JPH0845946A - シリコン半導体単結晶基板の熱処理方法及び熱処理装置、半導体装置 - Google Patents

シリコン半導体単結晶基板の熱処理方法及び熱処理装置、半導体装置

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JPH0845946A
JPH0845946A JP17996494A JP17996494A JPH0845946A JP H0845946 A JPH0845946 A JP H0845946A JP 17996494 A JP17996494 A JP 17996494A JP 17996494 A JP17996494 A JP 17996494A JP H0845946 A JPH0845946 A JP H0845946A
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heat treatment
temperature
single crystal
crystal substrate
silicon semiconductor
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Saburo Oikawa
三郎 及川
Yasuhiro Mochizuki
康弘 望月
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 大口径で厚いシリコンウエハの高温熱処理時
の結晶欠陥の発生を防止し、かつ拡散層の均一性を保持
する。 【構成】 シリコンウエハに加わる熱応力が弾性変形を
生じないような温度分布を保持できるように、高温にな
るほど昇温速度を小さく、かつ拡散層の均一性を保持で
きるように低温域の昇温速度を大きくする。 【効果】 高温熱処理時のスリップライン、エッチピッ
ト転位等のプロセス誘起欠陥を防止し、かつ拡散層の均
一性も保持できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、シリコン半導体単結晶
基板(以下、シリコンウエハという)の熱処理方法及び
その装置と、半導体装置とに係り、特に大口径で厚い単
結晶基板の高温熱処理に適したシリコンウエハの熱処理
方法及びその装置と、該方法を用いて製造した半導体装
置に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体装置の製造プロセスでは、シリコ
ンウエハに対して種々の熱処理が施されるが、この熱処
理工程においては、熱処理によって組成(ドーパントの
濃度)の均一性が損なわれないように、またスリップラ
イン、酸化誘起欠陥(OSF)等の結晶欠陥が発生しな
いようにする必要がある。このための従来技術として
は、大別すると次の3方式が挙げられる。 (1)熱処理プロセス、特に所定温度までの昇温や所定
温度からの降温の温度制御に関するもの(特開昭49−
67566、特開昭49−53763等)。 (2)半導体基板に特殊な加工を施し欠陥の発生を防止
するもの(特公昭49−12512、特公昭49−28
271、特公昭54−2064、特開昭49−4957
6、特開昭62−143432等)。 (3)半導体基板の熱処理装置、特にウエハの保持治具
の形状・材質等の改善に関するもの(特開昭48−66
76、実開昭49−17158、実開昭49−7335
4、実開昭49−59464、実開昭49−5826
5、特開平4−304652、特開平4−88656、
特開平5−129214、特開平5−114645、特
開平5−152228等)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】最近、シリコン半導体
プロセスでは大口径基板(直径150mm以上)が用い
られ、さらに、高耐圧大電流用のパワーデバイスでは、
シリコンウエハの厚みが1.5mm以上で重さが60g
以上にも達するものがある。このような高耐圧パワーデ
バイスのプロセスにおいては、深い拡散層の形成のため
高温で長時間の熱処理が行われる。また熱処理の高温化
により、工程時間の短縮を図ることができる。
【0004】このような大口径で厚い基板の場合、例え
ば特開昭49ー67566号に示されたような、炉への
出し入れ時の温度変化をゆっくり行うという熱処理の制
御方法では、充分な効果が得られない。特に、昇温中に
シリコンウエハ内に温度分布が生じて弾性変形以上の応
力が発生したり、シリコンウエハの重さにより結晶中に
スリップラインが発生したりする問題があり、従来技術
では熱処理によるプロセス誘起欠陥の発生防止が困難で
ある。また、大口径基板の高温熱処理では、熱膨張によ
る径の拡大が大きくなり、ウエハと治具サイズのマッチ
ング(寸法公差、均一性)が厳しくなる。
【0005】本発明の目的は、大口径で厚いシリコンウ
エハの高温熱処理における結晶欠陥の発生を防止し、か
つ拡散等のドーパントの分布の均一性を確保できるシリ
コンウエハの熱処理方法及びその装置と、その方法を用
いて製造した半導体装置とを提供するにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、シリコン半導
体単結晶基板を熱処理するための温度を、シリコン半導
体単結晶基板内の熱応力が弾性変形を生じないような温
度分布を保持できるように、高温になるほど昇温速度が
