JP3109800B2 - 高粘度レジスト塗布膜のノン・ストリエーション塗布方法 - Google Patents
高粘度レジスト塗布膜のノン・ストリエーション塗布方法Info
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Description
塗布する方法に関し、特に、半導体デバイスを製造する
時に感光レジストを半導体ウェハ表面に塗布する方法に
関する。
コン基板上に複数の領域を形成するものであるが、これ
らの領域を精密に区画する必要がある。同様に、金属線
を含むシリコン基板上のその他の領域もまた精密に区画
されなければならず、このようなデバイスの各領域を金
属線で接続することにより超大型集積回路(VLSI)
が形成される。これらの領域を区画するパターンは、リ
ソグラフィにより形成されるものであるが、最も普遍的
な方法は、まず感光レジストをウェハ表面にスピンコー
トし、次に、このレジストを例えば紫外線、電子線、X
線などの放射線にさらすことで選択的に露光するもので
ある。露光ツールおよびフォトマスクを介して選択的な
露光が行われ、露光領域を現像すると、使用したレジス
ト膜の所定位置が溶解または定着されることによって、
レジスト膜上にパターンが形成される。それぞれの状況
に応じて、任意の公知技術によって開口を備えた各領域
上にレジスト膜パターンが形成される。その際、重要な
のは感光レジスト材料の膜厚分布であり、この感光レジ
スト材料の膜厚分布がパターン寸法の精度を決定すると
いうことであり、これが感光レジスト塗布のポイントと
なる。パターン精度は、放射エネルギで露光される感光
レジストの体積によって左右されるので、この精度に基
づいて放射エネルギで露光することにより各パターンを
形成する。従って、同一の放射エネルギならびに同一パ
ターンであっても、パターンエッジの寸法が放射領域に
ある感光レジストの膜厚によって変化するものとなる。
このような膜厚の不均一性は、いろいろな不都合を引き
起こすものとなる。よって、塗布膜の膜厚を均一性のあ
るものに制御することが最も重要であり、今日のような
サブミクロン時代のリソグラフィ技術においては、とり
わけ重要である。
する半導体ウェハに供給してスピンコートを行う場合、
通常は、半導体ウェハ10を直径が少し小さい真空チャ
ック12上に取り付けている。上から見ると円盤形とな
った真空チャック12上には真空開孔(図示せず)が設
けられ、この真空開孔が真空ポンプ(図示せず)に連通
しており、真空ポンプが作動すると、真空開孔を介して
半導体ウェハ10を真空チャック12表面に真空吸着す
ることができる。真空チャック12は、中心軸(スピン
ナともいう)14上端に固定され、モータ(図示せず)
により回転させられる。通常、図2に示すように、半導
体ウェハ10と真空チャック12とは水平方向に重ね合
わされるものとなっている。
用面あるいは裏面と呼ばれる部分が回転する真空チャッ
ク12の表面で保持され、必要量の液状感光レジスト材
料が半導体ウェハ10表面の中心上方に位置する供給器
16から滴下される。すると、遠心力の作用により感光
レジスト材料が半導体ウェハ10の中心から周辺へと分
散されるので、表面全体を塗布することができるととも
に、回転により余分な感光レジストを半導体ウェハ10
から飛散させることができる。いろいろな方法や応用方
式によって、半導体ウェハ10の回転速度、塗布材料の
量および性質を調整することで、希望する均一な膜厚を
得ようとしてきた。
なる塗布膜材料が形成される結果となっていた。このよ
うな膜厚変化を発生させる原因としては、スピン表面の
表面形状、流体の流動力学、スピン材料の性質という3
つの要素が考えられる。
膜の表面形状の形成が半導体ウェハ表面上の特徴形状に
よって決定されるという公知技術を示す。ここで、シリ
コン基板11は、図2の半導体ウェハ10に対応したも
のであるが、説明に便利なように拡大断面図を示してい
