(57)【要約】【課題】  反応管内の高効率な金属汚染の低減を容易にする熱処理炉の空焼き方法を提供する。【解決手段】  熱処理炉の反応管あるいは熱処理用部材の空焼きは、熱処理炉の反応管内に所定ガスを供給し、この所定ガスの反応管内でのガス圧力Ｐを大気圧より陽圧状態にして時間的に変動させ、上記反応管の加熱温度Ｔを例えば室温Ｔ０から所要温度Ｔ１に昇温し一定に保持して行われる。ここで、大気圧をＰ０とし、基準陽圧をＰ１として、ガス圧力Ｐは、Ｐ＝Ｐ１＋α（ｔ）を満たすように周期的に変動させるとよい。このα（ｔ）は基準陽圧Ｐ１を中心圧として、圧力変動幅α０、変動周期β０で周期的に変化する圧力変動因子である。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱処理炉の反応管内の空焼き方法であって、
前記反応管内に所定ガスを供給し、
前記反応管内における前記所定ガスのガス圧力を大気圧より陽圧にして時間的に変動させ、
前記反応管を所定の温度に加熱して前記反応管内を空焼きすることを特徴とする熱処理炉の空焼き方法。
【請求項２】
前記ガス圧力の変動は周期的であることを特徴とする請求項１に記載の熱処理炉の空焼き方法。
【請求項３】
前記反応管内のガス圧力と前記大気圧との差圧は１０〜２００Ｐａの範囲であることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱処理炉の空焼き方法。
【請求項４】
前記ガス圧力の変動幅は前記差圧の２／１５倍以下であり、前記ガス圧力の変動は１回／秒以上であることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の熱処理炉の空焼き方法。
【請求項５】
前記ガス圧力の変動は３０分以上の時間にわたり付与することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の熱処理炉の空焼き方法。
【請求項６】
前記所定ガスは不活性ガスであり、前記加熱の温度は１２００〜１３５０℃の範囲にあり、１時間以上の時間にわたり前記反応管内を空焼きすることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の熱処理炉の空焼き方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェーハの熱処理工程に使用される反応管の内部の空焼き方法に係り、従来に比べ金属汚染等の高効率の低減を容易にする熱処理炉の空焼き方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えばシリコンウェーハのような半導体ウェーハを基板に用いた半導体デバイスの製造、あるいは上記半導体ウェーハの製造にあっては、半導体ウェーハの熱アニール、酸化、拡散、ＣＶＤ（化学気相成長）の成膜等のために熱処理炉が使用される。これ等の熱処理炉では、ウェーハが投入される石英製あるいはＳｉＣ製の炉芯管や反応管等の熱処理容器（以下、反応管という）の交換、ウェーハの搭載用ボートのような熱処理用部材の交換、汚染ウェーハの投入等において、反応管内でのＦｅ、Ｃｕ、Ｎｉ等の金属汚染のレベルあるいはパーティクル汚染レベルが悪化する。
【０００３】
従来、この反応管内の汚染レベルを低減するために、例えばＨＦ、ＨＮＯ３系の薬液又はＨ２Ｏ２／ＮＨ４ＯＨの混合薬液を用いて反応管内壁の洗浄あるいは表層のエッチング除去等の処理をした後、あるいは上記処理を行わないで直接、Ｎ２、Ｈ２、Ａｒ、Ｏ２等のガスを流しながら反応管内を高温で空焼き（ウェーハ投入のない熱処理）する方法が一般的に用いられてきた。ここで、Ｈ２およびＯ２等のガスを使用する際には、不活性ガスによる希釈がなされる場合がある。また、ウェーハを熱処理する際に使用するプロセスガスと同じ種類のクリーニングガスを用いて空焼きする方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
上述したような空焼き方法は簡便であることから、半導体デバイス製造あるいは半導体ウェーハ製造において従来から広く使用されているが、最近の半導体ウェーハ製造あるいは半導体デバイス製造において要求される汚染レベルの許容値が低下し、これ等の従来の方法では、上記要求に対応できない場合が生じるようになってきている。
【０００５】
