JP2006128281A - プラズマエッチング用耐エッチング膜被覆シリコン電極板 - Google Patents

Abstract

【課題】エッチングレートが長時間変化することのない使用寿命の長いプラズマエッチング装置に使用する耐エッチング膜被覆シリコン電極板を提供する。
【解決手段】厚さ方向に平行に貫通細孔５が設けられているプラズマエッチング用シリコン電極板２において、前記シリコン電極板２の貫通細孔５内面およびシリコン電極板下面８の貫通細孔開口部周囲に円形状に耐エッチング性被膜１１を形成してなるプラズマエッチング用耐エッチング膜被覆シリコン電極板。
【選択図】 図１

Description

この発明は、エッチングレートが長時間変化することのない使用寿命の長いプラズマエッチング装置に使用する耐エッチング膜被覆シリコン電極板に関するものである。

一般に、半導体集積回路を製造する工程において使用するＳｉウエハをエッチングするためのプラズマエッチング装置は、図６に示されるように、真空容器１内に電極板２および架台３が間隔をおいて設けられており、架台３の上にＳｉウエハ４を載置し、エッチングガス７を電極板２に設けられた貫通細孔５を通してＳｉウエハ４に向って流しながら高周波電源６により電極板２と架台３の間に高周波電圧を印加し、高周波電圧の印加により電極板２と架台３の間の空間にプラズマ１０を発生させ、このプラズマ１０による物理反応と、シリコン−エッチングガス７による化学反応により、Ｓｉウエハ４の表面をエッチングする装置であることは知られている。電極板２はカーボンで構成された電極板が使用されたこともあったが、近年、主として単結晶シリコン、多結晶シリコンまたは柱状晶シリコンからなるシリコン電極板が使用されている。このシリコン電極板を使用してＳｉウエハをプラズマエッチングした場合、シリコン電極板に設けられた貫通細孔５は、シリコン電極板のＳｉウエハに対向する面に向かってラッパ状に広がりながら消耗し、寿命となる。この消耗を極力防止して、シリコン電極板の使用寿命を長くすべく、図５の断面図に示されるように、前記シリコン電極板２の貫通細孔５内面全面および下面８の全面、さらに必要に応じて上面９の全面に炭化ケイ素またはダイヤモンドライクカーボンなどのシリコンよりも消耗の少ない耐エッチング膜１１を形成してなるプラズマエッチング用耐エッチング膜被覆シリコン電極板が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００３−５１４８５号公報

確かに、図５の断面図に示される従来の耐エッチング膜１１を形成したプラズマエッチング用耐エッチング膜被覆シリコン電極板は、その使用寿命が延びて長時間のプラズマエッチングが可能となったが、この従来の耐エッチング膜１１を形成した耐エッチング膜被覆シリコン電極板を使用して長時間エッチングを行うと、やがて耐エッチング膜１１は消耗して図４の断面図に示されるように最初にシリコン電極板下面の貫通細孔開口部に形成されている耐エッチング膜がシリコン電極板の貫通細孔５の下端内面から消耗が進行し、貫通細孔５の内面の消耗が次第に大きくなって最後は消失し、シリコンの基体１２が露出する。
従来の図５の断面図に示される耐エッチング膜１１を形成した耐エッチング膜被覆シリコン電極板を使用してプラズマエッチングを行うと、プラズマエッチング開始当初は、実質的に、炭化ケイ素またはダイヤモンドライクカーボンからなる電極を使用してプラズマエッチングが行われているのと同じ効果を有するが、炭化ケイ素またはダイヤモンドライクカーボンなどの耐エッチング膜が消失してシリコンの基体１２が露出すると、シリコンおよび耐エッチング膜の混合体からなる電極を使用してプラズマエッチングが行われるのと同じ効果を有するようになり、耐エッチング膜の消失による電極表面の材質の変化がエッチングレートに急激な変化をもたらし、ウエハのエッチングレート不均一を招くことになって、品質にバラツキが生じる。

