JP3687578B2 - 半導体シリコン基板の熱処理治具 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体シリコン基板を熱処理するための熱処理治具の改良に係り、シリコン基板の中心部を支持する中央突起部とこれと同心円状に配置する円弧部との組合せにより、スリップや転位を低減できる半導体シリコン基板の熱処理治具に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日の半導体デバイスの製造に用いられるシリコン単結晶基板は、主にチョクラルスキー法（ＣＺ法）により製造されている。
【０００３】
またデバイスプロセスは、低温化と高集積化が進み、これまで問題にならなかった結晶育成時に形成される低密度のＧｒｏｗｎ‐ｉｎ欠陥がデバイス特性に影響することが明らかとなり、当該デバイスプロセスでは、Ｇｒｏｗｎ‐ｉｎ欠陥のないエピタキシャルウェーハ、あるいは水素アニールやアルゴンアニールなどの所定雰囲気で高温熱処理されたウェーハが用いられている。
【０００４】
かかる熱処理に際して、被処理ウェーハを載置した熱処理治具を炉に挿入出するか、あるいは炉内に配置される当該治具に被処理ウェーハを搭載、搬出するが、一般にシリコン基板の移替えには、ツイーザーと呼ばれる短冊状の薄板にシリコン基板を載せて搬送用キャリアから当該治具へ、あるいは逆に当該治具から搬送用キャリアへと移載する方法が採用されている。
【０００５】
例えば縦型熱処理炉の場合、処理炉用ウェーハボートは複数の支柱の長手方向に沿って多数のウェーハ保持溝を刻設してあり、この溝内にシリコン基板またはシリコン基板を載置した円板状治具のエッジ部を挿入して支持させる等の移載方法が採用されている。（特開平５−１５２２２８等参照）
【０００６】
この移載方法において、円板状治具より前記ツイーザーの可動範囲相当部を切り欠いたいわゆる馬蹄形状の載置用治具を用いたり、あるいは前記保持溝に細幅円弧状治具を挿入配置して、この細幅治具上にシリコン基板を載置する等の移載用の治具構成が採用されている。（特開平６−１５１３４７等参照）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述の水素アニールやアルゴンアニールの各熱処理では、１１００℃以上の高温熱処理を必要とし、被処理ウェーハの大口径化に伴い、熱処理工程でのウェーハ自重応力によってスリップや転位などの結晶欠陥の問題が生じる。
【０００８】
また、シリコン基板移載のためのツイーザーが通過できる構造を有する、図１Ａの如く前述の馬蹄型熱処理治具の場合は、熱処理治具自体のたわみが顕在化してスリップが顕著に発生する問題が生じていた。
【０００９】
そこで、大口径化したシリコン基板の自重応力を低減するために、リング構造を有する熱処理用ウェーハボートが提案（特開２００１−１０２３１８、特開２００１−０６０５５９等）されている。
【００１０】
図１Ｂの如く、前述のリング構造を有する熱処理治具は、基板の自重応力の低減化を考慮した一つの理想形の構造であるが、実際は、リング全体で接触して基板保持を行うには、治具の加工精度等の問題により、熱処理後のシリコン基板には、治具のリング部との接触領域で局所的にスリップや転位が発生する問題があった。
【００１１】
また、完全なリング構造を有するため、前述のツイーザーを用いた自動的な移載方法を採用し、シリコン基板をローディングやアンローディングさせることができず、大幅な熱処理炉の改造が必要となる。
【００１２】
この発明は、水素アニールやアルゴンアニールなどの各高温熱処理において、被処理ウェーハの大口径化に対処でき、ウェーハ自重応力あるいは熱処理治具自体のたわみ等によって発生するスリップや転位の防止が可能となる半導体シリコン基板の熱処理治具の提供を目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
