JP3534518B2 - 半導体熱処理方法およびそれに用いる装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体熱処理方法およ
びそれに用いる装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】大規模集積回路（ＬＳＩ）や超大規模集
積回路（ＶＬＳＩ）等を製造する場合、酸化，アニー
ル，拡散，化学蒸着法（ＣＶＤ）等の各種熱処理工程が
必要である。これらの熱処理を行う熱処理装置として
は、従来から、ランプ加熱型とホットウォール型の２つ
のタイプのものが知られている。上記ランプ加熱型装置
は、枚葉処理であり、プロセス制御性に優れている反
面、生産性や温度制御性に劣る。これに対し、上記ホッ
トウォール型装置は、バッチ処理であり、温度制御性に
優れ多数枚処理が可能であるという点で、注目を集めて
いる。

【０００３】しかし、上記ホットウォール型装置では、
高温（例えば１０００℃）で急速熱処理を行う場合、ウ
エハに急激な温度変化を与えるとスリップライン（熱応
力によってウエハ表面に凹凸の平行線が生じること）が
発生するため、高温加熱に先立ち、低温（７００℃程
度）で予備加熱を行う必要がある。この２段階加熱を行
うために、例えば図４に示すような熱処理装置が提案さ
れている（特開平７−２４５２９８号公報等）。この装
置は、複数のウエハ１を所定間隔で保持するウエハボー
ト２を、ヒータ３によって低温に設定された温度領域Ｐ
と、ヒータ４によって高温に設定された温度領域Ｑとの
間で移動させ、低温加熱と高温加熱を効率よく繰り返す
ことができるようにしたものである。なお、５は断熱外
装、６は反応管、７は反応ガス導入管、８はガス排気管
である。また、９は上記反応管６の底面開口を密閉する
フランジ、１０はウエハボート昇降手段である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように、上下に二つの温度領域Ｐ，Ｑを設ける場合、両
者をあまり接近させると、互いの温度を適正に保持する
ことができないため、上記温度領域Ｐ，Ｑの間に、緩衝
領域Ｒを設けることが必要となる。このため、上記緩衝
領域Ｒを通過する際の温度勾配を急峻にすることが困難
で、得られる熱処理品の品質が不充分になりやすいとい
う問題がある。しかも、このような温度制御上の技術的
な困難さもさることながら、装置の高さが非常に高くな
り（例えば装置高さが３．５ｍ）、通常の施設への設置
が容易でないという問題もある。さらに、ウエハボート
２を昇降させる際に、反応管６内に気流が生じ、その
際、反応管６内にパーティクルが侵入しウエハ表面に付
着してウエハを汚染するという問題もある。

【０００５】本発明は、このような事情に鑑みなされた
もので、装置が比較的コンパクトになり、しかもパーテ
ィクルによるウエハ汚染が生じない、優れた半導体熱処
理方法およびそれに用いる装置を提供することをその目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の請求項１にかかる半導体熱処理方法は、バ
ッチ式熱処理装置を用いてウエハを熱処理する方法であ
って、上記ウエハが装填された反応管の周囲に、一定の
間隔を保った状態で、上記ウエハを加熱するための加熱
手段を設け、上記反応管と加熱手段の間に、反応管を覆
いうる熱遮断体を、反応管の軸方向に移動自在に設け、
上記ウエハに対し低温加熱を行う場合には、上記熱遮断
体を、反応管を覆う位置に位置決めして上記加熱手段か
ら反応管に達する加熱量を低減し、上記ウエハに対し高
温加熱を行う場合には、上記熱遮断体を、反応管と重な
らない位置に移動して上記加熱手段からの加熱をそのま
ま反応管に作用させるようにしたことを特徴とするもの
である。

【０００７】また、本発明の請求項２にかかるバッチ式
の半導体熱処理装置は、ウエハが装填される反応管と、
上記反応管の周囲に、一定の間隔を保った状態で設けら
れるウエハ加熱手段と、上記反応管と加熱手段の間に設
けられ反応管を覆いうる熱遮断体と、上記熱遮断体を、
反応管を覆う位置と、反応管と重ならない位置との間
で、反応管の軸方向に移動させる熱遮断体移動手段とを
備え、上記熱遮断体が、反応管を覆う位置に位置決めさ
れ、上記加熱手段から反応管に達する加熱量が、上記熱
遮断体によって低減された状態で、上記ウエハに対して
低温加熱が行われ、上記熱遮断体が、反応管と重ならな
い位置に移動し、上記加熱手段からの加熱がそのまま反
応管に作用する状態で、上記ウエハに対する高温加熱が
行われるようになっていることを特徴とするものであ
る。

