KR100248566B1 - 열처리 방법 - Google Patents

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마쓰바 구니유키
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히가시 데쓰로
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Abstract

프로세스튜브 내에 반도체 웨이퍼가 탑재된 웨이퍼 보트를 삽입하고, 프로세스튜브 내에 처리가스를 도입하여 열처리를 할 때에, 이 열처리에 앞서서 프로세스튜브 내를 열처리 때보다도 높은 온도로 유지하면서 열처리 때의 압력보다도 낮은 압력으로 되도록 프로세스튜브 내를 배기한다. 열처리 종료후, 프로세스튜브 내를 N2가스로 가스 퍼지한다.

Description

열처리 방법
제1도는 본 발명의 방법이 적용되는 열처리장치의 1예를 나타내는 단면도.
제2도는 본 발명의 1형태에 관계되는 열처리 방법을 채용한 경우에 있어서의 각 공정의 프로세스튜브 내의 온도 및 압력과 시간과의 관계를 나타내는 도면,
제3도는 온도를 일정하게 한 경우에 있어서의 각 공정의 프로세스튜브 내의 온도 및 압력과 시간과의 관계를 나타내는 도면.
제4도는 본 발명의 다른 형태에 관계되는 열처리 방법을 채용한 경우에 있어서의 각 공정의 프로세스튜브 내의 온도 및 압력과 시간과의 관계를 나타내는 도면이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 열처리장치 2 : 개구
3 : 프로세스튜브 4 : 외통
5 : 내통 6 : 처리가스 공급관
7 : 배기관 8 : 히터
9 : 단열재 10 : 아터셸
11 : 매니폴드 12 : 밸브
13 : 진공펌프 14 : 오토프레셔 콘트롤러
15 : 메인 콘트롤러 16 : 전원
17 : 온도 콘트롤러 20 : 보트 엘리베이터
21 : 지지대 23 : 덮개체
24 : 턴테이블 25 : 회전축
31 : 웨이퍼보트 32 : 보온통
33 : 모터 W : 반도체 웨이퍼
[발명의 목적]
[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]
본 발명은, 반도체 웨이퍼등의 피처리체를 열처리하는 방법에 관한 것이다.
종래 반도체 디바이스의 제조공정에 있어서는 원통형상을한 프로세스튜브를 갖추고, 이 프로세스튜브 내에 있어서 피처리체로서의 반도체 웨이퍼에 대하여 소정압력 및 소정온도로 소정의 열처리를 하는 열처리장치가 사용되고 있다. 이러한 열처리장치로서 프로세스튜브를 수평으로 배설한 종래의 횡형의 것에 대신하여 최근에는 프로세스튜브를 수직으로 배설한 종형의 것이 많이 사용되고 있다.
이러한 종래의 열처리장치에 있어서는 프로세스튜브는 석영, 또는 용융실리카등으로 이루어지고, 그 하단이 개구되고, 이 하단개구부로부터 피처리체로서의 반도체 웨이퍼가 로드 및 언로드된다. 이 경우에 웨이퍼보트에 여러개의 웨이퍼를 웨이퍼의 면을 수평으로 하여 탑재하고, 그 상태로 웨이퍼가 프로세스튜브에 대하여 로드 및 언로드된다.
또, 프로세스튜브의 주위에는 그 속을 가열하기 위한 히터 및 단열재가 배치되어 있고, 그 하부에는 배기관 및 처리가스 공급관이 접속되어 있다.
이러한 열처리장치에 있어서는 웨이퍼를 탑재한 웨이퍼 보트를 프로세스튜브 내에 로드하고, 배기관으로부터 배기함과 동시에, 처리가스 공급관으로부터 소정의 처리가스를 공급하여 소정의 처리온도 및 소정의 처리압력으로 반도체 웨이퍼에 소정의 처리, 예를 들면 CVD처리를 한다.
그런데, 반도체 디바이스는 근년, 급속히 고집적화되는 경향이 있고, 그것에 따라서 그 회로패턴은 한층 미세화되는 경향이 있다. 이 때문에 반도체 제조의 각 처리공정에 있어서는 처리정밀도를 향상시킬 것이 요구되고 있다. 열처리에 있어서도 처리정밀도를 향상시키고, 불순물이 적은 열처리층을 얻는 것이 요구되고 있으며, 그것을 위하여서는 처리가스의 순도를 높이는 것 및 처리의 고진공화등을 생각할 수 있다.
