JP2006135080A - パターン形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 反りを有する被処理基板に対しても、基板面内で良好な寸法均一性を有するパターンを形成すること。
【解決手段】 被処理基板上に感光性樹脂膜を形成する工程と、前記感光性樹脂膜にエネルギー線を選択照射して、複数の露光領域に所望の潜像パターンをそれぞれ形成する工程と、前記潜像パターンの形成後、前記被処理基板を熱板上に設置されたスペーサー上に載置する工程と、前記熱板を用いて前記感光性樹脂膜を加熱する工程と、前記潜像パターンに対応する感光性樹脂膜パターンを形成するために前記感光性樹脂膜を現像する工程とを含むパターン形成方法であって、前記エネルギー線の照射時、前記被処理基板裏面と前記熱板表面との距離が大きい露光領域での前記エネルギー線の照射量が、前記被処理基板裏面と前記熱板表面との距離が小さい露光領域での前記エネルギー線の照射量よりも相対的に大きくなるように、各露光領域でのエネルギー線の照射量条件を設定する。
【選択図】 図８

Description

本発明は、パターン形成方法に係わり、特に半導体装置の作製のリソグラフィ工程に使用されるパターン形成方法に関する。

半導体素子の微細化に伴い、リソグラフィ工程では、高い解像性が求められている。この要求に対し、使用する露光光の短波長化が進められており、光リソグラフィでは、AｒＦエキシマレーザー（波長：１９３ｎｍ）が露光光源として広く使われるようになった。一方、パターンが転写される感光性樹脂（レジスト膜）材料も短波長化に伴い、化学増幅型レジスト膜が実用化されている。化学増幅型レジスト膜は、その中に露光によって酸を発生する酸発生剤が含まれており、露光によって発生した酸が樹脂を分解したり（ポジ型）、架橋させたり（ネガ型）することで、その後に行う現像工程で現像液に対する溶解性が変化するという性質を利用している。

化学増幅型レジスト膜を用いたリソグラフィ工程では、露光時に生成された酸を拡散させるPEB（Post Exposure Bake）と呼ばれる加熱工程を行うのが一般的である。PEB工程では、供給される熱量と現像後に形成されるレジスト膜パターンの寸法との間には密接な関係があるため、形成するパターンサイズの微細化に伴い、厳しい温度均一性が要求されている。

従来のＰＥＢ工程では、ヒーターで加熱された熱板上に被処理基板を近接載置して裏面側から熱を供給する、いわゆるプロキシミティ−ベーク方法が広く使用されてきた。熱板と被処理基板との距離（ギャップ）は、加熱処理時間短縮の観点から１００μｍ程度に設定するのが一般的である。しかし、成膜工程等を経た被処理基板自身は膜の応力により反りを有するため、ホットプレートと被処理基板とのギャップが面内で不均一になる。これが温度均一性を劣化させる要因となっていた。

これに対して、被処理基板上部に設置されたランプから光を被処理基板に照射させることで加熱するランプ加熱方法が提案されている。この方法では、基板の反りに対してプロキシミティ−ベーク方法ほど敏感ではないものの、ランプの照度均一性を確保するのが困難で、良好な面内の温度均一性を得ることができないことが問題となっていた。
特開２０００−２７７４２３

本発明の目的は、反りを有する被処理基板に対しても、基板面内で良好な寸法均一性を有するパターンを形成することができるパターン形成方法を提供することにある。

本発明の一例に係わるパターン形成方法は、被処理基板上に感光性樹脂膜を形成する工程と、前記感光性樹脂膜にエネルギー線を選択照射して、複数の露光領域に所望の潜像パターンをそれぞれ形成する工程と、前記潜像パターンの形成後、前記被処理基板を熱板上に設置されたスペーサー上に載置する工程と、前記熱板を用いて前記感光性樹脂膜を加熱する工程であって、前記感光性樹脂膜を現像する工程とを少なくとも具備し、前記エネルギー線の照射時、前記被処理基板と前記熱板との距離が大きい露光領域での前記エネルギー線の照射量が前記被処理基板と前記熱板との距離が小さい露光領域での前記エネルギー線の照射量よりも相対的に大きくなるように、各露光領域でのエネルギー線の照射量条件を設定することを特徴とする。

以上説明したように本発明によれば、エネルギー線の照射時、前記被処理基板と前記熱板との距離が大きい露光領域での前記エネルギー線の照射量が前記被処理基板と前記熱板との距離が小さい露光領域での前記エネルギー線の照射量よりも相対的に大きくなるように、各露光領域でのエネルギー線の照射量条件を設定することによって、反りを有する被処理基板に対しても、基板面内で良好な寸法均一性を得ることが出来る。

