JP2012069774A - シリコンウェーハの熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高温熱処理時のウェーハの撓みを抑制し、スリップ転位の発生及びウェーハ表面へのパーティクルの付着を防止することができるシリコンウェーハの熱処理方法を提供する。
【解決手段】シリコン単結晶インゴットをスライスして得られたシリコンウェーハの裏面の外周領域をサポートリングにより支持し、前記シリコンウェーハの外周縁から中心に向かって５ｍｍの位置である外周部の温度が、該シリコンウェーハの中心部の温度よりも４℃以上３０℃以下の範囲で高く、かつ、該シリコンウェーハの外周縁の温度が、前記外周部の温度よりも低くなるように、前記シリコンウェーハの面内温度を制御しながら熱処理を行う。
【選択図】なし

Description

本発明は、チョクラルスキー法等により製造されたシリコン単結晶インゴットをスライスして得られたシリコンウェーハ（以下、単に、ウェーハともいう）に、半導体デバイス作製に供するために施すシリコンウェーハの熱処理方法に関する。

半導体デバイスの製造には、一般的に、チョクラルスキー法等により引き上げられたシリコン単結晶インゴットをスライスして得られたシリコンウェーハが用いられる。
このようなシリコンウェーハの製造工程、又は、該シリコンウェーハを用いた半導体デバイス作製工程においては、例えば、ウェーハ表層部の欠陥を低減させること等を目的として、縦型ボートを用いた縦型熱処理装置による熱処理や、急速加熱・急速冷却熱処理（Rapid Thermal Process；以下、単に、ＲＴＰともいう）装置を用いた熱処理等が施される。

上記のようなＲＴＰを行う際には、シリコンウェーハを支持するために、例えば、リング形状のサポートリングが支持治具として用いられ、材質としては、強度や汚染防止等の観点から、炭化ケイ素やシリコン等が用いられている（例えば、特許文献１）。

しかしながら、特許文献１に記載されているようなサポートリングによりウェーハを支持してＲＴＰを行う場合、図５に示すように、ＲＴＰの際、ウェーハは中心部が垂れるように撓む（図５中のＳ１）ため、ウェーハＷとサポートリング３１との接触点Ｗｐにおいて、ウェーハの自重による応力が集中し、ウェーハにスリップ転位が生じたり、ウェーハＷとサポートリング３１との接触摩擦によりパーティクルが生じ、これがウェーハ表面に付着したりして、デバイス作製における歩留まりの低下を招く原因となっていた。

また、近年、直径３００ｍｍ以上の大口径ウェーハが製造されるようになり、このようなウェーハの大口径化に伴い、ウェーハの自重による応力もますます大きくなり、上記のようなウェーハの撓みによる問題を生じる傾向が増している。

このような問題を解決するための方法としては、例えば、特許文献２に、ＲＴＡ（Rapid thermal Annealing）装置において、ウェーハとその支持治具との接触部分の温度が、ウェーハの中心部の温度よりも３〜２０℃低くなるように制御した状態で熱処理を行うことが提案されている。

また、特許文献３には、ＲＴＰにおいて、ウェーハの外周部を複数の支持ピンで水平に支持し、ウェーハ外周部の温度がウェーハ中心部の温度よりも１〜６℃高くなるように、ウェーハ面内の温度分布を制御しながら熱処理を行うことが記載されている。

特開２００７−２２７４６１号公報 特開２００２−１６４３００号公報 特開２０１０−３４２８８号公報

しかしながら、上記特許文献２，３に記載されたようなウェーハ面内の温度分布制御によっても、１２００℃を超えるような高温での熱処理においては、支持治具との接触部分から生じるウェーハのスリップ転位を抑制する効果は十分であるとは言えなかった。

したがって、１２００℃を超える高温熱処理を施す場合においても、ウェーハの撓みを抑制することにより、スリップ転位の発生を防止することができる方法が求められている。

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、高温熱処理時のウェーハの撓みを抑制し、スリップ転位の発生及びウェーハ表面へのパーティクルの付着を防止することができるシリコンウェーハの熱処理方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係るシリコンウェーハの熱処理方法は、シリコン単結晶インゴットをスライスして得られたシリコンウェーハを熱処理する方法において、前記シリコンウェーハの裏面の外周領域をサポートリングにより支持し、前記シリコンウェーハの外周縁から中心に向かって５ｍｍの位置である外周部の温度が、該シリコンウェーハの中心部の温度よりも４℃以上３０℃以下の範囲で高く、かつ、該シリコンウェーハの外周縁の温度が、前記外周部の温度よりも低くなるように、前記シリコンウェーハの面内温度を制御しながら熱処理を行うことを特徴とする。
このようにウェーハ面内温度分布を制御することにより、高温熱処理時においてもウェーハの撓みを抑制することができる。

