特許 7014694 シリコンウェーハの熱処理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-01-24

(45)【発行日】2022-02-01

(54)【発明の名称】シリコンウェーハの熱処理方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/26 20060101AFI20220125BHJP

   H01L 21/324 20060101ALI20220125BHJP

   C30B 33/02 20060101ALI20220125BHJP

   C30B 29/06 20060101ALI20220125BHJP

【ＦＩ】

H01L21/26 F

H01L21/324 X

C30B33/02

C30B29/06 B

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2018194053

(22)【出願日】2018-10-15

(65)【公開番号】P2020064891

(43)【公開日】2020-04-23

【審査請求日】2020-12-21

(73)【特許権者】

【識別番号】312007423

【氏名又は名称】グローバルウェーハズ・ジャパン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101878

【弁理士】

【氏名又は名称】木下 茂

(74)【代理人】

【識別番号】100187506

【弁理士】

【氏名又は名称】澤田 優子

(72)【発明者】

【氏名】潮田 彩

(72)【発明者】

【氏名】青木 竜彦

【審査官】佐藤 靖史

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－０５３５２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－２３３５５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１１－０１４６４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００３／００３４４１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００５－２０３５７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２３１０５０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／２６

Ｈ０１Ｌ ２１／３２４

Ｃ３０Ｂ ３３／０２

Ｃ３０Ｂ ２９／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

チャンバ内で回転可能に保持されたシリコンウェーハに対し不活性ガス雰囲気下で急速
昇降温熱処理するシリコンウェーハの熱処理方法であって、
前記チャンバ内における熱処理温度が９００℃以上１１００℃以下の温度帯において５ｓｅｃ以上３０ｓｅｃ以下の時間保持するとともに、ウェーハ回転数を８０ｒｐｍ以上１２０ｒｐｍ以下とし、
前記９００℃以上１１００℃以下の温度帯において、前記チャンバ内における不活性ガスの供給を、ガス置換率が９０％以上となるよう制御することを特徴とするシリコンウェーハの熱処理方法。

【請求項2】

前記チャンバ内における熱処理温度が１３００℃以上に到達する前に、９００℃以上１１００℃以下の温度帯において５ｓｅｃ以上３０ｓｅｃ以下の時間保持するとともに、ウェーハ回転数を８０ｒｐｍ以上１２０ｒｐｍ以下とする制御を行うことを特徴とする請求項１に記載されたシリコンウェーハの熱処理方法。

【請求項3】

９００℃以上１１００℃以下の温度帯において、前記チャンバ内の圧力は１ｋＰａ以下に制御されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたシリコンウェーハの熱処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、シリコンウェーハの熱処理方法に関し、特に不活性雰囲気下での熱処理において、シリコンウェーハ表面の自然酸化膜が溶解する際に生じるＳｉＯガスの排気を効率的に行い、熱処理チャンバ内におけるＳｉＯ_ｘ固体の堆積を防止することのできるシリコンウェーハの熱処理方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体デバイスの高集積化に伴い、シリコンウェーハ（単にウェーハともいう）等の半導体基板に対する高品質化が要求されている。特に、デバイスが形成される活性領域における結晶欠陥の低減は、必須事項である。例えばシリコンウェーハは、シリコン単結晶の育成と各種加工とにより製造されるが、単結晶の育成段階で発生する結晶欠陥が加工後のウェーハにおいて内在している。

【0003】

前記シリコンウェーハに内在する結晶欠陥を短時間の熱処理で低減する方法として、例えば特許文献１に開示されるようにＲＴＰ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ）装置（急速昇降温熱処理装置）を用いる方法が知られている。特許文献１に開示される方法は、前記ＲＴＰ装置において、シリコンウェーハをアルゴンガス雰囲気下で１３００℃以上シリコン融点以下の温度範囲で加熱した後、４００℃以上８００℃以下の温度まで冷却し、次いで酸素雰囲気に切り替え、１２５０℃以上シリコン融点以下の温度で熱処理を行うものである。

