JPH02146720A - 処理方法および処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体装置を製造する方法に関する。

（従来の技術） 一般に、ＩＣ又はＬＳＩ等の半導体装置例えばデバイス
の製造工程では、半導体ウェハに複数回のフォトリソグ
ラフィーを施して、−枚のウェハ上に所定のパターンを
有する多数の半導体チップを形成する。

近年、半導体デバイスの累積度が高まるに従って、半導
体ウェハ上に正確に所望厚さのレジスト層を均一に形成
することが要望されている。特に、フォｉ−リソグラフ
ィーにより超微細パターンを精密に転写するためには、
レジスト膜厚を正確に形成する必要がある。このような
要求に応えるために、現在では、レジスト膜厚のばらつ
きを４〜５ｎｍの範囲内とすることができるスピン式塗
布装置（スピンコーター）が開発実用化されている。

ところで、上記スピン式塗布装置によりレジスト膜を形
成するときに、レジスト液、半導体ウェハ並びに塗布雰
囲気の温度や湿度が一定でないと、レジスト膜厚が変動
する。また、−枚のウェハ内であっても、中央部で膜厚
が厚くなり、周辺部で膜厚が薄くなる傾向がある。レジ
スト膜厚が不均一であると、パターンの線幅が変化して
、フォトリソグラフィーによって微細パターンを正確に
形成することができない。

従来においては、製品となるべきウェハのレジスト膜厚
を製造ラインで直接測定せず、ダミーウェハ（サンプリ
ングウェハ）の膜厚のみを測定していた。しかしながら
、超微細パターンの半導体デバイスでは、レジスト膜厚
の変化がパターン線幅に重大な影響を及ぼすため製品と
なるへきウェハに塗布されたレジスト膜厚を測定する必
要性が生じている。

ところで、通常、半導体ウェハに多数の半導体チップを
形成する工程においては、複数回のフォトリソグラフィ
ー工程を経る。これらのフォトリソグラフィー工程のな
かで、ウェハ下地が平坦な状態にあるのは、多くの場合
、最初のフォトリソグラフィー工程だけである。

従来のレジスト膜厚の測定方法は、基板表面に所定波長
の光を照射し、基板表面およびレジスト膜表面からの反
射光をそれぞれ検出し、これらに基づいてレジスト膜厚
を算出決定する。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、従来のレジスト膜厚の測定方法において
は、ウェハの下地が平坦でなければレジスト膜厚を正確
に測定することができない。このため、最初のフォ１−
リソグラフィー工程を除き、第２回目以降のフォトリソ
グラフィー工程では、ウェハ上の任意のポイントを選ん
でレジスト膜厚を測定することができない。特に、レジ
スト液の塗布工程では、周囲の温度および湿度の影響を
受けてレジス１−膜厚が変化するため、製品となるべき
ウェハのレジスト膜厚を測定する必要があるが、これは
正確に測定することができない。このため、パターン線
幅が変化する可能性があり、超微細パターンの半導体デ
バイスの製造歩留まりが低下するという不都合がある。

この発明の目的は、半導体ウェハに塗布されたレジス１
−膜厚を、正確に測定して、超微細パターンの半導体製
造の歩留まり向上を図ることができる半導体装置の製造
方法を提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は半導体ウェハ表面にレジスト膜を形成する成膜
工程と、所定パターンを有するマスクを介して上記レジ
スト膜を露光する露光工程と、上記レジスト膜を現像す
る現像工程とを有する半導体装置の製造方法において、 上記レジスト膜の膜厚を測定し、この膜厚の測定結果に
基いて上記現像工程の現像時間を変化させることを特徴
としたものである。

（作用効果） 会を餅豊十今ので、測定膜厚に応じて処理をコントロー
ルでき、所望の処理工程が可能となる。

例えば、ウェハ周縁部及びスクライブラインは、実質的
に凹凸のないフラット面であるため、照射晃が一様に反
射される。このため、半導体ウェハに形成されたレジス
ト膜厚を正確に測定することができ、それぞれの測定膜
厚に応じてレジスト塗布処理、露光処理並びに現像処理
をそれぞれコントロールする。これにより、レジスト膜
厚の変動（ばらつき）がパターン線幅に及ぼす影響を実
質的になくすことができ、所望線幅の超微細パターンを
ウェハ上に形成することができる。