上記熱処理方法においては、前記シリコンウェーハの外周縁の温度は、前記外周部の温度よりも２℃以上７℃以下の範囲で低くなるようにすることが好ましい。
ウェーハのサポートリングとの接触箇所付近における撓みを抑制し、また、熱応力によるスリップ転位の発生を抑制する観点から、前記外周縁は上記範囲での温度設定とすることが好ましい。

前記熱処理は、急速加熱・急速冷却熱処理（ＲＴＰ）であることが好ましい。
本発明は、ウェーハを高速回転して熱処理を行うＲＴＰであっても、上記のようにウェーハ面内温度分布を制御することにより、ウェーハの撓みを確実に抑制することができる。

本発明に係るシリコンウェーハの熱処理方法によれば、高温熱処理時のウェーハの撓みを抑制し、スリップ転位の発生及びウェーハ表面へのパーティクルの付着を防止することができる。
したがって、本発明に係る方法による熱処理を施したシリコンウェーハは、半導体デバイス作製工程における歩留まり向上に寄与するものである。

本発明に係るシリコンウェーハの熱処理方法に用いられるＲＴＰ装置の概要を示す断面図である。 比較例におけるウェーハ保持部の態様を説明するための断面図である。 比較例におけるウェーハ保持部の態様を説明するための断面図である。 実施例におけるウェーハ保持部の態様を説明するための断面図である。 従来のＲＴＰ装置内のウェーハ保持部の態様を示す断面図である。

以下、本発明について、図面を参照して、より詳細に説明する。
本発明に係るシリコンウェーハの熱処理方法は、シリコン単結晶インゴットをスライスして得られたシリコンウェーハを半導体デバイス作製等に供するために施す熱処理に関するものである。本発明に係る熱処理においては、前記シリコンウェーハの裏面の外周領域をサポートリングにより支持する。
なお、前記サポートリングは、通常用いられているものでよく、その形状及び材質も、シリコンウェーハの高温熱処理に用いることができるものであれば、特に限定されるものではない。

そして、前記熱処理においては、ウェーハ外周部の温度が、中心部の温度よりも４℃以上３０℃以下の範囲で高く、かつ、該ウェーハ外周縁の温度が、前記外周部の温度よりも低くなるように、ウェーハ面内温度を制御する。
ここで、ウェーハ外周部とは、ウェーハの外周縁から中心に向かって５ｍｍの位置を指す。通常、この位置の近傍が、サポートリングに対してウェーハの荷重が作用する箇所となる。
ウェーハ面内温度分布をこのように制御することにより、高温熱処理時においてもウェーハの撓みが抑制され、ウェーハ支持治具であるサポートリングとの接触箇所からのスリップ転位の発生を抑制することができる。また、前記接触箇所でのウェーハとサポートリングとの摩擦によるパーティクルの発生を抑制することができ、該パーティクルのウェーハ表面への付着を抑制することができる。

熱処理時のウェーハ面内温度分布は、一般に、ウェーハとその支持治具との接触箇所において、熱処理中のウェーハから該支持治具への熱伝導により、前記接触箇所であるウェーハ外周部は中心部よりも温度が低くなる傾向にある。しかも、ウェーハの自重は、ウェーハの重心である中心に作用するため、ウェーハ中心部が垂れるように撓みやすい（図５参照）。本発明においては、このようなウェーハ中心部の撓みを抑制する観点から、ウェーハ外周部の温度を中心部の温度よりも高い状態で熱処理する。
また、ウェーハとサポートリングとの接触箇所付近は、該支持治具に対してウェーハの荷重が集中する箇所であることから、この箇所でのウェーハの撓みを抑制する観点から、ウェーハ外周部より外側の外周縁の温度は、前記外周部より低い温度とする。

上記のように、ウェーハ外周部の温度は、ウェーハ中心部の温度よりも高くなるようにするが、このときのウェーハ外周部と中心部との温度差は、４℃以上３０℃以下の範囲とする。
前記温度差が４℃未満の場合は、上記のようなウェーハ中心部の撓みを抑制することが困難である。一方、前記温度差が３０℃を超える場合は、ウェーハ面内における温度差が大きすぎて、熱応力によるスリップ転位が発生しやすくなる。

前記外周部と中心部との面内温度制御のみ行う場合は、図２に示すように、図５に示す場合よりも、ウェーハの中心部の撓み（図２中のＳ２）が抑制される。
しかしながら、本手段（以下、手段１という）のみでは、ウェーハのスリップ転位を抑制する効果は十分であるとは言えない（後述する比較例参照）。

