JP2001284341A

JP2001284341A - 熱処理方法

Info

Publication number: JP2001284341A
Application number: JP2001046431A
Authority: JP
Inventors: Wataru Okase; 亘大加瀬
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2001-02-22
Filing date: 2001-02-22
Publication date: 2001-10-12

Abstract

(57)【要約】【課題】面状の被処理体の被処理面全体を高精度な温
度均一性で急速に加熱ないし熱処理すること。【解決手段】半導体ウエハと対向するように所定位置
に固定配置されている面状発熱源の温度を一定温度たと
えば１３００゜Ｃに維持しておいて、窒素ガス（Ｎ2）
を流しながら、半導体ウエハの温度が室温から約５００
゜Ｃ（第１の温度）に達するまで、半導体ウエハをたと
えば２００ｍｍ／ｓｅｃ（第１の速度）で上昇（接近）
移動させる。そして、半導体ウエハの温度が約５００゜
Ｃに達したなら、次に半導体ウエハの温度が約１２００
゜Ｃ（第２の温度）に達するまで、半導体ウエハをたと
えば１００ｍｍ／ｓｅｃ（第２の速度）でさらに上昇
（接近）移動させる。そして、半導体ウエハの温度が約
１２００゜Ｃに達した後は、停止位置に固定した状態
で、窒素ガスの供給を停止し、代わりに酸素ガス（Ｏ
2）を半導体ウエハに供給しながら、酸化または拡散処
理を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハ、Ｌ
ＣＤ（液晶ディスプレイ）基板等の面状の被処理体を熱
処理するための熱処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスやＬＣＤ等の製造プロセ
スでは、酸化、拡散、ホットウォールＣＶＤ等の種々の
工程で熱処理が用いられている。最近のデザインルール
が０．４μｍから０．２μｍへとより微細化しており、
半導体ウエハが８インチから１２インチへと大口径化し
ていることに伴なって、大面積の極薄膜形成技術に対応
できる急速熱処理装置の開発が緊急の課題となってい
る。

【０００３】具体的には、たとえば５０〜１００Åレベ
ルの熱拡散ドーピングやゲート酸化膜、キャパシタ絶縁
膜等の極薄膜形成においては、サーマルバジェット（熱
履歴）を小さくするうえで急速つまり短時間の熱処理が
要求される。また、ＰＮ接合においても、ＰＮ接合面を
０．１μｍ以下と浅くして、低抵抗化や任意形状表面で
のＰＮ接合形成を可能にするには、接合時の膜劣化や結
晶欠陥の発生を防止する必要があり、そのためには急速
または短時間の熱拡散処理が求められる。

【０００４】また、ＬＯＣＯＳ酸化膜の形成において
は、隣接するＬＯＣＯＳ酸化膜の圧縮応力が熱サイクル
による相乗効果で拡大すると、表面電位の変動、リーク
電流、耐圧性低下等を招きやすい。そこで、急速熱処理
により熱サイクルを低減することが必要とされている。
また、たとえば高誘電体材料を用いてキャパシタ絶縁膜
を形成する場合には、メタルオキサイド（Ｔa2Ｏ5
等）、ポリイミド（パッシベーション膜）等の成膜を可
能にするメタル成膜とドーピングとを温度の異なる熱処
理で行える複合プロセス処理が必要とされている。

【０００５】そして、半導体ウエハの径が８インチから
１２インチへと大径化しつつある原状においては、半導
体ウエハに生じやすいスリップ、歪、ソリの防止ないし
低減が求められており、そのためには半導体ウエハの中
央部と周辺部との温度差を小さくして均一に急速熱処理
を行う必要がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
熱処理法は、一般にバッチ処理型の縦型熱処理装置を使
用し、石英製のウエハボートに積層収容した半導体ウエ
ハを筒状の発熱源で取り囲むようにして周囲から、つま
り半導体ウエハの周辺部から中央部に向かって加熱する
方式を採っているため、急速に加熱しようとすると、ウ
エハの面内で（周辺部と中央部との間で）大きな温度勾
配が生じてしまい、均一な熱処理ができなくなるという
問題があった。

