JP2007243020A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】処理室内壁面を反応生成物と同等な材料で被覆することにより長期にわたり安定した微細加工が可能なプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】真空処理容器、該真空処理容器内に配置した試料台２０９、前記真空処理容器内にプロセスガスを導入するガス導入手段、前記処理容器内に磁場を生成する磁場発生手段、および前記真空処理容器の下部に配置され前記容器内のガスを排気する排気手段を備え、前記真空処理容器内に高周波電力を供給して前記磁場との相互作用によりプラズマを生成し、生成したプラズマにより前記試料台に載置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、前記真空処理容器は、筒状の側壁部材２１６と該側壁部材の上部を覆う蓋部材と該蓋部材の側壁部材側に配置した誘電体製板２０８を備え、前記側壁部材の内面および前記誘電体製板の側壁部材側の面の外周部はイットリウム（Ｙ）を含む被膜を形成した。
【選択図】図３

Description

本発明は、プラズマ処理装置に係り、特に、処理室内壁面の損傷を抑制して、長期にわたり安定した微細加工が可能なプラズマ処理装置に関する。

シリコンウエハなどの被加工板材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、デバイスの高集積化に伴い、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の精度はますます厳しくなっている。また、デバイスの構成材料の多様化に伴ってエッチングレシピも複雑となり、長期量産安定化が重要な課題となっている。

例えば、プラズマ処理装置では、フッ化物、塩化物、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内壁面が化学的及び物理的に侵食され、また、ウエハ処理枚数の増加に伴い、反応生成物が処理室内壁に付着することにより、長期的に安定した処理が不可能となる場合がある。

また、前記侵食された処理室の壁面部材とプラズマ中の活性なラジカルとが化学反応を起こし、処理室内壁に異物として再付着する場合もある。内壁に再付着した異物は、エッチングを繰り返すことで次第に厚さを増し、最悪の場合は異物がウエハ上に剥がれ落ちて製品不良を引き起こすことがある。

このような問題に対処するために、プラズマ処理装置では、処理室内壁などの部材の表面に化学反応に安定な陽極酸化処理（いわゆるアルマイト処理、一般的な厚さは２０μｍ）を施すことが行われてきた。また、前記ウエハを載置するステージには、高純度の焼結アルミナが用いられることが多い。

しかしながら、近年ではアルミニウムの汚染低減も重要な課題となってきており、長期間に渡り安定して処理を続ける上で、アルマイト及びアルミナ以外の耐プラズマ性材料を使用することが考えられている。例えば、プラズマ処理装置の処理室壁面やステージに、Ｙ_２Ｏ_３，Ｔｂ_２Ｏ_３，あるいはＹＦ_３を主成分とした材料を被覆することにより、より長期的に安定な処理を可能とすることができることが知られている。このような技術が特許文献１、２に記載されている。
特開２００５−２４３９８７号公報 特開２００５−２４３９８８号公報

上記従来技術において用いられているアルマイトは、長期にわたり安定した処理を保証する目的からすると、耐プラズマ性が不十分である。また、前記アルマイトが削れて生じたアルミニウムは被処理対象である半導体ウエハ表面を汚染することがある。

また、前記特許文献１、２等に示される技術は、耐プラズマ性の観点からは有効である。しかし、被膜する個所には配慮がなされておらず、耐プラズマ性材料の効果を十分に引き出しているとは言いがたい。

例えば、従来技術１には、処理室壁全面を耐プラズマ性被膜で被覆することが示されている。このように、処理室全面を耐プラズマ性被膜で被覆することは耐プラズマ性の観点からは有効である。しかし、処理室全面を耐プラズマ性膜で被覆した場合には、ウエハを処理する上でプラズマからの発光を採光できないために、ウエハ処理時に終点判定を行うことができない。一方、処理室を構成する石英部材に耐プラズマ性材料を被覆することなく使用すると、ウエハ処理枚数の増加に伴ってエッチングレートが変動するという経時変化が起きる。このため、長期的に安定した処理を継続することが困難となる。

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、処理室内壁面の一部を付着する反応生成物と同等な材料で被覆して長期にわたり安定した微細加工が可能なプラズマ処理装置を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

真空処理容器、該真空処理容器内に配置した試料台、前記真空処理容器内にプロセスガスを導入するガス導入手段、前記処理容器内に磁場を生成する磁場発生手段、および前記真空処理容器の下部に配置され前記容器内のガスを排気する排気手段を備え、前記真空処理容器内に高周波電力を供給して前記磁場との相互作用によりプラズマを生成し、生成したプラズマにより前記試料台に載置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、前記真空処理容器は、筒状の側壁部材と該側壁部材の上部を覆う蓋部材と該蓋部材の側壁部材側に配置した誘電体製板を備え、前記側壁部材の内面および前記誘電体製板の側壁部材側の面の外周部はイットリウム（Ｙ）を含む被膜を形成した。

本発明は、以上のような構成を備えるため、長期にわたり安定した微細加工が可能なプラズマ処理装置を提供することができる。

以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態で使用する真空処理装置の全体構成を説明する概略の平面図である。

図１において、真空処理装置本体１００は２つのブロックに分けることができる。すなわち、装置本体１００の前方（図の下方）には、大気側ブロック１０１が配置される。外部から装置本体１００に供給されたウエハは、この大気側ブロック１０１を介して、処理ブロック１０２に搬送される。

装置本体１００の後方（図の上方）には、前記処理ブロック１０２を配置する。処理ブロック１０２には、減圧環境下でウエハを処理する真空処理室を有する処理ユニット１０３、１０３’、および１０４、１０４’と、これらの処理室にウエハを減圧下で搬送する搬送ユニット１０５、およびこの搬送ユニット１０５と大気側ブロック１０１とを接続する複数のロック室１１３、１１３’を備える。これらのユニットは、減圧されて高い真空度の圧力に維持可能なユニットである。すなわち、処理ブロック１０２は真空ブロックである。

