JPH07161619A - 半導体ウェハのベーク方法及びベーク装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ホトリソグラフィ工程におけるホトレジスト
の加工形状を改善する。 【構成】 半導体ウェハの主面側と裏面側とに熱源を設
け、高湿環境下で、主面に塗布されたホトレジストをベ
ークする。プリベークでは、アルカリ性水溶液を用い、
露光後現像前のベークでは、純水を用いベーク装置に載
置した半導体ウェハのホトレジストに水分を供給しなが
ら、半導体ウェハのベークを行う。 【効果】 プリベークでは、残存する有機溶剤の濃度
が、表面付近では低く下地付近では高くなり、表面付近
の溶解性が低下し、下地付近では向上するので、膜減り
及びレジスト残りが減少する。露光後現像前のベークで
は、レジスト表面が親水性となり現像液の拡散が円滑と
なる。工程数を増加させずにアルカリ処理を行なうこと
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主面にホトレジストな
どの処理液を塗布した半導体ウェハのベーク技術に関
し、特に、ホトレジストをスピン塗布した後の或いはホ
トレジストをアライナ等で露光した後の半導体ウェハの
ベークに適用して有効な技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウェハの微細加工を行うホトリソ
グラフィ工程では、半導体ウェハ主面にホトレジストを
塗布し、ホトマスクの位置合わせをしてホトレジストに
ホトマスクのパターンを露光し、現像液で可溶部分を溶
解除去してホトレジストをパターン形成し、ホトレジス
トをマスクにしたエッチング等で半導体ウェハ主面に配
線等のパターン形成を行なった後に、ホトレジストのパ
ターンを除去することによりウェハ主面に配線等を形成
する。

【０００３】このリソグラフィ工程の前記各処理の間
に、半導体ウェハには種々のベークが行われる。このよ
うなベークとしては、ホトレジストの塗布前に半導体ウ
ェハ表面に付着している水分を蒸発させ、ホトレジスト
の下地となる半導体ウェハの表面とホトレジストとの接
着性をよくするための塗布前ベーク、ホトレジストを塗
布後に、ホトレジスト膜と下地との接着性を増し、塗布
したホトレジスト中の有機溶剤を除去するための露光前
ベーク（プリベーク）、ホトレジスト露光後に、パター
ンの形状を改善するための露光後ベーク、現像後に、ホ
トレジストと下地との接着性を改善し、耐エッチング性
を向上させ、かつホトレジスト内部の水分を除去するた
めの現像後のベーク（ポストベーク）が行われている。

【０００４】従来これらのベークは、塗布したホトレジ
ストの残留溶剤の定量揮発を目的として、ベーク装置内
の乾燥雰囲気中で半導体ウェハを加熱することによって
行われ、ホトレジストを塗布した主面側を上向きにして
熱源であるホットプレート上に密着或いはわずかに浮か
せた状態に半導体ウェハを載置し、半導体ウェハの裏面
側から、設定された一定温度で一定時間加熱処理が行な
われている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】半導体デバイスの微細
化に伴って、ホトリソグラフィ工程におけるホトレジス
トは、より寸法及び形状の両面について微細かつ高精度
に加工することが要求されている。ホトレジスト膜の加
工形状については、平面形状はマスクパターンに正確に
対応し、断面形状は矩形に形成されるのが理想である。
だが、現実にはホトレジスト膜の表面と下地の近くとで
は溶解の進行に差が生じるために、下地に近づくに従っ
て溶解されるはずのホトレジストが残留してしまう。そ
のためホトレジスト膜は底面が拡がった台形形状に形成
される。また、ホトレジスト膜の表面では逆に残留する
はずのホトレジストが溶解されて、膜減りが生じ、形状
が悪化する。

【０００６】このような形状の悪化は、露光前ベーク
（以下プリベーク）後のホトレジスト内に残留している
溶剤量と密接な関係があり、一般に残留溶剤量が多い程
現像が進行すると考えられている。

