JPH0831761A - 半導体基板の熱処理炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱処理後の半導体基板の金属汚染レベルを大
幅に低減することのできる導体基板の熱処理炉を提供す
る。 【構成】 ベースプレート１上に配置され内部にボート
５を収納する炉芯管４と、炉芯管４の外側に配置された
外部管３と、外部管３の外側に配置されたヒータ２と、
外部管３およびヒータ２を密封する気密容器８とを備え
ている。ボート５内部には複数の半導体基板７が収納さ
れている。ベースプレート１に、炉芯管４と外部管３と
の間にパージガスを導入するパージガス導入管９が設け
られている。また、ベースプレート１に、外部管３と気
密容器８との間に冷却ガスを導入する冷却ガス導入管１
１が設けられている。パージガス導入管９から供給され
るパージガスは０．０１％〜１％の酸素を含む窒素ガス
である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体基板の熱処理炉に
係り、とりわけ半導体基板の金属汚染を低減することの
できる熱処理炉に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の半導体素子の微細化・高集積化に
伴い、ＭＯＳ ＬＳＩのゲート酸化膜の薄膜化が進み、
またゲート酸化膜に加わる電界が増大してきた。このた
め、微細・高集積ＭＯＳ ＬＳＩのゲート酸化膜に起因
する信頼性不良が顕在化してきており、その低減が望ま
れていた。

【０００３】また現在、微細・高集積ＭＯＳ ＬＳＩに
は、口径およびデバイス・プロセスとのマッチングの問
題からＣＺ法で育成されたＳｉ基板が用いられている。
このため、上述したゲート酸化膜に起因する信頼性不良
の最大の原因としてはＳｉ基板中の結晶欠陥によるゲー
ト酸化膜破壊があり、その対策が望まれていた。

【０００４】このＳｉ基板中の結晶欠陥によるゲート酸
化膜破壊の対策として、Ｓｉ基板を高温の非酸化性雰囲
気で熱処理する装置が開発されている。この熱処理装置
としては、従来より例えば図５に示すような熱処理炉が
用いられている。

【０００５】図５に示す従来の熱処理炉は、ベースプレ
ート１を備え、ベースプレート１上にボート台６を介し
て複数のＳｉ基板７がセットされたボート５が配置され
ている。このボート５はベースプレート１上に配置され
た炉芯管１４に収納され、炉芯管１４は更にその外側に
配置された均熱管（外部管）１３に収納されている。ま
た均熱管１３の外側には、ヒータ２が配置されている。

【０００６】炉芯管１４の材質は石英となっており、均
熱管１３の材質はＣＶＤ法によりＳｉＣコートされたＳ
ｉＣとなっている。またヒータ２としては、Ｆｅ−Ｃｒ
−Ａｌ合金ヒータが用いられている。

【０００７】炉芯管１４内には、安定性を重視して例え
ば水素ガスを流入し、炉芯管１４内部が非酸化性雰囲気
に保たれている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のような従来の熱
処理炉においては、均熱管１３および炉芯管１４は半導
体基板の熱処理温度まで加熱される。また、炉芯管１４
内の水素還元性雰囲気の影響もあり、各部材の高純度化
にもかかわらず、熱処理時に均熱管１３および炉芯管１
４に含まれる微量の金属不純物が溶融・蒸発し、炉芯管
１４を通って炉芯管１４内部に入り半導体基板７を汚染
することがある。

【０００９】このような現象による半導体基板７の金属
汚染レベルは、現在の半導体素子に特に悪影響を与える
ものではない。しかし、今後０．１μｍレベルのデザイ
ンルールの半導体素子の熱処理を行う場合に悪影響が予
想される。

【００１０】本発明は、このような点を考慮してなされ
たものであり、熱処理後の半導体基板の金属汚染レベル
を従来より大幅に低減することのできる半導体基板の熱
処理炉を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は複
数の半導体基板を収納して熱処理を行う炉芯管と、この
炉芯管の外側に炉芯管を覆って配置された外部管と、こ
の外部管の外側に配置されたヒータとを備え、前記炉芯
管と前記外部管との間に０．０１〜１％の酸素を含む不
活性ガスを供給する第１ガス供給手段を設けたことを特
徴とする半導体基板の熱処理炉である。

