(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低温処理中に半導体加工物への累積温度勾配を減少するための放射加熱装置であって、
放射熱エネルギーを放出し、リング状に配置された複数のランプ(10,12,14,16) と、
各々が各ランプと組み合わされ、内側に鏡面を有する円筒バンド（32）、及び該円筒バンドに対面する側に少なくとも鏡面を有する平坦な内側部材（36）を含み、前記半導体加工物が包含される領域に前記放射熱エネルギーを向かわせるための複数のランプ反射器(32,34,36,2,4,6,8)と、
前記半導体加工物の温度が約４００℃以下とし、温度傾斜状態中は、前記半導体加工物の端縁部を中心部よりも熱く、温度定常状態中は前記半導体加工物の端縁部を中心部よりも低くするように電力を選択的に供給する電源と、を備えることを特徴とする放射加熱装置。
【請求項２】
各ランプ反射器が、
背面反射器(2)と、この背面反射器から前記加工物が包含される領域に向かって伸びている筒状反射器(32,34,36)とを含んでいることを特徴とする請求項１記載の放射加熱装置。
【請求項３】
前記筒状反射器の断面は、非円形であることを特徴とする特徴とする請求項１記載の放射加熱装置。
【請求項４】
前記筒状反射器の断面は、円形を分割したユニット構造の切頭断面形状であることを特徴とする請求項３記載の放射加熱装置。
【請求項５】
前記背面反射器は、楕円形状であることを特徴とする請求項４記載の放射加熱装置。
【請求項６】
前記背面反射器は、拡散型であることを特徴とする請求項４記載の放射加熱装置。
【請求項７】
前記筒状反射器は、鏡面型であることを特徴とする請求項６記載の放射加熱装置。
【請求項８】
前記筒状反射器のユニット構造は、隣接配置されていることを特徴とする請求項４記載の放射加熱装置。
【請求項９】
前記背面反射器は、拡散型であることを特徴とする請求項２記載の放射加熱装置。
【請求項１０】
前記筒状反射器のユニット構造は、隣接配置されていることを特徴とする請求項９記載の放射加熱装置。
【請求項１１】
低温処理中に放射熱エネルギーを用いて加熱されるべき半導体ウエハへの累積温度勾配を減少するための装置であって、
前記放射熱エネルギーを放出し、リング状に配置された複数のランプ(10,12,14,16) と、
前記半導体ウエハの温度が約４００℃以下に維持されかつ前記半導体ウエハの端縁部が中心部よりも温度が高くなる温度傾斜状態において前記半導体ウエハに前記放射熱エネルギーを加えるための第１手段と、
前記温度傾斜状態が完了した後で、前記半導体ウエハの温度が約４００℃以下に維持されかつ前記半導体ウエハの中心部が端縁部よりも温度が高くなる温度定常状態において、前記放射熱エネルギーを前記半導体ウエハに加えるための第２手段とを含み、
前記第１、第２手段は、各々が各ランプと組み合わされ、内側に鏡面を有する円筒バンド（32）、及び該円筒バンドに対面する側に少なくとも鏡面を有する平坦な内側部材（36）を含み、前記加工物が包含される領域に前記放射熱エネルギーを向かわせるための複数の反射器ユニットからなる１つのリングを構成し、
各反射器ユニットは、楕円形状の背面反射器（2,4,6,8）と、この反射器から伸びる筒状反射器(32,34,36)を含み、
前記温度傾斜状態および前記温度定常状態の両方において、端縁部の温度が中心部よりも高くなるかまたは低くなるかによって、前記半導体ウエハ上の温度勾配の絶対値が低い状態に保たれることを特徴とする装置。
【請求項１２】
前記放射熱エネルギーは、前記ランプによって発生され、前記放射熱エネルギーを加えるための第２手段は、前記ランプによって発生した熱を、前記温度傾斜状態において達成される加熱温度レベル以下のレベルに低下させるための手段(58)を含んでいることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
前記筒状反射器は、円形を分割した切頭断面を有することを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１４】
