JP3119706B2 - 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、熱処理装置および熱処
理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば半導体デバイスの製造において
は、半導体ウエハの酸化拡散処理、ＣＶＤ処理等が行わ
れる。特に、最近においては、０．４μｍから０．２μ
ｍへと半導体デバイスのデザインルールの微細化が進
み、また、半導体ウエハについても８インチから１２イ
ンチへと大径化が進み、このような大面積の極薄膜形成
技術に対応すべく急速熱処理装置の開発が緊急の課題と
なっている。

【０００３】具体的に説明すると、半導体ウエハのプロ
セス処理では、サーマルバジェット（熱履歴）を小さく
することが必須の条件であり、例えば５０〜１００Åの
ドーピング処理、ゲート酸化膜やキャパシター絶縁膜の
極薄膜形成においては、急速熱処理すなわち短時間で熱
処理を行うことが不可欠である。また、例えばＰＮ接合
を０．１μｍ以下と浅くして、低抵抗化を図り、任意形
状表面への接合形成を可能にするためには、接合時の膜
劣化や結晶欠陥の発生を防止する必要があるが、ＰＮ接
合の活性領域が狭いために急速熱処理を行うことが必要
である。

【０００４】また、例えばＬＯＣＯＳ酸化膜の形成にお
いては、隣接するＬＯＣＯＳ酸化膜の圧縮応力が熱サイ
クルによる相乗効果で拡大し、表面電位の変動、リーク
電流、耐圧等の信頼性の低減が生じやすいが、これを防
止するためには急速熱処理により熱サイクルを低減する
ことが必要である。また、例えば高誘電体材料を使用し
てキャパシター絶縁膜を形成する場合には、メタルオキ
サイド（Ｔａ₂ Ｏ₅ 等）、ポリイミド（パッシベーショ
ン膜）等の成膜を可能にするメタル成膜とドーピングが
できる複合プロセス処理が可能なシステムが必要とされ
るに至った。

【０００５】そして、半導体ウエハの径が８インチから
１２インチへと大径化しつつある現状においては、半導
体ウエハの中央部と周辺部との温度差を小さくして均一
に急速熱処理ができ、半導体ウエハに生じやすいスリッ
プ、歪、ソリの低減化を図り、半導体デバイスの製作上
不都合が生じないようにする必要がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の縦型の
バッチ処理型熱処理装置においては、石英製のウエハボ
ートに積層収納された半導体ウエハを取り囲むように筒
状の発熱源を配置して、半導体ウエハの周辺部から中央
部に向かって加熱するようにしているため、半導体ウエ
ハを急速に加熱しようとすると、半導体ウエハの中央部
と周辺部との間に大きな温度勾配が生じて、均一な熱処
理ができない問題がある。このような事情から、本発明
者は、処理容器内に配置された半導体ウエハの処理面に
対向するよう面状発熱源を配置することにより、半導体
ウエハの面内温度の均一化を図る技術について鋭意研究
を重ねてきたところ、このような面状発熱源だけでは、
処理容器内における処理ガスの滞留によって、半導体ウ
エハの下降時または上昇時において、半導体ウエハの面
内温度の均一性が十分とならない問題が生じた。

【０００７】そこで、半導体ウエハの昇降中において当
該半導体ウエハを側部から加熱するために処理容器の外
周を取囲むよう補助加熱源を配置したところ、半導体ウ
エハの面内温度の均一性が改善された。しかし、さらに
面内温度の均一性を高めるためには、補助加熱源を配置
するのみでは不十分であることが判明した。本発明の目
的は、被処理体の熱処理中および移動中における面内温
度の均一性を高めることができる熱処理装置および熱処
理方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】以上の目的を達成するた
め、本発明は、以下の特徴を有する。 （１）本発明の熱処理装置は、広域の処理空間と狭域の
昇降温空間を有する処理容器と、面状の被処理体を保持
する被処理体保持手段と、この被処理体保持手段により
広域の処理空間に位置された面状の被処理体の処理面に
対向するように配置されたメイン加熱源と、広域の処理
空間および狭域の昇降温空間をそれぞれ取囲むよう配置
された広域の補助加熱源および狭域の補助加熱源と、被
処理体保持手段により保持された被処理体の温度を検出
する温度検出手段と、被処理体の検出温度に基づいて制
御しながら被処理体保持手段を処理容器の内外に移動さ
せる移動手段とを備えてなることを特徴とする。 （２）前記（１）の被処理体保持手段が、支柱と、この
支柱から伸びる先端部を有する少なくとも３本の保持部
と、少なくとも３つの位置決め部とを備えてなり、被処
理体の裏面が前記保持部の先端部に当接されて保持され
ることを特徴とする。

