JPH0691048B2

JPH0691048B2 - 基板乾処理の方法および装置

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Publication number: JPH0691048B2
Application number: JP60299774A
Authority: JP
Inventors: エル・バーシンリチヤード
Original assignee: 日本真空技術株式会社; エマージエントテクノロジーズコーポレーシヨン
Priority date: 1985-05-17
Filing date: 1985-12-27
Publication date: 1994-11-14
Anticipated expiration: 2009-11-14
Also published as: JPS61265819A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は基板からデバイスを乾処理組み立てする方法
および装置に関する。特に、基板は少なくとも１つの反
応種（reactive specie）を持つが事実上電荷粒子のな
い気体プラズマの流出物（effluent）に露出されると同
時に、制御された方法で反応速度を増大させるために紫
外線で照射される。

〔従来の技術とその問題点〕

固体デバイスの組立てに気体プラズマを使用することは
先行技術で知られている。プラズマは半導体基板のエツ
チング（以下簡単に腐食と言う）に用いられるととも
に、基板からホトレジスト層をストリツプ（はぎとる）
したり除去するのに用いられる。

プラズマ処理は乾処理またはRIE（リアクテイブ・イオ
ン・エツチング−反応イオン腐食）としても知られ、化
学処理または湿処理として知られる多くの在来処理にま
さる明白な利点を持つている。湿処理は普通、基板から
ホトレジストを除去したり材料の層を腐食するために、
有毒組成を使用する。ある化学組成は慎重に使用しなけ
れば、操作者にも環境にも危険なことがある。湿腐食処
理に伴う廃棄物投棄も問題になることがある。

湿腐食は、あらゆる方向に腐食が事実上等しい速度で進
行する点で等方性であり、それによつて腐食は所望の方
向に下方にわたるだけではなく横方向にもわたるように
なる。等方性は無用のアンダーカツト作用を作り、隣接
する腐食間の距離を、しばしば受認できないほどに小さ
くする。線幅、すなわち隣接する腐食間の横方向の距離
が多くのLSIまたはVLSIデバイスの微小形状に要求され
るような極めて微小な公差内に保たなければならない場
合は、湿腐食は使用できないことがある。これらのデバ
イスの多くにおいて、線公差はしばしば腐食されている
膜の厚さに比較することができ、したがつて異方性が不
可欠である。

湿処理から生じる等方性腐食は、単一半導体基板上に置
かれる回路素子の密度が増加するにつれて一段と受け入
れられなくなる。素子密度が増加するにつれて線幅は減
少し、等方性腐食は一段と受け入れられなくなる。した
がつて、異方性すなわち直線壁腐食の必要性が増加し
た。

湿腐食に比較すると、乾腐食は線幅を規定の公差内に保
つ異方性腐食の能力を提供する。標準の乾腐食装置で
は、処理中の半導体ウエハすなわち基板は、電荷粒子お
よび比較的強い電界が存在するプラズマまたはグロー放
電領域内のプラズマ腐食室に直接置かれる。強電界領域
内に電荷粒子が存在すると、腐食処理の異方性が達成さ
れるのは、電界が帯電腐食種に方向性を与えるからであ
る。

しかし、例えば二酸化シリコンの誘電層のような、LSI
またはVLSIデバイス上の半導体層は比較的薄く、おそら
く１ミクロン程度と思われ、また電界によつて層の中に
加速中の帯電粒子からのイオン・ボンバードは、一般に
放射線損傷として知られる層の電気的異常性すなわち受
認できない損傷を生じることがある。酸化物の層の厚さ
が増加するにつれて、放射線損傷に起因するウエーハ当
たりの不良チツプ数およびチツプ歩留りの低下は受認で
きない割合まで増加する。

