JP2023023911A - シリコンウェーハ用サセプタの前処理方法およびシリコンウェーハの熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ダミーランを十分な回数行ったことを判断すること。【解決手段】シリコンウェーハ用サセプタの前処理方法、シリコンウェーハを熱処理する際に用いられるサセプタの前処理方法であって、モニターウェーハを前記サセプタに載せ置き熱処理するダミーランステップと、前記サセプタとの接触部に形成される前記モニターウェーハにおける接触痕の平面サイズを測定する接触痕サイズ解析ステップと、前記測定された接触痕の大きさが、所定の閾値以下であるか否かを判定する合否判定ステップと、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、シリコンウェーハ用サセプタの前処理方法およびシリコンウェーハの熱処理方法に関するものである。

半導体デバイスの基板に用いられるシリコンウェーハは、半導体デバイスの活性領域となる表面および表層において、ＣＯＰ（Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ）と呼ばれるボイド欠陥が存在しない無欠陥層を形成することが求められる。このような要求に対する技術として、縦型炉を用いてシリコンウェーハを１１００℃以上の温度でバッチ式熱処理を施す技術や、急速昇降温熱処理（ＲＴＰ；Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ）を施す技術が知られている。

ところが、シリコンウェーハは、熱処理時に熱応力や曲げ応力が負荷されることによって、スリップが導入されて塑性変形する場合がある。このスリップとは、線状の転位欠陥の束であり、その発生程度によっては、完成品としての半導体デバイスの電気的特性に影響を及ぼす要因となってしまう。シリコンウェーハの保持部材であるサセプタは、高温熱処理でも変形しないように、一般的に、炭化珪素（ＳｉＣ）が材質として採用されるが、ウェーハのスリップの発生程度は、サセプタの表面状態にも依存する。その理由は、サセプタの加工時に表面に形成された微小な凹凸やマイクロクラックなどが原因でウェーハの接触面にダメージ（接触痕）を与えるからである。

一方、ＳｉＣサセプタの表面に０．０５～５μｍ厚の酸化膜（ＳｉＯ_２）が形成されていると、この酸化膜が緩衝材となって、接触痕を緩和できることが知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００４－１５２９００号公報

したがって、ＳｉＣ製サセプタ表面に、前処理として熱処理炉にて酸化膜を形成することにより、シリコンウェーハの接触痕の発生程度が緩和され、その結果、スリップの発生が軽減する。つまり、製品として用いないシリコンウェーハを事前に熱処理炉にて熱処理をすることによって、製品として用いるシリコンウェーハにおけるスリップの発生を軽減することができる。なお、この製品として用いないシリコンウェーハを事前に熱処理炉にて熱処理する工程はダミーランとも呼ばれている。スリップの発生の軽減という観点からは、ダミーランを十分な回数行い、十分な厚さの酸化膜を形成した上で製造に移行することが好ましい。

しかしながら、スリップの発生程度には当然ながらサセプタの個体差があり、各々必要となる酸化膜厚が異なる。更に、酸化膜の成長速度はサセプタの表面状態に依存する。また、ＳｉＣ製サセプタ表面に形成された酸化膜厚を測定するためには、熱処理炉からサセプタを取り出し、かつ、非破壊で検査する必要があり、時間と労力がかかる上、管理が難しい。そのため、サセプタを熱処理炉から取り出すことなく、ダミーランを十分な回数行ったことを判断する手法が求められている。

本発明の目的は、上述した課題を鑑み、ダミーランを十分な回数行ったことを判断することができるシリコンウェーハ用サセプタの前処理方法およびシリコンウェーハの熱処理方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様のシリコンウェーハ用サセプタの前処理方法は、シリコンウェーハを熱処理する際に用いられるサセプタの前処理方法であってモニターウェーハを前記サセプタに載せ置き熱処理するダミーランステップと、前記サセプタとの接触部に形成される前記モニターウェーハにおける接触痕のサイズを測定する接触痕サイズ解析ステップと、前記測定された接触痕の大きさが、所定の閾値以下であるか否かを判定する合否判定ステップとを有する。

