JP6268113B2

JP6268113B2 - 基板処理方法、プログラム、コンピュータ記憶媒体及び基板処理システム

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Publication number: JP6268113B2
Application number: JP2015044049A
Authority: JP
Inventors: 豊久 ▲鶴▼田; 智弘井関; 吉原　孝介; 孝介吉原
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2015-03-05
Filing date: 2015-03-05
Publication date: 2018-01-24
Anticipated expiration: 2035-03-05
Also published as: JP2016161928A

Description

本発明は、レジスト膜が形成された基板を処理する基板処理方法、プログラム、コンピュータ記憶媒体及び基板処理システムに関する。

例えば半導体デバイスの製造プロセスにおけるフォトリソグラフィー工程では、例えば半導体ウェハ（以下、「ウェハ」という。）表面の被処理膜上にレジスト液を塗布してレジスト膜を形成するレジスト塗布処理、当該レジスト膜に所定のパターンを露光する露光処理、露光後にレジスト膜内の化学反応を促進させる熱処理（ポストエクスポージャーベーキング処理）、露光されたレジスト膜を現像する現像処理などが順次行われ、ウェハ上に所定のレジストパターンが形成される。そして、このレジストパターンが被処理膜に転写されて、ウェハ上に被処理膜のパターンが形成される。

ところで、近年、被処理膜のパターンを微細化し、半導体デバイスのさらなる高集積化を図るため、レジストパターンの微細化が求められている。レジストパターンを微細化する手法としては、いわゆるダブルパターニングと呼ばれる手法が知られている。

ダブルパターニングにおいては、例えばレジストパターン上にスペーサを形成し、その後、例えばドライエッチングによりスペーサをエッチングする。そうすることで、スペーサによりレジストパターンの概ね半分のピッチのパターンが形成され、このスペーサをマスクとして再度ドライエッチングを行うことで、レジストパターンの概ね半分のピッチのパターンが被処理膜に転写される（特許文献１）。

また、ドライエッチングにより下層の膜にパターンを転写する場合、マスクとしてのパターンの側壁の粗さ（ラインエッジラフネス：ＬＥＲ）が転写の精度に影響する。そのため、パターンのＬＥＲを改善するために、ドライエッチングの際は、例えば平行平板電極を用いたプラズマ処理装置において、電極にバイアス電圧を印加してエッチング処理が行われる（特許文献２）。

また、パターンのＬＥＲを改善するために、特許文献３に示されるように、パターンの表面を溶剤ガスにより溶解する、いわゆるスムージングが行われる場合もある。

特開２０１４−７２２２６号公報特開２０１３−１９１８５７号公報特開２０１４−６７８２７号公報

ところで、上述のダブルパターニングにおいては、ＬＥＲの改善の他に、レジストパターンを矩形状に形成することが重要である。即ち、レジストパターンの形状が、例えば上から下に向かって線幅が広がるテーパ状である場合、スペーサに転写される形状が所望なものとならず、その結果、被処理膜に転写されるパターンにも影響が生じる。

しかしながら、レジストが例えばポジ現像型のレジストである場合、露光時の未露光部への若干の光の回り込みにより、特にレジストパターンの上端部近傍の線幅が、所望の線幅よりも細くなる傾向がある。そのため、レジストパターンを矩形状に形成することは容易ではない。

また、レジストパターンは、現像処理後行われる熱処理や、レジストパターンのエッジラフネスを改善するために行われる上述のスムージング、あるいは上述のドライエッチングなどにより変形し、その結果、上部の線幅が細り、下部の線幅が広がってしまう。そのため、現像処理直後のレジストパターンを矩形状に形成できたとしても、その後に熱処理などを経てダブルパターニングを行う際には、当該レジストパターンの形状が上から下に向かって線幅が広がるテーパ状になってしまうという問題がある。

本発明は、この点に鑑みてなされたものであり、基板上に所望の形状でレジストパターンを形成することを目的としている。

前記の目的を達成するため、本発明は、基板を処理する基板処理方法であって、基板上にレジスト膜を形成するレジスト膜形成工程と、基板上のレジスト膜にパターンの露光を行い、レジスト膜の露光領域に酸を発生させる露光工程と、前記レジスト膜の露光領域中の酸と、当該露光領域の一部とを反応させるように、前記露光工程後の基板を加熱する第１のＰＥＢ処理工程と、前記第１のＰＥＢ処理工程後の基板上のレジスト膜の表面に、アルカリ性のガスまたはアルカリ溶液のミストの少なくともいずれかを供給し、前記レジスト膜の露光領域内の上部の酸を失活させる酸失活工程と、前記酸失活工程後の基板を加熱し、前記レジスト膜中の酸と当該レジスト膜の露光領域とを反応させる第２のＰＥＢ処理工程と、前記第２のＰＥＢ処理工程後の基板に対して現像液を供給し、前記レジスト膜の現像処理を行う現像処理工程と、を有することを特徴としている。

本発明によれば、レジスト膜を露光した後の基板を、レジスト膜の露光領域中の酸と、当該露光領域の一部とを反応させるように加熱する。ここで露光領域の一部とは、レジスト膜中の酸濃度の高い部分であり、より具体的には、露光領域の中央部分である。そして、例えばレジスト膜がポジ現像型のレジストにより形成されている場合、露光領域の中央部が酸により脱保護する。次いで、レジスト膜の表面に対してアルカリ処理を行ってレジスト膜の露光領域上部の酸を失活させ、その後、基板を加熱してレジスト膜中の酸と当該レジスト膜の露光領域とを反応させる。こうすることで、アルカリ処理により酸が失活した露光領域上部を除く、全ての露光領域においてレジストの脱保護が行われる。そして、このレジスト膜を現像することで、上部の線幅が、下部の線幅よりも広いレジストパターンが形成される。そのため、現像処理後に、例えばエッジラフネス改善のためにレジストパターンが加熱されて、レジストパターン上部の線幅が細り、下部の線幅が広がってしまっても、概ね矩形状のレジストパターンを得ることができる。

