JP2002231726A

JP2002231726A - シリコンウェーハの熱処理方法

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Publication number: JP2002231726A
Application number: JP2001025468A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Endo; 昭彦遠藤; Tatsumi Kusaba; 辰己草場; Tamio Motoyama; 民雄本山; Yoshinori Shirakawa; 義徳白川; Naoki Ikeda; 直紀池田
Original assignee: Sumitomo Mitsubishi Silicon Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2001-02-01
Filing date: 2001-02-01
Publication date: 2002-08-16

Abstract

(57)【要約】【課題】ウェーハとの接触等によるスリップ、パーテ
ィクルの発生、並びにそれに伴うウェーハの欠陥発生を
防止して、水素又はアルゴン雰囲気中で高温熱処理する
ことが可能なシリコンウェーハの熱処理方法。【解決手段】シリコンを基材とした熱処理用ボート表
面に所要厚みのＳｉＯ₂膜を設けることにより、比較的
柔らかいＳｉＯ₂膜が緩衝材の機能を果たしてスリップ
を抑制でき、このボートをウェーハ表面近傍の結晶欠陥
を低減することが可能な水素またはアルゴン雰囲気中で
の高温熱処理に適用することでデバイス特性の優れたウ
ェーハを提供できる。

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、半導体デバイス
の製造に使用されるシリコンウェーハの製造方法、特に
表面近傍の欠陥が少ない高品質のウェーハをスリップの
発生を抑制して熱処理するシリコンウェーハの熱処理方
法に関する。

【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シリコンウェーハ
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ために水素又はアルゴン雰囲
気で１０００℃以上あるいは１１００℃以上の高温熱処
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主に
使用されている。この際、問題となるのがスリップの発
生である。

【０００４】シリコンウェーハに発生したスリップは、
デバイス特性に対してその特性を劣化させることが一般
に知られており、その対策としてウェーハを支持するボ
ートの改善が行われている。

【０００５】従来、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、シリコンを用いた構成となっている（特開昭６０−
１０７８４３号など参照）。

【０００６】

【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、１１００℃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。そこで、１１００℃以上の高
温処理に耐え得る素材としてＳｉＣが検討された。

【０００７】当初、ＳｉＣ母材より金属不純物が熱処理
中に拡散し、ウェーハ汚染する問題が生じた。しかしな
がら、例えば特開平３‐１５３８７６号公報などで述べ
られているように、表面をＳｉＣのＣＶＤコートを施す
ことにより改善されている。

【０００８】また、ＳｉＣ焼結体の表面にＳｉを含浸さ
せたＳｉＣ複合材料からなるボートの表面に、ＨＦで酸
化膜を形成し、熱処理時に金属不純物によるウェーハ汚
染を防止する方法が提案（特開平１０‐１９４８７６号
公報）されている。

【０００９】しかしながら、ＳｉＣはウェーハ材料であ
るシリコンと比較して高硬度であること、熱膨張係数が
異なること、さらにはＣＶＤコート表面に微少な凹凸が
存在することなどの原因により、シリコンとの接触面で
シリコンに傷またはパーティクルが発生しやすい。その
結果、これらを起点としてスリップが容易に発生すると
いう問題が生じる。

【００１０】そこで汚染の問題及びスリップの発生を抑
制するため、シリコン製熱処理ボートが開発された。シ
リコン製のボートの場合、多結晶シリコン又は単結晶シ
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。

【００１１】しかしながら、ＳｉＣボートと比較してそ
の発生確率は小さいものの、積載するウェーハとの接触
傷および昇降温中のウェーハ面内の温度勾配によるウェ
ーハの反り、ばたつき等によるパーティクルや接触傷が
発生する。その結果、ウェーハの欠陥＝スリップという
問題が生じていた。

【００１２】また、ボート表面自体にも、発生したパー
ティクルの固着及び接触傷などによる凸凹が、熱処理を
繰り返し行うことで増加する。これらが積載したウェー
ハの応力集中点となり、スリップの頻度、長さが増加す
る問題があった。

