TWI771776B - 熱處理爐的前處理方法、熱處理爐及晶圓的製造方法 - Google Patents

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Abstract

提供可以抑制鎳引起的污染之熱處理爐的前處理方法、熱處理爐及晶圓的製造方法。 晶圓W的製造方法，以碳化矽為主成分的燒結物作為基材15a，使用爐內具有其表面上形成碳化矽膜15b的構件11、15、18之熱處理爐1，使上述熱處理爐1的爐內為被動氧化條件，上述構件11、15、18的表面上形成5μm(微米)以上的氧化矽膜15c後，投入晶圓W至上述熱處理爐1內，熱處理晶圓W。

Description

熱處理爐的前處理方法、熱處理爐及晶圓的製造方法
本發明，係有關於熱處理爐的前處理方法、熱處理爐及晶圓的製造方法，特別有關於爐內具有之爐芯管、晶圓舟、熱障等其它構件且包含以碳化矽(SiC)或矽(金屬矽、Si)為主成分的材料作為基材的構件之熱處理爐的前處理方法、熱處理爐及晶圓的製造方法。
1000℃以上的高溫且非活性氣體內添加一些氧氣的低氧分壓空氣中實行熱處理。這樣的條件下使用的熱處理爐中，作為構成像爐芯管(加工處理管)或晶圓舟的內部之元件的構件，有時使用以包含碳化矽或矽為主成分的材料作為基材，其表面上塗佈CVD法的碳化矽膜之構件(參照專利文獻1以及專利文獻2)。 [先行技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利公開2012－15501號公報 [專利文獻2]日本專利公開2003－45812號公報
[發明所欲解決的課題]
但是，這樣的爐芯管或晶圓舟，藉由重複熱處理，消耗及薄膜化碳化矽的塗佈，排放基材內包含的重金屬尤其是鎳(Ni)至爐內，具有污染晶圓的問題。被鎳污染時，因為成為閘極氧化膜的破壞電荷(Qbd)可靠性不良的原因，要求鎳的降低。
本發明要解決的課題，係提供可以抑制鎳引起的污染之熱處理爐的前處理方法、熱處理爐及晶圓的製造方法。 [用以解決課題的手段]
本發明，以包含碳化矽或矽為主成分的材料作為基材，使爐內具有其表面上形成碳化矽膜的構件之熱處理爐的爐內為被動氧化條件，利用上述構件表面形成5μm以上的氧化矽膜的熱處理爐的前處理方法解決上述課題。
又，本發明，以包含碳化矽或矽為主成分的材料作為基材，爐內具有其表面上形成碳化矽膜的構件的熱處理爐，利用上述構件表面形成5μm以上的氧化矽膜的熱處理爐解決上述課題。
又，本發明，利用以下的晶圓的製造方法解決上述課題，係以包含碳化矽或矽為主成分的材料作為基材，使用爐內具有其表面上形成碳化矽膜的構件的熱處理爐之晶圓的製造方法， 使上述熱處理爐的爐內為被動氧化條件，上述構件表面形成5μm以上的氧化矽膜後， 投入晶圓至上述熱處理爐內，熱處理晶圓。
上述被動氧化條件，最好在1100℃以上，氧分壓80%以上。
上述構件，最好至少包含爐芯管、晶圓舟或熱障。 [發明效果]
根據本發明，即使重複熱處理，因為氧化矽膜成為保護膜，也可以抑制碳化矽膜的消耗及薄膜化，可以抑制排放基材中包含的鎳至爐內。結果，可以抑制晶圓的鎳污染。
