JP3878577B2

JP3878577B2 - Manufacturing method of semiconductor device

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Publication number: JP3878577B2
Application number: JP2003162020A
Authority: JP
Inventors: 知之竹石; 圭早崎; 健二川野; 信一伊藤; 達彦江間
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-06-06
Filing date: 2003-06-06
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2023-06-06
Also published as: JP2004363444A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光励起により生成されたＯＨラジカル及び／又はＯラジカルを用いて樹脂膜のパターンを処理する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、微細加工技術では、５０ｎｍを切るようなきわめて小さい寸法のデバイスパターン形成が要求される一方、非常に高い精度の加工が要求されている。また、これらの加工に用いられている光リソグラフィーでは、ＫｒＦ→ＡｒＦ→Ｆ₂と露光に用いるエキシマレーザーの波長の短波長化により、微細化が進められている。しかし、これらのエキシマレーザーを用いてパターン形成を行っても、微細化の要求に対して十分でなく、光リソグラフィーでターゲットよりも大きい寸法を形成しておいて、ドライエッチング、ＵＶ光を照射しながらオゾンでアッシング（特許文献１）等のドライプロセスによりレジストパターンを細くするスリミング処理が行われている。
【０００３】
スリミング処理には、ＯＨラジカルやＯラジカル等のラジカル分子／原子を用いた方法がある。このスリミング処理の問題点を図１５を用いて説明する。
【０００４】
図１５（ａ）に示すように、レジストパターン１０２が形成された被処理基板１０１を、純水又は過酸化水素水の蒸気を含む雰囲気下に設置する。次いで、被処理基板１０１に対して、光を照射し、光励起によりラジカル分子／原子を生成する。レジストパターン１０２とラジカル分子／原子とを反応させると、反応生成物の骨格中に多数のアルコール性ＯＨ基を有する反応生成物１０３が生じる。このため軟化点が低くなり流動性が高くなる。基板に照射された光により基板が加熱される。図１５（ｂ）に示すように、熱により流動性が高い反応生成物１０３が流動する。その結果、図１５（ｃ）に示すように、レジストパターン１０２の断面形状が矩形にならない。また、レジストパターン１０２の膜厚が大きく減少する。
【０００５】
また、樹脂製の絶縁膜の改質（酸化）処理に光励起により形成されるラジカル分子／原子を用いると以下の問題が発生する。樹脂膜がパターンを有している場合、反応生成物が流動することにより、樹脂膜の改質（酸化）処理を均一に行うことが出来ない。また、ウエハ全面に形成された樹脂膜に対して処理を行うと、樹脂膜が流動し、均一な処理を行うことが出来ないという問題点があった。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−８５４０７
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、光励起により生成されたＯＨラジカルやＯラジカル等のラジカル分子／原子と樹脂膜とを反応させると反応生成物が流動し、均一な処理を行うことが出来ないという問題があった。
【０００８】
また、光励起により生成されたＯＨラジカルやＯラジカル等のラジカル分子／原子を用いたスリミング処理では、パターンの断面形状が矩形にならないという問題があった。また、膜厚が薄くなるという問題があった。
【００１１】
本発明の目的は、光励起によりＯＨラジカルやＯラジカル等のラジカル分子／原子と樹脂膜とを反応させる際、樹脂膜の膜厚減少を抑制し得る半導体装置の製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために以下のように構成されている。
【００１５】
本発明の一例に係わる半導体装置の製造方法は、被処理基板の主面上に樹脂膜のパターンを形成する工程と、前記被処理基板の主面が下方に向いた状態にする工程と、前記被処理基板の主面に、紫外光が照射されてＯＨラジカル及び／又はＯラジカルを生成する分子を含む雰囲気を接触させる工程と、前記被処理基板の主面に対して前記紫外光を照射する工程と、前記紫外光により前記分子からＯＨラジカル及び／又はＯラジカルを生成する工程と、生成されたＯＨラジカル及び／又はＯラジカルと前記樹脂膜とを反応させ、反応生成物を生成することにより前記樹脂膜のパターン寸法を細くする工程と、前記紫外光の照射時、前記樹脂膜の分解温度未満の温度で、前記反応生成物が蒸発するように前記被処理基板を加熱する工程と、前記紫外光の照射後、前記反応生成物を除去する工程とを含むことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。
【００１８】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係わる半導体装置の製造方法、及び基板処理装置について図１，２を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を示すフローチャートである。また、図２は、本発明の第１の実施形態に係わる半導体装置の製造方法を示す断面図である。
【００１９】
先ず、図２（ａ）に示すように、被処理基板１０１上に１００ｎｍの孤立残しレジストパターン（樹脂膜のパターン）１０２を形成する（ステップＳ１０１）。なお、被処理基板１０１は半導体装置の製造途中のウエハである。より具体的には、レジストパターン１０２をマスクに被処理基板１０１をエッチングし、ＭＯＳトランジスタのゲート電極パターンを形成する。
【００２０】
レジストパターン１０２の形成過程を以下に説明する。被処理基板１０１上に反射防止膜（膜厚５０ｎｍ）、化学増幅型レジスト（膜厚３００ｎｍ）を塗布し、ArFエキシマレーザーを用い、露光用レチクルを介しゲート加工用パターンを縮小投影露光する。該基板を１２０℃で９０秒間熱処理した後、６０秒間アルカリ現像液を供給して、レジスト膜を現像する。所定時間経過後、純水を供給し、反応の停止および洗浄を行う。
【００２１】
この被処理基板１０１及びレジストパターン１０２を具備するウエハ１００を図３に示す基板処理装置２００に搬送する（ステップＳ１０２）。図３は、本発明の第１の実施形態に係わる基板処理装置の構成を示す図である。図３に示すように、基板処理装置２００は、チャンバー２０１内に被処理基板１０１を保持する基板保持部２０２が設けられている。基板保持手段２０２は、ウエハ１００の温度を調整するために、ペルチェ素子を用いた冷却機能（水冷機能でも良い）を持っている。照射部２１０を具備する。照射部２１０は、水が吸収する１７２ｎｍの光をウエハ１００主面に対して照射する。照射部２１０は、移動手段２０３によってウエハ１００主面上を走査可能である。
【００２２】
チャンバー２０１内に、ウエハ１００主面に対向して、被処理基板に洗浄液（純水）を供給する洗浄液供給部２０４が設けられている。また、ウエハ１００主面に対向して、ウエハ１００主面を乾燥させる乾燥機２０５が設けられている。洗浄液供給部２０４及び乾燥機２０５は、移動手段２０６によってウエハ１００主面上を走査可能である。
【００２３】
チャンバー２０１内に窒素（Ｎ₂）ガス、酸素（Ｏ₂）ガスを導入するガス供給器２２０がチャンバー２０１に接続されている。ガス供給器２２０は、ＭＦＣ（マスフローコントローラ）２２１ａ〜２２１ｃが、バブラー２２２を具備する。チャンバー２０１内を排気する排気部２３０が配管を介してチャンバーに接続されている。また、ＭＦＣ２２１ａ〜２２１ｃの流量をそれぞれ制御するＭＦＣ制御部２２３が設けられている。
【００２４】
照射部２１０の構成を図４を参照して説明する。図４は、図３に示した基板処理装置の照射部の構成を示す図である。図４（ａ）は照射部の正面図、図４（ｂ）は照射部の断面図である。図４（ａ）は走査方向から見た図であり、図４（ｂ）は走査方向に直交する方向の断面図である。
【００２５】
図４（ａ），（ｂ）に示すように、ランプハウス２１１内に、走査方向に直交する方向に沿って、複数のランプ２１２が配列されている。ランプ２１２としては、波長１７２ｎｍの光を発光するエキシマランプを用いた。ランプハウス２１１のウエハに対向する側には、石英ガラス（透明板）２１３が設置されている。ランプ２１２には、電力入力部２１５から電力が入力される。電力入力部２１５は各ランプ２１２に独立に電力を供給し、それぞれのランプ２１２の照度を調整することができる。
【００２６】
ランプハウス２１１内に、ランプ２１２から発した光を効率よくウエハ側に照射するために、リフレクタ２１６が設けられている。また、ランプ２１２と石英ガラス２１３との間に、照度むらを少なくする拡散板２１７が設置されている。
【００２７】
ランプとして、複数のランプ２１２を用いたのはそれぞれのランプへの入力電力を調整して照度の均一性をあげるためで、分割しなくても均一であれば、分割したランプを用いる必要はない。
【００２８】
次に、図３に示した基板処理装置を用いた処理について説明する。ウエハ１００は、図示されないキャリアステーションから基板搬送系により装置２００の基板保持手段２０２に搬送されて保持される。基板１００を基板保持手段２０２に搭載後、チャンバー内の雰囲気はガス供給器２２０及び排気部２３０により置換される。ここでは、ＭＦＣ制御部２２３が、ＭＦＣ２２１ａ，２２１ｂを制御することにより、チャンバー２０１内を窒素と酸素との雰囲気に置換した。なお、酸素の濃度が１％となるようにした。
【００２９】
次いで、レジストパターン１０２の表面を親水化処理し、レジストパターンの水に対する接触角度を大きくする（ステップＳ１０３）。ここで、親水化処理を行ったのは、レジストパターン１０２の純水に対する接触角が５０°であり、後に水の吸着膜を形成するのが困難である為である。レジストパターンの親水性が高い場合、この親水化処理は不要である。
【００３０】
親水化処理について説明する。前述した窒素と酸素との混合雰囲気下で、被処理基板全面に照射部２１０から１７２ｎｍの光を照射する。１７２ｎｍ光の照射により、酸素からオゾンが生成される。生成されたオゾンとレジストパターン１０１とが反応し、レジストパターン１０２表面が親水化される。所定時間親水化処理を行った後、照射部２１０からの光照射を停止する。
【００３１】
次いで、ガス供給器２２０から湿度８０％の窒素ガスをチャンバー２０１内に供給する。湿度の調整について説明する、純水が蓄えられたバブラー２２２を経由させた窒素ガスと、純粋な窒素ガスとを混合させた混合ガスの湿度を図示されない湿度計で測定する。測定された湿度に応じて、ＭＦＣ制御部２２３がＭＦＣ２２１ｂ，２２１ｃを制御して、二つの窒素ガスの混合比を変化させることにより行う。図２（ｂ）に示すように、水蒸気１１１によりレジストパターン１０２表面に水の吸着膜１１２を形成する（ステップＳ１０４）。この時の水の吸着膜１１２の厚さは数μｍ程度であった。
