JP2002324801A - 炉内のガスフローパターン認識方法 - Google Patents

炉内のガスフローパターン認識方法

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JP2002324801A
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furnace
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silicon wafer
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Sunao Nakasugi
直 中杉
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Shin Etsu Handotai Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱処理炉や反応炉といった炉内でのガスフロ
ーを容易に把握することを可能とする炉内のガスフロー
パターン認識方法を提供する。 【解決手段】 熱処理炉7内に配置したシリコンウェー
ハ2に対し、水素雰囲気中で熱処理を施し、この熱処理
後のシリコンウェーハ2の表面近傍におけるキャリア濃
度の面内分布を、SPV法により測定する。この測定し
た面内分布(図3)に基づき、熱処理炉7内のガスフロ
ーパターンを認識する。この認識結果に基づき、熱処理
7内のガスフローパターンを制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば熱処理炉や
反応炉といった炉内のガスフローパターン認識方法に関
する。
【0002】
【従来の技術】半導体単結晶基板に対し各種の熱処理を
行うための熱処理炉や、半導体単結晶基板上に気相エピ
タキシャル成長を行うための気相成長装置の反応炉とい
った炉内では、半導体単結晶基板上に所望の成分のガス
を供給するためのガスフローを形成することが一般的で
ある。このガスフローのパターン如何によっては、例え
ば熱処理による各種反応が均一に行われなかったり、半
導体単結晶基板上でエピタキシャル層が均一に形成され
なかったりする可能性があるため、炉内でのガスフロー
パターンは重要なパラメータであった。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来
は、例えばシミュレーションに基づき熱処理炉や反応炉
内のガスフローパターンを推測するしかなく、ガスフロ
ーパターンを把握することが困難であった。このため、
炉の形状、ガス吹き出し口の位置、形状および口径、ボ
ートやサセプタの形状など、ガスフローパターンに関わ
る設計、あるいは、導入ガスの流量や炉内の温度など、
ガスフローパターンに関わる設定を行う際によりどころ
となるものがなかった。それゆえ、炉内でのガスフロー
パターンを容易に把握する方法が望まれていた。
【0004】この発明は、上記のような問題点を解決す
るためになされたもので、熱処理炉や反応炉といった炉
内でのガスフローパターンを容易に把握することを可能
とする炉内のガスフローパターン認識方法を提供するこ
とを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明の炉内のガスフローパターン認識方法は、半
導体単結晶基板を炉内に配置し、所定条件で熱処理を施
し、この熱処理後の半導体単結晶基板のキャリア濃度の
面内分布を、SPV法により測定し、この測定した面内
分布に基づき、炉内のガスフローパターンを認識するこ
とを特徴としている。前記熱処理は、例えば水素雰囲気
中で行う。
【0006】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明に
係る実施の形態について説明する。
【0007】<測定原理の説明>先ず、SPV(surfac
e photo voltage;表面光電圧)法の測定原理について
説明する。図1に示すように、半導体単結晶基板として
例えばp型のシリコンウェーハ2に、シリコンのバンド
ギャップエネルギー以上のエネルギーを持つ光5a(例
えば、波長λが450nm程度)を照射しながら、該シ
リコンウェーハ2に電圧をかけると、波長に応じた深さ
の領域R(例えば0.4μm程度の浅い領域R)でプラ
スとマイナスの過剰キャリアが発生し、電子3(マイナ
スのキャリア)は表面側へ移動する一方、ホール4(プ
ラスのキャリア)は空乏層21の端へと、お互いの斥力
により移動する。この際、発生した少数キャリア(電子
3)は、シリコンウェーハ2の表面の障壁高さをδVs
だけ変化させる。SPV法では、このδVs(抵抗率の
変化量)を測定し、以下の(1)式を用いて空乏層幅W
dを算出する。 δVs=−j(δφ/ω)(1−R)q(Wd/εs)・・・・・・(1) ここで、jは虚数単位、φは励起光強度、ωは励起光の
角周波数、Rはシリコンウェーハ2の表面の反射率、q
は単位電荷量、εsはシリコンウェーハ2の誘電率であ
る。さらに、測定された空乏層21の幅Wdが最大空乏
層幅Wmaxと仮定して、以下の式(2)を用いてキャリ
ア濃度Nsを算出する。
【数1】 ここで、kはボルツマン定数、Tは温度、Niは真性自
由キャリア濃度である。なお、SPV法については、特
開平10−270517号にも詳しく記載されている。
このようなSPV法によれば、シリコンウェーハ2の表
面近傍の(例えば表面から0.4μm程度の浅い領域
の)キャリア濃度を迅速・簡便かつ非接触で測定するこ
とができる。
【0008】<測定装置の説明>SPV法の具体的な測
定装置としては、例えばSCP(surface charge profi
ler;QC solutions社製)を用いることが
できる。図1に示すように、SPV測定装置は、シリコ
ンウェーハ2に光を照射するための光源5と、シリコン
ウェーハ2にバイアス電圧を印加するための電圧源(図
示略)と、表面の電位障壁の変化量を測定する電位障壁
