(57)【要約】ウェーハトラックシステム内において半導体ウェーハ処理を遂行するためのプラズマチャンバ。処理チャンバは、半導体ウェーハ表面を処理プラズマに曝すためのウェーハトラックセル内の熱スタックモジュールとして構成することができる。シャワーヘッド電極及びウェーハチャックアセンブリを処理チャンバ内に位置決めし、半導体ウェーハのプラズマ強化処理を遂行させることができる。種々の型のガス供給源をシャワーヘッド電極と流体的に通じさせ、所望のプラズマを形成するガス状混合体を供給することができる。ガスの流れをコントローラ及び一連のガス制御弁によって調整し、予め選択されたガス状混合体を形成させ、半導体ウェーハ表面に曝されるプラズマとして処理チャンバ内へ導入することができる。予め選択されたガス状混合体は、表面プライム処理及び底反射防止被膜（ＢＡＲＣ）堆積のような異なる半導体ウェーハ処理動作のために処方することができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウェーハ表面プライム処理を遂行する方法であって、
半導体ウェーハ表面を処理プラズマに曝すために、ウェーハトラックシステム内のプラズマ処理チャンバを選択するステップと、
選択されたガス状処方から前記処理プラズマを生成して前記半導体表面を曝すステップと、
前記半導体ウェーハ表面を前記処理プラズマに曝して前記ウェーハ表面プライム処理を遂行するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記選択されたガス状処方は、約98％のヘリウム、１％のメタン、及び１％の水素からなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
底反射防止被膜（ＢＡＲＣ）堆積を遂行する方法であって、
ウェーハトラックシステム内の、プラズマ強化化学蒸着を遂行するように構成されているプラズマ処理チャンバを選択するステップと、
半導体ウェーハを所定の温度まで加熱するステップと、
前記プラズマ処理チャンバ内へ導入される処理プラズマＢＡＲＣ処方を作成するステップと、
前記プラズマ処理チャンバ内に位置決めされている前記半導体ウェーハを前記処理プラズマＢＡＲＣ処方に曝して、前記半導体ウェーハ上に反射防止被膜を堆積させるステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項４】
前記ＢＡＲＣ処方は、大面積にわたって均一なシステムプログラム可能な光学定数を特徴とする有機ＢＡＲＣフィルムを提供することを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
半導体ウェーハ処理を遂行するプラズマチャンバであって、
ウェーハトラックシステム内において、半導体ウェーハ表面を処理プラズマに曝すように構成されている処理チャンバと、
前記処理チャンバ内に位置決めされ、前記半導体ウェーハのプラズマ強化処理を遂行するシャワーヘッド電極及びウェーハチャックアセンブリと、
前記処理チャンバ内の前記シャワーヘッド電極と流体的に通じ、コントローラ及び一連の制御弁によって調整されて予め選択されたガス状混合体を供給する複数のガス供給源と、
を含み、
前記ガス状混合体は、前記シャワーヘッド電極を通過して前記半導体ウェーハ表面を曝す前記処理プラズマを生成することができる、
ことを特徴とするプラズマチャンバ。
【請求項６】
前記予め選択されたガス状混合体は、ウェーハ表面プライム処理に適用されることを特徴とする請求項５に記載のプラズマチャンバ。
【請求項７】
前記予め選択されたガス状混合体は、ＢＡＲＣ堆積に適用されることを特徴とする請求項５に記載のプラズマチャンバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、半導体製造プロセス中のプラズマ処理に関する。詳述すれば、本発明は、フォトリソグラフィックウェーハトラックシステム内のプラズマ処理チャンバを用いる表面プライム処理及び薄膜材料の堆積に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の半導体集積回路の製造に使用される多くのフォトリソグラフィッククラスタシステムには、統合されたウェーハトラック及びフォトリソグラフィック、またはステッパシステムが組込まれている。ウェーハトラックシステム内の種々のモジュールは、フォトレジストまたはレジストと呼ぶ感光フィルムを用いて下方に位置する半導体ウェーハ基体を被膜することを含む若干の機能を遂行する。次いで、レジスト被膜されたウェーハを、サブミクロンフィーチャパターンを露光させるように設計されている隣接するステッパシステムへ輸送し、その後にウェーハトラックシステムへ戻して露光されたパターンを現像することができる。基体表面上に水分が存在すると、堆積されるレジストフィルムの品質に悪影響することが知られている。更に、レジスト被膜されたウェーハをステッパへ輸送してフォトリソグラフィプロセスでパターンを露光させる場合、プロセスのこのステップ中に、下方に位置する基体からフィルムを通過して戻る光の反射によってもたらされる光干渉のような他の問題が残存する。これらの問題には、ウェーハ処理中に若干の有利な薄膜または被膜を設けることによって、部分的に対処することができる。
【０００３】
半導体ウェーハ基体へのフォトレジストフィルムの付着力を増加させるために、その表面をヘキサメチルジシラザン（ＨＭＤＳ）のような表面プライマに曝して疎水化処理することができる。基体表面のＨＭＤＳ処理は、レジストフィルムとウェーハ表面との間の付着力を増加させることを意図している。ＨＭＤＳは、蒸気プライム（ＶＰ）表面処理と呼ばれるプロセス中に、窒素のようなガス状物質と共に蒸気としてプロセスチャンバ内へ供給されることが多い。ＨＭＤＳを用いるＶＰは、疎水性表面を得るようにウェーハを調整し、化学的に処理するために長く使用されてきた。ＨＭＤＳは液化状態で貯蔵することができ、またプロセスチャンバと流体的に通じている遠隔的に配置されたタンク内に収容することができる。ＨＭＤＳ液に窒素その他のキャリヤーガスを供給するバブラーを、タンクに接続することができる。それによってＨＭＤＳが気化されてキャリヤーガスと混合され、流量計及び弁アセンブリによって調整されている選択された導管を通してＶＰプロセスチャンバへ供給される。プロセスチャンバ内の半導体ウェーハは、到来するＨＭＤＳ蒸気に曝される前に、先ず130℃のような所定の温度まで加熱することができる。プロセスチャンバは、ＶＰ表面処理の後に最終的に排気することができる。
