JP5966808B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置の製造方法に関し、特に、フォトリソグラフィ技術を用いたフォトレジストのパターニングを行う半導体装置の製造方法に関するものである。

従来、例えば、下記の特許文献１（特開平４−９９０１６号公報）に開示されているように、段差を備えた半導体ウェハ上にレジストパターンを形成する技術について改善された半導体装置の製造方法が知られている。以下、間便のためフォトレジストを単にレジストと称することがある。フォトリソグラフィにおいて投影光学系を用いるパターニングを行う際には、その投影光学系の焦点を適切に調節する必要がある。焦点深度とは、光学系の焦点をずらしたときに焦点の前後で十分な解像力が得られる範囲を意味している。焦点深度を超えない程度の高さの凹凸（段差）を有する半導体ウェハに対しては、その段差の高い面と低い面とに対して、共通の工程でフォトリソグラフィによるレジストパターニングが可能である。

しかし半導体ウェハの凹凸の高さが焦点深度の有効範囲を大きく超える場合には、凹部表面（段差の低い側の面）と凸部表面（段差の高い側の面）に対して共通に露光を行うことができない。すなわち、半導体ウェハの凹部に焦点を合わせた場合には、凸部でのパターンコントラストが不十分となる。逆に、半導体ウェハの凸部で焦点を合わせた場合には、凹部でのパターンコントラストが不十分となる。このように、段差の大きさによっては、正確なレジストパターニングが困難となる場合がある。

このように、凹凸を有する半導体ウェハにおいて、露光を行う投影光学系の焦点深度よりもその凹凸による段差が大きい場合では、一度の露光では所望のパターンが得られないか、もしくは正確に形成されないという問題がある。焦点深度を超える領域におけるパターンコントラストが、レジストをパターニングすることができるしきい値を下回ってしまうためである。

そこで、特許文献１では、段差の高い面上のレジストに対して第１の焦点位置で露光を行って、さらに、段差の低い面上のレジストに対して第２の焦点位置で露光を行うようにしている。これにより、段差による焦点位置ずれをカバーして、半導体ウェハの凹凸があっても十分なパターンコントラストが得られるようにレジストに対する露光を行うことができる。

特開平４−９９０１６号公報 特開平４−１０７９１５号公報

しかしながら、特許文献１にかかる技術では、次のような問題があった。すなわち、特許文献１では、半導体ウェハの段差に対してレジストを塗布する際に、段差の凸部と凹部の両方にまたがってレジストが設けられることを前提としている。この場合、不可避的に、レジストがある程度の厚みを有することになる。そうすると、その厚いレジストに対してのパターニングは、深い開口を形成するもの、つまりアスペクト比が高いものとならざるを得ない。一般に、高アスペクト比のパターニングは微細なパターニングが困難であるため、高解像度のレジストパターンを形成することが難しい。従来の技術は、この点においていまだ改善の余地を有するものであった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、半導体ウェハ表面における段差の高い面と低い面の両方にレジストパターンを高解像度に形成することができる半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

本発明にかかる半導体装置の製造方法は、
第１の面および前記第１の面の隣に位置し前記第１の面よりも低い第２の面からなる段差を備えた半導体ウェハを準備する工程と、
前記第２の面に、表面の高さが前記第１の面の高さ以下となるように第１レジスト層を設ける工程と、
前記第１レジスト層を選択的に露光する第１露光工程と、
前記第１レジスト層を現像することにより前記第１露光工程で露光した部分を除去し、第１レジストパターンを形成する工程と、
前記第１レジストパターンを露光する第２露光工程と、
前記第２露光工程後に、前記第１の面および前記第１レジストパターンに重ねて、第２レジスト層を積層する工程と、
前記第２レジスト層のうちの前記第１の面上の一部と前記第２レジスト層のうち前記第１レジストパターン上に積み重なった部分とを露光する第３露光工程と、
前記第３露光工程後に、前記第１レジストパターンおよび前記第２レジスト層を現像することにより露光した部分を除去し、第２レジストパターンを形成する現像工程と、
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、半導体ウェハ表面における段差の高い面（第１の面）と低い面（第２の面）の両方にレジストパターンを高解像度に形成することができる。段差の高い面（第１の面）と低い面（第２の面）にレジストパターンを用いた工程を共通して行うより、段差の高い面（第１の面）と低い面（第２の面）に一度で高解像度の微細構造を形成することができる。