前記第１のＰＥＢ処理工程においては、前記酸と前記レジスト膜との反応が起こる反応温度以上で加熱した期間で、加熱した温度を積分したときの積分値である加熱の積算温度が、前記第２のＰＥＢ処理工程における前記加熱の積算温度よりも小さくてもよい。

前記第１のＰＥＢ処理工程における加熱温度は、前記第２のＰＥＢ処理工程における加熱温度よりも低くてもよい。

前記レジスト膜は、ポジ現像型のレジストにより形成され、前記第１のＰＥＢ処理工程及び前記第２のＰＥＢ処理工程における前記酸と前記レジスト膜の反応は、前記酸による前記レジスト膜の脱保護反応であってもよい。

前記レジスト膜は、ネガ現像型のレジストにより形成され、前記第１のＰＥＢ処理工程及び前記第２のＰＥＢ処理工程における前記酸と前記レジスト膜の反応は、前記酸による前記レジスト膜の脱保護反応であってもよい。

前記酸失活工程における前記基板の温度は、前記第１のＰＥＢ処理工程及び前記第２のＰＥＢ処理工程における基板の温度よりも低い温度に維持されていてもよい。

別の観点による本発明によれば、前記基板処理方法を基板処理システムによって実行させるように、当該基板処理システムを制御する制御装置のコンピュータ上で動作するプログラムが提供される。

また別な観点による本発明によれば、前記プログラムを格納した読み取り可能なコンピュータ記憶媒体が提供される。

さらに、別な観点による本発明は、基板を処理する基板処理システムであって、基板上にレジスト膜を塗布するレジスト塗布装置と、露光処理によりレジスト膜の露光領域に発生した酸と、当該露光領域の一部とを反応させるように、前記基板処理システムの外部に設けられた露光装置により露光処理が行われた基板を加熱する第１のＰＥＢ処理装置と、前記レジスト膜の表面に、アルカリ性のガスまたはアルカリ溶液のミストの少なくともいずれかを供給して前記レジスト膜の露光領域内の上部の酸を失活させる酸失活処理装置と、前記レジスト膜の露光領域上部の酸が失活した後の基板を加熱し、前記レジスト膜中の酸と当該レジスト膜の露光領域とを反応させる第２のＰＥＢ処理装置と、基板上に現像液を供給して前記レジスト膜の現像処理を行う現像処理装置と、を有することを特徴としている。

前記第１のＰＥＢ処理装置における前記酸と前記レジスト膜との反応が起こる反応温度以上で加熱した期間で、加熱した温度を積分したときの積分値である加熱の積算温度が、前記第２のＰＥＢ処理装置での前記加熱の積算温度よりも小さくなるように、前記第１のＰＥＢ処理装置及び前記第２のＰＥＢ処理装置を制御する制御装置をさらに有していてもよい。

本発明によれば、基板上に所望の形状でレジストパターンを形成することができる。

本実施の形態にかかる基板処理システムの構成の概略を示す平面図である。本実施の形態にかかる基板処理システムの構成の概略を示す側面図である。本実施の形態にかかる基板処理システムの構成の概略を示す側面図である。酸失活処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。ウェハ処理の主な工程を説明したフローチャートである。レジスト膜の露光部に酸が発生した状態を示す縦断面の説明図である。第１のＰＥＢ処理工程によりレジスト膜の露光領域中央部で脱保護が進んだ状態を示す縦断面の説明図である。酸失活工程により露光領域上部の酸が中和されて失活した状態を示す縦断面の説明図である。ポジ現像型レジストにより形成されたレジストパターンの形状を示す縦断面の説明図である。現像処理後に熱処理により変形したレジストパターンの形状を示す縦断面の説明図である。熱処理時のウェハの温度変動を示すグラフである。ネガ現像型レジストにより形成されたレジストパターンの形状を示す縦断面の説明図である。

以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかる基板処理方法を実施する基板処理システム１の構成の概略を示す説明図である。図２及び図３は、基板処理システム１の内部構成の概略を示す側面図である。なお、本実施の形態では、基板処理システム１がウェハＷに対してフォトリソグラフィー処理を行う塗布現像処理システムである場合を一例として説明する。また、本実施の形態のウェハＷには、図示しない被処理膜が予め形成されている。

基板処理システム１は、図１に示すように複数枚のウェハＷを収容したカセットＣが搬入出されるカセットステーション１０と、ウェハＷに所定の処理を施す複数の各種処理装置を備えた処理ステーション１１と、処理ステーション１１に隣接する露光装置１２との間でウェハＷの受け渡しを行うインターフェイスステーション１３とを一体に接続した構成を有している。

カセットステーション１０には、カセット載置台２０が設けられている。カセット載置台２０には、基板処理システム１の外部に対してカセットＣを搬入出する際に、カセットＣを載置するカセット載置板２１が複数設けられている。

カセットステーション１０には、図１に示すようにＸ方向に延びる搬送路２２上を移動自在なウェハ搬送装置２３が設けられている。ウェハ搬送装置２３は、上下方向及び鉛直軸周り（θ方向）にも移動自在であり、各カセット載置板２１上のカセットＣと、後述する処理ステーション１１の第３のブロックＧ３の受け渡し装置との間でウェハＷを搬送できる。