また、例えばパーティクル発生源となる反応管内壁の付着物の除去、あるいは金属の汚染レベルを効果的に低減させる他の方法として、塩素やフッ素等のハロゲンあるいはハロゲン化合物をクリーニングガスとして使用する方法がある（例えば、特許文献２参照）。この例えばＨＣｌ（塩酸）をクリーニングガスとした空焼き方法は金属汚染を低減するのに極めて効果的である。しかし、この場合には、塩素、フッ素あるいはその化合物を含むハロゲン系ガスは反応性が高く、しかも毒性を有する場合があることから、これ等の排ガス処理として特殊な排気設備あるいはセンサ等の付帯設備が必須になる。また、塩素やフッ素等のハロゲンを含むガスは熱処理炉の配管内に水分があると配管腐食を生じさせることから、熱処理炉におけるメンテナンス作業のための負荷が増大する。
【０００６】
そして、熱処理炉の空焼きを効率的に行う方法として、酸化性雰囲気での熱処理を一定時間行った後、非酸化性雰囲気での熱処理を一定時間行う方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。しかし、この方法ではＦｅの除去効果はあるものの、Ｃｕの除去効果は小さく、金属汚染の低減効果は上記ハロゲンを含むクリーニングガス雰囲気での空焼き方法には及ばない。
【特許文献１】特開平５−１４４８０２号公報
【特許文献２】特開平１０−１５６１７２号公報
【特許文献３】特開２００２−２５９２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上述したように近年のウェーハに要求される特に金属汚染の許容レベルはますます厳しくなっているが、上記のような従来の空焼き方法では、金属汚染レベルが充分に低減できなかったり、空焼きにかかる時間が長すぎ生産のスループットに影響を及ぼしたりする他に、特殊な付帯設備の設置などによりコストアップが避けられない等の問題があった。
【０００８】
また、最近の半導体素子の微細化による半導体デバイスの高集積化あるいは高性能化に伴い、例えばウェーハ中の格子空孔や酸素析出に関係した結晶欠陥のない高品質な半導体ウェーハを安定的に製造することが強く求められている。このため、半導体ウェーハ製造の熱処理プロセスにおいて従来では必要とされなかった、例えば高温の水素アニール、Ａｒアニール、あるいは酸化処理が必要となっている。更に、例えばパワートランジスタ、サイリスタ等の高耐圧素子あるいは大電力素子を搭載する半導体デバイスに使用される半導体ウェーハの製造では、数百μｍの深い高濃度不純物層を形成するための極めて高温および長時間の熱拡散が必要になっている。
【０００９】
そして、このような半導体ウェーハ製造の熱処理プロセスにおいて、半導体ウェーハの金属汚染を上述した許容レベル以下にするために、金属汚染の高効率の低減を容易にする熱処理炉の空焼き方法が強く望まれている。
【００１０】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、特別な付帯設備も必要とせずに、反応管内の高効率な金属汚染の低減を容易にする熱処理炉の空焼き方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願発明者は、主にシリコンウェーハの製造に使用される熱処理炉の反応管および熱処理用部材の金属汚染を低減させる空焼き方法について検討を行ってきた。そして、従来の空焼き方法はクリーニングガス等の雰囲気ガスを主に最適化し汚染の低減を図るものであるが、その雰囲気ガスに対し時間的な圧力変動を付与することによっても、反応管内の金属汚染を高効率に低減できることが判明した。本願発明はこの新知見に基づいてなされたものである。
すなわち、上記目的を達成するために、本発明にかかる熱処理炉の空焼き方法は、熱処理炉の反応管内の空焼き方法であって、前記反応管内に所定ガスを供給し、前記反応管内における前記所定ガスのガス圧力を大気圧より陽圧にして時間的に変動させ、前記反応管を所定の温度に加熱して前記反応管内を空焼きする、構成になっている。ここで、前記ガス圧力の時間的な変動は周期的であることが好ましい。
【００１２】
上記発明の好適な態様では、前記反応管内のガス圧力と前記大気圧との差圧は１０〜２００Ｐａの範囲である。そして、前記ガス圧力の変動幅は前記差圧の２／１５倍以下であり、前記ガス圧力の変動は１回／秒以上である。前記ガス圧力の変動は３０分以上の時間にわたり付与する。そして、前記所定ガスは不活性ガスであり、前記加熱の温度は１２００〜１３５０℃の範囲にあり、１時間以上の時間にわたり前記反応管内を空焼きする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の構成により、特別な付帯設備も必要とせずに、反応管内の高効率な金属汚染の低減を容易にする熱処理炉の空焼き方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。本発明に好適に使用される熱処理炉は、例えば抵抗加熱方式の熱処理炉で一度に多数枚のウェーハを処理することのできるバッチ式の炉であって、一般的に横型炉および縦型炉がある。このような熱処理炉では、上述したように熱処理されるウェーハが投入される反応管を有している。図１は熱処理炉の空焼きにおいて、上記反応管内の加熱温度Ｔと反応管内のガス圧力Ｐの時間変化を模式的に示したグラフである。
