202 is 4-6K.
When V was set, a beam current with little change over time was obtained. Further, the reduction ratio of the electron optical system composed of each lens is set to 1, and the incident angle of the beam with respect to the surface of the sample 200 is set to 0.8.
mrad. Then, acceleration voltage 25KV, beam amount 1nA,
A line pattern is drawn under a drawing condition of a beam diameter of 300 mm and a line irradiation amount of 2.0 nC / cm.

このように、試料200の各層レジストに形成すべき開
口部106の幅(この場合0.1〜0.6μm)と同程度の大き
さの径のエミッタから電子ビームを放出する場合、輝点
210の大きさが小さくなり適正化される。そして、電子
光学系の縮小比を抑えて1としているので、電子ビーム
の収差を低減することができ、また、照射方向に対する
ビームの開口角を小さくすることができる。このため、
上記3層のレジスト101,102,103に照射したとき、近接
効果を抑制してアスペクト比を高めることができる。
As described above, when an electron beam is emitted from an emitter having a diameter approximately equal to the width of the opening 106 to be formed in each layer resist of the sample 200 (in this case, 0.1 to 0.6 μm), a bright spot
The size of 210 is reduced and optimized. Since the reduction ratio of the electron optical system is suppressed to 1, the aberration of the electron beam can be reduced, and the aperture angle of the beam with respect to the irradiation direction can be reduced. For this reason,
When irradiating the three layers of resists 101, 102, and 103, the proximity effect can be suppressed and the aspect ratio can be increased.

次に、ジメチルアセトアミド20%とブチルセロソルブ
80%の混合溶液を用いて23℃,180秒間の第1現像処理を
行い、その後、メチルイソブチルケトン80%とエチルシ
クロヘキサン20%の混合溶液を用いて23℃,120秒間の第
2現像処理を行い、さらに、エチルシクロヘキサンを用
いて23℃,30秒間のリンス処理を行って、第1図(c)
に示すように、上記3層のレジスト101,102,103を貫通
する開口部106を形成する。
Next, dimethylacetamide 20% and butyl cellosolve
A first development process is performed at 23 ° C. for 180 seconds using a mixed solution of 80%, and then a second development process is performed at 23 ° C. for 120 seconds using a mixed solution of 80% methyl isobutyl ketone and 20% ethylcyclohexane. Then, a rinsing process was performed at 23 ° C. for 30 seconds using ethylcyclohexane, and FIG.
As shown in FIG. 5, an opening 106 penetrating the above three layers of resists 101, 102, 103 is formed.

上記において、エミッタ径を適正に調整した電子ビ
ーム描画装置を使用した結果、従来の場合に比して、上
層および中層レジスト103,102の各開口部106u,106mの幅
がそれぞれ0.2〜0.4μm,0.4〜0.6μmと小さくなり、適
正化することができた。また、下層レジスト101の開口
部106lの幅を0.1μ程度にすると共に、端面101a,101aを
基板表面100aに対して略垂直にすることができた。
In the above, as a result of using an electron beam lithography apparatus in which the emitter diameter was appropriately adjusted, the width of each opening 106u, 106m of the upper layer and the middle layer resists 103, 102 was 0.2 to 0.4 μm, 0.4 to 0.4, It was as small as 0.6 μm, and could be optimized. Further, the width of the opening 106l of the lower resist 101 was set to about 0.1 μm, and the end faces 101a, 101a could be made substantially perpendicular to the substrate surface 100a.