発明者は、スリップや転位の防止が可能となる熱処理治具の構成について鋭意検討した結果、熱処理治具上に１個以上の円弧部を具備し、かつシリコン基板の中央部に相当する位置に少なくとも円弧部と同じ高さあるいは若干低い中央部突起を設けることにより、確実に中央突起部での基板接触が可能となり、かつ円弧部での接触と合わせて基板自重応力をより効率よく分散できる構造となり、前記目的が達成でき、同時に熱処理炉へのシリコン基板の積載を行うツイーザーがそのまま適用できることを知見した。
【００１４】
また、発明者は、上記構成において、ツイーザーによる自動移載を実施可能とするため、さらに検討を加えた結果、板状の熱処理治具に中央突起部近傍から半径方向に溝部を設けることにより、治具上に載置されたシリコン基板との間に移載用ツイーザーが進入出並びに昇降可能になり、治具は完全な円板を維持でき、従来の馬蹄型構造で問題となる変形を防止でき、スリップ低減にも効果を発揮することを知見した。
【００１５】
さらに、発明者は、従来のリング構造の治具を採用してもスリップが発生する問題について、鋭意検討した結果、一般にシリコンカーバイド製の治具製造工程では、カーボン母材上に所望の形状を加工後、化学堆積法（ＣＶＤ法）によりカーボン母材上にシリコンカーバイドを堆積させる方法を主に適用しているが、製作段階で表面に数μｍから数十μｍの微小な突起が成長し、この領域に接触したシリコン基板にスリップが発生することを知見した。
【００１６】
そこで、発明者は、上記のスリップ発生について種々検討を行った結果、高温強度の高いシリコンカーバイドやセラミックスを用いた従来のシリコン支持治具を利用し、シリコン基板の裏面を支持する熱処理治具上に別途キャッピング治具を用いるか、あるいは熱処理治具自体の少なくともシリコン基板と接触させる面に対し被膜堆積させることにより、スリップ低減化かつ高温熱処理での変形を防止できることを知見し、この発明を完成した。
【００１７】
【発明の実施の形態】
この発明は、図２に示すごとく、シリコン基板を載置可能な円板状の熱処理治具１において、基板裏面の中心部を支持するための中央突起部２と、該基板裏面を支持するための少なくとも１個の円弧部３を、例えば同心円状に配置するとともに、中央部突起２の高さ寸法が、基板自重応力を効率よく分散するよう円弧部３より若干低く設定されたことを特徴としている。
【００１８】
この発明において、中央突起部は、シリコン基板が板状の熱処理治具に設けた円弧部にて支持される際に、基板中央部で自重応力により下向きに撓むことを低減するとともに、円弧部のエッジで応力が集中することを緩和でき、スリップ、転位の発生が低減可能となる。
【００１９】
また、円弧部が二重に配置される場合でも、内側の円弧部を基板中心に近づける必要がなく、円弧部がより均等により広い接触面積で基板を支持可能なように治具上に配置できるようになる。さらに、中央突起部の構成は、ＳｉＣ製作時のＳｉＣ異常成長部と接触する確立が高くなるため、できるだけ基板と接触面積の小さい構造とすることが望ましい。
【００２０】
この発明において、円弧部は、同一円上に配置された複数個の円弧部、又は半径が異なる同心円上に配置された複数個の円弧部、あるいはそれらを組合せた構成とすることができる。
【００２１】
すなわち、図２に示すごとく、円板状の熱処理治具１の円中心位置に中央突起部２を突設し、これを中心にして例えば円板の半径の中央位置にリングの一部を切り欠いた１個の円弧部３を配置することができる。
【００２２】
また、図４Ａに示すごとく、半径が異なる２つの同心円上にそれぞれ１個の円弧部を配置して、円板状の熱処理治具の中心の中央突起部２と、これを中心とする２個の円弧部３，４を同心円配置することができる。
【００２３】
さらに、図４Ｂに示すごとく、前記図４Ａの半径が異なる２個の円弧部３，４のそれぞれを４つに分割し、同じ同心円上に４個の円弧部と、同様に異なる半径の同心円上に４個の円弧部の合計８個の円弧部３ａ〜３ｄ，４ａ〜４ｄを配置することができる。
【００２４】
熱処理治具１へシリコン基板ｗをツイーザーＴにより自動移載するため、前述した図２Ａ，Ｂ、図４Ａ，Ｂの構成はいずれも、円弧部３，４の切り欠き部分の寸法あるいは同一円上に配置された複数個の円弧部間３ａ〜３ｄ，４ａ〜４ｄを、前記の移載用ツイーザーＴの幅寸法より広い寸法に設定してある。