【０００４】
ＨＭＤＳは125℃の沸点を有しており、Ｓi(ＣＨ3) 3-ＮＨ-Ｓi(ＣＨ3) 3の化学構造を有する第二アミンである。これは親水性表面、主として酸化物の表面上のシラノールグループ（-Ｓi-Ｏ-Ｈ）と反応し、それによってシラノールグループをエステル化して疎水性であるトリメチルジシロキサン-Ｓi-Ｏ-Ｓi(ＣＨ3) 3を形成する。この反応の副産物として、シリルアミンが生成される。ＨＭＤＳの使用は健康にとってかなり有害であり、他の効果的なＶＰ化学物質が文献に示され、一般的に受入れられている。それにも拘わらず、ＨＭＤＳは自動化されたウェーハトラックにおける代替化学物質よりも好まれるＶＰ物質として存続しており、これらの毒性物質の中で現行の安全及び健康標準の下で承認されている物質である。
【０００５】
今日では実質的に全てのウェーハトラックにＨＭＤＳ表面プライム処理が使用されているが、それは幾つかの重大な欠陥を有している。例えば、ＨＭＤＳは、その化学的取扱い及び廃液流出に特別な手順及び予防措置を必要とする。ＨＭＤＳの輸送、及びウェーハ表面との相互作用の制御の効率が問題になり得る。ＨＭＤＳのような陽子受容体は、一般的に、深ＵＶフォトリソグラフィにとって有害である。深ＵＶフォトレジストは、量子効率を高めるために酸性結晶または化学的増幅を使用することが多い。陽子受容体、特にアンモニア、及び置換したアミンは、主としてフォトレジストフィルムの表面において、触媒を局部的に減力化させることによって深ＵＶフォトレジストを“無力化”し、それがパターン現像に部分的に影響するか、またはそれを完全に抑止する。最後に、浮遊ＨＭＤＳのトレースが時間の経過と共にステッパのレンズを被覆し、その利用可能性を損なわせる。従って、ウェーハトラックシステムからＨＭＤＳを排除することが望まれており、そのようにすれば、ウェーハ表面の蒸気プライム処理中の上述した危険性及び性能限界が同時に排除されることになる。
【０００６】
半導体プロセスは更に、表面プライム処理及びフォトレジスト被膜手順の後に、フォトイメージングプロセスを含む。これらのフォトリソグラフィックプロセスはステッパシステム内で行われ、通常はフォトレジスト表面上へ光を投影してイメージされたパターンを作成することを含む。選択された露光されない領域のフォトレジストを選択的に除去することができ、また必要に応じて付加的な材料を受けることができる。しかしながら、光はフォトレジストフィルムを通って伝播し、基体表面において反射してフォトレジストを通って戻ることが分かっている。この反射光が、フォトレジストを通って伝播する他の光波と干渉し合い、転写されるイメージの品質及び精密度を低下させ得る。そのため、フォトレジストの特定の領域が非均一に露光され、高度に選択的な処理ステップにおけるその後のフォトレジストの除去に影響を与えかねない。更に、基体表面から反射した光が散乱してフォトレジストの意図しない部分を非意図的に露光させ得るが、これもまた正確なパターンの生成を損ねる。パターン露光中のレジストフィルム／ウェーハ表面界面からの光活性化放射の感知し得る反射が、サブミクロンパターン露光結果を大幅に劣化させることが分かっている。一般に紫外反射率は波長が短くなる程増加するが、このことは、集積回路フィーチャ寸法をより精細にするような厳しい技術進歩に伴って248ｎｍから193ｎｍ乃至157ｎｍまで露光波長が短くなるにつれて益々問題になりつつある。
【０００７】
フォトイメージングプロセス中の反射光に関連する問題の若干は、反射防止被膜を用いて制御することができる。反射防止被膜は種々の波長の放射を吸収し、典型的には基体表面とフォトレジストとの間の１つの層として用いられる。これらの被膜は、反射光がフォトレジストを通過することを抑止する（そのようにしなければ、イメージングプロセスに影響する）。例えば、フォトイメージング動作中に基体表面から反射する放射を吸収するための種々の底反射防止被膜（ＢＡＲＣ）が広く使用されている。ＢＡＲＣ堆積は、典型的には有機フィルムスピンキャスティング、または無機フィルムプラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）の何れかによって行われる。有機ＢＡＲＣスピンオンフィルムは比較的高価な材料であり、その付着を管理することは困難であり得る。これらのフィルムは、一般に全ての基体表面に例外なく使用することができない低粘度液体を必要とする。更に、これらの、及び他の利用可能な有機スピンオン処理は、実質的に外形に沿ったトポグラフィで基体表面を十分にカバーすることは困難である。一方、ＰＥＣＶＤ  ＢＡＲＣフィルムは、スピンオンよりも実質的に良好なサブミクロンフィーチャの輪郭を明確に限定する傾向がある。しかしながら、比較的高価な分離したツールを使用して堆積されるこれらの無機ＰＥＣＶＤ  ＢＡＲＣフィルムは、フォトレジストに対する有害な効果を防ぐために、フィルム堆積後に酸素を用いてさらなるプラズマ処理を必要とすることが多い。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
表面プライム処理及びＢＡＲＣ堆積を遂行するための、環境によりやさしく、包括的な解法に対する要望が存在している。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、ウェーハトラック環境内のプラズマプロセスチャンバを用いて半導体処理を遂行する方法及び装置を提供する。本発明の種々の面は、そのオーナーシップ値を高める統合されたプラズマプロセスモジュールの使用によるウェーハトラック性能及び便利さを改善するための機会として、個々に、またはまとめて理解することができよう。
