JP4286978B2 - 半導体基板の熱処理方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板及びエピタキシャル薄膜等の熱処理方法、特に赤外線ランプを使用したランプアニール法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコン半導体基板等にイオン注入によって不純物を添加し、伝導キャリアとして利用する場合、注入時に発生する結晶欠陥の復元や、添加した不純物原子を所望の格子位置に移動させるため、活性化と呼ばれる熱処理が必要となる。この熱処理は、赤外線ランプをシリコン半導体基板等に照射し、短時間で基板温度を上昇させる、ランプアニール法と呼ばれる方法によって行われる。
【０００３】
従来、ランプアニール法によりシリコン半導体基板を熱処理する場合、特別な保持台を使用していなかった。保持台を使用しない場合、シリコン半導体基板は、ランプアニール法のような急熱急冷を行うと、反りなどの熱変形が発生するとともに、半導体基板はマイクロスリップ等の表面欠陥が発生するという問題があった。
【０００４】
また、一般にランプアニール装置は、パイロメータ等で半導体基板表面の温度をモニターしながら、出力をコントロールする構成となっているが、そのためには、基板表面の放射率を正確に把握する必要がある。しかし、シリコン半導体装置の製造工程においては、酸化膜、窒化膜、ポリシリコン膜等の各種材料が半導体基板表面に形成され、厚さも異なることから、正確に温度を測定することが困難であった。さらに、シリコン半導体基板は、赤外線の吸収率が低いという欠点があった。
【０００５】
一方、ランプアニール法による化合物半導体基板の熱処理では、保持台を使用することが必要である。化合物半導体基板の熱処理に使用される装置は、石英のチューブ中に保持台を置き、その上に化合物半導体基板を重ね、基板表面に垂直に赤外線を照射する構造となっている。照射された赤外線は主に保持台に吸収され、熱伝導によって化合物半導体基板が加熱される。
【０００６】
従来この保持台の材料として、シリコン単結晶基板あるいは多孔質カーボン等が用いられていた。このうちシリコン単結晶基板は、１０００℃以上の温度で化学的に安定であり、高い平坦性を有する加工が可能である点で優れているが、前述のように急熱急冷を行うと、反り等の熱変形が発生し、化合物半導体基板にマイクロスリップ等の表面欠陥が発生するという欠点があった。更に、シリコンは加熱源である赤外線ランプの波長領域にほとんど吸収帯を持たないため、加熱効率が低いという欠点があった。一方、多孔質カーボンは、赤外線ランプの波長領域の赤外線を吸収する点で優れているが、熱容量が大きく、急熱急冷には適さないという欠点があった。
【０００７】
また、熱処理時に化合物半導体基板表面から気化温度の低い構成元素、具体的にはガリウム砒素半導体の場合、砒素が蒸発し、この蒸発した砒素分子を上記シリコン単結晶基板等の保持台が吸収してしまうため、さらに化合物半導体基板の結晶性が劣化するという問題があった。また、砒素が蒸発した後、ガリウム砒素半導体基板表面に残留するガリウムが原因となって、電子デバイスの特性が劣化するという問題が生じ、保持台として使用することができなかった。
【０００８】
これらの欠点を解消するため、本出願人は、保持台の材料として優れた特性を有する窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素のいずれか１つあるいは２以上を含む平板部材を、被処理半導体基板表面に対置させて熱処理する方法を提案した（特願平５−２１４９０号）。更に、赤外線の吸収効率を高くするため、保持台表面に赤外線の吸収体、具体的にはタングステンカーバイド、モリブデンカーバイド等をコーティングした保持台を用いた半導体基板の熱処理方法を提案した（特願平７−１８７８８６号）。
【０００９】
しかし、このような保持台を使用しても、急速な昇温工程中に半導体基板の中心部と周辺部との間で、昇温速度に差があるため、半導体基板周辺部にマイクロスリップが発生することがある。
【００１０】
