(57)【要約】【課題】  半導体基板の熱処理中に、半導体基板が汚染されるのを防止することができる熱処理装置および熱処理方法を提供する。【解決手段】  基板を熱処理する処理室１３と、処理室１３にガスを供給するガス供給部１５と、処理室１３からガスを排気するガス排気部１７と、処理室１３とガス供給部１５との間に接続され、供給ガスに含まれる特定物質の濃度を計測する第１計測部１９と、処理室１３とガス排気部１７との間に接続され、排気ガスに含まれる特定物質の濃度を計測する第２計測部２１と、第１計測部１９の出力が第１基準値を超えた場合、あるいは第１計測部１９と第２計測部２１の出力の差が第２基準値を超えた場合に、警報を発する制御部２２とを具備する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を熱処理する処理室と、
前記処理室にガスを供給するガス供給部と、
前記処理室から前記ガスを排気するガス排気部と、
前記処理室と前記ガス供給部との間に接続され、前記供給ガスに含まれる特定物質の濃度を計測する第１計測部と、
前記処理室と前記ガス排気部との間に接続され、前記排気ガスに含まれる前記特定物質の濃度を計測する第２計測部と、
前記第１計測部の出力が予め定めた第１の基準値を超えた場合、あるいは前記第１および第２計測部の出力の差が予め定めた第２の基準値を超えた場合に警報を発する制御部と、
を具備することを特徴とする熱処理装置。
【請求項２】
基板を処理室に収納し、ガスを供給して熱処理する工程と、
前記処理室に供給される前記ガスに含まれる特定物質の濃度を計測する工程と、
前記処理室から排気される前記ガスに含まれる前記特定物質の濃度を計測する工程と、
前記供給ガスに含まれる前記特定物質の濃度が予め定めた第１の基準値以下で且つ前記供給ガスおよび前記排気ガスに含まれる前記特定物質の濃度の差が予め定めた第２の基準値以下の場合には前記熱処理工程を繰り返す工程と、
前記供給ガスに含まれる前記特定物質の濃度が前記第１の基準値を超えた場合、あるいは前記濃度の差が前記第２の基準値を超えた場合に前記熱処理工程を中止して前記特定物質を除去する工程と、
を具備することを特徴とする熱処理方法。
【請求項３】
前記特定物質を除去する工程は、前記供給ガスに含まれる前記特定物質の濃度が前記第１の基準値を超えた場合には前記ガスの供給部内に蓄積された前記特定物質を除去し、前記濃度の差が前記第２の基準値を超えた場合には前記処理室内に蓄積された前記特定物質を除去することを特徴とする請求項２に記載の熱処理方法。
【請求項４】
基板を熱処理する処理室と、
前記処理室に塩化水素を含むガスを供給するガス供給部と、
前記処理室から前記ガスを排気するガス排気部と、
前記処理室と前記ガス排気部との間に接続され、前記排気ガスに含まれる特定物質を捕集する捕集部と、
前記捕集された前記特定物質の量を計測する計測部と、
前記計測部の出力が予め定めた値を超えた場合に、警報を発する制御部と、
を具備することを特徴とする熱処理装置。
【請求項５】
基板を処理室に収納し、塩化水素を含むガスを供給して熱処理する工程と、
前記処理室から排気される前記ガスに含まれる特定物質を捕集し、前記捕集された特定物質の量を計測する工程と、
前記特定物質の量が予め定めた値を超えない場合に前記熱処理工程を繰り返し、前記特定物質の量が前記予め定めた値を超えた場合に前記熱処理工程を中止して前記処理室内に蓄積された前記特定物質を除去する工程と、
を具備することを特徴とする熱処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱処理装置および熱処理方法に係り、特に半導体基板の汚染を防止することができる熱処理装置および熱処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造方法において、半導体基板に絶縁膜などを形成する工程では、半導体基板を処理室に収納し、ガスを供給して熱処理する熱処理装置が広く使用されている。
