JP2024088405A

JP2024088405A - 半導体処理部材

Info

Publication number: JP2024088405A
Application number: JP2022203545A
Authority: JP
Inventors: 明香冨樫; Asuka Togashi
Original assignee: Coorstek Gk
Current assignee: Coorstek Gk
Priority date: 2022-12-20
Filing date: 2022-12-20
Publication date: 2024-07-02

Abstract

【課題】半導体ウェハを保持するリング状の半導体処理部材において、半導体ウェハに対して熱酸化処理を施す際にスリップ転位の発生を抑え、ウェ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半導体処理部材を提供する。【解決手段】炭化珪素質の基材４からなり、半導体ウェハを保持するリング状の半導体処理部材であって、半導体ウェハに接するウェハ保持部３が凸形状であり、凸形状の内周側のＲ値が０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下である。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体処理部材に関し、例えば、ＲＴＰ装置（高速熱処理装置）において好適に用いられ、半導体ウェハを保持するリングとして好適な半導体処理部材に関する。

半導体の製造工程において、半導体ウェハを熱処理する加熱処理装置として、ＲＴＰ装置が用いられる。ＲＴＰ装置は、ランプ加熱を用いた加熱方式であり、数十秒でウェハを１０００℃以上に急速加熱するとともに、等配列に配置された赤外線ランプをウェハ表面温度のフィードバック制御により、ウェハ表面温度の温度差をなくし、面内均一な良好な酸化膜を成膜する。

ＲＴＰ装置を用いる方式では、光の照射バランスの良い処理室中央付近で半導体ウェハを保持することで、熱媒体を介さずにウェハ全体を均一に加熱することができる。このため、最低限に抑えた熱容量で瞬時に加熱することができ、ウェハの構造を破壊する可能性が小さく、ウェハのアニールに特に有効とされている。

このようなウェハの熱酸化工程においては、耐熱性及び熱伝導性の高い炭化珪素質のリング状の半導体処理部材が用いられている。リング状の半導体処理部材の枠部は、その内側に半導体ウェハを嵌め込んで固定できる大きさに調節されており、その枠部の内側にあるウェハ保持部は、半導体処理部材の接地面に対して、平行かつ水平にウェハを保持する。このようにしてウェハ保持部に保持したウェハに高速加熱を行うと、ウェハ全体を加熱することができる。

しかしながら、従来の半導体処理部材は、ウェハ保持部全体でウェハを支持するため、ウェハとウェハ保持部との接触面積が大きく、ウェハの外周付近と中央付近とで温度差を生じ、加熱むらに起因するスリップの発生などの問題が生じていた。このような問題を解消して、ウェハ全体を均一に加熱するため、ウェハを支持及び固定する内壁が垂直面と斜面とから構成される半導体熱処理部材が報告されている。この半導体熱処理部材では、ウェハを支持及び固定する内壁に少なくとも３個の突起部を形成して、ウェハとウェハ保持部との接触面積を小さくしている（特許文献１）。

ウェハの酸化被膜の膜厚を均一にするためには、ウェハの上下に設置されたランプとウェハとを平行にする必要がある。加えて、半導体処理装置からの熱伝導が酸化被膜の均一性に影響することから、ウェハが接するウェハ保持部の面積をより小さくする必要がある。

特開２００２－２３１７１３号公報

本発明は、上記事情の下になされたものであり、半導体ウェハを保持するリング状の半導体処理部材において、半導体ウェハに対して熱酸化処理を施す際にスリップの発生を抑え、ウェ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処理部材を提供することを目的とする。

