(57)【要約】【課題】従来の１室構造炉においては、反応性ガスがヒーターを侵すことによって使用不能となる場合があり、またヒーターの構成材料およびヒーター室内で使用されている金属が基板に付着し金属汚染が発生する場合があった。また、２室構造炉においては、プロセス室とヒーター室を仕切る隔壁は、両室間の圧力差に耐えるように十分な厚みが必要であり、基板が大面積になるほど隔壁をさらに厚くする必要があった。【解決手段】本願発明は、半導体を反応ガス中で加熱する半導体製造装置において、プロセス室及びヒーター室の間を気密に仕切るための隔壁を備え、該プロセス室の圧力に該ヒーター室の圧力を追従させて制御する圧力制御機構を装備した。【選択図】　　図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体を反応ガス中で加熱する装置であって、少なくとも表面に半導体を有する基板、該基板を保持するトレイ、該トレイ又は該基板を加熱するためのヒーター、該基板及び該トレイが格納されるプロセス室、該ヒーターが格納されるヒーター室並びに該プロセス室及び該ヒーター室間を気密に仕切るための隔壁を備え、該プロセス室の圧力に該ヒーター室の圧力を追従させる圧力制御機構を有することを特徴とする半導体製造装置。
【請求項２】
上記基板の全体が半導体であることを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置。
【請求項３】
上記基板は、ガラス板に半導体を堆積した基板であることを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置。
【請求項４】
上記半導体は、シリコンであることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体製造装置。
【請求項５】
上記プロセス室は、基板の加熱時には反応ガスの雰囲気となり、上記ヒーター室は、不活性ガスにより充満されていることを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置。
【請求項６】
上記反応ガスは、酸化性ガスであることを特徴とする請求項５記載の半導体製造装置。
【請求項７】
上記酸化性ガスは、オゾン、酸素、ＮＯ、ＮＯ２又はＮ２Ｏのうち少なくとも一つを含むものであることを特徴とする請求項６記載の半導体製造装置。
【請求項８】
上記プロセス室及び上記ヒーター室は、内部圧力を真空から大気圧まで変化可能であることを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体素子製造に関し、酸化膜及び窒化膜等を基板上に形成するための、反応ガス雰囲気中において半導体基板を加熱処理する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】半導体装置の製造工程においては、加熱処理は、半導体基板上への酸化膜及び窒化膜等の形成工程等において重要な技術である。例えば、酸化膜形成工程においては、シリコン基板周囲を酸素で代表される酸化雰囲気として加熱処理することにより基板表面に酸化膜を形成している。以下においてはこの酸化工程の例について取り上げる。
【０００３】
図１に示すように、従来、基板の加熱方式として、熱輻射を用いて基板１を搭載するボート２とヒーター３とが筐体１００内に納められた、ヒーター室とプロセス室が一体となった構造（以下「１室構造」という。）のものがある。反応ガスは、バルブ２１から導入され、バルブ３０から排気される。この構造は、ヒーターが反応ガスに曝されるが、構造が単純であり、作成が容易である。しかし、この方式が使用できない場合がある。例えば、反応ガスがヒーターを侵す種類である場合及びヒーターから基板への汚染物飛散が問題となる場合においては、反応ガスが高温度のヒーターにふれて、反応ガスが熱分解し、反応活性が減少してしまう場合である。
【０００４】
そこで、図２に示すように、ヒーター室とプロセス室が分離された２室構造の方式がある。この構造は、ＲＴＰ（Ｒａｐｉｄ　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）装置においてよく用いられる。
【０００５】
２室構造炉においては、隔壁１３の厚さは、通常十分厚くなくてはならない。例えば、反応ガス中での処理後に、迅速な反応ガス置換を行うために、プロセス室１１を真空に排気する場合がある。この場合、隔壁１３にはプロセス室と大気との差圧により１気圧の圧力が加わる。そのため、隔壁１３の厚さは、１気圧に耐えるように、通常十分な厚さにすることが必要不可欠である。しかも、基板の大きさが大きくなると、それにつれてなおさら隔壁を厚くし強度を保つ必要がある。一般に、厚さは、差圧に比例して厚くし、面積の平方根に比例して厚くする必要がある。
【０００６】
