JP2008522403A - フォトレジストパターンの形成方法 - Google Patents

Abstract

フォトレジストパターンを形成するための方法は、凝縮性種を有する半導体ウェーハをケミカルフィルタフォトリソグラフィーシステム内に配置する段階と、ケミカルフィルタフォトリソグラフィーシステム内で化学種を半導体ウェーハから脱着する段階とを含む。化学種を脱着する段階の後に、フォトレジストが、ケミカルフィルタフォトリソグラフィーシステム内で半導体ウェーハに塗布される。次にフォトレジストは、ケミカルフィルタフォトリソグラフィーシステム内でエネルギーに露光されフォトレジストパターンを形成する。

Description

発明の詳細な説明

（技術分野）
本発明は一般に、フォトレジストパターンの形成に関し、より具体的には、凝縮性種を除去してフォトレジストパターンを形成することに関する。

（背景技術）
半導体デバイスの特徴部を形成する１つの一般的な方法は、半導体デバイス上にフォトレジストパターンを形成して、下地層内に該パターンを複製するものである。フォトレジストパターンにおけるあらゆる欠陥は、下地層に転写されることになり、歩留まりの低下を引き起こす可能性がある。従って、フォトレジストパターンが欠陥を最小限にした所望のパターンを含むことが重要である。発生し得る１つの欠陥は、大規模高密度アレイのビアにおけるビア又はビアの一部の欠落であり、これが好ましくない歩留まりの低下を生じる。

欠陥は、多くの場合、処理による汚染物質によって形成される。そのような汚染物質を低減するために、フォトレジストを堆積する前に半導体ウェーハを清浄化するために、通常は灰化プロセスが行われる。しかしながら、ビアの全部及び一部の両方は依然として欠落している場合が多い。従って、大規模高密度アレイのビアにおけるビアの欠落を防止して歩留まりを向上させるニーズが存在する。

（発明を実施するための最良の形態）
本発明は、同い参照符号が同じ要素を示す添付図面によって限定ではなく例証として図示される。

図は、本発明の１つの実施形態によるフォトレジストパターン形成のプロセスフローを示す。

当業者であれば、図中の各要素が簡略化及び明瞭にする目的で図示されており、必ずしも縮尺通りに描かれていない点は理解される。例えば、図中の要素の幾つかの寸法は、本発明の実施形態への理解を深める助けとなるように他の要素に対して誇張されている場合がある。

発明者らは、ビアの一部又はビア全体自体が、ビアの位置において浮遊分子状汚染物質から発生するレジスト被毒に起因して大規模高密度アレイから欠落することを発見した。凝縮性種の存在は、フォトレジストが放射線に曝露される時に、光化学反応の増幅が低下することによって、酸を中和して、レジスト被毒を引き起こす。従来技術は、灰化プロセスを用いて半導体ウェーハから有機物及び凝縮性種を清浄除去するが、本発明者らは、該灰化が十分ではないことを見出した。更に、本発明者らは、局所クリーン化技術（ＳＭＩＦポッド）のようなコンテナ内での半導体ウェーハの収容は、レジスト被毒を引き起こす望ましくない凝縮性種がコンテナ内へ漏出する可能性があることに起因して、高密度領域におけるビア全体又は部分的ビアの欠落の防止には不十分であると考える。この問題は、コンテナ内に半導体ウェーハが置かれ、フォトレジスト層を塗布するように処理されない時間が長くなる程拡大することになる。

ビアの印刷性を防止するためには、凝縮性種がケミカルフィルタ環境内で脱着されて、凝縮性種を形成することができる環境に半導体ウェーハを曝露することなく、半導体ウェーハ上にフォトレジストが堆積される。図１に示す本発明の実施形態を参照することにより、このプロセスを更に詳細に理解することができる。

