KR20080005190A - 애싱 장치, 애싱 방법 및 불순물 도핑 장치 - Google Patents

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쳉-구오 진
분지 미즈노
유이치로 사사키
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마쯔시다덴기산교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 과제는, 레지스트의 표면 경화층과 내부의 비경화층과의 계면 및 비경화층과 반도체 기판의 계면을 검지할 수 있음과 함께, 스루풋이 높은 애싱 장치 및 애싱 방법, 그리고 불순물 도핑 장치군을 제공하는 것이다. 본 발명의 애싱 장치는, 반도체 기판에 도포되어 마스크로서 사용된 레지스트로서, 불순물 도핑되고, 상기 레지스트에 형성된 표면의 경화층과 내부의 비경화층을 플라즈마 애싱하는 애싱 장치에 있어서, 플라즈마 애싱 중에 상기 반도체 기판에 직선 편광을 입사시켜 반사되는 타원 편광을 검출하여, 상기 경화층과 비경화층의 계면 및 상기 경화층과 반도체 기판의 계면을 검출하는 엘립소미터를 구비하는 것을 특징으로 한다.
불순물, 도핑, 플라즈마, 애싱

Description

애싱 장치, 애싱 방법 및 불순물 도핑 장치{ASHING APPARATUS, ASHING METHOD, AND IMPURITY DOPING APPARATUS}
본 발명은, 불순물 도핑된 후의 레지스트를 플라즈마 애싱할 때, 불순물 도핑에 의해 형성된 표면 경화층과 내부의 비경화층의 계면(界面)을 검지할 수 있는 계면 검지 수단 혹은 표면 경화층과 비경화층의 광 정수와 두께를 검지하는 수단을 가지고, 레지스트를 애싱하는 애싱 장치 및 애싱 방법, 그리고 불순물 도핑 장치군에 관한 것이다.
종래, 반도체 산업에 이용되는 애싱 장치에는, 애싱의 종점(終點)을 검지하는 수단을 구비하고 있다. 예를 들면, 특개 평6-124923호 공보에 레지스트 애싱 종점 검출 방법이 개시되어 있다. 이 레지스트 애싱의 종점 검출 방법은, 산소 플라즈마를 주체로 한 플라즈마 애싱인 경우, 애싱 처리중의 플라즈마 발광 중, 수소 스펙트럼의 발광 강도의 변화를 검출하여 레지스트 애싱의 종점을 고감도로 검출하는 것을 특징으로 하고 있다.
도 3은 반도체 기판의 레지스트에 불순물 주입되는 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 불순물 주입된 상태를 나타내는 도면이다. 통상, 불순물 도입 처리는, 도 3에 도시한 바와 같이 반도체 기판(15a)에 레지스트(16)를 도포하여 마스크 를 형성하고, 선택적으로 패터닝하여, 불순물 도입 장치에 의해 반도체 기판(15a)에 불순물을 도입한다.
마스크로서 사용한 레지스트에도 불순물이 도입되므로, 도 4에 도시한 바와 같이 그 표면이 변질하여 경화층(16b)이 형성된다. 또한 레지스트의 내부는 불순물 도입 처리의 영향을 받지 않아, 미처리 레지스트와 다름없는 비경화층(16a)의 상태이다. 물론, 경화층(16b)의 막질 및 막두께는 불순물 도입시의 도즈량과 에너지량에 따라 다르다. 어느 쪽도, 먼저 경화층(16b)을 애싱하고 나서 비경화층(16a)을 애싱하게 된다.
이 경화층(16b)을 애싱하는 데에는, 반도체 기판(15a)을 오염시키는 원인이 되는 팝핑(popping)에 의한 표층의 박리를 방지하기 위하여, 반도체 기판(15a)을 저온으로 하고 애싱 레이트(rate)를 낮게 하여 애싱할 필요가 있다. 즉, 저온으로 하기 위하여 히터의 온도를 낮추고, 게다가 플라즈마에 의한 온도 상승을 회피하여 극히 낮은 애싱 레이트 조건으로 행할 필요가 있다. 경화층(16b)이 애싱된 후, 비경화층(16a)을 애싱하는 데에는, 이상적으로는 애싱 레이트를 높이기 위하여 온도를 고온으로 하여 애싱을 행하도록 하면 좋다.
도 5는 저온 처리시와 고온 처리시에 반응 생성물이 발광하는 스펙트럼 광의 발광 강도를 나타내는 도면이다. 그러나 상술한 애싱의 종점 검출 방법에서는, 저온 처리시에는 고온 처리시에 비하여 발광 강도의 변화가 작아서, 레지스트(16)와 반도체 기판(15a)과의 계면을 검지할 수 있으나, 불순물 도입된 레지스트의 경화층(16b)과 비경화층(16a)과의 계면를 검지하는 것은 곤란하다.