【０００７】本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み
てなされたもので、面状の被処理体の処理面全体を高精
度な温度均一性で急速に加熱ないし熱処理できるように
した熱処理方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の熱処理方法は、面状発熱源に対して面状
の被処理体の被処理面を対向させた状態で、前記被処理
体を前記面状発熱源に相対的に接近させて前記被処理体
を熱処理する熱処理方法であって、前記面状発熱源の温
度を所定温度に維持した状態で、前記被処理体の温度が
第１の温度に達するまで、前記被処理体を前記面状発熱
源に向かって第１の速度で相対的に移動させる工程と、
前記被処理体の温度が第１の温度に達した後、前記面状
発熱源の温度を前記所定温度に維持した状態で、前記被
処理体の温度が前記第１の温度よりも高い第２の温度に
達するまで、前記被処理体を前記面状発熱源に向かって
第２の速度で相対的に移動させる工程とを有する。

【０００９】本発明の熱処理方法では、面状被処理体の
処理面に面状発熱源からの放射熱をほぼ垂直に当てなが
ら、２段階の昇温・相対接近速度制御により被処理体を
面状発熱源に相対的に急速に接近させることにより、面
状被処理体の処理面に対する温度均一性かつ信頼性の高
い急速加熱を実現することができる。

【００１０】本発明において、好ましくは、熱処理の
際、少なくとも２種以上のガスを時間的に切り替えて別
々に被処理体に供給してよい。そのような熱処理用のガ
スとして、たとえば窒素ガス（Ｎ2）および酸素ガス
（Ｏ2）を用いてよい。

【００１１】また、本発明の熱処理方法においては、上
記第１の速度を上記第２の速度よりも大きな速度に設定
することが好ましい。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、添付図を参照して本発明の
好適な実施の形態を説明する。

【００１３】図１に、本発明の熱処理方法における基本
原理を示す。図１に示すように、面状（概して平面状）
の発熱面を有する面状発熱源２と面状の被処理体たとえ
ば半導体ウエハ１とを相対向させ、この対向状態を保っ
たまま両者（１，２）を相対的に急速で接近移動させ
て、半導体ウエハ１に所望の熱処理を施す。

【００１４】半導体ウエハ１と面状発熱源２との間の位
置関係は、図１のように処理面１１を上に向けた半導体
ウエハ１の直上に面状発熱源２が発熱面を下向きにして
配置されてもよく、あるいは半導体ウエハ１が処理面１
１を下に向けてその真下に面状発熱源２が発熱面を上向
きにして配置されてもよい。

【００１５】このような熱処理方法においては、面状発
熱源２からの放射熱が図１において矢印で示すように半
導体ウエハ１の処理面１１の全体にほぼ垂直に向かうた
め、たとえば口径１２インチの大型（大面積）の半導体
ウエハ１であっても処理面１１の全体にわたって均一な
温度で加熱することができ、しかも、両者（１，２）を
対向させた状態で急速に相対接近させるので、急速加熱
が可能となる。

【００１６】この熱処理方法において、半導体ウエハ１
と面状発熱源２とを相対的に急速に接近させる場合、面
状発熱源２を固定して半導体ウエハ１を急速に上昇させ
てもよいし、半導体ウエハ１を固定して面状発熱源２を
急速に下降させてもよい。相対的な接近速度は、半導体
ウエハ１の処理面１１における温度の上昇速度がたとえ
ば２０゜Ｃ／ｓｅｃ以上、特に１００゜Ｃ／ｓｅｃ以上
となるような接近速度であることが好ましく、具体的に
はたとえば５０〜２００ｍｍ／ｓｅｃ以上が好ましい。

【００１７】面状発熱源２の発熱面は、半導体ウエハ１
の処理面１１と同様の形態（円形形状）を有しているこ
とと、半導体ウエハ１の外径の２倍以上の外径を有して
いることが好ましく、図示のように半導体ウエハ１と平
行に配置されることが好ましい。また、面状発熱源２の
発熱面は、全体が一様な平面であってもよいし、周辺部
が半導体ウエハ１に接近する方向に湾曲していてもよ
い。

