TWI497235B - 於基於氫氣之化學物中的高劑量植入剝離法 - Google Patents

Description

於基於氫氣之化學物中的高劑量植入剝離法

本發明係關於移除或剝離光阻劑材料之方法及設備以及自一工件表面移除相關殘餘物。特定而言，此申請案係關於用於在離子植入或電漿輔助摻雜植入(低劑量或高劑量植入之光阻劑)之後剝離光阻劑之方法及設備。

光阻劑係一種光敏材料，其用於某些製造製程中以在處理期間在一工件(例如一半導體晶圓)上形成經圖案化塗層。在將塗佈有光阻劑之表面曝露於高能輻射圖案之後，移除一部分光阻劑以顯露出下面之表面，而該表面之剩餘部分仍受到保護。對未被覆蓋之表面及剩餘之光阻劑執行諸如蝕刻、沈積及離子植入等半導體製程。在執行一或多個半導體製程之後，在一剝離作業中將剩餘之光阻劑移除。

在離子植入期間，使摻雜劑離子(例如，硼、二氟化硼、銦、鎵、鉈、磷、砷、銻、鉍或鍺等離子)朝向一工件靶標加速。該等離子植入在該工件之曝露區以及剩餘之光阻劑表面中。該製程可形成阱區(源極/汲極)及輕摻雜汲極(LDD)及雙擴散汲極(DDD)區。該離子植入用植入物質浸漬光阻劑並耗盡表面上之氫。光阻劑外層或硬殼形成可比下伏體光阻劑層厚許多之碳化層。此兩個層具有不同之熱膨脹率且以不同之速率對剝離製程作出反應。

在後高劑量離子植入光阻劑中，外部層與體層之間的不同相當明顯。在高劑量植入中，離子劑量可大於1x10¹⁵ 離子/平方釐米，且能量可為自10千電子伏至大於100千電子伏。傳統之高劑量植入剝離(HDIS)製程採用氧化學物，其中遠離處理室形成單原子氧電漿且然後將其引導至工件表面處。反應性氧與光阻劑組合以形成氣態副產物，該副產物用一真空幫浦來移除。對於HDIS，需要額外之氣體來移除含氧之已植入摻雜劑。

主要之HDIS考量因素包含剝離速率、殘餘物量及所曝露及下伏薄膜層之薄膜損失。HDIS及剝離之後通常會在基板表面上發現殘餘物。該等殘餘物可因高能植入期間之濺射、硬殼之不完全移除及/或光阻劑中植入原子之氧化而產生。在剝離之後，該表面上應沒有殘餘物或大致沒有殘餘物，以確保高產量且不再需要額外之殘餘物移除處理。可藉由過度剝離來移除殘餘物，亦即，在超過移除全部光阻劑所需標稱點之後繼續進行該剝離製程。遺憾地，在習用HDIS作業中，過度剝離有時亦會移除某些下伏功能裝置結構。在裝置層處，即使自晶體管源極/汲極區之極少矽損失亦會對裝置性能及產量(尤其對以<32奈米或其以下之設計規則而製造之超淺結裝置)產生不利影響。

因此，需要改進用於剝離光阻劑及與離子植入相關之殘餘物之方法及設備(對於HDIS尤其如此)，從而可在維持可接受之剝離速率之同時使矽損失最小化且留下極少或不留下殘餘物。

本發明藉由提供用於自一工件表面剝離光阻劑並移除與離子植入相關之殘餘物之經改進方法及設備來解決前述需要。使用元素氫、一弱氧化劑及一含氟氣體產生電漿。在某些實施例中，將一惰性氣體引入至處於電漿源下游及一噴淋頭上游之電漿，從而引導氣體進入反應室中。與該惰性氣體一起流動之由電漿活化之氣體與高劑量植入光阻劑反應，從而將硬殼層及體光阻劑層兩者移除，且以低矽損失使工件表面大致沒有殘餘物。

在本發明一個態樣中，其方法涉及根據以下作業在一處理室中自一工件移除材料：向一電漿源中引入一包括元素氫之氣體、一弱氧化劑及一含氟氣體；自引入至該電漿源中之該氣體產生一電漿；及在該電漿源下游及該工件上游引入一惰性氣體。該由電漿活化之氣體朝向一工件行進，且與反應室中之一噴淋頭上游之惰性氣體組合。該電漿中之帶電物質可在其接觸該噴淋頭時放電或部分放電。

包括元素氫、該弱氧化劑及該含氟氣體之由電漿活化之氣體與惰性氣體一起流動至工件並與來自該工件之材料反應。弱氧化劑之實例包含二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮、氧化氮、水、過氧化氫或該等氣體之組合。該弱氧化劑較佳地為二氧化碳。該含氟氣體可係四氟化碳、包含氫氟碳化合物之其他碳氟化合物、元素氟、三氟化氮、六氟化硫、該等氣體之組合等等。該含氟氣體較佳地為四氟化碳。該惰性氣體可係氬、氦、氮、該等氣體之組合等等。較佳惰性氣體為氬。引入至該電漿源中之氣體可預先混合或不預先混合，且可包含體積約為1%至99%或約0.1%至約10%或約3%至5%之弱氧化劑。該惰性氣體可以元素氫之體積流速之約0.15倍及10倍或約2倍之體積流速引入。在該工件處，該氣體可包含體積至多約佔1%之弱氧化劑物質及體積約佔0.1%至0.5%之含氟氣體物質。

在某些實施例中，自該工件表面移除之材料係高劑量植入光阻劑。該工件可係一300毫米之晶圓。可使用約300瓦與約10千瓦之間的RF功率遠程地產生電漿。該工件在接觸到氣體時溫度可為約160至500攝氏度。處理壓力可在約300毫托與2毫托之間。

