JP3188063B2 - 半導体ウエハ熱処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、集積回路などの各種
半導体装置を製造するにあたって、シリコンウエハ等の
半導体ウエハを熱処理する装置に関するものであり、特
に水素ガスを直接もしくは間接的に利用してウエハを熱
処理する装置、例えば水素ガスと酸素ガスとから水蒸気
を合成してその水蒸気を含むウェットな酸化性雰囲気中
でウエハを熱処理したり、あるいは直接水素ガスを含む
雰囲気中でウエハを熱処理したりするための装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】周知のように集積回路などの半導体装置
の製造においては、水素ガスを使用してウエハを熱処理
するプロセスが種々用いられている。その代表的なもの
としては、後に改めて説明するように、水素ガス雰囲気
中にてウエハをアニーリングする処理や、あるいは水素
ガスと酸素ガスとから水蒸気を合成してその水蒸気を含
むウェットな酸化性雰囲気中でウエハ表面を酸化させる
処理などがある。

【０００３】ところで半導体装置製造工程において水素
ガスを使用する従来の熱処理装置においては、水素ガス
を高圧充填した水素ボンベ、あるいはこのような水素ボ
ンベを複数本集合した水素カードル等の如く、多量の水
素ガスを高圧の状態で貯蔵した貯蔵容器から、ガス配管
により水素ガスを熱処理装置に導いて熱処理に使用する
のが通常であった。しかしながら半導体装置製造工程に
おける熱処理装置は、一般に外部から離隔された密閉性
の高いクリーンルーム内に設置して使用されるため、水
素ガス漏洩による水素ガス爆発等の事故発生の危険性が
高く、しかも大事故になる危険性が高く、その点で従来
から問題とされていた。

【０００４】そこで、水素ガスの漏洩検知器や感震器を
設置しておき、これらに連動して水素ガスの漏洩時や地
震発生時に自動的に水素ガスの供給を遮断するようにし
た水素ガス自動遮断システムが従来から広く適用されて
いる。しかしながら、現在使用されている水素ガス自動
遮断システムでは、水素ガスの漏洩検知器の異常や遮断
弁の動作不良異常、配管接続部の緩み、配管切断等の種
々の異常の起る可能性があり、しかもこれらの異常が複
合して発生すれば、漏洩を食い止められない事態が発生
することも予想される。したがって半導体製造クリーン
ルームでは、水素ガスの漏洩による爆発の危険性が常に
存在しているのが実情である。

【０００５】一方、最近では半導体装置製造工程におい
ても、可及的に水素ガスを使用しなくて済むようにする
方向での工夫が種々なされている。例えば気相化学反応
によって多結晶シリコン薄膜を形成する工程では、従前
は原料ガスであるシランガスを反応に最適な濃度に希釈
して試料まで送るキャリヤガスとして水素ガスが使用さ
れていたが、今日では、窒素ガス等の不活性ガスをキャ
リヤガスとして使用するようになってきており、その結
果、水素を使用するプロセスは以前に比べればかなり減
ってきている。

【０００６】ところでキャリヤガスは、それ自身が反応
生成物を構成する要素ではなく、反応生成物を形成する
ガスを反応に最適な濃度に希釈して反応部に移送する役
目を担う移送用ガスに過ぎない。このようなキャリヤガ
スの如く水素そのものが反応に無関係な場合は、水素ガ
スをそれに代わる安全なガスに置き換えることにより、
水素ガスを使用しなくて済むようにすることは可能であ
る。しかしながら、水素そのものが化学的反応に関係し
ている場合は、水素ガスの使用を不要とするためには、
全く別の原理に基づくプロセスが必要となるため、水素
を使用しなくすることが極めて困難なことが多く、場合
によっては全く不可能であると予想されることも多い。
したがって半導体製造クリーンルームでの水素の使用を
完全になくすことは現状では不可能とされている。

【０００７】前述のように水素を不可避的に使用せざる
を得ない半導体ウエハ熱処理工程としては、ウェット酸
化工程と水素アニーリング工程がある。

【０００８】前者のウェット酸化工程は水蒸気でシリコ
ンウエハを酸化し、二酸化珪素（石英）膜を形成する工
程である。シリコンウエハを用いた半導体集積回路製造
において最も特徴的な点は、シリコンウエハを酸化させ
ることにより、電気的絶縁特性に優れ、しかも化学的に
安定で、機械的強度に優れた二酸化珪素皮膜を表面に形
成し得ることである。この二酸化珪素皮膜は、シリコン
ウエハの表面に形成したトランジスタ等の素子間を電気
的に絶縁し分離する素子間分離絶縁膜、あるいはトラン
ジスタの上に形成する配線間絶縁膜として用いられ、ま
た電界効果トランジスタのゲート絶縁膜にも用いられて
おり、さらに不純物をシリコンウエハに選択的に導入し
て電極を形成するための不純物拡散に対するマスクや、
選択的にシリコンウエハ表面をエッチングして素子構造
を形成するためのマスクにも利用されている。

【０００９】このようにシリコンを用いた集積回路製造
では、シリコンウエハを酸化して二酸化珪素皮膜を形成
する酸化工程が重要である。このような酸化工程として
は、乾燥酸素を使用するドライ酸化工程と、水蒸気を使
用するウェット酸化工程との２種類がある。

