JP2007013163A - 半導体基板への液浸リソグラフィ方法および液浸リソグラフィプロセスで用いる処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レジストからの溶解性物質が液浸流体を汚染したり、露光後ベークの間に、不均一な熱吸収と蒸発をレジストにもたらしたり、リソグラフィプロセスで後に使用されるＣＲＡが制限される問題を解決する。
【解決手段】半導体基板への液浸リソグラフィ方法は、半導体基板１０の表面上にレジスト層１４を提供するステップと、液浸リソグラフィ露光装置を用いて、レジスト層１４を露光するステップと、からなる。液浸リソグラフィ露光装置は、露光プロセス中に流体２６を利用し、露光後に、流体２６の全部ではないが、その一部を除去可能である。露光後、処理プロセスが利用され、レジスト層１４から、液体の残留部６０を除去する。処理プロセス後、露光後ベークと現像の各ステップが利用される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体デバイスの製造に関するものであり、より詳しくは、半導体基板からフォトレジストの残留物を除去する方法と装置に関するものである。

リソグラフィは、半導体ウェハのような基板上に、マスク上のパターンが投影されることによるメカニズムである。例えば、半導体フォトリソグラフィの分野では、解像限界若しくは臨界寸法（ＣＤ）の下で、最小の機能サイズを組み込んだ半導体ウェハに、イメージを形成することが必要となってくる。現在、この臨界寸法は、６５ナノメータ以下に達する。

一般的な半導体フォトリソグラフィは、半導体ウェハの上表面（例えば、薄膜スタック）にフォトレジストのコーティングを塗布するステップと、フォトレジストをパターンに露光するステップとを含んでいる。また多くの場合、露光後ベークが行なわれ、ポリマーベース材料であることが多い露光したフォトレジストを固着させる。固着されたポリマーフォトレジストは、その後で現像室に移送され、露光したポリマーが水溶性の現像液に溶けて、除去される。結果的に、ウェハの上表面に、パターン化されたフォトレジストの層が存在することになる。

液漬リソグラフィは、フォトリソグラフィにおける新しい進展であり、ウェハの表面とレンズとの間の空間を液体で満たした状態で、露光処理が行なわれる。液漬リソグラフィを使用すると、レンズを空気中で使用する場合よりも、より大きな開口数が確立されて、解像度が向上する。さらに、液漬により、今までよりもより小さい形状を印刷する場合に、より深い焦点深度（ＤＯＦ）が得られる。

液浸露光ステップは、ウェハとレンズとの間の空間中に、脱イオン水，或いは他の適正な液浸露光流体を使用することがある。露光時間は短いが、流体とフォトレジスト（レジスト）との組み合わせは、従来予測できなかった問題を引き起こす。例えば、プロセス後に、流体からの溶滴が残ったり、および／または、流体とレジストから出る残留物が、パターン化や限界寸法やレジストの他の性能に悪影響を与えたりする。限定する意図は無いが、少なくとも３種類の不良作用が確認されている。

第１の不良作用は、レジストからの溶解性物質が液浸流体を汚染し、その後のプロセスで問題を生じる、ということである。第２の不良作用は、液体がレジストに悪影響を与えた場合に発生し、露光後ベーク（ＰＥＢ）の間に、不均一な熱吸収と蒸発をレジストにもたらす、ということである。この結果、ウェハの様々な部分で温度状態が異なってくる。第３の不良作用は、流体がレジストの中へ拡散する際に発生し、リソグラフィプロセスで後に使用されるＣＲＡ（化学増幅反応）を制限する、ということである。これらの不良作用を無くすのが、本発明からの利点を受けるのに必要であることが理解されるが、ここでは、上記各不良作用を例として提示する。

一つの実施例において、半導体基板上に液浸リソグラフィを実施する方法は、半導体基板の表面上にレジスト層を供給し、液浸リソグラフィ露光装置を使用してレジスト層を露光することから構成される。この液浸リソグラフィ露光装置は、露光中に流体を利用し、露光後に、流体の全体ではないが、流体のある部分を除去できるようになっている。露光後に、液体の残留部分をレジスト層から除去するために、処理プロセスを使用する。この処理の後に、露光後ベークと現像ステップが使用される。