【０００８】すなわち、本発明は、従来、装置内に複数
の温度領域を設け、適宜の温度領域にウエハを移動させ
ていたのに対し、ウエハを定位置に停止させたままで、
ウエハと加熱手段との間に設けた熱遮断体を移動させる
ことにより、瞬時に目的とする温度変化を与えることが
できるようにしたものである。この方法によれば、単一
の温度領域を設けるだけで足りるため、装置を長手方向
に長く設定する必要がなく、図４に示すタイプの装置に
比べ、ずっとコンパクトな装置を組むことができる。ま
た、ウエハを移動させないため、パーティクルによるウ
エハの汚染が生じないという利点を有する。さらに、高
温加熱と低温加熱の切替えを瞬時に行うことができるた
め、スループットを大幅に高めることができるという利
点を有する。

【０００９】なお、本発明において、「高温加熱」と
「低温加熱」は、ウエハに対し加熱温度の異なる２種類
の加熱を順次行う場合において、加熱温度の高い方を
「高温加熱」といい、加熱温度の低い方を「低温加熱」
というのであり、両者は相対的な概念であって特定の温
度域について「高温」，「低温」の区別をしているので
はない。

【００１０】

【発明の実施の形態】つぎに、本発明の実施の形態につ
いて説明する。

【００１１】まず、本発明の半導体熱処理装置の一例を
図１に示す。図において、２０は反応管で、従来と同
様、複数のウエハ１を所定間隔で保持するウエハボート
２が装填されており、底部開口が、フランジ９によって
密閉されている。上記反応管２０の周囲には、ウエハ１
を加熱するためのヒータ２１が、一定の間隔を保った状
態で環状に設けられ、その外側には、有天筒状の断熱外
装２２が設けられている。そして、上記反応管２０内で
のウエハボート２は、処理の開始から終了まで、図示の
装填位置に停止するようになっている。なお、２３は、
ウエハボート２の装填・取り出し時にフランジ９ごとウ
エハボート２を昇降させる昇降手段で、図示の位置から
鎖線で示す位置まで移動可能になっている。また、７は
反応ガス供給配管、８は排気配管である。

【００１２】上記反応管２０と、ヒータ２１の間には、
有天筒状の熱遮断体２４が、上記反応管２０を覆うよう
に設けられている。そして、この熱遮断体２４の上面に
は、断熱外装２２の上方に設けられたシリンダ２５から
垂下する駆動ロッド２５ａが連結されており、上記熱遮
断体２４を、反応管２０の軸方向に沿って、図示の位置
から鎖線で示す位置まで移動させることができるように
なっている。すなわち、上記熱遮断体２４は、下降時
（図示の位置）には、反応管２０を完全に覆うことによ
り、ヒータ２１から反応管２０に達する加熱量を低減
し、反応管２０内のウエハ１に対し低温加熱を行うこと
ができるようになっている。また、上記熱遮断体２４の
上昇時（鎖線の位置）には、熱遮断体２４が反応管２０
と全く重ならないようになっており、ヒータ２１の加熱
がそのまま反応管２０に作用して高温加熱を行うことが
できるようになっている。なお、上記ヒータ２１による
加熱効率を上げるために、ヒータ２１が設けられた下部
空間と、熱遮断体２４が移動するための上部空間とを仕
切る仕切り板４０が、熱断熱体２４の昇降を妨げない範
囲で水平方向に張り出している。

【００１３】上記反応管２０は、従来から用いられてい
るどのような材質のものでも差し支えはなく、通常、石
英ガラスが用いられる。

【００１４】また、上記ヒータ２１は、複数ゾーンから
なる加熱源（図示せず）から構成されており、各々個別
に温度制御がなされ、ウエハ１に対する加熱を適正温度
で行うよう設定されている。上記加熱源としては、鉄−
クロム−アルミニウム合金（商品名：カンタル，カンタ
ル社製）や二珪化モリブデン（商品名：カンタルスーパ
ー，カンタル社製）等が好適である。なお、上記加熱源
は、断熱外装２２の内壁に沿って、スパイラル状あるい
はミヤンダ状（直線状に延びる１本の線材を、一定長ご
とにＵ字状に折り返してなる連続形状）に配置され、反
応管２０を環状に囲っている。

【００１５】さらに、上記断熱外装２２の断熱材として
は、従来から断熱材として用いられているどのような材
質のものであっても差し支えはない。例えば、アルミナ
セラミック，セラミックスウールあるいは石英ガラス等
が用いられる。

