JP3708786B2

JP3708786B2 - レジストパターン形成方法及び半導体製造システム

Info

Publication number: JP3708786B2
Application number: JP2000087399A
Authority: JP
Inventors: 健二川野; 信一伊藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-03-27
Filing date: 2000-03-27
Publication date: 2005-10-19
Anticipated expiration: 2020-03-27
Also published as: JP2001274069A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被加工基板上に形成されたレジストに所望パターンを形成するためのリソグラフィ技術に係わり、特に被加工基板の反りの影響を考慮したレジストパターン形成方法及び半導体製造システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置のリソグラフィ工程では、半導体素子の微細化に伴って化学増幅型レジストの適用が必須となっている。この種のレジストを用いたプロセスでは、露光で生じた酸を拡散させるために、露光後にＰＥＢ（Post Exposure Bake）と呼ばれる加熱処理工程が必要になる。そして、レジストのパターン寸法は、ＰＥＢの処理温度に大きく依存するために、基板面内及び基板間での温度均一性が必要とされている。
【０００３】
ＰＥＢ処理は、半導体基板を温調された熱板と微少な隙間（プロキシミティギャップ）を設けた状態で載置するか、或いは基板と熱板を密着して行う方法が一般に用いられている。そして、ＰＥＢ処理を行うための加熱装置では通常、平坦な熱板が使用されている。
【０００４】
ところで、リングラフィ工程を行う半導体基板上には、トランジスタのキャパシタ材である誘電体膜、配線に用いる金属膜、層間絶縁膜などが既に形成されているため、半導体基板には反りが生じている場合が多い。このような半導体基板を加熱装置内の熱板を用いて加熱処理すると、基板面内において熱板と基板との距離に差が生じるため、基板表面での温度ばらつきが大きくなってしまうという問題点が生じていた。
【０００５】
これらの問題点に対して、熱板上面部に複数の温度センサを設け、半導体基板を熱板上に載置する前後の温度変化を検出することで基板の反り量を間接的に求め、反り量が許容範囲以上の場合は熱板の設定温度を変更する熱処理装置が既に提案されている（特開平１１−３２９９４１号公報）。しかし、この種の装置では、基板反り量を加熱処理温度ヘフィードバックするまでの間に加熱処理が進行してしまうため、温度精度の優れた加熱処理を行うことは困難であった。また、複数の温度センサが別途必要となるために、コストが高くなるという新たな問題点も生じていた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来、パターン露光に供される半導体基板が反った形状を持っていると、露光後のＰＥＢ処理等において熱板で加熱処理する際に基板面内で温度のばらつきが生じ、最終的に得られるレジストパターンの加工精度が低下する問題があった。
【０００７】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、被加工基板が反った形状を持ち、その反り量が基板毎に異なっていても基板面内で優れた均一性を持った加熱処理を行うことができ、レジストパターンの加工精度向上に寄与し得るレジストパターン形成方法及び半導体製造システムを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
（構成）
上記課題を解決するために本発明は、次のような構成を採用している。
【０００９】
即ち本発明は、被加工基板上にレジスト膜を形成する工程と、前記レジスト膜に所望パターンを露光する工程と、前記レジスト膜にパターンが露光された基板を熱板上に載置して加熱処理する工程と、前記加熱処理されたレジスト膜に現像処理を施す工程とを含むレジストパターン形成方法において、前記加熱処理する工程よりも前に前記被加工基板の反り量を計測し、前記被加工基板を加熱処理する工程で、前記計測した反り量に応じて前記熱板による供給熱量を制御することを特徴とする。
【００１０】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものが挙げられる。
(1) 熱板による供給熱量を制御する手段として、熱板の基板載置面における被加工基板と熱板との距離が長いほど供給熱量が多くなるように、熱板の温度を面内方向で変えること。
