JP2005223292A

JP2005223292A - 半導体熱処理用治具の高純度化方法

Info

Publication number: JP2005223292A
Application number: JP2004032602A
Authority: JP
Inventors: Tatsumi Kusaba; 辰己草場
Original assignee: Sumitomo Mitsubishi Silicon Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2004-02-09
Filing date: 2004-02-09
Publication date: 2005-08-18

Abstract

【課題】本発明は、ウェーハ表面に重金属汚染（Ｆｅ汚染）の少ない半導体用熱処理治具の提供を目的に、半導体用熱処理治具の高純度化方法を提供することにある。
【解決手段】基材表面にＣＶＤ法により炭化ケイ素膜が被覆された半導体熱処理用治具、あるいはＣＶＤ法による炭化ケイ素膜からなる半導体熱処理用治具に対して、高温酸化熱処理を施して炭化ケイ素膜表面に酸化膜を形成した後、該酸化膜を洗浄処理により除去する。これにより、不純物汚染の少ない半導体用熱処理治具を得ることができ、熱処理時に半導体用熱処理治具からウェーハ表面へのＦｅ汚染を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体熱処理用治具の高純度化方法に関する。さらに詳しくは、シリコン単結晶ウェーハ等の半導体ウェーハを熱処理する際における熱処理治具からの汚染を防止する方法に関する。

半導体デバイスの製造工程には、酸化、拡散、成膜等の種々の加熱処理プロセスがあり、半導体ウェーハはこれらのプロセスで様々な加熱処理を受ける。そして、これらの処理の態様、使用する加熱手段の種類等に応じて種々の半導体熱処理用治具が用いられている。

例えば、縦型熱処理炉を用いる半導体ウェーハの熱処理工程の場合、複数枚のシリコン単結晶ウェーハ等の半導体ウェーハが、縦型多段のウェーハ保持治具、いわゆる縦型ウェーハボ−トに搭載保持されて熱処理される。この縦型ウェーハボ−トの形成素材としては、一般的に、石英ガラス、単結晶シリコン、多結晶シリコン、シリコンを含浸させた炭化ケイ素等が用いられている。特に、近年、熱処理用治具の高純度化を図るために、これら材質を基材とする熱処理用治具表面にＣＶＤ法（気相成長法）により炭化ケイ素（ＳｉＣ）膜を被覆した熱処理用治具、あるいはＣＶＤ法により形成された炭化ケイ素膜そのものを基材として単体構成される熱処理用治具などが用いられるようになったきた。

また、エピタキシャル成長装置等によるウェーハ表面への薄膜気相成長工程の場合においても、例えば、半導体ウェーハを載置するサセプターとして表面がＣＶＤ法によりＳｉＣコートされた黒鉛基材から成るサセプターが使用され、その高純度化が図られている。

近年、ＣＶＤ法によりＳｉＣ膜が被覆された熱処理用治具であっても、基材内に不純物が多く含有されていると、この基材表面にＣＶＤ−ＳｉＣ膜を形成する際に、基材中の不純物がＳｉＣ膜の表面にまで高濃度に拡散して存在することとなり、この熱処理用治具を用いて熱処理を行うと半導体ウェーハが汚染されることが報告されている（例えば、特許文献１）。

特開２０００−１１９０７９号公報

このため、特許文献１ではＦｅが０．０５ｐｐｍ以下、かつＮｉ、Ｃｕ、Ｎａ、Ｃａ、Ｃｒ、Ｋの合計が０．０５ｐｐｍ以下の金属不純物を含有するＳｉＣ粉末と、成形助剤を混練する混練工程と、この混練原料から成形体を作る成形工程と、この成形体を仮焼する仮焼工程と、この仮焼体を純化する純化工程と、この純化体にＳｉを含浸する含浸工程と、このシリコンが含浸された部材に搭載される半導体が接触する前記部材の部位の表面粗さ（Ｒａ）を０．２０μｍ以下にする加工工程とを有する半導体熱処理用Ｓｉ−ＳｉＣ製部材の製造方法が提案され、これにより、ＳｉＣ膜を被覆しなくても不純物汚染がないあるいはＳｉＣ膜を被覆してもＳｉＣ膜への不純物拡散がない高純度な熱処理用治具を提供することができるとされている。

しかしながら、このような基材材質そのものを高純度化するためにはかなりの複雑な工程が必要となり製造コストの上昇を招き実用的ではないし、その高純度化にも限界がある。また、例え高純度な基材を用いてその表面にＳｉＣ被膜を成膜したとしても、ＳｉＣ膜の成膜過程中にＳｉＣ膜が不純物汚染されてしまう問題がある。

