JP2002299319A

JP2002299319A - 基板処理装置

Info

Publication number: JP2002299319A
Application number: JP2001095809A
Authority: JP
Inventors: Motonari Takebayashi; 基成竹林
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2001-03-29
Filing date: 2001-03-29
Publication date: 2002-10-11

Abstract

(57)【要約】【課題】ウエハの温度を迅速に昇降可能な自然酸化膜
除去装置を提供する。【解決手段】ウエハに形成された自然酸化膜をリモー
トプラズマドライクリーニング方式で除去する自然酸化
膜除去装置１０において、ウエハ１を保持するホルダ１
５のベース１６には熱交換器１７が設置されたバッファ
板２３が敷設され、バッファ板２３上にはペルチェ素子
２７が使用された複数個の熱電モジュール２６が配設さ
れ、熱電モジュール２６の上にサセプタ３０が設置され
ている。【効果】ウエハを熱電モジュールで強制冷却して自然
酸化膜除去ガスによる自然酸化膜の処理能力の低下を防
止する。表面処理膜の昇華に際し、ウエハをランプヒー
タと共に熱電モジュールで加熱して加熱時間を短縮す
る。昇華後にサセプタを熱電モジュールで強制冷却して
次回に処理すべきウエハの待ち時間を短縮する。これら
により、自然酸化膜除去装置のスループットを向上でき
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、基板処理装置に関
し、特に、基板を加熱する技術に係り、例えば、半導体
装置の製造方法において半導体ウエハに成膜処理やアニ
ール処理、酸化膜形成処理および拡散処理等の熱処理を
施す際に利用して有効なものに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造方法において、半導体
ウエハ（以下、ウエハという。）に成膜処理やアニール
処理、酸化膜形成処理および拡散処理等の熱処理を施す
のにバッチ式縦形ホットウオール形熱処理装置（furnac
e 。以下、熱処理装置という。）が、広く使用されてい
る。

【０００３】ところで、半導体装置の製造方法において
は、ウエハが各工程間を移動する際にウエハが大気に晒
されると、大気中の酸素や水分に起因して自然酸化膜が
ウエハの表面に形成されること、並びに、このウエハに
形成された自然酸化膜はウエハによって製造される半導
体装置に悪影響を及ぼすことが、知られている。すなわ
ち、シリコン（Ｓｉ）の表面の自然酸化膜は不完全な結
晶性を有したシリコン酸化膜であり、熱処理装置のコン
トロールされた熱酸化によって形成されるシリコン酸化
膜と比べると、必然的に膜質が劣るため、例えば、コン
タクトホール底面のシリコンの表面に生成した自然酸化
膜はコンタクト抵抗を増加させる。

【０００４】このため、ウエハが熱処理装置によって所
望の熱処理（以下、本処理という。）が施されるに際し
て、ウエハを弗化水素（弗酸。以下、ＨＦという。）に
よって前処理洗浄することにより、ウエハに生成された
自然酸化膜を予め除去することが、一般的に実施されて
いる。ところが、前処理洗浄工程から熱処理装置による
本処理工程に供給される間や、熱処理装置内においてプ
ロセスチューブに搬入される前に、ウエハが大気に接触
すると、１〜２の原子層厚の自然酸化膜が形成されてし
まう。そして、時間の経過に伴って成長する自然酸化膜
を極力抑えるためには、前処理洗浄工程から本処理であ
る熱処理工程までの時間を可及的に短縮する必要がある
ため、工程設計の自由度が小さくなってしまう。

【０００５】また、ＨＦによる前処理洗浄はウエット洗
浄であるため、半導体装置の微細化に伴って、微細なト
レンチの洗浄が困難になって来ている。そこで、ドライ
エッチングの原理を利用した前処理洗浄の開発が要望さ
れている。この要望に応える技術として、リモートプラ
ズマドライクリーニング方式による前処理洗浄技術が検
討されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、リモートプラ
ズマドライクリーニング方式による前処理洗浄技術にお
いては、リモートプラズマが処理室に導入されることに
よってウエハが徐々に温められるため、自然酸化膜の除
去速度が低下してしまう。実験によると、１０分間の処
理時間でウエハの温度は７０℃になることが確認され
た。また、自然酸化膜除去の後処理のために、ウエハを
ランプによって加熱して熱処理が実施されるが、ウエハ
よりもウエハを保持するサセプタの方が加熱され易いた
め、サセプタが高温になってしまう。サセプタが高温に
なると、次回の自然酸化膜除去処理に際して、サセプタ
が冷却するまでの待ち時間が必要になるため、全体とし
ての処理時間が大幅に増加してしまう。

