JPH043915A - 熱処理方法および装置 - 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〕 本発明は、半導体ウェハの熱処理技術、特に、炉熱炉冷
方式の熱処理技術に関するもので、例えば、半導体装置
の製造工程において、不純物を拡散処理するのに利用し
て有効なものに関する。

〔従来の技術〕

半導体装置の製造工程において、半導体ウェハ（以下、
ウェハということがある。）に不純物をデポジション、
および引伸し拡散する方法として、第３図に示されてい
るように、複数枚のウェハを載置したボートを比較的低
温（例えば、８００〜９００°Ｃ）で、炉（以下、プロ
セスチューブということがある。）に搬入した後、所定
の温度（例えば、１０００〜１２００°Ｃ）まで炉温度
を上昇させて所定時間の熱処理を実施し、その後、炉温
度を低温まで降温させてから、ウェハを載置したポート
をプロセスチューブより搬出するように構成されている
所謂炉熱炉冷プロセスと呼ばれている熱処理方法、があ
る。

なお、このような炉熱炉冷プロセスによる熱処理方法を
述べである例としては、特公昭６０−４５８９号公報、
および、特開昭５８−３３０８３号公報がある。

Ｃ発明が解決しようとする課題〕 しかし、このような炉熱炉冷方式の熱処理方法において
は、低温度から高温度までの昇温時間、および、高温度
から低温度までの降温時間が長くなるため、全体として
の処理サイクル時間が長くなり、作業効率、炉効率が低
くなるとともに、スループットが低下する。

そして、ウェハ径がさらに大口径化された場合にはウェ
ハ変形、割れ、熱応力転位等が発生し易くなるため、炉
熱炉冷プロセスによる熱処理方法における低温度をさら
に低下（例えば、９００°Ｃ→８００℃）させる必要が
あり、かつ、プロセスチューブの大型化に伴い熱容量も
増大するため、問題はより一層大きくなる。

本発明の目的は、炉熱炉冷プロセスにおける作業効率お
よびスループントを高めることができる熱処理技術を提
供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本
明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう
。

［課題を解決するための手段］ 本願において開示される発明のうち代表的なものの概要
を説明すれば、次の通りである。

すなわち、複数枚の半導体ウェハの加熱炉内において熱
処理する熱処理方法であって、前記加熱炉全体を前記所
定の熱処理に必要な温度以下の温度に加熱する工程、 前記加熱された加熱炉中に前記複数のウェハを挿入する
工程、 前記加熱炉全体の温度を前記所定の熱処理に必要な温度
にまで上昇する昇温工程、 前記上昇した温度を一定時間維持し、前記複数のウェハ
に所定の熱処理を施す工程、 前記加熱炉全体の温度を前記所定の熱処理に必要な温度
以下に下げる降温工程、 前記温度が下げられた加熱炉中より前記複数の半導体ウ
ェハを取り出す工程、 より成る熱処理方法において、 前記加熱炉全体の温度を所定の熱処理に必要な温度にま
で上昇する昇温工程では、その温度上昇の傾きが可変を
成すように、 また、前記加熱炉全体の温度を所定の熱処理に必要な温
度以下に下げる降温工程では、その温度下降の傾きが可
変を成すように、構成することを特徴とする。

〔作用〕

前記した手段によれば、低温度から高温度までの間の昇
温時間、および、高温度から低温度までの間の降温時間
が短縮化されるため、炉熱炉冷プロセス全体としての所
要時間を短縮させることができる。

〔実施例〕

第１図は本発明の一実施例である炉熱炉冷プロセスによ
る熱処理方法のシーケンスを示す線図、第２図はその作
用を説明するための最大加熱冷却運転時における温度特
性を示す線図、第３図は同し〈従来例によるノーケンス
を示す線図である。

