JP3081969B2 - 熱処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は熱処理方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造プロセスにおいて、反応容器
内にドーピング成分とキャリアガスとを含む処理ガスを
供給して半導体ウエハを熱処理すること、例えば半導体
ウエハ内にドーピング成分を熱拡散する場合がある。例
えばりんの拡散層を得るためには、例えばオキシ塩化り
ん（ＰＯＣｌ３）と窒素（Ｎ２）ガスや酸素（Ｏ２）ガ
スなどのキャリアガスとを含む処理ガスを、通常９００
〜１２００℃程度に加熱された反応容器内に導入して、
半導体ウエハにりんを熱拡散している。

【０００３】ここでりんを熱拡散する具体的方法の一例
について述べると、縦方向に所定間隔を置いて、多数枚
のウエハを搭載した被処理体収納ボートを支持体に載置
して搬出搬入機構を介して反応容器内に搬入すると共
に、当該反応容器にインジェクタを挿入してこのインジ
ェクタの長さ方向に沿って各ウエハに対応した位置に順
次噴出孔を形成し、前記被処理体収納ボートを回転させ
ながら当該反応容器内に前記処理ガスを導入してりんの
熱拡散処理を行っている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、集積回路の
高集積化に伴って各製造プロセスにも厳しい要求がなさ
れており、半導体ウエハに不純物を熱拡散する場合にお
いても、各ウエハ面内におけるシート抵抗及びウエハ間
のシート抵抗について高い均一性が要請されている。

【０００５】しかしながらウエハ内に拡散した不純物例
えばりんの濃度は複雑な要因が絡み合って決定されるた
め、ウエハ面内及びウエハ面間におけるりんの濃度を均
一にするといったコントロールは非常に困難である。

【０００６】即ちインジェクタの噴出孔についてはガス
供給源に近いほうが噴出圧は高いので、ウエハの置かれ
る高さ位置によって噴出圧が変り、またガス排気口に対
する相対位置によってウエハ面上のガスの流れが変り、
さらには処理ガス中のドーピング成分の濃度や処理時間
によって不純物のドープ量が変ることなどから、各ウエ
ハに対応するインジェクタの噴出孔が噴出孔群の中の何
番目位にあるのかということ、及びウエハと排気口との
離間距離並びに処理ガス中のドーピング成分や処理時間
などの要因が複雑に絡み合ってウエハ内のりんの濃度が
決まるため、例えばりんの熱拡散を行う場合のバッチ処
理する全てのウエハについて最適制御条件を見出だすこ
とが困難であり、上述のシート抵抗のウエハ面内及びウ
エハ面間の均一性についても満足のいく結果が得られて
いないのが現状である。

【０００７】本発明は、このような事情のもとになされ
たものであり、半導体ウエハ内へのりんの熱拡散といっ
た熱処理を行うにあたり、被処理体の面内におけるシー
ト抵抗の均一性の向上を図ることができ、さらに多数の
被処理体を同時に処理する場合には、被処理体間におけ
るシート抵抗の均一性をも向上することのできる熱処理
方法を提供するものである。

【０００８】更に本発明は被処理体のプロセス面内にお
いて均一処理を行うことのできる処理方法を提供するも
のである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者は、例えば後述
の実施例で述べるようにキャリアガスの流量が大きい場
合と小さい場合とではウエハ内面のシート抵抗値の分布
（オムニマップ）が異なることを見出だしてキャリアガ
スの流量がシート抵抗の均一性に関係していることを把
握し、ウエハ面内及びウエハ面間の均一処理する最適条
件は見出だせないものの例えば２つの流量の各々の場合
におけるシート抵抗の分布に基づき、流量パターンを決
定するという発想をなした。

【００１０】具体的には、本発明は多数の被処理体を収
納ボ−トに棚状に保持して縦型の反応容器内に搬入し、
多数のガス噴出孔が各々被処理体の中心部方向に向けら
れると共に縦方向に沿って配列されたインジェクタを用
い、前記ガス噴出孔からドーピング成分を含むガスとキ
ャリアガスとを混合した処理ガスを前記収納ボ−トを回
転させながら前記被処理体に供給して当該被処理体中に
前記ド−ピング成分を熱拡散する熱処理方法において、
熱処理中にキャリアガスの流量を変えることにより被処
理体のプロセス面内の少なくとも中央部と周辺部との間
で前記処理ガスの供給位置を変えることを特徴とする。