【０００７】本発明の目的は、被処理基板の温度を迅速
に昇降させることができる基板処理装置を提供すること
にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る基板処理装
置は、被処理基板が当接されるサセプタに熱電半導体素
子が設置されていることを特徴とする。

【０００９】前記した手段によれば、熱電半導体素子に
正方向の電流を流すことにより、熱電半導体素子によっ
てサセプタを加熱することができるため、被処理基板を
加熱することができ、熱電半導体素子に逆方向の電流を
流すことにより、熱電半導体素子によってサセプタを冷
却することができるため、被処理基板を強制的に冷却す
ることができる。すなわち、熱電半導体素子への通電方
向を切り換えることにより、被処理基板の温度を迅速に
昇降させることができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を図
面に即して説明する。

【００１１】本実施の形態において、本発明に係る基板
処理装置は、ウエハの表面に形成された自然酸化膜をリ
モートプラズマドライクリーニング方式によって除去す
る自然酸化膜除去装置１０として、図１に示されている
ように構成されている。

【００１２】図１に示されているように、自然酸化膜除
去装置１０は自然酸化膜除去処理を実施するための処理
室１２を形成したプロセスチューブ１１を備えている。
プロセスチューブ１１は石英ガラスが使用されて両端が
閉塞した円筒形状に成形されており、中心線が垂直にな
るように縦に設置されている。プロセスチューブ１１の
下端閉塞壁の中心線上には支軸１３が挿通されており、
支軸１３はアクチュエータ１４によって回転かつ昇降駆
動されるようになっている。支軸１３の上端にはウエハ
を保持するホルダ１５が同心円に配されて水平に据え付
けられている。

【００１３】図１および図２に示されているように、ホ
ルダ１５はウエハ１よりも大径の円盤形状に形成された
ベース１６を備えており、ベース１６の上面には熱交換
器１７が敷設されている。熱交換器１７は上面に通水路
１９が渦巻き形状に没設された通水路部材１８を備えて
おり、通水路部材１８はベース１６の上面に同心円に埋
め込まれている。通水路１９の内外両端には給水管２０
および排水管２１がそれぞれ接続されており、通水路１
９には熱交換媒体としての水２２が給水管２０から排水
管２１へ流通されるようになっている。通水路部材１８
の上面にはバッファ板２３が通水路１９を塞ぐように被
せ付けられており、バッファ板２３はアルミニウム等の
熱伝導率の高い材料が使用されて円板形状に形成されて
いる。ベース１６の上面の外周辺部には枠部材２４が敷
設されており、枠部材２４は例えば、耐熱性および耐弗
素性を有するセラミック等の熱伝導率の低い材料が使用
されて、ベース１６の外径に等しい外径と通水路部材１
８の外径に等しい内径とを有する円形リング形状に形成
されている。枠部材２４の上面には段差部２５が同心円
に没設されている。

【００１４】バッファ板２３の上面には図３に示された
熱電モジュール２６が複数個（本実施の形態では七
個）、全面に対して可及的に均等な分布となるように配
設されている。図３（ａ）に示されているように、熱電
モジュール２６は熱電半導体素子であるペルチェ素子２
７を複数個（本実施の形態では二個）、同一方向に揃え
て積層されており、図３（ｂ）に示されているように並
列に接続されている。ペルチェ素子２７はｎ形半導体側
からｐ形半導体側へ直流電源２８によって直流電流を流
すと、図３（ａ）に実線矢印で示された方向に熱を伝播
し、図３（ｂ）の切換スイッチ２９を切り換えてｐ形半
導体側からｎ形半導体側へ直流電流を流すと、図３
（ａ）に破線矢印で示された方向に熱を伝播するように
なっている。

