JP4054259B2

JP4054259B2 - プラズマ処理用シリコンプレート

Info

Publication number: JP4054259B2
Application number: JP2002375611A
Authority: JP
Inventors: 信川合; 圭一後藤
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2002-12-25
Filing date: 2002-12-25
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2022-12-25
Also published as: JP2004207533A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウエーハ等の被処理物をプラズマ処理する、プラズマ処理装置において、そのヒーターおよび／または電極として使用するシリコンプレートに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造装置として、被処理物であるシリコンウエーハと対向する位置に上部電極を設けた平行平板型のリアクティブイオンエッチング装置を代表とするプラズマ装置は良く知られており、使用されている。
【０００３】
一般的なリアクティブイオンエッチング装置は、例えば図２に示されるように、チャンバ２内に、上部電極１１と下部電極４が所定の間隔をあけて平行に設けられている。上部電極１１は、シャワープレートとも呼ばれ、反応ガス（エッチングガス）を整流して噴出させるための微小径の孔（ガス噴出口５）が多数あけられており、また、不図示の高周波電源と接続されている。一方、下部電極４の外周部にはウエーハＷに対して均一にプラズマ処理を行うためのフォーカスリング３が設けられている。
【０００４】
このようなリアクティブイオンエッチング装置１０を用いてプラズマ処理を行う場合、シリコンウエーハＷを下部電極４上に載置し、シャワープレート１１のガス噴出口５から不図示のガス供給系から供給されたＣＦ_４等の反応ガスを噴出させるとともに、高周波を印加してシャワープレート１１とウエーハＷとの間にプラズマを発生させることで、ウエーハ表面に所望の処理が施される。
【０００５】
従来、シャワープレートの材質としては、カーボンやアルミニウムが用いられてきたが、プレート自体がエッチングやスパッタされると、パーティクルやコンタミネーションの発生の原因になってしまう。
その一方で近年のデバイスの高集積化、微細化にともないシャワープレートに要求される性能等も一段と厳しくなっている。
【０００６】
そこで、パーティクルやコンタミネーションの発生を低減すべく、従来のカーボンやアルミニウム製のシャワープレートに代わり、ウエーハと同素材であるシリコンを材料としたシャワープレートが注目を集めている。すなわち、シリコンを材料としてシャワープレートを作製すれば、たとえシャワープレート自体がエッチングやスパッタされてもコンタミネーションとはならず、デバイスに悪影響を及ぼすことが防がれるので、歩留りの向上に大きな役割を果すことになる。
【０００７】
さらに、シリコン製のシャワープレートの利点として、プロセス中の余剰なフッ素を除去できることがある。例えばＣＦ_４を含むエッチングガスは、ＣＦ_４→ＣＦ_３＋Ｆ、ＣＦ_３→ＣＦ_２＋Ｆというようにプラズマ中で解離することによってフッ素が生成される。このようなプラズマ中に生成されるフッ素が除去されないと、処理が進むにつれてフッ素が余剰に存在することとなってプラズマ組成が変化し、所望の処理が行えなくなってしまう。ところが、プラズマ中にシリコンが存在すれば、Ｓｉ＋４Ｆ→ＳｉＦ_４（↑）という反応によって、余剰なフッ素を除去することができる。
【０００８】
また、プラズマ処理を安定化するためには、その装置の構成装置の温度を均一にすることが求められている。これを解決するために、たとえば装置の壁面にヒーターを埋め込む（例えば特許文献１参照）、シャワープレートの上部の部材にヒーターを埋め込む（例えば特許文献２参照）等の提案があるし、出願人においてもシリコン製のフォーカスリングに加熱を行う提案（特許文献３参照）等の出願を行っていた。これらの提案により、プラズマ処理時のウエーハ間ばらつきが低減されるとともに、処理時に発生する反応生成物の付着が防止されるという利点があった。
これらの提案により、上記不具合が解決されてきている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１０−１１６８２２号公報
【特許文献２】
特開２００２−１２９３３８号公報
【特許文献３】
特開２００１−２７４１４２号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、近年の半導体デバイスの微細化、およびコストダウンの要求が厳しくなってきた結果、より被処理物に近い部材の温度を正確に制御する必要が出てきている。
【００１１】
すなわち、装置の壁面を温度調整したりフォーカスリングそのものを加熱するのは、これらは被処理物に対向する部材であり良いのであるが、プラズマを発生させる電極には加熱して温度調整する機構がなく、ウエーハ間での温度ばらつきが大きいという問題があった。
