JP2000349018A

JP2000349018A - フォトレジスト用ベーク炉

Info

Publication number: JP2000349018A
Application number: JP11161600A
Authority: JP
Inventors: Masaharu Takizawa; 正晴瀧澤
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1999-06-08
Filing date: 1999-06-08
Publication date: 2000-12-15

Abstract

(57)【要約】【課題】従来のウェハのベーク炉では、単一の温度制
御装置により温度制御を行っているため、ウェハ表面に
温度分布を生じさせることができず、ウェハ表面にはそ
の位置によりベーク時の現像液のアタックに強弱があ
り、ベークにより得られるウェハのフォトレジストの線
幅にばらつきが生じてしまう。【解決手段】ベーク炉11内のウェハ12の加熱を同心円
状に配置された複数の加熱ヒーター13、14、15を使用し
て行う。その際に各加熱ヒーターの温度制御を専用の温
度制御装置16、17、18を使用して行い、異なった温度で
ウェハの加熱を行う。前述の位置によるアタックの強弱
とこの温度の強弱が相互に相殺されて、均一な線幅のフ
ォトレジストを有するウェハが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フォトレジストの
線幅のばらつきを抑制しながらウェハの現像を行えるよ
うにしたベーク炉に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体のパターンルールの微細化に伴
い、半導体の各電極を正確に半導体基板上に形成するた
めに、絶縁層（SiO₂層）のエッチングを行うために使用
するフォトレジストのウェハ面内寸法均一性の向上がま
すます重要となってきている。前記エッチングは、絶縁
層を被覆した基板に感光性樹脂等から成るフォトレジス
トを塗布してこのフォトレジストにマスクを被覆し、露
光及び現像し所定のパターンを形成するようにしてい
る。このフォトレジストの現像の際の露光終了から現像
直前までのベーク工程（Post Exposure Bake、ＰＥＢ）
にはベーク炉が使用される。

【０００３】図６は従来のＰＥＢ用ベーク炉を示し、図
６(ａ)はその概略縦断面図、図６(ｂ)はその横断面図で
ある。なお図６では明瞭化のためウェハを透明なものと
して描いている。図６に示すように、従来のＰＥＢ用の
ベーク炉31は、該ベーク炉31内に収容された円板状のウ
ェハ32を上下の加熱ヒーター33で加熱し、該加熱ヒータ
ー33の制御はベーク炉１個につき１個しか収容されてい
ない温度制御装置36で行っているため、ウェハ32面の温
度分布を制御することができなかった。この場合、一般
的にはウェハ表面温度はウェハ上の位置によらず均一で
あり、従ってこの従来のベーク炉の加熱ヒーターの制御
温度は、図７に示したように、ウェハ中心からの距離に
依存せずほぼ一定であり、図７では約150 ℃になってい
る。このため、ウェハ表面の温度も、図８に示すように
ウェハ中心からの距離に依存せずほぼ一定で、加熱ヒー
ターの制御温度と同様でほぼ150 ℃となる。なお図７及
び８はそれぞれウェハ中心を０として一方を正の距離で
他方を負の距離で表した距離と加熱ヒーターの制御温
度、及び前記距離とウェハ温度の関係を示すグラフであ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このようにウェハ表面
の温度が一定であると、形成されるフォトレジストの線
幅はウェハ中心からの距離によってばらつきが生じてし
まう。典型的なアニーリングタイプのフォトレジストの
面内線幅ばらつきを図９に示す。図９は、ウェハ中心を
０として一方を正の距離で他方を負の距離で表した距離
と、現像液が塗布されたウェハの現像後のフォトレジス
トの線幅を標準値を100 としこれを座標０とした場合の
線幅の増減をパーセンテージで表した値との関係を示す
グラフである。図に示したように、ウェハの中心付近で
線幅が細く、逆に周縁部では線幅が太くなっている。線
幅がこのようにばらつくのは、アニーリングタイプのフ
ォトレジストが現像液液盛り時の面内不均一性の影響を
受けやすいためである。

