JP2011164540A

JP2011164540A - 樹脂膜パターンの形成方法及び半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2011164540A
Application number: JP2010030315A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Kurosawa; 弘樹黒澤
Original assignee: Hitachi Chemical DuPont Microsystems Ltd
Current assignee: HD MicroSystems Ltd
Priority date: 2010-02-15
Filing date: 2010-02-15
Publication date: 2011-08-25
Anticipated expiration: 2030-02-15
Also published as: JP5625378B2

Abstract

【課題】プリベーク後のウエハのピン上停滞による塗膜の過剰乾燥及びそれによりもたらされる現像後の開口寸法の縮小を抑制できる樹脂膜パターンの形成方法を提供する。
【解決手段】（ａ）ウエハ上に感光性樹脂組成物を塗布して塗膜を形成する塗布工程、（ｂ）前記塗膜をホットプレート上で乾燥するプリベーク工程、（ｃ）前記乾燥した塗膜を露光する露光工程、及び、（ｄ）前記露光した塗膜を現像する現像工程をこの順で含み、前記（ｂ）プリベーク工程が、（ｂ１）前記塗膜を有するウエハを、ホットプレート上で保持する工程、及び、（ｂ２）前記塗膜を有するウエハを、ホットプレートから浮いた状態で保持する工程をこの順で含む樹脂膜パターンの形成方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、樹脂膜パターンの形成方法及び半導体装置の製造方法に関する。

従来、半導体素子の表面保護膜、層間絶縁膜には、優れた耐熱性、電気特性、機械特性及び膜形成性の点でポリイミド系、ポリベンゾオキサゾール系の樹脂が広く使用されている。

ポジ型感光性ポリイミド組成物としては、ｏ−ニトロベンジル基をエステル結合により導入したポリイミド前駆体、フェノール性水酸基を含むポリアミド酸エステルとｏ−キノンジアジド化合物を含む組成物等が知られている。ポリイミドを表面保護膜又は層間絶縁膜として使用する場合、スルーホール等の形成工程は、主にホトレジストを用いるエッチングプロセスによって行われている。

また、半導体の高機能化、高性能化に伴い、ポリベンゾオキサゾールの半導体への適用が行われている。

一般に、これら樹脂を形成する耐熱性重合性組成物は、シリコンウエハ等の半導体素子基板に、スピナーを用いた回転塗布により塗布され、均一な膜に形成される。その後、余分な溶剤を揮発、乾燥させる（プリベークする）ためホットプレートに搬送される。

塗膜を乾燥する工程において、通常、チャンバ内で、塗膜付きウエハ（以下、単にウエハともいう）をホットプレートに密着させて設定時間プリベークする。その後、ウエハはピンで押し上げられ、ホットプレートから浮いた状態を経てチャンバから排出され、回収される。
しかし装置の異常やワニス用のボトル交換等によって装置のフローを停止しなければならない場合、ウエハはプリベーク後、チャンバ内でピン上に停滞する。この停滞により塗膜は過剰乾燥となり、現像後の開口寸法が設計よりも小さくなるという問題があった。

本発明の目的は、プリベーク後のウエハのピン上停滞による塗膜の過剰乾燥及びそれによりもたらされる現像後の開口寸法の縮小を抑制できる樹脂膜パターンの形成方法を提供することである。

