JP4492931B2 - フォトレジストパターンの形成方法 - Google Patents

Description

本発明は、フォトレジストパターンの形成方法に関し、更に詳しくは半導体製造工程のフォトリソグラフ工程において、半導体基板に塗布後、露光されたフォトレジスト膜を順次現像・リンス・乾燥するフォトレジストパターンの形成方法に関する。

半導体製造装置のフォトリソグラフ工程では、半導体基板にフォトレジスト膜を塗布形成し、回路パターンを選択的に露光後現像液で現像し、リンス液でリンス（洗浄）後乾燥してフォトレジストパターンを形成しており、これをマスクとして半導体基板およびその上に形成された絶縁膜や導電膜のエッチング等の加工処理を行う。近年、回路パターンの微細化に伴い従来は問題として顕在化していなかったフォトレジストパターン形成時の欠陥が歩留まり安定性に大きな影響を与えている。

図６は特許文献１に記載されているパドル方式のフォトレジストパターン形成装置の概略構成である。フォトレジストパターン形成装置１は、現像処理される半導体基板２、半導体基板２に塗布後露光されたフォトレジスト膜３、装置内の所定の位置に配置された回転軸４、回転軸４に接続された半導体基板２を保持するためのスピンチャック５、半導体基板２上に液盛られた現像液６、現像液供給ノズル７、リンス液供給ノズル８、現像カップ９から構成されている。フォトレジスト膜３の塗布および露光が終了した半導体基板２をスピンチャック５上に固定し、半導体基板２の中心上に誘導された現像液供給ノズル７から現像液がフォトレジスト膜３上に滴下された後スピンチャック５が低速（１０〜１００ｒｐｍ）で短時間回転し、現像液６がフォトレジスト膜３の全面に行き渡り表面張力により液盛りされる。次いで、スピンチャック５の回転が停止され、所定時間保持することによりフォトレジスト膜３が現像され、その後リンス、乾燥される。

図７は、特許文献１に開示されているフォトレジストパターン形成時のスピンチャック５上に保持された半導体基板２のリンス工程以後の回転数の変化を示している。ここでは、リンス液供給ノズル８からのリンス液が滴下されている時間が実線で、滴下されていない時間が点線で示されている。上記所定時間現像後スピンチャック５の上方に配置されたリンス液供給ノズル８から純水等のリンス液を滴下しながらスピンチャック５を回転させることによりフォトレジストが溶解した現像液がリンス液に置換され半導体基板２がリンス（洗浄）される。そして、所定時間経過後リンス液供給ノズル８からのリンス液の滴下が中止され、図６の点線で示されるように高速回転（４０００ｒｐｍ程度）でスピンチャック５が回転され、半導体基板２が乾燥される。特許文献１では、レジストパターン形成時のパーティクル付着を有効に防止することを目的として、図５のようにリンス工程を２段階で行うことを開示している。即ち、最初の数秒間は２００〜３００ｒｐｍ程度の低速回転でスピンチャックを回転させ、現像液に溶解したフォトレジストがスピンチャックの周囲に設置された現像カップの内壁に接触しない程度とし、現像カップからの跳ね返りによる現像液中に残存したフォトレジストが半導体基板上にパーティクルとして付着するのを防止しながら現像液の大部分をリンス液に置換する第１リンス工程と、引き続き所定時間１０００〜２０００ｒｐｍ程度の中速回転でスピンチャックを回転させ、フォトレジストが溶解した現像液を完全にリンス液に置換させる第２リンス工程を有している。

また、特許文献２には、レジストパターン形成後のレジストパターン間に残るレジストの溶け残りや現像液や洗浄液中の不純物等と推測される微粒子を除去することを目的として、洗浄液に急激な力が作用しないように、基板の主回転数に到るまでの時間（アクセスタイム）を１秒以上設けることが有効であることが記載されている。
特開２００２−７５８３４号公報 特開平１０−１８９４１２号公報