小さくなるように制御することを特徴とするシリコン半
導体単結晶基板の熱処理方法を開示する。又本発明は、
上記熱処理の温度が低い間は、上記熱応力が弾性変形を
生じないような温度分布を保持できる昇温速度の範囲内
で、より大きい昇温速度とすることを特徴とする請求項
1に記載のシリコン半導体単結晶基板の熱処理方法を開
示する。
【0007】
【作用】シリコン単結晶が、弾性変形から塑性変形に変
わる降伏応力は、高温ほど小さく、750℃を超えると
急激に低下する。特に、結晶中の酸素の含有量が少ない
フローティングゾーン法(FZ法)で作製されたシリコ
ン単結晶ではこの傾向が顕著である。従って、昇降温速
度を遅くすることにより、シリコンウエハ全体を熱平衡
状態に保持することができ、シリコン単結晶基板内の熱
応力分布を小さくでき、結晶欠陥の発生を防止すること
ができる。また、比較的低温では、昇温速度が大きくて
シリコンウエハ内に温度分布が生じても、降伏応力が大
きいため弾性変形で留まり、結晶欠陥の発生は防止でき
る。また低温部の昇温速度を大きくすることにより、偏
析係数が大きい低温の時間を短縮でき、拡散層のドーパ
ント濃度のばらつきを低減できる。
【0008】
【実施例】以下、本発明を実施例により詳細に説明す
る。まず大口径で厚いシリコンウエハの拡散のための熱
処理方法を改善するために行った実験について述べる。
図2は、シリコン基板の熱処理炉(拡散炉)を示してお
り、拡散炉10は横型で、石英製プロセス管11内にウ
エハホルダ13が設置されている。ウエハホルダ13は
シリコンカーバイド製で、ウエハピッチ5mmで50枚
のシリコンウエハ12をセットできる。ただし、ウエハ
ホルダの両端各2枚は他と同一のシリコンウエハ12で
あるが、熱遮蔽等のバッファを兼ねるため、以下の実験
では評価の対象外とした。炉の均熱長は800mm、温
度の均一性は±0.5℃である。熱処理は、窒素気流中
で60分間保持した。窒素雰囲気は、酸化膜の形成によ
る応力発生を防止するためである。
【0009】シリコンウエハ12は、フローティングゾ
ーン法で作成した直径150mm、厚み1.60mm、
鏡面仕上げ、端面面取り加工のウエハである。イオン打
ち込みによりアルミニウムが、ドーズ量5×1015/c
2、エネルギー100keVで打ち込まれている 。シ
リコン酸化膜等のマスクは用いていない。
【0010】図3は、各熱処理温度までの昇温速度とシ
リコン単結晶基板12の欠陥発生状況の実験結果を示す
ものである。結晶欠陥は、X線トポグラフィや選択エッ
チング法で観察した。図中、○印は結晶欠陥の発生が見
られないもの、●印はスリップラインやエッチピット等
の結晶欠陥の発生が見られたものを示す。この結果から
次のことが判る。 (1)750℃以下の熱処理においては、炉の最大昇温
速度である20℃/min で加熱しても、所定温度に設定
された炉内に急速にウエハを挿入しても、結晶欠陥の発
生が見られない。 (2)1100℃までの熱処理においては、4.0℃/
min の昇温速度では結晶欠陥の発生が見られる場合もあ
り、不安定である。結晶欠陥(スリップライン)はウエ
ハの周辺部、特にシリコンウエハのホルダ接点部から中
心方向に向かって発生している。3.5℃/min 以下の
昇温速度では結晶欠陥の発生が防止できる。 (3)1150℃までの熱処理においては、上記の場合
と同様に、3.0℃/min の昇温速度が臨界点で、不安
定であり、2.5℃/min 以下の昇温速度で結晶欠陥の
発生が防止できる。 (4)1250℃までの熱処理においては、上記の場合
と同様に、1.5℃/min の昇温速度が臨界点で、不安
定であり、1.0℃/min 以下の昇温速度で結晶欠陥の
発生が防止できる。なお、以上の結果は拡散時間に殆ど
依存しないことも明らかとなった。
【0011】図4は、各熱処理温度までの昇温速度とシ
リコン単結晶基板12のアルミニウム拡散層のシート抵
抗分布の実験結果を示すものである。拡散層のシート抵
抗は四端針法により、ウエハ内25点を測定した。図中
の数字はウエハ内シート抵抗のばらつきを示す。この実
験から、どの熱処理温度においても、昇温速度が遅くな
るほどシート抵抗、即ち拡散層のウエハ内ばらつきが大
きく、特に、熱処理温度が低温の場合に顕著であること
が判る。これは、900〜1000℃以下の比較的低温
では、ドーパントの偏析係数が大きいため、低温で長時
間保持されていると、外向拡散や、雰囲気中の微量酸素
による酸化膜の形成のため、ドーパントの再分布による
ばらつきが顕著になるものと考えられる。これを防止す
るためには、比較的低温過程の処理時間を短縮すること
が必要であり、昇温速度を早めることが有効である。
【0012】以上の実験結果から、さらにシート抵抗の
ウエハ内ばらつきが小さい熱処理条件を種々実験し、か
つ前述の結晶欠陥の発生防止の条件を考慮して、以下の
条件が適していることが判った。 室温〜750℃までは、少なくとも1.5℃/min 以上
のできるだけ高速で昇温させる 750〜950℃では、 1.5〜3.5℃/min の範
囲の速度で昇温させる 950〜1100℃では、3.5℃/min 以下の速度で
昇温させる 1100〜1150℃では、2.5℃/min 以下の速度
で昇温させる 1150〜1250℃では、1.0℃/min 以下の速度
で昇温させる
【0013】図1は、以上の条件を考慮した熱処理方法
の実施例を示すもので、上記の条件(図中に付記した)
