JP2000114191A - 加熱処理装置及び半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】保温材含めた昇降温特性を改善し、発熱体から
の汚染と複射熱を抑えて処理できる熱処理装置及びそれ
を用いた半導体装置の製造方法を提供すること。 【解決手段】保温材の温度をみながら温度調整された流
体を保温材に流し、保温材の昇降温特性を改善。さら
に、発熱体を設定された温度の流体にする。 【効果】被処理体から保温材含めた温度均一性を常時得
られる。金属不純物汚染と複射熱による被処理体への悪
影響を軽減出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加熱装置の保温材
内の温度分布制御用として、または発熱体として、温度
調整された流体を用いて処理する加熱装置及びその方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体素子の高集積化に伴い、加工精度
は高度に要求されてきている。半導体基板への不純物拡
散及び半導体基板表面への成膜の精度も重要なテーマで
ある。

【０００３】浅いＰＮ接合や薄膜形成には加熱装置が一
般的に使用されており、メインの熱処理を施す前後に常
温と処理温度間の温度変化が必要で、浅いＰＮ接合を作
る為にこの温度変化を急速に行うようなＲＴＰ（Ｒａｐ
ｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓ）装置やヒータ
ー加熱でも高速に昇降温出来る装置も使用されている。

【０００４】従来の加熱装置の一例を図６に示す。図６
のように円筒状発熱体１の外周をセラミックス系保温材
２で包むように作られ、保温効果を高めるためにセラミ
ックス系保温材２を厚くするか、逆に高速で昇降温出来
るタイプではセラミックス系保温材２を薄くし円筒状発
熱体１も細くし、強制的に保温材外部から冷却してい
る。従来のヒーター型発熱体ではヒーターから被熱処理
体への金属汚染が認められており、ヒーターと被処理体
間に反応管のほかに保護管（均熱管と兼ねる）を設置す
ることもある。高速で昇降温させる際や低温処理時はこ
の保護管が熱容量を持ち昇降温特性を悪くする為に外さ
れる場合がある。

【０００５】また、バッチ式の加熱炉では温度制御に大
きく３通りの方法があって、一つは発熱体付近に在る熱
電対の温度をフィードバックする方法。二つめは被処理
体近くにある熱電対の温度をフィードバックする方法。
三つめは両者を組み合わせて制御する方法である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】保温材を厚くすること
によって熱容量が増え保温材の昇降温特性が悪くなる。
保温材が温度定常状態に至るまでは被熱処理体の温度も
定常状態にはならず、保温材を厚くした分、温度安定に
かかる時間も長くなる。

【０００７】保温材を薄くし発熱体を細くするタイプ
は、保温材を薄くしたことによって発熱量を増やさなけ
ればならず、かつ、発熱体が細いので発熱体への負荷が
過度にかかり寿命を悪くしランニングコストを高くして
いる。また、従来の発熱体が寿命になる直前は該当部付
近で部分的な高抵抗部を持ち温度変化を生むが、全ての
部分を温度測定できないのでバラツキを検知出来ず、製
品のバラツキを生む原因にもなる。さらに、保護管が外
される場合ヒーターからの金属汚染と複射熱の問題が発
生する。金属汚染は半導体などの製品では結晶欠陥や絶
縁膜の絶縁不良を引き起こす。被処理体とその周りの雰
囲気温度が上がってないにもかかわらず、複射熱は被処
理体を直撃するため、被処理体表面及び表面と内部間の
温度差を生じ、半導体製品では結晶欠陥を引き起こす場
合がある。

【０００８】次に温度制御に関しても問題がある。図７
に従来の発熱体近くの熱電対で制御するばあいの連続熱
処理温度推移例を示す。図７のように高温処理によって
より低温の処理温度が高くなってします現象が在る。こ
れは保温材に高温による熱蓄積が起る為で、熱蓄積が抜
けるまでは数百時間かかることもある。温度の違いで半
導体基板の浅い拡散長もバラツキを持ち、半導体製品の
電気的特性をばらつかせる。また、被処理体付近の熱電
対で制御する場合、ヒーターからの距離が遠くなる為、
熱伝導のタイムラグにより、温度収束するまでの時間が
発熱体近くの熱電対で制御するより時間がかかることは
良く知られた事実である。このため、両者を組み合わせ
た方法が開発されているが、昇温レートと到達温度の組
み合わせだけ、設定を指定しなければならず、１炉当た
りの処理条件が多くなると管理も煩雑で実用では適さな
い事もある。なぜなら、毎回の処理条件が異なると、保
温材などの熱蓄積状態も毎回異なり、熱的には同じ状態
を再現していないためである。いずれも被処理体から保
温材にかけての温度非平衡が問題解決を困難にしてい
る。

