JP2008091750A - アッシング装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】 半導体基板上の酸化膜や窒化膜のエッチングとダメージを抑制し、かつ、非常に高速度で均一にレジストをアッシングすることを可能とするアッシング装置を提供する。
【解決手段】 反応管１２と、反応管１２内に高周波ガス放電を誘起し維持するコイル１８及び高周波電源２０と、半導体基板ａを保持するサセプタ２４を内蔵し反応管に直結するチャンバ２２と、を有するアッシング装置１０であって、反応管１２内及びチャンバ２２内を排気しながら反応管１２内に酸素ガスのみを導入し、アッシング時の反応管１２内及びチャンバ２２内の圧力が２５０Ｐａ以上６５０Ｐａ以下の範囲内にあるアッシング装置１０とする。
【選択図】 図２
【解決手段】 反応管１２と、反応管１２内に高周波ガス放電を誘起し維持するコイル１８及び高周波電源２０と、半導体基板ａを保持するサセプタ２４を内蔵し反応管に直結するチャンバ２２と、を有するアッシング装置１０であって、反応管１２内及びチャンバ２２内を排気しながら反応管１２内に酸素ガスのみを導入し、アッシング時の反応管１２内及びチャンバ２２内の圧力が２５０Ｐａ以上６５０Ｐａ以下の範囲内にあるアッシング装置１０とする。
【選択図】 図２
Description
本発明は、プラズマ処理装置、特に半導体装置の製造に用いるアッシング装置に関するものである。
一般に、ＩＣ、ＬＳＩ等の半導体装置の製造工程においては、フォトレジストを半導体基板表面に塗布した後、フォトマスクに描かれたパターンを転写して半導体基板表面にレジストパターンを形成する。続いて、レジストパターンにしたがって半導体基板表面を選択的にエッチングして微細なパターンを形成したり、埋め込み電極を作製する際に必要な不純物を選択的に注入するなどの処理を行う。そして、エッチング工程後に不要となった有機物から構成されているフォトレジストを分解除去する。その際、主に酸素ガスを含有する雰囲気中で放電を起こさせることによって発生する主に酸素（Ｏ２）プラズマを用いるアッシング装置（灰化装置）が用いられている（特許文献１）。
従来使用されているアッシング装置として、例えば外側にコイルが配置された円筒状の石英製反応管の下方に半導体基板上のレジストをアッシングするためのチャンバが設けられ、そのチャンバ内に半導体基板を搭載して保持するサセプタ（半導体基板保持台）と、チャンバと排気系との間にある排気抵抗の役割を持つバッフルプレートとが設けられているものが知られている（特許文献２）。このサセプタは適宜加熱される。さらに、プラズマをサセプタにひきつけるためのバイアス電力をサセプタに供給する高周波電源が接続されている。石英製反応管にはガス導入部が設けられており、そのガス導入部から酸素ガスを含有するガス、あるいは酸素ガスにフッ素系ガスを添加した混合ガス、あるいは酸素ガスに水素ガスを添加した混合ガスが導入される。石英製反応管の外側に配置されたコイルに高周波電力を供給してそのガス中に放電を起こさせプラズマを形成させる。
放電によって生成されたラジカルやイオン化分子を含んだガスは、チャンバに導かれた後、チャンバ中でサセプタに搭載されプラズマ熱の伝熱及びサセプタからの輻射伝熱によって加熱された半導体基板と接触する。
半導体基板上のレジストは、ガス中に含まれるラジカル状態イオン状態の酸素とのアッシング反応によってアッシングされ、二酸化炭素、水等となり、半導体基板上から除去される。その際、レジストが反応性イオンエッチングやイオン注入等によって変質している場合には、レジストのアッシングを完全とするためにアッシング用のガスにフッ素系ガスや水素系ガスを数パーセント添加していた。また、コイルに供給する高周波電力も抑えてできる限り酸化膜のエッチングおよびダメージを抑制していた。
