JP2010245208A - Thermal treatment jig and thermal treatment method of semiconductor silicon substrate - Google Patents

Thermal treatment jig and thermal treatment method of semiconductor silicon substrate Download PDF

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昭彦 遠藤
Tatsumi Kusaba
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermal treatment jig of a semiconductor silicon substrate for reducing a slip that may be generated when a semiconductor silicon substrate having a diameter of 300 mm or more, particularly 450 mm is subjected to thermal treatment and for suppressing particles on the substrate, and a thermal treatment method using the jig. <P>SOLUTION: This thermal treatment jig is a jig formed with an oxide film converted into cristobalite having a thickness of 10 to 50 μm and a surface roughness Ra of 0.5 to 2 μm, and is used to support a silicon substrate for thermal treatment to conduct thermal treatment thereto. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体シリコン基板の熱処理治具およびその治具を用いた熱処理方法に関し、特に、直径が300mm以上の(以下、大口径という)の半導体シリコン基板の熱処理に際し、熱処理中におけるスリップの発生を効果的に抑制しようとするものである。   TECHNICAL FIELD The present invention relates to a heat treatment jig for a semiconductor silicon substrate and a heat treatment method using the jig, and in particular, the occurrence of slip during heat treatment of a semiconductor silicon substrate having a diameter of 300 mm or more (hereinafter referred to as a large diameter). Is to effectively suppress

一般に、半導体シリコン基板は、酸化、拡散および成膜等の各工程において、高温の熱処理が繰返し施される。このような半導体シリコン基板の熱処理に際しては、種々の熱処理炉が使用されている。
また、シリコン単結晶製造技術の進歩とともに、半導体シリコン基板の口径も次第に大きくなってきており、最近では、450mmの直径のものが作製されるようになってきた。
In general, a semiconductor silicon substrate is repeatedly subjected to high-temperature heat treatment in each step such as oxidation, diffusion, and film formation. Various heat treatment furnaces are used for the heat treatment of the semiconductor silicon substrate.
In addition, with the progress of silicon single crystal manufacturing technology, the diameter of the semiconductor silicon substrate is gradually increasing, and recently, a substrate having a diameter of 450 mm has been produced.

熱処理炉を使用して半導体シリコン基板の高温熱処理を行う際、半導体シリコン基板の口径が大きいほど半導体シリコン基板の温度分布が不均一になり易く、これが半導体シリコン基板に熱応力(以下、単に熱応力という)を生じさせる原因となる。
また、熱処理炉内に半導体シリコン基板を装着する際、半導体シリコン基板の口径が大きくなるほど基板にかかる応力(以下、単に応力という)も大きくなる。
特に、大口径の半導体シリコン基板を熱処理する場合、一般的な基板の外周部のみを支持する方式では、上記した応力の影響が大きく、安定した熱処理が困難になる。
When high-temperature heat treatment of a semiconductor silicon substrate is performed using a heat treatment furnace, the temperature distribution of the semiconductor silicon substrate tends to become non-uniform as the diameter of the semiconductor silicon substrate increases, and this causes thermal stress (hereinafter simply referred to as thermal stress) to the semiconductor silicon substrate. Cause).
Further, when the semiconductor silicon substrate is mounted in the heat treatment furnace, the stress applied to the substrate (hereinafter simply referred to as stress) increases as the diameter of the semiconductor silicon substrate increases.
In particular, when heat-treating a large-diameter semiconductor silicon substrate, the method of supporting only the outer peripheral portion of a general substrate is greatly affected by the stress described above, and stable heat treatment becomes difficult.

熱応力や応力は、半導体シリコン基板中にスリップと呼ばれる結晶欠陥(以下単にスリップという)を、引き起こす原因となる。スリップは、LSIデバイスのリーク電流の増加や半導体シリコン基板平坦性の劣化の原因となるため、従来から、これらの熱応力や応力を抑制するための提案がなされている。   Thermal stress and stress cause crystal defects called slips (hereinafter simply referred to as slips) in the semiconductor silicon substrate. Since slip causes an increase in leakage current of LSI devices and deterioration of semiconductor silicon substrate flatness, proposals have been made to suppress these thermal stresses and stresses.

例えば、特許文献1では、クリストバライト化させた酸化膜を形成した熱処理治具を、縦型炉用の熱処理治具として提案している。
また、大口径化に伴い、デバイス集積度を上げることで高速・低消費電力・低コスト化のためにプロセスにおける微細化技術が適用され、半導体基板表面のパーティクルサイズ・個数の低減要求がより強まっている。
For example, Patent Document 1 proposes a heat treatment jig formed with a cristobalite-formed oxide film as a heat treatment jig for a vertical furnace.
In addition, along with the increase in diameter, process miniaturization technology has been applied to increase the device integration to achieve high speed, low power consumption, and low cost, and the demand for reducing the particle size and number of semiconductor substrate surfaces has increased. ing.