根據各種實施例，以一至少約100奈米/分鐘之速率自工件表面移除一高劑量植入光阻劑，且以一不大於約4奈米/分鐘之總速率自工件表面移除矽。移除後所得工件大致沒有高劑量植入光阻劑，且約有小於3埃之矽自一下伏矽層損失掉。

本發明另一態樣係關於在一反應室中自一工件表面移除高劑量植入之光阻劑之多步驟方法。該等方法包含藉由以下步驟移除該材料之第一部分：以一第一總流速向一電漿源中引入一包括元素氫、一弱氧化劑(且含氟氣體可有可無)之第一氣體；自引入至該電漿源中之該第一氣體產生一第一電漿；在該電漿源下游及該工件上游引入一第一惰性氣體；及使來自該工件之該材料之一第一部分與該混合物發生反應。該等方法還包含藉由以下步驟移除該材料之一第二部分：以一第二總流速向一電漿源中引入一包括氫與一弱氧化劑(且含氟氣體可有可無)之第二氣體；自引入至該電漿源中之該第二氣體產生一第二電漿；在該電漿源下游及該工件上游引入一第二惰性氣體；及使來自該工件之該材料之一第二部分發生反應。該第一與第二氣體組成係不同。在某些實施例中，該第一或該第二氣體中之至少一者包含一含氟氣體。在某些實施例中，工件在移除製程結束時大致沒有殘餘物且已有約小於3埃之矽自一下伏矽層損失掉。該移除一第二部分之作業可在移除該第一部分之作業之前發生。在某些實施例中，將該等移除作業中之一者或多者重複一次或多次。該等移除作業可在反應室中之同一或不同反應站中發生。

在又一態樣中，本發明係關於一種用於自一工件表面移除材料之設備，該設備包括一反應室及一控制器。該反應室包含：一電漿源；一用於向該電漿源中引入一包括元素氫之氣體混合物之氣體入口；一用於在該電漿源下游及該工件上游引入一惰性氣體之氣體入口；一定位於該氣體入口下游之噴淋頭；及一位於該噴淋頭下游之工件支撐件。該工件支撐件包含一底座及用來控制支撐於該工件支撐件上之一工件之溫度的溫度控制機構。該控制器經構形以執行一指令集，其包含執行以下作業之指令：向一電漿源中引入一包括氫、一弱氧化劑及一含氟氣體之氣體；自引入至該電漿源中之該氣體產生一電漿；在該電漿源下游及該工件上游引入一惰性氣體；及視情況使用不同流速及氣體組成重複該等引入一氣體、產生一電漿及引入一惰性氣體之指令。根據本發明方法及設備所使用之電漿源可係若干種習用電漿源中之任一種。例如，可使用一RFICP源。

根據本發明方法及設備所使用之處理室可係任何適當之處理室。該處理室可係一多室設備中之一個室，或者其可係一單室設備之一部分。在某些實施例中，該反應室包含複數個站，其中至少一個站包含一電漿源、複數個氣體入口、一噴淋頭及一工件支撐件。

下文將參照附圖更詳細闡述本發明之該等及其他特徵及優點。

簡介

在以下對本發明之詳細說明中，闡述了衆多具體實施例以提供對本發明之透徹理解。然而，熟悉此項技術者應明瞭，可不以該等具體細節或藉由使用替代元件或製程來實踐本發明。在其他實例中，並未詳細地闡述衆所周知之製程、程序及組件，以免不必要地模糊本發明各態樣。

在此申請案中，術語"工件"、"半導體晶圓"、"晶圓"及"部分製造之積體電路"將互換地使用。熟悉此項技術者將瞭解，術語"部分製造之積體電路"可係指代在其上之積體電路製造中諸多階段中之任一階段期間之矽晶圓。以下詳細說明假定本發明實施於一晶圓上。然而，本發明並不限於此。該工件可呈各種形狀、大小，且可由各種材料製成。除半導體晶圓外，可利用本發明之其他工件包含諸如顯示器、印刷電路板等各種物件。

如先前所提及，本發明之方法及設備可用於在高劑量離子植入後有效且高效地移除光阻劑材料。本發明並不限於高劑量植入剝離(HDIS)。本發明亦不限於所植入之任何特定種類之摻雜劑。例如，所闡述之方法及設備可高效地與中等或低劑量植入之後之剝離一起使用。雖然已論述諸如硼、砷及磷等具體摻雜劑離子，但所闡述之方法及設備可高效地用於剝離以諸如氮、氧、碳、鍺及鋁等其他摻雜劑浸漬之光阻劑。

在2007年2月27日提出申請之名稱為"使用下游氣體混合之增強型低K薄膜剝離(Enhanced Stripping of Low-K Films Using Downstream Gas Mixing)"之美國專利申請案第11/712,253號及在2004年12月13日提出申請且名稱為"使用下游氣體混合之增強型低K薄膜剝離(Enhanced Stripping of Low-K Films Using Downstream Gas Mixing)"作為美國專利第7,202,176號而發佈之美國專利申請案第11/011,273號中論述及揭示用於光阻劑剝離之各種方法及設備，該等申請案之整體揭示內容出於各種目的以引用方式併入本文中。

本發明方法及設備使用產生自含氫氣體之電漿。該等氣體還含有一弱氧化劑及一含氟氣體。熟悉此項技術者將認識到，實際存在於電漿中之物質可係衍生自氫、弱氧化劑及含氟氣體之不同離子、自由基及分子之混合物。應注意，反應室中還可存在其他物質，例如，小碳氫化合物、二氧化碳、水蒸氣及電漿與其反應並分解有機光阻劑及其他殘餘物之其他揮發性組份。熟悉此項技術者還將認識到，引入至電漿中之一初始氣體或多初始氣體通常與電漿中存在之一氣體或多氣體以及在剝離期間接觸工件表面之一氣體或多氣體不同。

