JP3657090B2

JP3657090B2 - 加熱体及びこれを用いた半導体製造装置

Info

Publication number: JP3657090B2
Application number: JP24047297A
Authority: JP
Inventors: 圭一後藤; 信川合; 和義田村; 利美小林
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 1997-08-21
Filing date: 1997-08-21
Publication date: 2005-06-08
Anticipated expiration: 2017-08-21
Also published as: JPH1167740A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスの製造工程におけるＣＶＤ装置やスパッタ装置、又は、生成薄膜をエッチングするエッチング装置等に使用される、被加熱物である半導体シリコンウエーハを加熱するための加熱体および該加熱体を装備した半導体製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体用のデバイスを作製する際には、シリコンウエーハ上にポリシリコン膜や酸化シリコン膜、導体膜、誘電体膜等をＣＶＤ装置やスパッタ装置で形成したり、逆にエッチング装置により、これらの薄膜をエッチングしたりする技術はよく知られている。そして、これらの装置において、上記の薄膜の形成やエッチングの品質を保持するには、被加熱物であるシリコンウエーハを所望の温度に一定に維持することが必要であり、この温度調節を行うにはシリコンウエーハを加熱する加熱体を備えたヒータユニットが必要とされる。
【０００３】
従来からこの加熱体を備えたヒータユニットについては、その材質、方式において各種の提案がなされている。例えば、エッチング装置の場合のウエーハ加熱体は、エッチングガス、クリーニングガスとして使われる塩素系ガス、フッ素系ガス等の腐食性ガスに接触する過酷な条件下で使用されることになる。この場合、パーティクルやコンタミネーションが発生し易く、高いクリーン度が要求される半導体デバイス製造では、半導体デバイスの歩留り低下を引き起こすことになる。このため、特に、ウエーハが直接加熱体に接触する直接加熱方式のウエーハ加熱体については、抵抗加熱体の表面を耐食性に優れた材質で被覆したものが求められており、近年では、高融点金属からなる抵抗加熱体を、アルミナ、窒化けい素、窒化アルミニウムといったセラミックス絶縁体に埋設したウエーハ加熱体が広く用いられている。
【０００４】
しかしながら、このような構造のウエーハ加熱体を用いても、腐食性の処理ガスに曝された際、塩化物、酸化物、フッ化物等のパーティクル、コンタミネーションが発生し、また、上記セラミックス絶縁体を焼結する際の焼結助剤の種類によっては、有害な金属の発生があり、半導体デバイス製造の歩留り低下を引き起こしていた。
【０００５】
ウエーハを加熱する方法としては、上記したような直接加熱方式の他に、例えば、赤外線ランプによる間接加熱方式も開発されており、この方式であれば、ランプを処理チャンバ外に設置することが出来るため、上記パーティクルやコンタミネーションの問題は解決されるが、直接加熱方式と比較して熱効率が悪く、ウエーハの温度上昇に時間がかかるため、生産性が上らないといった問題点があった。
【０００６】