本発明によれば、以下の樹脂膜パターンの形成方法等が提供される。
１．（ａ）ウエハ上に感光性樹脂組成物を塗布して塗膜を形成する塗布工程、
（ｂ）前記塗膜をホットプレート上で乾燥するプリベーク工程、
（ｃ）前記乾燥した塗膜を露光する露光工程、及び、
（ｄ）前記露光した塗膜を現像する現像工程
をこの順で含み、前記（ｂ）プリベーク工程が、
（ｂ１）前記塗膜を有するウエハを、ホットプレート上で保持する工程、及び、
（ｂ２）前記塗膜を有するウエハを、ホットプレートから浮いた状態で保持する工程をこの順で含む樹脂膜パターンの形成方法。
２．（ｂ１）工程の時間が、（ｂ２）工程を行わない場合において設定される、ホットプレート上での最適保持時間よりも短い時間とする１記載の樹脂膜パターンの形成方法。
３．（ｂ１）工程の時間が３０〜１１０秒、前記ホットプレートの温度が１２０〜１３５℃であり、（ｂ２）工程の時間が３０〜１１０秒、前記ホットプレートの温度が１２０〜１３５℃である１又は２記載の樹脂膜パターンの形成方法。
４．（ｂ２）工程において、ピンを用いて、ウエハをホットプレートから浮いた状態にする１〜３のいずれか記載の樹脂膜パターンの形成方法。
５．前記感光性樹脂組成物が、ポリイミド前駆体又はポリベンゾオキサゾール前駆体を含むポジ型感光性樹脂組成物である１〜４のいずれか記載の樹脂膜パターンの形成方法。
６．前記ウエハのサイズが５〜１０インチであり、形成する樹脂膜パターンの膜厚が、（ｂ２）工程後露光前の膜厚で８〜１２μｍである１〜５のいずれか記載の樹脂膜パターンの形成方法。
７．１〜６のいずれか記載の方法によりウエハ上に樹脂膜パターンを形成し、前記樹脂膜パターンの付いたウエハを切断して半導体チップを得、この半導体チップを用いて半導体装置を製造する方法。

本発明によれば、プリベーク後のウエハのピン上停滞による塗膜の過剰乾燥及びそれによりもたらされる現像後の開口寸法の縮小を抑制できる樹脂膜パターンの形成方法を提供できる。

また、本発明によれば、歩留まり良く信頼性の高い半導体装置の製造方法を提供できる。

（ａ）はホットプレート上のウエハの乾燥を示し、（ｂ）はウエハがホットプレートから浮いた状態での乾燥を示す模式図である。

以下、本発明による樹脂膜パターンの形成方法及び半導体装置の製造方法の実施の形態を詳細に説明する。ただし、これにより本発明が限定されるものではない。

本発明の方法は、ウエハ上に感光性樹脂組成物を用いて樹脂膜パターンを形成する方法であり、以下の（ａ）〜（ｄ）工程をこの順で含む。
（ａ）ウエハ上に感光性樹脂組成物を塗布して塗膜を形成する塗布工程
（ｂ）塗膜をホットプレート上で乾燥するプリベーク工程
（ｃ）乾燥した塗膜を露光する露光工程
（ｄ）露光した塗膜を現像する現像工程

（ｂ）工程は以下の（ｂ１）、（ｂ２）工程をこの順で含む。
（ｂ１）塗膜を有するウエハを、ホットプレート上で保持する工程
（ｂ２）塗膜を有するウエハを、ホットプレートから浮いた状態で保持する工程

従来は、プリベーク工程において、必要な乾燥を全てホットプレート上で実施していた。従って、ホットプレート上からウエハを浮かし次の工程に移る際、トラブル等によりこのホットプレートの上方で浮いた状態が続くと、過剰乾燥となり開口寸法が小さくなりすぎて不良品となる場合がある。しかしながら、本発明では、プリベーク工程において乾燥を前工程（ｂ１）と後工程（ｂ２）に分け、前工程では従来通りホットプレート上で直にウエハを乾燥し、後工程でホットプレートから浮かしてさらに乾燥させる。例えば、前工程の乾燥を最適乾燥より少なくし、後工程で乾燥することによりそれを補ってもよい。または、前工程の乾燥を不十分な、必要最低限の乾燥に足りなくし、後工程で必要最低限を超える乾燥状態としてもよい。好ましくは、前工程と後工程を合わせて、従来の工程と同じように、最適な乾燥を完了させる。後工程の間にトラブル等が生じその状態が持続しても、予め設定してある後工程の乾燥時間を超えた分だけが過剰乾燥になり、製品に与える影響が少ない。

従来の過剰乾燥を原因とする歩留まりの低下は、特に大きなウエハを処理するとき大きな損失となる。従って、本発明は、５〜１２インチ程度の大きなウエハを用いるときに特に効果的である。