る。シリコン基板11の絶縁膜13上に金属線15が形
成されている。また、その表面を均等に被覆する内側誘
電膜17が設けられている。この図3から分かるよう
に、金属線15が存在する部分が「山」01となってお
り、存在しない部分が「谷」02となっている。その結
果、「山」01と「谷」02とから構成される表面形状
に対して感光レジスト19がスピンコートされると、感
光レジスト19の膜厚が図のように変化することにな
り、山上の厚さ03が谷上の厚さ04より小さいものと
なっていた。アメリカ特許第5,498,449号に開
示されているように、感光レジスト19が露光される
時、感光レジスト膜により吸収されるエネルギ量が各部
分の厚さの違いにより不均一なものとなる。従って、形
成された感光レジストパターンがそれぞれ異なる寸法を
有するものとなるので、限界寸法の統一性を損なうもの
となる。それにより、最終的なパターン寸法がそれぞれ
不一致なものとなって、半導体デバイスの歩留まりおよ
び信頼性が低下するものとなっていた。この問題を解決
するために、アメリカ特許第5,498,449号にお
いて半導体ウェハ10および中心軸14ならびに全ての
装置が下向きとなる(図示せず。図2を参照)ととも
に、半導体ウェハを高速回転させ、引力の助けを借りな
がら、感光レジスト19が下方の半導体ウェハ表面の山
と谷との形状を流動することにより、全ての部分の感光
レジスト膜の厚さをほぼ均一、すなわち山と谷とを通じ
て同様な厚さとするものが開示されている。
ウェハの表面形状にかかわりなく、この流体に膜厚変化
を発生させるものとなる。例えば図4(a)に示すよう
に、半導体ウェハ10中央の塗布膜厚さが周辺部分の塗
布膜厚さより大きくなった***形状20となっていた。
あるいは、図4(b)に示すように、塗布材料の分布が
皿形22となって、周辺部分の膜厚が半導体ウェハ10
中央の膜厚より大きなものとなっていた。研究の結果、
感光レジスト材料のこのような反応(定分子量、溶液濃
度など)は、回転パラメータにのみ依存することが分か
っている。すでに開発されている数学関係式からレジス
ト膜厚、例えばパーセント濃度およびスピン速度などの
対応する要素を予測することができる。そして、先行技
術において特定の方法および用途について実験データが
豊富に提供されている。それらには、例えば、レジスト
公式、スピン形式、半導体ウェハの大きさ、スピン・パ
ラメータなどの特定パラメータが含まれている。半導体
ウェハ全体を被覆する膜厚変化は関数研究として追求さ
れており、このような関数としては多くのパラメータ、
例えば、レジストの供給体積、ウェハ直径、レジスト粘
度、供給サイクルのウェハ・スピン速度、ウェハ・スピ
ン速度の加速、最終スピン速度が含まれ、S.Wolf
が発表した「VLSI時代のためのシリコン処理法(Si
licon Processing for the VLSI Era )」第1冊、第4
33ページ、1990年版、LatticePress, Sunset Bea
ch, California に開示されている。
レジスト流体の動態が特定時間だけウェハの回転速度を
変化させることによって処理できることを開示している
が、同時に供給するレジスト量を変化させている。この
方式により、均一な膜厚の感光レジストがウェハ全体に
形成されると同時に、コーティング処理に使用する感光
レジスト量を減少させることができる。とりわけ、ウェ
ハが中心軸に中心に回転して第1スピン速度に達してか
ら、この特許において言及されているように、ごく少量
の感光レジスト材料がウェハ表面に同時供給される時
に、半導体ウェハが第1スピン速度から第2スピン速度
へと減速されている。ウェハが第2スピン速度に達した
時に、感光レジスト材料の半導体ウェハ表面への供給を
停止している。そして、半導体ウェハが第2スピン速度
から第3スピン速度へと加速される。第3スピン速度に
