JP2005059064A - 加工方法及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工膜上に保護膜を形成して光加工を行う技術において、保護膜の除去を容易にすること。
【解決手段】基板１０１上のＡｌ膜１０７上に水溶性の保護膜１０９を形成する工程と、加工光１１０を照射し、保護膜１０９及びＡｌ膜１０７の加工領域を選択除去する工程と、保護膜１０９を水により溶解除去する工程とを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光照射により加工を行う加工方法、及びこの加工方法を用いた半導体装置の製造方法に関する。

半導体素子の微細化に伴い、半導体装置製造工程の中のリソグラフィー工程では下層との合わせ（アライメント）技術の高精度化が必須となっている。

しかし、レジスト下層に形成された膜がアライメント光に対して反射や吸収が大きい場合には、アライメントマークからの位置情報を検出が困難になる。例えば、Al等の金属配線を形成するリソグラフィー工程では、Al膜の下層に形成されたアライメントマークの位置を直接検出することはできない。そのため、予めアライメントマーク自身に段差を設け、その後にAl膜を形成し、アライメントマーク上に生じるAl膜の凹凸形状を検出することでアライメントを行わなくてはならない。しかし、Al膜上の表面凹凸はスパッタ蒸着等の成膜方法の性質から、下地の凹凸に対して非対称となるため、アライメント誤差が大きくなり、歩留まりが低下する。そこで、Al膜等アライメント光に対して不透明な膜をアブレーション技術によって選択的に除去する方法が提案されている。

アブレーション技術はレーザー等の光を用いた加工技術のひとつであり、リソグラフィー技術を用いることなく微細パターンの形成が可能となることから、近年、半導体装置の加工技術として注目されてきている。アブレーションとは被加工膜に光を照射した際、照射強度がある閾値以上に達すると、被加工膜が溶融し、ガス化する反応である。この反応を用いることで、穴あけや切断などの微細加工ができる。

しかし、半導体製造工程にアブレーション技術を用いた場合、アブレーション技術を用いた場合、アブレーション時に完全にガス化しきれなかった金属膜をはじめとする被加工膜の一部は加工領域周辺に飛散し、パーティクルとして付着する。パーティクルがデバイスパターン領域に付着した状態で、次に上層に化学増幅型ポジレジスト膜を形成するとレジスト膜厚差が生じる。そのため、露光・現像後のレジストパターンは所定の寸法に形成することができない。このように作成したレジストパターンをマスクに加工して作成した半導体デバイスはそのデバイス特性に大きくばらつきが生じることが問題となる。

このようなパーティクルによる欠陥を抑制するために、被加工膜上に保護膜を形成した後に光加工を行い、加工終了後に保護膜と一緒にパーティクルを除去する技術がある（特許文献１）。

引用文献１では、保護膜としてポリイミドやポリアミドなどの耐熱性有機材料を用いている。このような耐熱性有機材料は、溶剤に溶けず、保護膜を除去することが困難である。また、本発明者が検討したところ、保護膜除去後も被加工膜上にパーティクルが残ることが分かった。また、保護膜の機械的特性によっては加工時に膜剥がれが生じ、加工不良となるといった問題があった。
特開平５−３３７６６１号公報

上述したように、被加工膜上に耐熱性有機材料を形成して光加工を行う場合、耐熱性有機材料を除去することが困難であるという問題があった。

レーザー加工時、加工領域の加工膜を選択的に加工する際に発生するパーティクルが加工領域外に付着し欠陥の原因となるという問題があった。また、加工時に膜剥がれが生じて加工不良になるという問題があった。
本発明の目的は、被加工膜上に保護膜を形成して光加工を行う技術において、保護膜の除去が容易な加工方法、及びこの加工方法を用いた半導体装置の製造方法を提供することにある。

また、本発明のさらなる目的は、欠陥の発生を抑制し得る加工方法、及びこの加工方法を用いた半導体装置の製造方法を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために以下のように構成されている。
本発明の一例に係わる加工方法は、基板上の被加工膜上に水溶性の保護膜を形成する工程と、加工光を照射し、前記保護膜及び前記被加工膜の加工領域を選択除去する工程と、前記保護膜を除去する工程とを含むことを特徴とする。

本発明の一例に係わる加工方法は、基板上の被加工膜上に保護膜を形成する工程と、加工光を照射し、前記保護膜及び前記被加工膜の加工領域を選択除去する工程と、前記保護膜を除去する工程とを含む加工方法において、前記加工光の波長λ（nm）における前記保護膜に前記保護膜の消衰係数ｋが前記被加工膜の消衰係数ｋ’よりも小さい保護膜を用いることを特徴とする。

本発明の一例に係わる加工方法は、基板上の被加工膜上に保護膜を形成する工程と、光を照射し、前記保護膜及び前記被加工膜の加工領域を選択除去する工程と、前記保護膜を水により溶解除去する工程とを含む加工方法において、前記加工の照射は、前記保護膜の比熱Ｃ_Ｆ（Ｊ／ｃｍ^３．・Ｋ），吸収係数α（１／ｎｍ），消衰係数ｋ，反射率Ｒ_F（％），前記保護膜の温度変化ΔＴ（Ｋ），前記保護膜の融点T_m（Ｋ），大気温度Ｔ₀（Ｋ），前記加工光のフルエンスＦ（Ｊ／ｃｍ²・ｐｕｌｓｅ），前記光の波長λ（ｎｍ）とした時、
Ｔ_m＞Ｔ₀＋ΔＴ，
ΔＴ＝{α（１−Ｒ_F／１００）Ｆ／Ｃ_F}，
α＝４πｋ／λ，
の関係を満たす条件で行うことを特徴とする。