従来から図８に示すように、半導体基板の中心部と周辺部との間の昇温速度をなくすため、半導体基板の周辺部を赤外線吸収体で囲んだ状態で加熱する方法が提案されている。図において、１は半導体基板、２は保持台、３は半導体基板１の周辺部を囲むように構成されたカーボンからなるリング状の赤外線吸収体である。
【００１１】
図８に示す方法は、半導体基板の上面および下面から赤外線が照射されると、赤外線吸収体３の温度が、保持台２より早く上昇し、半導体基板の中心部と周辺部の温度勾配を少なくするという方法である。しかし、従来使用されている保持台２は赤外線に対して透明であり、熱伝導率も大きいものではないので、赤外線吸収体３の温度だけが上昇し、この部分に熱が滞留してしまう。その結果、半導体基板１の中心部と周辺部の温度上昇が一定とはならず、マイクロスリップの発生を完全に抑えることはできなかった。
【００１２】
また、赤外線ランプの照射強度を半導体基板の周辺部で強くし、周辺部の温度上昇を早くする別の方法も提案されているが、赤外線ランプの照射強度の調整は、複雑で、最適条件が得られず、結果的にマイクロスリップが発生してしまうという問題点があった。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
このように、半導体基板の中心部と周辺部の温度を一定にするため、半導体基板周辺を赤外線吸収体で囲んだ状態で熱処理する方法や、赤外線ランプの照射強度を部分的に調節して熱処理を行なう方法では、マイクロスリップの発生を完全に抑えることができなかった。本発明は、簡便な方法で、半導体基板を均一に昇温させることができ、マイクロスリップの発生のない半導体基板の熱処理方法を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、被処理半導体基板の一主表面、別の主表面及び側面に、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、シリコンカーバイドのいずれか１つあるいは２以上を含む焼結体からなり、赤外線の吸収体を具備する部材を対置させて熱処理する半導体基板の熱処理方法において、前記被処理半導体基板の周辺部に当接する部分のみに、前記赤外線の吸収体を具備する部材を対置させて熱処理することにより、前記部材の前記吸収体部分を先に昇温させるように構成したものである。
【００１５】
また、前記吸収体を、カーボン、タンタル、タンタルカーバイド、タンタルボライド、タングステン、タングステンカーバイド、タングステンボライド、モリブデン、モリブデンカーバイド、モリブデンボライドのいずれかで構成したものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１に本発明の第１の実施の形態を示す。図１において、１はガリウム砒素等の化合物半導体あるいはシリコン半導体等の半導体基板、２は窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素あるいはシリコンカーバイドのいずれか１つあるいは２以上を含む焼結体からなる保持台、３は保持台２および保護板４表面の、半導体基板１の周辺部が接する部分の近傍にコーティングされたカーボン膜あるいはカーボン含有膜からなる赤外線吸収体、４は保持台３と同じ材料で構成された焼結体からなる保護板である。
【００１７】
図に示すように、半導体基板１の表面を保持台２上に密着あるいは微少な空隙をもって平行に接触させ、赤外線ランプ（図示せず）を加熱源として、ランプアニール装置で熱処理を行なう。保持台２表面は、半導体基板１表面と密着あるいは微少な空隙をもって平行に接触できるように、その表面は平坦に加工されている。なお、図１では、半導体基板１と保護板４との間の寸法を構成を明確にするため広く記載しているが、実際のランプアニール時には、密着あるいは微少な空隙を持って接触するのが好ましい。保持台２は、半導体基板１の周辺部を囲むように、半導体基板１の周辺部に対向する位置に凸形状が形成されている。更に、半導体基板１周辺部が対置する部分の保持台２、保護板４の温度が上昇するように、保持台２及び保護板４の表面には赤外線吸収体３がコーティングされている。
【００１８】