【００１２】
そこで、本発明は、プラズマ組成の変化やコンタミネーションの発生を防ぐといったシリコンの優位性を生かしつつ、バッチ間のばらつきをきわめて少なくできるプラズマ処理用シリコンプレートを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、被処理物をプラズマを用いて処理をするプラズマ処理装置においてヒーターおよび／または電極として用いられるプレートであって、該プレートの母材がシリコンから成り、且つ該シリコンの抵抗率が０．００１Ωｃｍ以上で１００Ωｃｍ以下であるとともに、前記プレートの母材であるシリコンをヒーターとして抵抗加熱させるための給電部が少なくとも２セット以上設けられていることを特徴とするプラズマ処理用シリコンプレートである（請求項１）。
【００１４】
上記のように構成することにより、上述のシリコンの優位性が得られるヒーターおよび／または電極にすることができる。また、上記の範囲の抵抗率のシリコンは安価で大口径のものを入手することができるようになる。またシリコン製の電極自身を抵抗加熱することにより処理ウエーハのバッチ間ばらつきが少なくなるという優位性を得ることができる。この抵抗加熱をする際に、給電部を２セット以上設けることによりこの抵抗加熱をした際の温度分布が良好になって一層ばらつきを減少できるようになる。
【００１５】
なお、本発明における給電部が２セット以上設けられているとは、例えば、直流電源により給電する場合には、＋極および−極となる給電部の一対を１セットの給電部と数え、それらが２セット以上設けられていることを意味する。また、３相の交流電源により給電する場合には、各相の給電部を１セットと数え、この場合は全体で３セットの給電部が設けられていることになる。
【００１６】
この場合、前記プレートの母材のシリコンがシリコン単結晶であり、該シリコン単結晶の抵抗率が０．００５Ωｃｍ以上で１０Ωｃｍ以下であることが好ましい（請求項２）。
【００１７】
シリコンを単結晶にすると、結晶欠陥起因のパーティクル発生を防ぐことができるし、結晶欠陥起因のプラズマのばらつきを防止することができる。また、ウエーハと全く同一の素材、製法ということとなり、汚染発生の防止にもなる。さらに、この範囲の抵抗率のシリコンであれば上部電極として好適であり、また、シリコンウエーハとしても汎用的に用いられるものなので、入手が容易であり経済的にも有利である。また、シリコンの温度と抵抗率の関係から、温度制御をするにもこの抵抗率にすることが望ましい。
【００１８】
この場合、前記プレートの一部または全体が母材のシリコンよりも高抵抗の膜で覆われていることが好ましい（請求項３）。
プレートは通常プラズマを発生させる高周波の電源と接続されている。プレートを抵抗加熱するために電圧をかけるとこの高周波にノイズが入り、不具合が発生する可能性がある。そのため、このプレートの一部または全体を、母材であるシリコンよりも高抵抗の膜で覆うとこのような不具合を防止することが出来ることとなる。
【００１９】
この場合、前記プレートの一部または全体を覆う膜は、Ｙ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＢＮ、ＡｌＮ、ＳｉＯ_２から選択された少なくとも１種類を含むセラミックスから成ることが好ましい（請求項４）。
これらの材質は、シリコンよりも耐プラズマエッチング性が充分優れ、また、比較的汎用なものであるため入手し易いという利点もある。
【００２０】
この場合、前記プレートの表面粗さがＲａ＝０．２μｍ以下であることが好ましい（請求項５）。
このようにすると、パーティクル発生を防止することができて有効である。
【００２１】
この場合、被処理物と対向する面上の温度測定結果において、（最高温度−最低温度）／平均温度が０．３以下であることが好ましい（請求項６）。
このようにすると、プレートの面内の温度分布が良好になり、処理の安定化がはかれるようになる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。ここではリアクティブイオンエッチング装置について例示をしているが、このほかのプラズマ装置でも良く、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２３】
図１は、本発明のプレートの一例を示している。
このプレート１は、シリコン単結晶からなる円板（シリコン母材）７に反応ガスを噴出させるためのガス噴出口５が多数形成されており、さらに、ガスを導入させる側の面の全面にシリコンよりも耐プラズマエッチング性が高く、シリコンよりも高抵抗率の材質から成る膜が形成されている（膜は図示せず）。そして、プレートの周囲には図２に示すようなリアクティブイオンエッチング装置１０にビスで取付けるための取付穴８が設けられている。この取付穴８は母材７であるシリコンをヒーターとして抵抗加熱させるための給電部となる。
【００２４】
膜の材質は、プラズマ化された反応ガスに対してシリコンよりもエッチングされ難く、シリコンよりも高抵抗率であり、コンタミネーションの発生が効果的に防がれるものであれば特に限定されないが、Ｙ_２Ｏ_３またはＳｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＢＮ、ＡｌＮ、ＳｉＯ_２等のセラミックスから少なくとも一種を含む膜を用いることができる。