【0004】

しかしながら、アルゴンガス雰囲気下で熱処理を行うと、ウェーハ表面に形成されている自然酸化膜が溶解し、ＳｉＯガスとして脱離する。生じたＳｉＯガスは、すべてが排気されず、高温でシリコン表面をガスエッチングし、温度の低いチャンバ内壁や他の部材表面にＳｉＯ_ｘ固体として堆積する。そして、前記ＳｉＯ_ｘ固体は、熱処理中のウェーハに付着するパーティクルの原因となるという課題があった。

【0005】

また、一般的に枚葉式熱処理装置で処理中のシリコンウェーハは、非接触式の放射温度計等でウェーハ裏面の複数点を計測しながら処理温度を制御するが、前記したＳｉＯ_ｘ等の反応生成物が放射温度計上に堆積した場合には、正確な温度計測ができず、処理中のウェーハ温度が不均一となり、スリップ欠陥が発生するという課題があった。

【0006】

前述のＳｉＯガスからの反応生成物による課題に対し、特許文献２には、シリコンウェーハと放射温度計との間の空間に気流を生じさせ、前記放射温度計上への反応生成物の堆積速度を低下させる方法が開示されている。

【0007】

また、特許文献３には、ウェーハ回転をある程度速い速度（例えば２５０～３５０ｒｐｍ）で回転させることで、ウェーハ上に反応生成物を堆積させず、スリップ欠陥を抑制できると記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特開２０１１－２９４２９号公報

【文献】特表２００２－５０７２５０号公報

【文献】特開２０１１－２３３５５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかしながら、特許文献２に開示された方法にあっては、放射温度計上への反応生成物の堆積量を低減することができても、堆積を完全に抑制できるものではなかった。
また、特許文献３に記載される方法にあっては、ウェーハ上への反応生成物の堆積の抑制には有効であるものの、自然酸化膜の脱離によって生じるＳｉＯガスがチャンバ内から排出され難くなるため、連続的に処理を行うと、チャンバ内にＳｉＯ_ｘ等の反応生成物が堆積してしまうという課題があった。

【0010】

このような事情の下、本願発明者は、鋭意研究の結果、不活性ガス雰囲気下でシリコンウェーハを回転させながら熱処理する際、１３００℃以上に到達する前に、ウェーハ表面からＳｉＯガスが発生する温度帯（９００℃以上１１００℃以下）でのウェーハ回転数とガス置換率とを制御することにより、ＳｉＯガスの熱処理チャンバからの排気効率が向上し、チャンバ内におけるＳｉＯ_ｘ等の反応生成物の堆積を防止できることを知見し、本発明をするに至った。

【0011】

本発明の目的は、シリコンウェーハに内在する結晶欠陥を短時間で低減するための不活性ガス雰囲気下での熱処理において、シリコンウェーハ表面の自然酸化膜が溶解する際に生じるＳｉＯガスの排気を効率的に行うことができ、熱処理チャンバ内への反応生成物の堆積を抑制し、スリップの悪化を防止することのできるシリコンウェーハの熱処理方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0012】

前記した課題を解決するためになされた、本発明に係るシリコンウェーハの熱処理方法は、チャンバ内で回転可能に保持されたシリコンウェーハに対し不活性ガス雰囲気下で急速昇降温熱処理するシリコンウェーハの熱処理方法であって、前記チャンバ内における熱処理温度が９００℃以上１１００℃以下の温度帯において５ｓｅｃ以上の時間保持するとともに、ウェーハ回転数を８０ｒｐｍ以上１２０ｒｐｍ以下とし、前記９００℃以上１１００℃以下の温度帯において、前記チャンバ内における不活性ガスの供給を、ガス置換率が９０％以上となるよう制御することに特徴を有する。
尚、前記チャンバ内における熱処理温度が１３００℃以上に到達する前に、９００℃以上１１００℃以下の温度帯において５ｓｅｃ以上３０ｓｅｃ以下の時間保持するとともに、ウェーハ回転数を８０ｒｐｍ以上１２０ｒｐｍ以下とする制御を行うことが望ましい。
また、９００℃以上１１００℃以下の温度帯において、前記チャンバ内の圧力は１ｋＰａ以下に制御されることが望ましい。

