JP5077573B2

JP5077573B2 - ウエハ

Info

Publication number: JP5077573B2
Application number: JP2008272592A
Authority: JP
Inventors: 敏彦塚谷; 勝紺谷; 典明浜谷; 瑞中野; 孝雄前田
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 2007-10-26
Filing date: 2008-10-23
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2028-10-23
Also published as: JP2009124129A

Description

本発明は、半導体製造工程で腐食性ガス又はそのプラズマに対して高い耐食性を求められるウエハ、特にダミーウエハに関し、ハロゲンガスあるいはそのプラズマ下で使用するのに好適なダミーウエハに関する。

半導体製造におけるドライエッチングプロセスや成膜プロセスなどの各プロセスにおいて、プラズマを利用した技術が使われている。このプラズマプロセスでは、エッチング、成膜、クリーニング用として、反応性の高いフッ素系、塩素系等のハロゲン系腐食ガスが用いられている。

半導体生産効率を高めるには、これらプラズマ装置の稼働率を上げることが望まれる。プラズマ装置の稼働率を上げるには、例えば、チャンバーパーツのウエットクリーニング頻度を低減させるなど、装置のダウンタイムを低減させることが重要となる。

ウエットクリーニング頻度を低減させる方法の一つに、ドライエッチングプロセス、成膜プロセスの後に適当なガスのプラズマにより反応生成物を分解、昇華、排気し、反応室内に付着した異物の除去を行う、プラズマクリーニングがある。プラズマクリーニングによれば、ウエットクリーニング頻度をある程度低減することが可能となる。このようなプラズマクリーニングを行う際には、下部電極が直接プラズマにさらされないようにするため、ダミーウエハを装置内に配置することが不可欠となる。また、プラズマクリーニング後においても処理室内壁等に残留するパーティクルやクリーニングガスを確実に排除すること等を目的としてダミーウエハを装置内に配置することが必要となる。

また、半導体を安定して製造するには、装置のプラズマ状態が安定したものであることが望ましい。ところが、プラズマ装置では、プラズマ処理によって蓄熱が生じ、運転初期段階で装置内部の温度が上昇変化するため、温度が不安定なものになる。このため、運転初期段階では、温度変化をなくして装置温度を安定させる目的で、実プロセスと同等のプラズマ処理を、数枚のダミーウエハで行う、所謂、ダミー処理が行われる。ダミー処理は、装置温度を安定させる目的の他に、基板に対するエッチング処理の実行前に処理雰囲気や圧力を安定化させるために実行されたり、該装置の稼働テストや、クリーニング及びクリーニング後のシーズニング（エージング）を目的として実行されたりする。また、ダミー処理は、ロット中の基板の処理条件を設定するためにも実行される。

また、電源投入直後においては装置のプロセス特性、特にドライエッチングプロセスのエッチングレートが安定していないことからこれを安定させることを目的としてダミー処理が行われる。この場合においても、プラズマ処理による下部電極のダメージを防止するため、ダミーウエハを装置内に配置することが不可欠となっていた。

かかるダミーウエハは、腐食性ガスやプラズマに接触するため、高い耐食性、高強度が要求されるが、一般にシリコン、石英等が利用されていた。

近年、生産性の向上を目標として、クリーニング時間の更なる短縮のため、使用するクリーニングガスの腐食性は非常に強くなっており、また、昇温時間を短縮するために急激に昇温させる等、より厳しい条件となってきている。

しかしながら、従来より用いられてきたシリコンウエハあるいはシリコンウエハに酸化珪素膜を形成したダミーウエハ、石英ウエハは、腐食性の強いクリーニングガス、エッチングガスに対する耐食性が不十分であり、発塵や汚染を防止できず、クリーニングガス、エッチングガスによりすぐに減肉するという欠点を有していた。