第１に、半導体ウェーハ１２はプラズマ環境に曝露され、１つの実施形態ではこれは灰化プロセス１４である。半導体ウェーハ１２は、あらゆる外形寸法（例えば２００又は３００ミリウェーハ）のウェーハとすることができ、単結晶シリコン、ガリウムゲルマニウム、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）、及び同様のもの、並びに上記の組合せのようないずれかの種類のウェーハとすることができる。更に、半導体ウェーハ１２は、フォトレジスト層が使用される半導体デバイスの製造フローにおけるいずれのステージに存在してもよい。例えば半導体ウェーハ１２は、フォトレジスト層がビア又はゲートの形成に必要となるステージに存在してもよい。従って、半導体ウェーハ１２は、多数の層、及び場合によってはウェーハ上又は内部に形成される半導体デバイスを有することができる。

灰化ステージ１４では、有機物及び凝縮性種を除去するのに酸素プラズマが使用される。従来技術では、該プロセスは、浮遊分子状汚染物質に対して保護すると考えられていたが、本発明者らは、半導体ウェーハがフォトリソグラフィーツールに移送されているときに、凝縮性種が半導体ウェーハ上に再堆積するように見えることを発見した。更に灰化ツールがフォトリソグラフィーツールの一部である場合でも、凝縮性種が半導体ウェーハ上に形成される可能性があり、従って、このような種の脱着が更に望ましい場合がある。灰化ステージ１４と後続の第１の加熱プロセス１６との間の時間期間が長すぎる（例えば約６時間より長い又は約４時間よりも長い）場合には、半導体ウェーハ１２が灰化ステージ１４後の待機中に余りにも多くの汚染物質が半導体ウェーハ１２上に形成される可能性があるので、灰化ステージ１４を繰り返すことが望ましい場合がある。

本明細書で使用する凝縮性種は、フォトリソグラフィーを化学的に妨げる何らかの浮遊分子とすることができる。凝縮性種は、本明細書でパーティクルと呼ばれるものと区別することができる。パーティクルは、フォトリソグラフィーを機械的に妨げる物質である。多くの場合、パーティクルは、製造環境のツール又は他の装置から半導体ウェーハ上に落下するため半導体ウェーハ表面上に存在する。凝縮性種は、化学式がＣ_６Ｈ_４（ＣＯＯＣ_８Ｈ_１７）_２であり、その構造式を以下に図示することができるフタル酸ジオクチル（ＤＯＰ）を含む。

また凝縮性種は、化学式ＮＨ_３を有するアンモニア、又は化学式Ｃ_５Ｈ_９ＮＯを有し以下にその構造式を図示することができるＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）のようなアミンを含むことができる。

加えて、凝縮性種は、交互するシリコン原子及び酸素原子の主鎖を有するシロキサンのような他の化学物質を含むことができる。メチル基、フェニル基、又はビニル基のような有機基をシリコンに結合させることができる。例えばポリジエチルシロキサンは、シロキサンである。

凝縮性種を熱脱着するために、半導体ウェーハは、ケミカルフィルタ環境１０内に置かれ、１つの実施形態では該ケミカルフィルタ環境は、外部環境よりも清浄となるようにツール内部の空気を化学的にろ過するフォトリソグラフィーツールである。ケミカルフィルタ環境１０内にある場合、半導体ウェーハ１２は、プリ・ベークと呼ぶことができる第１の加熱プロセス１６に曝露される。１つの実施形態では、加熱プロセス１６は、約１５０℃以上の温度、より具体的には約１７０℃以上の温度、更により具体的には約１８０℃以上の温度で行われる。しかしながら、約１８０℃よりも高い温度は、温度の上昇がどのような改善も提供できず、望ましくないことにはより多くのエネルギーを必要とすることにより製造コストを上昇させる恐れがあるので必要ではない可能性がある。従って、１つの実施形態では、加熱温度は、約１５０℃から１８０℃までの間、又はより具体的には約１７０℃から１８０℃までの間である。１つの実施形態では、本明細書における全ての加熱ステージは、加熱プレートを使用して半導体ウェーハ１２を加熱し、規定温度は、加熱プレート又はその近傍で計測された温度である。加熱時間の長さは、プロセスの他のステージのタイミングに基づいて選定することができる。例えば別の半導体ウェーハが約６０秒後にプロセス内の別のステージに移送される場合には、約６０秒が望ましいとすることができる。１つの実施形態では、この６０秒は、チャンバがほぼ一定の温度にある時間であり、換言すれば、この６０秒は、立ち上がり及び立ち下がり時間を含まない。可能であれば、他のプロセスステージに概ね等しくなるように加熱プロセスを時間調整することによって、半導体ウェーハ１２が加熱ステージの後に次のステージを待機する必要性が排除され、更に加熱プロセスがプロセスにおけるボトルネック（即ち、最も遅いステージ）となることでプロセス全体を減速させるのが回避される。