【００１０】
本発明の目的は、基体表面反応を促進するウェーハトラックシステム内のプラズマ処理チャンバを提供することである。本発明の好ましい実施の形態においては、処理チャンバは、表面プライムプラズマを受けるように選択されている。プラズマは、基体表面、及びその後に該表面上に堆積されるフォトレジスト被膜の付着特性を改善する種々の処理を遂行するためにチャンバ内へ進入することができる。これらのプラズマプロセスチャンバは疎水性基体表面を作るために、高価且つ危険なＨＭＤＳ蒸気プライムモジュールと置換することができるウェーハ表面プライム代替を提供する。本発明によって提供される長所の若干は、疎水性ウェーハ表面処理において、ＨＭＤＳをウェーハトラック環境から排除することを含む。ウェーハ表面プライム処理のためのオプションとしての１つのプロセス処方は、ヘリウム、及び比較的低濃度のメタン及び水素を含むガス状組成から生成されるプラズマを含むことができる。
【００１１】
本発明の別の面は、プラズマプロセスチャンバを使用してＢＡＲＣを堆積させる改善された方法及び装置を提供することである。本明細書に記述する有機ＢＡＲＣ材料のプラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）は、通常ウェーハトラックシステムと共に使用されるスピンオンＢＡＲＣプロセスモジュールと置換することができる。本発明により提供される処方及びプロセスは、無機ＢＡＲＣ材料には典型的に必要なハードベーキング及び酸素プラズマ処理のような付加的な堆積後のステップの必要性を排除することもできる。有機ＢＡＲＣ堆積のための好ましいプロセスガス処方は、アセチレン、アレン、及び二酸化炭素からなる組成を有することができる。これらの、及び他の選択されたガスは、制御可能にプラズマ処理チャンバ内へ導入することができる。チャンバは、カストマイズされたダイアルイン反射防止特性を有する被膜を生成するために、普通の質量流量コントローラを有している。これらの順応性被膜は望まれる特性及び要求に依存して、別々に、または他のウェーハプロセス処理と組合わせて付着させることができる。
【００１２】
本発明の更に別の面によって提供されるプラズマ処理処方は、種々の環境にやさしいガス状材料を共通のウェーハトラックプラズマチャンバ内へ供給し、ウェーハ基体表面をプライムし、及び／または反射防止被膜を堆積させる。プラズマプライム処理及び反射防止被膜プロセスは、上述したものと同じ処理モジュール内において遂行することができ、ウェーハトラックシステム内の熱処理スタックに組込むことができる。所定の化学比を有する種々のセットのガス状化学物質を、普通の質量流量コントローラを使用してプラズマプロセスチャンバへ都合良く送給することができる。表面プライム処方を半導体ウェーハの表面処理のために準備し、プラズマチャンバ内へ導入することができる。半導体ウェーハを別のウェーハトラックモジュールへ移動させることなく、ＢＡＲＣ堆積または他の被膜のための別のセットのガスを処方し、同じプラズマチャンバ内へ導入することができる。これらのスペース節約及び時間節約プラズマ処理モジュールを、低費用でウェーハトラック環境内に組込むことができ、多重ウェーハ処理機能を支援させることができる。
【００１３】
本発明の他の目的及び長所は、以下の添付図面に基づく詳細な説明から理解することができよう。以下の説明は本発明の特定の実施の形態の特定の詳細を含むが、この説明が本発明の範囲を限定するものではなく、単なる好ましい実施の形態を説明しているに過ぎないことを理解されたい。当業者ならば、本明細書に示唆されているように、本発明の各面毎に多くの変更を考案することができよう。本発明は、本発明の思想から逸脱することなく本発明の範囲内においてさまざまな変化及び変更を行うことができる。
【００１４】
本明細書内に含まれる説明は、本発明の長所及び特色を記述している。添付図面内の類似の参照番号及び文字は、本発明の同一の、または類似のフィーチャを表していることを理解されたい。また、図面は必ずしも同一尺度で描かれていないことにも注目されたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、図１に概要を示すウェーハトラックシステムのような半導体処理設備に適用することができる。ウェーハトラックシステム１０は、基本的に３つの区分、即ちカセットエンドインタフェース区分、スキャナインタフェース区分、及びプロセス区分を含むことができる。カセットエンドインタフェース区分は、ウェーハを、ウェーハを格納しているカセットからトラックシステム１０へ転送し、処理した後に、反対にトラックシステムからカセットへ戻す装置を含んでいる。スキャナインタフェース区分は、ウェーハをトラックシステム１０とフォトリソグラフィック装置との間で転送するための設備を受入れる別の移行領域と考えることができる。一方、ウェーハトラックのプロセス区分は、基本的に、レジスト被膜スピンモジュール、ＢＡＲＣ／チルモジュール、及びレジスト現像スピンモジュールのようなウェーハ処理モジュールのスタックを含む。図１のシステムレイアウトに示すように、ウェーハトラック内の種々のプロセススタックは、若干の都合良さ及びウェーハ操作効率を実現するように、組織化された手法で、または最適構成で配列することができる。例えば、２またはそれ以上のプロセスステーション、即ち“セル”をレジスト被膜（ＣＯＴ）及び現像プロセス（ＤＥＶ）用に選択された処理モジュールのスタックを有するプロセス区分内に構成することができる。ウェーハを加熱及び冷却するために、ベーキング／チルプレートのような熱交換装置を有する熱モジュール（ＴＨＥＲＭ）のスタックを含ませることもできる。図１に示すプロセスステーションは、１対のフォトレジスト被膜区分（ＣＯＴ）、即ちウェーハ上にレジストを被膜するための処理モジュールのスタックと、パターン化されたレジスト被膜ウェーハを現像するためのモジュールを有する１対の現像区分（ＤＥＶ）とを含むことができる。ウェーハは、一連のロボットアームまたは他のウェーハ取扱い装置を使用して、所望のプログラムまたは命令セットによる所定の処理順序に従って、トラックシステム１０内のプロセスステーションの間を送給及び輸送することができる。