【００１１】
(2) 熱板による供給熱量を制御する手段として、被加工基板の反り量が大きいほど熱板によるトータルの供給熱量を多くするように、熱板の温度を制御すること。
【００１２】
(3) 被加工基板の反り量を計測する手段として、レジスト膜に所望パターンを露光するための露光装置内で、被加工基板をステージ上に固定するための真空チャック圧の面内分布を求め、この分布に基づいて反り量を算出すること。
【００１３】
また本発明は、被加工基板上にレジスト膜を形成するレジスト塗布装置と、前記レジスト膜が形成された被加工基板に対して所望パターンを露光する露光装置と、前記パターンが露光された被加工基板を熱板上に載置して加熱処理する加熱装置と、前記加熱処理された被加工基板に対して現像処理を施す現像装置と、前記被加工基板を前記各装置間で搬送する搬送機構と、前記被加工基板の反り量を計測する手段とを備えた半導体製造システムであって、前記加熱装置は、前記計測手段により計測された基板の反り量に基づいて、前記熱板の基板載置面における前記被加工基板と前記熱板との距離が長いほど供給熱量が多くなるように、前記熱板の面内方向の温度分布を制御するものであることを特徴とする。
【００１４】
また本発明は、被加工基板上にレジスト膜を形成するレジスト塗布装置と、前記レジスト膜が形成された被加工基板に対して所望パターンを露光する露光装置と、前記パターンが露光された被加工基板を熱板上に載置して加熱処理する加熱装置と、前記加熱処理された被加工基板に対して現像処理を施す現像装置と、前記被加工基板を前記各装置間で搬送する搬送機構と、前記被加工基板の反り量を計測する手段とを備えた半導体製造システムであって、前記加熱装置は、前記計測手段により計測された基板の反り量に基づいて、反り量が大きいほどトータルの供給熱量が多くなるように前記熱板の温度を制御するものであることを特徴とする。
【００１５】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものが挙げられる。
(1) 被加工基板の反り量を計測する手段は、露光装置内で前記被加工基板をステージ上に固定するための真空チャック機構に、真空チャック圧の面内分布を検出する機能を設け、検出された面内分布に従って反り量を算出するものであること。
【００１６】
(2) 加熱装置の熱板は、径の異なる複数の同心環状ヒータを有し、各々のヒータが独立に温度制御可能であること。
【００１７】
（作用）
先にも説明したように、リングラフィ工程でパターン転写に供される被加工基板は、下地に様々な膜が形成されているため、一般に反った形状となっている。このような基板を熱板で加熱処理する場合、熱板と基板との距離が基板面内で異なるため、供給される熱量に基板面内でばらつきが生じる。露光後に行うＰＥＢと呼ばれる加熱処理工程で供給される熱量と現像後に形成されるレジストパターンの寸法との間には密接な関係がある。このため、ＰＥＢ工程で供給される熱量のばらつきが大きいと、寸法の均一性を劣化させてしまう。
【００１８】
本発明では、ＰＥＢ工程に先立ち（例えば露光装置内において）、基板の反り量データを取得し、その反り量に基づきＰＥＢ時に熱板から供給する熱量の制御を行っている。熱量制御の第１の方法として、熱板の基板載置面における基板と熱板との距離が長いほど供給熱量が多くなるように熱板の温度を面内方向で変えることにより、基板を面内で均一に加熱することができる。熱量制御の第２の方法として、被加工基板の反り量が大きいほど熱板によるトータルの供給熱量を多くする用に熱板の温度を制御することにより、反り量の異なる基板に対して均一な加熱処理を行うことができる。
【００１９】
また、フィードバック制御ではなくフィードフォワード制御のため、温度制御の遅れがなく、より正確な温度制御が可能となる。さらに、加熱装置内に複数の温度センサを設ける必要もなく、コストが高くなる等の不都合もない。従って本発明によれば、被加工基板が反った形状を持ち、その反り量が基板毎に異なっていても基板面内及び基板間で優れた均一性を持った加熱処理を行うことができ、レジストパターンの加工精度向上に寄与することが可能となる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００２１】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係わる半導体製造システムを模式的に示す構成図である。
【００２２】
露光装置１０とレジスト処理装置２０がインターフェースユニット３０を介して接続されている。露光装置１０は、ステージ上に載置されたウェハに対して、投影露光基板（マスク）に形成されたパターンを露光するものであるが、この基本的機能とは別に後述するように、ステージ上のウェハの反り量を計測できるようになっている。