本発明の半導体処理部材は、炭化珪素質基材からなり、半導体ウェハを保持するリング状の半導体処理部材であって、前記半導体ウェハに接するウェハ保持部が凸形状であり、凸形状のＲ値が０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であることを特徴とする。
ウェハ保持部を凸形状にして、半導体ウェハとの接触面積を小さくし、さらに凸部のＲ面取りをすることで、ウェハのスリップ転位が抑えられ、酸化膜の膜厚ばらつきも小さくすることができる。
前記ウェハ保持部に保持したときの半導体ウェハの表面と、前記ウェハ保持部の外側に形成された枠部の下面とのＪＩＳＢ０６２１：１９８４に準拠する幾何偏差（平行度）は０．０５ｍｍ以下であることが好ましい。
このように半導体ウェハをその外側縁面に対して水平に置くことで、スリップの発生や酸化膜の膜厚ばらつきを抑制する効果が一層顕著となる。
前記ウェハ保持部の凸形状の頂部は、半導体ウェハの外周から中心に向かって５ｍｍ以下に位置することが好ましい。
ウェハ保持部と半導体ウェハとが接触する位置を半導体ウェハの外周から５ｍｍ以内の範囲とすることで、半導体ウェハを均一に加熱することができる。
前記炭化珪素からなる基材の表面は、厚み０．５μｍ以上５μｍ以下の酸化珪素で被覆されていることが好ましい。
半導体ウェハの表面が緻密で密着性の高い酸化珪素膜で被覆されることで、ウェハを半導体素子に組み立てる上で非常に有益な効果を発現する。

本発明によれば、半導体ウェハを保持するリング状の半導体処理部材であって、半導体ウェハに対して加熱処理により酸化膜を形成する際、スリップの発生を抑制し、ウェハ表面に成膜された酸化膜のばらつきを小さくすることのできる半導体処理部材を提供することができる。

図１は、本発明の半導体処理部材の平面図である。図２は、図１のＡ－Ａ矢視断面図である。図３は、本発明の半導体処理部材を模式的に示した斜視図である。図４は、図１の半導体処理部材を用いるＲＴＰ装置を模式的に示した断面図である。

以下、本発明の半導体処理部材の一実施形態について、図１～図３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。図３は、半導体熱処理部材であるリングの斜視図である。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、半導体ウェハの表面に酸化膜の成膜処理を行うために半導体ウェハを保持するリングの例について説明する。

図１に示すように、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、半導体ウェハを保持するためのウェハ保持部３とから構成されている。

前記枠部２及びウェハ保持部３は、炭化珪素質の基材４の表面に０．３～３μｍ程度の厚さの酸化膜５が形成された材質でできている。酸化膜を設けることで、基材４方向に圧縮応力がかかり、基材が薄くても熱応力による破損を防止することができる。
基材は、炭化珪素質であるか、または炭化珪素質以外の基材の表面に炭化珪素被膜が形成された多孔質の材質であることが好ましい。半導体処理部材をこのような材質とすることにより、高い強度や耐熱性が得られるとともに、ランプ加熱によっても半導体処理部材とウェハとの間に温度勾配がつきにくくなる。

ウェハ保持部３は枠部２に向かって低くなるように傾斜が設けられており、半導体ウェハは、ウェハ保持部３の傾斜の最上部の凸部でウェハ保持部３と接触する。このような形状にすることで、半導体ウェハとウェハ保持部３との接触面積が小さくなり、半導体ウェハを加熱した際に、熱がウェハ支持面を通って外部に拡散する量が少なくなり、ウェハの表面を均一に加熱することができる。前記斜面の傾斜角は１°以上２０°以下、好ましくは１°以上１０°以下である。前記傾斜角が２０°を超えると、大口径のウェハの場合、自重により熱処理時に歪みを生じることがある。

さらにウェハ保持部３の凸部のＲ値を０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下とする。凸部のＲ面が前記範囲となるように面取りを行うことにより、半導体ウェハを保持した際に、ウェハが傷つくのを防止するとともに、熱処理によるスリップ転位の発生を防止することができる。Ｒ面取りの方法は、特に限定されるものではないが、例えば電着工具を用いた切削加工が用いられる。