그러나, 처리가스의 순도를 높여서 소정의 진공도로 열처리를 하더라도 열처리중에 반도체 웨이퍼, 프로세스튜브 내벽등으로부터 가스가 발생하고 분위기중에 미량의 불순물이 혼입하여 열처리층의 순도를 저하시켜 버린다.
또, 처리정밀도의 향상을 도모하는 것은 큰 폭의 스루풋의 저하를 초래하는 것에 연계되기 쉽고, 열처리에 있어서도 스루풋의 저하를 억제하면서 고순도의 열처리층을 형성하는 것이 요구된다.
[발명의 이루고자 하는 기술적 과제]
본 발명의 목적은 열처리전에 프로세스 용기내를 열처리온도보다 낮은 압력으로 배기하고, 온도를 높게 설정하여 스루풋이 향상되어, 고순도의 열처리층을 형성할 수 있는 열처리 방법을 제공하는 것에 있다.
[발명의 구성 및 작용]
본 발명에 의하면, 첫째로 프로세스 용기내에 피처리체를 삽입하는 공정과; 상기 프로세스용기 내에 처리가스를 도입하여 열처리를 하는 공정과; 상기 열처리공정에 앞서서 프로세스용기 내를 상기 열처리 때보다도 높은 온도를 유지하면서, 상기 열처리공정 때의 압력보다도 낮은 압력으로 되도록 프로세스용기 내를 배기하는 공정을 구비하는 열처리 방법이 제공된다.
둘째로 프로세스용기 내에 피처리체를 삽입하는 공정과; 상기 프로세스용기 내에 처리가스를 도입하여 열처리를 하는 공정과, 상기 열처리공정에 앞서서, 프로세스용기 내를 상기 열처리 때보다도 높은 온도를 유지하면서 상기 열처리공정 때의 압력보다도 낮은 압력으로 되도록 프로세스용기 내를 배기하는 공정과; 상기 열처리공정 후에 프로세스용기 내를 배기하는 공정과; 그후 프로세스용기 내를 가스퍼지하는 공정을 구비하는 열처리 방법이 제공된다.
본 발명에 있어서는, 프로세스튜브에 앞서서 프로세스용기내를 열처리 때보다도 낮은 압력으로 되도록 배기하여 피처리체를 혹은 프로세스용기 내벽등으로부터 미리 가스를 발생시킨다. 이 때문에 처리 때에는 프로세스용기 내벽등으로부터의 가스의 발생이 억제되고, 결과로서 고순도의 열처리층을 형성할 수 있다. 또, 이 때에 프로세스용기 내의 온도를 열처리 온도보다 높게 설정하므로 피처리체 혹은 프로세스용기 내벽등으로부터의 가스의 발생이 촉진되고, 소망하는 진공도에 도달하는 시간을 단축할 수 있고, 결과로서 스루풋이 향상한다.
본 발명에 있어서는 상술한 바와 같이 열처리공정에 앞서서, 프로세스용기 내를 상기 열처리 때보다도 높은 온도로 유지하면서 열처리공정때의 압력보다도 낮은 압력(고진공)으로 되도록 프로세스용기를 배기한다.
이에 의하여 매우 높은 스루풋로 고순도의 열처리층을 형성할 수 있다. 종래, 처리온도 이상으로 프로세스용기 내의 온도를 상승시키는 것은 여분의 불순물을 확산시킨다고 하여 행하여지지 않았으나, 본 발명은 이러한 종래의 고정관념에 반하여 열처리전에 열처리 온도보다도 높은 온도로 유지하여 적극적으로 가스를 방출시키고 이로써 고효율이며, 고순도의 막을 형성하는 것이다.
이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명은 피처리체를 처리가스에 의하여 열처리하는 소정의 열처리층을 형성할 때에 적용되는 것이다. 열처리로서는 감압분위기 하에서 행하여지는 처리가 바람직하고 이러한 열처리로서는 CVD처리, 산화처리, 확산처리등이 있다. 피처리체로서는 반도체 웨이퍼, LCD기판등을 들 수 있다. 구체적으로 반도체 웨이퍼에 대한 SN막의 형성, 커패시터의 형성, 게이트 산화막등의 산화막 형성, ploy-Si막을 형성등을 들 수 있다. 특히, 두께가 100Å 이하로 얇고, 높은 막질이 요구되는 경우에 유효하다.
