JP4278533B2 - アッシング方法及びアッシング装置 - Google Patents
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Description
本発明は、アッシング（ashing：灰化）方法及びアッシング装置に関し、特に、アッシングプロセス条件を２段階に分けて実施することにより、被処理体に与える損傷を抑制しつつ迅速なレジストの除去が可能なアッシング方法及びアッシング装置に関する。
プラズマを利用してレジストを除去するアッシング処理は、半導体や液晶ディスプレイをはじめとする各種の産業分野において広く利用されている。「アッシング」とは、具体的には、パターンを加工するエッチング時や、イオン注入（ion implantation：以下「インプラ」という）時のマスク材として用いたレジストを、酸素プラズマとの反応により除去分解するプロセスである。
しかし、インプラ後はレジストの表面にイオンが注入された変質層が形成されるため、その除去方法には工夫が必要である。
すなわち、近年、半導体への不純物ドーピング技術としてインプラが利用されている。不純物イオンの注入量と注入深さを正確にコントロールできること、レジストをマスク材料として使用でき工程簡略化が可能という利点を持つためである。インプラにおいて重要なパラメータは、（１）イオン種、（２）注入エネルギー、および（３）注入量（ドーズ量）である。
すなわち、近年、半導体への不純物ドーピング技術としてインプラが利用されている。不純物イオンの注入量と注入深さを正確にコントロールできること、レジストをマスク材料として使用でき工程簡略化が可能という利点を持つためである。インプラにおいて重要なパラメータは、（１）イオン種、（２）注入エネルギー、および（３）注入量（ドーズ量）である。
しかし、インプラのマスクとしてレジストを用いた場合、当然のことながらレジスト自体にもイオンが注入されることになる。したがって、レジスト内部においては、インプラされた部分とインプラされていない部分が存在することになる。
図１４は、インプラ後のレジストの表面を表す断面図である。すなわち、同図は、半導体１００の表面にレジストマスク１２０を形成し、所定の不純物ＩＭをインプラするプロセスを表す。この場合、レジストの表面部分１２０Ｂは、注入時のイオン衝撃によって硬化して、インプラされていない通常のレジスト１２０Ａとは異なる物性を示すことから、「表面変質層」などと呼ばれる。このような変質層の形成は、インプラのドーズ量にも依存し、特に、１×１０１５原子／ｃｍ２を超えるようなハイドーズの場合に顕著となる傾向がある。
このような表面変質層１２０Ｂは、通常のアッシングプロセスで用いられる酸素プラズマでは反応し難い。これは、インプラ時のイオン衝撃によってレジスト中の水素が離脱し、有機高分子が複雑にクロスリンクした構造になっているためである。またさらに、後に詳述する「ポッピング」という現象により、変質層の残渣が残りやすいという問題もある。
これに対して、特許文献１には、ヘリコン波プラズマを用いて表面変質層を除去した後に、誘導結合プラズマモードに切り替えて未変質部をアッシングするプラズマ処理方法が開示されている。
また、特許文献２には、まず低温で酸化性ガスで表面変質層を除去し、しかる後に高温でフッ素または水素系ガスを用いてドーパントの酸化物からなる残渣を除去する処理方法が開示されている。
一方、下地に金属層などを有する被処理体のレジストをアッシングする場合には、金属層の表面の酸化を抑制するための工夫が必要な場合が多い。例えば、近年の半導体集積回路装置は、微細化の要求に応じるために、配線材料を従来のアルミニウムから銅に変更しつつある。しかし、このような銅配線層を有する被処理体のレジストをアッシングする場合には、下地の銅の酸化を防ぐ必要がある。
これに対して、特許文献３には、基板温度を摂氏１２０度以下に保持してアッシングすることにより銅の酸化を防ぐ技術が開示されている。
特開平８−６９８９６号公報
特開２０００−２８６２４８号公報
特開２００１−１１０８９５号公報
しかし、特許文献１に開示されている方法は、プラズマの形成方式を変更する必要があり、装置が複雑化し大がかりになるという欠点がある。
一方、特許文献２に開示された方法の場合は、第１段階のアッシングにおいて、プラズマモニタにより検知されるアッシングの終点までの時間の１．５倍から２倍もの時間のアッシングを実行する。この時点で、レジストの主要部は除去され、ウェーハ上には、残渣が残留した状態とされる。しかる後に、第２段階のアッシングとして、高温のプロセスを例えば摂氏２５０度というような高温に加熱して行い、ウェーハ上に残留するレジストの残渣を除去せんとする。従って、レジスト本体のアッシング（第１段階）において長時間のプラズマ処理により下地に対する損傷を与える虞があり、また、第２段階の高温処理によって被処理体の熱による酸化や変質が生ずるという欠点がある。
一方、特許文献３に記載されている方法の場合、基板温度を１２０度以下に抑えると必然的にアッシング速度は低下し、また、実用的なアッシング速度を得るためには、ウェーハ冷却手段を導入したり、ガス種や雰囲気圧力などのパラメータを入念に調節する必要があるという欠点がある。
本発明はかかる課題の認識に基づいてなされたものであり、その目的は、従来とは異なる発想に基づき、インプラされたレジストの変質層や、下地金属層の酸化などを抑制しつつ迅速なレジストの除去が可能なアッシング方法及びアッシング装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の一態様によれば、イオン注入により形成された表面変質層とその下に設けられた未変質部とを有するレジストを除去するアッシング方法であって、２０パスカル未満の圧力におけるプラズマ処理を行うことにより、イオンの到達量が相対的に多いイオン性の高い条件下で前記レジストの前記表面変質層を実質的に除去する第１の工程と、前記第１の工程と同一のプラズマ形成方式を用いて、同一チャンバ内において、２０パスカル以上の圧力におけるプラズマ処理を行うことにより、イオンの到達量が相対的に少ないラジカル性の高い条件下で前記レジストの前記未変質部を除去する第２の工程と、を備え、前記第１の工程において、２０パスカル未満の圧力下におけるプラズマからの輻射熱によりポッピングが発生することを抑制するために前記レジストの温度が１００℃以下において水素を含有したガスを添加することでアッシングレートを高めること、を特徴とするアッシング方法が提供される。
