JPH0774166A - 熱処理装置 - Google Patents

熱処理装置

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JPH0774166A
JPH0774166A JP21886893A JP21886893A JPH0774166A JP H0774166 A JPH0774166 A JP H0774166A JP 21886893 A JP21886893 A JP 21886893A JP 21886893 A JP21886893 A JP 21886893A JP H0774166 A JPH0774166 A JP H0774166A
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JP
Japan
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atmospheric pressure
heat treatment
gas
treatment apparatus
flow rate
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JP21886893A
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English (en)
Inventor
Yuji Kosaka
雄二 小坂
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Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】特に、酸化装置・拡散装置等処理室内において
例えば酸化の様に、加熱により半導体基板ないしは多結
晶シリコンのような半導体装置に使用される各種薄膜に
反応ガスを反応させる熱処理装置において、大気圧変動
によらず生成される反応物の膜厚を一定に保つことがで
きる熱処理装置を提供する。 【構成】半導体ウェハー1はウエハーボート2に載せら
れ反応室3の中に導入される。反応室3内の温度はヒー
ター7で一定に保たれる。ここにガス流量制御機構6で
制御された反応ガスが、ガス供給管4より供給され、半
導体ウェハー1上で反応が進行する。未反応ガスはガス
排出管5より排出される。キャップ8の気密性は高くな
いので、反応室3内の気圧は大気圧に等しくなる。大気
圧は気圧センサー9でモニターされ、気圧変動をガス流
量制御機構6にフィードバックできる。ガス流量の補正
は、反応ガスの分圧が常に一定となるように行なう。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は熱処理装置に関し、特
に、酸化装置・拡散装置等処理室内において例えば酸化
の様に、加熱により半導体基板ないしは多結晶シリコン
のような半導体装置に使用される各種薄膜に反応ガスを
反応させる装置に関する。
【0002】
【従来の技術】半導体集積回路の集積化に伴い、MOS
トランジスタも微細化が進んでいる。このため半導体集
積回路製造において熱処理プロセスに対する要求も高精
度のものになってくる。
【0003】半導体集積回路の熱処理プロセスに用いら
れる装置は、通常処理ガス供給口と処理ガス排出口のつ
いた反応室と、加熱機構および半導体ウエハーの搬送機
構からなる。加熱機構としては抵抗加熱・ランプ等の方
式がある。通常反応室は気密性をもたない構造であるた
め、反応室内の圧力は大気圧と同一である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】半導体集積回路の熱処
理プロセスに用いられる装置の反応室内の圧力は、前述
したように通常は大気圧と同一である。この時、反応室
内に導入される処理ガスの圧力は、着目する処理ガス流
量が全ガス流量にしめる割合を大気圧に乗じた圧力、す
なわち分圧に等しくなる。このため大気圧が変動した場
合、処理ガスの流量設定を同一にしておくと反応ガスの
分圧も変化してしまうことになる。
【0005】反応ガスの分圧の変化は、例えば酸化のよ
うな、半導体基板ないしは半導体集積回路に使用される
