JP5414179B2 - フォトレジスト及びエッチング残余物の低圧除去 - Google Patents

Description

本発明はプラズマプロセスに関し、特に半導体微細加工におけるエッチングプロセスに続く、フォトレジスト残余物及びエッチング残余物を除去することによる洗浄に関する。

プラズマプロセスシステムは、半導体、集積回路、ディスプレイ及び他の素子又は材料の製造及びプロセスにおいて、たとえば半導体基板のような基板から材料を除去する、又はそのような基板上へ材料を堆積するのに用いられている。集積回路パターンをフォトリソグラフィマスクから基板へ転写する、又はその基板上に誘電膜又は導電膜を堆積させるための半導体基板のプラズマプロセスは、当該産業で標準的な方法となった。

様々な型の膜がエッチングされる半導体プロセスにおいては、統合への挑戦とトレードオフとが依然として残る。通常、誘電層は、導電性材料を堆積することで垂直コンタクトを形成する開口部でパターニングされている。パターニングプロセスの間、エッチング耐性を有するフォトレジスト層、及び／又はハードマスク層が、その誘電層上に設けられ、選択パターンが曝露され、かつ現像される。続いて層からなる構造体は、プラズマ環境中でエッチングされる。ここでパターニングされたフォトレジストは誘電層中に開口部を画定する。

エッチング工程に続き、フォトレジスト残余物及びエッチング残余物（たとえばポリマーの残骸）は、エッチングされた部位及びチャンバ表面で頻繁に観測される。プラズマ洗浄（その場（ｉｎ ｓｉｔｕ）アッシングとしても知られている）の一体化に向けた取り組みの１つは、周辺の層の腐食を避けながら、巧くフォトレジスト残余物及びエッチング残余物を除去することである。既知のシステムは、基板に印加されたバイアスがそのアッシングプロセス全体を通じて一定に維持される１ステップアッシングプロセスを用いてきた。

ハロゲン含有気体は、たとえば酸化物及び新しいＳｉＯＣを含む低誘電率誘電材料のような誘電層のエッチングにおいて一般的に用いられている。これらの気体は、フッ化炭素ポリマーエッチング生成物を生成することが知られている。そのエッチング生成物は、誘電層のエッチングプロセス中、基板表面だけではなくプロセスチャンバの内側表面上にも堆積する恐れがある。

図１は、１ステップアッシングプロセスの典型的断面を図示している。構造体１００からフォトレジスト１０６を除去する通常の１ステップアッシングプロセス中、フッ化炭素ポリマーが、チャンバ壁から放出／エッチングされる（一般的にはメモリ効果と呼ばれる）。フッ化炭素ポリマーは、フォトレジスト１０６の下地である誘電層１０４及びキャップ層１０２（たとえばＳｉＮ、ＳｉＣ）を侵襲し、その誘電層のファセット生成及びキャップ層損失１１０を引き起こし、ときにはそのキャップ層１０２を貫通してその下に存在する導電層（たとえば銅）さえも侵襲する恐れがある。この効果は、ウエハ端部で非常に高くなるものと思われる。その理由は、チャンバ壁近くでのフッ化炭素濃度は高いからである。あるいはその代わりに、構造体１００はまた、フッ化炭素ポリマー堆積物をも含んで良い。

通常の１ステップアッシングプロセスの間、フォトレジストは、酸素含有プラズマ中で除去されて良い。アッシング後残余物の生成を避けるため、ある程度のバイアス電力が基板ホルダに印加される。このプロセスの間、先の誘電層エッチングから生じた、チャンバ壁上のフッ化炭素堆積物もエッチングされ、プラズマ中にフッ素ラジカルが解放される。バイスが基板ホルダへ印加されることで、これらのフッ素ラジカルは下地である誘電膜を腐食して、キャップ層を消耗させる恐れがある。バイアスを減少させる、又はバイアスを印加しないことで、誘電膜の腐食及びキャップ層の消耗を減少させることができるが、アッシング後残余物は依然として観測されると思われる。

結果として上述のチャンバに関する問題を生じさせる恐れのある通常の１ステップアッシングプロセスは、次のプラズマプロセス条件を有して良い。（チャンバ圧力）＝５０ｍＴｏｒｒ、（ＲＦバイアス）＝１５０Ｗ、（Ｏ_２流速）＝２００ｓｃｃｍ。

半導体の製造においては、通常の１ステップアッシングプロセスは、内部のチャンバ表面（及びアッシングされる基板）が先の誘電膜エッチングプロセスから生じるフッ化炭素ベースのポリマーを含んでいると思われるプロセスチャンバで頻繁に実行される。あるいはその代わりに、１ステップアッシングプロセスは、先のエッチングプロセスからのポリマー堆積物が洗浄されたプロセスチャンバで実行されることも考えられる。
米国特許出願第１０／２５９７６８号明細書

本発明の目的は、１ステップアッシングと比較して、周辺の基板層の腐食が減少するように、フォトレジスト残余物及びエッチング残余物を除去するプラズマプロセス方法の提供である。

上記目的及び他の目的は、酸素含有ガスを有するプロセスガスを利用する２ステップその場アッシングプロセスを用いることによって実現される。第１アッシング工程の間、第１バイアスである低バイアス又はゼロバイアスが、基板が存在する基板ホルダに印加される。他方、第２アッシング工程の間、第２バイアスレベルが印加される。第２アッシング工程でのプラズマプロセスチャンバ内の圧力は２０ｍＴｏｒｒ未満である。

