JP2006261296A - 基板処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水素アニール装置の安全性を確保しつつスループットを向上すること。
【解決手段】ウエハ１を処理する処理室３６に水素ガスを供給する水素ガス供給管５１と、処理室３６を排気するメイン排気ライン４０と、メイン排気ライン４０に接続された燃焼用排気ライン４７とを備えた水素アニール装置において、処理室３６の酸素濃度を検出してコントローラ６２に送信する酸素濃度計６１を設置する。ウエハを処理室に搬入後、処理室内を窒素ガスパージするとともに、処理室内の酸素濃度を酸素濃度計で検出する。コントローラは検出した酸素濃度が許容値以下に減少した時点で水素アニールステップを直ちに開始する。水素アニールの総処理時間を短縮できるので、水素アニール装置および水素アニール工程のスループットを向上できる。処理室内のリーク等の異常を高感度で検知できるので、水素アニール装置および水素アニール工程の安全性を向上できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、基板処理装置に関し、例えば、半導体集積回路装置（以下、ＩＣという。）の製造方法において、ＩＣが作り込まれる半導体ウエハ（以下、ウエハという。）へのイオン打ち込み工程後のキャリア活性化のためのアニール、多層配線工程の平坦化のためのリフロー、配線工程のメタル配線の自然酸化膜除去や酸化シリコンの未結合種（界面欠陥）の終端処理のための低温アニール、酸化、拡散および成膜等々の熱処理（thermal treatment ）を施す熱処理装置（furnace ）に利用して有効な技術に関する。

ＩＣの製造方法の所謂前工程における熱処理工程の実施には、バッチ式縦形ホットウオール形熱処理装置が、広く使用されている。
バッチ式縦形ホットウオール形熱処理装置は、石英が使用されて上端が閉塞した円筒形状に形成されてウエハが搬入される処理室を形成するプロセスチューブと、プロセスチューブの外部に敷設されたヒータと、処理室内の温度の均一化および汚染低減のためにプロセスチューブとヒータとの間に敷設された均熱チューブ（均熱管）と、複数枚のウエハを互いに中心を揃えて整列させた状態で保持し処理室に対して搬入搬出するボートとを備えており、処理室内に搬入されたボート上のウエハ群をヒータによって加熱することにより、ウエハ群に熱処理を一括して施すように構成されている。例えば、特許文献１参照。
特開２００４−１４５４３号公報

このようなバッチ式縦形ホットウオール形熱処理装置であって、ウエハに水素アニールを大気圧下で施すものとして、バッチ式縦形ホットウオール形常圧アニール装置（以下、水素アニール装置という。）、がある。
一般に、水素アニール装置は、上端が閉塞した円筒形状に形成されてウエハが搬入される処理室を形成するプロセスチューブと、プロセスチューブの外部に敷設されたヒータと、複数枚のウエハを互いに中心を揃えて整列させた状態で保持し処理室に対して搬入搬出するボートと、処理室に水素ガスまたは重水素ガス（以下、水素という。）を供給する供給管と、処理室を排気する真空ポンプを備えた排気ラインと、排気ガスを燃焼させる燃焼装置を備えた排気ラインと、を備えている。

このような水素アニール装置においては、処理室へウエハを搬入した後に、処理室を真空まで減圧することが実施されている。
これは、水素と反応して爆発の原因になる酸素や水分等のガスを処理室から排出する目的や、水素が処理室外へ漏洩する原因および大気（酸素）が処理室内へ侵入する原因になる亀裂（ひび）等の破損がプロセスチューブにないか否かを検知する目的によって実施されている。
このように処理室を真空まで一度減圧した後に、反応室を水素ガスまたは窒素ガスによって大気圧に戻して水素アニールを実施する手順が、一般的である。

しかしながら、前述した従来の水素アニール装置においては、一度、処理室の雰囲気を真空まで減圧してから、処理室を大気圧に戻す必要があるために、水素アニールステップを実施する前に３０分以上の時間が必要であるという問題点がある。
その結果、ウエハが必要以上に高温状態で維持されることによるプロセス特性（所謂サーマルバジェット）の劣化を招くという問題点や、水素アニール工程全体としてのスループットが低下するという問題点、が派生する。

