JP2002164300A - 半導体ウェーハの製造方法 - Google Patents

半導体ウェーハの製造方法

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徳弘 小林
Kazuhisa Takamizawa
和久 高見沢
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ＲＴＡ装置による熱処理を行ってもスリップ
転位の発生を抑制できる熱処理を用いた半導体ウェーハ
の製造方法を提供する。 【解決手段】 半導体ウェーハをＲＴＡ装置により所定
温度で熱処理する工程を有する半導体ウェーハの製造方
法において、前記半導体ウェーハの少なくとも半導体ウ
ェーハを支持する支持治具との接触部分の温度が、半導
体ウェーハの中心部の温度よりも３〜２０℃低くなる様
に制御した状態で熱処理を行うようにした。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウェーハ
（以下、単にウェーハということがある）にＲＴＡ装置
により熱処理を行う工程を有する半導体ウェーハの製造
方法に関し、特に、大直径を有するシリコンウェーハの
スリップ転位の発生を抑制することのできる熱処理方法
に関する。
【０００２】
【関連技術】半導体ウェーハを製造する工程、または、
その半導体ウェーハを用いてデバイスを作製する工程に
おいては、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）装置を
用いて熱処理を行う場合がある。特に近年、半導体ウェ
ーハとして代表的なシリコン単結晶ウェーハの大口径化
が進み、ランプ加熱式などによるＲＴＡ装置を用いた急
速加熱・急速冷却熱処理が頻繁に用いられるようになっ
てきた。
【０００３】ＲＴＡ装置を用いた熱処理としては、例え
ば、ウェーハ表面の欠陥を消滅させるための熱処理、酸
素ドナーを消滅させるための熱処理、浅い拡散層を形成
するための熱処理、薄い酸化膜を形成するための熱処理
（ＲＴＯ：Rapid Thermal Oxidation）などを挙げるこ
とができる。
【０００４】尚、ランプ加熱式の装置を用いた枚葉式の
エピタキシャル成長も、本発明におけるＲＴＡ装置を用
いた熱処理に含めるものとする。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従来、ＲＴＡ装置で熱
処理を行う場合、１０００℃以上の高温ではスリップ転
位（以下、単にスリップということがある。）の発生が
さけられない。ＲＴＡで高温処理したウェーハのスリッ
プは、通常の抵抗加熱式の縦型炉や横型炉（拡散炉）で
処理したウェーハで発生するスリップと同様に、ウェー
ハ裏面からウェーハ表面に抜けていて目視検査やパーテ
ィクルカウンターで検出できる。このようなスリップは
デバイス工程で更に成長しデバイスの歩留まりを低下さ
せる。
【０００６】また、このようなスリップ転位は主に、熱
処理中のウェーハを支持する治具とウェーハとの接触点
から発生するものであるため、その対策として、ウェー
ハを支持する治具の形状や材質を工夫するなど、様々な
方法が用いられある程度減少することは可能であった
が、あまり大きな効果は得られていなかった。
【０００７】近年、熱処理されるウェーハが大口径化
し、ウェーハ周辺部や熱処理治具とウェーハとの接触点
にかかるウェーハの自重による応力が大きくなり、スリ
ップ転位は益々発生しやすい傾向にある。特に、ウェー
ハ表面の欠陥を消滅させるための熱処理には１１００℃
以上の高温が必要であるため、スリップ転位の発生が極
めて生じ易く、その対策が求められている。
【０００８】本発明は、このような問題点を解決するた
めになされたものであり、ＲＴＡ装置による熱処理を行
ってもスリップ転位の発生を抑制できる熱処理を用いた
半導体ウェーハの製造方法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】上記課題を解決するた
