JP2004140388A

JP2004140388A - 半導体装置の製造方法

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Publication number: JP2004140388A
Application number: JP2003394074A
Authority: JP
Inventors: Mikio Takagi; 高木　幹夫
Original assignee: FTL KK
Current assignee: FTL KK
Priority date: 2003-11-25
Filing date: 2003-11-25
Publication date: 2004-05-13
Anticipated expiration: 2023-03-19
Also published as: JP4064911B2

Abstract

　【課題】　MOSトランジスタのソース、ドレインの不純物の活性化、Si基板との反応による極薄膜の形成等において短時間熱処理を達成することにより半導体装置の高集積化に寄与する。
　【課題に解決するための手段】
　ウェーハの挿入端から縦方向に、一定長さと第１温度をもつ第１領域及び第１温度より高い第２温度と一定長さをもつ第２領域を備え、かつこれらの領域の間に温度勾配領域を備えた電気炉の挿入端から反応管内に、ウェーハを挿入し、第１の温度領域にて一旦ウェーハを保持して第１の処理を行い、次いでウェーハを第２の領域に移動させた後、ウェーハが第２温度より低くかつ第１温度より高い所定の第３温度に達する（ｔ２、ｔ３）まで該ウェーハを保持して第２の処理を行ない、その後直ちにウェーハを第２領域に下降させる。
【選択図】　　図２

Description

　本発明は、半導体装置の製造方法に関し、さらに詳しく述べるならば電気炉を利用して半導体ウェーハを熱処理し、シリコン半導体装置、液晶ディスプレイ、ＧａＡｓデバイス、アモルファスＳｉのＴＦＴ（Thin Film Transistor）等の半導体装置の製造において、酸化、拡散、ＣＶＤ、リフロー、スパイク処理と称される短時間・高温熱処理等を含む処理（processing）を行なう半導体装置の製造方法に関するものである。

　従来、半導体装置製造用熱処理炉としては、横型炉や縦型炉と称されるホットウォール型の電気炉が使用されてきたが、素子寸法の微細化に伴い浅い接合形成と不純物の再分布の抑制が求めらるにつれ、サーマルバジェット（Thermalbudget）の低減と短時間熱処理（ＲＴＰ−Rapid Thermal Processing）の観点から、様々なランプ加熱による熱処理が採用されてきている。前者のホットウォール型電気炉は、バッチ処理が可能で温度の安定性に優れている反面、短時間昇温・降温コントロールに難がある。後者のランプ加熱は、枚葉処理となり、プロセス温度の短時間昇温・降温コントロールが可能というメリットがあり、素子微細化に伴い進展した低温化プロセスにより、サーマルバジェットが重要になる浅い接合デバイスを製作する面から近時注目を集めている。

　ランプ加熱による急熱処理は特に浅い接合のデバイスの製造に適するものであるが、ウェーハ面内の温度分布を電気炉並みの均一分布とするには至っておらず、これにより熱歪が生じ、ウェーハの周縁部からスリップラインが発生し易いという欠点がある。また、ウェーハ上に種々の形状でパターニングされたＳｉ₃Ｎ₄，ＳｉＯ₂，ポリＳｉ，ＷＳｉ₂、Ｗ等の材料が光吸収特性を異にすることにより局部的温度分布の差によりウェーハにスリップラインが発生するという欠点もある。これらの理由により、大口径ウェーハの量産ラインへの実用は難しいと考えられている。

　本出願人は、この問題点に鑑み、大口径ウェーハに実用できる急速加熱アニールを可能とするために、特許文献１（欧州特許公開公報0 538 874A1 （1993.4.28 ））において、ウェーハの挿入端から深さ方向に一定長さの所定温度領域と当該所定温度より高い一定長さの高温領域を備えた炉の挿入端から、ウェーハを挿入し、所定温度領域にて第一の処理を行い、次いで、ウェーハを高温領域に移動させ、この高温で第二のアニール処理を行い、所定温度領域に戻すことにより、ウェハー昇降による多段加熱方法を提案した。そして、この方法により、８インチなどの大口径ウェハーにつき６４Ｍ−ＤＲＡＭの０．３５μｍパターンルールを満足するサーマルバジェットは例えば８５０℃×５００分程度を目標としている。

　ところで、０．２５μｍパターンルールで設計される２５６Ｍ−ＤＲＡＭにつきソース、ドレインにイオン注入された不純物を活性化するためには８００℃以上の温度で熱処理することが必要である。この際のサーマルバジェットは８００℃×５００分程度を目標とすると、当然種々の工程にＲＴＰを用いてサーマルバジェットを節約することが望まれる。

