JP2005236053A - プラズマ処理方法およびプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 アッシングの際のウェハ処理室のダメージ、それによるパーティクル発生を防止する。
【解決手段】 プラズマを発生させるウェハ処理室１でウェハ１１上のレジストをアッシングする際に、プラズマ発生用ガス供給系１０ａ，デポジットガス供給系１０ｂ，マスフローコントローラー１５によって、プラズマ発生用ガスに、レジストのアッシング時に発生するデポジット成分の内の少なくとも１種を含んだデポジットガス（例えばＣＯ，ＣＨ_４など）を添加する。これにより、デポジット成分をウェハ処理室１内面に積極的に堆積させて、当該ウェハ処理室１内面をプラズマから保護することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は半導体装置を製造するためのプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置に関し、特にウェハ処理の前工程でアッシングなどを行うプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置に関する。

近年、アッシングに、ＥＳＣ（静電チャック：Ｅｌｅｃｔｒｏ−ｓｔａｔｉｃ Ｃｈａｃｋ）等の技術が使用されており、設備価格が高騰する傾向にある。そのため高スループットが求められ、アッシング速度を上げるために、マイクロ波が２０００Ｗ以上で使用されることもある。また、半導体装置の配線等にＣｕの使用が増えてきており、Ｃｕの酸化を防止するために、アッシングの低温処理が必要になってきている。たとえば、従来はステージ温度２００℃以上の高温度領域で行なわれていたアッシングを、Ｃｕを使用するにあたって１００℃以下の低温領域で行うことが要求される。しかし低温領域ではアッシング速度は低下する傾向にあるので、アッシング速度を上げるために、マイクロ波の電力を上げることが必要になってきている。

エッチングやアッシング（以下、単にアッシングという）を行うプラズマ処理について図面を参照しながら説明する。
図７（ａ）に示すように、プラズマ処理装置のウェハ処理室１は上部と下部とで水平方向の断面積が段状に異なっており、断面積がより大きい下部処理室２にステージを兼ねた下部電極３が配置され、上部処理室４に石英天板５とマイクロ波を供給する導波管６とが配置されている。７，８は下部電極３に接続した高周波電源、マッチングボックスである。９，１０は排気系、給気系である。

アッシングの際には、レジストが形成されたウェハ１１を下部電極３上に設置し、排気系９より排気し、給気系１０を通じてプラズマ発生用ガスとしてのＯ_２を供給しながら、導波管６を通じてマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）を供給し、下部電極３に高周波電源７よりＲＦ電力（１３．５６ＭＨｚ）を供給することにより、ウェハ処理室１内でＯ_２プラズマを発生させる。プロセス条件は以下に示す通りである。
・マイクロ波電力 ２０００Ｗ
・ＲＦ電力 １００Ｗ
・Ｏ_２ ３３０ｓｃｃｍ
・圧力 ３０Ｐａ
・ステージ温度 ３０℃
一般にプラズマ処理装置においては、プラズマに晒されることによってウェハ処理室の内面がダメージを受け、パーティクルが発生する。近年ではＯ_２プラズマにフッ素系のガスを添加してアッシングを行う場合もあり（例えば、特許文献１参照）、ウェハ処理室がダメージを受け易い。このため、パーティクルの発生を防止するために、チャンバーパーツにアルマイトを使用することが提案されている（例えば特許文献２参照）。

上記したウェハ処理室１でも、図７（ｂ）に示すように、上部処理室４，下部処理室３を構成する壁体１ａはアルミニウムで形成され、この壁体１ａをプラズマから保護するために内面にアルマイトからなる被膜１ｂが形成されている。
特開２０００−１２５２１号公報 特開平１０−５０６６３号公報

しかしながら、上記したような壁構造であっても、プラズマに晒され続けることによってアルマイト被膜１ｂ自体がダメージを受け、下地のアルミニウム壁体１ａがプラズマに暴露される結果、パーティクルが発生する。Ｏラジカル１２がアルマイト被膜１ｂに衝突してクラック１ｃを発生させ、また発生したクラック１ｃを広げ、それより露出したアルミニウム壁体１ａやアルマイト被膜１ｂの剥がれを生起するのである。

