JPH0689867A

JPH0689867A - 加熱装置、半導体製造装置、加熱方法及び半導体製造方法

Info

Publication number: JPH0689867A
Application number: JP4264183A
Authority: JP
Inventors: Mikio Takagi; 幹夫高木
Original assignee: F T L KK
Current assignee: F T L KK
Priority date: 1992-09-07
Filing date: 1992-09-07
Publication date: 1994-03-29

Abstract

(57)【要約】【目的】温度差のある加熱領域を具備する加熱装置の
高温側加熱領域と低温側加熱領域の間にある中間領域の
長さを短くする。【構成】高温側加熱領域１に配置された第１ヒーター
と低温側加熱領域２に配置された第２ヒーターの間に双
方のヒーターからの熱を吸収する熱遮断体６を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、加熱装置、半導体製造
装置、加熱方法及び半導体製造方法に関するものであ
り、さらに詳しく述べるならば温度差がある加熱装置に
おいて高温領域と低温領域の間の温度勾配を急峻にする
ことによってこれらの間の中間領域を短くする加熱技術
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の半導体技術の進歩に伴い、種々の
熱処理技術が開発されてきた。超ＬＳＩの製造には、酸
化、拡散、ＣＶＤやその他の熱処理を必要とする。これ
らの要求に対する熱処理炉としては、横型炉や縦型炉と
称されるホットウォール型の電気炉が使用されてきた。
一方、素子寸法の微細化に伴い、浅い接合形成と不純物
の再分布の抑制が求められてきており、熱処理温度の低
下と熱処理時間の短縮の観点から様々なランプアニール
が採用されてきている。

【０００３】前者は、バッチ処理が可能でありかつ温度
の安定性に優れている反面、温度コントロールに難があ
る。後者は、枚葉処理となり、プロセス温度のコントロ
ールが可能というメリットがあり、近時注目を集めてい
る。６４Ｍ−ＤＲＡＭについて言えば、０．３５μのパ
ターンルールのデバイスとなってくるので、層間絶縁膜
としてのＣＶＤ酸化膜や平坦化用のＢ−ＰＳＧ膜等のリ
フロー膜の形成温度ならびにリフロー処理温度の加熱熱
量が非常に重要になってくる。

【０００４】即ち、従来のプロセスにて製作したトラン
ジスタは８５０℃、７０分以上の熱量を加えるとイオン
注入で形成したソース・ドレインの形状変化が生じ、ト
ランジスタの特性を著しく損ねる。この場合、１６Ｍ−
ＤＲＡＭ（０．６〜０．４μルール）のトランジスタに
おいて使用可能であったモノシランを用いるＣＶＤ酸化
膜成長法は、８００〜８５０℃、６０〜１２０分で膜形
成を行うため、６４Ｍ−ＤＲＡＭではもはや使用できな
い。

【０００５】６４Ｍ−ＤＲＡＭのプロセスでは、ポリシ
リコン層をＣＶＤ酸化膜でカバーした上に、Ｂ−ＰＳＧ
膜を連続的に形成するプロセスを多用する。ここでのＢ
−ＰＳＧ膜は、平坦化膜として使用する。ポリシリコン
層をＣＶＤ酸化膜でカバーするのは、Ｂ−ＰＳＧ膜中の
ボロンや燐がポリシリコン中に拡散するのを防ぐためで
あり、その目的のため、ＣＶＤ酸化膜を薄く付着させる
必要がある。具体的には３００〜１０００オングストロ
ーム程度はＣＶＤ酸化膜の膜厚は必要である。また、Ｂ
−ＰＳＧ膜の上にアルミニューム配線を形成する場合、
Ｂ−ＰＳＧ膜上にリフロー後にＣＶＤ酸化膜をＢ−ＰＳ
Ｇ膜上に形成しておくことが必要な場合もある。

【０００６】上記の通り、ランプアニールは特に浅い接
合のデバイスの製造に適するものであるが、ウェーハ面
内の温度分布を電気炉並の均一性とするには至っておら
ず、これにより熱歪が生じ、ウェーハの周縁部からスリ
ップラインの発生を伴うこととなる。また装置の大型化
にともない装置自身の熱容量が大きくなり冷却スピード
を上げることがむずかしくなっている。６インチのウェ
ーハでは実験的にはランプアニールはかなりの成功を納
めているようであるが、量産レベルでの多量の実験を行
う時は、やはりスリップラインの発生は避けられず、量
産に供するにはかなりの程度まで昇温スピードを下げな
ければならない。しかも１６Ｍ−ＤＲＡＭから必要とな
る８インチウェーハについては、ランプアニールによる
急速加熱アニール及び急速冷却は更に難しくなるので、
量産に供し得ないであろう。