【００２５】
また、ツイーザーＴは自動移載に際して、熱処理治具１の所要位置まで進入して適宜昇降するため、図２Ｂに示すごとく、熱処理治具１上の中央突起部２と円弧部３の高さ寸法を、少なくとも移載用ツイーザーＴ厚みより大きくし、昇降スペース分だけ高さ寸法を高く設定する。
【００２６】
すなわち、図５Ａ，Ｂに示すごとく、移載用ツイーザーＴに載置されたシリコン基板ｗは、熱処理治具１上まで移動した後に下降して中央突起部２と円弧部３上に移載され、中央突起部２と円弧部３は所要高さ寸法を有するため、移載用ツイーザーＴが熱処理治具１とシリコン基板ｗとの間より引き抜くことが可能で、又これらの操作を逆にしてシリコン基板ｗを取り去ることが可能である。
【００２７】
また、図３に示すごとく、円板状の熱処理治具１０に中央突起部２近傍から半径方向に段差を形成して溝となした段差溝部５を設けて、治具１０上に載置されたシリコン基板との間に移載用ツイーザーが進入出並びに所要の昇降を可能にする隙間を設けることができる。図４Ａの半径が異なる２個の円弧部３，４を配置した熱処理治具１においても、同様に図４Ｃに示すごとく熱処理治具１０に段差を形成して溝となした段差溝部５を設けることができる。
【００２８】
図５Ｃに示すごとく、移載用ツイーザーＴに載置されたシリコン基板ｗは、熱処理治具１０上まで移動した後に下降して中央突起部２と円弧部３上に移載され、所要深さの段差溝部５が形成されているために移載用ツイーザーＴは溝部５内を引き抜きまたは挿入操作することができる。
【００２９】
この発明において、円弧部の断面形状は、図２〜図５に記載のごとく断面矩形とする他、図７に示すごとく断面三角形とすることも可能で、適宜の形状を採用することができる。また、この円弧部や中央突起部は、採用する熱処理治具材料と一体的に突出するように製造する他、円板の平面熱処理治具上に種々断面形状からなる円弧部の構成材を固着配置することも可能である。
【００３０】
この発明において、熱処理治具１１は、シリコン基板ｗと接触する中央突起部２と円弧部３，４の接触面の全て又は一部に、図６Ｃに示すごとくキャッピング部材２０，２０を配置した構成を採用できる。キャッピング部材を配置する場合はシリコン基板ｗとの接触領域が少ないために熱処理治具１１からの汚染転写は少ない。また、キャッピング部材２０が汚染されても当該治具１１の総入れ替えに比較して簡単にかつ安価に交換が可能となる。
【００３１】
キャッピング部材２０，２１，２２，２３は、図７Ａ〜Ｃに示すごとく、円弧部の断面形状に応じてその一部あるは全部を覆うように構成するなど任意に設計でき、またその厚みは任意に設計できるが、薄い方が熱容量低減化のためによく、製作工程を考慮すると０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下の厚みが好ましい。なお、円弧部にキャッピング部材を配置して中央突起部に設けない場合は、キャッピング部材厚みの分だけ中央突起部の高さを高くするとよい。
【００３２】
また、キャッピング部材は、シリコン製造工程で使用されている石英、シリコン、セラミック、グラシーカーボン等の材料を採用することが可能で、前記の設置箇所や形状に応じて適宜選定することが可能である。
【００３３】
さらに、キャッピング部材に換えて、図７Ｅに示すごとく、シリコン基板と接触する中央突起部と円弧部の接触面の全て又は一部に少なくとも１層の被膜３０を配置した熱処理治具１３の構成を採用することができる。
【００３４】
被膜の材料には、シリコン、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜のいずれかであるが、母体の熱処理治具材質と異なる材質の被膜では熱膨張係数の相違により熱処理過程で被膜の剥がれが生じるため、被膜厚は１μｍから２０μｍ程度が好ましい。この被膜を設ける前に当該熱処理治具の表面、特に中央突起部と円弧部の表面に研磨加工を施すことにより、スリップ低減効果をより向上させることが可能である。
【００３５】
