JP2010135609A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】半導体ウェーハとその上に形成される膜との密着性を向上させる半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】本発明の半導体装置の製造方法は、半導体ウェーハ１０上に下地膜１３を形成する工程と、半導体ウェーハ１０と下地膜１３との間にそれら両者の反応層１４を形成するベーク処理を行う工程と、下地膜１３を除去して反応層１４のみを半導体ウェーハ１０上に残すウェット処理を行う工程と、反応層１４上にレジスト膜１５を形成する工程と、レジスト膜１５に対する選択的露光及び現像を行いレジスト膜１５を選択的に除去しレジスト膜１５をパターニングする工程と、パターニングされたレジスト膜１５をマスクにして半導体ウェーハ１０に対する処理を行う工程と、を備えている。
【選択図】図１
【解決手段】本発明の半導体装置の製造方法は、半導体ウェーハ１０上に下地膜１３を形成する工程と、半導体ウェーハ１０と下地膜１３との間にそれら両者の反応層１４を形成するベーク処理を行う工程と、下地膜１３を除去して反応層１４のみを半導体ウェーハ１０上に残すウェット処理を行う工程と、反応層１４上にレジスト膜１５を形成する工程と、レジスト膜１５に対する選択的露光及び現像を行いレジスト膜１５を選択的に除去しレジスト膜１５をパターニングする工程と、パターニングされたレジスト膜１５をマスクにして半導体ウェーハ１０に対する処理を行う工程と、を備えている。
【選択図】図１
Description
本発明は、半導体装置の製造方法に関する。
レジストのパターニングの際にレジスト直下に反射防止膜を用いない単層レジストパターニングプロセスにおいて、その問題点の一つに、レジストパターンとウェーハとの界面に現像液やリンス液が浸入したり、リンス液の表面張力などにより、レジストパターンが剥がれてしまう問題がある。特に、ウェーハ表面材質が水溶性の場合にレジスト剥がれが起きやすい。
ウェーハとレジストとの密着性を高める方法として、ウェーハ表面を疎水化する方法が一般に行われている。この疎水化処理としては、ＨＭＤＳ（Hexamethyldisilazane：ヘキサメチルジシラザン）の蒸気雰囲気に表面をさらす方法がある（例えば特許文献１）。
現在、半導体装置の高性能化、複雑化に伴い、レジストを使ったパターニング対象の膜種は増加の一途であり、単層レジストプロセスにおいてもあらゆる膜種に対して安定したパターニング性能を発揮することが要求されている。しかし、特に膜種が水溶性である場合、ＨＭＤＳ処理を行ってもレジストとウェーハとの界面への現像液やリンス液の浸入を十分に抑止することができなかった。
特開２００２−１２４５７８号公報
本発明は、半導体ウェーハとその上に形成される膜との密着性を向上させる半導体装置の製造方法を提供する。
本発明の一態様によれば、半導体ウェーハ上に下地膜を形成する工程と、前記下地膜を形成後、前記半導体ウェーハと前記下地膜との間にそれら両者の反応層を形成する工程と、前記下地膜を除去して、前記反応層のみを前記半導体ウェーハ上に残す処理を行う工程と、前記反応層上にレジスト膜を形成する工程と、前記レジスト膜をパターニングする工程と、前記パターニングされたレジスト膜をマスクにして、前記下地膜に対する処理を行う工程と、を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
本発明によれば、半導体ウェーハとその上に形成される膜との密着性を向上させる半導体装置の製造方法が提供される。
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
［第１実施形態］
図１〜図３に、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の製造方法の要部工程を示す。
図１〜図３に、本発明の第１実施形態に係る半導体装置の製造方法の要部工程を示す。
図１（ａ）に本実施形態における半導体ウェーハ１０を示す。本実施形態では、基板１１上に被加工膜１２が形成されて半導体ウェーハ１０が構成される。例えば、基板１１はシリコン基板であり、被加工膜１２はシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）である。そのシリコン酸化膜は、例えばスパッタ法で１０ｎｍ程の厚さに形成される。
次に、コータ・デベロッパー装置を用いて、図１（ｂ）に示すように、被加工膜１２上に下地膜１３を形成する。本実施形態では、下地膜１３として、例えば非感光性の現像液可溶型反射防止機能を有する材料を用いる。その材料は、回転塗布法により液状の状態で被加工膜１２上に塗布され、その後、例えば１６０℃で９０秒間ベーク処理されて溶剤成分が除去され、膜厚５０ｎｍの下地膜１３が得られる。また、このベーク処理により、被加工膜１２と下地膜１３との相互作用で生じたそれら両者の反応層１４が、被加工膜１２と下地膜１３との界面に形成される。この反応層１４は非常に薄く例えば２ｎｍほどである。また、この反応層１４はカーボン（炭素）を含む有機層である。