しかしながら、上記特許文献１，２に開示された方法により微細パターンを加工するためのフォトレジストパターンを形成するに当たり、リンス後乾燥終了までの間に半導体基板表面に液滴痕（ウォーターマーク）が半導体基板表面全面に渡り多数形成され、このフォトレジストパターンをマスクとして形成した下地のパターンにおいて欠陥が発生するという不具合が起こった。ことに、０．６μｍピッチ以下の微細パターンを形成する際に多発した。これは以下の理由によると推定される。

近年の微細パターン形成に対応したフォトレジストとしては、化学増幅型レジストが多用されているが、その疎水性が高いことから、レジスト表面でリンス液が容易に液滴化し、乾燥後表面に液滴痕（ウォーターマーク）を形成しやすい。この化学増幅型レジストは、酸により外すことができる保護基を有するベース樹脂、光が照射されることにより酸を発生する光酸発生剤、ベース樹脂や光酸発生剤を均一に溶解する溶剤等を含んでいる。上記液滴痕（ウォーターマーク）を分析したところ化学増幅型レジスト中に含有される成分に基因すると推定される低分子量物質が析出していることがわかった。この低分子量物質をプラズマ処理等により除去することを試みたが困難であった。そのため、微細なレジストパターン間隙、あるいは隣接するレジストパターンに跨って形成された液滴痕（ウォーターマーク）は、下地のパターン欠陥につながる。

本発明は、微細なフォトレジストパターンの形成の際に液滴痕（ウォーターマーク）の形成を低減し、歩留まりの高いフォトレジストパターンの形成方法を提供することを目的としている。

本発明のフォトレジストパターン形成方法は、半導体基板上に塗布後露光されたフォトレジスト膜を現像液で現像する工程と、前記半導体基板をリンスする工程と、前記半導体基板を乾燥する工程とを有するフォトレジストパターン形成方法であって、上記リンス工程は半導体基板にリンス液を供給しながら半導体基板をリンスする工程であり、上記リンス工程後に行う上記乾燥工程は、２５０−５００ｒｐｍの範囲内で上記半導体基板を３０秒間以上回転させる第１の乾燥工程と、上記第１の乾燥工程より大きな回転数で上記半導体基板を回転させる第２の乾燥工程と、を有することを特徴とする。

本発明者は、従来のフォトレジストパターンの形成工程において多数発生した液滴痕（ウォーターマーク）を低減させるために鋭意検討した結果、リンス液の振り切り（第１の乾燥工程）を低速回転で３０秒間以上実施することが有効であることを見出した。また、このリンス液低速回転振り切り工程（第１の乾燥工程）とその後の高速回転乾燥工程（第２の乾燥工程）の間に一旦回転を停止させることがさらに効果があることを見出した。フォトレジスト表面に液滴痕（ウォーターマーク）が形成される主たる原因は、フォトレジストの疎水性が極めて高いためであり、疎水性の高いフォトレジストを採用した場合に従来のようにリンス液の振り切り乾燥をいきなり高速で行うと、微小な液滴が多数発生し、これがミストとして基板表面に液滴痕（ウォーターマーク）を形成しやすいのに対し、２５０−５００回転程度の低速でリンス液の振り切りを行う場合には、リンス液が微小な液滴とならず、ある程度大きな液体のかたまり状で基板外周に振り切られるため、液滴痕（ウォーターマーク）を形成しにくいと考えられる。本発明の乾燥工程を行うことにより、基板表面のリンス液を完全に除去するための過熱処理なし液滴痕（ウォーターマーク）を低減させることができ、その結果短い処理工程で歩留まりを向上させることができる。