ダミーランを十分な回数行ったことを判断するために、モニターウェーハにおける接触痕のサイズを測定するので、サセプタを取り出してサセプタの表面に形成された酸化膜を測定する必要がなく、時間および労力を大きく削減することができる。

また、本発明の一態様のシリコンウェーハ用サセプタの前処理方法では、前記所定の閾値は、前記接触痕の平面サイズの大きさと、前記シリコンウェーハにおけるスリップの発生有無との関係を予め取得して決定し、前記シリコンウェーハにおけるスリップの発生確率が所定の閾値以下になる前記接触痕の平面サイズの大きさとする。

シリコンウェーハに発生するスリップは、熱処理シーケンスにも依存するので、熱処理シーケンス毎（例えば最大温度）に平面サイズの閾値を設定しておくことが可能である。

また、本発明の一態様のシリコンウェーハ用サセプタの前処理方法では、前記接触痕の平面サイズの大きさは、光学顕微鏡を用いた測定値を画像認識におけるピクセル数に変換したものとする。

本発明の一態様のシリコンウェーハの熱処理方法は、シリコンウェーハをサセプタに載置して熱処理するシリコンウェーハの熱処理方法であって、モニターウェーハを前記サセプタに載せ置き熱処理するダミーランステップと、前記サセプタとの接触部に形成される前記モニターウェーハにおける接触痕のサイズを測定する接触痕サイズ解析ステップと、前記測定された接触痕の大きさが、所定の閾値以下であるか否かを判定する合否判定ステップと、前記合否判定ステップにて所定の閾値以下の場合、シリコンウェーハを前記サセプタに載置して熱処理する熱処理ステップとを有する。

ダミーランを十分な回数行ったことを判断するために、モニターウェーハにおける接触痕のサイズを測定するので、サセプタを取り出してサセプタの表面に形成された酸化膜を測定する必要がなく、時間および労力を大きく削減することができる。これを別の視点で見ると、シリコンウェーハにおけるスリップの発生を抑制しながら、時間および労力を大きく削減することができる。

また、本発明の一態様のシリコンウェーハの熱処理方法は、前記熱処理ステップが、１３００℃以上の酸素雰囲気下における急速昇降温熱処理（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ＲＴＰ）である。

特に１３００℃以上の酸素雰囲気下のＲＴＰにおいて、スリップが発生し易いので、本発明の一態様の有用性が高い。

本発明の各視点によれば、ダミーランを十分な回数行ったことを判断することができるシリコンウェーハ用サセプタの前処理方法およびシリコンウェーハの熱処理方法を提供することができる。

図１は、シリコンウェーハの熱処理に用いられる熱処理装置の一例を示す断面概念図である。 図２は、光学顕微鏡と端面検査装置で測定した接触痕の相関を示す図である。 図３は、光学顕微鏡および端面検査装置で測定した接触痕の例である。 図４は、接触痕に起因するピクセル数とダミーラン回数の依存関係を示す図である。 図５は、シリコンウェーハ用サセプタの前処理方法およびシリコンウェーハの熱処理方法を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。ただし、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

図１は、シリコンウェーハの熱処理に用いられる熱処理装置の一例を示す断面概念図である。図１に示す熱処理装置１０は、急速昇降温熱処理装置（ＲＴＰ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ）装置）である。熱処理装置１０は、ウェーハＷを収容して熱処理を施すための反応室２０と、反応室２０内に設けられ、ウェーハＷを保持するウェーハ保持部３０と、ウェーハＷを加熱する加熱部４０と、を備える。

反応室２０は、雰囲気ガス（実線矢印）を供給する供給口２２と、排出する排出口２４と、を備える。反応室２０は、例えば、石英で構成されている。

ウェーハ保持部３０は、ウェーハＷの裏面の外周部をリング状に保持するサセプタ３２と、サセプタ３２を保持すると共に、ウェーハＷの中心を軸としてサセプタ３２を回転させる回転体３４とを備える。サセプタ３２及び回転体３４は、例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）で構成されている。

