DE19500162C2

DE19500162C2 - Plasmaveraschungsverfahren mit Sauerstoffbehandlung

Info

Publication number: DE19500162C2
Application number: DE19500162A
Authority: DE
Inventors: Satoru Mihara; Daisuke Komada
Original assignee: Fujitsu VLSI Ltd; Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu VLSI Ltd; Fujitsu Ltd
Priority date: 1994-02-03
Filing date: 1995-01-04
Publication date: 2001-03-29
Anticipated expiration: 2015-01-05
Also published as: US5560803A; FR2715742A1; KR0175688B1; DE19500162A1; TW269049B; FR2715742B1; JPH07221075A; KR950025841A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ver fahren zum Plasmaveraschen von Resistmaterial auf Halbleiter wafern, und genauer auf ein Verfahren zum Veraschen von Fotoresist mit Sauerstoffvorbehandlung einer Reaktions kammer.

BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK

Es ist bekannt, daß das Hinzufügen von Wasserdampf zu einem Sauerstoffplasma die Veraschungsrate im allgemeinen verstärkt und besonders bei einer Veraschung in einer Reaktionskammer des stromabwärtigen Typs zusätzliche günstige Wirkungen auf das Veraschen von Fotoresist auf Halbleiterwafern hat, wie zum Beispiel im wesentlichen kein chemisches Ätzen der Halbleiterwafers und keine Korrosion von Aluminiumzwischenverbindungen. Instabilität der Veraschungsrate ist ein Nachteil der Veraschung in einem stromabwärtigen Typ durch ein Sauerstoffplasma mit Zusatz von Wasserdampf. Es wird angenommen, daß die Instabilität mit Sorptions- und Desorptionsprozessen von Wassermolekülen an der Innenwand der Reaktionskammer zusammenhängt. Fig. 1 zeigt Veränderungen der Veraschungsrate ab dem Anfangswert, nachdem die Reaktionskammer zur Reparatur und Wartung der Atmosphäre ausgesetzt war, trotz der Tatsache, daß die Kammer vor dem Veraschen evakuiert wurde. Es sind Versuche unternommen worden, die Veraschungsrate zu stabilisieren, wie durch ein Sauerstoffplasma, dem ein Veraschungsprozeß folgt, oder durch Steuern einer Oberflächentemperatur der Innenwand der Reaktionskammer. Jedoch hat jeder der Versuche zum Stabilisieren der Veraschungsrate fehlgeschlagen. Zum Beispiel hat eine Vorbehandlung durch das Sauerstoffplasma die Veraschungsrate vorübergehend tatsächlich wiederhergestellt, wie in Fig. 2 gezeigt, sie wird aber nicht aufrecht erhalten, da die Oberflächentemperatur der Innenwand der Reaktionskammer durch das Sauerstoffplasma selbst angehoben wird, wodurch die Veraschungsrate schließlich zurückgeht.

Aus der US 5 294 292 ist es bekannt, einen Wafer mit einem darauf vorgesehenen organischen Material in eine Reaktions kammer einzuführen, die Reaktionskammer dann zu schließen und die in der Reaktionshammer enthaltene Luft zu evakuie ren, ferner die Reaktionskammer dann mit einem Veraschungs gas zu füllen und schließlich ein Plasma dadurch zu er zeugen, indem Hochfrequenzenergie zugeführt wird, so daß dann die Veraschung des organischen Materials auf dem Wafer erfolgt.

Aus der JP 63-265428 A2 ist es bekannt, den Druck eines Veraschungsgases in einer Reaktionskammer ausreichend hoch zu halten, um zu verhindern, daß Lösungsmittel aus einem Resist bei der Veraschungsbehandlung verdampfen und sich auf der Innennwand der Reaktionskammer niederschlagen.

Aus der US 5 269 881 ist es bekannt und auch in Fig. 1 gezeigt, daß die Innenwand 90 einer Reaktionskammer 50 dadurch gereinigt werden kann, indem eine Hochfrequenz energie in ein Ätzgas in der Reaktionskammer eingeführt wird, in der ein Wafer 20 direkt einem Plasma zwischen einem Paar paralleler Elektroden 61, 71 ausgesetzt ist.