感光性樹脂組成物としては、特に制限はないが、ポリイミド前駆体、ポリベンゾオキサゾール前駆体の少なくとも一種を含むポジ型感光性樹脂組成物を用いることができる。溶剤は特に制限はなく、γ−ブチロラクトン（ＢＬＯ）、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート（ＰＧＭＥＡ）、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）、トルエン、キシレン、テトラヒドロフラン、アルコール等が使用できる。

（ａ）塗布工程は、例えばスピンコーター等の塗布装置を使用して、回転するウエハ（半導体素子基板）の上面に感光性樹脂組成物を滴下して塗布する。この時、滴下された樹脂組成物は、回転による遠心力でウエハの端縁部まで均一に広げられる。これにより、樹脂組成物をウエハ上に均一に塗布することができる。

（ｂ）工程（（ｂ１）、（ｂ２）工程）は、ホットプレートを備える熱乾燥装置により行うことができる。

（ｂ１）、（ｂ２）工程の乾燥条件は適宜調整できる。例えば、乾燥温度は、時間、組成物成分の種類等により変わり、乾燥時間は、温度、組成物成分の種類等により変わる。
通常、（ｂ１）及び（ｂ２）工程のホットプレート温度は、９０〜１４０℃が好ましく、１１０〜１４０℃がより好ましく、１２０〜１３５℃がさらに好ましく、１２０〜１３０℃が最も好ましい。

（ｂ１）工程の時間は、（ｂ２）工程を行わない場合において設定されるホットプレート上での最適保持時間よりも短く設定できる。（ｂ１）工程の時間は、最適保持時間の例えば１０〜８０％、より好ましくは２０〜７０％、さらに好ましくは３０〜７０％とできる。なお、ここで最適保持時間とは、本発明における（ｂ１）工程で設定する温度と同じ温度で、（ｂ２）工程を行わずに（ｂ１）工程のみでプリベーク工程を行い、次いで、本発明で適用するのと同じ露光条件で（ｃ）露光工程を行い、さらに、本発明で適用するのと同じ条件で（ｄ）現像工程を行った場合に、目的とするパターンが最も良好に形成できる時間を言う。

（ｂ１）工程のプリベーク時間は、６００秒以下と設定することが好ましく、１１０秒以下と設定することがより好ましく、７０秒以下と設定することが特に好ましい。一方１０秒以上と設定することが好ましく、３０秒以上と設定することがより好ましい。（ｂ２）工程の時間は、１０秒以上と設定することが好ましく、３０秒以上と設定することがより好ましい、一方、６００秒以下と設定することが好ましく、３００秒以下と設定することがより好ましく、１１０秒以下と設定することがさらに好ましい。

（ｂ２）工程において、ウエハをホットプレートから浮いた状態にする手段としては、ピンで持ち上げる方法が好ましい。通常、ウエハはホットプレートから１〜１０ｃｍの高さで持ち上げられる。

（ｂ）工程後の樹脂組成物の膜厚は、好ましくは２〜４０μｍ、より好ましくは５〜２０μｍである。

（ｃ）露光工程や（ｄ）現像工程は、通常の装置や方法を採用することができる。例えば、露光工程では、ウエハ上で被膜となった感光性樹脂組成物に、マスクを介して紫外線、可視光線、放射線などの活性光線を照射することがでできる。照射装置は各種露光装置、例えば３６５ｎｍのi線単色光を露光するi線ステッパ等を用いることができる。また、現像工程では、露光部（ポジ型感光性樹脂組成物を用いた場合）を現像液で除去することによりパターンを得ることができ、現像液としては、例えばテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）等のアルカリ水溶液が好ましいものとして挙げられ、その溶液の塩基濃度は通常０．１〜１０重量％とされる。

（ｄ）工程の後にリンス、スピンドライ、現像後ベーク等の処理を行うこともできる。

各工程で用いる塗布装置、加熱乾燥装置、露光装置、現像装置をそれぞれ別々に設置して、搬送手段を用いて、１装置での工程が終了した後にウエハを別の装置に搬送してもよいし、幾つかの装置又は全部の装置を一体とした装置構成であってもよい。

本発明の半導体装置の製造方法は、上記の方法により得られるウエハを切断して得られる半導体チップを用いる。好ましくは上記の方法により得られる樹脂膜パターンを表面保護膜、層間絶縁膜として用いる。

