JPH0462840A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体基板の熱処理方法に係り、特に、半導
体製造におけるアニールや酸化のプロセスで用いられる
熱処理炉の炉内雰囲気の改善に関する。

〔従来の技術〕

ＬＳＩや超ＬＳＩプロセスにおいては、半導体基板に対
し、酸化膜を形成したり、イオン注入後の活性化用のア
ニールを行ったりする熱処理が必須となっている。この
熱処理を行う熱処理炉としては、従来、横形炉と縦形炉
があるが、炉心管か鉛直方向に配置される縦形炉は殆ど
外気を巻き込まず、基板内の温度均一性が高く、また膜
厚均一性も高いことから、近年、熱処理の主流になりつ
つある。

この熱処理として、シリコンウェハ等の半導体基板上に
酸化膜を形成させる酸化プロセスを例にとって考えると
、ベース温度に維持されている酸化炉に基板を徐々に挿
入する入炉工程、酸化炉の温度を炉のベース温度からプ
ロセス温度まで上界させる昇温工程、プロセス温度で酸
化膜を形成させる酸化工程、酸化炉の温度をプロセス温
度から炉のベース温度まで降下させる降温工程、及びベ
ース温度を維持する酸化炉から基板を徐々に取り出す出
炉工程に大別され（後述する第３図参照）、これらの各
工程が通常、順次自動的に行われる。

このようにして酸化される酸化膜の厚さを精度良く制御
するには、酸化工程以外の工程において酸化膜が形成さ
れる状態を極力排除し、所定プロセス温度の安定状態に
ある酸化工程においてのめ酸化膜の形成を許容すること
が望ましい。そごで、入炉、昇温５降温及び出炉の各工
程では、炉内に窒素（Ｎ２）ガスのみが供給され、炉内
から酸化性の雰囲気を排除している。

〔発明が解決しようとした課題〕

ところで、上述した従来の熱処理方法を横形の酸化炉に
適用した場合、酸化以外の工程での炉内雰囲気は窒素ガ
スとなっており、これに外気の巻き込みに伴う酸素が数
パーセント混合されるため、基板材料である例えばシリ
コンと窒素ガスとが反応してシリコンの窒化物が基板表
面に島状に形成されてしまうという状態が防止されてい
た。

しかしながら、前述した従来の熱処理方法を、縦形の酸
化炉に適用した場合、例えば入炉、昇温工程において外
気の巻き込みが殆ど無いため、炉内の酸素濃度は極めて
低くなる。これは横形炉で起きていた、酸化ガスの混合
による窒化物生成の抑制効果が無くなることから、シリ
コンの窒化物が基板表面に島状に形成されてしまう。こ
の窒化物は、その後の酸化工程においては酸素ガスを透
過させないから、結局、基板表面に酸化むらに因るアレ
が形成されることになる。また、窒素ガスは高温状態に
ある酸化膜を透過するので、酸化工程後の降温工程であ
っても係るアレは促進される。

このようにして形成される界面のアレは、形成した酸化
膜の膜厚均一性を損なうものであるから、例えば絶縁性
能か著しく低下してしまう。とくに、高集積化の要請に
基づいてゲート酸化膜を薄膜化させたような場合には、
電界密度の局所的な」１昇に囚って、ゲート酸化膜の絶
縁不良を発生してしまうという問題があった。

一方、アニール処理においては、表面に形成される窒化
物が予期しない不純物として作用し、例えば電子トラッ
プ準位を形成して帯電するため、電気的特性の悪化等の
要因になる恐れがあった。

本発明は、このような従来技術の問題に鑑みてなされた
もので、縦形の熱処理炉であっても、酸化膜の生成等、
熱処理に対する制御性（例えば膜厚制御性）を良好に維
持するとともに、窒素ガスによる窒化物の生成を防止し
て、その窒化物の悪影響を排除することを、その解決し
ようとした課題としている。

〔課題を解決するための手段〕　　′ 上記課題を解決するため、請求項（１）（３）記載の発
明では、縦形の熱処理炉（例えば酸化炉）に半導体基板
を挿入する入炉工程と、この入炉工程の終了後に、前記
熱処理炉の温度を炉のベース温度からプロセス温度まで
上昇させる昇温工程と、この昇温工程の終了後に、所定
の熱処理を施す熱処理工程とを含む半導体基板の熱処理
方法において、前記入炉工程及び昇温工程の内、少なく
とも昇温工程における前記熱処理炉内の雰囲気を、窒素
ガスと酸化ガスとの混合ガスにした。

