JP2006032496A5 - - Google Patents

Description

塗膜の形成方法及び塗膜形成装置

本発明は、塗膜の形成方法及び塗膜形成装置、特にフォトリソグラフィ法で用いるフォトレジストの下層に塗布形成される塗膜の形成方法及びその方法の実施に適用される塗膜形成装置に関する。

半導体集積回路の高集積化と高性能化に伴い、コンタクトや配線幅の微細化が進められている。この微細な加工をするために露光技術の向上が求められ、特にフォトリソグラフィ法における露光用光源の短波長化が進められている。この短波長の光源を用いて、段差表面を有する基板上のフォトレジスト層を精度よく露光するには、基板とフォトレジスト層の間に反射防止膜を形成することが行われている。一般的に基板上のフォトレジスト層及び反射防止用の塗膜を均一の膜厚となるように形成するために基板を回転させて塗布する図５に示す回転塗布装置１０１が用いられている。

回転塗布装置１０１は、チャンバー１０２内に、反射防止用の塗膜材料（所要の粘度を有する液体）を塗布すべき基板すなわち被塗布基板、本例では、シリコン半導体基板１２１を保持する基板保持手段１０３と、上記塗膜材料を滴下する塗膜材料用ノズル１０４が設けられている。基板保持手段１０３は、半導体基板１２１を真空吸着で保持するための真空チャック１０５を有し、モータ１０６により回転可能に構成される。チャンバー１０２には、塗布時の塗膜材料の残液を排出する排液口１０７が設けられる。

この回転塗布装置１０１を用いて塗膜を形成する場合には、搬出入口（図示せず）より塗布処理する被塗布基板１２１をチャンバー１０２内に搬送して、基板保持手段１０３の真空チャック１０５で基板１２１を保持する。図６Ａに、このときの基板１２１を示す。この基板１２１は、シリコン基板１２２上に絶縁膜１２３、本例ではシリコン酸化膜を形成し、その上に第１の導体層（下層配線パターンに相当する）１２５と絶縁膜１２４、本例では後に述べる上層の配線とのコンタクトを取るための第１の導体層１２５と絶縁膜を酸化シリコンもしくは、窒化シリコンによる絶縁膜１２４を形成し、さらに絶縁膜１２６、層間絶縁膜１２７及び絶縁膜１２８を順に積層する。本例では、各絶縁膜１２６、１２８がシリコン酸化膜、絶縁膜１２８上には、パターニングされた粗密パターンを備える絶縁膜１２９が形成される。絶縁膜１２９はＬｏｗ−Ｋ膜で形成される。絶縁膜１２９には、この後に形成されるべき、配線パターンに対応した開口１３０が形成される。符号１４２は粗パターン領域、符号１４３は密パターン領域である。

次に、先ほどの回転塗布装置１０１のモータ１０６を用いて半導体基板１２１を回転させた状態で、粗密パターンの段差を有する絶縁膜１２９上に、塗膜材料用ノズル１０４から反射防止用の塗膜材料を滴下させる。反射防止膜材料を滴下した後、半導体基板１２１の回転力と遠心力により半導体基板１２１の中心部から周縁部に向けて渦巻き状に拡散することで塗布され、図６Ｂに示す反射防止用の塗膜１３１が形成される。

これ以降、図６Ｃに示すように塗膜１３１上にフォトリソグラフィ法によりレジスト層１３２を形成する。次に、図６Ｄに示すように、このレジスト層１３２を露光現像してパターニングすることで塗膜１３１上に下層の第１の導体層１２５とのコンタクト部に対応する開口１３３を有するレジストマスク１３２Ａを形成する。次に図７Ｅに示すようにレジストマスク１３２Ａを介して、さらにエッチングすることで層間絶縁膜１２７上に達する開口１３４が形成される。次に、図７Ｆに示すようにレジスト層１３２を除去した後、パターニングされた絶縁膜１２９，１２８をマスクに選択エッチングを行って第１の導体層１２５に達する開口１３５を形成する。次に図７Ｇに示すように塗膜１３１を除去した後、開口１３０及び１３５内に金属膜、例えばＣｕ膜を堆積させ平坦化処理して、第２の導体層（上層配線パターンに相当する）１３７と第１の導体層１２５及び第２の導体層１３７間を接続するコンタクト部１３６を形成する。