【００１６】
半導体ウェーハ処理プロセスは、高度に組織化された手順のセットを含む。ウェーハは先ず、カセットエンドステーション内に局部的に格納されている１またはそれ以上のカセットからウェーハトラックへ送ることができる。図１に平面図で示すように、一連のウェーハカセット１２は、カセットが取付けられた卓上に支持されている１組４列に配列することができる。ウェーハ運搬ロボットは、コントローラ（図示してない）から受信する命令に応答してウェーハトラックシステム内の選択されたプロセスモジュールから、及び該モジュールへ転送するために、所望のカセットへアクセスすることができる。ウェーハ基体上にフォトレジストフィルム層を形成させる前に、ウェーハを先ずプライミングモジュールへ転送し、該モジュールにおいてウェーハの表面を熱的に、及び／または化学的に処理して水分の存在を除去し、疎水性表面を保証することができる。次いで、ウェーハをチルプレートのような熱的デバイスを用いて冷却し、被膜ユニットへ輸送してフォトレジストポリマーをウェーハ表面上に均一に分配させることができる。次に、フォトレジスト被膜されたウェーハを加熱ユニット、またはベーキングプレートへ転送し、フォトレジストポリマーを加熱して安定したフィルムに変換させる。加熱ステップが完了した後に、処理されたウェーハを冷却し、貯蔵のためにカセットへ輸送するか、または多くの場合、ステッパまたはスキャナインタフェースを通して隣接するステッパ装置へ直接転送することができる。ウェーハ上のフォトレジスト被膜またはフィルムは、ステッパ装置内で適用可能なフォトリソグラフィック技術によって円形パターンに曝される。安定なフィルムを露光させた後に、ウェーハをトラックシステム１０へ戻すように転送し、ベーキングモジュールにおいて加熱して円形パターンをフィルム上にセットする。次いで、ウェーハをチルモジュールにおいて冷却し、現像モジュールへ転送することができる。現像モジュールにおいて、フィルムに溶液を適用してフィルムの一部分を現像し、次いでウェーハ上にすすぎ溶液を適用してウェーハの表面から現像溶液を除去する。その後にベーキングモジュールにおいてウェーハを熱的に処理し、チルモジュールにおいて冷却し、貯蔵のためにカセット１２へ戻すことができる。所望の半導体ウェーハ処理を達成するために、これらのステップを変更したり、それらの動作順序を変えたりすることができる。
【００１７】
本発明により提供されるプラズマ処理チャンバは、ウェーハトラックシステム内に組込むことができる。図２は、ウェーハトラックシステム内のモジュールのスタック内に設置されたプラズマ処理チャンバを示している。チャンバは、ウェーハ表面プライム処理、及び／または底反射防止被膜（ＢＡＲＣ）を含むフィルム堆積のような単一の、または複数の機能を遂行するように選択することができる。本発明のこの面によれば、選択されたガス処方を高周波電気放電に曝すことによってイオン化したガスを局部的に、または遠隔的に生成する。次いで、イオン種と露出された表面領域とを化学的に反応させて薄い材料の層を堆積させるか、または後述するように、疎水性表面処理を用いる等によって基体表面の特性を変更させる。
【００１８】
プラズマ支援またはプラズマ強化処理は、エッチング及び薄膜堆積を含むいろいろな応用に使用される技術である。プラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）は、誘電体、アルミニウム、銅、その他の材料の薄層を順応的に堆積させるために選択されることが多い。プラズマ強化プロセスに使用されるプラズマは、遠隔的に、または局部的に生成させることができる。遠隔生成されるプラズマは、処理反応器の外部に位置するプラズマ生成デバイスによって発生させる。発生したプラズマをプロセスチャンバ内へ案内し、さまざまな望まれる製造プロセス、または表面処理プロセスのために、チャンバ内において半導体ウェーハと相互作用させる。しかしながら、局部的に生成されるプラズマは、適切なプロセスガスに曝された時に、プロセスチャンバ内の、または該チャンバの直近のプラズマ生成用帯電電極によって発生される。エッチング及び堆積応用のための従来のプラズマ処理反応器は、通常は13.56ＭＨｚプラズマ、2.5ＧＨｚ遠隔プラズマ、またはこれらの、及び高周波数で生成された他のプラズマの組合わせを使用している。局部的にプラズマを生成するように構成されている反応器においては、プラズマ生成用無線周波数電源を、ウェーハサセプタまたはチャックと呼ばれる導電性ウェーハ保持デバイスに電気的に接続することができる。無線周波数電力によって、チャック及びウェーハは、ウェーハ表面付近に無線周波数プラズマ放電を発生する。プラズマ媒体は半導体ウェーハ表面と相互作用し、ウェーハエッチングまたは薄層の堆積のような所望の製造プロセスを駆動する。代替として、シャワーヘッドアセンブリを、ウェーハ、及びプラズマ生成用ガスまたはガス混合体をプロセスチャンバ内へ注入するために使用される他のシステム内の同じようなサイズのチャックと対面させて、且つウェーハと平行に位置決めすることができる。この特定のプラズマ処理チャンバ設計は、相対的に平行であること、及び適切なサイズのチャック及びシャワーヘッドの観点から、平行プレート構成と呼ぶことができる。本発明による他のプラズマ反応器構成は、プラズマ生成用無線周波数電源に接続されたシャワーヘッドアセンブリと、接地されたチャックまたは反応器壁とを含むことができる。
【００１９】