また請求項（２）（３）記載の発明では、縦形の熱処理
炉（例えば酸化炉）に半導体基板を挿入する入炉工程と
、この入炉工程の終了後に、前記熱処理炉の温度を炉の
ベース温度からプロセス温度まで上昇させる昇温工程と
、この昇温工程の終了後に、所定の熱処理を施す熱処理
工程と、この熱処理工程の終了後Ｇこ、前記熱処理炉の
温度をプロセス温度から炉のヘース温度まで降下させる
降温工程と、この降温工程の終了後に、前記半導体基板
を前記熱処理炉から取り出す出炉工程とを含む半導体基
板の熱処理方法において、前記入炉工程、昇温工程、降
渇工程、及び出炉工程の内、少なくとも昇温工程及び降
温工程における前記熱処理炉内の雰囲気を、窒素ガスと
酸化ガスとの混合ガスにした。

〔作用］ 請求項（１）、　（３）記載の発明においては、入炉工
程及び昇温工程の内、少なくとも昇温工程にお６ノる熱
処理炉（酸化炉）内の雰囲気が、窒素ガスと酸化ガスと
の混合ガスであるから、少なくとも、炉内の温度かヘー
ス温度からプロセス温度に至る高温状態での窒素ガスと
半導体基板との反応が抑制される。これにより、半導体
基板上に形成される窒化物が減少し、熱処理工程で形成
される酸化膜等の、窒化物に起因した絶縁不良等の悪影
響が少なくなる。

請求項（２）、　（３）記載の発明においては、入炉工
程昇温工程、降温工程、及び出か工程の内、少なくとも
昇温工程及び降温工程におげろ熱処理炉内の雰囲気が、
窒素ガスと酸化ガスとの混合ガスであるから、熱処理工
程を挟む両方の高温状態での窒素ガスと半導体基板との
反応が抑制される。これにより、半導体基板上に形成さ
れる窒化物が請求項（１）記載の方法よりもさらに減少
し、熱処理工程で形成される酸化膜等の、窒化物に起因
した悪影響が減少する。

〔実施例］ 以下、本願発明の一実施例を添付図面の第１図乃至第４
図に基づいて説明する。

第１図において、２は半導体基板（ウェハ）を示し、４
は熱処理炉としての縦形の酸化炉を示す。

この酸化炉４の炉本体は、両軸端部が開口し鉛直方向に
立設された炉心管６と、この炉心管６の周囲に巻き回さ
れたヒータ８と、複数の基板２．・・・２を載せて炉心
管６の下方の開口部から管内に出し入れ可能なボートロ
ーダ１０とを少なくとも有している。

炉心管６の」１方の第１の開口部には第１のガス管１２
が接続されており、この第１のガス管１２が第１のマス
フローメータ１４及び第１の制御バルブ１６を順次介し
て窒素ガス供給装置１８に至る。また炉心管６の上方の
第２の開口部には第２のガス管２２が接続されており、
この第２のガス管２２が同様に第２のマスフローメータ
２４及び第２の制御バルブ２６を順次介して酸素ガス供
給装置２８に至る。第１．第２のマスフローメータ１４
．２４は、夫々、通過する流量に対応したセンサ信号を
コントローラ３０に供給すると共に、コントローラ３０
から出力される流量制御信号を受けて、通過するガス流
量を指令値に制御する。

また、第１．第２の制御バルブ１６，２６の夫々はコン
トローラ３０からの開閉制御信号を受けて、流路を開閉
する。

コントローラ３０はマイクロコンピュータを搭載し、例
えばオートプロファイル方式によって温度制御を行うも
ので、複数の熱電対３１．・・・、３１で測定した温度
プロファイルを予め記憶している目標プロファイルに照
合させて制御量を求め、その制御量に対応した温度制御
信号を温度調節器３２に出力する。これにより、温度調
節器３２はヒータ８の加熱状態を調整する。また、コン
トローラ３０はドライバ３４を介してボートローダ１０
のモータ１０ａを回転させるようになっており、これに
より、ポー１−ローダ１０全体が上下方向に移動して炉
心管６に対し出し入れできる。