本発明の樹脂膜パターンの製造方法は、半導体素子作製における基板（ウエハ）上に樹脂組成物膜を形成する際に、５μｍ以上のパターンについての外観及び塗布膜形状に優れたレリーフパターンを形成することができる。従って、歩留まりよく信頼性の高い電子部品を製造できる。

実施例１
日本電子製塗布現像装置Ｍａｒｋ−７のスピンコーターで、６インチシリコンウエハ上に、ワニスＨＤ−８０００（ポリイミド前駆体、溶媒ＢＬＯ・ＰＧＭＥＡ混合溶媒）（日立化成デュポンマイクロシステムズ社製）を塗布し、２０３０ｒｐｍで３０秒間スピンを行った。次に、これをチャンバ内のホットプレート上で１３０℃６０秒間プリベークを行い（図１（ａ））、その後、チャンバ内でウエハをピンで持ち上げ、そのままウエハがピンに支持されてホットプレートから浮いた状態（図１（ｂ））で、さらに１３０℃で７０秒間プリベークをした（設定ピン上待機）。
なお、設定ピン上待機を行わなかった場合の、最適保持時間は、１３０秒である。

ピン上での待機時間による開口寸法等のばらつき（トラブル等の製造フローの停止による過剰乾燥の影響）を観察する目的で、さらに０，９０又は１８０秒間、ウエハが浮いた状態を継続（トラブルピン上待機）し、ウエハをチャンバから取り出した。

その後、キャノン製ＦＰＡ−３０００ｉＷを用いて、ウエハ上の塗膜を波長３６５ｎｍの光により２１０ｍＪ／ｃｍ^２で設計寸法５μｍとして露光した。

次に上記塗布現像装置を用いて、ウエハを５０ｒｐｍで回転させながら２．３８％水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）（現像液）により３５秒間２回現像した。ウエハを純水で１５秒間リンスし、３５００ｒｐｍで１０秒間スピンドライし、ホットプレート上で１４０℃１８０秒間、現像後ベークを行った。表１に樹脂膜パターンの形成条件、プリベーク後及び現像後ベーク後の膜厚を示す。

大日本スクリーン製造製光干渉型膜厚計大型ラムダÅＶＭＬ８０００−ＬＳ／ＤＮＳにより、作製したポリイミド膜の膜厚を測定し、膜厚が６．７〜７．０μｍであることを確認した。
また、このポリイミド膜を、オリンパス製デジタル金属顕微鏡により倍率１００倍で観察し、開口寸法（ＣＤ）を求めた。結果を表２に示す。

実施例２
実施例１と同様にワニスＨＤ−８８２０（ポリイミド前駆体、溶媒ＢＬＯ・ＰＧＭＥＡ混合溶媒）（日立化成デュポンマイクロシステムズ社製）を塗布しスピンを行った。その後チャンバ内で、ホットプレート上で１２５℃７０秒間プリベークを行い、さらにウエハがピンに支持されてホットプレートから浮いた状態で、１２５℃で６０秒間プリベークを行った（設定ピン上待機）。
なお、設定ピン上待機を行わなかった場合の、最適保持時間は、１３０秒である。

ピン上での待機時間による開口寸法等のばらつきを観察する目的で、さらに０，１００，２００又は３００秒間、ウエハが浮いた状態を継続（トラブルピン上待機）し、ウエハをホットプレートチャンバから取り出した。

露光量を２３０ｍＪ／ｃｍ^２とし、ＴＭＡＨにより２８秒間２回現像した他は実施例１と同様に露光、現像、リンス、スピンドライ及び現像後ベークを行った。

大日本スクリーン製造製光干渉型膜厚計大型ラムダÅＶＭＬ８０００−ＬＳ／ＤＮＳにより、作製したポリイミド膜の膜厚を測定し、膜厚が６．７〜７．０μｍであることを確認した。
また、このポリイミド膜を、オリンパス製デジタル金属顕微鏡により倍率１００倍で観察し、ＣＤを求めた。結果を表２に示す。

