JP2009238868A - マスクパターンの形成方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】SiCの如き光透過性を有する基板材料上に所望のレジストパターンを精度よく且つ安定に形成することができるマスクパターンの形成方法を提供する。
【解決手段】光透過性を有する半導体基板上に光反射膜を形成する。光反射膜の上にフォトレジストを形成する。半導体基板にフォーカス検出光を照射して光反射膜で反射される反射光に基づいて調整された焦点位置に原盤マスクを介して露光光を照射してフォトレジストを露光する。その後、フォトレジストの露光部分又は露光部分以外の部分を除去することによりフォトレジストにパターニング施す。
【選択図】図2
【解決手段】光透過性を有する半導体基板上に光反射膜を形成する。光反射膜の上にフォトレジストを形成する。半導体基板にフォーカス検出光を照射して光反射膜で反射される反射光に基づいて調整された焦点位置に原盤マスクを介して露光光を照射してフォトレジストを露光する。その後、フォトレジストの露光部分又は露光部分以外の部分を除去することによりフォトレジストにパターニング施す。
【選択図】図2
Description
本発明は、半導体装置の製造技術に関し、特に半導体基板上にフォトレジストパターンを形成するフォトリソグラフィ技術に関する。
半導体装置の製造工程において各種材料膜を形状加工するために用いられるフォトグラフィ技術は公知である。フォトリソグラフィ工程は、通常の写真技術と類似のプロセスステップからなっている。すなわち、ウエハ上に感光性樹脂からなるフォトレジストをコーティングするレジスト塗布工程、材料層に平面的パターンが形成されたマスクを通して露光光を照射し、マスクパターンをレジストに転写する露光工程、光化学反応を利用して転写レジストパターンを形成する現像工程を経ることにより、ウエハ上にレジストパターンが形成される。このように形成されたレジストパターンをマスクとして、後に続く被加工層のエッチングやイオン注入などが行われる。
図1に、従来のフォトリソグラフィ工程を含むウェル領域形成工程のプロセスステップの一例を示す。ウェル領域とは、半導体基板上にトランジスタ等を形成する際に基板表面に沿って形成される井戸状の不純物注入領域をいう。まず、半導体基板10を洗浄乾燥させる(図1(a))。次に半導体基板上に感光性樹脂からなるフォトレジストを例えばスピンコート法等により均一に塗布する。その後プリベークと呼ばれる熱処理を行う(図1(b))。次に、フォトレジストが形成されたウエハを露光装置にセットしてマスク100を介して紫外線などの露光光を照射してマスクパターンをフォトレジストに転写する(図1(c))。露光が終わったウエハはポストエクスポージャーベークと呼ばれるレジスト膜中の化学反応を促進させる過熱処理が行われた後、強アルカリ性の現像液がスプレーされ、露光部分のフォトレジストが除去される。現像後ウエハは専用リンス又は純水などで洗浄され、ポストベークと呼ばれる乾燥処理が施される(図1(d))。次に、ウエハ上に形成されたレジストパターンをマスクとして半導体基板10中に不純物イオンを注入し、ウェル領域12を形成する(図1(e))。続いて、ウエハ上に残っているフォトレジストをオゾンアッシングにより除去した後、硫酸洗浄を行う。以上の各ステップを経ることによりウェル領域形成工程が完了する。
ここで、図1(c)に示す露光処理においては、露光装置による1回の露光処理毎に露光装置が備えるフォーカシング検出システムで半導体基板の厚み方向の位置を計測し、その計測値を用いてフィードバック制御を行うことでウエハが搭載されるステージの基板厚み方向の位置決めを行って露光を実施する。この場合において、半導体基板の厚み方向の位置が適正に検出され、ウエハステージの位置決めにおいて適正なフィードバック制御がなされることにより、所望の形状および寸法のレジストパターンを得ることが可能となる。尚、半導体基板の厚み方向の位置検出はハロゲン光などのフォーカス検出光を半導体基板に対して斜め上方より照射して、半導体基板から反射された反射光に基づいて行われるのが一般的である。