특히, 반도체 디바이스의 미세화에 수반하여, 얕은 접합을 형성하는 기술이 요구되고 있어, 저 에너지 플라즈마 도핑 방법 혹은 저 에너지 이온 주입을 사용하여 불순물을 도핑한 경우, 상기 경화층의 두께는 10nm 전후로 매우 얇아져, 경화층과 비 경화층과의 계면을 검지하는 것이 더욱 곤란하다.
따라서 경화층(16b) 및 비경화층(16a)을 팝핑 작용을 억제하기 위하여 충분한 시간 저온 애싱으로 행해야만 했다. 그 결과, 애싱 시간이 길고 스루풋(throughput)이 현저하게 낮다는 문제가 있다.
따라서, 레지스트의 표면 경화층과 내부의 비경화층과의 계면 및 비경화층과 반도체 기판의 계면을 검지할 수 있으면서도 스루풋이 높은 애싱 장치 및 애싱 방법을 제공할 필요가 있었다.
특히 불순물 도입을 플라즈마 도핑으로 행하는 경우에는, 플라즈마 도핑에 특유의 과제가 나타난다. 즉, 플라즈마 도핑의 경우에는, 종래의 이온 주입과는 달리, 소망하는 불순물 이온 이외의 이온도 대량으로 도입된다는 특징이 있다. 예를 들면, 붕소 이온을 실리콘 기판에 1E15cm-2 주입하고 싶은 경우에는, 이온 주입에서는 1E15cm-2만큼 주입된다. 레지스트에도 1E15cm-2 만큼 주입된다. 한편, 플라즈마 도핑의 경우에 대하여 설명한다. 예를 들어 B2H6 가스에 헬륨 가스를 혼합한 가스 플라즈마를 이용하는 경우에는, 붕소 외에 수소와 헬륨이 반드시 주입된다. 여기서, B2H6 가스와 헬륨 가스의 혼합비는 5%와 95%와 같은 경우가 일반적이다. 어느 쪽도, 붕소를 1E15cm-2 주입하려고 하면, 수소는 그 2배, 헬륨은 가장 대량으로 주입되게 된다. 레지스트의 입장에서 보면, 이온 주입으로 붕소가 1E15cm-2 주입된 경우와 플라즈마 도핑으로 주입된 경우에서는, 후자 쪽이 압도적으로 주입되는 전체 이온의 양이 많아진다. 이와 같은 사정으로, 플라즈마 도핑에서는 레지스트의 표면 경화층이 더욱 형성되기 쉽다. 본 발명은, 이와 같은 과제에 대한 해결책을 개시하는 것이다.
또한 헬륨 플라즈마 등의 플라즈마를 이용하여 레지스트 패턴이 부착된 실리콘 기판의 표면을 비정질화하는 공정에서의 레지스트의 제거에도 과제가 있다. 여기서 소망하는 불순물이라는 것은 헬륨을 가리킨다. 헬륨 이온이 대량으로 주입됨으로써 레지스트의 표면 경화층이 더욱 형성되기 쉽다.
상기한 플라즈마 도핑을 이용한 경우의 과제는, 이온 주입과 다른 플라즈마 도핑 특유의 것으로, 본 발명자들이 처음으로 발견한 과제이다. 플라즈마 도핑은, 종래의 이온 주입에 비하여 도즈 레이트가 수 자리 높다는 특징이 있다. 일반적으로는 3자리 높다고 되어 있다. 이에 따라, 이온 주입에 비하여 같은 시간으로 처리한 경우에는 3자리나 대량으로 이온이 실리콘 및 레지스트에 주입되게 된다. 한편, 처리 시간을 극단적으로 3자리나 짧게 하는 것은 균일성이나 반복성의 확보가 어려워, 제조상의 관점으로부터 바람직하지 않다. 이와 같이, 플라즈마 도핑에는 특유의 과제가 있었다.
그래서 본 발명에서는, 반도체 기판에 도포되어 마스크로서 사용된 레지스트로서, 불순물 도핑되고, 상기 레지스트에 형성된 표면의 경화층과 내부의 비경화층을 플라즈마 애싱하는 애싱 장치에 있어서, 플라즈마 애싱 중에 상기 반도체 기판에 직선 편광을 입사시켜 반사되는 타원 편광을 검출하여 상기 경화층과 비경화층의 계면 및 상기 경화층과 반도체 기판의 계면을 검출하는 엘립소미터(elipsometer)를 구비하는 것을 특징으로 하는 애싱 장치로 한다.
이에 따라, 경화층의 애싱의 종료를 검지하면, 곧바로 온도를 고온으로 하여 애싱 레이트를 높이고 비경화층의 애싱을 개시할 수 있으므로, 스루풋을 높일 수 있다. 그리고 비경화층의 애싱의 종료를 검지하면, 애싱 공정을 종료한다.
또한 경화층의 애싱의 종료를 검지하면, 애싱 공정을 종료하는 것도 가능하다. 그리고 비경화층의 제거는 습식 세정 등의 다른 공정에서 행할 수도 있다.