　近年、電気炉への急速に電力を投入し、かつ電力遮断後に強制冷却を行なうことにより、昇温・冷却中のサーマルバジェットを大幅に削減することが提案され、試みられている。この提案の方法によると８００−１０００℃間の昇温時間は約２分、冷却時間は約４分であり、従来の一般的炉より大幅な時間短縮が図られている（非特許文献１：第１回日経マイクロデバイス・ＬＳＩセミナー、１９９４年７月８日東京にて開催）。

　次に、２５６Ｋ−ＤＲＡＭにおいては、ＭＯＳトランジスターのゲート膜に関してはデバイスの集積度向上に伴って膜厚が７０〜９０オングストロームに減少するが、Ｂを不純物とするＰチャネルＭＯＳの場合は不純物がＳｉＯ₂膜を突き抜けるおそれがあるので、ＳｉＯ₂膜の表面を１０５０〜１１００℃程度の高温で窒化してＳｉＯＮ化することが検討されている。同様に、ＥＥＲＯＭやフラッシュメモリーのゲート膜もＲＴＰ窒化処理することが、メモリーの書き込み、消去を繰り返すサイクル数を多く保つために、重視されている。

　上述のようなＳｉＯＮやＳｉＯ₂の極薄膜あるいはこれらの異質膜の複合膜は、膜の耐性やシリコン基板との界面の特性から、バルクＳｉとガスとの直接反応法が最良であると考えられている。そして、そのための良好なＲＴＰ法の開発が望まれている。

　また、前掲特許文献１には加熱炉の上部に石英管の頂部から不活性ガスを流し、下部には石英管の下端から反応ガスを流し、上部と下部の間の遷移領域からこれらのガスを排気口を介して排気する方法が示されている。具体例としては、下部にてＴＥＯＳとＴＭＯＰとの反応を６８０〜７５０℃にて行い、この間上部には不活性ガスを流してＣＶＤを行い、その後上部にて１０５０℃でリフローを行う方法が挙げられている。

　続いて、アモルファスシリコン薄膜トランジスタ（a −Si TFT）はトランジスタの基板としてシングルＳｉでなくa −Siを利用するのが主流であり近年大型・高精度ディスプレーデバイスに多量に用いられている。またa−Siを３００℃より高温で熱処理し多結晶化することより電子の移動度を高めることも提案されている。この場合の熱処理方法としてはＡｒ，ＡｒＦ，ＫｒＦなどのレーザーで表面の極く薄い層を６００℃以上の温度にを加熱する方法が提案されている。
欧州特許公開公報０５３８８７４A1 第１回日経マイクロデバイス・LSIセミナー、１９９４年７月８日東京にて開催）

　まず、２５６Ｍ−ＤＲＡＭを例にとって微細なソース、ドレイン等を従来法で作成する場合の問題を指摘する。本出願人の前掲特許文献１で提案した方法により大口径ウェーハにスリップラインを招かずにＲＴＰを施すことが可能になったが、サーマルバジェットのより一層の低減を図ると次のような問題があることがわかった。すなわち、下部温度を７００℃、上部温度を９００℃、ウェーハの移動速度を１０〜２０ｃｍ／ｓｅｃ，上部及び下部の均熱ゾーンの長さを２０〜２５ｃｍ，中間ゾーンの長さを４０ｃｍと仮定すると、１枚のウェーハを９００℃でＲＴＰする熱処理温度−時間パターンは、７００から９００℃への移動２〜４ｓｅｃ，９００℃での保持：３〜４分である。この方法ではウェーハを電気炉により設定された恒温ゾーンである９００℃に均熱するので、９００℃までに昇温し完全に安定化するために約７分から９分を必要としている。この移動後の温度安定化までにウェーハがさらされる熱は、２５６Ｍ−ＤＲＡＭ等で今後一層微細化されるトランジスターのソース／ドレインなどの素子各部における不純物拡散にとっては無視できなくなり、歩留低下の要因となることが懸念される。

　一方、前述した大パワー加熱・強制冷却方式の加熱炉を使用すると、昇温及び冷却中のサーマルバジェットは大幅に低減することができるものの、例えば９００℃に炉の温度及びウェーハの温度が安定して均熱状態が得られる迄にかなりの時間がかかるので、２５６Ｍ−ＤＲＡＭの製造に際しては均熱を達成する過程でのサーマルバジェットの低減が必要になるであろう。さらに、昇降温時間も１分以内とすることが望まれるでろう。

