(57)【要約】      （修正有）【課題】炭化珪素製の部材に形成される酸化膜の剥がれが原因で発生する異物を低減する半導体装置の製造方法及び基板処理装置を提供する。【解決手段】炭化珪素製の反応管内に基板を搬入する工程と、前記反応管内に酸化性ガスを供給して熱酸化により基板表面に酸化膜を形成する処理を行う工程と、前記反応管内から処理済基板を搬出する工程と、前記反応管内から処理済基板を搬出した状態で、前記反応管内の温度を、一旦、前記熱酸化により前記反応管の内壁面に形成された酸化膜の温度が少なくともひずみ点に相当する温度に到達するまで昇温させた後、前記処理済基板を前記反応管内から搬出する時の温度よりも低い温度まで降温させる工程とを有する。【選択図】図４
2010140947.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素製の反応管内に基板を搬入する工程と、
前記反応管内に酸化性ガスを供給して熱酸化により基板表面に酸化膜を形成する処理を行う工程と、
前記反応管内から処理済基板を搬出する工程と、
前記反応管内から処理済基板を搬出した状態で、前記反応管内の温度を、一旦、前記熱酸化により前記反応管の内壁面に形成された酸化膜の温度が少なくともひずみ点に相当する温度に到達するまで昇温させた後、前記処理済基板を前記反応管内から搬出する時の温度よりも低い温度まで降温させる工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記反応管内の温度を降温させる工程では、前記反応管内の温度を室温から２００℃程度の温度まで降温させることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
基板を処理する炭化珪素製の反応管と、
前記反応管内を加熱するヒータと、
前記反応管内に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給系と、
前記反応管内を排気する排気系と、
前記反応管内に酸化性ガスを供給して熱酸化により基板表面に酸化膜を形成する処理を行い、処理済基板を前記反応管内から搬出した後、処理済基板を前記反応管内から搬出した状態で、前記反応管内の温度を、一旦、前記熱酸化により前記反応管の内壁面に形成された酸化膜の温度が少なくともひずみ点に相当する温度に到達するまで昇温させた後、前記処理済基板を前記反応管内から搬出する時の温度よりも低い温度まで降温させるように、前記ヒータおよび前記酸化性ガス供給系を制御するコントローラと、
を有することを特徴とする基板処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化珪素製の部材を用いてウエハを酸化処理する工程を有する半導体装置の製造方法と、その工程で好適に用いられる基板処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
１２００℃未満の温度でシリコン（Ｓｉ）ウエハに対して熱酸化処理を行い、ウエハ表面に酸化膜（ＳｉＯ２）を形成する場合、通常は処理炉の構成部材である例えば反応管、基板保持具等として石英（ＳｉＯ２）製のものが使用される。
【０００３】
また、１２００℃未満の温度でＳｉウエハに対してシリコン窒化（ＳｉＮ）膜を形成し、石英製の炉内等に付着したＳｉＮ膜の応力を増大させて強制的に亀裂を発生させることで飛散した微細パーティクルをパージにより炉外に排出する技術が知られている（特許文献1及び特許文献２参照）。また、石英製の炉内等に付着したＳｉＮ膜に強制的にクラックを発生させることにより、ＳｉＮ膜に発生しているストレスを緩和させた後、ＳｉＮ膜をさらにＳｉＮ膜で覆って修復する技術が知られている（特許文献３参照）。
【０００４】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００５／０２９５６６号パンフレット
【特許文献２】特開２０００−３０６９０４号公報
【特許文献３】特開２０００−１５０４９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
Ｓｉウエハに対し１２００℃以上の高温で熱酸化処理を行い、ウエハ表面にＳｉＯ２膜を形成する場合、処理炉の構成部材である例えば反応管、基板保持具等として熱的な耐久性の観点から炭化珪素（ＳｉＣ）製のものが使用される。さらにＳｉＣ部材は耐薬品性にも優れ、ＳｉＣ部材を用いることで、メンテナンス実施の際に石英（ＳｉＯ２）部材のように基材自体がエッチングされてしまうといった問題がなく、ＳｉＣ部材表面に形成されたＳｉＯ２膜だけがエッチングされるので、基材の耐用年数が延びる。
しかしながら、ＳｉＣの酸化レートはＳｉの酸化レートの数分の１（例えば１／５）程度であり、酸化速度はＳｉに比べて遅いがＳｉＣ部材表面にも酸化膜（ＳｉＯ２）が形成され、酸化膜厚の増加とともにＳｉＯ２膜とＳｉＣ部材の界面への応力増加によりクラックが発生し、その欠片がウエハ上へ堆積してしまうことがある。この欠片である異物はデバイス特性において劣化原因の一つとなり、この異物を低減する必要がある。また、この現象は、特に膜厚が１μｍ以上の例えばＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハとしての貼り合わせウエハの酸化膜等を形成する厚膜酸化を行う場合に顕著となる。