比較例１
実施例１と同様にワニスを塗布し、１２５０ｒｐｍで３０秒間スピンを行った。その後チャンバ内で、１２５℃１３０秒間ホットプレート上でプリベークを行った。

ピン上での待機時間による開口寸法等のばらつきを観察する目的で、０，９０又は１８０秒間、ウエハがピンに支持されてホットプレートから浮いた状態を継続（トラブルピン上待機）した後に、ウエハをホットプレートチャンバから取り出した。

露光量を３２０ｍＪ／ｃｍ^２とし、ＴＭＡＨにより４０秒間２回現像した他は実施例１と同様に露光、現像、リンス、スピンドライ及び現像後ベークを行った。

大日本スクリーン製造製光干渉型膜厚計大型ラムダÅＶＭＬ８０００−ＬＳ／ＤＮＳにより、作製したポリイミド膜の膜厚を測定し、膜厚は９．９〜１０．２μｍであることを確認した。
また、このポリイミド膜を、オリンパス製デジタル金属顕微鏡により倍率１００倍で観察し、ＣＤを求めた。結果を表２に示す。

比較例２
実施例１と同様にワニスを塗布し、２０３０ｒｐｍで３０秒間スピンを行った。その後チャンバ内で、１２５℃１３０秒間ホットプレート上でプリベークを行った。

ピン上での待機時間による開口寸法等のばらつきを観察する目的で、０，１００、２００、又は３００秒間、ウエハがピンに支持されてホットプレートから浮いた状態を継続（トラブルピン上待機）した後に、ウエハをホットプレートチャンバから取り出した。

その後、露光量を２５０ｍＪ／ｃｍ^２とした以外は実施例１と同様に、露光、現像、リンス、スピンドライ及び現像後ベークを行った。

大日本スクリーン製造製光干渉型膜厚計大型ラムダÅＶＭＬ８０００−ＬＳ／ＤＮＳにより、作製したポリイミド膜の膜厚を測定し、膜厚は６．９〜７．１μｍであることを確認した。
また、このポリイミド膜を、オリンパス製デジタル金属顕微鏡により倍率１００倍で観察し、ＣＤを求めた。結果を表２に示す。

比較例３
日本電子製塗布現像装置Ｍａｒｋ−７のスピンコーターで、６インチシリコンウエハ上に、ワニスＨＤ−８０００（ポリイミド前駆体、溶媒ＢＬＯ・ＰＧＭＥＡ混合溶媒）（日立化成デュポンマイクロシステムズ社製）を塗布し、３５００ｒｐｍで３０秒間スピンを行った。その後チャンバ内で、１２０℃１３０秒間ホットプレート上でプリベークを行った。

その後、キャノン製ＦＰＡ−３０００ｉＷを用いて、上記のウエハを波長３６５ｎｍの光により４８０ｍＪ／ｃｍ^２露光した。

ＴＭＡＨにより４１秒間２回現像した他は実施例１と同様に露光、現像、リンス、スピンドライ及び現像後ベークを行った。

大日本スクリーン製造製光干渉型膜厚計大型ラムダÅＶＭＬ８０００−ＬＳ／ＤＮＳにより、作製したポリイミド膜の膜厚を測定し、膜厚は９．７〜１０．０μｍであることを確認した。
また、このポリイミド膜を、オリンパス製デジタル金属顕微鏡により倍率１００倍で観察し、ＣＤを求めた。結果を表２に示す。

比較例４
日本電子製塗布現像装置Ｍａｒｋ−７のスピンコーターで、６インチシリコンウエハ上に、ワニスＨＤ−８０００（ポリイミド前駆体、溶媒ＢＬＯ・ＰＧＭＥＡ混合溶媒）（日立化成デュポンマイクロシステムズ社製）を塗布し、３２９０ｒｐｍで３０秒間スピンを行った。その後チャンバ内で、１２０℃１３０秒間ホットプレート上でプリベークを行った。

ピン上での待機時間による開口寸法等のばらつきを観察する目的で、０、又は１８０秒間、ウエハがピンに支持されてホットプレートから浮いた状態を継続（トラブルピン上待機）した後に、ウエハをホットプレートチャンバから取り出した。