半導体基板上のレジストは、ガス中に含まれるラジカル状態イオン状態の酸素とのアッシング反応によってアッシングされ、二酸化炭素、水等となり、半導体基板上から除去される。その際、レジストが反応性イオンエッチングやイオン注入等によって変質している場合には、レジストのアッシングを完全とするためにアッシング用のガスにフッ素系ガスや水素系ガスを数パーセント添加していた。また、コイルに供給する高周波電力も抑えてできる限り酸化膜のエッチングおよびダメージを抑制していた。
しかしながら上記のように酸素ガスにフッ素ガスを数パーセント添加し、コイルに供給する高周波電力も抑えるようにした場合であっても、半導体基板上に形成されている酸化膜（シリコン酸化膜等）や窒化膜（シリコン窒化膜等）は活性化した分子によってエッチングされ、膜中に電子のトラップ準位が生成するなどのダメージ（損傷）を受けていた。またサセプタにバイアス電力を供給すると、さらにこのような酸化膜や窒化膜のエッチング及びダメージが大きくなっていた。このようなエッチングやダメージは実用上好ましくないため、それらを抑制する必要がある。また、サセプタにバイアス電力を供給することによって、膜中電荷が深くなる箇所と深くならない箇所が現れ、膜中電荷にばらつきが起き、結果的に品質に問題が出ていた。一方、レジストアッシング速度は１．６マイクロメートルしかなく、シリコン酸化膜のエッチング速度も毎分１０ナノメートルもあり、この結果ではかろうじて実用に耐えられる程度の低い性能であった。
本発明は、このような問題点を解決しようとしてなされたものであり、半導体基板上の酸化膜や窒化膜のエッチングとダメージを抑制し、且つ非常に高速にアッシングを行うことのできるアッシング装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の特徴とするところは、反応室と、前記反応室内に高周波ガス放電を誘起し維持する手段と、半導体基板を保持する半導体基板保持台を内蔵し前記反応室に直結するチャンバと、を有するアッシング装置であって、前記反応室内及び前記チャンバ内を排気しながら前記反応室内に酸素ガスのみを導入し、アッシング時の前記反応室内及び前記チャンバ内の圧力が２５０Ｐａ以上６５０Ｐａ以下の範囲内にあるアッシング装置にある。これにより、非常に高速でアッシングを行うことができ、かつアッシング速度の均一性を良好なものとすることができる。
好ましくは、前記反応室内に毎分１０リットル以上１６リットル以下の流量で前記酸素ガスを導入するアッシング装置とする。これにより、半導体基板上の酸化膜や窒化膜のエッチングとダメージを抑制することができるとともに、非常に高速でアッシングを行うことができ、かつアッシング速度の均一性を良好なものとすることができる。
ここで、酸素ガスの体積は、常温、常圧における体積であるとする。
ここで、酸素ガスの体積は、常温、常圧における体積であるとする。
好ましくは、前記反応室内に高周波ガス放電を誘起するため２５００Ｗ以上４５００Ｗ以下の高周波電力を供給する。より好ましくは４０００Ｗ以上４５００Ｗ以下の高周波電力を供給するアッシング装置とする。これにより、より高速でアッシングを行うことができ、かつアッシング速度の均一性を良好なものとすることができる。
本発明によれば、半導体基板上の酸化膜や窒化膜のエッチングとダメージを抑制するとともに、非常に高速にアッシングを行うことができ、かつアッシング速度の均一性を良好なものとすることができる。
次に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１において、本発明の一実施形態にかかるアッシング装置１０の概要を示す。
