(57)【要約】プロセシング中にウエハを加熱するための装置及び方法。該装置は、プロセシング領域を画定するプロセシング管を内部に収容するプロセスチャンバを有する。プロセシング管は第１及び第２の壁を有し、両者の間に中空キャビティ即ち通路が画定される。第２の壁には複数の孔即ち出口が形成され、中空キャビティとプロセシング領域とを連通させている。該装置は、プロセシング管に隣接した位置に複数の抵抗性加熱要素も有する。抵抗性加熱要素から放出される熱エネルギーが中空キャビティを通して流れるガスを加熱するように構成される。中空キャビティを通して流れるガスは、前記複数の孔を通して中空キャビティから流出し、対流の効果を利用してプロセシング管に配置されたウエハの温度を変化させる。
2006505947.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセシング中にウエハを加熱する装置であって、
プロセスチャンバと、
前記プロセスチャンバ内に配置され、プロセシング領域を画定するプロセシング管であって、前記プロセシング管は第１の壁及び第２の壁を有し、前記第１及び第２の壁の間に中空キャビティが画定され、前記第２の壁には複数の孔が形成され、前記複数の孔が前記中空キャビティと前記プロセシング領域との間を連通させる、該プロセシング管と、
前記プロセシング管に隣接して配置された複数の抵抗性加熱要素であって、前記抵抗性加熱要素からの熱エネルギー出力が前記中空キャビティを通して流れるガスを加熱するように配置され、前記中空キャビティを流れる前記ガスは前記複数の孔を通して前記中空キャビティから流出し、対流の効果を利用して前記プロセシング管に配置されたウエハの温度を変化させる、該複数の抵抗性加熱要素とを有することを特徴とする装置。
【請求項２】
前記複数の孔を通して前記中空キャビティから流出する前記ガスは、前記プロセシング管内に配置された前記ウエハの温度を対流の効果を利用して上昇させることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記複数の孔を通して前記中空キャビティから流出する前記ガスは、前記プロセシング管内に配置された前記ウエハの温度を対流の効果を利用して低下させることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記プロセシング管が、水晶、Ａｌ２Ｏ３、及び炭化ケイ素からなる群から選択された材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記プロセシング管が、内部に動く部品を有しないことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記ガスが、Ｈｅ、Ｈ２、Ｏ２、Ａｒ、Ｎ２、ＮＨ３、Ｏ３、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、Ｂ２Ｈ６、及び他のＣＶＤの用途に適したガス、及びこれらを組み合わせたもの、からなる群から選択されたガスを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記抵抗性加熱要素のそれぞれの熱エネルギー出力が、コントローラを用いて制御可能あることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記ガスが、１０ｓｃｃｍ乃至１００ｓｌｍの範囲の流量で前記中空キャビティを通して流れることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記ウエハの温度の変化が、１℃／秒乃至１０００℃／秒の範囲の変化速度で生ずることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記ウエハの温度が、１００℃乃至１４００℃の範囲で変化され得ることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記プロセシング管内の圧力が、０．０１トル（Ｔｏｒｒ）乃至１０００トルの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記プロセスチャンバに複数の加熱ゾーンを定められ、前記複数の加熱ゾーンのそれぞれは、前記複数の抵抗性加熱要素の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記複数の加熱ゾーンのそれぞれが、マイクロプロセッサにフィードバック情報を送信する温度測定デバイスを含むことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記複数の抵抗性加熱要素に近接して配置された熱拡散材料をさらに有し、