本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の製造過程を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の製造過程を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の製造過程を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の製造過程を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の製造過程を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の製造過程を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の製造過程を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の製造過程を示す図である。 本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の製造フローを示すフローチャートである。

実施の形態．
以下、本発明の実施の形態を図１乃至図９を用いて説明する。図１〜図８は、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の製造過程を示す図である。図９は、本発明の実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の製造フローを示すフローチャートである。

本実施の形態にかかる製造方法では、先ず、半導体ウェハ２を準備する工程を行う（ステップＳ１００）。このステップの工程は図示しないが、図１以降において図示する半導体ウェハ２を準備するものである。半導体ウェハ２は、第１の面２ａおよび第２の面２ｂからなる段差を備えている。第２の面２ｂは、第１の面２ａの隣に位置しており、第１の面２ａよりも低い。段差の高さは、段差側面２ｃの高さである。この段差の高さは、以後の露光工程で用いる投影光学系（ステッパー）の有効焦点深度以上の高さである。以下、「半導体ウェハ２上における第１の面２ａにかかる部分」を凸部２ｄとも称し、「半導体ウェハ２における第２の面２ｂにかかる部分」を凹部２ｅとも称す。

次に、図１および図２に示すように、第２の面２ｂに、表面の高さが第１の面２ａの高さ以下となるようにポジ型フォトレジスト層１（第１レジスト層）を設ける工程を行う。本実施の形態では、この工程では、先ず、図１に示すように、半導体ウェハ２上にポジ型フォトレジスト層１を塗布する工程を行う（ステップＳ１０２）。レジスト塗布は、スピンコータを用いたスピンコート法で行うものとする。図１においては、半導体ウェハ２に、ポジ型フォトレジスト層１が積層されている。ポジ型フォトレジスト層１は、ｇ線〜ｉ線でのパターニングが可能なものが好ましい。高圧水銀灯ｇ線（波長４３６ｎｍ）ｈ線（波長４０５ｎｍ）ｉ線（波長３６５ｎｍ）を意味している。これらは特に投影露光においては焦点深度が比較的大きいので、本実施の形態に用いるのに適しているからである。

次に、ポジ型フォトレジスト層１に対してプリベーク工程を実施する（ステップＳ１０４）。半導体ウェハ２にポジ型フォトレジスト層１を塗布し、９０〜１７０℃でプリベークして、ポジ型フォトレジスト層１に含まれる溶媒を揮発させる。

次に、本実施の形態では、図２にあるように、半導体ウェハ２の凹部２ｅにのみポジ型フォトレジスト層１が残るまで、ポジ型フォトレジスト層１を溶解させるための液体に浸漬させる（ステップＳ１０６）。これにより、凹部２ｅにおけるポジ型フォトレジスト層１の膜厚を自由に設定することができる。
ここで用いる溶液はポジ型フォトレジスト層１を溶解させる液体と溶解させない液体の混合比で溶解速度を制御できるものが好ましい。これは加工対象となる半導体ウェハ２の段差やポジ型フォトレジスト層１の塗布時の膜厚によって溶解させる膜厚が異なるためである。特に酢酸ノルマルブチルをイソプロピルアルコールで希釈したものを使用することが好ましい。一般に使用されるポジ型レジストの溶解速度を制御する上での制御性に優れており、また入手および取り扱いが容易で、危険性も少ないからである。

ポジ型フォトレジスト層１を凹部２ｅ底面にのみ残し、かつ凹部２ｅのレジスト膜厚を制御することが凹部２ｅのパターン寸法の制御性を保つのに重要である。このため、溶解速度はパターンの寸法制御を１００ｎｍ／ｓｅｃ以下になるように溶液を希釈し調整する。なお溶解速度は１０ｎｍ／ｓｅｃ〜５０ｎｍ／ｓｅｃが好ましい。

次に、図３に示すように、ポジ型フォトレジスト層１を選択的に露光する第１露光工程を行う（ステップＳ１０８）。
図３においては、フォトマスク３は、１μｍ以上の幅のパターンを有するものである。感光済ポジ型フォトレジスト４は、ポジ型フォトレジスト層１が感光したものである。

次に、図４に示すように、ポジ型フォトレジスト層１を現像することにより第１露光工程で露光した部分を除去し、第１レジストパターン１１を形成する工程を行う（ステップＳ１１０）。図３のようにフォトマスク３を用いて露光、さらに現像し、図４のような構造を得るのである。

