JP2003318183A

JP2003318183A - 半導体基板の熱処理方法とその熱処理用治具

Info

Publication number: JP2003318183A
Application number: JP2002125581A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Adachi; 尚志足立
Original assignee: Sumitomo Mitsubishi Silicon Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2003-11-07

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体基板、特にＳＩＭＯＸプロセスで製造
され、超高温で高酸素雰囲気下で熱処理される基板に発
生する明確で強いスリップを防止できる熱処理方法と治
具。【解決手段】基板の周端エッジにのみ接触するテーパ
ー部を有する円盤又はリング状の熱処理治具を用い、こ
のテーパー部に放射方向のスリットを複数設けることに
より、酸化膜同士の接着力を低減、また接着した場合で
も基板拘束力を低減、かつ自重応力も低減させることが
可能となり、密着や治具の破損などがなくなり、スリッ
プの発生を著しく低減できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ＳＯＩ基板、特
にＳＩＭＯＸ基板の熱処理方法の改良に係り、酸素含有
雰囲気での高温熱処理における基板の載置用治具と基板
の密着により発生する顕著なスリップの発生を防止した
ＳＩＭＯＸ基板の熱処理方法とその熱処理用治具に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ＳＯＩ基板は、寄生容量が少ないためデ
バイス動作の高速化が可能なこと、放射線耐圧に優れて
いること、低消費電力化が可能なこと、ラッチアップ防
止など非常に優れた特性を有することを特徴としてい
る。

【０００３】ＳＯＩ基板の中でも絶縁層上に単結晶半導
体層を有するＳＩＭＯＸ（Ｓｅｐａｒａｔｉｏｎｂｙ
ＩＭｐｌａｎｔｅｄＯＸｇｅｎ）と呼ばれる製造方
法により作製されるＳＯＩ基板は、製造工程数が少ない
ため将来的に有効な手法として期待されている。

【０００４】このＳＩＭＯＸ製造方法としては、単結晶
シリコン基板へのイオン注入工程、および熱処理工程か
らなる。一般的には、シリコン基板を５００℃〜６５０
℃の温度範囲内で酸素原子イオンあるいは酸素分子イオ
ンを基板表面に１×１０¹⁷〜１０¹⁸ ｃｍ^-2程度打ちこ
み、その後アルゴンガスベースの微量酸素雰囲気下で１
３００℃から１３９０℃程度の温度範囲で数時間熱処理
を施すことにより、基板内部に注入された酸素イオンが
シリコンと反応して基板内部に酸化膜を形成するもので
ある。

【０００５】このように良質な連続した埋め込み酸化膜
形成のためには超高温下での熱処理が必要となるため、
熱処理工程でのスリップ、転位問題が課題として残って
いる。特に２００ｍｍまでのＳＩＭＯＸプロセスでの高
温熱処理の場合には、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）か
ら構成された球を数個シリコン基板の下に設置する方
法、あるいは自重応力を低減させるため、図４に示すご
とき半導体基板１の外径より小さなリング板からなるリ
ングホルダ３を用いて熱処理されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】前述のごとく、ＳＩＭ
ＯＸプロセスでは酸素イオン注入された基板の埋め込み
酸化膜形成のために、１％前後の微量酸素雰囲気下で１
３００℃から１３９０℃程度で数時間保持、引き続き酸
化膜成長あるいは品質向上のため５０％以上の酸素雰囲
気下でさらに数時間の熱処理を必要とする。

【０００７】しかし、基板裏面領域で保持する従来型の
リングホルダーでは、ＳＩＭＯＸの第一段階の熱処理で
ある低酸素雰囲気下での熱処理ではスリップは発生し難
いが、次段の高酸素雰囲気下になるとスリップが多発す
ることを知見した。

【０００８】本発明者は、かかる現象は、超高温で高酸
素雰囲気下でシリコン基板およびホルダー材質の表面酸
化が促進され、互いの材料表面に成長した酸化膜同士が
接着することにより、シリコン基板が熱処理治具に束縛
されるためにスリップや転位が発生し易いと推察してい
る。

【０００９】一方、前記したＳｉＣ球を用いる方法で
は、基板と熱処理治具との接触面積が小さいため、酸化
膜成長による材料間での接着力は低減できるが、基板自
重をＳｉＣ球の３点もしくは４点のみで保持しているこ
とから、当該保持部での自重応力が温度上昇に伴いスリ
ップ発生応力を超えてしまい、かかる高温下では極端に
ひどいスリップが発生する問題がある。また、基板外周
部の全体を支持するリングホルダーではひどいスリップ
が発生してホルダーの破損が発生する問題がある。

