JPH03288423A - アッシングプロセス用カソード電極 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体の基板に塗布されたレジスト膜をプラ
ズマを利用してアッシング（灰化）することにより除去
するプラズマアッシングプロセスに使用されるカソード
電極に関する。

（従来の技術） 微細なＩＣ回路を加工するために、半導体基板の表面に
回路パターンを形成したレジスト膜を設け、該レジスト
膜を介してその下層の絶縁膜、半導体膜或いは金属膜を
エツチングすることが行われている。

該レジスト膜は、エツチング処理が終了したのち基板か
ら除去されるが、その除去方法には、過酸化水素、有機
溶剤などの化学薬品を使用する湿式処理方法と、酸素プ
ラズマを用いてレジスト膜をアッシングする乾式除去方
法とがある。

湿式除去方法は、安全性に注意を払う必要があり、不純
物が基板に付着するので超ＬＳＩ等の微細な加工には不
適当である。

乾式処理方法は、基板に塗布されたＣｘＨＹＮ２のレジ
スト膜に、酸素プラズマ中に生じた酸素ラジカルを反応
させ、該レジスト膜をＣＯ２、ＮＯ２、及びＨ２０へ分
解・気化することによって除去するので、湿式処理方法
のような安全性や不純物の付着の問題がなく、基板の微
細加工に適している。この場合、基板及びレジスト膜は
、ラジカルと反応させるために加熱される。

しかし、レジスト膜を塗布した基板がイオンビームの照
射を受けると、第１図示のように基板（１）に塗布され
たレジスト膜（２〉の表Ｊｌ（２ａ）が硬化変質し、そ
のため、レジスト膜（２）の内部にストレスを保有する
ようになり、アッシングのために該基板〈１）を急激に
加熱すると、熱応力でレジスト膜（２）が爆発すること
がある。

この爆発で発生したレジスト膜（２〉のフレイタは、基
板（１）上や真空処理室内にダスト、残留物として残り
、基板（１〉に微細な加工を施す上で障害になる。実験
によれば、該レジスト膜（２）の爆発下限温度は、イオ
ン注入条件、レジストの種類によって異なるが、約７０
〜１６０℃の範囲にあり、該レジスト膜（２）の幅が太
い程爆発し易いことが分かった。

乾式のアッシングに伴うこうした障害を解消するために
、本願の発明者は、先に第２図に示すような改良された
プラズマアッシング装置を提案した。このプラズマアッ
シング装置は、側方に酸素ガス等の反応性ガスの導入管
（３）が接続されると共に下方に排気ポンプ（４ａ）に
連通した真空排気管（４）が接続された真空処理室（５
）を備え、反応性ガスのガス源（６）に接続される導入
管（３〉の途中にはマイクロ波電源（７）とマイクロ波
放電部（８〉とで構成されたプラズマ発生装置（９〉が
設ｊすられ、更に該真空処理室（５）内には、基板（１
）を加熱する電気ヒータの加熱手段（１０）と、板状の
互いに平行した基板電極（１１）及び対向電極（１２）
の２枚の電極を配置し、該基板電極（１１）を挿通して
昇降するピン（工３）により、該基板電極（１１）の表
面に接触した位置と表面から浮上した位置とにレジスト
膜を塗布した基板（１）が昇降自在に設けられる。該基
板電極（１１）はＲＰ電源（１４）に接続され、対向電
極（１２）はアース（１５〉に接続される。（１６）は
、ビン（１３）を昇降させる昇降装置である。

このアッシング装置により、第１図示のような、表層（
２ａ）が硬化したレジスト膜（２）をアッシングで除去
する場合、ガス導入管（３）から例えば酸素ガスの反応
性ガスを導入し、基板（１）を載せた基板電極（１１）
ｌ：ｌ：ＲＦ電源（１４〉から通電して該基板電極（１
１）と対向電極（１２）との間にＲＦプラズマを発生さ
せ、ここで発生した例えば酸素イオンで基板（１）　ｈ
のレジスト＠　（２）を衝撃し、その表層（２ａ）の硬
化変質した部分を剥がす。次いで、基板（１〉を加熱手
段（１０）で加熱し乍ら導入管（８〉に設けたプラズマ
発生装置（９）を作動させて真空処理室（５〉に酸素ラ
ジカルを導入し、基板（１）上のレジスト膜（２）の残
りの部分と反応させてこれをＣＯ２、ＮＯ２、及びＯ２
０へ分解・気化し、真空排気口（４）から真空処理室（
５）の外部へ排除する。尚、対向電極（１２〉には、反
応ガスが流通する小さい透孔（１７）が形成される。