熱処理工程は、次のように進行する。まず、赤外線の照射によって、赤外線吸収体３が赤外線を吸収し、この部分の保持台２及び保護板４の温度が上昇し、半導体基板１の周辺部が先に加熱される。保持台２及び保護板４は、熱伝導率の良い焼結体で形成されているため、熱は速やかに半導体基板１の中心方向に伝導し、半導体基板１の中心部の温度を上昇させる。同時に、焼結体からなる保持台２、保護板４自身も赤外線を吸収し、赤外線吸収体３がコーティングされた部分より遅い速度で昇温する。赤外線が照射されている間は、赤外線吸収体３の昇温がすすむため、半導体基板周辺部の熱放射による温度低下はない。結果的に、半導体基板全体が、均一に昇温することになる。また、保持台、保護板は熱伝導率に優れているため、周辺部に熱が滞留することもない。
【００１９】
このように熱処理工程が進行するため、保持台２、保護板４は、赤外吸収係数が小さい方が好ましい。図２に示すように、形成時のバインダー材等が異なると、赤外吸収係数が異なる。この赤外吸収係数は、ＦＴ−ＩＲ法により波長６ミクロンの赤外線の直線透過率を測定し、その結果から算出したものである。赤外吸収係数が小さい保持台（図中、焼結体Ｂ）では、赤外線吸収体が赤外線を吸収し、昇温する。保持台自身は、図２に示すように、熱伝導率が大きく、赤外線吸収体で吸収した熱は、速やかに半導体基板の中心方向に伝導する。その結果、先に半導体基板の周辺部が昇温し、速やかに中心部も昇温することになり、半導体基板全体が均一に昇温することになる。
【００２０】
なお本発明の保持台は焼結体であるので、完全に赤外線を透過させることはなく、保持台自身が赤外線を吸収することになるが、保持台の赤外吸収係数は赤外線吸収体より小さければ、本発明の効果を発揮することができる。したがって、保持台の赤外吸収係数を限定するものではない。
【００２１】
保持台の形状は、図１に示す構造の保持台２と保護板４の形状を逆にして、保持台２を平板状にし、保護板４に凸形状を形成することも可能である。このとき、凸形状の高さは、半導体基板１の厚さと同じか、わずかに高くすることで、保持台２の凸形状を保護板４に密着し、半導体基板１の表面全体を覆う構成にすることができる。また、半導体基板１の厚さよりわずかに低くすることで、半導体基板１を保護板４に密着させる構成とすることもできる。
【００２２】
図３に本発明の第２の実施の形態を示す。図に示すように、保持台２及び保護板４両方に凸形状を形成し、保持台２及び保護板４の凸形状同志を密着させ、半導体基板１周辺部を覆うように形成することも可能である。更に、第１の実施の形態同様、半導体基板１周辺部が対向する部分の保持台２の温度が上昇するように、保持台２及び保護板４の表面には赤外線吸収体３がコーティングされている。
【００２３】
図４には本発明の第３の実施の形態を示す。図に示すように、保持台２、保護板４のいずれにも凸形状を形成している。保持台２の凸形状の高さを半導体基板１の厚さと同じか、あるいはわずかに高くすることで、保持台２と保護板４を密着させ、半導体基板１表面全体を覆うことができる。また、前述同様、高さを低くすることで、半導体基板１を保護板４に密着させることができる。この実施の形態でも、半導体基板１周辺部が対向する部分の保持台２の温度が上昇するように、保持台２及び保護板４の表面には赤外線吸収体３がコーティングされている。
【００２４】
図５に本発明の第４の実施の形態を示す。これは、平板状の保持台２及び保護板４に、半導体基板１の周辺部に対置するように半導体基板１の形状に合わせたリング等からなる側面部材５を組み合わせたものである。この場合、図に示すように、径の異なる２つのリング等を組み合わせることで、側面部材間に空隙を設けると、半導体基板の周辺部からの熱放射が少なくなり、より均一な加熱を実現することができる。側面部材５の高さも、半導体基板の厚さとの関係において、適宜選択することができる。尚、側面部材５は、２つのリングに限るものではなく、単一のリングや分割された部材であっても良い。円形状に限らず、多角形であっても良い。なお、リング等の位置を固定するため、保持台に溝を設けた形状とすることも可能である。この実施の形態でも、半導体基板１周辺部が対向する部分の保持台２保護板４の温度が上昇するように、保持台２及び保護板４の表面には赤外線吸収体３がコーティングされている。
【００２５】