処理ステーション１１には、各種装置を備えた複数の、本実施の形態では例えば４つのブロックＧ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４が設けられている。例えば処理ステーション１１の正面側（図１のＸ方向負方向側）には、第１のブロックＧ１が設けられ、処理ステーション１１の背面側（図１のＸ方向正方向側）には、第２のブロックＧ２が設けられている。また、処理ステーション１１のカセットステーション１０側（図１のＹ方向負方向側）には、第３のブロックＧ３が設けられ、処理ステーション１１のインターフェイスステーション１３側（図１のＹ方向正方向側）には、第４のブロックＧ４が設けられている。

例えば第１のブロックＧ１には、図２に示すように複数の液処理装置、例えばウェハＷを現像処理する現像処理装置３０、ウェハＷのレジスト膜の下層に反射防止膜（以下「下部反射防止膜」という）を形成する下部反射防止膜形成装置３１、ウェハＷにレジスト液を塗布してレジスト膜を形成するレジスト塗布装置３２、ウェハＷのレジスト膜の上層に反射防止膜（以下「上部反射防止膜」という）を形成する上部反射防止膜形成装置３３が下からこの順に配置されている。

第１のブロックＧ１の現像処理装置３０、下部反射防止膜形成装置３１、レジスト塗布装置３２、上部反射防止膜形成装置３３は、処理時にウェハＷを収容するカップＦを水平方向に複数有し、複数のウェハＷを並行して処理することができる。これら液処理装置では、カップＦ内でウェハＷ上に所定の塗布液を塗布するスピンコーティングが行われる。スピンコーティングでは、例えば塗布ノズルからウェハＷ上に塗布液を吐出すると共に、ウェハＷを回転させて、塗布液をウェハＷの表面に拡散させる。

第２のブロックＧ２には、図３に示すようにウェハＷの加熱や温度調節を行う熱処理装置４０、４１、４２、ウェハＷにＨＭＤＳガスを供給して疎水化処理する疎水化処理装置４３、ウェハＷの外周部を露光する周辺露光装置４４、ウェハＷに対してアルカリ性のガスまたはアルカリ溶液のミストの少なくともいずれかを供給してレジスト膜中の酸を失活させる酸失活処理装置４５が上下方向と水平方向に並べて設けられている。なお、各装置４０〜４５の数や配置は、任意に選択できる。また、酸失活処理装置４５の構成については後述する。

例えば第３のブロックＧ３には、複数の受け渡し装置５０、５１、５２、５３、５４、５５、５６が下から順に設けられている。また、第４のブロックＧ４には、複数の受け渡し装置６０、６１、６２が下から順に設けられている。

図１に示すように第１のブロックＧ１〜第４のブロックＧ４に囲まれた領域には、ウェハ搬送領域Ｄが形成されている。ウェハ搬送領域Ｄには、例えばＹ方向、Ｘ方向、θ方向及び上下方向に移動自在な搬送アームを有する、ウェハ搬送装置７０が複数配置されている。ウェハ搬送装置７０は、ウェハ搬送領域Ｄ内を移動し、周囲の第１のブロックＧ１、第２のブロックＧ２、第３のブロックＧ３及び第４のブロックＧ４内の所定の装置にウェハＷを搬送できる。

また、ウェハ搬送領域Ｄには、第３のブロックＧ３と第４のブロックＧ４との間で直線的にウェハＷを搬送するシャトル搬送装置８０が設けられている。シャトル搬送装置８０は、例えば図３のＹ方向に直線的に移動自在になっており、第３のブロックＧ３の受け渡し装置５２と第４のブロックＧ４の受け渡し装置６２との間でウェハＷを搬送できる。

図１に示すように第３のブロックＧ３のＸ方向正方向側の隣には、ウェハ搬送装置１００が設けられている。ウェハ搬送装置１００は、例えばＸ方向、θ方向及び上下方向に移動自在な搬送アームを有しており、ウェハＷを支持した状態で上下に移動して、第３のブロックＧ３内の各受け渡し装置間でウェハＷを搬送できる。

インターフェイスステーション１３には、ウェハ搬送装置１１０と受け渡し装置１１１が設けられている。ウェハ搬送装置１１０は、例えばＹ方向、θ方向及び上下方向に移動自在な搬送アームを有している。ウェハ搬送装置１１０は、例えば搬送アームにウェハＷを支持して、第４のブロックＧ４内の各受け渡し装置、受け渡し装置１１１及び露光装置１２との間でウェハＷを搬送できる。

次に、上述した酸失活処理装置４５の構成について説明する。図４は、酸失活処理装置４５の構成の概略を示す縦断面図である。

酸失活処理装置４５は、上部が開口する有底の略Ｕ字状の処理容器１２０と、処理容器１２０の開口を覆う蓋体１２１とを有している。処理容器１２０の底面上部には、ウェハＷを載置する載置台１２２が設けられている。載置台１２２の内部には、ウェハＷを加熱するためのヒータ１２３が設けられている。

蓋体１２１は、水平な天板１３０と、天板１３０の外周縁部から鉛直下方に延伸して設けられた側板１３１を備えている。側板１３１の下端部１３１ａは、処理容器１２０の上端部１２０ａと対向しており、処理容器１２０と蓋体１２１とに囲まれた領域に処理空間Ａが形成される。

