JPH06188238A - 熱処理装置と熱処理方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】縦型熱処理装置で、半導体ウェーハに熱酸化膜
を形成する場合、主面が間隔をあけて対向保持される複
数のウェーハを、高温の反応管内に挿入し、反応ガスを
導入、酸化膜を形成する。この時、ウェーハの保持位置
の違いによりまたウェーハ間に存在する残留大気によ
り、酸化膜の均一性が悪く、膜質が劣化する課題が生じ
る。 【構成】反応管を二重構造とし、外管と内管との間に反
応ガス通路空間を設ける。外管壁面の複数の導入口より
反応ガスを通路空間に導入し、内管壁面の複数の噴出口
より反応ガスをウェーハ主面に吹き付ける。通路空間の
緩衝作用により噴出口からの反応ガスの流量は均一とな
る。またウェーハを内管に挿入する際、保持されたウェ
ーハの横から一方向に反応ガスを吹き付けることによ
り、ウェーハ間の残留大気を除去する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体製造プロセスに
おける熱処理装置と熱処理方法に関するもので、特に半
導体基板に均一かつ良質な酸化膜を形成するために使用
されるものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体基板（ウェーハ）主面に熱酸化膜
を形成する従来の熱処理装置及び熱処理方法の一例につ
いて、図７を参照して説明する。

【０００３】ウェーハ１は、保持治具２により一定の間
隔をあけて保持され、保温筒３を介して反応管キャップ
４上に載置され、反応管５内に挿入される。反応ガス
（例えば高純度のＯ₂ ガス）６は反応ガス導入管７を通
り、反応管５の頂部に設けられた反応ガス噴出口８よ
り、管内に導入される。使用済みの反応ガス６ａは、反
応管５の底部近傍に設けられた排出口９より外部に排気
される。図示してないが、反応管５を囲んでヒータ等の
加熱手段等が設けられる。

【０００４】ウェーハ１は、前記加熱手段により、例え
ば1000℃程度の高温に加熱され、反応ガス噴出口８より
導入される反応ガス６と反応して酸化膜（Ｓi Ｏ₂ ）が
形成される。

【０００５】上記の従来の酸化膜形成においては、次の
ような問題が生じる。

【０００６】ウェーハの大口径化が進むに従い、保持さ
れたウェーハ間に存在する残留大気の除去は、より困難
となる。ウェーハ間に大気が存在する限り、熱処理初期
に形成される酸化膜は、本来目的とした反応ガスでな
く、この残留大気を酸化剤とした酸化膜である。したが
ってウェーハ間に存在する残留大気は、良質な酸化膜形
成の大きな障害となる。

【０００７】また、生産性向上のため、熱処理装置で一
度に処理するウェーハ数の多量化が進むに従い、ウェー
ハ保持治具２の全長が延長されるため、ウェーハ保持治
具２の上下両端に位置するウェーハ間で、反応管５の頂
部より供給された反応ガスのウェーハへの到達時間差が
増大するため、特に熱処理時間が短い場合、ウェーハ間
の酸化膜の均一性が劣化する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】これまで述べたよう
に、従来の熱処理装置と熱処理方法で、半導体ウェーハ
面に熱酸化膜を形成する場合、ウェーハ間に存在する残
留大気に含まれる不純物が、形成される酸化膜中に混入
し、良質な酸化膜形成の障害となる。ウェーハの大口径
化が進むに従い、この障害はより顕著にあらわれる。

【０００９】また一度に処理されるウェーハ数は、生産
性向上のため増加する傾向にあり、ウェーハ保持治具も
長くなり、その両端に位置するウェーハ間では、反応ガ
スとの反応時間差が増大し、形成された酸化膜の均一性
が劣化する。