【００１１】

【作用】例えばはじめにキャリアガスの流量を大きくし
ておき、所定時間の経過後に小さくすれば、各流量で処
理した場合のシート抵抗の不均一性が相殺されて、シー
ト抵抗の均一性が向上する。

【００１２】

【実施例】以下本発明方法を実施するための装置の一例
を図１を参照しながら説明する。第一図に示す装置は半
導体ウエハの酸化、拡散を行う縦型熱処理装置であり、
同図において反応容器１は、石英ガラスにより円筒状に
形成され、その軸方向を垂直方向にすることにより縦型
熱処理部を構成している。

【００１３】前記反応容器１内には、耐熱材例えば石英
からなる被処理体収納ボート２が、保温筒３の上に載置
されており、この保温筒３は開閉蓋部材６ｂ上に設けら
れ、これらはその下方の回転機構などに組み合わされた
図示しない搬入搬出機構により前記反応容器１から搬入
搬出される。また、前記被処理体収納ボート２の下部の
フランジ２Ａとウエハ載置部の下面との間の凹部２Ｂ
は、反応容器１が搬出されたときに図示しないボード搬
送機のアームが嵌合される部分であり、アームとの嵌合
によりボードライナーに移載される。前記被処理体収納
ボート２には、被処理体例えば半導体ウエハが予め定め
られた間隔で複数例えば１７０枚収納される。

【００１４】前記保温筒３の頂壁部には、凹凸部が交互
に形成されていて、その凸部列で、形成される平面で被
処理体収納ボート２を保持することにより、反応生成液
体による粘着を防止している。

【００１５】また、前記被処理体収納ボート２を回転さ
せるための回転機構は駆動モーター４ａにベルト４ｂを
介して連結された駆動軸４ｃ、この駆動軸４ｃの上部に
設けられた軸受部４ｄなどからなり、被処理体収納ボー
ト２は軸受部４ｄ上に配設された石英ガラス製のボード
支持部５を介して回転される。

【００１６】さらに、前記反応容器１の下端開口部６ａ
にはこれを閉じるための石英ガラス製の開閉蓋部材６ｂ
が設けられている。

【００１７】この開閉蓋部材６ｂは、環状の外筒と内筒
で、断面Ｕ字状に形成され、この、Ｕ字部分に液溜部６
ｃを備えている。また、この開閉蓋部材６ｂには、反応
容器１の下端開口部６ｂを密封シールするための例えば
弾性体のフッ素ゴムからなるシール６ｃが設けられてい
る。さらに、開閉蓋部材６ｂに設けた供給路７（供給路
７は、石英製の開閉蓋６ｂではなく、ステンレス製の蓋
に設けられている）より、窒素ガスなどの不活性ガスや
酸素ガスなどの、軸受部４ｄに対して非腐食性のガスを
供給し、この供給路７に連通させたリング状の空洞部７
ａより軸受部４ｄに対向させて放射状に複数開口させた
流出孔７ｂを介して軸受部４ｄの露出表面の雰囲気スペ
ースＳ内に不活性ガスを流出させるように構成している
前記反応容器１の下部には、容器壁から外側に突出する
突出筒部８ａを一体に形成し、この突出筒部８ａ内には
石英ガラスからなる細管状のインジェクタ８が挿入され
ている。

【００１８】このインジェクタ８の一端側（反応容器１
の内端側）はＬ字型に屈曲して被処理体収納ボート２の
上端より若干上方まで垂直に伸び、さらにそこでＵ字状
に屈曲して被処理体収納ボート２の下端付近まで真っ直
ぐに伸びており、下に向かって伸びている管路部分に
は、多数のガス噴出孔（図示せず）が上下方向に所定の
間隔でかつ各ウエハＷ設置位置に対応する位置に形成さ
れている。即ちインジェクタ８はウエハプロセス面に沿
った方向にガスを噴射する。

