(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の加熱体からなる加熱源と、同加熱源の下を被処理基板が通過する領域とを有する熱処理装置の前記各加熱体と前記被処理基板が通過する領域との距離が段階を追って増加するもしくは減少する構成であり、熱処理装置の中央部に不活性ガスを導入するガス導入口を供え、前記中央部から前記両端へ前記不活性ガスの流れを作ることを特徴とする熱処理装置。
【請求項２】
複数の加熱体からなる加熱源と、同加熱源の下を被処理基板が通過する領域とを有する熱処理装置の前記各加熱体と前記被処理基板が通過する領域との距離が、両端の加熱体以外の加熱体と前記被処理基板が通過する領域との距離が最小で両端の加熱体に向かって各加熱体と前記被処理基板が通過する領域との距離が増加していく構成であり、熱処理装置の中央部に不活性ガスを導入するガス導入口を供え、前記中央部から前記両端へ前記不活性ガスの流れを作ることを特徴とする熱処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体装置の製造などに用いられる熱処理装置および熱処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造においては、その製造の過程で不純物の拡散、酸化処理や加熱による薄膜の緻密化処理、スピンオンガラス（以下ＳＯＧと記す）の焼成、レジストのベーキングに用いる加熱処理など各種の熱処理が行われるが、これら熱処理には、通常、加熱源としてのヒーターが周囲に配置された石英等の耐熱性チューブ内に多数枚の被処理基板を挿入して加熱処理を行う熱処理装置（以下、バッチ炉と記す）、抵抗加熱手段などの加熱源の下をベルトコンベヤーなどに積載した被処理基板を搬送して加熱処理を行う熱処理装置（以下、焼成炉と記す）、あるいは赤外線ランプ等の加熱源に対向させて１枚の被処理基板を設置して加熱処理を行う熱処理装置（以下、枚葉炉と記す）などが用いられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
半導体装置の生産性向上のために半導体基板を大型化（以下、大口径化と記す）することによって、１枚の半導体基板からの半導体素子の取れ数を増やすことが行われている。しかしながら、従来の熱処理装置では被処理基板としての半導体基板の大口径化に伴って、被処理基板面内の温度ばらつきが重要な問題となる。
【０００４】
バッチ炉においては石英チューブの外部にあるヒーターに対して垂直な位置関係で石英チューブの内部に被処理基板を設置するために、被処理基板面内の温度上昇は被処理基板の周辺部から中心部へ熱が伝わる形をとる。このため、被処理基板の大口径化によって熱伝導の距離が長くなるために被処理基板の周辺部と中心部の温度差が大きくなり、被処理基板内に形成される半導体素子の特性が被処理基板面内の位置によって異なるという問題が発生する。また、焼成炉や枚葉炉においては加熱源と被処理基板とを対向させた関係で加熱処理がなされるために、加熱源の面内温度のばらつきや、加熱源と被処理基板との対向距離のばらつきが直接、被処理基板面内の温度ばらつきとなる。
【０００５】
被処理基板の大口径化に伴い加熱源を大型化する対策を講じた場合、加熱源の均熱長を確保するためには被処理基板に比べて非常に大きい加熱源を必要とする。このために熱処理装置が極めて大型化し、実用に供し難いものとなる。また、焼成炉や枚葉炉では加熱源の大型化によって加熱源の面内温度のばらつきが増大し、被処理基板内に作り込まれる半導体素子の特性が被処理基板面内の位置によって異なるという問題が顕著になる。
【０００６】
また、被処理基板に形成される薄膜の緻密化処理、スピン・オン・ガラス（以下、ＳＯＧと記す）膜の焼成、あるいはフォトレジスト（以下、レジストと記す）膜のベーキングなどのための熱処理を施すと、薄膜、ＳＯＧ膜、あるいはレジスト膜から吸湿水分や膜の構成物質がガス状（以下、アウトガスと記す）になって放出される。このアウトガスの放出量は被処理基板の大口径化につれて増大する。被処理基板が小口径の場合、被処理基板表面と加熱源との間に形成される空間が小さいために、アウトガスはこの空間から対流によって速やかに運び去られる。しかし、被処理基板が大口径になると、被処理基板表面と加熱源との間の空間が広がるために、この空間内、とりわけ被処理基板の中央付近の空間にアウトガスが滞留して加熱処理中の被処理基板に影響を与える。その影響は薄膜の膜質変化や被処理基板へのパーティクルの発生などであり、作製する半導体素子の歩留まりを低下させるという問題となる。
