KR20020070769A

KR20020070769A - 열처리 장치 및 이를 이용한 열처리 방법 및 반도체장치의 제조 방법

Info

Publication number: KR20020070769A
Application number: KR1020010075594A
Authority: KR
Inventors: 미나미마사시; 가쯔라다이꾸오
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤; 오오미야가세이 가부시끼가이샤
Priority date: 2001-03-02
Filing date: 2001-12-01
Publication date: 2002-09-11
Also published as: JP2002261102A; DE10154411A1; JP3447707B2; TW513766B; US20020121242A1

Abstract

열처리 장치의 분출부(3)에는 빈센트 바하 커브의 분출구 형상을 갖는 복수의 분출구(2)가 설치되어 있다. 분출부(3)에는 산소 배관, 공기 배관, 아르곤 배관이 접속되어 있다. 반응관(17) 내로 송입된 웨이퍼(10)는 승온되어 소정의 온도하에서 열처리가 실시된다. 그 후, 강온시에 소정의 온도까지 강온한 단계에서 분출부(3)로부터 산소를 포함하는 냉각 가스가 반응관(17) 내로 도입되어, 웨이퍼(10)가 다시 강온된다. 이에 따라, 웨이퍼(10)에 형성된 막이 박리되는 것이 억제된다.

Description

열처리 장치 및 이를 이용한 열처리 방법 및 반도체 장치의 제조 방법{Heat-Treatment Apparatus, Heat-Treatment Method Using the Same and Method of Producing a Semiconductor Device}

본 발명은 열처리 장치 및 이를 이용한 열처리 방법 및 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것으로, 특히 열처리 후에 효율적으로 냉각이 행해지는 열처리 장치와, 이를 이용한 열처리 방법과, 열처리 공정을 구비한 반도체 장치의 제조 방법에 관한 것이다.

MOSLSI나 바이폴러 LSI 등의 반도체 장치는 산화 공정, CVD 공정 및 확산 공정 등의 열처리가 실시되는 많은 공정을 거쳐서 제조된다. 이들 공정 중에는 확산로, 감압 CVD로 또는 RTA(Rapid Thermal Anneal) 등을 이용하여 온도 700 ℃ 정도 이상의 비교적 고온 조건하에서 열처리가 실시되는 공정이 있다.

RTA는 1초당 100 ℃ 전후로 승강온이 행해진다. 종형 열처리로의 경우는 1분당 약 10 ℃에서 승온이 행해지고, 강온은 1분당 약 3 ℃에서 행해진다. 이로 인해, 처리량을 확보하기 위해서는 웨이퍼의 실질적인 처리를 제외한 승강온의 시간을 짧게 할 필요가 있으며, 웨이퍼의 출입은 온도 약 650 ℃ 이상의 조건으로 행해지는 것이 표준이었다.

최근 종형 열처리로에 있어서는, 1분당 약 50 ℃ 이상의 온도로 승온이 행해지고, 강온은 1분당 약 30 ℃ 이상의 온도로 행해지는 것이 개발되었다. 이 열처리로는 고속 승강온로라 불리워지고 있다. 이 고속 승강온로에 따르면, 500 ℃ 이하의 온도하에서 웨이퍼를 처리실 내에 로드하고, 소정의 온도까지 고속으로 승온시킬 수 있다.

또, 승강온이 30 ℃ 이상인 온도 조건에서 가능한 열처리로가 개발된 당초는 고속 승온로라 불리워져 종래의 열처리로와 구별되었지만, 종래형의 열처리로에 있어서도 승강온 비율은 빨라지고 있어, 종래형의 열처리로와 고속 승온로와의 구별은 명확하게는 이루어지지 않고 있다.

종형 열처리 장치로 산화 처리를 실시하고, 노 내에 있어서 500 ℃ 이하의 온도까지 냉각하여 웨이퍼를 열처리 장치로부터 꺼낼(언로드) 경우에는 웨이퍼의 라이프 타임이 극단적으로 감소한다는 문제가 있다. 라이프 타임이라 함은 소정 파장의 레이저광을 웨이퍼에 조사함으로써 웨이퍼(실리콘 기판)에 생성된 소수 캐리어의 피크가 1/e로 감쇄하기까지의 시간을 말한다.

라이프 타임이 감소한다는 것은 철 등의 금속 오염이 없는 경우에는 계면 준위가 증가한다는 것이며, 예를 들어 메모리 장치에 있어서는 트랜지스터의 임계치 전압이 변동하는 등의 전기적 특성이 악화하게 된다.

이와 같은 라이프 타임의 감소를 피하기 위해서는 강온 중에 수소를 도입함으로써 실리콘(원자)의 댕글링 본드에 수소(원자)를 결합시키는 방법이나, 수증기를 도입함으로써 재산화를 행하여 웨이퍼의 표면 전위를 낮추는 방법이 제안되어 있다.

그런데, 열처리에 의한 산화 공정은 일련의 웨이퍼 제조 공정에서는 비교적 초기 공정이다. 산화 공정 이후의 공정에 있어서 라이프 타임은 증감을 반복하고 있다. 이로 인해, 제안되어 있는 방법은 일련의 웨이퍼 제조 공정 초기의 열산화 공정에 있어서 라이프 타임의 감소를 억제하는 대책으로서는 결정적이지는 않으며, 오히려 수소를 도입하거나 수증기를 도입하거나 하는 장치를 적용하는 것은 오버스팩이 된다는 문제도 있다.

또한, 여기서 말하는 오버스팩이라 함은, 이하에 설명한 바와 같은 부가적인 설비를 도입할 필요가 있다는 것이다. 즉, 수소를 취급하는 경우에는 안전성을 확보하기 위해 누설 검지 시스템이나 방폭 설비를 설치할 필요가 있다. 또한, 강온시에 수증기를 도입하면 결로에 의해 물이 발생하므로, 배수 대책을 실시할 필요가 있다. 또, 오존을 도입하는 경우에는 오존을 발생시키는 설비를 도입하지 않으면 안된다.

또한, 테스트용 웨이퍼를 이용하여 라이프 타임의 감소를 수반하는 산화 조건과 라이프 타임의 감소를 수반하지 않는 산화 조건으로 전기적 특성을 평가한 결과, 양자에 있어서 전기적 특성의 차는 거의 없어 문제가 없다는 것을 알 수 있었다. 또, 이 경우 산화 조건 이외의 처리 조건을 동일(공통)하게 했다.

반도체 장치에 있어서는, 최종적으로는 라이프 타임의 감소를 피해야만 한다. 그를 위해서는, 웨이퍼 처리 공정이 완료했을 때에 표면 전하의 양이 낮아져 있을 필요가 있지만, 이와 같은 실험 사실로부터 일련의 웨이퍼 제조 공정에 있어서 어떤 공정이 중요한 공정인지를 확인할 필요가 있다.

또, 산화 공정의 차이에 따라 전기적 특성의 차는 인정되지 않아도, 예를 들어 실리콘의 댕글링 본드의 수에는 차이가 인정되는 것은 아닌가라고 생각할 수 있다. 특히, 댕글링 본드가 많다고 하는 것은 실리콘과 산소가 해리된 상태가 많다는 것이며, 이 경우에는 실리콘 기판 상에 형성되는 막의 막 박리가 염려되게 된다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 제1 목적은 열처리 공정에 있어서 불필요하지 않도록 라이프 타임을 향상하고, 막 박리를 억제할 수 있는 열처리 장치를 제공하는 것이다. 다른 목적은, 그 열처리 장치를 이용한 열처리 방법을 제공하는 것이다. 또 다른 목적은, 라이프 타임이 향상되어, 막 박리가 억제되는 반도체 장치의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제1 국면에 있어서의 열처리 장치는, 처리실 내로 도입된 반도체 기판에 열처리를 실시하기 위한 열처리 장치로서, 냉각 가스를 난류 상태로 반도체 기판에 뿜어대기 위한 분출구를 구비하고 있다.

