JP2015034987A - 気体環境中のフォトレジストをレーザ処理する方法 - Google Patents

気体環境中のフォトレジストをレーザ処理する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】パターン化製品ウエハにおいて、表面を有するフォトレジスト層のエッチング耐性及び線境界粗さのうちの少なくとも一つを改善する方法を提供する。
【解決手段】ａ）トリメチルアルミニウムガス、四塩化チタンガス、及びジエチル亜鉛ガスからなる群から選択される少なくとも１つの第１の処理ガスに、フォトレジスト層を曝す工程、ｂ）フォトレジスト層及び第１の処理ガスにレーザを照射し、第１の処理ガスをフォトレジスト層に注入させる工程であって、フォトレジスト層の表面は、＋／−５℃の温度均一性を有する３００℃から５００℃の間の温度に上昇させられる工程、ｃ）フォトレジスト層の周辺から、残余の第１の処理ガスを除去する工程、ｄ）フォトレジスト層を、Ｈ２Ｏを含む第２の処理ガスに曝す工程、ｅ）フォトレジスト層及び第２の処理ガスにレーザを照射し、Ｈ２Ｏをフォトレジスト層に注入させる工程とを含む方法。
【選択図】図３

Description

本開示は、フォトレジスト処理に関し、特に、レーザ処理を使用してフォトレジストを処理するためのシステム及び方法、並びに、フォトレジスト特性を改善する気体環境に関する。
フォトレジストは、半導体装置の形成プロセスにおいてシリコンに微細な特徴を形成することに関連して、半導体製造に用いられる感光性材料である。フォトリソグラフィーで用いられるように、シリコンウエハは、フォトレジストで被覆され、フォトリソグラフィー機器に配置される。シリコンウエハに形成される特定のパターンは、マスク及び照射されるマスクに具現化される。マスク画像は、フォトレジストに投影され、フォトレジストは、照射波長に感受性を有する。その後、フォトレジストは現像され、これにより、フォトレジストの露光された部分は、除去され（「ポジ型」フォトレジストの場合）、フォトレジストにはマスクパターンの複写が残る。パターン化フォトレジストは、その後、エッチングされ、フォトレジストの存在下で、シリコンウエハ又は他の材料にパターンを転写する。
理想的には、フォトレジストパターンは、本来２値であり、完全に直角の側壁を有している。さらに、理想的なフォトレジストは、マスク画像を完全に忠実に複製して、完全なエッチング障壁として機能することができる。実際には、フォトレジストの感光性は制限されており、フォトレジストは、ある程度の線境界粗さ（ＬＥＲ）を有し、不完全なエッチング障壁となっている。
フォトレジストの感受性の改善、ＬＥＲの減少、エッチング耐性の向上のために、努力がなされてきている。一例では、連続侵入合成（ＳＩＳ）が、トリメチルアルミニウム及び水を用いて、１００℃未満の温度で数分間行われ、エッチング耐性を向上させ、ＬＥＲを減少させる。この処理は、Ｔｓｅｎｇらの「連続侵入合成による、改良されたポリマー型リソグラフィーレジスト」（Ｊ．Ｍａｔｅｒ．Ｃｈｅｍ．，２１，２０１１年、１１７２２−２５頁）（ＤＯＩ：１０．１０３９／ｃ１ｊｍ１２４６１ｇとしても引用される）によって、刊行物で記述されている。
残念ながら、この処理を実施するには数分の時間を要し、これが、製造ラインにおけるウエハスループットの低下につながる。
本開示の一局面は、パターン化製品ウエハにおいて、表面を有するフォトレジスト層のエッチング耐性及び線境界粗さのうちの少なくとも一つを改善する方法である。本方法は、：ａ）トリメチルアルミニウム（Ａｌ２（ＣＨ３）６）ガス、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガス、及びジエチル亜鉛（（Ｃ２Ｈ５）２Ｚｎ）ガスからなる群から選択される少なくとも１つの第１の処理ガスに、フォトレジスト層を曝す工程と、；ｂ）前記フォトレジスト層及び前記第１の処理ガスにレーザを照射し、前記第１の処理ガスを前記フォトレジスト層に注入させる工程であって、前記フォトレジスト層の表面は、＋／−５℃の温度均一性を有する３００℃から５００℃の間の温度に上昇させられる工程と、；ｃ）前記フォトレジスト層の周辺から、残余の第１の処理ガスを除去する工程と、；ｄ）前記フォトレジスト層を、Ｈ２Ｏを含む第２の処理ガスに曝す工程と、；ｅ）前記フォトレジスト層及び第２の処理ガスにレーザを照射し、前記Ｈ２Ｏを前記フォトレジスト層に注入させる工程であって、前記フォトレジスト層の表面は、＋／−５℃の温度均一性を有する３００℃から５００℃の間の温度に上昇させられる工程と、を含む。
本開示の別の局面は、上述の方法であって、前記レーザを照射することが、前記フォトレジスト層の表面上でレーザ光線を走査することを含む。
本開示の別の局面は、上述の方法であって、前記走査することは、前記レーザ光線を動かすことか、前記パターン化製品ウエハを動かすことか、前記レーザ光線及び前記パターン化製品ウエハの両方を動かすことかの何れかを含む。
本開示の別の局面は、上述の方法であって、前記レーザ光線は、前記フォトレジスト層の表面で線画像を形成する。