【００３２】
次いで、図２（ｃ）に示すように、レジストパターン１０２の表面に吸着膜１１２が形成された状態で、照射部２１０から１７２ｎｍの光１２０を照射し、レジストパターン１０２のスリミング処理を行う（ステップＳ１０５）。図５は、水の吸収係数の波長依存性を示す特性図である。図５に示すように、水は１７２ｎｍの光に対して大きな吸収係数を持つ。よって、１７２ｎｍの光１２０の照射により、吸着膜１１２及び水蒸気１１１からＯＨラジカルやＯラジカルのラジカル分子／原子１１３が光励起により生成される。ラジカル分子／原子１１３とレジストパターン１０２が反応し、反応生成物１０３が形成され、レジストパターン１０２が細る。
【００３３】
なお、照射部２１０からの光１２０の照射は、図６に示すように、ランプ２１２を点灯した状態で照射部２１０をウエハ１００主面上の一端から他端に走査させることで行った。本実施形態では、光１２０が照射される時間（スリミング処理時間）が１０秒間になるよう、照射部２１０の走査速度を調整した。
【００３４】
本実施形態では、ランプ２１２の出力を１００ｍＷ／ｃｍ²、石英ガラス２１３と被処理基板との距離２０ｍｍで行った。このとき基板は基板保持部２０２を介してウエハ１００が５０℃以下になるように冷却を行った。このとき石英ガラスと被処理基板間に供給した雰囲気の湿度は常に８０％となるように調整している。湿度の制御は、レジスト膜表面の吸着水の乾燥防止、スリミング中のレジスト膜表面に対する水分の供給を目的にしている。反応生成物１０３はアルコール的な性質（アルコール性ＯＨ基を有するもの）であり、低融点化して流動現象が生じやすい。反応生成物１０３の流動が生じないように、基板保持手段２０２によりウエハ１００を冷却する。
【００３５】
所定のスリミング処理終了後、図２（ｄ）に示すように、洗浄液供給部２０４をウエハ１００上を走査させて純水を供給しウエハ１００を洗浄する（ステップＳ１０６）。更に乾燥機２０５をウエハ１００上で走査させて、ウエハ１００表面に残存する水滴を除去する（吸着水はレジスト膜表面に保持）。
【００３６】
これら一連の操作により得られたスリミングレート（レジストパターンが細る速度）は２ｎｍ／ｓでスリミング量は２０ｎｍであった。これら一連の処理により、現像直後に１００ｎｍあったゲート加工用レジストパターンが８０ｎｍまで細くなった。
【００３７】
更にステップＳ１０４からステップＳ１０６を繰り返し行い（ステップＳ１０５は１０秒）、レジストパターン１０２を６０ｎｍまで細らせた。２回に分けてステップＳ１０４からＳ１０７までの処理を行ったのは、照射に用いた１７２ｎｍの光が反応生成物１０３内で減衰するためレジストパターン１０２の表面で反応が生じないことによる。また、ＯＨラジカルの反応性が高いため、レジストパターン１０２表面で殆どのラジカルが反応してしまうことにもよる。
【００３８】
上述のように作成したレジストパターン１０２をマスクに加工して作成したゲートを用いたデバイスは本処理を行わずに用いたゲート寸法より非常に微細に加工できたため、優れた応答性を得ることができた。
【００３９】
本実施形態により、レジストパターンを効率よく細らせることができ、この技術を用いて作成したデバイスも従来技術で作成したもの比較し優れた応答性を得ることができた。
【００４０】
本実施形態では水が吸収する光の照射に、１７２ｎｍの光を基板全面に照射するエキシマランプ光源を用いたがこれに限るものではない。スリット状、又はスポット状に照射する光源であっても良い。必要とする加工均一性や処理時間により適時変更しても良い。なお、これらいずれの場合においても照射領域の被処理基板を冷却することは必要である。また、光源にエキシマランプ以外に低圧水銀ランプなどを用いても良い。
【００４１】
被処理膜（レジストパターン）も上述の組成には限らない。本実施形態に用いたレジストとしてＡｒＦに反応性を有する化学増幅型レジストを用いたがこれに限るものではなく、他の脂環式樹脂（アクリル系、コマ系、ハイブリッド系樹脂）を用いた場合でも同等の効果が得られた。この他に紫外光照射により生じたＯＨラジカルの付加反応でアルコール性ＯＨ基が生じるものであれば如何なるのものにも適用できる。また、芳香族化合物を有する樹脂に対しても有効でノボラック樹脂を持つＩ線、Ｇ線レジストやポリビニルフェノール骨格を持つ樹脂で構成されるＫｒＦレジストや電子線露光用レジスト、軟Ｘ線（ＥＶＵ）露光用レジストなどについても効果を確認できた。なお、芳香族化合物を有する樹脂を用いた場合にはアルカリ水、例えばＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムオキサイド）溶液やＫＯＨ溶液を用いたほうが、より高いスリミングレートを得ることができた。
【００４２】
なお、乾燥に、超臨界状態の炭酸水を用いるとパターン倒れのない良好な加工が可能である。高圧チャンバーに被処理基板を移し、スリミング処理後の被処理基板主面の純水を先ず炭酸が可溶なアルコールに先ず置換する。更にこのアルコールを液体ＣＯ₂で置換する。液体ＣＯ₂状態からの乾燥は３５℃、１０Ｍｐａとして超臨界状態のＣＯ₂の状態を変化させたのち、チャンバーの圧力を徐々に下げてＣＯ₂を気化させて除去する。
【００４３】
本実施形態においてスリミング処理後に純水、過酸化水素水またはアルコールによる洗浄を実施した場合レジストパターン表面にウエット処理の際に生じた膨潤層が凝縮して生じた凹凸が顕著に見られる場合がある。このような場合には、最後に１７２ｎｍの光を酸素またはオゾン雰囲気下でレジストパターン表面に照射すると良い。膨潤層は言わば反応中間生成物であり、前述の処理を行うことで選択的に剥離することができる。その結果凹凸の少ないパターン表面を形成でき、デバイスの信頼性をより一層高めることができる。
【００４４】
次に本発明の作用について説明する。水に２００ｎｍ以下の波長の光を照射すると、ＯＨラジカルやＯラジカルが生成される。ＯＨラジカル、Ｏラジカルは酸化性が非常に強く、有機物であるレジストは酸化分解される。従って、被処理基板上に水の液膜を形成した状態で、光を照射し、ＯＨラジカル、Ｏラジカルをレジストと作用させることで、レジストが分解し、レジストパターンの残し寸法の減少（スリミング）が生じる。また、照射量、照射時間、水の液厚を適切な値に設定することで、反応量を制御することができるため、スリミング量の制御が可能である。また、均一な酸化分解反応が緩やかに起こるため、ラインエッジラフネスの低減も可能である。本実施形態では、ラジカル源として水を用いているが、過酸化水素水でも同様の効果が得られる。過酸化水素水を用いた場合には３００ｎｍ以下の波長の光を照射すると良い。また、これらのラジカル源として水のかわりに、酸素水やオゾン水を用いることも有効である。
【００４５】
本実施形態ではレジストパターン表面を親水化するのに１７２ｎｍ光を用いたがこれに限るものではない。また、純水にオゾン（Ｏ₃）を溶解させたオゾン水をレジスト膜表面に供給しても同様の親水化の効果を得ることができる。オゾン水は現像後のパーティクル除去する機能も具備するため、現像のリンス工程でオゾン水を用い、予め親水化しておいても良い。また、酸素やオゾンを含む雰囲気に被処理基板を載置し、光励起してＯラジカルを生成して、スリミング処理を行っても良い。また、図７に、酸素及びオゾンの吸収係数の波長依存性を示す。また、オゾン水の場合、図５及び図７に示す特性図から、オゾンと水との両方の吸収係数が高い波長を選択して、スリミング処理を行うことが好ましい。オゾン又は酸素を含む雰囲気中では、図７に示す特性図から、吸収係数が高い波長を選択して、スリミング処理を行う。
【００４６】
本実施形態では、スリミングするパターンとして、レジストパターンの例を示したが、本方法の用途はこれに限るものではない。
【００４７】
光照射により活性化した水でパターン寸法が細くなるパターンであればこれに限らない。樹脂系の絶縁膜のスリミング処理にも用いることができる。また、絶縁膜等の樹脂膜表面の酸化・改質処理等に用いることができる。また、シリコン窒化膜パターンも寸法が細くなるので、本方法によりパターンを形成することが可能である。また、表面に酸化膜を形成する場合にも勿論使用できる。
【００４８】
レジストパターンに不良が生じた際のレジスト膜除去（再生）にも用いることができる。この場合は処理時間をレジストパターンが幅方向に消失する条件で行うと良い。大きいパターンが存在するときには、反応生成物を除去して繰り返し上述の処理を行えばよい。
【００４９】
（第２の実施形態）
本実施形態は、第１の実施形態と異なる基板処理装置を用いて、スリミング処理を行う。図８は、本発明の第２の実施形態に係わる基板処理装置の概略構成を示す図である。図８において、図３に示した装置と同一な部位には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００５０】
図８に示すように、ウエハ１００は基板保持手段２０２の下面に保持され、ウエハ１００主面（レジストパターン形成面）は下方を向いている。また、照射部２１０の石英ガラス２１３は上方に向けられている。また、ランプ２１２は水が吸収する２２２ｎｍの光を発光するエキシマランプ光を用いている。なお、バブラー２２２内には純水ではなく、濃度５％の過酸化水素水が蓄えられている。
【００５１】
図８，図９を参照して、本実施形態の基板処理を説明する。図９は、本発明の第２の実施形態に係わる基板処理方法を示す断面図である。
【００５２】
先ず、第１の実施形態と同様に、図１（ａ）に示したレジストパターン１０２を形成する（Ｓ１０１）。次いで、図８に示した基板処理装置内に搬送する（ステップＳ１０２）。ウエハ１００主面は下方に向いた状態である。
【００５３】
次いで、ガス供給器２２０から過酸化水素水の蒸気と窒素ガスとの混合ガスをチャンバー２０１内に供給する。混合ガスの湿度は、８０％に設定する。図９（ａ）に示すように、過酸化水素水の蒸気１３１によりレジストパターン１０２表面に過酸化水素水の吸着膜１３２を形成する（ステップＳ１０４）。
【００５４】
この状態で、図１０に示すように、２２２ｎｍの光をウエハ１００主面上に照射しながら、照射部２１０をウエハ１００主面上で走査させる。ランプ２１２の出力を５０ｍＷ／ｃｍ²、照射部２１０のスキャン速度を２ｍｍ／ｓｅｃ、石英ガラス２１３とウエハ１００との距離１ｍｍを設定した。スキャン速度を２ｍｍ／ｓｅｃ、且つ照射部２１０から照射された光のウエハ１００主面上での形状は、走査方向で４０ｍｍである。従って、レジストパターンに対して光が照射される時間（スリミング処理時間）は、２０秒である。基板保持部２０２により、ウエハ１００の温度が１００℃になるように温調した。過酸化水素水の吸収係数の波長依存性を図１１に示す。図１１に示すように、過酸化水素水の吸収係数は、波長２２２ｎｍに対して大きな吸収係数を持っている。よって、２２２ｎｍの光の照射により、光励起により過酸化水素水からＯＨラジカル、Ｏラジカルが生成される。
【００５５】