이 구조에 따르면, 난류 상태로 냉각 가스를 공급함으로써 반도체 기판이 효율적으로 냉각되어, 종래의 열처리 장치의 경우에 비해 라이프 타임이 향상되는 것이 실험적으로 확인되었다.

냉각 가스를 난류 상태로 반도체 기판에 뿜어대기 위해서는, 검토 결과, 분출구는 트럼펫 벨부에 대응하는 분출구 형상을 포함하고 있는 것이 바람직하다. 또한, 분출구는 트럼펫 벨부를 수학적으로 근사하는 곡선에 따른 분출구 형상을 포함하고 있는 것이 바람직하다.

또한, 냉각 가스는 제1 냉각 가스로서 질소와 불활성 가스를 포함하고, 제2 냉각 가스로서 산소와 질소 또는 산소와 불활성 가스를 포함하고, 분출구로부터는 제1 냉각 가스를 분출한 후에 제2 냉각 가스를 분출하는 것이 바람직하다.

이 경우에는, 후술하는 바와 같이 예를 들어 반도체 기판 상에 고융점 금속막 등이 형성된 상태에서 열처리가 실시되는 경우에, 실리콘과 산소와의 결합 상태가 증가하고, 라이프 타임이 향상되는 동시에 고융점 금속막을 산화시키는 일 없이 고융점 금속막 등이 반도체 기판으로부터 박리되는 것을 억제할 수 있다.

또, 분출구는 반도체 기판에 열처리를 실시하기 위한 가스를 분출하는 분출구와는 별개로 설치되어 있는 것이 바람직하다.

이 경우에는, 열처리를 실시하기 위한 가스를 분출하는 분출구에 부착된 반응 생성물 등의 이물질이 반도체 기판 상에 부착되는 것이 방지되어, 비교적 다량의 냉각 가스에 의해 반도체 기판을 급속하게 냉각할 수 있다.

본 발명의 제2 국면에 있어서의 열처리 방법은, 냉각 가스를 난류 상태로 처리실 내로 도입하기 위한 분출구를 구비한 열처리 장치에 의한 열처리 방법으로서, 피처리물에 열처리가 실시된 후에 불활성 가스의 분위기에 피처리물을 노출시키면서 소정의 온도까지 강온하고, 소정의 온도로 강온하고나서는 처리실 내로 산소를 도입함으로써 적어도 산소를 포함하는 분위기에 노출시키면서 다시 강온한다.

이 방법에 따르면, 후술하는 바와 같이 예를 들어 반도체 기판 상에 폴리실리콘막이나 고융점 금속막 등의 도전층이 형성된 상태에서 열처리가 실시되는 경우에 실리콘과 산소와의 결합 상태가 증가하고, 라이프 타임이 향상되는 동시에 도전층을 산화시키는 일 없이 도전층이 반도체 기판으로부터 박리되는 것을 억제할 수 있다.

발명의 제3 국면에 있어서의 반도체 장치의 제조 방법은 이하의 공정을 구비하고 있다. 반도체 기판 상에 도전막을 형성한다. 도전막이 형성된 후, 반응실 내에 있어서 그 도전막에 열처리를 실시한다. 이 도전막에 열처리를 실시하는 열처리 공정에서는, 강온 스텝시에 불활성 가스의 분위기에 노출되면서 소정의 온도까지 강온되고, 소정의 온도로 강온하고나서는 반응실 내로 산소를 도입함으로써 적어도 산소를 포함하는 분위기에 노출되면서 다시 강온된다.

이 방법에 따르면, 소정의 온도까지 강온한 후에 산소를 포함하는 분위기에 의해 다시 강온됨으로써, 반도체 기판과 도전층과의 계면에 있어서 실리콘과 산소가 결합되어 있는 상태가 실리콘과 산소가 분리되어 있는 상태보다도 충분히 많아진다. 그 결과, 라이프 타임이 향상되는 동시에 도전층이 반도체 기판으로부터 박리되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 도전막은 폴리실리콘막 및 고융점 금속막 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 열처리 공정에 있어서의 소정의 온도는 도전막이 산소에 의해 산화되지 않는 온도인 것이 바람직하다.

이 경우에는, 폴리실리콘막이나 고융점 금속막이 산화되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 열처리 공정에서는 적어도 산소는 난류 상태에서 반응실 내로 공급되는 것이 바람직하다.

이 경우에는, 반도체 기판이 효율적으로 냉각되어 라이프 타임을 확실하게 향상할 수 있는 것이 실험적으로 확인되었다.

그리고, 검토 결과, 산소를 난류 상태로 반응실로 송입하기 위해서는 트럼펫 벨부에 대응하는 형상이든지, 또는 트럼펫 벨부를 수학적으로 근사하는 곡선에 따른 분출구 형상을 갖는 분출구로부터 반응실 내로 공급되는 것이 바람직한 것을 알 수 있었다.

또한, 열처리 공정 후, 라이프 타임 측정기를 이용하여 실리콘 기판에 있어서의 소수 캐리어의 라이프 타임을 측정하는 공정을 구비하고 있는 것이 바람직하다.

이 경우에는, 라이프 타임과 막 박리와의 상관 관계에 의거하여, 열처리 공정 후의 도전막 등이 박리되기 쉬운지 아니면 그렇지 않은지의 여부를 비교적 용이하게 판단할 수 있다.

도1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 열처리 장치를 얻기 위한 기초가 되는 각 열처리 장치와 열처리 조건을 도시한 도면.

도2는 제1 실시 형태에 있어서, 도1에 도시된 조건 8에 있어서의 라이프 타임을 도시한 도면.

도3은 제1 실시 형태에 있어서, 트럼펫 벨부를 실측하기 위한 좌표를 도시한 도면.

도4는 제1 실시 형태에 있어서, 트럼펫 벨부를 실측한 값을 도시한 도면.

도5는 제1 실시 형태에 있어서, 트럼펫 벨부를 근사한 부분과 연결부를 도시한 도면.

도6은 제1 실시 형태에 있어서, 트럼펫 벨부를 2차 다항식으로 근사한 도면.

도7은 제1 실시 형태에 있어서, 트럼펫 벨부를 6차 다항식으로 근사한 도면.

도8은 제1 실시 형태에 있어서, 트럼펫 벨부를 지수 함수로 근사한 도면.

도9는 제1 실시 형태에 있어서, 트럼펫 벨부를 원으로 근사한 도면.

도10은 제1 실시 형태에 있어서, 도1에 도시한 조건 9에 있어서의 웨이퍼면내의 라이프 타임의 분포를 도시한 도면.

도11은 제1 실시 형태에 있어서, 빈센트 바하 커브의 분출구 형상을 갖는 실험용 분출부(노즐)의 사시도.

도12는 제1 실시 형태에 있어서, 실험용 반응관의 사시도.

도13은 제1 실시 형태에 있어서, 실험용 반응관에 실험용 분출부를 장착하여 미스트를 송입한 경우의 미스트의 흐름을 도시한 도면.

