JP6307764B2 - 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するものである。

光半導体装置において半導体基板にレンズを形成することがある（特許文献１）。例えばエッチング処理などにより半導体基板をレンズ状に成形する。光出力を高めるためには、レンズの球面性を高めることが要求される。

特開平６−１０４４８０号公報

特に半導体受光素子の感度を高めるためには、半導体基板に形成されるレンズの球面性を高めることが要求される。半導体基板にレンズを形成するためには、レンズ状に整形したレジストパターンを半導体基板に転写するプロセスが考えられる。しかしながら、このレジストパターンの球面性が悪化することで、半導体基板のレンズの球面性も悪化する。

本発明は、レンズの球面性を高め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。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体基板の表面に有機溶剤を含むレジストを形成する工程と、前記レジストをパターニングすることにより第１レジストパターンを形成する工程と、対象物を加熱可能な処理装置のチャンバー内において、前記半導体基板上の前記第１レジストパターンを前記チャンバーより容積が小さい空間内に面して配置する工程と、前記処理装置内で前記第１レジストパターンを加熱することにより、前記第１レジストパターンを変形させる工程と、前記第１レジストパターンを変形させる工程の後、前記第１レジストパターンを前記半導体基板に転写することにより前記半導体基板にレンズを形成する工程と、を有することを特徴とする。

前記チャンバーよりも容積が小さい空間は、前記チャンバー内において被処理対象物を配置するステージに前記第１レジストパターンが対向するように前記半導体基板を配置することにより形成された空間とすることができる。

前記チャンバーよりも容積が小さい空間は、前記第１レジストパターンが配置された前記半導体基板の上面を覆う蓋によって形成された空間とすることができる。

前記第１レジストパターンは前記半導体基板上のレンズ形成領域に配置されてなり、前記半導体基板上に、前記第１レジストパターンと離間し、前記レンズ形成領域以外の領域に配置され、前記第１レジストパターンと同じレジストからなる第２レジストパターンを形成する工程をさらに有し、前記第１レジストパターンを変形させる工程において、前記第１レジストパターンおよび第２レジストパターンが加熱されてもよい。

本発明によれば、レンズの球面性を高めることができる半導体装置の製造方法を提供することができる。

図１（ａ）から図１（ｅ）は半導体装置の製造方法を例示する断面図である。 図２（ａ）から図２（ｅ）は半導体装置の製造方法を例示する断面図である。 図３（ａ）および図３（ｂ）はレジストパターンを拡大した断面図である。 図４（ａ）は実施例１に係る半導体装置の製造方法のうちハードベーク処理を例示する断面図である。図４（ｂ）は比較例に係る半導体装置の製造方法のうちハードベーク処理を例示する断面図である。 図５（ａ）はドーム幅と曲率半径との関係を示す図である。図５（ｂ）は実施例１の変形例に係る半導体装置の製造方法のうちハードベークを例示する断面図である。 図６は実施例２に係る半導体装置の製造方法のうちハードベークを例示する断面図である。

まずレンズを有する半導体装置の製造方法について説明する。図１（ａ）から図２（ｅ）は半導体装置の製造方法を例示する断面図である。

図１（ａ）に示すように、スパッタリング法により半導体基板１０の表面に絶縁膜１２を形成する。図１（ｂ）に示すように、スピンコートにより絶縁膜１２の表面に厚さ２μｍのレジスト１４を塗布する。レジスト１４の塗布後、半導体基板１０をベーク炉に投入し、プリベーク処理を行う。ここでベーク炉とは被処理物を熱処理する装置を指す。レジストを硬化させるための専用のベーク炉に限定されず、加熱処理のできるチャンバーを持つ装置であればよい。レジスト１４はこの加熱により硬化する。図１（ｃ）に示すように、露光・現像処理によりレジスト１４をパターニングする。パターニングによりレジスト１４からレジストパターン１４ａおよび１４ｂが形成される。レジストパターン１４ａはレジストパターン１４ｂから離間しており、レジストパターン１４ａおよび１４ｂ間にはリング状の空洞が形成される。レジストパターン１４ａはレンズの形成に用いられる。パターニングの後、ポストベーク処理を行う。レジストパターン１４ａおよび１４ｂを加熱により硬化する。

図１（ｄ）に示すように、半導体基板１０をベーク炉のチャンバー１５に投入する。図１（ｅ）に示すように、ベーク炉を用いてハードベーク処理を行い、レジストパターン１４ａをレンズ状に変形させる。レジストパターン１４ａの径Ｄ１は例えば８０μｍ、レジストパターン１４ａからレジストパターン１４ｂまでの距離Ｌ１は例えば４０μｍである。

