JPH02191325A - 灰化処理方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概　要〕 例えば半導体ウェーハのような被処理物上の有機物被膜
をプラズマにより灰化する灰化処理装置右よび装置に関
し、 温度変化により灰化速度が大きく変化せず、速い灰化速
度で灰化処理することを可能にすることを目的とし、 少なくとも酸素を含むガスを活性化して生成したプラズ
マを、プラズマ中の荷電粒子を捕獲し、中性活性種を透
過するためのプラズマ透過板を介して有機物被膜が形成
された被処理物に当てることにより前記有機物被膜を灰
化する灰化処理方法において、前記プラズマ透過板を透
過した前記中性活性種と共に前記プラズマ透過板に捕獲
されずに透過した高いエネルギーを持つ荷電粒子が当た
る位置に前記被処理物を載置するように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、例えば半導体ウェーハのような被処理物上の
有機物被膜を、プラズマにより灰化する灰化処理方法及
び装置に関する。

〔従来の技術〕 半導体装置のウェーハプロセスでは、膜形成、レジスト
パターン形成、レジストをマスクとするエツチング、レ
ジスト除去という基本サイクルが繰返して行われる。こ
の基本サイクルのうちレジスト除去方法には、プラズマ
を用いてレジストを灰化する方法があるが、半導体ウェ
ーハ表面にダメージを与えることなく効率よくレジスト
を灰化することが要求されている。

レジストを用いた従来の灰化処理装置を第５図に示す。

この灰化処理装置は酸素プラズマを処理される半導体ウ
ェーハに当てる酸素ダウンフロー型と呼ばれるものであ
る。

灰化処理する灰化処理室１０内には、処理される半導体
ウェーハ１２を載置する加熱ステージ１４が設けられて
いる。プラズマを生成するプラズマ生成室１６には、プ
ラズマとなる酸素を含むガスを導入するガス導入口１８
が設けられていると共に、石英板２０を介してマイクロ
波導波管２２が設けられている。プラズマ生成室１６と
灰化処理室１０の間にはシャワー板２４と呼ばれる多数
の穴が開けられた導電性の板が設けられている。このシ
ャワー板２４は接地されており、プラズマ生成室１６で
生成されたプラズマのうち荷電活性種や電子等のエネル
ギーの高い荷電粒子を捕獲し、電気的に中性でエネルギ
ーの低い中性活性種を透過する。プラズマを直接当てる
とエネルギーの高い荷電粒子によい半導体ウェーハ１２
表面が大きなダメージを受けるので設けたものである。

なお、灰化処理室１２には灰化されたガスを排気するた
めの排気口２６が設けられている。

この灰化処理装置を用いて灰化処理する場合には、灰化
処理されるレジストなどの有機物被膜が付着した半導体
ウェーハ１２を加熱ステージ１４に載置して加熱する。

一方、プラズマ化される酸素を含むガスをガス導入口１
８からプラズマ生成室１６に導入すると共に、マイクロ
波導波管２２に２．４５±０．１ＧＨｚのマイクロ波を
印加する。マイクロ波は石英板２０を透過してプラズマ
生成室１６内のガスに作用してプラズマを生成する。生
成されたプラズマはシャワー板２４を介して灰化処理室
１０に流れる。プラズマ中の荷電粒子はシャワー板２４
により捕獲され、帯電していない中性活性種のみが透過
して加熱ステージ１４上の半導体ウェーハ１２に当たる
。このようにシャワー板２４は、プラズマ生成室１６で
生成されたプラズマ中の荷電粒子を捕獲し、中性活性種
を透過するプラズマ透過板として機能する。