도14는 제1 실시 형태에 있어서, 실험용 반응관에 설치된 구멍으로부터 미스트가 흐르는 모습을 도시한 도면.

도15는 제1 실시 형태에 있어서, 열처리 장치를 도시한 사시도.

도16은 제1 실시 형태에 있어서, 반응관의 내부를 도시한 사시도.

도17은 제1 실시 형태에 있어서, 도16에 도시한 분출부의 부분 확대 사시도.

도18은 제1 실시 형태에 있어서, 도17에 도시한 단면선 XVIII - XVIII에 있어서의 단면도.

도19는 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 열처리 장치를 이용한 열처리 방법에 있어서, 도1에 도시한 조건 10에 있어서의 웨이퍼면 내의 라이프 타임의 분포를 도시한 도면.

도20은 제2 실시 형태에 있어서, 라이프 타임 향상의 메카니즘을 설명하기 위한 도면.

도21은 본 발명의 제3 실시 형태에 있어서, 열처리 조건에 의해 라이프 타임이 변동하는 것을 도시한 도면.

도22는 본 발명의 제3 실시 형태에 관한 반도체 장치의 제조 방법의 일 공정을 도시한 단면도.

도23은 제3 실시 형태에 있어서, 열처리의 일련의 스텝의 일예를 도시한 도면.

도24는 제3 실시 형태에 있어서, 열처리 스텝의 다른 예를 도시한 도면.

도25는 제1 실시 형태에 있어서의 열처리 장치의 분출구 형상의 치수 관계를 도시한 도면.

도26은 종래의 확산로의 사시도.

도27은 도26에 도시한 확산로의 부분 확대 사시도.

도28은 종래의 RTA 장치의 사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 빈센트 바하 커브

2 : 냉각 가스 분출구

3 : 냉각 가스 분출부

5 : 냉각 가스 배기부

6 : 냉각 가스 배기구

8 : 냉각 가스 공급구

10 : 웨이퍼

17 : 반응관

18 : 셔터

19 : 보트 엘리베이터

51 : 질소 배관

52 : 냉각 가스 배관

<제1 실시 형태>

본 발명자들은 발명에 관한 열처리 장치를 착상하는 데에 이르는 전단계로서, 각종 실험을 행했다. 그 실험 결과에 대해 설명한다. 우선, 여러 가지의 열처리 장치를 이용하여 소수 캐리어의 라이프 타임을 측정했다. 열처리 장치로서, 도1의 조건 일람표에 도시한 바와 같이, RTA(램프 어닐 장치), 고속 승강온로, 종래형 확산로, N₂퍼지 박스가 달린 확산로 및 로드 로크가 달린 확산로를 적용했다.

도26에 도시한 바와 같이, 고속 승강온로 및 종래형 확산로는 웨이퍼(110)의 출입을 행하는 로드실(111), 웨이퍼(110)를 수용하는 웨이퍼 보트(109) 및 웨이퍼(110)에 열처리를 실시하는 반응관(117)을 구비하고 있다. 웨이퍼 보트(109)에는 반응관(117)의 입구를 폐쇄하기 위한 셔터(118)가 설치되어 있다. 또한, 웨이퍼 보트(109)를 상하로 이동시키기 위한 보트 엘리베이터(119)가 설치되어 있다.

도27에 도시한 바와 같이, 반응관(117) 내에는 냉각 가스 도입구(108)를 통해 냉각 가스 분출부(103)가 배치되어 있다. 냉각 가스 분출부(103)에는 냉각 가스 분출구(104)가 설치되어 있다. 또한, 반응관(117) 내에는 냉각 가스를 배기하는 냉각 가스 배기부(105)가 배치되어 있다. 냉각 가스 배기부(105)에는 냉각 가스 배기구(106)가 설치되어 있다.

로드실(111) 내에 있는 웨이퍼 보트(109)에 웨이퍼가 수용된 후, 웨이퍼 보트(109)는 보트 엘리베이터(119)에 의해 반응관(117) 내로 송입된다. 반응관(117)에서는 웨이퍼가 승온되어 소정의 온도하에서 열처리가 실시되어 소정의 온도까지 강온된다. 그 후, 웨이퍼 보트(109)는 로드실(111)로 복귀되어 웨이퍼가 취출된다.

N₂퍼지 박스 부착 확산로 및 로드 로크 부착 확산로의 구조는, 상술한 고속 승강온로 등의 구조와 기본적으로 동등하다. 특히, N₂퍼지 박스 부착 확산로에서는 웨이퍼의 로딩 영역, 예를 들어 로드실(111) 내로 N₂를 도입하여 N₂분위기하에서 웨이퍼의 로드 및 언로드가 행해진다.

또한, 로드 로크 부착 확산로에서는, 예를 들어 로드실(111) 내를 진공으로 한 후에 N₂를 도입하여 N₂의 분위기하에서 웨이퍼의 로드 및 언로드가 행해진다.

도28에 도시한 바와 같이, RTA는 웨이퍼를 수납한 카세트(212)를 수용하기 위한 로드실(211), 웨이퍼에 열처리를 실시하는 반응실(216), 열처리된 웨이퍼를 냉각하기 위한 쿨링실(215) 및 로드실(213)과 반응실(216)을 잇는 반송실(214)을 구비하고 있다.

카세트(212)가 로드실(211)에 수용된 후, 도어(213)가 폐쇄되어 로드실(211) 내부가 실온하에서 N₂로 치환된다. 카세트(212) 내의 웨이퍼가 반송실(214)을 경유하여 반응실(216)로 이송된다. 반응실(216)에서는 웨이퍼가 승온되어 소정의 온도하에서 열처리가 실시되어 소정의 온도로까지 강온된다. 그 후, 웨이퍼는 쿨링실(215)로 이송되어 다시 냉각되어, 로드실(211) 내의 카세트(212)로 복귀된다.

다음에, 열처리 조건에 대해 설명한다.

조건 1에서는 열처리 장치로서 RTA를 이용했다. 실온 및 질소 분위기하에서 웨이퍼의 로드를 행했다. N₂분위기하에서 승온을 행하고, 온도 110O ℃ 및 산소 분위기하에서 산화를 행했다. 산화 처리후, N₂분위기로 치환하여 강온시켜 온도200 ℃ 및 N₂하에서 웨이퍼의 언로드를 행했다.

조건 2에서는 열처리 장치로서 고속 승강온로를 이용했다. 400 ℃ 및 대기하에서 웨이퍼의 로드를 행했다. N₂분위기하에서 승온을 행하고, 온도 850 ℃ 및 수증기 분위기하에서 산화를 행했다. 산화 처리후, N₂분위기로 치환하여 강온시켜 온도 400 ℃ 및 대기하에서 웨이퍼의 언로드를 행했다.

조건 3에서는 열처리 장치로서 종래형 확산로를 이용했다. 650 ℃ 및 대기하에서 웨이퍼의 로드를 행했다. N₂분위기하에서 승온을 행하고, 온도 850 ℃ 및 수증기 분위기하에서 산화를 행했다. 산화 처리후, N₂분위기로 치환하여 강온시켜 온도 650 ℃ 및 대기하에서 웨이퍼의 언로드를 행했다.

조건 4에서는 열처리 장치로서 N₂퍼지 박스 부착 확산로를 이용했다. 650 ℃ 및 N₂하에서 웨이퍼의 로드를 행했다. N₂분위기하에서 승온을 행하고, 온도 850 ℃ 및 수증기 분위기하에서 산화를 행했다. 산화 처리후, 강온시켜 온도 650 ℃ 및 N₂분위기하에서 웨이퍼의 언로드를 행했다.