第１の加熱ステージ１６の後、冷却ステージ１７を必要とすることができる。使用されるフォトリソグラフィーツールは、半導体ウェーハ１２を高温チャンバ内に移動又は配置するのに使用できるロボットアーム（「高温ロボットアーム」）と、半導体ウェーハ１２を冷却チャンバ内に移動又は配置するのに使用できる別のロボットアーム（「冷却ロボットアーム」）とを有することができる。高温ロボットアームは加熱ステージ１６用チャンバに入ることができるが、フォトリソグラフィーツールは、高温ロボットアームが接着ステージ１８用チャンバに入るのを阻止することができ、これは、高温の半導体ウェーハ１２を接着ステージ１８用チャンバに入れることが安全性上の問題となる可能性があることに起因する。（接着層は、高温の半導体ウェーハ上に堆積されたときに揮発性となる可能性がある。）従って、冷却ステージ１７を使用して、半導体ウェーハ１２を冷却することができる。高温ロボットアームは、半導体ウェーハ１２を加熱ステージ１６用チャンバから冷却ステージ１７用チャンバに移送可能とすべきである。その後、冷却ロボットアームは、冷却された半導体ウェーハを接着ステージ１８に移送することができる。１つの実施形態では、冷却される半導体ウェーハは、概ね室温（約２１℃）に達するまで冷却される。１つの実施形態では、半導体ウェーハ１２は、約４５秒間冷却される。１つの実施形態では、本明細書における全ての冷却ステージは、冷却プレート又はチルプレートを使用することによって行われる。しかしながら、加熱ステージ１６と同様に、特定のフォトリソグラフィープロセス全体を適合させるように時間を選定することができる。

１つの実施形態では、半導体ウェーハ１２の冷却後、半導体ウェーハ１２は、冷却ロボットアームとほぼ同様のロボットアームによって接着ステージ１８に移送される。接着ステージ１８の間、接着を更に向上させるためのプリレジストコーティング又は接着層が半導体ウェーハ１２上に堆積される。１つの実施形態では、接着層は、ヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）のようなシリル化プライム剤である。ＨＭＤＳは、いずれの表面のＯＨ基を除去するよう化学反応する。熱が存在することで、ＨＭＤＳは酸素と反応して半導体ウェーハ１２に結合するトリメチルシリル基（Ｓｉ［ＣＨ_３］_３）を形成する。１つの実施形態では、接着ステージ１８の温度は、約１２０℃のような約１００℃以上である。１つの実施形態では、接着ステージは、約５０から７０秒、又は好ましくは約６０秒である。

半導体ウェーハ１２上に接着層を形成した後、半導体ウェーハ１２を冷却し、その後に塗布されるフォトレジストが気泡化及び溶融するのを防止することができる。従って、１つの実施形態では、半導体ウェーハ１２は、冷却ロボットアームを用いて第２の冷却ステージ２０用のチャンバに移送することができる。１つの実施形態では半導体ウェーハ１２は、概ね室温まで約４５秒間冷却される。