達した時に、半導体ウェハが第3スピン速度を維持する
ことにより感光レジスト材料を半導体ウェハ表面に均一
な膜として分布させる。次に、半導体ウェハが第3スピ
ン速度から第4スピン速度へと加速され、第4スピン速
度を維持することにより感光レジスト材料の均一な膜を
乾燥させている。
述したようなステップにより、ウェハの周辺に向けて形
成される「皿形」による、あるいはウェハの中央に向け
て形成される「***」による膜厚変化をいかに減少させ
るかが解明されたが、先行技術には、図4(c)に示す
ように、さらに別な種類の膜厚不均一が存在しており、
それはレジスト膜がスピン時に遠心力の影響を受けて放
射状のしわを発生させる現象である。この現象は、下方
の感光レジスト膜上に他の感光レジストが堆積して波状
の膜厚変化を発生させるものである。このような波状の
線条は、レジスト膜の公称厚さと異なるものであり、ス
トリエーション(striation)とも呼ばれる。普通、スト
リエーションは、増大した表面形状の高さならびにレジ
ストの粘度によって増大する。
は、図4(a)〜(c)に示したような膜厚変化を実質
的に減少させるものである。これは、予湿剤を使用して
ウェハを予め湿らせることで達成することができるが、
粘度という違う物理性が存在している。その粘度は特定
の回転速度で半導体ウェハ上にスピンコートされる最終
的な感光レジスト膜の粘度とは異なっている。このこと
は、後述する好適な実施の形態において、感光レジスト
が高い粘度を備えることにより不都合な結果が生じるこ
とから証明できるものである。
段差のある表面に高粘度感光レジストをスピンコートす
るノン・ストリエーション塗布方法を提供することにあ
る。
をスピンコートする時に半導体ウェハ表面に発生する膜
厚変化を減少させる方法を提供することにある。
ハをスピンコートする時に使用する感光レジスト量を節
減する方法を提供することにある。
ウェハが所定のスピン速度で回転する時に、半導体ウェ
ハを連続的に予め湿らせる。次に、予湿剤としての予め
湿らせるための触媒または化学溶液の供給を停止してか
ら、半導体ウェハを第2スピン速度まで加速する。次
に、半導体ウェハを第3スピン速度まで加速させ、この
時に高粘度感光レジストを供給する。膜厚変化をできる
だけ減少させるために、第3スピン速度および供給率を
従来技術の高粘度感光レジストから考えられるよりもか
なり低い値に設定する。感光レジストの低い供給率によ
り、スピンコート膜上にいかなる不都合な現象も発生さ
せることなく、感光レジスト量の節減を達成する。
と、図4(a)は、半導体ウェハ10の中央が半導体ウ
ェハ10の周辺より厚くなった感光レジストの「***」
20となっており、図4(b)は、半導体ウェハ10の
周辺が半導体ウェハ10の中央より厚くなった感光レジ
ストの「皿形」20となっている。そして、感光レジス
トの膜厚変化の別な1種類として、図4(c)は、感光
レジストのストリエーションにより波形24となってい
る。これらの状況においては、感光レジストの膜厚変化
が後続するウェハ処理ステップにいずれも望ましくない
影響を与える。その結果、同一ウェハ上においても、例
えば金属線幅の限界寸法を感光レジストの膜厚変化によ
り変化させてしまう。
ン(すなわち、ウェハ表面全体の公称のレジスト膜厚と
は異なる放射状の線条厚さ)を減少させるために、ま
ず、公知の感光レジストである三菱(Mitsubishi)製のM
CPRi 7010Nを図5(a)に示した半導体ウェ
ハ10上にスピンコーティングすると、1本の放射線3
2に沿った断面の膜厚変化が約1900〜2000Å
(オングストローム)の範囲となる。膜厚変化が約50
〜100Åの範囲を超過しないことが望ましいので、感
光レジストを供給する時に、その粘度および供給率なら
びにスピン速度を変えて実験してみると、公知のよう
に、粘度範囲が、約4〜16cP(centipoise)であるも
のにおいて、ストリエーションが見られなくなることが
