JP2006203124A - 熱処理用部材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱処理用部材のバルク微小欠陥密度を制御することで、熱処理時における部分的な変形を抑制し、半導体ウエハのスリップの発生を防止できる熱処理用部材、及びその製造方法を提供する。
【解決手段】 本発明にかかる熱処理用部材は、半導体ウエハの熱処理工程において用いられる熱処理用部材であって、前記部材の内部に、バルク微小欠陥が１０¹⁰個／ｃｍ³以上の密度をもって形成されている。
【選択図】 なし

Description

本発明は、半導体ウエハの熱処理工程において用いられる熱処理用部材及びその製造方法に関し、より詳細には、高温熱処理が施される半導体ウエハを載置するために使用されるウエハボート、サセプタ、チャック、ホルダ等の熱処理用部材およびその製造方法に関する。

半導体製造プロセスにおいて、半導体ウエハには、拡散、酸化、ＣＶＤ成膜等の種々の熱処理が施される。これらの熱処理工程では、それぞれの処理の態様、使用する加熱手段の種類等に応じて、各種の治具が使用されている。例えば、縦型熱処理炉を用いる熱処理工程においては、複数枚の半導体ウエハを、縦型多段のウエハを保持する部材、いわゆる縦型ウエハボートに装填して処理する。

この縦型ウエハボートは、例えば、図３に示すように、上板１１と下板１２との間に、複数（図３においては４本）の支柱１３が設けられており、前記支柱１３には、被処理ウエハＷを支持するための多数の溝（スリット）１４が設けられた構造からなる。
そして、前記被処理ウエハＷは、前記支柱１３の溝１４によって、ウエハ外周部の複数箇所（図３においては４箇所）で支持され、縦型ウエハボート内に水平に等間隔に載置され、熱処理が施される。この縦型ウエハボートの構成材料としては、一般に、単結晶シリコン、多結晶シリコン、石英ガラス、炭化ケイ素質材料等が用いられている。

また、近年、半導体ウエハの径大化に伴い、図４（ａ）に示すように半導体ウエハＷを全面で支持するプレート状熱処理用部材２０、あるいは図４（ｂ）に示すように半導体ウエハＷを外周部で支持するリング状の熱処理用部材３０が使用されている。
これらの熱処理用部材においても、一般に、単結晶シリコン、多結晶シリコン、石英ガラス、炭化ケイ素質材料等が用いられている。

しかしながら、前記した熱処理用部材の構成材料が石英ガラスである場合は、高温で変形しやすく、１０００℃を超える高温熱処理には使用することができない。また、水素ガス等の還元性ガスを含む雰囲気下での熱処理においては、炭化ケイ素質材料は、水素と反応してパーティクルの発生やウエハの不純物金属の汚染転写の原因となるため、使用不可能となる。

このため、１０００℃以上の高温熱処理工程において用いられるウエハボート等の熱処理用部材の構成材料は、上記のような、耐熱性、パーティクル等による汚染防止等の観点から、従来、チョクラルスキー（ＣＺ）法やフローティングゾーン（ＦＺ）法により育成されたシリコン単結晶または気相化学成長（ＣＶＤ）法により育成された多結晶シリコン等が多く用いられてきた。
特開２００３−８６５２５号公報

ところで、上記ＣＺ法等によるシリコン材料は、純度は高いものの、強度においては必ずしも十分ではなく、しかも脆いため、より高強度であり、靭性に優れたシリコン材料が求められている。
特に、熱処理する半導体ウエハの径大化に伴い、それを支持する熱処理用部材が径大化してしまい、超高温化で部分的に変形する場合があり、熱処理用部材が変形すると、その変形部分に半導体ウエハの自重応力が集中し、その位置からスリップが発生するという課題があった。

