JPH06302532A - 化合物半導体単結晶ウェハの熱処理方法及びそれに用いるウェハ支持具 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 結晶欠陥を生じさせることなく熱処理を行う
ことのできる化合物半導体単結晶ウェハの熱処理方法及
びそれに用いるウェハ支持具を提供する。 【構成】 ウェハ２０の裏面に当接する平板状の支持板
１２をウェハホルダー１０に設け、その支持板１２を熱
分解窒化ホウ素、グラファイト、モリブデン、タングス
テン、タンタル、又はシリコンにより形成した。横型炉
用の場合には設置時に支持板１２が垂直よりも１０度傾
くようにホルダー１０を形成した。縦型炉用の場合には
支持板３２が水平よりも１０度傾くようにホルダー３０
を形成した。 【効果】 ウェハの自重による圧縮応力が分散し、また
ウェハ内の温度差による熱応力が低減して、結晶欠陥の
発生が防止され、製造歩留りが向上する。さらに、残留
応力が低減し、電気的特性のバラツキを改善することが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＧａＡｓなどの化合物
半導体単結晶ウェハの熱処理方法及びそれに用いるウェ
ハ支持具に関し、特に熱処理時のウェハの支持構造に適
用して有用な熱処理方法及びウェハ支持具に関する。

【０００２】

【従来の技術】高周波デバイスや高速ＩＣなどの基板と
して用いられる半絶縁性のＧａＡｓなどの化合物半導体
単結晶ウェハにおいては、抵抗率等の特性の面内均一性
を向上させるため、或は不純物の拡散や活性化を行なう
ため、熱処理を行なう場合があり、その熱処理方法や処
理条件等に付いて種々提案されている。一般に熱処理に
おいては、所謂ウェハホルダーと呼ばれる支持具に、横
型炉の場合には複数枚のウェハを立たせた状態で、また
縦型炉の場合には複数枚のウェハを寝かせた状態で、支
持させて同時に処理している。従来、そのホルダーは、
図６又は図７に示すウェハホルダー５０，５５のよう
に、炉内における輻射熱及び対流による炉内雰囲気の均
一化の妨げを最小に抑えてウェハ全体を均一な温度にす
るために、複数本の棒状をなす石英製ロッド材５１，５
６よりなるフレームで構成されたものが多い。そして、
それらロッド材５１，５６には夫々ウェハ６０，６５の
縁を差し込む溝が形成されており、その溝に夫々ウェハ
６０，６５の外周部を差し込んで外周部の４点又は３点
を支持するようになっていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者は、上述したウェハホルダー５０を用いて４インチ径
のＧａＡｓ単結晶ウェハを９００℃以上の高温で長時間
の熱処理を行なうと、図８に示すように、ウェハ６０
の、ウェハホルダー５０との接触箇所、即ち溝に対応す
る箇所に微小なスリップライン（すべり線）状の結晶欠
陥群６１が発生してしまい、そのウェハは電子デバイス
などの作製には適さないということを見つけた。上述し
たウェハホルダー５５を用いた場合も、図９に示すウェ
ハ６５のように、ウェハ６０と同様の欠陥群６６が発生
した。この様な欠陥は、熱処理後の２インチ径や３イン
チ径のウェハにおいても認められた。

【０００４】本発明は、上記問題点を解決するためにな
されたもので、結晶欠陥を生じさせることなく熱処理を
行うことのできる化合物半導体単結晶ウェハの熱処理方
法及びそれに用いるウェハ支持具を提供することを目的
とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る化合物半導体単結晶ウェハの熱処理方
法においては、化合物半導体の熱伝導率と同程度又はそ
れよりも大きな熱伝導率を有し、且つウェハに加わる歪
力が熱処理温度における化合物半導体の臨界剪断応力以
下の大きさになるようにウェハの荷重を分散可能な支持
板に、ウェハの裏面を均一に支持させて熱処理を行うよ
うにした。

