JP3158307B2 - 基板熱処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はアクティブマトリクス型
液晶表示装置やラインセンサ等に用いられる薄膜素子基
板の製造方法に関する。より詳しくは、製造工程中にお
ける縦型熱処理装置を用いた基板の熱処理方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】薄膜トランジスタ等の薄膜素子が集積的
に形成された基板（以下薄膜素子基板と称する）は、従
来からアクティブマトリクス型液晶表示装置、プラズマ
ディスプレイ、ＥＬディスプレイあるいはラインセンサ
等の構成部材として広く用いられている。薄膜素子は基
板表面に成膜された多結晶シリコンや非晶質シリコン等
からなる薄膜を半導体活性層としＬＳＩ製造プロセスを
適用して集積的に形成される。ＬＳＩ製造プロセスには
不純物拡散工程、ゲート絶縁膜形成工程あるいはアニー
ル工程といった高温熱処理が含まれており、基板は製造
工程中における最高処理温度に耐える事のできる優れた
耐熱性を備えていなければならない。この最高処理温度
は薄膜材料や適用されるＬＳＩ製造プロセスの内容によ
って異なっている。基板としてガラス材料を採用する場
合にも最高処理温度によって適切なものが選択される。
例えば、非晶質シリコン薄膜トランジスタ素子を形成す
る場合には最高処理温度は一般に５００℃程度になる。
この場合には約６００℃程度の歪点を有するバリウム硼
硅酸ガラス（例えばコーニング７０５９）が使われる。
なお、歪点は材料の粘度が約１０^13.5Ｐａ・ｓになる温
度をもって定義され耐熱性の尺度となる。又多結晶シリ
コン薄膜を用いてトランジスタ素子を形成する場合に
は、ゲート絶縁膜の形成方法としてＣＶＤを用いた時、
最高処理温度は６００℃程度に達する。この場合には、
基板材料として約６４０℃の歪点を有するアルミナ硼硅
酸ガラス（例えばコーニング１７３３）が使われる。ゲ
ート絶縁膜の形成方法としてＣＶＤに代え熱酸化処理を
用いた場合には基板処理温度が１０００℃程度に達す
る。この時には、約１０６０℃の歪点を有する石英ガラ
スが基板材料として用いられる。この他にもＬＳＩ製造
工程中の最高処理温度に応じて様々な種類のガラス材料
が用いられている。

【０００３】しかしながら基板は歪点以下であっても高
温になるに従って粘度は低下していく。特にガラス材料
は非晶質である為その粘度は温度の上昇に伴なって略単
調に低下する。この為歪点より１００℃程度低い温度で
熱処理を加えても若干変形する性質がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来半導体製造プロセ
スに用いられる熱処理装置としては横型のものが用いら
れていた。横型は熱処理の対象となる基板あるいはウェ
ハを複数枚ボートに立て掛けた状態で炉内に配置する構
造となっており、ウェハ搬送時における空気の逆流が少
ない点に特徴がある。しかしながら、近年ではウェハの
大径化が進み且つ高集積化に伴ない高品質での処理能力
が求められている。そこで、省スペースと熱処理の均一
性の観点から、横型に代えて縦型の熱処理装置が主流に
なってきている。この熱処理装置には例えば拡散／酸化
炉やＬＰ−ＣＶＤ炉等が含まれる。縦型の熱処理装置に
ついては例えば特開平３−２３５３２９号公報に開示が
ある。