め、本発明の半導体ウェーハの製造方法の第１の態様
は、半導体ウェーハをＲＴＡ装置により所定温度で熱処
理する工程を有する半導体ウェーハの製造方法におい
て、前記半導体ウェーハの少なくとも半導体ウェーハを
支持する支持治具との接触部分の温度が、半導体ウェー
ハの中心部の温度よりも３〜２０℃低くなる様に制御し
た状態で熱処理を行うことを特徴とする。
【００１０】また、本発明の半導体ウェーハの製造方法
の第２の態様は、半導体ウェーハをＲＴＡ装置により所
定温度で熱処理する工程を有する半導体ウェーハの製造
方法において、前記熱処理中の半導体ウェーハの温度分
布が、該半導体ウェーハの中心部で所定温度となり、該
半導体ウェーハ中心部から該半導体ウェーハの外周部に
向って所定温度から低下する分布を有し、かつ、該半導
体ウェーハ中心部と該半導体ウェーハを支持する支持治
具との接触部分の温度差が３〜２０℃の範囲になるよう
な温度分布を有する様に制御した状態で熱処理を行うこ
とを特徴とする。
【００１１】このように、スリップ転位が発生しやすい
半導体ウェーハを支持する治具との接触部分（通常はウ
ェーハ外周部）の温度を熱処理の所定温度よりも若干下
げた状態で熱処理することにより、スリップ転位の発生
を抑制することができる。
【００１２】この場合、前記所定温度を１１００〜１３
００℃とすることが好ましい。すなわち、スリップ転位
の成長は１０００℃以上の温度で発生するのに対し、ウ
ェーハ表面の欠陥を消滅させるための熱処理としては１
１００℃以上が必要であるため、熱処理温度を１１００
℃以上に設定すれば、欠陥消滅効果と共に、スリップ転
位の抑制効果が得られるからである。その反面、１３０
０℃以上ではかえってスリップ転位を誘発したり、金属
汚染が発生し易くなるおそれがある。
【００１３】また、本発明をスリップ転位が発生しやす
い直径２００ｍｍや３００ｍｍ、あるいはそれ以上のシ
リコン単結晶ウェーハに適用すると極めて高い効果が得
られる。さらに、本発明を、エピタキシャル成長をする
際のウェーハの面内の温度分布に適用すれば、スリップ
転位の低減された半導体ウェーハであるエピタキシャル
ウェーハが得られる。
【００１４】以下、本発明を発想するに至った経緯を説
明する。従来、ＲＴＡ装置を用いた熱処理を行うに際し
ては、スリップ転位を防止するため、あるいは、表面に
形成する膜（酸化膜やエピタキシャル層）の膜厚を均一
にするために、熱処理中のウェーハの面内温度分布をで
きるだけ均一にすることが行われていた。これは、面内
温度分布を均一にすることにより、熱処理中のウェーハ
にかかる熱応力をできるだけ面内均一にしてスリップ転
位の発生を抑制すること、および、成長する膜の成長速
度をできるだけ面内均一にして膜厚分布を向上させると
いう理由によるものであった。
【００１５】その反面、ＲＴＡを用いたウェーハ製造プ
ロセスやデバイス作製プロセスの中には温度均一性を必
ずしも必要としないものも存在する。しかし、現実には
そのようなプロセスでも温度均一性が良くなる温度制御
を用いるのが一般的であった。
【００１６】一方、スリップ転位に関し本発明者らが詳
細に調査したところ、ＲＴＡにより発生するスリップ転
位はウェーハとウェーハ支持具との接触部分を起点とし
て発生するか、ウェーハ外周部からの発生であることが
わかった。また、このようなスリップ転位は１０００℃
以上の高温熱処理で発生し、発生するスリップ転位の大
きさ（長さ）は、より高温になるほど大きくなることが
わかった。
【００１７】以上の知見に基づき本発明者らは、熱処理
中におけるウェーハの面内温度分布の均一性にとらわれ
ることなく、スリップ転位の起点となるウェーハとウェ
ーハ支持具との接触部分の温度を周囲の温度に比べて若
干低下させれば、スリップ転位の発生を抑制できるので
はないかと発想し本発明に到ったものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】本発明方法において、シリコンウ
ェーハを急速加熱・急速冷却できる装置の代表例とし