放射線損傷は、乾ホトレジスト・ストリツパでも同様に
問題であり、プラズマ腐食にのみ限定される問題ではな
い。また、露出した誘電層の表面に静電荷が蓄積する。
例えば、EPROMデバイスは常時、厚さわずかに100オング
ストロームの誘電酸化物層を組み込んでいる。ホトレジ
ストの乾ストリツピング中における誘電層の静電荷充電
作用は、デバイスの誘電破壊およびその結果としての不
作動性を生じることがある。

腐食中の基板がプラズマ自体から引離される乾腐食装
置、すなわち「下流」腐食装置は技術的に既知である。
しかし、放射線損傷の問題は減少されるが、標準の下流
装置は腐食が受け入れられない等方性である点において
湿腐食装置と同じ不適当性であり、その理由としては下
流装置には腐食種に何らかの方向性をも与えるどんな電
界も存在しないことがあげられる。西沢氏の米国特許第
4,233,100号は、反応気体をプラズマ状態にイオン化す
るプラズマ発生器を用いるプラズマ腐食法を開示してい
る。発生器はノズルによつて処理室に接続されてプラズ
マを、処理すべき加工品を入れてある室内に導く。

プラズマ反応器の作用に影響する光子の使用も知られて
いる。マツケンナ（Mckenna）らの米国特許第4,183,780
号は光子増強式反応イオン腐食（photon enhaced−reac
tion etching）の方法および装置を説明しており、この
場合プラズマ反応器は真空紫外線の選択された波長を発
射しかつこの放射線をプラズマに、なるべく特に基板に
おけるプラズマ処理を制御するように基板に隣接するプ
ラズマに、向ける装置を含んでいる。コール（kohl）の
米国特許第4,404,072号およびチエン（Chen）らの米国
特許第4,478,677号は腐食法に光を使用することを開示
している。

しかし、これらの記述はそれ単独でも又は組合せでも、
LSIまたはVLSIデバイスの組立てに望ましい活性種の方
向性能力と放射線損傷の減少や回避とを組み合わせると
ころの下流プラズマ反応器の方法または装置は示してい
ない。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明により、基板の表面を処理する方法および装置が
提供されている。この方法は、少なくとも１つの反応種
を持つが事実上帯電粒子のない気体に基板を露出させる
と同時に、紫外線で基板を照射する段階を含んでいる。
また基板は赤外線で照射することによつて加熱されても
よい。

〔発明の目的及効果〕

発明の好適な実施例において、基板は気体プラズマから
の流出物に露出されるが、この場合帯電粒子はプラズマ
を基板から遠隔して発生させるとともに反応室に導入す
る前に帯電粒子を再結合させたり除去ることによつてプ
ラズマが事効的に、殆ど取り除かれる。

本発明の方法を実施する好適な実施例は、少なくとも１
つの反応種を持つ気体プラズマを発生させる手段と、プ
ラズマ発生装置に作動するように接続されて、気体プラ
ズマ流出物を受け、処理すべき基板を収容し、基板をプ
ラズマ流出物に露出させる室などの手段であり、前記収
容する手段はプラズマ発生装置から十分に引き離され、
それによつてプラズマ中のどんな帯電粒子も、プラズマ
流出物が基板に達する前に消失される前記室のような手
段と、基板を紫外線で照射する手段と、を含む。また、
基板を加熱するために基板を赤外線で照射する装置も含
まれている。

本発明は、ホトレジストのストリツプ作用すなわち腐食
処理を最適にするために、プラズマ流出物、紫外線刺
激、および温度における反応化学種の型式を独自に制御
することを可能にする。普通の先行技術のプラズマ方式
では、これら３つのパラメータは複雑に組み合わされて
独自の制御すなわち最適化は不可能である。

本発明の処理は、本質的に、イオンが実質的に存在しな
いで粒子エネルギが比較的に低い場合に行われる化学処
理であるので、基板損傷を最小にするため極めてゆつく
り腐食されるべき基板上の材料の高腐食速度を達成する
ための化学的選択性が、典型的先行技術のプラズマ方式
によるのに比べてはるかに良く制御できる。また、温度
に依存することもある独特の化学的選択性は、追加的な
処理の制御をする手段を提供する。

