JP3744726B2 - シリコン電極板 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体デバイス製造工程のドライエッチング装置に用いられるプラズマエッチング用電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイス製造工程の一つに、シリコンウエーハに回路パターンを形成する一工程としてドライエッチングの工程がある。このうち例えば平行平板型のプラズマエッチング装置では、下部電極側に処理するシリコンウエーハを配置し、これと平行な、反応ガスを流通させるための多数の微細孔を有する上部電極との間に、高周波プラズマを発生させ、シリコンウエーハのエッチングを行う。このような場合、この上部電極は、シリコンウエーハのエッチング時にそれ自身もプラズマによりエッチングを受ける。
【０００３】
従来、上部電極には、特開昭５７−１８５９８２号公報などに示されるように導電性があり、化学的安定性に優れ、金属不純物でシリコンウエーハを汚染することの少ない、高純度化させた黒鉛材料が使用されてきた。しかし黒鉛材料は、骨材及びマトリックスからなる粒子の集合体であるため、プラズマによるエッチングにより、構成粒子が脱落し、消耗が大きくなったり、処理されるシリコンウエーハ上に粒子が落下し、回路パターン形成の障害になるなどの問題があった。このような問題を解決するために、近年、特開昭６２−１０９３１７号公報などに示されるように上部電極にガラス状炭素が使用されるようになってきた。
【０００４】
しかし、上部電極にガラス状炭素を使用したとしても、シリコンウエーハへのコンタミネーションを防ぐことはできなかった。半導体デバイスの製造においては、コンタミネーションによるシリコンウエーハの汚染は、特性の劣化を引き起こし、デバイスの歩留り低下の原因となる。このため、上部電極の材質をコンタミネーションの原因となるガラス状炭素からシリコンウエーハと同一のものである単結晶シリコンに変更すべく、特開昭６２−８５４３０号公報や特開平２−２００１８号公報、特開平６−１７７０７６号公報、特開平７−３３５６３５号公報、特開平９−１２９６０５号公報、特開平１０−１７３９３号公報等が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、単結晶シリコンで上部電極を作製して、全体として高純度を保ったとしても、単結晶シリコンインゴットをスライスした単結晶シリコン板に微細孔を穿設する加工を行う際には放電加工や超音波加工、ダイヤドリル加工等を施すため、微細孔内部等に不純物付着が避けられない。また研磨時、研磨機からの不純物が上部電極の表面に付着することも避けられない。これらは各々の加工装置に使用されている材料やツール等からも発生する不純物であり、主に重金属の不純物である。このような重金属の不純物は、微量であっても半導体デバイス工程においては、重大な問題となる。つまり、不純物が付着している上部電極をそのまま使用すると、この不純物が落下してシリコンウエーハ上に落ち、シリコンウエーハ上に作製される半導体デバイスの歩留り低下を引き起こすという問題が生ずる。
【０００６】
また、これら上部電極に付着した重金属の不純物は、シリコン電極板の表面に付着するだけにとどまらず、その内部にまで拡散し、欠陥を発生させるという問題も生じる。
このような重金属の不純物は、不純物の付着があるシリコン電極板を割り、この破断面にセコエッチング等を施し、顕微鏡で観察すると小さなピットになっていることから確認することができる。
【０００７】
そして、この不純物によるシリコン電極板表層部の欠陥も、シリコン電極板の使用において、不具合を発生する原因であった。この不具合を詳述すると、まずシリコン電極板は使用に伴ってそれ自身もプラズマによりエッチングを受けて表面が消耗してくる。この際、シリコン電極板表層部の不純物による欠陥はエッチング速度が速くピットとなる。さらに、シリコン電極板のプラズマに接する部分は、プラズマにより高温になる。前記の不純物による欠陥部の小さなピットはこの高温化により集結してゆき、目視で確認できるほどの大きなピットとなる。シリコン電極板が消耗してくると、この大きなピットが露見してきて、あたかも表面が粗れたような状態になってしまう。このシリコン電極板の表面の粗れが発生すると、プラズマエッチング処理されるシリコンウエーハにおいてもこの粗れの形状が転写されてしまう。この粗れの形状の転写とは、つまりエッチングレートに差がついていることであり、シリコンウエーハに作製されるデバイスの歩留りが低下する原因となっていた。
【０００８】