本発明の一例に係わる加工方法は、前記保護膜の性質として、前記保護膜及び前記被加工膜の加工領域を選択除去後においても、加工領域周辺の前記保護膜が水溶性を維持する性質を有することを特徴とする。

本発明の一例に係わる加工方法は、基板上に溶剤を含む塗布膜形成用薬液を供給して前記基板主面に液膜を形成する工程と、液膜中に含まれる溶剤の一部を除去することにより被加工膜を形成する工程と、前記被加工膜の加工領域にエネルギー線を選択照射して、前記被加工膜を選択除去する工程と、前記エネルギー線照射後に、被加工膜中に含まれる溶剤をほぼ完全に除去する本加熱処理を行う工程とを含むことを特徴とする。

以上説明したように本発明によれば、被処理基板上に形成された被加工膜を選択的に除去し、パターンを形成する手法に関して、被加工膜上に水溶性の保護膜を形成後に保護膜と被加工膜の加工を一括で行う、もしくは被加工膜の内部応力が小さくする処理を行うことで加工領域周辺にパーティクルや残渣のない光加工を行うことができる。

本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
そこで、以下に光加工時に発生するパーティクルを加工領域周辺に付着させずに所定の加工を行うことを可能とするパターン形成方法について説明する。

図１，２は、本発明の第１の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す断面図である。
図１（ａ）に示すＡｌ配線を形成する前の段階の半導体装置を用意する。図１（ａ）に示すように、半導体基板１０１上に形成された層間絶縁膜１０２の表面層には、後に形成されるＡｌ配線と接続されるヴィアプラグ１０５、及びアライメントを行うアライメントマーク１０６が少なくとも形成されている。なお、符号１０３，１０４は、プラグ、下層配線層である。

図１（ｂ）に示すように、半導体素子の表面にＡｌ膜１０７、保護膜１０９を順次形成する。保護膜１０９は、膜厚１００ｎｍの水溶性樹脂であるポリアクリル酸樹脂（以後、保護膜と表記）を被処理基板上に回転塗布法にて塗布した後に、溶剤を揮発させて形成される。

図１（ｃ）に示すように、大気中にて、下方にアライメントマーク１０６が形成されている加工領域（縦１００μｍ×横２００μｍ）に対して加工光１１０を５回照射することで保護膜１０９、及びＡｌ膜１０７に開口を形成する。加工光照射により保護膜がガラス化しないようにする。本実施形態では、加工光２０８は、Ｑ−ｓｗｉｔｃｈ ＹＡＧレーザーの第３高調波（波長３５５ｎｍ）であり、加工光２０８のフルエンスが０．４Ｊ／ｃｍ²・ｐｕｌｓｅである。なお、符号１１１は、アブレーション時に完全にガス化しきれずに飛散した保護膜１０９及びＡｌ膜１０７のパーティクルである。

次に、光加工後に搬送ロボットにより被処理基板１００を洗浄ユニットに搬送し、図１（ｄ）に示すように、水を供給することで保護膜１０９を剥離する。保護膜１０９の剥離は、図３に示すように被処理基板の上方に配置されたノズル１２１から純水（流量：１Ｌ／ｍｉｎ）１２２を供給し、１００ｒｐｍで基板１００を回転させながら６０秒間洗浄することで行う。純水洗浄後、４０００ｒｐｍまで回転数を上げ、基板を乾燥させる。
上記の光加工後にＳＥＭ観察を行った結果、金属膜の加工領域周辺でパーティクルが残留せず、良好な加工ができたことを確認した。

このような方法でアライメントマーク上の金属膜を除去した後、図２（ｅ）に示すように、I線レジスト膜１１２を形成する。次いで、図２（ｆ）に示すように、アライメント光（参照光）１１３によりアライメントマーク１０６の位置を認識する。認識した位置に基づいてパターンを転写しレジストに潜像を形成する。潜像が形成されたレジスト膜の現像を行い、レジストパターンを形成する。レジストパターンをマスクにＡｌ膜１０７をエッチングし、図２（ｇ）に示すように、配線パターンを形成する。レジストパターンを除去する。
これをマスクとして作成したデバイスは本処理を行わずに作成した安定したデバイス特性を得ることができ、歩留まりが向上した。

本実施形態では保護膜としてポリアクリル酸を用いたが、保護膜には水溶性であり、且つ加工光の波長における透過性が被加工膜に比べ高い材料を用いることが望ましい。透過性の高い保護膜を用いることで保護膜はレーザー光をほとんど吸収せず、保護膜自身からの発熱は小さい。そのため、光照射時に分解しきれなかった保護膜は溶融することなく、固体の状態で加工領域周辺に飛散する。固体のまま加工領域の周辺に飛散した保護膜は加工後の水洗浄によって速やかに除去される。更に水溶性であるため、比較的安価に保護膜の除去処理が可能である。

一方、保護膜のレーザー光の波長に対する透過性が被加工膜に比べて大きい場合には、保護膜での光吸収が大きい為、保護膜自身が発熱・溶融する。その為、溶融した保護膜がパーティクルとして加工領域周辺の保護膜に付着すると、付着したパーティクルが有する熱によって、保護膜が変質または下層の被加工膜と溶着する。その結果、加工後の保護膜除去時においても、溶融したパーティクルが付着した領域の保護膜を除去することができず欠陥となる。