これらの問題を解決するためアルミナ質セラミックスダミーウエハ、イットリアとアルミナの化合物からなるセラミックスダミーウエハ（特開２００３−８６４７５号公報）が提案されているが、アルミナはＳＦ₆、ＣＦ₄、ＣＨＦ₃、ＣｌＦ₃、ＨＦ、Ｃ₂Ｆ₈等のフッ素系ガスを使用した際にフッ化アルミニウムパーティクルを生じるという問題があった。また、アルミナ、イットリアとアルミナの化合物等のセラミックスウエハは一般的に焼結工程が非常に長く、長時間の昇温・降温時間を要し、歩留まりも悪く生産性の向上も難しいためセラミックスウエハは高価であるという問題があった。

特開２００３−８６４７５号公報特開平９−４５７５１号公報

本発明は、上述の欠点に鑑みてなされたもので、その目的は、腐食性の非常に強いクリーニングガス、エッチングガスに対して高い耐食性を有し長期間使用可能なダミーウエハを提供することにある。

本発明者らは、上記目的を達成するため鋭意検討を行った結果、シリコン基板等の基板の最表層に希土類酸化物溶射膜を形成した場合、ハロゲン系ガス、ハロゲン系プラズマ雰囲気に対して高い耐食性を与え、ダミーウエハとして好適に用いられることを知見し、本発明をなすに至った。

即ち、本発明は下記ウエハを提供する。
請求項１：
シリコンウエハの基板と、基板の上に形成されたシリコンからなる表面粗さＲａが１〜１０μｍの中間密着層と、中間密着層の上に最表層として形成された希土類酸化物溶射膜とを有することを特徴とするウエハ。
請求項２：
中間密着層がシリコン溶射膜であることを特徴とする請求項１記載のウエハ。
請求項３：
基板が粗面化処理されたシリコンウエハであることを特徴とする請求項１又は２記載のウエハ。
請求項４：
基板の表面粗さＲａが０．５〜５μｍであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のウエハ。
請求項５：
希土類元素が、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕから選ばれる１種又は２種以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のウエハ。
請求項６：
ハロゲン系ガス又はハロゲン系プラズマ雰囲気下で使用される請求項１乃至５のいずれか１項記載のウエハ。
請求項７：
半導体製造工程のダミーウエハとして使用されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載のウエハ。

本発明のウエハによれば、プラズマエッチング装置、プラズマ成膜装置のクリーニング、安定化時に半導体ウエハの減肉を防ぐことができ、膜硬度が高いため、ダミーウエハとして用いた場合、その寿命を向上させることができる。

本発明に用いる基板は、シリコン（Ｓｉ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ガリウム・リン（ＧａＰ）、ガリウム・ヒ素・リン（ＧａＡｓＰ）、ガリウム・アルミニウム・ヒ素（ＧａＡｌＡｓ）、ガリウム・窒素（ＧａＮ）等の半導体基板、アルミナセラミックス、アルミナ系セラミックス、石英等が用いられ、本発明はこれらの基板の上に耐食膜を有することを特徴とするものであり、特にシリコン基板の上に耐食膜を有することが有効である。なお基板厚さが０．２〜１．５ｍｍ程度のものである。

本発明のウエハ、特にダミーウエハは、１〜２，０００μｍ、好ましくは１０〜１，０００μｍの希土類酸化物溶射膜をシリコン基板等の上に有する。コールドスプレー法によっても同様な耐食性をもった膜が形成可能である。

ここで、希土類酸化物は希土類元素が、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕから選ばれる１種又は２種以上である。

また、シリコン等の基板上に熱酸化膜の二酸化ケイ素層が形成されていても、その上に耐食性のある希土類酸化物層を形成することができる。

以下に、溶射法を詳細に説明する。
基板上に希土類酸化物層を溶射する場合、アルミナ、炭化珪素、ジルコン、ガラスビーズ、石英等のエアーブラスト法による粗面化、フッ化水素酸と硝酸の混酸を主成分としたエッチング液による湿式法による粗面化では希土類酸化物溶射膜を形成するのに十分な表面状態が得られず、直接シリコン基板上に希土類酸化物層を溶射するのは困難であった。本発明者らは鋭意検討した結果、基板上に密着層としてシリコン層を形成することで、基板最表面に希土類酸化物層を形成できることを見出した。シリコン密着層はシリコン基板上をエアーブラスト、酸処理等により粗面化することで形成可能で、シリコン密着層を形成することで希土類酸化物層を密着させるのに十分な表面粗さを得られる。

