專利名稱：用于去除表面層而不損失基片的中等壓力等離子體系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及半導體處理，且特別地涉及在集成電路制造中 從例如半導體晶片的工件選擇性地去除表面層。將理解的是，雖然如 下的論述針對半導體制造過程，但本發(fā)明可以應用于多種制造過程和 設(shè)備，因此使得本發(fā)明不應限制于半導體制造。
背景技術(shù)：
光致抗蝕劑掩模限定了集成電路(IC )的每層，從前段制程(FE0L ) 離子植入用于絕緣、P或N阱摻雜、閾值電壓調(diào)節(jié)和源-漏觸點，到后 段制程(BE0L)等離子蝕刻或金屬電鍍和層間電介質(zhì)蝕刻。當半導體 器件內(nèi)形成了每層后，這些涂層必須有效地且完全地去除。在此方面， 抗蝕劑去除可以不同地描迷為抗蝕劑灰化、抗蝕劑剝離或抗蝕劑蝕刻。 雖然本討論將進行對"蝕刻"的多種參考，但將理解的是，在本發(fā)明 的上下文中，術(shù)語"蝕刻，，通用地用于指灰化、剝離或蝕刻，且在合 適時可以指多種其他的意思是表面層去除的過程。目前，利用下游等 離子體生成設(shè)備是用于去除抗蝕劑的工業(yè)標準。在此解決方案中，一 般的非反應性氣體，例如02流過微波或射頻放電，其中將其轉(zhuǎn)化為等 離子體，等離子體限定為受激分子、原子團、離子和電子的混合物。 在等離子體內(nèi)的帶電種類當它們流過下游分配系統(tǒng)時可以再組合。然 而，許多原子團可能具有充分長的壽命以達到晶片。對于使用氧作為 流動氣體的例子，單西格馬亞穩(wěn)態(tài)氧分子可能持續(xù)存在且最終與晶片 表面相互作用 (J. T. Jeong等,Plasma Sources Sci. Technol. 7, 282-285, 1998 )。高能離子轟擊可能導致對半導體器件的部件或?qū)?片基片自身的有害的損壞。因此，不存在帶電粒子可以防止在下游灰)的電損壞。本說明書提供了以前在半導體制造過程中未使用過的基于表面波 導放電技術(shù)的新穎的等離子體源。先前的等離子體系統(tǒng)的實施使用了電》茲功率源來激活等離子體氣體，例如由Moisson等人開發(fā)的 Surfaguide器件(Moisson等人,IEEE Trans. Plasma Sci. , PS-12, 203-214, 1984)。然而，此設(shè)備的有限的冷卻效率有力地限制了作為 結(jié)果的等離子體的功率密度。先前已通常實施了油冷的等離子體源。 然而，以高能量操作等離子體涉及非常高的溫度。冷卻油在這些條件 下分解，從而在波導內(nèi)的等離子體放電管的壁的外側(cè)上沉積了碳化層。 一旦初始化，則基于油的碳層隨著微波暴露的增加而迅速地生長；最 終，在波導內(nèi)發(fā)生了災難性的起弧且毀壞了等離子體放電管。因此， 油冷系統(tǒng)不適合于高能等離子體放電。已報道了空氣冷卻的高功率等 離子體系統(tǒng)，但它們的運行限制于大氣壓，即限制在高壓狀態(tài)中，使 得作為結(jié)果的等離子體將不包含對于選擇性地去除例如光致抗蝕劑的 有機表面層所需的反應性種類(Y. Okamoto, High-Power Microwave-Induced Helium Plasma At Atmospheric Pressure For Determination Of Halogens In Aqueous Solution, Jap. Journ. Appl. Phys. 38， L 338, 1999)。典型地，晶片被加熱以提高在下游等離子體灰化期間的反應速度。 在用于非植入的抗蝕劑層的常規(guī)的過程中的施加時間可以在基于02的 等離子體化學反應中在27(TC時低至15秒。 一旦抗蝕劑層受到離子植 入，例如對于中間IC制造步驟所要求，則使用等離子體的反應機制變 得更復雜。植入離子的抗蝕劑的去除比未植入離子的抗蝕劑的去除難 得多，因為植入過程產(chǎn)生了與金屬離子混合的碳化的殼，它具有極低 的固有蝕刻速度，(GK. Vinogradova等人，J. Vac. Sci. Technol. B, 17, 1, Jan/Feb 1999; SFujim眼等人.Nucl. Instr亂Methods B39, 1989, pp. 809; KJ0rvek等人，Nucl. Instrum. Methods B7/8, 1985, P501; T. Bausum等人，"Stripping High-Dose Implanted Resist for 300 mm Production, 〃 Semiconductor International, 06/01/2003; J. R. Wasson等人,〃Ion Absorbing Stencil Mask Coatings For Ion Beam Lithography, 〃J. Vac. Sci. Tochnol. B， 15, 2214, 1997)。 處理的生產(chǎn)量進一步由于晶片溫度必須保持為低于大約120°C以防止粒子噴出而降低，該粒子噴出可能在殼在主要為順3的氣體的壓力下爆 炸而發(fā)生，其響應于加熱到硬烤溫度以上而釋出。