JP2008244088A - 熱処理方法及び熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガス流による熱処理を均一化させる。
【解決手段】 反応ガスＧの供給方向とウエハＷとの位置関係を熱処理途中で逆向きに換えることにより、炉芯管１に沿って並べられた各ウエハＷに対する反応ガスＧの接触量が略同じになる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体シリコンウエハの製造プロセスで例えば水素アニール、Ａｒアニール、酸化、拡散などの熱処理工程を行う熱処理方法、及びそれに用いる熱処理装置に関する。
詳しくは、炉芯管の内部に複数枚のウエハを並べて収容し、該炉芯管に沿ってその一端から他端へ向け反応ガスを流し、このガス流により各ウエハを熱処理する熱処理方法及び熱処理装置に関する。

従来、この種の熱処理方法及び熱処理装置として、石英ボートにその軸方向へ複数枚のウエハを一列に並べて載置し、このボートを炉芯管に挿入し収納した状態で、リンやボロンなどの不純物が含まれた反応ガスを、該炉芯管に沿ってその一端から他端へ向け各ウエハと垂直に交差させて流すと共に、炉芯管の周囲に配置されたヒータで加熱することにより、各ウエハ面内に不純物を導入し拡散させるものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−４７６８５号公報（第２−３頁、図１）

しかし乍ら、このような従来の熱処理方法及び熱処理装置では、炉芯管内における反応ガスの供給方向と各ウエハの並び位置とが拡散工程全体に亘り一定であるため、ガス供給方向上流側に並べられたウエハと下流側に並べられたウエハとで、反応ガスに含まれる不純物の接触量が異なってしまい、拡散する不純物の濃度がガス供給方向上流側に並べられたウエハと下流側に並べられたウエハで異なってしまうという問題があった。
それによりウエハ毎の並び位置によって拡散源の拡散分布が不均一になり、表面抵抗のバラツキなどが悪化し、最終的に目標の規格に達しないウエハが製造されてしまい、歩留まりが低下するという問題があった。

本発明のうち第一の発明は、ガス流による熱処理を均一化させることを目的としたものである。
第二の発明は、第一の発明の目的に加えて、ウエハの並び位置を変更することなく各ウエハのガス流による熱処理を均一化させることを目的としたものである。
第三の発明は、第一の発明の目的に加えて、反応ガスの供給方向を変更することなく各ウエハのガス流による熱処理を均一化させることを目的としたものである。
第四の発明は、ウエハの並び位置を変更することなく各ウエハのガス流による熱処理を均一化させることを目的としたものである。

前述した目的を達成するために、本発明のうち第一の発明は、反応ガスの供給方向とウエハとの位置関係を熱処理途中で逆向きに換えたことを特徴とするものである。
第二の発明は、第一の発明の構成に、前記反応ガスの供給方向を熱処理途中で逆向きに切換えた構成を加えたことを特徴とする。
第三の発明は、第一の発明の構成に、前記炉芯管内における各ウエハの並び位置を、熱処理途中で逆向きに換えた構成を加えたことを特徴とする。
第四の発明は、炉芯管の一端開口部に、反応ガスの供給源に通じる第一供給路と第一排気路とを選択的に接続し、炉芯管の他端開口部に、反応ガスの供給源に通じる第二供給路と第二排気路とを選択的に接続し、これらを熱処理中に切換えて、炉芯管の一端開口部と反応ガスの供給源を連通した時には他端開口部を第二排気路と連通させ、上記他端開口部と供給源を連通した時には一端開口部を第一排気路と連通させるように制御したことを特徴とする。

本発明のうち第一の発明は、反応ガスの供給方向とウエハとの位置関係を熱処理途中で逆向きに換えることにより、炉芯管に沿って並べられた各ウエハに対する反応ガスの接触量が略同じになる。
従って、ガス流による熱処理を均一化させることができる。
その結果、炉芯管内における反応ガスの供給方向と各ウエハの並び位置とが拡散工程全体に亘り一定である従来のものに比べ、ウエハ毎の表面抵抗のバラツキなどを適正化でき、最終的に目標の規格に達して歩留まりの向上が図れる。