【００１８】この熱処理方法においては、半導体ウエハ
１と面状発熱源２とを相対的に急速に接近させて該半導
体ウエハ１に急速熱処理を施すに際して、半導体ウエハ
１と面状発熱源２との最短離間距離Ｌを種々の値に設定
または変更することにより、温度の異なる複数の熱処理
を行うことができる。

【００１９】すなわち、半導体ウエハ１と面状発熱源２
との最短離間距離Ｌを適宜設定または変更することによ
り、急速熱処理において半導体ウエハ１を加熱する温度
の最高値を所望の値に選べるので、たとえば１２００゜
Ｃ程度の高温処理や５００゜Ｃ程度の低温処理を適宜選
択することができ、複合プロセス処理が可能となる。こ
こで、「最短離間距離」とは、面状発熱源２に対する半
導体ウエハ１の相対的な接近移動を停止して静止状態で
熱処理のプロセスを受けるときの位置（所定位置）から
面状発熱源２の発熱面までの距離をいう。

【００２０】図２に、この実施形態の熱処理方法を実施
するための熱処理装置の構成を示す。この熱処理装置
は、特に酸化・拡散の熱処理に好適なものである。

【００２１】この熱処理装置において、面状発熱源２は
上端が閉塞した筒状の保温材４の天井面（上部内壁）に
下向きで取り付けられている。この保温材４はたとえば
アルミナセラミックスからなり、半導体ウエハ１の移動
経路に沿って適当な温度勾配をもたせるためにその筒部
または胴部が下部に向かって肉薄になっている。つま
り、下部にいくほど保温効果が少なくなるようになって
いる。保温材４の下端部には、熱処理の終了後に半導体
ウエハ１を急速に冷却するための冷却手段（図示省略）
を設けることが好ましい。かかる冷却手段は、アンモニ
ア、二硫化イオウ、水等を冷媒に使用し、冷媒の潜熱を
利用してたとえば３００〜４００゜Ｃの温度まで半導体
ウエハ１を急速冷却してよい。保温材４の内径は、半導
体ウエハ１の口径を考慮して選択することが好ましく、
たとえば半導体ウエハ１が８インチの場合は、その２倍
程度の４００〜５００ｍｍφ程度が好ましい。

【００２２】保温材４および面状発熱源２の内側には筒
状の処理容器７が設けられている。この処理容器７は、
後述するウエハ保持具３およびこの保持具３に保持され
る半導体ウエハ１を面状発熱源２および保温材４から隔
離して、半導体ウエハ１を外部から分離された雰囲気中
に収容するようになっている。処理容器７内には、プロ
セスガスを導入するためのガス導入管８が引かれてい
る。このガス導入管８は、処理容器７の下端部から容器
内の上部まで引かれ、管先端のガス出口より半導体ウエ
ハ１に対して斜め上方からガスを供給するようになって
いる。また、処理容器７内にはガス排出管９も引かれて
いる。このガス排出管９は、処理容器７内の下部に管先
端の開口（排気口）を位置させている。

【００２３】ウエハ保持具３は、その周縁部に複数個た
とえば３〜４個の保持突起３１が一体に形成されてお
り、これらの保持突起３１が半導体ウエハ１の処理面１
１とは反対側の面（裏面）に当接して、半導体ウエハ１
を保持するようになっている。ウエハ保持具３は、たと
えば高純度炭化ケイ素（ＳiＣ）等のように耐熱性に優
れ、かつ汚染されにくい材料により構成されるのが好ま
しい。特に、高純度炭化ケイ素（ＳiＣ）は石英（ＳiＯ
2）よりも優れた耐熱性を有しており、約１２００゜Ｃ
の高温にも十分に耐えられるので、酸化・拡散処理用の
治具材料として好適なものである。