前記熱拡散材料は、各前記抵抗性加熱要素からの前記熱エネルギー出力に前記中空キャビティを流れる前記ガスを加熱させることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
半導体ウエハをプロセシングする方法であって、
プロセシング管の壁によって画定された中空キャビティにガスを流す過程と、
前記ガスが前記中空キャビティ内にある間に前記ガスの温度を変化させるべく、複数の抵抗性加熱要素から熱出力を発生する過程と、
加熱された前記ガスを前記中空キャビティからウエハプロセシング領域に流入させ、前記ウエハプロセシング領域内に配置されたウエハの温度を変化させる過程とを有することを特徴とする方法。
【請求項１６】
加熱された前記ガスを前記中空キャビティからウエハプロセシング領域に流入させ、前記ウエハプロセシング領域内に配置されたウエハの温度を変化させる前記過程が、
前記プロセシング管内に配置された前記ウエハの温度を上昇させる過程を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
加熱された前記ガスを前記中空キャビティからウエハプロセシング領域に流入させ、前記ウエハプロセシング領域内に配置されたウエハの温度を変化させる前記過程が、
前記プロセシング管内に配置された前記ウエハの温度を低下させる過程を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記プロセシング管が、金属、水晶、Ａｌ２Ｏ３、及び炭化ケイ素からなる群から選択された材料を含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造装置に関するものであり、特に半導体ウエハのプロセシング用の装置及び方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイスのプロセシングにおいて、プロセシング中にデバイスが曝される加熱処理を精密に制御する必要性は非常に高い。
【０００３】
半導体産業において、寸法の小さい半導体デバイスの開発の進歩には、新たなプロセシング及び製造技術の開発が必要である。このようなプロセシング技術の１つに、急速加熱処理（ＲＴＰ）がある。ＲＴＰ技術は、プロセシング中に半導体デバイスが高温に曝される時間を短縮する。ＲＴＰ技術は、一般的には、半導体デバイスまたはウエハに、十分なパワーで照射を行い、ウエハの温度を急速に上昇させてその温度に維持するが、その高温に維持する時間は、加工プロセスを問題なく実施するために十分に長い時間であるが、それより長い時間高いプロセシング温度に曝されることにより生ずる望ましくないドーパントの拡散等の問題が生じない程度の時間である。
【０００４】
上述のような理由から、急速加熱処理中に半導体デバイスの表面上の温度を一様に分布させるための装置及び方法が必要とされている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、広範なプロセシング温度及び圧力の下で、プロセシング中に半導体デバイスまたはウエハの表面の温度分布を一様に分布させる加熱装置及び加熱方法を提供するものである。本発明は、スリップフリー（熱応力による結晶内すべりの生じない）ＲＴＰプロセスも提供し得る。
【０００６】