中性活性種が半導体ウェーハ１２に当たると、主として
酸素の中性活性種が半導体ウェーハ１２上の有機物被膜
、例えばレジストを酸化して灰化する。

灰化されたガスは排気口２６から排気される。

従来の灰化処理装置による灰化特性の測定結果を第６図
に示す。マイクロ波の出力を１，５ｋＷ、灰化処理室ｌ
Ｏ内の圧力を０．８Ｔｏｒｒ、導入されるガス中の酸素
流量をＩＳＬＭ、シャワー板２４と半導体ウェーハ１２
間の距離を３５闘の条件で、４インチの半導体ウェーハ
１２上に塗布された１、５−厚のノボラツク樹脂からな
るレジスト（ＯＦＰＲ８００：東京応化製）を灰化した
。半導体ウェーハ１２の温度θ（１）を１２０℃から２
００℃まで変化させて、そのときの灰化速度Ｖ（人／ｍ
１ｎ）を測定した。第６図のグラフは縦軸に灰化速度Ｖ
（人／ｍ１ｎ）をとり、横軸に温度（１）に２７３を加
えた絶対温度Ｔ（Ｋ）の逆数（１／Ｔ）　ｘｌＯ”（χ
−１）をとって、測定点をプロットしたアレニウスプロ
ット（Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ　ｐｌｏｔ）である。

このグラフの傾きから灰化処理の活性化エネルギーは約
Ｑ、５ｅＶであることがわかる。なお、０，５ｅＶとい
う活性化エネルギーの値は、酸素の活性種とレジストと
の化学的反応により灰化処理が行われた場合の測定値と
一致しているＯｌＭ、　Ｃｏｏｋ　ａｎｄＢ、　Ｗ、Ｂ
ｅｎ５ｏｎ、　Ｊ、　Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ、　Ｓａ
ｃ、　、　Ｖｏｌ、１３．　Ｎ（Ｌ　１２゜ｐ２４５９
　（１９８３）　；Ｊ、　８．５ｐｅｎｃｅｒ、　Ｒ，
＾、Ｂｏｒｅｌ　ａｎｄ　Ａ、Ｄｏｆｆ。

Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　５ｏｃｉｅｔｙ　Ｂ
ｘｔｅｎｄｅｄ　Ａｂｓｔｒａｃｔｓ。

Ｖｏｌ、８６−２．Ｏｃｔ　１９−２４（１９８６）、
＾ｂｓｔｒａｃｔ　Ｎα２８５＞。

〔発明が解決しようとする課題〕

このように従来の灰化処理装置による灰化処理では、第
６図のグラフかられかるように、灰化速度が半導体ウェ
ーハ１２の温度に強い依存性を有するという問題があっ
た。すなわち、半導体ウェーハ１２が２００℃の場合に
は灰化速度が２０Ｘ１０’（Ａ／ｍ１ｎ）であるのに、
温度が下がると灰化速度が急激に減少し、１２０℃の場
合には灰化速度が３．８　ＸＩＯ’（人／ｍ１ｎ）と１
７５以下になってしまう。半導体ウェーハ１２の温度を
一定に保つのは困難であり、わずかな温度変化でも灰化
速度が大きく変化して安定した灰化速度を得ることが困
難であった。しかしながら、この温度依存性は灰化処理
の化学反応に固有のものであるため、温度依存性を改善
するためには、レジストや導入ガスを変えて灰化処理の
反応自体を変更しなければならないと考えられていたた
め、改善が容易ではなかった。

また、汚染を考慮すると低い温度で灰化することが望ま
しいが、従来の灰化処理では、特に低い温度における灰
化速度が遅く、灰化処理に時間がかかり生産性が低いと
いう問題があった。

本発明は上記事情を考慮してなされたもので、温度変化
により灰化速度が大きく変化せず、速い灰化速度で灰化
処理することが可能な灰化処理方法及び装置を提供する
ことを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、少なくとも酸素を含むガスを活性化して生
成したプラズマを、プラズマ中の荷電粒子を捕獲し、中
性活性種を透過するためのプラズマ透過板を介して有機
物被膜が付着した被処理物に当てることにより前記有機
物被膜を灰化する灰化処理方法において、前記プラズマ
透過板を透過した前記中性活性種と共に前記プラズマ透
過板に捕獲されずに透過した高いエネルギーを持つ荷電
粒子が当たる位置に前記被処理物を載置することを特徴
とする灰化処理方法によって達成される。