本願出願人は、特開２００３−８６５２５号において、耐熱性、機械的強度、靭性等にも優れている熱処理用部材として、チッ素濃度が１×１０¹³〜５×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³、かつ、酸素濃度が８×１０¹⁷〜２×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³であり、チョクラルスキー法により育成されたシリコン単結晶により構成された熱処理用部材を提案している。
しかしながら、この提案においても、機械的強度としては増加するものの、スリップ抑制という観点からは、十分ではなかった。

本願出願人は、熱処理用部材の部分的変形に、バルク微小欠陥の密度が関与していることを見出し、これを熱処理部材内部で制御することで、熱処理時における部分的な変形を抑制し、その結果、半導体ウエハのスリップの発生を抑制できることを見出し、本願発明を完成するに至ったものである。

本発明は上記技術的課題を解決するためになされたものであり、熱処理用部材のバルク微小欠陥密度を制御することで、熱処理時における部分的な変形を抑制し、半導体ウエハのスリップの発生を防止できる熱処理用部材、及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記技術的課題を解決するためになされた本発明にかかる熱処理用部材は、半導体ウエハの熱処理工程において用いられる熱処理用部材であって、前記部材の内部に、バルク微小欠陥が１０¹⁰個／ｃｍ³以上の密度をもって形成されていることを特徴としている。

このように構成されているため、本発明にかかる熱処理用部材にあっては、熱処理時における部分的な変形を制御し、スリップ発生を防止することができる。即ち、熱処理部材の内部に、バルク微小欠陥が１０¹⁰個／ｃｍ³以上の密度をもって形成することで熱処理部材の変形を十分に抑制することができ、半導体ウエハのスリップの発生を抑制できる。

なお、前記バルク微小欠陥の密度が１０¹⁰個／ｃｍ³未満の場合は、熱処理後、半導体ウエハのスリップ発生を十分抑制することができない。また、前記バルク微小欠陥の密度の上限は限定されないが、バルク微小欠陥密度が高ければ高いほど、熱処理部材の面内方向のバルク微小欠陥密度が極端に不均一になる可能性が高くなり、その場合は、部材内部に部分的に変形応力が生じ、それによって部材が部分変形してしまうため、半導体ウエハのスリップの発生を十分に抑制することが出来なくなる。そのため、好ましくは、前記バルク微小欠陥の密度は、１０¹²個／ｃｍ³未満であることが望ましい。

また、上記技術的課題を解決するためになされた本発明にかかる熱処理用部材の製造方法は、半導体ウエハの熱処理工程において用いられる熱処理用部材の製造方法であって、チョクラルスキー法により育成されたシリコン単結晶を熱処理用部材の形状に加工する工程と、前記工程により加工された熱処理用部材を熱処理炉内に投入し、０．１〜３．０℃／分の昇温速度で、８００℃〜１０００℃まで昇温し、この温度で３０分以上保持する第１熱処理工程と、前記第１熱処理工程後、前記熱処理用部材を１１００℃〜１２５０℃まで昇温し、この温度で１分以上保持する第２熱処理工程とを含むことを特徴としている。

このような製造方法によれば、バルク微小欠陥が１０¹⁰個／ｃｍ³以上の密度をもって形成される熱処理用部材を得ることができる。

ここで、前記チョクラルスキー法により育成されたシリコン単結晶の酸素濃度が、１．０×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³未満の場合には熱処理用部材内に十分なバルク微小欠陥を形成することができないため、１．０×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上であることが望ましい。

本発明は、上記したように熱処理用部材の内部のバルク微小欠陥密度を制御することで、熱処理時における部分的な変形を抑制でき、その結果、半導体ウエハのスリップの発生を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。尚、以下の説明において、半導体ウエハとして、シリコンウエハを用いた場合について説明する。
図１に示す熱処理用部材は、シリコンウエハＷを枚葉で支持する円板状の支持板１である。この支持板１は、その上面にシリコンウエハＷを載置して、図３に示した縦型ウエハボートの支柱に形成された溝に保持される熱処理用部材である。