【０００９】（３）前記（１）の被処理体保持手段が、
管状の支柱と、この支柱内を貫通して伸びる閉塞先端部
を有する少なくとも３本の管状の保持部と、少なくとも
３つの位置決め部とを備えてなり、前記（１）の温度検
出手段が、前記被処理体保持手段における管状の保持部
の閉塞先端部の内壁に当接配置された温度センサーと、
この温度センサーに接続され、当該管状の保持部内を通
過して外部の制御回路に接続される配線部とを備えてな
り、被処理体の裏面が前記保持部の閉塞先端部に当接さ
れて保持されることを特徴とする。 （４）前記（１）の熱処理装置を用いた熱処理方法にお
いて、メイン加熱源の入力電力を一定にした状態で、メ
イン加熱源に対する被処理体の静止位置を変化させて熱
処理を行うことを特徴とする。

【００１０】

【作用】前記（１）の熱処理装置によれば、被処理体の
熱処理中は、広域の処理空間においてメイン加熱源と広
域の補助加熱源により加熱されるので、面内温度の均一
性が十分に維持される。また、被処理体の移動中は、メ
イン加熱源から遠ざかるにつれて被処理体の周辺部の放
熱が大きくなりやすいが、昇降温空間を狭域としてガス
の滞留を防止し、狭域の補助加熱源により被処理体に接
近した状態で加熱するので、周辺部の放熱が抑制され、
面内温度の均一性が高くなる。しかも、温度検出手段に
より被処理体の温度を検出しながら、移動手段により被
処理体を制御しながら移動させるので、被処理体の移動
時においても面内温度の均一性が高くなる。前記（２）
の熱処理装置によれば、被処理体保持手段が、熱容量の
小さい構造であるため、被処理体の温度を高い精度で検
出することができる。前記（３）の熱処理装置によれ
ば、温度センサーの配線部が被処理体保持手段における
管状の保持部内を通過するように配設されているため、
被処理体保持手段を移動させる際になんら障害にならな
い。前記（４）の熱処理方法によれば、メイン加熱源の
入力電力を一定にした状態で、メイン加熱源に対する被
処理体の静止位置を変化させて熱処理を行うので、処理
温度の異なる複数の処理を大きな自由度で行うことがで
きる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。なお、以
下の実施例は面状の被処理体として半導体ウエハを使用
した例であるが、本発明においては、半導体ウエハに限
定されることはなく、例えばＬＣＤ等のようにその他の
面状の被処理体を用いることもできる。

【００１２】〔実施例１〕本実施例は請求項１に対応す
る実施例であり、半導体ウエハの酸化拡散処理に好適な
熱処理装置について説明する。図１は本実施例に係る熱
処理装置の概略図である。１は被処理体としての半導体
ウエハ、２は処理容器、３は被処理体保持手段、４はメ
イン加熱源、５Ａは広域の補助加熱源、５Ｂは狭域の補
助加熱源、６は温度検出手段、７は移動手段、８は蓋部
材、９は断熱材である。

【００１３】処理容器２は、耐熱性の高い材料、例えば
高純度石英（ＳｉＯ₂ ）等により形成され、下端に開口
を有する筒状の形態を有する。処理容器２内において、
２１は狭域の昇降温空間（出入口側空間）、２２は広域
の処理空間である。処理空間２２は半導体ウエハ１が静
止されて熱処理される空間であり、温度の安定化を図る
ために広域とされている。昇降温空間２１は半導体ウエ
ハ１が昇降するための空間であり、昇降時における半導
体ウエハ１の面内温度の均一化を図るために絞り込まれ
て狭域とされている。本実施例では、処理容器２自体を
絞り込むことにより狭域の昇降温空間２１が形成されて
いるが、一様な径の筒状の処理容器２を用いて、処理容
器２の内部に絞り込むための部材を配置して昇降温空間
２１を狭域としてもよい。

