JP4672763B2

JP4672763B2 - レジストパターン形成方法

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Publication number: JP4672763B2
Application number: JP2008237020A
Authority: JP
Inventors: 信一伊藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2008-09-16
Filing date: 2008-09-16
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2024-03-24
Also published as: JP2008300890A

Description

本発明は、基板上に形成されたレジスト膜に対して液体を介して露光を行い潜像を形成し、選択的な現像を行うことでレジストパターンを形成する手法に関する。

液浸露光装置は被処理基板上に形成したレジスト膜に対する露光を行う際に、レジスト膜表面と露光装置のレンズの間を液で満たして露光を行う手法である。このような露光法に用いる装置には例えば特許文献１記載のものがある。特許文献１では水を供給可能なステージの中で、被処理基板全体を水没させ、このステージを露光装置に対して相対的に移動させながら露光を行う装置について開示されている。このような形態の装置ではステージ全体に液が供給されているためステージを高速で移動させた際にステージから液が溢れるなどの問題があり高速駆動できないという問題があった。

ステージ移動による液の乱れの対策については、露光を行う部分に対して局所的に液体を供給しながらステージを駆動する手法が開示されている（非特許文献１）。この方式によりステージの高速移動が可能になった。このような局所的に液体を供給する手法を用いた場合にレンズが去った部分の露光領域などに水が取り残され、この状態でレジスト膜の露光後加熱を行った際に水しみが発生したり、水が存在した部分で温度低下が生じてレジストパターン異常が生じたりするなどの問題があった。

また、基板の縁周辺で露光を行う場合、レジスト膜のエッジ部に水が流れることがある。この時、基板とレジスト膜のエッジ部との段差で乱流が生じて、空気を巻き込む恐れがある。この空気が露光スリット領域に達すると、露光異常が発生することがある。露光異常により、レジストパターン異常が生じたりするなどの問題があった。
特開平１０−３０３１１４号公報 Soichi Owa and Hiroyuki Nagasaka, Immersion lithography; its potential performance and issues, Proc. of SPIE Vol.5040, pp.724-733

基板上の局所的な領域に液膜を介して露光する液浸露光において、レジストパターンに欠陥が発生することを抑制し得るレジストパターン形成方法を提供することを提供することにある。

本発明の一例に係わるレジストパターン形成方法は、基板上にレジスト膜を形成する工程と、前記レジスト膜が形成された基板およびパターンが形成されたレチクルを、投影光学系を具備する露光装置に搭載する工程と、前記レジスト膜上の局所的な領域に第１の液膜を選択形成するために、前記レジスト膜上への第１の薬液としての水の供給と供給された第１の薬液の回収とを行う工程であって、前記第１の液膜は流れを有し、前記第１の液膜を前記レジスト膜と投影光学系との間に形成する工程と、前記レジスト膜に潜像を形成するために、前記第１の液膜が形成された状態で前記レチクルに形成されたパターンを前記レジスト膜に転写する工程と、前記基板上に点在する前記第１の液膜の残留液滴を含むように、第２の薬液としての水を前記レジスト膜上に供給して、前記第１の液膜の残留液滴を含む第２の液膜を形成する工程と、前記第２の液膜を除去する工程と、前記除去後、前記潜像が形成されたレジスト膜を加熱する工程と、前記加熱されたレジスト膜からレジストパターンを形成するために、前記レジスト膜を現像する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、露光領域のレジスト膜表面と露光装置のレンズとの間に選択的に液膜を形成し、これを介して露光する際に、レジスト膜から液体に溶出する物質の影響を低減でき、また、露光領域の移動に伴いレジスト膜表面に残存する液体によるレジストパターン寸法精度劣化及び欠陥を防止することが可能になる。

本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
半導体基板上に反射防止膜用塗布材料を滴下し回転して広げた後で加熱処理を行い、約５０ｎｍの厚さの反射防止膜を形成する（ステップＳＴ１０１）。反射防止膜上に酸発生材を含むＡｒＦ化学増幅型レジスト膜を膜厚２００ｎｍで形成する（ステップＳＴ１０２）。化学増幅型レジストは以下の手順で形成される。スピンコート法により反射防止膜上に化学増幅型レジスト用塗布材料を広げる。そして、加熱処理を行って、塗布材料に含まれる溶剤を除去する。