【００１０】ドライ酸化工程では１０００℃、１００分
程度の酸化工程で１０００オングストローム程度の酸化
皮膜が形成されるが、ウェット酸化工程では、同じ条件
で４０００オングストローム程度と厚い酸化膜を形成で
き、また同じ１０００オングストロームの酸化膜形成で
比較すれば、ウェット酸化工程では８５０℃、１００分
程度と低温化を図ることができる。このようにウェット
酸化工程での酸化速度が速いのは、水が分解して生成さ
れるＯＨ基が、酸素が分解して生成されるＯ基よりも多
量に供給され、しかも拡散速度が速いためである。最近
の半導体集積回路の高集積化の進展に伴ない、プロセス
の低温化が必要となっており、そこで最近ではウェット
酸化の必要性が従来よりも増大している。

【００１１】上述のようなウェット酸化工程は、クリー
ンルーム内に設置された熱処理装置において、シリコン
基板を水蒸気雰囲気で加熱することにより実施される。
ウェット酸化工程に用いる水蒸気を生成させる方法とし
ては、純水を加熱する方法が過去には使用されていた
が、この方法では、純水や純水容器に含まれるナトリウ
ム等のアルカリ金属不純物が二酸化珪素膜中に混入して
固定電荷を有するセンターを形成し、二酸化珪素−シリ
コン基板界面の電気特性を劣化させたり、純水中不純物
が濃縮されて汚染されたりするという問題があるため、
今日では使用されなくなっている。そしてそれに代え
て、現在では高純度水素ガスと高純度酸素ガスとを熱処
理装置内で混合・燃焼させて高純度水蒸気を熱処理装置
内で生成（合成）させる方法が採用されている。そして
この場合、水素ガスを高圧に充填した水素ボンベを複数
本束ねた水素カードルをクリーンルームの外部に設置し
ておき、その水素カードルからガス配管によりクリーン
ルーム内に水素を導き、純化装置で水素を純化して使用
するのが通常である。また酸素ガスは、液体酸素を気化
して酸素ガスを製造するコールドエバポレータ（酸素ガ
ス発生装置）をクリーンルームの外部に設置しておき、
そのコールドエバポレータから配管によりクリーンルー
ム内に供給し、純化装置で酸素を純化して使用するのが
通常である。

【００１２】一方水素アニーリング工程は、水素雰囲気
での熱処理により水素イオンをシリコン基板上に形成し
た素子内に拡散させ、金属や多結晶シリコンと二酸化珪
素との接合部等の界面に発生する表面準位を消滅させる
ことにより電気特性を改善する熱処理である。この水素
アニーリング工程においても、クリーンルームの外部に
設置した水素カードルからガス配管によって水素ガスを
クリーンルーム内に導き、純化装置により純化するのが
通常である。

【００１３】前述のように、従来のウェット酸化工程で
は、クリーンルーム外部に設置した酸素ガス発生装置や
水素カードルから長い酸素ガス配管や水素ガス配管によ
り延々と配管して供給されるため、ガス漏洩の危険性が
高く、また、装置の設置や移設には常にガス配管工事が
必要であり、また従来の水素アニーリング工程において
も、水素ガス配管に関して事情は同様であった。

【００１４】ガス等の配管は、長くなればなるほど漏洩
の危険性が増し、また装置の設置や撤去・移設等の工事
回数に比例して漏洩事故の発生する確率も増加する。し
かも特に水素ガスは、漏洩すれば引火・爆発する危険性
の高いガスであり、その使用には常に細心の注意が必要
とされるが、水素ボンベや水素カードルのように多量に
水素を貯蔵している装置から配管で供給する方式では、
貯蔵されている多量の水素ガスが一度にクリーンルーム
内に漏洩する危険性をなくすことは不可能である。

【００１５】ところで半導体装置製造システムにおける
クリーンルームの安全対策としては、「電源ＯＦＦ安全
モード」が提案され、広く採用されてきている（「半導
体製造における安全対策・管理ハンドブック」、原田宙
幸他編著、リアライズ社発行）。この「電源ＯＦＦ安全
モード」とは、全ての装置の電源を遮断すれば安全に各
装置が停止するように統一化するモードであり、火災や
地震が発生したときには、電源を遮断することによりク
リーンルーム内の各装置を安全に停止できるようにし、
これによって速やかに退避できるようにする等、半導体
装置クリーンルームでの安全対策を図ったものである。
しかしながら、従来通り、クリーンルームの外部に設置
された水素ボンベや水素カードルから水素ガスを供給し
ている限り、電源を遮断しても水素がクリーンルーム内
に漏洩する危険性はなくならず、したがって「電源ＯＦ
Ｆ安全モード」を完全には実施することができなかった
のが実情である。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、従来の
半導体製造システムにおける水素ガスを使用した熱処理
装置では、クリーンルーム外に設置された水素ガス源
（水素カードル等）から、水素ガス供給のために長いガ
ス配管を延々と配管してクリーンルーム内に設置した熱
処理装置に接続されており、そのため水素ガス漏洩によ
る種々の危険性を有していた。