測定膜厚が標準値（設定膜厚）から大幅にずれると、レ
ジストの塗布処理を再度やりなおす。また、上記レジス
ト膜形成工程をコントロールする場合は、測定膜厚が標
準値（設定膜厚）より厚くなると塗布装置のスピン回転
速度を速め、測定膜厚が標準値（設定膜厚）より薄くな
ると塗布装置のスピン回転速度を遅くする。

また、上記露光工程をコントロールする場合は、各膜厚
に応じて最適露光量（露光エネルギＸ露光時間）を予め
把握しておき、膜厚測定結果が標準値（設定膜厚）より
厚くなると露光量を増加させ、膜厚測定結果が標準値（
設定膜厚）より薄くなると露光量を減少させることがで
きる。

更に、上記現像工程をコントロールする場合は、各膜厚
に応じて最適現像時間を予め把握しておき、膜厚測定結
果が標準値（設定膜厚）より厚くなると現像時間を長く
し、また膜厚測定結果が標準値（設定膜厚）より薄くな
ると現像時間を短くすることができる。

（実施例） 面を参照しながら説明する。

第１図に示すように、ウェハ塗布装置５００の基台５０
１の中央部には矢印Ｘ方向に延長する通路５０２が設け
られ、その一方の側に表面処理および温度調整装置５０
３、加熱装置５０５、現像装置５０６が並び、他方の側
に膜厚測定装置５０７及びレジスト塗布部５０８が並ん
でいる。膜厚測定装置５０７及びレジスト塗布部５０８
によりコーティングセクション５０９が構成されている
。

通路５０２には、この通路５０２内をＹ方向に移動する
ウェハ搬送装置５１０が設けられている。搬送装置５１
０は、本体５１１及び２つのウェハ吸着保持用ピンセッ
ト５１２．５１３を有している。これらのピンセット５
１２．５１３は上下に配設され、それぞれがＹ方向（横
方向）、Ｘ方向（縦方向）、Ｘ方向（垂直方向）、０方
向（回転移動）に独立に動作することができる。

基台５０１の側方にはウェハの搬出搬入セクション５２
０が設けられている。　この搬出搬入セクション５２０
には、処理前の半導体ウェハＷＢを収容したウェハカセ
ット５２２及び処理後のウェハｗＦを収容するウェハカ
セット５２３が設けられている。通路５０２と搬出搬入
セクション５２０とのインターフェイスにおいて前述の
搬送装置５１０のピンセット５１２゜５１３と搬出搬入
セクション５２０のピンセットとの間でウェハＷの受は
渡しができるようになっている。

なお、露光セクション５３０（図示せず）の露光装置（
ステッパー）が、通路５０２を挟んで搬出搬入セクショ
ン５２０の反対側に設けられている。　この露光装置は
、インターフェイスにおいて前述の搬送装置５１０のピ
ンセット５］、２．５１３との間でウェハＷの受は渡し
ができるようになっている。

第２図に示すように、コーティングセクション５０９に
は膜厚測定装置５０７及び塗布部（スピンコーティング
）５０８が設置され、塗布部５０８の載置台１０上に一
枚の半導体ウェハＷが載置されている。レジスト液供給
用ノズル１３が半導体ウェハＷに対面している。このノ
ズル１３は、液温および雰囲気を調整する調節装置を備
えたレジスト液供給源（図示せず）に連通している。載
置台１０は回転駆軸装置１１を有している。この駆動装
置１１による載置台１０の回転力により、ノズルＩ３か
らウェハＷ上に供給されたレジスト液が均一分散される
。

膜厚測定装置５０７が、塗布部５０８に隣接配置されて
いる。膜厚測定装置５０７の光センサ１５が、半導体ウ
ェハＷの周縁部に対面配置されている。光センサ１５は
、光ファイバを介して膜厚測定装置５０７の入力部に接
続されている。

第３図に示すように、半導体ウェハＷのチップ３が形成
されていない余剰領域４に向かって、センサ１５から光
が照射される。照射光は、ウェハＷ上のレジスト膜を感
光させなうような波長を採用することが望ましく、例え
ば、フィルタを介して５６０ｎｍ以上の波長とすること
が望ましい。また、照射光のビーム径は、約２画とする
。センサ１５は受光素子を有している。この受光素子は
、ウェハＷから反射された光のうちフィルタによって選
択した所定波長の光のみを受光する。膜厚測定装置５０
７では、更に、この光信号を電気信号に変換した後に、
増幅器、Ａ／Ｄ変換器を経て信号を所望のものに変換す
る。