【００２５】
これらの材質からなる膜は、その絶縁性によりプレートの母材にかかる抵抗加熱用の電圧がカットされることになり、プラズマ発生に影響を与えることはなくなる。
【００２６】
シャワープレート１の大きさに関しては、その直径が処理する基板よりも大きな直径とすることが有利であり、例えば、プラズマ処理されるシリコンウエーハは、主に６インチ（１５０ｍｍ）、８インチ（２００ｍｍ）、１２インチ（３００ｍｍ）径のものがあるので、これらのウエーハの処理に対応すべく、１８０〜５００ｍｍの範囲の直径とすることが好ましい。
【００２７】
また、シャワープレート１の厚さに関しては、２ｍｍ未満であると反応ガスを整流する効果が得られなかったり、機械的な強度が劣るおそれがあり、一方、３０ｍｍを超えると、シリコン母材７に多数のガス噴出口５を形成するのが難しくなり、製造コストも上昇するので、２〜３０ｍｍの厚さとすることが好ましい。
【００２８】
母材７のシリコンに関しては、デバイス作製用のシリコンウエーハとして通常使用されている、比抵抗が０．００１〜１００Ω・ｃｍのシリコン単結晶を好適に用いることができる。このようなシリコンを母材７とすれば、リアクティブイオンエッチング装置の上部電極として好適に使用することができ、プレート１の母材の材質が被処理物であるシリコンウエーハの材質とほぼ同じになるので、表面のシリコンがエッチングされてもコンタミネーションの発生をより効果的に防ぐことができる。
【００２９】
この比抵抗について、０．００５Ωｃｍ以上１０Ωｃｍ以下の比抵抗を有するシリコン単結晶はシリコンウエーハとしても汎用されているため入手し易く、経済的にも有利である。さらに、抵抗加熱をする際に、昇温温度と抵抗の関係が直線的になり、好適である。
【００３０】
上記のようなシャワープレート１は、例えば以下のように製造することができる。
まず、母材として、チョクラルスキー法（ＣＺ法）により育成したシリコン単結晶インゴットを所望の厚さに切断するなどして所定の大きさのシリコン円板を用意する。次いでこのシリコン母材７に反応ガスを噴出させるためのガス噴出口５を形成する。具体的には、超音波加工法、放電加工法、レーザー加工法、ダイヤ加工法などの従来利用されている加工法により、シリコン母材の所定の位置に、所望の径を有する多数のガス噴出口５を穿設することができる。
【００３１】
なお、各ガス噴出口５の大きさや数は特に限定されるものでないが、例えば直径０．１〜３ｍｍの範囲のものを数十〜数百個、あるいはそれ以上形成することで、反応ガスの流量、圧力等を制御しながらガスを整流して噴出させることができる。
【００３２】
次に、シリコン母材７のガスを導入させる側の面の全体をシリコンよりも耐プラズマエッチング性が高い材質からなる膜を形成させる。このような膜を形成させる方法は特に限定されるものではないが、化学気相蒸着（ＣＶＤ）法や溶射法などを好適に用いることができる。その後、この膜の研磨を行う。この研磨は、シリコンウエーハ製造時に使用される通常のラップ研磨やミラーポリッシュ研磨を用いれば良く、その表面粗さをＲａ＝０．２μｍ以下になるまで研磨を行う。さらに、リアクティブイオンエッチング装置に取り付けるための取付穴８をプレートの周囲に設ければ良い。
【００３３】
上記のようなシャワープレート１を用いてシリコンウエーハのプラズマ処理を行う際には、図２に示すようなリアクティブイオンエッチング装置１０に、プレートの周囲に設けた取付穴８を介してビスで取付け、上部電極１１として使用する。
【００３４】
そして、下部電極４上に処理されるシリコンウエーハＷを載置し、ＣＦ_４等の反応ガスをガス噴出口５から噴出させながら、対向する上部電極１１との間の放電によりプラズマを発生させることで、ウエーハＷの表面をプラズマエッチング処理することができる。
【００３５】
この取付穴８を活かして給電部を設ければ良い。具体的には取付穴８に外部の昇温用の電源を接続してシリコンの母材を抵抗加熱すればよい。この際、この昇温用の電源と接続を行う給電部を１セットのみにすると、プレート全面の昇温が均熱とならない不具合が発生した。この給電部を２セット以上にすることにより、プレート全面にほぼ均一に電流が流れ、その結果均熱状態が良くなることが判った。それぞれの給電部は円周上に均等に割り振ると一層均熱状態が良くなる。また、電源については直流電源でも良いし、交流電源でも良い。３相の交流電源を用いて３箇所給電部をもうけると一層均熱状態が良くなる。
【００３６】
このプレートで、被処理物と対向する面上の温度測定を、例えば、被処理物と同径の範囲で任意の１０点について行ない、その結果において、（最高温度−最低温度）／平均温度が０．３以下になるようにすると、面内の温度分布が良好となり、処理の安定化が一層図れることとなる。
【００３７】
本発明では、シャワープレート１の大部分はシリコンであり、この表面がプラズマに接触することになるので、反応ガスが解離して発生する余剰なフッ素を除去することができる。これにより、プラズマの組成が処理中に変化することなく、均一なプラズマ処理が可能となる。また、表面に露出しているシリコンの部分はエッチングされるが、処理するウエーハと同素材であるのでコンタミネーションの発生を防ぐことができる。