一方、大気側ブロック１０１は、内部に搬送ロボット（図示せず）を備えた筐体１０８を有し、この筐体１０８にはウエハカセット１０９およびダミーカセット１１０が取り付けられる。ウエハカセット１０９には処理用またはクリーニング用のウエハが収納され、ダミーカセット１１０にはダミーウエハが収納される。

筐体内１０８内の搬送ロボットは、これらのカセット１０９、１１０とロック室ユニット１１３、１１３’との間でウエハを搬入あるいは搬出する。また、大気側ブロック１０１は、筐体１０８上に位置合わせ部１１１を備えている。搬送ロボットはこの位置合わせ部１１１を利用して、搬送されるウエハの姿勢を変更することができる。これにより、カセット１０９，１１０あるいはロック室ユニット１１３，１１３’内における搬送後のウエハの姿勢を所望の姿勢とすることができる。

なお、本実施形態における処理ブロック１０２を構成する処理ユニット１０３，１０３’および１０４，１０４’は、処理ユニット１０３，１０３’がエッチング処理ユニットであり、処理ユニット１０４，１０４’がアッシング処理ユニットとする。

また、処理ブロック１０２には、処理ブロック１０２を構成するユニットあるいは処理室に必要なガスや液体等の流体の供給を調節する流量調節装置（Mass Flow Controller）を含む制御ユニット１０７，１０７’を備え、これらユニットは処理ユニット１０３，１０３’の下部に配置されている。

前述のように、処理ユニット１０３，１０３’および１０４，１０４’は、それぞれエッチング処理ユニットおよびアッシング処理ユニットであり、これらユニットは、平面が多角形型の搬送ユニット１０５の多角形の各辺に接続されている。更に搬送ユニット１０５の残る辺にはロック室１１３，１１３’が接続されている。

また、本実施形態では、搬送ユニット１０５に接続された処理ユニット１０３，１０３’および１０４，１０４’は、この搬送ユニット１０５に対して着脱可能に接続されている。また、搬送ユニット１０５は、ロック室１１３，１１３’と着脱可能に接続されている。

次に、図１に示す処理ユニット（プラズマ処理装置）の構成について、図２を用いて説明する。図２は、図１に示すエッチング処理ユニットの構成を説明する縦断面図である。

図２に示すように、処理ユニット２００の上部には放電室部２１０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２０１と、この蓋部材２０１の内側に配置されたアンテナ２０２と、このアンテナ２０２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２０３と、このアンテナ２０２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２０３上方にはアンテナ２０２が放出する３００ＭＨｚから１ＧＨｚのＵＨＦ帯の周波数の電力を供給する高周波電源部２０５が配置されており、本実施形態では電源部２０５の周波数を４５０ＭＨzとしている。アンテナ２０２はＳＵＳ等の導電性部材で構成された蓋部材２０１の内側に配置されており、このアンテナ２０２と蓋部材２０１との間には、これらの間を絶縁するとともにアンテナ２０２から放出される電磁波を下方の天井部材側に伝導する誘電体２０６を配置している。

また、天井部材は、伝達されてきた電磁波を下方の処理室内側に伝導するため真空容器内の処理室上面を覆っている石英等の誘電体で構成された石英プレート２０７と、この石英プレート２０７の下方に配置され、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孔が形成されたシャワープレート２０８を有している。なお、シャワープレート２０８は絶縁性の材料で一体に形成され外周部を支持される円板である。

シャワープレート２０８の下方の試料台２０９の上方に形成された空間は、供給されたプロセスガスに、石英プレート２０８を通って導入されたアンテナ２０２からの電磁波と、磁場発生部２０３から供給され磁場とを印加し、これらの相互作用によりプラズマを形成する放電室２１０となっている。また、石英プレート２０７とシャワープレート２０８との間は微小な空間が形成されており、この空間にプロセスガスが先ず供給され、シャワープレートの孔を通って放電室２１０に流入する。この空間はプロセスガスが複数の孔から分散して放電室２１０に流入するよう設けられたバッファ室２１１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２１４から供給され、プロセスガスライン２１２およびプロセスガス遮断バルブ２１３を経て処理ユニット１０３へ供給される。

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２１０に導入することができる。また、これらの孔は、主に試料台２０９上の試料が載置される位置に対向した位置に配置されており、ガスを均一となるように分散するバッファ室２１１と協働してプラズマの密度をより均一にすることができる。

また、蓋部材２０１の下方で石英プレート２０７およびシャワープレート２０８の外周側には下部リング２１５が配置されており、この下部リング２１５の内部には、バッファ室２１１にプロセスガスを通流するガスライン２１２と連通したガス通路が設けられている。

また、シャワープレート２０８の下方には、真空容器の内側でプラズマに面して放電室２１０を区画する放電室内側壁部材２１６が備えられている。この内側壁部材２１６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２１７備えられており、この放電室の内側壁部材２１６の外側の壁面と外側壁部材２１７の内側の壁面とは対向して接触している。なお、本実施形態では、内側壁部材２１６、外側壁部材２１７は各々略円筒形状を有し、ほぼ同心となるように構成されている。外側壁部材２１７の外周面には、ヒータが巻き付けられて配置され、外側壁部材２１７の温度を調節することによりこれに接触した内側壁部材２１６の表面の温度を調節している。

外側壁部材２１７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２１８が配置されている。この放電室べースプレート２１８の下面はその下方に配置される真空室部と接続する。なお、内側壁部材２１６は、放電室２１０内部のプラズマおよび電極の役目を果たす試料台２０９に対する接地電極の作用をする部材でもあり、プラズマの電位を安定させるために必要な面積を有している。内側壁部材２１６は、この接地電極としての作用のため、接触して接続される外側壁部材２１７および蓋部材２０１との間での熱伝導性および導電性を十分確保する必要がある。

