JP2007235138A - 大きい深さ対幅アスペクト比をもつホールからポリマーを制御下にかつ急速に除去するための大気内プロセスおよびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】深さ対幅が１０：１より大きいアスペクト比を持つ高アスペクト比のホールを備える基板からポリマーを除去する方法を提供する。
【解決手段】２つの電極の間にアーク状のプラズマを発生させ、４０００℃と１２０００℃との間の範囲の温度を有する大気高温ガス流を前記アーク状のプラズマから形成する。前記基板に前記大気高温ガス流を向け、前記基板上に流体力学的なガス境界を形成する。前記基板を電気的劣化させることなく前記ホール内部の前記ポリマーを除去するように、必要な時間において前記基板上を前記大気高温ガス流を通過させるとともに、前記ポリマーを前記ホールから所望の深さまで除去するように、前記大気高温ガス流が前記基板上を所望の回数だけ通過するよう前記基板を移動する。
【選択図】図２

Description

本発明は一般的には半導体製造に関し、より特定的には高温ガス流技術を用いる半導体デバイス製造プロセスにおけるステップに関する。

ミクロンまたはサブミクロン開口部を持つ、高い深さ対幅アスペクト比のホールおよび溝状パターンは、半導体の製造において多くの用途を持つ。この説明では、１０対１よりも大きい非常に高い深さ対幅比を持つホールおよび溝状パターンを総称的に記述するために、用語「高アスペクト比のホール」を使用する。シリコンにこのようなホールを作るために、色々なエッチング方法が開発されてきた。このアプローチは、リソグラフィー的に規定されたマスクパターン、結晶面に沿う化学的選択性を利用する湿式化学エッチ方法、および高度に方向性のある異方性エッチングを得るために低圧力で行われる乾式プラズマエッチプロセスを使用する。

非常に高いアスペクト比のホールは、半導体デバイスおよび色々な小型マイクロ機械加工デバイス（ＭＩＭＭｓ）に用途を持つ。半導体ＤＲＡＭデバイスにおいて、５０：１以上の高アスペクト比を持つ低表面積を備えた高静電容量構造のための溝が、先端設計のために研究されている。

半導体とＭＩＭＭｓの両方について、非常に高いアスペクト比を作った後に続くパターニングの必要性は、通常フォトレジストまたは感光性ポリイミドのような、感光性ポリマー中に作られるリソグラフィー的に規定されたマスクパターンを必要とする。このようなステップにおいて、高アスペクト比のホールは感光性ポリマーで満たされる。

ポリマーマスクパターンを使用するプロセスに続いて、ポリマーマスクはデバイスから取り除かれなければならない。或る適用においては、ホールの上部露出部を処理するために残留ポリマーがホールの下部を保護しながら、ポリマー材料を部分的に、制御された深さまで除去することが有利となり得る。

コンデンサ領域を増加するためのこのような能力を使用するＤＲＡＭコンデンサへの適用が、非特許文献１に記載されている。

特開平７−２４５１９２号公報。 特開平６−２６０４４２号公報。 特開平９−２４６２５２号公報。 Ｊ．Ｂａｌｉｇａ著の評論「新材料強化メモリー性能」、Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ誌１９９９年１１月，７９−９９頁の８０頁。

特に半導体適用のために、ポリマー除去プロセスの追加要求は、デバイスの露出表面が電気的劣化を受けないことである。プラズマ除去プロセスで発生し得る劣化のタイプは、結晶損傷または薄い絶縁層への損傷を起こすエネルギー種から来ることがあり得る。

フォトポリマーを除去する標準方法は「アッシング」と呼ばれる方法を含み、そこで低圧の電気放電がポリマーを取り除くためにその表面へ流れ、かつポリマーを揮発性酸化副産物（例えばＨＯ_Ｘ、ＣＯ_Ｘ）に変換する化学的反応性酸素種を作り出すプラズマを発生する。

