JPH11307466A

JPH11307466A - ウエハ熱処理装置

Info

Publication number: JPH11307466A
Application number: JP11296698A
Authority: JP
Inventors: Keiji Sawada; 敬二澤田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1998-04-23
Filing date: 1998-04-23
Publication date: 1999-11-05

Abstract

(57)【要約】【課題】ダミーウエハによる処理時間の増加を招くこ
となく、規定枚数のウエハを安定した温度で熱処理でき
るウエハ熱処理装置を提供する。【解決手段】チャンバー１と、このチャンバー１内に
設置された石英管２と、この石英管２の外側に配置され
たハロゲンランプ３とを有し、石英管２内に搬入された
ウエハ１０をハロゲンランプ３で加熱処理するウエハ熱
処理装置において、チャンバー１にコイルヒータ１２を
埋め込み、このコイルヒータ１２で石英管２を恒温加熱
する構成を採用した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
に用いられるウエハ熱処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の微細化及び高集積化に伴
い、素子の高速化、電極の低誘電率化及び配線層の微細
化、積層化がますます進んでいる。そのため、半導体装
置の製造に係る素子の形成に際しては、これまでイオン
注入装置にてウエハ表面に注入した不純物を、低速加熱
処理装置（拡散炉）による中温長時間熱処理（例えば、
処理温度８００〜９００℃、処理時間３０〜６０分）に
よって拡散させて形成していたが、近年では、半導体装
置の微細化及び高集積化に伴う素子の高速化を満足する
ために、イオン注入装置にてウエハ表面に注入した不純
物を、急速加熱処理装置（ランプアニール装置）による
高温短時間熱処理（例えば、処理温度１０００〜１１０
０℃、処理時間１０〜６０秒）によって拡散させること
なく活性化させて形成する熱処理方式が多く採用されて
いる。また、低誘電率の電極形成や微細な配線層の形成
に際しても、急速加熱処理装置による高温短時間熱処理
が多用されつつある。

【０００３】図３は従来におけるウエハ熱処理装置の概
略構造を示す側断面図である。図３において、チャンバ
ー３１の内部には石英管３２が設置されている。石英管
３２の外側には、加熱源となるハロゲンランプ３３が配
置されている。一方、チャンバー３１の一端側（図の右
端側）には、石英管３２に連通する状態でウエハ搬入口
３４が設けられ、このウエハ搬入口３４がドア３５にて
開閉される構成となっている。

【０００４】また、ウエハ搬入口３４の近傍にはガス排
気口３６が設けられている。これに対して、石英管３２
の一端側（図の左端側）はプロセスガス導入口３７とし
てチャンバー３１の外側に突出配置されている。さら
に、チャンバー３１には冷却ガス導入口３８が複数設け
られ、これら複数の冷却ガス導入口３８とともにチャン
バー３１に空洞３９が設けられている。この空洞３９は
石英管３２内に配置されたウエハ４０からの放射光を透
過させるもので、この空洞３９を介してウエハ４０と対
向するようチャンバー３１の外側に放射温度計４１が配
置されている。

【０００５】次に、従来のウエハ熱処理装置の動作につ
いて概略説明する。先ず、プロセスガス導入口３７から
プロセスガス（例えば、Ｎ₂，Ｏ₂，ＮＨ₃，Ｎ₂Ｏ，
ＨＣｌ等）を導入しつつ、ドア３５の開閉動作に連動し
てウエハ搬入口３４から石英管３２内にウエハ４０を搬
入する。このとき、プロセスガス導入口３７から導入さ
れたプロセスガスは、石英管３２の内部を通ってガス排
気口３６から排気される。

【０００６】次に、ハロゲンランプ３３を点灯し、その
ランプから放射された光を石英管３２を介してウエハ４
０に照射する。このとき、ウエハ４０はそれ自体の光吸
収作用により急速に昇温する。また、昇温したウエハ４
０からは特定波長の光が放射され、この放射光が空洞３
９を透過して放射温度計４１に達する。これにより、放
射温度計４１ではウエハ４０から放射された光強度を検
出することでウエハ温度を測定する。そして、その測定
結果に基づいてハロゲンランプ３３の出力が制御され
る。これにより、ウエハ４０は所定の熱処理シーケンス
（昇降温プロファイル）にしたがって所定の処理温度ま
で急速に加熱処理される。

