JP2011071170A - パターン形成方法及びパターン形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】現像時に、処理液をミスト状に発生させてレジスト膜の現像を行うために、スプレー現像のような現像液の液滴によるレジストへのインパクト（衝撃）や、パドル現像のような基板に盛った現像液を振り切る際の現像液との摩擦によるパターン倒壊がなく、良好なレジスト膜のパターンを形成するパターン形成方法及びパターン形成装置を提供する。
【解決手段】フォトマスクまたは半導体製造の微細加工におけるレジストのパターン形成方法において、現像液及び処理液をミスト状に発生させてレジストのパターン形成を行うことを特徴とするパターン形成方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、パターン形成方法及びパターン形成装置に関し、特に、レジスト膜のパターンを形成するパターン形成方法及びパターン形成装置に関する。

近年、大規模集積回路（ＬＳＩ）等の半導体デバイスの高集積化に伴って、回路パターンのさらなる微細化が進んでいる。このような微細な回路パターンを実現するためには、回路を構成する配線パターンやコンタクトホールパターンの細線化が要求されている。これらのパターニングはフォトマスクを用いた光リソグラフィにより形成されるため、原版となるフォトマスクパターンも微細かつ高精度で形成する技術が求められている。

半導体デバイス製造における光リソグラフィは、通常、ステッパやスキャナと呼ばれる露光装置を用いて、フォトマスクパターンを４分の１にして縮小投影し、半導体デバイスにパターン転写されるのが一般的であるため、フォトマスクのパターンサイズは、半導体デバイスパターンの４倍程度の大きさである。

しかしながら、近年の光リソグラフィで転写される回路パターンのサイズは露光波長（先端の露光装置で波長１９３ｎｍ）以下のサイズとなっており、露光の際に生じる光の干渉や回折、収差などの影響で、フォトマスクのパターン通りの形状を半導体基板上のレジスト膜に転写することは困難である。

このため、実際の半導体デバイスパターンよりも複雑な形状のフォトマスクパターン（いわゆるＯＰＣパターン）や、半導体デバイスに直接転写されることのない微細な補助パターン（例えばＳＲＡＦ:Ｓｕｂ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ａｓｓｉｓｔ Ｆｅａｔｕｒｅ）などが必要とされる。これにより、実際には、フォトマスクのパターンは半導体デバイスパターンと同等もしくはそれ以上の、高いパターン加工精度と解像性が求められている。

これら、半導体デバイスの回路パターンやその原版となるフォトマスクのパターンの作製には、基板にコートされたフォトレジストや電子線レジストにパターンを露光（もしくは描画）し、その後、現像処理により所望のパターンが形成される。

従来、半導体やフォトマスク製造工程におけるレジストの現像方法は、露光もしくは現像後の基板上のレジスト表面に現像液をスプレー状の液滴にして吹き付けるスプレー現像と、基板上のレジスト表面に現像液を盛るパドル現像の２種類の方式が使用されている。（非特許文献１及び２参照）

しかしながら、スプレー現像では、液滴が大きく流速も速いために、レジスト表面へのインパクト（衝撃）が大きく、レジストパターンが倒壊してしまう問題がある。

また、これを回避するために、レジストパターンへのインパクトの小さいパドル現像が開発された。ところが、パドル現像では、現像ローディングという問題が発生する。これは、現像液がレジスト表面上を長時間滞留するため、現像液中にレジストの溶解物が溶け込み、現像液のレジスト溶解性能が低下してしまう現象である。

一般に、フォトマスクや半導体デバイスのレジストパターンには、基板面内において少なからずパターン密度の差（パターンの粗密差）があるため、パターン密度の異なるところでは、現像速度が異なり、その結果として開口寸法が異なってしまうという現象が発生する。これを改善するには、レジストの溶け込んでいないフレッシュな現像液を繰り替えし供給して、現像液の盛りと基板回転による現像液の振り切りを繰り返しているが、現像ローディングを完全にゼロにすることは出来ていない。また、このように基板の回転と現像液の盛りを繰り返すると、現像液がレジスト表面を基板中心から放射状に流れるため、現像液とレジストパターンの摩擦により、パターンが倒壊してしまう。

