(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウエハーの被塗布面に垂直な中心軸を回転軸として前記半導体ウエハーを回転しながら、前記被塗布面の中心に上方から塗布膜形成用塗布液を滴下して、前記塗布液を前記被塗布面に遠心力により拡布して薄膜化するとともに、前記半導体ウエハーの外周部の薄膜化された前記塗布膜に有機溶剤を吹き付けて洗浄して平坦化された塗布膜を形成するに際し、
前記有機溶剤の吹き付け時に、前記塗布液と前記有機溶剤との界面に液状冷却溶媒を吹き付けて、前記塗布膜表面の高低差が０．５μｍ以下である塗布膜を形成することを特徴とする塗布膜の形成方法。
【請求項２】
半導体ウエハーの被塗布面に垂直な中心軸を回転軸として前記半導体ウエハーを回転しながら、前記被塗布面の中心に上方から塗布膜形成用塗布液を滴下して、前記塗布液を前記被塗布面に遠心力により拡布して薄膜化するとともに、前記半導体ウエハーの外周部の薄膜化された前記塗布膜に有機溶剤を吹き付けて洗浄して平坦化された塗布膜を形成するに際し、
前記有機溶剤の吹きつけ時に、前記塗布液と前記有機溶剤との界面に液状冷却溶媒を吹き付けることを特徴とする塗布膜の形成方法。
【請求項３】
前記液状冷却溶媒の吹き付けは、前記有機溶剤を吹き付けるノズルの先端近傍で、かつ前記半導体ウエハー側に設けられた導入口から前記塗布液と前記有機溶剤との界面に行われる請求項１または２に記載の塗布膜の形成方法。
【請求項４】
前記液状冷却溶媒の吹き付けは、前記有機溶剤の吹き付けノズルに少なくとも吹き付けられる有機溶剤および塗布液の飛散を防止するための飛散防止板を取り付けて行われる請求項３に記載の塗布膜の形成方法。
【請求項５】
ウエハーを載置固定するとともに、回転軸を中心として回転するウエハー保持台と、前記固定されたウエハーの被塗布面に塗布液を滴下する滴下ノズルと、前記固定されたウエハーの外周部に有機溶剤を吹き付ける専用ノズルとを有する回転塗布装置であって、
前記専用ノズルが、該専用ノズルの先端部に設けられ、前記有機溶剤を吐出する有機溶剤吐出口と、該先端部近傍の側壁の、前記固定されたウエハー側に開口され、前記塗布液と前記有機溶剤との界面に吹き付ける液状冷却溶媒を吐出する冷却溶媒吐出口とを有することを特徴とする回転塗布装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、パーティクルの発生が抑止された塗布膜の形成方法および回転塗布装置に関し、詳しくは、ウエハー外周部における塗布液の洗浄効率を向上させるとともに、ウエハーの外周部に付着する塗布液によるパーティクルの発生を未然に防止することができ、段差がなく面内均一性が高い塗布膜を形成することができるパーティクルの発生が抑止された塗布膜の形成方法および回転塗布装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体集積回路の製造工程において、塗布膜を用いる製造工程としては、例えばフォトリソグラフィー技術におけるフォトレジスト溶液の塗布工程や、平坦化技術におけるシリコン化合物を主成分とする溶液、例えばＳＯＧ等の塗布工程などがある。従来より、このような塗布膜の形成には、スピンコート、スプレーコート、ディップコートなどの方法が用いられているが、形成される塗布膜の均一性に優れていることなどから、現在では一般的にスピンコート法が用いられている。以下に、スピンコート法に用いられる回転塗布装置およびその塗布方法について説明する。
【０００３】
