JP2005322791A - 半導体装置の製造方法、及び塗布装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スピンコートによって半導体基板上に形成された塗布膜の乾燥処理にかかる時間を短縮する。
【解決手段】シリコンウエハ１０が回転する状態で、ノズル２１からレジスト膜用塗布材料２１をウエハ１０に滴下する（図２（ａ））。前記滴下後、前記半導体基板が回転する状態で、シャッター１５の開口を中心から外周にかけて広げつつ、加熱用光源１４により塗布膜２２を加熱する（図２（ｂ）〜図２（ｅ））。
【選択図】 図２

Description

基板上に溶剤及び溶質を含む薬液を塗布する塗布装置、及びこの塗布装置を用いた半導体装置の製造方法を提供することにある。

従来のレジスト塗布装置、とくに回転塗布を行うレジスト処理装置においては、被処理基板を高速で回転させることによってのみレジスト膜を乾燥させるようにしている（特許文献１）。この場合、レジスト膜中の溶剤の蒸発速度が十分でないため、レジスト膜が安定化するまでに長時間を要する。

たとえば直径２００ｍｍのシリコンウエハの場合、レジストをシリコンウエハ上に広げてから乾燥終了までの時間は最短で２０秒となり、これに実際にレジストを滴下する時間とオーバーヘッド時間（アームの移動時間やウエハの搬送時間等）を加えると回転塗布にかかる時間は全体で３６秒程度となる。さらにウエハ径が大きくなった場合、たとえば３００ｍｍシリコンウエハを用いる場合には、使用できる回転数の上限が１８００rpm程度に制限されるため、レジスト膜を乾燥させるための時間は前述した２００ｍｍウエハの２倍程必要となる。３００ｍｍウエハにおいて２００ｍｍウエハと同様の生産性（たとえば９０枚／時間の処理能力）を維持しようとすると、レジスト塗布装置のユニット数を１機から２機に増やすしかないというのが現状である。このようなユニット数の増加は大幅な装置コスト増加につながり、レジストプロセスのＣＯＯ（Ｃｏｓｔ Ｏｆ Ｏｗｎｅｒｓｈｉｐ）の観点から大きな問題となっている。
特開平８−２２２５０２号公報（第５−７頁、第１図）

本発明の目的は、スピンコートによって半導体基板上に形成された塗布膜の乾燥処理にかかる時間を短縮することができる半導体装置の製造方法及び塗布装置を提供することにある。

本発明の一例に係わる半導体装置の製造方法は、前記半導体基板を回転させる工程と、前記半導体基板が回転する状態で、半導体基板の主面上に薬液を滴下する工程と、前記滴下開始後、前記半導体基板が回転する状態で、前記基板の主面側から加熱する工程とを含み、前記加熱時、径方向の加熱領域の大きさを時間的に変化させることを特徴とする。

本発明の一例に係わる薬液塗布装置は、基板を保持する基板支持部と、前記基板支持部を回転させる駆動部と、前記基板上に薬液を吐出する薬液吐出機構と、前記基板上方から基板を加熱する加熱手段と、前記加熱手段が前記基板を加熱する領域の前記被処理基板の径方向の大きさを時間的に変化させる手段とを具備してなることを特徴とする。

本発明によれば、塗膜中の溶剤の蒸発を促進することができ、乾燥処理時間を短縮することが可能となる。塗布膜厚の面内プロファイルを均一にすることができる。

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）
本実施形態では、シリコンなどの半導体基板上に形成されたシリコン酸化膜等の層間絶縁膜上にレジストパターンを形成する場合を例として説明を行う。

図１は、本発明の第１の実施形態に係わるレジスト塗布装置の構成を示す図である。（図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は平面図である。

図１に示すように、シリコンウエハ（半導体基板）１０が基板支持部１１上に保持されている。基板支持部１１は、駆動部１２により回転される。レジスト塗布装置は、レジスト膜塗布時にシリコンウエハ１０上に配置されるノズル１３を具備する。ノズル１３は、ノズル移動部１４によって平面内で移動可能である。レジスト塗布装置は、レジスト膜乾燥時に、シリコンウエハ１０上に配置される赤外線ランプを用いた加熱用光源１５及びシャッター１６を具備する。加熱用光源１５から照射された赤外線ランプによりシリコンウエハ１０上に形成される塗布膜が加熱される。塗布膜の加熱される領域の形状は短冊状である。前記照射領域のシリコンウエハ１０の径方向の長さは、シリコンウエハ１０の直径より長い。加熱用光源１５がシリコンウエハ１０の中心を通るように配置される。シャッター１６は、シリコンウエハ１０と加熱用光源１５との間に配置される。シャッター１６は、シリコンウエハ１０の中心部から外周にかけて徐々に開口することが可能である。

次にこのレジスト塗布装置を用いて、実際に３００ｍｍのシリコンウエハ上に膜厚が２００ｎｍとなるようなレジスト膜を形成する場合の例につき、図２を用いて説明する。ここで使用した塗布材料は、粘度が６ｃｐのＡｒＦ光用レジスト膜用塗布材料である。