Aus der JP 4-150014 A2 (Abstract) ist es bekannt, die Wände einer Reaktionskammer mit Hilfe von HF Energie (13,56 Mhz) zu erhitzen, um die Zahl der Staubteilchen zu vermindern. Wie sich aus dem Abstract entnehmen läßt, handelt es sich hierbei um ein Veraschungsgerät vom Tonnentyp (barrel type), in dem ein Wafer einem Plasma ausgesetzt wird.

Die JP 5-3175 A2 (Abstract) beschreibt eine Einrichtung, mit der es möglich sein soll eine einheitliche Veraschung und Ätzung zu erreichen, wobei eine Gasströmung während des Ver aschungsvorganges und Ätzvorganges so gestaltet wird, daß sie homogen verläuft.

Aus der JP 4-242920 A2 (Abstract) ist es bekannt, daß zur Stabiliserung der Veraschungsrate ein Sauerstoffgas mit/ohne Wasserdampf verwendet wird. Ein Sauerstoffgas, welches mit Wasserdampf vermischt ist, verursacht eine Adsorption von Wassermolekülen an der Innenseitenwand der Reaktionskammer, wohingegen die Erzeugung des Plasmas in dem Sauerstoffgas ohne den Wasserdampf eine Desorption von Wassermolekülen in die Dampfphase bewirkt.

Aus der US 5 127 987 ist ein Ätzsystem bekannt, welches drei Kammern umfaßt und zwar eine Veraschungskammer, eine Ätzkammer und eine Nachbehandlungskammer, um einen Kontakt von Luft aus der umgebenden Atmosphäre mit einem Wafer zu vermeiden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, bei dem die Veraschungsrate stabilisiert wird, und zwar selbst nachdem Luft aus der umgebenden Atmosphäre umfangreich oder nur geringfügig in die Plasmareaktions kammer eingedrungen ist.

de Gas kann die Veraschungsrate stabilisieren, selbst nachdem die Plasmareaktionskammer der Atmosphäre ausgesetzt war.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die vorliegende Erfindung wird aus der folgenden Beschreibung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen ersichtlicher, in denen:

Fig. 1 die Zeitabhängigkeit der Veraschungsrate durch ein Gasgemisch aus Sauerstoff und Wasserdampf mit Vakuumvor behandlung für jede Veraschung gemäß einem typischen Stand der Technik zeigt, nachdem die Reaktionskammer der Atmosphä re ausgesetzt war.

Die Veraschungsrate nimmt mit der Veraschungszeit allmählich ab.

Fig. 2 die Zeitabhängigkeit der Veraschungsrate mit Vakuumvorbehandlung für die Veraschung gemäß einem typischen Stand der Technik zeigt, nachdem die Reaktionskammer der Atmosphäre ausgesetzt war. Eine Vorbehandlung durch Sauer stoffplasma stellt die Veraschungsrate nur vorübergehend wieder her.

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Plasmareak tionssystems zum Veraschen von Fotoresist auf einem Wafer gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Erste und zweite Reaktionskammern 2, 5 sind mit einer Wafertransferkammer 4 durch erste bzw. zweite vakuumdichte Ventile 3, 6 verbunden.

Fig. 4 eine Querschnittsansicht von einer Veraschungs vorrichtung des stromabwärtigen Typs gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Eine Plasmareaktionskammer 22 ist von einer Plasmaerzeugungskammer 24 durch einen Duschkopf 23 getrennt, durch den nur neutrale reaktive Arten einen zu veraschenden Resist auf einem Wafer 21 erreichen können.

Fig. 5 die Zeitabhängigkeit der Veraschungsrate für die erste Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Nachdem die Reaktionskammer der Atmosphäre ausgesetzt war, schließen sich an eine Vakuumvorbehandlung Sauerstoff ströme an. Die Sauerstoffströme stellen die Veraschungsrate allmählich wieder her.

Fig. 6 die Zeitabhängigkeit der Veraschungsrate für die zweite Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Nachdem die Reaktionskammer der Atmosphäre ausgesetzt war, schließt sich an eine Vakuumvorbehandlung das Ein strömen eines Gasgemischs aus Sauerstoff (90%) und Wasser dampf (10%) an. Ströme des Gasgemischs stellen die Ver aschungsrate ähnlich wie die Sauerstoffströme wieder her.

