JP4403919B2 - 耐久性に優れたプラズマエッチング用シリコン電極板 - Google Patents
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Description
この発明は、耐久性に優れたプラズマエッチング用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際に、シリコンウエハ上に形成された層間絶縁膜をエッチングする必要があるが、この層間絶縁膜付きシリコンウエハ（以下、ウエハと呼ぶ）をエッチングするためにプラズマエッチング装置が使用されているが、装置内の電極材としてシリコンが使用されている。そのプラズマエッチング用シリコン電極板は、図１の一部断面概略説明図に示されるように、シリコン単結晶板の厚さ方向に平行に貫通細孔ガス穴５が設けられた構造を有している。このプラズマエッチング用シリコン電極板１は真空容器（図示せず）内のほぼ中央に固定し、一方、架台６の上にウエハ４を載置し、エッチングガス７を貫通細孔ガス穴５を通してウエハ４に向って流しながら高周波電圧を印加することによりプラズマエッチング用シリコン電極板１とウエハ４の間にプラズマ２を発生させ、このプラズマ２がウエハ４に作用させてウエハ４の表面をエッチングするようになっている。
プラズマエッチング用シリコン電極板１を用いてプラズマエッチングを行うと、プラズマ２に接する貫通細孔ガス穴５の端部開口部に局所的に集電部分が発生し、この部分が優先的に消耗してプラズマエッチング用シリコン電極板１の厚さ方向に平行に設けられている貫通細孔ガス穴５は、図２に示されるように、プラズマ２に接する面の貫通細孔ガス穴５が下広がりになるように拡大消耗し、消耗穴３が形成される。
従来のシリコン単結晶板からなるプラズマエッチング用シリコン電極板１は、消耗穴３が生成しやすく、プラズマエッチング操作による消耗穴３が生成することにより均一な径を有する貫通細孔ガス穴５の長さａが減少し、その為にウエハのエッチングが不均一になりやすい。
従来のシリコン単結晶板からなるプラズマエッチング用シリコン電極板１は、消耗穴３が生成しやすく、プラズマエッチング操作による消耗穴３が生成することにより均一な径を有する貫通細孔ガス穴５の長さａが減少し、その為にウエハのエッチングが不均一になりやすい。
かかる問題点を解決するために、Ｐ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｂの内のいずれか１種のドーパントを０．０１ｐｐｍ〜５質量％含有させたシリコンからなるプラズマエッチング用シリコン電極板が提供されている。このドーピングされたシリコン単結晶板からなるプラズマエッチング用シリコン電極板は電気伝導性に優れ、そのために局所的集電部分の発生による消耗穴３の形成が抑えられ、したがって、貫通細孔ガス穴５の消耗が減少し、エッチングガスの流れが均一となり、寿命が延びるといわれている（特許文献１または２参照）。
特開平８−３７１７９号公報
特開平１０−１７３９３号公報
しかし、かかる消耗穴３は長時間プラズマエッチングを行うことにより発生することは避けられず、特に、近年、プラズマ２の密度を均一に保持しウエハ４のエッチングを一層均一に保つことが要求されるようになると、一枚のプラズマエッチング用シリコン電極板１を使用する時間が短く、プラズマエッチング用シリコン電極板１に形成された消耗穴３の生成量に面内ばらつきが発生し、早期に交換しなければならない。そして交換したプラズマエッチング用シリコン電極板１はスクラップとなるために無駄な使い方がなされている。
そこで、本発明者等は、かかる観点から、長時間プラズマエッチングを行っても貫通細孔ガス穴の消耗（すなわち、消耗穴の生成）が少ない耐久性に一層優れ、消耗穴の面内分布が少ないプラズマエッチング用シリコン電極板を得るべく研究を行った結果、
（イ）ボロンまたは燐を単独で含むシリコン単結晶板よりも、ボロン並びに燐および砒素の内の１種または２種を共存して含むシリコン単結晶板からなるプラズマエッチング用シリコン電極板の方が貫通細孔ガス穴の消耗が一層少なくなるとともに、面内の消耗ばらつきが小さくなる、
（ロ）これらの含有量は原子比でボロン：３〜１１ｐｐｂａ、燐および砒素の内の１種または２種の合計：０．５〜６ｐｐｂａの範囲内であることが好ましい、という研究結果が得られたのである。
