WO2000016386A1 - Procede de traitement thermique pour plaquettes de silicium, et plaquette de silicium - Google Patents

Description

明 細 シ リ コ ン ゥェ一ハの熱処理方法及びシ リ コ ン ゥェ一ハ

技術分野 一 本発明は シ リ コ ン ゥェ一ハの熱処理方法に関 し、 特に シ リ コ ン ゥエー ハ表面のマイ ク ロ ラ フ ネス を向上 さ せ、 ス リ ッ プ転位の発生や重金属汚 染を抑制で き る熱処理方法 と こ の熱処理に よ っ て得 ら れる半導体デバイ ス用 と して有用な高品質シ リ コ ン ゥェ一ハに関する 。 背景技術

近年、 M O S — L S I の高集積化に伴い、 ゲー ト 酸化膜はますます薄 膜化されてい る。 そ して、 この薄い酸化膜の信頼性を得るために、 シ リ コ ン ゥェ一ハの基板と しての品質が重要視され、 中で も ゥェ一ハ表面の マイ ク ロ ラ フ ネス が取 り 上げられてレヽ る。

さ ら に詳 し く は、 M O S構造の ト ラ ン ジス タ一の集積度が上がる につ れて、 それに付随 して M O S構造の酸化膜直下のキャ リ ア （電子および ホール） の移動度を向上させる必要がでて きた。 C P U (中央処理装置） の駆動周波数がますま す高 く な り 、 それに付随 して メ モ リ ーの書き込み および読み出 しの速度も 当然'高速化が求め られ、 キャ リ アの移動度の向 上が重要な問題にな っ てい る。

そ して、 酸化膜耐圧やキヤ リ アの移動度等の電気特性に大きな影響を 与え る因子と して ゥェ一ハ表面のマイ ク ロ ラ フ ネス （m i c r o r o u g h n e s s ) がデバイ スの性能と信頼性に密接に関わ ってい る こ とが 知 ら れて きた （ S h i n y a Y a m a k a w a e t . a 1 . , J . A p 1 . P h y s . V o l . 7 9 , p . 9 1 1 ， 1 9 9 6参照）。

このゥェ一ハ表面のマイ ク ロ ラ フ ネス を低減させる には、 特別な装置、 例えば超高真空装置を用いて、 ゥエーハ表面に電流を流す方法 （安藤等、 1 9 9 5年第 5 6 回応物講演会 予稿集 2 7 p - Z V ~ 1 3参照） 等が あ っ た。 しか し、 超高真空にする には長時間を要 し、 さ ら に真空か ら大 気圧に戻すに も長時間かか り 、 その工程の間、 パ一テ ィ クルの付着に絶 えず注意 しなければな らない とい う 問題があ っ た。

ま た、 このマイ ク ロ ラ フ ネス を向上させる方法と しては、 先に特願平 1 0 — 1 7 6 6 9 3 号を提案 し、 十分小さ なマイ ク ロ ラ フ ネスが得 られ てい る 力 熱処理を急速加熱 · 急速冷却装置を用いて、 還元性雰囲気下、 多段階で高温で実施する ため、 工程が複雑にな り 、 生産性や装置の耐久 性、 ス リ ッ ブ転位の発生や重金属汚染等に問題が生 じ得る。

通常のシ リ コ ン ゥェ一ハには、 自然酸化膜と呼ばれる S i 〇 ₂ 層が表 面に形成されてい るために、 これを除去する ためには 1 2 0 0 °C程度の 高温の水素ァニールが必要 となる 。 しか し、 高温の水素ァニ一ルはス リ ッ ブ転位の発生や系内から の重金属汚染等の問題があ る ため、 プロセス 全体の低温化 とマイ ク ロ ラ フ ネスの向上を同時に達成する必要があ る。 プロセス全体の低温化は、 今後、 ゥェ一ハの口径がさ ら に大き く な る に つれて、 機械的強度が弱 く な る際には ますます重要になる と考え ら れる 。 発明の開示

そ こで、 本発明はこのよ う な問題点に鑑みな された も ので、 本発明の 目的 とする と こ ろは、 シ リ コ ン ゥェ一ハを急速加熱 · 急速冷却装置 （以 下、 R T A装置 （ Rapid Thermal Annealer) とい う こ とがあ る ） を用 いて、 還元性雰囲気下で熱処理する方法に関 し、 特に従来に比 して低温 の熱処理によ り シ リ コ ン ゥェ一ハ表面のマイ ク ロ ラ フネス を よ り 一層小 さ く して、 酸化膜耐圧、 キャ リ アの移動度等の電気特性を改善 し、 ス リ ッ ブ転位の発生や重金属汚染を抑え、 急速加熱 · 急速冷却装置が本来的 に有する、 歩留 り や生産性の向上、 コ ス ト ダウ ン等の利点を生かそ う と する も のであ る。