分かる。しかしながら、高粘度の感光レジストを使用す
るとストリエーションが発生する。そこで、約35〜5
0cPの比較的高い粘度のレジストで実験してみると、
下記の表1のような実質的な改善が見られた。
図5(b)に示した波形を示す感光レジストの表面状況
24aに該当しており、第2行目のデータは、図1に示
した実質的に改善された平坦な感光レジストの表面状況
24bに該当している。この表1から分かるように、予
想外にも、高い粘度の感光レジストほど低いスピン速度
を必要としており、それによりストリエーションの膜厚
変化を減少させることができるということである。
験の結果を後述する実施の形態に記載するものである。
そして、本発明を理解しやすいように、実施の形態にお
いて、特定の材料、処理パラメータなどの詳細なデータ
を開示するものである。しかしながら、当業者であれば
理解できるように、これらの詳細なデータは、それによ
って本発明を限定しようとするものではない。
形態を図面に基づいて説明する。
ハ10の裏面を真空チャック12(中心軸14の上端に
固定される)上に真空吸着して平坦な感光レジスト24
を半導体ウェハ10の表面に塗布するものである。ま
ず、半導体ウェハ10の表面は水平面となっている。次
に、粘度が約1〜5cPのAZEBRという予湿剤で半
導体ウェハ10を湿らせるが、スピン速度を約0〜20
0rpmで約0〜3秒間とし、供給率が約2〜5立方セ
ンチメートル(cc)/秒の予湿剤量とする。なお、本
発明にとって、このようなスピン速度ならびに供給率
が、変更可能なパラメータであることは言うまでもな
い。
ピン速度に達し、予湿剤を所定量だけ供給してから、半
導体ウェハ10のスピン速度を約1〜2秒間だけ第1ス
ピン速度に維持するが、その時間は、半導体ウェハ10
が第1スピン速度を維持するのに足りるものであれば良
い。そして、半導体ウェハ10を範囲が約500〜20
00rpmという第2スピン速度にまで加速するととも
に、この速度を約2〜5秒間だけ維持する。
おいて、比較的高い粘度の感光レジストを供給器16か
ら供給する。本実施の形態では、MCPRi 7010
N型の感光レジストを使用し、その粘度範囲を約35〜
50cPとする。感光レジストは約0.6〜1.0cc
/秒の範囲の供給率で約4〜8秒間だけ供給される。こ
の感光レジストは、第2スピン速度から第3スピン速度
である約1500〜3000rpmの範囲までに加速さ
れるまでに供給される。感光レジストの供給が完了する
と、半導体ウェハ10を約2000〜3800rpmの
第4スピン速度にまで加速するとともに、この速度を約
20〜30秒間維持して、最終的に必要な感光レジスト
24の膜厚を獲得する。
に、0.6cc/秒という低い供給率で供給する時に
は、実質上、半導体ウェハ10上に塗布するのに必要な
感光レジスト量を減少させることができるという利点が
ある。本発明の更なる利点は、各半導体ウェハ10間に
おいて同一の膜厚変化が重複して再現されることを減少
させることができることである。すなわち、本発明の方
法を使用すれば、半導体ウェハ10間における平均膜厚
の変化を減少させることができる。一般に、先行技術の
感光レジスト塗布技術においては、同一時間だけスピン
コーティングすると、分離された半導体ウェハ10上の
感光レジスト膜の平均膜厚間における膜厚変化は数百Å
(オングストローム)に達している(アメリカ特許第
5,405,813号を参照)。しかし、本発明の実施
の形態によると、通常は約50〜100Åの範囲とな
る。
ャック12の詳細、真空チャック12と半導体ウェハ1
0の寸法関係、供給器16の配置状態等は従来と同様で
ある。また、本発明は、好適な実施の形態により上記の
ごとく詳細に開示されたが、当業者であれば理解できる
ように、本発明の思想および範囲において、多くの形式
上ならびに細部における各種の変更がなされ得るもので
あって、本発明の技術思想ならびに保護されるべき範囲