本発明の目的は、水素アニール工程の安全を確保しつつ、スループットを向上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。

本願が開示する発明のうち代表的なものは、次の通りである。
（１）基板を熱処理する処理室と、
前記処理室内に水素ガスまたは重水素ガスを供給する供給ラインと、
前記処理室内を排気する排気ラインと、
前記処理室内の酸素濃度を検出する酸素濃度計と、
前記処理室内に前記基板を搬入後に、前記酸素濃度計によって前記処理室の酸素濃度を検出し、前記処理室内の酸素濃度が許容値以下となった後に水素または重水素を導入するように制御する制御手段と、
を備えていることを特徴とする基板処理装置。
（２）処理室内に基板を搬入後に、酸素濃度計によって前記処理室の酸素濃度を検出し、前記処理室内の酸素濃度が許容値以下となった後に水素または重水素を導入する水素アニール工程を備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。

前記（１）によれば、処理室内の酸素濃度が安全な値になった状況を確認した後に、水素ガスまたは重水素ガスを処理室内に直ちに導入することができるので、安全性を確保しつつ、スループットを向上させることができる。

以下、本発明の一実施の形態を図面に即して説明する。

本実施の形態において、図１および図２に示されているように、本発明に係る基板処理装置は、水素アニール装置（バッチ式縦形ホットウオール形常圧アニール装置）１０として構成されている。
この水素アニール装置１０はＩＣの製造方法におけるメタル配線の自然酸化膜除去や酸化シリコンの未結合種（界面欠陥）の終端処理等の水素アニール工程を実施するものとして構成されている。

図１および図２に示された水素アニール装置１０は、ロードロック方式（ゲートバルブ等の隔離バルブを用いて処理室と予備室とを隔離し、処理室への空気の流入を防止したり、温度や圧力等の外乱を小さくして処理を安定化させる方式）の熱処理装置として構成されている。
すなわち、水素アニール装置１０は少なくとも大気圧および大気圧未満（減圧）の気密を維持可能な略直方体の気密室を形成する箱形状に構築された筐体１１を備えており、筐体１１の気密室はロードロック方式の予備室であって、ボートが処理室への搬入搬出に対して待機する待機室１２を構成している。
図２に示されているように、待機室１２の正面壁にはウエハ搬入搬出口１３が開設されており、ウエハ搬入搬出口１３はゲートバルブ１４によって開閉されるように構成されている。

図２に示されているように、待機室１２のウエハ搬入搬出口１３側にはウエハ移載室筐体１５が隣接して構築されており、ウエハ移載室筐体１５はウエハ移載室１６を形成している。
ウエハ移載室筐体１５のウエハ搬入搬出口１３の反対側には、前側のウエハ搬入搬出口１７が開設されており、前側のウエハ搬入搬出口１７はゲートバルブ１８によって開閉されるように構成されている。
ウエハ移載室１６にはウエハ移載装置（wafer transfer equipment )１９が設置されている。ウエハ移載装置１９は複数枚または一枚のツィーザ２０を備えており、ウエハ１を保持したツィーザ２０を三次元的に移動させることにより、複数枚または一枚のウエハ１をウエハ搬入搬出口１３から待機室１２へ搬入して、後記するボートに移載するように構成されている。

図１に示されているように、待機室１２には送りねじ軸装置によって構成されたボートエレベータ２１が設置されている。すなわち、ボートエレベータ２１は待機室１２に垂直に立脚されて回転自在に支承された送りねじ軸２２と、待機室１２の外部に設置されて送りねじ軸２２を回転駆動するモータ２３と、送りねじ軸２２に噛合されて送りねじ軸２２の回転に伴って昇降する昇降台２４と、昇降台２４に水平に突設された支持アーム２５とを備えている。
支持アーム２５の先端部にはシールキャップ２７がベース２６を介して水平に支持されている。シールキャップ２７はプロセスチューブ３５の外径と略等しい円盤形状に構築されている。