さらに、従来では、異物が発生した場合には、例えば、次のようなメンテナンスを行う。すなわち、炉内を室温に降温し、ＳｉＯ２膜が形成されたＳｉＣ部材（例えば基板保持具、反応管等）を処理炉から取外し、フッ化水素（ＨＦ）などのＳｉＯ２をエッチングする薬液を用いてＳｉＣ部材表面のＳｉＯ２膜を除去する。その後にＳｉＯ２膜除去後のＳｉＣ部材を熱処理炉に再取付けし、炉内昇温、炉内温度確認、熱酸化処理再開という手順でウエハに対する処理を再開する。そのため、メンテナンスに要する時間、すなわち、ウエハを処理できない時間（ダウンタイム）が多くかかり、また、ＳｉＣ部材の取外し、取付け作業といった人手による作業が入ることで部材破損の可能性も高かった。
【０００６】
そこで、本発明は、炭化珪素製の部材に形成される酸化膜の剥がれが原因で発生する異物を低減する半導体装置の製造方法及び基板処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、炭化珪素製の反応管内に基板を搬入する工程と、前記反応管内に酸化性ガスを供給して熱酸化により基板表面に酸化膜を形成する処理を行う工程と、前記反応管内から処理済基板を搬出する工程と、前記反応管内から処理済基板を搬出した状態で、前記反応管内の温度を、一旦、前記熱酸化により前記反応管の内壁面に形成された酸化膜の温度が少なくともひずみ点に相当する温度に到達するまで昇温させた後、前記処理済基板を前記反応管内から搬出する時の温度よりも低い温度まで降温させる工程と、を有する半導体装置の製造方法が提供される。
【０００８】
本発明の他の態様によれば、基板を処理する炭化珪素製の反応管と、前記反応管内を加熱するヒータと、前記反応管内に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給系と、前記反応管内を排気する排気系と、前記反応管内に酸化性ガスを供給して熱酸化により基板表面に酸化膜を形成する処理を行い、処理済基板を前記反応管内から搬出した後、処理済基板を前記反応管内から搬出した状態で、前記反応管内の温度を、一旦、前記熱酸化により前記反応管の内壁面に形成された酸化膜の温度が少なくともひずみ点に相当する温度に到達するまで昇温させた後、前記処理済基板を前記反応管内から搬出する時の温度よりも低い温度まで降温させるように、前記ヒータおよび前記酸化性ガス供給系を制御するコントローラと、を有する基板処理装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、炭化珪素製の部材に形成される酸化膜の剥がれが原因で発生する異物を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
次に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に、本発明の実施の形態に係る基板処理装置としての熱処理装置１０の一例を示す。この熱処理装置１０は、バッチ式縦型熱処理装置であり、主要部が配置される筺体１２を有する。この筺体１２の正面側には、ポッドステージ１４が接続されており、このポッドステージ１４にポッド１６が搬送される。ポッド１６には、例えば２５枚の被処理基板としてのウエハが収納され、図示しない蓋が閉じられた状態でポッドステージ１４にセットされる。
【００１１】
筺体１２内の正面側であって、ポッドステージ１４に対向する位置には、ポッド搬送装置１８が配置されている。また、このポッド搬送装置１８の近傍には、ポッド棚２０、ポッドオープナ２２及び基板枚数検知器２４が配置されている。ポッド棚２０はポッドオープナ２２の上方に配置され、基板枚数検知器２４はポッドオープナ２２に隣接して配置される。ポッド搬送装置１８は、ポッドステージ１４とポッド棚２０とポッドオープナ２２との間でポッド１６を搬送する。ポッドオープナ２２は、ポッド１６の蓋を開けるものであり、この蓋が開けられたポッド１６内のウエハの枚数が基板枚数検知器２４により検知される。
【００１２】
さらに、筺体１２内には、基板移載機２６、ノッチアライナ２８及びボート（基板保持具）３０が配置されている。基板移載機２６は、例えば５枚のウエハを取り出すことができるアーム（ツイーザ）３２を有し、このアーム３２を動かすことにより、ポッドオープナ２２の位置に置かれたポッド、ノッチアライナ２８及びボート３０間でウエハを搬送する。ノッチアライナ２８は、ウエハに形成されたノッチまたはオリフラを検出してウエハのノッチまたはオリフラを一定の位置に揃えるものである。
【００１３】
さらに、筺体１２内の背面側上部には反応炉４０が配置されている。この反応炉４０内に、複数枚のウエハを装填したボート３０が搬入され熱処理が行われる。
【００１４】
図２に反応炉４０の一例を示す。この反応炉４０は、炭化珪素（ＳｉＣ）製の反応管４２を有する。この反応管４２は、上端部が閉塞され下端部が開放された円筒形状をしており、開放された下端部はフランジ状に形成されている。この反応管４２の下方には反応管４２を支持するよう石英製のアダプタ４４が配置されている。このアダプタ４４は上端部と下端部が開放された円筒形状をしており、開放された上端部と下端部はフランジ状に形成されている。アダプタ４４の上端部フランジの上面に反応管４２の下端部フランジの下面が当接している。この反応管４２とアダプタ４４により反応容器４３が形成されている。また、反応容器４３のうち、アダプタ４４を除いた反応管４２の周囲には、加熱源（加熱手段）としてのヒータ４６が配置されている。
【００１５】