열처리에 앞서서 행하여지는 고온 고진공처리는 열처리 때의 압력보다도 낮은 10분의 1이하, 바람직하기는 100분의 1이하의 압력이고, 예를 들면, 10-3~10-7Torr 정도의 압력 및 열처리 온도보다도 50~300℃ 높은 온도, 바람직하기는 100~200℃높은 온도로 행하는 것이 바람직하다. 단, 이 온도의 상한은 프로세스 종류등에 의하여 제한되므로 프로세스의 종류등에 의하여 그 온도를 적절히 설정할 필요가 있다. 또, 불순물 제거의 관점에서는 압력을 보다 낮게 설정하는 것이 바람직하지만, 통상 1 오더 압력을 낮게 하기 위해서는 10배의 시간이 걸리는 것으로 되어 있으며, 요구되는 스루풋과 허용되는 불순물량과를 고려하여 그 압력을 적절히 설정할 필요가 있다.
열처리를 0.1Torr, 600℃로 할 경우를 예로들면, 열처리에 앞선 고온 고진공처리로서 예를 들면, 700℃로 10-6Torr까지 진공배기를 한다.
이와 같이 처리함으로써 미리 피처리체 및 프로세스용기의 내벽등으로부터 가스를 신속하게 발생시킬 수 있으므로 열처리 때에 피처리체 및 프로세스용기의 내벽등으로부터의 불순물가스의 발생이 억제되고 고순도의 열처리층을 형성할 수 있다.
[실시예]
다음에 본 발명을 반도체 웨이퍼의 CVD처리에 적용한 예에 대하여 설명한다. 제1도는 본 발명이 적용되는 열처리장치의 1예를 나타내는 단면도이다. 이 열처리장치(1)는 반도체 웨이퍼에 CVD막을 형성하는 것이며, 석영 또는 용융실리카등으로 이루어지는 원통형상의 프로세스튜브(3)를 가지고 있다. 프로세스튜브(3)는 연직으로 배치되고, 그 하단에 개구(2)를 가지고 있다. 또, 프로세스튜브(3)는 외통(4)과 내통(5)으로 이루어진 2중구조를 하고 있으며, 그 하부에는 내통(5)의 안쪽에 이르는 처리가스 공급관(6) 및 내통(5)과 외통(4)과의 사이에 접속하는 배기관(7)이 설치되어 있다. 프로세스튜브(3)의 주위에는 프로세스튜브(3)를 둘러싸듯이 히터(8)가 설치되어 있으며, 또한 그 바깥쪽에는 단열재(9)가 설치되어 있다.
그리고, 이것들은 스텐레스제의 아터셸(10)내에 설치되어 있다. 또, 프로세스튜브(3)는 그 아래에 설치된 통형상의 매니폴드(11)로 지지되어 있다.
열처리가 되어야 할 여러개의 반도체 웨이퍼(W)는 웨이퍼 보트(31)에 그 면을 수평상태로 하여 탑재되어 있다. 웨이퍼를 탑재한 웨이퍼 보트(31)는 보트 엘리베이터(20)의 지지대(21)위에 덮개체(23) 및 보온통(32)을 통하여 실려 있고, 보트 엘리베이터(20)에 의하여 웨이퍼 보트(31)가 프로세스튜브(3)내로 로드되고, 또는 프로세스튜브(3)로부터 언로드된다.
그리고 웨이퍼 보트(31)가 로드된 상태에서는 덮개체(23)가 매니폴드(11)의 하부개구를 막고, 프로세스튜브(3)내가 기밀시일 된다. 또, 보안통(32)은 턴테이블( 24)에 실려 있고, 턴테이블(24)에는 아래편을 향하는 회전축(25)이 연결되어 있고, 이 회전축(25)은 덮개체(23) 및 지지대(21)를 관통하여 모터(33)가 연계되어 있다.
그리고 모터(33)에 의하여 보온통(32)이 회전가능하게 되어 있으며, 열처리 때에 모터(33)에 의하여 보온통(32) 및 그 위의 웨이퍼 보트(31)를 회전시킴으로써 균일한 열처리가 가능하게 되어 있다.