上述したように、スプレー現像では現像液の液滴によるレジストへインパクトによって、レジストパターンの倒壊が発生し、パドル現像では、現像液の振り切り時のレジストパターン倒壊が発生してしまう問題がある。

一方、特許文献１には、ミスト状の現像液により現像する方法が開示されている。しかし、特許文献１に記載の方法では、ミスト状の現像液をレジストパターンに強力に噴射しているため、現像液とレジストパターンの摩擦により、パターンが倒壊してしまう恐れがある。

特開２００４−２７４０２８号公報

「フォトマスク技術のはなし」、工業調査会、１９９６年８月 菊池正典著、「入門ビジュアルテクノロジー 半導体のすべて」、日本実業出版社、１９９８年１０月２５日

本発明は、現像時に、処理液をミスト状に発生させてレジスト膜の現像を行い、良好なレジスト膜のパターンを形成するパターン形成方法及びパターン形成装置を提供することである。

本発明の請求項１に係る発明は、フォトマスクまたは半導体製造の微細加工におけるレジストのパターン形成方法において、現像液及び処理液をミスト状に発生させてレジストのパターン形成を行うことを特徴とするパターン形成方法としたものである。

本発明の請求項２に係る発明は、処理液は、純水及びイソプロピルアルコールを用いることを特徴とする請求項１に記載のパターン形成方法としたものである。

本発明の請求項３に係る発明は、密閉されたチャンバと、チャンバ内に処理基板を保持するステージと、処理液をミスト状にする超音波発振機と、チャンバ内を浄化する空気導入口及び窒素導入口と、ミスト状の処理液を排出する排出口と、を備えることを特徴とするパターン形成装置としたものである。

本発明の請求項４に係る発明は、超音波発振機は、処理液を有する薬液供給システムから処理液を供給されて、ミストを発生させるミスト発生装置であり、超音波発振機から発生したミストをチャンバ内に導入するミストノズルを有することを特徴とする請求項３に記載のパターン形成装置としたものである。

本発明の請求項５に係る発明は、ステージは、上下駆動及び回転駆動する上下回転駆動部を備えていることを特徴とする請求項３または４に記載のパターン形成装置としたものである。

本発明の請求項６に係る発明は、上下回転駆動部の回転数は、２００ｒｐｍ以下であることを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれかに記載のパターン形成装置としたものである。

本発明の請求項７に係る発明は、チャンバは、その天板が傾斜していることを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれかに記載のパターン形成装置としたものである。

本発明によれば、現像時に、処理液をミスト状に発生させてレジスト膜の現像を行うために、スプレー現像のような現像液の液滴によるレジストへのインパクト（衝撃）や、パドル現像のような基板に盛った現像液を振り切る際の現像液との摩擦によるパターン倒壊がなく、良好なレジスト膜のパターンを形成するパターン形成方法及びパターン形成装置を提供することができる。

本発明の実施の形態に係るパターン形成装置を示す概略断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施例１に係るレジストパターンの形成工程を示す概略断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施例２に係るレジストパターン及びフォトマスクの形成工程を示す概略断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面参照しつつ説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るパターン形成装置１０を示す概略断面図である。図１に示すように、本発明の実施の形態に係るパターン形成装置１０は、チャンバ１００、チャンバ１００内に、処理基板１０１を保持するステージ１０２、処理液をミスト状に導入するミストノズル１０４（１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃ）、チャンバパージのための空気導入口１０７及び窒素導入口１０８、ミスト状薬液を排気するための排気口１０９を備える。ステージ１０２は、上下回転駆動部１０３によって、任意のポジションと回転数とを与えることが可能となる。また、ミストノズル１０４の上流側には、ミスト生成のための超音波発振機１０６、薬液供給システム１０５からなる。空気導入口１０７及び窒素導入口１０８、排気口１０９、ミストノズル１０４の直上には、流量を制御するためのバルブ１１１、バルブ１１２、バルブ１１０を備える。

