JP3388627B2 - 熱処理装置及び熱処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱処理装置及び熱処理
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの超微細化、高集積化に
伴い、デバイスの各層の薄膜化が進む一方、半導体ウエ
ハ（以下「ウエハ」という）についても６インチサイズ
から８インチ、１２インチサイズへと大口径化が進めら
れており、このため大面積の極薄膜技術の開発が重要な
課題となっている。また例えばキャパシタ絶縁膜の酸化
膜や、ゲート酸化膜の形成あるいは不純物イオンの拡散
処理では、膜質、膜厚や拡散深さがサーマルバジュット
（熱履歴）の影響を大きく受けるため、熱履歴をできる
だけ小さく抑えて熱処理を行うことが必要である。

【０００３】ここで従来のバッチ式熱処理装置の一つで
ある縦型熱処理装置では、ヒータに囲まれた反応管内
に、多数のウエハを棚状に積層した保持具を搬入して熱
処理を行っているが、反応管の側方に配置されたヒータ
によりウエハを加熱しているため、ウエハを急速に加熱
しようとするとウエハの中央部と周縁部との間に大きな
温度勾配が生じてしまうし、また反応管の長さ方向位置
についても温度勾配が避けられないため、ウエハの熱処
理について面内均一性及び面間均一性（ウエハ間の均一
性）を高めることにも限界があり、次世代のデバイスを
製造するために、大面積で均一な極薄膜を形成すること
は極めて困難である。

【０００４】このようなことから、本発明者は、縦型熱
処理装置の熱処理炉を改良し、反応管内に例えば１枚の
ウエハを保持具に載せて設定位置に搬入した後、加熱源
の温度を変化させて、あるいはウエハの高さ位置を変化
させてウエハの温度を制御する方法を検討しており、こ
の方法によれば、ウエハの面内温度について高い均一性
が期待できる。

【０００５】ところでこのような方法を実施するために
は、加熱源の電力制御やウエハの移動パターンの設定作
業において、ウエハ表面の温度を極めて正確に測定する
ことが必要である。つまりウエハの温度を正確に把握で
きなければ電力制御パターンやウエハの移動パターンな
どの設定そのものの信頼性が低くなり、実際の熱処理時
にウエハの温度について高い面内均一性を得ることがで
きないからである。従来ウエハの表面温度を検出する方
法としては、図７に示すように例えば白金−白金ロジウ
ムなどの例えば線径０．１ｍｍの素線１１をアルミナな
どの被覆管１２で被覆してなる熱電対１を用い、被覆管
１２の先端より素線１１を例えば約２ｍｍ露出させ、素
線１１の先端（２本の素線１１ａ、１１ｂの結合端）を
ウエハＷの表面に接触させて表面温度を測定していた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら例えばウ
エハを、ある温度から急速に昇温または降温した場合例
えば反応管内にて加熱源に近い所定位置まで上昇させる
と、急速にウエハが設定温度まで昇温するが、この場合
ウエハの表面の複数個所に夫々熱電対を配置して各点の
温度を測定すると、温度が設定温度付近まで上昇直後に
各点の温度が不安定になり、また各点の間で温度のばら
つきがある。この温度のばらつきは、ウエハを急速に昇
温または降温したときにウエハの表面の実温度（熱電対
をウエハに装着していない場合の実際の表面温度）が不
安定であり、また面内不均一性が存在することも原因の
一つであるが、その他熱電対の温度検出値が実温度に対
して誤差を含んでいることが考えられる。このような誤
差はそれ程大きくはないと考えられるが熱処理時間が短
い場合には、熱処理の初期時の熱履歴の変動は処理結果
に大きな影響を及ぼす。例えば次世代のデバイスに用い
られる酸化膜は非常に薄いので数オングストロームの膜
厚の差が問題になり、例えば１０００℃付近の酸化処理
では１℃異なれば膜厚が１オングストローム異なるし、
また不純物の拡散処理により浅いＰＮ接合を得る場合に
も問題であり、ウエハの加熱方法自体の検討のみなら
ず、実温度に対する温度測定誤差を極力抑えなければな
らないという問題がある。

