JP2012182166A - プラズマ窒化装置用石英天板およびプラズマ窒化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】石英欠片の飛沫を防止して、高品質な窒化膜を形成することができるプラズマ窒化装置用石英天板を提供すること。
【解決手段】実施形態によれば、プラズマ窒化装置用石英天板が提供される。プラズマ窒化装置用石英天板は、プラズマ窒化装置の真空反応室内にプラズマを発生させるアンテナと前記真空反応室内のプラズマ領域との間に配置されて前記真空反応室の天板として用いられる。プラズマ窒化装置用石英天板は、石英を用いて板状に形成された主板部と、前記主板部の表面のうち少なくともプラズマ雰囲気に接する面を前記石英よりも緻密な膜で形成した緻密膜と、を備えている。そして、前記緻密膜は、前記主板部上に膜生成を行うことによって形成された膜である。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、プラズマ窒化装置用石英天板およびプラズマ窒化装置に関する。

ＳＰＡ（Slot Plane Antenna）装置などのプラズマ窒化装置では、被処理基板であるウエハ（半導体装置）の上部（処理室の天板にあたる部分）に石英天板を配置している装置がある。天板として石英天板が用いられる理由としては、半導体装置の製造工程で管理されている不純物（金属など）が少ない高純度の材質を得やすいこと、真空反応室の天板としての強度に耐え得ること、プラズマ雰囲気に対して耐性を持つこと、加工成型をしやすいことなどが挙げられる。

しかしながら、高純度石英の場合、プラズマ窒化によって、その表面が珪素酸化物である石英から珪素窒化物に変化し、その変化層の厚さが数μｍにおよぶ場合がある。そして、珪素酸化物の熱膨張係数と、珪素窒化物の熱膨張係数と、の差異から熱応力を生じる。このため、石英表面にひび割れを生じ、その結果、微小な石英欠片をウエハに飛沫させ、ウエハ上での不良欠陥として製品不良を引き起こすという問題があった。このため、石英欠片の飛沫を防止して、高品質な窒化膜をウエハ上に形成することが望まれている。

特開２００３−１７４０１７号公報

本発明が解決しようとする課題は、石英欠片の飛沫を防止して、高品質な窒化膜を形成することができるプラズマ窒化装置用石英天板およびプラズマ窒化装置を提供することである。

実施形態によれば、プラズマ窒化装置用石英天板が提供される。プラズマ窒化装置用石英天板は、プラズマ窒化装置の真空反応室内にプラズマを発生させるアンテナと前記真空反応室内のプラズマ領域との間に配置されて前記真空反応室の天板として用いられる。プラズマ窒化装置用石英天板は、石英を用いて板状に形成された主板部と、前記主板部の表面のうち少なくともプラズマ雰囲気に接する面を前記石英よりも緻密な膜で形成した緻密膜と、を備えている。そして、前記緻密膜は、前記主板部上に膜生成を行うことによって形成された膜である。

図１は、実施形態に係る石英天板を備えたプラズマ窒化装置の構成を模式的に示す断面図である。 図２は、ＣＶＤ法を用いて作製された石英天板の構成を示す断面図である。 図３は、ＣＶＤ法以外の方法を用いて作製された石英天板の構成を示す断面図である。 図４は、プラズマ窒化の際に石英天板上に生成されるＳｉＮ膜を説明するための図である。

以下に添付図面を参照して、実施形態に係るプラズマ窒化装置用石英天板およびプラズマ窒化装置を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではない。

（実施形態）
図１は、実施形態に係る石英天板を備えたプラズマ窒化装置の構成を模式的に示す断面図である。プラズマ窒化装置１００は、ウエハＷなどの基板上にプラズマ窒化膜を形成する装置であり、真空反応室内は気密に構成されている。プラズマ窒化装置１００は、石英天板（プラズマ窒化装置用石英天板）１Ｘと、ＳＰＡ（Slot Plane Antenna）であるアンテナ２と、処理チャンバ３と、を備えて構成されている。

石英天板１Ｘは、ウエハＷが載置される台（後述のステージ６）の上部側に配置されており、真空反応室の天板として用いられる。ここでの石英天板１Ｘは、後述の石英天板１Ａ〜１Ｄに対応している。石英天板１Ｘは、概略円板状をなしており、処理チャンバ（真空反応室）３内とアンテナ２との間を密閉する。石英天板１Ｘは、その主部が珪素酸化物である石英（プラズマ耐性を有した部材）１０で構成されるとともに、石英天板１Ｘの表面（表層）のうち、少なくともプラズマ雰囲気に接する面が石英１０よりも緻密な（密度が大きい）緻密膜（ＳｉＯ₂膜またはＳｉＮ膜など）５０で形成されている。緻密膜５０は、後述するＣＶＤ−ＳｉＯ₂膜３０、ＣＶＤ−ＳｉＮ膜４０、緻密ＳｉＯ₂膜３５、緻密ＳｉＮ膜４５などの緻密な膜であり、例えば数ｎｍ以上の膜厚で構成しておく。このような構成により、石英天板によって引き起こされるウエハＷの不良欠陥を防止する。