【００１４】メイン加熱源４は、広域の処理空間２２に
位置された半導体ウエハ１の処理面１１に対向するよう
断熱材９の上部内壁に固定配置されている。このメイン
加熱源４は、面状の形態を有しており、例えば二ケイ化
モリブデン（ＭｏＳｉ₂ ）、鉄（Ｆｅ）とクロム（Ｃ
ｒ）とアルミニウム（Ａｌ）の合金線であるカンタル
（商品名）線等の抵抗発熱体を面状に配置することによ
り構成することができる。例えば二ケイ化モリブデン
（ＭｏＳｉ₂ ）は、単線として使用することができ、カ
ンタル線はコイルとして使用することができる。特に、
二ケイ化モリブデン（ＭｏＳｉ₂ ）は約１８００℃の高
温にも十分に耐えることができるので、酸化拡散処理装
置用の材料としては好適である。

【００１５】メイン加熱源４の発熱面は、半導体ウエハ
１の処理面１１と同様の形態、すなわち円形状であるこ
とが好ましい。また、メイン加熱源４の外径は半導体ウ
エハ１の外径の２倍以上であることが好ましい。メイン
加熱源４の発熱面は、半導体ウエハ１と平行に配置され
ることが好ましい。メイン加熱源４の発熱面は、全体が
一様な平面であってもよいし、周辺部が半導体ウエハ１
に接近する方向に湾曲していてもよい。

【００１６】広域の処理空間２２を取囲むよう広域の補
助加熱源５Ａが配置され、狭域の昇降温空間２１を取囲
むよう狭域の補助加熱源５Ｂが配置されている。すなわ
ち、広域の補助加熱源５Ａと処理空間２２における半導
体ウエハ１との距離よりも、狭域の補助加熱源５Ｂと移
動中の半導体ウエハ１との距離の方が短くなっている。
このように補助加熱源からの距離を変化させることによ
り、半導体ウエハ１の熱処理中および昇降中における面
内温度の均一化を図ることができる。補助加熱源５Ａお
よび５Ｂは、例えばメイン加熱源４と同様の抵抗発熱体
を用いて構成することができる。

【００１７】被処理体保持手段３は、半導体ウエハ１を
保持するためのものであり、例えば高純度炭化ケイ素
（ＳｉＣ）等のように耐熱性が優れ、かつ、汚染の少な
い材料により構成することが好ましい。特に、高純度炭
化ケイ素（ＳｉＣ）は石英（ＳｉＯ₂ ）よりも耐熱性が
優れており、約１２００℃の高温にも十分に耐えること
ができるので、酸化拡散処理装置用の材料として好適な
ものである。

【００１８】温度検出手段６は、例えば半導体ウエハ１
の裏面１２に当接するよう配置された熱電対等の温度セ
ンサーにより構成することができる。

【００１９】移動手段７は、温度検出手段６により検出
された半導体ウエハ１の検出温度に基づいて制御しなが
ら被処理体保持手段３を処理容器２の内外に移動させる
ものである。すなわち、熱処理に際しては、移動手段７
により被処理体保持手段３に保持された半導体ウエハ１
が処理空間２２に急速に上昇させられ、熱処理後は、移
動手段７により被処理体保持手段３に保持された半導体
ウエハ１が昇降温空間２１を通過して処理容器２の外部
に急速に下降させられる。検出温度に基づく制御方法と
しては、被処理体保持手段３の上昇速度または下降速度
を調整する方法がある。被処理体保持手段３の移動距離
は例えば３００〜６００ｍｍ程度であり、移動速度は１
０００ｍｍ／ｍｉｎ以上の急速とするのが好ましい。移
動手段７の構成は、特に限定されないが、図１では、モ
ータ７１と、駆動軸７２と、駆動アーム７３とにより構
成されている。モータ７１は駆動軸７２に連結され、こ
の駆動軸７２にはネジが設けられており、このネジを介
して駆動アーム７３の一端と螺合されている。モータ７
１が駆動軸７２を回転させると、この駆動軸７２に設け
られたネジの作用により駆動アーム７３が上昇または下
降移動し、この駆動アーム７３の移動に伴って被処理体
保持手段３が上昇または下降移動する。