【０００９】本発明の目的は保温材の昇降温特性を改善
し、発熱体からの汚染を低減し、発熱体の寿命による被
処理体への影響を少なくすることのできる加熱装置と、
その方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の加熱処理装置
は、発熱体からの熱を保温する保温材内部の温度分布を
測定出来、保温材内部に温度調節した流体を流入でき、
常時保温材内部の温度分布をコントロールすることを特
徴とする。

【００１１】また本発明の加熱処理装置は、保温材内壁
と外壁の厚さをＴとした場合、保温材の内壁から外壁に
向かってＴの四分の一からＴの三分の一の厚さの範囲全
体に温度調節した流体を流入できることを特徴とする。

【００１２】また本発明の半導体装置の製造方法は、前
記の加熱処理装置を用いて製造したことを特徴とする。

【００１３】

【作用】本発明の上記構造と方法を持ちいれば、温度安
定を確保しようと保温材を厚くしても、昇温時には保温
材内部に高温の流体を流し、降温時には低温の流体を流
し、かつ保温材内部の温度を監視しながら流体温度を調
整することで、保温材の昇降温特性を改善でき、製品の
拡散、成膜バラツキを改善できる。また、予め温度調節
した流体を従来の発熱体の領域で、従来の発熱体の代わ
りに流せば、発熱体からの汚染を減少でき、部分的な温
度変化を生みずらく発熱体の寿命による製品への影響は
低減できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施例の断面概
略図である。

【００１５】被処理体を処理する反応管を囲むようにカ
ンタル線（商品名）を巻いた抵抗加熱ヒーターからなる
円筒状発熱体１が設けられ、更にこの円筒状発熱体１を
取り囲むようにセラミックス系保温材２が設置されてい
る。このセラミックス系保温材２内部に同心円状に空間
層７を設けるが、例として保温材の厚さを６０ｍｍとし
内壁から１５ｍｍ〜２０ｍｍの間に厚さ５ｍｍの空間層
７を設けることとする。この空間層７には安価で容易に
用いることの出来るＡｉｒをＡｉｒガス加熱部９におい
て或る温度に加熱して０〜２００リットル／分の流速範
囲で導入する。ここでは例として昇降温時５０リットル
／分、温度安定時５リットル／分で行うとする。保温材
内部熱電対１０で計測し、設定温度に達していなければ
Ａｉｒガス加熱部９での加熱温度を高くし、設定温度を
越えていればＡｉｒガス加熱部９での加熱温度を低くす
ることによってセラミックス系保温材２の温度コントロ
ールが出来る。これを自動で行うことは容易である。こ
の様な温度コントロールによって昇降温時に発熱体付近
の熱電対１１計測温度に保温材内部の熱電対１０の温度
を近づければ、各温度における温度平衡状態に近づき、
昇降温特性は従来に比べ改善する。また、温度設定とＡ
ｉｒ流量を組み合わせて昇降温特性を合せればさらに精
度良く管理することも可能である。

【００１６】図２は熱処理の簡単な温度シーケンスであ
る。

【００１７】６００℃からスタートし、７００℃へ１０
℃／分のレートを用い１０分で昇温させ、３０分間温度
安定後、６００℃へ−８℃／分のレートを用い１２．５
分で降温させている。

【００１８】図３（ａ）は図２シーケンスの昇温時中央
における本発明と従来方法での保温材内部温度比較例で
ある。従来方法では保温材内壁のみが特に暖まってい
る。それに対し本発明では保温材内壁から保温材内部ま
でが暖まっている。

【００１９】図３（ｂ）は図２シーケンスの高温安定時
中央における本発明と従来方法での保温材内部温度比較
例である。これは温度平衡状態であり、７００℃で安定
しているので、従来と本発明とも変わらない。図３
（ａ）の本発明は温度変化時でありながらこの状態に近
く、昇温から温度安定に移る際、大きな変化がない事を
示している。これに対し図３（ａ）の従来は温度の明ら
かな非平衡状態で、安定するまで時間を要することを示
している。実際に、図２のシーケンスでは従来１５分の
温度安定時間が必要で、この余計な時間を加えているの
が普通である。または、昇温レートを逆に下げること
で、平衡状態に近づけることも行われているが、時間的
ロスは同じである。これに対し、改善によって余計な時
間を０分に省く事が出来る。