【０００７】その後、ウエハ４０の温度を上記処理温度
から降下させる場合は、ハロゲンランプ３３を消灯する
一方、冷却ガス導入口３２から冷却ガス（例えば、
Ｎ₂）を導入する。これにより、チャンバー３１の内部
が冷却ガスによって冷却される。これに伴い、ウエハ４
０の温度が所定レベルまで下がると、ドア３５の開閉動
作に連動して石英管３２からウエハ４０が取り出され
る。以上で、ウエハ１枚あたりの熱処理が終了となり、
以降は上記同様の繰り返し動作によってウエハが１枚ず
つ熱処理（枚葉処理）される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
のウエハ熱処理装置においては、規定枚数（例えば、２
５枚）のウエハ４０を一枚ずつ熱処理する場合に、石英
管３２の影響により、１枚目のウエハ４０と２枚目以降
のウエハ４０の熱処理温度に差（処理条件にもよるが、
概ね１０℃以上）が生じ、温度再現性が悪化するという
問題があった。

【０００９】さらに詳述すると、石英管３２はハロゲン
ランプ３３の光（０．３〜７．０μｍの赤外光）を透過
させることから（透過率９０％以上）、ランプからの光
照射によってウエハ４０は急速に昇温するものの、石英
管３２は原理的に昇温しない。ところが実際は、ハロゲ
ンランプ３３を点灯させたときに、ランプ自体が顕著に
発熱するため、ランプからの熱伝導によって石英管３２
が昇温する。

【００１０】このことから、１枚目のウエハ４０を熱処
理する場合は石英管３２の温度が常温になっているのに
対し、２枚目以降のウエハ４０を熱処理する場合は石英
管３２の温度が常温（１枚目を処理するとき）よりもか
なり高いレベル（実験では約１５０℃）に昇温した状態
となる。そうすると、１枚目のウエハ４０を処理する際
には石英管３２からの放射光がないのに対し、２枚目以
降のウエハ４０を処理する際には石英管３２の昇温に伴
って石英管３２から特定波長の光が放射され、この放射
光が放射温度計４１に入射される。これにより、放射温
度計４１で測定されるウエハ温度に差が生じるため、こ
れを基に温度制御を行うと、１枚目のウエハ４０が２枚
目以降のウエハ４０よりも高温で熱処理されてしまう。

【００１１】この対策としては、予めダミーウエハを用
いて熱処理を行ってから、１枚目のウエハ４０の熱処理
を開始する方法も提案されているが、この場合は規定枚
数のウエハ４０を熱処理するのにダミーウエハによる処
理時間が加算されることで、トータルの処理時間が長く
なるという別の問題がある。

【００１２】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたもので、その目的とするところは、ダミーウエハに
よる処理時間の増加を招くことなく、規定枚数のウエハ
を安定した温度で熱処理できるウエハ熱処理装置を提供
することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するためになされたもので、チャンバーと、このチャ
ンバー内に設置された透光管と、この透光管の外側に配
置された赤外線ランプとを有し、透光管内に搬入された
ウエハを赤外線ランプで加熱処理するウエハ熱処理装置
において、透光管を恒温加熱する加熱手段を備えた構成
を採用している。

【００１４】このウエハ熱処理装置においては、透光管
（石英管等）を恒温加熱する加熱手段を備えているた
め、この加熱手段を用いて透光管を常に一定温度に保持
し、この状態で規定枚数（例えば２５枚）のウエハを順
に熱処理（枚葉処理）することにより、透光管の温度差
によるウエハ熱処理温度の格差を解消することが可能と
なる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は本発明に係
るウエハ熱処理装置の一実施形態を示す側断面図であ
る。図１において、チャンバー１の内部には、赤外光に
対して高い透光性を有する石英管（透光管）２が設置さ
れている。石英管２の外側には、加熱源となるハロゲン
ランプ３が配置されている。また、チャンバー１の表面
は、ハロゲンランプ３の光を効率良く反射するように金
コーティングが施されている。一方、チャンバー１の一
端側（図の右端側）には、石英管２に連通する状態でウ
エハ搬入口４が設けられ、このウエハ搬入口４がドア５
にて開閉される構成となっている。

