JPH06163394A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体ウエハ上に付着したホトレジスト膜の
アッシング速度を高め、且つウエハ上にホトレジスト膜
の残査が生じることがない半導体装置の製造方法を提供
することを目的とする。 【構成】 密閉型反応容器内１にホトレジスト膜が付着
されたウエハ８と有機物が充填された容器１３とを挿入
配置し、容器１内を減圧した後に酸素ガスを一定の流量
を保って導入し、電極１０に高周波電力を印加して放電
による酸素ガスプラズマを発生させ、この酸素ガスプラ
ズマによってウエハ８に付着されたホトレジスト膜を除
去する。上記の容器１３に充填された有機物として、半
導体ウエハ加工工程で用いられるホトレジストを用いて
いる。この容器１３内には金属製の波板１４を入れ、こ
の波板１４の表面及び裏面にホトレジストを付着して酸
素ラジカルと反応するホトレジストの表面積を大きくし
てある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体ウエハ加工工程に
使用されるバレル式プラズマアッシング装置のアッシン
グ速度を高めるようにした方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウエハ加工工程における微細加工
は、露光及び現像によりパターンの形成されたホトレジ
スト膜を介して下地の絶縁膜，半導体膜，金属膜をエッ
チングすることにより行われている。エッチングの終了
後は、マスクとして用いたホトレジスト膜をウエハ表面
から除去することが必要である。

【０００３】プラズマアッシング装置とは、酸素ガスプ
ラズマを用いてホトレジスト膜を灰化して除去する装置
（以下アッシングと略称する）であり、図６（Ａ）
（Ｂ）にバレル式プラズマアッシング装置の一例を示
す。即ち、石英製反応容器１内を真空ポンプ２により減
圧し、この反応容器１内が所望の真空度になった際に、
バルブ３を開いて流量計４の監視下で処理ガスの導入管
５より酸素ガスＯ₂を反応容器１内に一定の流量を保っ
て導入する。

【０００４】この反応容器１は、図７に示したように内
部にアルミニウム製のトンネル６を収納した２重管円筒
型構造を有しており、このトンネル６内に配置した石英
製ボート７にホトレジスト膜が付着したシリコンウエハ
８を複数枚並べておく。

【０００５】反応容器１内の真空度が一定になった時点
で、ＲＦ発振器９により電極１０に１３．５６ＭＨｚの
高周波電力を印加して放電を起こさせ、反応容器１内で
酸素ガスプラズマを発生させる。オートチューニング回
路１１はアッシング中に変化するプラズマ状態を常に安
定させるために、放電を自動的に最適条件に調整するた
めに設けられている。

【０００６】酸素ガスプラズマによるホトレジスト膜の
アッシング作用は、Ｏ₂プラズマ中に生じた原子状酸素
Ｏと高分子樹脂との化学反応による高分子樹脂の低分子
化、及び低分子樹脂の酸化によるＣＯ₂とＨ₂Ｏへの分解
・気化作用を用いたものであり、単純にはホトレジスト
膜をＣ_xＨ_yと記すと、前記シリコンウエハ８上に付着し
たホトレジストは、酸素ラジカルと下記の反応を行って
ＣＯ₂，Ｈ₂Ｏとなって排気管１２より放散される。

【０００７】Ｏ₂ → Ｏ＊（酸素ラジカル） Ｃ_xＨ_y＋Ｏ＊ → ＣＯ₂↑＋Ｈ₂Ｏ↑ プラズマプロセスは湿式処理に比して清浄であり、特に
微細加工パターンを有する集積回路の歩留まりと信頼性
向上に寄与するという利点があるが、微細化の進展に伴
ってホトレジスト膜除去だけでなく、エッチングのドラ
イプロセス化も必要である。このホトレジスト膜は、エ
ッチングのマスクとして用いられる際にエッチングガス
のプラズマ照射を受け、更にイオン打ち込みによる不純
物導入時にはホトレジスト膜がイオンビームにさらされ
る。このような照射を受けたホトレジスト膜は化学薬品
で充分に除去できない状態に変質するため、ガスプラズ
マによるホトレジスト膜のアッシングが微細化プロセス
における不可欠の製造技術となっている。