（発明が解決しようとする課題） 上記第２図示のアッシング装置でアッシングする場合、
対向電極（１２）はアース電位であり、基板電極（１１
）は負電位になるが、該基板電極（１１）側には、プラ
ズマ中のイオンが集りにくく、該基板電極（１１）はセ
ルフバイアス電圧を生じて高いエネルギーのイオンが基
板（１〉に入射するようになり、基板（１）自体或いは
基板（１）に形成した回路にダメージを生ずるようにな
る欠点が見られた。

本発明は、レジスト膜の爆発のない乾式のプラズマアッ
シング装置を提供することを目的とし、本発明の第２の
目的は、基板に損傷を与えることなくレジスト膜をアッ
シングする装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明では、プラズマ発生装置を備えた反応性ガスの導
入管と真空排気管とが接続された真空処理室内に、基板
を加熱する加熱手段と、板状の互いに平行した基板電極
と対向電極の２枚の電極を配置し、該基板電極の表面に
接触した位置と表面から浮上した位置とに移動自在にレ
ジスト膜が塗布された基板を設け、該基板のレジスト膜
を該導入管から導入した反応性ガスのイオンによる衝撃
とラジカルによるアッシングで除去する装置に於いて、
該基板電極及び対向電極をＲＦ電源に接続してカソード
電極に構成し、該対向電極にリブ部を除き多重の同心円
状の透孔を形成することにより、前記目的を達成するよ
うにした。

本発明の好ましい構成としては、上記対向電極は円板状
の外形を有し、その中心に円形の中心透孔が形成され、
その中心から該中心透孔の直径の距離を離れる毎に、該
中心透孔の半径に相当する幅の環状の電極面を残して前
記同心円状の°透孔を形成することであり、更に好まし
い構成に於いては、該中心透孔にアース電位のダミー電
極が設けられ、これに加えて該対向電極の周縁に基板電
極方向に向けて突出する環状の壁部が形成される。

（作　用） 本発明のアッシングプロセス用カソード電極を備えたア
ッシング装置により、第１図示のような、基板上の表層
が硬化したレジスト膜を除去する場合、ガス導入管から
例えば酸素ガスの反応性ガスを導入し、カソード電極を
構成する基板電極及び対向電極にＲＦ電源から通電して
適当なアノードとの間にＲＰプラズマを発生させる。

基板電極及び対向電極は同一のＲＦ電位であるために、
プラズマ中の電子はこれらの電極の電位により反射され
、これらの電極に到達することができず、プラズマに戻
ってくる。この電子の往復運動によって真空処理室内の
反応性ガスのイオン化が促進される。そして、反応性ガ
スの電離効率が上昇すると、放電電流を上げる効果があ
り、ＲＦ電源から同一の印加パワーが供給されていれば
カソード電極の電圧が下がる。これを換言すれば、カソ
ード電極のセルフバイアス電圧を下げることができ、反
応性ガスのイオンが基板電極の表面に設けた基板に入射
するエネルギーは小さくなり、基板のイオン入射による
ダメージが小さくなる。また、カソード電極を構成する
対向電極にリブ部を除き多重の同心円状の透孔を形成し
たことにより、基板に塗布されたレジスト膜の表層を均
一性の高い分布でアツシングすることができる。このあ
と、従来の場合と同様に、基板を加熱手段で加熱し乍ら
導入管に設けたプラズマ発生装置を作動させて真空処理
室に酸素ラジカルを導入し、レジスト膜の残りの部分と
反応させ、該レジスト膜をＣＯ２、ＮＯ２、及び１２０
へ分解・気化し、真空排気口から真空処理室の外部へ排
除する。

アッシングの均一性を達成するためには、対向電極の外
形を円板状に形成し、その中心に円形の中心透孔を形成
するとともに、その中心から該中心透孔の直径の距離を
離れる毎に、該中心透孔の半径に相当する幅の環状の電
極面を残して前記同心円状の透孔を形成することが最良
であった。

（実施例〉 本発明の実施例を別紙図面の第３図乃至第１１図に基づ
き説明する。これらの図面に於いて、第１図及び第２図
に示す部分と共通する部分は同一の符号が付されている
。プラズマアッシング装置の真空処理室（５）には、そ
の側方にプラズマ発生装置（９〉を備えた反応性ガスの
導入管（８）が接続されると共に下方に真空排気管（４
〉が接続される。該導入管（３）には、例えば０２ガス
、Ｎ２ガス、Ｎ２ガス、Ｎ２＋Ｈ２（３％）のガス、Ｃ
Ｈ４ガス等の反応性ガスを充填したボンベから成るガス
源（６）が接続され、例えば酸素ガスが該導入管（３）
を介して該真空処理室（５〉内に導入される。該真空排
気管（４〉には排気ポンプ（４ａ）が接続され、該真空
処理室（５）内のガスを排気する。該プラズマ発生装置
（９〉はマイクロ波電源（７〉とマイクロ波放電部（８
〉とで構成され、導入管（３）に反応性ガスが流れてい
るときに該マイクロ波発生装置（９〉を作動させると、
該導入管（３）の途中で発生するプラズマにより反応性
ガスが電離されてラジカルが発生し、そのラジカルがア
ッシングのために真空処理室（５）に導入される。

