JPWO2006106871A1 - アッシング装置、アッシング方法および不純物ドーピング装置 - Google Patents
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Abstract
本発明の課題は、レジストの表面硬化層と内部の非硬化層との界面及び非硬化層と半導体基板の界面を検知できるとともにスループットの高いアッシング装置およびアッシング方法そして不純物ドーピング装置群を提供することである。 本発明のアッシング装置は、半導体基板に塗布されてマスクとして使用されたレジストであって、不純物ドーピングされ、前記レジストに形成された表面の硬化層と内部の非硬化層をプラズマアッシングするアッシング装置において、プラズマアッシング中に前記半導体基板に直線偏光を入射させて反射される楕円偏光を検出し前記硬化層と非硬化層の界面及び前記硬化層と半導体基板の界面を検出するエリプソメータを備えることを特徴とする。
Description
本発明は、不純物ドーピングされた後のレジストをプラズマアッシングする際に、不純物ドーピングにより形成された表面硬化層と内部の非硬化層との界面を検知できる界面検知手段或いは表面硬化層と非硬化層の光定数と厚さを検知する手段を有し、レジストをアッシングするアッシング装置およびアッシング方法そして不純物ドーピング装置群に関する。
従来、半導体産業に利用されるアッシング装置には、アッシングの終点を検知する手段を備えている。例えば、下記の特許文献１にレジストアッシング終点検出方法が開示されている。このレジストアッシングの終点検出方法は、酸素プラズマ主体としたプラズマアッシングである場合、アッシング処理中のプラズマ発光のうち、水素スペクトルの発光強度の変化を検出してレジストアッシングの終点を感度良く検出することを特徴としている。
特開平６−１２４９２３号公報
図３は半導体基板のレジストに不純物注入される過程を説明するための図で、図４は不純物注入された状態を示す図である。通常、不純物導入処理は、図３に示すように、半導体基板１５ａにレジスト１６を塗布してマスクを形成し、選択的にパターニングし、不純物導入装置により半導体基板１５ａに不純物を導入する。
マスクとして使用したレジストにも不純物が導入されるので、図４に示すように、その表面が変質し硬化層１６ｂが形成される。また、レジストの内部は不純物導入処理の影響を受けず、未処理のレジストと変わらない非硬化層１６ａの状態である。勿論、硬化層１６ｂの膜質および膜厚は、不純物導入時のドーズ量とエネルギー量によって異なる。いずれにしても、まず、硬化層１６ｂをアッシングしてから非硬化層１６ａをアッシングすることになる。
この硬化層１６ｂをアッシングするには、半導体基板１５ａを汚染する起因となるポッピングによる表層の剥離を防止するために、半導体基板１５ａを低温にしてアッシングレートを低くしてアッシングする必要がある。すなわち、低温にするために、ヒータの温度を下げ、しかも、プラズマによる温度上昇を回避すべく極めて低いアッシングレート条件で行う必要がある。硬化層１６ｂがアッシングされ、非硬化層１６ａをアッシングするには、理想的にはアッシングレートを高めるために温度を高温にしてアッシングを行うようにすれば良い。
図５は低温処理時と高温処理時における反応生成物が発光するスペクトル光の発光強度を示す図である。しかしながら、上述したアッシングの終点検出方法では、低温処理時は高温処理時に比べ発光強度の変化が小さく、レジスト１６と半導体基板１５ａとの界面を検知できるものの、不純物導入されたレジストの硬化層１６ｂと非硬化層１６ａとの界面を検知することが困難である。
特に、半導体デバイスの微細化に伴い、浅い接合を形成する技術が求められており、低エネルギープラズマドーピング方法或いは低エネルギーイオン注入を使い不純物をドーピングした場合、前記硬化層の厚さは１０ｎｍ前後と非常に薄くなり、硬化層と非硬化層との界面を検知することが更に困難である。
特に、半導体デバイスの微細化に伴い、浅い接合を形成する技術が求められており、低エネルギープラズマドーピング方法或いは低エネルギーイオン注入を使い不純物をドーピングした場合、前記硬化層の厚さは１０ｎｍ前後と非常に薄くなり、硬化層と非硬化層との界面を検知することが更に困難である。
従って、硬化層１６ｂおよび非硬化層１６ａをポッピング作用を抑制するために十分な時間低温アッシングで行わなければならなかった。その結果、アッシング時間がかかりスループットが著しく低いという問題がある。
従って、レジストの表面硬化層と内部の非硬化層との界面及び非硬化層と半導体基板の界面を検知できるとともにスループットの高いアッシング装置およびアッシング方法を提供する必要があった。
特に不純物導入をプラズマドーピングで行う場合には、プラズマドーピングに特有の課題が発現する。つまり、プラズマドーピングの場合には、従来のイオン注入とは異なり、所望の不純物イオン以外のイオンも大量に導入されるという特徴がある。例えば、ボロンイオンをシリコン基板に１Ｅ１５ｃｍ−２注入したい場合には、イオン注入では１Ｅ１５ｃｍ−２だけ注入される。レジストにも１Ｅ１５ｃｍ−２だけ注入される。一方、プラズマドーピングの場合について説明する。例えばＢ２Ｈ６ガスにヘリウムガスを混合したガスプラズマを用いる場合には、ボロンの他に水素とヘリウムは必ず注入される。ここで、Ｂ２Ｈ６ガスとヘリウムガスの混合比は５％と９５％のような場合が一般的である。何れにしても、ボロンを１Ｅ１５ｃｍ−２注入しようとすると、水素はその２倍、ヘリウムはもっと大量に注入されることになる。レジストの立場からすると、イオン注入でボロンを１Ｅ１５ｃｍ−２注入された場合と、プラズマドーピングで注入された場合では、後者の方が圧倒的に注入される全体のイオンの量が多くなる。このような事情で、プラズマドーピングではレジストの表面硬化層がより形成され易い。本発明は、このような課題に対する解決策を開示するものである。
また、ヘリウムプラズマなどのプラズマを用いてレジストパターンの付いたシリコン基板の表面をアモルファス化する工程におけるレジストの除去にも課題がある。ここで所望の不純物とはヘリウムのことを指す。ヘリウムイオンが大量に注入されることでレジストの表面硬化層がより形成され易い。
上記、プラズマドーピングを用いた場合の課題は、イオン注入と異なるプラズマドーピング特有のもので、本発明者らが始めて見出した課題である。プラズマドーピングは、従来のイオン注入と比べてドーズレートが数桁高いという特徴がある。一般的には３桁高いと言われている。これにより、イオン注入と比べて同じ時間で処理した場合には３桁も大量にイオンがシリコン、およびレジストに注入されることになる。一方、処理時間を極端に３桁も短くすることは均一性や繰り返し性の確保が難しく、製造上の観点から望ましくない。このように、プラズマドーピングには特有の課題があった。
そこで、本発明では、半導体基板に塗布されてマスクとして使用されたレジストであって、不純物ドーピングされ、前記レジストに形成された表面の硬化層と内部の非硬化層をプラズマアッシングするアッシング装置において、プラズマアッシング中に前記半導体基板に直線偏光を入射させて反射される楕円偏光を検出し前記硬化層と非硬化層の界面及び前記硬化層と半導体基板の界面を検出するエリプソメータを備えることを特徴とするアッシング装置とする。
これにより、硬化層のアッシングの終了を検知したら、すぐに温度を高温にしアッシングレートを高め非硬化層のアッシングを開始することが出来るため、スループットを上げることができる。そして非硬化層のアッシングの終了を検知したら、アッシングプロセスを終了する。
これにより、硬化層のアッシングの終了を検知したら、すぐに温度を高温にしアッシングレートを高め非硬化層のアッシングを開始することが出来るため、スループットを上げることができる。そして非硬化層のアッシングの終了を検知したら、アッシングプロセスを終了する。
また、硬化層のアッシングの終了を検知したら、アッシングプロセスを終了することもできる。そして、非硬化層の除去はウェット洗浄などの他のプロセスで行うこともできる。
また、本発明では、前記反射される楕円偏光を検出し前記硬化層と非硬化層の光定数と厚さを検出することを特徴とするエリプソメータの解析方法を考案した。
硬化層と非硬化層の光定数と厚さの変化を検知することにより、硬化層と非硬化層のアッシングの終了時間も予測出来て、スループットを上げられると同時にアッシングプロセスにフィードバックすることも出来る。
硬化層と非硬化層の光定数と厚さの変化を検知することにより、硬化層と非硬化層のアッシングの終了時間も予測出来て、スループットを上げられると同時にアッシングプロセスにフィードバックすることも出来る。
