JP2827515B2 - 熱処理装置および熱処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造工程に
おいて酸化拡散処理に用いる熱処理装置および熱処理方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造工程で使用される半導
体基板に熱処理を施す装置は、半導体基板の大口径化に
ともなって横型熱処理炉から縦型熱処理炉へと移行しつ
つある。縦型熱処理炉は横型熱処理炉に比較して、反応
管の内部への大気の流入が少ないことが最大の特徴であ
り、薄い酸化膜の形成や高融点金属膜の熱処理などに適
している。すなわち横型熱処理炉では大気の流入にとも
なって反応管の内部に侵入する酸素による制御できない
酸化膜が形成されるが、縦型熱処理炉ではそれがない。
これは反応管内部に加熱された雰囲気ガスが満たされ、
反応管の下部より低温の大気が流入することを抑止する
ためである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、水蒸気
を含有する雰囲気の中で半導体基板を熱処理した後、酸
化膜の耐圧や信頼性などの特性改善を目的として引き続
き雰囲気を不活性ガスに切り替えて熱処理する場合、水
蒸気は窒素やアルゴンなどの不活性ガスに比べて質量が
小さいために反応管の上部に滞留するという課題を有し
ていた。

【０００４】このような状態では、反応管内の上部に設
置された半導体基板のみが水蒸気と接触することになる
ため酸化膜厚の精密な制御が困難である上、不活性ガス
雰囲気中での膜質改善効果を半減させ、この半導体基板
を用いて作製した半導体装置の性能を劣化させる原因と
なる。また雰囲気ガスの切り替えに時間を要し、それま
でに半導体基板に作り込まれた不純物の分布が変化し、
短チャネル効果や狭チャネル効果など素子特性の劣化を
招くことになる。さらに熱処理を終えた半導体基板を取
り出した後にも水蒸気が残留するので、次に処理する半
導体基板を反応管の内部へ挿入する時点でも反応管上部
の半導体基板だけがこの残留水蒸気に接触し、制御不能
な酸化膜が形成される原因となる。

【０００５】このような現象を回避するためには、反応
管内部を十分に不活性ガスで置換すればよいが、置換に
は長い時間を必要とするので熱処理装置の処理能力を低
下させることになる。さらに反応管内部の上部に残留し
たガスの影響を軽減するために反応管を長くして半導体
基板を残留領域から遠ざけようとすると熱処理装置の高
さが高くなり、装置の保守が大変な上クリーンルームの
階高を高くしなければならない。

【０００６】本発明は上記の従来の課題を解決するもの
で、反応管上部への水蒸気の残留を防止し、高性能かつ
高信頼性を有する半導体装置を歩留まりよく製造できる
熱処理装置および熱処理方法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】この目的を達成するため
に本発明の熱処理装置は、反応管の下部から挿入されて
反応管の上部に至るガス導入管と、反応管に接続された
排気管と、排気管に接続されかつ反応管へ導入されるガ
ス流量より少ないガス排気量を制御する流量制御装置か
らなる構成を有している。また本発明の熱処理方法は、
反応管の内部に設置された半導体基板を導入管から導入
された水蒸気を含有する雰囲気中で熱処理し、さらに水
蒸気を含有するガスを流量制御装置で制御して排気しな
がら不活性ガスを導入し、不活性ガス雰囲気に切り替え
て熱処理を行う工程からなる構成を有している。

【０００８】

【作用】この構成によって、水蒸気を含有する雰囲気ガ
スを不活性ガス雰囲気に変更するときに、不活性ガスを
導入すると同時に反応管の上部に接続した排気管により
反応管の上部に滞留した水蒸気を強制的に排気でき、反
応管全体の雰囲気ガスの切り替え時間を短縮できる。こ
のことより反応管内の半導体基板全体を均一性よく熱処
理することが可能となり、きわめて薄いシリコン酸化膜
を制御よく形成することができ、従来問題となっていた
ゲート酸化膜の特性劣化を防止できる。

