JP2003224122A

JP2003224122A - 熱処理炉の空焼き方法

Info

Publication number: JP2003224122A
Application number: JP2002022748A
Authority: JP
Inventors: Norihiro Kobayashi; 徳弘小林; Masaro Tamazuka; 正郎玉塚; Takemine Magari; 偉峰曲
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2002-01-31
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2003-08-08

Abstract

(57)【要約】【課題】熱処理炉の部品を腐食せず、特別な付帯設備
も必要とせずに、種々の金属による熱処理炉内の汚染を
容易かつ効果的に低減することができる技術を提供す
る。【解決手段】熱処理炉の空焼き方法であって、前記熱
処理炉の中に、不活性ガスに水素を爆発下限未満の濃度
で含ませた混合ガスを供給して空焼きを行うことを特徴
とする熱処理炉の空焼き方法。好ましくは、不活性ガス
として、Ａｒ、Ｈｅ、またはＸｅを用い、８５０〜１０
５０℃の温度で、３０〜４８０分間空焼きを行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱処理炉の空焼き
方法に関し、具体的には、シリコンウエーハなどを熱処
理する際の金属汚染を防ぐための熱処理炉の空焼き方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、シリコンウエーハの熱処理に用い
られる熱処理炉では、ウエーハが投入される反応管（石
英チューブやＳｉＣチューブなど）の交換、その他の部
材の交換、汚染ウエーハの投入、改造工事、それに伴う
停電などの非定常作業などで炉の金属汚染レベルが悪化
することが知られている。金属汚染レベルが悪化した熱
処理炉を用いてウエーハを熱処理すると、ウエーハが金
属により汚染され、作製されるデバイス特性を劣化させ
てしまうという問題がある。

【０００３】従来、このような熱処理炉の金属汚染を低
減する方法として、ＨＦ系の薬液を用いて熱処理炉の反
応管の表面を軽くエッチングした後、あるいはエッチン
グせずに直接、Ｎ_２、Ｈ_２、Ａｒ、Ｏ_２などのガスを流
しながら高温で空焼き（ウエーハを投入せずに熱処理す
ること）を繰り返すという方法がある。しかし、このよ
うな方法では、熱処理炉内が十分洗浄され難く、ウエー
ハ熱処理中にＮａ、Ｆｅ、Ｃｕ等の粒子が炉の内壁から
拡散しウエーハに混入したり、あるいはウエーハの金属
汚染レベルが回復するのに多大な時間を要するなどの問
題がある。

【０００４】また、特開平５−１４４８０２号では、ウ
エーハを熱処理する際に使用するプロセスガスと同じ種
類のクリーニングガス（窒素や酸素等）を用いて空焼き
する方法が開示されている。この方法では、ウエーハの
熱処理中に炉の内壁から発生する金属汚染物を空焼き中
に出し尽くすため、その後のウエーハの熱処理ではウエ
ーハが金属汚染されないとされている。しかしながら、
この方法を用いたとしても、炉内の金属汚染を許容レベ
ル以下（例えば、熱処理したウエーハの汚染濃度が２×
１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下）とするためには、や
はり多大な時間を要してしまう。

【０００５】さらに他の方法として、塩酸やトリクロロ
エチレンを用いて空焼きを行う方法があり、この方法で
は、一般に塩酸酸化と呼ばれる塩酸やトリクロロエチレ
ンによる酸化（ＨＣＬ酸化、Ｔ−ＬＣ酸化）によって金
属汚染を低減させている。しかし、塩酸酸化による空焼
き（塩酸ベイク）を行うには、排ガス処理として酸排気
設備が必要となる。また、塩酸は熱処理炉の配管内に水
分があると金属を腐食させる作用があり、特に排気側は
水分が入りやすくなるため、しばしば金属部品に腐食が
見られ、このことが金属汚染の一因となる。このように
一度部品が腐食されてしまうと金属汚染が増大してしま
うため、部品の交換が必要となる。また、腐食等により
熱処理炉の外部へのリークが発生すると非常に危険なた
め、リーク対策としてセンサー等を設置する必要もあ
る。

【０００６】このように塩酸ベイクによる方法は金属汚
染を低減する効果があるが、酸排気設備やセンサー等の
付帯設備が必要となるのでコストが高くなる問題がある
ほか、金属部品の腐食を起こし易いため、腐食による部
品交換が必要となったり、金属汚染を増大させてしまう
おそれもある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】近年、ウエーハに要求
される金属汚染の許容レベルがますます厳しくなってい
るが、上記のような従来の空焼き方法では、金属汚染レ
ベルが十分に低減できなかったり、空焼きにかかる時間
が長すぎて生産のスループットに影響したりするほか、
付帯設備の設置などによりコストアップが避けられない
などの問題があった。また、他の方法として、酸素等で
空焼きした後、さらにＡｒ等で空焼きを行って金属汚染
を低減させる方法も提案されているが、この方法ではＦ
ｅの除去効果はあるものの、Ｃｕの除去効果は小さく、
金属汚染の低減効果は塩酸ベイクに及ばないという問題
がある。

