JP5940022B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、写真製版工程を備えた半導体装置の製造方法において、パターン欠陥の原因となるマイクロバブルの低減を図ることが可能な技術に関するものである。

半導体装置の製造工程において、写真製版工程におけるレジストパターン形成は、重要な微細加工工程であり、以下のようなサブ工程から構成されている。１）先ず、半導体基板の表面上にフォトレジスト（感光性材料）を塗布しフォトレジスト膜を形成する。２）次に、紫外線露光装置でマスクを用いて回路パターンをフォトレジスト膜に焼き付ける。３）最後に、フォトレジスト膜の現像処理工程を行い、レジストパターン形成が完了する。

現像処理工程は，以下の工程から構成されている。４）最初に、回路パターンを焼き付けられたフォトレジスト膜に現像液を浸漬させる。５）次に、純水などの現像停止液（リンス液）に浸漬させ、現像液をリンス液で置換して現像を停止させる。６）最後に、半導体基板を回転させてリンス液を振り切り乾燥させる。

４）の現像液浸漬処理を行う工程において、半導体基板上に現像液を滴下した後、あるいは同時に半導体基板を回転させて現像液を半導体基板上面の全域に広げていることが多いが、このときに空気を巻き込む場合がある。また、現像液を滴下するために現像液を窒素などで加圧することがあるが、その際に窒素が現像液に溶け込み、現像液の滴下後に現像液中に溶存している窒素が大気圧に戻って発泡する場合がある。さらに、ノボラック樹脂を用いたポジ型フォトレジストを露光した場合には、感光反応において窒素が放出され、現像前に窒素がフォトレジスト膜中に取り込まれており、現像液に浸漬されたときに発泡する場合がある。

これら複数の要因により、現像液をフォトレジスト膜の表面に滴下したときには、現像液膜中にマイクロバブル（気泡）が発生し、一部のマイクロバブルはフォトレジスト膜の表面に付着する。付着したマイクロバブルは、現像液がフォトレジスト膜と接触することを阻害して現像不良を誘発し、パターン欠陥を引き起こす原因となり、半導体装置の歩留まりを低下させる。このマイクロバブルを除去して、半導体装置の生産効率を向上させる製造方法として、特許文献１に開示された製造方法がある。

特許文献１に記載の製造方法は、上記の問題を解決するために、半導体基板上に現像液を滴下して、半導体基板上に形成されたフォトレジスト膜の現像を行う半導体装置の製造方法において、１００〜５００ｒｐｍの速度で半導体基板を回転させながら、半導体基板に現像液を滴下し、半導体基板表面の塗れ性を高い状態にする第１の工程と、現像液の滴下を停止し、５００〜１５００ｒｐｍの速度で半導体基板を回転させる第２の工程と、半導体基板を静止させたまま、あるいは１００ｒｐｍ以下の速度で回転させながら、再び現像液を滴下し、液盛りを行った後、半導体基板にリンス液を滴下し、現像液を洗い流す第３の工程とを含むものである。

特許文献１に記載の製造方法では、第１の工程において、現像液滴下時の気泡の発生を大幅に低減でき、第２の工程において、現像液中に元々存在する気泡が同一場所にとどまって所定時間経過することで発生するパターン欠陥を低減でき、第３の工程において、現像液が半導体基板に滴下される際の気泡の発生を低減できるとしている。

特許第３７０８４３３号公報

しかしながら、本願の発明者は、特許文献１に記載の製造方法において現像処理工程を行っても、現像液滴下時に発生するマイクロバブルを低減できない場合があるため、パターン欠陥を低減できない場合があることを確認した。特に、ウエハが高価な炭化珪素半導体装置の製造において、この点を改善し、さらに歩留りを高めることが望まれる。

そこで、本発明は、現像液滴下時に発生するマイクロバブルをさらに低減し、パターン欠陥のさらなる低減を図ることが可能な、もって炭化珪素半導体装置の製造に適した、半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、写真製版工程を備えた半導体装置の製造方法であって、前記写真製版工程は、現像液浸漬処理を行う工程を備え、前記現像液浸漬処理を行う工程は、半導体基板上に現像液を滴下し、６μｍよりも大きい膜厚となるように現像液膜を形成する工程（ａ）と、前記現像液膜の膜厚を１μｍ〜６μｍの範囲に薄くする工程（ｂ）とを備えたものである。

本発明によれば、現像液浸漬処理を行う工程は、半導体基板上に現像液を滴下し、６μｍよりも大きい膜厚となるように現像液膜を形成する工程（ａ）と、現像液膜の膜厚を１μｍ〜６μｍの範囲に薄くする工程（ｂ）とを備えた。