此現(xiàn)象已知為爆裂， (D. Fleming等人,Manufacturing Improvements Realized through an Optimized pre—Implant UV/Bake Process , Future Fab International, 4， 1, 1977， p177)。與石墨或光致抗蝕劑不同，相L 入離子的抗蝕劑膜基本上是惰性的；它們不吸附大氣中的氧氣、氮氣 或水蒸氣。用于使植入離子的抗蝕劑膜與原子氧起反應的激活能已報 道為2.4eV,而作為對比未植入的抗蝕劑則為0. 17 eV， (A. Joshi等 人，J. Vac. Sci. Technol. A, 8, 3， May/June 1990， pp. 2137)。 此附加的活化能解釋了為何植入離子的抗蝕劑膜基本上在常規(guī)的下游 等離子體內(nèi)不可蝕刻。此外，射頻偏置和氟化學反應已用于提高用于 植入離子的膜的蝕刻速度，(KJ Orvek and C Huffman, Nucl. Inst扁. Methods B7/8 (1985) P501; JI. Mc0mber等人，Nucl. Instr亂Methods B74 (1993) pp. 266-270; K. Reinhardt等人，IBM Technical Symposium, France October 1999)。然而，這些更具侵入性的去除方 法總是導致對未保護表面的一定程度的腐蝕。在晶片表面上的這樣的 損失日益在經(jīng)濟上變得不可接受，因為隨著每個新一代的IC,柵氧化 物和觸點的厚度持續(xù)縮小。因此，存在對于新的蝕刻范例的重大需求，其可以去除植入離子 的光致抗蝕劑層而在二氧化硅、硅或其他薄的電介質(zhì)膜上方帶有基本 上很好的選擇性，且與氟化學反應完全無關(guān)。也存在對于新的技術(shù)的 需求，其提供了商業(yè)上可行的去除速度而同時維持了可以施加在涂敷 有無機或有機材料的材料上(包括植入的或未植入的表面層)的低的 基片溫度。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明通過提供用于從半導體晶片去除表面層的新的解決方案來 解決前述需求。本發(fā)明提供了一種方法，其中通過中等壓力表面波放 電來激活反應劑氣體。方法進一步涉及在等離子體氣體中形成揮發(fā)性 反應劑，該揮發(fā)性反應劑可從晶片表面剝離光致抗蝕劑。等離子體氣 體形成了沖擊在基片上的反應性等離子體射流，從基片上可選擇性地 且因此安全地以高效率蝕刻表面層。該方法以在商業(yè)上可行的方式實行，以用于通過掃描射流前方的大晶片來剝離其上所施加的材料。特別地，本發(fā)明的特征一般地是一種用于在制造過程中選擇性地從工件去除表面層的設(shè)備，其中設(shè)備包括處理室；等離子體施加器； 和冷卻系統(tǒng)。處理室限定了亞大氣環(huán)境以用于接收待處理的工件，使 得可去除表面層。該等離子體施加器產(chǎn)生等離子體，且包含反應劑處 理氣體的加壓供應源，與反應劑處理氣體的加壓供應源流體連通的等 離子體放電管、用于導引電磁功率到等離子體放電管以在其內(nèi)生成等 離子體的電磁功率源、和位于等離子體放電管端部處以用于在向該工 件的方向?qū)⒃摰入x子體氣體噴射到處理室內(nèi)的噴嘴開口。最后，冷卻 系統(tǒng)包括大體上圍繞等離子體放電管以用于通過其循環(huán)氣態(tài)冷卻劑的 管道，因此繞等離子體放電管形成了冷卻通道。本發(fā)明的實施例作為用于在半導體晶片上進行中等壓力(在大約 10托和大約500托之間)等離子體材料去除的設(shè)備而提供。該設(shè)備提 供了系統(tǒng)，其中例如02、 H2、 H20、 N2等反應劑氣體可流過由石英、藍 寶石或其它電磁不敏感材料形成的窄放電管，且其中可應用通過例如 微波或射頻功率源的電磁功率源所產(chǎn)生的表面波激活。另外，提供了 使用氣態(tài)冷卻劑的用于放電管的冷卻系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)進一步包括放電 管上的可接附到冷卻通道上的整體式冷卻凸緣。該設(shè)備可進一步包括 排放噴嘴，來自管的氣體通過該排放噴嘴且沖擊在基片上，使得所導 致的例如H20、 C02或低分子量碳氫化合物的揮發(fā)性反應產(chǎn)物可選擇性 地從基片晶片表面上剝離材料層。該設(shè)備可進一步包括用于支承晶片 卡盤的定位系統(tǒng)，該晶片卡盤提供了晶片的加熱和定位，且提供了使 用等離子體源的晶片高速掃描。使用表面波放電的獨特的優(yōu)點是能導引從施加激勵功率的點到使 用其的晶片處的放電。同時，提供表面波放電的方法可在大的壓力范圍上實行而不顯著地改變電》茲功率系統(tǒng)。本發(fā)明的理想的運行壓力范圍處于中等壓力狀態(tài)內(nèi)(大于約10托， 但小于大約500托)。中等壓力等離子體具有非常高的電子-離子再組 合率的優(yōu)點，且能量粒子熱化可消除低壓等離子體內(nèi)存在的高能帶電 種類。消除了這些高能種類則消除了潛在地損傷基片的電流和濺射侵 蝕的可能性。進一步地，處于中等壓力狀態(tài)中的等離子體氣體溫度與 低壓等離子體相比極高。更高的等離子體氣體溫度在晶片上的反應區(qū)內(nèi)提供了額外的熱源，特別是在最要求熱源之處。此聚集的熱能對有 機材料的反應性去除有正面貢獻，其中材料去除的反應速度得以增加， 因此增加了處理速度(以及商業(yè)上的可行性)。