なお、内側壁部材２１６と外側壁部材２１７および蓋部材２０１とはともに、導電性を有する部材で構成され、処理ユニット２００外側の大気側へ露出されており、接地のための配線の接続が容易となるように構成されている。

処理ユニット２００における真空処理室の外壁を構成する外側チャンバ２１９，２２０の内側には１つ以上のチャンバが配置されている。すなわち、一方が他方の内側に配置された多重チャンバとなっている。本実施形態では、内外２つのチャンバを有している。すなわち、上部外側チャンバ２１９の内側に内側チャンバ２２１が、下部外側チャンバ２２０の内側に内側チャンバ２２２が備えられている。つまり、上下２つの内側チャンバ２２１，２２２が備えられている。試料台２０９は内側チャンバ２２１，２２２の内側に配置されており、最も内側のチャンバの内部は、プラズマが形成され、ガス、反応生成物が流れて排気される真空処理室２２３を構成する。

また、内側チャンバ２２１，２２２は導電性を備えて、外側チャンバ２１９，２２０に対して導通を有して、所定の電位とされる。内側チャンバ２２１，２２２は上記のようにその内側のプラズマと面しており、処理を安定させるため、あるいはプラズマ内の粒子との相互作用を安定にするために、特定の電位に設定される必要が有る。本実施形態では、内側チャンバ２２１，２２２を接地電位に設定している。これにより、上記放電室内側壁部材２１６と同様、プラズマの電位が安定するとともに相互作用が安定する。

本実施形態では、真空室を構成する壁の表面の温度を調節して、その表面とプラズマやこれに含まれる粒子、ガス、反応生成物との相互作用を調節している。このようにプラズマとこれに面する真空室の壁面との相互作用を適切に調節することで、プラズマの密度や組成等プラズマの特性を所望の状態にすることができる。また、本実施形態の構成では、真空室部を構成する内側チャンバ２１９、外側チャンバ２２０の間には排気手段により減圧されて高い真空度に維持される空間がある。このため真空室２２３を構成する内側チャンバ２１９の温度を調節するには工夫が必要となる。

試料台２０９は、一般に静電吸着電極と呼ばれているものである。静電吸着電極である試料台２０９は、アルミニウム製の静電吸着電極２３４、誘電体膜２３５、および電極カバー２３６で構成される。図示していないが、静電吸着電極２３４内には、冷媒が循環する流路が形成されており、温調ユニットにより所定の温度に調節された冷媒が供給されている。冷媒の温度は−１０〜６０℃程度である。

電極カバー２３６は、その上に半導体ウエハが載置される略円形の面である誘電体膜２３５を保護するためのカバーである。この電極カバー２３６はウエハ載置面である誘電体膜２３５の外周側壁を囲んで配置され、試料台２０９の上面の外周部に被せられている。その材質としては、アルミナ、石英等の絶縁体や、セラミクス、シリコン化合物等が用いられる。また、試料台２０９の大きさは、１２インチ（直径３００ｍｍ）の半導体ウエハを対象とした場合には、直径が３４０ｍｍで、全体の厚さが４０ｍｍである。静電吸着電極２３４には、静電吸着用の高電圧電源２３７と、たとえば２００ｋＨｚから１３．５６ＭＨｚの範囲のバイアス電力を供給するバイアス電源２３８がマッチング回路２３９を介してそれぞれ接続される。なお、本実施形態では、バイアス電源２３８の周波数を２ＭＨｚとしている。誘電体膜２３５には、放射状に伸びる直線状のスリットと、これに連通した複数条の同心円状のスリットとが設けてあり、これらに連通して開口されたガス導入孔からは伝熱用のＨｅガスが導入され、スリットによりウエハの裏面に均一な圧力のＨｅガス（通常１０００Ｐａ程度）が充填される。

本実施形態に示す誘電体膜は、厚さは０．１ｍｍの溶射法で形成したアルミナセラミックスからなる。なお、誘電体膜２３５の材質や厚さは、この例に限られたものではなく、例えば合成樹脂の場合は、それに応じて０．１ｍｍから数ｍｍの厚さが選択できる。また、誘電体膜２３５内部には、前記した被処理対象である半導体ウエハを誘電体膜２３５（試料台２０９）上に吸着して保持するための電圧が印加される薄膜状の電極が設けられている。

本実施形態では、放電室ベースプレート２１８の内側に熱交換媒体が通流する媒体通路（図示せず）を配置し、この媒体通路内に水等の熱交換媒体を循環して通流することにより放電室ベースプレート２１８の温度を調節し、これにより放電室ベースプレート２１８と内側チャンバ２２１の部材との間に配置されてこれらを接続する部材を介して内側チャンバ２２１の温度を調節している。つまり、放電室ベースプレート２１８と内側チャンバ２２１の側壁部材とが熱的に接続されており、両者間で熱が伝導されて熱交換される。熱伝導して熱交換が可能であれば、これらの間に別部材を配置してもよい。

処理対象である試料を内側チャンバ２２１，２２２内の試料台２０９上に載置するには、内側チャンバ２２１あるいは２２２内にウエハを搬送することのできるゲートが必要となる。更に、このゲートを開閉してこのチャンバの内側と外側の空間を遮断し連通するバルブが必要となる。

本実施形態では、処理ユニット２００の内側と搬送ユニット１０５の内側との間に設けられたゲートを開放あるいは閉塞することにより両者を連通、遮断する大気ゲートバルブ２２４、および内側チャンバ２２１の内側と外側とを開放あるいは閉塞することにより両者を連通、遮断するプロセスゲートバルブ２２５とを備えている。

大気ゲートバルブ２２４は、搬送ユニット１０５の内側の側壁上に配置されて駆動手段２２６によって上下および水平方向に移動可能に構成されており、内側側壁上でゲートを密封するよう閉塞し、あるいは開放する。また、真空容器を構成する外側チャンバ２１９には、搬送ユニット１０５が接続されたときに搬送ユニット１０５側のゲートと連通する位置に前記プロセスゲートが設けられている。