図９（ｂ）に示すように、光１４０の照射により、蒸気１３１及び吸着膜１３２から活性なラジカル分子／原子１１３が発生する。ラジカル分子／原子１１３とレジストパターン表面１０２が反応して、レジストパターン１０２の幅が細る。反応により反応生成物１０３が形成される。
【００５６】
反応生成物１０３は、ウエハ１００の温度が１００℃に設定されているため、流動現象が生じる。流動した反応生成物１０３はパターン１０２先端に移動する。反応生成物は表面張力が小さく、先端に移動しても凝集せずにツララ状になる。レジストパターン１０２先端はツララ状の反応生成物１０３により保護されるため、厚さ方向のエッチングが抑制される。
【００５７】
スリミングの後、レジストパターン１０２表面を水洗することでツララ状の反応生成物は溶解し、図９（ｃ）に示すように、所望のパターンを得ることができる。
【００５８】
このときのスリミングレート（レジストパターンが細る速度）は３ｎｍ／ｓでスリミング量は６０ｎｍであった。これら一連の処理により、現像直後に１００ｎｍあったゲート加工用レジストパターンを４０ｎｍまで細くできた。
【００５９】
上述の方法で得られたレジストパターンは、スリミング時に幅方向に異方性エッチングされているため、後のエッチング工程に対して、加工に十分な耐え得る膜厚を確保できる。
【００６０】
このように作成したレジストパターンをマスクに加工して作成したゲートを用いたデバイスは本処理を行わずに用いたゲート寸法より非常に微細に加工できたため、優れた応答性を得ることができた。
【００６１】
本実施形態によれば、レジストパターンを効率よく細らせることができ、この技術を用いて作成したデバイスも従来技術で作成したもの比較し優れた応答性を得ることができる。
【００６２】
なお、本実施形態に用いたレジストとしてＡｒＦに反応性を有する化学増幅型レジストを用いたがこれに限らず、他の脂環式樹脂（アクリル系、コマ系、ハイブリッド系樹脂）に対しても同等の効果が得られた。この他に紫外光照射により生じたＯＨラジカルの付加反応でアルコール性ＯＨ基が生じるものであれば如何なるのものにも適用できる。また、芳香族化合物を有する樹脂に対しても有効でノボラック樹脂を持つＩ線、Ｇ線レジストやポリビニルフェノール骨格を持つ樹脂で構成されるＫｒＦレジストや電子線露光用レジスト、軟Ｘ線（ＥＶＵ）露光用レジストなどについても効果を確認できた。なお、芳香族化合物を有する樹脂を用いた場合にはアルカリ水、例えばＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムオキサイド）溶液やＫＯＨ溶液を用いたほうが、より高いスリミングレートを得ることができた。
【００６３】
本実施形態ではＯＨラジカルを生じる物質として過酸化水素水を用いたがこれに限るものではなく、純水を用いて、２００ｎｍ以下の光を照射しても同様の効果を得ることができる。また、濃度もこれに限るものでなく、１ｐｐｍから３０％までの濃度範囲でスリミング効果を確認できた。基板の温度調整については過酸化水素水を用いた場合には３０〜５０℃の範囲で、純水を用いた場合には３０〜９０℃程の範囲で行うのが望ましい。
【００６４】
本実施形態の場合、スリミングの後に被処理基板をレジストパターンが流動を生じない状態まで加熱して反応生成物を気化させて除去することもできる。また、スリミング処理中であっても導入する気体を加熱してレジスト表面の温度を高めて、ツララを形成しつつ、その一部を気化しても良い。
【００６５】
勿論、水洗による除去も可能である。水洗を行った際の乾燥には、超臨界炭酸水を用いるとパターン倒れのない良好な加工が可能である。高圧チャンバーに被処理基板を移し、スリミング処理後の被処理基板主面の純水を先ず炭酸が可溶なアルコールに先ず置換する。更にこのアルコールを液体ＣＯ₂で置換する。液体ＣＯ_２状態からの乾燥は３５℃、１０Ｍｐａとして超臨界状態のＣＯ₂の状態を変化させたのち、チャンバーの圧力を徐々に下げてＣＯ₂を気化させて除去する。
【００６６】
本実施形態において、スリミング後に純水、過酸化水素水またはアルコールによる洗浄を実施した場合レジストパターン表面にウエット処理の際に生じた膨潤層が凝縮して生じた凹凸が顕著に見られる場合がある。このような場合には、最後に１７２ｎｍの光を酸素またはオゾン雰囲気下でレジストパターン表面に照射すると良い。膨潤層は言わば反応中間生成物であり、前述の処理を行うことで選択的に剥離することができる。その結果凹凸の少ないパターン表面を形成でき、デバイスの信頼性をより一層高めることができる。
【００６７】
光照射により活性化した水でパターン寸法が細くなるパターンであればこれに限らない。樹脂系の絶縁膜のスリミング処理にも用いることができる。また、シリコン窒化膜パターンも寸法が細くなるので、本方法によりパターンを形成することが可能である。
【００６８】
本実施形態では、スリミングするパターンとして、レジストパターンの例を示したが、本発明の用途はこれに限るものではない。レジストパターンに不良が生じた際のレジスト膜除去（再生）にも用いることができる。この場合は処理時間をレジストパターンが幅方向に消失条件で行うと良い。大きいパターンが存在するときには、反応生成物を除去して繰り返し上述の処理を行えばよい。
【００６９】
（第３の実施形態）
先ず、本実施形態のスリミング処理に用いる基板処理装置の構成を図１２を参照して説明する。なお、図３と同一な部位には同一符号を付し、詳細な説明を省略する。なお、ガス供給器２２０の構成は、図３に示した装置のガス導入器と同様である。
【００７０】
ウエハ１００主面を下向きにして保持する保持具２４２がチャンバー２０１内に設けられている。保持具は２４２は、例えば真空チャックによりウエハ１００を保持する。また、保持具２４２は、ウエハ１００の温度を調整する温調機能を有する。ウエハ１００主面に対向して、照射部２５０が設けられている。照射部２５０は、ランプハウス２５１，１７２ｎｍの光を発光するＸｅ₂エキシマランプ２５２，石英ガラス２５３，リフレクタ２５６，及び拡散板２５７を具備する。
【００７１】
次に、図１２に示した装置を用いたスリミング処理について説明する。
先ず、第１の実施形態と同様に、図１（ａ）に示したレジストパターン１０２を形成する（Ｓ１０１）。
【００７２】
反射防止膜は、回転塗布法で形成される。３００℃、１２０秒の条件で加熱を行って溶剤を揮発させ、膜厚１００ｎｍの反射防止膜を形成する。ここでは、反射防止膜として、有機系材料のものを用いた。レジスト膜を回転塗布法で形成する。１３０℃、６０秒の条件で加熱を行って溶剤を揮発させ、膜厚２００ｎｍのレジスト膜を形成する。レジスト膜はＡｒＦ光（波長１９３ｎｍ）用化学増幅型ポジレジストである。次に、ＡｒＦエキシマレーザを用い、露光用レチクルを介し、ゲート加工用パターンを縮小投影露光する。該基板を熱処理し、現像装置に搬送する。現像装置では、現像液を被処理基板上に供給し、３０秒間現像後、被処理基板を回転させながら純水を供給し、反応の停止および洗浄を行い、スピン乾燥によって被処理基板を乾燥する。これらの処理を行うことで被処理基板上に１００ｎｍの孤立残しパターンを形成する。
【００７３】
次いで、図１２に示した基板処理装置内に搬送する。ウエハ１００主面は下方に向いた状態である。
次に、現像まで終了した被処理基板は、搬送ロボットによりチャンバー内に搬送され、光照射によるゲート用のレジストパターンのスリミング処理を行う。
【００７４】
ガス供給器２２０から２３℃、湿度７０％の純水を含む窒素ガスを供給する。窒素ガスの湿度調整は、導入する窒素ガスの温度より高温に加熱された純水が蓄えられたバブラーに窒素ガスの一部を経由させ、純粋な窒素とバブラーにより水分を混入した後、ガスの温度を２３℃に調整することで行った。
【００７５】
次いで、照射部２５０から光を照射するウエハ１００に対して光を照射し、スリミング処理を行う。ランプ２５２の出力を５０ｍＷ／ｃｍ²、照射時間３０秒、石英ガラス２５３とウエハ１００との距離５ｍｍで行った。この時、チャンバー内の圧力が１９９９８．３Ｐａ（１５０ｍｍＨｇ）になるように真空ポンプをバルブで制御した。
【００７６】
本実施形態のスリミング処理を、図１３を参照して説明する。図１３は、本発明の第３の実施形態に係わる半導体装置の製造方法を示す断面図である。
先ず、図１３（ａ）に示すように、チャンバー２０１中の蒸気が光の照射により、ＯＨラジカルやＯラジカル等のラジカル分子／原子１１３が生成される。ラジカル分子／原子１１３とレジストパターン１０２とが反応し、レジストパターン表面に反応生成物１０３が形成され、レジストパターン１０２の線幅が細る。光１４０の輻射熱により反応生成物１０３が暖められ、流動現象が生じる。図１３（ｂ）に示すように、レジストパターン１０２先端近傍の反応生成物１０３は、流動化によりレジストパターン１０２の先端に移動し、レジストパターン１０２の先端部での反応が抑制される。また、流動化した反応生成物１０３は蒸発し、レジストパターン１０２の側面にはレジストパターン表面が露出する。
【００７７】
紫外線の照射時、レジスト並びに反射防止膜の表面温度がそれぞれの熱分解温度未満になるようにランプ出力、照射時間、石英ガラスと被処理基板との距離等の照射条件、及び保持具の温調機能を制御する。
【００７８】
反応生成物を除去しながら、エキシマランプ照射することで未反応のレジスト表面とＯＨラジカルまたはＯラジカルとの反応が促進する。
【００７９】
次に、搬送ロボットにより洗浄ユニットに搬送し、被処理基板の上方に配置されたリンスノズルからリンス液（例えば純水）を供給し、回転させながら基板を３０秒間洗浄ことでパターン表層にわずかに残った反応生成物は溶解し、所望のパターンを得ることができた。これら一連の処理により、１００ｎｍのゲート加工用レジストパターンを６０．５ｎｍまで細くすることができた（図１３（ｃ））。この時、レジスト膜厚は１９７ｎｍとほとんど膜厚の変動はなく、スリミング時に幅方向に異方性エッチングされているため、後のエッチング工程に対して、加工に十分な耐え得る膜厚を確保できる。
【００８０】
上述のように作成したレジストパターンをマスクに加工して作成したゲートを用いたデバイスは本処理を行わずに用いたゲート寸法より非常に微細に加工できたため、優れた応答性を得ることができた。
【００８１】
また、減圧下でのエキシマランプの照射処理から洗浄処理までのこれら一連の処理を複数回行うこともスリミングには有効である。加えて、複数回行う場合には、各一連の処理終了後にレジストパターンの寸法を計測することが有効である。レジストパターン寸法を計測することで、反応量を知ることができる。反応量に応じて、光照射部の照射量、照射時間、石英ガラスと被処理基板との距離、チャンバー内の湿度や酸素濃度等の照射条件をかえて、所望の反応量になるように制御すればよい。
【００８２】
本実施形態ではチャンバー内の圧力を１９９９８．３Ｐａ（１５０ｍｍＨｇ）で行ったが、これに限定されずレジストパターンを細らせるのに十分なだけのＯＨラジカルやＯラジカルを生成する湿度や酸素濃度で行えば良い。
【００８３】
また、本実施形態では本実施形態ではバブラーに窒素ガスの一部を経由させ、純粋な窒素とバブラーにより水分を混入した後にチャンバー内に導入しているが、チャンバー内の雰囲気はこれに限らず、大気にオゾンガスや過酸化水素ガス等を混合したガスをチャンバー内に導入しても良い。