【０００７】
本発明は、大口径化した被処理基板の熱処理に際して、均熱性の良い熱処理を実現する熱処理装置と熱処理方法を提供することを第１の目的とし、アウトガスによる被処理基板への影響を低減することができる熱処理装置と熱処理方法を提供することを第２の目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記第２の目的を達成するために、本発明に係る熱処理装置は、複数の加熱体からなる加熱源と、前記加熱源の下を被処理基板が通過する領域とを有する熱処理装置で、前記各加熱体と前記被処理基板が通過する領域との距離が段階を追って増加する構成かまたは減少する構成、あるいは前記各加熱体のうち両端の加熱体以外の加熱体と前記被処理基板が通過する領域との距離が最小で、両端の加熱体に向かって各加熱体と前記被処理基板が通過する領域との距離が増加していく構成で、熱処理装置の中央部に不活性ガスを導入するガス導入口を供え、前記中央部から前記両端へ前記不活性ガスの流れを作ることを特徴とする。また、この熱処理装置によると、複数の加熱体を外部に向かって開口するように並べることによって、加熱によって前記被処理基板から発生するアウトガスを前記加熱源と前記被処理基板の搬送面とで作る空間から速やかに排出し、アウトガスによる被処理基板への影響を無くすことができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（第１の参考例）
以下、本発明の熱処理装置における第１の参考例について、図面を参照しながら説明する。
【００１７】
図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本実施形態における熱処理装置の斜視構造図、熱処理装置の搬送ベルト側から見た裏面図と上面図を示す。図１において、１１は被処理基板、１２は加熱源、１３は搬送ベルト、１４は被処理基板の回転方向、１４ａは搬送ベルトの搬送方向を示す。図１（ｂ）は搬送ベルト１３の裏面を示し、被処理基板１１の積載部１３ａは中央に自転ギア１５を持っており、搬送ベルト１３とはベアリング１６を介して接続されている。自転ギア１５はガイドギア１７と噛み合いの関係にある。
【００１８】
次に、図１を参照しながら本実施の形態による熱処理方法を説明する。被処理基板１１を搬送ベルト１３の積載部１３ａに積載し、搬送ベルト１３を搬送方向１４ａへ搬送する。搬送ベルト１３の移動によって積載部１３ａの裏面に取り付けている自転ギア１５はガイドギア１７により積載部１３ａを回転させる。この動きによって、加熱源１２の下を被処理基板１１は回転しながら搬送される。
【００１９】
本実施の形態によれば均熱性の悪い加熱源の下でも被処理基板が回転しながら通過することで、加熱処理での被処理基板面内の温度ばらつきを分散させることになり、被処理基板における均一な加熱処理を実現することができる。
【００２０】
また、焼成炉による被処理基板の加熱過程は、焼成炉に入った被処理基板の領域への加熱源からの輻射熱による加熱と、輻射熱で加熱された被処理基板の領域から被処理基板の未加熱領域への熱伝搬とによって行われる。本実施の形態による被処理基板の加熱過程を、図２に示す熱処理装置の上面図を用いて説明する。領域１１ａは加熱源１２の下で加熱されている被処理基板の領域、既加熱領域１１ｂは加熱源１２の下で既に加熱され、回転によって加熱源１２の下から外れた領域、未加熱領域１１ｃは被処理基板の未加熱の領域を示す。被処理基板１１の回転が無い従来の熱処理装置に比べ、本実施の形態の熱処理装置では既加熱領域１１ｂが増加することになり、被処理基板の加熱が速く行われることを示す。さらに、従来の熱処理装置による加熱処理に比べて、加熱された領域が広くなることにより、加熱された領域から未加熱領域１１ｃへの熱伝導１１ｄは速やかに行われる。
【００２１】
