(57)【要約】フォトレジスト又は他の有機化合物を半導体ウエハから取り除くためのシステム及び方法が提供される。非フッ素化反応ガス（Ｏ2，Ｈ2，Ｈ2Ｏ，Ｎ2等）は、中圧表面波発射によって水晶管内で活性化される。プラズマジェットが基板上に作用するので、蒸発反応製品（Ｈ2Ｏ，ＣＯまたは低分子量の炭化水素）を基板表面からフォトレジストを選択的に取り除く。また、この中圧力によっては、ウエハ上の反応領域内に効果的な熱源を与え、そして、エッチング速度を高め、さらに、イオン注入されたフォトレジストを取り除く実際の手段を与える高いガス温度を得ることができる。
2009518854.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
製造処理工程中に加工物から表面層を選択的に除去するための装置であって、
副大気環境に大気を形成し、この環境内に前記加工物を受け入れるための処理室と、
プラズマを発生させるためのプラズマアプリケータと、
ガス状冷却剤を循環させるために単に前記プラズマ放出管の回りに配置され、前記プラズマ放出管の回りに冷却通路を形成する導管を有する冷却システムとを含み、
前記プラズマアプリケータは、
反応性処理ガスの加圧供給源、
この加圧供給源に流体連通したプラズマ放出管、
このプラズマ放出管に電磁力を作用させて、この放出管内にプラズマを発生させるための電磁力供給源、及び、
前記プラズマガスを加工物の方向に向けて前記処理室内に放射するために、前記プラズマ放出管の一端部に配置したノズル開口を有していることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記プラズマ放出管に電磁力を伝達するための導波管をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記プラズマアプリケータ内に電磁力を含むためのマイクロ波トラップをさらに含むことを特徴とする請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記反応性処理ガスは、Ｏ2，Ｈ2，Ｈ2Ｏ，Ｎ2、またはその組合せからなることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記反応性処理ガスは、Ｏ2，Ｈ2，Ｈ2Ｏ，Ｎ2、またはその組合せからなり、前記反応性処理ガスは、フッ素を含んでいないことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項６】
前記プラズマ放出管は、石英または他の電磁気的に影響を受けないセラミック材料から作られることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項７】
前記冷却システムは、前記電磁力供給源が、少なくとも２．５ｋＷの電力損失または少なくとも１．５ｋＷ／ｃｍ3の電力密度で動作する熱力学的な性能を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項８】
前記電磁力供給源は、約１００Ｈｚ〜２．４５ＧＨｚの範囲の周波数で動作することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項９】
前記加工物の表面層が前記プラズマに曝されるように前記ノズルに対して加工物を走査させるために、前記加工物を受け入れて保持するためのチャックを含んでいる機械的な位置決めシステムをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１０】
前記機械的な位置決めシステムは、前記加工物の表面を走査するための複数のメカトロニクス並進ステージを含み、さらに、前記チャックが重力加速度の２．５倍以上で加速されかつ約１００ｃｍ／ｓ以上の直線速度で位置決めされるように、動作可能であることを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１１】
前記ノズルと加工物との間の距離は、約２ｍｍ以上で、約２０ｍｍ未満であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１２】
前記メカトロニクス並進ステージは、デカルト座標または極座標に従って位置決めるために配置されていることを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１３】
前記チャックは、さらに、その表面上に断熱材の層を含み、この断熱材の層は、前記チャックと加工物との間の接触熱伝導率を修正するために、熱的に絶縁性または伝導性の特性を有することを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１４】
前記プラズマアプリケータの動作を維持しながら、前記処理室内の圧力を大気圧よりも高い圧力に保って、加工物を前記チャック上に搬入・排出するための手段をさらに含み、
前記処理室内で処理されるべき各加工物に対してプラズマを消滅及び発生させる必要をなくすことを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１５】
処理用大気圧又は真空により供給される力、または静電気力によって、加工物を前記チャック上にクランプするための手段をさらに含むことを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１６】
半導体製造処理において、ウエハから表面層を選択的に除去するための方法であって、
副大気処理環境に大気を形成する処理室内にウエハを導入する段階、
前記放出管を通って流れる活性化した反応性ガスを発生させるために、電磁力供給源によって与えられる表面波放射に、前記放出管内に流れる反応性ガスを曝す段階、及び、
前記ウエハの表面層が、基板材料を実質的に損失させることなく選択的に除去されるように、前記処理室内にかつウエハの表面上に前記活性化した反応性ガスを放射する段階を含んでいることを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記プラズマ放出管の回りに冷却通路を形成し、そして、前記冷却通路を通るガス状冷却剤を循環させることによって、前記プラズマ放出管を冷却する段階をさらに含んでいることを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項１８】
