JPH1055072A - レジストパターン形成方法及びレジストパターン形成装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ウェハ上の膜の経時変化による、所望のレジス
トパターンを得るための形成条件の経時変化を抑制す
る。 【解決手段】膜厚５００ｎｍのＡｌ−Ｓｉ膜２上に反射
防止膜として形成されたＳｉＮ膜３に対して、ウェハ基
板をホットプレートを用いて２００℃に加熱しながら
、表面のＳｉＮ膜３に対して高圧水銀灯をフィルタカ
ットして波長２４８ｎｍの光を照射量１５００Ｗ／ｃｍ
² で照射し、ＳｉＮ膜の表面改質を行った。そして、Ｓ
ｉＮ膜３上に０．１８μｍＬ／Ｓのレジストパターン４
を形成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ウェハ基板上に所
望の寸法のレジストパターンを形成するレジストパター
ン形成方法及びレジストパターン形成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の製造工程においては、シリ
コンウェハ上に複数の物質を堆積し、フォトリソグラフ
ィーの技術を用いて所望のパターンにパターニングする
工程を多く含んでいる。フォトリソグラフィーの工程に
おいては、レジストパターン寸法を高精度で制御するこ
とが重要である。しかし、露光波長に対して高い反射率
を有する基板上にレジストパターンを形成する場合、基
板上の段差部からの反射光の作用によって局所的なレジ
スト寸法の変動や、プロファイルの劣化が生じることが
ある。

【０００３】また、レジスト直下に露光波長に対して、
比較的透明な珪素酸化物や珪素窒化物が存在する場合、
露光波長はこれらの膜中で多重反射を起こす。そのた
め、これらの膜厚が変動すると多重反射の振る舞いに影
響を与える。その結果、レジスト層に与えられる光エネ
ルギー量が実質的にウェハ面内で変動し、レジストパタ
ーン寸法の制御性に重大な影響を及ぼす。さらには、レ
ジスト膜中でも多重反射が起こるため、ウェハ面内でレ
ジストの膜厚に変動がある場合にも、やはりレジストパ
ターン寸法変動に大きな影響を及ぼす。

【０００４】この問題を解決するために、レジストと基
板との間に反射防止膜を形成する方法が採られている。
反射防止膜は、基板と反射防止膜との界面で反射した光
と、レジストと反射防止膜との界面で反射した光との位
相をずらし、二つの反射光が重ね合わさった際に光の強
度を弱める、また露光光の吸収を行なうことによって、
下地層で反射しレジストに再び入射する光の強度を弱め
る。つまり、レジストに再び入射する反射光の強度を弱
めることによって、基板段差からの露光光の反射やレジ
スト膜厚の変動に伴うレジストに与えられる光エネルギ
ー量の変動を抑え、レジストパターン寸法変動やプロフ
ァイルの劣化を低減するというものである。

【０００５】しかしながら、これらの反射防止膜を用い
ても、以下に記述するような理由でウェハ面内、又はウ
ェハ間でレジストパターン寸法が変動する場合が生じ
る。

【０００６】１．１）ウェハ基板上に形成された導体、
半導体、絶縁薄膜が経時変化を起こし、膜厚及び光学定
数が成膜時の値と異なる。とりわけ、無機系の反射防止
膜は、膜中に多数のダングリングボンドを持つため経時
変化が顕著である。そのため所望のレジストパターン寸
法を得るのに要する適正露光量、ベーキング条件等のプ
ロセス条件が経時変化する。

【０００７】１．２）基板上にレジストをスピンコーテ
ィング法によって塗布する際、レジストを構成する成
分、例えば樹脂、抑止基、酸発生剤、感光剤等の成分が
ウェハ面内で偏析しているため、所望のレジストパター
ン寸法を得るのに要する最適露光量、ベーキング条件等
のプロセス条件がウェハ面内で異なる。

【０００８】１．３）ウェハ基板上に形成される導体，
半導体及び絶縁体膜は、スパッタ法やＣＶＤ法等で成膜
がなされる場合が多いが、これらの成膜法ではウェハ面
内、ウェハ面内で均一な膜厚、光学定数を得るのは難し
く、所望のレジストパターン寸法を得るのに要する最適
露光量がウェハ面内及び面間で異なる場合が生じる。

【０００９】とりわけ、反射防止膜の膜厚及び光学定数
の変化は、レジストパターン寸法の変動に顕著に影響を
与える。膜厚及び光学定数の管理を厳しく行えばよい
が、現状の成膜装置では寸法変動が起こらないように膜
厚及び光学定数の管理を行うと、歩留りが著しく低下し
てしまう。

【００１０】１．４）塗布型の反射防止膜をスピンコー
ティング法で成膜した場合、染料や露光波長を吸収する
官能基がウェハ面内で偏析し、所望の寸法を得るのに要
する最適露光量がウェハ面内で異なる場合が生じる。

【００１１】これらの問題は、レジストパターン寸法が
微細になるほど、また、ウェハのサイズが大きくなるほ
ど顕著になり、レジストパターン寸法が変動する要因と
なっている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】従来、上層にレジスト
パターンが形成される膜の表面が経時変化をおこし、光
学定数が成膜時の値と異なるため、同一条件でレジスト
パターンの形成を行うと、レジストパターン寸法が変動
するという問題があった。また、ウェハ面内及び面間で
レジストを構成する成分のバラツキ、あるいはレジスト
パターンの下層の膜の膜厚、あるいは光学定数のバラツ
キがあるため、所望のレジストパターン寸法を得るのに
最適なレジストパターン形成条件が面内で異なるため、
レジストパターン寸法がばらつくという問題があった。

【００１３】本発明の目的は、ウェハ面内及び面間のレ
ジストパターン寸法変動を抑制し、ウェハ上のレジスト
パターン寸法制御性を向上させるレジストパターン形成
方法及びレジストパターン形成装置を提供することにあ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】