て、熱放射によるランプ加熱装置を挙げることができる
が、本発明で好適に用いられるシリコンウェーハの急速
加熱・急速冷却装置（ＲＴＡ装置）の一例を図２によっ
て説明する。図２はＲＴＡ装置の一例を示す概略説明図
である。
【００１９】図２において、１０は熱処理装置、換言す
れば、ＲＴＡ装置である。この熱処理装置１０は、石英
からなるチャンバー１１を有し、このチャンバー１１内
でウェーハ１８を熱処理するようになっている。加熱
は、チャンバー１１を上下左右から囲繞するよう配置さ
れた加熱ランプ１２によって行う。この加熱ランプ１２
はそれぞれ独立に供給される電力を制御できるようにな
っている。
【００２０】このチャンバー１１のガスの導入側にはガ
ス導入口１９が設けられ、ガスの排気側には、オートシ
ャッター１３が装備され、外気を封鎖している。オート
シャッター１３には、ゲートバルブによって開閉可能に
構成される不図示のウェーハ挿入口が設けられている。
また、オートシャッター１３にはガス排気口２０が設け
られており、炉内雰囲気を調整できるようになってい
る。
【００２１】そして、ウェーハ１８は支持治具、例えば
石英トレイ１４に形成された３点支持部１５の上に配置
される。石英トレイ１４のガス導入口側には、石英製の
バッファ１６が設けられており、ガス導入口１９から導
入されたガスがウェーハ１８に直接当たるのを防ぐこと
ができる。
【００２２】また、チャンバー１１には不図示の温度測
定用特殊窓が設けられており、チャンバー１１の外部に
設置されたパイロメータ１７により、その特殊窓を通し
てウェーハ１８の温度を測定することができる。
【００２３】以上のような熱処理装置１０によって、ウ
ェーハ１８を急速加熱・急速冷却する処理は次のように
行われる。
【００２４】まず、熱処理装置１０に隣接して配置され
る、不図示のウェーハハンドリング装置によってウェー
ハ１８を不図示のウェーハ挿入口からチャンバー１１内
に入れ、石英トレイ１４上に配置した後、オートシャッ
ター１３を閉める。そして、加熱ランプ１２に電力を供
給し、ウェーハ１８を、例えば、１１５０〜１３５０℃
の所定の温度に昇温する。この際、目的の温度になるま
でに要する時間は例えば２０秒程度である。
【００２５】次に、その温度において所定時間保持する
ことにより、ウェーハ１８に高温熱処理を加えることが
できる。所定時間経過し高温熱処理が終了したなら、加
熱ランプ１２の出力を下げウェーハ１８の温度を下げ
る。この降温も例えば２０秒程度で行うことができる。
最後に、ウェーハハンドリング装置によってウェーハを
取り出すことにより、熱処理を完了する。
【００２６】本発明においては、主に加熱ランプ１２の
出力を調整することにより、目的の熱処理温度に対し
て、ウェーハ１８の少なくとも、支持治具、例えば石英
トレイ１４の支持部１５との接触部分の温度が他の部分
よりも３〜２０℃低くなるような面内温度分布になるよ
うに調節する。
【００２７】また、支持部１５がウェーハ１８と接触す
る部分はウェーハ１８の外周寄りに設けられるのが一般
的であるので、ウェーハ１８の面内温度分布として、ウ
ェーハ１８の中心部で目的の温度となり、ウェーハ１８
の中心部からウェーハ１８の外周部に向って徐々に低下
し、かつ、中心部とウェーハ１８を支持する支持治具、
例えば石英トレイ１４の支持部１５との接触部分の温度
差が３〜２０℃の範囲になるような温度分布になるよう
な設定であれば、容易に温度分布の制御を行うことがで
きる。
【００２８】また、上記ランプ加熱方式のような急速加
熱・急速冷却を行ってエピタキシャル層を堆積するエピ
タキシャル成長装置であれば、エピタキシャル成長中の
ウェーハ面内の温度分布を上記の通り設定することによ
り、スリップ転位の発生が抑制されたエピタキシャルウ
ェーハを得ることができる。
【００２９】また、本発明において熱処理を行う半導体
ウェーハとしては、直径２００ｍｍや３００ｍｍ、ある
いはそれ以上の大直径のシリコン単結晶ウェーハに適用