次に、下地膜１３をウェット処理により除去する。具体的には、コータ・デベロッパー装置内の現像ユニットにより、アルカリ系の現像液を用いた現像を３０秒間行い、下地膜１３を除去する。このときの現像液に対して上記反応層１４は不溶であり、図１（ｃ）に示すように被加工膜１２上には反応層１４が薄く残される。
次に、図２（ａ）に示すように、反応層１４上にレジスト膜１５を例えば３００ｎｍの厚さに形成する。このレジスト膜１５は、露光により酸を発生して現像液に対して可溶となるポジ型の化学増幅型レジストである。
次に、図示しないレチクルを用いて、光をレジスト膜１５に対して選択的に照射（露光）した後、アルカリ系の現像液を用いた現像を行うことで、図２（ｂ）に示すようにレジスト膜１５を選択的に除去する。すなわち、レジスト膜１５は露光を受けて酸が発生した部分が現像液に対して可溶となり除去される。
このレジスト膜１５現像時の現像液に対して下地の反応層１４は不溶であり、図２（ｂ）に示すように、レジスト膜１５の現像後も反応層１４は被加工膜１２の全面に残ったままである。そして、例えばカーボンを含む有機層である反応層１４と、現像時に残されたレジスト膜１５との密着性は高く、さらに反応層１４は疎水性であることもあって、現像液やリンス液がレジスト膜１５と反応層１４との界面に浸入し難い。そのため、現像・リンス時におけるレジスト膜１５の剥離を防ぐことができる。
本発明者等は、前述した工程により、ハーフピッチが２００ｎｍのラインアンドスペースパターンにレジスト膜１５のパターニングを行ったところ、被加工膜１２全面にわたってレジスト膜１５パターンが剥がれを生じることなく安定して形成されたのを確認できた。
なお、レジスト膜１５の下地に対する密着性を高めて剥離を防ぐという点では、下地膜１３を除去せずにそのまま被加工膜１２上に残して、その下地膜１３上にレジスト膜１５を形成して、レジスト膜１５の露光及び現像を行うという方法も考えられる。
レジスト膜１５の下に形成され、レジスト膜１５との密着性が高い膜としては、現状、容易に入手できるものとして、反射防止膜が挙げられる。このレジスト下に形成される反射防止膜（BARC:Bottom Anti-Reflection Coating）としては、現在、非感光性の現像液可溶型反射防止膜が主流となっているが、その理由はレジストとのケミカルなインタラクションが小さいため、レジストをあまり選ばずに使用できる利点があるためである。
しかし、この非感光性の現像液可溶型反射防止膜は、非露光部においても、レジスト現像時の現像液に対して可溶であるため、それを下地膜１３として残したままレジスト膜１５の現像を行うと、図６に示すように、非露光部のレジスト膜１５の下の部分の側面側も横方向からエッチングされてしまい、下地膜１３が細くなってレジスト膜１５を安定して支えることができず、レジスト膜１５の倒れや、被加工膜１２上からの剥離などを引き起こす可能性が懸念される。
これに対して、本実施形態では、非感光性の現像液可溶型反射防止膜を下地膜１３として用いても、前述したように、下地膜１３を除去して被加工膜１２との反応層１４のみを薄く残し、その反応層１４の上にレジスト膜１５を形成し、その状態でレジスト膜１５に対する露光及び現像を行う。したがって、レジスト膜１５の下の層が図６に示すように細くなってしまうことがなく、数ｎｍ程度の薄い反応層１４を介してレジスト膜１５を安定して被加工膜１２に対して密着させることができる。
図２（ｂ）に示すレジスト膜１５のパターニングの後、残されたレジスト膜１５をマスクにしてウェット処理を行い、露出している反応層１４及びその下の被加工膜１２を選択的に除去し、被加工膜１２をパターニングする（図３（ａ））。
次に、レジスト膜１５及びその下の反応層１４を除去し（図３（ｂ））、基板１１上に残された被加工膜１２をマスクにして、基板１１に対してイオン注入、ウェット処理などの各種処理が行われる。
［第２実施形態］
次に、図４は本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造方法の要部工程を示す。
次に、図４は本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造方法の要部工程を示す。
本実施形態では、上記第１実施形態と同様に反応層１４上にレジスト膜１５を形成する工程まで行われた後、レジスト膜１５上に反射防止膜１６（TARC:Top Anti-Reflection Coating）を例えば４０ｎｍの厚さに形成する。そして、その反射防止膜１６が形成された状態で、レジスト膜１５に対する露光及び現像が行われ、レジスト膜１５がパターニングされる。
