JPH11111709A

JPH11111709A - 熱処理方法

Info

Publication number: JPH11111709A
Application number: JP28607097A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Tsunoda; 武角田
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1997-10-02
Filing date: 1997-10-02
Publication date: 1999-04-23

Abstract

(57)【要約】【課題】界面準位密度を減少させてデバイス特性を向
上させることができる熱処理方法を提供する。【解決手段】熱処理容器１８，６０内において被処理
体２に対して所定の熱処理を施すに際して、前記被処理
体を、７００℃以下の温度領域においては水分の濃度
（体積ベース）が１０００ＰＰＭ以上の雰囲気中で降温
させる。これにより、界面準位密度を減少させてデバイ
ス特性を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハ等の
被処理体の酸化処理やアニール処理等の熱処理方法に係
り、特に、降温方法の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体集積回路を製造する場合
には、半導体ウエハやガラス基板の表面にシリコン膜や
シリコン酸化膜等の各種の成膜を施したり、或いは酸化
処理したり、各種の熱処理が施される。このような半導
体集積回路の特性を向上させる上で、中に組み込まれる
個々のトランジスタの特性を向上させることは特に重要
である。図８は半導体ウエハ表面に形成される一般的な
トランジスタの構造を示す図である。図中において、２
は例えば単結晶シリコンよりなる被処理体としての半導
体ウエハであり、この表面にソース４とドレイン６を形
成し、両者の間に、例えばＳｉＯ₂ よりなるゲート酸化
膜８を介して多結晶シリコンよりなるゲート電極１０を
形成し、１つのトランジスタを形成している。このゲー
ト電極１０に、所定の電圧を印加することにより、ゲー
ト酸化膜８の下層のウエハ表面に反転層が形成されてソ
ース４とドレイン６の間を結ぶチャネル１２が発生す
る。

【０００３】このトランジスタの特性を向上させるため
には、特に、チャネルを流れる電子や正孔を円滑に流す
必要があり、そのためにはチャネル部分の電気的特性を
高く維持しなければならない。一般に、成膜処理、酸化
処理、或いは拡散処理等の熱処理を行なった場合には、
成膜中やその界面等において結晶組成に欠陥が生ずるこ
とは避け難いが、この欠陥を修復するためにアニール処
理を行なう場合がある。半導体ウエハに対して、バッチ
処理により酸化処理やアニール処理を高温で行なった時
は、処理直後の例えば８５０℃程度の高温状態のウエハ
を５℃／ｍｉｎ程度の速度で炉内で降温させ、ある程度
の温度、例えば８００℃程度まで温度が下がったなら
ば、スループットを向上させるためにウエハを炉内か
ら、この下方にコンタミネーション及びパーティクルの
発生防止のために設けたロードロック室であるローディ
ング室へアンロードして例えば室温まで自然冷却してい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、デザインル
ールがそれ程厳しくなかった従来においてはそれ程問題
とはならなかったが、高集積化及び高微細化の要請が更
に厳しくなった今日においては、チャネル部分の特性の
向上が強く望まれるようになった。すなわち、従来の熱
処理方法にあっては、ゲート酸化膜８とウエハ表面との
界面部分１４、すなわちチャネル１２の上部に相当する
部分に界面準位密度の増加が起こり、このため、素子の
寿命を縮めて特性を劣化させるという問題があった。こ
の界面準位に関する問題は、ウエハをアニール処理して
も十分に解決できるものではなかった。本発明は、以上
のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案
されたものである。本発明の目的は、界面準位密度を減
少させてデバイス特性を向上させることができる熱処理
方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者は、界面準位に
ついて鋭意研究した結果、熱処理を行なって被処理体を
降温させる際に、これを所定の濃度以上の水蒸気雰囲気
下で行なうことにより界面準位密度を小さくすることが
できる、という知見を得ることにより、本発明に至った
ものである。本発明は、熱処理容器内において被処理体
に対して所定の熱処理を施すに際して、前記被処理体
を、７００℃以下の温度領域においては水分の濃度（体
積ベース）が１０００ＰＰＭ以上の雰囲気中で降温させ
るようにしたものである。

