JP2007221150A - 半導体ウェハー表面からフォトレジストをクリーニングし、ストリッピングする方法 - Google Patents

Abstract

【課題】酸及びまたは工業用有機溶剤による工程を必要としない、有機レジスト、無機残留物及び汚染物質を除去するための処理方法を提供する。
【解決手段】特にビアホール内のレジスト層を除去する方法は、有機化合物を除去するためのプラズマを有し、脱イオン水でデバイスを洗浄し、そして有機化合物を除去するためにアルゴンスパッタリングすることを有している。洗浄とスパッタリングの順序は逆にできる。この方法は、酸及び工業用溶剤の使用を避けられる。
【選択図】なし

Description

本発明は、製造中、半導体ウェハ表面のフォトレジストをクリーニングし、ストリッピングすることに関する。

ウェハに多数の半導体デバイスを製造するため、フォトリソグラフィ工程、エッチング、薄膜堆積及びまたはイオン注入工程が交互に行われ、デバイスが形成される。一般に、フォトリソグラフィ工程は、ウェハをフォトレジストで、特に紫外線（ＵＶ）感光性の有機材料で被膜する工程と、マスクを介してフォトレジストを露光する工程と、レジストを現像する工程と、ウェハ表面に一定の露光領域を残すように露光されたレジストをエッチングする工程とを含んでいる。さらに成膜、注入或いはエッチングのような処理工程は露光領域で行われる。

一般に、エッチングは、ウェハをケミカルエッチング剤に浸す湿式エッチング処理でも、ダウンストリーム型マイクロ波プラズマエッチングまたは反応性イオンエッチング（以下、「ＲＩＥ」という。）のような乾式エッチング処理でも行える。フォトレジストの表面にパターンが形成された後、そして露光領域にさらなる処理が行われた後、フォトレジストはストリッピングされる。そのようなさらなる工程の間に、フォトレジストマスクの特質は、他の材料で汚染されてその初期状態から変化することがある。例えば、エッチング処理が、ビアホールを形成するため、露光領域で行われるならば、エッチングによる高い温度とイオン衝撃とによりフォトレジストが変化する。フォトレジストのそのような変化により、これを除去することが一層困難になり、特に、汚染物質が不揮発性かつ不溶性であるならば、困難となる。

残留物及び汚染物質の除去は半導体デバイスの製造業者の関心事であるので、ストリッピングを行う装置の製造業者は、一般に有機レジスト材料の除去に専念している。上述の汚染物質と残留物との除去は、例えば米国特許第5,360,995号に記載されているように、酸及び有機溶剤により行われている。一般的な種の溶剤は、カルフォルニア州、ハワードのＥＫＣ社から入手可能なＥＫＣ−２６５、及びＮ−メチルピロリダン（ＮＭＰ）である。のような溶剤は、入手するのにコストがかかり、取扱いが危険で、その処分にコストがかかる。酸或いは工業用溶剤を使用することなしに、有機レジストと無機残留物との両方及び汚染物質を除去するための装置と方法が望まれている。

本発明は、酸及びまたは工業用有機溶剤による工程を必要としない、有機レジスト、無機残留物及び汚染物質を除去するための処理を有するものである。これらの処理は、米国特許第5,228,052号（ダウンストリーム型マイクロ波プラズマエッチング或いはＲＩＥを単一チャンバにおいてウェハに交互に或いは連続的に実施できる。）に記載されているような処理装置を用いて行なわれるのが好ましい。

第１実施例において、本発明は、デバイスから有機レジストをアッシングし、このデバイスを水で洗浄し、そして残留汚染物質を除去するため、洗浄されたデバイスをスパッタリングする工程を有する処理を有している。有利な実施例では、ストリッピング工程が、ダウンストリーム型マイクロ波処理、ＲＩＥ処理、または連続的或いは同時のダウンストリーム型マイクロ波処理とＲＩＥ処理のような乾式エッチング処理である。洗浄工程は、脱イオン水（ＤＩ）を用いて行われ、そしてスパッタリング工程はアルゴンを用いて行われる。この処理は、ビアホールが導電体層を貫通し、ＡｌＦ₃のような不溶性の無機汚染物質を生じる場合、ビアホールをエッチングするために特に役立つ。