以下，根據圖面說明本發明的實施形態。圖1，係顯示本發明的熱處理爐的一實施形態的剖面圖。本實施形態的熱處理爐1，稱作所謂的橫型爐，爐本體10內部，包括往橫長延伸的爐芯管11。爐芯管11，一端設置開口部12以及將開口部12開閉的門16，另一端設置氣體導入管13。爐芯管11的中央外周，設置爐本體10內部中設置的圓筒狀加熱器14。於是，熱處理矽晶圓W時，裝載矽晶圓W在晶圓舟15中，從爐芯管11的開口部12插入設置在中央，關閉門16大致密閉後，從氣體導入管13流入氮氣、氧氣、氬氣等高純度氣體，爐本體10與門16之間的間隙將高純度氣體排出爐外。藉此，保持爐內空氣清淨的同時，實行矽晶圓W的摻雜物擴散、氧化等的熱處理。
圖2，係顯示本發明的熱處理爐的另一實施形態的剖面圖。本實施形態的熱處理爐1，稱作所謂的縱型爐，在爐本體10內部，包括縱長延伸的爐芯管11。爐芯管11形成上端具有頂棚被閉塞，下端開放的縱長圓筒狀，其外周設置加熱器14。此爐芯管11內部，設置圓筒形石英製管20。爐芯管11的底部，設置用以將矽晶圓W搬入至石英製管20或從石英製管20搬出的開口部12。又，處理氣體，利用石英製管20中設置的氣體導入管13，供給至石英製管20內後，從未圖示的排氣路往爐外排出。
爐本體10下部的空間，設置用以導入晶圓舟15及熱障18至石英製管20的升降機17。此晶圓舟15，係在上下方向設置間隙的狀態下用以水平保持複數枚矽晶圓W的構件，經由未圖示的框架，以升降機17中設置的升降台19支撐。又，熱障18隔開空間往上下方向重疊圓盤狀的反射．斷熱板，藉由往上方反射爐芯管11內的輻射熱，抑制此輻射熱傳導至爐本體10的下部空間。
於是，熱處理矽晶圓W時，裝載矽晶圓W在晶圓舟15中，上升升降機17，從石英製管20的開口部12插入後，從氣體導入管13流入氮氣、氧氣及氬氣等的高純度氣體，從排氣路排出高純度氣體至爐外。藉此，保持爐內空氣清淨的同時，實行矽晶圓W的摻雜物擴散、氧化等的熱處理。
那麼，構成上述熱處理爐1內部的爐芯管11、晶圓舟15、熱障18等元件中，根據金屬污染防止的觀點，使用在表面上形成石英(SiO2 )或高純度的CVD膜之包含碳化矽或矽為主成分的材料作為基材的構件。在此，構成基材的材料，舉出包含碳化矽為主成分的材料、包含矽為主成分的材料、或包含碳化矽內滲入矽為主成分的材料。尤其要求高溫的熱處理時，這些爐芯管11、晶圓舟15、熱障18等元件的至少任一個中，有時使用以包含碳化矽或矽為主成分的基材形成且其表面上以CVD法塗佈碳化矽膜的構件。在那情況下，使用熱處理爐1，以低氧分壓條件氧化處理時，具有表面塗佈的碳化矽的CVD膜消耗而薄膜化的問題。
例如，氧分壓3%前後等的低氧分壓之下，實行1200℃的乾氧化處理時，此氧化處理，成為以下式(1)所示的主動氧化。又，式(1)中表示，s是固體，g是氣體。
Figure 02_image001
此主動氧化條件中，基材表面上塗佈的碳化矽膜，成為SiO氣體及CO氣體而消耗。爐芯管11、晶圓舟15、熱障18等元件，透過燒成及機械加工包含碳化矽或矽為主成分的基材而製造，但鎳等的重金屬在燒成及機械加工時混入基材。基材表面上塗佈的碳化矽膜薄膜化時，基材內混入的鎳透過碳化矽膜，將會污染矽晶圓。
