JP2013235901A - 基板処理方法及び記憶媒体 - Google Patents

Abstract

【課題】レジストパターンが形成された基板に関して、現像後の基板に形成された配線パターンについて、幅のばらつきを改善する技術を提供すること。
【解決手段】
レジスト膜が形成され、第１の加熱処理が行われたウエハＷを露光処理した後、レジスト膜中の酸を拡散するための第２の加熱処理工程が終了するまでの間に、レジスト膜に溶剤蒸気または溶剤ミストを供給する。このため溶剤がレジスト膜に浸透し、酸の拡散が促進され、現像時にパターンが良好なものとなる。溶剤は、例えば第２の加熱処理を行う加熱モジュールの処理容器内に供給するようにしてもよく、溶剤の供給は加熱処理を行いながら実施してもよい。
【選択図】図８

Description

本発明は、基板に対してレジストパターンを形成する基板処理方法に関する。

半導体装置の製造プロセスにおいては、基板例えば半導体ウエハ（以下「ウエハ」という）表面にレジスト液を塗布して露光した後、現像処理を行うことにより、ウエハ表面にパターンマスクであるレジストパターンが形成される。この工程の後には、エッチング処理が行われ、例えば配線の埋め込み用の凹部が形成される。ところでパターンの微細化が更に進むと、レジストパターンの微細な形状の変化がパターン幅のばらつき（ＬＷＲ：Line Width Roughness）となり、デバイスの特性への影響が大きくなる。

このため、ＬＷＲなどの配線への影響を抑える技術がこれまでにも検討されてきている。特許文献１には、レジストパターンを露光させた後、現像前あるいは現像後に、レジストパターンを芳香族系有機溶媒で処理することにより、レジストパターンを固化する方法が開示されているが、エッチング後のレジストパターンの除去が困難であるという欠点を有する。また、特許文献２には、レジストパターンと反応性の低い溶媒にレジストパターンを曝すことで、レジストパターン内の現像性を均一化する方法が開示されている。

一方、特許文献３には、現像によりパターン化されたレジスト膜を有したウエハを低圧雰囲気に置き、レジスト膜に対して溶解性を有する溶剤蒸気で処理することにより、ＬＷＲなどを改善する基板処理装置が開示されているが、レジストパターンの平滑化により課題を解決しようとする点で本発明とは目的が異なる。

これらの開示された技術は、パターン幅のばらつき防止を目的としている点では本発明と一致しているが、本発明の原理及び手法はこれらとは観点が異なる。

特開昭６１−２７２９３１号公報 特開平３−２６１９５５号公報 特開２０１１−６１１４２号公報

本発明はこのような事情においてなされたものであり、その目的は、基板に良好な形状のレジストパターンを形成することができる技術を提供することにある。

本発明の基板処理方法は、
基板に化学増幅型のレジスト膜を形成する工程と、
次いで、基板を加熱処理する第１の加熱処理工程と、
この工程の後、基板に対して露光処理を行う工程と、
しかる後、レジスト膜中の酸を拡散させるために基板を加熱処理する第２の加熱処理工程と、
その後、基板に対して現像処理を行う工程と、
前記露光処理を行う工程の後であって、前記第２の加熱処理工程が終了するまでの間に行われ、前記酸の拡散を促進させるために、前記レジスト膜に溶剤蒸気または溶剤ミストを供給して溶剤をレジスト膜に浸透させる溶剤供給工程と、を含むことを特徴とする。

本発明の記憶媒体は、
レジスト膜を成膜する基板処理方法を行う基板処理に用いられるコンピュータプログラムが記録された記憶媒体であって、
前記コンピュータプログラムは、上述の基板処理方法を実施するためのものであることを特徴とする。

本発明は、レジスト膜が形成され、加熱処理された基板を露光処理した後、レジスト膜中の酸を拡散するための加熱処理工程が終了するまでの間に、レジスト膜に溶剤蒸気または溶剤ミストを供給して溶剤をレジスト膜に浸透させている。このため前記酸の拡散が促進され、レジストパターンのＬＷＲが改善され、良好なレジストパターンが得られる。

