JP3563224B2

JP3563224B2 - 半導体ウエハの評価方法、熱処理方法、および熱処理装置

Info

Publication number: JP3563224B2
Application number: JP04235197A
Authority: JP
Inventors: 誠木山
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1996-03-25
Filing date: 1997-02-26
Publication date: 2004-09-08
Anticipated expiration: 2017-02-26
Also published as: KR970067750A; KR100272393B1; EP0798773A3; US6127288A; TW419536B; US6184498B1; US5985678A; EP0798773B1; US6235543B1; DE69736821D1; JPH09321105A; DE69736821T2; EP0798773A2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハ（以下ウエハと称す）の評価方法に関するものであり、より特定的には、スリップラインが入りやすいか、入りにくいかの指標を得ることができる、半導体ウエハの評価方法に関する。また、本発明は、その評価方法により得たデータをもとに、スリップラインが入らないように、半導体ウエハを熱処理する方法に関する。さらに、本発明は、上記評価方法により得たデータをもとに、スリップラインが入らないように改良された、半導体ウエハの熱処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１は、一般的な、半導体デバイスの製造工程を示す図である。半導体デバイスの製造工程は、ウエハを準備する工程と、ウエハ上に活性層を形成する工程と、デバイスを作製する工程とを含む。活性層を形成するために、エピ成長（６００−７００℃）およびイオン注入後の活性化アニール工程（〜８００℃）等の、熱処理プロセスを経由する。デバイス作製工程は、フォトリソグラフィ工程と電極形成工程とエッチング工程等を含む。
【０００３】
ところで、上記熱処理プロセスにおいて、ウエハが塑性変形を起こし、ウエハの塑性変形に伴い、ウエハの表面上に、スリップラインが発生することが認められている。スリップラインは、図２に示すような、段差であると考えられている。このようなスリップラインは、デバイスの歩留り低下を招来し、問題点となっている。
【０００４】
ところで、あるウエハについて、スリップライン（以下スリップと略す）が入りやすいか、入りにくいかという指標は、現在までは、なかった。実際に個々の熱処理炉でエピ成長や活性化アニールをして、初めてスリップが入るか、入らないかということ、すなわち、そのウエハのスリップ耐性、を定性的に判断していた。個々の熱処理炉では、このように定性的に、スリップ耐性を求められたのであるが、熱処理炉が異なると、熱処理状況も異なるので、ある熱処理炉でスリップがはいっても、別の熱処理炉では入らないといったことが頻繁に生じていた。
【０００５】
ウエハのスリップ耐性を統一的にかつ定量的に決めるのは不可能な状況であり、結局熱処理してみないとわからないという状態であった。
【０００６】
また、ウエハの残留応力に関しては、残留歪み（歪みに適当な弾性定数を乗じると応力になる）が、光弾性法により評価されてはいるが、この方法では、残留歪の大きさの絶対値しかわからなく、残留歪の方向（すなわち、残留応力の方向）を決定することは不可能であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、スリップは、熱処理プロセス中の応力が、ウエハの降伏応力を超えたときに、ウエハ中で転位が発生して、滑りが発生し、その滑りが増殖してできた巨視的な段差であると考えられている。シリコン（Ｓｉ）ウエハのような無転位ウエハでは、このように考えられている。ガリウムヒ素（ＧａＡｓ）のような有転位ウエハでも、基本的には同様であるが、最初に滑る転位が、応力によって新たに発生したものなのか、あるいは、既に存在した転位が滑るのかは、まだ、わかっていない。
