JP2001358136A - 半導体ウエハの熱処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体ウエハを熱処理する際の半導体ウエハ
を支持する箇所の支持部分自体の形状，硬度について見
直し，スリップと呼ばれる表面欠陥の発生を防止する。 【解決手段】 ウエハＷの下面を支持部２１で支持して
ウエハＷを搭載する熱処理用搭載治具を反応容器内に納
入して熱処理する際，ウエハＷの下面の材質の硬度以下
の硬度を有する材質の支持部材２２を支持部に２１設け
て，支持部材２２によってウエハＷを支持する。支持部
材２２におけるウエハＷとの接触部分には，ウエハＷの
下面と同一若しくはそれ以上滑らかな鏡面仕上げ加工が
施されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，半導体ウエハの熱
処理方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＬＳＩ等の半導体デバイスがその表面に
形成される半導体ウエハ（以下，「ウエハ」という）の
製造工程においては，ウエハ表面に酸化膜を形成したり
ドーパントの拡散を行うために，対象となるウエハに対
して高温下で熱処理を施すプロセスが行われており，か
かる熱処理にあたっては，外気巻き込みの少ない縦型熱
処理炉が近年多く使用されている。

【０００３】この縦型熱処理炉は，一般に，垂直に配置
された加熱用の管状炉の中に反応管を設けた構成になっ
ており，被処理体であるウエハは，熱処理用のウエハボ
ートと呼ばれる搭載治具に水平状態で上下に間隔をおい
て所定の枚数（例えば１００枚）搭載され，このウエハ
ボートごと前記反応管内に挿入され，所定の熱処理が施
されるようになっている。

【０００４】そして従来この種のウエハボートは，図１
２に示された構成を有している。同図に示されたウエハ
ボート１０１は，上下にそれぞれ対向して配置された円
形の天板１０２と底板１０３との間に，例えば石英から
なる４本の支柱１０４，１０５，１０６，１０７が設け
られており，これら各支柱は平面から見た場合，ちょう
ど台形の各頂点に位置するように配置されている。そし
てこれら各支柱には，図１３に示すように，被処理体で
あるウエハＷが挿入されてその周縁部を支持するよう
に，当該ウエハＷの厚さよりも若干大きい溝幅を有する
溝部１０８が所定の等間隔で形成されており，ウエハＷ
は搬送アーム１０９によって手前側の２本の支柱１０
４，１０７の間から前記４本の支柱１０４，１０５，１
０６，１０７の各溝部１０８に対して着脱されるように
なっており，搭載されるウエハＷは，図１３に示したよ
うに，溝部１０８における支持部１１０上に載置，支持
される。

【０００５】そして所定の枚数（例えば１００枚）のウ
エハＷがそのようにしてウエハボート１０１に搭載され
ると，昇降機構１１１が上昇して反応管内に納入され，
これによってウエハＷがロードされて所定の温度，例え
ば１２００゜Ｃの温度雰囲気で熱処理が行われるように
なっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら今日ウエ
ハは大口径化傾向にあり，そのサイズは６インチから８
インチ，さらには１２インチへの移行も検討されてい
る。このようにウエハが大口径化してくると，前記した
ようにシリコンの融点（１４１０゜Ｃ）に近い温度で熱
処理を行うと，支柱１０４，１０５，１０６，１０７の
溝部１０８の支持部１１０で支持されている個所の付近
において，スリップと呼ばれる表面欠陥がウエハＷに発
生することがあった。

【０００７】このスリップは拡大鏡や顕微鏡によって確
認できる程度に微小な断層であるが，ウエハにこのよう
なスリップが発生すると，歩留まりの低下につながるお
それがある。そこで何らかの手段によってこのスリップ
の発生を防止することが必要となる。