蓋体１２１は、当該蓋体１２１を処理容器１２０に対して相対的に昇降動させる昇降機構１２４を備えている。この、昇降機構１２４により、側板１３１の下端部１３１ａと処理容器１２０の上端部１２０ａとの間に、所定の隙間Ｖが形成されるように、蓋体１２１の処理容器１２０に対する高さ方向の位置が調整されている。

蓋体１２１中央部の下面には、ウェハＷの上面に対して処理ガスを供給するガス供給部１３２が設けられている。ガス供給部１３２には蓋体１２１の内部に形成されたガス流路１３３が連通している。

図４に示すように、ガス流路１３３には、ガス供給管１３５が接続されている。ガス供給管１３５におけるガス流路１３３の反対側の端部には、アルカリ性のガスを供給するアルカリ性ガス供給源１４０と、パージガスとして例えば窒素ガスを供給する窒素ガス供給源１４１がそれぞれ接続されている。本実施の形態におけるアルカリ性ガスは、例えばＨＭＤＳガスである。

ガス流路１３３におけるアルカリ性ガス供給源１４０の下流側と窒素ガス供給源１４１の下流側には、開閉機能及び流量調整機能を備えた弁体１４２、１４３がそれぞれ設けられている。これにより、ウェハＷに対して供給するガスを、アルカリ性ガスと窒素ガスとに交互に切替えることができる。なお、ガス供給部１３２からは、アルカリ性のガスに代えて、アルカリ溶液のミストを供給してもよい。また、アルカリ性のガスとしては、ＨＭＤＳガスのように常温で液相のものを蒸気化したものの他に、例えばアンモニアガスのように常温で気相のものを用いてもよい。

蓋体１２１の下面であってガス供給部１３２の外方には、中心排気部１５０が形成されている。中心排気部１５０は、ウェハＷの中央部に対向する位置であってガス供給部１３２の外方に、例えばガス供給部１３２に同心円状に形成された、複数の排気孔１５１により構成されている。

蓋体１２１の内部には、各排気孔１５１に連通する中心排気路１５２が形成されている。中心排気路１５２には中心排気管１５３が接続されている。中心排気管１５３は、当該中心排気管１５３と後述する外周排気管１６３とに共通して設けられた排気母管１５４を介して、例えば真空ポンプなどの排気装置１５５に接続されている。これにより、中心排気部１５０から処理空間Ａ内の雰囲気を排気することができる。排気母管１５４には、開閉機能を備えた弁体１５６が設けられている。

蓋体１２１の側板１３１の下端部１３１ａには、載置台１２２上のウェハＷより外方から処理空間Ａ内の雰囲気を排気する外周排気部１６０が形成されている。外周排気部１６０は、蓋体１２１の下端部１３１ａの周方向に沿って、例えば環状で等間隔に設けられた複数の排気孔１６１により構成されている。各排気孔１６１は、蓋体１２１の内部に形成された外周排気路１６２に連通している。

外周排気路１６２は、外周排気管１６３を介して排気母管１５４に接続されている。外周排気管１６３の排気母管１５４側の端部は、中心排気管１５３に設けられた弁体１５６と排気装置１５５との間に接続されている。外周排気管１６３には、当該外周排気管１６３を流れる流体の流量を制限する流量制限機構１６４が設けられている。流量制限機構１６４は、中心排気管１５３の弁体１５６を開操作したときに、外周排気管１６３を流れる流体の流量が中心排気管１５３を流れる流体の流量と同じかまたは少なくなるように構成されている。流量制限機構１６４としては、例えばオリフィスなどを使用することができるが、流量制限機構１６４には最低限の機能として流量を制限する機能が備わっていればよく、例えば流量制限の機能に加えて開閉機能も有するニードル弁などの弁体をオリフィスに代えて用いてもよい。

酸失活処理装置４５は以上のように構成されている。なお、疎水化処理装置４３は、酸失活処理装置４５と同一の構成を有している。

以上の基板処理システム１には、図１に示すように制御装置２００が設けられている。制御装置２００は、例えばコンピュータであり、プログラム格納部（図示せず）を有している。プログラム格納部には、基板処理システム１におけるウェハＷの処理を制御するプログラムが格納されている。また、プログラム格納部には、上述の各種装置や搬送装置などの駆動系の動作を制御して、基板処理システム１における塗布現像処理を実現させるためのプログラムも格納されている。なお、前記プログラムは、例えばコンピュータ読み取り可能なハードディスク（ＨＤ）、フレキシブルディスク（ＦＤ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、マグネットオプティカルデスク（ＭＯ）、メモリーカードなどのコンピュータに読み取り可能な記憶媒体Ｈに記録されていたものであって、その記憶媒体Ｈから制御装置２００にインストールされたものであってもよい。

次に、以上のように構成された基板処理システム１を用いて行われるウェハ処理について説明する。図５は、かかるウェハ処理の主な工程の例を示すフローチャートである。

先ず、複数のウェハＷを収納したカセットＣが、基板処理システム１のカセットステーション１０に搬入され、ウェハ搬送装置２３によりカセットＣ内の各ウェハＷが順次処理ステーション１１に搬送される。

処理ステーション１１に搬送されたウェハＷは、ウェハ搬送装置７０によって第２のブロックＧ２の熱処理装置４２に搬送されて温度調節される。その後、ウェハＷは、第１のブロックＧ１の下部反射防止膜形成装置３１に搬送され、ウェハＷ上に下部反射防止膜が形成される。その後ウェハＷは、第２のブロックＧ２の熱処理装置４２に搬送され、熱処理が行われる。