因此，本實施形態中，構成熱處理爐1的芯管11、晶圓舟15、熱障18等的元件，如圖3所示，以包含碳化矽為主成分的材料作為基材15a，其表面上形成碳化矽膜15b的構件時，使用此熱處理爐1，實施主動氧化條件的熱處理前，使上述熱處理爐1的爐內為被動氧化條件，爐芯管11、晶圓舟15、熱障18等元件的表面上形成5μm以上的氧化矽膜15c。
被動氧化，係下式(2)所示的氧化反應，基材表面上塗佈的碳化矽膜，雖然消耗薄膜化，但取代此形成氧化矽膜。因此，基材表面上形成的氧化矽膜成為障壁，抑制基材內包含的鎳擴散至熱處理爐1的爐內。
Figure 02_image003
被動氧化條件，因為在高溫且比較高氧分壓的條件下產生，例如最好1100℃以上、氧分壓80%以上。又，爐芯管11、晶圓舟15、熱障18等元件的構件表面上形成的氧化矽膜的膜厚，最好在5μm以上。未達5μm的氧化矽膜，作為抑制鎳在爐內擴散的障壁不足夠。
這樣，構成熱處理爐1的爐芯管11、晶圓舟15、熱障18等元件，使用以碳化矽為主成分的繞結物作為基材，其表面上形成碳化矽膜的構件時，使上述熱處理爐1的爐內為被動氧化條件，這些爐芯管11、晶圓舟15、熱障18等構件的表面上形成5μm以上的氧化矽膜。使用此前處理的熱處理爐1，即使實行主動氧化，因為爐芯管11、晶圓舟15、熱障18等元件的構件表面上塗佈的碳化矽膜，被其表面上形成的氧化矽膜保護，也抑制式(1)的自體反應，藉此，因為抑制爐芯管11、晶圓舟15、熱障18等元件的構件表面上塗佈的碳化矽膜消耗引起的薄膜化，可以抑制基材內包含的鎳排放至爐內。結果，可以抑制晶圓的鎳污染。
＜實驗1＞ 其次，說明關於本發明的前處理的被動氧化條件的實驗1。準備以碳化矽為主成分的燒成物作為基材，其表面上形成CVD法的碳化矽膜30μm的測試片複數枚。如以下表1所示，將此在熱處理溫度與氧分壓不同的各熱處理條件下，僅以相同時間(約800小時)熱處理。殘留在熱處理後的測試片內之基材表面上碳化矽膜膜厚與氧化矽膜膜厚的測量結果顯示在表1。
[表1] 表1
No. 熱處理溫度(℃) 氧分壓(%) 碳化矽膜的膜厚 氧化矽膜的膜厚
1 1100 3 0 0
2 50 0 0
3 70 0 0
4 75 28 1
5 80 24 5
6 1200 3 0 0
7 50 0 0
8 70 0 0
9 75 28 1
10 80 23 7
根據上述表1所示的結果，測試片號碼No.1〜3在熱處理溫度1100℃、氧分壓3〜70%的條件下，基材表面上形成的30μm的碳化矽膜消失，而且也不形成氧化矽膜。因此，考慮這些條件的氧化處理是主動氧化。同樣地，測試片號碼No.6〜7在熱處理溫度1200℃、氧分壓3〜70%的條件下，因為基材表面上形成的30μm的碳化矽膜也消失，而且也不形成氧化矽膜。因此，考慮這些條件的氧化處理也是主動氧化。
相對於此，測試片號碼No.4〜5在熱處理溫度1100℃、氧分壓75〜80%的條件下，基材表面上形成的30μm的碳化矽膜消耗2〜6μm，不過形成1〜5μm的氧化矽膜。因此，考慮這些條件的氧化處理是被動氧化。同樣地，測試片號碼No.9〜10在熱處理溫度1200℃、氧分壓75〜80%的條件下，基材表面上形成的30μm的碳化矽膜消耗2〜7μm，不過形成1〜7μm的氧化矽膜。因此，考慮這些條件的氧化處理也是被動氧化。
