JP2004221138A - 半導体熱処理方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速加熱、高効率、高温加熱などの特徴をもつ誘導加熱方式を用いた半導体デバイスの高速熱処理ができるようにする。
【解決手段】ウェハ１６の熱処理に際して要求される温度分布方向に配列された複数の誘導加熱コイル２２の周波数・電流位相を同期させて個別に電力制御可能として、前記温度分布方向に配列された個々の加熱コイルへの投入電力を制御することにより前記ウェハをその要求温度分布に調整するゾーンコントロールをなすようにした。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体熱処理方法および装置に係り、特に半導体デバイスの製造に当たってウェハの酸化・拡散・アニールといった熱処理を高速で行うのに好適な半導体熱処理方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造は熱処理工程の繰り返しによって行われる。例えばＳｉウェハを加熱して表面に酸化膜を形成したり、不純物を拡散させてｐｎ接合を形成するなど、あるいは結晶欠陥の除去や不純物の除去などのためのアニールが行われる。この熱処理はウェハを複数同時に処理し、あるいは枚葉で処理するなどの方法が採られるが、前者は抵抗加熱方式による熱処理装置によって行われ（例えば、特許文献１）、後者はランプ加熱方式によって行われることが多い（例えば、特許文献２）。いわゆるホットウォールタイプと、コールドウォールタイプである。
【０００３】
上記ホットウォール型熱処理装置は極めて熱容量の大きい炉体を持つので、徐熱・徐冷により結晶欠陥発生の抑制が可能であり、また、あらゆる温度領域に対応が可能となっている。また、コールドウォール型熱処理装置は、短時間加熱の場合に適しており、熱的平衡状態が得やすく高速に昇温することができる。
【０００４】
【特許文献１】ＵＳＰ５８９５５９６
【特許文献２】特開２００１−１２７０５７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ホットウォール型熱処理装置では、熱容量が大きいため、逆に高速昇温・降温ができず、昇温・降温時間の短縮がスループットに影響し、大きな課題となっていた。また、コールドウォール型熱処理装置は通常ランプ加熱方式が採用され、反射経路が複雑なこと、および放射特性の影響を受けやすいことから面内温度均一性、ウェハ加熱効率が悪く、ランプを２５０個も使用するので制御が複雑となりコストアップとなっている。いずれにしても、従来の熱処理装置では、低コストとしつつ、半導体ウェハの昇温・降温処理に際して昇温速度あるいは降温速度を温度分布を均一にしながら早くすることができないものであった。
【０００６】
本発明は、上記従来の問題点に着目して成されたもので、高速加熱、高効率、高温加熱などの特徴をもつ誘導加熱方式を用い、特に従来の誘導加熱では近接した加熱コイル毎のパワーコントロールが相互誘導の影響で不可能であったことを解決することにより精密温度分布制御を可能とし、半導体デバイスの製造に際して高速熱処理ができる半導体熱処理方法および装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体熱処理方法は、ウェハの熱処理に際して複数の誘導加熱コイルの周波数・電流位相を同期させて個別に電力制御して、所定の温度分布を達成すべく個々の加熱コイルへの投入電力を制御することにより前記ウェハをその要求温度分布に調整するゾーンコントロールをなすようにしたことを特徴とする。より具体的には、ウェハの熱処理に際して要求される温度分布方向に配列された複数の誘導加熱コイルの周波数・電流位相を同期させて個別に電力制御可能として、前記温度分布方向に配列された個々の加熱コイルへの投入電力を制御することにより前記ウェハをその要求温度分布に調整するゾーンコントロールをなすようにすればよい。
【０００８】
また、本発明に係る半導体熱処理装置は、ウェハを加熱するための複数の誘導加熱コイルを備えた誘導加熱手段を有し、前記複数の加熱コイルの周波数・電流位相を同期させて個別に電力制御可能として各加熱コイルへの投入電力量を所定の温度分布を達成すべく調整することにより要求温度分布のゾーンコントロールを可能とした制御手段を有してなることを特徴としている。更に、ウェハが収容されるプロセスチューブを囲繞する複数の加熱コイルを備えた誘導加熱手段を有し、前記ウェハの熱処理に際して要求される温度分布勾配方向に沿って前記複数の加熱コイルを配列し、前記複数の加熱コイルの周波数・電流位相を同期させて個別に電力制御可能として各加熱コイルへの投入電力量を前記要求温度分布となるように調整することにより要求温度分布のゾーンコントロールを可能とした制御手段を有してなる構成とすればよい。