【００１０】本発明の目的は、半導体プロセスにおける
従来の熱処理装置及び熱処理方法を改善することによ
り、ウェーハの多量化や大口径化で発生する問題点を取
り除き、成膜される酸化膜の均一性と膜質を向上させる
ことである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
熱処理装置は、図１に例示するように、内管１５ａ及び
外管１５ｂより成る二重構造の反応管１５と、半導体ウ
ェーハ１１の主面が反応管の長手方向の管軸に対して垂
直でかつ互いに空隙を介して対向保持される被処理ウェ
ーハ保持治具１２と、反応ガス１６を反応管１５に導入
する反応ガス導入管１７と、内管１５ａ及び外管１５ｂ
によってつくられる反応ガス通路空間２２ａ，２２ｂ
と、反応ガス通路空間の外管１５ｂの壁面に設けられ、
反応ガス導入管１７と連通する反応ガス導入口２０ａ，
２０ｂ，２０ｃと、反応ガス通路空間の内管１５ａの壁
面に設けられ、内管内に保持される半導体ウェーハ１１
の主面に反応ガス１６を吹き付ける反応ガス噴出口１８
と、内管１５ａの壁面に設けられ内管内の反応ガスを反
応管外に排出する排出口１９、あるいは図４に例示する
ようにこの排出口１９と外管１５ｂの壁面に設けられ内
管壁面の反応ガス流出口２３及び反応ガス通路空間２２
ｅを経由して反応管外に内管１５ａ内の反応ガスを排出
する排出口１９ａとを具備することを特徴とするもので
ある。

【００１２】本発明の請求項２に係る熱処理装置は、図
１に例示するように内管１５ａ及び外管１５ｂによって
つくられる反応ガス通路空間を隔壁２１ａによって 2つ
の反応ガス通路空間２２ａ及び２２ｂに分割した、ある
いは図４及び図５に例示するように隔壁２１ｂ，２１
ｃ，及び２１ｄにより 3つの反応ガス通路空間２２ｃ，
２２ｄ及び２２ｅに分割した、請求項１記載の熱処理装
置である。

【００１３】また本発明の請求項３に係る熱処理方法
は、上記請求項１または請求項２記載の熱処理装置を使
用する半導体ウェーハの熱処理方法であって、搭載され
たウェーハ間の空隙に沿って、反応ガス噴出口より反応
ガスを吹き付けながら被処理ウェーハ保持治具を反応管
内管に挿入する工程を含むことを特徴とする熱処理方法
である。

【００１４】

【作用】本発明においては、反応管を内管及び外管より
成る二重構造とし、内管と外管とによりつくられる空間
を反応ガスが流れる通路空間とし、かつ外管の長手方向
の壁面に適当な間隔をあけて、複数の反応ガス導入口を
設けたので、反応ガス通路空間を経て反応ガス噴出口よ
りウェーハ主面に吹き付けられる反応ガスの流量は、各
噴出口について均一化される。また所望により反応ガス
通路空間を隔壁により複数の互いに独立した空間に分割
すれば、反応ガス噴出口よりウェーハへの均一な反応ガ
ス供給をより確実にすることができる。これにより均一
な酸化膜を形成することができる。

【００１５】上記構成の熱処理装置においては、後述す
るように、反応ガス通路空間を分割する隔壁、外管壁面
に設けられる反応ガス導入口及び反応ガス排出口、なら
びに内管壁面に設けられる反応ガス噴出口及び反応ガス
流出口のそれぞれの設置個数と設置場所を調整すること
により、反応ガス噴出口より吹き付ける反応ガスの方向
を、ウェーハ主面に沿った方向にすることが可能であ
り、さらには一方向にウェーハ間を貫通して流れるよう
にすることも可能である。これはウェーハ間の残留大気
を除去するのに有効である。

【００１６】請求項３に係る熱処理方法では、反応管の
ウェーハ挿入口近傍における反応ガスの吹き付け方向が
ウェーハ主面に沿って一方向に流れるようにした反応管
を使用し、ウェーハを内管に挿入する過程で、ウェーハ
間に反応ガスを一方向より吹き付け、ウェーハ間に存在
する大気を反応ガスと置換するものである。これにより
ウェーハの大口径化に対しても残留大気が確実に除去で
きるので良質な酸化膜が得られる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００１８】図１は、本発明の熱処理装置の第１実施例
の構成図で、請求項１及び請求項２に係る装置である。
また図２及び図３は、それぞれ図１に示すＡ−Ａ′線及
びＢ−Ｂ′線で反応管を切断した断面図である。