相對地，可能不希望對于該等離子體射流系統(tǒng)使用低的壓力(小于約10托)，因為壓力降低則等離子體射流的幾何形狀可能外展，因此使得"點尺寸"更不可控。高壓(大于約500托)的使用可能不是有利的，因為表面去除所需的 反應性種類在到達晶片前再組合，因此降低了用于高度選擇性去除的 等離子體有效性。然而，本發(fā)明在寬廣的壓力范圍內(nèi)的運行可實現(xiàn)大 氣中的晶片互換，而等離子體源仍運行。因為點燃等離子體一般需要 低壓力(接近l托)，所以如果可在晶片互換期間將功率源維持在大約 760托(大氣壓力)，則可避免使該處理壓力發(fā)生循環(huán)。這可避免另外 必須真空抽氣來降低用于等離子體點燃的壓力，且然后重新加壓到用 于處理每個半導體晶片的中等壓力，因此在工業(yè)設(shè)定中進一步節(jié)省可 貴的處理時間。以上描述已相當廣泛地概述了本發(fā)明的特征及技術(shù)優(yōu)點，以更好 地理解后文中的本發(fā)明的詳細說明。本發(fā)明的另外的特征和優(yōu)點將在 下文中描迷，這形成了本發(fā)明的權(quán)利要求的主題。


為更完全地理解本發(fā)明及其優(yōu)點，現(xiàn)在結(jié)合附圖參考如下的描述， 各圖為圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明的實施例的等離子體去除系統(tǒng)的截面圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的運行等離子體去除系統(tǒng)的照片；圖3至圖7圖示了在本發(fā)明的實施例中收集的經(jīng)驗數(shù)據(jù)；圖8示意性地圖示了在本發(fā)明的實施例中的掃描圖案；圖9示意性地圖示了在本發(fā)明的實施例中的熱流；圖10至圖17是使用本發(fā)明的實施例處理的樣本的顯微照片；和圖18至圖19圖示了在本發(fā)明的實施例的流程圖形式中的方法步驟。
具體實施方式
在如下的說明中，闡明了例如特定處理值或參數(shù)等許多特定細節(jié)，以提供對本發(fā)明的徹底的理解。然而，對于本領(lǐng)域一般技術(shù)人員顯見 的是，可在沒有這樣的特定細節(jié)下實行本發(fā)明。在其它情形中，熟知 的部件以方塊圖形式示出，以免不必要細節(jié)使本發(fā)明含糊不清。對于 大部分而言，涉及特定的半導體產(chǎn)品應用等的細節(jié)被省略，因為這樣 的細節(jié)對于相關(guān)領(lǐng)域一般技術(shù)人員獲得對本發(fā)明的徹底理解是不需要 的，且在相關(guān)領(lǐng)域一般技術(shù)人員的技術(shù)范圍內(nèi)?，F(xiàn)在參考附圖，其中所描繪的元件不必需地按比例示出，且其中 在幾附圖中的相同或類似元件以相同參考數(shù)字標示。圖1圖示了等離子體施加器101、處理室102和高速晶片掃描臺 103的示意性表示。等離子體施加器101可^皮安裝在包括處理室102的 半導體處理工具的室壁104上，其中室限定了用于處理其中希望去除 表面層的晶片或任何其他工件的亞大氣環(huán)境。電磁功率源將功率105 通過波導111的高度降低的部分內(nèi)的薄壁聯(lián)接縫隙110送給到等離子 體放電管106。在一個實施例中，將2. 45 GHz的微波功率施力。到6 mm 直徑的石英等離子體放電管。雖然沿等離子體放電管106和等離子體 108之間的界面在兩個方向上發(fā)出表面波，處理氣體114的定向流動 112有效地抑制了在波導111的上游側(cè)上的放電。相同的流動112與下 游表面波結(jié)合產(chǎn)生了等離子體射流108，該射流108來自基部凸緣118 內(nèi)的噴嘴開口 119,基部凸緣118接附到等離子體放電管106。在此上 下文中，等離子體射流指來自等離子體施加器101的加壓等離子體氣 體流。在一個例子中，等離子體射流導致激活的處理氣體沖擊在2 mm 距離處的半導體晶片上。在另一個例子中，晶片距離等離子體射流的 距離大至大約20 mm。高速晶片掃描臺包括帶有夾緊了晶片的晶片保持器的卡盤130。晶 片保持器可以通過真空力、室壓力或靜電而運行。晶片保持器可以以 導熱或絕熱的材料接觸晶片，這取決于晶片希望的接觸熱導的程度。 在一個例子中，在晶片和晶片保持器之間引入絕熱材料層，以降低接 觸熱導，因此通過阻止熱消散而升高晶片的溫度。相反地，在一個例 子中，在晶片和晶片保持器之間引入導熱的材料層，以增加接觸熱導， 因此通過促進熱消散而降低晶片溫度。進一步地，卡盤130可以通過 聯(lián)接件133連接到功率源以加熱晶片，或通過聯(lián)接件132連接到主動 冷卻供給源(例如水)，以用于冷卻晶片?？ūP也可以通過聯(lián)接件135裝配有熱電偶傳感器或其他溫度傳感器，以用于監(jiān)測卡盤的溫度。卡盤和晶片保持器可以安裝在機械定位系統(tǒng)上以用于掃描晶片。 在此點上，掃描晶片指動態(tài)地定位晶片，同時通過等離子體射流沖擊 晶片，以將晶片的區(qū)域暴露于等離子體處理。通過掃描的暴露可以在 晶片上的整個區(qū)域上是均勻的，或可以涉及選擇性地處理晶片的部分 以受到等離子體的不同的暴露水平。