【００１７】この発明は以上のような水素漏洩について
の従来技術の問題点を解決するためになされたものであ
って、水素ガス漏洩の危険を従来よりも格段に少なく
し、特に「電源ＯＦＦ安全モード」の考えに基づいて、
地震や火災発生に伴なう電源遮断時に速やかに水素ガス
発生を停止させるようにして、クリーンルーム内での水
素ガス漏洩のおそれを少なくし、これにより水素ガスを
安全に使用できるようにした半導体ウエハ熱処理装置を
提供することを目的とするものである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】前述のような課題を解決
するため、この発明の半導体ウエハ熱処理装置では、基
本的には、請求項１に記載したように、半導体装置製造
工程中において水素ガスを直接もしくは間接的に用いて
半導体ウエハを熱処理するための装置において、水（例
えば半導体工場で容易に入手可能な超純水）を電気分解
して水素ガスおよび酸素ガスを発生させる水電解装置
（例えば固体電解質を用いた水電解装置）を有し、その
水電解装置により得られた高純度水素ガス、もしくは高
純度水素ガスおよび高純度酸素ガスを用いて前記半導体
ウエハを熱処理するように構成したことを特徴としてい
る。

【００１９】また請求項２の発明の半導体ウエハ熱処理
装置は、半導体装置製造工程中において水蒸気を含む酸
化性雰囲気中で半導体ウエハを熱処理するための装置に
おいて、水を電気分解して水素ガスと酸素ガスを発生さ
せる水電解装置を有し、その水電解装置により得られた
水素ガスを酸素ガスと合成させることにより得られた水
蒸気を含む酸化性雰囲気で半導体ウエハを熱処理するよ
うに構成したことを特徴としている。

【００２０】さらに請求項３の発明の半導体ウエハ熱処
理装置は、半導体装置製造工程中において水素ガスを含
む雰囲気中で半導体ウエハを熱処理するための熱処理装
置において、水を電気分解して水素ガスと酸素ガスを発
生させる水電解装置を有し、その水電解装置により得ら
れた水素ガスを含む雰囲気中で半導体ウエハを熱処理す
るように構成したことを特徴とするものである。

【００２１】

【作用】この発明の半導体ウエハ熱処理装置において
は、基本的には、熱処理装置自体が水電解装置を備えて
おり、その水電解装置により水の電気分解で生じた水素
ガスが半導体ウエハの熱処理に使用される。このように
熱処理装置自体に水素ガスを発生する装置が備えられて
いるため、クリーンルーム外部に設置された水素ガスボ
ンベやカードルからクリーンルーム内の熱処理装置内ま
で水素ガスを長い配管によって導く必要がない。また、
水電解装置の電源を遮断すれば、水の電気分解が停止さ
れて水素ガスの発生が直ちに停止される。したがって地
震や火災発生時において、電源を遮断することにより水
素ガスの発生を直ちに停止させることによって、水素ガ
スの漏洩の危険をなくすことができる。

【００２２】なお特に請求項２の発明は、水蒸気を含む
酸化性雰囲気中で半導体ウエハを熱処理するための装
置、例えばウェット酸化工程のための熱処理装置につい
てのものであり、この場合には、水電解装置により発生
した水素ガスを酸素ガスと合成すること（すなわち水素
ガスを燃焼させること）によって得られた水蒸気を含む
酸化性雰囲気で半導体ウエハを熱処理する。したがって
水電解装置で発生した水素ガスは、熱処理のために間接
的に利用されることになる。なおこの場合、酸素ガスと
しては水電解装置により得られる酸素ガスをそのまま直
接利用することが可能であるが、酸素ガスは水素ガスと
異なり、漏洩による危険が少ないから、別に設けた他の
酸素供給源から酸素ガスを導いて使用しても良い。特
に、酸素ガスと水素ガスとを容積比１：１にて混合して
合成し、酸素ガスと水蒸気とが１：１の容積比の混合雰
囲気を作り、この混合雰囲気を用いてウェット酸化する
場合には、水の電気分解による水素ガスと酸素ガスの発
生量が容積比で２：１であるため、酸素ガスが不足する
ことになる。この場合、水素を一部捨てるか、または酸
素を補う必要があるが、水素を捨てるよりも酸素を補う
方が安全であり、したがってこの場合には必要な酸素の
一部または全部を外部から供給することが望ましい。

【００２３】一方、特に請求項３の発明は、水素ガスと
窒素ガスとの混合雰囲気の如く、水素ガスを含む雰囲気
中で半導体ウエハを熱処理するための装置、例えば水素
アニーリング工程で使用される熱処理装置についてのも
のであり、この場合には水電解装置で発生した水素ガス
自体を直接熱処理の雰囲気として用いることになる。

【００２４】

【実施例】図１にこの発明の熱処理装置で使用される水
電解装置を組込んだ水素−酸素発生装置１の一例を示
し、また図２にその水素−酸素発生装置１を用いた半導
体ウエハ熱処理装置の一例として、ウェット酸化処理装
置を示す。

