JP3668703B2 - 半導体熱処理方法およびそれに用いる装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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、ホットウォール型装置と、ランプ加熱型装置とがよく知られている。
【０００３】
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、ウェーハに急激な温度変化を与えるとスリップライン（熱応力によってウェー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、複数のウェーハ１を所定間隔で保持するウェーハボート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は反応ガス供給配管、８は排気配管である。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はウェー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、ウェーハボート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浮遊しウェーハ１表面に付着してウェーハ１を汚染するという問題もある。また、昇降するウェーハボート２内の上部のウェーハ１と下部のウェーハ１とでは、高温に曝される時間が数秒〜十数秒違ってくるため、高温処理時間が短い場合には、ウェーハ１の位置によって特性に差異が生じるという問題もある。これらの問題は、８インチサイズ以上の大形ウェーハにおいて、特に顕著であり、その解決が強く望まれている。
【０００５】
これに対し、ランプ加熱型装置は、装置の背が高くならず、パーティクルの浮遊も生じない点で有利であるといわれており、例えば図５に示すような装置が知られている。この装置は、反応管６の周囲に、内周面に隙間なくキセノンランプ１１が取り付けられた有天筒状のランプ支持体１２を被せたもので、上記キセノンランプ１１による照射熱を利用して熱処理を行うものである。
【０００６】
しかしながら、この装置は、熱効率が悪いため、例えば、理論上３０キロワットの電気エネルギーにもとづく照射が必要な場合、実際には６０キロワットの出力が必要となり、エネルギーロスが大きいという問題がある。また、キセノンランプ１１が、頻繁に切れやすく、その都度ランプ支持体１２を上に持ち上げて、内側のキセノンランプ１１を新品と交換しなければならず稼働効率が悪いという問題もある。そして、キセノンランプ１１が部分的に点灯しない状態で処理を行うと、反応管６内に温度むらが生じ、処理ウェーハ１が不良品となってしまうという問題もある。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、従来のホットウォール型装置およびランプ加熱型装置の双方が有する問題点を克服した、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。
【０００８】
【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ェーハを熱処理する方法であって、上記ウェーハが装填された反応管の周囲に、内部にキセノンガスを封入した空間部を形成するとともに、この空間部内に、電極を所定間隔で複数個配設することにより、上記空間部がキセノンランプとなるよう構成し、ウェーハに対する熱処理を、上記電極に電圧を印加し空間部内でキセノンガスを発光させることにより行うことを要旨とするものである。
【０００９】
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、ウェーハが装填される反応管と、上記反応管の周囲に形成され内部にキセノンガスを封入してなる空間部と、上記空間部内に所定間隔で複数個配設される電極と、上記電極に所定の電圧を印加する電圧制御手段とを備え、上記空間部内が、キセノンランプとなるよう構成されていることを要旨とするものである。
【００１０】
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ェーハを移動させるか、反応管の周囲にキセノンランプの電球を多数設けてその照射熱で加熱処理するかしていたのに対し、反応管周囲の空間部自身がキセノンランプを構成するようにして、この部分に電圧をかけることによって、ウェーハを定位置に停止させたままで、ウェーハに対し、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、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てコンパクトな装置を組むことができる。また、ウェーハを移動させないため、パーティクルによるウェー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、印加電圧の切替えによって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。また、キセノンランプの電球を使用しないため、電球が頻繁に切れたり、エネルギーロスが大きい、という欠点を解消することができる。
【００１１】
【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。
【００１２】
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、複数のウェーハ１を所定間隔で保持するウェーハボート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。その下の構成は、従来の図４に示す装置と同様であり、図示および説明を省略する。
【００１３】
上記反応管２０の周囲には、キセノンランプを構成するための筒状空間部３１が形成されており、上下が密封されて、内部にキセノンガスが封入されている。そして、この筒状空間部３１の中には、軸方向に、所定間隔で、複数個（図１は模式的、実際にはもっと多数個）の環状電極３２が配設されている。なお、上記環状電極３２としては、タングステン製フィラメントが用いられており、これが、上下方向に隣合う複数個ずつ（例えば５個ずつ）一まとまりのブロックとして、上記筒状空間部３１の外側に設けられた電圧制御手段（図示せず）に接続され、各ブロックごとに所定電圧が印加されるようになっている。また、上記反応管２０には、従来と同様、反応ガス供給配管および排気配管が設けられているが、図では省略されている。
【００１４】
なお、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。
【００１５】
また、上記筒状空間部３１の外周壁の外側には、通常、適宜の断熱手段が設けられる。例えば、図１に実線で示すように、水等の冷却媒体が循環するジャケット３３が設けられる。あるいはこれに代えて、あるいはこれとともに、アルミナセラミック，セラミックウール等の断熱材を取り付けることができる。また、斜線で示すように、上方に有天筒状の熱遮蔽体３４を設け、熱処理時には、これを下降させて断熱を行うようにしてもよい。
【００１６】
上記熱遮蔽体３４の材料としては、内周面を鏡面仕上げし銀コートもしくは金コート処理したステンレス多層板や、内部に冷却媒体循環路を備えた二重構造のもの等があげられる。