【００１２】請求項２記載の発明は、複数の半導体基板
を収納して熱処理を行う炉芯管と、この炉芯管の外側に
炉芯管を覆って配置された外部管と、この外部管の外側
に配置されたヒータとを備え、前記炉芯管は、ＳｉＣ母
材の両面に対してＣＶＤによりＳｉＣ被覆した材料の外
側、またはグラファイト母材の両面に対してＣＶＤによ
りＳｉＣ被覆した材料の外側に多結晶シリコン層を設け
て形成されたことを特徴とする半導体基板の熱処理炉で
ある。

【００１３】

【作用】請求項１記載の発明によれば、炉芯管内で半導
体基板の熱処理を行う際、外部管の外側からヒータによ
る加熱を行うとともに、炉芯管と外部管との間に第１ガ
ス供給手段から０．０１〜１％の酸素を含む不活性ガス
が供給される。

【００１４】この酸素を含む不活性ガスは炉芯管と外部
管との間に存在する金属不純物を酸化させ、より融点の
高い金属酸化物とする。このため、ヒータの加熱により
溶融・蒸発し炉芯管を通って炉芯管内部に入る金属不純
物が大幅に減少する。

【００１５】請求項２記載の発明によれば、熱処理を行
う際、外部管の外側からヒータによる加熱を行うと、外
部管側から炉芯管へ金属不純物が付着する。この場合、
炉芯管の外側に多結晶シリコン層が設けられているの
で、金属不純物はこの多結晶シリコン層に取り込まれ
る。このため金属不純物が炉芯管内に進入することはな
い。

【００１６】

【実施例】第１の実施例 以下、図１を参照して本発明の第１の実施例について説
明する。図１に示すように、本実施例の半導体基板の熱
処理炉は、ベースプレート１上に配置され内部にボート
５を収納する炉芯管４と、炉芯管４の外側に配置された
外部管３と、外部管３の外側に配置されたヒータ２と、
外部管３およびヒータ２を密封する気密容器８とを備え
ている。また炉芯管４には、図示しないガス導入部およ
びガス排出部が接続されている。

【００１７】またベースプレート１に、炉芯管４と外部
管３との間にパージガスを導入するパージガス導入管
（第１ガス供給手段）９と、炉芯管４と外部管３との間
からパージガスを排出するパージガス排出管１０がそれ
ぞれ設けられている。またベースプレート１に、外部管
３と気密容器８との間に冷却ガスを導入する管冷却ガス
導入管（第２ガス供給手段）１１と、外部管３と気密容
器８との間から冷却ガスを排出する冷却ガス排出管１２
がそれぞれ設けられている。

【００１８】ボート５は、ボート台６を介してベースプ
レート１上に配置され、内部に複数の半導体基板（例え
ばＳｉ基板）７が収納されている。このボート５は上述
のように炉芯管４内に収納され、炉芯管４内は水素ガス
が満たされており、このため内部が非酸化性雰囲気に保
たれている。

【００１９】次に、炉芯管４の材質について説明する。
炉芯管４の材質としては石英、あるいは、ＣＶＤ法によ
りＳｉＣコートされたＳｉＣ、Ｓｉ、ＧＣグラファイ
ト、またはＣＶＤ法によりＳｉＣコートされたグラファ
イトが用いられる。ここで、ＣＶＤ法によりＳｉＣコー
トされたＳｉＣとは、粉末冶金によって形成されたＳｉ
Ｃ母体の表面に、ＣＶＤ法（化学気相成長法）によって
ＳｉＣの薄膜を形成したものである。また、ＧＣグラフ
ァイトとは、グラファイト母体の表面に、ＧＣ（ガスク
ロマトグラフィ）によってカーボンの薄膜を形成したも
のである。さらに、ＣＶＤ法によりＳｉＣコートされた
グラファイトとは、グラファイト母体の表面に、ＣＶＤ
法（化学気相成長法）によってＳｉＣの薄膜を形成した
ものである。

【００２０】炉芯管４は、その外側に配置された外部管
３によって気密に覆われている。この外部管３の材質と
しては、好ましくは高純度の石英が用いられる。また、
気密性が要求されない場合は炉芯管４と同様の材質が使
用できる。

【００２１】外部管３は、更にその外側に配置された気
密容器８によって密封されている。この気密容器８内
に、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金等の合金ヒータからなるヒー
タ２が、外部管３の側面に対向して配置されている。