【０００９】さらに、反応管の上部に水蒸気を含有する
ガスが滞留しなくなるので、反応管の上部に余分の空間
を設ける必要がなく、装置の高さを低くできる。

【００１０】また雰囲気ガスの切り替え時間を短縮でき
るので、実質的には処理時間の短縮となり、半導体基板
に予め拡散された不純物の再拡散を最低限にとどめるこ
とができる上に処理能率が向上する。

【００１１】

【実施例】以下本発明の一実施例について、図面を参照
しながら説明する。

【００１２】図１は本発明の一実施例における熱処理装
置の断面図である。以下本実施例をＭＯＳ型半導体装置
のゲート酸化膜形成工程に応用した例について説明す
る。

【００１３】図１において、１は石英製の反応管、２は
石英製のガス導入管で、反応管１の上部にまで延びてお
り、一方の端は反応管１の外部でガス入口２ａを有し、
他方の端は反応管１の内上部でガス出口２ｂを有してい
る。３は反応管１の上部に設けた上部排気口、４は反応
管１の下部からガスを排出する下部排気口、５は熱処理
される半導体基板で通常は石英製のボートに保持されて
いる。６はキャップであり、このキャップ６と反応管１
とで閉管を形成している。

【００１４】図２は反応管１にガスを供給するガス供給
系統図である。図２において、７は水素と酸素を燃焼さ
せて水蒸気を発生させる燃焼装置で、その一端は反応管
１に設けられたガス入口２ａに接続されている。８、
９、10は燃焼装置７を介して反応管１へ窒素ガス、酸素
ガスまたは水素ガスを供給するバルブ、これらのガスは
流量制御装置11、12、13によりその個々の流量が制御さ
れる。一方反応管１の上部に設けられた排気口３からの
排気はバルブ14および流量制御装置15によりその排気量
が制御される。

【００１５】次に本発明の一実施例における熱処理方法
について、図１、図２および図３を参照しながら説明す
る。図３は図１に示す熱処理装置および図２に示すガス
供給系統を使用してＭＯＳ型半導体装置のゲート酸化膜
を形成する際のガスフローのタイミングチャートであ
る。図３において、縦軸は温度、横軸は時間であり、ａ
〜ｉはそれぞれ単位作業が行われる期間を示している。

【００１６】まず図３の期間ａの間に半導体基板５を75
0℃に設定された反応管１の下部から反応管１の内部へ
５cm／分程度の速度で挿入する。本実施例では、直径20
0mmの半導体基板５を石英製のボートに1/4インチピッチ
で100枚搭載した。この時の反応管１の内部の雰囲気
は、窒素中に酸素を５〜10％程度混合した混合ガスをガ
ス入口２ａから15SLM程度の流量で導入したものであ
る。したがって反応管１の下部が開放されていても、室
温の大気は比重が大きいため反応管１の下部からの大気
の流入はきわめて少ない。半導体基板５を挿入した後、
反応管１の下部をキャップ６で閉じれば閉管となる。期
間ｂの間は、上部排気口３は閉じており、混合ガスは下
部排気口４から排気される。この状態で100枚の半導体
基板５は約10分程度で全体が均一な温度に達する。この
時の雰囲気は窒素と酸素の混合ガスであるが、酸素濃度
が小さくまた温度が低いので酸化速度は極めて小さい。
したがって形成される酸化膜は薄く、ゲート酸化膜の膜
厚のばらつきの原因とはならない。 次に期間ｃの間に
半導体基板５を５℃／分の速度で800℃まで昇温した
後、反応管１内を高濃度の水蒸気を含有する雰囲気に切
り替える。次に期間ｄの間に高濃度の水蒸気を含有する
雰囲気により半導体基板５の表面が酸化される。ここで
この期間ｄで行われる工程の詳細について説明する。ま
ず最初に窒素ガスのバルブ８を閉じ、同時に酸素ガスの
バルブ９を開けて流量を12SLMに設定する。そして約15
秒後に水素ガスのバルブ10を開け、約20SLMの水素を燃
焼装置７に供給して着火すると反応管１に水蒸気が供給
され、酸化が始まる。水蒸気は窒素ガスよりも質量が小
さく、かつ水蒸気は反応管１の上部からガス導入管２の
ガス出口２ｂから供給されるため反応管１の上部から雰
囲気が置換されてくる。そして予め求めておいた酸化膜
厚と酸化時間の関係から決まる所定時間酸化を行う。