【００１５】
本発明の実施形態にかかる熱処理炉の空焼き方法は、熱処理炉の反応管内に所定ガスを供給し、この所定ガスの反応管内でのガス圧力Ｐを大気圧より陽圧状態にして時間的に変動させ、上記反応管を所定の温度に加熱して空焼きを行うことを主な特徴としている。ここで、大気圧は、熱処理炉が設置されている場所における大気の圧力である。
【００１６】
図１に示すように、熱処理炉の反応管内のガス圧力Ｐは、空焼き時間ｔに対して周期的に変動する。例えば、大気圧をＰ０（約１．０１×１０５Ｐａ（７６０Ｔｏｒｒ））とし、基準陽圧をＰ１として、ガス圧力Ｐは（１）式を満たすように周期的に変動する。
【００１７】
Ｐ＝Ｐ１＋α（ｔ）・・・（１）
ここで、α（ｔ）は基準陽圧Ｐ１を中心圧として、図１に示すような圧力変動幅α０、変動周期β０で周期的に変化する圧力変動因子である。
【００１８】
（１）式において、基準陽圧Ｐ１は、１０Ｐａ≦Ｐ１≦２００Ｐａを満たすようにすることが好ましい。ここで、Ｐ１が１０Ｐａ未満になると、空焼きにおける金属除去による汚染低減の効果が小さくなり、逆にＰ１が２００Ｐａを超えてくると、反応管内の圧力上昇に対する熱処理炉の安全性確保のための特別設備が必要になってくる。
【００１９】
また、上記圧力変動幅α０は２／１５×Ｐ１以下であり、変動周期β０は１秒以下であると好適である。このような微小な圧力変動を反応管の壁面に付加することにより、例えば石英製あるいはＳｉＣ製の反応管の内壁面のＦｅ、Ｃｕ、Ｎｉ等の金属汚染物がガス中に高効率に脱着するようになる。これは、ガスが反応管内で粘性流であるためにその内壁面の表層でガス流が停滞するようになる境界層において、上記ガスが上記周期的な圧力変動により高効率に攪拌され、この境界層に含まれる金属汚染物の濃度が低減するようになるからである。そして、この汚染物は反応管を流れるガスに運ばれて反応管外に排出される。この空焼きにおけるガス圧変動は、反応管内に載置した例えばボート、保温筒等の他の熱処理用部材に対しても同じ効果を奏する。このようなガス圧変動の効果は３０分以上の時間にわたり付与することで顕著に現れてくる。
【００２０】
上記空焼きにおいては、図１に示したように所要温度Ｔ１に反応管を加熱する。ここで、図中のＴ０は例えば室温である。上記反応管あるいは熱処理用部材を所定の空焼き時間の間この所要温度Ｔ１に加熱することにより、反応管あるいは熱処理用部材の内部に含まれる汚染金属が空焼き時間と共に外方拡散して、その内壁面あるいは表面に出てくる。そして、この固体表面に現れた汚染金属は、上述したように境界層に含まれる金属汚染物の濃度が低減するためにガス中に放出され易く、上記固体表面における汚染金属の濃度が容易に低下する。また、この固体表面における汚染金属の濃度低減により、上記固体内での外方拡散が促進されるようになる。このようにして、反応管内あるいは熱処理用部材内の汚染金属は高効率にガス中に放出され反応管外に排出される。
【００２１】
上記表面上に現れた汚染金属のガス中への放出形態はガス種によって異なってくる。例えば所定ガスがＡｒ等の不活性ガスの場合には、上記汚染金属は単体で表面から離脱する。他方、所定ガスがハロゲンを含む反応性ガスの場合には、上記汚染金属の一部はこの反応性ガスとの化合物になって表面から離脱するようになる。
【００２２】
具体的には、抵抗加熱方式の常圧の横型炉あるいは縦型炉において、ガス排気側に取り付けられている圧力調整バルブの開閉の度合いを時間的に変化させることにより、反応管内のガス圧力に図１で説明したような変動を付与することができる。あるいは、反応管へのガス導入側に取り付けられるＰＣＶ（圧力制御バルブ）の作動によっても同様な圧力変動を与えることができる。
【００２３】
そして、反応管等の加熱では、はじめ室温Ｔ０において上記炉に反応管を装着した後、反応管に所定ガスを導入し、上記抵抗加熱ヒータの作動により反応管を設定の所要温度Ｔ１に昇温し、上記圧力変動を付与する。そして、所定時間の空焼き後は、圧力変動を停止し所定ガスを流したままで反応管の温度を室温に降温する。あるいは、そのまま上記半導体デバイス製造あるいは半導体ウェーハ製造の熱処理プロセスの温度にして、引き続いて半導体ウェーハの熱処理を行う。