本発明はこのような問題点に鑑みて為されたもので、プラズマエッチング装置において上部電極として使用される単結晶シリコンから成るシリコン電極板であって、重金属等の不純物の付着が招く不具合を防止することができるシリコン電極板を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は、プラズマエッチング装置において上部電極として使用される単結晶シリコンから成るシリコン電極板であって、該シリコン電極板に含有されている格子間酸素濃度が５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１．５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることを特徴とするシリコン電極板である。
【００１０】
このように、シリコン電極板に含有されている格子間酸素濃度が５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１．５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であるシリコン電極板は、例えばプラズマエッチング装置の上部電極として使用すると、高温下電極板のバルク部で十分な量の酸素析出があるため、シリコン電極板に付着した重金属等の不純物を捕捉する、いわゆるイントリンシックゲッタリング効果（ＩＧ効果）を十分に得ることができる。そのため、この電極板がゲッタリング効果を有することにより、その付着した不純物が被処理物であるシリコンウエーハへ落下する等の不具合を防止することができる。さらに、シリコン電極板表層部の欠陥もこのゲッタリング効果により抑えることができ、その結果表面に発生する粗れも低減されるようになる。さらに、上記範囲の酸素濃度であれば、使用中に過剰な酸素析出によりＯＳＦ（酸化誘起積層欠陥）等の酸素析出起因の欠陥が発生することがなく、それが原因で電極板表面に発生する粗れも防止することができる。従って、これらの面粗れが処理されるシリコンウエーハに転写するようなこともない。
【００１１】
また、この場合、シリコン電極板の窒素濃度が５×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上５×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることが好ましい。
このように、シリコン電極板の窒素濃度が５×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上５×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であれば、シリコン電極板のバルク部での酸素析出が適度に促進され、より一層ゲッタリング効果を強力にすることができる。
【００１２】
さらに、この場合、シリコン電極板の表面がエッチング処理されていることが好ましい。
このように、シリコン電極板の表面がエッチング処理されているものであれば、シリコン電極板の製造加工時に発生した加工ダメージ層を除去することができ、シリコン電極板表面の粗れを除去でき、被処理物であるシリコンウエーハに粗れの形状が転写されてしまうといった不具合を防止することができる。
【００１３】
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
本発明は、プラズマエッチング装置において例えば上部電極として使用される単結晶シリコンから成るシリコン電極板について、該シリコン電極板に含有されている格子間酸素濃度等を最適な値とすることにより、シリコン電極板に十分なゲッタリング効果を与え、その結果、シリコン電極板への重金属等の不純物の付着が招く不具合を防止することができるとの知見に基づき、諸条件を精査して完成に至ったものである。
【００１４】
すなわち、適当な格子間酸素を含有するシリコン電極板をプラズマエッチング装置に使用すると、高温のプラズマに接することによりシリコン電極板が高温になる。すると、含有される格子間酸素が析出して析出物を形成し、ゲッタリング効果を有することになる。そしてシリコン電極板に付着していた重金属等の不純物や電極板表層部の欠陥が、シリコン電極板のバルク部中のゲッタリングシンクに捕らえられ、その結果電極板表面に発生する粗れも低減されるようになる。
【００１５】
従来から、格子間酸素による酸素析出誘起バルク欠陥はイントリンシックゲッタリングにおける有効なゲッタリングシンクとなることが知られていた。そこで本発明者らは、このデバイス作製に対して利用されていたゲッタリングを、プラズマエッチング装置のシリコン電極板に応用することができるのではないかと発想し、格子間酸素濃度とゲッタリング効果との関係について、種々実験・調査を行った。
【００１６】