　また、a −Si TFTを多結晶化するために従来使用されていたレーザーによる熱処理は、大型基板に対して一括処理が難しいのでビームスキャンの方法をとるのが普通であり、このためスループット、設備コスト上の問題があるので、本発明はこれらの問題点を解消するＲＴＰを提供し、アモルファスシリコン薄膜の多結晶化を促進させ、キャリアの移動度を高めるものである。

　続いて、前掲特許文献１にて開示された遷移領域から排気を行う方法により、バルクＳｉの反応によりＳｉＯ₂／ＳｉＯＮ膜等を形成する場合採用できる方法は、例えば、（ａ）(1)ＳｉＯ₂ 形成：酸素ガス−上部領域、窒素ガス−下部領域、(2)ＳｉＯＮ形成：アンモニアガス−上部領域、窒素ガス−下部領域、あるいは（ｂ）(1)ＳｉＯ₂形成：酸素ガス−上部領域、アンモニアガス−下部領域、(2)ＳｉＯＮ形成：窒素ガス−下部領域、アンモニアガス−上部領域である。しかしながら、いずれの場合も上部のガスの一部が下部領域に混入することは避けられず、（ａ）の場合は上部の不活性ガスである窒素とウェーハの反応は殆ど起こらないが、窒素ガスをアンモニアガスに切り替える間の時間ウェーハは余計に加熱されるためにサーマルバジェットが増大する。また、（ｂ）の場合はサーマルバジェットが余計に付加されることはないが、アンモニアとウェーハの反応のおそれがある。

　よって、本発明は、本出願人が前掲欧州特許公開公報で提案したＲＴＰ法におけるウェーハの面内温度分布の均一性は維持しつつ、一層の短時間熱処理を達成してサーマルバジェットの削減を図ることを目的とするものである。具体的には、２５６Ｍ−ＤＲＡＭのようにソース／ドレイン間隔が著しく狭くなり、全体に微細パターニングで設計される半導体装置の製造に当っては、ウェーハの面内温度分布の均一性は維持しつつ、不純物の拡散等の熱処理を短時間で行うことを目的とする。さらに、バルクＳｉ基板との反応によるＳｉＯ₂、ＳｉＯＮ膜等の極薄膜あるいはこれらの異種物質が接合した膜を製作するに当っては、ウェーハの面内温度分布の均一性を維持しつつ、異種ガスの混合を妨げ、かつ異種ガスとウェーハとの接触を短時間で切り替えもって熱処理を短時間で行うことを目的とする。

　微細パターンで設計される半導体装置を製造する本発明方法（以下「第１方法」と言う）は、ウェーハに熱処理を施して半導体装置を製造する方法において、ウェーハの挿入端から縦方向に、一定長さと第１温度をもつ第１領域及び第１温度より高い第２温度と一定長さをもつ第２領域を備え、かつこれらの領域の間に温度勾配領域を備えた電気炉の挿入端から、ウェーハを挿入し、第１温度領域にて一旦ウェーハを保持し、次いでウェーハを第２領域に移動させた後、ウェーハが第２温度より低くかつ第１温度より高い所定の第３温度に達するまで該ウェーハを保持し、その後直ちに該ウェーハを第２領域外に下降させることを特徴とする方法である。

　極薄膜又は異種膜を有する半導体装置を製造する本発明方法（以下「第２方法」と言う）は、ウェーハに熱処理を施して半導体装置を製造する方法において、ウェーハの挿入端から縦方向に、一定長さと第１温度をもつ第１領域及び第１温度より高い第２温度と一定長さをもつ第２領域を備え、かつこれらの領域の間に温度勾配領域を備えた電気炉の挿入端から、ウェーハを挿入し、第１領域にて一旦ウェーハを保持して第１の処理を行ない、次いでウェーハを第２領域に移動させ第２の処理を行なう方法において、第１領域の下方から上方に向って第１ガスを流し、第２領域の上方から下方に向って第２ガスを流し、その後第１ガス及び第２ガスを排出孔から電気炉外へ排出し、かつ１枚又は多数枚のウェーハの最上部上方に該ウェーハの移動に追随して移動し、第２ガスの流れを反応管壁方向に方向転換させる第１整風板を配置して第１及び第２の処理を行なうことを特徴とする方法である。以下、本発明の構成を説明する。

　先ず、本発明に共通する構成を説明する。本発明は、熱安定性がよくかつ熱容量が大きい電気炉を利用してウェーハの熱処理を行なう方法の改良である。この電気炉の下部には一定長さの第１領域を恒温領域として設定し、温度の均一性がよい領域で第１の処理、例えば単なる均熱のための保持やＣＶＤ法によるＳｉＯ₂膜の形成などを行なうようにしている。さらに、第１温度より高温の第２の温度をもつ一定長さの第２領域を設定し、第１領域と第２領域の中間に温度勾配領域を設定している。