非常に高いアスペクト比のホールについては、アスペクト比が増加するに従ってホールの底部まで達する活性酸素系のフラックスが減少し、その結果ポリマーのエッチ速度は劇的に低下する。このことを防止する一つの方法は、高密度プラズマ（ＨＤＰ）を使用することである。

そのプロセスにおいて、低圧で強力プラズマが発生される。この圧力は十分に低いので、プラズマ発生反応種の衝突間の径路長が十分長くなり、それ故反応性イオンが基板の表面上の境界層「シース」に設けられた電界の加速によってホールの中へ注入できる。

このＨＤＰアプローチに伴う問題点は、エネルギーイオン種がデバイスの電気的特性を電気的に劣化させることがあり得ることである。

先行技術は他のガス種との衝突の間の長い径路長のコンセプトを使用し、それにより反応種を非常に高いアスペクト比のホールの底部に到達させ、その場所でその種がポリマーを揮発性副産物に変換し得るようにしてきた。

我々の発明においては、我々は電気的劣化なしに、溝を含む高（大きい）アスペクト比のホールからポリマーを除去させる近大気圧のプロセスの使用を説述する。基板におけるこれらのホールは、０．１ミクロン未満にもなり得る非常に狭い幅を含む、１０：１よりも大きい深さ対幅の比を持つことができる。

この発明では、高アスペクト比のホールからポリマーを部分的に除去することを、基板上に存在し得る感受性デバイスの電気的劣化なしに為すことができる。ポリマーは、５ミクロン／分より早い比較的高速度で除去できる。

ポリマーは、どんな標準的湿式または乾式プラズマ技術によっても除去することが非常に困難な、ポリイミドのような標準フォトレシジスト、または高架橋ポリマーであっても良い。

このことは、ポリマーがそこで高アスペクト比のホールから除去されるべきところの、ウェファ基板表面へ高温ガス流の近大気の流れを発生するためのシステムを使用する本発明による一つの技術によって達成される。

高温ガス流は典型的には、基板よりも小さな区域を持ち、それゆえ高温ガス流の中での制御された基板の運動が基板からポリマーを均一に除去するために使用される。高温ガス流は、アルゴンのような不活性ガス中で発生される高温度のアーク状プラズマである。

アッシング、すなわち揮発性産物を形成するための酸素とポリマーとの反応、及び、以下の明細書で更に議論される剥離の結合の効果は、高アスペクト比のホールからのポリマーの制御された除去を可能にする。

それ故、半導体ウェファまたは他の基板表面の高アスペクト比のホールからポリマーを除去するための技術を提供することが、本発明の目的である。

本発明のこれらのおよび他の利点と目的は、図示の実施例についての以下の詳細な説明によって理解できる。

図１および図２に示すように、半導体ウェファ１０がウェファホルダー１２に搭載されて示されている。高温ガス流１４は、基板すなわちウェファ表面に向けられる。ウェファ１０は、窒素のようなガス流からの負圧の助けによって上下逆姿勢に保持されている。

ウェファホルダー１２、およびウェファを維持するための技術は、本特許出願と同じ発明者と所有者による同時に係属する米国仮特許出願、表題「ウェファホルダー温度の制御を備える大気プラズマシステムにおける処理のためのウェファの回転と移動用ウェファホルダー」、１９９９年１０月１２日出願、シリアルナンバー６０／１５８，８９２に記述されたものでよく、そしてその米国仮特許出願はここに参照することによって本発明に完全に組込まれている。

図２に示すように、大気高温ガス流１４が密閉チャンバー１３内部の装置１６によって発生される。しばしばプラズマジェットと呼ばれるところの、大気プラズマ発生システム１６は以前から開示されている。Ｓｉｎｉａｇｕｉｎｅの米国特許No.６，０４０，５４８、表題「プラズマジェットを発生しかつ偏向するための装置」を参照されたい。

