(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上にレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンを酸素プラズマ処理することにより前記レジストパターンよりも微細なレジストパターンを形成する工程を備え、
前記酸素プラズマ処理による前記レジストパターンの線幅減少量が前記レジストパターンの膜厚の減少量に比例することを利用して、前記酸素プラズマ処理中に、前記レジストパターンの膜厚の変化量を検出することで前記レジストパターンの線幅を求め、
前記求めたレジストパターンの線幅を判断して前記レジストパターンの酸素プラズマ処理を終点させる
半導体装置の製造方法。
【請求項２】
基板上にレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンを加熱処理することにより前記レジストパターンよりも線幅の太いレジストパターンを形成する工程を備え、
前記加熱処理による前記レジストパターンの線幅増加量が前記レジストパターンの膜厚の減少量に比例することを利用して、前記加熱処理中に、前記レジストパターンの膜厚の変化量を検出することで前記レジストパターンの線幅を求め、
前記求めたレジストパターンの線幅を判断して前記レジストパターンの加熱処理を終点させる
半導体装置の製造方法。
【請求項３】
基板上に、樹脂に覆われたレジストパターンを形成する工程と、
前記レジストパターンを加熱処理することにより前記レジストパターンと前記樹脂との界面に反応層を形成する工程を備え、
前記加熱処理中に、膜厚測定器で検出される信号が２層膜から３層膜の信号に変化するときの光学定数の変化の信号から、前記反応層の膜厚を求め、
前記求めた反応層の膜厚を判断して前記レジストパターンの加熱処理を終点させる
半導体装置の製造方法。
【請求項４】
基板上に形成したレジストパターンをプラズマ処理することで前記レジストパターンの線幅を縮小させる半導体製造装置に、
前記プラズマ処理中の前記レジストパターンの膜厚変化を測定する測定器を備え、
前記プラズマ処理によって前記レジストパターンの厚さを縮小しつつ前記レジストパターンの線幅を所望の幅に縮小していく過程で、前記プラズマ処理による前記レジストパターンの線幅減少量がレジストパターンの膜厚の減少量に比例することを利用して、前記測定器で前記レジストパターンの変化した膜厚を測定して前記レジストパターンの線幅を求め、その測定結果を踏まえて、前記レジストパターンの線幅が所望の幅になるまで前記プラズマ処理を追加して行う
半導体製造装置。
【請求項５】
樹脂に覆われたレジストパターンを形成した基板が内部に載置されるプロセスチャンバと、
前記プロセスチャンバ内の前記基板を加熱する加熱源と、
前記プロセスチャンバ内に設けられていて前記加熱源によって加熱された前記基板上に形成された前記レジストパターンの光学定数の変化を測定する測定器を備え、
前記測定器は、前記加熱源による加熱処理によって前記レジストパターンと前記樹脂との界面に形成された反応層と、前記レジストパターンと前記樹脂とが光学定数が異なることを利用して、前記樹脂と前記レジストパターンとの２層膜から、前記樹脂と前記レジストパターンと前記反応層との３層膜に変化するときの光学定数の変化から前記反応層の膜厚を求めるもので、
前記加熱処理によって、前記レジストパターンと前記樹脂との界面に前記反応層を形成して、前記反応層と合わせた前記レジストパターンの線幅を所望の幅に太らせていく過程で、前記測定器で前記反応層の変化した膜厚を測定して、その膜厚の測定結果を踏まえて、前記加熱処理を追加して行う
半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造方法および半導体製造装置に関し、詳しくはレジストパターンを変形させて微細レジストパターンを形成する際の変形量の終点を検出して、微細レジストパターンを形成する半導体装置の製造方法および半導体製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の微細化に対応するため、露光装置やマスク作製技術の進歩は著しいものがある。例えば、光源の短波長化、レンズの高ＮＡ化等の装置の高性能化、位相シフト法や斜め入射露光のような超解像技術等があげられる。
【０００３】
そして上記技術をもってしても形成できないような微細パターンは、レジストの変形技術を用いて形成されている。レジストの変形技術とは、レジストパターンの幅を太くする、もしくは狭くするように加工処理を施すことである。具体的には、以下に説明する技術がある。
【０００４】
１．酸素プラズマ処理を用いてレジストパターンを狭くする技術、すなわち、図８に示すように、基板１１１上に形成したレジストパターン１１２に対して酸素プラズマ処理を施して、レジストパターン１１２の幅を狭くする技術。