反応管４２とアダプタ４４により形成される反応容器４３の下部は、ＳｉＣ製の基板支持具としてのボート３０を挿入するために開放されている。この開放部分（炉口部）は第１の蓋体としてのシールキャップ４８がＯリング４９を挟んでアダプタ４４の下端部フランジの下面に当接することにより密閉されるようにしてある。シールキャップ４８は、昇降機構（昇降手段）としてのボートエレベータ３１により支持されている。シールキャップ４８はボート３０を支持し、ボートエレベータ３１により、ボート３０と共に昇降可能に設けられている。シールキャップ４８とボート３０との間には、断熱部材５０が設けられている。断熱部材５０は、複数枚のＳｉＣ製の断熱板５１と、その下方に配置された複数枚の石英製の断熱板５２と、それらを支持するＳｉＣ製の断熱板ホルダ５３とにより構成されている。ボート３０は、多数枚、例えば２５〜１００枚のウエハ５４を略水平状態で隙間をもって多段に支持し、反応管４２内に装填される。なお、反応炉４０には、ボート３０を反応容器４３内から取り出した状態で反応容器４３下部の開放部を封止する第２の蓋体としてのシャッタ５５が設けられている。シャッタ５５は、Ｏリング５７を挟んでアダプタ４４下端部のフランジの下面に当接することにより反応容器４３下部の開放部を密閉するように構成されている。
【００１６】
１２００℃以上の高温での処理を可能とするため、反応管４２は炭化珪素（ＳｉＣ）製としてある。このＳｉＣ製の反応管４２を炉口部まで延ばし、この炉口部をＯリングを介してシールキャップ４８でシールする構造とすると、ＳｉＣ製の反応管を介して伝達された熱によりシール部まで高温となり、シール材料であるＯリングを溶かしてしまうおそれがある。Ｏリングを溶かさないようＳｉＣ製の反応管４２のシール部を冷却すると、ＳｉＣ製の反応管４２が温度差による熱膨張差により破損してしまう。そこで、反応容器４３のうちヒータ４６による加熱領域をＳｉＣ製の反応管４２で構成し、ヒータ４６による加熱領域から外れた部分を石英製のアダプタ４４で構成することで、ＳｉＣ製の反応管４２からの熱の伝達を和らげ、Ｏリングを溶かすことなく、また反応管４２を破損することなく炉口部をシールすることが可能となる。また、ＳｉＣ製の反応管４２と石英製のアダプタ４４とのシールは、双方の面精度を良くすれば、ＳｉＣ製の反応管４２はヒータ４６の加熱領域に配置されているため温度差が発生せず、等方的に熱膨張する。よって、ＳｉＣ製の反応管４２下端部のフランジ部分は平面を保つことができ、アダプタ４４との間に隙間ができないので、ＳｉＣ製の反応管４２を石英製のアダプタ４４に載せるだけでシール性を確保することができる。
【００１７】
アダプタ４４には、アダプタ４４と一体にガス供給口５６とガス排気口５９とが設けられている。ガス供給口５６にはガス導入管６０、６１が、ガス排気口５９には排気管６２がそれぞれ接続されている。ガス導入管６０には、上流側から順に、酸化性ガス源６０ａ、バルブ６０ｂ、流量制御器としてのマスフローコントローラ６０ｃが設けられている。ガス導入管６１には、上流側から順に、不活性ガス源６１ａ、バルブ６１ｂ、流量制御器としてのマスフローコントローラ６１ｃが設けられている。排気管６２は、排気装置６２ａに接続されており、排気管６２には排気バルブ６２ｂが設けられている。主に、ガス導入管６０、酸化性ガス源６０ａ、バルブ６０ｂ、マスフローコントローラ６０ｃにより酸化性ガス供給系が構成される。また、主に、ガス導入管６１、不活性ガス源６１ａ、バルブ６１ｂ、マスフローコントローラ６１ｃにより不活性ガス供給系が構成される。また、主に、排気管６２、排気装置６２ａ、排気バルブ６２ｂにより排気系が構成される。
【００１８】
アダプタ４４の内壁は反応管４２の内壁よりも内側にあり（突出しており）、アダプタ４４の側壁部（肉厚部）には、ガス供給口５６と連通し、垂直方向に向かうガス導入経路６４が設けられ、その上部にはノズル取付孔が上方に開口するように設けられている。このノズル取付孔は、反応管４２の内部におけるアダプタ４４の上端部フランジ側の上面に開口しており、ガス供給口５６およびガス導入経路６４と連通している。このノズル取付孔にはＳｉＣ製のノズル６６が挿入され固定されている。すなわち、反応管４２内部におけるアダプタ４４の反応管４２の内壁よりも内側に突出した部分の上面にノズル６６が接続され、このアダプタ４４の上面によりノズル６６が支持されることとなる。この構成により、ノズル接続部は熱で変形しにくく、また破損しにくい。また、ノズル６６とアダプタ４４の組立て、解体が容易になるというメリットもある。ガス導入管６０、６１からガス供給口５６に導入された処理ガスとしての酸化性ガス、不活性ガスは、アダプタ４４の側壁部に設けられたガス導入経路６４、ノズル６６を介して反応管４２内に供給される。なお、ノズル６６は、反応管４２の内壁に沿って基板配列領域の上端よりも上方、すなわちボート３０の上端よりも上方まで延びるように構成されている。
【００１９】
コントローラ７０は、酸化性ガス供給系、不活性ガス供給系、排気系、昇降機構、加熱源等の熱処理装置１０を構成する各部の動作を制御するように構成されている。
【００２０】
次に上述したように構成された熱処理装置１０を用いて、半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程として、ウエハに対して酸化処理を施す方法について説明する。
なお、以下の説明において、熱処理装置を構成する各部の動作はコントローラ７０により制御される。
【００２１】
まず、ポッドステージ１４に複数枚のウエハ５４を収容したポッド１６がセットされると、ポッド搬送装置１８によりポッド１６をポッドステージ１４からポッド棚２０へ搬送し、このポッド棚２０にストックする。次に、ポッド搬送装置１８により、このポッド棚２０にストックされたポッド１６をポッドオープナ２２に搬送してセットし、このポッドオープナ２２によりポッド１６の蓋を開き、基板枚数検知器２４によりポッド１６に収容されているウエハ５４の枚数を検知する。