図２（ａ）に示すように、レジストパターン１４ａおよび１４ｂを覆うレジスト１６を塗布する。図２（ｂ）に示すように、露光・現像処理によりレジスト１６をパターニングする。レジスト１６のパターニングによりレジストパターン１４ａがレジスト１６から露出する。図２（ｃ）および図２（ｄ）に示すように、反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching：ＲＩＥ）を行う。ＲＩＥによりレジストパターン１４ａおよびレジスト１６は除去される。レジストパターン１４ａを半導体基板１０に転写することにより半導体基板１０にレンズ１０ａが形成される。レンズ１０ａはモノリシックレンズである。図２（ｅ）に示すように絶縁膜１２およびレジストパターン１４ｂを除去する。

半導体基板１０は、例えば錫（Ｓｎ）などのｎ型不純物がドープされたｎ型インジウムリン（ＩｎＰ）からなる。絶縁膜１２は例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）により形成されている。レジスト１４は例えばノボラック樹脂などの樹脂により形成され、有機溶剤を含む。有機溶剤は例えばプロピレングリコールモノメチルエーテルアセテートなどのグリコールエステル系溶剤である。有機溶剤を単に溶剤と記載することがある。

図３（ａ）および図３（ｂ）はレジストパターン１４ａを拡大した断面図である。絶縁膜１２は省略した。良好な球面性を有するレンズ１０ａを形成するためには、レジストパターン１４ａの球面性を良好にすることが重要である。図３（ａ）に示すレジストパターン１４ａは良好な球面性を有している。良好な球面性とは、レンズの球面が一様な曲率を有することである。例えばレンズに光が入射する場合、曲率が一様であることにより入射光の位置ずれに対するトレランスを十分に確保できる。このようなレジストパターン１４ａを用いて、図２（ｃ）および図２（ｄ）に示したＲＩＥを行うことで、良好な球面性を有するレンズ１０ａが形成される。これに対して、図３（ｂ）に示すレジストパターン１４ａの球面性は不良である。レジストパターン１４ａは球の一部をつぶしたような形状を有する。このようなレジストパターン１４ａを用いてＲＩＥを行うと、不良な球面性を有するレンズ１０ａが形成される。

球面性は曲率で表される。曲率はレジストパターン１４ａの体積および表面張力により決まる。表面張力は、レジストの種類、ベーク時の温度、およびレジストパターン１４ａが暴露される雰囲気中における溶剤雰囲気の濃度で決まる。溶剤雰囲気は、ベーク処理においてレジストパターン１４ａを加熱することでレジストパターン１４ａ中の有機溶剤が揮発することにより発生する。溶剤雰囲気の濃度が高まるほど、レジストの表面張力は大きくなる。表面張力を大きくすることにより、図３（ａ）に示すようにレジストパターン１４ａの曲率が均等になる。その一方、表面張力が小さくなると、図３（ｂ）に示すようにレジストパターン１４ａの曲率が均等にならない。レンズ１０ａの径が大きくなると、レジストパターン１４ａの体積が大きくなり、大きな表面張力が得られない。このため、良好な球面性を得ることが難しくなる。次に本発明の実施例について説明する。

実施例１では、レジストパターン１４ａ（第１レジストパターン）を下向きに配置してハードベーク処理を行うことにより、レジストパターン１４ａ周辺の雰囲気における溶剤雰囲気の濃度を高め、球面性を改善する。図４（ａ）は実施例１に係る半導体装置の製造方法のうちハードベーク処理を例示する断面図である。

図４（ａ）に示すように、ベーク炉のチャンバー１５に設置されたホットプレート２０の上に支持体２２を配置する。ホットプレート２０および支持体２２は半導体基板１０を載せるステージとして機能する。支持体２２は半導体基板１０の形状に合わせた形状とすることができ、例えばリング状である。支持体２２の上に半導体基板１０を配置する。半導体基板１０の表面は下向きである。レジストパターン１４ａは、距離Ｌ２（例えば０．２ｍｍ）を空け、ホットプレート２０と対向する。半導体基板１０、ホットプレート２０および支持体２２により閉じられた空間２４が形成され、レジストパターン１４ａは空間２４内に収納される。ホットプレート２０が発生する熱は、支持体２２および空間２４内の気体を通じてレジストパターン１４ａに伝わる。ハードベーク処理の温度は２００℃、時間は５分である。