その後ウェハＷは、第２のブロックＧ２の疎水化処理装置４３に搬送される。疎水化処理装置４３では、ウェハＷを例えば約９０℃で加熱した状態でＨＭＤＳガスを供給し、疎水化処理が行われる。次にウェハＷは、ウェハ搬送装置７０によって第１のブロックＧ１のレジスト塗布装置３２に搬送され、ウェハＷ上にレジスト膜が形成される（レジスト膜形成工程。図５の工程Ｓ１）。その後ウェハＷは、熱処理装置４２に搬送され、プリベーク処理される。なお、本実施の形態のレジストとしては、例えばポジ現像型のレジストが用いられる。

次にウェハＷは、第１のブロックＧ１の上部反射防止膜形成装置３３に搬送され、ウェハＷ上に上部反射防止膜が形成される。その後、ウェハＷは第２のブロックＧ２の熱処理装置４２に搬送されて、加熱され、温度調節される。次いで、ウェハＷは、周辺露光装置４４に搬送され、周辺露光処理される。

その後、ウェハＷは、露光装置１２に搬送され、所定のパターンで露光処理される（露光工程。図５の工程Ｓ２）。この露光処理により、図６に示すように、レジスト膜３００のうち露光処理時に光があたった領域である露光領域３０１に、酸３０２が発生する。

次にウェハＷは、ウェハ搬送装置７０によって熱処理装置４０に搬送され、第１の加熱温度、本実施の形態では例えば約８０℃で加熱される（図５の工程Ｓ３）。この第１の加熱温度は、レジスト膜３００内の化学反応を促進させ、露光領域３０１に発生した酸３０２によりレジスト膜３００を脱保護させるために、露光処理後であって現像処理前に行われる、後述のいわゆるポストエクスポージャーベーキング処理（ＰＥＢ処理）と呼ばれる熱処理時の加熱温度（第２の加熱温度）よりも低い温度である。なお、本実施の形態では、第１の加熱温度による熱処理と第２の加熱温度によるＰＥＢ処理は、いずれもレジスト膜３００と酸を反応させる酸反応工程といえるものであり、以下では、この第１の加熱温度における熱処理と、第２の加熱温度で行われる本来のＰＥＢ処理とを区別するため、第１の加熱温度による工程Ｓ３の熱処理を第１のＰＥＢ処理と、第２の加熱温度で行われる本来のＰＥＢ処理を第２のＰＥＢ処理という。それと共に、この第１の加熱温度は、酸３０２によりレジスト膜３００が脱保護する反応温度Ｔ_０以上に設定されている。なお、本実施の形態において第２のＰＥＢ処理は、当該第１のＰＥＢ処理工程及び後述する酸失活工程の後に行われ、第２の加熱温度は、後述する通り、約１００℃である。また、本実施の形態では、熱処理装置４０が第１のＰＥＢ処理装置として機能する。

そして、この第１のＰＥＢ処理工程では、第１の加熱温度で例えば６０秒間加熱される。この第１の加熱温度での加熱時間は、レジスト膜３００中の酸３０２と、露光領域３０１の一部とを反応させ、露光領域３０１全てが脱保護することが無いように設定されている。具体的に説明すると、露光処理による各露光領域３０１の露光量は、図６に破線Ｅで示すように、概ね露光領域３０１の中心部から外側に向けて徐々に小さくなる正規分布状となる。なお、図６では、破線Ｅが上方向に行くほど露光量が大きく、下方向に行くほど露光量が小さい場合を表している。また、図６では、露光領域３０１に酸３０２が一様に発生しているように描図しているが、実際には、露光量の強弱に応じて酸３０２の濃度にも濃淡が生じている。そして、第１のＰＥＢ処理工程では、露光領域３０１のうち酸３０２の濃度が相対的に高い部分のみが、後続の現像処理において溶解する程度に脱保護するように、加熱時間が設定される。これにより、図７に示すように、酸３０２の濃度が高い各露光領域３０１の中央部３０３が脱保護する。なおこの際、各露光領域３０１の中央部３０３以外の部分でも酸３０２とレジスト膜３００とが反応して脱保護反応が進むが、中央部３０３と比較して酸３０２の濃度が低いため、第１のＰＥＢ処理工程では完全に脱保護するには至らない。また、各露光領域３０１中の酸３０２も一様に減少するが、第１のＰＥＢ処理工程では、露光領域３０１には未反応の酸３０２が残った状態となる。

第１のＰＥＢ処理工程の後、ウェハＷは酸失活処理装置４５に搬送される。酸失活処理装置４５においては、先ず、昇降機構１２４により蓋体１２１を所定の位置まで上昇させた状態で載置台１２２上にウェハＷが載置される。

次いで、蓋体１２１の下端部１３１ａと処理容器１２０の上端部１２０ａとの間に所定の隙間Ｖが形成される位置まで蓋体１２１を下降させ、処理空間Ａを形成する。

次に、ヒータ１２３によりウェハＷを第１のＰＥＢ処理工程時の温度よりも低い温度、本実施の形態では例えば５０℃に維持する。その後、弁体１４２を所定の開度で開き、ガス供給部１３２から例えば濃度が概ね１％のＨＭＤＳガスを処理空間Ａ内に所定の流量で供給する。また、ＨＭＤＳガスの供給と共に排気装置１５５を起動し、外周排気部１６０から所定の流量でＨＭＤＳガスを排気する。なお、この際、排気母管１５４の弁体１５６は閉止した状態にしており、処理空間Ａ内の排気は外周排気部１６０のみから行われる。これにより、ウェハＷの中央上方から供給されたＨＭＤＳガスは、ウェハＷの上方をウェハＷの外周縁部に向かって均一に拡散するように流れる。これにより、例えば図８に示す破線Ｋよりも上方の、ＨＭＤＳガスに曝された露光領域３０１の表面において、酸３０２が中和され、失活する（酸失活工程。図５の工程Ｓ４）。