前記背面反射器は拡散型であり、前記筒状反射器は鏡面型であることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１５】
処理される半導体加工物が置かれている加工物領域にランプにより放出された放射熱エネルギーを向けるための装置であって、
前記加工物領域(42)にある半導体加工物を支持するための手段を有する処理室(46)と、前記加工物領域に前記放射熱エネルギーを向けるため、１つのリング形状に配置された複数の反射器ユニットとを備え、
これらの反射器ユニットの各々は、
背面反射器(2) と、
この背面反射器から加工物領域の方に伸びる筒状反射器(32,34,36)と、
前記背面反射器の前側で前記筒状反射器内に配置された前記ランプ(10)とを含んで、前記筒状反射器の断面が円形を分割した切頭断面形状となっており、
さらに、前記半導体加工物の温度が約４００℃以下とし、温度傾斜状態中は、前記半導体加工物の端縁部を中心部よりも熱く、温度定常状態中は前記半導体加工物の端縁部を中心部よりも低くするように電力を選択的に供給する電源を備えることを特徴とする装置。
【請求項１６】
前記背面反射器は、楕円形状を有することを特徴とする請求項１５記載の装置。
【請求項１７】
前記背面反射器は拡散型であり、前記筒状反射器は鏡面型であることを特徴とする請求項１６記載の装置。
【請求項１８】
低温度処理中に半導体ウエハがランプにより放出された放射熱エネルギーで加熱される際の累積温度勾配を減少する方法であって、
温度傾斜状態時に前記放射熱エネルギーを加えて、前記半導体ウエハの外側領域が中心部よりも温度が高くなるようにし、
前記温度傾斜状態が完了した後で、温度定常状態時に前記放射熱エネルギーを加えて、前記半導体ウエハの中心部が前記外側領域よりも温度が高くなるようにする各ステップを備え、
前記半導体ウエハの温度は、前記温度傾斜状態及び前記温度定常状態の両方において、約４００℃以下であり、前記温度傾斜状態および前記温度定常状態の両方において、端縁部の温度が中心部よりも高くなるかまたは低くなるかによって、前記半導体ウエハ上の温度勾配の絶対値が低い状態に保たれることを特徴とする方法。
【請求項１９】
前記処理中の所定の時間において、前記累積温度勾配は、ゼロであることを特徴とする請求項１８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置に使用するための放射加熱装置及びその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子の製造中に実行される多くのプロセスでは、加工物の加熱を必要としていることが知られている。加工物の表面を横切って均一に加熱することは、より均一な処理が実行されることになるので最も望ましい。
【０００３】
従来の技術では、異なる加熱構造が相対的な温度均一化を達成するために提案されてきた。一般的なプロセス中に、ウエハの温度が急速に所定温度レベルに上昇する温度傾斜状態と、この温度レベル付近を維持する温度定常状態とがある。
この温度の非均一性は、温度傾斜状態中により大きくなる傾向にある。
【０００４】
均一な温度を達成するための１つのアプローチは、「ゾーンコントロール」と呼ばれる。このゾーンコントロールにおいて、赤外線ランプ等の複数の放射加熱ユニットは、複数のゾーンに分割され、所定のゾーンにおける複数のランプは同一の電力を受け、一方、別のゾーンにおける複数のランプは、異なる電力を受けて、ウエハに均一な温度をもたらす。ゾーンコントロールは、いくつかの応用においては利点を有するが、ランプに加えられる電力の電気制御が複雑となる。
【０００５】
高温度で、急速な温度処理に用いられるフラッド加熱(flood heating) が知られている。このフラッド加熱を用いると、加工物のエッジが温度傾斜状態中により高温となり、一方、ウエハの中心が定常状態中により高温となるという温度逆転現象が観測される。
【０００６】
このような現象は、急速温度処理の高温度環境下（例えば、１１５０℃）では望ましくない。その理由は、このような処理温度で中心から端部において温度変化が生じると、加工物を損傷する応力を作り出すからある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、本発明の目的は、単純でかつ信頼性のある半導体処理のための放射加熱装置及びその方法を提供することである。
