CN103903952B - 等离子蚀刻装置用硅部件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种等离子蚀刻装置用硅部件及等离子蚀刻装置用硅部件的制造方法，所述硅部件即使配置在等离子蚀刻装置的反应室内部，也不会因等离子蚀刻而提前损耗，且能够抑制粒子的产生。本发明的等离子蚀刻装置用硅部件，其在等离子蚀刻装置的反应室内部使用，所述硅部件的特征在于，由多晶硅、准单晶硅或单晶硅中的任一种构成，含有1×1018atoms/cc以上1×1020atoms/cc以下的范围内的硼作为掺杂剂。

Description

等离子蚀刻装置用硅部件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种在等离子蚀刻装置的反应室内部使用的等离子蚀刻装置用硅部件及等离子蚀刻装置用硅部件的制造方法。
背景技术
以往，在半导体器件的制造工艺中，作为对晶圆的表面进行蚀刻处理的装置，广泛使用有例如专利文献1、2中示出的等离子蚀刻装置。
其中，将等离子蚀刻装置的一例示于图5。该等离子蚀刻装置50具备被设为真空气氛的反应室51、配置在反应室51的内部的电极板52、相对于该电极板52隔开间隔而被对置配置的支架53、及在电极板52与支架53之间施加高频电压的高频电源54。
对由上述等离子蚀刻装置50进行的等离子蚀刻处理方法进行说明。在支架53上载置晶圆1，且使蚀刻气体5经由形成于电极板52的贯穿细孔52a向晶圆1流动的同时通过高频电源54在电极板52与支架53之间施加高频电压。由此，在电极板52与支架53之间的空间内产生电浆7，且通过由电浆7引起的物理反应及由蚀刻气体5引起的化学反应来对晶圆1的表面进行蚀刻。
作为上述电极板，例如如专利文献3、4所示，使用由单晶硅或多晶硅构成的硅电极板。其中，在上述等离子蚀刻装置中，存在因电浆和蚀刻气体而损耗电极板的表面，且产生粒子而污染晶圆的可能性。因此，以往为了抑制粒子的产生，通过蚀刻处理和热处理来消除硅电极表面的龟裂和缺陷。并且，专利文献4中记载有通过使用结晶面被设为（001）面的单晶硅来抑制龟裂等的产生的技术。
专利文献1：日本专利公开平03-190126号公报
专利文献2：日本专利公开平06-084851号公报
专利文献3：日本专利公开平09-129605号公报
专利文献4：日本专利公开平10-017393号公报
但是，上述等离子蚀刻装置中，在反应室内部除电极板以外还配置有很多部件，这些部件也通过电浆及蚀刻气体被蚀刻，从而成为产生粒子的一个原因。并且，存在这些部件的寿命缩短之类的问题。
并且，为减少硅电极和上述部件中表面的龟裂、缺陷和粒子，考虑到使用无晶界的单晶硅。然而，由于单晶硅一般使用石英坩埚来制造，因此存在氧浓度趋于偏高，等离子蚀刻速度较快而导致提前损耗之类的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种等离子蚀刻装置用硅部件及等离子蚀刻装置用硅部件的制造方法，所述硅部件即使配置在等离子蚀刻装置的反应室内部，也不会因等离子蚀刻而提前损耗，且能够抑制粒子的产生。
为解决以上课题以达到所述目的，本发明所涉及的等离子蚀刻装置用硅部件为在等离子蚀刻装置的反应室内部使用的等离子蚀刻装置用硅部件，其特征在于由多晶硅、准单晶硅或单晶硅中的任一种构成，且含有1×1018atoms/cc(atoms/cm3,atoms/ml)以上1×1020atoms/cc以下的范围内的硼作为掺杂剂。
在该结构的等离子蚀刻装置用硅部件中，当由多晶硅或准单晶硅构成的情况下，制造硅时能够通过以氮化硅等对石英坩埚进行涂布来将氧浓度抑制得较低。并且，当由单晶硅构成的情况下，对石英坩埚的内表面进行Ba涂布来将氧浓度抑制得较低。并且，含有1×1018atoms/cc以上1×1020atoms/cc以下的范围内的硼作为掺杂剂，因此蚀刻速度变得缓慢，即使配置在等离子蚀刻装置的反应室内部，也能够抑制由等离子蚀刻引起的提前损耗。并且，能够抑制粒子的产生，并能够良好地进行晶圆的蚀刻。