前記反応性処理ガスは、Ｏ2，Ｈ2，Ｈ2Ｏ，Ｎ2、またはその組合せからなることを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項１９】
前記表面層は、未注入のフォトレジストまたは他の有機材料あるいは無機材料からなることを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項２０】
前記表面層は、イオン注入されたフォトレジスト材料又は他の有機材料あるいは無機材料からなることを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項２１】
第１速度で放射された反応性ガスに対してウエハを相対的に移動させてウエハを走査する段階をさらに含み、これにより、注入されたフォトレジスト外層が、ガスに浸透されることを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項２２】
第２速度で放射された反応性ガスに対してウエハを相対的に移動させてウエハを走査する段階をさらに含み、これにより、フォトレジストおよび／またはその外層が、ウエハから除去されることを特徴とする請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
第１出力レベルで放射された表面波に反応性ガスを曝す段階をさらに含み、これにより、注入されたフォトレジスト外層が、ガスに浸透されることを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項２４】
第２出力レベルで放射された表面波に反応性ガスを曝す段階をさらに含み、これにより、注入されたフォトレジストおよび／またはその外層が、ウエハから除去されることを特徴とする請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
第１温度で放射された反応性ガスに対してウエハを相対的に移動させてウエハを走査する段階をさらに含み、これにより、注入されたフォトレジスト外層が、ガスに浸透されることを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項２６】
第２温度で放射された反応性ガスに対してウエハを相対的に移動させてウエハを走査する段階をさらに含み、これにより、フォトレジストおよび／またはその外層が、ウエハから除去されることを特徴とする請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
前記活性化した反応性ガスを放射する段階は、
前記プラズマ放出管に表面波を発生させるために、電磁力供給源を励起し、
前記プラズマ放出管に係合した導波管を通って、前記プラズマ放出管に電磁力を伝達し、
前記プラズマアプリケータ内にトラップを用いる電磁放射を含む、各ステップを有することを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項２８】
前記電磁力供給源は、約１００ｋＨｚ〜２．４５ＧＨｚの範囲の周波数で動作することを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項２９】
ウエハをチャック上に配置する段階と、
前記チャックに取り付けた機械的な位置決めシステムを介して放射された反応性ガスに対して前記チャックを走査する段階とをさらに含み、これにより、
ウエハの表面層が放射した反応性ガスに曝されるように、ウエハが配置された前記チャックが位置決めされることを特徴とする請求項１６記載の方法。
【請求項３０】
前記機械的な位置決めシステムは、前記チャックが重力加速度の約２．５倍以上で加速されかつ約１００ｃｍ／ｓ以上の直線速度で位置決めされるように、動作可能であることを特徴とする請求項２９記載の方法。
【請求項３１】
ウエハと前記チャック上に取り付けられたウエハ保持体との間に配置された、耐熱性の絶縁材料又は導電性材料の層を介して、ウエハの温度を変える段階をさらに含み、これにより、前記ウエハ保持体とウエハとの間の接触熱伝導率が修正されることを特徴とする請求項２９記載の方法。
【請求項３２】
前記処理室内の圧力が大気圧であるとき、前記チャック上にウエハを搬入・排出する段階をさらに含み、これにより、前記処理室内で処理される各ウエハに対して、活性化した反応性ガスを放射する必要をなくすことを特徴とする請求項２９記載の方法。
【請求項３３】
処理用の大気圧または真空によって供給される力、あるいは電磁力によって、前記チャック上に半導体ウエハをクランプする段階をさらに含むことを特徴とする請求項３１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本発明は、合衆国法典第３５巻の１１９条(e)項に基づいて、２００４年６月１２日に出願した米国仮出願第６０／６３３，６７３号の優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、半導体の処理に関し、より詳細には、例えば、集積回路の製造において、半導体ウエハ等の加工物から表面層を選択的に除去する半導体処理に関する。以下の記載は、半導体製造処理に向けられており、本発明は、種々の製造処理及び装置に適用できるので、半導体製造に限定されるものではないことが理解できるであろう。
【背景技術】
【０００３】
フォトレジストマスクは、分離、Ｐ型またはＮ型ウエルのドーピング、スレッショルド電圧調整、及びソースドレイン接点のためのイオン注入でのウエハプロセスの前半部（front-end-of-line[FEOL])から,プラズマエッチング、又は金属プレーティング、層間誘電体のためのウエハプロセスの後半部(back-end-of-line[BEOL])において、集積回路（ＩＣ）の各層を形成する。これらのコーティングは、半導体素子における各レベルが形成された後、効果的にかつ完全に除去しなければならない。
このような状況において、レジストの除去は、レジストアッシング、ストリッピング、又はエッチングの工程として、種々記載されてきた。
【０００４】