変化量測定手段6とを備えている。このうち、光源5
は、例えば波長λ=450nmの光を幅2mmに亘って
照射可能なガリウムナイトライドLEDによる発光を、
周波数40KHz〜50KHzでチョッピングした断続
光として、照射可能なものである。また、電位障壁抵抗
率変化量測定手段6は、光源5からの照射光5aを透過
する透明電極61と、シリコンウェーハ2を挟んで透明
電極61と対向配置される基準電極62と、電位障壁変
化量検知器63とを備える。ここで、透明電極61とシ
リコンウェーハ2の表面との間隔Kは、例えば100μ
mとなるように設定されている。そして、SPV測定に
より得られた電位障壁変化量δVsから、(1)式と
(2)式を用いて空乏層幅Wdとキャリア濃度Nsを算出
する。
【0009】<熱処理炉の説明>図2に示す熱処理炉7
は、いわゆる縦型炉といわれるものであり、外管71
と、この外管71の周囲に配された加熱手段75と、外
管71内の内管72と、この内管72内の上部にガスを
導入するためのガス導入路73と、内管72内の下部か
らガスを排気するための排気路74と、を備えて概略構
成されている。従って、熱処理炉7内では、上部から下
部に流れるダウンフローが形成される。なお、内管72
は、内径が例えば250mmの略円筒状のものであり、
ガス導入路73から内管72内へのガス導入口73aの
口径は例えば3mmである。
【0010】また、熱処理炉7の内管72内には、多数
枚のシリコンウェーハ2を上下方向に所定間隔で水平に
搭載するためのボート8を配置可能となっている。ここ
で、ボート8に搭載されるシリコンウェーハ2の直径は
例えば200mmであり、ボート8は、このシリコンウ
ェーハ2を周縁部の4点で支持する。また、ボート8に
より支持されたシリコンウェーハ2どうしの上下間隔
は、例えば6mm程度である。
【0011】<熱処理の条件>図2に示す熱処理炉7を
用い、キャリア濃度が約1×1015atoms/cm 3
のボロン(硼素)を添加したp型のシリコンウェーハ2
に対し、水素雰囲気中1200℃で60分間熱処理を行
う。
【0012】<測定結果>このような条件で熱処理を行
ったp型のシリコンウェーハ2の表面から0.4μmの
深さにおけるキャリア濃度(ボロン濃度)の面内分布の
測定を、SPV測定装置を用いて行った結果を図3に示
す。ここで、図3の右部に示すゲージGは、中央に示す
分布図B中の表示とキャリア濃度との関係を示すもので
あり、上に向かうほど(つまり、表示が濃くなるほど)
キャリア濃度が高いことを示す。図3に示すように、シ
リコンウェーハ2の表面近傍では、周縁部の方がキャリ
ア濃度が小さい。これは、シリコンウェーハ2の表面近
傍の周縁部では、ボロンの外方拡散によりボロンが気相
中に比較的多く抜け出た結果、キャリア濃度が比較的小
さくなったことを示している。このように、シリコンウ
ェーハ2の面内でキャリア濃度の分布が生じるのは、熱
処理中のシリコンウェーハ2の周縁部では周辺雰囲気の
置換が円滑に行われるのに対し、シリコンウェーハ2ど
うしの間隔が狭いため、中心部では、周辺雰囲気の置換
がさほど行われないためであると考えられる。熱処理炉
7内に供給されるガスは、大きな流れとしてはダウンフ
ローで、また、シリコンウェーハ2どうしの間隔では、
周縁部から、じわじわと中心部に拡散するような流れと
なるため、表面近傍のキャリア濃度に面内分布が生じる
結果となったと考えられる。
【0013】このように、シリコンウェーハ1の表面近
傍におけるキャリア濃度の面内分布をSPV法により測
定し、この測定した面内分布を図3に示すようにマッピ
ングすることにより、熱処理炉3内でのガスフローパタ
ーンを視覚的に把握できる。従って、この視覚化したガ
スフローパターンに基づき、該ガスフローパターンの態
様に関わる設計や設定を行って、炉内のガスフローを制
御することができる。さらに、視覚化したガスフローパ
ターンは、新たな炉を設計する際の参考資料となるの
で、この視覚化したガスフローパターンに基づき、新た
な炉を設計することもできる。
【0014】なお、上記の実施の形態では、熱処理を行
う炉として縦型炉を例示したが、これに限らず横型炉で
あっても良いし、バレル型の炉であっても良い。ただ
し、いずれにしても、熱処理の際には回転等を止め、半
導体単結晶基板の向きをガス流に対して一定に保つ必要
がある。また、炉として熱処理炉を例示したが、半導体
単結晶基板の主表面上にエピタキシャル層を気相成長さ
せるための気相成長装置を用いても良い。
【0015】
【発明の効果】本発明によれば、ガスのフローパターン
を視覚的に把握できるため、この視覚化したガスフロー
パターンに基づき、該ガスフローパターンの態様に関わ
る設計や設定を行って、炉内のガスフローを制御するこ
とができる。また、視覚化したガスフローパターンは、
新たな装置を設計する際の参考資料となるので、この視
覚化したガスフローパターンに基づき、新たな炉を設計
することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】SPV法による測定原理を説明するための模式
図である。
【図2】縦型の熱処理炉を示す正面断面図である。
【図3】SPV法により測定したキャリア濃度の面内分
布を示す図である。
【符号の説明】
2 シリコンウェーハ 7 熱処理炉

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体単結晶基板を炉内に配置し、所定
    条件で熱処理を施し、この熱処理後の半導体単結晶基板
    のキャリア濃度の面内分布を、SPV法により測定し、
    この測定した面内分布に基づき、炉内のガスフローパタ
    ーンを認識することを特徴とする炉内のガスフローパタ
    ーン認識方法。
  2. 【請求項2】 前記熱処理を、水素雰囲気中で行うこと
    を特徴とする請求項1記載のガスフローパターン認識方
    法。
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