特許文献１には、同様にフォトレジスト層の下に反射防止用の塗膜を形成す方法が開示されている。
特開平１１−１９４４９９号公報

上述のように回転塗布装置１０１を用いた塗膜の形成方法では、図８Ａのように基板１２１上に段差を持つ絶縁膜１２９の粗密パターン（１４２，１４３）が形成されている場合、下地段差部の粗密パターンを反映して、粗パターン領域１４２の絶縁膜１２９上に厚く塗膜（膜厚ｈ１）１３１が堆積し、密パターン領域１４３の絶縁膜１２９上に薄く塗膜（膜厚ｈ２）１３１が堆積して、塗膜１３１の塗布膜厚にばらつきが生じてしまう。図８Ｂに示すように、不均一な膜厚の塗膜１３１上にフォトリソグラフィ法によりフォトレジスト１３２を形成した後、露光マスク１４０を用いて、絶縁膜１２９の各開口１３０ａ、１３０ｂに合わせて露光する。図８Ｃに示すように、露光現像して塗膜１３１をエッチングする際に、塗膜１３１の塗布膜厚のばらつきのまま、各開口１３４ａ、１３４ｂをエッチングすると、狭い開口１３４ｂでは、オーバーエッチングとなり、実線の位置まで大きくエッチングされることになる。有機膜の塗膜１３１とレジストマスク１３２Ａとは、エッチング特性が同じであるのでレジストマスク１３２Ａもオーバーエッチングされる。このため、本来必要としている破線の位置以上にエッチングされることとなり、線幅などの寸法変換差が生じてしまう。結果として歩留まりが低下する問題があった。

本発明は、上述の点に鑑み、塗膜の塗布膜厚のばらつきが生じることなく塗膜材料を塗布することができる塗膜の形成方法及びその方法を実施に適用される塗膜形成装置を提供するものである。

本発明の塗膜の形成方法は、基板の段差を有する表面に塗膜を形成する塗膜の形成方法であって、前記基板の表面上に塗膜材料を滴下し、前記基板の回転による遠心力と前記基板表面に垂直な力とによって、前記塗膜材料を塗布して塗膜を形成することを特徴とする。

滴下した前記塗膜材料に、前記基板の回転による遠心力を与えながら前記基板表面に垂直な力を与えて、前記塗膜材料を塗布することが好ましい。

前記塗膜材料に、前記基板の回転による遠心力を与えた後、前記基板表面に垂直な力を与えて、前記塗膜材料を塗布することが好ましい。

前記基板表面に垂直な力は、前記基板表面を上向きにして前記基板を加速度をもって上昇したときに発生する力を用いることが好ましい。

本発明に係る塗膜形成装置は、基板の段差を有する表面に塗膜を形成する塗膜形成装置であって、前記基板の表面に塗膜材料を滴下する手段と、滴下した前記塗膜材料に遠心力と与える基板回転手段と、前記基板表面の塗膜材料に前記基板表面に垂直な力を与える基板駆動手段とを備えていることを特徴とする。

前記基板駆動手段は、基板表面を上向きにして前記基板を加速度をもって上昇させる昇降機構で構成されていることが好ましい。

本発明の塗膜の形成方法では、段差を有する基板表面に滴下した塗膜材料に基板の回転による遠心力を与えることにより、塗膜材料が基板中心部から周縁部に向けて渦巻き状に拡散して塗布される。また、塗膜材料に基板表面に垂直な力が与えられることにより、塗膜材料の面が上から押しつけられ、膜厚むらが有ると厚い部分の塗膜材料が均される。これにより、基板上に塗膜を均一の膜厚で形成することができる。