第１の実施形態におけるレジストパターン形成装置の概略を示す平面図である。 第１の実施形態におけるレジストパターン形成装置の概略を示す斜視図である。 第１の実施形態におけるレジストパターン形成装置の概略を示す側方断面図である。 第１の実施形態における棚ユニットの斜視図である。 第１の実施形態におけるＰＥＢモジュールの断面図である。 第１の実施形態におけるＰＥＢモジュール内の筐体のより詳しい断面図である。 第１の実施形態におけるＰＥＢモジュール内の処理ガス供給路の詳細を示す図である。 第１の実施形態におけるレジストパターン形成装置で行う基板処理の手順を示したフローチャートである。 露光からＰＥＢによる加熱までの間のウエハ表面で生じている反応の模式図（イメージ図）である。 第２の実施形態における第６ブロックＢ６の溶剤供給モジュールの概略図である。 第２の実施形態における棚ユニットの断面図である。 評価試験における各実験におけるＬＷＲ及び膜厚の結果を示したグラフである。 比較試験において得られたパターン形状のＳＥＭ写真である。

［第一の実施形態］
本発明の基板処理方法を実施する、塗布装置に露光ステーションを接続したレジストパターン形成装置について説明する。図１に示すように、塗布装置に露光ステーションを接続したレジストパターン形成装置は、キャリアブロック８ａ、処理ブロック８ｂ、インターフェイスブロック８ｃを備え、インターフェイスブロック８ｃには露光ステーション８ｄが接続されている。キャリアブロック８ａは、載置部８０上に載置された密閉型のキャリア８１から第１受け渡しアーム８２がウエハＷを取り出して、当該ブロックに隣接配置された処理ブロック８ｂに受け渡すと共に、第１受け渡しアーム８２によって処理ブロック８ｂにて処理された処理済みのウエハＷを受け取りキャリア８１に戻すように構成されている。

図２及び図３に示すように、処理ブロック８ｂには、レジスト膜の下層側に形成されるボトム反射防止膜の形成処理を行うための第１、第２ブロック（ＢＣＴ層）Ｂ１及びＢ２、レジスト液の塗布処理を行うための第３、第４ブロック（ＣＯＴ層）Ｂ３及びＢ４、及び現像処理を行うための第５、第６ブロック（ＤＥＶ層）Ｂ５及びＢ６が設けられており、この処理ブロック８ｂは下部から順に各ブロックを積層することによって構成されている。また各ブロックには、加熱部や冷却部等を積層することによって構成された棚ユニットＵが設けられている。

また処理ブロック８ｂには、キャリアブロック８ａ側に第１棚ユニット８４が設けられ、インターフェイスブロック８ｃに第２棚ユニット８５ａ及び第３棚ユニット８５ｂが設けられており、第１棚ユニット８４の各部間でウエハＷを搬送するために、この第１棚ユニット８４の近傍には、昇降自在な第２受け渡しアーム８６が設けられている。この第１棚ユニット８４、第２棚ユニット８５ａ及び第３棚ユニット８５ｂには複数の受け渡しユニットが設けられている。インターフェイスブロック８ｃは、インターフェイスアーム８７ａ及び８７ｂを備えており、インターフェイスアーム８７ａ及び８７ｂによって第２棚ユニット８５ａ及び第３棚ユニット８５ｂと露光ステーション８ｄとの間でウエハＷの受け渡しを行う。露光ステーション８ｄは、インターフェイスアーム８７ａ及び８７ｂから搬送されたウエハＷに対して所定の露光処理を行う。

第１ブロックＢ１及び第２ブロックＢ２は、ボトム反射防止膜を形成するための薬液をスピンコーティングにより塗布する塗布ユニットと、この塗布ユニットにて行われる処理の前処理及び後処理を行うための加熱、冷却系の熱系モジュール群と、塗布ユニットと熱系モジュール群との間に設けられ、これらの間でウエハＷの受け渡しを行う搬送アームＡ１及びＡ２を備えている。第３ブロックＢ３及び第４ブロックＢ４は、レジスト膜を形成するためのレジストをスピンコーティングにより塗布する塗布ユニットと、この塗布ユニットにて行われる処理の前処理及び後処理を行うための加熱、冷却系の熱系モジュール群と、塗布ユニットと熱系モジュール群との間に設けられ、これらの間でウエハＷの受け渡しを行う搬送アームＡ３及びＡ４を備えている。第５ブロックＢ５及び第６ブロックＢ６は、現像ユニット８８が例えば２段に積層されており、この２段の現像ユニット８８にウエハＷを搬送するための搬送アームＡ５及びＡ６が設けられている。そして第６ブロックＢ６の棚ユニットＵに本実施形態のＰＥＢモジュール１０が組み込まれ、Ｂ６の他の部分にはＰＯＳＴ１モジュールが組み込まれている。第６ブロックＢ６の棚ユニットＵの概略図を図４に示す。図４では便宜上モジュールは２段で描画してあるが、実際には例えば３段である。ＰＥＢ１は後述するＰＥＢモジュール１０が組み込まれたモジュール一つ一つを示しており、ＰＯＳＴ１は現像処理後のウエハＷに対して加熱処理を行うモジュールである。