特開2007−73923号公報JP 2007-73923 A

しかしながら、上掲した特許文献1では、その適用範囲が縦型に限られ、また、対象とするウェーハの口径も最大300mmまでしか記載が無い。またクリストバライト化の手法の記載はあるが、スリップ抑制にために必要なクリストバライト層厚さおよび表面粗さに関する記載がない。
これに対して大口径のウェーハ、特に、次世代ウェーハとして開発が進められている450mm径ウェーハにおいては、従来口径のウェーハに比べると格段にクリストバライト粒のシリコンウェーハへの食込み率が高くなるため、かようなクリストバライト化酸化膜を有する熱処理治具であっても、繰返し使用した場合には、スリップの抑制効果が安定しないという問題が生じる。
つまり、上記熱処理治具の次世代半導体基板である300mm径以上のウェーハ、特に450mm径ウェーハへの適用に関しては、最適なクリストバライト化させた酸化膜の膜厚、熱処理雰囲気等、シリコン基板の熱処理に関する情報が不足していたため、繰返し使用に際し、問題を残していた。
However, in the above-mentioned Patent Document 1, the applicable range is limited to the vertical type, and the diameter of the target wafer is only described up to a maximum of 300 mm. Further, although there is a description of the cristobalite method, there is no description regarding the cristobalite layer thickness and surface roughness necessary for slip suppression.
On the other hand, large-diameter wafers, especially 450 mm diameter wafers that are being developed as next-generation wafers, have a significantly higher crevice rate of cristobalite grains into silicon wafers than conventional diameter wafers. Even if such a heat treatment jig having a cristobalite-formed oxide film is used repeatedly, there arises a problem that the slip suppression effect is not stable.
In other words, regarding the application of the above heat treatment jig to a wafer of 300 mm diameter or larger, which is a next generation semiconductor substrate, particularly a 450 mm diameter wafer, it relates to the heat treatment of the silicon substrate, such as the optimal cristobalite oxide film thickness, heat treatment atmosphere, etc. There was a problem with repeated use due to lack of information.

さらに、300mm径シリコンウェーハにおいては、1000℃程度までの熱処理には、SiCより安価で1000℃において十分な耐熱温度を有する石英が用いられてきたが、大口径のウェーハにおいては、1000℃においてもスリップが発生する、という問題がある。   Furthermore, for 300 mm diameter silicon wafers, quartz having a heat resistant temperature at 1000 ° C. which is cheaper than SiC has been used for heat treatment up to about 1000 ° C., but for large diameter wafers, even at 1000 ° C. There is a problem that slip occurs.

一方、従来の300mm径高温熱処理においても、表面をクリストバライト化した熱処理治具を用いて、熱処理を施した場合、クリストバライトがウェーハに接触することで剥離し、特に縦型炉のバッチ処理においては、直下ウェーハにパーティクルが堆積するという問題が発生していた。この問題に対して特許文献1では、クリストバライト処理した治具の下に、その直径よりも大きな径の遮蔽板を置くことを提案しているが、完全に遮蔽することは困難であった。特に、バッチ処理の熱処理炉においては、炉内部の部品数が増加するため、熱容量が大きくなり、昇温・降温に時間がかかる、バッチサイズ(一度にウェーハ処理する枚数)が減少するという欠点を有していた。
つまり、デバイスプロセスの微細化が進むつれて、従来口径の最大径である300mm以上の大口径の半導体シリコン基板のデバイス特性に影響を与えるパーティクルは、従来より厳しく管理する必要が生じてきている。
On the other hand, even in the conventional 300 mm diameter high-temperature heat treatment, when heat treatment was performed using a heat treatment jig whose surface was made cristobalite, the cristobalite peeled off when contacting the wafer, especially in the vertical furnace batch treatment, There was a problem that particles were deposited on the wafer directly below. To solve this problem, Patent Document 1 proposes placing a shielding plate having a diameter larger than the diameter under a cristobalite-treated jig, but it is difficult to completely shield the problem. Especially in batch processing heat treatment furnaces, the number of parts inside the furnace increases, so the heat capacity increases, it takes time to raise and lower the temperature, and the batch size (number of wafers processed at one time) decreases. Had.
In other words, as the device process becomes finer, particles that affect the device characteristics of a semiconductor silicon substrate having a large diameter of 300 mm or more, which is the maximum diameter of the conventional diameter, need to be more strictly controlled than before.

本発明は、上記の現状に鑑み開発されたもので、特に、直径300mm以上の大口径の半導体シリコン基板を、熱処理する際に発生が懸念されるスリップを低減させかつ基板上のパーティクルを抑制することができる半導体シリコン基板の熱処理治具およびその治具を用いた熱処理方法を提供することを目的とする。   The present invention has been developed in view of the above-mentioned present situation, and in particular, reduces the slip that may occur when heat-treating a large-diameter semiconductor silicon substrate having a diameter of 300 mm or more and suppresses particles on the substrate. An object of the present invention is to provide a heat treatment jig for a semiconductor silicon substrate and a heat treatment method using the jig.