第２実施例において、処理は、ダウンストリーム型マイクロ波処理によりウェハをアッシングする工程、反応イオンエッチング処理によりウェハをアッシングする工程、及びその次のアッシングされたデバイスを水で洗浄する工程を有している。

これらの処理は、従来使用されてきた、コスト高の酸及び有機溶剤の使用と処理とを排除し、同時に純粋かつクリーンなウェハをもたらす。その他の特徴と利点は、以下の記載、請求の範囲の記載及び図面から明らかになる。

発明の実施するための最良の形態

図１を参照して、処理されるべき半導体ウェハ１０は、エッチング及びまたはクリーニング用の密閉処理チャンバ１６内において水平に配置された加熱板（ホットプレート）１２の上方に位置する。一般に平坦かつ円形であり、直径が４〜８インチであるウェハは支持ピン１８に水平に載置され、この支持ピンは、加熱板１２の開口部を通ってかつ厚さ方向に延びている。従って、ウェハ１０と加熱板１２とは平行な水平面に位置する。

処理ガスはガス源２０から導入管２１を介してチャンバ１６内に導入される。導入管２１のマイクロ波発生源２２は導入管にマイクロ波プラズマ２４を生じさせ、高濃度の活性フリーラジカルで反応ガス２６を放電する。ガス２６は、ウェハの上方に取付けられかつ援用された特許記載のように形成された対向電極２８内の開口部（図示せず）を通過する。適切な条件下では、活性フリーラジカルが、レジストをガスに転化することにより、ウェハ１９上のレジスト膜を分解し、気化する。真空排気系３２は排気管３４を通してこれらのガスを排気し、チャンバを５０〜２０００mTorrの範囲の圧力に維持する。

高周波（ＲＦ）発生源３０は、対向電極２８と基板（bottom）電極として役立つ加熱板１２とに電気的に接続される。従って、対向電極２８と基板電極１２とが２重のカソードを形成する。高周波（ＲＦ）発生源３０は、ウェハ１０の上方に高周波（ＲＦ）プラズマ３２を生じさせる高周波（ＲＦ）電圧を供給する。高周波プラズマ３２は、ウェハ１０からレジストをアッシングする反応性イオンを作る。

透明カバー４８と終点検出器５０とは、高周波プラズマにより生じるアッシングの開始と終了とを検出するために使用される。終点検出器５０はフィルターと光学式検出器とを備え、この光学式検出器は、アッシングの間にＯＨラジカルが形成される時、高周波プラズマに放出されるフォトンを検出する。

マイクロ波プラズマから放電された高濃度のフリーラジカルを有する反応性ガス２６を作り出すためにマイクロ波発生源２２の作動中に、ガスはガス源２０から導入される。そうすると、そのフリーラジカルをイオン化するためにマイクロ波発生用反応性ガス２６内に高周波プラズマを生じることができる。例えば、ガス源２０からの処理ガスがＣＦ₄及び酸素を含有する場合、マイクロ波プラズマで放電したガスは、ウェハ上方のガス内において高濃度のフッ素及び酸素ラジカルをそれぞれ含有する。その際、高周波プラズマがこの放電するガス内に生じる場合、作り出されたイオンは、マイクロ波放電ガス自体のイオンと、或いはマイクロ波放電のないＣＦ₄及び酸素ガスの高周波プラズマのイオンとも相違する。この相違するプラズマが、エッチング及びストリッピングの間、実質的にアッシングを促進することが知見された。

従って、チャンバ１６は乾式アッシングを行うために使用でき、この乾式アッシングは、ダウンストリーム型マイクロ波処理、ＲＩＥ処理、同時のこれら両処理、或いは連続的及びまたは交互のこれら両処理を有している。

