JP2006080178A - 基板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】基板にキズが発生してもスリップの成長を抑制することができる基板の製造方法を提供する。
【解決手段】基板を反応炉内に搬入し、基板を支持具により支持し、支持具により支持した基板の温度を処理温度まで昇温させ、支持具により支持した基板を処理温度にて処理し、処理後の基板を反応炉より搬出させる基板の製造方法において、基板の温度を処理温度まで昇温させるステップでは反応炉内の酸素濃度を少なくとも５％以上とする。
【選択図】 図５

Description

本発明は、支持具に支持した状態で熱処理して基板を製造する方法に関する。

シリコン基板を高温で熱処理する場合、基板温度が上昇するにつれてシリコンの降伏応力が低下し、基板／支持具間に存在する突起との接触で、基板自重によるキズが基板裏面に形成されやすくなり、そのキズに起因する歪がスリップを発生させ、さらに成長させるという問題がある。
この種の熱処理装置において、基板を熱処理する場合、基板をボート、ホルダ又はサセプタ等（以下、支持具という）に支持した状態で行う。基板の熱処理は、例えば１０００°Ｃ以上の高温で行われるため、支持具にはシリコン、炭化珪素（ＳｉＣ）等の耐熱材料が用いられる。これらの材料は硬度も高く（基板の硬度以上であり）、支持具に接触することにより基板にスリップが発生する問題がある。

このような問題を解決する手段として、支持具に設けられた支持溝にまずダミーウエハを載置し、このダミーウエハの上に処理すべき基板を載置する技術が知られている（特許文献１参照）。これは、従来の３点支持からダミーウエハによる面支持に変えることにより、処理すべき基板の自重応力集中を抑え、基板の反り発生を防止し、スリップ転位欠陥が発生するのを防止しようとするものである。

特開２０００−２２３４９５号公報

ところで、前述したスリップ発生までのメカニズムは次のように考えられる。
（１）支持具に残留する突起により、基板裏面にキズが形成される。
（２）キズによる歪を緩和するために基板にスリップ転位が発生する。
（３）熱履歴の増加と共に、基板への熱応力が増加するため、スリップ転位が成長する。
このようなメカニズムは、上記従来例のように、ダミーウエハを支持具としても同様であり、スリップが成長してしまう。

上記スリップは、固溶酸素濃度が高い基板を用いた場合には成長しにくい傾向がある。固溶酸素濃度が高いということは、シリコンへの固溶限を越えて酸素がシリコン中に存在している状態であり、それら余剰な酸素は簡単に析出することになる。
残留した突起によって基板裏面にキズが形成された場合、そのキズ付近に存在する余剰な酸素が析出し、その析出物の存在により付近の結晶状態が変化するためキズによるシリコン単結晶への歪が緩和され、スリップの成長が抑制されると考えられる。

しかしながら、基板を高温にすると、熱により基板表面の酸素は熱拡散し、熱処理雰囲気へ脱離していくため、基板表面近くの固溶酸素濃度は低下する。例として図１に１０００°Ｃでの熱処理時間と、表面からの固溶酸素濃度変化の計算値を示す。図１から分かるように熱処理時間が長くなるにつれて、より深い部位まで固溶酸素濃度が低下していく。１０００°Ｃの雰囲気に３００秒（５分）程度置いただけで表面から０．２μｍの位置では、初期固溶酸素濃度の１／４程度まで低減することになる。つまり初期固溶酸素濃度が高い基板を用いた場合でも、キズ付近に析出することができる余剰な酸素が減少することになり、スリップ転位の成長を抑制することが出来なくなるという問題がある。

本発明は、上記問題点を解消し、基板にキズが発生してもスリップの成長を抑制することができる基板の製造方法を提供することを目的としている。

本発明の特徴とするところは、基板を反応炉内に搬入するステップと、基板を支持具により支持するステップと、支持具により支持した基板の温度を処理温度まで昇温させるステップと、支持具により支持した基板を処理温度にて処理するステップと、処理後の基板を反応炉より搬出するステップとを有し、基板の温度を処理温度まで昇温させるステップでは反応炉内の酸素濃度を少なくとも５％以上とする基板の製造方法にある。

