(57)【要約】【課題】  処理室壁面の損傷を少なくし、長期間安定して被処理対象の試料を処理できるプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】  真空容器内の処理室内に配置された試料をこの処理室内に形成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置であって、この処理室内に配置されて前記プラズマに面しイットリウムを０.０５乃至０.５重量％またはアルミニウムを０.１乃至１重量％含む石英から構成された処理室内部材を備えた。【選択図】図１
2009158732.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空容器内の処理室内に配置された試料をこの処理室内に形成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置であって、
この処理室内に配置されて前記プラズマに面しイットリウムを０.０５乃至０.５重量％またはアルミニウムを０.１乃至１重量％含む石英から構成された処理室内部材を備えたプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、前記処理室内部材は望ましくはイットリウムを０.１乃至０.２５重量％含む石英から構成されたプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のプラズマ処理装置であって、前記処理室内部材はこの処理室内に導入される処理用のガスが通流する円筒形の貫通孔を備えたプラズマ処理装置。
【請求項４】
請求項３に記載のプラズマ処理装置であって、前記貫通孔の径が０.８mm以下であるプラズマ処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体デバイス等を製造するため真空容器内部の処理室内に形成したプラズマを用いて半導体ウエハ等の基板状の試料を処理するプラズマ処理装置に係り、プラズマが形成される処理室の内壁面に石英を用いたプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンウエハなどの被加工板材（以下ウエハと記述）を加工して半導体デバイスを製作する半導体製造装置として、プラズマＣＶＤ装置やプラズマエッチング装置などのプラズマ処理装置が広く使用されている。近年、半導体デバイスの高集積化に伴い半導体デバイスの回路パターンは微細化の一途をたどっており、これらのプラズマ処理装置に要求される加工寸法は微細化し、エッチングの精度の要求値も高くなっている。更に、半導体デバイスの構成材料の多様化に伴って、プラズマ処理プロセス（エッチングレシピ等）も複雑となり、多様なプロセスガスを使用している。エッチングプロセスの多様化と共に半導体製造装置に要求される項目として、半導体デバイスの生産性を向上することが必須であり、長期間にわたって安定的に半導体デバイスを生産することのできる装置、いわゆる長期量産安定化も重要な課題となっている。
【０００３】
例えば、プラズマエッチング処理装置ではフッ化物や塩化物、更には臭化物などの反応性ガスのプラズマを用いるために、処理室壁面が化学的及び物理的に侵食される。そのため、特許文献１，２，３には石英にイットリウムやアルミニウム等を添加することで耐プラズマ性を向上させた石英部材がある。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２６５２３１号公報
【特許文献２】特開２００２−３５６３４５号公報
【特許文献３】特開２００３−２９７８０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来技術において、耐プラズマ性の観点からは有効であるが、特にアルミニウムやイットリウム等を含む酸化物の濃度が高いと石英部材を加工する時にクラックが入り易くなり適切な加工が困難となるという問題が有った。
【０００６】
また、アルミニウムやイットリウム等を含む酸化物を添加した石英部材をプラズマ処理装置に用いることで、長期間にわたって安定して処理することが可能であるが、アルミニウムやイットリウム等を含む酸化物の濃度が低いと、エッチングガスと石英部材とでも反応するため、ウエハ処理枚数に伴ってエッチングレートが変動するような経時変化が発生してしまうと言う問題が有った。
【０００７】
これらの問題点について上記従来の技術では十分に考慮されていなかった。本発明の目的は、アルミニウムやイットリウム等を含む酸化物を添加した石英部材を備えた処理室壁面の損傷を少なくして長期間安定して被処理対象の試料を処理できるプラズマ処理装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的は、真空容器内の処理室内に配置された試料をこの処理室内に形成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置であって、この処理室内に配置されて前記プラズマに面しイットリウムを０.０５乃至０.５重量％またはアルミニウムを０.１乃至１重量％含む石英から構成された処理室内部材を備えたプラズマ処理装置により達成される。
