(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板を収容するための、一方向に向けて延伸する形状を有する反応管、前記反応管の周囲に配置されたヒータ及び耐火・断熱材から構成され、前記反応管及び前記ヒータを収容する炉体を含む縦型または横型の炉と、
前記ヒータによって前記反応管内部に形成された均熱領域で、該反応管の長手軸に沿って進退自在に１または２枚の半導体基板を保持する基板載置治具と、
を有する半導体基板熱処理装置であって、
前記ヒータは、前記反応管の長手軸と垂直に交差する平面において、直線と円弧とをつないだ環形状を有し、
前記基板載置治具は、前記ヒータが有する面のうち、前記直線を包含する一面と１または２枚の半導体基板の一面とが前記反応管の一面を介して向かい合うように１または２枚の半導体基板を該反応管内部で保持する、
ことを特徴とする半導体基板熱処理装置。
【請求項２】
前記反応管内部の均熱領域で半導体基板と略並行に配置され、半導体基板と略同一の形状で半導体基板が有するサイズ以下のサイズを有する蓄熱板をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体基板熱処理装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体基板熱処理装置を用いて半導体基板にＲＴＰ（Rapid Thermal Processing）を施すことを特徴とする半導体素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＶＤ，拡散などの各種半導体製造プロセスで使用されるｈｏｔ  ｗａｌｌ型加熱炉と半導体基板載置治具との組み合わせ、及び半導体装置の製造方法に関するものである。
【０００２】
Ｈｏｔ  ｗａｌｌ型加熱炉を使用する半導体製造装置は周知であり、例えば次のような学術講演がなされている。
縦型炉の上下２箇所に低温及び高温領域を設けウェーハをこれら領域間で移動させることによりＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）を行うとウェーハ面内でのシート抵抗分布は通常のＲＴＡより良好になる（第５５回応用物理学会（１９９４年９月１９−２２日名古屋）、発表番号２１ａ−ＺＥ−６）。
上記した形式の縦型炉を使用するＲＴＰ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）において５枚のウェーハを１０００℃で１０秒保持する処理を行いＣＭＯＳを製造した報告がなされている（３ｒｄ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．  ＲＴＰ’９５，  Ａｕｇｕｓｔ  ３０−Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ  １，  １９９５，  Ａｍｓｔｅｒｄａｍ，  Ｎｅｔｈｅｒｌａｎｄｓ，  ＴＨＥ  ＥＦＦＥＣＴＳ  ＯＦ  ＲＡＰＩＤ  ＴＨＥＲＭＡＬ  ＰＲＯＣＥＳＳＩＮＧ  ＯＮ  ＱＵＡＲＴＥＲ  ＭＩＣＲＯＮ  ＣＭＯＳ  ＤＥＶＩＣＥＳ，  ｐｐ  １０１−１０３）。同様の形式の炉をリフローに適用した報告（４ ｔｈ  Ｉｎｔ．  Ｃｏｎｆ．  Ｏｎ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｏｆ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ−ＲＴＰ’９６，  ｐｐ  ３０−３３）や、ギガビットＤＲＡＭのアニールに適用した報告（４  ｔｈ  Ｉｎｔ．  Ｃｏｎｆ．  Ｏｎ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｏｆ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ．  ＲＴＰ’９６）がある。
【０００３】
図１は温度分布が最も優れた１枚のウェーハを処理する縦型枚葉式加熱炉構造の主要部を示しており、図中、１は耐火・断熱材からなる炉体、２はヒーター、３は石英製反応管、４は炉の下部から炉内を案内され、反応管３の頂部に開口するガス導入管、５は炉底板、６は処理前後には炉内を昇降しかつ処理中には回転することもある支持棒、７は支持棒６から斜め上向きに分岐したウェーハ支承部、８はウェーハ、９はウェーハを裏側から支える爪、１０はＯリング、１１は反応管下部に開口した排気管である。この構造の加熱炉で加熱されるウェーハ８の温度分布はヒーター２からの距離により影響され、周囲が高く中心が低くなる。