その結果、シリコン電極板の格子間酸素濃度が５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であれば、電極板の使用時に適量の酸素析出が発生し、十分なゲッタリング効果が得られることが判った。しかし、格子間酸素濃度が１．５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３より大きい場合には、ＯＳＦ（酸化誘起積層欠陥）等の酸素析出起因の欠陥が発生することがあり、そのためシリコン電極板表面に面粗れが生じる場合がある。そのため、シリコン電極板の格子間酸素濃度は５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１．５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とすることとした。
【００１７】
また、シリコン単結晶中の窒素原子は、酸素析出を助長させる効果があることが知られている（例えば、F.Shimura and R.S.Hockett,Appl.Phys.Lett.48,224,1986）。そこで、本発明者らはシリコン電極板に窒素を適量含有させることにより、シリコン電極板バルク部での酸素析出を助長させ、さらに有効なゲッタリング効果を得ることを発想した。
【００１８】
本発明者らは、シリコン電極板中の窒素濃度とゲッタリング効果との関係についても実験・調査を行ったところ、シリコン電極板中の窒素濃度が、５×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上であれば、酸素析出を助長する効果を十分得ることができ、より有効なゲッタリング効果を得ることができることが判った。しかし、５×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３を超えると、過剰な酸素析出によりＯＳＦ等の酸素析出起因の欠陥が多く発生して、シリコン電極板表面に面粗れが生じる場合もあることが判明した。さらに、窒素濃度がシリコン単結晶中の固溶限界である５×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３を超えると、電極板を構成するシリコン単結晶をチョクラルスキー法等で成長させる際に、シリコン単結晶の単結晶化そのものが阻害される場合もある。そこで、本発明者らはシリコン電極板のより好ましい窒素濃度を５×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上５×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とすることとした。
本発明は、以上のような知見に基づき、鋭意研究の結果完成したものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明のシリコン電極板に含有されている格子間酸素濃度は、５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１．５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の範囲に入るようにすれば良い。格子間酸素濃度をこの範囲にするには、以下のように行う。
【００２０】
シリコン電極板を構成する単結晶シリコンのインゴットをチョクラルスキー法で引上げる際、最初に原料である多結晶シリコンを溶融してシリコンの融液を作る。このシリコンを溶融するには、一般的には石英製のルツボが使用されているが、この石英ルツボ内でシリコンを溶融すると、このシリコンの融液と接している石英ルツボの表面がシリコンの融液中に溶け出し酸素が混入する。そして、このシリコン融液からインゴットを引上げる際にルツボの回転数を調整することにより、シリコン融液中に溶け出し混入する酸素量を制御でき、簡単にシリコン単結晶の格子間酸素濃度を調整することができる。
【００２１】
他にも、チャンバー内への導入ガス流量の増減、雰囲気圧力の高低、ルツボ内のシリコン融液の温度分布及び対流の調整等の手段によって、簡単に上記酸素濃度範囲とすることができる。
【００２２】
また、本発明のシリコン電極板に含有されている窒素濃度は５×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上５×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の範囲に入るようにすることが好ましい。この窒素を混入させる方法であるが、シリコンウエーハにＣＶＤ法等で窒化膜を成膜してやり、この窒化膜がついたシリコンウエーハを原料の多結晶シリコンと一緒に石英ルツボ中に入れ、溶融されることにより混入させることが出来る。前述した窒素濃度の範囲にするには、原料に入れるシリコンウエーハについた窒化膜の量を適宜調整すれば良い。このようにすれば、窒素濃度をきわめて正確に調整することができる。
【００２３】