本発明の塗膜形成装置では、段差を有する基板表面に塗膜材料を滴下した後、基板回転手段を動作することにより、塗膜材料に回転と遠心力が与えられ、塗膜材料が基板中心部から周縁部に向けて渦巻き状に拡散して塗布される。また、基板駆動手段を動作することにより、基板表面に垂直な力が塗膜材料に与えられ、塗膜材料の面が上から押し付けられる状態になって、膜厚むらが有ると厚い部分の塗膜材料が均される。これによって基板上に塗膜、例えば反射防止膜材料を均一の膜厚に塗布することができる。

本発明の塗膜の形成方法によれば、塗膜材料を基板上に滴下した後、塗膜材料を、基板の回転による遠心力と、基板表面に垂直な力と、によって、塗布して塗膜を形成するため、基板上の下地段差パターンの粗密に依存せず、塗膜を均一の膜厚に塗布することができ、その後の選択エッチングによる寸法ばらつきが抑制でき、歩留まりが向上する。

塗膜材料に基板の回転による遠心力を与えながら基板表面に垂直な力を与えことにより、基板上の下地段差の疎密に依存せず、塗膜材料を均一な膜厚で塗布することができる。
また、塗膜材料に基板の回転による遠心力を与えた後、基板表面に垂直な力を与えるときも、同様に基板上の下地段差の疎密に依存せず、塗膜材料を均一な膜厚で塗布することができる。
基板表面に垂直な力として、基板表面を上向きにして基板を加速度をもって上昇したときに発生する力を用いることにより、基板上の塗膜材料に対して、基板表面に垂直な力を適切に与えることができる。また、本方法を実施する装置を実用的な大きさにすることができる。

本発明の塗膜形成装置によれば、塗膜材料を基板の表面に滴下する手段と、滴下した塗膜材料に遠心力を与える基板回転手段と、塗膜材料に基板表面に垂直な力を与える基板駆動手段とを備えることによって、基板上の下地段差パターンの粗密に依存せず、塗膜を均一に塗布することができる。したがって、本発明の塗膜形成装置を用いて段差を有する表面に反射防止膜を形成するときは、反射防止膜を均一に塗布することができる。
基板駆動手段を、基板表面を上向きにして基板を加速度をもって上昇させる昇降機構で構成することにより、基板表面に垂直な力を適切に与えることができ、本装置を実用的な大きさで構成することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明に係る塗膜形成装置の一実施の形態を示す構成図である。
本実施の形態に係る塗膜形成装置は、基板を回転させるいわゆる回転塗布機構と、基板を加速度をもって上昇させることができる昇降機構とを有して成る。すなわち、本実施の形態に係る塗膜形成装置１は、チャンバー２内に、塗膜材料を塗布すべき基板すなわち被塗布基板、本例では、シリコン半導体基板２１を保持する基板保持手段３と、塗膜材料（所要の粘度を有する液体）を基板２１の面に滴下する滴下手段である塗膜材料用ノズル４が設けられている。基板保持手段３は、半導体基板２１を真空吸着で保持するための真空チャック５を有し、回転手段となるモータ６により回転可能に構成される。チャンバー２には、上下移動するためのスライダー８とスライダーを支えるレール９と図示しないが駆動源とからなる昇降機構が設けられる。この昇降機構は、基板２１と共にチャンバー２を加速度をもって上昇させることが出来るように構成される。さらにチャンバー２には、塗布時の塗膜材料の残液を排出する排液口７が設けられる。