【０００９】
この場合において、前記加熱コイルはウェハと同芯配置された平板状コイル構造とされ、あるいは前記加熱コイルは複数コイルを容器の外周を囲繞するように筒状とされた構造とすることができる。また、前記ウェハは回転円盤上に複数枚搭載されて公転運動可能とし、前記回転円盤の盤面に沿って誘導加熱コイルを複数配置することにより平板状コイル構造としてもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る半導体熱処理方法および装置の具体的実施の形態を、図面を参照しつつ、詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るコールドウォール型枚葉高速熱処理装置１０の構成図を示している。図示のように、コールドウォール型枚葉高速熱処理装置は、チャンバハウジング１２は例えば円筒形中空断面容器状に形成され、１枚のＳｉウェハ１６を内部に装填した状態で内部にプロセスガスＧを導入しながら熱処理を行うものである。ウェハ１６はチャンバハウジング１２下部に石英板１４で仕切られた加熱室内に配設されたサセプタとしてのＳｉＣコートグラファイト板１８の輻射熱によって加熱されるようになっている。グラファイト板１８の裏面側には断熱材２６が配置され、更にその裏面側に設けられた加熱手段によってグラファイト板１８を加熱するものとしている。
【００１１】
このコールドウォール型枚葉高速熱処理装置１０に備えられた加熱手段は誘導加熱装置からなり、断熱材２６の下面側に配置された誘導加熱コイル２２とその駆動制御回路２４を含んでいる。誘導加熱コイル２２はいわゆる平板状コイル構造とされ、直径寸法の異なる同心円コイルを一平面上に同心配置し、断熱材２６の底部に接合されている。図示の例では６コイルを同芯配置している。そして、コイル中心はチャンバハウジング１２内に収容保持されるウェハ１６の中心に一致するように設定され、温度分布を半径方向で調整できるようにしている。
【００１２】
このような誘導加熱コイル２２は複数のコイル（実施形態は６個）からなり、そのままでは相互誘導作用によって各コイル２２を正確に電力制御できなくなるので、本実施形態では次のように構成されている。すなわち、同心に配置された複数の誘導加熱コイル２２の周波数・電流位相を同期させ、あるいは設定された位相差となるように個別に電力制御可能としている。平板型に配列された個々の加熱コイル２２への投入電力を制御しても相互誘導の影響を回避することことができ、前記ウェハ１６をその要求温度分布となるようにゾーンコントロールすることができる。このため、最も内側の加熱コイル２２ｍとその駆動制御回路２４ｍをメインユニットとし、その外側の加熱コイル２２ｓｌ〜２２ｓ５と駆動制御回路２４ｓ１〜２４ｓ５をサブユニットとし、メインユニットの負荷コイル部の電流を検出し、この電流の周波数と位相が一致するように、あるいは設定される位相差を保持するようにサブユニットのインバータを運転するようにしている。
【００１３】
図１に示すように、この実施形態では、メインユニット並びにサブユニットの各々は、共通の電源部３０から順変換部３２を介して電源供給を受けて駆動されるようになっており、メインチョッパ３４ｍ、サブチョッパ３４ｓ（ｓ１〜ｓ５以下同じ）を備えて電力調整ができるようになっている。チョッパ３４の出力側にはインバータ３６（３６ｍ、３６ｓ）が接続されている。インバータ３６は電圧型とされダイオードとトランジスタとを直列接続した辺からなるブリッジ回路によって構成されている。各インバータ３６の出力側の加熱コイル２２を含む負荷コイル部３８（３８ｍ、３８ｓ）には、コンデンサ４０（４０ｍ、４０ｓ）が加熱コイル２２と直列に接続して直列共振回路を構成している。これにより、各加熱コイル２２によって前述したチャンバハウジング１２に内蔵されているグラファイト板１８を加熱することができ、石英板１４を通してウェハ１６が輻射加熱される。
【００１４】
