JP5531385B2 - 枚葉式熱処理装置のプロセスチャンバーの冷却方法 - Google Patents

Description

本発明は、単一のシリコンウェーハをプロセスチャンバー内に複数の支持ピンで水平に支持する枚葉式熱処理装置のプロセスチャンバーの冷却方法に関し、更に詳しくは、プロセスチャンバー内のウェーハに発生するスリップ転位を防止又は低減することが可能な、枚葉式熱処理装置におけるプロセスチャンバーの冷却方法に関する。

近年の電子・通信機器の発展には、その中心となる半導体集積回路（ＬＳＩ）の技術の進歩が大きく寄与している。一般に、ＬＳＩ等の半導体デバイスの製造には、ＣＺ法により引き上げられたシリコン単結晶をスライスして得られたウェーハに、研磨、面取り加工等を施して形成されたシリコンウェーハが用いられている。

このような、シリコンウェーハを用いたデバイス製造工程、或いはシリコンウェーハ自体の加工工程において、例えば、ウェーハ中に含まれる析出物の濃度分布を制御する等を目的として熱処理を施す場合がある。熱処理では、従来、バッチ式の熱処理方法が採用されていたが、より短時間で半導体基板の熱処理を完了することが可能な、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）装置等を用いたランプアニール法等が広まりつつある。ランプアニール法では、非常に高速に所定の温度まで上昇させ、かつその温度から急速に冷却させることができるため、これによりシリコンウェーハを極めて短時間で熱処理できる。

シリコンウェーハの熱処理工程における、従来からの問題点は、１０００℃以上の高温で熱処理を施した場合、ウェーハ表面にスリップ転位と呼ばれる欠陥が生じてしまうことである。このようなスリップ転位が発生すると、ウェーハの機械的強度が低下するだけでなく、デバイス特性にまで悪影響を及ぼす。

スリップ転位の発生は、熱処理の際に、シリコンウェーハを支持する支持ピンとウェーハとの接触点にかかる自重による応力とその接触点における温度分布による熱応力が主な原因と考えられている。このような熱処理の際のスリップ転位の発生を低減又は防止する方法として、例えば、ＲＴＡ装置に設置された加熱ランプの出力をウェーハ面内の温度分布が均一になるように調整し、熱処理を行う方法や、ウェーハを支持する支持ピンを改良する方法等が開示されている。

また、スリップ転位は、熱処理を終え、高温に加熱された状態から常温まで冷却する過程においても発生することがある。冷却の際に生じる不具合を防止する方法としては、ウェーハの径方向に温度差が生じないよう、ウェーハの面内温度を均一にして冷却する方法が一般的に知られている。このような面内温度を均一に冷却することが可能な半導体熱処理装置及びその方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。この半導体熱処理装置は、プロセスチューブの上下面であってサセプタとの間に空間を設け、かつ空間に連通する給排気のダクトをそれぞれ設けている。このダクトの給排気口はプロセスチューブの上下面で点対称に設定されており、ウェーハの上下で冷却ガスをそれぞれ逆方向に流すことができるようになっている。

また、面内温度を均一に冷却することが可能な冷却手段を備えた枚葉式熱処理装置が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。この枚葉式熱処理装置に備える冷却手段は、上側流通路と下側流通路とで逆向きの流れとなるように冷却媒体を流通させることにより、被処理物の面内温度を均一に維持しつつ、被処理物を効率的に冷却することができる。
特開２００４−２８１６３６号公報（段落［００１１］） 特開２００４−２８１７０３号公報（段落［０００９］）

しかしながら、上記特許文献１及び２の発明のような単にウェーハの径方向の面内温度を均一にして行う方法では、ウェーハを水平に支持する支持ピンによる支持位置からのスリップ転位を低減させるのには十分ではなかった。