圖1係一根據所主張發明之某些實施例之設備100之示意性圖解說明。設備100具有一電漿源101及一處理室103，二者由一噴淋頭組合件105隔開。電漿源101連接至氣體入口111。噴淋頭109形成噴淋頭組合件105之底部。惰性氣體入口113位於電漿源101下游及晶圓123與噴淋頭109上游。在處理室103內部，一具有光阻劑/幹蝕刻副產物材料之晶圓123擱置於一壓板(或平臺)117上。壓板117可配備有一溫度控制機構，該溫度控制機構可在必要時加熱或冷卻該壓板上之一晶圓。在某些實施例中，壓板117還經構形以用於向晶圓123施加一偏壓。經由真空幫浦及導管119，在反應室103中達到低壓。

在作業中，經由氣體入口111將一氣體引入至電漿源101。引入至電漿源之氣體含有化學活性物質，該化學活性物質將在電漿源中被離子化以形成一電漿。氣體入口111可係任何類型之氣體入口且可包含多個埠口或噴口。電漿源101係產生引入至該源之氣體中之活性物質以形成一電漿之地方。在圖1中，顯示一RF電漿源具有感應線圈115，該感應線圈經激勵以形成電漿。經由氣體入口113向噴淋頭上游及電漿源下游引入一惰性氣體。該惰性氣體與電漿混合。氣體入口113可係任何類型之氣體入口，且可包含多個埠口或噴口以最佳化惰性氣體與電漿之混合。噴淋頭109引導電漿/惰性氣體混合物經由噴淋頭孔121進入至處理室103中。可存在任何數目及任何佈置之噴淋頭孔121以使處理室103中之電漿/氣體混合物之均勻度最大化。噴淋頭組合件105可電接地或可施加有一電壓，其可捕獲及釋放某些離子且藉此改變流入至處理室103中之氣體之組成：亦即，該氣體將含有一增大之中性物質比例。如文中提及，可對晶圓123進行溫度控制且/或可對其施加一RF偏壓。該電漿/惰性氣體混合物自晶圓移除光阻劑/蝕刻副產物材料。

在所主張發明之某些實施例中，該設備不包含噴淋頭組合件105及噴淋頭109。在該等實施例中，惰性氣體入口113將惰性氣體直接引入至處理室中，惰性氣體在該處理室中晶圓115上游與電漿混合。可使用各種構形及幾何結構之電漿源101及感應線圈115。例如，感應線圈115可呈一交錯圖案環繞在電漿源101周圍。在另一實例中，電漿源101可呈一圓頂形狀而非一圓柱形狀。

適當之電漿設備包含由加利福尼亞州(CA)聖何塞市(San Jose)諾發系統股份有限公司(Novellus Systems,Inc.)所供應之伽瑪(Gamma)2100、2130、I² CP(交錯感應耦合電漿)、G400及GxT。其他設備包含來自馬裏蘭州(Maryland)羅克維爾市(Rockville)亞舍立科技股份有限公司(Axcelis Technologies Inc.)之熔合線(Fusion line)、來自韓國PSK科技股份有限公司(PSK Tech Inc.)之TERA21以及來自加利福尼亞州(CA)弗裏蒙特市(Fremont)馬特森科技股份有限公司(Mattson Technology Inc.)之阿斯朋工具(Aspen tool)。

圖2A至2D繪示離子植入及剝離作業之前及之後半導體製造之各個階段。圖2A顯示一塗佈有光阻劑材料203之半導體基板201。基板201可包含一或多個沈積薄膜層，例如，氧化物薄膜、矽化物觸點及/或多晶矽薄膜，或者其可係裸露之矽基板，包含(例如)一絕緣體上矽型基板。最初，光阻劑材料塗佈整個基板表面。然後將光阻劑曝露於藉由一遮罩產生之經圖案化輻射並將其顯影以移除一部分材料，例如圖2A所示位於剩餘光阻劑材料203之間的開口204。

然後曝露基板以進行一離子植入製程。在離子植入期間，向工件或晶圓表面植入摻雜劑離子。該製程可係(例如)一電漿浸漬式離子植入(PIII)或離子束植入。該等離子轟擊基板表面，包含經曝露矽層201及光阻劑203。借助高能離子植入，可將少量之下伏材料207濺射至光阻劑側壁。參見圖2B。此材料可包含植入物質、電漿或離子束中之其他材料及植入副產物之一部分。其包含矽、鋁、碳、氟、鈦、諸如鈷之其他觸點材料及元素與化合物兩種形式之氧。實際之物質相依於離子植入前之基板、光阻劑及所植入物質之組成。

在經曝露矽層201處，形成一經摻雜區209。該轟擊之離子能或強度確定該經摻雜區之深度或厚度。離子流之密度確定摻雜程度。

該等離子還浸漬光阻劑表面，從而形成一硬殼層205。硬殼層205可係經碳化高交聯聚合物鏈。該硬殼通常被耗盡氫且以植入物質浸漬。硬殼層205比體光阻劑層203更密實。相對密度相依於離子流，而硬殼層之厚度則相依於離子能。

此硬殼層205比其下方之體光阻劑203更難剝離。硬殼層之移除速率可比下伏體光阻劑慢50%或75%。該體光阻劑含有相對高位準之化學鍵結氮及其一部分原始澆注溶劑。在晶圓溫度升高(例如，150℃以上至200℃以上)時，該體光阻劑可放氣並相對於硬殼層膨脹。當下伏體光阻劑增大硬殼下之壓力時，整個光阻劑會因此"爆裂"。光阻劑爆裂係粒子及製程缺陷之一原因，此乃因其殘餘物尤其難以自晶圓表面及室內部零件清洗掉。由於高劑量離子植入，硬殼層與下伏體光阻劑層之間的密度差變得更大。該硬殼亦可變得更厚。

