アッシング（レジスト灰化）とは

← 01THEME 02 パターン形成03 →

アッシング（レジスト灰化）とは、役目を終えたフォトレジストをプラズマで分解し、気体に変えて取り除く工程です。 フォトレジストは露光で形を写し、エッチングやイオン注入の間だけ下の膜を守る覆いで、工程が終われば邪魔になります。用済みのレジストを取り除く工程はレジスト剥離と呼ばれ、プラズマアッシングはその最もポピュラーな方法です¹。ただし気体になるのは有機の成分だけで、アッシングは後の洗浄とひと組で1つの工程になります。プラズマで消すか薬液で溶かすかは回路の細かさで選ばれ、ゲートが直接さらされる工程ではプラズマを反応室から離します。

酸素と結び付けて、レジストをCO2とH2OとO2にする

アッシングと洗浄の順序

酸素ラジカルがレジストを気体に変えて排気しますが、レジストに含まれる重金属は固体のまま残ります。ウェット洗浄まで終えて、レジスト剥離が完了します。

取り除き方には、燃やす道と溶かす道があります。プラズマアッシャは、プラズマ化したガスとレジストを反応させ、レジストを気化させて取り除く装置で¹、一般には酸素ガスを使います。レジストは炭素と酸素と水素からできた固体の物質で、酸素プラズマと化学反応するとCO2とH2OとO2になり、すべて気体となって消えます。アッシングは英語で灰にすることを意味し、レジストを酸素と結び付けて始末するのでこの名前が付きました。一般的にアッシングとは、フォトレジストをプラズマで分解し除去する工程です²。

酸素プラズマ以外の道もあります。オゾンアッシャはO3を分解して反応性のある酸素ラジカルへ変え、これとレジストを反応させるので、基本原理はプラズマアッシャと同じです。ただしオゾンアッシングは、現在マイナーな剥離法とされています。

エッチング後のポリマと重金属が、洗浄を必要にする

レジストは、エッチングを終えた時点ですでに姿を変えています。処理対象の膜が十分に腐食される頃には、保護膜の役目をしているレジストも半分以上消えてなくなり、その一部は変質してポリマと呼ばれるものになります³。このポリマを半導体回路に付着したまま放置するとICの欠陥につながるため、除去に使う専用機が必要になります。

酸素プラズマで気体になる成分は、炭素と酸素と水素に限られます。実際のレジストには重金属などの不純物も少し含まれ、これは固体のまま基板に留まるため、プラズマアッシングの後にはウェットステーションで洗浄することが好ましいとされます。この後始末を省くと、次に積む膜の下に不純物を閉じ込めることになります。後始末に使う薬液の代表が、過酸化水素水に硫酸を加えたSPMで、ウェーハ上のレジストやアッシング後の残渣など、濃厚な有機汚染を除去できます⁴。

レジストを削るのは主に酸素ラジカルとみられ、速さは毎分約1 μm

ガスと放電の方式によるアッシング速度

大気圧のHe/O₂プラズマは低圧の酸素プラズマとほぼ同じ毎分約1 μmでレジストを削り、Ar/O₂のスプレー型放電管による微小面積のアッシングは毎分約4.0 μmに達します。

大気圧グロー（APG）プラズマでアッシングを調べた研究では、O2の流量、放電の電力、基板温度に対する速さの依存性から、APGプラズマのアッシングは主に酸素ラジカルによるレジストの酸化だと考えられるとしています⁵。HeとO2の混合ガスでは毎分約1 μmで削れ、これは低い圧力の酸素プラズマによるアッシングとほぼ同じ値でした。

混ぜるガスも速さに効きます。XPSと発光分光の結果から、励起したヘリウムがレジスト表面の酸化物の脱離を促すと同研究は見ています。Ar/Ac/O2プラズマは、O2の割合がHe/O2プラズマの6分の1でも、同じ速さでレジストを削りました。スプレー型の放電管で微小な面積をアッシングした場合は、Ar/O2の混合ガスで最も速く、毎分約4.0 μmでした。

装置が管理するのは、アッシングレートの面内のばらつき

サムコのプラズマクリーナーは平行平板方式で、まず反応室内に反応性ガスを導入して一定の減圧状態に保ち、電極間に高周波を印加してプラズマを生成し、基板表面の汚れと反応させることで洗浄します⁶。この表面処理を行うプラズマクリーナーは、プラスチックパッケージや各種基板の表面洗浄や改質、そしてアッシングに用いられます。

管理する対象は、速さそのものよりも速さのばらつきです。アルバックのアッシング装置は、バッチ式ではなく、アッシングレートの面内分布を意識した枚葉式の装置です²。ウェーハの中心と外周で落ちる速さが違えば、どちらかが必ず削られすぎるか残るかになります。同社は実装工程でのアッシングを、比較的簡単なエッチングをするという意味合いで使っています。

プラズマを作る方式はマイクロ波の装置もあります。PVA TePlaは、テープとフレームに載せたものを含め300mmまでのウェーハを扱い、大面積のマイクロ波プラズマ源による高速の直接マイクロ波プラズマアッシングと⁷、室温から190°Cまでの基板温度の制御を製品の仕様に挙げています。ノートルダム大学の施設が備えるPVAのアッシャPS210は、イオンとラジカルを作るエネルギー源に高エネルギーのマイクロ波を使い⁸、レジストを速く取り除くための酸素と窒素を備え、アッシング、表面洗浄、表面改質に使われます。