【０００７】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、ウエハの被処理面の温度を
高精度に測定することができ、これによりウエハに対し
て均一な熱処理を行うことのできる技術を提供すること
にある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、ウエハを実際
に熱処理するときの実温度と温度測定値との誤差が熱電
対の被覆管により影響を受けている点を思い出してなさ
れたものである。即ち本発明の熱処理装置は半導体ウエ
ハの熱処理装置であって、素線を被覆管により被覆した
熱電対により前記半導体ウエハの温度を検出する温度検
出装置を備え、前記被覆管の先端部より前記半導体ウエ
ハに接する素線の先端部までの、露出している素線の露
出長さが当該素線の線径の４０倍以上の長さに設定され
ていることを特徴とする。

【０００９】前記温度検出装置は、例えば半導体ウエハ
の表面温度を測定するように構成される。また半導体ウ
エハの表面側例えば上方側には、半導体ウエハを輻射熱
により加熱するための加熱手段が更に設けられ、前記被
覆管が前記素線の先端部に対して影にならないようにす
るために、当該被覆管を当該先端部の真上に位置しない
ように構成される。前記温度検出装置は、例えば前記半
導体ウエハの周縁部、周縁部と中央部との間の領域、及
び半導体ウエハの中央部の３ケ所の温度を測定可能に構
成される。

【００１０】本発明の熱処理方法は、素線を被覆管によ
り被覆した熱電対であって、前記被覆管の先端部より半
導体ウエハに接する素線の先端部までの、露出している
素線の露出長さが当該素線の線径の４０倍以上の長さに
設定されている熱電対を用いて、熱処理装置内に配置さ
れた半導体ウエハを２０℃／分以上で昇温または降温さ
せながら当該半導体ウエハの温度測定を行う工程と、こ
の工程で得た測定結果に基づいて熱処理装置を制御して
半導体ウエハに対して熱処理を行う工程と、を備えたこ
とを特徴とする。この場合、例えば一端側に加熱領域が
形成された反応管を用い、前記半導体ウエハを前記反応
管の他端側から前記加熱領域に移動させる際、熱電対が
半導体ウエハの所定位置に設定された状態で温度測定が
行われる。

【００１１】

【作用】ウエハの表面に熱電対の素線の先端（素線の結
合端）を接触させたとき、または溶着したとき素線の被
覆管は熱容量が大きいのでこの被覆管に熱が逃げ、また
例えばウエハの上方に加熱源が位置する場合、上方から
の輻射熱が被覆管に吸熱されると推察される。従ってウ
エハの温度を急速に変化させたときに、温度測定値の実
温度に対する追従性が悪くなるが、被覆管から露出する
素線の露出長さを大きくすることによって被覆管の温度
測定への影響が緩和され、前記露出長さを素線の線径の
４０倍以上の長さに設定しておくことにより、温度測定
値が実温度に実質的に等しくなり、均一な熱処理を行う
ことができる。

【００１２】

【実施例】図１は本発明の実施例の全体構成を示す図で
ある。図１中２は石英からなる有底筒状の反応管であ
り、この反応管２は開口端が下方側になるように筒状の
断熱体２１の中に配置されている。反応管２の上方側に
は加熱手段２２例えば抵抗発熱体が設けられており、こ
の抵抗発熱体としては、例えばニケイ化モリブデン（Ｍ
ｏＳｉ2 ）、鉄とクロムとアルミニウムとの合金線であ
るカンタル（商品名）線などを用いることができる。

【００１３】前記反応管２と加熱手段２２との間には例
えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなる熱制御板２３が後述
のウエハＷと対向するように配置されている。この熱制
御板２３は前記加熱手段２２から入射した輻射熱をウエ
ハＷの被処理面に対して垂直に入射させるためのもので
あり、ウエハＷを全面に亘って均一に加熱するためには
外径がウエハＷの２倍以上であることが好ましい。