ところで、本実施例においては、酸化工程の前後の４工
程における酸素ガス混合率を全体量の１０％（例えば、
Ｎ２流量を９！／分、０２流量を１！／分）としている
。これは、本発明者らか、入炉時（入炉工程及び昇温工
程の両方を含む）の「窒素ガス中の酸素ガスの混合率」
に対する「酸化膜厚のパッチ間ばらつき」を調べた結果
、第２図のような変化曲線を得たことに起因している。

つまり、混合率Ｏ％〜約１５％までは、ばらつき（即ち
膜厚制御性に帰着する要素）は１％〜３％強程度で比較
的小さいが、混合率が約１５％のうインを越えると、ば
らつきが急速に大きくなることが判ったので、混合率を
１０％としたのである。

なお、本実施例では酸化工程において、酸素（０□）ガ
スを炉内に供給する構成としているが、これはＨ２Ｏ又
は０２　、Ｈｚ　Ｏの希釈ガスであってもよい。

次に、本実施例の動作を、第３図を参照しながら説明す
る。

いま、コン１〜ローラ３０からの指示の基に、温度調節
器３２がヒータ８を加熱させ、炉心管６内の温度（以下
、炉温度という）を炉４のベース温度ＴＲ（例えば８０
０°Ｃ）に保持しているとした。

また、コントローラ３０は第１．第２の制御バルブ１６
．２６に指令を送り、当該制御バルブ１６゜２６を開か
せるとともに、第１．第２のマスフローメータ１４．２
４に指令を与えて、第１のマスフローメータ１４の流量
と第２のマスフローメータ２４の流量との比率をｒ９：
ＩＪに設定する。

これにより、窒素ガス供給装置１８及び酸素ガス供給装
置２８から炉心管６内にガス供給がなされ、その混合率
は「窒素９０％：酸素１０％」となる。

この炉心管６内の雰囲気が窒素ガス及び酸素ガスの混合
ガスとなっている状態において、時刻も。で入炉工程が
開始されると、コントローラ３゜は、ドライバ３４に指
令を与え、モータ１０ａを低速で回転させる。これによ
り、ボートローダ１０が低速の所定速度で上界し、基板
２．・・・、２がゆっくりと炉心管６内の所定位置に挿
入される。

このため、各基板２の温度は第３図に示すように室温か
ら徐々にベース温度まで上昇していく。

ごのようにして、全部の基板２が挿入された後も、所定
時間も、　〜１．ｌ　の間はベース温度ＴＢを維持して
均熱化を図る。このベース温度ＴＢのときには、酸化レ
ーＩ〜が低いために、酸化は殆ど生じない。そして、時
刻１＋　　（例えば、１．−１．。

間は３０分）に達したときに入炉工程を終える。

時刻ｔ、に達すると、コントローラ３ｏは、第１、第２
の制御バルブ１６．２６及び第１．第２のマスフローメ
ータ１４．２４に対する制御信号を入炉工程での状態に
したまま、温度調節器３２に指令を送って、ヒータ８の
加熱を所定速度（例えば１０°Ｃ／分）で上昇させる昇
温工程の処理に移行する。この昇温工程は、炉温度が所
定のプロセス温度Ｔ、（例えば９００″Ｃ）に到達する
時刻ｔｚ　　（例えば、ｔ、〜ｔ２間は１０分）で終了
する。

さらに、時刻Ｌ２に達すると、コントローラ３０は酸化
工程の処理を行う。具体的には、所定のプロセス温度Ｔ
、を維持する指令を温度調節器３２に行う。これと共に
、第１の制御バルブ１６を閉じさせ、窒素ガス供給装置
１８からの窒素ガス供給を止めると同時に、第２のマス
フローメータ２４に対する流量制御信号を増大させて、
酸素ガスの供給量を所定値まで増大させる。これにより
、炉心管６内に供給されるガスは、それまでの窒素及び
酸素の混合ガスから酸素ガスのみに変わり、この酸化処
理を所定時刻ｔ３　（例えばｔ２〜も３間は１時間）ま
で維持することによって基板２表面に熱酸化による酸化
膜（膜厚は例えば３００人）を成長させる。

