JP2006148120A - 特定の接触角を使用する液浸リソグラフィ方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体ウェーハ上に液浸リソグラフィを行う方法を提供する。
【解決手段】半導体ウェーハ２０をレンズ１６下に設置し、半導体ウェーハ２０の上面とレンズ１６との間に流体を設置する。そして、添加物を上面に提供することにより、半導体ウェーハ２０の上面に形成される流体液滴に４０〜８０度の接触角を持たせる。
【選択図】図２
【解決手段】半導体ウェーハ２０をレンズ１６下に設置し、半導体ウェーハ２０の上面とレンズ１６との間に流体を設置する。そして、添加物を上面に提供することにより、半導体ウェーハ２０の上面に形成される流体液滴に４０〜８０度の接触角を持たせる。
【選択図】図２
Description
本発明は、半導体ウェーハなどの基板の製造工程に関し、特に半導体基板の少なくとも一つの層にパターニングを行う液浸リソグラフィなどの流体ベースの工程に関する。
半導体デバイスは、数十年前に現れて以来、幾何寸法が大幅に縮小されている。また、その出現以来、集積回路は「半導体の集積度は２年で２倍になる」というムーアの法則に従って発展してきた。つまり、チップ上にあるデバイス数は２年毎に２倍になってきた。そして今日の製造メーカは、０．１３μｍ、更には９０ｎｍであるフィーチャ・サイズのデバイスを日常的に製造している。
フィーチャ・サイズの縮小により、半導体製造工程の各方面には変化が起きている。例えばリソグラフィ工程とは、マスク上のパターンを半導体ウェーハなどの基板上に照射するメカニズムである。半導体フォトリソグラフィなどの分野では、解析度が制限されている条件下で最小フィーチャ・サイズに合致した半導体ウェーハ上にイメージを形成する必要があった。リソグラフィシステムは、小さなフィーチャを形成するため、短い波長の光を使用しなければならなかった。その解決方法の一つとしては、液浸リソグラフィと呼ばれる工程がある。この液浸リソグラフィの工程は、スキャニングまたはステップ・アンド・リピートのリソグラフィシステムの投射レンズと基板（例えば半導体ウェーハ）表面との間の空間を透明流体で充填する。
他の例としては、１９３ｎｍ波長露光システムにおいて、投射レンズと基板表面との間の流体として水を使用するものがあった。これはレンズの開口数を高め、リソグラフィシステムにより小さいイメージを形成して、フィーチャ・サイズを縮小することができた。
しかし、液浸リソグラフィの工程には多くの問題があった。その問題の一つは、完全で気泡を含まない流体をレンズとウェーハ表面との間に保持することが非常に困難な点である。この問題の解決方法は基本的に三つあった。第１の方法は、全体のウェーハおよびレンズをプール水内に浸す方法である。しかしこの方法では、チャックを正確に動かすために、サーボモータおよびレーザ干渉計といった複雑なシステムが必要となり、このシステムの一部や全部を浸すことが困難であるという問題が発生した。第２の方法は、プールのサイズをチャックの上部に限定する方法である。しかし、この技術では、チャック制御機構の全てが水に入らないようにすることができたが、チャックの質量はこれに伴い大幅に増大した。第３の方法は、ノズルによりレンズとウェーハとの間に水を供給し、表面張力により「パドル（puddle）」を保持する方法である。しかし、これはパドルだけでなくウェーハ表面の至る所にも水滴が形成されるため、レンズとウェーハ表面との間に依然気泡が形成された。ウェーハの露光されていない部分がパドルを受ける水滴を含むとき、空気も封じ込められるため、少なくとも一つの気泡が発生した。
本発明の目的は、ウェーハ表面上に発生する気泡を減らしたり除去したりする液浸リソグラフィなどの製造工程の方法を提供することにある。
本発明の特定の接触角を使用する液浸リソグラフィは、半導体ウェーハをレンズ下に設置し、半導体ウェーハの上面とレンズとの間に流体を設置する。そして、添加物を上面に加えることにより、半導体ウェーハの上面に形成される流体液滴に４０〜８０度の接触角を持たせる。