上記目 的を達成すべ く 本発明は、 急速加熱 · 急速冷却装置を用いてシ リ コ ン ゥエーハを還元性雰囲気下で熱処理する 方法において、 該シ リ コ ン ゥェ一ハ表面上の自然酸化膜を除去 した後、 急速加熱 · 急速冷却装置 を用いて、 水素 1 0 0 %あ る いは水素を 1 0 %以上含有する アルゴンお よび/ま たは窒素 との混合ガス雰囲気下で熱処理する こ と を特徴とする シ リ コ ン ゥエ ーハの熱処理方法であ る 。

こ のよ う に、 シ リ コ ン ゥエ ーハ を急速加熱 · 急速冷却装置を用いて還 元性雰囲気下で熱処理する 方法において、 シ リ コ ン ゥェ一ハ表面上の自 然酸化膜を除去 した後、 急速加熱 · 急速冷却装置を用いて、 水素 1 0 0 % あ る いは水素を 1 0 %以上含有す るアルゴンおよび/ま たは窒素との混 合ガス雰囲気下で熱処理を行えば、 自然酸化膜を除去 した状態を維持 し て、 確実に ゥェ一ハ表面のマイ ク ロ ラ フ ネス を低減させる こ と がで き る と共に、 ゥェ一ハ表面に存在する結晶欠陥を も除去する こ と がで き、 極 低欠陥で電気特性に優れた半導体デバイ ス用 と して有用なシ リ コ ン ゥェ —ハ を得る こ とがで き る。

この場合、 前記熱処理を、 温度 9 5 0 〜 1 1 5 0 °〇で 1 〜 3 0 0 秒間 行う こ と がで き る 。

このよ う に、 急速加熱 · 急速冷却装置を用いて 自然酸化膜を除去 した ゥェ一ハに対 して、 従来よ り も低温の熱処理を短時間に行えば、 マイ ク 口 ラ フ ネ ス を著 し く 低減する こ と がで き る。 ま た、 熱処理温度を比較的 低温化 したので プロセス全体の温度も 下が り 、 ス リ ッ プ転位の発生は殆 どな く な り 、 重金属汚染の問題も解決 し、 歩留が向上 した。 さ ら に昇降 温に要する時間も熱エネルギーも節減で き るので、 生産性の向上と コス ト ダウ ン を図る こ とがで き る。

ま た、 本発明は、 自然酸化膜の除去を、 フ ッ 酸処理によ り 行 う こ と を 特徴とする シ リ コ ン ゥエ ーハの熱処理方法であ る。

こ の よ う に 自然酸化膜であ る' S i 0 ₂ は、 フ ヅ酸 （ H F ) 中に浸潰す る、 あ る いは H F ガス を用いて気相で処理する こ とで容易かつ確実に溶 解、 除去する こ とがで き、 処理前の鏡面仕上げゥェ一ハの本来的な平坦 度、 マイ ク ロ ラ フ ネス等に悪影響を及ぼすこ とは殆どない。

さ ら に、 こ のよ う な本発明の熱処理方法によれば、 ゥエ ーハ表面のマ イ ク 口 ラ フ ネスが向上する ので、 酸化膜耐圧、 キャ リ ア移動度等の電気 特性が向上 し、 ス リ ッ プ転位の発生が殆どな く 、 重金属汚染も ない極め て高品質で半導体デバイ ス用 と して有用なシ リ コ ン ゥェ一ハを得る こ と がで き る 。

特には、 マイ ク ロ ラ フ ネス が、 原子間力顕微鏡で測定 した 2 m角の P — V値で 1 . O O n m以下で、 かつ R M S値で 0 . 1 2 n m以下であ る シ リ コ ン ゥェ一ノヽを得る こ とがで き る。

以上詳述 したよ う に、 表面の 自然酸化膜を除去 したシ リ コ ン ゥェ一ハ を急速加熱 · 急速冷却装置を用いて、 水素 1 0 0 %あ る いは水素を 1 0 % 以上含有する アルゴンおよび/ま たは窒素 との還元性混合ガス雰囲気下 で、 比較的低温の熱処理を行 う こ と に よ り 、 ゥェ一ハ表面のマイ ク ロ ラ フ ネ ス を著 し く 低減させる こ とがで き、 その結果酸化膜耐圧、 キャ リ ア の移動度等の電気特性に優れ、 ス リ ッ プ転位の発生や重金属汚染の殆ど 無い、 結晶性に優れたシ リ コ ン ゥェ一ハを得る こ と がで き る と共に、 さ ら に歩留 り と生産性の向上を図 り 、 コ ス 卜 ダウ ン を達成する こ とがで き る。 図面の簡単な説明