또한 본 발명에서는, 상기 반사되는 타원 편광을 검출하여 상기 경화층과 비경화층의 광 정수와 두께를 검출하는 것을 특징으로 하는 엘립소미터의 해석 방법을 고안했다.
경화층과 비경화층의 광 정수와 두께의 변화를 검지함으로써, 경화층과 비경화층의 애싱의 종료 시간도 예측 가능하여, 스루풋을 높일 수 있음과 동시에 애싱 공정으로 피드백하는 것도 가능하다.
또한 본 발명에서는, 검출된 경화층과 비경화층의 계면 및 경화층과 반도체 기판의 계면 혹은 경화층과 비경화층의 광 정수와 두께에 맞춰, 상기 애싱 장치로 피드백하는 피드백 제어 기구를 포함하는 애싱 장치로 한다.
피드백 제어 기구에 의해 애싱 공정의 스루풋을 높일 수 있다.
플라즈마 도핑으로 이온을 주입한 경우에는, 경화층의 애싱의 종료를 검지하면 애싱 공정을 종료하고, 비경화층의 제거는 습식 세정의 공정으로 행하는 쪽이 바람직하다. 그 이유는, 플라즈마 도핑의 경우에는 이온 주입과 비교하여, 실리콘 기판의 최상부 표면에 더욱 고농도의 불순물이 주입되기 때문이다. 그 때문에, 레지스트 전체를 애싱으로 제거하려고 하면, 실리콘 기판의 최상부 표면이 산화됨으로써, 불순물이 전기 전도에 기여하지 않게 되는 경우가 있다. 그래서, 가능한 한 표면을 산화시키지 않고 레지스트를 제거하여야 한다. 그 경우에 레지스트의 경화층만은 애싱으로 제거하고, 그 아래의 비경화층은 애싱보다도 실리콘을 산화시키기 어려운 습식 세정으로 행함으로써, 불순물이 전기 전도에 기여하지 않게 되는 것을 방지할 수 있다. 또한 방지할 수 없다고 해도, 그 정도를 저감할 수 있으므로 바람직하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 애싱 장치의 단면 모식도.
도 2는 분광 엘립소미터의 모식도.
도 3은 반도체 기판의 레지스트에 불순물 주입되는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 4는 불순물 주입된 상태를 나타내는 도면.
도 5는 저온 처리시와 고온 처리시에서의 반응 생성물이 발광하는 스펙트럼광의 발광 강도를 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에서 이용한 플라즈마 도핑 장치의 플라즈마 도핑실의 단면도.
(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)
1 고주파 전원
2 광원
3 웨이퍼
4 측광기
5 제어기
6 스테이지
7 히터
8 챔버
9 상부 전극
15a 반도체 기판
16 레지스트
16a 비경화층
16b 경화층
20 Xe 광원
21 편향자
22 검광자
23 분광자
24 디텍터
101 진공 용기
102 가스 공급 장치
103 터보 분자 펌프
104 조압 밸브
105 플라즈마원용 고주파 전원
106 시료 전극
107 유전체 창
108 코일
109 기판
110 시료 전극용 고주파 전원
111 배기구
112 지주
(제1 실시예)
다음으로, 본 발명에 대하여 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 애싱 장치를 나타내는 단면 모식도이다. 이 애싱 장치는, 도 1에 도시한 바와 같이, 애싱 가스가 도입되고 진공 펌프에 의해 감압되는 챔버(8)와, 이 챔버(8)의 상부 전극(9)에 고주파 전력을 인가하는 고주파 전원(1)과, 상부 전극(9)에 대향하여 배치됨과 동시에 웨이퍼(3)를 올려놓는 하부 전극이 되는 스테이지(6)와, 이 스테이지(6)에 내장되어 웨이퍼(3)를 가열하는 히터(7)를 구비하고 있다. 엘립소메트리(ellipsometry)를 이용하여, 도 1에 도시한 바와 같이, 광원(2)을 이용하여 웨이퍼(3)의 표면에 광을 조사하고, 측광기(4)로 광을 측정한다. 측광기(4)의 측정 결과를 제어기(5)로 전송하여, 애싱 공정으로 피드백한다.
도 2의 분광 엘립소미터의 구성도를 사용하여, 상기 경화층과 비경화층의 계면 및 비경화층과 반도체 기판의 계면을 검출하는 방법, 혹은 상기 경화층과 비경화층의 광 정수와 두께를 검출하는 방법을 설명한다.