本発明者等は、基材表面にＣＶＤ法により形成したＳｉＣ膜の不純物濃度分布を調査したところ、ＳｉＣ膜の最表面において不純物濃度が高く、それより内側（基材に近い箇所）では不純物濃度が低く、ＣＶＤ法によるＳｉＣ膜のみから単体形成されたＳｉＣ熱処理治具の不純物濃度分布を調査しても、最表面においてのみ不純物濃度が高いことが判明した。ＳｉＣ膜の不純物汚染の原因がＳｉＣ被膜の成膜過程中に基材からの不純物拡散によるものだけであれば、このような結果は生じないはずであり、ＣＶＤ法によるＳｉＣ被膜の成膜時に基材以外の原因（例えば、成膜チャンバー、保温筒など部材からの不純物拡散など）により不純物汚染を生じているものと考えられる。

また、仮に不純物汚染のないＳｉＣ被膜が形成できたとしても、ＳｉＣ膜表面の高平坦度化が求められるような熱処理用治具（例えば、ＳＩＭＯＸウェーハを保持するための熱処理治具など）にあっては、ＳｉＣ被膜後、表面研磨加工によりその表面が平坦化処理される場合があり、このような機械加工処理時にＳｉＣ膜表面が不純物汚染されてしまう問題があり、ＳｉＣ膜が被覆される基材そのものを高純度化しただけでは不純物汚染を根本的に解決することはできない。

本発明は、このような上記問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、シリコン単結晶ウェーハ等の半導体ウェーハを熱処理する際における熱処理治具からの汚染を防止する方法を提供することにある。

すなわち、本発明は、基材表面にＣＶＤ法により炭化ケイ素膜が被覆された半導体熱処理用治具、あるいはＣＶＤ法による炭化ケイ素膜からなる半導体熱処理用治具に対して、高温酸化熱処理を施して炭化ケイ素膜表面に酸化膜を形成した後、該酸化膜を除去することを特徴とする半導体熱処理用治具の高純度化方法である。

本発明によれば、高温酸化熱処理により半導体熱処理用治具の表面に酸化膜が形成される。この酸化膜形成過程において、炭化ケイ素膜表層部に存在する不純物が酸化膜内にトラップされ、かつ酸化膜形成により炭化ケイ素膜表層部がエッチングされることになる。その後、不純物を含む酸化膜を除去することにより、不純物汚染の少ない高純度な半導体熱処理用治具を提供することができる。

本発明で実施する高温酸化熱処理は、少なくとも前記炭化ケイ素表面が０．１μｍ以上エッチングされる熱処理であり、具体的には、半導体熱処理用治具を酸化雰囲気中で１１５０℃〜１３５０℃の温度範囲で５時間以上の熱処理を行うものである。

先にも述べたように、ＣＶＤ法により形成された炭化ケイ素膜は、その最表面においてのみ不純物濃度が高く、それより内側では不純物濃度が低い濃度分布をとることから、最表面部が高純度化できる酸化熱処理であれば何ら問題なく、炭化ケイ素表面が０．１μｍ以上エッチングされる酸化熱処理で十分である。また、本発明で実施する高温酸化熱処理は、酸素ガス１００％の雰囲気で熱処理することが好ましい。なお、熱処理温度が１１５０℃未満では酸化膜そのものの形成が困難であり、１３５０℃を超える温度では半導体熱処理用治具そのものが軟化変形してしまう恐れがある。熱処理時間が５時間未満では、酸化膜形成量が不足し炭化ケイ素膜表面を０．１μｍ以上エッチングすることができず、十分な不純物低減を図ることができない。熱処理時間を長くすることは不純物汚染の低減効果には有効ではあるものの、サイクルタイム増、設備への負担（消耗、劣化）増による製造コストを招き、炭化ケイ素膜のエッチング量も増大してしまうことから、最大でも２５０時間以内の熱処理に留めることが望ましい。

本発明においては、高温酸化熱処理により炭化ケイ素膜表面上に形成された酸化膜は洗浄処理により除去される。この洗浄処理としては酸化膜を除去できる洗浄処理であればどのような洗浄液を用いても良いが、高効率で酸化膜を除去できるＨＦ水溶液を使用することが特に望ましい。