【００１６】また、ウエハ搬入口４の近傍にはガス排気
口６が設けられている。これに対して、石英管２の一端
側（図の左端側）はプロセスガス導入口７としてチャン
バー１の外側に突出配置されている。さらに、チャンバ
ー１には冷却ガス導入口８が複数設けられ、これら複数
の冷却ガス導入口８とともにチャンバー１に空洞９が設
けられている。この空洞９は石英管２内に配置されたウ
エハ１０からの放射光を透過させるもので、この空洞９
を介してウエハ１０と対向するようチャンバー１の外側
に放射温度計１１が配置されている。

【００１７】ここで、本実施形態の特徴とするところ
は、チャンバー１内に設置された石英管２を恒温加熱す
る加熱手段を備えた点にある。具体的には、石英管２に
対向するチャンバー１の壁内に所定のピッチで複数のコ
イルヒータ１２を埋め込み、これらのコイルヒータ１２
からの加熱作用によって石英管２を恒温加熱する構成を
採用している。

【００１８】また、各々のコイルヒータ１２には、図示
せぬ装置制御系から引き出された電力供給線を接続し、
これらの電力供給線を通して供給される電力レベルに応
じてコイルヒータ１２全体の出力を装置制御系にて制御
できる構成となっている。

【００１９】ここで、コイルヒータ１２の出力制御に際
しては、石英管２の温度が所定の温度以上で常に一定と
なるように装置制御系で制御する。さらに詳述すると、
石英管２の温度は、通常の処理温度（５００〜１２００
℃）でウエハ１０を熱処理した場合、概ね１００〜１８
０℃の範囲内で変動する。つまり、石英管２の温度はハ
ロゲンランプ３の発熱があっても１８０℃を越えること
はない。このことから、石英管２の温度をウエハ１０の
熱処理時において常に一定とするには、少なくとも１８
０℃を越える温度レベルに石英管２を加熱する必要があ
る。

【００２０】そこで本実施形態においては、石英管２の
温度が２００℃以上で常に一定となるようにコイルヒー
タ１２の出力を制御することとしている。具体的には、
石英管２の温度を熱電対等を用いて検出し、その検出結
果に基づいて、例えば石英管２の温度が２００℃で常に
一定となるよう、コイルヒータ１２の出力を制御すれば
よい。

【００２１】ただし、石英管２の昇温は、ハロゲンラン
プ３の点灯初期に顕著に起こり、その後は、ハロゲンラ
ンプ３の出力を上げてもそれほど昇温しない。つまり、
石英管２の昇温はハロゲンランプ３の点灯初期（低出力
時）おける発熱作用に大きく依存する。このことから、
例えば予め実験的にコイルヒータ１２の出力を或るレベ
ルに固定した状態で、通常の熱処理時における石英管２
の温度を熱電対等を用いて測定し、これによって石英管
２の温度が２００℃以上で常に一定となる条件を満たす
コイルヒータ１２の出力値が得られた場合は、コイルヒ
ータ１２の出力を一定レベルに制御する方式を採用して
もよい。

【００２２】上記構成からなるウエハ熱処理装置におい
ては、実際に規定枚数（例えば２５枚）のウエハ１０を
熱処理する際に、装置制御系からの電力供給によってコ
イルヒータ１２を発熱させ、これに伴うコイルヒータ１
２の加熱作用により石英管２を所定の温度（２００℃以
上）まで昇温させる。そして、この状態から１枚目のウ
エハ１０を石英管２内に搬入し、ハロゲンランプ３から
の光照射によってウエハ１０を加熱処理する。

【００２３】このときの熱処理シーケンス（昇降温プロ
ファイル）を図２に示す。先ず、ウエハ１０の搬入時に
おいては、コイルヒータ１２の加熱作用によりウエハ１
０が２００℃以上の一定温度で推移する。次に、ハロゲ
ンランプ３の点灯とともにウエハ１０の温度を例えば５
０〜１００℃／ｓｅｃの割合で上昇させる。その間、石
英管２の温度はコイルヒータ１２により２００℃以上で
常に一定に保持される。

