JP3551867B2 - シリコンフォーカスリング及びその製造方法 - Google Patents

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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フォーカスリングに関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば半導体デバイス等の製造には、シリコンウエーハに薄膜を成膜したり、エッチングを施す場合にプラズマを利用した装置が多用されている。このような装置のうち、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、これと平行な上部電極側から反応ガスを流通させ、両電極に高周波電圧を印加することにより両電極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。
【０００３】
このようなプラズマ装置では、製造される半導体デバイスの特性がウエーハの面内でばらつかないようにするため、ウエーハ上に供給されるプラズマを均一にする必要がある。このため、従来よりウエーハの周囲にフォーカスリングと呼ばれる円環状の部品を配置する工夫がなされてきた。例えば、黒鉛などの導電体から成るフォーカスリングを配置することにより、プラズマをウエーハの外側まで拡大させ、ウエーハ上のプラズマの均一性を向上させることが行われてきた。しかし、このフォーカスリング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。
【０００４】
従来、フォーカスリングには導電性があり、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、高純度化され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、構成粒子が散逸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舞落ちたりし、回路パターン形成の障害になるなどの問題があった。この様な問題を解決するために、近年、フォーカスリング材料にガラス状炭素が使用されるようになってきた。
【０００５】
しかし、フォーカスリング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出来なかった。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ヘの汚染は、特性の劣化を引き起こし、デバイスの歩留まり低下の原因となる。この為、フォーカスリング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ることが提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし単結晶シリコンでフォーカスリングを作製して、全体として高純度を保ったとしても、単結晶シリコンのインゴットをスライスした単結晶シリコン板に成形加工を行う際には、マシニング切削加工や研磨加工時、加工機からの不純物がフォーカスリングの表面に付着することが避けられない。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フォーカスリングをそのまま使用すると、この不純物が浮遊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。また、プラズマエッチング工程自体においても、微量ながらフォーカスリングが重金属等により汚染される場合もある。
【０００７】
そして、これらフォーカスリングに付着した重金属の不純物は、シリコンフォーカスリングの表面に付着するだけにとどまらず、その内部まで拡散し、欠陥を発生させるという問題も生じる。この様な重金属の不純物は、不純物の付着があるフォーカスリングを割り、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。このような不純物に起因した欠陥は、フォーカスリングのパーティクル発生の原因となったり、ライフの低下の原因となり問題であった。
【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フォーカスリングとして使用される単結晶シリコンから成るシリコンフォーカスリングであって、重金属等の不純物が招く不具合を防止することが出来るシリコンフォーカスリング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、プラズマ装置においてフォーカスリングとして使用される単結晶シリコンから成るシリコンフォーカスリングであって、該シリコンフォーカスリングに含有されている格子間酸素濃度が５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であることを特徴とするシリコンフォーカスリングである。
【００１０】
このように、シリコンフォーカスリングに含有される格子間酸素濃度が５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であるシリコンフォーカスリングは、例えばプラズマエッチング装置のフォーカスリングとして使用すると、高温下のフォーカスリングのバルク部で十分な量の酸素析出が生じるため、シリコンフォーカスリング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出来る。その為、このフォーカスリング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付着する等の不具合を防止することができる。さらに、このような不純物に起因したシリコンフォーカスリング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、その結果フォーカスリング表面のパーティクルの発生も低減されるようになる。さらに、前述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、それが原因でフォーカスリング表面に面粗れが発生してパーティクルの原因となることを防止することが出来る。
【００１１】
また、シリコンフォーカスリングの窒素濃度が５×１０１３個／ｃｍ３以上５×１０１５個／ｃｍ３以下であることが好ましい。
このように、シリコンフォーカスリングの窒素濃度が５×１０１３個／ｃｍ３以上５×１０１５個／ｃｍ３以下であれば、シリコンフォーカスリング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、シリコンフォーカスリング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、シリコンフォーカスリングの表面がエッチング処理されているものであれば、シリコンフォーカスリングの成形加工時に発生した加工ダメージ層を除去することが出来、パーティクルの発生を低減することができるし、付着重金属もほとんどないものとすることができる。
【００１３】
また、本発明は、プラズマ装置に用いられるシリコンフォーカスリングの製造方法において、チョクラルスキー法により格子間酸素濃度が５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である単結晶シリコンを成長させ、該単結晶シリコンを円環状に加工し、シリコンフォーカスリングを製造することを特徴とするシリコンフォーカスリングの製造方法である。
【００１４】
このように、シリコンフォーカスリングの製造方法において、チョクラルスキー法により所定の格子間酸素濃度の単結晶シリコンを成長させ、この単結晶シリコンを円環状に加工して、シリコンフォーカスリングを製造すれば、簡単な方法で重金属等の不純物による不具合を防止することができるシリコンフォーカスリングを製造することができる。
【００１５】
この場合、チョクラルスキー法により窒素濃度が５×１０１３個／ｃｍ３以上５×１０１５個／ｃｍ３以下となるように窒素をドープした単結晶シリコンを成長させることが好ましい。