【００２０】半導体ウエハ１の熱処理中は、回転機構７
４により半導体ウエハ１がその中心を軸として回転移動
されることが好ましい。この回転機構は、例えばモータ
により構成することができる。

【００２１】断熱材９は、例えばアルミナセラミックス
からなり、メイン加熱源４および補助加熱源５Ａおよび
５Ｂを取囲むように配置されている。

【００２２】処理容器２には、ガス導入管２３およびガ
ス排出管２４が接続され、プロセスガスの導入および排
気が行われる。

【００２３】酸化拡散処理時においては、ガス導入管２
３から処理容器２内にプロセスガスを導入し、メイン加
熱源４および広域の補助加熱源５Ａによる放射熱によっ
て処理容器２の処理空間２２における温度を酸化拡散処
理に必要な所定温度に設定する。半導体ウエハ１の昇降
時は、狭域の補助加熱源５Ｂによって、処理容器２の狭
域の昇降温空間２１内の温度を２００〜３００℃に設定
する。

【００２４】蓋部材８は、別個の移動手段７５により、
処理容器２に対して上昇または下降される。この移動手
段７５は、前記の移動手段７と同様にして構成すること
ができる。

【００２５】２５は例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）からな
る遮蔽部材であり、補助加熱源５Ａおよび５Ｂからの金
属（Ｋ，Ｆｅ，Ｃｕ，Ｃａ，Ｎａ，Ａｌ等）の混入を防
止するものである。

【００２６】本実施例の熱処理装置によれば、以下の作
用効果が奏される。 （１）半導体ウエハ１の熱処理中は、広域の処理空間２
２においてメイン加熱源４と広域の補助加熱源５Ａによ
り加熱されるので、面内温度の均一性が十分に維持され
る。 （２）半導体ウエハ１の移動中は、メイン加熱源４から
遠ざかるにつれて半導体ウエハ１の周辺部の放熱が大き
くなりやすいが、昇降温空間２１を狭域としてガスの滞
留を防止し、狭域の補助加熱源５Ｂにより半導体ウエハ
１に接近した状態で加熱するので、周辺部の放熱が抑制
され、面内温度の均一性が高くなる。 （３）温度検出手段６により半導体ウエハ１の温度を検
出しながら、移動手段７により半導体ウエハ１を制御し
ながら移動させるので、半導体ウエハ１の移動時におい
て面内温度の均一性が高くなる。 （４）処理容器２自体を絞り込むことにより、蓋部材８
との気密シールも構造的に容易となる。

【００２７】〔実施例２〕本実施例は、請求項２に対応
する実施例であり、実施例１の被処理体保持手段３とし
て、図２に示す特定の構造のものを用いる。すなわち、
本実施例の被処理体保持手段３は、小径棒状の支柱３１
と、この支柱３１から伸びる先端部３２Ａを有する少な
くとも３本の小径棒状の保持部３２と、少なくとも３つ
の位置決め部３４とを備えてなる。３３は必要に応じて
設けられる環状の補強部である。保持部３２の先端側は
この補強部３３に連結され、位置決め部３４が補強部３
３に固定されている。半導体ウエハ１は、その裏面１２
が保持部３２の先端部３２Ａに当接されて保持されてい
る。半導体ウエハ１の裏面１２には、熱電対等の温度セ
ンサーからなる温度検出手段６が設けられている。先端
部３２Ａの形状は円形状、平坦状、テーパー状等のいず
れの形態であってもよい。この被処理体保持手段３の全
体は、例えば高純度石英（ＳｉＯ₂ ）から構成されてい
る。保持部３２の数は最低３本あれば、半導体ウエハ１
の保持が可能である。支柱３１の出入口側部分は、例え
ばＯリング３５を介して蓋部材８に対して気密にシール
されている。本実施例の熱処理装置によれば、被処理体
保持手段３の全体が熱容量の小さい構造であるため、温
度検出手段６による検出精度が高くなる。従って、半導
体ウエハ１の温度を高い精度で検出することができる。