また、前記エッチング処理ではチャンバ内壁に堆積物が必ず生成してしまうが、この堆積物を少なくするためには精密な温度管理が重要である。従来、このチャンバの堆積物を除去するには、前述のフッ素系ガスや塩素系ガスを流しながらエッチングを行っていた。また、このチャンバの材質にアルミナ系のセラミックスが一般的に使われていたが、コンタミネーションの発生が重大な欠点であった。そして、温度管理のためにヒータをチャンバに組み込む必要がある場合、チャンバの材質がアルミナ等のセラミックスでは熱伝導率が悪くて均熱を採ることが難しく、窒化アルミニウムでは熱伝導率は良いが高価であるという欠点があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、エッチングガスやプラズマに侵され難く、パーティクルやコンタミネーションを発生することがないと共に、寿命が長く、強度の高い加熱体とこの加熱体を配備した半導体製造装置を提供することを主目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、少なくとも反応室内に半導体シリコンウエーハを配置し、これを加熱しつつ処理を加える半導体製造装置に用いられる、半導体シリコンウエーハを加熱するための基材と導電層からなる加熱体において、該基材の材質がシリコンであることを特徴とする加熱体である。
【０００９】
このように、半導体シリコンウエーハを加熱する加熱体の基材の材質を、被処理物であるシリコンウエーハと同じ材質とすることにより、エッチングガスやプラズマに曝されてもパーティクルを発生したり、コンタミネーションとなることは殆どなく、シリコンウエーハの薄膜処理工程における歩留りを向上させることができる。
【００１０】
そして、シリコンの種類を単結晶シリコンとし、前記シリコンのＢ、Ｎ、Ｃ、Ｏ以外の不純物量を０．０１ｐｐｂ〜１０００ｐｐｍとした。
【００１１】
ここで、基材を単結晶シリコンとすると、不純物含有量や機械的強度の点からも、品質管理上も多結晶シリコンより優れており、加熱体作製用基材として有利に使用される。
また、単結晶シリコン製造時に導入されるＢ、Ｎ、Ｃ、Ｏ以外の不純物量を０．０１ｐｐｂ〜１０００ｐｐｍとすると、被処理体であるシリコンウエーハの重金属汚染を低減できるし、加熱体作製用の基材として入手し易くなり、経済的に有利である。Ｂ、Ｎ、Ｃ、Ｏ以外の不純物である主として重金属の含有量が１０００ｐｐｍを越えると、コンタミネーションの影響が大きくなるので１０００ｐｐｍ以下に抑えるのがよい。
【００１２】
次に、本発明は、少なくとも反応室内に半導体シリコンウエーハを配置し、これを加熱しつつ処理を加える半導体製造装置において、半導体シリコンウエーハを加熱するための加熱体として、シリコン製基材と導電層からなる加熱体を用いることを特徴とする半導体製造装置である。
【００１３】
このように、半導体製造装置を構成すると、被処理物である半導体シリコンウエーハを加熱する加熱体の基材の材質がシリコンウエーハと同じ材質になるため、エッチングガスやプラズマに曝されてもパーティクルを発生したり、不純物を発生してコンタミネーションとなることは殆どなく、半導体シリコンデバイスの歩留りを向上させることができる。
【００１４】
そして、加熱体のシリコン製基材面が、被加熱物であるシリコンウエーハの被処理面の裏面側に配置されるようにした。
このようにすると、直接加熱方式となって熱効率が良く、均熱加熱も可能となり、昇温時間も短縮出来る。
【００１５】
本発明は、被加熱物であるシリコンウエーハを囲うように複数の加熱体のシリコン製基材面を配置してヒータチャンバを形成した。
このように構成すれば、反応によって生成し、チャンバ内壁面に堆積する堆積物が、本発明のチャンバでは全内壁面が均熱化しているので殆ど堆積することがない。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
ここで、図１は本発明の加熱体の主な例で、（ａ）は円板状加熱体であり、（ｂ）は長方形板状加熱体である。図２は本発明の加熱体をシリコンウエーハの裏側に配備した半導体装置の一例としてドライエッチング装置を示す説明図である。図３は本発明の加熱体の製造工程を説明するフローシートで、（ａ）〜（ｄ）と（ａ）・（ｅ）〜（ｇ）の２系統がある。図４は本発明の複数の加熱体を接合して組み立てたヒータチャンバを装備したドライエッチング装置を示す説明図である。