ここでの議論は、エッチングに関連させて論じることになるが、本発明に関連して、用語「エッチング」は、一般的に、アッシング、ストリッピング、又はエッチング、あるいは、表面層の除去を含んでいる適当な他の種々の処理に言及していることが理解されるであろう。現在、ダウンストリーム型プラズマ発生装置の利用は、産業界でレジスト除去の標準となっている。このアプローチでは、酸素等の通常の非反応性ガスが、マイクロ波放電又は無線周波放電を介して流れて、励起した分子、ラジカル、イオン、及び電子の混合物として形成されるプラズマに変換される。プラズマ内で荷電されたイオン種は、それらが、ダウンストリームの分配システムを介して流れるとき、再結合される。しかし、多くのラジカルは、ウエハに到達するのに十分なライフタイムがある。流れるガスとして、酸素を用いる例では、一重項シグマ準安定（singlet sigma metastable）酸素分子は、ウエハ表面に存在し、究極的に相互に作用する（ジェー.ティ.ジェオング（J.T.Jeong）他、サイエンス  テクノロジー７号-282−285頁1998年  ）。高エネルギーのイオン衝撃は、半導体装置の構成要素又はウエハ基板自体に不要な損傷を生じさせる。ダウンストリーム型アッシングツールにおいて、荷電粒子がないことにより、集積回路への電気的な損傷を防止することができる。
【０００５】
以下の記述では、半導体製造工程においてこれまで用いられたことがなかった、表面導波管の放電技術に基づいた、新規なプラズマ源が提供される。プラズマシステムの従来の実施では、モイソン(Moisson)他によって開発されたサーファガイド(Surfaguide)装置等のプラズマガスを活性化させる電磁力供給源を用いてきた（モイソン他、IEEE 会報  プラズマ化学  PS-12  203−214頁1984年）。しかし、この装置の制限された冷却効果は、結果として生まれるプラズマの出力密度に制限される。従来、オイル冷却されたプラズマ源が、一般的に用いられた。しかし、高エネルギーでプラズマを作動させることは、非常に高温度になることを含んでいる。このような条件の下で、冷却オイルが分解し、導波管内のプラズマ放電管の外壁に炭化した層が堆積する。作動が一旦開始されると、増加するマイクロ波の露光により、オイルベースの炭素層が急速に成長し、最後には、壊滅的なアーク放電が導波管内に起こり、プラズマ放電管を破壊する。
【０００６】
このようなことから、オイル冷却されたシステムは、高エネルギープラズマ放電に対しては、不適当である。エア冷却された高出力のプラズマシステムが報告されているが、これらの作動は、大気圧に制限されており、例えば、高圧力下では、その結果生じるプラズマは、フォトレジスト等の有機表面層の選択的除去に対して必要な反応性種を含んでいない（ワイ.オカモト（Oｋamoto）「水溶液内のハロゲン決定のために、大気圧で、ヘリウムを誘導した高出力マイクロ波プラズマ」ジャパンジャーナル  応用物理  38、L338.1999年）。
【０００７】
一般的に、ウエハは、ダウンストリーム型プラズマアッシング中の反応速度を高めるために加熱される。従来の処理での適用時間は、酸素ベースのプラズマ化学に対して270℃でできる限り１５秒間よりも少ない時間とすることができる。レジスト層が、一旦イオン注入に曝されると、中間IC製造段階で必要とされるように、プラズマを用いる反応性機構が、より複雑になる。イオン注入処理は、極端に低い真性エッチング速度を示す金属イオンと混合した炭素化した外層を生じるので、イオン注入されたレジストは、未注入のレジストよりも除去するのが困難である（ジー.ケー.ヴィノグラドバ他（G.Ｋ.Vinogradova）J。Vac.科学技術  B,17,1,1999年 １月／２月；エス.フジムラ他（S.Fujimura）Nucl.Nucl. Instrum. Methods B39,1989年；ケー．ジェー.オルベク他（Ｋ.J. Orveｋ）Nucl.Nucl. Instrum. Methods B7/8,1985,P501；ティー.バウサム他(T.Bausum)「300mm生産用高ドーズ量注入されたレジストの除去」半導体インターナショナル  06/01/2003；ジェー.アール.ワッソン他（J.R.Wasson）「イオンビームリソグラフィーのためのイオン吸収ステンシルマスク被膜」J.Vac.科学技術  B,15,2214,1997年）。
【０００８】
微粒子の放出を防止するために、ウエハ温度を約１２０℃以下に保たなければならないので、さらに、処理能力が低下する。この微粒子の放出は、ガス、主にＮＨ3の圧力の下で硬い表面がはがれるときに起こり、ハードベイク温度以上に加熱されるのに応じて放出される。この現象は、ポッピングとして知られている（ディー.フレミング他（D.Fleming）「最適化されたプレ注入UV/ベーク処理を介して実現された製造方法の改良」フューチャー  ファブ  インターナショナル  4,1,1977,P177）。
【０００９】
グラファイト又はフォトレジストと異なるイオン注入されたレジストフィルムは、本質的に不活性なので、大気中の酸素、窒素、又は水蒸気を吸収しない。原子状酸素と反応するイオン注入されたレジストフィルムのための活性エネルギーは、イオン注入されていないレジストが0.17eVであるのに対して、2.4eＶであることが報告されている（エイ.ジョシ他（A.Joshi）J.Vac.科学技術A,8,3,5/6月1990年、pp2137）。
【００１０】
この付加的な活性エネルギーにより、何故、イオン注入されたレジストフィルムが、通常のダウンストリーム型プラズマにおいて、本質的にエッチングできないかを説明している。さらに、ＲＦ−バイアス及びフッ素化学が、イオン注入されたフィルムに対するエッチング速度を高めるのに用いられてきた（ケー．ジェー.オルベク及びシー．フフマン（Ｋ.J. Orveｋ and C.Huffman）Nucl.Nucl. Instrum. Methods B7/8,1985,P501；ジェイアイ.マコンバー他(JI.McOmber) Nucl.Nucl. Instrum. Methods B74（1993）pp266-270；ケイ．ラインハルト他(Ｋ.Reinhardt)IBM  技術シンポジウム、フランス10月1999年）。
【００１１】
しかし、これらのより過激な除去方法は、保護されない表面の腐食を生じさせる。ますます、このようなウエハ表面の損失は、ゲート酸化物及び接点の厚さとして経済的に受入れがたくなり、集積回路の新しい生成を縮小させることになる。