このようにすれば、製造されるシリコンフォーカスリングのゲッタリング効果はさらに大きなものとなり、重金属等の不純物が招く不具合を防止することができるからである。
【００１６】
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フォーカスリングとして使用される単結晶シリコンから成るシリコンフォーカスリングについて、該シリコンフォーカスリング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フォーカスリングに十分なゲッタリング効果を与え、その結果、シリコンフォーカスリングにおける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出来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。
【００１７】
すなわち、適当な格子間酸素を含有するシリコンフォーカスリングをプラズマエッチング装置に使用すると、プラズマに接することによりシリコンフォーカスリングが高温になる。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。そしてシリコンフォーカスリングに付着していた重金属等の不純物やフォーカスリング表層部の欠陥が、シリコンフォーカスリング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、フォーカスリング表面より発生するパーティクルを低減できるようになる。
【００１８】
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、このデバイス作製工程において利用されていたゲッタリングを、プラズマ装置のシリコンフォーカスリングに応用することが出来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。
【００１９】
その結果、シリコンフォーカスリングの格子間酸素濃度が５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上であれば、フォーカスリングの使用時に酸素析出が発生し、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１．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３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、その為シリコンフォーカスリング表面に面粗れが生じる場合がある。その為、シリコンフォーカスリングの格子間酸素濃度は１．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることとした。
【００２０】
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フォーカスリングに窒素を適量含有させることにより、シリコンフォーカスリング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。
【００２１】
本発明者らは、シリコンフォーカスリング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、シリコンフォーカスリング中の窒素濃度が５×１０１３個／ｃｍ３以上であれば、酸素析出を助長する効果を十分に得ることができ、より有効なゲッタリング効果を得ることが判った。しかし、５×１０１５個／ｃｍ３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、シリコンフォーカスリング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固溶限界である５×１０１５個／ｃｍ３を超えると、フォーカスリング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フォーカスリングのより好ましい窒素濃度を５×１０１３個／ｃｍ３以上５×１０１５個／ｃｍ３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。
【００２２】
【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。
本発明のシリコンフォーカスリングに含有されている格子間酸素濃度は、５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３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、例えば以下のようにして行う。
【００２３】
本発明のシリコンフォーカスリング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き上げる際、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だし酸素が混入する。そこで、このシリコン融液からインゴットを引き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だして混入する酸素量を制御出来、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。
【００２４】
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によって、簡単に上記本発明の酸素濃度にすることが出来る。
【００２５】
また、本発明のシリコンフォーカスリングに含有されている窒素濃度は５×１０１３個／ｃｍ３以上５×１０１５個／ｃｍ３以下の範囲に入るようにすることが好ましい。この窒素を結晶中に混入させる方法としては、例えば、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の中に入れ、溶融させることにより混入させることが出来る。この時、上述の窒素濃度の範囲にするには、原料に入れる窒化膜の量を適宜調整すれば良い、このようにすれば、シリコンフォーカスリングの窒素濃度を極めて正確に調整することができる。
【００２６】
他にも、シリコン溶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、引き上げる単結晶シリコン中に窒素をド一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出来る。
【００２７】
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、前述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、内外周加工等の成形加工、表面を研磨する研磨加工等、適宜目的に応じて加工方法を選択して、単結晶シリコンからなるシリコンフォーカスリングを製造する。
【００２８】
この場合、シリコンフォーカスリングの表面はエッチング処理されることが好ましい。これは、内外周の成形加工や、表面研磨等の加工の際には、シリコンフォーカスリング表面に加工ダメージ層が残留している場合があり、これらがフォーカスリングの表面に発生するパーティクルとなり、被処理物であるシリコンウエーハにパーティクルを付着させてしまうことがあるからである。
【００２９】
そこで、シリコンフォーカスリングの表面をエッチング処理することにより、フォーカスリング表面に残留する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、シリコンフォーカスリングの表面をエッチングすることが出来るものであれば、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よい。さらに、シリコンフォーカスリングの製造工程中で、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＋ＨＮＯ３＋ＣＨ３ＣＯＯＨ等の混酸、ＮａＯＨ、ＫＯＨの水溶液等をあげることができる。
【００３０】