第二の発明は、第一の発明の効果に加えて、反応ガスの供給方向を熱処理途中で逆向きに切換えることにより、炉芯管に沿って並べられた各ウエハに対する反応ガスの接触量が、夫々の並び位置に関係なく略同じになる。
従って、ウエハの並び位置を変更することなく各ウエハのガス流による熱処理を均一化させることができる。
その結果、ウエハの並び位置を換える必要がないから、容易に実現できる。

第三の発明は、第一の発明の効果に加えて、炉芯管内における各ウエハの並び位置を、熱処理途中で逆向きに換えることにより、炉芯管に沿って供給される反応ガスとの接触量が、ガス供給方向に関係なく略同じになる。
従って、反応ガスの供給方向を変更することなく各ウエハのガス流による熱処理を均一化させることができる。
その結果、反応ガスの供給機構及び排気機構を従来のまま利用できて新たなる追加設備が全く必要ないので、低コストで実現できる。

第四の発明は、炉芯管の一端開口部に、反応ガスの供給源に通じる第一供給路と第一排気路とを選択的に接続し、炉芯管の他端開口部に、反応ガスの供給源に通じる第二供給路と第二排気路とを選択的に接続し、これらを熱処理中に切換えることにより、炉芯管の一端開口部から反応ガスが供給される時には他端開口部から排気され、炉芯管の他端開口部から反応ガスが供給される時にはそのまま一端開口部から排気されて、炉芯管内における反応ガスの供給方向が逆向きに切り替わるため、炉芯管に沿って並べられた各ウエハに対する反応ガスの接触量が、夫々の並び位置に関係なく略同じになる。
従って、ウエハの並び位置を変更することなく各ウエハのガス流による熱処理を均一化させることができる。
その結果、炉芯管内における反応ガスの供給方向が拡散工程全体に亘り一定である従来のものに比べ、ウエハ毎の表面抵抗のバラツキなどを適正化でき、最終的に目標の規格に達して歩留まりの向上が図れる。

本発明の実施形態として熱処理装置Ａは、図１〜図３に示す如く、高純度の石英などで作られた例えば拡散炉の反応管などの炉芯管１と、その内部に複数枚のウエハＷを出し入れするためのボート２と、この炉芯管１に沿ってその一端側から他端側へ向け例えば不純物（ドーパント）が含まれた反応ガスＧを流すガス供給機構３と、この反応ガスＧを炉芯管１の外へ排気するガス排気機構４と、該炉芯管１の周囲に配設される均熱管５やヒータ６などを備えている。

上記ボート２は、高純度の石英や炭化ケイ素など耐熱材料で、ウエハＷの周縁Ｗ１と係合する溝２ａを、後述するガス供給機構３によるガス供給方向へ等間隔毎に複数形成して、これらの溝２ａにウエハＷの周縁Ｗ１を夫々載せ、上記炉芯管１の搬入口１ａから内部に挿入することにより、該炉芯管１に沿ってその一端側から他端側へ向け各ウエハＷの両ウエハ面Ｗ２が夫々上記ガス供給方向と交差するように一列又は複数列に並べる治具である。

また、上記ガス供給機構３及びガス排気機構４は、炉芯管１の一端側と他端側に夫々接続されて、これらのどちらか一方を導入口とすると共に他方を排出口とし、この導入口へ向け該ガス供給機構３の供給源３ａから、不純物として例えばリンやボロンなどの拡散源と例えば窒素や酸素などのキャリアガスが混合された反応ガスＧを供給して、炉芯管１の内部へ流し込み、そのまま該炉芯管１に沿って流れた後に、上記排出口から回収して炉芯管１の外へ抜いている。

このような反応ガスＧの濃度と上記均熱管５やヒータ６などによる加熱温度を制御することにより、収納された両ウエハ面Ｗ２に不純物を拡散させるなどの熱処理工程が行われる。

そして、従来の熱処理方法では、拡散工程全体に亘り、炉芯管１内における反応ガスＧの供給方向と、各ウエハＷの並び位置とが一定であって変化することがなかった。
それにより、ガス供給方向上流側に並べられた各ウエハＷのウエハ面Ｗ２には、導入口から常に新鮮な反応ガスＧが供給されるため、十分な濃度の不純物が接触して熱拡散が行われる。