【０００７】この急速加熱アニールを、シリコンカーバ
イドの反応管をもちいたホットウォール型電気炉にて実
施する試みも報告されている（米国真空科学技術誌Ｊ．
ＶＡＣ．ＳＣＩ．ＴＥＣＨＮＯＬ．Ｂ，８巻６号１９９
０年１１／１２月）。しかし、この炉は単なるアニール
のみを行う炉にすぎない。

【０００８】本出願人は、上述のような問題点に鑑み、
８インチ以上の大口径ウェーハに実用できる急速加熱ア
ニールを可能とし、且つ半導体プロセスと適合性のとれ
たクリーンプロセスを実現でき、しかもパーティクルの
発生が少ない半導体製造装置と製造方法を提供すること
を目的として、特願平４−６９３１９号（以下「先願」
と言う）において、ウェーハの挿入端から深さ方向に一
定長さの所定温度領域と当該所定温度より高い一定長さ
の高温領域を備えた炉の挿入端から、ウェーハを挿入
し、所定温度領域にて第一の処理を行い、次いで、ウェ
ーハを高温領域に移動させ、第二のアニール処理を行
い、所定温度領域に戻す工程を備えることを特徴とする
半導体装置の製造方法及び装置の発明を特許出願した。
また、縦形炉の上部領域のヒーターと下部領域のヒータ
ーを分離することにより中間に遷移領域を設け、中間領
域により温度勾配を調整することもこの特許出願で開示
した。

【０００９】図２は先願で開示した加熱炉の実施例を示
し、図中１はヒーターを内蔵する上部炉体、２は断熱
材、３はヒーターを内蔵する下部炉体、７は石英反応
管、８はガス排出管、９は下部ガス導入管、１０は上部
ガス導入管である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】その後さらに検討を重
ねたところ、図２の１に相当する高温領域の温度が８０
０℃以上、例えば９５０〜１０００℃であり、図２の３
に相当する低温領域の温度が例えば６５０〜７００℃で
あると、低温領域にヒーターを配置しなくとも、中間の
遷移領域の長さは４００〜８００ｍｍになってしまうこ
とが分かった。低温領域にヒーターを入れると遷移領域
の長さはさらに長くなる。低温及び高温の均熱領域の長
さは被処理基板の数によるが１０〜２５枚の場合それぞ
れ１５０〜２５０ｍｍ程度であるから、加熱装置の長さ
はこれらの合計となり、非常に長くなってしまう。この
結果、加熱装置のコストが高くなり、メンテナンスや取
扱が面倒になる、既設の熱処理室に加熱装置を収容でき
ないなどの問題が生じている。本発明は以上の問題点を
解決できる加熱装置、半導体製造装置、加熱方法及び半
導体製造方法を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の第一は、温度差
のある加熱領域を具備する加熱装置において、高温側加
熱領域に配置された第１ヒーターと低温側加熱領域に配
置された第２ヒーターの間に双方のヒーターからの熱を
吸収する熱遮断体を設けたことを特徴とする加熱装置に
関し、本発明の第二は、温度差のある加熱領域を具備す
る炉からなる半導体製造装置において、高温側加熱領域
に配置された双方のヒーターと低温側加熱領域に配置さ
れた第２ヒーターの間に双方のヒーターからの熱を吸収
する熱遮断体を設けるとともに、前記高温側加熱領域と
低温側加熱領域を半導体基板を通過させる手段を設けた
ことを特徴とする加熱装置に関し、本発明の第三は、第
１ヒーターによる高温加熱領域と第２ヒータによる低温
加熱領域との間に双方のヒーターからの熱を吸収する熱
遮断体を具備した炉体内にて被加熱物を高温加熱領域と
低温加熱領域の間を移動させて温度差のある加熱を順次
行なうことを特徴とする加熱方法に関し、本発明の第四
は、熱遮断体の両端に熱反射膜を具備した熱反射板を施
すことを特徴とする加熱方法に関し、そして本発明の第
五は、第１ヒーターによる高温加熱領域と第２ヒーター
による低温加熱領域の間に双方のヒーターからの熱を吸
収する熱遮断体を具備した炉体内にて半導体基板を該高
温領域と低温領域との間を移動させて温度差のある加熱
を順次行なうことを特徴とする半導体装置の製造方法に
関する。

