JP2006005214A - シリコンウエーハの熱処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 縦型熱処理炉を用いてシリコンウエーハを非酸化性ガス雰囲気中で高温熱処理する際のウエーハの不純物汚染を防止する。
【解決手段】 ウエーハボート３の天板３ａ上に単結晶シリコンからなるダミーウエーハＷを載置しておき、非酸化性ガスを熱処理炉上部よりプロセスチューブ２内に供給してダミーウエーハＷに接触させる。非酸化性ガス中の不純物がダミーウエーハＷに吸着されて除去される。清浄化された非酸化性ガスがプロセスチューブ２内を降下し、シリコンウエーハ５の不純物汚染が回避される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、縦型熱処理炉を用いてシリコンウエーハを非酸化性雰囲気中で高温熱処理するシリコンウエーハの熱処理方法に関する。

半導体デバイスの素材であるシリコンウエーハは各種の熱処理を受けるのが通例であり、その熱処理の一つとしてウエーハ表面の清浄化を目的とした高温熱処理がある。この熱処理では、多数枚のシリコンウエーハがウエーハボートに搭載されて熱処理炉内にローディングされ、Ａｒ及び／又はＨ₂ といった非酸化性ガス中で１１００℃以上の高温に加熱されることにより、ウエーハの表層部からＣＯＰなどのミクロ欠陥が除去される。熱処理炉としてはシリコンウエーハの大径化にしたがい、特許文献１に示されるような縦型熱処理炉が多用されるようになった。

特開２００２−９０００号公報

縦型熱処理炉では、所定枚数のシリコンウエーハが縦型のウエーハボートに水平姿勢で上下方向に所定間隔で並列的に搭載されて、熱処理炉内にローディングされる。そして、熱処理炉頂部から熱処理炉下部に向けて所定の非酸化性ガスを供給しながら、熱処理炉内のシリコンウエーハが所定温度に加熱される。

熱処理炉内に供給する非酸化性ガスは、ガス精製器やフィルターなどで不純物を除去した後に炉体内へ供給することが行われ、非酸化性ガスの高純度化が図られている。しかし、ガス精製器やフィルターなどの機器出口から炉体内のガス吐出ノズルまでのガス配管からの不純物、特に高温になる炉体内のガス吐出ノズルの内壁およびその近傍からの不純物の侵入は解消されない。このため、ガス中の不純物、例えばＦｅ、Ｎｉ、Ｃｕなどのメタル汚染や、Ｈ₂ Ｏ、ＣＨ基などの汚染によるＨａｚｅの悪化が起こり、シリコンウエーハの品質を悪化させることになる。また、炉内に供給された非酸化性ガスはシリコンウエーハと接触する前に、まず縦型ウエーハボートを構成する天板と衝突する。ウエーハボートは一般的に石英、ＳｉＣの材質で構成されることから、天板の上面部は特に不純物汚染されることになる。この不純物汚染された天板はその後に再使用するための洗浄処理を行っても十分にその不純物を除去することができず、天板そのものを新品の天板に交換しなければならないなど、ウエーハボートの製作コストの上昇を招くという問題もある。

本発明の目的は、縦型熱処理炉を用いた高温熱処理での雰囲気ガス中の不純物によるウエーハおよびウエーハボートの汚染を効果的に、しかも簡易に防止できるシリコンウエーハの熱処理方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明者は炉体内への雰囲気ガスの供給形態と汚染形態との関係に着目し、鋭意検討を行った。その結果、以下の事実が判明した。

縦型熱処理炉を用いた清浄化高温熱処理では、炉体の頂部から炉体下部に向けて下向きに非酸化性ガスが供給されることから、炉体内に供給された非酸化性ガスはウエーハの外周部にのみ直接的に衝突することになる。この結果、ウエーハ汚染は、非酸化性ガスが直接的に衝突するウエーハ外周部に発生し、且つ、ウエーハボートの上段部に装填したウエーハほど汚染が顕著で、上段から下段へ向かうに連れて軽減される。

このようなガス供給形態と汚染形態の関係に着目するならば、炉内のウエーハは非酸化性ガス中の不純物を吸着する機能を有していることが分かり、また、その不純物吸着機能は、非酸化性ガスをウエーハの表面に直接的に衝突させることによって効率的に実現されることが分かる。

