JPH09320930A

JPH09320930A - パターン形成方法およびパターン形成装置

Info

Publication number: JPH09320930A
Application number: JP13201396A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Yamada; 善章山田; Mutsumi Nakamura; 睦中村
Original assignee: Renesas Semiconductor Engineering Corp; Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Renesas Semiconductor Engineering Corp; Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1996-05-27
Filing date: 1996-05-27
Publication date: 1997-12-12

Abstract

(57)【要約】【課題】化学増幅型ポジレジストを用いたパターン形
成において、露光後の熱処理時の環境が適切にして、パ
ターンの解像度および形状を向上させる。【解決手段】露光後の熱処理時に、温度２３℃、湿度
４５〜５５％の空気を送りながら、半導体ウエハ１をホ
ットプレートで加熱する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、半導体集積回路
の製造において、半導体ウエハにパターンを形成するた
めのパターン形成方法およびパターン形成装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の製造においては、半導
体ウエハの被加工膜上に微細なパターンを形成し、この
パターンをマスクとして被加工膜をエッチングする方法
がとられる。このパターン形成工程では、通常次のよう
な操作が行われる。すなわち、まず半導体薄膜等の被加
工膜上に樹脂および感光剤を含む溶液を塗布し、それを
乾燥してレジスト膜（感光性樹脂膜）を形成する。つい
でこのレジスト膜に対して選択的に光等のエネルギーを
照射する露光処理を行う。この後、現像処理によって半
導体ウエハ上にマスクパターン（レジストパターン）を
形成する。

【０００３】ところで、半導体集積回路の集積度は２〜
３で４倍というスピードで高集積化しているが、これに
伴い、回路素子のパターンの寸法も年々微細化し、この
ため厳密な寸法精度が必要になってきている。従来、感
光性樹脂膜に照射する露光波長として、水銀ランプのｇ
線（４３５ｎｍ）やｉ線（３６５ｎｍ）の紫外線光が用
いられてきた。そのレジストとして、ノボラック樹脂と
ナフトキノンジアジド化合物からなるポジ型レジストが
用いられていた。

【０００４】しかし、パターンの微細化に伴い、クリプ
トン、フッ素のエキシマー光（２４８ｎｍ）を露光光と
した、酸の触媒反応を利用する化学増幅型レジストへの
期待が強くなってきている。この化学増幅型のポジレジ
スト材料は、水酸基やカルボン酸等のアルカリ現像液可
溶な官能基をある種の化合物（保護基）で置換した樹脂
と、酸発生剤（ＰＡＧ：フォトアシッドジェネレータ
ー）から構成されている。

【０００５】このレジストの露光を行うとＰＡＧから酸
が発生し、この酸がレジスト中で拡散して保護基と樹脂
のアルカリ可溶性官能基の分解に触媒として作用し、保
護基の樹脂からの脱離反応の進行が続いた結果、保護基
の分解が進行した領域は、現像液に対して可溶となって
パターンを形成する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで化学増幅型レ
ジストは、前述したように、露光によって発生した酸が
レジストマトリックス中を拡散して保護基の脱離にあず
かるが、この拡散速度と保護基の分解反応速度は、ポス
トエクスポージャーベーク（ＰＥＢ）と呼ばれる露光後
の熱処理が支配している。従ってＰＥＢを厳密に制御す
ることがパターン形成とその寸法制御に対して極めて重
要である。さらに、上述した酸の拡散と保護基の分解反
応に必要な水分の量が適切でない場合、保護基の分解反
応が具合よく進行せず、パターンの未解像や形状不良が
生じる。

【０００７】しかしながら、現在ＰＥＢ処理に用いられ
ている既存のベークオーブンは、単純な温度均一性の高
いホットプレート上の半導体ウエハを載置するのみで行
われており、ＰＥＢ処理中の半導体ウエハ表面の環境に
は配慮がなされていないので、上述の酸の拡散や分解反
応に関して必ずしも適した環境にはなっておらず、解像
度が不十分であったり、形状不良が生じたりするという
問題点があった。このようなＰＥＢ処理用のベークオー
ブンでは本来のレジスト材料が有する性能を十分に発揮
できず、微細化に伴う露光波長の短波長化を行ってもせ
いぜい０．３０μｍ程度の解像度しか得られないのが実
情であった。

