JP7203677B2 - パターン形成方法及びパターン形成システム - Google Patents

Description

本開示は、パターン形成方法及びパターン形成システムに関する。

特許文献１には、基板を水平姿勢で保持する基板保持手段と、現像液を吐出するためのスリット状吐出口が設けられた平面状の底面を有する現像液吐出ノズルと、前記基板保持手段に静止状態で保持された基板の表面に対して前記現像液吐出ノズルの前記底面が平行な状態を保ち基板の表面と前記現像液吐出ノズルの前記底面との間に互いに平行な平面で挟まれた空間が形成されるように前記現像液吐出ノズルを前記基板に対して相対的に移動させる移動手段と、前記現像液吐出ノズルおよび前記移動手段を制御する制御手段とを備えた現像装置が開示されている。

特開２００８－１８２２５７号公報

本開示にかかる技術は、現像液を用いずに基板表面にパターンを形成する。

本開示の一態様は、基板にパターンを形成する方法であって、基板上にレジスト膜を塗布するレジスト膜塗布工程と、前記レジスト膜に対してパターンのマスクを介してエネルギーを照射し、照射領域の前記レジスト膜の架橋を促進させる架橋促進工程と、前記エネルギーの未照射領域のレジスト膜を酸素が存在するエア雰囲気内でＵＶ光の照射によって除去する除去工程と、前記エネルギーの未照射領域のレジスト膜を除去した領域に、残置しているレジスト膜の高さ以下の高さで、シルセスキオキサンを塗布する塗布工程と、前記塗布工程の後に、前記残置しているレジスト膜を除去する残置レジスト膜除去工程と、を有する。

本開示によれば、現像液を用いることなく基板表面にパターンを形成することができる。

本実施形態にかかるパターン形成システムの構成の概略を示す説明図である。 第１の実施形態にかかるパターン形成システムによってウェハ上にパターンを形成していく様子を模式的に示した説明図である。 第２の実施形態にかかるパターン形成システムによってウェハ上にパターンを形成していく様子を模式的に示した説明図である。 第１の実施形態にかかるパターン形成システムによって形成されたパターン内の様子を模式的に示した説明図である。 第２の実施形態にかかるパターン形成システムによって形成されたパターン内の様子を模式的に示した説明図である。

半導体デバイスの製造プロセスにおいては、半導体ウェハ（以下、「ウェハ」という場合がある。）にレジスト液を塗布してレジスト膜を形成し、その後露光装置によって当該レジスト膜上にパターンを露光し、その後当該基板に対して現像処理を行い、基板表面にパターンを形成する。

特許文献１が開示している現像処理は、パターンが露光された基板に対して、現像液を供給し、現像処理してパターンを形成している。

しかしながら、従来の現像液を供給して現像処理する方法では、ＬＷＲ（Ｌｉｎｅ Ｗｉｄｔｈ Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ：線幅の揺らぎ）が悪化することがある。その原因としては、現像液によるレジスト膜の溶解やパターンの膨潤が考えられる。またその他に、いわゆるパターン倒れの発生に起因することがある。

本開示の技術は、そのような現像液による現像の際に生ずる不具合を解消するため、現像液を用いることなく基板表面にパターンを形成する。

以下、本実施形態にかかるパターン形成方法及びパターン形成システムについて、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書において、実質的に同一の機能構成を有する要素においては、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜パターン形成システム＞
図１は、本実施形態にかかるパターン形成システム１の構成の概略を示す説明図である。本実施形態にかかるパターン形成システム１は、基板としてのウェハに対して、たとえばカーボン系のハードマスクを、スピンコーティング法によって塗布するハードマスク塗布装置１０と、当該ハードマスク上にレジスト膜の定着性を向上させるＨＭＤＳの蒸気を供給するアドヒージョン装置２０と、レジスト膜、たとえばＥＢレジスト膜を塗布するレジスト塗布装置３０とを有している。