【０００６】また、上記の本発明に係る化合物半導体単
結晶ウェハの熱処理方法に用いるウェハ支持具として、
次のような構造のウェハ支持具を提案する。即ち、熱処
理するウェハと同様もしくはそれより大きな形状の平板
からなる支持板と、その支持板を水平または垂直に対し
て所定の傾斜角傾けた状態に設置させる支持部と、前記
傾いた支持板の低所側にてウェハの外周部を当接させる
受部とを備える支持具である。なお、傾いた支持板の低
所側とは、通常、ウェハ支持具をその使用目的にそって
設置された状態、即ちウェハの荷重による力が傾いた支
持板に加わるようにウェハ支持具が設置された状態にお
いて、重力によりウェハが傾いた支持板の面上を滑りな
がら移動する時、その移動する側（方向）を意味する。
また、支持板の傾斜角は、ウェハ裏面ならびに支持板の
ウェハと当接する面の表面状態（粗さ）に応じ、更には
ウェハの大きさ（厚さ及び面積）に応じて、ウェハの荷
重を支持板に分散可能とするように選ばれる。具体的に
は、ウェハの裏面に当接する平板状の複数の平行な支持
板をウェハホルダー（ウェハ支持具）に設け、その支持
板を熱分解窒化ホウ素、グラファイト、モリブデン、タ
ングステン、タンタル、又はシリコンにより形成する。
そして、横型炉用のホルダーの場合には支持板を垂直よ
りも僅かに（例えば、数度〜１０度程度）傾けて形成す
る。この場合、望ましくはウェハのオリエンタルフラッ
ト（以下、単に「フラット」と略記する。）部をホルダ
ーの底板（支持板が傾いた状態でホルダーを炉内に設置
可能な支持部兼ウェハの外周部を当接させる受部とな
る。）に当接させるようにウェハを設置するとよい。縦
型炉用のホルダーの場合には支持板を水平よりも僅かに
（例えば、数度〜１０度程度）傾けて形成する。望まし
くは、前記傾いた支持板の低所側に設けるホルダーの側
板（支持板が傾いた状態でホルダーを炉内に設置可能な
支持部兼ウェハの外周部を当接させる受部となる。）
に、ウェハのフラット部を当接させるようにウェハを設
置するとよい。

【０００７】

【作用】上記した手段によれば、ウェハの外周部及び裏
面に加わる歪力が臨界剪断応力以下の大きさになるよう
にウェハの荷重を分散可能な支持板にウェハをその裏面
を当接させて支持させるため、従来のホルダーを使用し
た場合にホルダーと接触する３点又は４点に集中してい
たウェハ自身の重量による機械的圧縮応力が分散し、結
晶欠陥の発生が防止される。特に、ウェハを立たせた状
態にする時には、支持板によるウェハ重量の分散効果が
減少するので、フラット部をホルダーの底板に当接させ
るとよく、それによりウェハ重量を支持板及びフラット
部全体に分散させることができる。ウェハを寝かせた状
態にする時も、支持板が傾いているためにホルダーに当
接するウェハ外周部に圧縮応力が加わるので、フラット
部をホルダーの側板（受部）に当接させることにより、
その圧縮応力を分散させることができる。また、支持板
を熱分解窒化ホウ素、グラファイト、モリブデン、タン
グステン、タンタル、又はシリコンにより形成すると、
前記の材料は熱処理温度において化学的に安定であり、
充分な機械的強度も持ち、さらに支持板の熱伝導率の大
きさがウェハの熱伝導率と同程度かそれよりも大きいた
め、例えば急激な昇降温時にウェハの外周部と中心部と
の間に生じ得る温度差を緩和することができ、ウェハ内
に生じ得る熱応力に起因する結晶欠陥の発生が防止され
る。加えて、用いるウェハホルダーを上記の構造とする
と、その支持板の形状はウェハと同様もしくはそれより
も大きな形状の平板であるので、ウェハ裏面と当接する
面積を充分広くでき、ウェハ自身の重量を分散すること
が容易になる。同時に、充分広い面積でウェハ裏面と当
接するので、有効にウェハと支持板との熱伝導を行わせ
ることができ、上記の温度差の緩和が効果的に行われ
る。上記支持板の傾斜角が１０゜を大きく超えると、横
型炉の場合にはウェハを略垂直に立たせ、或いは縦型炉
の場合にはウェハを略水平に寝かせ配置するというウェ
ハホルダーの機能的な特徴が損なわれることになる。ま
た、ウェハを立たせる場合、支持板の傾斜角を零とする
と、ウェハ自身の重量による機械的圧縮応力を支持板に
より分散することができない。一方、ウェハを略水平に
寝かせる場合、少なくとも数度以上傾斜させることで、
フラット部をホルダーの側板乃至は底板に当接するよう
にウェハを配置することが容易になる。更に、フラット
部をウェハホルダーの底板乃至は側板に当接させること
により、略円形のウェハが回転して変位するのを防止で
き、所望のウェハ配置、即ちウェハ裏面の全面と支持板
とが当接する配置に保つことができる。