【００１４】前記断熱体２１の下端部には、水などの冷
媒が通る冷媒流路をなす冷却手段３０が取り付けられて
いる。更に反応管２の下方側には、金属性のマニホール
ド３２が設けられており、このマニホールド３２にはガ
ス供給管３１及び図示しない排気管が接続されている。
ガス供給管３１の内端側は反応管２内にて上方に伸長し
て、供給口がウエハＷの斜め上方に位置している。また
マニホールド３２には、図示していないがシャッタによ
り開閉されるウエハ搬出入口が形成されている。マニホ
ールド３２の下端側には被処理空間を気密にシールする
蓋体３３か設けられている。

【００１５】前記反応管２内にはウエハ保持具４が昇降
軸５１の頂部に設けられている。このウエハ保持具４
は、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）からなり、ウエハＷを
保持する保持突起が周縁部に例えば３〜４個形成されて
いる。前記昇降軸５１は前記蓋体３３を例えば磁気シー
ル部３４を介して気密にかつ回転、昇降自在に貫通して
おり、昇降軸５１の下端は、昇降アーム５２に設けられ
た回転機構５３に連結されている。前記昇降アーム５２
は、モータ５５により駆動されるボールネジ５４に螺合
しており、ボールネジ５４の回動により図示しないガイ
ド棒にガイドされつつ昇降できるように構成されてい
る。

【００１６】そして前記ウエハＷ上には、ウエハＷの表
面温度を測定するための熱電対６が設けられており、こ
の実施例では、図２及び図３に詳細に示すようにウエハ
の周縁部、周縁部と中央部との間の領域、及びウエハの
中央部の３ヶ所の温度を夫々測定するように３つの熱電
対６Ａ〜６Ｃが用いられている。前記熱電対６（６Ａ〜
６Ｃ）は、各々の先端を接続して熱接点６０を形成した
例えば白金−白金ロジウムよりなる２種の金属の素線６
１（６１ａ、６１ｂ）と、この素線６１（６１ａ、６１
ｂ）を被覆する例えばアルミナよりなる被覆管６２とを
有してなる。

【００１７】前記素線６１において被覆管６２から露出
している露出長さは、素線６１の線径の４０倍以上の長
さに設定される。素線６１の線径は、例えば０．１ｍｍ
とされ、この場合素線６１の露出長さは、４ｍｍ以上と
される。この実施例では、被覆管６２の先端から素線６
１が水平に伸び更にＬ字状に屈曲しており、図３に示す
ように露出している水平部分の長さＨ及び垂直部分の長
さＰは夫々２ｍｍ及び２ｍｍに設定されている。ただし
素線６１の露出部分は図４に示すように直線状に伸びて
いて、ウエハＷの表面に対して所定の角度で斜めから接
触していてもよい。この場合素線６１の露出長さＬは上
述の条件を満たしていることが必要である。

【００１８】各熱電対６は例えばマニホールド３２より
外部に気密に引き出されて制御部７に導かれている。こ
の制御部７は、熱電対６の温度検出信号を処理して図示
しないディスプレイにウエハＷの各点の温度を表示した
り、加熱手段２２の電力制御やモータ５５の駆動制御を
行う機能を有する。例えばオペレータは、ウエハＷを保
持具５に載せて所定の加熱領域まで移動させたときに熱
電対６から得られるウエハＷの温度プロファイルに基づ
いて最適な温度プロファイルが得られるように加熱手段
２２の電力制御パターンやウエハＷの昇降パターン（モ
ータ５５の制御パターン）を設定し、その設定されたパ
ターンに基づいて熱処理装置が運転されることになる。

【００１９】次に上述実施例の作用について述べる。先
ずウエハ保持具４をマニホールド３２の位置まで下降さ
せておき、図示しない搬出入口よりウエハＷをウエハ保
持具４の上に載せ、熱電対６（６Ａ〜６Ｃ）を夫々既述
のようにウエハＷの所定位置に設定する。一方、加熱手
段２２より熱制御板２３を介して反応管２内に放射され
た輻射熱により、ウエハの面内にて完全に均一な温度に
加熱されている加熱領域が反応管２内に形成されてい
る。そして前記搬出入口を閉じた後昇降軸５１を上昇さ
せると共に、ガス供給管３１よりダミーとしてのガス例
えばＮ2 ガスを実際のプロセスと同様の流量で反応管２
内に供給する。そしてウエハＷのある移動パターンにお
いては、ウエハＷの表面温度は例えば５０℃／分で上昇
した後一定値に落ち着くが、この場合各熱電対６Ａ〜６
Ｃの温度測定値は図５に示すように揃っており、プロセ
ス時の実際の温度を精度良く再現している。