低バイアス又はゼロバイアスが基板に印加される第１アッシング工程の間、基板及びプロセスチャンバの内部表面／内壁上に存在する、かなりの量のフォトレジスト残余物及びエッチング残余物が、チャンバから除去されるようにエッチングされる一方で、基板の残りの層の腐食は最小になる。第２アッシング工程の間、フォトレジスト残余物及びエッチング残余物が除去されるまで、増大したバイアスが印加され、かつアッシングプロセスが続けられる。

以降の詳細な説明を参照する、具体的には添付の図と共に検討することで、本発明はすぐにより完全に理解され、かつ及び本発明に付随する利点はすぐに明らかとなる。

特許文献１の発明者らは、２ステッププラズマアッシングプロセスが、基板からフォトレジスト残余物及びエッチング残余物を除去するのに利用できるということに気づいた。基板が上に存在する基板ホルダにゼロバイアス又は低バイアスが印加される第１アッシング工程の間、たとえばＣ_ｘＦ_ｙエッチングガスを用いることのできる先のエッチングプロセスから発生したかなりの量のフォトレジスト残余物及びエッチング残余物は、プロセスチャンバからエッチングされるように除去される。その際、残された基板層の腐食は最小となる。第２アッシング工程の間、フォトレジスト残余物及び／又はハードマスク残余物、及びアッシング後残余物が除去されるまで、増大したバイアスが基板ホルダに印加され、かつアッシングプロセスが続行される。

本発明の発明者らは、上述の第２アッシング工程がプラズマプロセスチャンバ内で非常に低い圧力（２０ｍＴｏｒｒ未満）で実行される場合には、そのプロセスは下地である誘電性基板層の有害な酸化を減少又は除去できることに気づいた。下地である誘電性基板層とは、たとえばＳｉＯＣ材料（ｋ〜２．７）のような低誘電率（ｌｏｗ−ｋ）材料である。酸化が減少するのは、チャンバ圧力が低い状態ではプラズマ環境中の酸素含有ラジカルの濃度が低くなるためであると考えられる。

図６Ａは、基板上で測定されたイオン流束をチャンバ圧力の関数として図示している。容量結合プラズマ源並びにＯ_２及びＡｒを含むプロセスガスを有するプラズマプロセスシステムが用いられた。図７は、容量結合プラズマ源を有する典型的なプラズマプロセスシステムを図示している。図６Ａは、イオン流束が図示された圧力範囲にわたってほぼ一定であることを示している。イオン流束が高ければ、アッシング速度を高くすること、及びアッシング時間を短くすることが可能となる。それに加えて、チャンバ圧力を低くする結果、基板層へのイオン照射は、より指向性を有するように（異方的に）なり、アッシングプロセス間でのパターニングされた誘電層の側壁への損傷は減少する。

図６Ｂは、プラズマ中のＯラジカル密度をチャンバ圧力の関数として図示している。図６Ｂは、プラズマ中のＯラジカル濃度が、チャンバ圧力の減少と共に減少することを示している。Ｌｏｗ−ｋ材料の酸化によって、ｌｏｗ−ｋ材料の誘電率の増大が観測される。それにより、従来の高誘電率材料（たとえばＳｉＯ_２、ｋ〜３．９）に対する、これらの材料を用いる利点が減少する。

よって本発明の実施例に従うと、２ステップアッシングプロセスの第２アッシング工程の間、プロセスチャンバ内では２０ｍＴｏｒｒ未満のプロセス圧力が用いられる。本発明の別な実施例に従うと、第２アッシング工程の間、プロセスチャンバ内では約１０ｍＴｏｒｒ未満のプロセス圧力が用いられて良い。本発明に従った２ステップその場アッシングプロセスは、以下のうちの少なくとも１つを満足することによって上述の欠点を緩和することができる。それは、１）キャップ層の侵襲を最小にすること；２）部位上部での誘電層のファセット形成／腐食を最小にして、エッチング後／限界寸法（ＣＤ）バイアスを減少させること；３）アッシング後残余物を最小にすること；４）その場アッシング間に誘起されるｌｏｗ−ｋ誘電膜への損傷を最小にすること；及び５）自動のチャンバドライクリーニングを供することによって、チャンバクリーニング間の平均時間を増大させること、である。

図２は、２ステップアッシングプロセスの典型的な断面を図示している。２ステップアッシングプロセスの第１アッシング工程１２０の間、ウエハ上のフォトレジスト１０６、並びにチャンバ壁（図示していない）及びウエハ上に堆積されるフッ化炭素ポリマー１１２はエッチングされる。ゼロバイアス又は低バイアスが印加されるため、誘電層１０４の腐食及びキャップ層１０２の侵襲は最小となる。第１アッシング工程１２０の間、チャンバからは、如何なるポリマー残余物もドライクリーニングされることで落とされる。第１アッシング工程１２０の長さは時間に基づいて良い。そして第１アッシング工程１２０の長さは、基板上に存在する少量のアッシング後残余物１１０及び少量存在する可能性があるフォトレジスト１０６の残余物を残してしまうようなものであって良い。

第２アッシング工程１３０の間、バイアスが印加され、かつ如何なるアッシング後残余物１１０及び如何なる残余フォトレジスト１０６の除去に十分な時間だけアッシングが実行される。

本発明はたとえば、上部電極及び下部電極を有する容量結合プラズマ源を含むプラズマプロセスシステムを用いて実行されて良い。上部電極はたとえば、プロセスガスをプロセスチャンバへ導入するシャワーヘッドとしてさらに機能して良い。かつ下部電極は、被処理基板を支持し、かつ基板にバイアスを印加する基板ホルダであって良い。容量結合プラズマ源は、当業者にとって周知である。本発明はまた、たとえば誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）源を有する他の型のプラズマ源を用いて実行されて良い。

