JP2011503845A

JP2011503845A - 窒化シリコン−二酸化シリコン高寿命消耗プラズマ処理構成部品

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Publication number: JP2011503845A
Application number: JP2010532026A
Authority: JP
Inventors: テイラー・トラビス・アール．; スリニバサン・ムクンド; カドコダヤン・ボビー; ラマヌジャム・ケー．ワイ．; ミキジェルジ・ビルジャナ; ウー・シャンホワ
Original assignee: Lam Research Corp; Ceradyne Inc
Current assignee: Lam Research Corp; Ceradyne Inc
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2008-10-27
Publication date: 2011-01-27
Anticipated expiration: 2028-10-27
Also published as: WO2009058235A3; KR101645043B1; US8622021B2; CN101889329B; KR20100099137A; US20110021031A1; WO2009058235A2; TWI433199B; CN101889329A; JP5567486B2; TW200939285A

Abstract

【課題】窒化シリコン−二酸化シリコン高寿命消耗プラズマ処理構成部品
【解決手段】プラズマエッチングチャンバの平均洗浄間隔時間及びチャンバパーツの寿命を延ばす方法が提供される。イオン衝撃及び／又はイオン化ハロゲンガスに曝される少なくとも１つの焼結窒化シリコン構成部品を使用しつつ、チャンバ内において一度に１枚ずつ半導体基板がプラズマエッチングされる。焼結窒化シリコン構成部品は、高純度の窒化シリコンと、二酸化シリコンからなる焼結助剤とからなる。焼結窒化シリコン構成部品を含むプラズマ処理チャンバが提供される。プラズマ処理時のシリコン基板の表面上における金属汚染を軽減する方法が、１つ又は２つ以上の焼結窒化シリコン構成部品を含むプラズマ処理装置によって提供される。プラズマエッチングチャンバ内においてイオン衝撃及び／又はプラズマ浸食に曝される構成部品を製造する方法は、高純度の窒化シリコンと二酸化シリコンとからなる粉末組成を成形することと、該成形構成部品を緻密化することとを含む。
【選択図】図１

Description

プラズマ処理装置は、エッチング、物理気相成長（ＰＶＤ）、化学気相成長（ＣＶＤ）、イオン注入、及びレジスト除去を含む技術によって基板を処理するために使用される。プラズマ処理に使用されるプラズマ処理装置の一種は、上部電極と下部電極とを含む反応チャンバを含む。電極間のＲＦ生成プラズマは、反応チャンバ内において、ウエハ基板及びチャンバパーツをエッチングするエネルギイオン及び中性種を発生させる。

プラズマエッチングチャンバの平均洗浄間隔時間及びチャンバパーツの寿命を延ばす方法が提供される。イオン衝撃及び／又はイオン化ハロゲンガスに曝される少なくとも１つの焼結窒化シリコン構成部品を使用しつつ、チャンバ内において一度に１枚ずつ半導体基板がプラズマエッチングされる。窒化シリコン構成部品は、約８０ｗｔ％から約９５ｗｔ％の間の高純度の窒化シリコンと、約５ｗｔ％から約２０ｗｔ％の間の焼結助剤とからなる。焼結助剤は、高純度の二酸化シリコンからなる。

プラズマ処理チャンバが提供される。基板ホルダは、処理チャンバの内部において基板を支える。焼結窒化シリコン構成部品は、基板に隣接して曝露表面を有する。構成部品は、約８０ｗｔ％から約９５ｗｔ％の間の高純度の窒化シリコンと、約５ｗｔ％から約２０ｗｔ％の間の焼結助剤とからなる。焼結助剤は、高純度の二酸化シリコンからなる。ガス供給は、処理チャンバの内部にプロセスガスを供給する。エネルギ源は、基板を処理するために、処理チャンバの内部にエネルギを供給してプロセスガスをプラズマ状態に励起する。構成部品は、プラズマによる処理時に基板の表面上における金属汚染を最小限に抑えて１００×１０¹⁰原子数／ｃｍ²未満にする。

プラズマ処理時のシリコン基板の表面上における金属汚染を軽減する方法が提供される。シリコン基板は、プラズマ処理装置の反応チャンバ内において基板サポートの上に配される。プラズマ処理装置は、１つ又は２つ以上の焼結窒化シリコン構成部品を含む。窒化シリコン構成部品は、約８０ｗｔ％から約９５ｗｔ％の間の高純度の窒化シリコンと、約５ｗｔ％から約２０ｗｔ％の間の焼結助剤とからなる。焼結助剤は、高純度の二酸化シリコンからなる。反応チャンバに、プロセスガスが導入される。プロセスガスから、プラズマが生成される。シリコン基板は、プラズマによって処理される。

プラズマエッチングチャンバ内においてイオン衝撃及び／又はプラズマ浸食に曝されるプラズマエッチングチャンバ処理構成部品を製造する方法が提供される。約８０ｗｔ％から約９５ｗｔ％の間の高純度の窒化シリコンと、約５ｗｔ％から約２０ｗｔ％の間の二酸化シリコンとからなる粉末組成が混合される。この粉末組成から、成形構成部品が形成される。成形構成部品は、熱及び圧力の同時的印加によって緻密化される。

