JP2005136095A - 半導体製造装置及び半導体製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プロセスチャンバの均熱化が容易でプロセスチャンバを急速に昇温及び降温させ、比較的低い温度域での短時間の熱処理におけるスループットの向上を図る。
【解決手段】被加熱物２０を１枚ずつ収納するプロセスチャンバ１の外側に、加熱体２、断熱材３及び誘導加熱コイル４をこの順に配置し、加熱体２、断熱材３及び誘導加熱コイル４のそれぞれを正面断面において互いに相似形に形成した。プロセスチャンバ１内の被加熱物２０の加熱時には、電源装置５から誘導加熱コイル４に電力を供給する。被加熱物２０の冷却時には、誘導加熱コイル４に対する電力供給を切断又は減少させる一方、誘導加熱コイル４を構成する銅パイプ４１内における冷却装置６からの冷却水の流通を開始させるか、又は銅パイプ４１内を流通する冷却水を増量させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、半導体製造装置及びこの半導体製造装置を用いた半導体製造方法に関する。

従来、被加熱物である半導体ウエハに対して熱処理を施す半導体製造装置として、縦型炉やランプアニール装置が知られている（例えば、特許文献１及び２参照。）。

一方、次世代半導体デバイスのゲート絶縁膜としては、微細化に伴って従来のＳｉの酸化膜や酸窒化膜に代えて、酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂ ）や窒化ハフニウムシリケート（ＨｆＳｉＯＮ）等のＨｉｇｈ−ｋと呼ばれる新しい材料を用いた高誘電率ゲート薄膜が主流になりつつある。ゲート絶縁膜は組成に応じて３００℃から７００℃の間で熱処理を施す必要がある。また、ゲート絶縁膜の熱処理中における均熱状態のキープ時間は、数十秒から数分間と短い。このため、比較的低い温度域での短時間の熱処理に適した半導体製造装置が望まれている。
特開平０７−０２９８３８号公報 特開平０５−１１４５７０号公報

しかしながら、上記特許文献１等に開示されている縦型炉は、複数枚の半導体ウエハを積層して収納するバッチ炉であり、加熱すべきプロセスチャンバの容積が大きく、熱容量が大きい。このため、昇温速度を速くすると制御温度に対して過大なオーバーシュートが発生し、制御温度に安定させるために長時間を要する。また、縦型炉では一般に、降温速度を速くするために強制空冷が用いられているが、空冷方式は低温度域において十分な効果を得られない。これらのことから、縦型炉は、比較的低い温度域で短時間に行われるゲート絶縁膜や配線材料等（以下、Ｈｉｇｈ−ｋ材料等という。）の熱処理に適さない。

また、上記特許文献２等に開示されているランプアニール装置は、本来１２００℃程度の比較的高温域における数秒から数十秒程度の熱処理を目的としたものであり、Ｈｉｇｈ−ｋ材料等の熱処理が行われる３００℃から７００℃程度の温度域ではランプの効率が低く出力が安定しないため、ウエハを収納したプロセスチャンバを均熱することが難しい。

この発明の目的は、誘導加熱炉において誘導加熱コイルを冷却するための水冷構造を用いて、被加熱物を収納したプロセスチャンバを冷却できるようにし、プロセスチャンバの均熱化が容易でプロセスチャンバを急速に昇温及び降温させることができ、比較的低い温度域での短時間の熱処理におけるスループットの向上を実現できる半導体製造装置、及び、半導体製造方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、この発明の半導体製造装置は、
被加熱物を１枚ずつ収納するプロセスチャンバと、プロセスチャンバを覆う加熱体と、加熱体を覆う誘導加熱コイルと、を備え、
誘導加熱コイルを、内部に冷却水が流通するパイプによって構成し、
誘導加熱コイルの内部における冷却水の流量を、加熱体及びプロセスチャンバを冷却する冷却工程時に加熱体及びプロセスチャンバを加熱する加熱工程時よりも増加する流量制御手段を設け、
加熱体及び誘導加熱コイルを少なくとも一方の断面において互いに相似形に形成したことを特徴とする。

この構成においては、被加熱物を１枚ずつ収納するプロセスチャンバの外側に、加熱体及び誘導加熱コイルがこの順に配置され、少なくとも一方の断面において加熱体の外側面に対して誘導加熱コイルが全周にわたって一定の距離で配置される。また、誘導加熱コイルは内部を流通する冷却水の流量の増加（冷却水が流通していない状態から流通を開始すること、及び、流通させる冷却水を増量することの両方を含む。以下同じ。）によって急速に冷却される。したがって、誘導加熱コイルによる加熱体の加熱時にプロセスチャンバの温度が均一かつ急速に上昇し、冷却水によって誘導加熱コイルが冷却される際には加熱体及びプロセスチャンバの温度が均一かつ急速に下降する。

また、この発明の半導体製造方法は、
誘導加熱コイルによって加熱された加熱体を介してプロセスチャンバの温度を所定期間にわたって所定の熱処理温度に保持する工程と、
誘導加熱コイルを構成するパイプ内における冷却水の流量を増加させて誘導加熱コイル、加熱体及びプロセスチャンバを冷却する工程と、を含むことを特徴とする。