本開示の別の局面は、上述の方法であって、前記線画像は、１ｍｓ≦τ≦１００ｍｓの範囲の滞留時間τを有する。
本開示の別の局面は、上述の方法であって、前記線画像は、０．２ｍｍ≦Ｗ≦２ｍｍの範囲の幅Ｗ、及び、１０ｍｍ≦Ｌ≦１００ｍｍの範囲の長さＬを有する。
本開示の別の局面は、上述の方法であって、前記線画像は、２０ｍｍ／ｓ≦ｖｓ≦５，０００ｍｍ／ｓの範囲の走査速度ｖｓを有する。
本開示の別の局面は、上述の方法であって、前記レーザ光線は、５０ワット／ｃｍ２≦Ｐ≦１５０ワット／ｃｍ２の範囲の出力密度Ｐを有する。
本開示の別の局面は、上述の方法であって、前記パターン化製品ウエハは、処理チャンバの内部に保持される。
本開示の別の局面は、上述の方法であって、処理された前記パターン化製品ウエハをエッチングすることをさらに含む。
本開示の別の局面は、上述の方法であって、工程ａ）から工程ｅ）は、３０秒から１２０秒の間のウエハ処理時間で、ウエハ全体に対して行われる。
本開示の別の局面は、上述の方法であって、工程ａ）から工程ｅ）は、１回以上繰り返され、各工程ｅ）の後に、フォトレジスト層の周辺から前記第２の処理ガスを除去する工程が追加される。
本開示の別の局面は、上述の方法であって、前記製品ウエハは、処理チャンバの内部に存在し、前記フォトレジスト層の周辺から前記第１の処理ガスを除去することは、前記処理チャンバ内部から前記第１の処理ガスを排出することと、前記処理チャンバ内部を不活性ガスでパージすることのうちの少なくとも一つを含む。
本開示の別の局面は、処理チャンバの内部にあり、表面を有するパターン化フォトレジスト層を有する製品ウエハを処理する方法であって、エッチング耐性及び線境界粗さのうちの少なくとも一つを改善する。本方法は、ａ）第１の分子処理ガスに、パターン化フォトレジスト層の表面を曝す工程と、；ｂ）前記パターン化フォトレジスト層の表面にレーザ光線を走査し、前記パターン化フォトレジスト層に第１の分子処理ガスの分子を注入させる工程であって、前記パターン化フォトレジスト層の表面は、＋／−５℃の温度均一性を有する３００℃から５００℃の間の温度に上昇させられる、工程と、；ｃ）前記処理チャンバの内部から、残余の第１の分子処理ガスを除去する工程と、；ｄ）前記パターン化フォトレジスト層を、第２の分子処理ガスに曝し、該第２の分子処理ガスに対して工程ｂ）を繰り返す工程と、を含み、前記第１の分子処理ガスは、トリメチルアルミニウム（Ａｌ２（ＣＨ３）６）ガス、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガス、ジエチル亜鉛（（Ｃ２Ｈ５）２Ｚｎ）ガスからなる群から選択される少なくとも一つであり、前記第２の分子処理ガスは、Ｈ２Ｏを含む。
本開示の別の局面は、上述の方法であって、前記レーザ光線は、パターン化フォトレジスト層の表面で線画像を形成し、該線画像は、１ｍｓ≦τ≦１００ｍｓの範囲の滞留時間τを有する。
本開示の別の局面は、上述の方法であって、前記線画像は、０．２ｍｍ≦Ｗ≦２ｍｍの範囲の幅Ｗ、及び、１０ｍｍ≦Ｌ≦１００ｍｍの範囲の長さＬを有する。
本開示の別の局面は、上述の方法であって、前記線画像は、２０ｍｍ／ｓ≦ｖｓ≦５，０００ｍｍ／ｓの範囲の走査速度ｖｓを有する。
本開示の別の局面は、上述の方法であって、前記レーザ光線は、５０ワット／ｃｍ２≦Ｐ≦１５０ワット／ｃｍ２の範囲の出力密度Ｐを有する。
本開示の別の局面は、上述の方法であって、処理された前記パターン化製品ウエハをエッチングすることをさらに含む。
本開示の別の局面は、上述の方法であって、工程ａ）から工程ｄ）は、３０秒から１２０秒の間のウエハ処理時間で、ウエハ全体に対して行われる。
本開示の別の局面は、上述の方法であって、前記処理チャンバの内部から前記第１の分子処理ガスを除去することは、前記処理チャンバ内部から前記第１の分子処理ガスを排出することと、前記処理チャンバ内部を不活性ガスでパージすることのうちの少なくとも一つを含む。
本開示の別の局面は、処理チャンバの内部に存在し、表面を有するパターン化フォトレジスト層を有する製品ウエハを処理する方法であって、エッチング耐性及び線境界粗さのうちの少なくとも一つを改善する。本方法は、：ａ）第１及び第２の分子処理ガスを連続して前記処理チャンバの内部に導入し、前記第１又は第２の分子処理ガスを、他方の第１又は第２の分子処理ガスが導入される前に、前記処理チャンバの内部から除去することを含む工程と、；ｂ）前記第１及び第２の分子ガスそれぞれについて、前記パターン化フォトレジスト層の表面をレーザ走査し、前記パターン化フォトレジスト層に前記第１及び第２の分子ガスを連続的に注入させる工程と、；ｃ）工程ａ）及び工程ｂ）を複数回繰り返す工程と、を含み、前記第１の分子ガスは、トリメチルアルミニウム（Ａｌ２（ＣＨ３）６）、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）、及びジエチル亜鉛（（Ｃ２Ｈ５）２Ｚｎ）からなる群から選択される少なくとも一つであり、前記第２の分子ガスは、水蒸気を含む。
本開示の別の局面は、上述の方法であって、前記レーザ走査は、線画像を形成するレーザ光線を使用して行われ、該線画像は、１ｍｓ≦τ≦１００ｍｓの範囲の滞留時間τを有する。