（イ）ボロンまたは燐を単独で含むシリコン単結晶板よりも、ボロン並びに燐および砒素の内の１種または２種を共存して含むシリコン単結晶板からなるプラズマエッチング用シリコン電極板の方が貫通細孔ガス穴の消耗が一層少なくなるとともに、面内の消耗ばらつきが小さくなる、
（ロ）これらの含有量は原子比でボロン：３〜１１ｐｐｂａ、燐および砒素の内の１種または２種の合計：０．５〜６ｐｐｂａの範囲内であることが好ましい、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、
原子比で、ボロン：３〜１１ｐｐｂａを含有し、さらに燐および砒素の内の１種または２種の合計を０．５〜６ｐｐｂａ含有するシリコン単結晶板からなり、該Ｓｉ単結晶板の厚さ方向に貫通細孔ガス穴が設けられている耐久性に優れたプラズマエッチング用シリコン電極板、に特徴を有するものである。
原子比で、ボロン：３〜１１ｐｐｂａを含有し、さらに燐および砒素の内の１種または２種の合計を０．５〜６ｐｐｂａ含有するシリコン単結晶板からなり、該Ｓｉ単結晶板の厚さ方向に貫通細孔ガス穴が設けられている耐久性に優れたプラズマエッチング用シリコン電極板、に特徴を有するものである。
この発明のプラズマエッチング用シリコン電極板に含まれるボロン並びに燐および砒素の内の１種または２種の合計の含有量を、ボロン：３〜１１ｐｐｂａ、燐および砒素の内の１種または２種の合計：０．５〜６ｐｐｂａに定めたのは、原子比で、ボロン：３ｐｐｂａ未満、燐および砒素の内の１種または２種の合計：０．５ｐｐｂａ未満では消耗量に関して所望の効果が得られず、一方、ボロン：１１ｐｐｂａを越え、燐および砒素の内の１種または２種の合計が６ｐｐｂａを越えて含有すると、エッチングプレートの面内分布が不均一になるので好ましくないという理由によるものである。
この発明のプラズマエッチング用シリコン電極板を使用すると、貫通細孔の消耗量が均一になり、従来よりも長時間均一な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プラズマエッチング用シリコン電極板の交換回数を大幅に減らすことができ、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
純度：１１ＮのＳｉ原料を溶解し、ＢおよびＰを初期ドープしてＢおよびＰをそれぞれＢ：１〜１５ｐｐｂａ、Ｐ：１〜１０ｐｐｂａ含むＳｉ溶湯を作製し、このＳｉ溶湯をＣＺ法により引き上げて直径：３００ｍｍのシリコン単結晶インゴットを作製し、このインゴットをダイヤモンドバンドソーにより厚さ：８ｍｍに輪切り切断したのち、切削加工により直径：２９０ｍｍ、厚さ：６ｍｍを有する寸法のシリコン単結晶電極基板を作製し、このシリコン単結晶電極基板に、直径：０．３ｍｍの貫通細孔ガス穴を５ｍｍ間隔で形成し、ついで、このシリコン単結晶電極基板をフッ酸、酢酸、硝酸の混合液に５分間浸漬して表面加工層を除去することにより表１に示される量のＢおよびＰを含む本発明プラズマエッチング用シリコン電極板（以下、本発明電極板という）１〜１４、比較プラズマエッチング用シリコン電極板（以下、比較電極板という）１〜２および従来プラズマエッチング用シリコン電極板（以下、従来電極板という）１〜２を作製した。
なお、ＢおよびＰの含有量はフォトルミネッセンス法（冷却された試料にＡｒレーザーを照射し、励起されたフォトルミネッセンス光を回折格子分光器を用いて検出する方法）により測定した。
さらに、予めＣＶＤ法によりＳｉＯ2 層を表面に形成したウエハを用意した。
純度：１１ＮのＳｉ原料を溶解し、ＢおよびＰを初期ドープしてＢおよびＰをそれぞれＢ：１〜１５ｐｐｂａ、Ｐ：１〜１０ｐｐｂａ含むＳｉ溶湯を作製し、このＳｉ溶湯をＣＺ法により引き上げて直径：３００ｍｍのシリコン単結晶インゴットを作製し、このインゴットをダイヤモンドバンドソーにより厚さ：８ｍｍに輪切り切断したのち、切削加工により直径：２９０ｍｍ、厚さ：６ｍｍを有する寸法のシリコン単結晶電極基板を作製し、このシリコン単結晶電極基板に、直径：０．３ｍｍの貫通細孔ガス穴を５ｍｍ間隔で形成し、ついで、このシリコン単結晶電極基板をフッ酸、酢酸、硝酸の混合液に５分間浸漬して表面加工層を除去することにより表１に示される量のＢおよびＰを含む本発明プラズマエッチング用シリコン電極板（以下、本発明電極板という）１〜１４、比較プラズマエッチング用シリコン電極板（以下、比較電極板という）１〜２および従来プラズマエッチング用シリコン電極板（以下、従来電極板という）１〜２を作製した。