【０００８】

【実施例】以下に、実施例及び比較例を挙げて本発明の
特徴とするところを明かとする。本発明の実施に使用さ
れる横型炉用のウェハホルダーの一例を図１に示し、説
明する。同図に示すように、このウェハホルダー１０
は、平板状の底板１１に支持板１２を垂直に対して数度
〜１０度程度（ここでは、５度）傾けた状態で立てたも
ので、例えば、支持板１２をウェハ２０（二点鎖線で示
す。）と同様な形状をなすｐＢＮ（熱分解窒化ホウ素）
製の平板により形成した。底板１１は、炉内において支
持板１２が上記のように垂直に対して傾くようにホルダ
ー１０を設置させる支持部であるとともに、ウェハ２０
のフラット部を均一に当接させる受部を兼ねている。底
板１１は例えばｐＢＮや石英からなり、ｐＢＮ製の場合
には底板１１と支持板１２は例えば一体成型され、また
石英製など支持板１２と異なる材質の場合には底板１１
に設けたスリット（図示せず。）に支持板１２を差し込
むなどして両者は結合されている。

【０００９】また、本発明の実施に使用される縦型炉用
のウェハホルダーの一例を図２に示す。同図に示すよう
に、ウェハホルダー３０は平板状の側板３１と平板状の
支持板３２とからなり、支持板３２を側板３１に向かっ
て低くなるように水平に対して数度〜１０度程度傾けて
形成した。そして、例えば支持板３２をグラファイトに
よりウェハ４０（二点鎖線で示す。）と同様な形状に形
成し、ウェハ４０の裏面全部に当接するようにした。こ
こで、側板３１はウェハ４０の外周部（特に限定しない
がフラット部が望ましい。）を当接させる受部となって
いる。また、側板３１の下端には、支持板３２が上記の
ように水平に対して傾くようにホルダー３０を設置させ
る支持部３３が設けられている。それら側板３１、支持
板３２及び支持部３３は、上述したホルダー１０におけ
る底板１１と支持板１２のように一体成型或いはスリッ
トなどにより結合されている。

【００１０】（実施例１）ＬＥＣ（液体封止チョクラル
スキー）法により育成したＧａＡｓ単結晶から６５０μ
ｍの厚さで切り出した後、水酸化ナトリウム（ＮａＯ
Ｈ）系のエッチャントで表面を約３０μｍ除去した２イ
ンチ径のウェハ２０を図１のウェハホルダー１０に立た
せた状態で設置した。この際、ウェハ２０に形成された
〈１１０〉方向のフラット部をウェハホルダー１０の底
板１１に均一に当接させた。