Ｏ_２プラズマにフッ素系のガスを添加してアッシングを行う場合には、アルマイト被膜１ｂのダメージが更に進行し易くなる傾向がある。またマイクロ波を高い領域で使用するウェハ処理室では、特にプラズマ密度の高い部分でＯラジカルのエネルギーが高くなり、ダメージが大きくなる。表面波プラズマ方式を用いるウェハ処理室では、上部処理室でプラズマ密度が高くなり、ダメージが大きくなる。

被アッシング膜であるウェハ上のレジストはＣやＨなどの元素で構成されており、アッシング時には、これらＣやＨなどのデポジット成分がプラズマ中に供給され、ウェハ処理室の内面に堆積してプラズマから保護することになる。しかしアッシングが進行してレジストが減少してくると、プラズマ中へのデポジット成分の供給が減少して、ウェハ処理室の内面への堆積量が減少し、ウェハ処理室がダメージを受けるようになる。

半導体装置の製造において、パーティクルは大きな阻害要因の一つであり、歩留の低下をもたらすため、依然としてパーティクルの発生防止が課題となっている。

上記課題を解決するために、本発明のプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置は、デポジット成分を含んだデポジットガスをプラズマ発生用ガスに添加することにより、前記デポジット成分をウェハ処理室内面に積極的に堆積させ、ウェハ処理室内面をプラズマから保護するものである。

すなわち本発明のプラズマ処理方法は、被処理基板上のレジストをアッシングするプラズマ処理方法であって、前記レジストのアッシング時に発生するデポジット成分の内の少なくとも１種を含んだデポジットガスをプラズマ発生用ガスに添加してアッシングを行う
ことを特徴とする。

デポジットガスの添加は、レジストあるいはそれから発生するデポジット成分が予め決めた量より減少した後に行ってもよい。
プラズマ中のデポジット成分をモニタリングし、一定量に維持するようにデポジットガスの添加量を制御してもよい。

デポジット成分のモニタリングは、発光強度を測定することにより行うことができる。
アッシング速度とデポジットガスの添加量との関係を予め求め、モニタリングしつつ添加するデポジットガスの添加量からアッシング速度を求め、求めたアッシング速度とアッシング時間とからアッシング量を算出し、このアッシング量が設定値を超えた時にアッシングを終了するようにしてもよい。

デポジットガスは、ＣｗＨｘＯｙＮｚ（ｗ、ｘ、ｙ、ｚは０または正数）からなるものを用いることができる。
また本発明のプラズマ処理装置は、被処理基板上のレジストをアッシングするプラズマ処理装置であって、前記レジストのアッシング時に発生するデポジット成分の内の少なくとも１種を含んだデポジットガスをプラズマ発生用ガスに添加するガス供給手段と、プラズマ中の前記デポジット成分の発光強度を検出する検出器と、前記デポジット成分の発光強度と前記デポジットガスの添加量との関係が予め入力され、前記検出器で検出された発光強度に応じて前記ガス供給手段によるデポジットガスの添加量を決定し制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。

アッシング速度とデポジットガスの添加量との関係が予め入力され、制御手段で決定されたデポジットガスの添加量からアッシング速度を求め、求めたアッシング速度とアッシング時間とからアッシング量を算出するアッシング量演算手段を備えることもできる。

本発明のプラズマ処理方法およびプラズマ処理装置は、デポジット成分を含んだデポジットガスをプラズマ発生用ガスに添加する構成を有することにより、レジストからのデポジット成分の発生が減少してもデポジットガスで補なって、デポジット成分をウェハ処理室内面に堆積させることができ、ウェハ処理室内面をプラズマから保護できる。よってウェハ処理室のダメージを防止し、パーティクルの発生を防止できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１におけるプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。