（構成）本発明のレジストパターン形成方法及びレジス
トパターン形成装置は以下のように構成されている。

【００１５】（１） 本発明（請求項１）のレジストパ
ターン形成方法は、ウェハ基板上にレジストパターンを
形成するレジストパターン形成方法において、前記ウェ
ハ基板上に形成した膜に対し、膜厚あるいは光学定数の
経時変化を抑制するための表面改質を行ない、前記膜上
にレジストパターンを形成する。

【００１６】（２） 本発明（請求項２）のレジストパ
ターン形成方法は、ウェハ基板上にレジストパターンを
形成するレジストパターン形成方法において、前記ウェ
ハ基板上に形成された膜の表面に、膜厚あるいは光学定
数の経時変化を抑制するために、外部からの物質の侵入
を防止する保護膜を形成し、前記保護膜上にレジストパ
ターンを形成する工程を含むことを特徴とする。

【００１７】（３） 本発明（請求項３）のレジストパ
ターン形成方法は、ウェハ基板上に形成されている膜の
組成、膜厚及びレジストを感光させる露光波長での光学
定数の少なくとも一つを、前記膜の複数の場所で測定す
る工程と、測定を行った場所毎に、レジストパターンの
形成条件を測定結果を基に所望のレジストパターン寸法
が得られるよう制御する工程とを含むことを特徴とす
る。

【００１８】（４） 本発明（請求項４）のレジストパ
ターン形成装置は、ウェハ基板上に形成された膜の組
成、膜厚及びレジストを感光させる露光波長での光学定
数の少なくとも一つを、前記膜の複数の場所で測定する
測定部と、測定を行った場所毎に、レジストパターンの
形成条件を測定結果を基に所望のレジストパターン寸法
が得られるよう制御する制御部とを具備してなることを
特徴とする。

【００１９】なお、望ましい実施態様は次の通りであ
る。

【００２０】（５） （１）において、ウェハ基板上に
形成された膜に放射線照射、光照射、加熱あるいは酸化
の少なくとも一つを行なうことによって膜の表面を改質
することが望ましい。

【００２１】（６） （２）において、保護膜がポリサ
ルフォン，ノボラック樹脂，ポリイミド，ポリアミド等
からなる有機膜である。

【００２２】（７） （３）において、レジストや反射
防止膜等のウェハ面内、ウェハ間での組成のバラツキを
非破壊的に検査できる赤外分光等の分析手段を用いて測
定する。例えば、赤外分光測定を行った場合、レジスト
パターン寸法精度に影響を与える露光波長に対して吸収
を持った結合、あるいはレジストの感度を決定する抑止
基、感光剤、酸発生剤を構成する結合の振動による吸収
の強度をウェハ面内、ウェハ間で測定する工程を含む。

【００２３】（８） （３）において、ウェハ基板上に
形成された薄膜に対して露光波長を含んだ光を照射し、
反射した光を検出することにより前記薄膜のウェハ面
内、ウェハ間での前記薄膜の膜厚及びバラツキを測定す
る工程を含む。

【００２４】（９） （７）あるいは（８）の測定の測
定値と所望のレジストパターンを得ることが可能なレジ
ストパターンの形成条件との関係を予め算出しておき、
先の測定結果に応じてウェハ面内、ウェハ間で所望のパ
ターンの形成条件の最適化を行いレジストパターンを形
成する工程を含む。

【００２５】（１０） （９）において、測定結果をも
とに所望のレジストパターンが得られるように露光量を
調節して行う工程を含む。

【００２６】望ましくは、測定値と所望のレジストパタ
ーンを得ることが可能な露光量との関係を予め算出して
おき、（７）あるいは（８）の測定結果に応じてショッ
ト毎に、所望のレジストパターン寸法が得られる最適な
露光量に調節しつつ露光を行う工程を含んでいる。

【００２７】（１１） （７）あるいは（８）の測定結
果をもとに、所望のレジストパターン寸法が得られるよ
うにレジストを加熱する際の条件を最適化しつつ行う工
程を含む。

【００２８】望ましくは、（７）あるいは（８）の測定
の測定値と所望のレジストパターンを得ることが可能な
ベーキング条件との関係を予め算出しておく。そして、
ウェハ上のレジストを加熱する際に、（７）あるいは
（８）の測定結果に応じて、面内及び面間で所望のレジ
ストパターン寸法が得られる最適な熱量に調節する工程
を含んでいること。

【００２９】（１２） （４）における測定部が、レジ
ストを構成する抑止基、感光剤、酸発生剤、樹脂等の成
分のウェハ面内あるいはウェハ間のバラツキを測定可能
な測定部，ウェハ基板上に形成された薄膜の露光波長を
吸収する吸収強度のウェハ面内あるいはウェハ間のバラ
ツキを測定可能な測定器、レジストを含むウェハ基板上
に形成された薄膜の膜厚あるいはウェハ間のバラツキが
測定可能な測定器，またはレジストを含むウェハ面上に
形成された薄膜のウェハ面内あるいはウェハ間での露光
波長における光学定数のバラツキを測定可能な測定器の
うち少なくとも一つを具備していること。

【００３０】（１３） （４）における制御部が、レジ
ストを構成する成分，レジスト膜厚，レジストの下層に
存在する下地の膜厚，あるいはレジストの下層に存在す
る下地基板の露光波長における光学定数の値に対応す
る、所望のレジストパターン寸法を得るのに最適な露光
量，ベーキング条件，現像条件，クーリング条件等のレ
ジストパターン寸法を決定するパラメータの値が入力さ
れたメモリ部を少なくとも具備していること。