他にも、シリコン融液中に窒化物自体を投入するか、雰囲気ガスを窒素を含む雰囲気等とすることによって、引上げる単結晶シリコン中に窒素をドープすることができる。この場合も、窒化物の量あるいは窒素ガスの濃度あるいは導入時間等を調整することによって、単結晶シリコン中のドープ量を制御することができる。
【００２４】
このようにして、所望の格子間酸素濃度と窒素濃度を持つ、単結晶シリコンインゴットを製造することができる。
そして、上記のようにして作製した単結晶シリコンのインゴットに対して所望の厚さにスライス加工を行い、微細孔や取付穴、外周加工等の成形加工、表面を研磨する研磨加工等、適宜最適な加工方法を選択して、単結晶シリコンから成るシリコン電極板を製造する。
【００２５】
この場合、シリコン電極板の表面はエッチング処理されることが好ましい。これは、上記微細孔や取付穴の穿設や、表面研磨等の加工の際には、シリコン電極板の表面に加工ダメージ層が残留している場合があり、これらがシリコン電極板表面の面粗れの原因となり、非処理物であるシリコンウエーハにこの電極板の表面の粗れの形状が転写されてしまうことがあるからである。
【００２６】
そこで、シリコン電極板の表面をエッチング処理することにより、電極板表面に残留する加工ダメージ層を除去することができる。このエッチング処理は、シリコン電極板表面をエッチングすることができるものであれば、酸エッチングあるいはアルカリエッチング等どのようなものでも良い。さらに、シリコン電極板の製造工程中で、その表面に付着した不純物を落とすために、適宜酸エッチングやアルカリエッチングを用いた洗浄を施すようにすれば、なお一層良い。具体的には、ＨＦ＋ＨＮＯ_３＋ＣＨ_３ＣＯＯＨ等の混酸、ＮａＯＨ、ＫＯＨの水溶液等を挙げることができる。
【００２７】
このようにして、本発明のシリコン電極板を得ることができる。このシリコン電極板は例えば図１に示すような単結晶シリコンから成るシリコン電極板１であって、シリコン電極板１の中央部には多数の微細孔ａが穿設されており、シリコン電極板１の周辺部にはプラズマエッチング装置に取付けるための取付穴ｓが穿設されている。
【００２８】
そして、このような本発明のシリコン電極板１は、図２に示すようなプラズマエッチング装置１０に、取付穴ｓを介してビス１６で取付けられて使用される。このプラズマエッチング装置１０は、ガス導入系１２と排出系１３が接続されるチャンバ１１と、このチャンバ１１内に設置され且つ高周波電源に接続される下部電極１４と、これに対向するシリコン電極板１を備えており、このシリコン電極板１は、ガス導入系１２に通じる内部ガス容器１５の下面に前記取付穴ｓを介して取付けられるとともに、ガス導入系１２を通して内部ガス容器１５に送られた反応ガスは、微細孔ａを通して下方に噴出されるようになっている。
【００２９】
そして、高周波電力が印加される下部電極１４上に処理されるシリコンウエーハＷを載置し、対向するシリコン電極板１との間で放電によりプラズマを発生させることで、シリコンウエーハＷの表面をエッチング処理するようにしている。
【００３０】
このエッチング処理時において本発明のシリコン電極板１は、その格子間酸素濃度が適当な値であるため、十分なゲッタリング効果を有する。そのため、製造加工工程で表面に重金属等の不純物が付着していたり、あるいはプラズマエッチング装置内で重金属の汚染が発生したとしても、重金属等の不純物をその電極板１のバルク部に取り込むことができる。したがって、不純物がシリコンウエーハＷ上に落下し、汚染されるような不具合を防止することができる。
【００３１】
さらに、本発明のシリコン電極板１はシリコン電極板の表層部の欠陥も防止することができるため、シリコン電極板１を長時間継続使用しても、電極板１の表面に粗れが生じることを防ぐことができる。そのため、シリコンウエーハＷに電極板１の粗れが転写されることを防ぐことができ、エッチングレートに差がつくことも防止できる。
【００３２】
【実施例】
次に本発明の実施例と比較例について説明する。
（実施例１〜４、比較例１〜４）
以下の方法により、図１に示すようなシリコン電極板を製造した。
ＣＺ法により、直径３６インチの石英ルツボに、原料多結晶シリコンをチャージし、直径１２インチ、Ｐ型、０．１Ω・ｃｍの結晶棒を８本引き上げた。何れの結晶とも、引き上げ中のルツボ回転数を制御して、単結晶中の酸素濃度を変化させて引上げた。また、何れの結晶とも、原料中にあらかじめ厚さの異なる窒化珪素膜を有するシリコンウエーハを投入して、単結晶中の窒素濃度を変化させて引上げた。
【００３３】
以上のようにして引上げた８本の直径約３００ｍｍの単結晶シリコンのインゴットを円筒研削した後、厚さ６ｍｍの電極板素材をスライス加工するとともに、外周を面取り加工して直径２８０ｍｍの素材を作製した。この電極板素材の外周部に、プラズマエッチング装置に取付けるための取付穴と、中央部にガスを噴出させるための微小孔を穿設した。その後、これらのシリコン電極板の表面をＨＦ＋ＨＮＯ_３＋ＣＨ_３ＣＯＯＨによりエッチングを施して、加工により生じたダメージ層を除去した。