【００２２】
次に、基板移載機２６により、ポッドオープナ２２の位置にあるポッド１６からウエハ５４を取り出し、ノッチアライナ２８に移載する。このノッチアライナ２８においては、ウエハ５４を回転させながら、ノッチを検出し、検出した情報に基づいて複数枚のウエハ５４のノッチを同じ位置に整列させる。次に、基板移載機２６により、ノッチアライナ２８からウエハ５４を取り出し、ボート３０に移載する。
【００２３】
このようにして、１バッチ分のウエハ５４をボート３０に移載すると、シャッタ５５が開かれることで反応炉４０の炉口部が開放され、ウエハ５４を装填したボート３０はボートエレベータ３１によって、例えば６００℃程度の温度に設定された反応炉４０（反応容器４３）内に装入（ロード）される。反応炉４０内はシールキャップ４８により密閉される。そして、炉内温度を処理温度の例えば１２００℃まで昇温させて安定化させる。炉内温度が処理温度に安定化したら、バルブ６０ｂを開き、反応炉４０内に酸化性ガスを導入する。酸化性ガスは、酸化性ガス源６０ａからガス導入管６０を通り、バルブ６０ｂ、マスフローコントローラ６０ｃを経てガス導入口５６、ガス導入経路６４、及びノズル６６を介して反応管４２内に導入される。反応管４２内に導入された酸化性ガスは、排気装置６２ａの作用によりガス排気口５９、排気管６２を通り、排気バルブ６２ｂを経て排気される。この処理温度下にある反応管４２内への酸化性ガスの導入を継続することにより、ウエハ５４が熱酸化され、ウエハ表面に酸化膜（ＳｉＯ２）が形成される。同時に炉内のＳｉＣ部材表面にもＳｉＯ２が形成される。酸化性ガスとしては、例えば酸素（Ｏ２）や水蒸気（Ｈ２Ｏ）等の酸素含有ガスを用いることができる。なお、このとき、同時にバルブ６１ｂを開き、反応炉４０内にＮ２ガスやＡｒガス等の不活性ガスを導入することで、酸化性ガスを希釈するようにしてもよい。
【００２４】
ウエハ５４の熱処理（熱酸化処理）が終了すると、バルブ６１ｂを開き、不活性ガス供給系より反応炉４０内に不活性ガスを供給しつつ排気系より排気することにより反応炉４０内をガスパージする。その後、炉内温度を例えば６００℃程度の温度に降温した後、熱処理後のウエハ５４を支持したボート３０を反応炉４０内から搬出（アンロード）し、反応炉４０の炉口部をシャッタ５５で封止する。そして、ボート３０に支持された全ての処理済ウエハ５４が冷えるまで、ボート３０を所定位置で待機させる。待機させたボート３０の処理済ウエハ５４が所定温度まで冷却されると、基板移載機２６により、ボート３０から処理済ウエハ５４を取り出し、ポッドオープナ２２にセットされている空のポッド１６に搬送して収容する。次に、ポッド搬送装置１８により、処理済ウエハ５４が収容されたポッド１６をポッド棚２０、またはポッドステージ１４に搬送する。
【００２５】
この処理済ウエハ５４が収容されたポッド１６の搬送と並行して、炉内温度の昇降を開始する。すなわち、ボート３０から処理済ウエハ５４を取り出した後、シャッタ５５を開き、反応炉４０の炉口部を開放する。そしてウエハが装填されていない空のボート３０を反応炉４０内に搬入し、反応炉４０の炉口部をシールキャップ４８で封止する。その状態で反応炉４０内の温度を、一旦、少なくとも炉内のＳｉＣ部材表面に形成されたＳｉＯ２のひずみ点である１１００℃程度の温度まで昇温してから降温する（降温による降温前後の温度差で発生する熱応力をＳｉＣ部材表面に形成されたＳｉＯ２膜に付加し、ＳｉＯ２膜の膜応力が臨界値を超えるように降温する温度を後述する計算式により決定する）。このとき、自然空冷にて炉内温度を降温させることもできるが、強制冷却にて炉内温度を降温させる方がより熱応力を増大させることができるので好ましい。その場合の降温レートは例えば自然空冷時の降温レートである３℃／ｍｉｎよりも大きく、２０℃／ｍｉｎ以下、好ましくは１０℃／ｍｉｎ以下程度とするのがよい。強制冷却にて炉内温度を降温させる場合は、ヒータ４６に強制冷却機構（急冷機構）を設けておけばよい。本実施形態のヒータ４６には強制冷却機構が内蔵されており、炉内を強制冷却（急速急冷）することができるように構成されている。また、降温する温度は例えば室温程度とするのがよい。
【００２６】
この降温による降温前後の温度差によりＳｉＯ２膜とＳｉＣ部材の界面に熱応力が付加され、ＳｉＯ２膜の膜応力が臨界値を超えることで、炉内のＳｉＣ部材に形成されたＳｉＯ２膜に強制的にクラックが発生し、ＳｉＯ２膜の膜応力は緩和される。このＳｉＯ２膜の応力緩和により、次バッチでのＳｉＣ部材における酸化膜厚増加によってもＳｉＯ２膜の膜応力が臨界値を超えることなく処理が実施され、異物の増加を抑制できる。すなわち、ＳｉＣ部材に形成されたＳｉＯ２膜の膜厚増加が原因で酸化処理時に異物が発生することとなるまでの期間を延長することができる。すなわち、酸化処理時に、ＳｉＣ部材に形成されたＳｉＯ２膜にクラックが発生し、異物が生じることとなる臨界膜厚を厚くすることができる。これにより、メンテナンスサイクルを延長することができ、ダウンタイムの増加を抑制できる。また、人手作業削減により、部材破損リスクを低減することができる。
なお、炉内温度を一旦、少なくともＳｉＯ２のひずみ点まで昇温してから降温することにより、ＳｉＯ２膜にかかる熱応力が最大となり、ＳｉＯ２膜の膜応力の緩和を最大限に行うことができ、異物発生抑制効果を高めることができることとなる。逆に、炉内温度をＳｉＯ２のひずみ点まで上げない場合はＳｉＯ２膜の膜応力の緩和が不十分となり、異物発生を十分に抑制することができないこととなる。