【００２５】図１において、水電解装置２は水素−酸素
発生装置１の最重要構成要素であり、この水電解装置２
の槽本体３の中央にはポーラスな固体電解質４が設けら
れており、この固体電解質４によって槽本体３は２つの
電解槽６，７、すなわち陽極側電解槽６と陰極側電解槽
７とに仕切られている。そして固体電解質４における陽
極側電解槽６の側の面に陽極８が、また陰極側電解槽７
の側の面に陰極９が設けられている。これらの陽極８、
陰極９は、それぞれリード線１０，１１を介して直流電
源１２に接続されており、この直流電源１２には、制御
装置１３が接続されている。この制御装置１３は、後述
するセンサ信号がセンサ信号入力端子１４から入力され
てそのセンサ信号等によって直流電源１２を制御するも
のであり、制御信号出力端子１５および警報信号出力端
子１６を備えている。

【００２６】前記水電解装置２の陽極側電解槽６の下部
の供給口６Ｂには、純水供給管２０が連結されている。
この純水供給管２０は、電気分解すべき純水を純水供給
口２１から陽極側電解槽６へ導くためのものであって、
その中途には水流量計２２、水圧計２３、開閉弁２４が
設けられている。

【００２７】一方水電解装置２の陽極側電解槽６の上部
の気液混合流体排出口６Ａには、配管３０を介して酸素
側気液分離器３１が接続されている。この酸素側気液分
離器３１は、後述するように陽極側電解槽６において発
生した酸素ガスを水から分離するためのもので、その具
体的構成は公知のものと同様であれば良い。酸素側気液
分離器３１の側面側には、その分離器３１の上部および
下部に連通する水位管３２が垂直に設けられていおり、
その水位管３２の上部および下部には、それぞれ上下に
所定間隔を置いて各一対の水位センサ３３Ａ，３３Ｂ；
３４Ａ，３４Ｂが設置されている。また酸素側気液分離
器３１の底部の水排出口３１Ａには並列状の排水管３
５，３６が接続されており、一方の排水管３５には開閉
弁３７、ニードル弁３８、水流量計３９が設けられてお
り、他方の排水管３６には開閉弁４０が設けられてい
る。

【００２８】酸素側気液分離器３１の上端の分離ガス排
出口３１Ｂはガス配管４１を介して酸素ガス乾燥器４２
に接続されており、さらにこの酸素ガス乾燥器４２の乾
燥ガス排出口４２Ａは配管４３および開閉弁４４を介し
て酸素ガス供給口１Ｂに導かれている。なお酸素ガス乾
燥器４２の水排出口４２Ｂは水回収管５５を介して前記
酸素側気液分離器３１の底部に接続されている。また酸
素ガス乾燥器４２のガス排出口４２Ａとバルブ４４との
間の配管４３には、破壊式安全弁４６を介してガス放出
管５６が接続されるとともにガス圧計４７が接続され、
さらに別のガス放出管４８が開閉弁４９、圧作動式リー
ク弁５０、ニードル弁５１、ガス流量計５２を介して接
続され、またこのガス放出管４８に対して開閉弁５３を
有するバイパス管５４が並列状に設けられている。

【００２９】一方前記水電解装置２の陰極側電解槽７の
上端の気液混合流体排出口７Ａも陽極側電解槽６とほぼ
同様な各装置、各配管を経て、最終的に水素ガス供給口
１Ａに導かれている。すなわち陰極側電解槽７の気液混
合流体排出口７Ａは、配管６０を介して水素側気液分離
器６１に接続されており、この水素側気液分離器６１の
側面側には水位管６２が垂直に設けられ、この水位管６
２の上部および下部には各一対の水位センサ６３Ａ，６
３Ｂ；６４Ａ，６４Ｂが設置されている。そして水素側
気液分離器６１の底部の水排出口６１Ａには開閉弁６５
を介して排出管６６が接続され、また上端の乾燥ガス排
出口６１Ｂは配管６７を介して水素ガス乾燥器６８に接
続されている。そしてこの水素ガス乾燥器６８の乾燥ガ
ス排出口６８Ａは配管６９および開閉弁７０を介して水
素ガス供給口１Ａに連通されている。なお水素ガス乾燥
器６８の水排出口６８Ｂは、水回収管７２を介して前記
水素側気液分離器６１の底部に接続されている。また水
素ガス乾燥器６８のガス排出口６８Ａと開閉弁７０との
間の配管６９には、破壊式安全弁７３を介してガス放出
管７４が接続されるとともに、ガス圧計７５が接続さ
れ、さらに開閉弁７６を介して別のガス放出管７７が接
続されている。

【００３０】以上のような図１に示される水素−酸素発
生装置１の水電解装置２においては、純水供給口２１か
ら純水供給管２０を経て陽極側電解槽６に導入された純
水が、陽極８において、 Ｈ₂ Ｏ→Ｈ⁺ ＋ＯＨ^- （１） ４ＯＨ^- →Ｏ₂ ＋２Ｈ₂ Ｏ＋４ｅ^- （２） の反応により分解されて、酸素ガスＯ₂ が発生する。ま
た同時に発生したＨ⁺ イオンは、固体電解質４を透過し
て、陰極９において、 ４Ｈ⁺ ＋４ｅ^- →２Ｈ₂ （３） の反応により、酸素ガスの２倍の体積の水素ガスとな
る。

