JP3308702B2

JP3308702B2 - 熱処理方法

Info

Publication number: JP3308702B2
Application number: JP06658094A
Authority: JP
Inventors: 尚孝野呂; 孝規斎藤
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1994-03-09
Filing date: 1994-03-09
Publication date: 2002-07-29
Anticipated expiration: 2017-07-29
Also published as: JPH07249621A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの製造プロセスの中に、
高温下においてシリコンの表面部を酸化しこれにより絶
縁膜（酸化膜）を得る酸化処理がある。この種の酸化を
行う熱処理装置としては、空気の巻き込みが少ないこと
から縦型炉が多く使用されるようになってきている。縦
型熱処理装置を用いて行う酸化処理の従来例について図
１１を参照しながら述べると、多数枚の半導体ウエハ
（以下「ウエハ」という）Ｗをウエハボート１１に上下
に並べて保持させると共に、反応管１２内をＮ₂（窒
素）ガス雰囲気にしかつヒータ１３により例えば７００
℃に加熱しておき、ウエハＷをローディング（ウエハを
反応管内に搬入すること）する。そしてキャップ１４に
より反応管１２の下端開口部が密閉された後、反応管１
２内を処理温度例えば９００℃まで昇温し、反応管１２
内にＯ₂（酸素）ガスを供給してウエハＷの表面に酸化
膜を形成する。なお反応管１２内をＮ₂ガス雰囲気とし
ておくのは、昇温中のウエハ面内温度差による酸化膜厚
のばらつきを抑えるためである。

【０００３】ここでＯ₂ガスを供給する前に反応管内を
Ｎ₂ガス雰囲気としておくのは、処理温度よりも低い温
度でＯ₂あるいはＨ₂Ｏに触れると、膜質の悪いつまり
耐圧の低い酸化膜が形成されてしまうので、反応管１２
内への大気の巻き込み、侵入を抑えるためである。同様
の理由で熱処理後もＮ₂ガスを反応管１２内に供給して
Ｏ₂ガスと置換し、７００℃まで降温した後ウエハＷを
アンローディング（ウエハを反応管から搬出すること）
している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで最近ではデバ
イスのパターンの微細化、薄膜化が増々進みつつあるこ
とから、酸化処理により例えばＣＭＯＳの容量絶縁膜を
得る場合には酸化膜は容量を大きくとるためにも非常に
薄くしなければならない。このためウエハ面内、ウエハ
面間において、Ｏ₂ガスの濃度や処理温度などのプロセ
ス条件の差異が膜厚についての面内均一性や面間均一性
（ウエハ間の均一性）を大きく左右することとなる。こ
こで反応管内のガス雰囲気をＮ₂ガス→Ｏ₂ガス→Ｎ₂
ガスのように切り替えたときに反応管の上部と下部とで
ガスの置換の状況が異なっていた。このためガスの切り
替え時における反応管内のＯ₂ガスの濃度変化パターン
が上部と下部との間で異なってしまい（この差異につい
ては実施例の項目において比較データとして記載す
る）、更にウエハ面内においてもガス置換特性が悪く、
この結果ウエハ面間、面内について処理履歴に差異が生
じ、これが酸化膜の膜厚の差となって現われ、膜厚につ
いての面間均一性及び面内均一性が低く、歩留まりの低
下の一因になっていた。

【０００５】本発明は、このような事情のもとになされ
たものであり、その目的は、縦型の熱処理装置を用いて
熱処理を行うにあたり、被処理体の面内、面間で均一な
熱処理を行うことのできる熱処理方法を提供することに
ある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、上部
または下部の一方にガス供給口が、他方に排気口が夫々
位置する反応管を用い、複数の被処理体が上下に並べて
保持された保持具を前記反応管内に搬入し、加熱雰囲気
下で反応管内に処理ガスを供給して被処理体を熱処理す
る方法において、前記処理ガスを反応管内に供給する前
に、反応管内を処理ガスよりも比重の大きい第１の不活
性ガスの雰囲気としておき、熱処理後は反応管内に処理
ガスよりも比重の小さい第２の不活性ガスを供給して処
理ガスと置換することを特徴とする。

【０００７】請求項２の発明は、上部または下部の一方
にガス供給口が、他方に排気口が夫々位置する反応管を
用い、複数の被処理体が上下に並べて保持された保持具
を前記反応管内に搬入し、加熱雰囲気下で反応管内に処
理ガスを供給して被処理体を熱処理する方法において、
前記処理ガスを反応管内に供給する前に、反応管内を処
理ガスよりも比重の小さい第１の不活性ガスの雰囲気と
しておき、熱処理後は反応管内に処理ガスよりも比重の
大きい第２の不活性ガスを供給して処理ガスと置換する
ことを特徴とする。