【０００４】
このようなウェーハ面内の温度分布を均一にするために、ウェーハとほぼ同じ形状を有する蓄熱板を炉内に配置し、予め反応温度に加熱し、ウェーハを蓄熱板の近傍に移動させることにより、ヒーターと蓄熱板の両方を熱源としてウェーハの急速昇温と温度分布均一化を図ることは本出願人の米国特許第６１５９８７３号により公知である。本発明者らは１９９８年春季応用物理学会講演会での発表論文で、蓄熱板の上記効果をシミュレーションにより研究・考察した。
【０００５】
さらに、前掲米国特許では、ヒーターを蓄熱板的に使用する着想も具体的に示されており、平坦状炉天井部に配置されたヒーターにウェーハ面をできるだけ接近させること方法も示されている（第１２図）。この方法によると、ウェーハとヒーターは面同士が近距離で対面するためにウェーハ面内の温度分布は著しく改善される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前掲米国特許で開示されたウェーハと炉項ヒーターを面どうしで接近させる方法では、温度分布は改善されるものの加熱炉の断面は円形であるために、炉の占有床面積（ｆｏｏｔ  ｐｒｉｎｔ）が大きい。半導体製造用加熱炉は単位体積及び単位容積当り高額の建設コストを必要とするクリーンルームに設置されるから、占有床面積もしくは室容積を縮減することの意義は大きい。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る加熱炉と半導体基板載置治具の組み合わせは、耐火・断熱材からなる炉体及び、炉体の内側面に配置されたヒーターを含んでなる縦型もしくは横型炉と、その反応管の均熱領域内に、１枚又は２枚の半導体基板を、その面が炉の長手軸方向に一致するように、かつ進退自在に保持してなる基板載置治具との組み合わせにおいて、ヒーターの面と半導体基板の面とを実質的に平行にしたことを特徴とする。
【０００８】
さらに、本発明においては上記加熱炉と半導体基板載治具の組み合わせを使用してＲＴＰ（（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ））を行うことを特徴とする。ＲＴＰとしては次の方法例示とする。
（１）ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）−１０〜１５０℃／秒の速度で昇降温し、処理温度０〜２０秒以内保持する。
（２）ＲＴＯ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ）−（１）同様の条件でシリコン表面に薄い酸化膜を形成する。
（３）ＲＴＮ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｎｉｔｒｉｄｉｎｇ）  −（１）と同じ条件でシリコン表面に薄い窒化膜を形成する。
（４）ＲＴＣＶＤ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）−（１）と同じ条件でＣＶＤガスの雰囲気中でＣＶＤ膜を成長する。
（５）ＲＴ−Ｗｅｔ  Ｒｅｆｌｏｗｉｎｇ−（１）と同じ条件で高温水蒸気中でＢＰＳＧをリフローする。
本発明においては８〜１２インチＣＶＤに上記ＲＴＰを施すことが出来る。
【０００９】
【作用】
縦型炉内のウェーハ横置きでは床占有面積は半導体基板（以下「ウェーハ」と言う）の面積以上となる。また横型炉内でウェーハ面が炉の長手軸と交差するように縦置きされると同様に床占有面積はウェーハ面積以上となる。これら何れの場合も炉は大型となるので、ウェーハ面が炉の長手軸、即ち縦型炉の縦軸又は横型炉の水平方向軸と一致するように加熱炉と基板載置治具の組み合わせを構成する。このような構造自体は公知であるが、本発明においては、炉の内側面とウェーハ面を実質的に平行になるように炉の断面輪郭を変更することにより所期の目的を達成することができる。以下、図面を参照して本発明をより具体的に説明する。
【００１０】
【実施例】