【０００５】
２．加熱処理を用いてレジストパターンを太くする技術、すなわち、図９に示すように、基板１１１上に形成したレジストパターン１２２に対して加熱処理を施して、レジストパターン１２２を流動（フロー）させて横方向に広げることによってレジストパターン１２２の幅を広くする技術。
【０００６】
３．樹脂とレジストとを反応させてレジストパターンを太くする技術、すなわち、図１０に示すように、基板１１１上に形成したレジストパターン１３２を覆う状態に樹脂１３３を形成した後、加熱処理を施して、レジストパターン１３２と樹脂との間に反応層を形成し、その後樹脂を除去して、反応層１３４の分だけレジストパターン１３２の幅を広くする技術等があげられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記技術の問題点はプラズマ装置や熱処理装置の安定性、もしくはレジストの放置時間のばらつき等により、レジスト変形量が必ずしも安定せず、最終的に所望の線幅が得られない不良が発生する可能性があることである。この不安定さを吸収するためには、ロット毎、ウエハ毎に、プラズマ処理や熱処理の時間をプロセス中に調節する必要があるが、従来の技術ではこのような処理を行う時間、装置、レジストの状態によらず固定されており、ばらつきを吸収する手段は存在していない。また、実際に変形量を測定するには、電子顕微鏡による観察を行うより方策がなく、製造工程として非常に手間の係る作業を必要としていた。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するためになされた半導体装置の製造方法および半導体製造装置である。
【０００９】
本発明の半導体装置の第１の製造方法は、基板上にレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンを酸素プラズマ処理することにより前記レジストパターンよりも微細なレジストパターンを形成する工程とを備え、前記酸素プラズマ処理による前記レジストパターンの線幅減少量が前記レジストパターンの膜厚の減少量に比例することを利用して、前記酸素プラズマ処理中に、前記レジストパターンの膜厚の変化量を検出することで前記レジストパターンの線幅を求め、前記求めたレジストパターンの線幅を判断して前記レジストパターンの酸素プラズマ処理を終点させる。
【００１０】
本発明の半導体装置の第２の製造方法は、基板上にレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンを加熱処理することにより前記レジストパターンよりも線幅の太いレジストパターンを形成する工程を備え、前記加熱処理による前記レジストパターンの線幅増加量が前記レジストパターンの膜厚の減少量に比例することを利用して、前記加熱処理中に、前記レジストパターンの膜厚の変化量を検出することで前記レジストパターンの線幅を求め、前記求めたレジストパターンの線幅を判断して前記レジストパターンの加熱処理を終点させる。
【００１１】
本発明の半導体装置の第３の製造方法は、基板上に、樹脂に覆われたレジストパターンを形成する工程と、前記レジストパターンを加熱処理することにより前記レジストパターンと前記樹脂との界面に反応層を形成する工程を備え、前記加熱処理中に、膜厚測定器で検出される信号が２層膜から３層膜の信号に変化するときの光学定数の変化の信号から、前記反応層の膜厚を求め、前記求めた反応層の膜厚を判断して前記レジストパターンの加熱処理を終点させる。
【００１２】
上記半導体製造装置の各製造方法では、レジストの膜厚の変化量もしくは光学定数の変化量を検出することでレジストパターンの変形量を求める工程を、レジストパターンを変形させているときに行うことによって、レジストパターンの変形量を判断し、このレジストパターンの変形を終点させることが可能になる。よって、レジストパターンを正確な寸法に変形させることが可能になる。このように、レジストの変形量を直接測定するのではなく、レジスト膜厚やレジストの光学定数（例えば複素屈折率、吸収率等）の変化を検出することによって、レジスト変形量が間接的に測定される。
【００１３】
本発明の第１の半導体製造装置は、基板上に形成したレジストパターンをプラズマ処理することで前記レジストパターンの線幅を縮小させる半導体製造装置に、前記プラズマ処理中の前記レジストパターンの膜厚変化を測定する測定器を備え、前記プラズマ処理によって前記レジストパターンの厚さを縮小しつつ前記レジストパターンの線幅を所望の幅に縮小していく過程で、前記プラズマ処理による前記レジストパターンの線幅減少量がレジストパターンの膜厚の減少量に比例することを利用して、前記測定器で前記レジストパターンの変化した膜厚を測定して前記レジストパターンの線幅を求め、その測定結果を踏まえて、前記レジストパターンの線幅が所望の幅になるまで前記プラズマ処理を追加して行うのである。