조건 5에서는 열처리 장치로서 로드 로크 부착 확산로를 이용했다. 400 ℃ 및 N₂분위기하에서 웨이퍼의 로드를 행했다. N₂분위기하에서 승온을 행하고, 온도 850 ℃ 및 수증기 분위기하에서 산화를 행했다. 산화 처리후, 강온시켜 온도 650 ℃ 및 N₂분위기하에서 웨이퍼의 언로드를 행했다.

조건 6에서는 열처리 장치로서 고속 승강온로를 이용했다. 400 ℃ 및 대기하에서 웨이퍼의 로드를 행했다. N₂분위기하에서 승온을 행하고, 온도 850 ℃ 및 수증기 분위기하에서 산화를 행했다. 산화 처리후, N₂분위기로 치환하여 강온시켜 온도 650 ℃ 및 대기하에서 웨이퍼의 언로드를 행했다.

조건 7에서는 열처리 장치로서 종래형 확산로를 이용했다. 400 ℃ 및 대기하에서 웨이퍼의 로드를 행했다. N₂분위기하에서 승온을 행하고, 온도 850 ℃ 및 수증기 분위기하에서 산화를 행했다. 산화 처리후, N₂분위기로 치환하여 강온시켜 온도 650 ℃ 및 대기하에서 웨이퍼의 언로드를 행했다.

다음에, 상술한 조건 1 내지 조건 7에 의거하여 웨이퍼[미쯔비시 마태리얼제조, 직경 300 ㎜(12 인치), P형, 결정축(100), 비저항 10 내지 15 Ω·㎝, 산소 농도 1.1 ± 0.1 × 10¹⁸/㎤]에 열처리를 실시하여 라이브 타임을 측정했다. 라이프 타임 측정기로서, SEMILAB사 제조의 라이프 타임 스캐너 WTXA를 이용했다. 또한, 고속 승강온로로서, 고오요오 사모 시스템사 제조의 고속 승강온 타입 VF-5700을 이용했다. RTA로서는 12 인치 웨이퍼 대응의 시험 제작기를 이용했다.

조건 1 내지 조건 5에 의거한 열처리에서는, 라이프 타임은 약 20 내지 40 ㎲의 범위이며, 그 값은 현저하게 낮은 것을 알 수 있었다. 한편, 조건 6 및 조건 7에 의거한 열처리에서는 라이프 타임은 500 ㎲ 이상이며, 문제가 없는 레벨인 것을 알 수 있었다. 이 2가지의 조건에서는, 웨이퍼는 온도 650 ℃ 및 대기하에서언로드된 경우이며, 웨이퍼는 질소 80 % 및 산소 20 %를 포함하는 분위기에 노출되게 된다.

이 점으로부터, 강온시 및 언로드시에 웨이퍼를 수증기, 오존 또는 수소에 무리하게 노출시키지 않아도, 대기, 산소를 포함한 질소 또는 산소를 포함한 아르곤에 웨이퍼를 노출시킴으로써, 라이프 타임을 향상할 수 있는 것을 알 수 있다.

다음에, 강온 중에 산소를 도입함으로써 라이프 타임이 변화되는 모습을 조사했다. 열처리 조건을 도1에 도시한 조건 8로 했다. 조건 8에서는 열처리 장치로서 고속 승강온로를 이용했다. 400 ℃ 및 N₂분위기하에서 웨이퍼의 로드를 행했다. N₂분위기하에서 승온을 행하고, 온도 850 ℃ 및 수증기 분위기하에서 산화를 행했다. 산화 처리후, N₂분위기로 치환하여 700 ℃까지 강온시키고, 그 후 산소를 도입하여 다시 강온시켜, 온도 400 ℃ 및 산소 분위기하에서 웨이퍼의 언로드를 행했다. 이 700 ℃라는 온도는 산소에서는 산화되지 않는 온도이다.

시료로서 13매의 웨이퍼를 이용했다. 라이프 타임의 측정 결과를 도2에 도시한다. 도2에 도시한 바와 같이, 라이프 타임은 약 50 내지 100 ㎲의 범위였다. 조건 1 내지 조건 5의 경우와 비교하면 라이프 타임은 향상되지만, 아직 만족할 수 있는 값이 아니라는 것을 알 수 있었다.

다음에, 만족할 수 있는 라이프 타임을 얻기 위한 요인으로서는 산소를 강온시에 공급하는 것 이외에, 웨이퍼의 냉각 스피드가 관계되어 있는 것은 아닌가라고 생각했다. 고속 승강온로에 있어서는, 도27에 도시한 바와 같이 반응관(117) 내에냉각 가스를 도입하기 위한 냉각 가스 분출부(103)와 냉각 가스를 배기하는 냉각 가스 배기부(105)가 배치되어 있다.

그래서, 언로드시에 반응관 내에 냉각 가스를 공급하여 라이프 타임을 조사했다. 열처리 조건을 도1에 도시한 조건 9로 했다. 조건 9에서는 열처리 장치로서 고속 승강온로를 이용했다. 400 ℃ 및 N₂분위기하에서 웨이퍼의 로드를 행했다. N₂분위기하에서 승온을 행하고, 온도 850 ℃ 및 수증기 분위기하에서 산화를 행했다. 산화 처리후, N₂분위기로 치환하여 700 ℃까지 강온시켜, 그 후 산소를 도입하여 다시 온도 400 ℃까지 강온시켰다. 언로드시에 산소에 질소를 도입하여 산소 및 질소 분위기하에서 웨이퍼의 언로드를 행했다.

라이프 타임의 측정 결과는 약 127 ㎲이며, 조건 8의 경우보다도 라이프 타임이 향상되는 것을 알 수 있었다. 그런데, 도10에 도시한 바와 같이 라이프 타임의 웨이퍼면 내의 분포에 따르면, 반응관 내에 있어서 웨이퍼가 회전(자전)하고 있음에도 불구하고, 라이프 타임의 분포가 원대칭이 아닌 것을 알 수 있었다.

이처럼, 라이프 타임의 분포가 원대칭이 되지 않는 원인으로서는 냉각 가스의 분출에 방향성이 있어, 웨이퍼 상에 균일하게 뿜어대지 않기 때문은 아닐까라고 생각했다. 그래서, 발명자들은 더욱 효율적으로 웨이퍼 상에 냉각 가스를 균일하게 공급하는 방법을 생각하는 데 이르렀다.

이화학 사전(이와나미 서점)의 난류 항에 있어서는, 난류의 이용에 의해 물질을 대량으로 수송할 수 있다고 기재되어 있다. 그래서, 난류의 이용에 의해 구석 구석까지 물질을 공급할 수 있는 방법을 모색하고 있는 동안에, 금관 악기, 특히 콘서트홀의 구석 구석까지 좋은 소리가 울려퍼진다는 트럼펫 벨부의 커브를 이용한 냉각 가스 분출구를 착상하는 데 이르렀다. 구체적으로는, 트럼펫 중에서도 널리 사용되고 있는 유명한 빈센트 바하(Vincent Bach)사의 트럼펫 벨부를 대상으로 했다.

이 벨부의 커브를 이용한 냉각 가스의 분출구를 작성하기 위해, 실제 트럼펫 벨부의 계측을 행했다. 우선, 도3에 도시한 바와 같이 벨부(1)의 회전 대칭 중심을 x축으로 했다. 그리고, 벨부(1)의 분출측 개구단부로부터 53 ㎜의 위치를 원점 O로 했다. 원점을 통해 x축에 수직인 방향을 y축으로 했다. 원점 O로부터 벨부(1)의 분출측 개구단부까지를 29 분할하여, 각각의 x좌표에 대한 y좌표의 값을 계측했다. 그 결과를 도4에 도시한다.