図２に示すように、種々の選択された処理ガス処方を、シャワーヘッド反応器アセンブリを通してプラズマ処理チャンバ２０内へ導入することができる。シャワーヘッドディスペンサ２２はプラズマ電極として作動させることができ、また大きい面積に均一な厚みに堆積させたフィルムが得られるように精密に設計することができる。シャワーヘッド内に複数のオリフィス、または穿孔２４を形成し、反応物ガスを分配することができる。図示のように、シャワーヘッド電極は400ｋＨｚ、1,300Ｗに選択された高周波数電源２５に電気的に接続することができる。更に、チャック電極２６をシャワー電極２２の下に位置決めして接地することができる。このように、シャワーヘッド２２及びチャック電極２６は一緒になって、上述したような選択されたガス処方をイオン化するための平行プレートプラズマ生成回路を形成する。プラズマ処理チャンバ２０は、当分野においては公知のように、チャンバ内のガス状の種を排気するために種々の排気または真空ポート２８を含むことができる。基体表面処理及び薄層を堆積させるのに望ましいプラズマ種を生成するために、他の局部的に、または遠隔的に生成されたプラズマ反応器を選択し、本発明に従って変更することができる。
【００２０】
更に、本発明を用いる応用のために選択されるプロセス化学物質は、市販の取扱い容易な圧縮ガスであることが好ましい。これらのガスの調整、及び上述したプラズマ処理チャンバ内への輸送は一連の導管及び質量流量コントローラまたは弁によって正確に制御することができる。ガス供給制御盤２７は、種々のガス２１を、ウェーハ表面プライム処理のために、有機ＢＡＲＣ堆積のために、または両者のために、及び他のウェーハ表面処理のために使用するように調整することができる。選択された被膜または薄膜は、カストマイズされたダイアルイン反射防止特性を得ることができる処方されたガス状混合体を使用して堆積させることができる。ＢＡＲＣ堆積のための方法を遂行するように構成されている本発明の若干の実施の形態は、フィルム堆積手順に続いてウェーハを堆積チャンバから取り除いた後に、チャンバクリーニングステップを含むことができることに注目されたい。
【００２１】
プラズマ処理チャンバは、所望の基体表面処理及び薄層堆積を遂行するために、種々の方法で変更し、構成することができる。オプションとしてのプロセス変数の若干の例は、プラズマを生成するために例えば400ｋＨｚ、2.0ＭＨｚ、13.56ＭＨｚ、及び他の周波数のような、種々の選択された高周波数を含むことができる。シャワーヘッドアセンブリ、または本発明を遂行するために使用される他のプラズマ生成設備へ供給される電力も約200ｍｍウェーハ処理チャンバのために約20Ｗから1,000Ｗまでの範囲の、または300ｍｍウェーハのために構成されたチャンバのためにはより高い出力を供給するように選択することができる。同様に、シャワーヘッド反応器の直径は、バッチまたは単一の何れかのウェーハを処理するように、処理されるウェーハのサイズによって決定することができる。若干の応用の場合には、ウェーハトラックシステム内の熱モジュール内のホットプレート上の基体ウェーハを約100℃から約400℃までの種々の範囲内の所定の温度に入るように加熱することも望ましいであろう。シャワーヘッドとウェーハとの間の距離または間隔も、約５ｍｍから20ｍｍの望ましい範囲で選択することができる。この高さはプラズマチャンバ設計にとって重要なパラメータであり、特定の設計に関してチャンバ容積及び表面対容積比を変化させる。プラズマとウェーハ表面との間の相互作用の程度に強く影響することが知られている滞留時間を相応に調整することができる。更に、半導体ウェーハ基体を、上述した種々のプロセスガス組成から形成されるプラズマに曝すことができる。ガス組成またはその成分をプラズマ処理チャンバ内へ導入し、約１乃至15トルのような所望の圧力範囲に維持することができる。選択されたガス流量は、約100乃至15,000ｓｃｃｍ（200ｍｍウェーハ処理チャンバの場合）の範囲の所望のガス状混合体を達成するように選択することができる。プロセス曝露時間は、所望の効果及び上述した変数に従って変更することができる。更に、本発明の若干の実施の形態は、処理チャンバと、高真空源、及び転送アームを有する２スタック式チャンバロードロックのような真空ロードロックインタフェースとの接続を含むことができる。このような設備は、やや高度の複雑さを含み、本明細書が参照している1998年12月30日付米国特許出願第09/223,111号“ウェーハ処理装置”に開示されているように隣接カセットエンドステーション（ＣＥＳ）領域内に組込むことができるウェーハトラックシステムを越える空間を占める可能性がある。300ｍｍウェーハ処理チャンバ及び他の望まれる応用に対して、プラズマプロセスチャンバを構成するためのこれらの、及び他の変数を適切にスケーリングできることは理解できよう。
【００２２】
本発明が使用する化学物質は、非毒性であって環境にやさしいことが好ましい。図２に示すように、コントローラ２７及び一連の弁２３または他の質量輸送デバイスは、酸素、ヘリウム、メタン、水素、その他のガスのような種々のガス源２１からの流れを調整することができる。これらの物質は、ＨＭＤＳとは異なり、容易且つ便利な流出破棄手順及び取扱いを提供することができる。本発明によってプラズマ堆積される材料は比較的安価であり、複数の供給先から容易に入手することが可能である。更に、これらの材料は比較的長い保存期間を有しており、質量流コントローラを使用してプロセスチャンバへ便利に且つ安価に送給することができる。ＨＭＤＳ蒸気を分配するシステムを使用する場合とは異なり、ポンプまたはバブラーは必要ではない。プラズマ成分の化学比を制御することによって、異なるガス状組成を選択して表面処理及び／または薄膜堆積を発生させることができる。更に、実際に、表面プライミング及び反射防止被膜の形成に関する全ての選択された要求に対して、単一のセットのガス状化学物質を供給することができる。当業者には、本明細書から広範な可能プロセス変数代替及び化学的処方が明白であろう。以下の例は、本発明の原理を説明するための単なる例示に過ぎず、本発明の範囲を限定する意図がないことを理解されたい。
【００２３】
基体表面変更
