JP2005523585A - フォトレジストおよびエッチング残渣の除去方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フォトレジスト及びエッチング残渣の除去方法
【解決手段】方法は、プラズマアッシングに対し先行する誘電層のプラズマエッチングの間形成されたフォトレジスト残り及びエッチング残渣を取り除くことを提供する。アッシング方法は、水素含有ガスを含み、基板からフォトレジスト残りとエッチング残渣のかなりの量を除去するため低バイアスもしくはゼロバイアスを基板に印加する第１のクリーニングステップと、加えてチャンバ表面からの不利益なフルオロカーボン残渣をエッチングし除去する２ステッププラズマを使用する。増加されたバイアスは、フォトレジストの残りと、エッチング残渣を基板から除去するために第２のクリーニングステップにおいて基板に印加される。２ステッププロセスは、従来の１ステップアッシングプロセスに共通に観察されるメモリー効果を減らす。終点検出の方法は、アッシングプロセスをモニタするのに使用できる。

Description

この出願は、２００２年９月３０日に出願された米国特許第１０／２５９，７６８号と２００２年９月３０日に出願された米国特許第１０／２５９，３８１号とに基づき優先権を主張し、そしてそれに関し、その全ての内容は、参照により完全にここに組み込まれる。この出願は、第２２７６１８ＷＯ号と共に出願された係属中の国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ０３／０００３１号、タイトル“フォトレジストおよびエッチング残渣の除去方法”に関し、その全ての内容は、参照により完全にここに組み込まれる。

本願発明は、プラズマ処理に、特には半導体のマイクロ素子製造におけるエッチング処理に続く、フォトレジスト及びエッチング残渣（residue）のクリーニングと除去とに関する。

プラズマ処理システムは、半導体、集積回路、ディスプレイ及びその他のデバイスの製造および処理に使用され、又は、半導体基板のような基板から材料の除去、又は、その基板に材料の堆積の両方の行うため、材料に対し使用される。集積回路のパターンをフォトリソグラフのマスクから基板に転写するための、又は、誘電物もしくは導電物を堆積するための半導体基板のプラズマ処理は、生産における標準的な方法となっている。

半導体処理で、いろいろな種類の膜がエッチングされるところで、集積化の課題（チャレンジ）とトレードオフは未だ残る。従来、垂直コンタクトを形成するため、導電性材料の堆積に対し、誘電層は開口部を有するパターニングがされる。パターニングプロセスの間、エッチング耐性フォトレジスト層、及び／又はハードマスク層は誘電層の上に堆積され、選択されたパターンに露光され、現像される。その層状の構造は、プラズマ環境でエッチングされ、そこでパターニングされたフォトレジスト層は誘電層の開口部を決定する。

エッチングステップに続き、フォトレジストの残り（レムナント）とエッチング残渣（例えばポリマー細片）は、エッチングされた形態及びチャンバ表面の上に、しばしば観察される。プラズマクリーニング（その場（in-situ：インサイチュ）アッシングとしても知られている）の集積化の課題の１つは、フォトレジスト残りとエッチング残渣とを完全に除去することであり、その一方で周囲の層のエロ−ジョン（浸食）を防ぐことである。既知のシステムは、アッシングプロセスを通して基板に印加するバイアスを一定に維持する１ステップアッシングプロセスを使用している。

ハロカーボン（Halocarbon：含ハロゲン炭素化合物）ガスが、酸化膜及び新しいＳｉＯＣを含有するＬｏｗ−ｋ（低誘電率）誘電材料のような誘電層のエッチングに一般に使用される。これらのガスは、フルオロカーボン（フッ化炭化水素）ポリマーエッチング生成物を発生することが知られており、それは、エッチングプロセス中、基板表面上と同じようにプロセスチャンバの内部表面上に堆積する。

図１は、１ステップアッシングプロセスの概略的な断面の描写を示す。従来の構造１００からフォトレジストを除去する１ステップアッシングプロセスの間、フルオロカーボンポリマーはチャンバ壁から放出／エッチングされ（一般的にメモリー効果と言われる）、下層の誘電層１０４及びキャップ層１０２（例えばＳｉＮ，ＳｉＣ）をアタックすることとなり、それは誘電層のファセッティング（平らに削り取り）１０８及びキャップ層のロス（損失）１１０の方に導き、時々、キャップ層１０２を通す穿孔をし、そして下層の導電層（例えば銅）をアタックすることさえある。この効果は、チャンバ壁に近いところでの高いフルオロカーボンポリマー濃度の為、ウェハの端部で非常に高くなる。