酸失活工程後のウェハＷは、ウェハ搬送装置７０によって第２のＰＥＢ処理装置としての熱処理装置４１に搬送される。熱処理装置４１では、熱処理装置４０で行われる第１のＰＥＢ処理工程における第１の加熱温度よりも高い第２の加熱温度、本実施の形態では例えば約１００℃でウェハＷが加熱される（第２のＰＥＢ処理工程。図５の工程Ｓ５）。なお、熱処理装置４１で行われる熱処理は、いわゆるＰＥＢ処理であり、ウェハＷは第１のＰＥＢ処理工程と同じく６０秒間加熱される。この第２のＰＥＢ処理により、露光領域３０１の破線Ｋよりも下方に残った酸３０２とレジスト膜３００とが反応し、脱保護する。換言すれば、図８の破線Ｋよりも上方では、酸失活工程により露光領域３０１の酸が既に失活しているので、脱保護反応は生じない。かかる場合、露光領域３０１のうち、中央部３０３は第１のＰＥＢ処理工程において既に脱保護しているが、図８の破線Ｋよりも上方であって、中央部３０３を除いた部分については、脱保護していない状態のままとなる。

その後、ウェハＷは、ウェハ搬送装置７０によって現像処理装置３０に搬送され、例えばテトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）がウェハＷ上に供給されてポジ型の現像処理（図５の工程Ｓ６）が行われる。その結果、レジスト膜３００の脱保護した部分が除去されてレジストパターンが形成される。換言すれば、レジスト膜３００のうち、例えば図９に示すように、露光処理で露光されていない未露光領域３０４と、露光領域３０１のうち、酸失活工程により酸が既に失活していたため第２のＰＥＢ処理工程において脱保護しなかった部分が除去されずに残り、これら残存部分によりレジストパターン３１０が形成される。かかる場合、レジストパターン３１０は、図９に示すように、上端部の線幅が、下端部の線幅よりも太い、略テーパ形状となる。なお、このようなレジストパターン３１０を得るためには、酸失活工程において露光領域３０１内の上部の酸３０２のみを中和する、換言すれば、酸失活工程においてレジスト膜３００の厚み方向の全域にわたって酸３０２が中和されないようにすることが重要である。そのため、酸失活工程においては、レジスト膜３００の露光領域３０１内の上部の酸３０２のみが中和されるように、処理時間が適宜設定される。

現像処理終了後、ウェハＷは、ウェハ搬送装置７０によって熱処理装置４２に搬送され、レジストパターン３１０のエッジラフネスを改善するために、例えば１５０℃で６０秒間加熱される（図５の工程Ｓ７）。

こうして、一連のフォトリソグラフィー工程が終了し、その後、ウェハＷは、ウェハ搬送装置７０によって第３のブロックＧ３の受け渡し装置５０に搬送され、その後カセットステーション１０のウェハ搬送装置２３によって所定のカセット載置板２１のカセットＣに収容される。

その後、カセットＣに収容されたウェハＷは、カセットＣと共に基板処理システム１から搬出される。次いで、基板処理システム１の外部で必要に応じてレジストパターン３１０のスムージング処理が行われ、その後、基板処理システム１外部の成膜装置やエッチング装置により、ウェハＷ上にスペーサの形成やドライエッチングが行われる。これにより、レジストパターン３１０の概ね半分のピッチのパターンが被処理膜に転写される。この際、工程Ｓ７における熱処理、スムージング処理あるいはドライエッチングにより、レジストパターン３１０は上部の線幅が細り、下部の線幅が広がるが、図１０に示すように、現像処理後のレジストパターン３１０の形状（図１０の破線部）が、下端部の線幅よりも上端部の線幅が太い略テーパ形状となっているので、これらの処理を行った後でも、図１０に実線で示すように、概ね矩形状のレジストパターン３１０を得ることができる。その結果、被処理膜に所望の寸法でパターンを転写できる。

以上の実施の形態によれば、レジスト膜３００を露光処理した後に、先ずウェハＷを第１の加熱温度で加熱することで、レジスト膜３００の酸３０２と当該レジスト膜３００の露光領域３０１の一部、即ち酸濃度が高い露光領域３０１の中央部３０３とを反応させる。これにより、露光領域３０１の中央部３０３が酸３０２により脱保護する。次いで、レジスト膜３００の表面に対してアルカリ処理を行い、露光領域３０１内の上部の酸３０２を失活させる。その後、ウェハＷを第２の加熱温度で熱処理、即ち第２のＰＥＢ処理を行い、レジスト膜３００中の酸３０２と当該レジスト膜３００の露光領域３０１とを反応させることで、アルカリ処理により酸が失活した露光領域３０１の上部を除く、全ての露光領域３０１においてレジストの脱保護が行われる。そして、このレジスト膜３００を現像することで、上部の線幅が、下部の線幅よりも広いレジストパターン３１０が形成される。そのため、現像処理後に、例えばエッジラフネス改善のための熱処理やスムージング処理、あるいはドライエッチングにより、レジストパターン３１０上部の線幅が細り、下部の線幅が広がっても、概ね矩形状のレジストパターン３１０を得ることができる。その結果、その後に例えばダブルパターニングを行い、被処理膜に所望の寸法でパターンを転写できる。