また、本発明の一態様によれば、大気よりも減圧された雰囲気を維持可能なチャンバと、前記チャンバの外側から内側にマイクロ波を導入するマイクロ波供給源と、前記チャンバ内に酸素を含むガスを導入する第１のガス導入機構と、前記チャンバ内に水素を含むガスを導入する第２のガス導入機構と、前記チャンバ内の圧力を制御する圧力制御機構と、を備え、前記チャンバ内において前記酸素を含むガスのプラズマを形成し、前記チャンバ内に設置された被処理体のイオン注入により形成された表面変質層とその下に設けられた未変質部とを有するレジストを除去するにあたって、２０パスカル未満の圧力下におけるプラズマからの輻射熱によりポッピングが発生することを抑制するために前記レジストの温度が１００℃以下において水素を含有したガスを添加することでアッシングレートを高めるとともに、２０パスカル未満の第１の圧力において前記マイクロ波供給源から前記マイクロ波を供給して前記プラズマを生成することでイオンの到達量が相対的に多いイオン性の高い処理を行い、しかる後に同一チャンバ内において、２０パスカル以上の第２の圧力において前記マイクロ波供給源から前記マイクロ波を供給して前記プラズマを生成してイオンの到達量が相対的に少ないラジカル性の高い処理を行うことにより、前記レジストを除去可能としたことを特徴とするアッシング装置が提供される。
一方、本発明の一態様によれば、大気よりも減圧された雰囲気を維持可能なチャンバと、前記真空チャンバの外側から内側にマイクロ波を導入するマイクロ波供給源と、前記チャンバ内に酸素を含むガスを導入する第１のガス導入機構と、前記チャンバ内に水素を含むガスを導入する第２のガス導入機構と、前記チャンバ内の圧力を制御する圧力制御機構と、を備え、前記チャンバ内において前記酸素を含むガスのプラズマを形成し、前記チャンバ内に設置された被処理体のイオン注入により形成された表面変質層とその下に設けられた未変質部とを有するレジストを除去するにあたって、２０パスカル未満の圧力下におけるプラズマからの輻射熱によりポッピングが発生することを抑制するために水素を含有したガスを添加するとともに、２０パスカル未満の第１の圧力において前記プラズマを生成することでイオン性の高い処理を行い、しかる後に同一チャンバ内において、２０パスカル以上の第２の圧力において前記プラズマを生成してラジカル性の高い処理を行うことにより、前記レジストを除去可能としたことを特徴とするアッシング装置が提供される。
本発明は以上説明した形態で実施され、以下に説明する効果を奏する。
まず、本発明の第１の実施の形態によれば、ポッピングの発生を防ぎつつ、ハイドーズインプラされたレジストを確実に除去することが可能となる。このようにハイドーズされたレジストは、アッシング工程の中でも最も剥離しにくいものと認識されている。アッシング用プロセスガスとして一般的に使用されている酸素（Ｏ２）の単一ガスアッシングでは、ハイドーズインプラされた後のレジストの完全剥離は困難であり、添加ガス（例えばＣＦ４）等の方法を用いるのが一般的である。ただし、この場合には、下地に設けられた酸化膜のエッチングなどの副作用を伴い、今後のデバイスの微細化を考慮すると、決して満足なプロセスとはいえない。
これに対して、本発明の第１実施形態によれば、イオンアシスト反応および添加ガスとして（Ｈ２−Ｎ２）フォーミングガスを使用し、高速かつポッピングレスなアッシングプロセスを実現できる。
また、本発明の第３の実施の形態によれば、上記第１実施形態のアッシング方法を確実且つ容易に実施でき、産業上のメリットは多大である。
以下、本発明の実施の形態について、具体例を参照しつつ詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
まず、本発明の第１の実施の形態として、インプラによる表面変質層を有するレジストを迅速且つ確実に除去できるアッシング方法について説明する。
まず、本発明の第１の実施の形態として、インプラによる表面変質層を有するレジストを迅速且つ確実に除去できるアッシング方法について説明する。
図１は、本実施形態のアッシング方法の工程を表すフローチャートである。
すなわち、本実施形態においては、まずステップＳ１０において低圧でプラズマを生成し、プラズマから放出されるイオンの効果（イオン性）の高い条件においてレジストの表面変質層を除去する。
しかる後に、ステップＳ２０において、高圧でプラズマを生成し、プラズマに含まれるラジカルの効果（ラジカル性）の高い条件において、レジストの未変質部を除去する。
すなわち、本実施形態においては、まずステップＳ１０において低圧でプラズマを生成し、プラズマから放出されるイオンの効果（イオン性）の高い条件においてレジストの表面変質層を除去する。
しかる後に、ステップＳ２０において、高圧でプラズマを生成し、プラズマに含まれるラジカルの効果（ラジカル性）の高い条件において、レジストの未変質部を除去する。
このような独特の２段階の工程を採用することにより、ハイドーズされたレジストを確実にアッシングすることが可能となる。以下、まず、ステップＳ１０すなわち、低圧アッシングの工程について説明する。
最初に、表面変質層を有するレジストをアッシングした場合に発生する「ポッピング」について説明する。