【０００３】
シリコン基板に熱酸化膜を形成する場合に、処理室内のガスに含まれるナトリウム（Ｎａ）などのアルカリ金属や鉄（Ｆｅ）などの遷移金属は微量であっても酸化膜のブレークダウン特性を劣化させ半導体装置の特性に影響を及ぼすことから、処理室内のガスに含まれる微量不純物の濃度を管理してシリコン基板が汚染されるのを防止する必要がある。
【０００４】
従来の熱処理装置においては、定期的にテストピースと呼ばれるダミーの半導体基板を処理室に収納して熱処理した後、処理室からダミー半導体基板を取り出し、ダミー半導体基板の表面に付着した不純物を分析することにより汚染状態をモニタしていた。
【０００５】
このため、モニタを繁雑に行うと装置の稼動率が低下するので、モニタは数日から数ヶ月程度の間隔で行なわれている。
【０００６】
その結果、いつ熱処理装置に汚染が生じたのかを正確に把握することが難しいので、汚染が生じた時点から汚染が判明するまでの間に熱処理された半導体基板は熱処理装置から汚染を受けてしまう問題がある。
【０００７】
これに対して、金属汚染物質の量を計測する計測装置を有する基板処理装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００８】
特許文献１に開示された基板処理装置は、金属汚染物質の量を計測する計測装置が基板を処理する処理室を排気する排気管に設置されており、計測装置は水晶振動子を利用した微小重量計によって構成されている。
【０００９】
装置メンテナンス作業後の金属汚染物質量の経時変化を計測装置によって計測することにより、金属汚染物質除去ステップの終了のタイミングを定量的に決定できるので、金属汚染物質除去ステップ時間の短縮と、その終了を確認するための手間を低減している。
【００１０】
然しながら、特許文献１に開示された基板処理装置は金属汚染物質除去のための作業時間を短縮するものであり、基板の処理中に金属汚染物質の量を計測して基板の汚染状態をモニタすることについては具体的に何ら開示していない。
【特許文献１】特開２００４−１１１６１０号公報（３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、半導体基板の熱処理中に、半導体基板が汚染されるのを防止することができる熱処理装置および熱処理方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の一態様の熱処理装置では、基板を熱処理する処理室と、前記処理室にガスを供給するガス供給部と、前記処理室から前記ガスを排気するガス排気部と、前記処理室と前記ガス供給部との間に接続され、前記供給ガスに含まれる特定物質の濃度を計測する第１計測部と、前記処理室と前記ガス排気部との間に接続され、前記排気ガスに含まれる前記特定物質の濃度を計測する第２計測部と、前記第１計測部の出力が予め定めた第１の基準値を超えた場合、あるいは前記第１および第２計測部の出力の差が予め定めた第２の基準値を超えた場合に警報を発する制御部と、を具備することを特徴としている。
【００１３】
また、本発明の一態様の熱処理方法では、基板を処理室に収納し、ガスを供給して熱処理する工程と、前記処理室に供給される前記ガスに含まれる特定物質の濃度を計測する工程と、前記処理室から排気される前記ガスに含まれる前記特定物質の濃度を計測する工程と、前記供給ガスに含まれる前記特定物質の濃度が予め定めた第１の基準値以下で且つ前記供給ガスおよび前記排気ガスに含まれる前記特定物質の濃度の差が予め定めた第２の基準値以下の場合には前記熱処理工程を繰り返す工程と、前記供給ガスに含まれる前記特定物質の濃度が前記第１の基準値を超えた場合、あるいは前記濃度の差が前記第２の基準値を超えた場合に前記熱処理工程を中止して前記特定物質を除去する工程と、を具備することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、熱処理中に処理室内のガスに含まれる特定物質の濃度を計測し、特定物質による半導体基板の汚染状態をモニタすることができる。
