JPH05291165A - 基板熱処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 縦型の熱処理装置を使用する場合、基板の熱
反り変形の累積を防止する。 【構成】 縦型の熱処理装置を使用する場合、基板ある
いはウェハ１を所定のピッチでポスト２により水平に保
持したボートを反応管の内部に挿入する。この状態で通
常２回以上の熱処理を施す。この際、ボートに設置され
たウェハ１の平面方向の向きを変えた姿勢で熱処理を少
なくとも１回以上行ない熱反り変形の累積を防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はアクティブマトリクス型
液晶表示装置やラインセンサ等に用いられる薄膜素子基
板の製造方法に関する。より詳しくは、製造工程におけ
る縦型熱処理装置を用いた基板の熱処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】薄膜トランジスタ等の薄膜素子が集積的
に形成された基板（以下薄膜素子基板と称する）は、従
来からアクティブマトリクス型液晶表示装置、プラズマ
ディスプレイ、ＥＬディスプレイあるいはラインセンサ
等の構成部材として広く用いられている。薄膜素子は基
板表面に成膜された多結晶シリコンや非晶質シリコン等
からなる薄膜を半導体活性層としＬＳＩ製造プロセスを
適用して集積的に形成される。ＬＳＩ製造プロセスには
不純物拡散工程、ゲート絶縁膜形成工程あるいはアニー
ル工程といった高温熱処理が含まれており、基板は製造
工程中における最高処理温度に耐える事のできる優れた
耐熱性を備えていなければならない。この最高処理温度
は薄膜材料や適用されるＬＳＩ製造プロセスの内容によ
って異なっている。基板としてガラス材料を採用する場
合にも最高処理温度によって適切なものが選択される。
例えば、非晶質シリコン薄膜トランジスタ素子を形成す
る場合には最高処理温度は一般に５００℃程度になる。
この場合には約６００℃程度の歪点を有するバリウム硼
硅酸ガラス（例えばコーニング７０５９）が使われる。
なお、歪点は材料の粘度が約１０^13.5Ｐａ・ｓになる温
度をもって定義され耐熱性の尺度となる。又多結晶シリ
コン薄膜を用いてトランジスタ素子を形成する場合に
は、ゲート絶縁膜の形成方法としてＣＶＤを用いた時、
最高処理温度は６００℃程度に達する。この場合には、
基板材料として約６４０℃の歪点を有するアルミナ硼硅
酸ガラス（例えばコーニング１７３３）が使われる。ゲ
ート絶縁膜の形成方法としてＣＶＤに代え熱酸化処理を
用いた場合には基板処理温度が１０００℃程度に達す
る。この時には、約１０６０℃の歪点を有する石英ガラ
スが基板材料として用いられる。この他にもＬＳＩ製造
工程中の最高処理温度に応じて様々な種類のガラス材料
が用いられている。

【０００３】しかしながら基板は歪点以下であっても高
温になるに従って粘度は低下していく。特にガラス材料
は非晶質である為その粘度は温度の上昇に伴なって略単
調に低下する。この為歪点より１００℃程度低い温度で
熱処理を加えても若干変形する性質がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来半導体製造プロセ
スに用いられる熱処理装置としては横型のものが用いら
れていた。横型は熱処理の対象となる基板あるいはウェ
ハを複数枚ボートに立て掛けた状態で炉内に配置する構
造となっており、ウェハ搬送時における空気の逆流が少
ない点に特徴がある。しかしながら、近年ではウェハの
大径化が進み且つ高集積化に伴ない高品質での処理能力
が求められている。そこで、省スペースと熱処理の均一
性の観点から、横型に代えて縦型の熱処理装置が主流に
なってきている。この熱処理装置には例えば拡散／酸化
炉やＬＰ−ＣＶＤ炉等が含まれる。縦型の熱処理装置に
ついては例えば特開平３−２３５３２９号公報に開示が
ある。