従来の１ステップアッシングプロセスの間、フォトレジストは、水素を含んでいるプラズマ中では、除去され得る。アッシング後の残渣形成を防ぐため、あるバイアスパワーを基板ホルダに印加する。このプロセスの間、先の誘電体のエッチングからのチャンバ壁上のフルオロカーボン堆積物は、再度エッチングされ、プラズマ中にフッ素ラジカルを放出する。バイアスが基板ホルダに印加されるとき、これらフッ素ラジカルは下層の誘電膜を浸食し、キャップ層を消耗する。このバイアスを低下させるか、又はゼロバイアスを印加することによって、誘電膜の浸食とキャップ層の消耗とを減少することが出来るが、未だアッシング後の残渣は観察される。

従来の１ステップアッシングプロセスは、上記チャンバの問題を招き、次のプラズマプロセス条件を含み得る。

チャンバ圧力＝５０ｍＴｏｒｒ、ＲＦバイアス＝１５０Ｗ、酸素流量＝２００ｓｃｃｍ
半導体製造において、従来の１ステップアッシングプロセスは、内部チャンバ表面（基板がアッシングされる）が、先の誘電体のエッチングプロセスから堆積するフルオロカーボンベースのポリマーを含み得るプロセスチャンバ内でしばしば実行される。あるいは、１ステップアッシングプロセスは、先のエッチングプロセスからのポリマー堆積物からきれいにされたプロセスチャンバ内で実行され得る。

本発明の目的は、１ステップアッシングと比較し周囲の基板の層の浸食を減少し、フォトレジスト残り及びエッチング残渣を除去するプラズマ処理方法を提供することである。

上記及び他の目的は、水素を含むガスを有するプロセスガスを使用する２ステップその場プラズマアッシングプロセスを使用することにより達成される。第１のアッシングステップの間、第１の低バイアスレベル又はゼロバイアスレベルが、基板を載置する基板ホルダに印加され、一方、第２のアッシングステップの間、第２のバイアスレベルが印加される。

基板に低バイアス又はゼロバイアスが印加される第１のアッシングステップの間、基板とプロセスチャンバの内部表面／壁上のフォトレジスト残り及びエッチング残渣の重要な量は、エッチングされ、チャンバから除去され、残っている基板の層の浸食は最小化される。第２のアッシングステップの間、増加されたバイアスは印加され、アッシングプロセスはフォトレジスト残りとエッチング残渣が除去されるまで、継続される。

本発明のより完全な認識とその付随する利点の多くは、次の詳細な記載によって、特に添付図面と共に考慮する時に、容易に明りょうになる。

本発明の第１の実施の形態である、２ステッププラズマアッシングプロセスは、プロセスチャンバからフォトレジスト残り及びエッチング残渣を除去する為に使用される。ゼロバイアス又は低バイアスを基板を載置する基板ホルダに印加する第１のアッシングステップの間、先行するエッチングプロセスからの、フォトレジスト残り及びエッチング残渣のかなりの量は、残っている基板の層の浸食の最小化を伴い、チャンバからエッチング及び除去される。第２のアッシングステップの間、増加されたバイアスは、基板ホルダに印加され、そしてアッシングプロセスは、フォトレジスト及び／又はハードマスク残りとアッシング後の残渣とは除去されるまで継続される。

本発明の２ステップその場アッシングプロセスは、下記１）〜５）の少なくとも一つを満たすことによって、上記の欠点の多くを軽減することができる。

１）キャップ層消耗の最少化
２）誘電体の形態の上部での、その誘電体のファセッティング／浸食の最少化及びエッチング後／臨界精度（ＣＤ：クリティカルディメンション）バイアスの低減化
３）アッシング後残渣の最少化
４）その場アッシングの間、低誘電率膜へ導入されたダメージ（ｋ値の低下）の最少化
５）自動チャンバドライ（乾式）クリーニングの提供、チャンバクリーニング間の平均時間の増加。