　本発明の第１方法が特徴とするのはＲＴＰ処理を第２領域内で第２温度より低温でかつ第１温度よりは高温の第３温度で行なうところにある。したがって、第３温度より高温に第２領域の温度を設定することが前提となっている。そのＲＴＰ後に再びウェーハを下部の第１領域に戻しウェーハ温度の均一化を図り、熱処理を終了するかあるいは連続的に継続する。

　本発明の第１方法を模式的に示す図１及び図２を参照し、より具体的に本発明方法を説明する。図１において、１は炉体、１ａは石英管、１ｂは第１温度（７００℃）を設定する３ゾーンからなるヒーター、１ｃは第２の温度（ケース(1)−９００℃、ケース(2)−１０００℃またはケース(3)１１００℃）を設定する３ゾーンからなるヒーター、６はウェーハ移動棒、３０は後述する下部整風板、Ｒ1 は第１領域、Ｒ2は第２領域、２０は熱電対、２２はガス導入管である。

　まず、ウェーハを第１領域Ｒ1 で７００℃にて熱処理し例えばＣＶＤ膜を形成し、その後ウェーハ移動棒６を上向きに移動させて点線で示す位置までウェーハを上昇させ、その位置に保持する。ウェーハ２（図３参照）が第２温度である９００、１０００または１１００℃に昇温しない内に再び第１温度の領域Ｒ1 に戻す。

　例えば５インチウェーハを熱処理する加熱炉であって石英管内径が１５０〜２００ｍｍ、ヒーター内径が１７０〜２５０ｍｍの加熱炉において、直径が０．２〜０．５ｍｍの熱電対２０（図１参照）を、一般に実施されている方法で、ウェーハ２（図３参照）の近傍に先端を近づけて測定したウェーハの温度を図２に示す。また、点線はウェーハが温度勾配領域移動中の温度変化を示し、実線はウェーハ２が図１の点線で示された位置で停止している時の温度変化を示す。なお、図２の丸印１、丸印２、丸印３、は図１のケース丸印１、丸印２、丸印３にそれぞれ相当する。（３ａ）については後述する。

　ケース丸印１では９００℃に達するまでｔ1 ＝８分を必要とする。次にケース丸印２ではｔ2 ＝約２．５分で９００℃に達し、ケース丸印３ではｔ3 ＝約１分以内で９００℃に達する。したがってｔ1 ＞ｔ2 ＞ｔ3 の関係があるので、９００℃での熱処理を行なう場合は第２領域Ｒ2 の温度（第２温度）を９００℃より高くすることにより熱処理時間を短縮することができる。上記諸元以外の加熱炉でも同様に熱処理時間を短縮できることは容易に理解できるであろう。

　９００℃に達した後はウェーハを直ちに下降させる。図２のグラフに示されているように、ウェーハを保持し続けるとウェーハの温度上昇が起こり、半導体の熱処理で許容される温度差は±０．５〜１℃以下であるので、ウェーハを直ちに下降させる必要がある。好ましくは１秒以下、より好ましくは約１／１０秒以下の非常に短い時間ウェーハを９００℃で熱処理する。

　以下、好ましい実施態様について本発明を説明する。第１領域Ｒ1 及び第２領域Ｒ2 が十分に長いときはウェーハの置き方は任意であるが、これらの領域を適当な長さとするためには、ウェーハを横置きすることが好ましい。また、ウェーハをパーティクルによる汚染から保護するために反応管は石英管であることが好ましい。

　本発明においては、各領域におけるウェーハの保持、熱処理等に適するガスを適宜使用することができる。特に高温の第２領域に流れるガスは十分に均熱されているから、第２温度より低い第３温度でウェーハを処理する場合にも十分に熱処理は可能である。なお、水を含まないＨ2 ，Ｎ2 ，Ｏ2 ，Ａｒ，Ｈｅ，Ｎ2 Ｏ等のガスの均熱性を高める条件は、（イ）乾燥を十分行うことにより比熱を低くする；（ロ）流量を適切な範囲、例えば１０〜２０Ｌ／ｍｉｎとする；（ハ）高温領域すなわち第２領域を２〜５ｃｍ以上ガスを通過させる；（ニ）石英管の内径を１００ｍｍ以上とすることである。

　本発明の実施態様においては、第１領域には石英管の下部から第１ガスを流して該第１領域と第２領域の中間から排気し、第２領域には石英管の上部から第２ガスを流して該第１領域と第２領域の中間から排気することができる。この場合上記条件により第２温度に均熱されているガスと第２温度より低い第３温度のウェーハとが接触して均一な酸化反応等が起こる。