本発明においては、プロセシング管を収容するように構成されたキャビティを画定するプロセスチャンバを備えた加熱炉が提供される。この加熱炉は、その内部に望ましい形で配置された複数の抵抗性加熱要素を有する。この抵抗性加熱要素は、加熱炉全体にわたって一様な加熱温度分布を提供できるように相互に隣接して整列された形で配置されている。抵抗性加熱要素は、プロセシング中に両面加熱を行えるようにプロセシング管を取囲むような形態で配置され得る。好ましくは、抵抗性加熱要素は、それから供給される熱エネルギーの一様な温度分布を達成するための熱拡散材料で覆われ得る。
【０００７】
本発明の或る態様では、プロセシング中にウエハを加熱する装置が提供される。この装置は、プロセシング領域を画定するプロセシング管を内部に収容するプロセスチャンバを有する。プロセシング管は第１の壁及び第２の壁を有し、両者の壁の間に中空キャビティ即ち通路が画定される。第２の壁には複数の孔即ち出口が形成され、中空キャビティとプロセシング領域との間を連通させている。前記装置は、プロセシング管に隣接した位置に複数の抵抗性加熱要素も有する。抵抗性加熱要素から放出される熱エネルギーが中空キャビティを通して流れるガスを加熱するように構成される。中空キャビティを通して流れるガスは、前記複数の孔を通して中空キャビティから流出し、対流の効果を利用してプロセシング管に配置されたウエハの温度を変化させる。
【０００８】
本発明の別の態様では、半導体ウエハをプロセシングする方法であって、
プロセシング管の壁によって画定された中空キャビティにガスを流す過程と、
前記ガスが前記中空キャビティ内にある間に前記ガスの温度を変化させるべく、複数の抵抗性加熱要素から熱出力を発生する過程と、
加熱された前記ガスを前記中空キャビティからウエハプロセシング領域に流入させ、前記ウエハプロセシング領域内に配置されたウエハの温度を変化させる過程とを有することを特徴とする方法が提供される。
【０００９】
好都合な点として、本発明による急速加熱処理は、広範な温度及び時間の領域に対して特にウエハ端部の近傍においてスリップフリープロセシングを行える技術となり得ることが挙げられる。
【００１０】
プロセシング領域内において、例えばリフトピンやウエハスピナのような動く部品を設ける必要はなく、またリフレクタ、アクチュエータ、複雑なトランス、制御装置等の他の複雑でコストの嵩む構成要素も不要である。本発明の加熱炉は、巨大な加熱用のランプや動く部品が不要であることから、プロセシング領域の体積及び加熱炉のサイズを、他の加熱炉と比較して実質的に縮小することができる。加熱炉の体積、サイズを縮小することは、以下の説明で明らかになるように極めて有益である。
【００１１】
本発明の上記の特徴及び利点、並びに他の特徴及び利点は、以下の実施例の詳細な説明を添付の図面とともに参照することによって一層容易に理解されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明の代表的な環境を設定する半導体ウエハプロセシングシステム１００の一実施例の概略側面図である。本発明の用途は、特定のウエハプロセシングシステムにおける利用に限定されないことを理解されたい。
【００１３】
図１に示すように、プロセシングシステム１００は、複数のプラットフォーム１０４を備えたローディングステーション１０２を有し、該プラットフォーム１０４は、ウエハカセット１０６を支持し、それを上方向に動かしてロードロック１０８の中に入れる。ウエハカセット１０６は、人の手によるか、または自動的に案内される車両（ＡＧＶ）を用いるかの何れかの方式でプラットフォーム１０４内にロードされる移動可能なカセットである。ウエハカセット１０６は移動可能でなく固定式カセットであってもよく、この場合ウエハは、従来型の大気圧環境用ロボットまたはローダ（図示せず）を用いてカセット１０６上にロードされる。ウエハカセット１０６が一旦ロードロック１０８の内部に置かれると、ロードロック１０８及びトランスファチャンバ１１０は、大気圧に維持されるか、或いはポンプ１１２を用いて減圧状態にポンピングされる。トランスファチャンバ１１０内のロボット１１４は、ロードロック１０８の側に回転し、ウエハ１１６をカセット１０６から持ち上げる。加熱炉１２０も同様に大気圧に維持されるか減圧状態にあって、ゲート弁１１８を通してロボット１１４からウエハ１１６を受け取る。
【００１４】