図２は、２ステップアッシングプロセスの概略的な断面の描写を示す図である。２ステップ水素含有アッシングプロセスのうちの、第１のアッシングステップ１０２の間、ウェハ上のフォトレジスト１０６とチャンバ壁とウェハ上とに堆積したフルオロカーボンポリマー１１２はエッチングされる。ゼロ又は低バイアスが印加されるとき、誘電層１０４の浸食とキャップ層１０２の消耗とは最小となる。第１アッシング１２０の間、チャンバは、どのポリマー残渣もドライクリーニングされる。第１のアッシングステップの長さは、時間に基づき、アッシング後の残渣１１０の少量及びたぶん基板上のフォトレジスト１０６の少量を残すことができる。

第２のアッシングステップ１３０の間、バイアスは印加され、アッシングは、どのアッシング後の残渣も、そしてどのフォトレジストの残り１０６を十分に除去する時間の間、実施される。

２ステップその場アッシングプロセスの為の、そのプロセスパラメータスペースは、例えば、チャンバ圧力２０〜１０００ｍＴｏｒｒ、プロセスガス流量２０〜１０００ｓｃｃｍ、第１のアッシングステップではほぼ１００Ｗ以下のＲＦバイアス、第２のアッシングステップではほぼ１００Ｗ以上のＲＦバイアスを使用出来る。使用される際、RFバイアスは明らかにされるが、ＤＣバイアスもまた使用されるか、ＲＦバイアスの代わりとして使用される。その上、チャンバ圧力は、アッシングプロセスの間、変えられることができる。たとえば、チャンバ圧力は、第１のステップから第２のステップへ変えることができる。さらに、プロセスガスの組成は、アッシングプロセスの間、変えられることができる。たとえば、プロセスガス（そして、プロセスガスの中の異なるガスの流量比率）は、第１のステップから第２のステップへ変えることができる。Ｈ_２もしくはＮＨ_３のようなプロセスガスは単独で使用される、しかし、それはまた、他のガス（例えば、ＨｅとＡｒのような不活性ガス、そして、Ｎ_２）とともに使われるかもしれない。

あるいは、２ステッププロセスの間、バイアスがチャンバから除去されたポリマーのかなりすべてに（すべてではないが）、スループットを増加するため印加される、しかし、従来の１ステッププロセスの影響のいくつかを再導入するためのコストは除く。

さらに、シングルバイアスだけを使うような上の記載だが、様々なバイアスをその代わりに使うことができる。例えば、バイアスが増加（連続的に、もしくはステップ状（例えば１０Ｗ増加）に、０Ｗからほぼ１００Ｗへ、第２ステップの、前に、中に、もしくは後に）されても良い。

上で記載したように、第１のステップのための時間期間は、チャンバ壁とウェハ面からのフルオロカーボン材料の除去を完全とするために、十分長くしなければならない。たとえば、第１のステップのための所要時間は、２０秒から５０秒まで変動出来る。同様に、第２のステップのための所要期間は、どんなアッシング後残渣でも、どんな残りのフォトレジストでも取り除くため十分に長くなければならない。たとえば、第２のステップのための所要時間は、２０秒から５０秒まで変動することができる。

あるいは、図２の２ステップアッシングプロセスでは、第１のステップ１２０の終わりと第２のステップ１３０は、終点検出を使用して決定され得る。終点検出の一つの可能な方法は、それを示すプラズマ領域から放射される光スペクトルの部分をモニタすることである。たとえば、そのような除去を示すスペクトルの部分は、４８２．５ｎｍ（ＣＯ）、７７５．５ｎｍ(Ｆ)、および４４０ｎｍ（ＳｉＦ4）の波長を有し、光学的発光分光法（ＯＥＳ：Optical Emission Spectroscopy）を使って測ることができる。それらの周波数と一致している放射レベルが、指定された閾値を横切った（例えば、かなりゼロに落ちるか、特定のレベルより上に増加する）後、第１のステップは終了したと考えられる。終点情報を提供する他の波長も、また、使用することができる。

