JP2002016073A

JP2002016073A - 熱処理用治具

Info

Publication number: JP2002016073A
Application number: JP2000197667A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Endo; 昭彦遠藤; Tamio Motoyama; 民雄本山; Tatsumi Kusaba; 辰己草場
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2000-06-30
Filing date: 2000-06-30
Publication date: 2002-01-18

Abstract

(57)【要約】【課題】高温熱処理において形状安定性に優れ、炉入
れ炉出し時の急熱急冷による熱応力や衝撃に強く、かつ
繰り返し使用においても、ウェーハとの接触等によるパ
ーティクルの発生、それに伴うウェーハの欠陥発生を防
止できるウェーハ支持ボート等の熱処理治具の提供。【解決手段】ウェーハ支持ボートの保持ロッドやウェ
ーハを載置するリング状支持部材の材質に、シリコン中
に窒素または炭素もしくはその両方を所定範囲添加した
単結晶または多結晶シリコンを用いることにより、形状
安定性、急熱急冷の熱衝撃に優れ、パーティクルの発生
を低減できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【0001】

【発明の属する技術分野】この発明は、高温耐久性に優
れかつ高温熱処理において、スリップやパーティクル発
生の低減を可能にするウェーハ支持ボートおよびリング
状支持部材を含む熱処理用治具に係り、窒素又は炭素あ
るいはその両方を所定量含有する単結晶又は多結晶シリ
コンにてウェーハを支持する保持構を有する保持ロッド
やリング状支持部材を構成した熱処理用治具に関する。

【0002】

【従来の技術】半導体デバイスの高集積化、高性能化が
進むにつれて表面近傍の欠陥が少ないウェーハの要求が
高まっている。このために欠陥の少ない新たな層を形成
するエピタキシャル成膜技術や、ウェーハ自体に存在す
る欠陥を低減する水素又はアルゴン等の不活性ガス中高
温熱処理が行われている。

【0003】高温熱処理においては、特に炉内温度の均熱性
に優れ、高スループットが達成できる縦型炉が使用され
ている。この際、高温熱処理における高耐久性、高温熱
処理時に問題となるスリップ抑制およびウェーハとの接
触時に発生するパーティクル抑制に優れたウェーハ支持
ボートが不可欠となる。

【0004】従来、組立式支持具であるウェーハ支持ボート
としては、2枚の端板、複数の保持ロッド及び案内ロッ
ドからなるボートが一般的には使用されており、各部材
の材質として石英やシリコンを用いた構成(特開昭60-10
7843号)となっている。

【0005】

【発明が解決しようとする課題】しかし、石英製のボー
トの場合、1050℃以上の高温での使用に耐えられないと
いう問題点を有する。これに対し、石英ガラス中に炭素
化合物を析出させることにより、機械強度を改善して変
形を抑制する方法が提案(特開平05-058676号)されてい
る。しかしながら、母材が石英であるため、1200℃程度
の高温下での繰り返し使用は困難である。

【0006】一方、シリコン製のボートの場合、多結晶シリ
コンまたは単結晶シリコンを加工したものが知られてい
る。これは石英ボートよりも高温での熱変形が少ないと
いう特徴を有する。しかしながら、温度差による熱応
力、衝撃に弱く破損しやすい。

【0007】また、シリコン製のボートは、積載するウェー
ハとの接触等によるパーティクルの発生、それに伴うウ
ェーハの欠陥という問題が生じていた。またボート表面
自体にも、発生したパーティクルの固着および接触によ
る傷などによる凸凹の発生によって、これらを起点とし
たスリップ(線欠陥)がウェーハに発生した。

【0008】このシリコン製のボートの欠点を改善する方法
として、シリコン中に酸素を導入した単結晶シリコンを
母材としてボートを作成することで、含有酸素原子によ
り上記熱ストレスによって発生する転位欠陥を抑制する
ものが提案(特開平4‐37027号)されている。

【0009】この場合、シリコン中の酸素の含有量を制御す
る必要があり、さらに高温熱処理中に含有酸素がシリコ
ンと反応して酸素析出物となり、それが成長して逆に結
晶欠陥の原因となって被熱処理単結晶シリコンが破損す
る場合もある。

