(57)【要約】【課題】シリコンウェーハの製造方法及び熱処理装置において、自然酸化膜からのボロン汚染を防ぐと共に表面抵抗の変化を防ぐこと。【解決手段】反応室２内にシリコンウェーハＷを設置して該シリコンウェーハを雰囲気ガスＧ中で熱処理する熱処理工程を有するシリコンウェーハの製造方法であって、前記熱処理工程前に該熱処理よりも低い温度でかつ還元性ガス中で熱処理してウェーハ表面の自然酸化膜を除去する酸化膜除去工程を有し、前記酸化膜除去工程は、前記自然酸化膜の有無を検知しながら行い、自然酸化膜が完全に除去された時点で前記反応室内への前記還元性ガスの供給を停止する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応室内にシリコンウェーハを設置して該シリコンウェーハを雰囲気ガス中で熱処理する熱処理工程を有するシリコンウェーハの製造方法であって、
前記熱処理工程前に該熱処理よりも低い温度でかつ還元性ガス中で熱処理してウェーハ表面の自然酸化膜を除去する酸化膜除去工程を有し、
前記酸化膜除去工程は、前記自然酸化膜の有無を検知しながら行い、自然酸化膜が完全に除去された時点で前記反応室内への前記還元性ガスの供給を停止することを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のシリコンウェーハの製造方法において、
前記自然酸化膜の有無は、前記還元性ガス中における酸素又は硼素の濃度を測定し、該濃度の変化に基づき検知することを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載のシリコンウェーハの製造方法において、
前記酸化膜除去工程前に、処理するシリコンウェーハをフッ酸洗浄し、さらにオゾン添加超純水で洗浄することを特徴とするシリコンウェーハの製造方法。
【請求項４】
反応室内にシリコンウェーハを設置して該シリコンウェーハを雰囲気ガス中で熱処理する熱処理装置であって、
前記熱処理よりも低い温度でかつ還元性ガス中で熱処理してウェーハ表面の自然酸化膜を除去する酸化膜除去機構を備え、
前記酸化膜除去機構は、前記自然酸化膜の有無を検知する酸化膜検知機構を備えていることを特徴とするシリコンウェーハの熱処理装置。
【請求項５】
請求項４に記載のシリコンウェーハの熱処理装置において、前記酸化膜検知機構は、前記雰囲気ガス中の酸素又は硼素の濃度を測定する濃度センサであることを特徴とするシリコンウェーハの熱処理装置。
【請求項６】
請求項５に記載のシリコンウェーハの熱処理装置において、前記濃度センサは、前記反応室内又は該反応室から雰囲気ガスを外部に排出する排出管内に接続された質量分析計であることを特徴とするシリコンウェーハの熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコンウェーハ表面の高温熱処理工程を有するシリコンウェーハの製造方法及びこれに用いる熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通常、保管時又は次工程までの間に、シリコンウェーハの表面には自然酸化膜が形成される。この自然酸化膜には、例えばクリーンルームにおけるフィルタ（グラスウール等）から飛散したボロン（硼素（Ｂ））や洗浄時の純水中に含まれていたボロンが取り込まれている。この自然酸化膜は、デバイスプロセス等における熱処理時に蒸発して除去されるが、同時に含まれていたボロンがシリコンウェーハの表面から内部にドープされ、表面抵抗が下がってしまう場合があった。この表面抵抗の低下は、表面に作製する素子や回路の設計に大きな影響を与えるため好ましくない。このため、従来は、下記特許文献１に示すように、上記熱処理直前にフッ酸（ＨＦ）洗浄を施して自然酸化膜を除去する工程を設けていた。また、デバイスプロセスにおける熱処理前に、比較的低温で水素アニール処理を施してウェーハ表面から自然酸化膜を除去する工程を導入している。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１００６３４号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記熱処理技術では、以下のような課題が残されている。すなわち、上記熱処理前のフッ酸洗浄を必要以上に行うと、シリコンウェーハ表面に付着するパーティクルが増加する場合があった。また、水素アニール工程を導入して自然酸化膜を除去する場合、必要以上に水素アニールを行うと、ウェーハ表面から必要なドーパントが飛んでしまい逆に表面抵抗が上がってしまう場合もあった。これらのフッ酸洗浄や水素アニールを適度に行うには、サンプリングや経験則によらなければならず、実際のウェーハに適した処理を高精度に行うことが困難であった。