プラズマ処理構成部品が提供される。構成部品は、焼結窒化シリコン構成部品を含み、該構成部品は、約８０ｗｔ％から約９５ｗｔ％の間の高純度の窒化シリコンと、約５ｗｔ％から約２０ｗｔ％の間の焼結助剤とからなる。焼結助剤は、高純度の二酸化シリコンからなる。

プラズマ処理装置のためのシャワーヘッド電極アセンブリ及び基板サポートの一実施形態の一部分を示している。プラズマ処理装置のための基板サポートのホットエッジリングを取り囲む一部分を示している。プラズマ処理装置のための基板サポートのホットエッジリングを取り囲む一部分を示している。窒化シリコン構成部品及び酸化マグネシウム焼結助剤を含む処理チャンバ内におけるプラズマ処理後のシリコンウエハの表面上における金属汚染を示している。窒化シリコン構成部品及び二酸化シリコン焼結助剤を含む処理チャンバ内におけるプラズマ処理後のシリコンウエハの表面上における金属汚染を示している。クォーツ構成部品の磨耗率と、焼結助剤として様々な量の二酸化シリコンを含む窒化シリコン構成部品の磨耗率とを示している。クォーツ構成部品の磨耗率と、焼結助剤として様々な量の二酸化シリコンを含む窒化シリコン構成部品の磨耗率とを示している。

集積回路デバイスの物理的サイズの縮小及び作動電圧の減少に伴って、関連の製造歩留まりは、粒子汚染及び金属不純物汚染による影響を更に受けやすくなる。したがって、より小さい物理的サイズを有する集積回路デバイスの製造では、これまで許容可能だと見なされてきたよりも微粒子汚染及び金属汚染が低レベルであることを求められる。

集積回路デバイスの製造は、フォトレジストマスクによって画定される被選択層をエッチングすることができるプラズマエッチングチャンバの使用を含む。処理チャンバは、その１つ又は２つ以上の電極に高周波（ＲＦ）電力を印加される間に処理ガス（すなわちエッチング化学）を受け取るように構成される。処理チャンバの内部における圧力は、また、特定のプロセスのために制御される。（１つ又は２つ以上の）電極に所望のＲＦ電力が印加されると、チャンバ内のプロセスガスは、プラズマを形成するように励起される。プラズマは、こうして、半導体ウエハの被選択層に対して所望のエッチングを実施するために生成される。

プラズマエッチング条件は、プラズマに曝される処理チャンバの表面に対してかなりのイオン衝撃を与える。このイオン衝撃は、プラズマ化学及び／又はエッチング副産物と相まって、処理チャンバのプラズマ曝露表面に対してかなりの浸食、腐食、及び腐食−浸食を生じる。その結果、浸食、腐食、及び／又は腐食−浸食を含む、物理的及び／又は化学的な攻撃によって、表面材料が除去される。この攻撃は、パーツ寿命の短縮、パーツコストの増大、微粒子汚染、ウエハ上における遷移金属汚染、及びプロセスドリフトを含む問題を引き起こす。寿命が比較的短いパーツは、一般に、消耗品と呼ばれる。消耗パーツの寿命が短いと、所有のコストが高くなる。消耗品及びその他のパーツの浸食は、プラズマ処理チャンバ内において微粒子汚染を生じる。

また、集積回路の製造時に半導体ウエハの表面上における微粒子汚染を制御することは、高信頼性のデバイスを実現するとともに高い歩留まりを得るのに不可欠である。プラズマ処理装置などの処理機器は、微粒子汚染のもとになる可能性がある。プラズマチャンバ内におけるエッチング工程時のウエハ表面上における所望の金属汚染レベルは、新世代の半導体テクノロジのために積極的に低減されてきた。プラズマエッチングリアクタ内における最先端の半導体デバイス製造では、金属のウエハ上金属汚染仕様が５×１０¹⁰原子数／ｃｍ²であることを現時点で求められている。金属汚染の例として、アルミニウム、バリウム、カルシウム、セリウム、クロム、銅、ガリウム、インジウム、鉄、リチウム、マグネシウム、ニッケル、カリウム、ナトリウム、ストロンチウム、錫、チタン、バナジウム、イットリウム、亜鉛、又はジルコンが挙げられる。

図１は、例えばシリコンウエハなどの半導体基板が処理されるプラズマ処理装置のためのシャワーヘッド電極アセンブリ１０の代表的実施形態を示している。シャワーヘッド電極アセンブリ１０は、上部電極１２を含むシャワーヘッド電極と、上部電極１２に固定された受け部材１４と、熱制御板１６とを含む。プラズマ処理装置の真空処理チャンバ内において、上部電極１２の下方には、下部電極及び静電クランプ電極（例えば静電チャック）を含む基板サポート１８（その一部分のみが図１に示されている）が配置される。プラズマ処理を施される基板２０は、基板サポート１８のサポート上面２２の上に静電的に固定される。

図示された実施形態では、シャワーヘッド電極の上部電極１２は、内側電極部材２４と、随意の外側電極部材２６とを含む。内側電極部材２４は、円柱状の板（例えばシリコンで構成された板）であることが好ましい。もし板がシリコンで作成される場合は、内側電極部材２４は、処理対象となる例えば最大１２インチ（３００ｍｍ）のウエハと比べて小さい、等しい、又は大きい直径を有することができる。好ましい実施形態では、シャワーヘッド電極アセンブリ１０は、３００ｍｍ又はそれを超える直径を有する半導体ウエハなどの大きい基板を処理するのに十分な大きさである。３００ｍｍウエハの場合は、上部電極１２は、直径が少なくとも３００ｍｍである。しかしながら、シャワーヘッド電極アセンブリは、その他のウエハサイズ、又は非円形の構成を有する基板を処理するように、サイズを決めることができる。

