JP2003218011A - 露光転写方法及び半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 レジストから発生するアウトガスを抑制する
ことにより、露光転写装置のスループットを向上させる
露光転写方法を提供する。 【解決手段】 ウエハ上に所望のレジスト膜を形成した
後、前記レジスト膜の上面に、溶媒に高分子を分散させ
たコート剤であって、前記レジストから発生するアウト
ガスの分圧を１／10以下とするようなコート剤を成膜
し、必要に応じベーク処理等を行った基板上に、露光転
写を行う。これにより、レジストからのアウトガスの発
生が抑制され、光学系を汚すことが少なくなるので、露
光転写装置を、その結像性能を維持しつつ長時間稼働さ
せることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子線縮小投影露
光装置等の荷電粒子線露光装置、Ｘ線露光装置、ＥＵＶ
露光装置等を使用して露光転写を行い、ウエハ上に微細
パターン形成する際に、ウエハから発生するアウトガス
を少なくし、長期安定した結像性能を得られる露光転写
方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＩＣやＬＳＩ等の半導体素子製造工程の
一つに、半導体基板（ウエハ）上に微細な回路パターン
を形成する、リソグラフィー工程がある。半導体素子の
性能はその素子の中にどれだけ多くの回路を設けたかで
ほぼ決まり、それは基板上に形成する回路のパターンサ
イズに大きく左右される。近年の半導体集積回路製造技
術の発展には目覚ましいものがあり、半導体素子の微細
化、高集積化の傾向も著しい。半導体基板上に集積回路
パターンを形成する方法としては、これまで紫外光を用
いたフォトリソグラフィー法が一般的であった。

【０００３】しかし、回路パターンのより一層の微細化
が進むにつれて光を使用した場合、その解像限界に起因
するパターンの微細化の限界が問題となり、ＥＵＶやＸ
線、さらには電子線やイオンビームなどの荷電ビームを
用いたより高解像なリソグラフィー技術が検討されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、荷電粒子線や
Ｘ線、ＥＵＶ光を用いた露光転写装置は、ほとんどが真
空中で使われる。ＤＵＶ光を用いた露光転写装置は真空
中で使われない可能性もあるが、いずれにしてもこれら
の装置においては、その光学系周辺での微量なガス成分
（特に炭素を含有するガス成分）によって、光学系表面
が汚れ、ついにはその光学系結像特性にまで影響を与え
てしまい兼ねないことが懸念されている。そのため、こ
れらの装置の結像性能を維持しつつ連続して使用できる
時間には限界があり、定期的に光学系の表面をクリーニ
ングしたり、光学系を構成する部品を交換したりする必
要があって、装置全体のスループットを低下させるとい
う問題があった。

【０００５】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、レジストから発生するアウトガスを抑制するこ
とにより、露光転写装置のスループットを向上させる露
光転写方法、及びそれを用いた半導体デバイスの製造方
法を提供することを課題とする。

【０００６】

【発明を解決しようとする手段】発明者は、鋭意研究の
結果、ウエハプロセスを工夫することで上記のような光
学系への付着物形成を抑制できることを見出した。

【０００７】即ち、前記課題を解決する第１の手段は、
ＤＵＶ光より短波長の光、Ｘ線、又は荷電粒子線を用い
て、レチクル又はマスクに形成されたパターンをウエハ
上に露光転写する方法であって、ウエハ上に所望のレジ
スト膜を形成した後、前記レジスト膜の上面に、溶媒に
高分子を分散させたコート剤であって、前記レジストか
ら発生するアウトガスの分圧を１／10以下とするような
コート剤を成膜し、必要に応じベーク処理等を行った基
板上に、露光転写を行うことを特徴とする露光転写方法
（請求項１）である。

【０００８】前述のような露光転写装置において、光学
系に付着して問題となるのは、主としてレジストが露光
により変化する場合に発生するアウトガスである。本手
段においては、溶媒に高分子を分散させたコート剤であ
って、レジストから発生するアウトガスの分圧を１／10
以下とするようなコート剤を、レジストの上に成膜して
から露光転写を行っている。発明者の発見した知見によ
れば、レジストから発生するアウトガスをこの程度にす
れば、アウトガスに起因するコンタミネーション膜（光
学系各部に付着する汚れ）の形成速度が遅くなり、長時
間の露光を行うことができる。

