JP3464505B2 - 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、半導体ウエハなどの被
処理体に対して酸化や拡散を行う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）を得る酸化処理や、不純物層を表面に形
成したシリコン層を加熱しこれにより不純物をシリコン
層内に熱拡散させる拡散処理などがある。

【０００３】この種の酸化、拡散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横型炉に代って縦
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９を参
照しながら述べると、多数枚のウエハをウエハボートに
各々４点支持して上下に積層して搭載すると共に、反応
管内をＮ2 （窒素）ガスとＯ2 （酸素）ガスとの混合ガ
ス雰囲気にしかつ処理温度よりも低い例えば約８００℃
に加熱しておき、ウエハをローディング（ウエハボート
を反応管内に搬入すること）する。そして蓋体により反
応管の下端開口部が密閉された後反応管内を１０℃／分
の速度で処理温度例えば９００〜１１００℃まで昇温
し、所定時間この温度に維持してシリコン膜の表面に酸
化膜を形成した後約２℃／分の速度で８００℃まで降温
し、しかる後ウエハをアンローディング（ウエハボート
を反応管内から搬出すること）する。

【０００４】また不純物の拡散について述べると、この
処理は不純物イオン例えばＡｓイオンをシリコン層の表
面に打ち込んだウエハを例えば温度９００〜１０００℃
の加熱雰囲気かつＮ2 ガス雰囲気下においてＡｓイオン
をシリコン層内に拡散させるものであり、縦型熱処理装
置を用いるにあたって反応管内のガス雰囲気が異なる他
は酸化の場合と同様にして行われる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】先ず酸化の場合につい
ての問題点について述べると、ウエハのローディング時
に冷たいウエハ及びウエハボートが反応管内に搬入する
ので、反応管内は８００℃から約７００℃付近まで降温
する。しかしながらウエハはローディング室から急激に
このような高温にさらされるため、反応管の周囲のヒー
タの輻射熱によりウエハの周縁部側が中央部側よりも高
温となり、その熱歪によりウエハ表面にスリップと呼ば
れる断層や反りが発生する。

【０００６】また処理温度よりも低い温度でシリコン層
の表面がＯ2 に触れると膜質の悪いつまり耐圧の低い酸
化膜が成長するが、上述のように処理温度に比べて低い
温度領域にウエハを１０℃／分ものゆっくりとした速度
で昇温させることにより長い時間さらすと膜質の悪い酸
化膜が本来の膜質の良い酸化膜の下に介在してしまい、
全体として膜質が低下してしまう。なお反応管内にＯ2
を供給しなければ、このような問題は回避できるが、Ｎ
2 ガスのみであるとシリコンが窒化して表面が荒れてし
まうので、窒化防止のためにＯ2 ガスは必要である。

【０００７】ここ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
ず、従って処理温度以下の雰囲気で形成された膜質の悪
い酸化膜の介在は歩留まりの低減につながってしまう。
更にまたウエハのローディング時にウエハボートのトッ
プ側のウエハがボトム側のウエハよりも長い時間Ｏ2 ガ
ス雰囲気中で高温にさらされるため、ウエハボートの上
下の位置により酸化膜の形成の程度にばらつきがあり、
このばらつきがデバイスにも反映されるおそれがあっ
た。

【０００８】また拡散処理の問題点について述べると、
デバイスの微細化に伴い、浅いｐｎ接合をとるためにシ
リコン層内における不純物例えばＡｓの拡散深さは増々
浅くなる傾向にある。一方シリコン層内の不純物の濃度
プロファイルは熱履歴の影響を大きく受けるため、ウエ
ハボートの高さ位置によってウエハにおける前記濃度プ
ロファイルが異なってくる。即ちウエハボートを８００
℃もの高温の反応管内に対して急激に搬入あるいは搬出
すると、ウエハに先述したスリップが発生するのみなら
ずウエハが割れるおそれが大きいので、ローディング、
アンローディングは緩やかに行う必要がある。しかしな
がらウエハボートの上部側に位置するウエハほど反応管
内の高温雰囲気にさらされる時間が長く、熱履歴を多く
受けるので表面付近の不純物濃度が小さくて深さ方向の
濃度勾配も緩やかになってしまい、この結果ウエハボー
トの各ウエハＷに対して均一な拡散処理ができないとい
う問題がある。