【０００８】
更なる本発明の目的は、加工物の処理をより均一にするために、加工物の端縁部から中心部への累積的な温度勾配を減少させる装置及びその方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は各請求項に記載の構成を有する。ウエハの温度が約４００℃に保持されている低温処理に適用する場合、上述の温度逆転現象は、その処理が実行されるとき、端縁部に対して中心部への累積的温度勾配を減少させる傾向を有するので大いに好ましい。
【００１０】
処理の第１段階（温度傾斜状態）において、加工物の端縁部は、中心部よりも温度が高く、一方、第２段階（温度定常状態）では、中心部が端縁部よりも温度が高くなるので、中心部から端縁部おける領域での温度勾配曲線（累積温度勾配）は、最初は、マイナスであり、次にプラスとなり、全体の領域では、温度勾配が一方向のみである場合よりも温度変化が小さくなり、より均一な処理が得られる。
【００１１】
さらに、適切な制限下でのこのような温度逆転によって生じる温度応力は、低温度処理においてウエハに損傷を与えない。この均一処理は、ゾーン処理等の高価でかつ複雑な装置を用いることなく達成される。
【００１２】
本発明の第１の構成では、低温処理中に半導体加工物への累積温度勾配を減少するための放射加熱装置であって、
放射熱エネルギーを放出し、リング状に配置された複数のランプと、各々が各ランプと組み合わされ、内側に鏡面を有する円筒バンド、及び該円筒バンドに対面する側に少なくとも鏡面を有する平坦な内側部材を含み、前記半導体加工物が包含される領域に前記放射熱エネルギーを向かわせるための複数のランプ反射器と、前記半導体加工物の温度が約４００℃以下とし、温度傾斜状態中は、前記半導体加工物の端縁部を中心部よりも熱く、温度定常状態中は前記半導体加工物の端縁部を中心部よりも低くするように電力を選択的に供給する電源と、を備えることを特徴としている。
【００１３】
また、本発明の第２の構成では、低温処理中に放射熱エネルギーを用いて加熱されるべき半導体ウエハへの累積温度勾配を減少するための装置であって、
前記放射熱エネルギーを放出し、リング状に配置された複数のランプと、前記半導体ウエハの温度が約４００℃以下に維持されかつ前記半導体ウエハの端縁部が中心部よりも温度が高くなる温度傾斜状態において前記半導体ウエハに前記放射熱エネルギーを加えるための第１手段と、前記温度傾斜状態が完了した後で、前記半導体ウエハの温度が約４００℃以下に維持されかつ前記半導体ウエハの中心部が端縁部よりも温度が高くなる温度定常状態において、前記放射熱エネルギーを前記半導体ウエハに加えるための第２手段とを含み、
前記第１、第２手段は、各々が各ランプと組み合わされ、内側に鏡面を有する円筒バンド（32）、及び該円筒バンドに対面する側に少なくとも鏡面を有する平坦な内側部材を含み、前記加工物が包含される領域に前記放射熱エネルギーを向かわせるための複数の反射器ユニットからなる１つのリングを構成し、
各反射器ユニットは、楕円形状の背面反射器と、この反射器から伸びる筒状反射器を含み、
前記温度傾斜状態および前記温度定常状態の両方において、端縁部の温度が中心部よりも高くなるかまたは低くなるかによって、前記半導体ウエハ上の温度勾配の絶対値が低い状態に保たれることを特徴としている。
【００１４】
また、本発明の第３の構成では、処理される半導体加工物が置かれている加工物領域にランプにより放出された放射熱エネルギーを向けるための装置であって、
前記加工物領域にある半導体加工物を支持するための手段を有する処理室と、前記加工物領域に前記放射熱エネルギーを向けるため、１つのリング形状に配置された複数の反射器ユニットとを備え、これらの反射器ユニットの各々は、
背面反射器と、この背面反射器から加工物領域の方に伸びる筒状反射器と、前記背面反射器の前側で前記筒状反射器内に配置された前記ランプとを含んで、前記筒状反射器の断面が円形を分割した切頭断面形状となっており、