本開示の別の局面は、上述の方法であって、前記線画像は、０．２ｍｍ≦Ｗ≦２ｍｍの範囲の幅Ｗ、及び、１０ｍｍ≦Ｌ≦１００ｍｍの範囲の長さＬを有する。
本開示の別の局面は、上述の方法であって、前記線画像は、２０ｍｍ／ｓ≦ｖｓ≦５，０００ｍｍ／ｓの範囲の走査速度ｖｓを有する。
本開示の別の局面は、上述の方法であって、前記レーザ光線は、５０ワット／ｃｍ２≦Ｐ≦１５０ワット／ｃｍ２の範囲の出力密度Ｐを有する。
本開示の別の局面は、上述の方法であって、前記処理チャンバの内部から前記第１又は第２の分子処理ガスを除去することは、ｉ）前記処理チャンバ内部から前記第１又は第２の分子処理ガスを排出すること、及び、ｉｉ）前記処理チャンバ内部を不活性ガスでパージすることの少なくとも一つを含む。
本開示の別の局面は、処理チャンバの内部に存在し、表面を有するパターン化フォトレジスト層を有する製品ウエハを処理する方法であって、エッチング耐性及び線境界粗さのうちの少なくとも一つを改善する。本方法は、：ａ）分子を含む第１の処理ガスに、パターン化フォトレジスト層の表面を曝す工程であって、前記第１の処理ガス分子は、トリメチルアルミニウム（Ａｌ２（ＣＨ３）６）ガス、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガス、及びジエチル亜鉛（（Ｃ２Ｈ５）２Ｚｎ）ガスからなる分子の群から選択される少なくとも一つである工程と、；ｂ）前記パターン化フォトレジスト層の表面をレーザ光線で走査し、前記前記パターン化フォトレジスト層に前記第１の処理ガスの分子を注入させる工程であって、前記パターン化フォトレジスト層の表面は、＋／−５℃の温度均一性を有する３００℃から５００℃の間の温度に上昇させられる工程とを含む。
本開示の別の局面は、上述の方法であって、工程ｂ）の後に、：ｃ）前記処理チャンバの内部から、前記第１の処理ガスを除去する工程と、；ｄ）前記パターン化フォトレジスト層を、Ｈ２Ｏ分子を含む第２の処理ガスに曝す工程と、；ｅ）前記パターン化フォトレジスト層の表面にレーザ光線を走査し、前記Ｈ２Ｏ分子を前記パターン化フォトレジスト層に注入させる工程とをさらに含む。
本開示の別の局面は、上述の方法であって、前記処理チャンバの内部から前記第１の分子処理ガスを除去することは、ｉ）前記処理チャンバ内部から前記第１又は第２の分子処理ガスを排出すること、及び、ｉｉ）前記処理チャンバ内部を不活性ガスでパージすることの少なくとも一つを含む。
本開示の別の局面は、上述の方法であって、レーザ光線の走査は、１ｍｓ≦τ≦１００ｍｓの範囲の滞留時間τを有する線画像を形成する。
本開示の別の局面は、上述の方法であって、前記線画像は、０．２ｍｍ≦Ｗ≦２ｍｍの範囲の幅Ｗ、１０ｍｍ≦Ｌ≦１００ｍｍの範囲の長さＬ、２０ｍｍ／ｓ≦ｖｓ≦５，０００ｍｍ／ｓの範囲の走査速度ｖｓ、及び、５０ワット／ｃｍ２≦Ｐ≦１５０ワット／ｃｍ２の範囲の出力密度Ｐを有する。
本開示の別の方法は、上述の方法であって、工程ａ）から工程ｂ）は、３０秒から１２０秒の間のウエハ処理時間で、製品ウエハ全体に対して行われる。
さらなる特徴及び利点は、以下の詳細な説明に明記されるであろう。また、それらの一部は詳細な説明の記載内容から当業者にとって直ちに明白となるか、詳細な説明、特許請求の範囲、添付図面に記載された実施形態を実施することによって認識される。上記の要約及び下記の詳細な説明に関する記載は、単なる例示であって、特許請求の範囲に記載されている本発明の本質及び特徴を理解するための概略または枠組みを提供するものであることを理解すべきである。
添付図面は、さらなる理解を提供するために含まれており、本明細書の一部を構成すると共に本明細書の一部に組み込まれる。図面は、１または複数の実施形態を示しており、詳細な説明と共に種々の実施形態の原理や動作を説明する役割を担う。このように、本開示は、添付図面と共に以下に示す詳細な説明からより完全に理解されることになるであろう。
図１は、フォトレジスト層で被覆されるシリコン基板を含む製品ウエハの一例を示す断面図である。 図２は、図１に示す製品ウエハの上面図であり、製品ウエハがどのように照射野および各照射野でのパターンを含むかを示している。 図３は、エッチング耐性及びＬＥＲのうちの少なくとも一つを改善するためのパターン化製品ウエハの処理方法を実施するために用いられるレーザ処理システムの一例を示す模式図である。 図４は、フォトレジスト層の表面において、幅Ｗ及び長さＬを有する線画像を形成するレーザ光線の一例を示す立面図である。 図５は、処理工程の一つの間にレーザ走査を受けるパターン化製品ウエハのフォトレジスト層の平面図である。 図６は、図３に類似した図であって、マイクロチャンバの形態での処理チャンバの代替の実施形態を示す図である。
〔詳細な説明〕
以降、本開示の様々な実施形態、および、添付の図面に示される複数の例について詳述する。可能な限り、同一または類似の部分の図では、同一または類似の参照番号および参照符号が用いられる。図面には決まった縮尺がなく、当業者であれば、図面は本発明の主要な部分を説明するために簡略化されていることに気づくであろう。