クリストバライト酸化膜は、特許文献1に記載されたように、900℃以上の高温熱処理において、シリコンウェーハ接着反応が進みにくく、またスリップ発生の起点となる固着が発生しにくいため、スリップの発生が抑制されることが分かっている。
発明者らは、上記したスリップの発生抑制の技術を、大口径のウェーハ熱処理に対しても、耐久性良く、繰返し使用するための検討を行った。そのために、種々の熱処理に関する実験を行い、その結果、大口径のウェーハ熱処理に最適なクリストバライトの膜厚、および表面粗さを見出すことに至った。また、スリップ抑制効果の高いクリストバライト膜の欠点であるパーティクル増加を低減できる最適な熱処理後プロセスを見出した。
本発明はこれらの知見に基づいてなされたものである。
As described in Patent Document 1, the cristobalite oxide film suppresses the occurrence of slip because the silicon wafer adhesion reaction does not proceed easily during high-temperature heat treatment at 900 ° C. or higher, and the occurrence of sticking is unlikely to occur. I know that
The inventors have studied to repeatedly use the above-described technology for suppressing the occurrence of slip even with large-diameter wafer heat treatment with high durability. For this purpose, various heat treatment experiments were conducted. As a result, the cristobalite film thickness and surface roughness optimum for heat treatment of large-diameter wafers were found. In addition, the present inventors have found an optimal post-heat treatment process that can reduce the increase in particles, which is a drawback of a cristobalite film having a high slip suppression effect.
The present invention has been made based on these findings.

すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
(1)直径が300mm以上の半導体シリコン基板を熱処理時に支持する熱処理治具であって、該熱処理治具のシリコン基板支持領域にクリストバライト化させた酸化膜を10〜50μmの厚みで形成し、かつクリストバライトの表面粗度Raが0.5〜2μmであることを特徴とする半導体シリコン基板の熱処理治具。
That is, the gist configuration of the present invention is as follows.
(1) A heat treatment jig for supporting a semiconductor silicon substrate having a diameter of 300 mm or more during heat treatment, wherein a cristobalite-formed oxide film is formed in a thickness of 10 to 50 μm on a silicon substrate support region of the heat treatment jig, and A heat treatment jig for a semiconductor silicon substrate, wherein the surface roughness Ra of cristobalite is 0.5 to 2 μm.

(2)前記熱処理治具の素材が、シリコンまたは石英であることを特徴とする(1)に記載の半導体シリコン基板の熱処理治具。   (2) The semiconductor silicon substrate heat treatment jig according to (1), wherein a material of the heat treatment jig is silicon or quartz.

(3)(1)または(2)に記載の熱処理治具により、直径が300mm以上の半導体シリコン基板を支持し、非還元素雰囲気中にて900〜1350℃の温度域で熱処理を施した後、HF洗浄を行い、次いで、基板表面を研摩する工程を含むことを特徴とする半導体基板の製造方法。   (3) After supporting a semiconductor silicon substrate having a diameter of 300 mm or more with the heat treatment jig described in (1) or (2) and performing heat treatment in a temperature range of 900 to 1350 ° C. in a non-reducing atmosphere. A method of manufacturing a semiconductor substrate, comprising: performing HF cleaning and then polishing the substrate surface.

本発明によれば、大口径のシリコン半導体基板の熱処理に際し、スリップの発生を効果的に抑制して、結晶欠陥の少ないシリコンウェーハを安定して得ることができる。   According to the present invention, during the heat treatment of a large-diameter silicon semiconductor substrate, the generation of slip can be effectively suppressed, and a silicon wafer with few crystal defects can be stably obtained.

クリストバライト化させた酸化膜を有する石英またはシリコン製のボートの一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the boat made from quartz or silicon which has the oxide film made cristobalite.

以下、本発明について具体的に説明する。
まず、本発明の半導体シリコン基板の熱処理治具において、クリストバライト化させた酸化膜の厚さを以下の数値に限定した理由について述べる。
クリストバライト化させた酸化膜の厚さ:10〜50μm
熱処理時に、半導体シリコン基板を接触支持する治具に対し、その接触支持する領域に厚さが10〜50μmのクリストバライト化させた酸化膜を形成させる。
大口径のウェーハ熱処理に際し、クリストバライト化させた酸化膜の厚さが10μm未満では、ウェーハ食い込みによるクリストバライトの脱離が発生しやすく、安定した効果が得られにくい。
一方、クリストバライト化させた酸化膜の厚さが50μmを超えると、安定したスリップ抑制効果は得られるものの、クリストバライト成長に時間がかかるためコストの上昇を招く。さらに、熱処理治具母材との熱膨張係数の差が大きくなるため、クリストバライト粒自体の脱離が発生しやすく、パーティクル発生の原因になりやすい不利もある。
Hereinafter, the present invention will be specifically described.
First, the reason why the thickness of the cristobalite-formed oxide film in the heat treatment jig for a semiconductor silicon substrate of the present invention is limited to the following numerical values will be described.
Cristobalite oxide thickness: 10-50μm
At the time of the heat treatment, a cristobalite oxide film having a thickness of 10 to 50 μm is formed in a region for supporting and supporting the semiconductor silicon substrate.
When the thickness of the cristobalite oxide film is less than 10 μm during the heat treatment of a large-diameter wafer, the cristobalite is likely to be detached due to the bite of the wafer, and it is difficult to obtain a stable effect.
On the other hand, when the thickness of the oxide film converted to cristobalite exceeds 50 μm, although a stable slip suppression effect can be obtained, it takes time to grow cristobalite, resulting in an increase in cost. Furthermore, since the difference in thermal expansion coefficient from the base material of the heat treatment jig becomes large, the cristobalite grains themselves are likely to be detached, and there is a disadvantage that it is likely to cause the generation of particles.