次に、この塗膜形成装置１を用いて、本発明の一実施の形態に係る塗膜の形成方法を説明する。

ここでは、図３の反射防止用の塗膜の形成工程を含む半導体装置の製造を参照して説明する。図３は、前述の図８に対応した断面図である。

先ず、搬出入口（図示せず）より塗布処理する被塗布基板２１をチャンバー２内に搬送して、基板保持手段３の真空チャック５で基板２１を保持する。

この被塗布基板２１は、図３Ａに示すように、半導体基板上に多層膜が形成された基体２６上に、層間絶縁膜２７及び絶縁膜２８が積層され、さらに絶縁膜２８上に第２の配線パターンに対応した開口３０を有する絶縁膜２９が形成されて成る。この開口３０を有する絶縁膜２９により、基板２１の表面は疎密パターンの段差を有することになる。符号４２は開口幅、開口間の幅が粗い粗パターン領域、符号４３は開口幅、開口間の幅が狭い密パターン領域を示す。絶縁膜２９は、例えば低誘電率膜（Ｌｏｗ−Ｋ膜）で形成される。ここで、基体２６は、前述の図６で説明したと同様に、半導体基板上に絶縁膜（例えばシリコン酸化膜）を介して第１の配線パターンに相当する導体層が形成され、導体層間を絶縁膜で埋込み、さらにその上に絶縁膜が形成された構造をなしている。

被塗布基板２１を基板保持手段３に保持した後、滴下手段である塗膜材料用ノズル４から反射防止用の塗膜材料を滴下し、その後、図２Ａに示すように、モータ６を動作させて基板保持手段３と共に基板２１を回転させながら、同時に昇降機構によりチャンバーを加速度をもって上昇させる。

図２Ｂに示すようにノズル４から滴下された塗膜材料（所要の粘度を有する液体）３１Ａは、基板保持手段３の回転により、回転力と遠心力で基板２１の中心部から周縁部に向けて渦巻き状に拡散することで塗布される。この回転力と遠心力での塗布では、段差の疎密パターンによって塗布厚にむらが発生し易い。しかし、同時にチャンバー２と共に基板２１が加速度をもって上昇するので、この加速度による基板２１に垂直な力が塗膜材料３１Ａの面を押し付けることになる。この加速度により発生する力で、塗膜材料が横方向へ移動し、塗布厚の厚い部分と薄い部分が均されて、基板全面に均一な膜厚の反射防止用の塗膜３１が形成される。

本例では、塗膜材料３１Ａの滴下量を１〜５ｃｃ、基板の回転数を２０００〜４０００ｒｐｍ、チャンバーの上昇移動を初速０ｍ／ｓから終速度５．４ｍ／ｓ、加速度９．８ｍ／ｓ２とした。さらに、塗膜３１をベーク処理する。本例では、塗膜３１をベーク ５０〜２５０℃、３０〜１２０秒のベーク処理を行う。

このようにして、図３Ｂに示すように、上述した本実施の塗膜形成装置を用いて、粗密なパターンを有する絶縁膜２９ａ、２９ｂ上に塗膜材料を吐出した後、回転手段による回転力と遠心力で塗膜材料を基板に塗布し、加速度手段の上昇移動による加速度による力を段差を有する基板２１の表面に均一な膜厚の塗膜３１を形成する。密パターン領域４３の絶縁膜２９ｂ上の反射防止膜３１の膜厚ｈ２と、粗パターン領域４２の絶縁膜２９ａ上の塗膜３１の膜厚ｈ１とは、同じ膜厚で形成される。

次に、図１の塗膜形成装置１を用いて図３Ｃに示すように、塗膜３１上にフォトレジスト層３２を形成する。本例では、フォトレジスト液の滴下量を１〜５ｃｃ、基板保持手段３の回転数を２０００〜４０００ｒｐｍとする。また、フォトレジスト層のベーク処理としては、５０〜２５０℃、３０〜１２０秒とする。次いで、露光マスク１４を介してフォトレジスト層３２を露光する。この露光時の粗密パターンの段差を有する基板２２であっても、反射防止用の塗膜３１が均一な膜厚で形成されていることで、段差部で露光光Ｌが反射されず、フォトレジスト層３２が精度よく露光される。