図１中１２は円筒状の石英製の反応管（反応室）であり、１４は反応管１２に酸素ガスを導入するためのガス導入部である。ガス導入流量の調整はマスコントローラ（図示せず）等のガス流量制御部により調整する。１６はガス導入部１４から導入されたガスを反応管１２の内壁に沿って流れるようにするための円板状の石英バッフル板である。１８は反応管１２内部のガス中に放電を起こさせプラズマを発生させるためのコイルであり、２０はコイル１８に高周波電力を供給する高周波電源である。すなわち、コイル１８及び高周波電源２０が反応管１２内に高周波ガス放電を誘起し維持する手段である。２２は半導体基板ａ上のレジストをアッシング（灰化）するためのチャンバである。チャンバ２２は、反応管１２とガスの流れを妨げる障害物なしに直結している。このチャンバ２２内にエッチング工程後の半導体基板ａを搭載し保持するサセプタ（半導体基板保持台）２４が配置されており、このサセプタ２４はサセプタ２４内に設けたヒータにより適宜加熱される。２６はチャンバ２２と排気系３０との間にある排気抵抗の役割を持つバッフルリングであり、２８は高周波電力を装置内に留め、外部に漏れないようにするためのシールドである。排気系３０はポンプ等が接続されており、ポンプを制御することにより処理ガスを排気する。２９は制御部である。制御部２９は、ガス導入部１４から導入するガスの導入流量制御、高周波電源２０の制御、サセプタの温度制御、ガスの排気制御等、各種構成を制御するものである。
ガスの導入流量制御、ガスの排気制御により、チャンバ２２内の圧力が制御される。
図１において、本発明の一実施形態にかかるアッシング装置１０の概要を示す。
図１中１２は円筒状の石英製の反応管（反応室）であり、１４は反応管１２に酸素ガスを導入するためのガス導入部である。ガス導入流量の調整はマスコントローラ（図示せず）等のガス流量制御部により調整する。１６はガス導入部１４から導入されたガスを反応管１２の内壁に沿って流れるようにするための円板状の石英バッフル板である。１８は反応管１２内部のガス中に放電を起こさせプラズマを発生させるためのコイルであり、２０はコイル１８に高周波電力を供給する高周波電源である。すなわち、コイル１８及び高周波電源２０が反応管１２内に高周波ガス放電を誘起し維持する手段である。２２は半導体基板ａ上のレジストをアッシング（灰化）するためのチャンバである。チャンバ２２は、反応管１２とガスの流れを妨げる障害物なしに直結している。このチャンバ２２内にエッチング工程後の半導体基板ａを搭載し保持するサセプタ（半導体基板保持台）２４が配置されており、このサセプタ２４はサセプタ２４内に設けたヒータにより適宜加熱される。２６はチャンバ２２と排気系３０との間にある排気抵抗の役割を持つバッフルリングであり、２８は高周波電力を装置内に留め、外部に漏れないようにするためのシールドである。排気系３０はポンプ等が接続されており、ポンプを制御することにより処理ガスを排気する。２９は制御部である。制御部２９は、ガス導入部１４から導入するガスの導入流量制御、高周波電源２０の制御、サセプタの温度制御、ガスの排気制御等、各種構成を制御するものである。
ガスの導入流量制御、ガスの排気制御により、チャンバ２２内の圧力が制御される。
図１に示すアッシング装置１０において、酸素ガスのみをガス導入部１４より反応管１２に導入する。高周波電源２０からコイル１８に高周波電力を供給し、反応管１２のガス中に放電を誘起し、プラズマを形成させる。放電によって生成したラジカルやイオン化分子を含んだガスは、チャンバ２２に導かれ、チャンバ２２中で、加熱されたサセプタ２４に搭載されプラズマ熱及びサセプタ２４からの輻射伝熱によって加熱された半導体基板ａと接触する。
半導体基板ａ上のレジストは、ガス中に含まれるラジカル状態やイオン状態の酸素とのアッシング反応（酸化反応）によってアッシング（酸化）され、二酸化炭素、水等となり、半導体基板ａ上から除去される。このとき、半導体基板ａ上に形成されている酸化膜（シリコン酸化膜等）や窒化膜（シリコン窒化膜等）も活性化した分子によってエッチングされ、膜中に電子のトラップ準位が生成するなどのダメージを受ける。そこで、本発明の一実施形態にかかるアッシング装置１０においては、このような酸化膜、窒化膜のエッチングとダメージを抑制するために、アッシング用のガスにフッ素系ガスや水素系ガスを添加せず、酸素ガスのみを使用した。
