JPH04215423A - 半導体基板の熱処理方法 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体製造工程にお
ける酸化、拡散、アニール、化学気相成長（ＣＶＤ）等
の各熱処理工程で、半導体基板を加熱して所要の熱処理
をする際に、半導体基板表面に形成される自然酸化膜を
抑制するための熱処理方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体基板の一層の高品質化、高
度化が要求されるようになり、ある程度やむなしと考え
られていた熱処理工程での自然酸化膜の成長を、極力抑
制することが必要になってきた。そこで従来では自然酸
化膜の抑制を意図して、半導体基板を熱処理炉内へ挿入
する際に、大気を窒素ガスで置換することにより、大気
の巻込みを防止していた。例えば図７〜図９はそれぞれ
従来例を示す。

【０００３】図７で示すもの（以下従来例１という）は
、ロードロック室１０１Ａ内の大気を真空ポンプ（図示
せず）で排出した後、窒素ガスＮ２を導入して大気圧ま
で戻し、次いでウエハボート１１８ａ内に収容した半導
体基板Ｗを熱処理炉１０１内のプロセスチューブ１０２
内へ挿入し、その後ヒータユニット１０３で加熱して、
所要の熱処理をなすように構成されている。

【０００４】図８で示すもの（以下従来例２という）は
、窒素パージボックス１０１Ｂ内の大気を大量の窒素ガ
スＮ２で置換し、次いでウエハボート１１８ａ内に収容
した半導体基板Ｗをプロセスチューブ１０２内へ挿入し
、その後ヒータユニット１０３で加熱して、所要の熱処
理をなすように構成されている。

【０００５】図９で示すもの（以下従来例３という）は
、基板Ｗをウエハボート１１８ａに収容し（同図（Ａ）
）、次いで内側プロセスチューブ１０２ａをウエハボー
ト１１８ａにかぶせつけて密閉し、その内側プロセスチ
ューブ１０２ａ内の大気を窒素ガスＮ２で置換し（同図
（Ｂ））、それを熱処理炉内の外側プロセスチューブ１
０２ｂ内へ挿入し（同図（Ｃ））、その後ヒータユニッ
ト１０３で加熱して、所要の熱処理をなすように構成さ
れている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来１〜従来３は
、いずれも半導体基板Ｗ（以下単に基板と称する）を熱
処理炉内へ挿入する際に、大気を窒素ガスＮ２で置換す
ることにより、大気の巻込みを防止していたが、自然酸
化膜の成長を十分に抑制するものではなかった。それは
次のような理由によるものと考えられる。即ち、基板は
熱処理の前のいずれかの工程で水による洗浄処理を行う
のが一般的であり、程度の差こそあれ基板の表面に水分
が付着しているため、それが熱処理工程で加熱され、温
度上昇につれて基板の表面に酸化膜が形成されるのであ
る。

【０００７】即ち従来例１では、基板に付着した水分は
真空引きしても容易には除去できず、窒素ガスパージし
た大気圧下で水分は加熱時に基板から離脱するものの、
その水分は基板相互の間隙に残存するのである。もとよ
り大量の窒素ガスを使用し十分時間をかけてパージし、
加熱すればかかる水分を排除できるが、それでは熱処理
に長時間を要し、生産性が低下する。また、従来例２及
び従来例３でも大同小異である。

【０００８】ちなみに、図１０は横軸に熱処理温度（℃
）を、縦軸に酸化膜厚み（Å）をとり、２０分間の窒素
ガスパージにより上記事実を実験で確認した結果を示す
グラフであり、実線は基板を垂直方向に４．７５ｍｍピ
ッチで積層配置した場合を、一点鎖線は５０ｍｍピッチ
で積層配置した場合を示す。この結果はパージ処理温度
が５００〜６５０℃で、基板の間隔を広げて処理枚数を
減らせばある程度効果があるが、短時間の窒素ガスパー
ジでは効果がなく実用的でないことを意味する。　　本
発明はこのような事情を考慮してなされたもので、短時
間で自然酸化膜の成長を十分に抑制し得る実用的な熱処
理方法を提供し、基板の品質を一段と向上させることを
技術課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するものとして以下のように構成される。即ち、半導体
基板を搭載したウエハボートを熱処理炉のプロセスチュ
ーブ内に装填して昇温する昇温工程と、基板を所要の設
定温度で熱処理する工程と、熱処理炉を強制冷却して降
温する降温工程とから成る半導体基板の半導体基板の熱
処理方法において、昇温工程の直前若しくは昇温工程中
の前段に予備加熱工程を設け、予備加熱工程では基板を
室温から略６５０℃の範囲で予備加熱しつつ予備加熱室
内を減圧することを特徴とする半導体基板の熱処理方法
である。