特開2002−203785号公報
ところで、炭素とシリコンの化合物である炭化ケイ素SiC(Silicon carbide)からなる半導体は、バンドギャップが3.25eVであり従来のSi半導体に比べて3倍と広い。このため、絶縁破壊に至る電界強度が3MV/cmとなり従来のSi半導体の10倍程度大きい。また、電子の飽和ドリフト速度が高く、熱伝導性、耐熱性、耐薬品性に優れ、放射線に対する耐性もSi半導体より高いという特徴を持つ。これらの特徴により従来のSi半導体よりはるかに小型、低損失、高効率のパワーデバイスや、高周波デバイスおよび耐放射線性に優れた半導体デバイスの作成が可能となる。このため、SiCデバイスは電力、輸送、家電に加え、宇宙・原子力分野でニーズが高い。最近では、消費電力が小さく、耐熱温度が400℃でありSi半導体より高く、冷却するためのファンなどの放熱装置が必要ないという利点が注目され、ハイブリッド自動車用の半導体向けに検討が活発化している。
しかしながら、SiCは光透過性を有する透明材料であるため、SiC基板上にフォトレジストを形成する工程において問題が生じる場合がある。すなわち、SiCのように基板材料が透明又は半透明であると、基板の厚み方向の位置検出のために露光装置より照射されるフォーカス検出光は基板内部にまで透過し、基板内部や基板底面で反射されることになり、かかる反射光に基づいて基板の厚み方向の位置検出が行われることとなる。すなわち、この場合、フォーカス検出光は常に同一平面で反射されるとは限らず、基板の厚み方向の位置検出精度が低下を招く結果となる。従って、ウエハステージの基板厚み方向の位置決め制御すなわち露光光のフォーカス制御も適正に行うことができなくなり、原盤マスクのパターンをレジストに忠実に転写させることが困難となり、所望の形状および寸法どおりにレジストパターンを形成することができなくなるおそれがある。
露光装置による基板の位置検出が適正になされない場合でも、例えばウエハのあらゆる箇所において常に同一平面でフォーカス検出光の反射光が得られるならば、露光装置に一定のオフセット量を与えることにより結果的に所望のレジストパターンを形成することは可能であるが、露光装置により検出される基板の厚み方向の位置は基板やレジストの屈折率により影響を受けるところ、SiC基板のような基板内部に欠陥が多く存在するすなわち屈折率が局所的に変化しているような基板に対しては、上記の如き一定のオフセット量を与えるといった対処方法ではこれを解決することはできない。従って、従来のフォトリソ工程をそのまま適用してSiCの如き透明又は半透明の基板上にレジストパターンを形成しようとすると、露光光の焦点位置合わせが露光処理毎に不均一となり、ウエハ面内、ロット内およびロット間でレジストパターンの出来映えにばらつきが生じ、最悪の場合には露光処理が適切に行われない結果、レジストパターンそのものが形成されないといった不具合も生じ得る。
本発明は、上記した点に鑑みてなされたものであり、SiCの如き光透過性を有する基板材料上に所望のレジストパターンを精度よく且つ安定に形成することができるマスクパターンの形成方法を提供することを目的とする。
本発明のマスクパターンの形成方法は、次処理対象の半導体基板の上に光反射膜を形成するステップと、前記光反射膜の上にフォトレジストを形成するステップと、前記半導体基板にフォーカス検出光を照射して前記光反射膜で反射される反射光に基づいて調整された焦点位置にマスクを介して露光光を照射して前記フォトレジストを選択的に露光するステップと、前記フォトレジストの露光部分又は非露光部分を選択的に除去して前記フォトレジストにパターニングを施して前記マスクパターンとするステップと、を含むことを特徴としている。
以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。尚、以下に示す図において、互いに実質的に同一又は等価な構成要素又は部分には同一の参照符を付している。図2に、本発明のフォトレジストパターンの形成方法を適用した半導体装置のウェル領域形成工程のプロセスステップを示す。まず、SiC基板10を用意する。SiC基板10は、例えば窒素(N)がドーピングされた厚さ300um程度のn型の4H−SiC基板であり、光透過性を有している。SiC基板10はウエハの形態で供給される。次にSiC基板10に対して、初期洗浄が行われる。この初期洗浄には例えば硫酸過水(SPM)およびフッ化水素(HF)が用いられる。その後、洗浄液を超純水等で洗い流し、例えばスピンドライ法により乾燥処理が施される(図2(a))。
