JP5398307B2

JP5398307B2 - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP5398307B2
Application number: JP2009053337A
Authority: JP
Inventors: 克稔小林; 浩太郎庄; 司東; 大蔵武藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-03-06
Filing date: 2009-03-06
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2029-03-06
Also published as: US8119313B2; US20100227262A1; JP2010212270A

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に液浸露光によるパターン形成工程を含む半導体装置の製造方法に関する。

半導体装置の製造方法は、一般に、半導体基板上に被加工膜を含む複数の物質を堆積し、所望のパターンにパターニングする多くの工程を含む。そのパターニングでは、レジストと呼ばれる感光性物質の膜を被加工膜上に形成し、このレジスト膜に対してマスク（レチクル）を用いて選択的に露光を行う。次いで、レジスト膜の露光部または未露光部を現像処理により除去してレジストパターンを形成し、さらにこのレジストパターンをマスクにして被加工膜を加工する。

露光光源としては、例えばＫｒＦエキシマレーザー、ＡｒＦエキシマレーザーなどの紫外光がよく用いられているが、集積回路パターンの微細化に伴い要求される解像度がそれらの紫外光の波長以下となってきており、露光量裕度、フォーカス裕度などの露光プロセス裕度が不足しつつある。

解像力の向上を目的に開口数（ＮＡ）を上げることが検討され、現在、レジスト膜表面と投影レンズとの間に液体を満たしつつその液体を介して露光する液浸露光技術が導入されている。この液浸露光においてはレジスト膜表面に液浸液が接触しており、その接触角によって欠陥数が変化する。例えば、スキャン露光を行った場合に、スキャン方向の液浸液の接触角（前進接触角）が高すぎる場合にはエアの巻き込みによる欠陥が発生し、スキャン方向と反対側の接触角（後退接触角）が低い場合には液浸液がレジスト上に取り残され、液残りによる欠陥が発生する。

また、液浸用レジストとして、レジスト膜と液浸液との間に形成する保護膜を不要とする保護膜レスレジスト（またはトップコートレスレジスト）を使用することが提案されている（例えば、特許文献１）。この保護膜レスレジストを用いた場合、レジストの回転塗布時のウェーハ回転数によって撥水性添加剤を含むレジスト成分の膜厚方向の濃度分布が変化し、レジスト表面に接触する液浸液の接触角が変化する。また、レジスト膜の膜厚はウェーハ回転数によって制御され、したがって設定膜厚が変わりウェーハ回転数が変わると、レジスト表面の接触角が変化し、液浸露光時に欠陥が発生することが懸念される。このため、レジスト膜の設定膜厚すなわちウェーハ回転数によらずにレジスト表面の接触角を所望の値に保つことが望まれている。

特開２００９−４４７８号公報

本発明は、レジスト膜表面の接触角を変動させることなくレジスト膜の膜厚変更に対応できる半導体装置の製造方法を提供する。

本発明の一態様によれば、回転支持台に固定されて回転している半導体ウェーハの表面に撥水性添加剤を含む液状のレジストを供給して、前記半導体ウェーハの表面に所望の設定膜厚となるようにレジスト膜を形成する工程と、前記レジスト膜を形成後、前記レジスト膜を回転乾燥する工程と、前記回転乾燥後、前記レジスト膜に液体を接触させ、前記レジスト膜表面と投影光学系との間に前記液体を満たしつつ、前記液体を介して前記レジスト膜を露光する工程と、前記露光後のレジスト膜を現像して、レジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンをマスクにして前記半導体ウェーハに対する処理を行う工程と、を備え、前記レジスト膜表面と前記液体との接触角が所望の値となるように、前記半導体ウェーハの回転数又は前記レジスト膜の設定膜厚に応じて、前記レジスト膜の回転乾燥時間、前記供給時のレジスト温度、前記半導体ウェーハ表面上雰囲気の圧力、前記半導体ウェーハ表面上雰囲気の湿度の中から選択される少なくとも１つを含む前記接触角の調整条件を制御することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、回転支持台に固定されて回転している半導体ウェーハの表面に液状のレジストを供給して、前記半導体ウェーハの表面に所望の設定膜厚となるようにレジスト膜を形成する工程と、前記液状のレジストの供給時またはその前後に、撥水性添加剤を含む溶液を前記半導体ウェーハの表面に供給する工程と、前記レジスト膜に液体を接触させ、前記レジスト膜表面と投影光学系との間に前記液体を満たしつつ、前記液体を介して前記レジスト膜を露光する工程と、前記露光後のレジスト膜を現像して、レジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンをマスクにして前記半導体ウェーハに対する処理を行う工程と、を備え、前記レジスト膜表面と前記液体との接触角が所望の値となるように、前記半導体ウェーハの回転数又は前記レジスト膜の設定膜厚に応じて、前記撥水性添加剤を含む溶液の供給量を制御することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。