【００１９】図１ないし図３に示すように、反応管１５
は内管１５ａ及び外管１５ｂから成る二重構造である。
この内管及び外管によってつくられる反応ガス通路空間
は、隔壁２１ａによって、上方の通路空間２２ａ及び下
方の通路空間２２ｂに 2分割され、それぞれの通路空間
２２ａ及び２２ｂの外管の壁面には、反応ガス導入管１
７と連通する反応ガス導入口２０ａ，２０ｃ及び２０ｂ
が設けられている。通路空間２２ａの内管壁面には、図
２に示すように全周にわたって反応ガス噴出口１８が設
けられる。

【００２０】また通路空間２２ｂの内管壁面には、ウェ
ーハ挿入口近傍を除いて、通路空間２２ａと同様、反応
ガス噴出口１８が内管全周にわたって設けられる。排出
口１９は内管１５ａの壁面の底部に設けられ、内管内の
反応ガスを反応管外に排出する。

【００２１】図３に示すように、通路空間２２ｂのウェ
ーハ挿入口近傍においては、内管壁面に設けられる反応
ガス噴出口は、対向する一方の側の壁面（右側）にのみ
設けられ、噴出する反応ガスの流れを一方向とし、ウェ
ーハ間を貫通して反応ガスが流れるようにする。

【００２２】ウェーハ１１は、ウェーハ保持治具１２内
に、その主面が反応管１５の長手方向の管軸に対し垂直
で、かつ互いに間隔をあけて対向保持される。ウェーハ
治具１２は、保温筒１３を介して反応管キャップ１４上
に載置される。

【００２３】熱処理工程においては、あらかじめ反応管
内の大気を反応ガス１６で置換し、ウェーハ１１を収納
したウェーハ保持治具１２を、反応管１５の底部挿入口
より、内管１５ａに挿入する。

【００２４】挿入に際しては、治具に収納されたウェー
ハが、反応管１５の底部挿入口近傍を通るときには、ウ
ェーハ間の空隙に沿って、反応ガスの噴出口より、一方
向に反応ガスを吹き付け、ウェーハ間に存在する大気を
除去してから、さらに管奥に挿入する（請求項３の実施
例）。

【００２５】本実施例では、反応ガスとして乾燥酸素ガ
スを使用し、Ｓi 基板上に例えばゲート酸化膜のように
良質で薄い熱酸化膜を成膜する。反応管等は高純度の石
英管からつくられ、図示してないが反応管の長手方向を
囲む電熱ヒータによって、酸化温度 900℃から1100℃で
熱酸化膜が得られる。

【００２６】上記実施例の反応管においては、反応ガス
１６は、反応ガス導入管を流れ、反応ガス導入口２０
ａ，２０ｃと、導入口２０ｂとから、互いに分離された
通路空間２２ａと通路空間２２ｂとにそれぞれ同時に流
入した後、それぞれの内管に設けられた噴出口より内管
内に反応ガスを噴出する。従来の熱処理装置では、反応
ガス導入管には 1つの導入口しかなく、しかも直接反応
管に反応ガスを噴出するのに対し、上記実施例の装置で
は、反応ガス導入管と内管との間にクッションとなる反
応ガス通路空間を設け、隔壁により通路空間を上、下に
2分割し、それぞれの通路空間に対し、反応ガスの導入
及び噴出を、同時に並んで行なわせる。これにより上記
実施例の装置では、内管の壁面に設けられる複数個の反
応ガス噴出口より、ウェーハに供給される反応ガスの流
量は、内管の長手方向に沿ってほぼ均一となり、成膜さ
れた酸化膜の膜厚及び膜質の均一性は大幅に改善され
る。一度に処理されるウェーハの枚数が増加して、反応
管の長さが長くなっても、通路空間の分割数を増加すれ
ば、容易に上記の酸化膜の均一性を維持できる。