その他に、反応ガスによっては、プロセス室を減圧状態にして加熱処理する必要があり、その場合も同様に隔壁を厚くする必要がある。たとえば、高濃度オゾン（オゾン濃度３０Ｖｏｌ％以上）を用いる場合には、６０００Ｐａ以下の減圧状態において使用することが安全の点から望ましいが、その場合にも差圧相当の圧力が隔壁に加わる。
【０００７】
この隔壁が厚くなったときの問題点は、隔壁の熱容量が大きくなることにより、基板の迅速な加熱及び冷却を妨げることである。すなわち、基板冷却時においては隔壁からの余熱で基板温度下降の妨げとなり、加熱時においては隔壁がヒーターからの赤外線を幾分か吸収するため基板温度上昇を妨げるようになる。
【０００８】
この方式のその他の問題点は、大気からの汚染物が隔壁１３を拡散してプロセス室内部に侵入し、基板を汚染する可能性があることである。とくに基板加熱中には、隔壁１３も高温となり汚染物の拡散が進行しやすくなる。
【０００９】
図３に示すように、ヒーター室を石英製保護ケースでカバーして、プロセス室内閉じこめ１室構造としたものも、ケースの厚さについて図２と同じ問題を抱えており、隔壁は十分に厚くなくてはならない。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】大面積の基板を反応性ガス中において熱処理する場合、以下の問題があった。
ヒーターが反応ガスに接触する構造の炉（１室構造炉）においては、反応性ガスがヒーターを侵すことによって使用不能となる場合があり、また、ヒーター室内で使用されている金属（ヒーターの構成材料に含まれる金属やヒーターへの電流導入で使用される金属やヒーター温度計測用熱電対）が加熱中に基板に付着し金属汚染が発生する場合があった。また、反応ガスが高温度のヒーターにふれて反応ガスが熱分解し、反応活性が減少してしまう場合があった。
【００１１】
ヒーター室とプロセス室が分離した炉（２室構造炉）においては、ヒーター室に反応ガスが充満しないようにできるので、加熱中のヒーターの反応ガスによる損傷を防いだり、反応ガスのヒーターによる熱分解を防いだりすることができる。しかし、プロセス室とヒーター室を仕切る隔壁は、両室間の圧力差に耐えるように十分な厚みが必要である。また基板が大面積になるほど隔壁をさらに厚くする必要がある。
【００１２】
この厚みのため、隔壁の熱容量が大きくなることはさけられず、基板の急速加熱及び急速冷却の障害となっていた。また、ヒーターと基板の間の距離が隔壁の厚さ分離れるため、ヒーターに投入する消費電力もその分余計に必要であった。
【００１３】１室構造の場合、プロセス室を仕切る隔壁は大気に露出しているため、大気中の不純物が隔壁を拡散し、プロセス室内の基板表面を汚染するおそれがあった。また、２室構造の場合でも、ヒーター室を大気等の不純物量を低減していない気体で満たしていると同様にその不純物が基板表面を汚染するおそれがあった。
【００１４】
【課題を解決するための手段】本願発明は、半導体を反応ガス中で加熱する半導体製造装置において、基板、基板を保持するトレイ、該トレイ又は基板を加熱するためのヒーター、該基板及び該トレイが格納されるプロセス室、該ヒーターが格納されるヒーター室及び該プロセス室及び該ヒーター室の間を気密に仕切るための隔壁を備え、該プロセス室の圧力に該ヒーター室の圧力を追従させて制御する圧力制御機構を有することにより、両室の圧力バランスを保持し、ヒーター室の雰囲気は不活性ガスであり、該隔壁を薄くすることができるようにした半導体製造装置である。
【００１５】
【実施例１】図４を用いて、第１の実施例について、説明する。図４は、プロセス室とヒーター室が分離された構造の、オゾンを反応ガスとする酸化炉の概略図である。基板１を搭載するボート２と、ヒーター３が筐体１００内に納められ、ヒーター室１１とプロセス室１２からなる２室構造である。ここで、基板１は、全体がシリコンウエハから成る基板あるいはガラス板にシリコン等の半導体を堆積した基板等である。また、両室間は、石英製隔壁１３により気密に仕切られている。オゾンガスは、バルブ２１から導入され、バルブ３０から排気される。
【００１６】
新規な点は、ヒーター室１２に窒素導入バルブ２２を通して高純度窒素が導入され、排気バルブ３１を通して排気されるとともに、ヒーター室の圧力がプロセス室の圧力に追従するように、差圧計２３からの信号により、制御器２４が窒素導入バルブ２２を制御するような圧力制御機構が備わっていることである。すなわち、プロセス室１１の圧力が何らかの原因により上昇した場合、差圧計２３により、その圧力差を読みとり、制御器２４が窒素導入バルブ２２の開度を調節することにより、ヒーター室１２の圧力を上昇させる。逆に、プロセス室の圧力が下がった場合、制御器２４は、バルブ２２を閉じる。排気バルブ３１は、ヒーター室１２を排気しているので、結果として圧力は減少する。
【００１７】