本発明のシリコンウエーハの熱処理方法は、このような検討結果を基礎として開発されたものであり、縦型熱処理炉を用い、シリコンウエーハを非酸化性ガス雰囲気中で高温熱処理するシリコンウエーハの熱処理方法において、シリコンウエーハを搭載するウエーハボートの天板上に特定ウエーハ載置しておき、前記非酸化性ガスを炉内上部から供給して前記特定ウエーハに接触させた後、炉内下部から排出することを特徴とするものである。

このような構成によると、縦型熱処理炉内の上部に供給された非酸化性ガスは、先ずウエーハボートの天板上に載置した特定ウエーハと接触することにより、非酸化性ガス中の不純物が特定ウエーハに吸着されて除去される。そして、こうして清浄化された非酸化性ガスが炉内を降下することにより、シリコンウエーハの不純物汚染を抑制することができる。また、ウエーハボートの天板は特定ウエーハによりその上面が覆われているため、天板そのものの不純物汚染も回避することができ、ウエーハボートのライフを延長させることができる。

即ち、本発明のシリコンウエーハの熱処理方法では、ウエーハボートの天板上に載置された特定ウエーハに、炉内に供給された非酸化性ガスを先行して衝突させて清浄化し、特定ウエーハに汚染を集中させることにより、製品であるシリコンウエーハおよびウエーハボート天板部への汚染を回避するのである。

特定ウエーハとしては、単結晶シリコンウエーハを使用することが望ましい。また、特定ウエーハは、製品ウエーハ、モニターウエーハ、ダミーウエーハの何れであっても良く、コストを勘案するとダミーウエーハを使用することが有効である。特定ウエーハのサイズは天板の不純物汚染低減の観点からは、天板直径と同等あるいはそれ以上の径とするのが好ましく、厚みは６７５μｍ〜７２５μｍ程度のものを使用することが望ましい。そしてこの特定ウエーハをウエーハボートの天板上に少なくとも１枚以上載置すれば良い。

高温熱処理は、具体的にはウエーハ表面の酸化膜除去やウエーハ表層部の無欠陥化等を目的としたＡｒガス及び／又はＨ₂ ガス中での１１００℃以上の表面清浄化処理である。

本発明のシリコンウエーハの熱処理方法によれば、縦型熱処理炉を用いてシリコンウエーハを非酸化性ガス雰囲気中で高温熱処理するにあたり、熱処理炉頂部より炉内に供給される非酸化性ガスを、ウエーハボートの天板上に載置した特定ウエーハの表面に優先的に接触させることにより、非酸化性ガス中の不純物を除去でき、そのガス中の不純物によるウエーハ汚染を経済的に且つ効果的に防止することができる。しかも、特定ウエーハの載置によりウエーハボート天板表面への不純物汚染も同時に回避することができる。本発明のシリコンウエーハの熱処理方法は、ウエーハボートの天板上に特定ウエーハを載置するという極めて簡便な操作により、ウエーハならびに熱処理ボートの汚染を回避することができる。

以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の熱処理方法に好適に使用される縦型熱処理炉の縦断面図を示す斜視図である。

本実施形態の熱処理方法に使用される縦型熱処理炉１は、定位置に設置されたプロセスチューブ２と、プロセスチューブ２内に挿入される昇降式の縦型ウエーハボート３とを備えている。プロセスチューブ２は上端が閉塞され下端が開放された縦筒であり、図示されない加熱器内に収容されている。

ウエーハボート３はＳｉまたはＳｉＣからなり、シリコンウエーハ５を水平姿勢で且つ所定の間隔で支持する複数本の支持部材３ｃと、この支持部材３ｃの上下端を勘合固定する天板３ａ、底板３ｂとから構成され、シリコンウエーハ５の出し入れのために正面側を全長にわたって開放した構造になっている。このウエーハボート３は、プロセスチューブ２の下端開口部を閉じる図示されないキャップの上に設置されている。キャップは、プロセスチューブ２の下で昇降駆動され、下降した状態でプロセスチューブ２の下にウエーハボート３を引き出し、上昇した状態でウエーハボート３をプロセスチューブ２内に挿入すると共にプロセスチューブ２の下端開口部を閉じる。

前記プロセスチューブ２内部に非酸化性ガスを供給するガス供給管４は、プロセスチューブ２の頂部に接続され、頂部からウエーハボート天板３ａに向けて非酸化性ガスが吐出されるように構成されている。

