JP6560704B2 - 半導体装置の製造方法および基板処理装置 - Google Patents
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Description
ガイドパターンが形成された基板を処理室に収容する工程と、
前記基板に対する親水化処理または疎水化処理のいずれか一方を行う第1処理ガスのプラズマを前記処理室に供給する第1処理工程と、
前記第1処理工程の後に、前記基板に対する親水化処理または疎水化処理のいずれか他方を行う第2処理ガスのプラズマを前記処理室に供給する第2処理工程と、
前記第2処理工程の後に、前記基板の面上の前記ガイドパターンが形成されていない部分に二種類以上の有機材料を含むフォトレジスト材料を塗付する工程と、
を有する技術が提供される。
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
先ず、本発明の一実施形態におけるパターニング処理の概要を説明する。ここで説明するパターニング処理は、半導体装置(半導体デバイス)の製造工程の一工程として行われるもので、自己組織化リソグラフィ(Directed Self−Assembly:DSA)により行うものである。
DSAによるパターニング処理にあたっては、先ず、ガイド形成基板を用意する。ガイド形成基板は、図1(b)に示すように、シリコンウエハ等の基板11の表面上にガイドパターン12が形成されてなるものである。ガイドパターン12は、例えばラインアンドスペースパターンやホールパターン等を形成するためのガイドとなるもので、公知の化学増幅型レジスト組成物を用いて公知のレジストパターン形成方法と同様の手法により形成されたものである。
ガイド形成基板を用意したら、続いて、図1(c)に示すように、そのガイド形成基板の表面、特に少なくともガイド形成基板を構成する基板11の露出する表面11aおよび同じくガイド形成基板を構成するガイドパターン12の側面12aに対して、それぞれの表面の特性を改質する処理を行う。
基板11およびガイドパターン12に対する表面特性改質処理の後は、次いで、図1(e)に示すように、基板11の面上のガイドパターン12が形成されていない部分に、フォトレジスト材料としてのDSAレジスト材料13を塗付する。
DSAレジスト材料13が硬化した後は、必要に応じて、図1(f)に示すように、PMMA13aの部分を酸化アルミニウム(Al2O3)に改質させる処理を行う。PMMA13aの部分をAl2O3に改質させることで、PS13bに対するエッチング選択比を向上させることができる。Al2O3への改質処理は、例えば、トリメチルアルミニウム(TMA)ガスと酸化ガス(例えば、水(H2O)や過酸化水素(H2O2))とを交互に供給して行えばよい。なお、Al2O3への改質処理は、必須ではなく、省略しても構わない。
その後は、図1(g)に示すように、硬化したDSAレジスト材料13が有する相分離構造のうちの一部の相、具体的にはPS13bの部分を、自己組織化により相分離した各相のエッチングレートの差を利用しつつ、エッチング処理により除去する。このとき、ガイドパターン12を併せて除去するようにしても構わない。エッチング処理は、ケミカルドライエッチング、ケミカルウェットエッチング等の反応性イオンエッチング(RIE)や、イオンビームエッチング等の物理的エッチング等といった、公知の手法を用いればよい。
次に、本発明の一実施形態に係る基板処理装置の概略構成について説明する。
ここで説明する基板処理装置は、上述した一連のパターニング処理のうち、基板表面特性改質処理(S102)を行う際に用いられるものである。
図2に示すように、基板処理装置100は、処理容器202を備えている。処理容器202は、例えば、アルミニウム(Al)やステンレス(SUS)等の金属材料または石英により、横断面が円形であり扁平な密閉容器として構成されている。また、処理容器202は、上部容器202aと下部容器202bとを備えており、これらの間に仕切部204が設けられている。仕切部204よりも上方の上部容器202aに囲まれた空間は、表面特性改質処理(S102)の処理対象となるガイド形成基板(単にウエハともいう)200を処理する処理空間(処理室ともいう)201として機能する。一方、仕切部204よりも下方の空間の下部容器202bに囲まれた空間は、ウエハ200を移載するための搬送空間(移載室ともいう)203として機能する。移載室203として機能するために、下部容器202bの側面には、ゲートバルブ1490に隣接した基板搬入出口1480が設けられており、その基板搬入出口1480を介してウエハ200が図示しない搬送室との間を移動するようになっている。下部容器202bの底部には、リフトピン207が複数設けられている。さらに、下部容器202bは、接地されている。