【０００８】酸素ガスプラズマによるホトレジスト膜の
アッシング速度は、ガス圧力，高周波印加電力，ガス組
成，温度等のプラズマ条件の外、ガス流量，真空度，ウ
エハ処理枚数，ウエハの配置，ウエハの表面積等の試料
条件によっても異なる。

【０００９】アッシング速度は高周波印加電力に対して
は直線的に増加するが、ガス圧力に対しては極大値を示
すガス圧力が存在し、このガス圧の値は印加高周波電力
とかプラズマ装置の放電形式、形状によっても変化す
る。アッシング作用はＯ₂ガスプラズマ中で行われる
が、これに少量のＣＦ₄を添加するとアッシング速度が
更に速まることが報告されている。

【００１０】又、ホトレジスト膜のプラズマアッシング
においても、プラズマエッチングの場合と同様に速度は
試料の露出全表面積に依存する所謂“Loading effect”
を示す。これは反応種である酸素ラジカルの濃度が希薄
であることが原因であり、アッシング速度は試料の露出
全面積に反比例して低下することがモデルから導出され
る。

【００１１】図８は酸素ガスプラズマによるウエハ処理
枚数とアッシング速度の関係を示すものであって、具体
的には図中に記したように、処理するウエハ枚数を１
枚，１０枚，３０枚，５０枚，６０枚と順次増加させた
場合のアッシング時間（分）とホトレジスト膜厚減少量
（×１０³オングストローム）を測定したグラフであ
る。一般にはウエハ処理枚数とレジストのアッシング速
度の関係は、ウエハ枚数が多くなるのに伴ってアッシン
グに要する時間が長くなる傾向にあることが確認されて
いる。このアッシング速度は温度に対しては指数関数的
に増大するので、アッシング中の試料温度を一定に維持
する配慮を行うとアッシング量は時間に対して直線的に
増加する。

【００１２】又、前記したように多数枚の試料をボート
に並べて２重円筒型プラズマ装置内に挿入した状態でア
ッシングを行うと、アッシング中の温度上昇によりアッ
シング速度が時間とともに増大し、アッシング量は時間
に対して加速度的に増大することが知られている。

【００１３】しかしながらアッシングはホトレジスト膜
を充分灰化除去するのが目的であり、一般的にはプラズ
マエッチングのような精密な制御を必要としないので、
集積回路の標準生産工程においては通常の円筒形プラズ
マ装置を用いて多数の試料を同時にアッシングすること
が行われている。

【００１４】更に前記したようにホトレジスト膜がイオ
ン打ち込み時のマスクとしても用いられ、イオン照射を
受けた場合のアッシング速度についても評価する必要が
ある。特にイオン打ち込み時の電流密度と加速電圧を高
めたことにより試料温度が極端に高くなると、その後の
アッシング作業が困難になることがある。

【００１５】上記したようにホトレジスト膜のアッシン
グ速度は、レジストの種類，試料温度，“Loading effe
ct”等種々の要因で変化し、しかも試料が必要以上に長
時間Ｏ₂プラズマガスにさらされると、照射損傷を起こ
したりウエハ表面の酸化が進むなどの現象が生じる惧れ
があるため、アッシング速度に関する適正な管理技術が
要求されている現状にある。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な従来のバレル式プラズマアッシング方法では、ホトレ
ジスト膜のアッシング速度には限界があって、作業能率
を向上させる面でのネックとなり易いという課題があっ
た。特に前記アッシング方法を多層構造を有する半導体
装置に適用した際には、不純物拡散用の窓明けとか層間
絶縁膜のコンタクトホールの開口、電極用金属のパター
ン形成等の複数回のホトリソグラフィー工程の都度ホト
レジストのアッシング工程を実施しなければならないた
め、アッシングに要する時間の全プロセスに占める割合
が極めて高くなり、作業能率に対して悪影響を与えてし
まうことになる。