【００１０】この発明は、半導体基板、特にＳＩＭＯＸ
プロセスで製造され、超高温で高酸素雰囲気下で熱処理
される基板に発生する明確で強いスリップが、結晶欠陥
を招来してリーク電流の増加などデバイス特性を劣化さ
せることから、ＳＩＭＯＸ基板でのスリップ、転位の低
減できる半導体基板の熱処理方法とその熱処理用治具の
提供を目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】発明者は、超高温で高酸
素雰囲気下で熱処理される基板に発生する明確なスリッ
プの発生を防止できる熱処理方法、特に基板外周端面の
面取り領域で保持する熱処理治具について種々検討した
結果、基板の周端エッジにのみ接触するテーパー部を有
する円盤又はリング状の熱処理治具を用い、このテーパ
ー部に放射方向のスリットを複数設けることにより、酸
化膜同士の接着力を低減、また接着した場合でも基板拘
束力を低減、かつ自重応力も低減させることが可能とな
り、密着や治具の破損などがなくなり、スリップの発生
を著しく低減できることを知見し、この発明を完成し
た。

【００１２】すなわちこの発明は、半導体基板の周端エ
ッジにのみ接触するテーパー部を有して該基板を保持可
能にしかつ放射方向の複数のスリットを少なくとも前記
テーパー部に設けた熱処理用治具を用い、該基板を前記
熱処理用治具に載置して酸素含有雰囲気で熱処理するこ
とを特徴とする半導体基板の熱処理方法である。

【００１３】また、この発明は、上記構成の方法におい
て、１）酸素含有雰囲気が酸素分圧０．５％〜６０％のアル
ゴンガス雰囲気である熱処理方法、２）半導体基板がＳＩＭＯＸ基板であり、熱処理温度が
７００℃〜１３９０℃である熱処理方法、を併せて提案
する。

【００１４】さらに、この発明は、半導体基板の周端エ
ッジにのみ接触するテーパー部を有して該基板を水平に
保持可能する円盤状又はリング状の治具であり、放射方
向の複数のスリットを少なくとも前記テーパー部に設け
たことを特徴とする半導体基板の熱処理用治具である。

【００１５】また、この発明は、上記構成の熱処理用治
具において、３）治具材質がＳｉＣである治具、４）治具表面に気相成長による窒化物膜を有する治具、
を併せて提案する。

【００１６】

【発明の実施の形態】この発明による熱処理方法に用い
る治具は、図２及び図３に示すごとく、円盤状又はリン
グ状の治具の外周部で半導体基板の周端エッジと接触し
て保持する基本構成を有する。

【００１７】すなわち、この発明の熱処理用治具１０
は、載置する半導体基板１より外径が大きな円盤状の治
具であって、外周部の全周に傾斜面１２を設けたテーパ
ー部１１を形成してあり、この傾斜面１２に半導体基板
１の周端エッジ２のいずれかの部分が接触してテーパー
部１１で半導体基板１を保持する。また、テーパー部１
１には傾斜面１２の外側にハンドリング用の水平エッジ
１３が設けてある。

【００１８】テーパー部１１の傾斜面１２の傾斜角度
は、半導体基板１が有するラウンド面取り、テーパー面
取りなどのエッジ２形状に応じて、図１Ｂ〜Ｄに示すご
とく種々の傾斜角度を採用することが可能であり、テー
パー部１１でエッジ２にのみ接触して半導体基板１を保
持可能であれば、熱処理用治具１０はテーパー部１１や
その他の部分にいかなる構成も採用可能である。

【００１９】この発明の熱処理用治具１０は、図３Ａに
示すごとく円盤のが外周部に設けた上記のテーパー部１
１に、複数個の放射状のスリット１４を設けることを特
徴としている。ここでは円盤の中心から十字方向に４つ
のスリット１４を設けてあるが、その数はテーパー部１
１とスリット幅、長さとともに適宜選定することが可能
である。

【００２０】円盤状熱処理用治具１０に換えて、図３Ｂ
に示すごとくリング状の熱処理用治具２０も採用でき、
その外周部に設けた上述の構成のテーパー部２１に放射
状のスリット２４を複数、ここでは８本設けてある。