また、本発明では、検出された硬化層と非硬化層の界面及び硬化層と半導体基板の界面或いは硬化層と非硬化層の光定数と厚さに合わせて、前記アッシング装置にフィードバックするフィードバック制御機構を含むアッシング装置とする。
フィードバック制御機構により、アッシングプロセスのスループットを上げることができる。
フィードバック制御機構により、アッシングプロセスのスループットを上げることができる。
プラズマドーピングでイオンを注入した場合には、硬化層のアッシングの終了を検知したら、アッシングプロセスを終了して、非硬化層の除去はウェット洗浄のプロセスで行う方が望ましい。その理由は、プラズマドーピングの場合には、イオン注入と比較して、シリコン基板の最表面により高濃度の不純物が注入されるからである。そのために、レジスト全体をアッシングで除去しようとすると、シリコン基板の最表面を酸化することになり、不純物が電気伝導に寄与しなくなる場合がある。そこで、できるだけ表面は酸化せずにレジストを除去したい。その場合に、レジストの硬化層だけはアッシングで除去し、その下の非硬化層はアッシングよりもシリコンを酸化させ難いウェット洗浄で行うことで、不純物が電気伝導に寄与しなくなるのを防止することができる。また防止できないとしても、その程度を低減できるので望ましい。
以上説明したように本発明は、不純物導入によって変質する硬化層と内部の非硬化層との界面及び非硬化層と半導体基板の界面を検出するエリプソメータを設けることによって、アッシングレートを変えることができるので、ポッピングを発生させることなく極めて短時間でアッシングでき、スループットを高めるという効果がある。
さらに、プラズマドーピングによって変質する硬化層と内部の非硬化層とを、硬化層はアッシングで除去し、非硬化層はウェット洗浄で除去することで、不純物が電気伝導に寄与しなくなることを防止したり、その割合を低減したりすることができる。
１ 高周波電源
２ 光源
３ ウェハ
４ 測光器
５ 制御器
６ ステージ
７ ヒータ
８ チェンバ
９ 上部電極
１５ａ 半導体基板
１６ レジスト
１６ａ 非硬化層
１６ｂ 硬化層
２０ Ｘｅ光源
２１ 偏向子
２２ 検光子
２３ 分光子
２４ ディテクタ
１０１ 真空容器
１０２ ガス供給装置
１０３ ターボ分子ポンプ
１０４ 調圧弁
１０５ プラズマ源用高周波電源
１０６ 試料電極
１０７ 誘電体窓
１０８ コイル
１０９ 基板
１１０ 試料電極用高周波電源
１１１ 排気口
１１２ 支柱
２ 光源
３ ウェハ
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５ 制御器
６ ステージ
７ ヒータ
８ チェンバ
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１５ａ 半導体基板
１６ レジスト
１６ａ 非硬化層
１６ｂ 硬化層
２０ Ｘｅ光源
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２４ ディテクタ
１０１ 真空容器
１０２ ガス供給装置
１０３ ターボ分子ポンプ
１０４ 調圧弁
１０５ プラズマ源用高周波電源
１０６ 試料電極
１０７ 誘電体窓
１０８ コイル
１０９ 基板
１１０ 試料電極用高周波電源
１１１ 排気口
１１２ 支柱
（実施の形態１）
次に、本発明について図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施の形態におけるアッシング装置を示す断面模式図である。このアッシング装置は、図１に示すように、アッシングガスが導入され真空ポンプにより減圧されるチャンバ８と、このチャンバ８の上部電極９に高周波電力を印加する高周波電源１と、上部電極９に対向して配置されるとともにウェハ３を載置する下部電極をなすステージ６と、このステージ６に内蔵されウェハ３を加熱するヒータ７を備えている。エリプソメトリを用い、図１に示すように、光源２を用いてウェハ３の表面に光を照射し、測光器４で光を測定する。測光器４の測定結果を制御器５に送り、アッシングプロセスにフィードバックする。
次に、本発明について図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施の形態におけるアッシング装置を示す断面模式図である。このアッシング装置は、図１に示すように、アッシングガスが導入され真空ポンプにより減圧されるチャンバ８と、このチャンバ８の上部電極９に高周波電力を印加する高周波電源１と、上部電極９に対向して配置されるとともにウェハ３を載置する下部電極をなすステージ６と、このステージ６に内蔵されウェハ３を加熱するヒータ７を備えている。エリプソメトリを用い、図１に示すように、光源２を用いてウェハ３の表面に光を照射し、測光器４で光を測定する。測光器４の測定結果を制御器５に送り、アッシングプロセスにフィードバックする。
図２の分光エリプソメータの構成図を使って、前記硬化層と非硬化層の界面及び非硬化層と半導体基板の界面を検出する方法、或いは前記硬化層と非硬化層の光定数と厚さを検出する方法を説明する。
Ｘｅ光源２０から出力されるＸｅ光を偏光子２１により直線偏光に変えて、基板面に垂直な方向に対して角度θ０で基板に入射させる。角度θ０は４５°から９０度の間の値を用いて測定する。入射光の直線偏光の軸は、ｐ方向（光軸に垂直な面と入射光及び反射光を含む面との交線の方向）と、ｓ方向（光軸に垂直な面内でｐ方向に垂直な方向）に対して傾いている。楕円偏光として反射される光のｐ成分とｓ成分との間の振幅反射率比をΨ、上記ｐ成分とｓ成分との間の位相差をΔとする。エリプソメトリでは楕円偏光として反射される光を検光子２２を経た後分光器２３に入射させて、分光しながら、ディテクタ２４によりΨ，Δを測定するように構成されている。
Ｘｅ光源２０から出力されるＸｅ光を偏光子２１により直線偏光に変えて、基板面に垂直な方向に対して角度θ０で基板に入射させる。角度θ０は４５°から９０度の間の値を用いて測定する。入射光の直線偏光の軸は、ｐ方向（光軸に垂直な面と入射光及び反射光を含む面との交線の方向）と、ｓ方向（光軸に垂直な面内でｐ方向に垂直な方向）に対して傾いている。楕円偏光として反射される光のｐ成分とｓ成分との間の振幅反射率比をΨ、上記ｐ成分とｓ成分との間の位相差をΔとする。エリプソメトリでは楕円偏光として反射される光を検光子２２を経た後分光器２３に入射させて、分光しながら、ディテクタ２４によりΨ，Δを測定するように構成されている。
上記硬化層が有る場合と上記硬化層が完全にアッシングされた場合とで比較すると、前記ΨとΔのシグナルが異なるので、ΨとΔのエリプソメータの測定結果から前記硬化層と非硬化層の界面を検出することが出来る。
なお、硬化層が完全にアッシングされた場合、前記非硬化層が有る場合と前記非硬化層が完全にアッシングされた場合とで比較すると、前期ΨとΔのシグナルが異なるので、ΨとΔのエリプソメータの測定結果から前記非硬化層と半導体基板の界面を検出することが出来る。
なお、硬化層が完全にアッシングされた場合、前記非硬化層が有る場合と前記非硬化層が完全にアッシングされた場合とで比較すると、前期ΨとΔのシグナルが異なるので、ΨとΔのエリプソメータの測定結果から前記非硬化層と半導体基板の界面を検出することが出来る。
上記のΨ，Δのエリプソメトリ測定結果から、硬化層と非硬化層の厚さだけではなく光定数（屈折率ｎと消衰係数ｋ）も未知のパラメータとして、最小２乗法により求める方法を説明する。Ａｉｒ／硬化層／非硬化層／ｃ−Ｓｉの４層モデルを使い、硬化層の厚さと光定数（屈折率ｎと消衰係数ｋ）を求めることが出来、硬化層のアッシングプロセスが完了したかどうかを検知できる。硬化層がアッシングされた後は、Ａｉｒ／非硬化層／ｃ−Ｓｉの３層モデルを使い、非硬化層の厚さと光定数（屈折率ｎと消衰係数ｋ）を求めることが出来、すべてのアッシングプロセスが完了したかどうかを検知できる。
光定数は基本的に波長依存性がある為、波長を変えて測定すると、測定波長の数だけ未知のパラメータが増えることになり、決定することが出来ない。このような場合は、光定数のスペクトルを波長に依存しない定数を含む近似式で表し、その定数を未知のパラメータとすることにより、光定数のスペクトルも求めることができる。屈折率波長分散モデルはいろいろあるが、硬化層の強い吸収特性を扱うために、本実施形態ではＫ−Ｋ（Ｋｒａｍｅｒｓ−Ｋｒｏｎｉｇ）アナリシス方法を使った。屈折率波長分散モデルとして、Ｔａｕｃ−Ｌｏｒｅｎｔｚアナリシス
、Ｃｏｄｙ−Ｌｏｒｅｎｔｚアナリシス、Ｆｏｒｏｕｈｉ−Ｂｌｏｏｍｅｒアナリシス、ＭＤＦアナリシス、バンドアナリシス、４配位（Ｔｅｔｒａｈｅｄｒａｌ）アナリシス、Ｄｒｕｄｅアナリシス、Ｌｏｒｅｎｔｚアナリシス方法を使っても上記の解析が可能である。