また、本実施の形態による熱処理装置では、図１（ｃ）に示すように加熱源１２が被処理基板１１の直径より短い場合でも均一な加熱を被処理基板１１に施すことができ、熱処理装置を小型にすることができる。
【００２２】
前記熱処理装置を用いた半導体装置の熱処理方法について説明する。
フォトリソグラフィでは、レジスト膜を塗布した被処理基板に１２０℃程度の加熱処理を施してレジスト材料に含有する有機溶剤を除いてレジスト膜を硬化させること（以下、プリベークと記す）や、露光・現像後、膨潤したレジストパターンに１２０℃程度の加熱処理を施してレジストパターンを硬化させること（以下、ポストベークと記す）が行われる。
【００２３】
一方、加熱源の温度ばらつきはレジスト膜の硬化ばらつきや、レジストパターンの硬化ばらつきを招き、被処理基板上のレジストパターン寸法ばらつきの増大を引き起こし、被処理基板上に引き続き作製する半導体装置の特性劣化を生じさせる。
【００２４】
本実施の形態による熱処理方法では、レジスト膜やレジストパターンを有する被処理基板に均一な加熱を施すことができることと、被処理基板の直径に比べて短い加熱源の熱処理装置を用いることでアウトガスを速やかに排出することができるために、硬化むらの無いレジスト膜の形成や寸法精度の良好なレジストパターンの形成が可能となる。
【００２５】
（第２の参考例）
次に、本発明の第２の参考例について説明する。
【００２６】
図３（ａ）、（ｂ）は、本実施形態における焼成炉の熱処理装置の側面図と上面図を、図４は加熱源の温度設定図を示す。図３において、３１は被処理基板、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅはそれぞれ独立して温度制御可能な加熱体、３３は基板ホルダー、３４は回転機構による被処理基板の回転方向、３４ａは搬送ベルトの搬送方向を示す。
【００２７】
前記熱処理装置を用いた熱処理方法について説明する。トランジスタ領域が作られたシリコン半導体基板に形成する絶縁膜として、ＳｉＨ４ガスとＯ２ガスを用いた常圧ケミカル・ベーパー・デポジション（以下、常圧ＣＶＤと記す）法により４５０℃の堆積温度で形成するＳｉＯ２膜が用いられる。しかし、常圧ＣＶＤ法で形成したＳｉＯ２膜は緻密性に欠けており、引き続く半導体素子の作製のためのフッ酸水溶液によるエッチングの耐性が弱いという加工上の問題を持っている。そのために、ＳｉＯ２膜を形成した被処理基板を７００℃程度に加熱して緻密性を改善する処理（以下、緻密化処理と記す）が、通常施されている。
【００２８】
一方、従来の熱処理装置では加熱源の大型化により加熱源の均熱性が低下するために、被処理基板の面内における緻密化に差異が生じ、エッチング時におけるエッチングむらを引き起こして半導体素子の歩留まりを低下させていた。
【００２９】
また、大口径の被処理基板を回転させずに従来の熱処理装置で７００℃の高温加熱処理を施すと、被処理基板面内で加熱された領域と未加熱の領域とに分かれた状態が長く続くために、被処理基板面内で大きな熱ストレスが生じ、被処理基板の割れを引き起こしていた。
【００３０】
加熱体３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、３２ｅを図４に示す温度に設定した本実施の形態の熱処理装置を用いて、常圧ＣＶＤ法で形成したＳｉＯ２膜の緻密化処理を行った。まず、第１枚目の被処理基板３１は室温の状態から５００℃に設定された加熱体３２ａの下に搬送される。引き続き被処理基板３１は加熱体３２ｂで７００℃に昇温され、加熱体３２ｃで７５０℃の加熱処理を施された後、７００℃設定の加熱体３２ｄと５００℃設定の加熱体３２ｅを順次通過して外部に搬出される。このとき被処理基板は回転しながら搬送されるために被処理基板面内の昇温は速やかに、かつ均一に行われる。また、被処理基板の昇温と降温は段階を追って為されるために、エッチングむらと被処理基板の割れのない加熱処理を施すことができる。
【００３１】
なお、本実施の形態では複数の加熱体の温度設定を各々独立して行ったが、各加熱体を同一の温度に設定し、各加熱体と被処理基板との距離を各々変えることで同様の効果を得ることもできる。
【００３２】
（第３の参考例）
次に、本発明の第３の参考例について説明する。