【００２３】
レジスト処理装置２０は、複数枚のウェハがセットされるウェハステーション２１、ウェハ上に反射防止膜を塗布するための第１の塗布ユニット２２（ＣＯＴ１）、ウェハ上にレジストを塗布するための第２の塗布ユニット２３（ＣＯＴ２）、反射防止膜をベークするための第１のベークユニット２４（ＨＰ１）、レジストをプリベークするための第２のベークユニット２５（ＨＰ２）、レジストをポストベークするための第３のベークユニット２６（ＨＰ３）、レジストを現像するための現像ユニット２７、図示しない冷却ユニット及び搬送ユニットなどから構成されている。ここで、ベークユニット２６は熱板上に載置されたウェハを加熱処理するものであるが、後述するように熱板表面の温度を面内で可変制御できるようになっている。
【００２４】
次に、本実施形態におけるレジストパターン形成プロセスを、図２のフローチャートに従って説明する。
【００２５】
まず、ウェハステーション２１に載置されたウェハ（図示せず）を、搬送ユニットで第１の塗布ユニット２２に搬送し、ウェハ上に反射防止膜を塗布した（ステップ１）。続いて、ウェハを搬送ユニットで第１のベークユニット２４に搬送し、１９０℃，６０秒の条件でベーク処理して、膜厚６０ｎｍの反射防止膜を形成した（ステップ２）。
【００２６】
次いで、ウェハを一旦冷却ユニットに搬送して冷却処理を行った後、該ウェハを第２の塗布ユニット２３に搬送し、ポジ型化学増幅レジストを塗布した（ステップ３）。続いて、ウェハを第２のベークユニット２５に搬送し、１４０℃，９０秒の条件でプリベークと呼ばれるレジスト中の溶剤を揮発させるための加熱処理を行った（ステップ４）。これにより、反射防止膜上に４００ｎｍのレジスト膜を形成した。
【００２７】
次いで、ウェハを冷却ユニットに搬送して室温近傍まで冷却した後、インターフェースユニット３０を経て露光装置１０へ搬送し、投影露光用マスクを用いて、所望の潜像をレジスト膜に転写した（ステップ５）。
【００２８】
露光工程では、マスクパターンを縮小投影する際にフォーカスがずれると、光学像が大きく劣化し、所望のパターンが得られない。このため、露光装置内にはウェハの反りに伴うフォーカスずれを低減するために、ウェハを支持するステージにバキュームチャック機能を設け、ステージ上でウェハがフラットになるようにしている。
【００２９】
本実施形態では、このバキュームチャックの圧力分布を基にウェハの反り量を算出した。図３を参照して、バキュームチャックの圧力分布を求める方法を説明する。図３（ａ）（ｂ）はウェハステージの平面図と断面図を模式的に示したものであり、図３（ｃ）はバキュームチャック時の圧力変化を示している。
【００３０】
図３（ａ）（ｂ）に示すように、ウェハステージ４０の表面側には、径の異なる４つの同心円状の溝４１が設けられ、これらの溝４１は共通の真空系に接続されている。各々の溝４１には、それぞれ圧力センサ４２が設けられており、図３（ｃ）に示すように、チャッキングを開始してからの時間に対する圧力変化がモニタできるようになっている。
【００３１】
ここでは、時間ｔ１において、チャッキングが完了したことになる。ステージと基板との距離、即ちチャッキング位置での基板の反り量は、チャッキング完了時間ｔ１との間に密接な関係があり、基板の反り量が大きいほど、チャッキング完了時間ｔ１は大きくなる。従って、各チャッキング位置での時間ｔ１と基板の反り量の関係を事前に求めておくことで、時間ｔ１から基板の反り量を算出することができる。
【００３２】
なお、溝４１は必ずしも径方向に連続したものである必要はなく、一定間隔毎に仕切りを設けて分離させるようにしてもよい。この場合、径方向に分離した溝毎に圧力センサを設けることにより、径方向に対しても複数箇所で圧力を検出できることになり、より分解能の高い検出が可能となる。
【００３３】
図４に、上記の圧力センサの検出信号を元に得られたウェハ反り量の等高線図を示す。この図では、中央が窪む凹形状になっている。なお、このデータは、溝４１を径方向に分離し、分離した各々に圧力センサをそれぞれ設けた例に対応している。
【００３４】
このようにして得られたウェハ反り量データは、図５に示すように露光装置１０の内部に一時保存され、露光後に行うベークユニット（ＰＥＢユニット）２６のヒータ制御部６５へと送られる。そして、データ制御部６５により、ウェハ反り量データに基づいて熱板６０による加熱処理温度が設定されるようになっている。
【００３５】
ここで、ベーク処理ユニット２６内に設置された熱板６０の構造及び加熱処理温度の設定方法について説明する。加熱処理温度は１４０℃とした。図６（ａ）にＰＥＢユニット２６の熱板６０の構成断面図を、（ｂ）に熱板６０のヒータパターンの平面図を示す。
【００３６】