下記の特許請求の範囲の記載は、発明の詳細な説明に組み込まれると共にその一部を構成する。
本明細書で言及されるいずれの刊行物または特許文献の全開示は、参照により組み込まれる。
いくつかの図面において、参考のためにいくつかの座標が描かれているが、これは特定の方向および配置方向を限定するものではない。
図１は、一例の製品ウエハ１０の断面図であり、図２は、一例の製品ウエハ１０の上面図である。製品ウエハ１０は、上面２２を有するシリコン基板２０を備える。基板２０の上面２２は、上面３２及び厚さＴＨを有するフォトレジスト３０の層で被覆されている。図２を参照すると、製品ウエハ１０は、照射野（領域）４０の配列を含む。照射野４０は、領域ごとの、あるいは、多数の領域基準での、フォトレジスト３０のフォトリソグラフィー露光によって形成される。一例では、照射野４０は、後に得られる集積回路（ＩＣ）チップ４４（第１の挿入図）の境界を規定する小区域を含む。集積回路チップ４４は、製品ウエハ１０の製造が完了したときに形成される。図示される製品ウエハ１０は、ＩＣ製造処理中の半導体ウエハを表している。
フォトレジスト３０は、各領域４０において、フォトリソグラフィー画像システム又は当該産業においてしばしば称される「装置」を使用して、フォトレジスト３０の層に画像化された、フォトリソグラフィーレチクル上のパターン特徴の像を記録する。一例のフォトリソグラフィー装置は、米国特許第６，８７９，３８３号明細書に例示的に記載されている。以上のようにして、製品ウエハ１０は、全ての領域４０が形成されたときに「露光された（曝された）」と言われる。
露光された製品ウエハ１０は、その後、未露光のフォトレジスト３０（「ポジ型」フォトレジストの場合）を除去する現像処理を受ける。その結果、各領域４０は、図１の第２の挿入図に示されるように、同一の３次元フォトレジストパターン５０を有するようになる。処理のこの段階で、製品ウエハ１０は、「パターン化製品ウエハ」と呼ばれる。
通常の次の工程では、パターン化製品ウエハ１０は、エッチング処理を受け、フォトレジストパターン５０がその下層のシリコン基板２０までエッチングされる。これにより、エッチング停止構造として機能するフォトレジストパターン５０が完成する。
上述したように、フォトレジスト３０は、線境界粗さ（ＬＥＲ）及びエッチング耐性に関して、特に性能限界を有している。
図３は、パターン化製品ウエハ１０を処理するための一例のレーザ処理システム１００の模式的な断面図である。当該処理は、パターン化製品ウエハ１０を処理しない場合と比較して、ＬＥＲ及びエッチング耐性のうちの少なくとも何れかに関して、フォトレジスト３０の性能を改善する。
レーザ処理ステム１００は、処理チャンバ１１０を備える。処理チャンバ１１０は、パターン化製品ウエハ１０に適合するような大きさの内部１１２を有する。処理チャンバ１１０は、頂壁１１４を有する。頂壁１１４は、以下で説明するように、窓部１１６を備える。窓部１１６は、処理波長λを含む任意の波長範囲Δλを透過する。一例では、窓部１１６は、溶融石英で作られている。レーザ処理システム１００は、周囲環境１０４内に置かれる。処理チャンバ１１０は、以下で説明するように、フォトレジスト３０を処理するための処理チャンバ１１０の内部１１２において、制御された環境を提供するように構成されている。
パターン化製品ウエハ１０は、ウエハ台１３０によって処理チャンバ１１０の内部１１２に支持されている。一例では、ウエハ台１３０は、ｘ、ｙ、及びｚ方向に可動であり、必要に応じて、ｘ、ｙ、及びｚ軸に対して回転することもできる。ウエハ台１３０は、ウエハ台駆動部１３４に操作可能に接続されている。
また、レーザ処理システム１００は、少なくとも１つの処理ガス源１５０Ａ及び１５０Ｂを備えている。少なくとも１つの処理ガス源１５０Ａ及び１５０Ｂは、処理チャンバ１１０の内部１１２に流体接続されている、少なくとも１つの処理ガス源１５０Ａ及び１５０Ｂを備えている。処理ガス源１５０Ａ及び１５０Ｂは、少なくとも１つの処理ガス１５２Ａ及び１５２Ｂを放出する。一例では、少なくとも１つの処理ガス１５２Ａ及び１５２Ｂは、分子ガスである。図３の例示的なレーザ処理システム１００では、例示のために、第１及び第２の処理ガス１５２Ａ及び１５２Ｂを放出する第１及び第２の処理ガス源１５０Ａ及び１５０Ｂが示されている。一例では、第１の処理ガス１５２Ａは、トリメチルアルミニウム（Ａｌ２（ＣＨ３）６）、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）、及びジエチル亜鉛（（Ｃ２Ｈ５）２Ｚｎ）からなる群から選択される少なくとも一つの分子ガスである。また、例示的な実施形態において、第２の処理ガス１５２Ｂは、水蒸気、すなわち、Ｈ２Ｏガスを含む。一例では、水蒸気は、空気、あるいは、純粋な水蒸気ではない他のガスで構成することもできる。
レーザ処理システム１００は、真空システム１６０を備える。真空システム１６０は、処理チャンバ１１０の内部１１２に流体接続されている。真空システム１６０は、以下で説明するように、パターン化製品ウエハ１０の処理中の任意の時間に、処理チャンバ１１０の内部１１２からあらゆるガスを除去するために用いられる。
