JP4476979B2 - 半導体基板の液浸リソグラフィ形成方法および半導体ウェハの処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体集積回路の製造に用いられるような、液浸リソグラフィに概ね関するものである。
本願は、２００５年８月５日に出願された米国特許出願第６０／７０５７９５号、発明の名称「液浸リソグラフィのウォーターマーク除去」に対し優先権主張するものである。
本願は、２００５年９月３０日に出願された米国特許出願第６０／７２２６４６に対し優先権を主張した２００５年１１月１０日に出願の米国特許出願第１１／２７１６３９号、発明の名称「液浸リソグラフィにおけるウォーターマーク欠陥の防止」と、２００５年９月３０日に出願された米国特許出願第６０／７２２３１６号および２００５年９月３０日に出願された米国特許出願第６０／７２２６４６号に対し優先権を主張した２００６年１月３日に出願の米国特許出願第１１／３２４５８８号、発明の名称「液浸ウォーターマーク欠陥を減少させるための新規なＴＡＲＣ材料」と、２００５年６月３０日に出願された米国特許出願第６０／６９５５６２号に対し優先権を主張した２００６年３月２０日に出願の米国特許出願第１１／３８４６２４号、発明の名称「液浸リソグラフィの欠陥低減」に関連している。
リソグラフィは、半導体ウェハなどの基板上に、マスク上のパターンを投影するメカニズムである。半導体フォトリソグラフィのような分野では、解像限界若しくは臨界寸法（ＣＤ）の下で、最小の機能サイズを組み込んだ半導体ウェハに、イメージを形成することが必要となってくる。現在、この臨界寸法は、６５ナノメータ以下に達している。
半導体フォトリソグラフィは、通常は、半導体ウェハの上部表面（例えば、薄膜スタック）に、フォトレジストの被膜を施すステップと、そのフォトレジストにパターンを露光するステップと、を含んでいる。多くの場合に高分子系物質である露光されたフォトレジストをクリーブ（cleave）させるために、露光後ベークがしばしば行なわれる。次に、クリーブされた高分子フォトレジストを現像チャンバへ移動し、水溶性現像溶液に溶解可能な露光された高分子物質を除去する。この結果、パターン化されたフォトレジスト層が、ウェハの上部表面に存在することになる。
液浸リソグラフィは、フォトリソグラフィにおける新しい進展であり、ウェハの表面とレンズとの間の空間を液体が満たした状態で、露光処理が行われる。液浸リソグラフィを使用すると、レンズを空気中で使用する場合よりも、より大きな開口数が確立されて、解像度が向上する。さらに、液浸により、今までよりもより小さい形状を印刷する場合に、より深い焦点深度（ＤＯＦ）が得られる。
液浸露光ステップは、ウェハとレンズとの間の空間に、脱イオン水，或いは他の適正な液浸露光流体を使用することがある。露光時間は短いが、この流体は、従来予測できなかった問題を引き起こす。例えば、このプロセス後に、当該流体が原因で液滴が残り、パターニングや、限界寸法や、レジストの他の特徴に悪影響を与える。
ウェハ上における液滴の発生を削減するために、様々な努力が行われてきた。一例として、本願に組み込んだ仮出願（代理人整理番号TSMC 2005-0215/24061.656）に述べているように、露光の直後に乾燥プロセスを実施する方法がある。しかしながら、この乾燥プロセスは、幾つかの種類の損傷を防止するために、例えば数分以内に、非常に素早く行なう必要がある。しかし時によっては、この乾燥プロセスを、十分に迅速な時間で、確実に実施することが困難な場合がある。
本発明は、広く半導体装置の製造に関するものであり、とりわけ、半導体基板における欠陥防止の方法とシステムに関するものである。しかしながら、特定の実施例は、本発明の概念を、より広範囲に教示するための例として挙げたもので、当業者ならば、本発明の教示するものを、他の方法やシステムに応用することは、容易に可能である。また、本発明で検討される方法とシステムは、幾つかの従来構造および／またはステップを含んでいることも理解されよう。これらの構造とステップは、この技術分野では周知であるから、これらは、一般的な詳細レベルだけが検討されるであろう。さらに、利便性と明確性のために、参照番号が終始図面で繰り返し使用されるが、この繰り返しの使用は、図面を通して、機構若しくはステップの如何なる必要な組み合わせをも示すものではない。