この発明の１つの目的は、放射線損傷の有害な作用が最
小にされる乾腐食の方法および装置を提供することであ
る。

この発明のもう１つの目的は、下流装置を用いて異方性
腐食が達成できる乾腐食の方法および装置を提供するこ
とである。

この発明のもう１つの目的は、破壊腐食および放射線損
傷を最小にして半導体ウエーハからホトレジストを有効
に乾式でストリツプする方法および装置を提供すること
である。

本発明の装置および方法の上記以外の利点は下記の図面
の簡単な説明ならびに好適実施例の詳細な説明から明ら
かになると思う。

〔実施例〕

第１図は基板を処理する装置10を示す。この処理はシリ
コンやポリシリコンのような半導体その他の基板の腐
食、基板からの有機ホトレジスト層のストリツプまたは
除去、あるいは基板表面の他の同様な処理である。

装置10は処理すべき少なくとも１つの基板36を中に持つ
反応室12を含む。室12は基板を持つ任意の適当な装置で
あることができ、普通は約0.01mmHgまで下がる真空を保
ち得る密封された室である。第１図で15として示される
ポンプＰは、16として示された弁Ｖと共に、室12の排気
を制御して真空を維持する。装置の排気は下記に詳しく
説明される気体入力に無関係に制御され、それによつて
室内の圧力および気体の存在時間に関係なく流量の制御
が可能になる。圧力モニタ18は、室12の内側に保たれる
圧力または真空の表示を与える。

室12は第１図の上側として示される室12の第１の側に置
かれる厚い、真空定格の、透明融解水晶窓20を持つてい
る。下記に詳しく説明される通り、紫外線源22からの紫
外線（UV）は、窓20を通して室12の内側で処理されてい
る基板36に向けることができる。窓20は、例えば融解シ
リカのような水晶以外で紫外線を透過する任意の適当な
材料を含むことができる。室12はさらに水晶からなり、
光センサ26により、化学ルミネセンス放射をモニタさせ
るための窓24を持つ。室12はさらに、赤外線を通すフツ
化カルシウム，セレン化亜鉛，その他の材料から成り，
赤外線検出器30により基板温度のモニタをさせるための
窓28を持つ。

反応室12は、全体として34で示されているプラズマ発生
器から気体プラズマ流出物33を受ける入口32を備えてい
る。室12はさらに、例えば「ピルボツクス」気体プレニ
ウム35のような、プラズマ流を複数個の開口37を通して
基板36の上に向ける手段を備えている。このプレニウム
35その他の手段は紫外線を通すが、気体プラズマ流およ
び基板表面上の反応種の分布を制御することができる。
プラズマ発生器34は下記により詳しく説明する。

室12は、第１図で36として示される処理すべき基板を中
に含んでいる。基板36は例えばシリコン、ゲルマニウ
ム、よそはヒ化ガリウムのような任意な半導体、あるい
は上に二酸化シリコンのような酸化物の層が成長された
半導体であることができる。第１図に示される装置は、
当業者にとつて明白なわずかな変形により、クロムまた
はメタン・マスクのような他の基板処理にも適してい
る。

第２図に詳しく見られる通り、ウエーハ36はその上にデ
ポジツトされたホトレジスタ38のパターン化された層を
持つものとして示され、パターンはウエーハ36の露出さ
れたある部分40およびカバーされた他のある部分42を残
している。また第２図はその中に作られた腐食40を持つ
ウエーハ36をも示している。腐食40は床64と側壁62とを
持つが、言うまでもなくこれらの床または側壁は必ずし
も第２図に示される通り平面ではなくてもよい。