、Ｃｏｄｙ−Ｌｏｒｅｎｔｚアナリシス、Ｆｏｒｏｕｈｉ−Ｂｌｏｏｍｅｒアナリシス、ＭＤＦアナリシス、バンドアナリシス、４配位（Ｔｅｔｒａｈｅｄｒａｌ）アナリシス、Ｄｒｕｄｅアナリシス、Ｌｏｒｅｎｔｚアナリシス方法を使っても上記の解析が可能である。
次にＫ−Ｋ（Ｋｒａｍｅｒｓ−Ｋｒｏｎｉｇ）アナリシス方法の特徴に関して説明する。
測定波長範囲内に薄膜層の光の吸収帯が有る場合は、次のＫｒａｍｅｒｓ−Ｋｒｏｎｉｇの関係式から導き出される複素屈折率の分散式を用いて、屈折率だけではなく消衰定数を求めることが出来る。
測定波長範囲内に薄膜層の光の吸収帯が有る場合は、次のＫｒａｍｅｒｓ−Ｋｒｏｎｉｇの関係式から導き出される複素屈折率の分散式を用いて、屈折率だけではなく消衰定数を求めることが出来る。
この関係式は消衰係数が既知であるならば、屈折率を消衰係数から推定できることを示している。測定波長範囲内に光の吸収帯がある場合、その波長領域の消衰係数スペクトルをローレンツ型の式で近似する。
このＫＫ＿Ａｎａｌｙｓｉｓにおいては、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５がパラメータとなり初期値になる。Ｃ５は積分定数で屈折率を表すパラメータの一つなので、硬化層の屈折率は初期値として概数を設定する。Ｃ１は大体の消衰係数、つまり、消衰係数スペクトルのピークの消衰係数の値が初期値になる。
一方、Ｃ２、Ｃ３は消衰係数スペクトルのピークのＥ（ｅＶ）と関係があり、Ｃ２はピークのＥ（ｅＶ）の２倍、Ｃ３はピークのＥ（ｅＶ）の２乗を初期値と設定することが出来る。Ｃ４は、吸収帯のエネルギーバンド幅と関係があり、初期値としては、消衰係数スペクトルのピークの裾で消衰係数が最も小さくなるＥ（ｅＶ）の値を用いることが出来る。
以上のように、ＫＫ＿Ａｎａｌｙｓｉｓを用いる場合は、測定対象物質である薄膜の物性を加味して、その吸収スペクトル、つまり消衰係数スペクトルを想定して、初期値を設定することにより、解析を行うことが可能となる。
上記の方法で硬化層と非硬化層の光定数と厚さの変化を検知することが出来、硬化層と非硬化層のアッシングの終了時間も予測出来て、スループットを上げられると同時にアッシングプロセスにフィードバックすることも出来る。
次に、図１のアッシング装置を使用して不純物導入されたウェハ３のレジストをアッシングする方法について説明する。
まず、ステージ６にウェハ３が載置された状態でチャンバ８を減圧する。所定の圧力に到達したらエッチングガスである酸素ガスを導入しながら真空排気しチャンバ８内を一定の圧力に維持する。一方、ウェハ３はヒータ７の温度設定により低温に維持されている。
これらの条件が得られたら、アッシングレートの低い高周波電力を印加させ酸素プラズマを発生させアッシングを開始する。これと同時にエリプソメータでΨとΔを測定する。
アッシングしている間に、ΨとΔが大きく変化したら、硬化層がアッシングされたと判定し、高周波電力を、例えば、１．５倍上げ高アッシングレートにしアッシングする。
このことによりレジストの非硬化層は、従来より早期に高アッシングレートでアッシングされ、全体的に短時間でアッシングされる。
このことによりレジストの非硬化層は、従来より早期に高アッシングレートでアッシングされ、全体的に短時間でアッシングされる。
或いは硬化層の光定数と厚さをモニターして、例えば硬化層の厚さがゼロになったら、硬化層がアッシングされたと判定し、高周波電力を、例えば、１．５倍上げ高アッシングレートにしアッシングする。
このことによりレジストの非硬化層は、従来より早期に高アッシングレートでアッシングされ、全体的に短時間でアッシングされる。
このことによりレジストの非硬化層は、従来より早期に高アッシングレートでアッシングされ、全体的に短時間でアッシングされる。
また、硬化層がアッシングされた後は、非硬化層の厚さと光定数（屈折率ｎと消衰係数ｋ）を検知し、すべてのアッシングプロセスが完了したかどうかを検知できる。そしてすべてのアッシングプロセスが完了したらアッシングを終了する。
なお、この装置では、アッシングレートを変えるのに、高周波電力を変えて説明したが、ウェハ３を加熱する手段がランプである場合は、ウェハ３の温度を変えても良い。その他、酸素ガスとフレオンガスの混合比を変えても良い。
又、不純物ドーピングにプラズマドーピング方法を使用する際には、プラズマチャンバを複数設けた所謂マルチチャンバの装置内でドーピングとアッシングの工程を終了する事もできるし、便宜上別の装置として配置はするが、連続的な工程を行う装置群として、一連の不純物ドーピング工程を実施することも可能である。
（実施の形態２）
ヘリウムガスプラズマを用いて、シリコン基板１０９の表面の結晶層を非晶質化した。
図６に、本発明の実施の形態２において用いたプラズマドーピング装置のプラズマドーピング室の断面図を示す。図６において、真空容器１０１内に、ガス供給装置１０２から所定のガスを導入しつつ、排気装置としてのターボ分子ポンプ１０３により排気を行い、調圧弁１０４により真空容器１０１内を所定の圧力に保つことができる。高周波電源１０５により１３．５６ＭＨｚの高周波電力を試料電極１０６に対向した誘電体窓１０７の近傍に設けられたコイル１０８に供給することにより、真空容器１０１内に誘導結合型プラズマを発生させることができる。試料電極１０６上に、試料としてのシリコン基板１０９を載置する。また、試料電極１０６に高周波電力を供給するための高周波電源１１０が設けられており、これは、試料としての基板１０９がプラズマに対して負の電位をもつように、試料電極１０６の電位を制御する電圧源として機能する。このようにして、プラズマ中のイオンを試料の表面に向かって加速し衝突させて試料の表面を非晶質化したり、不純物を導入することができる。なお、ガス供給装置１０２から供給されたガスは、排気口１１１からポンプ１０３へ排気される。ターボ分子ポンプ１０３及び排気口１１１は、試料電極１０６の直下に配置されており、また、調圧弁１０４は、試料電極１０６の直下で、かつ、ターボ分子ポンプ１０３の直上に位置する昇降弁である。試料電極１０６は、４本の支柱１１２により、真空容器１０１に固定されている。
ヘリウムガスプラズマを用いて、シリコン基板１０９の表面の結晶層を非晶質化した。
図６に、本発明の実施の形態２において用いたプラズマドーピング装置のプラズマドーピング室の断面図を示す。図６において、真空容器１０１内に、ガス供給装置１０２から所定のガスを導入しつつ、排気装置としてのターボ分子ポンプ１０３により排気を行い、調圧弁１０４により真空容器１０１内を所定の圧力に保つことができる。高周波電源１０５により１３．５６ＭＨｚの高周波電力を試料電極１０６に対向した誘電体窓１０７の近傍に設けられたコイル１０８に供給することにより、真空容器１０１内に誘導結合型プラズマを発生させることができる。試料電極１０６上に、試料としてのシリコン基板１０９を載置する。また、試料電極１０６に高周波電力を供給するための高周波電源１１０が設けられており、これは、試料としての基板１０９がプラズマに対して負の電位をもつように、試料電極１０６の電位を制御する電圧源として機能する。このようにして、プラズマ中のイオンを試料の表面に向かって加速し衝突させて試料の表面を非晶質化したり、不純物を導入することができる。なお、ガス供給装置１０２から供給されたガスは、排気口１１１からポンプ１０３へ排気される。ターボ分子ポンプ１０３及び排気口１１１は、試料電極１０６の直下に配置されており、また、調圧弁１０４は、試料電極１０６の直下で、かつ、ターボ分子ポンプ１０３の直上に位置する昇降弁である。試料電極１０６は、４本の支柱１１２により、真空容器１０１に固定されている。
基板１０９を試料電極１０６に載置した後、試料電極１０６の温度を２５℃に保ちながら、真空容器１０１内を排気口１１１から排気しつつ、ガス供給装置１０２より真空容器１０１内にヘリウムガスを５０ｓｃｃｍ供給し、調圧弁１０４を制御して真空容器１０１内の圧力を１Ｐａに保つ。次に、プラズマ源としてのコイル１０８に高周波電力を８００Ｗ供給することにより、真空容器１０１内にプラズマを発生させるとともに、試料電極１０６の台座に２００Ｗの高周波電力を供給することにより、シリコン基板１０９の表面の結晶層をアモルファス化することができた。ヘリウムプラズマに曝した時間は７秒である。シリコン基板１０９の表面にはレジストがパターン化されて付いている。レジストの間隙からシリコン基板の表面が剥き出しになっている部分がある。アモルファス化をした後、イオン注入でボロンを３Ｅ１４ｃｍ−２注入した。レジストの表面には硬化層があった。レジストの硬化層はアッシングで除去した。その後、非硬化層１６ａはウェット洗浄で除去した。その後、１０７０℃のｓｐｉｋｅ ＲＴＡで活性化処理を行い、シート抵抗を測定した。