図１の装置により実施できる１つの処理は、多層の半導体デバイスの相互連結を容易にする誘電体層を通って形成されたビアホールのエッチング及びクリーニングである。図２（ａ）及び図２（ｂ）は、２つの既知の方法を示し、この方法ではビアホール６６ａ，６６ｂがエッチングされる。一般に、導電体層６２ａ，６２ｂは、アルミニウムまたはアルミニウム或いは銅の合金であり、この導電体層はチタンタングステン（ＴｉＷ）或いは窒化チタン（ＴｉＮ）のような反射防止膜（ＡＲＣ）６８ａ，６８ｂで覆われている。ＴＥＯＳ、ＰＳＧ或いはポリアミドのような誘電体層６０ａ，６０ｂは、導電対層６２ａ，６２ｂの上に形成される。一面を覆うブランケットフォトレジスト層６４ａ，６４ｂは、誘電体層６０ａ，６０ｂの上に形成され、かつビアホール６６ａ，６６ｂのための小さく湾曲した領域のような露光領域を定めるように形成されている。次いで、誘電体層６０ａ，６０ｂは、一般に非等方性処理によりエッチングされ、この処理では、ＲＩＥ処理のようにフッ素が使用され、ポンプで排気されるガス混合物を作り出す。

第１方法では、ＡＲＣ６８ａ（図２（ａ））の表面でエッチング工程を止め、第２方法では、ＡＲＣ６８ａを通ってかつアルミニウム導電体層６２ｂ（図２（ｂ））までエッチングされる。これらの方法のいずれかと共に、ポリマー層７０ａ；７０ｂがビアホール６６ａ，５５ｂの周辺に形成される。ポリマー層７０ａ，７０ｂの状態は均一ではなく、エッチングの深さ及び周辺層の深さに依存して変化する。

図２（ａ）には、導電体層６２ａではなく、誘電体層６０ａのエッチング及びＡＲＣ６８ａの少量のエッチング（このことは必然的に生じる。というのは、ビアホール内の誘電体材料の１００％の除去を行うためにホールが過剰にエッチングされるからである。）に起因するフォトレジスト層６４ａを汚染した副産物のエッチングが示されている。一般に、ＡＲＣ６８ａは、ＴｉＮ，ＴｉＷ或いはその他類似の材料であり、かつ誘電体層６０ａのエッチングがフッ素をベースとしたプラズマにより行われるので、レジスト６４ａを汚染する層７０ａ内の副産物は、チタン或いはタングステンのフッ化物の形態になる。一般に、このフッ化物は、ある程度揮発性でかつ非常に水に溶けやすい。

図３を参照して、図２に示すようにエッチングされたビアホールからレジストをストリップするために、本発明の１つの処理では、エッチング及びクリーニングチャンバ８０内にウェハが設けられ、そしてプラズマエッチング、好ましくはハロゲン（Ｈａｌ）処理及びノーハロゲン（ＮｏＨａｌ）処理と称される２つの処理のいずれか１つが行われる。これらの処理は、本発明の譲受人により開発され、以下に詳細に述べられている。次いで、ＲＩＥ工程は、一般にＣＦ₄或いはＮＦ₃のようなガスからなるフッ素を用いて行われる。プラズマは形成ガスを混ぜて作ることができ、場合によっては処理制御できる。その結果、ウェハ上に残る残留物の全てが水に溶けやすくなる。そして、ウェハがチャンバ８０から、脱イオン水（ＤＩ）で洗浄するために、洗浄ステーション８２へと移動させられる。この洗浄工程の後、ウェハは、さらなる処理のため、堆積チャンバ８４に移動させられる。

この処理は有用かつ望ましいものである。というのは、コスト高かつ危険な酸及び工業用有機溶剤の使用と置き換えられるからである。好ましくは、プラズマエッチング処理及びＲＩＥ処理は単一チャンバで行なわれるが、チャンバの１つをプラズマエッチングのために使用し、他のチャンバをＲＩＥ工程のために使用するような分離チャンバでこれらの処理を行うこともできる。

図２（ｂ）に示すようなビアホールを適用した第２実施例では、エッチング処理により、ＡＲＣ層６８ｂを通って延びかつ導電体層６２ｂまで入り込む。この場合、ポリマー層７０ｂ及びフォトレジスト６４ａの汚染は、図２（ａ）と関連した記載とは非常に異なる。導電体層６２をアルミニウムと仮定すると、エッチングにより、イオン成分によるスパッタリング（back sputtering）が生じ、ポリマー層７０ｂにＡｌＦＦ₃とアルミニウム金属とが生じる。アルミニウム金属は完全な不溶性であり、ＡｌＦＦ₃はわずかだけ温水に解ける。その結果、ストリップ処理の後に残る無機アルミニウム残留物は、脱イオン水で洗浄することによっても容易に取除けず、一般に酸或いは有機溶剤で取除かれる。

