JP2015037166A - レジスト剥離方法およびレジスト剥離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板ダメージを低減しつつ、パーティクル発生を抑制し、スループットを向上する。
【解決手段】レジストＲをマスクとして、基板Ｓｕｂに元素をイオン注入する工程Ｓ０２と、酸素プラズマによるイオンエッチングによりレジストＲの表面に形成された硬化層Ｒ１をアッシングする硬化層除去工程Ｓ０３と、硬化層のアッシング後に、酸素ラジカルにより前記レジストの残部をアッシングする残部除去工程Ｓ０４とを有し、イオン注入工程Ｓ０２と硬化層除去工程Ｓ０３とを連続して外気に暴露されない中でおこなう。
【選択図】図１

Description

本発明は、レジスト剥離方法およびレジスト剥離装置に関し、特に、半導体装置等の製造分野等におけるイオン注入によって表層部が変質・硬化し難灰化性となったレジストを灰化し除去する技術に用いて好適な技術に関する。

一般に、半導体のウェハプロセスにおいて、デバイス構造を形成するための選択的エッチングや局所的なイオン注入のためのマスク材として広く感光性樹脂であるフォトレジスト（レジスト）が用いられる。このレジストは主に炭素と水素から構成される有機物とされ、マスク処理終了後に除去される。
レジスト除去には、一般には酸素プラズマや酸素ラジカル、オゾン等を使用し、酸素の酸化作用を利用したドライ処理により酸化、灰化するアッシングによる除去方法があり、この際、レジストを放電や紫外線照射等により活性化した酸素に曝露し、その酸化作用により水蒸気、二酸化炭素、一酸化炭素等の気体にして灰化除去がおこなわれる。

一方、レジストがイオン注入のマスクとして使用された場合、注入されたイオンによりフォトレジストの表面側が変質・硬化して硬化層となり、この硬化層がアッシングによっては除去が困難になり、著しく処理効率が低下する。
具体的には、前記変質したフォトレジストの硬化層を通常の灰化温度である１５０〜２５０℃に昇温すると、フォトレジスト下部の未変質層から発生する有機溶媒の蒸気により表面の変質層（硬化層）が破裂する。
この破裂により、サイズの大きいフレーク状のパーティクルとなって飛散する現象(ポッピング)が見られ、結果的にウェーハを汚染することが知られている。

このようなイオン打ち込み後に生じた硬化層が表面側に形成されたレジストの剥離方法として、酸素プラズマのイオン衝撃により硬化層の灰化をおこなうものが提案されている（特許文献１）。
また、レジストのうち変質層をイオンにより除去し、非変質層についてはラジカルを利用してアッシングする方法もある（特許文献２，３，４）。

特開平０５−０６７５９３号公報 特開平０４−２８６３１７号公報 特開平０８−２８８２６０号公報 特開平０８−６９８９６号公報

上記のようにレジストのうち変質層をイオンにより除去し、非変質層についてはラジカルを利用してアッシングする以外に、除去力を向上した手法を採用するとレジスト以外のイオン注入部等に悪影響を及ぼすおそれがあり、また、除去力を低下させて、イオン注入部等への悪影響を低下させると、処理効率が低下してしまう。
さらに、除去力を向上した場合には、処理工程が増える、または、処理装置が複雑になり、調整に手間が掛かる、という問題がある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、基板ダメージを低減しつつ、パーティクル発生を抑制し、スループットを向上できるレジスト除去方法を提供するという目的を達成しようとするものである。

本願発明者らは、レジストの硬化層を除去する際に、除去処理に伴って、イオン注入工程でドーパントを注入した基板のドープ領域に対するダメージを低下することが必要であり、このためには、除去処理における条件の柔軟化が必要であり、この目的には、硬化層除去困難性が増加しないこと、つまり、硬化層のアッシング耐性が上昇しなければよいと発想した。この思想に基づいて、発明者らは、レジストに対して、イオンドープ後の状態に起因する硬化層の除去困難性の変化に注目した。

基板に形成したレジストに対するリンドープをおこない、このドープ処理後に、レジストを載置する雰囲気条件を、大気中、真空中、および放置する時間（日）を変化させて、その後に硬化層および残部の除去処理をおこない、そのトータル時間を測定した。なお比較のため、ドープ処理をしなかったノンドープのレジストも同様に除去処理をおこない、そのトータル時間を測定した。
その結果を表１に示す。

この結果から、ドープ直後に比べて、大気中に暴露し、放置するとその時間が長ければ長いほど、硬化層の除去困難性が上昇することがわかる。
この知見に基づき、発明者らは本発明を完成した。