また、上記目的は、少なくとも酸素を含むガスを活性化
してプラズマを生成するプラズマ生成室と、前記プラズ
マ生成室で生成されたプラズマ中の荷電粒子を捕獲し、
中性活性種を透過するためのプラズマ透過板と、灰化処
理される有機物被膜が付着した被処理物が載置される載
置台とを備え、前記プラズマを前記プラズマ透過板を介
して前記被処理物に当てることにより前記有機物被膜を
灰化する灰化処理装置において、前記載置台の位置を変
更して前記プラズマ透過板と前記被処理物の間の距離を
調節する距離調節手段を備えたことを特徴とする灰化処
理装置によって達成される。

〔作　用〕

本発明によれば、プラズマ透過板を透過した中性活性種
と共にプラズマ透過板に捕獲されずに透過した高いエネ
ルギーを持つ荷電粒子も当たるようにしているため、灰
化速度が全体的に速くなると共に、温度依存性が減少す
る。

〔実施例〕

以下、図示の実施例に基づいて本発明を説明する。

本発明の一実施例による灰化処理装置を第１図に示す。

第５図に示す灰化処理装置と同一の構成要素には同一の
符号を付して説明を省略する。

本実施例では、灰化処理される半導体ウエーノ１工２と
シャワー板２４間の距離を調節して半導体ウェーハ１２
の載置位置を変更するために、加熱ステージ１４を上下
駆動する上下駆動装置２８が設けられている点に特徴が
ある。加熱ステージ１４の支柱１４ａが灰化処理室１０
の壁を突抜けて外部の上下駆動装置２８に結合されてい
る。モータ２８ａによりウオーム歯車機構２８ｂが回転
されて支柱１４ａが上下駆動される。

上下駆動装置２８により加熱ステージ１４の駆動してシ
ャワー板２４と半導体ウェーハ１２間の距離を調節する
ことが灰化処理にどのような影響を与えるかについて説
明する。

プラズマ生成室１６で生成１、されたプラズマには帯電
していない中性活性種と共に帯電した荷電活性種や電子
等の荷電粒子が含まれている。シャワー板２４はプラズ
マ中の荷電粒子を捕獲し、電気的に中性でエネルギーの
低い中性活性種のみを透過するために設けられたもので
ある。しかしながら、実際には荷電粒子はシャワー板２
４で完全に捕獲されるのではなく、一部は灰化処理室１
０に流入している。シャワー板２４に流入された荷電粒
子は、シャワー板２４から遠ざかるほど電子温度が小さ
くなる。したがって、シャワー板２４からの距離を調節
するということは半導体ウェーハ１２に作用する荷電粒
子の電子温度も調節することになる。

本実施例の灰化処理装置は、上下駆動装置２８によりシ
ャワー板２４と半導体ウェーハ１２間の距離を調節して
半導体ウェーハ１２に作用する荷電粒子の電子温度を調
節できることに最大の特徴がある。

このように本実施例の灰化処理装置によれば、シャワー
板から任意の距離に半導体ウェーハを載置し、作用する
荷電粒子の電子温度を調節して灰化処理を行うことがで
きる。

本実施例の灰化処理装置による灰化処理方法について更
に詳細に説明する。本実施例の方法によりシャワー板２
４から加熱ステージ１４までの距離（シャワー板２４の
下面から加熱ステージ１４の上面までの距離と定義する
）を変化させて行った灰化処理特性の測定結果を第２図
に示す。マイクロ波の出力、灰化処理室１０内の圧力、
導入ガス中の酸素流量、処理されるレジスト等の条件は
、第６図の場合と同様である。