【０００６】このように、熱処理を行なって被処理体の
温度を降温させる時に、７００℃以下の温度領域では水
分濃度（体積ベース）が１０００ＰＰＭ以上の雰囲気中
で降温させることにより、界面準位密度を小さくでき、
デバイスの特性を向上させることが可能となる。このよ
うな熱処理は、例えばゲート酸化膜を形成する時の酸化
処理や、その後に行なわれるアニール処理に対応し、こ
れらの処理を行なった時に、上述のように所定の水分濃
度以上の雰囲気下で降温を行なう。このような降温操作
は、熱処理容器内または、その下方に設けられたローデ
ィング室内で行なう。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る熱処理方法
の一実施例を添付図面に基づいて詳述する。図１は本発
明方法を実施するための熱処理装置を示す図、図２は被
処理体の温度変化と水分の供給のタイミングを示す図で
ある。まず、この熱処理装置について説明する。ここで
は例えば被処理体である半導体ウエハの高速昇温及び高
速降温を可能とするために、熱処理装置として例えば高
速昇降温が可能な縦型熱処理装置を用いている。図示す
るようにこのバッチ式の縦型熱処理装置１６は、透明な
耐熱材料例えば石英よりなる有天井の且つ底部が開口さ
れた円筒体状の熱処理容器１８を有しており、この内部
には同じく石英製のウエハボート２０に上下方向に所定
のピッチで多段に配置された被処理体としての半導体ウ
エハ２が多数枚、例えば１５０枚程度収容可能になされ
ている。

【０００８】上記熱処理容器１８の下端開口部にはこれ
を気密に開閉するフランジキャップ部２２が設けられて
おり、このキャップ部２２上に石英製の保温筒２４を介
して上記ウエハボート２０が載置される。そして、この
キャップ部２２はボートエレベータ２６にアーム２６Ａ
を介して連結されており、これを昇降させることによ
り、ウエハボート２０に載置したウエハ２を熱処理容器
１８に対して挿脱可能としている。また、この保温筒２
４は、回転軸２８及び図示しない回転ベルトを介してモ
ータ等に連結されており、回転可能になされている。従
って、熱処理時には、ウエハボート２０と共にウエハＷ
を回転して熱処理の均一性を確保するようになってい
る。また、熱処理容器１８の下部には、例えばステンレ
ススチール製のマニホールド３０が設けられ、この部分
から、内部に処理ガスやＮ₂ ガスなどの不活性ガスや水
分等を導入するガス導入パイプ３２が導入されると共に
このパイプ３２は容器内壁に沿って上方に向かい、その
先端は容器天井部の中心に位置されている。また、この
マニホールド３０には、図示しない真空ポンプに接続さ
れた排気ノズル３４が設けられており容器１８内を所望
の真空度まで真空引きできるようになっている。

【０００９】一方、上記熱処理容器１８の外周には、こ
の側部及び天井部を覆って例えばセラミックファイバー
製断熱材よりなる円筒体状の断熱層３６が設けられてお
り、この内側には、螺旋状或いは同軸的に筒体状に配列
された加熱源としての例えば加熱ヒータ３８が高い密度
で配列されている。この加熱ヒータ３８は、例えば２ケ
イ化モリブデン（ＭｏＳｉ₂ ）を主成分とした発熱抵抗
体（カンタル社製のカンタルスーパー加熱源）よりな
り、常温では抵抗値が非常に小さく、高温になると抵抗
値が大きくなる性質を有する。この加熱ヒータ３８は、
従来のＦｅＣｒＡｌ加熱源の表面負荷が１２００℃にお
いて２Ｗ／ｃｍ² であるのに対して１０〜３０Ｗ／ｃｍ
² 程度と非常に大きく、数倍〜１０数倍の発熱量が得ら
れ、ウエハに対して例えば５０℃／分の高温昇温が可能
となっている。