本発明によれば、レジスト膜表面の接触角を変動させることなくレジスト膜の膜厚変更に対応できる半導体装置の製造方法が提供される。

レジスト塗布機の模式図。液浸露光用の保護膜レスレジストの滴下およびウェーハ回転によってレジスト表面側に撥水層が形成されるようすを示す模式図。レジスト膜厚と、レジスト表面の接触角との関係の一例を示すグラフ。本発明の実施形態におけるレジスト膜形成の主要ステップを示すフローチャート。図４の回転乾燥ステップにおける乾燥時間と、レジスト膜表面の接触角との関係の一例を示すグラフ。本発明の実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるパターン形成ステップを示す模式図。本発明の他の実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるプリウェットシンナーの供給およびレジストの供給を示す模式図。

本発明の実施形態では、回転塗布法により液状のレジストを半導体ウェーハ表面に供給する。そのレジスト塗布機の模式図を図１に示す。

このレジスト塗布機は、上部と底部におけるそれぞれの中央部に開口２６、２７が形成されたカップ２２を有し、そのカップ２２の内部に回転支持台（またはスピンチャック）２３が設けられている。半導体ウェーハ１０は、回転支持台２３に例えば真空チャックで固定される。その状態で、半導体ウェーハ１０の上方、下方および周囲の空間はカップ２２で囲まれる。

カップ２２の上部開口２６付近にはノズル２１が設けられ、その吐出口は回転支持台２３に固定された半導体ウェーハ１０の表面（被処理面）に対向している。

回転支持台２３は、カップ２２の下部開口２７を貫通してカップ２２の外部に突出する回転軸２３ａを介して、モーター２４と結合されている。このモーター２４からの駆動力を受けて、回転支持台２３およびこれに固定された半導体ウェーハ１０は回転軸２３ａのまわりに回転可能となっている。

本実施形態では、レジスト膜表面と露光装置の投影光学系（投影レンズ）との間に液体（例えば純水）を満たしつつその液体を介してレジスト膜を露光する液浸露光を行い、その液浸露光用レジストとして、保護膜レスレジスト（またはトップコートレスレジスト）を用いる。この保護膜レスレジストは、撥水性添加剤を添加することで表面に撥水性を持つようにしたレジストであり、レジスト膜の上に別途、撥水性の保護膜を形成する必要がない。

回転塗布法は、回転支持台２３ごと半導体ウェーハ１０を回転させることで、ノズル２１から滴下された液状のレジスト１３ａ（図２（ａ））を半導体ウェーハ１０の表面上に均一な厚さの膜状に広げる技術である。このとき、レジスト１３ａ中に添加された撥水性添加剤は表層側に偏在し、図２（ｂ）に示すようにレジスト１３ａの表層側に撥水層１４が形成される。

このときのレジスト１３ａの膜厚は、主に半導体ウェーハ１０の回転数で決まる。また、撥水性添加剤が添加されたレジスト１３ａは、半導体ウェーハ１０の回転数により撥水性添加剤の偏在の仕方（撥水性添加剤の膜厚方向の濃度分布）が変化し、結果として、レジスト表面とこの表面に接触する液浸用液体との間の接触角（以下、単に接触角ともいう）が変化する。一般に、撥水性添加剤がレジスト表面側により多く存在すると上記接触角は大きくなる傾向にある。

半導体ウェーハ１０の回転数によって上記接触角が変化するということは、半導体ウェーハ１０の回転数によって決まるレジスト膜厚の違いによって接触角が変化することになる。このレジスト膜厚と接触角との相関関係の一例を図３に示す。

図３には、例えば種類（または材料組成）の異なる２つのレジストＡとレジストＢについて、膜厚（ｎｍ）と接触角（°）との関係を示した。この図３の場合には、レジストＡの方が、レジストＢよりも膜厚の変化に対する接触角の変化率が大きくなっている。

以上説明したようなことから、ウェーハ回転数でレジスト膜厚を制御した場合、設定膜厚ごとにレジスト表面の接触角が変動し、液浸露光時のスキャン耐性が設定膜厚ごとにばらつくことになる。接触角の変動をきたすことなく膜厚を変更したい場合には、レジストに対する撥水性添加剤の添加量を変えなければならず、設定膜厚ごとに実質組成の異なる複数種類のレジストを用意しなければならずコスト増大につながる。

