JP3825126B2 - 膜形成装置および膜形成方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ上に溶液を滴下して膜を形成する膜形成装置および膜形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体ウエハ上にＳＯＧ膜等の膜を形成するにあたり、回転塗布法を採用した膜形成装置が知られている。
図２は、従来の膜形成装置を示す図である。
膜形成装置５０は、半導体ウエハを水平に固定する半導体ウエハ固定部１１を備えている。この半導体ウエハ固定部１１は吸引口（図示せず）を有しており、この吸引口で半導体ウエハを吸引することにより、図２に示すように半導体ウエハ１２を水平に固定する。また半導体ウエハ固定部１１の下部には垂直に回転軸１３が取り付けられており、回転軸１３の下部には、この回転軸１３を回転させるモータ１４が取り付けられている。このモータ１４により回転軸１３が回転すると、半導体ウエハ固定部１１が水平に回転し、半導体ウエハ１２が水平に回転する。また、回転塗布装置５０は、半導体ウエハ上に滴下される溶液の入った溶液タンク１９を有している。この溶液タンク１９内の溶液は配管２０を流れ溶液吐出部２１に送られる。この溶液吐出部２１は、配管２０とは別のもう一つの配管２２につながれており、また、溶液吐出部２１は、溶液吐出制御器（図示せず）に接続されている。この溶液吐出制御器は、溶液吐出部２１から配管２２に溶液を吐出するか否かを表す信号を溶液吐出部２１に送るものであり、溶液を吐出する旨を表わす信号が溶液吐出部２１に送られると、溶液吐出部２１から配管２２に溶液が吐出される。配管２２に吐出された溶液はこの配管２２を流れ、配管２２の先端に取りつけられたノズル２３から半導体ウエハ１２上に滴下される。また半導体ウエハ固定部１１の周囲には処理カップ１５が設けられている。この処理カップ１５の底部には、半導体ウエハ周囲を排気する排気装置（図示せず）につながる排気口１６が設けられ、また処理カップ１５は、半導体ウエハに滴下される溶液に含まれる溶剤の蒸発により生じる気流を調整する気流調整板１７を有しており、この気流調整板１７で気流調整を行なうことにより、半導体ウエハ１２上に形成される膜の厚さの均一化を図っている。また、処理カップ１５の下部には、半導体ウエハ上に溶液を滴下した時に周囲に飛散する溶液を排出する排出口１８が設けられている。
【０００３】
このように構成された回転塗布装置５０を用いて半導体ウエハ上に膜を形成する手順を以下に示す。
先ず、図２に示すように半導体ウエハ固定部１１に半導体ウエハ１２を固定し、排気装置で半導体ウエハ１２の周囲を排気する。
次に、ノズル２３から一定量の溶液を半導体ウエハ１２上に滴下し、半導体ウエハ固定部１１を回転させる。このように半導体ウエハ固定部１１を回転させることにより遠心力が発生し、半導体ウエハ１２上に溶液の膜が形成される。このように溶液の膜が形成された半導体ウエハを４００℃程度の温度で焼成することにより半導体ウエハ１２上に膜が形成される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した回転塗布装置５０では、半導体ウエハ１２に膜厚の薄い膜を形成する場合、ノズル２３から滴下される溶液の滴下量を少量にするが、このように、半導体ウエハ上に滴下される溶液の滴下量が少ないと、溶液に含まれる溶剤の量も少ないため、滴下された溶液が膜状に成形される間にほとんどの溶剤が蒸発してしまい、半導体ウエハ上に形成される膜の厚さが膜の部位によってばらつき、均一な厚さを有する膜を形成することは難しいという問題がある。
【０００５】
このような問題を解決する方法として特開平５−２４３１４０号公報や特開平６−３２６０１４号公報では、溶液の滴下に先立って、この溶液に含まれている溶剤と同一の溶剤を半導体ウエハ上に滴下する方法が開示されているが、このように溶剤を滴下すると、半導体ウエハ上に滴下された溶液が局所的に薄まってしまい、半導体ウエハに形成される膜の厚さが膜の部位によってやはりばらついてしまうという問題がある。
【０００６】