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）
被処理基板である直径２００ｍｍの半導体基板（以下ウエハと称す）上に反射防止膜形成用塗布材料を回転塗布法により、塗布する。１９０℃、６０秒の条件でベーク処理して、膜厚８０ｎｍの反射防止膜を形成する。

このウエハ上にポジ型化学増幅レジスト膜形成用塗布材料を塗布する。１３０℃、６０秒の条件でレジスト膜中の溶剤を揮発させるための加熱処理（プリベーク）を行い、反射防止膜上に２３０ｎｍのレジスト膜を形成する。プリベーク後、ウエハを室温まで冷却する。冷却後、ウェハをＡｒＦエキシマレーザー（波長１９３ｎｍ）を光源とする露光装置へ搬送する。

次いで、９０ｎｍラインアンドスペースパターン（ウエハ転写時の寸法）を形成するためのパターンを含むマスクパターンが形成されたフォトマスクを用意する。フォトマスクに形成されたパターンをレジスト膜の各露光領域に縮小投影露光する。

図１は、ウエハの全体を模式的に示した図である。図１に示すように、同一の露光領域（露光ショット）Ｓがウエハ２００全面にわたり形成されている。このときの露光装置での露光量条件を以下に示す方法によって補正された露光量を用いた。以下、補正の方法の詳細について説明する。

まず、従来のように露光量条件をウエハ面内で同一にしたときに生じる問題点について図２を参照しながら説明する。図２は露光後に行う、一般にPEB（Post Exposure Bake）と呼ばれる加熱工程で用いられる熱板とウエハとの位置関係を模式的に示した断面図である。

熱板２０１は、熱板裏面に形成されたヒーター（図示しない）によって加熱され、ヒーターに接続された温調ユニット（図示しない）によって温度制御されている。熱板２０１からウエハ２００裏面への汚染、またはウエハ２００裏面から熱板２０１への汚染を防止するため、熱板２０１の外周部等に設置されたスペーサー２０３によって、ウエハ２００は熱板２０１と離間して保持される。この状態で、ウェハ２００は加熱される。一般に、加熱処理時間短縮（ウエハ処理能力向上）の観点から、スペーサー２０３は０．１ｍｍ程度の比較的厚さの薄いものが使用される。

図２（ａ）では、スペーサー２０３に載置したときのウエハ２００の状態が熱板と平行である場合について示す。ところが、一般的に成膜工程やエッチング工程を経て露光・現像処理されるウエハ２００は、図２（ｂ）に示すように反った形状となるため、熱板２０１とウエハ２００裏面との距離ｄがウエハ２００面内で異なる。よって、熱板２０１から供給される熱量がウエハ２００面内で不均一となる。これは、熱板２０１に埋め込まれた温度センサー（図示せず）の温度で熱板２０１が温度制御されていることに起因している。

図３は、ウエハ径方向の不均一に加熱されたウエハのレジスト膜パターン寸法（現像処理後）の面内分布を模式的に示した図で有る。図３において、同じハッチングで記したものが同じ寸法を示している。このように、反ったウエハで２００は、ＰＥＢ時の供給熱量の面内不均一性に起因する寸法ばらつきが生じてしまう。

本実施形態では、ＰＥＢに起因する寸法ばらつきを改善するために、事前に露光量補正テーブルを準備し、その露光量補正テーブルに基づいて算出された露光量条件で露光する。以下、露光量補正テーブル算出方法について説明する。

反り量の異なるウエハを複数準備し、レジスト膜塗布後のウエハ面内での反り量をＫＬＡ Ｔｅｎｃｏｒ社製の膜応力測定器ＦＬＸ５４００で測定する。ここで、ウエハ反り量Ｂは、以下のように定義した。図４は、ウエハ径方向に測定したウエハ反り量データの一例である。最も中心から離れた２つの測定点（ウエハ中心をｘ＝０としたときのｘ＝±９０ｍｍ）でレベリングされたデータとなっている。レベリング基準線を反り量０とし、ウエハ中心からの距離ｘとそのときの反り量Ｂ（ｘ）を反り量の異なるウエハに対してそれぞれ求める。

次いで、これらウエハに露光、ＰＥＢ、現像処理を行い、各ウエハ位置でのパターン寸法ＣＤを走査型電子顕微鏡で測定して応力測定器で測定された反り量Ｂと、各反り量におけるＣＤエラーΔＣＤ（反り量Ｂ＝０のときのＣＤとの差）の関係を算出する（図５）。