図３を再び参照して、以下のような処理はそのような溶剤を必要としない。先ず、エッチング及びクリーニングチャンバ８０内でウェハが、ハロゲン処理或いはＲＩＥ処理のような乾式プラズマエッチングされる。次いで、ウェハがチャンバ８０から移動され、脱イオン水、選択的には超音波で攪拌された脱イオン水で洗浄するために洗浄ステーション８２に供給される。この洗浄工程では、有機材料が洗い流され、不溶性の無機残留物のみが残る。次いで、ウェハは、スパッタリングに使用されるアルゴン或いはその他のガスにより、スパッタクリーニング工程のためにチャンバ８０に戻される。有機残留物を除去するためには、スパッタリング自体は完全に有効なものではないが、予備プラズマエッチング及び脱イオン水洗浄による有機残留物の完全な除去によって、スパッタリング工程により残りの残留物の全てを取り除くことができる。

これらの工程の後、ウェハは、さらなる処理のために成膜チャンバ８４に移動させられる。既知の成膜チャンバでは、どんな酸化物も除去するために、成膜の前に、先ず短時間のスパッタリング工程が行われる。この成膜チャンバは、クリーニングには使用されない。何故なら、副産物が周辺環境を汚染するからである。それ故、残留物は酸或いは溶剤により予め除去されていなければならない。

以下に、上述の処理をより詳細に説明する。これらの処理は、種々の工程を有しており、その順序は状態に応じて変えてもよい。ＲＩＥ工程のための処理パラメータは以下に示すものが好ましい。
（１） 約５〜４５秒の持続時間
（２） ５０〜５００ｓｃｃｍのガス流量の純粋ＣＦ₄或いはＣＦ₄とＮ₂Ｈ₂との混合ガス；ＣＦ₄の５〜１００％の容積率
（３） ５０〜５００ワットの高周波出力レベル
（４） 加熱板上で０〜１０ｍｍのピンポジション
（５） ２８０℃付近の温度
（６） ０．１Ｔｏｒｒ〜０．５Ｔｏｒｒの圧力
このＲＩＥ処理では、ＣＦ₄をＮＦ₃或いはＣｌ₂と取りかえることができ、また、Ｎ₂Ｈ₂をＮ₂窒素或いはアルゴンのような他のガスで代用することができる。Ｎ₂Ｈ₂では、Ｈ２を０．１〜１０％にできる。

ダウンストリーム型プラズマエッチング処理のため、ハロゲン処理（Ｈａｌ）パラメータは以下のものが好ましい。
（１） １０００ｓｃｃｍの酸素
（２） ５〜５０％のＣＦ₄
（３） ＣＦ₄／Ｎ２Ｈ２の比が約１０：１から約１：２０となるように、５〜５０％の、Ｎ₂Ｈ₂と形成ガスとの混合
アルゴンスパッタリングの好ましい条件は以下のようになっている。
（１） ２０〜５００ｓｃｃｍのアルゴンガス流量
（２） ３５０〜６５０ワットの高周波出力
（３） １０〜５００ｍＴｏｒｒの圧力
（４） ２８０℃付近の加熱板温度
（５） ＮＦ₃，ＣＦ₄，ＣＨＦ₃，Ｃｌ₂、ＨＣｌ、ＣＨＣｌ₃或いはＣ₂ＣｌＦ₆及びまたは酸素のような、Ｃｌ₂或いはＦへの添加ガス
従って、アルゴンをベースとするプラズマは、主に不溶性或いは不揮発性残留物を除去するための機械的手段により残留物をスパッタで取り去る（sputter off）。Ｃｌ₂、フッ素或いは酸素を含有するガスは、スパッタされる材料をより揮発性の塩化物或いはフッ化物と交換することによりスパッタレートを化学的に高めるためにアルゴンを付加することが好ましい。アルゴン、酸素及びフッ素でスパッタリングする工程を行い、引き続きアルゴン及び塩素でスパッタリングする工程を行うことで、特によくクリーニングされることが判った。アルゴン或いは塩素でスパッタリングするような、幾つかのスパッタリング工程のために、所定のウェハにとって温度が十分に高いことは重要である。

