JP2006203041A

JP2006203041A - 半導体装置の製造方法及びスピン塗布装置

Info

Publication number: JP2006203041A
Application number: JP2005014035A
Authority: JP
Inventors: Toru Saito; 徹齋藤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2005-01-21
Filing date: 2005-01-21
Publication date: 2006-08-03

Abstract

【課題】パターン寸法の均一性がいっそう向上するレジストパターンを現像する半導体装置の製造方法及びスピン塗布装置を提供する。
【解決手段】現像液吐出ノズル１５による所定量の現像液１６について、所定の現像液盛り時間が設定される。そして、現像液盛り時間と現像液盛り時間経過後に及ぶ所定量の現像液１６の被処理ウェハＷＦ上への拡張を、なるべく厚みを片寄らせずに達成させる。現像液盛り時間において現像液１６が盛られている際、被処理ウェハＷＦは所定の回転数ＳＰ１で回転している。現像液盛り時間経過直後からは被処理ウェハＷＦの回転数を半分以下に減少させ（ＳＰ２）、現像液１６がより緩やかに被処理ウェハＷＦの外周部に広がっていくようにする。破線１６ＮＧに示すように現像液１６の高低差を大きくしないことが重要である。これにより、液盛り直後から始まる現像反応をなるべく均一化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置製造に係り、特に半導体ウェハのレジスト表面に現像液を塗布して現像し、所望のレジストパターンを形成する半導体装置の製造方法及びスピン塗布装置に関する。

ウェハ上に形成されるパターンの微細化、高精度化が要求されるに従って、レジストの現像工程は、露光技術と共に重要になってきている。
レジストの現像工程は、半導体ウェハにおける露光済みのレジスト表面に現像液をスピン塗布する。所定時間現像反応を進行させた後、現像液を洗い流す。

従来、現像反応を進行させる上で仕上がりのパターン寸法の均一性が悪化する問題があった。対策として、レジスト表面へ現像液供給後、現像反応が進行している間に回転と停止を繰返す。これにより、現像液を流動させ、現像液を攪拌させる（例えば、特許文献１参照）。これにより、現像液の温度、濃度、反応生成物（現像液と反応し溶け出したレジスト）の濃度、等の均一性を高める。
特開平１１−２３８６７６号公報（図２）

従来では、レジスト表面への現像液供給後において、現像反応をより均一に進行させるための工夫がなされていた。しかしながら、現像は現像液がレジスト表面に接触した瞬間から開始される。このため、レジストパターンの寸法均一性をより高めるには上記の工夫だけでは不十分である。

本発明は上記のような事情を考慮してなされたもので、パターン寸法の均一性がいっそう向上するレジストパターンを現像する半導体装置の製造方法及びスピン塗布装置を提供しようとするものである。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、表面のレジストが露光された被処理ウェハを回転させながら前記レジストの表面へ現像液を塗布し、前記レジストを現像して所定のレジストパターンを現出させる半導体装置の製造方法において、前記被処理ウェハにおける前記レジスト上へ前記現像液が盛られる所定の液盛り時間が設定され、前記液盛り時間内の前記被処理ウェハの回転数に比べ前記液盛り時間経過直後からの前記被処理ウェハの回転数を半分以下に減少させることを特徴とする。

上記本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、現像液が盛られている最中は新しい現像液が被処理ウェハのレジスト表面へ次々供給される。このため、より早く現像液が流動するように被処理ウェハの回転数が設定される。液盛り時間経過直後からは遠心力を抑え、現像液が被処理ウェハの外周部で大きく溜まらないようにする。これにより、液盛り直後から始まる現像反応をなるべく均一化する。
なお、好ましくは、上記本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記被処理ウェハの回転数は、所定量の前記現像液が前記被処理ウェハの外周部まで広がる直前に低下し、前記現像液がより緩やかに前記被処理ウェハの外周部に広がっていくように最適化されることを特徴とする。