別途行ったＡｒＦ化学増幅型レジスト膜の表面分析では、膜表面に酸発生材や酸トラップ材（アミンなど）が分布していることが判っている。レジスト膜表面の酸発生材や酸トラップ材を除去するために、レジスト膜上に純水を供給して洗浄処理を行う（ステップＳＴ１０３）。この洗浄により、レジスト膜表面の酸発生材と酸トラップ材が除去される。なお、加熱処理後の膜表面に残存する酸発生材や酸トラップ材の影響を除くためにレジスト膜上に更に保護膜を形成する場合がある。このときの加熱状態によっても保護膜上に酸発生材や酸トラップ材が存在してしまい、同様の洗浄が必要になる場合がある。

図２は、本発明の一実施形態に係わる洗浄処理を行っている状態を示す図である。図２（ａ）は洗浄処理を行っている状態の平面図、図２（ｂ）は洗浄処理を行っている状態の側面図である。

図２に示すように、半導体基板１０を基板支持部１１上に保持させる。基板支持部１１は、駆動部１２により回転される。半導体基板１０を回転させつつ洗浄ノズル１３から半導体基板に対して洗浄液である純水（第３の薬液）１４を供給する。洗浄処理時、図２（ａ）に示すように、洗浄ノズル１３を基板１０の周方向の一端と他端との間を往復移動させる。洗浄ノズル１３が基板１０外周部にある状態でのノズル１３の移動速度は、ノズル１３が基板１０中心部上に位置する状態での移動速度より遅くする。その結果、基板１０の単位面積辺りに供給される洗浄液がほぼ等しくなり、洗浄の効果を高めることができる。なお、ノズル１３が等速運動する場合、ノズルの径方向位置に対して逆比例するように基板の回転数を変更することで同様の効果を得ることができる。

またこれらの物質を除去しやすい薬液であればよく本実施形態記載の純水には限らない。洗浄にかかる時間が長い場合、洗浄液として酸素溶存水、水素溶存水、炭酸溶存水などを用いることで短時間処理が可能となった。酸素溶存水を用いる場合には１０ｐｐｍ以下で作用させることで膜表面にダメージを与えることなく洗浄することができた。また水素水を用いる場合にはほぼ飽和の状態（１．２ｐｐｍ程度）で作用させると良い。これらの薬液の選択は膜表面を薬液に晒したときに生じる電位、酸発生材、酸トラップ材の液中での電位などに応じて、酸発生材、酸トラップ材が膜表面から遊離しやすい条件で用いると良い。

また、図３のようにノズル１３を基板１０の中心部と基板１０の外周部の一端との間で折り返して移動させても良い。図３は、本発明の一実施形態に係わる洗浄処理を行っている状態を示す図である。図３（ａ）は洗浄処理を行っている状態の平面図、図３（ｂ）は洗浄処理を行っている状態の側面図である。図３において、図２と同一な部位には同一符号を付し、その説明を省略する。

また、本実施形態での基板１０主面に対する注水は主面と直交する方向に行ったがこれに限るものではない。例えば、基板１０の回転方向と同じ向きに注水しても良い。その結果、純水１４が膜表面にぶつかる時の衝撃を和らげ、膜表面にダメージを与えることなく洗浄することができる。また、基板回転方向と逆向きに注水することで膜表面に付着した酸発生材や酸トラップ材を効率よく除去することができる。また、基板外周方向に向けて注水することで膜表面から除去した酸発生材や酸トラップ材を効率よく基板外に排出できる。

次いで、レジスト膜表面の乾燥処理を行う（ステップＳＴ１０４）。乾燥処理は、図４に示すように、エアーナイフ２１から基板１０の主面に酸、アルカリをフィルタリングしたガス２２を吹き付ける。エアーナイフ２１が基板上にエアーを吹き付ける領域は、基板表面の一部である。基板１０全面にエアーを吹き付けるために、エアーナイフ２１が基板１０表面上を基板１０の周方向の一端から他端に向けて走査する。この時、基板１０を回転させてもよいし、静止させた状態でも良い。

図４は、本発明の一実施形態に係わる洗浄液の除去処理を行っている状態を示す図である。図４（ａ）は洗浄液の除去処理を行っている状態の平面図、図４（ｂ）は洗浄液の除去処理を行っている状態の側面図である。純水１４の除去は膜表面に吸着水が残る程度であっても良い。エアーナイフ２１から吹き付けられるエアー２２の向きはエアーナイフ２１の進行方向であることが望ましい。向きを同じにすることで、効率的且つ短時間で水の除去が可能である。この工程での純水１４の除去のポイントは、熱処理または減圧下で乾燥を行わないことにある。熱処理または減圧下での乾燥を行った場合にはレジスト膜内部から酸発生材と酸トラップ材が抽出されて再び膜表面に現れてしまい、先の洗浄の効果を失う。径が小さい基板の場合にはエアーナイフを使わずに基板を回転して乾燥を行っても良い。