第２図において、Ｐはシャワー板２４と加熱ステージ１
４間の距離（以下、シャワー板からの距離という）が３
５市である従来の灰化特性であり、Ｒはシャワー板から
の距離が１０ｍｍでの灰化特性であり、Ｓはシャワー板
からの距離が５ｍｍでの灰化特性である。これら灰化特
性Ｐ、ＲおよびＳから、シャワー板からの距離が近くな
ると、全体的に灰化速度Ｖが向上すると共に、実質的な
活性化エネルギーが小さくなる。シャワー板からの距離
が３５ｍｍの灰化特性Ｐでは活性化エネルギーが約０．
５ｅＶであるが、距離が１０ｍｍおよび５關の灰化特性
ＲおよびＳでは活性化エネルギーが約０．１６ｅＶとな
る。活性化エネルギーが小さくなると、灰化速度Ｖの温
度依存性が弱くなる。

したがって、シャワー板からの距離を３５ｍｍより近付
けて、少なくとも２０ｍｍ以下の距離で灰化すれば、半
導体ウェーハ１２の温度が変化しても灰化速度Ｖが大き
く変化することなく、しかも、従来より速く灰化して生
産性を向上することができる。

この灰化処理のメカニズムについて考察する。

前述のように活性化エネルギーは化学的反応に固有のも
のであって、反応を変えない限り、すなわち、導入ガス
やレジストを変えない限り、値が変わるものではない。

しかるに、本実施例の方法では反応自体は変更していな
いのにも拘らず、距離を減少することにより活性化エネ
ルギーが減少している。本実施例の方法では、灰化が純
粋な化学的作用だけで進行するのではなく、物理的作用
によっても進行しているものと思われる。

灰化に寄与するプラズマには帯電していない中性活性種
と共に、帯電した荷電活性種や電子等の荷電粒子も含ま
れている。中性活性種は帯電していないため、灰化処理
されるレジストのような有機物被膜に対して化学的にし
か作用しないことが分かっている。これに対し、帯電し
た荷電活性種や電子等の荷電粒子は、単独で又は中性活
性種と協力して化学的作用と共に物理的作用により灰化
を進行させると思われる。このメカニズムの詳細につい
ては分かっていないが、中性活性種と共に荷電粒子が有
機物被膜に作用することにより、灰化が促進されると共
に、実質的な活性化エネルギーが小さくなる。

このように本実施例の灰化処理方法は、プラズマの中性
活性種と共に荷電粒子も寄与していることが特徴である
。このことを明らかにするためにシャワー板からの距離
と荷電粒子の電子温度およびリカバリ時間との関係を調
べた。それらの結果をそれぞれ第３図および第４図に示
す。

第３図の電子温度は、ラングミュアプローブ（Ｌａｎｇ
ｍｕｉｒ　Ｐｒｏｂｅ）法により測定したものである。

第３図から、シャワー板からの距離が小さくなると電子
温度が高くなっている。従って゛、第２図において、シ
ャワー板からの距離５ＩＩｌｆｆｌフよび１０ｍｍのと
ころで灰化速度が大きかったのは、この電子温度の高い
荷電粒子（電子）が灰化反応に寄与しているためである
とｌ忍められる。

灰化処理における半導体ウェーハの汚染は、レジスト中
に含まれる鉄等の汚染分子が半導体ウェーハ中に侵入す
ることにより生ずる。これはプラズマ中の荷電粒子に起
因するものである。すなわち、プラズマ中の中性活性種
がレジストに作用する場合は化学的反応しかしないため
、レジスト中に含まれる汚染分子が半導体ウェーハ内に
侵入することはない。しかしながら、プラズマ中の荷電
粒子がレジストに作用する場合には、荷電粒子はエネル
ギーが高いためレジストに勢いよく打込まれ、打込まれ
た荷電粒子がレジスト中の汚染分子に衝突して、汚染分
子が半導体ウェーハ中に打込まれて侵入する。したがっ
て、汚染状態を測定すればプラズマの荷電粒子がどの程
度作用しているかがわかる。

第４図はＭＯＳダイオードを作製し、いわゆるＣＴ法に
より汚染を測定したもので、縦軸が汚染の程度を示すＭ
ＯＳダイオードのリカバリ時間（ｓｅｃ）を示している
。・リカバリ時間が低いほど汚染されている。横軸は汚
染の測定点を示すもので、半導体ウェーハのＡ−Ｅの各
点が測定点である。