そこで、本実施形態では、ウェーハ回転数以外の条件で撥水性添加剤の偏在性（膜厚方向の濃度分布）を制御し、結果として接触角を制御する。すなわち、レジスト膜の膜厚を所望の設定膜厚に維持しつつ、接触角が所望の値となるように、レジスト膜に含有される撥水性添加剤の濃度分布を制御する。

図４に、レジスト膜形成の主要ステップを示す。

まず、回転支持台２３に固定された半導体ウェーハ１０の表面に、ノズル２１から液状のレジスト１３ａを滴下する（ステップ１０１）。これは、まだ回転していない半導体ウェーハ１０に滴下してもよいし、すでに回転している状態の半導体ウェーハ１０に滴下してもよい。

レジスト１３ａの滴下後、半導体ウェーハ１０の回転数はある所望の一定回転数に維持される（ステップ１０２）。これはレジスト１３ａの膜厚決定ステップであり、レジストの粘度や含まれる溶媒の種類に応じて、所望の膜厚を得るべき一定回転数に制御され所定時間維持される。

上記一定回転数が維持され所望の膜厚でもって半導体ウェーハ１０表面にレジスト１３ａが被膜されると、ノズル２１からのレジスト１３ａの供給が停止され、半導体ウェーハ１０を単に回転だけさせてレジスト１３ａ中の溶剤を蒸発させる回転乾燥ステップ１０３に移行する。

本実施形態では、この回転乾燥ステップの時間（乾燥時間）を制御することにより、レジスト１３ａ中に含まれる撥水性添加剤の膜厚方向の濃度分布を制御して、レジスト表面の接触角を制御する。ここでのレジスト乾燥時間とは、半導体ウェーハ１０表面上でレジストの所望の膜厚が得られ半導体ウェーハ１０へのレジスト供給が停止してから、半導体ウェーハ１０の回転が停止する（実際に回転が停止する時点または停止指令信号がモーター２４に出力された時点）までの時間である。

このレジスト乾燥時間を設定するにあたっては、例えば、図５に例示されるような相関関係を予め求めてデータとして用意しておき、これに基づいて、レジストの設定膜厚に応じて、所望の接触角を得るべき乾燥時間を設定する。

図５において、横軸は上記レジストの回転乾燥ステップ１０３における乾燥時間を、縦軸は形成されたレジスト膜表面とこの表面に接触する液浸用液体との間で得られる接触角を示す。この関係を、設定膜厚（図５の例では、膜厚ａと膜厚ｂの２つの膜厚について示す）ごとに求めておく。なお、膜厚は上記膜厚決定ステップ１０２におけるウェーハ回転数で決めているため、膜厚は回転数とも読み替えることができる。

図５の場合において、レジスト膜表面の接触角として例えばθを得たいとする。この場合、設定膜厚がａのときには乾燥時間をｔ１に設定し、設定膜厚がｂのときには乾燥時間をｔ２に設定することで、所望の接触角θを実現する。

レジストの回転乾燥ステップでは、乾燥よりも接触角制御を優先して乾燥時間を設定する。仮に乾燥時間が比較的短くなり乾燥が不十分になったとしても、次のベークステップ１０４にてレジスト中から溶剤を完全に蒸発させて、固相のレジスト膜とすることができる。

接触角の制御に用いるパラメータ（レジスト膜形成時の条件）としては、レジスト乾燥時間に限らず、レジスト温度、半導体ウェーハ表面上雰囲気の圧力、同雰囲気の湿度などを用いてもよい。

レジスト温度は、ノズル２１から吐出される液状の状態でのレジストの温度である。このレジスト温度が高くなるほど、滴下されたレジスト中の溶剤の蒸発が促進され、その溶剤の蒸発に伴ってレジスト中を表面側に移動する撥水性添加剤の量が多くなり、レジスト表面の接触角は大きくなる傾向にある。

半導体ウェーハ表面上雰囲気の圧力は、図１の塗布機においてはカップ２２内の雰囲気圧力である。この圧力が高くなるほど、滴下されたレジスト中の溶剤は蒸発しにくくなり、撥水性添加剤もレジスト表面側に移動しにくくなり、レジスト表面の接触角は小さくなる傾向にある。

半導体ウェーハ表面上雰囲気の湿度は、同塗布機におけるカップ２２内の湿度である。この湿度が高くなるほど、滴下されたレジスト中の溶剤は蒸発しにくくなり、撥水性添加剤もレジスト表面側に移動しにくくなり、レジスト表面の接触角は小さくなる傾向にある。