【００１３】この発明は、デバイス特性の優れたシリコ
ンウェーハを得るため、ウェーハとの接触等によるスリ
ップ、パーティクルの発生、並びにそれに伴うウェーハ
の欠陥発生を防止して、水素又はアルゴン雰囲気中で高
温熱処理することが可能なシリコンウェーハの熱処理方
法を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】発明者らは、シリコンを
基材とした熱処理用ボートにおけるスリップの発生の低
減を目的に種々検討した結果、ボート表面に所要厚みの
ＳｉＯ₂膜を設けることにより、比較的柔らかいＳｉＯ₂
膜が緩衝材の機能を果たしてスリップの抑制に極めて有
効であり、このボートをウェーハ表面近傍の結晶欠陥を
低減することが可能な水素またはアルゴン雰囲気中での
高温熱処理に適用することでデバイス特性の優れたウェ
ーハを提供できることを知見し、この発明を完成した。

【００１５】すなわち、この発明は、単結晶又は多結晶
シリコンを基材とし、少なくともシリコンウェーハと接
触予定表面に酸化膜を形成させた熱処理用ボートを用
い、これに載置したシリコンウェーハを水素又はアルゴ
ンあるいはその混合雰囲気で１０５０℃以上の温度領域
に３０ｍｉｎ以上保持することを特徴とするシリコンウ
ェーハの熱処理方法である。

【００１６】また、この発明は、上記の構成の熱処理方
法において、熱処理雰囲気が、アルゴンガス、１０５０
℃〜１２５０℃の温度領域である方法、熱処理雰囲気
が、水素ガス、１０５０℃〜１２００℃の温度領域であ
る方法、１０００℃以上の温度領域への昇温速度が４℃
／ｍｉｎ以下、１１００℃以上の温度領域への昇温速度
が２℃／ｍｉｎ以下である方法、酸化膜厚みが、１μｍ
〜５μｍである方法、を併せて提案する。

【００１７】

【発明の実施の形態】この発明は、シリコンを基材とし
た熱処理用ボートの表面に所要厚みの酸化膜を設けてこ
の膜の緩衝材としての機能を利用して、被処理ウェーハ
へのスリップの発生を抑制することを特徴としている。

【００１８】酸化膜は、粘弾性体として振る舞うことが
知られており、特に１０００℃以上の温度では高温では
粘性係数が下がるため粘性流動が生じる。この発明は、
シリコンウェーハ表面近傍の品質改善するための熱処理
条件と前記温度領域が一致することを有効に活用するも
ので、ウェーハとボート母材の間に柔らかいシリコン酸
化膜が存在することにより、酸化膜が緩衝材の働きを果
たすものである。

【００１９】また発明者らは、ボート表面に多少の凹凸
が存在したり、ウェーハのそり発生によってボー卜表面
とウェーハが擦れた場合でも、酸化膜の存在によりウェ
ーハヘのダメージが低減でき、その結果スリップの発生
が抑制されること知見した。

【００２０】この発明において使用する熱処理用ボート
は、単結晶又は多結晶シリコンを基材とするものであれ
ば、実施例に示す縦型ボートの構成の他、横型炉で使用
する横型ボートなど公知のいずれの構成であっても採用
することができる。

【００２１】熱処理用ボート表面に上記酸化膜の形成す
る方法としては、シリコンを基材とした熱処理用ボート
本体あるいは組立式ボートの場合にはその部材を、酸化
性雰囲気中で熱処理する方法が挙げられる。この場合
は、シリコンウェーハ熱処理炉中に設置し、その場で熱
酸化できるという簡便性、経済性に優れ、非酸化性雰囲
気での高温熱処理において、酸化膜が還元またはエッチ
ングにより薄くなった場合でも、ボートを炉より取り外
すことなく、繰り返し酸化膜を形成することが可能であ
る。

【００２２】また、ＴＥＯＳ（ＴｅｔｒａＥｔｈｌＯｒ
ｔｈｏＳｉｃａｔｅ）等を原料とした熱ＣＶＤにより、
容易にシリコン酸化膜を形成することもできる。熱ＣＶ
Ｄの場合は、成膜時の母材シリコンを消費しないため、
繰り返しの洗浄作業への耐久性に優れる。