プロセスゲートを開放、閉塞して密封するためのプロセスゲートバルブ２２５は、外チャンバ２１９と内チャンバ２２１との間の空間に配置される。プロセスゲートバルブ２２５は、その下方の駆動手段２２７によって上下および水平方向に移動可能に構成されており、閉塞時に内チャンバ２２１の側壁上に配置されて内側側壁上でゲートを密封するよう閉塞する。この状態では内側チャンバ２２１の内側面は凹凸のない略円筒形状となる。すなわち、プロセスゲートバルブ２２５の弁体中央部には、内側チャンバ２２１の内側面を凹凸のない略円筒形状とすることのできる凸部が設けられている。

プロセスゲートは、ウエハを搬送する搬送室内のロボットアームがウエハを搬送した状態でウエハおよびロボットアームと接触しない位置と形状に配置されている。

本実施形態では、内側チャンバは上下２つ備えられており、試料台２０９のブロックの上下に２２１，２２２に分けて配置される。つまり、内側チャンバ２２１の下方に試料台２０９のブロックが配置されている。試料台２０９のブロックは、試料台（本体）２０９とこれを支持し試料台２０９を中心の軸にして軸周り配置した支持梁２２８を備える。本実施形態では、内側チャンバ２２１および外側チャンバ２１９と試料台本体２０９とは略円筒形をしており、内側チャンバ２２１内の試料台２０９上の空間のガスは、この支持梁同士の間の空間における内側チャンバ２２１内の空間を通って下方へ流れる。

支持梁２２８は、試料台２０９の周囲に配置されたリング状の支持ベース部材２２９を介して試料台２０９を内側チャンバ２２１内に保持している。上記支持べース部材２２９と支持梁２２８およびつり下げ梁２３０内には、上記試料台２０９にガスや冷媒を供給する管や電力線が配置されている。なお、試料台２０９と支持梁２２８、支持ベース２２９とは一体のブロックとして持ち上げて外側チャンバ２１９外へ持ち上げて取出すことができる。試料台２０９の整備や交換等は内側チャンバ２２１の整備よりも頻度が少ない。このため、ブロックとして一体に移動可能な構成とすることで、装置の整備作業の効率を向上することができる。

試料台２０９のブロックの下方に下側の内側チャンバ２２２が配置されており、この内側チャンバ２２２の中央側部分には開口が配置されている。この開口部は、内側チャンバ２２２の下方であって試料台２０９の下方に配置された排気バルブ２３１や排気ポンプ２３２を備えた排気手段と連通しており、試料台２０９の周囲を流れる内側チャンバ２２１内のガスが通流する部分である。つまり、試料台２０９周囲の支持梁２２８同士の間の空間と試料台２０９下方の内側チャンバ２２２内の空間が処理ユニット２００内の処理ガス、プラズマ中の粒子や反応生成物の粒子が流れて排気される排気経路となっている。

処理ユニット２００の排気手段である排気バルブ２３１は、その下方に配置された排気ポンプ２３２と内側チャンバ２２２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を複数備える。このシャッタを回転させて開口している排気通路面積を調節して排気流量や速度を調節することができる。このように、本実施形態では、排気手段が試料台２０９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２２１内の試料台２０９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２０９の周囲とその下方の内側チャンバ２２２内の空間を介して排気バルブ２３１に至る排気経路を流れる。これにより、処理ユニット２００は、排気ポンプ２３２により１００００分の１Ｐａの圧力の真空を達成することができる。

また、図２に示すように、排気ゲートプレート２３３は、プラズマを形成して試料の処理を行う際にはプッシャ（図示せず）により、その上方の試料台２０９部および支持梁２２８の下面に近接あるいは接触するまで持ち上げられる。これにより、試料の処理に伴って排気される処理室内のプラズマやプロセスガスの残り、反応生成物等の流れが排気ゲートプレート２３３により阻害されることを抑制でき、排気の効率が向上する。また、支持梁２２８および試料台２０９下方の真空室２２３内の阻害され乱された排気の流れを安定させるために必要とされる空間を抑制して処理チャンバ部をより小型化して、排気時間の短縮、ひいては処理の効率を向上することができる。また、上記の構成では、粒子が排気ゲートプレート２３３に付着することを抑制することができる。これにより、排気ゲートプレート２３３の交換や付着物除去等のメンテナンス間隔を長くすることができる。

また、試料台の下方に、特に直下方に排気手段が配置され、プラズマ等の処理室内粒子の排気の経路が曲がることを抑制している。これにより排気速度が向上し、作業時間が短縮され装置本体の稼働効率が向上する。更には、試料台下方に複数枚のシャッタを有する排気バルブを備える。このため、試料台下方での排気のバッファ空間が低減され排気時間を更に低減することができる。

また、試料台の支持梁は、この試料台を中心として略軸対象に配置され、これにより試料台下方の排気手段に対して排気経路をより直行化できる。また、試料台の周囲を通る排気経路の長さに差異が生じることを抑制し、処理室内のプラズマ等の粒子の流れを均一化することができる。また、試料台上のウエハ上方にある粒子の密度をより均一化してウエハの処理を安定化することができる。

次に、本実施形態にかかるプラズマ処理装置を用いてシリコンにエッチング処理を施す際のプロセスを説明する。

図３は、図２に示すエッチング処理ユニット（プラズマ処理装置）の処理室近傍の拡大図である。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１０５により処理ユニット２００内に搬入された後、試料台２０９の静電吸着電極２３４の上に載置され、吸着される。ついで、半導体ウエハＷのエッチング処理に必要なガス、たとえばハロゲンを含む複数種類のガスがプロセスガスライン２１２から所定の流量比をもって処理ユニット２００内に供給される。同時に、処理ユニット２００は、排気ポンプ２３２および排気バルブ２３１により、所定の処理圧力に調整される。

