JP2019067894A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装置や材料を追加することなく、基板表面外周部の塗布膜の厚膜化を抑制すると同時に基板裏面の不要な塗布膜や異物を除去する半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】基板上に塗布膜形成用の薬液を塗布し、基板を回転させることにより所定の膜厚となるように塗布膜を成膜する際に、基板裏面側から塗布膜が溶解するリンス液を供給し、基板裏面および基板表面外周部にリンス液が接触するように基板の回転速度を第１の値以下とする。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、回転式の塗布膜形成方法に関する。

半導体装置の生産においては、コストや生産効率の面で、シリコンウェハをはじめとした１枚の基板からできるだけ多くの有効チップが取り出されることが望ましい。しかし、基板外周部においては、外周端部から数ｍｍ内側の領域が無効領域として設定され、基板の径内に収まるはずのチップでも無効チップとされてしまうものがあった。

無効領域が設定される原因の一つとして、回転塗布方式による塗布膜形成において基板表面外周部の塗布膜の厚膜化の抑制が困難であることが挙げられる。基板中央部に塗布膜形成のための薬液を供給し、基板を回転させると、薬液は、遠心力により基板表面外周部へ押しやられる。そして、基板表面外周部においては、基板中心部に比べて速度が高くなるため、薬液の溶媒がより乾燥し固化し易くなる。そのため、基板表面の外周部の塗布膜の膜厚が基板中央部に比べて厚くなる傾向にある。

基板表面外周部の厚くなった塗布膜を残したままにすると、例えば、フォトリソグラフィ工程の際の露光条件がその領域だけ不適切となり、パターンの形状不良やコンタクトホールなどにおける開口不良が生じてしまうことがある。そのため、塗布膜の膜厚が厚くなってしまう基板の最外周端部から数ｍｍ内側の領域においては、例えば、塗布膜を溶解する薬液で基板表面外周部の塗布膜を除去するエッジリンス処理をすることによって、不必要なパターンを形成させない方法が知られている。また、特許文献１には、基板表面外周部の厚膜化を抑制するために、回転する基板上に薬液を供給して成膜を行いながら、低い温度の液体を基板の裏面側から基板の端部に供給し、基板表面外周部の乾燥を遅延させる技術が示されている。

また、このエッジリンス処理とは別に、基板のベベル部や裏面に回りこんで付着した塗布膜を除去するバックリンス処理も行われる。このようなパターン形成が不要な部分に付着した塗布膜等を除去することで、この塗布膜が剥離し半導体装置や処理装置に再付着するなどして、半導体装置の歩留り低下や処理装置の汚染が発生することを抑制する。

特開２０１３−４６１４号公報

しかしながら、特許文献１に示された方法を実現するためには、バックリンス処理のシステムに対し基板裏面端部に供給するための液体材料と、その液体材料を低温化するための高精度な温度制御システムや複雑な配管を要する装置の追加が必要である。

したがって、本発明は、装置や材料を追加することなく、基板表面外周部の塗布膜の厚膜化を抑制すると同時に基板裏面の不要な塗布膜や異物を除去することで、基板の有効領域を拡大し、半導体装置の歩留まり低下を抑制することが可能な半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は以下のような半導体装置の製造方法を用いる。

すなわち、基板上に塗布膜形成用の薬液を塗布し、基板を回転させることにより所定の膜厚となるように成膜する半導体装置の製造方法であって、前記成膜の際に前記基板裏面側から前記基板裏面に塗布膜が溶解するリンス液を供給し、前記基板裏面および前記基板表面外周部に前記リンス液が接触するように前記基板の回転速度を第１の値以下とすることを特徴とする半導体装置の製造方法とする。

本発明によれば、液体材料やそれを供給するための高精度な温度制御システムや、複雑な配管を要する装置を追加することなく、基板裏面および基板表面外周部に塗布膜溶解用の薬液を供給することで、基板表面外周部の塗布膜の厚膜化を抑制し基板裏面の不要な塗布膜や異物を除去することができる。そのため、基板表面の有効領域の拡大と半導体装置の歩留まり低下の抑制を実現できる。