次に、シラン(SiH4)および酸素(O2)を原料ガスとして用いたプラズマCVD法によりSiC基板10上の全面にSiO2膜20を例えば300nm程度堆積させる(図2(b))。このSiO2膜は、後のイオン注入工程の際のSiC基板10表面へのダメージを緩和する表面保護層としての役割を担うものである。
次に、スパッタリング法によりSiO2膜20上の全面に平坦なタングステンシリサイド(WSi2)膜30を例えば20nm程度堆積させる(図2(c))。スパッタリング法は、高真空中でターゲットに衝突したアルゴンイオンがこれらターゲットを構成する原子をスパッタリング現象によってたたきだし、対向しているウエハ上にターゲット原子を堆積させていく方法である。このようにして形成されたWSi2膜30は、光反射性を有しており、本発明の光反射膜としての役割を担う。
次に、WSi2膜30上の全面に感光性樹脂からなるフォトレジスト11を塗布する(図2(d))。フォトレジスト11は、後のイオン注入の際のマスクとして機能し、例えば2um程度の膜厚で形成される。基板上にフォトレジスト11をコーティングするには、塗布機(コータ)が用いられる。ウエハは塗布機の回転ステージに真空チャックされ、ノズルからレジスト液をウエハ上に滴下した後、ウエハが搭載された回転ステージを高速回転させて一定膜厚のフォトレジストをコーティングする。フォトレジストの膜厚はレジスト粘度や塗布機の回転数、時間等で調整する。フォトレジストには、露光光が照射された部分が後の現像処理で除去されるポジ型と、露光光が照射された部分が後の現像処理で残るネガ型に大別される。本発明のフォトレジストパターンの形成方法においては、いずれのタイプにも適用できるが、本実施例ではポジ型を用いることとする。フォトレジスト11が塗布された後はプリベークと呼ばれる熱処理が施される。
次に、フォトレジスト11が形成されたウエハをステッパ(縮小投影露光装置)のステージにセットして、フォトレジスト11に形成する実際のマスクパターンよりも4〜10倍の大きさで作製された原盤マスク(レチクル)および縮小投影レンズ200を介してフォトレジスト11を縮小投影露光する(図2(e))。露光光の光源としては、例えばフッ化クリプトン(KrF)のエキシマレーザを用いることができる。露光光を照射する際には、上記したように、露光装置が備えるフォーカシング検出システムで基板の厚み方向の位置検出を行い、フィードバック制御により基板が搭載されたステージの基板厚み方向の位置決めを行うことにより露光光の焦点位置を調整する。このとき、基板の位置検出のためのフォーカス検出光が基板に対して斜め上方より照射される。フォーカス検出光はフォトレジスト11を透過して、WSi2膜30の表面で反射され、かかる反射光に基づいて基板の基板厚み方向の位置検出がなされる。WSi2膜30は、平坦性が保たれており、同一平面上に延在しているので、フォーカス検出光はウエハのあらゆる位置において常に同一平面で反射され、かかる反射光に基づいて露光光のフォーカス制御が行われることとなるので、光透過性を有するSiC基板であっても、露光光のフォーカス制御を適正且つ安定に行うことが可能となる。その結果、ウエハ面内、ロット内、ロット間でのレジストパターンの出来映えのばらつきを解消し、所望の形状および寸法のレジストパターンを高精度且つ安定に形成することが可能となる。尚、ステッパでは1ショットの露光が完了するとステージを1ステップ移動させて、次のショットの露光を行うステップアンドリピート動作をX−Y方向に繰り返し行うことにより、ウエハ全面について露光処理を行う。上記した基板の位置検出およびフォーカス制御は、各ステップ毎に行われる。