【０００８】この発明は上述のような課題を解決するた
めになされたもので、ベークオーブン内の環境を適切に
することより、高い解像度と良好な形状のパターンを得
ることができるパターン形成方法および装置を提供する
ことを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明に係るパターン
形成方法は、露光された半導体ウエハを、温度２３℃、
湿度４５〜５５％の空気と等価な水分を含む気体を供給
した雰囲気で熱処理する工程を含むものである。さら
に、上記工程に引き続き、この工程よりも水分の少ない
雰囲気で半導体ウエハを熱処理するものである。

【００１０】また、この発明に係るパターン形成装置
は、加熱される半導体ウエハとチャンバーの天井部との
間の空隙を１ｃｍ以内にしたものである。また、チャン
バー内に気体を供給する配管を複数系統にして、供給す
る気体の湿度の切り換えができるようにしたものであ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．図１、図２はこの発明の実施の形態１に
おけるパターン形成方法の工程を示すための半導体ウエ
ハ１の断面図であり、図１に示す工程に続いて図２の工
程が実施される。図において、１ａは基板、２は基板１
ａ上に形成された被加工膜、３は被加工膜２上に形成さ
れた化学増幅型ポジレジスト膜（以下レジスト膜と称
す）、４はパターンが描かれたマスク、５はベークオー
ブンのホットプレート、６はクーリングプレートであ
る。

【００１２】まず、図１（ａ）のように基板１ａ上に被
加工膜２を形成し、さらにその上に（ｂ）に示すように
レジスト膜３を形成する。ここでは東京応化工業製ＴＤ
ＵＲ−Ｐシリーズのレジストを用いたが和光純薬製ＷＫ
Ｒ−ＰＴシリーズを用いてもよい。このようなレジスト
を半導体ウエハ１の被加工膜２上に４〜５ｃｃ滴下し、
所望の膜厚を得るに適した回転数で半導体ウエハ１を回
転させることによりレジスト塗布膜を形成し、さらにこ
のレジスト塗布膜中の有機シンナーを、蒸発乾燥させる
ために半導体ウエハ１をホットプレート（図示せず）に
載せてレジスト塗布膜を熱処理し、膜厚７６００オンク゛スト
ロームのレジスト膜３を形成する。

【００１３】本発明で用いる化学増幅型レジストは、少
なくとも酸発生剤と樹脂とを有機シンナーに溶解させて
構成されたものであり、詳しくは、電子線や紫外線等の
エネルギーを受けて分解し酸を発生する酸発生剤、ポリ
フェニールやアクリル酸等の樹脂の水酸基やカルボン酸
のような本来現像液に可溶な特性を示す官能基を、アル
キル基等の保護基で置換することによって現像液に不溶
化している樹脂、およびプロピレングリコールモノメチ
ルエーテルアセテートや２−ヘプタノン、乳酸エチル等
の有機シンナーが用いられる。さらに本発明に有効なレ
ジストとしては、化１（ａ）、（ｂ）に示すポリビニル
フェノールやアクリル酸等の現像液可溶な樹脂に、化１
（ｃ）、（ｄ）に示すアセタール基やケタール基で置換
した樹脂が少なくとも一部を混合あるいは共重合体の形
で使用されているレジストが好ましい。なお、式中Ｒと
Ｒ′は同じｍでなくてもよい。

【００１４】

【化１】

【００１５】図１（ｂ）のレジスト膜３の形成に続い
て、クリプトン、フッ素の混合ガスを用いたエキシマー
レーザーの２４８ｎｍの波長を用いた縮小投影露光装置
（図示せず）により、図１（ｃ）に示すように、マスク
４を介してレジスト膜３に対して露光を行う。この時の
エネルギー量は、２８ｍＪ／ｃｍ²であった。図の３ａ
が露光部、３ｂは未露光部である。

【００１６】その後、図２（ａ）に示すように、１１５
℃に設定されたホットプレート５上で１１５℃９０秒の
ＰＥＢ処理を行う。ＰＥＢは温度２３℃、湿度（相対湿
度）４５〜５５％の空気を５Ｎｌ／ｍｉｎの流量でレジ
スト膜３表面上に送風した雰囲気で行う。このＰＥＢ処
理終了後、図２（ｂ）に示すように、２３℃に設定され
たクーリングプレート６上で半導体ウエハ１を６０秒間
冷却する。さらに現像液として２．３８ｗｔ％テトラメ
チルアンモニウム水溶液を用い、６０秒間レジスト膜３
上にパドルを形成して現像する。このようにして、図２
（ｃ）に示すようにレジスト膜の露光部を溶解、除去し
てレジストパターン７を形成する。