第１図の好適な実施例では、基板またはシリコン・ウエ
ーハ36は第１表面39と第２表面41とを含んでいる。ウエ
ーハ36は、ウエーハ36と共に最小接触面積を持つよう
に、１組３個の細長い先のとがつた水晶ピン部材44によ
り支持されており、第１表面39は紫外線源22により照射
されるように置かれている。この一組のピン44はかかる
支持装置が基板を下から一様に加熱するようにする点で
望ましいが、基板36を保持する任意の適当な装置も同様
に使用することができる。

赤外線源46は室12の内側で基板の下に置かれる。この赤
外線源46は、第２表面41を照射することによつてウエー
ハを加熱するために波長約１〜10ミクロンの赤外線を供
給する。シリコン基板の場合には、シリコンは事実上赤
外線を透過し、ホトレジスト38の層のような膜は事実上
シリコン基板を加熱することなしに赤外線源46によつて
下から加熱される。こうして、ホトレジスト38の膜は事
実上紫外線の照射とは独立に加熱される。

基板を腐食したり基板からホトレジストをストリツプす
るために少なくとも１つの反応種を供給する気体プラズ
マ48は、プラズマ発生器34によつて作られる。特有の被
処理基板36や被除去ホトレジストに適した気体または気
体の混合物は、入口48から導入されて導管50を経てプラ
ズマ室52に流れる。かかる気体の例としては、フレオン
14または酸素などがある。気体入力および物質流制御装
置は技術的に周知であるので、図示されていない。

マイクロ波励振器54は、プラズマ室52の中の気体を活性
化してプラズマ43にする。マイクロ波励振器54は、周波
数約2450メガヘルツおよび出力約500ワツト未満のマグ
ネトロンを含むマイクロ波発生器によつて駆動される。
マイクロ波は室52に向けられ、ここでプラズマまたはグ
ロー放電領域が作られる。言うまでもなく、本発明の範
囲はここに述べたマイクロ波プラズマ発生器に制限され
ず、例えば無線周波数発生器のような気体プラズマを発
生させる任意の手段にも等しく適用される。

マイクロ波エネルギーによつて作られる気体プラズマ43
は、典形的にはイオン、自由電子、原子、分子、遊離
基、および電子励振種のような他の励振種を含む。遊離
基は正味電荷を持つていない。しかし入口48に入る成分
気体は出来た遊離基が除去されるべき基板材料との反応
性のある少くとも１つの反応種を含むように選択でき
る。それによつて腐食さるべき基板材料やホトレジスト
が基板から除去されるようにすることができる。例え
ば、もし成分気体が酸素（O₂）であるならば、合成プラ
ズマは有機ホトレジストのような材料と反応する遊離基
または反応種Ｏ（原子状酸素）を少なくとも含むであろ
う。成分気体混合物は周知の精密な物質流制御装置によ
つて制御される。またプラズマ発生器の下流に他の気体
を射出することも望ましいかもしれない。

プラズマ室34のグロー放電領域にあるこのプラズマ43も
イオンおよび自由電子を含むか、これらはボンバードし
て、もし基板36がグロー放電領域に隣接したり入り込ん
だ場合に基板36を多分損傷するであろう。しかし、プラ
ズマ発生器34はその下流に置かれる反応室12から比較的
遠い領域内に置かれる。反応室12は導管58によつてプラ
ズマ室34に接続されているが、導管58はプラズマ43が導
管58を経て下流の室12に流れる前に室34の中のプラズマ
にあるイオンおよび自由電子の大部分を再結合させたり
消失させるだけの所定の長さを持つている。

したがつて、反応室に入るプラズマ流出物33には事実上
イオンや電子が存在しない。基板の表面はそれによつ
て、電荷粒子の存在なしに表面と反応する少なくとも１
つの反応種を含む気体にさらされることによつて乾処理
を受ける。特に好適な反応種は、例えば酸素原子のよう
な少なくとも１つの遊離基を含む。