本発明の目的は、支持ピンによる支持位置から発生するスリップ転位を低減することが可能な枚葉式熱処理装置のプロセスチャンバーの冷却方法を提供することにある。

請求項１に係る発明は、枚葉式熱処理装置に設けられたプロセスチャンバー内に複数の支持ピンで水平に支持された単一のシリコンウェーハを、プロセスチャンバー外周の上面及び下面に配置された複数の加熱ランプにより加熱している間又は加熱した後で、プロセスチャンバーに冷却ガスを吹き付けてプロセスチャンバーを冷却する方法において、シリコンウェーハをプロセスチャンバーに搬入した状態でプロセスチャンバーの上面に吹き付ける冷却ガスの流量を上面の表面積１ｃｍ ² 当たり０．４７１〜０．７５４リットル／ｍｉｎとし、かつプロセスチャンバーの下面に吹き付ける冷却ガスの流量を下面の表面積１ｃｍ ² 当たり０〜０．０３８リットル／ｍｉｎとすることを特徴とする枚葉式熱処理装置のプロセスチャンバーの冷却方法である。

本発明によれば、シリコンウェーハをプロセスチャンバーに搬入した状態でプロセスチャンバーの上面に吹き付ける冷却ガスの流量を上面の表面積１ｃｍ ² 当たり０．４７１〜０．７５４リットル／ｍｉｎとし、かつプロセスチャンバーの下面に吹き付ける冷却ガスの流量を下面の表面積１ｃｍ ² 当たり０〜０．０３８リットル／ｍｉｎとすることにより、プロセスチャンバー内に設置された支持ピンの温度と、ウェーハの支持ピンによる支持位置の温度との差を小さくすることができる。これにより、ウェーハの支持ピンによる支持位置に発生するスリップ転位を防止又は低減できる。

次に、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、冷却手段を備えた枚葉式熱処理装置の一例を示す概略断面図である。本発明は、図１に示すように、枚葉式熱処理装置１０に設けられたプロセスチャンバー１１内に複数の支持ピン１２で水平に支持された単一のシリコンウェーハ１３を加熱している間又は加熱した後で、プロセスチャンバー１１に冷却ガス１４を吹き付けてプロセスチャンバー１１を冷却する方法に関する。

図１に示す枚葉式熱処理装置（マトソン・テクノロジー社製 ＡＳＴ２８００ｅ）１０は、シリコンウェーハ１３を搬入し熱処理を施すための石英からなる箱形のプロセスチャンバー１１を有する。プロセスチャンバー１１内には、熱処理の際に、シリコンウェーハ１３を水平に支持するための３本の支持ピン１２が、上面視で１２０度間隔で配置される。プロセスチャンバー１１外には複数の加熱ランプ１５が配置される。この加熱ランプ１５には、一般にハロゲンランプ等が用いられており、個々の加熱ランプ１５はそれぞれ独立に出力の制御が可能になっている。

また、高温での熱処理の際に、プロセスチャンバー１１の熱による変形防止又は熱処理後、プロセスチャンバー１１を常温まで急速冷却するための冷却手段を備える。この冷却手段は、プロセスチャンバー１１外周の上面（Ｔｏｐ側）、下面（Ｂｏｔｔｏｍ側）及び側面（Ｒｉｇｈｔ Ｓｉｄｅ側及びＬｅｆｔ Ｓｉｄｅ側）に、１０〜３０℃の空気又は窒素ガスの冷却ガス１４を、流量コントローラ１６で任意に設定された流量で吹き付けることにより冷却するようになっている。即ち、熱処理の際のウェーハ面内の温度分布の制御は、上記個々の加熱ランプ１５の出力及び上記冷却手段の冷却ガス１４の流量を調整することにより行われ、また、熱処理後のウェーハ面内の温度分布の制御は、上記冷却手段の冷却ガス１４の流量を調整することにより行われる。また、この枚葉式熱処理装置１０には、図１には図示されないが、プロセスチャンバー１１内に不活性ガスや反応ガス等を注入するガス導入口やガス排気口が設けられ、また、シリコンウェーハ１３を搬送する開口部や、シリコンウェーハ１３の面内温度分布の測定が可能なパイロメータがプロセスチャンバー１１外部に配置される。

