JPH01321627A

JPH01321627A - 半導体ウェハの熱処理装置及びこれを用いた熱処理方法

Info

Publication number: JPH01321627A
Application number: JP15350588A
Authority: JP
Inventors: Kikuo Yamabe; 紀久夫山部; Katsuya Okumura; 勝弥奥村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1988-06-23
Filing date: 1988-06-23
Publication date: 1989-12-27

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、半導体ウエノ＼の熱処理技術に係わり、特に
高速昇降温機能を備えた半導体ウエノ＼の熱処理装置及
びこれを用いた熱処理方法に関する。

（従来の技術）従来、半導体集積回路の形成に際して、半導体ウェハを
１０００℃近い高温下で酸化したり熱処理する工程では
、温度の均一性を高めるため、ヒータ周辺に断熱材を設
けたり、ヒータとプロセスチューブとの間に炭化珪素等
の均熱管を設けている。

そのため、熱処理装置の熱容量が大きくなり、所望温度
での酸化や熱処理以外に前後の昇降温に時があった。ま
た、酸化や熱処理を施したのち直ちに半導体ウェハを熱
処理装置から引出して急速冷却すると、半導体ウエノ１
の面内に大きな温度差が生じ、スリップの発生や反りに
よる変形を招くことになる。

そこで最近、上記熱容量の大きい熱処理装置に代わって
、ランプ加熱方式の熱処理装置が考案されている。ラン
プ加熱方式は、光源から放射された光を半導体ウェハに
吸収させてウェハ温度だけを高温にしようとする方式で
あり、熱容量は上記ヒータ型のものに比べ著しく小さく
なり、昇降温速度は極めて速いという利点を有している
。しかしながら、非平衡な状態での熱工程であるため、
ウェハの不純物濃度に依存して昇温速度が変化するとい
う短所を有している。

また、前記ヒータ型の熱処理装置と前記ランプ加熱方式
の熱処理装置とを組合わせ、石英製プロセスチューブの
外周にヒータを巻くと共にその外側に高反射板を設け、
加熱部分の熱容量を小さくして昇降温速度を高めた熱処
理装置が考案されている。この装置は、ヒータ型の熱処
理装置よりも降温速度を速くすることができ、ランプ加
熱方式のように降温速度が変化することもなく、良好な
熱処理ができるものとして注目されている。しかしなが
ら、この装置でもより高い温度で熱処理ができるように
ヒータの最大ピカを上げると、熱容量が大きくなり降温
速度が低下するという問題があった。

（発明が解決しようとする課題）このように従来、ヒータの外側に反射体を設けた熱処理
装置でも、熱処理温度を高めるに伴い降温速度が遅くな
り、熱処理温度の高温化と降温速度の高速化との間に所
謂トレードオフの関係があった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、熱処理温度を高めると共に、降温速
度を高速化することができ、各種の熱処理に適した半導
体ウェハの熱処理装置を提供することにある。

また本発明は、高い温度で熱処理した後、速い降温速度
で熱処理を解除できる半導体ウェハの熱処理方法を提供
することにある。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明の骨子は、ヒータの熱容量に差を持たせることに
より、同一炉体内の異なる場所で異なる温度の熱処理を
可能にしたことにある。

即ち本発明は、一方に開口を有し該開口を通して半導体
ウェハが挿入される筒状の炉体と、この炉体の外周に巻
回されたヒータと、このヒータの外側に設けられた熱反
射体とを備え、半導体ウェハを室温以上の温度で熱処理
する半導体ウェハの熱処理装置において、前記ヒータを
、前記炉体の軸方向に沿って熱容量が異なり熱処理温度
が異なる領域を少なくとも２つ有するように構成し、且
つ該ヒータの前記炉体の開口に近い方の熱容量を開口に
遠い方のそれよりも小さくするようにしたものである。

また本発明は、上記構成の熱処理装置を用いて半導体ウ
ェハを熱処理する方法において、半導体ウェハを前記ヒ
ータの熱容量が最も大きな高温処理領域にて所望の熱処
理を施した後、該ウェハを前記ヒータの熱容量が小さい
低温処理領域に順次移動することにより、温度の均一性
を維持しながら多段階的に降温するようにした方法であ
る。