本実施形態では、保護膜にポリアクリル酸を用いたが、材料はこれに限るものではない。被加工膜と比較してレーザー光による光吸収が小さいものであれば良く、レーザー光の波長λ（nm）における保護膜の消衰係数ｋ，被加工膜の消衰係数ｋ’とした時、以下の式（１）記載の関係式を満たす保護膜を用いるような材料及び加工光を選択すれば良い。

ｋ＜ｋ’（１）
本実施形態での波長３５５ｎｍに対するポリアクリル酸及び被加工膜であるAlの消衰係数は、１．０×１０^-4，３．３６である。

更には、レーザー照射された保護膜は固体の状態を維持できていることが望ましい。従って、レーザーが１パルス照射された際に保護膜が融点（Ｔ_m）以下に維持できれば良い。保護膜選択の基準としては、保護膜の比熱Ｃ_F（Ｊ／ｃｍ³．・Ｋ），吸収係数α（１／ｎｍ），消衰係数ｋ，反射率Ｒ_F（％），保護膜の温度変化ΔＴ（Ｋ），保護膜の融点Ｔ_m（Ｋ），大気温度Ｔ₀（Ｋ），レーザーのフルエンスＦ（Ｊ／ｃｍ²・ｐｕｌｓｅ），レーザー波長λ（ｎｍ）とした時、以下の式（２）から式（４）記載の関係式を満たすような材料及び加工光を選択すると良い。

Ｔ_m＞Ｔ₀＋ΔＴ (２)
ΔＴ＝{α（１−Ｒ_F／１００）Ｆ／Ｃ_F} (３)
α＝４πｋ／λ (４)
本実施形態での波長３５５ｎｍに対するポリアクリル酸の物性値を表１に示す。

あるいは、保護膜がレーザー光に対する光吸収が大きく、光加工によって溶融した保護膜が加工領域に付着した場合でも、加工領域周辺の保護膜が光加工前と同様に水溶性を維持する保護膜であれば何を用いても構わない。例えば水酸基、カルボキシル基やアミノ基等の親水基を有する有機材料、もしくは水溶性の無機材料でも良い。このような特性を有する保護膜であれば光加工後での水洗工程において保護膜の除去が可能となる為、本実施形態の保護膜に用いることができる。

本実施形態では、光加工用の光源としてＱ−ｓｗｉｔｃｈ ＹＡＧレーザーの第３高調波を用いているが、光源はこれに限らずＱ−ｓｗｉｔｃｈ ＹＡＧレーザーの第４高調波（波長２６６ｎｍ）やＫｒＦエキシマレーザー等のパルスレーザー、及びランプ光でも良い。また、本実施形態ではレーザー加工は０．４Ｊ／ｃｍ²・ｐｕｌｓｅで５回照射することで行っているが、加工条件はこれに限らず、加工領域内に残渣が生じない、または被加工膜である金属膜に損傷を与えずに加工できるフルエンスや照射回数であれば良い。

また本実施形態では被加工膜が金属膜の場合について述べたが、適用例はこれに限らず、被加工膜は金属酸化膜、反射防止膜、金属膜、シリコン窒化膜、またはシリコン炭化膜、シリコン酸化膜、多結晶Ｓｉ等に用いても構わない。

また、本実施形態では、光加工後にはI線レジスト膜を形成し、パターニングしているが、パターニングに用いるレジスト膜はこれに限らず、KrFレジスト、ArFレジスト、EBレジスト等何を用いても構わない。

本実施形態では、保護膜を全面に形成したが、図４に示すように、所望の位置にのみ選択的に保護膜を形成してもよい。保護膜の選択的な形成方法としては、例えば特開２０００−７９３６６記載の方法を用いれば良い。ここで、選択的な保護膜の形成方法として、特開２０００−７９３６６記載の方法を例に用いたが、膜厚の制御された保護膜を基板上に選択的に形成できる方法であれば何を用いてもよい。

また、本実施形態では、光加工時には光の照射領域を加工領域と同じ大きさにして加工を行ったが、光加工時には図５（ａ），図５（ｂ）に示すように、基板上での加工光１４１の照射形状を短冊状にし、加工光１４０を基板に対して相対的に走査することで加工を行ってもよい。基板と光を相対的に走査する方法としては、光軸を固定して基板を移動させる。あるいは、形状を制御したスリット（絞り）を並進運動させる事により、光軸を移動させてもよい。なお、符号１４０は加工領域である。図５（ａ）は断面図、図５（ｂ）は加工領域の平面図である。

例えば、大気中にて所定の加工領域（縦１００μｍ×横２００μｍ）に対して、縦１００μｍ×横５μｍのスリットを設け、Ｑ−ｓｗｉｔｃｈ ＹＡＧレーザーの第３高調波（波長３５５ｎｍ）をフルエンス１．０Ｊ／ｃｍ^２・ｐｕｌｓｅ、発振周波数２５０Ｈｚ、スリットの走査速度を５００μｍ／ｓｅｃで加工領域の一端から他端へ走査させながら、レーザーを照射して保護膜とＡｌ膜を除去する。