本ポリマー除去の適用についての米国特許No.６，０４０，５４８に記載された装置のさらなる改善が、本出願の明細書に記述されかつ示されている。

装置１６は、アーク放電２２のための陰極と陽極としての役を二つの電極部分構体１８、２０間で、アルゴンのような不活性ガス中で発生される高温度のアーク状プラズマを使用する。図２に示されるように、その電極構成によって形成されるアーク２２は、基板表面２８への高温ガスの流れ１４を作り出す。

処理されるべきウェファつまり基板１０は、図示されていない適当な作動器（アクチュエータ）を使用して高温ガス流１４によって形成された処置区域を通して移動される。他の適当な雰囲気ガスも、密閉チャンバー１３の内部で使用できる。

ガス注入器２６が、酸素またはガス混合物のようなガスを高温ガス流中に直接注入するために使用できる。ガス注入器２６からのガス流がなければ、高温ガス流は、主に二つの電極構体からの不活性ガス、および、高温ガス流中に引きずり込まれるプロセスチャンバー１３の周囲ガスから構成される。

ガス注入器２６が、酸素またはガス混合物のようなガスを高温ガス流中に直接注入するために使用できる。ガス注入器２６からのガス流がなければ、高温ガス流は、主に二つの電極構体からの不活性ガス、および、高温ガス流中に引きずり込まれるプロセス用の密閉チャンバー１３の周囲ガスから構成される。

ポリマー除去プロセスについては、ウェファ表面２８上の流体力学的なガス境界におけるガス流の温度は、典型的には約８，０００℃になり得る。この温度は、基板１０から電極構体１８、２０の距離とアーク状プラズマへのパワーとを制御することによって制御できる。アーク状プラズマを駆動するための典型的なパワーパラメータは、約１５０Ｖおよび８０Ａである。

一般的にＡで表される処置区域の大きさは、流れ１４が基板表面２８に入射する所で直径約２ｃｍであり、通常処理される基板１０（例えば２００ｍｍ直径シリコンウェファ）の大きさよりも小さい。

従って、全基板表面２８は、全ウェファ領域に亘る処置を与える運動構成を使用して、処置区域を通してのウェファ１０の多数回の通過によって処置される。処置区域に対するウェファの相対的運動は、均一な処置を得ることができるようにプログラムされる。運動構成はステップアンドスキャン、またはウェファ１０の移動つき回転によることができる。

基板が高温ガス流を通過するときその局所的区域から除去されるポリマーの深さは、その区域が高温ガス流中で費やす時間に、従ってガス流を通るその局所的区域の速度に依存する。

例えばもし回転及び移動運動機構が一定の回転速度で使用されるならば、ウェファの局所的区域は回転の中心からの半径距離Ｒと共に増加する回転のベロシティを持つ。全基板に亘って均一なポリマー除去を達成するためには、その時は高温ガス流を通るウェファの移動速度（トランスレーションヴェロシティ）は、半径方向のベロシティにおけるこの増加を説明するためには、回転中心からの距離の関数でなければならない。

第一次近似に対して、移動速度は１／Ｒの依存性を持つであろう。実際には、プログラムされた速度（ヴェロシティ）は、均一除去で除去されたポリマーの変動のマッピングを与えるところの部分的ポリマー除去の後の測定に基づく繰返し処理において調節できる。

次いで高温ガス流を通るウェファの局所的速度は、測定された厚みの変動について補償するように調節される。プラネタリ運動構成を使用するウェファのバッチを処置するための速度の繰返し調節のための処理が、発明者ＴｏｋｍｏｕｌｉｎｅおよびＳｉｎｉａｇｕｉｎｅの国際特許出願ＷＯ９７４５８５６、表題「プラズマジェット中の物品を処置するための方法」に説明されている。

上のパラグラフに説明したように、高温ガス流を通してポリマーが移動しながら局所的区域から除去されるポリマーの深さは、ガス流を通る局所的区域の速度に依存する。速度は０．０１から１０メータ／秒の範囲で良い。