Fig. 7 die Zeitabhängigkeit der Veraschungsrate für die dritte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Nachdem die Reaktionskammer der Atmosphäre ausgesetzt war, schließt sich an eine Vakuumvorbehandlung ein Sauer stoffplasma und im Anschluß daran das Einströmen eines Sauerstoffgases an. Ströme des Sauerstoffgases erhalten die hohe anfängliche Veraschungsrate aufrecht.

Fig. 8 die Zeitabhängigkeit der Veraschungsrate für die vierte Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Nachdem die Reaktionskammer der Atmosphäre ausgesetzt war, schließt sich an eine Vakuumvorbehandlung ein Sauer stoffplasma und im Anschluß daran das Einströmen eines Gasgemischs aus Sauerstoff (90%) und Wasserdampf (10%) an. Ströme des Gasgemischs erhalten die hohe anfängliche Ver aschungsrate aufrecht.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

In den folgenden Ausführungsformen wurde die Ver aschungsvorrichtung des stromabwärtigen Typs verwendet, wie in Fig. 4 gezeigt. Ein Wafer 21 mit einem zu veraschenden Resistmaterial wurde auf einer Waferbühne 20 angeordnet, die auf eine Temperatur von 220°C aufgeheizt war. Eine Mikrowellenleistung von 1,5 kW bei 13,56 MHz wurde einer Plasmaerzeugungskammer 24 durch kammer 22 war von der Plasmaerzeugungskammer 24 durch einen Duschkopf 23 abgetrennt, durch den nur neutrale reaktive Arten den Wafer 21 erreichen konnten. Der Wafer 21 wurde mit solch einem Abstand von dem Duschkopf 23 entfernt angeord net, daß in die Plasmareaktionskammer 23 austretende Ionen oder Mikrowellen ausreichend niedergingen. Veraschungs bedingungen und die Vorbehandlung durch einen Sauerstoff strom, um die Veraschungsrate zu messen, waren bei allen Ausführungsformen dieselben, wie in TABELLE 1 gezeigt, wenn nicht anders angegeben.

In der ersten Ausführungsform wurde die Reaktionskammer bis hinab auf einen Druck von 0,13 Pa evakuiert (1 Torr ~ 133 Pa), nachdem sie der Atmosphäre ausgesetzt worden war, und die Anfangsveraschung durch ein Gasgemisch aus Sauerstoff und Wasserdampf führte zu einem Rückgang der Veraschungsrate aus demselben Grund wie bei dem Stand der Technik, und dann wurde ein neutrales Sauerstoffgas fünf Minuten lang mit einer Strömungsrate von 1000 sccm und einem Druck von 0,13 Pa in die Reaktionskammer geleitet. Wie in Fig. 5 gezeigt, wurde die Veraschungsrate durch drei Sätze von konsekutiven Sauerstoffströmen allmählich wiederherge stellt, wobei jedem von ihnen unmittelbar eine Veraschungs operation folgte, um die Veraschungsrate zu messen. Tabelle 1 unten zeigt die bevorzugten Betriebsbedingungen.

TABELLE 1

In der zweiten Ausführungsform wurde nach dem Rückgang der Veraschungsrate aus demselben Grund wie in der ersten Ausführungsform das Prozeßgas aus Sauerstoff (90 Vol.-%) und Wasserdampf (10 Vol.-%) fünf Minuten lang mit einer Strö mungsrate von 900 sccm für Sauerstoff und 100 sccm für Wasserdampf (10%) und mit einem Druck von ~133 Pa vor jedem Veraschen eingeleitet.

Die Veraschungsrate wurde durch drei konsekutive Sätze von Prozeßgasströmen allmählich wiederhergestellt, wie in Fig. 6 gezeigt, wobei jedem von ihnen unmittelbar eine Veraschungsoperation folgte, um die Veraschungsrate zu messen.