通常、パーティクルはアブレーションによって発生したガス体が膨張する際に、ガス化しきれなかった被加工膜の一部をガス体が吹き飛ばすことで生じる。その為、加工領域の全領域を一括照射によって光加工を行った時に比べ、図５に示すスリット状に絞った照射領域を被処理基板に対して相対的に走査させ、光加工を行った時の方が１度の光照射で生じるガスの体積が小さくなり、加工領域周辺へのパーティクル数や加工領域境界での保護膜の膜剥がれをより抑制することができる。また、図６（ａ），図６（ｂ）に示すように、短冊形状の加工光１４１ａ〜１４１ｄが走査方向に等間隔に複数照射されていても良い。また、図６（ｃ），図６（ｄ）に示すように、ドット形状の加工光１４１ｃ，１４１ｄが走査方向に等間隔、及び走査方向に直交する方向に等間隔に複数照射されて居ても良い。また、図６（ｄ）に示すように、走査方向に隣接する加工光１４１ｄがオバーラップしていても良い。

なお、短冊状又はドット形状というのは、走査方向の長さが加工領域の長さより短い四角形の事である。特に短冊形状とは、走査方向に直交する方向の長さが加工領域の走査方向に直交する方向の長さと略等しい。ドット形状というのは、走査方向の長さが加工領域の長さより短い四角形の事である。特に短冊形状とは、走査方向に直交する方向の長さが加工領域の走査方向に直交する方向の長さより短い。

（第２の実施形態）
図７は、本発明の第２の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す断面図である。

先ず、図７（ａ）に示すように、熱分解剤を含有したノボラック樹脂（有機材料）を主成分とした有機膜１４９を回転塗布法にてＡｌ膜１０７に塗布する。次に、１００℃、６０秒の条件でホットプレートにて加熱処理を行い、有機膜１４９中の溶剤を揮発させることで、保護膜を形成する。ここで、熱分解剤とは、熱分解反応を誘起できる触媒としての働きを有し、マスク膜として働く有機膜を構成する樹脂を分解できるものであればよく、特に限定はしない。

次に図７（ｂ）に示すように、被処理基板を１５０℃、６０秒の条件で加熱処理を行った有機膜１５０を得る。加熱処理で、熱分解剤が有機膜を構成する樹脂の熱分解反応の触媒として働く。熱分解反応により樹脂の主鎖が切断される。樹脂の主鎖が切断されて分子量が小さくなり、有機膜１５０の内部応力が小さくなる。

そして、図７（ｃ）に示すように、大気中にてＱ−ｓｗｉｔｃｈ ＹＡＧレーザーの第３高調波（波長３５５ｎｍ）を用い、加工領域（縦１００μｍ×横２００μｍ）に対してレーザーのフルエンスが０．６Ｊ／ｃｍ²・ｐｕｌｓｅで５回照射することで樹脂膜１５０に開口を形成する。

次いで、図７（ｄ）に示すように、樹脂膜をマスクにＡｌ膜をウエットエッチングにより選択除去する。この時、膜剥がれに由来する加工不良が生じなかった。

樹脂膜を除去した後、第１の実施形態と同様に、Al膜１０７上にI線レジスト膜を形成し、アライメントマーク１０６にアライメント光（参照光）を照射してアライメントマークの位置を認識する。認識されたアライメントマーク１０６の位置に基づいて露光を行った後、現像を行い、レジストパターンパターンを形成する。レジストパターンをマスクにＡｌ膜１０７をエッチングし、配線パターンを形成する。上述した工程で作成された半導体素子は本処理を行わずに作成した安定したデバイス特性を得ることができ、歩留まりが向上した。

このように、熱分解反応によって、マスク膜として働く有機膜を構成する樹脂の主鎖を切断することで保護膜内部にかかる応力は小さくなるため、内部にかかる応力が大きい材料でも保護膜として用いることができる。

また、本実施形態での熱分解剤はマスク膜の成膜温度（本実施形態では１００℃）から２００℃の温度範囲で反応が開始する熱分解剤を含有している。熱分解剤の反応開始温度が成膜温度より低いと、成膜時の加熱処理でノボラック樹脂の分解が進行しすぎるため、加工特性が悪化する問題が生じる。また、反応開始温度が２００℃を超えるとノボラック樹脂の酸化反応により膜特性が劣化する恐れがある。従って、熱分解剤の反応開始温度は成膜温度から２００℃の範囲であることが望ましい。また、熱分解剤の添加量が少なすぎると分解反応がほとんど進行しない為、光加工特性に変化が見られず、膜剥がれを生じる。また、熱分解剤の添加量が多すぎると、分解反応が促進するため、光加工後ウェットエッチング時での薬品耐性が劣化する恐れがある。従って、ノボラック樹脂に対する熱分解剤の添加量は適切な範囲であることが望ましい。

加工すべき金属膜に対して光加工装置のフルエンスが十分得られない場合には、第１の実施形態のパターン形成方法では所望のパターンを形成することが容易ではない。しかし、本実施形態で説明したパターン形成方法によれば、Ａｌ膜の加工に加工光のフルエンスが関係ないので、所望のパターンを形成することができる。

また、本実施形態ではマスク膜の改質処理をホットプレートによる加熱によって行ったが、加熱方法はこれに限らず、被処理基板に赤外線を照射することで行ってもよく、被処理基板を加熱できるものであれば何を用いても構わない。