また、特開平２−１２２６１５号公報や特開平３−２５７９２０号公報では、半導体ウエハ自体を冷却して半導体ウエハの温度を下げ、半導体ウエハ上に滴下された溶液に含まれる溶剤の蒸発速度を遅くすることにより均一な厚さの膜を形成する方法が開示されているが、冷却された半導体ウエハの温度が半導体ウエハの部位によって異なってしまうため、それぞれの部位によって溶剤の蒸発速度が異なり、均一な膜厚の膜を形成することはやはり難しいという問題がある。
【０００７】
また、配線パターンが形成された半導体ウエハ上に溶液を滴下して膜を形成する場合、その配線パターンに疎密の部分があると、半導体ウエハに滴下された溶液は、配線パターンの疎の部分では薄くたまり、配線パターンの密の部分では厚くたまる性質があり、配線パターンの疎密により、やはり膜の厚さがばらつくという問題や、配線間の間隔が狭くなると、配線間に溶液が入り込みにくく、配線間に膜を形成することが難しいという問題もある。
【０００８】
このような問題を解決するため、特開平６−１７０３１５号公報や特開平７−２２７５６８号公報に、回転カップ式の膜形成装置が開示されている。この装置は、内部に半導体ウエハ固定部を有するカップを備えており、このカップは蓋をすることにより内部が密閉され、半導体ウエハ固定部およびカップは、水平に回転する。この回転カップ式の装置は、半導体ウエハ固定部に半導体ウエハを固定した後、蓋をしてカップ内部を密閉し、半導体ウエハ固定部とカップとを回転させることにより、半導体ウエハ上に膜を形成する。この装置を用いると、配線パターンが形成された半導体ウエハに溶液を滴下して膜を形成する場合、この配線パターンが疎密の部分を有するものであっても、均一な厚さを有する膜を形成することができる。
【０００９】
ところが、この回転カップ式の装置は、半導体ウエハに滴下できる溶液の種類が限定されてしまうという問題がある。また、回転カップ式の装置は、カップ内の温度等を調整する調整ユニットが必要であり、コストがかかるという問題がある。
本発明は、上記事情に鑑み、製造コストの削減が図られ、かつ均一な厚さの膜が形成され、半導体ウエハ上に、例えば配線間隔の狭い配線パターンを形成することにより半導体ウエハに凹凸の曲面が形成された場合、配線により形成された凹部を埋め込むように膜が形成されるなど、凹部の埋込み性に優れた膜形成装置および膜形成方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明の膜形成装置は、
半導体ウエハ上に溶液を滴下して膜を形成する膜形成装置において、
（１）半導体ウエハを水平に固定する半導体ウエハ固定部
（２）この半導体ウエハ固定部を水平に回転させる回転手段
（３）所定の温度を有する溶液を、上記半導体ウエハ固定部に固定された半導体ウエハ上に滴下する第１の溶液滴下手段
（４）上記溶液と同一の溶液であって、かつ上記所定の温度よりも高い温度を有する溶液を、前記半導体ウエハ上に滴下する第２の溶液滴下手段
（５）上記半導体ウエハに上記第１の溶液滴下手段による溶液の滴下が終了した後に、上記第２の溶液滴下手段による溶液の滴下が開始されるように、溶液の滴下順序を制御する溶液滴下制御器
を備えたことを特徴とする。
【００１１】
第１の溶液滴下手段により滴下される溶液は、この溶液の温度が第２の溶液滴下手段により滴下される溶液の温度よりも低いため、第２の溶液滴下手段により滴下される溶液と比較して、溶液中の溶剤は蒸発しにくい。従って、第１の溶液滴下手段により滴下される溶液の温度を低く設定することにより、粘性の低い溶液を滴下することができる。本発明の膜形成装置は、溶液滴下制御器により、初めに第１の溶液滴下手段により溶液を滴下するため、例えば配線間隔の狭い配線パターンが形成された半導体ウエハに溶液を滴下する場合、第１の溶液滴下手段により滴下される溶液の温度を低い温度に設定することにより、この半導体基板上には粘性の低い溶液が滴下される。従って、この溶液は配線間に入り込みやすく、半導体ウエハを回転させることにより、この粘性の低い溶液は配線間を埋め込むように膜状に成形される。この膜状に成形された溶液が十分溶剤を含んでいる間に第２の溶液滴下手段により溶液を滴下すると、この溶液は、膜状に成形された溶液中に含まれる溶剤により、膜状に広がりやすい。従って、均一の厚さを有し、配線間を埋込むような膜が形成される。
【００１２】
また、本発明の膜形成装置は、半導体ウエハ周囲の温度等を調整する調整ユニットは不要であり、コストの削減が図られる。