【０００８】
熱処理プロセス中の応力は、ウエハの面内温度差に起因した熱応力と、ウエハの自重に起因した自重応力とからなる。すなわち、熱応力と自重応力の合成応力が、ウエハの降伏応力を超えたときに、スリップが発生すると考えることができる。よって、スリップ耐性を表わす指標としては、この降伏応力を用いればよい。以下、これをスリップ発生降伏応力と呼ぶ。
【０００９】
スリップ発生降伏応力を求めるには、プロセス中でのウエハに加える印加応力を変化させ、実際のスリップの有無と比較し、スリップが発生する臨界の印加応力を求めればよい。しかし、実際の熱処理装置では、ウエハへの印加応力を制御して変化させることが不可能であったし、また、印加応力自体を求めることが困難であった。
【００１０】
スリップの発生は、ウエハ熱処理プロセス中の昇温や降温をゆっくりすれば、著しく減少させられる。これは、熱応力は昇降温中で大きく増加する（面内温度差が大きくなる）ので、昇降温をゆっくりすれば面内温度差が小さくなるためである。しかし、ウエハのスループットを大きくするためには、スリップが入らない範囲で、可能な限り昇降温速度を早くしたいのが現状であった。
【００１１】
それゆえに、この発明の目的は、スリップが入りやすいか、入りにくいかの指標を得ることができる、半導体ウエハの評価方法を提供することにある。
【００１２】
この発明の他の目的は、上記評価方法により得たデータをもとに、スリップの入らないように改良された、半導体ウエハの熱処理方法を提供することにある。
【００１３】
この発明のさらに他の目的は、スリップの入らないように改良された半導体ウエハの熱処理装置を提供することにある。
【００１４】
この発明のさらに他の目的は、ウエハの残留応力の大きさと方向を決定することができる、半導体ウエハの評価方法を提供することにある。
【００１５】
この発明のさらに他の目的は、ウエハの残留応力の大きさと方向を決定し、そのデータをもとに、スリップの入りにくい、半導体ウエハの熱処理方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の局面に従う半導体ウエハの評価方法においては、所定温度で、半導体ウエハに対する面内の温度分布を変化させてゆき、スリップラインが発生する温度分布条件を検出することによって、スリップラインを発生させない許容熱応力範囲を特定する。
【００１７】
この発明の好ましい実施態様によれば、上記所定温度を種々変化させて、それぞれの温度に相当する上記許容熱応力範囲を求めることによって、スリップを発生させない、温度の関数であるスリップ発生降伏応力を求める。
【００１８】
この発明の第２の局面に従う半導体ウエハの熱処理方法においては、半導体ウエハにスリップラインを発生させない許容熱応力範囲を特定し、上記許容熱応力範囲内で、処理すべき半導体ウエハの昇降温速度を制御する。
【００１９】
この発明の第３の局面に従う半導体ウエハの熱処理装置は、半導体ウエハを支持するサセプタと、上記半導体ウエハに温度分布を与えるための加熱手段と、上記半導体ウエハの温度分布を測定する手段と、上記半導体ウエハに発生する熱応力が、上記半導体ウエハのスリップラインを発生させない範囲として特定された許容熱応力範囲内に収まるように、上記温度分布を制御する手段とを備える。
【００２０】
この発明の第４の局面に従う半導体ウエハの評価方法においては、まず、評価すべき半導体ウエハを準備する。上記半導体ウエハにある温度分布を与える。上記半導体ウエハにスリップラインが発生しているか否かを観察する。上記温度分布の状態の知見と、上記スリップラインの発生の有無の知見とから、上記半導体ウエハの周辺部に円周方向であって、かつ引張る方向に残留応力が残っているか、あるいは、円周方向であって、かつ圧縮する方向に残留応力が残っているかを判定する。
【００２１】