【０００８】そこで発明者らは，従来の支持部１１０の
表面形状，硬度等について調べた結果，これら形状，硬
度がスリップ発生の一因となっていることが判明した。

【０００９】即ち，従来の支持部１１０の表面は，ＣＶ
Ｄコートによって形成されたＳｉＣの被膜で覆われてい
るが，拡大してみると，実際は２μｍ程度の段差を有す
る凹凸があることがわかる。他方，ウエハは例えばＳｉ
の単結晶からなっているが，かかる場合，ＳｉＣの硬度
はＳｉより高く，しかもこのＳｉＣ膜の表面には，前記
凹凸があるので，ウエハを支持部で支持した際，ＳｉＣ
膜表面の凸部がウエハの裏面に突き刺さって微少な瑕が
ついてしまい，それによって当該突刺部分近傍の降伏点
が下がり，その結果前記したせん断応力によって当該突
刺部分近傍からスリップが発生すると考えられる。従っ
て支持部自体の形状，硬度を改善すれば，さらにスリッ
プの発生を防止することができると考えられる。

【００１０】本発明はかかる点に鑑みてなされたもので
あり，ウエハを支持する箇所の実際の支持部分自体の形
状，硬度について見直し，前記スリップの発生を防止す
ることをその目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め，本発明によれば，半導体ウエハの下面を支持部で支
持してこの半導体ウエハを搭載する熱処理用搭載治具を
反応容器内に納入して，前記半導体ウエハを熱処理する
方法であって，前記支持部に前記支持する半導体ウエハ
の下面の材質の硬度以下の硬度を有する材質の支持部材
を設けて，この支持部材によって前記半導体ウエハを支
持するようにすると共に，この支持部材における前記半
導体ウエハとの接触部分には，前記半導体ウエハの下面
と同一若しくはそれ以上滑らかな鏡面仕上げ加工が施さ
れていることを特徴とする，半導体ウエハの熱処理方法
が提供される。

【００１２】本発明によれば，支持する半導体ウエハの
下面の材質の硬度以下の硬度を有する材質の支持部材に
よって当該半導体ウエハを支持するので，支持部材が当
該半導体ウエハ内に突き刺ささって微少な瑕が入ること
はなく，この点からスリップの発生を防止することがで
きる。さらにまた支持部材における半導体ウエハとの接
触部分が，前記半導体ウエハの下面と同一若しくはそれ
以上滑らかな鏡面仕上げ加工を施されているので，表面
が極めて滑らかになっており，支持部材が半導体ウエハ
の接触部に対して瑕つけることはなく，スリップの発生
を一層防止することができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下，本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明すると，図１は本実施の形態で使用
される縦型熱処理装置１の概観を示しており，被処理体
であるＳｉ単結晶の半導体ウエハ（以下，「ウエハ」と
いう）Ｗは，前記縦型熱処理装置１の下方に配置される
搭載治具であるウエハボート１０に所定枚数，例えば１
００枚搭載されて，前記縦型熱処理装置１の縦型炉２内
の反応管内３にロードされて，所定の窒化膜形成処理が
施される如く構成されている。

【００１４】前記縦型炉２は，図２に示したように，そ
の外形を構成するケーシング４が，ベースプレート５の
上面に固着されて，鉛直方向に立設されている。このケ
ーシング４は上面が閉口した略筒状の形態をなし，その
内部表面は断熱材６で覆われており，さらにこの断熱材
６の内周表面には，例えば抵抗発熱体によって構成され
た加熱体７が，前記反応管３を囲むようにして螺旋状に
設けられており，適宜の温度制御装置（図示せず）によ
って，反応管３内を所定の温度，例えば８００゜Ｃ〜１
２００゜Ｃの間の任意の温度に加熱，維持することが可
能なように構成されている。

【００１５】処理領域を形成する前記反応管３は，上端
が閉口している筒状の外管３１と，この外管３１の内周
に位置する上端が開口した筒状の内管３２とによって構
成された二重構造を有しており，これら各外管３１と内
管３２は，夫々例えばステンレスからなる管状のマニホ
ールド３３によって気密に支持されている。またこのマ
ニホールド３３の下端部には，フランジ３４が一体成形
されている。

【００１６】前記マニホールド３３の上部側面には，外
管３１と内管３２との間の空間からガスを排出して，反
応管３内の処理領域を所定の減圧雰囲気に設定，維持す
るための例えば真空ポンプ３５に通ずる排気管３６が気
密に接続されている。