【０００５】この縦型ではボートによりウェハの端部の
みを支持して水平に保持する構造となっている。従っ
て、基本的にウェハの自重による熱変形が起り易い支持
構造である。この為、縦型の熱処理装置を用いると、例
え歪点より１００℃程度低い温度で熱処理を施しても自
重によりウェハの反り変形が発生するという課題あるい
は問題点があった。特に、薄膜素子製造プロセスでは不
純物拡散工程、熱酸化によるゲート絶縁膜形成工程、ア
ニール工程等複数回の熱処理が繰り返し行なわれる。１
回の熱処理で発生する反り量が小さくても熱履歴を繰り
返す毎に変形が累積され、最終的には大きな反り量とな
ってしまう。基板に反りが生じると、後工程でウェハの
搬送トラブルや露光装置のステージ吸着不良による露光
欠陥等の故障が発生する。又、基板変形に伴ない薄膜内
部のストレスが増大し薄膜素子の電気特性不良が発生す
る。ウェハが大径化すると反りの絶対量が益々増大する
為様々な不良、故障あるいは欠陥が多発する。薄膜素子
基板の大径化が進んでいる現在、反り等の熱変形を避け
る為には歪点の高い耐熱性の優れた高価な基板材料例え
ば石英ガラスを使わざるを得ず、製造コストの上昇を招
いていた。又、石英ガラスを用いた場合であっても、歪
点近傍で熱処理を行なった場合には熱変形を避ける事が
できない。一般に、熱処理温度が高い程機能的に安定し
た薄膜素子が得られる。しかしながら、現実には熱変形
を抑える観点から処理温度を高く設定できないという問
題点がある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課
題あるいは問題点に鑑み、本発明は縦型の熱処理装置を
用いて基板の歪点近傍で熱処理を施してもウェハの熱変
形を抑制する事のできる基板熱処理方法を提供する事を
目的とする。又、熱変形を抑制する事により通常の耐熱
性を有する安価な基板を用いても高収率の生産が可能と
なる様な基板熱処理方法を提供する事を目的とする。か
かる目的を達成する為に、基板を所定のピッチで水平に
保持したボートを反応管の内部に挿入して熱処理を行な
う縦型の熱処理装置で基板を少なくとも２回以上熱処理
する基板熱処理方法において、前記基板の熱処理面を上
に向けて処理する第１の熱処理工程と前記熱処理面を下
に向けて処理する第２の熱処理工程とを行なうという手
段を講じた。

【０００７】

【作用】本発明によれば、縦型の熱処理装置を使用して
熱処理を複数回行なう場合、先の熱処理では基板の熱処
理面即ち表側を上に向けた姿勢でボートにセットし、後
の熱処理では基板の裏側を上に向けた姿勢でボートにセ
ットする様にした。この為、先の熱処理の場合と後の熱
処理の場合とで、自重による基板の反り変形の方向が逆
となり、お互いの反りが相殺もしくは補償され熱変形が
累積されない。つまり本発明にあっては、熱処理を複数
回繰り返しても反り変形が累積されず大きな熱変形を回
避する事ができる。これにより、歪点の高い高価な基板
材料を使う必要がなく、ウェハを大径化した場合にも反
り変形を有効に防止する事ができる為高収率な薄膜素子
基板の生産が可能になる。

【０００８】

【実施例】以下図面を参照して本発明の好適な実施例を
詳細に説明する。図１は本発明にかかる基板熱処理方法
の基本的な概念を説明する為の工程図である。熱処理の
対象となる基板あるいはウェハ１は例えば直径１５０mm
の大径丸型石英ガラス板からなる。このウェハ１は薄膜
素子が形成される熱処理面あるいは表面１ｆと反対側の
裏面１ｒを有する。熱処理を行なうに当って個々のウェ
ハ１は溝２が形成された縦型配置のボート３に水平にセ
ットされる。

【０００９】先行する第１の熱処理工程では個々のウェ
ハ１の表面１ｆを上に向けた姿勢でボート３にセットす
る。一方、後続の第２の熱処理工程では個々のウェハ１
は反転された状態で搬送され裏面１ｒが上に向いた姿勢
でボート３にセットされる。第１の熱処理工程で生じる
熱変形によりウェハ１は裏面１ｒ側が凸形状になる。こ
の凸形状になった裏面を上にして第２の熱処理工程を行
なうと重力の作用により凸形状が平坦形状に戻される。

【００１０】図２は本発明の実施に用いられるボートの
一例を示す外観斜視図である。ボート３は所定の間隔を
介して上下に離間配置された一対の円板４，５と、両者
の間に連結された複数本（本例の場合４本）のポスト６
とから構成されている。材料としては例えば耐熱性に優
れ且つ高純度の石英ガラスが用いられる。個々のポスト
６の側壁部には所定のピッチをおいて溝が形成されてい
る。同一レベルの溝に対して個々のウェハの端部が係合
し水平に支持される。かかる構造を有するボートに保持
された個々のウェハを反転する場合には例えば単にボー
トを倒立させれば良い。

【００１１】図３は図２に示したボートの平面形状を示
す。複数本のポスト６は円板４の周方向に沿って所定の
間隔を介して配置されている。但し、一方向側において
隣り合うポストの間隔が拡大しておりウェハ１の装着を
可能にしている。ウェハ１の端部は個々のポスト６に形
成された溝２によって点支持されている。