【０００８】請求項３の発明は、請求項１または２の発
明において、処理ガスは酸化ガスであり、この酸化ガス
により被処理体の表面に酸化膜を形成することを特徴と
する。

【０００９】

【作用】上述の関係で第１の不活性ガス、処理ガス、第
２の不活性ガスをこの順序で反応管内に供給すると、第
１の不活性ガスから処理ガスへの切り替わり時において
反応管の上部と下部との間で処理ガスの濃度変化パター
ンが異なる。この差異を差異１とする。次に処理ガスか
ら第２の不活性ガスへの切り替わり時において、反応管
の上部と下部との間でやはり処理ガスの濃度変化パター
ンが異なるが、この差異を差異２とすると、差異１と差
異２とは互に逆の関係に近いものになり、互に相殺し合
ってトータルでみれば上部と下部との間における前記濃
度変化パターンは揃ったものになる。

【００１０】

【実施例】以下に本発明方法を酸化処理に適用した実施
例について述べると、図１はこの実施例に用いられる縦
型熱処理装置であって、被処理体であるウエハが反応管
内に搬入された状態を示している。２は石英よりなる反
応管であり、この反応管２の頂部には、ガス供給口であ
る多数のガス流入孔３が形成されている。前記反応管２
の外側には間隙を介して均熱管２１が配設されており、
ガス流入孔３の直ぐ上方側にガスを供給するようにガス
供給管４１が反応管２と均熱管２１との間において下方
側から突入して設けられている。前記反応管２の下部に
て排気口が開口するように排気管４２が接続されてお
り、所定の圧力で排気が行われるように構成されてい
る。また反応管２内を加熱するために前記均熱管２１の
周囲に、アルミナなどの断熱層５１の内面に電熱線５２
を巻装してなるヒータ５が設けられている。

【００１１】反応管２内にローディングされている保持
具をなすウエハボート６は、例えばウエハの周縁が挿入
されて支持される溝を備えた４本の石英製の支柱を有
し、反応管２の下端部を気密に塞ぐためのキャップ６１
の上に保温筒６２を介して載置されている。前記ウエハ
ボート６には多数枚例えば１２６〜１７０枚のウエハＷ
が各々水平に上下に並べて保持されている。前記キャッ
プ６１はボートエレベータ６３の上に設けられ、このボ
ートエレベータ６３によりウエハボート６がロード、ア
ンロードされるようになっている。

【００１２】次に上述の縦型熱処理装置を用いた本発明
方法の実施例について述べる。先ずウエハボート６を反
応管２の下方側に位置させておいて被処理体例えば１０
０枚のウエハＷをウエハボート６に載置すると共に、反
応管２内を例えば７００℃の加熱雰囲気としかつガス供
給管４１からガス流入孔３を介してＡｒ（アルゴン）ガ
スまたはＮ₂ガスを反応管２内に供給して反応管２内へ
の大気の侵入を抑え、ウエハボート６を反応管２内にロ
ーディングする。その後反応管２内を９００℃まで昇温
するが、この間及び９００℃になった後しばらくの間図
２（ａ）に示すように後述のＯ₂ガスよりも比重の大き
い第１の不活性ガス例えばＡｒガスを供給して例えば常
圧のＡｒガス雰囲気としておく。なおウエハのロード時
は、大気より軽いＮ₂ガスを用いた方が、Ｏ₂の侵入は
少ないので好ましい。

【００１３】続いてガス供給管４１からガス流入孔３を
介して図２（ｂ）に示すように処理ガス例えばＯ₂ガス
を１０ＳＬＭの流量で反応管２内に供給し、所定の圧力
例えば７６０Ｔｏｒｒに維持して例えば２０分間ウエハ
Ｗに対して酸化処理を行う。この酸化処理では、ウエハ
Ｗ表面の例えば単結晶シリコン層が酸化されてシリコン
酸化膜に変わる。酸化処理が終了した後ガス供給管４１
よりガス流入孔３を介して図２（ｃ）に示すようにＯ₂
ガスよりも比重の小さい第２の不活性ガス例えばＮ₂ガ
スを１０ＳＬＭの流量で反応管２内に供給して、Ｏ₂ガ
ス雰囲気からＮ₂ガス雰囲気に切り替えると共に、しば
らく熱処理温度に維持し、その後反応管２内を例えば７
００℃まで降温し、続いてウエハボート６を反応管の下
方側に搬出する。

