JP2005523587A - フォトレジストおよびエッチング残渣の除去方法 - Google Patents

フォトレジストおよびエッチング残渣の除去方法 Download PDF

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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、酸素含有ガスを含み、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227651WO号と共に出願された係属中の国際出願第PCT/US03/00032号、タイトル”フォトレジストと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典型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、酸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、酸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基板ホルダに印加去れ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。
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を最少化
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典型的な断面の描写を示す図である。2ステップ酸素アッシングのうちの、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(図示せず)とウェハ上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ができる為の、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バイアスを使用する。しかしRFバイアスは明らかにされる。
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。酸素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)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期間は、10の秒から100の秒まで変動できる。望ましくは、第1のステップのための時間持続時間は、20から50の秒まで変動する。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、10の秒から100の秒まで変動することができる。望ましくは、第2のステップのための所要期間は、20から50の秒まで変動する。
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、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。
第1の例で、図3はアッシングプロセスの間、キャップ層102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の薄膜化として測定される。キャップ層ロス120は、3つのアッシングプロセスに対し測定された:
a)ポリマー堆積物を有するチャンバ内の2ステップアッシング(第1のステップのゼロバイアス、第2のステップの増加されたバイアス);
b)きれいなチャンバの従来の1ステップアッシング;そして
c)ポリマー堆積物を有するチャンバ内の従来の1ステップアッシング。
これらのアッシングプロセスのプロセス状況は、以下の通りであった。
a)第1のアッシングステップ:チャンバ圧力=50mTorr、RFバイアス=0W、酸素流量200sccm、第2のアッシングステップ:チャンバ圧力=20mTorr、RFバイアス=150W、酸素流量=20sccm、Ar/酸素流量=200/20sccm;
b)チャンバ圧=50mTorr、RFバイアス=150W、酸素流量200sccm;そして
c)チャンバ圧=50mTorr、RFバイアス=150W、酸素流量200sccm.
1ステッププロセスb)とc) と比較した時、減少されたキャップ層ロス120は、上記の2ステップアッシングプロセス(a)で観察される。たとえば、表1に示すように、キャップ層ロスは、c)>b)>a)の順序で減少する。その結果、2ステッププロセスは、キャップ層ロスを最小にするアッシング方法を提供する。
Figure 2005523587
第2の例で、図4A〜4Cは、アッシングプロセスのOESグラフを示す。上記のプロセスの間、チャンバ(基板面を含むこと)の表面からのフルオロカーボンポリマーの放出は、OESを使ってモニタすることができる。図4A〜4CのOESグラフは、上記記載されたa)〜c)アッシングプロセスと、それぞれ一致する。図4Aで、CO(482.5nm)とF(775.5nm)種と一致する放射光信号をモニタリングする時、2ステップアッシングプロセスは実行される。第1のアッシングステップ(ゼロバイアスが印加)の間、COとFの最初の最大強度信号であり、その2つの信号は、単調に減少し、2つのシグナルは単調に減少し、その後、第1のアッシングステップ終了で、COとFとの種は相対的に低いレベルを示す。第2のアッシングステップ(バイアスは印加)の間、低F信号レベルは維持される、しかし、CO信号はアッシングプロセスの残りのために維持される新しい低レベルに達する前に最大強度を示す。重要なことに、図4AのOESグラフはCOのその相対的に低いレベルを示す、そして、F種は、第1のアッシングステップの終わりの前に達する。したがって、FとCOとの信号(および/または他のOES信号)は、第1のアッシングステップの終わりを決定する為に使用できる。図4Aの第2のアッシングステップの終わりは、また、CO信号(および/または他のOES信号)から決定できる。
図4Bは、きれいなチャンバで従来のワンステップアッシングプロセスの間のOESグラフを示す。図4Cは、ポリマーの堆積物を有するチャンバ中での従来のワンステップアッシングプロセスの間のOESグラフを示す。大きなCOとFとの信号は、バイアスの存在でアッシングプロセスの間、これらの種の高いレベルを示す。COとFのかなり減らされたレベルは図4Cと比較して図4Bで観察される、しかし、バイアスがオフの時の図4Aの第1のステップと比較して、COとFのより高いレベルはバイアスオンで図4Cで観察される。
重要なことには、図4A〜4Cは、OESが、アッシングプロセスに不利益で、そして誘電層のファセッティングとキャップ層ロスの結果となるプラズマ種(例えばF)の存在をモニタするために利用できることを示す。さらに、OESは不利益な種がプラズマ環境でかなりの量で存在するプラズマ期間の終わりを決定するために利用されることができる。
アッシングプロセスの間に起こる誘電層の側壁へのダメージは、半導体製造で重要である。プラズマアッシングの後で、ダメージはHFエッチングソリューション(溶液)へさらされるため、誘電側壁ロスを測ることによって評価できる。
第3の例で、図5は概略的に誘電側壁ロスを示す。図5の誘電側壁ロスは、HFソルーションへさらされた後、誘電層104のトップ130と中間132との除去として測られる。図5のテスト構造は、さらにSiN層106とSiC層102とを含んでいた。誘電体側壁ロスは、3つの上記記載したアッシングプロセス(a)〜c))と、そして加えて、d)の低い全チャンバ圧力、及びa)のプロセス中の第1のアッシングプロセスより高い酸素流量の2ステップアッシングプロセスとのそれぞれを使用し測定された。
アッシングプロセスd)のTHEプロセス状況は、以下の通りであった。
第1のアッシングステップ:
チャンバ圧力=20mTorr、RFバイアス=0W、酸素流量500sccm;
第2のアッシングステップ:
チャンバ圧力=20mTorr、RFバイアス=150W、酸素流量20sccm、Ar/酸素流量=200/20sccm.
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5秒から30秒の間、さらされた。HFの30秒さらされた側壁ロスのSEM分析は、アッシングプロセスa)〜d)に対して、表2で示される。まとめとして、誘電側壁ロス(したがって、アッシングプロセスの間の側壁ダメージ)は、2ステッププロセスa)より2ステップアッシングプロセスd)(チャンバ圧力とより高い酸素流量が利用されるところ)より少ない。それに加えて、きれいなチャンバで実行されたプロセスb)が、ポリマー堆積物を有するチャンバで両方とも実行された1ステップc)と2ステッププロセスa)より少ない誘電側壁ロスを示す。
Figure 2005523587
現在の発明の多数の修正変更は、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。
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。
1ステップアッシングプロセスの典型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典型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。 アッシングプロセスの発光分光法(OES:Optical Emission Spectroscopy)のグラフを示す図である。 アッシングプロセスの発光分光法(OES:Optical Emission Spectroscopy)のグラフを示す図である。 アッシングプロセスの発光分光法(OES:Optical Emission Spectroscopy)のグラフを示す図である。 誘電体の側壁のロスを概略的に示す図である。