次に表１及び表１に対応する図２のグラフに、反応管１２内及びチャンバ２２内の圧力とレジストアッシング速度およびアッシング速度の均一性の関係を示す。図２のグラフ中、黒丸の曲線はレジストのアッシング速度を示しており、黒四角の曲線はアッシング速度の均一性を示している。図２の横軸はアッシング時の反応管１２内及びチャンバ２２内の圧力を示している。なお表１及び図２においては、半導体基板の温度が２５０℃で、コイル１８に高周波電力４５００Ｗを供給し、サセプタ２４にバイアス電力を供給していない。また反応管１２に導入する酸素ガスの流量を毎分１３リットルとしている。なお、酸素ガスの体積は常温、常圧における体積である。表１及び図２においては、反応管１２内及びチャンバ２２内の圧力が２５０Ｐａ、３５０Ｐａ、４５０Ｐａ、５５０Ｐａ、６５０Ｐａでのレジストアッシング速度およびアッシング速度の均一性を求めている。
表１及び図２の場合のようにガス流量が一定のとき、反応管１２内及びチャンバ２２内の圧力が低くなることは、反応管１２内及びチャンバ２２内のガスの流速が大きいということである。したがって表１及び図２より明らかなように、極端にガスの流速が大きくなると、すなわち圧力が極端に低くなると、励起された酸素ガスがレジストと十分なアッシング反応を起こす前にチャンバ２２より排気されるためにアッシング速度の低下を招く。反対に、反応管１２内及びチャンバ２２内の圧力が高くなることは反応管１２内及びチャンバ２２内でのガスの流速が小さいということであり、ある瞬間、反応管１２内及びチャンバ２２内に存在する酸素ガスの量が多いということである。これは単位量あたりの酸素ガスに与えられる励起に必要な高周波電力エネルギー量が少なくなるため、十分に励起状態にならない酸素ガスの割合が多くなり、そのためアッシング速度の低下を招くことを意味する。
表１及び図２よりアッシング速度の均一性も考慮すると、反応管１２内及びチャンバ２２内の圧力は２５０Ｐａ以上６５０Ｐａ以下の範囲内にあることが適当であるといえる。アッシングの均一性は、あまりに不均一であると、ある時間で速くレジストが除去されたところと、レジストが除去されていないところがうまれる。レジストが除去されていないところを除去するためにプラズマで処理し続けるが、それが既に除去していたところの下地膜を削ってしまうことがある。下地膜はできるだけ変化させたくないため、アッシング均一性の数値はできるだけ低い方がよい。
以上の実験結果より、酸素ガスのみの導入で、且つアッシング時の前記反応室内の圧力と前記チャンバ内の圧力を２５０Ｐａ以上６５０Ｐａ以下の範囲内とすることにより、半導体基板ａ上のレジストのアッシング速度を格段に向上させることができる。また毎分約８マイクロメートル以上の高速度でのアッシングを行うことができ、このときアッシング速度の均一性も良好なものとすることができる。
次に、表２及び表２に対応する図３のグラフに、酸素ガスの流量とレジストアッシング速度及びシリコン酸化膜のエッチング速度の関係を示す。図３のグラフ中、黒丸の曲線はレジストのアッシング速度を示しており、黒四角の曲線はシリコン酸化膜のエッチング速度を示している。図３の横軸は反応管１２に導入する酸素ガスの流量を示している。なお表２及び図３においては、半導体基板ａの温度２５０℃で、反応管１２内とチャンバ２２内の圧力を５５０Ｐａとし、コイル１８に高周波電源２０から高周波電力４５００Ｗを供給しており、サセプタ２４にバイアス電力を供給していない。また、酸素ガスのみを毎分１０リットル（図３においては１００００ｓｃｃｍ）以上１６リットル（図３においては１６０００ｓｃｃｍ）以下の流量で導入している。具体的には酸素ガスのみを毎分１０リットル、１３リットル、１４リットル、１６リットルで反応管１２内に導入している。ここで、酸素ガスの体積は常温、常圧における体積である。