処理チャンバ３は、底部を有した略略円筒状をなしており、プラズマ窒化処理を行う真空反応室内の側面および底面を囲っている。処理チャンバ３の側壁には、プラズマ窒化膜の形成に用いるガスの導入部である管状のガス導入部５Ａと、ガスの排出部である管状のガス排出部５Ｂと、が設けられている。ガス導入部５Ａには、ガス供給を行う配管（図示せず）を介してガス供給源（図示せず）が接続されている。ガス供給源から供給されるガスとしては、例えば、Ｎ₂、Ａｒなどがある。

アンテナ２は、概略円板状の平面アンテナであり、処理チャンバ３の上部側に配置されている。アンテナ２は、処理チャンバ３内にマイクロ波を導入してプラズマを発生させることにより、マイクロ波プラズマを発生させる。

処理チャンバ３の内側である真空反応室内には、ウエハＷを水平に支持するステージ６が設けられている。ステージ６は、ウエハＷを載置する側の面である上面側が、セラミック材７で構成されている。また、ステージ６内にはステージ６を加熱するヒータ（図示せず）が設けられている。ステージ６は、ウエハＷを支持した状態で上下に移動し、これにより、ウエハＷを所望の位置に移動させる。

また、処理チャンバ３を構成する壁面内には、処理チャンバ３の表面（処理室側）を冷却するための冷却水４が流されている。同様に、アンテナ２を構成する壁面内には、アンテナ２の表面（処理室側）を冷却するための冷却水４が流されている。

また、処理チャンバ３の側壁には、プラズマ窒化装置１００に隣接する搬送室（図示せず）との間でウエハＷの搬出入を行うウエハ搬出入口が設けられている。プラズマ窒化装置１００によってウエハＷ上に窒化膜を形成する際には、ウエハＷが処理チャンバ３内に搬入され、ステージ６上に載置される。そして、ステージ６が上下に移動することにより、ウエハＷが所定位置に移動する。さらに、ヒータがステージ６を加熱することにより、ウエハＷを加熱する。

この後、プラズマ窒化膜の形成に用いるガス（例えばＮ₂、Ａｒ）が、ガス導入部５Ａから処理チャンバ３内に導入される。そして、処理チャンバ３内では、アンテナ２によって、プラズマ領域８にマイクロ波プラズマを発生させる。このとき、ステージ６からの輻射熱により、プラズマ領域８が加熱される。これにより、ウエハＷ上にプラズマ窒化膜の形成が行われる。

本実施形態では、石英１０の表面のうち、例えばプラズマ雰囲気（プラズマ領域８）に接する面を、石英１０よりも緻密なＳｉＯ₂などで形成しておく。ここで、石英１０の表面形成方法について説明する。

石英１０の表面は、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置を用いたＣＶＤ−ＳｉＯ₂膜によって形成しておく。ここでのＣＶＤ装置は、例えば、シリコンソースガスと酸化剤ガスとの化学反応によってＣＶＤ−ＳｉＯ₂膜を形成する。

シリコンソースガスとしては、例えば、ＳｉＨ₄ガス、Ｓｉ₂Ｈ₂Ｃｌ₂ガス、Ｓｉ₂Ｈ₆ガスなどが用いられ、酸化剤ガスとしては、例えば、Ｎ₂Ｏガス、Ｏ₂ガスなどが用いられる（１）。また、ＣＶＤ装置は、例えば、シリコンおよび酸素を含んだＴＥＯＳ（Tetra Ethyl Ortho Silicate）などのソースガスを用いてＣＶＤ−ＳｉＯ₂膜を形成してもよい（２）。

また、（１）または（２）の方法を用いてＣＶＤ−ＳｉＯ₂膜を形成した後、Ｏ₂、Ｈ₂Ｏ、Ｏ₃、Ｎ₂Ｏなどの酸化剤を含んだガス雰囲気またはＮ₂、Ａｒなどの不活性ガス雰囲気にて、ＣＶＤ−ＳｉＯ₂膜に熱処理を施してもよい。