【００２４】ウエハ保持具３は、昇降機構５により処理
容器７内で昇降可能であり、回転機構６により処理容器
７内で回転可能である。昇降機構５は、モータ５１と、
駆動軸５２と、駆動アーム５３とで構成されている。モ
ータ５１の回転軸が駆動軸５２に連結されており、モー
タ５１の回転に応じて駆動軸５２が回転するようになっ
ている。駆動軸５２にはネジ山（図示せず）が切られて
おり、この駆動軸５２のネジ山に駆動アーム５３の一端
部が螺合されている。駆動アーム５３の他端部はモータ
６１および回転軸６２を介してウエハ保持具３に連結さ
れている。昇降機構５において、モータ５１が駆動軸５
２を回転させると、その回転方向に応じて、駆動軸５２
のネジの作用（送り）により駆動アーム５３が上昇また
は下降移動し、駆動アーム５３の移動に伴なってウエハ
保持具３が上昇または下降移動する。モータ５１の回転
速度を制御回路（図示省略）が制御することにより、ウ
エハ保持具３の上昇速度または下降速度を適宜調整する
ことができる。ウエハ保持具３の移動距離はたとえば３
００〜６００ｍｍ程度であり、移動速度を５０〜２００
ｍｍ／ｓｅｃ以上の高速とすることが好ましい。

【００２５】回転機構６は、モータ６１と回転軸６２と
で構成されている。モータ６１が回転軸６２を回転させ
ることで、回転軸６２の上端部に結合されているウエハ
保持具３が回転軸６２と一体に回転するようになってい
る。

【００２６】面状発熱源２は、たとえば二ケイ化モリブ
デン（ＭoＳi2）、鉄（Ｆe）とクロム（Ｃr）とアルミ
ニウム（Ａl）の合金線であるカンタル（商品名）線等
の抵抗発熱体を発熱面と平行に面状に配置することによ
り構成されてよい。たとえば、二ケイ化モリブデン（Ｍ
oＳi2）は単線として使用することができ、カンタル線
はコイルとして使用することができる。特に、二ケイ化
モリブデン（ＭoＳi2）は約１８００゜Ｃの高温にも十
分に耐えられるので、酸化・拡散処理用の発熱材料とし
て好適である。図４に、面状発熱源２の具体的構成例を
示す。この構成例は、たとえば二ケイ化モリブデンの単
線からなる抵抗発熱線２１を螺旋状に巻いたものであ
る。

【００２７】面状発熱源２の発熱面は、上記したよう
に、半導体ウエハ１の処理面１１と同様の形態つまり円
形状であるのが好ましく、また、その外径が半導体ウエ
ハ１の外径の２倍以上であるのが好ましい。このような
発熱面の形状・サイズ条件を満たす面状発熱源２によれ
ば、半導体ウエハ１の中央部と周辺部との間の温度差を
十分に小さくし、半導体ウエハ１の処理面１１の全体に
より均一な温度で熱処理を施すことができる。

【００２８】面状発熱源２の発熱面は、上記したよう
に、ウエハ保持具３上の半導体ウエハ１と平行に対向す
るのが望ましく、発熱面の全体が一様な平面であっても
よく、周辺部が半導体ウエハ１に接近する方向に湾曲し
ていてもよい。

【００２９】面状発熱源２の温度は、半導体ウエハ１の
最高使用温度よりも１００〜３００゜Ｃ高いことが好ま
しい。面状発熱源２の発熱は加熱制御部（図示省略）に
より制御されるが、その温度コントロールは面状発熱源
２付近の適宜の位置に熱電対等の温度センサ（図示省
略）を配置してそのセンサ出力信号（温度検出信号）に
基づいて行われてよい。

【００３０】面状発熱源２は、位置的には、上記したよ
うにウエハ保持具３上の半導体ウエハ１の処理面１１と
対向するように保温材４の上部内壁に固定配置される。
面状発熱源２と半導体ウエハ１とが最接近するときの間
隔または最短離間距離Ｌは、装置の小型化の観点からす
れば短い距離とした方がよいが、大面積の半導体ウエハ
１の全面を均一な温度に加熱する観点からすれば長い距
離とした方がよい。具体的には、小型化と温度均一性の
両条件をある程度両立し得る距離、たとえば３００〜６
００ｍｍ程度に設定してよい。