洗浄処理後、基板をスキャン露光装置に搬送する（ステップＳＴ１０５）。スキャン露光装置を用いてレチクルに形成された半導体素子パターンをレジスト膜に転写し、潜像を形成する（ステップＳＴ１０６）。

本実施形態で用いる露光装置は液浸型である。図５に露光装置の概略を示す。図５は、本発明の一実施形態に係わる露光装置の概略構成を示す図である。図示されない照明光学系の下方にレチクルステージ３１が配置されている。レチクルステージ３１上にレチクル３２が設置されている。レチクルステージ３１は平行移動可能である。レチクルステージ３１の下方に投影レンズ系３３が配置されている。投影レンズ系３３の下方にウェハステージ３４が配置されている。ウェハステージ３４上に前述した処理が行われた半導体基板１０が設置されている。ウェハステージ３４は、半導体基板１０と共に平行移動する。半導体基板１０の周囲にはサポート板３７が設けられている。

投影レンズ系３３の下方には、フェンス３５が取り付けられている。投影レンズ系３３の横にフェンス３５内への水（第１の薬液）の供給及びフェンス３５内からの水の排出を行う一対の水供給・排出器３６が設けられている。露光時、フェンス３５と投影レンズ３３で囲まれた領域の基板１０と投影レンズ系３３との空間は水の液膜（第１の液膜）で満たされる。投影レンズ系３３から射出する露光光は水の層を通過して照射領域に到達する。照射領域にあたる基板表面のフォトレジストにレチクル３２上のマスクパターン（図示せず）の像が投影され、潜像が形成される。

図６は基板上に形成される各露光フィールドの配置を表す平面図である。１枚のレチクルに描かれたマスクパターンが、スキャン露光により基板１０上の矩形の露光フィールド４１にそれぞれ投影・転写される。スキャン露光時、例えば図７に示すように、露光スリット領域５１が露光フィールド４１を紙面の上から下へ走査する。または図８に示すように、露光スリット領域５１が露光フィールド４１を紙面の下から上へ走査する。図７及び図８は、本発明の一実施形態に係わるスキャン露光を説明するために用いられる図である。

図９は、各露光フィールドを順次走査露光する際の露光順序の一例を表す平面図である。図９における上向きの矢印・下向きの矢印はそれぞれ、露光スリット領域が移動する方向を示している。図９に示すように、一つの露光フィールドをスキャン露光し、隣の露光フィールドをスキャン露光するときには走査の向きが逆になっている。このような動作を繰り返しながら基板全面の露光を行う。

スキャン露光の間、水供給・排出器３６はフェンス３５で囲まれた領域の外に水が残らないように水の回収を行う。ところが、基板上のレジスト膜が水をはじきやすい（レジスト膜の水に対する接触角が高い）場合、ステージの移動速度が速い場合、ステージの加減速度が大きい場合、比較的大きい露光領域を有する場合などでは、図１０に示すように、基板１０上に残留水７１が生じてしまう。このように露光後に部分的に水がレジスト膜上で残った状態で次の加熱（Post exposure bake）を行うと、水が残った部分では熱が吸収されて他の部分と比べてレジスト膜へ供給される熱量が少なくなり、レジスト膜中での加熱による反応を十分に生じさせることができず線幅異常が生じる。レジストがポジレジストである場合には未開口の欠陥が発生してしまう。ネガレジストである場合にはオープン不良の欠陥が発生するという問題が生じる。

これらの問題を解消するため、本実施形態では液浸露光を行った後に、基板上に残った残留水７１を除去することが望まれる。基板１０上の残留水を除去するために、回転乾燥がよく用いられる。ところが、残留水７１は基板１０上に点在しているために、回転乾燥で残留水７１を除去することは困難である。

本実施形態では、残留水７１を除去するために以下の処理を行う。即ち、潜像が形成された基板を水処理ユニットに搬送する（ステップＳＴ１０７）。基板の表面に再度基板全面に純水（第２の薬液）を供給して、基板上の略全面に液膜（第２の液膜）を形成する（ステップＳＴ１０８）。洗浄処理後の乾燥と同様、回転乾燥またはエアーナイフを用いて、純水の液膜を除去する（ステップＳＴ１０９）。この処理で膜表面の水（残留水＋液膜）が完全に除去される。水を完全に除去できない場合には、チップ間で同じように水が吸着する状態を形成すると良い。チップ間で同じように水が吸着させることで、後の加熱で生じる寸法差を予め露光時に用いるマスクに寸法変換差としてフィードバックさせることで最終的に所望のレジストパターンを得ることができる。