本発明の第１の実施形態における半導体装置の製造方法の主要工程を示すフローチャート図である。 本発明の実施形態に係る塗布膜形成装置の構成図である。 本発明の実施形態の基板ベベル部の塗布膜の様子を示した図であり、（ａ）はリンス液が接触しない場合であり、（ｂ）はリンス液が接触する場合である。 本発明の実施形態に係る基板回転速度に対する基板表面外周部へのリンス液の回り込み量の関係を示す図である。 本発明の実施形態に係る基板表面の塗布膜の膜厚分布を示す図であり、（ａ）は基板回転速度が１５００ｒｐｍの場合であり、（ｂ）は基板回転速度が１２００ｒｐｍの場合である。 本発明の第２の実施形態における半導体装置の製造方法の主要工程を示すフローチャート図である。

以下、本発明の半導体装置の製造方法の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

本発明の第１の実施形態における半導体装置の製造方法の主要工程を示すフローチャートを図１に示す。図１に示すように、第１の実施形態における半導体装置の製造方法は、基板保持・回転開始工程（Ｓ１０１）と、塗布膜薬液供給工程（Ｓ１０２）と、塗布膜形成工程（Ｓ１０３）と、塗布膜溶解用の薬液（以下、これをリンス液と称する）を基板裏面側から供給するリンス処理工程（Ｓ１０４）と、加熱処理工程（Ｓ１０５）という一連の工程を実施する。

第１の実施形態における塗布膜形成装置の主要構成を図２に示す。塗布膜形成装置１００は、チャンバ１０２、ステージ１０４、供給ノズル１０６、１０８と、薬液供給装置１１４、１１６、薬液が充填されているタンク１１８、１２０、及びバルブ１２２、１２４を備えている。ステージ１０４は、チャンバ１０２内に回転可能に配置されている。まず、ステージ１０４上に、塗布膜を表面に形成するための基板３００を置き、基板３００の裏面中央部を真空吸着する。その際、ステージ１０４の回転軸上に基板３００の中心が位置するようにする。

まず、基板保持・回転開始工程（Ｓ１０１）として、基板３００を保持した状態で、ステージ中心を軸としてステージ１０４を回転させることで、基板３００の回転を開始させる。基板３００の回転速度は、後の工程において主に供給された塗布膜を拡張させるために設定され、１０００〜３０００ｒｐｍ（１分間あたりの回転数ｒｏｔａｔｉｏｎ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ）程度が一般的だが、薬液種類や粘度、量などにより、任意に設定される。

次に、塗布膜薬液供給工程（Ｓ１０２）として、回転する基板３００上に塗布膜形成用の薬液を供給する。具体的には、薬液供給装置１１６が、塗布膜形成用の薬液が充填されているタンク１２０から塗布膜形成用の薬液を供給ノズル１０６側に向かって送り、バルブ１２２を閉から開にすることで基板３００の上方に配置された供給ノズル１０６から基板３００の表面中心部に塗布膜１０を形成するための薬液を供給する。例えば、塗布膜１０としてポリイミド膜を形成する場合には、ポリイミド膜用の薬液を供給する。また、薬液は半導体産業などで使用されるフォトレジストであってもよい。供給装置は、ベローズポンプなどのポンプ方式でも、Ｎ２加圧等による圧送方式でも良い。

次に、塗布膜形成工程（Ｓ１０３）として、基板３００上に供給された薬液を、基板３００をより高速に回転することにより拡張し、同時に溶媒を脱離させ、基板３００上に塗布膜１０を形成する。ここで、適正回転速度を、加熱処理工程（Ｓ１０５）後に乾燥した塗布膜が最終的に所望の膜厚になるような回転速度に設定する。適性回転速度は、薬液種類や粘度、量、所望膜厚などにより変わり、１０００〜６０００ｒｐｍの範囲で設定されるのが一般的であるが、その条件に限られるものではない。また、膜ムラ防止や均一性向上などのために、複数の回転速度を組み合わせて設定しても良い。

次に、リンス処理工程（Ｓ１０４）として、基板３００上に塗布膜１０を形成させた後、回転する基板３００の裏面側から基板３００の裏面に当たるよう、塗布膜１０を溶解するリンス液１２を供給することにより、基板３００の裏面側に回り込んだ不要な塗布膜を除去する。具体的には、薬液供給装置１１４が、リンス液１２が充填されているタンク１１８からリンス液１２を供給ノズル１０８側に向かって送り、バルブ１２４を閉から開にすることで基板３００の下方に配置された供給ノズル１０８から基板３００の裏面にリンス液１２を供給する。供給装置は、Ｎ２加圧等による圧送方式が標準的だが、ポンプ方式でも良い。供給ノズル１０８は、基板３００の裏面のステージ１０４を除く全面にリンス液１２が広がる位置に設けられ、基板３００の裏面の外周側に設けられることが多い。なお、ステージ１０４にリンス液１２が浸入しないような機構が、装置側には標準的に施されていることが多い。