作为掺杂剂的硼的含量小于1×1018atoms/cc时，存在变得无法充分减小蚀刻速度的可能性。另一方面，硼的含量超过1×1020atoms/cc时，存在无法固溶的硼析出而蚀刻不均匀地产生的可能性。因此，本发明中，将作为掺杂剂的硼的含量设定在1×1018atoms/cc以上1×1020atoms/cc以下的范围内。另外，在上述范围中，硼的含量尤其优选在1×1019atoms/cc以上1×1020atoms/cc以下的范围内。
其中，本发明的等离子蚀刻装置用硅部件中，优选氧浓度为5×1017atoms/cc以下。
通过将氧浓度减小至5×1017atoms/cc以下，能够可靠地抑制蚀刻速度，并能够抑制由等离子蚀刻引起的提前损耗。
并且，在本发明的等离子蚀刻装置用硅部件中，氮浓度优选在7×1014atoms/cc以上4×1015atoms/cc以下的范围内。
通过将氮浓度设为7×1014atoms/cc以上4×1015atoms/cc以下的范围内，更优选设为1×1015atoms/cc以上3×1015atoms/cc以下的范围，能够减小蚀刻速度，并能够抑制由等离子蚀刻引起的提前损耗。
其中，氮浓度小于7×1014atoms/cc时，存在无法充分减小蚀刻速度的可能性。另一方面，氮浓度超过4×1015atoms/cc时，存在氮作为氮化硅析出，并成为产生粒子的原因，或蚀刻不均匀地产生的可能性。因此，本发明中，将氮浓度设定在7×1014atoms/cc以上4×1015atoms/cc以下的范围内。
另外，在本发明的等离子蚀刻装置用硅部件中，以电子背散射衍射（EBSD，Electron Back Scattering Diffraction）法测定表面的结晶取向，并求出以（001）、（101）、（111）为顶点的立体三角形内的取向分布，通过连接各边的二等分点与所述立体三角形的重心的线来将该立体三角形分割为三个区域、即（001）侧区域、（101）侧区域、（111）侧区域，通过用全部测定点数除位于各区域内的测定点数来求出在这些各区域内所占的结晶取向分布的比例，且优选分布在（111）侧区域内的比例被设为70%以上。
此时，等离子蚀刻装置用硅部件由较强地取向于[111]取向的多晶硅构成，能够进一步降低蚀刻速度。另外，由于等离子蚀刻装置用硅部件为多晶硅，因此即使取向于[111]取向也不易产生龟裂且容易操作。
本发明所涉及的等离子蚀刻装置用硅部件的制造方法为制造上述等离子蚀刻装置用硅部件的等离子蚀刻装置用硅部件的制造方法，其特征在于，所述方法具有：硅熔融液形成工序，形成硼的含量被设为1×1018atoms/cc以上1×1020atoms/cc以下的范围的硅熔融液；及单向凝固工序，使所述硅熔融液单向凝固，所述单向凝固工序中的凝固速度被设为5mm/h以上10mm/h以下的范围。
根据该结构的等离子蚀刻装置用硅部件的制造方法，能够制造上述本发明的等离子蚀刻装置用硅部件。
如此，根据本发明提供一种即使配置在等离子蚀刻装置的反应室内部，也不会因等离子蚀刻而提前损耗，且能够抑制粒子的产生的等离子蚀刻装置用硅部件及等离子蚀刻装置用硅部件的制造方法。
附图说明
图1是多晶硅锭、准单晶硅锭的制造装置的概略说明图。
图2是将用EBSD法测定本发明例1的结晶取向的结果表示为立体三角形的图。
图3是将用EBSD法测定比较例1的结晶取向的结果表示为立体三角形的图。
图4是表示根据结晶取向而蚀刻速度不同的曲线图。
图5是表示等离子蚀刻装置的概略说明图。
符号说明
50-等离子蚀刻装置，51-反应室，52-电极板。
具体实施方式
以下，对作为本发明的实施方式的等离子蚀刻装置用硅部件进行说明。
作为本实施方式的等离子蚀刻装置用硅部件由多晶硅构成，更具体而言，由通过单向凝固法制造的柱状晶硅构成。