【００１６】一方、反応管２０を覆う熱遮断体２４は、
図２に示すように、外装２６と内装２７の二重構造にな
っており、両者の間に形成される間隙２８が、冷却媒体
循環路に形成されている。上記外装２６および内装２７
はともに炭化珪素（ＳｉＣ）製で、上記外装２６の外表
面のうち、ヒータ２１（図１参照）に対峙する部分に
は、断熱効果を上げるために、金コート２９が施されて
いる。なお、上記熱遮断体２４の上面に連結される駆動
ロッド２５ａは中空で、その内部には、上記間隙２８内
に冷却媒体用のガスを導入するための、冷却媒体導入配
管３０が挿通されている。上記冷却媒体導入配管３０か
ら導入された冷却媒体は、間隙２８を通過し、熱遮断体
２４の下端面から放出される。上記冷却媒体用のガスと
しては、空気，窒素，アルゴン，ヘリウム等が用いられ
る。

【００１７】上記装置を用い、例えばイオン注入したウ
エハ１を急速熱処理によって活性化する場合の手順を説
明する。まず、熱遮断体２４が、図１において鎖線で示
す位置に位置決めされた状態で、反応管２０内の温度が
８００〜１１００℃程度になるようヒータ２１の出力を
調整する。つぎに、熱断熱体２４が下降し反応管２０を
覆う状態（図１において実線で示す状態）で、反応管２
０内の温度が４００〜７５０℃程度になるよう、熱遮断
体２４内を通過する冷却媒体流量を調整する。

【００１８】つぎに、昇降手段２３を、図１において鎖
線で示す位置に下降させ、フランジ９ごとウエハボート
２を下方に取り出し、所定枚数の処理すべきウエハ１を
積載したのち、上記昇降手段２３を上昇させて反応管２
０内の所定位置に装填する。この状態を、例えば５〜４
０分程度保持することにより、ウエハ１は４００〜７５
０℃程度に予備加熱され、ウエハ１表面の応力が解放さ
れる。なお、必要であれば、この間、反応管２０内を真
空引きし、あるいは必要な量の不活性ガスの導入を行
う。

【００１９】つぎに、断熱外装２２の上方に設けられた
シリンダ２５に引き込み動作を与え、下降していた熱遮
断体２４を瞬時に上部まで移動させ、ヒータ２１の輻射
熱を直接反応管２０に作用させる。この状態を、例えば
１５〜１８０秒程度保持することにより、ウエハ１は例
えば８００〜１１００℃程度に加熱され、活性化による
結晶構造の回復が達成される。そして、再び熱遮断体２
４を下部（初期位置）に移動させて予備加熱条件下にお
くことにより、急速熱処理を終了する。その後（真空引
きを行っている場合には、反応管２０内を大気圧に戻し
た後）、昇降手段２３の下降動作により、反応管２０内
からウエハボート２を下方に取り出し、処理済ウエハ１
を取り出す。そして、新たな未処理ウエハ１をウエハボ
ート２に積載し、上記一連の工程を繰り返すことによ
り、スループットの高いバッチ式で、急速熱処理を行う
ことができる。

【００２０】このように、上記装置によれば、ウエハ１
を定位置に停止させたままで、低温加熱と高温加熱を切
り替えることができるため、二つの温度領域とその間の
緩衝領域を設ける必要がなく、長手方向にコンパクトな
装置を組むことができる。また、ウエハ１を移動させな
いため、パーティクルによるウエハ１の汚染が生じない
という利点を有する。さらに、高温加熱と低温加熱の切
替えを瞬時に行うことができるため、スループットを大
幅に高めることができるという利点を有する。

【００２１】なお、上記の例では、熱遮断体２４の間隙
２８に導入する冷却媒体としてガスを用いているが、ガ
スではなく、水等の冷却液を用いても差し支えはない。
上記冷却液を用いる場合には、例えば図３に示すよう
に、上記駆動ロッド２５ａの内側に、冷却液導入配管３
１および冷却液排出配管３２を設けることが好適であ
る。そして、これらの配管３１，３２を、間隙２８内に
おいてスパイラル状あるいはミヤンダ状に配置した冷却
液循環配管３３と接続し、これらの配管３１〜３３内に
冷却液を循環させて断熱効果を発揮させることが好適で
ある。なお、これらの配管３１〜３３の材質としては、
ステンレス鋼，銅等が好適である。そして、上記冷却液
循環配管３３を設ける場合は、これを直接内装２７の外
周に取り付けるのではなく、図示のように、金属板３４
に上記冷却液循環配管３３をろう付等したのち内装２７
に取り付けることが望ましい。すなわち、上記金属板３
４を全面的に内装２７に取り付けることにより、どの部
分においても均一に熱を奪うことができるからである。