次に、高周波電源部２０５から、４５０ＭＨｚ等のＵＨＦ帯の高周波電力をアンテナ２０２に供給し、アンテナ２０２から電磁波を放射する。そして、この電磁波と、磁場発生部２０３により処理ユニット２００の内部に形成される１６０ガウス（４５０ＭＨｚに対する電子サイクロトロン共鳴磁場強度）の概略水平な磁場との相互作用により、処理ユニット２００内にプラズマＰを生成する。これにより、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。また、静電吸着電極２３４にバイアス電力を供給するバイアス電源２３８を調整することにより、プラズマ中のイオン、ラジカルの組成比、あるいは入射エネルギーを制御し、さらには半導体ウエハＷの温度を制御しながらエッチングを行う。

エッチングの対象物であるウエハには、多層の膜が成膜されている。このため、エッチングに際しては、膜質に適した値にプロセスガス種、圧力、高周波電源部出力、磁場発生部電流、バイアス電力を調整する。このように、エッチング形状を最適にするために各膜毎に異なる処理条件を設定する。また、一つの膜に対してもいくつかの処理条件を組み合わせて処理することがある。本実施形態においては、一枚のウエハを処理するのに４〜８程度の処理条件を組み合わせて処理した。

このように、エッチング処理装置では、高周波の電界と磁場コイルの磁界との相互作用によって、処理室内に導入されたプロセスガスが効率良くプラズマ化される。また、エッチング処理にあたっては、ウエハに入射するプラズマ中のイオンの入射エネルギーを高周波バイアスによって制御することにより所望のエッチング形状を得ることができる。

また、所望の形状を得るためには、エッチング処理を所望の時点で停止する必要がある。エッチング処理に際しては、処理時間を固定することも可能であるが、前述のようにウエハには多層の膜が成膜されているため、終点検出システムによって処理の終了時点を検出して処理を停止するのが望ましい。

終点検出システムには様々な方法があるが、本実施形態においてはプラズマの特定の発光波長だけをモニタし、その特定の発光波長の変化によって終点を定める方法、あるいは石英プレートの上方に光ファイバ３０３を設置し、ウエハ表面から得られる干渉光によって終点を定める方法を採用した。

なお、本実施形態に示したプラズマ処理装置では、磁場発生部２０３により、図３に示すような磁力線３０１が形成される。このため、アンテナ２０２より印加された高周波と磁力線３０１により、シャワープレート２０８の直下には密度の高いプラズマが生成される。また、生成されたプラズマＰは磁力線３０１によって拘束される。このため、磁力線３０１の延長上にあるＹ_２Ｏ_３溶射により被覆されている内側壁部材２１６表面のプラズマの密度が高くなる。特に高周波または磁力線３０１の強さが大きな、シャワープレート２０８および内壁部材２１６の外周面、並びに内壁部材の上端がシャワープレートに当接する近傍でプラズマ密度が高くなる。
なお、このとき、バイアス電力を供給するバイアス電源２３８、静電吸着電極２３４、プラズマＰ、内側壁部材２１６表面を介して電気回路が形成される。この回路は、プラズマ密度の高い内側壁部材２１６表面が接地面になる。このため、接地面である内側壁部材２１６の表面にプラズマ中の電子が高速で移動し、取り残されたイオンによりイオンシース（電場）が安定して生じる。特に、内側壁部材上側３０２では、イオンシースの厚さが大きいためによりプラズマ中のイオンが入射するので、著しく侵食される。また、イオンの入射のみならずプラズマ中の活性なラジカルによる腐食も生じる。

次に、本実施形態におけるプラズマ処理装置の経時変化について説明する。本実施形態に示したプラズマ処理装置では、ウエハ処理枚数の増加に伴ってエッチングレートが徐々に高くなる現象や、エッチング形状が徐々に細くなる現象、あるいは異物が徐々に多くなる現象が発生する。前述のように、ウエハには多層の膜が成膜されているために、各膜に対して処理条件が異なる。更に、エッチング形状を最適にするためには、各膜に対してもいくつかの処理条件を組み合わせて処理を施す。これらの中で最も経時変化が大きい処理条件はＰｏｌｙ−Ｓｉを最初に処理する条件であった。なお、使用するガス（プロセスガス）は、炭素を含んだフッ素系のガスおよび硫黄を含んだフッ素系のガスである。

図４は、処理条件の経時変化を説明する図であり、図４（ａ）はエッチングレートの経時変化を示す図、図４（Ｂ）はウエハ表面の異物個数の変化を示す図である。図４（ａ）に示すように、ウエハ処理枚数の増加に伴い、エッチングレートは単調に増加している。また、図４（Ａ）にはエッチング形状（完成寸法）も示してある。図に示すようにエッチングレートが高くなることにより、エッチング形状（完成寸法）が細くなっていることが判る。

エッチング形状処理においてはエッチング条件の変化点をもとに終点判定を実施している。しかし、前記条件による終点判定時間は処理枚数の増加に伴い、次第に早くなる現象も発生している。このため、エッチング形状（完成寸法）とエッチングレートとは相関があると考えられる。

また、図４（Ｂ）に示すように、ウエハ処理枚数に伴い異物個数は増加する。すなわち、エッチングにより生じた反応生成物は真空容器内壁に付着し、付着した生成物が順次堆積することで異物となっていると考えられる。

図５は、反応生成物の付着状況を説明する図である。図５（Ａ）はシャワープレート２０８における反応生成物の付着状況を示している。シャワープレート２０８の外周部５０１（最外周から約５〜１０ｍｍの範囲）には、特に反応生成物が厚く堆積していた。また、外周部から約１０〜３０ｍｍの範囲の中間部５０２では、シャワープレート中心に近づくに従って薄く堆積していた。更に中心部５０３（３０ｍｍ〜シャワープレート中心）になるとプラズマによりエッチングされているために反応生成物は付着していない。このように略円筒形の放電室部２１０上部外周端側に多くの付着が検出される。この放電室２１０の上隅部は電磁界の強度が大きくプラズマ密度が大きな領域となっている。