【００１５】図１および図２に示されているように、複
数個の熱電モジュール２６の上にはウエハ１を支持する
サセプタ３０が敷設されており、サセプタ３０はアルミ
ニウム等の熱伝導率の高い材料が使用されて円板形状に
形成されている。サセプタ３０はウエハ１に接触して熱
交換するものであり、熱容量が大きいと迅速な熱交換が
得られないため、厚さを５ｍｍに設定して低熱容量に形
成されている。ちなみに、被処理基板としてのウエハ１
の外径が２００ｍｍΦである場合には、サセプタ３０の
外径は２００ｍｍΦに設定される。

【００１６】図１に示されているように、処理室１２の
天井壁にはランプヒータ３１がホルダ１５に保持された
ウエハ１を加熱するように対向して吊持されている。プ
ロセスチューブ１１の底壁には排気口３２が処理室１２
に連通するように開設されており、排気口３２には真空
ポンプ３４に圧力調整ユニット３５を介して接続された
排気管３３が接続されている。

【００１７】プロセスチューブ１１の筒壁にはガスを処
理室１２へ水平方向に導入するガス導入口３６が複数
個、処理室１２に連通するようにそれぞれ開設されてお
り、ガス導入口３６群のプロセスチューブ１１の筒壁の
外面にはプラズマ３７の形成領域としてのプラズマ室３
８が設置されている。プラズマ室３８のガス導入口３６
と反対側にはプラズマ発生装置３９が導波管４０を介し
て接続されている。プラズマ発生装置３９には２．４５
ＧＨｚのマイクロ波プラズマ発生装置（マグネトロン）
が使用されている。プラズマ室３８にはガス供給管４１
が接続されており、ガス供給管４１は水素（Ｈ₂ ）ガス
（以下、Ｈ₂ ガスという。）、窒素（Ｎ₂ ）ガス（以
下、Ｎ₂ ガスという。）および被活性ガスとしての三弗
化窒素（ＮＦ₃）ガス（以下、ＮＦ₃ ガスという。）を
供給するように構成されている。

【００１８】次に、前記構成に係る自然酸化膜除去装置
の作用を説明する。なお、以下の説明においては、図４
（ａ）に示されているように、ウエハ１には前段階でコ
ンタクトホール２が形成されており、コンタクトホール
２の底部には自然酸化膜３が発生しているものとする。

【００１９】図１に示されているように、自然酸化膜３
を除去すべきウエハ１はウエハ移載装置によってウエハ
搬入搬出口（いずれも図示せず）から搬入されて、ホル
ダ１５のサセプタ３０の上に移載される。ウエハ移載口
がゲートバルブによって閉じられて処理室１２が気密に
維持された状態で、処理室１２が真空ポンプ３４によっ
て排気管３３を介して排気され、ウエハ１を保持したホ
ルダ１５がアクチュエータ１４によって上昇された後に
回転される。

【００２０】一方、図１に示されているように、プラズ
マ室３８にはプラズマ３７がプラズマ発生装置３９によ
って形成されるとともに、Ｈ₂ ガス、Ｎ₂ ガスおよびＮ
Ｆ₃ ガス（以下、原料ガスという。）４２が供給され
る。プラズマ室３８に供給された原料ガス４２はプラズ
マ３７によって活性化される。活性化された原料ガス４
２は自然酸化膜除去ガス４３となって処理室１２の排気
力および原料ガス４２の給気力によってプラズマ室３８
を処理室１２に向かって流れ、ガス導入口３６から処理
室１２に流れ込む。

【００２１】処理室１２に流れ込んだ自然酸化膜除去ガ
ス４３は処理室１２の全体に均等に拡散し、支軸１３に
よって回転されているホルダ１５に保持されたウエハ１
の全面に均等に接触する。ウエハ１に接触した自然酸化
膜除去ガス４３はウエハ１の表面の自然酸化膜３と反応
し、図４（ｂ）に示されているように、Ｓｉ、Ｎ、Ｈ、
Ｆの混合した生成物の膜（以下、表面処理膜という。）
４を形成する。ちなみに、本実施の形態の場合には表面
処理膜は、（ＮＦ₄ ）₂ ＳｉＦ₆ 、（ＮＦ₃ ）Ｘ（Ｓｉ
Ｆ₃ ）Ｙによって形成されている。