【００３４】
このようにして得られた８種類のシリコン電極板を図２に示すようなプラズマエッチング装置に取り付け、シリコンウエーハにドライエッチングを施し、その際のシリコンウエーハの汚染状態と、使用後におけるシリコン電極板の表面面粗れ状態について評価を行った。
測定結果を表１に示した。
【００３５】
【表１】

【００３６】
表１において、実施例１〜４は本発明のシリコン電極板を用いてエッチングを行った結果であり、比較例１〜４は、酸素あるいは窒素濃度が本発明外のシリコン電極板での結果である。表１において、ウエーハ汚染状態の評価は以下のような判断基準で記入をした。シリコン電極板の汚染が、ウエーハへ与えた影響の非常に大きいものを×、大きいものを△で表し、問題ない程少ないものを○、ほとんど見られないものを◎で表した。またシリコン電極板の表面に面粗れが発生する程度については、非常に多いものを×、多いものを△、問題ない程少ないものを○、ほとんど見られないものを◎で示している。
【００３７】
表１の結果により、実施例１〜４ように、シリコン電極板に含有されている格子間酸素濃度が５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１．５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下である本発明のシリコン電極板は、被処理物であるウエーハへの汚染を少なくできることが判る。またシリコン電極板表面の面粗れも少なくできる。すなわち、面粗れの転写によるエッチングレートのバラツキ等を防止することができることが判る。
【００３８】
特に、実施例３及び実施例４のように、シリコン電極板に適度の窒素が含有されていれば、ウエーハへの汚染や、シリコン電極板表面の面粗れをさらに少なくすることができることが判る。
【００３９】
一方、比較例１〜４が示すように、本発明外のシリコン電極板は、シリコン電極板の汚染がウエーハに与える影響が大きいことが判る。シリコン電極板の表面面粗れ状態も悪く、ウエーハにシリコン電極板の面粗れが転写され、エッチングレートにバラツキが生じることが予想される。
【００４０】
尚、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。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、プラズマエッチング装置において上部電極として使用される単結晶シリコンから成るシリコン電極板について、該シリコン電極板に含有されている格子間酸素濃度を５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１．５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下とすることにより、シリコン電極板に十分なゲッタリング効果を与えることができる。そのため、重金属等の不純物等が原因で生じる不具合を防止することができ、半導体デバイス製造の歩留り向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るシリコン電極板の一例を示した平面図である
【図２】本発明に係るシリコン電極板を適用したプラズマエッチング装置の一例を示した説明図である。
【符号の説明】
１…シリコン電極板、
１０…プラズマエッチング装置、 １１…チャンバ、 １２…ガス導入系、
１３…排出系、 １４…下部電極、 １５…内部ガス容器、 １６…ビス、
ａ…微細孔、 ｓ…取付穴、 Ｗ…シリコンウエーハ。

Claims (2)

1. プラズマエッチング装置において上部電極として使用される単結晶シリコンから成るシリコン電極板であって、該シリコン電極板に含有されている格子間酸素濃度が５×１０^１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上１．５×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であり、表面がエッチング処理されており、前記含有される格子間酸素が析出してゲッタリング効果を有するものであることを特徴とするシリコン電極板。
2. 請求項１に記載のシリコン電極板であって、バルク部の窒素濃度が５×１０^１３ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以上５×１０^１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であることを特徴とするシリコン電極板。

Images