次に、本発明の半導体装置の実施の形態について図面を参照して説明する。本発明では、例えば図６に記載した従来のパドル方式のフォトレジストパターン形成装置がそのまま適用できる。以下の実施の形態では、半導体基板として８インチのウェハ表面にアセタール系の化学増幅型レジスト膜を厚みが概ね６００ｎｍとなる条件でスピンコーティング法により形成後９５℃で９０秒間プリベークし、３００ｎｍピッチで配列された１５０ｎｍ角のビアパターンを露光後１０５℃で９０秒間ベークし、その後テトラメチルアンモニウムオキサイド（ＴＭＡＨ）２．３８％のアルカリ現像液を使用し、パドル時間６０秒間の条件で現像したものをサンプル基板として用いた。なお、ここでは半導体素子が形成されていないウェハをサンプル基板として用いたが、本発明における半導体基板は、半導体素子が形成された半導体基板を含むものであることはいうまでもない。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態におけるフォトレジストパターン形成時のスピンチャック５上に保持された上記サンプル基板２のリンス工程以後の回転数の変化を示している。図７同様リンス液供給ノズル８からのリンス液が滴下されている時間が実線で、滴下されていない時間が点線で示されている。本実施形態では、リンス工程は現像後２０００ｒｐｍ、５秒間の第１の工程と、引き続き１００ｒｐｍ、１５秒間の第２の工程にて実施した。第２の工程終了時点で、リンス液の供給を中止し、即座にリンス液供給ノズル８を半導体基板２の上方外に移動させた。なお、このリンス工程終了時点では半導体基板表面はリンス液で十分濡れた状態である。

続いて、半導体基板上に残存するリンス液を除去するための乾燥工程を実施した。まず、第１の乾燥工程としてスピンチャック５を４００ｒｐｍで４０秒間低速回転させた。なお、低速回転終了時点で回転を停止した場合には、半導体基板の周辺部に少量の液滴は残存するが、半導体基板の中心部には液滴は存在せず、この低速回転により殆どのリンス液が半導体基板上から除去されることを確認した。フォトレジストの疎水性が高いためと考えられる。第１の乾燥工程から連続して本実施の形態では第２の乾燥工程として第１の乾燥工程にて除去しきれなかったリンス液滴を除去するために１０００ｒｐｍ以上で、図１の例では４０００ｒｐｍで１５秒間高速回転させ半導体基板を乾燥させた。

上記一連の工程により処理された半導体基板上の液滴痕（ウォーターマーク）数をＫＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製欠陥検査装置（ＫＬＡー２１３８）にてカウントしたところ約９３０個であった。これに対して、上記第１の実施の形態における第１の乾燥工程を省き高速回転（４０００ｒｐｍ）でいきなりリンス液を除去した以外は同様の工程で処理した場合には、液滴痕（ウォーターマーク）数は約２９００個であった。低速回転での第１の乾燥工程を追加したことにより液滴痕（ウォーターマーク）数を１／３以下に低減させる効果があった。なお、低速回転終了時点で残存する液滴はウェハの周辺部に主として少量残存するだけであったためか特許文献２に記載の高速回転に移行するまでのアクセスタイムを長くすることにより液滴痕（ウォーターマーク）数が低減するという傾向は特に認められなかった。

（第２の実施の形態）
図２は、第２の実施の形態におけるフォトレジストパターン形成時のスピンチャック５上に保持された半導体基板２を回転させるときのリンス工程以後の回転数の変化を示している。図１に示した第１の実施の形態との違いは、第１の乾燥工程と第２の乾燥工程との間にスピンチャック５を一旦停止、図２の例では５秒間停止させている点である。即ち、スピンチャック５を４００回転の低速回転で４０秒間回転させた後スピンチャック５を５秒間停止させ、その後４０００ｒｐｍで高速回転させて半導体基板を乾燥させた。

上記一連の工程により処理された半導体基板上の液滴痕（ウォーターマーク）数を第１の実施の形態と同様にカウントしたところ約４０個であり、さらに顕著に液滴痕（ウォーターマーク）数を低減させることができた。その理由は明らかではないが、第１の実施の形態では半導体基板が低速回転後連続して高速回転されることにより、低速回転終了時点で残存していた液滴が高速回転によりミスト化し、液滴痕（ウォーターマーク）が発生したのに対して、低速回転と高速回転との間に一旦回転期間を設けることにより残存していた液滴が一旦保持されることにより、高速回転でミスト化し難くなったためと推定される。