圖2C顯示在無法完全移除光阻劑205及側壁濺射殘餘物207之剝離之後之基板。側壁濺射殘餘物207可包含在習用剝離化學過程下不形成一揮發性化合物之粒子。該等粒子在一習用剝離作業後仍會存在。該殘餘物還可包含用習用剝離化學過程中所使用之反應性氧形成之植入物質之氧化物，例如氧化硼及氧化砷。硬殼205之若干部分亦可存留在基板上。光阻劑通孔底部之硬殼側壁及拐角可因其幾何結構而難以剝離。

該等殘餘物粒子可藉由在某些情況下進行過度剝離、使用氟化化學物或對晶圓進行濕清洗來移除。已發現過度剝離在習用氧化學過程中可導致不期望之矽氧化而仍不能移除氧化硼及氧化砷殘餘物(若存在)。使用根據本發明產生之電漿中之氟化化合物可產生氟自由基，該等氟自由基可形成揮發性氟化硼及氟化砷。這樣有助於移除殘餘物，但遺憾地亦可同時自基板移除下伏矽及氧化矽。使用根據本發明實施例之特定剝離氟化化學物可減輕此問題。

矽損失隨光阻劑厚度、硬殼厚度及過度剝離百分比而變化。用於移除較厚光阻劑之更長時間且更具侵蝕性之剝離亦可移除更多矽。對於具有較厚硬殼之光阻劑而言，硬殼層與體光阻劑層之間的差別更為明顯。較厚之硬殼側壁及拐角更難以剝離。因此，經設計以移除厚硬殼之剝離製程往往亦會移除更多矽。除殘餘物移除外，過度剝離還可用於解決光阻劑均勻度及幾何結構問題。過度剝離係在超過移除全部光阻劑所標稱需要之點之後繼續進行之剝離製程。若晶圓之某些區域而非其他區域中之光阻劑已被完全移除，則繼續進行剝離製程將導致將額外之材料(通常為矽及氧化矽)自已經剝離之區域移除。通常過度剝離約為100%。

圖2D顯示在所有殘餘物皆已被移除後之基板。較佳地，在沒有額外矽損失及氧化且延遲最小之情況下移除殘餘物。更較佳地，剝離製程不留下任何殘餘物且因此減少了製程步驟之數目。

本發明所揭示製程及設備使用一具有弱氧化劑及含氟氣體之基於氫之電漿化學物以達成一矽損失最小且大致沒有殘餘物之剝離製程。認為矽損失已減小，此乃因電漿中之氟自由基與處理氣體中之氫組合以形成氟化氫(HF)，而非以氟自由基形式繼續存在並蝕刻下伏矽。基於一SEM檢查或一缺陷檢查工具(例如來自加利福尼亞(CA)密耳派塔斯(Milpitas)之KLA騰塞爾(KLA-Tencor)之缺陷檢查工具)已證明：電漿中二氧化碳及四氟化碳之組合剝離掉該後高劑量植入光阻劑並使基板沒有殘餘物或大致沒有殘餘物。此可以最小程度之過度剝離來完成(例如，小於約100%過度剝離)。根據各個實施例，當一缺陷檢查工具偵測到約小於3%之晶粒被檢查出具有聚合物缺陷時，可指示一大致沒有殘餘物之情況。

可接受之最小矽損失可為約3埃或更少，較佳地小於約1埃。裝置需求推動了此最小矽損失，而與可影響矽損失之光阻劑厚度以及其他因數無關。為減少量測錯誤，通常藉由在使用一電子顯微鏡(例如透射電子顯微鏡)量測裝置結構上之矽損失之前先在同一剝離製程中對晶圓進行若干次(例如5次)處理來量測矽損失。可使用如此獲得之平均矽損失來比較各種製程。

製程參數 上游入口氣體

向電漿源引入一通常包括元素氫之含氫氣體。引入至電漿源之氣體通常含有化學活性物質，該化學活性物質將在電漿源中被離子化以形成一電漿。引入至電漿源之氣體包含一諸如四氟化碳之含氟氣體、包含C₂ F₆ 及氫氟碳化合物之其他碳氟化合物、元素氟、三氟化氮、六氟化硫。在某些實施例中，該含氟氣體為四氟化碳。在某些具體實施例中，引入至電漿源之氣體包括體積佔約0.1%至約3%之間的四氟化碳。引入至電漿源之氣體可包含一弱氧化劑，例如，二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮、氧化氮及/或水。在某些實施例中，該弱氧化劑為二氧化碳。

根據各種實施例，該入口氣體可包含約1與99之間的體積百分比、約80與99.9之間的體積百分比或約95體積百分比之分子氫、約0與99之間的體積百分比或0與10之間的體積百分比之弱氧化劑及約0.1與10之間的體積百分比之一或多種含氟化合物。在某些實施例中，該入口氣體可包含約95至99之間的體積百分比之分子氫、約0.1與3之間的體積百分比之弱氧化劑及約0.1與1之間的體積百分比之一或多種含氟化合物。在具體實施例中，引入至電漿源之氣體包括約95%至99%之元素氫、約1-3%之二氧化碳及約1%或更少之四氟化碳，所有該等氣體比例均按體積計。

引入至電漿源之氣體可被預先混合、部分混合或可不混合。個別氣體源可在被引入至電漿源之前先流入至一混合通風室中。在其他實施例中，該等不同氣體可單獨地進入電漿源。引入至電漿源之氣體在用於一多站室中之不同反應站時可具有不同之組成。例如，在6站室中，站1或站6可採用具有相對較高含氟氣體量之處理氣體來分別移除硬殼或殘餘物。其他站中之一者或多者可採用具有極少或不具有含氟氣體之處理氣體。亦可使用不具有二氧化碳或弱氧化劑之處理氣體。