【００３１】陽極８で発生した酸素ガスは、水とともに
陽極側電解槽６の気液混合流体排出口６Ａから配管３０
を経て酸素側気液分離器３１へ導かれ、この酸素側気液
分離器３１において酸素ガスが水から分離され、さらに
分離ガス排出口３１Ｂからガス配管４１を経て酸素ガス
乾燥器４２に導かれ、この酸素ガス乾燥器４２により酸
素ガス中から水蒸気が除去されて、開閉弁４４を通って
酸素ガス供給口１Ｂに至る。

【００３２】一方水電解装置２の陰極側電解槽７には、
陽極側電解槽６から固体電解質４を通って水が滲み出
し、これにより陰極側電解槽７にも水が充満された状態
となる。そして陰極９において前述の（３）式の反応に
より生じた水素ガスは、純水とともに陰極側電解槽７の
気液混合流体排出口７Ａから配管６０を経て水素側気液
分離器６１に導かれ、この水素側気液分離器６１におい
て水素ガスから水が分離され、さらに分離ガス排出口６
１Ｂからガス配管６７を経て水素ガス乾燥器６８に導か
れ、この水素ガス乾燥器６８において水素ガス中から水
蒸気が除去され、開閉弁７０を通って水素ガス供給口１
Ａに至る。

【００３３】なお図１に示される水素−酸素発生装置１
においては、酸素側気液分離器３１および水素側気液分
離器６１の水位によって異常を検出して、動作状態を制
御することができる。

【００３４】例えば酸素側気液分離器３１の水位が水位
センサ３３Ａ，３３Ｂ；３４Ａ，３４Ｂによって検出さ
れて、その水位を表わす信号が電気信号として制御装置
１３のセンサ信号入力端子１４に与えられる。ここで、
水位センサ３３Ｂまで酸素側気液分離器３１内の水位が
上がった場合には、その水位センサ３３Ｂからの水位信
号により制御装置１３が開閉弁３７を開放させる制御信
号を発生し、これによって開閉弁３７が開放されて、ニ
ードル弁３８により予め設定されている水量が水流量計
３９を通って排水される。ここで、ニードル弁３８の調
整により、水流量計２３に表示される供給純水水量より
も水流量計３９に表示される排水量が僅かに多くなるよ
うに設定しておけば、酸素側気液分離器３１の水位は徐
々に低下する。水位センサ３４Ａに水面が達すれば、そ
の水位センサ３４Ａから送られる水位信号により制御装
置１３からの制御信号によって開閉弁３７が閉じられ、
水位は再び上昇する。水位が水位センサ３３Ｂまで上昇
すれば、再度開閉弁３７が開放され、水位が低下する。
このような繰り返しにより、酸素側気液分離器３１の水
位は常に水位センサ３３Ｂ，３４Ａの間に保たれる。水
位が何らかの異常により水位センサ３３Ａより上昇した
り３４Ｂより下がれば、制御装置１３は異常処理を実行
し、直流電源１２への供給電流が遮断され、これによっ
て水電解装置２における水の電気分解反応が停止して、
水素ガスおよび酸素ガスの発生が直ちに停止され、また
警報信号出力端子１６から接点信号等の警報信号が出力
される。

【００３５】一方、水素側気液分離器６１で分離された
水の水面も水位センサ６３Ａ，６３Ｂ；６４Ａ，６４Ｂ
により検知され、開閉弁６５の開閉が制御装置１３によ
り制御され、酸素側気液分離器３１の場合と同様に水位
が水位センサ６３Ｂ，６４Ａの間に保たれる。また、水
位が水位センサ６３Ａより上がったり、６４Ｂより下が
った場合、制御装置１３は異常処理を実行し、前記同様
に直流電流１２への供給電流が遮断されて、水素ガスお
よび酸素ガスの発生が直ちに停止され、また警報信号出
力端子１６から接点信号等の警報信号が出力される。な
お直流電源１２から電極リード線１０，１１を通じて供
給される電力は、ガス圧計４７，７５で検出される酸素
ガス圧力、水素ガス圧力がそれぞれ予め設定された圧力
になるように、制御装置１３によって制御される。

【００３６】図２には、図１に示されるような水電解装
置２を備えた水素−酸素発生装置１を用いたこの発明の
熱処理装置の一例として、ウェット酸化工程に使用され
る熱処理装置を示す。

【００３７】図２において、中空円筒状をなす電気炉８
０の内側には、ウェット酸化用熱処理容器（反応容器）
として、石英反応管８１が挿入されており、この石英反
応管８１の開口端８１Ａの側からは半導体ウエハ８２を
石英反応管８１内において支持するためのボート８３が
挿入されている。ボート８３は支持棒８４によって支持
されており、この支持棒８４はボートローダ８５に固定
片８６を介して固定されており、そのボートローダ８５
はガイド８７に案内されて前記ボート８３を石英反応管
８１内へ挿入・離脱させる方向へ移動し得るように構成
されている。なお石英反応管８１の開口端８１Ａは、開
閉駆動部８８によって駆動される蓋体８９によって開閉
可能に閉じられており、またその蓋体８９付近には、排
気用のスカベンジャ９０が設けられている。