【００２０】図３（ｃ）は図２シーケンスの降温時中央
における本発明と従来方法での保温材内部温度比較例で
ある。従来は保温材内部温度が高いままなので降温レー
トを８℃／分まで上げることができず、４℃／分位であ
った。また、保温材内部、又は外部から保温材自体を冷
やし、発熱体であるヒーター素線を極端に細くした装置
もあるが、保温材を極端に少なくしているのでヒーター
素線への負荷大きく素線が切れやすいか、若干ヒーター
を太くし保温材を増やすと保温材内部の温度コントロー
ルを行っていないことから毎バッチの条件が変わると降
温レートに再現なくなることがある。本発明では保温材
内部に流すＡｉｒをも温度コントロールする為、再現も
良く、ヒーター素線への負荷も減らせる。

【００２１】本発明における保温材内部温度分布は常に
温度平衡に近い状態を常に保っていることがポイントで
あり、変化に対応出来る要因になっている。温度の違い
で半導体基板の浅い拡散長もバラツキを持ち、半導体製
品の電気的特性をばらつかせるが、本発明はバラツキを
抑えることが出来る。

【００２２】図４は本発明の他の実施例の断面概略図で
ある。図１の構造でカンタル線（商品名）の代わりにＮ
₂ガス加熱部で所定の温度に加熱されたＮ₂ガスが同心円
状に設置された円筒状石英二重管１９の間へ導入される
構造になっている。

【００２３】この構造においては、上記に示した保温材
内部温度コントロールと同様方式で、被処理体付近の温
度コントロールも出来る事が分かる。どちらも発熱体に
流体を使用している為である。ただし、熱交換を利用し
ている為円筒状石英二重管１９は長くできない。被処理
体を多くする場合は、Ｎ₂ガス加熱部２０と円筒状石英
二重管１９を一つのユニットとすれば複数のユニットを
直列につなげれば実現出来る。

【００２４】ヒーター加熱では加熱ヒーターからの金属
汚染があったが、本発明装置では被処理体の傍を通る加
熱体が非金属のため金属汚染はない。また、従来のヒー
ター切れ間近の起る局部的なヒーターの温度上昇もあり
えない。従って熱ストレスによる半導体基板に見られる
結晶のスリップ等結晶欠陥も抑えられる。

【００２５】さらに、従来において見られたヒーター円
周上での温度バラツキは被処理体１５を自転させれば解
決できる。

【００２６】図５は図４における本発明の方法の実施例
である。

【００２７】熱交換の効果を上げる為、被処理体から離
れる流体ほど流速を上げ、また、昇温時は被処理体から
離れる流体ほど温度を上げ、降温時は被処理体から離れ
る流体ほど温度を下げているのが特徴である。

【００２８】

【発明の効果】上記の様に本発明は、加熱装置で被加熱
処理体の温度を故意に変化させるとき、保温材の温度も
追従して変化する為被処理体、発熱体、保温材内部の温
度全体が任意温度での定常状態に近い状態にでき、昇降
温特性と温度安定性を改善できる。また、発熱体を温度
調整された流体にすることで発熱体からの汚染をなく
し、複射熱を抑えられ、被熱処理体への悪影響を緩和で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である加熱処理装置の概略断
面図である。

【図２】熱処理における簡単な温度シーケンスを示す図
である。

【図３】図２における本発明と従来方法での保温材内部
温度比較図である。

【図４】本発明の他の実施例である加熱処理装置の概略
断面図である。

【図５】本発明の一実施例である加熱処理方法の温度と
ガスのシーケンスを示す図である。

【図６】従来の実施例である加熱処理装置の概略図であ
る。

【図７】従来の加熱処理装置での連続処理温度推移例を
示す図である。

【符号の説明】

１ 円筒状発熱体 ２ セラミックス系保温材 ３ 反応管 ４ 冷却管 ５ 外壁 ７ 空間層 ８ 加熱用Ａｉｒ導入 ９ Ａｉｒガス加熱部 １０ 保温材内部の熱電対 １１ 発熱体付近の熱電対 １２ 熱電対用保護管 １３ 被処理体付近の熱電対 １４ 石英保温筒 １５ 被処理体 １６ シャッター １７ 反応管 １８ 加熱Ａｉｒ排気 １９ 円筒状石英二重管 ２０ Ｎ₂ガス加熱部 ２１ Ｎ₂導入 ２２ Ｎ₂ガス排気

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発熱体からの熱を保温する保温材内部の温
   度分布を測定出来、保温材内部に温度調節した流体を流
   入でき、常時保温材内部の温度分布をコントロールする
   ことを特徴とする加熱処理装置。
2. 【請求項２】請求項１において、保温材内壁と外壁の厚
   さをＴとした場合、保温材の内壁から外壁に向かってＴ
   の四分の一からＴの三分の一の厚さの範囲全体に温度調
   節した流体を流入できることを特徴とする加熱処理装
   置。
3. 【請求項３】請求項１、２の加熱処理装置を用いて製造
   したことを特徴とする半導体装置の製造方法。