本発明の一面は、ＨＭＤＳ蒸気プライム処理に比してより環境にやさしい代替を提供する。プラズマ表面プライム応用の場合、本発明は、化学的に増幅されたフォトレジストの健康に及ぼす危険性、及びＨＭＤＳの毒作用の可能性を大幅に低下させる。ウェーハ上に比較的疎水性の領域を形成する重要な目的の１つは、表面上に形成されたフォトレジスト被膜に悪影響を及ぼすことなく、その表面を変更することである。この表面変更処理中に本発明に従ってプラズマを処理チャンバ内へ導入し、所望の集積回路フィルム特性に悪影響を与えることなく、親水性である表面シラノールグループを安定な疎水性表面に変換することができる。シラノールグループに関連する化学結合エネルギは、概ね以下のようである。（１）−Ｏ-Ｈ結合の場合、約5.1ｅＶ（243ｎｍ光子に関連するエネルギに対応する）、及び（２）−Ｓi-Ｏ結合の場合、約5.8ｅＶ。−Ｓi-Ｏ結合は異常に強く（例えば、メタン内の−Ｃ-Ｈ共有結合強度は、約4.5ｅＶ）、従って化学的相互作用に対して最も影響を受け易いのはシラノール内の水素・酸素結合である。
【００２４】
本発明の好ましい実施の形態によれば、ウェーハトラックシステム内に組込まれている処理チャンバ２０内においてヘリウムをベースとするプラズマにウェーハ表面を曝すことができる。提唱するアプローチの若干に関連しているエネルギが比較的高いので、特定の基体温度は臨界的ではあり得ない。好ましいアプローチにおいては、表面処理中のウェーハ温度は、主としてウェーハ表面を予備脱水するのに蒸気プライムにおいて一般的に使用されている約130−150℃の温度に類似する温度である。ウェーハ表面は、（１）プラズマ処理チャンバ内に配置する前に、ウェーハトラックシステム内の熱モジュールにおいて加熱し、（２）低エネルギヘリウムプラズマに一時的に曝し、そして（３）その上にフォトレジストを被膜する前に、チルプレート上で冷却することができる。しかしながら、ウェーハは、ヘリウムプラズマに曝す前に、プラズマ処理チャンバ内のホットプレート上で加熱することが好ましい。ヘリウムプラズマ処方は、約0.5％から５％までの範囲の比較的低濃度のメタンを含むことができ、またオプションとして、約0.5％から５％までの範囲の比較的低濃度の水素を含むこともできる。ヘリウムプラズマは、真空紫外放射の生成及びウェーハ表面の穏やかな衝撃を含む複数の目的を達成する。一般的に、ヘリウムプラズマは比較的極めて安定である。ヘリウムの比較的低い原子質量を含む種々の要因の故に、ウェーハ表面のプラズマ衝撃は比較的穏やかであり、更に、シラノール水素への運動量の転移は、それらの間の質量が概ね一致しているので比較的効率的である。
【００２５】
ヘリウムの他に比較的低濃度のメタンを付加し、高度に反応性のメチレン遊離基、並びに高度に反応性のメチル遊離基を得ることができる。また比較的低濃度の水素は、放出される殆どの真空紫外放射を発生させ、有機ポリマーがチャンバ壁に堆積するのを阻止することができる。低濃度の水素を含む高周波ヘリウムプラズマは、主として10.22ｅＶの光子エネルギに対応する121.5ｎｍの水素ライマンα放射（原子水素の第１電子励起状態から接地電子状態への電子移動によって生成される）を放出することが知られている。これらのエネルギを持った光子は、表面シラノールグループを解離させることができる。またこれらのエネルギを持った真空紫外光子は、メタンと効率的に化学作用（即ち、光分解）し、主としてメチレン遊離基及び分子水素を発生する。即ち、
ＣＨ4＋ｈν→ＣＨ2＋Ｈ2*
但し、Ｈ2*は励起状態の分子水素を表す。
【００２６】
光分解反応に加えて、このようなメタンを含むガス状プラズマにおける主要な非光分解化学反応は、正にイオン化した種の他に、
ＣＨ4→ＣＨ3＋Ｈ
ＣＨ4→ＣＨ2＋Ｈ2*
を含む（電子捕獲による負イオン形成が出現する確率は、無視できる程度である）。ＣＨ2（1Σ）は、メチレン遊離基を分子内に挿入できる程高度に反応的であることが知られている。メチレン遊離基はシラノールグループと反応（水素と酸素との間に挿入）して−Ｓi-Ｏ-ＣＨを形成し、表面グループを疎水性にする。更に、メチル遊離基（ＣＨ3）は不安定な−Ｓi-Ｏ-表面懸垂結合と異質的に組合わせることができ、疎水性の−Ｓi-Ｏ-ＣＨ3表面グループを形成させることができる。
【００２７】
本発明によって選択された応用のために最適なプラズマガス組成を処方し、特定的に計画された実験によって決定することができる。若干の関連プロセス変数及びパラメータは、プラズマ周波数（例えば、400ｋＨｚ、2.0ＭＨｚ、13.56ＭＨｚ）、プラズマ電力（例えば、約200−2,000Ｗ）、ウェーハ温度（約100−400℃の範囲内においては臨界的ではない）、プロセスガス組成（単一の組成、または２またはそれ以上の組成の配列）、プロセスガス圧及び流量、シャワーヘッド／ウェーハ間隔、プロセス曝露時間を含む。本発明の好ましい実施の形態は、次のものを含む任意のプロセス変数から導出することができる。
【００２８】
［表１］
ウェーハ温度：                  100−400℃（好ましくは、130−150℃）
プロセスガス：                  98％Ｈｅ／１％ＣＨ4／１％Ｈ2
プロセス圧力：                  〜３トル（〜400パスカル）
プロセスガス流量：              〜2,000ｓｃｃｍ
シャワーヘッド・ウェーハ間隔：  〜10ｍｍ
プラズマ電力：                  50−500Ｗ
プラズマ曝露時間：              〜15秒
【００２９】
多くの蒸気プライム応用にとって、比較的低いプラズマ電力レベルで十分である。
【００３０】