【００８４】
過酸化水素ガスはＯＨラジカルやＯラジカルを生成することが可能である。特に、過酸化水素ガスは一分子から二分子ＯＨラジカルを生成できる。一方、オゾンもまたＯラジカルを発生するため、スリミング反応が可能である。
【００８５】
また、エキシマランプの波長はＯＨラジカルまたは／及びＯラジカルが生成すればいかなる波長でも良い。またランプの出力、照射時間、窓材から試料までの距離もここに記したのは一例に過ぎず、反応が生じることが確認できればいかなる値に設定しても良い。また、窓材はＣａＦ_２でも良い。
【００８６】
なお、本実施形態では、レジストパターンの形成面を下向きにしてスリミング処理を行ったが、レジストパターンの形成面を上向きにして処理を行っても良い。光照射により活性化した水でパターン寸法が細くなるパターンであればこれに限らない。樹脂系の絶縁膜のスリミング処理にも用いることができる。また、シリコン窒化膜パターンも寸法が細くなるので、本方法によりパターンを形成することが可能である。
【００８７】
（第４の実施形態）
本実施形態では、第１〜第３の実施形態と同様に、レジストパターン形成後にエキシマランプを照射することでレジストパターンをスリミング処理する例を説明する。
【００８８】
第３の実施形態と同様な条件で、レジストパターンを形成する。
【００８９】
次に、被処理基板を、搬送ロボットにより図１２に示した基板処理装置のチャンバー２０１内に搬送する。ウエハ１００は、主面（レジストパターン形成面）を下に向けて保持する。
【００９０】
以下の手順を図１４を参照し説明する。図１４は、本発明の第４の実施形態に係わる半導体装置の製造工程を示す断面図である。
【００９１】
次いで、ガス供給手段から２３℃、湿度７０％の純水を含む窒素ガスを供給する。窒素ガスによる湿度調整は、導入する窒素ガスの温度より高温に加熱された純水が蓄えられたバブラーに窒素ガスの一部を経由させ、純粋な窒素ガスにバブラーにより蒸気を混入して行った。なお、チャンバー２０１の圧力を大気圧にする。被処理基板の温度が０℃になるように温調する。図１４（ａ）に示すように、レジストパターン１０２表面では導入された水分が温度差で結露し、レジストパターン表面に水の吸着膜１３２が形成される。
【００９２】
照射部２５０から光１４０を照射し、活性なＯＨラジカルやＯラジカルを発生させ、発生したラジカルによるレジストパターンのスリミング処理を行う。本実施形態では波長１７２ｎｍのＸｅ₂エキシマランプ光を照射した。ランプ出力５０ｍＷ／ｃｍ²、照射時間２０秒、石英ガラスと被処理基板との距離５ｍｍで行った。
【００９３】
エキシマランプ照射時には水の吸着膜１３２からＯＨラジカルまたはＯラジカルが生成され、レジストパターンとラジカルとの反応が進行する。一方、光照射による反応熱によってパターン表面の温度は上昇するため、反応生成物１０３の流動性が増し、ツララ状になる（図１４（ｂ））。レジストパターン１０２先端はツララ状の反応生成物１０３により保護されたため、厚さ方向のエッチングが抑制される。
【００９４】
次に、光の照射を一旦停止し、ウエハ１００を５０℃に加熱した状態でチャンバー内の圧力を１９９９８．３Ｐａ（１５０ｍｍＨｇ）まで減圧する。図１４（ｃ）に示すように、減圧下で被処理基板１０１を加熱することで、ツララ状の反応生成物１０３は蒸発、未反応のレジストがレジストパターン１０２表層に現れる。この時、レジストパターン１０２先端の反応生成物１０３が除去されないように、処理時間を調整する。
【００９５】
被処理基板１０１の冷却処理→エキシマランプの照射処理→減圧下での被処理基板加熱処理、の一連の処理を繰り返し行うことで反応生成物１０３を除去し、未反応のレジスト表面とＯＨラジカルまたはＯラジカルとの反応が促進させることができる。なお、エキシマランプの輻射によってレジストの表面温度が上昇するが、この表面温度がレジスト並びに反射防止膜の熱分解温度未満になるようにランプ出力、照射時間、石英ガラスと被処理基板との距離等の照射条件を制御する。
【００９６】
次に、搬送ロボットにより洗浄ユニットに搬送し、被処理基板の上方に配置されたリンスノズルからリンス液（例えば純水）を供給し、回転させながら基板を３０秒間洗浄することでパターン表層にわずかに残った反応生成物１０３は溶解し、所望のパターンを得ることができた（図１４（ｄ））。これら一連の処理により、１００ｎｍのゲート加工用レジストパターンの寸法を５０ｎｍまで細くすることができた。この時、レジスト膜厚は１９７．５ｎｍとほとんど膜厚の変動はなく、スリミング時に幅方向に異方性エッチングされているため、後のエッチング工程に対して、加工に十分な耐え得る膜厚を確保できる。
【００９７】
上述のように作成したレジストパターンをマスクに加工して作成したゲートを用いたデバイスは本処理を行わずに用いたゲート寸法より非常に微細に加工できたため、優れた応答性を得ることができた。
【００９８】
本実施形態では、被処理基板を冷却することで水分子をレジスト表面に吸着させ、減圧下で被処理基板を加熱することで反応生成物をレジストパターン表面から除去させたが、ＯＨラジカルまたはＯラジカルとレジストパターン表層との反応を促進させる方法はこれに限らない。被処理基板の温度は一定に保持した状態で、チャンバー内の圧力を上げることで水分子をレジストパターン表面に吸着させ、次いでエキシマランプ照射後、今度はチャンバー内を減圧にすることでＯＨラジカルまたはＯラジカルによって生じた反応生成物を気化させることができ、エキシマランプの照射前後でチャンバー内の圧力を制御することでもレジストパターンを細く加工することができる。
【００９９】
エキシマランプの波長はＯＨラジカルまたは／及びＯラジカルが生成すればいかなる波長でも良い。またランプの出力、照射時間、窓材から試料までの距離もここに記したのは一例に過ぎず、反応が生じることが確認できればいかなる値に設定しても良い。また、窓材はＣａＦ₂でも良い。
【０１００】
また、被処理基板の冷却処理から洗浄処理までのこれら一連の処理を複数回行うこともスリミングには有効である。加えて、複数回行う場合には、実施形態１同様に各一連の処理終了後にレジストパターンの寸法を計測することが有効である。
【０１０１】
また、本実施形態ではバブラーに窒素ガスの一部を経由させ、純粋な窒素とバブラーにより水蒸気を混入した後にチャンバー内に導入しているが、実施形態１同様にチャンバー内の雰囲気はこれに限らず、大気にオゾンガスや過酸化水素ガス等を混合したガスをチャンバー内に導入しても良い。
【０１０２】
なお、本発明は、上記各実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。更に、上記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
【０１０３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、生成された反応生成物が流動しない温度に被処理基板を冷却することによって、樹脂膜のパターンを細らせることができる。また、樹脂膜が形成された面を下向きにしてＯＨラジカル及び／又はＯラジカルと樹脂膜とを反応させることによって、樹脂膜のパターンを細らせることができると共に、樹脂膜の膜厚減少を抑制することができる。また、前記紫外光の照射時、前記被処理基板周囲の環境を前記反応生成物が蒸発し、前記樹脂膜の温度を分解温度未満にする条件にすることによって、樹脂膜のパターンを細らせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係るパターン形成方法の処理手順を示すフローチャート。
【図２】第１の実施形態に係わる半導体装置の製造方法を示す断面図。
【図３】第１の実施形態に係わる基板処理装置の構成を示す図。
【図４】図３に示した基板処理装置の照射部の構成を示す図。
【図５】水の吸収係数の波長依存性を示す特性図。
【図６】スリミング処理時の基板処理装置の照射部の移動状態を示す図。
【図７】酸素及びオゾンの波長依存性を示す特性図。
【図８】第２の実施形態に係わる基板処理装置の概略構成を示す図。
【図９】第２の実施形態に係わる半導体装置の製造方法を示す断面図。
【図１０】スリミング処理時の基板処理装置の照射部の移動状態を示す図。
【図１１】過酸化水素水の吸収係数の波長依存性を示す特性図。
【図１２】第３の実施形態に係わる基板処理装置の構成を示す図。
【図１３】第３の実施形態に係わる半導体装置の製造方法を示す断面図。
【図１４】第４の実施形態に係わる半導体装置の製造方法を示す断面図。
【図１５】光励起により生成されたラジカル分子，原子を用いたスリミング処理の問題点の説明に用いる図。
【符号の説明】
１００…ウエハ，１０１…被処理基板，１０２…レジストパターン，１０３…反応生成物，１１１…水蒸気，１１２…吸着膜，１１３…ＯＨラジカル，１１３…ラジカル分子，１２０…光，１３１…蒸気，１３２…吸着膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention provides a semiconductor device for processing a resin film pattern using OH radicals and / or O radicals generated by photoexcitation. On the way Related.
[0002]
[Prior art]
In recent years, in the microfabrication technology, it is required to form a device pattern with a very small dimension of less than 50 nm, while processing with very high accuracy is required. In the photolithography used for these processes, KrF → ArF → F ₂ As the wavelength of excimer laser used for exposure is shortened, miniaturization is being promoted. However, even if pattern formation is performed using these excimer lasers, it is not sufficient for the demand for miniaturization, and a size larger than the target is formed by photolithography, and dry etching and UV light irradiation are performed. However, a slimming process for thinning the resist pattern by a dry process such as ashing with ozone (Patent Document 1) is performed.