【0013】

このような熱処理方法により、シリコンウェーハを不活性ガス雰囲気下で熱処理する場合に、ウェーハ回転数とチャンバ内のガス置換率を制御することによって、ウェーハ表面の自然酸化膜が溶解する際に生じるＳｉＯガスの排気を効率的に行うことができる。その結果、熱処理チャンバ内への反応生成物の堆積を抑制し、スリップの悪化を防止することができる。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、シリコンウェーハの不活性ガス雰囲気下での熱処理において、シリコンウェーハ表面の自然酸化膜が溶解する際に生じるＳｉＯガスの排気を効率的に行うことができ、熱処理チャンバ内への反応生成物の堆積を抑制し、スリップの悪化を防止することのできるシリコンウェーハの熱処理方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】図１は、本発明に係るシリコンウェーハの熱処理方法が適用されるＲＴＰ装置の断面図である。

【図2】図２は、本発明に係るシリコンウェーハの熱処理方法のシーケンスを示すグラフである。

【図3】図３は、本発明に係る実施例の結果を示すグラフである。

【図4】図４は、本発明に係る実施例の結果を示す他のグラフである。

【図5】図５は、本発明に係る実施例の結果を示す他のグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明のシリコンウェーハの熱処理方法に用いられるＲＴＰ装置の一例の概要を示す断面図である。
本発明のシリコンウェーハの熱処理方法に用いられるＲＴＰ装置１０は、図１に示すように、雰囲気ガス導入口２０ａ及び雰囲気ガス排出口２０ｂを備えたチャンバ（反応管）２０と、チャンバ２０の上部に離間して配置された複数のランプ３０と、チャンバ２０内の反応空間２５にウェーハＷを支持するウェーハ支持部４０とを備える。また、図示しないが、ウェーハＷをその中心軸周りに所定速度で回転させる回転手段を備えている。

【0017】

ウェーハ支持部４０は、ウェーハＷの外周部を支持する環状のサセプタ４０ａと、サセプタ４０ａを支持するステージ４０ｂとを備える。チャンバ２０は、例えば、石英で構成されている。ランプ３０は、例えば、ハロゲンランプで構成されている。サセプタ４０ａは、例えば、シリコンで構成されている。ステージ４０ｂは、例えば、石英で構成されている。

【0018】

図１に示すＲＴＰ装置１０を用いてウェーハＷに対しＲＴＰを行う場合は、チャンバ２０に設けられた図示しないウェーハ導入口より、ウェーハＷを反応空間２５内に導入し、ウェーハ支持部４０のサセプタ４０ａ上にウェーハＷを支持する。そして、雰囲気ガス導入口２０ａから後述する雰囲気ガスを導入すると共に、図示しない回転手段によりウェーハＷを回転させながら、ランプ３０によりウェーハＷ表面に対してランプ照射をすることで行う。

【0019】

尚、このＲＴＰ装置１０における反応空間２５内の温度制御は、ウェーハ支持部４０のステージ４０ｂに埋め込まれた複数の放射温度計５０によってウェーハＷの下部のウェーハ径方向におけるウェーハ面内多点（例えば、９点）の平均温度を測定し、その測定された温度に基づいて複数のハロゲンランプ３０の制御（各ランプの個別のＯＮ－ＯＦＦ制御や、発光する光の発光強度の制御等）を行う。

【0020】

次に、本発明に係わるシリコンウェーハの熱処理方法について図面を参照して説明する。
本発明に係わるシリコンウェーハの熱処理方法は、チョクラルスキー法により育成したシリコン単結晶インゴットからスライスされたシリコンウェーハに対して、所定の製造条件によりＲＴＰを行う。