表２及び図３より明らかなように、反応管１２に導入される酸素ガスの流量が毎分１０リットル以上１６リットル以下で、レジストのアッシング速度は毎分８マイクロメートル以上ある。一方、シリコン酸化膜のエッチング速度は毎分１ナノメートル以下であり、シリコン酸化膜のダメージを低く抑えることができ、従来の問題点を十分に解決する性能であることを示している。
次に表３及び表３に対応する図４のグラフに、反応管１２に導入する酸素ガス流量とレジストアッシング速度及びアッシング速度の均一性の関係を示す。図４のグラフ中、黒丸の曲線はレジストのアッシング速度を示しており、黒四角の曲線はアッシング速度の均一性を示している。図４の横軸は、反応管１２に導入する酸素ガスの流量を示している。なお表３及び図４においては、半導体基板の温度２５０℃で、反応管１２内とチャンバ２２内の圧力を５５０Ｐａとし、コイル１８に高周波電力４５００Ｗを供給しており、サセプタ２４にバイアス電力を供給していない。また、反応管１２に導入する酸素ガスの流量を毎分１０リットル、１３リットル、１４リットル、１５リットルとしている。ここで、酸素ガスの体積は常温、常圧における体積である。
表３及び図４の場合のように反応管１２内及びチャンバ２２内の圧力が一定のとき、ガス流量が多くなるということは、反応管１２内及びチャンバ２２内のガスの流速が大きいということである。極端にガスの流速が大きくなると、すなわちガス流量が極端に多くなると、励起された酸素ガスが、レジストと十分なアッシング反応を起こす前にチャンバ２２内より排気されるがために、アッシング速度の低下を招く。また、反対にガス流量が少なくなるということは、反応管１２内及びチャンバ２２内のガスの流速が小さいということであり、ガスが滞留する（ガスの反応管及びチャンバ内の滞在時間が長くなりガス置換がされにくい）ことになるため、反応管１２内及びチャンバ２２内の酸素濃度が低下するがためにアッシング速度の低下を招く。したがって、アッシング速度の均一性も考慮すると、酸素ガス流量は毎分１０リットル以上１６リットル以下の範囲にあることが適当であるといえる。
次に表４及び表４に対応する図５のグラフに半導体基板上に酸化膜を成長させたものに、本発明の一実施形態に係るアッシング装置１０の反応管１２において酸素ガスで放電させたときの、電子が酸化膜中に入り込みチャージアップした後の電荷量を、半導体基板ａ上での位置を変えて測定した結果を示す。図５におけるＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの折れ線は半導体基板ａの水平面上の異なる測定方向での測定結果を示しており、図６に示すように、Ａは図６における半導体基板ａの縦方向の７箇所（図５中の黒菱形）、Ｂは横方向の７箇所（図５中の黒四角）、Ｃ（図５中の×）とＤ（図５中の＊）は斜め方向５箇所で測定している。表４及び図５においては、半導体基板ａの温度２５０℃で、酸素ガスのみを反応管１２に毎分１３リットルで導入し、反応管１２内とチャンバ２２内の圧力を５５０Ｐａとし、コイル１８に高周波電源２０から高周波電力４５００Ｗを供給しており、サセプタ２４にバイアス電力を供給していない。図５のグラフの横軸は、半導体基板ａ上の水平面上の測定位置を示しており、縦軸は、酸化膜中の電荷量（Ｖ）を示している。
表４及び図５より明らかなように、半導体基板ａの水平面上のどの位置においても酸化膜中の電荷量は−１Ｖ程度である。
一方、表５と表５に対応する図７に、本発明の構成とは異なる構成で酸素ガスのみを反応管１２に導入した場合において、酸化膜中の電荷量を半導体基板ａ上での位置を変えて測定した結果を示す。表５及び図７においては、半導体基板の温度２５０℃で、反応管１２内とチャンバ２２内の圧力１８０Ｐａ、コイル１８に高周波電源２０から高周波電力３５００Ｗを供給しており、毎分８リットルの酸素ガスを反応管１２に導入している。ここで、酸素ガスの体積は常温、常圧における体積である。また、この場合サセプタ２４にバイアス電力を供給している。図７におけるＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの折れ線は、半導体基板ａの水平面上の異なる測定方向での測定結果を示しており、図６に示すように、Ａは図６における半導体基板ａの縦方向の７箇所（図７中の黒菱形）、Ｂは横方向の７箇所（図７中の黒四角）、Ｃ（図７中の×）とＤ（図７中の＊）は斜め方向５箇所で測定している。図７のグラフの横軸は、半導体基板ａ上の水平面上の測定位置を示しており、縦軸は、酸化膜中の電荷量を示している。