また、シリコンカーバイド上の微小突起（高さ数μｍから数十μｍ）を低減するため、１１００℃以上の酸素雰囲気で１時間以上の強制的に酸化処理を施し、その後、フッ酸水溶液などで酸化膜を剥離（エッチング）の一連の手法を繰り返すことにより、微小突起が徐々に酸化消費されて円滑化させることが可能である。
【００３６】
なお、酸化時間が長くなると酸化レートが減速するために好ましくは１１５０℃から１２５０℃の範囲で１時間から４時間の熱処理後にフッ酸洗浄を繰り返す手法が効率良くシリコンカーバイドの突起低減ができる。
【００３７】
他の手段として切削加工あるいはＣＣｌＦ₃等のシリコンカーバイドをエッチングできるガスあるいは溶液を適用しても微小突起の円滑効果があり同様にスリップ低減化が期待できる。
【００３８】
【実施例】
比較例１
チョクラルスキー法で育成された直径２００ｍｍの最終研磨まで施されたシリコン基板を用い、図１Ａの従来の馬蹄型シリコンカーバイド製熱処理治具に上記シリコン基板を積載させアルゴンガス雰囲気下で１２００℃、１時間の熱処理を施した。ウェーハの移載方法は、縦型熱処理炉用のポートに予め馬蹄型熱処理治具を装着しておき、搬送用カセットに収納シリコン基板をツイーザーを用いて自動積載させた。移載したシリコン基板をエックス線観察を行いスリップ発生の状況を確認した。
【００３９】
同様に図１Ｂの完全リング形状のシリコンカーバイド製熱処理治具を用い、上述の上記熱処理を施した。熱処理治具へのウェーハ積載法は自動積載できないため予め熱処理治具をボートから取り出しシリコン基板を積載後、手動にて熱処理ボートにセットした。移載したシリコン基板をエックス線観察を行いスリップ発生の状況を確認した。
【００４０】
実施例１
図２に示すこの発明による円弧部及び中央突起部の高さを５ｍｍで設計されたシリコンカーバイト製熱処理治具と、図３に示すこの発明による円弧高さ２ｍｍおよび中央突起部の高さ５ｍｍで設計されたシリコンカーバイド製熱処理治具を用い、これら治具を熱処理ボート内に予め装着し、シリコン基板を自動積載させて比較例１と同様の熱処理を施した。移載したシリコン基板をエックス線観察を行いスリップ発生の状況を確認した。
【００４１】
実施例２
実施例１のこの発明による熱処理治具を、１００％酸素雰囲気下で１２００℃、４時間の熱処理を施した後、フッ酸水溶液にて熱処理治具に成長した酸化膜を剥離、この作業を３回繰り返した後、実施例１と同様の熱処理を施した。移載したシリコン基板をエックス線観察を行いスリップ発生の状況を確認した。
【００４２】
実施例３
図６Ａ，Ｂに示す構成のこの発明による円弧部及び中央突起部の高さを５ｍｍで設計されたシリコンカーバイト製熱処理治具を用い、これら治具を熱処理ボート内に予め装着し、シリコン基板を自動積載させて比較例１と同様の熱処理を施した。移載したシリコン基板をエックス線観察を行いスリップ発生の状況を確認した。
【００４３】
実施例４
図６Ｃに示すごとく、実施例３の熱処理治具を用い、円弧部に厚み１ｍｍ、２ｍｍからなる石英、シリコンで作製されたリングをキャッピングして、これら治具を熱処理ボート内に予め装着し、シリコン基板を自動積載させて比較例１と同様の熱処理を施した。移載したシリコン基板をエックス線観察を行いスリップ発生の状況を確認した。
【００４４】
実施例５
実施例３と同様に同一精度で作製されたシリコンカーバイド製熱処理治具上に、化学堆積法によりシリコン酸化膜を０．１μｍ、１μｍ、１０μｍ、２０μｍ、５０μｍの各厚に堆積させた後、実施例３と同様の熱処理を行い、同様に移載したシリコン基板をエックス線観察を行いスリップ発生の状況を確認した。
【００４５】
観察結果は、比較例１では、馬蹄型の切削部に載置された基板部位に顕著なスリップが発生しており、完全リング形状の場合は２０ｍｍから４０ｍｍ程度のスリップが数カ所から発生していた。
実施例１では、２種の熱処理治具ともに円弧部領域の一部に８ｍｍから３０ｍｍのスリップを確認した。
実施例２においては、円弧部に５ｍｍから１５ｍｍ程度の薄いスリップが発生していた。
実施例３では、円弧部領域の一部に５ｍｍから２０ｍｍのスリップを確認した。