Xe 광원(20)으로부터 출력되는 Xe 광을 편광자(21)에 의해 직선 편광으로 변환하여, 기판면에 수직인 방향에 대하여 각도 θ0으로 기판에 입사시킨다. 각도 θ0은 45°내지 90도 사이의 값을 이용하여 측정한다. 입사광의 직선 편광의 축은, p 방향(광축에 수직인 면과 입사광 및 반사광을 포함하는 면과의 교선의 방향)과, s방향(광축에 수직인 면 내에서 p방향으로 수직인 방향)에 대하여 경사져 있다. 타원 편광으로서 반사되는 광의 p 성분과 s 성분 사이의 진폭 반사율비를 Ψ, 상기 p 성분과 s 성분 사이의 위상차를 Δ로 한다. 엘립소메트리에서는 타원 편광으로서 반사되는 광을 검광자(22)를 거친 후 분광기(23)로 입사시켜, 분광시키면서, 디텍터(24)에 의해 Ψ, Δ를 측정하도록 구성되어 있다.
상기 경화층이 있는 경우와 상기 경화층이 완전히 애싱된 경우를 비교하면, 상기 Ψ와 Δ의 신호가 다르므로, Ψ와 Δ의 엘립소미터의 측정 결과로부터 상기 경화층과 비경화층의 계면을 검출할 수 있다.
또한 경화층이 완전히 애싱된 경우, 상기 비경화층이 있는 경우와 상기 비경화층이 완전히 애싱된 경우를 비교하면, 상기 Ψ와 Δ의 신호가 다르므로, Ψ와 Δ의 엘립소미터의 측정 결과로부터 상기 비경화층과 반도체 기판의 계면을 검출할 수 있다.
상기 Ψ, Δ의 엘립소메트리 측정 결과로부터, 경화층과 비경화층의 두께뿐만 아니라, 광 정수(굴절률 n과 소쇠 계수 k)도 미지의 파라미터로서 최소 2승법에 의해 구하는 방법을 설명한다. 공기/경화층/비경화층/c-Si의 4층 모델을 사용하여, 경화층의 두께와 광 정수(굴곡률 n과 소쇠 계수 k)도 구할 수 있어, 경화층의 애싱 공정이 완료했는지를 검지할 수 있다. 경화층이 애싱된 후에는, 공기/비경화층/c-Si의 3층 모델을 사용하여, 비경화층의 두께와 광 정수(굴곡률 n과 소쇠 계수 k)를 구할 수 있어, 모든 애싱 공정이 완료했는지를 검지할 수 있다.
광 정수는 기본적으로 파장 의존성이 있으므로, 파장을 변경하여 측정하면, 측정 파장의 수만큼 미지의 파라미터가 증가하게 되어, 결정하는 것이 불가능하다. 이와 같은 경우에는, 광 정수의 스펙트럼을 파장에 의존하지 않는 정수를 포함하는 근사식으로 표현하고, 그 정수를 미지의 파라미터로 함으로써, 광 정수의 스펙트럼도 구할 수 있다. 굴곡율 파장 분산 모델은 여러 가지가 있으나, 경화층의 강한 흡수 특성을 다루기 위하여, 본 실시예에서는 K-K(Kramers-Kronig) 분석 방법을 사용했다. 굴곡율 파장 분산 모델로서, Tauc-Lorentz 분석, Cody-Lorentz 분석, Forouhi-Bloomer 분석, MDF 분석, 밴드 분석, 4배위(Tetrahedral) 분석, Drude 분 석, Lorentz 분석 방법을 사용해도 상기 해석이 가능하다.
다음으로, K-K(Kramers-Kronig) 분석 방법의 특징에 관하여 설명한다.
측정 파장 범위 내에 박막층의 광의 흡수 대역이 있는 경우에는, 다음의 Kramers-Kronig의 관계식으로부터 도출되는 복소 굴곡율의 분산식을 이용하여, 굴곡율뿐만 아니라 소쇠 정수를 구할 수도 있다.
Figure 112007068839791-PCT00001
여기서 P는 코시(Cauchy) 적분의 주값(principal value), ω는 주파수이다.
이 관계식은, 소쇠 계수를 이미 알고 있다면, 굴곡률을 소쇠 계수로부터 추정할 수 있는 것을 나타내고 있다. 측정 파장 범위 내에 광의 흡수 대역이 있는 경우, 그 파장 영역의 소쇠 계수 스펙트럼을 로렌츠(Lorentz)형의 식으로 근사한다.
k = C1(E-C4)2/(E2-C2E+C3)
여기서 E는 광양자 에너지(eV)이고, 파장 λ(nm)와는 다음의 관계에 있다.
E(eV) = 1239.84/λ(nm)
수학식 2로부터, 수학식 1의 Kramers-Kronig의 관계식에 의해 적분함으로써, 굴곡률의 다음의 식을 유도할 수 있다.
n = C5+f(E)
여기서 f(E)는 수학식 2의 적분값이고, C5는 적분 정수가 된다.
이 K-K 분석에서는, C1, C2, C3, C4, C5가 파라미터가 되고 초기값이 된다. C5는 적분 정수로서 굴곡률을 나타내는 파라미터의 하나이므로, 경화층의 굴곡률은 초기값으로서 어림수를 설정한다. C1은 가장 큰 소쇠 계수, 즉, 소쇠 계수 스펙트럼의 피크의 소쇠 계수의 값이 초기값이 된다.