この発明の第５の局面に従う半導体ウエハの熱処理方法によれば、半導体ウエハに残っている残留応力の方向を判定し、この残っている残留応力の方向と反対の方向に応力が加わるように、半導体ウエハの周辺部にかける温度と、中心にかける温度を選んで、半導体ウエハを熱処理する。
【００２２】
この発明の第６の局面に従う半導体ウエハの熱処理方法は、半導体ウエハの周辺部に円周方向であって、かつ引張る方向に応力を生じさせるように半導体ウエハを熱処理する、半導体ウエハの熱処理方法にかかるものであり、上記半導体ウエハとして、その周辺部に、その円周方向に圧縮する応力が残留している半導体ウエハを用いる。
【００２３】
この発明の第７の局面に従う半導体ウエハの熱処理方法は、半導体ウエハの周辺部に円周方向であって、圧縮する方向に応力を生じさせる熱処理をする半導体ウエハの熱処理方法にかかるものであり、上記半導体ウエハとして、その周辺部に、その円周方向に引張り応力が残留している半導体ウエハを用いる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
平置き板に半導体ウエハを置くことにより、自重応力の影響を少なくし、熱応力だけ考えればよい状況とした。同心円上の複数のゾーンヒータを使用することにより、ウエハの温度分布を制御し、温度分布を変化させた。熱応力は温度分布で決定されるので、熱応力を制御し、また、変化させることができる。放射温度計により、ウエハ自体の温度分布を測定した。温度分布から熱応力を求めることができる。
【００２５】
【実施例】
以下、この発明の実施例を、図について説明する。
【００２６】
実施例１
図３の炉（真空雰囲気）を使用し、４インチ直径ＧａＡｓウエハ１（ＬＥＣ製ｕｎｄｏｐｅｄ）を評価した。ウエハ１の面方位は（１００）であった。ヒータ２として、ＳｉＣ製の同心円上のヒータで、内ヒータ３、中ヒータ４、外ヒータ５よりなる３ゾーンヒータを使用した。平置き板（ウエハホルダ、ウエハサセプタとも称す）には、温度分布を大きくする場合は、石英、アルミナ、窒化ケイ素、ＳｉＣ、ジルコニアなどの熱伝導率の低い（ＧａＡｓと同等か、またはそれ以下）材質を採用し、均一化する場合はグラファイト（ＳｉＣコート）やＡｌＮなどの熱伝導率の高い材質を採用した。ウエハ温度測定用の窓６は石英製である。
【００２７】
石英窓６の直径は１００ｍｍであり、４インチ直径を有するウエハ１の全面にわたり、温度測定が可能である。内ヒータ３、中ヒータ４、外ヒータ５のパワーを制御して変化させることにより、各種温度分布を実現できる。
【００２８】
ＧａＡｓ用放射温度計７を設置台９（ＸＹステージ）に設置し、この放射温度計７を水平に移動させ、測定した温度分布とスリップ発生との対応を調査した。熱電対を埋込んだＧａＡｓダミーウエハを使用して、放射温度計による測定温度を補正した。
【００２９】
図４に、ウエハの温度の面内分布を示し、図５に、それに対応するスリップ発生パターンを示す。図４を参照して、ウエハの温度の面内分布は、ウエハの中心からの距離に対して、測定温度をプロットすることにより、求められる。温度分布は放物線によくフィットした。温度は、エピタキシャル成長時の温度に相当する６００−７００℃で行なった（保持時間は３０分）。
【００３０】
図４は、典型的な６種類の温度分布を示している。すなわち、ウエハの中央部が高温で周辺部が低温の温度分布（以下凸温度分布と称す）を有する３種類（面内温度差が大の場合を曲線４に、面内温度差が中の場合を曲線６に、面内温度差が小さい場合を曲線５に示す）と、中央部が低温で、周辺部が高温の温度分布（以下凹温度分布と称す）を有する２種類（面内温度差が大の場合を、曲線１に、面内温度差が中の場合を曲線２に示す）と、均一温度分布（曲線３が示す）の６種類である。これらの６種類の温度分布で、ウエハを処理したときの、スリップの発生パターンが図５に示されている。
【００３１】