【０００５】この縦型ではボートによりウェハの端部の
みを支持して水平に保持する構造となっている。従っ
て、基本的にウェハの自重による熱変形が起り易い支持
構造である。この為、縦型の熱処理装置を用いると、例
え歪点より１００℃程度低い温度で熱処理を施しても自
重によりウェハの反り変形が発生するという課題あるい
は問題点があった。特に、薄膜素子製造プロセスでは不
純物拡散工程、熱酸化によるゲート絶縁膜形成工程、ア
ニール工程等複数回の熱処理が繰り返し行なわれる。１
回の熱処理で発生する反り量が小さくても熱履歴を繰り
返す毎に変形が累積され、最終的には大きな反り量とな
ってしまう。基板に反りが生じると、後工程でウェハの
搬送トラブルや露光装置のステージ吸着不良による露光
欠陥等の故障が発生する。又、基板変形に伴ない薄膜内
部のストレスが増大し薄膜素子の電気特性不良が発生す
る。ウェハが大径化すると反りの絶対量が益々増大する
為様々な不良、故障あるいは欠陥が多発する。薄膜素子
基板の大径化が進んでいる現在、反り等の熱変形を避け
る為には歪点の高い耐熱性の優れた高価な基板材料例え
ば石英ガラスを使わざるを得ず、製造コストの上昇を招
いていた。又、石英ガラスを用いた場合であっても、歪
点近傍で熱処理を行なった場合には熱変形を避ける事が
できない。一般に、熱処理温度が高い程機能的に安定し
た薄膜素子が得られる。しかしながら、現実には熱変形
を抑える観点から処理温度を高く設定できないという問
題点がある。

【０００６】本発明の背景理解をさらに容易にする為
に、縦型の熱処理装置を使用した場合に固有の基板反り
発生状況について簡潔に説明する。一般に基板を水平姿
勢で保持する為にボートが用いられる。ボートは基板の
外周方向に沿って所定の間隔で直立配置された複数の柱
もしくはポストを有している。各ポストの側面部には溝
が形成されており基板端部と係合する事によりこれを水
平支持する。しかしながら、ポストは等間隔で配置され
ておらず、一方向側において基板を受け入れる為に隣接
するポスト間隔が拡張されている。従って、基板はその
周端部において点支持されているが平面的に見て完全な
均衡がとれていない。幾何学的に見て不均衡な支持構造
と基板の自重との相互作用により熱反り変形が生じる。
基板の平面方向保持姿勢を一定に保っている限り熱処理
を繰り返す毎に反り変形が累積されるという課題あるい
は問題点がある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述した従来の技術の課
題あるいは問題点に鑑み、本発明は縦型の熱処理装置を
使用して基板の歪点近傍で熱処理を施しても反りの発生
を抑制する事のできる基板熱処理方法を提供する事を目
的とする。さらには、熱反り変形を抑制する事により通
常の耐熱性を有し安価な基板を用いて高収率で薄膜素子
基板を生産する事が可能な基板熱処理方法を提供する事
を目的とする。かかる目的を達成する為に、基板を所定
のピッチで水平に保持したボートを反応管の内部に挿入
した構造を有する縦型の熱処理装置を使用して２回以上
熱処理を行なう基板熱処理方法において、前記ボートに
設置された基板の平面方向の向きを変えた姿勢で熱処理
を少なくとも１回以上行なうという手段を講じた。

【０００８】

【作用】本発明によれば、基板の周辺端部だけを多点支
持して水平に保持するボートを備えた縦型の熱処理装置
を使用する場合、ボートにセットする基板の平面方向姿
勢を変えて複数回の熱処理を行なう。基板の平面方向保
持姿勢に応じて反り変形の凹凸が異なる様に現われる。
異なる凹凸形状が互いに相殺する様に基板の平面方向保
持姿勢を変える事により熱変形の累積を防止する事がで
きる。つまり本発明にあっては反りの累積を打ち消す様
に基板の平面方向保持姿勢を変えて複数回の熱処理を行
ない完成品に反りが残留しない様にするものである。こ
れにより、歪点の高い耐熱性に優れた高価な基板を使う
必要もなく反りを有効に防止できる為低コストで高収率
の薄膜素子基板製造が可能になる。

【０００９】

【実施例】以下図面を参照して本発明の好適な実施例を
詳細に説明する。図１は本発明にかかる基板熱処理方法
の基本的な概念を説明する為の模式図である。略丸型の
基板あるいはウェハ１はボートのポスト２により多点支
持され水平姿勢で保持されている。各ポスト２の側面部
には溝が形成されておりウェハ１の周辺端部と係合する
様になっている。ウェハ１をボートに対して装着可能と
する為に一方向側において隣接するポスト２の間隔が拡
大している。必然的にウェハ１は不均衡な多点支持によ
り保持される事となる。