【0021】

チョクラルスキー法によるシリコン単結晶インゴットの育成は周知の方法にて行う。
すなわち、石英ルツボに充填した多結晶シリコンを加熱してシリコン融液とし、このシリコン融液の液面上方から種結晶を接触させて、種結晶と石英ルツボを回転させながら引上げ、所望の直径まで拡径して直胴部を育成することでシリコン単結晶インゴットを製造する。

【0022】

こうして得られたシリコン単結晶インゴットは、周知の方法によりシリコンウェーハに加工される。
すなわち、シリコン単結晶インゴットを内周刃又はワイヤソー等によりウェーハ状にスライスした後、外周部の面取り、ラッピング、エッチング、研磨等の加工工程を経て、シリコンウェーハを製造する。なお、ここで記載された加工工程は例示的なものであり、本発明は、この加工工程のみに限定されるものではない。

【0023】

次に、製造されたシリコンウェーハに対して、所定の製造条件によりＲＴＰを行う。
図２は、本発明に係わるシリコンウェーハの熱処理方法に適用されるＲＴＰの熱処理シーケンスを示す概念図である。

【0024】

本発明に係わるシリコンウェーハの熱処理方法に適用されるＲＴＰにおける熱処理シーケンスは、図１に示すようなＲＴＰ装置１０において、所望の温度Ｔ０（例えば、５００℃）で保持されたチャンバ２０内に前記製造したシリコンウェーハを設置する。
チャンバ２０内は、雰囲気ガス導入口２０ａから雰囲気ガス（例えばアルゴンガス）を導入し、不活性ガス雰囲気とする。

【0025】

そして、ハロゲンランプ３０によりチャンバ２０内を加熱し、図２のグラフに示す９００℃以上１１００℃以下の温度帯Ｔ１に達するまでは所定の昇温速度で急速昇温する。
ここで前記温度帯Ｔ１は、所定時間ｔｐ１（望ましくは５ｓｅｃ以上３０ｓｅｃ以下）の間、その温度範囲が維持されるよう制御する。前記温度帯Ｔ１を越えるまでの昇温パターンは、例えば図２に示すようにパターン１、２、３が主に採用し得る。
また、熱処理空間からのＳｉＯガスの排出を促進するため、前記温度帯Ｔ１におけるチャンバ内の気圧を、１ｋＰａ以下となるように制御する。

【0026】

温度帯Ｔ１が９００℃以上１１００℃以下である理由は、温度帯Ｔ１が１１００℃より高いと、ウェーハ表面の自然酸化膜は除去できるが、保持温度が高すぎ、発生したＳｉＯガスがシリコン表面を瞬時にエッチングする現象が発生するためである。また、温度帯Ｔ１が９００℃より低いと、自然酸化膜を十分に分解するための温度に達せず、ウェーハ表面の自然酸化膜を十分に除去できないためである。

【0027】

また、前記温度帯Ｔ１を保持する時間ｔｐ１を５ｓｅｃ以上３０ｓｅｃ以下とする理由は、ウェーハＷ表面に形成される自然酸化膜厚には個体差があるが、保持時間ｔｐ１が５ｓｅｃ以上で十分な効果を得ることができるためである。また、保持時間ｔｐ１を３０ｓｅｃ以下とすることにより、ウェーハＷ表面にパーティクルが付着する確率を低く抑えることができるためである。

【0028】

また、前記温度帯Ｔ１でのウェーハＷの回転速度は、８０ｒｐｍ以上１２０ｒｐｍ以下に制御する。
さらに、不活性ガスの導入量が不足した場合にＳｉＯガスを十分に排出できない虞があるため、１分間でチャンバ内を９０％以上、ガス置換できる流量（３０Ｌ／ｍｉｎ以上１００Ｌ／ｍｉｎ以下）にて不活性ガスを導入する。
これにより、自然酸化膜溶解によってウェーハＷの表面からＳｉＯガスが発生した際、ＳｉＯガスの排出効率を向上することができる。