図示された実施形態では、内側電極部材２４は、基板２０よりも広い。３００ｍｍウエハを処理する場合は、上部電極１２の直径を約１５インチ（約３８０ｍｍ）から約１７インチ（約４３０ｍｍ）まで拡張するために、外側電極部材２６が提供される。外側電極部材２６は、連続部材（例えば連続したポリシリコンリング）又は分割部材（例えばシリコンで構成された２〜６個の個別の分割片をリング状に配置されたもの）であってよい。多分割片の外側電極部材２６を含む上部電極１２の実施形態では、各分割片は、その下にある接着材料がプラズマに曝されないように互いに重なり合うエッジを有することが好ましい。

内側電極部材２４は、上部電極１２と基板サポート１８との間に位置するプラズマ処理チャンバ内の空間にプロセスガスを注入するための複数のガス通路２８を、受け部材１４内に形成された複数のガス通路３０に対応して通されることが好ましい。受け部材１４は、内側電極部材２４内及び受け部材１４内のガス通路２８及び３０にプロセスガスを分配するために、複数のプレナム３２を含む。

シリコンは、内側電極部材２４及び外側電極部材２６のプラズマ曝露表面として好ましい材料である。高純度の単結晶シリコンは、プラズマ処理時における基板の汚染を最小限に抑えるとともにプラズマ処理時に滑らかに磨耗することによって、粒子を最少に抑える。上部電極１２のプラズマ曝露表面として使用することができる代替材料として、例えば、ＳｉＣ又はＡｌＮが挙げられる。

図示された実施形態では、受け部材１４は、受け板３４と、受け板３４の周囲に広がる受けリング３６とを含む。本実施形態では、内側電極部材２４が受け板３４と同延であり、外側電極部材２６が周辺受けリング３６と同延である。しかしながら、受け板３４は、受け板だけを使用して内側電極部材２４及び分割外側電極部材２６を支えられるように、内側電極部材２４を超えて広がることができる。内側電極部材２４及び外側電極部材２６は、接着材料によって受け部材１４に取り付けられることが好ましい。

受け板３０及び受けリング３６は、プラズマ処理チャンバ内において半導体基板を処理するために使用されるプロセスガスと化学的に共存可能であるとともに電導性で且つ熱伝導性な材料で作成されることが好ましい。受け部材１４を作成するために使用することができる代表的な適切な材料として、アルミニウム、アルミニウム合金、グラファイト、及びＳｉＣが挙げられる。

上部電極１２は、熱応力に対応するとともに上部電極１２と受け板３４及び受けリング３６との間で熱及び電気エネルギを伝達する熱伝導性で且つ電導性な適切なエラストマ接着材料によって、受け板３４及び受けリング３６に取り付けることができる。電極アセンブリの表面を貼り合わせるためにエラストマを使用することは、例えば、引用によって本明細書に全体を組み込まれる共同所有の米国特許第６，０７３，５７７号に記載されている。

３００ｍｍウエハなどの大きい基板を処理するための容量結合ＲＦプラズマリアクタでは、接地電極に加えて第２の接地も使用することができる。例えば、基板サポート１８は、１つ又は２つ以上の周波数のＲＦエネルギを供給される下部電極を含み、プロセスガスは、接地された上部電極であるシャワーヘッド電極１１２を通じてチャンバの内部に供給することができる。基板サポート１８内において下部電極より外側に設けられた第２の接地は、処理対象となる基板２０を含む平面内に全体的に広がるがホットエッジリング３８によって隔離される電気的に接地された部分を含むことができる。ホットエッジリング３８は、プラズマ発生時に加熱を受ける電導性材料又は半導体材料で作成することができる。

また、受け板３４及び受けリング３６より外側に、プラズマ閉じ込めリングアセンブリ４０を提供することができる。プラズマ閉じ込めリングアセンブリ４０及び第２の接地は、上部電極１２と基板サポート１８との間に位置する空間にプラズマを閉じ込めるのに役立つことができる。ＲＦ容量結合プラズマリアクタ内において使用されるプラズマ閉じ込めリング及び第２の接地についての詳細な説明は、ともに引用によって本明細書に組み込まれる同一出願人による米国特許第５，５３４，７５１号及び第６，７４４，２１２号に見いだすことができる。プラズマの閉じ込めによって、チャンバ壁によって引き起こされる汚染はほとんど又は全く無くされる。したがって、プラズマの閉じ込めは、プラズマを閉じ込められない場合には提供されないレベルの清浄さを提供する。例えば、閉じ込めリングアセンブリ４０は、クォーツで構成することができる。