もその変更を含むものである。
は、段差のある表面形状の半導体ウェハ表面にストリエ
ーションの発生しない感光レジスト膜を形成できるとと
もに、感光レジスト材料の使用量を減少させることがで
きる。また、本発明は、異なる時間における、異なる半
導体ウェハ上の感光レジスト膜における、均一な膜厚の
再現性を向上させることができる。本発明による改善点
は、半導体デバイス製造についての全ての改善に応用す
ることができる。言い換えれば、本発明は、レジスト膜
均一性を実現できるので、レジストパターンの限界寸法
を安定したものとし、半導体デバイスの歩留まりならび
に信頼性を向上させるとともに、従来技術よりかなり低
いレジスト供給率およびスピン回転速度により使用する
レジスト量を節減できるので、製造コストを削減するこ
とができる。従って、本発明は、産業上の価値が極めて
高いものである。
成した様子を示す断面図。
する装置を示した正面図。
半導体ウェハ上にレジストを塗布する装置を示した正面
図。
上における不均一な膜厚変化を示した概略断面図。
ジストのストリエーションが発生した状態を示す説明図
であって、(a)は平面図、(b)は断面図。
Claims (24)
- 【請求項1】 中心軸を有する真空チャックを準備する
ステップと、 感光レジストの供給器を準備するステップと、 前記真空チャック上に半導体ウェハを装着するステップ
と、 前記中心軸上の前記真空チャックを回転させ第1スピン
速度を達成するステップと、 予湿剤を加速中の前記真空チャック上の前記半導体ウェ
ハに供給するステップと、 前記第1スピン速度を維持するステップと、 前記半導体ウェハを第2スピン速度にまで加速するステ
ップと、 前記第2スピン速度を維持するステップと、 前記半導体ウェハを第3スピン速度にまで加速するステ
ップと、 感光レジストを加速中の前記半導体ウェハ上に供給する
ステップと、 前記半導体ウェハを第4スピン速度にまで加速するステ
ップと、 前記第4スピン速度を維持するステップとを具備するこ
とを特徴とする高粘度レジスト塗布膜のノン・ストリエ
ーション塗布方法。 - 【請求項2】 前記真空チャックは複数の真空開孔を有
するものであることを特徴とする請求項1記載の高粘度
レジスト塗布膜のノン・ストリエーション塗布方法。 - 【請求項3】 前記真空開孔は真空ポンプに連通するも
のであることを特徴とする請求項2記載の高粘度レジス
ト塗布膜のノン・ストリエーション塗布方法。 - 【請求項4】 前記真空チャックは前記中心軸上に取り
付けられるものであることを特徴とする請求項1記載の
高粘度レジスト塗布膜のノン・ストリエーション塗布方
法。 - 【請求項5】 前記半導体ウェハは前記真空チャック上
に装着されるとともに、前記真空チャックの直径が前記
半導体ウェハの直径よりも少し小さいものであることを
特徴とする請求項1記載の高粘度レジスト塗布膜のノン
・ストリエーション塗布方法。 - 【請求項6】 前記中心軸はモータにより回転させられ
るものであることを特徴とする請求項1記載の高粘度レ
ジスト塗布膜のノン・ストリエーション塗布方法。 - 【請求項7】 前記第1スピン速度は約0〜200rp
m/秒の加速度範囲であることを特徴とする請求項1記
載の高粘度レジスト塗布膜のノン・ストリエーション塗
布方法。 - 【請求項8】 前記供給器は前記真空チャック上の前記
半導体ウェハ表面の中心位置に配置されるものであるこ
とを特徴とする請求項1記載の高粘度レジスト塗布膜の
ノン・ストリエーション塗布方法。 - 【請求項9】 前記予湿剤は希釈剤と呼ばれる化学溶液
であり、約1〜5cPの粘度を備えるものであることを
特徴とする請求項1記載の高粘度レジスト塗布膜のノン
・ストリエーション塗布方法。 - 【請求項10】 前記予湿剤は約2〜5立方センチメー
トル(cc)/秒の供給率で供給されるものであること
を特徴とする請求項9記載の高粘度レジスト塗布膜のノ