【００２４】
上記所定ガスに関しては、例えば不活性ガスを用いることができる。そして、この不活性ガスであれば極めて安全であり、部品の汚染等を引き起こすこともない。不活性ガスとしては、Ｎ２、Ａｒ、Ｈｅ、Ｘｅ等が挙げられるが、Ａｒはウェーハの製造工程等で従来一般的に使用されており入手し易く、コストも低く抑えることができるので特に好適である。なお、不活性ガスとして窒素を使用する場合、所要温度が１１００℃以上に高くなると石英製あるいはＳｉＣ製の反応管あるいは熱処理用部材が局所的に窒化され、さらにそれがエッチングされてパーティクルの発生要因になる場合もあるので、ＡｒやＨｅ等の希ガスを用いる方が好ましい。
【００２５】
そして、その他に、所定ガスとしては従来技術で説明したところのＨ２、Ｏ２等のガス、あるいはハロゲン含有のガス等を使用することもできる。
【００２６】
空焼きの温度に関しては、所定ガスの種類により所要温度が決められる。例えば、Ａｒ等の希ガスを所定ガスとする場合には、所要温度Ｔ１は９００〜１３５０℃の範囲で設定することができる。特に１２００〜１３５０℃が好適である。ここで、上記高温であると、反応管および熱処理部材の内部に含まれる金属の外方拡散が顕著になり、これ等の部材内部の汚染金属を容易に除去できるようになる。なお、所定温度Ｔ１は時間的に変動しても構わない。そして、所定温度Ｔ１が例えば１２５０℃以上に高くなる場合には、反応管および熱処理用部材は熱変形に強いＳｉＣ製となる。
【００２７】
そして、所定ガスがＨ２およびＮ２、Ｏ２のような場合には、所定温度Ｔ１は安全性および部材等との反応性を考慮して適宜に決められる。例えば、熱処理炉の反応管やボートの母材であるＳｉＣ、ＣＶＤ−ＳｉＣ、石英、Ｓｉ等は、水素によってエッチングされ、酸素によって酸化され、窒素のよって窒化されるので、これ等を考慮して決めるのが好ましい。
【００２８】
また、所定ガスがハロゲン含有の高い反応性を有する場合には、そのガスの種類にもよるが１０００℃以下の好ましくは２００〜８５０℃の範囲内で空焼きを行う。この範囲内の温度で空焼きを行えば、反応管の内壁面あるいは熱処理用部材の表面の異物のエッチングによるクリーニング効果もあり金属汚染を効果的に除去することができる。この場合には、これ等の部材内部に含まれる金属の上記温度での外方拡散に時間を要することから、不活性ガス使用と１２００℃以上の高温設定による空焼きとの組み合わせが有効になる。あるいは、ＮＦ３のような安定したハロゲン含有ガスを使用し、１２００℃以上の空焼き温度にして空焼きを行ってもよい。
【００２９】
空焼き時間ｔは、所定ガスの種類、空焼き温度等を考慮して適宜設定すればよい。例えば、Ａｒのような希ガスでは、１２００℃で１時間であれば金属汚染を効果的に低減することができる。なお、空焼きする時間が短すぎると金属汚染の低減効果が充分に得られない場合があり、一方、空焼き時間が長すぎると上記反応管やボートがエッチングされて逆に汚染される恐れがあるので、これ等の点も考慮する必要がある。
【００３０】
上記所定ガスの圧力変動にはその他に種々の形態がある。図２は図１で示したガス圧変動の変形例を示した変動波形である。例えば、図２（ａ）では、基準陽圧Ｐ１を上限にしてそれより小さくなるようにパルス状に周期的に変動する場合である。図２（ｂ）は、逆に基準陽圧Ｐ１を下限にしてそれより大きくなるようにパルス状に周期的に変動する場合である。そして、図２（ｃ）は、基準陽圧Ｐ１を基準にして、それより大きい圧力、それより小さい圧力および基準陽圧Ｐ１の３レベルの圧力間で周期的に変動する場合である。
【００３１】
図１および図２に示したガス圧変動は周期的な変動であるが、非周期的なガス圧変動になっても構わない。また、図１および図２（ｃ）において、基準陽圧Ｐ１からの圧力変動値は大きな圧力と小さな圧力で異なるようになっていてもよい。また、ガス圧変動は、例えば正弦波形、方形波形、三角波形のようなものであってもよい。そして、この所定ガスの圧力変動は、反応管が所定温度Ｔ１にない状態、すなわち所定温度Ｔ１への昇温時の間あるいは所定温度Ｔ１から室温Ｔ０への降温時の間に付与されてもよい。
【００３２】