また、前記外周縁と外周部との面内温度制御のみ行う場合は、図３に示すように、図５に示す場合よりも、サポートリング３１付近でのウェーハの撓みは抑制されるものの、ウェーハの中心部の撓み（図３中のＳ３）はほとんど抑制されない。
したがって、本手段（以下、手段２という）のみでも、ウェーハのスリップ転位を抑制する効果は十分であるとは言えない（後述する比較例参照）。

これに対して、上記手段１及び手段２の両方の温度制御を行うことにより、図４に示すように、ウェーハの中心部の撓みが抑制され、かつ、サポートリング３１付近でのウェーハの撓みも抑制されるため、スリップ転位の発生及びウェーハ表面へのパーティクルの付着を十分に防止することができる（後述する実施例参照）。

また、ウェーハ外周縁の温度は、ウェーハ外周部の温度よりも低くなるようにするが、このときのウェーハ外周縁と外周部との温度差は、２℃以上７℃以下の範囲とすることが好ましい。
前記温度差を上記範囲内とすることにより、ウェーハ表面へのパーティクルの付着をより抑制することができる。

前記熱処理は、急速加熱・急速冷却熱処理（ＲＴＰ）であることが好ましい。
ＲＴＰは、通常、ウェーハを高速回転して熱処理を行うため、他の縦型ボート等を用いた熱処理よりも、さらに、ウェーハとサポートリングとの接触摩擦によりパーティクルが発生しやすい。
本発明は、このようにウェーハを高速回転して熱処理を行うＲＴＰであっても、上記のようにウェーハ面内温度分布を制御することにより、ウェーハの撓みを確実に抑制することができる。

本発明において熱処理するウェーハは、シリコン単結晶インゴットをスライスして得られたシリコンウェーハであり、その製造方法は特に限定されないが、半導体デバイス作製に用いられるものであり、例えば、チョクラルスキー法により引き上げられたシリコン単結晶インゴットを内周刃又はワイヤソー等によりウェーハ状にスライスした後、外周縁の面取り、ラッピング、エッチング、鏡面研磨等の加工を施したものが用いられる。

本発明に係る熱処理方法を実施するための熱処理装置は、上記のようなウェーハ面内温度の制御を行うことができるものであれば、特に限定されないが、例えば、枚葉式のＲＴＰ装置が好適に用いられる。
図１に、ＲＴＰ装置の概要を示す。図１に示すＲＴＰ装置１は、ウェーハＷを収容して熱処理を施すための反応管２０と、反応管２０内に設けられ、ウェーハＷを支持するウェーハ支持部３０と、ウェーハＷを加熱する加熱部４０とを備えている。

反応管２０は、例えば、石英で構成され、ウェーハＷの表面Ｗ１側の第１の空間２０ａに第１の雰囲気ガスＦ１（図中実線矢印）を供給するガス供給口２１と、第１空間２０ａからガスを排出するガス排出口２２と、ウェーハＷの裏面Ｗ２側の第２の空間２０ｂに第２の雰囲気ガスＦ２（図中点線矢印）を供給するガス供給口２３と、第２空間２０ｂからガスを排出するガス排出口２４とを備えている。

ウェーハ支持部３０は、例えば、炭化ケイ素により構成され、ウェーハＷの裏面Ｗ２の外周領域（例えば、外周縁から中心に向かって２ｍｍ以上５ｍｍ以下の領域）を載置してウェーハＷを支持するサポートリング３１と、ウェーハＷが載置されたサポートリング３１をウェーハＷの径方向に回転させる回転部３２とを備えている。

加熱部４０は、例えば、複数のハロゲンランプ４１で構成され、ウェーハ支持部３０の上方の反応管２０外に配置され、ウェーハＷを表面Ｗ１側から加熱する。このハロゲンランプ４１は、それぞれ独立に出力制御可能であり、上述したウェーハＷの面内温度分布の制御は、個々のハロゲンランプ４１の出力調整によって行われる。

上記のようなＲＴＰ装置を用いた熱処理においては、まず、ウェーハＷを反応管２０内に導入し、ウェーハ支持部３０のサポートリング３１上にウェーハＷの裏面Ｗ２の外周領域を載置してウェーハＷを支持させる。
そして、ガス供給口２１，２３から、それぞれ、雰囲気ガスＦ１，Ｆ２を供給しながら、回転部３２によりウェーハＷを回転させて、加熱部４０のハロゲンランプ４１による加熱によって、ウェーハＷの熱処理を行う。このとき、ウェーハＷの面内温度分布の制御は、ウェーハ支持部３０の下方に設置された放射温度計（図示せず）によってウェーハＷ中心から径方向の所定距離の各位置で温度を測定し、ハロゲンランプ４１の個々の出力を調整することにより行う。