また、図５（Ｂ）は電極カバーにおける反応生成物の付着状況を説明する図である。図に示すように、電極カバー２３６においては、電極カバー上面５０４に反応生成物が薄く付着していた。なお、内側壁部材２１６には特に目立った付着は観測されなかった。

次に、前記反応生成物にどのような元素が含まれているかを知るために、これらの付着物の成分分析を実施した。

図６は成分分析結果を示す図であり、図６（Ａ）はシャワープレート上の反応生成物、図６（Ｂ）は電極カバー上の反応生成物の分析結果を示す図である。図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、シャワープレート２０８および電極カバー２３６上に堆積した反応生成物から、Ｙ、Ｆ、Ｏ、Ｃの各元素が検出された。但し、Ｃは測定時にテープを使用するため該テープに含まれるＣを検出している可能性がある。以上を考慮するとＹ_２Ｏ_３、ＹＦ_３あるいはやＣＦ系の反応生成物が真空容器の内壁に付着していると考えることができる。

また、ウエハ処理枚数を重ねた装置において、石英部材（シャワープレート２０８、電極カバー２３６）のみを洗浄済みのパーツに交換してエッチングレートを測定すると、処理枚数を重ねたパーツに比べてエッチングレートが４ｎｍ／ｍｉｎ低下した。

逆に、石英部材はウエハ処理を重ねた状態にして、Ｙ_２Ｏ_３溶射膜で被覆された内側壁部材２１６、内側チャンバ２２１、プロセスゲートバルブ２２５を洗浄済みのパーツに交換してエッチングレートを測定すると、エッチングレートは２ｎｍ／ｍｉｎ低下した。

これらのことから、エッチングレートは、前記石英部品に対する反応生成物の堆積以外に、Ｙ_２Ｏ_３溶射膜で被覆された部品に対する反応生成物の堆積にも影響されることが判る。

同様にして、石英部品の切り分け試験も実施した。すなわち、ウエハ処理枚数を重ねた装置状態において、シャワープレート２０８のみを洗浄済みのパーツに交換してエッチングレートを測定すると、処理を重ねたパーツに比して６ｎｍ／ｍｉｎ低下した。同様に電極カバー２３６のみを洗浄済みのパーツに交換するとエッチングレートが４ｎｍ／ｍｉｎ低下した。すなわち、電極カバー２３６に比べてシャワープレート２０８の方がエッチングレートに対して大きな影響を与えていることが判明した。

前記の測定結果を総合すると、シャワープレート：電極カバー：Ｙ_２Ｏ_３溶射膜で被覆されて部材は、６：４：５の比率で影響を与えていると考えられる。

なお、電極カバー２３６として、Ｙ_２Ｏ_３焼結体製の電極カバー２３６を用いた際のエッチングレートの変化を測定すると、ウエハ処理を重ねたパーツに比して電極カバーを洗浄済みのパーツに交換した場合のエッチングレートは０．７ｎｍ／ｍｉｎ低下した。すなわち、Ｙ_２Ｏ_３焼結体製の電極カバー２３６を用いた際のエッチングレートの変動は低いことが判明した。

図７は、反応生成物が付着するメカニズムを説明する図である。図７に示す。ＵＨＦ帯の電磁波を使用するプラズマ処理装置は、前述したように、内側壁部材上側３０２では、特にイオンシースが強いため、より多くのプラズマ中のイオンが入射する。このため著しく侵食され、物理的なスパッタリングや化学的なエッチングが内側壁部材周辺で生じていると考えられる。

このため、イオンが最も入射する付近に近いシャワープレートの外側部に最も反応生成物が多く発生して堆積し、そこから離れるに伴って徐々に反応生成物の堆積量が減少することになる。なお、電極カバー２３６は、反応生成物の発生源から遠いが、電極カバー２３６表面は内側壁部材温度よりも低温であるために反応生成物は堆積し易い。

内側壁部材２１６は、Ｙ_２Ｏ_３溶射膜により被膜されているが、この溶射膜はフッ素雰囲気ではＹＦ_３に変化しやすい。このため、内側壁部材２１６の下側の表面にはＹＦ_３やＣＦ系の反応生成物が堆積している。

前記Ｙ_２Ｏ_３、およびＹＦ_３は不揮発性であり、それぞれの融点は２４１０℃、および１１５２℃である。このため、一旦、前記反応生成物が付着すると除去するのは困難であり、ウエハ処理を重ねることで徐々に堆積膜は厚くなる。

次に、前記反応生成物の分析結果と、反応生成物の付着したパーツ毎のエッチングレートに与える影響の程度を元に、真空容器内壁に付着した反応生成物が真空容器内の雰囲気に与える影響や経時変化の起こるメカニズムを考える。

特に経時変化が生じるフッ素系のプロセスは、エッチングレートの均一性の面から炭素を含んだデポ性のフッ素系ガスと、硫黄を含んだエッチング性のフッ素系ガスを使用している。このため、真空容器内に相対的にフッ素ラジカルおよびイオンが増加することでエッチングレートが増加すると考えらる。

図８は、供給されたプロセスガスが真空容器内でどのように消費されるかを示す図であり、図８（Ａ）は処理室洗浄直後の状態においてプロセスガスの消費比率を示す図、図８（Ｂ）は反応生成物が雰囲気に影響を与える第１のメカニズム（プロセスガスの消費のメカニズム）を説明する図、図８（Ｃ）は反応生成物が雰囲気に影響を与える第２のメカニズムを説明する図、図８（Ｄ）は反応生成物が雰囲気に影響を与える第３のメカニズムを説明する図である。