レーザ処理システム１００は、不活性ガス源１７０も備えている。不活性ガス源１７０は、処理チャンバ１００の内部１１２に流体接続され、第１の処理ガス１５２Ａ又は第２の処理ガス１５２Ｂのパージを行うために不活性ガス１７２を供給することができる。一例では、不活性ガス１７２は、窒素である。不活性ガスは、処理ガス１５２Ａ又は１５２Ｂをフォトレジスト３０の層の周辺から除去し、処理ガス１５２Ａ又は１５２Ｂがフォトレジスト３０の層と反応できないようにするのに役立つ。
レーザ処理システム１００は、レーザシステム１８０も備えている。レーザシステム１８０は、処理波長λを有するレーザ光線１８２を生成する。一例では、レーザ光線１８２は、矢印ＡＲで図示されるように、走査可能である。レーザ処理システム１００は、ビーム処理光学（図示せず）も備えており、該ビーム処理光学は、ビーム走査素子及び部品（例えば、走査ミラー）を備えていてもよい。
図４は、以下で説明するように、レーザ光線１８２がフォトレジスト３０の層の上面３２と交差するときに、レーザ光線１８２によって形成される線画像１８２Ｌの一例の立面図である。線画像１８２Ｌは、幅Ｗ及び長さＬを有している。線画像１８２Ｌの幅Ｗ及び長さＬは、フォトレジスト３０の層の上面３２の法線Ｎに対して測定された照射光の入射角度αに依存する。
一例では、レーザシステム１８０は、表１にまとめられた以下のパラメータを有するレーザ光線１８２を生成する。
Figure 2015034987
表１では、滞留時間τは、フォトレジスト３０の層の上面３２上のある点に線画像１８２Ｌが存在する時間の長さである。走査速度ｖｓは、線画像１８２Ｌがフォトレジスト３０の層の上面３２を移動する際の速度である。図５は、フォトレジスト３０の層の上面３２を線画像１８２Ｌがどのように移動するかを示す、パターン化製品ウエハ１０の上面図である。フォトレジスト３０の層の上面３２に対する線画像１８２Ｌの動きは、（走査する）レーザ光線１８２を動かすことによって、ウエハ台１３０を動かすことによって、あるいは、これらの動きを組み合わせることによって、達成することができる。一例では、レーザ光線１８２の走査は、前後に動かす方法、例えば、犂耕体方式、又は、ラスター走査方式で行われる。
レーザ処理システム１００は、制御部２００も備えている。制御部２００は、処理ガス源１５０Ａ及び１５０Ｂのうちの少なくとも一つ、ウエハ台駆動部１３４、真空システム１６０、不活性ガス源１７０、及び、レーザシステム１８０に、操作可能に接続され、パターン化製品ウエハ１０を処理する際に、レーザ処理システム１００の全体的な操作を制御する。一例では、制御部２００は、パーソナルコンピュータ又はワークステーションなどのコンピュータであるか、このようなコンピュータを含んでいる。制御部２００は、多数の市販のあらゆるマイクロプロセッサ、そのマイクロプロセッサをハードディスクドライブなどの記憶装置に接続する適切なバスアーキテクチャ、及び、適切な入出力装置（例えば、キーボード及びディスプレイそれぞれ）を備えていることが好ましい。制御部２００は、コンピュータ読取り可能な媒体（例えば、メモリ、プロセッサ、あるいは、その両方）において具現化された指令（ソフトウエア）を介してプログラム化され得る。コンピュータ読取り可能な媒体は、パターン化製品ウエハ１０の処理を行うために、制御部２００に、レーザ処理システム１００の種々の機能を実施させる。
パターン化製品ウエハ１０を処理するためのレーザ処理システム１００の操作において、第１の工程では、真空システム１６０は、処理チャンバ１１０の内部１１２における周囲ガスを除去するように操作され、処理を開始するための初期条件を成立させる。ここで、例えば、処理チャンバ１１０の内部１１２は、１００ｐｐｍ（部／ミリオン）未満の酸素を含んでいる。一旦初期条件が確立されると、その後、第２の工程において、第１の処理ガス１５２Ａは処理チャンバ１１０の内部１１２に導入される。そこで、第１の処理ガス１５２Ａは、フォトレジスト３０の層の上面３２と適合する。
続いて、第３の工程では、レーザ光線１８２は、パターン化製品ウエハ１０上を走査（例えば、ラスター走査）される。すなわち、線画像１８２Ｌは、フォトレジスト３０の層の上面３２上を走査する。一例では、このレーザ走査の操作は、フォトレジスト３０の層の温度を、＋／−５℃の温度均一性を有する３００℃から５００℃の間の温度に上昇させる。これにより、第１の処理ガス１５２Ａの分子がフォトレジスト３０の層に注入する。表１で説明された例示的なパラメータでは、パターン化処理ウエハ１０全体を走査するのに、約３０秒から約１２０秒かかる。本明細書では、この時間を「ウエハ処理時間」と呼ぶ。
本方法及び処理のこの部分は、原子層蒸着（ＡＬＤ）法と同様であり、これにより、材料の層は表面に堆積され、その後、反応して、下層の体積の一部だけでなく、表面に影響を与える。本発明の場合、トリメチルアルミニウムの注入が、フォトレジスト３０のエッチング耐性を改善することが示されている。しかし、上述したように、注入を行うための従来技術の処理は、低温でゆっくりと実施される。本願では、フォトレジスト３０の体積への注入は、ほんのミリ秒の間に行われる。