密着層の形成方法は特に制限はないが、ＣＶＤ、スパッタや溶射による形成が挙げられ、特に溶射による形成が好ましい。密着層の厚さとしては、１〜１００μｍ程度がよい。

本発明の希土類酸化物層は溶射法により形成することができる。溶射法は、大気圧溶射、雰囲気溶射、減圧溶射等のいずれの雰囲気によるものでもよい。溶射ノズルと基板との距離及び溶射ガンの移動速度をコントロールしながら原料粉末を原料粉末フィーダーに仕込み所望の厚さになるように成膜させる。溶射法による膜厚は溶射ガンの移動速度、原料粉末のフィード速度、繰り返し成膜回数を変化させることにより、所望の厚さにすることができ、２ｍｍという厚膜も容易に製造することが可能である。

基板上に希土類酸化物層を形成する方法としては、スパッタ法、蒸着法、イオンプレーティング法等の物理気相成長法、プラズマＣＶＤ、熱分解ＣＶＤ等の化学気相成長法等のコーティング法等があるが、本発明は膜厚が１μｍ以上と比較的厚膜であることが特徴であり、物理気相成長法や化学気相成長法では目的の膜厚を得るのに長大な時間がかかり経済的ではない。また、製造装置も高価であり、製造コスト上昇の要因になる。

このような点から、本発明を実施するには、比較的短時間に１〜２，０００μｍの膜厚の成膜が可能な溶射法が採用される。

本発明の希土類酸化物溶射膜は、オリエンテーションフラットタイプウエハ、ノッチタイプウエハとウエハ形状に制約されることなく作製可能である。また、ウエハの直径に制約されることもない。

次に、本発明の実施の形態を説明する。基板となるウエハには密着層のシリコン溶射膜の密着性を上げるために粗面化処理をすることが好ましい。粗面化処理方法としては、アルミナ、炭化珪素、ジルコン、ガラスビーズ、石英等の研磨材によるエアーブラスト、フッ化水素酸（ＨＦ）と硝酸（ＨＮＯ₃）の混酸を主成分としたエッチング液による湿式処理等が挙げられるが、溶射膜の密着性が十分に上がる方法であれば粗面化処理法は限定されない。エアーブラストの場合にはウエハ端部のチッピングを防止する観点からエアー圧を０．０１〜０．２ＭＰａにするのが好ましい。エアー圧が０．２ＭＰａを超えるとウエハ端部にチッピングを生じるおそれがある。粗面化処理後の基板表面粗さはＪＩＳ準拠のＲａで０．５〜５μｍが好ましい。

また、密着層の材料としてはプラズマ処理室内に不純物源となる異種元素をもちこまないという観点から、基板あるいは他のコーティング層と同一材料が好ましく、シリコン基板であればシリコン密着層を形成することが好ましい。更に、上記の点から、不純物量がＦｅ＜１００ｐｐｍ、Ａｌ＜５００ｐｐｍ、Ｃａ＜１００ｐｐｍ、Ｎｉ＜５０ｐｐｍ、Ｃｒ＜５０ｐｐｍ、Ｚｒ＜５０ｐｐｍ、Ｎａ＜５０ｐｐｍ、Ｋ＜５０ｐｐｍである材料が好ましい。また、密着層の形成方法としては、更にその上層との密着性を上げるために粗面化面を形成し易い溶射法が挙げられる。密着層の表面粗さはＲａで１〜１０μｍが好ましい。密着層の厚さは十分な表面粗さが得られる程度であればよい。表面粗さがＲａで１〜１０μｍの密着層を形成することにより、希土類酸化物耐食膜の形成が容易になる。