そこで、本発明者等は、長時間エッチングレートの急激な変化を招くことのないシリコン電極板を開発すべく研究を行った結果、
図１の断面図に示されるように、厚さ方向に平行に貫通細孔が設けられているプラズマエッチング用シリコン電極板において、前記シリコン電極板２の貫通細孔５の内面およびシリコン電極板２の下面８の貫通細孔開口部周囲にのみ円形状に耐エッチング膜１１を形成したプラズマエッチング用被覆シリコン電極板は、プラズマと接する下面の一部にシリコンの気体２が露出しており、プラズマエッチング開始当初からプラズマに接する下面がシリコンの基体１２および耐エッチング膜１１を形成しており、長時間プラズマエッチングを行ってシリコン電極板下面の貫通細孔開口部に形成されている耐エッチング膜１１が消失し、図４に示されるようにシリコンの基体１２が露出しても、プラズマエッチング開始当初からプラズマに接する下面がシリコンの基体１２および耐エッチング膜１１で構成されているので、図５に示される貫通細孔内面および電極板の下面全面に耐エッチング膜１１が形成されている従来電極板が消耗してシリコンの基体１２が露出する場合に比べてエッチングレートの急激な変化が生じることが無い、という研究結果が得られたのである。

この発明は、かかる研究結果に基づいてなされたものであって、
（１）厚さ方向に平行に貫通細孔が設けられているプラズマエッチング用シリコン電極板において、前記シリコン電極板の貫通細孔内面およびシリコン電極板下面の貫通細孔開口部周囲に円形状に耐エッチング膜を形成してなるプラズマエッチング用耐エッチング膜被覆シリコン電極板、に特長を有するものである。

図２は、この発明の耐エッチング膜被覆シリコン電極板の一部拡大断面図であり、図３はこの発明の耐エッチング膜被覆シリコン電極板の下面平面説明図である。この発明の耐エッチング膜被覆シリコン電極板は、図２および図３に示されるように、前記シリコン電極板下面の貫通細孔開口部周囲に形成された円形状の耐エッチング膜１１の外径をｘ、貫通細孔５の径をＤとすると、ｘは２Ｄよりも大きいことが好ましく、また、一方の貫通細孔の中心軸から他方の貫通細孔の中心軸までの最短距離をＰとすると、ｘはＰよりも小さくすることが好ましい。図３において点線は円形状の耐エッチング膜１１の２Ｄの円を示し、耐エッチング膜１１の外側の実線は最大の円形状の耐エッチング膜１１の円を示す。したがって、この発明は、
（２）前記シリコン電極板下面の貫通細孔開口部周囲に形成された円形状耐エッチング膜の外径をｘとし、貫通細孔の径をＤ、一方の貫通細孔中心軸と他方の貫通細孔中心軸の最短距離をＰとすると、２Ｄ＜ｘ＜Ｐの条件を満たすプラズマエッチング用耐エッチング膜被覆シリコン電極板、に特長を有するものである。
２Ｄ＜ｘ＜Ｐとした理由は、ｘが２Ｄよりも小さいとシリコン電極板下面の貫通細孔開口部周囲に形成された円形状耐エッチング膜の効果が十分発揮されないので好ましくなく、一方、ｘがＰよりも大きくなるとシリコンの基体１２の露出面積が小さくなりすぎてシリコン電極板下面全面が耐エッチング膜で被覆されたと同じ効果に近くなるので好ましくないからである。

この発明のシリコン電極板下面の貫通細孔開口部周囲に形成された円形状耐エッチング膜１１は、炭化ケイ素被膜、窒化ケイ素被膜、サイアロン被膜またはダイヤモンドライクカーボン被膜であることが好ましく、これら耐エッチング膜のなかでも炭化ケイ素被膜がもっとも好ましい。したがって、この発明は、
（３）前記耐エッチング膜は炭化ケイ素被膜、窒化ケイ素被膜、サイアロン被膜またはダイヤモンドライクカーボン被膜である前記（１）または（２）記載のプラズマエッチング用耐エッチング膜被覆シリコン電極板、に特長を有するものである。