またパターン形成システム１は、ＥＢによってパターンを露光する露光装置２によってパターンが露光された後のウェハに対して、ＵＶ光を照射する、ＵＶ光照射装置４０を有している。このＵＶ光照射装置４０は、例えば酸素が存在するエア雰囲気内でウェハに対してＵＶ光を照射することができる。

さらにパターン形成システム１は、ウェハに対してシルセスキオキサンを供給してスピンコーティング法によってウェハ上にシルセスキオキサンを塗布するシルセスキオキサン塗布装置５０を有している。本実施の形態では、シルセスキオキサンとして、ポリ［（３－マタクリロイルオキシプロピル）シルセスキオキサン］誘導体が４５～５５％、プロピレングリコールモノブチルエーテルが５５％～４５％の含有量を有する市販のものを用いた。

パターン形成システム１によってウェハ上に残置しているレジスト膜を例えばプラズマエッチングによって除去するエッチング装置３が、パターン形成システム１とは別の装置して設置されている。なおエッチング装置３は、名称に限らずアッシング処理を行なうものであってもよい。例えばプラズマアッシング装置やＵＶアッシング装置もエッチング装置３に代えて使用できる。

以上のパターン形成システム１には、図１に示すように制御部１００が設けられている。制御部１００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、パターン形成システム１におけるウェハ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、上述のハードマスク塗布装置１０、アドヒージョン装置２０、レジスト塗布装置３０、ＵＶ光照射装置４０、シルセスキオキサン塗布装置５０、その他の処理装置、さらには各種搬送装置（図示せず）などの駆動系の動作を制御して、パターン形成システム１において実行されるパターン形成プロセスを実現させるためのプログラムも格納されている。なお、上記プログラムは、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、当該記憶媒体Ｈから制御部１００にインストールされたものであってもよい。

＜パターン形成方法の第１の実施の形態＞
次に、前記した構成にかかるパターン形成システム１を用いた実施の形態にかかるパターン形成方法を説明する。

まず図２（ａ）に示したように、ウェハＷのシリコン基板６０に対してハードマスクとしてカーボン膜６１が形成される。このプロセスは、ハードマスク塗布装置１０によって行われる。このときのカーボン膜６１の厚さは、たとえば１００ｎｍ未満である。

次いで、カーボン膜６１の上に、ＨＭＤＳ膜６２が、アドヒージョン装置２０によって形成される。このとき、ＨＭＤＳ膜６２の膜厚は、たとえば１０ｎｍ以下、例えば数ｎｍの厚さで形成される。

そしてその後ＨＭＤＳ膜６２の上に、レジスト塗布装置３０によってレジスト膜、例えばＥＢ（電子線ビーム）レジスト膜６３が、たとえば３０ｎｍ以下の膜厚で塗布形成される。ＥＢレジスト膜６３の塗布形成が終わると、その後必要な熱処理を経てウェハＷ上に安定したＥＢレジスト膜６３が形成される。この例では、ＥＢレジスト膜６３の膜厚は、１０ｎｍとなるように制御されている。

ＥＢレジスト膜６３が形成されたウェハＷは、露光装置２に移送され。ＥＢによって所定のパターンが露光される。この時のＥＢのエネルギーによって、ＥＢ照射領域のＥＢレジスト膜６３は、架橋が促進される。一方、ＥＢ未照射領域のＥＢレジスト膜６３は架橋が殆ど進行していない。

次にパターンが露光されたウェハＷはパターン形成システム１に戻され、図２（ｂ）に示したように、ＵＶ光照射装置４０に搬入されて、ＵＶ光が照射される。本実施の形態では、たとえば波長が１７２ｎｍ、単位面積当たりのエネルギー量が１５００ｍＪ／ｃｍ^２のＵＶ光が照射される。このとき、ＵＶ光照射装置４０内は、酸素が存在するエア雰囲気である。照射時間としては、例えば１５～１８０秒、より好ましくは４０～９０秒である。