상기 처리가스 공급관(6)은 도시하지 않은 처리가스 공급기구에 접속되어 있으며, 소정의 CVD처리용 처리가스가 처리가스 공급관(6)을 통과하여 내통(5)내에 공급된다. 또한 처리가스 공급관(6)에는 유량조절용밸브(11)가 설치되어 있다.
배기관(7)은 진공펌프(13)에 접속되어 있고, 이 배기관(7)의 도중에는 프로세스튜브(3)내의 압력을 자동적으로 제어하는 오토프레셔 콘트롤러(14)가 설치되어 있다. 오토프레셔 콘트롤러(14)에는 압력검출기 및 버터플라이밸브 개폐제어부로 구성되어 있고, 압력검출기로부터 메인 콘트롤러(15)로부터 제어부에 제어신호가 출력된다. 이에 의하여 프로세스튜브(3)내가 미리 메인 콘트롤러(15)에 프로그램된 압력으로 자동적으로 제어된다.
또한 처리가스 공급관(6)에 설치된 상기 밸브(12)도 메인 콘트롤러(15)에 의하여 제어된다. 또, 히터(8)의 전원(16)은 온도 콘트롤러(17)에 접속되고, 이 온도 콘트롤러(17)는 메인 콘트롤러(15)의 제어신호에 의거하여 히터(8)의 출력을 제어하고, 프로세스튜브 내의 온도 콘트롤을 하게 된다.
이와 같은 구성의 열처리장치에 의하여 본 발명의 열처리를 실시하는 상태를 제2도를 참조하여 설명한다.
먼저, 밸브(12)를 닫은 상태로, 메인 콘트롤러(15)에 설정된 정보에 따라서 전원(9)으로부터 히터(8)에 통전하고 프로세스튜브(3)내를 처리 온도보다 높은 온도로 가열한다. 예를 들면, 처리온도가 600℃인 경우에 700℃로 가열한다(도면중 A).
다음에, 보트 엘리베이터(20)에 의하여 반도체 웨이퍼(W)를 탑재한 웨이퍼 보트(31)를 프로세스튜브(3)내에 로드한다.
이 때에 지지대(21)가 최상부까지 상승되면, 덮개체(23)가 매니폴드(11)의 하단에 밀착하고, 프로세스튜브(3)내가 기밀상태로 유지된다(도면중 B).
이 상태로 진공펌프(13)에 의하여 프로세스튜브(3)내를 배기하고, 처리압력보다도 낮은 압력의 소정압력으로 한다.
예를 들면, 처리압력이 0.1Torr인 경우에 10-6Torr로 한다(도면중 C).
이와 같은 낮은 압력에 도달한 후, 전원(16)의 출력을 저하시킴과 동시에, 밸브(12)를 열고, 처리가스를 프로세스튜브(3)내에 도입한다(도면중 D).
압력 및 온도가 미리 설정된 처리조건(예를 들면 600℃, 0.1Torr)으로 제어되고, 턴테이블(24)을 회전시키면서 소정의 CVD처리가 실행되고, 반도체 웨이퍼(W)에 소정의 CVD막이 형성된다(도면중 E).
CVD처리 종료후, 처리가스를 퍼지가스, 예를 들면, N2가스로 변환하면서 프로세스튜브(3)내로 도입하고, 프로세스튜브(3)내의 처리가스를 퍼지가스로 치환함과 동시에 그 속을 대기압으로 되돌린다(도면중 F).
보트 엘리베이터(20)에 의하여 지지대(21)를 하강시키고 웨이퍼 보트(31)를 프로세스튜브(3)로부터 반출한다(도면중 G).
다음의 처리에 대비하여 프로세스튜브(3)내를 처리온도보다도 높은 온도, 예를들면, 700℃로 상승시킨다(도면중 H).
상술한 바와 같은 열처리 방법을 채용할 경우에는 열처리전에 프로세스튜브(3)내를 고온 고진공상태로 함으로써, 웨이퍼(W) 및 프로세스튜브(3)의 내벽등으로부터 급속히 가스가 발생하고, 단시간중에 이것들로부터 가스가 거의 다 발생한 상태로 할 수 있다.