図５は、５０倍のノーマルスキー型顕微鏡を用いて観察したスリップを、正確にトレースした図である。この図から、たとえば凸温度分布では、面内温度差が大きい場合４で、激しく（長く、かつ多数）スリップが発生した。温度差の小さい場合５では、スリップが発生しなかった。温度差が中間である場合６では、中程度のスリップが発生した。また、凹温度分布でも、温度差の大きい場合１は激しくスリップが発生し、温度差の小さい場合ではスリップの発生はより少なかった。均一温度分布の場合３では、スリップ発生はなかった。
【００３２】
なお、図４の温度分布は、最高処理温度における定常状態での分布を表わしている。昇・降温中は、図４の状況よりも温度差がつかないように、十分ゆっくり昇温し、十分ゆっくり降温した。
【００３３】
次に、スリップ発生の温度依存性について説明する。図６は、適用された温度差Ｔ（Ｏ）−Ｔ（Ｒ）をＴ（Ｒ）に対してプロットしたものである。式中、Ｔ（Ｏ）はウエハ中心の温度を示しており、Ｔ（Ｒ）はウエハエッジの温度を示している。Ｔ（Ｒ）は、４００℃から７５０℃に変化させた。図中、白丸で示した点は、スリップ発生がなかった実験点を示しており、黒丸はスリップが発生した実験点を示している。Ｔ（Ｒ）をある温度に固定したとき、そのときの、スリップを発生させない、Ｔ（Ｏ）−Ｔ（Ｒ）、の幅がスリップラインを発生させない許容熱応力範囲である。
【００３４】
次に、これらのデータを用いて、スリップ発生降伏応力の求め方を説明する。上述したように、図４の温度分布は、最高処理温度における定常状態での分布である。昇・降温中は、図４の状況よりも温度差がつかないように、十分ゆっくり昇温し、十分ゆっくり降温している。したがって、ウエハに加わった最大の熱応力は、この温度分布による熱応力である。この最大熱応力がウエハの降伏応力を超えた場合にスリップが発生し、最大熱応力が降伏応力以下の場合はスリップ発生がないと考えられる。図６の測定データを使用し、「熱応力＞降伏応力の場合にスリップが発生する」という条件から、スリップ発生降伏応力を求めた。
【００３５】
以下、スリップ発生降伏応力の求め方を説明する。
スリップ発生は、図５のスリップパターンからわかるように、ウエハ周辺部から生じる。これは、ウエハの周辺で熱応力が最大になるからである。ここでいう熱応力とは、スリップ発生の原因となるウエハエッジにおける角度方向の熱応力σθ（Ｒ）であり、温度分布を放物線とすると、下式のように表わされる。ここでは、ウエハ中心をＯとし、ウエハエッジをＲとする、ｒ−θ円座標を考える。
【００３６】
σθ（Ｒ）＝α（Ｔ（Ｏ）−Ｔ（Ｒ））／２……（１）
σθ（Ｒ）：ウエハエッジにおける角度方向の熱応力
α：熱膨張率
Ｅ：ヤング率
図４の温度分布を放物線にフィッティングし、上記（１）式を用いて、σθ（Ｒ）を導出した。
【００３７】
上記（１）式についての説明を以下に示す。
図７（ｂ）のような放物線状の凸型温度分布（Ｔ（Ｏ）−Ｔ（Ｒ）＞０）を与えたときの熱応力を考える。ｒ−θ円座標で、ｒ方向の熱応力σｒとθ方向の熱応力σθを考えればよい。ここで、σｒとσθを主応力と呼ぶ。
【００３８】
このσｒとσθは図７（ｃ）のようになる。すなわち、σｒはウエハ面内の全領域での圧縮圧力（応力の符号が＋の場合は引張り応力を表わし、−の場合は圧縮応力を表わしている）である。σｒは、ウエハ中央ｒ＝０でその絶対値が最大でウエハエッジｒ＝Ｒで０となる。また、σθの符号をみると、ウエハ中央部で圧縮応力が働いており、中間付近で圧縮応力から引張り応力に変わり、ウエハエッジｒ＝Ｒで最大の引張り応力になっていることがわかる。
【００３９】
σｒとσθの大きさおよび方向のイメージを、図７（ａ）に示す。ウエハ全面における熱応力の最大値は、ウエハエッジでのθ方向の引張り熱応力σθ（Ｒ）であり、ウエハエッジからスリップが発生するのはこのためである。また、図７（ｂ）と逆の凹温度分布の場合（Ｔ（Ｏ）−Ｔ（Ｒ）＜０）は、σｒ、σθの方向が逆になり、ウエハ全面における熱応力の最大値はσθ（Ｒ）の圧縮熱応力であり、これによってスリップが発生する。
【００４０】