加熱により、レジストパターン１４ａから溶剤が揮発する。揮発した溶剤は空間２４内に閉じ込められる。空間２４はチャンバー１５より容積の小さい空間であるため、レジストパターン１４ａ周辺の雰囲気における溶剤雰囲気の濃度が高くなる。溶剤雰囲気の濃度が高くなることで、レジストパターン１４ａの表面張力が高まり、曲率が均等になる。すなわち球面性の良好なレジストパターン１４ａが得られる。レジストパターン１４ａの球面性が良好になることで、レンズ１０ａの球面性も良好になる。

プリベーク処理およびポストベーク処理を長い時間行うと、ハードベーク処理の前にレジスト１４中の溶剤の大部分が揮発してしまう。ハードベーク処理において揮発する溶剤を確保するため、プリベーク処理およびポストベーク処理の時間は短い方が好ましい。例えば、プリベーク処理およびポストベーク処理は、それぞれ８０℃、１０分の条件で行う。プリベーク処理およびポストベーク処理の時間は例えば１５分以下、または１０分以下などとすることができる。また温度は例えば１００℃以下、８０℃以下とすることができる。溶剤を確保するためである。溶剤雰囲気を発生させるための特別な装置は不要であり、ホットプレート２０および支持体２２があればよい。従って低コストで球面性の高いレンズ１０ａを形成することができる。

図４（ｂ）は比較例に係る半導体装置の製造方法のうちハードベーク処理を例示する断面図である。図４（ｂ）に示すように、レジストパターン１４ａは空間２４に収納されていない。溶剤雰囲気はチャンバー１５に散逸してしまうため、レジストパターン１４ａ周辺の溶剤雰囲気の濃度は実施例１に比べ低い。溶剤雰囲気濃度が低いため、表面張力が小さくなり、均等な曲率を得ることが難しくなる。このように比較例では図３（ｂ）のように球面性が劣化する。

レンズ１０ａの径を大きくするためには、レジストパターン１４ａの径Ｄ１を大きくする。上述のように径Ｄ１が大きいほど球面性は劣化しやすい。実施例１によれば径Ｄ１が例えば８０μｍ以上のように大きくても、良好な球面性が得られる。

実施例１と比較例とにおける曲率半径を比較する。プリベーク処理は８０℃、１０分の条件で行った。ポストベーク処理は行っていない。ハードベーク処理は２００℃、５分の条件で行った。

図５（ａ）はドーム幅と曲率半径との関係を示す図である。横軸はドーム幅Ｗ１、縦軸は曲率半径である。ドーム幅Ｗ１とは、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すようにレジストパターン１４ａの幅である。ドーム幅Ｗ１は、レジストパターン１４ａの頂点からの高さＨ１に応じて変化し、最大値はレジストパターン１４ａの径Ｄ１である。曲率半径は、ドーム幅Ｗ１に対するレジストパターン１４ａの曲率半径である。曲率半径は、ドーム幅Ｗ１とレジストパターン１４ａの頂点からの高さＨ１から近似的に算出される。図５（ａ）の黒塗りの印は実施例１を表し、白抜きの印は比較例を表す。円はＤ１＝７０μｍの例、三角はＤ１＝８０μｍの例、四角はＤ１＝１００μｍの例である。

図５（ａ）に示すように、比較例においてはドーム幅Ｗ１に応じて曲率半径が大きく変化する。実施例１においては、ドーム幅Ｗ１に対する曲率半径の変化が小さい。すなわち、実施例１によれば、曲率が均等である良好な球面性が得られる。

図５（ｂ）は実施例１の変形例に係る半導体装置の製造方法のうちハードベークを例示する断面図である。図５（ｂ）に示すように、半導体基板１０の表面にレジストパターン１４ａおよび１４ｃが設けられている。レジストパターン１４ｃ（第２レジストパターン）は、図１（ｃ）に示した露光・現像処理において、レジスト１４から形成することができる。レジストパターン１４ｃはレジストパターン１４ａから離間している。レジストパターン１４ａおよび１４ｃが空間２４内に収納される。ハードベーク処理において、レジストパターン１４ａおよび１４ｃが加熱される。レジストパターン１４ａに加えてレジストパターン１４ｃからも溶剤が揮発するため、空間２４内の溶剤雰囲気濃度がさらに高くなる。より球面性の優れたレジストパターン１４ａが形成され、レンズ１０ａの球面性も良好になる。