この発明のプラズマエッチング用耐エッチング膜被覆シリコン電極板を構成するシリコン電極板の基体は、単結晶シリコン、多結晶シリコンおよび柱状晶シリコンの内のいずれでもよいが、その中でも単結晶シリコンかからなることが最も好ましい。したがって、この発明は、
（４）前記シリコン電極板は、単結晶シリコン、多結晶シリコンおよび柱状晶シリコンの内のいずれかからなる前記（１）または（２）記載のプラズマエッチング用被覆シリコン電極板、に特長を有するものである。

この発明の耐エッチング膜被覆シリコン電極板は、エッチングレートを均一に保ちながら長時間プラズマエッチングを行うことができるところから、プラズマエッチングによる半導体集積回路の量産を行なうことができ、半導体装置産業の発展に大いに貢献しうるものである。

実施例１
直径：２８０ｍｍの単結晶シリコンインゴットを用意し、このインゴットをダイヤモンドバンドソーにより厚さ：５ｍｍに輪切り切断して単結晶シリコン円板を作製し、この単結晶シリコン円板に内径：０．５ｍｍの貫通細孔を孔間ピッチ：８ｍｍを形成することにより外径：２８０ｍｍ、厚さ：５ｍｍを有する単結晶シリコン電極板を作製した。

この作製した外径：２８０ｍｍを有する単結晶シリコン電極板の下面にマスクを施した後、スパッタリングにより、単結晶シリコン電極板の貫通細孔内面および単結晶シリコン電極板の下面に直径ｘが表１に示される値となるようにかつ前記貫通細孔に同心円状になるようにそれぞれＳｉＣ被膜を形成して本発明耐エッチング膜被覆リコン電極板（以下、本発明電極板という）１〜２および比較耐エッチング膜被覆リコン電極板（以下、比較電極板という）１を作製し、さらにマスクを施すことなく単結晶シリコン電極板の下面全面および貫通細孔内面にＳｉＣ被膜を形成した従来耐エッチング膜被覆リコン電極板（以下、従来電極板という）１を作製した。

このようにして作製した本発明電極板１〜２、比較電極板１および従来電極板１をそれぞれエッチング装置にセットし、さらに予めＣＶＤによりＳｉＯ₂ 層を形成したウエハをエッチング装置にセットし、
チャンバー内圧力：１０^-1Ｔｏｒｒ、
エッチングガス組成：９０sccmＣＨＦ₃ ＋４sccmＯ₂ ＋１５０sccmＨｅ、
高周波電力：２ｋＷ、
周波数：２０ｋＨｚ、
の条件で、ウエハ表面のＳｉＯ₂ 層のプラズマエッチングを行ない、エッチング開始から５０時間、１００時間、１５０時間、２００時間、２５０時間、３００時間、３５０時間、４００時間経過した時点でのウエハ表面に付着したＳｉＯ₂ 層のエッチングレート（Å／ｍｉｎ．）を測定し、その結果を表１に示した。

表１に示される結果から、本発明電極板１〜２を使用してプラズマエッチングを行なうと、３５０時間までエッチングレートに大きな変化が見られないのに対し、ｘが２Ｄ未満の比較エッチングレート１では２００時間を越えたところで大きくエッチングレートが低下し、さらに下面全面にＳｉＣ被膜を形成した従来電極板１はプラズマエッチング時間が３００時間を越えるとエッチングレートが低下することが分かる。

実施例２
実施例１で作製した外径：２８０ｍｍを有する単結晶シリコン電極板の下面にマスクを施した後、通常の気相合成法により、単結晶シリコン電極板の貫通細孔内面および単結晶シリコン電極板の下面に直径ｘが表２に示される値となるようにかつ前記貫通細孔に同心円状になるようにそれぞれダイヤモンドライクカーボン被膜を形成して本発明電極板３〜４および比較電極板２を作製し、さらにマスクを施すことなく単結晶シリコン電極板の下面全面および貫通細孔内面にダイヤモンドライクカーボン被膜を形成した従来電極板２を作製した。