【０００７】従来のベーク方式の場合、底面からの熱伝
導で残留溶剤を揮発させるため、ホトレジスト上層部に
比較的多くの溶剤が存在し、現像後のホトレジストパタ
ーンは台形となりやすい。

【０００８】この点を改善するために、ホトレジスト表
面方向から加熱し、ホトレジスト表面に対しては、残留
溶剤量を減らし現像液に対する溶解性を低下させ、ホト
レジスト底面に対しては、残留溶剤を残留させ現像液に
対する溶解性を上げることを目的とした熱風ベークを試
みた。その結果、ホトレジスト表面の難溶解性について
は効果が見られたが、ホトレジスト底面については、従
来のホットプレートによるものとの明らかな差は見られ
なかった。熱風ベークの実験に際し、半導体ウェハの温
度を均一にする為、同一温度の熱風を基板の上下から吹
き付けた。よって、ホトレジスト表面からの熱伝達に加
えウェハ下面からの加熱によって、ホトレジスト底面の
残留溶剤も移動してしまった結果と考えられる。

【０００９】また、例えば現在広く使用されているポジ
型のホトレジストでは、光反応機構を利用し、光照射を
受けた部分が可溶化することによってパターン形成する
が、この際に露光した感光基が反応せずに不溶化してし
まい、形状性が低下することがある。

【００１０】ナフトキノンジアジドを感光剤として用い
たものを例にとると、ホトレジストのナフトキノンジア
ジドが、露光することにより光反応を起こし、窒素を放
出し、水と反応してインデンカルボン酸となる。このイ
ンデンカルボン酸がアルカリ水溶液である現像液に溶解
し現像されるメカニズムとなっている。しかし、従来の
ベーク方式は、溶剤の除去を目的とし、ホトレジスト中
の水分については考慮されていない。

【００１１】未露光のホトレジスト膜をアルカリに接触
させると、感光性成分と樹脂成分との間で、現像液に対
する不溶化反応が起こることが知られている。この反応
を利用し、露光前のウェハにアルカリ処理を行い現像寸
法精度を向上させる技術（ＨＡＲＤ，ＬＥＮＯＳ）が考
えられているが、この処理を半導体製造プロセスに導入
した場合、工程数の増加につながってしまいスループッ
トが低下するという問題がある。

【００１２】また、露光後現像前ベークによってホトレ
ジスト表面が疎水性となることによって、半導体ウェハ
上への現像液滴下（パドル滴下）時に現像液が拡散する
際の時間差が生じ、これが現像の進行に影響して現像寸
法精度ばらつき要因になるという問題がある。

【００１３】半導体装置の素子パターン微細化の進行に
よって、ホトレジストのパターンも細くなりパターンの
間隔も狭められている。前述した形状性の悪化は、パタ
ーン微細化の障害となるため、ホトレジスト膜の加工形
状の精度をより向上させることが課題となっている。

【００１４】本発明の目的は、ホトリソグラフィ工程に
おけるホトレジストの加工形状を改善することが可能な
技術を提供することにある。

【００１５】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らか
になるであろう。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
下記のとおりである。

【００１７】ベーク装置に載置した半導体ウェハのホト
レジストに水分を供給しながら、半導体ウェハのベーク
を行う。供給する水分としてプリベークではアルカリ性
の水溶液或いは純水を使用し、露光後現像前のベークで
は純水を使用する。