In der dritten Ausführungsform wurde dieselbe Folge von Operationen wie in Fig. 2 bis zum Ende des Sauerstoffplasmas von 60 Sekunden ausgeführt, und anschließend erfolgten drei konsekutive Sätze eines Sauerstoffstroms und eine Ver aschungsoperation, um die Veraschungsrate zu messen. Das in Fig. 7 gezeigte Resultat zeigt nach dem Sauerstoffplasma, anders als in Fig. 2, keinen Rückgang an.

In der vierten Ausführungsform wurde der Sauerstoff in der dritten Ausführungsform einfach durch ein Veraschungs prozeßgas aus Sauerstoff (90 Vol.-%) und Wasserdampf (10 Vol.-%) ersetzt. Das in Fig. 8 gezeigte Resultat ist im wesentlichen dasselbe wie jenes der dritten Ausführungsform.

In der fünften Ausführungsform zeigt Fig. 3 das Plasma reaktionssystem für die vorliegende Ausführungsform mit der ersten Plasmareaktionskammer 2, der zweiten Plasmareaktions kammer 5, der ersten Wafertransferkammer 1, der zweiten Wafertransferkammer 4 und der dritten Wafertransferkammer 7. Jede der Wafertransferkammern hat zwei vakuumdichte Ventile. Die vakuumdichten Ventile 8 und 9 sind zwischen der ersten Wafertransferkammer und der Atmosphäre bzw. der ersten Plasmareaktionskammer 2 angeordnet. Die vakuumdichten Ventile 3 und 6 sind zwischen der zweiten Wafertransferkam mer und der ersten Plasmareaktionskammer 2 bzw. der zweiten Plasmareaktionskammer 5 angeordnet. Die vakuumdichten Ventile 10 und 11 sind zwischen der dritten Wafertrans ferkammer 7 und der zweiten Plasmareaktionskammer 5 bzw. der Atmosphäre angeordnet. Alle Kammern können durch ein Vakuum system evakuiert werden. Wenn bei Betrieb ein Wafer aus der Atmosphäre in die erste Wafertransferkammer 1 kam, war das Ventil 8 offen und 9 geschlossen. Nachdem die erste Wafer transferkammer 1 ausreichend evakuiert war, wurde der Wafer in die erste Plasmareaktionskammer 2 transportiert, wobei das Ventil 8 geschlossen und das Ventil 9 offen war. Diese Ladeschleusenfolge verhinderte, daß die Luft in die erste Plasmareaktionskammer 2 eintrat, in der Halogenidgase zum Ätzen von Metallschichten auf dem Wafer verwendet wurden. Nachdem die Metallschichten durch Halogenidgase geätzt waren, um Zwischenverbindungsmuster zu bilden, wurde der Wafer in die Wafertransferkammer 4 transportiert, wobei das Ventil 3 offen und das Ventil 6 geschlossen war, und dann in die zweite Plasmareaktionskammer 5, wobei das Ventil 3 geschlossen und das Ventil 6 offen war. Diese Folge verhin derte, daß Halogenidgase in die zweite Plasmareaktionskammer 5 eintraten. Gewöhnlich dauert es 180 s, um den Wafer aus der ersten Plasmareaktionskammer 2 in die zweite Plasmareak tionskammer 5 zu transportieren. Gemäß der fünften Aus führungsform der vorliegenden Erfindung wurde unmittelbar vor dem Öffnen des Ventils 6, um den Wafer aus der zweiten Wafertransferkammer 4 in die zweite Plasmareaktionskammer 5 zu transportieren, das Veraschungsprozeßgas 170 s lang in die zweite Plasmareaktionskammer 5 geleitet. Danach wurde der Wafer zum Veraschen in die zweite Plasmareaktionskammer 5 transportiert. Der veraschte Wafer wurde in die dritte Wafertransferkammer 7 transportiert, wobei das Ventil 10 offen und das Ventil 11 geschlossen war, und dann gelangte der Wafer aus der dritten Wafertransferkammer 7 in die Atmosphäre, wobei das Ventil 10 geschlossen und das Ventil 11 offen war, wodurch verhindert wurde, daß die Luft in die zweite Plasmareaktionskammer 5 eintrat. Ein beachtenswertes Merkmal in dieser Ausführungsform ist, daß die Verringerung der Veraschungsrate ähnlich wie bei der ersten Ausführungs form und ohne Veränderung der herkömmlichen Zeitfolge der Prozesse verhindert wurde.