ここで本発明の膜形成装置が備える第１の溶液滴下手段および第２の溶液滴下手段により滴下される溶液が、いずれも、レジスト溶液、ＳＯＧ溶液、およびポリイミド溶液のうちのいずれかの溶液であると、半導体ウエハ上にレジスト膜、ＳＯＧ膜、およびポリイミド膜のうちのいずれかの膜を均一な厚さを有するように形成することができる。
【００１３】
また、上記目的を達成する本発明の膜形成装置は、
（１）半導体ウエハ上に溶液を滴下して膜を形成する膜形成方法において、半導体ウエハを水平に保持して水平に回転させ、かつ所定の温度を有する溶液を滴下する第１の工程
（２）上記第１の工程が終了した後、上記半導体ウエハを水平に保持して水平に回転させたまま、上記溶液と同一の溶液であって、かつ上記所定の温度よりも高い温度を有する溶液を滴下する第２の工程
を備えたことを特徴とする。
【００１４】
ここで、本発明の膜形成方法の第１の工程および第２の工程が、いずれもレジスト溶液、ＳＯＧ溶液、およびポリイミド溶液のうちいずれかの溶液を滴下する工程であってもよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の膜形成装置の一実施形態を示す図である。
図２に示す膜形成装置５０と同一の構成要素には同一番号を付して示し、膜形成装置５０との相違点のみについて説明する。
【００１６】
図１に示す膜形成装置１０を構成する溶液タンク２４には１０℃の温度に保温されているＳＯＧ溶液が入っている。この溶液タンク２４は１０℃の温度に保温された配管２５，２６とつながっており、溶液タンク２４内の溶液は、配管２５，２６を流れる。この配管２５，２６を流れる溶液は、それぞれ溶液吐出部２７，２８に送られる。この溶液吐出部２７，２８は、それぞれ配管２９，３０につながれており、溶液吐出部２７，２８は、いずれも溶液吐出制御器（図示せず）に接続されている。この溶液吐出制御器は、溶液吐出部２７から配管２９に溶液を吐出するか否かを表わす信号を溶液吐出部２７に送り、また、溶液吐出部２８から配管３０に溶液を吐出するか否かを表わす信号を溶液吐出部２８に送るものであり、溶液を吐出する旨を表わす信号が溶液吐出部２７，２８に送られると、配管２９，３０に溶液が吐出される。
【００１７】
配管２９，３０は、それぞれ温度１０℃、２３℃に保温されており、配管２９，３０を流れる溶液は、この配管２９の先端に取り付けられたノズル３１に到達し、このノズル３１からは温度１０℃の溶液が滴下される。一方、配管３０を流れる溶液は、この配管３０の先端に取り付けられたノズル３２に到達するまでに温度２３℃の溶液となり、ノズル３２からは温度２３℃の溶液が滴下される。また、この膜形成装置１０は、ノズル３１から溶液が滴下されて、この溶液が膜状に成形された後に、ノズル３２から滴液が滴下されるように、溶液の滴下順序を制御する制御器（図示せず）を備えている。
【００１８】
このように構成された回転塗布装置１０を用いて、半導体ウエハ上にＳＯＧ膜を形成する際の手順を以下に説明する。
先ず、図１に示すように半導体ウエハ固定部１１に半導体ウエハ１２を固定し、排気装置で半導体ウエハ１２の周囲を排気する。
次に、半導体ウエハ１２上にノズル３１からＳＯＧ溶液を滴下し、モータ１４で半導体ウエハ固定部１１を２０００ｒｐｍで回転させて、半導体ウエハ１２上に溶液の膜を形成する。
【００１９】
次に、半導体ウエハ固定部１１を２０００ｒｐｍで回転させたまま、上記の溶液の膜が乾燥する前にノズル３２から上記の溶液の膜にＳＯＧ溶液を滴下し、溶液の膜を形成する。このように、異なる温度の溶液を滴下して半導体ウエハ上に溶液の膜を形成する。
次に、このようにして形成された溶液の膜を乾燥させて窒素雰囲気中で温度８０℃、１５０℃、２５０℃の順に、それぞれの温度で６０秒間ベーキングを行なった後に、さらに温度４００℃で１時間焼成する。
【００２０】
このようにして半導体ウエハ上にＳＯＧ膜が形成される。
この膜形成装置１０では、先ずノズル３１から温度１０℃の溶液が滴下されるため、例えば配線パターンが形成された半導体ウエハにＳＯＧ膜を形成する場合、その配線パターンの配線間隔は狭くても、最初にノズル３１から滴下された溶液は粘度が低いため配線間に容易に入り込む。また、ノズル３１から溶液が滴下されて形成された溶液の膜が乾燥する前に、ノズル３２から溶液が滴下されるため、ノズル３２から滴下された溶液は膜状に広がりやすく、均一の厚さを有し、埋込み性に優れたＳＯＧ膜が形成される。