ある実施例において、前記処理ステップは、流体を使用する。この流体は、ＣＤＡ（清潔な、および／または圧縮した乾燥空気），Ｎ２，またはＡｒのようなガスとすることができる。このガスは、超臨界二酸化炭素，イソプロピルアルコール，脱イオン洗浄水，酸性溶液，および／または界面活性剤のような液体が可能である。

ある実施例において、脱水ステップが利用される。脱水ステップは、1000回転／分（rpm）以上の回転毎分で、動作可能である。

ある実施例において、この処理ステップは、露光後ベークに先行して行なわれるプリベークプロセスを利用する。

ある実施例において、この処理ステップは、真空プロセスを利用する。

本発明の別な実施例において、液浸リソグラフィプロセスで用いる処理装置が提供される。この処理装置は、液浸リソグラフィプロセスで使用されるリソグラフィ流体とは異なる処理流体を注入する流体注入装置を備えている。また、この処理装置は、リソグラフィ流体のあらゆる残存部と処理流体とを共に除去する手段を備えている。

ある実施例では、流体注入装置は、ＣＤＡ，Ｎ２，またはＡｒのガスの中の一乃至複数を注入する。他の実施例では、液体注入システムは、流体注入装置は、超臨界二酸化炭素，イソプロピルアルコール，脱イオン水リンス，酸性溶液，および／または界面活性剤の内の一乃至複数を注入する。

ある実施例では、この処理装置は脱水機構を備えている。他の実施例では、処理装置は真空装置を備えている。

ある実施例では、処理装置は、液体を注入するノズルと、脱水機構と、真空装置とを備えている。

これらおよびその他の実施例により、幾つかの様々な利点が存在する。残留する水滴を除去することに加えて、液浸ヘッドにおけるエアパージ圧力を増加させずに、多くの処理ステップを実施することが可能になる。ウェハ１０に対してより良好な温度状態を得ることができ、レジスト１４の表面は修正されない。多くのステップでは隔離室を必要とせず、また多くのステップは、処理時間，材料，および／または処理能力の点で、非常に低コストとなる。

以下、本発明を実行するのに最も良く考えられたモードを記述する。この記述は、本発明の大まかな原理を説明する目的でなされているが、限定した意味に考えるべきではない。本発明の範囲は、添付の請求の範囲を参照することにより決定するのが、最良である。

図１を参照すると、半導体ウェハ１０は、基板１２とパターニング層１４とを備えている。基板１２は、パターン化するのに望ましい多結晶（poly），金属，および／または誘電体を含み、一乃至複数の層からなる。パターニング層１４は、フォトレジスト（レジスト）層であり、パターンを生成するための露光プロセスに反応する。ここでのウェハ１０は、液浸リソグラフィ装置２０において処理中の状態で示されている。

図２を参照すると、液浸リソグラフィ装置２０は、一つの例として、レンズ装置２２と、脱イオン水のような流体２６を収容する構造体２４と、流体を加えたり除去できるような様々な隙間２８と、レンズ装置２２に対してウェハ１０を固定したり動かしたりするチャック３０とを備えている。流体収容構造体２４とレンズ装置２２は、液浸ヘッド２０ａに組立てられる。液浸ヘッド２０ａは、「エアパージ」として、乾燥のために空気をウェハに追い出す隙間（例えば、隙間２８ａ）と、パージされたあらゆる流体を除去する他の隙間の幾つかを利用することができる。エアパージ２８ａ単独では、ウェハ１０から流体２６の全てを排除するのが不十分であってもよい。

図３を参照すると、ここでは一般的な液浸リソグラフィプロセスを完了した後のウェハ１０が示されている。ウェハ１０は、液浸リソグラフィプロセス中に発生した欠陥５０を含む。この欠陥は、パターン化されたレジスト中におけるウォータマークや、残留物や、外部からの粒子に相当し、或いは、レジストにおける変形や「ホール」（欠落パターン）に相当する。さらには、別な種類の欠陥が存在してもよい。仮に、ウォータマークタイプの欠陥を除去するために、露光後ベーク（ＰＥＢ）の時間と温度を増加させた場合には、異粒子および／または他の欠陥の尤度が増加することに、注意すべきである。