各種薄膜に反応ガスを反応させる場合に問題となる。シ
リコンの酸化を例に反応ガスの分圧が膜厚形成に及ぼす
影響を以下に詳述する。
【0006】Deal−Groveモデルによれば、シ
リコンの酸化における酸化時間tと酸化膜厚X0との間
には以下の関係が成り立つことがよく知られている。
【0007】 X0 2/B+X0/(B/A)=t+τ −−−(1) B=2DC*/N −−−(2) B/A=C*/{N(k-1+h-1)} −−−(3) ここに、C*はプロセス温度において酸化種が酸化膜中
に溶けこむ平衡濃度、Dは酸化膜中の酸化種の拡散係
数、kはシリコン・酸化膜界面の反応定数、hは気相か
ら酸化膜への物質移動定数、Nは単位面積当りの酸化種
分子数、τは初期膜厚の補正値である。
【0008】これもよく知られているように、(1)式
は酸化時間が長い場合 X0 2=Bt −−−(4) と変形され、酸化時間が短いときまたは酸化膜厚が薄い
場合 X0=(B/A)・(t+τ) −−−(5) と変形される。ここでヘンリーの法則によりC*は酸化
種の分圧に比例するから、(2)・(3)式より、Bも
(B/A)も酸化種の分圧に比例することがわかる。こ
の時(1)・(4)・(5)のいずれの場合において
も、酸化膜厚X0は酸化種の分圧に依存して変化するこ
とがわかる。酸化種の分圧は、前述したように酸化種の
全ガス流量にしめる割合を大気圧に乗じた圧力であるか
ら、大気圧が低下すれば酸化種の分圧も低下するため酸
化膜厚X0は薄くなり、逆に大気圧が上昇した場合は厚
くなる。
【0009】大気圧の変動は、同一製造ラインにおいて
低気圧・高気圧の通過に伴い日間で変動する場合と、異
なる標高地点にある複数の製造ライン間で変化が生じる
場合の2つがある。前者の場合の問題点としては、例え
ばゲート酸化膜厚が日間で変動するという点があげられ
る。後者の場合の問題点としては、標高の低い地点にあ
る製造ラインにおいて例えば高い地点にある製造ライン
と同一のゲート酸化膜厚を得るために、処理時間を相対
的に短くするか、処理温度を相対的に低くするかして処
理条件を変更した場合は、熱履歴の差によりトランジス
タ特性が変化する点があげられる。熱履歴を変化させな
いためには、酸化種のガス分圧を高い地点にある製造ラ
インの処理条件にそのつどあわこむ必要が生じ、効率が
低下する。
【0010】
【課題を解決するための手段】以上のような問題点を解
決するため、本発明の熱処理装置は、気圧センサーによ
り大気圧の変動を計測し、反応ガスのガス流量比を自動
補正することにより反応ガスの分圧を常に一定にし、反
応により生成された膜の膜厚を一定にできることを特徴
としている。
【0011】あるいは、気圧センサーにより大気圧の変
動を計測し、処理時間を自動補正することにより、反応
により生成された膜の膜厚を一定にできることを特徴と
している。
【0012】あるいは、気圧センサーにより大気圧の変
動を計測し、処理温度を自動補正することにより、反応
により生成された膜の膜厚を一定にできることを特徴と
している。
【0013】あるいは、反応室に気密性と加圧・減圧機
構を付加し、気圧センサーにより大気圧の変動を計測
し、反応室内の気圧を大気圧変動に応じて加圧・減圧す
ることにより一定保つことにより、反応により生成され
た膜の膜厚を一定にできることを特徴としている。
【0014】さらに該熱処理装置は、熱源がランプであ
ることを特徴としている。
【0015】さらに該熱処理装置における大気圧補正の
方法として、反応室内の圧力を一定にするか、分圧また
は処理時間または処理温度を補正するかを、大気圧変動
の程度に応じて変更することが可能であることを特徴と
している。
【0016】
【作用】前述したシリコンの酸化を例に、本発明の作用
について記述する。
【0017】Deal−Groveモデルによれば、酸
化膜厚X0は、Bと(B/A)が共に酸化種の分圧に比
例するため、X0も酸化種の分圧に依存する。酸化種の
分圧は大気圧に比例するため、酸化膜厚X0は大気圧に
依存して変化する。
【0018】このため、気圧センサーにより大気圧変動
をモニターし、酸化種のガス流量が全ガス流量に占める
割合を変化させることにより酸化種の分圧を一定に制御