続いて、第1図(d)に示すように、この試料200
に、電子ビーム蒸着機を用いて厚さ0.6μmのAl104を蒸
着する。上記開口部106中に蒸着されたAl104aは、基板
表面100aに接触すると共に、両翼104b,104bが中層レジ
スト102の開口部106m内に広がった形状になる。上層お
よび下層レジスト103,102の各開口部106m,106uの幅が、
従来の場合に比して小さくなっているので、上記両翼10
4b,104bの広がりは抑えられて、ともに幅0.2μm程度に
なる。また、下層レジスト101の開口端部の膜厚が本来
の膜厚並みになっているので、上記両翼104b,104bと基
板表面との距離を設計通り0.15μm程度にすると共に、
ゲート長Lgのバラツキを抑えることができる。また、上
記3層レジスト101,102,103はメタクリル酸/メタクリ
ル酸フェニル共重合体を材料としたので、従来のPMMAか
らなるレジストに比して、機械的強度が増して、さらに
ゲート長のバラツキを抑えることができる。
Subsequently, as shown in FIG.
Then, Al104 having a thickness of 0.6 μm is deposited using an electron beam vapor deposition machine. The Al 104a deposited in the opening 106 comes into contact with the substrate surface 100a, and the two wings 104b, 104b have a shape spread in the opening 106m of the middle layer resist 102. The width of each opening 106m, 106u of the upper and lower resists 103, 102 is,
Since it is smaller than the conventional case,
The spread of 4b and 104b is suppressed, and both become about 0.2 μm in width. Further, since the film thickness of the opening end of the lower resist 101 is substantially the same as the original film thickness, the distance between the two wings 104b, 104b and the substrate surface is set to about 0.15 μm as designed,
Variations in the gate length Lg can be suppressed. Further, since the three-layer resists 101, 102, and 103 are made of methacrylic acid / phenyl methacrylate copolymer, the mechanical strength is increased as compared with a conventional resist made of PMMA, and the variation in gate length can be suppressed. it can.

そして、第5図(e)に示すように、アセトン溶液中
で上記3層のレジスト101,102,103を溶解して、上記Al1
04をリフトオフして、T字状ゲート105を形成する。こ
のようにして、基板表面100aゲート長Lg≒0.1μm,翼の
長さL≒0.2μm,高さ0.6μmの良好な形状のT字状ゲー
トを形成することができる。
Then, as shown in FIG. 5 (e), the three layers of resists 101, 102 and 103 are dissolved in an acetone solution, and
04 is lifted off to form a T-shaped gate 105. In this way, it is possible to form a T-shaped gate having a good shape with the gate length Lg ≒ 0.1 μm, the blade length L ≒ 0.2 μm, and the height 0.6 μm on the substrate surface 100a.

第2図(a)(b)は、この発明の微細パターンの形
成方法をHEMTの作製に適用した第2の実施例を示してい
る。
FIGS. 2 (a) and 2 (b) show a second embodiment in which the method for forming a fine pattern according to the present invention is applied to manufacture of an HEMT.

まず、第2図(a)に示すように、(100)を主表面
とする半絶縁性GaAs基板111上に、厚さ0.2μmのノンド
ープGaAs/AlGaAs超格子バッファ層112と、厚さ0.025μ
mのGaAsチャネル層120と、厚さ0.002μmのアンドープ
AlGaAs層121と、厚さ0.05μm,キャリア濃度2×1018cm
-3のn型AlGaAs層113と、厚さ0.1μmのn型GaAs層114
とを、分子線エピタキシ法(MBE)によって温度580℃に
て、順次成長させて積層する。
First, as shown in FIG. 2A, a non-doped GaAs / AlGaAs superlattice buffer layer 112 having a thickness of 0.2 μm and a thickness of 0.025 μm are formed on a semi-insulating GaAs substrate 111 having (100) as a main surface.
m GaAs channel layer 120 and 0.002 μm thick undoped
AlGaAs layer 121, thickness 0.05μm, carrier concentration 2 × 10 18 cm
-3 n-type AlGaAs layer 113 and 0.1 μm thick n-type GaAs layer 114
Are sequentially grown and stacked at a temperature of 580 ° C. by a molecular beam epitaxy method (MBE).

次に、上記n型GaAs層114上に、第1の実施例乃至
と同様に、膜厚0.1μmの下層レジスト133,膜厚0.45
μmの中層レジスト132,膜厚0.15μmの上層レジスト13
1を積層して、電子線描画し、第1現像処理,第2現像
処理,リンス処理を行なって、上記3層のレジストを貫
通する開口部122を形成する。
Next, a lower resist 133 having a thickness of 0.1 μm and a thickness of 0.45 μm were formed on the n-type GaAs layer 114 as in the first and second embodiments.
μm middle resist 132, 0.15μm thick upper resist 13
1 are laminated, electron beam lithography is performed, and a first developing process, a second developing process, and a rinsing process are performed to form an opening 122 penetrating the above three layers of resist.