シールキャップ２７の中心線上には、円筒形状に形成されたボート２９が垂直に立脚されて、断熱キャップ２８を介して支持されるようになっている。断熱キャップ２８はボート２９をシールキャップ２７から持ち上げることにより、ボート２９を温度制御が不安定なボート搬入搬出口の付近から離間させるようになっている。ボート２９は複数枚のウエハ１を中心を揃えて水平に整列させた状態で保持することができるように構成されている。

図１および図２に示されているように、待機室１２の天井壁にはマニホールド設置口３０が開設されており、待機室１２の天井壁の上には、ヒータユニット３１がマニホールド設置口３０を被覆するように垂直に設置されている。
ヒータユニット３１はステンレス鋼板等によって形成されたケース３２と、断熱材によって円筒形状に形成されてケース３２内に据え付けられた断熱槽３３と、電気抵抗発熱体等によって形成されて断熱槽３３の内周面に敷設されたヒータ３４とを備えている。
ヒータ３４は温度コントローラ（図示せず）によってシーケンス制御およびフィードバック制御されるように構成されている。

ヒータ３４の内側にはプロセスチューブ３５が、マニホールド設置口３０に同心円に配置されている。プロセスチューブ３５は石英が使用されて、上端が閉塞し下端が開口した円筒形状に形成されている。プロセスチューブ３５の筒中空部によって処理室３６が形成されており、処理室３６はボート２９によって略水平姿勢で垂直方向に整列した状態に保持された複数枚のウエハを収容することができるように構成されている。
なお、プロセスチューブ３５の内径は取り扱うべきウエハの最大外径（例えば、３００ｍｍ）よりも大きくなるように設定されている。

マニホールド設置口３０には、プロセスチューブ３５と同径の円筒形状に形成されたマニホールド３７が同心円に配されて設置されており、プロセスチューブ３５はマニホールド３７の上に載置された状態で、筐体１１の天井壁に垂直に支持されている。
図１および図２に示されているように、ボート２９が処理室３６から搬出されている時には、マニホールド３７の下端開口（炉口）は、炉口ゲートバルブであるシャッタ３８によって閉塞されるように構成されている。

図１に示されているように、マニホールド３７には処理室３６内を排気する処理室用排気管３９が接続されており、処理室用排気管３９にはメイン排気ライン４０の一端（上流側端）が接続されている。
メイン排気ライン４０の他端（下流側端）は真空ポンプ４１に接続されており、メイン排気ライン４０の途中には可変流量制御弁（マスフローコントローラ）４２と止め弁４３とが処理室用排気管３９側から順に配置されて介設されている。
メイン排気ライン４０にはスロー排気ライン４４が止め弁４３を迂回するように接続されており、スロー排気ライン４４の途中には止め弁４５が、メイン排気ライン４０の止め弁４３と並列に介設されている。
メイン排気ライン４０の可変流量制御弁４２の上流側には、燃焼装置４６に接続された排気ライン（以下、燃焼用排気ラインという。）４７が接続されており、燃焼用排気ライン４７の途中には止め弁４８が介設されている。燃焼装置４６は燃焼用排気ライン４７の排気ガス中の可燃ガスを燃焼することにより、除去するように構成されている。

マニホールド３７には処理室３６内に水素ガスまたは重水素ガス（以下、水素ガスという。）を供給する水素ガス供給管５１が挿通されて支持されている。水素ガス供給管５１の内側端にはノズル５２の下端が接続されており、ノズル５２は垂直に立脚されて、上端のガス吹出口が処理室３６内の上端部に配置された状態になっている。

水素ガス供給管５１の外側端には水素ガス供給ライン５３の一端が接続されており、水素ガス供給ライン５３の他端は、水素ガスを供給するための水素ガス供給装置５４に接続されている。
水素ガス供給ライン５３の途中には窒素ガス供給ライン５５の一端が接続されており、窒素ガス供給ライン５５の他端は、窒素ガスを供給するための処理室用窒素ガス供給装置５６に接続されている。

