JPH01273311A - 半導体材料の熱処理方法とその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、円筒二重壁の間にあるリング空間に装備し
た液体洗浄部と、処理すべき半導体ウェファ−をプロセ
ス・パイプに装着する片持ち梁装置と、装着側でプロセ
スガスを供給するプロセス・パイプの後端にこのガスの
供給部とを装備し、ウェファ−の装着側が開放している
プロセス・パイプを備えた拡散炉中で半導体材料を熱処
理、特に低温、中温及び高温熱処理を行う方法とその装
置に関する。

〔従来の技術〕

一般に拡散炉と呼ばれる半導体材料の熱処理装置とその
方法は、それ自体公知である。拡散炉は大抵水平拡散炉
として形成されているが、この炉は半導体材料の酸化、
拡散、付着及び焼戻に使用される。この場合、半導体ウ
ェファ−は、プロセス・パイプと呼ばれ、拡散炉の内壁
を形成する石英管又はＳｉないしはＳｉＣ製のパイプ中
の片持ち梁と呼ばれる特別な装置の上に装着され、その
中で温度処理される。この片持ち梁は、この梁の上に載
せた半導体ウェファ−と−緒にパイプに対して同軸状に
横方向に移動する。この移動では、プロセス・パイプに
導入した半導体ウェファ−がパイプ自体に決して接触し
ない。

プロセス・パイプに挿入後は、半導体ウェファ−は最初
から高温に置かれ、この時の温度は本来のプロセス温度
になるか、あるいは７００°〜８００℃の間の値を有す
る保持温度である。

しかしながら、これ等の公知拡散炉には種々の欠点があ
る。その主要な原因は、炉自体、即ちそうち使用する方
法でうまく調節することができない点にある。半導体ウ
ェファ−はこの温度で急激にしかも制御不能の下に加熱
される。半導体ウェファ−は、個々の技術に応じ吹き付
は洗浄によって実際に望ましいプロセス雰囲気に置かれ
る。この場合、プロセス・パイプを決して完全に、即ち
１００％完全に気密状態に遮断することは出来ない。

この結果、吹き付は洗浄に加えて更に逆拡散が生じ、プ
ロセス雰囲気は場所、組成及び時間に対して絶えず一定
していない。それ故、実行する方法の再現性は不充分に
なり、このことが重大な技術的な欠点をもたらす。上記
のことは、この種の方法で処理した半導体ウェファ−の
機能性、収率及び動作の信頬性に劣る結果を反映させる
ことになる。この公知の拡散炉の他の欠点は、プロセス
空間で制御できない温度条件につながるプロセス・パイ
プの回りにのみリング状の加熱体を装備している点にあ
る。

これまでの研究によると、プロセス・パイプの開放終端
に不活性ガス用のエアロツクを装備すると上記の欠点が
排除できる。しかし、この処置はプロセスの経過を不十
分な改良することにしかならない。

西独特許第３５３９９８１号公報の内容も、改良をもた
らしていない。何故なら、プロセスガスの交換が製法を
経済的に行うため非常にながくかかるからである。新た
なプロセスを初めるまでには、数日におよぶ立ち上げ時
間を要する。

〔発明の課題］ この発明は、上に述べた従来技術に見られる種々の欠点
を改善し、プロセス経過に合わせ、反応室が一様な温度
に支配され、輻射によってエネルギ損失がなく、処理す
る半導体ウェファ−のどんな重金属汚染も防止でき、温
度が４００℃以下で既に明確に定まった温度になり、プ
ロセス温度を広い範囲で利用でき、シリコンの単結晶又
は多結晶製の半導体ウェファ−で任意の支持材料上に置
かれた単結晶又は多結晶シリコン、及び他の半導体材料
を取り扱うことのできる拡散炉を提供することにある。

（課題の解決〕 上記の課題は、この発明により、特許請求の範囲の請求
項の構成によって解決されている。

〔作用と効果〕

この発明を用いて、色々な利点が得られる。即ち、プロ
セス・パイプが完全に遮断されていて、エネルギ損失が
防止される。更に、可能性のある重金属汚染は常に不活
性ガス洗浄を施した二重壁パイプによって防止され、一
義的に確定したプロセス雰囲気が既に４００℃で「ソフ
ト・ポンプ・ダウン・ステップ」（緩やかな排気過程）
を用いてプロセス・パイプを完全に遮断した場合に達成
でき、プロセス・ガスの補給は装着側で同時に予備加熱
する時片持ち梁に組み込み、移動可能な加熱エレメント
で行える。他の利点は、プロセス・パイプがその開放端
のところで拡がっていて、エネルギ損失が低減すること
ができ、動作温度をほぼ室温から１３００℃までの範囲
に及ぶようにベステイブル（νｅｓｔｉｂｕｌｅ）・ブ
ロックで取り囲んである点にある。