【００３８】一方前記石英反応管８１における開口端８
１Ａに対し反対側の端部８１Ｂには、それぞれ石英反応
管８１内へ水素ガス、酸素ガスを供給するための水素ガ
ス供給口９１Ａおよび酸素ガス供給口９１Ｂが設けられ
ている。水素ガス供給口９１Ａには、前述の図１に示し
た水素−酸素ガス発生装置１からの水素ガスが純化（精
製）されて供給されるようになっており、また酸素ガス
供給口９１Ｂには、この実施例の場合は別に設置した酸
素ガス源からの酸素ガスが純化（精製）されて供給され
るようになっている。

【００３９】すなわち、先ず水素ガス供給系統について
説明すれば、前述の水素−酸素発生装置１の水素ガス供
給口１Ａが配管４５を介して水素純化装置９２に接続さ
れ、この水素純化装置９２の精製水素ガス出口９２Ａ
が、水素供給配管９３によって石英反応管８１の水素ガ
ス供給口９１Ａに接続されている。なおこの水素ガス供
給配管９３には、開閉弁９４、水素ガス流量調節計９
５、開閉弁９６がその順に介在されている。

【００４０】また上述のような水素供給系統には、パー
ジ用窒素ガス供給系統、排出系統が設けられている。す
なわち、図２において、図示しない窒素ガス供給源から
原料窒素ガス供給配管１００を経て窒素純化装置１０１
に原料窒素ガスが供給されるようになっており、またこ
の窒素純化装置１０１には、前述の水素純化装置９２の
精製水素ガス出口９２Ａから開閉弁１２０および再製用
水素ガス供給管１２１を経て、窒素ガス精製に使用され
る触媒再製のための再製用水素ガスが供給されるように
なっている。そして窒素純化装置１０１によって精製
（純化）された窒素ガスは、精製窒素ガス供給管１０２
からパージ用窒素ガス供給管１０３を経て前述の水素純
化装置９３に、水素ガスパージのために送り込まれるよ
うになっている。また同じく窒素純化装置１０１によっ
て精製された窒素ガスは、精製窒素ガス供給管１０２か
ら、窒素ガス流量計１０４、ニードル弁１０５、開閉弁
１０６およびパージ用窒素ガス分岐供給管１０７を経
て、水素ガス供給配管９３にも導かれるようになってい
る。さらにその水素ガス供給配管９３における水素ガス
流量調節計９５と開閉弁９６との間には、パージガス放
出管１０８が開閉弁１０９を介して接続されている。

【００４１】一方酸素ガス供給系統に関しては、図示し
ない酸素供給源からの原料酸素ガスが開閉弁１１０およ
び原料酸素ガス供給配管１１１を介して導かれる酸素純
化装置１１２が設けられている。この酸素純化装置１１
２の精製酸素ガス出口１１２Ａは、精製酸素ガス供給配
管１１３を経て前述の石英反応管８１の酸素ガス供給口
９１Ｂに接続されている。なおこの精製酸素ガス供給配
管１１３には、開閉弁１１４、酸素ガス流量調節計１１
５、開閉弁１１６がその順に介在され、さらに酸素ガス
流量調節計１１５と開閉弁１１６との間には、酸素パー
ジ管１１７が開閉弁１１８を介して接続されている。

【００４２】以上のような図２に示される熱処理装置に
よって半導体ウエハのウェット酸化処理を行なうにあた
っては、石英反応管８１内のボート８３に、通常は多数
枚の半導体ウエハ８２を積層された状態で支持させる。
一方水素−酸素発生装置１で発生した水素ガスは、水素
純化装置９２に送り込まれて精製（純化）され、その水
素純化装置９２によって精製された水素ガスが、水素供
給配管９３、開閉弁９４、水素ガス流量調節計９５、開
閉弁９６を経て、流量調節計９５において予め設定され
た流量で石英反応管８１の水素ガス供給口９１Ａに供給
される。また、図示しない酸素ガス供給源からの酸素ガ
スが、開閉弁１１０、原料酸素ガス供給配管１１１を経
て酸素純化装置１１２に供給され、精製された酸素ガス
が精製酸素ガス供給配管１１３、開閉弁１１４、酸素ガ
ス流量調節計１１５、開閉弁１１６を経て、流量調節計
１１５において予め設定された流量で石英反応管８１の
酸素ガス供給口９１Ｂに供給される。そして石英反応管
８１内は、電気炉８０によって水素ガスの燃焼温度以上
の温度、すなわち水素ガスと酸素ガスとの反応温度以上
の温度に加熱され、したがって石英反応管８１の水素ガ
ス供給口９１Ａから石英反応管８１内へ送り込まれた水
素ガスが、酸素ガス供給口９１Ｂから送り込まれた酸素
ガスと燃焼反応を起して水蒸気となる。したがって石英
反応管８１内は、水蒸気を含む高温の酸化性雰囲気、す
なわちウェット酸化雰囲気となり、半導体ウエハ８２が
酸化せしめられる。

【００４３】具体的には、本発明者等の実験によれば、
電気炉８０によって石英反応管８１内を１１００℃に加
熱し、石英反応管８１への酸素ガスおよび水素ガスの供
給流量をそれぞれ毎分５リットルとして、水蒸気と酸素
との割合が１：１の混合ガス５リットル／分を生成し、
１００枚のシリコンウエハを２時間処理することによっ
て、各ウエハに８２００オングストロームの厚みの酸化
膜を形成することができた。