ポリマー除去プロセスの一例は、時間平均ポリマー除去速度が５ミクロン／分であり、かつ高温ガス流を通過する平均移動速度が０．５ｍ／秒である回転および移動運動の構成を持つところの、直径２００ｍｍのウェファについてであろう。ウェファが高温ガス流から通過する時間は、高温ガス流からの通過に費やす時間を含めて約０．５秒であろう。

一回の通過で、ポリマーの０．０４２ミクロンが除去されるであろう。２ミクロンのポリマーを除去するために、４８回の通過が要るだろう。従って高温ガス流を通る基板の通過回数は、除去されるポリマーの深さを制御するために使用できる。

上の例で、０．５ミクロンは１２回の通過で除去されるであろう。実際にはポリマーが非常に狭くかつ非常に大きいアスペクト比のホールから除去される時は、除去速度のそのホールの深さへの依存性があり得る。この依存性は測定でき、かつその通過回数を調節することにより補償できる。

我々の大気プロセスと、先行技術のアッシングおよびＨＤＰプロセスとの間の二つの基本的な差異は：（１）ガス温度が高くかつエッチングガス流における熱平衡状態にあり、かつ（２）アークによる発生プラズマとプロセスガス流が、優れて衝突支配的であること、である。

先行技術の低圧力プラズマ適用においては、原子および分子のスピーシーズ（種）は室温付近（例えば１００℃）にあり、一方電子は非常なエネルギー豊富状態（例えば約５ｅＶ、５０，０００°Ｋ付近）にある。

図１および２に示される本発明による大気システム１６のガス流１４において、原子および分子種は、ガス流温度が４，０００℃から１２，０００℃の範囲、好ましくは７，０００℃から１０，０００℃の範囲で、電子と熱平衡状態にある。

大気高温ガス流は高度に衝突支配的であるので、質量およびエネルギー輸送は流体力学的な流動特性で説明される。大気システムにおいて、高温ガス流と基板との間の境界における領域Ａの内部には流体力学的な境界がある。

境界を横切って大きな温度差が存在し得る。ガス流側ではガス温度は８，０００℃になり得、一方ウェファ温度は僅か１００℃であり得る。

本出願に適用されかつ以下のパラグラフで説明される既知の流体力学的境界層の特性は、原子およびイオンによって規定されるガス温度が基板の表面において基板温度（例えば１００℃）に低下する一方、電子は基板の表面においてかなりのより多いエネルギー（例えば０．７ｅＶまたは６，０００℃付近）を維持できる。

このエネルギーにより、電子は基板において局所的に種を発生でき、そのことは深いホールにおけるエッチングに貢献するであろう。

重い種、主として質量Ｍatomの原子およびイオンの温度は、流入ガス流の温度（例えば８，０００℃）からスムーズに基板表面温度（例えば１００℃）に減少する。境界層の厚みδは、δ〜１０^４ｍであり、その端から端までかなりの温度変化が生じる部分の境界の厚みは０．０１δ〜１０^−６ｍである。

重い種間の衝突に比較して、電子はその比較的軽い質量Ｍeの故に重い種との衝突毎にそれらの運動エネルギーの小さな部分、Ｍe／Ｍatomの係数〜１０^−５、のみを移送する。従って、このような小さな距離を越えて、電子は境界層を横断しながらそれらのエネルギーの大部分を移送することはできない。

ポリマー除去の適用について、大気プラズマによって発生される高温ガスの基板への流れ１４は、アークからの不活性ガスおよびその流れの中に引き込まれかつ同伴される密閉チャンバーの周囲ガスより成り、かつ必要に応じてガス注入器２６によって高温ガス流中に直接注入されるガスからも成る。基板への高温ガス流は、次の二つのメカニズムによりポリマーを除去できる：
１．熱的に作り出された活性酸素種が揮発性副産物を形成するようにその中で反応するアッシングのメカニズム、
２．基板表面２８への高温ガス流が、その中でポリマー表面からの分子のクラスターを蒸発し、そのクラスターは次いで装置１６を囲む密閉チャンバー１３中の大気酸素との反応によって揮発性副産物に変換されるところの剥離のメカニズム。