【０００８】本発明は上記のような問題に鑑みてなされ
たもので、熱処理炉の部品を腐食せず、特別な付帯設備
も必要とせずに、種々の金属による熱処理炉内の汚染を
容易かつ効果的に低減することができる技術を提供する
ことを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明によれば、熱処理炉の空焼き方法であって、
前記熱処理炉の中に、不活性ガスに水素を爆発下限未満
の濃度で含ませた混合ガスを供給して空焼きを行うこと
を特徴とする熱処理炉の空焼き方法が提供される（請求
項１）。このように、熱処理炉内に不活性ガスに水素を
爆発下限未満の濃度で含ませた混合ガスを供給して空焼
きを行うことにより、熱処理炉内のＣｕやＦｅなどによ
る金属汚染を容易かつ効果的に低減することができ、爆
発下限に満たない濃度の水素を使用するため、防爆設備
などの特別な付帯設備も必要とせず、また、炉の金属部
品を腐食することもない。

【００１０】前記不活性ガスとしては、Ａｒ、Ｈｅ、ま
たはＸｅを用いることが好ましい（請求項２）。これら
の不活性ガスであれば、熱処理炉の部品の汚染を引き起
こすこともなく、特にＡｒなどは比較的入手し易く、コ
ストも低く抑えることができる。

【００１１】空焼きの温度や時間に関しては、空焼き
を、８５０〜１０５０℃の温度で行うことが好ましく
（請求項３）、また、３０〜４８０分間行うことが好ま
しい（請求項４）。この範囲の温度と時間で空焼きを行
えば、熱処理炉内の金属汚染をより確実に低減すること
ができるとともに、ＳｉやＳｉＣ等からなるボート等に
対する水素によるエッチングも防ぐことができる。

【００１２】前記した空焼きは、半導体ウエーハ用熱処
理炉に好適に適用することができる（請求項５）。本発
明に係る空焼きによれば、熱処理炉の金属汚染を非常に
効果的に低減することができるので、これを半導体ウエ
ーハ用の熱処理炉に適用してからウエーハの熱処理を行
えば、近年要求されている金属汚染の許容レベル以下で
熱処理することができ、デバイス特性を劣化させること
もない。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるも
のではない。なお、空焼きを行う熱処理炉自体は特に限
定されないが、好適な態様として半導体ウエーハ用熱処
理炉を空焼きする場合について説明する。

【００１４】本発明に係る熱処理炉の空焼き方法は、熱
処理炉の中に、不活性ガスに水素を爆発下限未満の濃度
で含ませた混合ガスを供給して空焼きを行うことを主な
特徴としている。

【００１５】まず、爆発下限について説明すると、水素
等の可燃性気体が空気中に一定の濃度で存在すると、温
度、圧力等との関係で爆発が生じる場合があり、例え
ば、温度を一定として濃度あるいは圧力が変化した場
合、爆発を生じる限界値として、低濃度（低圧）側の限
界は爆発下限、高濃度（高圧）側の限界は爆発上限と呼
ばれている。例えば、大気圧下室温における水素の爆発
下限濃度は４％（体積）であることが知られており、こ
の濃度未満であれば通常は爆発の危険がないことにな
る。

【００１６】このような爆発下限の水素濃度は、温度や
圧力に応じて変化するので、本発明で空焼きを行う際の
水素濃度は、空焼きの温度、炉内の圧力、炉の周辺の温
度や気圧等を考慮し、爆発下限未満となる濃度を適宜決
めれば良い。但し、前記したように水素の爆発下限濃度
は通常４％（体積）であるので、これを超える濃度の水
素が熱処理炉から大気中に放出されるのは好ましくない
ので、炉の中に供給する混合ガス中の水素濃度は４％未
満とするのが良い。また、水素濃度が０．１％未満で
は、金属汚染を十分低減できないおそれがあるので、水
素濃度は０．１％以上とすることが好ましい。

【００１７】不活性ガスに関しては、例えば、Ａｒ、Ｈ
ｅ、またはＸｅを用いることができ、これらの不活性ガ
スであれば安全に使用でき、部品の汚染等を引き起こす
こともない。特にＡｒはウエーハの製造工程等で従来一
般的に使用されているので、入手し易く、コストも低く
抑えることができるので好ましい。なお、不活性ガスと
して窒素を使用すると局所的に窒化膜が形成され、さら
にそれがエッチングされてパーティクルの発生の一因と
なる場合もあるので、ＡｒやＨｅ等を用いる方が好まし
い。