スリップ発生降伏応力の決定方法について以下に示す。スリップ発生降伏応力は、温度の関数と考えられるので、図８に示すように、スリップの発生するウエハエッジの温度Ｔ（Ｒ）に対して、最大熱応力σθ（Ｒ）をプロットした。σθ（Ｒ）が＋の場合は、引張り応力（凸型温度分布の場合）を表わしており、σθ（Ｒ）が−の場合は、圧縮応力（凹型温度分布の場合）を表わしている。白丸はスリップ発生のなかった温度分布条件を表わし、黒丸はスリップの発生した温度分布条件を表わしている。
【００４１】
白丸と黒丸の境界がスリップ発生降伏応力に相当し、図８中に示した点線のように、０．０４６ｅｘｐ（０．３８ｅＶ／ｋＴ）［ＭＰａ］に、よくフィットした。ここで、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度である。たとえば、温度４５０℃では、スリップ発生降伏応力は約２０ＭＰａである。高温になるにつれて、スリップ発生降伏応力は減少し、６００℃では約７ＭＰａになり、８００℃では約３ＭＰａになることがわかった。すなわち、高温ほどスリップが発生しやすくなる。
【００４２】
なお、σθ（Ｒ）導出に必要な熱膨張率αとヤング率Ｅの値は、温度依存性を考慮して、以下の値を使用した。
【００４３】
αの値は、文献（Ａ．Ｓ．Ｊｏｒｄａｎ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｒｙｓｔａｌＧｒｏｗｔｈ４９（１９８０）６３１）に開示されている次式を使用した。
【００４４】
α［Ｋ^−１］＝４．６８Ｅ−６＋３．８２Ｅ−９Ｔ
なお、上式中Ｔは絶対温度を表わしている。また、Ｅの値として、結晶の異方性を考慮して、スリップの発生しやすい〈２１０〉あるいは〈１２０〉方向の値を用いた。これらの方向は、図５で、［１００］方向をθ＝０とすると、θｍ＝π／８（１＋２ｎ）［ｒａｄ］（ｎ：整数）の方向である。実際に、図５からわかるように、この方向で、スリップが優先的に発生している。この理由は、その詳細は省略するが、ＧａＡｓ結晶の滑り系が〈１１０〉／｛１１１｝であり（｛１１１｝面で〈１１０〉方向に結晶が滑る）、印加最大熱応力σθ（Ｒ）のこれらの滑り系に対する分解せん断応力（滑り面に働く滑り方向の応力）がθ＝θｍで最大になるからである。
【００４５】
Ｅの〈２１０〉あるいは〈１２０〉方向の値は、以下の式から求めた。

ここで、Ｓ_１１、Ｓ_１２、Ｓ_４４は弾性コンプライアンスである。
【００４６】
Ｓ_１１＝（Ｃ_１１＋Ｃ_１２）／（Ｃ_１１−Ｃ_１２）／（Ｃ_１１＋２Ｃ_１２）
Ｓ_１２＝−Ｃ_１２／（Ｃ_１１−Ｃ_１２）／（Ｃ_１１＋２Ｃ_１２）
Ｓ_４４＝１／Ｃ_４４……（３）
弾性コンプライアンスは弾性スティフィネスＣ_１１、Ｃ_１２、Ｃ_４４と関係づけられる。Ｃ_１１、Ｃ_１２、Ｃ_４４の値として、前出の文献に開示されている以下の式
Ｃ_１１［Ｐａ］＝１２．１６Ｅ１０−１．３９Ｅ７Ｔ
Ｃ_１２［Ｐａ］＝５．４３Ｅ１０−５．７６Ｅ６Ｔ
Ｃ_４４［Ｐａ］＝６．１８Ｅ１０−７．０１Ｅ６Ｔ……（４）
を使用した。すなわち、上記（２）〜（４）式から求めたヤング率Ｅを使用した。
【００４７】
以上述べた方法は、１つの温度分布に対し、１枚のウエハを使用して、スリップの有無を顕微鏡で観察するものであり、スリップ発生降伏応力を求めるには、同様の特性を有するウエハ（隣接ウエハ）を何枚か用意し、何種類からの温度分布でテストする必要がある。
【００４８】
この方法を発展させて、レーザの反射を利用し、スリップ発生をその場で観察（以下、その場観察と略す）すれば、１枚のウエハだけでスリップ発生降伏応力を求めることができる。具体的方法を、以下に述べる。
【００４９】
ウエハの面内温度が均一な条件でウエハを昇温する。レーザをウエハの周辺部に照射し、その反射光を光検出器で検出しておく。その後、ウエハの温度分布をゆっくりと大きくとしていく。温度分布から導出される最大熱応力σθ（Ｒ）がスリップ発生降伏応力を超えたときにスリップが発生し、その瞬間、ウエハの反り具合が変化し、レーザの反射光の方向が変化する。スリップ発生前の状態で、レーザの反射光の強度が最大になるように、レーザの方向と光検出器を調整しておけば、スリップの発生した瞬間にレーザ検出強度が減少するので、スリップの発生した瞬間がわかる。そのときの温度分布から求めたσθ（Ｒ）がスリップ発生降伏応力である。