図１に示されているように、筐体１１には待機室１２内に不活性ガスを供給する待機室用供給管５７が接続されており、待機室用供給管５７には不活性ガスとしての窒素ガスを供給するための待機室用窒素ガス供給装置５８が接続されている。
また、筐体１１には待機室１２内を排気する待機室用排気管５９が接続されている。待機室用排気管５９にはポンプや真空ポンプおよび制御弁等によって構成された待機室用排気装置６０が接続されている。

図１に示されているように、マニホールド３７には処理室３６内の酸素濃度を検出する酸素濃度計６１が挿通されて支持されており、酸素濃度計６１は検出した酸素濃度を制御手段としてのコントローラ６２に送信するように構成されている。
コントローラ６２はパーソナルコンピュータやパネルコンピュータ等によって構築されており、酸素濃度計６１が検出した処理室３６内の酸素濃度値が、予め設定された許容値以下となった後に、水素ガス供給装置５４によって水素ガスを導入させるように構成されている。
ちなみに、酸素濃度計６１としては、化学反応が液体電解質または固体電解質（ジルコニア等）の電極の上で実行されることによって生ずる電位差から酸素濃度を検出する電池反応式酸素濃度計が使用されている。

図１に示されているように、酸素濃度計６１の出力端が接続されたコントローラ６２には、メイン排気ライン４０の可変流量制御弁４２と止め弁４３、スロー排気ライン４４の止め弁４５、燃焼用排気ライン４７の止め弁４８、水素ガス供給装置５４、処理室用窒素ガス供給装置５６、待機室用窒素ガス供給装置５８および待機室用排気装置６０が接続されている。
コントローラ６２は後述するような作用を実行するように構成（プログラミング）されている。

次に、前記構成に係る水素アニール装置を使用して、ＩＣの製造方法において、メタル配線の自然酸化膜を除去する水素アニール工程を説明する。
これから処理すべき複数枚のウエハ１は、ウエハ移載装置１９のツィーザ２０によって掬い取られて、待機室１２において待機しているボート２９に図１および図２に示されているように移載される。
この際には、プロセスチューブ３５の処理室３６はシャッタ３８によって閉塞されている。
また、処理室３６内および待機室１２内には窒素ガスが、窒素ガス供給ライン５５および待機室用供給管５７からそれぞれ供給されつつ、処理室３６内および待機室１２内が処理室用排気管３９のメイン排気ライン４０および待機室用排気管５９によってそれぞれ排気されている。すなわち、処理室３６内および待機室１２内は窒素ガスによって予めパージされている。

所定の枚数のウエハ１が装填されると、待機室１２内への窒素ガスの供給と排気とがサイクリックに実行される。
その後に、待機室１２内が待機室１２内への窒素ガスの供給によって大気圧に戻されるとともに、待機室１２内の窒素ガスパージが実行される。待機室１２内が大気圧に復帰した後には、待機室１２内に窒素ガスが待機室用供給管５７を通じて供給されつつ、待機室１２内の排気が待機室用排気管５９によって実行される。
なお、待機室１２については少なくとも後述する水素アニールステップ後のウエハ１のボート２９からのディスチャージが完了するまで、この状態を維持する。

待機室１２内の窒素ガスパージ終了後に、ボート２９はボートエレベータ２１によって上昇されることにより、プロセスチューブ３５の処理室３６内に搬入（ボートローディング）される。このとき、処理室３６内の温度は予め設定されたスタンバイ温度である５０〜５００℃に維持されている。
なお、この際には、窒素ガスが処理室３６内および待機室１２内に窒素ガス供給ライン５５および待機室用供給管５７によってそれぞれ供給されながら、処理室３６内および待機室１２内が待機室用排気管５９によってそれぞれ排気される。

そして、図３に示されているように、ボート２９が処理室３６内に完全に搬入されると、マニホールド３７の下端開口がシールキャップ２７によって気密封止される。
この状態で、ボート２９は処理室３６に存置される。