本発明の実施の形態に係るパターン形成装置１０のチャンバ１００の天板における形状は、現像液やリンス液をミスト処理したとき、チャンバ１００の壁に結露した薬液の液滴が、処理基板に直接降りかからないように、天板には、傾斜を持たせている。これによって、結露した薬液は、自重で天板をつたってチャンバ１００側面を流れてドレイン１０９に入るようになっている。

本発明の実施の形態に係るパターン形成装置１０は、ミストによるレジスト膜のパターンにインパクト（衝撃）を軽減するため、超音波発振機１０６による生成方式を用いる。超音波発振機１０６を用いることでミストサイズを小さく、さらには、ノズルよりも上流で予め発生させておいたミストを、拡散によってノズル先端からチャンバ１００内へ導入するようにしている。これは、現像液だけでなくリンスや現像液処理前のプリウェット処理に用いる純水やＩＰＡ（イソプロピルアルコール）などの薬液ラインでも同様である。

パターン形成装置１０の処理基板１０１を保持するステージ１０２が上下回転駆動を可能にしているのは、処理基板１０１面内の分布を改善する目的であるが、その機能を使用するか否かは任意である。

次に、本発明の実施の形態に係るパターン形成方法について説明する。

まず、描画もしくは露光されたレジスト膜の塗布基板を処理基板１０１として、ステージ１０２上に配置する。次に、ミスト状に生成された現像液によって、任意の時間処理することでレジスト膜のパターン形成を行う。この際、現像液と処理基板１０１の濡れ性改善のために、現像液に先立って純水やＩＰＡなどのミストによって、プリウェット処理をしても良い。または、形成されるレジスト膜のパターンにおける処理基板１０１面内の分布改善のために、現像処理時にステージ１０２を上下駆動や回転駆動をさせても良い。この際、処理基板１０１上に結露した現像液の液滴が、処理基板１０１の回転によってレジスト膜のパターンと摩擦を生み、パターン倒壊が起こらない程度の回転数に抑える必要がある。回転数が２００ｒｐｍ以下であれば、レジスト膜のパターン倒壊は見られない。

次に、現像液を洗い流すためのリンス工程を行う。リンスには純水によるミスト処理を行う。必要に応じてステージ１０２を上下駆動や回転駆動させてよい。この際、処理基板１０１上に結露した現像液の液滴が、処理基板１０１の回転によってレジスト膜のパターンと摩擦を生み、パターン倒壊が起こらない程度の回転数に抑える必要がある。回転数は、レジスト膜のパターン倒壊が発生しない２００ｒｐｍに抑える必要がある。また、純水によるリンスに先立って、希釈現像液による処理工程を入れても良い。これは、現像液から純水に切り替わる際のｐＨの急激な変化によって、現像液中に溶解していたポリマーが再析出する現象（一般にペーハーショックと呼ばれる）を発生させないためである。

次に、乾燥工程を行う。一般的の現像では、１０００ｒｐｍ以上の回転数により純水を振り切るスピン乾燥が用いられるが、本発明の実施の形態の乾燥工程においては、処理基板１０１上に結露した現像液の液滴が、処理基板１０１の回転によってレジスト膜のパターンと摩擦を生み、パターン倒壊が起こらない程度の回転数に抑える必要がある。そのため回転数を２００ｒｐｍ以下、あるいは回転しなくても良い。したがって、本発明の実施の形態の乾燥工程は、スピン乾燥を主とするものではなく、チャンバ１００内を空気や窒素によって置換させながら、自然に乾燥させる方法を主としている。この方法では、従来の方式よりも乾燥のための時間は要するものの、レジスト膜のパターンへのダメージ（倒壊など）は少なく、微細なパターン形成ができる。

本発明の実施の形態のレジスト膜のパターン形成は、処理液をミスト状にして現像をおこなうために、レジスト膜のパターン倒壊が起こらず、良好なレジスト膜のパターンを形成できる。