次に、加熱処理工程（Ｓ１０５）として、基板３００上の塗布膜１０を加熱することで、塗布膜１０中に含まれる溶媒を除去し、所望の塗布膜を得る。

第１の実施形態のリンス処理工程（Ｓ１０４）において、発明者らは、リンス液１２供給中の回転速度を１２００ｒｐｍ以下に設定することによって、基板３００のベベル部から基板３００の表面の外周端部から所定の位置までリンス液１２が届くことを見出した。リンス液１２は、基板３００の回転速度を下げるほど作用する遠心力が低下するので、基板３００の表面側へ回り込む。この回転速度を調整することにより、基板３００の表面外周部へ回り込む量の調整が可能なことが分かった。通常、基板の裏面の不要な塗布膜の除去を行うバックリンス処理の場合、基板の回転速度を１５００〜１８００ｒｐｍに設定する。これは、基板裏面に付着した不要な塗布膜が溶けこんだリンス液１２を基板の回転によって作用する遠心力で基板外に吹き飛ばすためである。

一方、リンス液１２供給中の回転速度を低めに調整することにより、リンス液１２が基板３００の表面外周部に行き届く量を制御することができる。基板３００の裏面側から表面外周部へ流れてきたリンス液１２は、回転速度を下げることにより、作用する遠心力が低下するので、基板３００の裏面とともにベベル部の塗布膜を除去し、基板３００の表面外周部の塗布膜１０を溶解し膜厚を低減することが可能となる。基板３００の裏面とベベル部の塗布膜を除去することにより、基板３００の不要な塗布膜の剥離と再付着に起因する異物の発生を防ぎ、半導体装置の歩留り低下や処理装置の汚染を未然に防止する。半導体装置の歩留り低下原因としては、例えば、半導体装置への異物付着によるパターン欠落や短絡、膜中ピンホール、露光装置のステージへの異物付着起因のフォーカス異常によるパターンの欠落や短絡などが挙げられる。処理装置の汚染としては、例えば、塗布膜形成装置の搬送アームやベークプレート、クーリングプレートへの付着による誤動作、搬送エラーや温調不良などの例が挙げられる。

また、リンス液１２が基板３００の表面へ回り込み、表面外周部の塗布膜１０を溶解することにより、基板３００の外周部の厚膜化を抑制し、露光精度を向上させることができる。そしてその結果、基板表面の有効領域の拡大を可能とする。

リンス液としては、例えば、塗布膜形成用の薬液の溶媒などが用いられるが、塗布膜を溶解する薬液であれば、これに限定されない。具体的には、ポリイミド膜を形成する場合は、ＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）、ＤＭＤＧ（ジエチレングリコールジメチルエーテル）、シクロペンタノン等が用いられる。レジスト膜を形成する場合は、ＰＧＭＥＡ（プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート）、ＰＧＭＥ（プロピレングリコールモノメチルエーテル）、及びその混合溶媒等が用いられる。

また、第１の実施形態のリンス処理工程（Ｓ１０４）でベベル部の不要な塗布膜の除去と、表面外周部の厚膜化の抑制が可能なため、従来のエッジリンス処理は、必要ではない。

図１に示すフローチャートは一例であり、この組み合わせや順序に限られるものではない。例えば、基板保持・回転開始工程（Ｓ１０１）、塗布膜薬液供給工程（Ｓ１０２）、塗布膜形成工程（Ｓ１０３）、リンス処理工程（Ｓ１０４）は同時に１つの処理として行ってもよいし、切れ目無く移行しても構わない。すなわち、塗布膜の成膜の際に基板の裏面側から基板の裏面にリンス液を供給し、基板の裏面および基板の表面外周部にリンス液が接触するように基板の回転速度が第１の値以下である処理を含むこと以外は任意の工程順序や組み合わせにして構わない。