図８（Ａ）に示す処理室の洗浄直後の状態において、８０１は供給されるプロセスガス量、８０２はウエハで消費されるガス量、８０３はシャワープレートで消費されるガス量、８０４は電極カバーで消費されるガス量、８０５はＹ_２Ｏ_３部材（溶射膜）で消費されるガス量、８０６はその他（排気等）により消費されるガス量を示す。

図に示すように、大部分のガスはウエハ上のＰｏｌｙ−Ｓｉと反応するが、一部はシャワープレート、電極カバー、Ｙ_２Ｏ_３部材、排気等により消費されると考えられる。

次に、これらの事項を前提に、反応生成物が堆積したときのメカニズムを説明する。なお、ウエハ処理を重ねることにより堆積した反応生成物が真空容器内の雰囲気に影響を与えるメカニズムは次のような３点の複合によるものと考えられる。

まず、第一のメカニズムを図８（Ｂ）に示す。処理室の洗浄直後においては、ガスはシャワープレートや電極カバー等の石英部材と反応している。しかし、ウエハ処理を重ねることにより生成した反応生成物が石英部材を覆うようになると、石英部材とガスとの反応が減少する。このため、余分なガスが真空容器内に滞在することになり、より多くのガスがウエハと反応することになる。

第二のメカニズムを図８（Ｃ）に示す。ウエハ処理を重ねるに伴い、フッ素を含んだ反応生成物８０７がシャワープレート、電極カバー、Ｙ_２Ｏ_３部材等に付着する。この場合、フッ素を含んだ反応生成物８０７は、プラズマからの物理的な衝突や化学的な反応によりフッ素を放出する。これにより、チャンバ内のフッ素雰囲気がより高くなり、より多くのフッ素がウエハと反応することになる。

第三のメカニズムを図８（Ｄ）に示す。真空容器内壁に反応生成物が付着すると、プロセスガスが反応生成物に吸着されやすくなる。プロセスガスはデポ性のガスとエッチング性のガスが使用される。この場合、エッチング性のガス８０９よりもデポ性のガス８０８の方が吸着され易いために、チャンバ内のエッチング性のガスが相対的に多くなり、結果的により多くのエッチング性のガスがウエハと反応することになる。

次に、以上の知見を元に経時変化を抑制することのできるシャワープレート、電極カバー、および処理室内壁構造を備えるプラズマ処理装置を考えた。

図９、１０，１１は、このような経時変化を抑制することのできるプラズマ処理装置を説明する図であり、図９は処理室内壁、シャワープレートおよび電極カバーの表面をＹを含む膜（溶射膜））で被覆した例、図１０は処理室内壁、シャワープレート（シャワープレートの中心部を除く）および電極カバーの表面をＹを含む膜（溶射膜）で被覆した例、図１１は処理室内壁、シャワープレート（シャワープレートの中心部を除く）および電極カバーの表面、並びに前記シャワープレートの中心部の内、プラズマ発光を検出する光ファイバ３０３の採光窓に対向する位置をＹを含む膜（透明膜）で被覆した例を示す図である。

図９は、基本的に処理室全面を耐プラズマ性材料（Ｙを含む溶射膜）で覆う構造である。前述のように、ウエハ処理を重ねることにより処理室内壁に反応生成物が付着する。しかしながら、処理室内壁は前記耐プラズマ性材料により被覆されて、すでに反応生成物が被膜された状態と同等であるために、新たに付着した反応生成物が真空容器内の雰囲気に与える影響は少ない。このため、経時変化を低減することが可能となる。

なお、Ｙを含む材料を被覆する方法としては溶射方法が広く使用されている。しかし、溶射により生成した膜（溶射膜）は不透明であり、光の干渉等を利用した終点判定装置を利用することは困難である。このような場合にはＣＶＤ法やＡＤ（エアロゾルデポジション）法等を用いて透明に成膜することが望ましい。

図１０は、シャワープレートの中心部に、Ｙを含む膜を形成しない例を示している。前述のようにシャワープレートの中心部は、エッチングにより削られるため、反応生成物の付着量は少ない。このため、Ｙを含む材質を被膜する必要はなく、図１０に示すように中央側部分だけシャワープレート（石英部材）を露出させることができる。この場合は前記中央側部分のシャワープレートおよび石英プレートを通して終点を判定する。

なお、シャワープレート上方の終点検出システムの受光部に影響を与えない位置まで被覆するのであればどのようなタイプの被膜方法を用いてもよい。しかし、影響を与えるのであれば、その部分をＣＶＤ法またはＡＤ法等で透明に成膜するのが望ましい。なお、影響を受けない位置まで検出システムの受光部をずらすことでも対応可能である。

図１１は、シャワープレートの終点検出システムの受光部に対応する面に、透明の耐プラズマ性材料を使用する例を示している。

前述のようにシャワープレートを露出して配置した場合には終点検出は可能となる。しかし、シャワープレートが削られることにより受光量が低下する。このため、図１１に示すように受光部に対応する面だけでも透明の耐プラズマ性材料で被覆するのが好ましい。

不透明の物質で被覆した場合、終点判定のために採光する穴をあけることも可能である。この場合は、前記穴の周辺で異常放電が発生しない大きさ大きさとする必要がある。

また、シャワープレートの反応生成物が付着するところ（外周側）と削られるところ（内周側）の間で、部品を分割して２つ以上の部品の組み合わせとすることも可能である。

電極カバー表面に耐プラズマ成膜を被膜する際には、前記溶射以外に、ＣＶＤ法、ＡＤ法を使用することができる。また、焼結体として構成することも可能である。焼結体の場合は再生することが困難であるが、部品自体の寿命を向上することができる。

なお、内側壁部材２１６、内側チャンバ２２１、プロセスゲートバルブ２２５等を被覆する耐プラズマ性被膜は、フッ素雰囲気において、ＹＦ_３に変化しやすい。このため前記耐プラズマ性被膜としてはＹＦ_３にを用いるのが望ましい。