该柱状晶硅通过铸造而制造，但其制造过程与制造一般的多晶硅时不同，以消除内部应力的方式制造。因此，通过单向凝固法制造的柱状晶硅中，施加于晶粒彼此的界面（以下，称作“晶界”）的内部应力得以缓和，与一般的多晶硅相比加工性优异。另外，该柱状晶硅还具有如下特征，即在进行单向凝固时从结晶中排除杂质的同时使其结晶化，因此能够得到高纯度产物。
并且，作为本实施方式的等离子蚀刻装置用硅部件作为掺杂剂含有1×1018atoms/cc以上1×1020atoms/cc以下的范围内的硼。并且，氧浓度抑制为5×1017atoms/cc以下，氮浓度调整为7×1014atoms/cc以上4×1015atoms/cc以下的范围。
另外，作为本实施方式的等离子蚀刻装置用硅部件由较强地取向于（111）取向的多晶硅构成。具体而言，如图2所示的例示，用EBSD法测定表面的结晶取向，并求出以（001）、（101）、（111）为顶点的立体三角形内的取向分布，通过连接各边的二等分点与所述立体三角形的重心的线来将该立体三角形分割为三个区域、即（001）侧区域A、（101）侧区域B、（111）侧区域C时，分布在（111）侧区域C内的比例被设为70%以上。
接着，参考图1对制造成为作为本实施方式的等离子蚀刻装置用硅部件的原料的多晶硅锭时所使用的多晶硅锭制造装置10进行说明。
该多晶硅锭制造装置10具备积存有硅熔融液L的坩埚20、载置有该坩埚20的冷却板12、从下方支承该冷却板12的底部加热器13、及配置在坩埚20的上方的顶部加热器14。并且，在坩埚20的周围设置有绝热材料15。
冷却板12呈空心结构，且呈经由供给管16向内部供给Ar气体的结构。
坩埚20的水平截面形状呈方形（四边形）或圆形（Ｏ形），本实施方式中，被设为方形（四边形）。
该坩埚20由石英（SiO2）构成，在其内表面涂布有氮化硅（Si3N4）。即，坩埚20内的硅熔融液L构成为不与石英（SiO2）直接接触。
接着，对使用该多晶硅锭制造装置10来制造多晶硅锭的方法进行说明。
首先，在坩埚20内装入硅原料。其中，作为硅原料使用粉碎11N（纯度99.999999999）的高纯度硅而得到的被称作“厚块”的块状原料。该块状硅原料的粒径例如被设为30mm至100mm。
并且，在添加硼时将预先以高浓度添加硼的硅晶圆或金属硼用作原料，并进行称量，以达到预定的添加量，之后投入到放入有硅原料的坩埚20内。另外，硼的添加量被调整成硅结晶中的硼的含量在1×1018atoms/cc以上1×1020atoms/cc以下的范围。
对顶部加热器14及底部加热器13进行通电来对该硅原料进行加热。因此，被加热的硅原料熔解，在坩埚20内积存有硅熔融液L。其中，作为硅熔解后的条件优选保持1500℃、2h。
接着，停止对底部加热器13的通电，经由供给管16向冷却板12的内部供给Ar气体。由此，对坩埚20的底部进行冷却。另外，通过逐渐减小对顶部加热器14的通电，坩埚20内的硅熔融液L从坩埚20的底部开始进行冷却，从底部向上方延伸的柱状晶生长并单向凝固。其中，作为铸造条件，凝固速度优选调整为5mm/h以上10mm/h以下的范围。
此时，硅的择优生长取向为<100>、<111>取向，因此作为柱状晶存在较多朝向这些取向的柱状晶，但本实施方式中，尤其将铸造条件调整成促进[111]取向的生长。具体而言，优选将凝固速度设为5mm/h以上10mm/h以下的范围。并且，作为控制结晶取向的手段，还能够利用籽晶（硅单晶）、枝晶生长等。
由此，多晶硅锭通过单向凝固法制造。
并且，对所获多晶硅锭进行加工，通过将表面研磨成镜面研磨以上的平坦度来制造在等离子蚀刻装置的反应室内部使用的等离子蚀刻装置用硅部件。另外，作为等离子蚀刻装置用硅部件，可举出例如电极板、及保护环、密封环、接地环等各种环。