次に図３Ｄに示すように、露光されたフォトレジスト層３２を現像処理して下層の第１の配線パターンとのコンタクト部に対応した開口３３を有するレジストマスク３２Ａを形成する。このレジストマスク３２Ａを介して塗膜３１と絶縁膜２８を選択エッチングする。オーバーエッチングされることなく、開口３４を形成することができる。図示しないが、さらに、レジストマスク３２Ａ及び塗膜３１を除去し、絶縁膜２８をハードマスクにして下層の第１の配線パターン上まで選択エッチングして開口３４に連続した開口を形成した後、開口３０及び第１の配線パターンに達する開口３４内に導体層を形成する。これにより、開口３０内に第２の配線パターンが形成されると同時に、開口３４内に第１及び第２の配線パターンを接続する金属プラグが形成される。

本実施の形態に係る塗膜の形成方法によれば、塗膜材料用ノズル４から基板２１上に塗膜材料３１Ａを滴下した後、基板２１を回転されながら加速度をもって上昇移動させることで、均一な膜厚の塗膜３１、すなわち、基板上の下地段差パターンの粗密に依存せず、塗布ムラを抑えた塗膜３１を形成することができる。よって、その後の選択エッチング工程でのエッチング精度を良好にし、高精度の配線パターンを形成することができ、歩留まりの向上を図ることができる。

また、本実施に係る塗膜形成装置によれば、塗膜材料用ノズル４から基板２１上へ塗膜材料を滴下した後、基板２１の回転と、基板２１の上昇を同時に行うように駆動させることにより、基板上の下地段差パターンの粗密に依存せず、塗布ムラを抑えて均一な膜厚の塗膜を形成することができる。特に、基板２１を加速度をもって上方に移動させることにより、塗膜材料が横方向に移動し易くなり、下地段差の粗密パターンに影響されることなく、均一に塗布することができる。
本発明の塗膜の形成方法の他の実施の形態としては、図１の塗膜形成装置１を用い、基板保持手段３の回転動作と、チャンバー２の上昇動作を個別に行うようにして塗布することができる。すなわち、基板２１に塗膜材料３１Ａを滴下し、基板２１を回転させて通常の塗布を行った後、直ちに基板２１をチャンバー２と共に加速度をもって上昇させて塗膜材料の膜厚を均すようにして、塗膜を形成する。
この実施の形態に係る塗膜の形成方法においても、上述の実施の形態と同様に、基板２１上の下地段差パターンの疎密に依存せずに均一な膜厚の塗膜を形成することができる。よって、その後の選択エッチング工程でのエッチング精度を良好にし、高精度の配線パターンを形成することができ、歩留りの向上を図ることができる。

図４は、本発明に係る塗膜形成装置の他の実施の形態を示す模式的な構成図である。
本実施の形態に係る塗膜形成装置１１は、被塗布基板２１を保持して自転させるための基板自転機構と、被塗布基板２１を公転させるための回転ドラム１２を有する基板公転機構と、被塗布基板２１の表面上に塗布材料を滴下するためのノズル１３とを備えて成る。この基板自転機構と基板公転機構は、同時に駆動させる、あるいは個別に駆動させることができるように構成される。
この塗膜形成装置１１では、基板自転機構により被塗布基板２１が自転することにより、ノズル１３から被塗布基板２１の表面に滴下した塗膜材料に回転力と遠心力が与えられる。この回転力と遠心力とによって塗膜材料は基板中心部から周縁部に向けて渦巻き状に拡散して塗布される。また、公転機構により被塗布基板２１が回転ドラム１２と共に公転すると、公転による遠心力で基板表面に垂直な力が塗膜面に与えられる。この公転による遠心力で塗布むらの塗膜材料は均一な膜厚になる。