【００３３】
図５は、本実施形態に用いる熱処理装置の側面図を示す。図５において、５１は被処理基板、５２は加熱源、５３は搬送ベルト、５５は被処理基板からのアウトガス、５５ａは熱処理装置外へのアウトガスの流れを示す。
【００３４】
図５に示すように加熱源５２と搬送ベルト５３の搬送面は傾いた非平行の関係である。被処理基板５１から放出されるアウトガス５５は傾きに沿って熱処理装置外に対流によって排出されるために、前記加熱源５２と搬送ベルト５３との間にアウトガス５５が滞留することはない。
【００３５】
なお、回転機構により被処理基板を回転させると被処理基板面内の温度ばらつきの低減も同時に行うことができる。
【００３６】
（第４の参考例）
次に、本発明の第４の参考例について説明する。
【００３７】
図６（ａ）、（ｂ）は、本実施形態における枚葉炉の熱処理装置の側面図と上面図を示す。図６において、６１は被処理基板、６２は加熱源、６２ａは加熱源の中心点、６３は基板ホルダー、６３ａは基板ホルダーの回転軸を示し、基板ホルダーの回転軸６３ａは加熱源の中心点６２ａに対して偏心した位置関係に設定している。
【００３８】
通常、枚葉炉の加熱源６２の温度は中心部が高く、周辺に向かって低くなる傾向がある。これは加熱源の中心部に熱伝搬が集中することと、加熱処理時に加熱された気体が加熱源の外周部へ流れるために外周部の温度低下をもたらすことなどによる。そのために均熱性の悪い加熱源に対向して被処理基板を回転させずに行う従来の加熱処理や、加熱源の中心と被処理基板の中心とが一致した状態で被処理基板を回転させて行う従来の加熱処理を被処理基板に施すと、加熱源の温度分布を投影した形の温度ばらつきを被処理基板面内に生じさせる。
【００３９】
他方、本実施の形態における熱処理装置では、加熱源の中心と被処理基板の中心が偏心した関係で被処理基板を回転させることにより、加熱源の高温部分や低温部分と対向する被処理基板の位置が変わることになり、被処理基板面内の温度ばらつきが軽減される。
【００４０】
図７は本発明における第４の実施形態の他の熱処理装置を示す側面図である。図７において、基板ホルダー６３の回転軸６３ａは加熱源６２の中心点６２ａと対向してほぼ同じ位置関係にある。被処理基板６１の中心点６１ａは回転軸６３ａと偏心した関係で設置しているため、被処理基板６１は加熱源６２に対して偏心して回転する。このことにより被処理基板面内の温度ばらつきが低減される。
【００４１】
なお、図７の熱処理装置において被処理基板を自転させる機構を設置して被処理基板を自公転させてもよい。
【００４２】
（第５の参考例）
次に、本発明の第５の参考例について説明する。
【００４３】
図８は、本実施形態における枚葉炉の熱処理装置の側面図を示す。図８において、８１は被処理基板、８２は加熱源、８２ａは加熱用の赤外ランプ、８３は基板ホルダー、８４は加熱源８２に設けた開口部、８５ａと８５ｂは被処理基板８１からのアウトガスの流れを示す。
【００４４】
従来の熱処理装置では、被処理基板８１から放出されたアウトガスは被処理基板８１と加熱源８２の間に滞留していたが、開口部８４を設けることによって熱処理装置の外部に速やかに排出することが可能となった。
【００４５】
前記熱処理装置を用いた半導体装置の熱処理方法について説明する。
通常、ゲート電極が形成された半導体基板からなる被処理基板への平坦な絶縁膜の形成はＳｉＨ４ガス、Ｏ２ガス、Ｂ２Ｈ６ガス、ＰＨ３ガスを用いた常圧ＣＶＤ法でＢ２Ｏ３とＰ２Ｏ５を含有したボロ・フォスフォ・シリケートガラス膜（以下、ＢＰＳＧ膜と記す）を形成し、続いて８５０℃程度の加熱処理を施してガラス軟化（以下、ガラスフローと記す）を施すことで行われる。
【００４６】
しかし、ＢＰＳＧ膜は吸湿性が高いために、ガラスフローを行うと水分とともにリン酸水和物やホウ酸水和物がアウトガスとしてＢＰＳＧ膜から放出される。従来の熱処理装置では、大量に放出されるアウトガスが被処理基板と加熱源とで作る空間に滞留し、ＢＰＳＧ膜と反応してＢＰＯ４化合物の析出物を生じさせる。この析出物は極めてエッチングされにくく、突起形状を有しているために、引き続くＢＰＳＧ膜の微細パターン形成やエッチング加工で不良を起こし、被処理基板上に形成する半導体素子の歩留まりを低下させる。