本発明においては、基板の温度を処理温度まで昇温させるステップでは反応炉内の酸素濃度を少なくとも５％以上とするので、基板表面の余剰酸素が低下するのを防止することができ、そのためスリップ転位の成長を抑制することができる。

次に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図２において、本発明の実施形態に用いた熱処理装置１０が示されている。この熱処理装置１０は、例えば縦型であり、主要部が配置された筺体１２を有する。この筺体１２には、ポッドステージ１４が接続されており、このポッドステージ１４にポッド１６が搬送される。ポッド１６は、例えば２５枚の基板が収納され、図示しない蓋が閉じられた状態でポッドステージ１４にセットされる。

筺体１２内において、ポッドステージ１４に対向する位置には、ポッド搬送装置１８が配置されている。また、このポッド搬送装置１８の近傍には、ポッド棚２０、ポッドオープナ２２及び基板枚数検知器２４が配置されている。ポッド搬送装置１８は、ポッドステージ１４とポッド棚２０とポッドオープナ２２との間でポッド１６を搬送する。ポッドオープナ２２は、ポッド１６の蓋を開けるものであり、この蓋が開けられたポッド１６内の基板枚数が基板枚数検知器２４により検知される。

さらに、筺体１２内には、基板移載機２６、ノッチアライナ２８及び支持具３０（ボート）が配置されている。基板移載機２６は、例えば５枚の基板を取り出すことができるアーム３２を有し、このアーム３２を動かすことにより、ポッドオープナ２２の位置に置かれたポッド、ノッチアライナ２８及び支持具３０間で基板を搬送する。ノッチアライナ２８は、基板に形成されたノッチまたはオリフラを検出して基板のノッチまたはオリフラを一定の位置に揃えるものである。

図３において、支持具３０が示されている。支持具３０は、本体部３４と支持部３６とから構成されている。本体部３４は、例えば炭化珪素からなり、上部板３８、下部板４０、及び該上部板３８と下部板４０とを接続する支柱４２を有する。また、この本体部３４には、この支柱４２から前述した基板移載機２６側に延びる載置部４４が多数平行に形成されている。

支持部３６はシリコン製のプレート状部材からなり、例えば基板４６と同心円状の円柱状に形成され、この支持部３６の下面が載置部４４上面に接触して支持部３６が載置部４４上に載置され、支持部３６の上面に基板４６の下面が接触して基板４６を載置支持する。

図４において、反応炉４８が示されている。この反応炉４８は、反応管５０を有し、この反応管５０内に支持具３０が挿入される。反応管５０の下方は、支持具３０を挿入するために開放され、この開放部分はシールキャップ５２により密閉されるようにしてある。また、反応管５０の周囲は、均熱管５４により覆われ、さらに均熱管５４の周囲にヒータ５６が配置されている。熱電対５８は、反応管５０と均熱管５４との間に配置され、反応炉４８内の温度をモニタできるようにしてある。そして、反応管５０には、処理ガスを導入する導入管６０と、処理ガスを排気する排気管６２とが接続されている。

ガス導入管６０には、ガス供給系６４が接続されている。ガス供給系６４は、酸素（Ｏ２）ガス源６６及びアルゴン（Ａｒ）ガス源６８を有し、これらＯ２ガス源６６及びＡｒガス源６８には、Ｏ２供給ライン７０ａ及びＡｒ供給ライン７０ｂが接続されている。これら供給ライン７０ａ，７０ｂは、それぞれ開閉バルブ７２ａ，７２ｂ及びマスフローコントローラ（ＭＦＣ）７４ａ，７４ｂが設けられ、該ＭＦＣ７４ａ，７４ｂによりガス流量が調整され、反応炉４８に供給するようになっている。ＭＦＣ７４ａ，７４ｂの開度は、制御装置８０により制御される。