汚染特性Ｐはシャワー板からの距離が３５ｍｍである従
来の場合の特性を示し、汚染特性Ｑはシャワー板からの
距離が１５ｍｍの場合の特性を示し、汚染特性Ｒはシャ
ワー板からの距離が１０鮒の場合の特性を示し、汚染特
性Ｓはシャワー板からの距離が５叩の場合の特性を示す
。更に汚染特性０はレジスト塗布、レジスト灰化のレジ
スト工程を施さない場合の特性を示し、汚染特性Ｔはプ
ラズマ中で処理した場合の特性を示す。汚染特性Ｐ−３
から、シャワー板からの距離が近くなると、全体的に汚
染が進行することがわかる。したがって、距離が近くな
ると、プラズマ中の荷電粒子がより多く作用しているこ
とがわかる。また、距離が３５叩の場合の汚染特性Ｐと
レジスト工程を施さない場合の汚染特性０が同じである
ことから、距離が３５ｍｍ程度離れると荷電粒子が全く
作用していないことを示している。

このような汚染特性の結果から、シャワー板からの距離
を２０ｍｍ以下にして灰化処理を行う本実施例の灰化処
理方法では、プラズマ中の中性活性種だけではなく荷電
粒子も灰化に寄与していることがわかる。

なお、第２図の灰化特性と第４図の汚染特性から、シャ
ワー板２４からの距離を近付ければ、灰化特性は向上す
るが汚染も多くなることがわかる。

しかしながら、半導体ウェーハの汚染の許容限度は、形
成される半導体装置によっても異なるし、製造工程によ
っても異なる。本実施例によれば、距離を調節すること
により、灰化特性と汚染特性を調節できるので、許容さ
れる汚染の範囲内でできるだけ灰化特性がよい距離に調
節することができる。すなわち、第１図の上下駆動装置
２８により加熱ステージ１４を上下動することにより、
シャワー板２４からの距離を調節し、最も効率的な灰化
処理を行うことができる。

本発明は上記実施例に限らず種々の変形が可能である。

例えば、上記実施例では被処理物をシャワー板から２０
ｕ以下の位置に載置するようにして灰化処理したが、要
は、シャワー板を透過したプラズマの中性活性種と共に
シャワー板に捕獲されずに透過した高い電子温度の荷電
粒子が当たる位置に被処理物を載置すればよい。

また、上記実施例では２．４５±０．１ＧＨｚのマイク
ロ波によりプラズマを発生させたが、１３．５６ＭＨｚ
のマイクロ波を加えたり、直流電圧を印加したり、光を
照射したりする等の他の方法によりプラズマを発生させ
てもよい。

また、上記実施例ではレジストを灰化処理する場合を例
として説明したが、レジスト以外のポリイミド等の有機
物被膜を灰化処理する場合にも本発明を適用できる。導
入ガスも、酸素の他に窒素、水蒸気、酸化窒素、水素、
ハロゲン系ガス等を含む他のガスを用いてもよい。

更に、上記実施例の灰化処理装置では被処理物である半
導体ウェーハが載置された加熱ステージを上下駆動装置
により上下動させたが、他の手段によりシャワー板と被
処理物の間の距離を調節するようにしてもよい。

次に、本発明の他の実施例を説明する。この実施例にお
いては、上記の実施例と同じく、灰化処理条件として、
マイクロ波出力を１．５１Ｖとしプラズマ発光室の圧力
を０．８Ｔｏｒｒ、酸素ガス流量をＩＳＬＭとしている
。また、ステージ温度は１６０℃としている。灰化処理
時間は５９ｓｅｃである。このとき、可動ステージを処
理開始時にはシャワー板からの距離が５　ｍ＋ｎであり
、処理開始後１ｍｍ／ｓｅｃの速さでシャワー板から遠
ざかっていくように駆動する。処理開始後３Ｑｓｅｃで
、シャワー板からの距離は３５ＩＩｌｆｆＩとなる。３
５ｍｍの位置でステージの移動は終わり、残りの３Ｑｓ
ｅｃ間はこの位置で灰化処理を行った。このときの灰化
速度はｉｔｓ／ｍａｎである。