なお、ＣＶＤ−ＳｉＯ₂膜を形成するＣＶＤ装置としては、ガスの活性化のためのエネルギーを熱で得る熱ＣＶＤ装置であってもよいし、ＬＰ（Low Pressure）ＣＶＤ装置やＰＥ（Plasma Enhanced）ＣＶＤ装置などであってもよい。

また、石英１０の表面のうち、例えばプラズマ雰囲気に接する面を緻密なＳｉＮで形成しておいてもよい。

石英１０の表面は、例えば、ＣＶＤ装置を用いたＣＶＤ−ＳｉＮ膜によって形成しておく。ここでのＣＶＤ装置は、例えば、シリコン種と窒化種との化学反応によってＣＶＤ−ＳｉＮ膜を形成する。シリコン種としては、例えば、ＳｉＨ₂Ｃｌ₂、ＳｉＨ₄などが用いられ、窒化種としては、例えば、ＮＨ₃ガス、窒素ラジカルなどが用いられる。

なお、ＣＶＤ−ＳｉＮ膜を形成するＣＶＤ装置としては、熱ＣＶＤ装置、ＬＰＣＶＤ装置、ＰＥＣＶＤ装置などの何れのＣＶＤ装置であってもよい。

図２は、ＣＶＤ法を用いて作製された石英天板の構成を示す断面図である。図２の（ａ）に示すように、石英１０の表面のうち、例えばプラズマ雰囲気に接する面（底面側）にＣＶＤ−ＳｉＯ₂膜３０が形成されて石英天板１Ａが構成される。

また、図２の（ｂ）に示すように、石英１０の表面のうち、例えばプラズマ雰囲気に接する面（底面側）にＣＶＤ−ＳｉＮ膜４０を形成することによって石英天板１Ｂを構成してもよい。

また、本実施の形態では、ＣＶＤ法によってＣＶＤ−ＳｉＯ₂膜３０やＣＶＤ−ＳｉＮ膜４０を形成する場合について説明したが、ＣＶＤ法以外の方法で、石英１０よりも緻密なＳｉＯ₂膜やＳｉＮ膜で石英１０の表面を形成してもよい。例えば、スパッタリング装置を用いて、石英１０の表面を緻密ＳｉＯ₂膜や緻密ＳｉＮ膜で形成してもよい。

図３は、ＣＶＤ法以外の方法を用いて作製された石英天板の構成を示す断面図である。図３の（ａ）に示すように、石英１０の表面のうち、例えばプラズマ雰囲気に接する面（底面側）が緻密ＳｉＯ₂膜３５で形成されることによって、石英天板１Ｃが構成される。

また、図３の（ｂ）に示すように、石英１０の表面のうち、例えばプラズマ雰囲気に接する面（底面側）を緻密ＳｉＮ膜４５で形成することによって石英天板１Ｄを構成してもよい。

ここで、プラズマ窒化の際に石英天板１Ｘ上に生成されるＳｉＮ膜について説明する。図４は、プラズマ窒化の際に石英天板上に生成されるＳｉＮ膜を説明するための図である。図４の（ａ）は、石英天板に表面処理を行わなかった場合の石英天板１Ｙの断面図を示している。また、図４の（ｂ）は、石英天板に表面処理を行なった場合の石英天板１Ｘの断面図を示している。図４の（ｂ）に示す緻密膜５０は、ＣＶＤ−ＳｉＯ₂膜３０、ＣＶＤ−ＳｉＮ膜４０、緻密ＳｉＯ₂膜３５、緻密ＳｉＮ膜４５などである。

図４の（ａ）に示すように、表面処理を行わなかった石英天板１Ｙの場合、ウエハＷ上に窒化膜を形成する際に、石英天板１Ｙの表面に厚い珪素窒化物（ＳｉＮ膜）２０が形成される。

一方、図４の（ｂ）に示すように、表面処理を行なって緻密膜５０を形成しておいた石英天板１Ｘの場合、ウエハＷ上に窒化膜を形成した際に、石英天板１Ｘの表面に薄い珪素窒化物（ＳｉＮ膜）６０しか形成されない。

このように、本実施の形態では、石英１０の表面に緻密膜５０を成膜しておくので、石英１０よりも緻密で且つ欠陥の少ない（ピンホールの無い）緻密膜５０で石英１０の表面を形成することが可能となる。また、もともとの石英１０表面にある物理的な凹凸を、段差被覆率のよいＣＶＤ法などを用いて形成することで、隙間無く石英１０の表面を覆うことができる。このため、プラズマ窒化による石英天板１ＸのＳｉＮへの表面変化を、緻密膜５０のごく表面の数ｎｍにとどめることができる。