また、マスク膜の改質処理は加熱処理に限るものではない。この他にもマスク膜に含有させる触媒がエネルギー線を照射することで活性化し、マスク膜を分解させる働きを有する光触媒を用いても良い。また、光触媒を活性化させるエネルギー源は紫外線、遠紫外線、深紫外線、電子線等の光を照射することで触媒が活性化し、マスク膜を分解反応が生じさせることができるものであれば何を用いても良い。

本実施形態では大気中で光加工を行ったが、流水中で行っても良い。

また、本実施形態ではマスク膜の光加工後に行う金属膜のエッチング方法としては、ウェットエッチングにて行ったが、エッチング方法はこれに限らずドライエッチングや異方性エッチングでも構わず、被加工膜の特性によって適宜最適な方法を選択すれば良い。

また本実施形態では被加工膜が金属膜の場合について述べたが、適用例はこれに限らず、被加工膜は金属酸化膜、反射防止膜、金属膜、シリコン窒化膜、またはシリコン炭化膜、シリコン酸化膜、多結晶Ｓｉ等何に用いても構わない
また、本実施形態では、光加工後にはI線レジスト膜を形成し、パターニングしているが、パターニングに用いるレジスト膜はこれに限らず、KrFレジスト、ArFレジスト、EBレジスト等何を用いても構わない。

また、本実施形態では、光加工時には光の照射領域を加工領域と同じ大きさにして加工を行ったが、第１の実施形態でも述べたように光の照射形状を短冊形状又はドット形状にし、加工光を基板に対して相対的に走査することで加工を行ってもよい。

（第３の実施形態）
図８は、本発明の第３の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す断面図である。なお、図８において、アライメントマークが形成されている領域のみを示す。
図８（ａ）に示すように、半導体基板１０１を回転させつつ、ＳｉＯ₂ 膜２０３上に溶剤及び反射防止材を含む反射防止膜形成用薬液２０６をノズル２０５から供給し、液状の液膜２０４を形成する。なお、符号１０６はシリコン基板に埋め込み形成されたアライメントマーク、符号２０１はシリコン窒化膜である。

次に、図８（ｂ）に示すように、半導体基板１０１を回転させ、スピンドライ処理により、液膜２０４から溶剤の一部が除去された反射防止膜２０７を得る。スピンドライ処理以外にも、液膜が形成された基板を減圧下に載置して、液膜から一部の溶剤を除去しても良い。

次に、図８（ｃ）に示すように、大気中にて、加工領域（縦１００μｍ×横２００μｍ）に対して加工光２０８を５回照射することで反射防止膜２０７に開口を形成する。開口が形成されるのはアライメントマークの上方である。光加工後にＳＥＭ観察を行った結果、反射防止膜の加工領域周辺でパーティクルが残留しない、良好な加工ができたことを確認された。加工光２０８は、Ｑ−ｓｗｉｔｃｈ ＹＡＧレーザーの第３高調波（波長３５５ｎｍ）であり、加工光２０８のフルエンスが０．４Ｊ／ｃｍ²・ｐｕｌｓｅである。

次に、図８（ｄ）に示すように、ホットプレート２１０上に半導体基板１０１を載置し、所望の反射防止特性を得るため、３００℃、１２０秒の条件で加熱処理（本加熱処理）を行い、溶剤がほぼ完全に除去された反射防止膜２０９を得る。

上記の処理後、反射防止膜上に膜厚２００ｎｍのＡｒＦ光（波長１９３ｎｍ）用化学増幅型ポジレジスト形成した。次いで、該基板をＡｒＦエキシマレーザーが光源である露光装置に搬送し、露光用レチクルを介して、アライメント光（参照光）を照射してアライメントマーク１０６の位置を認識する。アライメントマーク１０６の位置に応じて、ゲート加工用パターンを転写する。該基板を熱処理後に現像を行い、ゲート加工用パターンを形成する。このように作成したレジストパターンをマスクに加工して作成したデバイスはレーザー加工時にパーティクルが発生せず、所定のゲート寸法に形成することができるため、その後の工程を経て作製されたデバイスの特性に影響を与えることなく半導体デバイスを製造することができた。

本実施形態では、溶剤を完全に除去するための加熱処理を行う前に光加工を行うことを特徴とする。加熱処理前に光加工を行うことで反射防止膜は速やかに気化し、パーティクルのない加工を行うことができる。一方、従来方法、即ち３００℃の高温で加熱処理後に光加工を行うと、反射防止膜は気化しにくいため、パーティクルが生じる。特に、反射防止膜の中には加熱処理によって架橋反応することで、反射防止特性が得られるものもある。反射防止膜が架橋するものの場合、光加工時にはより気化しにくくなるため、パーティクルがより多数発生する。

本実施形態では、加工光としてＱ−ｓｗｉｔｃｈ ＹＡＧレーザーの第３高調波を用いているが、加工光はこれに限らずＱ−ｓｗｉｔｃｈ ＹＡＧレーザーの第４高調波（波長２６６ｎｍ）やＫｒＦエキシマレーザー等のパルスレーザー、及びランプ光でも良い。また、本実施形態において、光加工は上述した条件に限らず、加工領域内に残渣が生じない、または反射防止膜の下層膜に損傷を与えずに加工できるフルエンスや照射回数であれば良い。また、本実施形態では大気下で光加工を行ったが加工領域上に液流又は気流が形成された状態で行ってもよい。