図１を参照すると、半導体ウェハ１０は、基板１２とパターニング層１４を有する。基板１２は、パターン化するのに望ましい多結晶（poly），金属，および／または誘電体を含み、一乃至複数の層を含むことができる。本実施例において、パターニング層１４は高分子フォトレジスト（レジスト）層であり、パターンを生成するための露光プロセスに反応する。このレジスト１４は、化学増幅（ＣＡ）反応（ＣＡＲ）を支援するために、光酸発生剤（ＰＡＧ）を含んでいる。ＣＡＲは、遠紫外線と高度のサブミクロン技術を支援するものである。リソグラフィ中に、光子がＰＡＧの分解を誘発し、少量の酸を形成する。この形成された酸は、一般的には露光後ベークのステップ中において、レジスト膜に化学転換カスケードを誘発する。フォト塩基発生剤（ＰＢＧ）を有するレジストを含んで、他に多くの例のレジストが存在することが理解されよう。また、レジスト１４が、ポジ型レジストであるかネガ型レジストであるかは、設計上の選択の問題ではあるが、更なる例を挙げるならば、ポジ型レジストの方が望ましい。
図２を参照すると、フォトレジスト層１４上のパターンは、液浸リソグラフィ装置２０によって生成することができる。液浸リソグラフィ装置２０は、レンズ装置２２と、脱イオン水のような流体２６を収容する構造体２４と、液体を注入または除去できるような様々な隙間２８と、レンズ装置２２に対してウェハ１０を固定したり動かしたりするチャック３０と、を備えている。この流体収容構造体２４とレンズ装置２２は、液浸ヘッド２０ａを構成している。液浸ヘッド２０ａは、「エアパージ」として隙間の幾つかを使用し、乾燥のためにウェハに対してエアを加えることが可能であり、その他の隙間は、パージされたあらゆる流体を除去するのに使用される。このエアパージだけでは、ウェハ１０から液体の全てを排除するのには不十分である。
再び図１を参照すると、ここには従来の液浸ソグラフィプロセスを経た後のウェハ１０が示されている。このウェハ１０は、当該処理中にもたらされた欠陥５０を含んでいる。欠陥５０は、液浸リソグラフィ流体２６（図２）から残った液滴に起因する損傷を表し、これはレジストにおける変形や「穴」（パターンが失われた部分）を含んでいる。
図３を参照すると、ＣＡＲを停止するためにレジスト１４に存在する抑制剤６０が、流体２６内に浸出（leach）することが、欠陥の原因になる不良作用となる。図３のレジストは、２つの露光されていない符号１４ａのレジスト部分と、露光された符号１４ｂのレジスト部分とを含んでいるのが示されている。抑制剤６０は、露光されたレジスト１４に次第に拡散して行き、その後の露光後ベーク（ＰＥＢ）と現像プロセスにおいて、パターン形成に悪影響を与える。
図４を参照すると、上記の抑制剤６０の浸出と拡散により引き起こされた欠陥の例であり、望ましくないレジストの欠陥１４ｃの例が示され、この欠陥は、ＰＥＢと現像のプロセス後に存在することになる。（望ましいパターンは、図１０に示されている）。本例に関してさらに検討を進めると、露光後ベーク（ＰＥＢ）中のような化学増幅反応時において、拡散した抑制剤は、光酸発生剤（ＰＡＧ）を停止させるか、或いは著しく減少させる。この結果、レジストの溶解性を減少させ、水性のテトラメチルアンモニウム水酸化物（ＴＭＡＨ）などの現像溶液と反応する可能性が減少する。図４の例において、レジスト１４ｃは、スクラム（scrum）／ブリッジ（bridge）形状を形成し、これが望ましいパターンに悪影響を及ぼす。
