JPH03212933A - 熱処理方法 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、熱処理方法に関する。

（従来の技術） 近年、半導体デバイスの製造工程における熱拡散工程や
成膜工程等で使用されるバッチ型熱処理装置として、省
スペース化、超クリーンルーム対応化、省エネルギー化
、ローデイン・アンローディングの容易化、被処理物で
ある半導体ウェハの大口径化への対応が容易であること
等の理由から縦型熱処理装置が普及しつつある。

このような縦型熱処理装置として、例えば反応容器を囲
繞する如く加熱機構を配置したいわゆるホットウォール
式縦型熱処理装置は、例えば石英からなる円筒状の反応
容器とこの周囲を囲繞する如く設けられたヒータ、均熱
管、断熱材等とから構成された反応炉本体が例えばほぼ
垂直に配設されており、反応容器内に多数の被処理物例
えば半導体ウェハを所定の間隔で棚積み収容した例えば
石英からなるウェハボートが配置され、所望の熱処理が
行われるよう構成されている。このようなホットウォー
ル式縦型熱処理装置では、ロード時の温度から処理温度
までの昇温過程および処理温度からアンロード時の温度
までの降温過程は石英からなる反応容器を通してのヒー
タと被処理物間での輻射熱に支配されている。

ところで、上記ホットウォール式縦型熱処理装置では、
半導体ウェハが大口径化されるにつれて、昇降温時に半
導体ウェハの面内温度にばらつきが発生しやすいことが
判った。この温度不均一に起因する熱応力による格子欠
陥等の不良発生が問題となる。

これは、ヒータと被処理物間での輻射主体で昇降温を行
っているため、大口径の半導体ウェハでは特にヒータに
近接する周辺部と中央部との間で温度差が生じてしまう
ためである。特に最近では、スロープツトの向上から昇
降温時の速度を速く設定する必要が生じているため、こ
の傾向が顕著に生じている。

また、従来の縦型熱処理装置では昇降温時に窒素ガスの
ような不活性ガスを反応容器内に供給することが行われ
ているが、供給するガスの温度と反応容器内の熱処理温
度と無関係に供給しているために炉内の温度分布を悪化
させ、さらに熱応力の発生を助長している。

（発明が解決しようとする課題） 上述したように、従来の縦型熱処理装置では昇降温過程
を輻射に頼っているために、半導体ウェハが大口径化さ
れるに伴って、半導体ウエノ＼の面内の温度分布にばら
つきが発生しやすくなっている。そして、この温度分布
のばらつきは、熱応力によって結晶内に格子欠陥を発生
させたり、処理状態にばらつきを生じさせる原因となる
ため、炉内の温度分布を悪化させることなく、半導体ウ
ェハの市内の温度分布を均一に維持して昇降温させるこ
とが強く望まれている。

本発明は、このような課題に対処するべくなされたもの
で、被処理物の面内の温度分布を均一に維持した状態で
昇降温させることを可能にし、格子欠陥や処理状態のば
らつきの発生を防止した熱処理方法を提供することを目
的としている。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） すなわち本発明は、予め定められたガス流の雰囲気中で
被処理物を予め定められた熱処理温度プログラムで熱処
理する方法において、前記熱処理温度プログラムに応じ
て前記ガス流を温度調整した後、前記被処理物に供給す
ることを特徴としている。

（作　用） 本発明の熱処理方法においては、被処理物の熱処理プロ
グラムに応じて予め処理ガス流を温度調整した後、被処
理物に流入させるので均一な熱処理温度を乱すことなく
被処理物の面内の温度分布を均一化できる。

（実施例） 以下、本発明の熱処理方法の実施例について図面を参照
して説明する。

第１図は、本発明方法を適用した縦型熱処理装置の構成
を示す図である。

はぼ垂直に配設された反応容器１は、例えば石英からな
る円筒状の外筒２と、この外筒２内に同心的に収容され
た例えば石英からなる内筒３とから構成された二重管構
造となっている。この反応容器１の外周囲には、外筒２
外側面と所定の間隔を設けてヒータ４、例えばコイル状
の抵抗加熱ヒータ、高周波コイル、赤外線加熱ランプ等
が配設されており、このヒータ４を囲繞する如くその外
側には断熱材層５が設置されている。