【００１２】本加熱装置は半導体の加熱炉に使用するの
が特に好ましいが、これに限定はされず一般的な加熱装
置を対象としている。

【００１３】本発明では熱安定性の良い電気炉を使用し
て急速加熱を実現するものである。即ち、典型的縦型Ｃ
ＶＤ炉を例にとれば、炉の下段にて薄膜を成長するため
の比較的低温部となし、炉の上段にてアニール乃至別異
の薄膜を成長させるための高温部となす。そして本発明
の第五にかかる半導体の製造方法においては、典型的に
は一枚のウェーハを下から挿入し、まず、低温部にて薄
膜を成長する。具体例を示すならば、低温領域７００℃
でＳｉＯ₂ 膜を成膜してから、次に高温領域９５０℃へ
急速加熱し、更に低温領域の７００℃でＢＰＳＧ膜を成
膜するというものである。

【００１４】低温の薄膜成長とは、ここでは、炉の温度
が７００℃前後の成長を指し、有機シラン系乃至ジシラ
ンを用いる二酸化シリコンの成長、テトラエトキシシラ
ン（ＴＥＯＳ）、テトラメトキシ燐（ＴＭＯＰ）、テト
ラメトキシボロン（ＴＭＯＢ）またはテトラメトキシシ
リケートボロン（ＴＭＳＢ）を用いるＢ−ＰＳＧ膜の成
長などを行う。

【００１５】高温のアニール乃至薄膜成長とは、例えば
８００〜９５０℃前後の熱処理であり、先に形成したＢ
−ＰＳＧ膜のリフローを実施できるし、また旧来のモノ
シランを用いる二酸化シリコン膜のＣＶＤも実施でき
る。

【００１６】さらに、低温の加熱処理はＴｉをスパッタ
した後の５００℃前後でＴｉのシリサイド化を目的とし
て行うシンターであり、高温の熱処理はその後７００℃
で行うＮ₂ 雰囲気でのＴｉの窒化であってもよい。同様
に下部温度７５０℃、上部温度９５０℃、又は下部温度
５００℃、上部温度８５０℃で行うＲＴＰ（Rapid Ther
mal Process ）も本発明装置にて実施することができ
る。

【００１７】ここで、本発明が特徴とするのは、電気炉
であることにより、ウェーハは下から急上昇させること
で高温部にもってくることができ、所定の短時間の処理
の後、すぐに低温部に戻すことで、ＲＴＰを薄膜生成に
引き続いてクリーンプロセスにて実現できる点である。
電気炉の熱的安定性は縦型炉で実証されており、８イン
チ以上の大型ウェーハに対する急速加熱アニールをスリ
ップラインの発生なく実施できる有利さがある。

【００１８】本発明では、上記の通り、枚葉式が基本と
なっているが、熱履歴に影響の出ない範囲で２乃至３枚
のウェーハを同時処理できる。このための、ウェーハホ
ルダーは特別のものである必要はなく、通常の石英製で
十分であり、縦型炉同様に処理中は回転可能としてお
き、面内分布の保証を図るのがよい。

【００１９】本発明の実施の形態としては、上記の薄膜
形成後のラピッドサーマルアニールが最良の実施方法で
あるが、類別すると以下の通りのＣＶＤ法が、一実施例
として掲げられる。低温部高温部低温部縦型炉下部縦型炉上部縦型炉下部イＢ−ＰＳＧ成長リフロー − ロ二酸化シリコン成長Ｂ−ＰＳＧ成長 − ハ二酸化シリコン成長Ｂ−ＰＳＧ成長リフロー − ニＢ−ＰＳＧ成長リフロー二酸化シリコン成長ホ二酸化シリコン成長Ｂ−ＰＳＧ成長・リフロー − ヘ二酸化シリコン成長Ｂ−ＰＳＧ成長・リフロー二酸化シリコン成長トスパッタＴｉのＮ₂ 雰囲気下のＲＴＰシンタリングによる又はＮＨ₃ での窒化による TiSi₂ 化 TiSi₂ のTiN 化

【００２０】以上の成長を行う基板は、種々の工程の途
中にて実施されるが、典型的な例では、先に記述した通
り、シリコン基板の表面絶縁膜の上にてポリシリコン又
はシリサイド膜のパターニングをした状態のウェーハに
対して実施できる。