再度図１を参照すると、欠陥をもたらす第１の不良作用は、レジスト１４からの溶解性物質が、残留した流体粒子６０を汚染し、それが後のプロセスにおいて問題を引き起こす、ということである。液浸ヘッド２０ａの下側に位置していないウェハ１０の一部は、２つの残留した流体粒子６０を有するものとして示されている。この残留した流体粒子６０は、レジスト１４からの溶解性物質，流体２６，もしくはそれらを組み合わせたものからなる。流体粒子６０は、リソグラフィプロセスに続く後の各ステップ中に、欠陥を形成する可能性がある。

図４を参照すると、図３に示すような欠陥をもたらす第２の不良作用は、（図２に示すような）流体２６がレジスト１４に悪影響を与えて、露光後ベーク（ＰＥＢ）の間に、不均一な熱吸収と蒸発をレジスト１４に起こす、ということである。図４において、ウェハ１０の３つの異なる部分６２，６４，６６が、例として説明するために示されている。流体滴２６ａの存在によって、部分６２は、露光後ベーク中に部分６４，６６よりもかなり低い温度状態となる可能性がある。この結果、この部分６２に近接するレジスト１４は、他の部分６４，６６に近接するレジストとは、異なった状態に処理される。

図５を参照すると、欠陥をもたらす第３の不良作用は、流体滴２６ａがレジスト１４の中に拡散し、リソグラフィプロセスで後に使用されるＣＡＲ（化学増幅反応）を制限する、ということである。この図は、レジスト１４と、内部に液体２６が拡散したレジスト１４ａの部分の拡大図を示している。注目すべきは、液体２６は非常に素早くレジスト１４に浸透する、ということである。拡散した液体は、ＣＡＲ反応を制限し、従って、レジスト１４はパターンに対応することができなくなる（或いは、質の悪いパターンを作成する）。ウェハ１０から、できるだけ早く、液体２６を取り除くことが望ましい。

図６を参照すると、ここには欠陥の数が減少した液浸リソグラフィプロセスの実施例について、簡単なフローチャートが示されている。ステップ１０２において、レジスト１４が、ウェハ基板１２の表面の全体を覆って形成される。レジスト１４は、ネガ型若しくはポジ型のレジストであり、既知の材料、或いは今後この目的のために開発される材料から成ってもよい。例えば、レジスト１４は、1つの，２つの，或いは複数の構成要素からなるレジスト系でもよい。レジスト１４の塗布は、スピンコーティング、若しくは他の好適な手段で行なわれる。レジスト１４の塗布前に、ウェハ１０は、フォトリソグラフィプロセスに対して備えるために、初期プロセスを行ってもよい。例えば、レジスト１４の塗布前に、ウェハ１０を洗浄したり、乾燥したり、および／または接着促進材料で表面を覆ったりしてもよい。

ステップ１０４において、液浸露光ステップが行なわれる。ウェハ１０とレジスト１４は、脱イオン水などの液浸露光流体２６中に浸され、レンズ２２を通過する放射線光源に露光される（図２）。この放射線光源は、例えば、フッ化クリプトン（ＫｒＦ，248nm）、フッ化アルゴン（ＡｒＦ，193nm）、或いは、Ｆ_２（157nm）エキシマレーザのような紫外線光源とすることができる。ウェハ１０は、使用されるレジストの種類，紫外線光源の強さ，および／またはその他の要因に応じて、所定の時間、この放射線に露光される。露光時間を、例えば約０．２秒から約３０秒間持続させてもよい。

ステップ１０６において、処理プロセスが実施される。この処理プロセスは、直前または次のプロセスのステップと共に、その場で実施されるか、または隔離室において実施される。上述した不良作用の問題を低減する助力に使用可能な、幾つかの固有の処理プロセスが存在する。これらのプロセスは、個々に独立して、または種々の組み合わせで、使用可能である。

図７を参照すると、一乃至複数の液体１２０が、処理プロセス１０６に対して加えられる。液体120は、一乃至複数のノズル１２１により供給することができる。ある実施例において、単一のノズルが、ウェハ１０の中心点からウェハ外端部に向かって揺動する。液体１２０は、超臨界ＣＯ_２，アルコール（例えば、メタノール，エタノール，イソプロパノール（ＩＰＡ），および／またはキシレン），界面活性剤，および／または清潔な脱イオン水（ウェハ１０上の残留物として残る「汚れた」液体よりも清潔な）などの物質を含むことができる。