【０００９】本発明は、このような事情のもとになされ
たものであり、その目的は被処理体 の間で均一な熱処理
例えば酸化処理や拡散処理を行うことができる熱処理方
法を提供することにある。本発明の他の目的は、良質な
酸化膜を形成することのできる熱処理方法を提供するこ
とにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる熱処理方
法は、多数の被処理体を保持具に搭載して縦型の反応管
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、前記反応管内
を４００℃以下の温度に設定した状態で、前記反応管内
に酸素ガスと所定の添加ガス、例えば窒素ガス、との混
合ガスを通流しながら、被処理体を搭載した保持具を当
該反応管内に搬入することを特徴とする。ここで熱処理
は、被処理体を酸化する処理である。また、本発明では
保持具を反応管内に搬入した後、反応管内の温度を５０
〜１００℃／分以上で昇温する。さらに、本発明に用い
る保持具には、被処理体の周縁を保持するためのリング
状載置台を備えたものが用いられる。

【００１１】

【実施例】図１は本発明の成膜方法を実施するための縦
型熱処理装置の全体構成を示す図である。図１中１は例
えば石英で作られた、下端が開口している円筒状の反応
管であり、この反応管１の周囲には加熱部２が配設され
ている。この加熱部２は、例えば図２及び図３に示すよ
うに断熱体２１の内周面に、抵抗発熱線２２を上下に繰
り返し屈曲させながら周方向に沿って設けた加熱ブロッ
クを複数段配列して構成される。抵抗発熱線２２として
は例えば二ケイ化モリブデン（ＭｏＳｉ2 ）を用いるこ
とができ、これによれば反応管２内を５０〜１００℃／
分の高速な昇温速度で昇温させることができる。

【００１２】前記反応管２には、図示しないガス供給源
に接続された処理ガス供給管３１が突入して設けられ、
その先端は反応管２の天井面に対向する位置まで伸びて
いる。また反応管２には、真空ポンプ３２に接続された
排気管３３が設けられている。

【００１３】前記反応管１の下部側には、昇降台１２の
上に搭載された蓋体１１が設けられており、この蓋体１
１は上限位置にあるときには反応管１の下端開口部を気
密に閉塞する役割をもつものである。前記蓋体１１には
保温筒３を介して保持具であるウエハボート４が搭載さ
れている。

【００１４】前記ウエハボート４は図３に示すように例
えば周方向に４本配置された石英製の支柱４１に熱容量
の大きな材質例えば石英製のリング状の載置台４２を例
えば３０枚上下に間隔を置いて配列して構成され、各リ
ング状の載置台４２には、ウエハＷが、その周縁部が当
該載置台４２に接触して保持された状態で載置されてい
る。前記リング状の載置台４２は、加熱部２からの熱線
がウエハＷの周縁に直接輻射されないように周縁部がウ
エハＷの表面よりも若干高く作られると共に、厚さが内
周側より外周側の方が大きくなるように構成されてい
る。

【００１５】前記加熱部２の下端部と反応管１との間に
は、シャッタ５１を介して装置の外部に開口するかある
いは送気ファン５に連通する吸気路５２が例えば反応管
１の周方向に４ヶ所形成されており、この吸気路５２の
先端には、ノズル５０が設けられている。更に加熱部２
の上面には、排気ダクト５３に連通する排気口５４が形
成されており、この排気ダクト５３には、排気口５４を
開閉するために支軸５５を支点として回動するシャッタ
５６、熱交換器５７及び排気ファン５８が上流側よりこ
の順に設けられている。これら吸気路５２や排気ダクト
５３は、ウエハＷに対して成膜が終了した後に反応管１
内を強制冷却するための強制冷却手段を構成するもので
ある。