位置検出装置１６が、半導体ウェハＷのエツジと同じレ
ベルに設けられている。ウェハＷをθ回転させると、こ
の位置検出装置１６によりウェハＷのオリエンテーショ
ンフラット２の端部（ポイントＸ）が検出される。

膜厚測定装置５０７の出力部は、ホストコンピュータ２
０の入力部に接続されている。膜厚測定装置５０７で変
換された電気信号は、コンピュータ２０の演算部に入力
され、これに基づきレジスト膜厚が求められる。

ホストコンピュータ２０の出力部は、載置台駆動装置１
１の駆動制御装置１８に接続されている。

次に第４図を参照しながら、露光セクション５３０につ
いて説明する。

露光セクション５３０とコーティングセクション５０９
とは、ホストコンピュータ２０により相互に接続されて
いる。すなオ〕ち、コーティングセクション５０９の膜
厚測定装置５０７で得られたウェハＷの膜厚に関する情
報は、ホス１−コンピュータ２０を介して露光セクショ
ン５３０の制御部３６にリファレンスとして入力される
。

ステッパー３０は、半導体ウェハＷを保持し、Ｘ方向お
よびＹ方向に移動可能なウェハ載置台３３を有する。ま
た、ウェハ載置台３３の上方にはウェハＷにレチクルマ
スク（図示せず）を介して１チツプごとに露光光学系３
４が設けられている。これらの露光光学系３４は、制御
部３６に接続されている。

更に、露光光学系３４はアライメント機構３５を備えと
いる。アライメント機構３５は、レーザ光源およびその
反射光を検出するためのＴＶカメラ及び画像処理装置を
有する。このアライメント機構３５は、制御部３６を介
してウェハ載置台３３に接続されている。

ステッパー３０は、載置台３３上のウェハＷのレジスト
膜厚を測定するための膜厚測定装置３７を独自に有する
。この膜厚測定装置３７は、前述のコーティングセクシ
ョン５０９における膜厚測定装置５０７と同様の構成を
なす。

第５図に示すように、チップ３に対して露光する位置に
、半導体ウェハＷをアライメント機構３５によりアライ
メントすると、膜厚測定装置３７からのビーム光７の照
射位置がスクライブライン６に設定される。すなわち、
前述のコーティングセクション５σ９の膜厚測定装置５
０７ではウェハＷの余剰領域（チップ３が形成されてい
ない領域）４のところで膜厚測定するのに対して、露光
セクション５３０の膜厚測定装置３７てはウェハＷのス
クライブライン６のところで膜厚測定するようになって
いる。この理由は、露光工程では各チップ３毎に露光処
理するため、チップ３相互間の膜厚のばらつきを考慮し
たからである。

この場合に、ビーム光７には、レジスト膜が感光しない
ような波長、例えば５６０ｎｍ以上であって、そのビー
ム径か５０〜１００陣のエキシマレーザを用いる。

膜厚測定装置３７は、スクライブライン６からの反射光
のうち、フィルタによって選択した幾つかの所定波長の
光のみを受光素子に入射させ、これを電気信号に変換す
る。この電気信号を、コーティングセクション５０９の
膜厚測定装置５０７で予め測定し記憶されたリファレン
ス値と比較し、この比較結果に基づき膜厚が決定される
。

なお、スクライブライン６の位置で膜厚を測定するのは
、チップ３が形成されている領域は、ウェハＷの下地す
なわちウェハ表面に凹凸が形成されているため、膜厚測
定することが困難なためである。

また、露光量（露光時間）と最適露光量（最適露光時間
）との関係は、定在波などの関係で簡単には決まらない
ため、予め実験等により経験的に求めておくことが望ま
しい。

次に、第６図を参照しながら、現像装置５０６について
説明する。

現像装置５０６とコーティングセクション５０９とは、
ホストコンピュータ２０により相互に接続されている。

すなわち、コーティングセクション５０９の膜厚測定装
置５０７で得られたウェハＷの膜厚測定情報は、ホス１
へコンピュータ２０を介して現像装置５０６の制御部４
１に入力される。

現像装置４０は、半導体ウェハＷを保持し、Ｘ方向およ
びＹ方向に移動可能なウェハ載置台４５を有する。この
載置台４５の駆動装置４４は、制御部４１に接続されて
いる。