その剥離のプロセスはポリマー層の最上部の単一層（トップモノレーヤー）との相互作用であり、かつそれが基板表面２８から、かなりの熱量を持ち去ることができるので、残存ポリマー層が熱的に損傷されない。

上の二つのメカニズムは相乗効果として作用する。表面への熱フラックスはアッシングのメカニズムを加速することができ、かつアッシングのメカニズムによって発生された熱は剥離を加速する傾向がある。

高アスペクト比のホールにおけるポリマーを除去するための大気圧アプローチは、上記のように従来の低圧力アッシングおよびＨＤＰプロセスと比較して特に効果的である。

図２ないし図４において４０で図示される非常に高いアスペクト比のホールからポリマーを除去するため、圧力が他の原子または分子種との衝突によって影響されることなく反応性種がホール４０の底部４２に到達できるように十分に低くなければならない、ということが分かる。

本発明による大気高温ガス技術において、エッチング種の高アスペクト比のホールへの輸送は衝突支配ガスの流動による。

その結果、ポリマー４４が、ホール４０の底部４２付近でさえもポリマー４４のエッチング速度に僅かな影響しか与えないで、０．１ミクロンより少ない幅ｗを備えた５０：１のアスペクト比を持つ溝つまりホール４０から除去できる、ということが示される。その結果、それより更に高い（大きい）アスペクト比のホールからポリマーを除去するための同様な制御を得ることに関して制限のないことが示される。

図４に示される高アスペクト比のホール４０からのポリマー４０の制御された除去を実施するために、本発明のプロセスは制御された深さＳにホール４０からフォトレジスト４４を均一に除去しなければならず、かつプロセスコストを上げないように高エッチ速度を維持しなければならない。

フォトレジストの均一な除去を得ることは、エッチ速度の温度依存性のため更に複雑である。フォトレジストおよび他のポリマーについてのエッチ速度は温度と共に増加する。

ポリマーの完全な取り除きよりも、むしろポリマーの制御された深さへの除去を実施するために、温度制御と除去の均一性が必要である。

先に示した米国仮特許出願No.６０／１５８，８９２はウェファホルダーおよびウェファ運動構成を記述しているが、その構成においては、回転ウェファが処置区域を通って移動され、それによってある一つの半径について、平均的ウェファホルダーの熱的変動依存性を一定とさせることができる。このことは、温度依存性に対して軸対称性を与える。

先に示したNo.１５８，８９２米国特許出願で述べたように、回転ウェファの中心軸のプログラムされた運動がウェファの均一な処理を得るために使用される。温度依存フォトレジスト除去の適用のために、ウェファのプログラムされた運動が熱的エッチ速度効果を補償するために使用される。

さらにNo.１５８，８９２米国出願は、処理の間ウェファホルダーを一定温度に維持するために温度フィードバックを備える直接流体冷却ウェファホルダーの使用について記述している。

以上、ポリマーを基板デバイスから除去するため、要求される高温ガス流を発生するための、大気プラズマを使用する高温ガスプロセスおよび手段を説明したので本発明の色々な利点が理解できるだろう。説明したプロセスからの変化は、当該技術に習熟した人々にとっては特許請求の範囲によって示される本発明の範囲から逸脱することなしに為すことができる。

半導体ウェファ基板表面における高アスペクト比のホールから本発明によるポリマーの除去または制御されたポリマーの部分的除去のための高温ガス流を使用することのコンセプトを示す装置の模式的側面図。 必要な高温ガス流を発生するために使用することができるプラズマ処理システムの模式的側面図。 製造中の、ポリマーによってカバーされた高アスペクト比を持つ半導体ウェファ基板の拡大断面図。 我々の発明の技術を使用してポリマーが除去された、図２の半導体ウェファ基板の拡大断面図。 図２の半導体ウェファ基板の拡大断面図であるが、我々の発明の技術を使用してポリマーが部分的に除去されたもの。