この結果、新しいエッチングの枠組みが重要であり、この枠組みにより、二酸化珪素、シリコン、または他の薄い誘電体フィルム上の実質的に完全にイオン注入されたフォトレジスト層を、選択的に取り除き、そして、フッ素化学から全体として独立させることができる。また、イオン注入されたまたはイオン注入されない表面層を含んでいる、無機材料または有機材料で被膜された材料上に、加えることができるような、低い温度に基板を維持しながら、商業的に実行可能な除去速度を与える新しい技術が要望されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、表面層を半導体ウエハから除去するための新しいアプローチを提供することによって、上記要望に対処する。本発明は、反応性ガスが中圧力表面波放電によって活性化される方法を提供する。さらに、この方法は、ウエハの表面からフォトレジストを取り除くプラズマガス内の揮発性反応体の形成を含む。このプラズマガスは、基板上に衝突する反応性プラズマジェットを形成し、基板の表面層が、選択的に、そして、安全に、効率よくエッチングされる。この方法は、プラズマジェットの前面で走査することにより、大きなウエハから塗布された材料を取り除くために、商業的に実行可能な方法で実施される。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
特に、本発明は、製造工程において、加工物から表面層を選択的に除去するための装置として一般的に特徴づけられる。この装置は、処理室、プラズマアプリケータ、及び冷却システムを含んでいる。処理室は、表面層が取り除かれるように処理すべき加工物を受け入れる副大気環境[subatomospheric]（大気圧より低い圧力）を形成する。プラズマアプリケータは、プラズマを発生し、そして、反応性処理ガスの加圧供給源、この加圧供給源に流体連通したプラズマ放出管、このプラズマ放出管に電磁力を作用させて、この放出管内にプラズマを発生させるための電磁力供給源、前記プラズマガスを加工物の方向に向けて前記処理室内に放射するために、前記プラズマ放出管の一端部に配置したノズル開口を含む。最後に、冷却システムが、ガス状冷却剤を循環させるために前記プラズマ放出管の回りに配置され、前記プラズマ放出管の回りに冷却通路を形成する導管を有する。
【００１４】
本発明の実施形態では、中圧力（約１０トル〜約５００トルの間）のプラズマで半導体ウエハ上の物質の除去を実施するための装置として提供される。この装置は、Ｏ2，Ｈ2，Ｈ2Ｏ，Ｎ2、等の反応性処理ガスが、石英、サファイア、または他の電磁気的に影響を受けない材料から作られた狭い放電管を介して流れる。そして、マイクロ波又はＲＦ電源が適用できる電磁力供給源によって表面波を活性化させる。さらに、ガス状冷却剤を用いる放電管のための冷却システムが提供され、このシステムは、放電管上に統合された冷却フランジを含み、冷却通路に取り付けられる。
【００１５】
本装置は、さらに、放電管ノズルを含み、このノズルから放電管からのガスが出現して基板に衝突する。その結果、Ｈ2Ｏ、ＣＯ2または低分子量の炭化水素等の揮発性反応製品がウエハ基板の表面層を選択的に除去する材料となる。この装置は、さらに、ウエハチャックを支持するための位置決めシステムを含み、この位置決めシステムは、ウエハを加熱しかつ位置決め、そして、プラズマ源を用いてウエハの高速スキャンを与える。
表面波放電を使うことにより、この放電をガイドする類のない利点を有し、励起出力がウエハに対して印加される。また、表面波放電を与える方法は、電磁力システムにかなり多くの電荷を与えることなく広い圧力範囲で実行することができる。
【００１６】
本発明の理想的な動作圧力範囲は、中圧力型（約１０トル以上で約５００トル以下）である。中圧力プラズマは、電子―イオンの再結合の高比率と、活性粒子の熱中性子化が低圧力のプラズマにおいて出現する高エネルギー電荷種を除去する利点を有する。これらの高エネルギー種を除去することにより、基板電流を電位的に損傷させる可能性及びスプリッタ腐食をなくす。さらに、中圧力型でのプラズマガス温度は、低圧力型プラズマと比較すると非常に高い。より高いプラズマガス温度は、ウエハ上の反応性ゾーン内で付加的な熱源を提供し、特に、ここでは必要とされる。この集中された熱エネルギーは、有機材料の反応の早い除去に対して貢献する。
【００１７】
材料除去の反応速度が増加すればするほど、処理速度（及び商業的な実施可能性）が増加する。対照的に、プラズマジェットシステムに対する低圧力型の使用（約１０より小さい）は、好ましいものではなく、圧力が減少すると、プラズマジェットの形状は、広がり、これにより、スポットサイズを制御することができなくなる。高圧力型（５００トルよりも大きい）では、有利ではなく、表面除去のために必要とされる反応種が、ウエハに到達する前に再結合してしまい、その結果、選択的な除去のためのプラズマの効率を減少させる。しかし、広い圧力範囲にわたって本発明の動作が行われると、プラズマ源がまだ動作状態にある間に、大気中のウエハ交換が可能になる。プラズマの点火は、通常低圧力（１Ｔに近い）が必要なので、ウエハ交換中、出力源が約７６０トル（大気圧）に維持できる場合、処理圧力の循環を避けることができる。これは、プラズマ点火に対して、真空ポンプを低圧力に下げないようにしなければならない。そして、各半導体ウエハを処理するために中間圧力にするために再加圧し、これにより、産業的な設定で実行可能な処理時間を短くすることができる。
【００１８】
より理解しやすくするために、本発明の特徴及び技術的利点を本発明の詳細な記載により、これまで、説明してきた。本発明の請求項の主要部を形成する本発明の付加的な特徴及び利点は、以下に記載する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明のより完全な理解のために、本発明の利点は、添付の図面とともに、以下に記載により参照される。
以下の記載において、本発明の完全な理解を与えるために、特定の処理値またはパラメータ等の種々の具体的な細部について説明する。しかし、本発明は、当業者であれば、このような具体的な説明なしで、実施できることが明らかである。他の実例において、本発明を不明瞭としないために、公知の構成要素をブロック図の形式で示している。大部分について、特定の半導体製品の利用及び同等物に関する詳細は、本発明の完全な理解を得るために必要でない、また、関連技術において通常の知識を有する者の技術範囲にある限りは、省略されている。