このようにして作製した本発明電極板３〜４、比較電極板２および従来電極板２をそれぞれエッチング装置にセットし、さらに予めＣＶＤによりＳｉＯ₂ 層を形成したウエハをエッチング装置にセットし、
チャンバー内圧力：１０^-1Ｔｏｒｒ、
エッチングガス組成：９０sccmＣＨＦ₃ ＋４sccmＯ₂ ＋１５０sccmＨｅ、
高周波電力：２ｋＷ、
周波数：２０ｋＨｚ、
の条件で、ウエハ表面のＳｉＯ₂ 層のプラズマエッチングを行ない、エッチング開始から５０時間、１００時間、１５０時間、２００時間、２５０時間、３００時間、３５０時間、４００時間経過した時点でのウエハ表面に付着したＳｉＯ₂ 層のエッチングレート（Å／ｍｉｎ．）を測定し、その結果を表２に示した。

表２に示される結果から、本発明電極板３〜４を使用してプラズマエッチングを行なうと、３５０時間までエッチングレートに大きな変化が見られないのに対し、ｘが２Ｄ未満の比較エッチングレート２では２００時間を越えたところで大きくエッチングレートが低下し、さらに下面全面にダイヤモンドライクカーボン被膜を形成した従来電極板２はプラズマエッチング時間が３００時間を越えるとエッチングレートが低下することが分かる。

実施例３
直径：２８０ｍｍの多結晶シリコンインゴットを用意し、このインゴットをダイヤモンドバンドソーにより厚さ：５ｍｍに輪切り切断して多結晶シリコン円板を作製し、この多結晶シリコン円板に内径：０．５ｍｍの貫通細孔を孔間ピッチ：８ｍｍを形成することにより外径：２８０ｍｍ、厚さ：５ｍｍを有する多結晶シリコン電極板を作製した。
この外径：２８０ｍｍを有する多結晶シリコン電極板の下面にマスクを施した後、通常の化学蒸着法により、多結晶シリコン電極板の貫通細孔内面および多結晶シリコン電極板の下面に直径ｘが表３に示される値となるようにかつ前記貫通細孔に同心円状になるようにそれぞれＳｉＮ被膜を形成して本発明電極板５〜６および比較電極板３を作製し、さらにマスクを施すことなく多結晶シリコン電極板の下面全面および貫通細孔内面にＳｉＮ被膜を形成した従来電極板３を作製した。

このようにして作製した本発明電極板５〜６、比較電極板３および従来電極板３をそれぞれエッチング装置にセットし、さらに予めＣＶＤによりＳｉＯ₂ 層を形成したウエハをエッチング装置にセットし、
チャンバー内圧力：１０^-1Ｔｏｒｒ、
エッチングガス組成：９０sccmＣＨＦ₃ ＋４sccmＯ₂ ＋１５０sccmＨｅ、
高周波電力：２ｋＷ、
周波数：２０ｋＨｚ、
の条件で、ウエハ表面のＳｉＯ₂ 層のプラズマエッチングを行ない、エッチング開始から５０時間、１００時間、１５０時間、２００時間、２５０時間、３００時間、３５０時間、４００時間経過した時点でのウエハ表面に付着したＳｉＯ₂ 層のエッチングレート（Å／ｍｉｎ．）を測定し、その結果を表３に示した。

表３に示される結果から、本発明電極板５〜６を使用してプラズマエッチングを行なうと、３５０時間までエッチングレートに大きな変化が見られないのに対し、ｘが２Ｄ未満の比較エッチングレート３では２００時間を越えたところで大きくエッチングレートが低下し、さらに下面全面にＳｉＮ被膜を形成した従来電極板３はプラズマエッチング時間が３００時間を越えるとエッチングレートが低下することが分かる。