図６は、従来の回転塗布装置の一例の概念図である。この回転塗布装置４０は、図示していないモーター等により高速回転される回転軸１２と、ウエハーを載置固定するために、回転軸１２の先端に取り付けられたウエハー保持台１４と、フォトレジストやＳＯＧ等の塗布液を滴下するために、ウエハー保持台１４の中心部（回転中心）真上に設けられた滴下ノズル１６と、高速回転によりウエハー２２の表面から飛散する塗布液や溶剤を受け止めるために、回転軸１２を通してウエハー保持台１４の側部および下部を覆うように配設された塗布液受け用カップ２０とを有している。なお、同図においては、説明のためにウエハー保持台１４の上にウエハー２２が表示されている。
【０００４】
この回転塗布装置４０を用いて、ウエハー保持台１４の上にウエハー２２を、例えば真空吸着により載置固定し、図示していないモーター等により、回転軸１２を介してウエハー保持台１４を所定速度で高速回転させつつ、ウエハー２２の表面中心部に滴下ノズル１６から塗布液を滴下し、ウエハー２２の表面に滴下された塗布液を遠心力により均一に引き延ばして薄膜化した後、これを４００℃前後の温度で加熱処理して硬化させることにより、ウエハー２２の表面に塗布膜を形成することができる。なお、この塗布工程は、所定膜厚の塗布膜を形成するために、特に塗布膜の膜厚が厚い場合、数回繰り返し行われる場合もある。
【０００５】
ところが、上述する塗布膜の形成方法においては、ウエハー２２の表面に塗布液が均一に薄膜化されてしまうと、余分な塗布液が塗布液受け用カップ２０の壁面に飛散するとともに、ウエハー２２の裏面および側壁にまで付着してしまう。これが半導体製造の後工程において、例えば加熱処理を行うことにより、ウエハー２２の裏面および側壁に付着した塗布液が硬化した後、これが割れる、剥がれるなどして、パーティクルの発生原因になるという問題点があった。このため、図７に示すように、ウエハー２２の表面に塗布液が薄膜化された後、ウエハー２２の外周部に付着する塗布液に有機溶剤を吹き付けることにより、これを洗浄除去していた。
【０００６】
しかしながら、ウエハー２２の外周部に付着する塗布液を洗浄除去するために、ウエハー２２の外周部に有機溶剤を吹き付けると、図８に示すように、塗布液と有機溶剤との溶解度の違いにより、有機溶剤が吹き付けられるウエハー２２の外周部の塗布液と有機溶剤との界面において、加熱処理後の硬化した塗布膜のクラックの発生限界を越える塗布液の盛り上がり部分４２が形成されてしまう。この塗布液の盛り上がり部分４２は、上述するウエハー２２の裏面および側壁に付着した塗布液と同様に、半導体製造の後工程においてパーティクルの発生原因となり、製品歩留りの低下を招くという問題点があった。また、ウエハー２２の保持熱の程度により有機溶剤の揮発性が左右され、洗浄効果にもばらつきを生じるという問題点もあった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、前記従来技術に基づく種々の問題点をかえりみて、スピンコート法により塗布液が薄膜化されたウエハーの外周部を、有機溶剤を用いて洗浄する際に、塗布液と有機溶剤との界面に液状冷却溶媒を吹き付けて、ウエハーの外周部に形成される塗布液の盛り上がり部分の厚さを０．５μｍ以下にすることにより、後工程におけるパーティクルの発生を未然に防止して製品歩留りを向上させることができ、ウエハーの外周部における洗浄効率も向上させることができるパーティクルの発生が抑止された塗布膜の形成方法および回転塗布装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、半導体ウエハーの被塗布面に垂直な中心軸を回転軸として前記半導体ウエハーを回転しながら、前記被塗布面の中心に上方から塗布膜形成用塗布液を滴下して、前記塗布液を前記被塗布面に遠心力により拡布して薄膜化するとともに、前記半導体ウエハーの外周部の薄膜化された前記塗布膜に有機溶剤を吹き付けて洗浄して平坦化された塗布膜を形成するに際し、
前記有機溶剤の吹き付け時に、前記塗布液と前記有機溶剤との界面に液状冷却溶媒を吹き付けて、前記塗布膜表面の高低差が０．５μｍ以下である塗布膜を形成することを特徴とする塗布膜の形成方法を提供するものである。