このＵＶ光の照射によって、ＥＢ未照射領域のＥＢレジスト膜６３は除去される。一方、ＥＢ照射領域のＥＢレジスト膜６３は、架橋が進んでいるから、ＵＶ光の照射によっては除去されず、残置したレジスト膜６３ａとなる。この残置したＥＢレジスト膜６３ａは疎水性を有している。

また前記したＵＶ光の照射によって、ＥＢ未照射領域のＥＢレジスト膜６３は除去されるが、当該除去によって下層のＨＭＤＳ膜６２は、ＳｉＯ_２化してＳｉＯ_２膜６４となり、親水性を有している。

その後、残置したレジスト膜６３ａ及び凹部にＳｉＯ_２膜６４を有するウェハＷは、シルセスキオキサン塗布装置５０へと搬入され、例えばスピンコーティング法によってシルセスキオキサンがウェハＷ上に塗布される。これによって、ＥＢ未照射領域のＥＢレジスト膜６３の跡（凹部）に、シルセスキオキサン６５が充填される。すなわち、シルセスキオキサンが凹部に埋め込まれる。このとき、ＳｉＯ_２膜６４は親水性を有し、また残置しているＥＢレジスト膜６３ａは疎水性を有しているから、そのような充填、埋め込みプロセスは好適に行える。

またかかる場合、シルセスキオキサン６５が埋め込まれる高さ（充填高さ）ｈについては、残置しているＥＢレジスト膜６３ａの高さと同じかそれより低いものとし、残置しているＥＢレジスト膜６３ａの表面をシルセスキオキサン６５が覆わないようにする。

その後、このウェハＷをエッチング装置３に搬送し、当該ウェハＷに対してプラズマエッチング処理が行われる。そのときの処理条件は、例えばエッチング装置３の処理容器内圧力は、２０ｍＴ、プラズマ生成用の高周波（たとえば１３．５６ＭＨｚ）の電力は５００Ｗ、イオンをウェハＷ上に引き込むための高周波（たとえば１３．５６ＭＨｚ）の電力は２００Ｗとし、プラズマ励起用のアルゴンガスの流量は１６５ｓｃｃｍ、酸素ラジカル生成用の酸素ガスの流量は２５ｓｃｃｍとした。

この条件でウェハＷに対してプラズマエッチング処理を行なうと、図２（ｄ）に示したように、残置しているＥＢレジスト膜６３ａ及びその下層のＨＭＤＳ膜６２が酸素ラジカルによって除去される。またシルセスキオキサン膜６５の表面は、例えば数ｎｍの深さでＳｉＯ_２化され、ＳｉＯ_２膜６６となる。

以上のプロセスによって、ウェハＷ上には、凸部表面を構成するＳｉＯ_２膜６６と、凹部となる表面がハードマスクのカーボン膜６１によるパターンが形成される。

このように本実施の形態では、現像液を用いることなく、ウェハＷの表面にパターンを形成することができる。したがって、従来の現像液による現像の際に生ずるＬＷＲの悪化やパターン倒れが生ずるおそれはない。

＜パターン形成方法の第２の実施の形態＞
第２の実施の形態にかかるパターン形成方法について、図３に基づいて説明する。第２の実施の形態にかかるパターン形成方法は、前記した第１の実施の形態にかかるパターン形成方法と比較して、シルセスキオキサン塗布装置５０へ搬入し、例えばスピンコーティング法によってシルセスキオキサンをウェハＷ上に塗布するまでは同じである。すなわち、第２の実施の形態にかかるパターン形成方法における図３（ａ）～（ｃ）までの処理は、第１の実施の形態にかかるパターン形成方法における図２（ａ）～（ｃ）と同じである。