【００１７】また前記マニホールド３３の下部側面に
は，例えば窒化膜形成用処理ガスである例えばＳｉＨ_４
（モノシラン）ガスやＳｉＨ_２Ｃｌ_２（ジクロルシラ
ン）ガス，並びにＮＨ_３（アンモニア）ガスを，内管３
２内に導入するための第１ガス導入管３７，第２ガス導
入管３８とが，それぞれ気密に接続されており，これら
第１ガス導入管３７，第２ガス導入管３８の各ガスノズ
ル３７ａ，３８ａは，それぞれ内管３２内に突出してい
る。これら第１ガス導入管３７，第２ガス導入管３８
は，それぞれ対応する所定のマスフロー・コントローラ
３９，４０を介して，前記処理ガスの所定の供給源（図
示せず）に接続されている。

【００１８】前記ウエハボート１０は，上下に対向して
配置された円形の天板１１と底板１２とを有し，これら
天板１１と底板１２との間には，例えば石英からなる支
柱１３，１４，１５が設けられている。これら各支柱１
３，１４，１５は，前記天板１１（又は底板１２）の円
周をほぼ３等分した個所に設置してよいが，本実施の形
態においては，図３に示したように，支柱１３，１４と
の間の開き角度（中心角）θ_１が，１４０゜であり，支
柱１４と支柱１５との開き角度θ_２，支柱１５と支柱１
３との開き角度θ_３が夫々１１０゜となるように設定し
てある。もちろんこれら各開き角度θ_１，θ_２，θ_３が
いずれも１２０゜となるように設定してもよい。

【００１９】そして被処理体であるウエハＷは，搬送ア
ーム８によって前記支柱１３，１４の間から，図４に示
すように支柱１５に向けて直角に進入させられて，後に
詳細に説明するこれら各支柱の１３，１４，１５に形成
されている溝１６，１７，１８によって創出される支持
部１９，２０，２１で支持されることによって，ウエハ
ボート１０に搭載されるように構成されている。

【００２０】前記支柱１３，１４は夫々肉厚の筒状体を
縦に半割りにした形態の柱体によって構成され，一方他
の支柱１５は，横断面が長方形の柱体によって構成され
ており，さらに前記各支柱１３，１４の内周面側は，搭
載されるウエハＷの中心よりも若干支柱１５側に向くよ
うに配置されている。

【００２１】このようにして配置構成された支柱１３，
１４，１５には，夫々上下方向に所定間隔の下で，前記
した溝１６，１７，１８が夫々形成されており，これら
各溝１６，１７，１８内における下面側が，図４，図５
に示したように，夫々支持部１９，２０，２１を構成し
ている。そしてこれら支持部１９，２０，２１の支持
面，即ち上面には，図４，図５に示したように，球状の
支持部材２２が夫々に設けられている。この支持部材２
２はＳｉの単結晶からなり，その下略半分が各支持部１
９，２０，２１に埋め込まれている。

【００２２】そして前記各支持部１９，２０，２１の支
持部材２２は，図３，図５に示したように，ウエハＷを
裏面から支持する際に，ウエハＷの端縁部から径方向の
距離Ｌが，１２．５mmとなるように，前記各支持部１
９，２０，２１に設けられている。このウエハＷは８イ
ンチのウエハであるから，率にすると半径の約１２．５
％分の長さだけ中心側にずれた位置にて，このウエハＷ
を支持するように設定されている。

【００２３】以上のように構成されたウエハボート１０
は，例えばステンレスからなるフランジ部２３を備えた
保温筒２４の上に着脱自在に装着されており，さらにこ
の保温筒２４は，昇降自在なボートエレベータ２５の上
に載置されており，このボートエレベータ２５の上昇に
よって，被処理体であるウエハＷは，ウエハボート１０
ごと前記縦型炉２内の反応管３内にロードされるように
なっている。

【００２４】縦型熱処理装置１は以上のように構成され
ており，次に熱処理方法について説明すると，まず加熱
体７を発熱させて反応管３内の温度を，例えば約８００
゜Ｃまで加熱しておく。

【００２５】他方ウエハボート１０に対して，既述の如
く搬送アーム８によって被処理体であるウエハＷが，所
定枚数例えば１００枚搭載された時点で，ボートエレベ
ータ２５が上昇し，図２に示したように，保温筒２４の
フランジ部２５が，マニホールド３３下端部のフランジ
３４と密着する位置までウエハボート１０を上昇させ，
ウエハＷを反応管３の内管３２内にロードさせる。