【００２０】
図面に関して、図示された構成要素は、必ずしも寸法通りではないが、同一のまたは同等の構成要素は、いくつかの図面において、同一の参照符号を付記している。
図１は、プラズマアプリケータ１０１、処理室１０２、及び高速ウエハ走査ステージ１０３の概略図を示す。プラズマアプリケータ１０１は、半導体処理ツールの室壁１０４上に取り付けることができ、副大気環境を形成する処理室１０２を含む。この室では、ウエハまたは他の加工物を処理し、その表面層の除去がなされる。電磁力供給源は、導波管１１１の高さを減少した部分に設けた薄い壁のカップリング開口１１０を介して、プラズマ放電管１０６に出力１０５を供給する。１つの実施形態では、２．４５ＧＨｚのマイクロ波出力が、６ｍｍ径の石英プラズマ放電管に印加される。表面波は、プラズマ放電管１０６とプラズマ１０８との間の境界に沿って両方向に進むので、処理ガス１１４の流れ１１２は、導波管１１１の上流側で電荷を抑制する。ダウンストリームの表面波に接するこの同一の流れ１１２は、プラズマ放電管１０６に取り付けられたベースフランジ１１８におけるノズル開口１１９から現れるプラズマジェット１０８を発生させる。この状況において、プラズマジェットは、プラズマアプリケータ１０１から現れる加圧されたプラズマガスの流れとなる。一例では、プラズマジェットは、半導体ウエハ上に衝突するために活性化した処理ガスから２ｍｍ離れさせる。他の例では、ウエハは、プラズマジェットから約２０ｍｍ程度離れている。
【００２１】
ウエハの高速走査ステージは、ウエハをクランプするウエハ保持体を有するチャック１３０を含む。このウエハ保持体は、真空、室圧力、又は静電気的な力を作動させることができる。ウエハ保持体は、ウエハに対して所望の接触熱伝導の程度に従って、ウエハを熱伝導性または絶縁性の材料に接触させることができる。一例では、絶縁材料層は、接触熱伝導を減少させるために、ウエハとウエハ保持体との間に導かれ、その結果、熱の発散を抑えることによって、ウエハ温度を低下させる。逆に、ある例では、導電材料層は、接触熱伝導率を増加させるために、ウエハとウエハ保持体との間に導かれ、その結果、熱の発散を増大させることによって、ウエハ温度を上昇させる。さらに、チャック１３０は、ウエハを加熱するために、カップリング１３３を介して電源に接続することができ、また、ウエハを冷却するために、カップリング１３３を介して水等の冷却供給源に接続することもできる。また、このチャックは、チャック温度を監視するために、カップリング１３５を介してサーモカップルセンサまたは他の温度センサを備えることができる。
【００２２】
チャック及びウエハ保持体は、ウエハを走査するための機械的な位置決めシステム上に取り付けられる。これに関して、ウエハの走査は、ウエハの領域をプラズマ処理に曝すように、プラズマジェットによって衝突される間、ウエハを動的に位置決めることに対応する。走査動作によるプラズマの放射は、ウエハの全領域にわたって均一にされ、または、プラズマに曝すレベルを異にするために、選択的にウエハの処理部分を含むことができる。
【００２３】
図１において、二重軸直交位置決めシステムは、ｘ軸リニアドライブ１３６とｙ軸リニアドライブ１３４とを含み、例示的な実施形態が図示されている。本発明では、ラジアルリニアドライブ上に取付られた、回転軸を有する極座標装置等の機械的な位置決め用の他の構造体を用いることもできる。一例としては、機械的な位置決めシステムは、モータ駆動の２つの直交する搬送ステージを含み、この搬送ステージは、重力加速度の２．５倍を越える加速度を有し、かつ１００ｃｍ／sより大きな速度で走査することができる。印刷一つの実例では、本発明は、コンピュータ制御に基づいて走査パターンを実行することができ、その結果、ウエハの各点はプラズマジェットの範囲内を通過し、この範囲は、あるエッチングされた行路のプラズマジェットにおける横方向幅の最大値の約半分に等しい径を有する。特定の例では、本発明は、コンピュータ制御の下に、ウエハのエッジ上で低い走査速度を与える走査パターンを実行して、ウエハ温度を増加させ、かつエッジ効果により減少したエッチング率を補償する。
【００２４】
本発明は、ガス状の冷却剤を用いる冷却システムを用いる。プラズマガス１１４に対向する方向１１３に流れる高速ガスが、プラズマ放出管を冷却するために使用される。これにより、より高い電力損失でプラズマアプリケータ１０１の動作が可能になる。一例では、同軸外管１１６によって閉じ込められた乾燥空気又は窒素冷却ガスは、プラズマ放出管１０６を冷却する。
【００２５】
図１に示すように、プラズマ放出管１０６は、アプリケータ本体に取り付けることを容易にするため、一体ベースフランジ１１８を含んでいる。このベースフランジ１１８の重要な機能は、プラズマ放出管１０６が極端に熱くなるプラズマ放出管１０６のごく近くからＯリングシール１４０を離すことである。このＯリングシール１４０は、比較的低い融点を有し、過渡の温度負荷によって容易に破壊される。プラズマ放出管１０６の下流側に間接的に接触するＯリング１４０は、必ず溶けるであろう。本発明の冷却システムの構造及び設計は、ベースフランジ１１８にわたって十分な温度勾配を有している。その結果、ベースフランジ１１８の中央ノズル１１９から現れるホットプラズマによって、ベースフランジ１１８のエッジ上でＯリングシール１４０の変質が生じることがない。
【００２６】
一例では、アルミニウムのスペーサ１４２が、プラズマ放出管のフランジ１１８と、冷却外管１１６上の対応する冷却フランジ１１７とを分離する。図１に示す本発明の実施形態では、冷却システムは、同心、円形の同軸断面形状となっている。冷却導管によって取り囲まれたプラズマ放出管の他の断面形状は、例えば、本発明の範囲内で、矩形、四角形、楕円、又は偏心構造が可能である。種々の冷却システムに使用する液体またはガス状冷却剤は、本発明の電力体系において実施できるように、同一の冷却性能を与えており、また、本発明の実施形態に包含されるものである。
【００２７】
