JP3426011B2 - 半導体製造装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体製造装置及びその
半導体製造装置を使用する半導体装置の製造方法に係
り、特に半導体製造工程における熱処理に用いられる炭
化珪素反応管及びその炭化珪素反応管を使用する半導体
装置の熱処理方法に関する。半導体製造工程における熱
処理に用いられる治具材料には、石英、ＳｉＣ（炭化珪
素）、多結晶シリコン、ＣＶＤ−ＳｉＣなどがあるが、
価格、純度、使い易さ、耐熱性という不純物拡散等の熱
処理工程における要求項目を完全に満たす治具はなかっ
た。そのため、耐熱性に優れ、かつ高純度で価格の安い
材料を開発することが要請されている。

【０００２】

【従来の技術】従来の不純物拡散等の熱処理工程に用い
られる治具材料としては、比較的純度が高くて低価格の
石英が一般的であったが、石英は高温での軟化の問題が
絶えず挙げられていた。そのため近年では、石英に代わ
り、ＳｉＣ、多結晶シリコン、ＣＶＤ−ＳｉＣといった
材料が注目されてきた。

【０００３】しかし、これらの材料は耐熱性では石英よ
りも優れているが、それぞれ問題があった。例えばＳｉ
Ｃは純度が低くかつ高価格であり、多結晶シリコンは高
価格で形状に制約があり、ＣＶＤ−ＳｉＣはそのＳｉＣ
膜が剥離し易くかつ高価格であるなど、一長一短である
ため、必ずしも石英を上回っているとは言い切れなかっ
た。

【０００４】このため、例えば低純度のＳｉＣを熱処理
工程の反応管として用いた場合、そのＳｉＣ反応管の内
側に筒状の石英管を設けたり、その内壁表面にシリコン
系絶縁膜をコートしたりして、ＳｉＣ反応管からの汚染
を防止する工夫がなされていた（特願昭５２−１４３７
５７号、特願平２−２３６２８１号参照）。ところが最
近では、ＳｉＣに関する改善が行われ、ＳｉＣの問題点
である純度が飛躍的に高まり、耐熱石英よりも純度的に
良い物が完成している。このため、ＳｉＣ反応管が普及
し始めている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来のＳｉＣ反応管は、粒径１０〜５０μｍφ又は粒径１
００〜１５０μｍφのＳｉＣのパウダーを焼き固め、そ
のポーラスなＳｉＣの周囲にＳｉを流し込んで作製する
ため、この溶融Ｓｉを介する粒界拡散によりＦｅ、Ｃ
ｒ、Ｃｕ等の金属不純物がＳｉＣ反応管を透過してしま
う。

【０００６】通常、ＳｉＣ反応管の外側はタンタル線等
からなるヒータなどがあり、このヒータからの金属不純
物が存在する雰囲気となっているため、この金属不純物
がＳｉＣ反応管を透過してしまい、ＳｉＣ反応管の内側
にまで金属不純物が入り込んでくるという現象が生じて
いた。本発明者らは、この現象を定量的に確認するた
め、図５に示すようなサンドイッチアニール法を用いた
実験を行った（尚、サンドイッチアニール法について
は、特開平４−２６３４２１号及び特開平４−２６７３
２７号を参照のこと）。

【０００７】Ｓｉウェーハ３０の全表面に厚さ１００〜
２００ｎｍのＳｉＮ膜３２を形成し、このＳｉウェーハ
３０の両面のＳｉＮ膜３２上に、それぞれＳｉＣ反応管
と同じ高純度のＳｉＣ層３４を設け、更にこのＳｉＣ層
３４の両面をＳｉＣ反応管の外の汚染を想定した不純物
の多い石英層３６で挟んだものを第１の試料として用い
た（図５（ａ）参照）。