如上述，為了形成本發明的前處理的被動氧化條件，理想是設定熱處理溫度1100℃以上、氧分壓75%以上，更理想是設定熱處理溫度1100℃以上、氧分壓80%以上。
＜實驗2＞ 其次，複數枚測試片(以碳化矽為主成分的燒成物作為基材，其表面上形成CVD法的碳化矽膜30μm)，在氧分壓80%、熱處理溫度1100℃及1200℃的被動氧化條件下熱處理，製作氧化矽膜的膜厚設為3水準(水準1：3μm，水準2：5μm，水準3：7μm)的複數枚測試片。對於3水準的測試片，重複熱處理溫度1200℃、氧分壓3%的主動氧化之氧化處理500次(約5000小時)。此熱處理爐的爐內，先投入矽晶圓。處理後的測試片的氧化矽膜膜厚，使用橢圓偏光計測量，氧化矽膜的膜厚，根據測試片剖面的SEM觀察測量，晶圓表面上形成的氧化膜內包含的鎳濃度，使用電感耦合電漿質量分析計(ICP－MS)測量。
測量片(以碳化矽為主成分的燒成物作為基材，表面上形成30μm CVD碳化矽膜)以被動氧化條件熱處理，對於氧化矽膜的膜厚設為3μm、5μm、7μm的複數枚測試片，重複熱處理溫度1200℃、氧分壓3%的主動氧化之氧化處理500次後的上述氧化矽膜的膜厚測量結果顯示在圖4中。圖4的左圖係形成3水準膜厚的氧化矽膜之際的熱處理溫度設為1100℃的情況，右圖係形成3水準膜厚的氧化矽膜之際的熱處理溫度設為1200℃的情況。
又，對於各水準的測試片，重複上述熱處理溫度1200℃、氧分壓3%的主動氧化之氧化處理500次後的CVD碳化矽膜的殘留膜厚測量結果顯示在圖5中。圖5的左圖係形成3水準膜厚的氧化矽膜之際的熱處理溫度設為1100℃的情況，右圖係形成3水準膜厚的氧化矽膜之際的熱處理溫度設為1200℃的情況。又，對各水準的測量片，重複上述熱處理溫度1200℃、氧分壓3%的主動氧化之氧化處理500次後在矽晶圓表面上形成的氧化膜內包含的鎳體積濃度顯示在圖6中。圖6的左圖係形成3水準膜厚的氧化矽膜之際的熱處理溫度設為1100℃的情況，右圖係形成3水準膜厚的氧化矽膜之際的熱處理溫度設為1200℃的情況。
如圖4所示，任一水準中，都通過主動氧化條件增加氧化矽膜的膜厚。但是，如圖5所示，同圖的左圖所示的1100℃的條件也好，右圖所示的1200℃的條件也好，水準1(3μm)的測試片中，重複主動氧化處理500次後CVD碳化矽膜的殘留膜厚成為零，30μm的CVD碳化矽膜完全消失。相對於此，水準2(5μm)及水準3(7μm)的測試片中，同圖的左圖所示的1100℃的條件也好，右圖所示的1200℃的條件也好，重複主動氧化處理500次後CVD碳化矽膜的殘留膜厚為18〜20μm，相對於30μm的CVD碳化矽膜，殘留60%以上。
相關於圖5所示的CVD碳化矽膜殘留結果，利用主動氧化處理在矽晶圓表面上形成的氧化膜內包含的鎳濃度，對主動氧化前的1.0×1013 atoms/cm3 (原子/立方厘米)，如圖6所示，同圖的左圖所示的1100℃的條件也好，右圖所示的1200℃的條件也好，水準1(3μm)的測試片中，重複主動氧化處理500次後的鎳濃度增加至1.0〜1.8×1014 atoms/cm3 為止。相對於此，水準2(5μm)及水準3(7μm)的測試片中，同圖的左圖所示的1100℃的條件也好，右圖所示的1200℃的條件也好，重複主動氧化處理500次後的鎳濃度停留在1.0〜2.0×1013 atoms/cm3 ，尤其水準3的測試片中，鎳濃度幾乎沒變化。又，根據閘極氧化膜的破壞電荷(Qbd)的可靠性確保觀點，矽晶圓要求的鎳濃度被視為在1.0×1014 atoms/cm3 以下。