最初に、表面変質層を有するレジストをアッシングした場合に発生する「ポッピング」について説明する。
図２は、ポッピングの発生を模式的に表した断面図である。
すなわち、同図（ａ）に表したように、インプラによって表面変質層１２０Ｂが形成されたレジスト１２０を高温でアッシングすると、レジストベーク温度（およそ１００℃）を超えた時点において変質層下部の未変質なレジストからガスが発生する。発生したガスは表面変質層１２０Ｂによって逃げ場を塞がれ、末変質層部分１２０Ａの圧力が高くなり、やがて図２（ｂ）に表したように爆発する。これが「ポッピング」と呼ばれる現象である。
したがって、ハイドーズインプラ後のレジスト剥離においては、ポッピングが発生する前に、図２（ｃ）に表したように、表面変質層１２０Ｂを除去する必要がある。すなわち、Ｔを表面変質層の膜厚、ｔをポッピング温度に到達するまでのアッシングプロセス時間、ＡＲ（skin）を表面変質層の実際のアッシングレートとすると、次式の条件が満足される必要がある。
Ｔ／ｔ≦ＡＲ（skin）
ポッピングを防ぐためには、ウェーハ温度がポッピング温度に到達する前に表面変質層１２０Ｂを除去する必要があり、したがって、Ｔ／ｔが必要最低限なアッシングレートとなる。
Ｔ／ｔ≦ＡＲ（skin）
ポッピングを防ぐためには、ウェーハ温度がポッピング温度に到達する前に表面変質層１２０Ｂを除去する必要があり、したがって、Ｔ／ｔが必要最低限なアッシングレートとなる。
表面硬化層のアッシングレートが小さい時、すなわちＡＲ（skin）≦Ｔ／ｔの場合には、ウェーハがポッピング温度に到達した際、表面変質層１２０Ｂが残っているためポッピングが発生する。これに対して、表面硬化層のアッシングレートが十分に大きい時、すなわちＡＲ（skin）≧Ｔ／ｔの場合は、ウェーハがポッビング温度に到達した際には、既に表面変質層１２０Ｂがアッシング除去されているため、ポッピングは発生しない。
このことから、ポッピングを防ぐためには、以下の２点が重要なポイントとなる。
（１）ＡＲ（skin）を高くする。
（１）ＡＲ（skin）を高くする。
（２）ｔを大きくする。
本発明者は、（１）ＡＲ（skin）を高くするため、イオンアシストを用いた低圧アッシング、および添加ガスの導入の条件を見いだした。また、（２）ｔを大きくするため、低温アッシングの条件を見いだした。以下、これらの点について順に説明する。
本発明者は、（１）ＡＲ（skin）を高くするため、イオンアシストを用いた低圧アッシング、および添加ガスの導入の条件を見いだした。また、（２）ｔを大きくするため、低温アッシングの条件を見いだした。以下、これらの点について順に説明する。
まず、ＡＲ（skin）に対するプロセス圧力依存性について説明する。
図３は、レジストをアッシングした場合の活性化エネルギー（Ｅａ）の圧力依存性を表すグラフ図である。ここで用いたアッシャーは、芝浦メカトロニクス（株）製（モデル名μＡＳＨ３００）であり、レジストとしては、ノボラック樹脂系レジストを用いた。
図３は、レジストをアッシングした場合の活性化エネルギー（Ｅａ）の圧力依存性を表すグラフ図である。ここで用いたアッシャーは、芝浦メカトロニクス（株）製（モデル名μＡＳＨ３００）であり、レジストとしては、ノボラック樹脂系レジストを用いた。
一般に、ラジカルのみを用いたダウンフローアッシングでは、活性化エネルギーはおおよそ０．４〜０．５ｅＶである。図３を見ると、およそ５０Ｐａ（パスカル）以下の圧力では、圧力が低くなるにつれて活性化エネルギーが低下していることが分かる。これは、低圧になると、イオンアシスト反応による効果が大きくなり、熱活性化過程の特性が希薄化するからであると考えられる。
そして、本実施形態の第１のステップＳ１０においては、このように低圧でイオン性の高い条件においてアッシングすることにより、レジストの表面変質層１２０Ｂを効率的に除去することが可能となる。
例えば、アッシングレートＡＲ（skin）の圧力依存性について、ラジカルアッシング領域の１２０Ｐａ、およびイオンアシスト反応が十分に期待できる７Ｐａ、の２条件で比較した結果について説明する。なお、プロセスガスは、酸素（Ｏ２）の単一ガスとした。得られたＡＲ（skin）の圧力依存性は、以下の如くである。
１２０Ｐａ ７Ｐａ
ＡＲ（skin） ０．０５μｍ／分 ０．５０μｍ／分
この結果から、低圧力領域におけるイオンアシスト反応を利用したアッシングでは、ラジカルのみを利用した高圧力領或でのアッシングと比較して、ＡＲ（skin）がおよそ１０倍高いことがわかる。本発明者の検討の結果によれば、ステップＳ１０においてアッシングの圧力を概ね２０Ｐａ未満とすると良好な結果が得られることが判明した。
１２０Ｐａ ７Ｐａ
ＡＲ（skin） ０．０５μｍ／分 ０．５０μｍ／分
この結果から、低圧力領域におけるイオンアシスト反応を利用したアッシングでは、ラジカルのみを利用した高圧力領或でのアッシングと比較して、ＡＲ（skin）がおよそ１０倍高いことがわかる。本発明者の検討の結果によれば、ステップＳ１０においてアッシングの圧力を概ね２０Ｐａ未満とすると良好な結果が得られることが判明した。
次に、ＡＲ（skin)に対する添加ガスの効果について説明する。
すなわち、ステップＳ１０において、酸素に加えて所定の添加ガスを加えることが望ましい。例えば、アッシングのプロセスガスとして一般的に用いられている酸素（Ｏ２）に、添加ガスとして、（Ｈ２（３％）−Ｎ２）混合ガス（以下、「Ｆ．Ｇ．」（フォーミングガス）という）を加えることができる。また、この場合、その添加量は、総流量の２０％程度とすることができる。
すなわち、ステップＳ１０において、酸素に加えて所定の添加ガスを加えることが望ましい。例えば、アッシングのプロセスガスとして一般的に用いられている酸素（Ｏ２）に、添加ガスとして、（Ｈ２（３％）−Ｎ２）混合ガス（以下、「Ｆ．Ｇ．」（フォーミングガス）という）を加えることができる。また、この場合、その添加量は、総流量の２０％程度とすることができる。