使用具有弱氧化劑之基於氫之電漿來剝離光阻劑及蝕刻材料之方法揭示於美國專利第7,288,484號中，其整體內容出於所有目的以引用方式併入本文中。

電漿產生

可使用根據本發明之各種類型之電漿源，包含RF、DC及基於微波之電漿源。在一較佳實施例中，使用一下游RF電漿源。通常，用於一300毫米之晶圓之RF電漿功率處於約300瓦至約10千瓦範圍內。在某些實施例中，RF電漿功率處於約1000瓦與2000瓦之間。

惰性氣體

剝離製程中可使用各種惰性氣體。如文中已解釋，在電漿源下游及噴淋頭上游引入該等氣體以供與電漿混合。在某些實施例中，該惰性氣體為氬或氦。在一具體實施例中，該惰性氣體為氬。然而，可使用任何惰性氣體，包含氮及氦。在某些實施例中，惰性氣體流速約為氫流速之0.15倍與10.0倍之間。在某些具體實施例中，惰性氣體流速約為氫流速之1倍與3倍之間或約為其2倍。

惰性氣體入口

惰性氣體入口可係各種類型之氣體入口中之任一種，且可包含多個埠口或噴口以促進與電漿混合。亦可最佳化進氣噴口之角度以便最大程度地混合。在一個實施例中，存在至少四個惰性氣體進氣噴口。在另一實施例中，存在16個進氣噴口。在某些具體實施例中，自電漿源底部量測所得之進氣噴口之角度為零度，使得惰性氣體垂直於電漿流自電漿源進入噴淋頭組合件(或者，在沒有噴淋頭組合件之情況下進入處理室)之方向被注入。零度之角度亦對應於一平行於工件面之方向。當然，亦可採用其他入口角度，雖然在諸多實施例中該等角度通常平行於工件面。

噴淋頭組合件

根據本發明各種實施例，電漿氣體經由一噴淋頭組合件而分配至工件表面。該噴淋頭組合件可接地或可施加一電壓(例如，0-1000瓦之偏壓)以吸引某些帶電物質而又不會影響中性物質流向晶圓。電漿中之諸多帶電物質在噴淋頭處重新組合。該組合件包含噴淋頭自身，該噴淋頭可係引導電漿及惰性氣體混合物進入反應室中之帶孔金屬板。該噴淋頭在一較大區域中重新分配來自電漿源之活性氫，從而允許使用較小之電漿源。可設置該噴淋頭孔之數目及佈置，以最佳化剝離速率及剝離速率均勻度。若電漿源位於晶圓上方中央，則噴淋頭中央之噴淋頭孔宜更小且更少，以將活性氣體推向外部區。該噴淋頭可具有至少100個孔。適當之噴淋頭包含可自加利福尼亞(CA)聖何塞市(San Jose)諾發系統股份有限公司(Novellus Systems,Inc.)購得之伽瑪(Gamma)xPR噴淋頭或GxT落入式噴淋頭。

在其中不存在噴淋頭組合件之實施例中，電漿與惰性氣體混合物直接進入處理室。

處理室

該處理室可係用於正在執行之剝離作業之任何適當反應室。其可係一多室設備中之一個室，或其可僅為一單室設備。該室亦可包含於其中之同時處理不同晶圓之多個站。該處理室可係其中發生植入、蝕刻或其他以光阻劑為媒介之製程之同一室。在其他實施例中，保留一單獨室用於剝離。處理室壓力可處於自約300毫托至2托之間的範圍內。在某些實施例中，該壓力處於自約0.9托至1.1托範圍內。

該處理室包含在其上執行剝離作業之一或多個處理站。在某些實施例中，該一或多個處理站包含一預熱站、至少一個剝離站及一過灰化站。圖1及相關聯文字揭示處理室及處理站之各種特徵。該晶圓支撐件經構形以在處理期間支撐晶圓。該晶圓支撐件還可在處理期間向晶圓及自晶圓傳遞熱量以按需要調節晶圓溫度。在某些實施例中，該晶圓被支撐在複數個最小觸點上且不物理地接觸該晶圓支撐件表面平面。一心軸拾起該晶圓並將該晶圓自一個站轉移至另一站。

適當之電漿室及系統包含由加利福尼亞州(CA)聖何塞市(San Jose)諾發系統股份有限公司(Novellus Systems,Inc.)所供應之伽瑪(Gamma)2100、2130、I² CP(交錯感應耦合電漿)、G400及GxT。其他系統包含來自馬裏蘭州(Maryland)羅克維爾市(Rockville)亞舍立科技股份有限公司(Axcelis Technologies Inc.)之熔合線(Fusion line)、來自韓國PSK科技股份有限公司(PSK Tech Inc.)之TERA21以及來自加利福尼亞州(CA)弗裏蒙特市(Fremont)馬特森科技股份有限公司(Mattson Technology Inc.)之阿斯朋工具(Aspen tool)。另外，可將各種剝離室構形至群集工具上。例如，可將一剝離室添加至可自加利福尼亞(CA)聖塔克拉拉(Santa Clara)之應用材料公司(Applied Materials)購得之森土拉(Centura)群集工具。

工件

在較佳實施例中，根據本發明方法及設備使用之工件為一半導體晶圓。可使用任何大小之晶圓。大多數現代晶圓製造設施使用200毫米或300毫米之晶圓。如上文所揭示，本文所揭示之製程及設備在一諸如蝕刻、離子植入或沈積等處理作業後剝離光阻劑。本發明適用於具有極小特徵或臨界尺寸(例如，100奈米以下、65奈米或者45奈米或小於45奈米)之晶圓。所揭示之HDIS之低矽損失特徵尤其適用於高級邏輯裝置之極淺結。本發明亦特別適用於經歷生產線前端(FEOL)離子植入(尤其係高劑量離子植入)之晶圓。