以上の実施の形態では、第１のＰＥＢ処理工程における加熱温度（第１の加熱温度）を、第２のＰＥＢ処理工程における加熱温度（第２の加熱温度）よりも低く設定していたが、レジスト膜３００の露光領域３０１中の酸３０２と、当該露光領域３０１の一部とを反応させるという観点からは、第１のＰＥＢ処理工程における加熱の積算温度を、第２のＰＥＢ処理工程における加熱の積算温度よりも小さくすればよく、第１の加熱温度と第２の加熱温度の大小関係は、本実施の形態の内容に限定されるものではない。即ち、酸３０２による露光領域３０１の脱保護は、図１１に示すように、酸３０２とレジスト膜３００との反応が起こる反応温度Ｔ_０以上で加熱することにより生じ、脱保護がどの程度進行するかは、反応温度Ｔ_０以上で加熱した期間Ｚで、加熱した温度Ｔを積分したときの積分値である積算温度（図１１に示す斜線部の面積）により定まる。したがって、第２のＰＥＢ処理工程において、露光領域３０１の全域で酸３０２との反応が完了するように積算温度を定め、第１のＰＥＢ処理工程においては、第２のＰＥＢ処理工程よりも積算温度が小さくなるように、第１のＰＥＢ処理工程における加熱時の設定温度Ｔ_１や、加熱する期間Ｚを適宜設定すればよい。

より具体的には、例えば第１のＰＥＢ処理工程における加熱時の設定温度Ｔ_１と第２のＰＥＢ処理工程における加熱時の設定温度Ｔ_１を同じ値とし、第１のＰＥＢ処理工程における加熱時間を、第２のＰＥＢ処理工程における加熱時間よりも短くすることで、第１のＰＥＢ処理工程における積算温度を第２のＰＥＢ処理工程における積算温度よりも小さくなるようにしてもよい。

なお、以上の実施の形態では、レジスト膜３００がポジ現像型のレジストにより形成された場合を説明したが、本発明は、レジストがネガ現像型の場合にも適用できる。ネガ現像型のレジストを用いた場合においても、図６に破線Ｅで示すように、露光処理後に露光領域３０１の中央部３０３で酸３０２の濃度が高くなること、及び酸失活工程において、図８に示す破線Ｋよりも上方で酸３０２が中和されて失活することはポジ現像型レジストと同様である。同様に、ネガ現像型レジストでも、第１のＰＥＢ処理工程及び第２のＰＥＢ処理工程において、図７に示す中央部３０３で酸３０２とレジスト膜３００との反応により、脱保護反応が起こる。そして、現像処理において、ＴＭＡＨに代えて例えば酢酸ブチルなどのアルカリ溶液をウェハＷに供給することで、図１２に示すように、ポジ現像型レジストのレジストパターン３１０とは反転したレジストパターン３２０が露光領域３０１により形成される。即ち、図１２に破線で示す露光領域３２１は、本来は現像後に残るものであるが、本発明のように、第２のＰＥＢ処理工程前に酸失活工程で当該露光領域３２１の酸を失活させることで、第２のＰＥＢ処理工において脱保護反応が起こらず、現像処理において除去される。その結果、上端部の線幅が下端部の線幅よりも細い略テーパ形状のレジストパターン３２０が得られる。

そして、このようなネガ現像型レジストによるレジストパターン３２０は、例えばダブルパターニングを経て被処理膜に転写されたパターンをカットする、いわゆるラインカットといわれる工程に用いられるカットマスクに適用することができる。具体的には、カットマスクには、被処理膜に転写されたパターンをカットする領域に対応して開口が設けられるが、ネガ現像型のレジストである場合、露光時の未露光部への若干の光の回り込みにより、特にレジストパターン３２０の上端部近傍の線幅が、所望の線幅よりも太くなる傾向がある。かかる場合、レジストパターン３２０により形成されるカットマスクの開口が所望の寸法よりも狭まり、結果としてラインカットの際に被処理膜を所望の寸法でカットできなくなる。

カットマスクの開口寸法を広げるには、例えばレジストパターン３２０をエッチングしたりすることが考えられるが、エッチングにより開口寸法を制御することは容易ではなく、また、レジストパターン３２０の膜減りによりマスクとしての機能が低下してしまう。そこで、本実施の形態のように、露光処理後のウェハＷに対して第１のＰＥＢ処理工程を適用し、次いで酸失活工程で露光領域３０１上部の酸３０２を失活させ、その後第２のＰＥＢ処理を行うことで、現像処理後に上端部の線幅が下端部の線幅よりも細い、略テーパ形状のレジストパターン３２０が得られる。これにより、カットマスクの開口が狭まることを防止し、その結果、ラインカットの際に被処理膜を所望の寸法でカットすることが可能となる。

以上の実施の形態では、酸失活処理装置４５において、例えば５０℃でウェハＷを加熱した状態でＨＭＤＳガスを供給したが、ウェハＷの加熱温度については、本実施の形態の内容に限定されるものではなく、例えば常温（２３℃）程度であっても、レジスト膜３００中の酸３０２を失活させられることが本発明者らにより確認されている。したがって、酸失活処理装置４５でのウェハＷの温度は、ＨＭＤＳガスによりレジスト膜３００中の酸３０２を失活させられる程度の温度であればよい。その一方、ウェハＷ処理のスループットの観点からは、ウェハＷの温度が高いほど酸の中和が促進するが、反応温度Ｔ_０以上に加熱すると、レジスト膜３００中の酸３０２による脱保護反応が進んでしまう。そのため、酸失活工程におけるウェハＷの加熱温度の上限は、反応温度Ｔ_０よりも、例えば３０℃程度低い温度とすることが好ましい。