図１（ａ）に示すように、プラズマ処理装置は先に図７を用いて説明した従来のものとほぼ同様の構成を有しており、ウェハ処理室１は上部と下部とで水平方向の断面積が段状に異なっており、断面積がより大きい下部処理室２にステージを兼ねた下部電極３が配置され、上部処理室４に石英天板５とマイクロ波を供給する導波管６とが配置されている。７，８は下部電極３に接続した高周波電源、マッチングボックスである。９，１０は排気系、給気系である。

このプラズマ処理装置が従来のものと相違するのは、給気系１０に、プラズマ発生用ガス供給系１０ａとデポジットガス供給系１０ｂと各系のガス流量を制御するマスフローコントローラー１５とが設けられている点である。またウェハ処理室１（ここでは下部処理室２）に、下部電極３の上面よりやや高い位置で開口したビューポート１３が貫通形成され、このビューポート１３を通じてウェハ処理室１内の発光を検出する分光器１４が設置されている点である。

図１（ｂ）に示すように、ウェハ処理室１の上部処理室４，下部処理室２を構成する壁体１ａはアルミニウムで形成されており、この壁体１ａをプラズマから保護するアルマイトの被膜１ｂが内面に形成されている。

上記プラズマ処理装置において、レジストが形成されたウェハ１１を下部電極３上に設置し、排気系９より排気し、給気系１０を通じてプラズマ発生用ガス（アッシングガス）としてのＯ_２を供給しながら、導波管６を通じてマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）を供給し、下部電極３に高周波電源７よりＲＦ電力（１３．５６ＭＨｚ）を供給することにより、ウェハ処理室１内でＯ_２プラズマを発生させ、ウェハ１１上のレジストをアッシングする。

図２はウェハ１１のアッシングを説明する断面図である。図２（ａ）に示すように、半導体基板３０３表面の酸化膜３０２上のレジスト３０１は、アッシング開始時には、酸化膜３０２に開口部３０２ａを形成するために用いられた開口部３０１ａが一定幅で開口した状態にある。アッシングが進行するにしたがって、レジスト３０１は、図２（ｂ）に示すように厚みが減じられるとともに開口部に臨んだ内周上端ほど減じられた状態となり、図２（ｃ）に示すように酸化膜３０２の上面の一部にのみ突起状に残留する状態を経て、完全に除去される。

その際に給気系１０により、レジストから供給されるデポジット成分の内の少なくとも１種を含んだデポジット性のガス（以下、デポジットガスという）、ここではＣＯ、をＯ_２に対して添加してウェハ処理室１に供給する。プロセス条件は以下に示す通りである。
・マイクロ波電力 ２０００Ｗ
・ＲＦ電力 １００Ｗ
・Ｏ_２ ３００ｓｃｃｍ
・ＣＯ ３０ｓｃｃｍ
・圧力 ３０Ｐａ
・ステージ温度 ３０℃
このプラズマ処理方法によれば、アッシング開始時には、被アッシング膜であるレジストがアッシングされるに伴ってＣやＨなどのデポジット成分がプラズマ中に供給され、図１（ｃ）に示すように、ウェハ処理室１の側壁などの内面にデポジット物１６として堆積する。

アッシングが進行するにしたがってレジストが減少し、プラズマ中へのデポジット成分の供給が減少するが、添加したデポジットガスがその減少を補ない、ウェハ処理室１内面へのデポジット物１６の堆積は維持される。なおデポジットガスは、レジストから供給されるデポジット成分の内の少なくとも１種を含んだガスであれば特に制限なく使用することができ、たとえばＣｗＨｘＯｙＮｚ（ｗ、ｘ、ｙ、ｚは０または正数）で示されるガス、具体的にはＣＯ、ＣＯ_２、ＣＨ_４などを使用可能である。含有するデポジット成分をレジストから供給されるものに限定したのはウェハ１１への影響を防ぐためである。Ｃはレジストに含まれており、その他の成分であるＯ、Ｈ、Ｎはガスとして排出されるか、もしくは、Ｃと結合してデポジット物として堆積する。