【００２７】
ところで、ＳｉＯ２は高温では粘性のある物質となる。しかし、それを徐々に冷やしていってある温度以下になると流動がおきなくなる。この流動がおきなくなる温度がひずみ点であり、ひずみ点以下になって、ＳｉＯ２にある一定以上の力が加わることでクラックが発生することとなる。
すなわち、炉内を一旦、少なくともＳｉＯ２のひずみ点に相当する温度に到達するまで昇温し、その後、降温することによりＳｉＣ部材に形成されたＳｉＯ２膜に熱応力を付加することで、ＳｉＯ２膜にクラックが発生する。この場合、ＳｉＣ部材にクラックが入ることは殆んどなく、ＳｉＣ部材よりも強度の弱いＳｉＯ２膜の方にクラックが発生し、ＳｉＯ２膜だけが割れることとなる。なお、クラックはＳｉＯ２膜におけるＳｉＯ２膜とＳｉＣ部材との界面付近において発生し、ＳｉＯ２膜表面側に広がるものと考えられる。
【００２８】
なお、シールキャップ４８で反応炉４０の炉口部を封止してから炉内のＳｉＣ部材に形成されたＳｉＯ２膜の膜応力の緩和が完了するまでの間は、バルブ６１ｂを開き、不活性ガス供給系より炉内にＡｒガスやＮ２ガス等の不活性ガスを大流量で供給しつつ、排気系より排気することにより炉内のガスパージを行う。これにより、炉内のＳｉＣ部材に形成されたＳｉＯ２膜にクラックが発生することで生じるＳｉＯ２の微小な破片は排気系より炉外へ排出される。このとき、不活性ガスの供給流量は、例えば１０〜２０ｓｌｍとする。また、炉内圧力は大気圧とする。
【００２９】
なお、炉内温度を室温まで下げる場合、その後に、炉内温度をボートロード時の温度である６００℃程度の温度まで昇温する必要があり、時間を要することとなる。よって、スループットを考慮すると、降温終点温度は室温よりも高い温度、例えば２００℃程度の温度としてもよい。
【００３０】
また、炉内温度を昇降させる際に、シャッタ５５で反応炉４０の炉口部を封止することも考えられる。しかしながら、シャッタ５５の耐熱性は一般的にシールキャップ４８の耐熱性よりも低いので炉内の熱によりシャッタ５５が熱的なダメージを受けてしまうことが考えられる。これに対し、炉内に空のボート３０を搬入してシールキャップ４８により反応炉４０の炉口部を封止する場合、シールキャップ４８上には断熱部材５０等が設けられているため、炉内の熱の影響を抑制することができ、シールキャップ４８が熱的なダメージを受けることはない。ただし、シャッタ５５にシールキャップ４８と同等の耐熱性を持たせれば、炉内温度昇降の際に空のボート３０を炉内に搬入することなく、後述するようにシャッタ５５により炉口部を封止するようにしてもよい。
【００３１】
また、ＳｉＣ部材表面に形成されたＳｉＯ２膜の膜応力緩和は、バッチごとに毎回行ってもよいし、数バッチに１回行うようにしてもよい。いずれにしても、ＳｉＣ部材表面に形成されたＳｉＯ２膜の膜厚がクラックの発生する臨界膜厚となる前に行う。なお、ＳｉＣ部材表面に形成されたＳｉＯ２膜にクラックが発生する臨界膜厚は、数μｍ程度と考えられる。
【００３２】
炉内温度の昇降終了後、炉内温度を６００℃程度の温度まで昇温させる。その後、空のボート３０を反応炉４０内から搬出し、反応炉４０の炉口部をシャッタ５５で封止する。その後、次のバッチ処理を行う。すなわち、次に処理するウエハ５４のボート３０への移載を開始する。なお、次のバッチ処理のウエハ５４のボート３０への移載までは、炉内温度の昇降中に行うようにしてもよい。
【００３３】
次に、上述した本発明の実施形態に係る処理シーケンスの第１の具体例について図３及び図４に基づいて詳細に説明する。
図３は、本発明の実施形態に係る処理シーケンスの第１の具体例における反応炉周辺における部材の動作を説明するために示す概略の縦断面図である。
図３（ａ）は処理済ウエハ５４を支持したボート３０を炉外へ取り出す前の状態を示し、図３（ｂ）は処理済ウエハ５４を支持したボート３０を炉外へ取り出し、シャッタ５５で反応炉４０の炉口部を封止した状態を示し、図３（ｃ）は空のボート３０を再び炉内に搬入し、シールキャップ４８で反応炉４０の炉口部を封止した状態を示す。
図４は、本発明の実施形態における処理シーケンスの第１の具体例を説明するためのタイムチャート図である。
図４（ｄ）は、その処理シーケンスにおける各工程のフローを示しており、図４（ａ）、図４（ｂ）、図４（ｃ）は、図４（ｄ）の処理シーケンスに対応する反応炉４０内の温度制御パターン、Ｏ２ガス供給の制御パターン、Ｎ２ガス供給の制御パターン、をそれぞれ示している。なお、これらの制御はコントローラ７０により行う。
【００３４】
まず、反応炉４０の炉口部をシャッタ５５で封止した状態でボート３０に複数枚のウエハ５４を略水平状態で隙間をもって複数段に装填する（ウエハチャージ工程）。次に、シャッタ５５を開いて反応炉４０の炉口部を開放し、ヒータ４６を制御しつつ図４（ａ）で示すように６００℃の温度に設定された反応管４２内にウエハ５４を装填したボート３０を搬入し、図３（ａ）に示すように反応管４２内にウエハ５４を装填したボート３０を収容する。このとき、図４（ｃ）で示すようにノズル６６から反応管４２内に不活性ガスとしてのＮ２ガスを供給する（第１ボートロード工程）。その後、反応管４２内にＮ２ガスを供給しつつ、ヒータ４６を制御し、図４（ａ）で示すように炉内温度を処理温度である１２００℃程度の温度まで昇温させる（第１昇温工程）。