本発明は、さらに、処理室内の電磁気力の漏れをなくすために、内管のフランジの下側に組み込まれたトラップ１２０を含む。一例では、マイクロ波トラップに基づく（1/4）λ変圧器が用いられる。ガス状冷却剤は、プラズマ放出管１０６に向けて、トラップ１２０の下側表面に設けた通路を介して半径方向内側に流れ、そして、プラズマ放出管１０６プラズマ放出管と冷却外管１１６との間の狭い空間１０５に入る。冷却ガスの速度は、この領域に入ると、流れの断面積が減少するので、実質的に増加する。その結果、プラズマ放出管１０６の冷却が高められ、特に、導波管１１０内のホットゾーンで極端に高くなる。１つの実施形態では、プラズマ放出管１０６と冷却導管との間の１ｍｍのギャップ幅は、マッハ１に近い冷却ガス速度となる。これにより、２．５ｋＷ近くの高いマイクロ波出力レベルが、連続して維持される。オイルベースの冷却システムに対比して、本発明の空気冷却は、プラズマ放出管上にとどまらないし、高出力レベルでのプラズマジェットを連続して続けた後でも、プラズマ放出管に損傷を与えることがない。
【００２８】
図２は、本発明の実施形態におけるプラズマ除去システムの動作示す写真である。目に見えるプラズマジェットは、約２０ｃｍの長さで、光っている。図２に図示する例示に用いられる処理ガスは、反応性の酸素対窒素の比が約９：１の混合物であり、約８０トルの圧力が約２slpm [(リットル)/min]の流速で供給された。電磁放射出力は、約１ｋＷである。
【００２９】
プラズマジェットの熱出力は、局所的にウエハを加熱する能力を与え、その結果、有機表面層のエッチング反応を促進する反応種を同時に供給しながら、反応速度を増加させることによってエッチング反応を増大させる。衝突するプラズマジェットから基板に配給される全体の熱出力Ｐは、以下の式によってプラズマジェットの下で配置された、熱的に絶縁されたアルミニウムブロックの時間ｔ、ｄＴ／ｄｔに対する温度Ｔの上昇率を測定することによって決定される。
【００３０】
Ｐ＝ＣρＶ（ｄＴ／ｄｔ）
ここで、熱容量は、Ｃ＝0.9Ｊ／Ｋ.ｇ、密度は、ρ＝２．７ｇ／ｃｍ3、容積は、Ｖ＝104.04ｃｍ3である。これらの測定結果は、図３のデータ点に示されており、図３は、熱的に絶縁されたアルミニウムブロックに対して時間に対する温度の変化を示す。この例では、ブロックは、酸素対窒素の比が約９：１の反応性ガスによって加熱される。この反応性ガスは、アルミニウムブロックから３ｃｍの距離で衝突するプラズマジェットを作り出すために加えられるマイクロ波出力１．８ｋＷの下で、圧力８０トル、流速３slpmで供給される。そして、アルミニウムブロックは、２５℃の初期温度を示した。図３のグラフは、温度と時間の間の曲線関係を示し、ここで、ｄＴ／ｄｔは、ラインの傾斜である。この例では、全体の熱出力は、P＝３１２Ｗ である。この測定値は、本発明の熱的性能が向上したことを確かめるために、異なるマイクロ波出力、ガス組成物、および基板距離で繰り返し測定される。
【００３１】
図４は、図３に示す例に対する別の同一処理条件の下で、負荷されたマイクロ波出力に対するプラズマジェット出力の測定データ点を示している。図４に示すように、プラズマジェット出力は、マイクロ波出力に対してリニアである。この例では、目標物（半導体ウエハ）が、ノズル開口１１９から測定して、それぞれプラズマ源から0.9ｃｍ及び2.9ｃｍ離れているとき、変換効率は、測定データ点の線形補間の傾斜によって測定されるように、約１９％及び２１％である。
【００３２】
図５は、図３に示す例に対する別の同一処理条件の下で、プラズマ源からの距離に対するジェット出力の測定データ点を示している。図５に示すように、プラズマ源からの距離が約１ｃｍから約５ｃｍに増加するに従って、プラズマジェット出力は減少する。これは、プラズマジェットが処理室１０２内の大気温度ガスと混合することによって冷却されるからである。
【００３３】
図６は、図３に示す例に対する別の同一処理条件の下で、プラズマ源から目標物が２．９のとき、Ｏ2濃度に対するプラズマジェット出力の測定データ点を示している。図６は、Ｏ2濃度が約２０％から約９０％ｍまでに対して、プラズマジェット出力が比較的一定であることを示している。この結果は、プラズマジェット出力が、酸素ガス／窒素ガス混合物に本質的に無関係であることを示している。
【００３４】
図７は、ウエハとチャックとの間の空間に対する接触熱伝導率の測定データ点を示している。プラズマジェットによって走査される間の動的条件下で、ウエハ温度を制御するための能力は、アッシング処理を成功させることができるかを決定する。ウエハ温度を制御することは、ウエハとチャックとの間の熱接触伝導率（ｋ）によって抑制される。ｋに関する値は、一定の温度を有するチャックに取付けられたアルミニウムブロックの定常状態温度を決定することによって、ウエハとチャックとの間の種々のギャップに対して測定された。ブロックとチャックとの間の空間は、薄いマイカ製スペーサを用いて維持される。このｋは、次式によって与えられる。
【００３５】
ｋ＝Ａ（Ｔ−Ｔo）/Ｐ
ここで、Ａは、ブロックとチャックとの間の接触面積、Ｔoは、チャック温度、Ｐは、出力である。熱伝導率に対する測定値は、チャックとブロックが密着し、他の得られた測定値と十分一致しているとき、ｋ＝５５ｍＷ／ｃｍ2Ｋであることが分かった。図８に示されるように、ウエハとチャックとの間のギャップが増加するに従って、熱伝導率が減少する。チャックとウエハとの間の熱伝導に対する時定数τは、次式で与えられる。
【００３６】
τ＝Ｃ／ｋ
ここで、Ｃは、単位面積あたりのウエハの熱容量である。この時定数は、３００ｍｍシリコンウエハがチャックと密接する場合において、約２秒であり、0.01インチのギャップに対して約１０秒だけ増加する。接触熱伝導率の変動及びそれに伴う時定数は、正確なギャップ制御を必要とし、チャック上のウエハの静電的又は真空クランプの必要を伴う。こうして、本発明の他の利点は、従来の低圧力システムを越える中程度の圧力範囲で作動可能であり、静電クランプを必要とする代わりにチャック上にウエハの真空クランプを用いることができる。
【００３７】
レジストを完全に取り除くために、図８に示すように、ウエハは、蛇行性ラスターパターン１０１４で走査される。図８において、ｘ軸１０１０に沿うライン走査１０１４は、半導体ウエハ１０１６に対して、短い変位の間に、即ち、ｙ軸１０１２に沿うトラック間隔で、両方向に行ったり来たりする。このようなパターンのトラック間隔は、プラズマジェットの径よりも小さく、ウエハを横切る均一なエッチングプロフィールを与える。本発明の１つの実施形態では、トラック間隔は、0.7ｃｍに設定された。0.7ｃｍのトラック間隔を用いて、トラック間のエッチング深さの変動は、トラック間の中心及び中間点で、処理のレジスト厚さの２％より小さい。