本発明によれば、基材表面にＣＶＤ法により炭化ケイ素膜が被覆された半導体熱処理用治具、あるいはＣＶＤ法による炭化ケイ素膜単体からなる半導体熱処理用治具の熱処理使用時において問題となる熱処理用治具からのウェーハへの不純物汚染、特にウェーハ表面におけるＦｅ汚染を抑制することが可能となる。例えば本発明により高純度化された縦型熱処理ボートを使用して、シリコンウェーハを水素ガスあるいはアルゴンガス等のガス雰囲気中で高温熱処理を施した場合でも、シリコンウェーハ表面におけるＦｅの平均濃度が１×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下という高品質なシリコンウェーハを得ることができ、デバイス特性を飛躍的に向上させることができる。

本発明による半導体熱処理用治具の高純度化方法の実施形態について、その半導体熱処理用治具の代表例として縦型熱処理ボートを高純度化する方法について説明する。

一般的に、シリコンウェーハなどを水素ガス、アルゴンガス雰囲気で高温熱処理するプロセスにおいて、図２に示すような縦型熱処理ボートが使用される。縦型熱処理ボート１は、長手方向に所定の間隔をもって複数個のウェーハ挿入溝４が形成され、ウェーハの周囲に縦方向に複数本配列されるウェーハ支持部材３と、ウェーハ支持部材３の上下両端部を固定する上下一対の枠部材２により構成され、ウェーハ支持部材３と枠部材２は、嵌合（組立式）あるいは溶着（一体型）により構成される。この縦型熱処理ボートは、強度および純度の観点からシリコンを含浸させた炭化ケイ素が熱処理ボート基材として用いられ、ＣＶＤ法によりその表面にＳｉＣ膜が数十μｍ〜１００μｍコートされた縦型熱処理ボートが使用されている。

本発明では、まず、縦型熱処理ボートを熱処理装置内に配置して、酸化性ガス雰囲気中で１１５０℃〜１３５０℃の温度範囲で５時間以上の熱処理を行う。これにより、ＳｉＣ膜表面に酸化膜が形成される。この酸化膜形成過程において、ＳｉＣ膜表層部に存在する不純物が酸化膜内にトラップされ、かつ酸化膜形成によりＳｉＣ膜表層部がエッチングされることになる。

その後、縦型熱処理ボートを取り出し、ＨＦ水溶液に浸漬させて洗浄処理を行う。これにより不純物を含む酸化膜が除去され、不純物汚染の少ない高純度な縦型熱処理ボートが得られる。

なお、縦型熱処理ボートは熱処理の使用回数の増加に伴い、熱処理装置からの汚染を受け表面における不純物濃度が増加してくるが、このような熱処理に使用された使用済みの縦型熱処理ボートに対しても、本発明の高純度化処理を施すことで十分な不純物低減効果を得ることができる。

本発明の実施の形態として、シリコンウェーハを高温熱処理する際に使用される縦型熱処理ボートを例にして説明したが、何らこれに限定されるものではなく、例えば炉心管、保温筒など熱処理装置内に配置されるＳｉＣ膜がコートされる炉内構造部品の全てに対して有効であり、その他、エピタキシャル成長装置内に配置される炭素基材表面にＳｉＣ膜がコートされたサセプターや、ＳＯＩウェーハを製造する際に熱処理装置内に配置されるＳｉＣ膜単体で構成される熱処理ボートなどに対しても有効である。

以下、本発明に係わる半導体熱処理用治具の高純度化方法を実施例に基づき説明する。

まず、本発明の高純度化方法によるＳｉＣ膜中の不純物低減効果を確認するため、以下の実験を行った。

従来例として、シリコンを含浸させた炭化ケイ素基材（厚さ５ｍｍ、幅５ｍｍ、長さ５０ｍｍ）表面にＣＶＤ法によりＳｉＣ膜を約３０μｍコートしたサンプル試験片を用意した。この試験片を一旦、ＨＦ水溶液にて洗浄（ハンドリング等の汚染を排除するための簡易的な洗浄）した後、ＳｉＣ膜中のＦｅ濃度分布を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を用いて調査した。

本発明例として、従来例と同じサンプル試験片を用意し、この試験片を一旦、ＨＦ水溶液にて洗浄（ハンドリング等の汚染を排除するための簡易的な洗浄）した後、本発明例として、酸素ガス１００％のガス雰囲気にて１２００℃の温度で８０時間の高温酸化熱処理を施してＳｉＣ膜表面上に酸化膜を形成させた。その後、試験片をＨＦ水溶液にて浸漬洗浄して試験片表面に形成された酸化膜を除去した。この高純度化処理された本発明例の試験片の表面、すなわちＳｉＣ膜中のＦｅ濃度分布を二次イオン質量分析法（ＳＩＭＳ）を用いて調査した。