さらに、前記半導体加工物の温度が約４００℃以下とし、温度傾斜状態中は、前記半導体加工物の端縁部を中心部よりも熱く、温度定常状態中は前記半導体加工物の端縁部を中心部よりも低くするように電力を選択的に供給する電源を備えることを特徴としている。
【００１５】
さらに、本発明の第４の構成では、低温度処理中に半導体ウエハがランプにより放出された放射熱エネルギーで加熱される際の累積温度勾配を減少する方法であって、
温度傾斜状態時に前記放射熱エネルギーを加えて、前記半導体ウエハの外側領域が中心部よりも温度が高くなるようにし、前記温度傾斜状態が完了した後で、温度定常状態時に前記放射熱エネルギーを加えて、前記半導体ウエハの中心部が前記外側領域よりも温度が高くなるようにする各ステップを備え、
前記半導体ウエハの温度は、前記温度傾斜状態及び前記温度定常状態の両方において、約４００℃以下であり、前記温度傾斜状態および前記温度定常状態の両方において、端縁部の温度が中心部よりも高くなるかまたは低くなるかによって、前記半導体ウエハ上の温度勾配の絶対値が低い状態に保たれることを特徴としている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１および図２は、半導体の処理室と共に用いる従来のリング状の放射加熱式反射装置を示している。図１の平面図では、４つの楕円形反射器２，４，６，８が、全体のリング状配置の半分だけ示している。ここで、反射器は、それぞれランプ１０，１２，１４，１６と組み合わされる。
【００１７】
ランプは、赤外線を発生する、例えば、水晶ハロゲン形式であり、図２では、これに関連した側面図が示され、複数の反射器は、半導体加工物、即ち、ウエハ１８に熱エネルギーを集中させるようになっている。反射器の支持体が示され、これらは、ベース２０と、支柱部材２２，２４，２６，２８から構成される。
【００１８】
このような反射器ユニットは、ウエハの端縁部近くの領域を照射するように配置されている。これは幾何学的配置によって、照射がウエハを横切って均一となる場合、ウエハの中心部が端縁部よりも温度が高くなる。
【００１９】
上述したように、処理中、均一な処理の実行を増進するように、ウエハの温度は、ウエハの表面領域を横切ってほぼ均一となることが望ましい。この処理は、アッシング(ashing)、エッチング、及び残留物除去等を含み、また、これに制限されるものではなく、半導体ウエハに実行される多くの処理を含んでいる。
【００２０】
本発明は、低温度処理に関係し、例えば、ウエハを約４００℃以下に維持している間、あるいは、図３のグラフで示すように、２７０℃の処理に対して、中心部から端縁部までの温度勾配を示す場合に関係する。
【００２１】
図３に関連して示すように、この処理は、温度勾配（温度上昇）状態と温度定常状態に分けられる。温度勾配状態では、ランプフィラメントに加えられる電力は、定常状態における場合よりも温度が高くなる。その結果、ウエハの温度を適切な温度にまで高めることができる。この温度に到達すると、電力は減少して定常状態を保つ。この温度は、一般的に定常状態のときよりも温度勾配状態の方がより不均一となる。
【００２２】
図３において、特定の具体例では、温度勾配状態が約２５秒間続き、最大温度勾配が約２６℃を越えることが観測される。定常状態中では、温度勾配は約２０℃である。
【００２３】
図４において、本発明の実施形態が示されている。この実施形態では、図１，図２に示された従来例の配置に、反射構造体３０が付加されている。反射構造体３０は、ウエハにおける温度逆転現象を生じるように形作られており、温度勾配状態では、ウエハの端縁部は、中心部よりも温度が高くなり、温度定常状態では、それが逆転する。
【００２４】
中心部から端縁部までの温度勾配は、最初マイナスであり、その後プラスとなるので、温度がどのくらい均一性を示すかの累積温度勾配は、時間が経過するにつれて減少し、より均一な処理を生じることになる。
【００２５】
再び、図４および図５の平面図とともに図６の側面図において、反射構造体３０は、円筒バンド３２と、半径方向に伸びる仕切り板３４と、平坦な内側部材３６とを含んでいる。これらは、反射器ユニットを構成するために一体に結合される。このユニットの各々は、背面反射器２（楕円形部材）及び筒状反射器３２，３４，３６から構成され、この筒状反射器は、円筒バンド３２と、２つの隣接する仕切り板３４と、平坦な内側部材（平坦なプレート）３６とを含んでいる。