また、本発明は、半導体ウエハーの被塗布面に垂直な中心軸を回転軸として前記半導体ウエハーを回転しながら、前記被塗布面の中心に上方から塗布膜形成用塗布液を滴下して、前記塗布液を前記被塗布面に遠心力により拡布して薄膜化するとともに、前記半導体ウエハーの外周部の薄膜化された前記塗布膜に有機溶剤を吹き付けて洗浄して平坦化された塗布膜を形成するに際し、
前記有機溶剤の吹きつけ時に、前記塗布液と前記有機溶剤との界面に液状冷却溶媒を吹き付けることを特徴とする塗布膜の形成方法を提供する。
【０００９】
ここで、前記液状冷却溶媒の吹き付けは、前記有機溶剤を吹き付けるノズルの先端近傍で、かつ前記半導体ウエハー側に設けられた導入口から前記塗布液と前記有機溶剤との界面に行われるのが好ましい。
【００１０】
また、前記液状冷却溶媒の吹き付けは、前記有機溶剤の吹き付けノズルに少なくとも吹き付けられる有機溶剤および塗布液の飛散を防止するための飛散防止板を取り付けて行われるのが好ましい。
また、本発明は、ウエハーを載置固定するとともに、回転軸を中心として回転するウエハー保持台と、前記固定されたウエハーの被塗布面に塗布液を滴下する滴下ノズルと、前記固定されたウエハーの外周部に有機溶剤を吹き付ける専用ノズルとを有する回転塗布装置であって、
前記専用ノズルが、該専用ノズルの先端部に設けられ、前記有機溶剤を吐出する有機溶剤吐出口と、該先端部近傍の側壁の、前記固定されたウエハー側に開口され、前記塗布液と前記有機溶剤との界面に吹き付ける液状冷却溶媒を吐出する冷却溶媒吐出口とを有することを特徴とする回転塗布装置を提供する。
【００１１】
【発明の作用】
本発明のパーティクルの発生が抑止された塗布膜の形成方法および回転塗布装置は、スピンコート法を用いてウエハーの表面に塗布液を薄膜化した後、ウエハーの外周部に付着する塗布液に有機溶剤を吹き付けて洗浄する際に、塗布液と有機溶剤との溶解度の違いにより、塗布液と有機溶剤との界面に塗布液の盛り上がり部分が形成されるのを未然に防止するもので、ウエハーの外周部に有機溶剤を吹き付けるとともに、塗布液と有機溶剤との界面に液状冷却溶媒を吹き付けて、これらを冷却するものである。
従って、本発明のパーティクルの発生が抑止された塗布膜の形成方法および回転塗布装置によれば、冷却された塗布液の粘度（塗布液中に含まれる有機溶剤の揮発速度）が低下されるとともに、吹き付けられる有機溶剤の揮発速度も低下されるため、塗布液と有機溶剤との溶解度の違いを解消することができる。このため、ウエハー外周部の塗布液と有機溶剤との界面に塗布液の盛り上がり部分が形成されるのを防止することができるし、ウエハー外周部における洗浄効率を向上させることもできる。また、液状冷却溶媒を直接吹き付けるため、この液状冷却溶媒の流圧によっても、ウエハー外周部の盛り上がり部分を抑えることができる。即ち、ウエハー外周部に盛り上がり部分が形成されないため、後工程におけるパーティクルの発生を防止することができるし、ウエハー外周部の洗浄効率を向上させることもできるため、製品の歩留りを向上させることができる。
【００１２】
【実施例】
以下に、添付の図面に示す好適実施例に基づいて、本発明のパーティクルの発生が抑止された塗布膜の形成方法および回転塗布装置を詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明のパーティクルの発生が抑止された塗布膜の形成方法を適用する本発明の回転塗布装置の一実施例の概念図である。この回転塗布装置１０は、図示していないモーター等により高速回転される回転軸１２と、ウエハーを載置固定するために、回転軸の先端に取り付けられたウエハー保持台１４と、塗布液を滴下するために、ウエハー保持台１４の中心部真上に設けられた滴下ノズル１６と、ウエハー外周部に有機溶剤および液状冷却溶媒を吹き付けるために、ウエハーの外周部真上に設けられた専用ノズル１８と、高速回転によりウエハー表面から飛散する塗布液や溶剤を受け止めるために、回転軸１２を通してウエハー保持台１４の側部および下部を覆うように配設された塗布液受け用カップ２０とを有している。なお、同図においては、説明のためにウエハー保持台１４の上にウエハー２２が表示されている。