すれば、酸化膜厚を大気圧変動によらず一定に制御でき
る。
【0019】あるいは、気圧センサーにより大気圧変動
をモニターし、酸化種の分圧変化分を酸化時間に変換し
て補正することにより、酸化膜厚を大気圧変動によらず
一定に制御できる。
【0020】あるいは、気圧センサーにより大気圧変動
をモニターし、酸化種の分圧変化分を酸化温度に変換し
て補正することにより、酸化膜厚を大気圧変動によらず
一定に制御できる。
【0021】あるいは、反応室に気密性と加圧・減圧機
構を付加することにより、気圧センサーにより大気圧変
動をモニターし反応室内の圧力を常に一定に保つことに
より、酸化膜厚を大気圧変動によらず一定に制御でき
る。
【0022】
【実施例】本発明の一実施例である熱処理装置の構成を
図面を用いて説明する。
【0023】図1に示す熱処理装置においては、半導体
ウェハー1はウエハーボート2に載せられ反応室3の中
に導入される。反応室3内の温度はヒーター7で一定に
保たれている。ここにガス流量制御機構6で制御された
反応ガスが、ガス供給管4より供給され、半導体ウェハ
ー1上で反応が進行する。反応に用いられなかったガス
はガス排出管5より排出される。ここでキャップ8の気
密性は高くないので、反応室3内の気圧は大気圧に等し
くなる。大気圧は気圧センサー9でモニターされ、気圧
変動をガス流量制御機構6にフィードバックできるよう
にシステムを構成する。ガス流量の補正は、反応ガスの
分圧が常に一定となるように行なう。簡単な例として大
気圧が1013.25hPa(1気圧)のもとで、水蒸
気を毎分100cm3、窒素を毎分900cm3流して、
1000℃で5分間酸化を行なう場合の分圧補正をあげ
る。この時水蒸気の分圧は対気圧×水蒸気流量÷(水蒸
気流量+窒素流量)=101.325hPa(0.1気
圧)である。この時酸化膜厚は(5)式で近似でき、例
えばS.M.Sze編VLSI TECHNOLOG
Y,p.138より (B/A)=1.27×0.1=0.127(μm/hr) τ=0(hr) を用いて、 X0=0.127×(5/60)=0.0106(μm)=106(Å) となる。ここで大気圧が911.925hPa(0.9
気圧)に変動したとすると水蒸気分圧は91.1925
hPaとなり (B/A)=1.27×(91.1925/1013.25)=0.1143( μm/hr) を用いて、 X0=0.1143×(5/60)=0.0095(μm)=95(Å) と11Å薄くなる。これは106Åの約1割に相当し、
一般には特性上問題となる変化である。これを防ぐため
水蒸気分圧を一定に保つためには、 101.325hPa=911.925hPa×水蒸気
流量÷(水蒸気流量+窒素流量) より、 水蒸気流量=窒素流量÷8 であるから、窒素流量を変えずに水蒸気流量を毎分11
2.5cm3と設定するか、水蒸気流量を変えずに窒素
流量を毎分800cm3と設定するように、ガス流量制
御機構6にフィードバックがかかるようにすればよい。
【0024】分圧補正をしない場合は、例えばシリコン
の酸化の場合は前述したDeal−Groveの式
(1)において酸化膜厚X0が一定になるようBおよび
(B/A)の変化分を酸化時間tで補うよう熱処理装置
の制御系にフィードバックがかかるようにすればよい。
【0025】分圧補正をしない場合の別の補正例とし
て、同様にシリコンの酸化の場合Deal−Grove
の式(1)におけるBおよび(B/A)が一定になるよ
うに処理温度を変更するよう加熱用ヒーター7にフィー
ドバックがかかるようにすればよい。これはBおよび
(B/A)が共にexp(−Ea/kT)の形で温度に
依存することによる。ただし厳密にはBと(B/A)の
活性化エネルギーEaは異なるため、前述した(4)、
(5)のいずれの場合にモデルが近いかを論理判断する
必要がある。
【0026】図2に示す熱処理装置は、図1に示した熱
処理装置に加えてキャップ8に気密性があることおよび
加圧ポンプ10・減圧ポンプ11がついている点が異な
っている。前述した酸化の例では、反応室3内の圧力を
常に1000hPaに保つため気圧センサー9でモニタ
ーした気圧変動をガス流量制御機構6・加圧ポンプ10
・減圧ポンプ11にフィードバックさせ、水蒸気・窒素