そして第２の実施の形態にかかるパターン形成方法では、シルセスキオキサンをウェハＷ上に塗布して、ＥＢ未照射領域のＥＢレジスト膜６３の跡（凹部）に、シルセスキオキサン６５を充填した後、一旦ウェハＷをＵＶ光照射装置４０に搬入し、ＵＶ光をウェハＷに対して照射するようにしている。すなわち、シルセスキオキサンの酸化を促進する酸化促進工程を行なう。ここでＵＶ光の照射条件は、波長が１７２ｎｍ、単位面積当たりのエネルギー量が１５００ｍＪ／ｃｍ^２のＵＶ光を照射し、ＵＶ光照射装置４０内は、酸素が存在するエア雰囲気としている。これは図２（ｂ）、図３（ｂ）で示したＵＶ光の照射の際の条件と同じである。また照射時間としては、例えば１５～１８０秒、より好ましくは４０～９０秒である。

このようにＥＢ未照射領域のＥＢレジスト膜６３の跡（凹部）に、シルセスキオキサン６５を充填した後に、図３（ｄ）に示したように、ＵＶ光を再び照射することで、シルセスキオキサン６５を硬化させるとともに、ＳｉＯ_２化を促進することができる。これによって、シルセスキオキサン６５の膜を速やかにＳｉＯ_２膜６４に改質させることができる。

その後は第１の実施の形態にかかるパターン形成方法と同じく、ウェハＷに対してプラズマエッチング処理を行なうと、図３（ｄ）に示したように、残置しているＥＢレジスト膜６３ａが酸素ラジカルによって除去される。

以上のプロセスにより、第２の実施の形態にかかるターン形成方法によっても、ウェハＷ上に、凸部を構成するＳｉＯ_２膜６４と凹部となる表面がハードマスクのカーボン膜６１によるパターンを形成することができる。したがって、現像液を用いることなく、ウェハＷの表面にパターンを形成することができ、従来の現像液による現像の際に生ずるＬＷＲの悪化やパターン倒れのおそれはない。

第１の実施の形態にかかるパターン形成方法と第２の実施の形態にかかるパターン形成方法との違いは、シルセスキオキサン６５を充填した後に、ＵＶ光を照射せずにプラズマエッチング処理するか、一旦ＵＶ光を照射した後にプラズマエッチング処理するかの違いである。

そこでそのような装置によるパターンの内部を調べた。まず図４に示したように、第１の実施の形態にかかるパターン形成方法では、図４（ａ）に示したように、シルセスキオキサン膜６５の最表面のみがＳｉＯ_２化され、ＳｉＯ_２膜６６となっている。その後酸素プラズマによるエッチング処理を３０秒間行った後は、図４（ｂ）に示したように、シルセスキオキサン膜６５は若干密になっているが、全体としてＳｉＯ_２化するには至らず、さらに３０秒間エッチング処理を行なっても、図４（ｃ）に示したように、シルセスキオキサン膜６５の組成は殆ど変化せず、膜厚自体が若干減るだけである。

これに対して、第２の実施の形態にかかるパターン形成方法では、図５（ａ）に示したように、シルセスキオキサン膜６５の塗布形成後は第１の実施の形態にかかるパターン形成方法と同じく、シルセスキオキサン膜６５の最表面のみがＳｉＯ_２化されて最表層のＳｉＯ_２膜６４ａが形成されている。

しかしながら、その後にＵＶ光を照射することで、図５（ｂ）に示したように、シルセスキオキサン膜６５中の有機分を膜中から放出させて、無機材料のＳｉＯ_２膜６４ｂとすることができる。なおその下層に位置しているは、ＨＭＤＳが改質したＳｉＯ_２膜６４ｃである。