이 벨부(1)를 이용한 냉각 가스 분출구의 작성에 있어서는 도4에 도시한 각 수치에 의거하여 작성하면 좋지만, 가공시에는 어떠한 수식으로 이 커브를 근사해 두는 것이 바람직하다. 그래서, 우선 다항식이나 지수 함수로 커브를 근사하는 것을 시도했다. 도5에 도시한 바와 같이, 커브를 근사하는 부분을 x축 좌표의 값이 20.4 ㎜ 이후인 부분으로 했다. 또, 근사 부분으로부터 원점을 향하는 부분을 연결부로 했다.

2차 다항식 근사에 따르면, 도6에 도시한 바와 같이 벨부의 분출측 개구단부에 있어서 실측치보다도 작게 되어 있는 것을 알 수 있었다. 6차 다항식에 따르면, 도7에 도시한 바와 같이 벨부의 분출측 개구단부에 있어서 실측치보다도 아직작은 것을 알 수 있었다. 그리고, 다항식 근사의 경우에는 고차가 되면 될수록 측정치에 의거하여 비례 관계로 커브를 근사하는 것보다도 시간이 걸려, 현실적이지 않은 것을 알 수 있었다.

또한, 지수 근사에 따르면, 도8에 도시한 바와 같이 2차 다항식 근사의 경우보다도 실측치로부터는 벗어나는 것을 알 수 있었다.

다음에, 커브를 원으로 근사했다. 원 근사에 따르면, 도9에 도시한 바와 같이 분출측 개구단부와 그 근방에 있어서 실측치와 잘 일치하고, 특히 원의 반경 R = 83.45 ㎜인 경우에 원주의 일부와 실측치가 잘 맞는다는 것을 알 수 있었다.

그래서, 커브의 근사로서 원에 따른 근사를 채용했다. 또, 타원에 따른 근사도 시도했지만, 결과는 대략 원이 되었다. 그리고, 분출구의 제조에 있어서, 제조를 간편하게 하는 관점으로부터 근사부와 연결부를 전체 원주의 4분의 1로 근사했다.

발명자들은 빈센트 바하사의 트럼펫 벨부의 형상을 실측한 값에 의거하여 얻을 수 있는 커브와, 이 벨부의 커브를 원으로 근사한 커브와의 양자를 빈센트 바하 커브라 부르기로 했다.

다음에, 냉각 가스의 흐름을 확인하기 위한 모형을 작성했다. 우선, 빈센트 바하 커브의 분출구 형상을 갖는 분출구(노즐)(2)를 도11에 도시한다. 그리고, 실험용 반응관을 도12에 도시한다. 분출구(노즐)(2) 및 실험용 반응관의 재질을 석영으로 했다. 또한, 실험용 반응관의 각 치수를 L1 = 250 ㎜, L2 = 420 ㎜, L3 = 15 ㎜로 했다.

분출구(노즐)(2)를 실험용 반응관에 부착하고, 분출구로부터 미스트를 실험용 반응관으로 송입하여 미스트의 흐름을 조사했다. 미스트가 흐르는 모습을 도시한 모식도를 도13에 도시한다. 도13에 도시한 바와 같이, 분출구로부터 실험용 반응관으로 송입된 미스트는 소용돌이가 되어 반응관의 주변을 향해 빠르게 확인되는 것이 확인되었다. 그리고 이 때, 도14에 도시한 바와 같이 실험용 반응관에 설치된 복수의 구멍으로부터 균일하게 미스트가 분출되는 것이 확인되었다.

특히, 매초 수십℃ 정도로 강온하는 RTA에서는, 급하게 냉각 가스를 도입할 필요가 있어 빈센트 바하 커브의 분출구 형상을 갖는 분출구가 유효하다고 생각할 수 있다.

다음에, 상술한 빈센트 바하 커브의 분출구 형상을 갖는 냉각 가스 분출부를 구비한 열처리 장치에 대해 설명한다. 도15 및 도16에 도시한 바와 같이, 열처리 장치는 웨이퍼(10)의 출입을 행하는 로드실(11), 웨이퍼(10)를 수용하는 웨이퍼 보트(9) 및 웨이퍼(10)에 열처리를 실시하는 반응관(17)을 구비하고 있다. 웨이퍼 보트(9)에는 반응관(17)의 입구를 폐쇄하기 위한 셔터(18)가 설치되어 있다. 또한, 웨이퍼 보트(9)를 상하로 이동시키기 위한 보트 엘리베이터(19)가 설치되어 있다.

그리고, 본 열처리 장치에는 열처리가 실시된 웨이퍼를 냉각하기 위해 종래부터 설치되어 있었던 질소 배관(51)에다가, 빈센트 바하 커브의 분출구 형상을 갖는 노즐로부터 냉각 가스를 분출하기 위한 냉각 가스 배관(52)이 설치되어 있다. 냉각 가스 배관(52)에는 산소 배관, 공기 배관, 아르곤 배관이 접속되어 있다.

도17 및 도18에 도시한 바와 같이, 냉각 가스 분출부(3)에는 상술한 빈센트 바하 커브의 분출구 형상을 갖는 분출구(2)가 복수 설치되어 있다.

로드실(11) 내에 있는 웨이퍼 보트(9)에 웨이퍼가 수용된 후, 웨이퍼 보트(9)는 보트 엘리베이터(19)에 의해 반응관(17) 내로 송입된다. 반응관(17)에서는 웨이퍼가 승온되어 소정의 온도하에서 열처리가 실시되어 소정의 온도로까지 강온된다. 그 후, 웨이퍼 보트(9)는 로드실(11)로 복귀되어 웨이퍼(10)가 취출된다.

<제2 실시 형태>

본 발명의 제2 실시 형태로서, 제1 실시 형태에 있어서 설명한 열처리 장치를 이용한 열처리 방법에 대해 설명한다. 우선, 상술한 열처리 장치를 이용하여 웨이퍼(실리콘 기판)에 있어서의 소수 캐리어의 라이프 타임을 측정했다. 열처리 조건을 도1에 도시한 조건 10으로 했다. 조건 10에서는 400 ℃ 및N₂분위기하에서 웨이퍼의 로드를 행했다. N₂분위기하에서 승온을 행하고, 온도 850 ℃ 및 수증기 분위기하에서 산화를 행했다. 산화 처리후, N₂분위기로 치환하여 700 ℃까지 강온시키고, 그 후 산소를 도입하여 다시 온도 400 ℃까지 강온시켰다. 언로드시에 산소 및 질소 분위기하에서 웨이퍼의 언로드를 행했다.

라이프 타임의 값은 356.7 ㎲이며, 조건 9의 경우보다도 라이프 타임이 향상되는 것을 알 수 있었다. 또한, 웨이퍼면 내에 있어서의 라이프 타임의 분포를 도19에 도시한다. 도19에 도시한 바와 같이, 라이프 타임의 면내 분포는 원대칭에가깝고, 라이프 타임의 분포 폭도 좁혀져 있는 것을 알 수 있었다. 이처럼, 냉각 가스의 분출부(분출구)로서, 빈센트 바하 커브를 갖는 분출구 형상을 채용함으로써, 웨이퍼가 급속하고도 균일하게 냉각되는 것을 알 수 있었다.