従来技術を示す図１と共通部分は共通の参照符号を付した図２及び図３においては、ウェーハ８は縦型炉内に縦置きされている。この加熱炉のヒーター２は炉体１の側面において従来の円形ではなく、直線と円弧をつないだ形状となっており（図２）、この結果ウェーハ面内の温度分布均一性が高められかつ炉の占有床面積（ｆｏｏｔ  ｐｒｉｎｔ）も小さくなる。図中、ｗはウェーハ径であり、ｗ＝１２インチの場合は、Ｌ０（反応管の長径）＝４００ｍｍ、Ｌ１（ヒーター２の最大内径）＝４１０ｍｍ、Ｌ２（ヒーター２の最小内径）＝７０ｍｍ、ｔ（管の最小内径）＝５０ｍｍ、Ｔ（炉壁の厚さ）＝７０ｍｍである。なお、図２では、１枚のウェーハが示されているが、２枚のウェーハを並列してもよい。図において、ｄ・Ｄ及び  Ｄ２がそれぞれ本発明及び従来の炉の床占有面積を近似的に表す。したがって本発明による床占有面積の減少率はｄ／Ｄとなり、３０〜５０％である。
【００１１】
図４及び５は図２、３の構造に、前掲米国特許にて公知の蓄熱板１２を付加し、２枚のウェーハを同時に処理するように改造したものである。すなわち、蓄熱板１２はウェーハ８の出し入れとは関係なく加熱炉の均熱領域内に定置されており、さらに相互に対向して縦置きされた２枚のウェーハ８の中間に蓄熱板１２が配置いることは米国特許と同じである。蓄熱板１２はウェーハ８と同じ形状を有している。蓄熱板１２がウェーハ８より大きいと，蓄熱板に温度むらが生じてウェーハの温度分布均一化を図ることができない。蓄熱板１２は、反応管３の上部を凹状に陥没させた部分３ａに保持されている。図４，５の構造によると、２枚のウェーハを図１と同様の温度分布で処理することができ、しかもウェーハ枚数当りの床面積占有率は図２の２倍となる。
【００１２】
図６、７においては、ウェーハ８は横型炉内に縦置きされている。炉体１及びヒーター２は、反応を行う高温均熱部ａと反応前に低温にウエーハ８を保持する低温均熱部ｂに分けられている。１３は排気管、１４は炉の入口側を閉鎖する蓋であり、２０は多数の穴を蜂の巣状に開けて、反応空間内のガス流を均一にする整流板である。
図６，７の横型炉では炉体の１ａ，１ｂ間の幅が従来の炉よりも１／２以下と大幅に小さくなり、床占有面積が削減される。
【００１３】
図７に示された基板載置治具１６は、ウェーハ８を保持して低温均熱部ｂと高温均熱部ａとの間で進退可能な中空棒１７の先端に弧状腕部１９を固着したものである。１５はスペーサである。中空棒１７はウェーハ移動治具とガス案内管を兼ねているものである。中空棒１７に固着された弧状腕部１９はウェーハ８の下部を保持するように約１２０°展開された基部であり、ここからウェーハ中心に向かって３個の爪１９ａ、ｂを伸出させている。２個の爪１９ａは鉛直線に対して約６０°展開された位置に配置され主としてウェーハ８の倒れを防止するものである。即ち、爪１９ａはウェーハ８の縁部を両側から把持してウェーハ８が倒れないように、先端内部をフォーク状に分岐させウェーハ８を挟んでいる。爪１９ｂは鉛直線上にて下からウェーハ８を支持するものである。中空棒１７内を貫通する中心孔にはガスを流し、ウェーハ８と爪１９との付着を後述するように防止することができる。
【００１４】
図８は爪１９ａに上述したガスを流す機構の一例を示している。右側に倒れ爪１９ａに支持されている。爪１９ａは中空棒１７の先端に固着され、ウェーハ８を把持しかつガスを噴出する機構を有する。爪１９ａの外側殻体２１を内部には、中空棒１７内のガス流通空間と連通している空間２３が形成され、かつ上部両側を逆Ｕ字状に折曲げして窪部２７としている。一方外側殻体２１の内部には、Ｕ字状内側部材２２を配置しかつ前者の一部に固着している。Ｕ字状内側部材２２は、窪部の一部としている。ウェーハ８のシリコンと爪１９ａの石英は１０００℃位で焼結反応を起こし付着する。付着しつつある８と２１，２２の間では摩擦力が大きくなり、パーティクルが発生する危険がある。更に完全に付着した８と２０を分離する際にパーティクルが発生する。本発明においては、Ｕ字状内側部材２２と外側殻体２１の間には隙間２４が形成されるので、空間２３からガスがＵ字状内側部材２２の囲まれた空間に流れて、ウェーハ８と石英の接触部に存在する微小隙間を通り抜ける。この結果ウェーハ８が爪部と擦られてパーティクルを発生を防止することができる。ガスは比熱が小さいので、炉内に充分に高温に予備加熱され隙間２４から噴出されるので、ウェーハ８の温度分布は損なわれない。
【００１５】
図９においては、鉛直方向の爪部１９ｂにガス噴出機構を形成したものである。２５は中空棒のガス流通空間と連通した爪部１９ａの内部空間、２６不活性ガスもしくはＮ２などのウェーハと反応し難いガスを流すガス噴出孔である。