このときの汚染特性Ｕを第４図に併せて示す。

汚染特性Ｕは、汚染特性０ふよびＰとほぼ同等であり、
灰化処理時の汚染は起きていないといえる。

灰化速度についても従来例（シャワー板からの距離が３
５ｍｍ）の約２倍である。

このように、本発明の上記第２の実施例によれば、酸素
ダウンフロー型の灰化処理を行う際の問題点てあった灰
化速度の増加と汚染の減少が相反する関係であった点を
解決できる。つまり、灰化処理時の汚染の少ない高速灰
化処理が可能となる。

〔発明の効果〕

以上の通り、本発明によれば温度変化により灰化速度が
大きく変化せず、かつ速い灰化速度で灰化処理すること
が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による灰化処理装置を示す断
面図、 第２図は本発明の一実施例による灰化処理方法の灰化処
理特性を示すグラフ、 第３図は電子温度の距離依存性を示すグラフ、第４図は
同灰化処理方法による汚染特性を示すグラフ、 第５図は従来の灰化処理装置を示す断面図、第６図は従
来の灰化処理方法の灰化処理特性を示すグラフ、 である。 図において、 １０・・・灰化処理室、 １２・・・半導体ウェーハ、 １４・・・加熱ステージ、 １４ａ・・・支柱、 １６・・・プラズマ生成室、 １８・・・ガス導入口、 ２０・・・石英板、 ２２・・・マイクロ波導波管、 ２４・・・シャワー板、 ２６・・・排気口、 ２８・・・上下駆動装置、 ２８ａ・・・モータ、 ２８ｂ・・・ウオーム歯車機構。 ２．３＋　　　　２．４２　　　２．５４＋１／Ｔ）Ｘ
ＩＯ３ ２，６８ 旧０ ＋２０ １ω（０Ｃ） 第 図 電子温度の距離依存性を示すグラフ 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、少なくとも酸素を含むガスを活性化して生成したプ
   ラズマを、プラズマ中の荷電粒子を捕獲し、中性活性種
   を透過するためのプラズマ透過板を介して有機物被膜が
   形成された被処理物に当てることにより前記有機物被膜
   を灰化する灰化処理方法において、 前記プラズマ透過板を透過した前記中性活性種と共に前
   記プラズマ透過板に捕獲されずに透過した高いエネルギ
   ーを持つ荷電粒子が当たる位置に前記被処理物を載置す
   ることを特徴とする灰化処理方法。 ２、前記被処理物が、前記プラズマ透過板からの距離が
   約２０ｍｍ以下の位置に載置される、請求項１記載の方
   法。 ３、前記被処理物の位置が処理の間に変化される、請求
   項１記載の方法。 ４、少なくとも酸素を含むガスを活性化してプラズマを
   生成するプラズマ生成室と、前記プラズマ生成室で生成
   されたプラズマ中の荷電粒子を捕獲し、中性活性種を透
   過するためのプラズマ透過板と、灰化処理される有機物
   被膜が形成された被処理物が載置される載置台とを備え
   、前記プラズマを前記プラズマ透過板を介して前記被処
   理物に当てることにより前記有機物被膜を灰化する灰化
   処理装置において、 前記載置台の位置を変更して前記プラズマ透過板と前記
   被処理物の間の距離を調節する距離調節手段を備えたこ
   とを特徴とする灰化処理装置。 ５、前記プラズマ透過板と被処理物の間の距離が灰化処
   理の間固定可能である、請求項４記載の装置。 ６、前記プラズマ透過板と被処理物の間の距離が灰化処
   理の間変化され得る、請求項４記載の装置。