（第３の実施の形態）
図３は、第３の実施の形態におけるフォトレジストパターン形成時のスピンチャック５上に保持された半導体基板２を回転させるときのリンス工程以後の回転数の変化を示している。図２に示した第２の実施の形態との主たる違いは、リンス液が半導体基板上に十分残存する状態でリンス液供給ノズル８を半導体基板２の上方外に移動させるために、リンス液供給ノズル移動時のスピンチャック５回転数をより低減させている点である。なお、図３の例では、スピンチャック５を完全に停止させているが、リンス液が基板上に残存する低速で回転させることもできる。このようにすることにより、リンス液供給ノズル８内に残存するリンス液がリンス液供給ノズル８移動時の衝撃で半導体基板上に滴下する影響を低減させることができ、液滴痕（ウォーターマーク）の発生をより起こり難くさせる効果が見込める。リンス液供給ノズル８が半導体基板上方外に移動後第１の乾燥工程を実施することが好ましい。

本発明者は、リンス液の初期振り切りのためのスピンチャック５の回転数の半導体基板乾燥後の半導体基板上に発生する液滴痕（ウォーターマーク）数への影響を検討した。前述の第２の実施の形態におけるプロセスにおいて、リンス液の初期振り切り、即ち、第１の乾燥工程での回転数のみを変化させ、各回転数での液滴痕（ウォーターマーク）数をカウントした。その結果を図４に示した。図４において、縦軸は半導体基板表面の液滴痕（ウォーターマーク）数であり、横軸はリンス液振り切りのための回転数を示している。

回転数が小さい領域では、リンス液が半導体基板表面から十分振り切れないため、液滴痕（ウォーターマーク）数は多いが、回転数の増加に伴い液滴痕（ウォーターマーク）数は低減し、レジスト種により多少ばらつきはあるが、２５０−５００ｒｐｍで液滴痕（ウォーターマーク）数は極小となり、回転数が１０００−２０００ｒｐｍ程度まで増加するにつれて液滴痕（ウォーターマーク）数は増加した。本発明者の検討結果では、ことに６００−１０００ｒｐｍでの回転数増加に伴う液滴痕（ウォーターマーク）数の増加が顕著であった。さらに回転数が増加すると、徐々にではあるが再び液滴痕（ウォーターマーク）数は減少する傾向が認められたが、その数は飽和する傾向が認められ、２５０−５００ｒｐｍでの液滴痕（ウォーターマーク）数より少なくなることはなかった。特許文献１，２では、リンス液供給停止後の基板回転を６００ｒｐｍ以上で実施しているため、本発明に比べて液滴痕（ウォーターマーク）数は多くなる。

また、第１の乾燥工程の時間の影響を検討するため、前述の第２の実施の形態におけるプロセスにおいて、第１の乾燥工程を２５０ｒｐｍとして回転時間のみを変化させ、各回転時間での液滴痕（ウォーターマーク）数をカウントした。その結果を図５に示した。図５において、縦軸は半導体基板表面の液滴痕（ウォーターマーク）数であり、横軸は基板回転数を２５０ｒｐｍとした第１の乾燥工程の基板回転時間を示している。

基板回転時間が２０秒間未満では欠陥数が１００００以上と極めて多かったが、３０秒間以上で１０００以下に低減した。特に４０−５０秒間で１００以下と少ない結果が得られた。このことから、第１の乾燥工程は３０秒間以上、特に４０−５０秒間とすることが好ましいことがわかった。

以上の結果から、リンス液振り切り初期において２５０−５００ｒｐｍとすることが液滴痕（ウォーターマーク）数の低減に極めて有効であることが明らかになった。また、低速振り切り工程と高速乾燥工程間で一旦回転を停止させるとさらに液滴痕（ウォーターマーク）数低減に効果があることが明らかになった。上記実施の形態では、一例として回転停止期間を５秒間または１０秒間とした場合を示したが、発明者が検討した限りでは、１秒間程度停止期間があればその効果はあることが確認されている。なお、停止期間をさらに長くしても同様の効果はあるが、長くなるとその分生産性が低下するので、１分間以内、好ましくは３０秒間以内に留めることが好ましい。また、第１の乾燥工程は３０秒間以上とすることが好ましい。