また、本実施形態では、光加工時には光の照射領域を加工領域と同じ大きさにして加工を行ったが、第１の実施形態でも述べたように光の照射領域をスリット状に絞り、基板と光を相対的に走査することで加工を行ってもよい。

また、本実施形態では被加工膜が反射防止膜の場合について述べたが、被加工膜はこれに限らず、レジスト膜、酸化ケイ素膜、ポリイミド膜等の塗布膜であれば何に用いても構わない。

（第４の実施形態）
図９は、本発明の第４の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す工程断面図である。図９において、図１と同一な部位には同一符号を付し、その説明を省略する。
先ず、図９（ａ）に示すように回転塗布法にて溶剤を含む反射防止膜形成用薬液２０６を供給し、液膜２０４を形成する。その後、スピンドライ処理を行い被処理基板上に液膜から一部の溶剤が除去された反射防止膜を形成する。スピンドライ処理以外にも、液膜が形成された基板を減圧下に載置して、液膜から一部の溶剤を除去しても良い。

次に、図９（ｂ）に示すように、ホットプレート２１０上に半導体基板１０１を載置し、１５０℃、６０秒の条件でプレ加熱処理を行い、膜中に含まれる溶剤の一部が除去された反射防止膜２１７を得る。本実施形態に用いた反射防止膜がリソグラフィー工程に必要な反射防止特性を得る為には、通常３００℃にて加熱処理を行う。しかし、この段階での基板の加熱処理はそれよりも低い温度で行うことを特徴とする。

次に、図９（ｃ）に示すように、大気中にて、加工領域（縦１００μｍ×横２００μｍ）に対して加工光２０８を５回照射することで反射防止膜２０７に開口を形成する。開口が形成されるのはアライメントマークの上方である。光加工後にＳＥＭ観察を行った結果、反射防止膜の加工領域周辺でパーティクルが残留しない、良好な加工ができたことを確認された。加工光２０８は、Ｑ−ｓｗｉｔｃｈ ＹＡＧレーザーの第３高調波（波長３５５ｎｍ）であり、加工光２０８のフルエンスが０．４Ｊ／ｃｍ²・ｐｕｌｓｅである。

次に、図９（ｄ）に示すように、ホットプレート２１０上に半導体基板１０１を載置し、３５０℃、１２０秒の条件で本加熱処理を行い、膜中の溶剤がほぼ除去され、架橋反応が生じた反射防止膜２１８を得る。

上記の処理後、反射防止膜上に膜厚２００ｎｍのＡｒＦ光（波長１９３ｎｍ）用化学増幅型ポジレジスト形成した。次いで、該基板をＡｒＦエキシマレーザーが光源である露光装置に搬送し、露光用レチクルを介して、アライメント光（参照光）をアライメントマーク１０６に照射して、アライメントマーク１０６の位置を得る。アライメントマーク１０６の位置に応じて、ゲート加工用パターンを転写する。該基板を熱処理後に現像を行い、ゲート加工用パターンを形成する。このように作成したレジストパターンをマスクに加工して作成したデバイスはレーザー加工時にパーティクルが発生せず、所定のゲート寸法に形成することができるため、その後の工程を経て作製されたデバイスの特性に影響を与えることなく半導体デバイスを製造することができる。

第３の実施形態では、スピンドライ処理を用いて駅膜中の溶剤の一部を除去していた。しかし、被加工膜の中には回転塗布法にて膜を形成した段膜では膜中に溶剤を多量に含んでいるため、その状態で光加工を行うと膜剥がれ等が生じる恐れがある。本実施形態では、スピンドライ処理により、プリ加熱処理により溶剤を更に除去しているので、膜剥がれを生じることなく、パーティクルが生じない。

本実施形態では、反射防止膜を得るためのプレ加熱処理の加熱温度条件は１５０℃である。第３の実施形態でも述べたように、光加工前の加熱温度が高すぎると、光加工時には反射防止膜は気化しにくくなり、パーティクルが生じる。特に、被加工膜が加熱処理によって架橋反応を生じるものの場合はより顕著になるため、このような被加工膜の光加工を行う際は、光加工前での基板の加熱温度は反射防止膜の架橋温度未満であることが望ましい。

また、逆に加熱温度が低すぎると、材料によっては膜中に溶剤が多量に残るため、膜強度が劣化する。そのため、光加工時に膜剥がれ等が生じる恐れがある。従って、光加工前の段階での基板の加熱温度は反射防止膜の架橋温度未満、且つ加工形状に影響を及ぼさない程度の範囲であることが必要である。

本実施形態では、光加工用の光源としてＱ−ｓｗｉｔｃｈ ＹＡＧレーザーの第３高調波を用いているが、光源はこれに限らずＱ−ｓｗｉｔｃｈ ＹＡＧレーザーの第４高調波（波長２６６ｎｍ）やＫｒＦエキシマレーザー等のパルスレーザー、及びランプ光でも良い。また、本実施形態ではレーザー加工は０．４Ｊ／ｃｍ^２・ｐｕｌｓｅで５回照射することで行っているが、加工条件はこれに限らず、加工領域内に残渣が生じない、または反射防止膜の下層に形成されている層間絶縁膜に損傷を与えずに加工できるフルエンスや照射回数であれば良い。また、本実施形態では大気下で光加工を行ったが流水下で行ってもよい。