【００３１】また、図３に示すように、面状発熱源２と
半導体ウエハ１との間に面状の均熱部材２３を配置する
構成としてもよい。この均熱部材２３は、面状発熱源２
に発熱ムラが存在する場合に、その発熱ムラを解消して
（均して）、半導体ウエハ１に向かう放射熱を正しく垂
直方向に揃えるものである。均熱部材２３をたとえば高
純度炭化ケイ素（ＳiＣ）等のように汚染され難い材料
で構成して、面状発熱源２を均熱部材２３により処理空
間から隔離することにより、面状発熱源２を汚染の原因
となる重金属を含む材料で構成したとしても、該重金属
による汚染を効果的に防止することができる。

【００３２】均熱部材２３は、ウエハ保持具３上の半導
体ウエハ１の処理面１１と対向するように配置され、面
状発熱源２と同様に半導体ウエハ１の外径の２倍以上の
外径を有するのが好ましい。また、均熱部材２３の厚み
は、その中央部の厚みを周辺部の厚みよりも大きくする
ことが好ましく、このような厚み分布構造とすることに
より半導体ウエハ１の周辺部における熱放散を少なくし
て、ウエハの中央部と周辺部との間の温度均一性を一層
向上させることができる。また、均熱部材２３の形状
を、その周辺部が半導体ウエハ１に接近する方向に湾曲
する形態としてもよい。均熱部材２３の周辺部をそのよ
うに湾曲させることによっても、半導体ウエハ１の周辺
部における熱放散を少なくして、ウエハの中央部と周辺
部との間の温度差を小さくすることができる。

【００３３】次に、この熱処理装置における処理の動作
を説明する。図５に、酸化または拡散処理の熱処理モー
ドにおける一実施形態の熱処理方法による処理温度特性
の一例を示す。

【００３４】熱処理中は、面状発熱源２の温度を一定温
度たとえば１３００゜Ｃに維持する。処理容器７は、半
導体ウエハ１が容器内に搬入または収容された後は密閉
される。そして、密閉状態の処理容器７内でガス導入管
８およびガス排気管９を通じて所望の処理ガスを流す。

【００３５】この実施形態では、図５に示すように、最
初に窒素ガス（Ｎ2）を流しながら、半導体ウエハ１の
温度が室温から約５００゜Ｃ（第１の温度）に達するま
で、昇降機構５によりウエハ保持具３をたとえば２００
ｍｍ／ｓｅｃ（第１の速度）で上昇移動させる。そし
て、半導体ウエハ１の温度が約５００゜Ｃに達したな
ら、次に半導体ウエハ１の温度が約１２００゜Ｃ（第２
の温度）に達するまで、昇降機構５によりウエハ保持具
３をたとえば１００ｍｍ／ｓｅｃ（第２の速度）でさら
に上昇移動させる。そして、半導体ウエハ１の温度が約
１２００゜Ｃに達した後は、ウエハ保持具３を当該位置
に固定した状態で、窒素ガスの供給を停止し、代わりに
酸素ガス（Ｏ2）を半導体ウエハ１に供給しながら、酸
化または拡散処理を行う。

【００３６】酸化または拡散処理が終了したなら、上記
の動作（上昇・昇温）と対称的な逆動作を行う。つま
り、最初に半導体ウエハ１の温度が約１２００゜Ｃ（第
２の温度）から約５００゜Ｃ（第１の温度）に下がるま
で、昇降機構５によりウエハ保持具３を１００ｍｍ／ｓ
ｅｃ（第２の速度）で下降させ、次いで半導体ウエハ１
の温度が約５００゜Ｃ（第１の温度）から室温に下がる
まで、昇降機構５によりウエハ保持具３を２００ｍｍ／
ｓｅｃ（第１の速度）で下降させる。なお、この下降・
降温の動作中は処理容器７内に窒素ガスを流す。こうし
て半導体ウエハ１の温度を室温まで下げて、１回の全熱
処理工程を終了する。