ある実施例では、超臨界液は、二酸化炭素（ＣＯ_２）を含んでいる。すなわち、超臨界ＣＯ_２が使用される。超臨界ＣＯ_２は、他のプロセス中に使用されてきたが、これまでＰＥＢの前の処理プロセスとして使用されたことはない。米国特許第6,656,666号，およびツァング（Zhang）氏らによる、ジャーナル・オブ・バキューム・サイエンス・アンド・テクノロジー 2004年 B22（２） 818頁（J.Vac.Sci.Technol B22（２） p.818(2004））に掲載された「炭化水素界面活性剤を有する超臨界二酸化炭素における化学的機械的フォトレジストの乾燥」という論文は、何れも超臨界ＣＯ_２の使用を記述しており、これらの両文献は、参考のために本明細書に取り入れられる。但し、上記の参考文献は、本発明におけるプロセスのステップには当てはまらず、さらには、これらの文献に開示された処理プロセスは、別な従来のプロセスに対して追加の処理材料を含んでいるが、本発明では、これを必要としない。

同様に、ＩＰＡなどの溶剤が、ウェットエッチ処理に続く乾燥剤として使用されるが、これは今まで、ＰＢＥ前の処理プロセスとして使用されたことはなかった。さらに、ウェットエッチングのプロセスでは、ウェハを垂直に設置するが、液浸では、通常、ウェハを水平に設置する。このＩＰＡは水と混合して、蒸発点を改善（低減）し、それにより迅速に蒸発が行なわれるようになる。

図８を参照すると、一乃至複数のガス１２２を処理ステップ１０６に付加することが可能である。ガス１２２は、一乃至複数のノズル１２３により供給される。ある実施例において、単一のノズルが、ウェハ10の中心点からウェハの外端部に向かって揺動する。ガスの例としては、パージ乾燥プロセス用の濃縮／清浄乾燥ガス（ＣＤＡ），Ｎ２，或いはＡｒを含む。

別な実施例において、隔離室を必要とし、若しくは必要としない真空プロセス１２４が、乾燥を促進するために使用することが可能である。真空１２４は、一乃至複数のノズル１２５により供給される。さらに、この真空プロセス１２４は、液体の沸点を低くし、この結果、処理プロセスを容易にする。

図９を参照すると、処理ステップ１０６に脱水プロセス１２６を用いることができる。脱水プロセス１２６は、モーター１２７により与えられる高速スピンドライ（例えば、1000rpmより高い回転毎分）を含んでいる。脱水は、上述した一乃至複数の他の処理プロセスと組み合わせることで、特に良く動作し、通常、その場で実施可能である。例えば、1500rpmで行なわれる脱水プロセスと同時、或いは当該脱水プロセスの直後に、脱イオン洗浄水がノズルを経由して分配され、どのような汚れた流体溶滴も分解し、および／または清浄化する。ある実施例において、ノズルは、ウェハの表面上の全域に亘って揺動可能であり、回転するウェハ１０の中心から端部に向かって、残留する液体の移動を容易にする。脱イオン水の代わりに、或いは、脱イオン水に加えて、（純粋または希薄な）ＩＰＡリンス（洗浄）を利用することができ、水の蒸発点を改善し、および／またはウェハ１０の表面張力を改善する。

再び図６を参照すると、ステップ１０８において、露光され乾燥したレジスト１４を有するウェハ１０は、次に、ポリマー溶解のための露光後ベーク（ＰＥＢ）を行なうために、加熱される。このステップは、露光されたフォト酸をポリマーと反応させ、ポリマー溶解を行なわせるものである。一例として、ウェハは約８５℃から約１５０℃の温度で、約３０秒から約８０秒の間加熱される。

ある実施例においては、ＰＥＢステップ１０８よりも先に、第１低温度ベーク（例えば、上述した「通常」のＰＥＢ温度と考えられる温度の８０％の温度で）を行なうことが可能であり、これはウェハ１０から、存在する流体２６のある程度を除去するのに役立つ。上記のように、水滴除去のためにＰＥＢの時間を単に増やすことは、やはり、他の種類の欠陥を招くことになる。ここでの低温度プリベークを採用すれば、ＰＥＢに対する時間を増やすことにより生じる問題は、減少若しくは除去される。