[0003]
The slimming treatment includes a method using radical molecules / atoms such as OH radicals and O radicals. The problem of this slimming process will be described with reference to FIG.
[0004]
As shown in FIG. 15A, the substrate 101 on which the resist pattern 102 is formed is placed in an atmosphere containing pure water or hydrogen peroxide vapor. Next, the substrate to be processed 101 is irradiated with light, and radical molecules / atoms are generated by photoexcitation. When the resist pattern 102 is reacted with radical molecules / atoms, a reaction product 103 having a large number of alcoholic OH groups in the skeleton of the reaction product is generated. For this reason, a softening point becomes low and fluidity | liquidity becomes high. The substrate is heated by the light applied to the substrate. As shown in FIG. 15B, the reaction product 103 having high fluidity flows due to heat. As a result, as shown in FIG. 15C, the cross-sectional shape of the resist pattern 102 does not become rectangular. Further, the film thickness of the resist pattern 102 is greatly reduced.
[0005]
Moreover, the following problems occur when radical molecules / atoms formed by photoexcitation are used for the modification (oxidation) treatment of the resin insulating film. When the resin film has a pattern, the reaction product flows, so that the modification (oxidation) treatment of the resin film cannot be performed uniformly. In addition, when processing is performed on the resin film formed on the entire surface of the wafer, there is a problem that the resin film flows and uniform processing cannot be performed.
[0006]
[Patent Document 1]
JP 2001-85407 A
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, when a radical molecule / atom such as OH radical or O radical generated by photoexcitation is reacted with a resin film, there is a problem that the reaction product flows and uniform processing cannot be performed. .
[0008]
Further, in the slimming process using radical molecules / atoms such as OH radicals and O radicals generated by photoexcitation, there is a problem that the cross-sectional shape of the pattern does not become rectangular. There is also a problem that the film thickness becomes thin.
[0011]
The purpose of the present invention is to An object of the present invention is to provide a method of manufacturing a semiconductor device capable of suppressing a reduction in the thickness of a resin film when a radical molecule / atom such as OH radical or O radical reacts with a resin film by photoexcitation.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is configured as follows to achieve the above object.
[0015]
A method of manufacturing a semiconductor device according to an example of the present invention includes a step of forming a resin film pattern on a main surface of a substrate to be processed, Making the main surface of the substrate to be processed face downward; Irradiating the main surface of the substrate to be treated with an atmosphere containing molecules that generate OH radicals and / or O radicals by irradiation with ultraviolet light; and irradiating the main surface of the substrate to be processed with the ultraviolet light. A step of generating OH radicals and / or O radicals from the molecules by the ultraviolet light, and reacting the generated OH radicals and / or O radicals with the resin film to generate a reaction product. To reduce the pattern dimension of the resin film And the resin film upon irradiation with the ultraviolet light Decomposition The method includes a step of heating the substrate to be processed so that the reaction product evaporates at a temperature lower than a temperature, and a step of removing the reaction product after the irradiation with the ultraviolet light.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[0018]
(First embodiment)
A semiconductor device manufacturing method and a substrate processing apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a flowchart showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
[0019]
First, as shown in FIG. 2A, a 100 nm isolated resist pattern (resin film pattern) 102 is formed on the substrate 101 to be processed (step S101). Note that the substrate to be processed 101 is a wafer in the process of manufacturing a semiconductor device. More specifically, the substrate to be processed 101 is etched using the resist pattern 102 as a mask to form a gate electrode pattern of a MOS transistor.
[0020]
A process for forming the resist pattern 102 will be described below. An antireflection film (film thickness: 50 nm) and a chemically amplified resist (film thickness: 300 nm) are coated on the substrate 101 to be processed, and a gate processing pattern is subjected to reduced projection exposure through an exposure reticle using an ArF excimer laser. The substrate is heat-treated at 120 ° C. for 90 seconds, and then an alkali developer is supplied for 60 seconds to develop the resist film. After a predetermined time has passed, pure water is supplied to stop the reaction and wash it.
[0021]
The wafer 100 having the substrate to be processed 101 and the resist pattern 102 is transferred to the substrate processing apparatus 200 shown in FIG. 3 (step S102). FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the substrate processing apparatus according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the substrate processing apparatus 200 is provided with a substrate holding unit 202 that holds a target substrate 101 in a chamber 201. The substrate holding means 202 has a cooling function using a Peltier element (or a water cooling function may be used) in order to adjust the temperature of the wafer 100. An irradiation unit 210 is provided. The irradiation unit 210 irradiates the main surface of the wafer 100 with light of 172 nm absorbed by water. The irradiation unit 210 can scan the main surface of the wafer 100 by the moving unit 203.
[0022]
A cleaning liquid supply unit 204 that supplies a cleaning liquid (pure water) to the substrate to be processed is provided in the chamber 201 so as to face the main surface of the wafer 100. Further, a drier 205 that dries the main surface of the wafer 100 is provided facing the main surface of the wafer 100. The cleaning liquid supply unit 204 and the dryer 205 can scan the main surface of the wafer 100 by the moving unit 206.
[0023]
Nitrogen (N ₂ ) Gas, oxygen (O ₂ ) A gas supply device 220 for introducing gas is connected to the chamber 201. In the gas supply device 220, MFCs (mass flow controllers) 221 a to 221 c include a bubbler 222. An exhaust unit 230 that exhausts the inside of the chamber 201 is connected to the chamber via a pipe. Moreover, the MFC control part 223 which controls the flow volume of MFC221a-221c, respectively is provided.
[0024]
The configuration of the irradiation unit 210 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the irradiation unit of the substrate processing apparatus shown in FIG. 4A is a front view of the irradiation unit, and FIG. 4B is a cross-sectional view of the irradiation unit. FIG. 4A is a view seen from the scanning direction, and FIG. 4B is a cross-sectional view in a direction orthogonal to the scanning direction.
[0025]
As shown in FIGS. 4A and 4B, a plurality of lamps 212 are arranged in the lamp house 211 along a direction orthogonal to the scanning direction. As the lamp 212, an excimer lamp that emits light having a wavelength of 172 nm was used. A quartz glass (transparent plate) 213 is installed on the side of the lamp house 211 facing the wafer. Power is input to the lamp 212 from the power input unit 215. The power input unit 215 can supply power to each lamp 212 independently and adjust the illuminance of each lamp 212.
[0026]
A reflector 216 is provided in the lamp house 211 in order to irradiate the wafer side with light emitted from the lamp 212 efficiently. In addition, a diffusion plate 217 for reducing unevenness in illuminance is installed between the lamp 212 and the quartz glass 213.
[0027]
A plurality of lamps 212 are used as the lamps in order to increase the illuminance uniformity by adjusting the input power to each lamp. If the lamps are not divided, it is not necessary to use divided lamps. .
[0028]
Next, processing using the substrate processing apparatus shown in FIG. 3 will be described. The wafer 100 is transferred and held by a substrate holding unit 202 of the apparatus 200 from a carrier station (not shown) by a substrate transfer system. After the substrate 100 is mounted on the substrate holding means 202, the atmosphere in the chamber is replaced by the gas supply unit 220 and the exhaust unit 230. Here, the MFC control unit 223 controls the MFCs 221a and 221b to replace the inside of the chamber 201 with an atmosphere of nitrogen and oxygen. The oxygen concentration was set to 1%.
[0029]
Next, the surface of the resist pattern 102 is hydrophilized to increase the contact angle of the resist pattern with water (step S103). Here, the reason why the hydrophilic treatment was performed is that the contact angle of the resist pattern 102 with respect to pure water is 50 °, and it is difficult to form a water adsorption film later. When the hydrophilicity of the resist pattern is high, this hydrophilic treatment is not necessary.
[0030]
The hydrophilic treatment will be described. In the mixed atmosphere of nitrogen and oxygen as described above, the entire surface of the substrate to be processed is irradiated with light of 172 nm from the irradiation unit 210. Ozone is generated from oxygen by irradiation with 172 nm light. The generated ozone and the resist pattern 101 react to make the surface of the resist pattern 102 hydrophilic. After performing the hydrophilic treatment for a predetermined time, the light irradiation from the irradiation unit 210 is stopped.
[0031]
Next, nitrogen gas having a humidity of 80% is supplied from the gas supplier 220 into the chamber 201. The humidity of the mixed gas obtained by mixing the nitrogen gas that has passed through the bubbler 222 in which pure water is stored and the pure nitrogen gas will be described with reference to a humidity meter (not shown). The MFC controller 223 controls the MFCs 221b and 221c according to the measured humidity to change the mixing ratio of the two nitrogen gases. As shown in FIG. 2B, a water adsorption film 112 is formed on the surface of the resist pattern 102 by the water vapor 111 (step S104). At this time, the thickness of the water adsorption film 112 was about several μm.
[0032]
Next, as shown in FIG. 2C, in a state where the adsorption film 112 is formed on the surface of the resist pattern 102, the irradiation unit 210 irradiates the light 120 of 172 nm to perform a slimming process on the resist pattern 102 (step). S105). FIG. 5 is a characteristic diagram showing the wavelength dependence of the water absorption coefficient. As shown in FIG. 5, water has a large absorption coefficient for light of 172 nm. Therefore, radical molecules / atoms 113 of OH radicals and O radicals are generated by photoexcitation from the adsorption film 112 and the water vapor 111 by irradiation with light 172 nm. The radical molecule / atom 113 and the resist pattern 102 react to form a reaction product 103, and the resist pattern 102 is thinned.
[0033]
The irradiation of the light 120 from the irradiation unit 210 was performed by scanning the irradiation unit 210 from one end to the other end on the main surface of the wafer 100 with the lamp 212 turned on as shown in FIG. In the present embodiment, the scanning speed of the irradiation unit 210 is adjusted so that the time during which the light 120 is irradiated (slimming processing time) is 10 seconds.
[0034]
In this embodiment, the output of the lamp 212 is 100 mW / cm. ² The distance between the quartz glass 213 and the substrate to be processed was 20 mm. At this time, the substrate was cooled through the substrate holding unit 202 so that the wafer 100 was 50 ° C. or lower. At this time, the humidity of the atmosphere supplied between the quartz glass and the substrate to be processed is adjusted to be always 80%. The humidity control is intended to prevent drying of the adsorbed water on the resist film surface and to supply moisture to the resist film surface during slimming. The reaction product 103 has an alcoholic property (having an alcoholic OH group), tends to cause a fluid phenomenon due to a low melting point. The wafer 100 is cooled by the substrate holding means 202 so that the reaction product 103 does not flow.