【０００５】図９から明らかなように、現像液が塗布さ
れたウェハはその中心ほど線幅が狭く標準値から13％程
度減少している。逆に、周縁に近づく（約100 mmの距
離）につれて線幅は広くなり標準値に対し約15％増加し
ており、その差は約28％である。この線幅のばらつきは
通常のウェハ製造工程では致命的である。つまり、現像
液液盛り時に、ウェハ中心近辺では比較的長時間現像液
のアタックを受けるのに対し、周辺部では現像液のアタ
ックは短時間である。以上のような原因で、標準的な線
幅に対し20％程度の割合で同心円状に分布する面内線幅
ばらつきが発生する。このばらつきの程度は、通常のデ
バイスの製造工程としては致命的であり、一般的に良品
のウェハを得るためには、現像直前のフォトレジストの
線幅がほぼ一定であること、少なくとも10％以内のばら
つきに抑える必要がある。

【０００６】この他にフォトレジストの線幅の均一化の
ために種々の手法が提案されているが（例えば特開昭56
−43639 号公報に）、この公報に記載の技術は材料の流
動化による線幅のばらつきを光照射により抑制しようと
するものである。他の従来技術でも前述の現像液液盛り
時の面内不均一性の影響による問題点を解消できる技術
はない。本発明は、従来技術において問題となっている
この現像液が塗布されたウェハ表面の線幅の不均一性を
解消し、均一な線幅のウェハを製造できるベーク炉を提
供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、フォトレジス
トのパターンが形成されたウェハの加熱及び現像を行う
フォトレジスト用ベーク炉において、複数の加熱ヒータ
ーをウェハに近接して設置し、該加熱ヒーターを異なる
温度で加熱して前記ウェハに中心部が低く周縁部が高い
温度分布を生じさせて該ウェハの温度制御を行うことを
特徴とするフォトレジスト用ベーク炉であり、前記複数
の加熱ヒーターは、同心円状に配置されることが望まし
い。

【０００８】以下本発明を詳細に説明する。本発明は、
半導体製造工程中の露光工程や現像工程で使用できるベ
ーク炉に関するものであり、特に現像液液盛り時の面内
不均一性に起因する、フォトレジストの面内線幅ばらつ
きを改善するベーク炉に関するものである。アニーリン
グタイプ（又は高温ベークタイプ) と呼ばれる化学増幅
系レジストでは、現像液液盛り時の面内不均一性の影響
を受けやすく、これが原因で標準的な線幅に対し20％程
度の同心円上に分布する面内線幅ばらつきが発生する。
このばらつきの程度でも、通常のデバイス工程では致命
的である。

【０００９】現像液が塗布されたウェハ表面の線幅分布
に図９に示すようなばらつきが生ずるのは、従来のフォ
トレジスト用ベーク炉が図６に示した通り単一の加熱ヒ
ーターによる加熱であったからである。そこで本発明で
は、露光終了後現像前までに行うＰＥＢ工程用のベーク
炉の加熱ヒーターを１個のベーク炉に複数、かつ好まし
くは同心円上に配置し、各加熱ヒーターを異なる温度で
中心部が低く周縁部が高くなるように制御することによ
り、ウェハ上に温度分布を生じさせる。アニーリングタ
イプのフォトレジストの線幅は、ＰＥＢ温度で容易に制
御することができるため、前記温度分布により現像液液
盛り時の面内不均一性に起因する面内線幅ばらつきを相
殺し、均一化させることが可能となる。本発明ではウェ
ハの中心部と周縁部間に加熱温度の差異が生ずれば線幅
ばらつきの抑制という効果が多少なりとも生じ、例えば
同心円状以外に、中心に１個の加熱ヒーターを周縁部に
ドーナツ状でない２個の加熱ヒーターを設置しても良
い。

【００１０】このように、本発明では複数の加熱ヒータ
ーを使用し、各加熱ヒーターによりウェハを局所的に、
そして全部の加熱ヒーターでウェハを全体として加熱す
ることにより、図９に示すような線幅のばらつきを無く
すことを意図している。ウェハ表面の線幅のばらつきは
同心円状に生ずるため、本発明でも複数の加熱ヒーター
を同心円状に配置することが望ましい。そして中心に近
いヒーターほど加熱温度を低くし周縁のヒーターほど加
熱温度を高くすると、谷型の温度分布になり、このよう
な加熱手段で現像液が塗布されたウェハを加熱すると、
線幅のばらつきが解消されて、均一な線幅を有するウェ
ハが製造できる。