【００５０】
実施例２
図８のデータをもとに、スリップの発生しない熱処理を実現するための、図９に示すような熱処理装置を作製した。熱処理装置は、サセプタ３０を有する熱処理炉２０を備える。図９の装置が図３に示す装置と異なるところは、次の点である。すなわち、ファイバ式放射温度計の一部である集光部（外集光部１１、中集光部１２、内集光部１３）をチャンバ２０の内部に導入して、ウエハ２１の温度分布を測定し、その温度分布データから求めた熱応力の面内最大値が、図８に示すスリップ発生降伏応力を超えないように、各温度において、ウエハの温度の面内分布をコントロールする点である。具体的には、以下のようである。ウエハ２１の、３つのゾーンヒータ（外ヒータ１４、中ヒータ１５、内ヒータ１６）の位置に対応する上部に、それぞれファイバ式放射温度計の集光部１１，１２，１３を設けた。各位置で求めた温度をコンピュータに入力し、ウエハの温度分布、およびウエハの面内における最大熱応力σθ（Ｒ）を求めた。σθ（Ｒ）が図８のスリップ発生降伏応力０．０４６ｅｘｐ（０．３８ｅＶ／ｋＴ）ＭＰａを超えないように、コンピュータにより、各ヒータの温度をコントローラ１４ａ，１５ａ，１６ａのパワーを調整した。たとえば、ウエハの冷却時には、ウエハの外周部がより低温になるので、外ヒータ１４の方が内ヒータ１６より大きなパワーになり、温度面内分布をより均一化するように制御される。この熱処理炉２０で、４インチ径ＧａＡｓウエハ２１（ＬＥＣ製ｕｎｄｏｐｅｄ）を処理したところ、スリップ発生はなかった。
【００５１】
図８に示すデータはｕｎｄｏｐｅｄＧａＡｓ結晶固有の特性であり、熱処理炉の構造、制御方法等に左右されないものである。よって、どのような熱処理でも、本実施例２に示すような温度分布の計測方法、および制御方法を採用すれば、スリップは、ｕｎｄｏｐｅｄＧａＡｓウエハでは、発生しない。また、本実施例２は、４インチ径ＧａＡｓウエハ２１に関するものであるが、図８のデータは、ウエハのサイズに左右されない。これは、ＧａＡｓ結晶固有の特性である。したがって、４インチ径以外のサイズのウエハについても、図８のデータをもとに、温度分布を制御すれば、スリップが発生せず、かつスループットの高い熱処理が可能となる。また、ＳｉやＺｎなどの不純物をドーピングしたＧａＡｓや他の材料のウエハ（ＳｉやＩｎＰ等）についても、実施例１と同様にスリップ発生降伏応力の温度依存性を測定し、本実施例２と同様に温度分布を計測し、かつ制御すれば、スリップを発生させずに、かつスループットの高い熱処理が可能となる。
【００５２】
実施例３
４インチ径ＧａＡｓウエハ（ＬＥＣ製ｕｎｄｏｐｅｄ）で形成された、低残留歪ウエハ（残留している歪が低いウエハを略して名付けたもの）と高残留歪ウエハ（残留した歪が高いウエハを略して名付けたもの）を、図１０に示すような凸型温度分布と凹型温度分布で熱処理した。凸型温度分布は、Ｔ（Ｒ）＝５９４℃のとき、σθ（Ｒ）＝６．１ＭＰａであり、引張り熱応力を発生させる。凹型温度分布は、Ｔ（Ｒ）＝６２９℃のとき、σθ（Ｒ）＝−４．６ＭＰａであり、圧縮熱応力を発生させる。残留歪は光弾性法により測定した。高残留歪ウエハでは、残留歪｜Ｓｒ−Ｓθ｜の面内平均値は１．２Ｅ−５であり、スリップ発生に関係するウエハエッジの残留歪値は２Ｅ−５以上であった。なお、Ｓｒはｒ−θ座標でｒ方向の歪を表わし、Ｓθは、θ方向の歪を表わしている。光弾性法ではこのようなＳｒ−Ｓθの絶対値という形でしか、残留歪がわからず、その方向がわからない。低残留歪ウエハでは、｜Ｓｒ−Ｓθ｜の面内平均値は０．４Ｅ−５であり、ウエハエッジでの残留歪値は１Ｅ−５以下であった。
【００５３】
図１１に示すように、凸温度分布熱処理をした場合、高残留歪ウエハでは、多数のスリップが発生したのに対して、低残留歪ウエハでは、スリップ発生はなかった。また、凹温度分布熱処理をした場合には、高残留歪ウエハではスリップ発生がなかったのに対し、低残留歪ウエハではスリップが発生した。このことは、以下のように考えることができる。
【００５４】