【００１９】前記インジェクタ８の他端部には、キャリ
アガス例えば窒素ガスおよび酸素ガスを夫々導入するた
めの第１のガス導入管９ａ及び第２のガス導入管９ｂと
オキシ塩化りん( ＰＯＣｌ３）を導入するための第３の
ガス導入管９ｃとが各々分岐して接続されており、オキ
シ塩化りんは、容器９ｄに貯留されていて、この中に窒
素ガスを通すことにより蒸気となって当該窒素ガスと共
に第３のガス導入管９ｃ内に導かれる。

【００２０】前記反応容器１の周囲には通常９００〜１
２００℃程度まで加熱して酸化や拡散処理を行うために
ヒータ１０例えば筒状の抵抗加熱ヒータが設けられると
共に、容器１の下部には排気管１１が設けられ、この排
気管１１より反応容器１内に導入した処理ガスを排気す
るようにしている。

【００２１】次に上記実施例の作用について説明する。

【００２２】先ず、ヒータ１０に電流を流すことにより
反応容器１内の被処理領域を９００℃の均熱加熱状態と
し、次いで例えば１７０枚の半導体ウエハＷを搭載した
被処理体収納ボート２を搬入搬出機構により反応容器１
内にロードする。続いて反応容器１内を予め定められた
真空度に排気した後第１のガス導入管９ａから窒素ガス
を流量例えば１０ＬＳＭで、また第２のガス導入管９ｂ
から酸素ガスを流量例えば０．５ＳＬＭで夫々インジェ
クタ８に導入すると共に、容器９ｄに窒素ガスを流量例
えば０．７ＳＬＭで通流して、窒素ガス中にオキシ塩化
りんの蒸気を含んだドープ用混合ガスを第３のガス導入
管９ｃに供給することによりオキシ塩化りんを例えば１
５０〜２００ｍｇ／分の割合でインジェクタ８に導入
し、こうしてキャリアガスである窒素ガス及び酸素ガス
とドープ用混合ガスとを含む処理ガスをインジェクタ８
の噴出孔から各半導体ウエハＷの例えばポリシリコン層
に供給する。

【００２３】そして処理ガスの供給開始時点から例えば
５分経過後に第１のガス導入管９ａにおけるキャリアガ
スである窒素ガスの流量を例えば１８ＳＬＭに変え、こ
の状態で１０分間処理ガスを半導体ウエハＷに供給し、
以って例えばポリシリコン層内にりんを拡散する。その
後例えば被処理領域を９００℃の均熱加熱状態としたま
ま半導体ウエハＷに対してアニール処理を行う。

【００２４】このようにして得られたりんがドープされ
たポリシリコン層について各部位のシート抵抗を測定し
たところ、ウエハ面内における各シート抵抗値は非常に
揃っており、シート抵抗の均一性は高いものであった。
また、ウエハ面間におけるシート抵抗の均一性について
も調べたが、これも非常に高いものであった。

【００２５】ここで本発明の効果を確認するために次の
ような実験を行った。

【００２６】先ず図１の装置を用い半導体ウエハＷのポ
リシリコン層にりんをドープする処理を上述と同様にし
て３通りの方法で行った。

【００２７】第１の方法は、第１のガス導入管９ａにお
けるキャリアガスである窒素ガスの流量を実施例のよう
に途中で変えることなく１０ＳＬＭの一定値に設定して
３分間処理を行った。この場合反応容器１内の温度など
他の条件は上述実施例で一例として挙げた条件と同じで
ある。

【００２８】第２の方法は第１のガス導入管９ａにおけ
る窒素ガスの流量を実施例のように途中で変えることな
く１８ＳＬＭの一定値に設定して８分間処理を行った。
この場合他の条件は前記第１番目の方法と同じである。

【００２９】第３の方法は本発明の方法に対応するもの
であり、第１のガス導入管９ａにおける窒素ガスの流量
を先ず１０ＳＬＭに設定して３分間処理を行い、次いで
当該窒素ガスの流量を１８ＳＬＭに変更してこの状態で
８分間処理を行った。