レジストパターン１４ｃはハードベーク処理の後に除去され、半導体基板１０には転写されない。レジストパターン１４ｃの材質はレジストパターン１４ａと同じでもよいし異なってもよい。レジストパターン１４ｃの溶剤の濃度はレジストパターン１４ａの溶剤の濃度より高くてもよいし、低くてもよい。図４（ａ）および図５（ｂ）に示した空間２４は、チャンバー１５より小さく、チャンバー１５から仕切られ、内部にレジストパターン１４ａを閉じ込める空間である。空間２４は完全に密閉されてもよいし、外部の空間と接続されてもよい。半導体基板１０の下にレジストパターン１４ａを覆う支持体を設け、半導体基板１０および支持体により空間２４を形成してもよい。

実施例２はレジストパターン１４ａを上向きに配置する例である。図６は実施例２に係る半導体装置の製造方法のうちハードベークを例示する断面図である。図６に示すように、チャンバー１５内のホットプレート２０の表面に半導体基板１０を配置する。レジストパターン１４ａは上向きであり、半導体基板１０を挟んでホットプレート２０とは反対側に位置する。ホットプレート２０の上に、半導体基板１０の上面を覆う蓋２６が設けられている。ホットプレート２０および蓋２６は空間２８を形成し、空間２８内に半導体基板１０およびレジストパターン１４ａが収納される。

実施例２によれば、レジストパターン１４ａから揮発する溶剤雰囲気は空間２８内に閉じ込められるため、空間２８内の溶剤雰囲気の濃度が高くなる。このためレジストパターン１４ａの球面性が良好になる。実施例２において、半導体基板１０の表面にレジストパターン１４ｃを設けてよい。

半導体基板１０はＩｎＰ以外にガリウム砒素（ＧａＡｓ）またはシリコン（Ｓｉ）などにより形成されてもよい。ベーク処理によりレジスト１４を硬化するため、レジスト１４は熱硬化性樹脂により形成されていることが好ましい。ホットプレート以外のヒータを用いてもよい。

なお、本発明は係る特定の実施形態および実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 半導体基板
１２ 絶縁膜
１４、１６ レジスト
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ レジストパターン
１５ チャンバー
２０ ホットプレート
２２ 支持体
２４、２８ 空間
２６ 蓋

Claims (3)

1. 半導体基板の表面に有機溶剤を含むレジストを形成する工程と、
   前記レジストをパターニングすることにより第１レジストパターンを形成する工程と、
   対象物を加熱可能な処理装置のチャンバー内において、前記半導体基板上の前記第１レジストパターンを前記チャンバーより容積が小さい空間内に面して配置する工程と、
   前記処理装置内で前記第１レジストパターンを加熱することにより、前記第１レジストパターンを変形させる工程と、
   前記第１レジストパターンを変形させる工程の後、前記第１レジストパターンを前記半導体基板に転写することにより前記半導体基板にレンズを形成する工程と、を有し、
   前記チャンバーよりも容積が小さい空間は、リング状の支柱をホットプレート上に配置し、前記チャンバー内において前記ホットプレートに前記第１レジストパターンが対向するように、前記リング状の支柱に前記半導体基板を配置することにより形成された空間であることを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記第１レジストパターンは、有機溶剤を含むダミーパターンを含み、
   前記第１レジストパターンを変形させる工程の後に前記ダミーパターンを除去する工程を更に含み、
   前記ダミーパターンを除去する工程の後に前記レンズを形成する工程を施す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。
3. 半導体基板の表面に有機溶剤を含むレジストを形成する工程と、
   前記レジストをパターニングすることにより第１レジストパターンを形成する工程と、
   対象物を加熱可能な処理装置のチャンバー内において、前記半導体基板上の前記第１レジストパターンを前記チャンバーより容積が小さい空間内に面して配置する工程と、
   前記処理装置内で前記第１レジストパターンを加熱することにより、前記第１レジストパターンを変形させる工程と、
   前記第１レジストパターンを変形させる工程の後、前記第１レジストパターンを前記半導体基板に転写することにより前記半導体基板にレンズを形成する工程と、
   前記チャンバーよりも容積が小さい空間は、ホットプレート上に前記第１レジストパターンが配置された前記半導体基板の上面を覆う蓋によって形成された空間であり、
   前記第１レジストパターンは、有機溶剤を含むダミーパターンを含み、
   前記第１レジストパターンを変形させる工程の後に前記ダミーパターンを除去する工程を更に含み、
   前記ダミーパターンを除去する工程の後に前記レンズを形成する工程を施すことを特徴とする半導体装置の製造方法。
   

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