한편, C2, C3는 소쇠 계수 스펙트럼의 피크의 E(eV)와 관계가 있고, C2는 피크의 E(eV)의 2배, C3는 피크의 E(eV)의 2승을 초기값으로 설정할 수 있다. C4는 흡수 대역의 에너지 대역폭과 관계가 있고, 초기값으로서는 소쇠 계수 스펙트럼의 피크의 끝에서 소쇠 계수가 가장 작아지는 E(eV)의 값을 이용할 수 있다.
이상과 같이, K-K 분석을 이용하는 경우에는, 측정 대상 물질인 박막의 물성을 가미하여, 그 흡수 스펙트럼, 즉 소쇠 계수 스펙트럼을 상정하고 초기값을 설정함으로써, 해석을 행하는 것이 가능해진다.
상기 방법으로 경화층과 비경화층의 광 정수와 두께의 변화를 검지할 수 있고, 경화층과 비경화층의 애싱의 종료 시간도 예측할 수 있어서, 스루풋을 높임과 동시에 애싱 공정으로 피드백하는 것도 가능하다.
다음으로, 도 1의 애싱 장치를 사용하여 불순물 도입된 웨이퍼(3)의 레지스트를 애싱하는 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 스테이지(6)에 웨이퍼(3)가 올려 놓여진 상태에서 챔버(8)를 감압한다. 소정의 압력에 도달하면 에칭 가스인 산소 가스를 도입하면서 진공 배기하여 챔버(8) 내를 일정 압력으로 유지한다. 한편, 웨이퍼(3)는 히터(7)의 온도 설정에 의해 저온으로 유지되어 있다.
이들 조건이 얻어지면, 애싱 레이트가 낮은 고주파 전력을 인가시키고 산소 플라즈마를 발생시켜 애싱을 개시한다. 이와 동시에 엘립소미터로 Ψ와 Δ를 측정한다.
애싱하고 있는 사이에, Ψ와 Δ가 크게 변화하면, 경화층이 애싱되었다고 판정하고, 고주파 전력을 예를 들면 1.5배 높여 고 애싱 레이트로 애싱한다.
이에 따라, 레지스트의 비경화층은, 종래보다 조기에 고 애싱 레이트로 애싱되며, 전체적으로 단시간에 애싱된다.
혹은 경화층의 광 정수와 두께를 모니터하고, 예를 들면 경화층의 두께가 0(영)이 되면 경화층이 애싱되었다고 판정하고, 고주파 전력을 예를 들면 1.5배 높여 고 애싱 레이트로 애싱한다.
이에 따라, 레지스트의 비경화층은, 종래보다 조기에 고 애싱 레이트로 애싱되며, 전체적으로 단시간에 애싱된다.
또한 경화층이 애싱된 후에는, 비경화층의 두께와 광 정수(굴곡율 n과 소쇠 계수 k)를 검지하여, 모든 애싱 공정이 완료했는지를 검지할 수 있다. 그리고 모든 애싱 공정이 완료되면 애싱을 종료한다.
또한, 이 장치에서는, 애싱 레이트를 변화시키는 것을, 고주파 전력을 변화 시켜 설명했으나, 웨이퍼(3)를 가열하는 수단이 램프인 경우에는, 웨이퍼(3)의 온도를 변화시켜도 무방하다. 그 외에, 산소 가스와 프레온 가스의 혼합비를 변화시켜도 무방하다.
또한, 불순물 도핑에 플라즈마 도핑 방법을 사용할 때에는, 플라즈마 챔버를 복수 설치한 소위 멀티 챔버의 장치 내에서 도핑과 애싱의 공정을 종료하는 것도 가능하고, 편의상 다른 장치로서 배치되지만, 연속적인 공정을 행하는 장치군으로 하여 일련의 불순물 도핑 공정을 실시하는 것도 가능하다.
(제2 실시예)
헬륨 가스 플라즈마를 이용하여, 실리콘 기판(109)의 표면의 결정층을 비정질화했다.