を満たしながら、高温になるにつれて昇温速度が低下す
るような制御方法になっている。
【0014】本実施例の熱処理方法で作成したpn接合
及びpnp接合は、直径136mmのペレットで端部を加
工した後、耐圧6〜9kVが得られた。なお耐圧は、シ
リコンウエハの抵抗率や厚みなどにより決定される。こ
のような高耐圧用の素子は、高圧直流送電、周波数変換
器、無効電力補償装置などの電力変換器に用いるサイリ
スタや、大容量圧延機や車両などのインバータに用いる
ゲートターンオフサイリスタの製造プロセスに適用でき
る。
【0015】次に、シリコンウエハに酸化膜を生成する
ための熱処理実験について説明する。これは、シリコン
ウエハの表面にシリコン酸化膜(SiO2)を形成し、リ
ンやボロンの拡散マスクとするためである。実験の温度
は1150℃、雰囲気は水素の酸素燃焼による水蒸気流
中、酸化時間100min で、約1μm の酸化膜を形成し
た。
【0016】この実験により、1150℃までの昇温過
程では、まず750℃に設定された炉内に挿入後、11
00℃まで3.0/min で昇温し、その後1150℃ま
では1.0℃/min で昇温させる、という条件が好まし
いことが明かとなった。750℃に設定された炉内に挿
入後、1150℃まで3.0℃/min で昇温した場合
は、スリップラインの発生のみ成らず、酸化誘起欠陥
(OSF:Oxidation-induced Stacking Faults)も約
103個発生したが、上記の条件によると、結晶基板の
スリップラインの発生は全く防止でき、また1100℃
付近の酸化で約106個と発生がピークとなる酸化誘起
欠陥は、1150℃の酸化により約102個に減少でき
た。また、前記の図1の方法で作成したpnp接合を、
上記の酸化膜生成方法で酸化すると、pn接合の耐圧の
劣化やリーク電流の増大はみられなかった。
【0017】
【発明の効果】本発明によれば、大口径で厚いシリコン
ウエハの高温熱処理時の結晶欠陥の発生を防止し、かつ
拡散の均一性を確保できる。このため素子、特にパワー
デバイスの特性不良や歩留まり低下が防止できる効果が
ある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明になる熱処理方法の一実施例を示す温度
プロファイルである。
【図2】シリコンウエハの熱処理装置の構成を示す図で
ある。
【図3】熱処理によるシリコンウエハの結晶欠陥の発生
状況の実験結果を示す図である。
【図4】熱処理によるシリコンウエハ拡散層のシート抵
抗のばらつきの実験結果を示す図である。
【符号の説明】
10 拡散炉 11 石英製プロセス管 12 シリコン単結晶基板 13 ウエハホルダ

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シリコン半導体単結晶基板を熱処理する
    ための温度を、シリコン半導体単結晶基板内の熱応力が
    弾性変形を生じないような温度分布を保持できるよう
    に、高温になるほど昇温速度が小さくなるように制御す
    ることを特徴とするシリコン半導体単結晶基板の熱処理
    方法。
  2. 【請求項2】 前記熱処理の温度が低い間は、前記熱応
    力が弾性変形を生じないような温度分布を保持できる昇
    温速度の範囲内で、より大きい昇温速度とすることを特
    徴とする請求項1に記載のシリコン半導体単結晶基板の
    熱処理方法。
  3. 【請求項3】 前記シリコン半導体単結晶基板は、フロ
    ーティングゾーン法で作製された基板であり、かつ昇温
    速度を、750℃以上1100℃までは3.5℃/min
    以下、1100℃以上1150℃までは2.5℃/min
    以下、1150℃以上1250℃までは1.0℃/min
    以下とすることを特徴とする請求項1に記載のシリコン
    半導体単結晶基板の熱処理方法。
  4. 【請求項4】 前記シリコン半導体単結晶基板は、フロ
    ーティングゾーン法で作製された基板であり、かつ昇温
    速度を、950℃以下において1.5℃/min 以上とす
    ることを特徴とする請求項2に記載のシリコン半導体単
    結晶基板の熱処理方法。
  5. 【請求項5】 フローティングゾーン法によって製造さ
    れたシリコン半導体単結晶基板の拡散処理及び酸化膜生
    成処理を、請求項2に記載の熱処理方法を用いて行うこ
    とにより製造されたことを特徴とする半導体装置。
  6. 【請求項6】 シリコン半導体単結晶基板を熱処理する
    ための温度を、シリコン半導体単結晶基板内の熱応力が
    弾性変形を生じないような温度分布を保持できるよう
    に、高温になるほど昇温速度が小さくなるように制御す
    る第1の手段と、上記熱処理の温度を、その温度が低い
    間は、上記熱応力が弾性変形を生じないような温度分布
    を保持できる昇温速度の範囲内で、より大きい昇温速度
    とするように制御する第2の手段とから成ることを特徴
    とするシリコン半導体単結晶基板の熱処理装置。
JP17996494A 1994-08-01 1994-08-01 シリコン半導体単結晶基板の熱処理方法及び熱処理装置、半導体装置 Pending JPH0845946A (ja)

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