【００２０】この効果は素線６１の露出長さを変えて測
定することによって裏付けられる。即ち素線６１の線径
が０．１ｍｍの場合、前記露出長さを２ｍｍ、３ｍｍ、
４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍの５通りに設定して、各熱電対
を共通のウエハの表面に付け、昇温速度を５０℃／秒も
の高速にして温度測定値を調べたところ、各熱電対の温
度測定値のばらつきは、４ｍｍの露出長さの熱電対の温
度測定値を基準にすると、昇温状態では２ｍｍ及び３ｍ
ｍの露出長さのものでは−３０℃〜−５０℃であり、５
ｍｍ及び６ｍｍの露出長さのものでは数℃程度であっ
た。また昇温状態から安定状態に移行する領域において
は、２ｍｍ及び３ｍｍの露出長さのものでは−１０℃〜
−２０℃であり、５ｍｍ及び６ｍｍの露出長さのもので
は１〜２℃であった。なお図６（ａ）、（ｂ）は夫々４
ｍｍ及び２ｍｍの露出長さの熱電対の温度測定値を示す
グラフである。

【００２１】従って、熱電対の露出長さが２ｍｍ、ある
いは３ｍｍの場合には温度測定値が実温度よりも低く、
特に目標温度に安定する前は誤差が大きいため、ウエハ
の面内温度を測定した場合には、各測定値の誤差が大き
く、これに対し、露出長さが４ｍｍ以上であれば実温度
に近いため、ウエハの面内の各測定値のばらつきが小さ
くなることがわかる。

【００２２】このようにウエハＷの温度を急速に昇温し
たときに、素線６１の露出長さによって温度測定値が左
右される理由については、ウエハＷに与えられる輻射熱
が急速に大きくなると、熱容量の大きな被覆管６２の温
度上昇がウエハＷの表面の温度上昇に比べて遅れるた
め、素線６１の露出長さが小さい場合にはその熱の一部
がウエハＷから素線６１を伝って熱容量の大きな被覆管
６２に逃げ、このためウエハＷの表面温度が一時的に不
安定になる。これに対し素線６１の露出長さが大きい場
合には即ち露出長さが素線の線径の４０倍以上であれば
素線６１から被覆管６２に逃げる熱が小さくなるため、
素線６２が接している部分の温度が安定し、従ってウエ
ハＷの面方向の温度分布が実質的に完全に均一である加
熱領域では、各熱電対６Ａ〜６Ｃの温度測定値が揃うこ
ととなり、実温度に対する温度測定値の誤差が例えば１
／３〜１／１０程度に小さくなる。なお上述実施例で
は、熱制御板２３からウエハＷの表面に対して垂直に輻
射熱が放射されるため、被覆管６２が熱接点に対して影
にならないように、被覆管６２を熱接点の真上に位置さ
せないようにすることが好ましい。

【００２３】また以上述べた現象は、ウエハを急速に降
温する場合にも同様に起こり、本発明者の実験によれ
ば、ウエハの昇温あるいは降温速度が２０℃／分以上の
ときに、前記露出長さの影響が現われてくる。

【００２４】以上において本発明はバッチ式の縦型熱処
理装置に対しても適用できる。図６はその一例を示す図
であり、反応管８１は、断熱体８２に囲まれており、こ
の断熱体８２の内側には、例えば高さ方向に３つに分割
された抵抗発熱体よりなる加熱手段８３ａ〜８３ｃが設
けられている。８４はウエハ保持具をなすウエハボート
であり、多数枚のウエハＷが棚状に積層されて、ボート
エレベータ８５によりロード、アンロードされる。８６
は蓋体、８７はガス供給管、８８は排気管、８９は制御
部である。そして互に異なる高さのいくつかのウエハＷ
に対して夫々表面の温度を測定するために、上述実施例
と同様な構成の熱電対６が設けられている。

