本發(fā)明涉及一種半導體退火裝置。

背景技術(shù)：

當前，例如如日本特開2009－260115號公報所公開的那樣，已知對碳化硅(SiC)晶片實施退火處理的半導體退火裝置。上述公報所涉及的半導體退火裝置能夠由1臺裝置實施石墨膜向SiC晶片表面的形成、SiC晶片的高溫退火處理以及石墨膜的去除。

專利文獻1：日本特開2009－260115號公報

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在半導體退火裝置內(nèi)部具有管以及晶舟等工具。對這些工具要求能夠耐受退火處理的溫度域的充分的耐熱性。當前，作為在進行SiC晶片的退火的裝置中所使用的工具，例如使用在由SiC等構(gòu)成的母材的骨架之上通過CVD而附著有高純度的SiC覆膜的工具。SiC晶片的退火溫度是大于或等于1500℃的高溫，要求與硅晶片的情況相比明顯更高的溫度下的退火。在該高溫度域中，發(fā)生母材所含有的異物材料將半導體退火裝置內(nèi)部污染這一個新問題。例如在SiC母材含有重金屬的情況下，由于發(fā)生該重金屬的擴散，因此半導體退火裝置內(nèi)部受到污染。存在該污染對SiC晶片的品質(zhì)施加不良影響的問題。

本發(fā)明就是為了解決上述課題而提出的，其目的在于提供一種能夠抑制腔室內(nèi)的污染的半導體退火裝置。

本發(fā)明所涉及的半導體退火裝置具有：腔室；管，其設置于所述腔室的內(nèi)側(cè)；晶舟，其以能夠進退的方式設置在所述管的內(nèi)側(cè)；裝載區(qū)域，其是在所述晶舟退出至所述管之外時所述晶舟所處的區(qū)域；碳氫化合物供給單元，其將碳氫化合物氣體供給至所述管的內(nèi)側(cè)；加熱單元，其對所述管的內(nèi)側(cè)進行加熱；以及氧供給單元，其將氧供給至所述管的內(nèi)側(cè)。所述管是藍寶石制、或者通過All－CVD形成的SiC制，所述晶舟是藍寶石制、或者通過All－CVD形成的SiC制。

發(fā)明的效果

根據(jù)本發(fā)明，由于將管及晶舟構(gòu)成為在高溫域也能夠防止污染，因此能夠抑制腔室內(nèi)的污染。

附圖說明

圖1是表示將碳保護膜形成于表面的SiC晶片的圖。

圖2是表示本發(fā)明的實施方式所涉及的半導體退火裝置的圖。

圖3是表示本發(fā)明的實施方式所涉及的半導體退火裝置的圖。

圖4是表示本發(fā)明的實施方式所涉及的半導體退火裝置所具有的氣體系統(tǒng)的圖。

圖5是表示本發(fā)明的實施方式所涉及的半導體退火方法的工序的流程圖。

具體實施方式

圖1示出SiC晶片10，該SiC晶片10構(gòu)成為，在生長于襯底15之上的碳化硅(SiC)外延層14形成P型注入層11、12，由碳保護膜13將該SiC晶片10的表面覆蓋。已知碳化硅的雜質(zhì)的擴散系數(shù)小、即摻雜劑材料在SiC晶片通常是難以擴散的。因此，在對SiC晶片10實施了注入工藝后，為了注入材料的激活，需要大于或等于1500℃的退火處理。即，為了使圖1的P型注入層11、12激活而需要熱處理。

如果在SiC外延層14的表面裸露的狀態(tài)下實施大于或等于1500℃的熱處理，則P型的摻雜劑材料向外彌散(diffuse out)而使電氣特性劣化。因此，優(yōu)選在退火前利用由石墨構(gòu)成的碳保護膜13將SiC外延層14的表面覆蓋。其原因在于，由石墨構(gòu)成的碳保護膜13能夠耐受大于或等于1500℃的熱處理。