【００１１】本発明で使用する加熱ヒーターはウェハと
距離を空けて設置しても接触させても良く、本発明では
両態様を含めて「近接」と称する。通常のベーク炉で
は、ウェハは耐熱性のピンで支持されており、実質的に
宙に浮いた状態となる。従って、加熱ヒーターで発生し
た熱は輻射や対流で間接的にウェハに伝わるため、ウェ
ハをベーク炉内に入れてから、ウェハ表面の温度が定常
状態に達するまで45秒程度必要とする。このため、この
タイプのベーク炉を用いて、ＰＥＢ処理を行う場合、Ｐ
ＥＢ時間として90秒程度必要であるが、製造上のスルー
プットを考慮した場合、少しでも短時間で処理できるこ
とが望ましい。

【００１２】ウェハを加熱ヒーターに接触させておく
と、ウェハの表面温度が定常状態に到達するまでの時間
が15秒程度と、ウェハと加熱ヒーターを10mm程度の距離
を空けて設置する場合の1/3 に減少する。従って全体の
ＰＥＢ時間も60秒程度で十分になり、製造時間の短縮化
が達成できる。更にウェハと加熱ヒーターを距離を空け
て設置する場合は加熱効率を確保するため、ウェハの上
下に加熱ヒーターを設置することが好ましくなるが、ウ
ェハと加熱ヒーターを接触させておくとウェハの加熱が
確実に行われるため、上下いずれか一方の加熱ヒーター
でも十分に線幅の均一化を達成できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】まず図１を用いて本発明における
フォトレジスト用ベーク炉について説明する。図１は本
発明に係るフォトレジスト用ベーク炉の第１実施形態を
示し、図１(ａ)はその概略縦断面図、図１(ｂ)はその平
面図である。なお図１では明瞭化のためウェハを透明な
ものとして描いている。短寸円筒状のベーク炉11は、そ
の内部に水平方向に設置されかつ３本の耐熱ピン20によ
りそのほぼ中央に保持されたウェハ12を有している。こ
のウェハ12の上下には若干の空間を空けて中央の平面視
円形の第１加熱ヒーター13、該加熱ヒーター13の周縁に
ほぼ整合するようにして設置されたドーナツ状の第２加
熱ヒーター14及び該加熱ヒーター14の周縁にほぼ整合す
るようにして設置されたドーナツ状の第３加熱ヒーター
15が設置され、各加熱ヒーターは同心円状に配置されて
いる。各加熱ヒーターの発熱体としてはＰｔなどの単体
金属、Ｎｉ−Ｃｒなどの合金、Ｓｉ−Ｃ化合物などのセ
ラミックスを用いることが望ましい。

【００１４】各加熱ヒーター13、14、15はそれぞれ異な
る温度に制御できるように、それぞれ専用の温度制御装
置16、17、18に接続されている。一般的には温度制御の
ための温度測定はＳ型やＫ型の熱電対を用い、温度制御
のためのシーケンスにはＰＩＤ制御法が用いられる。加
熱ヒーター制御温度は、各加熱ヒーター間の境で急激に
変化するが、ウェハと加熱ヒーターは、前述した通り通
常10mm程度の距離を置いて配置されており、かつ両者の
間にステンレス合金などからなる熱伝導性のカバー19を
配置して、なだらかな温度分布を生じさせることが可能
である。

【００１５】各加熱ヒーターはウェハに対し前述の通り
上下対称となる場所に配置し、それぞれ上下同じ位置に
相当する加熱ヒーター同士を同じ温度に制御することが
望ましいが、上下何れか一方に複数の加熱ヒーターを設
置してもばらつきの抑制効果は達成できる。なお本実施
形態では、３つの加熱ヒーターを同心円上に配置してい
るが、２つ以上の任意の個数の加熱ヒーターを配置すれ
ば、ウェハ12上の温度を同心円上に分布させることは可
能である。しかし温度分布の制御性の観点からは、でき
れば３個以上の加熱ヒーターを配置することが望まし
い。例えば図２に示すように、ウェハ中心付近の加熱ヒ
ーターの温度を低く、周縁部のヒータの温度を高くなる
ように制御する。より具体的には中心の加熱ヒーターの
制御温度を140 ℃としウェハの中心から±20mmの範囲を
140 ℃に加熱し、第２加熱ヒーターの制御温度を150 ℃
としウェハの中心から±20mm〜±60mmの範囲を150 ℃に
加熱し、第３加熱ヒーターの制御温度を160 ℃としウェ
ハの中心から±60mm〜±100 mmの範囲を160 ℃に加熱す
る。