図５を参照すると、欠陥数を減少させる液浸リソグラフィ法の実施例の簡単なフローチャートが、参照番号１００で示されている。ステップ１０２において、レジスト１４が、ウェハ基板１２を覆って形成される。このレジスト１４は、ネガ型またはポジ型でもよく、既知の材料、或いは今後この目的のために開発される材料から成ってもよい。例えば、レジスト１４は、１つの，２つの，或いは複数の構成要素からなるレジスト系でもよい。レジスト１４の塗布は、スピンコーテイング、或いは他の好適な手段で行われる。このレジスト１４の塗布前に、フォトリソグラフィプロセスに対する準備のための初期プロセスが、先ず行われる。例えば、レジスト１４の塗布前に、ウェハ１０を洗浄したり、乾燥したり、および／または接着促進材料で表面を覆ったりしてもよい。
ステップ１０４において、液浸リソグラフィの露光が行われる。ウェハ１０とレジスト１４は、液浸露光流体２６中に浸され、レンズ２２を通して放射線源に露光される（図２）。この放射線源は、例えば、フッ化クリプトン（ＫｒＦ，248nm），フッ化アルゴン（ＡｒＦ，193nm），或いはＦ２（157nm）エキシマレーザのような紫外線光源とすることができる。レジスト１４は、使用されるレジストの種類，紫外線光源の強さ，および／またはその他の要因に応じて、所定の時間、この放射線に露光される。露光時間は、例えば約0.2秒から約３０秒間持続させてもよい。この露光により、レジスト１４の一部分は固化し、その他の部分は、流体状のまま残る。
ステップ１０６において、処理プロセスが行われる。この処理プロセスは、前の処理プロセスまたは次の処理ステップのステップと共に現場（in-situ）で実施されるか、または、別離室で実施される。ここでは、上記検討した問題を低減するのに利用される種々の独特な処理プロセスが存在する。これらのプロセスは、個々に、または、種々組み合わせて使用される。
図６を参照すると、一つの実施例において、抑制剤中和溶液７０が、レジスト１４の上部表面（既に液浸流体２６で露光された表面）に供給される。この溶液７０は、レジストの種類、および／または抑制剤６０の拡散深度に基づいて、変更することができる。一つの例において、この溶液は、抑制剤６０と反対の極性を有する液体である。この溶液７０は、蒸気でもよいし、または液体と蒸気の組み合わせでもよい。例えば、抑制剤６０が塩基性（ｐＨ＞７）である場合、溶液７０は酸性（ｐＨ＜７）である。この例をさらに説明すると、溶液７０は、ＨＣｌ（塩酸）などのＨ＋を含んでいる。このＨＣｌ溶液は、１〜３前後のｐＨを有する。その他の例においては、溶液７０はＰＡＧを含んでいる。三番目の例においては、溶液７０は、Ｈ３ＰＯ４＋ＫＨ２ＰＯ４のようなバッファーを含んでいる。
本実施例において、レジスト１４は、塩基性の抑制剤と光酸発生剤（ＰＡＧ）を含んでいることが、理解される。別な例において、レジスト１４は、酸性抑制剤と光塩基発生剤（ＰＢＧ）を含んでいる。この後者の例において、溶液７０は塩基性（ｐＨ＞７）である。従って、当業者ならば、使用されるレジスト１４の種類などの種々の要素に応じて、種々の溶液が使用可能であることを理解するであろう。その他の要素については、下記で検討する。
図７を参照すると、溶液７０はレジスト１４中に拡散し、抑制剤６０と反応する。一つの実施例においては、溶液７０は、（例えば、浅い深度で抑制剤６０との相互作用を向上させるために、）比較的浅い深度に拡散させるのが望ましい。本実施例においては、種々なタイプの溶液７０が選択される。例えば、上記の検討したＨＣｌ溶液は、比較的高度のモル濃度（例えば、約0.1モル以上の濃度）を有している。また、Ｈ３ＰＯ４などの「より大きな」酸性分子は、ＨＣｌのような「より小さな」酸性分子と比較して、少ない拡散深度を有するであろう。より大きな分子は、レジスト中への拡散度が低いので好ましい。さらに、温度および／または圧力を変更して、当該拡散度を調整することができる。
図８を参照すると、もう一つの実施例において（または、前述の実施例の一つに加えて）、表面除去機構８０が、拡散した抑制剤６０（図３）を除去するのに使用される。この表面除去機構８０は、レジスト１４の上部表面の薄層を除去するための溶剤リンス（洗浄）とすることができる。一つの実施例において、薄層は、約１００オングストロームの厚さである。除去される層の厚さは、抑制剤６０の拡散深度に基づいて変化する。この溶剤は、プロピレン・モノメチール・エーテル（ＰＧＭＥ）、またはプロピレン・グリコール・モノメチール・エーテル・アセテート（ＰＧＭＥＡ）としてもよい。（溶液７０に関する上記の検討内容と同様に、）レジスト１４の種類、および／または抑制剤６０の拡散深度に応じて、別の溶剤を利用することができる。