在圖1中，在示例性實施例中圖示了雙軸正交定位系統(tǒng)，包括X軸線性驅(qū)動器136和Y軸線性驅(qū)動器 134。用于機械定位的其他構(gòu)造，例如安裝了具有安裝在徑向線性驅(qū)動 器上的旋轉(zhuǎn)軸的極坐標設(shè)備，也可以在本發(fā)明中實行。在一個例子中， 機械定位系統(tǒng)包括兩個正交的馬達驅(qū)動的平移臺，它們具有超過2.5 倍重力加速度的加速度，且具有大于100 cm/s的掃描速度。在一個實 施例中，本發(fā)明可以在計算機控制下執(zhí)行掃描圖案，使得晶片的每點 在射流的覆蓋區(qū)內(nèi)通過，所述的覆蓋區(qū)的直徑等于大約蝕刻軌道的側(cè) 向等離子體射流輪廓的半最大全寬。在一個特定的例子中，本發(fā)明可 以在計算機控制下執(zhí)行掃描圖案，從而在晶片的邊緣上提供了較低的 掃描速度以增加晶片溫度且補償由于邊緣效應而降低的蝕刻速度。本發(fā)明利用了使用氣態(tài)冷卻劑的冷卻系統(tǒng)。在與等離子體氣體114 相對的方向113上流動的高速氣體用于冷卻等離子體放電管，由此使 得等離子體施加器101可以以高得多的功率耗散運行。在一個例子中， 由同心外管116限制的干空氣或氮氣冷卻劑氣體冷卻了等離子體放電 管106。如在圖1中示出，等離子體放電管106合并了整體的基部凸緣 118以便于安裝到施加器主體。基部凸緣118的重要的功能是使O型圈 密封件140從直接靠近等離子體放電管106移開，該等離子體放電管 106可能是極熱的。0型圈密封件140具有相對地低的熔點，且可能容 易受到過度的熱負荷的破壞。與等離子體放電管106的下游側(cè)直接接 觸的0型圈將不可避免地熔化。本發(fā)明的冷卻系統(tǒng)的構(gòu)造和設(shè)計提供 了跨過基部凸緣118的足夠大的溫度梯度，使得來自基部凸緣118的 中心噴嘴119的熱的等離子體不導致基部凸緣118的邊沿上的0型圈 密封件140的退化。在一個示例的實施例中，鋁的間隔器142將放電 管凸緣118與外冷卻管道116上的相應的冷卻凸緣117分開。在圖1 中描繪的本發(fā)明的實施例依賴于冷卻系統(tǒng)的同心圓形的共軸截面幾何 形狀。由冷卻管道圍繞的等離子體放電管的其他截面幾何形狀可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)實行，例如矩形、正方形、卵形或偏心布置。多種利 用液體或氣態(tài)冷卻劑的冷卻系統(tǒng)也可以在本發(fā)明的實施例中實施，它 們提供了相同的冷卻性能以實現(xiàn)在本發(fā)明中實行的功率方案。本發(fā)明可以進一步包括合并在內(nèi)管凸緣下方的捕集器120以消除 電磁功率到處理室內(nèi)的泄漏。在一個例子中，使用了基于^入變換器 的微波捕集器。氣態(tài)冷卻劑可以徑向向內(nèi)地向著等離子體放電管106 流動通過捕集器120的下表面內(nèi)的通道，且進入等離子體放電管和外 部冷卻管道116之間的狹窄空間。冷卻劑氣體當進入此區(qū)域時其速度 大體上增加，因為流動截面被降低。結(jié)果是對等離子體放電管106的 顯著提高的冷卻，特別是在波導110內(nèi)的極熱的區(qū)內(nèi)。在一個示例性 實施例中，在等離子體放電管和冷卻管道之間的1 mm寬的間隙導致冷 卻劑氣體速度接近馬赫數(shù)1,因此可以連續(xù)地維持接近2. 5 kW的高微 波功率水平。與油基冷卻系統(tǒng)不同，本發(fā)明的空氣冷卻不在放電管上 遺留沉積物，且即使在等離子體射流以高功率水平的延長的、連續(xù)的 運行后也不導致對等離子體放電管的損壞。圖2是本發(fā)明的實施例中的運行等離子體去除系統(tǒng)的照片?？梢?的等離子體射流的長度大約為20 cm,且是發(fā)光的。在圖2中示出的此 示例性實施例中使用的處理氣體是比例為大約9:1的反應性02: N2的混 合物，其中以大約2 slpm的流量供給大約80托的壓力。電磁3大電功 率大約為1 kW。等離子體射流的熱功率提供了局部加熱晶片的能力，因此通過增 加反應速度而增加了蝕刻速度，同時輸送反應種類以供給有機表面層 的蝕刻反應。從沖擊等離子體射流輸送到基片的總熱功率P通過測量 放置在射流下方的絕熱的鋁塊的溫度T對于時間t的升高速度dT/dt 通過下式確定P二CP V(dT/dt)其中熱容為C二O. 9 J/Kg,密度為p=2.7g/cm3 ,且體積為V二104. 04 Gnu 。測量結(jié)果在圖3的數(shù)據(jù)圖中圖示，該圖示出了對于絕熱鋁塊的 溫度與時間的關(guān)系。在此例子中，通過以80 4乇的壓力和3 slpm的流 量供給的02:N2=9:1的反應氣體將塊加熱，施加1.8 kW的微波功率以 造成在距鋁塊3 cm的距離處沖擊的等離子體射流，鋁塊的初始溫度為 25°C。圖3的曲線圖示出了溫度和時間之間的線性關(guān)系，其中dT/dt是線的斜率。在此例子中，總熱功率為P二312W。此測量可以在不同的 微波功率、氣體成分和基片距離下重復，以驗證本發(fā)明的提高的熱性能。圖4圖示了在另外地與圖3中示出的例子的相同的處理條件下的 等離子體射流功率相對于施加的微波功率的測量的數(shù)據(jù)圖。如在圖4中示出，等離子體射流功率線性地取決于微波功率。在此例子中，當 從噴嘴開口 119處測量目標(半導體晶片)分別與等離子體源分開0.9 cm和2. 