【０００５】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、自然酸化膜からのボロン汚染を防ぐと共に表面抵抗の変化を防ぎ、さらにはパーティクル増加を抑えることができるシリコンウェーハの製造方法及び熱処理装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明のシリコンウェーハの製造方法は、反応室内にシリコンウェーハを設置して該シリコンウェーハを雰囲気ガス中で熱処理する熱処理工程を有するシリコンウェーハの製造方法であって、前記熱処理工程前に該熱処理よりも低い温度でかつ還元性ガス中で熱処理してウェーハ表面の自然酸化膜を除去する酸化膜除去工程を有し、前記酸化膜除去工程は、前記自然酸化膜の有無を検知しながら行い、自然酸化膜が完全に除去された時点で前記反応室内への前記還元性ガスの供給を停止することを特徴とする。
【０００７】
このシリコンウェーハの製造方法では、酸化膜除去工程において、自然酸化膜の有無を検知しながら行い、自然酸化膜が完全に除去された時点で反応室内への還元性ガスの供給を停止するので、自然酸化膜からのボロン汚染を防ぐと共に還元性ガス中で必要以上に熱処理を行うことがなく、表面のドーパント濃度の低下を防ぐことができる。
【０００８】
また、本発明のシリコンウェーハの製造方法は、前記自然酸化膜の有無を、前記還元性ガス中における酸素又は硼素の濃度を測定し、該濃度の変化に基づき検知する技術が採用される。すなわち、このシリコンウェーハの製造方法では、還元性ガスにより自然酸化膜が除去される際に、自然酸化膜に含まれていた酸素又は硼素によって還元性ガス中のこれらの濃度が増加し、自然酸化膜が完全に除去されるとこれらの濃度が減少する現象を利用するので、自然酸化膜の完全除去を正確に検知することができる。例えば、酸素又は硼素の濃度が１０ｐｐｍ以下に減少した時点や濃度の減少が止まった時点で自然酸化膜が完全に除去されたと判断し、還元性ガスの供給を停止すれば、必要以上に還元性ガス中でアニールすることなく、自然酸化膜を除去することができる。
【０００９】
また、本発明のシリコンウェーハの製造方法は、前記酸化膜除去工程前に、処理するシリコンウェーハをフッ酸洗浄し、さらにオゾン添加超純水で洗浄することが好ましい。すなわち、このシリコンウェーハの製造方法では、酸化膜除去工程前に、処理するシリコンウェーハをフッ酸洗浄することにより、熱処理前に予め自然酸化膜をほとんど除去しておくことができ、ドライ処理による酸化膜除去工程を大幅に短縮することができる。なお、フッ酸洗浄により完全に自然酸化膜を除去しても、次工程までの間に表面には極薄く自然酸化膜が形成されてしまうため、上記酸化膜除去工程が必要である。また、さらにオゾン添加超純水で洗浄することにより、パーティクルの増加を防ぐことができる。
【００１０】
本発明のシリコンウェーハの熱処理装置は、反応室内にシリコンウェーハを設置して該シリコンウェーハを雰囲気ガス中で熱処理する熱処理装置であって、前記熱処理よりも低い温度でかつ還元性ガス中で熱処理してウェーハ表面の自然酸化膜を除去する酸化膜除去機構を備え、前記酸化膜除去機構は、前記自然酸化膜の有無を検知する酸化膜検知機構を備えていることを特徴とする。
【００１１】
すなわち、このシリコンウェーハの熱処理装置では、酸化膜除去機構が、自然酸化膜の有無を検知する酸化膜検知機構を備えているので、自然酸化膜が完全に除去されたことを処理中に検知でき、この時点で還元性ガスの供給を停止すれば、還元性ガスによるアニールが必要以上に長くなることがなく、表面のドーパント濃度の低下を防ぐことができる。
【００１２】
また、本発明のシリコンウェーハの熱処理装置は、前記酸化膜検知機構が、前記雰囲気ガス中の酸素又は硼素の濃度を測定する濃度センサである技術が採用される。すなわち、このシリコンウェーハの熱処理装置では、酸化膜検知機構が、雰囲気ガス中の酸素又は硼素の濃度を測定する濃度センサであるので、還元性ガスにより自然酸化膜が除去される際に、還元性ガス中で変化する酸素又は硼素の濃度から、自然酸化膜が完全に除去された時点を正確に検知することができる。