以上，根據圖4〜6的結果，以碳化矽為主成分的燒成物作為基材，其表面形成CVD碳化矽膜的構件表面上形成的氧化矽膜膜厚，最好在5μm以上。像水準1，未達5μm時，主動氧化時的障壁效果不足夠，不能充分抑制CVD碳化矽膜的消耗。
1:熱處理爐 10:爐本體 11:爐芯管 12:開口部 13:氣體導入管 14:加熱器 15:晶圓舟 15a:以碳化矽為主成分的基材 15b:CVD碳化矽膜 15c:氧化矽膜 16:門 17:升降機 18:熱障 19:升降台 20:石英製管 W:矽晶圓
[圖1]係顯示本發明的熱處理爐的一實施形態(橫型熱處理爐)的剖面圖； [圖2]係顯示本發明的熱處理爐的另一實施形態(縱型熱處理爐)的剖面圖； [圖3]係顯示本發明的構件實施形態的剖面圖； [圖4]係以被動氧化條件熱處理測試片，對於氧化矽膜的膜厚設定為3水準之複數枚測試片，重複500次熱處理溫度1200℃、氧分壓3%的主動氧化的氧化處理後，顯示上述氧化矽膜的膜厚測量結果； [圖5] 係以被動氧化條件熱處理測試片，對於氧化矽膜的膜厚設定為3水準之複數枚測試片，重複500次熱處理溫度1200℃、氧分壓為3%的主動氧化的氧化處理後，顯示CVD碳化矽膜的殘留膜厚測量結果圖；以及 [圖6] 係以被動氧化條件熱處理測試片，對於氧化矽膜的膜厚設定為3水準之複數枚測試片，重複500次熱處理溫度1200℃、氧分壓3%的主動氧化的氧化處理後，顯示矽晶圓表面上形成的氧化膜內包含的鎳濃度測量結果圖。
10:爐本體
11:爐芯管
12:開口部
13:氣體導入管
14:加熱器
15:晶圓舟
16:門
W:矽晶圓

Claims (8)

  1. 一種熱處理爐的前處理方法，其中，以包含碳化矽或矽為主成分的材料作為基材，使爐內具有其表面上形成碳化矽膜的構件之熱處理爐的爐內為被動氧化條件，上述構件表面形成5μm以上的氧化矽膜。
  2. 如請求項1之熱處理爐的前處理方法，其中，上述被動氧化條件，在1100℃以上，氧分壓80%以上。
  3. 如請求項1或2之熱處理爐的前處理方法，其中，上述構件，至少包含爐芯管、晶圓舟或熱障。
  4. 一種熱處理爐，以包含碳化矽或矽為主成分的材料作為基材，爐內具有其表面上形成碳化矽膜的構件，其中，上述構件表面形成5μm以上的氧化矽膜。
  5. 如請求項4之熱處理爐，其中，上述構件，至少包含爐芯管、晶圓舟或熱障。
  6. 一種晶圓的製造方法，以包含碳化矽或矽為主成分的材料作為基材，使用爐內具有其表面上形成碳化矽膜的構件的熱處理爐，其中，使上述熱處理爐的爐內為被動氧化條件，上述構件表面形成5μm以上的氧化矽膜後，投入晶圓至上述熱處理爐內，熱處理上述晶圓。
  7. 如請求項6之晶圓的製造方法，其中，上述被動氧化條件，在1100℃以上，氧分壓80%以上。
  8. 如請求項6或7之晶圓的製造方法，其中，上述構件，至少包含爐芯管、晶圓舟或熱障。
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