[0035]
After completion of the predetermined slimming process, as shown in FIG. 2D, the cleaning liquid supply unit 204 is scanned over the wafer 100 to supply pure water and clean the wafer 100 (step S106). Further, the drier 205 is scanned on the wafer 100 to remove water droplets remaining on the surface of the wafer 100 (adsorbed water is held on the resist film surface).
[0036]
The slimming rate (speed at which the resist pattern is thinned) obtained by these series of operations was 2 nm / s, and the slimming amount was 20 nm. By these series of treatments, the resist pattern for gate processing which was 100 nm immediately after development was thinned to 80 nm.
[0037]
Further, Step S104 to Step S106 were repeated (Step S105 was 10 seconds), and the resist pattern 102 was thinned to 60 nm. The reason why the processes from Steps S104 to S107 were performed in two steps is that the light of 172 nm used for irradiation attenuates in the reaction product 103, so that no reaction occurs on the surface of the resist pattern 102. In addition, since the reactivity of OH radicals is high, most radicals react on the surface of the resist pattern 102.
[0038]
Since the device using the gate formed by processing the resist pattern 102 formed as described above as a mask can be processed very finely than the gate size used without performing this processing, it can obtain excellent responsiveness. did it.
[0039]
According to the present embodiment, the resist pattern can be thinned efficiently, and a device created using this technology can also obtain excellent responsiveness compared to that produced by the conventional technology.
[0040]
In this embodiment, an excimer lamp light source that irradiates the entire surface of the substrate with light of 172 nm is used for irradiation of light absorbed by water, but the present invention is not limited to this. The light source may be irradiated in a slit shape or a spot shape. It may be changed as needed depending on the required processing uniformity and processing time. In either case, it is necessary to cool the substrate to be processed in the irradiation region. In addition to the excimer lamp, a low pressure mercury lamp or the like may be used as the light source.
[0041]
The film to be processed (resist pattern) is not limited to the above composition. As the resist used in this embodiment, a chemically amplified resist having reactivity with ArF is used, but the resist is not limited to this, and other alicyclic resins (acrylic, coma, hybrid resins) are used. But the same effect was obtained. In addition, any alcoholic OH group can be applied as long as an alcoholic OH group is generated by addition reaction of OH radicals generated by ultraviolet light irradiation. Also effective for resins with aromatic compounds, I-line with novolac resin, G-ray resist, KrF resist composed of resin with polyvinylphenol skeleton, electron beam exposure resist, soft X-ray (EVU) The effect was also confirmed for the resist for exposure. When a resin having an aromatic compound is used, a higher slimming rate can be obtained by using alkaline water such as a TMAH (tetramethylammonium oxide) solution or a KOH solution.
[0042]
If supercritical carbonated water is used for drying, good processing without pattern collapse is possible. The substrate to be processed is transferred to the high-pressure chamber, and the pure water on the main surface of the substrate to be processed after the slimming process is first replaced with alcohol in which carbonic acid is soluble. Furthermore, this alcohol is converted into liquid CO ₂ Replace with. Liquid CO ₂ The drying from the state is 35 ° C., 10 Mpa, and CO in the supercritical state ₂ After changing the state, gradually reduce the chamber pressure to reduce the CO ₂ Vaporize and remove.
[0043]
In this embodiment, when the cleaning is performed with pure water, hydrogen peroxide solution or alcohol after the slimming treatment, the unevenness caused by the condensation of the swelling layer generated during the wet treatment may be seen on the resist pattern surface. . In such a case, the resist pattern surface may be finally irradiated with light of 172 nm in an oxygen or ozone atmosphere. The swelling layer is a so-called reaction intermediate product, and can be selectively peeled off by performing the above-described treatment. As a result, a pattern surface with less unevenness can be formed, and the reliability of the device can be further enhanced.
[0044]
Next, the operation of the present invention will be described. When water is irradiated with light having a wavelength of 200 nm or less, OH radicals and O radicals are generated. OH radicals and O radicals have very strong oxidizing properties, and organic resists are oxidatively decomposed. Therefore, in the state where a liquid film of water is formed on the substrate to be processed, the resist is decomposed by irradiating light and causing OH radicals and O radicals to act on the resist, thereby reducing the remaining dimension of the resist pattern (slimming). Occurs. In addition, since the reaction amount can be controlled by setting the irradiation amount, irradiation time, and water thickness to appropriate values, the slimming amount can be controlled. In addition, since the uniform oxidative decomposition reaction occurs slowly, the line edge roughness can be reduced. In this embodiment, water is used as the radical source, but the same effect can be obtained with hydrogen peroxide. When hydrogen peroxide water is used, light with a wavelength of 300 nm or less is preferably irradiated. It is also effective to use oxygen water or ozone water instead of water as these radical sources.
[0045]
In this embodiment, 172 nm light is used to make the resist pattern surface hydrophilic, but the present invention is not limited to this. Also, ozone (O _Three The same effect of hydrophilization can be obtained even if ozone water in which) is dissolved is supplied to the resist film surface. Since ozone water also has a function of removing particles after development, it may be hydrophilized in advance by using ozone water in the development rinsing step. Alternatively, the substrate to be processed may be placed in an atmosphere containing oxygen or ozone, and photo-excited to generate O radicals, and slimming treatment may be performed. FIG. 7 shows the wavelength dependence of the absorption coefficients of oxygen and ozone. In the case of ozone water, it is preferable to perform the slimming treatment by selecting a wavelength having a high absorption coefficient for both ozone and water from the characteristic diagrams shown in FIGS. In an atmosphere containing ozone or oxygen, a slimming process is performed by selecting a wavelength having a high absorption coefficient from the characteristic diagram shown in FIG.
[0046]
In this embodiment, an example of a resist pattern is shown as a pattern to be slimmed, but the application of this method is not limited to this.
[0047]
The pattern is not limited to this as long as the pattern size is reduced by water activated by light irradiation. It can also be used for slimming treatment of a resin-based insulating film. Further, it can be used for oxidation / modification treatment of the surface of a resin film such as an insulating film. Further, since the silicon nitride film pattern is also reduced in size, the pattern can be formed by this method. Of course, it can also be used when an oxide film is formed on the surface.
[0048]
It can also be used for resist film removal (regeneration) when a defect occurs in the resist pattern. In this case, the processing time is preferably set under the condition that the resist pattern disappears in the width direction. When a large pattern exists, the reaction product may be removed and the above process may be repeated.
[0049]
(Second Embodiment)
In the present embodiment, a slimming process is performed using a substrate processing apparatus different from that of the first embodiment. FIG. 8 is a diagram showing a schematic configuration of a substrate processing apparatus according to the second embodiment of the present invention. 8, parts that are the same as those shown in FIG. 3 are given the same reference numerals, and detailed descriptions thereof are omitted.
[0050]
As shown in FIG. 8, the wafer 100 is held on the lower surface of the substrate holding means 202, and the main surface of the wafer 100 (resist pattern forming surface) faces downward. The quartz glass 213 of the irradiation unit 210 is directed upward. The lamp 212 uses excimer lamp light that emits 222 nm light absorbed by water. In the bubbler 222, not pure water but hydrogen peroxide solution having a concentration of 5% is stored.
[0051]
The substrate processing of this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 9 is a cross-sectional view showing a substrate processing method according to the second embodiment of the present invention.
[0052]
First, similarly to the first embodiment, the resist pattern 102 shown in FIG. 1A is formed (S101). Next, the substrate is transferred into the substrate processing apparatus shown in FIG. 8 (step S102). The main surface of the wafer 100 faces downward.
[0053]
Next, a mixed gas of hydrogen peroxide water vapor and nitrogen gas is supplied from the gas supply device 220 into the chamber 201. The humidity of the mixed gas is set to 80%. As shown in FIG. 9A, the hydrogen peroxide solution adsorption film 132 is formed on the surface of the resist pattern 102 by the hydrogen peroxide solution 131 (step S104).
[0054]
In this state, as shown in FIG. 10, the irradiation unit 210 is scanned on the main surface of the wafer 100 while irradiating the main surface of the wafer 100 with 222 nm light. The output of the lamp 212 is 50 mW / cm ² The scanning speed of the irradiation unit 210 was set to 2 mm / sec, and the distance between the quartz glass 213 and the wafer 100 was set to 1 mm. The scanning speed is 2 mm / sec, and the shape of the light irradiated from the irradiation unit 210 on the main surface of the wafer 100 is 40 mm in the scanning direction. Therefore, the time (slimming treatment time) during which the resist pattern is irradiated with light is 20 seconds. The temperature of the wafer 100 was adjusted to 100 ° C. by the substrate holding unit 202. FIG. 11 shows the wavelength dependence of the absorption coefficient of the hydrogen peroxide solution. As shown in FIG. 11, the absorption coefficient of hydrogen peroxide water has a large absorption coefficient with respect to a wavelength of 222 nm. Therefore, by irradiation with 222 nm light, OH radicals and O radicals are generated from the hydrogen peroxide solution by photoexcitation.
[0055]
As shown in FIG. 9B, irradiation with light 140 generates active radical molecules / atoms 113 from the vapor 131 and the adsorption film 132. The radical molecule / atom 113 and the resist pattern surface 102 react to reduce the width of the resist pattern 102. A reaction product 103 is formed by the reaction.
[0056]
The reaction product 103 causes a flow phenomenon because the temperature of the wafer 100 is set to 100 ° C. The reaction product 103 that has flowed moves to the tip of the pattern 102. The reaction product has a small surface tension and does not agglomerate even when it moves to the tip and becomes a wiggle. Since the tip of the resist pattern 102 is protected by the wiggly reaction product 103, etching in the thickness direction is suppressed.
[0057]
After the slimming, the surface of the resist pattern 102 is washed with water to dissolve the flaky reaction product, and a desired pattern can be obtained as shown in FIG.
[0058]
At this time, the slimming rate (speed at which the resist pattern narrows) was 3 nm / s, and the slimming amount was 60 nm. By these series of treatments, the resist pattern for gate processing which was 100 nm immediately after development can be thinned to 40 nm.
[0059]
Since the resist pattern obtained by the above-described method is anisotropically etched in the width direction during slimming, a film thickness that can sufficiently withstand the subsequent etching process can be ensured.
[0060]
The device using the gate created by processing the resist pattern created in this way as a mask could be processed to be much finer than the gate dimensions used without performing this treatment, so it was possible to obtain excellent responsiveness. .
[0061]
According to the present embodiment, the resist pattern can be efficiently narrowed, and a device created using this technique can obtain superior responsiveness as compared with that produced by the conventional technique.
[0062]
Although a chemically amplified resist having reactivity with ArF is used as the resist used in this embodiment, the present invention is not limited to this, and other resists such as alicyclic resins (acrylic, coma, and hybrid resins) are used. The same effect was obtained. In addition, any alcoholic OH group can be applied as long as an alcoholic OH group is generated by addition reaction of OH radicals generated by ultraviolet light irradiation. Also effective for resins with aromatic compounds, I-line with novolac resin, G-ray resist, KrF resist composed of resin with polyvinylphenol skeleton, electron beam exposure resist, soft X-ray (EVU) The effect was also confirmed for the resist for exposure. When a resin having an aromatic compound is used, a higher slimming rate can be obtained by using alkaline water such as a TMAH (tetramethylammonium oxide) solution or a KOH solution.