이처럼 라이프 타임이 향상되는 것은 다음과 같이 추측된다. 웨이퍼 직경 12 인치의 산화 공정에 있어서는 열처리 장치로부터 웨이퍼의 인출 온도가 500 ℃ 이하의 비교적 낮은 온도인 경우에는 재결합 라이프 타임(μ-PCD)이 감소되는 현상이 인정된다.

재결합 라이프 타임을 벌크 재결합 라이프 타임과 표면 결합 라이프 타임으로 나누어 생각해 본다. 이 경우, 실험적으로 열처리에 수반하여 벌크에 기인하는 감소는 인정되지 않았다. 또한, 표면에 기인하는 감소에 관하여 수소와의 상관 관계는 인정되지 않았다.

이것으로부터, 라이프 타임의 감소는 실리콘(Si)과 실리콘 산화막(SiO₂)과의 계면에 있어서의 실리콘과 산소와의 결합 상태의 변화에 의해, 표면 재결합 라이프 타임이 감소되기 때문이라 추정된다. 실리콘(Si)과 실리콘 산화막(SiO₂)과의 계면으로서는 실리콘 기판과 실리콘 산화막과의 계면, 실리콘 산화막과 그 실리콘 산화막 상에 형성된 폴리실리콘막과의 계면이 있다.

라이프 타임 감소의 원인에 대하여 다시 상세하게 추측한다. 재결합 라이프 타임(τ)은, 벌크 재결합 라이프 타임(τb)과 표면 재결합 라이프 타임(τs)을 이용하여, 1/τ = 1/τb + 1/τs로 표현된다. 벌크 재결합 라이프 타임(τb)의 감소중 하나의 가능성으로서, 저온 강온시에 있어서의 서멀도너의 영향을 조사하였지만, 서멀도너의 영향은 인정되지 않았다.

또한, τ의 감소가 인정되는 웨이퍼와 인정되지 않는 웨이퍼에 대해 산화막을 제거하고, τs를 공통으로 하여 라이프 타임을 측정한 경우에서는 양자에 차이는 인정되지 않았다. 이 점으로부터, τ이 감소하고 있는 경우라도 τb의 감소는 생기지 않는다고 생각할 수 있다. 따라서, 라이프 타임의 감소는 벌크에 있어서의 라이프 타임의 변화에 의한 것은 아니며, 실리콘(Si)과 실리콘 산화막(SiO₂)과의 계면에 있어서의 표면 재결합 라이프 타임의 변화에 따른 것이라 추측된다.

실리콘과 실리콘 산화막과의 계면에 있어서 재결합 라이프 타임에 영향을 미치게 하는 요인으로서는, 이 계면에 있어서의 수소(H), 혹은 SiO의 결합 상태가 관계되어 있는 것을 생각할 수 있다. TDS 측정에 따라 수소의 이탈 온도와 라이프 타임의 감소 온도에 상관이 인정되지 않는 경우, 그리고 질소 분위기의 열처리에 있어서만 라이브 타임이 회복되므로, 라이프 타임의 감소는 계면에 있어서의 수소의 영향에 의한 것은 아니라고 생각할 수 있다.

그래서, 라이프 타임의 감소가 계면에 있어서의 Si0의 결합 상태의 변화에 기인하고 있다고 생각해, 라이프 타임의 열처리 온도 의존성을 정성적으로 설명한다. 도20에 도시한 바와 같이, 실리콘 기판(Si)과 실리콘 산화막(SiO₂)과의 계면에 있어서, 실리콘(Si)과 산소(O)가 결합 상태(SiO : 상태 A)인 상태 밀도를 n_A, 실리콘(Si)과 산소(O)가 분리 상태(Si, O : 상태 B)인 상태 밀도를 n_B, 상태 A에서 상태B로의 천이 확률을 P1, 상태 B에서 상태 A로의 천이 확률을 P2 분리 상태에서 생기는 계면 트랩 밀도를 Itr이라 하면, Itr은 다음 식,

Itr = ∫(P1(T) × n_A- P2(T) × n_B) dT

(적분 하한 T = T1, 적분 상한 T = T2)

로 부여된다고 생각할 수 있다. 또, T1은 열처리의 개시 온도이며, T2는 열처리 종료의 온도이다.

산화 후의 웨이퍼에 있어서는 양호한 SiO 결합 상태가 형성되고, 상태 밀도 n_A은 상태 밀도 n_B에 비해 높기 때문에, 수학식 1에 있어서의 피적분 함수는 플러스가 된다. 그리고, 열처리에 의해 분리 상태(상태 B)가 증가하므로 라이프 타임이 감소한다.

단일 온도에 의한 열처리에 있어서의 라이프 타임의 온도 의존성은 천이 확률 P1(T)의 온도 의존성에 귀착된다. 강온 열처리의 경우에서는 각 온도에 있어서의 기여가 가해지게 되어, 단일 온도에 의한 열처리의 경우에 비해 라이프 타임의 감소는 현저해진다.

강온 열처리에 의해 라이프 타임이 현저하게 감소하고 있는 상태는 SiO 결합이 분리되어 있는 상태이며, 이 경우에는 실리콘의 댕글링 본드가 존재한다고 생각할 수 있다. 이 상태에서는 상태 밀도 n_A는 상태 밀도 n_B에 비해 낮기 때문에 수학식 1에 있어서의 피적분 함수는 마이너스가 되어, 열처리에 의해 Itr이 감소하므로라이프 타임이 회복(향상)된다고 생각할 수 있다.

또, 강온시에 700 ℃가 된 시점에서 산소를 도입시켰지만, 약 600 내지 700 ℃의 온도 범위에서 산소를 도입하는 것이 바람직하다. 또한, 산소를 도입한 후 400 ℃까지 강온시켰지만, 약 500 ℃ 내지 실온의 온도 범위까지 강온하는 것이 바람직하다.

<제3 실시 형태>

제3 실시 형태에서는, 전술한 열처리 장치를 이용하여 막 박리를 억제하는 제조 방법에 대해 설명한다. 제1 실시 형태 및 제2 실시 형태에서는 열처리 공정에 있어서 라이프 타임을 향상할 수 있는 열처리 장치와 그를 이용한 열처리 방법에 대해 서술했다. 그 라이프 타임은 열처리마다 변화한다.

예를 들어, RTA에 의한 열처리 후에 라이프 타임이 23.0 ㎲였던 웨이퍼를 온도 400 ℃, 3 %의 수소 분위기하에서 열처리를 실시함으로써, 라이프 타임은 297.5 ㎲가 되었다. 또한, RTA에 의한 열처리 후에 라이프 타임이 23.34 ㎲였던 웨이퍼를 온도 450 ℃, 3 % 수소 분위기하에서 열처리를 실시함으로써, 라이프 타임은 565.0 ㎲가 되었다.

또한, 도1에 도시한 조건 8에 의거하여 열처리된 13매의 웨이퍼를 다양한 조건(온도, 분위기)하에서 열처리를 실시함으로써, 도21에 도시한 바와 같이 라이프 타임은 크게 변하는 것을 알 수 있었다.

또 조건 8에 의거한 열처리에 의해 막 두께 60 ㎚의 산화막이 형성된 웨이퍼 린도프트 폴리실리콘막을 형성한 경우에는 산화 직후에 약 50 ㎲였던 라이프 타임은 약 1000 ㎲까지 상승했다. 또, 린도프트 폴리실리콘막을 결정화시키기 위해, 700 ℃에서 웨이퍼를 로드하고, 온도 850 ℃, 질소 분위기, 시간 30분하에서 열처리를 행하고, 700 ℃에서 웨이퍼를 언로드시킨 경우에는 라이프 타임은 약 2400 ㎲까지 상승했다.