【００３１】（１４） （４）に記載のレジストパター
ン形成装置が、ウェハ基板上に形成されたレジストを感
光させるための露光光源と、前記ウェハ基板上に形成さ
れた膜の組成、膜厚及びレジストを感光させる露光波長
での前記ウェハ基板上に形成された膜の光学定数の少な
くとも一つを測定する測定部と、この測定部の測定結果
に応じて前記露光光源の光量を制御し、前記レジストに
対して露光を行う手段を具備してなることが望ましい。

【００３２】（１５） （４）に記載のレジストパター
ン形成装置が、ウェハ基板上に形成されたレジストを加
熱するための熱源と、前記ウェハ基板上に形成された膜
の組成、膜厚及びレジストを感光させる露光波長での前
記ウェハ基板上に形成された膜の光学定数の少なくとも
一つを測定する測定部と、前記測定部の測定結果に応じ
て前記熱源に加える熱量を制御する手段を具備してな
る。ここで、熱源はウェハ面内で加える熱量の調節を行
えるものが望ましい。

【００３３】（作用）請求項１に記載の発明で、ウェハ
基板上に形成されたダングリングボンドを多数もつ膜に
放射線照射、加熱、酸化の少なくとも一つを行うことに
よりダングリングボンドに酸素原子を結合させる、ある
いはダングリングボンド同士に架橋反応を起こさせる。
人為的にダングリングボンドに酸素原子を結合、あるい
はダングリングボンド同士を架橋させることにより、成
膜後、時間と共にダングリングボンドに結合する酸素原
子の数、あるいは時間と共に進行する架橋反応を防ぐこ
とができる。その結果、ダングリングボンドに結合する
酸素の原子数、あるいは結合したダングリングボンドの
数の変動に伴う複素屈折率、膜厚の経時変化を防ぐこと
ができる。

【００３４】また、請求項２に記載の発明により、成膜
直後に水や酸素といった外気から薄膜中に進入する物質
を防ぐ膜を形成することで、ダングリングボンドに結合
する酸素原子の数を抑制することが可能で、物性値の経
時変化を防ぐことができる。

【００３５】以上の方法により、レジストパターンを形
成する下地膜の膜厚及び光学定数の変化を防ぐことがで
きる。そのため、所望のレジストパターン寸法を得るの
に要する適正露光量、ベーキング条件等のプロセス条件
が経時変化することを抑えることができるので、ウェハ
間で寸法制御性の良いレジストパターンを得ることがで
きる。

【００３６】請求項３，４に記載の発明により、ウェハ
面内、ウェハ間でのレジストを構成する成分の偏析ある
いはウェハ面内、ウェハ間、さらには経時変化によるウ
ェハ基板上に形成された膜厚、あるいは光学定数の変動
によりレジストとレジストの直下に存在する膜との界面
での光強度反射率が変化したことによるレジストパター
ン寸法変動を抑えることが可能となる。

【００３７】ウェハ面内の各場所でのレジストを構成す
る成分の偏析状況は、赤外分光法やラマン分光法でウェ
ハ毎に調べることが可能である。また、反射防止膜など
のウェハ基板上に形成された膜の露光波長での複素屈折
率の偏析状況は、露光波長の吸収に関与する電子状態を
構成する化学結合を赤外分光法等で観測することで調べ
ることも可能である。

【００３８】そして、レジストあるいはレジストの下層
に存在する膜の成分または複素屈折率に対し、所望の寸
法をもったレジストパターンを形成するのに最適なベー
キング温度、露光量、現像方法などのプロセス条件を参
照し、レジストを構成する成分、レジストの下層に存在
する膜の複素屈折率のウェハ面内、ウェハ面間での偏析
状態に合わせた最適なプロセス条件でレジストパターン
の形成を行うことで、膜の組成がウェハ面内で異なるこ
とによるレジストパターン寸法変動を抑制することが可
能となる。

【００３９】レジストの直下に位置する膜とレジストと
の界面で反射する光の光強度反射率は、レジストパター
ンのプロファイル及び寸法を決定する重要な因子であ
る。この界面での光強度反射率は、レジストを塗布する
前に、レジストが直上に形成される膜の露光波長での反
射率を測定すれば、P.H.Berning: Physics of Thin Fil
m, Vol.1,pp69-121(1963), A.E.Bell & F.W. Spong:IEE
E Journal of QuantaumElectronics, Vol11. QE-14, pp
487-95(1978), K.Ohta & H.Isida: Applied Optics, Vo
l.29,pp1952-1958(1990) 等に記載されている方法で計
算することができる。

【００４０】そして、予め算出しておいた所望のプロフ
ァイル及び寸法を有するレジストパターンを得る為に最
適な、直上にレジストが塗布される膜の露光波長での光
強度反射率と露光量，ベーキング条件，現像条件等のプ
ロセス条件との関係を参照し、レジストとレジストの直
下に存在する膜との界面での光強度反射率の変動に合わ
せた最適なプロセス条件でレジストパターンの形成を行
うことで、レジストより下層に存在する膜の膜厚や複素
屈折率が面内及び面間で変動することによるレジストパ
ターン寸法変動を抑制することが可能となる。

【００４１】また、前記文献等によれば、レジストの直
下に位置すべき膜の反射率は、ウェハ基板上に形成され
た各薄膜の複素屈折率と膜厚の関数から一意的に表すこ
とができる。従って、ウェハ基板上に形成された膜の膜
厚、複素屈折率等の物理量を測定することによってもレ
ジストとレジストの直下に形成された膜との界面での光
強度反射率を求めることができるので、反射光を測定す
る変わりにウェハ基板上に形成された膜の膜厚や複素屈
折率等の物理量を測定しても良い。

【００４２】

【発明の実施の形態】

（第１実施形態）本実施形態は、膜厚５００ｎｍのＡｌ
−Ｓｉ膜上に反射防止膜としてＳｉＮ膜を成膜し、この
ＳｉＮ膜に対して表面改質を行い、レジストパターン寸
法制御性を向上させた場合について説明する。