処理室201内には、ウエハ200を支持する基板支持部(サセプタ)210が設けられている。サセプタ210は、ウエハ200を載置する載置面211を有した基板載置台212を備える。基板載置台212は、載置面211上のウエハ200の温度を調整する温度調整部213a,213bと、処理室201内にバイアス電圧を印加するためのバイアス電極219a,219bと、を内蔵している。また、基板載置台212には、リフトピン207が貫通する貫通孔214が、リフトピン207と対応する位置にそれぞれ設けられている。
処理室201の上部には、処理室201内に各種ガスを供給するためのガス導入口241が設けられている。ガス導入口241に接続されるガス供給ユニットの構成については後述する。
ガス導入口241には、共通ガス供給管242が接続されている。共通ガス供給管242には、第1ガス供給管243a、第2ガス供給管244a、第3ガス供給管245aが接続されている。第1ガス供給管243aを含む第1ガス供給部243からは第1処理ガス(詳細は後述)が主に供給され、第2ガス供給管244aを含む第2ガス供給部244からは第2処理ガス(詳細は後述)が主に供給される。第3ガス供給管245aを含む第3ガス供給部245からは、主にパージガスが供給される。
第1ガス供給管243aには、上流方向から順に、第1ガス供給源243b、流量制御器(流量制御部)であるマスフローコントローラ(MFC)243c、および、開閉弁であるバルブ243dが設けられている。そして、第1ガス供給源243bから、第1元素を含有するガス(第1処理ガス)が、MFC243c、バルブ243d、第1ガス供給管243a、共通ガス供給管242を介して、処理室201に供給される。
不活性ガスは、例えば、窒素(N2)ガスである。なお、不活性ガスとして、N2ガスのほか、例えばヘリウム(He)ガス、ネオン(Ne)ガス、アルゴン(Ar)ガス等の希ガスを用いることができる。
また、主に、第1不活性ガス供給管246a、MFC246cおよびバルブ246dにより、第1不活性ガス供給部が構成される。なお、不活性ガス供給源246b、第1ガス供給管243aを、第1不活性ガス供給部に含めて考えてもよい。さらには、第1不活性ガス供給部を、第1ガス供給部243に含めて考えてもよい。
第2ガス供給管244aには、上流方向から順に、第2ガス供給源244b、MFC244c、および、バルブ244dが設けられている。そして、第2ガス供給源244bから、第2元素を含有するガス(第2処理ガス)が、MFC244c、バルブ244d、第2ガス供給管244a、共通ガス供給管242を介して、処理室201に供給される。
不活性ガスについては、第1不活性ガス供給部の場合と同様である。
また、主に、第2不活性ガス供給管247a、MFC247cおよびバルブ247dにより、第2不活性ガス供給部が構成される。なお、不活性ガス供給源247b、第2ガス供給管244aを、第2不活性ガス供給部に含めて考えてもよい。さらには、第2不活性ガス供給部を、第2ガス供給部244に含めて考えてもよい。
第3ガス供給管245aには、上流方向から順に、第3ガス供給源245b、MFC245c、および、バルブ245dが設けられている。そして、第3ガス供給源245bから、パージガスとしての不活性ガスが、MFC245c、バルブ245d、第3ガス供給管245a、共通ガス供給管242を介して、処理室201に供給される。
処理室201(上部容器202a)の内壁上面には、処理室201の雰囲気を排気する第1排気部としての排気口221が設けられている。排気口221には、第1排気管としての排気管224が接続されており、排気管224には、処理室201内を所定の圧力に制御するAPC(Auto Pressure Controller)等の圧力調整器227、真空ポンプ223が順に直列に接続されている。主に、排気口221、排気管224、圧力調整器227により、第1排気部(排気ライン)が構成される。なお、真空ポンプ223を第1排気部に含めるように構成してもよい。