　以下、本発明の第２方法の構成を説明する。上部高温領域と下部低温領域を有する電気炉において上下からガスを流す方法で半導体装置を製造すると、高温の第２ガスは石英管内を下向きに流れ排気部から排気されるが、一部は第１領域に迄達してウェーハと反応する。これを避けるために、１枚又は多数枚のウェーハの最上部より上方に、該ウェーハの移動に追随して移動し下向きガス流を反応管壁方向に反らせる整風板を配置する。この構成によると第２ガスは整風板としてのセパレータに当たって方向転換し、その後ウェーハが第１領域に位置する時は第２ガスの排気孔から排気される。なお、排気孔は第１ガスと第２ガスに共通して温度勾配領域、第１領域の上端もしくは第２領域の下端に形成する、あるいは第１ガスと第２ガスで専用の排気孔として形成することができる。さらに、排気孔は石英管の管壁に形成する、二重管の環状間隙により形成するなどが可能である。

　同様に、第１ガスは石英管内を上向きに流れ排気部から排気されるが、一部は第２領域に迄達してウェーハと反応するかあるいは第２ガスを希釈してその反応を不安定にする。これを避けるために、１枚又は多数枚のウェーハの最下部の下方にウェーハの下方に該ウェーハの移動に追随して移動し、反応管壁方向に上向きガス流を反らせる整風板を配置する。この構成によると、ウェーハが第２領域に位置する時は、第１ガスは整風板に当たって方向転換し、排気孔から排気される。なお、本発明においては第１整風板と第２整風板の何れかのみを設けてもよいが、両方を設けることが好ましいのは自明であろう。したがって、第１ガス及び第２ガスの排出孔の高さに、第１の処理中における第１整風板の高さを実質的に一致させ、かつ、第１ガス及び第２ガスの排出孔の高さに、第２の処理中における第２整風板の高さを実質的に一致させることが好ましい。

　本発明においては第１方法と第２方法を同時に行うことも可能である。すなわち、第２方法における第２の処理を第２温度より低い第３温度にウェーハが達するまで該ウェーハを第２領域内に保持し、その後直ちにウェーハを下降させることにより行うことができる。

　本発明においては、第１の処理と第２の処理を複数回連続して行なうことが可能である。この際、第１温度は一定温度に維持すると炉の加熱操作が簡単であり、また昇温時間の制御も正確になる。一方第３温度は処理回数毎に変化させて必要な温度を達成することができる。

　以下、シリコンデバイスの製造に本発明の第１方法を適用する場合の好ましい温度条件につき説明する。まず、第２温度と第３温度の差が１０℃未満であると従来法（図２のケース丸印１参照）と比較して急速加熱の利点がなく、一方温度差が３００℃を超えると昇温が非常に急速になるので保持時間の余裕が少なくなりウェーハ移動棒６の高速移動の限界に達する。したがって、第２温度と第３温度の差は１０〜３００℃であることが好ましく、より好ましくは３０〜１５０℃である。

　第１温度と第２温度の温度差は１００℃以上あることが好ましい。温度差が１００℃未満であると急速加熱としての効果が薄れ通常のヒーター加熱と同じ加熱効果となり不利である。また、この温度差は大きい程ＲＴＰ効果は大きくなるが均一加熱と設備の設計上の限界がある。第１温度と第２温度の温度差が２００℃であるときの第１、２領域の間隔は３００ｍｍが好ましく、第１温度と第２温度の温度差が３００℃であるときの第１、２領域の間隔は４００〜５００ｍｍが好ましい。なお同一の加熱炉ではヒーターを複数のゾーンとして必要なゾーンのみに通電することにより、第１、２領域の長さを変化させることができる。

　説明上、図１では枚葉式処理を示したが、第１、２領域は熱履歴に影響の出ないように均熱された一定の長さをもっているので、１枚以上の多数枚のウェーハの処理が可能であることが勿論である。

　次にウェーハを保持する治具について説明する。質量の大きい治具は、例えば図２の丸印２のケースでは温度変化は（３ａ）で示されるように、丸印３より昇温が遅れる。このためにウェーハと治具との接触面積を小さくして、伝熱面積を小さくして治具によるウェーハへの熱影響を小さくすることが好ましい。図３には１枚のウェーハ２を保持するウェーハホルダー７の実施例を示している。ウェーハホルダー７は下部整風板３０（図１参照）の上方で移動棒６に嵌め込まれ、全体が石英から構成されている。ウェーハホルダー７の中心軸は中空筒状であり、その中空部には熱電対２０（図示せず）を挿入している。この中心軸から放射方向に６本の腕２３が斜め上向きに伸び出、これらの腕２３の先端部２３ａは垂直上向にウェーハ２より僅かに上方まで突出している。６個の先端部２３ａを結んで描かれる円の直径はウェーハ２の直径より１ｍｍ〜数ｍｍ大きくなるように設計されている。また先端部２３ａはウェーハ側に面する頂点の角度θが約６０°の鋭角断面となっている。