〔実施例〕

この発明を以下に図面に示した実施例に基づきより詳し
く説明する。

第１図で断面にして示した装置は、半導体ウェファ−を
熱処理する、所謂拡散炉である。この拡散炉は、同時に
拡散炉の内壁であるプロセス・パイブ１とベステイブル
７と８によってプロセス・パイプ１と加熱カセット９に
対するその位置に固定された外部パイプ２から大体構成
されている。

上記のプロセス・パイプ１は装着する側の開放端（図で
右側）で拡がっている。これに反し、左側の端部ではガ
ス排出パイプ３に向けて先細りになっている。プロセス
・パイプ１のガス排出は、三方弁４とポンプ・ステーシ
ョン５、又はＮ仕切弁を装備した特別な排気系を介して
行われる。従って、両方のパイプ１と２は固定した二重
壁パイプ系を形成している。内部パイプと外部パイプは
主に石英、Ｓｔ、　ＳｉＣ，Ａｈ０３、多結晶Ｓｉ又は
１３００℃まで形状安定性を有する他の半導体材料から
なる。この場合、Ａ１□０３は内部のパイプ１に余り適
さない。両方のパイプを固定、即ち溶接による結合がさ
れていないので、両者を同じ材料で作成する必要はない
。

ベステーブル・ブロック７は、プロセス・パイプ１の温
度条件に応じた移動が行えるように軸方向にバネで付勢
されている。他方、ベステーブル・ブロック８は固定設
置されている。片持ち梁装置１８〜２５は、挿入と取り
外しのため、軸方向に移動する。これ等のベステーブル
・ブロックはＢＮ被覆付きのグラファイトで作製されて
いる。

こうして、温度歪みに対する完全な抵抗と完全なりリー
ンルーム適性が達成される。

不活性ガス供給部１０はベステーブル・ブロック７の導
入ノズル１１の頂部に連結している。従って、パイプ１
と２の間の空間は常時、即ちプロセス作業、及び立ち上
げ操作の間洗浄されている。

こうして、加熱カセットの領域から、特に重金属で汚染
されることが防止される。洗浄ガスは排出ノズル１２の
他の頂部を経由してこのパイプ系を離れる。

ベステーブル・ブロック８は、同時に開放端で拡がった
プロセス・パイプ１の受けと支持体としても使用されて
いる。こうすることによって、はぼ完全に拡散炉の装着
側の熱損失が防止される。

冷却ジャケット系１３はベステーブル・ブロック８に揃
えてあり、実際のパイプ端部を形成している。この冷却
ジャケット系には、空気冷却系１４、水冷系１５及びプ
ロセスガス供給部１６がある。気密リング１７によって
、冷却ジャケット１３は片持ち梁系１８〜２５とパイプ
１に対して真空気密にして遮断され、片持ち梁の導入位
置が決まる。

プロセスガスは、プロセスガス供給部を経由して横に漏
れ出し、回転で向きを変え、プロセス・パイプ１の拡が
った端部と片持ち梁系１８〜２５の石英支持体１８の間
にあるりング状のスリットを経由して、実際の反応室２
６に流れ込む。この場合、このガスは加熱要素２０によ
って既に予備加熱されている。

片持ち梁系１８〜２５は、公知の方法で図示してない組
立台を有する移動可能な架台に組み込んであり、第１図
に示すように、ＳｉＣパドル１９から構成されている。

このパドルも公知の方法で図示していないＬＰキャリア
上に処理する半導体ウェファ−２７を載せ、更に熱及び
機械的な安定度が高いためフランジ１８を備えた特製石
英支持体を担持している。この支持体には、装着側の断
面に図示したように詰め込んで、連行でき、制御可能な
加熱要素２０が組み込んである。残りの中空空間には石
英繊維２１が詰め込んである。支持体１８は金属あるい
はセラミックス仮２２で保持リング２３に接続しである
。場合によって生じる得る熱過負荷を防止するため、板
２２は形に合った支持体２４を経由してＯリング２５に
連結していて、同時にその位置をＳｉＣパドル１９上に
固定している。

他の制御可能な加熱要素２８は後部のベステーブル・ブ
ロック７の石英管保持体に常時設置しである。この場合
、残りの中空空間には石英繊維が充填しである。この加
熱要素２８を用いて、ガス排出側で等温状況が達成され
る。