冷却後、半導体ウェーハ１２は、例えばロボットアームの１つを用いてレジスト塗布ステージ２２に移送される。１つの実施形態では、レジスト塗布ステージ２２において、レジストは、半導体ウェーハ１２上にスピンコーティングされる。レジスト溶液がディスペンサ２３から半導体ウェーハ１２に塗布された後、半導体ウェーハ１２は、レジストを半導体ウェーハ１２全体に均一に塗布するようにスピン又は回転される。スピンは、フォトレジストが実質的に乾燥するまで継続することができる。乾燥したフォトレジストのビードが半導体ウェーハ１２の外周に沿って生じた場合、ビードが剥げ落ちてパーティクルを生成し、汚染問題を引き起こす可能性を排除するために、乾燥フォトレジストを除去する必要がある。１つの実施形態では、深紫外線（ＤＵＶ）レジストのような化学増幅型フォトレジストを使用することができる。更に、ＥＳＣＡＰ（環境的安全／安定化化学的変化フォトレジスト）を使用することができるが、いずれのフォトレジスト材料を使用してもよい。

フォトレジストの塗布後、半導体ウェーハ１２は、例えばロボットアームを用いてソフト・ベーク又は塗布後ベークと呼ぶことができる第２の加熱ステージ２４に移送される。ソフト・ベークは、フォトレジスト内の分子を架橋させるために行われる。ソフト・ベークはまた、フォトレジストからあらゆる溶媒を除去することができ、フォトレジスト内の応力を低下させることによってフォトレジストの接着性を向上させることができる。１つの実施形態では、ソフト・ベークは、約１３０℃の温度で約６０秒間行われるが、別の温度及び時間を用いてもよい。

ソフト・ベーク後、取り扱いを容易にするためなど、様々な理由のために半導体ウェーハの温度が後続のプロセス中に過度に高温にならないように、半導体ウェーハを冷却することができる。従って、半導体ウェーハ１２は、第３の冷却ステージ２６用のチャンバに移送することができる。１つの実施形態では、半導体ウェーハ１２は、概ね室温まで約４５秒間冷却される。

１つの実施形態ではステッパー又はスキャナを用いて、半導体ウェーハ１２を一度に１つの領域に整列させ露光する。例えば、半導体ウェーハ１２は、特定の領域内（通常レチクルフィールドと呼ばれる）に整列されて露光され、次いでステッパーステージ又はスキャナステージで、半導体ウェーハ１２がツールの適切な部分に移動され、これによって別の領域が整列され露光されるようになる。上述のように、ステッパーが半導体ウェーハ１２を整列させると、続いて半導体ウェーハ１２が露光されることになる。

整列及び露光ステージ３０の間、マスク３１は、半導体ウェーハ１２上に置かれ、放射線を用いてマスク３１のパターンに基づいたフォトレジストが露光される。放射線は、フォトレジスト内に光化学反応又は形質転換をもたらす。レジスト被毒が発生した場合には、該反応の増幅は低下することになる。放射線は、波長２４８又は１９３ナノメータを有する光線のような、いずれかの望ましい放射線とすることができる。半導体ウェーハ１２の領域の１つがステッパー内で露光された後、ステッパーは、半導体ウェーハ１２に対してマスクを移動させ、半導体ウェーハ１２の別の（通常は隣接する）部分を露光するようにする。整列及び露光ステージ３０においてステッパーを繰り返し用いて、最終的に露光領域の格子を生成するようにする。

半導体ウェーハ１２の所望の領域の全てが露光された後に、露光後ベークと呼ばれる場合がある第３の加熱ステージ３２が行われる。露光後ベークは、酸触媒を活性化させ、フォトレジスト内の潜像を形成する。１つの実施形態では露光後ベークは、約１３０℃の温度で約６０秒間行われる。

露光後ベークにおいて潜像が形成された後、半導体ウェーハ１２を冷却することができる。従って、半導体ウェーハ１２は、第４の冷却ステージ３４用のチャンバに移送することができる。１つの実施形態では半導体ウェーハ１２は、概ね室温まで約４５秒間冷却される。