本実施形態では、反射防止膜１６を形成することで、露光光の反射を抑えてレジストパターンの形状精度を高くすることができる。なお、反応層１４を形成するための下地膜１３として前述したような非感光性の現像液可溶型反射防止膜を用いた場合にも、反応層１４は若干ではあるが反射防止機能を有し、その反応層１４がBARC（Bottom Anti-Reflection Coating）として機能し、レジストパターンの形状精度の向上が期待できる。
前述した第１、第２実施形態において、被加工膜１２としては、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）を例示したが、それに限らず、例えば、Ａｌ２Ｏ３膜、Ｓｉ膜、ＴｉＮ膜などであってもよい。
［第３実施形態］
次に、本発明をインプリントリソグラフィに適用した第３実施形態について説明する。
次に、本発明をインプリントリソグラフィに適用した第３実施形態について説明する。
インプリントリソグラフィは、テンプレート又はモールドと呼ばれる型をレジストに接触させることにより、テンプレート表面に形成されたパターンの反転パターンをレジストに転写することを特徴とする。
インプリントリソグラフィにおける問題点の一つとして、ウェーハとレジストの密着性不足に起因するレジスト剥がれがある。これは、テンプレートをレジストに接触させたときに、テンプレートとレジストとの密着性の方が、レジストとウェーハとの密着性よりも大きい場合に起こると考えられており、解決策として、テンプレート表面に剥離層を形成することによってテンプレートとレジストの密着性を低下させたり、レジストとウェーハの間に密着層を設けたりすることによりレジストとウェーハの密着性を高める方法が提案されている。
本発明者等は、インプリントリソグラフィの分野における長年の開発経験において、ウェーハ表面がシリコン酸化膜の場合にレジストとウェーハとの密着性が特に低く、その場合、ウェーハ表面上に有機膜を塗布して密着層を形成することが有効であることを確認している。しかしながら、現在一般的に用いられている密着層は、その膜厚が数ｎｍ程度と極めて薄いため、局所的に膜が塗布されていないピンホール欠陥の発生が懸念される。しかしながらその薄さのために、欠陥の検出が極めて困難である。
量産現場においては、塗布膜のダストや膜厚の品質管理を定期的に行うことにより、膜の品質が一定になるようにコントロールを行うが、上記密着層は塗布欠陥の品質管理が事実上不可能であるため、安定した欠陥レベルを達成することが困難であり、その解決策が求められていた。
本発明者等は鋭意検討を行った結果、１ｎｍ弱〜数ｎｍの有機樹脂層を、ピンホール欠陥を発生させることなく、しかも安定した膜厚で形成する方法を見出した。
図５に、本発明の第３実施形態に係る半導体装置の製造方法の要部工程を示す。
図５（ａ）に本実施形態における半導体ウェーハ２０を示す。本実施形態では、基板２１上に被加工膜２２が形成されて半導体ウェーハ２０が構成される。例えば、基板２１はシリコン基板であり、被加工膜２２はシリコン酸化膜である。シリコン酸化膜は、例えばＣＶＤ（chemical vapor deposition）法または塗布法で形成される。
被加工膜２２の上には下地膜としてレジスト膜２３（第１のレジスト）が形成される。このレジスト膜２３は、露光光（電子線も含む）に感応して酸を発生する酸発生剤と、その酸の作用によりアルカリ現像液に可溶となる樹脂成分とを含有するポジ型の化学増幅型レジストである。このようなレジスト膜２３としては、一般的なＡｒＦリソグラフィ用化学増幅型ポジレジスト、ＫｒＦリソグラフィ用化学増幅型ポジレジスト、電子線リソグラフィ用化学増幅型ポジレジストなど、露光光源に応じて各種化学増幅型レジストを用いることが可能である。
このレジスト膜２３の種類によって、後工程にて得られる密着層として機能する薄膜の膜厚が異なることを本発明者等は見出している。インプリントリソグラフィに用いる樹脂との密着性を考慮して、レジスト膜２３の適切な材料が選択される。
また、レジスト膜２３の膜厚は、数１０ｎｍ〜数μｍの範囲であれば特に問わない。レジスト膜２３のダスト等の品質管理は市販に供されている光学式検査装置等を用いて行うことができる。
次に、レジスト膜２３の全面に露光を行う。これにより、レジスト膜２３中に酸が発生し、露光後にさらにベーク処理を行って、発生した酸を拡散させる。これにより、レジスト膜２３はアルカリ系の現像液に対して可溶となる。
そして、アルカリ系の現像液を用いてレジスト膜２３を除去する。このとき、レジスト膜２３の全てが除去されるわけではなく、図５（ｂ）に示すように、レジスト膜２３における被加工膜２２と接する側の一部（以下密着層２４（または反応層）とする）が残る。これは、レジスト膜２３と被加工膜（本実施形態ではシリコン酸化膜）２２との界面でそれら両者の反応が生じ、レジスト膜２３の現像液に対して不溶またはエッチング選択性のある膜が形成されたと考えられる。密着層２４は、膜厚が１ｎｍ弱〜数ｎｍと極めて薄く、被加工膜２２全面に均一に残存する。