【００２８】〔実施例３〕本実施例は、請求項３に対応
する実施例であり、実施例１の被処理体保持手段３およ
び温度検出手段６として、図３に示す特定の構造のもの
を用いる。すなわち、本実施例の被処理体保持手段３
は、小径管状の支柱３１と、この支柱３１内を貫通して
伸びる閉塞先端部３２Ｂを有する少なくとも３本の小径
管状の保持部３２と、少なくとも３つの位置決め部３４
とを備えてなる。３３は必要に応じて設けられる環状の
補強部である。保持部３２の先端側はこの補強部３３に
連結され、位置決め部３４が補強部３３に固定されてい
る。また、本実施例の温度検出手段６は、被処理体保持
手段３における小径管状の保持部３２の閉塞先端部３２
Ｂの内壁に当接配置された温度センサー６１と、この温
度センサー６１に接続され、当該小径管状の保持部３２
内を通過して外部の制御回路（図示省略）に接続される
配線部６２とを備えてなる。

【００２９】半導体ウエハ１は、その裏面１２が保持部
３２の閉塞先端部３２Ｂに当接されて保持されている。
閉塞先端部３２Ｂの形状は円形状、平坦状、テーパー状
等のいずれの形態であってもよい。この被処理体保持手
段３の全体は、例えば高純度石英（ＳｉＯ₂ ）から構成
されている。保持部３２の数は最低３本あれば、半導体
ウエハ１の保持が可能であるが、半導体ウエハ１の中央
部と周辺部の温度を検出するために、中央部に当接する
１本の保持部３２と、周辺部の３箇所において当接する
３本の保持部３２の合計４本を設けることが好ましい。
支柱３１の出入口側部分は、例えばＯリング３５を介し
て蓋部材８に対して気密にシールされている。本実施例
の熱処理装置によれば、温度センサー６１の配線部６２
が被処理体保持手段３における小径管状の保持部３２内
を通過するように配設されているため、被処理体保持手
段３を移動させる際になんら障害にならない。従って、
半導体ウエハ１の静止中のみならず、昇降中においても
円滑に温度を測定することができる。

【００３０】〔実施例４〕本実施例は、請求項４に対応
する実施例であり、実施例１の熱処理装置を用いた熱処
理方法において、メイン加熱源４の入力電力を一定にし
た状態で、図４において実線と点線で示すように、メイ
ン加熱源４に対する半導体ウエハ１の静止位置を変化さ
せて熱処理を行う。本実施例の熱処理方法によれば、処
理容器２内の温度は、メイン加熱源４からの距離が一定
であれば、一定の温度となるので、半導体ウエハ１の静
止位置をあらかじめ設定しておくことにより、処理温度
の異なる複数の熱処理を迅速にかつ大きな自由度で行う
ことができる。例えば、図４の実線で示す位置では高温
で熱処理がなされ、点線で示す位置では低温で熱処理が
なされる。

【００３１】〔実施例５〕本実施例は、請求項１に対応
する実施例であり、半導体ウエハのＣＶＤ処理に好適な
熱処理装置について説明する。図５は本実施例に係る熱
処理装置の概略図である。本実施例では、図１の実施例
において、遮蔽部材２５を除去し、ガス導入管およびガ
ス排出管の構成をＣＶＤ処理に適合するように変更し、
さらに内管およびマニホールドを設けたほかは実施例１
と同様の構成である。２６Ａ，２６Ｂはガス導入管、２
７はガス排出管、２８は内管、２９はマニホールドであ
る。ＣＶＤ処理においては、半導体ウエハ１の温度は、
熱処理中、すなわち処理空間２２では４００〜８００
℃、昇降時、すなわち出入口側の昇降温空間２１内では
１００〜２００℃である。本実施例によれば、実施例１
と同様の作用効果が発揮される。

【００３２】以上、本発明を実施例に基づいて説明した
が、本発明の熱処理装置は、常圧のプロセス、減圧プロ
セス、真空プロセスのいずれにも適用することができ
る。また、酸化拡散処理、ＣＶＤ処理のほか、アニール
等の各種の熱処理に適用することができる。また、被処
理体としては、半導体ウエハに限定されず、ＬＣＤ等の
その他の面状の被処理体であってもよい。