ステップ１１０では、パターンの現像処理が、露光した（ポジ）レジスト、或いは露光していない（ネガ）レジスト上で行なわれ、所望するマスクパターンが残る。ある実施例においては、ウェハ１０は、レジスト１４の一部分が溶解し除去される所定時間の間、現像液に浸される。例えば、約５秒から約６０秒の間、ウェハ１０を現像溶液に浸してもよい。現像溶液の組成は、レジスト１４の組成に依存しており、この技術分野においては周知のものであることが理解される。

液浸リソグラフィプロセスが行なわれる半導体ウェハの側部断面図である。 液浸リソグラフィ装置の側面図である。 一乃至複数の欠陥を受けた図１，図４，および／または図５における半導体ウェハの図である。 液浸リソグラフィプロセスが行なわれる半導体ウェハの側部断面図である。 液浸リソグラフィプロセスが行なわれる半導体ウェハの側部断面図である。 本発明の一乃至複数の実施例に基づき、欠陥が減少する液浸リソグラフィプロセスの実施方法を示すフローチャートである。 図６の液浸リソグラフィプロセスで使用される種々の処理プロセスの図である。 図６の液浸リソグラフィプロセスで使用される種々の処理プロセスの図である。 図６の液浸リソグラフィプロセスで使用される種々の処理プロセスの図である。

符号の説明

１２ 基板
１４ レジスト
２６ 流体

Claims (14)

1. 半導体基板の表面上にレジスト層を供給するステップと、
   露光中に流体を利用する液浸リソグラフィ露光装置を用いて、前記レジスト層を露光するステップと、
   前記流体のいかなる残留部をも除去するために、露光後と露光後ベークの前に前記レジスト層を処理するステップと、
   前記レジスト層に露光後ベークを行なうステップと、
   露光したレジスト層を現像するステップと、からなることを特徴とする半導体基板への液浸リソグラフィ方法。
2. 前記処理ステップは、流体を利用することを特徴とする請求項１記載の半導体基板への液浸リソグラフィ方法。
3. 前記処理ステップは、脱水ステップを更に利用することを特徴とする請求項１記載の半導体基板への液浸リソグラフィ方法。
4. 前記処理ステップは、ＣＤＡ，Ｎ２，またはＡｒのガスパージの中の一乃至複数を利用することを特徴とする請求項１記載の半導体基板への液浸リソグラフィ方法。
5. 前記処理ステップは、超臨界二酸化炭素液，イソプロピルアルコール液，界面活性剤液，脱イオン洗浄水または酸性洗浄溶液の中の一乃至複数を利用することを特徴とする請求項２記載の半導体基板への液浸リソグラフィ方法。
6. 前記処理ステップは、真空プロセスを利用することを特徴とする請求項１記載の半導体基板への液浸リソグラフィ方法。
7. 前記処理ステップは、脱水ステップ，真空プロセス，またはそれらの組み合わせを利用することを特徴とする請求項１記載の半導体基板への液浸リソグラフィ方法。
8. 前記処理ステップは、前記露光後ベークに向けてのプリベークであり、このプリベークは、前記露光後ベーク中に使用する温度よりも低い温度で行なわれることを特徴とする請求項１記載の半導体基板への液浸リソグラフィ方法。
9. 液浸リソグラフィプロセスで用いられるリソグラフィ流体とは異なる処理流体を注入する流体注入装置と、
   前記リソグラフィ流体のあらゆる残存部と前記処理流体とを共に除去する手段と、からなることを特徴とする液浸リソグラフィプロセスで用いる処理装置。
10. 前記流体注入装置は、ＣＤＡ，Ｎ２，またはＡｒのガスの中の一乃至複数を注入するものであることを特徴とする請求項９記載の液浸リソグラフィプロセスで用いる処理装置。
11. 前記流体注入装置は、基板の中心点から当該基板の端部に揺動するノズルを備えたことを特徴とする請求項１０記載の液浸リソグラフィプロセスで用いる処理装置。
12. 前記流体注入装置は、超臨界二酸化炭素，イソプロピルアルコール，または界面活性剤の中の一乃至複数を注入するものであることを特徴とする請求項９記載の液浸リソグラフィプロセスで用いる処理装置。
13. 脱水機構を更に備えたことを特徴とする請求項９記載の液浸リソグラフィプロセスで用いる処理装置。
14. 真空装置を更に備えたことを特徴とする請求項９記載の液浸リソグラフィプロセスで用いる処理装置。

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