【００１４】
また、図２は、上述する専用ノズルの一実施例の斜視図である。この専用ノズル１８は、先端部に有機溶剤の吐出口２４および先端部近傍の側壁下部、即ち、ウエハー２２側に液状冷却溶媒の吐出口２６が開口されたノズル２８と、このノズル２８の先端部近傍に設けられた飛散防止板３０とを有している。なお、この専用ノズル１８は、図示しない有機溶剤源に接続される溶剤供給用ノズル２８の管路内に図示しない液状冷却溶媒供給管路を配設し、その吐出口をノズル２８の吐出口に臨ませた構造の一体型ノズルとなっている。この一体型ノズルにおいては、有機溶剤と液状冷却溶媒との間に温度差があるため、ノズル内の液状冷却溶媒供給用管路の外側を断熱材などで覆うことにより、有機溶剤と液状冷却溶媒とを温度的に分離しておくのが望ましい。
【００１５】
ここで、ノズル２８は、有機溶剤および液状冷却溶媒の流路をウエハー２２の外周部において外側下方に向けるように配置されるが、図示するようにノズル２８を湾曲させて流路を定めるのが好ましい。なお、図示例のように一体型ノズルとしても良いが、液状冷却溶媒を有機溶剤とウエハー２２の塗布液との界面に供給できれば、有機溶剤と液状冷却溶媒とを別々のノズルを用いて吐出するようにしても良い。
【００１６】
また、飛散防止板３０は、高速回転するウエハー２２に有機溶剤や液状冷却溶媒を吹き付ける際に、ウエハー２２の表面に薄膜化された塗布液や、これらの有機溶剤および液状冷却溶媒がウエハー２２の中心部に飛散してくるのを防止するために設けるのが好ましい。また、図示例のように一体型ノズル２８を用いる場合、ノズル２８の側壁下部に開口された吐出口から吐出される液状冷却溶媒の流路をウエハー２２の外周部の外側下方に向けるために、飛散防止板３０はノズル２８の基端部側に湾曲されているのが好ましく、その下部はウエハー２２との距離が略一定となるように平坦であるのが好ましいが、その形状や大きさ等は特に限定されない。
【００１７】
この回転塗布装置１０を用いて、ウエハー保持台１４の上にウエハー２２を、例えば真空吸着により載置固定し、図示していないモーター等により、回転軸１２を介してウエハー保持台１４を所定速度、例えば２０００ｒｐｍ以上の速度で高速回転させ、ウエハー２２の表面中心部に滴下ノズル１６から、例えばシリコン化合物を主成分とする有機ＳＯＧ溶液、無機ＳＯＧ溶液やレジスト溶液、さらにポリイミド系樹脂溶液（ＰＩＱ溶液）などの塗布液を滴下し、ウエハー２２の表面に滴下された塗布液を遠心力により均一に引き延ばして薄膜化する。
【００１８】
ここで、ウエハー２２を高速回転させたままの状態で、上述する専用ノズル１８を用いて、ウエハー２２の裏面および側壁を含む外周部、例えばウエハー２２の外周縁から中心方向に７ｍｍ程度までの領域に、例えばＩＰＡ（イソプロピルアルコール）、エタノール、メタノール、シクロヘキサノン（Ｃｙｃｌｏｈｅｘａｎｏｎｅ  ）、乳酸（ＥＬ：Ｅｔｈｙｌ  Ｌａｃｔａｔｅ  ）、γ−ブチロラクトン（γ−Ｂｕｔｙｒｏｌａｃｔｏｎｅ）などの有機溶剤を吹き付けて、ウエハー２２の外周部の洗浄を行うとともに、例えば液体窒素（Ｎ２  ）や液体ヘリウム（Ｈｅ）などの液状冷却溶媒を塗布液と有機溶剤との界面に吹き付けて、ウエハー２２の外周部を直接局所冷却する。
【００１９】