【0029】

尚、ウェーハＷの回転数を８０ｒｐｍより低くした場合、ウェーハＷの面内温度の不均一が生じ、処理中のウェーハＷが反って、サセプタ４０ａから外れる等の不具合が生じる。
一方、ウェーハＷの回転数を１２０ｒｐｍより大きくすると、ＳｉＯガスの排気効率が低下し、ウェーハの直上直下にＳｉＯガスが停滞し易く、１１００℃を超える高温まで残留した場合に瞬時にシリコン表面をエッチングするため、処理チャンバ内に反応生成物が堆積するといった不具合が生じる。

【0030】

前記所定時間ｔｐ１が経過し、チャンバ２０内の温度が前記温度帯Ｔ１を越えると、更に所定の昇温速度でＴ２（望ましくは１３００℃）まで急速昇温し、例えば３０ｓｅｃ保持する。
次いで、所定の降温速度で、Ｔ３（例えば６００℃）まで降温した後、チャンバ内を酸化性雰囲気に切り替える。

【0031】

チャンバ内が酸化性雰囲気に切り替えられると、所定の昇温速度でＴ４（例えば１２５０℃）まで昇温し、３０ｓｅｃ保持した後、所定の降温速度でＴ５まで降温し、ＲＴＰを終了する。

【0032】

以上のように本発明に係る実施の形態によれば、シリコンウェーハを不活性ガス雰囲気下で熱処理する場合に、ウェーハ回転数とチャンバ内のガス置換率を制御することによって、ウェーハ表面の自然酸化膜が溶解する際に生じるＳｉＯガスの排気を効率的に行うことができる。その結果、熱処理チャンバ内への反応生成物の堆積を抑制し、スリップの悪化を防止することができる。

【0033】

尚、前記実施の形態においては、不活性ガスとしてアルゴンガスを例に説明したが、その他の不活性ガスをチャンバ内に導入した場合にも本発明を適用することができる。

【実施例】

【0034】

本発明に係るシリコンウェーハの熱処理方法について、実施例に基づきさらに説明する。本実施例では、前記実施の形態に基づき以下の実験を行った。

【0035】

本実施例では、チャンバ内に水平に保持したウェーハを、その表面側からランプ加熱し、ウェーハ温度を裏面側から放射温度計で測定しながら制御する枚葉方式のＲＴＰ装置を用いた。このＲＴＰ装置において、直径３００ｍｍの単結晶シリコン両面研磨ウェーハ１０００～１５００枚に対し熱処理を行い、処理ウェーハの酸化膜厚の推移とスリップ長（Ｘ線トポグラフィにより測定）の推移を評価した。

【0036】

共通の熱処理条件として、チャンバ内をアルゴン雰囲気とし、１３００℃まで急速昇温して３０ｓｅｃ保持した後、６００℃まで降温し、チャンバからウェーハを取り出すことなく、酸化性雰囲気に切り替えた後、１２５０℃に急速昇温し３０ｓｅｃ保持した。
さらに以下の条件を実施例、及び比較例ごとに設定した。尚、以下の条件で示す温度帯Ｔ１（℃）とは、図２のグラフにおける温度帯Ｔ１に対応するタイミングでの温度範囲である。
（ａ）温度帯Ｔ１（℃）
（ｂ）温度帯Ｔ１におけるウェーハ回転数（ｒｐｍ）
（ｃ）温度帯Ｔ１における保持時間／昇温時間（ｓｅｃ）
（ｄ）温度帯Ｔ１におけるガス置換率（％）
（ｅ）温度帯Ｔ１における圧力（ｋＰａ）

【0037】

表１、表２に示すように、前記（ａ）～（ｅ）の条件により実施例１～１３、及び比較例１～６を設定し評価した。
表１の判定欄において、○は連続処理での酸化膜厚の増加が確認されず、チャンバ内のＳｉＯ_ｘ反応生成物の顕著な堆積が見られなかったことを示す。△はチャンバ内のＳｉＯ_ｘ反応生成物の顕著な堆積は見られなかったが、熱処理中にウェーハがサセプタから外れる等の不具合が確認されたことを示す。×はウェーハの処理枚数の増加に伴い、酸化膜厚の増加、及びスリップの発生が確認されたことを示す。