この添加ガスを加えた場合に得られたＡＲ（skin）のガス依存性は、以下の如くである。なおここで、プロセス圧力は、イオンアシスト反応を利用できる７Ｐａとした。
Ｏ２ Ｏ２／Ｆ．Ｇ．
ＡＲ（skin） ０．５０μｍ／分 ０．９６μｍ／分
すなわち、Ｆ．Ｇ．を添加することで、Ｏ２単ガスと比較してＡＲ（skin）がおよそ２倍高くなることがわかった。一般的に、ＯＨラジカルの作用によってレジストの活性化エネルギーが低下することが知られているが、今回も同様の効果でＡＲ（skin）が高くなったと考えられる。従って、アッシングに際して酸素に添加するガスとしては、ＯＨラジカルが形成されるように水素を含有するガスを適宜選択すればよい。
Ｏ２ Ｏ２／Ｆ．Ｇ．
ＡＲ（skin） ０．５０μｍ／分 ０．９６μｍ／分
すなわち、Ｆ．Ｇ．を添加することで、Ｏ２単ガスと比較してＡＲ（skin）がおよそ２倍高くなることがわかった。一般的に、ＯＨラジカルの作用によってレジストの活性化エネルギーが低下することが知られているが、今回も同様の効果でＡＲ（skin）が高くなったと考えられる。従って、アッシングに際して酸素に添加するガスとしては、ＯＨラジカルが形成されるように水素を含有するガスを適宜選択すればよい。
次に、アッシング中のウェーハ温度について説明する。
図４は、低圧（７Ｐａ）アッシングプロセス中におけるウェーハ温度推移を表すグラフ図である。
イオンアシスト反応が期待できる低圧力領域では、プラズマからの輻射熱の影響が大きく、およそｔ＝３０秒でウェーハの温度は、ポッピング温度（１００℃）に達することがわかる。
図４は、低圧（７Ｐａ）アッシングプロセス中におけるウェーハ温度推移を表すグラフ図である。
イオンアシスト反応が期待できる低圧力領域では、プラズマからの輻射熱の影響が大きく、およそｔ＝３０秒でウェーハの温度は、ポッピング温度（１００℃）に達することがわかる。
次に、上述の如く得られたＡＲとＴ／ｔとの関係について説明する。すなわち、今回得られたＡＲと、ポッピングを防ぐ必要最低限のアッシングレートＴ／ｔとの比較を行った。得られた結果は以下の如くである。
ＡＲ（skin） Ｔ／ｔ
速度 ０．９６μｍ／分 ０．４０μｍ／分
ここで、表面変質層１２０Ｂの膜厚（Ｔ）については、ＳＥＭ（scanning electron microscopy）観察により、およそ０．２μｍであることがわかった。上記の結果から、ＡＲ（skin）≧Ｔ／ｔを満足しており、ポッピングを防ぐアッシング条件が確立した。
ＡＲ（skin） Ｔ／ｔ
速度 ０．９６μｍ／分 ０．４０μｍ／分
ここで、表面変質層１２０Ｂの膜厚（Ｔ）については、ＳＥＭ（scanning electron microscopy）観察により、およそ０．２μｍであることがわかった。上記の結果から、ＡＲ（skin）≧Ｔ／ｔを満足しており、ポッピングを防ぐアッシング条件が確立した。
次に、レジスト剥離性について調べた結果について説明する。
評価用サンプルとしては、レジストのベタ膜に、イオン種として（１）Ｐ（リン）、（２）Ａｓ（ヒ素）の２種類を、それぞれインプラしたものを用意した。また、剥離性評価方法として、アッシング後のサンプルを表面触針走査法（サーフスキャン）にて測定し、レジスト残渣数をパーティクル数としてカウントした。パーティクルとして検出する対象サイズは０．２μｍ以上とした。
評価用サンプルとしては、レジストのベタ膜に、イオン種として（１）Ｐ（リン）、（２）Ａｓ（ヒ素）の２種類を、それぞれインプラしたものを用意した。また、剥離性評価方法として、アッシング後のサンプルを表面触針走査法（サーフスキャン）にて測定し、レジスト残渣数をパーティクル数としてカウントした。パーティクルとして検出する対象サイズは０．２μｍ以上とした。
まず、ＡＲ（skin）＜Ｔ／ｔ となる条件においてアッシングを実施したところ、ポッピングが発生し、ウェーハ全面にポッピング片のレジスト残渣が観察された。そのパーティクル数は、サーフスキャンの許容カウント数の上限を超えオーバーフローして計測不能であった。
一方、上述したように、圧力７Ｐａ、Ｆ．Ｇ．ガス添加の条件でアッシングを実施したところ、（１）Ｐおよび（２）Ａｓをインプラしたレジストについて、残渣パーティクル数ほ、それぞれ２４０個、１８０個であった。すなわち、アッシング後の残渣パーティクル数が極めて小さく、良好な結果が得られていることが確認できた。また、目視観察によっても、残渣パーティクルは極めて少なく、清浄な除去表面が得られていて、ポッピングレスのアッシングが可能であることが確認できた。
このように、本実施形態のステップＳ１０によれば、イオン性の高い条件でアッシングすることにより、ポッピングが発生する前に、レジストの表面変質層を迅速且つ確実に除去することが可能となる。
以上、図１に表したステップＳ１０について説明した。
次に、本実施形態の第２の工程であるステップＳ２０について説明する。
次に、本実施形態の第２の工程であるステップＳ２０について説明する。
ステップＳ２０においては、ステップＳ１０と比べて圧力を高くしてラジカル性の高い条件においてアッシングする。また、この際に、ステップＳ１０とは異なる添加ガスを加えることが望ましい。
すなわち、通常、インプラしたレジストを除去する工程において、被処理体は、半導体などである場合が多い。ステップＳ１０においては、イオン性の高いアッシングにより表面変質層を迅速に除去するが、このままイオン性の高い条件でアッシングを続けると、下地の半導体層にイオンによるダメージ（損傷）を与える虞がある。
そこで、ステップＳ２０においては、圧力を高くし、ラジカル性の高い条件においてレジストの未変質部をアッシングする。インプラにより変質していないレジストは、酸素ラジカルにより効率的に除去することが容易である。