したがって、現像液膜を、半導体基板上に現像液を滴下した際に付着するマイクロバブルの大きさよりも小さい１μｍ〜６μｍの範囲に薄くすることで、現像液膜中のマイクロバブルをさらに低減できパターン欠陥のさらなる低減を図ることが可能となる。さらに、現像液の濃度上昇を抑えることができ、現像ムラの発生を抑制できる。

実施の形態１に係る半導体装置の製造方法を示す図である。 スピンチャックの回転数と現像液膜の膜厚の関係図である。 実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示す図である。

＜実施の形態１＞
本発明の実施の形態１について、図面を用いて以下に説明する。図１は、実施の形態１に係る半導体装置（例えば炭化珪素半導体装置）の製造方法、より具体的には、写真製版工程における現像液浸漬処理を行う工程を示すものである。図１（ａ）は、現像液３を滴下する工程を示す図であり、図１（ｂ）は、現像液３を滴下する工程において現像液膜４が形成された状態を示す図であり、図１（ｃ）は、炭化珪素半導体基板１を回転させる工程を示す図であり、図１（ｄ）は、現像液３を再度滴下する工程を示す図である。炭化珪素半導体装置の製造方法は、現像液浸漬処理を行う工程を有する写真製版工程を備えており、以下、現像液浸漬処理を行う工程について説明する。

図１（ａ）に示すように、スピンチャック１１上に炭化珪素半導体基板１が真空力で固定され、炭化珪素半導体基板１上にフォトレジスト膜２が形成されている。フォトレジスト膜２が形成された炭化珪素半導体基板１の上に、ノズル１２から現像液３が滴下される。図１（ｂ）に示すように、現像液３が炭化珪素半導体基板１上に十分に液盛され、６μｍよりも大きい膜厚となるように現像液膜４が形成される（工程（ａ））。このとき、現像液膜４中にマイクロバブル５が発生しており、マイクロバブル５の一部はフォトレジスト膜２の表面に付着している。ここで、工程（ａ）においては、スピンチャック１１に接続されたモータ（図示省略）を回転させて、炭化珪素半導体基板１を回転させた状態で行ってもよいし、炭化珪素半導体基板１を回転させずに静止させた状態で行ってもよい。

この後、図１（ｃ）に示すように、スピンチャック１１に接続されたモータを回転させて、炭化珪素半導体基板１を回転させる。炭化珪素半導体基板１を回転させて、液盛された現像液膜４の表面側の部分を炭化珪素半導体基板１上から外部に押しやることで、現像液膜４の膜厚を薄くする（工程（ｂ））。ここで、現像液膜４の膜厚は６μｍ以下、より具体的には１μｍ〜６μｍの範囲となるように薄くされる。

次に、現像液膜４の膜厚を１μｍ〜６μｍの範囲とする理由について、図２を用いて説明する。図２は、スピンチャック１１（炭化珪素半導体基板１）の回転数と現像液膜４の膜厚の関係図である。

本願の発明者は、現像液膜４中に発生するマイクロバブル５の大きさが数μｍ〜数十μｍの範囲にあることを実験的に確認している。このような大きさのマイクロバブル５は、フォトレジスト膜２の表面において層流底層と呼ばれる流れが乱れにくいところに位置しており、ほとんど移動することがないと考えられる。

このため、マイクロバブル５を消泡するために、現像液膜４の膜厚をマイクロバブル５の大きさよりも小さくすることが有効である。現像液膜４の膜厚を６μｍ以下にするとマイクロバブル５がほとんど消泡するが、薄くするのにも限界がある。現像液膜４中の水分が蒸発することで、現像液３の濃度が上昇し、現像ムラが生じることがあるからである。ここで、図２において、現像液濃度上昇限界を示す直線を一点鎖線で示し、また、現像液膜４の膜厚が６μｍ以下であって、現像液濃度上昇限界を示す直線よりも上側の斜線部分は、消泡可能であり、かつ、現像液濃度の上昇がない領域である。

例えば、スピンチャック１１について回転数１０００ｒｐｍで、回転時間を１０秒以上に延ばすと、現像液膜４の膜厚は２μｍ程度に薄くなる。この場合、そのままでは現像液濃度上昇限界を超えるため現像ムラが発生する可能性が高まるが、これを防止するため後述する図１（ｄ）の工程がある。スピンチャック１１の回転数を１０００ｒｐｍよりも上げた場合、回転数１０００ｒｐｍの場合よりも現像液膜４の膜厚は薄くなっていくが、逆に回転可能時間は短くなっていく。例えば、スピンチャック１１の回転数４０００ｒｐｍの場合は、回転可能時間は３秒で、現像液膜４の膜厚をほぼ１μｍまで薄くすることができる。但し、回転可能時間が短くなると、スピンチャック１１の制御において困難性が増す。