そして、炉内温度を１２００℃程度の温度に維持した状態で、図４（ｂ）で示すようにノズル６６から反応管４２内に酸化性ガスとしてのＯ２ガスを供給してウエハ５４を酸化処理する（酸化処理工程）。このとき、同時に反応管４２内にＮ２ガスを供給してＯ２ガスを希釈するようにしてもよい。酸化処理後、再び、図４（ｃ）で示すようにノズル６６から反応管４２内にＮ２ガスを供給し、ヒータ４６を制御して図４（ａ）で示すように炉内温度を６００℃程度の温度まで降温させる（第１降温工程）。その後、図４（ｃ）で示すように反応管４２内にＮ２ガスを供給しつつ、ヒータ４６を制御し、図４（ａ）で示すように炉内温度を６００℃程度の温度に維持した状態で、処理済ウエハ５４を支持したボート３０を反応管４２内から搬出し（第１ボートアンロード工程）、反応炉４０の炉口部をシャッタ５５で封止し、図３（ｂ）で示す状態にする。そして、その状態で処理済ウエハ５４を冷却する（ウエハ冷却工程）。ウエハ冷却後、ボート３０から処理済ウエハ５４を取り出す（ウエハディスチャージ工程）。
【００３５】
次に、シャッタ５５を開いて反応炉４０の炉口部を開放し、図４（ｃ）で示すようにノズル６６から反応管４２内にＮ２ガスを供給しつつ、図４（ａ）で示すように６００℃程度の温度に維持された反応管４２内に空になったボート３０を搬入し（第２ボートロード工程）、反応炉４０の炉口部をシールキャップ４８で封止し、図３（ｃ）で示す状態にする。その後、ヒータ４６を制御しつつ炉内温度を一旦、図４（ａ）で示すように炉内のＳｉＣ部材に形成されたＳｉＯ２のひずみ点である１１００℃程度の温度まで昇温させ（第２昇温工程）、図４（ｃ）で示すようにノズル６６から反応管４２内に大流量のＮ２ガスを供給する。そして、反応管４２内に大流量のＮ２ガスを供給しつつ、図４（ａ）で示すように炉内温度が１１００℃程度の温度に到達したところで、ヒータ４６を制御し、炉内温度を室温程度の温度まで降温させる（第２降温工程）。この間も反応管４２内への大流量のＮ２ガスの供給は継続して行う。その後、図４（ｃ）で示すようにノズル６６から反応管４２内にＮ２ガスを供給しつつ、ヒータ４６を制御し、図４（ａ）で示すように炉内温度を６００℃程度の温度まで昇温させ（第３昇温工程）、炉内温度を６００℃程度の温度に維持した状態で空のボート３０を反応炉４０から搬出する（第２ボートアンロード工程）。その後、反応炉４０の炉口部をシャッタ５５で封止し、次に処理するウエハをボート３０に装填し（ウエハチャージ工程）、次のバッチ処理を行う。
【００３６】
すなわち、図３（ｃ）で示すように炉内に空のボートをロードしてシールキャップ４８により反応炉４０の炉口部をシールした状態で、第２昇温工程と第２降温工程を行い、その際に反応管４２内にＮ２ガスを大流量で供給して炉内をパージする（炉内昇降温パージ）ことで、ＳｉＣ部材に形成されたＳｉＯ２膜の膜応力を緩和することができ、また、その際に生じるＳｉＯ２の破片を炉外へ排出することができる。これにより、ＳｉＣ部材に形成されたＳｉＯ２膜の膜厚増加が原因で、酸化処理時に異物が発生するようになるまでの期間を長くすることができる。すなわち、酸化処理時にＳｉＣ部材に形成されたＳｉＯ２膜にクラックが発生し、異物が生じることとなる臨界膜厚を厚くすることができる。これにより、メンテナンスサイクルを長くすることができ、ダウンタイムの増加を抑制できる。また、人手作業削減により、部材破損リスクを低減することができる。
【００３７】
次に、本発明の実施形態に係る処理シーケンスの第２の具体例について図５及び図６に基づいて詳細に説明する。
図５は、本発明の実施形態に係る処理シーケンスの第２の具体例における反応炉周辺における部材の動作を説明するために示す概略の縦断面図である。
図５（ａ）は処理済ウエハ５４を支持したボート３０を炉外へ取り出す前の状態を示し、図５（ｂ）は処理済ウエハ５４を支持したボート３０を炉外へ取り出し、ボート３０を炉外へ取り出した状態でシャッタ５５で反応炉４０の炉口部を封止した状態を示す。
図６は、本発明の実施形態における処理シーケンスの第２の具体例を説明するためのタイムチャート図である。
図６（ｄ）は、その処理シーケンスにおける各工程のフローを示しており、図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）は、図６（ｄ）の処理シーケンスに対応する反応炉４０内の温度制御パターン、Ｏ２ガス供給の制御パターン、Ｎ２ガス供給の制御パターン、をそれぞれ示している。なお、これらの制御はコントローラ７０により行う。
【００３８】
本発明の実施形態に係る処理シーケンスの第２の具体例におけるウエハチャージ工程からボートアンロード工程までは、第１の具体例におけるウエハチャージ工程から第１ボートアンロード工程までと同様である。第２の具体例は、それよりも後の工程が第１の具体例とは異なる。すなわち、第２の具体例では、図５（ａ）に示すように反応管４２内にボート３０を収容した状態から、処理済ウエハ５４を支持したボート３０を反応管４２内から搬出し（ボートアンロード工程）、ボート３０をアンロードした状態でシャッタ５５で反応炉４０の炉口部を封止し（シャッタ閉工程）、図５（ｂ）で示す状態にする。この間、反応管４２内にはＮ２ガスを連続的に供給する。その後、ヒータ４６を制御しつつ炉内温度を一旦、図６（ａ）で示すように炉内のＳｉＣ部材に形成されたＳｉＯ２のひずみ点である１１００℃程度の温度まで昇温させ（第２昇温工程）、図６（ｃ）で示すようにノズル６６から反応管４２内に大流量のＮ２ガスを供給する。そして、反応管４２内に大流量のＮ２ガスを導入しつつ、図６（ａ）で示すように炉内温度が１１００℃程度の温度に到達したところで、ヒータ４６を制御し、炉内温度を室温程度の温度まで降温させる（第２降温工程）。この間も反応管４２内への大流量のＮ２ガスの供給は継続して行う。その後、図６（ｃ）で示すようにノズル６６から反応管４２内にＮ２ガスを供給しつつ、ヒータ４６を制御し、図６（ａ）で示すように炉内温度を６００℃程度の温度まで昇温させ（第３昇温工程）、炉内温度を６００℃程度の温度に維持した状態で、次に処理するウエハをボート３０に装填し（ウエハチャージ）、次のバッチ処理を行う。