以上の酸化工程が終了して時刻ｔ３に達すると、コント
ローラ３０は第１の制御バルブ１６及び第２のマスフロ
ーメータ２４に対する指令を、前述した入炉、昇温工程
の状態に戻し、炉内の雰囲気ガスを「窒素９０％：酸素
１０％」の混合ガスとした。これに並行して、温度調節
器３２に指令を与え、炉温度を所定速度（例えば１５°
Ｃ／分）で降下させ、ベース温度Ｔ、に到達する時刻も
４で降温工程を終える。

時刻ｔ４に達して降温工程を終了すると、コン１−ロー
ラ３０は降温工程の炉内雰囲気を維持させたまま、今度
は前述した入炉工程と反対の出炉工程の制御を行う。こ
れにより、ボートローダ１０が低速の所定速度で降下し
、基板２．・・・、２が炉心管６からゆっくりと取り出
される。この取出しに伴って、各基板２の温度は第３図
に示す如くベース温度ＴＢから室温まで徐々に低下する
。これによって、一連の酸化プロセスが終了する。

このように本実施例では、酸化工程の前後の段階におい
て雰囲気ガスを窒素９０％、酸素１０％の混合ガスとし
ているので、それらの前後の工程にて若干の酸化膜が形
成されるものの、窒素ガスによって酸化前後の工程にお
ける成膜が適度に抑制され、主たる酸化膜は酸化工程に
て形成される。

これにより、酸化温度、酸化時間、酸化ガスの種類等の
変更により、酸化膜厚を良好に制御できる。

これと同時に、窒素ガスに酸素ガスを強制的に混合させ
ることによって、従来の横形炉における外気の巻き込み
と同等の雰囲気が確保され、酸素ガスの方が窒素ガスよ
りもシリコンとの反応性が高いので、基板表面に窒化物
が形成されることもない。このため、酸化工程における
基板表面の窒化物に起因した膜表面のアレも殆ど無くな
り、且つ、降温工程及び出炉工程における窒素ガスの酸
化膜透過に起因したアレの増大も回避される。したがっ
て、たとえ、ゲート酸化膜が薄膜化されても、界面での
電界密度の局所的な異常上昇が無く、絶縁不良を防止で
きる。

この絶縁不良に関し、本発明者らは、酸化以外の入炉、
昇温、降温、出炉の４工程を窒素ガスのみとした従来の
方法と、係る４工程を本実施例のように窒素９０％、酸
素１０％の混合ガスとした方法とを絶縁膜の初期短絡率
（デバイス完成後のケート酸化膜絶縁不良の発生率）で
比較したところ、第４図に示す結果を得た。これに拠る
と、従来方法では９９．９％の短絡率であったのに対し
、本発明の方法では殆ど０％に近い短絡率であり、本発
明によって大幅に絶縁不良を減らずことができ、その有
用性が示された。なお、第４図のデータを得た実験では
、６インチＰ型Ｓｉウェハを測定試料として用い、その
測定試料には、従来条件（窒素１００％）と本発明条件
（窒素９０％、酸素１０％）とにおいて３００人のゲー
ト酸化膜を各々形成した。測定では、試料数を各々２１
２個とし、良品の判定基準はチー１〜絶縁耐圧が９ＭＶ
／ｃｍ以上とした。

さらに、本実施例の温度制御は、従来方法に係る酸化工
程の時間を、該酸化工程の前後で成膜される若干の厚さ
分に相当する時間だけ短縮してやれば済むから、従来の
温度制御プログラムを殆どそのまま使用でき、実施が容
易である。

なお、前述した実施例においては、酸化工程の前後の４
工程における酸素ガス混合率を全体量の１０％としたが
、本発明は必ずしもこの混合率に限定されることなく、
前述した第２図の曲線に鑑みて、例えば、酸化膜厚の制
御性を重んじて１０％以下の混合率としてもよいし、ま
た若干の酸化膜厚のばらつきを犠牲にしても窒化物の生
成を抑制して絶縁性能を上げたい場合、１０％を若干越
える値としてもよい。但し、１５％付近になると、酸化
膜厚のばらつき率が急増し始めるので、膜厚制御性と絶
縁性の両立は実際上困難になる。

また、前述した実施例では、酸化工程の前後の４工程を
何れも、窒素ガス及び酸素ガスの混合ガスを炉内雰囲気
とした場合について述べたが、本発明は、それ以外にも
例えば窒化物の生成が著しく少ないと推定される出炉工
程は窒素ガスのみを供給し、混合ガスを供給するのは入
炉、昇温及び降温工程としてもよい。また、必要に応じ
て昇温。