以下、本発明を実施例に基づき、さらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。
（試験１）
チョクラルスキー法により製造したシリコン単結晶インゴットからスライスして得られた両面が鏡面研磨された直径３００ｍｍ、厚さ７７５μｍのシリコンウェーハに対して、図１に示すようなＲＴＰ装置を用いて、ＲＴＰを行った。ウェーハの裏面の外周領域（外周縁から中心に向かって２ｍｍまでの領域）をサポートリングにより保持し、雰囲気ガスとしてアルゴンガスを供給し、面内温度分布を制御して、ウェーハを５００ｒｐｍで回転させながら、１５秒間のＲＴＰを行い、アニールウェーハを得た。

得られたアニールウェーハについて、以下に示す各評価を行った。
ＲＴＰ中の各ウェーハについて、表面形状測定装置により、ウェーハの撓み量を測定した。
また、上記熱処理後の各ウェーハについて、ウェーハ表面検査装置（KLA-Tecnor社製Surfscan-ＳＰ２）を用いて、ウェーハ表面のＬＰＤ（Light Point Defect）を測定した。ウェーハ表面に付着した４０ｎｍより大きい（＞４０ｎｍ）サイズ及び１２０ｎｍより大きい（＞１２０ｎｍ）サイズのパーティクル数を測定した。
さらに、上記熱処理後の各ウェーハについて、Ｘ線トポグラフィ（株式会社リガク製ＸＲＴ３００）を用いて、最大スリップ長及びトータルスリップ長を測定した。
本試験において制御した面内温度分布及びその時の評価結果を表１にまとめて示す。

表１に示した評価結果から分かるように、ウェーハ外周部の温度が、中心部の温度よりも４℃以上３０℃以下の範囲で高く、かつ、ウェーハ外周縁の温度が、前記外周部の温度よりも低くなるように、ウェーハ面内温度分布を制御して熱処理を行った場合（実施例１〜４）、ウェーハの撓み量が抑制され、ウェーハ表面に付着するパーティクル数が減少し、また、スリップ転位の発生も抑制されることが認められた。
なお、ウェーハ外周部の温度を中心部の温度よりも４℃以上３０℃以下の範囲で高くするのみの場合（比較例３）や、外周縁の温度を外周部の温度よりも低くするのみの場合（比較例２）は、ウェーハ表面に付着するパーティクル数及びスリップ転位の発生の抑制も十分でなかった。また、ウェーハ外周部の温度を中心部の温度より高くする場合（比較例４）には、パーティクル数、スリップ長ともに大きく悪化する傾向が認められた。

（試験２）
実施例３及び実施例４について、外周部と外周縁の温度差を変化させて、その他は試験１と同様な方法でＲＴＰを行い、アニールウェーハを得た。
得られたアニールウェーハについて、試験１と同様な方法で評価を行った。
本試験において制御した面内温度分布及びその時の評価結果を表２にまとめて示す。

表２に示した評価結果から分かるように、前記シリコンウェーハの外周縁の温度は、前記外周部の温度よりも２℃以上７℃以下の範囲で低くなるようにすることにより、ウェーハ表面に付着するパーティクル数がさらに減少する傾向が認められた。

１ ＲＴＰ装置
２０ 反応管
３０ ウェーハ支持部
３１ サポートリング
４０ 加熱部

Claims (3)

1. シリコン単結晶インゴットをスライスして得られたシリコンウェーハを熱処理する方法において、
   前記シリコンウェーハの裏面の外周領域をサポートリングにより支持し、
   前記シリコンウェーハの外周縁から中心に向かって５ｍｍの位置である外周部の温度が、該シリコンウェーハの中心部の温度よりも４℃以上３０℃以下の範囲で高く、かつ、該シリコンウェーハの外周縁の温度が、前記外周部の温度よりも低くなるように、前記シリコンウェーハの面内温度を制御しながら熱処理を行うことを特徴とするシリコンウェーハの熱処理方法。
2. 前記シリコンウェーハの外周縁の温度は、前記外周部の温度よりも２℃以上７℃以下の範囲で低くなるようにすることを特徴とする請求項１記載のシリコンウェーハの熱処理方法。
3. 前記熱処理は、急速加熱・急速冷却熱処理であることを特徴とする請求項１又は２に記載のシリコンウェーハの熱処理方法。

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