また、クリストバライト表面粗度Raは0.5μmから2μmとする。Raが0.5μm以下では、熱処理冶具とウェーハは熱処理中に固着しやすく、そこを起点に冷却中に熱膨張差により応力が発生、スリップ発生の確率が高くなる。一方、Raが2μm以上では、粒径の大きなクリストバライト粒子がウェーハに突き刺さり、その傷を起点にスリップが発生しやすい。   The cristobalite surface roughness Ra is 0.5 μm to 2 μm. When Ra is 0.5 μm or less, the heat treatment jig and the wafer easily adhere to each other during the heat treatment, and stress is generated due to the difference in thermal expansion during the cooling from the starting point, and the probability of occurrence of slip increases. On the other hand, when Ra is 2 μm or more, cristobalite particles having a large particle size are pierced into the wafer, and slip is likely to occur starting from the scratches.

クリストバライト化させた酸化膜の性状、製作方法、熱履歴等について説明する。
ここで、クリストバライト化とは、酸化膜がアモルファス状態から結晶化した状態を意味する。かかるクリストバライト化させた酸化膜としては、表面にある程度亀裂が生じていることが好ましい。
The properties, manufacturing method, thermal history, etc. of the cristobalite oxide film will be described.
Here, cristobalite formation means a state in which the oxide film is crystallized from an amorphous state. The cristobalite oxide film preferably has some cracks on the surface.

本発明において、このような亀裂を有するクリストバライト化させた酸化膜は、クリストバライト化促進剤を熱処理治具の表面に塗布した後、熱処理を施すことによって得られる。クリストバライト化促進剤の作用により、比較的簡単な操作で、多数の亀裂が生じた酸化膜を、熱処理治具の表面に形成させることができる。   In the present invention, the cristobalite-formed oxide film having such cracks is obtained by applying a cristobalite formation accelerator to the surface of the heat treatment jig and then performing heat treatment. By the action of the cristobalite accelerator, an oxide film having a large number of cracks can be formed on the surface of the heat treatment jig by a relatively simple operation.

クリストバライト化促進剤を導入して熱処理を施す場合、熱処理治具の表面に予め酸化膜を形成しておいてもよい。この酸化膜の表面や表面近傍に導入されたクリストバライト化促進剤の作用によって、上記酸化膜がクリストバライト化して多数の亀裂が生じ、または、それと同時に、多数の亀裂を有する酸化膜が、上記酸化膜の表面に新たに形成される。   When heat treatment is performed by introducing a cristobalite accelerator, an oxide film may be formed in advance on the surface of the heat treatment jig. Due to the action of the cristobalite forming accelerator introduced on the surface of the oxide film or in the vicinity of the surface, the oxide film is converted to cristobalite to generate a large number of cracks, or at the same time, the oxide film having a large number of cracks becomes the oxide film. Newly formed on the surface.

クリストバライト化促進剤の種類について特に限定はないが、例えば、石英の失透を起こさせる成分としてよく知られているナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属、カルシウム、バリウム、マグネシウムなどのアルカリ土類金属、タングステン、ジルコニウム、モリブデンなどの遷移金属およびアルミニウムを用いるのが望ましい。これらの金属は、クリストバライト化を促進する効果が顕著であり、またシリコン基板に対する汚染作用が少ないからである。   There are no particular limitations on the type of cristobalite accelerator, but for example, alkali metals such as sodium and potassium well known as components that cause devitrification of quartz, alkaline earth metals such as calcium, barium, and magnesium, tungsten It is desirable to use transition metals such as zirconium and molybdenum, and aluminum. This is because these metals have a remarkable effect of promoting cristobalite formation and have little contamination action on the silicon substrate.

クリストバライト化させた酸化膜を得るための熱処理については、特定の条件に限定されることはない。使用するクリストバライト化促進剤の種類やその濃度(面積換算濃度)にもよるが、例えば、シリコン材料上に厚さ10〜50μmのクリストバライト膜を形成するカルシウムを用いた場合、酸化性雰囲気中で、1100〜1350℃の範囲で、10〜50時間程度の加熱処理することが望ましい条件である。
クリストバライト膜は、高温熱処理および長時間加熱ほど、膜を構成する粒径が大きくなり、表面粗さに影響を与える。Ra:0.5〜2.0μmに制御するためには、酸化雰囲気中において、1100〜1350℃の範囲で、10〜100時間程度の加熱をすることが好ましい。
膜厚と表面粗さを両立するためには、両者を同時に満足する熱処理条件を用いるか、厚めのクリストバライト膜を形成後、表面粗さが大きい場合、表面をCeO2系の砥粒を含んだ研摩材などを用いて研摩すればよく、表面粗さが小さい場合、HF溶液などを用い、表面のSiO2の粒界またはクリストバライトの亀裂部分が選択的にエッチングされる現象を利用して、意図的に表面を荒らせばよい。
The heat treatment for obtaining the cristobalite oxide film is not limited to a specific condition. Depending on the type of cristobalite accelerator used and its concentration (area equivalent concentration), for example, when calcium forming a cristobalite film having a thickness of 10 to 50 μm on a silicon material is used, in an oxidizing atmosphere, Heat treatment for about 10 to 50 hours in the range of 1100 to 1350 ° C. is a desirable condition.
In the cristobalite film, the higher the heat treatment and the longer the heating, the larger the particle size constituting the film, which affects the surface roughness. Ra: In order to control to 0.5 to 2.0 μm, it is preferable to heat in an oxidizing atmosphere in the range of 1100 to 1350 ° C. for about 10 to 100 hours.
To achieve both film thickness and surface roughness, use heat treatment conditions that satisfy both conditions simultaneously, or if a thick cristobalite film is formed and the surface roughness is large, the surface contains CeO 2 -based abrasive grains. It is only necessary to polish using a polishing material, etc. If the surface roughness is small, using HF solution, etc., using the phenomenon that the SiO 2 grain boundary or cristobalite cracks are selectively etched The surface should be roughened.

