JP2650908B2 - 熱処理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、熱処理技術に適用して有効な技術に関する
もので、たとえば、半導体装置製造における半導体ウエ
ハ（以下、単にウエハという）の水素アニール処理に利
用可能なものである。

〔従来の技術〕

ウエハの処理に用いられる縦型構造の処理装置の一例
としては、株式会社工業調査会、昭和59年11月29日発
行、「電子材料1984年別冊、超LSI製造・試験装置ガイ
ドブック」、P60に記載されたものがあり、この文献に
は反応管を縦置きにした、いわゆる縦型構造の処理装置
について、横型のものと比較して有効な点等が種々説明
されている。

本発明者は、前記縦型構造の処理装置、特に縦型のア
ニール装置における処理の信頼性向上について検討し
た。以下は、公知とされた技術ではないが、本発明者に
よって検討された技術であり、その概要は次の通りであ
る。

すなわち、たとえばシリコンウエハの製造プロセスの
段階で、シリコン酸化膜SiO₂とシリコンSiとの界面にお
いて不整合結合子が存在する場合がある。ウエハ上にこ
のような不整合結合子が数多く存在すると、シリコン半
導体における電気的特性がシフト変化してしまい、MOS
ゲートの制御が不可能となってしまうおそれがある。こ
のような対策として、前記の不整合結合子にＨ基を結合
させて半導体素子の電気的特性を安定させることが考え
られる。

このため、高温の水素雰囲気中でウエハのアニーリン
グを行う水素アニール装置が用いられている。

前記のようなアニール装置においても、構造上、大気
の炉内への巻き込みが少ない点、あるいはウエハの移載
が容易な点、さらに構造上の強度が保てる点等から、前
述のように縦型構造の反応管を備えたものが注目されて
きている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、アニール処理においては、処理直後の高温
状態のウエハを急激に大気に曝した場合、以下のような
処理不良を生じることが本発明者によって見出された。

すなわち、前記のようなアニール処理が完了した直後
のウエハを、急激に常温状態の大気中に曝した場合、一
旦はシリコンの不整合結合子に結合していたＨ基が再び
分離してしまい、半導体素子の電気的特性を劣化させて
しまうというものである。

この点について、装置の高さを抑えるために、反応管
の長さを短くした縦型のアニール装置においては、処理
後のウエハが管外に取り出されて急激に大気に曝される
可能性が、横型のアニール装置に比べて特に高く、その
ため安定したアニール処理を行うことが難しいことが本
発明者によってさらに明らかにされた。また、アニール
処理する際のウエハを高温処理領域に直接セットする場
合にも、種々の悪影響があることが明らかにされた。

本発明は、上記問題点に着目してなされたものであ
り、その目的は縦型処理技術における信頼性の向上、特
にアニール処理における信頼性を向上させることのでき
る技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、
本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろ
う。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、シリコン酸化膜とシリコンとの界面を有
するウエハを準備する工程と、前記ウエハを縦型熱処理
装置に設けられた反応管の処理域に配置する工程と、前
記反応管内部を封止る工程と、水素を含むガス雰囲気に
おいて常温よりも高い第１の温度で前記ウエハを熱処理
する工程と、前記反応管の処理域よりも前記反応管の開
口端側に設けられ、前記第１の温度と常温との間の第２
の温度に制御された断熱域に前記ウエハを移動して水素
を含むガス雰囲気で前記ウエハを一定時間放置する工程
と、前記反応管内を不活性な雰囲気状態にする工程と、
前記ウエハを前記反応管から取り出す工程とからなるこ
とを特徴とする熱処理方法により達成される。

〔作用〕

上記した手段によれば、たとえば処理の終了後に被処
理物を取り出す際に、被処理物が高温の処理域から一
旦、低温の断熱域に移されて、その後に管外に取り出さ
れるため、急激な温度低下に起因する被処理物の処理不
良、たとえばウエハの水素アニール時における不整合結
合子からのＨ基の再分離を防止でき、処理の信頼性を向
上させることができる。

〔実施例〕

第１図，第２図および第３図は、それぞれ本発明の一
実施例である水素アニール装置を用いた処理を順次示す
説明図である。

本実施例の水素アニール装置１は、上端がドーム状に
閉塞され、下端が開口されて導出入口２を構成する反応
管３を有している。この反応管３の内部は、上方が処理
域Ａ、下方が断熱域Ｂとして構成されており、各領域間
A,B間は空間的に連通された状態となっている。反応管
３の内部上方には外部から導かれる処理流体供給管４が
処理域Ａに対して開口された状態で接続されており、こ
の処理流体供給管４を通じて、処理流体としての水素ガ
スと窒素ガスとの混合ガス５が処理域Ａに供給されるよ
うになっている。