9cm時，轉(zhuǎn)換效率大約為19%和21%,如通過測量數(shù)據(jù)點的線 性差值的斜率測量到。圖5圖示了在另外地與圖3中示出的例子的相同的處理條件下的等離子體射流功率相對于距等離子體源的距離的測量數(shù)據(jù)圖。如在圖5 中示出，當距源的距離從大約1 cm增加到大約5 cm時，射流功率降 低。這可能是通過與處理室102內(nèi)的環(huán)境溫度氣體的混合導致的等離 子體射流的冷卻的結(jié)果。圖6圖示了在另外地與圖3中示出的例子的相同的處理條件下在 距等離子體源2, 9 cm的目標距離處的等離子體射流功率相對于02濃度 的測量數(shù)據(jù)圖。圖6示出了隨大約20%至大約90%的02濃度的相對地 恒定的等離子體射流功率。此結(jié)果示出了等離子體射流功率基本上與02/N2氣體組成無關(guān)。圖7圖示了接觸熱導相對于晶片和卡盤之間的全間的測量的數(shù)據(jù) 圖。在通過等離子體射流掃描期間在動態(tài)條件下控制晶片溫度的能力 可以決定灰化處理的成功?？刂凭瑴囟扔删涂ūP之間的接觸熱 導(K)約束。對于晶片和卡盤之間的多種間隙通過確定安裝在恒溫卡 盤上的鋁塊的穩(wěn)態(tài)溫度來測量K值。塊和卡盤之間的間隔以薄的云母 間隔器維持。K值通過如下公式給出K=A(T-T0)/P其中，A是塊和卡盤之間的接觸面積，T。是卡盤溫度，且P是功率。 當卡盤和塊處于緊密接觸時，得到的熱導的測量值為K=55 mW/cm2K， 這與其他報告的值;f艮好地符合。如在圖8中示出，熱導隨著晶片和卡 盤之間的間隙的增加而顯著降低。用于在卡盤和晶片之間的熱傳遞的 時間常數(shù)t由下式給出t二C/K其中C是晶片的每單位面積熱容。對于300 mm的硅晶片，在與卡盤緊密接觸時時間常數(shù)大約為2秒，對于o.or的間隙，增加為大約10秒。接觸熱導且因此時間常數(shù)的強變化要求非常精確的間隙控制， 這意味著需要將晶片在卡盤上靜電夾緊或真空夾緊。因此，可在中等 壓力狀態(tài)中運行的本發(fā)明相對于常規(guī)的低壓系統(tǒng)的另 一個益處是能允 許使用晶片在卡盤上的真空夾緊而非要求靜電夾緊。為完全地移除抗蝕劑，晶片可以以蜿蜒的光柵圖案1014掃描，如 在圖8中示出。在圖8中，沿x軸1010的線掃描104在短的平移(即 沿y軸1012的專九跡間隔)之間在每個方向上相對于半導體晶片1016 交替。對于這樣的圖案，軌跡間隔可以小于射流的直徑，以提供跨過 晶片的均勻的蝕刻輪廓。在本發(fā)明的一個示例性實施例中，軌跡間隔 i殳定為0. 7 cm。對于0. 7 cm的l九跡間隔，在軌跡中心和軌跡之間的中 點之間的蝕刻深度的變化小于最初抗蝕劑厚度的2 % 。在本發(fā)明的實施例中使用掃描等離子體射流1521的光致抗蝕劑去 除中涉及的熱處理在圖9中圖示。等離子體射流1521在涂敷有有機抗 蝕劑的表面層1531的半導體晶片基片1530上方掃描。當以高速度在x 方向1511上掃描晶片時，來自等離子體源1520的在晶片1530的方向 1523上在中等壓力下帶有高能量的等離子體射流1521造成了加熱的軌 跡1522，該軌跡1522在側(cè)向上由通過晶片的熱傳導冷卻，且在垂向上 通過到例如卡盤的晶片保持器的接觸熱導冷卻。相關(guān)的熱流，即 Flat al1524和Fv ti。al1526分別對應于側(cè)向熱流和垂向傳導?？梢约訜峥ūP以增加晶片上的抗蝕劑蝕刻速率?？ūP也可以耗散 由等離子體射流施加的過多的熱。射流的熱迅速地通過晶片擴散，甚 至對于最高的掃描速度，對應于射流的駐留時間的擴散長度也大于晶 片的厚度。在本發(fā)明的一個例子中，在大約0. 2至0. 4秒的軌跡掃描 時間期間，側(cè)向擴散長度僅為0, 5 cm,增加了被加熱區(qū)的寬度大約50 %。因此，就第一近似而言，高速掃描可被理解為在熱力學上等效于 在垂直于該高速掃描方向的y方向1510上移動過晶片的線加熱器。在 一個例子中，垂直熱流對于硅基片是帶有2至IO秒的時間常數(shù)的慢過 程，且在掃描單一的4九跡所要求的時間期間可忽略。然而，可以存在 其中當已掃描數(shù)個軌跡后垂直熱流變成重要的熱因素的情形。射流功率、掃描速度和垂直熱流之間的平#f可確定特定的灰化處理的效力。為了最大化生產(chǎn)量，本發(fā)明的實施例使用高水平電磁功率 運行，以激活該等離子體射流，這直接轉(zhuǎn)換為較高的蝕刻速度。增加 的功率也最大化了等離子體中的反應性氣體的生成，且提供了用于激 活抗蝕劑與蝕刻氣體之間的灰4匕反應的熱。
在植入離子的抗蝕劑的情況中，初始卡盤溫度可被設(shè)定為剛好低 于抗蝕劑的硬烤溫度。在一個例子中，初始卡盤溫度被設(shè)定為大約低
于抗蝕劑的硬烤溫度IO'C,該硬烤溫度可大約為125°C?？刮g劑在此 溫度下是穩(wěn)定且不會發(fā)生爆裂現(xiàn)象。晶片及卡盤之間的接觸熱導可被 最大化，例如，對于給定的輸入功率密度，可利用氦氣背側(cè)冷卻方式 來最小化晶片溫度。最后，可增加掃描速度，以此將該晶片內(nèi)的有效 功率密度降低至可無限制地掃描該晶片而無爆裂現(xiàn)象的點。所需的速 度可顯著地大于l米/秒。隨著掃描進行，晶片溫度逐步上升且該掃描 等離子體射流在已植入的光致抗蝕劑殼中造成微小的洞，使得由基底 抗蝕劑釋放出來的氣體可滲透殼。 一旦實現(xiàn)滲透性，則可通過降低掃 描速度或降低晶片保持器與卡盤之間的接觸熱導而允許該溫度升高， 因此降低了通過晶片保持器耗散的熱量。用于滲透光致抗蝕劑殼的預 先掃描處理的結(jié)果可在次級掃描操作期間快速地從晶片表面去除抗蝕 劑。