すなわち、高残留歪ウエハの外周部における残留応力（残留歪）は引張り応力である。それゆえに、高残留歪ウエハを凸温度分布熱処理をした場合には、印加された引張り熱応力と相まって、ウエハ（結晶）が感じる応力値が大きくなったため、スリップが、低残留歪ウエハに比べて発生しやすくなり、逆に、凹温度分布熱処理をした場合には、残留応力と熱応力とが相殺して、スリップが、低残留歪ウエハに比べて、発生しにくくなったと考えられる。
【００５５】
すなわち、本発明により、従来不可能であったウエハの残留応力の方向を求めることができる。また、このようにウエハの残留歪の方向がわかると、熱処理プロセスで、ウエハに、残留応力の方向と逆の方向の応力が加えるようにすれば、スリップの発生を抑制することができる。
【００５６】
すなわち、ウエハを熱処理する場合に、ウエハの残留応力が圧縮方向である場合は、引張り応力を与え、ウエハの残留応力が引張り方向であれば、圧縮応力を与えるように、ウエハに温度分布を与えれば、スリップの発生を抑制することができる。
【００５７】
また、このようにウエハの残留応力の方向がわかると、次のような利点もある。すなわち、ウエハの熱処理方法において、熱処理プロセス中の最大の熱応力の方向と逆の方向の残留応力を持つウエハを使用すれば、スリップの発生を抑制することができる。具体的に、熱処理プロセス中の最大熱応力が引張り方向の場合は、残留応力が圧縮方向のウエハを使用し、熱処理プロセス中の最大熱応力が圧縮方向の場合は、残留応力が引張り方向のウエハを使用すれば、スリップの発生を抑制することができる。
【００５８】
なお、上記実施例では、同心円上のヒータを内ヒータ、中ヒータ、外ヒータの３段で構成した場合を例示したが、この発明はこれに限られるものでない。本発明において最低限必要な段数は、ウエハサイズによらず、ウエハのエッジを加熱するヒータとウエハの中心を加熱するヒータの２段である。可能なヒータ段数の最大値は、ウエハの半径をＲｍｍとし、ヒータ１段当りの必要な長さの最小値を１０ｍｍとすると、約Ｒ／１０段となる。たとえば、４インチウエハでは５段、３００ｍｍ（直径）ウエハでは１５段である。
【００５９】
すなわち、本発明で採用され得る段数は、一般に（２〜Ｒ／１０）段と表わされる。実施例１および２では、制御性や経済性を考慮して、３段（ｍａｘ４インチ直径）ヒータを使用した。将来的には、Ｒ／１０段に近い段数の採用も可能性がある。たとえば、ウエハ温度をその場で観察し、その場で制御し、スリップの入らないようにウエハを熱処理するウエハ熱処理炉で、ヒータ段数を増やすことにより、より急加熱、急冷却が可能となり、経済的なメリットが発生する。
【００６０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、従来定性的にしかわからなかった、半導体ウエハのスリップ耐性を、スリップ発生降伏応力として定量的に求めることができる。これにより、ウエハの保証も可能になるし、また、スリップの出にくいウエハ製造にフィードバックすることも可能になる。
【００６１】
また、スリップ発生降伏応力の値の温度依存性データをもとに温度制御を行なえば、スリップの発生がなく、かつ、スループットの高い熱処理が可能となる。
【００６２】
さらに、従来測定が不可能であった、ウエハの残留応力の方向がわかるので、結晶製造等（結晶成長、成長後の熱処理）にフィードバックできる。また、ウエハの熱処理方法において、ウエハ熱処理プロセス中の最大熱応力の方向と逆方向の残留応力を持つウエハを使用すれば、スリップの発生を大幅に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体デバイスの製造工程を示す図である。
【図２】ウエハにスリップが発生する工程を示した図である。
【図３】スリップを評価するための炉を示す図である。
【図４】ウエハの面内表面温度を示す図である。
【図５】スリップの発生パターンを示す模式図である。
【図６】スリップ発生の温度依存性を示す図である。
【図７】熱応力の解析を示す図である。