【００１６】これによりウェハ上の温度は図３に示した
ようになだらかに分布する。この温度分布の場合、図10
に示した結果からすると、ウェハ中心付近では現像液に
よるアタックの面から見るとフォトレジストの線幅は細
めになり温度の面から見るとフォトレジストの線幅は太
めになり両者が相殺しあって中程度の線幅になる。逆に
ウェハ周縁付近では現像液によるアタックの面から見る
とフォトレジストの線幅は太めになり温度の面から見る
とフォトレジストの線幅は細めになり両者が相殺しあっ
て中程度の線幅になる。従ってウェハ全体でほぼ一定の
線幅が得られることになる。実際に本実施形態によるフ
ォトレジスト用ベーク炉を用いてＰＥＢ処理を行ったウ
ェハの、アニーリングタイプフォトレジストの面内線幅
ばらつきを図４に示す。この例の面内線幅ばらつきは約
３％であり、本実施形態によりフォトレジストの面内線
幅ばらつきが、28％から３％に大幅に改善されたことが
分かる。

【００１７】図５は本発明のベーク炉の第２実施形態を
示すもので、図５ａはその概略縦断面図、図５ｂはその
平面図である。なお図５では明瞭化のためウェハを透明
なものとして描いている。ベーク炉51は、その内部に水
平方向に設置されたウェハ52を有している。このウェハ
52は、中央の平面視円形の第１加熱ヒーター53、該加熱
ヒーター53の周縁にほぼ整合するようにして設置された
ドーナツ状の第２加熱ヒーター54及び該加熱ヒーター54
の周縁にほぼ整合するようにして設置されたドーナツ状
の第３加熱ヒーター55の同心円状に配置された各加熱ヒ
ーターの表面にそのカバー59を介して直接接触するよう
に配置されている。このベーク炉51を使用してウェハ52
のＰＥＢ処理を行うと、ウェハ52と各加熱ヒーター53、
54、55のカバー59が直接接する構造のため、ウェハ52の
表面温度が定常状態に到達するまでの時間が第１実施形
態と比較して1/3 程度に減少し全体のＰＥＢ時間も60秒
程度に短縮される。

【００１８】この実施形態のベーク炉の場合でも、加熱
ヒーターを単一のベーク炉に複数個、同心円状に配置
し、各加熱ヒーターを異なる温度に制御することによ
り、ウェハ上の温度を同心円状に分布させることが可能
である。本実施形態でも加熱ヒーター制御温度は、各加
熱ヒーター間の境で急激に変化するが、ウェハと加熱ヒ
ータの間には、ステンレス合金などからなる熱伝導性の
カバー59が配置されてるために、ウェハの表面温度は、
なだらかに分布する。従って本実施形態でも第１実施形
態と同様に現像液液盛り時の面内不均一性に起因する面
内線幅ばらつきを相殺し、均一化させることが可能であ
り、しかもそれを短時間で達成できる。

【００１９】

【発明の効果】本発明は、フォトレジストのパターン露
光終了後から現像開始までの間に行われるベーク工程で
用いられるフォトレジスト用ベーク炉において、複数の
加熱ヒーターをウェハに近接して設置し、該加熱ヒータ
ーを異なる温度で加熱して前記ウェハに中心部が低く周
縁部が高い温度分布を生じさせて該ウェハの温度制御を
行うことを特徴とするフォトレジスト用ベーク炉であ
る。ウェハの現像工程でウェハは、その中心近辺では比
較的長時間現像液のアタックを受け、周縁部では短時間
であるため、ウェハ全体が均一な温度で加熱されるとフ
ォトレジストの線幅にばらつきが生じ、中心に近いほど
線幅が狭くなる。