ところで、本実施形態では、複数の誘導加熱コイル２２を作動させることによって生じる相互誘導作用の影響を回避するために、複数の加熱ユニットにおける加熱コイル２２の電流周波数と位相を同期させるか、あるいは一定の位相差になるように制御している。このため、各サブユニットには、電流位相差検出制御器４２を付帯させており、メインユニットの負荷コイル部３８ｍを流れる電流と、サブユニットの負荷コイル部３８ｓを流れる電流を入力し、両者の位相差を求め、この位相差と周波数をゼロまたは一定の範囲内に収束するようにインバータ３６ｓを駆動制御するようにしている。これはインバータ３６ｓの駆動パルスの切り替えタイミングを調整することにより実現できる。これにより、メインユニットとサブユニットの各チョッパ３４にて加熱コイル２２への投入電力を調整しても、隣接する誘導加熱コイル２２間で相互誘導による影響を最小限に抑制することができるので、電力調整を安定して行わせることができ、各誘導加熱コイル２２で加熱されるサセプタ領域の温度を任意に設定することができ、昇温、降温を高速に行わせつつ、ゾーンコントロールが可能となるのである。
【００１５】
なお、当該実施形態では、サブユニットの負荷コイル部３８ｓに可変リアクトル４４を介装しており、メインユニットの負荷コイル部３８ｍ内での電圧と電流の位相差をゼロまたは一定の範囲内に収まるように調整するようにし、力率を改善するようにしている。
【００１６】
次に、図２には第２の実施形態を示す。この実施形態はホットウォール型枚葉高速熱処理装置１１０として構成したものである。この熱処理装置１１０は、チャンバハウジング１１２の内部にプロセスチューブ１１４を収容している。プロセスチューブ１１４は例えば円形中空断面容器状に形成され、１枚のＳｉウェハ１１６を内部に装填した状態で内部にプロセスガスＧを導入しながら熱処理を行うものである。ウェハ１１６はチューブ１１４内の中央位置に保持され、プロセスチューブ１１４の外周に配設されたサセプタとしてのＳｉＣコートグラファイトチューブ１１８が加熱・冷却されることによって、プロセスチューブ１１４の内部温度が制御されて熱処理される。サセプタのＳｉＣコートグラファイト板１１８の外周には断熱材１２６が配設され、その周囲を囲繞するように複数の誘導加熱コイル１２２が配置されている。誘導加熱コイル１２２への電力投入により、前記グラファイト板１１８を加熱するようにしている。
【００１７】
前記複数の誘導加熱コイル１２２は同一サイズの複数コイルをプロセスチューブ１１４の外周を囲繞するように筒状とされた構造となっており、図示の例では１２個の誘導加熱コイル１２２を一定間隔に筒状に配列している。このような誘導加熱コイル１２２は同心となるように配列されているが、そのままでは相互誘導作用によって各コイル１２２を正確に電力制御できなくなるので、この第２の実施形態では、第１の実施形態の場合と同様に、同心に配置された複数の誘導加熱コイル１２２の周波数・電流位相を同期させ、あるいは設定された位相差となるように個別に電力制御可能としている。
【００１８】
すなわち、この第２の実施形態の場合では、メインユニットを左端の誘導加熱コイル１２２ｍとその駆動制御回路１２４ｍとし、これに隣接する以後の誘導加熱コイル１２２ｓ１〜１２２ｓ１１とそれらの駆動制御回路１２４ｓ１〜１２４ｓ１１をサブユニットとしている。サブユニット側の負荷コイル部１３８ｓの電流をメインユニットにおける負荷コイル部１２８ｍの電流に合わせて位相、周波数を制御する。その構成は第１の実施形態と同様であるので、同一部材の番号に１００を加算して同一部材を示し、その説明を省略する。
【００１９】
図３は第３の実施形態に係るＣＶＤ高速熱処理装置２１０の模式図であり、これはＣＶＤ装置に摘要したものである。図示のように、回転円盤２００上に複数のウェハ２１６を搭載し、ハウジング２１２内に密閉状態に保持する。回転円盤２００は内部にウェハ２１６を収容した状態で回転する。回転円盤２００の下面に対面するようにハウジング２１２の下部には複数の誘導加熱コイル２２２が同芯コイル構造となるように形成され、実施形態では１２ゾーンの加熱が行われるように１２個のコイル２２２を配列している。これらのコイル２２２に対しても第１実施形態の場合と同様に誘導加熱のための駆動制御回路２２４が設けられている。これらの構成は第１実施形態の場合と同様であるので、同一構成部材に同一符合を２００番代で示し、説明を省略する。
【００２０】
図４には第４の実施形態に係るバッチ式高速熱処理装置３１０を示す。これはバッチ型の縦形ファーネスに適用したもので、ウェハホルダ３００内に多数のウェハ３１６を収容するようにしている。ウェハホルダ３００を収容するプロセスチューブ３１４及び均熱管３１５とその周囲に囲繞するように配置された複数の誘導加熱コイル３２２を備えている。均熱管３１５は導電性材料により形成し、前記加熱コイル３２２を前記均熱管３１５の長手方向に沿って多段に配列して構成されている。各コイルの周波数・電流位相を同期させて個別に電力制御可能として均熱管３１５の長手方向に沿った熱分布のゾーンコントロールができるようにしている。その他の構成は第２実施形態の場合と同様であるので、同一部材に同一番号を３００番代として表示し説明を省略する。