なお、ＢおよびＰの含有量はフォトルミネッセンス法（冷却された試料にＡｒレーザーを照射し、励起されたフォトルミネッセンス光を回折格子分光器を用いて検出する方法）により測定した。
さらに、予めＣＶＤ法によりＳｉＯ2 層を表面に形成したウエハを用意した。
この本発明電極板１〜１４、比較電極板１〜２および従来電極板１〜２をそれぞれプラズマエッチング装置にセットし、さらにＳｉＯ2 層を形成したウエハをプラズマ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、本発明電極板１〜１４、比較電極板１〜２および従来電極板１〜２に設けた貫通細孔ガス穴の長さ（図２においてａで示される部分の長さ）が１ｍｍとなる時点を使用寿命とし、使用寿命に至るまでにエッチング処理されたウエハの枚数を表１に示した。
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、本発明電極板１〜１４、比較電極板１〜２および従来電極板１〜２に設けた貫通細孔ガス穴の長さ（図２においてａで示される部分の長さ）が１ｍｍとなる時点を使用寿命とし、使用寿命に至るまでにエッチング処理されたウエハの枚数を表１に示した。
表１に示される結果から、ＢおよびＰを共に含む本発明電極板１〜１４は、Ｂ、Ｐを単独で含む従来電極板１〜２に比べて、使用寿命が長いことが分かる。また、この発明の範囲から外れた量のＢおよびＰを共に含む比較電極板１〜２は使用寿命が短いので好ましくないことがわかる。
実施例２
純度：１１ＮのＳｉ原料を溶解し、ＢおよびＡｓを初期ドープしてＢおよびＡｓをそれぞれＢ：１〜１５ｐｐｂａ、Ａｓ：１〜１０ｐｐｂａ含むＳｉ溶湯を作製し、このＳｉ溶湯をＣＺ法により引き上げて直径：３００ｍｍのシリコン単結晶インゴットを作製し、このインゴットをダイヤモンドバンドソーにより厚さ：８ｍｍに輪切り切断したのち、切削加工により直径：２９０ｍｍ、厚さ：６ｍｍを有する寸法のシリコン単結晶電極基板を作製し、このシリコン単結晶電極基板に、直径：０．３ｍｍの貫通細孔ガス穴を５ｍｍ間隔で形成し、ついで、このシリコン単結晶電極基板をフッ酸、酢酸、硝酸の混合液に５分間浸漬して表面加工層を除去することにより本発明電極板１５〜２８、比較電極板３〜４および従来電極板３を作製した。この時のＢおよびＡｓの含有量はフォトルミネッセンス法により測定した。
さらに、予めＣＶＤ法によりＳｉＯ2 層を表面に形成したウエハを用意した。
純度：１１ＮのＳｉ原料を溶解し、ＢおよびＡｓを初期ドープしてＢおよびＡｓをそれぞれＢ：１〜１５ｐｐｂａ、Ａｓ：１〜１０ｐｐｂａ含むＳｉ溶湯を作製し、このＳｉ溶湯をＣＺ法により引き上げて直径：３００ｍｍのシリコン単結晶インゴットを作製し、このインゴットをダイヤモンドバンドソーにより厚さ：８ｍｍに輪切り切断したのち、切削加工により直径：２９０ｍｍ、厚さ：６ｍｍを有する寸法のシリコン単結晶電極基板を作製し、このシリコン単結晶電極基板に、直径：０．３ｍｍの貫通細孔ガス穴を５ｍｍ間隔で形成し、ついで、このシリコン単結晶電極基板をフッ酸、酢酸、硝酸の混合液に５分間浸漬して表面加工層を除去することにより本発明電極板１５〜２８、比較電極板３〜４および従来電極板３を作製した。この時のＢおよびＡｓの含有量はフォトルミネッセンス法により測定した。
さらに、予めＣＶＤ法によりＳｉＯ2 層を表面に形成したウエハを用意した。
この本発明電極板１５〜２８、比較電極板３〜４および従来電極板３をそれぞれプラズマエッチング装置にセットし、さらにＳｉＯ2 層を形成したウエハをプラズマエッチング装置にセットし、実施例１と同じ、
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、本発明電極板１５〜２８、比較電極板３〜４および従来電極板３に設けた貫通細孔ガス穴の長さ（図２においてａで示される部分の長さ）が１ｍｍとなる時点を使用寿命とし、使用寿命に至るまでにエッチング処理されたウエハの枚数を表２に示した。
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、本発明電極板１５〜２８、比較電極板３〜４および従来電極板３に設けた貫通細孔ガス穴の長さ（図２においてａで示される部分の長さ）が１ｍｍとなる時点を使用寿命とし、使用寿命に至るまでにエッチング処理されたウエハの枚数を表２に示した。