次に、図５に示すように、第１レジストパターン１１を露光する第２露光工程を行う（ステップＳ１１２）。このステップでは、図５のように、半導体ウェハ２全面を露光することで、第１レジストパターン１１を露光する。ポジ型フォトレジスト層１を用いているから、この半導体ウェハ２全面の露光により、凹部２ｅに形成された第１レジストパターン１１は現像液に溶解するようになる。

次に、図６に示すように、第２露光工程後に、第１の面２ａに重ねて、および第１レジストパターン１１にかぶせるように、ポジ型フォトレジスト層５（第２レジスト層）を積層する工程を行う（ステップＳ１１４）。図６においては、ポジ型フォトレジスト層５が塗布される。ポジ型フォトレジスト層５も、ｇ線〜ｉ線でのパターニングが可能なものがよい。また、ポジ型フォトレジスト層１とポジ型フォトレジスト層５は同じレジスト材料であることが好ましい。「レジスト材料が同じ」とは、材料、溶媒および感度が同一であることをいう。具体的には、同一の品名で、同一規格での調製品である。これにより、ステップＳ１０２とステップＳ１１４とにおいてレジスト塗布装置を共通化することができる。

さらにプリベーク工程を実施する（ステップＳ１１６）。ここでは、図６のようにポジ型フォトレジスト層５を塗布した後に、９０〜１２０℃でプリベークする。特に１２０℃以上かつ３分以上の加熱を行うとレジスト同士の界面が混ざり合ってしまい、現像時に凹部２ｅのパターンが解像しなくなるため、好ましくない。そこで、溶媒が揮発しかつ混ざり合わない温度として９０〜１００℃、時間は３分未満が好ましい。温度範囲等の上限を超えると、先に形成した第１レジストパターン１１が変形してしまい、パターンの形成が困難となるからである。

次に、図７に示すように、第３露光工程を行う（ステップＳ１１８）。第３露光工程では、「ポジ型フォトレジスト層５のうちの第１の面２ａ上の一部」と「ポジ型フォトレジスト層５のうち第１レジストパターン上に積み重なった部分」との両方に対して、同時に露光を行う。
図７において、フォトマスク６は、フォトマスク３の露光部と遮光部が反転した１μｍ以上のパターンを有するフォトマスクである。感光済ポジ型フォトレジスト７は、第３露光工程により、「ポジ型フォトレジスト層５のうち第１レジストパターン上に積み重なった部分」が感光したものである。
なお、フォトマスク３とフォトマスク６は露光部と遮光部が反転した関係になくてもよい。変形例として、フォトマスク３は凹部２ｅのみのパターンを有するフォトマスクとしてもよい。フォトマスク６は、凹部２ｅと凸部２ｄのパターンから構成されるフォトマスクとしてもよい。この場合には、２つのフォトマスクはパターンが反転した関係には当たらない。

次に、図８に示すように、第３露光工程後に、第１レジストパターンおよびポジ型フォトレジスト層５を現像することにより露光した部分を除去し、第２レジストパターン１７ａおよび第２レジストパターン１７ｂを形成する現像工程を行う（ステップＳ１２０）。図７のようにフォトマスク６を用いて露光し、さらに現像することで、半導体ウェハ２の凹部２ｅにある焦点深度の有効範囲外のパターンも解像することとなり、図８のように、凹部２ｅ、凸部２ｄにそれぞれパターン（第２レジストパターン１７ａおよび第２レジストパターン１７ｂ）を形成することができる。このときの現像液は、図４の構造を作る際に用いた現像液と同一のものを使用する。特にテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイドを水で２〜３ｗｔ％程度に希釈したものが望ましい。ポジ型フォトレジストの現像に最も一般的に使われているものだからである。

その後、この第２レジストパターン１７ａおよび第２レジストパターン１７ｂを用いて、エッチングを行ったり成膜を行ったりすることで、半導体ウェハ２上に微細構造を形成することができる。

以上説明した本実施の形態にかかる製造方法によれば、段差の高い面（第１の面）と低い面（第２の面）にレジストパターンを形成するときに、段差の低い面（第２の面）側のレジストパターンを高解像度に形成することができる。このレジストパターンを用いることで、段差の高い面（第１の面）と低い面（第２の面）に高解像度の微細構造を形成することができる。