【００４３】レジストパターン形成を図１の工程断面図
を用いて説明する。図１の（ａ）に示すように、基板１
上に形成されているＡｌ−Ｓｉ膜２上にＳｉＮ膜３を形
成する。ＳｉＮ膜３の成膜は、シリコン（Ｓｉ）をター
ゲットとしたスパッタ法により行った。成膜条件は、基
板温度２５０℃、真空度６×１０^-4Ｔｏｒｒ、電力密度
３．５ｋＷ／ｃｍ² 、アルゴンガス、窒素ガスの流量は
それぞれ４０ＳＣＣＭ、７０ＳＣＣＭである。そして、
ウェハ基板をホットプレートを用いて２００℃に加熱し
ながら、表面のＳｉＮ膜３に対して高圧水銀灯をフィル
タカットして波長２４８ｎｍの光を照射量１５００Ｗ／
ｃｍ² で照射し、ＳｉＮ膜の表面改質を行った。

【００４４】次に、図１の（ｂ）に示すように、化学増
幅型レジスト４を塗布する。そして図１の（ｃ）に示す
ように、ＫｒＦエキシマレーザ光を用いて露光、次いで
現像処理を行い、Ｌ／Ｓパターンの形成を行なう。

【００４５】そして、図１の（ａ）の状態の状態におい
て、表面改質を行ったＳｉＮ膜及び表面改質を行わなか
ったＳｉＮ膜の露光波長に対する複素屈折率ｎ^* （ｎ^*
＝ｎ−ｉｋ；ｎは屈折率、ｋは消衰係数）を分光エリプ
ソを用いて経時変化を測定し、測定した結果を図２に示
す。図２の（ａ）はＳｉＮ膜の屈折率ｎで、図２の
（ｂ）は消衰係数ｋである。ここで○は表面改質を行っ
たＳｉＮ膜の測定結果で、△は表面改質を行っていない
ＳｉＮ膜の測定結果である。表面改質を行わなかったＳ
ｉＮ膜は時間と共に複素屈折率が変化していることが分
かる。それに対し、表面改質を行ったＳｉＮ膜の複素屈
折率の変動は、分光エリプソの測定器の誤差の範囲内で
あり、ほとんど変化しないことが分かる。

【００４６】次に、表面改質を行ったＳｉＮ膜と行わな
かったＳｉＮ膜を準備し、大気中に適当な時間をおいて
放置した。ある時間経過後、ＳｉＮ膜上に形成した反射
防止膜の上に、図１を示したレジストパターンの形成を
用いて０．１８μｍＬ／Ｓパターンを形成した。なお、
この時のレジストパターンの形成条件は同一である。レ
ジストパターン寸法の変化を断面ＳＥＭで測定した結果
を図３に示す。ここで○は表面改質を行ったもので、△
は表面改質を行わなかったものである。

【００４７】表面改質を行わなかったＳｉＮ膜の場合、
成膜後２ヶ月放置したＳｉＮ膜に形成されたレジストパ
ターンの寸法は、成膜直後のＳｉＮ膜に形成されたレジ
ストパターンの寸法に比べて、４０ｎｍ変化している。

【００４８】それに対し、表面改質を図ったＳｉＮ膜の
場合、成膜直後にレジストパターンが形成されたもの
と、約２ヶ月後に形成されたものとでは、レジストパタ
ーンの寸法変化は見られなかった。

【００４９】従って、加熱しながら波長２４８ｎｍの光
をＳｉＮ膜に照射し、ＳｉＮ膜の表面を改質することに
よって、ＳｉＮ膜の複素屈折率の時間変化がなくなり、
レジストパターン寸法変動を抑えることができたことが
わかる。

【００５０】（第２実施形態）ＣＭＰにより平坦化が行
われたＴＥＯＳ酸化膜が形成されているウェハ基板を過
酸化水素水と硫酸の酸性混合溶液に浸透し、ＴＥＯＳ酸
化膜の表面を酸化させ、ＴＥＯＳ酸化膜の表面に存在す
るダングリングボンドに酸素原子を結合させることによ
って、表面改質を図ってレジストパターン寸法変動を抑
えた場合について説明する。なお、ＴＥＯＳ酸化膜は、
膜厚５００ｎｍのＡｌ膜上に形成後、ＣＭＰによって平
坦化されたもので、平坦化後のＴＥＯＳ酸化膜の膜厚は
５００ｎｍとなっている。

【００５１】上記の表面改質を行ったＴＥＯＳ酸化膜と
表面改質を行わなかったＴＥＯＳ酸化膜に対して、Ｋｒ
Ｆエキシマレーザ波長におけるＴＥＯＳ酸化膜からの反
射率の経時変化を測定し、その結果を図４に示す。ここ
で○は表面改質を行ったＴＥＯＳ膜の測定結果で、△は
表面改質を行わなかったＴＥＯＳ酸化膜の測定結果であ
る。表面改質を行わなかったＴＥＯＳ酸化膜の反射率
は、経時変化をおこし、時間がたつと値が低下してい
る。それに対し、表面改質を行ったＴＥＯＳ酸化膜の反
射率は、測定精度内で反射率の経時変化はないことが分
かる。

【００５２】次に、表面改質を行ったＴＥＯＳ酸化膜
と、表面改質を行わなかったものを大気中に適当な時間
をおいて放置し、ある時間間隔をおいて放置されたＴＥ
ＯＳ酸化膜に対して、膜厚１１５ｎｍのポリサルフォン
膜、膜厚５００ｎｍの化学増幅型レジストを順次塗布
し、ＫｒＦエキシマレーザ光を用いて露光、次いで現像
処理を行い、０．１８μｍＬ／Ｓの寸法をもったレジス
トパターンを形成した。レジストパターン寸法の変化を
断面ＳＥＭで測定した結果を図５に示す。○は表面改質
を行ったＴＥＯＳ酸化膜上のレジストパターン寸法で、
△は表面改質を行わなかったＴＥＯＳ酸化膜上のレジス
トパターン寸法である。