次にロボット１１４が引き込まれ、続いてゲート弁１１８が閉じられて、ウエハ１１６のプロセシングが開始される。ウエハ１１６のプロセシングが終了すると、ゲート弁１１８が開かれて、ロボット１１４がウエハ１１６を持ち上げて加熱炉から取り出すことが可能になる。
【００１５】
選択に応じて、例えば加熱炉１２２のような追加の加熱炉をプロセシングシシステム１００に設けてもよい。本発明によれば、加熱炉１２０及び１２２は熱アニーリングで使用されるもののようなＲＴＰリアクタである。他の実施形態として、リアクタ１２０及び１２２は、例えばドーパント拡散、熱酸化、窒化物形成、ＣＶＤ、及び他の類似のプロセスで使用されるもののような他の種類のリアクタであり得る。リアクタ１２０及び１２２は通常水平な向きに配置されるが、実施形態によっては、リアクタ１２０及び１２２を垂直方向に（即ち一方の上に他方が積み重ねられる形で）配置して、システム１００の占有床面積が最小限となるようにする。
【００１６】
リアクタ１２０及び１２２は、トランスファチャンバ１１０上にボルトで固定され、さらに支持フレーム１２４に支持される。プロセスガスや冷却液の供給手段や電気的接続手段は、インタフェース１２６を用いてリアクタの後端に設けられる。
【００１７】
図２に示すように、加熱炉２００は、端部閉鎖型プロセシングチャンバ２０８を備えている。このプロセシングチャンバ２０８は、内部キャビティ２１０を画定している。内部キャビティ２１０のなかにはプロセシング管２１２が配設される。外部からみたとき、加熱炉２００は、アルミニウムまたは類似の金属からなり、開口部を有してウエハ１１６をプロセシングのために受容するべく構成された金属シェル２０２であり得る。加熱炉２００は、断熱材２０４のような断熱材料を内部に有し、この断熱材は実質的にプロセシングチャンバ２０８を外囲し、熱エネルギーがシェル２０２を通して外部に逃げるのをゼロまたは最小化する。断熱材２０４は、セラミックファイバ等の適切な断熱材料であり得る。
【００１８】
選択に応じて、加熱炉２００の近くのユーザ及び／または装置を保護するため、加熱炉に、着脱自在な水冷ジャケット（図示せず）、または類似の装置の装置を備えさせて、その装置が加熱炉２００を外囲するようにしてもよい。水冷ジャケットは加熱炉２００の温度が高くなり過ぎないようにして、炉の近くの装置や作業者に害を与えないようにするものである。
【００１９】
或る実施形態では、複数の加熱要素２２０が、プロセシング管２１２の上側及び下側部分を取囲む形で用いられる。この実施形態では、複数の抵抗性加熱要素２２０が、プロセスチャンバ２０８の外側全体に相互に平行となるように配置され得る。各加熱要素２２０は、相互に隣接する形で配置される。例えば、各抵抗性加熱要素２２０が、約５ｍｍ乃至約５０ｍｍの範囲の間隔、例えば約１０ｍｍ乃至約２０ｍｍの間隔をおいて配置され得る。このように、加熱要素２２０が近接した間隔をおいて配置されていることによって、プロセシング管２１２において一様な加熱温度分布が得られる。
【００２０】
抵抗性加熱要素２２０は、フィラメントワイヤによって外囲された抵抗性加熱要素コアを有する形態であり得る。このコアはセラミック材料製であるが、任意の高温定格の非導電性材料から作られたものであり得る。フィラメントワイヤは、従来のように適切な量の熱エネルギーが要素から放射され得るように、コアの周囲に巻回される。フィラメントワイヤは適当な抵抗性加熱可能なワイヤであれば任意のものを利用することができ、例えばＳｉＣ、ＳｉＣでコーティングされたグラファイト、グラファイト、ＮｉＣｒ、ＡｌＮｉ及び他の合金等の、熱応答性が高く高温で安定な質量の大きい材料から作られる。或る実施形態では、抵抗性加熱フィラメントワイヤとして、Ｏｍｅｇａ社（米国コネチカット州スタムフォード）から市販されているＫａｎｔａｌ  Ａ−１またはＡＦとして知られる組み合わせＡｌ−Ｎｉ−Ｆｅ材料から作られる。
【００２１】
選択に応じて、抵抗性加熱要素２２０はさまざまな形状で配置される。そのような形状パターンとして、円環状、ジグザグ形状、平行線パターン等が挙げられる。このパターンをさまざまに変えることによって、より最適な温度分布が得られ、ウエハ表面上の温度分布のばらつきをさらに小さくすることができる。
【００２２】