【００１２】図４に本発明の実施に使用される縦型熱処
理装置の一例を示す。下端を開口し上方に伸びる有底筒
状の石英反応管７にはガス供給管８が設けられている。
個々のウェハ１はボート３に所定ピッチで離間した状態
で水平保持され、保温筒９を介して搬送される。反応管
７の開口部は、ボート３が内部に完全に挿入された時、
保温筒９に固着したキャップ１０で密封される様になっ
ている。反応管７の周囲にはヒータ１１が設けられてお
り雰囲気温度を高温に維持する。この熱処理装置を用い
て例えば熱酸化処理を行なう場合には、反応管７の内部
を例えば１０００℃の高温雰囲気に保ったままガス供給
管８からプロセスガスを導入して所定の反応時間だけ保
持する。

【００１３】再び図１に戻って本発明にかかる基板熱処
理方法の具体例を説明する。この例では直径１５０mmの
丸型石英ガラスウェハの表面に形成された多結晶シリコ
ン薄膜に対してトランジスタを形成した。特に、トラン
ジスタのゲート絶縁膜として耐圧性に優れた二酸化シリ
コン／窒化シリコン／二酸化シリコンのＯＮＯ積層構造
を形成した。この工程で第１の熱処理及び第２の熱処理
を施した。第１の熱処理はウェハ１の表面１ｆを上に向
けた姿勢で行なわれ、多結晶シリコン薄膜の表面を熱酸
化し３層構造ゲート絶縁膜の第１層目を形成した。この
熱酸化処理は１０００℃の温度で６０分間行なった。こ
の後ゲート絶縁膜の第２層目を形成する為に窒化シリコ
ンをＬＰ−ＣＶＤで成膜積層した。

【００１４】続いて第２の熱処理を行ない窒化シリコン
の表面を熱酸化しゲート絶縁膜の第３層目とした。第２
の熱処理はウェハ１の裏面１ｒを上に向けた姿勢で行な
われ、１０００℃で６０分間加熱した。不純物のドーピ
ング、ゲート電極の形成等その他の工程は全て１０００
℃以下の処理温度で行ない多結晶シリコンの薄膜トラン
ジスタを基板上に形成した。

【００１５】本発明の評価を行なう為に、上述の方法に
より製造された薄膜素子基板の反り量を測定した。図５
に示す様に、この測定は触針法により行ない１３０mmの
スパンに渡ってウェハ１の表面をスキャニングした時の
高さの差を反り量として検出した。この測定結果によれ
ば、第１の熱処理工程前でウェハ反り量は約１２μｍで
あった。第１の熱処理工程後には反り量は約４０μｍに
増大した。さらに、第２の熱処理工程後では反り量が約
１５μｍに減少しウェハは略初期状態に復帰した。この
場合、工程中における搬送トラブルもなく、作成した薄
膜トランジスタのＶｔｈ特性も同一ウェハ面内において
約１Ｖ以内のばらつきに納まり素子の電気特性不良も発
生しなかった。

【００１６】一方、比較例としてウェハの反転を行なわ
ずに第１の熱処理工程及び第２の熱処理工程を行ない薄
膜素子基板を作成した。即ち、この比較例では第１の熱
処理工程及び第２の熱処理工程のいずれにおいてもウェ
ハ１の表面１ｆを上に向けた姿勢でボート３にセットさ
れている。その他の加工条件及び処理条件については先
に説明した本発明の具体例と同様である。ウェハの熱変
形の程度を測定したところ、第１の熱処理工程前で反り
量は約１２μｍであり、第１の熱処理工程後反り量は約
４０μｍに増大し、第２の熱処理工程後ではさらに約８
０μｍまで増大し且つ個々のウェハによりばらつきが顕
著であった。第２の熱処理工程後では石英ガラスウェハ
の反り量のばらつきにより、約１０枚に１枚の割合で搬
送トラブルが発生し、作成した薄膜トランジスタのＶｔ
ｈ特性も同一ウェハ面内において約３Ｖ程度のばらつき
が発生した。

【００１７】本発明にかかる基板熱処理方法の他の具体
例を説明する。この具体例では第１の熱処理工程で多結
晶シリコン薄膜の表面を熱酸化し単層のゲート絶縁膜を
形成した。この熱酸化処理は１０００℃で６０分間行な
った。第１の熱処理工程ではウェハ１の表面１ｆが上に
向いた姿勢でボートにセットされている。この後、成膜
されたゲート絶縁膜を介して多結晶シリコン薄膜に不純
物を注入した。

【００１８】続いて、第２の熱処理工程では１０００℃
で３０分間のアニールを行ない注入された不純物を活性
化した。第２の熱処理工程では石英ガラスウェハ１の裏
面１ｒを上に向けた姿勢でボート３にセットした。ゲー
ト絶縁膜形成工程及び不純物活性化工程の他は全て１０
００℃以下の処理温度で加工を行ない、ゲート構造が酸
化シリコン膜単層の多結晶シリコン薄膜トランジスタを
形成した。