第１の実施形態におけるリンス処理工程（Ｓ１０４）終了後の基板３００のベベル部における塗布膜の付着の様子の一例を、図３に示す。リンス液１２の供給中の基板３００の回転速度が１５００ｒｐｍ以上である図３（ａ）の例においては、リンス液１２が基板３００の裏面のみにしか当たらないので、ベベル部の塗布膜２０２は除去されずに残っている。リンス液１２の供給中の基板３００の回転速度を下げていくと、リンス液１２がベベル部に当たりはじめ、塗布膜２０２は除去される。そして、図３（ｂ）に示すように、リンス液１２の供給中の基板３００の回転速度を１２００ｒｐｍにまで下げると、基板３００のベベル部の塗布膜２０２はリンス液１２によって完全に除去され、基板３００の表面外周部の塗布膜１０にリンス液１２が回り込んで接触する。

６インチ基板においてこのような関係を数値化し、基板３００の表面外周部の塗布膜１０の溶解具合を評価した結果を図４に示す。すなわち、基板３００の外周部の端からリンス液１２が基板３００の表面の内側へ浸入した距離を縦軸とし、リンス液１２の供給中の基板３００の回転速度を横軸として、その関係をグラフ化したものである。なおこのとき、ベベル部については塗布膜が完全に除去され、ベベル部より内側（基板中心方向）の基板３００の表面についてはリンス液１２が侵入して塗布膜１０が膜減りしている。図４から分るように、基板３００の回転速度が１５００ｒｐｍ以上の場合、基板３００の表面外周部へのリンス液１２の回り込みはない。そして、基板３００の回転速度が下がるにつれて基板３００の表面外周部へリンス液１２が回り込む距離は増えていき、１２００ｒｐｍでは基板３００の表面外周部へ回り込む距離は外周部の端から０．３ｍｍとなる。このとき、基板３００のベベル部の不要な塗布膜は完全に除去されている。また、基板３００の回転速度が１０００ｒｐｍの条件においては、リンス液１２は、基板３００の表面の外周部の端から０．６ｍｍの領域まで浸入する。さらに６００ｒｐｍの条件においては、リンス液１２の侵入距離は、基板３００の表面の外周部の端から１．５ｍｍまでに達する。

また、６インチ基板に第１の実施形態を適用したときの、リンス処理工程（Ｓ１０４）における基板３００の回転速度の違いによる、塗布膜１０の基板３００の面内膜厚分布の一例を図５に示す。図５（ａ）のリンス処理工程（Ｓ１０４）における基板３００の回転速度が１５００ｒｐｍの場合、基板３００の表面外周部の塗布膜１０は、外周側へ向かうほど厚くなる傾向にあり、外周６０ｍｍより外側でその厚さ増大が顕著となる。これに対して、リンス処理工程（Ｓ１０４）における基板３００の回転速度が下がるにつれて、基板３００の表面外周部の塗布膜１０の膜厚は、徐々に薄くなる。そして、図５（ｂ）の基板３００の回転速度が１２００ｒｐｍの場合、基板３００の表面外周部の塗布膜１０は外周６０ｍｍより外側では薄くなる傾向に転じ、外周部の厚膜化は緩和する。これは、リンス液１２の回り込みにより基板３００の表面外周部の塗布膜１０が膜減りすることで、外周部の厚膜化が緩和した結果を示すものである。

以上のように、基板表面外周部の塗布膜の厚膜化を抑制しつつ基板裏面の不要な塗布膜や異物を除去するためには、リンス処理工程（Ｓ１０４）における基板３００の回転速度を１２００ｒｐｍ以下とすることが望ましい。但し、基板３００の回転速度を５００ｒｐｍ未満にすると遠心力の低下により、ベベル部や基板３００の裏面の不要な塗布膜の除去性の低下が現れ始める。そのため、リンス処理工程（Ｓ１０４）における基板３００の回転速度は５００ｒｐｍから１２００ｒｐｍの間に設定するのが好ましい。

これまで述べたように、基板の表面外周部の塗布膜の厚膜化を抑制することで、フォトリソグラフィ工程の露光条件の不適切によるパターン形成不良を抑制し、基板の有効領域の拡大が可能となる。また、基板のベベル部や裏面の不要な塗布膜を除去することで、例えば、基板と基板を格納するキャリアとの接触や振動等による不要な塗布膜の剥離と、半導体装置への再付着による歩留まり低下の抑制を実現できる。