【００１４】ここで上述実施例のようにはじめに反応管
２内をＡｒガスでパージしておき、次いでＯ₂ガスを供
給して酸化処理を行い、その後Ｎ₂ガスによりＯ₂ガス
を置換したときの、反応管２内の上部（下から１２６枚
目のウエハの位置）と下部（下から１枚目のウエハの位
置）とのＯ₂濃度変化の一例を、夫々図３及び図４に示
す。これらの図は、横軸に時間、縦軸にＯ₂ガス濃度を
夫々とり、Ａｒガス雰囲気の反応管２内にＯ₂ガスを供
給し始めたときからＯ₂濃度がどのように上昇し、また
Ｏ₂ガス雰囲気の反応管２内にＮ₂ガスを供給し始めた
ときからＯ₂濃度がどのように減少するかを示すグラフ
である。

【００１５】先ずＡｒガス→Ｏ₂ガスの切り替わり時に
は、反応管２の上部では図３に示すようにＯ₂ガスを供
給した時点から時間ｔＰ１だけ遅れてＯ₂濃度が急激に
上昇するが、反応管２の下部では図４に示すように時間
ｔＢ１だけ遅れて上昇する。即ちＡｒ、Ｏ₂の分子量は
夫々４０、３２であり、ＡｒガスはＯ₂ガスよりも比重
が大きいため、Ｏ₂ガスが上から下にスムーズに降り、
この結果Ｏ₂濃度の上昇パターンは上部も下部も滑らか
であり、ただし高さ位置の差異によってＯ₂濃度の立ち
上りのタイミングがずれている。従ってこの切り替わり
の部分について見れば、上部のウエハは下部のウエハよ
りも（ｔＢ１−ｔＰ１）だけ早い時期にＯ₂ガスと接触
し始めることになり、酸化膜が先に形成されることとな
る。

【００１６】一方Ｏ₂ガス→Ｎ₂ガスの切り替わり時に
は、反応管２の上部では図３に示すようにＮ₂ガスを供
給した時点から時間ｔＰ２だけ遅れてＯ₂濃度が急激に
低下するが、反応管２の下部では図４に示すように時間
ｔＢ２だけ遅れて低下する。即ちＮ₂の分子量は２８で
あり、Ｏ₂ガスはＮ₂ガスよりも比重が大きいため、Ｎ
₂ガスが上から下にスムーズに降り、この結果Ｏ₂濃度
の減少パターンは上部も下部も滑らかであり、ただし高
さ位置の差異によってＯ₂濃度の立ち下がりのタイミン
グがずれている。従ってこの切り替わりの部分について
見れば、下部のウエハは上部のウエハよりも（ｔＢ２−
ｔＰ２）だけ遅い時期までＯ₂ガスと接触し続けること
になり、酸化膜が遅くまで形成されていることとなる。

【００１７】そしてＡｒガス→Ｏ₂ガス→Ｎ₂ガスの切
り替わりのトータルについて見れば、Ｏ₂濃度の立上り
の時間差（ｔＢ１−ｔＰ１）と、立下がりの時間差（ｔ
Ｂ２−ｔＰ２）とは、かなり近い値であるから、これら
のタイミングのずれは互に相殺され、しかも上部と下部
とではＯ₂濃度の上昇パターン、減少パターンが共に似
かよっているため、両位置におけるＯ₂濃度の時間的積
分値は揃うことになり、この結果酸化膜の膜厚のばらつ
きが小さくなり、後述の実験例からもわかるように膜厚
の面間均一性及び面内均一性が良くなる。

【００１８】ここで従来のように酸化処理の前後におい
ていずれもＮ₂ガスを反応管内に供給する場合、つまり
Ｎ₂ガス→Ｏ₂ガス→Ｎ₂ガスのように切り替えた場合
について、上部のＯ₂濃度変化を図５に、また下部のＯ
₂濃度変化を図６に夫々示す。この場合Ｎ₂ガス→Ｏ₂
ガスの切り替わり時には、比重の小さなＮ₂ガスの雰囲
気中に比重の大きなＯ₂ガスが上から供給されるため、
Ｏ₂ガスがＮ₂ガスの下側に沈み込んでいくと共に上部
にはＮ₂ガスが残留しようとし、これらの兼ね合いで上
部、下部共にＯ₂ガスを供給した時点から夫々時間ｔＰ
３、ｔＢ３（ｔＢ３はｔＰ３と略同じである）だけ遅れ
てＯ₂濃度が振れながら上昇していく。そしてＯ₂ガス
→Ｎ₂ガスの切り替わり時にはＯ₂濃度は既述したよう
に減少し、上部、下部では、夫々Ｎ₂ガスを供給した時
点からＯ₂ガス濃度が時間ｔＰ４，ｔＢ４だけ遅れて低
下していくので、Ｎ₂ガス→Ｏ₂ガス→Ｎ₂ガスの全体
の切り替わりについてみれば、上部、下部において、略
Ｏ₂濃度の減少パターンの差だけつまり概ねＯ₂濃度の
立下がりの時間差に相当する分Ｏ₂濃度の時間的積分値
が異なり、膜厚の面間均一性が悪くなり、また面内均一
性も悪くなる。