第１図の片持ち梁系及び第２〜５図のこの系の変形種は
、種々の材料を形に合わせた部分から構成されている。

この部分はそれぞれ機能に応じて一つの片持ち梁系に挿
入できる。この片持ち梁系の個々の部分に対する有利な
材料は石英、多結晶シリコン、ＳｉＣ；石英、テフロン
又はポリアミド製の一様な混合物；石英と八１□０３．
　ＢＮ、　ＳｉＮ、多結晶Ｓｔ、　ＳｉＣ製の一様な混
合物；又はＡＩＺＯ：ｌ、　ＳｉＮ。

多結晶Ｓｉ、　ＳｉＣ等を併せたテフロン又はポリアミ
ドから成る一様な混合物である。

第２図と第３図に示す片持ち梁系の実施例の変形種は、
簡単に交換できる差し込み可能なパドル３３．３４を装
備している。この様なパドルは、例えば付着過程、拡散
過程等の様な強い材料歪みの生じる製造過程を行い、そ
の際パドルを単純に取り出した後新しいパドルを挿入す
る場合、特に有利である。この処置は、拡散炉を短時間
、例えば１７２分で再び作業準備に戻せる。

第４図の実施変形種は、付着過程等のような特別な応用
例の片持ち梁系である。この場合パドル３５は特に重量
が少ない。

第５図の実施変形種は、低温製造過程、プラズマ蒸着、
インプランテーション等の特別な場合に適合する。ここ
では、パドル３６は固定溶接しである。

この発明により構成された拡散炉は、古い形式の既存の
拡散炉に、付属用の経費をかけないで、後から挿入する
のにも適する。

製法の経過を、所謂「ゲート酸化」の例で説明する。そ
の場合、上記ゲート酸化はこの装置で実行できる可能性
のある製法過程の一つに過ぎないことを指している。

実際の製法過程を初める前に、カセット９と加熱要素２
８の温度を約３００″Ｃに、また加熱要素２０の温度は
室温に設定される。他方、導入ノズル１１と排出ノズル
１２の頂部を備えた不活性ガス供給部１０から成る不活
性ガス補給装置は、反応室２６を更に象、冷するため高
い供給量で制御される。片持ち梁１９に装填される半導
体ウェファ−２７は反応室２６に、第１図に示した位置
になるまで導入する。この場合、気密リング１７によっ
て真空封止される。この時点で未だ支配している反応室
２６の不定の雰囲気は、「ソフト・ポンプダウン・ステ
ップ」によって排気され、特定な製造雰囲気に置換され
る。その間、製造ガス供給部１にの特定のガス混合物を
吹き込んでいる。この交換は、場合によって何度も繰り
返すことができる。

最後に、制御可能な加熱要素２０に通電し、加熱カセッ
ト９と加熱要素９と共にプロセス空間を一様な温度分布
に調節する。同時にまた、不活性ガス補給装置をより少
ない量に切り換える。今度は、ゲート酸化の実際の製造
過程が中間段階と共に実行される。ゲート酸化が終了す
ると、先ず加熱要素２０を再び遮断し、加熱カセット９
と加熱要素２８を４００℃以下の値にし、不活性ガス供
給部を多量の導入量に調節する。製造条件に応じて、短
時間の待機時間をおいて、半導体ウェファ−を装備した
片持ち梁系１８〜２５を取り外し、このプロセスを初め
から開始できいる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明による装置の縦断面図。 第２図は、片持ち梁の実施例の一変形種の縦断面図。 第３図は、第２図の横断面図。 第４図は、第２図の実施例の他の変形種の縦断面図。 第５図は、第１図の実施例の一変形種の縦断面図。 図中引用記号： １・・・プロセス・パイプ、 ２・・・外部パイプ、 ３・・・ガス排出パイプ、 ４・・・三方弁、 ５・・・ポンプ・スーション、 ６・・・Ｎジヨイント、 ７．８・・・ベステーブル・ブロック、９．２０．２８
・・・加熱要素、 １０・・・不活性ガス洗浄部、 １１・・・導入ノズル、 １２・・・排出ノズル、 １３・・・冷却ジャケット系、 １４・・・空気冷却系 １５・・・水冷系、 １６・・・プロセスガス補給部、 １７・・・気密リング、 １９，３３，３４．３５・・・パドル、１８〜２５・・
・片持ち梁系、 ２６・・・反応室、 ２７・・・半導体ウェファ−０