[0063]
In this embodiment, hydrogen peroxide water is used as a substance that generates OH radicals, but the present invention is not limited to this, and the same effect can be obtained even when pure water is used and irradiated with light of 200 nm or less. Further, the concentration is not limited to this, and a slimming effect was confirmed in a concentration range from 1 ppm to 30%. The substrate temperature is preferably adjusted in the range of 30 to 50 ° C. when hydrogen peroxide is used, and in the range of 30 to 90 ° C. when pure water is used.
[0064]
In the case of this embodiment, the substrate to be processed can be heated to a state where the resist pattern does not flow after slimming to vaporize and remove the reaction product. Further, even during the slimming treatment, the introduced gas may be heated to raise the temperature of the resist surface to vaporize a part of the resist while forming a tsura.
[0065]
Of course, removal by washing with water is also possible. For drying when washing with water, if supercritical carbonated water is used, good processing without pattern collapse is possible. The substrate to be processed is transferred to the high-pressure chamber, and the pure water on the main surface of the substrate to be processed after the slimming process is first replaced with alcohol in which carbonic acid is soluble. Furthermore, this alcohol is converted into liquid CO ₂ Replace with. Liquid CO ₂ The drying from the state is 35 ° C., 10 Mpa, and CO in the supercritical state ₂ After changing the state, gradually reduce the chamber pressure to reduce the CO ₂ Vaporize and remove.
[0066]
In this embodiment, when cleaning with pure water, hydrogen peroxide solution or alcohol is performed after slimming, unevenness caused by condensation of the swelling layer generated during the wet treatment may be noticeable on the resist pattern surface. . In such a case, the resist pattern surface may be finally irradiated with light of 172 nm in an oxygen or ozone atmosphere. The swelling layer is a so-called reaction intermediate product, and can be selectively peeled off by performing the above-described treatment. As a result, a pattern surface with less unevenness can be formed, and the reliability of the device can be further enhanced.
[0067]
The pattern is not limited to this as long as the pattern size is reduced by water activated by light irradiation. It can also be used for slimming treatment of a resin-based insulating film. Further, since the silicon nitride film pattern is also reduced in size, the pattern can be formed by this method.
[0068]
In this embodiment, an example of a resist pattern is shown as a pattern to be slimmed, but the application of the present invention is not limited to this. It can also be used for resist film removal (regeneration) when a defect occurs in the resist pattern. In this case, the processing time is preferably set under the condition that the resist pattern disappears in the width direction. When a large pattern exists, the reaction product may be removed and the above process may be repeated.
[0069]
(Third embodiment)
First, the structure of the substrate processing apparatus used for the slimming process of this embodiment is demonstrated with reference to FIG. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the site | part same as FIG. 3, and detailed description is abbreviate | omitted. The configuration of the gas supply unit 220 is the same as the gas introduction unit of the apparatus shown in FIG.
[0070]
A holder 242 for holding the wafer 100 with its main surface facing downward is provided in the chamber 201. The holder 242 holds the wafer 100 by, for example, a vacuum chuck. The holder 242 has a temperature adjustment function for adjusting the temperature of the wafer 100. An irradiation unit 250 is provided to face the main surface of the wafer 100. The irradiation unit 250 emits light of 251 nm and 172 nm in the lamp house. ₂ An excimer lamp 252, a quartz glass 253, a reflector 256, and a diffusion plate 257 are provided.
[0071]
Next, a slimming process using the apparatus shown in FIG. 12 will be described.
First, similarly to the first embodiment, the resist pattern 102 shown in FIG. 1A is formed (S101).
[0072]
The antireflection film is formed by a spin coating method. Heating is performed at 300 ° C. for 120 seconds to volatilize the solvent, and an antireflection film having a thickness of 100 nm is formed. Here, an organic material is used as the antireflection film. A resist film is formed by a spin coating method. Heating is performed at 130 ° C. for 60 seconds to volatilize the solvent, thereby forming a resist film having a thickness of 200 nm. The resist film is a chemically amplified positive resist for ArF light (wavelength 193 nm). Next, an ArF excimer laser is used to perform reduction projection exposure of the gate processing pattern via the exposure reticle. The substrate is heat treated and conveyed to a developing device. In the developing device, a developing solution is supplied onto the substrate to be processed, and after developing for 30 seconds, pure water is supplied while rotating the substrate to be processed, the reaction is stopped and washed, and the substrate to be processed is dried by spin drying. . By performing these processes, an isolated remaining pattern of 100 nm is formed on the substrate to be processed.
[0073]
Next, the wafer is transferred into the substrate processing apparatus shown in FIG. The main surface of the wafer 100 faces downward.
Next, the substrate to be processed that has been developed is transferred into the chamber by a transfer robot, and a resist pattern for gate is slimmed by light irradiation.
[0074]
Nitrogen gas containing pure water having a temperature of 23 ° C. and a humidity of 70% is supplied from the gas supplier 220. To adjust the humidity of nitrogen gas, a portion of the nitrogen gas is passed through a bubbler in which pure water heated to a temperature higher than that of the nitrogen gas to be introduced is passed, and moisture is mixed with pure nitrogen and the bubbler. This was done by adjusting the temperature to 23 ° C.
[0075]
Next, the wafer 100 that is irradiated with light from the irradiation unit 250 is irradiated with light to perform a slimming process. The output of the lamp 252 is 50 mW / cm ² The irradiation time was 30 seconds and the distance between the quartz glass 253 and the wafer 100 was 5 mm. At this time, the vacuum pump was controlled by a valve so that the pressure in the chamber was 19998.3 Pa (150 mmHg).
[0076]
The slimming process of this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 13 is a cross-sectional view showing a method of manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention.
First, as shown in FIG. 13A, the vapor in the chamber 201 is irradiated with light to generate radical molecules / atoms 113 such as OH radicals and O radicals. The radical molecules / atoms 113 and the resist pattern 102 react to form a reaction product 103 on the resist pattern surface, and the line width of the resist pattern 102 is reduced. The reaction product 103 is warmed by the radiant heat of the light 140, and a flow phenomenon occurs. As shown in FIG. 13B, the reaction product 103 near the tip of the resist pattern 102 moves to the tip of the resist pattern 102 due to fluidization, and the reaction at the tip of the resist pattern 102 is suppressed. Further, the fluidized reaction product 103 evaporates, and the resist pattern surface is exposed on the side surface of the resist pattern 102.
[0077]
Lamp irradiation, irradiation time, irradiation conditions such as the distance between the quartz glass and the substrate to be processed, and temperature control of the holder so that the surface temperature of the resist and the antireflection film is less than the thermal decomposition temperature during UV irradiation. Control the function.
[0078]
Irradiation with an excimer lamp while removing reaction products promotes the reaction between the unreacted resist surface and OH radicals or O radicals.
[0079]
Next, the substrate is transported to a cleaning unit by a transport robot, rinse liquid (for example, pure water) is supplied from a rinse nozzle disposed above the substrate to be processed, and the substrate is cleaned for 30 seconds while rotating, so that the pattern surface layer is slightly The remaining reaction product was dissolved, and a desired pattern could be obtained. Through these series of treatments, a 100 nm gate processing resist pattern could be thinned to 60.5 nm (FIG. 13C). At this time, the film thickness of the resist is almost 197 nm, and the film thickness is hardly changed and is anisotropically etched in the width direction at the time of slimming, so that a film thickness that can sufficiently withstand the subsequent etching process can be secured. .
[0080]
The device using the gate created by processing the resist pattern created as described above as a mask could be processed much finer than the gate dimensions used without performing this process, so it was possible to obtain excellent responsiveness. It was.
[0081]
It is also effective for slimming to perform a series of these processes from the excimer lamp irradiation process to the cleaning process under reduced pressure. In addition, when performing a plurality of times, it is effective to measure the dimension of the resist pattern after each series of processes. By measuring the resist pattern dimensions, the reaction amount can be known. Depending on the reaction amount, the irradiation amount of the light irradiation unit, the irradiation time, the distance between the quartz glass and the substrate to be processed, and the irradiation conditions such as the humidity and oxygen concentration in the chamber are controlled to achieve the desired reaction amount. do it.
[0082]
In this embodiment, the pressure in the chamber was set at 19998.3 Pa (150 mmHg). However, the pressure is not limited to this, and the humidity and oxygen concentration are sufficient to generate OH radicals and O radicals sufficient to narrow the resist pattern. Just do it.
[0083]
In this embodiment, in this embodiment, a part of nitrogen gas is passed through a bubbler, and moisture is mixed with pure nitrogen and the bubbler and then introduced into the chamber. However, the atmosphere in the chamber is not limited to this. A gas obtained by mixing ozone gas or hydrogen peroxide gas into the atmosphere may be introduced into the chamber.
[0084]
Hydrogen peroxide gas can generate OH radicals and O radicals. In particular, hydrogen peroxide gas can generate bimolecular OH radicals from one molecule. On the other hand, ozone also generates O radicals, so that a slimming reaction is possible.
[0085]
The wavelength of the excimer lamp may be any wavelength as long as OH radicals and / or O radicals are generated. Further, the lamp output, the irradiation time, and the distance from the window material to the sample are only described here, and may be set to any values as long as it can be confirmed that a reaction occurs. The window material is CaF ₂ But it ’s okay.
[0086]
In this embodiment, the slimming process is performed with the resist pattern forming surface facing downward. However, the resist pattern forming surface may be directed upward. The pattern is not limited to this as long as the pattern size is reduced by water activated by light irradiation. It can also be used for slimming treatment of a resin-based insulating film. Further, since the silicon nitride film pattern is also reduced in size, the pattern can be formed by this method.
[0087]
(Fourth embodiment)
In the present embodiment, as in the first to third embodiments, an example in which a resist pattern is slimmed by irradiating an excimer lamp after the resist pattern is formed will be described.
[0088]
A resist pattern is formed under the same conditions as in the third embodiment.
[0089]
Next, the substrate to be processed is transferred into the chamber 201 of the substrate processing apparatus shown in FIG. 12 by the transfer robot. The wafer 100 is held with the main surface (resist pattern forming surface) facing down.
[0090]
The following procedure will be described with reference to FIG. FIG. 14 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of a semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention.