作為形成碳保護膜13的方法，舉出通過等離子而實現(xiàn)的成膜、或者通過減壓CVD而實現(xiàn)的成膜等。在大于或等于1500℃的高溫狀態(tài)下實施退火時，優(yōu)選使用下述減壓CVD，即，在SiC晶片10的正反面兩方形成膜，以不對作為保護膜的碳保護膜13施加應力。

圖2是表示本發(fā)明的實施方式所涉及的半導體退火裝置20的圖。在SiC晶片10的正反面形成了碳保護膜13后，在大于或等于1500℃的高溫爐實施退火處理，然后，在氧等離子氣氛中將碳保護膜13去除。半導體退火裝置20能夠由1臺裝置實施上述一系列的工序。由此，能夠通過工序數(shù)量的削減、生產(chǎn)性的提高、減少工序間的環(huán)境類異物而實現(xiàn)品質(zhì)提高。

半導體退火裝置20是適合于抑制卷入氧化(involved oxidation)的縱型減壓規(guī)格的裝置。半導體退火裝置20具有：裝載區(qū)域21，其是具有氣密性的輸送室；以及腔室22，其設置于裝載區(qū)域21的上方。半導體退火裝置20具有：捕集器(trap)23，其與腔室22連通；閥組24，其與捕集器23連通；粉塵捕集器244，其與閥組24連通；泵25，其與粉塵捕集器244連通；以及排氣配管26，其從泵25進行分支。半導體退火裝置20具有：氮導入口27，其凸出至裝載區(qū)域21的外側(cè)；側(cè)濾器209，其與氮導入口27連通；整流板210，其對經(jīng)過了側(cè)濾器209的氮進行整流；以及氮噴淋器211，其在裝載區(qū)域21和腔室22的邊界使氮在水平方向上流動。半導體退火裝置20具有：氣體系統(tǒng)212；大氣壓恢復閥213；管214，其設置于腔室內(nèi)；晶舟215，其能夠在管214的內(nèi)側(cè)進退；石英制的底座216，其載置晶舟215；以及加熱器217，其配置于管214的外側(cè)。在圖2中圖示出管214的剖面，但實際上管214為管狀或者筒狀，在其內(nèi)部空間能夠收容晶舟215。管214并非必須是圓筒狀，也可以是橢圓狀或者方筒狀等，其剖面形狀不受限制。腔室22內(nèi)經(jīng)由配管與捕集器23連通。捕集器23、閥組24、粉塵捕集器244以及泵25依次連通。泵25經(jīng)由配管與裝載區(qū)域21連通。大氣壓恢復閥213選擇性地與閥組24的上游側(cè)和排氣配管26連通。此外，半導體退火裝置20具有局部排氣管218。在裝載區(qū)域21和腔室22的邊界部設置有局部排氣管218的一端。局部排氣管218的另一端伸出至半導體退火裝置20的外部。在本實施方式中，局部排氣管218的一端位于氮噴淋器211的相對側(cè)。

圖3對半導體退火裝置20的后門28進行了圖示。后門28是在半導體退火裝置20的朝向圖2的紙面背側(cè)的表面設置的部分。在后門28設置有排氣口29、吸氣口281以及引入口282。

在使用半導體退火裝置20時，首先將SiC晶片10輸送至裝載區(qū)域21內(nèi)，向裝載區(qū)域21內(nèi)的晶舟215移動。然后，將晶舟215向腔室22內(nèi)插入。將SiC晶片10向晶舟215進行設置的作業(yè)也稱為“加載”(charge)。將設置有SiC晶片10的晶舟215向腔室22內(nèi)插入的作業(yè)也稱為“裝載”。