ン・ストリエーション塗布方法。 - 【請求項11】 前記予湿剤は約1〜3秒間だけ供給さ
れるものであることを特徴とする請求項9記載の高粘度
レジスト塗布膜のノン・ストリエーション塗布方法。 - 【請求項12】 前記第1スピン速度は約1〜2秒間だ
け定速状態に維持されるものであることを特徴とする請
求項1記載の高粘度レジスト塗布膜のノン・ストリエー
ション塗布方法。 - 【請求項13】 前記第2スピン速度は約500〜20
00rpmの範囲であることを特徴とする請求項1記載
の高粘度レジスト塗布膜のノン・ストリエーション塗布
方法。 - 【請求項14】 前記第2スピン速度は約2〜5秒間だ
け定速状態に維持されるものであることを特徴とする請
求項1記載の高粘度レジスト塗布膜のノン・ストリエー
ション塗布方法。 - 【請求項15】 前記第3スピン速度は約1500〜3
000rpmの範囲であることを特徴とする請求項1記
載の高粘度レジスト塗布膜のノン・ストリエーション塗
布方法。 - 【請求項16】 前記感光レジストはMCPRi 70
10Nであることを特徴とする請求項1記載の高粘度レ
ジスト塗布膜のノン・ストリエーション塗布方法。 - 【請求項17】 前記感光レジストはその粘度を約35
〜50cPの範囲とするものであることを特徴とする請
求項16記載の高粘度レジスト塗布膜のノン・ストリエ
ーション塗布方法。 - 【請求項18】 前記感光レジストは約0.6〜1.0
cc/秒の供給率で供給されるものであることを特徴と
する請求項17記載の高粘度レジスト塗布膜のノン・ス
トリエーション塗布方法。 - 【請求項19】 前記感光レジストは約4〜8秒間だけ
供給されるものであることを特徴とする請求項17記載
の高粘度レジスト塗布膜のノン・ストリエーション塗布
方法。 - 【請求項20】 前記第4スピン速度は約2000〜3
800rpmの範囲であることを特徴とする請求項1記
載の高粘度レジスト塗布膜のノン・ストリエーション塗
布方法。 - 【請求項21】 前記第4スピン速度は約20〜30秒
間だけ定速状態に維持されるものであることを特徴とす
る請求項1記載の高粘度レジスト塗布膜のノン・ストリ
エーション塗布方法。 - 【請求項22】 半導体ウェハの裏面を感光レジスト塗
布システムの真空チャック上に装着して、前記半導体ウ
ェハが水平となって表面が上方に向けられるステップ
と、 前記真空チャックを中心軸により回転させ、前記半導体
ウェハが約0〜200rpmの範囲にある第1スピン速
度を達成するステップと、 前記第1スピン速度に加速しながら、約2〜5立方セン
チメートル(cc)/秒の供給率で予湿剤を供給し、そ
の時間を約1〜3秒間とするステップと、 前記予湿剤の供給を停止するとともに、前記第1スピン
速度を約1〜2秒間だけ定速状態に維持するステップ
と、 前記半導体ウェハが第2スピン速度となるまで加速して
から、前記半導体ウェハが約1500〜3000rpm
の第3スピン速度となるまで加速すると同時に加速中
に、約0.6〜1.0cc/秒の配給率で感光レジスト
を供給し、その時間を約4〜8秒間とするステップと、 前記半導体ウェハを約2000〜3800rpmの第4
スピン速度まで加速するとともに、この第4スピン速度
を約20〜30秒間だけ定速状態に維持するステップと
を具備することを特徴とする高粘度レジスト塗布膜のノ
ン・ストリエーション塗布方法。 - 【請求項23】 前記予湿剤はAZEBRであり、約1
〜5cPの粘度を備えるものであることを特徴とする請
求項22記載の高粘度レジスト塗布膜のノン・ストリエ
ーション塗布方法。 - 【請求項24】 前記感光レジストはMCPRi 70
10Nであり、約35〜50cPの粘度を備えるもので
あることを特徴とする請求項22記載の高粘度レジスト
塗布膜のノン・ストリエーション塗布方法。
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