以下、本発明の実施例１及び２を図２及び３を用いて説明する。

（シリコンウェハ上のレジストパターン形成）
まず、図２（ａ）に示すように、８インチのシリコンウェハ２０１を準備した。次に、図２（ｂ）に示すように、８インチシリコンウェハ２０１上に、ポジ型電子線レジストＺＥＰ５２０（日本ゼオン社製）を膜厚２００ｎｍでスピンコートし、ＰＡＢ（Ｐｏｓｔ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｂａｋｅ：塗布後ベーク）を９０℃、１２０秒間行い、レジスト膜２０２を形成した。

次に、図２（ｃ）に示すように、可変成形型の電子線描画装置ＪＢＸ９０００（日本電子社製）によって、ドーズ量９０μＣ／ｃｍ^２で、パターンサイズ４０ｎｍ〜２００ｎｍのライン＆スペースパターンを描画し、本発明のパターン形成方法によりレジスト膜２０２のパターンを形成した。

レジスト膜２０２のパターン形成方法について説明する。まず、図２（ｂ）に示したシリコンウェハ２０１とレジスト膜２０２とを図１に示す処理基板１０１としてステージ１０２にセットする。次に、図１に示すパターン形成装置１０のミストノズル１０４Ａより現像液ＺＥＤ−Ｎ５０（日本ゼオン）をミスト化し５００秒処理した。次に、ミストノズル１０４Ｂよりリンス液としてＭＩＢＫ（関東化学）のミスト処理を６００秒実施した。次に、１０ｒｐｍ／３０秒という低い回転数によって、基板１０１上の大粒の液滴をゆっくりと振り切り、残ったリンス液は、基板１０１を停止したまま、３００秒間、チャンバ１００内への空気の導入と排気によって自然乾燥をさせレジスト膜２０２のパターニングを行った。

次に、パターニングしたレジスト膜２０２のパターンを測長ＳＥＭ（日立Ｓ７８４０）にて、孤立ラインのパターン線幅に対する倒壊率を調べた結果を表１に示す。比較例として従来の現像方法であるスプレー方式による結果も示す。表１に示すように、従来は線幅１００ｎｍでレジスト膜２０２のパターン倒壊が見られていたが、本実施例１では線幅６０ｎｍまでレジスト膜２０２のパターン倒壊が見られなかった。

（フォトマスクパターン形成）
図３（ａ）に示すように、石英基板３０１、石英基板３０１上に形成されたＣｒ層３０２を備えるＣｒバイナリマスク用ブランクＮＴＡＲ７（Ｈｏｙａ）を用いた。

次に、図３（ｂ）に示すように、Ｃｒ層３０２上にネガ型化学増幅電子線レジストＦＥＮ２７１（富士フィルムエレクトロニクスマテリアルズ）を膜厚１５０ｎｍでスピンコートし、ＰＡＢ（Ｐｏｓｔ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｂａｋｅ：塗布後ベーク）を１３０℃、６００秒間行い、レジスト膜３０３を形成した。

次に、図３（ｃ）に示すように、Ｃｒ層３０２上に形成したレジスト膜３０３を可変成形型の電子線描画装置ＥＢＭ５０００（ニューフレアテクノロジーズ）によって、ドーズ量１５μＣ／ｃｍ^２で、パターンサイズ４０ｎｍ〜２００ｎｍのライン＆スペースパターンを描画し、本発明のパターン形成方法によりレジスト膜３０３のパターンを形成した。

レジスト膜３０３のパターン形成方法について説明する。まず、図３（ｃ）に示した石英基板３０１、Ｃｒ層３０２及びレジスト膜３０３を図１に示す処理基板１０１としてステージ１０２にセットした。次に、図１に示すパターン形成装置１０のミストノズルＡからアルカリ現像液ＮＭＤ−Ｗ（東京応化工業）のミストによりを３５０秒処理した。次に、ミストノズル１０４ＢからＮＭＤ−Ｗを純水で１０倍に薄めた希釈現像液のミストを１００秒間処理した。最後に、ミストノズル１０４Ｃから純水のミストを６００秒間処理することで、リンスを実施した。次に、１０ｒｐｍ／３０秒という低い回転数によって、基板１０１上の大粒の液滴をゆっくりと振り切り、残ったリンス液は、基板１０１を停止したまま、６００秒間、チャンバ１００内への空気の導入と排気によって自然乾燥をさせ、レジスト膜３０３のパターニングを行った。