根据上述结构的作为本实施方式的等离子蚀刻装置用硅部件，含有1×1018atoms/cc以上1×1020atoms/cc以下的范围内的硼作为掺杂剂，因此蚀刻速度变得缓慢，即使配置在等离子蚀刻装置的反应室内部也能够抑制提前损耗，并且能够抑制粒子的产生。并且，不会析出固溶于硅的剩余的硼。
并且，氧浓度抑制在5×1017atoms/cc以下，由此能够可靠地抑制蚀刻速度，并能够抑制由等离子蚀刻引起的提前损耗。另外，本实施方式中，使用由石英（SiO2）构成且在其内面涂布有氮化硅（Si3N4）的坩埚20来进行铸造，并且以坩埚20内的硅熔融液L不与石英（SiO2）直接接触的方式进行铸造，因此能够将氧浓度降低至5×1017atoms/cc以下。另外，通过使凝固速度减慢至10mm/h以下，能够促进氧作为SiO气体从硅熔融液L中排放，能够实现氧浓度的下降。此时，将惰性气体喷涂到坩埚20的上方，从而能够进一步促进SiO的排放。并且，将硅熔融液L的温度设为1430℃以下，从而能够降低在硅熔融液L中溶解的氧量。
另外，氮浓度被设为7×1014atoms/cc以上4×1015atoms/cc以下的范围，因此能够减慢蚀刻速度，并能够抑制由等离子蚀刻引起的提前损耗。并且，能够抑制剩余的氮作为氮化硅而析出。另外，本实施方式中，使用由石英（SiO2）构成且在其内面涂布有氮化硅（Si3N4）的坩埚20，因此能够将氮浓度设为7×1014atoms/cc以上4×1015atoms/cc以下的范围。其中，氮因上述涂布而混入硅熔融液L内，因此将凝固速度加速至5mm/h以上，从而能够实现氮浓度下降。另外，氮的偏析系数非常小，因此优选通过促进对流来使氮浓度在整个硅熔融液L中均匀化。并且，将硅熔融液L的温度设为1450℃以下，从而能够降低在硅熔融液L中溶解的氮量。
并且，本实施方式的等离子蚀刻装置用硅部件中，如在图2中例示，用EBSD法测定表面的结晶取向并求出以（001）、（101）、（111）为顶点的立体三角形内的取向分布，通过连接各边的二等分点与所述立体三角形的重心的线来将该立体三角形分割为三个区域、即（001）侧区域A、（101）侧区域B、（111）侧区域C，通过用全部测定点数除位于各区域内的测定点数来求出在这些各区域内所占的结晶取向分布的比例，且分布在（111）侧区域C内的比例被设为70%以上，且被设为由较强地取向于[111]取向的多晶硅构成的部件，由此能够进一步降低蚀刻速度。
另外，如上所述，本实施方式中，使用通过单向凝固法得到的多晶硅锭，从而能够减少硅以外的金属元素等杂质，并能够抑制蚀刻不均的产生。由此，能够抑制部件的一部分局部损耗，并能够延长部件的寿命。
以上，对作为本发明的实施方式的等离子蚀刻装置用硅部件进行了说明，但并不限定于此，能够适当进行设计变更。
例如，将使用图1所示的多晶硅锭制造装置来制造的多晶硅锭作为原料的硅部件进行了说明，但并不限定于此，也可将通过其他结构的制造装置制造的多晶硅、准单晶硅、单晶硅作为原料。
准单晶硅通过如下方法制造：在用氮化硅涂布的石英坩埚的底部对例如厚度20mm的（111）面的籽晶（单晶硅）进行排列，并在其上方放入多晶硅原料，且将硼添加至达到预定的浓度，并通过控制上下加热器的温度而使籽晶不完全熔解而单向凝固。
并且，关于单晶硅，在涂布有钡（Ba）的石英坩埚中放入多晶硅原料，且添加在表面形成有氮化硅膜的硅晶圆、及以高浓度添加有硼的晶圆或金属硼，以使成为预定的氮浓度及硼浓度，利用<111>籽晶来拉晶，以使拉晶后的单晶成为<111>面取向。另外，也可为了降低单晶硅中的氧浓度而增加拉晶过程中的真空度。
[实施例]
示出为了确认本发明的效果而进行的确认试验的结果。利用在本实施方式中所说明的硅锭制造装置来制造680mm见方×高度300mm的四边形柱状多晶硅锭。此时，对作为掺杂剂的硼的含量进行调整，并且调整氧浓度、氮浓度，制造出具有表1所示的组成的多晶硅锭。另外，对凝固速度进行调整，从而将分布于（111）侧区域C的比例调整成70%以上。从这些锭切出100mm见方×厚度1mm的板，对板的主面进行镜面研磨来制造被测试材料。另外，通过SIMS来测定硼的含量、氧浓度及氮浓度。