【００４７】
ところで本実施の形態による熱処理装置を用いてＢＰＳＧ膜のガラスフローを行うと、被処理基板８１からのアウトガスは加熱源８２の端部からの流れ８５ａと加熱源８２に設けた開口部８４を通る流れ８５ｂになって、滞留せずに速やかに排出される。このために析出物のまったく無いＢＰＳＧ膜のガラスフローを行うことができ、被処理基板上に形成する半導体素子の歩留まり低下を防ぐことができた。
【００４８】
（第１の実施形態）
次に、本発明の第１の実施形態について説明する。
【００４９】
図９は、本実施形態における熱処理装置の側面図を示す。図９において、９１は被処理基板、９２は加熱源、９２ａ、９２ｂ、９２ｃは加熱体、９３は搬送ベルト、９４はガス導入口、９４ａは導入するガスの流れ、９５は被処理基板からのアウトガス、９５ａは熱処理装置外へのアウトガスの流れを示す。
【００５０】
加熱体９２ａ、９２ｂ、９２ｃは加熱源９２の中央から加熱源９２の外部に向かって搬送ベルト９３との距離が大きくなるように設定する。この設定によって被処理基板からのアウトガス９５は加熱体９２ａ、９２ｂ、９２ｃの作る傾きによって熱処理装置外部に排出される。さらに本実施の形態では熱処理装置の中央部にあるガス導入口９４から不活性ガスを熱処理装置に導入することによって、熱処理装置外へのアウトガスの流れ９５ａを加速する効果を持たせている。
【００５１】
前記熱処理装置を用いた半導体装置の熱処理方法について説明する。
通常、半導体装置の絶縁膜に用いられるＳＯＧ膜は、有機溶媒中にシラノールなどのシリコン化合物を含有したＳＯＧ材料を被処理基板に塗布し、４００℃程度で焼成させて形成される。しかし、ＳＯＧ材料中には有機溶媒を含んでいるために、加熱処理時に多量のアウトガスを発生する。従来の熱処理装置で大口径の被処理基板の加熱処理を施すと、熱処理基板と加熱源との間の空間の中心付近に不均一なアウトガスの滞留が生じる。有機溶媒を主成分とする多量のアウトガスが、ＳＯＧ膜に接触するとＳＯＧ膜の焼成効果を低下させ、ＳＯＧ膜の硬度や緻密性の低下を招く。このために上記従来の熱処理装置では不均一に滞留したアウトガスにより、被処理基板面上で硬度や緻密性の不均質なＳＯＧ膜が形成され、引き続いて作製する半導体素子の歩留まりを低下させていた。本実施形態の熱処理装置ではアウトガスが速やかに排出されるために、この熱処理装置を用いた熱処理方法では、均質なＳＯＧ膜の形成ができ、引き続いて形成する半導体素子の歩留まりも良好であった。
【００５２】
なお、本実施の形態では熱処理装置の中央部にある加熱体９２ａと搬送ベルト９３との距離を最小となるように設定しているが、熱せられたアウトガスを排出するためには、各加熱体と搬送ベルトとの距離が階段状あるいは傾きを持って増加あるいは減少する構成であればよい。
【００５９】
【発明の効果】
本発明の熱処理装置によれば、複数の加熱体を外部に向かって開口する傾きで並べ、中央部に不活性ガスを導入する構造の熱処理装置とすることによって、被処理基板からのアウトガスを熱処理装置内から速やかに排出できるために、被処理基板周辺にアウトガスが滞留することによって生じる半導体装置の劣化を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の参考例に係る熱処理装置の構成図
【図２】本発明の第１の参考例に係る熱処理装置の部分拡大上面図
【図３】本発明の第２の参考例に係る熱処理装置の構成図
【図４】本発明の第２の参考例に係る熱処理装置の温度設定を示す図
【図５】本発明の第３の参考例に係る熱処理装置の構成図
【図６】本発明の第４の参考例に係る熱処理装置の構成図
【図７】本発明の第４の他の参考例に係る熱処理装置の構成図
【図８】本発明の第５の参考例に係る熱処理装置の構成図
【図９】本発明の第１の実施形態に係る熱処理装置の構成図
【符号の説明】
１１  被処理基板
１２  加熱源
１３  搬送ベルト
１４  被処理基板の回転方向
１４ａ  搬送ベルトの搬送方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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