図９を参照すると、結果として、レジスト１４の上部表面近傍（特に、レジスト１４ｂの上部）の抑制剤６０が、上述した一乃至複数の方法により、中和および／または除去される。
幾つかの実施例において、抑制剤６０が除去および／または中和された後に、脱イオン（ＤＩ）水洗浄９０とスピン・ドライのプロセスが行われる。レジスト１４の上部表面近傍の抑制剤６０は、既に除去および／または中和されているので、ＤＩ水９０は、抑制剤６０の浸出を受ける可能性は少ない。さらに、仮にではあっても、全く浸出が発生しないように、洗浄／乾燥ステップを、露光後ベーク（ＰＢＥ、後ほど検討する）の直線の時間内（例えば、２分未満内）に行うことも可能である。
再び図５に戻って、ステップ１０８において、高分子物質分解のための露光後ベーク（ＰＢＥ）を行なうのに、露光され処理されたレジスト１４を有するウェハ１０が、その後で加熱される。このステップにより、発生した光酸（または塩基）を、高分子物質と反応させ、高分子物質分解を促進する。ウェハは、例えば、約30秒から約200秒間、約85℃から約150℃の温度まで加熱される。
ステップ１１０において、露光された（ポジ型の）、または露光されていない（ネガ型の）レジスト１４上に、パターン現像プロセスが行なわれ、所望のパターンを残す。幾つかの実施例においては、レジスト１４の一部が分解し除去される予め決められた時間中に、ウェハ１０が現像溶液の中に浸される。例えば、約５秒から約60秒の間、ウェハ１０を現像液の中に浸してもよい。現像液の組成は、レジスト１４の組成に依存するが、この技術分野では周知のことである。上記で検討したように、ＴＭＡＨは現像液の一例である。
図１０を参照すると、結果として、所望のパターンがレジスト１４に生成され、（図４に示したレジスト１４のスクラム／ブリッジのような）欠陥が減少する。
本発明における僅かな典型的な実施例を、上記に詳細に説明してきたが、本発明の新規性の教唆と利点から逸脱することなく、この典型的な実施例において、多くの変形が可能であることは、当業者が理解するところであろう。例えば、ウェハ１０は、液体で処理中に回転させたり、或いは停止状態のままでもよい。また、溶液７０および／または表面除去機構８０は、超臨界流体や他の溶液でもよい。
一実施例において、半導体基板上で液浸リソグラフィを行なう方法を提供する。この方法では、半導体基板の上部表面にレジスト層を供給し、液浸リソグラフィ露光システムを使用して、レジスト層の露光を行なう。また、この方法では、露光の後で且つ露光後ベークの前にレジスト層の処理を行ない、露光中に利用する流体を介してレジスト中に拡散した抑制剤を中和する処理を行なう。その後、露光され処理されたレジスト層に、露光後ベークおよび現像のプロセスが行われる。
或る実施例において、処理ステップは洗浄溶液を利用し、この洗浄溶液は、レジスト中に拡散した抑制剤を中和するのに選択された極性を有する物質を含んでいる。この物質は、塩基性の抑制剤を中和するのに酸性とすることができ、逆に酸性の抑制剤を中和するのに塩基性とすることができる。レジスト中における抑制剤の拡散度に応じた拡散度に基づいて、この物質が選定される。
或る実施例において、この処理の後で且つ露光後ベークの前に、中性溶液（例えば、脱イオン水）洗浄とスピン・ドライが行われる。
或る実施例において、この処理ステップは蒸発した溶液を利用し、この蒸発した溶液は、レジスト中に拡散した抑制剤を中和するのに選択された極性を有する。
或る実施例においては、この処理ステップは、溶剤を利用する。この溶剤は、例えば厚さが約100オングストロームのレジスト層の薄い上部分を除去する。