【０００８】また、この第１の試料との比較を行うた
め、Ｓｉウェーハ３０の両面のＳｉＮ膜３２上にそれぞ
れＳｉＣ層３４を設けただけの第２の試料と、Ｓｉウェ
ーハ３０の両面のＳｉＮ膜３２を石英層３６で挟んだだ
けの第３の試料とを用いた（図５（ｂ）、（ｃ）参
照）。そしてこれら第１〜第３の試料のサンドイッチア
ニールを行った。即ち、Ｎ₂雰囲気中において、温度１
１００℃の条件で６時間の熱処理を行った。次いで、Ｓ
ｉＮ膜３２をＨＦで溶かし、ＡＡＳ（Atomic Absorptio
n Spectrometry；原子吸光分析）法を用いて、ＳｉＮ膜
３２中に拡散した不純物を検出した。この結果を、図６
に示す。

【０００９】この図６から明らかなように、ＳｉＮ膜３
２上に石英層３６を設けた第３の試料からは、当然に多
くの不純物が大量に検出された。また、ＳｉＮ膜３２上
にＳｉＣ層３４を設けた第２の試料からは殆ど検出され
ない金属、例えばＬｉ、Ｃｒ、Ｆｅ等が、ＳｉＮ膜３２
上にＳｉＣ層３４を介して石英層３６を設けた第１の試
料から検出された。これらの金属は、石英層３６から放
出され、ＳｉＣ層３４を拡散して、ＳｉＮ膜３２中に入
ってきたものと考えられる。

【００１０】従って、高純度のＳｉＣ反応管を使用した
場合においても、その外側にヒータなどの金属不純物源
が存在するときは、ＳｉＣ反応管はその周囲の雰囲気に
存在する金属不純物を透過してしまい、ＳｉＣ反応管の
内側にまで金属不純物が入り込んでくることになる。こ
のため、高純度のＳｉＣ反応管を使用しても、そのＳｉ
Ｃ反応管内で熱処理中のウェーハが金属不純物で汚染さ
れ、作製される素子特性に悪影響が及ぶという問題を生
じる。

【００１１】そこで本発明は、反応管の外側からの金属
不純物の透過を阻止して、反応管内で処理される半導体
装置を金属不純物の汚染から保護する半導体製造装置及
び半導体装置の製造方法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題は、半導体装置
の製造工程における熱処理に用いられるＳｉＣ反応管
と、前記ＳｉＣ反応管の外側に設置され、ＯＨ基（水酸
基）を少なくとも１００ｐｐｍ以上含有する筒状の石英
管とを有することを特徴とする半導体製造装置によって
達成される。

【００１３】また、上記の半導体製造装置において、前
記石英管が、酸素−水素炎溶融法を用いて製造された石
英管であることが望ましい。また、上記の半導体製造装
置において、前記石英管が、少なくとも前記ＳｉＣ反応
管内に挿入される半導体装置の周囲を覆う長さを有して
いればよい。更に、上記課題は、上記の半導体製造装置
に半導体装置を挿入して、前記半導体装置に対する熱処
理を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法によっ
て達成される。

【００１４】

【作用】高純度のＳｉＣ反応管の外側に、ＯＨ基を少な
くとも１００ｐｐｍ以上含有する筒状の石英管が設置さ
れていることにより、石英管中のＯＨ基による金属不純
物の拡散防止効果が発揮されるため、ＳｉＣ反応管の外
側からの金属不純物がＳｉＣ反応管内にまで透過するこ
とはない。従って、ＳｉＣ反応管内で熱処理中の半導体
装置が金属不純物で汚染されることはない。尚、石英管
中のＯＨ基が金属不純物の拡散を防止するメカニズムに
ついては諸説があり、未だ十分には解明されていない。

【００１５】また、石英管の材料たる石英の種類には、
その製法により、電気溶融石英と、酸素−水素炎溶融石
英と、合成石英がある。電気溶融石英は、水晶のパウダ
ーを電気炉内で加熱溶融して作製するもので、耐熱生に
優れているが、純度が低く、かつ石英管中のＯＨ基が通
常３０ｐｐｍ以下である。また、合成石英は、ＳｉＣｌ
₄ ガスを用いたＣＶＤ法により作製するもので、高純度
であるが、耐熱生に劣る。これらに対して、酸素−水素
炎溶融石英は、水晶のパウダーをバーナーで加熱溶融し
つつ種結晶上に成長させていくもので、純度が高く、か
つ石英管中のＯＨ基が通常１００ｐｐｍ以上である。