本発明に係る半導体装置の製造方法は、表面のレジストが露光された被処理ウェハについて第１の回転数で回転させながらレジスト表面に所定量の現像液を吐出し前記現像液を前記被処理ウェハの外周部に向かって広げる現像液盛り工程と、前記被処理ウェハを前記第１の回転数より低い第２の回転数で回転させ、前記レジスト表面の前記所定量の現像液をより緩やかに前記被処理ウェハの外周部まで広げる現像液拡張工程と、前記被処理ウェハについて前記第２の回転数と同等かより高い第３の回転数でもって回転及び停止を繰り返し、前記現像液を前記レジスト表面全域に攪拌する現像液攪拌工程と、前記被処理ウェハを前記第３の回転数より高い第４の回転数で回転させながら、現像反応後の前記レジスト表面に洗浄液を供給して前記現像液を含む反応生成物を除去し、レジストパターンを現出する洗浄工程と、を含む。

上記本発明に係る半導体装置の製造方法によれば、被処理ウェハの外周部まで現像液を広げる動作を、現像液盛り工程から現像液拡張工程に移行するような、２工程に分けた。現像液盛り工程中は、新しい現像液が被処理ウェハのレジスト表面へ次々と供給される。このため、現像液を被処理ウェハの外周部に向かって早く広げるように被処理ウェハの回転数が第１の回転数に設定される。しかし、現像液が被処理ウェハの外周部に到達する直前で現像液盛り工程は終わる。続いて現像液拡張工程では、被処理ウェハの回転数が第２の回転数に落とされる。これにより遠心力が抑えられ、現像液が被処理ウェハの外周部に片寄ることはない。これにより、液盛り直後から始まる現像反応をなるべく均一化する。それ以降の現像液攪拌工程においても現像反応の均一化を図る動作をする。すなわち、第３の回転数での回転及び停止の繰り返しが実施される。その後、洗浄工程によりレジストパターンが現出される。

なお、上記本発明に係る半導体装置の製造方法において、次のいずれかの特徴を有することによって、現像液のより好ましい均一な拡張が期待できる。
前記現像液盛り工程は、所定量の前記現像液が前記被処理ウェハの外周部まで広がる直前までの所定時間だけ設けられた後、前記現像液拡張工程に移行し、前記現像液拡張工程は、前記被処理ウェハの中心部と外周部における前記現像液の高低差がより小さく抑えられるように、前記所定時間、前記第１の回転数と前記第２の回転数を最適化することを特徴とする。
前記第２の回転数は前記第１の回転数の１／３以下にされることを特徴とする。

なお、上記本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記被処理ウェハを前記第４の回転数より高い第５の回転数で回転させながら前記レジストパターン表面を乾燥させる乾燥工程をさらに含むことを特徴とする。

本発明に係るスピン塗布装置は、被処理ウェハが載置され回転可能な保持部と、前記保持部を所定の回転数で回転させる駆動部と、前記被処理ウェハの主表面に所定の薬液を一定時間に定量供給する薬液吐出ノズルと、前記被処理ウェハの主表面に所定の洗浄液を供給する洗浄液吐出ノズルと、少なくとも前記薬液を前記被処理ウェハの主表面に広げる段階において前記駆動部を制御し前記薬液吐出ノズルの薬液吐出時と薬液吐出直後とで前記保持部の回転数を変化させる制御機構と、を含む。

上記本発明に係るスピン塗布装置によれば、少なくとも薬液を被処理ウェハの主表面に広げる段階で駆動部を制御する制御機構を設ける。制御機構は薬液吐出ノズルの薬液吐出時と薬液吐出直後とで保持部の回転数を変化させる。薬液吐出時と薬液吐出直後とで回転数を低下させれば、薬液吐出時は被処理ウェハの外周部に向かって薬液を広げる作用を強め、薬液吐出直後は遠心力が抑えられ、薬液が被処理ウェハの外周部に片寄らなくなる。これにより、薬液反応の均一化に寄与する。
なお、上記本発明に係るスピン塗布装置において、前記被処理ウェハの主表面は露光されたレジスト表面であり、前記薬液は現像液であることを特徴とする。