本発明では、レーザ光線線画像１８２Ｌの滞留時間τを短くすることによって、フォトレジスト３０が流動することを防ぎ、これによりフォトレジストパターン５０を維持することに着目すべきである。そのため、レーザ光線１８２は、フォトレジスト３０の表面温度を上昇させ、フォトレジスト３０の層の上面３２上あるいはフォトレジスト３０のバルク（体積）中に、ＡＬＤ型材料を選択的に堆積させるように機能する。
レーザ光線線画像１８２Ｌがフォトレジスト３０の層の上面３２を走査すると（図５参照）、その後第４の工程において、フォトレジスト３０の層の周辺に残っている第１の処理ガス１５２Ａは除去される。これは、真空システム１６０を用いて処理チャンバ１００の内部１１２を排気することによって達成される。その代わりに、あるいは、この真空排気と組み合わせて、第４の工程は、不活性ガス源１７０を活性化させること、及び、不活性ガス１７２で処理チャンバ１１０の内部を洗い流すことを含めてもよい。
その後、（使用される第１の処理ガス１５２Ａの種類によって、選択的となり得る）第５の工程において、第２の処理ガス１５２Ｂが、処理チャンバ１１０の内部に導入される。上述したように、一例では、第２の処理ガス１５２Ｂは、分子ガスであり、水蒸気（Ｈ２Ｏ）を含む。
次に、第６の工程において、レーザ光線線画像１８２Ｌは、フォトレジスト３０の層の上面３２上を走査し、フォトレジスト３０の層へＨ２Ｏ分子を注入させる。第７の工程では、第２の処理ガス１５２Ｂが、上述した方法の一つにおいて、処理チャンバ１１０の内部１１２から除去される。
第２から第７の工程は、ＬＥＲ及びエッチング耐性の一方又は両方において、所望とする程度の改善を得るために必要とされる回数と同じ程度に多数回繰り返される。
例示的な実施形態では、以下の第１及び第２の処理ガス１５２Ａ及び１５２Ｂを使用することができる。：１）アルミニウム又はサファイア、Ａｌ２Ｏ３を注入するためのトリメチルアルミニウム及び水蒸気；２）Ｔｉ又はＴｉＯを注入するための四塩化チタン及び水蒸気；及び３）亜鉛又はＺｎＯを注入するためのジエチル亜鉛及び水蒸気。
水蒸気の形態での第２の処理ガス１５２Ｂは、金属酸化物を生成するために用いられる。一例では、トリメチルアルミニウム、四塩化チタン、又は、ジエチル亜鉛のフォトレジスト３０への注入は、第２の処理ガス１５２Ｂを導入することなく行われ、エッチング障壁を形成する。
図６は、図３に類似した図であり、レーザ処理システム１００の代替的な実施形態を示す。この実施形態では、処理チャンバ１１０は、名称が「マイクロチャンバ」である米国特許第５，９９７，９６３号、名称が「ガスカーテンを有する可動式マイクロチャンバ」である米国特許出願番号第１３／６９０，１３２号などに開示されているようなマイクロチャンバの形態である。ウエハ台１３０は、チャック１３２を支持しており、続いて、チャック１３２はパターン化製品ウエハ１０を支持していることが示されている。プラテン１３６は、可動式のウエハ台１３０を移動可能に支持している。頂壁１１４は、レーザ光線１８２を通過させるような寸法を有する窓１１６を備えている。一例では、レーザ光線１８２は、法線入射以外の角度でフォトレジスト３０に入射する。
一例では、周辺環境１０４中の周囲ガス（酸素など）が処理チャンバ１１０の内部１１２に入ることを防ぐために、エアカーテン２２０が用いられている。それ以外の方法では、処理チャンバ１１０は、周囲環境から密閉されてはいない。マイクロチャンバの処理チャンバ１１０では、内部１１２に存在する元のガスは、特定の処理ガス（すなわち、第１処理ガス１５２Ａ又は第２の処理ガス１５２Ｂ）で内部１１２をあふれさせることによって排出される。一例では、不活性ガス源１７０からの不活性ガス１１２は、元のガス（例えば、空気）を排出させるため、あるいは、処理工程間の処理ガス１５２Ａ又は１５２Ｂを流し出すために使用される。
パターン化製品ウエハ１０が、上述した処理の一つを用いて処理されると、このような未処理のパターン化製品ウエハと比較して、エッチング耐性又はＬＥＲの少なくとも一方を改善する。この時点で、処理されたパターン化製品ウエハ１０は、半導体装置を形成するための方法にしたがって、標準的な半導体製造のエッチング処理を受けることができる。
当業者には明白であるが、添付の特許請求の範囲に記載される本開示の精神又は範囲を逸脱することなく、ここに記述される本開示の好ましい実施形態に対して様々な修正を加えることができる。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲およびその均等範囲内において行われる本開示の修正および変更を包含する。

Claims (33)

  1. パターン化製品ウエハにおいて、表面を有するフォトレジスト層のエッチング耐性及び線境界粗さのうちの少なくとも一つを改善する方法であって、：