【００２１】スリットの形成方法も図３Ａ，Ｂのごと
く、外周側から切り込みを設けるほか、図３Ｃに示すご
とくリングの内周側か切り込むことも可能であり、リン
グ幅も図示如く大小任意に選定できる。さらにスリット
は少なくともテーパー部２１に設ける必要があるが、ス
リット長さは適宜選定でき、図３Ｄに示すごとくリング
を切断する形状で設けることも可能である。

【００２２】すなわち、図３においてテーパー部１１，
２１で破線１５，２５の位置で半導体基板１の周端エッ
ジ２が当接して保持されるが、ここを横断するようにス
リット１４，２４を設ける必要がある。

【００２３】また、熱処理用治具１０には、酸化膜成長
速度を抑制させることで基板との接着力を低減する目的
で、図２Ａに示すごとくそのテーパー部１１表面、少な
くとも破線１５の接触領域付近の表面に酸化膜抑制用の
バッファー膜１６を設けることが可能であり、これを図
２Ｂに示すごとく平面の全面に設けることも可能であ
る。膜材質としては、例えばＣＶＤやＰＶＤなどの気相
成長による、ＳｉＮなどの酸化し難い窒化物膜が好まし
い。

【００２４】この発明において、熱処理用治具１０，２
０の材質には、耐熱性、耐酸化性にすぐれ、酸化膜が形
成され難い材質が望ましく、例えばＳｉＣ、耐熱性セラ
ミックスなどが採用できる。

【００２５】この発明の熱処理方法において、半導体基
板がＳＩＭＯＸ基板である場合は、ＳＩＭＯＸプロセス
における熱処理温度や雰囲気は任意であるが、一般に熱
処理温度は７００℃〜１３９０℃の範囲が採用され、ま
た酸素含有雰囲気は、酸素分圧０．５％〜６０％のアル
ゴンガス雰囲気が採用されることが好ましい。

【００２６】

【実施例】実施例１チョクラルスキー法により育成した酸素濃度１４×１０
¹⁷ｃｍ³ （ｏｌｄＡＳＴＭ）、比抵抗２０Ω・ｃｍか
らなるシリコン基板に、イオンを注入機により５５０℃
下、１８０ＫｅＶの加速電圧でドーズ量４×１０¹⁷ｃｍ
²の酸素イオンを打ち込む工程で、ＳＩＭＯＸ基板素材
を作製した。その後、前記基板をＲＣＡ洗浄（ＳＣ‐
１、ＳＣ−２）を行った。

【００２７】次に、洗浄した基板をこの発明による熱処
理用治具に載置して、１３５０℃、酸素分圧０．５％ア
ルゴンガス雰囲気中で４時間の第１段目の熱処理を施し
た後、引続き酸素分圧を５０％に上昇させて４時間の第
２段目の熱処理を施し、ＳＩＭＯＸ基板を製造した。な
お、この発明による熱処理用治具は、ＳｉＣ製で図３Ａ
〜Ｄに示す各構成、並びに図３Ｂの構成でテーパー部の
傾斜面にＰＶＤでＳｉＮ膜を成膜した構成の５種を用い
た。

【００２８】比較例２熱処理用治具に、３〜８個のＳｉＣ球を用いた球型治
具、図４に示す従来のリングホルダー、３個のＳｉＣ製
円弧型の支持具に載置する比較分割型治具、図３Ａに示
すＳｉＣ製円盤状の治具でスリットを設けない比較円盤
治具の４種を用いる以外は、実施例１と全く同条件でＳ
ＩＭＯＸ基板を製造した。

【００２９】実施例１と比較例２ともに熱処理後に載置
した基板を外した後にＸ線にてスリップ観察し、また各
熱処理用治具の載置面の表面状況を観察した。まず、比
較例の球型治具の場合は、ＳｉＣ球が密着することはな
いが、基板の球との接触点からの強烈なスリップが観察
された。リングホルダーの場合は、治具が基板に密着し
て割れるものもあり、剥離できたものも基板のリングホ
ルダーの端部に接触していた箇所に強烈な起点が見ら
れ、この起点を中心に基板全面に渡りスリップが観察さ
れた。

【００３０】観察結果比較分割型治具の場合は、球型治具の場合よりはスリッ
プの発生が短く少ないが、基板全面に渡り発生してお
り、また剥離できない円弧型治具があった。比較円盤治
具の場合は、治具との接触端からのスリップの大きさは
比較分割型治具より小さいが、やはり外周から基板中心
方向にスリップの発生多くが見られる。