この圧力制御機構により、オゾンガスをプロセス室に流量５０ｓｃｃｍ導入して圧力を１００Ｐａとしたとき、ヒーター室は、窒素雰囲気で１００Ｐａの圧力となり、隔壁１３に加わる差圧はゼロに近くなる。よって隔壁の厚さを決める主な要素は、差圧ではなくなり、自重に耐える強度である。第１の実施例においては、基板の大きさが直径２００ｍｍ、隔壁の直径２５０ｍｍのとき、石英製隔壁の厚さは１ｍｍである。隔壁の材質は、石英のほかに、赤外光吸収が少ない非金属材料（サファイヤ、合成石英、無水合成石英）を使用することができる。
【００１８】
また、第１の実施例においては、圧力制御機構の応答性を最適化しており、応答性不足による発生差圧を最小としている。本実施例においては、制御系の応答速度は１５ｍｓ以下である。隔壁に加わる最大差圧は、ヒーター室とプロセス室の体積、オゾンガスと窒素ガスの流量、制御系の応答速度できまる。差圧は、両室に流すガスの流量を変化させた時に発生する。
【００１９】
たとえば、真空にしたプロセス室（１８７５ｃｃ）にオゾンガスを流量５０ｓｃｃｍで導入開始した直後および導入停止した直後に発生する差圧は０．７Ｐａである。また、プロセス室を真空から大気圧まで窒素を流量２００ｓｃｃｍで導入したときの最大差圧は約３Ｐａである。この最大差圧をさらに減少させるには、流量の変化をゆっくりと行えばよい。実施例においては、流量を切り替える速度を毎秒１０ｓｃｃｍとなるように設定しており、たとえば０ｓｃｃｍから２００ｓｃｃｍまで流量を切り替えるのに２０秒を要している。この値は、実施例についての代表値であり、筐体ごとに設定値は異なるべきである。
【００２０】
第１の実施例では、ヒーター室に充満している高純度窒素は常に供給状態にあり、圧力がプロセス室と同圧状態になっても供給が停止することはない。これは、ヒーター室の排気流量の下限を設けて常に一定量以上の排気を続けているためである。この目的は、たとえヒーターなどから不純物ガスが揮発しても、それをただちに窒素ガスで置換してヒーター室内の不純物濃度を抑えることで、ヒーター室から隔壁を通して不純物がプロセス室内に漸次侵入することを防ぐためである。実施例での窒素の流量の下限は２００ｓｃｃｍである。
【００２１】
第１の実施例においては、ヒーター室とプロセス室の圧力差がゼロとなるように圧力制御機構が動作しているが、圧力制御機構が設定目標とする両室間の圧力差（Ｐｄ）は、必ずしも厳密にゼロである必要はない。隔壁の厚さは、種種の要因を考慮して必要最低限の厚さに決めることができるが、その厚さに対して隔壁が破損しない範囲でＰｄを設定すればよい。
【００２２】
第１の実施例において使用しているヒーターは、抵抗加熱式ヒーターであり、オゾンや酸素のような酸化雰囲気で通電すると酸化しやがて破損するおそれがある。しかしヒーター室は、窒素雰囲気であるため酸化することなく１０００℃まで加熱することができる。
【００２３】
本実施例にいては、ボートをサセプターとして用いており、材質はＳｉＣである。本実施例のように、サセプターからの熱伝導と熱輻射で基板を加熱する場合は、ボートの大きさは、基板と等しいかそれよりも大きく、またその材質は、赤外線を吸収するものであればよく、たとえばＳｉＣ・シリコン・ＡｌＮ・不透明石英・サファイヤ・グファライトを（ＢＮ等で）コートしたものも使用できる。
【００２４】
【実施例２】図５を用いて、第２の実施例について、説明する。第１の実施例と同様の装置であるが、ボートをサセプターとしない場合の実施例であり、ボートの材質は、不透明石英である。ボートの形状は、基板との接触ができるだけ少なくなるようにし、かつ、ヒーターからの赤外線を阻害しない配置となっている。ボート材質は、熱伝導の小さなものであれば使用でき、たとえば透明石英などを使用することができる。
【００２５】
【発明の効果】大面積の基板を反応性ガス中で熱処理する場合において、反応性ガスがヒーターを侵すことなく、またヒーターによって反応ガスの分解が起こることなく基板の熱処理を行うことができる。
また、基板の加熱処理を行うプロセス室に圧力変動がある場合においても、隔壁を薄くすることができるので、基板の急速加熱・急速冷却を行うことができ、また、ヒーターと基板の間の距離を短くできるので、ヒーターに投入する消費電力を減少させることができる。
また、ヒーター室を不活性ガスで充満させるので、ヒーター室からの汚染を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の１室構造の熱処理装置
【図２】ヒーターが基板とは隔離された構造の従来の熱処理装置
【図３】ヒーターが保護ケースに格納された構造の従来の熱処理装置
【図４】本願発明に係る２室構造の熱処理装置
【図５】本願発明に係る２室構造の別の熱処理装置
【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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