しかし、該炉芯管１に沿って並べられた各ウエハＷのウエハ面Ｗ２に順次不純物の熱拡散を行いながら排出口へ向け流動していくうちに、反応ガスＧ中の不純物が徐々に消費されるため、ガス供給方向下流側に並べられた各ウエハＷのウエハ面Ｗ２と接触する不純物の濃度が、ガス供給方向上流側に並べられた各ウエハＷのウエハ面Ｗ２と接触する不純物の濃度よりも減少してしまった。
その結果、拡散する不純物の濃度が、ガス供給方向上流側に並べられた各ウエハＷと、下流側に並べられた各ウエハＷとで異なってしまい、これらウエハＷ毎の並び位置によって拡散源の拡散分布が不均一になってしまった。

そこで、このような問題点を解決するために本発明の実施形態では、炉芯管１内における反応ガスＧの供給方向と、該炉芯管１に対する各ウエハＷとの位置関係とを、熱処理工程の途中で逆向きに換えている。
以下、本発明の各実施例を図面に基づいて説明する。

この実施例１は、図１（ａ）（ｂ）に示す如く、本発明の熱処理装置Ａが、前記炉芯管１と均熱管５やヒータ６を横に配置した所謂横型拡散炉であり、この炉芯管１内における反応ガスＧの供給方向を、熱処理（熱拡散）工程の途中で逆向きに切換えた場合を示すものである。

このような熱処理装置Ａは、上記炉芯管１の一端開口部１ｂに、反応ガスＧの供給源３ａに通じる第一供給路３ｂと第一排気路４ａとを選択的に接続し、炉芯管１の他端開口部１ｃに、反応ガスＧの供給源３ａに通じる第二供給路３ｂと第二排気路４ｂとを選択的に接続し、これらを熱処理中に切換えて、炉芯管１の一端開口部１ｂと反応ガスＧの供給源３ａを連通した時には他端開口部１ｃを第二排気路４ｂと連通させ、上記他端開口部１ｃと供給源３ａを連通した時には一端開口部１ｂを第一排気路４ａと連通させるように制御している。

その具体例としては、ガス供給機構３の供給源３ａから炉芯管１の一端開口部１ｂへ通じる第一供給路３ｂと、他端開口部１ｃへ通じる第二供給路３ｃを夫々設け、この第一供給路３ｂの途中に配設された第一切換弁３ｄを介して、前記ガス排気機構４に相当する第一排気路４ａが一端開口部１ｂと連通すると共に、該第二供給路３ｃの途中に配設された第二切換弁３ｅを介して、前記ガス排気機構４に相当する第二排気路４ｂが他端開口部１ｃと連通している。

ここで使用される第一切換弁３ｄ及び第二切換弁３ｅは、３方向に流体の出入口を有する三方弁である。

上記第一供給路３ｂの第一切換弁３ｄは、供給源３ａと炉芯管１の一端開口部１ｂを連絡するラインと、この一端開口部１ｂと前記ガス排気機構４に相当する第一排気路４ａを連絡するラインとを切換える機能を有している。

上記第二供給路３ｃの第二切換弁３ｅは、供給源３ａと炉芯管１の他端開口部１ｃを連絡するラインと、この他端開口部１ｃと前記ガス排気機構４に相当する第二排気路４ｂを連絡するラインとを切換える機能を有している。

そして、これら第一切換弁３ｄ及び第二切換弁３ｅは、コントロールシステム（図示せず）により熱処理工程の途中で夫々同期して作動制御され、該第一切換弁３ｄが供給源３ａと炉芯管１の一端開口部１ｂを連通させている時には、第二切換弁３ｅが他端開口部１ｃと前記ガス排気機構４の第二排気路４ｂを連通させ、また逆に第二切換弁３ｅが供給源３ａと炉芯管１の他端開口部１ｃを連通させている時には、第一切換弁３ｄが一端開口部１ｂと前記ガス排気機構４の第一排気路４ａを連通させている。

更に、これら第一切換弁３ｄ及び第二切換弁３ｅを同期して切換えるタイミングとしては、例えば熱処理工程の前後中間時を境とし、その前半と後半で逆転するように切換えて、供給源３ａから炉芯管１の一端開口部１ｂ及び他端開口部１ｃへのガス供給量が略一致するように設定するか、又は熱処理工程を三つ以上に分割し、交互に逆転するように切換えて、供給源３ａから両開口部１ｂ，１ｃへのガス供給量が略一致するように設定している。