前記支持板１を得るには、まず、チョクラルスキー法により育成されたシリコン単結晶を支持板（熱処理用部材）の形状に加工し、加工された支持板をケミカルエッチングにより加工歪み層を除去したのち、表面に付着している金属不純物やダストを除去するために洗浄を行う。その後、熱処理炉内に投入し、０．１〜３．０℃／分の昇温速度で、８００℃〜１０００℃まで昇温し、この温度で３０分以上保持する（第１熱処理工程）。この処理を行うことで、前記支持板１全面にバルク微小欠陥となる酸素析出核を大量に析出させる。
次に、第１熱処理工程終了後、さらに、１１００℃〜１２５０℃まで昇温し、この温度で１分以上保持する（第２熱処理工程）。これによって、前記第１熱処理で析出させた酸素析出核を成長させてバルク微小欠陥を形成させる。なお、酸素析出核のみの形成では、強度的に低く、部分的な変形を抑制することができず、熱処理時において、スリップを抑制することが難しい。

前記支持板１には、その内部に、バルク微小欠陥Ｂが１０¹⁰個／ｃｍ³以上の密度をもって形成されていることが好ましい。このようにバルク微小欠陥Ｂが形成されており、かつ、その密度が１０¹⁰個／ｃｍ³以上である場合に、支持板１の熱処理時における部分的な変形を抑制し、その結果、半導体ウエハのスリップの発生を抑制することができる。
なお、バルク微小欠陥の密度が１０¹⁰個／ｃｍ³未満の場合は、熱処理後、シリコンウエハのスリップ発生を十分に抑制することができない。

より好ましくは、前記支持板１の全面にバルク微小欠陥Ｂが１０¹⁰個／ｃｍ³以上形成されていることが望ましい。このように、内部のみならず、全面にバルク微小欠陥Ｂが１０¹⁰個／ｃｍ³以上形成されていることで、より強度的に高くなり、部分的な変形を抑制することができ、熱処理時において、スリップをより抑制することができる。
なお、極表層付近（例えば、表層から２０〜３０μｍ付近までの表層）には、バルク微小欠陥が低減する層が形成される場合があるが、この極表層付近に、バルク微小欠陥密度が１０¹⁰個／ｃｍ³未満に低減する層が形成されても、実質、前記支持板１の全体の強度を低下させるものではない。

ここで、バルク微小欠陥について簡単に説明すると、ＣＺ法シリコン単結晶は、一般に、格子間酸素濃度が過飽和状態であり、熱履歴を受けることにより、該格子間酸素はＳｉと反応してＳｉＯ₂等の酸化物を生成する。
このとき、体積膨張等により過剰なＳｉが格子間Ｓｉとして放出され、単結晶中に転位等の２次欠陥が形成される。このような格子間酸素による析出物は、バルク微小欠陥（ＢＭＤ；Bulk Micro Defect）と呼ばれている。
なお、このバルク微小欠陥の密度は赤外線（ＩＲ）トモグラフで測定したものである。

次に、本発明における熱処理用部材の製造方法を説明する。
まず、チョクラルスキー法により育成されたシリコン単結晶を用いて、熱処理用部材の形状に加工する。チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を育成する際に、シリコン単結晶に含まれる酸素濃度を、１．０×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上とすることが好ましい。酸素濃度が、１．０×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³未満だと、熱処理用部材内に十分にバルク微小欠陥を形成することができないためである。

次に、０．１〜３．０℃／分の昇温速度で、８００℃〜１０００℃まで昇温させる。このとき、昇温速度が０．１℃／分未満の場合は、生産性に乏しく好ましくない。一方、昇温速度が３．０℃／分を超えると、バルク微小欠陥の核が十分に形成されず、熱処理後のシリコンウエハのスリップを抑制することができない。
前記昇温速度で８００℃〜１０００℃まで昇温後、３０分以上その温度を維持する。さらに、この熱処理用部材を、１１００℃〜１２５０℃まで昇温させたのち、その温度で１分以上保持する。この処理を行うことで、バルク微小欠陥サイズが増大し、本発明の熱処理用部材が完成する。