その後、キャノン製ＦＰＡ−３０００ｉＷを用いて、上記のウエハを波長３６５ｎｍの光により３５０ｍＪ／ｃｍ^２露光した。

ＴＭＡＨにより３５秒間２回現像した他は実施例１と同様に露光、現像、リンス、スピンドライ及び現像後ベークを行った。

大日本スクリーン製造製光干渉型膜厚計大型ラムダÅＶＭＬ８０００−ＬＳ／ＤＮＳにより、作製したポリイミド膜の膜厚を測定し、膜厚は７．０〜７．２μｍであることを確認した。
また、このポリイミド膜を、オリンパス製デジタル金属顕微鏡により倍率１００倍で観察し、ＣＤを求めた。結果を表２に示す。

比較例５
日本電子製塗布現像装置Ｍａｒｋ−７のスピンコーターで、６インチシリコンウエハ上に、ワニスＨＤ−８０００（ポリイミド前駆体、溶媒ＢＬＯ・ＰＧＭＥＡ混合溶媒）（日立化成デュポンマイクロシステムズ社製）を塗布し、２０３０ｒｐｍで３０秒間スピンを行った。その後チャンバ内で、１３０℃１３０秒間ホットプレート上でプリベークを行った。

その後、キャノン製ＦＰＡ−３０００ｉＷを用いて、上記のウエハを波長３６５ｎｍの光で２１０ｍＪ／ｃｍ^２露光した。

ＴＭＡＨにより４７秒間２回現像した他は実施例１と同様に露光、現像、リンス、スピンドライ及び現像後ベークを行った。

大日本スクリーン製造製光干渉型膜厚計大型ラムダÅＶＭＬ８０００−ＬＳ／ＤＮＳにより、作製したポリイミド膜の膜厚を測定し、膜厚は６．７〜７．０μｍであることを確認した。
また、このポリイミド膜を、オリンパス製デジタル金属顕微鏡により倍率１００倍で観察し、ＣＤを求めた。結果を表２に示す。

表２に示すように、実施例では過剰乾燥による開口寸法への影響が少なかった。

本発明の樹脂膜パターンの形成方法は半導体素子等の電子部品の製造に使用できる。

Claims

（ａ）ウエハ上に感光性樹脂組成物を塗布して塗膜を形成する塗布工程、
（ｂ）前記塗膜をホットプレート上で乾燥するプリベーク工程、
（ｃ）前記乾燥した塗膜を露光する露光工程、及び、
（ｄ）前記露光した塗膜を現像する現像工程
をこの順で含み、前記（ｂ）プリベーク工程が、
（ｂ１）前記塗膜を有するウエハを、ホットプレート上で保持する工程、及び、
（ｂ２）前記塗膜を有するウエハを、ホットプレートから浮いた状態で保持する工程
をこの順で含む樹脂膜パターンの形成方法。
（ｂ１）工程の時間が、（ｂ２）工程を行わない場合において設定される、ホットプレート上での最適保持時間よりも短い時間とする請求項１記載の樹脂膜パターンの形成方法。
（ｂ１）工程の時間が３０〜１１０秒、前記ホットプレートの温度が１２０〜１３５℃であり、（ｂ２）工程の時間が３０〜１１０秒、前記ホットプレートの温度が１２０〜１３５℃である請求項１又は２記載の樹脂膜パターンの形成方法。
（ｂ２）工程において、ピンを用いて、ウエハをホットプレートから浮いた状態にする請求項１〜３のいずれか記載の樹脂膜パターンの形成方法。
前記感光性樹脂組成物が、ポリイミド前駆体又はポリベンゾオキサゾール前駆体を含むポジ型感光性樹脂組成物である請求項１〜４のいずれか記載の樹脂膜パターンの形成方法。
前記ウエハのサイズが５〜１０インチであり、形成する樹脂膜パターンの膜厚が、（ｂ２）工程後露光前の膜厚で８〜１２μｍである請求項１〜５のいずれか記載の樹脂膜パターンの形成方法。
請求項１〜６のいずれか記載の方法によりウエハ上に樹脂膜パターンを形成し、前記樹脂膜パターンの付いたウエハを切断して半導体チップを得、この半導体チップを用いて半導体装置を製造する方法。