JP7545940B2

JP7545940B2 - 半導体熱処理部材及びその製造方法

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Publication number: JP7545940B2
Application number: JP2021125049A
Authority: JP
Inventors: 明香冨樫; 伸之宗片; 健司鈴木
Original assignee: クアーズテック合同会社
Priority date: 2020-12-25
Filing date: 2021-07-30
Publication date: 2024-09-05
Anticipated expiration: 2041-07-30
Also published as: JP2022103029A

Description

本発明は、半導体熱処理部材に関し、例えばＲＴＰ装置（急速加熱処理装置）において好適に用いられ、半導体ウェーハを保持するリングに適用可能な半導体熱処理部材及びその製造方法に関する。

半導体の製造工程において、加熱処理装置を用いて半導体ウェーハを熱処理する技術としてＲＴＰ装置が用いられる。ＲＴＰ（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＰｒｏｃｅｓｓ）は、急速加熱処理を意味し、このＲＴＰ装置によって厚さ１０ｎｍ以下の超薄型シリコン酸化膜を作ることができる。

前記ＲＴＰ装置は、ランプ加熱を用いた熱処理技術であり、この技術の特徴は、ウェーハを急速に加熱（数十秒で約１０００℃）させると共に、等配列に配置された赤外線ランプをウェーハ表面温度からのフィードバックにより個々に制御する。それにより、ウェーハ表面温度の温度差を高精度に制御することが可能となる。

一般的なＲＴＰ装置は、光源ランプとしてタングステン・ハロゲンランプ等を用いる。
そして、ウェーハ保持リング上に載置・保持された半導体ウェーハに光源ランプのエネルギーを直接吸収させるものである。半導体ウェーハを処理する環境としてはＮ_２ガス等のクリーンなガス雰囲気が必要なため、処理室本体をハロゲン光の透過効率が良く熱的に安定した材料である石英からなる石英窓で密閉する構造としている。ウェーハは、光の照射バランスが良い処理室中央付近で、ウェーハ保持リング上に載置される。このＲＴＰ装置を用いる方式では、熱媒体を介さずにウェーハを加熱できることから、装置の熱応答を決定づける熱容量を最低限に抑えることが可能となる。その結果、瞬時加熱が実現できるため、ウェーハの構造を破壊する可能性が小さく、ウェーハのアニールに特に有効とされている。

このＲＴＰ装置において、ウェーハを載置するウェーハ保持リングは、一般に炭化珪素質セラミックスから形成されている。これは、炭化珪素質材料が高い耐熱性、熱伝導率を有することから、半導体ウェーハを均一に加熱でき、かつ破損し難いからである（特許文献１参照）。また、カーボン等の基材の表面にＣＶＤ法によって炭化珪素膜を施したものも多用されている（特許文献２参照）。

特に、ＲＴＰ装置のような短時間に大きな熱が印加される場合には、装置の熱応答を決定づける熱容量を最低限に抑えるために、ウェーハ保持リングの厚みを低減することが試みられている。
しかしながら、従来のウェーハ保持リングは、その厚みが薄いほど熱的特性が向上するが、ウェーハ保持リングを形成する炭化珪素質材料は、靱性が低いため、薄くすることで機械的強度が下がり、構造的及び熱的に破損をする可能性が高かった。

特に、熱伝達方向の肉厚を１．２ｍｍ以下とするためには、ダイヤモンド砥石や遊離砥粒等を用いた機械加工を行う必要があるが、ウェーハ保持リングの被加工面に微細な研磨傷（ツールマーク）が残るために、炭化珪素本来の強度に比べ大幅に強度が低下する。すなわち、被加工面の微細な研磨傷が起点となってウェーハ保持リングが破損することが多い。