【００２６】次いで真空ポンプ３５によって反応管３内
部を真空引きしていき，所定の減圧雰囲気，例えば０．
３Ｔｏｒｒまで減圧した後，例えば第１ガス導入管３７
からＳｉＨ_４（モノシラン）ガスを，第２ガス導入管３
８からＮＨ_３（アンモニア）ガスを内管３２内に導入さ
せると，ウエハボート１０に搭載された被処理体である
ウエハＷの表面に，シリコン窒化膜であるＳｉ_３Ｎ_４が
形成されるのである。

【００２７】この場合，既述の如く８インチのウエハＷ
は，その端縁から径方向に，半径の約１２．５％分ずれ
た部分で，３つの支持部材２２で支持されているから，
従来のこの種の搭載治具に比べて，各部分におけるせん
断応力は，減少している。本実施の形態のように，半径
の約１２．５％分ずれた部分でウエハＷを支持した場
合，実際スリップの発生は全くみられなかった。また発
明者らが実際に計測したところ，半径の約１２．５％分
ずれた部分で８インチのウエハＷを，支持部材２２を用
いないで支持した場合，各支持部分近傍におけるせん断
応力は，０．０３６ｋｇｆ／ｍｍ^２であった。この点に
関し，従来８インチのウエハを端縁から４mmの部分（半
径の約４％分ずれた部分）で支持した場合のせん断応力
は，約０．０６４ｋｇｆ／ｍｍ^２であった。従って，半
径の約１２．５％分ずれた部分で支持する本実施の形態
の方が，せん断応力が減少していることがわかる。

【００２８】なお発明者らが別の機会で検証したとこ
ろ，通常のＳｉウエハにおいては，せん断応力が０．０
４１ｋｇｆ／ｍｍ^２を越えると，スリップが発生するこ
とが知見されている。従って，これに照らしても，前記
したように半径の約１２．５％分ずれた部分でウエハＷ
を支持すれば，スリップが発生しないことがわかる。

【００２９】さらにまた上記例においては，ウエハＷ
が，３本の支柱１３，１４，１５形成した支持部１９，
２０，２１の各支持部材２２に支持される構成，即ち３
点で支持される構成であったが，８インチ程度の大きさ
のウエハの熱処理においては，熱膨張によるウエハ自体
の反り，うねり等により，仮に支持点が４つあっても，
実際にウエハは３点で支持されると考えられる。従っ
て，従来技術の項で述べた４点支持による従前の熱処理
用ボートの場合と比べても，各支持部分のせん断応力
は，同一支持地点でも殆ど変わらず，それゆえ，内側に
半径の約１２．５％の長さ分ずれた３点で支持しても，
約４％内側で支持している従来の４点支持のものより
も，せん断応力が減少して，スリップの発生が抑制され
るのである。

【００３０】しかも本実施の形態においては，実際に支
持する部分に，ウエハＷの材質と同一の材質，即ちＳｉ
の単結晶の支持部材２２を用いたため，ウエハＷ裏面の
接触支持部分に，支持部材２２が瑕をつけるおそれはな
く，この点からもスリップの発生が抑制され，結果とし
て，スリップが全く発生しない熱処理を実施することが
可能になっている。従って従来よりも歩留まりの向上を
図ることができる。

【００３１】なお前記実施の形態においては，支持部材
２２として球状のものを使用したが，もちろんこのよう
な支持部材の形状はかかる球状でなくともよく，例えば
図６に示したような下部に挿入部２６ａ，上部により径
大の係止部２６ｂを有し，当該係止部２６ｂの上面が平
坦に成形された支持部材２６を用いてもよく，また図７
に示したように，単純な円柱状，角柱状の支持部材２７
を用いてもよい。またいずれの場合にも，支持部に対し
て着脱自在となるように設ければ，容易に交換，洗浄す
ることが可能である。

【００３２】ところで前記実施の形態は，８インチのウ
エハＷに対して適用した例であったが，本発明は１２イ
ンチの大口径ウエハに対しても有効である。これを発明
者らが行ったシミュレーションによって説明すると，図
８は円形の１２インチウエハの支持を，１２０゜おきの
等間隔で端縁から１８．８mmの地点（半径の約１２．５
％の長さ分内側にずれた地点）で支持した場合の，変位
分布を示し，図９はその場合のせん断応力分布を示して
いる。そしてこの場合の最大変位幅は，＋２２．１μｍ
〜−８２．３μｍであり，またせん断応力が大きい部分
は図９の斜線部に示した通りであって，その最大値は
０．０６１８ｋｇｆ／ｍｍ^２であった。