図２Ａ及び図２Ｂは、ホットエッジリング３８を取り囲む図１の領域Ａの拡大図である。基板２０上におけるエッチング速度の均一性を制御して、基板の中心におけるエッチング速度を基板エッジにおける速度に一致させるために、基板の境界条件は、化学物質への基板エッジの曝露、プロセスの圧力、及びＲＦ電磁界強度に関する連続性を基板全体にわたって保証するように設計されることが好ましい。現行の設計では、ホットエッジリング３８は、基板２０の周囲にちょうど嵌るように実装されている。基板の汚染を最小限に抑えるために、ホットエッジリング３８は、ウエハ自体と共存可能な材料で製造される。ホットエッジリング材料の一例として、シリコン、グラファイト、炭化シリコンなどが挙げられる。

ホットエッジリング３８は、基板サポート１８の外周に配された結合リング４２の上に重なっている。結合リング４２の材料は、基板２０のエッジにおいてＲＦ電磁界強度を漸減させてエッチング速度の均一性を向上させるように選択される。例えば、結合リング４２は、セラミック（例えばクォーツ）又は導電性材料で作成することができる。

ホットエッジリング３８を取り囲むのは、誘電体材料で構成されるホットエッジリングカバー４４である。ホットエッジリングカバー４４は、プラズマを基板２０の上方の領域に閉じ込めクォーツで構成することができるフォーカスリング４６の上に重なっている。ホットエッジリングカバー４４を更に取り囲むのは、接地リングカバー４８である。ホットエッジリングカバー４４は、接地拡張をプラズマによる攻撃から保護する。例えば、ホットエッジリングカバー４４及び接地リングカバー４８は、クォーツで構成することができる。接地拡張５０は、アルミニウムで構成することができる。

図２Ｂに示されるように、ホットエッジリング３８及び結合リング４２の中には、導電性ピン５２及びピンスリーブ５４を含めることができる。導電性ピン５２は、プラズマ処理時に基板サポート１８の静電チャックにおけるＲＦバイアス電圧を監視し、これは、プラズマの全体的特性を決定するために使用される。例えば、導電性ピン５２は、炭化シリコン又はその他の任意の導電性材料で構成することができる。ピンスリーブ５４は、導電性ピン５２を取り囲み、導電性ピン５２を電気的に絶縁する。例えば、ピンスリーブ５４は、クォーツで構成することができる。

クォーツは、消耗パーツの内表面の材料として使用することができる。しかしながら、クォーツは、プラズマチャンバ内に存在する消耗材料のなかで、最もＲＦ寿命が短い。消耗材料の交換及びそれに関連したプラズマチャンバの平均洗浄間隔時間（ＭＴＢＣ）は、応用に特有である。現在のところ、Lam Research Corporation（カリフォルニア州フリーモント所在）によって製造された2300 EXELAN FLEX（登録商標）誘電体エッチングシステムを使用した高アスペクト比コンタクト（ＨＡＲＣ）応用のＭＴＢＣは、約２５０ＲＦ時間でクォーツ構成部品を交換するで示される。以上を踏まえると、より耐浸食性であるとともに処理対象ウエハ表面の汚染（例えば粒子汚染及び金属不純物）を最小限に抑えるのに役立つ消耗パーツを有する高密度プラズマ処理チャンバが必要とされている。

共同所有の米国特許第５，９９３，５９４号に記載されるように、窒化シリコンは、プラズマ処理チャンバに使用されるガス分配板、ライナ、及びフォーカスリングなどのプラズマ処理構成部品に適した材料であることを証明されている。

このような窒化シリコン構成部品は、様々な方法で作成することができる。例えば、窒化シリコンは、高率のα型窒化シリコンを含む粉末を使用して、１５００℃を超える温度でホットプレスすることができる。このような温度でのホットプレスの間に、α相は、β相に変態し、この変態及び緻密化は、圧力、温度、及び出発粉末のα／β相比に依存する。窒化シリコンのための焼結助剤としては、ＭｇＯ、Ｙ₂Ｏ₃、ＣｅＯ₂、ＺｒＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂（イットリウムアルミニウムガーネットすなわちＹＡＧ）が挙げられ、場合によってはその他の希土類金属酸化物も挙げられる。緻密化は、無加圧焼結、ホットプレス、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）、又はガス圧焼結などの焼結プロセスによって実施することができる。熱間静水圧プレス窒化シリコンと比較して、ガス圧焼結材料は、高アスペクト比の粒子を伴う粗い構造を呈するのに対し、プレス材料は、より細かい等軸構造を有するであろう。ガス圧焼結は、最大２ＭＰａの窒素ガス圧を使用して実施されてよく、窒素ガスは、窒化シリコンの熱分解を抑え、より高い焼結温度を緻密化に使用することを可能にする。ホットプレス窒化シリコンは、誘導加熱されたグラファイトダイに入れ、１５〜３０ＭＰａの印加圧力下において１〜４時間にわたって１６５０℃から１８５０℃の範囲の温度まで熱及び一軸圧力を加えることによって形成することができる。別の技術は、窒化シリコンの成形構成部品を、０．１ＭＰａの窒素雰囲気下において１７００℃から１８００℃で燃やすことを伴う。別の技術は、シリコンに対してその成形前にＭｇＯ又はＹ₂Ｏ₃などの添加物を加え、次いで、窒素雰囲気下において約１１００℃から約１４５０℃の温度範囲で窒化することを伴う。金属酸化物の焼結助剤（例えばＭｇＯ）は、緻密な窒化シリコン構成部品の形成を容易にするが、これらは、プラズマ処理時にシリコンウエハの表面上に許容できないレベルの金属汚染を生じる可能性がある。