【００２７】上記実施例の熱処理装置及び熱処理方法に
よれば、ウェーハ挿入口近傍では、図３に示すように、
反応ガス噴出口は、内管壁面の一方の側（右側）に設け
られ、対向する側（左側）には設けられていないので、
反応ガスの流れは一方向となる。すなわち一方向に流れ
る反応ガスをウェーハ間に吹き付けながら反応管に挿入
するので、残留大気をウェーハ間より確実に除去するこ
とができる。特にゲート酸化膜のように薄い酸化膜で
は、残留大気による酸化膜の割合が相対的に厚くなるの
で、上記ウェーハ挿入時の残留大気を除去する効果は顕
著である。またウェーハ口径が大型化されても、ウェー
ハ間に残留する大気を容易に除去できる。

【００２８】図４は、本発明の熱処理装置の第２実施例
の構成図で、請求項１及び請求項２に係る装置である。
また図５は、図４に示すＣ−Ｃ′線で反応管を切断した
断面図である。なお図１ないし図３と同じ符号は同じ部
分または対応部分を示す。

【００２９】図１に示す熱処理装置と異なる点は、隔壁
２１ｂによって反応ガス通路空間を上、下に 2分割した
後、さらに下方の通路空間を図５に示すように、反応管
の管軸方向の隔壁２１ｃ及び２１ｄによって、通路空間
２２ｄと２２ｅとに 2分割したことである。すなわち通
路空間２２ｄの外管の壁面には反応ガス導入口２０ｆを
設け、内管の壁面には反応ガス噴出口１８を設ける。通
路空間２２ｅは、通路空間２２ｄと対向した位置に形成
され、その外管の壁面には反応ガス排出口１９ａが設け
られ、内管壁面の反応ガス流出口２３及び反応ガス通路
空間２２ｅを経由して、内管内の反応ガスを排出口１９
ａから外に排出する。内管１５ａの底部には、第１実施
例と同様、反応ガス排出口１９ａが設けられる。

【００３０】第２実施例においては、反応管の下方で
は、図５に示すように、反応ガス１６（矢線で示す）は
通路空間２２ｄの反応ガス噴出口１８からウェーハ間を
貫通するように噴出され、対向する通路空間２２ｅの反
応ガス流出口２３に吸引され、反応ガス排出口１９ａよ
り管外に放出される。排出口１９ａは図示してないがダ
クトに接続され、排出口１９ａの気圧は、一般に内管内
の反応ガス圧に比較して小さく、そのため反応ガスは流
出口２３に吸引され、ウェーハ間を一方向に流れる。本
実施例は、第１実施例に比較して、ウェーハを反応管に
挿入する際、ウェーハ間に存在する大気を容易にかつ速
やかに反応ガスに置換できる。

【００３１】なお第２実施例の応用例として、隔壁２１
ｂを除去し、反応管の長手方向の隔壁２１ｃ及び２１ｄ
を頂部まで延長し、反応ガス通路空間を長手方向に2 分
割し、内管内の反応ガスの流れをすべて一方向にするこ
とができる。

【００３２】図６は、本発明の熱処理装置の第３実施例
の構成図である。本実施例は、内管１５ａと外管１５ｂ
によりつくられる通路空間２２ｆに隔壁を設けないこと
のほかは第１実施例とほぼ同じである。すなわち内管１
５ａと外管１５ｂとでつくられる反応ガス通路空間２２
ｆは一体で、その外管１５ｂには反応ガス導入口２０
ｇ，２０ｈ及び２０ｊが設けられる。反応ガスは、通路
空間に、複数の導入口より一様に供給され、通路空間を
経て噴出口より噴出されるので、反応ガスの流量は、反
応管の長手方向に沿ってほぼ均一となる。これは反応管
の構造を簡単にし、かつ一度に熱処理するウェーハ数が
多量化し、ウェーハ保持治具の全長が延長されても、ウ
ェーハ間の酸化膜の均一性を維持することができる。