図 1 は、 本発明における急速加熱 · 急速冷却装置を用いた熱処理過程の 一例を示 した図面であ る。

図 2は、 急速加熱 · 急速冷却装置におけ る熱処理温度 と熱処理後のマイ ク ロ ラ フ ネス P — V値 との関係を シ リ コ ン ゥェ一ハ表面の 自然酸化膜の 有無および熱処理時間で層別 して示 した図であ る。

図 3は、 急速加熱 · 急速冷却装置におけ る熱処理温度 と熱処理後のマイ ク ロ ラ フ ネス R M S値 との関係を シ リ コ ン ゥェ一ハ表面の自然酸化膜の 有無および熱処理時間で層別 して示 した図であ る。

図 4 A及び図 4 Bは、 シ リ コ ン ゥェ一ハを急速加熱 · 急速冷却で き る装 置の例を示 した概略断面図であ る 。

図 5 は、 急速加熱 · 急速冷却装置における水素ガス濃度と熱処理後の ヘイ ズとの関係を熱処理温度で層別 して示 した図であ る。 図 6は、 急速加熱 · 急速冷却装置における水素ガス濃度と熱処理後の マイ ク ロ ラ フ ネス P— V値 との関係を熱処理温度で層別 して示 した図で あ る 。

図 7 は、 急速加熱 · 急速冷却装置における水素ガス濃度と熱処理後の マイ ク ロ ラ フ ネス R M S値 との関係を熱処理温度で層別 して示 した図で あ る 。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明につ き さ ら に詳細に説明する。

本発明者ら は、 シ リ コ ン ゥェ一ハ表面に存在する マイ ク ロ ラ フネス を 小さ く して酸化膜耐圧、 キヤ リ ア移動度を向上させる等の電気特性の改 善を図 り 、 高温熱処理で起こ り 易いス リ ッ ブ転位の発生や重金属汚染等 を回避する こ とので き る熱処理条件につ き、 種々調査 し、 実験的に研究 した結果、 これには水素ガス 1 0 0 %あ る いは水素ガス を 1 0 %以上含 む不活性ガスか ら なる還元性雰囲気下の熱処理を、 R T A装置を用いて、 自然酸化膜を除去 した シ リ コ ン ゥェ一ハについて従来に比 して低温の熱 処理を行えば、 マイ ク ロ ラ フ ネスの小さいシ リ コ ン ゥェ一ハ を得る こ と がで き る こ と を知見し、 諸条件を精査 して本発明を完成させた ものであ る 。

従来の R T A装置を使用 した水素ァニールでは、 シ リ コ ン ゥェ一ハ表 面上に形成された 自然酸化膜を除去するためには、 1 2 0 0 °C程度以上 の高温の熱処理が必要であ っ た。 一般に水素雰囲気下、 9 0 0〜 1 1 0 0 °Cの範囲では、 S i と S i 0₂ のエ ッ チング速度の比は、 S i / S i 02 = 2 〜 1 0 0倍であ り 、 S i 〇 ₂ の方がエ ッチ ン グ速度が遅いため よ り 高温を必要と したのであ る。

そ こで、 R T A装置によ る熱処理の前処理と して、 フ ッ酸処理を施し、 ゥェ一ハ表面に形成された 自然酸化膜 （ S i 0₂ ) を除去 しておけば、 R T A装置で S i 〇 ₂ をエ ッ チ ン グする必要がな く なる ため、 プロ セス 全体の温度を低下させる こ とがで き る 。 また、 プロ セス を従来に比 して 低温化 して も 、 マイ ク ロ ラ フ ネスの減少については従来の 1 2 0 0 °C近 辺の処理 と同等も し く はそれ以上の効果を挙げる こ とがで き る と考え、 実験によ り 確認する こ と と した。

先ず、 急速加熱 · 急速冷却装置によ る シ リ コ ン ゥエ ーハの適切な熱処 理条件を確定する ために下記のよ う な実験を行 っ た。 熱処理装置にはラ ン ブ加熱式の R T A装置 （急速加熱 ' 急速冷却装置、 シュテ ィ ア ッ ク マイ ク ロ テ ッ ク イ ン ターナシ ョ ナル社製 S H S — 2 8 0 0型） を使用 した。

シ リ コ ン ゥェ一ハはチ ヨ ク ラルスキー法によ り 製造さ れた シ リ コ ンィ ン ゴ ッ ト を、 一般的に行なわれてい る方法でス ラ イ ス して鏡面加工され た、 直径 8 イ ンチ、 結晶方位く 1 0 0 >の も の を用いた。