該真空処理室（５〉の内部には、基板（１）を加熱する
電気ヒータから成る加熱手段（１０）と、円板状の互い
に平行した基板電極（１１）及び対向電極（１２）の２
枚の電極を適当な絶縁材製の保持部材（図示してない）
に取り付けて配置し、該基板電極（１１）の表面側即ち
対向電極（１２）に面した側に、第２図示のようなレジ
スト膜（２ａ〉を塗布した基板（１〉が載せられる。該
基板電極（１１）の表裏を貫通する複数本のピン（１３
〉が該真空処理室（５）の外部に設けた昇降装置（１６
）により上昇すると、該ピン（１３〉の先端で該基板（
１）が支えられ、第３図示のように基板電極（１１〉の
表面から持ち上げられ、該基板（１〉の背面に回り込ん
で付着したレジスト膜のアッシングを可能にする。

以上のアッシング装置としての構成は、第２図示の従来
のアッシング装置と変わりがないが、本発明に於いては
、該基板電極（１１〉と対向電極（１２）をＲＦ電源（
１４）に接続してカソード電極（１８）に構成し、該対
向電極（１２）に、第４図示のようなリプ部（１９）を
除き多重の同心円状の透孔（２０〉を形成するようにし
た。該透孔（２０〉は基板（１〉のレジスト膜（２）を
均一にアッシングするために作用し、発明者の繰り返し
ての実験によれば、第４図示のように、対向電極（１２
〉は、円板状の外形を有し、その中心（２１）に円形の
中心透孔（２２）を形成し、その中心（２１）から該中
心透孔（２２〉の直径りの距離を離れる毎に、該中心透
孔（２２〉の半径Ｒに相当する幅の環状の電極面（２３
〉を残して前記同心円状の透孔（２０）を２重に形成し
たものが、アッシングの均一性に最良の結果をもたらす
ことが判明した。該対向電極（１２）の外周に残された
電極面（２３）の外周部には、等間隔で８箇所に取り付
は用の止めねじ穴（２４）を設けるようにした。具体的
な該対向電極（１２）の寸法の一例としては、板厚２　
ａｍのアルミニウム板で全体の直径を１５０１■、中心
透孔（２２）の直径りを２５＋ａｍに形成し、２重の同
心円状の透孔（２０）の幅を１２．５＋＊ｍ、３重に形
成される同心円状の電極面（２３）の夫々の幅を１２．
５ｍｍに形成する。そして、その表面をＡ１１２０ｓで
コーティングする。また、基板電極（１１）もアルミニ
ウムで形成され、その表面はＡ１１２０ｓでコーティン
グされる。

以上の構成の本発明のカソード電極（１８）を備えたプ
ラズマアッシング装置により第１図示のような硬化した
表層〈２ａ〉を有するレジスト膜（２）を基板（１〉か
ら除去する作動の詳細を説明すると次の通りである。

まず、第４図の形状を有する直径１５Ｃ１＋ｍの基板電
極（１１）の上に、微細な線幅のレジスト膜（２〉を有
する直径１５Ｃ１ｅｍの円形の基板（１）を載せ、真空
処理室（５）内を真空排気管（４）から０、３　Ｔｏｒ
ｒの真空に排気し、ガス導入管（３）から例えば酸素ガ
スの反応性ガスを２００　ｓｅｃｍ導入し、カソード電
極〈１８）を構成する基板電極（１１）及び対向電極（
１２）にＲＰ電源（１４）から通電して適当なアノード
、例えばアースに接続された真空処理室（５）の室壁と
の間にＲＦプラズマを発生させる。このとき発生するＲ
Ｆプラズマは、基板電極（１１〉及び対向電極（１２〉
は同一のＲＦ電位であるために、プラズマ中の電子はこ
れらの電極の電位により反射され、これらの電極に到達
することができず、プラズマに戻ってくる。この電子の
往復運動によって真空処理室（５）内の反応性ガスのイ
オン化が促進される。そして、反応性ガスの電離効率が
上昇すると、放電電流が上がり、ＲＰ電源（１４）から
同一の印加パワーが供給されていればカソード電極（１
８）のセルフバイアス電圧が下がり、反応性ガスのイオ
ンが基板（１）に入射するエネルギーは小さくなるため
基板（１）のイオン入射によるダメージが小さくなる。