この様にして、本発明のシリコンフォーカスリングを得ることができる。このシリコンフォーカスリングは例えば図１に示すような単結晶シリコンからなるシリコンフォーカスリングであって、シリコンフォーカスリング１の内周部にはシリコンウエーハを配置させる段差部ｒが成形されている。
【００３１】
そして、このような本発明のシリコンフォーカスリング１は、例えば図２に示すようなプラズマエッチング装置１０に載置されて使用される、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ー１１と、このチャンバー１１内に設置される上部電極２を備えており、ガス導入系１２から供給された反応ガスは、上部電極２のガス流出穴３を通して下方に噴出されるようになっている。これに対向するシリコンフォーカスリング１は、下部電極１４を介して高周波電源に接続されている。
【００３２】
そして、高周波電力が印加されるシリコンフォーカスリング上に処理されるシリコンウエーハＷを載置し、対向する上部電極２との間でプラズマ放電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。
【００３３】
このエッチング処理時において本発明のシリコンフォーカスリング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。その為、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シリコンフォーカスリング１のバルク部に取り込むことが出来る。従って、不純物がシリコンウエーハ上に落下し、汚染されるような不具合を防止することができる。
【００３４】
さらに、本発明のシリコンフォーカスリング１は、フォーカスリング表層部の欠陥も防止することができるため、シリコンフォーカスリング１を長時間継続使用しても、フォーカスリング１の表面のパーティクルの発生を防ぐことができる。その為、フォーカスリング１からシリコンウエーハへパーティクルを与えてしまうことも防止出来る。
【００３５】
【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（ａ）（ｂ）に示すようなシリコンフォーカスリングを製造した。
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１０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き上げた。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き上げた。
【００３６】
以上のようにして引き上げた８本の直径約２７０ｍｍの単結晶シリコンのインゴットを円筒研削した後、厚さ４ｍｍのフォーカスリング素材をスライス加工するとともに、内外周を研削して外径２６０ｍｍ、内径２００ｍｍの円環状の素材を作製した。このフォーカスリングの素材の内周部にはシリコンウエーハを載置させるための段差ｒを成形した。その後、これらのシリコンフォーカスリングの表面をＨＦ＋ＨＮＯ３＋ＣＨ３ＣＯＯＨ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。
【００３７】
このようにして得られた８種類のシリコンフォーカスリングを図２に示すようなプラズマエッチング装置に載置し、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フォーカスリングの表面の面粗れについて評価を行なった。
測定結果を表１に示した。
【００３８】
【表１】
Figure 0003551867
【００３９】
表１において、実施例１〜４は本発明のシリコンフォーカスリングを用いてエッチングを行った結果であり、比較例１〜４は、酸素濃度あるいは窒素濃度が本発明の範囲外のシリコンフォーカスリングでの結果である。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した。シリコンフォーカスリングの汚染防止効果については、ウエーハ汚染の非常に大きいものを×、大きいものを△で表し、問題ないほど少ないものを○、ほとんど見られないものを◎で表した。また、シリコンフォーカスリングの表面に面粗れが発生する程度については、非常に面粗れが多いものを×、多いものを△、面粗れが問題ないほど少ないものを○、ほとんど見られないものを◎で示している。
【００４０】
表１の結果により、実施例１〜４のように、シリコンフォーカスリングに含有されている格子間酸素濃度が５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下である本発明のフォーカスリングは、被処理物であるシリコンウエーハの汚染を少なく出来ることが判る。また、シリコンフォーカスリングの表面の面粗れも少なくできる。即ち、表面の欠陥部から発生するパーティクルを低減出来ることが判る。
【００４１】
特に、実施例３及び実施例４のように、シリコンフォーカスリングに適度の窒素が含有されていれば、ウエーハヘの汚染や、シリコンフォーカスリング表面の面粗れをさらに少なく出来ることが判る。
【００４２】
一方、比較例１〜４が示すように、本発明の範囲外のシリコンフォーカスリングは、ウエーハヘの汚染防止効果を与えることが出来ないことが判る。又、シリコンフォーカスリングの表面の面粗れ状態も悪く、表面の欠陥に伴うパーティクルの発生の多いことが予想される。
【００４３】
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。
【００４４】
【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フォーカスリングとして使用される単結晶シリコンからなるシリコンフォーカスリングについて、該シリコンフォーカスリングに含有されている格子間酸素濃度を５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下とすることにより、シリコンフォーカスリングに十分なゲッタリング効果を与えることができる。その為、重金属等の不純物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フォーカスリングの一例を示した説明図であり、（ａ）はその平面図であり、（ｂ）はその縦断面図である。
【図２】本発明に係るシリコンフォーカスリング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…シリコンフォーカスリング、 ２…上部電極、 ３…ガス流出穴、
１０…プラズマエッチング装置、 １１…チャンバー、 １２…ガス導入系、
１３…排出系、 １４…下部電極、
ｒ…ウエーハ載置部、Ｗ…シリコンウエーハ。

Claims (3)

  1. プラズマ装置においてフォーカスリングとして使用される単結晶シリコンから成るシリコンフォーカスリングであって、該シリコンフォーカスリングに含有されている格子間酸素濃度が５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下、且つ窒素濃度が５×１０ １３ 個／ｃｍ ３ 以上５×１０ １５ 個／ｃｍ ３ 以下であることを特徴とするシリコンフォーカスリング。
  2. 請求項１に記載のシリコンフォーカスリングであって、表面がエッチング処理されていることを特徴とするシリコンフォーカスリング。
  3. プラズマ装置に用いられるシリコンフォーカスリングの製造方法において、チョクラルスキー法により格子間酸素濃度が５×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以上１．５×１０１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下であり、且つ窒素濃度が５×１０ １３ 個／ｃｍ ３ 以上５×１０ １５ 個／ｃｍ ３ 以下となるように窒素をドープした単結晶シリコンを成長させ、該単結晶シリコンを円環状に加工し、シリコンフォーカスリングを製造することを特徴とするシリコンフォーカスリングの製造方法。
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