本発明の実施例に従った２ステップアッシングプロセスの第１アッシング工程に係る典型的なプロセスパラメータについてここで説明する。本発明の一の実施例では、チャンバ圧力は、約１ｍＴｏｒｒから約１０００ｍＴｏｒｒの間であって良い。本発明の別な実施例に従うと、チャンバ圧力は、約５ｍＴｏｒｒから約５０ｍＴｏｒｒの間であって良い。プロセスチャンバ内では、約５ｓｃｃｍから約１５００ｓｃｃｍのプロセスガス流速が用いられて良い。酸素含有ガス（たとえばＯ_２）を含むプロセスガスは単独で用いられて良いが、不活性ガス（たとえば希ガス（Ｈｅ、Ａｒ等）又はＮ_２）と併用されても良い。酸素含有ガスの流速はたとえば約５ｓｃｃｍから約５００ｓｃｃｍであって良く、不活性ガスの流速はたとえば約０ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍであって良い。バイアス電力（下部電極の電力）はたとえば約０Ｗから約１００Ｗであって良く、上部電極の電力はたとえば約５００Ｗから約２２００Ｗであって良く、かつ基板温度は約−１０℃から約２５０℃であって良い。

一の例では、第１アッシング工程に係るプロセスパラメータは、２０ｍＴｏｒｒのチャンバ圧力、５５０ｓｃｃｍのＡｒ流速、２００ｓｃｃｍのＯ_２流速、３００Ｗの上部電極、及び０Ｗの下部電極を有する。第１アッシング工程の持続時間はたとえば約３５秒であって良い。

２ステップアッシングプロセスの第２アッシング工程では、プロセスパラメータ空間は、上述した第１アッシング工程と同一条件を有して良い。ただし、第２アッシング工程でのチャンバ圧力が２０ｍＴｏｒｒ未満であることを除く。本発明の実施例では、第２アッシング工程でのチャンバ圧力が１０ｍＴｏｒｒ未満であって良い。本発明の別な実施例では、第２アッシング工程でのチャンバ圧力が５ｍＴｏｒｒ未満であって良い。約５０Ｗから約１０００Ｗのバイアスが用いられて良い。ここで、第２アッシング工程で基板ホルダに印加されるバイアス（第２バイアス）は、第１アッシング工程で基板ホルダに印加されるバイアス（第１バイアス）よりも大きい。

たとえＲＦバイアスが用いられるものとして開示されるとしても、ＤＣバイアスも用いられて良いし、又はＲＦバイアスに代わって用いられても良い。それに加えて、チャンバ圧力は、アッシングプロセス中に変化して良い。たとえばチャンバ圧力は、第１工程から第２工程へ変化して良い。さらにプロセスガスの組成は、アッシングプロセス中に変化して良い。たとえばプロセスガス（及びプロセスガス中に含まれる各異なるガスの流速）は、第１工程から第２工程へ変化して良い。

一の例では、２００ｍｍのシリコンウエハが処理されて良い。第２アッシング工程中でのプロセスパラメータは、１０ｍＴｏｒｒのチャンバ圧力、３００Ｗの上部電極、３００Ｗの下部電極、３００ｓｃｃｍのＯ_２流速（不活性ガスは用いない）、及び５０℃の基板温度を有する。基板は、第２アッシング工程において、３５秒間プラズマ環境に曝露された。

別な例では、３００ｍｍのシリコンウエハが処理された。第２アッシング工程中でのプロセスパラメータは、１５ｍＴｏｒｒのチャンバ圧力、３００Ｗの上部電極、４００Ｗの下部電極、４００ｓｃｃｍのＯ_２流速（不活性ガスは用いない）、及び５０℃の基板温度を有する。基板は、第２アッシング工程において、３５秒間プラズマ環境に曝露された。

あるいはその代わりに、処理能力を向上させるために、２ステッププロセスの間、実質的にすべて（だが全部ではない）のポリマーがチャンバから除去されたときにバイアスが印加されて良い。しかし従来の１ステッププロセスの効果の一部を再導入するという手間がかかった。

さらに、上述のバイアス印加が単一の値のバイアスのみ用いるものとして説明されているとしても、様々な種類のバイアスが、単一の値の代わりに用いられても良い。たとえばバイアスは、第２ステップ前、第２ステップの間又は第２ステップ後に（連続的又はステップ状に）増大しても良い。

上述のように、第１ステップの持続時間は、フッ化炭素が、チャンバ壁及びウエハ表面から完全に除去されるのに十分な長さでなければならない。たとえば第１ステップの持続時間は、１０秒から１００秒の範囲であって良い。別な例では、第１ステップの持続時間は、２０秒から５０秒の範囲である。同様に第２ステップの持続時間は、如何なるアッシング後残余物及び如何なる残余フォトレジストもが除去されるのに十分な長さでなければならない。たとえば第２ステップの持続時間は、１０秒から１００秒の範囲であって良い。別な例では、第２ステップの持続時間は、２０秒から５０秒の範囲である。

あるいはその代わりに、図２の２ステップアッシングプロセスでは、第１ステップ１２０及び第２ステップ１３０の終了は、終点検出を用いて決定されて良い。１つの考えられる終点検出は、すべて（又はほぼ全て）のポリマー（及び可能であればフォトレジスト）がチャンバから除去されたことを示す、プラズマ領域からの放出光スペクトルの一部を監視することである。たとえば係る除去を示すスペクトルの一部は、４８２．５ｎｍ（ＣＯ）、７７５．５ｎｍ（Ｆ）及び４４０ｎｍ（ＳｉＦ_４）の波長を有し、そのスペクトルの一部は、発光分光分析（ＯＥＳ）を用いて測定することが可能である。これらの波長に対応する発光レベルが特定の閾値を交差する（たとえば実質的にゼロにまで落ちるか、又は特定のレベルを超えて増大する）後、第１ステップは完了したものとみなされる。終点情報を供する他の波長が用いられても良い。