【０００９】本手段において、コート剤を、溶媒に高分
子を分散させたものに限定しているのは、このようなも
のであれば、レジスト上に塗布しやすく、容易に成膜が
できると共に、レジストにあたる光線や荷電粒子線に与
える影響が小さいからである。また、対象とする露光転
写装置を、ＤＵＶ光より短波長の光、Ｘ線、又は荷電粒
子線を用いたものに限っているのは、これら以外のもの
では、レジストから発生するアウトガスがあまり問題と
ならないからである。

【００１０】前記課題を解決するための第２の手段は、
前記第１の手段であって、前記コート剤の溶媒が、前記
レジストを実質的に溶解しないものであることを特徴と
するもの（請求項２）である。

【００１１】レジスト上にコート剤を成膜する一手段と
して、レジストと同様にスピンコートする方法が考えら
れるが、このとき、レジスト上に成膜する際にレジスト
を溶解すると問題を生じるので、このような方法を用い
る場合には、レジストを実質的に溶解しないものである
必要がある。実質的に溶解しないとは、ウエハ上に形成
されるパターンの精度に影響を与えないような範囲であ
れば、極微量の溶解は許されることを意味する。

【００１２】前記課題を解決するための第３の手段は、
前記第１の手段又は第２の手段であって、前記コート剤
の液性がＰＨ３以上ＰＨ10以下であること特徴とするも
の（請求項３）である。

【００１３】特に、レジストとして化学増幅型レジスト
を用いる場合には、露光、ＰＥＢ（Post Exposure Bak
e）により形成されるべき酸濃度分布のプロファイルに
大きな影響を及ぼし、解像性等が劣化してしまう。即
ち、コート剤の酸性が強いと、それがレジスト中の酸と
協調して現像レートを上げてしまい、アルカリ性が強い
と、レジスト中の酸を中和して現像レートを下げてしま
う。発明者等の知見によれば、コート剤のＰＨ値を３以
上10以下とすることにより、このような影響を最小限に
抑制できることが分かった。

【００１４】前記課題を解決するための第４の手段は、
前記第１の手段から第３の手段のいずれかである露光転
写方法を使用して、ウエハの露光を行う工程を有するこ
とを特徴とする半導体デバイスの製造方法（請求項４）
である。

【００１５】本手段によれば、スループット良く半導体
デバイスを製造することが可能となる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明するが、その前
に、本発明に至る経過について説明する。発明者等は、
ＥＢ（電子線）ステッパ等の露光転写装置をデバイス量
産工場などで２４時間稼動させた場合、使用していくう
ちに解像性あるいはパターンつなぎ精度が徐々に劣化す
るという事態に直面した。その原因を究明したところ、
使用程度に応じて、コントラストアパーチャ近傍あるい
は投影レンズ下面にコンタミネーションと呼ばれる汚れ
が堆積していくためであること、このコンタミネーショ
ンは、環境下にある若干の炭化水素あるいは炭化水素を
側鎖に持つ化学物質が材料源となって光源である高加速
ＥＢあるいはその反射電子に励起されて成膜される、一
種の化学気相的成長（ＣＶＤ：Chemical Vapered Depos
ition）によって形成されたものであることが判明し
た。これら原材料の濃度が高ければ高いほど、短期間で
上記解像劣化あるいはパターンつなぎ精度の劣化が起こ
ると考えられる。

【００１７】この転写特性劣化を抑制する為には、材
料源発生の抑制、コンタミネーションの適時除去等が
有効であると考えられる。

【００１８】しかし、露光装置内壁に付着したコンタミ
ネーションを除去する為には、少なくともその時間だけ
は露光動作を止めなければならず、様々な要因を切り詰
めて高スループット化、強いては低コスト化を余儀なく
されているデバイス量産現場にはなかなか受け入れがた
い。

【００１９】一方、材料源の発生源としては主に、レ
ジストからのアウトガス、排気ポンプからのオイル、
装置部品からのアウトガス等が考えられる。特に量的
に多いのがレジストからのアウトガスである。レジスト
から発生するアウトガスは、化学増幅型レジストの場
合、酸発生に伴って遊離される低級アルコール類、ある
いは脱保護反応に伴う保護基の遊離あるいはレジスト中
の分散媒である有機溶媒の遊離などが考えられる。