【００３８】
【実施例】
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより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、比較例）
実施例として、ＣＺ法により育成した１Ωｃｍの抵抗率のシリコン単結晶インゴットを加工して直径２８０ｍｍ、厚さ５ｍｍの単結晶シリコンを母材とし、ガス噴出口として内径０．５ｍｍの孔を厚さ方向に５００ヶ所穿孔して形成した。
【００３９】
そして、ガスを導入させる側の面において、全面を溶射によってイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）の膜を１ｍｍ形成した。そして、このイットリア膜をラップ加工、ポリッシュ加工をほどこし、その表面粗さＲａが０．２μ以下になるまで研磨を行ってプレートを製造した。
【００４０】
外周部に設けた１２箇所の取付穴のうち、２箇所に抵抗加熱用の電源の＋極をつなぎ、それぞれ１８０度反対の取付穴２箇所に−極をつなぎ込んだ。この状態で電圧をかけ、被処理物と対向する面上のウエーハ径である直径２００ｍｍの範囲の温度を１０点測定した。その結果、最高温度２００度、最低温度１８０度、平均温度１９０度であり、（最高温度−最低温度）／平均温度＝０．１１であった。
【００４１】
また、比較例として、取付穴１箇所に＋極をつなぎ、１８０度反対の取付穴１箇所に−極をつなげた電極を用意して昇温をしてみた。この状態で電圧をかけ、被処理物と対向する面上のウエーハ径である直径２００ｍｍの範囲の温度を１０点測定した。その結果、最高温度２３０度、最低温度１５０度、平均温度２００度であり、（最高温度−最低温度）／平均温度＝０．４０であった。
【００４２】
実施例及び比較例で製造した２枚のシャワープレートを図２に示したようなプラズマエッチング装置に上部電極として順に取り付け、ＣＦ_４を含有する反応ガスを供給しながら各々２００時間にわたってシリコンウエーハをプラズマ処理し、デバイス歩留まりを確認した。その結果、実施例のシャワープレートを使用した場合、デバイス歩留まりは９８％であったが、比較例は８５％であった。
【００４３】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、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。
【００４４】
【発明の効果】
以上のように構成したので、デバイスの製造条件が安定化し、歩留まりがアップするとともに、反応生成物の付着もなく、パーティクル発生によるトラブルも防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラズマ処理用シリコンプレートの一例を示す概略平面図である。
【図２】リアクティブイオンエッチング装置の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１…プレート、２…チャンバ、３…フォーカスリング、４…下部電極、５…ガス噴出口、７…円板（シリコン母材）、８…取付穴（給電部）、１０…リアクティブイオンエッチング装置、１１…上部電極（シャワープレート）、Ｗ…ウエーハ。

Claims

被処理物をプラズマを用いて処理をするプラズマ処理装置においてヒーターおよび／または電極として用いられるプレートであって、該プレートの母材がシリコンから成り、且つ該シリコンの抵抗率が０．００１Ωｃｍ以上で１００Ωｃｍ以下であるとともに、前記プレートの母材であるシリコンをヒーターとして抵抗加熱させるための給電部が少なくとも２セット以上設けられていることを特徴とするプラズマ処理用シリコンプレート。
前記プレートの母材のシリコンがシリコン単結晶であり、該シリコン単結晶の抵抗率が０．００５Ωｃｍ以上で１０Ωｃｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理用シリコンプレート。
前記プレートの一部または全体が母材のシリコンよりも高抵抗の膜で覆われていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のプラズマ処理用シリコンプレート。
前記プレートの一部または全体を覆う膜は、Ｙ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＣ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＢＮ、ＡｌＮ、ＳｉＯ_２から選択された少なくとも１種類を含むセラミックスから成ることを特徴とする請求項３に記載のプラズマ処理用シリコンプレート。
前記プレートの表面粗さがＲａ＝０．２μｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のプラズマ処理用シリコンプレート。
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のプラズマ処理用シリコンプレートであって、被処理物と対向する面上の温度測定結果において、（最高温度−最低温度）／平均温度が０．３以下であることを特徴とするプラズマ処理用シリコンプレート。