【００２２】ヒータ２としては、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金
等の合金ヒータの他に、セラミックヒータ、カーボンヒ
ータ、またはハロゲンランプ等を用いてもよい。

【００２３】合金ヒータ以外のヒータを用いる場合は、
熱処理炉内の均熱性が多少劣る。しかしながら、本実施
例で行う非酸化性雰囲気熱処理においては、酸化やＣＶ
Ｄ法による膜成形技術と異なり、半導体基板中の酸素外
方拡散により酸素フリーとなった基板表面の高温熱処理
を行うので、合金ヒータ以外のヒータでも温度分布等の
点では実用上十分である。

【００２４】パージガス導入管９から供給されるガス
は、０．０１％〜１％の酸素を含む窒素ガス（パージガ
ス）である。このパージガス中の酸素濃度は、必要な酸
化作用の強さを得る必要がある一方、炉芯管４内の水素
が漏洩した場合の安全を考慮して上・下限値を定めたも
のである。すなわち、酸素濃度が０．０１％未満では所
望の酸化作用を行うことができず、他方酸素の爆発限界
が４％なので、安全を考慮して４％÷４（安全率）＝１
％として上・下限値を定めた。一方、冷却ガス導入管１
１から供給されるガスは、窒素ガス（冷却ガス）となっ
ている。

【００２５】また、パージガス導入管９からパージガス
排出管１０へ流れるパージガスの流速は、炉芯管４と外
部管３との間にパージガスの均一な流れを形成するため
に、１２ｃｍ／ｓ以下とすることが望ましい。一方、冷
却ガス導入管１１から冷却ガス排出管１２へ流れる冷却
ガスの流速は５ｃｍ／ｓ以上とすることが望ましい。

【００２６】なお、炉芯管４内の非酸化性雰囲気として
は、水素ガスの他に、アルゴン、ヘリウム、一酸化炭素
の各ガス、またはこれらの９合ガス、あるいはこれらと
水素との混合ガスを用いてもよい。

【００２７】さらに、パージガス導入管９から供給され
るパージガスとしては、窒素ガスの他、アルゴン、ヘリ
ウム等の不活性ガスに０．０１％〜１％の酸素を混合さ
せたものを用いてもよい。一方、冷却ガス導入管１１か
ら供給される冷却ガスとしては、窒素ガスの他、アルゴ
ン、ヘリウム等の不活性ガスを用いてもよい。

【００２８】次に、このような構成からなる本実施例の
作用について説明する。炉芯管４内で半導体基板７の熱
処理を行う際、外部管３の外側からヒータ２による加熱
を行う。この場合、炉芯管４と外部管３との間にパージ
ガス導入管９から０．０１〜１％の酸素を含む不活性ガ
ス（パージガス）が供給される。同時に、気密容器８と
外部管３との間に冷却ガス導入管１１から冷却ガスが供
給される。

【００２９】熱処理時には、ヒータ２により外部管３が
加熱されると、後述する冷却ガスの作用にもかかわらず
外部管３に含まれる銅等の金属不純物が一部溶融して流
出し、部分的に蒸発して炉芯管４と外部管３との間に金
属蒸気として存在する。この金属蒸気は、炉芯管４と外
部管３との間のパージガスの均一な流れによって、パー
ジガス排出管１０から外部に排出される。

【００３０】ところで、パージガス中に酸素が混入して
いないと、炉芯管４と外部管３との間に存在する金属蒸
気が炉芯管４側に付着し、溶融金属となって炉芯管４を
通り炉芯管４内へ流入することが考えられる。しかし、
本発明の場合、パージガス中に酸素が混入しているの
で、パージガス中の酸素の作用で、炉芯管４側に付着し
た金属蒸気は例えば銅酸化物のような金属酸化物とな
る。この金属酸化物はもとの金属より融点が高いので、
炉芯管４表面において直ちに凝固する。例えば、銅の融
点が約１０８０℃であるのに対して、銅酸化物の融点は
約１２００℃である。このため、金属蒸気が炉芯管４の
表面で再び液化し、炉芯管４を通って炉芯管４内へ流入
することが防止される。