この場合、半導体基板ａの水平面上の位置によって、膜中電荷が深くなるところと深くならないところが現れ膜中電荷にばらつきが起きている。すなわち酸化膜中の電荷量が大きく変化しており、酸化膜のダメージが、本発明のアッシング装置の構成の場合と比べて非常に大きいことがわかる。
次に表６及び表６に対応する図８のグラフに、コイル１８に供給する高周波電力とレジストのアッシング速度及びアッシング速度の均一性の関係を示す。図８のグラフ中、黒丸の曲線はレジストのアッシング速度を示しており、黒四角の曲線はアッシング速度の均一性を示している。なお表６及び図８においては、半導体基板の温度２５０℃で、酸素ガスのみを反応管１２に毎分１３リットルで導入している。ここで、酸素ガスの体積は常温、常圧における体積である。反応管１２内とチャンバ２２内の圧力を５５０Ｐａとし、コイル１８に高周波電源２０から高周波電力を２５００Ｗ、３５００Ｗ、４０００Ｗ、４５００Ｗと値を変えて供給している。また、サセプタ２４にはバイアス電力は供給されていない。
表６及び図８より明らかなように、コイル１８に供給する高周波電力が大きくなるに従い、アッシング速度が上昇する。高周波電力の上昇に伴い、励起される酸素ガス量が増大し、励起された酸素ガスがレジストに大量に接触することでアッシング反応が促進される。毎分８マイクロメートル以上の高速度でアッシングするには、高周波電力を４０００Ｗ以上にすることが有効である。その場合アッシング速度の均一性の数値も±６％以内に抑えることができ、アッシング速度の均一性も良好であるといえる。アッシング速度の均一性の数値は６％より上であっても良いが、アッシング速度の均一性の数値があまりにも高いと、一定の時間の処理でもレジストが残る箇所と除去している箇所ができてしまい、残ったレジストを除去している間に既に除去した箇所の下地膜をプラズマで削ってしまうことがある。したがって、アッシング速度の均一性の数値はできるだけ０に近い方がよく本発明はアッシング速度の均一性を良好なものとすることができる。
以上述べたように、本発明は、半導体基板上の酸化膜や窒化膜のエッチングとダメージを抑制し、かつ、非常に高速度で均一に半導体基板上のレジストをアッシングすることを可能とするアッシング装置を提供することが可能となる。
１０ アッシング装置
１２ 反応管
１４ ガス導入部
１６ 石英バッフル板
１８ コイル
２０ 高周波電源
２２ チャンバ
２４ サセプタ（半導体基板保持台）
２６ バッフルリング
２８ シールド
１２ 反応管
１４ ガス導入部
１６ 石英バッフル板
１８ コイル
２０ 高周波電源
２２ チャンバ
２４ サセプタ（半導体基板保持台）
２６ バッフルリング
２８ シールド
Claims (2)
- 反応室と、前記反応室内に高周波ガス放電を誘起し維持する手段と、半導体基板を保持する半導体基板保持台を内蔵し前記反応室に直結するチャンバと、を有するアッシング装置であって、
前記反応室内及び前記チャンバ内を排気しながら前記反応室内に酸素ガスのみを導入し、アッシング時の前記反応室内及び前記チャンバ内の圧力が２５０Ｐａ以上６５０Ｐａ以下の範囲内にあることを特徴とするアッシング装置。 - 前記反応室内に毎分１０リットル以上１６リットル以下の流量で前記酸素ガスを導入することを特徴とする請求項１記載のアッシング装置。
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