更に別の実施形態では、加熱炉２００が熱拡散部材２２２を備えている。この熱拡散部材２２２は加熱要素２２０とプロセスチャンバ２０８との間でそれらの近接する形で配置される。熱拡散部材２２２は加熱要素２２０から放出される熱エネルギーを吸収した上で、その熱をプロセスチャンバ２０８及びプロセシング管２１２を一様に横断させるように放出する。熱拡散部材２２２は、十分に高い熱伝導率を有する適当な熱拡散材料、好ましくは炭化ケイ素、Ａｌ２Ｏ３、またはグラファイトであり得る。
【００２３】
或る実施形態では、加熱炉２００が任意の数の加熱ゾーンを有する。図２に示す実施形態では、加熱炉２００が３つの並行する加熱ゾーンを有する。これらの３つの加熱ゾーンは、ゾーン２として示されている中央ゾーンと、ゾーン１及び３として示されている中央ゾーンに隣接する２つの外側ゾーンとを含む。各加熱要素２２０は、特定の加熱ゾーンに割り当てられる。
【００２４】
後に詳細に説明するように、各加熱ゾーンは少なくとも１個の温度センサ２２４を有する。この温度センサ２２４は、コントローラ２２６へのフィードバックを供給する。或る加熱ゾーン内の温度の変動が温度センサによって検知されると、リアルタイムコントローラ２２６が電源２３２から供給される電力を必要に応じて増減させ、もって各抵抗性加熱要素２２４からのエネルギー出力（熱）を増減させる。例えば、加熱ゾーン１において温度の低下が検出されると、加熱ゾーン１の温度が所望のレベルに戻るまで、加熱ゾーン１に割り当てられた抵抗性加熱要素２２０から出力される熱エネルギーが増加させられる。このようにして、ウエハ１１６の各加熱ゾーンの表面温度が実質的に等温に維持されることになる。
【００２５】
加熱ゾーンの数及び各ゾーンに割り当てられる抵抗性加熱要素２２０の数は、必要なエネルギー出力に応じて変えることができる。各加熱ゾーンのサイズ（即ち加熱体積）も可変である。各加熱ゾーンのサイズは所望に応じて増減できるようにするのが有利である。例えば、抵抗性加熱要素２２０を加熱ゾーン１及び３から加熱ゾーン２に割り当て直すことによって、加熱ゾーン２をより大きいウエハのプロセシング用にスケールアップすることができる。このことは、加熱ゾーン２に割り当てられた抵抗性加熱要素２２０の数が増加し、加熱ゾーン１及び３に割り当てられた抵抗性加熱要素の数が減少することを意味する。加熱ゾーン２に追加された加熱要素は、コントローラ２２６によって制御されて、既に加熱ゾーン２に割り当てられていた加熱要素と同じように応答することになる。
【００２６】
或る実施形態では、熱電対のような温度センサが熱拡散部材２２２内部に埋め込まれる。例えば、熱電対２２４ａ、２２４ｂ、及び２２４ｃを、それらが熱拡散部材２２２の温度条件に関するフィードバックをライン２３０を介して供給し得るように戦略的に配置することができる。具体的には、例えば第１及び第２の熱電対２２４ａ及び２２４ｃを熱拡散部材２２２の各端部に配置し、第３の熱電対２２４ｂは、熱拡散部材２２２の中央に配置する。この配置形状では、加熱ゾーン（例えば加熱ゾーン１、２、及び３）の温度はコントローラ２２６に供給されるフィードバックでモニタされ得る。熱電対２２４ａ−２２４ｃを熱拡散部材２２２の既知の位置に配置することによって、プロセスチャンバ２０８内の或る位置に関する熱勾配を求めることができる。コントローラ２２６はこのデータを用いて、各加熱ゾーン内の温度をより精密に制御する。熱電対２２４ａ、２２４ｂ、及び２２４ｃは、Ｏｍｅｇａ社（米国コネチカット州スタムフォード）から市販されている従来型のＲ型またはＫ型の熱電対であり得る。
【００２７】
マイクロプロセッサ即ちプロセス制御用コンピュータ２２８は、ＲＴＰリアクタに配置された半導体ウエハのプロセシングを全般的に制御し、また診断の目的でシステムの状態をモニタするためにも用いられる。或る実施形態では、プロセスコンピュータ２２８が、温度センサ２２４から受け取った温度データに応答して、コントローラ２２６に制御信号を供給する。プロセスコンピュータ２２８は、ポンプアセンブリ１１２（図１参照）に、圧力設定値を供給するとともに、流体の回路（図示せず）における質量流量コントローラに”ガス・プラズマ入口流れ信号”を供給する。或る実施形態では、コントローラ２２６が、Ｏｍｅｇａ社から市販されているリアルタイムＰＩＤ（比例−積分−微分）マルチゾーンコントローラである。コントローラ２２６は、ＳＣＲを用いた位相制御電源２３２に制御信号を供給し、この電源２３２は抵抗性加熱要素２２０に電力を供給する。抵抗性加熱要素に電力を供給するために、通常約１００Ｖ乃至約５００Ｖの範囲にある線路電圧を使用するのが有利である。従って、本発明においては、抵抗性加熱要素２２０の出力を制御するために複雑な電源トランスは不要となる。