本発明の特徴ある構成は、上記枚葉式熱処理装置１０を用いて熱処理を施す際又は熱処理後、冷却する際に、プロセスチャンバー１１の上面に吹き付ける冷却ガス１４の流量を上面の表面積１ｃｍ ² 当たり０．４７１〜０．７５４リットル／ｍｉｎとし、かつプロセスチャンバー１１の下面に吹き付ける冷却ガス１４の流量を下面の表面積１ｃｍ ² 当たり０〜０．０３８リットル／ｍｉｎとすることである。

図８は、熱処理後、従来の冷却方法により冷却したシリコンウェーハの断面を表す模式図である。従来の方法では、図８に示すように、シリコンウェーハ４０の支持ピン４１による支持位置から発生するスリップ転位４２を防止することが困難であった。

本発明者らが鋭意研究を重ねた結果、プロセスチャンバーの上面及び下面に吹き付ける冷却ガスの流量を、ある特定の範囲にすることにより、上記不具合が解消されることが明らかになった。

図２は、プロセスチャンバーのＢｏｔｔｏｍ側、Ｒｉｇｈｔ Ｓｉｄｅ側及びＬｅｆｔ Ｓｉｄｅ側に吹き付ける冷却ガスの流量を一定にし、Ｔｏｐ側の流量を変化させて冷却した場合の、Ｔｏｐ側の冷却ガスの流量と、支持ピンによるに支持位置に発生したスリップ転位の長さとの関係を表したグラフである。図２に示すように、Ｔｏｐ側の冷却ガスの流量と、支持ピンによる支持位置に発生するスリップ転位の長さとの間には、高い相関が見られることが確認される。

図３は、プロセスチャンバーのＴｏｐ側、Ｒｉｇｈｔ Ｓｉｄｅ側及びＬｅｆｔ Ｓｉｄｅ側に吹き付ける冷却ガスの流量を一定にし、Ｂｏｔｔｏｍ側の流量を変化させて冷却した場合の、Ｂｏｔｔｏｍ側の冷却ガスの流量と、支持ピンによる支持位置に発生したスリップ転位の長さとの関係を表したグラフである。図３に示すように、Ｂｏｔｔｏｍ側の冷却ガスの流量と、支持ピンによる支持位置に発生するスリップ転位の長さとの間にも、高い相関が見られることが確認される。

一方、図４は、プロセスチャンバーのＴｏｐ側、Ｂｏｔｔｏｍ側及びＲｉｇｈｔ Ｓｉｄｅ側に吹き付ける冷却ガスの流量を一定にし、Ｌｅｆｔ Ｓｉｄｅ側の流量を変化させ、図５は、Ｔｏｐ側、Ｂｏｔｔｏｍ側及びＬｅｆｔ Ｓｉｄｅ側を一定にし、Ｒｉｇｈｔ Ｓｉｄｅ側の流量を変化させて冷却した場合の、冷却ガスの流量と、支持ピンによる支持位置に発生したスリップ転位の長さとの関係を表したグラフである。図４及び図５に示すように、Ｒｉｇｈｔ Ｓｉｄｅ側又はＬｅｆｔ Ｓｉｄｅ側の冷却ガスの流量は、支持ピンによる支持位置に発生するスリップ転位の長さに殆ど影響がないことが確認される。なお、図２〜図５におけるスリップ転位の長さの測定値は、支持ピンによる３箇所の支持位置のうち、すべて同一の支持ピンによる支持位置に発生したスリップ転位について測定したものである。