【００２２】この反応に際して、熱電モジュール２６の
ペルチェ素子２７にはｎ形半導体側からｐ形半導体側へ
通電されて、図３（ａ）に実線矢印で示されているよう
に、サセプタ３０側からバッファ板２３側へ熱が伝播さ
れることにより、サセプタ３０に接したウエハ１が熱電
モジュール２６によって強制的に冷却され、ウエハ１の
温度が３０℃以下に維持される。ちなみに、熱電モジュ
ール２６のウエハ１側の冷却面の温度は−１０℃にな
り、熱電モジュール２６のバッファ板２３側の放熱面の
温度は１２０℃になる。バッファ板２３に伝播された熱
はバッファ板２３に敷設された熱交換器１７によって放
熱されるため、熱電モジュール２６は熱電機能を損なう
ことなくウエハ１の温度を３０℃以下に強制冷却するこ
とができる。この際、熱電モジュール２６の放熱面の温
度は１２０℃にも達するので、熱交換器１７の放熱媒体
としての水２２は温度が２０℃の水道水等であっても効
率よく放熱することができる。

【００２３】以上の表面処理膜を形成するために設定さ
れた処理時間が経過すると、ガス供給管４１による原料
ガス４２の供給が停止されるとともに、プラズマ発生装
置３９の駆動も停止される。また、処理室１２の残留ガ
スは処理室１２が排気管３３によって排気されることに
より排出される。

【００２４】残留ガス排出時間が経過すると、ホルダ１
５に保持されたウエハ１がランプヒータ３１および熱電
モジュール２６によって１００℃以上に加熱される。こ
の際には、熱電モジュール２６のペルチェ素子２７には
ｐ形半導体側からｎ形半導体側へ通電されて、図３
（ａ）に破線矢印で示されているように、バッファ板２
３側からサセプタ３０側へ熱が伝播されることにより、
サセプタ３０に接したウエハ１が熱電モジュール２６に
よって強制的に加熱される。ちなみに、熱電モジュール
２６のウエハ１側の加熱面の温度は１２０℃になり、熱
電モジュール２６のバッファ板２３側の冷却面の温度は
−１０℃になる。バッファ板２３には熱交換器１７によ
って熱が供給されるため、熱電モジュール２６は熱電機
能を損なうことなくウエハ１の温度を１００℃以上に加
熱することができる。この際、熱電モジュール２６の冷
却面の温度は−１０℃にも達するので、熱交換器１７の
放熱媒体としての水２２は温度が２０℃の水道水等であ
っても効率よく熱を補給することができる。

【００２５】なお、このサセプタ３０の昇温時に枠部材
２４は熱電モジュール２６によって加熱されていないた
め、枠部材２４の温度は３０℃〜４０℃程度になってい
る。しかし、枠部材２４は熱伝導率の低い材料によって
形成されており、しかも、ウエハ１およびサセプタ３０
の外周の僅かな面積だけで接触していることにより、ウ
エハ１およびサセプタ３０の熱を奪うのを抑制すること
ができるため、熱電モジュール２６の加熱を効率よく実
行させることができる。

【００２６】以上の熱電モジュール２６およびランプヒ
ータ３１の加熱によって、図４（ｃ）に示されているよ
うに、表面処理膜４は昇華する。この表面処理膜４の昇
華により、ウエハ１の自然酸化膜３が除去されてウエハ
１の表面にはＳｉ面５が露出した状態になる。

【００２７】表面処理膜を昇華するために設定された処
理時間が経過すると、熱電モジュール２６およびランプ
ヒータ３１による加熱が停止され、処理室１２の残留ガ
スが排気管３３の排気力によって排出される。

【００２８】残留ガス排出時間が経過すると、ホルダ１
５の処理済みウエハ１はウエハ移載装置によってディス
チャージングされて、ゲートバルブによって開放された
ウエハ移載口を通じてウエハキャリア（図示せず）に移
載される。以降、前述した作用が繰り返されて複数枚の
ウエハ１が自然酸化膜除去装置１０によってバッチ処理
されて行く。