図４（ａ）〜図４（ｄ）に示す例では、ビアホールが、図２（ｂ）に示すようにアルミニウム層内に深くエッチングされ、従って、ＡｌＦ₃により非常に汚染されたポリマー残留物が残る（図２（ａ））。残留物を含有するレジストは、以下の工程を有する乾式処理により完全に除去される。
（１） バルク状のフォトレジストを除去するための加熱ＮＦ３ハロゲン処理工程（図４（ｂ））
（２） 超音波攪拌された脱イオン水洗浄（図４（ｃ））、及び
（３） クリーンなサンプルを作成するためのアルゴンスパッタリング（図４（ｄ））
本発明の上述の実施例により、添付した請求の範囲記載の発明の範囲から逸脱することなしに改良できるのは明らかである。ある種のガスが引用されているが、レジストを除去するために他のガスも使用できる。

エッチング及びストリッピング用装置の部分ブロック図を、部分的に表したものである。 （ａ）と（ｂ）とは、ビアホールを形成する２つの既知方法をそれぞれ示した断面である。 処理工程を示すブロック図である。 （ａ）〜（ｄ）は、アッシングの前、アッシングの後、洗浄の後、及びスパッタリング後のビアホールのそれぞれのＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真である。

Claims (25)

1. （ａ）有機化合物を形成するため、半導体デバイスのレジスト層をアッシングする工程と、
   （ｂ）有機化合物を洗い流すため、水でデバイスを洗浄する工程と、
   （ｃ）レジスト層の無機残留物をスパッタで取り去るため、エッチング及びストリッピングチャンバ内でデバイスをスパッタリングする工程とを
   有する、除去されるべきレジスト層を有する半導体デバイスを製造する方法。
2. 工程（ａ）がダウンストリーム型プラズマエッチング処理である、請求の範囲第１項記載の除去されるべきレジスト層を有する半導体デバイスを製造する方法。
3. 工程（ａ）が、酸素、フッ素含有ガス及び形成ガスを混合して行われる、請求の範囲第２項記載の除去されるべきレジスト層を有する半導体デバイスを製造する方法。
4. 工程（ａ）が反応性イオンエッチング処理を含む、請求の範囲第１項記載の除去されるべきレジスト層を有する半導体デバイスを製造する方法。
5. 工程（ａ）が、ＣＦ₄、ＮＦ₃、ＣＦ₄とＮ₂Ｈ₂との混合物、及びＮＦ₃とＮ₂Ｈ₂との混合物を有するグループから選択されたガスにより行われる、請求の範囲第４項記載の除去されるべきレジスト層を有する半導体デバイスを製造する方法。
6. 工程（ａ）が、同時に行われる反応性イオンエッチング処理とダウンストリーム型プラズマエッチング処理とを含む、請求の範囲第１項記載の除去されるべきレジスト層を有する半導体デバイスを製造する方法。
7. 工程（ａ）が、連続的に行われる反応性イオンエッチング処理とダウンストリーム型プラズマエッチングとを含む、請求の範囲第１項記載の除去されるべきレジスト層を有する半導体デバイスを製造する方法。
8. 工程（ｂ）が、脱イオン水により洗浄することを含む、請求の範囲第１項記載の除去されるべきレジスト層を有する半導体デバイスを製造する方法。
9. 工程（ｃ）が、アルゴン含有ガスによりスパッタリングすることを含む、請求の範囲第１項記載の除去されるべきレジスト層を有する半導体デバイスを製造する方法。
10. 工程（ｃ）が、アルゴンと、酸素、塩素及びフッ素のいずれか１つを含有するガスとによりスパッタリングすることを含む、請求の範囲第９項記載の除去されるべきレジスト層を有する半導体デバイスを製造する方法。
11. 工程（ｃ）が、アルゴンと、酸素、ＮＦ₃、ＣＦ₄、ＣＨＦ₃、Ｃｌ₂、ＨＣｌ、ＣＨＣｌ₃及びＣ₂ＣｌＦ₆を有するグループから選択されたガスによりスパッタリングすることを含む、請求の範囲第９項記載の除去されるべきレジスト層を有する半導体デバイスを製造する方法。