また、図６は、ウェーハ表面に発生するスリップ転位の低減量と、Ｔｏｐ側の冷却ガスの流量との関係を示した図である。図６に示すように、発生するスリップ転位の低減量と、Ｔｏｐ側の冷却ガスの流量との間には、高い相関が見られるものの、ある一定の流量を超えると、得られる効果に殆ど変化はないことが確認される。

このような研究の結果から本発明者らは、上記条件でプロセスチャンバーを冷却することにより、プロセスチャンバー内に設置された支持ピンの温度と、シリコンウェーハの支持ピンによる支持位置の温度との差を小さくし、支持ピンによる支持位置に発生するスリップ転位の低減又は防止に至った。

プロセスチャンバーの上面に吹き付ける冷却ガスの流量を上面の表面積１ｃｍ ² 当たり０．４７１〜０．７５４リットル／ｍｉｎとしたのは、下限値未満ではスリップが発生し易く、上限値を越えるとガスの消費量が多くなり、不経済となるからである。このうち、上面に吹き付ける冷却ガスの流量は上面の表面積１ｃｍ ² 当たり０．５６６〜０．６６０リットル／ｍｉｎとするのが好ましい。一方、下面に吹き付ける冷却ガスの流量を下面の表面積１ｃｍ ² 当たり０〜０．０３８リットル／ｍｉｎとしたのは、上限値を越えるとスリップが発生し易くなるからである。このうち、下面に吹き付ける冷却ガスの流量は下面の表面積１ｃｍ ² 当たり０リットル／ｍｉｎとするのが好ましい。このとき、吹き付ける冷却ガスの温度は、２０〜２５℃が好ましい。本発明の冷却方法に好適なプロセスチャンバーは、縦３４０ｍｍ、横２６０ｍｍ、高さ３０ｍｍ、及び容積２．６５２リットルのサイズである。また、プロセスチャンバーの各面に使用する石英の厚さは３ｍｍであり、上面及び下面の表面積は８８４ｃｍ²である。プロセスチャンバーの材質及び支持ピンの材質は石英であることが好ましい。

次に本発明の実施例を比較例とともに説明する。

＜実施例１＞
熱処理を行う直径２００ｍｍのシリコンウェーハを用意した。熱処理装置として、枚葉式のＲＴＡ熱処理装置（マトソン・テクノロジー社製 ＡＳＴ２８００ｅ）を用いた。この枚葉式熱処理装置は、シリコンウェーハが搬入される縦３４０ｍｍ、横２６０ｍｍ、高さ３０ｍｍ、容積２．６５２リットルのサイズの石英製のプロセスチャンバーを備え、その内部には、石英製の３本の支持ピンが配置される。また、各面に使用する石英の厚さは３ｍｍであり、Ｔｏｐ側及びＢｏｔｔｏｍ側の表面積は８８４ｃｍ²である。

先ず、用意したシリコンウェーハを、上記枚葉式熱処理装置の開口部から上記プロセスチャンバー内に搬入し、３本の支持ピンに載せて水平の状態にプロセスチャンバー内に配置した。搬入後、ガス導入口から、酸素を注入しながら、プロセスチャンバー外に設置された複数の加熱ランプの出力を調整し、熱処理温度１１７５℃で、１０秒間熱処理を行った。次いで、熱処理を終えたシリコンウェーハを常温まで冷却した。

この熱処理から冷却までの間、シリコンウェーハが搬入されたプロセスチャンバーのＴｏｐ側に吹き付ける冷却ガスの流量はＴｏｐ側の表面積１ｃｍ ² 当たり０．５６６リットル／ｍｉｎ、かつＢｏｔｔｏｍ側に吹き付ける冷却ガスの流量はＢｏｔｔｏｍ側の表面積１ｃｍ ² 当たり０リットル／ｍｉｎとし、Ｒｉｇｈｔ Ｓｉｄｅ側、Ｌｅｆｔ Ｓｉｄｅ側の流量はそれぞれの表面積１ｃｍ ² 当たり０．４１７リットル／ｍｉｎ、０．０８２リットル／ｍｉｎに維持した。吹き付けた冷却ガスは空気であり、温度は２３℃であった。再現性を確認するため、２枚目のウェーハに、同一条件で熱処理から冷却までを行った。