フォトレジスト11の露光が完了した後、ポストエクスポージャーベーク処理が行われる。続いて強アルカリ性の現像液がスプレーされ、露光部分のフォトレジストが除去される。現像後、ウエハは専用リンス又は純水など洗浄され、ポストベーク処理による乾燥処理が施される(図2(f))。
次に、臭化水素(HBr)と六フッ化硫黄(SF6)の混合ガスを用いたドライエッチングを行い、フォトレジスト11の開口部分から露出したWSi2膜30を除去する(図2(g))。このドライエッチング処理においては、ドライエッチング装置の真空引きしたチャンバーにウエハを入れ、上記エッチングガスをチャンバー内に導入し、上部電極を接地し、これに対向するウエハを保持したウエハホルダーに高周波電圧印加することによりプラズマを発生させる。これにより、電界加速されたイオンの衝突および励起されたイオンやラジカルとの化学反応によりフォトレジスト11の開口部分から露出したWSi2膜30がエッチングされる。
次に、SiO2膜20を介して、例えばボロン(B)をイオン注入することによりフォトレジスト11の開口部分より露出した基板表面に沿ってp型のウェル領域12を形成する(図2(h))。イオン注入は、イオン注入機のチャンバー内にボロンガスを導入し、これを放電によりイオン化し、電界で加速して基板表面に打ち込むことにより行われる。不純物の注入深さは注入エネルギーによって制御し、不純物の添加量はイオンのビーム電流と照射時間によって制御する。SiO2膜20は、このイオン注入の際にSiC基板10が受けるダメージを低減させる保護膜としての役割を担う。
次に、オゾン(O3)照射やO2プラズマ照射によるドライアッシング工程において基板表面に形成されたフォトレジスト11を除去する。その後、硫酸洗浄を行い、フォトレジストの残渣処理を行う(図2(i))。
次に、臭化水素(HBr)と六フッ化硫黄(SF6)の混合ガスを用いた基板全面のドライエッチングを行うことによりフォトレジスト11によって覆われていた部分のWSi2膜30を完全に除去する(図2(j))。
次に、硫酸過水(SPM)およびフッ化水素(HF)を用いた基板洗浄を実施することにより、保護膜として基板表面に形成されたSiO2膜20を除去する(図2(k))。
以上の各プロセスステップを経ることにより、ウェル領域形成工程が完了する。このように、本発明のフォトレジストパターンの形成方法によれば、フォトレジストの下方に光反射膜を形成することとしたので、SiC等の透明又は半透明の基板材料にフォトマスクを用いて加工処理を施す場合でも、フォトレジストの露光処理において基板の厚み方向の位置検出を適性かつ安定して行うことが可能となり、適正な露光光のフォーカス制御を行うことが可能となる。その結果、所望の形状および寸法どおりにレジストパターンを形成することができ、ウエハ面内、ロット内、ロット間でのレジストパターンの出来映えのばらつきが解消され、ひいては半導体装置の品質の安定化に寄与することができる。基板の位置検出のために基板表面に導入されるWSi2膜は、その後の工程で完全に除去されるのでデバイスへの影響はない。更に本発明のフォトレジストパターンの形成方法によれば露光処理において行われるチップレベリングを適正に行うことができるという効果も期待できる。チップレベリングとは露光装置の投影レンズにより形成される像面に対してウエハを平行にするための位置制御であり、フォーカス制御の場合と同様、基板に照射されたハロゲン光の反射光に基づいて制御がなされる。
次に、本発明のレジストパターンの形成方法を適用した他の実施例として図3に、STI(Shallow trench isolation)形成工程のプロセスステップを示す。まず、SiC基板10を用意する。SiC基板10は、例えば窒素Nがドーピングされた厚さ300um程度のn型4H−SiC基板であり、光透過性を有している。次にSiC基板10に対して、初期洗浄が行われる。洗浄には例えば硫酸過水(SPM)およびフッ化水素(HF)が用いられる。その後、洗浄液を超純水等で洗い流し、例えばスピンドライ法により乾燥処理が施される(図3(a))。