【００１７】
本発明者等は、特に半導体デバイス製造用装置に使用される加熱体の腐食防止について種々検討した結果、これには加熱体を構成する基材の材質に、主な被処理物であるシリコンウエーハと同素材を使用すればよいことに想到し、本発明を完成させたものである。
【００１８】
先ず、本発明では、少なくとも反応室内に半導体シリコンウエーハを配置し、これを加熱しつつ処理を加える半導体製造装置に用いられる半導体シリコンウエーハを加熱するための基材と導電層からなる加熱体において、該基材の材質をシリコンとした。
【００１９】
このように、半導体シリコンウエーハを加熱する加熱体の基材の材質をシリコンウエーハと同じ材質とすることにより、エッチングガスやプラズマに曝されてもパーティクルを発生したり、コンタミネーションとなることは殆どなく、シリコンウエーハの歩留りを向上させることができる。
従来の加熱体の材質の場合は、加熱体自体がウエーハに対して不純物となり、その拡散量が非常に多くなって被処理物たるシリコンウエーハを汚染したが、本発明では、同一材質としたので不純物の拡散もなく、従ってシリコンウエーハの汚染も殆どない優れた加熱体を形成することができる。
【００２０】
ここで、基材を単結晶シリコンとすると、不純物含有量や機械的強度の点からも、品質管理上も多結晶シリコンより優れており、加熱体作製用基材として有利に使用される。
また、Ｂ、Ｎ、Ｃ、Ｏ以外の不純物量を０．０１ｐｐｂ〜１０００ｐｐｍとすると、シリコン製加熱体から発生する重金属等の不純物も少ないので、被処理シリコンウエーハを汚染することも少ないし、加熱体作製用の基材として入手し易くなり、経済的にも有利である。
【００２１】
一方Ｂ、Ｎ、Ｃ、Ｏ以外の不純物である主として重金属の含有量が１０００ｐｐｍを越えると、コンタミネーションの影響が大きくなるので１０００ｐｐｍ以下に抑えるのがよい。なお、Ｂ、Ｎ、Ｃ、Ｏにあっては、例えば、単結晶シリコンの製造方法として広く用いられているＦＺ法やＣＺ法においても、取り込まれる元素であり、通常の単結晶シリコンには、微量ながらこれらが含まれることが多い。しかし、これらは、微量である上に、被処理物であるシリコンウエーハにまで拡散し、悪影響を及ぼすことは殆どない。
【００２２】
このようにシリコンの製造は、ＣＺ法あるいはＦＺ法で作製すればよく、この方法によれば単結晶シリコンが容易に作製される。この単結晶シリコンを加熱体の基材として使用すれば被処理物であるシリコンウエーハと全く同一の素材となり、加熱体からウエーハへの不純物の混入を防止することが出来る。また、腐食性の処理ガスに曝された場合でも、ウエーハと同一素材で基材が作製されているため、コンタミネーションやパーティクルの発生に起因する半導体デバイス製造の歩留りの低下を防止することが出来る。
【００２３】
ここで、本発明の加熱体の製造工程を図３の工程図に基づいて説明すると、図３（ａ）は、加熱体を構成する基材２となる単結晶シリコン板であり、単結晶シリコンインゴットから所望の厚さの円板を切り出して得られる。（ｂ）では、このシリコン製基材２を熱酸化してその全表面に所定の厚さのＳｉＯ₂ 酸化膜を絶縁層３として形成させる。次いで（ｃ）では、ヒータパターンとして、銀を主成分とする銀ペーストを基材・絶縁層３の片面に塗布し、これを焼成して導電層（発熱層）４を形成する。最後に（ｄ）工程では、導電層４と反対側のウエーハ載置面の絶縁層３を研磨除去してシリコン面を露出させて加熱体１を得る。
【００２４】
別の製造方法としては、（ａ）の次に（ｅ）工程で、シリコン製基材２の片面に機械加工によりヒータパターン用の溝を切削加工した後、（ｆ）でこのヒータパターン用溝加工されたシリコン製基材２を熱酸化してその全表面に所定の厚さのＳｉＯ₂ 酸化膜を絶縁層３として形成させる。最後に（ｇ）工程では、ヒータパターンとして、銀ペーストを基材・絶縁層の片面に予め作製した溝に沿って塗布し、これを焼成して導電層４とした後、導電層４と反対側のウエーハ載置面の絶縁層３を研磨除去して加熱体１を得る。