符号の説明

１０…半導体ウェファ、
１２…ウェファホルダー、
１３…密閉チャンバー、シールドチャンバー、
１４…高温ガス流、
１６…装置、
１８，２０…電極部分構体、
２２…アーク放電、
２６…ガス注入器、
２８…ウェファ表面、
４０…ホール、
４２…底部、
４４…ポリマー。

Claims (11)

1. 深さ対幅が１０：１より大きいアスペクト比を持つ高アスペクト比のホールを備える基板からポリマーを除去する方法であって、
   ２つの電極の間にアーク状のプラズマを発生させるステップと、
   ４０００℃と１２０００℃との間の範囲の温度を有する大気高温ガス流を前記アーク状のプラズマから形成するステップと、
   前記基板に前記大気高温ガス流を向けるステップと、
   前記基板上に流体力学的なガス境界を形成するステップと、
   前記基板を電気的劣化させることなく前記ホール内部の前記ポリマーを除去するように、必要な時間において前記基板上を前記大気高温ガス流を通過させるとともに、前記ポリマーを前記ホールから所望の深さまで除去するように、前記大気高温ガス流が前記基板上を所望の回数だけ通過するよう前記基板を移動するステップとを有することを特徴とするポリマーを除去する方法。
2. 前記大気高温ガス流を形成するステップにおいて、前記大気高温ガス流は７，０００℃と１０，０００℃との間の範囲の温度であることを特徴とする請求項１に記載のポリマーを除去する方法。
3. 前記大気高温ガス流を形成するステップが、
   陽極と陰極間に大気アーク状プラズマ流を発生するステップと、
   前記大気アーク状プラズマ流を前記基板上の前記ポリマーに向けるステップとをさらに有することを特徴とする請求項１に記載のポリマーを除去する方法。
4. 前記基板を損傷させることなく前記ポリマーを除去するように、選択された速度で前記大気アーク状プラズマ流に対して前記基板を移動させるとともに、前記基板から希望するポリマーの量を除去するように、選択された回数だけ前記大気アーク状プラズマ流が前記基板上を通過するステップをさらに有することを特徴とする請求項３に記載のポリマーを除去する方法。
5. 前記基板は複数の高アスペクト比のホールを持ち、かつ前記高アスペクト比のホールから高エッチ速度で前記ポリマーを除去するために、形成した前記大気高温ガス流を前記基板に向けられるよう構成されたことを特徴とする請求項１に記載のポリマーを除去する方法。
6. 前記ポリマーを前記高アスペクト比のホールから、制御されかつ所望の深さまで部分的に除去するために、形成した前記大気高温ガス流が前記基板に向けられ、かつその通過回数が選択されるよう構成されたことを特徴とする請求項１に記載のポリマーを除去する方法。
7. 前記ポリマーはフォトレジストであることを特徴とする請求項１に記載のポリマーを除去する方法。
8. 前記大気高温ガスの流れは周囲の空気を含むことを特徴とする請求項１に記載のポリマーを除去する方法。
9. 前記大気高温ガス流が密閉されたチャンバーの内側で作られ、かつ
   前記チャンバーの内側の雰囲気は前記チャンバーに注入されるガスで形成されることを特徴とする請求項１に記載のポリマーを除去する方法。
10. 前記基板に向けられる前記大気高温ガス流中に物質処理ガスを直接注入することを特徴とする請求項１に記載のポリマーを除去する方法。
11. 前記大気高温ガス流が前記基板上にエッチング領域を規定し、かつ
    前記ポリマーを部分的に除去する深さを制御をするために、前記エッチング領域に関してプログラムされた動きに沿った前記基板を横切って延びる経路に沿って、前記基板を移動させるステップをさらに有することを特徴とする請求項１に記載のポリマーを除去する方法。

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