【００３０】そしてこれら第１〜第３の各方法により処
理された半導体ウエハについて、被処理体収納ボート２
のトップ部、センター部、ボトム部の各位置ごとに、半
導体ウエハのシート抵抗の面内分布を調べた。具体的に
はトップ部として１７０枚中上から例えば５番目の半導
体ウエハを選択し、センター部として１７０枚中上から
例えば８０番目の半導体ウエハを選択し、ボトム部とし
て１７０枚中上から例えば１５５番目の半導体ウエハを
選択して調べた。

【００３１】各方法における実験結果を図２〜図１０に
示す。図２〜図４は前記トップ部について各方法のシー
ト抵抗分布図( オムニマップ）、図５〜図７は前記セン
ター部についてのシート抵抗分布図、図８〜図１０は前
記ボトム部についてのシート抵抗分布図である。そして
窒素ガスの流量を１０ＳＬＭ一定値に設定した場合のデ
ータは図２、図５、図８であり、１８ＳＬＭ一定値に設
定した場合のデータは図３、図６、図９であり、１０Ｓ
ＬＭから１８ＳＬＭに一度流量変更した場合のデータは
図４、図７、図１０である。ただし各図の縦軸のシート
抵抗値の１目盛りは１０ＳＬＭに設定した場合の図では
２０〜２５Ω，１８ＳＬＭに設定した場合の図では３．
５〜６Ω、流量を変えた場合の図では４Ωとなってい
る。なお横軸の０．００はウエハの中央の位置であり、
一点鎖線はシート抵抗の平均値である。

【００３２】以上の結果を考察すると、先ずトップ部の
データである図２〜図４からわかるように、キャリアガ
スである窒素ガスの流量が一定である場合には、ウエハ
面内のシート抵抗はおよそ４７９〜６１６Ωの範囲また
はおよそ２２１〜２５４Ωの範囲に亘っているが、流量
を処理中に変えた場合には、およそ７４〜７６Ωの間に
収まっており、この傾向はセンター部及びボトム部にお
いても同様である。

【００３３】また窒素ガスの流量が一定である場合に
は、ウエハ面内のシート抵抗の平均値がトップ部、セン
ター部、ボトム部の間でまたはおよそ５２０〜５６０Ω
またはおよそ２００〜２４０Ωに亘ってばらつきがある
が、流量を処理中に変えた場合には、およそ７２〜７４
Ωの間に収まっている。

【００３４】従ってキャリアガスである窒素ガスの流量
を処理中に変えた場合には、流量を変えない場合に比べ
て、ウエハ面内及びウエハ面間（トップ部、センター
部、ボトム部の間）のいずれかについてもシート抵抗の
均一性が格段に向上する。この様に差異が生じる理由は （１）キャリアガスの流量の大小によりオキシ塩化りん
の希釈率が変ることから、シート抵抗に対する当該希釈
率の及ぼす影響が変ること、 （２）インジェクタの噴出孔の位置の差に対応する処理
ガスの供給圧の差異に基づく影響が変ること、 （３）排気やインジェクタ先端面の処理ガスの跳ね返り
の影響が変ること、 などの各要因が複雑に絡み合っていると考えられるが、
その一つとして次ぎの要因も考えられる。

【００３５】すなわちトップ部及びセンター部のシート
抵抗の分布図からわかるように、窒素ガスの流量が小さ
いと、ウエハの中心部のシート抵抗が低くて周縁部のシ
ート抵抗が高く、流量が大きいとその逆の傾向にある。
このことは、通常インジェクタの噴出孔を各ウエハの中
心部に向けて設けてあることから、流量が小さい場合に
は処理ガスがウエハの中心部より手前の位置に吹き付け
られ、このため当該部分が冷やされる一方、流量が大き
い場合には処理ガスがウエハの中心部付近に吹き付けら
れ、このため中心部付近が冷やされることに基づくと推
察される。従って例えば流量が大きい工程と小さい工程
とを組み合わせることにより各々の場合の傾向が相殺さ
れ、この結果各ウエハの面内におけるシート抵抗の均一
性が向上し、さらにその結果としてウエハ面内のシート
抵抗も揃うと推測される。ただしボトム部における各ウ
エハのシート抵抗の分布が上述の傾向から外れているの
は、排気の影響によるものと考えられる。従ってキャリ
アガスの流量は上記実施例とは逆に最初大きい流量に
し、次に小さい流量にしてもよい。