局所冷却を行うことにより、ウエハー２２の外周部の塗布液の粘度が低下されるとともに、ウエハー２２の外周部に吹き付けられる有機溶剤の揮発速度も抑えられるため、ウエハー２２の外周部の塗布液と有機溶剤との界面における溶解度の違いを解消して、ウエハー２２の外周部に盛り上がり部分が形成されることを防止するとともに、ウエハー２２の外周部における洗浄能力を向上させることができる。同時に、ウエハー２２の外周部に液状冷却溶媒を直接吹き付けることにより、その流圧で溶解度に差がなくなった塗布液と有機溶剤との界面を抑えることができ、ウエハー２２の外周部の塗布液と有機溶剤との界面に盛り上がり部分が形成されることを防止することができる。ここで、盛り上がり部分の厚さは、これ以後の製造工程においてパーティクルの発生原因とならないよう、例えば０．５μｍ以下にするのが好ましい。
【００２０】
なお、ウエハー２２の外周部の塗布液と有機溶剤との界面における溶解度差をなくし、ウエハー２２の外周部における盛り上がり部分を０．５μｍ以下にすることができれば、用いる液状冷却溶媒の種類、直接局所冷却を行う時間、冷却温度、流圧等は特に限定されないが、液状冷却溶媒としては、例えば液体窒素や液体ヘリウム等を用いることができるし、直接局所冷却を行う時間は、用いる液状冷却溶媒の種類によって異なるが、通常３秒以下、好ましくは２〜３秒とし、雰囲気温度（室温、例えば２５℃）よりもウエハー２２の外周部の温度を少なくとも２〜３℃以上、より具体的には２〜２０℃程度冷却して、塗布液と有機溶剤との溶解度の差を解消することができれば、ウエハー２２の全体の温度分布に影響を与えて塗布膜の面内均一性を損なうこともないため好ましい。また、液状冷却溶媒の流圧は、塗布液と有機溶剤との溶解度の差を解消した際に、その粘度に応じてウエハー２２の外周部における盛り上がり部分を０．５μｍ以下にすることができるよう適宜選定するのが好ましい。
【００２１】
最後に、これを４００℃前後の温度で加熱処理することにより、ウエハー２２の表面に塗布膜を形成することができる。なお、所定膜厚の塗布膜を形成するために、この塗布工程を数回繰り返し行う場合には、加熱処理を行う前に同様に、ウエハー２２の外周部の洗浄および直接局所冷却を毎回行うのが好ましい。
【００２２】
次に、配線層間膜（層間絶縁膜）の平坦化を行う場合を例にとって、本発明のパーティクルの発生が抑止された塗布膜の形成方法および回転塗布装置を、実施例に基づいてより具体的に説明する。
【００２３】
（実施例１）
まず、図３（ａ）に示したように、ウエハー２２の表面に酸化シリコン膜３２を形成し、この酸化シリコン膜３２の上に下層配線形成用のアルミニウム（Ａｌ）系合金層を１．０μｍの膜厚に堆積した後、これを選択的にエッチングしてアルミニウム系配線３４を形成し、このアルミニウム系配線３４の表面にプラズマ酸化膜３６を０．８μｍの膜厚に形成した。
続いて、図３（ｂ）に示したように、プラズマ酸化膜３６の上にシリコン化合物を主成分とする塗布液（東京応化工業社製：ＯＣＤ−Ｔｙｐｅ−７，１２０００−Ｔ）を、スピンコート法により、即ち、図１に示した回転塗布装置１０を用いて２０００ｒｐｍで高速回転させ、滴下ノズル１６から塗布液を滴下して、膜厚１．２μｍの塗布膜３８となるようにウエハー２２の全面に薄膜化させた。
【００２４】
ほぼ同時に、図４に示したように、図２に示した専用ノズル１８を用いて、ウエハー２２の裏面および側壁を含む外周部、具体的にはウエハー２２の外周縁から中心方向に７ｍｍまでの領域に、有機溶剤（ＩＰＡ）を吹き付けて洗浄を行うとともに、液状冷却溶媒（液体窒素）を塗布液と有機溶剤との界面に吹き付けて、ウエハー２２の外周部を直接局所冷却した後、窒素雰囲気中、アニール炉で４２５℃で加熱して塗布膜を完成させた。なお、有機溶剤および液状冷却溶媒の吹き付け時間を３秒間とし、冷却されたウエハー２２の外周部の温度を５〜２３℃（雰囲気温度２５℃）として、液状冷却溶媒（液体窒素）の流量を変化させることにより、液状冷却溶媒とウエハー２２の外周部の盛り上がり部分の厚さとの関係を調べた。
【００２５】