【００２６】
円筒バンド３２はその内側に鏡面を有し、複数の放射状に伸びる仕切り板３４は、その外側端部が円筒バンド３２に接し、外側端部に対向するエッジが内側端部となっている。また、平坦な内側部材３６は、円筒バンド３２に対面する側に少なくとも鏡面を有し、仕切り板３４の内側端部に連結している。
【００２７】
筒状反射器の断面は、円形を分割した切頭断面となっている。筒状反射器の内側表面は、アルミニウムまたはアルザック(Alzak) 製で、および／または鏡面仕上げされている。他方、背面反射器の仕上げは拡散面である。ランプのリングの半分のみが示されているが、これは説明を容易にするためであり、実際の実施形態では、完全なリング形状となって使用される。
【００２８】
鏡面を有する楕円形状の反射器が従来例において使用されると、反射器の集束作用とその結果により温度均一性が失われ、反射器が使用中加熱されるに従って、ランプフィラメントがねじ曲げられる。楕円部材を拡散させること（反射器の表面を粗くすることによって）は、鋭いフォーカスを得ることはできないが、この問題を解決する１つの解法である。
【００２９】
図６において、半導体ウエハ４２を加熱するために使用される放射加熱装置が示されている。この半導体ウエハは、処理室４６内の支持体４４上に配置されている。処理室４６が、アフターグロー  プラズマ  アッシング(afterglow plasma ashing) のために使用されるとき、頂部構造体およびメッシュ構造体５０，５２を介して供給されるプラズマ種は、ウエハ上に均一に発散して、アッシングをもたらすようにするのに効果があり、底部開口５４に付加される真空によって老廃物が引き出される。
【００３０】
真空ライン（図示略）は、反射器構造体における中心開口を通過することができる。プログラマブル電源５８によって各ランプに電力が供給される。このような装置は、従来から良く知られており、選択された時間間隔で異なる電力レベルを供給するためにプログラム化される電源を構成している。
【００３１】
本発明の場合、電源５８は、加熱ユニットによって発生した熱を、前記温度傾斜状態において達成される加熱温度レベル以下のレベルに低下させるための手段として、温度傾斜状態時にはより高い電力を、温度定常状態時には低い電力を選択的に供給するように設けられている。
【００３２】
このため、電源５８および反射器ユニットを構成する背面反射器２と筒状反射器３２，３４，３６は、ウエハの温度が約４００℃以下に維持されかつウエハの端縁部が中心部よりも温度が高くなる温度傾斜状態において半導体ウエハに放射加熱エネルギーを加えるための第１手段と、温度傾斜状態が完了した後で、ウエハの温度が約４００℃以下に維持されかつウエハの中心部が端縁部よりも温度が高くなる温度定常状態において、放射加熱エネルギーをウエハに加えるための第２手段とを構成している。
【００３３】
図４において、反射用仕切り板３４と平坦な内側部材３６は、ランプに密接しており、熱がランプからウエハの中心部に向うのを防止している。また、筒状反射器の断面積は、非円形であり、その結果、長さ方向の多数の反射は、ウエハでのより均一な放射を生じる。この放射は、筒状反射器の壁面に対して、ランプフィラメントの長手方向に垂直な方向に放射が行われる。また、多数の反射の後、放射は筒状反射器の頂部に存在する。光学の法則に従って、筒状反射器の非円形の不規則断面形状によって、出口端部でより多くの均一放射が得られる。
【００３４】
本発明によって得られる改良された結果は、図７及び図８に示されている。図７は、本発明の装置と従来の反射器配置において得られる中心部から端縁部までの温度勾配の比較を示す。２７０℃での低温度処理に対して、曲線Ａは、楕円反射器を用いた従来例の装置を用いた場合の温度勾配を示す。曲線Ｂは、図４ないし図６に示す本発明の実施形態を用いた場合の温度勾配を示す。
【００３５】