また、ステップＳ２０においては、表面変質層１２０Ｂがないため、レジストの温度が上昇してもポッピングは発生しない。そこで、加熱によるアッシングレートの増大の効果を利用することもできる。すなわち、ポッピングが発生する１００℃よりも高い温度に加熱して第２のステップＳ２０を実施することにより、レジストの未変質部１２０Ａを高速にアッシングすることが可能となる。
ここで、ステップＳ２０における圧力としては、概ね２０Ｐａ以上とし、さらに望ましくは、図３から分かるように約５０Ｐａよりも高い圧力にすれば、イオンの影響は極めて小さくなり、安定したラジカルモードのアッシングが可能となる。
またさらに、ステップＳ２０においては、酸素に加えて、フッ素系のガスを添加することによりアッシング後のレジスト残渣パーティクル数をさらに減らすことができる。これは、残渣パーティクルを構成するレジストの変質層１２０Ｂは、イオン衝撃によって有機高分子が複雑にクロスリンクした構造を有し、このような構造に対して、フッ素系の元素が高い反応性を有するためであると考えられる。このような効果を有するフッ素系ガスとしては、例えば、ＣＦ４を挙げることができる。
また、一方、レジストの下地に酸化シリコンなどの酸化層が設けられている場合には、水素（Ｈ）系ガスを添加することにより、下地の酸化層のエッチング量を制御することが容易となる。
以上、本実施形態のステップＳ１０及びＳ２０について説明した。本実施形態において実施可能なアッシング条件の典型的な範囲についてまとめると、例えば、以下の如くである。
ステップＳ１０ ステップＳ２０
圧力（Pa） ２０未満 ２０以上
酸素流量（sccm） ８０ ２２００
ＣＦ４流量（sccm） ０ ２０
Ｈ２−Ｎ２流量（sccm） ２０ ３００
マイクロ波電力（Ｗ） ３０００ ２３００
ウェーハ温度（℃） １００以下 １００以上
例えば、圧力については、ステップＳ１０においては約１０Ｐａ前後、ステップＳ２０では１００乃至１２０Ｐａ程度とすると、それぞれ安定したイオンモード及びラジカルモードでのアッシングが可能となり、良好な結果が得られる。
ステップＳ１０ ステップＳ２０
圧力（Pa） ２０未満 ２０以上
酸素流量（sccm） ８０ ２２００
ＣＦ４流量（sccm） ０ ２０
Ｈ２−Ｎ２流量（sccm） ２０ ３００
マイクロ波電力（Ｗ） ３０００ ２３００
ウェーハ温度（℃） １００以下 １００以上
例えば、圧力については、ステップＳ１０においては約１０Ｐａ前後、ステップＳ２０では１００乃至１２０Ｐａ程度とすると、それぞれ安定したイオンモード及びラジカルモードでのアッシングが可能となり、良好な結果が得られる。
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態として、銅（Ｃｕ）からなる下地層の上に形成されたレジストをアッシングするに際して、銅の酸化を防ぎつつ確実なアッシングが可能なアッシング方法について説明する。
次に、本発明の第２の実施の形態として、銅（Ｃｕ）からなる下地層の上に形成されたレジストをアッシングするに際して、銅の酸化を防ぎつつ確実なアッシングが可能なアッシング方法について説明する。
まず、アッシングする際に生ずる下地の銅の酸化について説明する。
図５は、銅配線層を有する半導体装置の製造工程の一部を表した工程断面図である。
まず、同図（ａ）に表したように、半導体層２００の上に、銅からなる下部配線層２１０と層間絶縁層２２０を積層し、この上に、レジスト３００を所定のパターンに形成する。
まず、同図（ａ）に表したように、半導体層２００の上に、銅からなる下部配線層２１０と層間絶縁層２２０を積層し、この上に、レジスト３００を所定のパターンに形成する。
次に、同図（ｂ）に表したように、レジスト３００をマスクとして、開口部の層間絶縁層２２０をエッチングし、ビア・ホール（via hole）を形成する。
次に、同図（ｃ）に表したように、レジスト３００を除去し、同図（ｄ）に表したように、上部配線層２３０を形成することにより、多層配線構造が得られる。
次に、同図（ｃ）に表したように、レジスト３００を除去し、同図（ｄ）に表したように、上部配線層２３０を形成することにより、多層配線構造が得られる。
さて、ここで、図５（ｃ）に表したレジストの除去工程において、レジストをアッシングする際に、ビア・ホールの底に露出する銅の下部配線層２１０の表面に酸化層２１０Ａが形成されることがある。実際の多層配線構造においては、下部配線層２１０と層間絶縁層２２０との間に、エッチングストッパ層などとして図示しない窒化シリコン層などが挿入される場合も多い。しかし、このような窒化シリコン層も、レジスト３００のアッシングの際には、エッチングされて銅配線層２１０が露出し、酸化層２１０Ａが形成されることがある。
このような酸化層２１０Ａが形成されると、上部配線層２３０との間の接続が不十分となり、半導体装置の電気的特性が低下するという問題が生ずる。
このような酸化層２１０Ａが形成されると、上部配線層２３０との間の接続が不十分となり、半導体装置の電気的特性が低下するという問題が生ずる。
これに対して、本発明者は、レジスト３００のアッシングを２段階に分けて実施することにより、この問題を解消できることを発見した。
図６は、本実施形態のアッシング方法を表すフローチャートである。
すなわち、本実施形態においては、まずステップＳ５０として、イオン性の高い条件でレジスト３００をアッシングする。しかる後に、ステップＳ６０において、ラジカル性の高い条件においてアッシングする。このようにすると、下地の銅配線層２１０の酸化を効果的に抑制することができる。
図６は、本実施形態のアッシング方法を表すフローチャートである。
すなわち、本実施形態においては、まずステップＳ５０として、イオン性の高い条件でレジスト３００をアッシングする。しかる後に、ステップＳ６０において、ラジカル性の高い条件においてアッシングする。このようにすると、下地の銅配線層２１０の酸化を効果的に抑制することができる。