加熱部４０は、ウェーハ保持部３０に保持されたウェーハＷのデバイス形成面の上方及び裏面の下方の反応室２０外に配置された複数のハロゲンランプ５０からの発光波長が制御された光の照射によるランプ加熱により、ウェーハＷを両面から加熱する。

図１に示す熱処理装置１０を用いて、熱処理を行う場合は、反応室２０に設けられた図示しないウェーハ導入口より、ウェーハＷを反応室２０内に導入して、ウェーハＷの裏面の外周部をウェーハ保持部３０のサセプタ３２上にリング状に保持し、雰囲気ガスを供給すると共に、ウェーハＷを回転させながら、加熱部４０によってウェーハＷを加熱することで行う。なお、前記ランプ加熱による発光波長の調整（１０００ｎｍ以上）は、使用するハロゲンランプ５０の発光波長を調整（発光波長が１０００ｎｍ以上であるハロゲンランプを用いる等）することにより行うことができる。

熱処理装置１０の構成から解るように、ウェーハＷとサセプタ３２は接触した状態で熱処理が行われる。サセプタ３２は、高温熱処理でも変形しないように、炭化珪素（ＳｉＣ）が用いられているが、熱処理中にサセプタ３２がウェーハＷにダメージを与えてしまう。そして、このダメージがウェーハＷのスリップの原因の一つになっていた。

一方、サセプタ３２の表面に酸化膜が形成されていると、この酸化膜が緩衝材となってウェーハＷに与えるダメージを軽減することができる。そこで、製品用のウェーハＷの熱処理の前に、熱処理装置１０を用いて酸素雰囲気下で熱処理をすることによりサセプタ３２の表面に酸化膜を形成するという対策が行われている。

ところが、熱処理装置１０の構成から解るように、サセプタ３２を熱処理装置１０から取り出し、サセプタ３２の表面の酸化膜を非破壊で計測し、サセプタ３２を熱処理装置１０にセットし直した後に、製品用のウェーハＷの熱処理を行うのは非常に手間のかかる作業であった。

そこで、サセプタ３２を熱処理装置１０から取り出すことなく、サセプタ３２の表面に酸化膜が十分に形成されていることを判定するために、以下のような検証を行った。

図２は、光学顕微鏡と端面検査装置で測定した接触痕の相関を示す図である。図２に示されるグラフは、縦軸が光学顕微鏡を用いて測定したウェーハ表面の接触痕の平面サイズであり（図３（ａ）参照）、横軸が端面検査装置を用いて測定したウェーハ表面の接触痕の大きさ（ピクセル数）である（図３（ｂ）参照）。

図２に示すグラフは、直径φ３００ｍｍのシリコンウェーハ２００枚を上記構成の熱処理装置１０を用いて酸素雰囲気下で熱処理を行った後、光学顕微鏡と端面検査装置で接触痕を測定したものをプロットしている。グラフ中の三角マークは温度条件が１３００℃で３０秒であり、グラフ中のプラスマークは温度条件が１３５０℃で３０秒である。

図２に示すグラフから解るように、光学顕微鏡を用いて測定したウェーハ表面の接触痕の平面サイズと端面検査装置を用いて測定したウェーハ表面の接触痕の大きさ（ピクセル数）とは相関関係を有する。しかも、その相関関係は、温度条件にほとんど依存しない。そこで、この相関関係を用いて、接触痕の平面サイズの大きさは、光学顕微鏡を用いた測定値を画像認識におけるピクセル数に変換したものとすることができることになる。

ここで、熱処理によってシリコンウェーハにスリップが発生する危険性は、シリコンウェーハの表面における接触痕の平面サイズと、Ｘ線トポグラフィーを用いて評価されたスリップの発生有無の関係とを事前に取得することで決定することができる。この性質と図２に示された相関関係を用いることにより、熱処理によってシリコンウェーハにスリップが発生する危険性を、画像認識におけるピクセル数を用いて自動判定することができる。