（作　用）本発明によれば、半導体ウェハをヒータの熱容量の大き
な領域にセットすることにより、例えば１０００℃以上
の高温での熱処理も可能であり、また降温する際にはヒ
ータの熱容量の小さい領域に半導体ウェハを移動するこ
とにより、ウェハ面内での温度の均一性を維持しながら
十分速い速度で降温処理することができる。つまり、熱
処理温度を高めると共に、降温速度を高速化することが
でき、高温、高速降温か必要な各種熱処理に適用するこ
とができる。従って、例えば不純物拡散領域の拡散深さ
が深くなるのをできるだけ抑えながら、所望の降温熱処
理を施すことが可能となる。

（実施例）以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の一実施例に係わる熱処理装置を示す概
略構成図である。図中１０は、下方に開口を有し上方に
ガス導入口を備えた石英製プロセスチューブ（炉体）で
あり、このチューブ１０の外周にはヒータ２０が巻回さ
れている。ヒータ２０は、同一材料、同一径のヒータ線
で形成され、上段側の高温用ヒータ２１と下段側の低温
用ヒータ２２とに分割されている。高温用ヒータ２１は
チューブ１０の外周の上段に密度高く巻かれており、そ
の熱容量は大きい。低温用ヒータ２２はチューブ１０の
外周の下段に密度低く巻かれており、その熱容量は小さ
いものとなっている。そして、ヒータ２０の外側には、
内周面に金を被覆した石英チューブからなる反射板３０
が設置されている。

また、熱処理すべき半導体ウェハ４０は石英製ボート５
０に複数枚設置されて、チューブ１０の下側開口からチ
ューブ１０内に挿入されるものとなっている。

なお、高温用ヒータ２１及び低温用ヒータ２２は、第２
図（ａ）に示す如く異なる電源６１．６２により通電加
熱されるか、又は同図（ｂ）に示す如く同一の電源６０
により通電加熱される。第２図（ａ）の駆動方式では、
ヒータ２１の巻数がヒータ２２の巻数よりも多いので、
同じ通電電流であってもヒータ２１の方がより高い温度
に加熱される。

ヒータ線に流す電流の最大値はヒータ線材料及び線径等
によって決まるので、ヒータ２１の方がヒータ２２より
も高い温度に加熱できるのである。

また、第２図（ｂ）の駆動方式では、ヒータ２１の巻数
がヒータ２２の巻数よりも多いので、ヒータ２１の方が
常に高い温度に加熱されるものとなっている。

このように構成された本装置において、半導体ウェハを
次のようにして熱処理した。まず、シリコンウェハ４０
を石英製ボート５０に複数枚乗せたのち、プロセスチュ
ーブ１０の下部に設置する。

プロセスチューブ１０内に乾燥酸素を導入した後、例え
ばヒータ２１による高温熱処理領域Ｈを５００℃程度に
保持し、ヒータ２２による低温熱処理領域りを略室温に
保持した。この状態で、シリコンウェハ４０を低温熱処
理領域りに導入し、該領域りを５００℃に昇温し、しか
るのちウェハ４０を高温熱処理領域Ｈに移動し、該領域
Ｈを１０００℃に昇温しで乾燥酸素中での酸化を６０分
間行った。

続いて、高温熱処理領域Ｈを５００℃まで降温し、その
後ウェハ４０を低温熱処理領域りに移動させて、該領域
してウェハ４Ｑを５００℃から室温まで冷却させた。

第３図は、上記一連の処理におけるシリコンウェハ４０
の温度経過を測定したものであり、従来装置と共にプロ
ットしている。従来のヒータ方式の装置では、第３図中
Ｐに示す如く、１０００℃の高温熱処理後の降温に多大
な時間が掛かる。また、ヒータに反射体を付加した装置
でも高温熱処理領域と低温熱処理領域とを区別しないも
のでは、第３図中Ｑに示す如くＰよりは速いものの、十
分低い温度（例えば室温）まで降温するには多大な時間
が掛かる。これに対し本実施例装置では、高温熱処理領
域Ｈから低温熱処理領域りに切り替える前まではＱと同
様であるが、低温熱処理領域りに切り替えることにより
、第３図中Ｒに示す如く十分短い時間で室温程度まで降
温される。即ち、高温処理と低温処理の領域を異にする
ことにより、降温処理時間が５時間程度減少している。

第４図は、第１図の装置を用いて、同一ウエバ内の不純
物としてボロンを拡散した領域の拡散深さを、従来炉に
よる結果と比較して示している。

なお、図中７１はシリコンウェハ、７２は酸化膜、７３
は拡散領域を示している。本実施例装置による結果は第
４図（ａ）であり、従来炉（実施例と同様にヒータ及び
反射体を備えるが、高温熱処理領域と低温熱処理領域と
を区別しないもの）による結果は同図（ｂ）である。こ
の図から、本実施例では従来例に比較して、拡散深さが
０，０２μｍはど浅くなっていることが判る。つまり、
降温処理を高速化することによって、拡散深さを浅くで
きている。