図７は、本実施形態のアッシング方法を用いた場合の半導体装置の製造工程を表す工程断面図である。同図については、図５に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
本実施形態によれば、図７（ｃ）に表したアッシング工程において、ビア・ホールの底に露出する銅の下部配線層２１０の表面における酸化層の形成を効果的に抑制することができる。その結果として、上部配線２３０と下部配線２１０とを確実に接続させ、高性能の半導体装置を安定して製造することが可能となる。
以下、図６に表した本実施形態の各ステップについて説明する。
図８は、下地の銅配線層２１０の表面に形成される酸化層２１０Ａの厚みと、アッシングの条件との関連を表すグラフ図である。
すなわち、同図には、それぞれアッシング前の状態（Initial）、イオン性の高い条件でのアッシング後（Ion assisted）、ラジカル性の高い条件でのアッシング後（Downstream）、本実施形態にかかる２ステップのアッシング後（Ion assisted + Downstream）のそれぞれについて、配線層２１０の表面に形成された酸化層２１０Ａの厚みを測定した結果を表した。
図８は、下地の銅配線層２１０の表面に形成される酸化層２１０Ａの厚みと、アッシングの条件との関連を表すグラフ図である。
すなわち、同図には、それぞれアッシング前の状態（Initial）、イオン性の高い条件でのアッシング後（Ion assisted）、ラジカル性の高い条件でのアッシング後（Downstream）、本実施形態にかかる２ステップのアッシング後（Ion assisted + Downstream）のそれぞれについて、配線層２１０の表面に形成された酸化層２１０Ａの厚みを測定した結果を表した。
ここで、イオン性の高い条件のアッシングは、例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）により実施できる。一般的には、被処理体に対してプラズマが近い場合には、イオン性が高くなる。一方、ラジカル性の高い条件のアッシングは、例えば、いわゆる「ダウンフロー型」のアッシング装置により実施できる。一般的には、被処理体に対してプラズマが遠い場合にラジカル性が高くなる。
図８から、イオン性の高い条件でアッシングした場合（Ion assisted）には、ラジカル性の高い条件でアッシングした場合（Downstream）よりも酸化層２１０Ａの厚みが大幅に薄いことが分かる。
そしてさらに、イオン性の高い条件でアッシングした後に、ラジカル性の高い条件でアッシングした場合（Ion assisted＋Downstream）には、最初からラジカル性の高い条件のみでアッシングした場合（Downstream）よりもはるかに酸化層２１０Ａの厚みが薄くなることが判明した。
それぞれのサンプルについて、酸化層２１０Ａの組成分析を実施したところ、イオン性の高い条件でアッシングした場合（Ion assisted）のほうが、ラジカル性の高い条件でアッシングした場合（Downstream）よりも緻密な酸化層２１０Ａが形成されることが判明した。このことから、イオン性の高い条件でアッシングすると、化学的により安定で緻密な酸化層が表面に形成され、銅の表面を不導態化させる作用があることが推測される。つまり、銅の表面に緻密な酸化層が形成されると、酸化がそれ以上進行されにくくなる。そこで、まずイオン性の高い条件でアッシングすることにより銅の表面に緻密な酸化層を形成させると、その表面を保護することができ、その後、ラジカル性の高い条件で高速にアッシングを行っても、酸化の進行を抑制できる。
また一方、ウェーハ温度の推移の点からみた本実施形態の意義について説明する。
図９は、イオン性の高い条件（Ion assisted）とラジカル性の高い条件（Downstream）のそれぞれにおいて、アッシング時間に応じたウェーハ温度の推移を表すグラフ図である。すなわち、同図の横軸はアッシング時間（秒）を表し、縦軸はウェーハの温度を表す。
また、図９において、イオン性の高い条件（Ion assisted）のアッシングは、ウェーハのヒーターをオフ（off）にして室温からアッシングを開始した場合を表し、ラジカル性の高い条件（Downstream）のアッシングは、ウェーハのヒーターを１２０℃に加熱した後にアッシングを開始した場合を表す。
図９から、イオン性の高い条件（Ion assisted）においては、ウェーハが急速に加熱され、入熱量が大きいことが分かる。これに対して、ラジカル性の高い条件（Downstream）においては、ウェーハの温度はほとんど上昇せず、ウェーハへの入熱量が小さいことが分かる。これは、イオン性の高い条件（Ion assisted）においては、雰囲気の圧力が低いため、プラズマからの熱輻射が大きいからである。
図９の結果から、イオン性の高い条件（Ion assisted）でアッシングを続けると、ウェーハの温度は急激に上昇し、ウェーハに熱的な損傷を与える虞があることが分かる。このような加熱を防ぐ手段として、例えば、静電チャックによりウェーハを密着保持して裏面側から水冷などの手段により冷却するという方法も考えられる。しかし、静電チャックや冷却機構を設けると、アッシング装置が複雑化し、コストや保守性などの点でも不利となる。
これに対して、ラジカル性の高い条件でアッシングを行えば、ウェーハが過度に加熱されることもなく、熱的な損傷を抑制しつつ、レジストのアッシングを行うことができる。
以上、本実施形態のステップＳ５０及びＳ６０について説明した。本実施形態において実施可能なアッシング条件の典型的な範囲についてまとめると、例えば、以下の如くである。
ステップＳ５０ ステップＳ６０
圧力（Pa） ２０未満 ２０以上
酸素流量（sccm） ８０ ２２００
ＣＦ４流量（sccm） ０ ２０
Ｈ２−Ｎ２流量（sccm） ２０ ３００
マイクロ波電力（Ｗ） ３０００ ２３００
ウェーハ温度（℃） １００以下 １００以上