基板処理装置100は、その基板処理装置100を構成する各部の動作を制御するために、制御部(制御手段)としてのコントローラ260を有している。
次に、上述の基板処理装置100を用いて、半導体装置(半導体デバイス)の製造工程の一工程として、DSAによるパターニング処理における基板表面特性改質処理(S102)を行う際のシーケンス例について、図4および図5を参照して説明する。以下の説明において、基板処理装置100を構成する各部の動作はコントローラ260により制御される。
したがって、本明細書において「ウエハに対して所定のガスを供給する」と記載した場合は、「ウエハそのものの表面(露出面)に対して所定のガスを直接供給する」ことを意味する場合や、「ウエハに形成されている層や膜等に対して、すなわち、積層体としてのウエハの最表面に対して所定のガスを供給する」ことを意味する場合がある。
また、本明細書において「基板」という文言を用いた場合も「ウエハ」という言葉を用いた場合と同様であり、その場合、上記説明において、「ウエハ」を「基板」に置き換えて考えればよい。
基板表面特性改質処理(S102)に際しては、先ず、処理対象となるウエハ200を基板処理装置100の処理室201に搬入させる。具体的には、基板載置台212を昇降機構218によって下降させ、リフトピン207が貫通孔214から基板載置台212の上面側に突出させた状態にする。その状態で、処理室201内を所定の圧力に調圧した後、ゲートバルブ1490を開放し、ゲートバルブ1490の開口からリフトピン207上にウエハ200を載置させる。そして、ウエハ200をリフトピン207上に載置させた後、昇降機構218によって基板載置台212を上昇させて、ウエハ200を基板載置面211上に載置させるとともに、そのウエハ200を処理室201内の処理位置(ウエハ処理位置)に位置させる。
続いて、処理室201内が所定圧力(真空度)となるように、処理室排気管224を介して処理室201内を排気する。この際、圧力センサ(不図示)が測定した圧力値に基づき、圧力調整器227としてのAPCバルブの弁の開度をフィードバック制御する。なお、処理室201内を所定の圧力に排気する際には、一度、到達可能な真空度まで真空排気してもよい。
また、温度センサ(不図示)が検出した温度値に基づき、載置面211上のウエハ200が所定温度となるように、流量調整部213c,213dが熱媒体の流量をフィードバック制御しつつ、温度調整部213a,213bに熱媒体を供給する。このときの所定温度は、例えば、室温(RT)〜150℃の範囲内、好ましくはRT〜100℃の範囲内とすることが考えられる。RT以下であると結露する可能性があり、150℃を超えるとガイドパターン12の形成材料(レジスト材料)が変質してしまう可能性が生じるからである。
この間、処理室201内に残留している水分あるいは部材からの脱ガス等が有る場合は、真空排気やN2ガスの供給によるパージによって除去してもよい。
そして、処理室201内の雰囲気が安定したら、次工程に移る。
第1処理工程(S203)では、第1ガス供給部243から処理室201内に第1処理ガスとしてのH含有ガスを供給する。H含有ガスとしては、例えばH2ガスやNH3ガス等が挙げられる。以下の説明ではH含有ガスがH2ガスである場合を例に挙げる。具体的には、バルブ243dを開き、MFC243cで所定流量に調整しつつ、第1ガス供給源243bからH2ガスを供給する。所定流量は、例えば、100sccm以上10000sccm以下である。流量調整されたH2ガスは、シャワーヘッド234の分散板234bを通り、処理室201内に到達する。このとき、排気系による処理室201内の排気を継続し、処理室201内を所定の圧力範囲(第1圧力)となるように制御する。これにより、H2ガスは、所定の圧力(第1圧力:例えば100Pa以上20000Pa以下)で処理室201内に供給されることになる。
なお、親水性を増長させる改質処理(すなわち親水化処理)は、例えば、処理室201内の圧力、H2ガスの流量、ウエハ200の温度、高周波電力等の供給具合に応じて、所定の厚さ、所定の分布、所定の侵入深さで行われる。
第1処理工程(S203)を所定時間行った後は、第1ガス供給部243によるH2ガスの供給を停止するとともに、整合器251および高周波電源252を利用した高周波電力等の供給を停止する。そして、処理室201中に存在する残留ガスを排気管224から排気しつつ、第1パージ工程(S204)を行う。