【００１０】また、断熱層３６の下部は、断熱シール部
材４０を介して熱処理容器１８の下部と接合され、この
下部にはその周方向に沿ってリング状の冷却ヘッダ４２
が設けられる。この冷却ヘッダ４２には、途中に送風フ
ァン４４を介設した冷却気体導入通路４６が接続される
と共に、この冷却ヘッダ４２からは上記熱処理容器１８
の外周壁と断熱層３６の内壁との間隙内に延びる冷却ノ
ズル４８が適当数設けられており、熱処理終了後の降温
時に熱処理容器１８の外周壁に冷却気体を吹き付けるこ
とによりこれを高速で冷却してウエハを高速降温できる
ようになっている。そして、この断熱層３６の天井部に
は、上記冷却気体を排出する排気口５０が形成されてお
り、この排気口５０には、ウエハの熱処理時にここを閉
じる開閉可能になされたシャッタ５２が設けられる。

【００１１】次に、以上のように構成された装置を用い
て行なわれる本発明方法について説明する。図２はこの
時の半導体ウエハの温度変化と水分の供給のタイミング
を示す。半導体ウエハ２の表面に形成されたシリコンか
らゲート酸化膜を形成するために酸化処理を行なう場合
や、ウエハ２をアニール処理する場合には、多数のウエ
ハＷを多段に保持したウエハボート２０を熱処理容器１
８の下方よりロードして上昇させてこの容器内に収容
し、下端開口部をキャップ部２２で密閉して容器内を気
密状態とする。そして、容器内を排気して所定のプロセ
ス圧力に維持すると共に加熱ヒータ３８を駆動すること
により熱処理容器１８内を、酸化の場合には酸化処理用
のプロセス温度、例えば８５０℃に設定し、この容器１
８内にガス導入パイプ４２を介して処理ガス、例えば水
蒸気を導入してウエハＷの酸化処理を行なう。この時の
プロセス圧力は、例えば７６０Ｔｏｒｒ程度である。ア
ニールの場合には、温度は例えば８５０℃に設定し、窒
素ガスを処理ガスとして流す。この場合、プロセス圧力
は７６０Ｔｏｒｒ程度である。

【００１２】ウエハ２或いは熱処理容器１８の昇温に際
しては、このＭｏＳｉ₂ 製の加熱ヒータ３８の単位面積
当たりの発熱量は、従来のヒータと比較して前述のよう
に非常に大きいので、高速で昇温することができる。こ
のようにして所定の時間、酸化処理或いはアニール処理
を行なったならば、加熱ヒータ３８への給電を停止する
と共に処理ガスの供給を停止し、例えば処理ガスの供給
に代えて自然酸化膜等の発生を抑制するため及び冷却を
行なうために例えば窒素ガスをガス導入パイプから導入
する。これと同時に、冷却気体導入通路４６及び冷却ノ
ズル４８を介して冷却空気を熱処理容器１８の外壁とそ
の外周の断熱層３６の間隙内にブロワして強制的に供給
し、熱処理容器１８や加熱ヒータ３８を強制的に空冷し
て高速でウエハを降温させる。供給された冷却空気は、
断熱層３６の天井部に設けたシャッタ５２を開くことに
より、系外へ排出されることになる。この降温の際、ウ
エハ温度が７００℃以上の時点で例えば窒素ガスに僅か
に水分を混入させることを開始する。このようにして少
なくとも７００℃以下では所定の水分濃度以上の雰囲気
中でウエハを冷却させる。この時の容器内の圧力は常圧
程度である。

【００１３】このようにウエハを所定の水分濃度雰囲気
中にて高速で降温させて、略３００℃〜室温程度になっ
たならば、ウエハをアンロードし、これを熱処理容器１
８から取り出す。３００℃以下とした理由は、ウエハ温
度が３００℃程度以下になれば高温による有機物や金属
などのコンタミネーションの発生、及びＳｉやＳｉＯ ₂
との反応付着が防げるからである。また、この時の降温
速度は４０℃／ｍｉｎ程度である。ここで、示したよう
にウエハの降温を行なうに際して、７００℃以下では所
定の水分濃度以上の雰囲気中で、すなわち水分濃度（体
積ベース）が１０００ＰＰＭ以上の雰囲気中で降温させ
ることにより、ゲート酸化膜８とウエハ表面との界面部
分１４における界面準位密度を小さくしてデバイス特性
を向上させることが可能となる。図２においては、ウエ
ハ温度が７００℃の時点で水分の供給を開始している
が、水分供給開始点が７００℃以上であれば特に問題は
ない。ここでは、降温時の不活性ガスとしてＮ₂ ガスを
用いたが、これに限定されず、他の不活性ガス、例えば
ＡｒガスやＨｅガス等を用いてもよい。