表２に示される結果から、ＢおよびＡｓを共に含む本発明電極板１５〜２８は、表１のＢを単独で含む従来電極板１および表２のＡｓを単独で含む従来電極板３に比べて、使用寿命が長いことが分かる。しかし、この発明の範囲から外れた量のＢおよびＡｓを共に含む比較電極板３〜４は使用寿命が短いので好ましくないことがわかる。
実施例３
純度：１１ＮのＳｉ原料を溶解し、Ｂ、ＰおよびＡｓを初期ドープしてＢ、ＰおよびＡｓをそれぞれＢ：１〜１５ｐｐｂａ、Ｐ＋Ａｓ：１〜１０ｐｐｂａ含むＳｉ溶湯を作製し、このＳｉ溶湯をＣＺ法により引き上げて直径：３００ｍｍのシリコン単結晶インゴットを作製し、このインゴットをダイヤモンドバンドソーにより厚さ：８ｍｍに輪切り切断したのち、切削加工により直径：２９０ｍｍ、厚さ：６ｍｍを有する寸法のシリコン単結晶電極基板を作製し、このシリコン単結晶電極基板に、直径：０．３ｍｍの貫通細孔ガス穴を５ｍｍ間隔で形成し、ついで、このシリコン単結晶電極基板をフッ酸、酢酸、硝酸の混合液に５分間浸漬して表面加工層を除去することにより本発明電極板２９〜３３および比較電極板５〜６を作製した。この時のＢ、ＰおよびＡｓの含有量はフォトルミネッセンス法により測定した。
さらに、予めＣＶＤ法によりＳｉＯ2 層を表面に形成したウエハを用意した。
純度：１１ＮのＳｉ原料を溶解し、Ｂ、ＰおよびＡｓを初期ドープしてＢ、ＰおよびＡｓをそれぞれＢ：１〜１５ｐｐｂａ、Ｐ＋Ａｓ：１〜１０ｐｐｂａ含むＳｉ溶湯を作製し、このＳｉ溶湯をＣＺ法により引き上げて直径：３００ｍｍのシリコン単結晶インゴットを作製し、このインゴットをダイヤモンドバンドソーにより厚さ：８ｍｍに輪切り切断したのち、切削加工により直径：２９０ｍｍ、厚さ：６ｍｍを有する寸法のシリコン単結晶電極基板を作製し、このシリコン単結晶電極基板に、直径：０．３ｍｍの貫通細孔ガス穴を５ｍｍ間隔で形成し、ついで、このシリコン単結晶電極基板をフッ酸、酢酸、硝酸の混合液に５分間浸漬して表面加工層を除去することにより本発明電極板２９〜３３および比較電極板５〜６を作製した。この時のＢ、ＰおよびＡｓの含有量はフォトルミネッセンス法により測定した。
さらに、予めＣＶＤ法によりＳｉＯ2 層を表面に形成したウエハを用意した。
この本発明電極板２９〜３３および比較電極板５〜６をそれぞれプラズマエッチング装置にセットし、さらにＳｉＯ2 層を形成したウエハをプラズマエッチング装置にセットし、実施例１と同じ、
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、本発明電極板２９〜３３および比較電極板５〜６に設けた貫通細孔ガス穴の長さ（図２においてａで示される部分の長さ）が１ｍｍとなる時点を使用寿命とし、使用寿命に至るまでにエッチング処理されたウエハの枚数を表３に示した。
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、本発明電極板２９〜３３および比較電極板５〜６に設けた貫通細孔ガス穴の長さ（図２においてａで示される部分の長さ）が１ｍｍとなる時点を使用寿命とし、使用寿命に至るまでにエッチング処理されたウエハの枚数を表３に示した。
表３に示される結果から、Ｂ、ＰおよびＡｓを共に含む本発明電極板２９〜３３は、表１のＢを単独で含む従来電極板１、表１のＰを単独で含む従来電極板２および表２のＡｓを単独で含む従来電極板３に比べて、いずれも使用寿命が長いことが分かる。しかし、この発明の範囲から外れた量のＢ並びにＰおよびＡｓの合計を共に含む比較電極板５〜６は使用寿命が短いので好ましくないことがわかる。
１ プラズマエッチング用シリコン電極板
２ プラズマ
３ 消耗穴
４ ウエハ
５ 貫通細孔ガス穴
６ 架台
７ エッチングガス
２ プラズマ
３ 消耗穴
４ ウエハ
５ 貫通細孔ガス穴
６ 架台
７ エッチングガス
Claims (1)
- 原子比で、ボロン：３〜１１ｐｐｂａを含有し、さらに燐および砒素の内の１種または２種の合計を０．５〜６ｐｐｂａ含有するシリコン単結晶板からなり、該Ｓｉ単結晶板の厚さ方向に貫通細孔ガス穴が設けられていることを特徴とする耐久性に優れたプラズマエッチング用シリコン電極板。
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