本発明のレジスト剥離方法は、被処理基板上にレジストを形成する工程Ａと、
前記レジストをマスクとして、前記基板に元素をイオン注入する工程Ｂと、
酸素プラズマを用いたイオンエッチング法により前記レジストの表面に形成された硬化層をアッシング法により除去する工程Ｃと、
前記硬化層を除去した後に、酸素ラジカルを用いたアッシング法により前記レジストの残部を除去する工程Ｄとを有し、
前記工程Ｂと前記工程Ｃとを連続して減圧雰囲気Ｆでおこなうことにより上記課題を解決した。
本発明において、前記工程Ｂと前記工程Ｃとが１つのチャンバ内においてなされることがより好ましい。
本発明は、前記工程Ｃにおいて、前記基板側に印加するバイアス電力を、前記工程Ｂよりも小さく設定することが可能である。
また、本発明のレジスト剥離装置は、上記のレジスト剥離方法をおこなうレジスト剥離装置において、
前記工程Ｂと前記工程Ｃとを連続して減圧雰囲気Ｆでおこなう構成を備えた手段を採用することもできる。
本発明の前記構成は、前記工程Ｂと前記工程Ｃとを続けて処理可能なチャンバであることや、前記構成は、前記基板側にバイアス電力を印加する手段を有することが可能である。

本発明のレジスト剥離方法は、被処理基板上にレジストを形成する工程と、
前記レジストをマスクとして、前記基板に元素をイオン注入する工程と、
酸素プラズマによるイオンエッチングにより前記レジストの表面に形成された硬化層をアッシングする硬化層除去工程と、
前記硬化層のアッシング後に、酸素ラジカルにより前記レジストの残部をアッシングする残部除去工程とを有し、
前記イオン注入工程と前記硬化層除去工程とを連続して外気に暴露されない中でおこなうことにより、レジストの硬化層における除去困難性が増大する前に処理をおこなって硬化層を容易に除去することが可能となり、これにより、イオン注入工程でドーパントを注入した基板のドープ領域に対するダメージを低減した状態で、レジストの除去を低コストで効率的におこなうことができる。

本発明によれば、大気に暴露した硬化層における除去困難性の上昇を防止して、硬化層が容易に除去可能となり、これにより、イオン注入工程でドーパントを注入した基板のドープ領域に対するダメージを低減した状態で、レジストの除去を低コストで効率的におこなうことができるという効果を奏することができる。

本発明に係るレジスト剥離方法の一実施形態を示すフローチャートである。 本発明に係るレジスト剥離方法の一実施形態における工程を示す断面図である。 本発明に係るレジスト剥離装置の一実施形態を示す模式平面図である。 本発明に係るレジスト剥離装置の他の実施形態におけるプラズマ処理装置を示す模式断面図である。 本発明に係るレジスト剥離装置の他の実施形態におけるプラズマ処理装置の他の例を示す模式断面図である。 本発明に係るレジスト剥離方法の実施形態における実験例を示すグラフである。 本発明に係るレジスト剥離方法の実施形態における実験例を示すグラフである。

以下、本発明に係るレジスト剥離方法の一実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態におけるレジスト剥離方法を示すフローチャートであり、図２は、本実施形態における処理工程を示す断面図であり、図３は、本実施形態におけるレジスト剥離装置を示す模式断面図であり、図において、符号１０は、レジスト剥離装置である。

本実施形態におけるレジスト剥離方法は、被処理基板Ｓｕｂ上にレジストＲを形成するレジスト形成工程（工程Ａ）Ｓ０１と、レジストＲをマスクとして、基板Ｓｕｂに元素をイオン注入するイオン注入工程（工程Ｂ）Ｓ０２と、酸素プラズマを用いたイオンエッチングによってレジストＲの表面に形成された硬化層Ｒ１を除去する硬化層除去工程Ｓ０３（工程Ｃ）と、硬化層Ｒ１の除去後に、酸素ラジカルを用いてレジストＲの変質していない残部Ｒ２をアッシングする残部除去工程Ｓ０４（工程Ｄ）とを有し、イオン注入工程Ｓ０２と硬化層除去工程Ｓ０３とを連続して外気に暴露されない減圧雰囲気中（Ｆ）でおこなうものである。

ここで、本発明における減圧雰囲気中とは、基板Ｓｕｂをその雰囲気中に維持したときに、硬化層Ｒ１の除去困難性がほとんど増大しない状態を意味し、具体的には、１０００Ｐａ〜１×１０^−４Ｐａ程度の範囲とすることができ、または、Ａｒ，Ｎ_２といったガス雰囲気とすることもできる。