【００３７】なお、上記のような酸化または拡散処理の
間に、回転機構６により半導体ウエハ１を回転運動させ
ることもできる。

【００３８】上記したように、この実施形態の熱処理方
法では、処理容器７内で面状発熱源２に対して半導体ウ
エハ１の処理面１１を対向させ、面状発熱源２の温度を
所定温度に維持した状態で、最初に半導体ウエハ１の温
度が第１の温度（たとえば約５００゜Ｃ）に達するま
で、半導体ウエハ１を面状発熱源２に向かって第１の速
度（たとえば２００ｍｍ／ｓｅｃ）で上昇移動させ、半
導体ウエハ１の温度が第１の温度に達した後に、半導体
ウエハ１の温度が第１の温度よりも高い第２の温度（た
とえば約１２００゜Ｃ）に達するまで、半導体ウエハ１
を面状発熱源２に向かって第２の速度（たとえば１００
ｍｍ／ｓｅｃ）でさらに上昇移動させるようにしてい
る。

【００３９】このような急速加熱式の熱処理方法によれ
ば、半導体ウエハ１にスリップ、歪、ソリ等が生ぜず、
信頼性の高い熱処理が可能となり、さらには最近の半導
体プロセス技術におけるデザインルールの微細化、半導
体ウエハの大口径化に対応した急速熱処理が可能とな
る。したがって、たとえば５０〜１００Åのドーピング
処理、ゲート酸化膜やキャパシタ絶縁膜の極薄膜形成、
０．１μｍ以下の浅いＰＮ接合の形成、ＬＯＣＯＳ酸化
膜の形成、高誘電体材料を使用したキャパシタ絶縁膜の
形成等に用いられる種々の熱処理において、大なる効果
を発揮することができる。

【００４０】本発明の熱処理方法は、常圧のプロセス、
減圧プロセス、真空プロセスのいずれにも適用すること
ができる。また、面状の被処理体としては、円型の半導
体ウエハに限定されず、ＬＣＤ等の角型やその他の面状
の被処理体であってもよい。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
面状の被処理体の処理面全体を高精度な温度均一性で急
速に加熱ないし熱処理することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本原理を説明するための図である。

【図２】一実施形態の熱処理方法を実施するための熱処
理装置の構成を示す略縦断面図である。

【図３】実施形態の熱処理装置において均熱部材を設け
る構成例を示す要部断面図である。

【図４】実施形態の熱処理装置における面状発熱部材の
一構成例を模式的に示す略平面図である。

【図５】一実施形態の熱処理方法による処理温度特性の
一例を示す図である。

【符号の説明】

１半導体ウエハ２面状発熱源３ウエハ保持具４保温材５昇降機構６回転機構７処理容器８ガス導入管９ガス排気管１１（半導体ウエハの）処理面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】面状発熱源に面状の被処理体の被処理面
を対向させた状態で、前記被処理体を前記面状発熱源に
相対的に接近させて前記被処理体を熱処理する熱処理方
法であって、前記面状発熱源の温度を所定温度に維持した状態で、前
記被処理体の温度が第１の温度に達するまで、前記被処
理体を前記面状発熱源に向かって第１の速度で相対的に
移動させる工程と、前記被処理体の温度が第１の温度に達した後、前記面状
発熱源の温度を前記所定温度に維持した状態で、前記被
処理体の温度が前記第１の温度よりも高い第２の温度に
達するまで、前記被処理体を前記面状発熱源に向かって
第２の速度で相対的に移動させる工程とを有することを
特徴とする熱処理方法。
【請求項２】前記熱処理の際、少なくとも２種以上の
ガスを時間的に切り替えて別々に前記被処理体に供給す
ることを特徴とする請求項１に記載の熱処理方法。
【請求項３】前記少なくとも２種以上のガスは、窒素
ガス（Ｎ2）および酸素ガス（Ｏ2）を含むことを特徴と
する請求項２に記載の熱処理方法。
【請求項４】前記第１の速度が前記第２の速度よりも
大きいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載
の熱処理装置。