このようにしてウェハ処理室１内面がデポジット物１６で覆われるため、Ｏラジカル１２が直接にアルマイト被膜１ｂやアルミニウム壁体１ａに衝突することはなく、これらアルマイト被膜１ｂ，アルミニウム壁体１ａ，およびアルミニウムの化合物（たとえばアルミニウム酸化物）のパーティクルの発生は防止される。よって、レジストの下地を特に考慮する必要はなく、これまで層間絶縁膜に使用されてきたＳＩＯ系のＦＳＧやＴＥＯＳの他、今後の使用増が予想されるＬｏｗ−ｋと呼ばれる絶縁膜などでのレジストアッシング等の用途にも利用できる。

別法として、アッシング開始時はＯ_２単ガスでアッシングを行い（ＳＴＥＰ１）、レジストから供給されるデポジット成分量が減少してきた時点で、Ｏ_２にデポジットガスを添加した混合ガスに切り替えてアッシングを行う（ＳＴＥＰ２）ようにしてもよい。

その際には、図２に示したレジスト３０１からのデポジット成分の供給量が減るタイミングで、すなわち図２（ｂ）の状態から図２（ｃ）の状態に移行するタイミングで、Ｏ_２単ガスを用いるＳＴＥＰ１からＯ_２にデポジットガスを添加するＳＴＥＰ２に切り替えるのである。具体的には、デポジット成分（たとえば炭素）に対応する発光強度を分光器１４でモニターし、発光強度が予め決めた量より減少した時点で切り替える。プロセス条件を以下に示す。
ＳＴＥＰ１
・マイクロ波電力 ２０００Ｗ
・ＲＦ電力 １００Ｗ
・Ｏ_２ ３３０ｓｃｃｍ
・圧力 ３０Ｐａ
・ステージ温度 ３０℃
ＳＴＥＰ２
・マイクロ波電力 ２０００Ｗ
・ＲＦ電力 １００Ｗ
・Ｏ_２ ３００ｓｃｃｍ
・ＣＯ ３０ｓｃｃｍ
・圧力 ３０Ｐａ
・ステージ温度 ３０℃
この第２のプラズマ処理方法は、ＣＯなどのデポジットガスを添加した時にアッシング速度が低下するのを防ぐものである。アッシングが殆ど行われていない時（ＳＴＥＰ２）のみデポジットガスを供給し、アッシング中（ＳＴＥＰ１）にはデポジットガスは供給しないので、アッシング速度が低下することはなく、スループットの低下を最小限に抑えることができる。
（実施形態２）
図３は本発明の実施形態２におけるプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。

このプラズマ処理装置は、実施形態１で説明したのと同様のウェハ処理室１を備えている。さらに、分光器１４の出力を受けて給気系１０を制御する制御装置１７が設置されている。制御装置１７は、分光器１４の検出結果に基づいてデポジットガスの添加量を演算するガス添加量演算装置１８と、ガス添加量演算装置１８の出力を受けてアッシング量を演算するアッシング量演算装置１９とを備えている。

上記構成により、プラズマ中のデポジット成分の発光強度が分光器１４で常時モニタリングされ、分光器１４の出力を受けたガス添加量演算装置１８で、プラズマ中に常に一定量のデポジット成分が存在するようにデポジットガスの添加量が演算され、演算結果がマスフローコントローラー１５とアッシング量演算装置１９とに出力される。

詳細には、アッシング処理を開始すると、プラズマ中のデポジット成分（例えばＣ）の発光強度が分光器１４で検知され、その結果がガス添加量演算装置１８へ出力される。ガス添加量演算装置１８には、予備試験で求められた添加ガス流量ｙとガスの発光強度ｘとの関係式：ｙ＝ｆ１（ｘ）が予め入力されていて、たとえば発光強度ｘ＝ａと検知された時には、一定量のデポジット成分（発光強度を検知したのと同一成分）を存在させるように添加ガス流量ｂ＝ｆ１（ａ）と演算され、演算結果がマスフローコントローラー１５へ出力されると同時に、アッシング量演算装置１９へ出力される。

図４（ａ）はガス（デポジット成分）の発光強度ｘと添加ガス流量ｙとの関係を表すグラフである。発光強度ｘはデポジット成分量に比例しているので、プラズマ中に常に一定量のデポジット成分を存在させるために、発光強度ｘが小さくなるに比例して添加ガス流量ｙが大きく決定される一方で、添加ガス流量ｙに上限が決められていることを示している。