第１のステップ終了の後、第２のステップは、どんな残りのアッシング後残渣（ＰＡＲ：post-ash residue）でも取り除くために望ましくは５０〜２００％のオーバーアッシングを使用する。すなわち、第１のステップが５０秒で完了するならば、第２のステップは５０％のオーバーアッシングに対しては２５秒、そして１００％のオーバーアッシングに対しては５０秒であるだろう。オーバーアッシングの実際量は、異なる度にオーバーアッシングされる一連の基板を調べることによって経験的に決定することができる。

基板は、アッシングプロセスに続いて、たとえば、キャップ層のロス、誘電体側壁ロス、そして形態の上部でのファセッティング／浸食のロスを測ることによって、評価され得る。所望のアッシングを可能とするプロセス条件は、上記ロス及び浸食を最小にする間、直接の実験及び／又は実験計画法（design of Experiments: DOE)によって決定され得る。

第１の例で、図３はアッシングプロセスの間の、キャップ層のロスを概略的に示す。アッシングプロセスに続いて、キャップ層のロス１２０は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）イメージにおいてキャップ層１０２の薄膜化として測定される。所望のアッシングを可能とするプロセス条件は、キャップ層ロス１２０を最小にする間、直接の実験及び／又は実験計画法によって決定され得る。

第２の例で、図４は、誘電体の側壁ロスを概略的に示す。例えば、図４の誘電体の側壁ロスは、ＨＦソリューションに露出後、誘電層１０４のトップ１３０と中間１３２との誘電体の除去として測定され得る。図５の構造は、さらにＳｉＮ層１０６とＳｉＣ層１０２とを含むことが出来る。側壁ロスを測定するため、プラズマアッシングされた基板は、０．５％ＨＦソリューションに、ほぼ５秒から３０秒の時間、さらされ得る。

ポリマー（そしておそらくフォトレジスト）のすべて（もしくはかなりすべて）がチャンバからいつ取り除かれたかを決定する終点検出の使用例は、キャップ層ロスと側壁ロスとを測ることによってアッシングされた基板を評価するための例とともに、出願中の“フォトレジスト及びエッチング残渣の除去方法”に完全に記載され、そして参照によってここに完全に組み込まれる。

現在の発明の多数の修正および変更は、上記の教示を考慮して可能である。それは、したがって、添付の請求の範囲内で、発明は、特にここで記載されるようなもの以外でも実行できることが理解できる。

１ステップアッシングプロセスの概略的な断面の描写を示す図である。 ２ステップアッシングプロセスの概略的な断面の描写を示す図である。 アッシングプロセスの間のキャップ層のロス（減少）を概略的に示す図である。 誘電体の側壁のロスを概略的に示す図である。

Claims (38)