上記実施の形態では、化学増幅型レジストをフォトレジストとして適用した場合を例に説明したが、本発明は化学増幅型レジストを適用した場合に限定されるものではない。液滴痕（ウォーターマーク）は化学増幅型レジスト以外のフォトレジストを使用した場合にも発生するものであり、本質的に液滴痕（ウォーターマーク）は少ない方が好ましい。また、上記実施の形態では、低速リンス液振り切り工程および高速乾燥工程を各々一定の回転数で実施した例を示したが、各工程において本発明の主旨を逸脱しない範囲で、徐々に回転数を減少あるいは増加させる等適宜回転数を変更させることもできる。なお、本発明の実施形態では、現像、リンス、乾燥の一連の処理を図５に示したパドル方式の半導体製造装置を用いて実施した例を示したが、本発明を実施する半導体製造装置は、図５に示したパドル方式の半導体製造装置に限られるものではないことはいうまでもない。

本発明の第１の実施の形態にかかるフォトレジストパターン形成時のリンス工程以後の半導体基板の回転数変化を示す図である。 本発明の第２の実施の形態にかかるフォトレジストパターン形成時のリンス工程以後の半導体基板の回転数変化を示す図である。 本発明の第３の実施の形態にかかるフォトレジストパターン形成時のリンス工程以後の半導体基板の回転数変化を示す図である。 本発明におけるリンス液振り切り工程（第１の乾燥工程）での半導体基板の回転数と半導体基板表面の液滴痕（ウォーターマーク）数との相関を示す図である。 本発明におけるリンス液振り切り工程（第１の乾燥工程）での半導体基板の回転時間と半導体基板表面の液滴痕（ウォーターマーク）数との相関を示す図である。 本発明および従来のフォトレジストパターン形成に使用し得るフォトレジストパターン形成装置の概略断面図である。 従来の実施の形態にかかるフォトレジストパターン形成時のリンス工程以後の半導体基板の回転数変化を示す図である。

符号の説明

１ フォトレジストパターン形成装置
２ 半導体基板
３ フォトレジスト膜
４ 回転軸
５ スピンチャック
６ 現像液
７ 現像液供給ノズル
８ リンス液供給ノズル
９ 現像カップ

Claims (5)

1. 半導体基板上に塗布後露光されたフォトレジスト膜を現像液で現像する工程と、前記半導体基板をリンスする工程と、前記半導体基板を乾燥する工程とを有するフォトレジストパターン形成方法であって、
   前記リンス工程は半導体基板にリンス液を供給しながら前記半導体基板をリンスする工程であり、
   前記リンス工程後に行う前記乾燥工程は、２５０−５００ｒｐｍの範囲内で前記半導体基板を回転させる第１の乾燥工程と、前記第１の乾燥工程より大きな回転数で前記半導体基板を回転させる第２の乾燥工程と、を有し、
   前記第１の乾燥工程は３０秒以上実施することを特徴とするフォトレジストパターンの形成方法。
2. 前記第１の乾燥工程と前記第２の乾燥工程との間で前記半導体基板の回転を一旦停止させることを特徴とする請求項１に記載のフォトレジストパターンの形成方法。
3. 前記半導体基板の回転停止時間が１秒間以上１分間以下であることを特徴とする請求項２に記載のフォトレジストパターンの形成方法。
4. 前記リンス液は、半導体基板上方に着脱可能に配置されるリンス液供給ノズルより供給され、前記リンス液供給ノズルは前記半導体基板上に前記リンス液が残存している期間に前記半導体基板上方外へ移動させることを特徴とする請求項1乃至３のいずれか一に記載のフォトレジストパターンの形成方法。
5. 前記フォトレジストパターンは０．６μｍピッチ以下の微細パターンであることを特徴とする請求項1乃至４のいずれか一に記載のフォトレジストパターンの形成方法。
   

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