ガス添加量演算装置１８の演算結果を受けたマスフローコントローラー１５においては、添加ガス流量ｂとなるように、プラズマ発生用ガス供給系１０ａとデポジットガス供給系１０ｂとが流量制御される。

一方、アッシング量演算装置１９においては、予備試験で求められた添加ガス流量ｙとアッシング速度ｓとの関係式：ｓ＝ｆ２（ｙ）と、アッシング速度ｓを時間積分するアッシング量ｃの演算式：ｃ＝∫ｆ２（ｙ）Δｔとが予め入力されていて、ガス添加量演算装置１８の演算結果に基づいてアッシング速度ｓが演算され、続いてアッシング量ｃが演算される。

図４（ｂ）は添加ガス流量ｙとアッシング速度ｓとの関係を表すグラフであり、添加ガス流量ｙが大きくなるに比例してアッシング速度ｓが小さくなることを示している。
これらの一連の動作がΔｔ毎に繰り返され、トータルのアッシング量ｃ（t＋Δt）＝ｃ（ｔ）＋∫ｆ２（ｘ）Δｔが演算される。そして、アッシング量ｃ（ｔ＋Δｔ）の演算値が予め決められた設定値ｄを超えた時点で、アッシングが完了したと判断され、アッシング処理が停止される。プロセス条件を以下に示す。
・マイクロ波電力 ２０００Ｗ
・ＲＦ電力 １００Ｗ
・Ｏ_２ ３００ｓｃｃｍ
・ＣＯ ０〜３０ｓｃｃｍ
・圧力 ３０Ｐａ
・ステージ温度 ３０℃
図５は上記プロセス条件におけるガスの発光強度と添加ガス流量の関係を示すグラフである。ガスの発光強度が小さくなるに比例して添加ガス流量が０〜３０ｓｃｃｍに増大される。３０ｓｃｃｍが添加ガス流量の最大値と決められていて、発光強度がさらに小さくなっても３０ｓｃｃｍを超える値は採用されない。

このプラズマ処理方法では、ウェハ処理室１内に導入されるＯ_２ガスとデポジットガスとの比率は常に異なる。各ガスの比率が異なると、アッシング速度が推定しにくく、アッシング時間を長めに設定する必要があるので、それを回避するためにアッシング量演算装置１９が利用されている。アッシング量演算装置１９に予めアッシング量ｄを設定するだけで、必要十分なアッシング時間でアッシング処理を完了することができ、スループットの低下を最小限に抑えることができる。

つまりこの第３のプラズマ処理方法は、分光器１４の出力を受けて、デポジット成分が一定になるようにガス添加量演算装置１８でガス添加流量を演算し、演算結果に基づいてデポジットガスを添加するとともに、同演算結果を用いてアッシング量演算装置１９でアッシング量を演算し、算出されたアッシング量が設定値を超えた時点でアッシングを完了させるものであり、ウェハ処理室１の内面を保護しながら、必要最低限のアッシング時間で自動的にアッシング処理を行い、スループットの低下を最小限に抑えることができる。種々の工程、ウェハプロセスに対してプロセス毎にアッシングレシピを設定する必要がないので、マンコストも削減できる。

図６にアッシング対象の半導体装置の代表的構造を示す。
図６（ａ）はアイソレーションパターンを示し、半導体基板３０３の表面に形成された酸化膜３０２の上にレジスト３０１が設けられ、このレジスト３０１の開口部３０１ａによって、酸化膜３０２を貫通して半導体基板３０３の上層部分にわたる開口部３０２ａ，３０３ａが形成されている。

図６（ｂ）はゲート電極を示し、半導体基板３０３の上にポリシリコン膜３０５，タングステン膜３０４がこの順に積層され、これらポリシリコン膜３０５，タングステン膜３０４がその上に形成されたレジスト３０１をマスクとしてパターニングされている。