そ して、 自然酸化膜を除去する方法 と しては、 2 %フ ッ酸 （ H F ) 溶 液にシ リ コ ン ゥエ ーハ を 3 分間浸漬する方法を用いた。

こ う して 自然酸化膜の存在する試料と除去 した試料の二種類を用意 し た。

マイ ク ロ ラ フ ネスの測定は、 A F M ( A t o m i c F o r c e M i c r o s c o p e , 原子間力顕微鏡、 N a n o S c o p e — I I /デ ジタ ル イ ンス ツルメ ン ト 社製商品名） で、 2 〃 m角の面積で行っ た。 熱処理前の鏡面仕上げゥェ一ハのマイ ク ロ ラ フ ネスは、 P— V値 （山 と 谷の最大差） で 1 . l n m以上であ り 、 ま た、 R M S値 （二乗平均 ' 平 方根粗さ ） は、 0 . 1 3 n m以上であ っ た。

次いで熱処理の条件と して、 雰囲気ガス組成を、 水素 ： 2 5 容量％、 アルゴン ： 7 5容量％ と し、 処理温度は 1 0 0 0〜 1 2 0 0 ° ( 、 処理時 間は 1 〜 3 0秒と した。 熱処理工程のダイ ヤグラ ムの一例を図 1 に示す _c 一連の実験結果を図 2、 図 3 に示す。 図 2 は熱処理温度とマイ ク ロ ラ フ ネスの P— V値 との関係を熱処理時間別、 フ ッ酸処理の有無別に表 し てい る。 図 3 は熱処理温度 とマイ ク ロ ラ フ ネスの R M S値との関係を熱 処理時間別、 フ ッ酸処理の有無別に表 してい る 。

また、 表 1 はフ ッ酸処理 したゥェ一ハに対する熱処理条件と得ら れた マイ ク ロ ラ フ ネス （ R M S値 と P — V値） の関係を、 表 2 は、 フ ヅ酸処 理を施さ ない ゥェ一ハに対する熱処理条件と得 られたマイ ク ロ ラ フ ネス ( R M S値と P— V値） の関係を表 してい る。

表 1

シ リ コ ンゥェ一ハ ： フ ヅ酸処理によ り 自然酸化膜を除去したもの

走査領域 ： 2〃 m X 2 m 表 2

シ リコンゥェ一ハ ： フ ッ酸処理を施さないもの

走査領域 ： 2 m x 2 〃 m これら の図 と表か ら実験結果を考察する と、 自然酸化膜が存在する場 合 （ フ ッ酸処理を行わない場合）、 水素ァニール温度が 1 0 0 0 1 1 5 0 °Cの範囲ではマイ ク ロ ラ フ ネスは R M S値も P— V値もほぼ悪化する 傾向も し く は同等 （改善されない） の結果を示 した。 これは、 水素によ り 自然酸化膜の薄膜部が局所的にエ ッ チン グさ れ、 さ ら によ り 速い速度 で S i層がエ ッ チ ングされる こ と に よ り ビ ッ 卜 が発生する ため と考え ら れる。

自然酸化膜が存在 しない場合、 例えばフ ッ酸で処理 して除去 した場合、 水素ァニ一ル温度が 1 0 0 0〜 1 2 0 ◦ 。(：の範囲ではマイ ク ロ ラ フ ネス は R M S値も P — V値も 向上 した。 これは、 自然酸化膜が存在 しないこ と に よ り 、 S i層が均一にエ ッチ ン グされるため と考え られる 。

この場合、 1 0 0 0 ~ 1 1 0 0 °Cの比較的低温の領域で も マイ ク ロ ラ フ ネス を向上させる こ とがで き る 。 鏡面仕上げゥェ一ハのマイ ク ロ ラ フ ネスは、 P— V値では 1 . l n m、 R M S値では 0 . 1 3 n m程度であ るが、 自然酸化膜を除去 して R T A装置で熱処理を した場合、 1 0 0 0 ° ( 、 3 0秒の低温熱処理で、 P — V値で 0 . 7 n m、 R M S値で 0 . 0 9 η mと大幅な改善を図る こ とがで き る 。

従って、 自然酸化膜を除去すれば、 熱処理温度を例えば 9 5 0〜 1 1 5 0 °Cと して行う こ とがで き る。 すなわち、 従来の よ う に、 1 2 0 0 °C 以上と したのでは、 ス リ ッ プや汚染の問題が懸念さ れるので、 1 1 5 0 °C 以下とするのが良い し、 十分マイ ク ロ ラ フネス を改善する には、 9 5 0 °C 以上で処理 した方が良い。 また、 熱処理時間と しては、 1 秒以上とすれ ば十分に効果があ る。 そ して、 あ ま り に長 く 熱処理 したのでは無駄であ るので、 3 0 0秒以下 とすればよい。

以上述べた よ う に本発明では、 よ り 一層のマイ ク ロ ラ フ ネスの向上と 高温熱処理の弊害を避ける こ と を 目的に、 シ リ コ ン ゥエーハに対 して急 速加熱 · 急速冷却装置を用いて還元性雰囲気下で熱処理する に当た り 、 表面の 自然酸化膜を除去 したゥェ一ハに対 して、 熱処理する こ とに よ つ て、 従来の熱処理温度よ り も 5 ◦ °C以上低い比較的低温で行 う こ とが可 能にな っ た。