【００２８】
動作時においては、マルチゾーンコントローラ２２６はセンシングライン２３０を介して温度センサ出力を受け取り、コンピュータ２２８から所望のウエハ温度設定値を受け取り、制御された電源設定値を加熱要素電源２３２に供給する。加熱要素２２０は、電源２３２から供給される電源の増減に応じてそのエネルギー出力を増減させる。
【００２９】
図３は、本発明の一実施例によるプロセシング管２１２を備えたプロセスチャンバの簡略図である。或る実施形態では、プロセシング管２１２はウエハ１１２を収容する最小限の内部容積を有し、実質的に矩形の断面形状を有する形で構成される。或る実施形態では、プロセシング管２１２の容積は５０００ｃｍ３以下であり、好ましくは約３０００ｃｍ３未満である。容積を小さくすることによって、温度の均一性がより容易に保たれることになる。加えて、管の体積が小さくなることで、加熱炉２００（図２参照）をより小型にすることが可能となり、その結果システム１００をより小型にすることができ、必要なクリーンルームの床面積をより小さくすることができる。ロボットローダを使用する場合、加熱炉サイズが小さくなれば、図１に示すようにリアクタを垂直方向に積み重ねることでシステム１００において複数の加熱炉を用いることが可能となる。
【００３０】
プロセシングを行うため、プロセシング管２１２は圧力を加えられ得るものであるべきである。一般的には、プロセシング管２１２は、約０．００１トル（Ｔｏｒｒ）乃至１０００トルの範囲、好ましくは約０．１トル乃至約７６０トルの範囲の内部圧力に耐えられなければならない。或る実施形態では、プロセシング管２１２は水晶製であるが、炭化ケイ素、Ａｌ２Ｏ３や、それらに類する他の適当な材料からなるものでもよい。
【００３１】
ウエハ支持デバイス３０２は、プロセシング管２１２内で一個のウエハを支持するために用いられる。支持デバイス３０２は、例えば水晶等の耐高温材料からなり得る。支持デバイス３０２は高さに関する必要条件を有しており、例えば高さが約５０μｍ乃至約２０ｍｍの範囲にある必要がある。或る実施形態では、支持デバイス３０２はプロセシング管２１２内に配置された隔離絶縁器（standoff）である。この隔離絶縁器は、約５０μｍ乃至約２０ｍｍの範囲の高さを有するのが一般的である。隔離絶縁器とウエハ１１６との全接触面積は、約３５０ｍｍ２未満、好ましくは約３００ｍｍ２である。隔離絶縁器３０２は水晶または類似の材料製であり得る。
【００３２】
開口部３０４はプロセシング管２１２の一端に形成され、プロセシングの前後にウエハ１１６をロード及びアンロードするためのプロセシング領域３１０へのアクセスを提供するものである。開口部３０４は、比較的小さい開口部であり得るが、厚さ約０．５ｍｍ乃至約２ｍｍで、直径最大約３００ｍｍ（〜１２インチ）のウエハと、そこを通過するロボット１１４のアーム（図１参照）とを収容するのに十分な高さと幅を有するものである。開口部３０４の高さは約１８ｍｍ乃至約５０ｍｍ以下、好ましくは約３０ｍｍ以下である。開口部が比較的小さいことは、プロセシング管２１２からの放射熱の損失を小さくする助けとなる。さらに、開口部が小さいことで、プロセシング管２１２のプロセシング領域３１０に入る粒子の数が少なくなり、また等温温度環境を維持が一層容易になる。
【００３３】
図４は、本発明の一実施例によるプロセシング管２１２の一部の拡大図である。図に示すように、プロセシング管２１２は中空の壁を有する形態とされ得る。例えばプロセシング管２１２は、内部の中空キャビティ即ち通路４０６を外囲する外側壁４０２及び内側壁４０４を有するように形成される。外側壁４０２及び内側壁４０４の厚さは、種々の圧力条件の下で高温プロセシングを行うのに適した任意の厚さであり得る。例えば、壁の厚さは、約１ｍｍ乃至約５ｍｍの範囲であり得る。中空キャビティ４０６は、ウエハプロセシングを促進にするために必要な任意の体積を有するように形成され得る。例えば、中空キャビティは約０．５ｍｍ乃至約５ｍｍの厚さを有し得る。