第３回は本発明の一実施例である拡散装置を示す縦断面
図である。

本実施例において、本発明に係る熱処理装置としての拡
散装置は、石英ガラス等を用いて略円筒形状に形成され
ているプロセスチューブ１を備えており、このプロセス
チューブＩには炉口１ａおよび処理ガス供給路１ｂがそ
れぞれ両端に配されて開設されているとともに、その筒
中空部には処理室２が実質的に形成されている。プロセ
スチューブ１の炉口１ａにはキャップ７が着脱自在に装
着されるようになついる。プロセスチューブ１の外方に
はヒータ３がこれを取り巻くように配設されており、ヒ
ータ３は後記する均熱管８およびプロセスチューブ１を
通して処理室２を均一に加熱するようになっている。

ヒータ３はヒータ素線４と、断熱材５と容器６とを備え
ている。ヒータ素線４は所定のピッチが設定されている
円筒形のコイル状に巻かれており、ヒータ素線４は通電
されることによって発熱する電気抵抗体により構成され
ている。ヒータ３の外側は石英ウール等からなる断熱材
５によって被覆されており、ヒータ３はこの断熱材５に
より支持されるようになっている。断熱材５の外部には
ステンレス等のような剛性材料を用いられて円筒形状に
形成されている容器６が断熱材５を包囲するように外装
されている。

プロセスチューブ１の外部にはヒータ３との間に、炭化
シリコン（ＳｉＣ）等を用いられてプロセスチューブ１
よりも大径の円筒形状に形成されている均熱管８が配設
されている。この均熱管８の中空部内底面上にプロセス
チューブ１が載置され、また、この均熱管８はヒータ３
の中空部内底面上に載置されている。

本実施例において、ヒータ３にはコンピュータ等から構
成されているシーケンス制御装置１１が接続されており
、この制御装置１１には制御ソーケンスを入力するため
の入力装置１２、および、プロセスチューブ１の実際の
温度をリアルタイムで検出するための温度センサ１３が
それぞれ接続されている。

次に、前記構成に係る拡散装置が使用される場合につい
て、本発明の一実施例である熱拡散方法を説明する。

前記構成に係る拡散装置が使用されて本発明に係る炉熱
炉冷プロセスによる熱拡散処理が実施される場合、第１
図に示されている炉熱炉冷プロセスについての最適制御
ノーケンスが、入力装置１２の操作によってシーケンス
制御装置に対して予め入力される。

ここで、この炉熱炉冷プロセスについての最適制御シー
ケンスを求める手段として、例えば、次のような方法が
、使用されている。

まず、これから使用しようとする熱拡散装置固有の最大
加熱冷却能力運転下（但し、安全率等は配慮される。）
における第２図に示されているような温度特性が求めら
れる。

すなわち、プロセスチューブ１の温度が所定の処理温度
、ここでは、１２００°Ｃまで、その温度以下の温度、
ここでは８００°Ｃがら上昇させる昇温工程において、
ヒータ３が最大加熱能力により運転される。

このヒータ３の最大加熱運転により、第２図に示されて
いる温度特性線図においては、前期において２、激に立
ち上がり、後期において次第に緩やかになる温度上昇曲
線が描かれる。このように前期と後期とで温度上昇の副
台が相異なる理由は、ヒータ３によるプロセスチューブ
１に対する加熱状況は、加熱する側のヒータ３の温度と
、加熱される側のプロセスチューブｌの温度との温度差
に依存するため、プロセスチューブ１が低温度の状態で
は加熱され易く、高温度になるにしたがって加熱されに
（くなるからである。

次に、プロセスチューブｌの温度が必要な温度に達する
と、上昇した温度がヒータ３の加熱にょり一定時間維持
される。このとき、第２図に示されているように、上昇
する温度は必要な温度を一時的に越えてしまう（所謂オ
ーバラン現象）。

そして、所定の時間が経過すると、ヒータ３が最大能力
で冷却運転される。このときも、所謂オーバラン現象に
より一定の温度が若干継続するが、その後、第２図に示
されているように、前期において急激に立ち下がり、後
期において次第に緩やかになる温度下降曲線が描かれる
。これは、プロセスチューブ１の冷却状況は温度差に依
存するため、プロセスチューブ１が高温度の状態では冷
却され易く、低温度になるにしたがって冷却されにくく
なるからである。