【００１６】次に上述の熱処理装置を用いて行う本発明
の熱処理方法の実施例について図４を参照しながら述べ
る。先ず反応管１内を温度４００℃に設定すると共に反
応管１内にＯ2 ガスとＮ2 ガスとの混合ガスを通流して
おき、例えば３０枚の被処理体であるウエハＷをウエハ
ボート４に載せて昇降台１２を例えば２００ｍｍ／分の
速度で上昇させることにより、反応管１内に下端開口部
から搬入する。ただし前記３０枚のウエハＷのうち上下
数枚はダミーウエハとして用いられる。

【００１７】次いで反応管１内の温度を例えば１００℃
／分の速度で例えば８５０℃〜９００℃まで昇温する。
なお反応管１内の設定温度は４００℃であるが、冷たい
ウエハＷ及びウエハボート４が搬入されることにより反
応管１内の実際の温度は一旦例えば３００℃程度まで低
下し、その後上昇することとなる。続いて反応管１内に
Ｏ2 ガス及びＨＣｌガスを夫々１０リットル／分及び１
リットル／分の流量で供給して酸化処理を行い、図５に
示すようにシリコン層１０１の表面に、例えば膜厚５０
〜２００オングストロームの酸化膜１０２を形成する。
酸化処理については、１００％Ｏ2 ガスを用いてもよい
し、この例のようなドライ酸化に限らず例えばＳｉＯ2
ガス及びＨＣｌガスを用いたウェット酸化であってもよ
い。

【００１８】酸化処理後、加熱部２のスイッチをオフに
し、強制冷却手段のシャッタ５１及び５６を開くと共に
排気ファン５７を作動させ、これにより吸気管５２のノ
ズル５０から排気口５４へ向けて加熱部２の内周面に沿
って空気を通流させ、反応管１内を冷却する。こうして
反応管１内を例えば５０℃／分の速度で４００℃まで降
温した後ウエハＷをアンローディングする。

【００１９】このような実施例によれば、ローディング
時における反応管１内の温度を４００℃もの低い温度に
設定しているためウエハＷにおける熱的ストレスが小さ
く、従ってスリップと呼ばれる表面の欠陥や反りを抑制
することができる。そして処理温度に比べて低い温度領
域を１００℃／分もの高速で昇温させて通過し、これに
よりウエハＷが低温にさらされる時間を短かくしている
ため、膜質の悪い酸化膜の成長を抑制することができ、
この結果薄くて良質な酸化膜を得ることができる。また
ローディング、アンローディング時においてウエハボー
トの上部側に位置するウエハほど加熱雰囲気にさらされ
る時間は長いが、そのときの反応管１内の設定温度が低
いため、酸化膜の成長の度合いの差がほとんどなく、従
ってウエハ間の処理のばらつきが抑えられる。

【００２０】そして加熱部２の抵抗発熱線２２として発
熱効率の高い材質例えば二ケイ化モリブデンを使用し、
ローディング後反応管１内を１００℃／分もの早い速度
で処理温度まで昇温させているため、スループットが高
い。

【００２１】そしてまたウエハＷの周縁部を熱容量の大
きい例えば石英製のリング状の載置台４２により保持し
ているのでウエハＷの周縁部の熱の一部が当該載置台４
２に流れ、しかも載置台４１の厚さが内周側より外周側
に向かうにつれて大きくしているため、ウエハＷの昇温
時及び降温時において、昇温／降温速度を大きくしても
ウエハＷの径方向の温度分布を均一化することができ
る。このようにウエハＷが低い温度でローディングさ
れ、しかも昇温時の面内温度均一性も高いため、この点
からもウエハＷにおいてスリップや反りの発生を抑える
ことができる。

【００２２】ここで反応管１内を１００％Ｏ2 ガス雰囲
気とし、２００ｍｍ／分の速度でウエハボートを上昇さ
せてローディングを行った場合のウエハＷ表面の自然酸
化膜の厚さを、反応管１内の温度毎（４００℃、６００
℃、８００℃）に調べたところ図６に示す結果が得られ
た。ただし白枠はウエハボートのトップ部、斜線枠はセ
ンター部、網点枠はボトム部における膜厚である。この
図から各温度の膜厚を結んでいくと４００〜８００℃の
ある温度における自然酸化膜の膜厚を予測することがで
き、ローディング時にウエハＷが上側に位置するものか
ら順次加熱雰囲気にさらされるが、６００℃以下、好ま
しくは４００℃以下であれば膜質の悪い酸化膜の成長を
抑えることができると推察される。