このとき、シリコン基板に注入されたヘリウムは１Ｅ１６ｃｍ−２であった。レジスト表面の硬化層は、ヘリウムのプラズマドーピングによるものと考えられる。比較のために、レジストパターンの付いていないベタのシリコン基板を準備して、ヘリウムプラズマによるアモルファス化とイオン注入でのボロン注入を行い、１０７０℃のｓｐｉｋｅ ＲＴＡで活性化処理を行い、シート抵抗を測定した。この場合には、レジストの硬化層をアッシングで除去した後、非硬化層１６ａはウェット洗浄で除去した場合と同等のシート抵抗であった。
さらに比較のために、レジストがパターン化されて付いているシリコン基板に、ヘリウムプラズマによるアモルファス化とイオン注入でのボロン注入を行い、レジスト全体をアッシングだけで除去した後、１０７０℃のｓｐｉｋｅ ＲＴＡで活性化処理を行い、シート抵抗を測定した。この場合には、レジストの硬化層をアッシングで除去した後、非硬化層１６ａはウェット洗浄で除去した場合よりも、シート抵抗は大きくなった。不純物が電気伝導に寄与しなくなる割合が増加したと考えられる。
（実施の形態３）
Ｂ２Ｈ６とＨｅの混合ガスプラズマを用いてプラズマドーピングでシリコン基板にボロンを注入した。
ここでも、本発明の実施の形態２において用いた図６のプラズマドーピング装置のプラズマドーピング室を用いる。図６において、真空容器１０１内に、ガス供給装置１０２から所定のガスを導入しつつ、排気装置としてのターボ分子ポンプ１０３により排気を行い、調圧弁１０４により真空容器１０１内を所定の圧力に保つことができる。高周波電源１０５により１３．５６ＭＨｚの高周波電力を試料電極１０６に対向した誘電体窓１０７の近傍に設けられたコイル１０８に供給することにより、真空容器１０１内に誘導結合型プラズマを発生させることができる。試料電極１０６上に、試料としてのシリコン基板１０９を載置する。また、試料電極１０６に高周波電力を供給するための高周波電源１１０が設けられており、これは、試料としての基板１０９がプラズマに対して負の電位をもつように、試料電極１０６の電位を制御する電圧源として機能する。このようにして、プラズマ中のイオンを試料の表面に向かって加速し衝突させて試料の表面を非晶質化したり、不純物を導入することができる。なお、ガス供給装置１０２から供給されたガスは、排気口１１１からポンプ１０３へ排気される。ターボ分子ポンプ１０３及び排気口１１１は、試料電極１０６の直下に配置されており、また、調圧弁１０４は、試料電極１０６の直下で、かつ、ターボ分子ポンプ１０３の直上に位置する昇降弁である。試料電極１０６は、基板１０９を載置する略正方形状の台座となり、各辺において支柱１１２により真空容器１に固定され、計４本の支柱１１２により、真空容器１０１に固定されている。
Ｂ２Ｈ６とＨｅの混合ガスプラズマを用いてプラズマドーピングでシリコン基板にボロンを注入した。
ここでも、本発明の実施の形態２において用いた図６のプラズマドーピング装置のプラズマドーピング室を用いる。図６において、真空容器１０１内に、ガス供給装置１０２から所定のガスを導入しつつ、排気装置としてのターボ分子ポンプ１０３により排気を行い、調圧弁１０４により真空容器１０１内を所定の圧力に保つことができる。高周波電源１０５により１３．５６ＭＨｚの高周波電力を試料電極１０６に対向した誘電体窓１０７の近傍に設けられたコイル１０８に供給することにより、真空容器１０１内に誘導結合型プラズマを発生させることができる。試料電極１０６上に、試料としてのシリコン基板１０９を載置する。また、試料電極１０６に高周波電力を供給するための高周波電源１１０が設けられており、これは、試料としての基板１０９がプラズマに対して負の電位をもつように、試料電極１０６の電位を制御する電圧源として機能する。このようにして、プラズマ中のイオンを試料の表面に向かって加速し衝突させて試料の表面を非晶質化したり、不純物を導入することができる。なお、ガス供給装置１０２から供給されたガスは、排気口１１１からポンプ１０３へ排気される。ターボ分子ポンプ１０３及び排気口１１１は、試料電極１０６の直下に配置されており、また、調圧弁１０４は、試料電極１０６の直下で、かつ、ターボ分子ポンプ１０３の直上に位置する昇降弁である。試料電極１０６は、基板１０９を載置する略正方形状の台座となり、各辺において支柱１１２により真空容器１に固定され、計４本の支柱１１２により、真空容器１０１に固定されている。
基板１０９を試料電極１０６に載置した後、試料電極１０６の温度を２５℃に保ちつつ、真空容器１内にヘリウム（Ｈｅ）ガス及びＢ２Ｈ６ガスをそれぞれ９７ｓｃｃｍ、３ｓｃｃｍ供給し、真空容器１内の圧力を０．９Ｐａに保ちながらコイル１０８に高周波電力を１０００Ｗ供給することにより、真空容器１０１内にプラズマを発生させるとともに、試料電極１０６に２５０Ｗの高周波電力を供給することにより、ボロンが基板１０９の表面近傍に導入することができた。ガス混合比は、Ｂ２Ｈ６が３％、Ｈｅが９７％に相当する。
ボロンのシリコン基板へのドーズ量が１Ｅ１４ｃｍ−２になるようにプラズマドーピング時間を調整した。シリコン基板１０９の表面にはレジストがパターン化されて付いている。レジストの間隙からシリコン基板の表面が剥き出しになっている部分がある。プラズマドーピング後のレジストの表面には硬化層があった。レジストの硬化層はアッシングで除去した。その後、非硬化層１６ａはウェット洗浄で除去した。その後、１０７０℃のｓｐｉｋｅ ＲＴＡで活性化処理を行い、シート抵抗を測定した。
このとき、シリコン基板に注入されたボロンは１Ｅ１４ｃｍ−２であった。しかし、ボロン以外にも水素が３Ｅ１４ｃｍ−２、ヘリウムが４Ｅ１５ｃｍ−２注入されていた。レジスト表面の硬化層は、ヘリウムのプラズマドーピングによるものと考えられる。ヘリウムガスの混合比を９７％以上にすると、ボロンに比べてヘリウムが注入される量が増えるので、よりレジスト表面の硬化層は形成され易い。また、ボロンを１Ｅ１４ｃｍ−２以上注入した場合にもヘリウムがボロンのドーズ量の増加にあわせて増加するので、よりレジスト表面の硬化層は形成され易い。
比較のために、レジストパターンの付いていないベタのシリコン基板を準備して、プラズマドーピングによるボロンの注入を行い、１０７０℃のｓｐｉｋｅ ＲＴＡで活性化処理を行い、シート抵抗を測定した。この場合には、レジストの硬化層をアッシングで除去した後、非硬化層１６ａはウェット洗浄で除去した場合と同等のシート抵抗であった。
さらに比較のために、レジストがパターン化されて付いているシリコン基板に、プラズマドーピングによるボロンの注入を行い、レジスト全体をアッシングだけで除去した後、１０７０℃のｓｐｉｋｅ ＲＴＡで活性化処理を行い、シート抵抗を測定した。この場合には、レジストの硬化層をアッシングで除去した後、非硬化層１６ａはウェット洗浄で除去した場合よりも、シート抵抗は大きくなった。不純物が電気伝導に寄与しなくなる割合が増加したと考えられる
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、２００５年３月３０日出願の日本特許出願、出願番号２００５−０９９１４８に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
本出願は、２００５年３月３０日出願の日本特許出願、出願番号２００５−０９９１４８に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
本発明のアッシング装置およびアッシング方法そして不純物ドーピング装置群は、不純物ドーピングされた後のレジストの表面硬化層と内部の非硬化層との界面及び非硬化層と半導体基板の界面を感知することが出来、アッシングするスループットを上げることが出来るので、コンデンサ、バリスタ、ダイオード、トランジスタ、コイルなどの電子素子の形成に有効である。
本発明は、不純物ドーピングされた後のレジストをプラズマアッシングする際に、不純物ドーピングにより形成された表面硬化層と内部の非硬化層との界面を検知できる界面検知手段或いは表面硬化層と非硬化層の光定数と厚さを検知する手段を有し、レジストをアッシングするアッシング装置およびアッシング方法そして不純物ドーピング装置群に関する。
従来、半導体産業に利用されるアッシング装置には、アッシングの終点を検知する手段を備えている。例えば、下記の特許文献１にレジストアッシング終点検出方法が開示されている。このレジストアッシングの終点検出方法は、酸素プラズマ主体としたプラズマアッシングである場合、アッシング処理中のプラズマ発光のうち、水素スペクトルの発光強度の変化を検出してレジストアッシングの終点を感度良く検出することを特徴としている。
特開平６−１２４９２３号公報