【００１４】
上記第１の半導体製造装置では、測定器によって、レジスト膜厚の変化を検出することによって、レジストの変形量が間接的に測定される。そのため、その変化量を判断することによって、レジスト変形プロセスの終点を確認し、レジスト変形プロセスを終了させることが可能になる。
【００１５】
本発明の第２の半導体製造装置は、レジストパターンを形成した基板が内部に載置されるプロセスチャンバと、前記プロセスチャンバ内の前記基板を加熱する加熱源と、前記プロセスチャンバ内に設けられていて前記加熱源によって加熱された前記基板上に形成された前記レジストパターンの膜厚変化もしくは光学定数の変化を測定する測定器を備え、前記測定器は、前記加熱源による加熱処理によって前記レジストパターンと前記樹脂との界面に形成された反応層と、前記レジストパターンと前記樹脂とが光学定数が異なることを利用して、前記樹脂と前記レジストパターンとの２層膜から、前記樹脂と前記レジストパターンと前記反応層との３層膜に変化するときの光学定数の変化から前記反応層の膜厚を求めるもので、前記加熱処理によって、前記レジストパターンと前記樹脂との界面に前記反応層を形成して、前記反応層と合わせた前記レジストパターンの線幅を所望の幅に太らせていく過程で、前記測定器で前記反応層の変化した膜厚を測定して、その膜厚の測定結果を踏まえて、前記加熱処理を追加して行うものである。
【００１６】
上記第２の半導体製造装置では、測定器によって、レジストの光学定数（例えば複素屈折率、吸収率等）の変化を検出することによって、レジストの変形量が間接的に測定される。そのため、その変化量を判断することによって、レジスト変形プロセスの終点を確認し、レジスト変形プロセスを終了させることが可能になる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体装置の製造方法に係る第１の実施の形態を、図１の概略構成図によって説明する。図１では、酸素プラズマによる加工方法に対して本発明の方法を適用した例を説明する図である。
【００１８】
図１に示すように、基板１１上に形成されたレジストパターン１２を酸素プラズマ処理によって細く加工する際に、分光エリプソメータ１３でレジストパターン１２の膜厚を測定する。
【００１９】
プラズマ処理を開始する前のレジストパターン１２の膜厚Ｔ１と、プラズマ処理中に測定したレジストパターン１２の膜厚Ｔ２との差Ｔ１−Ｔ２がこのプロセスで減少したレジスト膜厚差（レジスト膜厚の減少量）Ｔとなる。一方、このプラズマ処理では、レジストパターン１２の線幅も減少する。プラズマ処理前の線幅をＷ１、プラズマ処理中の線幅をＷ２とすると、このプロセス中の線幅減少量はＷ１−Ｗ２＝Ｗとなる。このプロセスにおける所望の線幅減少量Ｗは、レジスト膜厚の減少量Ｔにほぼ比例するため、これを検出すれば所望の線幅に達したときにレジスト加工プロセスを停止することが可能になる。この終点検出は、レジスト膜厚の減少量と線幅の減少量とは相関関係があることを利用している。
【００２０】
次に、本発明の第１の半導体製造装置に係る実施の形態を、図２の概略構成図によって説明する。図２では、同一チャンバ内で、レジストパターンの膜厚の測定とプラズマ処理とを同時に行う形態の半導体製造装置を例示する。
【００２１】
図２に示すように、半導体製造装置６０のプロセスチャンバ６１内にはレジストパターンが形成された基板１１を載置するチャック６２が設置されている。このチャック６２は、例えば静電チャックで構成されている。またチャック６２の基板載置面に対向する位置には、電極６３が設置されている。さらに電極６３には、プラズマに対して障害にならない位置に、レジストパターンの膜厚もしくは光学定数を測定する測定器６４が設置されている。この測定器６４は、例えばエリプソメータで構成することができる。
【００２２】
上記第１の半導体製造装置６０では、発生するプラズマに対して障害にならない位置に測定器６４を設置する必要があるため、測定点数を多く設けることはできない。しかしながら、プロセスの終点をリアルタイムで制御できるため、効果的にプロセスの調整を行うことが可能となる。また、測定結果を踏まえて追加処理を行うことにより、基板面内のレジストパターン寸法分布を解消する方向で、半導体製造装置にフィードバックをかけることが可能になる。
【００２３】
したがって、上記第１の半導体製造装置６０は、前記図１によって説明した半導体装置の製造方法を実施することができる。
【００２４】
次に、本発明の半導体装置の製造方法に係る第２の実施の形態を、図３の概略構成図によって説明する。図３では、加熱処理を用いてレジストパターンを太くする技術に対して本発明の方法を適用した例を説明する図である。