これらレジスト温度、雰囲気圧力、雰囲気湿度についても、レジスト乾燥時間と同様な前述した図５に例示されるような相関関係を予め求めてデータとして用意しておき、これに基づいて、設定膜厚に応じて、所望の接触角を得るべきレジスト温度、雰囲気圧力、雰囲気湿度を設定する。

また、レジスト乾燥時間、レジスト温度、雰囲気圧力、雰囲気湿度のうちいずれか１つを調整することで接触角を制御するようにしてもよいし、それら条件のうちの２つ以上を調整することで接触角を制御してもよい。

次に、レジスト膜形成以降の工程について、図６を参照して説明する。

なお、図６では、半導体ウェーハ１０として、シリコンなどの半導体基板１１上にシリコン酸化膜等の被加工膜１２が形成された構成を例示するが、半導体基板１１上には複数層の膜が形成されていてもよいし、あるいは半導体ウェーハ１０としては半導体基板１１のみから構成されてもよい。また、半導体ウェーハ１０とレジスト膜１３との間には、必要に応じて反射防止膜等の他の膜が形成される場合もある。

半導体ウェーハ１０表面上にレジスト膜１３が形成された後、図示しないマスク（またはレチクル）を用いて、図６（ａ）に示すようにレジスト膜１３に対して露光が行われる。これは、液浸露光であり、レジスト膜１３表面と、露光装置の投影光学系（投影レンズ）との間に液体（図示せず）を満たしつつ、その液体を介してレジスト膜１３を露光する。

次いで露光後ベーク処理が行われた後、レジスト膜１３の現像が行われる。例えば、光酸発生剤を含む化学増幅型レジストを用いた場合には、アルカリ系の現像液を用いることができる。この現像により、レジスト膜１３における露光部または未露光部が除去され、図６（ｂ）に示すようにレジストパターン１５が形成される。

そして、レジストパターン１５をマスクにして、半導体ウェーハ１０に対してイオン注入、エッチングなどの処理を行う。本実施形態では、例えば、レジストパターン１５をマスクにして被加工膜１２のドライエッチングを行う。これにより、図６（ｃ）に示すように、被加工膜１２がパターニングされる。

以上説明した本実施形態によれば、レジストの回転塗布時のウェーハ回転数でレジスト膜の膜厚を決め、ウェーハ回転数以外のパラメータ（レジスト乾燥時間、レジスト温度、雰囲気圧力、雰囲気湿度などの接触角調整条件）でレジスト中の撥水性添加剤の偏在性（膜厚方向の濃度分布）を制御して、レジスト膜表面の接触角を制御する。この結果、設定膜厚ごとに接触角が変動してしまうことによる液浸露光時の欠陥の発生を抑制でき、精度良いパターン形成を行える。

例えば、被エッチング膜の膜厚が増大しエッチングによって形成すべき開口部（またはホール）のアスペクト比が増大する場合や、レジスト膜に対する被エッチング膜のエッチング選択比が比較的低い場合などは、レジスト膜のエッチング耐性を高めるためにレジスト膜の膜厚を厚くすることが考えられる。このようなレジスト膜の膜厚変更すなわち回転塗布時のウェーハ回転数変更に対しても、本実施形態によれば、レジスト膜表面の接触角の変動をきたすことなく対応できる。

次に、図７を参照して、本発明の他の実施形態について説明する。

図７（ａ）に示す実施形態では、液状のレジスト１３ａを半導体ウェーハ１０表面に供給する前に、半導体ウェーハ１０の表面をぬれやすくするためにプリウェットシンナー３２を半導体ウェーハ１０の表面に供給する工程を有し、そのプリウェットシンナー３２に撥水性添加剤を添加している。プリウェットシンナー３２の半導体ウェーハ１０表面への吐出は、レジスト１３ａを吐出するのと同じノズル２１を用いて、レジスト１３ａの吐出の前に行われる。

また、図７（ｂ）に示す実施形態では、レジスト１３ａを吐出するノズル２１とは別のノズル３１を用いて、レジスト供給時と同時にそのノズル３１から、撥水性添加剤を添加したプリウェットシンナー３２を吐出する。

そして、これら実施形態では、半導体ウェーハ１０表面へのプリウェットシンナー３２の供給量を制御することにより、それに添加された撥水性添加剤の半導体ウェーハ１０への供給量を制御し、結果としてレジスト表面の接触角を制御する。このプリウェットシンナー３２の供給量を設定するにあたっては、前述した実施形態と同様に、設定膜厚（塗布時ウェーハ回転数）と、プリウェットシンナー供給量と、接触角との相関関係を予め求めてデータとして用意しておき、これに基づいて、レジストの設定膜厚に応じて、所望の接触角を得るべき供給量を設定する。