本発明の塗膜の形成方法は、図４の塗膜形成装置を用いて塗膜を形成するようにしても良い。この場合も、基板上の下地段差パターンの粗密に依存することなく、塗布ムラを抑えた塗膜を形成することができる。

本発明に係る塗膜形成装置の一実施の形態を示す構成図である。 Ａ 本発明に係る塗膜形成装置の動作説明図である。 Ｂ 本発明に係る塗膜形成装置を用いて塗膜材料の塗布状態を示す断面図である。 Ａ〜Ｄ 本発明に係る塗膜形成装置を用いて反射防止用の塗膜を形成する工程を有する半導体装置の製造工程図である。 本発明に係る塗膜形成装置の他の実施の形態を示す模式的な構成図である。 従来の回転塗布装置の構成図である。 Ａ〜Ｄ 従来の反射防止用の塗膜の形成方法を用いてコンタクト部を形成する工程図である。 Ｅ〜Ｇ 従来の反射防止用の塗膜の形成方法を用いてコンタクト部を形成する工程図である。 Ａ〜Ｃ 従来の回転塗布装置で形成した反射防止用の塗膜を用いてエッチングを行う工程図である。

符号の説明

１、１１・・塗膜形成装置、２・・チャンバー、３・・基板保持手段、４・・塗膜材料液用ノズル、５・・真空チャック、６・・モータ、７・・排液口、８・・スライダー、９・・レール、１２・・回転ドラム、１３・・ノズル、１４・・露光マスク、２１・・基板、２７・・層間絶縁膜、２８，２９・・絶縁膜、３０、３４、・・開口、３１・・塗膜、３２・・フォトレジスト層、４２，４３・・開口幅、１０１・・回転塗布装置、１０２・・チャンバー、１０３・・基板保持手段、１０４・・反射防止膜材料用ノズル、１０５・・真空チャック、１０６・・モータ、１０７・・排液口、１２１・・半導体基板、１２２・・基板、１２３、１２４、１２６、１２８，１２９・・絶縁膜、１２５・・第１の導体層、１２７・・層間絶縁膜、１３０、１３３、１３４、１３５・・開口、１３１・・塗膜、１３２Ａ・・レジストマスク、１３２・・フォトレジスト層、１３６・・コンタクト部、１３７・・第２の導体層

Claims (6)

1. 基板の段差を有する表面に塗膜を形成する塗膜の形成方法であって、
   前記基板の表面上に塗膜材料を滴下し、
   前記基板の回転による遠心力と前記基板表面に垂直な力とによって、前記塗膜材料を塗布して塗膜を形成する
   ことを特徴とする塗膜の形成方法。
2. 滴下した前記塗膜材料に、前記基板の回転による遠心力を与えながら前記基板表面に垂直な力を与えて、前記塗膜材料を塗布する
   ことを特徴とする請求項１記載の塗膜の形成方法。
3. 前記塗膜材料に、前記基板の回転による遠心力を与えた後、前記基板表面に垂直な力を与えて、前記塗膜材料を塗布する
   ことを特徴とする請求項１記載の塗膜の形成方法。
4. 前記基板表面に垂直な力は、前記基板表面を上向きにして前記基板を加速度をもって上昇したときに発生する力を用いる
   ことを特徴とする請求項１記載の塗膜の形成方法。
5. 基板の段差を有する表面に塗膜を形成する塗膜形成装置であって、
   前記基板の表面に塗膜材料を滴下する手段と、
   滴下した前記塗膜材料に遠心力と与える基板回転手段と、
   前記基板表面の塗膜材料に前記基板表面に垂直な力を与える基板駆動手段とを備えている
   ことを特徴とする塗膜形成装置。
6. 前記基板駆動手段は、基板表面を上向きにして前記基板を加速度をもって上昇させる昇降機構で構成されている
   ことを特徴とする請求項５記載の塗膜形成装置。