潜像がフォトレジスト内で最終像となるために、半導体ウェーハ１２は、第４の冷却ステージ３４で冷却された後現像ステージ３６を受ける。１つの実施形態では、現像ステージ３６は、ノズル３７が回転中の半導体ウェーハ１２上に現像剤３９をスプレーするスプレー式現像システムを用いて行われる。図示していないが、現像ステージ３６後に現像剤を除去するために、引き続きリンス、乾燥、及び加熱プロセスを実行することができる。

最終像がフォトレジスト内に形成された後、半導体ウェーハ１２は、ケミカルフィルタ環境１０から出ることができる。１つの実施形態では、最終像が所望通りであるのを検証するために、現像後検査（ＡＤＩ）４０が行われる。ＡＤＩ４０の間、光学式顕微鏡、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、又はレーザシステムのようなツールを用いて、フォトレジストパターンを検査することができる。検査中に測定される可能性が高いフォトレジストの特性は、膜品質、像品質、及び欠陥を含む。例えば、いずれかのビア又はビアの一部の欠落の有無を測定するために、高密度アレイのビアを検査することができる。フォトリソグラフィープロセスの結果が許容可能である（例えば、高密度アレイ内に全てのビアが存在する）場合には、半導体ウェーハ１２は、フォトレジストパターンを用いて下地層をエッチングする後続の処理のために転送される。パターンが許容可能でない場合には、フォトレジスト層を除去する（剥ぎ取る）ことができ、フォトリソグラフィープロセスを繰り返すことができる。

現時点で、凝縮性種のような浮遊汚染物質を現場で熱脱着するための方法が提供されたことを理解されたい。更に半導体ウェーハは、汚染物質が原因のビアの欠落の可能性を大幅に低下又は排除する汚染物質の無い環境で処理される。ビア（又は他のフォトリソグラフィーパターン又はパターンの一部）の欠落を低減することによって歩留まりが向上する。

上記明細書において、特定の実施形態に関して本発明を説明してきた。しかしながら、当業者であれば、添付の請求項に記載された本発明の範囲から逸脱することなく様々な修正及び変更を行うことができる点が理解される。従って、本明細書及び図は、限定ではなく例証の意味で見なすべきであり、全てのこのような修正は本発明の範囲に含まれるものとする。利点、他の長所、及び問題に対する解決策を特定の実施形態に関して上記で説明してきた。しかしながら、利点、特徴、問題解決策、及びいずれかの利点、特徴、又は解決策を生じさせより顕著にすることができるいずれかの要素は、請求項のいずれか又は全ての重要な、又は必要な、或いは必須の特徴又は要素として解釈すべきではない。

更に、本明細書及び請求項における用語「前方」、「後方」、「頂部」、「底部」、「上」、「下」及び類似のものは、あったとしても説明の目的で使用されており、必ずしも恒久的な相対位置を記述する訳ではない。このように使用される用語は、本明細書で説明した本発明の実施形態が、例えば図示され又は本明細書で説明された方向以外の異なる方向で動作可能であるような適切な環境下で同義である点は理解される。本明細書で使用する用語「含む」、「含んでいる」、又は他のいずれかの変形形態は、記載された要素を含むプロセス、方法、物品、又は装置が、これらの要素だけを含むのではなく、そのようなプロセス、方法、物品、又は装置に明確に明示的に記載されていない又は本来備わっていない他の要素を含むことができるように、非排他的包含を含むものとする。本明細書で使用する単数形は、１つ又は１つよりも多いものとして定義される。

本発明の１つの実施形態によるフォトレジストパターン形成のプロセスフローを示す図である。

符号の説明

１２ 半導体ウェーハ
１４ 灰化プロセス
１６ 加熱プロセス
１７ 冷却ステージ
１８ 接着ステージ
２０ 第２の冷却ステージ
２２ レジスト塗布ステージ
２３ ディスペンサ
２４ 第２の加熱ステージ
２６ 第３の冷却ステージ
３０ 整列及び露光ステージ
３１ マスク
３２ 第３の加熱ステージ
３４ 第４の冷却ステージ
３６ 現像ステージ
３７ ノズル
３９ 現像剤
４０ 現像後検査（ＡＤＩ）

Claims (16)