次に、熱酸化法によりSiC基板10の表面にSiO2膜40を成長させ、さらにその上にシラン(SiH4)とアンモニア(NH3)ガスを原料ガスとして使用したCVD法によりシリコン窒化膜(Si3N4)41を堆積させる(図3(b))。SiO2膜40およびシリコン窒化膜41はその後のトレンチ形成の際のマスクとして機能するとともにCMP平坦化の際のストッパーとしての役割も担う。
次に、シリコン窒化膜41上の全面にスパッタリング法によりタングステンシリサイド(WSi2)膜30を例えば20nm程度堆積させる(図3(c))。WSi2膜30は上記のウェル領域形成の場合と同様、露光処理における露光光のフォーカス制御のための光反射膜としての役割を担う。
次に、堆積されたWSi2膜30上の全面に感光性樹脂からなるフォトレジスト11を塗布する(図3(d))。フォトレジスト11は、スピンコート法により塗布される。フォトレジスト11が塗布された後はプリベークが施される。
次に、フォトレジスト11が形成されたウエハをステッパのステージにセットして、原盤マスク(レチクル)および縮小投影レンズ200を介してフォトレジスト11を縮小投影露光する(図3(e))。露光光の光源としては、例えばフッ化クリプトン(KrF)のエキシマレーザを用いることができる。露光光のフォーカス制御は、上記の如くフォーカス検出光の反射光に基づいて基板の厚み方向の位置検出がなされることにより行われるが、フォーカス検出光はSiC基板内部に透過せずに、WSi2膜30の表面で反射されるので、基板の位置検出を正確に行うことが可能となる。その結果、所望の形状および寸法どおりにレジストパターンを形成することができウエハ面内、ロット内、ロット間でのレジストパターンの出来映えのばらつきを解消することが可能となる。露光処理は、ステップアンドリピート動作により、ウエハ全面について行われる。フォトレジスト11の露光が完了した基板は、ポストエクスポージャーベーク処理が行われた後、強アルカリ性の現像液がスプレーされ、露光部分のフォトレジストが除去される。現像後、基板は専用リンス又は純水など洗浄され、ポストベーク処理による乾燥処理が施される。
次に、臭化水素(HBr)と六フッ化硫黄(SF6)の混合ガスを用いたドライエッチングを行い、フォトレジスト11の開口部分から露出したWSi2膜30を除去する。続いて、WSi2膜30のエッチングによってフォトレジスト11の開口部分から露出したシリコン窒化膜41およびSiO2膜40をドライエッチング処理により除去する。その後、オゾン(O3)照射やO2プラズマ照射によるドライアッシングおよび硫酸洗浄を行いフォトレジスト11を除去する。次に、フォトレジストによって覆われていた部分のWSi2膜30をドライエッチングにより除去する。SiC基板10上には、パターニングが施されたSiO2膜40およびシリコン窒化膜41の積層膜が残る(図3(f))。
次に、パターニングが施されたSiO2膜40およびシリコン窒化膜41をマスクとして、例えば六フッ化硫黄(SF6)をエッチングガスとして用いたドライエッチングによりSiC基板10にトレンチ50を形成する(図3(g))。続いて、熱酸化法によりトレンチ50の内壁に熱酸化膜51を形成する(図3(h))。
次に、例えばシラン(SiH4)と酸素(O2)を原料ガスとして使用したCVD法により、トレンチ51内を埋め込むように基板上にSiO2膜60を堆積させる(図3(i))。
次に、CMP平坦化法により、基板上に堆積されたSiO2膜60を研磨する。CMP平坦化では回転テーブル表面に貼り付けた研磨パッドに、スピンドルに固定したウエハを接触させ、シリカ粒子を含んだ研磨液(スラリー)を基板表面に流しながら研磨する。CMP平坦化は、基板上に形成されたシリコン窒化膜41が露出するまで行われる。その後、SiC基板10上に残ったシリコン窒化膜41は、熱リン酸(H3PO4)で、SiO2膜40は、フッ化水素(HF)で除去する。以上の一連の工程によりSiC基板10に素子分離領域61が形成され、STI形成工程が完了する。