【００１８】

【作用】上述した手段によれば、プリベークでは、ホト
レジスト表面を最適水分、温度、時間を制御したスチー
ムによって加熱することで、ホトレジスト層内の残留溶
剤の移動を抑制しつつ、表面付近の残留溶剤の揮発を進
行させることが可能となる。これは、基板上にホトレジ
ストを塗布する雰囲気の湿度を変化させると、ホトレジ
スト膜厚が変化する（湿度を高くすると膜厚は薄くな
る）ことが実験から明らかになっており、この現象は、
湿度の上昇による溶剤の揮発が抑制されるからと考えら
れる。従って、高湿雰囲気でプリベークすることで、残
留溶剤の移動を抑制した状態で加熱することができると
考えられる。それによって、ホトレジスト膜に残存する
有機溶剤の濃度を、表面付近では低く底面付近では高く
することができるので、ホトレジスト膜の現像液に対す
る溶解性が、表面付近では溶解性が低下し、底面付近で
は向上するので、膜減り及びホトレジスト残りが減少
し、ホトレジストパターンの加工形状を改善することが
できる。

【００１９】また、高湿雰囲気でベークすることで、ホ
トレジスト内残留水分の揮発を抑制し、最適水分量の確
保が可能となり、光反応を一定にできる。

【００２０】この高湿雰囲気の作成手段として、アルカ
リ水溶液を用いることによって、プリベークと同時に露
光前アルカリ処理を行うことが可能となり、工程数を増
加させることがない。

【００２１】さらに、露光後現像前のベークでは、高湿
雰囲気中でベークを行い、ホトレジスト表面に水分を与
え親水性にして、適下した現像液の拡散が円滑になるこ
とにより、現像寸法精度の向上が得られホトレジストパ
ターンの加工形状を改善することができる。

【００２２】以下、本発明の構成について、実施例とと
もに説明する。

【００２３】なお、実施例を説明するための全図におい
て、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り
返しの説明は省略する。

【００２４】

【実施例】図１は、本発明の一実施例であるベーク装置
の概略構成を示す図である。本実施例では、プリベーク
を行なう場合を例として説明する。

【００２５】図中、１，２は断熱性の材料を用いたカバ
ーであり、上カバー１と下カバー２とによって円筒状の
内部空間を有するチャンバ３を形成し、ベークする半導
体ウェハ４をチャンバ３内の略中間に保持する。

【００２６】上カバー１の頂部には給気管５を接続し、
給気管５は、ガス供給装置（図示せず）から供給される
窒素ガスを上カバー１内に供給する。上部熱源として給
気管７の中間に設けた加熱装置６によって窒素ガスを加
熱し、加熱した窒素ガスによって半導体ウェハ４をベー
クする。給気管５にはフィルタ７が設けられ不純物のチ
ャンバ３内への侵入を阻止し、レギュレータ８によって
一定の流量を保っている。給気管５には、加湿管９を接
続し、蒸気供給装置（図示せず）によって発生させたア
ルカリ性水溶液の蒸気を給気管５に導入し、加熱した窒
素ガスとともに該蒸気を上カバー１内に供給する。加湿
管９にはフィルタ１０が設けられ、チャンバ３内への不
純物の侵入を阻止し、レギュレータ１１によって一定の
流量を保っていする。アルカリ性水溶液として本実施例
では現像液を使用する。

【００２７】上カバー１内には温度センサ１２及び湿度
センサ１３が設けられ、温度センサ１２からの温度情報
によって、制御装置１４ａが加熱装置６を制御し、供給
される窒素ガスの温度を調節することによって、半導体
ウェハ４の温度を制御し、湿度センサ１３からの湿度情
報によって、制御装置１４ｂがシギュレータ１１を制御
しチャンバ３内への水分供給量を調節する。

【００２８】下カバー２の底部には給気管１５を接続
し、給気管１５は、ガス供給装置（図示せず）から供給
される窒素ガスを下カバー２内に供給する。下部熱源と
して給気管１５の中間に設けた加熱装置１６によって窒
素ガスを加熱し、加熱した窒素ガスによって半導体ウェ
ハ４をベークする。給気管１５にはフィルタ１７が設け
られ不純物のチャンバ３内への侵入を阻止し、レギュレ
ータ１８によって一定の流量を保っている。