【００２５】
図３に示すように、基板２１上に形成されたレジストパターン２２を加熱（フロー）処理によって太く加工する際に、分光エリプソメータ２３でレジストパターン２２の膜厚を測定する。
【００２６】
加熱処理を開始する前のレジストパターン２２の膜厚Ｔ１と、加熱処理中に測定したレジストパターン２２の膜厚Ｔ２との差Ｔ１−Ｔ２がこのプロセスで減少したレジスト膜厚差（レジスト膜厚の減少量）Ｔとなる。
【００２７】
すなわち、レジストパターン２２の横方向の広がりＥは縦方向（膜厚方向）の縮みＳによってもたらされるため、一定量の広がりを得るためのレジスト膜厚の減少量も一定となるという原理に基づいている。
【００２８】
加熱処理前の線幅をＷ１、加熱処理中の線幅をＷ２とすると、このプロセス中の線幅増加量はＷ１−Ｗ２＝Ｗとなる。このプロセスにおける所望の線幅増加量Ｗは、レジスト膜厚の減少量Ｔにほぼ比例するため、これを検出すれば所望の線幅に達したときにレジスト加工プロセスを停止することが可能になる。
【００２９】
次に、本発明の第２の半導体製造装置に係る第１の実施の形態を、図４の概略構成図によって説明する。図４では、同一チャンバ内で、レジストパターンの膜厚の測定と加熱処理とを同時に行う形態の半導体製造装置を例示する。
【００３０】
図４に示すように、半導体製造装置７０のプロセスチャンバ７１内にはレジストパターンが形成された基板２１を載置する載置部７２が設置されている。上記プロセスチャンバ７１は、例えば石英チャンバで構成されている。またプロセスチャンバ７１の下方には、加熱源７３が設置されている。この加熱源７３は、例えばランプで構成されている。さらに、載置部７２に載置される基板２１の上方には、レジストパターンの膜厚もしくは光学定数を測定する測定器７４が設置されている。この測定器７４は、例えばエリプソメータからなり、複数箇所に設けてもよい。
【００３１】
上記第２の半導体製造装置７０では、測定点数を多く設けることができ、プロセスの終点をリアルタイムで制御できるため、効果的にプロセスの調整を行うことが可能となる。また、測定結果を踏まえて追加処理を行うことにより、基板面内のレジストパターン寸法分布を解消する方向で、半導体製造装置にフィードバックをかけることが可能になる。
【００３２】
したがって、上記第２の半導体製造装置７０は、前記図３によって説明した半導体装置の製造方法を実施することができる。
【００３３】
上記半導体製造装置７０では、パターン形成された基板２１を裏面からランプ７３で加熱し、同時にレジストパターンの膜厚を表面から測定器７４（分光エリプソメータ）を用いて測定する。このとき、例えば、基板温度は１５０℃程度となっている。レジストパターンの膜厚変化量が所望の値に達した時点でランプ７３を消灯し、基板２１を冷却することでレジストパターンの変形を停止させる。すなわち、加熱によるレジスト変形プロセスの終点とする。
【００３４】
次に、本発明の第２の半導体製造装置に係る第２の実施の形態を、図５の概略構成図によって説明する。
【００３５】
図５に示すように、半導体製造装置８０は、前記図４によって説明した半導体製造装置７０の加熱源７３を分割して制御するようにしたものであり、図示した例では、プロセスチャンバ７１の下方に複数の加熱源７３（７３ａ〜７３ｇ）を設け、それぞれの加熱源７３に対向する位置に測定器７４（７４ａ〜７４ｇ）を設けることにより、基板２１面内を独立に加熱し、終点させることを可能としている。
【００３６】
次に、本発明の半導体装置の製造方法に係る第３の実施の形態を、図６の概略構成図によって説明する。図６では、加熱処理を用いてレジストパターンを樹脂と反応させて太くする技術に対して本発明の方法を適用した例を説明する図である。
【００３７】
図６に示すように、基板３１上に形成されたレジストパターン３２を加熱処理によって、レジストパターン３２から出る酸が樹脂３３と反応してレジストと樹脂との界面に新たな反応層３４が形成される。この反応層３４は、レジストとも樹脂とも光学定数（例えば複素屈折率、吸収率等）が異なるため、測定器３５（例えば分光エリプソメータ）で検出される信号は２層膜から３層膜のものに変化する。このとき、光学定数の変化の信号から、反応層３４の膜厚を換算して求めることが可能である。そして、終点を制御するには、反応層３４が所望の膜厚に達した時点でプロセスを停止すればよい。
【００３８】
半導体装置の製造方法に係る第３の実施の形態を適用する半導体製造装置としては、上記図４、図５によって説明したものを用いることが可能である。
【００３９】
次に、本発明の第３の半導体製造装置に係る実施の形態を、図７の概略構成図によって説明する。図では、プロセスチャンバと測定用チャンバとを備えた半導体製造装置を例示する。