【００１１】そして、図３に示すように、それらを石英
製のアンプル２５中に真空封入し、１１００℃で５時間
の熱処理を行った。処理後、室温まで自然冷却し、アン
プル２５から取り出したウェハ２０の表面をラッピング
及び硫酸系のエッチャントにより約６０μｍ除去して鏡
面状態にした。さらにその表面を４００℃の水酸化カリ
ウム（ＫＯＨ）融液によりエッチング処理した後、転位
等の欠陥に対応して生じるピットを観察して、欠陥の発
生の有無を調べた。この場合には、ウェハ２０にピット
は確認されず、熱処理中に結晶欠陥が発生しなかったこ
とがわかった。

【００１２】なお、ウェハ２０の熱分解を防ぐために、
アンプル２５内を過剰なヒ素圧となるようにしたのはい
うまでもない。また、フラット部の長さを１８mmとし
て、フラット部端面の面積に対するウェハの重量比率を
５００g/cm²以下に抑えた。この値は、不純物を添加し
ていないＧａＡｓの１１００℃における臨界剪断応力よ
りも十分小さい値であった。なお、図３において、符号
２６，２７で示したものは、夫々炉芯管及び電気炉であ
る。

【００１３】（実施例２）図４に示すような縦型炉にお
いて、上記実施例１と同じようにして作製されたウェハ
４０を図２のウェハホルダー３０に寝かせた状態で同じ
処理条件で熱処理し、ピットの有無を観察した。この場
合、フラット部を側板３１に当接させるか否かに拘ら
ず、ウェハ４０にピットは確認されず、熱処理中に結晶
欠陥が発生しなかったことがわかった。なお、図４にお
いて、符号４５，４６，４７で示したものは、夫々石英
製のアンプル、炉芯管及び電気炉である。

【００１４】（実施例３）図１のウェハホルダー１０に
４インチ径のＧａＡｓウェハを立たせて、図３に示す横
型炉において、上記実施例１と同様に１１００℃で５時
間の熱処理を行い、ピットの有無を観察した。この実施
例においては、支持板１２を熱伝導性に優れたｐＢＮ積
層材又はグラファイトで形成し、垂直に対して約１０度
傾けた。何れの場合も、ウェハにピットは確認されず、
熱処理中に、温度差によりウェハ内に生じ得る熱応力に
起因して発生するスリップライン、即ち結晶欠陥が発生
しなかったことがわかった。なお、ＧａＡｓ単結晶（Ｌ
ＥＣ法により育成）から８００μｍの厚さで切り出し、
表面を約３０μｍ除去したウェハを用いた。また、昇温
速度は、室温から１０００℃までは平均１２℃／分、そ
の後１１００℃で温度が安定するまでは平均４℃／分で
あった。

【００１５】（実施例４）図２のウェハホルダー３０に
４インチ径のＧａＡｓウェハを寝かせて、図４に示す縦
型炉において、上記実施例３と同様に熱処理を行い、ピ
ットの有無を観察した。なお、支持板３２をｐＢＮ積層
材又はグラファイトで形成した。何れの場合も、ウェハ
にピットは確認されず、熱処理中にスリップラインが発
生しなかったことがわかった。

【００１６】（比較例）図２のウェハホルダー３０の支
持板３２を熱伝導率の小さい石英で作製し、上記実施例
４と同様に熱処理を行った結果、図５に示すように、ウ
ェハにはピットが確認され、熱処理中にウェハの外周か
ら中央部に達する程度のスリップラインが多数発生した
ことがわかった。昇降温速度が５℃／分程度の比較的遅
い場合にも同様にスリップラインの発生が認められるこ
とがあった。

【００１７】以上説明した実施例１及び２によれば、ウ
ェハの重量を支持板１２，３２に分散させ、加えてウェ
ハを立たせる場合にはフラット部をホルダー１０の底板
１１に当接させてウェハ重量をさらに分散させることに
より、熱処理時に結晶欠陥が発生するのを防ぐことがで
きた。また、実施例３及び４によれば、支持板１２，３
２が熱伝導性に優れていることにより、ウェハ内に生じ
得る温度差を小さくすることができ、従って、熱応力の
発生を抑え、熱処理時に結晶欠陥が発生するのを防ぐこ
とができた。