図４は、接触痕に起因するピクセル数とダミーラン回数の依存関係を示す図である。図４に示されるグラフは、縦軸が端面検査装置を用いて測定したウェーハ表面の接触痕の大きさ（ピクセル数）であり、横軸がダミーランの回数である。図４に示されるグラフには、直径φ３００ｍｍのシリコンウェーハを上記構成の熱処理装置１０を用いて酸素雰囲気下で熱処理（ダミーラン）を行った結果をプロットしている。

グラフ中の丸マークは温度条件が１３００℃で３０秒であり、グラフ中の三角マークは温度条件が１３５０℃で３０秒である。各ダミーランにおけるサンプル数は、１３００℃および１３５０℃のそれぞれが３５個であり、合計７５個である。

図４に示されるグラフに記入された点線は、＋５σの範囲を示している。＋５σの範囲とは、５万枚のシリコンウェーハを熱処理した場合に、９９．７１％がこの範囲内になるという範囲である。この＋５σの範囲は、製造に要求される水準で適宜設定することができる。

図４に示されるグラフから解るように、ダミーランの回数が増えるとばらつきが小さくなる傾向があることがわかる。したがって、スリップ発生の閾値をピクセル数が３００とした場合、必要なダミーランの回数が２５００枚程度であることがわかる。図４に示されるグラフでは、スリップ発生の閾値のピクセル数を破線で示している。

以上のような分析から、本発明の実施形態に係るシリコンウェーハ用サセプタの前処理方法およびシリコンウェーハの熱処理方法は、次のようになる。図５は、シリコンウェーハ用サセプタの前処理方法およびシリコンウェーハの熱処理方法を示すフローチャートである。

図５に示すように、本発明の実施形態に係るシリコンウェーハ用サセプタの前処理方法は、ダミーランステップ（ステップＳ１）と接触痕サイズ解析ステップ（ステップＳ２）と合否判定ステップ（ステップＳ３）とを有する。そして、本発明の実施形態に係るシリコンウェーハの熱処理方法は、ダミーランステップ（ステップＳ１）と接触痕サイズ解析ステップ（ステップＳ２）と合否判定ステップ（ステップＳ３）と製品ウェーハの熱処理（ステップＳ４）を有する。すなわち、本発明の実施形態に係るシリコンウェーハの熱処理方法は、シリコンウェーハ用サセプタの前処理方法に製品ウェーハの熱処理（ステップＳ４）を追加したものである。

ダミーランステップ（ステップＳ１）は、モニターウェーハをサセプタに載せ置き熱処理する工程である。ここでモニターウェーハとは、製品に用いないシリコンウェーハのことであり、製品に用いるシリコンウェーハと同一のものを用いる。ステップＳ１の熱処理は、図１を参照しながら説明した熱処理装置１０を用いることができる。サセプタ３２も図１を参照しながら説明したものであり、炭化珪素（ＳｉＣ）で構成されている。温度条件は、１３００℃であり、例えば１３００℃で３０秒または１３５０℃で３０秒である。

接触痕サイズ解析ステップ（ステップＳ２）は、サセプタ３２との接触部に形成されるモニターウェーハにおける接触痕の平面サイズを測定する工程である。ここで、接触痕の平面サイズの大きさは、測定値を画像認識におけるピクセル数に変換したものとすることができる。光学顕微鏡を用いた測定ではなく、端面検査装置を用いた画像認識におけるピクセル数とすることで、次の合否判定ステップ（ステップＳ３）で自動判定をすることができる。

合否判定ステップ（ステップＳ３）は、測定された接触痕の大きさが、所定の閾値以下であるか否かを判定する工程である。ここで、所定の閾値は、接触痕の平面サイズの大きさと、シリコンウェーハにおけるスリップの発生有無との関係を予め取得して決定する。特に、所定の閾値は、シリコンウェーハにおけるスリップの発生確率が所定の閾値以下になる前記接触痕の平面サイズの大きさとして決定する。接触痕の平面サイズの大きさは、端面検査装置を用いた画像認識におけるピクセル数とすることで自動判定をすることができる。