【００４０】
図７に示すように、測定用チャンバ９１と第１、第２のプロセスチャンバ９２、９３を分離して備え、それぞれのチャンバはインターフェースチャンバ９４に接続されている。したがって、測定とプロセス処理を交互に行うことが可能になる。上記第１、第２のプロセスチャンバ９２，９３は、内部に基板１１が載置されるチャック（例えば静電チャック）９６を備え、それに対向する位置に電極９７を備え、その間にプロセスガス（例えば酸素）が導入されるようになっている。
【００４１】
例えば、プラズマ処理の場合でプロセスを説明する。まず、測定用チャンバ９１で、プラズマ処理に入る前に、基板に形成されたレジストパターンの膜厚を測定する。次いで第１のプロセスチャンバ９２に基板を搬入して、例えば処理時間を固定してプラズマ処理を行う。次いで、第１のプロセスチャンバ９２で処理された基板を一旦測定用チャンバ９１に移して、レジストパターンの膜厚を測定する。測定した膜厚が所定の厚さよりも厚い場合には、厚い分に応じて追加処理時間を決定し、第２のプロセスチャンバ９３に基板を搬入して追加処理を行う。ここでプロセス処理量の不足の程度に応じて第２のプロセスチャンバ９３での追加処理時間が調整される。
【００４２】
上記構成では、プロセス処理を行う第１、第２のプロセスチャンバ９２，９３に対して測定系が障害にならないため、測定用チャンバ９１で多数点の測定を行うことが可能である。なお、第２のプロセスチャンバ９３の電極を分割すれば、レジスト膜厚の減少量が不足した部分だけ選択的に追加処理することも可能である。また、測定結果を踏まえて追加処理を行うことにより、基板面内のレジストパターン寸法分布を解消する方向で、半導体製造装置にフィードバックをかけることが可能になる。
【００４３】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明の半導体装置の製造方法によれば、レジストの膜厚の変化量もしくは光学定数の変化量を検出することでレジストパターンの変形量を求める工程を、プロセス中に行うことによって、レジストパターンの変形量を判断して、このレジストパターンの変形を終点させることができる。よって、レジスト変形プロセスを、時間固定処理から、モニタによる終点検出処理に変更することが可能となり、プロセスの不安定さを解消することができ、レジスト変形プロセスの加工精度を向上させることができる。また、加工精度の向上により、レジスト変形プロセスの完成度が向上し、さらなる微細化を進めることが可能となる。
【００４４】
本発明の第１〜第２の半導体製造装置は、測定器によって、レジスト膜厚やレジストの光学定数（例えば複素屈折率、吸収率等）の変化を検出することによって、レジストの変形量が間接的に測定できる。そのため、その変化量を判断することによって、レジスト変形プロセスの終点を確認し、レジスト変形プロセスを終了させることが可能になる。よって、レジスト変形プロセスを、時間固定処理から、モニタによる終点検出処理に変更することが可能となり、プロセスの不安定さを解消することができ、レジスト変形プロセスの加工精度を向上させることができる。また、加工精度の向上により、レジスト変形プロセスの完成度が向上し、さらなる微細化を進めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の半導体装置の製造方法に係る第１の実施の形態を示す概略構成図である。
【図２】  本発明の第１の半導体製造装置に係る実施の形態を示す概略構成図である。
【図３】  本発明の半導体装置の製造方法に係る第２の実施の形態を示す概略構成図である。
【図４】  本発明の第２の半導体製造装置に係る第１の実施の形態を示す概略構成図である。
【図５】  本発明の第２の半導体製造装置に係る第２の実施の形態を示す概略構成図である。
【図６】  本発明の半導体装置の製造方法に係る第３の実施の形態を示す概略構成図である。
【図７】  本発明の第３の半導体製造装置に係る実施の形態を示す概略構成図である。
【図８】  従来のレジストパターンの変形プロセスを示す概略構成断面図である。
【図９】  従来のレジストパターンの変形プロセスを示す概略構成断面図である。
【図１０】  従来のレジストパターンの変形プロセスを示す概略構成断面図である。
【符号の説明】
１１…基板、１２…レジストパターン
【図１】
0004380039.tif 000002
【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】
0004380039.tif 000009
【図９】
0004380039.tif 000010
【図１０】
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