即ち、本発明の実施形態に係る処理シーケンスの第２の具体例では、空のボート３０を炉内に搬入せずに、図５（ｂ）で示すようにボート３０をアンロードした状態でシャッタ５５で反応炉４０の炉口部を封止し、第２昇温工程と第２降温工程を行い、その際に反応管４２内にＮ２ガスを大流量で供給して炉内をパージする（炉内昇降温パージ）。
【００３９】
これにより、第２の具体例においても第１の具体例と同様な作用効果が得られる。
なお、第２の具体例は、シャッタ５５にシールキャップ４８と同等の耐熱性を持たせた場合に行うことができる。
【００４０】
[実施例]
本発明の実施形態における熱処理装置を用いて、図４の処理シーケンスのウエハチャージ工程からウエハディスチャージ工程までを複数回繰り返すことで酸化処理（バッチ処理）を複数回繰り返して異物発生量を測定し、さらに図４の処理シーケンスの第２ボートロード工程から第２ボートアンロード工程までの炉内昇降温パージ後に同様の酸化処理を行って、炉内昇降温パージ前後の異物発生量を測定した。
酸化処理条件は、炉内温度：１２００〜１３００℃、炉内圧力：大気圧、Ｏ２ガス流量：１０〜２０ｓｌｍ、酸化時間：１００ｈ以上とした。
炉内昇降温パージ条件は、炉内温度：６００℃→１１００℃→室温、炉内圧力：大気圧、Ｎ２ガス流量：１０〜２０ｓｌｍ、パージ時間：２４ｈ以上とした。
その結果を図７に示す。
具体的な実験の手順、結果は次の通りである。すなわち、まず、初期段階における酸化処理工程後に、大きさが０．５０μｍ以上、０．１８μｍ以上０．５０μｍ未満の異物のそれぞれの発生量を測定した。異物発生量は、０．５０μｍ以上の異物が１７個／ウエハ、０．１８μｍ以上０．５０μｍ未満の異物が２５個／ウエハであった。
次に、上述の酸化処理を複数回繰り返し、ウエハに形成されたＳｉＯ２膜の累積膜厚が３．３μｍになった段階でそれぞれの大きさの異物の発生量を測定した。異物発生量は、０．５０μｍ以上の異物が１８個／ウエハ、０．１８μｍ以上０．５０μｍ未満の異物が３０個／ウエハであった。
次に、さら酸化処理を繰り返し、ウエハに形成されたＳｉＯ２膜の累積膜厚が４．２μｍになった段階でそれぞれの大きさの異物の発生量を測定した。異物発生量は、急激に増加し、０．５０μｍ以上の異物が５７個／ウエハ、０．１８μｍ以上０．５０μｍ未満の異物が９８個／ウエハであった。
次に、ＳｉＣ部材に形成されたＳｉＯ２膜の応力緩和処理である炉内昇降温パージを行い、その後、酸化処理を行い、それぞれの大きさの異物の発生量を測定した。異物発生量は、急激に減り、０．５０μｍ以上の異物が２０個／ウエハ、０．１８μｍ以上０．５０μｍ未満の異物が３８個／ウエハであった。
図７で示すように、ウエハに形成されたＳｉＯ２膜の累積膜厚が３．３μｍとなるまでは、いずれの大きさの異物も発生量は少なく、安定しているものの、累積膜厚が４．２μｍとなったところでいずれの大きさの異物も発生量は急激に増える。そして、その状態で炉内昇降温パージを行った後では、いずれの大きさの異物も発生量は急激に少なくなる。
すなわち、炉内昇降温パージを行わない場合、ウエハに形成されたＳｉＯ２膜の累積膜厚が３．３μｍから４．２μｍとなる間にＳｉＣ部材に形成されたＳｉＯ２膜にクラックが発生する臨界膜厚があることが分かった。そして、炉内昇降温パージを行うことにより、その臨界膜厚を厚くすることができ、異物発生量が急激に増えるまでの期間を延ばすことができることが判明した。
【００４１】
本発明は、熱酸化処理１バッチで形成されるＳｉＯ２膜の膜厚がクラックの発生する臨界値（３．３μｍから４．２μｍの間の膜厚）を越えない場合に適用できる。
また、ウエハに形成するＳｉＯ２膜の膜厚が１μｍ以上／バッチの膜を厚膜とし、膜厚が０．１μｍ以下／バッチの膜を薄膜とすると、本発明は、厚膜酸化を行う場合、すなわち、１バッチで形成されるＳｉＯ２膜の膜厚が１μｍ以上である場合に特に有効となる。
【００４２】
次に、膜応力とクラック発生の臨界値の関係を示す。
【００４３】
膜応力σTは、膜（ＳｉＯ２膜）と基材（ＳｉＣ部材）の界面に発生する応力であり、下記の数式１によって求めることができる。
【００４４】
【数１】
2010140947.tif 000003
【００４５】
上記の数式１において、σintは膜固有の応力であり、膜種によって決定される。σthは熱応力であり、Ｅはヤング率、νはポアソン比、αは熱膨張係数、ΔＴは温度差であり、添え字のｆは膜、ｓは基材を示す。
【００４６】
膜応力により発生するエネルギーＵはフックの法則を用いて、下記数式２によって求めることができる。
【００４７】
【数２】
2010140947.tif 000004
【００４８】
ここでＦは膜の横方向に付加される力、Δｌは単位長さあたりのひずみ量、Ｔthickは膜厚である。このエネルギーＵが膜と基材界面での界面エネルギーγを超えるとき、つまり下記の数式３の関係となった場合に膜と基材の界面にクラックが発生すると考えられる。
【００４９】
【数３】
2010140947.tif 000005
【００５０】