続いて、ＰＥＢモジュール１０について説明する。
ＰＥＢモジュール１０は、図５に示すように外装体をなす筐体２と、筐体２内に設けられた、上部材及び下部材からなる処理容器と、この処理容器内と外部からの基板の受け渡し位置との間で移動機構により移動する冷却アームと、を備えている。処理容器の上部材は、冷却アームが進入できる上方位置と、気密な処理雰囲気を形成する下方位置との間で昇降機構により昇降する。上部材の中央部には溶剤の気化機構が設けられている。図６には、処理容器に関連する部位の詳細構造が示されている。

筐体２は、容器本体２１を備え、容器本体２１内には、ウエハＷの載置台２３、気化機構３及び冷却アーム５１が設けられている。載置台２３には、加熱手段であるヒータ２９と図示しない温度計測手段とが設けられている。また載置台２３には、図示しない外部の搬送手段との間でウエハＷの受け渡しを行うための複数本の昇降ピン２４が設けられている。昇降ピン２４は、載置台２３の裏面側に設けられたカバー２４ｂによって周囲を覆われている。また、最外周の底部には環状の排気機構２５が設けられている。

気化機構３は、気化プレート３１と、その中央部に溶剤供給部３３、及び移動機構３２から成り、溶剤供給部３３からは配管を介してＮ２ガスタンク４０及び溶剤タンク４２から溶剤が供給されるようになっている。

図７で示すように気化プレート３１には、溶剤供給部３３を中心にして流路３７が放射状に形成され、流路３７群の外周には流路３６が放射状に、かつ流路３７と溶剤供給口３５を中心とした同心円を描くように形成され、流路３６群の外周には流路３８が放射状に、かつ流路３７と溶剤供給口３５を中心とした同心円を描くように形成される。

また、筐体２外には加熱後のウエハを冷却するための冷却アーム５１が備えられており、冷却アーム５１が支柱５２の底部に備え付けられた駆動部５４により移動するように構成されている。この冷却アーム５１は高さがウエハＷの載置位置と略同じに設定されている。

次に上記実施形態の作用について図８のフローチャートを用いて説明する。
まずキャリアブロック８ａから（図３参照）ウエハＷを第１棚ユニット８４の受け渡しユニットＴＲＳ１に第１受け渡しアーム８２によって順次搬送し、このウエハＷを第１ブロックＢ１に搬入し、ボトム反射防止膜の塗布をし（Ｓ１０１）、続いてプリベークを行う（Ｓ１０２）。そしてウエハＷを第１受け渡しアーム８２により、例えば第３ブロックＢ３に対応する受け渡しユニットＴＲＳ３に受け渡し、第３ブロックＢ３に搬入し、レジストの塗布を行う（Ｓ１０３）。レジストが塗布されたウエハＷは第１の加熱処理であるＰＡＢ（Post-application Bake）が行われる（Ｓ１０４）。このＰＡＢを行う目的は、レジスト膜中の溶剤成分を揮発させ、レジスト膜を乾燥させること、及びレジストを改質させることである。その後ウエハＷは、搬送アームＡ３により第１棚ユニット８４の受け渡しユニットＴＲＳ３’に受け渡される。