上述したプラズマをベースとする表面プライム処理及び方法は、ＨＭＤＳ蒸気プライム処理に比して多くの長所を提供する。上述したヘリウムをベースとする混合体のようなこれらのプラズマ処方を、危険な化学物質の取扱い及び破棄手順を必要とする毒性ＨＭＤＳの使用と置換することができる。代わりとして、比較的無毒の、不燃性の化学物質が選択されており、これは取扱いが比較的容易である。更に、通常は深ＵＶフォトレジスト現像を危険に曝す陽子受容体が、このような展開に影響しない化学物質に置換されている。また、表面プライムプロセスの開発のためにより頑強なプロセスが提供され、これはフォトレジスト“フッティング”を抑圧するのを援助することができる。また更に、プラズマプロセスは、157ｎｍレジストの付着力（上述したようにしなければ、かろうじて受入れ可能な付着力しか呈さない）を改善する機会を提供することができる。本発明によれば、プラズマ生成反応器及び設備の必要性、及び小型で比較的安価な使用ポンプの利用可能な乾燥統合点（ＩＰＵＰ）のような十分な真空環境を創出する必要性を含むハードウェアの複雑さがある程度増加するにしても、それらを大幅に上回る上述した、及び他の長所を有している。プラズマ処理チャンバを用いることを斟酌すべき他の付加的な問題は真空中でのウェーハの滑りを防ぐ必要性を含むが、これらはウェーハをロードした後に上昇させることができるピンをウェーハ周辺に配置し、使用することによって対処することができる。
【００３１】
所望の結果を得るために、表面プライム処理を用いてある付加的な実験を遂行できることを理解されたい。例えば、集積回路フィルム特性に対する潜在的な効果について、典型的なトランジスタゲート絶縁体に放射損傷を誘起させ、それによって重大なフラットバンド電圧シフトをもたらすには、ウェーハ位置において数10ｍＷ／ｃｍ2程度、及び1014光子／ｃｍ2の範囲内の総合光子束の高真空紫外放射照度で十分である。照射中に基体温度を高くすると損傷は改善されるが、これらの、及び他のプロセス変数は、トランジスタゲート絶縁体フラットバンド電圧シフト及びゲート漏洩の増加（何れのイベントにおいてもトランジスタのゲート漏洩は新世代超薄ゲート絶縁体フィルムにとって問題である）を回避するように慎重に選択することができる。適用可能なキープロセス変数についてのウェーハ表面プライム処理プロセスパラメータを最適化するために、反復多変数実験設計を使用することができる。望ましいプロセスパラメータを評価する上で、種々のウェーハ型を選択することができる。ウェーハ表面プライム処理評価ステップ（殆どのステップは、熱成長させた薄い（〜15ｎｍ）酸化物を有する市販の低抵抗ｐ++を使用して遂行することができる）は、（１）水滴濡れ角、（２）スピンオンフィルム付着力、（３）化学分析のための電子分光法（ＥＳＣＡ）、ウェーハ表面の分析化学試験、（４）可能なフラットバンド電圧シフトを探すためのＣ-Ｖ水銀プローブを使用するＣ-Ｖ測定、及び（５）ウェーハ及び電気試験を使用するゲート漏洩特性を含む。他の技術開発は、短波長紫外放射への曝露だけを使用する（プラズマに直接曝露させない）プロセスを含むことができ、これらのプロセスは平行評価することができる。これらのプロセスは、関心波長に対して透明な窓を通して短波長紫外放射にウェーハ表面を曝露する。最短波長（水素ライマンα放射を近似する例えばクリプトンの123.6ｎｍ共鳴放射線）はフッ化リチウム窓を通して伝送することができ、中間ＵＶ波長はフッ化カルシウムまたはフッ化マグネシウム窓を通して伝送することができ、そしてより長いＵＶ波長は極めて純粋な溶融シリカを通して伝送することができる。ウェーハ表面に接触する環境は、真空、ヘリウム、または上述したプラズマプロセスに類似する低圧メタンまたはメタン／水素であることができる。放射をメタンによって吸収させるような、メタンを含むガス状環境の場合には、光源からの距離が増加すると光強度が指数的に低下するので、光源をウェーハに比較的接近させて配置する必要がある。また、ウェーハ表面全体に完全に均一に分配される照度が必要である。プロセスの不変性を脅かす要因には、窓が暗くなること、及び／または窓上への堆積が原因でウェーハレベルに到達するＵＶ放射照度が低下することが含まれる。これらの、及び他の要因は、本発明によるプラズマ処理チャンバをウェーハトラック内に組込むという総合目的と引き替えにして釣り合いをとることができ、これは主要な、且つ可能な最重要検討問題である。
【００３２】
ＰＥＣＶＤ  ＢＡＲＣモジュール
本発明の別の面による底反射防止被膜（ＢＡＲＣ）プロセスのために、種々のプラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）応用が用いられる。これらのプラズマプロセスは高度に順応性の被膜を生成させ、臨界寸法（ＣＤ）制御を改善する。プラズマ成分の混合体を制御することによって、本発明はカストマイズされた“ダイアルイン”反射防止特性を提供することができる。本発明のこの面は、広範に利用可能な、そして取扱いが容易な無毒の１または複数のガス状化学物質源から、所望の光学定数（例えば、屈折率、露光波長における吸光係数）を有する処方をダイアルイン、即ち設計することができるという長所を提供する。例えば、ＢＡＲＣフィルムは、部分的に共役したポリエン構造からなることができる。また更に、フィルム内への深さの関数として調整された光学定数を有するフィルムをプラズマによって堆積させることが可能である。適切にグレード分けされた光学定数を有するフィルムは（または、適当なマルチプライ・ステップド光学定数を有するフィルムであっても）、均一な光学定数を有するフィルムよりも改善された反射防止特性を提供することができる。光学定数をグレード分けされたフィルムは、フィルムが堆積されるにつれてガス組成を制御することによって堆積させることができるが、これは質量流が制御された少なくとも２つの分離したガス供給源を必要とする。本発明の一実施の形態は、有機ＢＡＲＣ堆積のための、約25−75％のアセチレン（Ｃ2Ｈ2）、０−50％のアレン（ＣＨ2ＣＣＨ2）、及び25−75％の二酸化炭素（ＣＯ2）からなる好ましいガス処方を含む。本発明による若干の応用のために、これらの成分の他の比及び百分率を選択することができる。
【００３３】