さらに、露光量とＣＤの関係から、所望パターン（９０ｎｍＬ＆Ｓ）を得るための設定露光量の関係を算出し（図６）、露光量補正テーブルを求める。

本実施形態に係わるウエハ２４枚の反り量分布の平均値を図７に示す。この結果から、得られた設定露光量を図８に示す。中心からの距離に応じた露光量で、露光を行ってレジスト膜中に潜像を形成した後、ウエハをＰＥＢユニットへ搬送し、１３０℃、６０秒の加熱条件でＰＥＢ処理を行う。ＰＥＢ処理後、ウエハを室温まで冷却する。

さらに、現像ユニットに搬送して、アルカリ現像液を用いて現像処理を行う。現像処理終了後、リンス処理、スピン乾燥処理を行い、レジスト膜パターンを形成する。

現像後、パターンの寸法を測定した。寸法差が中心部のパターンと端部のパターンとの寸法差１．１ｎｍであった。距離ｄに応じた補正を行わない場合、の寸法差が１１．３ｎｍであったので、本実施形態の手法を用いることによって、大幅に寸法ばらつきを低減することが確認できた。その結果、半導体デバイスにおける歩留まりを大幅に改善することができた。

本実施形態では、補正露光量を平均反り量から算出し全ウエハについて同じ補正量としたが、これに限定されることは無く、より厳密にＣＤを制御するためにウエハ毎の反り量データに基づき、ウエハ毎に補正量を変えても良い。

また、本実施形態では、レジスト膜塗布後にウエハ反り量を計測したが、これに限定されることは無い。反射防止膜形成前、あるいはレジスト膜形成前に測定した値を用いても良い。

また、本実施形態では、露光ショット毎に露光量補正を行う方法について示したが、これに限定されることは無い。被処理基板及びフォトマスクが一方向に平行な方向に水平移動する走査型露光装置を用いた場合、移動速度及び走査速度を調整することで、露光ショット内で露光量補正を行うことが可能である。このときの補正量は、本実施形態に記載した方法で求めることができる。但し、走査方向に直交する方向への補正は露光装置で行うことができない。しかし、ある現像装置を用いることによって現像時に補正することができる。より具体的には、特開２００２−２５２１６７号公報に記載された現像液の供給／回収を行う現像液供給／回収ノズルが前記被処理基板の一端から他端へと走査して現像を行う現像装置を用いる。この現像装置は、局所的な領域において現像処理を行うことができる。現像時の現像液供給／回収ノズルの走査方向を露光時の被処理基板の移動方向に直交する方向に設定する。更に、距離が大きい露光領域における現像液供給／回収ノズルの走査速度が、距離が小さい露光領域の現像液供給／回収ノズルの走査速度よりも相対的に遅くなるよう設定すれば良い。

また、本実施形態では、各反り量に対してレジスト膜寸法をウエハ面内で測定することで、補正露光量を求めが、これに限定されることは無い。例えば特開２００１−１０２２８２号公報に記載されたフォトマスクに形成された露光量モニターパターンを用いて、求めても良い。露光量モニターパターンに対応して感光性樹脂膜に形成された露光量モニターマークの潜像の寸法に対応する量からフォーカス位置に依存しない実効的な露光量が算出される。

（第２の実施形態）
本実施形態では、処理ウエハの反り量を露光前の段階で計測し、その計測結果に基づき露光量条件を設定する。また、本実施形態では、補正露光量の算出方法だけが実施形態１と異なるため、重複する部分は省略した。

図９は、第２の実施形態に係わる処理の流れを説明するためのフローチャートを示す図である。プリベーク（レジスト膜塗布後のベーク）において、処理中にウエハ裏面との距離ｄを測定し、その距離に基づいて補正露光量を算出した。以下に詳細を説明する。

先ず、半導体基板上にレジスト膜を形成する（ステップＳＴ１０１）。次ぎに、プリベークを行う（ステップＳＴ１０２）。図１０は、プリベークのベークユニットの断面を模式的に示した図である。熱板２０１は、熱板裏面に形成されたヒーター（図示しない）によって加熱され、ヒーターに接続された温調ユニット（図示しない）によって温度制御されている。スペーサー２０３によって、ウエハ２００は熱板２０３と離間された状態に保持され加熱される。ここで、スペーサー２０３は、厚さ、大きさ、面内での配置位置、面内での配置数が露光後ベークと同一のものを用いた。熱板２０１には、径２ｍｍの穴が形成されており、レーザー変位計のヘッド２１１が熱板２０１裏面側から埋め込まれている。これにより、ウエハ２００裏面からの反射光によって熱板とウエハ裏面との距離が測定できる構成となっている。プリベーク中に、４点のデータを基に補間処理を行うことで、ウエハ径方向に対する距離ｄの関係を求める（ステップＳＴ１０３）。