本発明に係るスピン塗布装置は、表面のレジストが露光された被処理ウェハが載置され回転可能な保持部と、前記保持部を所定の回転数で回転させる駆動部と、前記被処理ウェハの主表面に現像液を定量供給する現像液吐出ノズルと、前記被処理ウェハの主表面を洗浄するための洗浄液吐出ノズルと、少なくとも前記現像液吐出ノズルにおける現像液盛り時間と現像液盛り時の回転数及び現像液盛り直後の回転数に関し、前記被処理ウェハの中心部と外周部における前記現像液の高低差がより小さく抑えられるように最適化された制御機構と、を含む。

上記本発明に係るスピン塗布装置によれば、制御機構は現像液吐出ノズルにおける現像液盛り時間と現像液盛り時の回転数及び現像液盛り直後の回転数を最適化する。最適化とは、現像液の吐出時から始まる現像反応の影響をウェハ表面内で一様にするため、現像液の吐出時から被処理ウェハの中心部と外周部における現像液の高低差を小さく抑えるべく作用させることである。これにより、ウェハ面内におけるレジストパターン寸法の均一性をより向上させることができる。

発明を実施するための形態

図１（ａ），（ｂ）は、それぞれ本発明の第１実施形態に係る半導体装置の製造方法の要部であり、表面のレジストが露光された被処理ウェハを現像するための部分工程を順に示す概観図である。スピンチャック１１は、表面のレジストＲＳが露光された被処理ウェハＷＦを保持し、回転可能である。現像液吐出ノズル１５は、レジストＲＳの表面へ現像液１６を吐出する。

現像液１６は、レジストＲＳ上に接触した直後から現像反応が始まることに注目すべきである。また、レジストＲＳ上において現像液１６が厚く塗布された領域は、薄く塗布された領域よりも現像が進行し易く、現像液１６の厚みばらつきの影響は無視できない。
この実施形態では、現像液吐出ノズル１５による所定量の現像液１６について、所定の現像液盛り時間が設定される。そして、現像液盛り時間と現像液盛り時間経過後に及ぶ所定量の現像液１６の被処理ウェハＷＦ上への拡張を、なるべく厚みを片寄らせずに達成させる。

図１（ａ）に示すように、現像液盛り時間において現像液１６が盛られている際、被処理ウェハＷＦは所定の回転数ＳＰ１で回転している。現像液１６は遠心力で被処理ウェハＷＦの外周部に向かって広がろうとする。現像液１６が被処理ウェハＷＦの外周部まで広がる直前に現像液盛り時間は終了する。この現像液盛り時間経過直後からは図１（ｂ）に示すように、被処理ウェハＷＦの回転数を半分以下に減少させ（ＳＰ２）、現像液１６がより緩やかに被処理ウェハＷＦの外周部に広がっていくようにする。

上記実施形態の方法によれば、図１（ａ）の、現像液１６が盛られている最中は新しい現像液１６が被処理ウェハＷＦのレジストＲＳ表面へ次々供給される。このため、より早く現像液１６が流動するように被処理ウェハＷＦの回転数ＳＰ１が設定される。液盛り時間経過直後からは図１（ｂ）に示すように遠心力を抑える回転数ＳＰ２に変わり、現像液１６が被処理ウェハＷＦの外周部で大きく溜まらないようにする。つまり、破線１６ＮＧに示すように現像液１６の高低差を大きくしないことが重要である。これにより、液盛り直後から始まる現像反応をなるべく均一化する。

図２（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ本発明の第２実施形態に係る半導体装置の製造方法の要部であり、表面のレジストが露光された被処理ウェハを現像するための部分工程を順に示す概観図である。図３は、被処理ウェハのレジストを現像し、レジストパターンを現出するまでのウェハの回転数変化を示すシーケンス特性図である。前記第１実施形態と同様の箇所には同一の符号を付して説明する。

前記第１実施形態と同様に、スピンチャック１１は、表面のレジストＲＳが露光された被処理ウェハＷＦを保持し、回転可能である。現像液吐出ノズル１５は、レジストＲＳの表面へ現像液１６を吐出する。現像液１６は、レジストＲＳ上に接触した直後から現像反応が始まる。そこで、現像液盛り時間と現像液盛り時間経過後に及ぶ被処理ウェハＷＦ上への所定量の現像液１６の拡張を、なるべく片寄らせず均一に達成させる。