そしてその後酸素プラズマによるエッチング処理を３０秒間行った後は、図５（ｃ）に示したように、ＳｉＯ_２膜６４ｂは密になり、さらに３０秒間エッチング処理を行なうと図５（ｄ）に示したように、ＳｉＯ_２膜６４ｂはさらに緻密になる。したがって、第２の実施の形態にかかるパターン形成方法によって形成されたＳｉＯ_２膜のパターンは、第１の実施の形態にかかるパターン形成方法によって形成されたＳｉＯ_２膜のパターンよりもより安定化したものとなる。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の特許請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。

なお、以下のような構成も本開示の技術的範囲に属する。
（１）基板にパターンを形成する方法であって、
基板上にレジスト膜を塗布するレジスト膜塗布工程と、
前記レジスト膜に対してパターンのマスクを介してエネルギーを照射し、照射領域の前記レジスト膜の架橋を促進させる架橋促進工程と、
前記エネルギーの未照射領域のレジスト膜をＵＶ光の照射によって除去する除去工程と、
前記エネルギーの未照射領域のレジスト膜を除去した領域に、残置しているレジスト膜の高さ以下の高さで、シルセスキオキサンを塗布する塗布工程と、
を有する、パターン形成方法。
（２）前記塗布工程の後にＵＶ光を照射して前記シルセスキオキサンの酸化を促進する酸化促進工程を有する、（２）に記載のパターン形成方法。
（３）前記塗布工程の後に、前記残置しているレジスト膜を除去する残置レジスト膜除去工程を有する、（１）または（２）のいずれかに記載のパターン形成方法。
（４）基板にパターンを形成するシステムであって、
基板上にレジスト膜を塗布するレジスト塗布装置と、
前記レジスト膜に対してマスクを介してエネルギーを照射して照射領域の架橋が促進された基板に対して、ＵＶ光を照射するＵＶ光照射装置と、
前記エネルギーの未照射領域のレジスト膜を除去した領域に、残置しているレジスト膜の高さ以下の高さでシルセスキオキサンを塗布するシルセスキオキサン塗布装置と、
を有するパターン形成システム。

１ パターン形成システム
２ 露光装置
３ エッチング装置
１０ ハードマスク塗布装置
２０ アドヒージョン装置
３０ レジスト塗布装置
４０ ＵＶ光照射装置
５０ シルセスキオキサン塗布装置
６１ カーボン膜
６２ ＨＭＤＳ膜
６３ ＥＢレジスト膜
６４、６４ａ ＳｉＯ_２膜
６５ シルセスキオキサン膜
１００ 制御部
Ｗ ウェハ

Claims (3)

1. 基板にパターンを形成する方法であって、
   基板上にレジスト膜を塗布するレジスト膜塗布工程と、
   前記レジスト膜に対してパターンのマスクを介してエネルギーを照射し、照射領域の前記レジスト膜の架橋を促進させる架橋促進工程と、
   前記エネルギーの未照射領域のレジスト膜を酸素が存在するエア雰囲気内でＵＶ光の照射によって除去する除去工程と、
   前記エネルギーの未照射領域のレジスト膜を除去した領域に、残置しているレジスト膜の高さ以下の高さで、シルセスキオキサンを塗布する塗布工程と、
   前記塗布工程の後に、前記残置しているレジスト膜を除去する残置レジスト膜除去工程と、
   を有する、パターン形成方法。
2. 前記塗布工程の後にＵＶ光を照射して前記シルセスキオキサンの酸化を促進する酸化促進工程を有する、請求項１に記載のパターン形成方法。
3. 基板にパターンを形成するシステムであって、
   基板上にレジスト膜を塗布するレジスト塗布装置と、
   前記レジスト膜に対してマスクを介してエネルギーを照射して照射領域の架橋が促進された基板に対して、ＵＶ光を照射するＵＶ光照射装置と、
   前記エネルギーの未照射領域のレジスト膜を除去した領域に、残置しているレジスト膜の高さ以下の高さでシルセスキオキサンを塗布するシルセスキオキサン塗布装置と、
   前記残置しているレジスト膜を除去する装置と、
   を有するパターン形成システム。

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