【0010】また、近年シリコンウェーハの大口径化に伴
い、高温熱処理ではウェーハ周辺を保持する従来型のボ
ートでは、ウェーハ内の温度分布が大きくなることによ
る熱応力およびウェーハ自体の自重による応力によっ
て、ウェーハ中にスリップが発生しやすい状況になって
いる。

【0011】この問題を避けるために、例えば特開平8-2200
7号では、300mmウェーハの高温熱処理において従来のボ
ートにリング状の支持部材を併用することでスリップ発
生を抑制する方法がとられるようになってきた。リング
状の支持部材の利点は、ウェーハを面で支え、さらにウ
ェーハ内部を保持することでスリップ発生が抑制するこ
とが可能となることである。

【0012】このリング状支持部材の材料としては、SiCやS
iが使われている。しかしながらSiCリングは高温耐久性
が優れているが、非常に高価であるという問題がある。
またSiはコストの点ではSiCより優れているが、高温で
の耐久性に劣るため機械的強度を保持するために2〜4mm
程度の厚みが必要となる。その結果、このリングを熱処
理するとウェーハと同数炉に挿入することで、炉内の熱
容量がリング無しと比較して数倍大きくなり、スリップ
抑制のための均熱性を保持するため昇温速度、冷却速度
を遅くする必要が生じてきた。

【0013】また、2〜4mm厚さのSiリングでも、繰り返し高
温熱処理を行うことで、リングの変形さらには破損する
という問題が生じている。リング状ウェーハ保持部材の
強度を改善する方法として、例えば特開平10-284429号
では、保持部材の裏面に補強部材を配置することで対処
する例も存在するが、この場合、保持部材の構造が複雑
になり、その結果、高価になるという問題が生じる。

【0014】この発明は、上述の従来の各問題を解決するこ
とを目的とし、特に高温熱処理において形状安定性に優
れ、炉入れ炉出し時の急熱急冷による熱応力や衝撃に強
く、かつ繰り返し使用においても、ウェーハとの接触等
によるパーティクルの発生、それに伴うウェーハの欠陥
発生を防止できるウェーハ支持ボートまたはリング状ウ
ェーハ支持部材を含む熱処理用治具の提供を目的として
いる。

【0015】

【課題を解決するための手段】発明者らは、1050℃以上
の高温における熱処理に際して、形状安定性、急熱急冷
の熱衝撃に優れ、パーティクルの発生を低減できる材料
を目的に種々検討した結果、ウェーハ支持ボートの保持
ロッドまたはリング状ウェーハ支持部材の材質に、シリ
コン中に窒素または炭素もしくはその両方を添加した単
結晶または多結晶シリコンを用いることにより、前記目
的が達成できることを知見し、この発明を完成した。

【0016】この発明は、ウェーハを直接支持するための保
持構を有する複数の保持ロッド、リング状支持部材を介
してウェーハを支持するための構部又は棚部を有するウ
ェーハ支持ボートを含む熱処理用治具において、ウェー
ハに接触する各部材材料が、窒素又は炭素あるいはその
両方をそれぞれ窒素濃度が2×10¹²〜5×10¹⁵atoms/c
m³、炭素濃度が5×10¹⁵〜2×10¹⁸atoms/cm³の範囲で含
有する単結晶又は多結晶シリコンにて構成することを特
徴とする熱処理用治具である。

【0017】

【発明の実施の形態】この発明の対象とする熱処理用治
具において、ウェーハ支持ボートは、公知のいずれの構
成も採用できるが、例えば図1に示すごとく、上下2枚の
端板1,2の間に複数の保持ロッド3あるいはさらに案内ロ
ッドを配置して、各保持ロッド3にウェーハを支持する
ための溝部4が設けられる構成が一般的である。