【００１０】

【作　　　　用】本発明では、昇温工程の直前若しくは
昇温工程中の前段の予備加熱工程で基板を室温から略６
５０℃の範囲で予備加熱しつつ予備加熱室内を減圧する
ことにより、基板の表面に付着した水分が迅速に除去さ
れる。これにより、基板表面の自然酸化膜の成長を効率
よく抑制することができる。

【００１１】

【実　　施　　例】以下図面に基づいて本発明の実施例
を詳述する。図１は本発明に係る熱処理方法を適用した
熱処理シーケンスを示すグラフ、図２は図１中のＩＩ部
に関する温度特性図、図３は本発明の熱処理方法を実施
するのに適した熱処理炉の縦断面図、図４はその熱処理
炉の制御手段の構成図である。先ず熱処理炉について説
明する。

【００１２】この熱処理炉１はプロセスチューブ２と、
プロセスチューブ２を囲うように設けられた筒状発熱体
３と、プロセスチューブ２及び筒状発熱体３を内部に収
容する断熱構造体５と、プロセスチューブ２内を真空引
きする減圧手段２１と、プロセスチューブ２の外側をそ
の軸心方向に沿って冷却気体Ａを流通させる強制冷却手
段（図４符号２３）と、強制冷却手段２３に付設され冷
却空気Ａの流通方向を切り換える流通方向切換手段（同
図符号２４）と、炉内長手方向の昇降温度を均熱制御す
るとともに、減圧手段２１を駆動制御する制御手段（同
図符号２５）とを具備して成る速熱・速冷式熱処理装置
である。

【００１３】プロセスチューブ２は、筒状発熱体３内に
遊嵌状に挿通して吸排気箱２０ａ・２０ｂで固定され、
その下端部がＯリング１４ａを介して排気フランジ１５
に接続されており、Ｏリング１４ｂを介してボート支持
台１７で密閉するように構成されている。なお図３中の
符号１８ａは基板Ｗを収容したウエハボート、１８ｂは
ボート受け台、１９は熱処理炉全体を支持する支持フレ
ームである。筒状発熱体３は、例えば電熱材料から成る
多孔板を円筒形に形成したもので、その長手方向に沿っ
て中央ゾーン３Ｂと、両端部ゾーン３Ａ・３Ｃとに区画
され、それぞれのゾーンを独立して発熱制御し得るよう
に環状の電極４ａ〜４ｄが付設されている。断熱構造体
５は、石英ガラス製の内筒６と、セラミックス材料製の
筒体の内面に金の蒸着膜７を被着した筒状熱線反射ミラ
ー８と、断熱材料で形成された外筒９とから成り、内筒
６と筒状熱線反射ミラー８との間に気体断熱層１０を形
成し、上下一組みの支持フランジ１２ａ・１２ｂで支持
されている。一組みの支持フランジ１２ａ・１２ｂには
それぞれ前記吸排気用箱２０ａ・２０ｂが付設され、吸
排気箱２０ａ・２０ｂは図４で示すように流通方向切換
手段２４及び強制排気ブロア２３に連通連結されている
。減圧手段２１は真空ポンプ２１ａとエア式開閉弁２１
ｂとから成り、制御手段２５でプロセスチューブ２内を
減圧するように構成されている。なお、符号２２は圧力
計である。

【００１４】制御手段２５は図４で示すように、炉内長
手方向に配置した複数の温度センサー２６ａ〜２６ｃと
、流通方向切換手段２４及び筒状発熱体３の３つの区画
された部分３Ａ〜３Ｂへの給電を切換制御する切換回路
２７と、減圧手段２１を駆動制御するとともに温度セン
サー２６ａ〜２６ｃからの検温信号Ｔｉに基づいて切換
制御器２７を駆動制御する制御回路２８とを具備して成
り、図１で示す熱処理シーケンスに基づいて減圧手段２
１を制御するとともに、炉内長手方向の昇降温度を均一
に制御するように構成されている。