図３は半導体基板のレジストに不純物注入される過程を説明するための図で、図４は不純物注入された状態を示す図である。通常、不純物導入処理は、図３に示すように、半導体基板１５ａにレジスト１６を塗布してマスクを形成し、選択的にパターニングし、不純物導入装置により半導体基板１５ａに不純物を導入する。
マスクとして使用したレジストにも不純物が導入されるので、図４に示すように、その表面が変質し硬化層１６ｂが形成される。また、レジストの内部は不純物導入処理の影響を受けず、未処理のレジストと変わらない非硬化層１６ａの状態である。勿論、硬化層１６ｂの膜質および膜厚は、不純物導入時のド−ズ量とエネルギ−量によって異なる。いずれにしても、まず、硬化層１６ｂをアッシングしてから非硬化層１６ａをアッシングすることになる。
この硬化層１６ｂをアッシングするには、半導体基板１５ａを汚染する起因となるポッピングによる表層の剥離を防止するために、半導体基板１５ａを低温にしてアッシングレ−トを低くしてアッシングする必要がある。すなわち、低温にするために、ヒータの温度を下げ、しかも、プラズマによる温度上昇を回避すべく極めて低いアッシングレ−ト条件で行う必要がある。硬化層１６ｂがアッシングされ、非硬化層１６ａをアッシングするには、理想的にはアッシングレ−トを高めるために温度を高温にしてアッシングを行うようにすれば良い。
図５は低温処理時と高温処理時における反応生成物が発光するスペクトル光の発光強度を示す図である。しかしながら、上述したアッシングの終点検出方法では、低温処理時は高温処理時に比べ発光強度の変化が小さく、レジスト１６と半導体基板１５ａとの界面を検知できるものの、不純物導入されたレジストの硬化層１６ｂと非硬化層１６ａとの界面を検知することが困難である。
特に、半導体デバイスの微細化に伴い、浅い接合を形成する技術が求められており、低エネルギープラズマドーピング方法或いは低エネルギーイオン注入を使い不純物をドーピングした場合、前記硬化層の厚さは１０ｎｍ前後と非常に薄くなり、硬化層と非硬化層との界面を検知することが更に困難である。
特に、半導体デバイスの微細化に伴い、浅い接合を形成する技術が求められており、低エネルギープラズマドーピング方法或いは低エネルギーイオン注入を使い不純物をドーピングした場合、前記硬化層の厚さは１０ｎｍ前後と非常に薄くなり、硬化層と非硬化層との界面を検知することが更に困難である。
従って、硬化層１６ｂおよび非硬化層１６ａをポッピング作用を抑制するために十分な時間低温アッシングで行わなければならなかった。その結果、アッシング時間がかかりスル−プットが著しく低いという問題がある。
従って、レジストの表面硬化層と内部の非硬化層との界面及び非硬化層と半導体基板の界面を検知できるとともにスル−プットの高いアッシング装置およびアッシング方法を提供する必要があった。
特に不純物導入をプラズマドーピングで行う場合には、プラズマドーピングに特有の課題が発現する。つまり、プラズマドーピングの場合には、従来のイオン注入とは異なり、所望の不純物イオン以外のイオンも大量に導入されるという特徴がある。例えば、ボロンイオンをシリコン基板に１E１５ｃｍ-2注入したい場合には、イオン注入では１E１５ｃｍ-2だけ注入される。レジストにも１E１５ｃｍ-2だけ注入される。一方、プラズマドーピングの場合について説明する。例えばB2H6ガスにヘリウムガスを混合したガスプラズマを用いる場合には、ボロンの他に水素とヘリウムは必ず注入される。ここで、B2H6ガスとヘリウムガスの混合比は５％と９５％のような場合が一般的である。何れにしても、ボロンを１E１５ｃｍ-2注入しようとすると、水素はその２倍、ヘリウムはもっと大量に注入されることになる。レジストの立場からすると、イオン注入でボロンを１E１５ｃｍ-2注入された場合と、プラズマドーピングで注入された場合では、後者の方が圧倒的に注入される全体のイオンの量が多くなる。このような事情で、プラズマドーピングではレジストの表面硬化層がより形成され易い。本発明は、このような課題に対する解決策を開示するものである。
また、ヘリウムプラズマなどのプラズマを用いてレジストパターンの付いたシリコン基板の表面をアモルファス化する工程におけるレジストの除去にも課題がある。ここで所望の不純物とはヘリウムのことを指す。ヘリウムイオンが大量に注入されることでレジストの表面硬化層がより形成され易い。
上記、プラズマドーピングを用いた場合の課題は、イオン注入と異なるプラズマドーピング特有のもので、本発明者らが始めて見出した課題である。プラズマドーピングは、従来のイオン注入と比べてドーズレートが数桁高いという特徴がある。一般的には３桁高いと言われている。これにより、イオン注入と比べて同じ時間で処理した場合には３桁も大量にイオンがシリコン、およびレジストに注入されることになる。一方、処理時間を極端に３桁も短くすることは均一性や繰り返し性の確保が難しく、製造上の観点から望ましくない。このように、プラズマドーピングには特有の課題があった。
そこで、本発明では、半導体基板に塗布されてマスクとして使用されたレジストであって、不純物ドーピングされ、前記レジストに形成された表面の硬化層と内部の非硬化層をプラズマアッシングするアッシング装置において、プラズマアッシング中に前記半導体基板に直線偏光を入射させて反射される楕円偏光を検出し前記硬化層と非硬化層の界面及び前記硬化層と半導体基板の界面を検出するエリプソメータを備えることを特徴とするアッシング装置とする。
これにより、硬化層のアッシングの終了を検知したら、すぐに温度を高温にしアッシングレ−トを高め非硬化層のアッシングを開始することが出来るため、スループットを上げることができる。そして非硬化層のアッシングの終了を検知したら、アッシングプロセスを終了する。
これにより、硬化層のアッシングの終了を検知したら、すぐに温度を高温にしアッシングレ−トを高め非硬化層のアッシングを開始することが出来るため、スループットを上げることができる。そして非硬化層のアッシングの終了を検知したら、アッシングプロセスを終了する。
また、硬化層のアッシングの終了を検知したら、アッシングプロセスを終了することもできる。そして、非硬化層の除去はウェット洗浄などの他のプロセスで行うこともできる。
また、本発明では、前記反射される楕円偏光を検出し前記硬化層と非硬化層の光定数と厚さを検出することを特徴とするエリプソメータの解析方法を考案した。
硬化層と非硬化層の光定数と厚さの変化を検知することにより、硬化層と非硬化層のアッシングの終了時間も予測出来て、スループットを上げられると同時にアッシングプロセスにフィードバックすることも出来る。
硬化層と非硬化層の光定数と厚さの変化を検知することにより、硬化層と非硬化層のアッシングの終了時間も予測出来て、スループットを上げられると同時にアッシングプロセスにフィードバックすることも出来る。
また、本発明では、検出された硬化層と非硬化層の界面及び硬化層と半導体基板の界面或いは硬化層と非硬化層の光定数と厚さに合わせて、前記アッシング装置にフィードバックするフィードバック制御機構を含むアッシング装置とする。
フィードバック制御機構により、アッシングプロセスのスループットを上げることができる。
フィードバック制御機構により、アッシングプロセスのスループットを上げることができる。
プラズマドーピングでイオンを注入した場合には、硬化層のアッシングの終了を検知したら、アッシングプロセスを終了して、非硬化層の除去はウェット洗浄のプロセスで行う方が望ましい。その理由は、プラズマドーピングの場合には、イオン注入と比較して、シリコン基板の最表面により高濃度の不純物が注入されるからである。そのために、レジスト全体をアッシングで除去しようとすると、シリコン基板の最表面を酸化することになり、不純物が電気伝導に寄与しなくなる場合がある。そこで、できるだけ表面は酸化せずにレジストを除去したい。その場合に、レジストの硬化層だけはアッシングで除去し、その下の非硬化層はアッシングよりもシリコンを酸化させ難いウェット洗浄で行うことで、不純物が電気伝導に寄与しなくなるのを防止することができる。また防止できないとしても、その程度を低減できるので望ましい。
以上説明したように本発明は、不純物導入によって変質する硬化層と内部の非硬化層との界面及び非硬化層と半導体基板の界面を検出するエリプソメータを設けることによって、アッシングレ−トを変えることができるので、ポッピングを発生させることなく極めて短時間でアッシングでき、スル−プットを高めるという効果がある。
さらに、プラズマドーピングによって変質する硬化層と内部の非硬化層とを、硬化層はアッシングで除去し、非硬化層はウェット洗浄で除去することで、不純物が電気伝導に寄与しなくなることを防止したり、その割合を低減したりすることができる。
（実施の形態１）