【００２０】本発明により複数の加熱ヒーターを使用し
て温度分布を生じさせながら、露光終了後から現像開始
までの間に行われるベーク（ＰＥＢ）を行うと、位置に
よる線幅のばらつきと温度分布による線幅のばらつきが
相互に相殺されて均一な線幅が得られる。又単一の加熱
ヒーターによるウェハ処理における線幅のばらつきは同
心円状に起こるため、本発明のベーク炉では、複数の加
熱ヒーターを同心円状に配置することが望ましく、更に
該加熱ヒーターはドーナツ状であることが好ましい。こ
れにより温度分布がウェハの中心から周縁に向かう放射
状となり、最も効率的な温度分布が得られる。

【００２１】ウェハを加熱ヒーターに接触させると、加
熱ヒーターの熱が確実にウェハに伝達され、効果的で所
望の温度分布が達成できる。更にウェハを加熱ヒーター
を被覆したカバーを介して該加熱ヒーターに接触させる
と、加熱ヒーター間の境での急激な温度変化が緩和さ
れ、ゆるやかな温度分布が得られ、より一層の線幅のば
らつき抑制が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るフォトレジスト用ベーク炉の第１
実施形態を示し、図１(ａ)はその概略縦断面図、図１
(ｂ)はその平面図。

【図２】本発明の第１実施形態における、ウェハ中心か
らの距離と、複数の加熱ヒーターの制御温度の関係を示
すグラフ。

【図３】本発明の第１実施形態における、ウェハ中心か
らの距離とウェハ温度の関係を示すグラフ。

【図４】本発明の第１実施形態における、ウェハ中心か
らの距離とレジスト線幅の関係を示すグラフ。

【図５】本発明に係るフォトレジスト用ベーク炉の第２
実施形態を示し、図５(ａ)はその概略縦断面図、図５
(ｂ)はその平面図。

【図６】従来のフォトレジスト用ベーク炉を示し、図６
(ａ)はその概略縦断面図、図６(ｂ)はその平面図。

【図７】図６のベーク炉を使用した場合のウェハ中心か
らの距離と、加熱ヒーターの制御温度の関係を示すグラ
フ。

【図８】図６のベーク炉を使用した場合の、ウェハ中心
からの距離とウェハ温度の関係を示すグラフ。

【図９】図６のベーク炉を使用した場合の、ウェハ中心
からの距離とレジスト線幅の関係を示すグラフ。

【図10】ＰＥＢ温度とレジスト線幅の関係を示すグラ
フ。

【符号の説明】

11 ベーク炉 12 ウェハ 13 第１加熱ヒーター 14 第２加熱ヒーター 15 第３加熱ヒーター 16、17、18 温度制御装置 19 カバー 20 耐熱ピン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】フォトレジストのパターン露光終了後か
ら現像開始までの間に行われるベーク工程で用いられる
フォトレジスト用ベーク炉において、複数の加熱ヒータ
ーをウェハに近接して設置し、該加熱ヒーターを異なる
温度で加熱して前記ウェハに中心部が低く周縁部が高い
温度分布を生じさせて該ウェハの温度制御を行うことを
特徴とするフォトレジスト用ベーク炉。
【請求項２】フォトレジストのパターン露光終了後か
ら現像開始までの間に行われるベーク工程で用いられる
フォトレジスト用ベーク炉において、同心円状に配置さ
れた複数の加熱ヒーターをウェハに近接して設置し、該
加熱ヒーターを異なる温度で加熱して前記ウェハに中心
部が低く周縁部が高い温度分布を生じさせて該ウェハの
温度制御を行い、フォトレジストの面内線幅のばらつき
を抑制することを特徴とするフォトレジスト用ベーク
炉。
【請求項３】中心部以外の加熱ヒーターがドーナツ状
である請求項２に記載のフォトレジスト用ベーク炉。
【請求項４】ウェハを加熱ヒーターに接触させるよう
にした請求項２又は３に記載のフォトレジスト用ベーク
炉。
【請求項５】ウェハを加熱ヒーターを被覆したカバー
を介して該加熱ヒーターに接触させるようにした請求項
２から４までのいずれかに記載のフォトレジスト用ベー
ク炉。