【００１９】以上において本発明は、上述実施例の場合
とは逆の順序、つまり処理ガス例えばＯ₂ガスよりも比
重の小さい第１の不活性ガス例えばＮ₂ガスにより反応
管内をパージしておき、Ｏ₂ガスによる酸化処理を終了
した後は、Ｏ₂ガスよりも比重の大きい第２の不活性ガ
ス例えばＡｒガスによりＯ₂ガスを置換するようにして
も同様の効果が得られる。

【００２０】図７及び図８は、夫々Ｎ₂ガス→Ｏ₂ガス
の切り替わり時における反応管の上部と下部とのＯ₂濃
度の上昇の様子を示しており、図９及び図１０は、夫々
Ｏ₂ガス→Ａｒガスの切り替わり時における反応管の上
部と下部とのＯ₂濃度の減少の様子を示している。なお
図示の便宜上図７及び図９は、Ｎ₂ガス→Ｏ₂ガス→Ａ
ｒガスと切り替えたときの一連の上部のデータを２つに
分けたものであり、また図８及び図１０は、一連の下部
のデータを２つに分けたものである。

【００２１】図７及び図９からわかるように、また図
５、図６において既述しているようにＮ₂ガス→Ｏ₂ガ
スの切り替わり時には、Ｏ₂濃度が振れながら上昇して
いく。そして図８及び図１０からわかるようにＯ₂ガス
→Ａｒガスの切り替わり時には、Ｏ₂ガスの雰囲気中に
これよりも比重の大きなＡｒガスが上から供給されるた
め、Ｎ₂ガス→Ｏ₂ガスの切り替わり時とはいわば裏の
関係でＯ₂濃度が振れながら、かつ下部側の立ち下がり
が上部側に比べて若干遅れて減少していく。このためＮ
₂ガス→Ｏ₂ガス→Ａｒガスの一連の切り替わりについ
てみれば上部、下部におけるＯ₂濃度の時間的積分値が
揃うこととなり、膜厚の面間均一性及び面内均一性が良
くなる。

【００２２】更にまた本発明は、反応管の下部及び上部
に夫々ガス供給口及び排気口が形成された場合において
も適用することができ、この場合には、比重の小さいガ
スから順に、例えばＮ₂ガス→Ｏ₂ガス→Ａｒガスの順
序で供給することにより、あるいは比重の大きいガスか
ら順に例えばＡｒガス→Ｏ₂ガス→Ｎ2 ガスの順序で供
給することにより、既述の実施例と同様の理由により
（ただしこの場合は上部側のＯ₂濃度の立上り、立下が
りが遅れることとなる）Ｏ₂濃度の時間的積分値が上
部、下部において揃うこととなり、膜厚の面間均一性が
高くなる。

【００２３】ここで上述実施例のようにしてガスを置換
した場合と従来のようにしてガスを置換した場合とにつ
いて、温度９００℃、Ｏ₂ガス流量２０ＳＬＭのプロセ
ス条件で２０分間酸化処理を行い、得られた酸化膜に対
してウエハボート上に配置されたウエハ間の膜厚の均一
性（面間均一性）及びウエハ毎の膜厚の均一性（面内均
一性）を調べたところ夫々図１１及び図１２に示す結果
が得られた。図１１、図１２において横軸はウエハボー
トの最上段から数えた位置であり、図１１の縦軸はウエ
ハ面の中央部の膜厚であり、（１）、（２）、（３）は
夫々Ａｒガス→Ｏ₂ガス→Ｎ₂ガス置換、Ｎ₂ガス→Ｏ
₂ガス→Ａｒガス置換、及びＮ₂ガス→Ｏ₂ガス→Ｎ₂
ガス置換におけるデータである。

【００２４】図１１において（１）〜（３）における面
間均一性は、夫々±０．３６％、±１．０５％、±２．
２３％である。従って本発明方法によれば、従来のガス
の置換方法（Ｎ₂→Ｏ₂→Ｎ₂）に比べて膜厚の面間均
一性が向上し、また図１２から面内均一性も向上するこ
とがわかる。なお面内均一性が向上する理由について
は、ガスの置換特性が向上することからウエハ面内の各
ポイントにおける処理履歴の差が減少するためと考えら
れる。