流量比を変えないで両者の流量を変化させればよい。
【0027】以上図1、図2を用い、実施例を具体的に
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、例えば複数の補正を選択可能にした場合や、加熱
方式がランプの場合等その要旨を逸脱しない範囲におい
て種々変更可能であることは勿論である。また、補正方
法も単純なDeal−Groveモデルに限定されない
ことはいうまでもない。
【0028】
【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下記
のとおりである。
【0029】1.熱処理において、気圧センサーで大気
圧変動をモニターし、反応ガス分圧それに応じて変化さ
せることにより、大気圧変動によらずかつ熱履歴を変更
することなく生成される反応物の膜厚を一定に保つこと
が可能となる。同時に標高の異なる製造ライン間での熱
履歴を自動的に等価とすることが可能となる。
【0030】2.熱処理において、気圧センサーで大気
圧変動をモニターし、処理時間あるいは処理温度を変動
に応じて変化させることにより、大気圧変動によらず生
成される反応物の膜厚を一定に保つことが可能となる。
【0031】3.熱処理において、気圧センサーで大気
圧変動をモニターし、反応室内の圧力を変動に応じて加
圧・減圧機構により一定に保つことにより、大気圧変動
によらずかつ熱履歴を変更することなく生成される反応
物の膜厚を一定に保つことが可能となる。同時に標高の
異なる製造ライン間での熱履歴を自動的に等価とするこ
とが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例における、大気圧変動を反応ガ
ス分圧・処理時間・処理温度のいずれかで補正する熱処
理装置の概略図。
【図2】本発明の実施例における、気圧センサーと反応
室に気密性と加圧・減圧機構を有する熱処理装置の概略
図。
【符号の説明】
1・・・半導体ウエハー 2・・・ウエハーボート 3・・・反応室 4・・・ガス供給管 5・・・ガス排出管 6・・・ガス流量制御機構 7・・・加熱用ヒーター 8・・・キャップ 9・・・気圧センサー 10・・・加圧用ポンプ 11・・・減圧用ポンプ

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 気圧センサーを有する熱処理装置で、反
    応ガスと不活性ガスを使用する熱処理において、気圧の
    変動に応じてガス比を自動補正することにより反応ガス
    の分圧を常に一定とする機能を有することを特徴とする
    熱処理装置。
  2. 【請求項2】 気圧センサーを有する熱処理装置で、気
    圧の変動に応じて処理時間を自動補正する機能を有する
    ことを特徴とする熱処理装置。
  3. 【請求項3】 気圧センサーを有する熱処理装置で、気
    圧の変動に応じてプロセス温度を自動補正する機能を有
    することを特徴とする熱処理装置。
  4. 【請求項4】 気圧センサーと気密性のある反応室と反
    応室を加圧・減圧する機構を有する熱処理装置で、気圧
    の変動に応じて反応室内を加圧・減圧することにより反
    応室内の気圧を常に一定に保つ機能を有することを特徴
    とする熱処理装置。
  5. 【請求項5】 熱源がランプであることを特徴とする請
    求項1または請求項2または請求項3または請求項4記
    載の熱処理装置。
  6. 【請求項6】 請求項4記載の半導体製造装置におい
    て、気圧変動の程度に応じて、プロセス補正の方法を請
    求項1または請求項2または請求項3に記載のいずれか
    の方法に変更することが可能な機能を有することを特徴
    とする熱処理装置。
JP21886893A 1993-09-02 1993-09-02 熱処理装置 Pending JPH0774166A (ja)

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Cited By (5)

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