【００１８】空焼きの温度に関しては、水素の濃度等を
考慮して適宜設定すれば良いが、例えば、８５０〜１０
５０℃の範囲内で空焼きを行うことができる。この範囲
内の温度で空焼きを行えば、炉内の金属汚染を効果的に
除去することができる。なお、８５０℃未満の温度で空
焼きを行うと、金属汚染の低減効果を得るのに比較的長
い時間を要する場合があり、一方、１０５０℃を超える
温度帯では、熱処理炉内のチューブやボートの母材であ
るＳｉＣ、ＣＶＤ−ＳｉＣ、石英、Ｓｉ等が水素によっ
てエッチングされて局所的に汚染されるおそれがあると
ともに無駄であるので、空焼きの温度は８５０〜１０５
０℃の範囲内とするのが好ましい。

【００１９】空焼きする時間に関しても、水素濃度、空
焼き温度等を考慮して適宜設定すれば良いが、例えば、
３０〜４８０分間行うことで、金属汚染を効果的に低減
することができる。なお、空焼きする時間が短すぎると
金属汚染の低減効果が十分得られない場合があり、一
方、空焼き時間が長すぎると前記のようにチューブやボ
ートがエッチングされて汚染されるおそれがあるととも
に無駄であるので、これらの点も考慮するのが良い。

【００２０】以上のことから、好適な空焼き方法として
は、Ａｒ等の不活性ガスに水素を爆発下限未満の濃度で
含ませた混合ガスを熱処理炉の中に流しながら、８５０
〜１０５０℃の範囲内で、３０〜４８０分間空焼きを行
えば良く、これにより、防爆設備などの特別な設備も必
要とせず、熱処理炉内の金属汚染を安全かつ効果的に低
減することができるとともに、炉内のＳｉＣ等からなる
ボート等に対する水素によるエッチングを防ぐこともで
きる。

【００２１】なお、空焼きの温度や時間は上記のものに
限定されず、例えば、Ａｒガス中の水素を爆発下限未満
の濃度とした混合ガスを供給しながら、８００℃以上の
温度における昇温速度を１℃／ｍｍ以下に設定して徐々
に昇温し、８５０〜１０５０℃の温度範囲で５分以上滞
留させることによって空焼きを行っても良い。従って、
例えば１℃／ｍｍの昇温速度で８００℃から８５０℃ま
で５０分間加熱し、さらに８５０℃から５分以上加熱し
た場合、８００℃以上で１時間近く空焼きを行ったこと
になり、金属汚染を十分低減することができる。

【００２２】そして半導体ウエーハとしてシリコンウエ
ーハの熱処理を行う際には、縦型あるいは横型の熱処理
炉であっても、上記のような空焼きを行った後でウエー
ハの熱処理を行えば、熱処理炉内のＦｅ、Ｃｕ等による
種々の金属汚染が低減されているので、ウエーハは金属
汚染されず、近年要求されている金属汚染の許容レベル
以下で熱処理することができ、優れたデバイス特性のも
のを作製することができるものとなる。

【００２３】

【実施例】以下、実施例及び比較例を示して本発明をよ
り具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるも
のではない。（実施例１、比較例１）同じ仕様で、２００ｍｍウエー
ハ用熱処理炉（縦型酸化炉）を２台（Ａ、Ｂ）用意し
た。空焼き前のそれぞれの熱処理炉でアニールを行った
ウエーハの表面の金属汚染量を原子吸光法（ＡＡＳ）で
測定したところ、３〜５×１０^１１ａｔｏｍ／ｃｍ ^２の
範囲の汚染量であった。

【００２４】次いで、これらの熱処理炉に対して以下の
条件の下で空焼きを行った。熱処理炉Ａ（比較例１）塩酸ベイク（塩酸５％、酸素９５％）９５０℃、１２０分熱処理炉Ｂ（実施例１）水素ベイク（水素３％、Ａｒ９７％）９５０℃、１２０分

【００２５】空焼き後、それぞれの熱処理炉を用いて、
シリコンウエーハに１２００℃、６０分のＡｒによるア
ニールを行い、ＡＡＳによりウエーハ表面の金属（Ｃ
ｕ）汚染量を測定した。結果を図１に示す。

【００２６】図１に示すように、炉Ａの塩酸ベイクでは
１ラン目において初期汚染濃度からある程度低下した
が、その後にアニールを繰り返してもほとんど汚染が低
下せずに、１９ラン目でも約５×１０^１０ａｔｏｍｓ／
ｃｍ^２の高濃度を維持していることがわかる。それに対
し、炉Ｂの水素ベイクにおいては、１ラン目に初期汚染
濃度より増加したものの、その後にアニールを繰り返す
ことにより大幅に汚染濃度が低下し、９ラン目には１０
^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下の低レベルまで低下したこ
とがわかる。