【００２５】また処理ガスとしてはＯ₂ガスに限らず例
えばＨ₂Ｏであってもよいし、また熱処理については、
酸化処理に限られず例えば不純物拡散処理などであって
もよい。更に処理ガスよりも比重の大きい不活性ガスと
しては、Ａｒガスに限られず例えばＫｒガスなどであっ
てもよいし、処理ガスよりも比重の小さい不活性ガスに
ついてもＮ₂ガスに限られるものではなく、例えばＨｅ
ガスなどであってもよい。なお本発明に用いられる装置
としては、反応管の頂部にガス供給口が形成されていな
くとも例えば反応管内にガス供給管を下から突入して上
部からガスを供給するものであってもよい。

【００２６】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、複数の被
処理体を反応管内で一括して熱処理を行うにあたって、
各被処理体間の熱処理の均一性（面間均一性及び面内均
一性）が良くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法を実施する熱処理装置の一例を示す
断面図である。

【図２】本発明方法の一実施例におけるガスの供給順序
を示す説明図である。

【図３】本発明の実施例（Ａｒ→Ｏ₂→Ｎ₂置換）にお
ける反応管上部のＯ₂濃度変化を示す特性図である。

【図４】本発明の実施例（Ａｒ→Ｏ₂→Ｎ₂置換）にお
ける反応管下部のＯ₂濃度変化を示す特性図である。

【図５】比較例（Ｎ₂→Ｏ₂→Ｎ₂置換）における反応
管上部のＯ₂濃度変化を示す特性図である。

【図６】比較例（Ｎ₂→Ｏ₂→Ｎ₂置換）における反応
管下部のＯ₂濃度変化を示す特性図である。

【図７】本発明の他の実施例（Ｎ₂→Ｏ₂→Ａｒ置換）
における反応管上部のＯ₂ガス導入時のＯ₂濃度変化を
示す特性図である。

【図８】本発明の他の実施例（Ｎ₂→Ｏ₂→Ａｒ置換）
における反応管下部のＯ₂ガス導入時のＯ₂濃度変化を
示す特性図である。

【図９】本発明の他の実施例（Ｎ₂→Ｏ₂→Ａｒ置換）
における反応管上部のＡｒガス導入時のＯ₂濃度変化を
示す特性図である。

【図１０】本発明の他の実施例（Ｎ₂→Ｏ₂→Ａｒ置
換）における反応管下部のＡｒガス導入時のＯ₂濃度変
化を示す特性図である。

【図１１】本発明の実施例と比較例とにおける膜厚の面
間均一性を示す特性図である。

【図１２】本発明の実施例と比較例とにおける膜厚の面
内均一性を示す特性図である。

【図１３】従来の熱処理方法を説明するための縦型熱処
理装置を示す略解図である。

【符号の説明】

２反応管３ガス流入孔４１ガス供給管４２排気管５ヒータ６ウエハボートＷ半導体ウエハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭62−35518（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−102520（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/312 H01L 21/314 H01L 21/316 H01L 21/318 H01L 21/31

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】上部または下部の一方にガス供給口が、
他方に排気口が夫々位置する反応管を用い、複数の被処
理体が上下に並べて保持された保持具を前記反応管内に
搬入し、加熱雰囲気下で反応管内に処理ガスを供給して
被処理体を熱処理する方法において、前記処理ガスを反応管内に供給する前に、反応管内を処
理ガスよりも比重の大きい第１の不活性ガスの雰囲気と
しておき、熱処理後は反応管内に処理ガスよりも比重の
小さい第２の不活性ガスを供給して処理ガスと置換する
ことを特徴とする熱処理方法。
【請求項２】上部または下部の一方にガス供給口が、
他方に排気口が夫々位置する反応管を用い、複数の被処
理体が上下に並べて保持された保持具を前記反応管内に
搬入し、加熱雰囲気下で反応管内に処理ガスを供給して
被処理体を熱処理する方法において、前記処理ガスを反応管内に供給する前に、反応管内を処
理ガスよりも比重の小さい第１の不活性ガスの雰囲気と
しておき、熱処理後は反応管内に処理ガスよりも比重の
大きい第２の不活性ガスを供給して処理ガスと置換する
ことを特徴とする熱処理方法。
【請求項３】処理ガスは酸化ガスであり、この酸化ガ
スにより被処理体の表面に酸化膜を形成することを特徴
とする請求項１または２記載の熱処理方法。