【００２９】本実施の形態においては、熱電モジュール
２６による加熱が停止された後に、熱電モジュール２６
のペルチェ素子２７にはｎ形半導体側からｐ形半導体側
へ通電されて、図３（ａ）に実線矢印で示されているよ
うに、サセプタ３０側からバッファ板２３側へ熱が伝播
されることにより、サセプタ３０が熱電モジュール２６
によって強制的に冷却される。このようにして熱電モジ
ュール２６によってサセプタ３０が強制的に冷却される
ことにより、サセプタ３０を１００℃の昇華温度から３
０℃の自然酸化膜除去ガス４３による処理温度まで短時
間で下降させることができるため、次回に処理すべきウ
エハ１をその自然冷却の待ち時間なしにサセプタ３０に
移載することができる。

【００３０】前記実施の形態によれば、次の効果が得ら
れる。

【００３１】1) 自然酸化膜除去ガスによる自然酸化膜
の処理に際して、ウエハを熱電モジュールによって強制
的に冷却することにより、ウエハの温度を３０℃以下に
維持することができるため、自然酸化膜除去ガスによる
自然酸化膜の処理速度の低下を防止することができ、単
位時間当たりの処理速度（スループット）を向上させる
ことができる。

【００３２】2) 表面処理膜を昇華するための処理に際
して、ウエハをランプヒータと共に熱電モジュールによ
って加熱することにより、加熱時間を短縮することがで
きるため、スループットを向上させることができる。

【００３３】3) 表面処理膜の昇華処理後にサセプタを
熱電モジュールによって強制的に冷却することにより、
サセプタを１００℃の昇華温度から３０℃の自然酸化膜
除去ガスによる処理温度まで短時間で下降させることが
できるため、次回に処理すべきウエハをその自然冷却の
待ち時間なしにサセプタに移載することができ、スルー
プットを向上させることができる。

【００３４】4) ウエハを複数個の熱電モジュールによ
ってサセプタを介して冷却および加熱することにより、
複数個の熱電モジュールの温度をサセプタの全面に分散
させることができるため、ウエハを全面にわたって均一
に冷却および加熱することができる。

【００３５】5) ウエハを保持したホルダを回転させる
ことにより、自然酸化膜除去ガスをウエハの全面に均等
に接触させることができるため、ウエハの自然酸化膜を
均一に除去することができる。

【００３６】6) 枠部材を熱伝導率の低い材料によって
形成することにより、ウエハおよびサセプタの熱を奪う
のを抑制することができるため、熱電モジュールの冷却
および加熱を効率よく実行させることができる。

【００３７】なお、図５は処理時間の短縮効果を示す各
グラフであり、（ａ）は比較例の場合を示しており、
（ｂ）は本実施の形態の場合を示している。

【００３８】図５（ａ）の折れ線と（ｂ）の折れ線とを
結んだ一点鎖線で明らかな通り、本実施の形態によれ
ば、自然酸化膜処理工程全体としての処理時間を比較例
に対して大幅に短縮（約半減）することができる。

【００３９】また、図６は熱電モジュールの冷却能力を
示すグラフである。図６において、縦軸にはサセプタの
温度（℃）が取られ、横軸には時間（分）が取られてい
る。破線曲線はサセプタを水冷式の熱交換器によって冷
却した場合を示しており、実線曲線はサセプタを熱電モ
ジュールと水冷式の熱交換器との組み合わせによって冷
却した本実施の形態の場合を示している。

【００４０】図６によれば、サセプタを熱電モジュール
と水冷式の熱交換器との組み合わせによって冷却した本
実施の形態の場合はサセプタを水冷式の熱交換器によっ
て冷却した場合に比べて飛躍的に冷却能力が増加するこ
とが、理解される。

【００４１】なお、本発明は前記実施の形態に限定され
るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変
更が可能であることはいうまでもない。