実施例４では、円弧部領域の一部に僅かに５ｍｍ程度の薄いスリップが確認された。
実施例５では、被膜厚み依存性があり酸化膜厚みが増加するほどスリップが低減する傾向にあり、１０μｍ以上の厚みではスリップフリーが確認できた。しかし０．１μｍ厚みでも比較例１に対してスリップ発生は僅かであった。
【００４６】
【発明の効果】
この発明によると、実施例に明らかなように、シリコン基板を移載するツイーザー幅より広い切り欠き部を有する円弧部を配置したり、ツイーザー通過予定位置の治具に段差を形成して段差溝部を形成することで、治具自体の合成を低下させることがないため、被処理ウェーハの大口径化に対処でき、ウェーハ自重応力あるいは熱処理治具自体のたわみ等によって発生するスリップや転位を防止しながらツイーザーによる自動移載が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の熱処理治具の平面説明図であり、Ａは従来の馬蹄形型、Ｂは完全リング型を示す。
【図２】この発明による熱処理治具の説明図であり、Ａは平面図、ＢはＡにおけるｂ−ｂ断面図を示す。
【図３】この発明による他の熱処理治具の説明図であり、Ａは平面図、ＢはＡにおけるｂ−ｂ断面図を示す。
【図４】Ａ，Ｂ，Ｃはこの発明による他の熱処理治具の平面説明図である。
【図５】Ａはこの発明による熱処理治具と移載工程時のツイーザーとの関係を示す平面説明図であり、Ｂ，Ｃはツイーザーの移載工程を正面からみた説明図であって、Ａにおけるｂ−ｂ断面説明図を示す。
【図６】この発明による他の熱処理治具の説明図であり、Ａは平面図、Ｂは断面要部を示す。
【図７】Ａ〜Ｅはこの発明による他の熱処理治具の断面要部説明図である。
【符号の説明】
Ｔ ツイーザー
ｗ シリコン基板
１，１０，１１，１２，１３ 熱処理治具
２ 中央突起部
３，４，３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ 円弧部
５ 段差溝部
２０，２１，２２，２３ キャッピング部材
３０ 被膜

Claims (8)

1. シリコン基板を載置可能な板状の熱処理治具であり、該基板裏面の中心部を支持するための中央突起部と該基板裏面を支持するための少なくとも１個の円弧部を配置し、
   前記中央部突起の高さ寸法が、前記基板自重応力を効率よく分散するよう前記円弧部よりも低く設定される半導体シリコン基板の熱処理治具。
2. 円弧部が、同一円上に配置された複数個の円弧部、又は半径が異なる同心円上に配置された複数個の円弧部、あるいはそれらの組合せである請求項１に記載の半導体シリコン基板の熱処理治具。
3. 同一円上に配置された複数個の円弧部間、あるいは１個の円弧部切り欠き部分の寸法が、熱処理治具へのシリコン基板の移載用ツイーザー幅より広い寸法を有する請求項２に記載の半導体シリコン基板の熱処理治具。
4. 熱処理治具上の中央突起部と円弧部の高さ寸法を、移載用ツイーザー厚みより大きくするか、あるいは板状の熱処理治具に中央突起部近傍から半径方向に段差溝部を設けて、治具上に載置されたシリコン基板との間に移載用ツイーザーが進入出可能にした請求項３に記載の半導体シリコン基板の熱処理治具。
5. シリコン基板と接触する中央突起部と円弧部の接触面の全て又は一部にキャッピング部材を配置した請求項１に記載の半導体シリコン基板の熱処理治具。
6. シリコン基板と接触する中央突起部と円弧部の接触面の全て又は一部に少なくとも１層の被膜を配置した請求項１に記載の半導体シリコン基板の熱処理治具。
7. キャッピング部材の材料が、シリコン、石英、セラミック、シリコンカーバイド、グラーシーカーボンのいずれかであり、部材厚みが０．１ｍｍ以上である請求項５に記載の半導体シリコン基板の熱処理治具。
8. 被膜の材料が、シリコン、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜のいずれかであり、膜厚みが０．１μｍ以上５０μｍ以下である請求項６に記載の半導体シリコン基板の熱処理治具。

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