이 라이프 타임의 값은 코로나 차지에 따라 표면 전위를 거의 완전하게 중성화한 상태에 있어서의 라이프 타임의 값에 상당한다. 이와 같이 라이프 타임이 변동되는 것은 실리콘 기판의 표면에 있어서, 산화막 속의 산소와 실리콘과의 결합이 열처리에 의해 끊어지거나 이어지거나 하는 것에 따라 표면 결합 준위의 증감이 원인은 아닐가라고 생각할 수 있다.

반도체 장치에 있어서는, 최종적으로 라이프 타임의 값에 문제가 없다면, 예를 들어 트랜지스터의 임계치 전압이 변동되는 전기적 특성 상의 문제는 없다. 그러나, 라이프 타임이 변동하는 것에 따라 문제가 없는지를 생각해 보면, 다음과 같은 문제가 염려된다.

라이프 타임이 비교적 짧을 경우는 실리콘 기판 속의 실리콘의 댕글링 본드가 비교적 많은 상태이다. 그와 같은 댕글링 본드가 비교적 많은 상태의 실리콘 기판 상에, 예를 들어 고융점 금속막이 형성되어 있는 경우에는 열처리에 있어서 실리콘 기판과 산화막과의 휨량의 차이에 의해 고융점 금속막이나 산화막을 포함하는 막의 막 박리가 일어날 가능성이 있다.

실제 조건으로서 온도 850 ℃, 질소 분위기하에서 열처리를 실시하여 온도 600 ℃까지 강온함으로써, 고융점 금속막이 박리가 쉽게 이루어지는 것이 확인되고있다. 그래서, 다음의 조건으로 라이프 타임의 확인을 행했다.

전술한 바와 같이, 도1에 도시된 조건 8에 의거한 열처리에 의해 막 두께 60 ㎚의 산화막이 형성된 웨이퍼에 린도프트 폴리실리콘막을 형성한 경우에는, 산화 직후에 약 50 ㎲였던 라이프 타임은 약 1000 ㎲까지 상승했다. 그 후, 400 ℃에서 웨이퍼를 로드하고, 온도 850 ℃, 질소 분위기, 시간 30분하에서 열처리를 행하고, 400 ℃에서 웨이퍼를 언로드시킨 경우에는 라이프 타임은 약 200 ㎲로 하락했다.

라이프 타임이 하락했다고 하는 것은, 실리콘 기판 속의 실리콘과 산화막 중의 산소와의 결합 및 폴리실리콘막 속의 실리콘과 산화막 속의 산소와의 결합이 끊어진 비결합 상태가 증가한 것을 나타낸다. 즉, 이것은 막 박리가 일어나기 쉬워진다고 생각할 수 있다.

산소를 포함하는 분위기에서는, 전술한 수학식 1에 있어서의 상태 B에서 상태 A로의 천이 확률 P2는 상태 A에서 상태 B로의 천이 확률 P1보다도 커진다. 또한, 강온 속도가 비교적 빨라지면 열처리에 의한 박리의 효과가 감소하고, 산소 분위기에 따라 실리콘과 산소와의 결합의 효과가 증대한다. 이로써 라이프 타임이 감소하는 것을 억제할 수 있어 막 박리를 억제할 수 있다.

따라서, 본 열처리 장치를 이용하여, 700 ℃ 이하의 온도가 된 상태에서 산소와 불활성 가스를 포함하는 균일한 분위기에서 다시 웨이퍼를 강온함으로써, 실리콘과 산소가 충분히 결합하는 결과, 라이프 타임이 향상된다. 또한, 실리콘과 산소와의 비결합 상태가 증가하는 것이 억제되는 결과, 고융점 금속막이 박리되는 것을 방지할 수 있다. 특히, 산화막 상에 다시 고융점 금속막 등의 다른 막이 형성된 상태에서 열처리를 행할 경우에, 본 열처리 장치를 적용함으로써 막 박리를 방지할 수 있다.

상술한 열처리에 있어서 강온시에 700 ℃ 이하의 온도가 된 상태에서 산소와 불활성 가스를 포함하는 분위기에서 다시 웨이퍼를 강온하는 처리는 본 열처리 장치에 한정되지 않으며, 다른 종래의 열처리 장치에 따른 열처리에 있어서도 적용할 수 있다.

우선, 도22에 도시한 바와 같이 실리콘 기판(31) 상에 형성된 실리콘 산화막(32) 및 폴리실리콘막(33)을 개재시켜 텅스텐 등의 고융점 금속 실리사이드막(34)을 형성한다. 그 후, RTA나 고속 승강온로를 이용하여 소정의 열처리를 실시한다.

예를 들어, 도23에 도시한 바와 같이 열처리로서 350 ℃에서 웨이퍼를 로드하고, 온도 850 ℃, 질소 분위기하에서 열처리를 행하고, 350 ℃에서 웨이퍼를 언로드시킨다. 그리고, 열처리 후의 강온시에 질소 분위기에서 온도 약 700 ℃ 이하의 온도로까지 강온시켜, 그 시점에서 산소를 첨가하여 웨이퍼의 냉각을 행한다.

또한, 도24에 도시한 바와 같이 열처리로서, 350 ℃에서 웨이퍼를 로드하고, 온도 900 ℃, 아르곤 분위기하에서 열처리를 행하고, 350 ℃에서 웨이퍼를 언로드시킨다. 그리고, 열처리 후의 강온시에 아르곤 분위기에서 온도 약 700 ℃ 이하의 온도로까지 강온시켜, 그 시점에서 산소를 첨가하여 웨이퍼의 냉각을 행한다.

또, RTA를 적용하는 경우, 승온 속도는 100 내지 300 ℃/초 정도, 열처리 시간은 15 내지 90초 정도, 강온 속도는 50 ℃/초 정도가 바람직하다. 또한 고속 승강온로를 적용하는 경우에는 승온 속도는 30 내지 100 ℃/초 정도, 열처리 시간은 20 내지 30분 정도, 강온 속도는 30 내지 15 ℃/분이 바람직하다.

또한, 산소와 질소와의 혼합 가스 또는 산소와 아르곤 가스와의 혼합 가스로 각각 냉각하는 대신에 산소만으로 냉각해도 좋다.

상기한 바와 같이, 이 열처리에 있어서는 700 ℃ 이하의 온도로까지 강온한 상태에서 산소를 도입하고 있다. 고융점 금속 실리사이드막이 산소를 포함한 분위기에 있어서 열처리가 실시되어 SiO₂가 형성될 때에는, 실리사이드막 속의 실리콘이 소비된다. 실리사이드막 속의 실리콘이 소비되어 없어지면, 다시 폴리실리콘막 속의 실리콘이 소비되게 된다.

이로 인해, 도22에 도시된 고융점 금속 실리사이드막(34)의 표면에는 열처리 후에 요철이 형성되어, 외관상 검게 보이게 된다. 다시 산화가 진행되면, WO 가스가 되어 고융점 금속 실리사이드막(34)이 소실되어 버리게 된다. 이와 같은 현상을 방지하기 위해서는 열처리는 산소를 포함하지 않은 분위기하에서 행해지는 것이 중요하다.