【００１９】前記と同様にウェハの熱変形量を測定した
ところ、第１の熱処理工程前では反りは約１２μｍであ
った。第１の熱処理工程後反り量は約４０μｍまで増大
した。第２の熱処理工程後においては反り量は約１５μ
ｍまで減少しウェハは略初期状態に復帰した。この場
合、工程中における搬送トラブルもなく、作成した薄膜
トランジスタのＶｔｈ特性も同一ウェハ面内において約
１Ｖ以内のばらつきで納まり素子特性不良も発生しなか
った。

【００２０】さらに比較例として、ウェハの反転を行な
う事なく上述した第１の熱処理工程及び第２の熱処理工
程を施し多結晶シリコン薄膜トランジスタを作成した。
その他の加工処理条件については上述した具体例と同様
である。石英ガラスウェハの熱変形程度を測定したとこ
ろ、第１の熱処理工程前では約１２μｍであった。第１
の熱処理工程後反り量は約４０μｍまで増大し、さらに
第２の熱処理工程後では約８０μｍまで増大し且つ個々
のウェハでばらつきが顕著であった。第２の熱処理工程
後では、石英ガラスウェハの反り量のばらつきにより約
１０枚に１枚の割合で搬送トラブルが発生し、作成した
薄膜トランジスタのＶｔｈ特性も同一ウェハ面内におい
て約３Ｖ程度ばらつきが生じた。

【００２１】なお、上述した各具体例において、第１の
熱処理工程と第２の熱処理工程との間でウェハを裏返す
場合、同時に基板の平面方向姿勢を回転変化させても良
い。これにより、平面姿勢に依存する熱反り変形も相殺
もしくは補償する事が可能になる。

【００２２】又、上述した具体例においてはウェハとし
て石英ガラス材料を用いたが本発明はこれに限られるも
のではなく、熱処理温度に併せて様々な種類のガラス板
材料を用いる事ができる。さらにはガラス材料に限ら
ず、他のセラミック等の絶縁基板や金属基板等の加工に
ついても、縦型熱処理装置を用いた場合には基板の自重
による反りの抑制に効果的である事は明らかである。

【００２３】又、上述の具体例においては多結晶シリコ
ンの薄膜トランジスタ素子を形成したが本発明はこれに
限られるものではなく、アモルファスシリコンやＣｄＳ
ｅ等の半導体薄膜素子を初め、ＭＩＭ素子や、プラズマ
ディスプレイやＥＬディスプレイやラインセンサ等に使
われる薄膜素子を形成する場合においても有用である。

【００２４】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、基
板の端部だけを支えて水平に保持した状態で加工を行な
う縦型の熱処理装置を使用する場合、基板の表側を上に
向けた姿勢で熱処理する工程と基板の裏側を上に向けた
姿勢で熱処理する工程の両方を行なう。この為、両工程
の間で基板の自重による反りの発生方向が逆になりお互
いの熱変形が相殺もしくは補償され反りの累積を防止す
る事ができるという効果がある。本発明によれば、各工
程で熱処理を繰り返し行なっても反りが累積されず基板
を初期の平坦な形状に略近く維持する事ができる。かか
る方法により、歪点の高い高価な基板材料を使う必要が
なくなり、反りも抑制できる為高収率で薄膜素子基板を
生産する事が可能になるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる基板熱処理方法の基本的な概念
を示す模式図である。

【図２】本発明の実施に用いられる縦型配置のボートを
示す斜視図である。

【図３】同じくボートの平面図である。

【図４】本発明の実施に用いられる縦型熱処理装置の一
例を示す模式図である。

【図５】基板の反り量の測定原理図である。

【符号の説明】

１ ウェハ １ｆ ウェハ表面 １ｒ ウェハ裏面 ２ 溝 ３ ボート ６ ポスト ７ 反応管 ８ ガス導入管 １１ ヒータ

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭51−23073（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−50657（ＪＰ，Ａ) 特開 昭53−101977（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−106573（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−159335（ＪＰ，Ａ) (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 21/68 H01L 21/86

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板を所定のピッチで水平に保持したボ
   ートを反応管の内部に挿入して熱処理を行なう縦型の熱
   処理装置で基板を少なくとも２回以上熱処理する基板熱
   処理方法において、 前記基板の熱処理面を上に向けて処理する第１の熱処理
   工程と、前記熱処理面を下に向けて処理する第２の熱処
   理工程とを有する事を特徴とする基板熱処理方法。