【００１０】第１の熱処理工程ではウェハ１のオリフラ
３が挿入方向側に位置する平面姿勢でボートにセットし
所定の加工を行なう。

【００１１】第２の熱処理工程では、ウェハ１のオリフ
ラ３が挿入方向から９０°ずれた平面姿勢でウェハ１を
ボートにセットして熱処理を施す。

【００１２】図２は第１の熱処理工程で発生する反りの
状況を示す模式図である。ポスト２による多点支持の幾
何学的な不均衡性に起因してウェハ１には特異的な応力
が加わり、挿入方向Ａとこれに直交する方向Ｂでは反り
の凹凸関係が異なる。

【００１３】図３に上述した凹凸状態を模式的に示す。
挿入方向Ａでは反りが凸型になり、直交方向Ｂでは反り
が凹型になる。従って、ウェハ１全体としては所謂鞍型
の熱変形を呈する。

【００１４】第２の熱処理工程ではウェハ１は９０°回
転してボートにセットされる。従って、Ａ方向とＢ方向
の関係が第１の熱処理工程と逆転する事になる。この場
合、第１の熱処理工程で生じた凸型変形は第２の熱処理
変形で生じる凹型変形により相殺され、又第１の熱処理
変形により生じた凹型反り変形も同様に第２の熱処理工
程で生じた凸型反り変形により相殺される。従って、結
果的にウェハ１は反り変形の累積が防止され略初期の平
坦形状を維持できる。

【００１５】図４は本発明の実施に用いられるボートの
一例を示す外観斜視図である。ボート４は所定の間隔を
介して上下に離間配置された一対の円板５，６と、両者
の間に連結された複数本（本例の場合４本）のポスト２
とから構成されている。材料としては例えば耐熱性に優
れ且つ高純度の石英ガラスが用いられる。個々のポスト
２の側面部には所定のピッチをおいて溝が形成されてい
る。同一レベルの溝に対して個々のウェハの端部が係合
し水平に支持される。

【００１６】図５は図４に示したボートの平面形状を示
す。複数本のポスト２は円板５の周方向に沿って所定の
間隔を介して配置されている。但し、一方向側において
隣り合うポストの間隔が拡大しておりウェハ１の装着を
可能にしている。ウェハ１の端部は個々のポスト２に形
成された溝によって点支持されている。

【００１７】図６に本発明の実施に使用される縦型熱処
理装置の一例を示す。下端を開口し上方に伸びる有底筒
状の石英反応管７にはガス供給管８が設けられている。
個々のウェハ１はボート４に所定ピッチで離間した状態
で水平保持され、保温筒９を介して搬送される。反応管
７の開口部は、ボート４が内部に完全に挿入された時、
保温筒９に固着したキャップ１０で密封される様になっ
ている。反応管７の周囲にはヒータ１１が設けられてお
り雰囲気温度を高温に維持する。この熱処理装置を用い
て例えば熱酸化処理を行なう場合には、反応管７の内部
を例えば１０００℃の高温雰囲気に保ったままガス供給
管８からプロセスガスを導入して所定の反応時間だけ保
持する。

【００１８】再び図１に戻って本発明にかかる基板熱処
理方法の具体例を詳細に説明する。この例では直径１５
０mmの丸型石英ガラスウェハ１を用いその上に成膜され
た多結晶シリコン薄膜に対して通常のＬＳＩ製造プロセ
スを適用し薄膜トランジスタ素子基板を作成した。この
作成に当って薄膜トランジスタのゲート絶縁膜として酸
化シリコン／窒化シリコン／酸化シリコンからなる３層
構造を形成した。所謂ＯＮＯ構造であり耐圧性に優れて
いる。本発明の適用に当って、第１の熱処理工程で第１
層目の酸化シリコン膜を形成し第２の熱処理工程で３層
目の酸化シリコンを形成した。

【００１９】第１の熱処理工程は１０００℃で６０分間
行ない多結晶シリコン薄膜の表面を熱酸化した。続いて
ゲート絶縁膜の第２層目として窒化シリコンをＬＰ−Ｃ
ＶＤで堆積した。

【００２０】続く第２の熱処理工程で１０００℃６０分
で窒化シリコンの表面を熱酸化した。この時、石英ガラ
スウェハ１を第１の熱処理工程時から９０°回転させて
オリフラ３を挿入方向から横へ向けてボートに設置し
た。不純物拡散工程やゲート電極形成工程等その他の工
程は全て１０００℃以下の処理温度で行ない最終的に薄
膜トランジスタ素子基板を作成した。