【０００９】
さらには、前記処理室内部材は望ましくはイットリウムを０.１乃至０.２５重量％含む石英から構成されたことにより達成される。さらにまた、前記処理室内部材はこの処理室内に導入される処理用のガスが通流する円筒形の貫通孔を備えたことに達成される。さらにまた、前記貫通孔の径が０.８mm以下であることにより達成される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の実施の形態を以下図面を用いて説明する。
【実施例】
【００１１】
本発明の実施例を図１乃至図４を用いて説明する。図１は、本発明のプラズマ処理装置の実施例に係る真空容器周りの構成の概略を示す縦断面図である。
【００１２】
この図において、プラズマ処理装置１００の上部は放電室部が配置されており、この放電室部は、真空容器の蓋を構成する蓋部材１０１と、この蓋部材１０１の内側に配置されたアンテナ１０２と、このアンテナ１０２の側方と上方とに配置され放電室部を囲んで配置された磁場発生部１０３と、このアンテナ１０２の下方に配置された天井部材とを含んで構成されている。また、磁場発生部１０３上方にはアンテナ１０２が放出する２００ＭＨｚから１ＧＨｚのＶＨＦ，ＵＨＦ帯周波数の電力を供給する電波源部１０５が配置されている。供給するアンテナ１０２はＳＵＳ等の導電性部材で構成された蓋部材１０１の内側に配置されており、このアンテナ１０２と蓋部材１０１との間には、これらの間を絶縁するとともにアンテナ１０２から放出される電波を下方の天井部材側に伝導するために配置された誘電体１０６を有している。
【００１３】
更に、天井部材は、伝達されてきた電波を下方の処理室内側に伝導するため石英等の誘電体で構成された石英プレート１０７と、この石英プレート１０７の下方に配置されて供給された処理用のプロセスガスを処理室の内側に分散して導入するための複数の円筒形の貫通孔が形成されたシャワープレート１０８を有している。
【００１４】
シャワープレート１０８の下方であって試料台１０９の上方に形成された空間は、供給されたプロセスガスにシャワープレート１０８を通って導入されたアンテナ１０２からの電波と磁場発生部１０３から供給された磁場との相互作用によりプラズマが形成される放電室１１０となっている。上記空間はプロセスガスが内部に充満して空間内の全体に行き渡って下方のシャワープレート１０８の複数の貫通孔を通って分散して放電室１１０に流入するよう設けられたバッファ室１１１となっている。このプロセスガスは、流量を調節する制御器１１４から供給されプロセスガスライン１１２及びプロセスガス遮断バルブ１１３を経て処理ユニットへ供給される。
【００１５】
このようにして、複数の孔からプロセスガスを分散して放電室１１０に導入するとともに、これらの孔は試料台１０９上に試料が載置される位置に対向した位置を主にして配置されており、ガスをより均一となるように分散できるバッファ室１１１の働きとともに、プラズマの密度を均一にすることを図っている。また、蓋部材１０１の下方で石英プレート１０７及びシャワープレート１０８の外周側には下部リング１１５が配置されており、この下部リング１１５の内部にはバッファ室１１１にプロセスガスが通流するガスライン１１２と連通したガス通路が設けられている。
【００１６】
更に、シャワープレート１０８の下方には、真空容器の内側でプラズマに面して放電室１１０の空間を区画する放電室内側壁部材１１６が備えられている。また、この内側壁部材１１６の外周側にはこれを取り囲んで配置された放電室外側壁部材１１７が備えられており、外周面には、ヒータが巻き付けられて配置され、外側壁部材１１７の温度を調節することでこれに接触した内側壁部材１１６の表面の温度を調節している。この外側壁部材１１７の外周側には、その下面に接触する放電室ベースプレート１１８が配置されている。
【００１７】
本実施例では、内部に処理室が配置される真空容器は上方の放電室部と下方で放電室部と連結する真空室部とに分けられ、放電室べースプレーと１１８を含み下方の真空室部は、外側で真空容器を構成する外壁とその内側の空間の内部に外壁と距離を空けて配置された内側チャンバ１２１，１２２とを備えている。その内部の空間が下減圧されて試料を載置するための試料台とその周囲でプラズマやガス，粒子が存在する真空室１２３となっている。
【００１８】
放電室の内側壁部材１１６と内側チャンバ１２１とは外側壁部材１１７を介して連結されている。内側チャンバ１２１，１２２は上下に配置されて真空室１２３を囲む内壁部材を構成する。これらの部材は、それぞれが円筒形状またはリング形状を備えて、互いの中心が一致するように配置されて、処理室が上下の中心の軸周り軸対称となるように構成されている。つまり、放電室１１０及び真空室１２３は中心が一致した円筒形状の空間となっている。