【００３４】
中空キャビティ４０６は入口３１１（図３参照）を有し、これによって中空キャビティ４０６内にガスリザーバ（図示せず）からガスを供給することができる。このガスは、例えばＨｅ、Ｈ２、Ｏ２、Ａｒ、及びＮ２等の適切なキャリアガス、例えばＮＨ３、Ｏ３、ＳｉＨ４、Ｓｉ２Ｈ６、Ｂ２Ｈ６、及び他のＣＶＤの用途に適したガス等のプロセスガス、及びこれらのキャリアガスとプロセスガスの組み合わせを含み得る。本明細書においては、キャリアガス、プロセスガス、及びキャリアガスとプロセスガスの組み合わせを、単に「ガス」と称するものとする。
【００３５】
或る実施形態では、内側壁４０４に複数の孔即ち出口４０８が形成され、中空キャビティ４０６とプロセシング領域３１０（図３）との間を連通させている。各出口４０８のサイズは、様々な種類のガスが中空キャビティ４０６とプロセシング領域３１０との間で移動可能となるようなサイズであり得る。一例では、出口４０８が、約０．１ｍｍ乃至約２ｍｍの直径を有し得る。
【００３６】
出口４０８は、開口部３０４のあるプロセシング管２１２の末端３０１から、プロセシング管２１２のガス入口端から一定距離３０５の点３０３まで延在し得る。この距離３０５は、ガス流が出口４０８から出る前に所定の流量において最小の温度に達することが可能な長さに設定される。
【００３７】
プロセシング管２１２は、様々な既知の製造技術を用いて製造できる。例えば、プロセシング管２１２は、溶接、蝋付け、組立て、または鋳造等によって作ることができる。
【００３８】
ガス流に伝達される熱は、ヒータの熱質量、ガスの流量、出口の直径、並びにガスの種類、ガスの中空キャビティ４０６での滞留時間、及び中空キャビティ４０６の名目温度の関数である。これら各パラメータを調節して、放出されるガスの温度が特定のプロセスに適したものとすることができる。
【００３９】
一般的に、加熱要素の熱質量及び熱エネルギー出力及び容量は既知である。従って、所定の熱エネルギー出力において、ガスが中空キャビティ４０６を通して所定の流量、例えば約１０ｓｃｃｍ乃至約１００ｓｌｍの範囲の流量で流れるようにすることができる。ガスの流量は、ウエハが隔離絶縁器上に安定した状態で維持され、かつプロセシング管外部の周囲環境とプロセシング管内部との圧力差が比較的小さい状態に維持されるように選択される。
【００４０】
中空キャビティ４０６は、ガスが入口３１１から出口４０８の流出点に流れるにつれ加熱されるような熱交換手段となる。入口３１１から流入するガスは、周囲温度であるか、または中空キャビティ４０６に入る前に予備加熱され得る。ガスは、出口４０８から流出する前に、中空キャビティ４０６の距離３０５を通して流される。距離３０５の長さは可変であるが、その長さは少なくとも、出口４０８から流出してプロセシング領域３１０に入る前に所望の最小温度に達するような滞留時間を提供するに十分な長さである。
【００４１】
或る実施形態では、そのガスが、１℃／秒乃至１０００℃／秒の範囲から１００℃／秒乃至１４００℃／秒の範囲の加熱速度で加熱され得るような流量で中空キャビティ４０６を通して流される。
【００４２】
図３に示すように、動作可能な実施形態の１つでは、ウエハ１１６が隔離絶縁器３０２の上に載せられてプロセシング管２１２内に配置される。キャリアガスとプロセスガスを組み合わせたガス等のガスは、中空キャビティ４０６を通して流れることができる。或る実施形態では、中空キャビティ４０６に流入するガスは、予め加熱されているガスか、或いは環境温度のガスであり得る。この例では、矢印３１２で示されるように中空キャビティ４０６に流入するガスは、概ね室温（〜２５℃）の温度で流入する。しかし、何れの実施形態においても、ガスは加熱要素２２０から熱拡散材料２２及びプロセスチャンバ２０８に入り、最終的に外側壁４０２及び内側壁４０４を通して伝達される熱でプロセシング温度まで加熱される。初めにガスは、中空キャビティ４０６内を距離３０５だけ流れて、最小の所望のプロセシング温度に達する。次にガス流は出口４０８に達して、プロセシング領域３１０に入る。流れるガスはプロセシング領域３１０内でウエハ１１６に接触し、強制滞留の効果を利用してウエハ１１６を加熱する。