また、本実施形態では、光加工時には光の照射領域を加工領域と同じ大きさにして加工を行ったが、第１の実施形態でも述べたように光の照射領域をスリット状に絞り、基板と光を相対的に走査することで加工を行ってもよい。

また、本実施形態では被加工膜が反射防止膜である場合について述べたが、被加工膜はこれに限らず、レジスト膜、酸化ケイ素膜、ポリイミド膜等の塗布膜であれば何に用いても構わない。
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、各実施形態では、半導体装置の製造工程に適用した例を示したが、他の用途にも用いることができる。
その他、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することが可能である。

第１の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す断面図。 第１の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す断面図。 第１の実施形態に係わる保護膜の除去処理を示す図。 第１の実施形態に係わる半導体装置の製造工程の変形例を示す図。 第１の実施形態に係わる半導体装置の製造工程の変形例を示す図。 第１の実施形態に係わる半導体装置の製造工程の変形例を示す図。 第２の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す断面図。 第３の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す断面図。 第４の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す断面図。

符号の説明

１０１…半導体基板，１０２…層間絶縁膜，１０５…ヴィアプラグ，１０６…アライメントマーク，１０７…Ａｌ膜，１０９…保護膜，１１０…加工光，１１２…レジスト膜，１１３…アライメント光（参照光）

Claims (29)