【００１９】
さらに、内側チャンバ１２１の内側には略円筒形状の試料台１０９が配置され、その円筒形の中心または試料が載せられる円形状の上面の中心は処理室の中心と合致するように配置されている。真空室１２３はこの試料台１０９の側面の外周の空間と試料台１０９の下方で内側チャンバ１２２に側方の周囲が囲まれた空間とを備えている。なお、試料台１０９は内側チャンバ１２１，１２２の間で水平方向に配置された複数の支持梁により真空室１２３の上下方向で中空に保持されており、支持梁は試料台１０９の側面から外周側に延びて試料台１０９を囲むリング状の試料台ベース１２４により連結されている。試料台ベース１２４のリング状の部分の内側も真空室１２３の内壁面を構成する。
【００２０】
内側チャンバ１２１，１２２の内側の試料台１０９下部の周囲のリング状の試料台ベース１２４下方に、下側の内側チャンバ１２２が配置されている。内側チャンバ１２２は試料台１０９下方の真空室１２３の下部を囲み、その底部の中央部分には開口が配置されている。この開口部は真空容器の下部に連結され試料台１０９の直下方に配置された排気バルブ１３１や排気ポンプ１３２を備えた排気手段と連通しており、処理室内では放電室１１０及びから試料台１０９の周囲のプラズマ，ガス，粒子等がこの開口を通り真空容器外に排出される。
【００２１】
プラズマ処理装置１００の排気手段である排気バルブ１３１は、その下方に配置された排気ポンプ１３２と内側チャンバ１２２の内側の空間との間を連通あるいは遮断することのできる板状のシャッターを複数備え、このシャッターを回転させて開口している排気通路面積を可変に調節して排気流量や速度を調節するシャッター式排気バルブである。このように、本実施例では、排気手段が試料台１０９の下方、特に直下方に配置されている。そして、内側チャンバ１２１内の試料台１０９の上方の空間内のプラズマや処理ガス、反応生成物は試料台１０９の周囲とその下方の内側チャンバ１２２内の空間を介して排気バルブ１３１までの排気経路を流れる。
【００２２】
図２において、まず処理の対象物である半導体ウエハＷは、搬送ユニットからプラズマ処理装置１００に搬入された後、試料台１０９内に配置され導電性部材から構成された円板状の電極２０１の円形の表面に配置された誘電体膜上面の載せられる。さらに、誘電体膜内に配置された静電吸着用の電極に電力が供給されて半導体ウエハＷは誘電体膜上面に吸着され保持される。
【００２３】
次に、半導体ウエハＷのエッチング処理に必要なガス、たとえばハロゲン系の物質を含んだガスがプロセスガスライン１１２から供給され、所定の流量の混合比をもって真空容器内の内に供給される。同時に、プラズマ処理装置１００は、排気ポンプ１３２および排気バルブ１３１により、所定の処理圧力に調整され、電波源部１０５からの電力供給により、アンテナ１０２から電磁波が放射される。次に、磁場発生部１０３によりプラズマ処理装置１００の内部に形成される概略水平な磁場との相互作用により、プラズマ処理装置１００内に効率良くプラズマＰが生成されることにより、プロセスガスが解離されてイオンやラジカルが発生する。更に静電吸着電極２０１のバイアス電源２０２からのバイアス電力により、半導体ウエハＷをエッチングし所望のエッチング形状が得られる。
【００２４】
上記したように、本実施例に示したプラズマ処理装置１００では、アンテナ１０２より印加された高周波と磁場発生部１０３による磁場との相互作用により、シャワープレート１０８の直下に密度の高いプラズマが生成される。シャワープレート１０８の材料は大部分が石英であるため、ハロゲン系ガスを含んだプラズマでは石英の成分であるＳｉＯ2が腐食していく。ただし、シャワープレート１０８に含まれるイットリウムやアルミニウムとハロゲン系のガスの物質、例えばフッ素とが反応することで、ＹＦやＡｌＦに変化しシャワープレート１０８表面に堆積していく。それによって、フッ素との反応を低減させ石英部材の腐食を抑えることがきる。
【００２５】
このことは、石英ガラスとの反応が抑えられたために、その分多くのイオンやラジカルがウエハと反応すると言い換えることができる。従来、何も添加されていない石英部材に反応生成物が付着すると、ウエハのエッチングレートが変化する現象が起きていた。これは、反応生成物が徐々に石英部材に付着することによって、反応する石英部材の面積が変化したためと考える。そのため、イットリウムやアルミニウム等の濃度が低いと、何も添加されていない石英部材と同じように表面をＹＦやＡｌＦで覆うことが出来なくなり、図４に示すように、半導体ウエハの処理枚数が増大するにつれて徐々にエッチングレートが変化すると考える。
【００２６】