すなわち、図２（ａ）に示すように、現像液盛り工程は現像液盛り時間で規定される。現像液盛り工程では、被処理ウェハＷＦについて第１の回転数ＳＰ１で回転させながらレジストＲＳ表面に所定量の現像液１６を吐出し現像液１６を被処理ウェハＷＦの外周部に向かって広げる。現像液１６が外周部に到達する直前に現像液盛り工程（現像液盛り時間）は終わる。
次に、図２（ｂ）に示すように、現像液盛り時間経過直後から現像液拡張工程に入る。被処理ウェハＷＦを第１の回転数ＳＰ１より低い第２の回転数ＳＰ２で回転させ、レジストＲＳ表面の所定量の現像液１６をより緩やかに被処理ウェハＷＦの外周部まで広げる。
これにより、現像液１６供給の初期から現像進行の均一化を図る。

次に、図２（ｃ）に示すように、現像液のアジテーション（攪拌）工程に移行する。ここでのアジテーション工程は、上記第２の回転数と同等かより高い第３の回転数ＳＰ３でもって回転及び停止を繰り返し、現像液１６をレジスト表面全域に攪拌する。これにより、現像進行の最終段階までより安定な、均一な現像進行を図る。

次に、図２（ｄ）に示すように、レジストパターンを現出する洗浄工程に移行する。洗浄工程は、被処理ウェハＷＦを第３の回転数ＳＰ３より高い第４の回転数ＳＰ４で回転させながら、洗浄液吐出ノズル１７より現像反応後のレジスト表面に洗浄液、例えば純水を供給し、現像液１６を含む反応生成物を除去し、レジストパターンＰＴを現出する。

その後、図２（ｅ）に示すように、乾燥工程に移行する。乾燥工程は、例えば被処理ウェハＷＦを第４の回転数ＳＰ４より高い第５の回転数ＳＰ５で回転させながら、レジストパターンＰＴ表面を乾燥させる。
以上、図２（ａ）〜（ｅ）のような処理の流れは、図３におけるシーケンス特性図を参照すると、分かりやすい。

上記実施形態の方法においても、前記第１実施形態と同様の作用、効果が得られる。すなわち、被処理ウェハＷＦの外周部まで現像液１６を広げる動作を、現像液盛り工程から現像液拡張工程に移行するような、２工程に分けた。現像液盛り工程中は、新しい現像液１６が被処理ウェハＷＦのレジストＲＳ表面へ次々と供給される。このため、現像液１６を被処理ウェハＷＦの外周部に向かって早く広げるように被処理ウェハＷＦの回転数が第１の回転数ＳＰに設定される。しかし、現像液１６が被処理ウェハＷＦの外周部に到達する直前で現像液盛り工程は終わる。続く現像液拡張工程では、被処理ウェハＷＦの回転数が第２の回転数ＳＰ２に落とされる。これにより遠心力が抑えられ、現像液１６が被処理ウェハＷＦの外周部に片寄ることはない。これにより、液盛り直後から始まる現像反応をなるべく均一化する。それ以降の現像液攪拌工程においても現像反応の均一化を図る動作をする。すなわち、第３の回転数ＳＰ３での回転及び停止の繰り返しが実施される。その後、洗浄工程、乾燥工程によりレジストパターンが現出される。すなわち、液盛り直後から始まる現像反応をなるべく均一化することによって、より寸法均一性の高まるレジストパターンが得られる。

図４〜図１０は、前記第２実施形態に基づき、現像液盛り時間と現像液盛り時の回転数及び現像液盛り直後の回転数に関し、最適化し得る値を模索した実験例である。現像液盛り時間、及びアジテーション（攪拌）工程以降の条件は共通となっている。最終的に現像液塗布厚の均一性の観点から導き出すようにした。それぞれ図４は、実験条件を示す図、図５（ａ），（ｂ）は、最小パターン寸法の測定ポイントを示すウェハマップ、図６〜図１０は、有用な各条件の最小パターン寸法（Ｃ．Ｄ）の測定結果特性図である。被処理ウェハとして６インチウェハを使用した。