また、ウェーハ保持リングを形成する炭化珪素質材料は、その純度を９９．５％以上、理論密度９７％以上の緻密質であり、純度が低く密度の低い炭化珪素質材料は、熱伝導率が低くなり、ＲＴＰ装置では製品全体の熱分布差が大きくなり、発生する熱応力が増加し、使用時に破壊に至る可能性がある。
また、ウェーハ保持リングの表面の算術平均粗さＲａが１．６μｍを越えると、肉厚１ｍｍ以下の場合、ハンドリングや搬送など物理的なダメージによる破損や熱収縮の繰り返しにより、ウェーハ保持リングが破損する可能性が非常に高い。

このような課題に対し特許文献３では、基材が炭化珪素質セラミックスからなり、表面に厚み０．０５μｍ以上５μｍ以下の酸化珪素膜を形成したウェーハ保持リングを開示している。このウェーハ保持リングにおいては、表面の算術平均粗さＲａが１．６μｍ以下であり、被加工面の微細な研磨傷などによる機械的強度の低下や熱応力による破損を防止し、ＲＴＰ装置等の急速加熱処理装置に用いるのに適していると記載されている。

特開２０００－３１５７２０号公報特開２００２－２３１７１３号公報特開２００４－１５２９００号公報

しかしながら、特許文献３に開示されたウェーハ保持リングにあっては、算術平均粗さＲａが１．６μｍ以下であっても、半導体ウェーハへの伝熱性を制御して膜厚均一性が良好な酸化膜をウェーハ表面に成膜するには不十分であった。
本願発明者は、鋭意研究の結果、ウェーハへの伝熱性を制御して良好な酸化膜をウェーハ表面に成膜するには、ウェーハ搭載面において、高さ方向の指標である算術平均粗さＲａと平面方向の指標である平均長さＲＳｍとの両方を制御することが重要であることを知見した。
本願発明者は、高さ方向の指標である算術平均粗さＲａと平面方向の指標である平均長さＲＳｍとの両方を制御することを前提に本発明をするに至った。

本発明は、上記事情の下になされたものであり、半導体ウェーハを保持するリングに適用可能な半導体熱処理部材において、前記半導体ウェーハに対し加熱処理により酸化膜を成膜する際、半導体ウェーハへの伝熱性が均一となり、ウェーハ表面に成膜された酸化膜の膜厚のばらつきを小さくすることのできる半導体熱処理部材及びその製造方法を提供することを目的とする。

前記課題を解決するためになされた本発明に係る半導体熱処理部材は、炭化珪素からなる基材の表面が酸化膜で被覆され、半導体ウェーハを保持する半導体熱処理部材であって、前記半導体ウェーハに接するウェーハ保持部の表面の算術平均粗さＲａが０．３μｍ以下であって、且つ要素の平均長さＲＳｍが４０μｍ以下であることに特徴を有する。
尚、前記ウェーハ保持部の表面の算術平均粗さＲａの最大値と最小値の差ΔＲａが０．１５μｍ以下であることが望ましい。
また、前記ウェーハ保持部の厚さは、１ｍｍ以下に形成されていることが望ましい。
また、前記ウェーハ保持部の表面に形成された酸化膜の膜厚は、０．３μｍ以上３μｍ以下であることが望ましい。

このように構成された半導体熱処理部材によれば、半導体ウェーハに接する面は、算術平均粗さＲａが０．３μｍ以下であり、且つ粗さ要素の平均長さＲＳｍが４０μｍ以下に形成されている。これにより、保持した半導体ウェーハへの伝熱性が均一となり、半導体ウェーハに対し加熱処理により酸化膜を成膜する際、ウェーハ表面に成膜された酸化膜の膜厚のばらつきを小さくすることができる。

また、前記課題を解決するためになされた本発明に係る半導体熱処理部材の製造方法は、前記した半導体熱処理部材の製造方法であって、リング状の炭化珪素の基材を得る工程と、前記基材の表面をダイヤモンド砥石により算術平均粗さＲａが０．３μｍ以下、要素の平均長さＲＳｍが４０μｍ以下となるように加工する工程と、前記基材を酸化雰囲気下で加熱し、基材の表面に膜厚０．３μｍ以上３μｍ以下の酸化膜を形成する工程とを備えることに特徴を有する。
このような方法によれば、前記した特徴を有する半導体熱処理部材を得ることができる。