第１図は、本装置１による処理状態を示しているが、
この状態において処理域Ａには、被処理物としての複数
枚のウエハ６が、前記反応管３の幅断面方向とほぼ平行
になるようにして一定の間隔をおいて治具７によって保
持されている。この治具７は、ウエハ６の保持部7aと、
該保持部7aを下方から支持する支持棒7bとからなり、該
支持棒7bは下方の断熱域Ｂを経て外部にまで延設された
構造となっている。

前記反応管３の下方側部には、混合ガス５の放出管８
が設けられており、これによって処理域Ａに供給された
混合ガス５のうち、ウエハ６との反応に寄与しなかった
残りの混合ガス５がこの放出管８を通じて排出され、こ
の放出管８の外方先端において、このうちの水素ガス成
分が水素炎10として燃焼される構造となっている。

反応管３の周囲において、処理域Ａに対応する部分、
すなわち反応管３の外側上方の周囲には、加熱手段とし
てのヒーター11が設けられており、内部の処理域Ａが所
定の高温状態、たとえば数百℃程度にまで加熱可能とな
っている。

一方、断熱域Ｂに対応する部分、すなわち反応管３の
外側下方の周囲には、たとえばセラミックウール等から
なる断熱体12が設けられており、この断熱体12の内部に
は水冷管13が螺旋状に、前記反応管３の内部の断熱域Ｂ
を囲むようにして敷設されている。この水冷管13による
強制冷却作用によって、反応管３の内部の断熱域Ｂは、
所定の低温状態となるように制御されている。ところ
で、この低温条件は処理温度と常温との中間温度で設定
すればよく、例えば処理温度が数百℃程度である場合に
は、この断熱域Ｂの温度は前記処理温度と常温との中間
の温度状態となるように制御される。

なお、前記ヒーター11の周囲および反応管３の上方
は、いずれも前記と同様の断熱体12b,12cによって覆わ
れており、本装置１の外方への熱放散が防止されてい
る。

反応管３の下端の導出入口２には着脱可能に封止蓋14
が装着されており、この封止蓋14の中央部分には管軸方
向に前記治具７の支持棒7bが貫通されている。ここで、
前記支持棒7bは反応管３の内部を封止状態に保ったまま
で管軸方向に移動可能な構造とされており、この支持棒
7bを操作することによって、内部のウエハ６を治具７と
ともに処理域Ａから断熱域Ｂへ、あるいはその逆方向へ
移動できるようになっている。

次に、本実施例の作用について説明する。

まず、所定枚数のウエハ６が治具７の保持部7aに保持
された状態で、支持棒7bの操作により反応管３の導出入
口より挿入されて、処理域Ａに位置される。この状態で
封止蓋14が導出入口２に装着されて、反応管３の内部が
封止された状態となる（第１図）。

次に、ヒーター11が作動して加熱が開始され、処理域
Ａが所定の温度条件にまで達すると、処理流体供給管４
より水素ガスと窒素ガスとの混合ガス５が処理域Ａに供
給される。このようにして処理域Ａが水素および窒素の
混合雰囲気で満たされると、ウエハ６の表面においてシ
リコンとシリコン酸化膜との界面に存在する不整合結合
子に水素ガス中のＨ基が次々に結合する。

このような反応が一定時間継続されてアニール処理が
完了すると、反応管３の下方外部より支持棒7bが操作さ
れて、治具７とともにウエハ６が処理域Ａから断熱域Ｂ
に降下される（第２図）。

ウエハ６は、この断熱域Ｂにおいて一定時間位置さ
れ、その間に処理流体供給管４より供給される処理ガス
は、混合ガス５から窒素ガス15のみに切り替わり、反応
管３の内部の雰囲気は置換されて不活性な状態となる。

この間に、断熱体12中の水冷管13の水冷作用によりウ
エハ６は、たとえば100℃程度にまで徐々に冷却される
ことになる。

このようにしてウエハ６が所定の温度にまで冷却され
ると、導出入口２の封止蓋14が開かれて、治具７に保持
されたウエハ６が管外に取り出される（第３図）。この
とき、反応管３の内部は前記のように窒素ガス15による
不活性雰囲気に置換されているため、封止蓋14を開いた
状態でも、濃度の高い水素ガスが外部に放出することが
なく、安全なウエハ６の取り出し作業を行うことができ
る。