【0038】

また、表２においてはチャンバ内の圧力（ｋＰａ）が、ガス置換率９０％以上となるまでの時間に与える影響について評価した。

【0039】

【表1】

【0040】

【表2】

【0041】

表１の実施例１０に示すように、温度帯Ｔ１における保持時間が長くなると（４５ｓｅｃ）、ウェーハ表面にパーティクルが付着する確率が高くなり、顕著ではないがチャンバ内のＳｉＯ_ｘ反応生成物の堆積が見られた（判定△）。そのため、温度帯Ｔ１における保持時間は３０ｓｅｃ以下が望ましいことを確認した。

【0042】

また、表１の比較例３に示すように、保持温度が高いと（１１５０℃）、ウェーハ表面の自然酸化膜は除去できるが、保持温度が高すぎるため、発生したＳｉＯガスがシリコン表面を瞬時にエッチングする現象が発生した（判定×）。そのため、保持温度は１１００℃以下が望ましいことを確認した。

【0043】

また、表１の比較例４に示すように、保持温度が低いと（８５０℃）、ウェーハ表面の自然酸化膜を十分に除去できなかった（判定×）。これは、自然酸化膜を十分に溶解するための温度に達しなかったためと考えられた。そのため、保持温度は９００℃以上が望ましいことを確認した。

【0044】

上記結果を鑑み、表１から、チャンバ内の温度９００℃以上１１００℃以下において、ウェーハ回転数を０ｒｐｍ以上１２０ｒｐｍ以下（好ましくは８０ｒｐｍ以上１２０ｒｐｍ以下）とし、そのときの保持時間を５ｓｅｃ以上３０ｓｅｃ以下とし、さらにガス置換率を９０％以上とすることが望ましいことを確認した。

【0045】

また、表２に示すようにガス置換率を９０％とする場合に、チャンバ内圧力を１ｋＰａ以下とすることで、５ｓｅｃ以内にガス置換率を９０％とすることができ、より効率的に本発明の目的を達成することができることを確認した。

【0046】

また、表１に示した実施例１、比較例１、比較例２について、処理枚数に対する６０ｎｍより大きい付着パーティクル数（個／ウェーハ）、合計スリップ長（ｍｍ）、酸化膜厚増加率（％）の変化をそれぞれ図３、図４、図５のグラフに示す。

【0047】

図３のグラフにおいて、横軸は処理枚数、縦軸は付着パーティクル数（個／ウェーハ）である。このグラフに示されるように、比較例１、２では処理枚数が増加すると付着パーティクル数が増加したが、実施例１では処理枚数に拘わらず付着パーティクル数が低く抑えられた。

【0048】

また、図４のグラフにおいて、横軸は処理枚数、縦軸は合計スリップ長（ｍｍ）である。このグラフに示されるように比較例１、２ではスリップの発生が顕著であったが、実施例１ではスリップは全く発生しなかった。

【0049】

また、図５のグラフにおいて、横軸は処理枚数、縦軸は酸化膜厚増加率（％）である。このグラフに示されるように比較例１、２では処理枚数の増加とともに酸化膜厚が大きくなったが、実施例１では酸化膜厚の増加率は低く抑制された。

【0050】

以上のように本発明によれば、シリコンウェーハ表面の自然酸化膜が溶解する際に生じるＳｉＯガスの排気を効率的に行うことができ、熱処理チャンバ内への反応生成物の堆積を抑制し、スリップの悪化を防止することができると確認した。

【符号の説明】

【0051】

１０ ＲＴＰ装置
２０ チャンバ
２０ａ 雰囲気ガス導入口
２０ｂ 雰囲気ガス排出口
２５ 反応空間
３０ ランプ
４０ ウェーハ支持部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】