따라서, 웨이퍼(W)및 프로세스튜브(3)의 내벽등으로부터의 불순물가스성분이 처리분위기중에 거의 함유되지 않은 상태로 CVD막 형성을 위한 열처리를 실시할 수 있고, 불순물이 적은 고순도의 막을 고효율(고스루풋)로 형성할 수 있다.
이에 대하여 열처리전에 프로세스튜브(3)내를 열처리 때보다 고진공도로 감압할 뿐으로, 온도를 처리온도와 같게(예를 들면 600℃)설정할 경우에는 제3도에 도시한 바와 같이, 반도체 웨이퍼(W) 및 프로세스튜브(3)의 내벽으로부터의 가스발생에 시간이 걸리고, 소정의 진공도까지 도달하기 까지의 진공재기시간이 길어져서 스루풋의 저하를 초래하여 버린다.
예를 들면, 열처리전에 처리온도인 600℃로 유지한 경우에도 프로세스튜브내를 10-6Torr의 진공도에 도달하는 데에 6시간 걸렸으나, 그 온도를 700℃로 함으로써 약 3시간에 10-6Torr의 진공도에 도달하였다.
이와 같이, 본 발명에 의하면, 열처리에 앞서서 열처리 온도보다도 높은 온도로 설정하여 열처리 때보다도 낮은 압력으로 되도록 프로세스용기 내를 배기하므로 매우 높은 온도 효율로 미리 불순물 가스를 배출할 수 있다. 따라서 고스루풋으로 고순도의 열처리층을 형성할 수 있다.
또한 한층 스루풋을 향상시키는 관점에서는 제4도에 도시한 바와 같이 열처리 종료후, 프로세스튜브(3)내에 퍼지가스를 도임하기 전에 프로세스튜브내를 일단 배기하는 것이 바람직하다(도면중 I). 이것은 일단 배기함으로써 퍼지가스로의 치환효율이 높아지고, 프로세스튜브내의 처리가스가 단시간에 퍼지가스로 치환되기 때문이다.
또한 상술한 바와 같이, 본 발명의 CVD처리에 한하지 않고 산화처리, 확산처리등의 다른 열처리에 적용할 수 있다. 산화처리의 경우에는 열처리층은 산화층이고, 확산처리의 경우에는 확산층인 것은 말할 것도 없다. 또, 피처리체로서 LCD기판을 채용할 수 있는 것도 상술한 바와 같다. 또한 상기 예에서는 여러개의 피처리체를 열처리한 예에 대하여 설명하였으나, 장수처리에 대하여 적용할 수도 있는 것도 말할 것도 없다.
또한, 그리고, 종형에 한하지 않고, 횡형의 열처리장치에도 적용할 수 있는 것도 말할 것도 없다.

Claims (5)

  1. 프로세스용기 내에 피처리체를 삽입하는 공정과; 상기 프로세스용기 내에 처리가스를 도입하여 열처리를 하는 공정과; 상기 열처리공정에 앞서서 프로세스용기 내를 상기 열처리 때보다도 높은 온도로 유지하면서 상기 열처리 공정 때의 압력보다도 낮은 압력으로 되도록 프로세스용기 내를 배기하는 공정을 구비하는 열처리 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열처리 공정에 앞서서, 프로세스용기 내를 열처리온도보다도 50~300℃ 높게 설정하는 열처리 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 열처리공정에 앞서서, 프로세스용기 내를 열처리 압력보다도 10분의 1 이하의 낮은 압력으로 되도록 프로세스용기 내를 배기하는 열처리 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 열처리공정에 앞서서, 프로세스용기내를 700℃로 설정하고, 10-6Torr까지 배기하고, 그후 프로세스용기 내를 600℃, 0.1Torr로 설정하여 열처리를 하는 열처리 방법.
  5. 프로세스용기 내에 피처리체를 삽입하는 공정과; 상기 프로세스용기 내에 처리가스를 도입하여 열처리를 하는 공정과; 상기 열처리공정에 앞서서 프로세스용기 내를 상기 열처리 때보다도 높은 온도로 유지하면서 상기 열처리공정 때의 압력보다도 낮은 압력으로 되도록 프로세스용기 내를 배기하는 공정과; 상기 열처리 공정후에 프로세스용기 내를 배기하는 공정과; 그후 프로세스용기 내를 가스퍼지하는 공정을 구비하는 열처리 방법.
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