【００２３】この発明において、酸化膜中に捕獲された
熱処理炉またはウェーハ等の金属汚染をＨＦ洗浄で酸化
膜ごと取り除くことが可能であり、ボートの清浄度を長
期間保持できる。

【００２４】熱処理用ボート表面に設ける酸化膜の厚さ
は、０．１μｍ以上の厚さがあると緩衝材としての機能
を果たすことができ、当該効果をより高めるためには、
１μｍ以上の膜厚が好ましい。換言すれば、通常シリコ
ン表面に形成される厚さが１０Å〜３０Åである自然酸
化膜ではその厚さが薄いため、この発明の技術思想のボ
ートとウェーハ間の緩衝材としての機能はなく、０．１
μｍ以上の厚みの酸化膜を形成する必要がある。

【００２５】その一方、酸化膜のスリップに対する効果
は、膜厚が厚いほど効果的であるが、シリコンと熱酸化
膜とは熱膨張係数が異なり、酸化膜が厚すぎると、室温
では酸化膜に大きな圧縮応力が働き、酸化膜の剥離、パ
ーティクルの発生の原因となるため、酸化膜の厚さは５
μｍが上限であり、さらに酸化膜形成コストを考慮する
と３μｍ以下が好ましい。

【００２６】従って、この発明では、熱処理用ボート表
面に設ける酸化膜は、被処理ウェーハと接触する、例え
ば保持溝（図１Ｂ，２参照）にのみ前述の厚みで形成す
れば、十分な効果が期待できる。

【００２７】この発明は、上述の構成の熱処置用ボート
を用い、水素またはアルゴンまたはこれらの混合雰囲気
中で高温熱処理をすることにより、ウェーハ表面近傍の
結晶欠陥を消滅させるプロセスに適用する。

【００２８】このため、ウェーハ中の固溶酸素を外方拡
散させることによりウェーハ表面近傍でのシリコン酸素
化合物の析出抑制が可能な温度である１０５０℃以上が
熱処理温度領域となる。また、かかる効果を得るには少
なくとも３０分以上保持する必要がある。

【００２９】一方、高温側では、水素またはアルゴンな
どの高温還元雰囲気によるボート表面のＳｉＯ₂被覆膜
のエッチング速度が実用上十分小さくなる温度で制限さ
れ、その温度は１３００℃以下、好ましくは１２５０℃
以下である。

【００３０】酸素析出物のみならず熱処理温度として
は、ウェーハ自身が有する結晶欠陥であるＣＯＰが高温
還元雰囲気で消滅し得る１１００℃以上であり、またよ
り還元性の強い水素雰囲気下でのＳｉＯ₂被覆膜の耐久
性を考慮すると、１２００℃以下がより好ましい。

【００３１】一般に、スリップはボートの構造、材質の
みならず昇温速度によっても影響されることが知られて
いる。すなわち、昇温速度が大きくなるほどウェーハ面
内の温度勾配が大きくなり、この熱応力によりスリップ
が発生する。通常の熱処理用ボート構造では、ボートと
ウェーハとの接触面（点）がスリップの起点となり、熱
応力、自重応力などが加わってスリップが発生、成長す
る。

【００３２】しかしこの発明では、熱処理用ボートに所
定のシリコン酸化膜を設けるため、スリップの起点とな
るボートとの接触面での傷がつき難くなることから、従
来より昇温速度を大きくできるという効果がある。

【００３３】すなわち、２００ｍｍ（８″φ）ウェーハ
を使用した際、従来の酸化膜のないボートでは、スリッ
プ抑制のために１０００℃以上の温度領域を２℃／ｍｉ
ｎ以下、１１００℃以上を１℃／ｍｉｎ以下にする必要
があった。ところがこの発明により、１０００℃以上で
は最高４℃／ｍｉｎ、１１００℃以上では最高２℃／ｍ
ｉｎの昇温速度で、従来ボートと同程度のスリップ発生
に抑えることが可能となった。