【００２５】
この加熱体の具体的な形状を図１に基づいて説明すると、（ａ）は、円板状加熱体１０の平面図で、シリコン製基材２を被覆した絶縁層３の上にヒータパターン５を銀ペーストで描き、焼成して導電層４とし、その両端に端子部１２を設けたものとなっている。
【００２６】
図１（ｂ）は、本発明の別の実施形態の一例である長方形板状加熱体１１で、ジグザグ状のヒータパターン５を銀ペーストで形成して導電層４とし、その両端に端子部１２を設けたものを示している。この場合もヒータ回路の作製方法等は上記円板状加熱体１０の場合と同様である。
【００２７】
本発明の加熱体の抵抗発熱部（導電層４）には、銀（Ａｇ）を主成分とするペーストを塗布、焼成し、ヒータパターンに加工して使用する。導電層４の材質は、前記銀ペーストによる薄膜の他、金、白金等の貴金属系薄膜、化学気相蒸着法（ＣＶＤ法）による炭化けい素や熱分解グラファイトの薄膜が耐熱性、高温耐食性の点から適している。
【００２８】
次に、上記加熱体を装備してヒータとして使用する半導体装置について説明する。本発明の加熱体は、被処理物である半導体シリコンウエーハを直接加熱するように配置したり、チャンバを介して間接的に加熱するように配置したり、チャンバ自身をこの加熱体で構成して輻射加熱が可能なように配置することができる。また、これら配置方法を適宜組合せて被処理物の加熱温度、温度分布、ヒートサイクル等を目的とする範囲に自在に設定することができる。
【００２９】
ここで、本発明の加熱体が使用される半導体装置の一例としてドライエッチング装置を図２に基づいて説明する。このドライエッチング装置２０は、シリコンウエーハ２３の被処理面の裏側に加熱体１を密着配置しており、一方、エッチングガスは、ガス供給系２６から内部ガス容器２５に入り、多孔整流板２１の小径孔で整流され、ウエーハ２３に向けて噴出し、加熱体１で加熱されたシリコンウエーハ２３の表面をエッチング処理してガス排出系２７から排気するようになっている。
【００３０】
図２に示したように、この加熱体１のシリコン製基材２の表面を、シリコンウエーハ２３の裏面に直接接触して配置する場合は、熱伝導加熱の効率が良く、熱ロスが少なくなり、電力量が節減できる。特に、加熱体のウエーハ載置面の表面粗さＲａを０．１μｍ程度に仕上げておくとウエーハとの接触面積が増大し、迅速な昇温が可能となる。また、シリコン製基材２はその熱伝導率においても１２５Ｗ／ｍ・Ｋとアルミナに較べて７倍と良好であり、本発明のようなこの基材２を絶縁層３を介して導電層４（発熱層）で加熱する方式では、均熱体として働き、シリコンウエーハの温度分布を均一化する効果が大きい。
【００３１】
本発明の加熱体を用いる他の例として、図４は、本発明の長方形板状加熱体１１（図１（ｂ）参照）とセラミックス板２９とを交互に配置して接合し、角筒状ヒータチャンバ２８を構成してその中心にウエーハホルダ３０にセットした複数の大口径シリコンウエーハ２３を配置した例である。この例においては、加熱体はシリコンウエーハ２３を囲うように配置されていると共に、ヒータチャンバを形成している。このように被処理物が大口径化してくると、ウエーハ外周全体を包囲して加熱する方式が均一加熱の点で有利である。
【００３２】
また、従来のように、セラミックス等でチャンバを作製したヒータチャンバでは、セラミックスからのコンタミネーションの発生により、半導体デバイス製造の歩留り低下を引き起こしていたが、本発明では大部分がシリコンで作製されているので、コンタミネーションは殆どなく、また、熱伝導率においてもシリコンは１２５Ｗ／ｍ・Ｋとアルミナに較べて大幅に良好であるので、チャンバを効率的に加熱出来る。また、シリコンは、加工性もセラミックスより容易であるため、安価に性能の良いヒータチャンバが得られる。