次に、 還元性雰囲気の影響を不活性ガス 中水素ガス濃度を 0〜 1 0 0 容量％に変化させて調べた。 水素ガスの残分はアルゴン と した。

シ リ コ ン ゥェ一ハは、 鏡面加工された、 直径 8 イ ンチ、 結晶方位 < 1 0 0 >の も のを、 2 %フ ッ酸 （ H F ) 溶液に 3分間浸漬 して、 自然酸化 膜を除去 した試料を用いた。

処理温度は 9 5 0、 1 0 5 0、 1 1 5 0 °Cの 3水準、、 処理時間は 3 0 秒と した。 熱処理工程のダイ ヤグラ ムの一例を図 1 に示す。

参考のため、 ヘイ ズ （ p p m ) も測定 した。 測定には K L Aテ ン コ一 ル社製の S P — 1 を用いた。 ちなみに、 鏡面ゥェ一ハのヘイ ズは ◦ . 0 3 p p m程度、 R T A装置を用いて 1 2 0 0 °Cで還元性雰囲気下に熱処 理 したゥエーハは 0 . 3 p p m程度、 ェピ夕 キシ ャ ルゥェ一ハは 0 . 2 p p m程度である。 0 . 3 p p m程度であれば、 半導体デバイ ス工程に は全 く 問題のない レベルであ る。

一連の実験結果を図 5、 図 6および図 7 に示す。 図 5 は水素ガス濃度 とヘイ ズとの関係を熱処理温度別に表 してい る 。 図 6は水素ガス濃度と マイ ク ロ ラ フ ネスの P — V値との関係を熱処理温度別に、 図 7 は水素ガ ス濃度と マイ ク ロ ラ フ ネスの R M S値 との関係を熱処理温度別に表 して レヽ る。

これら の図か ら実験結果を考察する と、 自然酸化膜が存在 しない場合、 水素濃度 1 0 %以上 1 0 0 %以下の範囲ではマイ ク ロ ラ フネスは R M S 値も P— V値も十分改善さ れてほぼ一定値を示 してい る 。 しか し水素濃 度が 1 0 %未満になる と急激に悪化 し、 水素濃度 0 %では鏡面ゥェ一ハ の数倍に まで悪化 して し ま う 。

参考のため、 ヘイ ズを測定 したが、 これも 図 5 の よ う にマイ ク ロ ラ フ ネス と同様の傾向を示 した。 ただ し、 温度の影響が若干あ り 、 高温にな るほど改善さ れる傾向を示 した。

以上の結果は、 水素には ゥェ一ハ表面の S i と反応 して S i のマイ グ レ一シ ヨ ンが起こ り 、 表面を平坦化する （ヘイ ズが向上する ） 作用があ る こ と を示 してい る。 しか し、 水素の濃度が薄い と、 こ の作用が不十分 のため、 表面が粗れ、 ヘイ ズが悪化する現象が起こ る （図 5参照）。 こ の よ う な現象が起こ るのは、 アルゴ ンや窒素ガスのよ う な不活性ガス には、 表面を平坦化する作用は全 く ないか ら であ る。 この現象はマイ ク ロ ラ フ ネス において も 同様で、 水素濃度が 0 〜 1 0 %では濃度が薄いためマイ ク ロ ラ フ ネスは濃度が薄 く な るほ ど悪化 してい る （図 6 、 図 7 )。 従っ て、 熱処理の還元性雰囲気は水素 1 0 0 % または水素を 1 0 %以上含有する アルゴンおよび/または窒素との混合ガス雰囲気とするのが望ま しい。 以上述べた熱処理方法で熱処理すれば、 マイ ク ロ ラ フ ネスは従来の高 温熱処理の場合よ り も よ り 一層向上 し、 酸化膜耐圧、 キャ リ ア移動度等 の電気特性の向上を図る こ とがで き る 。 また、 比較的低温化する こ とに よ っ てス リ ッ ブ転位の発生が殆どな く 、 重金属汚染も ない極めて高品質 で半導体デバイ ス用 と して有用な シ リ コ ン ゥェ一ハ を得る こ とがで き る。

さ ら に熱処理の低温化に伴い急速加熱 · 急速冷却装置における昇降温 に要する時間も熱エネルギ一も節減で き る ので、 歩留 り と生産性の向上 な ら びにコス ト ダウ ン を図る こ とがで き る。