【００１７】次に期間ｅの間に酸素ガスのバルブ９と水
素ガスのバルブ10を閉じると同時に窒素ガスのバルブ８
を開け、約20SLMの流量で窒素ガスを供給し、反応管１
の内部を窒素ガスで置換する。この時排気バルブ14を約
３分間開けて約５SLMの排気速度で反応管１の上部に滞
留した水蒸気を排気する。この強制排気により、反応管
１の内部の雰囲気は３分程度の短い時間で完全に均一な
窒素ガスに置換される。すなわち反応管１の内径が280m
m、半導体基板５の熱処理に必要な有効反応管長が800mm
とすれば置換に必要な容積は約47リットルである。導入
されるガスは標準状態の時の約３倍に体積膨張するの
で、差引きして約15SLMの窒素ガスを導入すれば反応管
１の内部の気流を考慮しても３分程度でほぼ完全な雰囲
気置換ができる。本実施例では、強制排気の手段として
半導体装置の製造工場に一般的に設置されている真空タ
ンクに反応管５を接続しているが、これはアスピレータ
や小型の排気ポンプを使用することもできる。

【００１８】本実施例においては、酸化膜の膜厚制御精
度を向上させる目的で酸化速度の小さい低温で行った
が、酸化膜の耐圧や信頼性を向上させるためには高温で
熱処理を行うことが有効である。そのために期間ｆの間
に、窒素雰囲気に置換した状態で950℃まで反応管１の
内部を昇温し、次に期間ｇに示す間熱処理を施した後、
期間ｈの間に、再び温度を800℃まで下げて、期間ｉの
間に半導体基板５を反応管１から取り出す。

【００１９】なお、本実施例においては、水蒸気を含有
する雰囲気から不活性ガス雰囲気への切り替えの例を示
したが、他に水素ガスから窒素ガスへの切り替えのよう
に質量の小さなガスから大きなガスへの切り替えを必要
とする工程には本発明の熱処理装置は最適である。

【００２０】

【発明の効果】以上のように本発明は、反応管の下部か
ら挿入されて反応管の上部に至るガス導入管と、反応管
に接続された排気管と、排気管に接続された流量制御装
置を設けたことにより、反応管の上部に滞留するガスを
短時間で排気して内部を完全に置換できる優れた熱処理
装置および熱処理方法を実現できるものである。その結
果、熱処理時間が短縮され、チャネルストッパのように
すでに半導体基板に導入された不純物の再分布を最低限
にとどめることが可能であり、短チャネル効果を低減で
き、素子特性を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における熱処理装置の断面図

【図２】反応管にガスを供給するガス供給系統図

【図３】ＭＯＳ型半導体装置のゲート酸化膜を形成する
際のガスフローのタイミングチャート

【符号の説明】

１ 反応管 ２ ガス導入管 15 流量制御装置

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも１本のガス導入管と２本のガ
   ス排気管とを有する反応管を有し、上記ガス導入管が上
   記反応管の下部にガスの入り口を、上記反応管の上部に
   噴出口を有すると伴に、外部より上記反応管内部に水蒸
   気を供給する機構を有し、上記ガス排気管の一方が上記
   反応管の上部に設置され、上記ガス排気管の他方が上記
   反応管の下部に設置されていることを特徴とする縦型熱
   処理装置。
2. 【請求項２】 半導体基板を反応管の内部に設置し、ガ
   ス導入管から供給された水蒸気を含有する雰囲気中で第
   １の熱処理を行う工程と、上記水蒸気を上記反応管の上
   部および下部に設置されたガス排気管から排気しながら
   上記ガス導入管から上記反応管内に不活性ガスを供給し
   て上記反応管内部を不活性ガスに置換する工程と、上記
   半導体基板を上記反応管内部の不活性ガス雰囲気中で第
   ２の熱処理を施す工程とを含むことを特徴とする半導体
   基板の熱処理方法。