【００３３】

【発明の効果】本発明によれば、以下の効果が奏され
る。 （１）請求項１の熱処理装置によれば、被処理体の熱処
理および移動中における面内温度の均一性が向上する。 （２）請求項２の熱処理装置によれば、被処理体の温度
を高い精度で検出することができ、移動手段による制御
の信頼性が高くなる。 （３）請求項３の熱処理装置によれば、被処理体保持手
段を移動させる際に温度検出手段がなんら障害にならな
い。 （４）請求項４の熱処理方法によれば、処理温度の異な
る複数の処理を大きな自由度で行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に係る熱処理装置の概略断面
図である。

【図２】本発明の実施例２に係る熱処理装置の要部の概
略断面図である。

【図３】本発明の実施例３に係る熱処理装置の要部の概
略断面図である。

【図４】本発明の実施例４に係る熱処理方法の要部の概
略断面図である。

【図５】本発明の実施例５に係る熱処理装置の概略断面
図である。

【符号の説明】

１ 半導体ウエハ １１ 処理面 １２ 裏面 ２ 処理容
器 ２１ 狭域の昇降温空間 ２２ 広域の
処理空間 ２３ ガス導入管 ２４ ガス排
出管 ２５ 遮蔽部材 ２６Ａ，２６Ｂ
ガス導入管 ２７ ガス排出管 ２８ 内管 ２９ マニホールド ３ 被処理
体保持手段 ３１ 支柱 ３２ 保持部 ３２Ａ 先端部 ３２Ｂ 閉塞先
端部 ３３ 補強部 ３４ 位置決
め部 ４ メイン加熱源 ５Ａ 広域の
補助加熱源 ５Ｂ 狭域の補助加熱源 ６ 温度検
出手段 ６１ 温度センサー ６２ 配線部 ７ 移動手段 ７１ モータ ７２ 駆動軸 ７３ 駆動ア
ーム ７４ 回転機構 ７５ 移動手
段 ８ 蓋部材 ９ 断熱材

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/205 H01L 21/22 - 21/24 H01L 21/31 H01L 21/365 H01L 21/38 - 21/40 H01L 21/469 H01L 21/86

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 広域の処理空間と狭域の昇降温空間を有
   する処理容器と、 面状の被処理体を保持する被処理体保持手段と、 この被処理体保持手段により広域の処理空間に位置され
   た面状の被処理体の処理面に対向するように配置された
   メイン加熱源と、 広域の処理空間および狭域の昇降温空間をそれぞれ取囲
   むよう配置された広域の補助加熱源および狭域の補助加
   熱源と、 被処理体保持手段により保持された被処理体の温度を検
   出する温度検出手段と、 被処理体の検出温度に基づいて制御しながら被処理体保
   持手段を処理容器の内外に移動させる移動手段とを備え
   てなることを特徴とする熱処理装置。
2. 【請求項２】 被処理体保持手段が、支柱と、この支柱
   から伸びる先端部を有する少なくとも３本の保持部と、
   少なくとも３つの位置決め部とを備えてなり、被処理体
   の裏面が前記保持部の先端部に当接されて保持されるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の熱処理装置。
3. 【請求項３】 被処理体保持手段が、管状の支柱と、こ
   の支柱内を貫通して伸びる閉塞先端部を有する少なくと
   も３本の管状の保持部と、少なくとも３つの位置決め部
   とを備えてなり、温度検出手段 が、前記被処理体保持手段における管状の
   保持部の閉塞先端部の内壁に当接配置された温度センサ
   ーと、この温度センサーに接続され、当該管状の保持部
   内を通過して外部の制御回路に接続される配線部とを備
   えてなり、 被処理体の裏面が前記保持部の閉塞先端部に当接されて
   保持されることを特徴とする請求項１に記載の熱処理装
   置。
4. 【請求項４】 請求項１に記載の熱処理装置を用いた熱
   処理方法において、 メイン加熱源の入力電力を一定にした状態で、メイン加
   熱源に対する被処理体の静止位置を変化させて熱処理を
   行うことを特徴とする熱処理方法。