本実施形態において、イオン注入工程Ｓ０２と硬化層除去工程Ｓ０３とをおこなう減圧雰囲気中（Ｆ）とは、硬化層Ｒ１がこれらの工程Ｓ０２〜Ｓ０３の間、連続して外気に暴露されないとともに、上述した硬化層Ｒ１における除去困難性を増大させない環境を維持することを意味するものである。

本実施形態におけるレジスト剥離方法は、図１に示したステップＳ０１として、図２（ａ）に示すように、基板Ｓｕｂに形成されたレジストＲに、図１に示したステップＳ０２のイオン注入工程として、図２（ｂ）に示すように、例えばリンＰとされるイオンドープをおこなって、基板Ｓｕｂにドープ領域Ｄを形成する。このとき、レジストＲにはその表面側に硬化層Ｒ１が形成される。
続いて、図１に示したステップＳ０３の硬化層除去工程として、図２（ｃ）に示すように、インサイチュ（in situ）として酸素プラズマにより硬化層Ｒ１を除去する。
その後、図１に示したステップＳ０４の残部除去工程として、図２（ｄ）に示すように、陽イオン及び電子を含まない酸素ラジカルによってレジストの残部Ｒ２を除去する。

本実施形態におけるレジスト剥離方法は、例えば、図３に示した上方からガスを導入して下方の基板へ成膜するデポダウン型の平行平板プラズマＣＶＤ装置１０を使用して実施できる。図において、符号１１はガスボンベ等のガス源１２ａ，１２ｂに接続されたガス導入系１２と、真空ポンプに接続された排気系１３を有するチャンバを示す。
チャンバ１１内には２個の平板状の電極１４，１５が平行して上下に設けられ、その上方の電極１４にこれに高周波電力を与える高周波電源１６ａを接続し、下方の電極１５にこれにバイアス電力を与えるバイアス電源１６ｂを接続し、下方の電極１５上に成膜処理される基板Ｓｕｂが搭載される。

該上方の電極１４をその前面にシャワープレート１８を備えた中空の電極で構成し、その中空部１９に該ガス導入系１２を接続して該中空部１９内へ導入した反応ガスを該シャワープレート１８に形成した多数のガス噴出口１８ａからチャンバ１１内へ均一に噴出させるようにした。また、下方の電極１５は基板Ｓｕｂを加熱するヒーターとしての機能を具備する。ガス導入系１２には、イオン注入をおこなう際に供給されるイオンドープ用ガス源１２ａと、酸素エッチング用の酸素ガス等の酸素エッチング用ガス源１２ｂとが具備されており、これらのガスを切り替えて導入可能とされている。

高周波電源１６ａから例えば工業用周波数１３．５６ＭＨｚ等の高周波電力を投入して両電極１４，１５間にプラズマを発生させるとともに、電極１５には、バイアス電源１６ｂから４００ｋＨｚ程度のバイアス電力を印加し、電極１５上の基板Ｓｕｂが所定温度となるように制御した状態とする。また、チャンバ１１内を真空に排気し、該ガス導入系１２から処理用ガスを流すと、処理用ガスをプラズマ化する。このとき、ガス導入系１２から供給するガス種を切り替えることによってイオン注入処理、または、硬化層除去処理（酸素エッチング処理）を同一のチャンバ１１内で切り替えて処理することが可能である。さらに、ガス導入系１２から供給するガス種を切り替えることによってイオン注入処理、および、硬化層除去処理（酸素エッチング処理）を同一のチャンバ１１内で連続して処理することができる。ここで、連続して、とは、イオン注入工程Ｓ０２と、硬化層除去工程Ｓ０３との間で、硬化層Ｒ１の除去困難性が増大する大気雰囲気（外気）に基板Ｓｕｂを曝さない減圧雰囲気を維持するということ意味している。

図１に示したイオン注入工程Ｓ０２においては、ガス導入系１２においてイオンドープ用ガス源１２ａに切り替えて、このイオンドープ用ガス源１２ａから例えばホスフィンとアルゴンの混合ガス等とされるガスを供給するとともに、高周波電源１６ａから７００Ｗ程度の電力を供給し、バイアス電源１６ｂから２００Ｗ程度のバイアス電力を印加して、図２（ｂ）に示すように、イオン注入をおこなう。これにより、図２（ｂ）に示すように、基板Ｓｕｂのレジストが形成されていない（剥離した）領域には、イオン注入されたドープ領域Ｄが形成される。