【００４２】例えば、熱電モジュールはペルチェ素子を
使用して構成するに限らず、他の半導体熱電素子を使用
して構成してもよい。

【００４３】ランプヒータは処理室の内部に設置するに
限らず、処理室の外部に設置してもよいし、他のヒータ
ユニットを使用してもよい。さらに、熱電モジュールの
加熱能力によっては、ランプヒータやヒータユニットは
省略してもよい。但し、ウエハを熱電モジュールと反対
側から非接触にて加熱するヒータユニットを併設した場
合には、ウエハを両面から加熱することができるため、
加熱時間をより一層短縮することができる。

【００４４】プラズマ発生装置はマイクロ波プラズマ発
生装置（マグネトロン）を使用するに限らず、誘導結合
型ＥＣＲおよびマグネトロン型ＥＣＲ等を使用してもよ
い。

【００４５】熱交換器は前記構造の通水式の熱交換器を
使用するに限らず、通水管をバッファ板の下面に敷設し
た通水式の熱交換器を使用してもよいし、通気（空冷）
式の熱交換器等を使用してもよい。

【００４６】前記実施の形態ではウエハに自然酸化膜除
去処理が施される場合について説明したが、被処理基板
はホトマスクやプリント配線基板、液晶パネル、コンパ
クトディスクおよび磁気ディスク等であってもよい。

【００４７】原料ガスとしては、Ｈ₂ ガス、Ｎ₂ ガスお
よびＮＦ₃ ガスを使用するに限らず、Ｃ₂ Ｆ₆ 、Ｏ₂ 、
Ａｒ、ＣｌＦ₃ 、Ｈｅや他のハロゲンガス等を使用する
ことができる。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
被処理基板の温度を迅速に昇降させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態である自然酸化膜除去装
置を示す縦断面図である。

【図２】ホルダを示しており、（ａ）は一部切断平面
図、（ｂ）は正面断面図である。

【図３】熱電モジュールを示しており、（ａ）は模式
図、（ｂ）は回路図である。

【図４】自然酸化膜除去作用を説明するための各説明図
である。

【図５】処理時間の短縮効果を示す各グラフであり、
（ａ）は比較例の場合を示しており、（ｂ）は本実施の
形態の場合を示している。

【図６】熱電モジュールの冷却能力を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１…ウエハ（基板）、２…コンタクトホール、３…自然
酸化膜、４…表面処理膜、５…Ｓｉ面、１０…自然酸化
膜除去装置（基板処理装置）、１１…プロセスチュー
ブ、１２…処理室、１３…支軸、１４…アクチュエー
タ、１５…ホルダ、１６…ベース、１７…熱交換器、１
８…通水路部材、１９…通水路、２０…給水管、２１…
排水管、２２…水（熱交換媒体）、２３…バッファ板、
２４…枠部材、２５…段差部、２６…熱電モジュール、
２７…ペルチェ素子（熱電半導体素子）、２８…直流電
源、２９…切換スイッチ、３０…サセプタ、３１…ラン
プヒータ、３２…排気口、３３…排気管、３４…真空ポ
ンプ、３５…圧力調整ユニット、３６…ガス導入口、３
７…プラズマ、３８…プラズマ室、３９…プラズマ発生
装置（マグネトロン）、４０…導波管、４１…ガス供給
管、４２…原料ガス、４３…自然酸化膜除去ガス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 21/26 Ｈ０１Ｌ 21/26 ＧＦターム(参考） 4K029 AA24 BD01 DA08 EA08 4K030 CA04 CA12 KA24 5F004 AA14 BA03 BB14 BB25 BB26 DA00 DA02 DA17 DA22 DA23 DA24 DA25 DA26 5F045 BB08 DP04 DP28 EB13 EH03 EH17 EH18 EJ03 EJ08 EJ09 EK01 EK12 EM02 EM10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被処理基板が当接されるサセプタに熱電
半導体素子が設置されていることを特徴とする基板処理
装置。
【請求項２】被処理基板が当接されるサセプタに熱電
半導体素子が設置されているとともに、前記サセプタの
前記熱電半導体素子と反対側に前記被処理基板を非接触
にて加熱するヒータユニットが設けられていることを特
徴とする基板処理装置。