【0018】また、この発明の対象とする熱処理用治具にお
いて、リング状ウェーハ支持部材は、公知のいずれの形
状も採用できるが、例えば図2A,Bに示すごとく、中心部
に孔の開いたいわゆるリング形状のリング状支持部材10
と、図2C,Dに示すごとく、先のリング状支持部材10の一
部を切り欠いた切欠型リング状支持部材11を用いること
ができる。使用方法は図3に示すごとく、かかるリング
状支持部材10をウェーハ支持ボート12に設けた棚部13に
配置し、それらの上にウェーハ14を載せて熱処理するこ
とができる。

【0019】この発明では、かかるウェーハ支持ボートの保
持ロッド3、あるいはリング状支持部材10,11に、窒素又
は炭素あるいはその両方を含有する単結晶または多結晶
シリコン材料を採用することを特徴とする。

【0020】この発明において、単結晶または多結晶シリコ
ン材料に含有される窒素濃度が2×10¹²atoms/cm³未満の
場合、また含有される炭素濃度が5×10¹⁵atoms/cm³未満
の場合、シリコン材料の強度向上の効果は殆ど見られな
いため、窒素は2×10¹²atoms/cm³以上、炭素は5×10¹⁵a
toms/cm³以上の含有とする。窒素と炭素を複合して含有
する場合も同様である。

【0021】前記の含有量が少ない場合は、急熱急冷または
1200℃程度の高温処理の繰り返しによってシリコン結晶
に転位欠陥が生じ塑成変形が発生、均一なウェーハ保持
が不可能となり、ウェーハ自重が集中するボート支持部
によりスリップが発生した。また、ウェーハとの接触が
原因となるパーティクルも観察された。

【0022】また、リング状ウェーハ支持部材においても同
様に、含有量が少ない場合は、高温処理の繰り返し処理
によって塑性変形し、その結果、ウェーハ均一に保持す
ることが不可能となり、リング形状ではリング内周エッ
ジ部、馬蹄形状ではリング内周エッジ部またはリングの
切れ部のエッジよりスリップが発生した。

【0023】一方、シリコンの固溶限界である窒素濃度が5
×10¹⁵atoms/cm³、炭素濃度が2×10¹⁸atoms/cm³を越え
ると、シリコン母材作成時に窒化珪素または炭化珪素の
析出物がシリコン中に存在するようになる。単結晶シリ
コンを使用する場合、これらの濃度では単結晶育成が不
可能となる。また多結晶シリコンの場合では、これらを
ボート材として使用すると、加工中に割れが生じやすく
なり、また実際ボートとして使用する際に急速昇温・冷
却時にクラックが入って割れることがあった。

【0024】従って、含有量の上限は、窒素が5×10¹⁵atoms
/cm³以下、炭素が2×10¹⁸atoms/cm³以下である。窒素と
炭素を複合して含有する場合も同様である。また、好ま
しい含有量は、窒素が5×10¹³atoms/cm³〜1×10¹⁵atoms
/cm³、炭素が1×10¹⁶atoms/cm³〜1×10¹⁷atoms/cm³であ
る。

【0025】従来の高酸素導入によるシリコン強度の改善
(特開平4‐37027)を図る場合、酸素析出物成長による結
晶欠陥導入、その後のシリコンの破壊という問題があっ
た。しかし、この発明ではこれら不純物が酸素析出物の
不均質各生成サイトとして働くため、数密度は増加する
がサイズを小さくできるため結晶欠陥導入という上記問
題を回避することができる。

【0026】なお、上記範囲で室素または炭素、あるいは室
素と炭素を含有したシリコンの製造方法としては、単結
晶シリコンの場合、窒化珪素および炭化珪素または炭素
をシリコン融液中へ添加し、CZ法、MCZ法で育成する方
法がある。また、多結晶シリコンの場合、窒素および炭
素を含むガスを導入したCVD方法が挙げられる。

【0027】なお、1×10¹⁴atoms/cm³以上の含有窒素濃度は
二次イオン質量分析(SIMS)を、それ以下の濃度は、ドー
プしたN量、母材のSi量および偏析係数より計算で求め
た。また、含有炭素濃度は赤外線吸収法(IR‐absorptio
n)で測定した。