第１ステップ終了後、第２ステップは、如何なる残ったアッシング残余物（ＰＡＲ）を除去するため、５０％−２００％のさらなるアッシング（ｏｖｅｒａｓｈ）を行うことが好ましい。つまり、第１ステップが５０秒で完了する場合には、第２ステップは、５０％のさらなるアッシングを行うのに２５秒、及び１００％のさらなるアッシングを行うのに５０秒間行われる。実際にどの程度さらなるアッシングを行うのかは、それぞれ異なる程度のさらなるアッシングがなされた一連の基板を検査することによって経験的に決定されて良い。

図３は、アッシングプロセス中でのキャップ層１０２の損失を概略的に図示している。キャップ層の損失１４０が起これば、アッシングプロセス後に、操作電子顕微鏡（ＳＥＭ）像で、キャップ層が薄くなっている様子が観測される。３のアッシングプロセスでのキャップ層損失１４０は、同時係属している特許文献１で説明された。３のアッシングプロセスとは：ａ）ポリマー堆積物を有するチャンバでの２ステップアッシング（第１ステップではゼロバイアスで、第２ステップでバイアスが増大する）；ｂ）清浄チャンバでの従来の１ステップアッシング；及びｃ）ポリマー堆積物を有するチャンバでの従来の１ステップアッシング、である。３のアッシングプロセスでのプロセス条件は：
ａ）第１アッシングステップ：チャンバ圧力＝５０ｍＴｏｒｒ、ＲＦバイアス＝０Ｗ、Ｏ_２流速＝２００ｓｃｃｍ、第２アッシングステップ：チャンバ圧力＝２０ｍＴｏｒｒ、ＲＦバイアス＝１５０Ｗ、Ｏ_２流速＝２０ｓｃｃｍ、Ａｒ／Ｏ_２流速＝２００／２０ｓｃｃｍ；
ｂ）チャンバ圧力＝５０ｍＴｏｒｒ、ＲＦバイアス＝１５０Ｗ、Ｏ_２流速＝２００ｓｃｃｍ；及び
ｃ）チャンバ圧力＝５０ｍＴｏｒｒ、ＲＦバイアス＝１５０Ｗ、Ｏ_２流速＝２００ｓｃｃｍ；
であった。

１ステップアッシングプロセスｂ）及びｃ）と比較したとき、上記２ステップアッシングプロセスａ）では、キャップ層損失１４０が減少しているのが観測される。たとえば表１に示されているように、キャップ層の損失は、ｃ）＞ｂ）＞ａ）の順で減少している。その結果２ステッププロセスは、キャップ層損失を最小にするアッシング方法を提供する。その２ステップアッシングプロセスａ）は、２０ｍＴｏｒｒのチャンバ圧力を利用した。しかし、本発明では２０ｍＴｏｒｒ未満のチャンバ圧力でもキャップ層損失をさらに減少させると考えられる。

図４Ａ−図４Ｃは、アッシングプロセスのＯＥＳグラフを示している。上記プロセス中に、（基板表面を含む）チャンバ内の表面からフッ化炭素ポリマーが放出されるのは、ＯＥＳを用いることによって監視されて良い。図４Ａ−図４Ｃに図示されているＯＥＳグラフは、上述のａ）−ｃ）アッシングプロセスにそれぞれ対応する。図４Ａでは、ＣＯ（４８２．５ｎｍ）及びＦ（７７５．５ｎｍ）に対応する放出光信号を監視しながら、２ステップアッシングプロセスが実行されている。第１アッシングステップ（バイアスが印加されていない）中でのＣＯ及びＦの信号の初期最大強度の後、２つの信号は単調減少して、第１アッシングステップ終了時ではＣＯ及びＦのレベルが比較的低いレベルにあることを示している。第２アッシングステップ（バイアスが印加されている）中では、Ｆの信号レベルは低いまま維持されているが、ＣＯ信号レベルは、新たな低いレベルに到達する前に極大強度を示す。その新たな低いレベルは、残りのアッシングプロセスの間で維持される。重要なことは、図４ＡのＯＥＳグラフは、ＣＯ及びＦが、第１アッシングステップ終了前では比較的低いレベルに到達していることを示していることである。従ってＦ及びＣＯ信号（及び／又は他のＯＥＳ信号）は、第１アッシングステップの終了を決定するのに用いられて良い。図４Ａに図示された第２アッシングステップの終了もまた、ＣＯ信号（及び／又は他のＯＥＳ信号）から決定されて良い。

図４Ｂは、清浄チャンバ中での従来の１ステップアッシングプロセス中のＯＥＳグラフを図示している。図４Ｃは、ポリマー堆積物を有するチャンバ中での従来の１ステップアッシングプロセス中のＯＥＳグラフを図示している。ＣＯ及びＦの大きな信号は、バイアスの存在下におけるアッシングプロセス中でのこれらの種が高レベルにあることを示している。図４Ｃと比較すると、図４Ｂでは、ＣＯ及びＦのレベルが大きく減少しているのが観測される。ただし、バイアスをオフにしたときの図４Ａの第１ステップと比較すると、バイアスをオンにした状態である図４Ｃでは、高いレベルのＣＯ及びＦの信号が観測される。