【００２４】次いで、ウエハ１０の温度が予め定められ
た熱処理温度（５００〜１２００℃）に達したら、その
状態を数十秒間保持したのち、ハロゲンランプ３の消灯
及び冷却ガスの導入によってウエハ１０の温度を例えば
５０〜１００℃／ｓｅｃの割合で下降させる。そして、
ウエハ１０の温度が搬入時と同等の温度レベル（２００
℃以上）まで下降したら、石英管２からウエハ１０を取
り出す。この間も、石英管２の温度はコイルヒータ１２
により２００℃以上で常に一定に保持される。以後、上
記同様の手順により２枚目以降のウエハ１０を順に熱処
理する。

【００２５】このように規定枚数のウエハ１０を熱処理
する場合に、石英管２の温度をコイルヒータ１２を用い
て常に一定に保持することにより、石英管２から放射温
度計１１に入射される特定波長の光強度はウエハ処理枚
数にかかわらず常に一定となる。これにより、１枚目の
ウエハ１０と２枚目以降のウエハ１０の熱処理温度が均
一になるため、石英管２の温度差によるウエハ熱処理温
度の格差を解消することができる。また、２枚目以降の
ウエハ１０に関しても、石英管２の温度が常に一定とな
ることで、熱処理温度のばらつきを抑えることができ
る。その結果、規定枚数のウエハ１０を非常に安定した
温度で熱処理（枚葉処理）することが可能となる。

【００２６】ちなみに、本発明者が行った実験結果で
は、コイルヒータ１２により石英管２の温度を一定に制
御しながら、２５枚のウエハ２５を順に熱処理（枚葉処
理）したところ、１枚目から２５枚目までのウエハ１０
が±１℃という非常に安定した温度で熱処理されること
が確認でき、これは従来におけるウエハ熱処理時の温度
差（１０℃以上）の１／５以下に相当する。

【００２７】なお、上記実施形態においては、赤外線ラ
ンプとしてハロゲンランプ３を用いたウエハ熱処理装置
への適用例について説明したが、本発明はこれに限ら
ず、例えば０．１〜７．０μｍの波長光（赤外光）を放
射するキセノンフラッシュランプやアークランプなどの
赤外線ランプを用いてウエハ１０を加熱処理するウエハ
熱処理装置にも同様に適用し得るものである。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように本発明のウエハ熱処
理装置によれば、１枚目のウエハを熱処理する前にダミ
ーウエハを用いた熱処理を行わなくても、加熱手段によ
って透光管の温度を常時一定に保持した状態で規定枚数
のウエハを順に加熱処理することができるため、処理時
間の増加を招くことなく、熱処理時の温度再現性を向上
させることができる。その結果、高度に微細化・集積化
したメモリ素子や論理演算素子等の半導体装置の製造に
際し、信頼性の高い高速素子、低誘電化電極及び配線層
形成を実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るウエハ熱処理装置の一実施形態
を示す側断面図である。

【図２】実施形態における熱処理シーケンスを示す図
である。

【図３】従来のウエハ熱処理装置の一例を示す側断面
図である。

【符号の説明】

１…チャンバー、２…石英管（透光管）、３…ハロゲン
ランプ（赤外線ランプ）、１０…ウエハ、１２…コイル
ヒータ（加熱手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】チャンバーと、このチャンバー内に設置
された透光管と、この透光管の外側に配置された赤外線
ランプとを有し、前記透光管内に搬入されたウエハを前
記赤外線ランプで加熱処理するウエハ熱処理装置におい
て、前記透光管を恒温加熱する加熱手段を備えたことを特徴
とするウエハ熱処理装置。
【請求項２】前記加熱手段として、前記チャンバーに
コイルヒータを埋設してなることを特徴とする請求項１
記載のウエハ熱処理装置。
【請求項３】前記透光管の温度が所定の温度以上で常
に一定となるように前記コイルヒータの出力を制御する
制御手段を具備してなることを特徴とする請求項２記載
のウエハ熱処理装置。
【請求項４】前記所定の温度を２００℃に設定してな
ることを特徴とする請求項３記載のウエハ熱処理装置。