前記したクリストバライト化促進剤を、熱処理治具または予め酸化処理を施した熱処理治具の表面または表面近傍へ導入する方法についても、特に限定はない。例えば、ナトリウム水溶液中に熱処理治具を浸水させる方法、ナトリウム水溶液を熱処理治具の表面(すなわち、クリストバライト化させようとする表面)に滴下する方法などを適用することにより、クリストバライト化促進剤を、熱処理治具、または予め酸化処理を施した熱処理治具の表面、または表面近傍に容易に導入することができる。
なお、ここでいう「表面近傍」とは、治具の表面に塗布したクリストバライト化促進剤の一部が導入処理の際に、熱拡散で表面から内部へ僅かに侵入する場合があり、その侵入範囲程度をいう。
There is no particular limitation on the method for introducing the above-described cristobalite accelerator to the surface of the heat treatment jig or the surface of the heat treatment jig that has been previously oxidized. For example, by applying a method of immersing the heat treatment jig in an aqueous sodium solution, a method of dropping a sodium aqueous solution onto the surface of the heat treatment jig (that is, the surface to be cristobaliteized), etc., It can be easily introduced on or near the surface of a heat treatment jig or a heat treatment jig that has been previously oxidized.
Note that “near the surface” as used herein means that a part of the cristobalite accelerator applied to the surface of the jig may slightly enter from the surface to the inside due to thermal diffusion during the introduction treatment. This refers to the range.

この熱処理治具の表面または表面近傍に導入するクリストバライト化促進剤の濃度は、面積換算で1×1010 atoms/cm2 以上、すなわち、熱処理治具の表面(1cm2 )に存在するナトリウム、カリウムなどの金属原子数を1010 個以上とするのが望ましい。
この濃度以上であれば、形成させる酸化膜のクリストバライト化が促進され、シリコン材料の表面に多数の亀裂が生じた酸化膜を形成させることができる。
The concentration of the cristobalite accelerator introduced on or near the surface of the heat treatment jig is 1 × 10 10 atoms / cm 2 or more in terms of area, that is, sodium and potassium existing on the surface (1 cm 2 ) of the heat treatment jig. It is desirable that the number of metal atoms is 10 10 or more.
When the concentration is higher than this concentration, cristobalite formation of the oxide film to be formed is promoted, and an oxide film having a large number of cracks formed on the surface of the silicon material can be formed.

図1に本発明のクリストバライト化させた酸化膜を有する石英またはシリコン製のボートの一例を示す。本発明では、特にその構造を変えずに材質だけを変更して用いることが可能である。図中、1は熱処理ボート、2は開口部、3は支柱、4は基板支持部、5は上部天板、6は下部天板を示す。   FIG. 1 shows an example of a quartz or silicon boat having an oxide film converted to cristobalite according to the present invention. In the present invention, it is possible to change only the material without changing the structure. In the figure, 1 is a heat treatment boat, 2 is an opening, 3 is a column, 4 is a substrate support, 5 is an upper top plate, and 6 is a lower top plate.

クリストバライト化させた酸化膜を形成する熱処理治具の素材としては、シリコン(特許文献1記載)が一般的であるが、熱処理温度が1000℃以下の場合には、石英も好適に使用することができる。
なお、1000℃以下でも、シリコン基板を熱処理する場合、大口径のシリコン基板は、スリップが発生するため、その熱処理の際に用いられる石英ボートにおいても、表面にクリストバライト化させた酸化膜を形成する必要がある。
As a material for a heat treatment jig for forming a cristobalite-formed oxide film, silicon (described in Patent Document 1) is generally used. However, when the heat treatment temperature is 1000 ° C. or less, quartz is also preferably used. it can.
Even when the silicon substrate is heat-treated even at 1000 ° C. or lower, slip occurs in the large-diameter silicon substrate. Therefore, even in the quartz boat used for the heat treatment, a cristobalite-formed oxide film is formed on the surface. There is a need.

次に、上記した熱処理治具を用いた熱処理方法において、処理温度および雰囲気を前記の範囲に限定した理由を述べる。
シリコンの熱処理温度:900〜1350℃
900℃未満の熱処理温度では、治具表面にクリストバライト化させた酸化膜がなくてもスリップを発生することなく大口径のウェーハの熱処理が可能である。しかし、その処理時間が非常に長くなるため現実的ではない。一方、1350℃を超える熱処理は、シリコンが軟化してしまうため行われない。
Next, the reason why the processing temperature and atmosphere are limited to the above ranges in the heat treatment method using the heat treatment jig described above will be described.
Heat treatment temperature of silicon: 900-1350 ° C
When the heat treatment temperature is less than 900 ° C., heat treatment of a large-diameter wafer can be performed without causing slip even if there is no cristobalite oxide film on the jig surface. However, since the processing time becomes very long, it is not realistic. On the other hand, heat treatment exceeding 1350 ° C. is not performed because silicon softens.