次に、本発明について図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施の形態におけるアッシング装置を示す断面模式図である。このアッシング装置は、図１に示すように、アッシングガスが導入され真空ポンプにより減圧されるチャンバ８と、このチャンバ８の上部電極９に高周波電力を印加する高周波電源１と、上部電極９に対向して配置されるとともにウェハ３を載置する下部電極をなすステ−ジ６と、このステ−ジ６に内蔵されウェハ３を加熱するヒータ７を備えている。エリプソメトリを用い、図１に示すように、光源２を用いてウェハ３の表面に光を照射し、測光器４で光を測定する。測光器４の測定結果を制御器５に送り、アッシングプロセスにフィードバックする。
次に、本発明について図面を参照して説明する。
図１は本発明の一実施の形態におけるアッシング装置を示す断面模式図である。このアッシング装置は、図１に示すように、アッシングガスが導入され真空ポンプにより減圧されるチャンバ８と、このチャンバ８の上部電極９に高周波電力を印加する高周波電源１と、上部電極９に対向して配置されるとともにウェハ３を載置する下部電極をなすステ−ジ６と、このステ−ジ６に内蔵されウェハ３を加熱するヒータ７を備えている。エリプソメトリを用い、図１に示すように、光源２を用いてウェハ３の表面に光を照射し、測光器４で光を測定する。測光器４の測定結果を制御器５に送り、アッシングプロセスにフィードバックする。
図２の分光エリプソメータの構成図を使って、前記硬化層と非硬化層の界面及び非硬化層と半導体基板の界面を検出する方法、或いは前記硬化層と非硬化層の光定数と厚さを検出する方法を説明する。
Ｘｅ光源２０から出力されるＸｅ光を偏光子２１により直線偏光に変えて、基板面に垂直な方向に対して角度θ0で基板に入射させる。角度θ0は４５°から９０度の間の値を用いて測定する。入射光の直線偏光の軸は、ｐ方向（光軸に垂直な面と入射光及び反射光を含む面との交線の方向）と、ｓ方向（光軸に垂直な面内でｐ方向に垂直な方向）に対して傾いている。楕円偏光として反射される光のｐ成分とｓ成分との間の振幅反射率比をΨ、上記ｐ成分とｓ成分との間の位相差をΔとする。エリプソメトリでは楕円偏光として反射される光を検光子２２を経た後分光器２３に入射させて、分光しながら、ディテクタ２４によりΨ，Δを測定するように構成されている。
Ｘｅ光源２０から出力されるＸｅ光を偏光子２１により直線偏光に変えて、基板面に垂直な方向に対して角度θ0で基板に入射させる。角度θ0は４５°から９０度の間の値を用いて測定する。入射光の直線偏光の軸は、ｐ方向（光軸に垂直な面と入射光及び反射光を含む面との交線の方向）と、ｓ方向（光軸に垂直な面内でｐ方向に垂直な方向）に対して傾いている。楕円偏光として反射される光のｐ成分とｓ成分との間の振幅反射率比をΨ、上記ｐ成分とｓ成分との間の位相差をΔとする。エリプソメトリでは楕円偏光として反射される光を検光子２２を経た後分光器２３に入射させて、分光しながら、ディテクタ２４によりΨ，Δを測定するように構成されている。
上記硬化層が有る場合と上記硬化層が完全にアッシングされた場合とで比較すると、前記ΨとΔのシグナルが異なるので、ΨとΔのエリプソメータの測定結果から前記硬化層と非硬化層の界面を検出することが出来る。
なお、硬化層が完全にアッシングされた場合、前記非硬化層が有る場合と前記非硬化層が完全にアッシングされた場合とで比較すると、前期ΨとΔのシグナルが異なるので、ΨとΔのエリプソメータの測定結果から前記非硬化層と半導体基板の界面を検出することが出来る。
なお、硬化層が完全にアッシングされた場合、前記非硬化層が有る場合と前記非硬化層が完全にアッシングされた場合とで比較すると、前期ΨとΔのシグナルが異なるので、ΨとΔのエリプソメータの測定結果から前記非硬化層と半導体基板の界面を検出することが出来る。
上記のΨ，Δのエリプソメトリ測定結果から、硬化層と非硬化層の厚さだけではなく光定数（屈折率ｎと消衰係数ｋ）も未知のパラメータとして、最小２乗法により求める方法を説明する。Air/硬化層/非硬化層/c-Siの4層モデルを使い、硬化層の厚さと光定数（屈折率ｎと消衰係数ｋ）を求めることが出来、硬化層のアッシングプロセスが完了したかどうかを検知できる。硬化層がアッシングされた後は、Air/非硬化層/c-Siの３層モデルを使い、非硬化層の厚さと光定数（屈折率ｎと消衰係数ｋ）を求めることが出来、すべてのアッシングプロセスが完了したかどうかを検知できる。
光定数は基本的に波長依存性がある為、波長を変えて測定すると、測定波長の数だけ未知のパラメータが増えることになり、決定することが出来ない。このような場合は、光定数のスペクトルを波長に依存しない定数を含む近似式で表し、その定数を未知のパラメータとすることにより、光定数のスペクトルも求めることができる。屈折率波長分散モデルはいろいろあるが、硬化層の強い吸収特性を扱うために、本実施形態ではK-K(Kramers-Kronig)アナリシス方法を使った。屈折率波長分散モデルとして、Tauc-Lorentzアナリシス、Cody-Lorentzアナリシス、Forouhi-Bloomerアナリシス、MDFアナリシス、バンドアナリシス、４配位（Tetrahedral）アナリシス、Drudeアナリシス、Lorentzアナリシス方法を使っても上記の解析が可能である。
次にK-K(Kramers-Kronig) アナリシス方法の特徴に関して説明する。
測定波長範囲内に薄膜層の光の吸収帯が有る場合は、次のKramers-Kronigの関係式から導き出される複素屈折率の分散式を用いて、屈折率だけではなく消衰定数を求めることが出来る。
測定波長範囲内に薄膜層の光の吸収帯が有る場合は、次のKramers-Kronigの関係式から導き出される複素屈折率の分散式を用いて、屈折率だけではなく消衰定数を求めることが出来る。
この関係式は消衰係数が既知であるならば、屈折率を消衰係数から推定できることを示している。測定波長範囲内に光の吸収帯がある場合、その波長領域の消衰係数スペクトルをローレンツ型の式で近似する。
このKK_Analysisにおいては、C1、C2、C3、C4、C5がパラメータとなり初期値になる。C5は積分定数で屈折率を表すパラメータの一つなので、硬化層の屈折率は初期値として概数を設定する。C1は大体の消衰係数、つまり、消衰係数スペクトルのピークの消衰係数の値が初期値になる。
一方、C2、C3は消衰係数スペクトルのピークのE(eV)と関係があり、C2はピークのE(eV)の2倍、C３はピークのE(eV)の2乗を初期値と設定することが出来る。C4は、吸収帯のエネルギーバンド幅と関係があり、初期値としては、消衰係数スペクトルのピークの裾で消衰係数が最も小さくなるE(eV)の値を用いることが出来る。
以上のように、KK_Analysisを用いる場合は、測定対象物質である薄膜の物性を加味して、その吸収スペクトル、つまり消衰係数スペクトルを想定して、初期値を設定することにより、解析を行うことが可能となる。
上記の方法で硬化層と非硬化層の光定数と厚さの変化を検知することが出来、硬化層と非硬化層のアッシングの終了時間も予測出来て、スループットを上げられると同時にアッシングプロセスにフィードバックすることも出来る。
次に、図１のアッシング装置を使用して不純物導入されたウェハ３のレジストをアッシングする方法について説明する。
まず、ステ−ジ６にウェハ３が載置された状態でチャンバ８を減圧する。所定の圧力に到達したらエッチングガスである酸素ガスを導入しながら真空排気しチャンバ８内を一定の圧力に維持する。一方、ウェハ３はヒータ７の温度設定により低温に維持されている。
これらの条件が得られたら、アッシングレ−トの低い高周波電力を印加させ酸素プラズマを発生させアッシングを開始する。これと同時にエリプソメータでΨとΔを測定する。
アッシングしている間に、ΨとΔが大きく変化したら、硬化層がアッシングされたと判定し、高周波電力を、例えば、１．５倍上げ高アッシングレ−トにしアッシングする。
このことによりレジストの非硬化層は、従来より早期に高アッシングレ−トでアッシングされ、全体的に短時間でアッシングされる。
このことによりレジストの非硬化層は、従来より早期に高アッシングレ−トでアッシングされ、全体的に短時間でアッシングされる。
或いは硬化層の光定数と厚さをモニターして、例えば硬化層の厚さがゼロになったら、硬化層がアッシングされたと判定し、高周波電力を、例えば、１．５倍上げ高アッシングレ−トにしアッシングする。
このことによりレジストの非硬化層は、従来より早期に高アッシングレ−トでアッシングされ、全体的に短時間でアッシングされる。
このことによりレジストの非硬化層は、従来より早期に高アッシングレ−トでアッシングされ、全体的に短時間でアッシングされる。