上述したことから分かるように、本発明の特定の接触角を使用する液浸リソグラフィ方法は、ウェーハ表面上に発生する気泡を減らしたり除去したりする液浸リソグラフィなどの製造工程の方法を提供することができる。
図１に示す１９３ｎｍの液浸リソグラフィシステム１０は、本発明の様々な実施形態において利点があるシステムおよび方法の一例である。液浸リソグラフィシステム１０は、ステージ（またはチャック）１２と、ステージ１２の移動を制御するサーボなどといった従来のデバイスなどを使用する複数のステージ制御機構１４とを含む。液浸リソグラフィシステム１０は、イメージを投射する少なくとも一つのレンズ１６をさらに含む。本実施形態の液浸リソグラフィシステム１０は、流体を提供するノズル１８をさらに含む。
図１に示すように、ウェーハ２０はステージ１２上に設置され、それらはステージ制御機構１４により移動される。また、水２２はノズル１８から吐出されてウェーハ２０の表面上にパドル２４が形成される。本実施形態のパドル２４は、ウェーハ２０の表面を完全にカバーしていない。
本実施形態の液浸リソグラフィシステム１０はパドル式システムである。レンズ１６とウェーハ２０との間にはノズル１８により水２２が供給される。水２２には表面張力によりパドル２４が発生する。他の実施形態では、ウェーハ２０を受けるための溝がステージ１２に形成されている。そして、ステージの縁に形成されているリップ構造により、縁にあるダイを露光するときにパドル２４をウェーハ２０の縁まで延伸させる。
図２を同時に参照する。露光システム１０は、ボックス３０でまとめて示されているように、パターニングデバイス（例えばマスク）、光生成機構、追加のレンズおよび光学素子、レーザ測定システムなどの追加の要素を含む。これら追加の要素は、必要に応じて選択することができる。
パドル２４は、ウェーハ２０の表面を完全にカバーせず、ステップ・アンド・リピート方式の露光システムに関係するステップ領域３２をカバーする。本発明の一実施形態では、ステップ領域３２はウェーハ上の一つのダイに対応している。他の実施形態では、異なる複数のダイが一つのステップ領域３２によりカバーされてもよい。また、他の実施形態では、方向３６でステップ領域３２がスキャンされて露光されるときに、縮小された露光領域３４が一回でパターン露光されてもよい。そして、ステップ領域３２が露光されると、ステージ１２が（相対的に）移動して、次のステップ領域３８に露光が行われる。
ステージ１２は、ウェーハ２０を横切るようにステップ方式で位置を移動し、各ステップの位置でレチクルのイメージをスキャンする。また高い生産量を達成するため、ステージ１２は短時間で急加速されてから、次のステップ領域へ正確に移動して静止する。そして、イメージをスキャンした後に次のステップ領域へ移動する。
ここで注意しなければならないことは、ウェーハ２０の上面には少なくとも一つの水滴４０が出現することがあるという点である。水滴４０は、ノズル１８によるかけ過ぎで発生したり、ステージ１２のスキャンやステップ移動またはその他の原因により発生したりする。
図２に示すように、水滴４０は露光されていないウェーハ２０のステップ領域３８上にある。ステージ１２がウェーハ２０を移動させると、このステップ領域３８は位置合わせされて新しいパドルを受け、少なくとも一つの空気気泡が形成される。
図３および図４に示すように、パドル２４が水滴（図３の水滴４０ａ、図４の水滴４０ｂ）に接近する際、空気をパドルと水滴との間に閉じ込めるか否かは接触角（図３の接触角５０ａ、図４の接触角５０ｂ）が非常に重要となる。図３に示すように、水滴４０ａの接触角５０ａは比較的大きい（例えば約８５度である）。そのため、大量の空気５２ａが閉じ込められて気泡が発生した。図４に示すように、水滴４０ｂの接触角５０ｂは約６０度である。これにより空気５２ｂは実質上閉じ込められずに、気泡は発生しない。実験から分かるように、接触角はその他の角度でもよいが、４０〜８０度の間であることが好ましい。