以下、 本発明の実施の形態を図面を参照 しなが ら説明する が、 本発明 は、 これら に限定される も のではない。

こ こで、 図 4 に本発明で用いたシ リ コ ン ゥェ一ハ を還元性雰囲気下で 急速加熱 · 急速冷却で き る装置を示す。

図 4 Aの熱処理装置 1 0 は、 例えば炭化珪素あ る いは石英か ら な るベ ルジャ 1 を有 し、 このペルジ ャ 1 内で シ リ コ ン ゥェ一ハ を熱処理する よ う にな つ てい る。 加熱は、 ペルジ ャ 1 を囲繞する よ う に配置される加熱 ヒータ 2 , 2 ' によ っ て行 う 。 この加熱ヒータ は上下方向で分割さ れて お り 、 それぞれ独立に供給さ れる電力 を制御で き る よ う にな つ てい る。 加熱ヒータ 2 , 2 ， の外側には、 熱を遮蔽する ためのハ ウジ ング 3 が配 置されてい る 。 も ち ろ ん、 熱処理装置および加熱方式は、 これに限定さ れる も のではな く 、 いわゆ る輻射加熱、 高周波加熱方式と して も よい。 炉の下方には、 水冷チャ ンバ 4 とベース プレー ト 5 が配置され、 ベル ジャ 1 内 と、 外気と を封鎖 してい る。 そ して シ リ コ ン ゥェ一ハ 8 はステ —ジ 7 上に保持さ れる よ う にな っ てお り 、 ステージ 7 はモータ 9 によ つ て上下動 自在な支持軸 6 の上端に取 り つけ られてい る 。 水冷チャ ンバ 4 には横方向か ら ゥエーハを炉内に出 し入れで き る よ う に、 ゲ一 ト バルブ によ って開閉可能に構成さ れる不図示のゥェ一ハ挿入口が設け られてい る 。 また、 ベース プレー ト 5 には、 ガス流入口 と排気口が設け られてお り 、 炉内ガス雰囲気を調整で き る よ う にな つてい る 。

以上のよ う な熱処理装置 1 0 に よ っ て、 自然酸化膜を除去 した シ リ コ ン ゥェ一ハの水素を含む還元性雰囲気下、 急速加熱 · 急速冷却する熱処 理は、 例えば図 1 に示 したよ う なダイ ヤグラ ム に従 って行われる。

まず、 熱処理は、 加熱ヒータ 2 ， 2 ' に よ ってペルジャ 1 内を、 例え ば 9 5 0〜 1 1 5 0 °Cの所望温度に加熱 し、 その温度に保持する。 分割 された加熱ヒータ それぞれを独立 して供給電力を制御すれば、 ペルジャ 1 内を高さ方向に沿っ て温度分布をつける こ とがで き る 。 従っ て、 ゥェ —ハの熱処理温度は、 ステ一ジ 7 の位置、 すなわち支持軸 6 の炉内への 挿入量に よ っ て決定する こ と がで き る 。

ペルジ ャ 1 内が所望温度で維持されたな ら、 熱処理装置 1 0 に隣接 し て配置される、 不図示のゥェ一ハハ ン ド リ ング装置によ って シ リ コ ン ゥ ェ一ハを水冷チャ ンバ 4 の挿入口か ら入れ、 最下端位置で待機させたス テ一ジ 7 上に例えば S i Cボー ト を介 して ゥエーハ 8 を乗せる 。 この時、 水冷チャ ンノ 4 およびべ一ス プレ ー ト 5 は水冷されてい るので、 ゥェ一 ハはこの位置では高温化 しない。

そ して、 シ リ コ ン ゥェ一ハ 8 のステージ 7 上への載置が完了 したな ら、 す ぐ にモータ 9 によ って支持軸 6 を炉内に挿入する こ と によ っ て、 ステ —ジ 7 を 9 5 0 °C〜 1 1 5 0 °Cの所望温度位置まで上昇させ、 ステージ 上の ゥェ一ハに熱処理を加え る。 こ の場合、 水冷チ ャ ンバ 4 内のステ一 ジ下端位置か ら、 所望温度位置ま での移動には、 例えば 2 0 秒程度 しか かか ら ないので、 ゥェ一ハは急速に加熱さ れる こ と にな る。

そ して、 ステージ 7 を所望温度位置で、 所定時間停止 （ 1 〜 3 ◦ 0秒） させる こ と に よ って、 ゥェ一ハに水素を含む還元性雰囲気下で停止時間 分の比較的低温の熱処理を加え る こ と がで き る 。 所定時間が経過 し比較 的低温の熱処理が終了 したな ら、 す ぐ にモータ 9 に よ って支持軸 6 を炉 内か ら 引 き抜 く こ と によ っ てステージ 7 を下降させ、 水冷チャ ンバ 4 内 の下端位置とする。 こ の下降動作も、 例えば 2 0 秒程度で行 う こ とがで き る。 ステージ 7 上のシ リ コ ンゥェ一ハ 8 は、 水冷チャ ンバ 4 およびべ —ス ブレ一 ト 5 が水冷されてい る ので、 急速に冷却される。 最後に、 ゥ エーハハ ン ド リ ン グ装置によ って、 シ リ コ ン ゥェ一ハを取 り 出すこ とに よ って、 熱処理を完了する 。