ＲＴＰ装置では、ウェハの上側又は下側に加熱用ランプが設置されている。ウェハ面内を均一に加熱するため、ランプとウェハはできるだけ平行にする。本発明では、前記ウェハ保持部３の半導体ウェハ保持面と、前記ウェハ保持部３に外側に形成された枠部２の下面とのＪＩＳＢ０６２１：１９８４に準拠する幾何偏差（平行度）を０．０５ｍｍ以下とすることが好ましく、０ｍｍ以上０．０２５ｍｍ以下とすることがより好ましい。なお、平行度とは、ＪＩＳＢ０６２１：１９８４に準拠する幾何偏差のうち姿勢偏差（傾斜度）をいう。

また、ウェハ保持部の凸部の頂部（斜面の最上部）と、ウェハ保持部３の外側の枠部の上面との高低差は１ｍｍ以下であることが好ましい。ウェハ保持部３の凸部とその外側の枠部の上面との高低差が前記範囲内であるとき、均一な厚さの酸化膜を形成することができる。
なお、半導体熱処理部材にウェハを嵌め込んだ際に、該ウェハにわずかに傾きが発生した状態で熱処理を行うと、形成される酸化膜の厚さにばらつきが生じる。

ウェハ保持部３の厚さｔ（基材４と酸化膜５とを合わせた厚さ）は、通常１ｍｍ以下、好ましくは０．５ｍｍ以下である。このようにウェハ保持部３を薄くすることによって、基材４の熱容量が小さくなり、熱応答性が向上する。一方、強度を確保するため、厚さｔは０．２０ｍｍ以上とすることが好ましい。なお、ウェハ保持部３の厚さが１ｍｍより大きいと、基材４の熱容量が大きくなり、熱応答性が低下する。

また、枠部２の外壁は垂直または垂直に近い傾斜を有していることが好ましい。前記内壁がほぼ垂直状であると、半導体ウェハの側面と外壁との間の隙間がわずかである。この状態で熱処理を行うと、半導体ウェハの側面から外壁に拡散する熱がほとんどなく、ウェハの外周付近の温度の低下を防止することができる。また、前記外壁がほぼ垂直状であることは、ウェハを嵌め込んだ後の保持安定性にも寄与する。なお、枠部２の上面からウェハ保持部３に接する位置までの距離は、１ｍｍ程度である。

続いて、本発明の半導体処理部材の製造方法を説明する。まず、炭化珪素を所定のリング形状に成形し、この成形体を焼結させて、高い熱伝導率を有する炭化珪素質の基材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を用いて、概ね、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。さらに、基材４を酸化雰囲気下１０００～１３００℃で熱処理することにより、基材４の全表面に酸化膜５を形成し、半導体処理部材を得る。

図４に本発明の半導体処理部材を備えたＲＴＰ装置の一形態を示す。図４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、半導体ウェハＷの外周部を支持する本発明の半導体処理部材と、前記半導体処理部材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ハＷの全体を均一に加熱して処理することができる。

ＲＴＰ装置１０における反応空間２５内の温度制御は、図示しないが、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によって半導体処理部材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。

半導体ウェハＷの加熱処理方法を図４に従って説明する。
まず、半導体処理部材のウェハ保持部３に半導体ウェハＷを嵌め込み、リング状の半導体処理部材を、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ハＷの上面が略平行になるように固定する。

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１０００℃）して半導体ウェハＷの加熱処理を行う。これにより、半導体ウェハ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半導体処理部材は、炭化珪素質の基材からなり、前記半導体ウェハに接するウェハ保持部が凸形状であり、その凸部のＲ値は０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下である。前記ウェハ保持部の保持面と、前記ウェハ保持部の外側縁部の下面とのＪＩＳＢ０６２１：１９８４に準拠する幾何偏差（平行度）が０．０５ｍｍ以下であり、凸部の頂部は、半導体ウェハの外周から５ｍｍ以内の範囲にあることが好ましい。これにより、ウェハ保持部３に保持した半導体ウェハＷへの伝熱性が均一となり、半導体ウェハＷに対し加熱処理により酸化膜を成膜する際、ウェハ表面に成膜される酸化膜の膜厚のばらつきを小さくするとともに、スリップ転位の発生を抑えることができる。