【００２９】下カバー２内には温度センサ１９が設けら
れ、温度センサ１９からの温度情報によって、制御装置
２０が加熱装置１６を制御し、供給される窒素ガスの温
度を調節することによって、半導体ウェハ４の温度を制
御する。

【００３０】２１は排気管であり、給気管５，１５から
供給されチャンバ３内を循環した窒素ガスを外部に排出
する。この排出の際に、ベークによってホトレジストか
ら除去されたガス状の有機溶剤が、窒素ガスとともに排
出される。

【００３１】本発明は、ホトレジスト塗布後のプリベー
クだけでなく、露光後現像前ベークとしても、適応可能
である。その場合にはアルカリ性水溶液に替えて純水を
使用する。また、プリベークにおいてアルカリ性水溶液
に替えて純水を用いることも可能である。

【００３２】本実施例の装置によるプリベークでは、上
部熱源である加熱装置６にて加熱された窒素ガスによっ
て半導体ウェハ４の主面側を加熱し、同時に下部熱源で
ある加熱装置１６によって半導体ウェハ４の裏面側を加
熱することにより、装置全体として半導体ウェハ４を窒
素ガスの加熱気流によって均一に加熱することができ
る。また、蒸気を給気管５に導入し、加熱した窒素ガス
とともに該蒸気を上カバー１内に供給することにより、
半導体ウェハ４の主面側を高湿状態でベークすることが
できる。

【００３３】これによって半導体ウェハ４の主面に塗布
されたホトレジスト膜の表面を高湿状態下で均一に加熱
し、ホトレジスト膜内の残留溶剤の移動を抑制しつつ、
表面付近の残留溶剤の揮発を進行させることが可能とな
る。これは、半導体ウェハ４にホトレジスト膜を塗布す
る雰囲気の湿度を変化させると、ホトレジスト膜厚が変
化する（湿度を高くすると膜厚は薄くなる）ことが実験
から明らかになっており、この現象は、湿度の上昇によ
る溶剤の揮発が抑制されるからと考えられる。従って、
高湿雰囲気でプリベークすることで、残留溶剤の移動を
抑制した状態で加熱が行なわれるものと考えられる。こ
れによって、残存する有機溶剤の濃度を、ホトレジスト
膜の表面付近では低く底面付近では高くすることができ
るので、ホトレジスト膜の現像液に対する溶解性が、表
面付近では低下し、底面付近では向上することとなり、
膜減り及びホトレジスト残りが減少し、ホトレジストパ
ターンの加工形状を改善することができる。

【００３４】また、高湿雰囲気でベークすることで、ホ
トレジスト内残留水分の揮発を抑制し、最適水分量の確
保が可能となり、ホトレジストの感光基が光反応を起こ
すのを最適化させるので、より正確にマスクパターンと
対応したホトレジストパターンを得ることができる。

【００３５】この高湿雰囲気の作成手段として、アルカ
リ水溶液を用いることによって、工程数を増加させず
に、プリベークと同時に露光前アルカリ処理を行うこと
が可能となる。

【００３６】また、露光後現像前のベークでは、高湿雰
囲気中でベークを行い、ホトレジスト表面に水分を含ま
せ親水性にするので、適下した現像液の拡散が円滑にな
りホトレジストパターンの加工形状を改善することがで
きる。

【００３７】以上、本発明者によってなされた発明を、
前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前
記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱し
ない範囲において種々変更可能であることは勿論であ
る。

【００３８】例えば、ウェハ裏面の加熱手段としてホッ
トプレートを用いる或いは加熱手段を省略し裏面の加熱
を行なわない構成とすることも可能である。

【００３９】また、前述した実施例は枚葉式の装置であ
るが、バッチ処理式の装置或いはスチーム雰囲気内をウ
ェハを移送通過させて乾燥させる方法とすることも可能
である。使用ガスも、窒素ガスのみならず他の不活性ガ
ス、又は酸素等も可能である。