また、ウェハ載置台４５の上方には現像液供給用ノズル
４３がウェハＷに対面して設けられている。

このノズル４３は現像液供給源４２に連通している。

現像液供給源４２の流量調整弁は、制御部４１に接続さ
れ、制御部４１からの指令に基づき開閉されるようにな
っている。現像液供給源４２には所定成分の現像液およ
びリンス液が貯蔵されている。

次に、第７図のフローチャートを参照しながら、あるフ
ォトリソグラフィープロセスのなかで半導体ウェハＷの
レジスト膜厚測定を行うことにより超微細パターンの半
導体素子を製造する場合について説明する。

（１）　　多数の半導体ウェハＷが収容されたカセット
５２２を搬入搬出セクション５２０に搬入する。半導体
ウェハＷのパターン形成面には多数のチップ３が形成さ
れている。搬送装置５１０によりウェハＷを一枚のみ吸
着してカセット５２２から取り出し、これを温度調整装
置５０３に搬入する。　この温度調整装置５０３内でウ
ェハＷを洗浄する（ステップ２ｏ１）。

（ＩＩ）　　次いで、半導体ウェハＷを加熱乾燥しくス
テップ２０２）、これを表面処理する。ここで表面処理
液としてヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）を用いて
いる（ステップ２０３）。更に、ウェハＷを加熱または
冷却して、所定温度に温度調整する（ステップ２０４）
。

（ｍ）　　調温されたウェハＷを温度調整装置５０３か
ら搬出し、これをコーティングセクション５０９のレジ
スト塗布部５０８に搬入し、所定量のレジスト液をウェ
ハＷに塗布する（ステップ２０５）。次いで、これを加
熱装置５０５に搬入し、所定時間ベーキングする（ステ
ップ２０６）。

（１■）　　ベーキング後のウェハＷを、コーティング
セクション５０９の膜厚測定装置５０７に搬入し、余剰
領域４の膜厚を測定する（ステップ２ｏ７）。上記コー
ティングセクション５０９における膜ノブ測定情報は、
ホストコンピュータ２ｏのメモリにストアされ、必要に
応じて呼び出される。この膜厚測定情報を用いて、所望
のレジスト膜厚が得られるようにステップ２０５．２０
８．２］］　のそれぞれにおいて最適制御がなされる。

例えばステップ２０５では、膜ノ測定情報に基づき塗布
部５０８のスピン速度を調節して、レジスト膜厚形成厚
さを増減する。なお、塗布時にはレジスト液が周囲に飛
散するので、膜厚測定装置５０７の光センサ１５及び位
置検出装置１６をウェハＷの近傍から退避させ、レジス
ト液の付着を防止する。更に、測定膜厚が標準値（設定
膜厚）から大幅にずれている場合には、ウェハＷを塗布
工程（ステップ２ｏ５）にもどしてレジストを再塗布す
る。

（Ｖ）　　膜厚測定後のウェハＷを露光セクシミン５３
０に搬送し、各チップ３毎に膜厚測定装置３７により膜
厚測定する。前述の膜厚測定情報をホス１〜コンピユー
タ２０からリファレンスとして呼び出し、これとそれぞ
れの膜厚測定結果とを比較し、比較結果に基づき露光時
間および露光エネルギ量を適量に調節し、露光する（ス
テップ２０８）。

なお、膜厚測定装置３７による測定は、例えば、１００
ミリ秒程度で実行することができる。　これに対して、
露光光学系３４による露光は、通常２００ミリ秒程度を
必要とする。このため、膜厚測定装置３７による膜厚測
定操作と露光光学系３４による露光操作とを同時に開始
し、膜厚測定結果が出た時点で露光時間を制御するよう
に構成することが好ましい。これにより、ステッパー３
０のスルーブッ１−をほとんど損なうことなく、両操作
を同時進行することができる。また、膜厚測定装置３７
による測定は、各露光ごとに実行せずとも、例えば、１
枚のウェハＷに対して数回行うようにしてもよい。