【００１８】なお、支持板１２，３２の材質は上記実施
例に記載したものに限らず、熱伝導率が高く、酸化され
難く、V族元素との化合物を形成し難い化学的に安定な
ものなら如何なるものでもよく、例えばモリブデン、タ
ングステン、タンタルなどの高融点金属や高純度シリコ
ンなどが挙げられる。シリコンの場合には、予めその表
面に熱酸化膜（ＳｉＯ₂）を形成しておく。これらの材
質よりなる支持板を用いても上記実施例１乃至４と同様
の効果が得られる。また、ＧａＡｓに限らず他のIII−V
族やII−VI族化合物半導体単結晶ウェハの熱処理に付い
ても、支持板の材質をウェハの材質（組成）に応じて適
宜決めることにより、本発明を適用することができるの
はいうまでもない。

【００１９】

【発明の効果】本発明に係るウェハ支持具を用いて熱処
理を行うことによって、ウェハ自身の重量による機械的
圧縮応力を狭い領域に集中させずに分散させることがで
きるだけでなく、ウェハ内の温度差による熱応力を低減
させることができ、熱処理中に結晶欠陥が発生するのを
防止することができる。従って、単結晶ウェハの製造歩
留りが向上し、その経済的効果は極めて大である。ま
た、例えば４インチ以上の大口径のＧａＡｓ単結晶ウェ
ハの製造に本発明を適用することにより、機械的応力や
熱応力による残留応力を低減させることができ、電気的
特性のバラツキを改善することができる。さらに、熱処
理中に温度を変える二段階アニールの場合に特に有効で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る熱処理方法に用いられる横型炉用
のウェハホルダーの一例を示す図である。

【図２】本発明に係る熱処理方法に用いられる縦型炉用
のウェハホルダーの一例を示す図である。

【図３】図１のウェハホルダーを横型炉に設置した状態
を示す概略図である。

【図４】図２のウェハホルダーを縦型炉に設置した状態
を示す概略図である。

【図５】比較例において熱処理した後のウェハの表面状
態を示す模式図で、熱応力によるスリップラインが生じ
ている状態が示されている。

【図６】従来のウェハホルダーによるウェハの支持状態
の模式図である。

【図７】従来のウェハホルダーによるウェハの支持状態
の模式図である。

【図８】図６のウェハホルダーを用いて熱処理したウェ
ハの表面状態を示す模式図で、結晶欠陥が生じている状
態が示されている。

【図９】図７のウェハホルダーを用いて熱処理したウェ
ハの表面状態を示す模式図で、結晶欠陥が生じている状
態が示されている。

【符号の説明】

１１ 底板（支持部、受部） １２，３２ 支持板 ３３ 支持部 ２０，４０ ウェハ ３１ 側板（受部）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 化合物半導体の熱伝導率と同程度又はそ
   れよりも大きな熱伝導率を有し、且つウェハに加わる歪
   力が熱処理温度における化合物半導体の臨界剪断応力以
   下の大きさになるようにウェハの荷重を分散可能な支持
   板に、ウェハの裏面を均一に支持させて熱処理を行うこ
   とを特徴とする化合物半導体単結晶ウェハの熱処理方
   法。
2. 【請求項２】 上記請求項１に記載の熱処理方法に用い
   るウェハ支持具であって、ウェハと同様もしくはそれよ
   りも大きな形状の平板からなる支持板と、その支持板を
   水平または垂直に対して所定の傾斜角傾けた状態に設置
   させる支持部と、前記傾いた支持板の低所側にてウェハ
   の外周部を当接させる受部とを備えていることを特徴と
   する化合物半導体単結晶ウェハの熱処理方法に用いるウ
   ェハ支持具。
3. 【請求項３】 前記支持板は、熱分解窒化ホウ素、グラ
   ファイト、モリブデン、タングステン、タンタル、又は
   シリコンにより形成されていることを特徴とする請求項
   ２記載の化合物半導体単結晶ウェハの熱処理方法に用い
   るウェハ支持具。