さ ら に熱処理する シ リ コ ン ゥェ一ハがあ る場合には、 熱処理装置 1 0 の温度を降温させていないので、 次々 にシ リ コ ン ゥェ一ハを投入 し連続 的に熱処理を行う こ とがで き る。

次いで、 本発明で用いたシ リ コ ン単結晶ゥエーハの急速加熱 · 急速冷 却装置 （ R T A装置） の他の一例 を示す。 図 4 Bは、 R T A装置の概略 図であ る。

図 4 Bの熱処理装置 2 0 は、 石英か ら な るチャ ンバ一 1 1 を有 し、 こ のチャ ンパ一 1 1 内でゥェ一ハ 1 8 を熱処理する よ う にな ってい る 。 加 熱は、 チャ ンバ一 1 1 を上下左右か ら 囲繞する よ う に配置される加熱ラ ン プ 1 2 によ って行う 。 このラ ン プ 1 2 はそれぞれ独立に供給される電 力を制御で き る よ う にな つ ている。

ガスの排気側は、 オー ト シャ ッ タ ー 1 3 が装備され、 外気を封鎖 して い る 。 オー ト シャ ツタ一 1 3 は、 ゲー ト バルブによ って開閉可能に構成 される不図示のゥェ一ハ挿入口が設け られてい る。 また、 オー ト シャ ツ タ一 1 3 にはガス排気口が設け ら れてお り 、 炉内雰囲気を調整で き る よ う にな つ てい る。

そ して、 ゥェ一ハ 1 8 は石英 ト レ ィ 1 4 に形成された 3 点支持部 1 5 の上に配置さ れる 。 ト レイ 1 4 のガス導入口側には、 石英製のバ ッ フ ァ 1 6 が設け られてお り 、 導入ガス がゥェ一ハ 1 8 に直接当た る のを防 ぐ こ とがで き る。

また、 チャ ンバ一 1 1 には不図示の温度測定用特殊窓が設け られてお り 、 チャ ンバ一 1 1 の外部に設置されたパイ ロ メ 一タ 1 7 によ り 、 その 特殊窓を通して ゥエー八 1 8 の温度を測定する こ とがで き る 。

以上のよ う な熱処理装置 2 0 に よ って、 ゥェ一ハを急速加熱 · 急速冷 却する処理は次の よ う に行われる 。

まず、 熱処理装置 2 0 に隣接 して配置さ れる、 不図示のゥェ一ハハ ン ド リ ング装置によ って ゥェ一ハ 1 8 を挿入口か らチャ ンバ一 1 1 内に入 れ、 ト レ ィ 1 4 上に配置 した後、 オー ト シ ャ ッ ター 1 3 を閉める。

そ して、 加熱ラ ン プ 2 2 に電力を供給し、 ゥェ一ハ 1 8 を例えば 1 1 0 0 〜 1 3 0 0 °Cの所定の温度に昇温する 。 こ の際、 目 的の温度になる まで に要する時間は例えば 2 0秒程度であ る。 次にその温度において所 定時間保持する こ とによ り 、 ゥェ一ハ 1 8 に高温熱処理を加え る こ とが で き る。 所定時間経過 し高温熱処理が終了 したな ら 、 ラ ンプの出力 を下 げゥェ一八の温度を下げる 。 この降温も例えば 2 0 秒程度で行 う こ とが で き る。 最後に、 ゥェ一ハハ ン ド リ ン グ装置に よ って ゥェ一ハ 1 8 を取 り 出すこ と に よ り 、 熱処理を完了する。

以上の よ う に、 本発明でい う急速加熱 · 急速冷却装置 （ R T A装置） を使用する急速加熱 · 急速冷却する熱処理 とは、 図 4 Aのよ う な装置を を用い、 上記温度範囲に設定された熱処理炉中に ゥェ一ハを直ち に投入 し、 上記熱処理時間の経過後、 直ち に取 り 出す方法や、 図 4 B のよ う な 装置を用い、 ゥエーハ を熱処理炉内の設定位置に配置 した後、 ラ ン プ加 熱器等で直ち に加熱処理する 方法な どを挙げる こ とがで き る。 この直ち に投入 し、 取 り 出す とい う のは、 従来よ り 行われてい る一定時間での昇 温、 降温操作や熱処理炉内に ゥェ一ハを、 ゆ っ く り 投入 し、 取 り 出すい わゆる 口一デ ィ ン グ、 アン 口一ディ ング操作を行わない とい う こ とであ る。 ただ し、 炉内の所定位置まで運ぶには、 あ る程度の時間を有するの は当然であ り 、 ゥェ一ハを投入するための移動装置の能力に従い、 数秒 か ら数分間で行われる とい う も のであ る。