重要なことは、図４Ａ−図４Ｃは、ＯＥＳがプラズマ種（たとえばＦ）の存在を監視するのに用いられて良い、ということを示していることである。そのプラズマ種はアッシングプロセスにとって有害であり、かつ誘電層のファセット形成及びキャップ層損失をもたらす恐れがある。さらにＯＥＳは、プラズマ期間の終了を決定するのに利用されて良い。その期間には、かなりの量の有害な種がプラズマ環境中に存在する。

アッシングプロセス中に起こる誘電層側壁への損傷は、半導体製造にとって重要である。その損傷は、プラズマアッシングに続いて、ＨＦエッチング溶液への曝露による誘電層側壁の損失を測定することによって評価されて良い。

図５は、誘電層側壁の損失を概略的に図示している。図５の誘電層側壁損失は、ＨＦ溶液に曝露された後での、誘電層１０４の上部１３２及び中間部１５０の除去として測定される。図５に図示された試験構造は、ＳｉＮ層１１２及びＳｉＣ層１０２をさらに有する。誘電層の側壁損失は、上述した３のアッシングプロセスａ）−ｃ）、及びそれに加えて、プロセスａ）での第１アッシングステップよりも低い全圧及び高いＯ_２流速でｄ）の２ステップアッシングプロセスを用いることによって測定された。

アッシングプロセスｄ）のプロセス条件は：
第１アッシングステップ：チャンバ圧力＝２０ｍＴｏｒｒ、ＲＦバイアス＝０Ｗ、Ｏ_２流速＝５００ｓｃｃｍ；第２アッシングステップ：チャンバ圧力＝２０ｍＴｏｒｒ、ＲＦバイアス＝１５０Ｗ、Ｏ_２流速＝２０ｓｃｃｍ、Ａｒ／Ｏ_２流速＝２００／２０ｓｃｃｍ；
であった。

プラズマアッシングされた基板は、０．５％ＨＦ溶液に５秒から３０秒間曝露された。アッシングプロセスａ）−ｄ）についての、３０秒間ＨＦに曝露された側壁損失のＳＥＭ分析結果が表２に示されている。要約すると、誘電層側壁損失（従ってアッシングプロセス中の側壁損傷）は、２ステッププロセスａ）よりも、より低いチャンバ圧力及びより高いＯ_２流速が用いられる２ステップアッシングプロセスｄ）の方で、より小さくなる。それに加えて、清浄なチャンバ内で実行された１ステッププロセスｂ）は、１ステッププロセスｃ）及び１ステッププロセスａ）よりも小さな誘電層側壁損失を示す。なお１ステッププロセスｃ）及び１ステッププロセスａ）はいずれも、ポリマー堆積物を有したチャンバ内で実行された。

図７は、本発明の実施例に従ったプラズマプロセスシステムを図示している。プラズマプロセスシステム１は、プロセスチャンバ１０のプロセス領域４５内でのプラズマ発生を促進するように配備されている。プラズマプロセスシステム１は、基板ホルダ２０、プロセスガスをプラズマプロセスチャンバへ導入するガス注入系４０、及び真空排気系５０をさらに有する。基板ホルダ２０の上では、被処理基板が上に固定され、かつその基板ホルダへの電気的コンタクトを構成する。ガス注入系４０によって、外部のガス供給源からプロセスチャンバ１０へのプロセスガス４２の供給を独立に制御することが可能となる。

イオン化可能なプロセスガス４２がガス注入系４０を介して導入され、プロセス圧力が調節される。プロセスガスの流速は、約１０ｓｃｃｍから約５０００ｓｃｃｍの間で良く、あるいは約２０ｓｃｃｍから約１０００ｓｃｃｍの間で良く、またあるいは約５０ｓｃｃｍから約５００ｓｃｃｍの間で良い。チャンバ圧力はたとえば、約１ｍＴｏｒｒから約２００ｍＴｏｒｒの間であって良く、あるいは約５ｍＴｏｒｒから約１００ｍＴｏｒｒの間であって良く、またあるいは約１０ｍＴｏｒｒから約５０ｍＴｏｒｒの間であって良い。制御装置５５は、真空排気系５０及びガス注入系４０を制御するのに用いられて良い。基板２５は、（ロボットの）基板搬送システムによって、スロットバルブ（図示されていない）及びチャンバフィードスルーを介してプロセスチャンバ１０へ搬送される。ここで、基板２５は基板ホルダ２０内に格納されている基板リフトピン（図示されていない）によって受け取られ、その中に格納されている装置によって機械的に並進する。一旦基板２５が基板搬送システムから受け取られると、基板２５は基板ホルダ２０の下側表面へ下ろされる。

代替的実施例では、基板２５は、静電クランプ（図示されていない）を介して基板ホルダ２０に固定される。さらに基板ホルダ２０は、再循環冷却流を含む冷却系を有する。その再循環冷却流は、基板ホルダ２０から熱を受け取り、かつ熱を熱交換系（図示されていない）へ輸送し、又は加熱するときには、熱交換系から熱を輸送する。その系は、昇温又は降温での基板の温度制御が必要なときに利用される。たとえば基板の温度制御は、定常状態の温度を超えた温度で有用と思われる。定常状態の温度は、プラズマから基板２５へ供給される熱流束と伝導によって基板２５から基板ホルダ２０へ除去される熱とのバランスによって実現される。他の実施例では、たとえば抵抗加熱素子のような加熱素子、又は熱電ヒーター／クーラーが、基板ホルダ２０に含まれる。