【００３１】なお、冷却ガスは外部管３外面を流れて外
部管３を冷却し、外部管３の温度を金属不純物の融点よ
り低く保つ。例えば、本実施例において、半導体基板７
に対して１２００℃で１時間の熱処理を行うとともに、
冷却ガスにより外部管３の表面温度を金属不純物である
銅の融点より低い約９５０℃に保つ。このように、外部
管３の温度を約９５０℃に保つことにより、外部管３か
らの金属不純物の溶融・蒸発自体を予め抑えることがで
きる。

【００３２】以上説明したように、本実施例によれば、
ヒータ２の加熱により溶融・蒸発して炉芯管４に達し、
炉芯管４を通って炉芯管４内部に入る金属不純物を大幅
に減少させることができる。なお、外部管３の材質とし
て好ましい高純度石英は軟化点が低く、従来より寿命の
点で問題があったが、本実施例においては外部管３を冷
却ガスで冷却しているため、外部管３の寿命を延ばすと
いう効果も期待できる。

【００３３】具体例 次に、本実施例の具体例を述べる。図１に示す本発明の
熱処理炉と、図２に示す従来の熱処理炉を用いて、ＣＺ
法で育成した（１ ０ ０）方位Ｓｉ基板に対して１２
００℃で１時間の熱処理を行い、熱処理後のＳｉ基板の
金属不純物評価を行った。この際、以下のような結果が
得られた。すなわち、全反射蛍光Ｘ線分析法によれば両
者とも金属不純物は検出限界（１×１０¹⁰ｃｍ^-2）以下
であった。しかし、検出感度を上げたＷＳＳＤ／ＴＲＥ
Ｘ法によれば、従来例の熱処理炉では０．１〜１×１０
¹⁰ｃｍ^-2の鉄および銅が検出された。これに対し、本発
明による熱処理炉では金属不純物は検出限界（０．０１
×１０¹⁰ｃｍ^-2）以下であった。従って、本発明の熱処
理炉によれば、熱処理後の半導体基板の金属汚染を従来
の熱処理炉の１／１０以下に減少させることができた。

【００３４】第２の実施例 以下、図２乃至図４を参照して本発明の第２の実施例に
ついて説明する。図２乃至図４において、図１に示す第
１の実施例と同一部分には同一符号を符して詳細な説明
は省略する。

【００３５】図１に示すように、熱処理炉はベースプレ
ート１上に配置され内部にボート５を収納する炉芯管４
と、炉芯管４の外側に配置された外部管３と、外部管３
の外側に配置されたヒータ２とを備えている。また芯炉
管４には、図示しないガス導入部およびガス排出部が接
続されている。

【００３６】ボート５は石英製のボート台６を介してベ
ースプレート１上に配置され、内部に複数の半導体基板
（例えばＳｉ基板）７が収納されている。このボート５
は上述のように炉芯管４内に収納されている。炉芯管４
内は水素ガスが満たされており、このため内部が非酸化
性雰囲気に保たれている。

【００３７】次に各部の材質について説明する。炉芯管
４は図３に示すように、粉末治金によって形成されたＳ
ｉＣ母材２１の両面に、ＣＶＤ法によってＳｉＣ薄膜２
２を被覆し、さらに外側に位置するＳｉＣ薄膜２２上に
多結晶シリコン層２３を設けて形成されている。

【００３８】なお、ＳｉＣ母材２１の代わりにグラファ
イト母材を用いてもよい。すなわち炉芯管４をグラファ
イト母材の両面にＣＶＤ法によってＳｉＣ薄膜２２を被
覆し、さらに外側に位置するＳｉＣ薄膜２２上に多結晶
シリコン層２３を設けて形成してもよい。多結晶シリコ
ン層の厚さは０．１〜５μｍが適当である。

【００３９】また、外部管３の材質としては好ましくは
高純度の石英が用いられるが、炉芯管４と略同一の材料
を用いてもよい。

【００４０】次にこのような構成からなる本実施例の作
用について説明する。外部管３の外側からヒータ２によ
る加熱を行う。この場合、外部管３に含まれる銅等の金
属不純物が一部溶融して流出し、部分的に蒸発して炉芯
管４側に付着する。この場合、炉芯管４の外側には多結
晶シリコン層２３が設けられているので、この多結晶シ
リコン層２３により金属不純物が取込まれる。このた
め、金属不純物が炉芯管４の内側に入り込んで半導体基
板７の表面上に付着することはない。