ボートローディング後に、窒素ガスが処理室用窒素ガス供給装置５６から処理室３６内に窒素ガス供給ライン５５を通じて供給されながら、メイン排気ライン４０またはスロー排気ライン４４により排気されることにより、処理室３６内が窒素ガスによってパージされる。これにより、ウエハ１やボート２９と一緒に処理室３６内に持ち込まれた大気成分や酸素成分が処理室３６外に排出される。この時、処理室３６内の酸素濃度が酸素濃度計６１によって検出され、「処理室３６内の酸素濃度が予め設定された許容値（例えば、１００００ｐｐｍ）以下であるか否か」がコントローラ６２によって時々刻々と判断される。
なお、ボートローディング後に、窒素ガスパージの代わりに処理室３６を真空引きするように設定してもよい。この場合には、真空引きしながら、処理室３６内の酸素濃度が酸素濃度計６１によって検出され、「処理室３６内の酸素濃度が予め設定された許容値以下であるか否か」がコントローラ６２によって時々刻々と判断される。

窒素ガスによる処理室３６のパージまたは真空引きの開始とともに、昇温ステップが開始される。
処理室３６内の温度が所定の処理温度である１００〜５００℃に達すると、温度は一定に維持される。

処理室３６内の温度が処理温度で安定し、コントローラ６２が「処理室３６内の酸素濃度が許容値以下である」と判断すると、燃焼用排気ライン４７の止め弁４８やメイン排気ライン４０の止め弁４３、スロー排気ライン４４の止め弁４５、処理室用窒素ガス供給装置５６および水素ガス供給装置５４が、コントローラ６２によって図３に示されているように制御されることにより、水素ガスと窒素ガスとが水素ガス供給管５１からノズル５２を経由して処理室３６内に供給され、水素アニールステップが開始される。
処理室３６内にノズル５２の上端の吹出口から供給された水素ガスと窒素ガスとは、処理室３６内を流下して処理室用排気管３９および燃焼用排気ライン４７を経由して燃焼装置４６によって排気される。

なお、水素アニールステップの処理条件は、例えば、次の通りである。
処理温度は１００〜５００℃、圧力は１００００Ｐａ以上、水素ガスの流量は１〜１５ｓｌｍ（スタンダード・リットル毎分）、窒素ガス中の水素ガスの濃度は１０〜２０％、である。

予め設定された水素アニールステップの処理時間が経過すると、処理室３６内の温度は予め設定された降温ステップの温度シーケンスをもって降温されて行く。
そして、処理室３６の温度が予め設定されたスタンバイ温度である５０〜５００℃になると、一定に維持される。

水素アニールステップの実施後にも、１０〜２０％濃度の水素混合窒素ガスが燃焼用排気ライン４７を経由して燃焼装置４６によって排気される。

処理室３６の温度が予め設定されたスタンバイ温度である５０〜５００℃になると、ボートアンローディングステップが開始される。
なお、前述したように、待機室１２内には窒素ガスが待機室用供給管５７を経由して待機室用窒素ガス供給装置５８によって常に供給されているので、アンローディングステップ開始前に、待機室１２内は窒素ガス雰囲気に維持されている。
ボート２９の下降に際しては、処理室３６内の圧力と待機室１２の圧力とは、窒素ガスの供給によって均衡される。

ボート２９が待機室１２に搬出されると、処理室３６はシャッタ３８によって閉塞される（図１および図２参照）。
その後に、処理済みのウエハ１がボート２９からウエハ移載装置１９によって脱装（ディスチャージング）される。このとき、待機室１２内には窒素ガスが待機室用供給管５７を通じて供給されつつ、待機室１２内が待機室用排気管５９を通じて排気される。

本実施の形態によれば、次の効果を得ることができる。

1) 処理室にウエハが搬入（ボートローディング）された後に、処理室内の酸素濃度を処理室に直接的に接続された酸素濃度計によってモニタリングすることにより、ボートローディング時に処理室内に持ち込まれた大気成分や酸素成分等の残留成分が許容値以下に減少した時点で直ちに水素アニールステップを開始することができる。

2) 処理室内の酸素濃度を処理室に直接的に接続された酸素濃度計によってモニタリングし、残留成分が許容値以下に減少した時点で直ちに水素アニールを開始することにより、ウエハが高温度に必要以上に晒されるのを回避することができるので、水素アニールのプロセス性能の低下を防止することができる。