【００２０】これらレジストから遊離する成分のほとん
どが炭素を主骨格とする炭化水素化合物からなり、これ
らの物質はコンタミネーションを非常に形成しやすいこ
とが知られている。故に、レジストを使えば使うほどコ
ンタミネーションも積層されることとなり、上記転写特
性の劣化の頻度がそれだけ早まることとなってしまう。
つまり、スループットを向上させたり、短時間当たりの
処理ウエハ枚数を増やしたりするほど本問題が早期に顕
著になると考えられる。

【００２１】レジストからのアウトガス発生量を抑制す
るには、アウトガス発生を抑制できるレジスト組成の
開発、アウトガス発生を抑制できる構造及びアウト
ガスをトラップできる構造等の対処方法が考えられる。
ただ、ＥＢステッパのウエハステージ周りは空間的立体
配置にほとんど余裕もなく、新たな構造体を入れるのは
非常に厳しい。また、レジスト自体からのアウトガス抑
制系は徐々に開発が進みつつあるとは言え、有機膜を用
いる現行のレジスト組成ではアウトガスフリーにするこ
とは原理的に困難である。そのためレジスト組成だけか
らアウトガスを効果的に抑制させるというのは十分では
ないと考えざるを得ない。

【００２２】そこで発明者はアウトガス発生を抑制する
処方について鋭意研究を重ね、ついにアウトガス抑制に
効果的な処方として、請求項１〜請求項３に記載する発
明を行った。即ち、図１に示すように、ウエハ基板の上
に塗布されたレジスト膜の上に、新たな有機膜を積層さ
せることで、アウトガス発生を有効に抑制できることを
見出した。その構造は単純だが、非常に有効であった。

【００２３】ただ、この有機膜にはいくつかの条件を満
たしたものでなければ使用できない。まず、有機膜であ
る以上、何らかの溶媒に分散させて、レジストと同様に
スピンコートするか、ＣＶＤ成膜装置のような方法等を
用いてドライ成膜することとなる。後者の場合は特に大
きな問題はないが、前者の場合、樹脂（高分子）を分散
させる分散媒が下層のレジスト膜を溶解させないもので
なければならない。また、液性的にも下層のレジストの
解像特性を実質的に劣化させるものであってはならな
い。実質的に劣化させるとは、パターンの形成精度に影
響を及ぼすほど劣化させるという意味である。

【００２４】また、化学増幅型レジストの場合、その解
像メカニズムから酸やアルカリ成分は極端に嫌う為、液
性が適応可能なものが望ましい。特にＰＨ値で見た場
合、３＜ＰＨ＜1０の範囲に入るものが望ましい。

【００２５】さらに、この有機膜はそれほど厚いものは
望ましくなく、できれば0.5μm厚以下が特に望ましい。
これはもし、この有機膜の膜厚が厚すぎる場合、露光時
の入射電子の前方散乱半径が大きくなってしまい、露光
解像性が劣化してしまうことが懸念されるからである。
また、半導体デバイスの製造に用いる場合には、この有
機膜内に金属元素を含有したものは避けることが好まし
い。これは半導体デバイスを作製するときの常識でもあ
るが、リソグラフィー工程で極微量の金属原子がデバイ
ス構造内に残留した場合、その部分でのデバイスの動作
は設計値とは大きく異なってしまい、極端な場合、デバ
イスが全く動作しなかったり、動作が非常に不安定にな
ったりしてしまうことがあるためである。

【００２６】そのようなことを防ぐ為、レジスト液は、
その製造の最終工程で脱金属して出荷される。本発明に
おける有機膜も、半導体の製造に使用する場合には、同
様の仕様を満たすことが好ましい。

【００２７】さらに、露光後該有機膜の剥離も考慮しな
ければならない。下層のレジストが現像される為には、
現像工程前に有機膜は剥離されていなければならない。
そのため、その有機膜は下層のレジストの現像工程に影
響を与えない物質を用いて剥離されるものであることが
好ましい。具体的には純水を用いて剥離できるものであ
れば特に好ましい。