また、硬化層がアッシングされた後は、非硬化層の厚さと光定数（屈折率ｎと消衰係数ｋ）を検知し、すべてのアッシングプロセスが完了したかどうかを検知できる。そしてすべてのアッシングプロセスが完了したらアッシングを終了する。
なお、この装置では、アッシングレ−トを変えるのに、高周波電力を変えて説明したが、ウェハ３を加熱する手段がランプである場合は、ウェハ３の温度を変えても良い。その他、酸素ガスとフレオンガスの混合比を変えても良い。
又、不純物ドーピングにプラズマドーピング方法を使用する際には、プラズマチャンバを複数設けた所謂マルチチャンバの装置内でドーピングとアッシングの工程を終了する事もできるし、便宜上別の装置として配置はするが、連続的な工程を行う装置群として、一連の不純物ドーピング工程を実施することも可能である。
（実施の形態２）
ヘリウムガスプラズマを用いて、シリコン基板１０９の表面の結晶層を非晶質化した。
図６に、本発明の実施の形態２において用いたプラズマドーピング装置のプラズマドーピング室の断面図を示す。図６において、真空容器１０１内に、ガス供給装置１０２から所定のガスを導入しつつ、排気装置としてのターボ分子ポンプ１０３により排気を行い、調圧弁１０４により真空容器１０１内を所定の圧力に保つことができる。高周波電源１０５により１３．５６ＭＨｚの高周波電力を試料電極１０６に対向した誘電体窓１０７の近傍に設けられたコイル１０８に供給することにより、真空容器１０１内に誘導結合型プラズマを発生させることができる。試料電極１０６上に、試料としてのシリコン基板１０９を載置する。また、試料電極１０６に高周波電力を供給するための高周波電源１１０が設けられており、これは、試料としての基板１０９がプラズマに対して負の電位をもつように、試料電極１０６の電位を制御する電圧源として機能する。このようにして、プラズマ中のイオンを試料の表面に向かって加速し衝突させて試料の表面を非晶質化したり、不純物を導入することができる。なお、ガス供給装置１０２から供給されたガスは、排気口１１１からポンプ１０３へ排気される。ターボ分子ポンプ１０３及び排気口１１１は、試料電極１０６の直下に配置されており、また、調圧弁１０４は、試料電極１０６の直下で、かつ、ターボ分子ポンプ１０３の直上に位置する昇降弁である。試料電極１０６は、４本の支柱１１２により、真空容器１０１に固定されている。
ヘリウムガスプラズマを用いて、シリコン基板１０９の表面の結晶層を非晶質化した。
図６に、本発明の実施の形態２において用いたプラズマドーピング装置のプラズマドーピング室の断面図を示す。図６において、真空容器１０１内に、ガス供給装置１０２から所定のガスを導入しつつ、排気装置としてのターボ分子ポンプ１０３により排気を行い、調圧弁１０４により真空容器１０１内を所定の圧力に保つことができる。高周波電源１０５により１３．５６ＭＨｚの高周波電力を試料電極１０６に対向した誘電体窓１０７の近傍に設けられたコイル１０８に供給することにより、真空容器１０１内に誘導結合型プラズマを発生させることができる。試料電極１０６上に、試料としてのシリコン基板１０９を載置する。また、試料電極１０６に高周波電力を供給するための高周波電源１１０が設けられており、これは、試料としての基板１０９がプラズマに対して負の電位をもつように、試料電極１０６の電位を制御する電圧源として機能する。このようにして、プラズマ中のイオンを試料の表面に向かって加速し衝突させて試料の表面を非晶質化したり、不純物を導入することができる。なお、ガス供給装置１０２から供給されたガスは、排気口１１１からポンプ１０３へ排気される。ターボ分子ポンプ１０３及び排気口１１１は、試料電極１０６の直下に配置されており、また、調圧弁１０４は、試料電極１０６の直下で、かつ、ターボ分子ポンプ１０３の直上に位置する昇降弁である。試料電極１０６は、４本の支柱１１２により、真空容器１０１に固定されている。
基板１０９を試料電極１０６に載置した後、試料電極１０６の温度を２５℃に保ちながら、真空容器１０１内を排気口１１１から排気しつつ、ガス供給装置１０２より真空容器１０１内にヘリウムガスを５０ｓｃｃｍ供給し、調圧弁１０４を制御して真空容器１０１内の圧力を１Ｐａに保つ。次に、プラズマ源としてのコイル１０８に高周波電力を８００Ｗ供給することにより、真空容器１０１内にプラズマを発生させるとともに、試料電極１０６の台座に２００Ｗの高周波電力を供給することにより、シリコン基板１０９の表面の結晶層をアモルファス化することができた。ヘリウムプラズマに曝した時間は７秒である。シリコン基板１０９の表面にはレジストがパターン化されて付いている。レジストの間隙からシリコン基板の表面が剥き出しになっている部分がある。アモルファス化をした後、イオン注入でボロンを３E14ｃｍ-2注入した。レジストの表面には硬化層があった。レジストの硬化層はアッシングで除去した。その後、非硬化層１６ａはウェット洗浄で除去した。その後、１０７０℃のspike RTAで活性化処理を行い、シート抵抗を測定した。
このとき、シリコン基板に注入されたヘリウムは１E１６ｃｍ-2であった。レジスト表面の硬化層は、ヘリウムのプラズマドーピングによるものと考えられる。比較のために、レジストパターンの付いていないベタのシリコン基板を準備して、ヘリウムプラズマによるアモルファス化とイオン注入でのボロン注入を行い、１０７０℃のspike RTAで活性化処理を行い、シート抵抗を測定した。この場合には、レジストの硬化層をアッシングで除去した後、非硬化層１６ａはウェット洗浄で除去した場合と同等のシート抵抗であった。
さらに比較のために、レジストがパターン化されて付いているシリコン基板に、ヘリウムプラズマによるアモルファス化とイオン注入でのボロン注入を行い、レジスト全体をアッシングだけで除去した後、１０７０℃のspike RTAで活性化処理を行い、シート抵抗を測定した。この場合には、レジストの硬化層をアッシングで除去した後、非硬化層１６ａはウェット洗浄で除去した場合よりも、シート抵抗は大きくなった。不純物が電気伝導に寄与しなくなる割合が増加したと考えられる。
（実施の形態３）
B2H6とHeの混合ガスプラズマを用いてプラズマドーピングでシリコン基板にボロンを注入した。
ここでも、本発明の実施の形態２において用いた図６のプラズマドーピング装置のプラズマドーピング室を用いる。図６において、真空容器１０１内に、ガス供給装置１０２から所定のガスを導入しつつ、排気装置としてのターボ分子ポンプ１０３により排気を行い、調圧弁１０４により真空容器１０１内を所定の圧力に保つことができる。高周波電源１０５により１３．５６ＭＨｚの高周波電力を試料電極１０６に対向した誘電体窓１０７の近傍に設けられたコイル１０８に供給することにより、真空容器１０１内に誘導結合型プラズマを発生させることができる。試料電極１０６上に、試料としてのシリコン基板１０９を載置する。また、試料電極１０６に高周波電力を供給するための高周波電源１１０が設けられており、これは、試料としての基板１０９がプラズマに対して負の電位をもつように、試料電極１０６の電位を制御する電圧源として機能する。このようにして、プラズマ中のイオンを試料の表面に向かって加速し衝突させて試料の表面を非晶質化したり、不純物を導入することができる。なお、ガス供給装置１０２から供給されたガスは、排気口１１１からポンプ１０３へ排気される。ターボ分子ポンプ１０３及び排気口１１１は、試料電極１０６の直下に配置されており、また、調圧弁１０４は、試料電極１０６の直下で、かつ、ターボ分子ポンプ１０３の直上に位置する昇降弁である。試料電極１０６は、基板１０９を載置する略正方形状の台座となり、各辺において支柱１１２により真空容器１に固定され、計４本の支柱１１２により、真空容器１０１に固定されている。
B2H6とHeの混合ガスプラズマを用いてプラズマドーピングでシリコン基板にボロンを注入した。
ここでも、本発明の実施の形態２において用いた図６のプラズマドーピング装置のプラズマドーピング室を用いる。図６において、真空容器１０１内に、ガス供給装置１０２から所定のガスを導入しつつ、排気装置としてのターボ分子ポンプ１０３により排気を行い、調圧弁１０４により真空容器１０１内を所定の圧力に保つことができる。高周波電源１０５により１３．５６ＭＨｚの高周波電力を試料電極１０６に対向した誘電体窓１０７の近傍に設けられたコイル１０８に供給することにより、真空容器１０１内に誘導結合型プラズマを発生させることができる。試料電極１０６上に、試料としてのシリコン基板１０９を載置する。また、試料電極１０６に高周波電力を供給するための高周波電源１１０が設けられており、これは、試料としての基板１０９がプラズマに対して負の電位をもつように、試料電極１０６の電位を制御する電圧源として機能する。このようにして、プラズマ中のイオンを試料の表面に向かって加速し衝突させて試料の表面を非晶質化したり、不純物を導入することができる。なお、ガス供給装置１０２から供給されたガスは、排気口１１１からポンプ１０３へ排気される。ターボ分子ポンプ１０３及び排気口１１１は、試料電極１０６の直下に配置されており、また、調圧弁１０４は、試料電極１０６の直下で、かつ、ターボ分子ポンプ１０３の直上に位置する昇降弁である。試料電極１０６は、基板１０９を載置する略正方形状の台座となり、各辺において支柱１１２により真空容器１に固定され、計４本の支柱１１２により、真空容器１０１に固定されている。