これに対し、図１に示した硬化層除去工程Ｓ０３においては、ガス導入系１２において酸素エッチング用ガス源１２ｂに切り替えて、この酸素エッチング用ガス源１２ｂから酸素ガスとされるガスを供給するとともに、高周波電源１６ａから４５０Ｗ程度の電力を供給し、バイアス電源１６ｂから１００Ｗ程度のバイアス電力を印加して、図２（ｃ）に示すように、酸素プラズマを用いたイオンエッチング法により硬化層Ｒ１の除去をおこなう。

本実施形態においては、硬化層除去工程Ｓ０３において印加するバイアス電力は、イオン注入工程Ｓ０２において印加するバイアス電力よりも小さく設定される。具体的には、硬化層除去工程Ｓ０３において印加するバイアス電力が、イオン注入工程Ｓ０２において印加するバイアス電力に対する比として、０．３〜０．７の範囲になるように設定される。
このようにバイアス電力の上限を設定することで、ドープ領域Ｄに対するダメージ発生を抑制することが可能となる。また、バイアス電力の下限を設定することで、硬化層Ｒ１の除去レートが低くなりすぎることを防止して、効率的に硬化層除去をおこなうことができる。

イオン注入工程Ｓ０２と硬化層除去工程Ｓ０３との処理条件の一例を表２に示す。

本実施形態のレジスト剥離方法においては、イオン注入工程Ｓ０２と硬化層除去工程Ｓ０３とを同一のチャンバ内で連続しておこなうことで、硬化層Ｒ１の除去困難性増大を抑制して、硬化層Ｒ１を容易に除去することができるとともに、レジスト成分のアッシングが進み、変質した硬化層Ｒ１が容易に除去される。これにより、その後工程では、大気に暴露されても除去容易性が増大することのないレジスト残部Ｒ２を酸素ラジカルによって容易にアッシングするので、ポンピング現象は発生しない。また、ドープ領域Ｄにおいてアッシングによるダメージを充分低減することができる。

以下、本発明に係るレジスト剥離方法の他の実施形態を、図面に基づいて説明する。
図４は、本実施形態におけるレジスト剥離装置を示す模式平面図であり、図５は、本実施形態におけるレジスト剥離装置を示す模式断面図であり、図において、符号２０は、レジスト剥離装置である。

本実施形態において、上述の実施形態と異なるのは、レジスト剥離装置に関する部分であり、対応する構成要素には、同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態のレジスト剥離装置２０は、図４に示すように、マルチチャンバ型の真空装置とされ、搬送室２１を有し、この搬送室２１の内部に搬送用ロボット２２が配置されている。この搬送用ロボット２２は、例えば、レジスト剥離装置２０で処理を行う基板Ｓｕｂを搬送する。搬送室２１の周囲には、搬入室２３と、搬出室２４と、イオン注入処理室２００と、硬化層除去室１０、残部除去室２６が接続されている。そして、搬送用ロボット２２によって、搬送物である基板Ｓｕｂを、各室２００，１０，２６間で移動させることができる。

イオン注入室２００は、図５に示すように、真空槽２０１と、永久磁石２０５、ＲＦ導入コイル２０６、ＲＦ導入窓（石英）２１２を用いたＩＣＰ放電によるプラズマ発生手段と、真空排気手段（不図示）とを備えている。真空槽２０１の内部は、メッシュ電極２０８、２０９により、プラズマ発生室とプラズマ処理室とに分離されている。プラズマ処理室に被処理基板Ｓｕｂを支持する基板支持台２０４が配されている。なお、メッシュ電極２０８は、浮遊電位とされており、プラズマ２０７の電位を安定させる機能を有する。また、メッシュ電極２０９は、負電位を印加され、プラズマ２０７から正イオンを引き出す機能を有する。

真空槽２０１内を減圧し、プラズマ発生室に、基板Ｓｕｂに注入する不純物原子を含んだガスを導入する。そして、プラズマ発生手段を用いてプラズマ２０７を励起させることにより、不純物原子をイオン化させ、メッシュ電極２０８、２０９を経由して引き出されたｐ型あるいはｎ型のイオンを、基板に注入させることができる。

硬化層除去室１０は、前述のチャンバ１１と同等の機能を有する構成とされる。また、残部除去室２６は、酸素ラジカルによるアッシングが可能なものとされる。

本実施形態においては、外部でパターン化されたレジストＲを形成した基板Ｓｕｂを、搬送用ロボット２２によってイオン注入室２００に搬入する。
イオン注入室２００においてイオン注入工程Ｓ０２をおこなった後、搬送用ロボット２２によって、基板Ｓｕｂを移動させ、硬化層除去室１０において硬化層除去工程Ｓ０３をおこなう。
その後、基板Ｓｕｂを、搬送用ロボット２２によって残部除去室２６に搬入して、残部除去工程Ｓ０４をおこなう。
ここで、レジスト剥離装置２０では、少なくとも、イオン注入室２００への搬入から硬化層除去室１０からの搬出が終了するまでの間、基板Ｓｕｂが大気に暴露されないようになっている。これにより、硬化層Ｒ１における除去難易性を上げることなく酸素プラズマを利用したエッチングをおこなうことができ、基板Ｓｕｂのドープ領域Ｄへのダメージを最小限にすることが可能となる。