降温工程のみ混合ガスを供給してもよいし、更にば最も
窒化物の生成が進むと想定される昇温工程のみ混合ガス
を供給するようにしてもよい。

またさらに、本発明の混合ガスに混合する酸化ガスは、
必ずしも酸素（０□）ガスに限定されることなく、例え
ばＨ２Ｏであってもよい。

またさらに、本発明の熱処理炉は、前述した酸化膜生成
のための酸化炉だけではなく、イオン注入後に活性化さ
せるアニール炉や、信頼性を」−げるために行う犠牲酸
化のための酸化炉であっても同様に適用でき、基板表面
の窒化物の生成を抑えて、窒化物に起因した不要な不純
物の介在などを抑制できる。

〔発明の効果〕

以上説明してきたように、請求項（１）（３）記載の発
明は、入炉工程及び昇温工程の内、少なくとも昇温工程
における酸化炉等の熱処理炉内の雰囲気を、窒素ガスと
酸化ガスとの混合ガスにしたので、酸化ガスを適度に混
合することにより、縦形炉であっても、入炉、昇温工程
における酸化ガスに拠る成膜を抑制して、膜厚制御性を
良好に維持できるとともに、窒素ガスと基板材料との反
応による窒化物の生成を抑制して、生成膜の絶縁性の低
下や予期しない不純物の介在を排除し、窒化物の生成に
伴う悪影響を排除できるから、それらの両立化が達成さ
れる。

また、請求項（２）　（３）記載の発明は、入炉工程、
昇温工程、降温工程、及び出炉工程の内、少なくとも昇
温工程及び降温工程における酸化炉等の熱処理炉内の雰
囲気を、窒素ガスと酸化ガスとの混合ガスにしたため、
酸化以外の工程における窒化物の生成をより徹底して防
止でき、請求項（１）（３）記載の発明よりも、窒化物
による悪影響を一層確実に抑制できる。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第４図は本発明の一実施例に係る図であって
、第１図は酸化炉の構成図、第２図は酸素ガス混合率と
酸化膜厚のバッチ間ばらつきとの関係例を示すグラフ、
第３回は基板に対する加熱温度を工程別に示すグラフ、
第４図は絶縁膜の初期短絡率を従来方法と比較したグラ
フである。 図中、２・・・半導体基板、４・・・酸化炉（熱処理炉
）、６・・・炉心管、８・・・ヒータ、１０・・・ボー
１−ローダ、１２．２２・・・ガス管、１４２４・・・
マスフローメータ、１６．２６・・・制御バルブ、１日
・・・窒素ガス供給装置、２８・・・酸素ガス供給装置
、３゜・・コントローラ、３１・・・熱電対、３２・・
・温度調節器、３４・・・ドライバ、である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）縦形の熱処理炉に半導体基板を挿入する入炉工程
   と、この入炉工程の終了後に、前記熱処理炉の温度を炉
   のベース温度からプロセス温度まで上昇させる昇温工程
   と、この昇温工程の終了後に、所定の熱処理を施す熱処
   理工程とを含む半導体基板の熱処理方法において、 前記入炉工程及び昇温工程の内、少なくとも昇温工程に
   おける前記熱処理炉内の雰囲気を、窒素ガスと酸化ガス
   との混合ガスにしたことを特徴とした半導体基板の熱処
   理方法。
2. （２）縦形の熱処理炉に半導体基板を挿入する入炉工程
   と、この入炉工程の終了後に、前記熱処理炉の温度を炉
   のベース温度からプロセス温度まで上昇させる昇温工程
   と、この昇温工程の終了後に、所定の熱処理を施す熱処
   理工程と、この熱処理工程の終了後に、前記熱処理炉の
   温度をプロセス温度から炉のベース温度まで降下させる
   降温工程と、この降温工程の終了後に、前記半導体基板
   を前記熱処理炉から取り出す出炉工程とを含む半導体基
   板の熱処理方法において、 前記入炉工程、昇温工程、降温工程、及び出炉工程の内
   、少なくとも昇温工程及び降温工程における前記熱処理
   炉内の雰囲気を、窒素ガスと酸化ガスとの混合ガスにし
   たことを特徴とした半導体基板の熱処理方法。
3. （３）前記熱処理炉は酸化炉であることを特徴とした請
   求項（１）又は（２）記載の半導体基板の熱処理方法。