對排氣側(cè)的構(gòu)造進行說明，利用捕集器23使排氣氣體冷卻而將生成物去除，經(jīng)由泵25從排氣配管26進行排氣。閥組24用于進行從大氣壓至減壓狀態(tài)的抽真空。閥組24包含主閥(MV)241、子閥(SV)242以及副子閥(SSV)243。通過除MV 241以外還設置SV242及SSV 243，從而能夠為了防止異物飛揚而緩慢地進行抽真空。在將晶舟215插入至管214的內(nèi)側(cè)、實施了抽真空后，經(jīng)由氣體系統(tǒng)212將氣體導入，依次實施石墨膜即碳保護膜13的形成、退火、以及碳保護膜13的去除處理。在從半導體退火裝置20的下側(cè)的出入口起至負責產(chǎn)品處理的腔室22周邊的區(qū)域為止設置有充分大的距離，以能夠在直至1000℃為止的范圍進行減壓處理。通過由未圖示的隔熱板使出入口周圍的溫度下降，從而保持密封性。半導體退火裝置20具有后述的圖4所示的氣體系統(tǒng)212。乙醇經(jīng)由氣化器32而被氣化。

裝載區(qū)域21是作為密閉型的輸送室而構(gòu)成的，能夠?qū)ρb載區(qū)域21的內(nèi)部進行氮置換。這是為了抑制將晶舟215插入至管214時的卷入氧化。

管214及晶舟215使用通過All－CVD形成的SiC制的管及晶舟。由此，大于或等于1500℃的高溫下的耐熱性得以確保，在去除碳保護膜13時能夠不受到損傷。根據(jù)“All－CVD”，通過在碳母材的表面利用CVD形成SiC膜，在形成該SiC覆膜的階段，在形成該SiC覆膜的同時碳母材燃燒而消失，從而能夠得到僅由SiC的CVD膜構(gòu)成的構(gòu)造體。

如果設為管214及晶舟215由石英構(gòu)成，則耐熱性在大于或等于1400℃的情況下不足。另外，如果將管214及晶舟215設為碳制，則在退火處理后的碳保護膜13的去除時，會對碳工具本身進行蝕刻。

在本實施方式中，由于管214及晶舟215未使用石英或者碳，因此能夠避免上述問題。即，管214及晶舟215僅由使用All－CVD形成的高純度的SiC膜形成。由此，即使在大于或等于1400℃的高溫區(qū)域也會防止污染。但是，本發(fā)明不限于此，也可以將管214及晶舟215設為由藍寶石構(gòu)成。另外，管214及晶舟215也可以設為彼此不同的材料，也可以將管214及晶舟215中的一方設為藍寶石制而將另一方設為通過All－CVD形成的SiC制。由此，成為耐高溫以及去除石墨時無損傷的狀態(tài)。

在將晶舟215向管214的內(nèi)側(cè)插入的過程中，大氣進入腔室22內(nèi)而發(fā)生氧化的可能性高。如果在SiC晶片10的界面混入由于卷入氧化而產(chǎn)生的氧化膜，則產(chǎn)生缺陷。具體地說，在激活退火工序中，在將碳保護膜13形成于SiC晶片10之上時，如果存在由于卷入氧化而產(chǎn)生的氧化膜，則在之后的大于或等于1500℃的退火中，氧化膜(SiO膜)熔解，碳保護膜13剝落。

在半導體制造裝置20中，為了防止卷入氧化的發(fā)生，將氮導入口27設置于裝載區(qū)域21，能夠?qū)⒀b載區(qū)域21內(nèi)置換為氮。通過在將晶舟215插入前進行氮置換，從而裝載區(qū)域21內(nèi)的大氣成分為零，能夠抑制卷入氧化。優(yōu)選在600℃進行了氮置換后將晶舟215插入至管214。由此，能夠抑制卷入氧化。為了進一步抑制卷入氧化，優(yōu)選還將晶舟215的插入速度設為大于或等于500mm/min的速度，從而將晶舟215迅速地裝載至管214。由于將裝載區(qū)域21內(nèi)向氮進行了置換，因此將后門28等設為由O型環(huán)密封的構(gòu)造，以使氮不流出至半導體退火裝置20外。