本実施例では図３に示す特定の領域の範囲にイットリウム／アルミニウムを添加する濃度を調節する。図４は、図１に示す実施例に係るシャワープレート１０８の部材としてイットリウムまたはアルミニウムを石英に添加した場合の石英内のこれらの濃度の変化に対する所定の枚数を処理した際の処理室内でのエッチングレートの変動率の変化を示す。図３では、図４に示すように、エッチングレートが安定した値に漸近したと見なせるだけの半導体ウエハの連続的に処理した枚数が大きくなった際のエッチングレートとこの連続的な処理を開始した最初期のエッチングレートとの比をエッチングレートの変動率としている。図３によれば、イットリウム／アルミニウムの濃度が０.１／０.２重量％よりも低い濃度であるとエッチングレートの変動は低減されるが、それ以上の濃度になればレート変動は起こしていない。
【００２７】
この図に示すように、イットリウム／アルミニウムの濃度を高くすれば、エッチングレートの変動を低減することができると言える。一方、これらの石英中の濃度が大きくなるにつれて石英中のイットリウムやアルミニウムの分散の均一性が低下する。このため、このような石英を用いてプラズマ処理装置でプラズマに面する処理室の内壁を構成する部材を実現しようとして加工を行う場合に不具合が生じてしまう。例えば、上記実施例のようにシャワープレート１０８をイットリウムまたはアルミニウムを石英に添加した部材で構成する場合、ガスを処理室内に導入するための貫通孔をレーザー等で加工して形成する際に母材にクラックが発生しやすくなるという問題が有った。一方で、このような穴や溝加工を行う場合に穴径を広げればクラックの発生は回避できると考えられるが、ガスの供給用の孔の径を広げ過ぎると処理室内に電界が集中し易くなるため異常放電が起こりやすくなる。
【００２８】
そこで、本実施例では貫通孔の径を図５に示す特定の領域の範囲の形状とする。図５に円筒形の貫通孔の径と異常放電との関係を示す。本図に示すように、発明者らの検討によれば、貫通孔の径が１.０mm以上では異常放電が生起する一方で０.８mm以下では生じなかった。さらに発明者らが検討した結果、図５に示す０.８mm以下の貫通孔の径を加工できるイットリウム／アルミニウムの濃度は、０.５／１.０重量％以下であることが判明した。
【００２９】
以上のことから、発明者らは、シャワープレート１０８等の石英を用いた処理室内部に配置される部材の加工性とエッチングレート変動の抑制との観点から、石英に添加するイットリウム／アルミニウムの濃度は、０.０５〜０.５％とし、シャワー穴径は、０.８mm以下とすることが望ましいという知見を得た。また、更に望ましくはイットリウム／アルミニウムの濃度を０.１〜０.２５％とすることが望ましい。本発明に係る上記実施例はこのような知見に基づいて構成されたものであり、シャワープレート１０８は石英にイットリウムを０.５重量％またはアルミニウムを０.８重量％添加して形成されている。
【００３０】
本実施例のこのような構成によれば、アルミニウムやイットリウム等を含む酸化物を添加した石英部材を適切に加工でき、かつ処理室壁面の損傷を少なくし、長期間安定して被処理対象の試料を処理できるプラズマ処理装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の真空容器周りの構成の概略を示す建断面図である。
【図２】図１に示す実施例の真空容器の上部の一部の構成の概略を拡大して示す建断面図である。
【図３】図１に示す実施例のシャワープレートを構成する石英に添加されるイットリウムまたはアルミニウムの濃度の変化に対する処理室内のエッチングレートの変動を示すグラフである。
【図４】図１に示す実施例において処理の枚数の増大に対するエッチングレートの変動の例を示すグラフである。
【図５】図１に示す実施例においてシャワープレートの貫通孔の径と異常放電の生起回数との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３２】
１００  プラズマ処理装置
１０１  蓋部材
１０２  アンテナ
１０３  磁場発生部
１０５  電波源部
１０６  誘電体
１０７  石英プレート
１０８  シャワープレート
１０９  試料台
１１０  放電室
１１１  バッファ室
１１２  ガスライン
１１３  プロセスガス遮断バルブ
１１４  制御器
１１５  下部リング
１１６  内側壁部材
１１７  外側壁部材
１１８  ベースプレート
１２１，１２２  内側チャンバ
１３１  排気バルブ
１３２  排気ポンプ
２０１  電極
２０２  バイアス電源
Ｐ  プラズマ
Ｗ  半導体ウエハ
【図１】
2009158732.tif 000003
【図２】
2009158732.tif 000004
【図３】
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【図４】
2009158732.tif 000006
【図５】
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