1. フォトレジストパターンを形成するための方法であって、
   半導体ウェーハを準備する段階と、
   前記半導体ウェーハをプラズマ環境に曝露する段階と、
   前記半導体ウェーハを前記プラズマ環境に曝露する段階の後に、前記半導体ウェーハの上面から凝縮性種を脱着する段階と、
   前記凝縮性種を脱着する段階の後に、前記半導体ウェーハの上面にフォトレジストを塗布する段階と、
   エネルギーに前記フォトレジストを曝露して前記フォトレジストパターンを形成する段階と、
   を含む方法。
2. 前記凝縮性種を脱着する段階が、前記半導体ウェーハを加熱する段階を含む請求項１に記載の方法。
3. 前記半導体ウェーハを加熱する段階が、約１５０℃よりも高い温度まで前記半導体ウェーハを加熱する段階を含む請求項２に記載の方法。
4. 前記半導体ウェーハを加熱する段階の後で且つ前記半導体ウェーハに前記フォトレジストを塗布する段階の前に、前記半導体ウェーハを冷却する段階を更に含む請求項２に記載の方法。
5. 前記半導体ウェーハを加熱する段階の後で且つ前記半導体ウェーハの上面にフォトレジストを塗布する段階の前に、接着層を堆積させる段階を更に含む請求項１に記載の方法。
6. 前記凝縮性種を脱着する段階、前記フォトレジストを塗布する段階、及び前記半導体ウェーハをエネルギーに曝露する段階が、ケミカルフィルタフォトリソグラフィーシステム内で行われることを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. フォトレジストパターンを形成するための方法であって、
   凝縮性種を有する半導体ウェーハをケミカルフィルタフォトリソグラフィーシステム内に配置する段階と、
   前記ケミカルフィルタフォトリソグラフィーシステム内で前記化学種を前記半導体ウェーハから脱着する段階と、
   前記化学種を脱着する段階の後に、前記ケミカルフィルタフォトリソグラフィーシステム内でフォトレジストを前記半導体ウェーハに塗布する段階と、
   前記ケミカルフィルタフォトリソグラフィーシステム内で前記フォトレジストをエネルギーに曝露して前記フォトレジストパターンを形成する段階と、
   を含む方法。
8. 前記凝縮性種を脱着する段階が、前記半導体ウェーハを加熱する段階を含む請求項７に記載の方法。
9. 前記半導体ウェーハを加熱する段階が、約１５０℃よりも高い温度まで前記半導体ウェーハを加熱する段階を含む請求項８に記載の方法。
10. 前記半導体ウェーハを加熱する段階の後で且つ前記半導体ウェーハの上面にフォトレジストを塗布する段階の前に、接着層を堆積させる段階を更に含む請求項７に記載の方法。
11. 前記化学種を脱着する段階の前に前記半導体ウェーハをプラズマ環境に曝露する段階を更に含む請求項７に記載の方法。
12. フォトレジストパターンを形成するための方法であって、
    凝縮性種を有する半導体ウェーハを準備する段階と、
    前記半導体ウェーハをツール内で加熱して前記凝縮性種を脱着する段階と、
    前記ツール内で前記半導体ウェーハにフォトレジストを塗布する段階と、
    前記フォトレジストをエネルギーに曝露してフォトレジストパターンを形成する段階と、
    を含む方法。
13. 前記凝縮性種を脱着する段階が、前記半導体ウェーハを加熱する段階を含む請求項１２に記載の方法。
14. 前記半導体ウェーハを加熱する段階が、約１５０℃よりも高い温度まで前記半導体ウェーハを加熱する段階を含む請求項１３に記載の方法。
15. 前記半導体ウェーハを加熱する段階の後で且つ前記半導体ウェーハの上面にフォトレジストを塗布する段階の前に、接着層を堆積させる段階を更に含む請求項１２に記載の方法。
16. 前記化学種を脱着する段階の前に前記半導体ウェーハをプラズマ環境に曝露する段階を更に含む請求項１２に記載の方法。

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