도 6에, 본 발명의 제2 실시예에서 이용한 플라즈마 도핑 장치의 플라즈마 도핑실의 단면도를 나타낸다. 도 6에서, 진공 용기(101) 내에, 가스 공급 장치(102)로부터 소정의 가스를 도입하면서, 배기 장치로서의 터보 분자 펌프(103)에 의해 배기를 행하고, 조압 밸브(104)에 의해 진공 용기(101) 내를 소정의 압력으로 유지할 수 있다. 고주파 전원(105)에 의해 13.56MHz의 고주파 전력을 시료 전극(106)에 대향하는 유전체 창(107)의 근방에 설치된 코일(108)에 공급함으로써, 진공 용기(101) 내에 유도 결합형 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 시료 전극(106) 상에, 시료로서의 실리콘 기판(109)을 올려놓는다. 또한, 시료 전극(106)에 고주파 전력을 공급하기 위한 고주파 전원(110)이 설치되어 있고, 이것은, 시료로서의 기 판(109)이 플라즈마에 대하여 음(-)의 전위를 가지도록, 시료 전극(106)의 전위를 제어하는 전압원으로서 기능한다. 이와 같이 하여, 플라즈마 중의 이온을 시료의 표면을 향해 가속하여 충돌시켜 시료의 표면을 비정질화하거나, 불순물을 도입할 수 있다. 또한, 가스 공급 장치(102)로부터 공급된 가스는, 배기구(111)로부터 펌프(103)로 배기된다. 터보 분자 펌프(103) 및 배기구(111)는, 시료 전극(106)의 바로 아래에 배치되어 있고, 또한 조압 밸브(104)는 시료 전극(106)의 바로 아래이자 터보 분자 펌프(103)의 바로 위에 위치하는 승강 밸브이다. 시료 전극(106)은, 4개의 지주(112)에 의해 진공 용기(101)에 고정되어 있다.
기판(109)을 시료 전극(106)에 올려놓은 후, 시료 전극(106)의 온도를 25℃로 유지하면서, 진공 용기(101) 내를 배기구(111)로부터 배기하면서 가스 공급 장치(102)로부터 진공 용기(101) 내로 헬륨 가스를 50sccm 공급하고, 조압 밸브(104)를 제어하여 진공 용기(101) 내의 압력을 1Pa로 유지한다. 다음으로, 플라즈마원으로서의 코일(108)에 고주파 전력을 800W 공급함으로써, 진공 용기(101) 내에 플라즈마를 발생시킴과 함께, 시료 전극(106)의 기부에 200W의 고주파 전력을 공급함으로써, 실리콘 기판(109)의 표면의 결정층을 비정질화시킬 수 있었다. 헬륨 플라즈마에 노출한 시간은 7초이다. 실리콘 기판(109)의 표면에는 레지스트가 패턴화되어 부착되어 있다. 레지스트의 틈새로부터 실리콘 기판의 표면이 노출되어 있는 부분이 있다. 비정질화 한 후, 이온 주입으로 붕소를 3E14cm-2 주입했다. 레지스트의 표면에는 경화층이 있었다. 레지스트의 경화층은 애싱으로 제거했다. 그 후, 비경화 층(16a)은 습식 세정으로 제거했다. 그 후, 1070℃의 spike RAT로 활성화 처리를 행하고, 시트 저항을 측정했다.
이때, 실리콘 기판에 주입된 헬륨은 1E16cm-2였다. 레지스트 표면의 경화층은 헬륨의 플라즈마 도핑에 의한 것이라고 생각된다. 비교를 위하여, 레지스트 패턴이 부착되어 있지 않은 베타 실리콘 기판을 준비하고, 헬륨 플라즈마에 의한 비정질화와 이온 주입으로 붕소 주입을 행하고, 1070℃의 spike RAT로 활성화 처리를 행하고 시트 저항을 측정했다. 이 경우에는, 레지스트의 경화층을 애싱으로 제거한 후, 비경화층(16a)은 습식 세정으로 제거한 경우와 동등한 시트 저항이었다.
또한 비교를 위하여, 레지스트가 패턴화되어 부착되어 있는 실리콘 기판에, 헬륨 플라즈마에 의한 비정질화와 이온 주입으로 붕소 주입을 행하고, 레지스트 전체를 애싱만으로 제거한 후, 1070℃의 spike RAT로 활성화 처리를 행하고, 시트 저항을 측정했다. 이 경우에는, 레지스트의 경화층을 애싱으로 제거한 후, 비경화층(16a)을 습식 세정으로 제거한 경우보다도, 시트 저항이 커졌다. 불순물이 전기 전도에 기여하지 않게 되는 비율이 증가했다고 생각된다.
(제3 실시예)
B2H6와 He의 혼합 가스 플라즈마를 이용하여 플라즈마 도핑으로 실리콘 기판에 붕소를 주입했다.