受け渡しユニットＴＲＳ３’に受け渡されたウエハＷは、インターフェイスブロック８ｃのインターフェイスアーム８７を介して露光ステーション８ｄへと搬送され、ここで、ウエハＷに露光処理が行われた後（Ｓ１０５）、インターフェイスアーム８７ａによってウエハＷは第２棚ユニット８５内の第６ブロックＢ６の受け渡しユニットＴＲＳ６’へと受け渡され、搬送アームＡ６により第６ブロックＢ６内の棚ユニットＵのＰＥＢモジュール１０内に搬送され、基板処理が行われる。

ここで本実施形態のＰＥＢモジュール１０における、ウエハＷを溶剤で湿潤させる処理及び、第２の加熱処理であるＰＥＢ（post-exposure bake）について図５を用いて説明する。メインアームＡ５、Ａ６により、露光工程後のウエハＷを開口部２２から筐体２内に搬入し、冷却アーム５１上に載置する。次に冷却アーム５１を載置台２３上に移動させ、昇降ピン２４との協働作業によりウエハＷを上昇状態の昇降ピン２４上に載置し、冷却アーム５１を後退させる。その後開口部２２を閉じ、筐体２を密閉状態にする。

そして図７に示す気化プレート３１の溶剤供給口３３へ溶剤を供給する。溶剤は毛細管現象によって気化プレート３１上に拡散される。そして溶剤が、流路３６の外周側にあたる先端まで引き込まれるので、溶剤は気化プレート３１上で自動的、且つ速やかに広範囲に亘って略均一に供給されることになる。気化プレート３１から溶剤は筐体２内へと拡散し、ウエハＷの表面のレジストパターンにも吸収される（Ｓ１０６）。

ウエハＷのレジストパターンが溶剤で湿潤したタイミングで、昇降ピン２４を下降させてウエハＷを載置台２３に載置し、ヒータ２９を作動させ、ＰＥＢを行う（Ｓ１０７）。溶剤蒸気の供給時間は例えば６０秒であり、この時間だけ溶剤蒸気が供給されるように溶剤供給ラインのバルブを開閉する。ウエハＷは載置台２３上で所定のプロセス温度、例えば１００℃に加熱され、１分保持される。尚ＰＥＢ処理時には、気化部３を介してＮ２ガスにより筐体２内がパージされ、また処理容器を囲むように常にパージガスの気流によりエアカーテンが形成された状態になり、このエアカーテンによって筐体２が外部と遮断されることになる。その後ウエハＷのＰＥＢ処理が完了すると、気化部３を介して筐体２にＮ２ガスを供給し、筐体２内の置換処理を行う。

置換が完了した後、昇降ピン２４によりウエハＷを持ち上げる。そして冷却アーム５１をウエハＷの直下に挿入する。昇降ピン２４と冷却アーム５１との協働作業でウエハＷを冷却アーム５１上に載置し、冷却アーム５１ごと載置台２３からウエハＷを撤去する。

冷却アーム５１上で冷却されたウエハＷは、図３の搬送アームＡ６へと載置され、現像ユニット８８へ搬送される。現像ユニット８８ではレジストパターンの現像が行われ（Ｓ１０８）、その後処理ユニットＰＯＳＴ１にて加熱処理を終えた後、搬送アームＡ６、第１棚ユニット８４及び、第１受け渡しアーム８２を介してキャリア８１へと搬送される。

図９は、露光からＰＥＢによる加熱までの間のウエハ表面で生じている反応の模式図（イメージ図）である。９１はレジスト膜，９２は反射防止膜である。図９（ａ）に示すように化学増幅型レジストが感光すると、感光した部分１００で酸Ｐが発生し、樹脂をアルカリに可溶にする。この反応で更に酸が発生して連鎖的に酸が発生する。その成分がレジスト膜全体に浸透すると、レジスト膜が湿潤される（図９（ｂ））。次いでレジスト膜が加熱されると、溶剤により湿潤しているため、酸の拡散が促進される（図９（ｃ））。次いで現像液をレジスト膜に供給すると、感光部分１００が溶解するが、酸の拡散が溶剤供給によって促進されているため、ＬＷＲが抑えられた良好なパターン形状が形成される（図９（ｄ））。

上述の実施の形態によれば、化学増幅型レジストを用いたレジストパターン形成工程において、レジスト塗布後にＰＡＢを行った上で露光させた基板に対し、溶剤蒸気を供給してレジスト膜を湿潤させているので、ＰＥＢを行うことにより、レジスト膜中の酸の拡散が促進される。このためＬＷＲが改善された良好な形状のレジストパターンを得ることができる。