本発明によれば、半導体ウェーハを保持するリングに適用可能な半導体熱処理部材において、前記半導体ウェーハに対し加熱処理により酸化膜を成膜する際、半導体ウェーハへの伝熱性が均一となり、ウェーハ表面に成膜された酸化膜の膜厚のばらつきを小さくすることのできる半導体熱処理部材及びその製造方法を提供することができる。

図１は、本発明に係る半導体熱処理部材の断面図である。図２は、図１のＡ－Ａ矢視断面図である。図３は、図１の半導体熱処理部材を用いるＲＴＰ装置を模式的に示した断面図である。

以下、本発明にかかる半導体熱処理部材の一実施形態について、図１及び図２に基づいて説明する。図１は、本発明の半導体熱処理部材としてのリングの平面図であり、図２は、図１のＡ－Ａ矢視断面図である。尚、図は模式的または概念的なものであり、各部位の厚みと幅との関係、部位間の大きさの比率等は、正確に図示されていない。
また、本実施の形態においては、本発明の半導体熱処理部材として、ＲＴＰ装置において用いられ、半導体ウェーハの表面に酸化膜の成膜処理等を行うために半導体ウェーハを保持するリングを適用した例について説明する。

図１に示すように、リング１（半導体熱処理部材）は、リング状の枠部２と、この枠部２の内側下方に形成された、半導体ウェーハを載置するためのウェーハ保持部３とから構成されている。
前記枠部２とウェーハ保持部３とは、炭化珪素からなる基材４の表面に酸化膜５が形成されたものからなり、前記酸化膜５の膜厚は、０．３μｍ以上３μｍ以下程度、好ましくは０．８μｍ以上１．２μｍ以下に形成されている。この酸化膜５が形成されていることによって、基材４方向への圧縮応力がかかり、耐性を持たせ、基材４が薄く形成されていても、ウェーハが搭載されたときなどの機械的な負荷や熱サイクルによる負荷からリング１の破損を防止することができる。

尚、酸化膜５の膜厚が０．３μｍより薄いと、基材４を薄く形成した場合に、機械的な負荷や熱サイクルによる負荷に対する耐性が低くなり、リング１が破損する虞がある。一方、酸化膜５の膜厚が３μｍより厚いと、リング１の熱伝導性が低下し、熱処理結果に斑が生じる虞がある。また、酸化膜が剥離してパーティクルによるウェーハ汚染の原因になる虞もある。

また、ウェーハ保持部３の厚さｔ（基材４と酸化膜５とを合わせた厚さ）は、１ｍｍ以下、より好ましくは０．５ｍｍ以下に形成されている。このようにウェーハ保持部３を薄く形成することによって、基材４の熱容量が小さくなり、熱応答性が向上する。厚さｔは、強度を確保するために好ましくは０．２０ｍｍ以上に形成されている。
尚、ウェーハ保持部３の厚さが１ｍｍより大きいと、基材４の熱容量が大きくなるため、熱応答性が低下し、好ましくない。

また、リング１に形成されるリング状の枠部２の内径としては、半導体ウェーハを嵌め込むことができる限りは特に限定されるものではなく、加熱処理を行う半導体ウェーハの外径により任意の大きさのものを使用することができる。
また、前記枠部２の内周側下部に設けられたウェーハ保持部３としては、その上面に半導体ウェーハ４を載置した際に、該半導体ウェーハ４の表面が半導体熱処理部材１の上面と略平行な平面を形成するのが好ましく、これにより、ＲＴＰ装置等による加熱処理の際に半導体ウェーハ全体を均一に加熱して処理することができる。