【００１４】以下に、この点について詳しく説明する。
図３は半導体ウエハの降温時の水分の濃度（対数目盛）
と界面準位密度（対数目盛）との関係を示すグラフであ
る。尚、水分の濃度は水銀柱７６０ｍｍにおける圧力下
において体積ベースで示される。ここでは、例えば８イ
ンチの半導体ウエハを８５０℃に昇温しておき、これよ
りドライＮ₂ ガスに制御された水分（水蒸気）を僅かに
添加させて降温させた時の評価を行なった。界面準位密
度は、デバイス特性を評価するための１つの指標であ
り、ここでは例えば非接触ＣＶ測定装置（Ｋｅｉｔｈｌ
ｅｙ社製［Ｑｕａｎｔｏｘ］）を用いて測定している。
この界面準位密度は、約５×１０¹⁰個／ｃｍ² ・ｅＶ以
下であることが望ましい。水分濃度を６ＰＰＭ、８０Ｐ
ＰＭ、１０００ＰＰＭ、１１０００ＰＰＭ及び１６００
０ＰＰＭと種々変更して評価を行なったところ、１００
０ＰＰＭの水分濃度以上の雰囲気でウエハを冷却すれば
界面準位密度は約５×１０¹⁰個／ｃｍ² ・ｅＶ以下とな
って良好なデバイス特性を得られることが判明した。
尚、水分濃度６ＰＰＭや８０ＰＰＭは、通常、液体窒素
から得られるＮ₂ ガス中の水分濃度に相当する。

【００１５】次に、水分供給の開始点について検討す
る。図４は水分供給の開始時の温度とＣＬＴ（Ｃａｒｒ
ｉｅｒＬｉｆｅＴｉｍｅ：キャリア寿命）、特にＭ
ＣＬＴ（ＭｉｎｏｒｉｔｙＣａｒｒｉｅｒＬｉｆｅ
Ｔｉｍｅ：少数キャリア寿命）との関係を示すグラフ
である。尚、ＭＣＬＴとは、通常ＬＴ（ＬｉｆｅＴｉ
ｍｅ）と略称し、デバイス特性を評価するための１つの
指標であり、ここではμ−ＰＣＤ法（光導電減衰法）を
用いて測定している。この場合、ＭＣＬＴは界面準位密
度と相関があり、ＭＣＬＴが小さいときは界面準位密度
が多くなることがわかっている。入炉条件は８００℃で
あり、１００％濃度の酸素（Ｏ₂ ）中で１０００℃にて
２６分の酸化処理を行ない、その後、各水分供給開始時
の温度にて２時間保持した後、Ｎ₂ ガスと水分の供給を
開始して略１１０００ＰＰＭの水分濃度の雰囲気を維持
して高速降温を行なった。尚、１０００℃から水分供給
の開始温度までは５℃／ｍｉｎで降温し、その後の降温
速度は、例えば１００℃／ｍｉｎ程度である。また、ア
ンロード速度は１００ｍｍ／ｓｅｃである。これによれ
ば、水分供給の開始温度が高い程良く、７００℃〜８０
０℃の範囲でＭＣＬＴは良好な結果を示しているが、水
分供給の開始温度が６００℃以下になると、ＭＣＬＴは
極端に低くなり、界面準位密度が増大することが判明し
た。すなわち、この結果より、界面準位密度を減らしデ
バイス特性を良好にするためには７００℃以上の温度領
域において水分の供給を開始して７００℃以下の温度領
域においては所定の水分濃度に維持した状態で降温させ
なければならないことが判明する。