【００２１】本発明の評価を行なう為に作成した薄膜素
子基板の反り量を測定した。図７に示す様に、触針法に
よって１３０mmのスパンをスキャニングした時の高さの
差を反り量として評価した。測定結果によると、第１の
熱処理工程前では基板表面に初期的な凹凸が若干存在し
ておりオリフラ平行方向（図２で示す方向Ａ）とオリフ
ラ垂直方向（図２で示す方向Ｂ）ともに約１２μｍの反
り量であった。第１の熱処理工程後、オリフラ平行方向
では凹型に約４０μｍの反りが発生し、オリフラ垂直方
向では凸型に約１０μｍの反りが発生した。第２の熱処
理工程後では、オリフラ平行方向に関し凹型の反りが３
０μｍ程度に減少するとともに、オリフラ垂直方向では
逆に凸型の反りが３０μｍ程度発生した。この場合、工
程中における搬送トラブルもなく作成した薄膜トランジ
スタ素子のＶｔｈ特性も同一ウェハ面内において約１Ｖ
以内のばらつきに納まり、素子電気特性不良も発生しな
かった。

【００２２】一方、比較例として第１の熱処理工程及び
第２の熱処理工程においてともに同一の平面保持姿勢を
維持したまま３層構造のゲート絶縁膜を形成して薄膜素
子基板を作成した。他の加工処理条件は上述した具体例
と同様である。石英ガラスウェハの反りは第１の熱処理
工程後までは上述の具体例と同程度であったが、第２の
熱処理工程後においてはオリフラ平行方向に関し凹型の
反りが８０μｍ程度発生し、オリフラ垂直方向に関し凸
型の反りが２０μｍ程度発生した。又、個々のウェハに
よって反り量のばらつきが激しかった。第２の熱処理工
程後、石英ガラスウェハの反り量のばらつきにより、約
１０枚に１枚の割合で搬送トラブルが発生し、作成した
薄膜トランジスタのＶｔｈ特性も同一ウェハ面内におい
て約３Ｖ程度のばらつきが発生した。

【００２３】さらに他の具体例として、丸型の石英ガラ
スウェハを用い酸化シリコン単層からなるゲート絶縁膜
を有する多結晶シリコン薄膜トランジスタを作成した。
第１の熱処理工程では、１０００℃で６０分多結晶シリ
コン薄膜表面の熱酸化を行ないゲート絶縁膜を形成し
た。その後ゲート絶縁膜を介して不純物を注入しソース
及びドレイン領域を形成した。続いて第２の熱処理工程
では１０００℃で３０分のアニールを行ない注入された
不純物を活性化した。この時、ウェハの平面保持姿勢を
第１の熱処理工程時から９０°回転させて、オリフラを
挿入方向から９０°横へ向けてボートにセットした。他
の工程は全て１０００℃未満で行ないゲート構造が酸化
シリコン膜単層の多結晶シリコン薄膜トランジスタを形
成した。

【００２４】この石英ガラスウェハの反りは第１の熱処
理工程前では所期的に若干の凹凸を有しておりオリフラ
平行方向、オリフラ垂直方向ともに約１２μｍの反り量
であった。第１の熱処理工程後では、オリフラ平行方向
に関し凹型の反りが約４０μｍ発生し、オリフラ垂直方
向に関し凸型の反りが約１０μｍ発生した。第２の熱処
理工程後では、オリフラ平行方向に関し凹型の反りが約
３０μｍに減少し、オリフラ垂直方向に関しては逆に凸
型の反りが約３０μｍ生じた。この場合、工程の搬送ト
ラブルもなく、作成した薄膜トランジスタのＶｔｈ特性
も同一ウェハ面内において約１Ｖ以内のばらつきで納ま
り、素子特性不良も発生しなかった。

【００２５】さらに比較例として、第２の熱処理工程に
おいても第１の熱処理工程と同じ基板平面方向保持姿勢
を保ったまま熱処理を行ない、上述の具体例と同様に多
結晶シリコン薄膜トランジスタ基板を作成した。石英ガ
ラスウェハの反りは第１の熱処理工程後までは上述の具
体例の場合と同じであったが、第２の熱処理工程後では
オリフラ平行方向に関し凹型の反りが約８０μｍ程度発
生し、オリフラ垂直方向では凸型の反りが約２０μｍ発
生した。又、個々のウェハにより反り量のばらつきが激
しかった。第２の熱処理工程後は、石英ガラスウェハの
反り量ばらつきにより約１０枚に１枚の割合で搬送トラ
ブルが発生し、作成した薄膜トランジスタのＶｔｈ特性
も同一ウェハ面内において約３Ｖものばらつきが発生し
た。