また、ウェーハ保持部３の内径としては、半導体ウェーハを載置することができる限り特に限定されるものではないが、載置する半導体ウェーハの外径より少しだけ小さい値であるのが好ましい。これにより、ウェーハ保持部３と半導体ウェーハとの接触部位が小さくなり、半導体ウェーハに加えた熱がウェーハ保持部３から拡散するのを防ぎ、熱分布のムラを少なくして均一に半導体ウェーハを加熱することができる。

また、ウェーハ保持部３の表面は、高さ方向の指標である算術平均粗さＲａは、０．３μｍ以下に形成され、粗さ曲線の要素の平均長さＲＳｍは、４０μｍ以下に形成されている。
算術平均粗さＲａが０．３μｍよりも大きいと半導体ウェーハとウェーハ保持部３の表面（搭載面）との間に隙間が生じ、伝熱性が低下するため、半導体ウェーハに熱を均一に伝えることが難しくなる。
また、粗さ曲線の要素の平均長さＲＳｍが４０μｍを超える場合、半導体ウェーハとウェーハ保持部３とが接する面積が少なくなるため、伝熱による熱の伝わりが悪化する虞があるため好ましくない。
尚、粗さ曲線の要素の平均長さＲＳｍは、熱処理時にウェーハがウェーハ保持部３に貼りつくことを防止するため、１５μｍ以上であることが好ましい。

また、ウェーハ搭載面の算術平均粗さＲａのばらつきは少ないほうがよく、Ｒａの最大値と最小値との差分ΔＲａは０．１５μｍ以下がよい。より好ましくは、ΔＲａは０．１μｍ以下であることにより、良好な熱伝達を示し、半導体ウェーハへの酸化膜成膜処理において、酸化膜の膜厚均一性がより良好なウェーハを得ることができる。このようなウェーハ保持部３（ウェーハ搭載面）を持ったリング１を用いて半導体ウェーハを処理することにより、ウェーハ面内の酸化膜厚のばらつきを０．１０ｎｍ以下とすることが可能である。

続いて、本発明にかかるリング１の製造方法を説明する。まず、炭化珪素からなる基材４を製造する際には、炭化珪素を所定のリング状の成形体に形成し、この成形体を焼結させて、高い熱伝導率を有するリング状の基材４を得る。もしくは、カーボン基材の表面にＣＶＤ法にて炭化珪素を成長させ、その後前記カーボン基材を除去して、高い熱伝導率を有するリング状の炭化珪素基材４を得る。

次いで、このリング状の基材４の表面をダイヤモンド砥石により算術平均粗さＲａが０．３μｍ以下、要素の平均長さＲＳｍが４０μｍ以下となるように研削や研磨などの加工をする。さらに、基材４を酸化雰囲気下１０００℃以上１３００℃以下で熱を印加して酸化処理することにより、基材４の全表面に膜厚０．３μｍ以上３μｍ以下程度、好ましくは０．８μｍ以上１．２μｍ以下の酸化膜５を形成し、リング１を得る。

図３に本発明のリング１を備えたＲＴＰ装置の一形態を示す。図３に示すようにＲＴＰ装置１０は、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に半導体ウェーハＷを支持する基板支持部４０とを備える。また、図示しないが、半導体ウェーハ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。

基板支持部４０は、半導体ウェーハＷの外周部を支持する本発明のリング１と、リング１を支持するステージ４０ａ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。ステージ４０ａは、例えば、石英で構成されている。このＲＴＰ装置は１０℃～３００℃／秒の昇温又は降温の温度勾配で半導体ウェーハＷの全体を均一に加熱して処理することができる。

尚、このＲＴＰ装置１０における反応空間２５内の温度制御は、基板支持部４０のステージ４０ａに埋め込まれた複数の放射温度計５０によってリング１の下部の基板径方向における基板面内多点（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。