このように、本発明のレジストパターンの形成方法はSTI形成工程においても適用することが可能であり、上記のウェル領域形成工程の場合と同様、WSi膜30をフォトレジストの下層に設けることにより、露光装置による基板の厚み方向の位置検出が適正且つ安定して行われるため、露光光のフォーカス制御を適正に行うことができ、所望の形状および寸法どおりにレジストパターンを形成することが可能となる。その結果、ウエハ面内、ロット内、ロット間でのレジストパターンの出来映えのばらつきが解消され、ひいては、半導体装置の品質の安定化に寄与することができる。
尚、本発明のレジストパターンの形成方法は、上記実施例以外のフォトリソ工程を伴う他のプロセスにおいても適用することが可能である。例えば、SiC基板にロコス(Local Oxidation of Silicon)法により、フィールド酸化膜を形成する工程において、部分的な酸化を行うマスクとして使用されるシリコン窒化膜をパターニングする際のレジストパターン形成にも適用することが可能である。また、ゲート電極形成工程において、基板上に堆積されたゲート電極を構成するポリシリコン膜をパターニングする際のレジストパターン形成にも適用することが可能である。更に、SiC基板に形成されたソース/ドレイン領域に電気的に接続するコンタクトプラグを形成する工程において、基板上に堆積された絶縁膜にコンタクトプラグを埋め込むべきコンタクトホールを形成する際のレジストパターン形成にも適用することが可能である。
また、上記した実施例においては光反射膜としてタングステンシリサイド(WSi2)を用いたが、光反射膜の材料としてはAl、Ti、TiN、Mo、W等の他の金属を使用することとしてもよい。また、光反射膜はスパッタ法に限らずCVD法や蒸着法を用いて形成することとしてもよく、その膜厚は、適宜変更することが可能である。
また、本発明はSiC基板が使用される半導体装置の製造工程において適用することにより顕著な効果を奏するが、他の基板、すなわち従来のバルク基板等を用いた半導体装置の製造工程において適用することが可能であり、一定の効果が得られることが期待できる。
10 SiC基板
11 フォトレジスト
20 SiO2膜
30 WSi2膜
100 マスク(レチクル)
200 縮小投影レンズ
11 フォトレジスト
20 SiO2膜
30 WSi2膜
100 マスク(レチクル)
200 縮小投影レンズ
Claims (8)
- マスクパターンの形成方法であって、
半導体基板又は前記半導体基板上に形成された下地層上に光反射膜を形成するステップと、
前記光反射膜の上にフォトレジストを形成するステップと、
前記半導体基板にフォーカス検出光を照射して前記光反射膜で反射される反射光に基づいて調整された焦点位置にマスクを介して露光光を照射して前記フォトレジストを選択的に露光するステップと、
前記フォトレジストの露光部分又は非露光部分を選択的に除去して前記フォトレジストにパターニングを施して前記マスクパターンとするステップと、
を含むことを特徴とするマスクパターンの形成方法。 - 前記半導体基板と前記光反射膜の間に保護膜を形成するステップを更に有することを特徴とする請求項1に記載のマスクパターンの形成方法。
- 前記光反射膜は、金属膜であることを特徴とする請求項1又は2に記載のマスクパターンの形成方法。
- 前記光反射膜は、平坦であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1つに記載のマスクパターンの形成方法。
- 前記フォトレジストのパターニング後に前記光反射膜を除去するステップを更に含むことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1つに記載のマスクパターンの形成方法。
- 前記半導体基板は、光透過性を有していることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1つに記載のマスクパターンの形成方法。
- 前記半導体基板はSiCであることを特徴とする請求項6に記載のマスクパターンの形成方法。
- 請求項1乃至7のいずれか1つに記載のマスクパターンの形成方法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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