ここで、図５は、本発明のパーティクルの発生が抑止された塗布膜の形成方法を適用して塗布膜を形成した場合の液状冷却溶媒の流量とウエハー外周部の盛り上がり部分の厚さとの関係を示す一実施例のグラフである。このグラフは、上述する実施例において形成された塗布膜のウエハー２２の外周部における盛り上がり部分の厚さを、接触型段差測定器を用いて計測した結果である。このグラフに示すように、ウエハー２２の外周部の盛り上がり部分の厚さは、液体窒素の流量に応じて減少し、液体窒素の流量を０．８ｋｇｆ／ｃｍ２  以上とした場合に、０．５μｍ以下になることが判った。
【００２６】
なお、上述する実施例においては、２層配線構造を有する半導体集積回路を示したが、本発明のパーティクルの発生が抑止された塗布膜の形成方法および回転塗布装置は、３層以上の多層配線構造を有する半導体集積回路にも適用可能である。また、液状冷却溶媒としては、液体窒素や液体ヘリウムなどを用いることができるし、これらを併用しても良い。さらに、加熱処理としてアニール炉を用いる実施例を示したが、これ以外であっても、例えばランプ加熱、ヒーター加熱、マイクロ波誘導加熱およびこれらを組み合わせたものを加熱手段として用いることも可能である。
【００２７】
【発明の効果】
以上詳細に説明した様に、本発明のパーティクルの発生が抑止された塗布膜の形成方法および回転塗布装置は、スピンコート法を用いてウエハー表面に塗布液を薄膜化した後、ウエハー外周部に付着した塗布液に有機溶剤を吹き付けて洗浄する際に、塗布液と有機溶剤との界面に液状冷却溶媒を直接吹き付けて、これらの塗布液および有機溶剤を冷却して溶解度の違いを解消するとともに、その流圧によりウエハー外周部に形成される盛り上がり部分を抑えることにより、ウエハー外周部に盛り上がり部分が形成されるのを防止するとともに、ウエハー外周部の洗浄効率を向上させるものである。従って、本発明のパーティクルの発生が抑止された塗布膜の形成方法および回転塗布装置によれば、ウエハーの外周部に盛り上がり部分が形成されないため、面内均一性の高い塗布膜を形成することができ、後工程においてパーティクルが発生することがなく、また、ウエハー外周部における洗浄効率も向上されるため、製品の歩留りを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のパーティクルの発生が抑止された塗布膜の形成方法を適用する本発明の回転塗布装置の一実施例の概念図である。
【図２】本発明のパーティクルの発生が抑止された塗布膜の形成方法に用いられる専用ノズルの一実施例の斜視図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、塗布膜を用いる半導体装置の製造方法を説明する一実施例の断面工程図である。
【図４】本発明のパーティクルの発生が抑止された塗布膜の形成方法を説明する一実施例の断面模式図である。
【図５】本発明のパーティクルの発生が抑止された塗布膜の形成方法を適用して塗布膜を形成した場合の液体窒素の流量とウエハー外周部の盛り上がり部分の厚さとの関係を示す一実施例のグラフである。
【図６】従来の回転塗布装置の一例の概念図である。
【図７】従来のウエハー外周部に付着する塗布液の洗浄方法を適用する回転塗布装置の一実施例の斜視図である。
【図８】従来のウエハー外周部に付着する塗布液の洗浄方法を適用した場合に形成されるウエハー外周部の盛り上がり部分を示す一例の断面図である。
【符号の説明】
１０、４０  回転塗布装置
１２  回転軸
１４  ウエハー保持台
１６  滴下ノズル
１８  専用ノズル
２０  塗布液受け用カップ
２２  ウエハー
２４、２６  吐出口
２８  ノズル
３０  飛散防止板
３２  酸化シリコン膜
３４  アルミニウム系配線
３６  プラズマ酸化膜
３８  塗布膜
４２  盛り上がり部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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