該由電漿活化之物質與晶圓上之光阻劑及濺射殘餘物反應。在晶圓處，反應性氣體可包含若干由電漿活化之物質、惰性氣體、自由基、帶電物質及氣體副產物。各種氫物質之體積濃度可約為晶圓處氣體之20-80%。各種氟物質之體積濃度可為0.01%至約2%或小於1%。弱氧化劑中之各種物質之體積濃度可為0.05至約5%或約1.2%。該等物質可包含H₂ ^* 、H₂ ⁺ 、H⁺ 、H*、e^- 、OH、O*、CO、CO₂ 、H₂ O、HF、F^* 、F^- 、CF、CF₂ 及CF₃ 。

製程條件可端視晶圓大小而不同。在本發明某些實施例中，需要在向工件表面塗施電漿時使工件保持在一特定溫度下。晶圓溫度可處於約110攝氏度與約500攝氏度之間的範圍內。為減小如上文所述之光阻劑爆裂之可能性，較佳地緩慢增加晶圓溫度直至已移除足夠之硬殼且光阻劑爆裂不再成為一問題為止。初始站溫度可為約110攝氏度至約200攝氏度，例如，約180攝氏度。隨後之站可在良好之剝離速率下成功地使用諸如285攝氏度及約350攝氏度之較高溫度。

製程流程

圖3係一顯示根據本發明某些實施例之各種作業之製程流程圖。一晶圓定位於反應室中之一晶圓支撐件上。在作業301處，向一電漿源引入一含氫氣體。在作業303中自該氣體產生一電漿。隨著更多氣體添加至該電漿源，該電漿向下游流動並與在作業305處引入之一惰性氣體混合。電漿中之某些帶電物質可組合以形成中性而活化之物質。該活化物質與惰性氣體一起流經一噴淋頭面板並在作業307處與一晶圓表面上之光阻劑反應。該反應產生揮發性副產物，該等副產物可在作業309處用一真空幫浦在處理區域附近移除。可使用不同製程參數將該製程重複一次或多次。例如，可在該製程之疊代期間加熱或冷卻該晶圓。在另一實例中，可使用不同之初始含氫氣體與惰性氣體組成及流速。較佳地，該等疊代中之至少一者涉及包含元素氫、二氧化碳及四氟化碳之基於氫之氣體。該等疊代中之一者或多者可涉及不包含二氧化碳或四氟化碳之含氫氣體。

根據各種實施例，該等各種疊代可經設計以針對不同部分之光阻劑，例如，具有一如上論述之硬殼及體光阻劑區之後高劑量植入光阻劑。第一剝離站中之第一剝離疊代可經設計以剝離硬殼層。該第一剝離疊代可涉及使用元素氫、二氧化碳(或另一弱氧化劑)(且四氟化碳(或另一含氟氣體)可有可無)產生一電漿來特別地剝離該硬殼層。當硬殼層足夠薄或已完全移除時，一第二剝離疊代通常可在一較高晶圓溫度下剝離體光阻劑連同殘餘物以及剩餘硬殼層。該第二剝離製程可在不同於該第一剝離製程之處理站中執行。該第二剝離製程可採用不使用弱氧化劑或含氟氣體或兩者均不使用而產生之電漿。在移除體光阻劑之後，採用不同氣體組成之又一剝離製程可經設計以剝離殘餘物(若存在)。此殘餘物剝離製程可採用一含氟氣體來移除任何經氧化植入物質。上文所描述之剝離疊代可以任何次序或頻率來執行，此可端視於處理站數目及待剝離之光阻劑之組成而定。熟悉此項技術者將能夠調整本文所論述之概念以剝離對剝離化學物有較低或較高抗耐性之較厚或較薄硬殼。此外，本文所論述之概念可適用於其他情況：藉由針對不同光阻劑層使用不同剝離化學物來剝離具有不同特性之多於一個光阻劑層。

實例1

在此實例中，研究二氧化碳及四氟化碳對殘餘物之影響。用45奈米之結構來圖案化300毫米大小之晶圓並用P+區中之LDD(輕摻雜汲極)對其進行離子植入。所得之後高劑量植入之光阻劑約為2000埃厚，且帶有一約630埃厚之硬殼。

在具有5個電漿站之剝離室中剝離晶圓。該電漿在2000瓦之RF功率下產生。將該等晶圓在每一站處曝露於由電漿活化之反應性氣體達約20秒，且總共曝露達97秒。晶圓支撐件之溫度為350攝氏度。室壓力為900毫托。氫流速為6slm(標準狀態升每分鐘)，且下游氬流速為14slm。二氧化碳流速在0與150sccm(標準狀態立方釐米每分鐘)之間不等。四氟化碳流速在20與40sccm之間不等。注意，該等流速係具有5個電漿站之整個室之總流速。每一站接收該總流速之約1/5。

圖4A至4D繪示用各種由電漿活化之反應性氣體剝離之前及之後之晶圓之SEM照片。圖4A繪示剝離之前之晶圓之一小部分。結構401為後高劑量植入光阻劑。墊405在其上在圖案化製程期間移除光阻劑的地方包含結構403。因此HDIS製程移除結構401。

