JP3113008B2 - 半導体装置の熱処理装置及び熱処理方法 - Google Patents

半導体装置の熱処理装置及び熱処理方法

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JP3113008B2 JP03275373A JP27537391A JP3113008B2 JP 3113008 B2 JP3113008 B2 JP 3113008B2 JP 03275373 A JP03275373 A JP 03275373A JP 27537391 A JP27537391 A JP 27537391A JP 3113008 B2 JP3113008 B2 JP 3113008B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は半導体装置の製造方法
に係り、特に熱処理工程に使用される半導体装置の熱処
理装置及び熱処理方法に関する。
【0002】
【従来の技術】素子の形成に適した半導体基板の実現に
は、半導体基板に無欠陥層(デヌーデッドゾーン)を形
成することが必要不可欠である。CZ法等で形成された
半導体結晶中には酸素等が高濃度に含まれており、欠陥
層が存在する。そこで、半導体基板を1000℃以上の
高温で熱処理することにより、酸素等欠陥層となる原因
の物質を熱拡散により外部に放出させ、半導体基板に無
欠陥層を形成する。
【0003】従来、この熱処理は水素、窒素等の雰囲気
中で行われてきた。しかし、水素は爆発性のガスである
ため安全性に欠ける。また、窒素は酸化膜等の保護膜を
形成してから熱処理がなされるため、十分な無欠陥層が
形成できず、安定性に欠ける。このような安全性、安定
性の観点からアルゴン等の不活性ガスによる熱処理が多
く採用されている。しかし、不活性ガス中または他のガ
スの減圧下での熱処理ではいくつかの問題点がある。こ
れについて以下に説明する。
【0004】(1)熱処理雰囲気中に微量な水分や酸素
が混入した場合、水分や酸素が付着した部分のシリコン
基板は反応し、局所的にエッチングされる。これを避け
るために、反応チャンバに導入されるガスから水分や酸
素を除去すること、および、反応チャンバの壁を二重構
造にするなどして、反応チャンバを通しての水分や酸素
の混入を防止する方法がとられている。しかし、水分や
酸素の完全な除去は困難である。よって、常にエッチン
グに対して不安定である。
【0005】(2)シリコン基板には室温でも自然酸化
膜が形成される。この状態で半導体基板を不活性ガス中
で熱処理すると、自然酸化膜と基板シリコン反応し、蒸
気圧の高いシリコン酸化物が生成され、基板から蒸発し
ていく。この反応も局所的に進むため、シリコン基板の
表面の平坦度を劣化させる。
【0006】(3)熱処理の際のシリコン基板を支持す
るボートの材料には、しばしば石英が使用されるが、こ
の場合も石英とシリコン基板が反応し局所的なエッチン
グを引き起こす。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来では
シリコン基板が反応して平坦度が劣化したり、局所的な
エッチングが起きたりするという欠点がある。
【0008】この発明は上記のような事情を考慮してな
されたものであり、その目的は、不活性ガスまたは減圧
下での熱処理によって、安全な環境下で、しかもエッチ
ングによる半導体基板の面荒れが起こらないように無欠
陥層の形成を達成する半導体装置の熱処理装置及び熱処
理方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】この発明の半導体装置の
熱処理装置は、入出口を有し、内部にシリコン基板が収
納される機構を有する反応管と、前記反応管内にシリコ
ン酸化物が積極的に導入されるシリコン酸化物蒸気発生
手段と、前記シリコン酸化物を含む雰囲気中で前記シリ
コン基板が熱処理される処理手段とを具備したことを特
徴としている。この発明の半導体装置の熱処理方法は、
内部にシリコン基板が収納される機構を有する反応管内
へ導入されるガスにシリコン酸化物蒸気を添加し、この