ウエハ上に溶射膜を積層した場合、皮膜の収縮によるウエハの反りが起こるが、溶射の前にウエハをエアーブラストすることにより、上記の問題は解決される。即ち、鏡面ウエハをエアーブラストすると、ブラストによる塑性変形のため、ブラスト側が凸になり反りが出る。この反ったウエハに溶射膜を積層するとその収縮応力により反りを戻すことができる。

希土類酸化物耐食膜は大気圧溶射、雰囲気溶射、減圧溶射等により基板の片面又は両面に形成される。ウエハを静電チャックによりチャックする場合、ウエハの上面片側に溶射することにより、デチャック特性を損なうことなく耐食性を付与することができる。膜厚は１〜２，０００μｍが好ましく、より好ましくは１０〜１，０００μｍがよい。１μｍ未満であると溶射法では成膜が困難であり、２，０００μｍを超えるとプラズマ処理容器のウエハ搬送口であるゲートとの干渉が問題になる可能性がある。
なお、このようにして得られる溶射酸化膜硬度は２〜３０ＧＰａ程度である。

このように得られたウエハを半導体製造工程でダミーウエハとして用いることが有効なため、半導体ウエハと同じ厚さに成膜したウエハに制御して用いることが望ましい。

以下、実施例及び比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。

［実施例１］
８インチシリコン基板（厚さ７２５μｍ）を平均粒子径１００μｍのアルミナ研削材を用いて０．０３ＭＰａでエアーブラストし、シリコン基板表面粗さをＲａ＝１．０μｍとした。次にシリコンウエハ上に密着層を形成するために平均粒子径３０μｍのシリコン粉末を大気圧プラズマ溶射装置にてアルゴンガスをプラズマガスとして、出力４０ｋＷ、溶射距離１２０ｍｍにて５μｍ／Ｐａｓｓで溶射し、１０μｍの膜厚に成膜した。シリコン溶射層の表面粗さを東京精密製表面粗さ計Ｅ−３５Ａで測定したところ、２．１μｍであった。なお、シリコン層であることはＥＰＭＡで解析した。
上記シリコン粉末中の不純物をＩＣＰ分光分析（誘導結合高周波プラズマ）したところ、不純物量は以下の通りであった。
Ｆｅ２５ｐｐｍ
Ａｌ２８０ｐｐｍ
Ｃａ２２ｐｐｍ
Ｎｉ＜５ｐｐｍ
Ｃｒ＜２ｐｐｍ
Ｚｒ＜５ｐｐｍ
Ｎａ＜５ｐｐｍ
Ｋ＜５ｐｐｍ

更に、上記シリコン基板上に成膜したシリコン層上に酸化イットリウム粉末を大気圧プラズマ溶射装置にてアルゴンガスをプラズマガスとして、出力４０ｋＷ、溶射距離１２０ｍｍにて２０μｍ／Ｐａｓｓで溶射し、４０μｍの膜厚に成膜した。株式会社マツザワ製ＳＭＴ−７で膜硬度を測定したところ、５ＧＰａであった。また、ＶｅｅｃｏＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製Ｄｅｋｔａｋ３ＳＴで測定した表面粗さはＲａ＝４．５μｍであった。酸化イットリウム耐食層を形成したシリコンウエハを超純水中４０ｋＨｚで超音波洗浄した後、８０℃で乾燥して製品とした。走査型電子顕微鏡の断面写真を図１に示す。更に、ウエハの反りの変化を観るためにシリコンを１０μｍ溶射後、酸化イットリウム溶射膜を４０μｍ、６０μｍ、８０μｍ成膜した８インチシリコンウエハを作製し、下記に示す方法で反りを測定した。結果を表１に示す。