したがって、石英天板１Ｘ内部の石英１０へプラズマ窒化時のラジカル窒化種が拡散されることを防ぎ、石英１０の変質を防ぐことができる。これにより、石英１０とは熱膨張率の異なるＳｉＮ層が石英１０に及ぶことを防止でき、この結果、石英天板１Ｘの表面が厚膜化することを防止できる。そして、石英天板１Ｘの表面に形成されるＳｉＮ膜を薄く維持できるので、ＳｉＮ膜の応力による力が小さくなる。このため、石英天板１Ｘの破断を防止することができ、その結果、石英１０のひび割れを防ぐことが可能になる。したがって、石英天板１Ｘから微小な石英１０の欠片が飛散することを防ぐことが可能となる。また、石英天板１Ｘの寿命が長くなり、長期に渡って石英天板１Ｘを使用することが可能となる。

ウエハＷへのプラズマ窒化膜の成膜は、例えばウエハプロセスの所定のレイヤで行われる。そして、プラズマ窒化膜が形成されたウエハＷを用いて半導体装置（半導体集積回路）が作製される。具体的には、レジストの塗布されたウエハＷにフォトマスクを用いて露光を行ない、その後ウエハＷを現像してウエハＷ上にレジストパターンを形成する。そして、レジストパターンをマスクとしてウエハＷの下層側をエッチングする。これにより、レジストパターンに対応する実パターンをウエハＷ上に形成する。半導体装置を製造する際には、上述したプラズマ窒化膜などの成膜処理、露光処理、現像処理、エッチング処理などがレイヤ毎に繰り返される。

なお、本実施の形態では、石英１０のうちプラズマ領域８側の面に緻密膜５０を形成する場合について説明したが、石英１０の側面やアンテナ２側の主面（上面）にも緻密膜５０を形成してもよい。

このように実施形態によれば、石英１０の表面に緻密膜５０を成膜しておくので、プラズマ窒化による石英天板１ＸのＳｉＮへの表面変化を、ごく少量に抑えることが可能となる。したがって、プラズマ窒化に起因する石英１０の欠片の飛沫を防止して、高品質な窒化膜を形成することが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１Ａ〜１Ｄ，１Ｘ…石英天板、２…アンテナ、３…処理チャンバ、６…ステージ、８…プラズマ領域、１０…石英、３０…ＣＶＤ−ＳｉＯ₂膜、３５…緻密ＳｉＯ₂膜、４０…ＣＶＤ−ＳｉＮ膜、４５…緻密ＳｉＮ膜、５０…緻密膜、１００…プラズマ窒化装置、Ｗ…ウエハ。

Claims (6)

1. プラズマ窒化装置の真空反応室内にプラズマを発生させるアンテナと前記真空反応室内のプラズマ領域との間に配置されて前記真空反応室の天板として用いられるとともに、
   石英を用いて板状に形成された主板部と、
   前記主板部の表面のうち少なくともプラズマ雰囲気に接する面を前記石英よりも緻密な膜で形成した緻密膜と、
   を備え、
   前記緻密膜は、前記主板部上に膜生成を行うことによって形成された膜であることを特徴とするプラズマ窒化装置用石英天板。
2. 前記緻密膜は、ＣＶＤ法を用いて形成された膜であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ窒化装置用石英天板。
3. 前記緻密膜は、ＣＶＤ−ＳｉＯ₂膜であることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ窒化装置用石英天板。
4. 前記緻密膜は、ＣＶＤ−ＳｉＯ₂膜が形成された後、前記ＣＶＤ−ＳｉＯ₂膜が酸化剤を含んだガス雰囲気または不活性ガス雰囲気で熱処理された膜であることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ窒化装置用石英天板。
5. 前記緻密膜は、ＣＶＤ−ＳｉＮ膜であることを特徴とする請求項２に記載のプラズマ窒化装置用石英天板。
6. 処理チャンバと、
   前記処理チャンバの下部に配置され被処理基板を載置するステージと、
   前記処理チャンバの上部に配置されプラズマを発生させるアンテナと、
   前記アンテナと前記ステージとの間に配置され、石英を用いて板状に形成された主板部と、
   前記主板部のうち少なくとも前記プラズマに接する面を石英よりも緻密な膜で形成した緻密膜と、
   を備え、
   前記緻密膜は、前記主板部上に膜生成を行うことによって形成された膜であることを特徴とするプラズマ窒化装置。
   
   

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