【0028】この発明によれば、熱処理治具の少なくとも半
導体ウェーハを直接保持する複数の保持溝を設ける複数
の保持ロッド、またはリング状ウェーハ支持部材を、窒
素または炭素もしくはその両方を添加したシリコン材料
から構成することにより、炉への出し入れ時の急熱急冷
による熱応力や衝撃に対しての耐久性に優れ、また、支
持部材表面とウェーハとの接触等による傷およびパーテ
ィクルの発生を防止できる。従って、ウェーハ支持ボー
トの耐用性が著しく向上し、半導体ウェーハの欠陥(傷)
の発生を極めて少なくすることができる。

【0029】

【実施例】実施例1 図1に示す縦型ボートは、平行に所定間隔で配置した保
持ロッド3の両端部に互いに平行に配置された円形の平
板からなる端板1,2を固定する。保持ロッド3にはウェー
ハを支持するための溝部4が形成されている。ここで
は、前記端板1,2はCZ法により作製された単結晶シリコ
ンからなり、保持ロッド3はそれぞれシリコン中に窒素
または炭素、あるいは窒素と炭素を添加した単結晶シリ
コンまたは多結晶シリコンからなっている。

【0030】また比較のため、上記保持ロッドと同じ構造、
ウェーハ保持溝形状を有し、無添加のシリコン単結晶と
シリコン多結晶からなる保持ロッドを作製した。添加、
無添加の材料共に、単結晶シリコンの場合は含有酸素濃
度が1×10¹⁸/cm³、多結晶シリコンの場合は含有酸素濃
度が2×10¹⁷/cm³以下である。

【0031】図1の縦型ボートは平板と保持ロッドが組立式
になっており、平板を同じものを使用し、保持ロッドの
み各種の材料で作製した。なお、熱処理によるウェーハ
の欠陥評価には、200mmφシリコンウェーハ(比抵抗7〜1
2Ωcm、含有酸素量1.4×10¹⁸atoms/cm³)を用いた。

【0032】600℃に保持した縦型炉にシリコンウェーハを5
0枚搭載したこの発明および比較用の縦型ボートを、300
mm/minの速度で投入、その後1000℃まで30℃/minで昇
温、30min保持後、600℃まで30℃/minで冷却し、ボート
を300mm/minで取り出した。なお、熱処理の雰囲気はア
ルゴン100%を使用した。

【0033】取出後、ウェーハの表面のスリップおよびパー
ティクルの評価(目視検査)を、ボートの溝位置最上部(#
1)、中間位置(#25)および最低部(#50)のウェーハに対し
て行った。この作業を30回繰り返した結果を表1に示
す。なお、表において、○印は評価した3枚のウェーハ
においてスリップ、パーティクル共に検出されなかった
もの、×印は1枚でもスリップの発生またはパーティク
ル10個以上観察されたもの。‐印は実施しなかったこと
を意味する。

【0034】単結晶シリコンを用いたこの発明の実施例で
は、窒素添加では2×10¹²/cm³以上(実施例1,2)、炭素添
加では5×10¹⁵/cm³以上(実施例3,4)で、無添加(比較例
3)と比較して、10回目以降もスリップおよびパーティク
ルの発生が抑制されている。

【0035】また、多結晶シリコンを用いたこの発明の実施
例ボートにおいても、ウェーハの欠陥発生抑制、すなわ
ちボートの耐久性が改善されていることがわかる。さら
に、窒素と炭素の両方添加した場合も同様の効果が確認
できた。

【0036】

【表1】

【0037】実施例2 この発明に用いたリング状支持部材を図2に示す。形状
として通常リング形状(図2A,B)と切欠型(図2C,D)を作製
し、これらリング状支持部材10,11をSiC製縦型ボート12
の各保持棚部13に配置した。個々のリング状支持部材1
0,11に、300mmφシリコンウェーハ14(比抵抗5〜20Ωc
m、含有酸素量10〜16×10¹⁷/cm³)を積載した。

【0038】本実施例では、前記リング状支持部材10,11
に、CZ法により作製された窒素または炭素を含んだ単結
晶シリコンを使用した。リング状支持部材の厚さは2mm
とし、リング外径を306mm、内径を220mmとして、切り欠
き部の幅は50mmとした。