先ず、図２（ａ）に示すように、シリコンウエハ１０を基板保持部に保持させる。シリコンウエハ１０の略中心上方にノズル１３を配置する。シリコンウエハ１０を１０００ｒｐｍで回転させた状態でシリコンウエハ１０にノズル１３から、前述したレジスト膜用塗布材料２１を１．５ｃｃ滴下する。シリコンウエハ１０の回転により、滴下されたレジスト膜用塗布材料２１がシリコンウエハ１０上に広がる。

次いで、回転数を２秒間維持してレジスト膜用塗布材料２１をシリコンウエハ１０の全面に広げレジスト膜２２を形成する。ノズル１３をシリコンウエハ１０上から待避させる。加熱用光源１５及びシャッター１６をシリコンウエハ１０上に移動させる。なお、シャッター１６は閉じた状態である。

次いで、シリコンウエハ１０の回転数を１５００ｒｐｍに上げてレジスト膜２２の乾燥ステップに入ると同時に、シャッター１６の開口部を中心部から徐々に開いていく。シャッター１６は、５秒後に全開となる（シリコンウエハ１０の直径をカバーする）ようにした（図２（ｃ）〜図２（ｅ））。

その後、この状態を１０秒間保つことにより、レジスト膜２２中の溶剤の蒸発が完了し、レジスト膜厚が安定化する。図３にレジスト膜の乾燥ステップに入ってからの各処理時間に対するレジスト膜厚を調べた結果を示す。ここで比較のために、光照射加熱を用いない従来の塗布装置を用いて同じレジストを塗布した時の結果も併せて示した。本方法の場合、乾燥ステップに入ってから１１秒後にはレジスト膜厚がほぼ安定領域に達するのに対して、従来方法の場合には、レジスト膜厚を安定化させるのに少なくとも３５秒以上要することが明らかとなった。

また、シリコンウエハ１０の直径が大きくなると中心での周速度と中心部近傍での周速度との差が大きい。周速度の違いにより、中心部より外周部の方が早く乾燥する。その結果、レジスト膜厚の面内プロファイルに大きな影響がでる。本実施形態では、シリコンウエハ１０の加熱される領域を周速度の遅い中心部から周速度の速い外周部にかけて広げている。その結果、所望の膜厚均一性が得られるようになる。

なお、本実施形態では、塗布膜２２の加熱される領域が短冊状の加熱用光源１５を用いたが、シャッター１６が開いた状態で塗布膜２２の全面を加熱することが可能な加熱用光源を用いても良い。

（第２の実施形態）
レジスト膜用塗布材料によっては、基板の外周側より中心部の方が早く乾燥が進む場合がある。本実施形態では、塗布膜の加熱される領域を、基板の外周部から中心部に広げる塗布装置について説明する。さらに、塗布装置を用いた半導体装置の製造方法について説明する。

図４は、本発明の第２の実施形態に係わる塗布装置の構成を示す図である。（図４（ａ）は断面図、図４（ｂ）は平面図である。図４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。

レジスト塗布装置は、塗布膜の乾燥処理時に、シリコンウエハ１０の上部から波長３５５ｎｍのＹＡＧレーザ（第３高調波）を照射するための加熱用光源３５を具備する。加熱用光源３５から照射されたＹＡＧレーザ（第３高調波）により塗布膜が加熱される。塗布膜の加熱される領域の形状は短冊状である。前記照射領域のシリコンウエハ１０の径方向の長さは、シリコンウエハ１０の半径以上である。この加熱用光源は、シリコンウエハ１０の上方５０ｍｍの距離に位置している。加熱用光源３５は、光源移動部３６によりシリコンウエハ１０の径方向に移動する。

次にこのレジスト塗布装置を用いて、実際に３００ｍｍのシリコンウエハ上に膜厚が３００ｎｍとなるようなレジスト膜を形成する場合の例につき、図５を用いて説明する。ここで使用した塗布材料は、粘度が９ｃｐのＡｒＦ光用レジスト膜用塗布材料である。

先ず、図５（ａ）に示すように、シリコンウエハ１０を基板保持部に保持させる。シリコンウエハ１０の略中心上方にノズル１３を配置する。シリコンウエハ１０を１０００ｒｐｍで回転させた状態でシリコンウエハ１０の中心にノズルから、前記したレジスト膜用塗布材料２１を１．５ｃｃ滴下する。

滴下後、回転数を２秒間維持して、レジスト膜用塗布材料をシリコンウエハ１０の全面に広げ、レジスト膜２２を形成した後、回転数を１５００ｒｐｍに上げてレジスト膜２２の乾燥ステップに入る。滴下後、ノズル移動部１４によりノズル１３をシリコンウエハ１０上から待避させる。加熱用光源３５からＹＡＧレーザの照射を開始するとともに、光源移動部３６により加熱用光源３５をシリコンウエハ１０の外周部から中心に向かって、３０ｍｍ／秒の速度で移動させる（図５（ｂ））。