次に、図５（ｃ）に示すように、密着層２４の上にレジスト２５（第２のレジスト）を供給した後、一方の表面側にパターン５０ａが形成されたテンプレート５０をレジスト２５の表面に押し付けて接触させる。さらに、レジスト２５を硬化することで、テンプレート５０のパターン５０ａの反転パターンがレジスト２５に転写形成される。
その後、テンプレート５０をレジスト２５から離す。そして、本実施形態によれば、レジスト２５は密着層２４を介して半導体ウェーハ２０に対して高い密着力で密着されているため、テンプレート５０の引き離し時にレジスト２５が半導体ウェーハ２０から剥がれることを防止できる。
また、密着層２４は非常に薄いものであるが、その薄い層は、直接被加工膜２２上に形成されたものではなく、前述したように、被加工膜２２上にレジスト膜２３を形成した後にそのレジスト膜２３を除去した結果、被加工膜２２との界面に残ったものである。レジスト膜２３は比較的厚く形成されるので、その欠陥レベルや膜厚コントロールが容易であり、したがって、そのレジスト膜２３に起因する密着層２４も欠陥レベルを一定以下に抑えた良質なものを形成できる。
なお、テンプレート５０を使ったパターン転写におけるレジスト２５の硬化工程は、半導体ウェーハ２０を加熱しながらテンプレート５０をレジスト２５に押し付け、その後半導体ウェーハ２０を降温させてからテンプレート５０を離すいわゆる「熱式」で行ってもよいし、あるいは、液状に塗布した紫外線硬化型のレジスト２５に対して透明なテンプレート５０を押し付けて紫外線を照射してレジスト２５を硬化させた後に、テンプレート５０を離すいわゆる「紫外線照射式」で行ってもよい。
前述のようにレジスト２５にパターンが転写形成された後、そのパターンが形成されたレジスト２５をマスクにして、下地の被加工膜２２の加工（例えばドライエッチング）が行われ、被加工膜２２がパターニングされる。
本発明者等は、シリコン基板表面にシリコン酸化膜を有する場合において、前述したような効果が得られることを確認しているが、極薄膜である密着層２４形成の推定メカニズムから考えると、被加工膜２２としてはシリコン酸化膜の他にもポーラスな膜であれば前述したのと同様な効果が得られるものと思われる。
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、それらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
前述した第１〜第３実施形態においては、半導体ウェーハとしては基板とその表面に形成された被加工膜からなる構成を例示したが、基板のみから半導体ウェーハが構成される形態にも本発明は適用可能である。例えば、シリコン基板表面に、直接、下地膜を形成し、基板表面と下地膜との界面に反応層を形成した後下地膜を除去し、残った反応層上にレジスト膜を形成し、そのレジスト膜をパターニングして基板表面を選択的に露出させ、イオン注入などを行ってもよい。
１０…半導体ウェーハ、１１…基板、１２…被加工膜、１３…下地膜、１４…反応層、１５…レジスト膜、２０…半導体ウェーハ、２１…基板、２２…被加工膜、２３…レジスト膜、２４…密着層、２５…レジスト、５０…ナノインプリント用テンプレート
Claims (5)
- 半導体ウェーハ上に下地膜を形成する工程と、
前記下地膜を形成後、前記半導体ウェーハと前記下地膜との間にそれら両者の反応層を形成する工程と、
前記下地膜を除去して、前記反応層のみを前記半導体ウェーハ上に残す処理を行う工程と、
前記反応層上にレジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜をパターニングする工程と、
前記パターニングされたレジスト膜をマスクにして、前記下地膜に対する処理を行う工程と、
を備えたことを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記反応層は、前記レジスト膜のパターニング時に用いられる現像液に対して不溶であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
- 前記反応層は炭素を含む有機層であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
- 前記レジスト膜をパターニングする工程は、前記レジスト膜に凹凸パターンが形成されたテンプレートを接触させる工程と、前記レジスト膜を硬化する工程と、前記テンプレートを前記レジスト膜から離す工程と、を有することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
- 前記下地膜を、前記下地膜全面を露光した後に除去することを特徴とする請求項４記載の半導体装置の製造方法。
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