このときカソード電極（ｌＢ）に生じたセルフバイアス
電圧Ｖｄｃを測定したところ、第５図の曲線（２Ｂ）で
示すように低い値になった。比較のために、第５図に同
条件で測定した第２図示の従来の１枚の基板電極（１１
）から成るカソード電極のセルフバイアス電圧の値を曲
線（２７）で示した。これにより明らかなように、基板
電極（１１）と対向電極（１２）の２枚の電極で構成さ
れたカソード電極（１８）のセルフバイアス電圧は、従
来のカソード電極よりも約１／７の低い値が得られた。

該対向電極（１２）には、リブ部（１９〉を除き多重の
同心円状の透孔（２０）が形成されているので、基板（
１）に塗布されたレジスト膜（２〉の表層（２ａ〉を均
一性の高い分布でプラズマによりアッシングすることが
でき、カソード電極（１８）のみを作動させてアッシン
グの均一性を測定したところ、第６図の曲線（２８）で
示すような約±１０％以下の均一性の高い分布が得られ
た。比較のために、同条件で第２図の従来の装置により
基板の硬化した表層（２ａ）をアッシングしたときの均
一性の分布を曲線（２９）で示した。第２図示の従来の
装置では、真空処理室（５〉の室壁がアース電位になる
ため、対向電極（１２）が平板状の電極であると、プラ
ズマが該室壁の方に偏り、該曲線（２９）で示すように
アッシングの速度が基板（１）の外周で速くなって均一
性は±３０％と悪くなる。

基板（１〉のレジスト膜（２）の硬化した表層（２ａ）
が、イオンにより略角−にアッシングされ終わると、従
来の場合と同様に、基板（１）を加熱手段（１０）で加
熱し乍ら導入管（３）に設けたプラズマ発生装置（９）
を作動させ、真空処理室（５）に導入される酸素ガス中
に酸素ラジカルを発生させ、該酸素ラジカルとレジスト
膜（２）の残りの部分とを反応させて該レジスト膜（２
）をＣＯ２、ＮＯ２、及びＨ２０へ分解・気化し、真空
排気管（４〉から真空処理室（５）の外部へ排除する。

以上のプロセスにより、硬化した表層（２ａ）を有する
レジスト膜（２〉を爆発させずにアッシングすることが
出来る。

カソード電極（１８）を放電させたときのアッシングの
均一性は、対向電極（１２）の外形を円板状に形成し、
その中心に円形の中心透孔（２２〉を形成するとともに
、その中心から該中心透孔（２２）の直径の距離を離れ
る毎に、該中心透孔（２２）の半径に相当する幅の環状
の電極面（２３）を残して前記同心円状の透孔（２０）
を形威し、電極面（２３）の幅と同心円状の透孔（２０
）の幅を等しくした場合が良好であった。

しかし、該対向電極（１２〉の中心透孔（２２）に対向
する部分のレジスト膜（２〉のアッシング速度は、第７
図の曲線（３０）のピーク部分（３］〉のように、他の
部分のアッシング速度よりも速くなる傾向が見られた。

そこで、該中心透孔（２２〉に第８図に示すようなアー
ス電位の円筒形のダミー電極（３２〉を設けたところ、
アッシング速度の分布を、第７図の曲線（３３）に示す
ように、中心透孔（２２〉に対向する部分のレジスト膜
（２）のアッシング速度が抑制された略角−の分布にす
ることができた。該中心透孔（２２）の直径が２５ｍｍ
の場合、ダミー電極（８２）には直径１０＋＋＋ｍの円
形の電極が使用される。

更に、対向電極（１２〉の周辺部に対向する部分のレジ
スト膜（２〉のアッシング速度は、第９図の曲線（３４
）の両端部（３５）に示すように、遅くなる傾向があり
、アッシング速度の最も速い部分との間で±５％のアッ
シング速度差があった。

そこで、第１０図のように、該対向電極（１２〉の周縁
に、基板電極（１１）の方向に向けて突出する環状の壁
部（３６〉を形成したところ、第９図の曲線（３７〉の
ように対向電極（１２）の周辺部に対向する部分のレジ
スト膜（２）のアッシング速度が上昇し１、アッシング
速度差が均一化され±３％の範囲に収めろことができた
。該対向電極（］２）の直径が１５０１１１１の場合、
該壁部（３６）の高さは、４　ｍｍに形成される。