【００２６】なお、上述の各具体例においては、第１の
熱処理工程と第２の熱処理工程との間で基板の平面方向
保持姿勢を９０°変えていたが、本発明はこれに限られ
るものではなく他の角度でも良い。特に、３回以上熱処
理工程を行なったり個々の熱処理時間に顕著な相違があ
る場合には、実際の条件に従って最適なウェハの設置方
向が異なってくる。各熱処理工程で発生する反りの相殺
もしくは補償が最も効果的に達成される方向を実験的に
設定する事が好ましい。

【００２７】又、上述の具体例においては丸型の基板も
しくはウェハを用いたが本発明はこれに限られるもので
はなく、例えばアクティブマトリクス型液晶表示装置の
駆動用基板として角型の石英ガラスウェハを用いる事が
できる。角型基板の場合には、その四隅で多点支持する
ボート構造も考えられる。しかしながら、この場合には
基板の設置方向を回転させても反りは累積されてしま
う。そこで、図８に示す様に、角型基板に対して反りに
対する補償効果を得る為には、角型基板を偏った多点支
持構造で保持する様なボートを用いる事が好ましい。図
示する様に、ボートの各ポスト２は角型のウェハ１の上
方に偏在している。

【００２８】上述した具体例においては薄膜素子基板と
して石英ガラスウェハを用いたが、本発明はこれに限ら
れるものではなく、工程中加わる熱処理温度に併せて様
々な種類のガラス材料を用いる事ができる。又、ガラス
材料に限らず他のセラミック等の絶縁基板や金属基板等
の熱処理についても、縦型熱処理装置を使用した場合生
ずる自重による熱反り変形の抑制に効果的である事は明
らかである。

【００２９】上述の具体例においては多結晶シリコン薄
膜トランジスタ素子を形成したが、本発明はこれに限ら
れるものではなく、アモルファスシリコンやＣｄＳｅ等
の半導体薄膜からなる素子やＭＩＭ素子、プラズマディ
スプレイやＥＬディスプレイやラインセンサ等に使われ
る薄膜素子の何れを形成する場合においても有用であ
る。

【００３０】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、基
板の周辺端部だけを多点支持して水平に保持した状態で
所謂縦型の熱処理を行なう場合、ボートに設置する基板
の平面方向を変えて複数回の熱処理を施す様にしてい
る。この為、基板の平面方向に依存して熱反り変形の凹
凸が異なる様に発生する場合各熱処理間で反りの凹凸方
向が逆となり互いに相殺あるいは補償され熱変形が累積
する事がない。つまり本発明にあっては、複数回の熱処
理を行なった場合でも反りの累積を防止する事ができ工
程全体として基板の熱変形を回避する事ができるという
効果がある。これにより、歪点の高い耐熱性に優れた高
価な基板を使う事なく反りの発生を防止できる為高収率
且つ低コストで薄膜素子基板を生産する事が可能になる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明にかかる基板熱処理方法の基本的な概念
を示す模式図である。

【図２】基板の反り発生状況を説明する為の模式図であ
る。

【図３】同じく基板の反り発生方向を示す模式図であ
る。

【図４】本発明の実施に用いられるボートの外観斜視図
である。

【図５】同じくボートの平面図である。

【図６】本発明の実施に使用される縦型熱処理装置の一
例を示す模式図である。

【図７】基板の反り量測定方法を示す原理図である。

【図８】本発明の実施に用いられる他のボート構造を示
す平面図である。

【符号の説明】

１ ウェハ ２ ポスト ３ オリフラ ４ ボート ７ 反応管 ８ ガス導入管 １１ ヒータ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板を所定のピッチで水平に保持したボ
   ートを反応管の内部に挿入して熱処理を行なう縦型の熱
   処理装置で少なくとも２回以上熱処理を行なう基板熱処
   理方法において、 前記ボートに設置された基板の平面方向の向きを変えた
   姿勢で熱処理を少なくとも１回以上行なう事を特徴とす
   る基板熱処理方法。