【００１５】
その結果、汚染状態に応じて処理室に蓄積された特定物質を除去することにより、半導体基板が誤って汚染されるのを防止することができる。従って、信頼性の高い半導体装置を提供すことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は本発明の実施例１に係る熱処理装置の構成を示す断面図である。
【００１８】
図１に示すように、本実施例の熱処理装置１０は、筐体１１内に格納され、ヒータ１２により加熱可能に構成された処理室１３と、処理室１３と配管１４を介して接続され、処理室１３にガスを供給するガス供給部１５と、処理室１３と配管１６を介して接続され、処理室１３からガスを排気するガス排気部１７とを具備している。
【００１９】
更に、処理室１３とガス供給部１５との間に配管１４の途中から分岐した配管１８を介して接続され、供給ガスに含まれる特定物質の濃度を計測する第１計測部１９と、処理室１３とガス排気部１７との間に配管１６の途中から分岐した配管２０を介して接続され、排気ガスに含まれる特定物質の濃度を計測する第２計測部２１、を具備している。
【００２０】
また、第１計測部１９の出力が予め定めた第１の基準値を超えた場合、あるいは第１計測部１９と第２計測部２１の出力の差が予め定めた第２の基準値を超えた場合に警報を指令する制御部２２と、制御部２２からの指令に基づいて警報を発する警報器２３とを具備している。
【００２１】
処理室１３は石英チューブであり、処理室１３には石英キャリア（図示せず）により一定間隔で保持されたシリコン基板２４が収納されている。石英キャリアは、ローディング機構（図示せず）により、処理室１３に搬入される。
【００２２】
第１計測部１９および第２計測部２１は、特定物質、例えばナトリウム（Ｎａ）などのアルカリ金属や鉄（Ｆｅ）などの遷移金属等の検出が可能な分析装置で、例えば四重極型質量分析装置（Ｑ−Ｍａｓｓ）である。
【００２３】
制御部２２は第１計測部１９および第２計測部２１に制御コマンド等を送出し、第１計測部１９および第２計測部２１から計測結果等を受け取る。  
受け取った計測結果は記憶部（図示せず）に格納され、熱処理装置１０の清浄度の履歴として保存される。
【００２４】
図２は熱処理装置１０を用いてシリコン基板２４を熱処理し、シリコン熱酸化膜を形成する工程を示すフローチャートである。
【００２５】
始めに、清浄な前処理がなされたシリコン基板２４を石英キャリアにセットして、ローディング機構により処理室１３に搬入する（ステップＳ０１）。
【００２６】
次に、ガス供給部１５から処理室１３にガス、例えば酸素および窒素を主成分とする混合ガスを供給し、ガス排気部１７により処理室１３内を所定の圧力に保持した後、ヒータ１２により所定の温度、例えば９００℃に加熱して熱処理を開始する（ステップＳ０２）。
【００２７】
熱処理中、第１計測部１９は供給ガスに含まれる特定物質の濃度を計測し（ステップＳ０３）、第２計測部２１は排気ガスに含まれる特定物質の濃度を計測する（ステップＳ０４）。
【００２８】
制御部２２は第1計測部１９の出力が予め定めた第１の基準値を超えたか否かを判断し、第１の基準値を超えた場合に（ステップＳ０５のＹｅｓ）、シリコン基板２４が特定物質で汚染されることを防止するために、直ちに警報機２３より警報が出力される（ステップＳ０６）。
【００２９】
警報を受けてガス供給部１５への特定物質混入防止手段が講じられる（ステップＳ０７)。これにより、また新たに熱処理を開始することが可能になる。
【００３０】