また、このような熱処理装置Ａで使用する炉芯管１の一端開口部１ｂ及び他端開口部１ｃは、図示例のように該炉芯管１の径方向中心に配置することが好ましい。

次に、斯かる熱処理装置Ａを用いた熱処理方法について工程順に従って説明する。
先ず、図１（ａ）（ｂ）に示す如く、炉芯管１の内部にボート２で複数のウエハＷを整列させて収納した後に、上記ガス供給機構３及びガス排気機構４の作動で、不純物などの拡散源が含まれた反応ガスＧを、炉芯管１の内部に沿ってその一端側から他端側へ向け流すと共に、前記均熱管５やヒータ６などで昇温して熱処理（熱拡散）を行う。

この熱処理工程のスタート時には、例えば図１（ａ）に示す如く、第一切換弁３ｄにより第一供給路３ｂを介してガス供給機構３の供給源３ａから炉芯管１の一端開口部１ｂへ反応ガスＧを導入する。
それにより、この炉芯管１内に供給された反応ガスＧは、その前方（図面では左方向）から後方（図面では右方向）へ流れ、該炉芯管１の後端に配置された他端開口部１ｃから第二切換弁３ｅを介して第二排気路４ｂへ排気される。

それから設定時間が経過すると、図１（ｂ）に示す如く、第一切換弁３ｄと第二切換弁３ｅが同時に切り替わって、該第二切換弁３により第二供給路３ｃを介してガス供給機構３の供給源３ａから炉芯管１の他端開口部１ｃへ反応ガスＧを導入する。
それにより、この炉芯管１内に供給された反応ガスＧは、その後方（図面では右方向）から前方（図面では左方向）へ流れると共に、該炉芯管１の前端に配置された一端開口部１ｂから第一切換弁３ｄを介して第一排気路４ａへ排気される。

このように反応ガスＧの供給方向を熱処理途中で逆向きに切換えることで、炉芯管１に沿って並べられた各ウエハＷに対するガス供給方向が前後（図面では左右方向）逆転するため、これらウエハＷに対する反応ガスＧの接触量が、各ウエハＷの並び位置に関係なく略同じになる。

上述した熱処理装置Ａを用いた本発明の熱処理方法と、拡散工程全体に亘って炉芯管１内における反応ガスＧの供給方向が変化しない従来の熱処理方法を夫々同じ条件で行い、これら熱処理後における各ウエハＷのウエハ面Ｗ２のシート抵抗を夫々計測する比較実験を行った。

その結果、図２に示す如く、上述した本発明の熱処理方法では、従来の熱処理方法に比べて、炉芯管１内のシート抵抗の傾斜が減り、炉芯管１内全域に亘ってシート抵抗のレベルが同等であり、炉芯管１内に収納された全てのウエハＷのウエハ面Ｗ２の熱拡散を、各ウエハＷの並び位置に関係なく均一化されることを実証できた。

この実施例２は、図３（ａ）（ｂ）に示す如く、前記炉芯管１内における反応ガスＧの供給方向を逆向きへ切換えるのではなく、一方向へ固定した状態で炉芯管１内における各ウエハＷの並び位置を、熱処理工程の途中で逆向きに換えた方法が、前記図１に示した実施例１とは異なり、それ以外の構成は図１に示した実施例１と同じものである。

図示例の場合には、炉芯管１に対するボート２の向きを前後逆転させることで、全てのウエハＷの並び位置を一度に入れ替えている。
詳しくは、図３（ａ）に示す熱処理工程のスタート時と、その後の図３（ｂ）に示す熱処理工程の途中状態とでは、ボート２の操作ハンドル２ｂが前後（図面では左右方向）逆転するように入れ替えている。

更に図示例では、炉芯管１として、その径方向中心に開口された一端開口部１ｂを導入口として前記ガス供給機構３が接続されると共に、該炉芯管１の外周壁に他端開口部１ｃ′を貫通開穿して排出口とし、前記ガス排気機構４が接続される従来周知構造のものを使用している。

従って、図３（ａ）（ｂ）に示す実施例２は、このように炉芯管１内における各ウエハＷの並び位置を熱処理途中で逆向きに換えることで、反応ガスＧのガス供給方向に対する各ウエハＷの並び位置が前後（図面では左右方向）逆転するため、これら各ウエハＷに対する反応ガスＧの接触量が、反応ガスＧのガス供給方向に関係なく略同じになる。