なお、ここでは水を用いたがこれに限らない。水との親和性がよく且つレジスト膜にダメージを与えることがなく、液滴（この実施形態の場合は水：気化熱＝583cal/g at 100℃）より気化熱が小さい薬液、例えばアルコール類やエーテル類などの薬液を用いたり、これら薬液を液滴と同じ（第１の薬液と同じ）成分の溶媒に溶かして用いても良い。用いる薬液が速乾性であればなお良い。これらの処理はレジスト膜表面に対してだけではなく保護膜を用いた場合の保護膜表面に対しても有効であった。

また、液浸露光時に、レジスト膜表面から感光剤などが水に溶け出し、この感光剤が淀む部分で再付着を起こしたりするなどして、レジストパターンの精度が得られないことがある。本実施形態では、液浸露光後に水の供給／除去を行うことによって、レジスト膜表面に再付着した感光剤などを洗浄することができる。その結果、レジストパターンの精度が向上する。なお、水の供給／除去の後に表面吸着水を除去する目的で水より気化熱が小さい薬液、例えばアルコール類やエーテル類などの薬液をレジスト膜表面に供給/乾燥させても良く、次のベークの工程でより均一にベークをおこなうことができる。これらの処理はレジスト膜表面に対してだけではなく保護膜を用いた場合の保護膜表面に対しても有効であった。

上述の処理を行った基板をベーカーに搬送して被処理基板の加熱（ＰＥＢ）を行う（ステップＳＴ１１０）。この加熱により露光段階で発生した酸の拡散、増幅反応を行う。更に前述の被処理基板を現像ユニットに搬送し現像を行って、ＡｒＦレジストパターンが形成される（ステップＳＴ１１１）。

ところで、少なくとも露光ユニットから露光後の水処理ユニットを経てベーカーユニットに至るまでの工程は雰囲気制御を行う必要がある。レジストパターン形成に影響を与えない程度に酸の失活を抑えるには塩基性物質の濃度を１０ｐｐｂ以下にする必要があることが判った。また、搬送時間を含む処理時間についても±１０％の範囲で管理することが望ましいという実験結果を得た。

本実施形態によれば、液浸露光後にレジスト膜上に水を供給し、水の除去を行うことによって、レジスト膜表面の残留水を除去することができる。その結果、パターン形成不良の発生を抑制することができる。

なお、液浸露光を行った後に、基板上に点在する残留水７１を除去するために、純水供給（ステップＳＴ１０８）、純水除去（ステップＳＴ１０９）を行った。しかし、残留水７１を除去するために、ステップＳＴ１０３の乾燥処理と同様、スリット状の吹き出し口から基板の一部にガスを吹き付けるエアーナイフ２１が基板上を走査しても良い。また、エアーナイフの変わりにエアーガンが基板上を走査しても良い。残留水の除去能力は、エアーガンを用いるより、エアーナイフを用いた方が高い。よって、エアーガンを用いるよりエアーナイフを用いて残留水７１を除去することが好ましい。

ところで、スキャン露光時、基板の外周部の露光を行う場合について説明する。図１１は、露光領域４１に対して露光スリット領域５１をスキャン方向５４に走査させつつ、水を水流方向７２ａに流す場合を示している。図１１において、符号３８はフェンス３５で囲まれた液浸領域である。レジスト膜とのエッジ部での段差で巻き込まれた気泡７３が流水により移動して露光スリット領域５１に到達して露光不良を生じさせてしまう。なお、液浸領域が基板１０と図示されないサポート板との境界部にある場合でも気泡が発生する。

この問題を解決するために、レジスト膜のエッジに対する流水の方向を考慮することが好ましい。図１２に示すように、液浸領域３８内にレジスト膜エッジ７０が存在する場合には、水流方向７２ｂが露光スリット領域５１からエッジ部７０に向かった方向であると良い。このように水流を形成することでエッジ部７０で発生した気泡７１は露光スリット領域５１に到達せずに効率よく排出できる。この時に露光スリット領域５１を水流方向に向けて走査させると流水の温度上昇を軽減できるのでなお良い。このことは、基板１０の移動方向を水流方向と逆に水平移動させると言い換えることができる。

また、基板の外周部露光を行う場合であって、液浸領域内で露光領域走査方向と概ね平行する方向に基板エッジが存在する場合には際には液浸領域内で水圧差を設けたほうが好ましい。図１３において、露光スリット領域５１をスキャン方向５４に走査させつつ、水を水流方向７２ｃに流す場合を示している。