【００２８】このような有機膜の特性を満たすものとし
て、数社で製品化されている導電性コート剤が有望であ
る。これらの膜は水に分散可能であり、また水で容易に
剥離もできる。三菱レイヨン株式会社から“aqua SAVE
シリーズ”（登録商標）として、昭和電工株式会社から
は“エスペイサー”シリーズ（登録商標）として各々商
品化されている。

【００２９】＜実施例＞本発明の有効性を実証するた
め、以下の実験を行った。まず、６インチシリコン基板
（Ｐ型）に、レジスト膜の密着性を確保する為にＨＭＤ
Ｓ処理を施した。ウエハをコーターに搬送し、ＨＭＤＳ
をスピン塗布した後、ベーク炉で100℃×90秒間ベーク
した。この基板を冷却プレート上に搬送し、ウエハを十
分に冷やした後、再度スピナー部に搬送し、レジストを
塗布した。

【００３０】アウトガスの発生抑制効果を検証するため
の実験であるので、レジストとして、アウトガス発生量
が多い系であるポジ型のアセタールタイプのサンプルを
特別に用意した。アセタールタイプは非常に脱保護し易
く、ＥＢ照射後の酸発生と同時にある程度の脱保護反応
が起こるため、多くの保護基遊離が起こってしまいアウ
トガス発生量が多い。

【００３１】レジストをスピン塗布した後、所定のプリ
ベーク処理（100℃×90秒）を施し、再度スピナーに搬
送した。そのレジスト上に導電コート剤である三菱レイ
ヨン製“aqua SAVE-N300”（登録商標）を塗布した。塗
布は1500rpmと比較的低速で行い、その後分散媒である
水を揮発させる為、100℃で90秒間のベーク処理を施し
た。

【００３２】この処理済みウエハをＥＰＬ露光装置（Ｅ
Ｂステッパ）内に搬送した。アウトガス発生量比較の実
験は、このウエハ上にＥＢを一定量照射し、その前後を
四重極質量分析器（Ｑマス）でモニターすることにより
行った。ＥＢ照射時に増加した成分はアウトガスである
と考慮することで、ウエハ毎のアウトガス発生量を評価
できる。

【００３３】ウエハをＥＢステッパ内に搬送した直後か
ら、ウエハチャンバー内の原子番号ごとの分圧をＱマス
（４重極質量分析計）でモニターした。しばらくすると
そのモニター値が１×10^−１１Pa台で安定したので、こ
の時点をリファレンスにＥＢ照射時のアウトガス発生量
及び成分を評価することとした。この状態でのＱマスの
出力値を図２に示す。

【００３４】ＥＢ照射は通常の約５倍のドーズ量で電子
光学系による偏向とそれと直行した方向へのウエハステ
ージの定速移動させるという条件で行った（ドーズ量を
除いては、通常の分割露光転写方式による露光と同じ方
法である）。その結果、図３に示すようなＱマスの出力
値が得られた。図２に示すデータに比較して、マススペ
クトル番号の20〜30くらいで若干の増加が観測された程
度であった。少なくともマススペクトル番号で50以上は
ほとんど検出されなかった。

【００３５】＜比較例＞一方、比較サンプルとして、同
一レジストのみを塗布して本発明におけるアウトガス抑
制コート処理をしないサンプルを作製し、装置内に搬送
した。そして上記と同じ条件でＥＢ照射を行った。その
Ｑマスの出力値においては、図４に示すように、多くの
マススペクトル番号での出力が増加し、その総数も実施
例のものと比べて、けた違いに多かった。特にマススペ
クトル番号で50以上の分子が多く検出されていることが
注目に値する。これらはＥＢ照射に伴う酸発生によっ
て、即座に脱保護反応が起こり、その結果遊離された分
子であると考えられ、レジストからのアウトガス成分で
あることが明らかである。