【００１７】更に近年の半導体装置は、高周波化と高機
能化に対する要求が強く、それに伴って露光パターンの
微細化と高集積化が進んでおり、このためウエハ上に残
るホトレジストにも微細構造部分が増えている現状にあ
る。このような高度に微細化されたホトリソグラフィー
工程では、微細パターンを描写したホトレジストをアッ
シングする場合に該微細部分に灰化，炭化したホトレジ
ストの残査が残る場合があり、且つ残査が残らないよう
にアッシングするには長時間を要してしまうという難点
がある。又、エッチングによってパターンが刻まれたウ
エハに付着するホトレジストをアッシングする場合に
は、微細パターンの有無とかその形状等によりアッシン
グに要する時間にばらつきが生じてしまうという問題が
ある。

【００１８】そこで本発明はこのような従来の半導体装
置の製造方法が有している課題を解消して、シリコンウ
エハ上に付着したホトレジスト膜のアッシング速度を高
め、且つ微細にパターン化されたホトレジスト膜に適用
した場合にもウエハ上にホトレジスト膜の残査が生じる
ことがない半導体装置の製造方法を提供することを目的
とするものである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するため、密閉型反応容器内にホトレジスト膜が付着さ
れた半導体ウエハと有機物が充填された容器とを挿入配
置して、この反応容器内を減圧した後に酸素ガスを一定
の流量を保って導入し、反応容器に配備した電極に高周
波電力を印加して、放電による酸素ガスプラズマを発生
させ、この酸素ガスプラズマによって前記半導体ウエハ
に付着されたホトレジスト膜を除去するようにした半導
体装置の製造方法を提供する。上記の容器に充填された
有機物として、半導体ウエハ加工工程で用いられるホト
レジストを用いている。

【００２０】又、容器内に金属製の波板を入れ、この波
板の表面及び裏面にホトレジストを付着したことによ
り、酸素ラジカルと反応するホトレジストの表面積を大
きくしてある。更に酸素ガスの圧力は０．８Ｔｏｒｒ以
上で流量は約５ｃｍ³／ｍｉｎ以上とした。

【００２１】

【作用】かかる半導体装置の製造方法によれば、酸素ガ
スプラズマ中に生じた原子状酸素と有機物との化学反応
による高分子樹脂の低分子化、及び低分子樹脂の酸化に
よるＣＯ₂とＨ₂Ｏへの分解・気化作用により、シリコン
ウエハ上に付着したホトレジスト膜が酸素ラジカルと反
応してＣＯ₂，Ｈ₂Ｏとなって除去される。

【００２２】特に本発明によれば、ウエハの処理ウエハ
の枚数が多いほどアッシング速度が速くなり、且つアッ
シング時間が短縮される。通常のホトレジスト膜のアッ
シング速度は試料の露出全面積に反比例して低下し、且
つアッシング速度はアッシングされるレジストの表面積
に律速されるが、容器に入れた有機物によって酸素ラジ
カルと反応するホトレジストの表面積が極めて大きくな
り、酸素ラジカルの濃度が高くなって反応が促進され、
アッシング速度が大幅に向上するという作用が得られ
る。

【００２３】

【実施例】以下図面を参照して本発明にかかる半導体装
置の製造方法の一実施例を、前記従来の構成部分と同一
の構成部分に同一の符号を付して詳述する。

【００２４】図１に示した装置概要図において、１は石
英製の密閉型反応容器であり、この反応容器１は真空ポ
ンプ２により減圧される。５は酸素ガスの導入管であ
り、この導入管５の中途部にはバルブ３と流量計４が配
設されている。

【００２５】上記の反応容器１は、従来例と同様に内部
にアルミニウム製のトンネル６が収納された２重管円筒
型構造を有しており、このトンネル６内に配置した石英
製ボート７にシリコンウエハ８が複数枚並置されてい
る。本実施例では該シリコンウエハ８は直径４インチの
大きさを有し、片面にポジレジストが１．２μｍの厚さ
で付着している。９はＲＦ発振器、１０は電極、１１は
オートチューニング回路、１２は排気管である。

【００２６】石英製反応容器１の口径は３０ｃｍ，奥行
きは５０ｃｍとした。又、反応容器１内の酸素ガスの圧
力は０．８Ｔｏｒｒ以上で流量は約５ｃｍ³／ｍｉｎ以
上とした。これはプラズマを安定して発生することがで
きる圧力となっている。