プラズマ処理後の様々な金属汚染物の表面濃度を決定するために、ホットプレスによって形成され約１ｗｔ％のＭｇＯ焼結助剤を含む窒化シリコン構成部品が、2300 EXELAN FLEX（登録商標）誘電体エッチングシステムに装着された。この材料は、十分に緻密であり、高純度のＳｉ₃Ｎ₄粉末をＭｇ含有化合物と混ぜ合わせ、次いでグラファイトダイに入れ、約１６００℃を上回る温度でホットプレスすることによって作成された。ホットプレス後、部品は、ホットプレスされたブランクをもとに研磨され、エッチングチャンバにおける使用のために洗浄された。

2300 EXELAN FLEX（登録商標）誘電体エッチングシステムにおけるテストは、シリコンウエハの表面上における金属元素のレベルを決定する前に、約１ｗｔ％ＭｇＯを伴う窒化シリコン構成部品を約５０時間にわたってプラズマ環境に曝すことを行った。フォトレジストをコーティングされたブランクシリコンウエハに、約５分間にわたって高アスペクト比コンタクト（ＨＡＲＣ）エッチングレシピを施した。ＨＡＲＣエッチングレシピとして、約１００ｓｃｃｍのＣ₄Ｆ₈／約５０ｓｃｃｍのＣ₄Ｆ₆／約１００ｓｃｃｍのＣＨ₂Ｆ₂／約５０ｓｃｃｍのＯ₂／約１，０００ｓｃｃｍのＡｒのガス混合が、約３５ミリトール及び約４０ミリトールのチャンバ圧力を有するプロセスチャンバに供給された。Ｃ₄Ｆ₈／Ｃ₄Ｆ₆／ＣＨ₂Ｆ₂／Ｏ₂／Ａｒプロセスガスによってプラズマを生成するために、約５，０００ワットから約６，０００ワットの間のＲＦ電力が印加された。完了後、テストウエハは取り出され、約３０秒間にわたってウエハレス自動洗浄（ＷＡＣ）チャンバ洗浄レシピが実施された。ＷＡＣ洗浄レシピとして、約３００ｓｃｃｍのＮ₂及び約３，０００ｓｃｃｍのＯ₂が、約６００ミリトールのチャンバ圧力を有するプロセスチャンバに供給された。Ｎ₂／Ｏ₂プロセスガスによってプラズマを生成し、処理チャンバの内部からポリマ堆積物を除去するために、約７００ワットのＲＦ電力が印加された。ＨＡＲＣエッチングレシピ及びそれに続くＷＡＣレシピからなるこの一連の手順は、窒化シリコン構成部品が約５０時間にわたってプラズマ環境に曝されるまで繰り返された。ＨＡＲＣエッチングレシピ及びＷＡＣチャンバ洗浄レシピは、これらのプラズマ処理条件下においてクォーツが浸食を受けやすいゆえに選択された。

窒化シリコン構成部品がプラズマ環境において約５０ＲＦ時間にわたって曝された後、コーティングを施されていない３００ｍｍのブランクシリコンテストウエハに、ＨＡＲＣエッチングレシピを使用したプラズマ処理を約５分間にわたって施した。プラズマ処理後、シリコンウエハの表面は、希硝酸（ＨＮＯ₃）によってすすがれ、様々な金属汚染物の表面濃度（原子数／ｃｍ²）を誘導結合プラズマ質量分析法（ＩＣＰ−ＭＳ）によって分析された。図３は、ＭｇＯ焼結助剤を伴う窒化シリコンベースの構成部品をプラズマに曝されたエッチングシステムにおいてプラズマ処理された３００ｍｍのブランクシリコンウエハについて、様々な金属汚染物の表面濃度を示している。

上述のように、シリコンウエハの表面上における金属元素の汚染レベルは、例外のアルミニウムを除き、５×１０¹⁰原子数／ｃｍ²又はそれ未満であるのが理想的である。図３に見られるように、マグネシウムによる表面汚染は、１００×１０¹⁰原子数／ｃｍ²を超えた。したがって、特定の応用では、１ｗｔ％のＭｇＯ焼結助剤を伴う窒化シリコン構成部品の使用は、シリコンウエハの表面におけるマグネシウム及びその他の汚染のレベルが高いゆえに、完全に満足のいく結果を提供することができない。

シリコンウエハの表面上における金属汚染を軽減させるためのアプローチの１つは、アルミニウム、バリウム、カルシウム、セリウム、クロム、銅、ガリウム、インジウム、鉄、リチウム、マグネシウム、ニッケル、カリウム、ナトリウム、ストロンチウム、錫、チタン、バナジウム、イットリウム、亜鉛、又はジルコンを意図的に添加されない焼結助剤を使用することである。高純度の二酸化シリコンを焼結助剤として含む高純度の窒化シリコンベースのプラズマ処理構成部品は、結果としてシリコンウエハの表面上における金属元素の汚染レベルを軽減させることがわかった。