【００１３】
また、本発明のシリコンウェーハの熱処理装置は、前記濃度センサが、前記反応室内又は該反応室から雰囲気ガスを外部に排出する排出管内に接続された質量分析計である技術が採用される。すなわち、このシリコンウェーハの熱処理装置では、濃度センサが、反応室内又は該反応室から雰囲気ガスを外部に排出する排出管内に接続された質量分析計であるので、雰囲気ガス中の酸素又は硼素の濃度を高精度に測定することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るシリコンウェーハの製造方法及び熱処理装置の一実施形態を、図１を参照しながら説明する。
【００１５】
図１は、シリコンウェーハＷを複数枚処理可能なバッチ式の縦型熱処理炉（熱処理装置）を示すものである。この熱処理炉は、シリコンウェーハＷを複数枚載置可能でシリコンで形成されたシリコンボート１と、シリコンボート１を下方から内部に挿入可能な円筒状の石英反応管２と、該石英反応管２の周囲を覆うように配置され石英反応管２内のシリコンウェーハＷを加熱するヒータ３と、石英反応管２内に供給管４ａを介して接続されてアルゴンガス等の不活性ガス又は水素ガス等の還元性ガスの雰囲気ガスＧを任意に供給するガス供給源４と、シリコンボート１を支持しシリコン単結晶で形成されたバッファ部材５と、該バッファ部材５を上下動させてシリコンボート１と共に石英反応管２に挿入及び石英反応管２下方に抜き出すエレベータ機構６とを備えている。
【００１６】
上記石英反応管２は、その下部に内部の雰囲気ガスＧを外部に排出する排出管２ａが接続されている。
また、この熱処理炉は、上記排出管２ａ内に接続された濃度センサ（酸化膜検知機構）７を備えている。該濃度センサ７は、排気管２ａから排出される雰囲気ガスＧ中の酸素又はボロン（硼素）の濃度を常時測定する大気圧質量分析計である。
【００１７】
さらに、この熱処理炉は、濃度センサ７、ガス供給源４及びヒータ３に電気的に接続された制御部Ｃを備えている。該制御部Ｃは、濃度センサ７からの濃度情報の信号に基づいて、上記ガス供給源４からの雰囲気ガスＧの種類及び供給量を制御すると共に、ヒータ３による加熱量を制御する機能を有する。すなわち、制御部Ｃは、濃度センサ７で計測した上記濃度の変化に基づいて、自然酸化膜が完全に除去された時点を判断し、ガス供給源４の還元性ガスの供給を停止させると共に、ヒータ３による加熱量を上げて石英反応管２内を所定の温度まで上げるように制御を行う。
【００１８】
上記熱処理炉を用いてシリコンウェーハＷを雰囲気ガスＧ中で熱処理する方法について、以下に説明する。
【００１９】
〔ウェット処理による酸化膜除去〕
まず、熱処理を施す前に、シリコンウェーハＷの表面に形成された自然酸化膜をウェット処理で除去する。すなわち、シリコンウェーハＷをフッ酸洗浄して自然酸化膜を除去し、さらにオゾン添加超純水により洗浄することにより、表面へのフッ酸洗浄によるパーティクルの付着を防ぐ。
【００２０】
〔ドライ処理による酸化膜除去〕
次に、上記洗浄処理したシリコンウェーハＷをシリコンボート１に載置し、これをエレベータ機構６により上昇させて石英反応管２内に挿入し配置する。そして、ガス供給源４からアルゴンガス等の不活性ガスである雰囲気ガスＧを供給管４ａを介して石英反応管２へと供給すると共に、ヒータ３により石英反応管２内の温度を７００〜８００℃までの所定の温度まで加熱する。
【００２１】
また、濃度センサ７により供給管４ａ内の雰囲気ガスＧ中の酸素又はボロンの濃度を測定し、制御部Ｃにそのデータを逐次送信する。
石英反応管２内の温度が所定の温度になった時点で、ガス供給源４からの雰囲気ガスＧ中に微量（例えば、４％以下）の水素ガス（還元性ガス）を導入し、石英反応管２内に供給する。このとき、上記洗浄処理後に極薄く表面に形成された自然酸化膜が水素ガスにより除去されると共に、自然酸化膜中の酸素及びボロンが雰囲気ガスＧ中に蒸発する。これに伴い、濃度センサ７により、自然酸化膜が漸次除去される間は、雰囲気ガスＧ中の酸素又はボロンの濃度が上昇する。
【００２２】