かくして本実施例によれば、ヒータを高温用と低温用と
の２段に構成し、高温熱処理領域で所望の熱処理を施し
た後に半導体ウェハを低温熱処理領域に移動することに
より、熱処理後のウェハの冷却速度を速くすることがで
きる。従って、熱処理におけるスルーブツトの向上をは
かることができると共に、拡散層の延び等の昇降温時の
余分な熱工程による寄生効果を抑制することができる。

また、熱処理後に直ちにウェハを外部に取出す方式とは
異なり、ウェハ面内に温度差を生じることなく冷却でき
るので、スリップや反り等の変形発生を未然に防止する
ことができる。さらに、ヒータの巻数を変えるのみの簡
易な構成で実現し得る等の利点もある。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。例えば、前記ヒータの熱容量を変える手段としては
ヒータの巻数を変える代わりに、ヒータ材料（比熱の異
なる材料）を代えるようにしてもよい。さらに、熱容量
の異なるヒータの段数は２段に限るものではなく、３段
以上に構成してもよい。この場合、降温処理を多段階に
分けて行うことができ、より高速の降温処理が可能とな
る。また、実施例では酸化処理について説明したが、酸
化処理に限らず単なる熱処理、或いはＣＶＤによる各種
薄膜形成に適用することが可能である。また、石英製プ
ロセスチューブの代わりには、筒状の炉体であれば用い
ることができる。

その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形し
て実施することができる。

［発明の効果］以上詳述したように本発明によれば、ヒータの熱容量に
差を持たせることにより、同一炉体内の異なる場所で異
なる温度の熱処理を可能にしているので、熱処理温度を
高めると共に、降温速度を高速化することができる。従
って、各種の熱処理に適した半導体ウェハの熱処理装置
を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わる熱処理装置を示す概
略構成図、第２図はヒータ駆動方式を説明するための模
式図、第３図は実施例装置と従来装置における降温処理
時間に対するウェハ温度の変化を示す特性図、第４図は
実施例装置と従来装置における拡散深さの違いを説明す
るための模式図である。１０・・・石英製プロセスチューブ（炉体）、２０・・
・ヒータ、２１・・・高温用ヒータ、２２・・・低温用
ヒータ、３０・・・反射板（反射体）、４０・・・半導
体ウェハ、５０・・・石英製ボート、６０，６１゜６２
・・・加熱用電源、７１・・・シリコンウェハ、７２・
・・酸化膜、７３・・・拡散領域。出願人代理人　　弁理士　鈴江武彦第１図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）一方に開口を有し該開口を通して半導体ウェハが
挿入される筒状の炉体と、この炉体の外周に巻回された
ヒータと、このヒータの外側に設けられた熱反射体とを
備え、半導体ウェハを室温以上の温度で熱処理する半導
体ウェハの熱処理装置において、前記ヒータは前記炉体の軸方向に沿って熱容量が異なり
熱処理温度が異なる領域を少なくとも２つ有し、且つ該
ヒータの前記炉体の開口に近い方の熱容量を開口に遠い
方のそれよりも小さくしてなることを特徴とする半導体
ウェハの熱処理装置。
（２）前記ヒータの熱容量を異ならせる手段として前記
炉体の外周に巻回するヒータ線の巻数を異ならせたこと
を特徴とする請求項１記載の半導体ウェハの熱処理装置
。
（３）前記ヒータの熱容量を異ならせる手段として、前
記炉体の外周に巻回するヒータ線を比熱の異なる部材で
形成したことを特徴とする請求項１記載の半導体ウェハ
の熱処理装置。
（４）一方に開口を有し該開口を通して半導体ウェハが
挿入される筒状の炉体と、この炉体の外周に巻回され、
該炉体の軸方向に沿って熱容量が異なり熱処理温度が異
なる領域を少なくとも２つ有し、且つ該炉体の開口に近
い方の熱容量を開口に遠い方のそれよりも小さくしたヒ
ータと、このヒータの外側に設けられた熱反射体とを備
えた半導体ウェハの熱処理装置を用い、前記ウェハを前
記ヒータの熱容量が最も大きな高温処理領域にて所望の
熱処理を施した後、前記ウェハを前記ヒータの熱容量が
小さい低温処理領域に順次移動することにより、温度の
均一性を維持しながら多段階的に降温することを特徴と
する半導体ウェハの熱処理方法。