反応容器１の例えば下方には、多数の被処理物例えば半
導体ウェハ６が棚積み配列された石英等からなるウェハ
ボート７を反応容器１内にロード・アンロードする機構
として、図示を省略した昇降機構例えばボートエレベー
タが設けられている。

また、ウェハボート７は反応容器１外部に配置された図
示を省略した回転駆動機構に連結されたターンテーブル
８上に塔載されており、半導体ウェハ６を回転させつつ
処理が行えるよう構成されている。

上記反応容器１の外筒２と内筒３との間には、所定の間
隙が設けられており、この間隙を通して所定の処理ガス
を内筒３内に導入するためのＬ字状の処理ガス導入配管
９が反応容器１の下部に配設されている。また内筒３内
には、ウェハボート７に収容された各半導体ウェハ６の
面方向即ちウェハ６表面に平行な方向に流出ガスが移動
する如く開口された多孔状の吹出しノズル１０ａ（直径
例えば約０．５■〜ｌｆｆ１ｗ程度）を有する処理ガス
供給用配管１０が垂設されており、この処理ガス供給用
配管１０の上端は上記外筒２と内筒３間の間隙に向けて
開口されている。

上記処理ガス供給用配管１０は、例えば第２図および第
３図に示すように、半導体ウェハ６の周囲の均等位置に
例えば２本あるいは３本と言うように、半導体ウェハ６
の径に応じて複数本設けられている。また、その吹出し
ノズル１０ａは、吹出された処理ガスが半導体ウェハ６
間で渦流を形成するように、半導体ウェハ６の中心方向
からずらして開口されている。

また、反応容器１下部には、その内筒３内から処理ガス
を排出するよう排気管１１が配設されている。

上記構成の縦型熱処理装置を用いた熱処理は、例えば以
下のようにして行われる。

まず、ヒータ４により例えば８００℃程度の予備加熱状
態にある反応容器１内に、下部開口からボートエレベー
タ等により半導体ウェハ６を収容したウェハボート７を
ロードする。

次に、所定の温度例えば１０００℃程度に、必要に応じ
て所定の速度でウェハボート７を回転させつつ昇温する
。

この昇温過程において、ガス導入配管９から外筒２と内
筒３間の間隙に処理ガスを導入する。導入する処理ガス
としては、例えば熱拡散工程やアニール工程等であれば
窒素ガスのような不活性ガス、また熱酸化工程であれば
酸素ガスと言うように、処理内容に応じて適宜選択され
るものである。

また、ガス導入量は３〜５０　Ｎβ／ｗｉｎ程度である
。

外筒２と内筒３間の間隙に導入された処理ガスは、この
間隙内で昇温過程にある内筒３内の温度自身によりほぼ
同一の温度に連続的に調整される。例えば処理ガスの流
速、距離等を選択する。この後、ガス供給用配管１０内
に流れ込み、吹出しノズル１０ａから半導体ウェハ６間
で渦流を形成するように吹出される。勿論、処理ガスが
上記外筒２内に流入する前に温度調整してもよい。

そして、ヒータ４からの輻射熱と共に、内筒３内温度と
ほぼ同一温度に調整された処理ガスと半導体ウェハ６間
で対流による伝熱を行わせることによって、半導体ウェ
ハ６の面内温度の均一性を維持しつつ所定の処理温度ま
で昇温する。

上記処理温度で所定時間保持した後、例えば８００℃程
度のアンロード温度まで反応容器１内の温度を降温させ
る。この降温過程は、例えばヒータ４に冷却用気体を吹
付ける等によって、強制的にヒータ４温度を降温させて
もよい。

この降温過程においても、上記昇温過程と同様にガス導
入配管９から外筒２と内筒３間の間隙に処理ガスを導入
し、降温過程にある内筒３内の温度とほぼ同一の温度に
連続的に調整された処理ガスを吹出しノズル１０ａから
半導体ウェハ６間に供給する。そして、処理ガスと半導
体ウェハ６間での対流伝熱を利用して、半導体ウェハ６
の面内温度の均一性を維持しつつ所定のアンロード温度
まで降温する。

以上の手順に従って、直径１５０ＩＩｎの半導体ウェハ
を８００℃から１０００℃まで約１０℃／ｗｉｎで昇温
し、また１０００℃から８００℃まで約ｌＯ℃／ｗｉｎ
で降温したところ、昇降温時共に５℃以内の面内温度均
−性が得られた。

