JPH04219934A - 熱処理装置および熱処理方法 - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体装置の製造工程に
おいて酸化拡散処理に用いる熱処理装置および熱処理方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造工程で使用される半導
体基板に熱処理を施す装置は、半導体基板の大口径化に
ともなって横型熱処理炉から縦型熱処理炉へと移行しつ
つある。縦型熱処理炉は横型熱処理炉に比較して、反応
管の内部への大気の流入が少ないことが最大の特徴であ
り、薄い酸化膜の形成や高融点金属膜の熱処理などに適
している。すなわち横型熱処理炉では大気の流入にとも
なって反応管の内部に侵入する酸素による制御できない
酸化膜が形成されるが、縦型熱処理炉ではそれがない。 これは反応管内部に加熱された雰囲気ガスが満たされ、
反応管の下部より低温の大気が流入することを抑止する
ためである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、水蒸気
を含有する雰囲気の中で半導体基板を熱処理した後、酸
化膜の耐圧や信頼性などの特性改善を目的として引き続
き雰囲気を不活性ガスに切り替えて熱処理する場合、水
蒸気は窒素やアルゴンなどの不活性ガスに比べて質量が
小さいために反応管の上部に滞留するという課題を有し
ていた。

【０００４】このような状態では、反応管内の上部に設
置された半導体基板のみが水蒸気と接触することになる
ため酸化膜厚の精密な制御が困難である上、不活性ガス
雰囲気中での膜質改善効果を半減させ、この半導体基板
を用いて作製した半導体装置の性能を劣化させる原因と
なる。また雰囲気ガスの切り替えに時間を要し、それま
でに半導体基板に作り込まれた不純物の分布が変化し、
短チャネル効果や狭チャネル効果など素子特性の劣化を
招くことになる。さらに熱処理を終えた半導体基板を取
り出した後にも水蒸気が残留するので、次に処理する半
導体基板を反応管の内部へ挿入する時点でも反応管上部
の半導体基板だけがこの残留水蒸気に接触し、制御不能
な酸化膜が形成される原因となる。

【０００５】このような現象を回避するためには、反応
管内部を十分に不活性ガスで置換すればよいが、置換に
は長い時間を必要とするので熱処理装置の処理能力を低
下させることになる。さらに反応管内部の上部に残留し
たガスの影響を軽減するために反応管を長くして半導体
基板を残留領域から遠ざけようとすると熱処理装置の高
さが高くなり、装置の保守が大変な上クリーンルームの
階高を高くしなければならない。

【０００６】本発明は上記の従来の課題を解決するもの
で、反応管上部への水蒸気の残留を防止し、高性能かつ
高信頼性を有する半導体装置を歩留まりよく製造できる
熱処理装置および熱処理方法を提供することを目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の熱処理装置は、反応管の下部から挿入されて
反応管の上部に至るガス導入管と、反応管に接続された
排気管と、排気管に接続されかつ反応管へ導入されるガ
ス流量より少ないガス排気量を制御する流量制御装置か
らなる構成を有している。また本発明の熱処理方法は、
反応管の内部に設置された半導体基板を導入管から導入
された水蒸気を含有する雰囲気中で熱処理し、さらに水
蒸気を含有するガスを流量制御装置で制御して排気しな
がら不活性ガスを導入し、不活性ガス雰囲気に切り替え
て熱処理を行う工程からなる構成を有している。

【０００８】

【作用】この構成によって、水蒸気を含有する雰囲気ガ
スを不活性ガス雰囲気に変更するときに、不活性ガスを
導入すると同時に反応管の上部に接続した排気管により
反応管の上部に滞留した水蒸気を強制的に排気でき、反
応管全体の雰囲気ガスの切り替え時間を短縮できる。こ
のことより反応管内の半導体基板全体を均一性よく熱処
理することが可能となり、きわめて薄いシリコン酸化膜
を制御よく形成することができ、従来問題となっていた
ゲート酸化膜の特性劣化を防止できる。

【０００９】さらに、反応管の上部に水蒸気を含有する
ガスが滞留しなくなるので、反応管の上部に余分の空間
を設ける必要がなく、装置の高さを低くできる。

【００１０】また雰囲気ガスの切り替え時間を短縮でき
るので、実質的には処理時間の短縮となり、半導体基板
に予め拡散された不純物の再拡散を最低限にとどめるこ
とができる上に処理能率が向上する。