【００１６】ここで、酸化処理後の高速降温時に所定の
水分の供給を行なった時と行なわなかった時のゲート電
圧とキャパシタンスとの関係を評価した結果について説
明する。図５は高速昇降温用の熱処理容器内において酸
化処理を行なった時の降温時の水分濃度の依存性を示す
グラフであり、ゲート電極に印加する表面電圧を変動さ
せた時のキャパシタンスの変化を示している。キャパシ
タンスの低下が大きい程、界面準位密度が小さくて特性
として良好である。尚、降温開始温度は８５０℃であ
る。ここでは、図１に示すような高速昇降温型の熱処理
容器内において降温操作を行ない、この際、容器内にＮ
₂ ガス、Ｏ₂ ガス、水分等を添加供給することで評価を
行なった。尚、高温速度は４０℃／ｍｉｎである。

【００１７】図５（Ａ）は降温時に熱処理容器内にＮ₂
ガスを供給した時の状態を示し、この時の水分濃度は約
８０ＰＰＭ程度である。図５（Ｂ）は降温時に熱処理容
器内にＮ₂ ガスとＯ₂ ガスとをそれぞれ適当量供給した
時の状態を示し、この時の水分の等は略８０ＰＰＭ程度
である。これらのグラフから明らかなように、キャパシ
タンスの落ち込みが１×１０^-7Ｆ以下にはなっておら
ず、デバイス特性がそれ程良好ではない。これに対し
て、図５（Ｃ）は降温時に熱処理容器内に微量な水分
（水蒸気）が添加されたＮ₂ ガスを供給した時の状態を
示し、この時の水分濃度は略１６０００ＰＰＭ程度であ
る。これによれば、グラフから明らかなようにキャパシ
タンスがかなり落ち込んで１×１０^-7Ｆ以下になってお
り、界面準位密度が小さくてデバイス特性が良好である
ことが判明する。尚、ここではバッチ式の高速昇降温が
可能な縦型熱処理装置を用いて本発明方法を説明した
が、これに限定されず、通常のバッチ式の縦型熱処理装
置を用いて行なってもよいのは勿論である。

【００１８】図６は上記した通常のバッチ式の縦型熱処
理装置の概略構成図を示している。ここでは縦型の石英
製の熱処理容器６０の外周は、高速昇温用ではない通常
の加熱ヒータ６２により囲まれている。熱処理容器６０
の下方には、ボートエレベータ６４により昇降されるウ
エハボート６６を収容できる大きさで外側の大気より仕
切られた例えばステンレス製のロードロック室であるロ
ーディング室６８が設置されている。このローディング
室６８を設けることによって、熱処理直後の高温状態の
ウエハ２が大気雰囲気と直接接触することを防止してコ
ンタミネーションや自然酸化膜が発生することを阻止し
ている。このため、このローディング室６８の区画壁に
は、ガス導入口７０とガス排気口７２が設けられ、この
室内に清浄な不活性ガス、例えばＮ₂ ガスを必要に応じ
て供給できるようになっている。尚、このローディング
室６８の側壁には、この中にウエハ或いはウエハボート
を搬入・搬出させるゲートバルブ７４が設けられる。

【００１９】このような装置を用いて本発明方法を実施
するには、熱処理直後にウエハ２が高温状態、例えば８
００℃程度のままでボートエレベータ６４を下方へ駆動
することにより、熱処理容器６０内からウエハボート６
６を降下させて、これをローディング室６８内へアンロ
ードする。そして、この状態でアンロード室６８内へＮ
₂ ガスと所定の水分濃度になる微量な水分（水蒸気）を
ローディング室６８内へ導入して、この雰囲気下で降温
処理を行なえばよい。この場合にも当然のこととしてロ
ーディング室６８内の雰囲気の水分濃度（体積ベース）
を１０００ＰＰＭ以上に設定するのは勿論である。この
場合にも、ゲート酸化膜とウエハ表面の界面部分におけ
る界面準位密度を小さくしてデバイス特性を向上させる
ことができる。