【００２７】そして本実施例の特徴的な方法として、上
記反応容器１に収納されたトンネル６内に、樹脂等の有
機物を充填した石英製容器１３が挿入配置されている。
本実施例では樹脂等の有機物の一例として、半導体ウエ
ハ加工工程で用いられるホトレジストを用いた。

【００２８】図２，図３，図４は上記の容器１３と、充
填された有機物の詳細を示すものであって、この容器１
３内にはアルミニウム製の波板１４を入れ、この波板１
４の表面及び裏面に有機物としてのホトレジスト１５を
付着してある。波板１４を用いた理由は、後述するよう
に酸素ラジカルと反応するホトレジスト１５の表面積を
大きくするためである。

【００２９】以下に本実施例の作用を説明する。先ず反
応容器１内にシリコンウエハ８と有機物が充填された容
器１３とを図示した状態に配置し、次に真空ポンプ２を
起動する。そして反応容器１内が所望の真空度になった
際に、バルブ３を開いて流量計４の監視下で導入管５よ
り酸素ガスＯ₂を反応容器１内に一定の流量を保って導
入する。

【００３０】次にＲＦ発振器９により電極１０に所定の
高周波電力を印加することにより、反応容器１内で放電
による酸素ガスプラズマが発生する。ＲＦ発振器９の出
力は、使用しているＲＦ発振器９の最大出力である５０
０Ｗとした。オートチューニング回路１１は放電を自動
的に最適条件に調整して、アッシング中に変化するプラ
ズマ状態を常に安定させるように動作する。

【００３１】尚、容器１３にホトレジスト１５を注いだ
ものをそのまま反応容器１内に入れると、真空ポンプ２
で減圧する際にホトレジスト１５が沸騰し、容器１３外
に溢れる可能性があるため、注いだホトレジスト１５を
捨てて容器１３及び波板１４に付着したホトレジスト１
５をアッシング前に十分乾燥してから使用した。

【００３２】すると酸素ガスプラズマ中に生じた原子状
酸素Ｏと高分子樹脂との化学反応による高分子樹脂の低
分子化、及び低分子樹脂の酸化によるＣＯ₂とＨ₂Ｏへの
分解・気化作用によってシリコンウエハ８上に付着した
ホトレジスト膜Ｃ_xＨ_yは、酸素ラジカルと反応してＣＯ
₂，Ｈ₂Ｏとなり、排気管１２から真空ポンプ２を介して
放散される。容器１３の効果は、レジストの補給をしな
い場合にはアッシング時間の合計が約２０時間になるま
で保たれる。

【００３３】実験の結果では、酸素ガスの圧力０．８Ｔ
ｏｒｒ以上とし、単位時間，単位容積当たりの流量を５
ｃｍ³／３０²×５０以上とすることにより、使用してい
るボートの最大積載量である試料ウエハ２０枚では、レ
ジストを完全に除去するために必要なアッシング時間は
約３０分、酸素ガス消費量は約１５０ｃｃであり、試料
ウエハ１０枚でのアッシング時間は約４５分、酸素ガス
消費量は約２２５ｃｃであった。

【００３４】図５は本実施例におけるシリコンウエハ８
の枚数とアッシング速度の関係をプロットしたグラフで
あり、曲線（１）は反応容器１内に樹脂等の有機物を充
填した容器１３を挿入した場合を示し、曲線（２）は同
容器３を挿入していない場合を示している。具体的に述
べると、試料ウエハ２０枚の場合のアッシング時間はレ
ジストを入れた容器１３を置く前の所要時間約３０分か
ら約１５分まで短縮され、これに伴って酸素ガス消費量
も約１５０ｃｃから約７５ｃｃまで１／２に低減され
た。

【００３５】又、シリコンウエハ８上の微細パターン部
にも残査が残らず、且つ残査が残ったウエハのみをアッ
シングする場合も短時間で完全にレジストを除去するこ
とが可能となった。

【００３６】従って本実施例によれば、前記図８に示し
たウエハの枚数によるアッシング時間の長さが逆転し
て、処理ウエハの枚数が多いほどアッシング速度が速く
なり、且つアッシング時間が短縮されることが判明し
た。