【００３３】上記実施例は縦型熱処理装置について述べ
たが、本発明は横型熱処理装置に対しても適用できるこ
とは勿論である。

【００３４】また上記実施例では、反応ガスとしてドラ
イ酸素を使用した熱酸化膜形成について述べたがこれに
限定されない。ウェーハ間の残留大気を除去し、均一な
薄膜を形成するその他の場合においても、本発明を適用
することができる。

【００３５】

【発明の効果】これまで述べたように、本発明において
は反応管を二重構造とし、内管と外管とにより反応ガス
通路空間をつくり、また所望により通路空間を分割し、
複数の反応ガス導入口を設ける等により、噴出口から均
一に反応ガスを噴出するようにした。またウェーハ保持
治具に保持されいているウェーハ間に存在する大気を、
ウェーハを内管内に挿入する際、反応ガスを吹き付けて
除去するようにした。これらにより、一度に処理するウ
ェーハの多量化やウェーハの大口径化で発生する問題点
を取り除き、成膜された酸化膜の均一性と、膜質を向上
させることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱処理装置の第１実施例の模式的な構
成図である。

【図２】図１に示す装置のＡ−Ａ′線断面図である。

【図３】図１に示す装置のＢ−Ｂ′線断面図である。

【図４】本発明の熱処理装置の第２実施例の模式的な構
成図である。

【図５】図４に示す装置のＣ−Ｃ′線断面図である。

【図６】本発明の熱処理装置の第３実施例の模式的な構
成図である。

【図７】従来の熱処理装置の構成図である。

【符号の説明】

１，１１ 半導体ウェーハ ２，１２ ウェーハ保持治具 ３，１３ 保温筒 ４，１４ 反応管キャップ ５，１５ 反応管 ６，１６ 反応ガス ７，１７ 反応ガス導入管 ８，１８ 反応ガス噴出口 ９，１９，１９ａ 排出口 １５ａ 内管 １５ｂ 外管 ２０ａ，２０ｂ，２０ｃ 反応ガス導入口 ２０ｄ，２０ｅ，２０ｆ 反応ガス導入口 ２０ｇ，２０ｈ，２０ｊ 反応ガス導入口 ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ 隔壁 ２２ａ，２２ｂ 反応ガス通路空間 ２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ 反応ガス通路空間 ２２ｆ 反応ガス通路空間 ２３ 反応ガス流出口

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内管及び外管より成る二重構造の反応管
   と、半導体ウェーハ主面が反応管の長手方向の管軸に対
   して垂直でかつ互いに空隙を介して対向保持される被処
   理ウェーハ保持治具と、反応ガスを反応管に導入する反
   応ガス導入管と、内管及び外管とによってつくられる反
   応ガス通路空間と、反応ガス通路空間の外管の壁面に設
   けられ反応ガス導入管と連通する反応ガス導入口と、反
   応ガス通路空間の内管の壁面に設けられ内管内に保持さ
   れる半導体ウェーハの主面に反応ガスを吹き付ける反応
   ガス噴出口と、内管の壁面に設けられ内管内の反応ガス
   を反応管外に排出する排出口あるいはこの排出口と外管
   の壁面に設けられ内管内の反応ガスを内管壁面の反応ガ
   ス流出口及び反応ガス通路空間を経由して反応管外に排
   出する排出口とを具備することを特徴とする熱処理装
   置。
2. 【請求項２】内管及び外管によってつくられる反応ガス
   通路空間が隔壁によって分割された複数の反応ガス通路
   空間である請求項１記載の熱処理装置。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２記載の熱処理装置
   を使用する半導体ウェーハの熱処理方法において、搭載
   されたウェーハ間の空隙に沿って、反応ガスの噴出口よ
   り反応ガスを吹き付けながら前記被処理ウェーハ保持治
   具を前記反応管内管に挿入する工程を含むことを特徴と
   する熱処理方法。