この構成においては、プロセスチャンバの温度が、誘導加熱コイルによって加熱された加熱体を介して所定期間にわたって所定の熱処理温度に保持された後、内部を流通する冷却水の流量の増加によって急速に冷却される誘導加熱コイルを介して、加熱体の温度とともに下降する。したがって、プロセスチャンバの温度は、所定期間にわたって所定の熱処理温度に保持された後に急速に下降する。

この発明の半導体製造装置によれば、誘導加熱コイルによる加熱体の加熱時にプロセスチャンバの温度を均一かつ急速に上昇させることができるとともに、冷却水によって誘導加熱コイルが冷却される際には加熱体及びプロセスチャンバの温度を均一かつ急速に下降させることができる。これによって、プロセスチャンバの均熱化が容易になるとともに、プロセスチャンバを急速に昇温及び降温させることができ、比較的低い温度域での短時間の熱処理におけるスループットを向上させることができる。

また、この発明の半導体製造方法によれば、プロセスチャンバの温度を、所定期間にわたって所定の熱処理温度に保持された後に急速に下降させることができ、比較的低い温度域での短時間の熱処理におけるスループットを向上させることができる。

図１及び図２は、この発明の実施形態に係る半導体製造装置の構成を示す正面断面図及び側面断面図である。半導体製造装置１０は、石英チューブからなるプロセスチャンバ１の外側に、加熱体２、断熱材３及び誘導加熱コイル４をこの順に配置して構成されている。プロセスチャンバ１は、図１に示す正面断面において、上下２本の互いに平行な直線と、上下の直線の左右両端のそれぞれを連結する半円弧と、からなる断面形状を呈している。プロセスチャンバ１の内部には、被加熱物である半導体ウエハ２０が載置される支持体１１が備えられている。半導体ウエハ２０は、プロセスチャンバ１の内部に前面側から挿入される。

加熱体２は、例えば、グラファイトからなり、図１に示す正面断面においてプロセスチャンバ１と相似形に形成されている。プロセスチャンバ１の外側面と加熱体２の内側面との間には、５ｍｍ程度の間隙が形成されている。この間隙には空気が流通する。なお、プロセスチャンバ１の外側面と加熱体２の内側面との間の間隙に強制的に空気を導入し、空冷効果を得るようにすることもできる。また、加熱体２の表面に、金属汚染を防止する目的で、例えばＳｉＣコート層を形成してもよい。

断熱材３は、例えば緻密なシリカクロスを５ｍｍ程度の厚さに積層して構成されている。断熱材３の素材及び厚さは、電気的絶縁性を有することを条件に、加熱体３の昇温性及び降温性を考慮して決定される。即ち、断熱材３には、加熱体３の加熱時における断熱性が要求されるとともに、加熱体３の冷却時における熱伝導性も要求される。なお、断熱材３は、目的に応じて適宜省略可能である。

誘導加熱コイル４は、一例として角型断面を呈する銅パイプ４１によって構成されており、図１に示す正面断面において加熱体２と相似形になるように、加熱体２の外側に巻回されている。誘導加熱コイル４は、加熱体２との間に断熱材３を挟持している。したがって、加熱体２の外側面及び誘導加熱コイル４の内側面に断熱材３が接触しており、断熱材３も図１に示す正面断面において加熱体２と相似形を呈している。

この結果、加熱体２、断熱材３及び誘導加熱コイル４は、正面断面において互いに相似形を呈している。なお、より好ましくは、図１に示すように、プロセスチャンバ１も正面断面において加熱体２、断熱材３及び誘導加熱コイル４と互いに相似形を呈する形状に構成する。

誘導加熱コイル４には電源装置５から電力が供給されるとともに、冷却装置６から冷却水が供給される。冷却装置６は、銅パイプ４１の一端と他端との間に連通する水路６１、水路６１中の冷却水の温度を低下させる熱交換手段６２、水路６１内及び銅パイプ４１内において冷却水を所定の流通方向に流通させるポンプ６３、及びポンプ６３の動作を制御する制御回路６４を備えている。制御回路６４は、この発明の流量制御手段であり、後述する加熱工程時と冷却工程時とでポンプ６３の回転数を変更する。即ち、制御回路６４は、ポンプ６３を加熱工程時に回転停止させて冷却工程時に回転させるか、又は、ポンプ６３の単位時間当りの回転数を冷却工程時に加熱工程時よりも増加させる。

誘導加熱コイル４を構成する銅パイプ４１の外周面は、セラミックの溶射又は耐熱ペイントの塗布等によって水冷効果を維持しつつ電気的に絶縁する。絶縁テープを巻回すると銅パイプ４１の水冷効果が減少するからである。