このように、上記実施例の熱処理では、処理温度までの
昇温過程および処理温度からの降温過程において、外筒
２と内筒３との間隙を通過させることによって内筒３内
の温度とほぼ同一の温度に連続的に調整された処理ガス
を半導体ウェハ６間に渦流を形成するように供給してい
るため、この半導体ウェハ６全面に供給された処理ガス
による対流伝熱を利用することが可能となり、半導体ウ
ェハ６の端部と中央部とを同等の条件下で昇降温させる
ことが可能となる。また、処理ガスは反応容器１内の温
度とほぼ同一温度に調整された後に供給されるため、反
応容器１内の温度分布を悪化させることもない。

従って、昇降温過程における半導体ウェハ６面内での温
度分布を均一に維持できることから、熱応力の発生が抑
制され、この熱応力による格子欠陥や処理状態のばらつ
き発生等を防止することが可能となる。

また、第４図は本発明方法の他の実施例を利用した縦型
熱処理装置の構成を示す図である。

同図に示す縦型熱処理装置では、反応容器１が１重の石
英管等で構成されている。また、処理ガスをウェハボー
ト７に配列された各半導体ウエノ＼６の面方向に供給す
る多数の吹出しノズル１０ａを有する処理ガス供給用配
管１０は、前記実施例と同様に反応容器１内に複数本垂
設されているが、この処理ガス供給用配管１０までの処
理ガス導入配管２１は反応容器１上方に配設されている
。そして、処理ガスの供給温度を調節する予備加熱機構
２２が上記処理ガス導入配管２１に介挿されている。

上記予備加熱機構２２は、断熱材２３に覆われた処理ガ
スの予備加熱を行うヒータ２４と、反応容器１内に供給
される前の処理ガス温度を検知する温度センサ２５と、
反応容器１内に設置された炉内温度センサ２６によって
検知された反応容器１内温度と上記温度センサ２５によ
って検知された処理ガス温度とが同一となるようにヒー
タ２４を制御する図示を省略した制御部とから主とじて
構成されている。

なお、その他の構成部は前記実施例の縦型熱処理装置と
同一とされている。

上記構成の縦型熱処理装置を用いた熱処理は、前記実施
例と同様にまず８００℃程度の予備加熱状態から例えば
１０００℃程度の処理温度まで昇温する。

この昇温過程で炉内温度センサ２６によって、昇温過程
にある反応容器１内の温度を連続的に検知し、温度セン
サ２５によって検知される処理ガス温度を予備加熱機構
２２のヒータ２４によって、反応容器１内温度と同一と
なるように連続的に昇温し、その状態で処理ガス供給用
配管１０の吹出しノズル１０ａから半導体ウェハ６間に
供給する。

このように予備加熱機構２２を用いて処理ガスの温度を
調整することによっても、前記実施例と同様に半導体ウ
ェハ６の面内温度の均一性を維持しつつ昇温させること
か可能である。

また、降温過程においても同様であり、反応容器１内温
度と同一温度に連続的に調整された処理ガスを供給しつ
つ降温させる。なお、処理ガスの降温は予備加熱機構２
２のヒータ２４に対して強制的に冷却用気体を供給して
実施してもよい。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の熱処理方法によれば、被
処理物の温度分布を均一に維持しつつ昇温および降温さ
せることが可能となり、これによって結晶の格子欠陥等
の不良発生を防止することができ、歩留の向上に繋がる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の一実施例を適用した縦型熱処理装
置を示す構成図、第２図および第３図はそれぞれ第１図
の要部を示す図、第４図の本発明方法の他の実施例を適
用した縦型熱処理装置を示す構成図である。 １・・・・・・反応容器、４・・・・・・ヒータ、５．
２３・・・・・・断熱材層、６・・・・・・半導体ウェ
ハ、７・・・・・・ウェハボート、９．２１・・・・・
・処理ガス導入配管、１０・・・・・・処理ガス供給用
配管、１０ａ・・・・・・吹出しノズル、１１・・・・
・・排気管、２２・・・・・・予備加熱機構、２４・・
・・・・処理ガス用ヒータ、２５．２６・・・・・・温
度センサ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）予め定められたガス流の雰囲気中で被処理物を予
   め定められた熱処理温度プログラムで熱処理する方法に
   おいて、 前記熱処理温度プログラムに応じて前記ガス流を温度調
   整した後、前記被処理物に供給することを特徴とする熱
   処理方法。