【００５３】表面改質を行わなかったＴＥＯＳ酸化膜上
の場合、成膜直後にレジストが形成されたものと約２ヶ
月経過後レジストが形成されたものとでは、寸法が４ｎ
ｍ異なっている。それに対し、表面改質を行ったＴＥＯ
Ｓ酸化膜の場合、成膜直後と成膜後約２ヶ月経過したウ
ェハ上に形成したレジストパターンの寸法は、測定精度
内で差は見られなかった。

【００５４】従って、ＴＥＯＳ酸化膜の表面を改質した
ことによって、レジストとＴＥＯＳ酸化膜の物性値の経
時変化がなくなり、レジストパターン寸法変動を抑える
ことができたことが分かる。

【００５５】（第３実施形態）第１実施形態に記載のＳ
ｉＮ膜に対して表面改質を行わずに、ポリサルフォンか
らなる有機膜（保護膜）をベーキング後の膜厚が５１０
ｎｍになるようにスピンコーティング法で形成した場合
について述べる。ポリサルフォン膜の露光波長（λ＝２
４８ｎｍ）での反射率の経時変化を測定した結果を図６
に示す。ポリサルフォン膜の反射率は分光器の測定精度
内では経過していないことが分かる。

【００５６】次に、ポリサルフォン膜を形成後、適当な
時間間隔をおいたウェハ基板を用意し、それぞれのウェ
ハ基板上に形成されているポリサルフォン膜上に化学増
幅型レジストを塗布し、ＫｒＦエキシマレーザ光を用い
て露光、次いで現像処理を行い、０．１８μｍＬ／Ｓパ
ターンを形成した。レジストパターン寸法を断面ＳＥＭ
で測定した結果を図７に示す。○はＳｉＮ膜上にポリサ
ルフォン膜を形成したものの測定結果で、△は形成しな
かったものの測定結果である。

【００５７】ポリサルフォン膜を形成しない場合、成膜
直後にレジストが形成されたものと成膜後約２ヶ月（１
０⁶ 分後）経過したものにレジストが経過されたものと
では、レジストパターン寸法が４０ｎｍ異なっている。
それに対し、ＳｉＮ膜上にポリサルフォン膜が形成され
ている場合、成膜直後と成膜後約２ヶ月経過したウェハ
上に形成したレジストパターンの寸法は、測定精度内で
差は見られなかった。

【００５８】従って、ＳｉＮ膜上にポリサルフォン膜を
形成し、ＳｉＮ膜のダングリングボンドに結合する酸素
原子の数を抑制することによって、ＳｉＮ膜の屈折率の
時間変化がなくなり、レジストパターン寸法変動を抑え
ることができることが分かる。

【００５９】（第４実施形態）本実施形態では、レジス
トを塗布する際のスピンコーティング時に生じた面内で
のレジストを構成する成分分布の偏析によるレジストパ
ターン寸法変動を、レジストの成分分布状況を赤外分光
法でモニターしながら露光量を最適化しパターニングを
行った。

【００６０】酸発生剤としてスルフォンイミドが２ｇ、
分子中の３０％の水酸基にターシャルブトキシカルボニ
ルメチル基（以下ｔ−ＢＯＣＭと記す）を導入した分子
量１２０００のポニビニルフェノールを１８ｇ、溶剤と
して乳酸エチルを８０ｇの割合で混合して作成した化学
増幅型ポジ型レジストを用いた。このレジストに紫外光
を照射するとスルフォンイミドから酸が発生し、加熱す
ることで酸を触媒としたｔ−ＢＯＣＭの離脱反応がおこ
り、露光部分がアルカリ現像液に対し溶解しレジストパ
ターンが形成される。

【００６１】１２インチのＳｉウェハ基板上にレジスト
を５００ｎｍの膜厚で塗布し、塗布後レジストの膜厚の
分布を測定したところ、３σで２０ｎｍに膜厚変化は抑
えられていることが分かった。次に、レジストのウェハ
面内での組成の分布状況を赤外分光法によって調べた。
図８はウェハの中央部とエッジから１ｃｍ内側での吸光
度を示す図である。

【００６２】また、図９は１３７０ｃｍ^-1のＣ−Ｈ変角
振動による吸光度の積分強度の大きさをウェハの半径方
向に測定し算出した結果を示す図である。１３７０ｃｍ
^-1のＣ−Ｈ変角振動による吸光度の大きさは半径方向で
変化しているが、レジストの膜厚変化は３σで２０ｎｍ
に抑えられているので、吸光度の変化はレジストをスピ
ンコーティングする際にｔ−ＢＯＣＭの導入率がウェハ
の半径方向で変化したことによるものと考えられる。ま
た、レジストをウェハ面内での各ポイントで剥離し、磁
気共鳴法で分析したところ、ｔ−ＢＯＣＭの導入率は図
９に示した傾向と同様に変化している。従って、１３７
０ｃｍ^-1の吸光度の積分強度は、ｔ−ＢＯＣＭの導入率
に対応しているとすることができる。