【００４３】
加熱されたガスは、制御された流量で中空キャビティ４０６内に流入する。従って、ウエハ１１６の加熱のランプレート制御は、ガスの流量の制御と相互関係を有し得る。後述するように、ガス流はウエハ１１６のプロセシングを通して連続的に流されるか、或いは温度上昇中のみ流されるか、冷却中のみ流されるか、両方の場合に流される形で間欠的に流される。
【００４４】
図５のグラフ５００に示すように、加熱炉２００に配置されて加熱されるウエハは、ウエハの中央部と端部とで加熱プロファイル及び加熱速度が異なる。例えば、プロセシング管２１２の中空キャビティ４０６を流れるガス流が無い場合には、ウエハ中央部５０２は約１０００℃のプロセシング温度に達するまで約３．４５単位時間必要である。一方、ウエハの端部は同じ温度に達するまで約２．５単位時間必要である。
【００４５】
本発明に従って、中空キャビティ４０６を通してプロセシング領域３１０にガスを流すことにより生成される強制対流を利用して加熱されるウエハは、ウエハの中央部と端部において殆ど同一の加熱プロファイルで加熱される。例えば、ウエハの中央部５０６とウエハの端部５０８は、１単位時間より短い概ね同じ時間で約１０００℃のプロセシング温度に達する。
【００４６】
本発明の主要な利点は、放射率の影響がより少なくなり、かつ局所加熱効果による加熱むらの発生がより少なくなる形で、実質的にスリップフリーなシリコンウエハのＲＴＰ（急速加熱処理）を実施することが可能となる点である。さらに、ガス流量の制御を利用してランプレートを制御することによって、図５に示すようにウエハを一様かつ急速に加熱することが可能となる。
【００４７】
図６は、本発明による別の実施例の効果を示す図であり、ここではウエハがプロセシング管２１２内にある間に強制対流がウエハを強制的に冷却し得る。グラフ６００に示すように、中空キャビティ４０６（図４参照）を流れるガスの流量が増加するにつれて、ウエハ温度のランプレートも大きくなる。しかし、符号６０２で示される点のように、所定の熱出力の下で一定のガス流量でガスを流すとウエハ温度のランプレートは減少し始める。この局面では、強制対流の効果がウエハからエネルギーが奪い、ウエハを冷却させるように働く。強制冷却によって、プロセスチャンバ２０８全体を冷却する必要も、別の冷却用チャンバを設ける必要もなく、処理済みのウエハを臨界的スリップ形成温度以下の温度まで冷却できる。
【００４８】
以上の説明にいうウエハは、当分野で従来より一般的に使用されていた材料、例えばケイ素、ガリウム、砒化物、または他のそれに類する化合物から作られたウエハであるか、或いは水晶またはガラス製の半導体ウエハであることを理解されたい。
【００４９】
好ましい実施形態について説明してきたが、当業者は本発明の精神及び範囲を逸脱することなくその実施形態の細部に変更を加えることができるであろう。従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲の請求項の記載のみよって限定される。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の代表的な環境を設定する半導体ウエハプロセシングシステムの概略側面図。
【図２】本発明の一実施例による加熱炉の簡略断面図。
【図３】本発明の実施例によるプロセシング管を備えたプロセスチャンバの簡略図。
【図４】図３のプロセシング管の一部分の簡略図。
【図５】ウエハ加熱時における本発明の効果を示すグラフ。
【図６】ウエハ冷却時における本発明の効果を示すグラフ。
【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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【国際調査報告】
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