在如圖4B中所繪示之第一晶圓中，20sccm之四氟化碳及150sccm之二氧化碳添加至氫以形成電漿。在該製程後，留下蟲狀殘餘物407。在如圖4C中所繪示之第二晶圓中，40sccm之四氟化碳及150sccm之二氧化碳添加至氫以形成電漿。此剝離不產生任何殘餘物，如圖4C中所示。在如圖4D中所繪示之又一晶圓中，40sccm之四氟化碳添加至氫且不添加二氧化碳以形成電漿。再次觀察到所形成之蟲狀殘餘物407。此結果顯示，將二氧化碳與四氟化碳一起添加可在基於氫之HDIS中產生無殘餘物薄膜。

實例2

在此實例中，獨立地檢查二氧化碳流速及四氟化碳流速對矽損失之影響。量測在與實例1相同之製程條件下將四氟化碳流速恆定保持在40sccm之情況下二氧化碳流速為0、50、100及150sccm時HDIS之矽損失。將結果繪製於圖5A中。矽損失在二氧化碳流速為150sccm時最低且在不添加二氧化碳時最高。此結果顯示，電漿中存在一些二氧化碳會減少矽損失。

還量測在與實例1相同之製程條件下將二氧化碳流速恆定保持在150sccm之情況下四氟化碳流速為0、40、60、80及100sccm時HDIS之矽損失。將結果繪製於圖5B中。矽損失在四氟化碳流速為60至80sccm時呈現峰值。

該等結果顯示，矽損失受二氧化碳及四氟化碳之流速影響。對於一特定薄膜，熟悉此項技術者將能夠設計一種使矽損失最小化並使該薄膜上無殘餘物之HDIS製程。

實例3

在另一實例中，相關於矽損失及剝離殘餘物研究在不同站處使用不同氣體組成之影響。其製程條件與實例1之製程條件相同，除晶圓支撐件溫度為250攝氏度之外。在一第一製法中，以40sccm之總流速在所有站中採用四氟化碳。在一第二製法中，以20sccm之總流速(每站10sccm)將四氟化碳僅遞送至RF站1與2。將二氧化碳流速恆定保持在150sccm。

在這兩種情況下，均在HDIS製程之後獲得無殘餘物基板。第一製法中之平均矽損失為每循環8.1，且第二製法中之平均矽損失為6.7，減少了約17%。一循環係指完整之一次通過工具，包含所有站處之處理。此結果顯示，使用不同氣體組成之順序剝離製程可減少矽損失且同時維持無殘餘物基板。

實例4

在此實例中，研究每站之短製程時間及較低四氟化碳流速之影響。在第一製法中，不添加四氟化碳且製程時間為每站20秒。在第二製法中，以10sccm之流速添加四氟化碳，其中每站有10秒之剝離製程時間。在兩種製法中，晶圓支撐件溫度均為285攝氏度。

在第一製法中，由於電漿中沒有四氟化碳，因而在剝離後發現殘餘物。每循環之平均矽損失為1.93。在第二製法中，由於四氟化碳流速減小且製程減少，該基板沒有殘餘物且具有每循環3.12之平均矽損失。雖然第一製法具有較低之矽損失，但基板在剝離後並非沒有殘餘物。此結果顯示，可使用減小之四氟化碳流速以及較短之製程時間來產生一無殘餘物基板。

實例5

在此實例中，將四氟化碳引入至不同站處之電漿源中。在第一製法中，將5sccm之四氟化碳引入至RF站1中。在第二製法中，將5sccm之四氟化碳引入至RF站3中。在第一循環後及第五循環後量測矽損失並求平均。其他製程參數與實例1之製程參數相同。

第一製法產生一無殘餘物基板。使用四氟化碳之第一循環後之矽損失為14.4。第五循環後之矽損失為18.6。每循環之平均矽損失自14.4減小至3.7。

在使用第二製法之HDIS後可在基板上觀察到少量之殘餘物。第一循環後之矽損失為6.9，其小於第一製法之矽損失。第五循環後之矽損失為10.3。每循環之平均矽損失自6.9埃減少至2.1埃。

此結果顯示使用此化學物之矽損失為自限制性反應，其中大部分矽損失在第一循環中發生。額外之處理不移除更多之矽。此可比其中總的矽損失與處理時間成比例之習用氧與氟剝離化學物更有利。在必須進行過度剝離之情況下(例如，當光阻劑厚度不均勻時)，氧化學物將導致比所揭示之氫化學物更多之矽損失。

此結果還顯示，在不使用四氟化碳之情況下，第一循環矽損失減少。熟悉此項技術者可能夠延遲四氟化碳之引入以減少總矽損失。

應注意，顯示該等具體實例之實驗結果以闡明及圖解說明本發明方法之高效性且不意指將本發明限於任何特定實施例。

100．．．設備

101．．．電漿源

103．．．處理室

105．．．噴淋頭組合件

109．．．噴淋頭

111．．．氣體入口

113．．．惰性氣體入口

115．．．感應線圈

117．．．壓板

119．．．導管

121．．．噴淋頭孔

123．．．晶圓

201．．．基板

203．．．光阻劑材料

204．．．開口

205．．．硬殼層

207．．．側壁濺射殘餘物

209．．．摻雜區

401．．．結構

403．．．結構

405．．．墊

407．．．殘餘物

圖1係一顯示根據所主張發明之某些實施例且適於實踐所主張發明之方法之設備之示意性圖解說明。

圖2A至2D繪示離子植入及剝離作業之前及之後半導體製造之各個階段。

圖3係一顯示根據本發明某些實施例之各種作業之製程流程圖。

圖4A至4D繪示在根據本發明各實施例之各種條件下剝離之光阻劑圖案在剝離前及剝離後之SEM照片。

圖5A係一使用根據本發明各實施例之各種二氧化碳流速之HDIS之矽損失曲線。

圖5B係一使用根據本發明各實施例之各種四氟化碳流速之HDIS之矽損失曲線。

(無元件符號說明)

Claims (27)