【００２３】次に本発明を不純物の拡散処理に適用した
実施例について説明すると、先ず被処理体であるウエハ
としては、シリコン層の表面に不純物例えばＡｓ（砒
素）イオンが打ち込まれたものを用いる。この場合にも
ダミーウエハを含む例えば３０枚のウエハをウエハボー
ト４に載せ、酸化処理の場合と同様にしてローディング
した後反応管１内を１００℃／分の速度で例えば９００
〜１０００℃まで昇温し、Ｎ2 ガスを例えば１０リット
ル／分の流量で反応管１内に供給しながら図６に示すよ
うに不純物層例えばＡｓ層１０３からＡｓ原子がシリコ
ン層１０４に拡散して拡散層１０５が形成される。

【００２４】このような実施例によれば、既述した酸化
処理の場合と同様にウエハのスリップや反りなどを抑制
できるなどの効果があり、更にＡｓの濃度プロファイル
がウエハ間で揃うという効果がある。即ちローディング
時及びアンローディング時にウエハボート４の上側に位
置するウエハほど反応管１内に位置している時間が長
く、受ける熱量は多いが、ローディング、アンローディ
ング時の反応管１内の温度が４００℃に設定されている
ため、この温度におけるウエハの熱履歴が小さく、従っ
て上側のウエハと下側のウエハとの間の熱履歴の差も小
さい。

【００２５】そしてローディングされた後は上側のウエ
ハ及び下側のウエハは均一に昇温されることから結局ウ
エハ間で不純物の濃度プロファイルが揃うと共に、その
濃度プロファイルは、図８の実線に示すようにシリコン
層１０４の表面部における不純物の濃度が高く、かつ拡
散深さの浅いものとなり、浅いｐｎ接合を得ることがで
きる。なお同図中点線は、ローディング時及びアンロー
ディング時の反応管の温度を８００℃に設定した場合濃
度プロファイルの悪いものの例であり、本発明方法によ
れば、前記濃度プロファイルを改善できることが理解さ
れる。ここでローディング時における自然酸化膜の成長
の抑制や、ウエハボート上のウエハの位置による前記濃
度プロファイルのばらつきの抑制を考慮するとローディ
ング時の反応管の設定温度は６００℃以下であることが
好ましい。

【００２６】更に不純物の拡散についてアニール後の反
応管内の降温速度の影響を調べるために次のような実験
を行った。即ちＡｓをイオン打ち込み処理により表面に
注入したウエハについて上述のように、反応管内にて１
０００℃の加熱雰囲気かつＮ2 ガス雰囲気下で１分間ア
ニール処理を行い、その後の反応管内の降温速度を６０
℃／分、及び通常炉と同等の２℃／分の２通りに設定し
てＳＩＭＳプロファイルを比較したところ、ＳＩＭＳプ
ロファイルから２℃／分で降温した場合の拡散深さは、
６０℃／分で降温した場合に比べ２倍近くになっている
ことが分かった。またＡｓの代りにＢＦ2 を打ち込んだ
ウエハについて同様の試験を行ったところ同様の結果が
得られた。

【００２７】更にＡｓを注入したシリコン表面部の活性
キャリア濃度についても、２℃／分で降温した場合には
１．３×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3 であり、６０℃／分
で降温した場合には２．０×１０20ａｔｏｍｓ／ｃｍ3
であり、前者は後者に対して３５％減少している。従っ
てこのような結果からアニール後の降温速度を早くする
ことにより不純物の拡散深さを浅くできることが理解さ
れる。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、保持具を反応管内に搬
入するときに保持具の上部側に位置する被処理体ほど加
熱雰囲気にさらされる時間は長いが、そのときの反応管
内の設定温度が４００℃以下であるため、保持具の上側
の被処理体と下側の被処理体の熱履歴の差が小さい。従
って多数の被処理体の間で均一な熱処理、例えば酸化処
理を行うことができる。また、反応管内に酸素ガスと所
定の添加ガス、例えば窒素ガス、との混合ガスを通流し
ながら保持具を搬入するので、表面の荒れがなく薄くて
極めて良質な酸化膜を得ることができる。