　一方、６本の腕２３のうち３本のほぼ中間位置に垂直上向きに突出した支え部２４が設けられている。その先端は約６０°程度の角度で先細りにしかつ最先端を０．１〜０．２ｍｍＲ程度の丸みをつけて、ウェーハ２との接触を点接触にしている。なお、移動棒６は縦型炉内で処理中は回転可能としておき、面内分布の保証を図るのがよいことは勿論である。

　図４及び図５には多数枚のウェーハ２を処理するためのウェーハホルダー７が示されている。このウェーハホルダー７は、図３に示したものと、点接触方式（２４）でウェーハ２を支えており、またウェーハの周縁に接触する位置ずれ防止のストッパー２３ａはウェーハと面する頂点を鋭角断面としている点では同じである。しかし、図４に示したウェーハホルダーは多数枚のウェーハ２を上下に間隔を置いて保持するために、ウェーハ移動棒６にその外周に固着された円筒状基部７ａから０°、９０°、１８０°の位置で３本の柱部７ｂを略Ｌ字形に分岐させ、そこから上下に５つウェハー支持部２５を棚状に延在させている。

　図５における、最上ウェーハ２ｅと最下ウェーハ２ａの距離Ｗｄは第１領域及び第２領域の長さＲ1 ，Ｒ2 未満（Ｗd ＜Ｒ1,Ｗd ＜Ｒ2 ）として複数のウェーハが同じ温度に加熱されるようにすることが必要である。

　複数のウェーハが温度勾配領域を通過する速度が遅いと、第２領域に移行した後に所定温度に達する時間がウェーハホルダー内のウェーハの上下間で異なることになり好ましくない。また、１枚のウェーハでもサーマルバジェットの面から温度勾配領域は速やかに通過させるのがよい。そこで、温度勾配領域は５０秒以下、好ましくは５秒以下で通過させて上下のウェーハに熱履歴の差が生じないようにしかつ余計なサーマルバジェットを付加しないことが好ましい。

　ａ−ＳｉＴＦＴ製造の場合は、モノシランあるいはジシランを用いてを約１５０〜３００℃でプラズマ中で分解しアモルファスシリコンを厚みが１ｍｍ程度のシリコン基板上のＳｉＯ2 膜、石英板上もしくはその他の基板上に１５００〜３０００オングストローム程度に成長させる。成膜されたａ−Ｓｉ膜を１５０〜３００℃（第１温度）で加熱し、次に５００〜６００℃（第３温度）に０〜１．０秒保持して多結晶化する。

　本発明法においては上部の第１領域と下部の第２領域の中間領域から上部からのガス（第１ガス）及び下部からのガス（第２ガス）を排気するように排気口を設け、上部と下部では別々のガスを導入しながら熱処理を行なうことができる。例えばフラッシュメモリ用ＭＯＳゲート膜を形成する場合、上部の第１領域にＮＨ3 ガスを、下部の第２領域にＮ2 ガスを導入し、これらを中間領域の排気口から排気することができる。さらに、水素処理をする場合、上部の第１領域にＨ₂ガスを、下部の第２領域にＮ₂ ガスを導入し、これらを中間領域の排気口から排気することによりＨ₂ 爆発の危険を防止することができる。以下、この方法を実施する上で理想的な第２方法の実施態様を図６及び図７を参照して説明する。

　なお、図６中、１，１ａ，１ｂ，６，１４ａ〜ｃ，１５ａ〜ｃは図１と同一の部材である。図７おいては、石英管１ａと同軸状に上部が開放された内部石英管３１を配置し、これらの石英管１ａ，３１の間の環状間隙を排気孔３７とし、ここからガスの排気を行う。内部石英管３１内にはウェーハ（点線で示す）を上下に多数保持し、その上方で内部石英管３１のほぼ上端に上部整風板（第１整風板）３２を配置している。上部整風板３２は図７に示すとおり、３本の柱部７ｂの最上部に水平に固着した石英、Ｓｉ，ＳｉＣ等の板であって、直径がウェーハより大きい円盤状のものを３本の柱７ｂに固着されている。