＜比較例１＞
熱処理から冷却までの間、シリコンウェーハが搬入されたプロセスチャンバーのＴｏｐ側に吹き付ける冷却ガスの流量をＴｏｐ側の表面積１ｃｍ ² 当たり０．４７１リットル／ｍｉｎ、かつＢｏｔｔｏｍ側に吹き付ける冷却ガスの流量をＢｏｔｔｏｍ側の表面積１ｃｍ ² 当たり０．２４５リットル／ｍｉｎとし、Ｒｉｇｈｔ Ｓｉｄｅ側、Ｌｅｆｔ Ｓｉｄｅ側の流量をそれぞれの表面積１ｃｍ ² 当たり０．１６３リットル／ｍｉｎ、０．１２３リットル／ｍｉｎに維持したこと以外は実施例１と同様に、シリコンウェーハに熱処理を施し、常温まで冷却した。再現性を確認するため、２枚目のウェーハに、同一条件で熱処理から冷却までを行った。

＜比較試験１＞
実施例１及び比較例１で得られた４枚のシリコンウェーハについて、同一の支持ピンによる支持位置に発生したスリップ転位の長さを評価した。その結果を図７及び以下の表１に示す。

図７及び表１から明らかなように、実施例１及び比較例１を比較すると、実施例１では、シリコンウェーハの支持ピンによる支持位置に発生するスリップ転位の長さが小さくなっていることが確認された。このことから本発明の冷却方法が効果的であることが確認された。

冷却手段を備えた枚葉式熱処理装置の一例を示す概略断面図である。 Ｔｏｐ側の冷却ガスの流量と、発生したスリップ転位の長さとの関係を示した図である。 Ｂｏｔｔｏｍ側の冷却ガスの流量と、発生したスリップ転位の長さとの関係を示した図である。 Ｌｅｆｔ Ｓｉｄｅ側の冷却ガスの流量と、発生したスリップ転位の長さとの関係を示した図である。 Ｒｉｇｈｔ Ｓｉｄｅ側の冷却ガスの流量と、発生したスリップ転位の長さとの関係を示した図である。 ウェーハ表面に発生するスリップ転位の低減量と、Ｔｏｐ側の冷却ガスの流量との関係を示した図である。 実施例１及び比較例１の結果を示すグラフである。 支持ピンによる支持位置にスリップ転位が発生したシリコンウェーハの断面を表す模式図である。

符号の説明

１０ 枚葉式熱処理装置
１１ プロセスチャンバー
１２ 支持ピン
１３ シリコンウェーハ
１４ 冷却ガス

Claims (1)

1. 枚葉式熱処理装置に設けられたプロセスチャンバー内に複数の支持ピンで水平に支持された単一のシリコンウェーハを、前記プロセスチャンバー外周の上面及び下面に配置された複数の加熱ランプにより加熱している間又は加熱した後で、前記プロセスチャンバーに冷却ガスを吹き付けて前記プロセスチャンバーを冷却する方法において、
   前記シリコンウェーハを前記プロセスチャンバーに搬入した状態で前記プロセスチャンバーの上面に吹き付ける冷却ガスの流量を前記上面の表面積１ｃｍ ² 当たり０．４７１〜０．７５４リットル／ｍｉｎとし、かつ前記プロセスチャンバーの下面に吹き付ける冷却ガスの流量を前記下面の表面積１ｃｍ ² 当たり０〜０．０３８リットル／ｍｉｎとすることにより、前記プロセスチャンバー内に設置された前記支持ピンの温度と、前記シリコンウェーハの前記支持ピンによる支持位置の温度との差を小さくすること
   を特徴とする枚葉式熱処理装置のプロセスチャンバーの冷却方法。

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