図７のプラズマプロセスシステム１は、上部平板電極７０を有するＲＦプラズマ源を有する。その上部平板電極７０はインピーダンス整合ネットワーク７４を介してＲＦ発生装置７２からのＲＦ電力と結合する。ＲＦ電力を上部平板電極７０へ印加する際の典型的な周波数は、１０ＭＨｚから２００ＭＨｚの範囲で良く、６０ＭＨｚであって良い。上部平板電極７０へ印加されるＲＦ電力は、約５００ワット（Ｗ）から約２２００Ｗの間であって良い。上述のように、図７のプラズマプロセスシステム１は、ＲＦ電力を基板ホルダ２０へ印加することで基板２５へバイアスをかけるＲＦ源をさらに有する。そのＲＦ源は、ＲＦ発生装置３０、及びインピーダンス整合ネットワーク３２を有する。そのインピーダンス整合ネットワーク３２は、反射電力を最小にすることによって、プラズマへのＲＦ電力の処理領域４５への輸送を最大にするように機能する。整合ネットワーク形態（たとえばＬ型、π型、Ｔ型）、及び自動制御方法は当技術分野において既知である。電力を基板ホルダ２０へ印加する際の典型的な周波数は、０．１ＭＨｚから３０ＭＨｚの範囲で良く、２ＭＨｚであって良い。基板ホルダ２０へ印加されるＲＦ電力は、約０Ｗから約１０００Ｗの間であって良い。しかも上部平板電極７０へのＲＦ電力の印加を制御するため、制御装置５５が、ＲＦ発生装置７２及びインピーダンス整合ネットワーク７４と結合する。代替的実施例では、ＲＦ電力は、複数の周波数で、基板ホルダ２０に印加されて良い。

続けて図７を参照すると、プロセスガス４２が、ガス注入系４０を介してプロセス領域４５へ導入される。ガス注入系４０はシャワーヘッドを有して良い。プロセスガス４２は、ガス供給系（図示されていない）からガス注入プレナム（図示されていない）、一連のバッフル板（図示されていない）及び複数のオリフィスシャワーヘッドを有するガス注入板を介してプロセス領域４５へ供給される。一の実施例では、複数のオリフィスを有するシャワーヘッドガス注入板は、上部平板電極７０であって良い。

真空排気系５０は、最大５０００リットル／秒（及びそれ以上）の排気速度を有するターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）、及びチャンバ圧力を調節するゲートバルブを有して良い。ドライプラズマエッチングで利用される従来のプラズマプロセス装置では、１０００リットル／秒から３０００リットル／秒のＴＭＰが用いられる。ＴＭＰｓは、低圧で典型的には５０ｍＴｏｒｒ未満の圧力で有用である。高圧プロセス（つまり１００ｍＴｏｒｒよりも高圧）では、メカニカルブースターポンプ及び乾式の粗引きポンプが用いられる。

制御装置５５は、マイクロプロセッサ、メモリ、及びデジタルＩ／Ｏポートを有する。そのデジタルＩ／Ｏポートは、プラズマプロセスシステム１からの出力を監視するだけではなく、プラズマプロセスシステム１への入力とのやり取りし、かつその入力を作動させるのに十分な制御電圧を発生させる能力を有する。しかも制御装置５５は、ＲＦ発生装置３０、インピーダンス整合ネットワーク３２、ＲＦ発生装置７２、インピーダンス整合ネットワーク７４、ガス注入系４０、プラズマ監視システム５７、及び真空排気系５０と結合し、それらと情報交換を行う。メモリに記憶されたプログラムは、記憶されたプロセスレシピに従ってプラズマプロセスシステム１に係る上述の部品を制御するのに利用される。制御装置５５の一例は、テキサスインスツルメンツ（商標）から販売されている型番号ＴＭＳ３２０（商標）のデジタル信号処理装置（ＤＳＰ）である。

プラズマ監視システム５７はたとえば、プラズマ環境中の励起粒子を計測する発光分光分析（ＯＥＳ）システム、及び／又はプラズマ密度を計測する、たとえばラングミュアプローブのようなプラズマ診断システムを有して良い。プラズマ監視システム５７は、エッチングプロセスの状態を決定し、かつフィードバックを供することでプロセスの遵守を保証する制御装置５５とともに用いられて良い。あるいはその代わりに、プラズマ監視システム５７は、マイクロ波システム及び／又はＲＦ診断システムを有して良い。

図８は、本発明の別な実施例に従ったプラズマプロセスシステムを図示している。プラズマプロセスシステム２は、プラズマ密度の増大及び／又はプラズマプロセスの均一性の改善を可能にするため、機械的又は電気的に回転するＤＣ磁場システム６０を有するＲＦプラズマ源を有する。しかも回転速度及び磁場強度を制御するため、制御装置５５は、回転磁場システム６０と結合する。

図９は、本発明のさらに別な実施例に従ったプラズマプロセスシステムを図示している。プラズマプロセスシステム３は、誘導コイル８０を有するＲＦプラズマ源を有する。ＲＦ電力は、ＲＦ発生装置８２によってインピーダンス整合ネットワーク８４を介して誘導コイル８０と結合する。ＲＦ電力は、誘導コイル８０から誘電体窓（図示されていない）を介してプラズマプロセス領域４５へ誘導結合する。ＲＦ電力を誘導コイル８０へ印加する際の典型的な周波数は、０．１ＭＨｚから１００ＭＨｚの範囲で良く、１３．５６ＭＨｚであって良い。誘導コイルへ印加されるＲＦ電力は、約５０Ｗから約１００００Ｗの間であって良い。同様に、チャック電極（ｃｈｕｃｋ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）へ電力を誘導コイル８０へ印加する際の典型的な周波数は、０．１ＭＨｚから３０ＭＨｚの範囲で良く、１３．５６ＭＨｚであって良い。基板ホルダへ印加されるＲＦ電力は、約０Ｗから約１０００Ｗの間であって良い。それに加えて、スロット型ファラデーシールド（図示されていない）が、誘導コイル８０とプラズマとの間の容量結合を減少させるのに用いられて良い。しかも誘導コイル８０への電力印加を制御するため、制御装置５５は、ＲＦ発生装置８２及びインピーダンス整合ネットワーク８４と結合する。