続いて、この実施形態にかかる半導体熱処理部材としてのリングを備えたＲＴＰ装置１０による半導体ウェーハＷの加熱処理方法を図３に従って説明する。
まず、リング１に半導体ウェーハＷを載置して固定する。半導体ウェーハＷの周縁部下面がウェーハ保持部３に接することになる。このリング１を、酸化雰囲気下の反応空間２５内に設置されたステージ４０ａの上部に半導体ウェーハＷの上面が略平行になるように固定する。

また、雰囲気ガス導入口２０ａよりプロセスガスを導入するとともに雰囲気ガス排出口２０ｂから反応空間２５内のガスを排気し、半導体ウェーハＷ上に所定の気流を形成する。
次いで、等配列に配置されたハロゲンランプ３０を半導体ウェーハＷの表面温度からのフィードバックにより個々に制御して半導体ウェーハＷの表面温度を制御しながら急速に加熱（例えば数十秒で約１，０００℃）して半導体ウェーハＷの加熱処理を行う。これにより、半導体ウェーハＷの表面に所望の酸化膜が形成される。

以上のように本実施の形態に係るリング１（半導体熱処理部材）によれば、該リング１は、前記枠部２とウェーハ保持部３とにより構成され、それらは炭化珪素からなる基材４の表面に酸化膜５が形成されたものである。ここで、前記ウェーハ保持部３の表面は、算術平均粗さＲａが０．３μｍ以下であり、且つ粗さ要素の平均長さＲＳｍが４０μｍ以下に形成されている。これにより、ウェーハ保持部３に保持した半導体ウェーハＷへの伝熱性が均一となり、半導体ウェーハＷに対し加熱処理により酸化膜を成膜する際、ウェーハ表面に成膜された酸化膜の膜厚のばらつきを小さくすることができる。

尚、前記実施の形態においては、本発明に係る半導体熱処理部材としてリングを例に説明したが、本発明にあっては、その形態に限定されるものではなく、炭化珪素の基材の表面に酸化膜の被膜をした半導体熱処理部材に広く適用することができる。

本発明に係る半導体熱処理部材及びその製造方法について、実施例に基づきさらに説明する。
［実験１］
実験１では、ウェーハ保持部（ウェーハ搭載面）の表面状態が異なるリングを複数作成し（実施例１～５、比較例１～３）、そのリングに保持した半導体ウェーハを熱処理し、ウェーハ表面に成膜された酸化膜の膜厚均一性について調べた。
前記リングの作成においては、基材の表面をダイヤモンド砥石により算術平均粗さＲａが０．３μｍ以下、要素の平均長さＲＳｍが４０μｍ以下となるように研削加工した。その後、基材を酸化雰囲気下１０００℃以上１３００℃以下で熱を印加して酸化処理することにより、基材の全表面に膜厚１．０μｍの酸化膜を形成し、ウェーハ保持リングを得た。この時のウェーハ保持部の表面の算術平均粗さＲａ、要素の平均長さＲＳｍ及び算術平均粗さＲａの差ΔＲａは表１のとおりであった。

各リングのウェーハ保持部（ウェーハ搭載面）は、ダイヤモンド砥石の番手を変更して表面粗さを変化させた。また、表面粗さは非接触粗さ計を用いて計測した。表面粗さは９０度間隔でウェーハ保持部の表面を４点測定し、その平均値をとった。高さ方向の指標である算術平均粗さＲａの差ΔＲａは、４点の最大値Ｒａから最小値Ｒａを差し引いた値とした。
また、要素の平均長さＲＳｍは、９０度間隔でウェーハ保持部の表面の４点を非接触粗さ計にて測定し、その平均値を算出した。

また、半導体ウェーハに対する熱処理の条件としては、ドライ酸化雰囲気１０００℃以上１１５０℃以下で６０秒以上３００秒以下とした。
表１に実施例及び比較例の条件、及び結果を示す。表１に示す評価は、半導体ウェーハに形成された酸化膜の膜厚の均一性として、面内ばらつきが０．０６ｎｍ以下を◎とし、面内ばらつきが０．０６ｎｍより大きく０．０８ｎｍ以下を○とし、面内ばらつきが０．０８ｎｍより大きく０．１０ｎｍ以下を△とした。また、面内ばらつきが０．１０ｎｍを越えるものを×とした。