以上の実施の形態では、ウェハＷの疎水化処理を疎水化処理装置４３で、レジスト膜３００中の酸３０２の失活処理を酸失活処理装置４５で別個に行ったが、既述の通り疎水化処理装置４３と酸失活処理装置４５は同一の構成を有しており、疎水化処理の際のウェハＷの加熱温度と酸失活処理の際のウェハＷの加熱温度が異なるのみである。したがって、基板処理システム１には、疎水化処理装置４３と酸失活処理装置４５の少なくともいずれかを設け、疎水化処理と酸失活処理との際に、ウェハＷを加熱するヒータ１２３の設定温度を変更して使用するようにしてもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。本発明はこの例に限らず種々の態様を採りうるものである。本発明は、基板がウェハ以外のＦＰＤ（フラットパネルディスプレイ）、フォトマスク用のマスクレチクルなどの他の基板である場合にも適用できる。

本発明は、基板にレジストパターンを形成する際に有用である。

１基板処理システム
３０現像処理装置
３１下部反射防止膜形成装置
３２レジスト塗布装置
３３上部反射防止膜形成装置
４０、４１、４２熱処理装置
４３疎水化処理装置
４４周辺露光装置
４５酸失活処理装置
３００レジスト膜
３０１露光領域
３０２酸
３０４未露光領域
３１０レジストパターン
３２０レジストパターン
Ｗウェハ

Claims

基板を処理する基板処理方法であって、
基板上にレジスト膜を形成するレジスト膜形成工程と、
基板上のレジスト膜にパターンの露光を行い、レジスト膜の露光領域に酸を発生させる露光工程と、
前記レジスト膜の露光領域中の酸と、当該露光領域の一部とを反応させるように、前記露光工程後の基板を加熱する第１のＰＥＢ処理工程と、
前記第１のＰＥＢ処理工程後の基板上のレジスト膜の表面に、アルカリ性のガスまたはアルカリ溶液のミストの少なくともいずれかを供給し、前記レジスト膜の露光領域内の上部の酸を失活させる酸失活工程と、
前記酸失活工程後の基板を加熱し、前記レジスト膜中の酸と当該レジスト膜の露光領域とを反応させる第２のＰＥＢ処理工程と、
前記第２のＰＥＢ処理工程後の基板に対して現像液を供給し、前記レジスト膜の現像処理を行う現像処理工程と、を有することを特徴とする、基板処理方法。
前記第１のＰＥＢ処理工程においては、前記酸と前記レジスト膜との反応が起こる反応温度以上で加熱した期間で、加熱した温度を積分したときの積分値である加熱の積算温度が、前記第２のＰＥＢ処理工程における前記加熱の積算温度よりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載の基板処理方法。
前記第１のＰＥＢ処理工程における加熱温度は、前記第２のＰＥＢ処理工程における加熱温度よりも低いことを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載の基板処理方法。
前記レジスト膜は、ポジ現像型のレジストにより形成され、
前記第１のＰＥＢ処理工程及び前記第２のＰＥＢ処理工程における前記酸と前記レジスト膜の反応は、前記酸による前記レジスト膜の脱保護反応であることを特徴とする、請求項１または２のいずれか一項に記載の基板処理方法。
前記レジスト膜は、ネガ現像型のレジストにより形成され、
前記第１のＰＥＢ処理工程及び前記第２のＰＥＢ処理工程における前記酸と前記レジスト膜の反応は、前記酸による前記レジスト膜の脱保護反応であることを特徴とする、請求項１または２のいずれか一項に記載の基板処理方法。
前記酸失活工程における前記基板の温度は、前記第１のＰＥＢ処理工程及び前記第２のＰＥＢ処理工程における基板の温度よりも低い温度に維持されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の基板処理方法。
請求項１〜６のいずれかに記載の基板処理方法を基板処理システムによって実行させるように、当該基板処理システムを制御する制御装置のコンピュータ上で動作するプログラム。
請求項７に記載のプログラムを格納した読み取り可能なコンピュータ記憶媒体。
基板を処理する基板処理システムであって、
基板上にレジスト膜を塗布するレジスト塗布装置と、
露光処理によりレジスト膜の露光領域に発生した酸と、当該露光領域の一部とを反応させるように、前記基板処理システムの外部に設けられた露光装置により露光処理が行われた基板を加熱する第１のＰＥＢ処理装置と、
前記レジスト膜の表面に、アルカリ性のガスまたはアルカリ溶液のミストの少なくともいずれかを供給して前記レジスト膜の露光領域内の上部の酸を失活させる酸失活処理装置と、
前記レジスト膜の露光領域上部の酸が失活した後の基板を加熱し、前記レジスト膜中の酸と当該レジスト膜の露光領域とを反応させる第２のＰＥＢ処理装置と、
基板上に現像液を供給して前記レジスト膜の現像処理を行う現像処理装置と、を有することを特徴とする、基板処理システム。
前記第１のＰＥＢ処理装置における前記酸と前記レジスト膜との反応が起こる反応温度以上で加熱した期間で、加熱した温度を積分したときの積分値である加熱の積算温度が、前記第２のＰＥＢ処理装置での前記加熱の積算温度よりも小さくなるように、前記第１のＰＥＢ処理装置及び前記第２のＰＥＢ処理装置を制御する制御装置をさらに有していることを特徴とする、請求項９に記載の基板処理システム。