なお、前記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。

以下、本発明を実施例に基づき具体的に説明するが、本発明は下記に示す実施例により制限されるものではない。
［実験例］
ウェハ保持部（ウェハ搭載面）の凸部のＲ値の異なるリング状の半導体処理基材を複数作製し（実施例１～４、比較例１～２）、その半導体処理基材に保持した半導体ウェハを熱処理し、半導体ウェハ表面に成膜された酸化膜の膜厚のばらつきとスリップの発生について調べた。
前記リングの作製においては、ウェハ保持部の半導体ウェハ保持面と、枠部の上面とのＪＩＳＢ０６２１：１９８４に準拠する姿勢交差（平行度）が０．０１～０．０８ｍｍになるようにした。次いで、ダイヤモンド砥石により、ウェハ保持部の凸部をＲ面加工し、Ｒ値を０．０２～０．７ｍｍとした。

前記半導体処理基材の作製においては、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。
なお、ウェハ保持部の凸部のＲ値はＲゲージを用いて測定した。表面粗さＲａ及び要素の平均長さＲＳｍは非接触粗さ計を用いて計測した。すなわち、９０度間隔でウェハ保持部の表面を４点測定し、その平均値を算出した。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。
次いで、基材を酸化雰囲気下に１０００℃以上１３００℃以下で加熱処理することにより、半導体処理基材を得た。

次いで、半導体ウェハをウェハ保持部（ウェハ搭載面）に保持して熱処理を行った。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。
スリップ評価は、Ｘ線トポグラフィーによりウェハ面内を測定し、スリップの有無を観察した。評価基準は、最大スリップ長が１０ｍｍ未満またはスリップ自体が観察されなかった場合を○、最大スリップ長が１０ｍｍ以上のスリップが観測された場合を×とした。
膜厚ばらつき評価は、半導体ウェハに形成された酸化膜の膜厚の均一性として、膜厚ばらつきが０．１μｍ以下を小とし、０．１μｍを超え０．１５μｍ以下を中、０．１５μｍを超えるものを大とした。半導体ウェハ上のスリップの発生の有無は目視にて評価した。

凸部のＲ値が０．０８ｍｍではスリップが発生した。Ｒ値が０．５ｍｍ、平行度が０．０８ｍｍの比較例２では、スリップの発生は抑えられたが、酸化膜の膜厚ばらつきが大きくなった。これは凸部の角が丸く緩やかになるとスリップの発生が抑えられるが、ウェハ保持部３がウェハを傾いて支持すると、ウェハ全面にわたる均一な酸化膜の成長が損なわれるためである。また、半導体ウェハ上の酸化膜の膜厚ばらつきは、平行度０～０．０５ｍｍでは均一であったが、平行度０．０６ｍｍになるとばらつき始め、０．０８ｍｍではそれが顕著になった。

１半導体処理部材
２枠部
３ウェハ保持部
４基材
５酸化膜
１０ＲＴＰ装置
３０ハロゲンランプ
２０チャンバー
２０ａ雰囲気ガス導入口
２０ｂ雰囲気ガス導出口
２５反応空間
４０基材支持部
４０ａステージ
Ｗ半導体ウェハ

Claims

炭化珪素質基材からなり、半導体ウェハを保持するリング状の半導体処理部材であって、
前記半導体ウェハに接するウェハ保持部が凸形状であり、凸形状のＲ値が０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であることを特徴とする半導体処理部材。
前記ウェハ保持部に保持したときの半導体ウェハの表面と、前記ウェハ保持部の外側に形成された枠部の下面とのＪＩＳＢ０６２１：１９８４に準拠する幾何偏差（平行度）が０．０５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体処理部材。
前記ウェハ保持部が凸部の頂部が、前記半導体ウェハの外周から中心に向かって５ｍｍの範囲内に位置することを特徴とする請求項１に記載の半導体処理部材。
前記炭化珪素質基材の表面が、厚み０．５μｍ以上５μｍ以下の酸化珪素で被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体処理部材。