【００２１】なお、ハの例は、低温部にて二酸化シリコ
ンＣＶＤに続いてＢ−ＰＳＧ成長を行うものであり、ホ
の例は、高温部にてＢ−ＰＳＧの成長とリフローを同時
に行っている。

【００２２】ハ−ヘのリフローは８５０℃×７０分の条
件（条件１）で実施することができる。この条件より５
０℃高温の９００℃では条件１と同じソース・ドレイン
の拡散長さは１／５の時間すなわち１４分（８４０秒）
で与えられる（条件２）。また上記のリフローは９００
℃×１００秒（条件３）で実施することができる。この
熱量は条件２の１／８となり、条件３は０．２５μのパ
タールールが適用される２５６Ｍ−ＤＲＡＭの製造にも
適応している。

【００２３】縦型ＣＶＤ炉では、反応ガスは下から導入
し、上端から排出するのが一般的であるが、拡散、酸
化、熱処理では雰囲気ガスは上端から導入し、下端から
排出するのが普通である。いずれにしても、炉の温度分
布は下から上に従って順次上昇する様にヒーターを設定
しておく。

【００２４】本発明が最大の特徴とするのは、高温ヒー
ターと低温ヒータ−の間に双方の高温側ヒーターからの
熱を吸収する熱遮断体を設けることにある。すなわち、
先願においては遷移領域を単に通常の炉体例えばステン
レス板と断熱材で構成しただけであったが、本発明にお
いては積極的に熱を吸収するように炉体を構成するもの
である。このためには、炉体を強制冷却して双方のヒー
タの熱に起因する対流、幅射及び伝導による熱を吸収す
る、低温領域への熱の反射を少なくする、円筒型のジャ
ケット方式とし内面を黒色めっきして熱を吸収させるな
どの手段のひとつあるいは二以上を組み合わせて採用す
ることができる。熱遮断体が設けられた断熱ゾーンの内
部下部と上部にそれぞれ空気の導入口と放出口を設け
て、断熱ゾーンを冷却することができる。

【００２５】本発明の第三は、熱を吸収する熱遮断体が
設けられた中間領域を被加熱物を移動させることを特徴
とする加熱方法に関するものであり、中間領域の長さが
短いために、特にＲＴＰ（Rapid Thermal Annealing ）
に適するものである。ＲＴＰの具体例としては、６イン
チウェーハ用上部高温領域の均熱長２５０ｍｍ，中間領
域２５０ｍｍにて７５０℃と９５０℃の加熱、あるいは
５００℃と８５０℃の加熱を行うことができる。

【００２６】本発明の第四においては、熱遮断体の両端
に熱反射膜を施した熱反射板を施すことにより、ヒータ
ーからの輻射熱を反射させることにより中間領域の温度
勾配をさらに急峻にしかつその長さを一層短くするもの
である。熱反射膜としては金（Ａｕ）が最も適している
が、その他の光沢を有する金属などであっても差し支え
ない。

【００２７】

【作用】温度が８００℃以上になると熱の移動は輻射支
配となり、７００℃以下では伝導支配となる。したがっ
て、本発明の第１ヒーターで８００℃以上の加熱を行わ
せ、中間領域をできるだけ短くして第２ヒーターの加熱
領域を所望の低温まで降温しようとすると、輻射熱を効
率的に吸収することが必要となる。またガスの対流によ
り中間領域の温度勾配が緩やかになるから、対流による
熱を効率的に吸収することが必要となる。このために本
発明においては熱遮断体を第１、第２ヒーターの中間に
設けることにした。これに加えて反射膜を所定位置に設
け輻射熱を反射させると、さらに中間領域を短くするこ
とができる。これらの対策を採用することにより数１０
ｍｍから１００ｍｍ以上の中間領域短縮が可能になる。
以下、実施例により本発明を説明するが、本発明はこれ
らの実施例に限定されるものではない。

【００２８】

【実施例】図１は本発明の一実施例にて使用した縦型の
電気炉の断面図である。図において１、２、３、７、
８、９、１０は図２と同様の部分を指す。熱遮断体６は
内部に冷却水を流す空洞部を有しており、冷却水、圧縮
空気、液化ガス又はブラインなどの冷却媒体を流すため
の導入管１２と排出管１３を取りつけている。熱遮断体
６はステンレス板を曲げて２重にし内部に冷却液を流す
ジャケット構造とする。内面は黒色めっきを施すことが
できる。表面積を多くして熱の吸収効率を高めている。
以上のように構成すると、上部炉体１のヒーターからの
輻射熱は石英反応管７を通過して炉芯を横切り、炉の軸
に対して反対側に位置する熱遮断体に効率良く吸収され
る。同様に対流による熱も熱遮断体に効率的に吸収され
る。熱遮断体の中の冷却水は加熱されるが、それが沸騰
しないように冷却水を絶えず空洞部に供給して高い効率
での熱の吸収を行う。なお図では断面が半円形状の熱遮
断体６を示したが、この形状に限らず「コ」の字形状な
どの熱遮断体６であっても同様の効果がある。