本実施形態では、熱処理炉の空焼き方法において、熱処理炉の反応管内を流れる所定ガスに圧力変動を付与する。この周期的あるいは非周期的なガス圧変動により、反応管内の反応管を含めた熱処理用部材表面のガス流が停滞する境界層において、ガス攪拌がなされ新たなガスが供給されて汚染金属が低減する。そして、これ等の固体表面における汚染金属の濃度が低下し易くなり、この固体表面における汚染金属の濃度低減により、固体内での汚染金属の外方拡散が促進されるようになる。このようにして、熱処理炉内の金属汚染が高効率に除去できるようになる。この空焼きの方法は、格別な付帯設備を必要とせず極めて簡便に反応管、反応管内に載置される熱処理用部材の金属汚染を低減することができる。
【実施例】
【００３３】
次に、実施例により本発明の効果について具体的に説明する。ここで、熱処理炉の空焼きでは、Ｆｅ汚染量が同等になった新しい石英チューブを２本用意した。そして、一方の石英チューブに対して従来のガス圧力変動を付与しない方法により空焼きを行い比較例とした。また、他方の石英チューブに対して図１で説明したようなガス圧力変動を付与した空焼き方法を適用し実施例とした。そして、これ等の空焼き効果の評価としては、それぞれの空焼き前後の石英チューブ内に評価用シリコンウェーハを挿入し、Ａｒガス雰囲気中で１２００℃、１時間の熱処理を施し、この熱処理後の評価用シリコンウェーハ中のＦｅ濃度をＳＰＶ（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｈｏｔｏ  Ｖｏｌｔａｇｅ）法で測定する方法を採った。
【００３４】
（実施例）
図１で説明したガス圧変動において、所定ガスはＡｒであり、石英チューブ内のＡｒガスの基準陽圧Ｐ１を１５０Ｐａとした。そして、圧力変動のデューティサイクル５０％において、圧力変動幅α０は１０Ｐａとし変動周期β０は１秒とした。
【００３５】
（比較例）
図３に示すように、従来の熱処理炉であって石英チューブにＡｒガスを導入し、石英チューブ内のＡｒガスの基準陽圧Ｐ１を１５０Ｐａと一定に設定した。その他の加熱温度等は、図３に示したように実施例の場合と同じである。
【００３６】
（評価）
上記実施例および比較例における石英チューブの空焼き前後での評価用シリコンウェーハ中のＦｅ汚染濃度について図４および図５に示している。図４に示されるように、実施例では、空焼き前のＦｅ汚染濃度が２．７×１０１２原子／ｃｍ３であったものが、空焼き後のＦｅ汚染濃度は７．５×１０１１原子／ｃｍ３と略１／４程度に大きく低減している。これに対して、比較例では、空焼き前のＦｅ汚染濃度が２．０×１０１２原子／ｃｍ３であったものが、空焼き後のＦｅ汚染濃度は約１．４×１０１２原子／ｃｍ３に低減するが、空焼き前の略０．７倍程度とそれ程の大きな低減になっていない。このように実施例では、石英チューブの空焼きによる金属汚染の除去は、従来技術の比較例に較べて高効率になる。
【００３７】
上記実施例および比較例では、空焼きの所要温度Ｔ１が１２００℃、空焼き時間ｔが１時間であるが、ここで、空焼き時間ｔを長くしていくと、反応管あるいは熱処理用部材内部の汚染金属が外方拡散して内壁面、表面に出てくることから、金属汚染の除去は更に増大することになる。以上のことから、本実施形態で説明したように、所定ガスに対して圧力変動を付与する空焼き方法は金属汚染を高効率に除去することが確認された。
【００３８】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものでない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態にかかる熱処理炉の空焼きにおける反応管内の加熱温度とガス圧力の時間変化を模式的に示したグラフである。
【図２】本発明の実施形態にかかるガス圧変動の変形例を示した変動波形である。
【図３】従来技術にかかる熱処理炉の空焼きにおける反応管内の加熱温度とガス圧力の時間変化を模式的に示したグラフである。
【図４】本発明の実施例における石英チューブの空焼き前後での評価用シリコンウェーハ中のＦｅ汚染濃度を示したグラフである。
【図５】従来技術における石英チューブの空焼き前後での評価用シリコンウェーハ中のＦｅ汚染濃度を示したグラフである。
【符号の説明】
【００４０】
Ｐ０  大気圧
Ｐ１  基準陽圧
Ｔ０  室温
Ｔ１  所要温度
α０  圧力変動幅
β０  変動周期
【図１】
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【図２】
2009130079.tif 000004
【図３】
2009130079.tif 000005
【図４】
2009130079.tif 000006
【図５】
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