【００１７】レジストパターン７を呈示する機構を説明
すると、レーザー光等の照射によってレジスト膜３中に
発生した酸が酸触媒として機能して、ＰＥＢ処理時の熱
で樹脂と保護基の結合が加水分解により脱離し、樹脂自
身の現像液に可溶な官能基が露呈するため、露光部３ａ
が現像液に可溶な状態になって除去され、レジストパタ
ーン７が形成されるものである。

【００１８】湿度を特に調整せず、クリーンルームの空
気でＰＥＢ処理を行った従来技術の場合と比較すると、
本実施の形態では解像度が向上した。例えば、０．０３
μｍラインアンドスペース（ライン寸法：スペース寸法
＝１：１）で最適化された露光量での分離可能な微細な
ラインアンドスペースパターンが、従来技術を用いた場
合に０．２４μｍラインアンドスペースであったのに対
して、本実施の形態では部分的に、特にウエハ面の中心
部以外の部分で０．２０μｍラインアンドスペースまで
向上した。

【００１９】加えて、レジスト寸法の半導体ウエハ面内
寸法均一性の向上が見られた。例えば、８インチの半導
体ウエハで０．３０μｍラインアンドスペースのライン
寸法を３０箇所測定したときのばらつき（最小寸法と最
大寸法の差）が、従来技術の場合は０．０３６μｍであ
ったのに対し、本実施の形態では０．０１８μｍに向上
した。

【００２０】また、上記レジストとは異なるが、化学増
幅型ポジレジストとして幅広く用いられているターシャ
ルブチルオキシカルボニル基化ポリビニルフェノール樹
脂を使用したレジスト、例えばシプレイ社製ＡＰＥＸシ
リーズ等で上記と同様の工程を実施した場合、この種の
レジストはＰＥＢ処理温度依存性が悪いので上記向上に
比べるとその度合いは小さが、従来と比べて半導体ウエ
ハ面内寸法均一性の向上が見られた。段落００１９に記
したのと同様の寸法ばらつきの測定方法では、従来技術
の場合は０．０４２μｍであったのに対して０．０３２
μｍに改善された。

【００２１】本発明の範囲外であるが、例えばシプレイ
社製ＳＮＲ−２００や東京応化工業製ＴＤＵＲ−Ｎ９０
８等の化学増幅型ネガレジストを使って本実施の形態と
同様の工程を実施すると、図３に示したようにレジスト
表面近傍部でレジストパターンが形状異常を引き起こし
たり、さらにレジストパターンの解像度が従来技術で
０．２６μｍラインアンドスペース解像可能であったも
のが、上記と同様の工程を用いると０．３０μｍライン
アンドスペースまで劣化したりした。

【００２２】ところで、ＰＥＢ処理時に送風される気体
中の水分は、酸を触媒とした、樹脂の置換に用いられた
保護基の加水分解反応、およびレジスト膜中の酸の拡散
に寄与するとともに、酸触媒存在下において脱離した保
護基がアルカリ液可溶性を示す官能基（水酸基やカルボ
ン酸等）と再結合するのを防止することに寄与すると考
えられる。そのため、設定した湿度が２３℃で４０％以
下の場合はレジスト膜中での酸触媒による加水分解反応
が十分に進行しない、酸が十分にレジスト膜中を拡散し
ない、あるいは保護基の再結合反応を促進させる等の理
由で、表１に示すように、全く解像しない、あるいは微
細パターンでの解像度が悪い等の問題が生じる。

【００２３】逆に湿度が６０％以上の場合は、レジスト
膜中で水分が酸の拡散を助長する材料として機能するた
め、本来レジストパターンとして残存してほしい部分ま
で酸の拡散および保護基の加水分解反応が進行し、解像
度等の写真製版性能の劣化、特にレジストパターンの劣
化が著しい。以上の結果から、温度２３℃での湿度が４
５〜５５％の空気が適している。これらの結果を表１に
示した。