図７（ａ）、（ｂ）に示す実施形態においても、ウェーハ回転数でレジスト膜の膜厚を決め、ウェーハ回転数以外のパラメータ（撥水性添加剤を添加したプリウェットシンナー３２の供給量）でレジスト膜表面の接触角を制御する。この結果、設定膜厚ごとに接触角が変動してしまうことによる液浸露光時の欠陥の発生を抑制でき、精度良いパターン形成を行える。

図７（ａ）、（ｂ）の実施形態においては、プリウェットシンナー３２とレジスト１３ａは滴下された後、半導体ウェーハ１０表面で混合するため、プリウェットシンナー３２に添加された撥水性添加剤は、半導体ウェーハ１０表面に被膜されたレジスト膜中に含まれることになる。滴下前のレジスト１３ａには、撥水性添加剤を添加してもよいし、添加しなくてもよい。

撥水性添加剤濃度の異なる複数種のレジストを用意し、また管理することは手間とコストがかかる。これに対して本実施形態では、撥水性添加剤を添加したプリウェットシンナー３２の半導体ウェーハ１０表面への供給量の制御だけで、膜厚（塗布時ウェーハ回転数）によらずにレジスト膜表面の接触角を制御することが可能となる。レジスト自体は１種類のものだけでよく、その１種類のレジストについて膜厚は塗布時のウェーハ回転数で制御し、表面の接触角はプリウェットシンナーの供給量で制御する。

なお、撥水性添加剤を添加した溶液としてはプリウェットシンナーに限らず、他の溶液を用いてもよく、その撥水性添加剤を添加した溶液を供給するタイミングもレジストの供給前、供給時に限らず、レジストの供給後であってもよい。いずれにしても、半導体ウェーハ表面で、レジストと、撥水性添加剤を添加した溶液とが混合して、半導体ウェーハ表面に被膜されたレジスト中に撥水性添加剤が含まれるようにすればよい。

なお、プリウェットシンナーに撥水性添加剤を添加して半導体ウェーハに供給することは、既存のプリウェットシンナー供給工程を有するプロセスに対して新たな工程追加となるものではない。

１０…半導体ウェーハ、１１…半導体基板、１２…被加工膜、１３ａ…レジスト、１３…レジスト膜、１４…撥水層、１５…レジストパターン、３２…プリウェットシンナー

Claims

回転支持台に固定されて回転している半導体ウェーハの表面に撥水性添加剤を含む液状のレジストを供給して、前記半導体ウェーハの表面に所望の設定膜厚となるようにレジスト膜を形成する工程と、
前記レジスト膜を形成後、前記レジスト膜を回転乾燥する工程と、
前記回転乾燥後、前記レジスト膜に液体を接触させ、前記レジスト膜表面と投影光学系との間に前記液体を満たしつつ、前記液体を介して前記レジスト膜を露光する工程と、
前記露光後のレジスト膜を現像して、レジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンをマスクにして前記半導体ウェーハに対する処理を行う工程と、
を備え、
前記レジスト膜表面と前記液体との接触角が所望の値となるように、前記半導体ウェーハの回転数又は前記レジスト膜の設定膜厚に応じて、前記レジスト膜の回転乾燥時間、前記供給時のレジスト温度、前記半導体ウェーハ表面上雰囲気の圧力、前記半導体ウェーハ表面上雰囲気の湿度の中から選択される少なくとも１つを含む前記接触角の調整条件を制御することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記接触角の調整条件と前記接触角との相関関係を予め用意しておき、これらの相関関係に基づいて前記接触角の調整条件を設定することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
回転支持台に固定されて回転している半導体ウェーハの表面に液状のレジストを供給して、前記半導体ウェーハの表面に所望の設定膜厚となるようにレジスト膜を形成する工程と、
前記液状のレジストの供給時またはその前後に、撥水性添加剤を含む溶液を前記半導体ウェーハの表面に供給する工程と、
前記レジスト膜に液体を接触させ、前記レジスト膜表面と投影光学系との間に前記液体を満たしつつ、前記液体を介して前記レジスト膜を露光する工程と、
前記露光後のレジスト膜を現像して、レジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンをマスクにして前記半導体ウェーハに対する処理を行う工程と、
を備え、
前記レジスト膜表面と前記液体との接触角が所望の値となるように、前記半導体ウェーハの回転数又は前記レジスト膜の設定膜厚に応じて、前記撥水性添加剤を含む溶液の供給量を制御することを特徴とする半導体装置の製造方法。