【００３３】
このヒータチャンバ２８を構成するには、図４（ｂ）のように複数の長方形板状加熱体１１をセラミックス板２９を介して形成させれば良く、複数の加熱体１１をつなぎ合せるセラミックス板２９の面積を加熱体の面積に対して充分小さくすれば、このセラミックス板２９からのコンタミネーションは極微量となる。また、ヒータチャンバ２８自体を加熱する方式なので、プロセスガスが分解してチャンバ内壁に付着するデポジット（堆積物）の量を低減することができると共に、堆積物を熱分解することも容易になるのでパーティクルの低減に有効である。ここで、セラミックス板２９を使用するのは、加熱体との接合用の他、ヒータ回路の絶縁体、均熱体、輻射熱反射板等としての効果を挙げるためである。
【００３４】
セラミックス板２９の材質としては、酸化けい素、窒化けい素、炭化けい素等のシリコン化合物系のセラミックスを使用すれば、被処理物であるシリコンウエーハに対して重金属汚染の心配がなくなるので有効に使用される。窒化アルミニウムや酸化アルミニウム等のセラミックスを用いてもよいが、被処理物を汚染しないように発熱体用シリコンよりも高抵抗のシリコン、酸化けい素、窒化けい素、炭化けい素等でセラミックス表面を被覆する処理を施こすことが望ましい。
【００３５】
本発明の加熱体への給電は、加熱体回路の両端に端子部１２を設け、その接続孔で給電配線とボルト・ナットで接続する構造にすれば良い。この際、接触抵抗を減らすために加熱体の端子部１２に導電体のメッキ処理やスパッタ処理等を施しても良いし、導電性のワッシャ等を挿入することが好ましい。このボルト・ナットの締め付けには、トルクレンチを用いて所望のトルクで締め付けるように管理を行わないと、加熱体が熱膨張した際に端子部が破損する恐れがある。そこで、このボルト・ナットをシリコン製のものを使用すれば熱膨張係数が全く同一となり、熱応力の低減が可能となって破損の恐れは殆どなくなるという効果が得られる。
【００３６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を挙げて具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
抵抗率７．２Ω・ｃｍの単結晶シリコンインゴットから外径２２０ｍｍ、厚さ１０ｍｍのシリコン円板を作製した。被処理物であるシリコンウエーハ載置面とは反対の面にマシニング加工によりヒータパターン用の溝を施し、全面に酸化膜を形成して絶縁し、ヒータパターン用の溝に銀を主成分とするペーストを塗布し、これを焼成して導電層を形成した。
次いで、ウエーハ載置面と側面の酸化膜層を研磨加工により削り取り、腐食性の処理ガスに曝される面はシリコンとした。このウエーハ載置面の表面粗さＲａは、０．１μｍとした。これによりウエーハとの接触面積が増大するため、迅速な昇温が可能となる。
【００３７】
次に、この加熱体を図２に示したドライエッチング装置にセットし、２０００枚のシリコンウエーハを２００±３℃でＣＦ₄ ガスでエッチング処理したところ、良品１９８６枚と歩留りは９９．３％に達した。
【００３８】
（比較例１）
従来のセラミックス製のウエーハ加熱装置を用いて、実施例１と同条件下で２０００枚のシリコンウエーハをエッチング処理したところ、良品は１８４４枚で、歩留り９２．２％であった。
【００３９】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【００４０】