上述の実施形態では、ウエハＷの表面を溶剤で湿潤させた後ＰＥＢを行っているが、ＰＥＢを行いながら、即ちウエハＷを加熱プレートで加熱処理しながらウエハＷに溶剤蒸気を供給するようにしてもよい。

更にまた、ウエハＷに対して液浸露光を行うに当たって、ウエハＷ上のレジスト膜の上に撥水性の保護膜を形成する場合には、液浸露光後に、例えば塗布、現像装置内に設けた洗浄モジュールにて剥離液により保護膜を剥離し、レジスト膜が露出した状態になった後、溶剤蒸気あるいは溶剤ミストをレジスト膜に供給すれば良い。
［第２の実施形態］
第２の実施形態では、露光処理後の溶剤供給処理をＰＥＢモジュールにて行う代わりに、ＰＥＢモジュールとは別の専用の溶剤供給モジュールにて行うようにしている。それ以外については第１の実施形態と同様の装置を用いることができる。溶剤供給モジュールは、図１０に示すように、外装体内の基台７４の上に温調プレート７１を配置し、温調プレート７１の周囲の雰囲気を気密な処理雰囲気とするために昇降機構７９ａにより昇降自在な蓋体７６が設けられている。蓋体７６は、周縁の下面がシール部材を介して温調プレートの周囲の基台７４の上面に押し付けられる位置と、ウエハＷを受け入れるために前記雰囲気を開放する位置との間で昇降する。蓋体７６の上面中央には、ミスト供給口６２が設けられ、このミスト供給口は、配管６１を介して気化器Ｍ１に接続されている。

気化器は、窒素ガス供給源４１からの窒素ガスをキャリアガスとして溶剤供給源４２からの溶剤をミスト化するいわば霧吹きの原理により溶剤ミストを生成するものである。Ｖ１、Ｖ２はバルブである。また蓋体７６及び温調プレート７１の内部には、これらの表面における溶剤ミストの付着を抑えるためにヒータ７２および７７などの温調部が設けられている。温調プレート７１の周囲には、排気管７５が配列されており、排気機構により処理雰囲気を排気するようになっている。７３はウエハＷの受け渡しのための昇降ピン、７３ａは昇降ピンを昇降させる昇降部である。

このような溶剤供給モジュールの配置については、図１１に示すように、現像ブロックの棚ユニットの例えば２個を利用して当該棚ユニットを溶剤供給モジュールとして構成することができる。そしてウエハＷに対して第１の実施形態と同様の処理を行って露光ステーションに搬入し、露光後のウエハＷを溶剤供給モジュール内の温調プレート７１にウエハＷを載置した後、排気路７５から排気しながら、ミスト供給口６２から溶剤ミストを噴出させてウエハＷの表面に溶剤ミストを供給する。その後、ＰＥＢ処理及び現像処理を行う。

第２の実施形態についても第１の実施形態と同様の効果が得られる。また溶剤供給モジュールとしては、レジスト塗布などに用いられる、スピンチャックの周囲にカップ体を配置したスピンコーティング用のモジュールを用い、ウエハＷの中心部に溶剤ミストノズルから溶剤ミストを供給し、ウエハＷの遠心力により溶剤ミストをウエハＷの表面全体に供給しても良い。

上述の実施の形態によれば、化学増幅型レジストを用いたレジストパターン形成工程において、レジスト塗布後にＰＡＢを行った上で露光させた基板に対し、溶剤蒸気雰囲気でレジストパターンを湿潤させ、その後にＰＥＢ処理を行うことでも、従来のレジストパターン形成装置によって加工されたレジストパターンよりも、ＬＷＲが改善されたレジストパターンが得られる。

本発明を評価するための評価試験及び本発明の効果を確認するための比較試験について述べる。
Ａ. 評価試験
（評価試験１）
第１の実施形態にて用いたレジストパターン形成装置を用いて、ウエハ上に反射防止膜及びＡｒＦ液浸用のレジスト膜を塗布し、その後第１の実施形態における溶剤供給工程を除いて、一連の処理を行い、レジストパターンを形成した。なお、露光装置としては液浸露光装置を用いている。