[0091]
Next, nitrogen gas containing pure water having a temperature of 23 ° C. and a humidity of 70% is supplied from the gas supply means. Humidity adjustment with nitrogen gas was performed by passing a part of the nitrogen gas through a bubbler in which pure water heated to a temperature higher than the temperature of the nitrogen gas to be introduced was stored, and mixing the vapor into the pure nitrogen gas with the bubbler. . Note that the pressure of the chamber 201 is set to atmospheric pressure. The temperature of the substrate to be processed is adjusted to 0 ° C. As shown in FIG. 14A, the introduced moisture is condensed on the surface of the resist pattern 102 due to the temperature difference, and a water adsorption film 132 is formed on the surface of the resist pattern.
[0092]
Light 140 is irradiated from the irradiation unit 250 to generate active OH radicals and O radicals, and a resist pattern is slimmed by the generated radicals. In this embodiment, Xe with a wavelength of 172 nm ₂ Excimer lamp light was irradiated. Lamp output 50mW / cm ² The irradiation time was 20 seconds and the distance between the quartz glass and the substrate to be processed was 5 mm.
[0093]
At the time of excimer lamp irradiation, OH radicals or O radicals are generated from the water adsorption film 132, and the reaction between the resist pattern and the radicals proceeds. On the other hand, since the temperature of the pattern surface rises due to the reaction heat due to light irradiation, the fluidity of the reaction product 103 increases and becomes a wiggle (FIG. 14B). Since the tip of the resist pattern 102 is protected by the wiggly reaction product 103, etching in the thickness direction is suppressed.
[0094]
Next, light irradiation is temporarily stopped, and the pressure in the chamber is reduced to 19998.3 Pa (150 mmHg) while the wafer 100 is heated to 50 ° C. As shown in FIG. 14C, by heating the substrate to be processed 101 under a reduced pressure, the icicle-like reaction product 103 is evaporated and an unreacted resist appears on the surface of the resist pattern 102. At this time, the processing time is adjusted so that the reaction product 103 at the tip of the resist pattern 102 is not removed.
[0095]
The reaction product 103 is removed by repeating a series of processes of the cooling process of the substrate 101 to be processed → the irradiation process of the excimer lamp → the process of heating the substrate to be processed under reduced pressure, and the unreacted resist surface and OH radicals or Reaction with O radicals can be promoted. The surface temperature of the resist rises due to the radiation of the excimer lamp. The lamp output, the irradiation time, the distance between the quartz glass and the substrate to be processed, etc. so that the surface temperature is lower than the thermal decomposition temperature of the resist and the antireflection film. Control the irradiation conditions.
[0096]
Next, the substrate is transported to a cleaning unit by a transport robot, rinse liquid (for example, pure water) is supplied from a rinse nozzle disposed above the substrate to be processed, and the substrate is cleaned for 30 seconds while rotating, so that the pattern surface layer is slightly The remaining reaction product 103 was dissolved and a desired pattern was obtained (FIG. 14 (d)). Through this series of treatments, the size of the 100 nm gate processing resist pattern could be reduced to 50 nm. At this time, the film thickness of the resist is 197.5 nm and there is almost no variation of the film thickness, and since the anisotropic etching is performed in the width direction during slimming, the film thickness that can sufficiently withstand the subsequent etching process is obtained. It can be secured.
[0097]
The device using the gate created by processing the resist pattern created as described above as a mask could be processed much finer than the gate dimensions used without performing this process, so it was possible to obtain excellent responsiveness. It was.
[0098]
In this embodiment, water molecules are adsorbed on the resist surface by cooling the substrate to be processed, and reaction products are removed from the resist pattern surface by heating the substrate to be processed under reduced pressure. The method for promoting the reaction between the radical and the resist pattern surface layer is not limited to this. With the temperature of the substrate to be processed kept constant, the pressure in the chamber is increased to adsorb water molecules on the resist pattern surface, and after irradiation with an excimer lamp, this time the chamber is decompressed to reduce OH radicals or The reaction product generated by the O radical can be vaporized, and the resist pattern can be processed finely by controlling the pressure in the chamber before and after the irradiation with the excimer lamp.
[0099]
The wavelength of the excimer lamp may be any wavelength as long as OH radicals and / or O radicals are generated. Further, the lamp output, the irradiation time, and the distance from the window material to the sample are only described here, and may be set to any values as long as it can be confirmed that a reaction occurs. The window material is CaF ₂ But it ’s okay.
[0100]
It is also effective for slimming to perform a series of processes from the cooling process to the cleaning process of the substrate to be processed a plurality of times. In addition, when it is performed a plurality of times, it is effective to measure the dimension of the resist pattern after each series of processing as in the first embodiment.
[0101]
Further, in this embodiment, a part of nitrogen gas is passed through a bubbler and water vapor is mixed with pure nitrogen and the bubbler and then introduced into the chamber. However, the atmosphere in the chamber is not limited to this, as in the first embodiment. Alternatively, a gas obtained by mixing ozone gas or hydrogen peroxide gas into the atmosphere may be introduced into the chamber.
[0102]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention at the stage of implementation. Further, the above embodiments include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements. For example, even if some constituent requirements are deleted from all the constituent requirements shown in the embodiment, the problem described in the column of the problem to be solved by the invention can be solved, and the effect described in the column of the effect of the invention Can be obtained as an invention.
[0103]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the pattern of the resin film can be thinned by cooling the substrate to be processed to a temperature at which the generated reaction product does not flow. Further, by reacting OH radicals and / or O radicals with the resin film with the surface on which the resin film is formed facing down, the resin film pattern can be reduced, and the resin film thickness can be reduced. Can be suppressed. In addition, when the ultraviolet light is irradiated, the reaction product evaporates in the environment around the substrate to be processed, and the resin film pattern is thinned by setting the temperature of the resin film below the decomposition temperature. be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a flowchart showing a processing procedure of a pattern forming method according to a first embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a substrate processing apparatus according to the first embodiment.
4 is a diagram showing a configuration of an irradiation unit of the substrate processing apparatus shown in FIG. 3;
FIG. 5 is a characteristic diagram showing the wavelength dependence of the absorption coefficient of water.
FIG. 6 is a diagram showing a movement state of an irradiation unit of a substrate processing apparatus during a slimming process.
FIG. 7 is a characteristic diagram showing the wavelength dependence of oxygen and ozone.
FIG. 8 is a diagram showing a schematic configuration of a substrate processing apparatus according to a second embodiment.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment.
FIG. 10 is a diagram illustrating a moving state of an irradiation unit of the substrate processing apparatus during a slimming process.
FIG. 11 is a characteristic diagram showing the wavelength dependence of the absorption coefficient of hydrogen peroxide water.
FIG. 12 is a diagram showing a configuration of a substrate processing apparatus according to a third embodiment.
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to a fourth embodiment.
FIG. 15 is a diagram used for explaining the problems of slimming treatment using radical molecules and atoms generated by photoexcitation.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Wafer, 101 ... Substrate to be processed, 102 ... Resist pattern, 103 ... Reaction product, 111 ... Water vapor, 112 ... Adsorption film, 113 ... OH radical, 113 ... Radical molecule, 120 ... Light, 131 ... Steam, 132 ... Adsorption film

Claims

被処理基板の主面上に樹脂膜のパターンを形成する工程と、
前記被処理基板の主面が下方に向いた状態にする工程と、
前記被処理基板の主面に、紫外光が照射されてＯＨラジカル及び／又はＯラジカルを生成する分子を含む雰囲気を接触させる工程と、
前記被処理基板の主面に対して前記紫外光を照射する工程と、
前記紫外光により前記分子からＯＨラジカル及び／又はＯラジカルを生成する工程と、
生成されたＯＨラジカル及び／又はＯラジカルと前記樹脂膜とを反応させ、反応生成物を生成することにより前記樹脂膜のパターン寸法を細くする工程と、
前記紫外光の照射時、前記樹脂膜の分解温度未満の温度で、前記反応生成物が蒸発するように前記被処理基板を加熱する工程と、
前記紫外光の照射後、前記反応生成物を除去する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming a resin film pattern on the main surface of the substrate to be processed;
Making the main surface of the substrate to be processed face downward;
Contacting the main surface of the substrate to be treated with an atmosphere containing molecules that are irradiated with ultraviolet light to generate OH radicals and / or O radicals;
Irradiating the ultraviolet light to the main surface of the substrate to be processed;
Generating OH radicals and / or O radicals from the molecules by the ultraviolet light;
Reacting the generated OH radical and / or O radical with the resin film to generate a reaction product, thereby reducing the pattern dimension of the resin film ;
Heating the substrate to be processed so that the reaction product evaporates at a temperature lower than the decomposition temperature of the resin film upon irradiation with the ultraviolet light;
After irradiation of the ultraviolet light, a method of manufacturing a semiconductor device which comprises a step of removing the reaction product.

前記被処理基板の加熱時、前記被処理基板は大気圧未満の圧力下におかれていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。Wherein during the heating of the substrate, a manufacturing method of a semiconductor device according to claim 1, wherein the target substrate is characterized in that it is placed under a pressure less than atmospheric pressure.

前記分子が、酸素及びオゾンの何れかから一つ以上選ばれたものであ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。Method for producing a molecule, oxygen and a semiconductor device according to claim 1, wherein the the one of ozone which has been selected more than one.

前記反応生成物の除去後、前記樹脂膜をマスクに前記被処理基板をエッチングす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。After removal of the reaction products, the manufacturing method of a semiconductor device according to claim 1, wherein the etching the substrate to be processed the resin film as a mask.

前記反応生成物の除去後、被処理基板の主面に対して紫外光または電子線を照射す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。2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1 , wherein after the reaction product is removed, the main surface of the substrate to be processed is irradiated with ultraviolet light or an electron beam.

前記反応生成物の除去は、前記被処理基板主面に対して前記反応生成物を溶解する溶液を供給する工程と、前記溶液を被処理基板主面から除去する工程とを含む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。The removal of the reaction product includes a step of supplying a solution that dissolves the reaction product to the main surface of the substrate to be processed, and a step of removing the solution from the main surface of the substrate to be processed. A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1 .

前記溶液は、水又は過酸化水素水であることを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6 , wherein the solution is water or hydrogen peroxide water.

前記溶液の除去後、前記被処理基板主面を乾燥させる工程を更に含むことを特徴とする請求項６記載の半導体装置の製造方法。The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 6 , further comprising a step of drying the main surface of the substrate to be processed after the removal of the solution.

前記反応生成物の除去は、前記反応生成物が気化する温度まで被処理基板を加熱して行う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。The removal of reaction products, the manufacturing method of a semiconductor device according to claim 1, wherein said reaction product is characterized in that carried out by heating the target substrate to a temperature to vaporize.

前記被処理基板の加熱温度は、前記樹脂膜の熱分解温度未満であることを特徴とする請求項９に記載の半導体装置の製造方法。The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 9 , wherein a heating temperature of the substrate to be processed is lower than a thermal decomposition temperature of the resin film.