蝕刻未植入的抗蝕劑涉及較少的熱約束；初始卡盤溫度可以較高， 在一個例子中約為200-350。C,且接觸熱導和掃描速度可設(shè)定得低得 多，這都導致較高的晶片溫度，且因此導致較高的蝕刻速度。在未植 入的抗蝕劑的情況中，接觸熱導可能顯著地降低。在一個例子中，晶 片可以升離卡盤大約幾萬分之一英寸。
由于前述情況，高劑量的植入離子的光致抗蝕劑的灰化可作為兩 步過程，其中先利用低溫預處理過程使得殼可滲透，然后利用高溫抗 蝕劑去除過程。該預處理過程可使用低于該抗蝕劑供烤溫度的卡盤溫 度來進行，在一個情形中，該溫度為120°C。要求此相對低的溫度以防 止在碳化殼未被去除/穿刺的情況中，當因熱分解該抗蝕劑而釋出的氣 體導致的殼爆裂時噴出微粒，也已知為爆裂的過程。 一旦光致抗蝕劑 殼通過本發(fā)明的預處理掃描而使得對氣體可滲透，則晶片溫度可安全 地升高以提高抗蝕劑的去除速度。測量確立且驗證了預處理情況和在 重度植入(P,40 keV,5xl015/ cm2)的I線光致抗蝕劑的掃描等離子體射流灰化中從硅晶片的抗蝕劑去除。
圖10至圖17是通過本發(fā)明的實施例處理的具有光致抗蝕劑表面 層的樣本半導體晶片的顯微照片。圖10示出了由15 cm/s的1 kW等 離子體射流的熱形成的細小的充氣泡網(wǎng)絡(luò)。在圖11中，在基片被剖開 時破裂的泡顯示釋出的氣體的壓力將殼從位于下方的未植入的抗蝕劑 基底脫層。在此例子中，泡高度是原抗蝕劑厚度的3至4倍。起泡效 應涉及但有別于爆裂現(xiàn)象，以此殼的大片從表面被吹離。然而，在一 些情形中，起泡是可接受的，以此不生成微粒碎屑。 一旦泡形成，則 從殼至基片的熱傳導顯著降低，而其溫度可升高超過基片溫度數(shù)百攝 氏度。因脫層導致的局部高溫加速了對殼的蝕刻，如圖12所示出。當 這些開口出現(xiàn)在殼1901內(nèi)時，基底抗蝕劑暴露于射流且側(cè)向蝕刻1902 在殼下發(fā)生，如圖13所示出。圖14示出了較后期的蝕刻階段，其中 殼2011的大部分已去除且泡2010已合并。
為了最大化使用本發(fā)明實施例進行材料去除的生產(chǎn)速度，等離子 體射流可以以能施加的最大可能的電磁功率來運行。為防止預處理過 程期間的爆裂，則可能必需快速掃描射流，快到足以防止過度的溫度 上升。在一個典型的情形中，可能需要多重預處理掃描以實現(xiàn)足夠的 滲透性，以在抗蝕劑去除步驟期間防止爆裂。在本發(fā)明一個示例性實 施例中，抗蝕劑可在以50至100 cm/s量級的速度的單一的掃描中完 全去除，而不改變基片的溫度?？墒褂眠^程參數(shù)的其它設(shè)定，以在不 同但相關(guān)的本發(fā)明實施例中獲得類似結(jié)果。
除泡形成外，其它過程可導致植入離子的光致抗蝕劑中的殼滲透 性。例如，圖15示出了可在預處理過程早期階段期間形成的網(wǎng)狀抗蝕 劑表面。如圖16中所示，此表面在預處理步驟的后期階段中變成可滲 透的。
在用于實行本發(fā)明的圖示的示例性實施例中開發(fā)了最優(yōu)的過程， 以多重預處理掃描(微波功率=2.15 kW,基片溫度二100。C,掃描速度 =105 cm/s， 02:N2=9:1，流量=3 slpm,壓力=80 T)用于植入的I線光 致抗蝕劑(1.2微米I線基底抗蝕劑，以12(TC硬烤，然后在40 keV 的能量下且以5xl017 cm2的重度植入密度植入磷)。此預處理接下來 以2. 5 kW和40 cm/s (而其它條件保持與預處理的條件相同)進行隨 后的抗蝕劑去除掃描。所有的殼和基底抗蝕劑從晶片被去除，且如圖17中清晰地示出，在掃描電子顯微鏡下觀察時無殘留物。
圖18以流程圖形式示出了用于實行本發(fā)明的方法2401。方法可始 于將晶片引入裝配有如圖1所示的等離子體施加器設(shè)備的處理室內(nèi)的 步驟2402。如果等離子體先前已在低溫下被點燃，則可執(zhí)行步驟2402, 而同時等離子體在環(huán)境壓力下被激活。在步驟2404中，晶片和晶片保 持器之間的夾緊界面可調(diào)整以用于希望的熱傳導率，用于高或低的熱 導。在步驟2406中，半導體晶片可使用大氣或真空力或以靜電方式而 夾在卡盤內(nèi)。在步驟2408中，可初始化如前所述用于冷卻等離子體放 電管的冷卻系統(tǒng)的運行。然后，反應劑處理氣體的激活可在步驟2410 中初始。在激活等離子體后，在步驟2412中晶片表面可由沖擊等離子 體射流進行處理。在步驟2414中，可由等離子體射流束掃描晶片。注 意到方法2401圖示了本發(fā)明的一個實施例，且可等同地利用所示出的 處理步驟的多種結(jié)合、省略某些步驟或與所給出的不同的次序來實現(xiàn)， 這取決于處理和裝備的要求。例如，在方法2401的一個實施例中，執(zhí) 行了植入離子的抗蝕劑的預處理，以使抗蝕劑殼對氣體可滲透。在方 法2401的另一個實施例中，未植入的或預處理后的植入離子的抗蝕劑 僅處理為選擇性灰化及去除光致抗蝕劑層。