（評価試験２）
評価試験１において、レジスト塗布の後、第１の加熱処理であるＰＡＢを行わずに、速やかに露光処理を行った他は、評価試験１と同様の処理を行った。なお、レジスト塗布時のレジスト液膜は、評価試験１におけるレジスト液膜よりも５ｎｍ厚く形成した。

（評価試験３）
評価試験１において、レジスト塗布の後、第１の加熱処理であるＰＡＢを行うことに代えて、レジスト膜を自然乾燥する処理を行った他は、評価試験１と同様の処理を行った。

これら評価試験１〜３にて得られたレジストパターンについて、膜厚及びＬＷＲについて測定した。測定結果を図１２に示す。ＬＷＲとは、同一レジストパターンの幅を一定間隔、例えば１０ｎｍ間隔で複数箇所測定した場合の３σの値である。

評価試験１と評価試験３がほぼ同一の結果となったのに比し、評価試験２では明らかにＬＷＲの改善がみられる。またレジスト膜に溶剤が残存していても、膜減りは起こらないといえる。この実験結果から、本発明者はレジスト膜中の残存溶媒量が大きく関係しているのではないかと推測した。即ち、露光によりレジスト膜中に発生した酸がＰＥＢにより拡散するにあたって、溶剤が残存していると酸の拡散がより促進されるのではないかと考えられる。

以上の結果のみからでは、単純にレジスト塗布量を多くし、ＰＡＢや自然乾燥などの処理を行わないことでＬＷＲの改善や膜厚の良好さにつながると考えることも出来るが、現実においては露光処理中にレジスト膜に溶剤が残存していると、溶剤の溶出（液浸）や脱ガス（ドライ）などの懸念があり、単純にこの結果を実際のレジストパターン形成に応用することは出来ない。

そこで、露光後にレジスト膜を溶媒で湿潤する方法を採用した。
Ｂ. 比較試験
（実施例１）
第１の実施形態にて用いたレジストパターン形成装置を用いて、ウエハ上に反射防止膜及びＡｒＦ液浸用のレジスト膜を塗布し、その後第１の実施形態と同様にして一連の処理を行い、レジストパターンを形成した。なお、露光装置としは液浸露光装置を用いている。また溶剤供給工程は、６０秒間行った。

（比較例１）
溶剤供給工程を行わないことの他は、実施例１と同様にしてレジストパターンを形成した。

これらレジストパターンをＳＥＭにより観察した結果を図１３に示す。二つの写真の比較から、溶剤処理を行った場合には、溶剤処理を行わない場合に比べてＬＷＲが改善されたことが認められる。

Ｗ ウエハ
１０ ＰＥＢモジュール
２ 筐体
２３ 載置台
３ 気化部
５１ 冷却アーム
６１ ノズル
６２ 噴射口
８ｂ 処理ブロック
８ｄ 露光装置
８８ 現像ユニット
Ｕ 熱系モジュール

Claims (5)

1. 基板に化学増幅型のレジスト膜を形成する工程と、
   次いで、基板を加熱処理する第１の加熱処理工程と、
   この工程の後、基板に対して露光処理を行う工程と、
   しかる後、レジスト膜中の酸を拡散させるために基板を加熱処理する第２の加熱処理工程と、
   その後、基板に対して現像処理を行う工程と、
   前記露光処理を行う工程の後であって、前記第２の加熱処理工程が終了するまでの間に行われ、前記酸の拡散を促進させるために、前記レジスト膜に溶剤蒸気または溶剤ミストを供給して溶剤をレジスト膜に浸透させる溶剤供給工程と、を含むことを特徴とする基板処理方法。
2. 前記溶剤供給工程が行われる基板は、レジスト膜が最上層に位置することを特徴とする、請求項１に記載の基板処理方法。
3. 前記第２の加熱処理は、処理容器内に基板を載置して行われ、
   前記溶剤蒸気または溶剤ミストは、前記処理容器内に供給されることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の基板処理方法。
4. 前記第２の加熱処理は、処理容器内に基板を載置して行われ、
   前記溶剤供給工程は、前記処理容器とは別の容器内にて行われることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の基板処理方法。
5. 請求項１ないし４のいずれか一項に記載された基板処理方法を実施するためのコンピュータプログラムを格納した記憶媒体。

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