【００３８】
本発明の実施形態におけるプラズマジェット１５２１の走査を用いて、フォトレジストを除去することを含む熱処理は、図９に示されている。このプラズマジェット１５２１が、半導体ウエハ基板１５３０上で走査され、有機レジスト１５３１の表面層上に被膜される。ウエハが高速度でｘ軸方向１５１１に走査されると、プラズマジェット１５２１が、ウエハ１５３０の方向１５２３に、中圧力下で、高エネルギーのプラズマ源から出現し、熱せられたトラック１５２２を作り出す。このトラックは、熱伝導を介して側面から冷却され、かつ、ウエハホルダ、すなわち、チャックに対して接触熱伝導を介して垂直に冷却される。関連した熱流束Ｆ横方向１５２４とＦ縦方向１５２６は、横方向の熱の流れと垂直方向の熱伝導のそれぞれに対応する。
【００３９】
チャックは、ウエハ上のレジストエッチング速度を増加するために加熱される。また、チャックは、プラズマジェットによって与えられた過渡の熱量を消散することができる。プラズマジェットの熱は、ウエハを介して急速に拡散され、その拡散長さは、プラズマジェットのドウエル時間に対応し、最も高速の走査速度に対するウエハの厚さよりも大きくなる。本発明の１つの例では、加熱されたゾーンの幅を約５０％だけ増加させながら、横方向の拡散長さは、約０．２〜０．４秒のトラック走査時間中に、わずか０．５ｃｍである。この結果、第１の概算では、高速走査は、ラインヒータの熱力学的平衡として理解でき、このラインヒータは、高速走査方向に対して垂直なｙ方向１５１０に、ウエハを横切って移動する。１つの例では、垂直方向の熱の流れは、シリコン基板に対して２〜１０秒の時定数でゆっくりと処理され、単一トラックを走査するために必要な時間内では、無視してもよい。しかし、垂直方向の熱の流れは、いくつかのトラックが走査された後、重要な温度要因となる。
【００４０】
ジェット出力、操作速度、及び垂直方向の熱の流れの間のバランスにより、特定のアッシング処理の効率が決定される。処理能力を最大化するために、本発明の実施形態は、プラズマジェットを活動させる高レベルの電磁気力を用いて作動させ、より高速のエッチング速度に変換させる。また、出力を増加させて、プラズマ内の反応性ガスの発生を最大にして、レジストとエッチングガスとの間のアッシング反応を活発にするための熱量を与える。
【００４１】
イオン注入されたレジストの場合、初期のチャック温度は、レジストのハードベイク温度以下に設定される。１つの例では、初期のチャック温度は、レジストのハードベイク温度の約１２５℃より約１０度低く設定される。このレジストは、この温度で安定し、ポッピングは生じない。ウエハとチャックとの間の接触熱伝導は、最大化され、例えば、ヘリウムの背面冷却により、所定の入力密度に対してウエハ温度を最小化させる。最後に、走査速度が増加されて、ウエハ内の効果的な電力密度を減少させ、ウエハが走査される場所において、ウエハをポッピングなしで走査させることができる。必要とされる速度は、１ｍ／sよりもかなり大きい。走査手順が進むと、ウエハ温度は、次第に上昇し、そして、走査するプラズマジェットは、ベースレジストから開放されたガスが透過する表面を作りながら、注入されたフォトレジストの硬い表面に小さい孔を形成する。一旦、透過性が達成されると、走査速度を減少させること、またはウエハホルダーとチャックとの間の接触熱伝導を減少させることによって、温度を上昇させることができる。これにより、ウエハホルダーを介して消散される熱量を減少させる。フォトレジスト表面を通過するための前走査処理の結果、第２の走査動作中にウエハ表面からレジストを急速に取り除くことができる。
【００４２】
注入されないレジストをエッチングすることは、より少ない熱的制限を含む。すなわち、初期のチャック温度は、一例では２００〜３５０℃程度高くなり、接触熱伝導率及び走査速度は、より低く設定することができ、より高いウエハ温度及びより高いエッチング速度を導く。注入されないレジストの場合、接触熱伝導は、かなり減じることができる。一例では、ウエハは、１インチの数万分の１だけ、チャックから持ち上げられる。
【００４３】
上記の結果、高ドーズ量でイオン注入されたフォトレジストのアッシングは、２段階処理として起こり、この処理では、レジスト表面が低い温度での前処理によって透過性となり、続いて、高い温度でのレジスト除去処理が行われる。この前処理は、レジストのベイク(bake)温度より低いチャック温度、例えば、１２０℃で行われる。この比較的低い温度は、レジスト表面がレジストの熱分解によって生まれたガスにより破壊されるとき、微粒子の放出を妨げるために必要とされる。この場合、炭化した表面は、除去／破裂されない。また、この処理は、ポッピング（popping）として知られている。本発明の前処理走査によって、フォトレジスト表面が、ガスに対して透過性を有するようになると、ウエハの温度は、レジスト除去の比率を高めるように、安全に上昇する。測定値は、シリコンウエハからの、注入された（Ｐ、４０Kev、５×１０１５／ｃｍ2）Iラインのフォトレジストの走査されたプラズマジェットアッシングにおいて、パラメータの条件及びレジスト除去を確定する。
【００４４】
図１０〜１７は、試料の半導体ウエハの写真であり、これは、本発明の実施形態によって処理されたフォトレジストの表面層を示している。図１０は、１ＫＷかつ15ｃｍ／sのプラズマジェットの熱によって形成されたガス充填されたブリスターのネットワークを示す。図１１は、基板が切断されたときの破砕されたブリスターが示され、この充填されたガスの圧力により、下に横たわる注入されないレジストベースから硬い表面が薄い層に裂ける。この例では、ブリスターの高さは、元のレジスト厚さの３〜４倍である。このプリスト効果は、ポッピング動作に明瞭ではないが関係しており、これにより、表面の大きいプレートが表面から吹き飛ばされる。しかし、ブリスター形成は、この場合受け入れられるものであり、これにより、微粒子の破片は発生しない。一旦、ブリスターが形成されると、表面から基板への熱伝導が劇的に減少し、この温度は、基板の温度より数１００℃以上、上昇する。層間剥離により局所化した高温度は、図１２に示すように、表面のエッチングを加速する。これらの開口が表面１９０１に現れると、ベースレジストは、プラズマジェットに曝され、横方向エッチング１９０２、図１３に示すように、が表面の下側に起こる。図１４は、その後のエッチング段階を示し、ここで、表面１２１１の大部分は、取り除かれ、そしてブリスター２０１０が統合される。