接触角５０ａ、５０ｂは、ウェーハ２０の最上層５４の組成物により制御することができる。最上層５４は、フォトレジストや上層反射防止膜（Top ARC）など、様々な層にすることができる。ある実施形態のフォトレジスト層は、単独でパターン化されたマイクロエレクトニクス構造の形成に使用されてもよいし、その他の実施形態では少なくとも一つの反射防止膜が使用されてもよい。また、レンズが汚染されないように上層反射防止膜を使用してもよい。一般にフォトリソグラフィ工程で使用される上層反射防止膜は遠紫外線（Deep Ultra Violet：ＤＵＶ）を透過させ、下層のフォトレジストに合致するインデックスを有する。
最上層５４は、界面活性剤、ポリマーまたはそれらの組合せを含む。最上層５４の疎水性が強すぎる場合、図３に示すように空気５２ａが発生する。また最上層５４の親水性が強すぎる場合、水が親水性層へ拡散して膨張する（またはその反対）可能性があった。そして膨張が発生すると、リソグラフィ工程の結果は悪化した。従って、親水性と疎水性との間のバランスには、最上層５４の処理、流体（例えば水）２２の調整またはそれら両方を行うことが望ましかった。
（モノマー比率）
親水性と疎水性との間の接触角を得るため、ポリマーフォトレジストまたは上層反射防止膜のモノマー比率を調整する。下記のポリマーは親水性として知られている。
ポリ（ビニールアルコール） ＰＶＡＬ
ポリ（ビニールクロライド） ＰＶＣ
ポリアミド ＰＡ
ポリ（アクリル酸） ＰＡＡ
ポリアクリロニトリル ＰＡＮ
ポリ（エチレンオキシド） ＰＥＯＸ
ポリ（ビニールアセテート） ＰＶＡＣ
ポリ（ビニールブチラール） ＰＶＢ
ポリ（ｐ−ヒドロキシスチレン） ＰＨＳ
親水性と疎水性との間の接触角を得るため、ポリマーフォトレジストまたは上層反射防止膜のモノマー比率を調整する。下記のポリマーは親水性として知られている。
ポリ（ビニールアルコール） ＰＶＡＬ
ポリ（ビニールクロライド） ＰＶＣ
ポリアミド ＰＡ
ポリ（アクリル酸） ＰＡＡ
ポリアクリロニトリル ＰＡＮ
ポリ（エチレンオキシド） ＰＥＯＸ
ポリ（ビニールアセテート） ＰＶＡＣ
ポリ（ビニールブチラール） ＰＶＢ
ポリ（ｐ−ヒドロキシスチレン） ＰＨＳ
同様に、下記のものは親水性のセルロースである。
セルロースアセテート ＣＡ
セルロースアセテートブチレート ＣＡＢ
セルロースアセテートプロピオネート ＣＡＰ
セルロースナイトレート ＣＮ
セルロースプロピオネート ＣＰ
エチルセルロース ＥＣ
セルロースアセテート ＣＡ
セルロースアセテートブチレート ＣＡＢ
セルロースアセテートプロピオネート ＣＡＰ
セルロースナイトレート ＣＮ
セルロースプロピオネート ＣＰ
エチルセルロース ＥＣ
さらに、一般の商業用の親水性コポリマーは、ポリエチレンオキシド（Polyethylene Oxide：ＰＥＯ）と、結晶性ポリアミド、ポリウレタンまたはポリエステル（ＰＢＴ）からなるコポリマーである。これらの材料を使用すると、疎水性材料を親水性にすることができる。下記のポリマーは疎水性として知られる。
シリコーン
ポリエチレン ＰＥ
ポリ（フェニレンオキシド） ＰＰＯ
ポリ（フェニレンスルフィド） ＰＰＳ
ポリスチレン ＰＳ
ポリエチレン ＰＥ
ポリ（フェニレンオキシド） ＰＰＯ
ポリ（フェニレンスルフィド） ＰＰＳ
ポリスチレン ＰＳ
さらに、疎水性として知られる酸不安定官能基を有するポリマーは以下のものを含む。
ポリ（４−ｔ−ブトキシカルボニルオキシスチレン） ＰＢＯＣＳＴ
（添加物）
この最上層５４のモノマー比率を調整するため、添加物は一緒に使用したり単独で使用したりすることができる。また、疎水性ポリマーの親水性をさらに向上させるため、次の末端基を加えてもよい。
ヒドロキシル ＯＨ
アミド ＣＯＮＨ
カルボキシ ＣＯＯＨ
この最上層５４のモノマー比率を調整するため、添加物は一緒に使用したり単独で使用したりすることができる。また、疎水性ポリマーの親水性をさらに向上させるため、次の末端基を加えてもよい。
ヒドロキシル ＯＨ
アミド ＣＯＮＨ
カルボキシ ＣＯＯＨ
さらに、添加物を水２２へ加えて所望する接触角を得てもよい。
（その他の処理）