ウエハの反り変化の測定方法
図２に示すウエハにおいて、位置Ａ〜Ｄにおける高さを株式会社東京精密製三次元座標測定機で測定し、下記式より反りを計算した。

（但し、Ｈ_A〜Ｈ_Dは位置Ａ〜Ｄにおける高さである。）
なお、位置Ａはウエハの中心、位置Ｂ〜Ｄはそれぞれ外周縁部から中心に向けて１０ｍｍ離間した位置である。８インチシリコンウエハに前記条件で耐食層を成膜する場合、酸化イットリウムを４０μｍ溶射することで反りを最小にすることができる。

このウエハの一部を２０ｍｍ×２０ｍｍに切り出し、表面を平滑に研磨後、耐食層の半分をポリイミドテープでマスキングしてプラズマエッチング試験をした。使用したエッチャーはサムコ製、ＰＤ−２ＳでＣＦ₄：２０ｍＬ／ｍｉｎ．、Ｏ₂：５ｍＬ／ｍｉｎ．、チャンバー内圧力４０Ｐａ、出力５０Ｗの条件で１時間処理した。エッチング後にポリイミドマスキングテープを剥がし、マスク部と露出部の段差をＶｅｅｃｏＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製Ｄｅｋｔａｋ３ＳＴで測定したところ、段差は認められなかった。結果を表２に示す。

［実施例２〜１２］
各種希土類酸化物粉末を用いて実施例１と同じ方法でシリコン基板上に酸化物層を形成し、実施例１と同一評価をした。結果を表２に示す。
なお、実施例２〜１２について、膜硬度を実施例１と同様にして測定した結果、いずれも硬度は３〜１５ＧＰａの範囲であった。

［比較例１］
シリコン基板の鏡面を平均粒子径１００μｍのアルミナ研削材を用いて０．２ＭＰａでエアーブラストした。ブラスト後のウエハを観察すると端部にチッピングが見られた。

［比較例２］
シリコン基板の鏡面を平均粒子径１００μｍのアルミナ研削材を用いて０．０３ＭＰａでエアーブラストした。表面粗さはＲａ＝０．９μｍであった。前記粗面化処理したシリコンウエハ上に酸化イットリウム粉末を大気圧プラズマ溶射装置にてアルゴンガスをプラズマガスとして、出力４０ｋＷ、溶射距離１２０ｍｍにて１５μｍ／Ｐａｓｓになるような条件で溶射した。酸化イットリウム粉末はシリコンウエハ上に成膜されなかった。

［比較例３］
シリコン基板鏡面の一部をポリイミドテープでマスキングして実施例１と同一条件でプラズマエッチングした。その後、実施例１と同じ方法で段差測定したところ、露出部は１２μｍエッチングされていた。

［比較例４］
８インチアルミナ基板（厚さ７２５μｍ）をポリイミドテープでマスキングして実施例１と同一条件でプラズマエッチングした。その後、実施例１と同じ方法で段差測定したところ、露出部は４．９μｍエッチングされていた。

実施例１の走査型電子顕微鏡写真（倍率１，０００倍）である。ウエハの反り変化の測定において、測定位置を示す説明図である。

Claims

シリコンウエハの基板と、基板の上に形成されたシリコンからなる表面粗さＲａが１〜１０μｍの中間密着層と、中間密着層の上に最表層として形成された希土類酸化物溶射膜とを有することを特徴とするウエハ。
中間密着層がシリコン溶射膜であることを特徴とする請求項１記載のウエハ。
基板が粗面化処理されたシリコンウエハであることを特徴とする請求項１又は２記載のウエハ。
基板の表面粗さＲａが０．５〜５μｍであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載のウエハ。
希土類元素が、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ及びＬｕから選ばれる１種又は２種以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のウエハ。
ハロゲン系ガス又はハロゲン系プラズマ雰囲気下で使用される請求項１乃至５のいずれか１項記載のウエハ。
半導体製造工程のダミーウエハとして使用されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載のウエハ。