【００２１】
このような実施形態に係る半導体熱処理装置によれば、ホットウォール型熱処理装置として構成しても、高速昇温・降温が可能で、昇温・降温時間の短縮によりスループットを向上させることができる。また、コールドウォール型熱処理装置として構成しても、ランプ加熱方式と比較して加熱体を数百も用いることがなく、反射経路も単純化できる上に、面内温度均一性、ウェハ加熱効率を高くすることができ、低コストで良好な温度分布制御が可能となる。いずれにしても、本実施形態の構成とすることにより、低コスト化を実現しつつ、半導体ウェハの昇温・降温処理に際して、温度分布を均一に保持しつつ、昇温速度あるいは降温速度を早くすることができる効果が得られる。これはバッチ式としても同様であり、枚葉・バッチ式のいずれにも最大の効果が得られる。
【００２２】
なお、上記実施形態では、電流周波数と位相をメインユニットに合わせるようにしたが、これは予め設定した目標周波数に適応させるようにしたり、用いる誘導加熱回路の平均値を求めてこれに収束させるように制御することも可能である。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明はウェハの熱処理に際して複数の誘導加熱コイルの周波数・電流位相を同期させて個別に電力制御して、所定の温度分布を達成すべく個々の加熱コイルへの投入電力を制御することにより前記ウェハをその要求温度分布に調整するゾーンコントロールをなすようにしたので、高速加熱、高効率、高温加熱などの特徴をもつ誘導加熱方式を利用しつつ、特に従来の誘導加熱では近接した加熱コイル毎のパワーコントロールが相互誘導の影響で不可能であったことを解決することにより精密温度分布制御を可能とし、半導体デバイスの製造効率を大幅に向上させることができる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係るコールドウォール型高速熱処理装置の断面構成図である。
【図２】第２実施形態に係るホットウォール型高速熱処理装置の断面構成図である。
【図３】第３実施形態に係るコールドウォール型ＣＶＤ用高速熱処理装置の断面構成図である。
【図４】第４実施形態に係るバッチ式ＣＶＤ装置用高速熱処理装置の断面構成図である。
【符号の説明】
１０………コールドウォール型枚葉高速熱処理装置、１２………チャンバハウジング、１４………石英板、１６………Ｓｉウェハ、１８………ＳｉＣコートグラファイト板、２０………反射板、２２………誘導加熱コイル、２２ｍ………メイン誘導加熱コイル、２２ｓ１〜２２ｓ５………サブ誘導加熱コイル、２４………駆動制御回路、２４ｍ………メイン誘導制御回路、２４ｓ１〜２４ｓ５………サブ誘導加熱コイル、２６………断熱材、２８………鉄心、３０………電源部、３２………順変換部、３４（３４ｍ、３４ｓ）………チョッパ、３６（３６ｍ、３６ｓ）………インバータ、３８（３８ｍ、３８ｓ）………負荷コイル部、４０（４０ｍ、４０ｓ）………コンデンサ、４２………電流位相差検出制御器、４４………可変リアクトル。

Claims (5)

1. ウェハの熱処理に際して複数の誘導加熱コイルの周波数・電流位相を同期させて個別に電力制御して、所定の温度分布を達成すべく個々の加熱コイルへの投入電力を制御することにより前記ウェハをその要求温度分布に調整するゾーンコントロールをなすようにしたことを特徴とする半導体熱処理方法。
2. ウェハを加熱するための複数の誘導加熱コイルを備えた誘導加熱手段を有し、前記複数の加熱コイルの周波数・電流位相を同期させて個別に電力制御可能として各加熱コイルへの投入電力量を所定の温度分布を達成すべく調整することにより要求温度分布のゾーンコントロールを可能とした制御手段を有してなることを特徴とする半導体熱処理装置。
3. 前記加熱コイルはウェハと同芯配置された平板状コイル構造とされていることを特徴とする請求項２に記載の半導体熱処理装置。
4. 前記加熱コイルは複数コイルを容器の外周を囲繞するように筒状とされた構造とされていることを特徴とする請求項２に記載の半導体熱処理装置。
5. 前記ウェハは回転円盤上に複数枚搭載されて公転運動可能とし、前記回転円盤の盤面に沿って誘導加熱コイルを複数配置することにより平板状コイル構造としたことを特徴とする請求項２に記載の半導体熱処理装置。

Images