ここでγも膜材質、基材の材質により決定されるため、あらゆる部材の組み合わせに対して、クラックの発生する臨界膜厚（Ｔthick）を算出することができる。
【００５１】
また、上記実施の形態の説明においては、一度に複数枚のウエハを熱処理するバッチ式の熱処理装置を用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、枚葉式のものであってもよい。
【００５２】
本発明の好ましい態様を付記する。
【００５３】
本発明の一態様によれば、炭化珪素製の反応管内に基板を搬入する工程と、前記反応管内に酸化性ガスを供給して熱酸化により基板表面に酸化膜を形成する処理を行う工程と、前記反応管内から処理済基板を搬出する工程と、前記反応管内から処理済基板を搬出した状態で、前記反応管内の温度を、一旦、前記熱酸化により前記反応管の内壁面に形成された酸化膜の温度が少なくともひずみ点に相当する温度に到達するまで昇温させた後、前記処理済基板を前記反応管内から搬出する時の温度よりも低い温度まで降温させる工程と、を有する半導体装置の製造方法が提供される。
【００５４】
好ましくは、前記反応管内の温度を降温させる工程では、前記反応管内の温度を室温から２００℃程度の温度まで降温させる。
【００５５】
また好ましくは、前記反応管内の温度を降温させる工程では、前記反応管の内壁面に形成された前記酸化膜と、前記反応管との界面に熱応力を付加し、前記反応管の内壁面に形成された前記酸化膜に強制的にクラックを発生させることで前記酸化膜の膜応力を緩和させる。
【００５６】
また好ましくは、前記反応管内の温度を降温させる工程では、前記反応管内を不活性ガスによりガスパージする。
【００５７】
本発明の他の態様によれば、基板を処理する炭化珪素製の反応管と、前記反応管内を加熱するヒータと、前記反応管内に酸化性ガスを供給する酸化性ガス供給系と、前記反応管内を排気する排気系と、前記反応管内に酸化性ガスを供給して熱酸化により基板表面に酸化膜を形成する処理を行い、処理済基板を前記反応管内から搬出した後、処理済基板を前記反応管内から搬出した状態で、前記反応管内の温度を、一旦、前記熱酸化により前記反応管の内壁面に形成された酸化膜の温度が少なくともひずみ点に相当する温度に到達するまで昇温させた後、前記処理済基板を前記反応管内から搬出する時の温度よりも低い温度まで降温させるように、前記ヒータおよび前記酸化性ガス供給系を制御するコントローラと、を有する基板処理装置が提供される。
【００５８】
好ましくは、更に、前記反応管内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給系を有し、前記コントローラは、更に、前記反応管内の温度を降温させる際に、前記反応管内を不活性ガスによりガスパージするよう前記不活性ガス供給系を制御する。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施形態に係る熱処理装置を示す概略の斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る熱処理装置に用いた反応炉を示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る処理シーケンスの第１の具体例における反応炉周辺における部材の動作を説明するために示す概略の縦断面図であり、（ａ）は処理済ウエハを支持したボートを炉外へ取り出す前の状態を示し、（ｂ）は処理済ウエハを支持したボートを炉外へ取り出し、シャッタで反応炉の炉口部を封止した状態を示し、（ｃ）は空のボートを再び炉内に搬入し、シールキャップで反応炉の炉口部を封止した状態を示す。
【図４】本発明の実施形態に係る処理シーケンスの第１の具体例を説明するためのタイムチャート図であり、（ａ）は反応炉内の温度制御パターン、（ｂ）はＯ２ガス供給の制御パターン、（ｃ）はＮ２ガス供給の制御パターン、（ｄ）は各制御パターンに対応する各工程を示す。
【図５】本発明の実施形態に係る処理シーケンスの第２の具体例における反応炉周辺における部材の動作を説明するために示す概略の縦断面図であり、（ａ）は処理済ウエハを支持したボートを炉外へ取り出す前の状態を示し、（ｂ）は処理済ウエハを支持したボートを炉外へ取り出し、ボートを炉外へ取り出した状態でシャッタで反応炉の炉口部を封止した状態を示す。
【図６】本発明の実施形態に係る処理シーケンスの第２の具体例を説明するためのタイムチャート図であり、（ａ）は反応炉内の温度制御パターン、（ｂ）はＯ２ガス供給の制御パターン、（ｃ）はＮ２ガス供給の制御パターン、（ｄ）は各制御パターンに対応する各工程を示す。
【図７】本発明の実施形態における累積膜厚と異物発生量を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６０】
１０    熱処理装置
３０    ボート（基板保持具）
３１    エレベータ
４０    反応炉
４２    反応管
４６    ヒータ
４８    シールキャップ
５４    ウエハ（基板）
５５    シャッタ
７０    コントローラ
【図１】
2010140947.tif 000006
【図２】
2010140947.tif 000007
【図３】
2010140947.tif 000008
【図４】
2010140947.tif 000009
【図５】
2010140947.tif 000010
【図６】
2010140947.tif 000011
【図７】
2010140947.tif 000012