【００１６】従って、石英管が、酸素−水素炎溶融法を
用いて製造された石英管であることにより、石英管中の
ＯＨ基による金属不純物の拡散防止効果が大きくなる。
また、石英管は、ＳｉＣ反応管の長さと同一又はそれ以
上の長さを有していれば、ＳｉＣ反応管の外側からの金
属不純物の透過を防止する効果は最も大きいが、少なく
ともＳｉＣ反応管内に挿入される半導体装置の周囲を覆
う長さを有していれば、ＳｉＣ反応管内で熱処理中の半
導体装置に対する金属不純物の汚染を防止することがで
きる。従って、半導体装置に要求される汚染防止の程度
と石英管に要するコストとを勘案して、上記の範囲内で
石英管の長さを決定することが可能である。

【００１７】

【実施例】以下、本発明を図示する実施例に基づいて具
体的に説明する。図１は本発明の一実施例による半導体
製造装置を示す概略断面図である。半導体装置の製造工
程における例えば熱酸化や不純物拡散等の熱処理に用い
られる半導体製造装置は、炉体１０の中央に、一方の端
部を絞った高純度のＳｉＣ反応炉１２が設置されてい
る。また、このＳｉＣ反応炉１２の外側のほぼ全体にわ
たり、少なくとも２ｍｍ以上の間隔をおいて、酸素−水
素炎溶融法を用いて製造された２００ｐｐｍのＯＨ基を
含有する筒状の石英管１４が設置されている。更に、石
英管１４の外側には、例えばタンタル線等を用いたヒー
タ１６が設置されている。

【００１８】そしてＳｉＣ反応炉１２内に、例えばＳｉ
Ｃからなるボード１８に装填されたＳｉウェーハ２０が
挿入され、所定の温度、所定の雰囲気中で熱処理される
ようになっている。次に、この半導体製造装置におい
て、ＳｉＣ反応炉１２の外側に設置した石英管１４の効
果を明らかにするため、図２に示すようなサンドイッチ
アニール法を用いた実験を行った。

【００１９】Ｓｉウェーハ２０の全表面に厚さ１００〜
２００ｎｍのＳｉＮ膜２２を形成し、このＳｉウェーハ
２０の両面のＳｉＮ膜２２上に、それぞれ石英管１４と
同じく２００ｐｐｍのＯＨ基を含有する石英層２４を設
け、更にこの石英層２４の両面をＳｉＣ反応管１２の外
の汚染を想定した不純物の多い石英層２６で挟んだもの
を第１の試料として用いた（図２（ａ）参照）。

【００２０】また、この第１の試料との比較を行うた
め、Ｓｉウェーハ２０の両面のＳｉＮ膜２２上にそれぞ
れ石英層２４を設けただけの第２の試料と、Ｓｉウェー
ハ２０の両面のＳｉＮ膜２２を石英層２６で挟んだだけ
の第３の試料とを用いた（図２（ｂ）、（ｃ）参照）。
そしてこれら第１〜第３の試料のサンドイッチアニール
を行った。即ち、Ｎ₂雰囲気中において、温度１１００
℃の条件で６時間の熱処理を行った。次いで、ＳｉＮ膜
２２をＨＦで溶かし、ＡＡＳ法を用いて、ＳｉＮ膜２２
中に拡散した不純物を検出した。この結果を、図３に示
す。

【００２１】この図３から明らかなように、ＳｉＮ膜２
２上に石英層２６を設けた第３の試料からは、当然に多
くの不純物、例えばＦｅ，Ｃｒ，Ｎｉ，Ｃｕ等が大量に
検出された。また、ＳｉＮ膜２２上にＳｉＣ層２６を設
けた第２の試料から検出される金属の量は極めて少な
く、Ｃｕが目立つ程度である。これに対して、ＳｉＮ膜
２２上に石英層２６を設けた第１の試料から検出される
金属の量も極めて少なく、第２の試料からも検出される
Ｃｕを除けば、Ｆｅが目立つ程度であり、そのＦｅも第
３の試料からの検出量と比較すると、１桁以上減少して
いる。