以上説明したように、本実施形態によれば、プラズマ処理装置を構成する真空処理容器を筒状の側壁部材と該側壁部材の上部を覆う蓋部材と該蓋部材の側壁部材側に配置した誘電体製板で構成し、前記側壁部材の内壁面および誘電体製板の側壁部材側面の外周部、すなわち反応生成物が堆積する領域をイットリウム（Ｙ）を含む耐プラズマ性材料により被覆する。

このため、ウエハ処理を重ねることにより処理室内壁に反応生成物が付着しても、処理室内壁面の一部は付着する反応生成物と同等な耐プラズマ性材料により被覆されて、すでに反応生成物が被膜された状態と同等であるため、新たに付着した反応生成物が真空容器内の雰囲気に与える影響は少ない。また、終点検出システムの受光部に対応する面に透明の耐プラズマ性材料を被覆することによりシャワープレート等の石英板が削られることによる受光量の低下を抑制することができる。また、処理室壁面の損傷が少なく 長期にわたり安定した微細加工が可能であるプラズマ処理装置を提供することができる。

本発明の実施形態で使用する真空処理装置の全体構成を説明する概略の平面図である。 図１に示すエッチング処理ユニットの構成を説明する縦断面図である。 図２に示すエッチング処理ユニット（プラズマ処理装置）の処理室近傍の拡大図である。 処理条件の経時変化を説明する図であ。 反応生成物の付着状況を説明する図である。 反応生成物の成分分析結果を示す図である。 反応生成物が付着するメカニズムを説明する図である。 供給されたプロセスガスが真空容器内でどのように消費されるかを示す図である。 経時変化を抑制することのできるプラズマ処理装置を説明する図である。 経時変化を抑制することのできるプラズマ処理装置を説明する図である。 経時変化を抑制することのできるプラズマ処理装置を説明する図である。

符号の説明

１００ 真空処理装置
１０１ 大気側ブロック
１０２ 処理ブロック
１０３，１０４ 処理ユニット
１０５，１０６ 搬送ユニット
１０７ 制御ユニット
１０８ 筐体
１０９ ウエハカセット
１１０ ダミーカセット
１１１ 位置合わせ部
１１３ ロック室
２００ 処理ユニット
２０１ 蓋部材
２０２ アンテナ
２０３ 磁場発生部（コイル）
２０５ 高周波電源部
２０６ 誘電体
２０７ 石英プレート
２０８ シャワープレート
２０９ 試料台
２１０ 放電室部
２１１ バッファ室
２１２ プロセスガスライン
２１３ プロセスガス遮断バルブ
２１４ 制御器（ＭＦＣ）
２１５ 下部リング
２１６ 内側壁部材
２１７ 外側壁部材
２１８ ベースプレート
２１９，２２０ 外側チャンバ
２２１，２２２ 内側チャンバ
２２３ 真空室
２２４ 大気ゲートバルブ
２２５ プロセスゲートバルブ
２２６，２２７ 駆動手段
２２８ 支持梁
２２９ 支持ベース部材
２３０ 吊り下げ梁
２３１ 排気バルブ
２３２ 排気ポンプ
２３３ 排気ゲートプレート
２３４ 静電吸着電極
２３５ 誘電体膜
２３６ 電極カバー
２３７ 高電圧電源
２３８ バイアス電源
２３９ マッチング回路
３０１ 磁力線
３０２ 内側壁部材上側
３０３ 光ファイバ（受光部）
５０１ シャワープレート外周部
５０２ シャワープレート中間部
５０３ シャワープレート中心部
５０４ 電極カバー上面
９０１ 耐プラズマ性材料
Ｐ プラズマ
Ｗ ウエハ

Claims (6)

1. 真空処理容器、該真空処理容器内に配置した試料台、前記真空処理容器内にプロセスガスを導入するガス導入手段、前記処理容器内に磁場を生成する磁場発生手段、および前記真空処理容器の下部に配置され前記容器内のガスを排気する排気手段を備え、前記真空処理容器内に高周波電力を供給して前記磁場との相互作用によりプラズマを生成し、生成したプラズマにより前記試料台に載置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、
   前記真空処理容器は、筒状の側壁部材と該側壁部材の上部を覆う蓋部材と該蓋部材の側壁部材側に配置した誘電体製板を備え、
   前記側壁部材の内面および前記誘電体製板の側壁部材側の面の外周部はイットリウム（Ｙ）を含む被膜を形成したことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 真空処理容器、該真空処理容器内に配置した試料台、前記真空処理容器内にプロセスガスを分散して導入する誘電体製のシャワープレート、前記処理容器内に磁場を生成する磁場発生手段、および前記真空処理容器の下部に配置され前記容器内のガスを排気する排気手段を備え、前記真空処理容器内に高周波電力を供給して前記磁場との相互作用によりプラズマを生成し、生成したプラズマにより前記試料台に載置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、
   前記真空処理容器は、筒状の側壁部材と該側壁部材の上部を覆う蓋部材と該蓋部材の側壁部材側に配置した前記シャワープレートを備え、
   前記側壁部材の内面および前記シャワープレートの側壁部材側の面の外周部はイットリウム（Ｙ）を含む被膜を形成したことを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１または２記載のプラズマ処理装置において、
   前記シャワープレートの側壁部材側の面の内周側には前記被膜を形成しない領域を備え、該領域を介してプラズマ発光を検出するように光検出器を配置したことを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１または２記載のプラズマ処理装置において、
   イットリウム（Ｙ）を含む被膜はＣＶＤ法またはＡＤ法により透明に形成したことを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項１または２記載のプラズマ処理装置において、
   前記試料台の外周には電極カバーを備え、該電極カバー表面にはイットリウム（Ｙ）を含む被膜を形成したことを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 請求項１または２記載のプラズマ処理装置において、
   イットリウム（Ｙ）を含む被膜は、Ｙ_２Ｏ_３またはＹＦ_３であることを特徴とするプラズマ処理装置。

Images