繰返し熱処理によっても、スリップフリー効果を維持するためには、クリストバライトの分解を抑制する非還元性雰囲気とする必要がある。特に、酸化雰囲気または窒素雰囲気が好適である。   In order to maintain the slip-free effect even by repeated heat treatment, it is necessary to have a non-reducing atmosphere that suppresses the decomposition of cristobalite. In particular, an oxidizing atmosphere or a nitrogen atmosphere is suitable.

なぜなら、還元雰囲気での熱処理では、クリストバライトの分解によるスリップ抑制効果低減の他に、分解して生成したSiOx(ガス)が表面シリコンと反応しピットが形成されやすく、表面品質の劣化が起きるからである。
これに対し、非還元性雰囲気である雰囲気(例えば、O2、N2-O2、Ar-O2などの混合雰囲気)であれば、クリストバライト化させた酸化膜の劣化は殆んど観測されず、また窒素雰囲気でも熱処理温度・時間・回数によって一部酸窒化物に変わる可能性はあるが、実際は繰り返し熱処理においてもスリップフリー能力は劣化しない。
This is because the heat treatment in a reducing atmosphere reduces the slip suppression effect due to the decomposition of cristobalite, and the SiOx (gas) generated by the decomposition reacts with the surface silicon to form pits, resulting in deterioration of the surface quality. is there.
In contrast, if the atmosphere is a non-reducing atmosphere (for example, a mixed atmosphere of O 2 , N 2 -O 2 , Ar-O 2, etc.), the degradation of the cristobalite-formed oxide film is hardly observed. In addition, even in a nitrogen atmosphere, there is a possibility that the oxynitride is partially changed depending on the heat treatment temperature / time / number of times.

前記した熱処理の種類としては、例えば、シリコンウェーハ製造工程において酸素ドナーを消滅させるためのドナーキラーアニール(〜1000℃)、エピタキシャル成長前に行うイントリンジックゲッタリング形成促進のために行う析出促進アニール(900〜1000℃)、貼り合せ強化熱処理(1000〜1200℃)、SOI製造のためのSIMOXアニール(1300〜1350℃)などが考えられる。   Examples of the type of heat treatment described above include donor killer annealing (˜1000 ° C.) for eliminating oxygen donors in a silicon wafer manufacturing process, and precipitation promotion annealing for promoting intrinsic gettering formation before epitaxial growth ( 900 to 1000 ° C.), bonding strengthening heat treatment (1000 to 1200 ° C.), SIMOX annealing (1300 to 1350 ° C.) for SOI production, and the like.

通常、900〜1000℃で処理をする場合、ウェーハ外周部を3、4点支持するのが一般的である。また、1000〜1350℃の高温では、例えばウェーハ径の1/2(50%)〜2/3(67%)の内径で、幅が30〜70mm程度のリング状シリコンボートなどを使用する。なお、リング状シリコンボートの場合は、SiCボートに積載して使用する。
また、従来の300mm径の高温熱処理においても、表面をクリストバライト化した熱処理治具を用いて熱処理した場合、クリストバライトがウェーハと接触することで剥離し、特に縦型炉のバッチ処理においては、直下ウェーハにパーティクルが堆積する。このパーティクルは熱処理中にウェーハと反応固着して、通常の半導体プロセス用いられるSC1/SC2洗浄では除去しにくい性質を持っている。
Usually, when processing at 900-1000 degreeC, it is common to support the wafer outer peripheral part 3 or 4 points | pieces. At a high temperature of 1000 to 1350 ° C., for example, a ring-shaped silicon boat having an inner diameter of 1/2 (50%) to 2/3 (67%) of the wafer diameter and a width of about 30 to 70 mm is used. In the case of a ring-shaped silicon boat, it is used by being loaded on a SiC boat.
In addition, even in the conventional high-temperature heat treatment with a diameter of 300 mm, when heat treatment is performed using a heat treatment jig whose surface is made cristobalite, the cristobalite comes off when it comes into contact with the wafer. Particles accumulate on the surface. These particles react with and adhere to the wafer during heat treatment, and are difficult to remove by SC1 / SC2 cleaning used in normal semiconductor processes.

ここで、本発明では、クリストバライトがSiO2から構成されるので、HF洗浄により溶融除去をする。しかし、それだけでは、固着痕が残るため、酸化雰囲気中での熱処理により形成された酸化膜をHFで除去し後、研摩によってクリストバライト粒子またはその固着痕を研摩で除去することが好適である。
以上から、本発明は300mm径以上の半導体シリコン基板を熱処理に好適に使用できる。
研摩代としては、0.01μm〜1.0μmが好ましく、研摩によるウェーハ平坦性を損なうことでデバイス特性が劣化する場合には、0.01〜0.05μmが更に好ましい。
Here, in the present invention, since the cristobalite is composed of SiO 2 , the melt is removed by HF cleaning. However, it is preferable to remove the cristobalite particles or the fixed traces by polishing after removing the oxide film formed by the heat treatment in the oxidizing atmosphere with HF because the fixed traces remain.
From the above, the present invention can suitably use a semiconductor silicon substrate having a diameter of 300 mm or more for heat treatment.
The polishing allowance is preferably from 0.01 μm to 1.0 μm, and more preferably from 0.01 to 0.05 μm when the device characteristics deteriorate due to loss of wafer flatness by polishing.