そして、このようにして求められた拡散装置の最大能力
運転時における温度特性曲線に倣う温度特性曲線を示す
最適制御シーケンスが、第１図に示されているように、
求められる。この際、オーバラン現象は温度制御の範囲
に含められるし、温度上昇特性線および温度下降特性線
は制御可能な範囲に設定される。

次に、このようにして求められた第１図に示されている
シーケンスに基づいて熱拡散処理が実施される場合を説
明する。

まず、予備加熱工程において、プロセスチューブ１はシ
ーケンス制御装置１１によって制御されるヒータ３によ
り、処理に必要な温度以下の温度、本実施例においては
（以下、温度について同し。

）８００°Ｃに予備加熱される。

続いて、被処理物としてのウェハ９は複数枚が、ボート
１０に略垂直に立てられ、かつ、１列縦隊に並べられて
保持された状態で、プロセスチューブ１にその炉口１ａ
からその略中央部まで、搬入される。ウェハ９群が所定
の位置まで搬入されると、炉口１ａはキャンプ７により
閉塞される。

ここで、ウェハ９群およびボートＩＯがプロセスチュー
ブ１に対して搬入されて行く際、ボート１０の進行方向
前側領域におけるウェハ９群と、後側領域におけるウェ
ハ９群との間において温度差が発生するのを防止するた
めに、ボート１０は緩やかな速度をもって徐々に移動さ
れる。また、同様な理由で、搬入時におけるプロセスチ
ューブ１のヒータ３による加熱温度は、所定の処理温度
よりも一時的に隣下されている。

このようにして、搬入時において、ヒータ３による加熱
温度が下げられ、かつ、ボート１０が徐々に移動されて
行くことにより、ポートＩＯ上におけるウェハ９群の前
後部における温度差の発生が抑制される。その結果、ボ
ート１０上におけるウェハ９群内（１バツチ内）の熱処
理レート（程度）についての差が抑制されることになる
。

続いて、プロセスチューブ１はシーケンス制御装置１１
によって制御されるヒータ３により、処理に必要な温度
、例えば、１２００°Ｃまで加熱される。この昇温工程
において、ヒータ３による加熱は、第１図に示されてい
るように、１１００　’Ｃ程度に達するまでの前期が１
０°Ｃ／分の割合をもって昇温するように、また、１１
００°Ｃ程度に達した以後の後期が５°Ｃ／分の割合で
昇温するように制御される。すなわち、昇温の傾きが可
変的に実行される。

このときの昇温特性線は、この拡散装置の最大加熱運転
時における昇温特性曲線に倣うものであるため、この昇
温工程における昇温はきわめて効率的に実行されること
になる。したがって、所望の加熱温度である１２００°
Ｃに達する時間は、最も短縮化される。しかも、その昇
温はシーケンス制御装置１１によって制御された状態下
で実行されるため、所謂加熱のオーバラン現象、その他
の制御されない、ないしは、不測の予期しない現象が発
生することは、未然に防止されることになる。

ちなみに、シーケンス制御装置１１によるヒータ３の加
熱制御において、プロセスチューブ１における現在の実
際の温度は温度センサ１３によって時々刻々とインプッ
トされる。そして、シーケンス制御装置１１はこの実際
の温度と、予めシーケンスされている温度とを随時比較
し、その温度差を埋めるに必要な加熱温度を演算するこ
とにより、ヒータ３を駆動制御することになる。

次いで、シーケンス制御装置１１によるヒータ３の加熱
処理により、必要な処理温度、例えば、１２００°Ｃ１
が所定時間維持されるとともに、処理ガス供給口１ｂか
ら所定の処理ガス、例えば、酸素ガスが供給され、所定
の処理条件で熱拡散処理が実施される。

所定の処理が終了する設定時間経過後、シーケンス制御
装置１１の制御によって降温工程に入るが、この降温工
程においても、段階的な降温作動が実行されるように、
ソーケンス制御装置１１によるヒータ３に対する制御が
実行される。