次に上述したように構成された熱処理装置１０の作用について説明する。
まず、ポッドステージ１４に複数枚の基板を収容したポッド１６がセットされると、ポッド搬送装置１８によりポッド１６をポッドステージ１４からポッド棚２０へ搬送し、このポッド棚２０にストックする。次に、ポッド搬送装置１８により、このポッド棚２０にストックされたポッド１６をポッドオープナ２２に搬送してセットし、このポッドオープナ２２によりポッド１６の蓋を開き、基板枚数検知器２４によりポッド１６に収容されている基板の枚数を検知する。

次に、基板移載機２６により、ポッドオープナ２２の位置にあるポッド１６から基板を取り出し、ノッチアライナ２８に移載する。このノッチアライナ２８においては、基板を回転させながら、ノッチを検出し、検出した情報に基づいて複数枚の基板のノッチを同じ位置に整列させる。次に、基板移載機２６により、ノッチアライナ２８から基板を取り出し、支持具３０に移載する。

このようにして、１バッチ分の基板を支持具３０に移載すると、例えば７００°Ｃ程度の温度に設定された反応炉４８内に複数枚の基板を装填した支持具３０を装入し、シールキャップ５２により反応管５０内を密閉する。次に、ヒータ５６により炉内温度を熱処理温度まで昇温させて、この昇温過程において導入管６０から酸素を含むガスを導入する。即ち、開閉バルブ７２ａ，７２ｂを開き、Ｏ２ガス源６６及びＡｒガス源６８からＯ２供給ライン７０ａ及びＡｒ供給ライン７０ｂを介してＯ２ガス及びＡｒガスを反応炉４８内に導入する。ここで、Ｏ２濃度は５％以上、好ましくは５％〜５０％であるようにＭＦＣ７４ａ，７４ｂの開度を制御装置８０により調節する。なお、昇温ステップにおいて、Ｏ２濃度をこのように調節するのは、後述するように、基板から酸素が脱離しないようにするためである。基板を熱処理する際、基板は例えば１０００°Ｃ、１２００°Ｃさらには１３５０°Ｃ程度以上の温度に加熱される。後述するＳＩＭＯＸ処理のように基板を酸化雰囲気で熱処理する際には、例えば、Ｏ２濃度は、１％〜５０％となるようにＭＦＣ７４ａ，７４ｂの開度を制御装置８０により調節する。なお、熱処理ステップでＯ２濃度をこのように調節するのは、反応炉４８内の雰囲気を酸化膜を形成し得る程度の酸化雰囲気にするためである。なお、昇温ステップでは、熱処理ステップよりもＯ２濃度が低くなるように調節してもよい。これは、昇温ステップは、熱処理ステップとは異なり、酸素濃度を基板から酸素が脱離しない程度の濃度とするだけでよいからである。なお、この間、熱電対５８により反応管４２内の温度をモニタしながら、予め設定された昇温、熱処理プログラムに従って基板の熱処理を実施する。

基板の熱処理が終了すると、例えば炉内温度を７００°Ｃ程度の温度に降温した後、支持具３０を反応炉４８からアンロードし、支持具３０に支持された全ての基板が冷えるまで、支持具３０を所定位置で待機させる。なお、炉内温度降温の際も、熱電対５８により反応管５０内の温度をモニタしながら、予め設定された降温プログラムに従って降温を実施する。次に、待機させた支持具３０の基板が所定温度まで冷却されると、反応炉４８内のガスは排気管６２を介して排気されると共に、基板移載機２６により、支持具３０から基板を取り出し、ポッドオープナ２２にセットされている空のポッド１６に搬送して収容する。次に、ポッド搬送装置１８により、基板が収容されたポッド１６をポッド棚２０に搬送し、さらにポッドステージ１４に搬送して完了する。