1. 基板上の被加工膜上に水溶性の保護膜を形成する工程と、
   加工光を照射し、前記保護膜及び前記被加工膜の加工領域を選択除去する工程と、
   前記保護膜を水により溶解除去する工程とを含むことを特徴とする加工方法。
2. 前記加工光の波長λにおける前記保護膜に前記保護膜の消衰係数ｋが前記被加工膜の消衰係数ｋ’よりも小さい保護膜を用いることを特徴とする請求項１記載の加工方法。
3. 前記加工の照射は、前記保護膜の比熱Ｃ_F，吸収係数α，消衰係数ｋ，反射率Ｒ_F，前記保護膜の温度変化ΔＴ，前記保護膜の融点Ｔ_m，大気温度Ｔ₀，前記加工光のフルエンスＦ，前記加工光の波長λとした時、
   Ｔ_m＞Ｔ₀＋ΔＴ
   ΔＴ＝{α（１−Ｒ_F／１００）Ｆ／Ｃ_F}
   α＝４πｋ／λ
   の関係を満たす条件で行うことを特徴とする請求項２記載の加工方法。
4. 前記保護膜の性質として、前記保護膜及び前記被加工膜の加工領域を選択除去後においても、加工領域周辺の前記保護膜が水溶性を維持する性質を有することを特徴とする請求項１記載の加工方法。
5. 前記保護膜は、親水基を有する有機材料で構成されていることを特徴とする請求項１記載の加工方法。
6. 前記保護膜は、無機材料で構成されていることを特徴とする請求項１記載の加工方法。
7. 前記保護膜は、前記基板上の一部に選択形成されることを特徴とする請求項１記載の加工方法。
8. 被加工膜上に有機樹脂で構成された有機膜を形成する工程と、
   前記有機膜の内部応力を小さくする工程と、
   前記有機膜に加工光を照射し、前記加工領域の前記有機膜を選択除去する工程と、
   前記有機膜をマスクとして、前記被加工膜をエッチングする工程を有することを特徴とする加工方法。
9. 前記有機膜は、有機樹脂と、該樹脂の主鎖を分解するための触媒として働く分解開始剤とを含むことを特徴とする請求項８記載の加工方法
10. 前記樹脂の内部応力を小さくする処理は、加熱処理により前記分解開始剤が前記有機樹脂の主鎖を分解することを特徴とする請求項９記載の加工方法
11. 前記樹脂の内部応力を小さくする処理は、エネルギー線の照射により前記分解開始剤が前記有機樹脂の主鎖を分解することを特徴とする請求項９記載の加工方法。
12. 前記エネルギー線は紫外線、遠紫外線、深紫外線、電子線の何れかを含む事を特徴とする請求項１１記載の加工方法。
13. 基板上に溶剤を含む塗布膜形成用薬液を供給して前記基板主面に液膜を形成する工程と、
    液膜中に含まれる溶剤の一部を除去することにより被加工膜を形成する工程と、
    前記被加工膜の加工領域に加工光を選択照射して、前記被加工膜を選択除去する工程と、
    前記加工光照射後に、被加工膜中に含まれる溶剤をほぼ完全に除去する本加熱処理を行う工程とを含むことを特徴とする加工方法。
14. 液膜中に含まれる溶剤の一部の除去は、スピンドライ処理、減圧処理、及びプリ加熱処理を含むグループから一つ以上選択された処理を組み合わせることを特徴とする請求項１３記載の加工方法。
15. 前記プリ加熱処理の処理温度は、前記本加熱処理の処理温度以下であることを特徴とする請求項１４に記載の加工方法。
16. 前記加工光の照射は、前記加工領域上に気流又は液流が形成された状態で行うことを特徴とする請求項１、請求項８、請求項１３の何れかに記載の加工方法。
17. 前記基板は、前記加工領域に形成されたアライメントマーク、または位置ずれ計測マークを具備することを特徴とする請求項１、請求項８、請求項１３の何れかに記載の加工方法。
18. 前記被加工膜は、反射防止膜、金属膜、金属酸化膜、シリコン窒化膜、またはシリコン炭化膜、シリコン酸化膜、多結晶Ｓｉの何れかであることを特徴とする請求項１、請求項８、請求項１３の何れかに記載の加工方法。
19. 前記加工光はレーザー光、ランプ光である事を特徴とする請求項１，請求項８，請求項１３の何れかに記載の加工方法。
20. 前記加工光の前記基板上での照射形状は前記加工領域よりも小さく、
    前記加工光を前記基板に対して走査させることを特徴とする請求項１，請求項８，請求項１３の何れかに記載の加工方法。
21. 前記加工光の照射形状は、前記加工光の走査方向の幅が前記加工領域の前記走査方向の幅より短い四角形であることを特徴とする請求項２０に記載の加工方法。
22. 前記加工光が、前記走査方向に沿って等間隔に複数照射されていることを特徴とする請求項２０に記載の加工方法。
23. 半導体基板と位置合わせマークとを具備する被処理基板上に、被加工膜及び水溶性の保護膜を形成する工程と、
    前記位置合わせマークを含む加工領域領域の前記保護膜及び前記被加工膜に対して加工光を照射し、前記保護膜及び前記被加工膜の加工領域を選択除去する工程と、
    前記加工光の照射後、前記保護膜を水により溶解除去する工程と、
    前記被加工膜上に感光性膜を形成する工程と、
    前記位置合わせマークに参照光を照射して該マークの位置を認識する工程と、
    認識された位置合わせマークの位置情報に基づいて、前記感光性膜の所定の位置にエネルギー線を照射して該感光性膜に潜像を形成する工程と、
    前記潜像が形成された感光性膜を現像する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法
24. 半導体基板と位置合わせマークとを具備する被処理基板上に、被加工膜及び水溶性の保護膜を形成する工程と、
    前記位置合わせマークを含む加工領域領域の前記保護膜及び前記被加工膜に対して加工光を照射し、前記保護膜及び前記被加工膜の加工領域を選択除去する工程と、
    前記加工光の照射後、前記保護膜を水により溶解除去する工程と、
    前記被加工膜上に反射防止膜及び感光性膜を順次形成する工程と、
    前記位置合わせマークに参照光を照射して該マークの位置を認識する工程と、
    認識された位置合わせマークの位置情報に基づいて、前記感光性膜の所定の位置にエネルギー線を照射して該感光性膜に潜像を形成する工程と、
    前記潜像が形成された感光性膜を現像する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法
25. 半導体基板と位置合わせマークとを具備する被処理基板上に、被加工膜及び有機膜を形成する工程と、
    前記有機膜の内部応力を小さくする工程と、
    前記位置合わせマークを含む領域の前記有機膜に対して加工光を照射することにより、前記有機膜を選択的に除去する工程と、
    前記有機膜をマスクとして前記前記被加工膜をエッチングする工程と、
    前記被加工膜のエッチング後、前記有機膜を除去する工程と、
    前記被加工膜上に感光性膜を形成する工程と、
    前記位置合わせマークに参照光を照射して該マークの位置を認識する工程と、
    認識された位置合わせマークの位置情報に基づいて前記感光性膜の所定の位置にエネルギー線を照射して該感光性膜に潜像を形成する工程と、
    前記潜像が形成された感光性膜を現像する工程とを含む半導体装置の製造方法。
26. 半導体基板と位置合わせマークとを具備する被処理基板上に、被加工膜及び有機膜を形成する工程と、
    前記有機膜の内部応力を小さくする工程と、
    前記位置合わせマークを含む領域の前記有機膜に対して加工光を照射することにより、前記有機膜を選択的に除去する工程と、
    前記有機膜をマスクとして前記前記被加工膜をエッチングする工程と、
    前記被加工膜のエッチング後、前記有機膜を除去する工程と、
    前記被加工膜上に反射防止膜及び感光性膜を順次形成する工程と、
    前記位置合わせマークに参照光を照射して該マークの位置を認識する工程と、
    認識された位置合わせマークの位置情報に基づいて前記感光性膜の所定の位置にエネルギー線を照射して該感光性膜に潜像を形成する工程と、
    前記潜像が形成された感光性膜を現像する工程とを含む半導体装置の製造方法。
27. 半導体基板と位置合わせマークとを具備する被処理基板上に溶剤を含む塗布膜形成用薬液を供給して該基板主面に液膜を形成する工程と、
    液膜中に含まれる溶剤の一部を除去することにより被加工膜を形成する工程と、
    前記位置合わせマークを含む領域の前記被加工膜に加工光を選択照射して、前記被加工膜を選択除去する工程と、
    前記加工光照射後に、被加工膜中に含まれる溶剤をほぼ完全に除去する本加熱処理を行う工程と、
    前記被加工膜上に感光性膜を形成する工程と、
    前記位置合わせマークに参照光を照射して該マークの位置を認識する工程と、
    認識された位置合わせマークの位置情報に基づいて前記感光性膜の所定の位置にエネルギー線を照射して該感光性膜に潜像を形成する工程と、
    前記潜像が形成された感光性膜を現像する工程とを含む半導体装置の製造方法。
28. 液膜中に含まれる溶剤の一部の除去は、スピンドライ処理、減圧処理、及びプリ加熱処理を含むグループから一つ以上選択された処理を組み合わせることを特徴とする請求項２７に記載の半導体装置の製造方法。
29. 前記プリ加熱処理の処理温度は、前記本加熱処理の処理温度以下であることを特徴とする請求項２８に記載の半導体装置の製造方法。

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