上記実験から、最適化の傾向は次のようである。被処理ウェハＷＦの回転について、現像液盛り後の第２の回転数（ＳＰ２）は、現像液盛り時の第１の回転数（ＳＰ２）の１／３以下に落とすようにする。これにより、現像液厚みのウェハ面内均一性について優れた結果が得られた。現像液厚みをウェハ面内でより均一にすることにより、現像反応もより均一化すると考えられる。この実験で得られた最適化条件の一例は、条件１の、現像液盛り時間１秒程度、現像液盛り時回転数３０ｒｐｍ程度、現像液盛り直後回転数１０ｒｐｍ程度である。

図１１は、本発明の第３実施形態に係るスピン塗布装置の構成を示すブロック図である。図１に示した構成と同様の箇所には同一の符号を付して説明する。スピン塗布装置１０は、被処理ウェハＷＦを保持するスピンチャック１１を有する。スピンチャック１１は、例えば、表面のレジストＲＳが露光された被処理ウェハＷＦを保持し、駆動部１２により所定の回転数で回転可能である。現像液吐出ノズル１５は、レジストＲＳの表面へ現像液１６を吐出する。現像液吐出ノズル１５は、液盛り時間が設定でき、液盛り時間に現像液１６を一定量吐出する。洗浄液吐出ノズル１７は、被処理ウェハＷＦの主表面に所定の洗浄液（例えば純水）を供給する。制御機構１３は、少なくとも現像液１６を被処理ウェハＷＦの主表面に広げる段階において駆動部１２を制御する。制御機構１３は、現像液吐出ノズル１５の現像液吐出時と現像液吐出直後とでスピンチャック１１の回転数を変化させる。より具体的には、制御機構１３は、液盛り時間を検出し、液盛り時間経過直後にスピンチャック１１の回転数を液盛り時に比べて半分以下に低下させる。

より好ましくは、前記図４〜図１０に示したような条件検索を経る。これにより、制御機構１３は、現像液盛り時間と現像液盛り時の回転数及び現像液盛り直後の回転数に関し、最適化データを把握しておく。制御機構１３は、このような最適化データを利用して、被処理ウェハＷＦの中心部と外周部における現像液１６の高低差がより小さく抑えられるように駆動部１２を制御する。

上記実施形態によれば、制御機構１３は、現像液吐出ノズル１５における現像液盛り時間と現像液盛り時の回転数及び現像液盛り直後の回転数を最適化する。最適化とは、現像液１６の吐出時から始まる現像反応の影響をウェハ表面内で一様にするため、現像液１６の吐出時から被処理ウェハＷＦの中心部と外周部における現像液１６の高低差を小さく抑えるべく作用させることである。これにより、ウェハ面内におけるレジストパターン寸法の均一性をより向上させることができる。
なお、スピン塗布装置１０は、現像液１６以外の薬液を扱う場合も十分考えられる。

以上説明したように本発明によれば、被処理ウェハの外周部まで現像液を広げる動作を、現像液盛り時間に相当する現像液盛り工程から、現像液盛り時間経過直後の現像液拡張工程に移行するという、２工程に分けた。現像液盛り工程は、現像液が被処理ウェハの外周部に到達する直前で終え、続く現像液拡張工程は、被処理ウェハの回転数を半分以下に落として実施される。これにより遠心力が抑えられ、現像液が被処理ウェハの外周部に片寄ることはない。これにより、液盛り直後から始まる現像反応をなるべく均一化する。それ以降の現像液攪拌工程においても現像反応の均一化を図る動作をし、洗浄工程により所望のレジストパターンが現出される。この結果、パターン寸法の均一性がいっそう向上するレジストパターンを現像する半導体装置の製造方法及びスピン塗布装置を提供することができる。

第１実施形態に係る半導体装置の製造方法の要部を順に示す各概観図。第２実施形態に係る半導体装置の製造方法の要部を順に示す各概観図。現像に関するウェハの回転数変化を示すシーケンス特性図。本発明適用の最適化値を模索するための実験に関係する第１図。本発明適用の最適化値を模索するための実験に関係する第２図。本発明適用の最適化値を模索するための実験に関係する第３図。本発明適用の最適化値を模索するための実験に関係する第４図。本発明適用の最適化値を模索するための実験に関係する第５図。本発明適用の最適化値を模索するための実験に関係する第６図。本発明適用の最適化値を模索するための実験に関係する第７図。第３実施形態に係るスピン塗布装置の構成を示すブロック図。