【００６３】ベーキング条件と現像条件を固定した場合
の０．１８μｍＬ／Ｓパターンを得るために最適な、１
３７０ｃｍ^-1における吸光度の積分強度に対する露光量
を算出し、その結果を図１０に示す。そして、図１０に
従ってショット毎に最適な露光量で露光し、０．１８μ
ｍＬ／Ｓのレジストパターンの形成を行った。なお、露
光前、露光後のベーキングには、１１０℃で９０秒間の
ベーキングを行い、露光にはＫｒＦエキシマレーザ光を
光源とした縮小光学型のステッパを用いた。ウェハの半
径方向でチップ内のレジストパターン寸法を測定した結
果を図１１に示す。○はショット毎に露光量を最適化し
たものの測定結果で、△は露光量を３５ｍＪ／ｃｍ² に
固定して露光を行ったものの測定結果である。ショット
毎に露光量の最適化を図ったものは、ウェハの半径方向
での寸法変動は１０ｎｍに抑えられていることが分か
る。

【００６４】従って、ウェハの面内でのレジストの組成
の分布状況に合わせてショット毎に露光量を最適化する
ことによって、レジストパターン寸法制御性が向上する
ことが分かる。

【００６５】（第５実施形態）第４実施形態に記載の化
学増幅型レジストを構成する成分がウェハ面内で偏析し
ていることにより生じたレジストパターン寸法変動を、
露光後のベーキング条件を組成分布に応じて最適化する
ことで防いだ場合についてのべる。

【００６６】露光前のベーキング条件、露光条件、現像
条件を固定し、露光後のベーキング温度と０．１８μｍ
Ｌ／Ｓパターンを得るために最適なベーキング温度との
関係を調べた。なお、露光後のベーキング時間は９０秒
間とした。また、露光前のベーキングは１１０℃で９０
秒間行い、露光量は３５ｍＪ／ｃｍ² とし、０．１３規
定のＴＭＡＨ現像液で６０秒間の現像処理を行った。以
上のように所望の寸法である０．１８μｍＬ／Ｓパター
ンを得るために最適なベーキング条件を算出し、最適な
ベーキング条件で露光後のベーキングが行われるように
ベーキング温度を面内で変化させた。

【００６７】ウェハの半径方向でチップ内のレジストパ
ターン寸法を断面ＳＥＭにより測定した結果を図１２に
示す。○は最適な条件でベーキングを行った物で、△は
１１０℃で９０秒間のベーキングをウェハ面内で均一に
行った物である。ベーキングをウェハ面内で均一に行う
と、ウェハの半径方向でレジストパターン寸法は６ｎｍ
変化している。それに対し、ウェハ面内でレジストの組
成分布に応じて最適なベーキング条件でベーキングを行
うと、ウェハの半径方向での寸法変動量は測定誤差の範
囲内であった。

【００６８】従ってウェハ面内でのレジストの組成分布
に応じてベーキング条件を最適化することによって、レ
ジストパターン寸法制御性が向上することが分かる。

【００６９】（第６実施形態）反射防止膜のウェハ面内
で露光波長に対する複素屈折率、膜厚等にバラツキがあ
り、レジストと反射防止膜との界面で露光波長における
反射率が変動するために、レジストパターン寸法が変動
した場合、露光量を界面での反射率の変動に合わせて最
適化することでレジストパターン寸法変動を抑制した場
合について示す。

【００７０】膜厚５００ｎｍのＡｌ膜上に膜厚４０ｎｍ
のカーボン膜を形成した。このカーボン膜は、アルゴン
（Ａｒ）雰囲気中でグラファイト板をターゲットとした
ＤＣマグネトロンスパッタリング法によって形成され
た。成膜条件は基板温度２５０℃、圧力４×１０^-3Ｔｏ
ｒｒ、電力密度３．５Ｗ／ｃｍ² 、アルゴンガスの流量
が４０ＳＣＣＭである。

【００７１】カーボン膜の露光波長における反射率をウ
ェハの半径方向で測定した結果を図１３に示す。図１３
からウェハの半径方向で反射率にバラツキがあることが
分かる。次に、カーボン膜上にポジ型の化学増幅型レジ
ストを塗布し、１００℃で９０秒間のベーキング、０．
１３規定のＴＭＡＨ現像液で６０秒間の現像処理を行
い、０．１８μｍＬ／Ｓレジストパターンを形成した。
この時、カーボン膜からの反射率と所望の寸法である
０．１８μｍＬ／Ｓの寸法を持ったレジストパターンを
形成するのに最適な露光量を調べ、その測定結果を図１
４に示す。

【００７２】そして、図１４から所望の寸法である０．
１８μｍＬ／Ｓパターンを得るために最適な露光量を算
出し、露光量をウェハ面内で変化させ露光を行った。こ
の時のウェハの半径方向でチップ内のレジストパターン
寸法を断面ＳＥＭで測定した結果を図１５に示す。○は
露光量をウェハ面内で変化させて露光を行ったものの測
定結果で、△は露光量を３６ｍＪ／ｃｍ² に固定して露
光を行ったものの測定結果である。露光量を固定した場
合、ウェハの半径方向で寸法は５ｎｍ変化している。そ
れに対し、ショット毎に最適な露光量で露光を行うと、
ウェハの半径方向での寸法変動量は測定誤差の範囲内で
あった。

【００７３】従って、ウェハ面内でのレジストの組成の
分布状況に合わせてショット毎に露光量を最適化するこ
とによって、レジストパターン寸法制御性が向上するこ
とが分かる。

【００７４】（第７実施形態）層間絶縁膜及び層間膜の
直下に存在する膜の複素屈折率及び膜厚変動によるレジ
ストとレジストの直下に存在する膜との界面での光強度
反射率による変動した結果生じたレジストパターン寸法
の変動を、界面の反射率の変動に合わせて露光量を最適
化することで抑制した場合について述べる。

【００７５】ウェハ基板上にＢＰＳＧ酸化膜が形成され
ているウェハをランダムに２０枚取り出し、それらのウ
ェハの中心部の反射率を測定した。この測定結果を図１
６に示す。ウェハ毎に、反射率にはバラツキがあること
が分かる。