1. 水素含有ガスを含むプロセスガスを導入することと、
   プラズマプロセスチャンバ内にプラズマを生成することと、
   基板ホルダ上に載置した基板を前記プラズマにさらすことと、
   前記基板ホルダに、第１のバイアスを印加することにより第１のアッシングステップを行うことと、
   前記基板ホルダに、前記第１のバイアスより高い第２のバイアスを印加することにより第２のアッシングステップを行うことと、を具備するその場アッシングの方法。
2. 前記水素含有ガスは、Ｈ_２及びＮＨ_３の少なくとも１つを含む請求項１の方法。
3. 前記水素含有ガスは、Ｈ_２を含む請求項１の方法。
4. 前記プロセスガスは、さらに不活性ガスを含む請求項１の方法。
5. 前記不活性ガスは、Ｈｅ，Ａｒ、及びＮ_２の少なくとも１つを含む請求項４の方法。
6. 前記プロセスガスは、さらにＮ_２を含む請求項１の方法。
7. 前記プロセスガスは、Ｎ_２及び不活性ガスの少なくとも１つと、Ｈ_２と、を含む請求項１の方法。
8. 前記第１のバイアスは、ほぼ１００Ｗより低く、前記第２のバイアスはほぼ１００Ｗより高い請求項１の方法。
9. 前記第１のバイアスは、ほぼ５０Ｗより低い請求項１の方法。
10. 前記第１のバイアスは、ほぼゼロに等しい請求項１の方法。
11. 前記第２のバイアスは、１２０Ｗより高い請求項１の方法。
12. 前記第２のアッシングステップは、前記第１のアッシングステップと異なるチャンバ圧力、及びプロセスガス流量の少なくとも１つを前記第２のアッシングステップで使用すること、をさらに具備する請求項１の方法。
13. 前記第１のアッシングステップは、前記プラズマから放射された光を検出することと、
    前記放射された光から前記第１のアッシングステップの状態を決定すること、をさらに具備する請求項１の方法。
14. 前記放射された光の前記検出は、終点を確立するためのプロセスを提供する請求項１３の方法。
15. 前記放射された光は、励起された種から生じ、そして前記第１のアッシングステップの前記状態の情報を表す請求項１３の方法。
16. 前記放射された光は、酸素含有種及びフッ素含有種の少なくとも１つから生じる請求項１３の方法。
17. 前記フッ素含有種は、フッ素である請求項１６の方法。
18. 前記第２のアッシングステップは、前記プラズマから放射された光を検出することと、
    前記放射された光から前記第２のアッシングステップの状態を決定すること、をさらに具備する請求項１の方法。
19. 前記放射された光は、励起された種から生じ、そして前記第２のアッシングステップの前記状態の情報を表す請求項１８の方法。
20. 前記放射された光は、酸素含有種、及びフッ素含有種の少なくとも１つから生じる請求項１９の方法。
21. 前記フッ素含有種は、フッ素である請求項２０の方法。
22. 前記プラズマから放射された光を検出することと、
    前記放射された光から前記第１と第２とのアッシングステップの状態を決定すること、をさらに具備する請求項１の方法。
23. 前記放射された光は、励起された種から生じ、そして前記第１と第２とのアッシングステップの前記状態の情報を表す請求項２２の方法。
24. 前記放射された光は、酸素含有種、及びフッ素含有種の少なくとも１つから生じる請求項２２の方法。
25. 前記フッ素含有種は、フッ素である請求項２４の方法。
26. 前記第２のアッシングステップの長さは、前記第１のアッシングステップの長さの５０％から３００％の間である請求項１の方法。
27. 前記プロセスガスの流量は、２０ｓｃｃｍから１０００ｓｃｃｍの間である請求項１の方法。
28. 前記水素含有ガスの流量は、２０ｓｃｃｍから１０００ｓｃｃｍの間である請求項１の方法。
29. 不活性ガスの流量は、２０ｓｃｃｍから１０００ｓｃｃｍの間である請求項４の方法。
30. Ｎ_２の流量は、２０ｓｃｃｍから１０００ｓｃｃｍの間である請求項６の方法。
31. 前記第１のアッシングステップでの前記プロセスガスの流量は、２０ｓｃｃｍから１０００ｓｃｃｍの間である請求項１の方法。
32. 前記第２のアッシングステップでの前記プロセスガスの流量は、２０ｓｃｃｍから１０００ｓｃｃｍの間である請求項１の方法。
33. 前記プロセスガスの流量は、前記第１と第２とのアッシングステップの間で変化する請求項１の方法。
34. 前記プロセスチャンバの圧力は、２０ｍＴｏｒｒから１０００ｍＴｏｒｒの間である請求項１の方法。
35. 前記第１のアッシングステップでの前記プロセスチャンバの圧力は、２０ｍＴｏｒｒから１０００ｍＴｏｒｒの間である請求項１の方法。
36. 前記第２のアッシングステップでの前記プロセスチャンバの圧力は、２０ｍＴｏｒｒから１０００ｍＴｏｒｒの間である請求項１の方法。
37. 前記プロセスチャンバの圧力は、前記第１と第２とのアッシングステップの間で変化する請求項１の方法。
38. 水素含有ガスを含むプロセスガスを導入することと、
    プラズマプロセスチャンバ内にプラズマを生成することと、
    基板ホルダ上に載置した基板を前記プラズマにさらすことと、
    前記基板ホルダに第１のバイアスを印加することにより、クリーニングステップを実行することと、
    前記基板ホルダに、前記第１のバイアスより高い第２のバイアスを印加することによりアッシングステップを実行することと、を具備するその場プロセスの方法。

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