【００１６】
本発明はウェーハを横置きした横型炉でも実施することができる。この具体例は図示しないが、図６の炉体１の側面１ａ、１ｂが上下面となる。図１０はこの具体例において使用する基板載置治具を示す。図１０には、図７に示されたものとは異なるウェーハ装置治具を示す。
すなわち、炉内を進退する棒３２の先端にコ状支持部３０を固着し、ここに８個のピン３３を突出させている。ピン３３のうち内側の４個でウェーハ８を下側から持ち上げている。炉内の高温部には支持枠３１が定置されており、同様に８個のピン３４を突出している。支持部３０は支持は支持枠３１の上方まで移動した後ウェーハ８がピン３４に接続するまで下降し、その後後退する。
【００１７】
図１１に示す２枚ウェーハ横置き横型炉においては、１段置きの場合は占有体積が少なく、かつ多段に積上げることにより実質的に占有面積も少なくすることができる。この方式で採用される基板載置治具（図示せず）は上下に分岐したフォークのそれぞれに１枚のウェーハを載置し、かつ上下に分かれた棚にウェーハ８を支承させる。
図１１においては、さらにウェーハと石英の焼結を防止する別法を図解している。２枚のウェーハは図示されない基板移載治具によりウェーハ棚４１に載置されている。ウェーハ１８は中心に対して９０°の角度で展開した４個の爪１９ｃ（図１２）により底面で支えられている。爪１９ｃは平面輪郭が短形の枠４２に固着されている。枠４２は石英反応管３の平坦面３ａに図示されていない台を介して載置されている。
ガス案内管４０は石英製反応管３の入口側から炉内を枠４２の領域まで伸びており、焼結防止のためのガスを爪１９の先端のガス噴出孔１９ｃより噴出する。枠を構成する管４１（図１３）は内部をガスが通過でき噴出孔１９ｃからガスが噴出してウェーハ８を僅かに持ち上げることにより焼結を防げる。
【００１８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、ウェーハの温度分布を良好にするとともに、半導体製造設備の設備投資の高騰を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の枚葉式縦型ホットウォール加熱炉の一例を示す断面図である。
【図２】本発明に係る縦型炉と縦置きウェーハ載置治具との組合わせの一例を示す、図３Ａ−Ａ矢視断面図（但し、ガス導入管４、排気管１１の図示は省略）である。
【図３】図２の炉の縦断面図である。
【図４】本発明に係る縦型炉、ウェーハ載置治具及び蓄熱板との組合わせの一例を示す横断面図である。
【図５】図４のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図６】本発明に係る横型炉と縦置きウェーハ載置治具との組合わせの一例を示し、図７のＡ−Ａ矢視断面図である。
【図７】図６のＢ−Ｂ矢視断面図である。
【図８】ウエーハ載置治具爪部構造の一例を示す図７のＣ−Ｃ矢視図である。
【図９】ウエーハ載置治具爪部構造の別の一例を示す図７のＢ−Ｂ矢視図である。
【図１０】横型炉内に横置きされるウェーハを載置する治具の図面である。
【図１１】本発明に係る横型炉と横置きウェーハ載置治具との組み合わせを示す側面図である。
【図１２】図１１の平面図である。
【図１３】図１１、１２の枠の断面と示す図面である。
【符号の説明】
１−炉体
２−ヒーター
３−石英製反応管
４―ガス導入管
５―炉底板
６−支持棒
７−ウェーハ支承部
８―ウェーハ
９―爪
１０―Ｏリング
１１−排気管
１２−蓄熱板
１６−基板載置治具
【図１】
0003554297.tif 000002
【図２】
0003554297.tif 000003
【図３】
0003554297.tif 000004
【図４】
0003554297.tif 000005
【図５】
0003554297.tif 000006
【図６】
0003554297.tif 000007
【図７】
0003554297.tif 000008
【図８】
0003554297.tif 000009
【図９】
0003554297.tif 000010
【図１０】
0003554297.tif 000011
【図１１】
0003554297.tif 000012
【図１２】
0003554297.tif 000013
【図１３】
0003554297.tif 000014