【００３１】この発明による熱処理用治具の場合は、い
ずれの基板もテーパー部に対応する位置の一部に薄いス
リップが発生していたが、比較円盤治具の場合よりも大
幅にスリップが低減していることが確認できた。また、
ＳｉＮ膜を成膜した構成の場合、他の実施例の治具より
も一段とスリップが低減していた。

【００３２】従来、シリコン基板をリングホルダー上に
搭載することにより、自重応力を低減させてきたが、基
本的には１２００℃程度の水素、アルゴン等の非酸化性
ガス雰囲気下でのスリップ低減効果はあったが、上述ご
とくＳＩＭＯＸプロセスの熱処理の場合には、酸素濃度
が５０％以上になり、基板とリングホルダー間に酸素ガ
スが進入することで両材料表面上に酸化膜が成長し、こ
の酸化膜は互いに接着することで基板が拘束され、熱処
理工程で材料間の熱膨張係数の違いあるいは面内温度分
布の違いにより、拘束された基板が臨界応力を超えてス
リップが発生するものと推察できる。

【００３３】これに対して比較円盤治具とスリットを設
けたこの発明の熱処理治具を用いた熱処理の比較から明
らかなように、同様に高温強度に優れたＳｉＣ製円盤の
外周部に設けたテーパー部にシリコン基板のエッジ面取
り部を位置するよう保持することから自重応力を低減で
き、リングホルダーや比較円盤治具よりもスリップの発
生を低減できる。

【００３４】この発明の場合は、スリットを配してテー
パー部にて載置する基板のエッジ面取り部の全周領域を
可能なかぎり多点にて線もしくは点接触保持すること
で、さらに自重応力を低減させながら、接触面積を少な
くすることで高酸素雰囲気での熱処理での接着を低減で
き、さらにスリットにより基板と治具間での接着が生じ
たとしても、当該テーパー部に自由度があるために該拘
束力が緩和されて、著しくスリップを低減できるものと
推察している。

【００３５】

【発明の効果】この発明は、基板の周端エッジにのみ接
触するテーパー部を有する円盤又はリング状の熱処理治
具のテーパー部に放射方向のスリットを複数設けること
により、酸化膜同士の接着力を低減、また接着した場合
でも基板拘束力を低減、かつ自重応力も低減させること
が可能となり、密着や治具の破損などがなくなり、スリ
ップの発生を著しく低減できる。従って、結晶欠陥を招
来してリーク電流の増加などデバイス特性を劣化させる
スリップ、転位を低減し、高品質のＳＩＭＯＸ基板を提
供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】Ａ〜Ｄはこの発明による熱処理用治具の縦断説
明図である。

【図２】Ａ，Ｂはこの発明による熱処理用治具の他の構
成を示す縦断説明図である。

【図３】Ａ〜Ｄはこの発明による熱処理用治具の平面説
明図である。

【図４】Ａ，Ｂは従来の熱処理用治具の縦断説明図、平
面説明図である。

【符号の説明】

１シリコン基板２エッジ３リングホルダ１０，２０熱処理用治具１１，２１テーパー部１２傾斜面１３水平エッジ１４，２４スリット１５，２５破線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板の周端エッジにのみ接触する
テーパー部を有して該基板を保持可能にしかつ放射方向
の複数のスリットを少なくとも前記テーパー部に設けた
熱処理用治具を用い、該基板を前記熱処理用治具に載置
して酸素含有雰囲気で熱処理する半導体基板の熱処理方
法。
【請求項２】酸素含有雰囲気が、酸素分圧０．５％〜
６０％のアルゴンガス雰囲気である請求項１に記載の半
導体基板の熱処理方法。
【請求項３】半導体基板がＳＩＭＯＸ基板であり、熱
処理温度が７００℃〜１３９０℃である請求項１に記載
の半導体基板の熱処理方法。
【請求項４】半導体基板の周端エッジにのみ接触する
テーパー部を有して該基板を保持可能にする円盤状又は
リング状の治具であり、放射方向の複数のスリットを少
なくとも前記テーパー部に設けた半導体基板の熱処理用
治具。
【請求項５】治具材質が、ＳｉＣである請求項４に記
載のＳＩＭＯＸ基板の熱処理用治具。
【請求項６】治具表面に、気相成長による窒化物膜を
有する請求項４に記載のＳＩＭＯＸ基板の熱処理用治
具。