続いて、上記下層レジスト133をマスクとし、リン酸
および過酸化水素水溶液を用いて、上記n型GaAs層114
およびn型AlGaAs層113の上部をエッチングして、深さ
0.11μmのリセス溝119を形成する。このとき、従来の
場合と異なり、下層レジスト133の開口端部133aの厚さ
が薄くなっていないので、設計通りに良好なリセス溝11
9を形成することができる。
Subsequently, using the lower resist 133 as a mask, the n-type GaAs layer 114 is formed using phosphoric acid and an aqueous solution of hydrogen peroxide.
And etch the top of n-type AlGaAs layer 113 to a depth of
A recess groove 119 of 0.11 μm is formed. At this time, unlike the conventional case, since the thickness of the opening end portion 133a of the lower resist 133 is not thin, a good recess groove 11 is designed as designed.
9 can be formed.

次に、第3図(b)に示すように、第1の実施例乃
至と同様に、厚さ0.6μmのAlを蒸着して、リフトオ
フを行って、上記リセス溝119内のn型AlGaAs層113のエ
ッチング面113a上に、ゲート長0.1μm,翼の長さ0.15μ
m,足の高さ0.3μmのT字状ゲート115を形成する。
Next, as shown in FIG. 3 (b), in the same manner as in the first to third embodiments, Al having a thickness of 0.6 μm is deposited and lift-off is performed to remove the n-type AlGaAs layer in the recess groove 119. On the etched surface 113a of 113, the gate length is 0.1 μm and the wing length is 0.15 μ
A T-shaped gate 115 having a height of 0.3 m and a height of 0.3 m is formed.

上記T字状ゲート115の両側のn型GaAs層11A上に、膜
厚0.1μmのAu−Geの膜厚0.05μmのNi,膜厚0.1μmのA
uをそれぞれ蒸着して、水素気流中において温度400℃,1
分間の熱処理を施してソース116およびドレイン117を形
成する。さらに、それぞれ膜厚0.1μm,1.0μmのTi/Au
の2層構造からなる配線兼用パッド118,118を形成す
る。
On the n-type GaAs layer 11A on both sides of the T-shaped gate 115, a 0.1 μm thick Au—Ge Ni 0.05 μm thick and a 0.1 μm thick A
u, respectively, and in a hydrogen stream at a temperature of 400 ° C, 1
The source 116 and the drain 117 are formed by performing heat treatment for minutes. Furthermore, Ti / Au with a film thickness of 0.1 μm and 1.0 μm respectively
The wiring / pads 118 having the two-layer structure are formed.

このようにして作製したHEMTは、遮断周波数fT=60GH
z,相互コンダクタンスgm=60mS,入力容量Cgs=150fF,ソ
ース抵抗Rs=1Ω,ゲート抵抗2Ω,最大相互コンダク
タンス500mS/mmと極めて良好な性能を示すことができ
た。
The HEMT manufactured in this manner has a cutoff frequency fT = 60GH.
z, the transconductance gm = 60 mS, the input capacitance Cgs = 150 fF, the source resistance Rs = 1 Ω, the gate resistance 2 Ω, and the maximum transconductance 500 mS / mm, exhibiting extremely good performance.

<発明の効果> 以上より明らかなように、この発明の微細パターンの
形成方法によれば、積層した3層レジスト中で近接効果
を抑制してアスペクト比を高めることができ、上層およ
び中層レジストの開口の幅を適正化すると共に下層レジ
ストの開口端面を基板表面に対して略垂直にして機械的
強度を高めることができる。したがって、両翼の小さい
T字状ゲートを精度良く形成することができ、また、リ
セスゲート構造を採用することができ、したがって高性
能FETを作製することができる。
<Effects of the Invention> As is clear from the above, according to the method for forming a fine pattern of the present invention, the proximity effect can be suppressed in the laminated three-layer resist, the aspect ratio can be increased, and the upper and middle resists can be formed. By optimizing the width of the opening and making the opening end face of the lower resist substantially perpendicular to the substrate surface, the mechanical strength can be increased. Therefore, a small T-shaped gate having both wings can be formed with high accuracy, and a recess gate structure can be employed, and thus a high-performance FET can be manufactured.

また、この発明の半導体装置の製造方法によれば、微
細パターンをもつ半導体装置を再現性良く製造できる。
Further, according to the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention, a semiconductor device having a fine pattern can be manufactured with good reproducibility.