【００３７】これは以下のように考えることが出来る。
即ち、一般的には反応種である酸素ラジカルの濃度が希
薄であるため、アッシング速度は試料の露出全面積に反
比例して低下する。従ってアッシング速度はアッシング
されるレジストの表面積に律速されるが、本実施例では
容器３に入れた波板１４と、この波板１４の表面及び裏
面に付着されたホトレジスト１５とによって酸素ラジカ
ルと反応するホトレジスト１５の表面積が極めて大きく
なり、その結果、酸素ラジカルの濃度が高くなっている
ためと考察される。

【００３８】そのため各種半導体装置の製造時におい
て、半導体ウエハ表面に塗布した感光性のポジレジスト
を除去する際に本発明にかかるアッシング方法を適用す
ることにより、従来の方法に比して反応が促進され、ア
ッシング速度を大幅に向上させることができる。

【００３９】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明にか
かる半導体装置の製造方法によれば、容器に入れた有機
物によって酸素ラジカルと反応するホトレジストの表面
積が極めて大きくなるとともに酸素ラジカルの濃度が高
くなり、シリコンウエハ上に付着したホトレジスト膜を
酸素ラジカルと反応させて気化作用に基づいて該ホトレ
ジスト膜を除去することができる。

【００４０】又、本発明によれば、ウエハの処理ウエハ
の枚数が多いほどアッシング速度が速くなり、アッシン
グ時間を短縮することが可能となり、特にこのアッシン
グ方法を多層構造を有する半導体装置に適用した際に
は、複数回のホトリソグラフィー工程の都度実施するホ
トレジストのアッシング作業時間が短縮されて、アッシ
ングに要する時間の全プロセスに占める割合を低くして
作業能率を高めることができる。

【００４１】更に近年の半導体装置における高周波化と
高機能化に対する要求により、露光パターンの微細化と
高集積化が進んでウエハ上に残るホトレジストに微細構
造部分が増大しても、該微細部分に灰化，炭化したホト
レジストの残査が残ることが防止されて、該微細パター
ンの有無及び形状等に起因するアッシング時間のばらつ
きがなくなり、工程の均一化がはかれるという効果が得
られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（Ａ）は本発明にかかる半導体装置の製造
方法の一実施例を示す概要図。図１（Ｂ）は、図１
（Ａ）のｂ−ｂ線に沿う断面概要図。

【図２】本実施例で採用した容器に対するホトレジスト
の充填例を示す断面図。

【図３】図２の平面図。

【図４】図２の部分的拡大図。

【図５】本発明を適用した際のウエハの枚数とアッシン
グ速度の関係をプロットしたグラフ。

【図６】図６（Ａ）は従来の半導体装置の製造方法の一
例を示す概要図。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のＢ−Ｂ線
に沿う断面概略図。

【図７】図６の要部を部分的に破断して示す斜視図。

【図８】従来のウエハの枚数とアッシング速度の関係を
プロットしたグラフ。

【符号の説明】

１…（石英製）反応容器 ２…真空ポンプ ３…バルブ ４…流量計 ５…（酸素ガスの）導入管 ６…トンネル ７…（石英製）ボート ８…シリコンウエハ ９…ＲＦ発振器 １０…電極 １１…オートチューニング回路 １２…排気管 １３…容器 １４…波板 １５…ホトレジスト

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 密閉型反応容器内に、ホトレジスト膜が
   付着された半導体ウエハと有機物が充填された容器とを
   挿入配置して、この反応容器内を減圧した後に酸素ガス
   を一定の流量を保って導入し、反応容器に配備した電極
   に高周波電力を印加して、放電による酸素ガスプラズマ
   を発生させ、この酸素ガスプラズマによって前記半導体
   ウエハに付着されたホトレジスト膜を除去することを特
   徴とする半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】 容器に充填された有機物として、半導体
   ウエハ加工工程で用いられるホトレジストを用いた請求
   項１記載の半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 容器内に金属製の波板を入れ、この波板
   の表面及び裏面にホトレジストを付着して、酸素ラジカ
   ルと反応するホトレジストの表面積を大きくしたことを
   特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
4. 【請求項４】 酸素ガスの圧力は０．８Ｔｏｒｒ以上で
   流量は約５ｃｍ³／ｍｉｎ以上としたことを特徴とする
   請求項１記載の半導体装置の製造方法。