上述した他のプラズマ処理チャンバ２０を用いるが、ＢＡＲＣフィルムのプラズマ強化された堆積が可能な、ウェーハトラックに組込むことができる装置及びプロセスを開発することができる。本発明のより好ましい、且つスペースを節約する実施の形態は、上述したウェーハ表面プライム処理、及び／またはＢＡＲＣ堆積を遂行するように構成することができるプラズマチャンバを含む。プラズマチャンバは、ウェーハトラック内の熱モジュールのスタック内に約６インチの領域を占有し得る。従って、スピンオンＢＡＲＣを遂行するために単独で専用されるモジュール、またはスタンドアロン設備の代わりに、蒸気プライムウェーハ表面処理を更に遂行する便利な、且つ改善されたプラズマ処理モジュールを既存ウェーハトラックシステム内に組込むことができる。ＢＡＲＣ堆積だけの場合には、先行ウェーハ表面プライム処理の必要は排除され、多目的チャンバの機能を維持することができる。本発明は、ウェーハ表面プライム処理、及び／またはＢＡＲＣ  ＰＥＣＶＤ（ＢＡＲＣ  ＰＥＣＶＤを含むようにアップグレードされる先に選択されたウェーハ表面プライム処理の便利な変換のための継続するオプションを含む）の何れかの選択を提供する。更にＰＥＣＶＤ  ＢＡＲＣは、スピンオンＢＡＲＣよりも実質的に良好にフィーチャの輪郭を明確に限定する傾向がある。プラズマ強化処理によって提供される他の長所は、多くの現存スピンオンＢＡＲＣ技術を用いるが、付加的な堆積後の高温ホットプレートベーキングステップを排除することを更に含む。ＢＡＲＣ堆積の好ましい方法は、半導体ウェーハを、ウェーハトラック環境内のモジュールのスタック内に位置決めされているプラズマチャンバ２０内へ導入するステップと、半導体ウェーハを、ＢＡＲＣ堆積のようなウェーハ処理手順を遂行するためにプラズマに曝すステップと、次いで、半導体ウェーハをホットプレート上で加熱するステップとからなることができる。各有機ＰＥＣＶＤ  ＢＡＲＣフィルム堆積に続き、堆積チャンバ内から堆積物を清浄するために、酸素プラズマを使用して堆積チャンバクリーニングステップを遂行することが好ましい。酸素プラズマは、フッ素をベースとする堆積チャンバ清浄化を必要とする無機ＢＡＲＣのために使用されるプロセスよりも実施が容易であり、且つ安価である。
【００３４】
本発明によって提供されるＢＡＲＣプラズマ堆積チャンバは、優れたフィルム厚及び均一な光学定数を有するフィルムを堆積させることができる。これらの要望は、特に300ｍｍウェーハ応用に対する要望であることができる（これらの応用は、大きい面積に均一の厚みに堆積されたフィルムを発生させるために、ウェーハ表面全体への最適ガス状化学的先駆物質の分配、及び均一なプラズマ電力の印加の両方を遂行する上で優れたシャワーヘッド設計を必要とすることが多い）。ＢＡＲＣプロセス開発には、n&k Technology, Inc.（カリフォルニア州サンタクララ）製の、またはSopra（マサチューセッツ州ウェストフォード）製の特別なエリプソメータのような適当な度量衡ツールを必要とし得る。
【００３５】
本発明の別の面は、ウェーハトラック環境内において半導体ウェーハまたは基体を処理する種々の方法を提供する。図３に示すように、表面プライム処理のようなウェーハ処理手順は、先ず前述したようなプラズマ処理チャンバ２０を選択することから開始される。処理チャンバは、ウェーハトラック処理ステーションまたはセルの熱スタック内に配置するように構成する。ウェーハをチャンバ内に位置決めし、チャンバ内に配置されているホットプレート上に載せて所望の基体温度または温度範囲までウェーハを加熱する。同時に、または加熱の後に、チャンバを排気する。ヘリウムのような予め選択されたガス状物質の混合体から導出したプラズマを生成させて処理チャンバ内へ導入する。ガスの組合わせを調整するために、種々の質量輸送制御デバイス及び導管を選択することができる。ガスは、処理チャンバ内の平行プレートシャワーヘッド電極アセンブリのようなプラズマ生成デバイスによってイオン化する。次いで、処理チャンバ内の半導体ウェーハ表面をプラズマに曝し、表面プライム処理、または他の所望の表面変更を遂行する。所望の表面処理の後に、ガス流及び／またはプラズマの流れを止める。プロセスチャンバは、処理された半導体ウェーハまたは基体を取り出す前に、通常の大気圧に戻すことができる。
【００３６】
図４は、ＢＡＲＣフィルムまたは被膜を堆積させるための方法を提供する本発明の更に別の実施の形態を示している。ＢＡＲＣ堆積を遂行するためには、上述したように、先ずウェーハトラックプラズマ処理チャンバ２０を選択する。ＢＡＲＣ堆積プロセスを完了させるために、同一チャンバ内において半導体ウェーハをホットプレート上で加熱する。アセチレン、アレン、及び二酸化炭素のような種々のガス状物質を選択して、所望の光学特性を達成させる。処理チャンバ内で露出されている半導体ウェーハ表面と反応する有機ＢＡＲＣ処理プラズマを形成させるために、ガス処方をイオン化させる。所望の結果を達成するために、これらの、及び他の方法を組合わせる、及び／または置換することができることを理解されたい。
【００３７】
以上に本発明を詳細に説明したが、好ましい実施の形態の説明は本発明を限定する意図の下になされたものではない。本発明の全ての面は、種々の条件及び変数に依存する特定の記述、構成、または相対的な割合に限定されるものではないことを理解されたい。当業者には、以上の説明から本発明の実施の形態の形状及び詳細の種々の変更、並びに本発明の他の変化が明白であろう。従って、特許請求の範囲はこれらの変更、変化、または等価の何れをもカバーすることを企図するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】ウェーハトラックシステムのレイアウトを示す概要図である。
【図２】ウェーハ基体表面を表面プライム処理し、反射防止被膜及び／または他の処理物質をプラズマ堆積させるために、本発明の種々の面により構成することができるプラズマ処理チャンバの簡易断面図である。
【図３】本発明の別の面により提供されるプラズマ処理方法のフロー図である。
【図４】本発明の更に別の面により提供されるプラズマ処理方法のフロー図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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