本発明の第２の実施形態における半導体装置の製造方法の主要工程のフローチャートを図６に示す。図６に示すように、第２の実施形態における半導体装置の製造方法は、基板保持・回転開始工程（Ｓ２０１）と、塗布膜薬液供給工程（Ｓ２０２）と、塗布膜形成工程（Ｓ２０３）と、リンス処理１工程（Ｓ２０４）と、リンス処理２工程（Ｓ２０５）と、加熱処理工程（Ｓ２０６）という一連の工程を実施する。第２の実施形態における基板保持・回転開始工程（Ｓ２０１）、塗布膜薬液供給工程（Ｓ２０２）、塗布膜形成工程（Ｓ２０３）、リンス処理１工程（Ｓ２０４）は、それぞれ第１の実施形態における基板保持・回転開始工程（Ｓ１０１）、塗布膜薬液供給工程（Ｓ１０２）、塗布膜形成工程（Ｓ１０３）、リンス処理工程（Ｓ１０４）に対応し、同様の処理を行う。

通常、リンス液供給中の基板の回転速度は、高いほど不要な塗布膜や付着している異物に対する遠心力が高まるので、それらの除去性が向上する。そこで第２の実施形態では、リンス処理１工程（Ｓ２０４）の後に、基板の回転速度が高いリンス処理２工程（Ｓ２０５）を追加している。

例えば、リンス処理１工程（Ｓ２０４）において基板３００の回転速度を１２００ｒｐｍ以下の低速として、基板３００の裏面および基板３００の表面外周部にリンス液１２を供給する。そしてリンス処理２工程（Ｓ２０５）において、リンス液１２を供給しながら基板３００の回転速度を１５００ｒｐｍから１８００ｒｐｍの間の高速とする。図４に示すように、基板３００の回転速度を１５００ｒｐｍから１８００ｒｐｍとすると、基板３００の裏面のみにリンス液１２を供給することができる。このようにすることで、確実に基板３００の裏面やベベル部の不要な塗布膜や異物を除去し、基板３００の表面外周部の塗布膜１０の厚膜化の抑制を実現することができる。

以上の説明においては、基板３００の回転速度が低いリンス処理１工程（Ｓ２０４）を先とし、基板３００の回転速度が高いリンス処理２工程（Ｓ２０５）を後としているが、この順番が逆であっても構わない。

また、図６に示すフローチャートは一例であり、この組み合わせや順序に限られるものではない。例えば、基板保持・回転開始工程（Ｓ２０１）、塗布膜薬液供給工程（Ｓ２０２）、塗布膜形成工程（Ｓ２０３）、リンス処理１工程（Ｓ２０４）は、同時に１つの処理として行ってもよいし、切れ目無く移行しても構わない。すなわち、塗布膜の成膜の際に基板の裏面側から基板の裏面にリンス液を供給し、基板の裏面および基板の表面外周部にリンス液が接触するように基板の回転速度が第１の値以下である処理と、さらに基板裏面のみにリンス液が接触するように基板の回転速度が第２の値以上である処理とを含む以外は任意の工程順序や組み合わせにして構わない。

本発明については、上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることは言うまでもない。例えば、上記実施形態において６インチの直径の基板を例として説明しているが、それに限らず、それ以上またはそれ以下の直径の基板において本発明が適用できることはいうまでもない。

１０ 塗布膜
１２ リンス液
１０２ チャンバ
１０４ ステージ
１０６、１０８ 供給ノズル
３００ 基板
１２２、１２４ バルブ

Claims (4)

1. 基板上に塗布膜形成用の薬液を塗布し、前記基板を回転させることにより所定の膜厚となるように塗布膜を成膜する半導体装置の製造方法であって、
   前記成膜の際に前記基板裏面側から前記基板裏面に前記塗布膜が溶解するリンス液を供給し、
   前記基板裏面および前記基板表面外周部に前記リンス液が接触するように前記基板の回転速度が第１の値以下であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記第１の値が５００ｒｐｍ以上１２００ｒｐｍ以下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。
3. さらに前記基板裏面のみに前記リンス液が接触するように前記基板の回転速度が前記第１の回転速度よりも高い第２の値以上である工程を含む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。
4. 前記第２の値が１５００ｒｐｍ以上１８００ｒｐｍ以下であることを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。

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