一方、第1計測部１９の出力が第１の基準値を超えていない場合は（ステップＳ０５のＮｏ）、制御部２２は第１計測部１９の出力と第２計測部２１の出力の差を算出する（ステップＳ０８）。
【００３１】
次に、その差が予め定めた第２の基準値を超えたか否かを判定し、第２の基準値を超えていない場合は（ステップＳ０９のＮｏ）、熱処理が終了するまでステップＳ０３からステップＳ０９までを繰り返す（ステップＳ１０のＮｏ）。
【００３２】
熱処理が終了すると（ステップＳ１０のＹｅｓ）、シリコン基板２４が処理室１３より取り出され（ステップＳ１１）、始めのステップＳ０１に戻って新しいシリコン基板２４に対して熱処理が繰り返される。
【００３３】
一方、その差が第２の基準値を超えている場合は（ステップＳ０９のＹｅｓ）、シリコン基板２４が特定物質で汚染される恐れがあるため、直ちに警報機２３より警報が出力される（ステップＳ１２）。
【００３４】
警報を受けて処理室１３を洗浄することにより（ステップＳ１３）、処理室１３に蓄積された特定物質が除去される。これにより、また新たに熱処理を開始することが可能になる。
【００３５】
第１および第２の管理値は、例えばダミーのシリコン基板を処理室に収納して熱処理した後、処理室からダミーのシリコン基板を取り出し、ダミーのシリコン基板の表面に付着した特定物質の量と、供給ガスに含まれる特定物質の濃度と排気ガスに含まれる特定物質の濃度の差との相関を求め、半導体装置の所望の特性が満たされるように適宜定めることができる。
【００３６】
図３は、ガスに含まれる特定物質の計測値を示す図で、ａは第１計測部１９の計測値、ｂは第２計測部２１の計測値、ｃは第１計測部１９と第２計測部２１の計測値の差分(ｂ−ａ)を示している。
【００３７】
供給ガスに含まれる特定物質の計測値ａが上昇すると、それに応じて排気ガスに含まれる特定物質の計測値ｂも上昇する。計測値ａが第１の基準値を超えると、直ちに警報機２３より警報が出され、供給ガス系に異常が生じ特定物質が混入したとの判断が下され、供給ガス系に対する特定物質混入対策が施された後に測定が再開される。
【００３８】
制御部２２は計測値ａと同時に差分ｃも管理しており、測定再開後の計測値ａが変動しても差分ｃが管理値内であれば、熱処理装置１０への特定物質の蓄積は許容範囲内であり、特定物質除去のための処理室の洗浄は不要と判断される。
【００３９】
このように、供給ガスと排気ガス双方の特定物質の量を計測し、その差分を求めることにより、不純物発生源の特定および装置への不純物蓄積の有無判断を迅速に行うことが可能である。
【００４０】
図４はガスに含まれる特定物質の計測値の差分の累積熱処理時間推移を示す図で、図４（ａ）は第１計測部１９および第２計測部２１により計測された特定物質の出力の差分、図４（ｂ）は異なる第１および第２熱処理装置で得られたそれぞれの差分を示している。
【００４１】
図４（ａ）に示すよう、特定物質の計測値の差分は熱処理サイクルａに応じて周期的に増減し、且つ累積熱処理時間に応じて徐々に増加している。
【００４２】
即ち、熱処理サイクルａの加熱開始時ｂから処理室１３の内壁やキャリア等に吸着していた特定物質が揮発するので、ガス中の特定物質の濃度が一時的に増加する。  
また、熱処理サイクルａの加熱終了時ｃにはガス中の特定物質が処理室１３の内壁やキャリア等に再吸着するので、ガス中の特定物質の濃度が一時的に減少する。
【００４３】
更に、熱処理サイクルａを繰り返すたびに、供給ガスや配管１４および処理室１３の外から持ち込まれた特定物質が処理室１３内に蓄積していく。
【００４４】
一方、図４（ｂ）に示すように、第１熱処理装置ｄでは排気ガスに含まれる特定物質の計測値は熱処理サイクルに対して周期的に増減しながら、累積熱処理時間に対しては増加傾向を示しているのに対し、第２熱処理装置ｅでは熱処理サイクルに対する周期的な増減はあるものの、累積熱処理時間に対する増加傾向はほとんど見られない。