このようなマイクロバブル５がほとんど消泡する最大６μｍの薄い現像液膜４が存在することで、その後の工程で現像液３を滴下しても、マイクロバブル５は薄い現像液膜４に阻まれてフォトレジスト膜２の表面に付着しない。

図１（ｃ）の説明に戻ると、スピンチャック１１に接続されたモータを回転させて、炭化珪素半導体基板１を回転させるときのスピンチャック１１の回転時間ｔまたは回転数ωは、以下の関係式から得られる。

ここで、ｈ：膜厚、ρ：比重、η：粘度である。

このようにすることで、現像液膜４の膜厚を６μｍ以下で、かつ、回転数ωに応じて、回転時間ｔを設定することで、マイクロバブル５の大きさよりも現像液膜４の膜厚が小さくなり、マイクロバブル５は消泡する。また、現像液膜４の膜厚が薄くなりすぎたために生じる現像ムラを発生させることもない。この状態で所定の時間待ち、その後にリンス液を滴下することで、現像液濃度を低下させ、最終的には現像液膜４をリンス液で置換して、現像を停止することができる。

また、消泡したいマイクロバブル５の大きさが小さいために、１μｍ近くまで現像液膜４の膜厚を薄くする場合には、水分が蒸発することで現像液濃度が上昇し、現像ムラが発生する可能性が高まる。これを防止するために、図１（ｄ）に示すように、現像液膜４の膜厚を薄くした後に直ぐに現像液３を再度滴下することが望ましい（工程（ｃ））。このようにすることで、濃度の高い現像液３にさらされている時間を低減し、均一な現像処理が可能となる。

以上のように、実施の形態１に係る炭化珪素半導体装置の製造方法では、現像液浸漬処理を行う工程は、炭化珪素半導体基板１上に現像液３を滴下し、６μｍよりも大きい膜厚となるように現像液膜４を形成する工程（ａ）と、現像液膜４の膜厚を６μｍ以下に薄くする工程（ｂ）とを備えた。

したがって、現像液膜４を、炭化珪素半導体基板１上に現像液３を滴下した際に付着するマイクロバブル５の大きさよりも小さい６μｍ以下に薄くすることで、現像液膜４中のマイクロバブル５をさらに低減できパターン欠陥のさらなる低減を図ることが可能となる。これにより、炭化珪素半導体装置の歩留りを向上させることができる。

工程（ｂ）において、現像液膜４の膜厚を１μｍ〜６μｍの範囲に薄くするため、図２に示すように、現像液３の濃度上昇を抑えることができ、現像ムラの発生を抑制できる。

工程（ｂ）において、炭化珪素半導体基板１を１０００ｒｐｍの回転数で回転させた場合、例えば現像液膜４の膜厚を２μｍ程度に薄くする場合に、スピンチャック１１の回転時間が１０秒以上の比較的長時間となり、スピンチャック１１の制御において困難性が生じない。

工程（ｂ）において、炭化珪素半導体基板１の回転時間ｔは、上記の数式を満足するため、この数式に基づいて現像液膜４が所望の膜厚となるような回転時間ｔを容易に設定することができる。

工程（ｃ）において、炭化珪素半導体基板１上に現像液３を再度滴下し、現像液膜４の膜厚を工程（ｂ）で薄くした膜厚よりも厚くするため、水分が蒸発することで濃度の高い現像液３にさらされている時間を低減し、均一な現像処理が可能となる。また、マイクロバブル５のない最大６μｍ以下の薄い現像液膜４が存在することで、その後、現像液３をどのように滴下しても、マイクロバブル５は、薄い現像液膜４に阻まれてフォトレジスト膜２の表面に付着しない。

＜実施の形態２＞
次に、実施の形態２に係る半導体装置の製造方法について説明する。図３は、実施の形態２に係る半導体装置の製造方法を示す図である。なお、実施の形態２において、実施の形態１で説明したものと同一の構成要素については同一符号を付して説明は省略する。

実施の形態２に係る半導体装置の製造方法では、工程（ｂ）において炭化珪素半導体基板１を回転させる代わりに、ブレード１３を用いて、炭化珪素半導体基板１上に形成された現像液膜４の膜厚を薄くしている。