以上のように、本実施例によれば、処理域Ａにおける
反応処理が完了した後、ウエハ６は一旦、断熱域Ｂにお
いて所定の温度まで冷却され、さらにその後に大気に曝
されることになるため、ウエハ６の表面において不整合
結合子と結合されているＨ基は結合状態が安定して、再
度分離することがなくなり、電気的に安定した半導体素
子を得ることが可能となる。

本説明は第１図の状態で加熱する例を用いて説明した
が、別の方法としてヒーターが加熱された状態にして第
２図のように挿入し、N₂が置換を十分に行った後に第１
図のようにＡ域に挿入する。引出す場合は、その逆動作
で引出すことも可能である。

このように、本実施例によれば以下の効果を得ること
ができる。

（１）．反応管３の内部に処理域Ａと断熱域Ｂとを設
け、処理域Ａにおいてアニール処理の行われる前後のウ
エハ６を、断熱域Ｂにおいて一旦位置させて、一定温度
にまで冷却した後に高温処理領域に入れる（または、外
部に取り出す）ことにより、急激な温度変化によるウエ
ハ６の処理不良の発生を防止できる。

（２）．ウエハ６を断熱域Ｂに位置させている間に、反
応管３の内部を不活性雰囲気に置換することにより、安
全性の高いウエハ６の挿入と取り出しを行うことができ
る。

（３）．前記（１）および（２）により、縦型の処理装
置においても信頼性の高いアニール処理が実現できる。

以上本発明者によってなされた発明を実施例に基づき
具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定される
ものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可
能であることはいうまでもない。

たとえば、実施例では主として水素ガスと窒素ガスと
の混合ガスを用いた水素アニールについて説明したが、
これに限らずアルゴンガスを用いたアルゴンアニールで
あってもよい。

また、前記実施例では断熱域を形成する冷却手段とし
て、断熱体中に水冷管を敷設した場合について説明した
が、放熱フィン等の他の冷却手段を設けたもの、あるい
はこのような強制冷却手段とせずに、自然冷却に依存し
て断熱体のみで断熱域を形成したものであってもよい。

以上の説明では主として本発明者によってなされた発
明をその利用分野である、いわゆるアニール処理に適用
した場合について説明したが、これに限定されるもので
はなく、反応管内において高温環境化での処理を必要と
する処理技術であればいかなる処理装置にも適用でき、
いずれの場合にも被処理物の急激な温度変化にともなう
処理不良の発生を防止することが可能である。

〔発明の効果〕 本願において開示される発明のうち代表的なものによ
って得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りであ
る。

すなわち、反応管の内部には処理流体の供給により被
処理物の高温処理が行われる処理域と、前記処理域より
も低温に制御されており処理前後の被処理物の挿入また
は取り出しの際に被処理物が一時的に位置される断熱域
とを連設した構造とすることにより、高温処理の前後に
被処理物を挿入（または取り出す）際に、被処理物は低
温（または高温）の処理域から一旦、高温（または低
温）の断熱域に移されるため、急激な温度低下に起因す
る被処理物の処理不良を防止でき、処理の信頼性を向上
させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図，第２図および第３図は、それぞれ本発明の一実
施例である水素アニール装置を用いた処理を順次示す説
明図である。 １……水素アニール装置、２……導出入口、３……反応
管、４……処理流体供給管、５……混合ガス（処理流
体）、６……ウエハ（被処理物）、７……治具、7a……
保持部、7b……支持棒、８……放出管、10……水素炎、
11……ヒーター（加熱手段）、12,12a,12b……断熱体、
13……水冷管、14……封止蓋、15……窒素ガス、Ａ……
処理域、Ｂ……断熱域。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリコン酸化膜とシリコンとの界面を有す
   るウエハを準備する工程と、 前記ウエハを縦型熱処理装置に設けられた反応管の処理
   域に配置する工程と、 前記反応管内部を封止る工程と、 水素を含むガス雰囲気において常温よりも高い第１の温
   度で前記ウエハを熱処理する工程と、 前記反応管の処理域よりも前記反応管の開口端側に設け
   られ、前記第１の温度と常温との間の第２の温度に制御
   された断熱域に前記ウエハを移動して水素を含むガス雰
   囲気で前記ウエハを一定時間放置する工程と、 前記反応管内を不活性な雰囲気状態にする工程と、 前記ウエハを前記反応管から取り出す工程とからなるこ
   とを特徴とする熱処理方法。