プロセス時間の比率
図１０は、本実施形態においてラジカル性の高いアッシング条件を用いた場合のアッシングレートＡ／Ｒのアレニウスプロットを例示するグラフ図である。ここで、アッシングの条件としては、ダウンフロー型のアッシング装置において圧力を１５０Ｐａとした。
ステップＳ５０ ステップＳ６０
圧力（Pa） ２０未満 ２０以上
酸素流量（sccm） ８０ ２２００
ＣＦ４流量（sccm） ０ ２０
Ｈ２−Ｎ２流量（sccm） ２０ ３００
マイクロ波電力（Ｗ） ３０００ ２３００
ウェーハ温度（℃） １００以下 １００以上
プロセス時間の比率
図１０は、本実施形態においてラジカル性の高いアッシング条件を用いた場合のアッシングレートＡ／Ｒのアレニウスプロットを例示するグラフ図である。ここで、アッシングの条件としては、ダウンフロー型のアッシング装置において圧力を１５０Ｐａとした。
以上、詳述したように、本実施形態によれば、まず、イオン性の高い条件でアッシングすることにより、銅の表面に緻密で化学的に安定な酸化層を形成してその表面を保護し、しかる後に、ラジカル性の高い条件によりレジストを高速にアッシングすることが可能となる。その結果として、銅の酸化を防ぎ、同時に、ウェーハの過度の加熱を防ぎ、熱的な損傷を抑制しつつ、レジストの迅速且つ確実な除去が可能となる。
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態として、前述した第１及び第２実施形態において用いることができるアッシング装置について説明する。
次に、本発明の第３の実施の形態として、前述した第１及び第２実施形態において用いることができるアッシング装置について説明する。
図１１は、本発明の実施の形態にかかるアッシング装置の要部断面構造を表す模式図である。
まず、その全体構成について説明すると、本実施形態のアッシング装置は、いわゆる「マイクロ波励起型」の装置であり、処理室１０とプラズマ生成室２０とが設けられた真空チャンバ２を有する。真空チャンバ２は、プロセスガスを導入するためのガス供給口２２を有し、図示しない真空ポンプにより矢印Ｅの方向に真空排気される。また、プロセスガスの流れを調節するために、所定のコンダクタンス開口を有する排気整流板１２が適宜設けられている。
処理室１０は、被処理体Ｗに対してアッシングを施す空間である。被処理体Ｗは、載置台３０の上に載置され、適宜固定される。そして、アッシングに際して、必要があれば、図示しないヒーターにより被処理体Ｗを加熱することができる。
一方、プラズマ生成室２０においては、導波管２８を介してマイクロ波Ｍが供給され、スロット２６を介して誘電体窓２４から真空チャンバ２内に導入される。誘電体窓２４は、例えば、石英、Ａｌ２Ｏ３、ＡｌＮなどの誘電体により形成され、真空チャンバ２の気密を維持しつつマイクロ波Ｍを導入する役割を有する。
このようにして導入されたマイクロ波は、ガス供給口２２から供給されたプロセスガスのプラズマを生成する。また、生成されたプラズマは、永久磁石２５の磁場により所定の範囲に閉じこめられる。また一方、載置台３０に高周波電源８０を接続して１００ｋＨｚから１００ＭＨｚ程度の周波数の高周波電力を供給することにより、被処理体Ｗの近傍においてもプラズマを生成し、あるいはバイアス効果によってプラズマによるアッシングを促進することもできる。
この装置を用いて第１実施形態または第２実施形態のアッシング方法を連続的に実施することができる。このために、本実施形態の装置においては、幅広い圧力範囲でプラズマを生成できるようにされている。
図１２は、圧力に応じたアッシングモードの変化を説明するための模式図である。すなわち、同図（ａ）は、圧力が低い状態でアッシングする状態を表す。この場合には、チャンバ２の内部に形成されるプラズマＰは、被処理体Ｗに向かって広い範囲に生成される。プラズマＰから放出されるイオンＩの平均自由行程（またはライフタイム）は、ラジカルＲの平均自由行程（またはライフタイム）よりも一般に短い。しかし、図１２（ａ）に表したように、低圧でプラズマＰを生成した場合には、プラズマＰが被処理体Ｗに接近し、しかも、チャンバ内空間の気体分子密度が低いので、イオンＩの平均自由行程が長くなり、被処理体Ｗに到達する確率が増大する。これが、イオン性の高い条件（イオンアシスト）に対応する。
一方、チャンバ２の圧力が高い状態においては、図１２（ｂ）に表したように、プラズマＰはマイクロ波導波管の近傍にのみ形成され、被処理体Ｗから離れる。しかも、チャンバ２の内部の気体分子密度が高くなるので、イオンＩの平均自由行程も短くなる。その結果として、イオンＩは被処理体Ｗには到達しにくくなり、ラジカルＲのみが優先的に作用する。これが、ラジカル性の高い条件に対応する。
ここで、図１２（ａ）に対応する条件、すなわち、第１実施形態におけるステップＳ１０や第２実施形態におけるステップＳ５０においては、２０Ｐａ未満で、典型的には、数Ｐａ程度の極めて低い圧力でプラズマを生成させなければならない。一方、第１実施形態におけるステップＳ２０や第２実施形態におけるステップＳ６０においては、逆に、２０Ｐａ以上で、典型的には、１００Ｐａ以上の高い圧力でプラズマを生成させなければならない。
そこで、本実施形態のアッシング装置は、数Ｐａから数１００Ｐａの幅広い圧力範囲でプラズマＰを生成できるよう、チャンバ２の形状やサイズ、マイクロ波の導入スロット２６の形状やガス供給口２２と排気系との配置関係などの種々の装置パラメータが最適化されている。
またさらに、本実施形態のアッシング装置は、第１実施形態や第２実施形態において必要とされる２ステップのアッシングを連続的に実行可能とされている。