【００３６】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る半導体デバイ
スの製造方法の実施の形態の例を説明する。図５は、本
発明の実施の形態である半導体デバイス製造方法の一例
を示すフローチャートである。この例の製造工程は以下
の各種工程を含む。 ウエハを製造するウエハ製造工程（又はウエハを準備
するウエハ準備工程） 露光に使用するマスクを製作するマスク製造工程（又
はマスクを準備するマスク準備工程） ウエハに必要な加工処理を行うウェハプロセッシング
工程 ウエハ上に形成されたチップを１個ずつ切り出し、動
作可能にならしめるチップ組立工程 できたチップを検査するチップ検査工程 なお、それぞれの工程はさらにいくつかのサブ工程から
なっている。

【００３７】これらの主工程の中で、半導体のデバイス
の性能に決定的な影響を及ぼす主工程がウェハプロセッ
シング工程である。この工程では、設計された回路パタ
ーンをウエハ上に順次積層し、メモリやＭＰＵとして動
作するチップを多数形成する。このウェハプロセッシン
グ工程は以下の各工程を含む。 絶縁層となる誘電体薄膜や配線部、あるいは電極部を
形成する金属薄膜等を形成する薄膜形成工程（ＣＶＤや
スパッタリング等を用いる） この薄膜層やウエハ基板を酸化する酸化工程 薄膜層やウエハ基板等を選択的に加工するためにマス
ク（レチクル）を用いてレジストのパターンを形成する
リソグラフィー工程 レジストパターンに従って薄膜層や基板を加工するエ
ッチング工程（例えばドライエッチング技術を用いる） イオン・不純物注入拡散工程 レジスト剥離工程 さらに加工されたウエハを検査する検査工程 なお、ウェハプロセッシング工程は必要な層数だけ繰り
返し行い、設計通り動作する半導体デバイスを製造す
る。

【００３８】図６は、図５のウェハプロセッシング工程
の中核をなすリソグラフィー工程を示すフローチャート
である。このリソグラフィー工程は以下の各工程を含
む。 前段の工程で回路パターンが形成されたウエハ上にレ
ジストをコートするレジスト塗布工程 レジストを露光する露光工程 露光されたレジストを現像してレジストのパターンを
得る現像工程 現像されたレジストパターンを安定化させるためのア
ニール工程 以上の半導体デバイス製造工程、ウェハプロセッシング
工程、リソグラフィー工程については、周知のものであ
り、これ以上の説明を要しないであろう。

【００３９】本実施の形態においては、のレジストを
露光する露光工程に本発明を適用しているので、スルー
プット良く半導体デバイスを製造することができる。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レジストから発生するアウトガスを抑制することによ
り、露光転写装置のスループットを向上させる露光転写
方法、及びそれを用いた半導体デバイスの製造方法を提
供することができる。

【００４１】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態により、レジスト膜上にア
ウトガス抑制効果を有する有機膜を成膜したウエハの概
要を示す図である。

【図２】本発明の実施例におけるＥＢ照射前のアウトガ
スを四重極質量分析器で定性分析した結果を示す図であ
る。

【図３】本発明の実施例におけるＥＢ照射後のアウトガ
スを四重極質量分析器で定性分析した結果を示す図であ
る。

【図４】比較例におけるＥＢ照射後のアウトガスを四重
極質量分析器で定性分析した結果を示す図である。

【図５】本発明の実施の形態である半導体デバイス製造
方法の一例を示すフローチャートである。

【図６】リソグラフィー工程を示す図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＤＵＶ光より短波長の光、Ｘ線、又は荷
   電粒子線を用いて、レチクル又はマスクに形成されたパ
   ターンをウエハ上に露光転写する方法であって、ウエハ
   上に所望のレジスト膜を形成した後、前記レジスト膜の
   上面に、溶媒に高分子を分散させたコート剤であって、
   前記レジストから発生するアウトガスの分圧を１／10以
   下とするようなコート剤を成膜し、必要に応じベーク処
   理等を行った基板上に、露光転写を行うことを特徴とす
   る露光転写方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の露光転写方法であっ
   て、前記コート剤の溶媒が、前記レジストを実質的に溶
   解しないものであることを特徴とする露光転写方法。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載の露光転写
   方法であって、前記コート剤の液性がＰＨ３以上ＰＨ10
   以下であること特徴とする露光転写方法。
4. 【請求項４】 請求項１から請求項３のうちいずれか１
   項に記載の露光転写方法を使用して、ウエハの露光を行
   う工程を有することを特徴とする半導体デバイスの製造
   方法。