3) 処理室内の酸素濃度を処理室に直接的に接続された酸素濃度計によってモニタリングし、残留成分が許容値以下に減少した時点で直ちに水素アニールを開始することにより、水素アニール装置の総処理時間を短縮することができるので、水素アニール装置および水素アニール工程のスループットを向上させることができる。

4) 処理室内の酸素濃度を処理室に直接的に接続された酸素濃度計によってモニタリングし、処理室内の状況を継続的に比較することにより、プロセスチューブの破損による処理室内のリーク等の異常を高感度で検知することができるので、水素アニール装置および水素アニール工程の安全性を向上させることができる。

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。

例えば、酸素濃度計としては電池反応式酸素濃度計を使用するに限らず、他の方式の酸素濃度計を使用してもよい。
また、酸素濃度計は一箇所に配置するに限らず、複数箇所に配置してもよい。

水素ガスを処理室に導入する酸素濃度計の許容値は、実験やコンピュータシミュレーションまたは過去の実績データ等による経験則に基づいて最適値を求めることが、望ましい。

待機室とウエハ移載室とは隔離するに限らず、同室に構成してもよい。

本発明は、メタル配線の自然酸化膜を除去する場合について適用するに限らず、酸化シリコンの未結合種（界面欠陥）の終端処理のような水素ガスまたは重水素ガスを使用する熱処理全般に適用することができる。

本発明は、バッチ式縦形ホットウオール形水素アニール装置に限らず、水素ガスまたは重水素ガスを使用する熱処理装置全般に適用することができる。

さらには、本発明は、ウエハの熱処理に限らず、ホトマスクやプリント配線基板、液晶パネル、ＳＯＧ（システム・オン・ガラス）、光ディスクおよび磁気デスク等の熱処理にも適用することができる。

本発明の一実施の形態である水素アニール装置のボートローディング前を示す正面断面図である。 その側面断面図である。 水素アニールステップ時を示す正面断面図である。

符号の説明

１…ウエハ（基板）、１０…ホットウオール形水素アニール装置（半導体製造装置）、１１…筐体、１２…待機室（予備室）、１３…ウエハ搬入搬出口、１４…ゲートバルブ、１５…ウエハ移載室筐体、１６…ウエハ移載室、１７…ウエハ搬入搬出口、１８…ゲートバルブ、１９…ウエハ移載装置、２０…ツィーザ、２１…ボートエレベータ、２２…送りねじ軸、２３…モータ、２４…昇降台、２５…支持アーム、２６…ベース、２７…シールキャップ、２８…断熱キャップ、２９…ボート、３０…マニホールド設置口、３１…ヒータユニット、３２…ケース、３３…断熱槽、３４…ヒータ、３５…プロセスチューブ、３６…処理室、３７…マニホールド、３８…シャッタ、３９…処理室用排気管、４０…メイン排気ライン、４１…真空ポンプ、４２…可変流量制御弁、４３…止め弁、４４…スロー排気ライン、４５…止め弁、４６…燃焼装置、４７…燃焼用排気ライン、４８…止め弁、５１…水素ガス供給管、５２…ノズル、５３…水素ガス供給ライン、５４…水素ガス供給装置、５５…窒素ガス供給ライン、５６…処理室用窒素ガス供給装置、５７…待機室用供給管、５８…待機室用窒素ガス供給装置、５９…待機室用排気管、６０…待機室用排気装置、６１…酸素濃度計、６２…コントローラ（制御手段）。

Claims (1)

1. 基板を熱処理する処理室と、
   前記処理室内に水素ガスまたは重水素ガスを供給する供給ラインと、
   前記処理室内を排気する排気ラインと、
   前記処理室内の酸素濃度を検出する酸素濃度計と、
   前記処理室内に前記基板を搬入後に、前記酸素濃度計によって前記処理室の酸素濃度を検出し、前記処理室内の酸素濃度が許容値以下となった後に水素または重水素を導入するように制御する制御手段と、
   を備えていることを特徴とする基板処理装置。

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