【００１５】以下図１〜図２に基づいて本発明の特徴を
なす熱処理シーケンスについて説明する。ステップＳ１
では、熱処理炉１内の温度を約５００℃に設定した状態
で、プロセスチューブ２の窒素ガス入り口２ａより窒素
ガスＮ２を流入させながら、基板Ｗを搭載したウエハボ
ート１８ａを熱処理炉１のプロセスチューブ２内に高速
（５００ｍｍ／ｍｉｎ程度）で装填し（図５）、プロセ
スチューブ２をボート支持台１７で密閉する。この時の
窒素ガスパージは２０リットル／ｍｉｎとする。ステッ
プＳ２では、予備加熱工程として基板Ｗを設定温度５０
０℃に昇温しながらプロセスチューブ２内を減圧手段２
１で減圧パージする。これにより基板Ｗの表面に付着し
た水分を離脱させる。このときプロセスチューブ２内は
１０〓３Ｔｏｒｒ以下まで真空引きされる。ここで図２
は図１中のＩＩ部に関する温度特性図であり、この場合
高速で挿入された基板Ｗの温度は、同図で示すようにか
なり時間遅れがある。即ち、ハッチング部分の上臨界線
ｔ１はウエハボード１８ａ内の上部基板の温度を示し、
下臨界線ｔ２は下部基板の温度を示す。つまり、基板Ｗ
が徐々に加熱される過程を利用して水分の離脱を促進す
るのである。このように予備加熱の設定温度を５００℃
にした場合には、本予備加熱工程（ステップＳ２）は約
４０分を要するが、適宜設定温度をさらに高温（６００
〜６５０℃）に設定して減圧パージすることにより、こ
の予備加熱工程を短縮することは可能である。なお、予
備過熱工程の設定温度が６５０℃を超えると基板の面内
の温度差のため、そりやスリップ等が発生し、最悪の場
合基板が破損する。さらに７００℃以上で昇温減圧パー
ジをするとシリコン基板の表面が荒れてデバイス特性が
劣化するおそれがあり好ましくない。ステップＳ３では
、設定温度を１０００℃にして基板Ｗを昇温し、次いで
ステップＳ４では基板Ｗを１０００℃で３０分間アニー
ル処理し、ステップＳ５では強制冷却により基板Ｗを基
板導入時の炉内温度まで降温する。そしてステップＳ６
では、窒素ガスＮ２でプロセスチューブ２内をパージし
ながら、基板Ｗを搭載したウエハボード１８ａを取り出
す。

【００１６】ちなみに、図６は昇温減圧パージの温度と
基板の表面に形成された酸化膜の膜厚との関係を示すグ
ラフである。このグラフは予備加熱工程（ステップＳ２
）において、５００〜６５０℃で昇温減圧パージするこ
とにより、自然酸化膜の成長を十分に抑制することがで
きることを示している。なお、上記実施例では、昇温工
程中の前段に予備加熱工程（ステップＳ２）を設け、予
備加熱工程で基板を室温から略６５０℃の範囲で予備加
熱しつつ、プロセスチューブ２内を減圧するものについ
て例示したがこれに限るものではなく、例えば予備加熱
室として従来例１若しくは従来例２のようなロードロッ
ク室やパージボックスで代替させ、昇温工程の直前に予
備加熱することもできる。

【００１７】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明で
は昇温工程の直前若しくは昇温工程中の前段の予備加熱
工程で基板を室温から略６５０℃の範囲で予備加熱しつ
つ予備加熱室内を減圧するようにしたので、基板の表面
に付着した水分を迅速に離脱し、基板表面の自然酸化膜
の成長を抑制することができる。これにより、半導体基
板の生産性を低下させずに一段と基板の品質を向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る熱処理方法を適用した熱処理シー
ケンスを示すグラフである。

【図２】図１中のＩＩ部に関する温度特性図である。

【図３】本発明の熱処理方法を実施するのに適した熱処
理炉の縦断面図である。

【図４】本発明の熱処理炉の制御手段の構成図である。

【図５】本発明に係るステップＳ１の動作説明図である
。

【図６】昇温減圧パージの温度と基板の表面に形成され
た酸化膜の膜厚との関係を示すグラフである。

【図７】従来例１に係る熱処理炉の概要図である。

【図８】従来例２に係る熱処理炉の概要図である。

【図９】従来例３に係る熱処理炉の概要図である。

【図１０】従来例に係る図６相当図である。

【符号の説明】

１…　　熱処理炉、　　２…プロセスチューブ（予備加
熱室）、　　１８ａ…　　ウエハボード、　　２１…減
圧手段、　　Ｗ…半導体基板、　　Ｓ２…予備加熱工程
、　　Ｓ３…昇温工程、　　Ｓ４…熱処理工程、　　Ｓ
５…降温工程。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　半導体基板を搭載したウエハボートを
   熱処理炉のプロセスチューブ内に装填して昇温する昇温
   工程と、基板を所要の設定温度で熱処理する工程と、熱
   処理炉を強制冷却して降温する降温工程とから成る半導
   体基板の熱処理方法において、昇温工程の直前若しくは
   昇温工程中の前段に予備加熱工程を設け、予備加熱工程
   では基板を室温から略６５０℃の範囲で予備加熱しつつ
   予備加熱室内を減圧することを特徴とする半導体基板の
   熱処理方法