【００２５】このようにして各ウエハＷの温度を測定す
れば、ウエハＷの面間の温度分布（各ウエハ間の温度分
布）を正確に把握でき、また更に各ウエハ毎に、互に異
なる複数の面内位置の温度測定を行えば、ウエハＷの面
内温度分布について正確に把握できる。従ってこの測定
結果にもとづいて例えば各加熱手段８３ａ〜８３ｃの電
力制御の設定やウエハボートの改良を行うことにより、
良好な熱処理を行うことができるようになる。

【００２６】本発明は、次世代のデバイスのキャパシタ
酸化膜やゲート酸化膜などの極薄酸化膜を得るための酸
化処理、あるいは浅いＰＮ接合を得るための拡散処理を
行う場合に大きな効果が得られるが、その他ＣＶＤ、ア
ッシングなど種々の熱処理を行う装置に対しても適用す
ることができる。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、ウエハの温度を測定す
るにあたってウエハを急速に昇温あるいは降温した場合
にも、実温度に非常に近い温度測定値を得ることがで
き、この結果ウエハに対して均一な熱処理を行うことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す全体構成図である。

【図２】本発明の実施例の要部を示す側面図である。

【図３】本発明の実施例の要部を示す斜視図である。

【図４】本発明の実施例に係る熱電対を示す説明図であ
る。

【図５】本発明の実施例により得られた温度測定値を示
す特性図である。

【図６】実施例と比較例とについて夫々温度測定値を示
す特性図である。

【図７】本発明の他の実施例を示す全体構成図である。

【図８】従来の温度測定装置の一部を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

２ 反応管 ２２ 加熱手段 ２３ 熱制御板 ４ ウエハ保持具 Ｗ 半導体ウエハ ６ 熱電対 ６１、６１ａ、６１ｂ 素線 ６２ 被覆管 ８１ 反応管 ８３ａ〜８３ｃ 加熱手段 ８４ ウエハボート

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−33144（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−166740（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−148623（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−186859（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−166913（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01K 1/00 - 15/00 H01L 21/205 H01L 21/22 501 H01L 21/31

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体ウエハの熱処理装置であって、 素線を被覆管により被覆した熱電対により前記半導体ウ
   エハの温度を検出する温度検出装置を備え、 前記被覆管の先端部より前記半導体ウエハに接する素線
   の先端部までの、露出している素線の露出長さが当該素
   線の線径の４０倍以上の長さに設定されていることを特
   徴とする熱処理装置。
2. 【請求項２】 前記温度検出装置は、前記半導体ウエハ
   の表面温度を測定するように構成されていることを特徴
   とする請求項１記載の熱処理装置。
3. 【請求項３】 前記半導体ウエハの表面側には、半導体
   ウエハを輻射熱により加熱するための加熱手段が更に設
   けられ、前記被覆管が前記素線の先端部に対して影にな
   らないようにするために、当該被覆管を当該先端部の真
   上に位置しないように構成されていることを特徴とする
   請求項１記載の熱処理装置。
4. 【請求項４】 前記温度検出装置は、前記半導体ウエハ
   の周縁部、周縁部と中央部との間の領域、及び半導体ウ
   エハの中央部の３ケ所の温度を測定可能に構成されてい
   ることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載
   の熱処理装置。
5. 【請求項５】 素線を被覆管により被覆した熱電対であ
   って、前記被覆管の先端部より半導体ウエハに接する素
   線の先端部までの、露出している素線の露出長さが当該
   素線の線径の４０倍以上の長さに設定されている熱電対
   を用いて、熱処理装置内に配置された半導体ウエハを２
   ０℃／分以上で昇温または降温させながら当該半導体ウ
   エハの温度測定を行う工程と、 この工程で得た測定結果に基づいて熱処理装置を制御し
   て半導体ウエハに対して熱処理を行う工程と、を備えた
   ことを特徴とする熱処理方法。
6. 【請求項６】 一端側に加熱領域が形成された反応管を
   用い、前記半導体ウエハを前記反応管の他端側から前記
   加熱領域に移動させる際、熱電対が半導体ウエハの所定
   位置に設定された状態で温度測定が行われることを特徴
   とする請求項 ５記載の熱処理方法。