シリコン酸化物蒸気を含む雰囲気中で前記反応管内のシ
リコン基板を熱処理することを特徴としている。
【0010】
【作用】この発明では、不活性ガス中または減圧下での
高温熱処理において、予め飽和蒸気圧に近い蒸気圧を保
つように制御されたシリコン酸化物蒸気を含む雰囲気中
でシリコン基板が熱処理される。これにより、シリコン
基板から蒸気圧の高いシリコン酸化物が生成されないよ
うにする。
【0011】
【実施例】この発明では、シリコン基板と水分、酸素ま
たは二酸化シリコンが反応し、蒸気圧の高いシリコン酸
化物が生成されることによって起こるシリコン基板のエ
ッチング現象が進まないように、予め熱処理雰囲気中に
シリコン酸化物を添加しておく。これにより具体的に
は、以下に代表される反応が抑制される。
【0012】(a)微量な酸素によるエッチング Si(固体)+O2 (気体)→SiO2 (固体)…(1-1) SiO2 (固体)+Si(固体)→2SiO(気体)…(1-2) (b)水分によるエッチング Si(固体)+2H2 O(気体)→SiO2 (固体)+2H2 …(2-1) SiO2 (固体)+Si(固体)→2SiO(気体)…(2-2) (c)自然酸化膜または石英ボートとシリコン基板の反
応によるエッチング SiO2 (固体)+Si(固体)→2SiO(気体)…(3) なお、上記化学反応式の中で使用されているSiOは一
酸化シリコンを示す。その他の文章中に示されるSiO
はシリコン酸化物全体を総称している。以下、図面を参
照してこの発明を実施例により説明する。図1はこの発
明に係る半導体装置の熱処理装置の第1の実施例を示す
断面図である。
【0013】反応管1 にはガスの導入口2 と排出口3 が
設けられている。反応管1 内の反応室4 において、ボー
ト5 はシリコン基板6 をそれぞれ積載し、収納する構成
になっている。ボート5 下部は炉口キャップ7 である。
反応管1 は外部の加熱部8 によって加熱されるようにな
っている。
【0014】反応管1 内において、ガス導入口2 が存在
する上方の領域を区切るように仕切り板9 が設けられて
いる。仕切り板9 には無数の貫通口10が形成され、仕切
り板9 で隔てられた反応管1 内部には、例えばシリコン
粒11と石英粒12が混合して存在するシリコン酸化物蒸気
発生源13が備えられている。この仕切り板9 で隔てられ
シリコン酸化物蒸気発生源13の存在する反応管1 内部を
SiO発生室14とする。なお、上記貫通口10はシリコン
粒11や石英粒12が固体としてSiO発生室14の外に出な
い大きさで形成されている。上記構成の装置において、
熱処理雰囲気中にSiOを添加する熱処理方法を説明す
る。
【0015】熱処理温度は1000℃以上に設定され、
アルゴン等の導入ガスが反応管1 の導入口2 から導入さ
れる。この導入ガスはまず、SiO発生室14に入る。S
iO発生室14はシリコン粒11と石英粒12が共存した状態
である。
【0016】シリコン粒11と石英粒12が共存している場
合は、シリコン粒11のみがある場合や石英粒12のみがあ
る場合に比べ、シリコンと石英の反応により多量のSi
O蒸気を発生する。従って、SiO発生室14を通過した
ガスはSiO蒸気圧の高い状態で反応室4 に導入され、
シリコン基板6 に到達する。その後、SiO蒸気を含ん
だガスは排出口3から排出される。
【0017】熱処理雰囲気中のSiOの濃度の制御は、
例えばSiO発生室14内のシリコン粒11と石英粒12の大
きさを変えることで達成される。雰囲気中のシリコン粒
11、石英粒12それぞれ一様の等しい体積ならば、粒が小
さいほど、シリコン粒11と石英粒12がより多く接触する
ことになる。これにより、より多くのSiOを発生する
ことができる。シリコン粒11と石英粒12は通常、貫通口
10の形成を考慮して数十ミクロン(μm)から数十ミリ
メートルの直径を有することが好ましい。
【0018】また、シリコンと石英は必ずしも別々の粒
である必要はなく、例えば図2の断面図に示されるよう
な、シリコン15をシリコン酸化物16(例えばSiO2