そ して、 上記還元性の熱処理雰囲気と しては、 水素 1 0 0 %雰囲気あ るいは水素の還元力を調整 した り 安全上等の理由か ら、 水素を 1 0 %以 上含有する アルゴンおよび/または窒素との混合ガス雰囲気と する こ と がで き る 。 この場合、 混合ガス中水素濃度を 2 0 ~ 7 0 %程度にするの が好ま しい。 こ のよ う な還元性熱処理雰囲気とすれば、 自然酸化膜を除去 した状態 を保持 し、 確実にゥェ一ハ表面のマイ ク ロ ラ フ ネス を改善する こ とがで き る と共に、 シ リ コ ン ゥェ一ハの表面に存在する結晶欠陥の改善を図る こ と も可能であ る 。

本発明における 自然酸化膜の除去は、 フ ッ酸処理によ り 行う のが望ま しい。 例えばゥェ一ハを 2 % H F水溶液に 3 分間程度浸積すれば充分で あ る。 また、 水素雰囲気中に 1 %程度の H F ガスが含まれる気相で約 5 分間処理 して も よい。

このよ う に 自然酸化膜であ る S i 〇 ₂ は、 フ ッ酸 （ H F ) 中に浸漬す る こ とや気相中で処理する こ とで容易にかつ確実に溶解、 除去する こ と がで き、 処理前の鏡面仕上げゥエ ーハの本来的な平坦度、 マイ ク ロ ラ フ ネス等に悪影響を及ぼすこ とは殆 どない。

さ ら に、 このよ う な本発明の熱処理方法によれば、 シ リ コ ン ゥェ一ハ 表面のマイ ク ロ ラ フネスが小さ く な る ので、 酸化膜耐圧、 キャ リ ア移動 度等の電気特性が向上 し、 ス リ ッ プ転位の発生や重金属汚染が殆どない、 極めて高品質で半導体デバイ ス用 と して有用なシ リ コ ン ゥェ一ハを、 高 い歩留 り と高生産性に よ って得る こ とがで き る 。

特には、 マイ ク ロ ラ フ ネスが、 原子間力顕微鏡で測定 した 2 m角の ? ー 値で 1 . O O n m以下で、 かつ R M S値で 0 . 1 2 n m以下であ る シ リ コ ン ゥェ一ノヽを得る こ とがで き る。

尚、 本発明は、 上記実施形態に限定される も のではない。 上記実施形 態は、 例示であ り 、 本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と 実質的に同一な構成を有 し、 同様な作用効果を奏する も のは、 いかなる ものであ って も本発明の技術的範囲に包含される。

例えば、 上記実施形態では図 4 に示 した よ う な熱処理装置を用いたが、 本発明はこの よ う な装置に よ り 行わなければな ら ないも のではな く 、 シ リ コ ン ゥェ一ハを急速加熱 · 急速冷却する こ とがで き る熱処理装置で、 9 5 0 °C以上に加熱する こ と がで き る ものであれば、 原則と して どのよ う な も のであ って も用レ、 る こ とがで き る。 また、 上記実施形態においては、 直径 8 イ ンチの シ リ コ ン ゥェ一ハを 熱処理する場合につ き説明 したが、 本発明は原則 と して ゥェ一ハ直径に 拘ら ず適用で き る も のであ り 、 例えば、 直径 1 ◦ ~ 1 6 イ ンチあ る いは それ以上のシ リ コ ン ゥェ一ハにも適用で き る。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 急速加熱 · 急速冷却装置を用いて シ リ コ ン ゥエーハ を還元性雰囲気 下で熱処理する方法において、 該シ リ コ ン ゥェ一ハ表面上の 自然酸化膜 を除去 した後、 急速加熱 · 急速冷却装置を用いて、 水素 1 0 0 %あ るい は水素を 1 0 %以上含有する アルゴンおよび/または窒素 との混合ガス 雰囲気下で熱処理する こ と を特徴とする シ リ コ ン ゥェ一ハの熱処理方法

2. 前記熱処理を、 温度 9 5 0 ~ 1 1 5 0 °Cで 1 〜 3 0 0秒間行う こ と を特徴とする請求項 1 に記載 した シ リ コ ン ゥェ一八の熱処理方法。

3 . 前記自然酸化膜の除去を、 フ ッ酸処理によ り 行 う こ と を特徴と する 請求項 1 または請求項 2 に記載 したシ リ コ ン ゥェ一ハの熱処理方法。

4 . 請求項 1 ない し請求項 3 のいずれか 1 項に記載の熱処理方法に よ つ て熱処理されたも のである こ と を特徴とする シ リ コ ン ゥェ一ハ。

5 . マイ ク ロ ラ フ ネスが、 原子間力顕微鏡で測定した 2 2 m角の P — V 値で 1 . O O n m以下で、 かつ R M S値で 0 . 1 2 n m以下であ る こ と を特徴とする シ リ コ ン ゥェ一ハ。