【００４５】
これは、装置、温度あるいはガス種といった熱処理条件により特定物質の振る舞が異なることを示している。
【００４６】
以上説明したように、本発明の実施例１によれば、熱処理中に処理室内のガスに含まれる特定物質の濃度を計測し、特定物質による半導体基板の汚染状態をモニタすることができる。
【００４７】
その結果、汚染状態に応じて処理室に蓄積された特定物質を除去することにより、半導体基板が誤って汚染されるのを防止することができる。従って、信頼性の高い半導体装置を提供すことができる。
【００４８】
ここでは、計測部１９、２１としてＱ−Ｍａｓｓを用いた場合について説明したが、特定物質の濃度を計測できるものであれば、特に限定されない。
【実施例２】
【００４９】
図５は本発明の実施例２に係る熱処理装置の構成を示す断面図である。本実施例において、上記実施例１と同一の構成部分には同一符号を付してその説明は省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００５０】
本実施例が実施例１と異なる点は、処理室に供給するガスとして腐食性を有する塩化水素を含むガスを用いたことにある。
【００５１】
即ち、図５に示すように、熱処理装置４０は処理室１３と耐腐食性を有する配管４１を介して接続され、処理室１３に塩化水素を含むガスを供給するガス供給部４２と、処理室１３と耐腐食性を有する配管４３を介して接続され、処理室１３から塩化水素を含むガスを排気する排気部４４とを具備している。
【００５２】
更に、処理室１３とガス排気部４４との間に配管４３の途中から分岐した耐腐食性を有する配管４５を介して接続され、塩化水素ガスを水中捕集する捕集部４６と、水中捕集された塩化水素の量を計測する計測部４７とを具備している。
【００５３】
また、計測部４７の出力が予め定めた値を超えた場合に警報を指令する制御部４８を具備している。
【００５４】
捕集部４６はガス入力端が配管４５に接続され、複数のバルブ５０を備えたガス切り替え器５１と、ガス切り替え器５１の出力端にそれぞれ接続され、吸収剤５２、例えば超純水が充填された捕集瓶５３、５４、５５とを具備している。
【００５５】
ガス切り替え器５１のバルブ５０を操作して、例えば捕集瓶５４に塩化水素を含む排気ガスをバブリングさせて塩化物を水中捕集し、既に捕集が終了した捕集瓶５５から吸収剤５２を計測部４７に送出する。捕集瓶５３は次の捕集のためのスペアである。
【００５６】
計測部４７は、例えば誘導結合プラズマ質量分析装置（ＩＣＰ−ＭＳ）であり、捕集部４６から送出された吸収剤５２に含まれる特定物質の量を計測し、計測結果を制御部４８に出力する。
【００５７】
次に図２のフローチャートに倣い、シリコン基板２４を処理室１３に収納し、ガス供給部４２より塩化水素を含むガスを供給し、ガス排気部４４により排気しながら、温度８５０℃で熱処理して、シリコン基板２４に熱酸化膜を形成した。
【００５８】
熱処理中、捕集部４６により排気ガス中に含まれる特定物質の塩化物を捕集し、計測部４７により特定物質の量を計測し、制御部４８により特定物質の量があらかじめ定めた値を超えている場合は、シリコン基板が特定物質で汚染される恐れがあるため、直ちに警報が出される。
【００５９】
警報を受けて、処理室１３を洗浄することにより蓄積された特定不純物が除去されるので、また新たに熱処理を再開することができる。
【００６０】
これにより、処理室１３に供給するガスとして腐食性を有する塩化水素を含むガスを用いた場合でも、特定不純物物質を塩化物ガスとし水中捕集し、不純物濃度を計測しながら熱処理を行なうことが可能である。
【００６１】
以上説明したように、本実施例によれば供給ガスとして腐食性を有する塩化水素を含むガスを用いた場合でも、熱処理中に半導体基板の汚染状態をモニタすることができる利点がある。
【００６２】