【００１１】

【実施例】以下本発明の一実施例について、図面を参照
しながら説明する。

【００１２】図１は本発明の一実施例における熱処理装
置の断面図である。以下本実施例をＭＯＳ型半導体装置
のゲート酸化膜形成工程に応用した例について説明する
。

【００１３】図１において、１は石英製の反応管、２は
石英製のガス導入管で、反応管１の上部にまで延びてお
り、一方の端は反応管１の外部でガス入口２ａを有し、
他方の端は反応管１の内上部でガス出口２ｂを有してい
る。３は反応管１の上部に設けた上部排気口、４は反応
管１の下部からガスを排出する下部排気口、５は熱処理
される半導体基板で通常は石英製のボートに保持されて
いる。６はキャップであり、このキャップ６と反応管１
とで閉管を形成している。

【００１４】図２は反応管１にガスを供給するガス供給
系統図である。図２において、７は水素と酸素を燃焼さ
せて水蒸気を発生させる燃焼装置で、その一端は反応管
１に設けられたガス入口２ａに接続されている。８、９
、１０は燃焼装置７を介して反応管１へ窒素ガス、酸素
ガスまたは水素ガスを供給するバルブ、これらのガスは
流量制御装置１１、１２、１３によりその個々の流量が
制御される。一方反応管１の上部に設けられた排気口３
からの排気はバルブ１４および流量制御装置１５により
その排気量が制御される。

【００１５】次に本発明の一実施例における熱処理方法
について、図１、図２および図３を参照しながら説明す
る。図３は図１に示す熱処理装置および図２に示すガス
供給系統を使用してＭＯＳ型半導体装置のゲート酸化膜
を形成する際のガスフローのタイミングチャートである
。図３において、縦軸は温度、横軸は時間であり、ａ〜
ｉはそれぞれ単位作業が行われる期間を示している。

【００１６】まず図３の期間ａの間に半導体基板５を７
５０℃に設定された反応管１の下部から反応管１の内部
へ５ｃｍ／分程度の速度で挿入する。本実施例では、直
径２００ｍｍの半導体基板５を石英製のボートに１／４
インチピッチで１００枚搭載した。この時の反応管１の
内部の雰囲気は、窒素中に酸素を５〜１０％程度混合し
た混合ガスをガス入口２ａから１５ＳＬＭ程度の流量で
導入したものである。したがって反応管１の下部が開放
されていても、室温の大気は比重が大きいため反応管１
の下部からの大気の流入はきわめて少ない。半導体基板
５を挿入した後、反応管１の下部をキャップ６で閉じれ
ば閉管となる。期間ｂの間は、上部排気口３は閉じてお
り、混合ガスは下部排気口４から排気される。この状態
で１００枚の半導体基板５は約１０分程度で全体が均一
な温度に達する。この時の雰囲気は窒素と酸素の混合ガ
スであるが、酸素濃度が小さくまた温度が低いので酸化
速度は極めて小さい。 したがって形成される酸化膜は薄く、ゲート酸化膜の膜
厚のばらつきの原因とはならない。　　次に期間ｃの間
に半導体基板５を５℃／分の速度で８００℃まで昇温し
た後、反応管１内を高濃度の水蒸気を含有する雰囲気に
切り替える。次に期間ｄの間に高濃度の水蒸気を含有す
る雰囲気により半導体基板５の表面が酸化される。ここ
でこの期間ｄで行われる工程の詳細について説明する。 まず最初に窒素ガスのバルブ８を閉じ、同時に酸素ガス
のバルブ９を開けて流量を１２ＳＬＭに設定する。そし
て約１５秒後に水素ガスのバルブ１０を開け、約２０Ｓ
ＬＭの水素を燃焼装置７に供給して着火すると反応管１
に水蒸気が供給され、酸化が始まる。水蒸気は窒素ガス
よりも質量が小さく、かつ水蒸気は反応管１の上部から
ガス導入管２のガス出口２ｂから供給されるため反応管
１の上部から雰囲気が置換されてくる。そして予め求め
ておいた酸化膜厚と酸化時間の関係から決まる所定時間
酸化を行う。