図６（ｃ）はコンタクトホールを示し、半導体基板３０３の表面に形成された酸化膜３０２の上にレジスト３０１が設けられ、このレジスト３０１の開口部３０１ａに対応する開口部３０２ａが酸化膜３０２に貫通形成されている。

このような種々の構造をアッシングする場合、被アッシング膜たるレジスト３０１から発生するＣなどのデポジット成分量も異なるが、第３のプラズマ処理方法によれば、デポジットガスを自動的に適当量だけ添加してウェハ処理室１の内面を保護することができる。

なお、上記した各実施形態ではプラズマ発生用ガスとしてＯ_２単ガスを例示したが、Ｏ_２ガスにＣＦ_４ガス等を添加した混合ガスなども使用可能である。

本発明のプラズマ処理方法および処理装置は、アッシングの際にウェハ処理室にダメージを与えない方法および装置として有用である。

本発明の実施形態１におけるプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図 図１あるいは他のプラズマ処理装置でウェハ上のレジストがアッシングされる状態を示す断面図 本発明の実施形態２におけるプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図 図３のプラズマ処理装置で利用する（ａ）デポジット成分たるガスの発光強度と添加ガス流量との関係を表すグラフ、および、（ｂ）添加ガス流量とアッシング速度との関係を表すグラフ 図３のプラズマ処理装置における特定のプロセス条件でのガスの発光強度と添加ガス流量の関係を示すグラフ アッシング対象である従来の半導体構造を示す断面図 従来のプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図

符号の説明

１ ウェハ処理室
１ａ 壁体
１ｂ 被膜
３ 下部電極
１０ 給気系
１０ａ プラズマ発生用ガス供給系
１０ｂ デポジットガス供給系
１１ ウェハ
１２ Ｏラジカル
１４ 分光器
１５ マスフローコントローラー
１６ デポジット物
１７ 制御装置
１８ ガス添加量演算装置
１９ アッシング量演算装置
３０１ レジスト
３０３ 半導体基板

Claims (8)

1. 被処理基板上のレジストをアッシングするプラズマ処理方法であって、前記レジストのアッシング時に発生するデポジット成分の内の少なくとも１種を含んだデポジットガスをプラズマ発生用ガスに添加してアッシングを行うプラズマ処理方法。
2. デポジットガスの添加は、レジストあるいはそれから発生するデポジット成分が予め決めた量より減少した後に行う請求項１記載のプラズマ処理方法。
3. プラズマ中のデポジット成分をモニタリングし、一定量に維持するようにデポジットガスの添加量を制御する請求項１または請求項２のいずれかに記載のプラズマ処理方法。
4. デポジット成分のモニタリングは、発光強度を測定することにより行う請求項３記載のプラズマ処理方法。
5. アッシング速度とデポジットガスの添加量との関係を予め求め、モニタリングしつつ添加するデポジットガスの添加量からアッシング速度を求め、求めたアッシング速度とアッシング時間とからアッシング量を算出し、このアッシング量が設定値を超えた時にアッシングを終了する請求項３または請求項４のいずれかに記載のプラズマ処理方法。
6. デポジットガスは、ＣｗＨｘＯｙＮｚ（ｗ、ｘ、ｙ、ｚは０または正数）からなる請求項１から請求項５のいずれかに記載のプラズマ処理方法。
7. 被処理基板上のレジストをアッシングするプラズマ処理装置であって、前記レジストのアッシング時に発生するデポジット成分の内の少なくとも１種を含んだデポジットガスをプラズマ発生用ガスに添加するガス供給手段と、プラズマ中の前記デポジット成分の発光強度を検出する検出器と、前記デポジット成分の発光強度と前記デポジットガスの添加量との関係が予め入力され、前記検出器で検出された発光強度に応じて前記ガス供給手段によるデポジットガスの添加量を決定し制御する制御手段とを備えたプラズマ処理装置。
8. アッシング速度とデポジットガスの添加量との関係が予め入力され、制御手段で決定されたデポジットガスの添加量からアッシング速度を求め、求めたアッシング速度とアッシング時間とからアッシング量を算出するアッシング量演算手段を備えた請求項７記載のプラズマ処理装置。

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