【００２０】次に、酸化処理後にローディング室６８内
で降温した時に所定の水分の供給を行なった時と行なわ
ない時のゲート電圧とキャパシタンスとの関係を評価し
た結果について説明する。図７はローディング室内にお
いて降温する時の水分濃度の依存性を示すグラフであ
る。尚、このローディング室内における降温速度は１０
０℃／ｍｉｎ程度である。図７（Ａ）は降温時にローデ
ィング室内にＮ₂ ガスを供給した時の状態を示し、この
時の水分濃度は約８０ＰＰＭ程度である。図７（Ｂ）は
降温時にローディング室内にＮ₂ ガスとＯ₂ ガスとをそ
れぞれ適当量供給した時の状態を示し、この時の水分の
等は略８０ＰＰＭ程度である。これらのグラフから明ら
かなように、キャパシタンスの落ち込みが１×１０^-7Ｆ
以下にはなっておらず、界面準位密度が多いことがわか
る。従ってデバイス特性がそれ程良好ではない。

【００２１】これに対して、図７（Ｃ）は降温時に熱処
理容器内に微量な水分（水蒸気）が添加されたＮ₂ ガス
を供給した時の状態を示し、この時の水分濃度は約１１
０００ＰＰＭ程度である。これによれば、グラフから明
らかなようにキャパシタンスがかなり落ち込んで１×１
０^-7Ｆ以下になっており、界面準位密度が小さくてデバ
イス特性が良好であることが判明する。尚、本実施例で
は、縦型の単管式の高速昇降温熱処理装置或いは通常の
縦型の単管式の熱処理装置を用いて行なった場合を例に
とって説明したが、２重管構造の多管構造の装置でもよ
く、更には本発明にて規定した条件を実現できるなら
ば、どのような装置或いは方法を用いてもよいのは勿論
である。また、被処理体として半導体ウエハに限定され
ず、ガラス基板、ＬＣＤ基板にも本発明方法を適用する
ことができる。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の熱処理方
法によれば次のように優れた作用効果を発揮することが
できる。被処理体に対して熱処理を施して降温するに際
して、７００℃以下の温度領域においては被処理体を水
分の濃度（体積ベース）が１０００ＰＰＭ以上の雰囲気
中で降温させるようにしたので、界面準位密度を小さく
してデバイス特性を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法を実施するための熱処理装置を示す
図である。

【図２】被処理体の温度変化と水分の供給のタイミング
を示す図である。

【図３】半導体ウエハの降温時の水分の濃度（対数目
盛）と界面準位密度（対数目盛）との関係を示すグラフ
である。

【図４】水分供給の開始時の温度とＭＣＬＴとの関係を
示すグラフである。

【図５】高速昇降温用の熱処理容器内において酸化処理
を行なった時の降温時の水分濃度の依存性を示すグラフ
である。

【図６】通常のバッチ式の縦型熱処理装置を示す概略構
成図である。

【図７】ローディング室内において降温する時の水分濃
度の依存性を示すグラフである。

【図８】半導体ウエハ表面に形成される一般的なトラン
ジスタの構造を示す図である。

【符号の説明】

２半導体ウエハ（被処理体）４ソース６ドレイン８ゲート酸化膜１０ゲート電極１２チャネル１４界面部分１８，６０熱処理容器３８，６２加熱ヒータ６８ローディング室

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱処理容器内において被処理体に対して
所定の熱処理を施すに際して、前記被処理体を、７００
℃以下の温度領域においては水分の濃度（体積ベース）
が１０００ＰＰＭ以上の雰囲気中で降温させるようにし
たことを特徴とする熱処理方法。
【請求項２】前記所定の熱処理は、酸化処理またはア
ニール処理であることを特徴とする請求項１記載の熱処
理方法。
【請求項３】前記所定の熱処理は、ゲート酸化膜に対
する熱処理であることを特徴とする請求項１または２記
載の熱処理方法。
【請求項４】前記所定の熱処理は、複数の前記被処理
体を一度に熱処理することができるバッチ式の熱処理容
器内で行なわれることを特徴とする請求項１乃至３のい
ずれかに記載の熱処理方法。
【請求項５】前記熱処理容器は、高速の昇降温が可能
な熱処理容器であり、前記降温操作は前記熱処理容器内
で行なうようにしたことを特徴とする請求項１乃至４の
いずれかに記載の熱処理方法。
【請求項６】前記熱処理容器は、この下方に被処理体
を前記熱処理容器内へ搬入・搬出させるために大気から
仕切られたロードロック室が連結されており、前記降温
操作は前記ロードロック室内で行なうようにしたことを
特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の熱処理方
法。