【００４５】
本発明の実施形態を用いて、材料除去の処理能力を最大化するために、プラズマジェットは、印加される最大可能な電磁力で作動される。前処理段階でポッピングを防止するために、過渡の温度上昇を防止するのに十分な速さでプラズマジェットを走査する必要がある。１つの例示では、多重の前処理走査が、レジスト除去ステップ中にポッピングを防止するために、十分透過性を達成することを必要とする。本発明の１つの実施形態では、レジストは、基板の温度の変化なしで、５０〜１００ｃｍ／s程度の速度で単一の走査により完全に除去することができる。処理パラメータに対する他の設定値は、異なるが関連した、本発明の実施形態において、同様の結果を達成するのに用いることができる。
【００４６】
ブリスター形成に加えて他の処理が、イオン注入されたフォトレジストにおける表面の透過性を導く。図１５は、例えば、パラメータ処理の初期段階中に発展する網状のレジスト表面を示している。この表面は、前処理ステップの最終段階において、図１６に示すように、透過性を有する。
【００４７】
本発明を実施するための例示的な実施形態において、多重の前処理走査（マイクロ波出力＝２．１５KW、基板温度＝１００℃、走査速度＝１０５ｃｍ／s、Ｏ2：Ｎ2＝９：１、流量＝３slpm、圧力８０Ｔ）を用いて、注入されたIラインフォトレジスト（１．２ミクロンのIラインベースレジスト、１２０℃のハードベイク処理、そして、４０ｋeＶのエネルギーでリンを注入した、また、５×１０15／ｃｍ2の高い注入密度）に対して、最適な処理が加えられた。この前処理は、次に、２．５KW、４０ｃｍ／sで、レジスト除去走査が行われ、（一方、他の条件が前処理と同様に維持された。）全ての表面及びベースのレジストは、ウエハから取り除かれ、また、図１７から明らかなように、走査用電子マイクロスコープで見るように、残留物がない。
【００４８】
図１８は、フローチャート形式において、本発明を実施するための方法２４０１を示している。この方法は、図１に図示するように、ウエハをプラズマアプリケータ装置を備えた処理室に導くステップ２４０２から開始する。低温度で、プラズマが予め点火されている場合、プラズマが周囲圧力で作動しながら、ステップ２４０２が実行される。
【００４９】
ステップ２４０４では、ウエハとウエハホルダーとの間のクランプインターフェースが、高または低い熱伝導のいずれかで、所望の熱伝導に対して、調整される。ステップ２４０６において、大気、または真空力、又は電気的な手段を用いて半導体ウエハは、チャックにクランプされる。上述したように、ステップ２４０８において、プラズマ放出管を始動させるための冷却システムの作動が開始される。次に、反応性処理ガスの活性化が、ステップ２４１０で開始される。プラズマの活性化の後、ステップ２４１２において、プラズマジェットによってウエハ表面が処理される。方法２４０１は、本発明の１つの例示的な実施形態であり、処理及び設備要件に従って、あるステップを省略し、あるいは、所定の順序とは異なる構成を用いて、例示した処理ステップの種々の組合せで、同様に実行することができる。例えば、方法２４０１の１つの実施形態では、イオン注入されたレジストの前処理が、レジスト表面をガスが透過できるようにさせるために実行される。方法２４０１の別の実施形態では、注入されない又は前処理でイオン注入されたレジストが、フォトレジスト層のみを選択的にアッシング及び除去するために処理される。
【００５０】
図１９は、図１８に示す方法ステップ２４１０を実行するための１つの例示的な方法２５０１を示している。第１に、上述したように電磁気力が、ステップ２５０２において、活性化される。この電磁放射は、ステップ２５０４において、プラズマ放出管に導波管を介して伝達される。ステップ２５０６において、電磁力は、制御されない放射からウエハを保護するためのトラップに包含される。
本発明及びその利点を詳細に記載してきたが、種々の変更、代替物、及び修正は、添付の請求項によって規定するように、本発明の精神及び範囲から逸脱しないで作ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係るプラズマ除去システムの断面図を示す。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係るプラズマ除去システムの動作を示す写真である。
【図３】図３は、本発明の実施形態において、集められた経験上のデータを示す図である。
【図４】図４は、本発明の実施形態において、集められた経験上のデータを示す図である。
【図５】図５は、本発明の実施形態において、集められた経験上のデータを示す図である。
【図６】図６は、本発明の実施形態において、集められた経験上のデータを示す図である。
【図７】図７は、本発明の実施形態において、集められた経験上のデータを示す図である。
【図８】図３は、本発明の実施形態における走査パターンを概略的に示す図である。
【図９】図９は、本発明の実施形態における熱の流れを概略的に示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施形態を用いて処理された試料の写真である。
【図１１】図１１は、本発明の実施形態を用いて処理された試料の写真である。
【図１２】図１２は、本発明の実施形態を用いて処理された試料の写真である。
【図１３】図１３は、本発明の実施形態を用いて処理された試料の写真である。
【図１４】図１４は、本発明の実施形態を用いて処理された試料の写真である。
【図１５】図１５は、本発明の実施形態を用いて処理された試料の写真である。
【図１６】図１６は、本発明の実施形態を用いて処理された試料の写真である。
【図１７】図１７は、本発明の実施形態を用いて処理された試料の写真である。
【図１８】図１８は、本発明の実施形態のフローチャート形式における方法ステップを示す図である。
【図１９】図１９は、本発明の実施形態のフローチャート形式における方法ステップを示す図である。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【国際調査報告】
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