チョクラルスキー法によるシリコン単結晶引上げ時において、酸素濃度を抑制して、それぞれ酸素濃度が異なるシリコン単結晶を育成した。
得られたシリコン単結晶を、それぞれ図１に示す形状の支持板に加工して、この支持板に、ケミカルエッチングを施して洗浄した後、第１熱処理として、５００℃に保持された熱処理炉に投入し、３０分、この温度を保持した後、昇温速度を、１℃／ｍｉｎにて１０００℃まで昇温し、この温度を３時間保持した。その後、５００℃まで、降温した後、熱処理治具を取り出した。

次に、前記支持板を、炉内温度が６００℃に保持された熱処理炉に投入し、アルゴン雰囲気中で１２００℃まで昇温して、この温度で１時間保持した。その後、６００℃まで降温して、取り出し、支持板を作成した。
得られた支持板の一部を劈開し、赤外線トモグラフにより支持板内部のバルク微小欠陥密度を測定したところ、表１に示すように、０．１×１０¹⁰個／ｃｍ³、０．５×１０¹⁰個／ｃｍ³、１．０×１０¹⁰個／ｃｍ³、５．０×１０¹⁰個／ｃｍ³、１０×１０¹⁰個／ｃｍ³の５条件の支持板が得られた。
ここで、作成した各条件２０枚の支持板上に各々シリコンウエハを載置して、前記支持板を縦型ウエハボードに保持して、６００℃に保持された熱処理炉に投入し、アルゴン雰囲気中で１２００℃まで昇温して、この温度で１時間保持した。その後、６００度まで降温して、支持板を取り出し、シリコンウエハのスリップ発生状況を、Ｘ線トポグラフで評価し、シリコンウエハ２０枚におけるスリップ発生率（％）を評価した。その結果を表１に表す。

上記表１の結果から明らかなように、バルク微小欠陥の密度が１×１０¹⁰個／ｃｍ³以上において、シリコンウエハのスリップ発生率が大きく低下する傾向が認められた。

本発明にかかる熱処理用部材は、前記支持板に限定されるものではなく、リング状の支持板、サセプタ、縦型ボート等、半導体ウエハの熱処理工程において用いられる熱処理部材に広く適用することができる。また、本発明にかかる製造方法は、前記した熱処理部材を好適に得ることができる。

図１は、本発明にかかる熱処理部材の一実施形態を示す側面図である。 図２は、バルク微小欠陥を模式的に示した熱処理用部材の断面図である。 図３は、縦型ウエハボートを示す斜視図である。 図４は、熱処理用部材である支持板を示す斜視図であって、（ａ）はプレート状支持板を示す図、（ｂ）はリング状支持板を示す図である。

符号の説明

１ 支持板（熱処理用部材）
２０ 支持板（熱処理用部材）
３０ 支持板（熱処理用部材）
Ｂ バルク微小欠陥
Ｗ 半導体ウエハ

Claims (3)

1. 半導体ウエハの熱処理工程において用いられる熱処理用部材であって、
   前記部材の内部に、バルク微小欠陥が１０¹⁰個／ｃｍ³以上の密度をもって形成されていることを特徴とする熱処理用部材。
2. 半導体ウエハの熱処理工程において用いられる熱処理用部材の製造方法であって、
   チョクラルスキー法により育成されたシリコン単結晶を熱処理用部材の形状に加工する工程と、前記工程により加工された熱処理用部材を熱処理炉内に投入し、０．１〜３．０℃／分の昇温速度で、８００℃〜１０００℃まで昇温し、この温度で３０分以上保持する第１熱処理工程と、前記第１熱処理工程後、前記熱処理用部材を１１００℃〜１２５０℃まで昇温し、この温度で１分以上保持する第２熱処理工程とを含むことを特徴とする熱処理用部材の製造方法。
3. 前記チョクラルスキー法により育成されたシリコン単結晶の酸素濃度は、１．０×１０¹⁸ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以上であることを特徴とする請求項２に記載の熱処理用部材の製造方法。

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