第1パージ工程(S204)を所定時間行った後は、第3ガス供給部245によるN2ガスの供給を停止して、第2処理工程(S205)を行う。
なお、疎水性を増長させる改質処理(すなわち疎水化処理)は、例えば、処理室201内の圧力、F2ガスの流量、ウエハ200の温度、高周波電力等の供給具合に応じて、所定の厚さ、所定の分布、所定の侵入深さで行われる。
第2処理工程(S205)を所定時間行った後は、第2ガス供給部244によるF2ガスの供給を停止するとともに、整合器251および高周波電源252を利用した高周波電力等の供給を停止する。そして、処理室201中に存在する残留ガスを排気管224から排気しつつ、第2パージ工程(S206)を行う。
第2パージ工程(S206)を所定時間行った後は、第3ガス供給部245によるN2ガスの供給を停止して、搬送圧力調整工程(S207)を行う。
搬送圧力調整工程(S207)で処理室201内と移載室203内が所定圧力になった後は、ゲートバルブ1490を開き、基板搬入出口1480を介して、図示せぬ真空搬送室にウエハ200を搬出する。
次に、上述の改質処理を行った後のウエハ200に対して、半導体装置(半導体デバイス)の製造工程の一工程として、DSAによるパターニング処理におけるレジスト材料の塗布・硬化処理(S103)を行う際のシーケンス例について、図6および図7を参照して説明する。
レジスト材料の塗布・硬化処理(S103)は、処理対象となるウエハ200を収容する処理室と、処理室内の温度を調整する温度調整機構と、処理室内のウエハ200の面上にレジスト材料を塗布する塗布機構と(ただし、いずれも不図示)、を備えた塗布装置を用いて行う。塗布装置における各機構は、公知技術を利用して構成されたものであればよい。
続いて、上述の塗布装置を用いて行うレジスト材料の塗布・硬化処理(S103)の手順について、図7を参照しながら説明する。
レジスト材料の塗布・硬化処理(S103)に際しては、先ず、処理対象となる改質処理後のウエハ200を、塗布装置の処理室内に搬入して塗布機構の回転台401上に載置する。なお、基板搬入工程(S301)は、回転台401上のウエハ200が所定温度となるようにする温度調整処理を含んでいてもよい。そして、処理室内の温度が安定したら、次工程に移る。
塗布工程(S302)では、回転台401上のウエハ200に対して、回転台401を回転させながら滴下ノズル402からフォトレジスト材料を滴下して、ウエハ200の面上へのフォトレジスト材料の塗布を行う。
このとき、フォトレジスト材料としてDSAレジスト材料を滴下する。DSAレジスト材料は、既に説明したように、2種類以上のポリマーブロックが共重合してなるブロックコポリマーであり、代表的な一例としてジブロック共重合体であるPS−PMMAが挙げられる。
DSAレジスト材料の滴下位置は、ウエハ200の面上のガイドパターンが形成されていない部分、すなわち基板表面特性改質処理(S102)で中性化された部分である。
そして、所定量(例えばウエハ200の面上に所望膜厚が形成される量)のDSAレジスト材料を滴下したら、塗布工程(S302)を終了する。
分離工程(S303)では、ウエハ200の面上に塗布されたDSAレジスト材料を構成する各種ポリマーブロック(例えばPMMA13aとPS13bのそれぞれ)が規則正しく並ばせる。具体的には、塗布工程(S302)の終了後、各種ポリマーブロックが並ぶのに必要な所定時間が経過するのを待つ。このときの所定時間は、使用したDSAレジスト材料の種類に応じて決定される。なお、上述のように、オーブンやホットプレート等を用いて、80℃〜400℃程度の温度で、10秒〜120分程度の時間で、加熱を行ってもよい。
その後は、乾燥工程(S304)を行って、ウエハ200の面上に塗布されたDSAレジスト材料が乾燥するのを待つ。具体的には、分離工程(S303)の終了後、各種ポリマーブロックが乾燥するのに必要な所定時間が経過するのを待つ。このときの所定時間は、使用したDSAレジスト材料の種類に応じて決定される。
さらにその後は、ベーク工程(S305)を行って、ウエハ200の面上に塗布されたDSAレジスト材料を硬化させる。具体的には、乾燥工程(S304)の終了後、例えばオーブンやホットプレート等を用いて、80℃〜400℃程度の温度で10秒〜120分程度の時間で加熱を行う。