12. 工程（ｃ）が、アルゴン及び酸素によりスパッタリングする第１工程と、引続きアルゴン及び塩素でスパッタリングする第２工程とを含む、請求の範囲１項記載の除去されるべきレジスト層を有する半導体デバイスを製造する方法。
13. 工程（ａ）がダウンストリーム型プラズマエッチング処理及び反応性イオンエッチング処理のいずれか１つを含み、工程（ｂ）が脱イオン水で洗浄することを含み、工程（ｃ）がアルゴンガスでスパッタリングすることを含む、請求の範囲第１項に記載の除去されるべきレジスト層を有する半導体デバイスを製造する方法。
14. 工程（ａ）の前に、
    導電体層を形成する工程と、
    導電体層上に誘電体層を形成する工程と、
    誘電体層上のパターンに、露光領域を作るためにパターン化されたレジスト層を形成する工程と、
    少なくとも誘電体層を通って延びるビアホールを作るために露光領域をエッチングする工程とを、
    さらに備えている、請求の範囲第１項記載の除去されるべきレジスト層を有する半導体デバイスを製造する方法。
15. 導電体層がアルミニウムを含み、露光領域のエッチング工程が、無機残留物としてのＡｌＦ₃を作るように導電体層をフッ素によりエッチングすることを含む、請求の範囲第１４項記載の除去されるべきレジスト層を有する半導体デバイスを製造する方法。
16. 導電体層上に反射防止膜を形成し、誘電体層を反射防止膜上に形成する工程をさらに備えている、請求の範囲第１４項記載の除去されるべきレジスト層を有する半導体デバイスを製造する方法。
17. 工程（ａ）と工程（ｃ）とが同じチャンバ内で行われる、請求の範囲第１項記載の除去されるべきレジスト層を有する半導体デバイスを製造する方法。
18. 工程（ａ）と工程（ｃ）とが異なったチャンバで行われる、請求の範囲第１項記載の除去されるべきレジスト層を有する半導体デバイスを製造する方法。
19. 工程（ａ）〜工程（ｃ）が列挙された順序で行われる、請求の範囲第１項記載の除去されるべきレジスト層を有する半導体デバイスを製造する方法。
20. （ａ）半導体デバイスのレジスト層をダウンストリーム型マイクロ波処理でアッシングする工程と、
    （ｂ）レジスト層を反応性イオンエッチング処理でアッシングする工程と、
    （ｃ）アッシングしたデバイスを水で洗浄する工程とを
    有する、除去されるべきレジスト層を有する半導体デバイスを製造する方法。
21. 工程（ａ）の前に、
    導電体層を形成する工程と、
    導電体層上に誘電体層を形成する工程と、
    露光領域を作るために誘電体層上のパターンに、パターン化されたレジスト層を形成する工程と、
    少なくとも誘電体層を通って延びるビアホールを作るために露光領域をエッチングする工程とを、
    さらに備えている、請求の範囲第２０項記載の除去されるべきレジスト層を有する半導体デバイスを製造する方法。
22. 導電体層上に反射防止膜を形成し、誘電体層を反射防止膜上に形成し、そしてエッチング工程が反射防止膜を貫通せずにエッチングすることを含む、請求の範囲第２１項記載の除去されるべきレジスト層を有する半導体デバイスを製造する方法。
23. 工程（ａ）が酸素、ＣＦ₃及び形成ガスで行われる、請求の範囲第２０項記載の除去されるべきレジスト層を有する半導体デバイスを製造する方法。
24. 工程（ｂ）が、ＣＦ₄、ＮＦ₃、ＣＦ₄とＮ₂Ｈ₂との混合物、及びＮＦ₃とＮ₂Ｈ₂との混合物を有するグループから選択されたガスにより行われる、請求の範囲第２０項記載の除去され得るレジスト層を有する半導体デバイスを製造する方法。
25. 工程（ｃ）が、脱イオン水により洗浄することを含む、請求の範囲第２０項記載の除去され得るレジスト層を有する半導体デバイスを製造する方法。

Images