【００２１】
また、この膜形成装置１０は、従来の技術の欄で説明した回転カップ式の膜形成装置と比較して、半導体ウエハの周囲の温度等を調整する調整ユニットは不要であり、コストの削減が図られる。
尚、本実施形態では、ＳＯＧ膜を形成する手順について述べたが、ＳＯＧ膜の代わりに、例えばポリイミド膜を形成する場合であっても、上述した手順により、平坦性の優れたポリイミド膜を形成することができる。
【００２２】
また、本実施形態では、ノズル３１，３２から滴下される溶液の温度は、それぞれ１０℃、２３℃であるが、ノズル３１から滴下される溶液の温度は、この溶液が配線間に入り込む程度に低い粘度を有するのであれば何℃でもよく、また、ノズル３２から滴下される溶液の温度は、ノズル３１から滴下される溶液の温度よりも高い温度であって、ノズル３２から滴下される溶液が配線を覆うように成膜される程度に高い粘度を有するのであれば何℃でもよい。
【００２３】
また、本実施形態では、半導体ウエハを２０００ｒｐｍで回転させているが、半導体ウエハの回転数は、半導体ウエハ上に滴下された溶液が膜状に成形されるのであれば、何回転数でもよく、また、本実施形態では、ノズル３１から溶液を滴下した後、半導体ウエハを回転させて膜を形成しているが、先に半導体ウエハを回転させて、その後ノズル３１から溶液を滴下してもよい。
【００２４】
また、本実施形態では、溶液を滴下するノズルは２つであるが、ノズルは３つ以上備えていてもよく、このように、３つ以上のノズルを備え、それぞれのノズルから滴下される溶液の温度を異なる温度にすることにより、半導体ウエハの表面の凹凸が更に複雑であっても、均一の厚さを有する膜を形成することができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の膜形成装置および膜形成方法によれば、均一な厚さを有し、かつ凹部を埋め込む状態に膜が形成される。また膜を形成する際にかかるコストを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の膜形成装置を示す図である。
【図２】従来の膜形成装置を示す図である。
【符号の説明】
１０ 膜形成装置
１１ 半導体ウエハ固定部
１２ 半導体ウエハ
１３ 回転軸
１４ モータ
１５ 処理カップ
１６ 排気口
１７ 気流調整板
１８ 排出口
２４ 溶液タンク
２５，２６，２９，３０ 配管
２７，２８ 溶液吐出部
３１，３２ ノズル

Claims (4)

1. 半導体ウエハ上に溶液を滴下して膜を形成する膜形成装置において、
   半導体ウエハを水平に固定する半導体ウエハ固定部と、
   該半導体ウエハ固定部を水平に回転させる回転手段と、
   所定の温度を有する溶液を、前記半導体ウエハ固定部に固定された半導体ウエハ上に滴下する第１の溶液滴下手段と、
   前記溶液と同一の溶液であって、かつ前記所定の温度よりも高い温度を有する溶液を、前記半導体ウエハ上に滴下する第２の溶液滴下手段と、
   前記半導体ウエハに上記第１の溶液滴下手段による溶液の滴下が終了した後に、前記第２の溶液滴下手段による溶液の滴下が開始されるように、溶液の滴下順序を制御する溶液滴下制御器とを備えたことを特徴とする膜形成装置。
2. 前記第１の溶液滴下手段および第２の溶液滴下手段により滴下される溶液が、いずれも、レジスト溶液、ＳＯＧ溶液、およびポリイミド溶液のうちのいずれかの溶液であることを特徴とする請求項１記載の膜形成装置。
3. 半導体ウエハ上に溶液を滴下して膜を形成する膜形成方法において、
   半導体ウエハを水平に保持して水平に回転させ、かつ所定の温度を有する溶液を滴下する第１の工程と、
   前記第１の工程が終了した後、前記半導体ウエハを水平に保持して水平に回転させたまま、前記溶液と同一の溶液であって、かつ前記所定の温度よりも高い温度を有する溶液を滴下する第２の工程とを備えたことを特徴とする膜形成方法。
4. 前記第１の工程および第２の工程が、いずれも、レジスト溶液、ＳＯＧ溶液、およびポリイミド溶液のうちいずれかの溶液を滴下する工程であることとを特徴とする請求項３記載の膜形成方法。

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