　上部整風板３２の好ましい実施態様について述べると、その位置は、ウェーハ　　　　　　　　　　　　２ａ〜２ｅが第１領域Ｒ1 で熱処理されている時に、排気孔３７（図６参照）と実質的に同じ高さにある。さらに上部排気孔３７と上部整風板３２の外周との間隔ｄ（図７参照）は５ｍｍ以下、より好ましくは２ｍｍ以下である。また、上部整風板３２と最上ウェーハ２ｅの間隔は５０ｍｍ以上が好ましいが、上部ガスと下部ガスが同種のときはより狭い間隔でも支障ない。上部整風板３２はウェーハより径が大きいものである。なお上部整風板３２がある程度の厚みをもつと高温部の熱を遮蔽して上部と下部との温度差を保つ効果もある。

　図７において３０は移動棒６に固着された下部整風板（第２整風板）である。ウェーハ２ａ〜２ｅが第２領域（図示せず）に移動せしめられた時、下部整風板は好ましくは図６の３２の位置に移動することによって第１ガスの流れをウェーハから方向転換し、第１ガスが第２領域及び中間領域に及ばないようにする。前の段落で上部整風板について述べた好ｐましい値等は下部整風板３０についても該当する。

　したがって、図７のようにウェーハ２ａ〜２ｅが第１領域Ｒ1 で熱処理されている時には、導入管３３（図６）から流入する第２ガスは上部整風板３２の上方で水平方向に流れを転じ、ウェーハとほとんど触れずに排気孔３７から流出する。一方、内部石英管３１の下部からは第１ガスが流入し、柱７ｂ（図７）の間からウェーハ面上方に流入してウェーハ面と接触した後排気孔３７から流出する。図７の装置を利用し、排気口３７に連結したダクトによりガスを自然流出又は吸引しながら、多数回連続処理を行うことができる。この場合、処理毎にウェーハを炉外に取り出す必要がないでの生産性が上りかつパーティクルの発生を避けることができる。また、第１〜第３処理を繰り返す場合ウェーハを８００℃以下に冷却することなく３回の処理を継続することができるので、全体の処理時間を短縮することができる。なお２０は熱電対であり通常ウェーハの温度を測定する方法により本発明で第３温度を測定するために移動棒６の中空部に設けたものである。なお、この方法以外でもウェーハの温度を測定できることは言うまでもない。

　本発明の第１方法によると、第２温度に設定された均熱空間内にて、図２のケース丸印２、丸印３に示すように炉の設定加熱温度未満で熱処理をすることにより、熱処理時間を短縮することができ、また電気炉の均熱空間を利用したことにより大口径ウェーハの面内温度分布を均一にすることもできる。

　さらに、本発明の第２方法によると異種ガスの流れを整風板にて排気孔又は排気口に向かって効率的に誘導し、異種ガスの反応切り替えを迅速に行えるようにし、結果的には熱処理時間を短縮することができる。なお整風板を上下に設ける（請求項１０＋１１）、あるいは整風板を排気孔又は排気口と実質的に同じ高さに設ける（請求項１０，１２）と上記の効果が一層高められる。

第１発明と第２発明を同時に実施すると（請求項１３以降）、全体の素子寸法が微細でありかつ異種膜の厚さも薄い半導体装置を製造することができるようになる。以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。

図８は本発明の第１方法を実施する縦形反応管の一実施例を示す。なお、図中、７はウェーハホルダー、８はウェーハ移動用マグネット、１０はウェーハ移動用駆動系、１１はウェーハホルダー昇降系、１４、１５はヒーター、１６は水冷ジャケット、１７は石英保温管、２４は支え部である。

　ウェーハ２は、図３で説明した点接触方式のウェーハ支え部２４により熱容量を小さくしたウェーハホルダー７の上に一枚載せられている。先ず、ウェーハホルダー昇降系１１及びウェーハ移動用マグネット９は最下端位置にする。次に、ウェーハ２を図示されないカセットから一枚取り出し、ウェーハホルダー３の上に一枚載せる。次に、ウェーハホルダー昇降系１１を下部ヒーターの領域まで移動し、ウェーハホルダー７を石英反応管２の下端に突き当てて密閉する。この状態では、ウェーハは例えば７００℃の温度領域にある。

　次に、ウェーハ移動用マグネット９を駆動し、図８に点線で示す通りウェーハを高温領域に持ち上げ、再びウェーハ移動用マグネット９を駆動し、ウェーハ２を下部ヒーターの位置に下げる。多数枚ウェーハをセットしたウェーハホルダーを用いても同様の処理ができることは自明である。