【００４１】具体例 次に本実施例の具体例について説明する。図２乃至図４
に示す炉芯管４に多結晶シリコン層２３を設けた本発明
の熱処理炉と、炉芯管４に多結晶シリコン層２３を設け
ない熱処理炉（比較例）について、Ｐ型、比抵抗２〜６
Ω・ｃｍのＣｚＳｉ基板の熱処理を行い、表面不純物を
比較した。熱処理条件としては、炉芯管４内をＨ₂ 雰囲
気として、加熱温度を１１５０℃とし、加熱温度を３０
分とした。Ｓｉ基板の分析法として、全反射蛍光Ｘ線分
析法を用いたところ、本発明と比較例における表面金属
不純物は検出限界（元素により異なるが１〜２×１０¹⁰
ａｔｏｍｓ／ｃｍ² ）以下となり、本発明と比較例との
間に差は見られなかった。

【００４２】検出感度を上げるため、表面不純物をＨＣ
ｌ＋Ｈ₂ Ｏ₂ の微少量溶液で回収し蒸発乾涸後、全反射
蛍光Ｘ線分析法で分析した。この結果を図４に示す。図
４に示すように比較例の装置ではＦｅおよびＣｕが１０
⁹ ａｔｏｍｓ／ｃｍ² のオーダーで検出されたのに対
し、本発明による装置では熱処理後、多くとも１０⁸ ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ² のオーダーあるいは検出限界（以下１
〜２×１０⁸ ａｔｏｍｓ／ｃｍ² ）以下となり、比較例
に比べ不純物発生量が非常に少ない事が判明した。本発
明の場合、特にＣｕに対する効果が著しく、多結晶シリ
コンがＣｕを有効に取り込んでいるものと考えられる。

【００４３】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、従来の半
導体基板の非酸化性雰囲気熱処理炉に比べ、半導体基板
の金属汚染の低減が大幅に、かつ安定してなされる。こ
のため、従来の熱処理炉で０．１μもレベルのでデザイ
ンルールの半導体素子の熱処理を行った場合に予想され
る、金属汚染に起因するＰ−Ｎ接合リーク不良等の発生
を効果的に防止することができる。その結果、０．１μ
ｍレベルのデザインルールの半導体素子においても、ゲ
ート酸化膜の信頼性が良好な非酸化性雰囲気熱処理を行
うことが可能となる。

【００４４】請求項２記載の発明によれば、外部管側か
ら炉芯管側へ移動する金属不純物は炉芯管外側の多結晶
シリコン層に取込まれる。このため金属不純物が炉芯管
内に進入することはなく、半導体基板の金属汚染の低減
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体基板の熱処理炉の第１の実
施例を示す概念図。

【図２】本発明による半導体基板の熱処理炉の第２の実
施例を示す概念図。

【図３】図２のＡ部拡大図。

【図４】第２の実施例の作用効果を示す図。

【図５】従来の半導体基板の熱処理炉を示す概念図。

【符号の説明】

２ ヒータ ３ 外部管 ４ 炉芯管 ７ 半導体基板 ８ 気密容器 ９ パージガス導入管（第１ガス供給手段） ２１ ＳｉＣ母材 ２２ ＳｉＣ薄膜 ２３ 多結晶シリコン層

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の半導体基板を収納して熱処理を行う
   炉芯管と、 この炉芯管の外側に炉芯管を覆って配置された外部管
   と、 この外部管の外側に配置されたヒータとを備え、 前記炉芯管と前記外部管との間に０．０１〜１％の酸素
   を含む不活性ガスを供給する第１ガス供給手段を設けた
   ことを特徴とする半導体基板の熱処理炉。
2. 【請求項２】複数の半導体基板を収納して熱処理を行う
   炉芯管と、 この炉芯管の外側に炉芯管を覆って配置された外部管
   と、 この外部管の外側に配置されたヒータとを備え、 前記炉芯管は、ＳｉＣ母材の両面に対してＣＶＤにより
   ＳｉＣ被覆した材料の外側、またはグラファイト母材の
   両面に対してＣＶＤによりＳｉＣ被覆した材料の外側に
   多結晶シリコン層を設けて形成されたことを特徴とする
   半導体基板の熱処理炉。