【0039】また比較例として、同一構造のリング状支持部
材に、無添加のシリコン単結晶からなる材料を用いて作
製した。添加、無添加共に単結晶シリコンの含有酸素濃
度は1×10¹⁸/cm³である。

【0040】700℃に保持した300mm縦型炉に、300mmφシリ
コンウェーハを50枚搭載したこの発明および比較用のリ
ング状支持部材が積載されたボートを、100mm/minの速
度で投入、その後1000℃まで5℃/min、さらに1200℃ま
で1℃/minで昇温、30min保持後、1000℃まで1℃/minで
冷却し、ボートを100mm/minで取り出した。なお、熱処
理の雰囲気はアルゴン100%を使用した。

【0041】取出後、ウェーハの表面のスリップおよびパー
ティクルの評価(目視検査)を、ボートの溝位置最上部(#
1)、中間位置(#25)および最低部(#50)のウェーハに対し
て行った。この作業を40回繰り返した結果を表2に示
す。判定基準は、実施例1と同様である。

【0042】切欠型リング状支持部材を用いた実施例では、
窒素添加では2×10¹²/cm³以上(実施例10,11)、炭素添加
では5×10¹⁵/cm³以上(実施例12,13)で無添加(比較例12)
と比較して、20回目以降もスリップおよびパーティクル
の発生が抑制されている。また完全リング形状において
も、ウェーハの欠陥発生抑制すなわちボートの耐久性が
改善されていることがわかる。また、窒素と炭素の両方
添加した場合も同様の効果が確認された。

【0043】

【表2】

【0044】

【発明の効果】この発明によれば、縦型ウェーハ支持ボ
ートの実施例に明らかなように、炉への出し入れ時の急
熱急冷による熱応力や衝撃に対しての耐久性に優れ、ま
た、ボー卜表面ウェーハとの接触等による傷およびパー
ティクルの発生を防止でき、ウェーハ支持ボートの耐用
性が著しく向上し、半導体ウェーハの欠陥(傷)の発生を
極めて少なくすることができる。

【0045】また、リング状ウェーハ支持部材の実施例に明
らかなように、高温での耐用性が著しく向上し、300mm
のような大口径ウェーハ処理においても欠陥の発生を極
めて少なくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図1】Aは縦型ウェーハ支持ボートの構成を示す斜視説
明図、Bは保持ロッドの斜視説明図である。

【図2】A,Cはウェーハを載置したリング状支持部材の側
面説明図、B,Dはウェーハ状支持部材の平面説明図であ
る。

【図3】リング状支持部材を配置してウェーハを載置し
たウェーハ支持ボートの説明図である。

【符号の説明】

1,2 端板 3 保持ロッド 4 溝部 10 リング状支持部材 11 切欠型リング状支持部材 12 ウェーハ支持ボート 13 棚部 14 ウェーハ

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【手続補正書】

【提出日】平成１２年７月３日（２０００．７．３）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３６

【補正方法】変更

【補正内容】

【0036】

【表1】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４３

【補正方法】変更

【補正内容】

【0043】

【表2】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者草場辰己佐賀県杵島郡江北町大字上小田2201番地住友金属工業株式会社シチックス事業本部内Ｆターム(参考） 5F045 AD15 AD16 BB13 BB14 BB15 DP19 EM08 EM09 HA16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項1】ウェーハを直接支持するための保持構を
有する複数の保持ロッドを含む熱処理用治具において、
保持ロッドが、窒素又は炭素あるいはその両方をそれぞ
れ固溶限界以下含有する単結晶シリコン又は多結晶シリ
コンからなる熱処理用治具。
【請求項2】リング状支持部材を介してウェーハを支
持するための構部又は棚部を有するウェーハ支持ボート
を含む熱処理用治具において、前記リング状支持部材
が、窒素または炭素あるいはその両方をそれぞれ固溶限
界以下含有する単結晶シリコンまたは多結晶シリコンか
らなる熱処理用治具。
【請求項3】窒素濃度が2×10¹²〜5×10¹⁵atoms/cm³、
炭素濃度が5×10¹⁵〜2×10¹⁸atoms/cm³である請求項1又
は請求項2に記載の熱処理用治具。