符号の説明

１０…スピン塗布装置、１１…スピンチャック、１２…駆動部、１３…制御機構、１５…現像液吐出ノズル、１６…現像液、１７…洗浄液吐出ノズル、ＲＳ…レジスト、ＷＦ…被処理ウェハ。

Claims

表面のレジストが露光された被処理ウェハを回転させながら前記レジストの表面へ現像液を塗布し、前記レジストを現像して所定のレジストパターンを現出させる半導体装置の製造方法において、
前記被処理ウェハにおける前記レジスト上へ前記現像液が盛られる所定の液盛り時間が設定され、前記液盛り時間内の前記被処理ウェハの回転数に比べ前記液盛り時間経過直後からの前記被処理ウェハの回転数を半分以下に減少させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記被処理ウェハの回転数は、所定量の前記現像液が前記被処理ウェハの外周部まで広がる直前に低下し、前記現像液がより緩やかに前記被処理ウェハの外周部に広がっていくように最適化される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。
表面のレジストが露光された被処理ウェハについて第１の回転数で回転させながらレジスト表面に所定量の現像液を吐出し前記現像液を前記被処理ウェハの外周部に向かって広げる現像液盛り工程と、
前記被処理ウェハを前記第１の回転数より低い第２の回転数で回転させ、前記レジスト表面の前記所定量の現像液をより緩やかに前記被処理ウェハの外周部まで広げる現像液拡張工程と、
前記被処理ウェハについて前記第２の回転数と同等かより高い第３の回転数でもって回転及び停止を繰り返し、前記現像液を前記レジスト表面全域に攪拌する現像液攪拌工程と、
前記被処理ウェハを前記第３の回転数より高い第４の回転数で回転させながら、現像反応後の前記レジスト表面に洗浄液を供給して前記現像液を含む反応生成物を除去し、レジストパターンを現出する洗浄工程と、
を含む半導体装置の製造方法。
前記現像液盛り工程は、所定量の前記現像液が前記被処理ウェハの外周部まで広がる直前までの所定時間だけ設けられた後、前記現像液拡張工程に移行し、前記現像液拡張工程は、前記被処理ウェハの中心部と外周部における前記現像液の高低差がより小さく抑えられるように、前記所定時間、前記第１の回転数と前記第２の回転数を最適化することを特徴とする請求項３記載の半導体装置の製造方法。
前記第２の回転数は前記第１の回転数の１／３以下にされることを特徴とする請求項３または４記載の半導体装置の製造方法。
前記被処理ウェハを前記第４の回転数より高い第５の回転数で回転させながら前記レジストパターン表面を乾燥させる乾燥工程をさらに含む請求項３〜５いずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。
被処理ウェハが載置され回転可能な保持部と、
前記保持部を所定の回転数で回転させる駆動部と、
前記被処理ウェハの主表面に所定の薬液を一定時間に定量供給する薬液吐出ノズルと、
前記被処理ウェハの主表面に所定の洗浄液を供給する洗浄液吐出ノズルと、
少なくとも前記薬液を前記被処理ウェハの主表面に広げる段階において前記駆動部を制御し前記薬液吐出ノズルの薬液吐出時と薬液吐出直後とで前記保持部の回転数を変化させる制御機構と、
を含むスピン塗布装置。
前記被処理ウェハの主表面は露光されたレジスト表面であり、前記薬液は現像液であることを特徴とする請求項７記載のスピン塗布装置。
表面のレジストが露光された被処理ウェハが載置され回転可能な保持部と、
前記保持部を所定の回転数で回転させる駆動部と、
前記被処理ウェハの主表面に現像液を定量供給する現像液吐出ノズルと、
前記被処理ウェハの主表面を洗浄するための洗浄液吐出ノズルと、
少なくとも前記現像液吐出ノズルにおける現像液盛り時間と現像液盛り時の回転数及び現像液盛り直後の回転数に関し、前記被処理ウェハの中心部と外周部における前記現像液の高低差がより小さく抑えられるように最適化された制御機構と、
を含むスピン塗布装置。