すなわち、１２００°Ｃから１０００°Ｃに達するまで
の前期においては、プロセスチューブ１の温度が、７°
Ｃ／分で降温するように、１０００°Ｃから９００°Ｃ
に達するまでの中期においては、プロセスチューブ１の
温度が、５°Ｃ／分で降温するように、９００°Ｃから
８００°Ｃに達するまでの後期においては、プロセスチ
ューブ１の温度が、２°Ｃ／分で降温するように、ヒー
タ３はシーケンス制御装置１１により制御される。すな
わち、降温の傾きが可変的に実行される。

このときの温度下縫特性線は、第２図に示されているこ
の拡散装置の最大冷却能力運転時の降温特性曲線に倣う
ものであるため、温度の下條はきわめて効率的に実行さ
れる。したがって、この降温工程は最も短縮化されるこ
とになる。しかも、この降温はシーケンス技制御装置１
１の制御下で実行されるため、所謂オーバラン現象、そ
の他の制御されない、ないしは、不測の予期しない現象
の発生は未然に防止されることになる。

このようにして、プロセスチューブ１の処理室２が所定
の低温（８００°Ｃ）まで冷却されると、ポート１０に
保持されているウェハ９群は処理室２から炉口１ａに搬
送される。このとき、ポート１０はゆっくりと進行され
る。したがって、前述した搬入時と同様、ウェハ９群内
の前部と後部とにおいての温度差は発生せず、温度分布
がウェハ群９内において均一になり、温度差による熱応
力の発生が抑制され、その結果、熱応力に伴う転位欠陥
やウェハの変形が防止されることになる。

ところで、第３図に示されているように、昇温工程およ
び降温工程における昇温および降温が、５°Ｃ／分、お
よび、−３°Ｃ／分のように一定の割合によって、実行
される従来例の場合、昇温工程および降温工程が長期化
するため、炉熱炉冷プロセスによる熱処理全体としての
処理時間が長期化するという問題点がある。

しかし、本実施例によれば、昇温工程における昇温時間
、および、降温工程における降温時間が略最大限に短縮
化されるため、炉熱炉冷プロセスによる熱処理全体とし
ての処理時間は、昇温工程における昇温時間、および、
降温工程における降温時間が短縮化された分だけ、短縮
化されることになる。

前記実施例によれば次の効果が得られる。

（１）　　プロセスチューブ全体の温度を所定の熱処理
に必要な温度にまで上昇する昇温工程は、その温度上昇
が段階的になるように、また、プロセスチューブ全体の
温度を所定の熱処理に必要な温度以下に下げる降温工程
は、その温度下降が段階的になるように、シーケンス制
御することにより、昇温工程および降温工程の所要時間
をそれぞれ短縮化することができるため、処理時間全体
としての所要時間を短縮化することができ、その結果、
熱処理装置の使用効率、および、熱処理方法のスループ
ットを高めることができる。

（２）　　ウェハのプロセスチューブへの搬入搬出速度
や、ウェハの処理量、ウェハの形状等に左右されずに、
均一な熱処理を実行することができる。

（３）　　ウェハの搬入搬出時におけるプロセスチュー
ブ内の温度は所望の熱処理温度以下に設定されているた
め、熱処理の時間にずれが少し位あっても、同一条件下
で熱処理することができる。

（４）　　常に一定の条件下で、ウェハを加熱処理する
ことができるため、均質の熱処理が施されたウェハを得
ることができる。

（５）プロセスチューブへの搬入搬出時にウェハ群を徐
々に進行させることにより、ウェハ群の進行方向前後部
における温度差の発生を抑制させることができるため、
熱処理レートをウェハ群内（１バンチ内）において全体
的に均一化させることができる。

（６）昇温工程および降温工程における段階的昇温およ
び１４温を使用する熱処理装置についての最大加熱運転
時における昇温特性、および、最大冷却運転時における
降温特性に可及的に倣うようにそれぞれ設定することに
より、最適な制御シーケンスを確実に、かつ、容易に求
めるできるため、前記（１）の効果をより一層高めるこ
とができる。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具
体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるも
のではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能
であることはいうまでもない。

例えば、昇温工程における段階的昇温、および、降温工
程における段階的降温の段数、および、各段階における
時間に対する温度変化の割合（温度変化速度）等は、各
熱処理装置面をの昇温特性および降温特性をそれぞれ求
めた上で、各熱処理装置毎に最適の値を設定することが
望ましい。