さらに、所望する接触角を得るため、その他の処理を別々に用いてもよいし、上述した少なくとも一つの処理と組合せて用いてもよい。例えば、最上層５４をプラズマ源へ露光するなどといった物理的処理を行ってもよい。また、上述した添加物の一つを最上層５４へスプレーして化学的処理を行ってもよい。さらに他の実施形態では、フッ素ポリマーを用いて上層反射防止膜のポリマーを調整してもよい。
さらに、所望する接触角を得るため、その他の処理を別々に用いてもよいし、上述した少なくとも一つの処理と組合せて用いてもよい。例えば、最上層５４をプラズマ源へ露光するなどといった物理的処理を行ってもよい。また、上述した添加物の一つを最上層５４へスプレーして化学的処理を行ってもよい。さらに他の実施形態では、フッ素ポリマーを用いて上層反射防止膜のポリマーを調整してもよい。
本発明では好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではなく、当該技術を熟知するものなら誰でも、本発明の主旨と領域を脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って本発明の保護の範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。
１０ 液浸リソグラフィシステム
１２ ステージ
１４ ステージ制御機構
１６ レンズ
１８ ノズル
２０ ウェーハ
２２ 水
２４ パドル
３０ ボックス
３２、３８ ステップ領域
３４ 露光領域
３６ 方向
４０、４０ａ、４０ｂ 水滴
５０ａ、５０ｂ 接触角
５２ａ、５２ｂ 空気
５４ 最上層
１２ ステージ
１４ ステージ制御機構
１６ レンズ
１８ ノズル
２０ ウェーハ
２２ 水
２４ パドル
３０ ボックス
３２、３８ ステップ領域
３４ 露光領域
３６ 方向
４０、４０ａ、４０ｂ 水滴
５０ａ、５０ｂ 接触角
５２ａ、５２ｂ 空気
５４ 最上層
Claims (12)
- 基板および最上層を備える半導体デバイスであって、
前記最上層は、前記基板上に形成され、液浸リソグラフィ工程中に用いられて流体液滴のような混合物を有し、前記液浸リソグラフィ工程で前記混合物に４０〜８０度の間の接触角を持たせることを特徴とする半導体デバイス。 - 前記最上層は、界面活性剤または一部が親水性に調整されたポリマーを含むことを特徴とする請求項１記載の半導体デバイス。
- 前記最上層は、４０〜８０度の間の接触角を形成する添加物を有するフォトレジスト層または上層反射防止膜であることを特徴とする請求項１記載の半導体デバイス。
- 前記最上層は、フッ素ポリマーで調整することを特徴とする請求項３記載の半導体デバイス。
- 前記最上層は、プラズマ処理により接触角が４０〜８０度の間に調整されていることを特徴とする請求項２記載の半導体デバイス。
- 前記最上層は、添加物のスプレーにより接触角が４０〜８０度の間に調整されていることを特徴とする請求項２記載の半導体デバイス。
- レンズ下に半導体ウェーハを設置するステップと、
前記半導体ウェーハの最上層と前記レンズとの間に流体を設置するステップと、
前記半導体ウェーハの最上層の上面に形成されている流体液滴の接触角を４０〜８０度の間にする添加物を加えるステップと、
を含むことを特徴とする半導体ウェーハ上に液浸リソグラフィを行う方法。 - 前記液体は水であり、該水に前記添加物を加えることを特徴とする請求項７記載の半導体ウェーハ上に液浸リソグラフィを行う方法。
- 前記最上層は、前記添加物により一部が親水性に調整されたポリマーを含むことを特徴とする請求項７記載の半導体ウェーハ上に液浸リソグラフィを行う方法。
- 前記最上層はフォトレジスト層または上層反射防止膜であることを特徴とする請求項７記載の半導体ウェーハ上に液浸リソグラフィを行う方法。
- 前記添加物は、前記最上層のモノマー比率を調整して接触角を４０〜８０度の間にすることを特徴とする請求項７記載の半導体ウェーハ上に液浸リソグラフィを行う方法。
- 前記添加物は、スプレー化学処理により提供されるフッ素ポリマーであることを特徴とする請求項１１記載の半導体ウェーハ上に液浸リソグラフィを行う方法。
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