ここでは、吸収剤５２として超純水を用いた場合について説明したが、目的の特定物質を吸収できるものであれば良く、例えば酸を添加してペーハを調整した超純水を用いても構わない。
【００６３】
また、計測部４７としてＩＣＰ−ＭＳを用いた場合について説明したが、吸収剤５２に応じて目的の特定不純物を計測できる分析装置であれば構わない。
【実施例３】
【００６４】
図６は本発明の実施例３に係る熱処理装置の構成を示す断面図である。本実施例において、上記実施例２と同一の構成部分には同一符号を付してその説明は省略し、異なる部分についてのみ説明する。
【００６５】
本実施例が実施例２と異なる点は、供給ガス中に含まれる特定物質を計測するようにしたことにある。
【００６６】
即ち、図６に示すように、熱処理装置６０は処理室１３とガス供給部４２との間に配管４１の途中から分岐した耐腐食性を有する配管６５を介して接続され、塩化水素ガスを水中捕集する捕集部６６と、水中捕集された塩化水素の量を計測する計測部６７とを具備している。
【００６７】
捕集部６６はガス入力端が配管６５に接続され、複数のバルブ７０を備えたガス切り替え器７１と、ガス切り替え器７１の出力端にそれぞれ接続され、吸収剤７２、例えば超純水が充填された捕集瓶７３、７４、７５とを具備している。
【００６８】
ガス切り替え器７１のバルブ７０を操作して、例えば捕集瓶７４に塩化水素を含む供給ガスをバブリングさせて塩化物を水中捕集し、既に捕集が終了した捕集瓶７５から吸収剤７２を計測部６７に送出する。捕集瓶７３は次の捕集のためのスペアである。
【００６９】
計測部６７は、例えば誘導結合プラズマ質量分析装置（ＩＣＰ−ＭＳ）であり、捕集部６６から送出された吸収剤７２に含まれる特定物質の量を計測し、計測結果を制御部４８に出力する。
【００７０】
図２のフローチャートに従い、計測部６７の出力が予め定めた第１の基準値を超えた場合、あるいは計測部６７と計測部４７の出力の差が予め定めた第２の基準値を超えた場合に制御部４８により警報が指令され、制御部４８からの指令に基づいて警報器２３により警報が発せられる。
【００７１】
これにより、供給ガスとして腐食性を有する塩化水素を含むガスを用いた場合でも、供給ガスと排気ガス双方の特定物質の量を計測し、その差分を求めることにより、不純物発生源の特定および装置への不純物蓄積の有無判断を迅速に行うことが可能である。
【００７２】
以上説明したように、本実施例によれば供給ガスとして腐食性を有する塩化水素を含むガスを用いた場合でも、熱処理装置６０への特定不純物の蓄積を迅速に防止できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の実施例１に係る熱処理装置の構成を示す断面図。
【図２】本発明の実施例１に係る熱処理方法を示すフローチャート。
【図３】本発明の実施例１に係る特定物質の計測値を示す図。
【図４】本発明の実施例１に係る特定物質の計測値の差分の累積熱処理時間推移を示す図。
【図５】本発明の実施例２に係る熱処理装置の構成を示す断面図。
【図６】本発明の実施例３に係る熱処理装置の構成を示す断面図。
【符号の説明】
【００７４】
１０、４０、６０  熱処理装置
１１  筐体
１２  ヒータ
１３  処理室
１４、１６、１８、２０、４１、４３、４５、６５  配管
１５、４２  ガス供給部
１７、４３  ガス排気部
１８  ガス供給部
１９  第１計測部
２１  第２計測部
２２、４８  制御部
２３  警報部
２４  シリコン基板
４６、６６  捕集部
４７、６７  計測部
５０、７０  バルブ
５１、７１  ガス切り替え器
５２、７２  吸収剤
５３、５４、５５、７３、７４、７５  捕集瓶
【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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