圖19示出了用于實現(xiàn)圖18所示的方法步驟2410的一個典型方法 2501。首先，如前述的電磁功率源可在步驟2502中^t激活。在步驟2504 中，該電磁輻射通過波導被傳送到等離子體放電管。在步驟2506中， 電磁功率被包含在捕集器內(nèi)以用于保護晶片不受非受控輻射的損害。
雖然本發(fā)明及其優(yōu)點已詳述，但應了解的是可在此產(chǎn)生多種改變、 替代和變化，而不偏離由附帶的權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明精神和范 圍。
權(quán)利要求
1.一種用于在制造過程中選擇性地從工件去除表面層的設(shè)備，包括用于限定大氣至亞大氣環(huán)境且其內(nèi)接收工件的處理室；用于生成等離子體的等離子體施加器，等離子體施加器包括反應劑處理氣體加壓供應源；與所述的反應劑處理氣體加壓供應源流體連通的等離子體放電管；用于將電磁功率引導向所述的等離子體放電管以在其內(nèi)生成等離子體的電磁功率源；和位于所述的等離子體放電管端部處以用于在向該工件的方向?qū)⒃摰入x子體氣體噴射到所述的處理室內(nèi)的噴嘴開口；和包括大體上圍繞所述的等離子體放電管以用于通過其循環(huán)氣態(tài)冷卻劑的管道的冷卻系統(tǒng)，因此繞所述的等離子體放電管形成了冷卻通道。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，進一步包括用于將電磁功率傳 送到所述的等離子體放電管的波導。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，進一步包括用于將電磁功率包 含在所述的等離子體施加器內(nèi)的微波捕集器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中反應劑處理氣體包括02、 H2、 H20、 N2或它們的組合。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中反應劑處理氣體包括02、 H2、 H20、 N2或它們的組合，且其中所述的反應劑處理氣體不包括氟。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述的等離子體放電管由 石英或其他電磁不敏感的陶瓷材料制成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述的冷卻系統(tǒng)具有為所 述的電》茲功率源在至少2.5 kW的功率消4毛或至少1.5 kW/cnp的功率 密度下的運行提供的熱力學性能。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述的電磁功率源以大約 100 kHz至大約2.45 GHz之間的頻率運行。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，進一步包括機械定位系統(tǒng)，所述的機械定位系統(tǒng)包括用于將工件接收和維持在其上的卡盤，以相對于所述的噴嘴掃描工件，使得所述的工件的表 面層暴露于所述的等離子體。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述的機械定位系統(tǒng)包括 多個用于掃描所述的工件表面的機電式平移臺，所述的平移臺可運行 使得所述的卡盤可以以大于大約2.5倍重力加速度的加速度而加速， 且以大于大約100 cm/s的線性速度定位。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述的噴嘴和工件之間的 距離大于大約2 mm且小于大約20 mm。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述的多個機電式平移臺 布置為根據(jù)笛卡爾坐標或極坐標來定位。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其中所述的卡盤進一步包括在 其表面上的熱學材料層，所述的熱學材料層具有絕熱或?qū)岬奶卣鳎?以修改所述的卡盤和工件之間的接觸熱導。
14. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，進一步包括 用于去除工件和將工件引入到所述的卡盤上的裝置，其中所述的處理室內(nèi)的壓力相對于環(huán)境壓力處于升高的狀態(tài)，而所述的等離子體 施加器維持運行，因此消除了對于為所述的處理室內(nèi)的每個待處理的 工件熄滅和再點燃等離子體的需要。
15. 根據(jù)權(quán)利要求9所迷的設(shè)備，進一步包括 用于通過由處理氛圍或真空施加的力或通過靜電力而將工件夾緊在所述的卡盤上的裝置。
16. —種用于在半導體制造過程中從晶片選擇性地去除表面層的 方法，包括如下步驟將晶片引入到限定了大氣到亞大氣處理環(huán)境的處理室內(nèi)；將流過放電管的反應劑氣體暴露于由電磁功率源提供的表面波放電，以生成流過所述的放電管的激活的反應劑氣體；和將激活的反應劑氣體噴射到所述的室內(nèi)和晶片的表面上，以此選擇性地去除了晶片的表面層而大體上不損失基片材料。
17. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進一步包括通過繞所述的等離對所述的等離子:放電管進行冷卻:步驟:、、、'
18. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述的反應劑處理氣體包括02、 H2、眼Ns或它們的組合。
19. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中表面層包括未植入的光致 抗蝕劑或其他有機或無機材^K
20. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中表面層包括植入離子的光 致抗蝕劑材料或其他有機或無機材料。
21. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進一步包括如下步驟通過晶片相對于噴射的反應劑氣體以第 一速度的相對運動來掃描 晶片，由此使得植入的光致抗蝕劑殼對氣體可滲透。
22. 根椐權(quán)利要求21所述的方法，進一步包括如下步驟 通過晶片相對于噴射的反應劑氣體以第二速度的相對運動來掃描晶片，以此從晶片去除光致抗蝕劑和/或殼。
23. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進一步包括如下步驟 將反應劑氣體暴露于第一功率水平下的表面波放電，以此使植入的光致抗蝕劑殼對于氣體可滲透。
24. 根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，進一步包括如下步驟 將反應劑氣體暴露于第二功率水平下的表面波放電，以此從晶片去除光致抗蝕劑和/或殼。
25. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進一步包括如下步驟 通過晶片相對于處于第一溫度的噴射的反應劑氣體的相對運動掃描晶片，以此使植入的光致抗蝕劑殼對于氣體可滲透。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的方法，進一步包括如下步驟 通過晶片相對于處于第二溫度的噴射的反應劑氣體的相對運動掃描晶片，以此從晶片去除光致抗蝕劑和/或殼。
27. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述的激活步驟進一步包括激勵電磁功率源以用于在所述的等離子體放電管上生成表面波； 將電磁功率通過接合到所述的等離子體放電管的波導傳送到所述的等離子體放電管；和使用所述的等離子體施加器內(nèi)的捕集器包含電磁輻射。
28. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述的電磁功率源以大約 100 kHz至2. 45 GHz之間的頻率運行。
29. 根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，進一步包括如下步驟將晶片放置在卡盤上；和通過安裝到所述的卡盤的機械定位系統(tǒng)相對于噴射的反應劑氣體 掃描卡盤，以此將其上放置了晶片的卡盤定位為使得晶片的表面層暴 露于噴射的反應劑氣體。
30. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中所述的機械定位系統(tǒng)的運 行使得所述的卡盤可以以大于大約2.5倍重力加速度的加速度加速， 且以大于大約100 cm/s的線性速度定位。
31. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，進一步包括如下步驟通過位 于晶片和安裝在所述卡盤上的晶片保持器之間的一層絕熱或者導熱材 料來改變晶片的溫度，由此修改所述晶片保持器和晶片之間的熱接觸 熱導。
32. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，進一步包括當所述處理室內(nèi) 的壓力處于環(huán)境壓力下時，去除晶片和引入晶片到所述卡盤上，由此 消除了對于在所述處理室中處理的每個晶片點燃激活的反應氣體的需要。
33. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，進一步包括通過由處理氛圍 或真空提供的力或通過靜電力而將半導體晶片夾緊在所述的卡盤上。
全文摘要
提供了用于從半導體晶片去除光致抗蝕劑或其他有機化合物的系統(tǒng)和方法。非氟化的反應劑氣體(O₂、H₂、H₂O、N₂等)在石英管內(nèi)通過中等壓力的表面波放電激活。當?shù)入x子體射流沖擊在基片上時，揮發(fā)性反應產(chǎn)物(H₂O、CO₂或低分子量的碳氫化合物)選擇性地從表面去除光致抗蝕劑。中等壓力也實現(xiàn)了在晶片上的反應區(qū)內(nèi)提供了有效的熱源的高的氣體溫度，這提高了蝕刻速度且提供了去除植入離子的光致抗蝕劑的實用的方式。
文檔編號H01J37/32GK101326613SQ200580052258
公開日2008年12月17日 申請日期2005年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月7日
發(fā)明者A·斯里瓦斯塔瓦, I·貝里, J·沃爾夫, P·薩克蒂維爾 申請人:艾克塞利斯技術(shù)公司;休斯頓大學