1. 一種在一反應室中自一工件表面移除材料之方法，該方法包括：將一包括分子氫、一弱氧化劑及一含氟氣體之氣體引入至一電漿源中；自該被引入至該電漿源中之氣體產生一基於氫(hydrogen-based)之電漿；及在該電漿源下游及該工件上游，引入一惰性氣體，其中該包括分子氫、該弱氧化劑及該含氟氣體之氣體與該惰性氣體一起流動至該工件，並與來自該工件之該材料反應，其中被引入至該電漿源中之該氣體包括體積在約0.1%至約10%之間之該弱氧化劑，且其中被引入至該電漿源中之該氣體包括體積在約0.1%至約3%之間之該含氟氣體。
2. 如請求項1之方法，其中該惰性氣體係選自一由氬、氦、氮及其組合組成之群組。
3. 如請求項1之方法，其中引入該惰性氣體包括在該反應室中一噴淋頭上游引入該氣體。
4. 如請求項3之方法，其中該電漿中之帶電物質在其接觸該噴淋頭時放電。
5. 如請求項1之方法，其中該弱氧化劑係選自一由二氧化碳、一氧化碳、二氧化氮、氧化氮、水、過氧化氫及其組合組成之群組。
6. 如請求項1之方法，其中該弱氧化劑為二氧化碳。
7. 如請求項1之方法，其中該含氟氣體係選自一由四氟化碳、元素氟、三氟化氮、六氟化硫、碳氟化合物、氫氟碳化合物及其組合組成之群組。
8. 如請求項1之方法，其中該含氟氣體為四氟化碳。
9. 如請求項1之方法，其中該含氟氣體為CF₄ 、C₂ F₆ 、CHF₃ 、CH₂ F₂ 、C₃ F₈ 或NF₃ 。
10. 如請求項1之方法，其中自該工件表面移除之該材料包括一高劑量植入光阻劑。
11. 如請求項1之方法，其中該惰性氣體之體積流速為該分子氫之體積流速之約0.15倍與10倍之間。
12. 如請求項1之方法，其中該惰性氣體之體積流速至少為該分子氫之體積流速之約2倍。
13. 如請求項1之方法，其中預先混合被引入至該電漿源中之該氣體。
14. 如請求項1之方法，其中該工件為一300毫米晶圓，且藉由在約300瓦與約10千瓦之間範圍內的RF功率產生該電漿。
15. 如請求項1之方法，其中該工件在接觸包括分子氫、該弱氧化劑及該含氟氣體之該氣體時之溫度在約160攝氏度與約400攝氏度之間。
16. 如請求項1之方法，其中該處理室中之壓力在約300毫托與約2托之間。
17. 如請求項1之方法，其中以一至少約100奈米/分鐘之速 率，自該工件表面移除一高劑量植入光阻劑，且以一不大於約4奈米/分鐘之總速率，自該工件表面移除矽。
18. 如請求項10之方法，其中該高劑量植入光阻劑自該工件被實質地完全移除，且其中利用基於氫之電漿自一下伏矽層移除小於約3埃之矽。
19. 一種在一反應室中自一工件表面移除高劑量植入光阻劑之方法，該方法包括：移除該材料之一第一部分，其包括：以一第一總流速，將一包括分子氫、一弱氧化劑及一含氟氣體之第一氣體引入至一電漿源中；自被引入至該電漿源中之該第一氣體產生一第一電漿；在該電漿源下游及該工件上游，引入一第一惰性氣體以形成一第一混合物；使來自該工件之該材料之一第一部分與該第一混合物發生反應；移除該材料之一第二部分，其包括：以一第二總流速，將一包括分子氫及一弱氧化劑之第二氣體引入至一電漿源中，該第二氣體組成不同於該第一氣體；自被引入至該電漿源中之該第二氣體產生一第二電漿；在該電漿源下游及該工件上游引入一第二惰性氣體，以形成一第二混合物； 使來自該工件之該材料之一第二部分與該第二混合物發生反應；其中利用基於氫之電漿自一下伏矽層移除小於約3埃之矽，且其中在該材料移除後，該工件大致沒有殘餘物。
20. 如請求項19之方法，其中該移除一第二部分作業發生在該移除一第一部分作業之前。
21. 如請求項19之方法，其中重複一次或多次該第一及/或該第二部分之該等移除作業。
22. 如請求項19之方法，其中該移除一第一部分作業及移除該第二部分作業發生在該反應室中之不同反應站中。
23. 如請求項19之方法，其中該移除一第一部分作業及移除該第二部分作業發生在該反應室中不同溫度之不同反應站中。
24. 如請求項19之方法，其中該第二氣體大致沒有任何含氟氣體。
25. 一種用於自一工件表面移除材料之設備，其包括：一反應室，其包括：一電漿源，一氣體入口，用於將一包括分子氫之氣體混合物引入至該電漿源中，一氣體入口，用於在該電漿源下游及該工件上游引入一惰性氣體，一噴淋頭，其定位於該氣體入口下游，及 一工件支撐件，其位於該噴淋頭下游，該工件支撐件包括一底座及用以控制一支撐於該工件支撐件上之工件之一溫度之溫度控制機構；及一控制器，用於執行一指令集，該指令集包括用於執行以下作業之若干指令將一包括分子氫、一弱氧化劑及一含氟氣體之氣體引入至一電漿源中，自被引入至該電漿源中之該氣體產生一電漿，及在該電漿源下游及該工件上游引入一惰性氣體。
26. 如請求項25之設備，其中該等指令進一步包括用於執行以下作業之若干指令使用不同流速來重複該等引入一氣體、產生一電漿及引入一惰性氣體指令。
27. 如請求項25之設備，其中該反應室包含多個站，每一站皆包括一電漿源、複數個氣體入口、一噴淋頭及一工件支撐件。