すると極めて高い効果が得られるが、これらに限定され
ず、これらよりも小直径のシリコン単結晶ウェーハ、あ
るいは、ＧａＰやＧａＡｓのような化合物半導体ウェー
ハに適用することもできる。
【００３０】
【実施例】以下、実験例を挙げて本発明をさらに具体的
に説明する。
【００３１】（実験例１）ここではＲＴＡ装置としてAp
plied Materials社製のRTP Centuraを用いた。熱処理を
行う半導体ウェーハとして、直径３００ｍｍ、ｐ型、方
位（１００）、抵抗率１０Ωｃｍのシリコン単結晶ウェ
ーハを用いた。
【００３２】図３は、本実験例で使用したＲＴＡ装置５
０の断面構造を示す概略図である。ＲＴＡ装置５０は、
金属製チャンバー２１を有し、このチャンバー２１内で
ウェーハ２８を熱処理するようになっている。加熱は、
チャンバー２１の上部に配置された加熱ランプ２２によ
って行なう。このランプは、装置上部からみると蜂の巣
状に配置されており、それぞれ独立に供給される電力を
制御できるようになっている。
【００３３】このチャンバー２１のガスの導入側にはガ
ス導入口２９が設けられ、ガスの排気側にはオートシャ
ッター２３が装備され、外気を封鎖している。オートシ
ャッター２３は、ゲートバルブによって開閉可能に構成
される不図示のウェーハ挿入口が設けられている。ま
た、オートシャッター２３にはガス排気口３０が設けら
れており、炉内雰囲気を調整できるようになっている。
【００３４】そして、ウェーハ２８はＳｉＣ製のリング
状トレイ２４の上に配置され、熱処理中にリング状トレ
イ２４と共に水平方向に回転する構造になっている。リ
ング状トレイ２４のガス導入口２９側には、ＳｉＣ製の
バッファ２６が設けられており、導入ガスがウェーハ２
８に直接当たるのを防ぐことができる。
【００３５】また、ウェーハ２８の下部には温度センサ
ー２７が、ウェーハ２８の中心から外周部にかけて７本
設置してあり、ウェーハ２８の中心から外周部の温度分
布を測定することができ、この測定値を加熱ランプ２２
の出力にフィードバックすることにより、所望の温度分
布を得ることができる。
【００３６】熱処理条件は、目標とする熱処理温度を１
０００℃、１０５０℃、１１００℃、１１５０℃、１２
００℃の５条件とし、乾燥酸素１００％雰囲気で熱処理
時間はいずれも３０秒とした。
【００３７】ウェーハと支持治具（リング状トレイ２
４）の接触部分は、ウェーハ外周から約２ｍｍの部分
（リング状に支持）であるので、ウェーハ外周部（温度
センサー２７の最外周部）の温度設定を中心部より２．
５〜２０℃低く設定するようにランプ出力を調整した。
尚、外周部と中心部の間の領域の温度設定はウェーハ中
心部から外周部向って直線的に低下するように温度勾配
を付け設定した。
【００３８】また、比較のため、ウェーハ外周部と中心
部が均一な温度（温度差０℃）、または、ウェーハ外周
部の温度設定を中心部より２．５〜２０℃高く設定する
ようにランプ出力を調整した実験も行った。
【００３９】この様な温度設定を行いウェーハを熱処理
した後、発生したスリップ転位を表面検査装置（KLA-Te
ncor社製 Surf Scan SP1）を用いて観察し、全スリップ
転位の長さを測定した。
【００４０】図１に、熱処理中のウェーハ中央部と外周
部の温度差とスリップ転位のトータル長さ（スリップの
長さ）の関係をプロットした。尚、スリップ転位の長さ
は、熱処理温度が１２００℃で、ウェーハ中央部と外周
部の温度差が０℃の場合の長さを1として規格化した。
【００４１】図１の結果から、いずれの熱処理温度であ
っても、外周部（ウェーハと支持具との接触部）の温度
がウェーハ中央部の温度に比べて３〜２０℃低い場合に
スリップ転位の発生が極めて抑制されていること、特に
熱処理温度が１１００℃以上でその効果が顕著に得られ
ることがわかる。
【００４２】尚、ウェーハ中央部の温度に比べて外周部
が２０℃よりも低い場合には、ウェーハ面内の温度差に
起因した熱応力によりスリップ転位が発生しやすくなる
こと、および、スリップ転位以外の他の特性、例えば、