在將晶舟215裝載至管214的內(nèi)側(cè)后進行真空置換，升溫至1000℃。導入在該溫度帶下氣化后的乙醇，對石墨膜即碳保護膜13進行成膜。在成膜后實施氬氣的大氣壓置換，在大于或等于1500℃的溫度實施針對SiC晶片10的退火處理。由于通過CVD法在1000℃將碳保護膜13形成于SiC晶片10的正反面，因此，即使是例如1950℃左右的高溫退火處理，碳保護膜13的表面也不會劣化。

在退火處理后，在氬氣氛中使溫度下降至850℃。在850℃的階段，將來自氣體系統(tǒng)212的供給氣體向氧氣進行切換。進行附著于SiC晶片10、管214、晶舟215的碳保護膜13的去除，在小于或等于800℃的溫度將晶舟215從管214拔出，進行SiC晶片10的取出。

為了實施碳保護膜13的去除，優(yōu)選管214的內(nèi)側(cè)下部由石英部件構(gòu)成，不使由SUS形成的面露出。其原因在于，如果在利用氧氣進行去除時露出SUS面，則從該部位生銹，管214的內(nèi)側(cè)被污染。為了避免該污染，例如期望在晶舟215下部不配置晶舟旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。晶舟旋轉(zhuǎn)機構(gòu)是用于改善晶片面內(nèi)的成膜的均勻性的機構(gòu)，其密封例如是通過陶瓷密封件進行的。

此外，在僅反復進行堆積的半導體退火裝置中，由于膜厚值的再現(xiàn)性惡化，因此需要以例如15批為單位實施清潔作業(yè)。與此相對，在半導體退火裝置20中，由于交替地進行碳保護膜13的形成和去除，因此能夠?qū)崿F(xiàn)碳保護膜13的膜厚穩(wěn)定性提高，而不需要僅進行堆積的情況下的維護時間。并且，通過將3道工序連續(xù)處理，從而能夠?qū)⑸禍氐拇螖?shù)從6次減少為2次，能夠使向SiC晶片10施加的熱應力得到緩和。

通過由1臺裝置實施激活退火工序中的保護用膜即碳保護膜13的形成和高溫退火處理、以及之后的碳保護膜13的去除，從而預計會通過工序數(shù)量的削減、生產(chǎn)性的提高以及工序間的環(huán)境類異物的降低而實現(xiàn)品質(zhì)提高。

半導體退火裝置20具有氮噴淋器211。氮噴淋器211能夠在晶舟215的裝載過程中以與其行進方向相交叉的方式從側(cè)方進行氮的噴淋。由于氮噴淋器211能夠從橫向?qū)⒌獓娏苤猎诰е?15處排列的多個SiC晶片10，因此氮氣穿過多個SiC晶片10之間的間隙而流動。由此，能夠抑制在晶舟215配置的多個SiC晶片10之間的大氣成分向管214的內(nèi)側(cè)混入。另外，還能夠?qū)⒏街诟鱏iC晶片10的表面的表面異物去除。但是，本發(fā)明不限于此，也可以以任意的角度、位置對氮噴淋器211進行配置。

在完成了成膜處理后，將裝載區(qū)域21內(nèi)維持氮置換后的狀況不變的做法在安全上并不優(yōu)選。因此，優(yōu)選設為如下狀態(tài)，即，能夠從在裝載區(qū)域21背面的后門28設置的引入口282等將大氣引入，經(jīng)由側(cè)濾器209及整流板210將大氣送入至裝載區(qū)域21而進行大氣置換。

另外，在SiC晶片10表面可能吸附有水分，由于該水分在將晶舟215向管214的內(nèi)側(cè)插入時蒸發(fā)，因此SiC晶片10的表面可能被氧化。因此，在本實施方式中，作為優(yōu)選的方式而設置有從裝載區(qū)域21向泵25的配管251，以能夠?qū)ρb載區(qū)域21內(nèi)進行真空置換。