【００３３】一方，前記円形の１２インチウエハの支持
を，１２０゜おきの等間隔で端縁から４４．０mmの地点
（半径の約２９．３％の長さ分内側にずれた地点）で支
持した場合，変位分布は図１０に示した通りであり，ま
たせん断応力分布は図１１に示したようになった。そし
てその最大変位幅は，＋１２．７μｍ〜−４１．５μｍ
であり，またせん断応力の最大値は０．０３０８ｋｇｆ
／ｍｍ^２であった。従って，１２インチウエハにおいて
も，半径の約３０％の長さ分内側にずれた地点で支持す
れば，スリップが発生しないものである。

【００３４】なお上記ウエハボートは，酸化，拡散処理
を行う縦型熱処理装置に用いられるものであったが，こ
れに限らず，ＣＶＤ処理やエッチング処理などを行う熱
処理装置に用いられる熱処理用搭載治具に対しても本発
明は適用可能である。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば，支持する半導体ウエハ
の裏面側，即ち支持面側からのスリップ発生の原因とな
る微少な瑕をつけるおそれがないので，この点からスリ
ップの発生を防止でき，さらに接触部分の滑らかさも加
わり，スリップの発生の防止を一層向上させている。し
たがって歩留まりの向上した各種の熱処理が実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態において使用した縦型熱処
理装置の概観を示す斜視図である。

【図２】図１の縦型熱処理装置の縦型炉の内部を模式的
に示した縦断面説明図である。

【図３】本発明の実施の形態におけるウエハの支持地点
を示すウエハの平面説明図である。

【図４】本発明の実施の形態において使用したウエハボ
ートがウエハを支持する様子を示す要部斜視図である。

【図５】本発明の実施の形態において使用したウエハボ
ートがウエハを支持する様子を示す要部側面説明図であ
る。

【図６】支持部材の他の例を示す要部側面説明図であ
る。

【図７】支持部材の他の例を示す要部側面説明図であ
る。

【図８】従来技術によって１２インチウエハを支持した
場合の変位分布を示す説明図である。

【図９】従来技術によって１２インチウエハを支持した
場合のせん断応力分布を示す説明図である。

【図１０】本発明に従って１２インチウエハを支持した
場合の変位分布を示す説明図である。

【図１１】本実施の形態に従って１２インチウエハを支
持した場合のせん断応力分布を示す説明図である。

【図１２】従来技術のウエハボートの概観を示す斜視図
である。

【図１３】従来技術のウエハボートがウエハを支持して
いる様子を示す要部側面説明図である。

【符号の説明】

１ 縦型熱処理装置 ２ 縦型炉 ３ 反応管 ７ 加熱体 １０ ウエハボート １３，１４，１５ 支柱 １６，１７，１８ 溝 １９，２０，２１ 支持部 ２２ 支持部材 ２５ ボートエレベータ Ｗ ウエハ

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F031 CA02 FA01 FA03 FA12 GA49 HA62 HA63 HA64 HA65 MA28 MA30 MA32 PA18 5F045 AB33 AC12 AF03 BB13 DP19 EC02 EM08

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体ウエハの下面を支持部で支持して
   この半導体ウエハを搭載する熱処理用搭載治具を反応容
   器内に納入して，前記半導体ウエハを熱処理する方法で
   あって，前記支持部に前記支持する半導体ウエハの下面
   の材質の硬度以下の硬度を有する材質の支持部材を設け
   て，この支持部材によって前記半導体ウエハを支持する
   ようにすると共に，この支持部材における前記半導体ウ
   エハとの接触部分には，前記半導体ウエハの下面と同一
   若しくはそれ以上滑らかな鏡面仕上げ加工が施されてい
   ることを特徴とする，半導体ウエハの熱処理方法。
2. 【請求項２】 前記半導体ウエハの下面の材質は，シリ
   コンであることを特徴とする，請求項１に記載の半導体
   ウエハの熱処理方法。