【００７６】次に、ウェハにポジ型のレジストを塗布
し、１００℃で９０秒間のベーキング、高圧水銀灯のｉ
線を光源とする縮小光学型のステッパで露光、１００℃
で９０秒間のベーキング、０．１３規定のＴＭＡＨ現像
液で６０秒間の現像処理を順次行い、０．３５μｍＬ／
Ｓのレジストパターンを形成した。この時、ＢＰＳＧ膜
からの反射率と所望の寸法である。０．３５μｍＬ／Ｓ
のレジストパターンを形成するのに最適な露光量を調
べ、その結果を図１７に示す。

【００７７】図１６と図１７から所望の寸法を得るため
に最適な露光量を算出し、反射率に基づいて露光量をウ
ェハ毎に変化させた。ウェハの中心部に位置するチップ
内でレジストパターン寸法をウェハ毎に断面ＳＥＭを用
いて測定した結果を図１８に示す。○はショット毎に最
適露光量で露光したものの測定結果で、△は露光量を１
５０ｍＪ／ｃｍ² に固定して露光を行ったものの測定結
果である。

【００７８】露光量を固定して露光した場合では、寸法
が５０ｎｍ変化している。それに対し、ウェハ毎に反射
率に基づいて露光量の最適化を行うと、寸法変動は測定
誤差の範囲内では見られなかった。

【００７９】従って、ウェハ毎に異なるＢＰＳＧ膜とレ
ジストとの界面での光強度反射率の変動に基づいて、ウ
ェハ毎に最適な露光量で露光する事で、レジストパター
ン寸法制御性が向上する。

【００８０】（第８実施形態）赤外分光法によってウェ
ハ基板上に形成された膜の組成のウェハ面内でのバラツ
キを調べレジストパターン寸法を制御することが可能な
装置について示す。

【００８１】装置の概要のブロック図を図１９に示す。
測定部１０はウェハの各位置での赤外分光スペクトルを
測定し、その位置における測定値を制御部１２に伝達す
る。メモリ部１３には所望の寸法でレジストパターンを
形成するための測定値に対応するプロセス条件が記憶さ
れており、制御部１２は測定部１０から伝達された測定
値に基づいて、メモリ部１３から所望のレジスト寸法を
形成するのに最適なプロセス条件を参照し、レジストパ
ターン形成部１４の制御を行う。

【００８２】また、赤外分光計を用いて膜の組成の測定
を行なう装置について図２０に示す。ここで、赤外分光
計にはフーリエ変換型のものを用いた。光源１５からの
光はウェハ１６面内の各部に光ファイバー１７を用いて
導かれ、ウェハ基板１６を透過した赤外光は検出器１８
へと導かれる。干渉計１９内部の可動鏡を動かした時に
検出器１８で検出された干渉光のスペクトルを計算機２
０でフーリエ変換することでウェハ１６の各部における
ウェハ基板１６上に形成された膜の赤外吸収スペクトル
を得ることができる。

【００８３】（第９実施形態）ウェハ基板上に形成され
ている膜の反射率を測定し、レジストパターン寸法制御
を行うことが可能な露光装置について示す。装置のブロ
ック図を図２１に示す。測定部２１ではエキシマレーザ
光を発振させ、ウェハ面内の各位値における反射光を検
出し反射率を算出する。メモリ部２２には、第６実施形
態で述べた方法で求められた反射率と所望のレジストパ
ターンを形成するために最適な露光量の関係が記憶され
ている。

【００８４】反射率を測定したウェハ基板にレジストを
塗布し、制御部２３は測定された膜の反射率のバラツキ
をもとに、メモリ部２２に収められている所望のレジス
トパターンを形成するのに最適な露光量からそのウェハ
部位での露光量を決定し、最適な露光量で露光が行われ
るようにＫｒＦエキシマレーザ１４のパルス数をショッ
ト毎に調節して露光を行う。

【００８５】（第１０実施形態）ウェハ基板上に形成さ
れた膜の赤外吸収スペクトルを測定し、レジストパター
ン寸法の制御を行うことが可能な装置について示す。装
置のブロック図を図２２に示す。メモリ部２５は第８実
施形態で述べた方法で求められた赤外吸収スペクトルと
所望のレジストパターンを形成するために最適なベーキ
ング条件の関係が記憶されている。ベーカーはウェハ面
内で温度の調節が可能な物が望ましく、本実施形態では
図２２のようにホットプレート型ベーカ２６で、プレー
トの下の電熱線２７がプレートの場所毎に独立に制御で
きるものを用いた。そして、制御部２８でウェハ基板上
に形成された膜のウェハ各部での赤外吸収スペクトルに
基づいて、メモリ部２５から所望のレジスト寸法を形成
するのに最適なベーカーの温度を参照し、ホットプレー
ト型ベーカ２６の下に設けられた電熱線２７に加える熱
量を制御する。

【００８６】本発明は、上記実施形態に限定されない。
例えば、第１実施形態あるいは第２実施形態と第３〜第
７実施形態の形成方法を組み合わせても良い。

【００８７】経時変化が起こりやすい膜としては、反射
防止膜としてウェハ基板上に形成された膜中に多数のダ
ングリングボンドを持つＳｉ化合物、Ｃｒ化合物、Ａｌ
化合物、Ｔｉ化合物、ＭｏＳｉ化合物及びこれらの混合
物からなる膜、カーボン膜、表面にダングリングボンド
をもったＣＭＰ後の絶縁膜や金属膜が挙げられる。第１
実施形態に記載の表面の改質方法としては、これらの膜
に対して加熱、酸化、放射線照射の少なくとも一つの工
程を行うことが望ましいが、酸化反応、架橋反応により
前記ダングリングボンドの数を減少させる処理であれば
特に限定されない。

【００８８】保護膜としては、実施形態に挙げたポリサ
ルフォン膜以外にも，ノボラック樹脂，ポリイミド，ポ
リアミド等の有機膜が挙げられ、膜厚あるいは光学変数
の経時変化を防止するような膜であれば特に限定されな
い。