【００４０】さらに加湿管から蒸気を供給する構成に代
えて、加熱気流によって気化を起こさせる構成とするこ
とも可能である。

【００４１】

【発明の効果】本願によって開示される発明のうち、代
表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、
以下の通りである。

【００４２】（１）プリベーク時に、ホトレジスト表面
を高湿雰囲気中でベークすることで、露光光との化学反
応に必要な、ホトレジスト層内の残留水分を一定に制御
しウェハ上に塗布されたホトレジストの底面側の溶剤濃
度を高くするので、ホトレジスト層内の残留溶剤の揮発
を抑制し、残留量に偏りを発生させるることによって、
ホトレジストと現像液との反応速度がコントロールで
き、ホトレジストの形状が向上するという効果がある。

【００４３】（２）アルカリ水溶液にてスチームを発生
させることで、スループットを低下させることなく露光
前アルカリ処理（ＨＡＲＤ，ＬＥＮＯＳ）を行なうこと
ができるという効果がある。

【００４４】（３）露光後現像前ベークに利用すること
で、ホトレジストの表面が現像液に対して親水性とな
り、パドル適下による現像液の拡散が円滑に行なわれ、
現像液の拡散時間差を低減できるという効果がある。

【００４５】（４）前記の効果（１）（２）（３）か
ら、ホトレジストの形状性が改善されるという効果があ
る。

【００４６】（５）前記効果（４）から、ホトレジスト
の現像寸法精度を向上させることができるので、半導体
製造の歩留、品質を向上させることができるという効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例である半導体ウェハのベーク
装置の概略構成を示す図である。

【符号の説明】

１…上カバー、２…下カバー、３…チャンバ、４…半導
体ウェハ、５，１５…給気管、６，１６…加熱装置、
７，１０，１７…フィルタ、８，１１，１８…レギュレ
ータ、９…加湿管、１２，１９…温度センサ、１３…湿
度センサ、１４ａ，１４ｂ，２０…制御装置、２１…排
気管。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金井 昭司 東京都青梅市藤橋３丁目３番地２ 日立東 京エレクトロニクス株式会社内 (72)発明者 上原 美千代 東京都青梅市藤橋３丁目３番地２ 日立東 京エレクトロニクス株式会社内 (72)発明者 広田 信吉 東京都青梅市藤橋３丁目３番地２ 日立東 京エレクトロニクス株式会社内 (72)発明者 黒岩 慶造 東京都小平市上水本町５丁目20番１号 株 式会社日立製作所半導体事業部内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体ウェハに塗布したホトレジストを
   ベークするベーク方法であって、気化状態の水分をレジ
   スト表面に供給することによって高湿雰囲気下でレジス
   トを加熱してベークを行なうことを特徴とする半導体ウ
   ェハのベーク方法。
2. 【請求項２】 半導体ウェハに塗布したホトレジストを
   ベークするベーク装置であって、ホトレジストに気化状
   態の水分を供給する供給手段と該ホトレジストを加熱す
   る加熱手段とを設けたことを特徴とする半導体ウェハの
   ベーク装置。
3. 【請求項３】 前記供給する水分がアルカリ性であるこ
   とを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体
   ウェハのベーク方法またはベーク装置。
4. 【請求項４】 前記半導体ウェハのベークがホトレジス
   トを塗布した後から露光する前までのプリベークである
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導
   体ウェハのベーク方法またはベーク装置。
5. 【請求項５】 前記半導体ウェハのベークがホトレジス
   トを露光した後から現像する前までのベークであること
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体ウ
   ェハのベーク方法またはベーク装置。
6. 【請求項６】 前記ホトレジストの加熱が加熱気流によ
   るものであることを特徴とする請求項１または請求項２
   に記載の半導体ウェハのベーク方法またはベーク装置。
7. 【請求項７】 前記加熱気流が窒素ガスを加熱したもの
   であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載
   の半導体ウェハのベーク方法またはベーク装置。