いずれの実施例でも、該対向電極（１２）の表面は、ア
ルミナでコーティングされる。

（発明の効果） 以上のように、本発明によれば、プラズマアッシング装
置の真空処理室内に互いに平行して設けられた基板電極
と対向電極をＲＦ電源に接続し、てカソード電極に構成
し、該対向電極にリブ部を除き多重の同心円状の透孔を
形成したので、基板に塗、布された表層の硬化したレジ
スト膜のプラズマアッシングを、均一性良く該基板にダ
メージを与えずしかもレジスト膜を爆発させずに行える
等の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は基板に塗布されたレジスト膜の拡大断面図、第
２図は従来のプラズマアッシング装置の裁断側面図、第
３図は本発明の実施例の裁断側面図、第４図は第３図の
ＩＶ−ＩＶ線部分の拡大図、第５図は対向電極のセルフ
バイアス電圧の線図、第６図、第７図及び第９図は基板
各部のアッシング速度の変化を示す線図、第８図及び第
］−〇図は本発明の他の実施例の説明図である。 （１）・・・基板　　　　　　（２）・・・レジスト膜
（８）・・・反応ガス導入管（０−・・真空排気管（５
）・・・真空処理室　　（９〉・・・プラズマ発生装置
（１０）・・・加熱手段　　　（１１）・・・基板電極
（１２）・・対向電極　　　　（１４）・・・ＲＦ電源
（１８）・・カソード電極　　（］９）・・・リブ部（
２０）・・同心円状の透孔（２ｊ）・・・中心（２２）
・・・中心透孔　　　（２３ン・・・電極面（２２）・
・・ダミー電極　　（３Ｂ）・・・壁部第１図 ２、 外３名 第３図 第４図 Ｆ ＰｏｗｅｒζＷ） で≧６）シシｚ中−〔！

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、プラズマ発生装置を備えた反応性ガスの導入管と真
   空排気管とが接続された真空処理室内に、基板を加熱す
   る加熱手段と、板状の互いに平行した基板電極と対向電
   極の２枚の電極を配置し、該基板電極の表面に接触した
   位置と表面から浮上した位置とに移動自在にレジスト膜
   が塗布された基板を設け、該基板のレジスト膜を該導入
   管から導入した反応性ガスのイオンによる衝撃とラジカ
   ルによるアッシングで除去する装置に於いて、該基板電
   極及び対向電極をＲＦ電源に接続してカソード電極に構
   成し、該対向電極にリブ部を除き多重の同心円状の透孔
   を形成したことを特徴とするアッシングプロセス用カソ
   ード電極。 ２、上記対向電極は円板状の外形を有し、その中心に円
   形の中心透孔が形成され、その中心から該中心透孔の直
   径の距離を離れる毎に、該中心透孔の半径に相当する幅
   の環状の電極面を残して前記同心円状の透孔を形成した
   ことを特徴とする請求項１に記載のアッシングプロセス
   用カソード電極。 ３、上記対向電極は円板状の外形を有し、その中心に円
   形の中心透孔が形成され、その中心から該中心透孔の直
   径の距離を離れる毎に、該中心透孔の半径に相当する幅
   の環状の電極面を残して前記同心円状の透孔を形成し、
   該中心透孔にアース電位のダミー電極を設けたことを特
   徴とする請求項１に記載のアッシングプロセス用カソー
   ド電極。 ４、上記対向電極は円板状の外形を有し、その中心に円
   形の中心透孔が形成され、その中心から該中心透孔の直
   径の距離を離れる毎に、該中心透孔の半径に相当する幅
   の環状の電極面を残して前記同心円状の透孔を形成し、
   該対向電極の周縁に基板電極方向に向けて突出する環状
   の壁部を形成したことを特徴とする請求項１に記載のア
   ッシングプロセス用カソード電極。 ５、上記対向電極は円板状の外形を有し、その中心に円
   形の中心透孔が形成され、その中心から該中心透孔の直
   径の距離を離れる毎に、該中心透孔の半径に相当する幅
   の環状の電極面を残して前記同心円状の透孔を形成し、
   該対向電極の周縁に基板電極方向に向けて突出する環状
   の壁部を形成し、該対向電極の表面をアルミナでコーテ
   ィングしたことを特徴とする請求項１に記載のアッシン
   グプロセス用カソード電極。 ６、上記ＲＦ電源に接続したカソード電極は、真空室の
   室壁等の適当なアノードとの間で放電することを特徴と
   する請求項１に記載のアッシングプロセス用カソード電
   極。