事前に所得された距離ｄと所望のパターンを形成するための補正露光量の関係（補正量テーブルＴ）と、プリベーク中に測定された距離ｄの結果から、各ウエハショット位置での補正露光量を算出する（ステップＳＴ１０４）
各ウェハショット位置に対してそれぞれ算出された補正露光量を用いて露光処理を行う（ステップＳＴ１０５）。露光後加熱処理（ＰＥＢ）を行い（ステップＳＴ１０６）、現像する（ステップＳＴ１０７）。

現像後、パターンの寸法を測定した。寸法差が中心部のパターンと端部のパターンとの寸法差１．１ｎｍであった。距離ｄに応じた補正を行わない場合、の寸法差が１１．３ｎｍであったので、本実施形態の手法を用いることによって、大幅に寸法ばらつきを低減することが確認できた。その結果、半導体デバイスにおける歩留まりを大幅に改善することができた。

なお、本実施形態では、レーザー変位計を用いて、距離ｄを直接求めたが、これに限定されない。例えば、輻射温度計を用いてウエハ裏面温度を測定し、裏面温度と距離ｄの変換テーブルから、距離ｄを間接的に求め、露光量補正を行っても良い。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、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ウエハ全体図を模式的に示す図。 熱板とウエハとの位置関係を模式的に示した断面図。 ウエハ径方向の不均一に加熱されたウエハのレジスト膜パターン寸法（現像処理後）の面内分布を模式的に示した図。 ウエハ径方向に測定したウエハ反り量データの一例を示す図。 反り量Ｂと、各反り量におけるＣＤエラーΔＣＤ（反り量Ｂ＝０のときのＣＤとの差）の関係を示す図。 所望パターン（９０ｎｍＬ＆Ｓ）を得るための設定露光量の関係を示す図。 第１の実施形態に係わるウエハ２４枚の反り量分布の平均値を示す図。 図７に示す平均値から得られた設定露光量を示す図。 第２の実施形態に係わる処理の手順を示すフローチャート。 第２の実施形態に係わるベークユニットの断面を模式的に示す図。

符号の説明

２００…ウエハ，２０１…熱板，２０３…スペーサー

Claims (7)

1. 被処理基板上に感光性樹脂膜を形成する工程と、
   前記感光性樹脂膜にエネルギー線を選択照射して、複数の露光領域に所望の潜像パターンをそれぞれ形成する工程と、
   前記潜像パターンの形成後、前記被処理基板を熱板上に設置されたスペーサー上に載置する工程と、
   前記熱板を用いて前記感光性樹脂膜を加熱する工程と、
   前記潜像パターンに対応する感光性樹脂膜パターンを形成するために前記感光性樹脂膜を現像する工程とを含むパターン形成方法であって、
   前記エネルギー線の照射時、前記被処理基板裏面と前記熱板表面との距離が大きい露光領域での前記エネルギー線の照射量が、前記被処理基板裏面と前記熱板表面との距離が小さい露光領域での前記エネルギー線の照射量よりも相対的に大きくなるように、各露光領域でのエネルギー線の照射量条件を設定することを特徴とするパターン形成方法。
2. 前記照射量が、前記感光性樹脂膜形成後の前記被処理基板の反り量の分布と前記反り量に対する最適露光量との関係から、設定されることを特徴とする請求項１記載のパターン形成方法。
3. 前記最適露光量が、フォトマスクに設けられた露光量モニターパターンに対応して前記感光性樹脂膜に形成された露光量モニターマークの潜像の寸法に対応する量から算出されることを特徴とする請求項２記載のパターン形成方法。
4. 前記潜像パターンの形成が、被処理基板及びフォトマスクが一方向に平行な方向に水平移動する走査型露光装置を用いて行なわれることを特徴とする請求項１に記載のパターン形成方法。
5. 前記照射量条件の設定が、前記露光領域内において行われることを特徴とする請求項４に記載のパターン形成方法。
6. 前記感光性樹脂膜の現像を、前記感光性樹脂膜の局所的な領域を現像する現像液の供給／回収を行う現像液供給／回収ノズルが前記感光性樹脂膜上を走査することによって前記感光性樹脂膜の略全面を現像する現像装置を用いて行い、
   前記現像時の前記現像液供給／回収ノズルの走査方向を、前記走査型露光装置での前記一方向と直交する方向に設定し、かつ、前記現像液供給／回収ノズルの走査速度を前記被処理基板裏面と前記熱板表面との距離が大きい露光領域における前記現像液供給／回収ノズルの走査速度を前記距離が小さい露光領域よりも相対的に遅くなるように設定することことを特徴とする請求項５に記載のパターン形成方法。
7. 請求項１〜６の何れかに記載されたパターン形成方法を用いて、半導体基板を含む前記被処理基板上に前記感光性樹脂膜パターンを形成する工程を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。

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