【００２２】また、上記の例では、熱遮断体２４を昇降
させる手段としてシリンダ２５を用いたが、昇降手段と
しては、これに限らず、ボールネジ機構や、ウインチに
よるワイヤ（チェーン）巻き上げ機構等、適宜の機構を
用いることができる。ただし、上記の例と同様、これら
の機構を構成する部品を利用して、熱遮断体２４への冷
却媒体の導入（液体の場合はその導入と排出）を行うよ
うにすることが好適である。

【００２３】さらに、上記の例は縦型の熱処理装置であ
るが、本発明の装置は、縦型に限らず横型の熱処理装置
に適用することもできる。

【００２４】つぎに、実施例について説明する。

【００２５】

〔熱処理条件〕

・ウエハ１の処理枚数（ウエハボート２への保持枚数）
……１３枚 ・反応管２０内の真空度……０．１Ｔｏｒｒ ・予備加熱 ……７００℃×１０分 ・高温加熱 ……１０００℃×１２０秒 ・熱遮断体２４の移動速度…１２ｍ／分

【００２６】上記急速熱処理により、１日当たり７００
枚のウエハ１を処理することができ、図４に示す装置に
比べ、２０〜５０％程度、スループットを高めることが
できた。

【００２７】

【発明の効果】以上のように、本発明の請求項１にかか
る発明は、ウエハを定位置に停止させたままで、ウエハ
と加熱手段との間に設けた熱遮断体を移動させることに
より、瞬時に目的とする温度変化を与えることができる
ようにしたものである。この方法によれば、単一の温度
領域を設けるだけで足りるため、装置を長手方向に長く
設定する必要がなく、従来に比べ、よりコンパクトな装
置を組むことができる。また、ウエハを移動させないた
め、パーティクルによるウエハの汚染が生じないという
利点を有する。さらに、高温加熱と低温加熱の切替えを
瞬時に行うことができるため、スループットを大幅に高
めることができるという利点を有する。そして、本発明
の請求項２にかかる発明によれば、上記請求項１の半導
体熱処理方法を、効果的に実施することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱処理装置の一実施例を示す概略的な
構成図である。

【図２】上記実施例に用いる熱遮断体の詳細説明図であ
る。

【図３】上記熱遮断体の変形例の説明図である。

【図４】従来の熱処理装置の一例を示す概略的な構成図
である。

【符号の説明】

１ ウエハ ２ ウエハボート ２０ 反応管 ２１ ヒータ ２４ 熱遮断体 ２５ シリンダ ２５ａ 駆動ロッド

フロントページの続き (72)発明者 奥 秀彦 大阪府堺市築港新町２丁６番地40 大同 ほくさん株式会社 堺工場内 (56)参考文献 特開 平５−218007（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−245298（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−7517（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−37829（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−160053（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−185818（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C30B 35/00 C23C 14/00 C23C 16/00 H01L 21/205 H01L 21/22 H01L 21/31 H01L 21/324

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 バッチ式熱処理装置を用いてウエハを熱
   処理する方法であって、上記ウエハが装填された反応管
   の周囲に、一定の間隔を保った状態で、上記ウエハを加
   熱するための加熱手段を設け、上記反応管と加熱手段の
   間に、反応管を覆いうる熱遮断体を、反応管の軸方向に
   移動自在に設け、上記ウエハに対し低温加熱を行う場合
   には、上記熱遮断体を、反応管を覆う位置に位置決めし
   て上記加熱手段から反応管に達する加熱量を低減し、上
   記ウエハに対し高温加熱を行う場合には、上記熱遮断体
   を、反応管と重ならない位置に移動させて上記加熱手段
   からの加熱をそのまま反応管に作用させるようにしたこ
   とを特徴とする半導体熱処理方法。
2. 【請求項２】 ウエハが装填される反応管と、上記反応
   管の周囲に、一定の間隔を保った状態で設けられるウエ
   ハ加熱手段と、上記反応管と加熱手段の間に設けられ反
   応管を覆いうる熱遮断体と、上記熱遮断体を、反応管を
   覆う位置と、反応管と重ならない位置との間で、反応管
   の軸方向に移動させる熱遮断体移動手段とを備え、上記
   熱遮断体が、反応管を覆う位置に位置決めされ、上記加
   熱手段から反応管に達する加熱量が、上記熱遮断体によ
   って低減された状態で、上記ウエハに対して低温加熱が
   行われ、上記熱遮断体が、反応管と重ならない位置に移
   動し、上記加熱手段からの加熱がそのまま反応管に作用
   する状態で、上記ウエハに対する高温加熱が行われるよ
   うになっていることを特徴とするバッチ式の半導体熱処
   理装置。