それに加えて、本発明を実施するのに、特定のハードウエアについての多くのバリエーションを用いることが可能であり、それらのバリエーションは当業者にとってはすぐに分かることなので、図７−図９に図示されたプラズマプロセスシステムは、典型例なもののみを図示している。

上述の説明を考慮すると、本発明の様々な修正型及び変化型が可能である。従って「特許請求の範囲」に記載された請求項の範囲内において、本明細書で具体的に説明した以外の形態で本発明を実施することが可能であることに留意すべきである。

１ステップアッシングプロセスの典型的な断面図を示している。 ２ステップアッシングプロセスの典型的な断面図を示している。 アッシングプロセスの間でのキャップ層の損失を概略的に図示している。 アッシングプロセスの発光分光分析（ＯＥＳ）のグラフを示している。 アッシングプロセスの発光分光分析（ＯＥＳ）のグラフを示している。 アッシングプロセスの発光分光分析（ＯＥＳ）のグラフを示している。 誘電体の側壁損失を概略的に図示している。 基板上で測定されたイオン流束をチャンバ圧力の関数として図示している。 プラズマ中のＯラジカル密度をチャンバ圧力の関数として図示している。 本発明の実施例に従ったプラズマ処理システムを図示している。 本発明の別な実施例に従ったプラズマ処理システムを図示している。 本発明のさらに別な実施例に従ったプラズマ処理システムを図示している。

Claims (43)