并且，作為卷入氧化的抑制，由于還可能在管214的內(nèi)側(cè)殘留氧，因此在實施晶舟215的插入時，優(yōu)選一邊以大于或等于20slm的流量從氣體系統(tǒng)212的氮配管234將氮導入，一邊將晶舟215插入。由此，能夠抑制氧殘留于管214的內(nèi)側(cè)這一情況，可靠地抑制晶舟215的插入過程中的卷入氧化。

圖4是半導體退火裝置20所具有的氣體系統(tǒng)212的概要圖。下面，對用于使半導體退火裝置20的堆積速率穩(wěn)定化的氣體系統(tǒng)212的構(gòu)造進行說明。氣體系統(tǒng)212具有乙醇箱31、氣化器32、MFC(質(zhì)量流量控制器)33、34、35、36、氮配管234、載氣配管235和氧配管236。乙醇箱31儲存有作為形成碳保護膜13的基礎的乙醇液。氣化器32與乙醇箱31連通，能夠使液體狀的乙醇氣化。MFC 33與氣化器32連通，進行來自氣化器32的氣化氣體的流量控制。氮氣配管234能夠供給用于抑制卷入氧化的氮氣。載氣配管235能夠供給用于送入氣化后的乙醇的載氣。在本實施方式中，該載氣為氬。將乙醇箱31內(nèi)的液體狀的乙醇以液體形態(tài)直接向氣化器32送入，將氮氣吹送至氣化器32而將乙醇變?yōu)闅怏w。此時，為了防止液化，優(yōu)選使用未圖示的溫度控制單元對從氣化器32至腔室22為止的配管321進行溫度調(diào)整而調(diào)整至40±1℃。氣化后的乙醇由MFC 33進行流量控制。由此，能夠?qū)⑾蚯皇?2導入的乙醇氣化氣體設為恒定的流量，還能夠防止液化，因此能夠?qū)崿F(xiàn)堆積速率的穩(wěn)定化。

圖5是表示本發(fā)明的實施方式所涉及的半導體退火方法的工序的流程圖。

首先，在步驟S2中，將SiC晶片10排列于晶舟215之上，將晶舟215插入(即裝載)至管214的內(nèi)側(cè)。在將晶舟215插入至管214的內(nèi)側(cè)時，經(jīng)由整流板210從氮導入口27及氮噴淋器211將氮供給至裝載區(qū)域21內(nèi)，以抑制向SiC晶片10之上形成卷入氧化膜。由此，作為優(yōu)選的狀態(tài)，使氧濃度下降至幾ppm的數(shù)量級。然后，將晶舟215向管214的內(nèi)側(cè)插入。由此，能夠抑制向SiC晶片10表面之上的卷入氧化。

將晶舟215向管214的內(nèi)側(cè)插入時的管214的內(nèi)側(cè)的溫度優(yōu)選為400℃～600℃。將最低溫度設定為400℃的理由在于，在小于或等于400℃時，碳保護膜13可能剝落。將最高溫度設定為600℃的理由在于，在大于或等于600℃時，對SiC晶片10施加急劇的熱應力，存在發(fā)生熱破裂的風險。

然后，在步驟S10中進行碳保護膜13的形成。在將晶舟215插入至管214的內(nèi)側(cè)后，由泵25將主閥(MV)24打開，將管214的內(nèi)側(cè)抽至減壓狀態(tài)。然后，優(yōu)選將管214的內(nèi)側(cè)的溫度上升至1000℃附近，導入使乙醇氣化后的氣體。在圖4的氣體系統(tǒng)212中，由氣化器32使液體乙醇氣化，由質(zhì)量流量控制器(MFC)33進行流量控制，向管214的內(nèi)側(cè)導入，從而能夠形成石墨膜即碳保護膜13。在該時刻，如圖1所示的、由碳保護膜13進行了覆蓋的SiC晶片10完成。