上記第２乃至第４の実施の形態でも、第１の実施の形態同様、熱処理工程は、まず、赤外線の照射によって、赤外線吸収体３が赤外線を吸収し、この部分の保持台２、保護板４が昇温し、半導体基板１の周辺部が先に加熱される。保持台２及び保護板４は、熱伝導率の良い焼結体で形成されているため、熱は速やかに半導体基板１の中心方向に伝導し、半導体基板の中心部を昇温させる。同時に、焼結体からなる保持台２、保護板４自身も赤外線を吸収し、赤外線吸収体３がコーティングされた部分より遅い速度で昇温する。赤外線が照射されている間は、赤外線吸収体３の昇温がすすむため、半導体基板周辺部の熱放射による温度低下はない。このように、半導体基板１の周辺部の昇温が先に進み、中心部の昇温が遅れるため、結果的に、半導体基板全体が、均一に昇温することになる。また、保持台２、保護板４は熱伝導率に優れているため、周辺部に熱が滞留することもない。
【００２６】
尚、コーティングされた赤外線吸収体３は、図１、図３乃至図５に示した形態に限定されることなく、半導体基板の周辺部を先に昇温させることができる構造であれば、種々変更することができる。例えば、保持台、保護板の側面部にも赤外線吸収体をコーティングしたり、いずれか一方のみをコーティングすることも可能である。
【００２７】
尚、第１乃至第４の実施の形態に記載した半導体基板１側面と凸形状あるいは側面部材との間の寸法は、半導体基板の大きさ、加熱時の半導体基板あるいは保持台等の熱膨張係数を考慮して、適宜設定される。好ましくは、加熱時に接触あるいは微少な間隙をもって対置する寸法であればよい。
【００２８】
赤外線吸収体は、カーボン膜等の他、熱処理温度において溶解等の変形のない金属、例えばタンタル、タングステン、モリブデン等の高融点金属、これらの炭化物であるタンタルカーバイド、タングステンカーバイド、モリブデンカーバイド、ホウ化物であるタンタルボライド、タングステンボライド、モリブデンボライドを、表面がポーラスで、照射された赤外線の反射が起きない状態でコーティングすることも可能である。ここで、金属を赤外線吸収体とする場合、被処理半導体基板表面がこれらの金属によって汚染される可能性がある場合には、赤外線吸収体上に、別の被覆膜、例えば窒化膜、酸化膜、多結晶シリコン膜等を形成することも可能である。窒化膜、酸化膜、多結晶シリコン膜等は、赤外線を透過し、カーボン膜等の赤外線吸収体に、赤外線を効率よく吸収させることができる。
【００２９】
以上、赤外線吸収体が保持台、保護板の表面にコーティングされた場合について説明してきたが、本発明の保持台等は焼結体で構成しているため、内部に内在させて構成することも可能である。図６に第５の実施の形態を示す。図は、前述の第１の実施の形態の半導体基板１を載置した保持台２の断面図を示し、保護板は省略してある。図において、６は窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、シリコンカーバイドからなる原料粒子、７はバインダー、８は粒子状の赤外線吸収体である。
【００３０】
図６に示す構造の保持台２は、原料粒子６と粒子状の赤外線吸収体８、酸化イットリウム等のバインダー７を混合し、成形した後、焼結することで形成することができる。粒子状の赤外線吸収体８は、熱処理される半導体基板１の周辺部分に当接する部分に内在するように混合される。内在させる赤外線吸収体の量は、適宜設定することができ、半導体基板の中心部から周辺部に向けて、内在させる赤外線吸収体の量を徐々に増加させた構造にしたり、周辺部のみに一定量の赤外線吸収体が存在する構造にすることも可能である。
【００３１】
このような方法は、前述の第２乃至第５の実施の形態で説明した構造の保持台に適用可能であることはいうまでもない。また、保護板に適用することも可能である。
【００３２】
図７には第６の実施の形態を示す。図において９は板状の赤外線吸収体を示す。前述の第５の実施の形態の粒子状の赤外線吸収体の代わりに板状の赤外線吸収体を内在する構造となっている。このような構造の焼結体も、原料粒子６とバインダー７を混合し、板状の赤外線吸収体９を内在させて成形した後、焼結することで形成することができる。この場合も、前述の第２乃至第５の実施の形態で説明した構造の保持台に適用可能であるし、保護板に適用することも可能である。
【００３３】