基板１０９を試料電極１０６に載置した後、試料電極１０６の温度を２５℃に保ちつつ、真空容器１内にヘリウム（Ｈｅ）ガス及びＢ２Ｈ６ガスをそれぞれ９７ｓｃｃｍ、３ｓｃｃｍ供給し、真空容器１内の圧力を０．９Ｐａに保ちながらコイル１０８に高周波電力を１０００Ｗ供給することにより、真空容器１０１内にプラズマを発生させるとともに、試料電極１０６に２５０Ｗの高周波電力を供給することにより、ボロンが基板１０９の表面近傍に導入することができた。ガス混合比は、B2H6が３％、Heが９７％に相当する。
ボロンのシリコン基板へのドーズ量が１E14ｃｍ-2になるようにプラズマドーピング時間を調整した。シリコン基板１０９の表面にはレジストがパターン化されて付いている。レジストの間隙からシリコン基板の表面が剥き出しになっている部分がある。プラズマドーピング後のレジストの表面には硬化層があった。レジストの硬化層はアッシングで除去した。その後、非硬化層１６ａはウェット洗浄で除去した。その後、１０７０℃のspike RTAで活性化処理を行い、シート抵抗を測定した。
このとき、シリコン基板に注入されたボロンは１E１４ｃｍ-2であった。しかし、ボロン以外にも水素が３E１４ｃｍ-2、ヘリウムが４E１５ｃｍ-2注入されていた。レジスト表面の硬化層は、ヘリウムのプラズマドーピングによるものと考えられる。ヘリウムガスの混合比を９７％以上にすると、ボロンに比べてヘリウムが注入される量が増えるので、よりレジスト表面の硬化層は形成され易い。また、ボロンを１E１４ｃｍ-2以上注入した場合にもヘリウムがボロンのドーズ量の増加にあわせて増加するので、よりレジスト表面の硬化層は形成され易い。
比較のために、レジストパターンの付いていないベタのシリコン基板を準備して、プラズマドーピングによるボロンの注入を行い、１０７０℃のspike RTAで活性化処理を行い、シート抵抗を測定した。この場合には、レジストの硬化層をアッシングで除去した後、非硬化層１６ａはウェット洗浄で除去した場合と同等のシート抵抗であった。
さらに比較のために、レジストがパターン化されて付いているシリコン基板に、プラズマドーピングによるボロンの注入を行い、レジスト全体をアッシングだけで除去した後、１０７０℃のspike RTAで活性化処理を行い、シート抵抗を測定した。この場合には、レジストの硬化層をアッシングで除去した後、非硬化層１６ａはウェット洗浄で除去した場合よりも、シート抵抗は大きくなった。不純物が電気伝導に寄与しなくなる割合が増加したと考えられる
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、2005年3月30日出願の日本特許出願、出願番号2005-099148に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
本出願は、2005年3月30日出願の日本特許出願、出願番号2005-099148に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
本発明のアッシング装置およびアッシング方法そして不純物ドーピング装置群は、不純物ドーピングされた後のレジストの表面硬化層と内部の非硬化層との界面及び非硬化層と半導体基板の界面を感知することが出来、アッシングするスループットを上げることが出来るので、コンデンサ、バリスタ、ダイオード、トランジスタ、コイルなどの電子素子の形成に有効である。
１ 高周波電源
２ 光源
３ ウェハ
４ 測光器
５ 制御器
６ ステージ
７ ヒータ
８ チェンバ
９ 上部電極
１５a半導体基板
１６ レジスト
１６a非硬化層
１６b硬化層
２０ Xe光源
２１ 偏向子
２２ 検光子
２３ 分光子
２４ ディテクタ
１０１ 真空容器
１０２ ガス供給装置
１０３ ターボ分子ポンプ
１０４ 調圧弁
１０５ プラズマ源用高周波電源
１０６ 試料電極
１０７ 誘電体窓
１０８ コイル
１０９ 基板
１１０ 試料電極用高周波電源
１１１ 排気口
１１２ 支柱
２ 光源
３ ウェハ
４ 測光器
５ 制御器
６ ステージ
７ ヒータ
８ チェンバ
９ 上部電極
１５a半導体基板
１６ レジスト
１６a非硬化層
１６b硬化層
２０ Xe光源
２１ 偏向子
２２ 検光子
２３ 分光子
２４ ディテクタ
１０１ 真空容器
１０２ ガス供給装置
１０３ ターボ分子ポンプ
１０４ 調圧弁
１０５ プラズマ源用高周波電源
１０６ 試料電極
１０７ 誘電体窓
１０８ コイル
１０９ 基板
１１０ 試料電極用高周波電源
１１１ 排気口
１１２ 支柱
Claims (14)
- 固体試料表面に形成されたフォトレジスト材料にフォトレジスト材料とは異なる物質を導入する事により形成される硬化層と前記フォトレジストの内部の非硬化層を除去する際に、前記固体試料に直線偏光を入射させて反射される楕円偏光を検出して前記硬化層と非硬化層の界面及び前記非硬化層と前記固体試料との界面を検出する機構を具備したアッシング装置。
- 半導体基板に形成され、不純物ドーピングされたフォトレジストをアッシングする請求項１に記載のアッシング装置であって、
前記レジストに形成された表面の硬化層と内部の非硬化層をプラズマアッシングする際に前記半導体基板に直線偏光を入射させて反射される楕円偏光を検出して、前記硬化層と非硬化層の界面及び前記非硬化層と半導体基板の界面を検出する機構を具備したアッシング装置。 - 請求項２に記載のアッシング装置であって、
前記不純物ドーピングはプラズマドーピング機構で実行されるアッシング装置。 - 請求項２に記載のアッシング装置であって、
前記不純物ドーピングはプラズマを照射することでシリコン基板の表面をアモルファス化するアッシング装置。 - 請求項２に記載のアッシング装置であって、
前記不純物ドーピングはヘリウムプラズマを照射することでシリコン基板の表面をアモルファス化するアッシング装置。 - 請求項１または２に記載のアッシング装置であって、
前記検出する機構がエリプソメータであるアッシング装置。 - 基体表面に不純物ドーピングを行うプラズマドーピング装置と、請求項１乃至６のいずれかに記載のアッシング装置とを具備し、プラズマドーピングと、プラズマドーピング工程の後処理としてアッシングとを連続的に行う不純物ドーピング装置。
- 請求項６または７に記載のエリプソメータを使用して、前記反射される楕円偏光を検出し前記硬化層と非硬化層の光定数と厚さを検出することを特徴とするエリプソメータの解析方法を用いたアッシング方法。
- 請求項１から６に記載のアッシング装置であって、
検出された硬化層と非硬化層の界面及び前記非硬化層と半導体基板の界面、或いは請求項８に記載した方法で検出された硬化層と非硬化層の光定数と厚さに合わせて、アッシング工程を制御するフィードバック制御機構を具備したアッシング装置。 - 検出された硬化層と非硬化層の界面及び前記非硬化層と半導体基板の界面、或いは請求項８に記載した方法で検出された硬化層と非硬化層の光定数と厚さに合わせて、アッシング工程を制御する請求項７に記載のプラズマドーピング工程の後処理としてアッシングする事を企図したアッシング装置及びプラズマドーピングとアッシングを連続的に行う事の可能な不純物ドーピング装置群。
- 請求項１乃至６のいずれかに記載のアッシング装置を用いて実行され、
半導体基板に形成され、プラズマドーピングされたフォトレジストを除去する工程であって、前記レジストに形成された表面の硬化層の除去はアッシングで行い、内部の非硬化層の除去はウェット洗浄で行う半導体素子の製造方法。 - 請求項１１に記載の半導体素子の製造方法であって、
前記プラズマドーピングはボロンを含むプラズマを用いるようにした半導体素子の製造方法。 - 請求項１２に記載の半導体素子の製造方法であって、
前記プラズマドーピングはＢ２Ｈ６とＨｅの混合ガスを含むプラズマを用いるようにした半導体素子の製造方法。 - 請求項１３に記載の半導体素子の製造方法であって、
前記プラズマドーピングはＢ２Ｈ６とＨｅの混合ガスの比率がＢ２Ｈ６が３％以下、Ｈｅが９７％以上のガスを含むプラズマを用い、ボロンのシリコン基板へのドーズ量が１Ｅ１４ｃｍ−２以上である半導体素子の製造方法。
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