昇温過程において、反応炉内のＯ２濃度を５％以上とするのは次の理由による。
非酸化雰囲気での熱処理では、前述した通りＳｉ表面からＳｉ中に固溶した酸素が徐々に雰囲気内へ脱離していくため、図５の実線１で示すように、ＳｉＯ２表面に向けて極端に減少する。しかしながら、上述した酸素雰囲気中でのシリコンへの熱酸化の場合は、図５の実線２で示すように、ＳｉＯ２表面からＳｉ最表面に到達するまでの酸素濃度が徐々に低下するが、雰囲気から酸素がＳｉＯ２表面を介して拡散し、Ｓｉ最表面に到達する。このため、Ｓｉ最表面に連続的に酸素が供給されるので、Ｓｉ最表面での酸素濃度が増加し、図５の点線で示すように、Ｓｉ表面付近の固溶酸素濃度が非酸化雰囲気と比較して増加し、析出可能酸素が増加する。
この過剰に供給された酸素はＳｉ中に固溶している余剰酸素と同様に、基板表面にキズが形成された場合には、そのキズ付近で析出する。したがって、基板表面にキズが形成されても、そのキズ付近に存在する余剰な酸素が析出し、その析出物の存在により付近の結晶状態が変化するためキズによるＳｉ単結晶への歪が緩和され、スリップの成長を抑制することができる。反応炉内のＯ２濃度を５％以上とすることにより実際の効果がある。

図６にＳｉＯ２内に拡散してＳｉＯ２／Ｓｉ界面に到達する過剰な酸素濃度の酸化膜に関しての温度依存性を示す。温度範囲１１００°Ｃ〜１４００°Ｃ、ＳｉＯ２膜厚０．１〜０．７μｍの範囲では、１Ｅ１７〜１Ｅ１８／ｃｍ^３（１×１０^１７〜１×１０^１８ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３）程度の過剰酸素供給があることになり、図１で示した雰囲気への熱脱離による酸素の減少分を補う酸素が供給されることになる。

このような計算を踏まえて、上記の熱処理装置を用いて昇温時の炉内雰囲気を（ａ）０．５％Ｏ２／Ａｒ、（ｂ）５％Ｏ２／Ａｒ、（ｃ）５０％Ｏ２／Ａｒとし、熱処理時の炉内雰囲気を５０％Ｏ２／Ａｒとして１３５０°Ｃで７時間熱処理したときの基板のＸ線トポグラフ写真を図７に示す。（ａ）０．５％Ｏ２／Ａｒの場合には２箇所にスリップが確認されるが、（ｂ）５％Ｏ２／Ａｒ、（ｃ）５０％Ｏ２／Ａｒではスリップは確認できない。（ｂ）５％Ｏ２／Ａｒ、（ｃ）５０％Ｏ２／Ａｒで基板面内に白い汚れのようなものが確認されるが、これは基板／支持部の接触によるキズの集合である。つまり、この実施例により、前述のスリップ成長メカニズムにおいて、
（１）支持部に残留する突起により、基板裏面にキズが形成される点
に対してはキズ減少の効果はないが、
（２）キズによる歪を緩和するために基板にスリップ転位が発生する点、及び
（３）熱履歴の増加と共に、基板への熱応力が増加するため、スリップ転位が成長する点
に対してスリップの成長を抑制する効果があるということが確認された。

なお、上記実施形態の説明にあっては、熱処理装置として、複数の基板を熱処理するバッチ式のものを用いたが、これに限定するものではなく、枚葉式のものであってもよい。

本発明は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハの一種であるＳＩＭＯＸ（Separation by Implanted Oxygen）ウエハの製造工程の一工程に適用することができる。

即ち、ＳＩＭＯＸにおいては、まずイオン注入装置等により単結晶シリコンウエハ内へ酸素イオンをイオン注入する。その後、酸素イオンが注入されたウエハを上記実施形態の熱処理装置を用いて、例えばＡｒ、Ｏ２雰囲気のもと、１３００°Ｃ〜１４００°Ｃ、例えば１３５０°Ｃ以上の高温でアニールする。これらの処理により、ウエハ内部にＳｉＯ２層が形成された（ＳｉＯ２層が埋め込まれた）ＳＩＭＯＸウエハが作製される。

また、ＳＩＭＯＸウエハの他，水素アニールウエハの製造工程の一工程に本発明を適用することも可能である。この場合、ウエハを本発明の熱処理装置を用いて、水素雰囲気中で１２００°Ｃ程度以上の高温でアニールすることとなる。これによりＩＣ（集積回路）が作られるウエハ表面層の結晶欠陥を低減することができ、結晶の完全性を高めることができる。