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、以下の製造過程、 ａ）製造条件に応じてプロセス室の常設加熱装置を室温
   と３５０℃の間の温度にし、移動加熱装置を室温にし、 ｂ）多量の注入量の不活性ガス供給とプロセス室の冷却
   、 ｃ）片持ち梁系に半導体ウェファーを装着し、プロセス
   ・パイプに挿入してこの系を真空気密に遮断し、 ｄ）プロセス室の不定な雰囲気ガスを「ソフト・ポンピ
   ングダウン・ステップ」で排気し、上記雰囲気ガスを特
   定のプロセスガス混合物で置換し、 ｅ）移動加熱装置を投入し、同時に不活性ガス洗浄を低
   い導入量に切り換えてプロセス室を一様な温度分布にし
   、 ｆ）急激な所定のガス交換とプロセスの終わりでその様
   なガス交換を行ったてプロセス過程を実行し、 ｇ）プロセス過程が完了した後可動加熱装置を遮断して
   、常設加熱装置を約４００℃、選択に応じて室温まで、
   低下させ、同時に不活性ガス洗浄をより多い注入量に切
   り換え、 ｈ）製造条件の待機時間後、処理した半導体ウェファー
   を取り出す、 ことによって特徴付けされるプロセス室に装入した半導
   体材料の温度処理方法。 ２、円筒二重壁の間にあるリング空間に装備した液体洗
   浄部と、処理すべき半導体ウェファーをプロセス・パイ
   プに装着する片持ち梁装置と、装着側でプロセスガスを
   供給するプロセス・パイプの後端にこのガスの供給部と
   を装備し、ウェファーの装着側が開放しているプロセス
   ・パイプを備えた拡散炉中で半導体材料を熱処理、特に
   低温、中温及び高温熱処理を行う特許請求の範囲第１項
   の方法を実行する装置において、全面を加熱要素（９、
   ２０、２８）で取り囲み、前記加熱要素の内加熱カセッ
   ト（９）は外部パイプ（１）を円筒状に取り囲み、装着
   側の加熱要素（２０）は片持ち梁系（１８〜２５）に装
   入可能に組み込んであり、加熱要素（２８）は後部常設
   ベステーブル・ブロック（７）中に装備してあり、この
   ベステーブル・ブロック（７）には、ガス排出支持体（
   ３）及び、ガス導入ノズル（１１）の頂部を備えた不活
   性ガス洗浄系（１０）が内部プロセス・パイプ（１）と
   外部のパイプ（２）の間の室に配設してあり、ベステー
   ブル・ブロック（８）には片持ち梁系（１８〜２５）が
   移動可能に設置してあり、洗浄ガス系（１０〜１２）は
   排出ノズル（１２）のクラウンを装備している等温プロ
   セス室（２６）によって特徴付けされる装置。 ３、可動加熱要素（２０）は片持ち梁系（１８〜２５）
   中に組み込んであることを特徴とする請求項２記載の装
   置。 ４、両方のパイプ（１）と（２）の間の空間には、制御
   可能なガス洗浄部が装備してあることを特徴する請求項
   ２又は３記載の装置。 ５、プロセス・パイプ（１）は、ベステーブル・ブロッ
   ク（８）のところで拡がっていてベステーブル・ブロッ
   ク（７）のところでは、このべステーブル・ブロック（
   ７）を貫通するガス排出支持体（３）に向けて先細りに
   なっていることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１
   項に記載の装置。 ６、プロセス・パイプ（１）はその開放端で約１００ｍ
   ｍ又はそれ以上の長さ拡がっていて、その後端では利用
   する平坦なゾーン区間の約１００ｍｍがガス排出支持体
   （３）の長さで直接狭まっていることを特徴とする請求
   項２〜５いずれか１項に記載の装置。 ７、装着側のプロセスガス洗浄部（１６）は、プロセス
   ・パイプ（１）の拡がった端部と石英支持体（１８）の
   間のリングスリットに横向きに装備してあり、その排出
   開口はリングスリットに斜めに向いていることを特徴と
   する請求項２〜６のいずれか１項に記載の装置。 ８、加熱要素の一部がプロセス・パイプ（１）と石英支
   持部（１８）の間のリングスリットに隣接し、この前方
   部分は加熱要素（２８）に対向していて、プロセス室（
   ２６）に対向する片持ち梁系（１８〜２５）の端部にあ
   るポット状の加熱要素（２０）によって特徴付けられる
   請求項２〜７のいずれか１項に記載の装置。 ９、ポット状の加熱装置（２０）が組み込んである差し
   込み可能な片持ち梁系（１８〜２５）によって特徴付け
   される請求項２〜８のいずれか１項に記載の装置。 １０、ガス洗浄部を装備した排出系（４、６）によって
   特徴付けされる請求項２〜９のいずれか１項に記載の装
   置。 １１、排出系は、ガス排出支持体（３）と、三方弁（４
   ）と、ポンプ（５）とで構成されていることを特徴とす
   る請求項２〜１０のいずれか１項に記載の装置。 １２、種々のパドル（１９、３５．３６）は片持ち梁系
   （１８〜２５）の中に形に併せて装着できることを特徴
   とする請求項２〜１１のいずれか１項に記載の装置。