【図８】最大熱応力（σθ（Ｒ））と温度（Ｔ（Ｒ））との関係を示す図である。
【図９】スリップの発生しない熱処理を実現するための熱処理装置の概念図である。
【図１０】ウエハの面内温度分布を示す図である。
【図１１】スリップ発生パターンと熱処理前の残留歪を示す図であり、特に、左欄の熱処理前の残留歪み分布図は、歪みの程度を濃淡で表現した図面である。
【符号の説明】
１１外集光部
１２中集光部
１３内集光部
１４外ヒータ
１５中ヒータ
１６内ヒータ
２０熱処理炉
２１ウエハ
３０サセプタ

Claims

所定温度で、半導体ウエハに対する面内の温度分布を変化させてゆき、スリップラインが発生する温度分布条件を検出することによって、スリップラインを発生させない許容熱応力範囲を特定する、半導体ウエハの評価方法。
前記所定温度を種々変化させて、それぞれの温度に相当する前記許容熱応力範囲を求めることによって、スリップを発生させない、温度の関数であるスリップ発生降伏応力を求める、請求項１に記載の半導体ウエハの評価方法。
前記半導体ウエハに前記温度分布を持たせるために、前記半導体ウエハのエッジを第１のヒータで加熱し、前記半導体ウエハの中心を第２のヒータで加熱する、請求項１に記載の半導体ウエハの評価方法。
前記第１のヒータは、前記第２のヒータを取囲むように形成されている、請求項３に記載の半導体ウエハの評価方法。
前記スリップラインの発生の有無を、前記半導体基板の表面の形状変化を検出することによって行なう、請求項１に記載の半導体ウエハの評価方法。
前記スリップラインの発生の有無は、レーザ光を前記半導体ウエハの表面に照射し、その反射光を検出することによって観察する、請求項５に記載の半導体ウエハの評価方法。
半導体ウエハの、スリップラインを発生させない許容熱応力範囲を特定し、
前記許容熱応力範囲内で、処理すべき半導体ウエハの昇降温速度を制御する、半導体ウエハの熱処理方法。
半導体ウエハを支持するサセプタと、
前記半導体ウエハに温度分布を与えるための加熱手段と、
前記半導体ウエハの温度分布を測定する手段と、
前記半導体ウエハに発生する熱応力が、前記半導体ウエハのスリップラインを発生させない範囲として特定された許容熱応力範囲内に収まるように、前記温度分布を制御する手段と、を備えた半導体ウエハの熱処理装置。
前記加熱手段は、前記半導体ウエハのエッジを加熱する第１のヒータと、前記半導体ウエハの中心を加熱する第２のヒータを備える、請求項８に記載の半導体ウエハの熱処理装置。
前記第１のヒータは、前記第２のヒータを取囲むように設けられている、請求項９に記載の半導体ウエハの熱処理装置。
評価すべき半導体ウエハを準備する第１工程と、
前記半導体ウエハにある温度分布を与える第２工程と、
前記半導体ウエハ上にスリップラインが発生しているか否かを観察する第３工程と、を備え、
前記第２工程における温度分布の状態の知見と、前記第３工程における前記スリップラインの発生の有無の知見とから、前記半導体ウエハの周辺部に円周方向であって、かつ引張る方向に残留応力が残っているのか、あるいは、円周方向であって、かつ圧縮する方向に残留応力が残っているのかを判定する、半導体ウエハの評価方法。
半導体ウエハに残っている残留応力の方向を判定し、
前記半導体基板に、前記残留応力の方向と反対の方向に応力が加わるように、前記半導体ウエハの周辺部にかける温度と、前記半導体ウエハの中心にかける温度を選んで、熱処理する、半導体ウエハの熱処理方法。
半導体ウエハの周辺部に、円周方向であって、かつ引張る方向に応力を生じさせるように半導体ウエハを熱処理する、半導体ウエハの熱処理方法において、
前記半導体ウエハとして、その周辺部に、その円周方向に圧縮する応力が残留している半導体ウエハを用いることを特徴とする、半導体ウエハの熱処理方法。
半導体ウエハの周辺部に円周方向であって、かつ圧縮する方向に応力を生じさせるように半導体ウエハを熱処理をする、半導体ウエハの熱処理方法において、
前記半導体ウエハとして、その周辺部に、その円周方向に引張る方向に応力が残留している半導体ウエハを用いることを特徴とする、半導体ウエハの熱処理方法。