여기서도, 본 발명의 제2 실시예에서 이용한 도 6의 플라즈마 도핑 장치의 플라즈마 도핑실을 이용한다. 도 6에 있어서, 진공 용기(101) 내에 가스 공급 장치(102)로부터 소정의 가스를 도입하면서, 배기 장치로서의 터보 분자 펌프(103)에 의해 배기를 행하고, 조압 밸브(104)에 의해 진공 용기(101) 내를 소정의 압력으로 유지할 수 있다. 고주파 전원(105)에 의해 13.56MHz의 고주파 전력을 시료 전극(106)에 대향하는 유전체 창(107)의 근방에 설치된 코일(108)에 공급함으로써, 진공 용기(101) 내에 유도 결합형 플라즈마를 발생시킬 수 있다. 시료 전극(106) 상에, 시료로서의 실리콘 기판(109)을 올려놓는다. 또한, 시료 전극(106)에 고주파 전력을 공급하기 위한 고주파 전원(110)이 설치되어 있고, 이것은, 시료로서의 기판(109)이 플라즈마에 대하여 음(-)의 전위를 가지도록, 시료 전극(106)의 전위를 제어하는 전압원으로서 기능한다. 이와 같이 하여, 플라즈마 중의 이온을 시료의 표면을 향하여 가속하여 충돌시켜 시료의 표면을 비정질화 하거나, 불순물을 도입할 수 있다. 또한, 가스 공급 장치(102)로부터 공급된 가스는, 배기구(111)로부터 펌프(103)로 배기된다. 터보 분자 펌프(103) 및 배기구(111)는, 시료 전극(106)의 바로 아래에 배치되어 있고, 또한 조압 밸브(104)는 시료 전극(106)의 바로 아래이자 터보 분자 펌프(103)의 바로 위에 위치하는 승강 밸브이다. 시료 전극(106)은, 기판(109)을 올려놓는 대략 정사각형 형상의 기부가 되고, 각 변에서 지주(112)에 의해 진공 용기(1)에 고정되며, 모두 4개의 지주(112)에 의해 진공 용기(101)에 고정되어 있다.
기판(109)을 시료 전극(106)에 올려놓은 후, 시료 전극(106)의 온도를 25℃ 로 유지하면서, 진공 용기(1) 내에 헬륨(He) 가스 및 B2H6 가스를 각각 97sccm, 3sccm 공급하고, 진공 용기(1) 내의 압력을 0.9Pa로 유지하면서 코일(108)에 고주파 전력을 1000W 공급함으로써 진공 용기(101) 내에 플라즈마를 발생시킴과 함께, 시료 전극(106)에 250W의 고주파 전력을 공급함으로써 붕소를 기판(109)의 표면 근방에 도입할 수 있었다. 가스 혼합비는, B2H6가 3%, He가 97%에 상당한다.
붕소의 실리콘 기판으로의 도즈량이 1E14cm-2이 되도록 플라즈마 도핑 시간을 조정했다. 실리콘 기판(109)의 표면에는 레지스트가 패턴화되어 부착되어 있다. 레지스트의 틈새로부터 실리콘 기판의 표면이 노출되어 있는 부분이 있다. 플라즈마 도핑 후의 레지스트의 표면에는 경화층이 있었다. 레지스트의 경화층은 애싱으로 제거했다. 그 후, 비경화층(16a)은 습식 세정으로 제거했다. 그 후, 1070℃의 spike RAT로 활성화 처리를 행하고, 시트 저항을 측정했다.
이때, 실리콘 기판에 주입된 붕소는 1E14cm-2였다. 그러나 붕소 이외에도 수소가 3E14cm-2, 헬륨이 4E15cm-2 주입되어 있었다. 레지스트 표면의 경화층은, 헬륨의 플라즈마 도핑에 의한 것이라고 생각된다. 헬륨 가스의 혼합비를 97% 이상으로 하면, 붕소과 비교하여 헬륨이 주입되는 양이 증가하므로, 더욱 레지스트 표면의 경화층이 형성되기 쉽다. 또한, 붕소를 1E14cm-2 이상 주입한 경우에도 헬륨이 붕소의 도즈량의 증가에 맞춰 증가하므로, 더욱 레지스트 표면의 경화층이 형성되기 쉽다.
비교를 위해, 레지스트 패턴이 부착되어 있지 않은 베타 실리콘 기판을 준비하고, 플라즈마 도핑에 의한 붕소의 주입을 행하고, 1070℃의 spike RAT로 활성화 처리를 행하고, 시트 저항을 측정했다. 이 경우에는, 레지스트의 경화층을 애싱으로 제거한 후, 비경화층(16a)은 습식 세정으로 제거한 경우와 동일한 시트 저항이었다.
또한, 비교를 위해, 레지스트가 패턴화되어 부착되어 있는 실리콘 기판에, 플라즈마 도핑에 의한 붕소의 주입을 행하고, 레지스트 전체를 애싱만으로 제거한 후, 1070℃의 spike RAT로 활성화 처리를 행하고, 시트 저항을 측정했다. 이 경우에는, 레지스트의 경화층을 애싱으로 제거한 후, 비경화층(16a)은 습식 세정으로 제거한 경우보다도, 시트 저항이 커졌다. 불순물이 전기 전도에 기여하지 않게 되는 비율이 증가했다고 생각된다.
본 발명을 상세하게, 또한 특정의 실시예를 참조하여 설명했으나, 본 발명의 정신과 범위를 일탈하지 않고 다양한 변경이나 수정을 가할 수 있음은 당업자에게 명확하다.
본 출원은 2005년 3월 30일 출원의 일본 특허 출원, 출원 번호 2005-099148에 기초한 것으로서, 그 내용은 여기서 참조로서 포함된다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은, 불순물 도입에 의해 변질하는 경화층과 내부의 비경화층과의 계면 및 비경화층과 반도체 기판의 계면을 검출하는 엘립소미터를 설치함으로써, 애싱 레이트를 변화시킬 수 있으므로, 팝핑을 발생시키지 않고 극히 단시간에 애싱할 수 있어 스루풋을 높인다는 효과가 있다.