本実施の形態にかかるポジ型フォトレジスト層１を設ける工程は、第２の面に第１レジスト層を塗布する塗布工程（ステップＳ１０２）および、この塗布工程の後にポジ型フォトレジスト層１の厚さを低減する薄膜化のための工程（ステップＳ１０６）とを含んでいる。しかしながら、本発明はこれに限られない。当初からポジ型フォトレジスト層１を段差側面２ｃ以下の高さの厚みに塗布しても良い。塗布方法は、スピンコータを用いたスピンコート法でもよく、スプレーコータを用いたスプレー塗布法でもよい。

なお、本実施の形態にかかる半導体装置の製造方法の用途としては種々のものが考えられる。例えば、リッジ型半導体レーザのリッジ形成後における加工工程では、半導体ウェハにリッジによる凹凸があるので、本実施の形態を用いることができる。また、リッジ型半導体レーザの電極直下に位置すべき絶縁膜にたいして加工（開口を設けて電極とのコンタクトホールとするなど）を施す際にも、本実施の形態を用いることができる。

なお、凸部と凹部とにそれぞれパターンニングと加工を個別に行うという方法（特許文献２を参照）も考えられるが、この場合にはレジストパターニングと加工工程とを複数回繰り返さねばならない。その結果、ウェハ加工工程が複雑化してしまい、これに起因してパターンばらつきや加工精度の低下をも招くおそれがある。この点、本実施の形態によれば、露光工程を複数回繰り返して第２レジストパターン１７ａおよび第２レジストパターン１７ｂを形成した後に、加工工程を行うことができるので、特許文献２のような加工精度低下の問題を回避できる。

１ ポジ型フォトレジスト層、２ 半導体ウェハ、２ａ 第１の面、２ｂ 第２の面、２ｃ 段差側面、２ｄ 凸部、２ｅ 凹部、３ フォトマスク、４ 感光済ポジ型フォトレジスト、５ ポジ型フォトレジスト、６ フォトマスク、７ 感光済ポジ型フォトレジスト、１１ 第１レジストパターン、１７ａ 第２レジストパターン、１７ｂ 第２レジストパターン

Claims (8)

1. 第１の面および前記第１の面の隣に位置し前記第１の面よりも低い第２の面からなる段差を備えた半導体ウェハを準備する工程と、
   前記第２の面に、表面の高さが前記第１の面の高さ以下となるように第１レジスト層を設ける工程と、
   前記第１レジスト層を選択的に露光する第１露光工程と、
   前記第１レジスト層を現像することにより前記第１露光工程で露光した部分を除去し、第１レジストパターンを形成する工程と、
   前記第１レジストパターンを露光する第２露光工程と、
   前記第２露光工程後に、前記第１の面および前記第１レジストパターンに重ねて、第２レジスト層を積層する工程と、
   前記第２レジスト層のうちの前記第１の面上の一部と前記第２レジスト層のうち前記第１レジストパターン上に積み重なった部分とを露光する第３露光工程と、
   前記第３露光工程後に、前記第１レジストパターンおよび前記第２レジスト層を現像することにより露光した部分を除去し、第２レジストパターンを形成する現像工程と、
   を備えることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記第１露光工程は、前記第２の面上に第１マスクパターンを有する第１フォトマスクを用いた露光を行うものであり、
   前記第３露光工程は、前記第１マスクパターンに対して前記第２の面上における露光位置および非露光位置が逆転した第２マスクパターンを有する第２フォトマスクを用いて前記第２の面上の前記第２レジスト層に対する露光を行うものであることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記第１レジスト層を設ける工程は、
   前記第２の面に前記第１レジスト層を塗布する塗布工程と、
   前記塗布工程の後に前記第１レジスト層の厚さを低減する薄膜化工程と、
   を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記薄膜化工程は、前記第１レジスト層を液体に浸漬させることにより前記塗布した前記第１レジスト層を薄くする工程を含み、
   前記液体は、酢酸ノルマルブチルをイソプロピルアルコールで希釈したものであることを特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記第１レジスト層のレジスト材料および前記第２レジスト層のレジスト材料は、材料、溶媒および感度が同一であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
6. 前記第１レジスト層および前記第２レジスト層は、ｇ線〜ｉ線でのパターニングが可能なレジスト材料からなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
7. 前記第２レジスト層を積層した後に、９０℃〜１２０℃でかつ３分未満の間プリベークを実施する工程を備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。
8. 前記現像工程は、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイドを水で２ｗｔ％以上〜３ｗｔ％以下の濃度に希釈したものを現像液として用いることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の半導体装置の製造方法。

Images