半導体製造装置１０において被加熱物２０の熱処理を行う場合、先ず、被加熱物２０を、プロセスチャンバ１の内部に前面側から挿入し、支持体１１上に載置する。この状態でプロセスチャンバ１を密封し、誘導加熱コイル４に電源装置５から電力を供給する（この発明の加熱工程に相当する。）。

これによって、誘導加熱コイル４の電磁誘導により加熱体２が加熱され、加熱体２からの熱輻射によってプロセスチャンバ１の温度が昇温する。誘導加熱コイル４に対する電源装置５からの電力供給量は、プロセスチャンバ１の内部温度が所定の期間にわたって所定の熱処理温度を維持するように制御される。

この後、誘導加熱コイル４に対する電源装置５からの電力供給が断たれるか、又は減少される一方、銅パイプ４１内における冷却装置６からの冷却水の流通が開始されるか、又は銅パイプ４１内を流通する冷却水が増量される（この発明の冷却工程に相当する。）。

これによって、誘導加熱コイル４による加熱体２の発熱量が減少するとともに、銅パイプ４１内を流通する冷却水の流量が増加され、誘導加熱コイル４、断熱材３、加熱体２及びプロセスチャンバ１が急速に冷却されてプロセスチャンバ１の内部温度は急速に降温する。

なお、誘導加熱コイル４に対する電力供給の切断又は減少のタイミング、銅パイプ４１内への冷却水の供給を開始するタイミング又は冷却水を増量させるタイミング、及び、これらに続く電力や冷却水流量の調節は、被加熱物の熱処理に要求される降温特性を考慮して適宜決定される。また、電源装置５からの誘導加コイル４への電力供給状態は、ポンプ６３の回転数の変更に連動したタイミングで制御回路６４によって変更するようにしてもよい。

以上の処理により、図３に示すように、半導体製造装置１０によれば、従来の半導体製造装置に比較して、プロセスチャンバ１内の温度を急速に昇温及び降温させることができる。従来の空冷方式の縦型炉では、プロセスチャンバ内の温度を１００℃から４００℃まで昇温させるために３０分、４００℃から１００℃まで降温させるために１００分が必要であった。

また、空冷方式の誘導加熱炉では、プロセスチャンバ内の温度を１００℃から４００℃まで昇温させるために１０分、４００℃から１００℃まで降温させるために１０分が必要であった。特に、空冷方式の誘導加熱炉においては、図３中破線で示すように、誘導加熱コイルに対する電力供給の切断と同時に強制的に空気を導入することによって一時的に急激にプロセスチャンバ内の温度を低下させることができるが、プロセスチャンバ内の温度が室温ＲＴに近づくにしたがって空気の熱交換率が低下し、冷却速度が著しく低下する。

これに対して、この発明の実施形態に係る半導体冷却装置１０では、プロセスチャンバ内の温度が３分以内で１００℃から４００℃まで昇温し、同じく３分以内で４００℃から１００℃まで降温させることができた。また、半導体冷却装置１０では、図３中実線で示すように、誘導加熱コイル４に対する電力供給の切断後から、プロセスチャンバ１内の温度が室温ＲＴに近づいても、長時間にわたって略一定の冷却速度が実現でき、図３中一点鎖線で示す理想の温度曲線を容易に実現することができる。

このため、半導体製造装置１０は、均熱状態のキープ時間が数十秒から数分間と短く、比較的低い温度域での短時間の処理が必要とされるＨｉｇｈ−ｋ材料等を有する半導体ウエハ等の熱処理に好適であり、熱処理のスループットを向上させることができる。

この発明の実施形態に係る半導体製造装置の正面断面図である。 この発明の実施形態に係る半導体製造装置の側面断面図である。 同半導体製造装置における熱処理時のプロセスチャンバ内の温度変化を従来の半導体製造装置との比較して説明する図である。

符号の説明

１ プロセスチャンバ
２ 加熱体
３ 断熱材
４ 誘導加熱コイル
５ 電源装置
６ 冷却装置
１０ 半導体製造装置
１１ 支持体
２０ 被加熱物
４１ 銅パイプ

Claims (2)

1. 被加熱物を１枚ずつ収納するプロセスチャンバと、プロセスチャンバを覆う加熱体と、加熱体を覆う誘導加熱コイルと、を備え、
   誘導加熱コイルを、内部に冷却水が流通するパイプによって構成し、
   誘導加熱コイルの内部における冷却水の流量を、加熱体及びプロセスチャンバを冷却する冷却工程時に加熱体及びプロセスチャンバを加熱する加熱工程時よりも増加する流量制御手段を設け、
   加熱体及び誘導加熱コイルを少なくとも一方の断面において互いに相似形に形成したことを特徴とする半導体製造装置。
2. 誘導加熱コイルによって加熱された加熱体を介してプロセスチャンバの温度を所定期間にわたって所定の熱処理温度に保持する加熱工程と、
   誘導加熱コイルを構成するパイプ内に冷却水を流通させて誘導加熱コイル、パイプ内における冷却水の流量を増加して加熱体及びプロセスチャンバを冷却する冷却工程と、を含むことを特徴とする半導体製造方法。

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