自然酸化膜が完全に除去されると、雰囲気ガスＧ中の酸素又はボロンの濃度が急激に減少し、その後、濃度の減少が止まる。このとき、制御部Ｃは、濃度センサ７からの信号から酸素又は硼素の濃度が１０ｐｐｍ以下に減少した時点又は濃度の減少が止まった時点で自然酸化膜が完全に除去されたと判断し、ガス供給源４の水素ガスの供給を停止させる。すなわち、濃度センサ７、ガス供給源４、ヒータ３及び制御部Ｃは、所望の本熱処理よりも低い温度でかつ還元性ガス中で熱処理してウェーハＷ表面の自然酸化膜を除去する酸化膜除去機構として機能する。
【００２３】
〔本熱処理工程〕
次に、上記水素アニールよる自然酸化膜の除去工程後に、ヒータ３による加熱量を上げて石英反応管２内を所定の昇温速度で所定の温度（例えば、１１００℃）まで上げるように制御を行う。
そして、所定の温度まで昇温した後、ガス供給源４からの雰囲気ガスＧを所定のガス及び供給量に切り換えて、所定の時間（例えば、１時間）で所望の本熱処理をシリコンウェーハＷに施す。
【００２４】
このように、本実施形態では、酸化膜除去工程において、自然酸化膜の有無を濃度センサ７で検知しながら行い、自然酸化膜が完全に除去された時点で石英反応室２内への水素ガスの供給を停止するので、自然酸化膜からのボロン汚染を防ぐと共に還元性ガス中で必要以上に熱処理を行うことがなく、表面のドーパント濃度の低下を防ぐことができる。
【００２５】
また、酸化膜除去工程前に、処理するシリコンウェーハＷをフッ酸洗浄することにより、熱処理前に予め自然酸化膜をほとんど除去しておくことができ、ドライ処理による酸化膜除去工程を大幅に短縮することができる。また、さらにオゾン添加超純水で洗浄することにより、パーティクルの増加を防ぐことができる。
【００２６】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
【００２７】
例えば、上記実施形態では、雰囲気ガス中の酸素又はボロンの濃度を計測する濃度センサを使用したが、ボロンが添加されているＰ型基板を熱処理する場合は、熱処理時に基板からボロンが出るため、酸素の濃度を計測するセンサの方がよい。
また、上実施形態では、バッチ式の縦型熱処理炉に適用したが、他の熱処理装置に適用しても構わない。例えば、枚葉式の熱処理装置や加熱状態で成膜を行うＣＶＤ装置やその他の成膜装置等に適用してもよい。特に、ゲート酸化膜成膜用の装置に適用することにより、表面抵抗の変化を抑制してＭＯＳＦＥＴの所望の特性を高精度に得ることができる。
【００２８】
また、上記実施形態では、質量分析計の濃度センサ７を用いて雰囲気ガスＧ中の酸素又はボロンの濃度を常時測定したが、ドライ処理中におけるシリコンウェーハＷ表面の自然酸化膜の有無を検知可能な機構ならば、他のセンサや機構を採用しても構わない。例えば、光学的にウェーハ表面の薄膜（自然酸化膜）の厚さを測定可能なエリプソメータ等を装備してもよい。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
本発明のシリコンウェーハの製造方法によれば、酸化膜除去工程において、自然酸化膜の有無を検知しながら行い、自然酸化膜が完全に除去された時点で反応室内への還元性ガスの供給を停止するので、自然酸化膜からのボロン汚染を防ぐと共に還元性ガス中で必要以上に熱処理を行うことがなく、表面のドーパント濃度の低下を防ぐことができる。したがって、ウェーハ表面の抵抗を維持することができ、作製する素子や回路の設計への影響を防ぐことができる。
【００３０】
本発明のシリコンウェーハの熱処理装置によれば、酸化膜検知機構が、雰囲気ガス中の酸素又は硼素の濃度を測定する濃度センサであるので、還元性ガスにより自然酸化膜が除去される際に、還元性ガス中で変化する酸素又は硼素の濃度から、自然酸化膜が完全に除去された時点を正確に検知することができ、実際のウェーハに対応した処理が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るシリコンウェーハの製造方法及び熱処理装置の一実施形態におけるバッチ式の熱処理炉を示す概略的な全体断面図である。
【符号の説明】
１  サセプタ
２  石英反応管（反応室）
２ａ  排出管
３  ヒータ
４  ガス供給源
４ａ  供給管
５  バッファ部材
７  濃度センサ
Ｃ  制御部
Ｇ  雰囲気ガス
Ｗ  シリコンウェーハ
【図１】
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