また、一旦原料粒子とバインダーを焼結形成した後、赤外線吸収体、具体的にはモリブデン粒子等を懸濁した溶液に浸漬し、所望の濃度となるように含浸させて形成することも可能である。この場合も、上述の第２乃至第５の実施の形態で説明した構造の保持台に適用可能であるし、保護板に適用することも可能である。
【００３４】
なお、上記実施の形態において、保持台および保護膜は熱膨張等を考慮すると、同一材料からなることが好ましいが、必ずしも同一である必要はない。
【００３５】
このように形成した保持台および保護板は、低熱容量、高熱伝導率を有するため、半導体基板１の熱処理を行った結果、従来の保持台の較べて、熱変形が少なく、マイクロスリップ等の欠陥を防ぐことができ、良好な結果を得ることができた。また、これらの材料は、砒素を構成元素とする化合物半導体である場合でも、砒素の蒸発による半導体基板の平坦性の劣化を引き起こすことはない。さらに、化合物半導体の代わりに、シリコン半導体基板を熱処理した場合でも、マイクロスリップ等の表面欠陥を減少させることができた。
【００３６】
尚、本発明の保持台および保護板を構成する焼結体は、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、シリコンカーバイドのいずれか１つあるいは２以上を含むものであるが、表面を平坦に加工することができる点で、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素のいずれか１つあるいは２以上を含むものであることが好ましい。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、特に急熱急冷が要求されるランプアニール法に用いる保持台として、低熱容量、高熱伝導率を有し、半導体基板の周辺部と中心部の温度差をなくして熱処理することができるので、マイクロスリップ等の結晶欠陥の形成を防止することができる。特に、被処理半導体基板が化合物半導体である場合、保持台等の材料が半導体基板表面から蒸発する元素を吸収することがない点で有利である。
【００３８】
また本発明の方法は、半導体基板の周辺部と中心部の温度差を少なくするための特別な調整や制御を必要とせず、簡便な熱処理方法を提供することができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を説明する図である。
【図２】本発明の保持台の材料を説明する図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態を説明する図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態を説明する図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態を説明する図である。
【図６】本発明の第５の実施の形態を説明する図である。
【図７】本発明の第６の実施の形態を説明する図である。
【図８】従来の熱処理方法を説明する図である。
【符号の説明】
１ 半導体基板
２ 保持台
３ 赤外線吸収体
４ 保護板
５ 側面部材
６ 原料粒子
７ バインダー
８ 粒子状の赤外線吸収体
９ 板状の赤外線吸収体

Claims (2)

1. 被処理半導体基板の一主表面、別の主表面及び側面に、窒化ガリウム、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、シリコンカーバイドのいずれか１つあるいは２以上を含む焼結体からなり、赤外線の吸収体を具備する部材を対置させて熱処理する半導体基板の熱処理方法において、前記被処理半導体基板の周辺部に当接する部分のみに、前記赤外線の吸収体を具備する部材を対置させて熱処理することにより、前記部材の前記吸収体部分を先に昇温させることを特徴とする半導体基板の熱処理方法。
2. 請求項１記載の半導体基板の熱処理方法において、前記吸収体は、カーボン、タンタル、タンタルカーバイド、タンタルボライド、タングステン、タングステンカーバイド、タングステンボライド、モリブデン、モリブデンカーバイド、モリブデンボライドのいずれかであることを特徴とする半導体基板の熱処理方法。

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