熱処理では、ウエーハボート３の天板３ａの上面を全て覆うように単結晶シリコンからなるダミーウエーハＷを載置する。そしてウエーハ支持部材３ｃ内にシリコンウエーハ５を搭載する。ウエーハ５の搭載が終わると、ウエーハボート３をプロセスチューブ２内に挿入し、熱処理を開始する。熱処理中、ガス供給管４からプロセスチューブ２内に吐出された非酸化性ガスは先ず、ウエーハボート３の天板３ａ上のダミーウエーハＷの表面に吹き付けられる。これにより、非酸化性ガスに含まれる不純物がダミーウエーハＷの表面に吸着されて除去される。この結果、清浄化された非酸化性ガスがプロセスチューブ２内を降下し、ガス排出管６から炉外に排出され、シリコンウエーハ５の不純物汚染が回避される。

ガス供給管４からプロセスチューブ２内に吐出された非酸化性ガスを、シリコンウエーハ５と接触させる前に、天板３ａ上に載置したダミーウエーハＷの表面に接触させることにより、その非酸化性ガスを清浄化するわけである。

次に、ダミーウエーハの有無によりウエーハの汚染に及ぼす影響度を調査した結果を、図１に示す縦型熱処理装置を用い、３００ｍｍのシリコンウエーハを１００枚同時に高温熱処理する場合を例にとって説明する。

熱処理条件はウエーハ表層部におけるＣＯＰなどのミクロ欠陥除去を目的とする高温熱処理を想定したもので、アルゴンガス雰囲気（ガス流量１０Ｌ／ｍｉｎ）で１２００℃×１時間とした。従来例としてウエーハボートの天板上にダミーウエーハを載置せずに熱処理を行い、本発明例としてウエーハボートの天板上にダミーウエーハを載置して熱処理を行った。ウエーハの汚染度は、ＳＰＶ（Surface Photo Voltage）法により測定したウエーハ表層およびバルク内のＦｅ濃度レベルにより評価した。Ｆｅ濃度の最大値が１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３未満、かつＦｅ濃度の平均値が５×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下のウエーハを良好とし、それ以外のウエーハを不良とした。

ウエーハボートの天板上にダミーウエーハを載置せずに熱処理を行った従来例では、ウエーハボートに装填したシリコンウエーハは上から５枚目までのウエーハにおいてＦｅ濃度最大値が１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３を超え、上から１５枚目までのウエーハにおいてＦｅ濃度平均値は５×１０^１０ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３超える結果を示し不良であった。１６枚目から下は良好であった。

一方、ウエーハボートの天板上にダミーウエーハを載置して熱処理を行った本発明例では、ウエーハボートに装填したシリコンウエーハは上から２枚目までのウェーハにおいてＦｅ濃度の最大値が１×１０^１２ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３を超える部分が観察されたが、他のウエーハ（３枚目以降のウエーハ）は全て最大値、平均値とも良好であり、十分なＦｅ低減効果が認められた。

これらの比較試験から分かるように、ウエーハボートの天板上にダミウエーハを載置し上方からダミーウエーハ表面に向けて雰囲気ガスを吹き付けることにより、そのダミーウエーハに汚染が集中し、シリコンウエーハの不純物汚染を抑制することができる。

本発明により製造されたシリコンウエーハは、高温熱処理されたウエーハであることから、ウェーハ表面に無欠陥層が形成されており、酸化膜耐圧特性に優れるウェーハとして有効である。しかもウエーハ表層およびバルク内への不純物汚染量が極めて低いことから、デバイス特性不良を生じないウェーハとして有効に機能する。

本発明の熱処理方法に好適に使用される縦型熱処理炉の縦断面図である。

符号の説明

１ 熱処理装置
２ プロセスチューブ
３ ウエーハボート
３ａ 天板
３ｂ 底板
３ｃ ウエーハ支持部材
４ ガス供給管
５ シリコンウエーハ
６ ガス排出管
Ｗ ダミーウエーハ

Claims (3)

1. 縦型熱処理炉を用い、シリコンウエーハを非酸化性ガス雰囲気中で高温熱処理するシリコンウエーハの熱処理方法において、シリコンウエーハを搭載するウエーハボートの天板上に特定ウエーハ載置しておき、前記非酸化性ガスを炉内上部から供給して前記特定ウエーハに接触させた後、炉内下部から排出することを特徴とするシリコンウエーハの熱処理方法。
2. 前記特定ウエーハとして単結晶シリコンウエーハを載置する請求項１に記載のシリコンウエーハの熱処理方法。
3. 前記高温熱処理はＡｒガス及び／又はＨ₂ ガス中での１１００℃以上の表面清浄化処理である請求項１または請求項２に記載のシリコンウエーハの熱処理方法。

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