プラズマ処理後の様々な金属汚染物の表面濃度を決定するために、熱間静水圧プレスによって形成され１０ｗｔ％の二酸化シリコン焼結助剤を含む窒化シリコン構成部品が、2300 EXELAN FLEX（登録商標）誘電体エッチングシステムに装着された。窒化シリコン構成部品を作成するためのプロセス工程は、（１）アルコール溶媒の中で、割合９０（ｗｔ％）の高純度の窒化シリコン粉末を割合１０（ｗｔ％）の高純度の二酸化シリコン粉末と混ぜ合わせる工程、（２）アルコール溶媒を蒸発させて、乾燥粉末混合を形成する工程、（３）粉末混合をダイセットに装填し、約１００ＭＰａから約１２０ＭＰａの間で混合粉末に一軸乾燥プレス又は冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）を施して、予備成形素地（すなわち未焼成セラミック体）を形成する工程、並びに（４）ガラスカプセル技術を使用して、約１７５０℃から約１９００℃の間の温度で約１７５ＭＰａから約２２５ＭＰａの間の印加圧力下において約６０分から約１２０分の間の時間にわたって予備成形品を熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）する工程である。

一軸乾燥プレス又は冷間静水圧プレスにおいて、予備成形素地の密度は、理論密度の４５％以上である。熱間静水圧プレス後、窒化シリコン構成部品は、光学的微細構造に基づいて、理論密度の約９５％又はそれを超える密度を有するものと決定され、この構造において、窒化シリコン構成部品は、空孔フリーであった。二酸化シリコン焼結助剤を含む窒化シリコン構成部品は、５０００ｐｐｍ未満、好ましくは１０００ｐｐｍ未満、最も好ましくは１００ｐｐｍ未満の総金属汚染を有する。金属汚染は、バリウム、カルシウム、セリウム、クロム、銅、ガリウム、インジウム、鉄、リチウム、マグネシウム、ニッケル、カリウム、ナトリウム、ストロンチウム、錫、チタン、バナジウム、イットリウム、亜鉛、及びジルコンを含む。

前述のように、2300 EXELAN FLEX（登録商標）誘電体エッチングシステムにおけるテストは、シリコンウエハの表面上における金属元素のレベルを決定する前に、１０ｗｔ％二酸化シリコンを伴う窒化シリコン構成部品を約５０時間にわたってプラズマ環境に曝すことを行った。フォトレジストをコーティングされたブランクシリコンウエハに、約５分間にわたって高アスペクト比コンタクト（ＨＡＲＣ）エッチングレシピを施した。完了後、テストウエハは取り出され、約３０秒間にわたってウエハレス自動洗浄（ＷＡＣ）チャンバ洗浄レシピが実施された。この一連の手順は、窒化シリコン構成部品が約５０時間にわたってプラズマ環境に曝されるまで繰り返された。

プラズマ処理後、シリコンウエハの表面は、希硝酸（ＨＮＯ₃）によってすすがれ、様々な金属汚染物の表面濃度（原子数／ｃｍ²）を誘導結合プラズマ質量分析法（ＩＣＰ−ＭＳ）によって分析された。図４に見られるように、マグネシウムによる表面汚染は、５×１０¹⁰原子数／ｃｍ²未満であった。また、カルシウム、リチウム、ナトリウムは、５×１０¹⁰原子数／ｃｍ²汚染レベルを超えたが、これらの金属のレベルは、約２２×１０¹⁰原子数／ｃｍ²未満であった。図３の結果と図４の結果とを比較すると、１０％のＳｉＯ₂焼結助剤を含む窒化シリコン構成部品は、１％のＭｇＯを含む窒化シリコン構成部品と比べて大幅な改善を提供している。

熱間静水圧プレスによって形成されＳｉＯ₂焼結助剤を含む窒化シリコン構成部品は、クォーツ同等物と比較して、フルオロカーボン／ヒドロフルオロカーボンプラズマ及び酸素／窒素プラズマに曝されるときに優れた耐摩耗性も呈した。更に、１０ｗｔ％のＳｉＯ₂焼結助剤を含む窒化シリコンは、最も低い磨耗率を呈すことがわかった。ガラスカプセルに封入した熱間静水圧プレスによって、約５ｗｔ％、約１０ｗｔ％、約２０ｗｔ％、及び約３５ｗｔ％のＳｉＯ₂焼結助剤を含む窒化シリコンベースの構成部品（例えばピンスリーブ）が形成された。極めて精密にダイヤモンド研削され、洗浄された後、各構成部品は、個別に2300 EXELAN FLEX（登録商標）誘電体エッチングシステムに入れられ、約５分間に及ぶＨＡＲＣエッチングレシピと続く約３０秒間に及ぶＷＡＣレシピとを、プラズマ曝露が合計で約１８ＲＦ時間に達するまで交互に施された。テスト時に、ピンスリーブ構成部品は、イオン衝撃及び／又はイオン化ハロゲンガスに曝された。ピンスリーブの磨耗率は、図５Ａに示されるように、ｙ方向における寸法の変化を測定することによって決定された。ピンスリーブは、図５Ａに示されるように、その高さが新しいピンスリーブの高さの５０％まで磨耗されたときに交換される。一実施形態では、ピンスリーブの高さは、約５ｍｍから約１５ｍｍの範囲に及ぶことができる。