また、熱処理温度、その熱処理温度以下の温度は、所望
の熱処理毎に最適の温度が設定されることは言うまでも
ない。

さらに、プロセスチューブが横に設置されている横形熱
処理装置に限らず、プロセスチューブが縦に設置されて
いる縦形熱処理装置にも適用する。

以上の説明では主として本発明者によってなされた発明
をその背景となった利用分野である拡散装置に通用した
場合について説明したが、それに限定されるものではな
く、低圧ＣＶＤ装置、アニーリング装置、その他の熱処
理装置全般に通用することができる。

〔発明の効果〕

本願において開示される発明のうち代表的なものによっ
て得られる効果を簡単に説明すれば、次の通りである。

プロセスチューブ全体の温度を所定の熱処理に必要な温
度にまで上昇する昇温工程は、その温度上昇が段階的に
なるように、また、プロセスチュブ全体の温度を所定の
熱処理に必要な温度以下に下げる降温工程は、その温度
下降が段階的になるように、シーケンス制御することに
より、昇温工程および降温工程の所要時間をそれぞれ短
縮化することができるため、処理時間全体としての所要
時間を短縮化することができ、その結果、熱処理装置の
使用効率、および、熱処理方法のスループットを高める
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である炉熱炉冷プロセスによ
る熱処理方法のシーケンスを示す線区第２図はその作用
を説明するための最大加熱冷却運転時における温度特性
を示す線図、第３図は同じ〈従来例によるシーケンスを
示す線図である。 第４図は本発明の一実施例である拡散装置を示す縦断面
図である。 １・・・プロセスチューブ、２・・・処理室、３・・・
ヒータ、４・・・ヒータ素線、５・・・断熱材、６・・
・容器、７・・・キャップ、８・・・均熱管、９・・・
ウェハ（被処理物）、１０・・・ボート（処理治具）、
１１・・・シーケンス制御装置、１２・・・入力装置、
１３・・・温度センサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数枚の半導体ウェハの加熱炉内において熱処理す
   る熱処理方法であって、 前記加熱炉全体を前記所定の熱処理に必要な温度以下の
   温度に加熱する工程、 前記加熱された加熱炉中に前記複数のウエハを挿入する
   工程、 前記加熱炉全体の温度を前記所定の熱処理に必要な温度
   にまで上昇する昇温工程、 前記上昇した温度を一定時間維持し、前記複数のウエハ
   に所定の熱処理を施す工程、 前記加熱炉全体の温度を前記所定の熱処理に必要な温度
   以下に下げる降温工程、 前記温度が下げられた加熱炉中より前記複数の半導体ウ
   ェハを取り出す工程、 より成る熱処理方法において、 前記加熱炉全体の温度を所定の熱処理に必要な温度にま
   で上昇する昇温工程では、その温度上昇の傾きが可変を
   成すように実行され、 また、前記加熱炉全体の温度を所定の熱処理に必要な温
   度以下に下げる降温工程では、その温度下降の傾きが可
   変を成すように実行されることを特徴とする熱処理方法
   。 ２、前記昇温および降温が、前記加熱炉についての最大
   能力運転時における昇温特性、および、最大能力運転時
   における降温特性にそれぞれ可及的に倣うように設定さ
   れることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の熱処
   理方法。 ３、半導体ウェハ群が搬入搬出される処理室を備えてい
   るプロセスチューブと、プロセスチューブに外装されて
   前記処理室内を加熱するヒータとを備えている熱処理装
   置において、 前記ヒータにシーケンス制御装置が接続されているとと
   もに、このシーケンス制御装置には、このシーケンス制
   御装置に熱処理シーケンスを入力する入力装置と、前記
   プロセスチューブの現在の温度を検出してこのシーケン
   ス制御装置に入力する温度センサとが接続されており、
   このシーケンス制御装置は前記ヒータをしてその昇温作
   動および降温作動を段階的に実行させるように構成され
   ていることを特徴とする熱処理装置。