【００２４】

【表１】

【００２５】また、上述したような樹脂を用いたレジス
トで、露光領域の広いパターンを露光した場合に、その
領域の樹脂の保護基を分解するのに要する酸の量よりも
多量の酸が発生するために、分解して生じた反応生成物
がこの過剰な酸で重合を起こし、保護基が分解脱離した
にもかかわらず不溶化することがあり、パターン欠陥の
原因となる。このような場合でも、この実施の形態で示
したように湿度の制御された環境でＰＥＢ処理を行え
ば、この重合反応が抑制されるので、パターン欠陥に対
しても有効である。

【００２６】なお、上記では温度２３℃、湿度４５〜５
５％の空気を送ったが、温度は２３℃と異なってもよ
く、そのときは上記と等価な水分を含むように湿度の値
を上記範囲からずらす。また、送る気体は空気以外の例
えば窒素などでもよい。

【００２７】実施の形態２．実施の形態１ではＰＥＢ処
理時に温度２３℃、湿度４５〜５５％の空気を送った
が、実施の形態２ではその空気がレジスト膜によくなじ
むように送られるものであり、図４はそのベークオーブ
ンの断面図である。図において、８は半導体ウエハ１を
載置して加熱するホットプレート５を被うように設けら
れたチャンバー、９はチャンバー８に空気などの気体を
送る配管である。チャンバー８でホットプレート５を密
閉化し、さらにレジスト膜が形成された半導体ウエハ１
とチャンバー８の天井部８ａとの間の空隙の寸法ｓを１
ｃｍ以内にしている。

【００２８】配管９からチャンバー８の周辺下部に３Ｎ
ｌ／ｍｉｎの流量で温度２３℃、湿度４５〜５５％の空
気を送り、また、チャンバー８の中央上部から差圧０．
２ｍｍＨ₂Ｏで同量の排気処理を行う。これで半導体ウ
エハ１上で湿度を制御された空気がよどむことなく、半
導体ウエハ１全面にわたって均一にレジスト膜に触れ
る。このような方法で得られたレジストパターンは、実
施の形態１で得られた効果が半導体ウエハ１面内全域で
効率よく現れる。例えば、実施の形態１で解像度が０．
２０μｍラインアンドスペースまで、部分的に達成する
ことを示したが、この実施の形態ではウエハ面中心部を
含めてウエハ面全体で湿度制御された空気に均一的にさ
らされるので、ウエハ面全体で０．２０μｍラインアン
ドスペースまで解像度を向上させることができる。

【００２９】さらに、実施の形態１で、ターシャルブチ
ルオキシカルボニル基化ポリビニルフェノール樹脂を使
用したレジストで、ウエハ面内寸法均一性がやゝ向上す
ることを示したが、この実施の形態で示したベークオー
ブンを用いると、同条件の８インチ径の半導体ウエハ面
内３０箇所での０．３０μｍラインアンドスペースのレ
ジストパターンの線幅測定をしたときのパターン寸法ば
らつきが０．０２４μｍとなり、さらなる改善が見られ
た。

【００３０】なお、半導体ウエハ１とチャンバー８の天
井部８ａとの間を狭める度合を緩めて、空隙の寸法ｓを
２ｃｍにして試したが、レジストパターンのウエハ面内
均一性などで特に改善が見られなかった。

【００３１】実施の形態３．図５は本発明の実施の形態
３を示すベークオーブンの断面図であり、配管９は２種
類の異なる気体を切り換えてチャンバー８内へ送ること
ができるように、９ａ、９ｂの２系統の配管から成って
いる。その他は実施の形態３と同様である。この実施の
形態におけるパターン形成方法について説明する。露光
工程までは実施の形態１および２と同様である。ＰＥＢ
処理で、一方の系統の配管９ａから温度２３℃、湿度４
５〜５５％の空気をチャンバー８内へ送風しながら、半
導体ウエハ１を１１５℃４０秒間熱処理し、続いて、一
方の系統の配管９ａの空気を止めて他方の系統の配管９
ｂから温度２３℃、湿度４０％の空気をチャンバー８内
へ送風しながら、１１５℃４０秒間熱処理を行う。この
後、クーリングプレートで半導体ウエハ１を冷却し現像
してレジストパターンを形成する。