利用等离子蚀刻装置（Universal Technics Co.，Ltd制YR-4011 1H-DXII）来对由此得到的被测试材料进行等离子蚀刻处理，使用表面粗糙度计（Bruker AXS制Dektak）来测定蚀刻部与掩模部之间的高低差，并计算蚀刻速度。另外，等离子蚀刻条件被设为真空度：50mTorr、蚀刻时间：30分钟、蚀刻气体：SF6、蚀刻气体流量：10sccm、输出功率：100W。将评价结果示于表1。
[表1]
在硼的含量小于本发明的范围的比较例1、2中，蚀刻速度较快，因此能够判断出提前进行蚀刻。
相反，在由多晶硅构成且硼的含量被设为本发明的范围内的本发明例1-7中，可确认到蚀刻速度较慢，提前损耗得到抑制。另外，确认到将氧浓度设为5×1017atoms/cc以下的范围，并将氮浓度设为7×1014atoms/cc以上4×1015atoms/cc以下的范围，并添加1×1019atoms/cc以上1×1020atoms/cc以下的范围内的硼的本发明例1、2中，蚀刻速度变得尤其缓慢。
并且，将用EBSD法测定本发明例1的结晶取向的结果示于图2，将以EBSD法测定比较例1的结晶取向的结果示于图3。
EBSD法是指在SEM内对试料表面的一点入射电子射线，利用所产生的反射电子衍射图案来分析局部区域的结晶取向和结晶结构的方法。从通过向试料表面的一点入射电子射线而成的衍射图案得到EBSD图像。以一定间隔在试料表面上扫描电子射线，分析通过重复此操作而得到的菊池（kikuchi）线，从而能够使结晶取向和结晶结构成为图像化。另外，作为测定样品分别准备8个5mm见方×厚度2mm的板状样品，对测定面进行镜面研磨之后，测定整个测定面。
其中，图2及图3中示出的每一个黑点为测定点，因此能够用全部测定点数除位于（111）侧区域C内的点数来求出分布于（111）侧区域C内的比例。本发明例1中大约为80%，比较例1中大约为30%。
其中，将比较[111]取向的结晶的蚀刻量与[111]以外的取向的结晶的蚀刻量的结果示于图4。测定取向之后实施等离子蚀刻，并使用表面粗糙度计（Bruker AXS制Dektak）来测定之后的被测试材料的表面高度。
确认到与[111]以外的取向的部分相比[111]取向的部分的高度高出一段。判断出[111]取向的结晶中蚀刻速度变得缓慢。

Claims (3)

1.一种等离子蚀刻装置用硅部件，其在等离子蚀刻装置的反应室内部使用，所述等离子蚀刻装置用硅部件的特征在于，
由多晶硅或准单晶硅中的任一种构成，
含有1×1018atoms/cc以上1×1020atoms/cc以下的范围内的硼作为掺杂剂，
用EBSD法测定表面的结晶取向并求出以(001)、(101)、(111)为顶点的立体三角形内的取向分布，通过连接各边的二等分点与所述立体三角形的重心的线来将该立体三角形分割为三个区域、即(001)侧区域、(101)侧区域、(111)侧区域，通过用全部测定点数除位于各区域内的测定点数来求出在这些各区域内所占的结晶取向分布的比例，且分布在(111)侧区域内的比例被设为70％以上，
氮浓度被设为7×1014atoms/cc以上4×1015atoms/cc以下的范围。
2.根据权利要求1所述的等离子蚀刻装置用硅部件，其特征在于，
氧浓度为5×1017atoms/cc以下。
3.一种等离子蚀刻装置用硅部件的制造方法，其特征在于，该方法为制造权利要求1或2所述的等离子蚀刻装置用硅部件的方法，
所述方法具有：硅熔融液形成工序，形成硼的含量被设为1×1018atoms/cc以上1×1020atoms/cc以下的范围内的硅熔融液；及单向凝固工序，使所述硅熔融液单向凝固，
所述单向凝固工序中的凝固速度被设为5mm/h以上10mm/h以下的范围内。
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