イオンおよび自由電子については約数マイクロ秒、また
遊離基や反応種については約数ミリ秒〜数秒の寿命時間
に基づき、ここに説明された装置10においては、導管58
の好適な長さは1000SCC/Mのプラズマ流量で約４〜12イ
ンチである。室12の中の質量チエンジ速度は約100チエ
ンジ／分以上であることが望ましく、約800チエンジ／
分であることが最も望ましい。イオンおよび自由電子に
比べてかなり大きな寿命時間を持つ反応種は基板36と反
応するために反応室12に達し、基板36はそれによつて電
荷粒子の事実上ないプラズマ流33を受ける。

紫外線源22は、紫外線で基板36を照射しそれによつて室
12に導入されるプラズマ流出物にある少なくとも１つの
反応種の反応速度を増強するために具備されている。本
発明に用いる好適な紫外線源は約1000〜3000オングスト
ロームの範囲内の電磁波を放射するが、真空紫外線のよ
うな他の型式の紫外線を使用することもできる。

紫外線源22はまた、鏡およびレンズの標準配列によつて
紫外線をコリメートするので、紫外線は基板の表面およ
び腐食の床64に事実上垂直な角度で露出した基板表面の
腐食40の床64を打つ。第２図で一段と明らかに見られる
通り、全体として矢印60で示される紫外線は、コリメー
トされた紫外線の正確な狙いによつてほぼ90゜の角度で
基板36を打つようにされる。紫外線は腐食40の側壁62に
は事実上入らない。したがつて、腐食速度は腐食40の床
64で増強され、側壁62では事実上より遅くされる。こう
して、かかる常時コリーメートされた紫外線を使用する
と、異方性腐食が達成される。

第１図の上述の装置は、基板36において事実上まつすぐ
な壁で囲まれた腐食40を作ることによるだけではなく、
基板36の表面から材料の層のある所定部分を除去する必
要がある場合にも、固体デバイスを作る工程で使用され
うることが分かる。例えば、シリコン・ウエーハのよう
な基板36の表面から現像された有機ホトレジスト38を除
去することは、腐食工程によつてシリコンを除去し得る
のと全く同様に達成される。

この方法の第１段階は、除去すべき材料層の所定部分を
プラズマ流出33にさらすことである。プラズマ43は基板
36から比較的遠隔の領域に作られるので、基板はプラズ
マのグロー放電領域と組み合わされた比較的強い電界
や、イオン・ボンバードを受けない。除去すべき部分は
標準のホトリソグラフ法によつて前もつて定めることが
できる。

気体プラズマ流出33は少なくとも１つの反応種を含むよ
うに選択され、すなわち電荷粒子は実際にはプラズマ流
出物から事実上除去されるので、流出には、事実上イオ
ンや自由電子がなく、それによつてイオン・ボンバード
による基板の損傷は最小に押えられる。電荷粒子のこの
事実上の除去は、イオンまたは自由電子のような一切の
帯電粒子が再結合によつて消失させるだけの長い距離に
わたりプラズマを反応室12に転送することによつて達成
される。

プラズマ流出33に露出されると同時に基板層の、腐食速
度またはホトレジスト・ストリツプ速度などの反応速度
を増強させるべき部分が、紫外線60を含む電磁波によつ
て照射される。また、基板を加熱するために、基板を好
ましくは約１〜10ミクロンの波長範囲の赤外線を含む電
磁波で照射してもよい。

異方性腐食を達成すべき場合は、紫外線は常時コリメー
トされて、適当な方向性（directionality）が反応種に
与えられる。

ストリツプ動作についてさらに詳しく述べれば、スルー
プツト速度すなわちウエーハがストリツプされる速度
（throughput rate）は重要なパラメータである。しか
し、ストリツプ反応速度が速すぎたり、高反応腐食気体
が加熱基板に、使用される場合は、下にある膜もホトレ
ジストのストリツプと共に腐食されることがある。しか
し、紫外線励振（extention）が使用されると、純酸素
または他の非腐食性気体混合物の使用による反応速度は
実際のストリツプ速度が得られる点まで増強される。酸
素と組合せたときに独特の腐食作用を作るフレオン14を
使用する必要はない。したがつて、本発明の方法は誘電
破壊および破壊的腐食のいずれ関する必配をも減少させ
る。