ゲートを守るためにプラズマを離し、洗浄と時間を払う

プラズマとウェーハの距離

ウェーハの真上でプラズマを立てると、イオンもウェーハに届きます。ファラデーケージはイオンによる損傷を減らすために入れ、プラズマ生成部を分ける方式ではラジカルだけが反応室に入ります。

第一の代償は、電気的なダメージです。ドライエッチングによる電気的な損傷はチャージダメージと呼ばれ、ゲート酸化膜を破壊したり、その信頼性を低下させたりします。酸素プラズマを用いたアッシングによるフォトレジストの除去では、ゲート電極あるいはそこへつながる配線が直接さらされるため、プラズマ生成を反応室と分離してラジカルだけを反応室に導入するケミカルドライエッチング方式が用いられます⁴。守りたいものが露出している工程だからこそ、プラズマを遠ざけます。同じ反応室の中で守る手もあり、PS210ではイオンによる損傷を減らすためにファラデーケージを入れられます。

第二の代償は、後工程の追加です。重金属などは固体のまま残るため、アッシングの後にウェットの洗浄を重ねます。SPM洗浄のような薬液の工程はそのまま残るので、ドライの装置を入れた後も水と薬液を使い続けます。

第三の代償は、プラズマを当てすぎる時間です。サムコは、チップの微細化と集積化が進み、顧客の要求が、プラズマを当てる時間を長めに設定して汚れを取りきり改質するやり方から、必要な量だけ洗浄し改質するやり方へ変化したとしています。長めに流せば取り残しは減りますが、そのぶん下地とデバイスをプラズマに当て続けます。どこで終点を取るかは削る工程と消す工程に共通する課題で、プラズマ診断（終点検出）が担う終点の見きわめは、消す側の工程でも同じ形で必要になります。

選ぶ側の判断は、回路の細かさで決まります。ウェットステーションのメリットは生産性の高さと、レジストに含まれる微量の重金属も取り除けることです。デメリットは、レジストを溶かす薬液がレジスト以外の部分に余計な悪影響を与える可能性です。そのため現実の工場では、微細な半導体回路の工程にプラズマアッシャ、比較的ラフな半導体回路の工程にウェットステーションが使われる傾向にあります。

プラズマは、形を作るより先にレジストを消すために使われた

1968年に米国シグネティックス社のS.M. Irvingが、初めて酸素プラズマをフォトレジストの灰化に適用しました⁹。低温プラズマのエッチング応用が報告されたのは、その後の1973年です。堀池靖浩氏は2016年に、この順番を回想しています。半導体づくりにおけるプラズマの使い道は、形を作る側より先に、役目を終えたレジストを消す側から広まりました。地味な工程ですが、プラズマ加工の出発点はここにあります。

よくある質問（FAQ）

アッシングとは何ですか？

役目を終えたフォトレジストをプラズマで分解し、気体に変えて取り除く工程です。

なぜ「灰化」と呼ぶのですか？

アッシングは英語で灰にすることを意味し、レジストを酸素と結び付けて始末するためこの名前が付きました。

アッシングにはどんなガスを使いますか？

一般には酸素ガスを使います。レジストは炭素と酸素と水素からできた固体で、酸素プラズマと化学反応するとCO2とH2OとO2になり、すべて気体となって消えます。装置によっては窒素も使います。

アッシングだけでレジストは完全になくなりますか？

気体になるのは有機の成分だけです。実際のレジストには重金属などの不純物も少し含まれ、これは固体のまま残るため、プラズマアッシングの後にはウェットステーションで洗浄することが好ましいとされます。

ウェットの剥離とはどう使い分けますか？

回路の細かさで選びます。ウェットは生産性が高く重金属も取り除けますが、薬液がレジスト以外の部分に余計な悪影響を与える可能性があり、現実の工場では微細な回路の工程にプラズマアッシャ、比較的ラフな回路の工程にウェットステーションが使われる傾向にあります。

アッシングでデバイスが傷むことはありますか？

あります。酸素プラズマを用いたアッシングではゲート電極やそこへつながる配線が直接さらされるため、プラズマ生成を反応室と分離してラジカルだけを反応室に導入するケミカルドライエッチング方式が用いられます。イオンによる損傷を減らすため、ファラデーケージを入れる装置もあります。

アッシングはいつから使われていますか？

エッチングより先に始まりました。1968年に米国シグネティックス社のS.M. Irvingが、初めて酸素プラズマをフォトレジストの灰化に適用しました。半導体づくりでのプラズマ利用は、形を作る側より先に、役目を終えたレジストを消す側から広まりました。

比較・違いを学ぶ

ウェットエッチングとは── 薬液で溶かす側の考え方
SPM洗浄とは── アッシングの後に残るものを流す薬液の工程
プラズマ診断（終点検出）とは── 終点を機械に判断させる仕組み

出典

9件を表示