次に、パターニングしたレジスト膜３０３のパターンを測長ＳＥＭ（ＬＷＭ９０００／Ｌｅｉｃａ社）にて、孤立ラインのパターン線幅に対する倒壊率を調べた結果を表２に示す。比較例として従来の現像方法であるスプレー方式による結果も示す。表２に示すように、従来は線幅６０ｎｍでもレジスト膜３０３のパターン倒壊が見られていたが、本実施例２では線幅４０ｎｍでもレジスト膜３０３の倒壊が見られなかった。

次に、図３（ｄ）に示すように、Ｃｒ層３０２をドライエッチング装置Ｔｅｔｒａ２（アプライドマテリアル）にて加工した。この時の条件を圧力１５ｍＴｏｒｒ、ＩＣＰパワー５００Ｗ、Ｂｉａｓパワー１３Ｗ、Ｃｌ_２９０ｓｃｃｍ、Ｏ_２３０ｓｃｃｍ、４５０秒とした。

最後に、図３（ｅ）に示すように、残ったレジスト３０３を硫酸剥離洗浄し、フォトマスクを作製した。

最後に、上記で作製したフォトマスクのパターンを、フォトマスクのパターン欠陥検査装置であるＫＴ５８６（ＫＬＡテンコール社）にて検査したところ（検査条件：Ｄｉｅ ｔｏ Ｄｉｅ検査、検査ピクセルサイズ９０ｎｍ）、欠陥は検出されなかった。

パターン形成装置１０のチャンバ１００の天板から濃度の高い現像液の液滴が、純水リンス中や希釈現像中に処理基板１０１上に落ちると、最終的にその箇所だけ寸法変動を起こしたり、パターン欠陥になったりするが、この検査によって、上記測長ＳＥＭで観察した箇所以外の全ての場所で、欠陥なくパターン形成をできたことがわかった。つまり、現像液の雫の再付着は発生していないことが確認できた。

本発明のパターン形成方法及びパターン形成装置は、半導体デバイスやフォトマスクのレジスト膜のパターン形成に用いることができる。

１０…パターン形成装置、１００…チャンバ、１０１…処理基板、１０２…ステージ、１０３…上下回転駆動部、１０４…ミストノズル、１０５…薬液供給システム、１０６…超音波発振機、１０７…空気導入口、１０８…窒素導入口、１０９…ドレイン、１１０…バルブ、１１１…バルブ、１１２…バルブ、２０１…シリコンウェハ、２０２…電子線レジスト、３０１…フォトマスクの石英基板、３０２…フォトマスクのＣｒ層、３０３…電子線レジスト。

Claims (7)

1. フォトマスクまたは半導体製造の微細加工におけるレジストのパターン形成方法において、
   現像液及び処理液をミスト状に発生させて前記レジストのパターン形成を行うことを特徴とするパターン形成方法。
2. 前記処理液は、純水及びイソプロピルアルコールを用いることを特徴とする請求項１に記載のパターン形成方法。
3. 密閉されたチャンバと、
   前記チャンバ内に処理基板を保持するステージと、
   処理液をミスト状にする超音波発振機と、
   前記チャンバ内を浄化する空気導入口及び窒素導入口と、
   前記ミスト状の処理液を排出する排出口と、
   を備えることを特徴とするパターン形成装置。
4. 前記超音波発振機は、前記処理液を有する薬液供給システムから前記処理液を供給されて、ミストを発生させるミスト発生装置であり、前記超音波発振機から発生したミストをチャンバ内に導入するミストノズルを有することを特徴とする請求項３に記載のパターン形成装置。
5. 前記ステージは、上下駆動及び回転駆動する上下回転駆動部を備えていることを特徴とする請求項３または４に記載のパターン形成装置。
6. 前記上下回転駆動部の回転数は、２００ｒｐｍ以下であることを特徴とする請求項３乃至請求項５のいずれかに記載のパターン形成装置。
7. 前記チャンバは、その天板が傾斜していることを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれかに記載のパターン形成装置。