【００１７】次に期間ｅの間に酸素ガスのバルブ９と水
素ガスのバルブ１０を閉じると同時に窒素ガスのバルブ
８を開け、約２０ＳＬＭの流量で窒素ガスを供給し、反
応管１の内部を窒素ガスで置換する。この時排気バルブ
１４を約３分間開けて約５ＳＬＭの排気速度で反応管１
の上部に滞留した水蒸気を排気する。この強制排気によ
り、反応管１の内部の雰囲気は３分程度の短い時間で完
全に均一な窒素ガスに置換される。すなわち反応管１の
内径が２８０ｍｍ、半導体基板５の熱処理に必要な有効
反応管長が８００ｍｍとすれば置換に必要な容積は約４
７リットルである。導入されるガスは標準状態の時の約
３倍に体積膨張するので、差引きして約１５ＳＬＭの窒
素ガスを導入すれば反応管１の内部の気流を考慮しても
３分程度でほぼ完全な雰囲気置換ができる。本実施例で
は、強制排気の手段として半導体装置の製造工場に一般
的に設置されている真空タンクに反応管５を接続してい
るが、これはアスピレータや小型の排気ポンプを使用す
ることもできる。

【００１８】本実施例においては、酸化膜の膜厚制御精
度を向上させる目的で酸化速度の小さい低温で行ったが
、酸化膜の耐圧や信頼性を向上させるためには高温で熱
処理を行うことが有効である。そのために期間ｆの間に
、窒素雰囲気に置換した状態で９５０℃まで反応管１の
内部を昇温し、次に期間ｇに示す間熱処理を施した後、
期間ｈの間に、再び温度を８００℃まで下げて、期間ｉ
の間に半導体基板５を反応管１から取り出す。

【００１９】なお、本実施例においては、水蒸気を含有
する雰囲気から不活性ガス雰囲気への切り替えの例を示
したが、他に水素ガスから窒素ガスへの切り替えのよう
に質量の小さなガスから大きなガスへの切り替えを必要
とする工程には本発明の熱処理装置は最適である。

【００２０】

【発明の効果】以上のように本発明は、反応管の下部か
ら挿入されて反応管の上部に至るガス導入管と、反応管
に接続された排気管と、排気管に接続された流量制御装
置を設けたことにより、反応管の上部に滞留するガスを
短時間で排気して内部を完全に置換できる優れた熱処理
装置および熱処理方法を実現できるものである。その結
果、熱処理時間が短縮され、チャネルストッパのように
すでに半導体基板に導入された不純物の再分布を最低限
にとどめることが可能であり、短チャネル効果を低減で
き、素子特性を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例における熱処理装置の断面図

【図２】反応管にガスを供給するガス供給系統図

【図３
】ＭＯＳ型半導体装置のゲート酸化膜を形成する際のガ
スフローのタイミングチャート

【符号の説明】

１　　反応管 ２　　ガス導入管 １５　　流量制御装置

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】反応管の下部から挿入されて反応管の上部
   に至るガス導入管と、反応管に接続された排気管と、前
   記排気管に接続された流量制御装置とを有し、前記流量
   制御装置は前記反応管へ導入されるガス流量より少ない
   ガス排気量を制御することを特徴とする熱処理装置。
2. 【請求項２】ガス導入管に水素を燃焼させて水蒸気を供
   給する燃焼装置を接続したことを特徴とする請求項１記
   載の熱処理装置。
3. 【請求項３】半導体基板を反応管の内部に設置し、導入
   管から導入された水蒸気を含有する雰囲気中で第１の熱
   処理を行う工程と、前記水蒸気を含有するガスを流量制
   御装置で制御して前記反応管の上部から排気しながら不
   活性ガスを導入し、不活性ガス雰囲気に切り替えて第２
   の熱処理を行う工程とを有する熱処理方法。
4. 【請求項４】水蒸気を含有する雰囲気を不活性ガス雰囲
   気に切り替える工程において、不活性ガスを導入する速
   度より水蒸気を含有するガスを排気する速度が小さいこ
   とを特徴とする請求項３記載の熱処理方法。