で被覆したものであっても良い。また、図3の断面図に
示されるように、シリコン板17上をシリコン酸化物18で
覆った後、所望の大きさの窓19を開け、シリコン板17と
シリコン酸化物18の両方を露出させたものであってもよ
い。なお、図2、図3における破線で示す矢印は、Si
O蒸気の発生を表している。
【0019】SiO蒸気圧を制御する他の方法として
は、前記SiO発生室14の温度を制御してSiO蒸気圧
を制御する方法、およびH2 やH2Oを添加させること
によって制御する方法がある。図4はこの発明に係る半
導体装置の熱処理装置の第2の実施例を示す断面図であ
る。
【0020】反応管21の前段に反応管前室22が設けられ
ている。反応管前室22に導入口23が設けられている。反
応管21内において、導入口23と反対側の炉口キャップ24
近辺に排出口25が設けられている。反応管前室22には反
応管21の加熱部26とは別の加熱部27が設けられ、これに
より反応管前室22が加熱されるようになっている。反応
管21内の反応室28において、ボート29はシリコン基板30
をそれぞれ積載し、収納する構成になっている。上記構
成の装置において、熱処理雰囲気中にSiOを添加する
熱処理方法を説明する。
【0021】反応管前室22は反応管21とは異なる温度、
通常、反応管21より高い温度に保持される。導入ガスは
導入口23から導入され、まず反応管前室22を通過する。
反応管前室24は石英製である。ここで石英から蒸気圧分
だけのSiOが発生し、反応室28へ導入される。シリコ
ン基板30はSiOを含んだ雰囲気で熱処理されることに
なる。
【0022】この実施例では、SiOの濃度は加熱部27
により反応管前室22の温度を変えることで制御される。
また、図示しないが、反応管前室22の中に石英製のフィ
ンや石英粒とシリコン粒を入れることで、SiOの発生
を促進することが可能である。
【0023】なお、図4の反応管前室22を採用した構成
は横型炉を例にとって説明したが、図1のような縦型炉
の構成で、SiO発生室の代わりに反応管前室22を設け
てもよい。このとき、反応管前室22に石英粒やシリコン
粒を入れるような場合は、図1の仕切り板9 のようなも
のを設けるとよい。
【0024】図5はこの発明の構成の熱処理装置で熱処
理した場合の、温度に対するSiO蒸気圧の変化を示し
た特性図である。曲線31は石英によるSiO蒸気圧を示
し、曲線34はSiOの飽和蒸気圧を示す。曲線32と33は
図1の構成の熱処理装置により発生したSiOの蒸気圧
を示す。曲線32はシリコン粒11及び石英粒12が曲線33の
場合に比べて大きい場合を示している。
【0025】すなわち、石英のみから発生するSiO
は、エッチングを抑制するに足りる十分なSiOを得る
ことはできない。これに対して飽和蒸気圧を越えた場合
にはシリコン酸化物の堆積が起こる。この結果、曲線33
と32の間、斜線の適正領域35で熱処理することが望まし
い。この発明の実施例の装置を使用すればSiO蒸気圧
を任意に制御できるため、望んだ蒸気圧でシリコン基板
を熱処理することが可能である。
【0026】図6はアルゴンガス中でシリコン基板を熱
処理した場合の、熱処理雰囲気中に添加したSiOの蒸
気圧に対し、熱処理後のシリコン基板の状態を示す特性
図である。
【0027】図4中×印はエッチピット数の増減を表
し、○印は堆積物形成の増減を表す。SiOの添加量が
少ない場合にはエッチピット数は多いものの、SiOの
添加量を増やしていくとエッチピット数が急激に減少
し、ある濃度以上では、まったくエッチピットは見られ
なくなる。しかし、SiO濃度が高くなりすぎると基板
表面に堆積物が形成される。この結果、適正領域41に合
うようなSiOの蒸気圧でシリコン基板を熱処理すれ
ば、エッチピットに対してマージンのある熱処理を行う
ことができる。
【0028】従って、上記実施例の構成によれば、熱処
理中のSiOの蒸気圧は飽和蒸気圧付近に保持するよう
に、反応室内のSiOの蒸気圧を上記各種制御要因によ
って制御することが重要である。
【0029】
【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