DSAレジスト材料の硬化後は、基板搬出工程(S308)を行って、塗布装置の処理室内からウエハ200を搬出する。なお、基板搬出工程(S308)は、処理室内の温度や圧力等を調整する処理を含んでいてもよい。そして、DSAレジスト材料が硬化した状態のウエハ200を搬出したら、レジスト材料の塗布・硬化処理(S103)を終了して、次工程であるDSAレジスト改質工程(S104)やパターン形成工程(S105)等に移る。
本実施形態によれば、以下に示す一つまたは複数の効果を奏する。
以上に、本発明の一実施形態を具体的に説明したが、本開示が上述の実施形態に限定されることはなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能である。
以下に、本発明の好ましい態様について付記する。
本発明の一態様によれば、
ガイドパターンが形成された基板を処理室に収容する工程と、
前記基板に対する親水化処理または疎水化処理のいずれか一方を行う第1処理ガスのプラズマを前記処理室に供給する第1処理工程と、
前記第1処理工程の後に、前記基板に対する親水化処理または疎水化処理のいずれか他方を行う第2処理ガスのプラズマを前記処理室に供給する第2処理工程と、
前記第2処理工程の後に、前記基板の面上の前記ガイドパターンが形成されていない部分に二種類以上の有機材料を含むフォトレジスト材料を塗付する工程と、
を有する半導体装置の製造方法が提供される。
好ましくは、
前記フォトレジスト材料は、分子量の異なる2種類の高分子を結合させた自己組織化レジスト材料である
付記1に記載の半導体装置の製造方法が提供される。
好ましくは、
前記第1処理ガスまたは前記第2処理ガスのいずれか一方は、前記基板に対する親水化処理を行う水素含有ガスであり、
前記第1処理ガスまたは前記第2処理ガスのいずれか他方は、前記基板に対する疎水化処理を行うフッ素含有ガスである
付記1または2に記載の半導体装置の製造方法が提供される。
好ましくは、
前記第1処理工程は、等方的に処理を行い、
前記第2処理工程は、異方的に処理を行う
付記1から3のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法が提供される。
好ましくは、
前記第1処理工程は、前記基板にバイアスを印加しない状態で処理を行い、
前記第2処理工程は、前記基板にバイアスを印加した状態で処理を行う
付記4に記載の半導体装置の製造方法が提供される。
好ましくは、
前記第2処理工程は、前記第1処理工程のときよりも前記処理室内の圧力を低くした状態で処理を行う
付記4または5に記載の半導体装置の製造方法が提供される。
好ましくは、
前記第1処理工程と前記第2処理工程の間に、前記処理室にパージガスを供給する工程
を有する付記1から6のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法が提供される。
本発明の他の一態様によれば、
ガイドパターンが形成された基板を収容する処理室と、
前記基板に対する親水化処理または疎水化処理のいずれか一方を行う第1処理ガスのプラズマを前記処理室に供給する第1ガス供給部と、
前記基板に対する親水化処理または疎水化処理のいずれか他方を行う第2処理ガスのプラズマを前記処理室に供給する第2ガス供給部と、を有し、
前記第1ガス供給部および前記第2ガス供給部が、少なくとも前記基板の面上と前記ガイドパターンの壁面とについて、異なる濡れ性を付与するように構成された
基板処理装置が提供される。
本発明のさらに他の一態様によれば、
ガイドパターンが形成された基板を処理室に収容する手順と、
前記基板に対する親水化処理または疎水化処理のいずれか一方を行う第1処理ガスのプラズマを前記処理室に供給する第1処理手順と、
前記第1処理手順の後に、前記基板に対する親水化処理または疎水化処理のいずれか他方を行う第2処理ガスのプラズマを前記処理室に供給する第2処理手順と、
前記第2処理手順の後に、前記基板の面上の前記ガイドパターンが形成されていない部分に二種類以上の有機材料を含むフォトレジスト材料を塗付する手順と、
をコンピュータによって基板処理装置に実行させるプログラムが提供される。
本発明のさらに他の一態様によれば、
ガイドパターンが形成された基板を処理室に収容する手順と、
前記基板に対する親水化処理または疎水化処理のいずれか一方を行う第1処理ガスのプラズマを前記処理室に供給する第1処理手順と、
前記第1処理手順の後に、前記基板に対する親水化処理または疎水化処理のいずれか他方を行う第2処理ガスのプラズマを前記処理室に供給する第2処理手順と、