温度の逆転作用は次のように発生する。即ち、温度傾斜状態時には端縁部が中心部よりも温度が高く、一方、温度定常状態時には中心部が端縁部よりも温度が高くなる。曲線Ｂにおいて、本発明では、より早く傾斜した後、ゆっくりと中心部から端縁部に向けて温度勾配が始まり、逆転によって温度の絶対値が低い状態に保たれる。
【００３６】
上述したように、他の要因の中で、特に、アッシング処理及びエッチング処理は温度に比例する。そこで、中心部から端縁部へのアッシング／エッチングの差分は、処理時間中の中心部から端縁部までの温度勾配の積分値によって決まる。
【００３７】
図８は、従来例と本発明に対する温度勾配の累積値を示す。従来の配列を用いると、その積分値は常に増加し、処理が常に非均一になる。しかし、本発明の場合、初期の勾配が逆転するために、処理の非均一が最小になる。さらに、図８で示すように、累積温度勾配がゼロになるように、一分間の処理で最適化される。
【００３８】
本発明の反射構造体によって温度逆転が起こる理由は、この構造体が加工物の中心部から端縁部に放射エネルギーを再び向けるようになっているからである。温度傾斜状態において、ランプに加えられる電力が高いとき、優勢な加熱機構は、ランプからの放射エネルギーであり、これにより、加工物が端縁部から中心部まで加熱され、さらに端縁部は中心部よりも温度が高くなる。また、温度定常状態において、放射加熱が低い時、この端縁部から中心部までの加熱は、もはや優勢な加熱機構ではなくなる。代わりに、加工物内の熱伝導、壁作用、処理室の影響、及びアッシング／エッチング処理のすべてが、温度勾配を上昇させる。
【００３９】
本発明の１つの実施形態において、従来例の楕円反射器を改善した反射器構造体３０が示されている。このような構造体は、従来公知の配置に隣接する反射器間の空間に圧入された仕切り板３４を有するように配置しただけのものであり、これらの仕切り板の底部は、背面反射器上に位置する。内側部材３６は、反射効率を向上させるための反射プレート４０を頂部に設けるために折り曲げられている。
【００４０】
本発明の別の実施形態では、全体の構造が新しい設備として設けることもできる。このような手段においては、背面反射器は楕円形状である必要がない。
【００４１】
以上、本発明を例示的な実施形態に関連して説明してきたが、本発明の技術的思想の範囲から逸脱しない変形例は当業者であれば容易に想起することができるであろう。ここで、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその等価物によってのみ制限されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】半導体加工物を放射加熱する場合に用いる従来の反射器配置を示す平面図である。
【図２】図１に示す反射器配置の側部を一部切り欠いて示す側面図である。
【図３】図１，２に示す低温度処理のための反射器配置を用いて中心部から端縁部までの温度勾配を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態を示す斜視図である。
【図５】図４に示す実施形態の平面図である。
【図６】図４に示す実施形態において、処理室を備えた側面図である。
【図７】本発明の装置と従来の反射器配置において得られる中心部から端縁部までの温度勾配を比較して示すグラフである。
【図８】本発明の装置と従来の反射器配置において得られる中心部から端縁部までの累積温度勾配を比較して示すグラフである。
【符号の説明】
２，４，８    反射器
１０，１２，１４，１６    ランプ
１８    壁
２０    ベース
２２，２４，２６，２８    支柱
３０    反射器構造体
３４    仕切り板
３６    内側部材
４２    ウエハ
４６    処理室
５８    電源
【図１】
0004565365.tif 000002
【図２】
0004565365.tif 000003
【図３】
0004565365.tif 000004
【図４】
0004565365.tif 000005
【図５】
0004565365.tif 000006
【図６】
0004565365.tif 000007
【図７】
0004565365.tif 000008
【図８】
0004565365.tif 000009