【００３６】更に上記実施例ではキャリアガスの流量を
変えて、被処理体の中央部、周辺部間における処理ガス
の供給位置を変えた例について説明したが、キャリアガ
スの代わりに処理ガスの流量を変えても良いし、流量を
変えずにガス供給位置を変えても良い。

【００３７】以上において本発明では、オキシ塩化りん
を用いて不純物をドーピングする熱処理に限定されるも
のではなく、またキャリアガスも窒素ガスに限定される
ものではない。

【００３８】そしてキャリアガスの流量変化パターン
は、２段階ではなく３段階以上流量を変えるものであっ
てもよいし、あるいは緩やかに流量を変えるものであっ
てもよく、またこれを決定するにあたっては２種類以上
の流量のデータに基づくようにすれば良い。

【００３９】また本発明実施例の熱処理中にキャリアガ
スの流量を変えれば良いが、このことはある流量で熱処
理をした後処理ガスの供給を止めて半導体ウエハを反応
容器の外に引きだし、再び異なる流量で熱処理をし、こ
れら２つの処理で一つの熱拡散処理となる場合も含むも
のとする。

【００４０】なお本発明は一枚づつウエハを処理する方
法にも適応できる。

【００４１】上記実施例では、拡散工程の実施例につい
て説明したが、ウエハのプロセス面に沿って処理ガスを
流す場合、中央部と周辺部に対し処理ガス供給位置を変
えれば、ＣＶＤ、酸化膜の形成などの成膜工程やエッチ
ング、アッシングなどの除去工程、表面処理などいずれ
にも適用してプロセス面内均一処理を実行できる。

【００４２】更に上記実施例では半導体ウエハに適用し
た例について説明したが、上記ガス処理であればいずれ
にも適用できる。

【００４３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、キャリア
ガスの流量が、シート抵抗の均一性に関係していること
を見出だし、このことを前提として例えば２つの流量の
各々の場合におけるデータに基づいて流量の変化パター
ンを決定し、このパターンで熱処理を行っているため、
実施例からも裏付けられるように被処理体例えば半導体
ウエハの面内及び面間のシート抵抗の均一性を向上する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法の実施を説明するための熱処理装置
の一例を示す説明図である。

【図２】トップ部のウエハ面内のシート抵抗の分布図で
ある。

【図３】トップ部のウエハ面内のシート抵抗の分布図で
ある。

【図４】トップ部のウエハ面内のシート抵抗の分布図で
ある。

【図５】センター部のウエハ面内のシート抵抗の分布図
である。

【図６】センター部のウエハ面内のシート抵抗の分布図
である。

【図７】センター部のウエハ面内のシート抵抗の分布図
である。

【図８】ボトム部のウエハ面内のシート抵抗の分布図で
ある。

【図９】ボトム部のウエハ面内のシート抵抗の分布図で
ある。

【図１０】ボトム部のウエハ面内のシート抵抗の分布図
である。

【符号の説明】

１ 反応容器 ２ 被処理体収納ボート ３ 保温筒 ８ インジェクタ １０ ヒータ １１ 排気管

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 多数の被処理体を収納ボ−トに棚状に保
   持して縦型の反応容器内に搬入し、多数のガス噴出孔が
   各々被処理体の中心部方向に向けられると共に縦方向に
   沿って配列されたインジェクタを用い、前記ガス噴出孔
   からドーピング成分を含むガスとキャリアガスとを混合
   した処理ガスを前記収納ボ−トを回転させながら前記被
   処理体に供給して当該被処理体中に前記ド−ピング成分
   を熱拡散する熱処理方法において、 熱処理中にキャリアガスの流量を変えることにより被処
   理体のプロセス面内の少なくとも中央部と周辺部との間
   で前記処理ガスの供給位置を変えることを特徴とする熱
   処理方法。