在本實施方式中，作為優(yōu)選的方式，在裝載晶舟215后進行真空置換，升溫至900℃～1000℃。在該溫度帶，將氣化后的乙醇導入，形成碳保護膜13。將溫度范圍設定為900℃～1000℃的理由在于，如果處在該溫度域，則能夠?qū)iC晶片10的面內(nèi)的膜厚均勻性設為8％以內(nèi)。在出于前述的通過避免SUS面露出來防止污染這一目的而不配置晶舟旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的情況下，為了確保膜厚均勻性，優(yōu)選應用該溫度域設定。

在1000℃附近形成了碳保護膜13后，通過從載氣配管235將氬氣導入而進行向氬氣的置換，實施大于或等于10分鐘的吹洗(purge)，利用氬氣設為大氣壓氣氛狀態(tài)。

然后，進入步驟S20而進行退火處理。從1000℃的氬大氣壓氣氛的狀態(tài)起，以100℃/min左右的升溫速率使管214的內(nèi)側(cè)的溫度進一步上升。由此，使溫度到達大于或等于1500℃、優(yōu)選大于或等于1600℃而實施退火處理。

然后，在步驟S30中將碳保護膜13去除。對步驟S30的詳細內(nèi)容進行說明，首先，在步驟S20的退火處理完成后，優(yōu)選使管214的內(nèi)側(cè)的溫度下降至900℃～850℃。在使溫度下降后，再次將管214的內(nèi)側(cè)抽真空至減壓狀態(tài)，進入用于將碳保護膜13去除的作業(yè)。將來自載氣配管235的氬氣供給切換為來自氧氣配管236的氧氣供給，將氧氣導入至管214的內(nèi)側(cè)。由此，在SiC晶片10之上成膜的碳保護膜13與氧反應而被去除。另外，與此同時，還能夠同時將附著于管214及晶舟215的碳保護膜13去除。

然后，在步驟S40中進行晶舟215的拔出(卸載)。在去除碳保護膜13后，優(yōu)選將溫度下降至小于或等于800℃，通過氮氣而使管214的內(nèi)側(cè)恢復為大氣壓。然后，將晶舟215從管214拔出(即，卸載)，取出SiC晶片10。在取出SiC晶片10時，由于不需要擔心SiC晶片10之上的氧化，因此也可以在大氣氣氛下將SiC晶片10取出，而不進行氮置換。

此外，作為本實施方式所涉及的半導體退火裝置20的第1技術(shù)特征，為了防止由高溫退火所導致的污染，將管214及晶舟215設為通過All－CVD形成的SiC制。另外，作為本實施方式所涉及的半導體退火裝置20的第2技術(shù)特征，作出以下等設計，即，為了防止卷入氧化，設為能夠?qū)ρb載區(qū)域21進行氮置換的密閉型輸送室，或者設置氮噴淋器211。但是，本發(fā)明也可以不始終并用上述第1、2技術(shù)特征這兩者。也可以針對半導體退火裝置20僅利用第1技術(shù)特征而防止由高溫退火所導致的污染，省略用于進行氮置換的結(jié)構(gòu)?；蛘?，也可以針對半導體退火裝置20僅利用第2技術(shù)特征而抑制卷入氧化，將管214及晶舟215設為其他的現(xiàn)有產(chǎn)品。

標號的說明

10碳化硅(SiC)晶片，11、12P型注入層，13碳保護膜(石墨膜)，14SiC外延層，15襯底，20半導體退火裝置，21裝載區(qū)域，22腔室，23捕集器，24閥組，25泵，251配管，26排氣配管，27氮導入口，28后門，29排氣口，31乙醇箱，32氣化器，33～36MFC(質(zhì)量流量控制器)，234氮氣配管，235載氣配管，236氧氣配管，209側(cè)濾器，210整流板，211氮噴淋器，212氣體系統(tǒng)，213大氣壓恢復閥，214管，215晶舟，216底座，217加熱器，218局部排氣管，241主閥，242子閥，243副子閥，244粉塵捕集器，281吸氣口，282引入口，321配管。