【００８９】ウェハ基板上に形成された膜の露光波長を
決定するパラメータをモニターして、前記ウェハ基板上
に所望の寸法及び形状をもったレジストパターンを形成
するレジストパターン形成装置及び半導体製造装置は本
発明の範囲内である。従って、光源は高圧水銀灯のｉ
線、ＫｒＦエキシマレーザ光に限定されることなく、レ
ジストにパターン形成を行うことができるものであれば
何でも良い。従って、ＡｒＦエキシマレーザ光、Ｘ線、
電子ビームなどでも良い。また、現像方法はドライ現像
でも良い。

【００９０】その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形して実施することが可能である。

【００９１】

【発明の効果】請求項１、２に記載の発明によれば、ウ
ェハ基板上に形成された膜の膜厚及び光学定数の経時変
化を防ぐこととによって、レジストパターンの寸法変動
を抑制することができる。

【００９２】また、請求項３，４に記載の発明によれ
ば、ウェハ面内、ウェハ間におこるウェハ上に形成され
た膜の組成の分布、膜厚及び光学定数のバラツキをモニ
ターして、モニターした結果に基づいてレジストパター
ンの形成を行うので、面間及び面内において寸法制御性
の良いレジストパターンを得ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態に係わるレジストパターン形成の
工程断面図。

【図２】第１実施形態に係わるＳｉＮ膜の複素屈折率の
時間依存性を示す図。

【図３】第１実施形態に係わるレジストパターン寸法の
時間依存性を示す図。

【図４】第２実施形態に係わるＴＥＯＳ酸化膜の複素屈
折率の時間依存性を示す図。

【図５】第２実施形態に係わるレジストパターン寸法の
時間依存性を示す図。

【図６】第３実施形態に係わるポリサルフォン膜の反射
率の時間依存性を示す図。

【図７】レジストパターン寸法の経時変化を示す図。

【図８】第３実施形態に係わる中央部と周辺部でのレジ
ストの赤外吸収スペクトルを示す図。

【図９】Ｃ−Ｈ変角振動（１３７０ｃｍ^-1）による吸収
の積分強度のウェハ面内依存性を示す図。

【図１０】０．１８μｍＬ／Ｓパターンを得るのに最適
なＣ−Ｈ変角振動による吸収の積分強度と露光量の関
係。

【図１１】第４実施形態に係わるレジストパターン寸法
のウェハ面内依存性。

【図１２】第５実施形態に係わるレジストパターン寸法
のウェハ面内依存性。

【図１３】第６実施形態に係わるカーボン膜の反射率の
ウェハ面内依存性。

【図１４】０．１８μｍＬ／Ｓパターンを得るのに最適
なカーボン膜の反射率と露光量の関係を示す図。

【図１５】第６実施形態に係わるレジストパターン寸法
のウェハ面内依存性を示す図。

【図１６】第７実施形態に係わるＢＰＳＧ膜からの反射
率のウェハ間の変動を示す図。

【図１７】０．１８μｍＬ／Ｓパターンを得るのに最適
なＢＰＳＧ膜の反射率と露光量との関係を示す図。

【図１８】第７実施形態に係わるレジストパターン寸法
のウェハ毎の変化を示す図。

【図１９】第８実施形態に係わる半導体製造装置のブロ
ック図。

【図２０】第８実施形態に係わる半導体製造装置の測定
部を示す図。

【図２１】第９実施形態に係わる露光装置を示すブロッ
ク図。

【図２２】第１０実施形態に係わる加熱装置を示すブロ
ック図。

【符号の説明】

１…基板 ２…Ａｌ−Ｓｉ膜 ３…ＳｉＮ膜 ４…化学増幅型レジスト １０…測定部 １２…制御部 １３…メモリ部 １４…レジストパターン形成部 １５…光源 １６…ウェハ １７…光ファイバー １８…検出器 １９…干渉計 ２０…計算機 ２１…測定部 ２２…メモリ部 ２３…制御部 ２４…ＫｒＦエキシマレーザ ２５…メモリ部 ２６…ホットプレート型ベーカ ２７…電熱線 ２８…制御部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ウェハ基板上にレジストパターンを形成す
   るレジストパターン形成方法において、 前記ウェハ基板上に形成した膜に対し、膜厚あるいは光
   学定数の経時変化を抑制するための表面改質を行ない、
   前記膜上にレジストパターンを形成する工程を含むこと
   を特徴とするレジストパターン形成方法。
2. 【請求項２】ウェハ基板上にレジストパターンを形成す
   るレジストパターン形成方法において、 前記ウェハ基板上に形成された膜の表面に、膜厚あるい
   は光学定数の経時変化を抑制するために、外部からの物
   質の侵入を防止する保護膜を形成し、前記保護膜上にレ
   ジストパターンを形成する工程を含むことを特徴とする
   レジストパターン形成方法。
3. 【請求項３】ウェハ基板上に形成されている膜の組成、
   膜厚及びレジストを感光させる露光波長での光学定数の
   少なくとも一つを、前記膜の複数の場所で測定する工程
   と、測定を行った場所毎に、レジストパターンの形成条
   件を測定結果を基に所望のレジストパターン寸法が得ら
   れるよう制御する工程とを含むことを特徴とするレジス
   トパターン形成方法。
4. 【請求項４】ウェハ基板上に形成された膜の組成、膜厚
   及びレジストを感光させる露光波長での光学定数の少な
   くとも一つを、前記膜の複数の場所で測定する測定部
   と、測定を行った場所毎に、レジストパターンの形成条
   件を測定結果を基に所望のレジストパターン寸法が得ら
   れるよう制御する制御部とを具備してなることを特徴と
   するレジストパターン形成装置。