또한, 플라즈마 도핑에 의해 변질하는 경화층과 내부의 비경화층을, 경화층은 애싱으로 제거하고, 비경화층은 습식 세정으로 제거함으로써, 불순물이 전기 전도에 기여하지 않게 되는 것을 방지하거나, 그 비율을 저감할 수 있다.
본 발명의 애싱 장치 및 애싱 방법, 그리고 불순물 도핑 장치군은, 불순물 도핑된 후의 레지스트의 표면 경화층과 내부의 비경화층과의 계면 및 비경화층과 반도체 기판의 계면을 감지할 수 있고, 애싱하는 스루풋을 높일 수 있으므로, 콘덴서, 바리스터, 다이오드, 트랜지스터, 코일 등의 전자 소자의 형성에 유효하다.

Claims (14)

  1. 고체 시료 표면에 형성된 포토 레지스트 재료에 포토 레지스트 재료와는 다른 물질을 도입함에 따라 형성되는 경화층과 상기 포토 레지스트의 내부의 비경화층을 제거할 때, 상기 고체 시료에 직선 편광을 입사시켜 반사되는 타원 편광을 검출하여, 상기 경화층과 비경화층의 계면 및 상기 비경화층과 상기 고체 시료와의 계면을 검출하는 기구를 구비한 애싱 장치.
  2. 반도체 기판에 형성되어, 불순물 도핑된 포토 레지스트를 애싱하는 제1항에 기재된 애싱 장치로서,
    상기 레지스트에 형성된 표면의 경화층과 내부의 비경화층을 플라즈마 애싱할 때, 상기 반도체 기판에 직선 편광을 입사시켜 반사되는 타원 편광을 검출하여, 상기 경화층과 비경화층의 계면 및 상기 비경화층과 반도체 기판의 계면을 검출하는 기구를 구비한 애싱 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 불순물 도핑은 플라즈마 도핑 기구로 실행되는 애싱 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 불순물 도핑은 플라즈마를 조사함으로써 실리콘 기판의 표면을 비정질 화하는 애싱 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 불순물 도핑은 헬륨 플라즈마를 조사함으로써 실리콘 기판의 표면을 비정질화하는 애싱 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 검출하는 기구는 엘립소미터(ellipsometer)인 애싱 장치.
  7. 기체(基體) 표면에 불순물 도핑을 행하는 플라즈마 도핑 장치와, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 애싱 장치를 구비하고, 플라즈마 도핑과, 플라즈마 도핑 공정의 후처리로서 애싱을 연속적으로 행하는 불순물 도핑 장치.
  8. 제6항 또는 제7항에 기재된 엘립소미터를 사용하여, 상기 반사되는 타원 편광을 검출하고 상기 경화층과 비경화층의 광 정수와 두께를 검출하는 것을 특징으로 하는 엘립소미터의 해석 방법을 이용한 애싱 방법.
  9. 제1항 내지 제6항에 있어서,
    검출된 경화층과 비경화층의 계면 및 상기 비경화층과 반도체 기판의 계면, 혹은 제8항에 기재된 방법으로 검출된 경화층과 비경화층의 광 정수와 두께에 맞추 어 애싱 공정을 제어하는 피드백 제어 기구를 구비한 애싱 장치.
  10. 검출된 경화층과 비경화층의 계면 및 상기 비경화층과 반도체 기판의 계면, 혹은 제8항에 기재한 방법으로 검출된 경화층과 비경화층의 광 정수와 두께에 맞추어, 애싱 공정을 제어하는 제7항에 기재된 플라즈마 도핑 공정의 후처리로서 애싱하는 것을 의도한 애싱 장치 및 플라즈마 도핑과 애싱을 연속적으로 행할 수 있는 불순물 도핑 장치군.
  11. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 애싱 장치를 이용하여 실행되고,
    반도체 기판에 형성되며, 플라즈마 도핑된 포토 레지스트를 제거하는 공정으로서, 상기 레지스트에 형성된 표면의 경화층의 제거는 애싱으로 행하고, 내부의 비경화층의 제거는 습식 세정으로 행하는 반도체 소자의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 플라즈마 도핑은 붕소를 포함하는 플라즈마를 이용하도록 한 반도체 소자의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 플라즈마 도핑은 B2H6와 He의 혼합 가스를 포함하는 플라즈마를 이용하 도록 한 반도체 소자의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 플라즈마 도핑은 B2H6와 He의 혼합 가스의 비율이 B2H6가 3% 이하, He가 97% 이상인 가스를 포함하는 플라즈마를 이용하고, 붕소의 실리콘 기판으로의 도즈량이 1E14cm-2 이상인 반도체 소자의 제조 방법.
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