ウェーハ表面欠陥の除去や堆積膜厚バラツキなどの面内
バラツキが極端に悪化することなどを別の実験により確
認した。
【００４３】尚、本発明は上記実施形態に限定されず、
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】例えば、上記実験例では、ウェーハ外周部
と中心部の間の領域の温度設定は、ウェーハ中心部から
外周部に向って直線的に低下するように温度勾配を設定
したが、このような温度勾配に限定されず、一定領域毎
にステップ状に低下する様な温度勾配としてもよいし、
外周部１０ｍｍ程度のみの温度を３〜２０℃低くなるよ
うに設定してもよい。これらの設定は、必要とされる熱
処理条件（熱処理温度、熱処理時間、熱処理雰囲気、昇
降温速度等）に合せて、スリップ転位の発生が最小にな
るように適宜設定することができる。
【００４５】また、上記実験例では図３に記載されたＲ
ＴＡ装置を用いたが、この装置の他にも図２の装置や、
これらと全く構造の異なるＲＴＡ装置を用いることもで
きる。
【００４６】
【発明の効果】上述したごとく、本発明によれば、ＲＴ
Ａ装置による熱処理を行ってもスリップ転位の発生を抑
制できるという効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実験例１における熱処理中のウェーハ中央部
と外周部の温度差とスリップ転位のトータル長さの関係
を示すグラフである。
【図２】 急速加熱・急速冷却装置（ＲＴＡ装置）の一
例を示す概略説明図である。
【図３】 実験例１で使用したＲＴＡ装置の断面構造を
示す概略説明図である。
【符号の説明】
１０，５０：ＲＴＡ装置、１１，２１：チャンバー、１
２，２２：加熱ランプ、１３，２３：オートシャッタ
ー、１４：支持治具（石英トレイ）、１５：３点支持
部、１６，２６：バッファ、１７：パイロメータ、１
８，２８：ウェーハ、１９，２９：ガス導入口、２０，
３０：ガス排気口、２４：リング状トレイ、２７：温度
センサー。

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体ウェーハをＲＴＡ装置により所定
    温度で熱処理する工程を有する半導体ウェーハの製造方
    法において、前記半導体ウェーハの少なくとも半導体ウ
    ェーハを支持する支持治具との接触部分の温度が、半導
    体ウェーハの中心部の温度よりも３〜２０℃低くなる様
    に制御した状態で熱処理を行うことを特徴とする半導体
    ウェーハの製造方法。
  2. 【請求項２】 半導体ウェーハをＲＴＡ装置により所定
    温度で熱処理する工程を有する半導体ウェーハの製造方
    法において、前記熱処理中の半導体ウェーハの温度分布
    が、該半導体ウェーハの中心部で所定温度となり、該半
    導体ウェーハ中心部から該半導体ウェーハの外周部に向
    って所定温度から低下する分布を有し、かつ、該半導体
    ウェーハ中心部と該半導体ウェーハを支持する支持治具
    との接触部分の温度差が３〜２０℃の範囲になるような
    温度分布を有する様に制御した状態で熱処理を行うこと
    を特徴とする半導体ウェーハの製造方法。
  3. 【請求項３】 前記所定温度が１１００〜１３００℃で
    あることを特徴とする請求項１または請求項２に記載さ
    れた半導体ウェーハの製造方法。
  4. 【請求項４】 前記半導体ウェーハが直径２００ｍｍ以
    上のシリコン単結晶ウェーハであることを特徴とする請
    求項１から請求項３のいずれか１項に記載された半導体
    ウェーハの製造方法。
  5. 【請求項５】 前記熱処理がエピタキシャル成長である
    ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項
    に記載された半導体ウェーハの製造方法。
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