Claims (34)

  1. 酸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のバイアスより大きい第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、を具備するその場アッシングの方法。
  2. 前記酸素含有ガスは酸素(O)を含む請求項1の方法。
  3. 前記プロセスガスは、さらに不活性ガスを有する請求項1の方法。
  4. 前記不活性ガスは、He,Ar、及びNの少なくとも1つを有する請求項3の方法。
  5. 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。
  6. 前記第1のバイアスは、ほぼ50Wより低い請求項1の方法。
  7. 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。
  8. 前記第2のバイアスは、120Wを越える請求項1の方法。
  9. 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。
  10. 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前記状態を決定すること、をさらに具備する請求項1の方法。
  11. 前記放射された光の前記検出は、終点を確立するための方法を提供する請求項10の方法。
  12. 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10の方法。
  13. 前記放射された光は、CO及びフッ素含有種の少なくとも1つから生じる請求項10の方法。
  14. 前記フッ素含有種は、フッ素である請求項13の方法。
  15. 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前記状態を決定すること、をさらに具備する請求項1の方法。
  16. 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15の方法。
  17. 前記放射された光は、CO、及びフッ素含有種の少なくとも1つから生じる請求項16の方法。
  18. 前記フッ素含有種は、フッ素である請求項17の方法。
  19. 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。
  20. 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19の方法。
  21. 前記放射された光は、CO、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。
  22. 前記フッ素含有種は、フッ素である請求項21の方法。
  23. 前記第2のアッシングステップの前記長さは、前記第1のアッシングステップの前記長さの50%から300%の間である請求項1の方法。
  24. 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。
  25. 前記酸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。
  26. 酸素(O)の流量は、20sccmから1000sccmの間である請求項2の方法。
  27. 前記第1のアッシングステップ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。
  28. 前記第2のアッシングステップの前記プロセスガスの前記流量は、20sccmから1000sccmの間である請求項1の方法。
  29. 前記プロセスガスの前記流量は、前記第1と前記第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。
  30. 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。
  31. 前記第1のアッシングステップ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。
  32. 前記第2のアッシングステップの前記プロセスチャンバの前記圧力は、20mTorrから1000mTorrの間である請求項1の方法。
  33. 前記プロセスチャンバの前記圧力は、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。
  34. 酸素含有ガスを有する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のバイアスより大きな第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、を具備するその場プロセスの方法。
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