    ａ）トリメチルアルミニウム（Ａｌ２（ＣＨ３）６）ガス、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガス、及びジエチル亜鉛（（Ｃ２Ｈ５）２Ｚｎ）ガスからなる群から選択される少なくとも１つの第１の処理ガスに、フォトレジスト層を曝す工程と、；
    ｂ）前記フォトレジスト層及び前記第１の処理ガスにレーザを照射し、前記第１の処理ガスを前記フォトレジスト層に注入させる工程であって、前記フォトレジスト層の表面は、＋／−５℃の温度均一性を有する３００℃から５００℃の間の温度に上昇させられる工程と、；
    ｃ）前記フォトレジスト層の周辺から、残余の第１の処理ガスを除去する工程と、；
    ｄ）前記フォトレジスト層を、Ｈ２Ｏを含む第２の処理ガスに曝す工程と、；
    ｅ）前記フォトレジスト層及び第２の処理ガスにレーザを照射し、前記Ｈ２Ｏを前記フォトレジスト層に注入させる工程であって、前記フォトレジスト層の表面は、＋／−５℃の温度均一性を有する３００℃から５００℃の間の温度に上昇させられる工程と、
    を含む方法。
  2. 前記レーザを照射することは、前記フォトレジスト層の表面上でレーザ光線を走査することを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記走査することは、前記レーザ光線を動かすことか、前記パターン化製品ウエハを動かすことか、又は、前記レーザ光線及び前記パターン化製品ウエハの両方を動かすことかの何れかを含む、請求項２に記載の方法。
  4. 前記レーザ光線は、前記フォトレジスト層の表面で線画像を形成する、請求項２又は３に記載の方法。
  5. 前記線画像は、１ｍｓ≦τ≦１００ｍｓの範囲の滞留時間τを有する、請求項４に記載の方法。
  6. 前記線画像は、０．２ｍｍ≦Ｗ≦２ｍｍの範囲の幅Ｗ、及び、１０ｍｍ≦Ｌ≦１００ｍｍの範囲の長さＬを有する、請求項４又は５に記載の方法。
  7. 前記線画像は、２０ｍｍ／ｓ≦ｖｓ≦５，０００ｍｍ／ｓの範囲の走査速度ｖｓを有する、請求項４から６の何れか１項に記載の方法。
  8. 前記レーザ光線は、５０ワット／ｃｍ２≦Ｐ≦１５０ワット／ｃｍ２の範囲の出力密度Ｐを有する、請求項２から７の何れか１項に記載の方法。
  9. 前記パターン化製品ウエハは、処理チャンバの内部に保持される、請求項１から８の何れか１項に記載の方法。
  10. 処理された前記パターン化製品ウエハをエッチングすることをさらに含む、請求項１から９の何れか１項に記載の方法。
  11. 工程ａ）から工程ｅ）は、３０秒から１２０秒の間のウエハ処理時間で、ウエハ全体に対して行われる、請求項１から１０の何れか１項に記載の方法。
  12. 工程ａ）から工程ｅ）は、１回以上繰り返され、各工程ｅ）の後に、フォトレジスト層の周辺から前記第２の処理ガスを除去する工程を追加する、請求項１から１１の何れか１項に記載の方法。
  13. 前記製品ウエハは、処理チャンバの内部に存在し、前記フォトレジスト層の周辺から前記第１の処理ガスを除去することは、前記処理チャンバ内部から前記第１の処理ガスを排出することと、前記処理チャンバ内部を不活性ガスでパージすることのうちの少なくとも一つを含む、請求項１から１２の何れか１項に記載の方法。
  14. 処理チャンバの内部にあり、表面を有するパターン化フォトレジスト層を有する製品ウエハを処理する方法であり、エッチング耐性及び線境界粗さのうちの少なくとも一つを改善する方法であって、：
    ａ）第１の分子処理ガスに、パターン化フォトレジスト層の表面を曝す工程と、；
    ｂ）前記パターン化フォトレジスト層の表面にレーザ光線を走査し、前記パターン化フォトレジスト層に第１の分子処理ガスの分子を注入させる工程であって、前記パターン化フォトレジスト層の表面は、＋／−５℃の温度均一性を有する３００℃から５００℃の間の温度に上昇させられる工程と、；
    ｃ）前記処理チャンバの内部から、残余の第１の分子処理ガスを除去する工程と、；
    ｄ）前記パターン化フォトレジスト層を第２の分子処理ガスに曝し、該第２の分子処理ガスに対して工程ｂ）を繰り返す工程と、；を含み、
    前記第１の分子処理ガスは、トリメチルアルミニウム（Ａｌ２（ＣＨ３）６）ガス、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガス、ジエチル亜鉛（（Ｃ２Ｈ５）２Ｚｎ）ガスからなる群から選択される少なくとも一つであり、前記第２の分子処理ガスは、Ｈ２Ｏを含む、方法。
  15. 前記レーザ光線は、パターン化フォトレジスト層の表面で線画像を形成し、該線画像は、１ｍｓ≦τ≦１００ｍｓの範囲の滞留時間τを有する、請求項１４に記載の方法。
  16. 前記線画像は、０．２ｍｍ≦Ｗ≦２ｍｍの範囲の幅Ｗ、及び、１０ｍｍ≦Ｌ≦１００ｍｍの範囲の長さＬを有する、請求項１５に記載の方法。
  17. 前記線画像は、２０ｍｍ／ｓ≦ｖｓ≦５，０００ｍｍ／ｓの範囲の走査速度ｖｓを有する、請求項１５又は１６に記載の方法。
  18. 前記レーザ光線は、５０ワット／ｃｍ２≦Ｐ≦１５０ワット／ｃｍ２の範囲の出力密度Ｐを有する、請求項１４から１７の何れか１項に記載の方法。