本発明の方法および装置は気体プラズマからの流出物を
用いる乾処理について説明されるが、言うまでもなく本
発明は基板の所定部分の反応速度を選択的に増強する紫
外線と共に、例えば遊離基のような化学反応種を用いる
任意の乾処理を意図している。事実上帯電粒子のない気
体プラズマからの流出物の使用は、本発明を実施する特
に有効な方法として望ましい。

言うまでもなく、上述の好適な方法および実施のいろい
ろな変更ならびに改造は当業者にとつて明白であると思
う。かかる変更および改造は本発明の主旨・範囲から外
れることなく行われ、またしたがつてかかる変更および
改造は首記クレームによつてカバーされるものとする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の方法を実施する装置の側断面図であ
る。第２図は本発明の方法および装置によつて作られる
ような基板の断面を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板の表面からホトレジストを除去する方
法であって、（ａ）前記ホトレジストと反応する少なくとも１つの反
応種であって遊離基として原子状酸素を有するものを含
む気体プラズマを生じさせる第１の段階と、（ｂ）前記気体プラズマから実質的にすべての帯電粒子
を除去したプラズマ流出物を作る第２の段階と、（ｃ）前記プラズマ流出物を前記基板の表面に向けて照
射すると共に連続した波長の紫外線を含む電磁放射線に
より前記表面を照射する第３の段階と、を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】前記第３の段階において赤外線を含む第２
の電磁放射線により前記基板を照射することを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の方法。
【請求項３】前記帯電粒子の除去は、前記気体プラズマ
を比較的遠隔の領域から、一切の帯電粒子を消失させる
だけの距離を通ることにより達成されることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の方法。
【請求項４】前記紫外線の波長は約1000オングストロー
ムから約3000オングストロームまでの範囲内であること
を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の方法。
【請求項５】基板の表面からホトレジストを除去する装
置であって、前記ホトレジストと反応する少なくとも１つの反応種を
含む気体プラズマを発生させるプラズマ発生器と、前記プラズマ発生手段に連通するように接続され、前記
気体プラズマから実質的にすべての帯電粒子を除去した
プラズマ流出物を得るに足る所定の長さを有する導管
と、前記導管に連通するように接続され、前記基板に沿って
複数個の開口部を有する箱状部材と、連続した波長の紫外線を含む電磁放射線により前記基板
を照射する紫外線源と、前記基板及び前記箱状部材を収納する密封容器と、を含むことを特徴とする装置。
【請求項６】赤外線を含む第２の電磁放射線により前記
基板を照射する赤外線源をさらに含むことを特徴とする
特許請求の範囲第５項記載の装置。
【請求項７】前記密封容器内に設けられ、前記基板を、
その表面が前記紫外線源に向けられ、かつ、その裏面が
前記赤外線源に向けられた状態に保持する保持部材をさ
らに有することを特徴とする特許請求の範囲第５項記載
の装置。
【請求項８】前記密封容器は真空に保たれ前記紫外線源
からの紫外線を透過して前記基板に照射させるべき窓部
を有していることを特徴とする特許請求の範囲第５項記
載の装置。
【請求項９】前記保持部材は少なくとも１組の細長い水
晶部材を含み、前記窓部は水晶を含むことを特徴とする
特許請求の範囲第５項記載の装置。
【請求項１０】前記紫外線の波長は約1000オングストロ
ームから約3000オングストロームまでの範囲内であるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第５項記載の装置。
【請求項１１】前記赤外線の波長は約１ミクロンから約
10ミクロンまでの範囲内であることを特徴とする特許請
求の範囲第５項記載の装置。