【００３２】このようなレジストパターン形成方法は、
ホールパターンを形成する場合に特に有効であり、例え
ば０．２６μｍホールでの焦点深度は、従来技術による
と１．２μｍであったものが、この実施の形態では１．
６μｍに向上した。また、０．２６μｍホールの最適露
光量でのホール開口最小寸法が、従来技術で０．２４μ
ｍホールであったものが、この実施の形態では０．２０
μｍホールとなり解像度の向上が見られた。

【００３３】なお、図６に示すように、２系統の配管９
ａ、９ｂは途中でバルブ１０を介してまとめてもよい。
この場合はバルブ１０の操作によりチャンバー８へ送る
気体の切り換えができる。また、上記工程では半導体ウ
エハ１とチャンバー８の天井部８ａとの間の空隙を１ｃ
ｍ以内にしたベークオーブンを用いたが、この空隙をそ
のように狭くしていないものに、２種類の気体を切り換
えてホットプレート５上に送るように、複数の系統の配
管を設けてもレジストパターンの解像度向上の効果があ
る。

【００３４】

【発明の効果】この発明に係るパターン形成方法は、温
度２３℃、湿度４５〜５５％の空気と等価な水分を含む
気体を送って半導体ウエハを熱処理するので、発生する
酸の機能する度合が適切に制御されるなどの作用をし、
レジストパターンの解像度が向上し、また形状が向上す
る効果がある。さらに、上記熱処理に引き続き上記より
も水分の少ない雰囲気で半導体ウエハを熱処理すること
により、ホットパターン形成において焦点深度および解
像度が向上する。

【００３５】またこの発明に係るパターン形成装置は、
半導体ウエハとチャンバー天井部との間を１ｃｍ以内に
したので、送られる気体とレジスト膜がよくなじみ、ウ
エハ全面でレジストパターンの解像度が向上し、ウエハ
面内寸法均一性が向上する。また、配管を複数系統にし
たので、熱処理時に送る気体の切り換えができて、ホー
ルパターンの焦点深度および解像度を向上させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１におけるパターン形
成方法を示すための半導体ウエハの断面図である。

【図２】この発明の実施の形態１において図１に続く
工程を示す半導体ウエハの断面図である。

【図３】化学増幅型ネガレジストでの形状異常を示す
半導体ウエハの断面図である。

【図４】この発明の実施の形態２におけるベークオー
ブンを示す断面図である。

【図５】この発明の実施の形態３におけるベークオー
ブンを示す断面図である。

【図６】この発明の実施の形態３における別のオーブ
ンを示す断面図である。

【符号の説明】

１半導体ウエハ、３レジスト膜、５ホットプレー
ト、７レジストパターン、８チャンバー、８ａ天
井部、９配管、９ａ一方の配管、９ｂ他方の配
管。

フロントページの続き (72)発明者中村睦兵庫県伊丹市瑞原四丁目１番地菱電セミコンダクタシステムエンジニアリング株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】化学増幅型ポジレジスト膜が形成された
半導体ウエハに対して選択的に露光を行う第１の工程
と、上記露光された半導体ウエハを熱処理する第２の工
程と、上記熱処理された半導体ウエハを現像処理する第
３の工程とを含むパターン形成方法において、温度２３
℃、湿度４５〜５５％の空気と等価な水分を含む気体を
供給した雰囲気で、上記第２の工程を実施することを特
徴とするパターン形成方法。
【請求項２】第２の工程に引き続き、この第２の工程
よりも水分の少ない雰囲気で半導体ウエハの熱処理を行
うことを特徴とする請求項１記載のパターン形成方法。
【請求項３】半導体ウエハを載置して加熱するホット
プレートと、このホットプレートを被うチャンバーと、
このチャンバー内に湿度制御された気体を供給する配管
とを含むベークオーブンを備えたパターン形成装置にお
いて、上記半導体ウエハと上記チャンバーの天井部との
間の空隙を１ｃｍ以内にしたことを特徴とするパターン
形成装置。
【請求項４】半導体ウエハを載置して加熱するホット
プレートと、このホットプレートを被うチャンバーと、
このチャンバー内に湿度制御された気体を供給する配管
とを含むベークオーブンを備えたパターン形成装置にお
いて、上記配管を複数系統にして、上記チャンバー内に
供給する気体の湿度の切り換えができるようにしたこと
を特徴とするパターン形成装置。