【００３４】

【実施例】実施例１図１に示す縦型熱処理用ボートは、上下一対の円形の平
板１ａ，１ｂは、互いに平行に配置され、４本の保持ロ
ッド２の両端部を平板１ａ，１ｂの各対向面に装着固定
して一体に組立てある。また各保持ロッド２には、ウェ
ーハを水平に保持するための保持溝３が所定間隔で刻設
してある。実施例では、前記平板１ａ，１ｂはＣＺ法に
より作製された単結晶シリコン板、保持ロッド２は多結
晶シリコン棒を使用した。

【００３５】実施例１−１では、上記シリコンボートを
縦型熱処理炉に装入し、酸化雰囲気中１２００℃、１５
ｈｒの熱処理を行い、シリコンボート表面に３μｍの酸
化膜を作成した。また、実施例１−２〜１−５では、上
記シリコンボートに熱ＣＶＤにより０．１μｍから１０
μｍ厚さの種々厚みの酸化膜を形成した。

【００３６】保持ロッド２の各保持溝３の上面４にはシ
リコン酸化膜が形成されており、ここにウェーハ５を配
置した際に該酸化膜を介してウェーハ５が保持溝３に載
置されることとなる。

【００３７】また、比較用として酸化膜を設けない上記
シリコンボートを使用した。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
〜１２Ωｃｍ、含有酸素量１０〜１４×１０¹⁷／ｃｃ
［ＯｌｄＡＳＴＭ］）を用いた。

【００３８】上記の各種熱処理用ボートに、各々上記評
価用シリコンウェーハを５０枚搭載し、６００℃に保持
した縦型炉に１００ｍｍ／ｍｉｎの速度で投入、その後
１０００℃まで１０℃／ｍｉｎで昇温、１２００℃まで
２℃／ｍｉｎで昇温、１ｈｒ保持後、昇温と同じ冷却速
度で冷却した。縦型炉の熱処理雰囲気は、Ａｒガス１０
０％を使用した。

【００３９】この熱処理を各ボートで５回づづ実施し、
これら熱処理ウェーハの内、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Ｘ線トポグラフィーによりスリップ評価
を、また面検機（ＳＦＳ６２２０）によりウェーハ表面
のサイズ２μｍ以上のパーティクルを評価した。表１に
スリップの最大長さ及び積算長さの５回の平均値および
パーティクル数を示す。

【００４０】

【表１】

【００４１】表１に明らかなように、シリコン製の熱処
理用ボート表面をシリコン酸化膜で被覆することによ
り、スリップの発生が抑制されることが分かる。しかし
ながら、酸化膜の膜厚が１０μｍの場合は、酸化膜の剥
離と考えられるウェーハ表面に多くのパーティクルが存
在する。

【００４２】実施例２実施例１−１と同様の熱処理用ボートを用いて、実施例
１と同様条件のＡｒガス１００％雰囲気の熱処理を施す
際に、１０００℃以上、１１００℃までの昇温速度を２
℃／ｍｉｎから５℃／ｍｉｎまで変化させ、１１００℃
から１２００℃までは２℃／ｍｉｎ固定で昇温した。比
較例は酸化膜を設けない熱処理ボートを使用する以外、
昇温速度を同様条件として実施した。この時のスリップ
評価結果を表２に示す。表２に明らかなように、同じ昇
温速度で比較すると、該ボート表面に酸化膜を設けると
スリップ発生が抑制されることが分かり、高温熱処理で
の処理時間の低減も可能となる。

【００４３】実施例３実施例１−１と同様の熱処理用ボートを用いて、実施例
１と同様条件のＡｒガス１００％雰囲気の熱処理を施す
際に、１０００℃から１１００℃までは２℃／ｍｉｎ固
定で昇温し、１１００℃以上、１２００℃までの昇温速
度を１℃／ｍｉｎから３℃／ｍｉｎまで変化させた。比
較例は酸化膜を設けない熱処理ボートを使用する以外、
昇温速度を同様条件として実施した。この時のスリップ
評価結果を表３に示す。表３に明らかなように、同じ昇
温速度で比較すると、該ボート表面に酸化膜を設けると
スリップ発生が抑制されることが分かり、高温熱処理で
の処理時間の低減も可能となる。