図５Ｂに示されるように、約５ｗｔ％から約２０ｗｔ％の間のＳｉＯ₂を含む窒化シリコンピンスリーブ構成部品は、プラズマ処理時において約８μｍ／ＲＦ時間未満の改善された磨耗率を示した。クォーツ構成部品（すなわち１００％ＳｉＯ₂）は、約１３μｍ／ＲＦ時間の最も高い磨耗率を示した。しかしながら、約１０ｗｔ％のＳｉＯ₂を含む窒化シリコン構成部品は、少なくとも２分の１に減少した約６μｍ／ＲＦ時間の磨耗率を示した。したがって、クォーツ消耗構成部品を、約５ｗｔ％から約２０ｗｔ％の間（例えば約８ｗｔ％から約１２ｗｔ％の間、約９ｗｔ％から約１１ｗｔ％の間、約１０ｗｔ％）のＳｉＯ₂を含む窒化シリコン構成部品で置き換えることによって、寿命を、約２５０ＲＦ時間から２倍以上に延ばし、約８００ＲＦ時間から約１，０００ＲＦ時間の間にすることができる。

以上は、その具体的な実施形態への言及によって詳細に説明されてきたが、当業者ならば、添付の特許請求の範囲から逸脱することなく様々な修正及び変更が可能であること並びに均等物が用いられることが明らかである。