予め飽和蒸気圧を保つように制御されたシリコン酸化物
蒸気を含む雰囲気中でシリコン基板が熱処理され、シリ
コン基板から蒸気圧の高いシリコン酸化物が生成されな
いようにするので、シリコン基板の反応が抑えられ、エ
ッチング現象が防げる。これにより、半導体基板の面荒
れを起さずに無欠陥層の形成を達成する半導体装置の熱
処理装置及び熱処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係る半導体装置の熱処理装置の第1
の実施例を示す断面図。
【図2】シリコン酸化物蒸気発生源の一例を示す断面
図。
【図3】シリコン酸化物蒸気発生源の一例を示す断面
図。
【図4】この発明に係る半導体装置の熱処理装置の第2
の実施例を示す断面図。
【図5】この発明の構成の熱処理装置で熱処理した場合
の、温度に対するSiO蒸気圧の変化を示した特性図。
【図6】この発明の構成の熱処理装置で熱処理雰囲気中
に添加したSiOの蒸気圧に対し、熱処理後のシリコン
基板の状態を示す特性図。
【符号の説明】
1,21…反応管、 2,23…導入口、 3,25…排出口、
4,28…反応室、 5,29…ボート、 6,30…シリコン基
板、 7,24…炉口キャップ、 8,26,27…加熱部、 9…
仕切り板、10…貫通口、11…シリコン粒、12…石英粒、
13…シリコン酸化物蒸気発生源、14…SiO発生室。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−193459(JP,A) 特開 昭57−107025(JP,A) 特開 平3−131018(JP,A) 実開 平3−14166(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/316 H01L 21/22 501 H01L 21/22 511 H01L 21/31 H01L 21/324

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 入出口を有し、内部にシリコン基板が収
    納される機構を有する反応管と、 前記反応管内にシリコン酸化物が積極的に導入されるシ
    リコン酸化物蒸気発生手段と、 前記シリコン酸化物を含む雰囲気中で前記シリコン基板
    が熱処理される処理手段とを具備したことを特徴とする
    半導体装置の熱処理装置。
  2. 【請求項2】 前記シリコン酸化物蒸気発生手段は前記
    反応管の内部に設けられていることを特徴とする請求項
    1記載の半導体装置の熱処理装置。
  3. 【請求項3】 前記シリコン酸化物蒸気発生手段は前記
    反応管の外部に設けられていることを特徴とする請求項
    1記載の半導体装置の熱処理装置。
  4. 【請求項4】 前記シリコン酸化物蒸気発生手段は前記
    反応管内のシリコン酸化物の雰囲気中の濃度を制御する
    機構を有することを特徴とする請求項1記載の半導体装
    置の熱処理装置。
  5. 【請求項5】 内部にシリコン基板が収納される機構を
    有する反応管内へ導入されるガスにシリコン酸化物蒸気
    を添加し、このシリコン酸化物蒸気を含む雰囲気中で前
    記反応管内のシリコン基板を熱処理することを特徴とす
    る半導体装置の熱処理方法。
  6. 【請求項6】 前記シリコン酸化物蒸気を含む雰囲気中
    はシリコン酸化物の飽和蒸気圧に保持することを特徴と
    する請求項5記載の半導体装置の熱処理方法。
  7. 【請求項7】 前記反応管内は減圧下にあることを特徴
    とする請求項5記載の半導体装置の熱処理方法。
  8. 【請求項8】 前記ガスは不活性ガスであることを特徴
    とする請求項5記載の半導体装置の熱処理方法。
  9. 【請求項9】 前記熱処理の熱処理温度は1000℃以
    上であることを特徴とする請求項5記載の半導体装置の
    熱処理方法。
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