<基本条件>
300mm、450mmシリコンウェーハ:P型 (100)基板
シリコンリング:
内径:200mm、幅:50mm、平坦度:20μm、表面粗さ:2μm
(450mmに対して、ウェーハ径の50〜55%の範囲を支持)
石英ボート:外周4点支持
<Basic conditions>
300mm, 450mm silicon wafer: P type (100) substrate Silicon ring:
Inner diameter: 200 mm, width: 50 mm, flatness: 20 μm, surface roughness: 2 μm
(Supports 50 to 55% of wafer diameter for 450 mm)
Quartz boat: 4 points on the outer periphery

・クリストバライト化処理の条件
シリコンリングについては、これをナトリウム濃度が20ppmの水溶液中に10分浸漬させ、引き上げて自然乾燥させた。ついで、このシリコンリングに対し、1320℃で5〜60時間の酸化熱処理を行った。得られたシリコンリングを、顕微鏡で観察した結果、形成された酸化膜の各所に亀裂が生じていることが確認された。また、その酸化膜をX線回折で検査したところクリストバライト化されていることが確認された。さらに、SEM観察で酸化膜の厚みを測定した。なお、表面粗さはAFM(原子間力顕微鏡)にて測定、粗さ調整は、研摩またはHF溶液に浸漬させることで調整した。
-Conditions for cristobalite treatment The silicon ring was dipped in an aqueous solution having a sodium concentration of 20 ppm for 10 minutes, pulled up, and allowed to dry naturally. Next, this silicon ring was subjected to an oxidation heat treatment at 1320 ° C. for 5 to 60 hours. As a result of observing the obtained silicon ring with a microscope, it was confirmed that cracks occurred in various portions of the formed oxide film. Further, when the oxide film was examined by X-ray diffraction, it was confirmed that the oxide film was converted to cristobalite. Furthermore, the thickness of the oxide film was measured by SEM observation. The surface roughness was measured with an AFM (atomic force microscope), and the roughness was adjusted by dipping in a polishing or HF solution.

一方、石英ボートも、シリコンリングと同様に、ナトリウム濃度が20ppmの水溶液中に10分浸漬させ、引き上げて自然乾燥させた後、同じ炉を使用して1100℃、1〜20時間の酸化熱処理を実施した。クリストバライトを評価するために、サンプルピース(10mm×10mm)をボート本体と同時に処理し、それを評価した。シリコンリングと同様に、顕微鏡で観察した結果、形成された酸化膜の各所に亀裂が生じていることが確認された。また、その酸化膜をX線回折で検査したところクリストバライト化されていることが確認された。さらに、SEM観察で酸化膜の厚みを測定した。なお、表面粗さはAFMにて測定、粗さ調整は、研摩またはHF溶液に浸漬させることで調整した。   On the other hand, the quartz boat, like the silicon ring, is immersed in an aqueous solution with a sodium concentration of 20 ppm for 10 minutes, pulled up and naturally dried, and then subjected to oxidation heat treatment at 1100 ° C. for 1 to 20 hours using the same furnace. Carried out. To evaluate cristobalite, a sample piece (10 mm x 10 mm) was processed simultaneously with the boat body and evaluated. As in the case of the silicon ring, as a result of observing under a microscope, it was confirmed that cracks occurred in various portions of the formed oxide film. Further, when the oxide film was examined by X-ray diffraction, it was confirmed that the oxide film was converted to cristobalite. Furthermore, the thickness of the oxide film was measured by SEM observation. The surface roughness was measured by AFM, and the roughness was adjusted by polishing or immersing in HF solution.

・シリコンリングの熱処理条件
雰囲気:酸素、アルゴン、温度:1200〜1350℃、時間:2時間支持
繰り返し10回処理後、評価ウェーハを投入した。
ウェーハ径:300mm
熱処理後、HF:5%溶液に30分浸漬したのち、SC1洗浄+フッ酸オゾン混合液洗浄した後、一部は表面を0.2μm程度研摩し、さらにSC1洗浄+フッ酸オゾン混合液洗浄した。
Heat treatment conditions for silicon ring Atmosphere: oxygen, argon, temperature: 1200-1350 ° C., time: supported for 2 hours After 10 repeated treatments, an evaluation wafer was loaded.
Wafer diameter: 300mm
After the heat treatment, the substrate was immersed in a HF: 5% solution for 30 minutes, and then washed with SC1 cleaning + hydrofluoric acid ozone mixed solution. Then, a part of the surface was polished by about 0.2 μm and further washed with SC1 cleaning + hydrofluoric acid ozone mixed solution.

・石英ボートの熱処理条件
雰囲気:酸素、アルゴン、温度:1000℃、時間:2時間支持
内径:600mmの縦型熱処理炉にSiC製ボートを搭載、そこに上記シリコンリングを準備し、繰り返し10回処理後、評価ウェーハを投入した。
ウェーハ径:450mm
・ Heat treatment conditions for quartz boats Atmosphere: Oxygen, Argon, Temperature: 1000 ° C, Time: Support for 2 hours Inner diameter: A SiC boat is installed in a vertical heat treatment furnace with a diameter of 600mm, and the above silicon ring is prepared there and processed 10 times repeatedly. Thereafter, an evaluation wafer was loaded.
Wafer diameter: 450mm

<評価>
300mmウェーハはそのまま、450mmウェーハは、4分割にダイヤモンドペンで、へき開し、透過型X線回折装置でウェーハ接触部のスリップの有無を調査した。
調査の結果、長さ:10mm以上のスリップを観察した場合は×、それ以下は○と評価した。
得られた結果を表1に示す。
<Evaluation>
The 300 mm wafer was left as it was, and the 450 mm wafer was cleaved into four parts with a diamond pen.
As a result of the investigation, when a slip having a length of 10 mm or more was observed, it was evaluated as x, and when the slip was observed, it was evaluated as ◯.
The obtained results are shown in Table 1.