【００２７】水素ベイク後に一旦汚染レベルが上昇する
理由はかならずしも明確ではないが、配管やチューブの
表面近傍などに存在していた汚染物が水素による金属汚
染除去効果により一斉に除去された後、一旦、炉内のチ
ューブやボートのごく最表面に吸着して残留し、それが
その後のアルゴンアニールによってまとめて除去された
結果であると考えられる。すなわち、本発明の空焼き方
法によれば、空焼き後のアルゴンアニールを５〜１０ラ
ン程度実施するだけで、金属汚染を急激に低減すること
ができる。一方、塩酸ベイクの場合は、配管等で発生し
た汚染を除去する効果はほとんどないため、空焼き後に
アルゴンアニールを繰り返しても汚染量がほとんど低下
せず、実用可能な１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２以下の低
レベル、あるいは許容レベルの２×１０^１０ａｔｏｍｓ
／ｃｍ^２以下にすることは困難である。

【００２８】（実施例２）炉Ａ，Ｂと同一仕様の別の熱
処理炉を用いて、比較例１と同一条件で塩酸ベイクを行
ない、アルゴンアニールを９ラン目まで実施した後に、
実施例１と同一条件で水素ベイクを行ない、さらにアル
ゴンアニールを繰り返した後のＣｕ汚染量を測定した。
その結果を図２に示す。図２に示す通り、水素ベイクを
行なう前の９ラン目までは比較例１と同様に約５×１０
^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^２の高濃度を維持していたが、水
素ベイクを行なった後は、実施例１と同様に、一旦汚染
濃度が増加したものの、アルゴンアニールを繰り返すと
ともに急激に汚染濃度が低下し、水素ベイク後８ラン目
（トータル１７ラン目）には１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ
^２以下の低レベルになった。

【００２９】Ｆｅについても同様の分析を行ったとこ
ろ、同様の結果が得られた。これらの結果から、水素ベ
イクを行った後にウエーハの熱処理を行えば、継続して
効果的に金属汚染濃度を低下させることができることが
分かる。

【００３０】（比較例２）１１５０℃、４時間の酸化性
ガス（ドライ酸素１００％）で空焼きを行った後、Ａｒ
１００％で１２００℃、６０分の空焼きを繰り返し行
い、Ｃｕ汚染量を測定した。その結果を図３に示した。
図３から明らかなように、Ｃｕ濃度はわずかに低下する
傾向があるだけで、上記の空焼きにおいてもＣｕに対す
る除去効果が十分得られないことが分かる。

【００３１】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではない。上記実施形態は単なる例示であり、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。

【００３２】

【発明の効果】以上のように、本発明は、熱処理炉の中
に、不活性ガスに水素を爆発下限未満の濃度で含ませた
混合ガスを供給して空焼きを行うものであり、熱処理炉
の部品を腐食せず、また、特別な付帯設備を設けること
なく金属汚染を効果的に低減することができる。従っ
て、半導体デバイス作製工程などにおいてウエーハの熱
処理を行う際、熱処理炉に対して本発明の空焼き方法を
適用すれば、ウエーハの金属汚染を起こさずに熱処理す
ることができ、優れたデバイス特性のものを作製するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１、比較例１において空焼きを行った熱
処理炉を用いて熱処理したウエーハの表面のＣｕ濃度を
示すグラフである。

【図２】実施例２において空焼きを行った熱処理炉を用
いて熱処理したウエーハの表面のＣｕ濃度を示すグラフ
である。

【図３】比較例２において空焼きを行った熱処理炉を用
いて熱処理したウエーハの表面のＣｕ濃度を示すグラフ
である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者曲偉峰群馬県安中市磯部２丁目13番１号信越半導体株式会社半導体磯部研究所内Ｆターム(参考） 5F045 AA20 AB32 AC16 AD12 AD13 AD14 BB14 EB06 EE13

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱処理炉の空焼き方法であって、前記熱
処理炉の中に、不活性ガスに水素を爆発下限未満の濃度
で含ませた混合ガスを供給して空焼きを行うことを特徴
とする熱処理炉の空焼き方法。
【請求項２】前記不活性ガスとして、Ａｒ、Ｈｅ、ま
たはＸｅを用いて空焼きを行うことを特徴とする請求項
１に記載の熱処理炉の空焼き方法。
【請求項３】前記空焼きを、８５０〜１０５０℃の温
度で行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載
の熱処理炉の空焼き方法。
【請求項４】前記空焼きを、３０〜４８０分間行うこ
とを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項
に記載の熱処理炉の空焼き方法。
【請求項５】前記空焼きを、半導体ウエーハ用熱処理
炉に適用することを特徴とする請求項１ないし請求項４
のいずれか１項に記載の熱処理炉の空焼き方法。