【００２９】また５０〜１００℃／分で昇温すれば、高
いスループットで処理でき、薄くて良質な酸化膜を得る
ことができる。更にまたリング状の載置台を用いれば、
昇温時、降温時に面内温度分布について高い均一性が得
られ、被処理体の熱歪を抑えることができ、スリップを
抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法を実施するための装置の一例を示す
縦断面図である。

【図２】熱処理装置の加熱部の一例を示す斜視図であ
る。

【図３】熱処理装置の保持具の一例を示す縦断面図であ
る。

【図４】本発明方法の実施例における工程と反応管内の
温度とを対応して示す説明図である。

【図５】半導体ウエハの表面の酸化の様子を示す説明図
である。

【図６】自然酸化膜の厚さとローディング時の反応管の
温度との関係を示す特性図である。

【図７】半導体ウエハの表面の他の例を示す説明図であ
る。

【図８】不純物原子の濃度プロファイルを示す特性図で
ある。

【図９】従来方法における工程と反応管内の温度とを対
応して示す説明図である。

【符号の説明】

１ 反応管 ２ 加熱部 ２２ 抵抗発熱線 ４ ウエハボート ４２ リング状の載置台 ５２ 吸気管 ５４ 排気口 ５８ 排気ファン Ｗ 半導体ウエハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大部 智行 神奈川県津久井郡城山町町屋１丁目２番 41号 東京エレクトロン東北株式会社 相模事業所内 (72)発明者 池川 寛▲あき▼ 神奈川県津久井郡城山町町屋１丁目２番 41号 東京エレクトロン東北株式会社 相模事業所内 (72)発明者 中尾 賢 神奈川県津久井郡城山町町屋１丁目２番 41号 東京エレクトロン東北株式会社 相模事業所内 (56)参考文献 特開 平５−102132（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−215423（ＪＰ，Ａ)

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多数の被処理体を保持具に上下に間隔を
   おいて搭載して縦型の反応管内に搬入し、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、 前記反応管内を４００℃以下の温度に設定した状態で、
   前記反応管内に酸素ガスと所定の添加ガスとの混合ガス
   を通流しながら被処理体を搭載した前記保持具を前記反
   応管内に搬入することを特徴とする熱処理方法。
2. 【請求項２】 前記所定の添加ガスが、窒素ガスである
   ことを特徴とする請求項１に記載の熱処理方法。
3. 【請求項３】 前記保持具を前記反応管内に搬入した
   後、前記反応管内の温度を５０〜１００℃／分の昇温速
   度で昇温することを特徴とする請求項１または２に記載
   の熱処理方法。
4. 【請求項４】 前記保持具が、被処理体の周縁を保持す
   るためのリング状載置台を備えたことを特徴とする請求
   項１ないし３のいずれか１項に記載の熱処理方法。
5. 【請求項５】 前記熱処理が、被処理体を酸化する処理
   であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１
   項に記載の熱処理方法。
6. 【請求項６】 多数の被処理体を保持具に上下に間隔を
   おいて搭載して縦型の反応管内に搬入し、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、 前記反応管内を４００℃以下の温度に設定した状態で、
   前記反応管内に酸素ガスと所定の添加ガスとの混合ガス
   を通流しながら被処理体を搭載した前記保持具を前記反
   応管内に搬入する工程と、 前記保持具を前記反応管内に搬入した後、前記反応管内
   の温度を所定の昇温速度で昇温する工程と、 前記反応管内に搬入した被処理体を所定の加熱雰囲気下
   で処理ガスを供給して熱処理する工程と、 被処理体を熱処理した後、前記反応管内の温度を所定の
   降温速度で降温する工程と、 所定の温度まで降温した後、被処理体を前記保持具とと
   もに前記反応管から搬出する工程と、 からなることを特徴とする熱処理方法。