【００４４】

【表２】

【００４５】

【表３】

【００４６】実施例４実施例１と同様条件の熱処理を実施する際に、熱処理雰
囲気をＡｒ又はＨ₂ガス雰囲気下とし、最高温度を１０
００℃から１３００℃、保持時間を１０ｍｉｎから１ｈ
ｒまで種々変えて熱処理を行った。熱処理用ボート条件
は実施例１−１と同じであり、昇温速度は１０００℃〜
１２００℃を２℃／ｍｉｎ、１２００℃以上を１℃／ｍ
ｉｎとした。評価は、実施例１と同様に最大スリップ長
を測定し、またテンコール製ＳＰ１を用い、０．０９μ
ｍ以上のサイズのＬＰＤ（光散乱粒子）を評価した。

【００４７】Ａｒ又はＨ₂ガス雰囲気両方共に、１００
０℃ではＬＰＤが１００個以上と大きい。そこでウェー
ハ断面および表面を観察した結果、酸素析出物およびＣ
ＯＰが表面近傍に存在することが分かった。

【００４８】また、Ａｒ雰囲気では１２５０℃までは、
ＬＰＤ数は殆ど変化しなかったが、１３００℃処理では
ＬＰＤ数が増加し、スリップも急激に成長している。一
方、水素雰囲気中では、１２００℃からＬＰＤおよびス
リップが増加する傾向にあることが分かる。

【００４９】上記結果は、熱処理温度がより高温となる
とボート表面の酸化膜がエッチングされ、ウェーハとボ
ート間の緩衝材としての効果がなくなってスリップが発
生、また接触によるパーティクルおよび剥がれたＳｉＯ
₂膜がＬＰＤとして計測されたためであり、その影響は
特に還元性の強い水素雰囲気で顕著である。また、ウェ
ーハ表面近傍の結晶欠陥を低減するためには、１０５０
℃、３０ｍｉｎ以上の熱処理が必要であることが明らか
である。

【００５０】

【表４】

【００５１】

【発明の効果】この発明により、ウェーハとの接触等に
よるスリップ、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して、水素又はアルゴン雰囲気など
で高温熱処理することで、デバイス特性の優れたシリコ
ンウェーハを提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ａは縦型熱処理用ボートの構成を示す斜視説明
図であり、Ｂは保持ロッドに設けられたウェーハ保持用
の溝を示す保持ロッドの斜視説明である。

【図２】保持ロッドとウェーハの接触面近傍のを示す模
式説明図である。

【符号の説明】

１ａ，１ｂ平板２保持ロッド３ウェーハ保持構４上面５ウェーハ

フロントページの続き (72)発明者本山民雄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 (72)発明者白川義徳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 (72)発明者池田直紀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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単結晶又は多結晶シリコンを基材とし、
少なくともシリコンウェーハと接触予定表面に酸化膜を
形成させた熱処理用ボートを用い、これに載置したシリ
コンウェーハを水素又はアルゴンあるいはその混合雰囲
気で１０５０℃以上の温度領域に３０ｍｉｎ以上保持す
るシリコンウェーハの熱処理方法。
【請求項２】熱処理雰囲気が、アルゴンガス、１０５
０℃〜１２５０℃の温度領域である請求項１に記載のシ
リコンウェーハの熱処理方法。
【請求項３】熱処理雰囲気が、水素ガス、１０５０℃
〜１２００℃の温度領域である請求項１に記載のシリコ
ンウェーハの熱処理方法。
【請求項４】１０００℃以上の温度領域への昇温速度
が４℃／ｍｉｎ以下、１１００℃以上の温度領域への昇
温速度が２℃／ｍｉｎ以下である請求項１に記載のシリ
コンウェーハの熱処理方法。
【請求項５】酸化膜厚みが、１μｍ〜５μｍである請
求項１に記載のシリコンウェーハの熱処理方法。