例えば、上記では本発明の実施例としてドライエッチング装置の加熱体に本発明の加熱体を使用した例を示したが、本発明はこのような例に限定されるものではなく、半導体シリコンウエーハ上に、ポリシリコン膜、酸化シリコン膜、導電膜、誘電体膜等を形成するＣＶＤ装置やスパッタ装置、又は、これらの生成薄膜をエッチングするエッチング装置等各種半導体デバイス製造用装置に使用することが出来ることは言うまでもない。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、シリコン製基材と導電層からなる加熱体は、エッチングガスやプラズマに曝されてもパーティクルやコンタミネーションを発生することはなく、被処理物であるシリコンウエーハに与えるダメージは、他の素材からなる加熱体を使用した場合と比較して格段に小さくすることができる。また、加熱体の基材をシリコン製としたことにより半導体製造工程において長期間安定して使用することができ、プロセスの安定操業が可能になると共に反応処理時のウエーハの歩留り低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の加熱体の主な例を示す平面図である。
（ａ）円板状加熱体、（ｂ）長方形板状加熱体。
【図２】本発明の加熱体を装備したドライエッチング装置の説明図である。
【図３】本発明の加熱体の製造工程を示す説明図である。
（ａ）シリコン基材、（ｂ）酸化膜絶縁層形成、（ｃ）Ａｇ導電層形成、（ｄ）上面酸化膜を研磨除去して加熱体とする。または、（ａ）シリコン基材、（ｅ）ヒータパターン切削加工、（ｆ）酸化膜絶縁層形成、（ｇ）上面酸化膜を除去し、ヒータパターンにＡｇ導電層を形成して加熱体とする。
【図４】本発明の複数の加熱体で構成されたヒータチャンバを装備したドライエッチング装置の説明図である。
（ａ）ヒータチャンバを装備したドライエッチング装置の断面説明図、（ｂ）ヒータチャンバの平面説明図。
【符号の説明】
１…加熱体、
２…シリコン製基材、
３…酸化膜絶縁層、
４…Ａｇ導電層、
５…ヒータパターン、
１０…円板状加熱体、
１１…長方形板状加熱体、
１２…端子部、
２０…ドライエッチング装置、
２１…多孔整流板、
２３…シリコンウエーハ、
２４…チャンバ、
２５…内部ガス容器、
２６…ガス供給系、
２７…ガス排出系、
２８…ヒータチャンバ、
２９…セラミックス板、
３０…ウエーハホルダ。

Claims

少なくとも反応室内に半導体シリコンウエーハを配置し、これを加熱しつつ処理を加える半導体製造装置に用いられる、半導体シリコンウエーハを加熱するための基材と導電層からなる加熱体において、該基材の材質がシリコンであり、該導電層は、前記基材の片面に形成され、給電により抵抗発熱部として前記基材を加熱するものであることを特徴とする加熱体。
前記シリコンが単結晶シリコンであることを特徴とする請求項１に記載した加熱体。
前記シリコンのＢ、Ｎ、Ｃ、Ｏ以外の不純物量が０．０１ｐｐｂ〜１０００ｐｐｍであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載した加熱体。
前記導電層は絶縁層を介して前記基材を加熱するものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載した加熱体。
少なくとも反応室内に半導体シリコンウエーハを配置し、これを加熱しつつ処理を加える半導体製造装置において、半導体シリコンウエーハを加熱するための加熱体として、シリコン製基材と導電層からなる加熱体を用い、該導電層は、前記基材の片面に形成され、給電により抵抗発熱部として前記基材を加熱することを特徴とする半導体製造装置。
加熱体のシリコン製基材面が、被加熱物であるシリコンウエーハの被処理面の裏面側に、配置されることを特徴とする請求項５に記載した半導体製造装置。
被加熱物であるシリコンウエーハを囲うように複数の加熱体のシリコン製基材面を配置し、ヒータチャンバを形成することを特徴とする請求項５に記載した半導体製造装置。
前記導電層は絶縁層を介して前記シリコン製基材を加熱するものであることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載した半導体製造装置。