그러나, 산소를 포함하지 않는 분위기하에서 열처리를 실시하면 실리콘과 산소와의 결합 상태가 감소하여, 상술한 바와 같이 막 박리가 일어나기 쉬워진다. 즉, 도22에 도시된 고융점 금속 실리사이드막(34) 및 폴리실리콘막(33)이 폴리실리콘막(33)과 실리콘 산화막(32)과의 계면으로부터, 혹은 실리콘 산화막(32)과 실리콘 기판(31)과의 계면으로부터 박리되는 경우가 있다.

따라서, 고융점 금속 실리사이드막 등을 열처리할 때에는 고융점 금속 실리사이드막 등이 산화되지 않는 온도로까지 강온된 상태에서 산소를 첨가함으로써, 실리콘이나 고융점 금속 실리사이드막 등의 소실을 억제할 수 있다. 그리고, 산소 분위기하에서 강온함으로써 실리콘과 산소와의 결합 상태가 증가하여, 막 박리를 발생하지 않으며, 또한 라이프 타임을 향상시킬 수 있다.

또한, 이상으로부터 라이프 타임과 막 박리와의 상관 데이터를 미리 구해 둠으로써, 열처리 후의 고융점 금속 실리사이드막 등의 막 박리를 용이하게 평가하는 것이 가능해진다.

즉, 열처리를 실시한 후에 실리콘 기판에 있어서의 소수 캐리어의 라이프 타임을 라이프 타임 측정기에 의해 측정하고, 그 측정치를 미리 얻을 수 있는 라이프 타임과 막 박리와의 상관 데이터와 비교함으로써, 그와 같은 라이프 타임의 측정치를 열처리 후의 고융점 금속 막이 쉽게 박리되는지 아니면 그렇지 않은지의 여부를 판단의 목표로 할 수 있다.

예를 들어, 철(Fe) 등의 불순물이 10 × 10¹⁰/㎤ 이하인 웨이퍼를 이용하고, 산화막 상에 폴리실리콘막을 형성하여 열처리를 실시한 후의 라이프 타임의 값이 1000 ㎲ 이상이라면, 막 박리는 일어나지 않는다고 생각할 수 있다.

또, 본 열처리 장치에 설치된 빈센트 커브 형상의 냉각 가스 분출구 형상을 갖는 분출부로서는 도25에 도시된 각 치수 A, B, C는 A : B : C = 3 : 4.8 내지 6.5 : 15.8 내지 16.2 정도의 비율로 형성되어 있는 것이 바람직하다.

현재 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시에 불과하며, 제한적인 것은 없다고 생각하는 바이다. 본 발명은 상기한 설명에서는 없으며 특허 청구의 범위에 의해 개시되고, 특허 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

본 발명의 제1 국면에 있어서의 열처리 장치에 따르면, 난류 상태로 냉각 가스를 공급함으로써 반도체 기판이 효율적으로 냉각되어, 종래의 열처리 장치의 경우에 비해 라이프 타임이 향상되는 것이 실험적으로 확인되었다.

또한, 냉각 가스는 제1 냉각 가스로서 질소와 불활성 가스를 포함하고, 제2 냉각 가스로서 산소와 질소 또는 산소와 불활성 가스를 포함하고, 분출구로부터는 제1 냉각 가스를 분출한 후에 제2 냉각 가스를 분출하는 것이 바람직하며, 예를 들어 반도체 기판 상에 고융점 금속막 등이 형성된 상태에서 열처리가 실시되는 경우에, 실리콘과 산소와의 결합 상태가 증가되어, 라이프 타임이 향상되는 동시에 고융점 금속막을 산화시키는 일 없이 고융점 금속막 등이 반도체 기판으로부터 박리되는 것을 억제할 수 있다.

또한, 분출구는 반도체 기판에 열처리를 실시하기 위한 가스를 분출하는 분출구와는 별개로 설치되어 있는 것이 바람직하며, 열처리를 실시하기 위한 가스를 분출하는 분출구에 부착된 반응 생성물 등의 이물질이 반도체 기판 상에 부착되는 것이 방지되고, 비교적 다량의 냉각 가스에 의해 반도체 기판을 급속하게 냉각할 수 있다.

본 발명의 제2 국면에 있어서의 열처리 방법에 따르면, 예를 들어 반도체 기판 상에 폴리실리콘막이나 고융점 금속막 등의 도전층이 형성된 상태에서 열처리가 실시되는 경우에, 실리콘과 산소와의 결합 상태가 증가되어 라이프 타임이 향상되는 동시에 도전층을 산화시키는 일 없이 도전층이 반도체 기판으로부터 박리되는 것을 억제할 수 있다.

본 발명의 제3 국면에 있어서의 반도체 장치의 제조 방법에 따르면, 소정의 온도로까지 강온한 후에 산소를 포함하는 분위기에 의해 다시 강온됨으로써, 반도체 기판과 도전층과의 계면에 있어서 실리콘과 산소가 결합하고 있는 상태가 실리콘과 산소가 분리되어 있는 상태보다도 충분히 많아진다. 그 결과, 라이프 타임이 향상되는 동시에 도전층이 반도체 기판으로부터 박리되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 도전막은 폴리실리콘막 및 고융점 금속막 중 적어도 어느 하나를 포함하고, 열처리 공정에 있어서의 소정의 온도는 도전막이 산소에 의해 산화되지 않은 온도인 것이 바람직하며, 폴리실리콘막이나 고융점 금속막이 산화하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 열처리 공정에서는 적어도 산소는 난류 상태로 반응실 내에 공급되는 것이 바람직하며, 반도체 기판이 효율적으로 냉각되어 라이프 타임을 확실하게 향상할 수 있는 것이 실험적으로 확인되었다.

그리고, 검토 결과, 산소를 난류 상태에서 반응실로 송입하기 위해서는 트럼펫 벨부에 대응하는 형상이나, 또는 트럼펫 벨부를 수학적으로 근사하는 곡선에 따른 분출구 형상을 갖는 분출구로부터 반응실 내로 공급되는 것이 바람직한 것을 알 수 있었다.

또한, 열처리 공정 후, 라이프 타임 측정기를 이용하여 실리콘 기판에 있어서의 소수 캐리어의 라이프 타임을 측정하는 공정을 구비하고 있는 것이 바람직하며, 라이프 타임과 막 박리와의 상관 관계에 의거하여, 열처리 공정 후의 도전막 등이 박리되기 쉬운지 아니면 그렇지 않은지의 여부를 비교적 용이하게 판단할 수 있다.

Claims

처리실(17) 내로 도입된 반도체 기판(10)에 열처리를 실시하기 위한 열처리 장치로서,

냉각 가스를 난류의 상태로 상기 반도체 기판(10)에 뿜어대기 위한 분출구(2)를 구비한 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
제1항에 있어서, 상기 분출구(2)는 트럼펫 벨부에 대응하는 분출구 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 열처리 장치.
반도체 기판(31) 상에 도전막(33, 34)을 형성하는 공정과,

상기 도전막(33, 34)이 형성된 후, 반응실(17) 내에 있어서 상기 도전막(33, 34)에 열처리를 실시하는 열처리 공정을 구비하고,

상기 열처리 공정에서 강온 스텝시에 불활성 가스의 분위기에 노출되면서 소정의 온도까지 강온되고, 상기 소정의 온도로 강온하고나서는 반응실 내로 산소를 도입함으로써 적어도 산소를 포함하는 분위기에 노출되면서 다시 강온되는 것을 특징으로 하는 반도체 장치의 제조 방법.