図３（ａ）に示すように、スピンチャック１１上に炭化珪素半導体基板１が真空力で固定され、炭化珪素半導体基板１上にフォトレジスト膜２が形成されている。フォトレジスト膜２が形成された炭化珪素半導体基板１の上に、現像液３がノズル１２から滴下される。図３（ｂ）に示すように、現像液３が炭化珪素半導体基板１に十分に液盛され、６μｍよりも大きい膜厚となるように現像液膜４が形成される（工程（ａ））。現像液膜４中にマイクロバブル５が発生しており、マイクロバブル５の一部はフォトレジスト膜２の表面に付着している。このマイクロバブル５の大きさは数μｍから数十μｍである。

この後、ブレード１３を炭化珪素半導体基板１上の現像液膜４の表面に沿って移動させる（工程（ｂ））。ブレード１３の先端部が現像液膜４の表面と接触しており、ブレード１３の移動に伴って現像液膜４の表面側の部分を炭化珪素半導体基板１上から外部に押しやることで、現像液膜４の膜厚を１μｍ〜６μｍの範囲にすることができる。図３（ｃ）に示すように、マイクロバブル５の大きさよりも現像液膜４の膜厚が薄くなっており、マイクロバブル５は消泡してしまう。この状態で所定の時間待ち、その後にリンス液を滴下することで、現像液濃度を低下させ、最終的には現像液膜４をリンス液で置換して、現像を停止することができる。

また、消泡したいマイクロバブル５の大きさが小さく１μｍ近くまで現像液膜４の膜厚を薄くする場合には、水分が蒸発することで現像液濃度が上昇して、現像ムラが発生する可能性が高まる。これを防止するためには、図３（ｄ）に示すように、現像液膜４の膜厚を薄くした後に直ぐに現像液３を再度滴下することが望ましい（工程（ｃ））。このようにすることで、濃度の高い現像液３にさらされている時間を低減し、均一な現像処理が可能となる。

以上のように、実施の形態２に係る半導体装置の製造方法では、工程（ｂ）において、炭化珪素半導体基板１上に形成された現像液膜４の表面に沿ってブレード１３を移動させるため、現像液膜４の膜厚を１μｍ〜６μｍの範囲に薄くすることができる。これにより、マイクロバブル５をさらに低減できパターン欠陥のさらなる低減を可能とするとともに、現像液３の濃度上昇を抑えることで現像ムラの発生を抑制できる。

工程（ｃ）において、炭化珪素半導体基板１上に現像液３を再度滴下し、現像液膜４の膜厚を工程（ｂ）で薄くした膜厚よりも厚くするため、水分が蒸発することで濃度の高い現像液３にさらされている時間を低減し、均一な現像処理が可能となる。また、マイクロバブル５のない最大６μｍ以下の薄い現像液膜４が存在することで、その後、現像液３をどのように滴下しても、マイクロバブル５は、薄い現像液膜４に阻まれてフォトレジスト膜２の表面に付着しない。

実施の形態１，２では、半導体装置の一例として炭化珪素半導体装置に本発明を採用した場合について説明したが、本発明は、他の化合物半導体を用いて形成される半導体装置に対しても広く採用可能である。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 炭化珪素半導体基板、３ 現像液、４ 現像液膜、１３ ブレード。

Claims (6)

1. 写真製版工程を備えた半導体装置の製造方法であって、
   前記写真製版工程は、現像液浸漬処理を行う工程を備え、
   前記現像液浸漬処理を行う工程は、
   （ａ）半導体基板上に現像液を滴下し、６μｍよりも大きい膜厚となるように現像液膜を形成する工程と、
   （ｂ）前記現像液膜の膜厚を１μｍ〜６μｍの範囲に薄くする工程と、
   を備えた、半導体装置の製造方法。
2. 前記現像液浸漬処理を行う工程は、
   （ｃ）前記半導体基板上に現像液を再度滴下し、前記現像液膜の膜厚を前記工程（ｂ）で薄くした膜厚よりも厚くする工程をさらに備えた、請求項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記工程（ｂ）において、前記半導体基板を１０００ｒｐｍの回転数で回転させる、請求項１または請求項２記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記工程（ｂ）において、前記半導体基板の回転時間ｔは、以下の式を満足する、請求項３記載の半導体装置の製造方法。
   

   

   ただし、
   ｈ：膜厚
   ρ：比重
   ω：回転数
   η：粘度
5. 工程（ｂ）において、前記半導体基板上に形成された前記現像液膜の表面に沿ってブレードを移動させる、請求項１または請求項２記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記半導体装置は炭化珪素半導体装置である、請求項１〜５のいずれか１つに記載の半導体装置の製造方法。

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