従来例および本発明例の結果を図１に示す。図１から明らかなように、従来例ではＳｉＣ膜表層部においてＦｅ濃度が高い分布を示したのに対し、本発明例ではＳｉＣ膜表層部におけるＦｅ濃度は非常に低いものであることが分かる。なお、本発明例および従来例の試験片の重量を測定し、本発明例の試験片におけるＳｉＣ膜のエッチング量を算出すると、従来例の縦型熱処理ボートのＳｉＣ膜厚みに比べて約１．５μｍ程度エッチングされていることが判明した。

次に、実際に縦型熱処理ボートにシリコンウェーハを搭載して、所定の熱処理を行い、熱処理後のシリコンウェーハ表面で検出されるＦｅ濃度を測定した。以下にその熱処理条件とその結果について説明する。

従来例の縦型熱処理ボートとして、シリコンを含浸させた炭化ケイ素をボート基材としＣＶＤ法によりその表面にＳｉＣ膜が形成された縦型熱処理ボートを用意した。本発明例の縦型熱処理ボートとして、従来例の縦型熱処理ボートと同じ熱処理ボートを用い、酸素ガス１００％のガス雰囲気にて１２００℃の温度で８０時間の高温酸化熱処理を施してＳｉＣ膜表面上に酸化膜を形成させた後、ＨＦ水溶液にて浸漬洗浄して熱処理ボート表面に形成された酸化膜を除去した縦型熱処理ボートを用意した。

従来例およひ本発明例で使用するシリコンウェーハは、いずれもＣＺ法により作製した単結晶シリコンインゴットを切り出して鏡面研磨加工された、直径２００ｍｍΦ、面方位（１００）、ボロンドープされたｐ型のシリコンウェーハを使用した。

従来例および本発明例の熱処理条件として、上記のシリコンウェーハを縦型熱処理ボートに装填後、熱処理炉内に投入してアルゴンガス雰囲気で１２００℃の温度で１時間の熱処理を施した。

従来例および本発明例の縦型熱処理ボートで熱処理されたシリコンウェーハそれぞれについて、ＳＰＶ法（Surface Photo Voltage）法を用いて各ウェーハ表面におけるＦｅの面内平均濃度を測定した。

従来例の縦型熱処理ボートを使用して熱処理されたシリコンウェーハは、縦型熱処理ボート内の搭載位置に係わらず、その表面においてＦｅの平均濃度が５×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３の汚染が確認されたのに対し、本発明例の縦型熱処理ボートを使用して熱処理されたシリコンウェーハは全て、その表面においてＦｅの平均濃度が５×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下であった。

本発明の高純度化方法により処理された半導体用熱処理治具は非常に金属汚染量の少ない半導体用熱処理治具であり、酸化、拡散、成膜等の種々の加熱処理プロセスにおいて、熱処理治具からのウェーハへの不純物汚染、特にウェーハ表面におけるＦｅ汚染を抑制することができ、デバイス特性不良を生じないウェーハを提供することができる。

従来例および本発明例の縦型熱処理ボートＳｉＣ膜内のＦｅ濃度分布を示すグラフである。本発明に係わる半導体熱処理用縦型熱処理ボートの斜視図。

符号の説明

１縦型熱処理ボート
２枠部材
３ウェーハ支持部材
４ウェーハ挿入溝

Claims

基材表面にＣＶＤ法により炭化ケイ素膜が被覆された半導体熱処理用治具、あるいはＣＶＤ法による炭化ケイ素膜からなる半導体熱処理用治具に対して、高温酸化熱処理を施して炭化ケイ素膜表面に酸化膜を形成した後、該酸化膜を除去することを特徴とする半導体熱処理用治具の高純度化方法。
前記高温熱処理により少なくとも前記炭化ケイ素表面が０．１μｍ以上エッチングされることを特徴とする請求項１記載の半導体熱処理用治具の高純度化方法。
前記高温酸化熱処理が酸化雰囲気中で１１５０℃〜１３５０℃の温度範囲で５時間以上の熱処理であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体熱処理用治具の高純度化方法。
前記酸化膜は洗浄処理により除去されることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の半導体熱処理用治具の高純度化方法。