もう一つの実施例において、液浸リソグラフィプロセスが、ウェハ上のパターンを露光した後の半導体ウェハの処理方法を提供する。この方法は、半導体ウェハのレジスト層へ、リンスを塗布する。このレジスト層は、その後のプロセスで使用する光酸発生剤を含んでおり、このリンス層は、レジストの第１の部分から浸出すると共に、レジスト層の第２部分へ拡散するあらゆる塩基中和剤をも中和する酸性成分を含んでいる。
上記に挙げた各実施例やステップの種々な異なる組み合わせが、様々な順番で、または平行して利用することができ、重要若しくは必要とされる特別なステップは存在しない。さらに、幾つかの実施例に関して上記に説明し検討した特徴を、その他の実施例に関して上記に説明し検討した特徴と、組み合わせることが可能である。従って、このような全ての変更が、本発明の範囲内に含まれることを意味する。
12 半導体基板（ウェハ）
14 レジスト層
20 液浸リソグラフィ露光システム
26 流体
60 抑制剤
14 レジスト層
20 液浸リソグラフィ露光システム
26 流体
60 抑制剤
Claims (15)
- 半導体基板の表面上にレジスト層を供給するステップと、
露光中に流体を利用する液浸リソグラフィ露光システムを使用して、前記レジスト層を露光するステップと、
前記流体を介して前記レジスト中に拡散した抑制剤を中和する処理で、露光の後で且つ露光後ベークの前に前記レジスト層を処理するステップと、
溶剤によって前記レジスト層の上部表面の薄膜を除去するステップと、
前記レジスト層の露光後ベークを行なうステップと、
前記露光されたレジスト層を現像するステップと、からなる半導体基板の液浸リソグラフィ形成方法。 - 前記処理ステップは洗浄溶液を利用し、この洗浄溶液は、前記レジスト中に拡散した前記抑制剤を中和するのに選択された極性を有する物質を含む請求項１記載の方法。
- 前記物質が、前記レジスト中に拡散した前記抑制剤の拡散度に対応した拡散度に基づいて選択される請求項２記載の方法。
- 前記洗浄溶液が７より小さいｐＨを有し、前記抑制剤が７より大きいｐＨを有する請求項２記載の方法。
- 前記洗浄溶液が、約１〜３の間のｐＨを有する酸，光酸発生剤（ＰＡＧ），バッファー，またはこれらの組み合わせたものを含む請求項４記載の方法。
- 前記処理ステップが、さらにスピン・ドライのステップを利用する請求項２記載の方法。
- 前記洗浄溶液が７より大きなｐＨを有し、前記抑制剤が７より小さなｐＨを有することを特徴とする請求項２記載の方法。
- 前記洗浄溶液が、塩基，光塩基発生剤（ＰＢＧ），またはこれらの組み合わせたものを含む請求項７記載の方法。
- 前記処理の後で且つ前記露光後ベークの前に、中性溶液による洗浄とスピン・ドライをさらに行なう請求項１記載の方法。
- 前記処理ステップが蒸発した溶液を利用し、前記蒸発した溶液は、レジスト中に拡散した前記抑制剤を中和するのに選択された極性を有する請求項１記載の方法。
- 前記蒸発した溶液が、前記レジスト中に拡散した前記抑制剤の拡散度に対応した拡散度に基づいて選択される請求項１０記載の方法。
- 前記蒸発した溶液が、一乃至複数の酸，ＰＡＧ，またはバッファーを含み、前記レジストが７より大きなｐＨを有すると共にＰＡＧを含む請求項１０記載の方法。
- 前記蒸発した溶液が、一乃至複数の塩基，ＰＢＧ，またはバッファーを含み、前記レジストが７より小さなｐＨを有すると共にＰＢＧを含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
- 前記処理が、前記レジスト層の薄い上部分を除去するために、前記レジスト層へ溶剤の供給を行なうこと含む請求項１記載の方法。
- 液浸リソグラフィプロセスが、ウェハのレジスト層上にパターンを露光した後の半導体ウェハの処理方法であって、前記レジスト層が、その後のプロセスで使用する光酸発生剤を含んでおり、
前記半導体ウェハの前記レジスト層にリンスを塗布し、このリンスは、前記レジスト層の露光されていない部分から浸出し、前記レジスト層の露光された部分へ拡散するあらゆる塩基性の抑制剤を中和する酸性成分を含み、
前記レジスト層の上部表面の薄膜を溶剤で除去する半導体ウェハの処理方法。
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