【００２９】反射リング４、５も内部に冷却水を流す空
洞部を有した銅板を組み立てたものであり、冷却水を流
すための冷却水導入管１１、１４及び冷却水出口１１’
１４’を取りつけている。なお、銅板の表面にはＡｕメ
ッキを施しており、輻射熱の反射率を高くしている。し
たがって、上部炉体１からの熱は反射リング４、５によ
り反射され元の炉体内部に戻される。なお、反射リング
４、５は炉の構造が許す限り、先端は炉の中心軸方向に
できるだけ突出させることが望ましい。

【００３０】また、図１において、２０はウェーハ、２
１はウェーハホルダー、２２はウェーハ移動棒、２３は
受台である。

【００３１】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明の第一による
と、高温加熱と低温加熱を行う加熱装置の長さを短くす
ることができるので、加熱装置の収容室のスペースを節
約することができる。

【００３２】本発明の第二の半導体製造装置では、電気
炉の長さが例えば３ｍ以下と短くなるために収容スペー
スが小さくなることの他に、取扱やメンテナンスが容易
になる。

【００３３】本発明の第三にかかる加熱方法では、高温
加熱と低温加熱を行うときに中間での被加熱物の移動時
間や距離が短くなるので加熱効率が高まり、さらに加熱
の中間での被加熱物の変質なども少なくすることができ
る。第四ではこの効果がさらに高められる。

【００３４】本発明の第五にかかる半導体装置の製造方
法では、上記加熱方法の効果に加えて、急速加熱アニー
ルを達成できると共に、炉内で薄膜生成とアニールを連
続的にしかもクリーンプロセスを実施することができ、
８インチ以上のウェーハに対する実用的なプロセスを提
供しうるものである。

【００３５】また、炉壁の温度をランプアニールのよう
に急激に変化させないために、熱膨張に伴うパーティク
ルの発生を低減できることは明らかである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の加熱装置の実施例を示す図である。

【図２】従来の加熱装置を示す図である。

【符号の説明】

１上部炉体２断熱材３下部炉体４反射リング５反射リング６熱遮断体７石英反応管８ガス排出管９上部ガス導入管１０下部ガス導入管１１、１４冷却水導入管１１’、１４’ 冷却水排出口１２冷却媒体導入管１３冷却媒体排出管２０ウェーハ２１ウェーハホルダー２２ウェーハ移動棒２３受台

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】温度差のある加熱領域を具備する加熱装
置において、高温側加熱領域に配置されたヒーターと低
温側加熱領域に配置された第２ヒーターの間に双方のヒ
ーターからの熱を吸収する熱遮断体を設けたことを特徴
とする加熱装置。
【請求項２】温度差のある加熱領域を具備する炉から
なる半導体製造装置において、高温側加熱領域に配置さ
れた第１ヒーターと低温側加熱領域に配置された第２ヒ
ーターの間に双方のヒーターからの熱を吸収する熱遮断
体を設けるとともに、前記高温側加熱領域と低温側加熱
領域との間を半導体基板を交互に移動させる手段を設け
たことを特徴とする半導体製造装置。
【請求項３】第１ヒーターによる高温加熱領域と第２
ヒータによる低温加熱領域との間に双方のヒーターから
の熱を吸収する熱遮断体を具備した炉体内にて被加熱物
を高温加熱領域と低温加熱領域の間を移動させて温度差
のある加熱を順次行なうことを特徴とする加熱方法。
【請求項４】前記熱遮断体の両端に熱反射膜を具備し
た熱反射板を施すことを特徴とする請求項３記載の加熱
方法。
【請求項５】第１ヒーターによる高温加熱領域と第２
ヒーターによる低温加熱領域の間に双方のヒーターから
の熱を吸収する熱遮断体を具備した炉体内にて半導体基
板を該高温領域と低温領域との間を移動させて温度差の
ある加熱を順次行なうことを特徴とする半導体装置の製
造方法。