Claims

プラズマエッチングチャンバの平均洗浄間隔時間及びチャンバパーツの寿命を延ばす方法であって、
イオン衝撃及び／又はイオン化ハロゲンガスに曝される少なくとも１つの焼結窒化シリコン構成部品を使用しつつ、前記チャンバ内において一度に１枚ずつ半導体基板をプラズマエッチングする工程を含み、前記窒化シリコン構成部品は、約８０ｗｔ％から約９５ｗｔ％の間の高純度の窒化シリコンと、約５ｗｔ％から約２０ｗｔ％の間の焼結助剤とからなり、前記焼結助剤は、高純度の二酸化シリコンからなる
方法。
請求項１に記載の方法であって、更に、
前記半導体基板をプラズマエッチングする前に、クォーツ構成部品を前記焼結窒化シリコン構成部品に置き換える工程を含む、方法。
請求項１に記載の方法であって、更に、
前記半導体基板をプラズマエッチングする前に、窒化シリコン構成部品を前記焼結窒化シリコン構成部品に置き換える工程を含む、方法。
請求項１に記載の方法であって、
前記構成部品は、ピンスリーブ、閉じ込めリング、ホットエッジリングカバー、又は接地カバーリングの少なくとも１つである、方法。
請求項１に記載の方法であって、
前記プラズマエッチングは、フルオロカーボン及び／又はヒドロフルオロカーバオンエッチングガスを使用して誘電体材料内に開口をエッチングする工程を含む、方法。
請求項１に記載の方法であって、
前記高純度の窒化シリコン及び前記高純度の二酸化シリコンは、１０００ｐｐｍから５０００ｐｐｍの間の、１００ｐｐｍから１０００ｐｐｍの間の、又は１００ｐｐｍ未満の金属不純物を有し、前記金属不純物は、バリウム、カルシウム、セリウム、クロム、銅、ガリウム、インジウム、鉄、リチウム、マグネシウム、ニッケル、カリウム、ナトリウム、ストロンチウム、錫、チタン、バナジウム、イットリウム、亜鉛、及びジルコンを含み、前記窒化シリコン構成部品は、理論密度の約９５％若しくはそれを超える密度を有する、且つ／又は空孔フリーである、方法。
請求項１に記載の方法であって、
前記平均洗浄間隔時間は、誘電体材料のエッチング時において約８００ＲＦ時間から約１，０００ＲＦ時間の間である、方法。
請求項１に記載の方法であって、更に、
前記プラズマエッチングチャンバから前記半導体基板を取り出す工程と、
前記プラズマエッチングチャンバの内部をプラズマ洗浄する工程であって、前記プラズマ洗浄は、前記プラズマエッチングチャンバの前記内部からポリマ堆積物を除去するために、酸素ガス及び／又は窒素ガスによってプラズマを生成する工程を含み、前記プラズマ洗浄は、１枚の基板をエッチングした後、別の基板をエッチングする前に実施される、
方法。
プラズマ処理チャンバであって、
前記処理チャンバの内部において基板を支えるための基板ホルダと、
前記基板に隣接して曝露表面を有する焼結窒化シリコン構成部品であって、前記構成部品は、約８０ｗｔ％から約９５ｗｔ％の間の高純度の窒化シリコンと、約５ｗｔ％から約２０ｗｔ％の間の焼結助剤とからなり、前記焼結助剤は、高純度の二酸化シリコンからなる、焼結窒化シリコン構成部品と、
前記処理チャンバの前記内部にプロセスガスを供給するガス供給と、
前記基板を処理するために、前記処理チャンバの前記内部にエネルギを供給して前記プロセスガスをプラズマ状態に励起するエネルギ源であって、前記構成部品は、前記プラズマによる処理時に前記基板の表面上における金属汚染を最小限に抑えて１００×１０¹⁰原子数／ｃｍ²未満にするエネルギ源と
を備えるプラズマ処理チャンバ。
請求項９に記載のプラズマ処理チャンバであって、
前記構成部品は、前記プラズマによる処理時に前記基板の前記表面上における金属汚染を最小限に抑えて５０×１０¹⁰原子数／ｃｍ²未満にし、前記構成部品は、約８０ｗｔ％から約９３ｗｔ％の間の高純度の窒化シリコンと、約７ｗｔ％から約２０ｗｔ％の間の焼結助剤とからなる、プラズマ処理チャンバ。
請求項９に記載のプラズマ処理チャンバであって、
前記構成部品は、前記プラズマによる処理時に前記基板の前記表面上における金属汚染を最小限に抑えて１０×１０¹⁰原子数／ｃｍ²未満にする、プラズマ処理チャンバ。
請求項９に記載のプラズマ処理チャンバであって、
前記構成部品は、前記プラズマによる処理時に前記基板の前記表面上における金属汚染を最小限に抑えて５×１０¹⁰原子数／ｃｍ²未満にする、プラズマ処理チャンバ。
請求項９に記載の処理チャンバであって、
前記金属汚染は、バリウム、カルシウム、セリウム、クロム、銅、ガリウム、インジウム、鉄、リチウム、マグネシウム、ニッケル、カリウム、ナトリウム、ストロンチウム、錫、チタン、バナジウム、イットリウム、亜鉛、及びジルコンを含む、処理チャンバ。
請求項９に記載の処理チャンバであって、
前記プロセスガスは、フルオロカーボン及び／又はヒドロフルオロカーボンを含む、処理チャンバ。
プラズマ処理時のシリコン基板の表面上における金属汚染を軽減する方法であって、
プラズマ処理装置の反応チャンバ内において基板サポートの上にシリコン基板を配する工程であって、前記プラズマ処理装置は、１つ又は２つ以上の焼結窒化シリコン構成部品を含み、前記窒化シリコン構成部品は、約８０ｗｔ％から約９５ｗｔ％の間の高純度の窒化シリコンと、約５ｗｔ％から約２０ｗｔ％の間の焼結助剤とからなり、前記焼結助剤は、高純度の二酸化シリコンからなり、
前記反応チャンバにプロセスガスを導入し、
前記プロセスガスからプラズマを生成し、
前記シリコン基板を前記プラズマによって処理する
方法。
請求項１５に記載の方法であって、
前記プロセスガスは、フルオロカーボン及び／又はヒドロフルオロカーボンを含む、方法。
請求項１５に記載の方法であって、
前記１つ又は２つ以上の窒化シリコン構成部品は、ピンスリーブ、閉じ込めリング、ホットエッジリングカバー、又は接地カバーリングである、方法。
請求項１５に記載の方法であって、
前記シリコン基板は、前記プラズマによる前記シリコン基板の処理後に約５×１０¹⁰原子数／ｃｍ²未満の金属表面濃度を有する、方法。
請求項１８に記載の方法であって、
前記金属は、バリウム、カルシウム、セリウム、クロム、銅、ガリウム、インジウム、鉄、リチウム、マグネシウム、ニッケル、カリウム、ナトリウム、ストロンチウム、錫、チタン、バナジウム、イットリウム、亜鉛、又はジルコンを含む、方法。
請求項１５に記載の方法であって、
前記シリコン基板を処理することは、エッチングを含む、方法。
プラズマエッチングチャンバ内においてイオン衝撃及び／又はプラズマ浸食に曝されるプラズマエッチングチャンバ処理構成部品を製造する方法であって、
約８０ｗｔ％から約９５ｗｔ％の間の高純度の窒化シリコンと、約５ｗｔ％から約２０ｗｔ％の間の二酸化シリコンとからなる粉末組成を混合する工程と、
前記粉末組成から成形構成部品を形成する工程と、
熱及び圧力の同時的印加によって前記成形構成部品を緻密化する工程と、
を備える方法。
請求項２１に記載の方法であって、
前記粉末組成を混合する工程は、更に、
アルコール溶媒の中で、高純度の窒化シリコンと高純度の二酸化シリコンとを混ぜ合わせる工程と、
前記アルコール溶媒を蒸発させて、乾燥粉末混合を形成する工程と、
を含み、前記成形構成部品を形成することは、更に、
前記乾燥粉末混合をダイセットに装填する工程と、
約１００ＭＰａから約１２０ＭＰａの間の圧力で前記粉末混合に一軸プレス又は冷間静水圧プレスを施して、予備成形素地を形成する工程と、
を含み、
熱及び圧力の同時的印加によって前記成形構成部品を緻密化する工程は、
ガラスカプセル技術を使用して、約１７５０℃から約１９００℃の間の温度で約１７５ＭＰａから約２２５ＭＰａの間の印加圧力下において約６０分から約１２０分の間の時間にわたって前記予備成形素地を熱間静水圧プレスする処理を含む、方法。
請求項２２に記載の方法であって、
前記予備成形素地は、理論密度の４５％の最小密度を有する、方法。
プラズマ処理構成部品であって、
焼結窒化シリコン構成部品であって、約８０ｗｔ％から約９５ｗｔ％の間の高純度の窒化シリコンと、約５ｗｔ％から約２０ｗｔ％の間の焼結助剤とからなり、前記焼結助剤は、高純度の二酸化シリコンからなる、焼結窒化シリコン構成部品を備えるプラズマ処理構成部品。
請求項２４に記載のプラズマ処理構成部品であって、
前記構成部品は、ピンスリーブ、閉じ込めリング、ホットエッジリングカバー、又は接地カバーリングである
プラズマ処理構成部品。