＜実験例＞
以下、本発明の実験例について説明する。

ウェーハ全面にレジストを塗布し、リン（Ｐ）のイオンドーピングを実施した。その後、マスクしてあった不要なレジストはアッシングにて除去した。
この際、表面の硬化層を除去してアッシングを容易にするために、１．５Ｐａ，２００ｓｃｃｍとして酸素ガスを供給するとともに、プラズマ電力３００Ｗ，バイアス電力２００Ｗとして、処理時間４５ｓｅｃによるレジスト表面の硬化層を同一チャンバ内、もしくは、減圧雰囲気を維持して移動した後の別チャンバにてエッチングした。その後、酸素ラジカルによるアッシングをおこない、レジスト残部を除去した。なお、この実験では、レジストにはパターンを形成せず、ウェーハ全面での処理をおこなった。
処理後におけるウェーハ表面でのレジスト残膜厚を測定した結果を図６に示す。

同様に、イオンドープ後に酸素イオンエッチングをおこなわずに、酸素レジカルによるアッシングのみをおこなった後におけるウェーハ表面でのレジスト残膜厚を測定した結果を図７に示す。

これらの結果から、酸素イオンエッチングをおこなった場合は、残膜厚平均が１．６ｎｍとなっているのに対し、酸素イオンエッチングをおこなわなかった場合には、残膜厚平均が１２．５ｎｍとなり、ほぼ１０倍の残膜厚があることがわかる。
また、酸素イオンエッチングをおこなわなかった場合には、処理雰囲気中のＯＨガス測定によるレジスト除去処理までの時間が、１２．０ｍｉｎであったのに対し、酸素イオンエッチングをおこなった場合は、３．０ｍｉｎと、処理終了までの時間を短縮することができた。

また、両方のウェーハにおいて、ドープ領域における抵抗値を測定して比較した結果、酸素イオンエッチングの有無に関わらず、ウェーハ表面における抵抗値の変化は測定されず、Ｒｓ値の上昇はなかった。このことから、酸素イオンエッチングをおこなった場合でも、ドープ領域におけるダメージが充分抑制されていることがわかる。

Ｓｕｂ…基板
Ｄ…ドープ領域
Ｒ…レジスト
Ｒ１…硬化層
Ｒ２…残部

イオン注入工程Ｓ０２と硬化層除去工程Ｓ０３との処理条件の一例を表２に示す。

同様に、イオンドープ後に酸素イオンエッチングをおこなわずに、酸素ラジカルによるアッシングのみをおこなった後におけるウェーハ表面でのレジスト残膜厚を測定した結果を図７に示す。

Claims (6)

1. 被処理基板上にレジストを形成する工程Ａと、
   前記レジストをマスクとして、前記基板に元素をイオン注入する工程Ｂと、
   酸素プラズマを用いたイオンエッチング法により前記レジストの表面に形成された硬化層をアッシング法により除去する工程Ｃと、
   前記硬化層を除去した後に、酸素ラジカルを用いたアッシング法により前記レジストの残部を除去する工程Ｄとを有し、
   前記工程Ｂと前記工程Ｃとを連続して減圧雰囲気Ｆでおこなうことを特徴とするレジスト剥離方法。
2. 前記工程Ｂと前記工程Ｃとが１つのチャンバ内においてなされることを特徴とする請求項１記載のレジスト剥離方法。
3. 前記工程Ｃにおいて、前記基板側に印加するバイアス電力を、前記工程Ｂよりも小さく設定することを特徴とする請求項１記載のレジスト剥離方法。
4. 請求項１記載のレジスト剥離方法をおこなうレジスト剥離装置において、
   前記工程Ｂと前記工程Ｃとを連続して減圧雰囲気Ｆでおこなう構成を備えたことを特徴とするレジスト剥離装置。
5. 前記構成は、前記工程Ｂと前記工程Ｃとを続けて処理可能なチャンバであることを特徴とする請求項４記載のレジスト剥離装置。
6. 前記構成は、前記基板側にバイアス電力を印加する手段を有することを特徴とする請求項４記載のレジスト剥離装置。