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

第1図(a)乃至(e)はこの発明の微細パターンの形
成方法の第1の実施例の工程を示す図、第2図(a),
(b)は上記微細パターンの形成方法をHEMTの作製に適
用した第2の実施例の工程を示す図、第3図は上記微細
パターンの形成方法に使用する電子ビーム描画装置の構
成を示す図、第4図は従来のT字状ゲートの形成方法の
工程を示す図、第5図は従来のゲートの構造を示す断面
図である。 100……半導体基板、101,133……下層レジスト、 102,132……中層レジスト、103,131……上層レジスト、 104……Al、105,115……T字状ゲート、106,122……開
口部、 111……半絶縁性GaAs基板、 112……GaAs/AlGaAs超格子バッファ層、 120……GaAsチャネル層、121……アンドープAlGaAs層、 113……n型AlGaAs層、114n型GaAs層、 116……ソース、117……ドレイン、 118……パッド、119……リセス溝、 200……試料、201……エミッタ、 207……移動ステージ、210……輝点。
FIGS. 1A to 1E show the steps of a first embodiment of the method for forming a fine pattern according to the present invention. FIGS.
(B) is a diagram showing a process of a second embodiment in which the above-described method for forming a fine pattern is applied to manufacture of an HEMT, and FIG. 3 is a diagram showing a configuration of an electron beam drawing apparatus used for the method for forming a fine pattern. FIG. 4 is a view showing the steps of a conventional method for forming a T-shaped gate, and FIG. 5 is a sectional view showing the structure of the conventional gate. 100 semiconductor substrate, 101,133 lower resist, 102,132 middle resist, 103,131 upper resist, 104 Al, 105,115 T-shaped gate, 106,122 opening, 111 semi-insulating GaAs Substrate, 112: GaAs / AlGaAs super lattice buffer layer, 120: GaAs channel layer, 121: undoped AlGaAs layer, 113: n-type AlGaAs layer, 114n-type GaAs layer, 116: source, 117: drain, 118: pad, 119: recess groove, 200: sample, 201: emitter, 207: moving stage, 210: bright spot.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−77370(JP,A) 特開 昭55−105326(JP,A) 特開 昭56−406536(JP,A) 特開 昭54−161263(JP,A) 特開 昭60−79636(JP,A) 特開 昭64−12450(JP,A) 特開 平1−112730(JP,A) 特開 昭56−69625(JP,A) 実開 昭56−61960(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/027 G03F 7/26 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-61-77370 (JP, A) JP-A-55-105326 (JP, A) JP-A-56-406536 (JP, A) JP-A 54-105 161263 (JP, A) JP-A-60-79636 (JP, A) JP-A-64-12450 (JP, A) JP-A-1-112730 (JP, A) JP-A-56-69625 (JP, A) 56-61960 (JP, U) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 21/027 G03F 7/26

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】半導体上に、感度が低い第1のレジストを
堆積し、この第1のレジスト上に感度が高い第2のレジ
ストを堆積し、さらにこの第2のレジスト上に感度が中
程度の第3のレジストを堆積した後、形成すべきパター
ンの露光を熱電界型エミッタより放射された収束電子ビ
ームで行う微細パターンの形成方法において、 上記熱電界型エミッタは、ジルコニアコートタングステ
ンからなり、かつエミッタ先端径が0.4μm乃至0.6μm
の範囲内にあることを特徴とする微細パターンの形成方
法。
1. A low-sensitivity first resist is deposited on a semiconductor, a high-sensitivity second resist is deposited on the first resist, and a medium-sensitivity is deposited on the second resist. After depositing the third resist, a method for forming a fine pattern in which a pattern to be formed is exposed by a focused electron beam emitted from a thermal field emitter, wherein the thermal field emitter is made of zirconia coated tungsten; And emitter tip diameter is 0.4μm to 0.6μm
A method for forming a fine pattern, wherein
【請求項2】請求項1に記載の微細パターンの形成方法
を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising the method for forming a fine pattern according to claim 1.
【請求項3】請求項1に記載の微細パターンの形成方法
によって微細パターンを形成した後、上記第1のレジス
トをマスクとして上記半導体をエッチングすることを特
徴とする半導体装置の製造方法。
3. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: forming a fine pattern by the method for forming a fine pattern according to claim 1; and etching the semiconductor using the first resist as a mask.
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