前記第2処理手順の後に、前記基板の面上の前記ガイドパターンが形成されていない部分に二種類以上の有機材料を含むフォトレジスト材料を塗付する手順と、
をコンピュータによって基板処理装置に実行させるプログラムが格納されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体が提供される。
Claims (9)
- ガイドパターンが形成された基板を処理室に収容する工程と、
前記基板に対する親水化処理または疎水化処理のいずれか一方を行う第1処理ガスのプラズマを前記処理室に供給する第1処理工程と、
前記第1処理工程の後に、前記基板に対する親水化処理または疎水化処理のいずれか他方を行う第2処理ガスのプラズマを前記処理室に供給する第2処理工程と、
を有し、
前記第1処理工程では、等方的に処理を行い、
前記第2処理工程では、異方的に処理を行う
半導体装置の製造方法。 - 前記第2処理工程の後に、前記基板の面上の前記ガイドパターンが形成されていない部分に二種類以上の有機材料を含むフォトレジスト材料を塗付する工程と、
を有する請求項1に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第1処理ガスまたは前記第2処理ガスのいずれか一方は、前記基板に対する親水化処理を行う水素含有ガスであり、
前記第1処理ガスまたは前記第2処理ガスのいずれか他方は、前記基板に対する疎水化処理を行うフッ素含有ガスである
請求項1又は2に記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第1処理工程では、前記基板にバイアスを印加しない状態で処理を行い、
前記第2処理工程では、前記基板にバイアスを印加した状態で処理を行う
請求項1から3のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第2処理工程では、前記第1処理工程のときよりも前記処理室内の圧力を低くした状態で処理を行う
請求項1から4のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。 - 前記第1処理工程と前記第2処理工程の間に、前記処理室にパージガスを供給する工程を有する
請求項1から5のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。 - ガイドパターンが形成された基板を収容する処理室と、
前記基板に対する親水化処理または疎水化処理のいずれか一方を行う第1処理ガスのプラズマを前記処理室に供給する第1ガス供給部と、
前記基板に対する親水化処理または疎水化処理のいずれか他方を行う第2処理ガスのプラズマを前記処理室に供給する第2ガス供給部と、
前記基板に対する親水化処理または疎水化処理のいずれか一方を行う第1処理ガスのプラズマを前記処理室に供給して等方的に処理を行う第1処理手順の後に、前記基板に対する親水化処理または疎水化処理のずれか他方を行う第2処理ガスのプラズマを前記処理室に供給して異方的に処理を行う第2処理手順を行わせる様に前記第1ガス供給部と前記第2ガス供給部とを制御する制御部と、
を有する基板処理装置。 - ガイドパターンが形成された基板を処理室に収容する手順と、
前記基板に対する親水化処理または疎水化処理のいずれか一方を行う第1処理ガスのプラズマを前記処理室に供給して等方的に処理を行う第1処理手順と、
前記第1処理手順の後に、前記基板に対する親水化処理または疎水化処理のいずれか他方を行う第2処理ガスのプラズマを前記処理室に供給して異方的に処理を行う第2処理手順と、
をコンピュータによって基板処理装置に実行させるプログラム。 - ガイドパターンが形成された基板を処理室に収容する手順と、
前記基板に対する親水化処理または疎水化処理のいずれか一方を行う第1処理ガスのプラズマを前記処理室に供給して等方的に処理を行う第1処理手順と、
前記第1処理手順の後に、前記基板に対する親水化処理または疎水化処理のいずれか他方を行う第2処理ガスのプラズマを前記処理室に供給して異方的に処理を行う第2処理手順と、
をコンピュータによって基板処理装置に実行させるプログラムが格納されたコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
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