【００１７】
さらに、上記環状電極３２に用いられるタングステン製フィラメントは、通常キセノンランプの電極に用いられるものでよい。
【００１８】
そして、上記環状電極３２への電圧印加は、目的とする熱処理温度に応じて適宜に設定される。ただし、上記のように、各環状電極３２への電圧制御を、一括制御するのではなく、複数個ずつ分けたブロックごとに行うことにより、例えば図６に示すように、反応管２０の上部および底部が比較的高温となり、反応管２０の中央部が比較的低温となるような温度勾配を得るようにして、反応管２０内の均熱化を促すようにすることが好適である。
【００１９】
上記半導体熱処理装置を用い、例えばイオン注入したウェーハ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、各環状電極３２に電圧を印加して筒状空間部３１内でキセノンガスを発光させ、その熱によって反応管２０内を４００〜７５０℃程度に加熱する。そして、図１に示すように、ウェーハボート２内に処理すべきウェーハ１を積載して反応管２０内の所定位置に装填し、予備加熱を行う。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。
【００２０】
つぎに、各環状電極３２への印加電圧を上げ、筒状空間部３１内でのキセノンガスの発光度合いを高め、その熱によって反応管２０内を８００〜１１００℃程度に加熱する。これにより、ウェーハ１は、活性化による結晶構造の回復が達成される。そして、再び環状電極３２への電圧を、予備加熱時の電圧に下げ、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）、反応管２０内からウェーハボート２を下方に取り出し、処理済ウェーハ１を取り出す。そして，新たな未処理ウェーハ１をウェーハボート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、急速熱処理を繰り返し行うことができる。
【００２１】
このように、上記装置によれば、ウェーハ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、従来のホットウォール式装置のように、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、ウェーハ１を移動させないため、パーティクルによるウェーハ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り替えを、環状電極３２に対する印加電圧を切り替えるだけで、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、キセノンランプ構造を利用するものの、従来のランプ加熱型装置とは異なり、電球を並べて使用するものではないため、電球が頻繁に切れたり、エネルギーロスが大きい、という欠点を解消することができる。
【００２２】
なお、本発明において、反応管２０内で熱伝導が均一かつ急峻に行われるように、反応管２０内に、熱伝導率の高い物質を注入するようにしてもよい。例えば、図２に示すように、反応管２０の周囲から内側に、所定間隔で複数本のヘリウム噴射配管３５を引き込み、矢印で示すように、周縁側から内側に向かってらせん状にヘリウムガスを噴射させるようにすると、反応管２０内の均熱化が急峻に行われる。ただし、上記ヘリウム噴射配管３５は、全てが同一高さに設けられるのではなく、互いに高さを変えて配設される。例えば上記ヘリウム噴射配管３５のうち、Ａを反応管２０の上部に設け、Ｂを反応管２０の略中央部に設け、Ｃを反応管２０の下部に設けることが好適である。また、上記ヘリウムに代えて、超純水を噴霧するようにしても同様の効果が得られる。
【００２３】
また、図１では、模式的に、反応管２０の下部フランジ２０ａと、筒状空間部３１を形成する外壁の下部フランジ３１ａとを、直接接合しているかのように表示しているが、実際には、反応管２０が高温にさらされ、筒状空間部３１の外壁はその外側の断熱手段によってそれほど高温にならないため、両者の熱変形度合いが一致しない。このため、両者を直接一体的に接合することは困難である。そこで、例えば図３に示すように、両者の間に、スプリング機能を有するステンレスフランジ３６を介在させて、両者の熱変形差が吸収されるようにすることが望ましい。
【００２４】
さらに、上記の例では、キセノンガスを発光させるための空間部を、反応管２０の周囲に筒状に形成しているが、必ずしも筒状にする必要はなく、適宜の空間形状に設定することができる。そして、空間部内に設ける電極も、上記の例のように環状である必要はなく、例えば周方向および軸方向に複数の電極を所定間隔で並べる等、適宜の構造にすることができる。
【００２５】
また、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。
【００２６】
【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、ウェーハを定位置に停止させたままで、その周囲の空間部をキセノンランプ構造に設定し、その部分への印加電圧を切り替え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、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、ウェーハを移動させないため、パーティクルによるウェー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。しかも、キセノンランプ構造を利用するものの、従来のランプ加熱型装置とは異なり、電球を並べて使用するものではないため、電球が頻繁に切れたり、エネルギーロスが大きい、という欠点を解消することができる。そして、本発明の請求項２にかかる発明によれば、上記特殊な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部分的な構成図である。
【図２】本発明の他の実施例においてヘリウムガスを噴射する態様の説明図である。
【図３】図１の実施例における反応管と筒状空間部の外壁との接合部の詳細説明図である。
【図４】従来の熱処理装置のうちホットウォール型装置の一例を示す概略的な構成図である。
【図５】従来の熱処理装置のうちランプ加熱型装置の一例を示す概略的な構成図である。
【図６】本発明の実施例における好適な温度勾配の説明図である。
【符号の説明】
１ ウェーハ
２ ウェーハボート
２０ 反応管
３１ 筒状空間部
３２ 環状電極

Claims (2)

1. バッチ式熱処理装置を用いてウェーハを熱処理する方法であって、上記ウェーハが装填された反応管の周囲に、内部にキセノンガスを封入した空間部を形成するとともに、この空間部内に、電極を所定間隔で複数個配設することにより、上記空間部がキセノンランプとなるよう構成し、ウェーハに対する熱処理を、上記電極に電圧を印加し空間部内でキセノンガスを発光させることにより行うことを特徴とする半導体熱処理方法。
2. ウェーハが装填される反応管と、上記反応管の周囲に形成され内部にキセノンガスを封入してなる空間部と、上記空間部内に所定間隔で複数個配設される電極と、上記電極に所定の電圧を印加する電圧制御手段とを備え、上記空間部内が、キセノンランプとなるよう構成されていることを特徴とするバッチ式の半導体熱処理装置。

Images