【００４４】なお図２に示される熱処理装置において、
窒素ガスは、ウェット酸化そのものには不要であるが、
装置停止時等に水素ガスをパージする必要のある場合に
使用される。すなわち、水素ガスパージ時においては、
窒素純化装置１０１からのパージ用窒素ガスが水素純化
装置９３と水素ガス供給配管９３内に送り込まれて、そ
れらの装置、配管内の水素ガスがパージされる。ここ
で、窒素純化装置１０１においては、窒素ガスの精製に
使用される触媒を一定時間毎に水素ガスを用いて再製す
る必要があるが、その再製用水素ガスとしては、水素−
酸素発生装置１によって発生した水素ガスが水素純化装
置９２を経て用いられるため、窒素ガス精製用触媒のた
めに、別に水素カードル等の水素を高圧で多量に貯蔵す
る設備を設けておく必要はない。

【００４５】図３には、図１に示される水電解装置２を
備えた水素−酸素発生装置１を用いて半導体ウエハを熱
処理するための装置の他の例として、半導体ウエハを水
素アニーリングするための熱処理装置の例を示す。なお
図３において、図２に示される要素と同一の要素につい
ては、図２と同じ符号を付し、その説明は省略する。

【００４６】図３において、石英反応管８１における開
口端８１Ａに対し反対側の端部８１Ｂには、石英反応管
８１内へ水素ガスと窒素ガスとの混合ガスを供給するた
めの混合ガス供給口１３０が設けられており、この混合
ガス供給口１３０に混合ガス供給管１３１が接続されて
いる。水素−酸素発生装置１からの水素ガスは、図２の
場合と同様に水素純化装置９２を経て水素供給配管９３
に送り込まれるようになっており、さらにこの水素供給
配管９３が開閉弁９４、水素ガス流量調節計９５を介し
て前記混合ガス供給配管１３１に接続されている。また
図示しない水素ガス供給源から窒素ガスが供給される窒
素純化装置１０１の出口側、すなわち精製窒素ガス供給
管１０２も、窒素ガス流量調節計１２２を介して前記混
合ガス供給配管１３１に接続されている。

【００４７】したがって図３の熱処理装置においては、
水素−酸素発生装置１で発生しかつ水素純化装置９２に
より精製された水素ガスと、窒素純化装置１０１からの
精製された窒素ガスとが、それぞれ水素ガス流量調節計
９５、窒素ガス流量調節計１２２において予め設定した
流量で混合されて、混合ガス供給口１３０から石英反応
管８１内に送り込まれる。したがって石英反応管１内は
高温の水素−窒素混合ガス雰囲気となり、石英反応管１
内の半導体ウエハ８２が水素アニーリングされる。

【００４８】具体的には、本発明者等の実験によれば、
水素ガス１０％、窒素ガス９０％の混合ガスを５リット
ル／分の流量で供給し、４２０℃で水素アニーリングを
行なったところ、良好な特性のＭＯＳデバイスを得るこ
とができた。

【００４９】図４には、半導体ウエハをウェット酸化さ
せるための熱処理装置の他の例を示す。すなわち既に説
明した図２に示されるウェット酸化用熱処理装置におい
ては、水素ガスとしては水素−酸素発生装置１で発生し
た水素を利用しているものの、酸素ガスとしては別の酸
素ガス供給源からの酸素ガスを利用している。これに対
し図４のウェット酸化用の熱処理装置の場合は、ウェッ
ト酸化用の水蒸気合成のための水素ガス、酸素ガスの両
者として、水素−酸素発生装置１から発生したガスを利
用している。

【００５０】具体的に図４に示されるウェット酸化用熱
処理装置について説明すれば、図４中の水素−酸素発生
装置１′は、基本的には図１に示される水素−酸素発生
装置１と同様であるが、図１中に示される水素ガス乾燥
器６８、酸素ガス乾燥器４２が省かれている点が図１に
示される水素−酸素発生装置１と異なる。すなわち、水
素側気液分離器６１のガス排出口６１Ｂは、水素ガス流
量計１４０、配管６９、開閉弁７０を介して水素ガス供
給管１４２に接続され、かつ配管６９の中途に破壊式安
全弁７３が設けられている。また酸素側気液分離器３１
のガス排出口３１Ｂは、配管４３、開閉弁４４を介して
酸素ガス供給管１４３に接続され、かつ配管４３の中途
に破壊式安全弁４６が設けられている。そして上述の水
素ガス供給管１４２、酸素ガス供給管１４３がそれぞれ
石英反応管８１の水素ガス供給口９１Ａ、酸素ガス供給
口９１Ｂに接続されている。

【００５１】さらに図４に示される例では、上述のよう
な水素−酸素発生装置１′とは別に、パージ用窒素ガス
精製のための窒素純化装置等に使用する水素ガス発生の
ための水素−酸素発生装置１が設けられている。この水
素−酸素発生装置１は、図１に示される水素−酸素発生
装置１と同様なものであり、その水素−酸素発生装置１
の水素ガス出口、すなわち再製用水素ガス供給管１４４
は、窒素純化装置１０１に接続されている。そして窒素
純化装置１０１によって精製された窒素ガスは、パージ
用窒素ガス供給管１０２から、開閉弁１４５、窒素ガス
流量計１０４、開閉弁１０６を経て、前述の水素ガス供
給管１４２の中途に接続されている。