【００２２】このことから、２００ｐｐｍのＯＨ基を含
有する石英層２４の存在が石英層２６からのＦｅ，Ｃ
ｒ，Ｎｉ，Ｃｕ等の金属不純物の拡散を有効にブロック
していることが確認される。従って、本実施例によれ
ば、高純度のＳｉＣ反応管１２の外側に２００ｐｐｍの
ＯＨ基を含有する筒状の石英管１４が設置されているこ
とにより、石英管１４による金属不純物の拡散防止効果
が発揮されて、外部からの金属不純物がＳｉＣ反応管１
２内にまで透過することが阻止されるため、ＳｉＣ反応
管１２内に挿入したＳｉウェーハ２０が熱処理中に金属
不純物で汚染されることを防止することができる。

【００２３】また、ＳｉＣ反応炉１２と石英管１４との
間には少なくとも２ｍｍ以上の間隔があるため、外側の
石英管１４が熱変形しても、低価格の石英管１４のみを
取り替えることが可能であるため、高価格のＳｉＣ反応
炉１２の寿命を長くし、装置全体を低コストで維持する
ことができる。尚、上記実施例においては、石英管１４
がＳｉＣ反応炉１２の外側のほぼ全体を覆うように設置
されており、この方が金属不純物の汚染を防止すること
からは望ましいが、図４の他の実施例による半導体製造
装置に示されるように、石英管１４が少なくともＳｉＣ
反応炉１２内に挿入されたＳｉウェーハ２０が装填され
ているボード１８を十分に覆う長さを有していれば、か
なりの金属不純物汚染防止を発揮することができる。

【００２４】従って、Ｓｉウェーハ２０に対して要求さ
れる汚染防止の程度と石英管１４に要するコストとを勘
案して、石英管１４の長さを決定することが可能であ
る。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、半
導体装置の製造工程における熱処理に用いられる炭化珪
素反応管と、この炭化珪素反応管の外側に設置され、Ｏ
Ｈ基を少なくとも１００ｐｐｍ以上含有する筒状の石英
管とを有することにより、石英管中のＯＨ基による金属
不純物の拡散防止効果が発揮されるため、外部からの金
属不純物がＳｉＣ反応管を透過しＳｉＣ反応管内で熱処
理中の半導体装置を汚染することを防止することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による半導体製造装置を示す
概略断面図である。

【図２】図１の半導体製造装置における石英管の効果を
明らかにするためのサンドイッチアニール法を用いた実
験を説明するための概略図である。

【図３】図２に示す実験による不純物の検出結果を示す
図である。

【図４】本発明の他の実施例による半導体製造装置を示
す概略断面図である。

【図５】従来のＳｉＣ反応管における不純物汚染を明ら
かにするためのサンドイッチアニール法を用いた実験を
説明するための概略図である。

【図６】図５に示す実験による不純物の検出結果を示す
図である。

【符号の説明】

１０…炉体 １２…ＳｉＣ反応炉 １４…２００ｐｐｍのＯＨ基を含有する石英管 １６…ヒータ １８…ボード ２０…Ｓｉウェーハ ２２…ＳｉＮ膜 ２４…２００ｐｐｍのＯＨ基を含有する石英層 ２６…不純物の多い石英層 ３０…Ｓｉウェーハ ３２…ＳｉＮ膜 ３４…ＳｉＣ層 ３６…不純物の多い石英層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−243126（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−268129（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−32224（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−10531（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−236281（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−143757（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−52435（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭62−14722（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/00

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体装置の製造工程における熱処理に
   用いられる炭化珪素反応管と、 前記炭化珪素反応管の外側に設置され、水酸基を少なく
   とも１００ｐｐｍ以上含有する筒状の石英管とを有する
   ことを特徴とする半導体製造装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の半導体製造装置におい
   て、 前記石英管が、酸素−水素炎溶融法を用いて製造された
   石英管であることを特徴とする半導体製造装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２に記載の半導体製造装置
   において、 前記石英管が、少なくとも前記炭化珪素反応管内に挿入
   される半導体装置の周囲を覆う長さを有していることを
   特徴とする半導体製造装置。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれかに記載の半導
   体製造装置に半導体装置を挿入して、前記半導体装置に
   対する熱処理を行うことを特徴とする半導体装置の製造
   方法。