  19. 処理された前記パターン化製品ウエハをエッチングすることをさらに含む、請求項１４から１８の何れか１項に記載の方法。
  20. 工程ａ）から工程ｄ）は、３０秒から１２０秒の間のウエハ処理時間で、ウエハ全体に対して行われる、請求項１４から１９の何れか１項に記載の方法。
  21. 前記処理チャンバの内部から前記第１の分子処理ガスを除去することは、前記処理チャンバ内部から前記第１の分子処理ガスを排出することと、前記処理チャンバ内部を不活性ガスでパージすることのうちの少なくとも一つを含む、請求項１４から２０の何れか１項に記載の方法。
  22. 処理チャンバの内部に存在し、表面を有するパターン化フォトレジスト層を有する製品ウエハを処理する方法であり、エッチング耐性及び線境界粗さのうちの少なくとも一つを改善する方法であって、：
    ａ）第１及び第２の分子処理ガスを連続して前記処理チャンバの内部に導入し、前記第１又は第２の分子処理ガスを、他方の第１又は第２の分子処理ガスが導入される前に、前記処理チャンバの内部から除去することを含む工程と、；
    ｂ）前記第１及び第２の分子ガスそれぞれについて、前記パターン化フォトレジスト層の表面をレーザ走査し、前記パターン化フォトレジスト層に前記第１及び第２の分子ガスを連続的に注入させる工程と、；
    ｃ）工程ａ）及び工程ｂ）を複数回繰り返す工程と、を含み、
    前記第１の分子ガスは、トリメチルアルミニウム（Ａｌ２（ＣＨ３）６）、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）、及びジエチル亜鉛（（Ｃ２Ｈ５）２Ｚｎ）からなる群から選択される少なくとも一つであり、前記第２の分子ガスは、水蒸気を含む、方法。
  23. 前記レーザ走査は、線画像を形成するレーザ光線を使用して行われ、該線画像は、１ｍｓ≦τ≦１００ｍｓの範囲の滞留時間τを有する、請求項２２に記載の方法。
  24. 前記線画像は、０．２ｍｍ≦Ｗ≦２ｍｍの範囲の幅Ｗ、及び、１０ｍｍ≦Ｌ≦１００ｍｍの範囲の長さＬを有する、請求項２３に記載の方法。
  25. 前記線画像は、２０ｍｍ／ｓ≦ｖｓ≦５，０００ｍｍ／ｓの範囲の走査速度ｖｓを有する、請求項２３または２４に記載の方法。
  26. 前記レーザ光線は、５０ワット／ｃｍ２≦Ｐ≦１５０ワット／ｃｍ２の範囲の出力密度Ｐを有する、請求項２３から２５の何れか１項に方法。
  27. 前記処理チャンバの内部から前記第１又は第２の分子処理ガスを除去することは、ｉ）前記処理チャンバ内部から前記第１又は第２の分子処理ガスを排出すること、及び、ｉｉ）前記処理チャンバ内部を不活性ガスでパージすることの少なくとも一つを含む、請求項２２から２６の何れか１項に記載の方法。
  28. 処理チャンバの内部に存在し、表面を有するパターン化フォトレジスト層を有する製品ウエハを処理する方法であり、エッチング耐性及び線境界粗さのうちの少なくとも一つを改善する方法であって、：
    ａ）分子を含む第１の処理ガスに、パターン化フォトレジスト層の表面を曝す工程であって、前記第１の処理ガス分子は、トリメチルアルミニウム（Ａｌ２（ＣＨ３）６）ガス、四塩化チタン（ＴｉＣｌ４）ガス、及びジエチル亜鉛（（Ｃ２Ｈ５）２Ｚｎ）ガスからなる分子の群から選択される少なくとも一つである工程と、；
    ｂ）前記パターン化フォトレジスト層の表面をレーザ光線で走査し、前記前記パターン化フォトレジスト層に前記第１の処理ガスの分子を注入させる工程であって、前記パターン化フォトレジスト層の表面は、＋／−５℃の温度均一性を有する３００℃から５００℃の間の温度に上昇させられる工程と、
    を含む方法。
  29. 工程ｂ）の後に、：
    ｃ）前記処理チャンバの内部から、前記第１の処理ガスを除去する工程と、；
    ｄ）前記パターン化フォトレジスト層を、Ｈ２Ｏ分子を含む第２の処理ガスに曝す工程と、；
    ｅ）前記パターン化フォトレジスト層の表面にレーザ光線を走査し、前記Ｈ２Ｏ分子を前記パターン化フォトレジスト層に注入させる工程と、
    をさらに含む、請求項２８に記載の方法。
  30. 前記処理チャンバの内部から前記第１の分子処理ガスを除去することは、ｉ）前記処理チャンバ内部から前記第１又は第２の分子処理ガスを排出すること、及び、ｉｉ）前記処理チャンバ内部を不活性ガスでパージすることの少なくとも一つを含む、請求項２９に記載の方法。
  31. レーザ光線の走査は、１ｍｓ≦τ≦１００ｍｓの範囲の滞留時間τを有する線画像を形成する、請求項２８から３０の何れか１項に記載の方法。
  32. 前記線画像は、０．２ｍｍ≦Ｗ≦２ｍｍの範囲の幅Ｗ、１０ｍｍ≦Ｌ≦１００ｍｍの範囲の長さＬ、２０ｍｍ／ｓ≦ｖｓ≦５，０００ｍｍ／ｓの範囲の走査速度ｖｓ、及び、５０ワット／ｃｍ２≦Ｐ≦１５０ワット／ｃｍ２の範囲の出力密度Ｐを有する、請求項３１に記載の方法。
  33. 工程ａ）から工程ｂ）は、３０秒から１２０秒の間のウエハ処理時間で、製品ウエハ全体に対して行われる、請求項２８から３２の何れか１項に記載の方法。
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