実験によれば、拡散工程全体に亘って炉芯管１内における各ウエハＷの並び位置が変化しない従来の方法に比べ、炉芯管１内に収納された全てのウエハＷのウエハ面Ｗ２の熱拡散を、各ウエハＷの並び位置に関係なく均一化されることを実証できた。
それに加えて、前記図１（ａ）（ｂ）に示した実施例１のように、炉芯管１内における反応ガスＧの供給方向を逆向きへ切換える必要がないため、従来のガス供給機構３及びガス排気機構４をそのまま利用できるという利点がある。

尚、前示実施例では、本発明の熱処理装置Ａが、炉芯管１と均熱管５やヒータ６を横に配置した所謂横型拡散炉である場合を示したが、これに限定されず、炉芯管１と均熱管５やヒータ６を縦に配置した所謂縦型拡散炉や、それ以外の例えば水素アニール、Ａｒアニール、酸化などの熱処理工程を行うための炉芯管であっても良い。
この場合も前述した横型拡散炉と同様な作用効果が得られる。
更に、前記炉芯管１の形状やガス供給機構３及びガス排気機構４との配管構造も図示例に限定されず、同様の機能を有していれば他の形状や配管構造でも良い。

本発明の熱処理方法及び熱処理装置の一実施例を示す縦断側面図であり、（ａ）と（ｂ）でガス供給方向を逆転させた状態を示している。 実験結果を示すグラフである。 本発明の熱処理方法の他の実施例を示す縦断側面図であり、（ａ）と（ｂ）でウエハ並び位置を逆転させた状態を示している。

符号の説明

Ａ 熱処理装置 Ｇ 反応ガス
Ｓ スペース Ｗ ウエハ
Ｗ１ 周縁 Ｗ２ ウエハ面
１ 炉芯管 １ａ 搬入口
１ｂ 一端開口部 １ｃ，１ｃ′ 他端開口部
２ ボート ２ａ 溝
２ｂ 操作ハンドル ３ ガス供給機構
３ａ 供給源 ３ｂ 第一供給路
３ｃ 第二供給路 ３ｄ 第一切換弁
３ｅ 第二切換弁 ４ ガス排気機構
４ａ 第一排気路 ４ｂ 第二排気路
５ 均熱管 ６ ヒータ

Claims (4)

1. 炉芯管（１）の内部に複数枚のウエハ（Ｗ）を並べて収容し、該炉芯管（１）に沿って反応ガス（Ｇ）を流し、このガス流により各ウエハ（Ｗ）を熱処理する熱処理方法において、
   前記反応ガス（Ｇ）の供給方向とウエハ（Ｗ）との位置関係を熱処理途中で逆向きに換えたことを特徴とする熱処理方法。
2. 前記反応ガス（Ｇ）の供給方向を熱処理途中で逆向きに切換えた請求項１記載の熱処理方法。
3. 前記炉芯管（１）内における各ウエハ（Ｗ）の並び位置を、熱処理途中で逆向きに換えた請求項１記載の熱処理方法。
4. 前記炉芯管（１）の内部に複数枚のウエハ（Ｗ）を並べて収容し、該炉芯管（１）に沿って反応ガス（Ｇ）を流し、このガス流により各ウエハ（Ｗ）を熱処理する熱処理装置において、
   前記炉芯管（１）の一端開口部（１ｂ）に、反応ガス（Ｇ）の供給源（３ａ）に通じる第一供給路（３ｂ）と第一排気路（４ａ）とを選択的に接続し、炉芯管（１）の他端開口部（１ｃ）に、反応ガス（Ｇ）の供給源（３ａ）に通じる第二供給路（３ｂ）と第二排気路（４ｂ）とを選択的に接続し、これらを熱処理中に切換えて、炉芯管（１）の一端開口部（１ｂ）と反応ガス（Ｇ）の供給源（３ａ）を連通した時には他端開口部（１ｃ）を第二排気路（４ｂ）と連通させ、上記他端開口部（１ｃ）と供給源（３ａ）を連通した時には一端開口部（１ｂ）を第一排気路（４ａ）と連通させるように制御したことを特徴とする熱処理装置。

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