このような工程はレジスト塗布装置により塗布後ベーキ
ングした後にステッパー３０へ搬送し、露光を実行する
。

（Ｖｉ）　　露光セクション５３０から加熱装置５０５
にウェハＷを搬送し、所定条件下でベーキングする（ス
テップ２０９）。

次いで、現像装置５０６にウェハＷを搬入し、ノズル４
３から所定量の現像液をウェハＷに供給し、所定時間だ
け現像液とレジスト膜とを接触させて現像する（ステッ
プ２１０）。その後、ウェハＷにリンス液を供給すると
共に、駆動機構４４にょリウェハＷを回転させて、ウェ
ハＷをリンシングすると共に乾燥させる。

この場合に、レジストの種類および現像液の種類ごとに
、レジスト膜厚と最適現像時間との相関関係についての
データをとっておき、これらのデータをポストコンピュ
ータ２ｏに予め記憶させておく。膜厚測定装置５０７に
よる測定データがコンピュータ２０に入力されると、こ
れに対応する最適現像時間を探しだし、これを指令信号
として現像装置４０に送る。これにより、現像時間が最
適現像時間にコントロールされる。

（■）現像後、ウェハＷを所定条件下でベーキングする
（ステップ２１１）。次いで、ウェハＷをエツチング処
理装置（図示せず）に搬送し、エツチング処理する（ス
テップ２１２）。

上記実施例によれば、搬送装置５１０および露光セクシ
ョン５３０のそれぞれにおいて製品ウェハＷのレジスｉ
・膜厚をフラット領域で測定し、これらの測定データに
基づき塗布工程（ステップ２０５）、露光工程（ステッ
プ２０８）、現像工程（ステップ２１０）における処理
操作をそれぞれ最適条件にコン１−ロールすることがで
きる。従って、従来の方法、すなわちダミーウェハのレ
ジスト膜厚をリファレンスとして測定する方法よりも、
製品ウェハＷのレジスト膜厚を高精度に測定することが
できる。このため、レジスト膜厚のパターン線幅に実質
的に悪影響を及ぼすことなく、所定線幅の超微細パター
ンを有する半導体デバイスを高歩留りに製造することが
できる。

なお、上記実施例では、ウェハＷ搬送用の通路５０２を
中央にレイアウトした処理装置について説明したが、こ
れに限られることなく、第８図に示すように、インライ
ン型の処理装置とすることもできる。このようなインラ
イン型の処理装置は、塗布部５０８の前後に膜厚測定装
置５０７を設け、センダー６０１からレシーバ６０２に
至るまでをシーケンシャルなレイアウトとする。

上記インライン型の処理装置によれば、コーティング前
後の膜厚測定結果を比較検討することにより、塗布工程
のレジスト膜を更に高精度に形成することができる。

以上説・明したように、本発明の製造方法によれば、製
品ウェハに塗布したレジスト膜の膜厚をオンラインで測
定し、測定膜厚に応じてフォトリソグラフィーの各工程
の処理操作をコントロールできるため、半導体デバイス
の製品歩留りを大幅に向上させることができる。特に、
露光工程では各チップごとにレジスト膜厚を測定し、そ
れぞれの露光量をコントロールするので、チップ相互間
に膜厚のばらつきか存在したとしても、パターン線幅を
所望の範囲とすることができる。このため、超微細パタ
ーンの半導体デバイスの生産性の向上を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を塗布工程におけるウェハの塗布
装置に用いた一実施例の構成配置説明図、第２図は第１
図のレジスト膜厚の測定方法を説明するための搬送装置
概略説明図、第３図は第１図の方法で膜厚測定する半導
体ウェハを説明するための説明図、第４図は本発明の第
２実施例の測定方法を説明するための搬送装置概略説明
図、第５図は第３図の半導体ウェハ上に形成されたチッ
プおよびスクライブラインを説明するための説明図、第
６図は本発明の第３実施例の測定方法を説明するための
搬送装置概略説明図。第７図は第１図。 第４図、第６図の半導体デバイスのフォトリソグラフィ
ー工程の一例を説明するための説明図、第８図は第６図
の半導体デバイス製造システムの別の配置例を示すレイ
アウト図である。 ５０７：膜厚測定装置 ５０８：塗布部 ５０９：コーティングセクション

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体ウェハ表面にレジスト膜を形成する成膜工程と、
   所定パターンを有するマスクを介して上記レジスト膜を
   露光する露光工程と、上記レジスト膜を現像する現像工
   程とを有する半導体装置の製造方法において、 上記レジスト膜の膜厚を測定し、この膜厚の測定結果に
   基いて上記現像工程の現像時間を変化させることを特徴
   とする半導体装置の製造方法。