円形の熱板６０の裏面側に径の異なる同心円状の複数（例えば３つ）のヒータ６１，６２，６３が設けられ、各々のヒータは熱板６０に埋め込まれた熱電対（図示せず）の検出信号を基にそれぞれが独立に温度制御されている。ウェハ５０は熱板６０の表面側にセットされるが、熱板６０との接触によるウェハ裏面の汚染を防ぐために、外周部にプロキシミティギャップ５５（０．１ｍｍ）が配置されている。ウェハ面内で１４０℃で均一な加熱処理をするために、図７に示すような相関関係を用いた。
【００３７】
図７は、ウェハ５０と熱板６０との距離が変化したときに、ウェハ処理温度が１４０℃となるために必要な熱板設定温度の関係を示したものである。ウェハ反り量ｄが０のとき、ウェハ５０と熱板６０との距離はプロキシミティギャップ５５の０．１ｍｍとなり、熱板設定温度は１４０℃となる。ウェハ５０の反りが凹形状の場合、ウェハ反り量ｄが大きいほどウェハ５０と熱板６０との距離は狭くなるため、例えば前記図４で示すウェハ反り量ｄ＝２０μｍの領域（図６のヒータ６２に該当）では、１３９．７５℃と従来の設定温度である１４０℃より低く設定し、またｄ＝４０μｍの領域（ヒータ６３に該当）では、１３９．５５℃とさらに温度を低く設定した（ステップ６）。
【００３８】
露光後、ウェハ５０をインターフェースユニット３０を介してレジスト処理装置２０に戻し、さらに搬送ユニットでＰＥＢユニット２６に搬送し、前記の方法によって定められた加熱条件で、ＰＥＢと呼ばれる露光後のベーク処理を１４０℃，９０秒の条件で行った（ステップ７）。このように、予め計測されたウェハ反り量から、ウェハ５０と熱板６０との距離に応じて熱板６０の各ヒータの設定温度を決定することで、ウェハ面内の温度均一性（３σ）は０．７２℃から０．２３℃にまで改善した。
【００３９】
次いで、ウェハ５０を冷却ユニット（図示せず）で室温近傍まで冷却した後、現像ユニット２７で９０秒間のアルカリ現像処理を行った（ステップ８）。現像処理終了後、リンス処理、スピン乾燥処理を行い、ウェハ５０をウェハステーション２１にまで搬送した。
【００４０】
現像後のレジスト寸法をウェハ面内で測定した結果、回路パターンの１つである１８０ｎｍのライン＆スペースパターンの面内均一性は設定温度を最適化していないＰＥＢ処理条件でレジストパターン形成を行ったときの１４．１ｎｍ（３σ）に比べ、６．４ｎｍと大幅に改善することができた。また、処理するウェハ毎に反りの分布や量が異なっていても、それぞれのウェハに応じた加熱条件でＰＥＢ処理を行うので、ウェハ間の寸法均一性も改善することができた。
【００４１】
（第２の実施形態）
第１の実施形態ではウェハ加熱における面内ばらつきを無くすようにしたが、本実施形態はウェハ間のばらつきを無くすようにしたものである。
【００４２】
図８は、本実施形態に使用した熱板の構成を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は平面図である。第１の実施形態では３つの同心円ヒータ６１，６２，６３からなるベークユニットを用いたが、本実施形態では単一のヒータ６１のみを用いた。
【００４３】
本実施形態のように単一のヒータ６１を熱源に持つ加熱装置では、その構造上ウェハ面内でのヒータ温度補正は不可能であるが、ウェハ５０と熱板６０との距離をウェハ面内で平均化し、その距離に基づき設定温度をウェハ毎に変更することは可能である。これにより、供給熱量のウェハ間ばらつきを低減することができる。
【００４４】
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。実施形態では、３つの同心円ヒータ、又は単一のヒータからなるベークユニットを用いたが、ヒータ数、ヒータ形状はこれに限定されるものではなく、仕様に応じて適宜変更可能である。さらに、ヒータは必ずしも同心円状に限るものではなく、熱板表面側で面内方向に温度差を形成できるように複数に分離されたものであればよい。
【００４５】
また、本実施形態では、バキュームチャックの圧力分布を基にウェハの反り量を算出したが、これに限定されるものではない。例えば、図９に示すように、露光装置１０内でウェハの高さ位置を検出するためのＺセンサ８０を用い、このセンサ８０で得られたデータを基にウェハの反り量を算出してもよい。また、ウェハ裏面側に単色光を照射し、その干渉縞に基づきウェハの反り量を算出してもよい。
【００４６】
また、実施形態では、凹形状に反ったウェハの場合を示したが、凸形状のウェハでも前記の加熱条件設定方法を用いることで、同様の効果が得られる。また、実施形態では、ウェハの反り量をＰＥＢの加熱条件にフィードフォワードしたが、必ずしもこれに限定されるものではない。ＰＥＢ以外の加熱処理前にウェハの反り量を測定し、反射防止膜やレジストの塗布後に行う加熱処理にフィードフォワードしてもよい。