実施例４
直径：２８０ｍｍの柱状晶シリコンインゴットを用意し、このインゴットをダイヤモンドバンドソーにより厚さ：５ｍｍに輪切り切断して柱状晶シリコン円板を作製し、この柱状晶シリコン円板に内径：０．５ｍｍの貫通細孔を孔間ピッチ：８ｍｍを形成することにより外径：２８０ｍｍ、厚さ：５ｍｍを有する柱状晶シリコン電極板を作製した。
この外径：２８０ｍｍを有する柱状晶シリコン電極板の下面にマスクを施した後、通常の化学蒸着法により、柱状晶シリコン電極板の貫通細孔内面および柱状晶シリコン電極板の下面に直径ｘが表４に示される値となるようにかつ前記貫通細孔に同心円状になるようにそれぞれサイアロン被膜を形成して本発明電極板７〜８および比較電極板４を作製し、さらにマスクを施すことなく柱状晶シリコン電極板の下面全面および貫通細孔内面にサイアロン被膜を形成した従来電極板４を作製した。

このようにして作製した本発明電極板７〜８、比較電極板４および従来電極板４をそれぞれエッチング装置にセットし、さらに予めＣＶＤによりＳｉＯ₂ 層を形成したウエハをエッチング装置にセットし、
チャンバー内圧力：１０^-1Ｔｏｒｒ、
エッチングガス組成：９０sccmＣＨＦ₃ ＋４sccmＯ₂ ＋１５０sccmＨｅ、
高周波電力：２ｋＷ、
周波数：２０ｋＨｚ、
の条件で、ウエハ表面のＳｉＯ₂ 層のプラズマエッチングを行ない、エッチング開始から５０時間、１００時間、１５０時間、２００時間、２５０時間、３００時間、３５０時間、４００時間経過した時点でのウエハ表面に付着したＳｉＯ₂ 層のエッチングレート（Å／ｍｉｎ．）を測定し、その結果を表４に示した。

表４に示される結果から、本発明電極板７〜８を使用してプラズマエッチングを行なうと、３５０時間までエッチングレートに大きな変化が見られないのに対し、ｘが２Ｄ未満の比較エッチングレート４では２００時間を越えたところで大きくエッチングレートが低下し、さらに下面全面にサイアロン被膜を形成した従来電極板４はプラズマエッチング時間が３００時間を越えるとエッチングレートが低下することが分かる。

この発明の耐エッチング膜被覆シリコン電極板の断面説明図である。 この発明の耐エッチング膜被覆シリコン電極板の一部拡大断面説明図である。 この発明の耐エッチング膜被覆シリコン電極板の下面一部拡大平面説明図である。 従来の耐エッチング膜被覆シリコン電極板における貫通細孔の消耗形態を説明するための断面説明図である。 従来の耐エッチング膜被覆シリコン電極板の断面説明図である。 従来のプラズマエッチング装置の断面説明図である。

符号の説明

１：真空容器、２：電極板、３：架台、４：Ｓｉウエハ、５：貫通細孔、６：高周波電源、７：プラズマエッチングガス、８：下面、９：上面、１０：ブラズマ、１１：耐エッチング膜、１２：シリコンの基体

Claims (4)

1. 厚さ方向に平行に貫通細孔が設けられているプラズマエッチング用シリコン電極板において、前記シリコン電極板の貫通細孔内面およびシリコン電極板下面の貫通細孔開口部周囲に円形状に耐エッチング膜を形成してなることを特徴とするプラズマエッチング用耐エッチング膜被覆シリコン電極板。
2. 前記シリコン電極板下面の貫通細孔開口部周囲に形成された円形状耐エッチング膜の外径をｘとし、貫通細孔の径をＤ、一方の貫通細孔中心軸と他方の貫通細孔中心軸の最短距離をＰとすると、２Ｄ＜ｘ＜Ｐの条件を満たすことを特徴とするプラズマエッチング用耐エッチング膜被覆シリコン電極板。
3. 前記耐エッチング膜は炭化ケイ素被膜、窒化ケイ素被膜、サイアロン（Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ−Ｎ系化合物群）被膜またはダイヤモンドライクカーボン被膜であることを特徴とする請求項１または２記載のプラズマエッチング用耐エッチング膜被覆シリコン電極板。
4. 前記シリコン電極板は、単結晶シリコン、多結晶シリコンおよび柱状晶シリコンの内のいずれかからなることを特徴とする請求項１または２記載のプラズマエッチング用耐エッチング膜被覆シリコン電極板。
   

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