図１３は、このための制御システムを表す模式図である。すなわち、本実施形態の装置は、コントローラ５００を備える。コントローラ５００は、マイクロコンピュータやデジタルシーケンサによるプログラミングが可能とされている。そして、このコントローラ５００からの指示に基づいて、マイクロ波の制御電源５１０、ガス導入のためのマスフロー・コントローラなどの流量制御装置５２０〜５４０、真空排気ポンプやバタフライ・バルブなどの真空排気制御装置５５０、ヒーターなどにより被処理体Ｗの温度制御を行う温度制御装置５６０をそれぞれ制御する。
コントローラ５００は、例えば、第１実施形態に関して前述したステップＳ１０とステップＳ２０の条件に対応して予め設定されたパラメータに基づき、これらステップを連続的に実行させることができる。第２実施形態に関して前述したステップＳ５０とステップＳ６０についても同様である。
このようにして、本発明のアッシング方法を確実且つ容易に実施することが可能となる。
このようにして、本発明のアッシング方法を確実且つ容易に実施することが可能となる。
以上具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
例えば、本発明のアッシング方法において用いるガスの種類やプラズマ生成手段、またチャンバをはじめとする各要素については、本発明の趣旨に基づいて当業者が適宜変形したのも本発明の範囲に包含される。
２ 真空チャンバ
１０ 処理室
１２ 排気整流板
２０ プラズマ生成室
２２ ガス供給口
２４ 誘電体窓
２５ 永久磁石
２６ スロット
２８ 導波管
３０ 載置台
８０ 高周波電源
１００ 半導体
１２０ レジストマスク
１２０Ａ レジスト
１２０Ａ 末変質層部分
１２０Ｂ 表面変質層
２００ 半導体層
２１０ 下部配線層
２１０Ａ 酸化層
２２０ 層間絶縁層
２３０ 上部配線層
３００ レジスト
５００ コントローラ
５１０ 制御電源
５２０〜５４０ 流量制御装置
５５０ 真空排気制御装置
５６０ 温度制御装置
Ｉ イオン
ＩＭ 不純物
Ｐ プラズマ
Ｒ ラジカル
Ｗ 被処理体
１０ 処理室
１２ 排気整流板
２０ プラズマ生成室
２２ ガス供給口
２４ 誘電体窓
２５ 永久磁石
２６ スロット
２８ 導波管
３０ 載置台
８０ 高周波電源
１００ 半導体
１２０ レジストマスク
１２０Ａ レジスト
１２０Ａ 末変質層部分
１２０Ｂ 表面変質層
２００ 半導体層
２１０ 下部配線層
２１０Ａ 酸化層
２２０ 層間絶縁層
２３０ 上部配線層
３００ レジスト
５００ コントローラ
５１０ 制御電源
５２０〜５４０ 流量制御装置
５５０ 真空排気制御装置
５６０ 温度制御装置
Ｉ イオン
ＩＭ 不純物
Ｐ プラズマ
Ｒ ラジカル
Ｗ 被処理体
Claims (6)
- イオン注入により形成された表面変質層とその下に設けられた未変質部とを有するレジストを除去するアッシング方法であって、
２０パスカル未満の圧力におけるプラズマ処理を行うことにより、イオンの到達量が相対的に多いイオン性の高い条件下で前記レジストの前記表面変質層を実質的に除去する第１の工程と、
前記第１の工程と同一のプラズマ形成方式を用いて、同一チャンバ内において、２０パスカル以上の圧力におけるプラズマ処理を行うことにより、イオンの到達量が相対的に少ないラジカル性の高い条件下で前記レジストの前記未変質部を除去する第２の工程と、
を備え、
前記第１の工程において、２０パスカル未満の圧力下におけるプラズマからの輻射熱によりポッピングが発生することを抑制するために前記レジストの温度が１００℃以下において水素を含有したガスを添加することでアッシングレートを高めること、を特徴とするアッシング方法。 - 前記第２の工程において、フッ素を含有したガスを添加することを特徴とする請求項１記載のアッシング方法。
- 前記レジストの下地に酸化層が設けられている場合には、前記酸化層がエッチングされることを抑制するために、前記第２の工程において、水素を含有したガスを添加することを特徴とする請求項１または２に記載のアッシング方法。
- 前記第２の工程において、前記レジストを１００℃以上に加熱することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のアッシング方法。
- 前記第１の工程において前記プラズマから前記レジストの表面に飛来するイオンのラジカルに対する割合は、前記第２の工程において前記プラズマから前記レジストの表面に飛来するイオンのラジカルに対する割合よりも高いことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のアッシング方法。
- 大気よりも減圧された雰囲気を維持可能なチャンバと、
前記チャンバの外側から内側にマイクロ波を導入するマイクロ波供給源と、
前記チャンバ内に酸素を含むガスを導入する第１のガス導入機構と、
前記チャンバ内に水素を含むガスを導入する第２のガス導入機構と、
前記チャンバ内の圧力を制御する圧力制御機構と、
を備え、
前記チャンバ内において前記酸素を含むガスのプラズマを形成し、前記チャンバ内に設置された被処理体のイオン注入により形成された表面変質層とその下に設けられた未変質部とを有するレジストを除去するにあたって、２０パスカル未満の圧力下におけるプラズマからの輻射熱によりポッピングが発生することを抑制するために前記レジストの温度が１００℃以下において水素を含有したガスを添加することでアッシングレートを高めるとともに、２０パスカル未満の第１の圧力において前記マイクロ波供給源から前記マイクロ波を供給して前記プラズマを生成することでイオンの到達量が相対的に多いイオン性の高い処理を行い、しかる後に同一チャンバ内において、２０パスカル以上の第２の圧力において前記マイクロ波供給源から前記マイクロ波を供給して前記プラズマを生成してイオンの到達量が相対的に少ないラジカル性の高い処理を行うことにより、前記レジストを除去可能としたことを特徴とするアッシング装置。
Priority Applications (1)
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