【００４７】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、被加工基板をＰＥＢ加熱処理する工程よりも前に基板の反り量を計測し、ＰＥＢ加熱処理工程では、計測した反り量に応じて熱板による供給熱量を制御することにより、被加工基板が反っていても、均一性の優れた加熱処理を行うことができる。このため、被加工基板上に形成されるレジストパターン寸法の基板面内の寸法バラツキを低減することができる。これにより、その後の工程を経て作製されるデバイスの信頼性及び製造歩留まりの向上をはかることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係わる半導体製造システムを模式的に示す構成図。
【図２】第１の実施形態におけるレジストパターン形成プロセスを説明するためのフローチャート。
【図３】バキュームチャックの圧力分布を求める方法を説明するためのもので、ステージ構成を示す平面図と断面図、及びバキュームチャック時の圧力変化を示す図。
【図４】ウェハ反り量の等高線図及びウェハが反った様子を模式的に示した断面図。
【図５】露光装置内で得られたバキュームチャック圧からウェハ反り量を算出し、これをＰＥＢユニットヘフィードフォワードする様子を模式的に示した図。
【図６】ベークユニットの構成を示す断面図と平面図。
【図７】ウェハを１４０℃に加熱する際に必要な熱板温度条件を示した図。
【図８】第２の実施形態を説明するためのもので、単独ヒータを有するベークユニットの構成を示す断面図と平面図。
【図９】本発明の変形例を説明するための図。
【符号の説明】
１０…露光装置
２０…レジスト処理装置
２１…ウェハステーション
２２，２３…塗布ユニット（ＣＯＴ１，２）
２４，２５…ベークユニット（ＨＰ１，２）
２６…ベークユニット（ＨＰ３：ＰＥＢユニット）
２７…現像ユニット（ＥＤＶ）
３０…インターフェースユニット
４０…ウェハステージ
４１…溝
４２…圧力センサ
５０…ウェハ（被加工基板）
６０…熱板
６１，６２，６３…ヒータ
６５…ヒータ制御部

Claims

被加工基板上にレジスト膜を形成する工程と、前記レジスト膜に所望パターンを露光する工程と、前記レジスト膜にパターンが露光された基板を熱板上に載置して加熱処理する工程と、前記加熱処理されたレジスト膜に現像処理を施す工程とを含むレジストパターン形成方法において、
前記加熱処理する工程よりも前に前記被加工基板の反り量を計測し、前記被加工基板を加熱処理する工程で、前記計測した反り量に応じて前記熱板による供給熱量を制御することを特徴とするレジストパターン形成方法。
前記熱板による供給熱量を制御する手段として、前記熱板の基板載置面における前記被加工基板と前記熱板との距離が長いほど供給熱量が多くなるように、前記熱板の温度を面内方向で変えることを特徴とする請求項１記載のレジストパターン形成方法。
前記被加工基板の反り量を計測する手段として、前記レジスト膜に所望パターンを露光するための露光装置内で、前記被加工基板をステージ上に固定するための真空チャック圧の面内分布を求め、この分布に基づいて反り量を算出することを特徴とする請求項１又は２に記載のパターン形成方法。
被加工基板上にレジスト膜を形成するレジスト塗布装置と、前記レジスト膜が形成された被加工基板に対して所望パターンを露光する露光装置と、前記パターンが露光された被加工基板を熱板上に載置して加熱処理する加熱装置と、前記加熱処理された被加工基板に対して現像処理を施す現像装置と、前記被加工基板を前記各装置間で搬送する搬送機構と、前記被加工基板の反り量を計測する手段とを備えた半導体製造システムであって、
前記加熱装置は、前記計測手段により計測された基板の反り量に基づいて、前記熱板の基板載置面における前記被加工基板と前記熱板との距離が長いほど供給熱量が多くなるように、前記熱板の面内方向の温度分布を制御するものであることを特徴とする半導体製造システム。
被加工基板を加熱する熱板と、前記熱板の温度を制御する制御手段とを有する加熱処理装置であって、
外部からの被加工基板の反り量情報を取り込む情報入力部と、前記反り量に基づいて熱板の基板載置面における前記被加工基板と前記熱板との距離が長いほど供給熱量が多くなるように、前記熱板の面内方向の温度分布を制御する制御手段を具備したことを特徴とする加熱処理装置。
前記被加工基板の反り量を計測する手段は、前記露光装置内で前記被加工基板をステージ上に固定するための真空チャック機構に、真空チャック圧の面内分布を検出する機能を設け、検出された面内分布に従って反り量を算出するものであることを特徴とする請求項４に記載の半導体製造システム。
前記加熱装置の熱板は、径の異なる複数の同心環状ヒータを有し、各々のヒータが独立に温度制御可能であることを特徴とする請求項４記載の半導体製造システム。