表１に示すように、ウェーハ保持部の算術平均粗さＲａが０．３μｍ以下であって、且つ面方向の粗さ要素の平均長さＲＳｍが４０μｍ以下の場合、半導体ウェーハの表面に形成された酸化膜の面内ばらつきが０．１０ｎｍ以下と小さくなり良好であった（実施例１～５）。
一方、ウェーハ保持部の算術平均粗さＲａが０．３μｍより大きく、又は面方向の粗さ要素の平均長さＲＳｍが４０μｍより大きかった場合、ウェーハ酸化膜の面内ばらつきが大きくなった（比較例１～３）。
よって、本実験１の結果、ウェーハ保持部の算術平均粗さＲａを０．３μｍ以下とし、且つ面方向の粗さ要素の平均長さＲＳｍを４０μｍ以下とすることにより、半導体ウェーハの表面に形成された酸化膜の面内ばらつきを０．１０ｎｍ以下と小さくすることができることを確認した。

［実験２］
実験２では、ウェーハ保持部（ウェーハ搭載面）に形成する酸化膜の膜厚が異なるリングを複数作成し（実施例６～１１）、そのリングに保持した半導体ウェーハを熱処理し、ウェーハ表面に成膜された酸化膜の膜厚均一性およびパーティクルの発生について調べた。なお、リングの酸化膜の膜厚は、酸化雰囲気下での熱処理時間によって、調整した。実験２の条件及び評価結果を表２に示す。表２に示す評価のうち、半導体ウェーハに形成された酸化膜の膜厚の均一性は、面内ばらつきが０．０６ｎｍ以下を◎とし、面内ばらつきが０．０６ｎｍより大きく０．０８ｎｍ以下を○とし、面内ばらつきが０．０８ｎｍより大きく０．１０ｎｍ以下を△とした。
また、リングにウェーハを搭載して、繰り返し１００回使用したとときに、１０回以上パーティクル異常となったものは△として、それ以外を〇とした。

以上の実験２の結果、基材に形成する酸化膜の膜厚は、０．３μｍ以上３μｍ以下程度、好ましくは０．８μｍ以上１．２μｍ以下に形成することが好ましいことを確認した。

１リング
２枠部
３ウェーハ保持部
４基材
５酸化膜
１０ＲＴＰ装置
Ｗ半導体ウェーハ

Claims

炭化珪素からなる基材の表面が酸化膜で被覆され、半導体ウェーハを保持する半導体熱処理部材であって、
前記半導体ウェーハに接するウェーハ保持部の表面の算術平均粗さＲａが０．３μｍ以下であって、且つ要素の平均長さＲＳｍが４０μｍ以下であることを特徴とする半導体熱処理部材。
前記ウェーハ保持部の表面の算術平均粗さＲａの最大値と最小値の差ΔＲａが０．１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載された半導体熱処理部材。
前記ウェーハ保持部の厚さは、１ｍｍ以下に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された半導体熱処理部材。
前記ウェーハ保持部の表面に形成された酸化膜の膜厚は、０．３μｍ以上３μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載された半導体熱処理部材。
前記請求項１乃至請求項４のいずれかに記載された半導体熱処理部材の製造方法であって、
リング状の炭化珪素の基材を得る工程と、
前記基材の表面をダイヤモンド砥石により算術平均粗さＲａが０．３μｍ以下、要素の平均長さＲＳｍが４０μｍ以下となるように加工する工程と、
前記基材を酸化雰囲気下で加熱し、基材の表面に膜厚０．３μｍ以上３μｍ以下の酸化膜を形成する工程とを備えることを特徴とする半導体熱処理部材の製造方法。