また、この他、エピタキシャルウエハの製造工程の一工程に本発明を適用することも可能である。

以上のような基板の製造工程の一工程として行う高温アニール処理を行う場合であっても、本発明を用いることにより、基板のスリップの発生を防止することができる。

本発明は、半導体装置の製造工程にも適用することも可能である。
特に、比較的高い温度で行う熱処理工程、例えば、ウェット酸化、ドライ酸化、水素燃焼酸化（パイロジェニック酸化）、ＨＣｌ酸化等の熱酸化工程や、硼素（Ｂ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）等の不純物（ドーパント）を半導体薄膜に拡散する熱拡散工程等に適用するのが好ましい。
このような半導体デバイスの製造工程の一工程としての熱処理工程を行う場合においても、本発明を用いることにより、スリップの発生を防止することができる。

以上述べたように、本発明は、特許請求の範囲に記載された事項を特徴とするが、さらに次の実施形態が含まれる。
（１）請求項１の基板の製造方法において、基板の温度を処理温度まで昇温させるステップでは反応炉内の酸素濃度を５％以上５０％以下とすることを特徴とする基板の製造方法。
（２）請求項１の基板の製造方法において、支持具はプレート状の支持部により支持されることを特徴とする基板の製造方法。
（３）請求項１記載の基板の製造方法において、処理温度は１２００°Ｃ以上であることを特徴とする熱処理装置。
（４）請求項１記載の基板の製造方法において、処理温度は１３５０°Ｃ以上であることを特徴とする熱処理装置。
（５）基板を反応炉内に搬入するステップと、基板を支持具により支持するステップと、支持具により支持した基板の温度を処理温度まで昇温させるステップと、支持部により支持した基板を処理温度にて処理するステップと、処理後の基板を反応炉より搬出するステップとを有し、基板の温度を処理温度まで昇温させるステップでは基板を処理するステップよりも反応炉内の酸素濃度を小さくすることを特徴とする基板の製造方法。
（９）基板を処理する反応炉と、基板を支持する支持具と、反応炉内にガスを供給するガス供給手段と、反応炉内を排気する排気手段と、基板の温度を処理温度まで上昇させる際に反応炉内の酸素濃度を少なくとも５％以上とするよう制御する制御手段とを有することを特徴とする基板処理装置。

本発明は、基板を支持具に支持した状態で熱処理する基板の製造方法において、基板と支持具との接触を起因とするスリップ発生を抑制する必要があるものに利用することができる。

固溶酸素濃度と表面からの距離の熱処理時間依存性を示す特性図である。 本発明の実施形態に用いた熱処理装置を示す斜視図である。 本発明の実施形態に用いた支持具を示す断面図である。 本発明の実施形態に用いた反応炉を示す断面図である。 本発明の実施形態において、高酸素濃度雰囲気でのＳｉＯ２／Ｓｉ界面への酸素析出モデルを示す説明図である。 ＳｉＯ２内を拡散してＳｉＯ２／Ｓｉ界面に到達する過剰な酸素濃度変化を示す特性図である。 昇温時の酸素導入割合による１３５０°Ｃ熱処理した基板のＸ線トポグラフ写真である。

符号の説明

１０ 熱処理装置
３０ 支持具
３６ 支持部
４６ 基板
４８ 反応炉
６６ Ｏ２ガス源
６８ Ａｒガス源
７４ａ，７４ｂ マスフローコントローラ

Claims (1)

1. 基板を反応炉内に搬入するステップと、
   基板を支持具により支持するステップと、
   支持具により支持した基板の温度を処理温度まで昇温させるステップと、
   支持具により支持した基板を処理温度にて処理するステップと、
   処理後の基板を反応炉より搬出するステップとを有し、
   基板の温度を処理温度まで昇温させるステップでは反応炉内の酸素濃度を少なくとも５％以上とすることを特徴とする基板の製造方法。