Figure 2010245208
Figure 2010245208

次に、レーザーを使用したパーティクル測定器を使用し、研摩あり、なしサンプルに関して、サイズ60nm以上のLPD(Laser Particle Defect)として検出されたパーティクルを測定し、>0.065μmのパーティクル個数を数えた。
・研摩ありなしのパーティクル測定欠陥サンプル製造条件
300mウェーハ、シリコンリング、クリストバライト厚さ30μm、表面粗さ1μm、熱処理温度1350℃(酸化雰囲気)
得られた結果を表2に示す。
Next, particles detected as LPD (Laser Particle Defect) having a size of 60 nm or more were measured for a sample with and without polishing using a particle measuring device using a laser, and the number of particles of> 0.065 μm was counted.
・ Production conditions for particle measurement defect samples with and without polishing
300m wafer, silicon ring, cristobalite thickness 30μm, surface roughness 1μm, heat treatment temperature 1350 ℃ (oxidizing atmosphere)
The obtained results are shown in Table 2.

Figure 2010245208
Figure 2010245208

表1に示したとおり、本発明に従うクリストバライト化酸化膜を有するものは、評価ウェーハにスリップが認められなかった。これに対し、本発明を外れるクリストバライトさせた酸化膜の厚さのものおよび還元雰囲気で処理したものは、評価ウェーハにスリップが生じていた。さらに、クリストバライトの表面粗さによってスリップ発生有無が変化することが分かる。
また、表2に示したとおり、研摩したものは、クリストバライト起因のLPDが減少し、>0.065μmでも有限個に減少したことを確認した。
As shown in Table 1, no slip was observed on the evaluation wafer having the cristobalite oxide film according to the present invention. On the other hand, the cristobalite-thick oxide film having a thickness outside the present invention and the one treated in a reducing atmosphere produced slip on the evaluation wafer. Furthermore, it can be seen that the presence or absence of slip changes depending on the surface roughness of the cristobalite.
In addition, as shown in Table 2, it was confirmed that the LPD caused by cristobalite decreased and the number of polished particles decreased to a finite number even> 0.065 μm as shown in Table 2.

本発明によれば、大口径シリコン基板の熱処理時のスリップの発生を防止できるので、シリコン基板表面へのパーティクルの付着を抑制し、デバイスの品質特性を高度に維持するとともに、デバイス製造の歩留まり向上が可能となる。その結果、低コスト高品質な大口径シリコン基板を提供できる。   According to the present invention, it is possible to prevent the occurrence of slip during the heat treatment of a large-diameter silicon substrate, thereby suppressing the adhesion of particles to the surface of the silicon substrate, maintaining a high quality characteristic of the device, and improving the yield of device manufacturing. Is possible. As a result, a low-cost high-quality large-diameter silicon substrate can be provided.

1:熱処理ボート
2:開口部
3:支柱
4:基板支持部
5:上部天板
6:下部天板
1: Heat treatment boat 2: Opening
3: Support column 4: Substrate support part 5: Upper top plate 6: Lower top plate

Claims (3)

直径が300mm以上の半導体シリコン基板を熱処理時に支持する熱処理治具であって、該熱処理治具のシリコン基板支持領域にクリストバライト化させた酸化膜を10〜50μmの厚みで形成し、かつクリストバライトの表面粗度Raが0.5〜2μmであることを特徴とする半導体シリコン基板の熱処理治具。   A heat treatment jig for supporting a semiconductor silicon substrate having a diameter of 300 mm or more during heat treatment, wherein a cristobalite-formed oxide film is formed with a thickness of 10 to 50 μm on a silicon substrate support region of the heat treatment jig, and the surface of the cristobalite A heat treatment jig for a semiconductor silicon substrate, having a roughness Ra of 0.5 to 2 μm. 前記熱処理治具の素材が、シリコンまたは石英であることを特徴とする請求項1に記載の半導体シリコン基板の熱処理治具。   2. The heat treatment jig for a semiconductor silicon substrate according to claim 1, wherein a material of the heat treatment jig is silicon or quartz. 請求項1または2に記載の熱処理治具により、直径が300mm以上の半導体シリコン基板を支持し、非還元素雰囲気中にて900〜1350℃の温度域で熱処理を施した後、HF洗浄を行い、次いで、基板表面を研摩する工程を含むことを特徴とする半導体基板の製造方法。   A semiconductor silicon substrate having a diameter of 300 mm or more is supported by the heat treatment jig according to claim 1 or 2, subjected to heat treatment in a temperature range of 900 to 1350 ° C. in a non-reductive atmosphere, and then subjected to HF cleaning. Then, a method for manufacturing a semiconductor substrate comprising a step of polishing the substrate surface.
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