In der sechsten Ausführungsform wurde, nachdem Alumini um-Kupfer-Titan-Schichten auf einem Wafer in der ersten Plasmareaktionskammer 2 des in Fig. 3 gezeigten Plasmareak tionssystems sukzessive geätzt wurden, um Zwischenverbin dungsmuster zu bilden, der Wafer in die Wafertransferkammer 4 transportiert, wobei das Ventil 3 offen und das Ventil 6 geschlossen war, und dann in die zweite Plasmareaktions kammer 5, wobei das Ventil 3 geschlossen und das Ventil 6 offen war. Ähnlich wie bei der fünften Ausführungsform wurde das Prozeßgas mit einer Strömungsrate von 1000 sccm und ~133 Pa 170 s lang in die zweite Plasmareaktionskammer 5 geleitet, unmittelbar bevor das Ventil 6 geöffnet wurde, um den Wafer aus der Wafertransferkammer 4 in die zweite Plasmareaktionskammer 5 zu transportieren. Danach wurde der Wafer zum Veraschen in die zweite Plasmareaktionskammer 5 transportiert. In dieser Ausführungsform wurde dasselbe Resultat wie in der fünften Ausführungsform erreicht, das heißt, es wurde wieder und ohne Veränderung des zeitlichen Ablaufs der Prozesse verhindert, daß die Veraschungsrate zurückgeht.

Durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann die höchste Produktivität bei Wafern aufrechterhalten werden, indem eine Instabilität der Veraschungsrate ver mieden wird.

Claims

1. Verfahren zum Veraschen eines Resistsmaterials in ei ner Plasmareaktionskammer, wonach

a) in die zunächst leere Plasmareaktionskammer ein nichtaktivierten Sauerstoff enthaltendes Gas eingeleitet wird;
b) dann in die mit dem Gas gefüllte Plasmareaktions kammer ein Wafer mit dem Resistmaterial geladen wird; und
c) unmittelbar danach das Plasma zur Durchführung des Veraschungsprozesses des Resistmaterials erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wonach das Veraschen des Resistmaterials auf dem Wafer in einem Stromabwärts-Plasma- Veraschungsgerät erfolgt, bei dem in einer Erzeugungskammer ein Plasma aus einem Gas durch Einführen von Mikrowellen in das Gas erzeugt wird, und eine Plasma-Reaktionskammer verwen det wird, in der der Wafer plaziert wird und mit Hilfe eines Sprühkopfes, der zwischen der Plasma-Erzeugungskammer und der Reaktionskammer angeordnet ist und diese Kammern trennt, ver hindert wird, das geladene Teilchen und Mikrowellen in die Plasma-Reaktionskammer eindringen, der es jedoch elektrisch neutralen reaktiven Produkten erlaubt in die Plasma- Reaktionskammer zu strömen und von einem Ende der Plasma- Reaktionskammer, welches Ende von dem Sprühkopf entfernt ge legen ist, ausgetragen zu werden, wobei

a) die Plasmaerzeugung zunächst abgeschaltet wird;
b) eine Gasströmung, die aus einem nichtaktivierten

Sauerstoff enthaltendem Gas gebildet ist, in die Plasma- Reaktionskammer vor der Erzeugung des Plasmas für die nach folgende Veraschung in der Plasma-Erzeugungskammer aufrecht erhalten wird;

a) dann der das Resistmaterial aufweisender Wafer in die Plasma-Reaktionskammer eingeladen wird; und
b) unmittelbar danach das Plasma zur Durchführung des Veraschungsprozesses des Resistmaterials wieder erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 bei dem das nichtak tivierten Sauerstoff enthaltende Gas ein im wesentlichen rei nes Sauerstoffgas ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 bei dem das nichtak tivierten Sauerstoff enthaltende Gas ein Gasgemisch aus Sauerstoff und Wasserdampf ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das nichtak tivierten Sauerstoff enthaltende Gas im wesentlichen dasselbe Gas wie ein Gas ist, das für die Veraschung verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das nichtaktivierten Sauerstoff enthaltende Gas wenigstens 30 Se kunden lang in die Plasmareaktionskammer gleitet wird.