1. その場アッシング法であって：
   酸素含有ガスのみ又は酸素含有ガスと希ガスからなるプロセスガスを導入する導入工程；
   プラズマプロセスチャンバ内で酸素プラズマを発生させる発生工程；
   基板ホルダ上に存在する基板を前記酸素プラズマに曝露する曝露工程；
   第１アッシング工程を実行する工程であって、
   前記第１アッシング工程では、前記酸素プラズマが、前記基板及び前記チャンバの内面からフォトレジスト残留物と残余物をエッチングすることで、前記基板を浸食するフッ素ラジカルが前記酸素プラズマ中に解放され、
   前記第１アッシング工程は、前記基板ホルダへ第１バイアスを印加する工程を有し、
   前記第1バイアスの値の選択は、前記基板の腐食を最小限に抑制しながら前記基板及びチャンバの内面の相当量の前記フォトレジスト残留物並びにエッチング残留物が前記チャンバから除去されるように行われる、
   第１アッシング工程；
   前記チャンバ内での圧力を20mTorr未満の非常に低い圧力に減少させることで、イオン流速を一定に維持しながら前記プラズマ中での酸素含有ラジカルの濃度を低下させる減圧工程；及び
   前記非常に低い圧力で前記酸素プラズマによる第２アッシング工程を実行する工程であって、
   前記第２アッシング工程は前記基板ホルダへ第２バイアスを印加する工程を有し、
   前記第２バイアスは前記第１バイアスよりも大きく、そのため、前記第２アッシング工程での前記チャンバ圧力は２０ｍＴｏｒｒ未満であることに起因して、
   アッシング残余物が前記基板及び前記チャンバの内面から除去され、かつ、
   前記イオン流束からのイオンは、より指向性を有して前記基板に衝突する、
   第２アッシング工程；
   を有する方法。
2. 前記酸素含有ガスがＯ_２を有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記プロセスガスが不活性ガスをさらに有する、請求項１に記載の方法。
4. 前記不活性ガスが、希ガス、Ｎ_２、又はこれらの混合物を有する、請求項３に記載の方法。
5. 前記第１バイアスが、約０Ｗから約１００Ｗの間である、請求項１に記載の方法。
6. 前記第１バイアスが、ほぼゼロに等しい、請求項１に記載の方法。
7. 前記第２バイアスが、約５０Ｗから約１０００Ｗの間である、請求項１に記載の方法。
8. 前記第２アッシング工程が、前記第１アッシング工程での値とは異なるチャンバ圧力及びプロセスガスの流速のうちの少なくとも１をさらに用いる工程を有する、請求項１に記載の方法。
9. 前記第１アッシング工程が：
   前記プラズマからの放出光を検出する工程；及び
   前記放出光から前記第１アッシング工程の状態を決定する工程；
   を有する、
   請求項１に記載の方法。
10. 前記放出光の検出が、終点を確立する手段を供する、請求項９に記載の方法。
11. 前記放出光が、励起種を起源とし、かつ前記第１アッシング工程の状態についての情報を表す、請求項９に記載の方法。
12. 前記放出光が、ＣＯ及びフッ素含有種のうちの少なくとも１を起源とする、請求項９に記載の方法。
13. 前記フッ素含有種がフッ素である、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第２アッシング工程が：
    前記プラズマからの放出光を検出する工程；及び
    前記放出光から前記第２アッシング工程の状態を決定する工程；
    をさらに有する、
    請求項１に記載の方法。
15. 前記放出光が、励起種を起源とし、かつ前記第２アッシング工程の状態についての情報を表す、請求項１４に記載の方法。
16. 前記放出光が、ＣＯ及びフッ素含有種のうちの少なくとも１を起源とする、請求項１５に記載の方法。
17. 前記フッ素含有種がフッ素である、請求項１６に記載の方法。
18. 前記プラズマからの放出光を検出する工程；及び
    前記放出光から前記第１アッシング工程及び前記第２アッシング工程の状態を決定する工程；
    をさらに有する、請求項１に記載の方法。
19. 前記放出光が、励起種を起源とし、かつ前記第１アッシング工程及び前記第２アッシング工程の状態についての情報を表す、請求項１８に記載の方法。
20. 前記放出光が、ＣＯ及びフッ素含有種のうちの少なくとも１を起源とする、請求項１８に記載の方法。
21. 前記フッ素含有種がフッ素である、請求項２０に記載の方法。
22. 前記第２アッシング工程の長さが、前記第１アッシング工程の長さの５０％から２００％の間である、請求項１に記載の方法。
23. 前記プロセスガスの流速が５ｓｃｃｍから１５００ｓｃｃｍの間である、請求項１に記載の方法。
24. 前記酸素含有ガスの流速が５ｓｃｃｍから５００ｓｃｃｍの間である、請求項１に記載の方法。
25. Ｏ_２の流速が５ｓｃｃｍから５００ｓｃｃｍの間である、請求項２に記載の方法。
26. 前記第１アッシング工程での前記プロセスガスの流速が５ｓｃｃｍから１５００ｓｃｃｍの間である、請求項１に記載の方法。
27. 前記第２アッシング工程での前記プロセスガスの流速が５ｓｃｃｍから１５００ｓｃｃｍの間である、請求項１に記載の方法。
28. 前記プロセスガスの流速が、前記第１アッシング工程と前記第２アッシング工程との間で変化する、請求項１に記載の方法。
29. 前記第１アッシング工程での前記プロセスチャンバの圧力が約１ｍＴｏｒｒから約１０００ｍＴｏｒｒの間である、請求項１に記載の方法。
30. 前記第１アッシング工程での前記プロセスチャンバの圧力が約５ｍＴｏｒｒから約５０ｍＴｏｒｒの間である、請求項１に記載の方法。
31. 前記第２アッシング工程での前記プロセスチャンバ圧力が約１０ｍＴｏｒｒ未満である、請求項１に記載の方法。
32. 前記第２アッシング工程での前記プロセスチャンバ圧力が約５ｍＴｏｒｒ未満である、請求項１に記載の方法。
33. 前記プロセスチャンバ圧力が、前記第１アッシング工程と前記第２アッシング工程との間で変化する、請求項１に記載の方法。
34. 前記基板が、低誘電率材料、フォトレジスト若しくはエッチング残余物、又はこれらの混合物を有する、請求項１に記載の方法。
35. 前記低誘電率材料がＳｉＯＣ材料を有する、請求項３４に記載の方法。
36. 前記発生工程が、インピーダンス整合ネットワークを介してプラズマ源の上部平板電極へＲＦ電力を印加する工程を有する、請求項１に記載の方法。
37. 前記上部平板電極に印加される前記ＲＦ電力が約５００Ｗから約２２００Ｗの間である、請求項３６に記載の方法。
38. 前記発生工程が、インピーダンス整合ネットワークを介してプラズマ源の誘導コイルへＲＦ電力を印加する工程を有する、請求項１に記載の方法。
39. 前記誘導コイルに印加される前記ＲＦ電力が約５０Ｗから約１００００Ｗの間である、請求項３８に記載の方法。
40. 前記発生工程が、回転ＤＣ磁場電力源へＲＦ電力を印加する工程を有する、請求項１に記載の方法。
41. その場アッシング法であって：
    Ｏ_２含有ガスのみ又はＯ_２含有ガスと希ガスからなるプロセスガスを導入する導入工程；
    インピーダンス整合ネットワークを介してプラズマ源の上部平板へＲＦ電力を印加することによって、プラズマプロセスチャンバ内で酸素プラズマを発生させる発生工程；
    低誘電率材料、フォトレジスト若しくはエッチング残余物、又はこれらの混合物を有し、かつ基板ホルダ上に存在する基板を前記酸素プラズマに曝露する曝露工程；
    第１アッシング工程を実行する工程であって、
    前記第１アッシング工程では、前記酸素プラズマが、前記基板及び前記チャンバの内面からフォトレジスト残留物と残余物をエッチングすることで、前記基板を浸食するフッ素ラジカルが前記酸素プラズマ中に解放され、
    前記第１アッシング工程は、前記基板ホルダへ約０Ｗから約１００Ｗの間である第１バイアスを印加する工程を有し、
    前記第1バイアスの値の選択は、前記基板の腐食を最小限に抑制しながら前記基板及びチャンバの内面の相当量の前記フォトレジスト残留物並びにエッチング残留物が前記チャンバから除去されるように行われる、
    第１アッシング工程；
    前記チャンバ内での圧力を20mTorr未満の非常に低い圧力に減少させることで、イオン流速を一定に維持しながら前記プラズマ中での酸素含有ラジカルの濃度を低下させる減圧工程；及び
    前記非常に低い圧力で前記酸素プラズマによる第２アッシング工程を実行する工程であって、
    前記第２アッシング工程は前記基板ホルダへ約５０Ｗから約１０００Ｗの間である第２バイアスを印加する工程を有し、
    前記第２バイアスは前記第１バイアスよりも大きく、そのため、前記第２アッシング工程での前記チャンバ圧力は２０ｍＴｏｒｒ未満であることに起因して、
    アッシング残余物が前記基板及び前記チャンバの内面から除去され、かつ、
    前記イオン流束からのイオンは、より指向性を有して前記基板に衝突する、
    第２アッシング工程；
    を有する方法。
42. 前記プロセスガスが希ガスをさらに有する、請求項４１に記載の方法。
43. 前記上部平板電極に印加される前記ＲＦ電力が約５００Ｗから約２２００Ｗの間である、請求項４１に記載の方法。
    

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