【００５２】以上のような図４に示されるウェット酸化
用熱処理装置においては、水素−酸素発生装置１′で発
生した水素ガスおよび酸素ガスは、その全量が石英反応
管８１に送られ、水蒸気となる。したがって石英反応管
８１内では水蒸気１００％の雰囲気でのウェット酸化が
なされる。なお水素ガスの発生量は、水素ガス流量計１
４０において計量されて、そのガス流量が予め定めた流
量となるように制御装置１３によって直流電源１２が制
御される。

【００５３】図４に示されるようなウェット酸化用熱処
理装置を用いて本発明者等が実際に半導体ウエハをウェ
ット酸化させる実験を行なったところ、１０リットル／
分の水素発生量で５リットル／分の水蒸気を発生し、１
１００℃×１００分のウェット酸化処理によって、９０
００オングストロームの厚みの酸化膜を半導体ウエハに
形成することができた。

【００５４】なお以上の各実施例は、飽くまで一例に過
ぎず、この発明の本質を損なわない範囲内で種々の変形
が可能なことはもちろんである。またこの発明の熱処理
装置は、前述のような半導体ウエハのウェット酸化工程
および水素アニーリング工程に適しているが、その他、
水素を直接、間接に利用する熱処理装置には全て適用可
能である。なお図においては特に示さなかったが、この
発明の熱処理装置は、水電解装置２の部分を含め、半導
体製造用のクリーンルーム内に設置されることはもちろ
んである。

【００５５】

【発明の効果】前述の説明で明らかなように、この発明
の半導体ウエハ熱処理装置は、それ自体で水素を発生す
る水電解装置を備えているため、多量の水素を高圧で貯
蔵した水素ボンベやカードルをクリーンルームの外部に
設置してその水素ボンベやカードルから長い配管をもっ
て水素を導く必要がなく、そのため水素ガス漏洩の危険
が少なく、しかも水電解装置の電源を遮断すれば直ちに
水素ガスの発生が停止されるため、地震や火災発生時に
電源を遮断すれば水素ガス漏洩の危険を招くことなく、
安全に装置を停止させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の半導体ウエハ熱処理装置に用いられ
る水電解装置を含む水素−酸素発生装置の一例を示すブ
ロック図である。

【図２】この発明をウェット酸化用熱処理装置に適用し
た実施例を示すブロック図である。

【図３】この発明を水素アニーリング用熱処理装置に適
用した実施例を示すブロック図である。

【図４】この発明をウェット酸化用熱処理装置に適用し
た他の実施例を示すブロック図である。

【符号の説明】

１，１′ 水素−酸素発生装置 １Ａ 水素ガス供給口 １Ｂ 酸素ガス供給口 ２ 水電解装置 １２ 直流電源 １３ 制御装置 ８０ 電気炉 ８１ 石英反応管 ８２ 半導体ウエハ ９１Ａ 水素ガス供給口 ９１Ｂ 酸素ガス供給口 １３０ 混合ガス供給口

フロントページの続き (72)発明者 佐々木 隆 兵庫県三木市志染町東自由が丘３丁目 310 (72)発明者 人見 周二 京都府京都市南区吉祥院西ノ庄猪之馬場 町１ 日本電池株式会社内 審査官 加藤 浩一 (56)参考文献 特開 昭54−75276（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−371226（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−102187（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−41931（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/31 H01L 21/316

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体装置製造工程中において水素ガス
   を直接もしくは間接的に用いて半導体ウェハを熱処理す
   るための装置において、固体電解質によって陽極側電解槽と陰極側電解槽とに仕
   切られた構造を備え て純 水を電気分解して水素ガスと酸
   素ガスを発生させる水電解装置を有し、その水電解装置
   により得られた水素ガスもしくは水素ガスおよび酸素ガ
   スを用いて前記半導体ウェハを熱処理するように構成し
   たことを特徴とする半導体ウェハ熱処理装置。
2. 【請求項２】 半導体装置製造工程中において水蒸気を
   含む酸化性雰囲気中で半導体ウェハを熱処理するための
   装置において、固体電解質によって陽極側電解槽と陰極側電解槽とに仕
   切られた構造を備え て純 水を電気分解して水素ガスと酸
   素ガスを発生させる水電解装置を有し、その水電解装置
   により得られた水素ガスを酸素ガスと合成することによ
   り得られた水蒸気を含む酸化性雰囲気で半導体ウェハを
   熱処理するように構成したことを特徴とする半導体ウェ
   ハ熱処理装置。
3. 【請求項３】 半導体装置製造工程中において水素ガス
   を含む雰囲気中で半導体ウェハを熱処理するための熱処
   理装置において、固体電解質によって陽極側電解槽と陰極側電解槽とに仕
   切られた構造を備え て純 水を電気分解して水素ガスと酸
   素ガスを発生させる水電解装置を有し、その水電解装置
   により得られた水素ガスを含む雰囲気中で半導体ウェハ
   を熱処理するように構成したことを特徴とする半導体ウ
   ェハ熱処理装置。