図１３の処理においてはエッジ部７０で空気がかみ、この部分のコンダクタンスが小さくなるなり、圧力バランスが崩れるために気泡が基板内側に流れ込んでしまう。これを防ぐためには、図１４に示すように、水の水流方向７２ｄが基板内側から基板外側に向かうように調整すると良い。具体的には注水側の圧力を基板内側で高くなるように設定するか、排水側において基板エッジ側の排水圧力を高くすれば良い。これら手法により水流の向きを基板外側に向かうように設定することで気泡を基板の外側に排出できる。また図１５に示すように水流方向７２ｅを露光領域走査方向に対して直交させて、更に基板の内側から外側に向かうように水流を形成しても良い。

なお、本実施形態で露光の際にレンズと被処理基板間に介在させた水は脱気させた純水を用いていたがこれに限るものではない。屈折率を大きくするためにＩ族、II族などのアルカリイオンを添加したり、吸収係数を小さくするために酸イオンを添加した液体を用いても良い。露光光に対して吸収係数が小さく、特定の屈折率に併せた露光装置を用いる場合、特定の屈折率を有する液体であって、レンズ系などにダメージを与えないものであればいかなるものを用いても良い。

本発明はＡｒＦ（１９３ｎｍ）光を用いた露光に関するが、ＫｒＦ（２４８ｎｍ）光を用いた露光に関しても同様の処理を行うことで精度良くパターニングを行うことができる。また、Ｆ２露光（１５７ｎｍ）露光では第一の溶媒にフッ素系オイルを用いることで精度良くパターニングを行うことができることを確認した。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、そ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可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係わる半導体素子の製造工程を示す断面図。本発明の一実施形態に係わる洗浄処理を行っている状態を示す図。本発明の一実施形態に係わる洗浄処理を行っている状態を示す図。本発明の一実施形態に係わる洗浄液の除去処理を行っている状態示す図。本発明の一実施形態に係わる露光装置の概略構成を示す図。基板上の各露光フィールドの配置を示す平面図。本発明の一実施形態に係わる走査露光を説明するために用いられる図。本発明の一実施形態に係わる走査露光を説明するために用いられる図。本発明の一実施形態に係わる各露光フィールドを順次走査露光する際の露光順序を表す平面図。本発明の一実施形態に係わるスキャン露光後に基板上に残存する液滴を示す平面図。液浸領域内にレジスト膜エッジがある場合の、露光スリット領域の走査方向と水流方向を示す平面図。液浸領域内にレジスト膜エッジがある場合の、露光スリット領域の走査方向と水流方向を示す平面図。液浸領域内にレジスト膜エッジがある場合の、露光スリット領域の走査方向と水流方向を示す平面図。液浸領域内にレジスト膜エッジがある場合の、露光スリット領域の走査方向と水流方向を示す平面図。液浸領域内にレジスト膜エッジがある場合の、露光スリット領域の走査方向と水流方向を示す平面図。

符号の説明

１０…半導体基板，１１…基板支持部，１２…駆動部，１３…洗浄ノズル，１３…ノズル，１４…純水

Claims

基板上にレジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜が形成された基板およびパターンが形成されたレチクルを、投影光学系を具備する露光装置に搭載する工程と、
前記レジスト膜上の局所的な領域に第１の液膜を選択形成するために、前記レジスト膜上への第１の薬液としての水の供給と供給された第１の薬液の回収とを行う工程であって、前記第１の液膜は流れを有し、前記第１の液膜を前記レジスト膜と投影光学系との間に形成する工程と、
前記レジスト膜に潜像を形成するために、前記第１の液膜が形成された状態で前記レチクルに形成されたパターンを前記レジスト膜に転写する工程と、
前記基板上に点在する前記第１の液膜の残留液滴を含むように、第２の薬液としての水を前記レジスト膜上に供給して、前記第１の液膜の残留液滴を含む第２の液膜を形成する工程と、
前記第２の液膜を除去する工程と、
前記除去後、前記潜像が形成されたレジスト膜を加熱する工程と、
前記加熱されたレジスト膜からレジストパターンを形成するために、前記レジスト膜を現像する工程と、
を含むことを特徴とするレジストパターン形成方法。
前記第２の液膜は、前記レジスト膜表面の略全面にされ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。
前記第２の液膜の除去は、
前記レジスト膜の表面の一部に対してガス噴射部からガスを吹き付ける工程と、
前記ガス噴射部が前記基板上の略全面を走査する工程と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載のレジストパターン形成方法。
前記露光装置に搭載する前に、前記レジスト膜上に保護膜を形成する工程を更に含む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。
半導体ウエハを用意する工程と、
請求項１〜４の何れかにレジストパターンパターン形成方法を用いて、前記半導体ウエハ上にレジストパターンを形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。