製品ウェーハの熱処理（ステップＳ４）は、合否判定ステップ（ステップＳ３）の判定が合格の場合（ステップＳ３；Ｙ）、シリコンウェーハＷをサセプタ３２に載置して熱処理する工程である。熱処理ステップは、１３００℃以上の酸素雰囲気下における急速昇降温熱処理（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ＲＴＰ）であることが好ましい。なお、合否判定ステップ（ステップＳ３）の判定が不合格の場合（ステップＳ３；Ｎ）、ダミーランステップ（ステップＳ１）を繰り返すことになる。

以上のように、本発明の実施形態に係るシリコンウェーハ用サセプタの前処理方法は、セプタを取り出してサセプタの表面に形成された酸化膜を測定するのではなく、モニターウェーハにおける接触痕のサイズを測定するので、サセプタを熱処理炉から取り出すことなく、時間および労力を大きく削減することができる。これを別の視点で見ると、シリコンウェーハにおけるスリップの発生を抑制しながら、時間および労力を大きく削減することができることになる。

なお、引用した上記の特許文献等の各開示は、本書に引用をもって繰り込むものとする。本発明の全開示（請求の範囲を含む）の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の全開示の枠内において種々の開示要素（各請求項の各要素、各実施形態ないし実施例の各要素、各図面の各要素等を含む）の多様な組み合わせ、ないし、選択（部分的削除を含む）が可能である。すなわち、本発明は、請求の範囲を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。特に、本書に記載した数値範囲については、当該範囲内に含まれる任意の数値ないし小範囲が、別段の記載のない場合でも具体的に記載されているものと解釈されるべきである。さらに、上記引用した文献の各開示事項は、必要に応じ、本発明の趣旨に則り、本発明の開示の一部として、その一部又は全部を、本書の記載事項と組み合わせて用いることも、本願の開示事項に含まれるものと、みなされる。

１０ 熱処理装置
２０ 反応室
２２ 供給口
２４ 排出口
３０ ウェーハ保持部
３２ サセプタ
３４ 回転体
４０ 加熱部
５０ ハロゲンランプ

Claims (6)

1. シリコンウェーハを熱処理する際に用いられるサセプタの前処理方法であって、
   モニターウェーハを前記サセプタに載せ置き熱処理するダミーランステップと、
   前記サセプタとの接触部に形成される前記モニターウェーハにおける接触痕の平面サイズを測定する接触痕サイズ解析ステップと、
   前記測定された接触痕の大きさが、所定の閾値以下であるか否かを判定する合否判定ステップと、
   を有することを特徴とするシリコンウェーハ用サセプタの前処理方法。
2. 前記所定の閾値は、前記接触痕の平面サイズの大きさと、前記シリコンウェーハにおけるスリップの発生有無との関係を予め取得して決定することを特徴とする請求項１に記載のシリコンウェーハ用サセプタの前処理方法。
3. 前記所定の閾値は、前記シリコンウェーハにおけるスリップの発生確率が所定の閾値以下になる前記接触痕の平面サイズの大きさとして決定することを特徴とする請求項２に記載のシリコンウェーハ用サセプタの前処理方法。
4. 前記接触痕の平面サイズの大きさは、測定値を画像認識におけるピクセル数に変換したものとする請求項２または請求項３に記載のシリコンウェーハ用サセプタの前処理方法。
5. シリコンウェーハをサセプタに載置して熱処理するシリコンウェーハの熱処理方法であって、
   モニターウェーハを前記サセプタに載せ置き熱処理するダミーランステップと、
   前記サセプタとの接触部に形成される前記モニターウェーハにおける接触痕のサイズを測定する接触痕サイズ解析ステップと、
   前記測定された接触痕の大きさが、所定の閾値以下であるか否かを判定する合否判定ステップと、
   前記合否判定ステップの判定が合格の場合、シリコンウェーハを前記サセプタに載置して熱処理する熱処理ステップと、
   を有することを特徴とするシリコンウェーハの熱処理方法。
6. 前記熱処理ステップは、１３００℃以上の酸素雰囲気下における急速昇降温熱処理（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ；ＲＴＰ）であることを特徴とする請求項５に記載のシリコンウェーハの熱処理方法。

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