次いで、加熱用光源３５の先端部がシリコンウエハ１０の中心に達した状態で３秒間保持させる（図５（ｃ））。その後、加熱用光源３５をシリコンウエハ１０の中心から外周部に向かって２５ｍｍ／秒の速度で移動させる（図５（ｄ））。加熱用光源３５がシリコンウエハ１０からはずれたところで、ＹＡＧレーザの照射を止めるとともに、シリコンウエハ１０の回転を止めて一連のレジスト塗布工程が完了する（図５（ｅ））。

なおここでレジスト膜の乾燥ステップに要した時間は１３秒、レジスト膜用塗布材料の吐出とオーバーヘッド時間を含めたトータルの処理時間は３０秒であった。これに対して加熱用ランプを具備しない従来のレジスト塗布装置を用いて処理を行った場合には、レジスト膜の乾燥ステップに４０秒、トータル塗布時間は５６秒であった。このように本発明のレジスト塗布装置を用いることにより、レジスト塗布プロセスの処理時間が大幅に短縮されることが実証された。

なお上記実施形態では加熱用の光源としてＹＡＧレーザを用いたが、これ以外にも使用するレジストの種類に応じて、赤外線ランプ、ハロゲンランプ、タングステンランプ、水銀ランプおよびＬＥＤを利用することができる。また加熱用光源の被処理基板からの距離や移動速度と移動距離についても、上述した実施形態にかぎられるものではなく、任意に変更することが可能である。とくに加熱用光源の移動条件（速度と距離）はレジスト膜厚の面内プロファイルに大きく影響するため、所望の膜厚均一性が得られるようにレジストの種類によってこれらの条件を適宜変更する必要がある。

（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態に係わる塗布装置の概略構成を示す図である。図６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。

図６に示すように、塗布装置は、複数の光源４５₁〜４５₉を有する光源ユニット、各光源４５₁〜４５₉にそれぞれ接続された複数本の光ファイバ４６₁〜４６₉、各光ファイバ４６₁〜４６₉にそれぞれ接続された複数の照射部４７₁〜４７₉を有する照射部照射ユニット、制御部４８を具備する。各光源４５₁〜４５₉から照射された光は、対応する光ファイバ４６₁〜４６₉によって各照射部４７₁〜４７₉に伝送される。伝送された光は、各照射部４７₁〜４７₉からシリコンウエハ１０表面に照射され、シリコンウエハ１０上の塗布膜が加熱される。

制御部４８は、乾燥処理時にシリコンウエハ１０の中心から外周側、または外周側から中心にかけて、光が照射されるように、各光源４５₁〜４５₉の点灯を制御する。

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、上記実施形態では、シリコンウエハ上にレジスト膜用塗布材料を塗布したが、シリコンウエハ上に絶縁膜を形成するために半導体基板上に絶縁膜用塗布材料を塗布してもよい。

第１及び第２の実施形態では、塗布膜を加熱するために光源を用いていたが、光源の替わりに抵抗加熱器で発生した熱を用いて基板を加熱しても良い。

上記実施形態では、全面に塗布膜が形成されてから加熱処理を行ったが、薬液の塗布中に加熱処理を開始しても良い。

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塗布装置の概略構成を示す図。 第１の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す図。 第１の実施形態に係わるレジスト膜の乾燥時間と膜厚との関係を示す図 第２の実施形態に係わる塗布装置の概略構成を示す図。 第２の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す図。 第３の実施形態に係わる塗布装置の概略構成を示す図。

符号の説明

１０…シリコンウエハ，１１…基板支持部，１２…駆動部，１３…ノズル，１４…ノズル移動部，１５…加熱用光源，１６…シャッター。

Claims (5)

1. 半導体基板を回転させる工程と、
   前記半導体基板が回転する状態で、前記半導体基板主面上に塗布膜を形成するために、前記半導体基板の主面上に溶剤と溶質とを含む薬液を滴下する工程と、
   前記滴下開始後、前記半導体基板が回転する状態で、前記半導体基板の主面側から前記塗布膜を加熱する工程とを含み、
   前記加熱時、前記塗布膜の加熱される領域の前記半導体基板の径方向の大きさは時間的に変化することを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記加熱は、前記塗布膜が前記半導体基板の全面に形成されてから行う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。
3. 前記薬液は、レジスト膜用塗布材料または絶縁膜用塗布材料であ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。
4. 基板を保持する基板支持部と、
   前記基板支持部を回転させる駆動部と、
   前記基板上に溶剤と溶質とを含む薬液を吐出する薬液吐出機構と、
   前記基板上方から基板を加熱する加熱手段と、
   前記加熱手段が前記基板を加熱する領域の前記基板の径方向の大きさを時間的に変化させる手段とを具備してなることを特徴とする塗布装置。
5. 前記加熱手段は、前記基板の半径以上の長さの領域を加熱することを特徴とする請求項４に記載の塗布装置。

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