　上記装置を使用した本発明法を第１世代の６４Ｍ−ＤＲＡＭの製造に適用するとサーマルバジェットが軽減されるために、ソース／ドレインからの不純物拡散によるＭＯＳトランジスターＳ／Ｄ間隔の狭まりを抑えることができ、電気的特性の障害発生を防止することができる。

　上記の装置を使用して２５６Ｋ−ＤＲＡＭのソース、ドレインの不純物の活性化を行う場合は、第１温度７５０℃、第２温度９５０℃、第３温度９００℃、第２処理９００℃×１ｓｅｃ程度が好ましい熱処理条件として設定される。これは冒頭で説明したＳ／Ｄ間隔の縮小は約０．２５μｍ以下とする場合の条件である。また９００℃×１ｓｅｃ程度は段落番号０００５で仮定したサーマルバジェットより少なくして、しかも不純物の活性化を可能にする優れた熱処理条件である。

　第１世代、第２世代とＤＲＡＭの集積化が進むにつれてパターンが短くなり０．１７μｍとなると、本発明法の従来法に比べる優位性は一層顕著になる。

　続いて、図８の装置に、段落番号００４４の好ましい値により設計された上部及び下部整風板を付設してＳｉＯ₂ ／ＳｉＯＮ膜を形成する実施例を説明する。

　第２＊ 1050 ℃ 30sec N₂O （20L ／min ）備考：「第２＊」は第２領域（高温領域）において行なった第３温度における処理条件を示す。

　なお、第１〜第３の処理はウェーハを同一の石英管内で上下させ、かつガス種を切り替えかつ第２温度を変更することにより行った。なお、第２温度は第１温度での処理期間中に行った。したがって、上記の方法は３本の石英管を使用してそれぞれで１回だけ処理を行う方法と比較すると、ウェーハの出し入れの時間を１回当り約３０分かかるから、３本の石英管を使用する場合と比較すると、４回の出し入れを省略できるので、約２時間の処理時間を短縮することができる。第２の処理中に第１の温度を変更することも必要なら可能である。

以上説明したように本発明は、各種高集積度半導体装置の製造に寄与するものである。さらに、本発明は、ウェーハの温度均一性に優れているために５インチあるいは６インチ以上の大口径ウェーハを使用した半導体装置の製造にも適している。

本発明の第１方法の原理を説明する図面である。本発明の第１方法及び従来法での昇温時間を説明する図である。１枚のウェーハを保持する治具を示す図である。複数枚のウェーハを保持する治具の平面図である。複数板のウェーハを保持する治具を示す断面図である。本発明の第２方法の実施に使用する加熱炉の図面である。本発明の第２方法に使用する上部整風板及び下部整風板を備えたウェーハ保持具の図面である。本発明の第１方法の実施に使用する加熱炉の図面である。

符号の説明

１炉体
１ａ石英管
２ウェーハ
６ウェーハ移動棒
７ウェーハホルダー
８ウェーハ移動用マグネット
９磁性体
１０ウェーハ移動用駆動系
１１ウェーハホルダー昇降系
１４ヒーター
１５ヒーター
１６水冷ジャケット
２０熱電対
３０下部整風板
３１内部石英管
３２上部整風板

Claims

ウェーハに熱処理を施して半導体装置を製造する方法において、ウェーハの挿入端から縦方向に、一定長さと第１温度をもつ第１領域及び第１温度より高い第２温度と一定長さをもつ第２領域を備え、かつこれらの領域の間に温度勾配領域を備えた電気炉の挿入端から、ウェーハを挿入し、第１領域にて一旦ウェーハを保持して第１の処理を行ない、次いでウェーハを第２領域に移動させた後、ウェーハが第２温度より低くかつ第１温度より高い所定の第３温度に達するまで該ウェーハを保持して第２の処理を行ない、その後直ちに該ウェーハを第２領域外に下降させることを特徴とする半導体装置の製造方法。
最上ウェーハと最下ウェーハの間の距離を前記第１領域の前記一定長さと前記第２領域の前記一定長さ未満として１枚又は複数のウェーハを熱処理することを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記温度勾配領域内をウェーハを５０ｓｅｃ以内で通過させることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
第１領域に石英反応管の下部から第１ガスを流して該第１領域と第２領域の中間から排気し、第２領域に石英反応管の上部から第２ガスを流して該第１領域と第２領域の中間から排気することを特徴とする請求項１から３までの何れか１項記載の半導体装置の製造方法。
第２温度と第３温度の差が１０〜３００℃であることを特徴とする請求項１から４までの何れか１項記載の半導体装置の製造方法。
第１温度と第２温度の差が１００℃以上あることを特徴とする請求項１から５までの何れか１項記載の半導体装置の製造方法。