JPH06260486A - 熱処理方法及び熱処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、ウェーハの熱処理において、その加
熱時及び冷却時におけるウェーハ面内の温度の不均一性
を解消し、安定した熱処理を可能とする熱処理方法及び
熱処理装置を提供することを目的とする。 【構成】ウェーハホルダ１６先端部は、半導体ウェーハ
１８を装填すると共に、熱バッファリング２０を載置す
るようになっている。従って、半導体ウェーハ１８は、
その外周に熱バッファリング２０を位置させた状態で、
外部から炉心管１０内に搬入され、外部温度から所定の
高温度にまで加熱される。また、その外周に熱バッファ
リング２０を位置させた状態で、炉心管１０内から外部
に搬出され、炉心管１０内の高温度から室温にまで冷却
される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は熱処理方法及び熱処理装
置に係り、特に半導体ウェーハの高温短時間熱処理を行
う熱処理方法及び熱処理装置に関する。近年、ＬＳＩ
（大規模集積回路）の高集積化、高速化に伴い、超微細
パターンの形成技術と並んで、浅い接合の形成技術が益
々強く要請されている。そしてこの浅い接合の形成技術
には高温短時間熱処理（ＲＴＡ；Rapid Thermal Annel
l）技術の確立が必須である。

【０００２】

【従来の技術】従来の縦型枚葉熱処理装置を用いた高温
短時間熱処理を、図６を用いて説明する。円筒形の石英
管からなる縦型の炉心管３０の周囲には、炉心管３０内
の温度を制御するヒータ３２ａ，３２ｂ，３２ｃが設置
されている。また、炉心管３０の上部には、雰囲気ガス
を供給する入口３４がある。また、石英製のウェーハホ
ルダ３６先端部分には半導体ウェーハ３８が装填される
ようになっている。また、このウェーハホルダ３６は駆
動装置（図示せず）によって昇降し、ウェーハホルダ３
６に装填された半導体ウェーハ３８を外部から炉心管３
０内に搬入し、又は炉心管３０内から外部に搬出するよ
うになっている。

【０００３】図６中のに外部におけるウェーハホルダ
３６及び半導体ウェーハ３８を示し、に炉心管３０内
に搬入された状態のウェーハホルダ３６及び半導体ウェ
ーハ３８を示し、その昇降方向を矢印で示す。更に、図
示はしないが、前後の工程との間に設置されたウェーハ
搬送装置の末端には、ウェーハホルダ３６上に半導体ウ
ェーハ３８を装填するウェーハハンドリング装置が設置
されている。

【０００４】次に、この縦型枚葉熱処理装置を用いて行
う高温短時間熱処理方法について説明する。まず、前の
工程からウェーハ搬送装置（図示せず）によって搬送さ
れてきた半導体ウェーハ３８を１枚、ウェーハハンドリ
ング装置（図示せず）によってウェーハホルダ３６上へ
装填する（図中の参照）。

【０００５】次いで、このウェーハホルダ３６を駆動装
置（図示せず）によって上昇させ、半導体ウェーハ３８
を外部から炉心管３０内に搬入する（図中の参照）。
このとき、炉心管３０内は、ヒータ３２ａ，３２ｂ，３
２ｃによって所定の高温度に設定されているため、半導
体ウェーハ３８は室温から所定の高温度にまで加熱され
る。続いて、この所定の高温度で短時間の熱処理を行
う。

【０００６】次いで、この高温短時間熱処理が終了する
と、ウェーハホルダ３６を駆動装置によって下降させ、
半導体ウェーハ３８を炉心管３０内から外部に搬出する
（図中の参照）。そして半導体ウェーハ３８を炉心管
３０内の高温度から室温にまで冷却する。勿論、半導体
ウェーハ３８の外部から炉心管３０内への搬入及び炉心
管３０内から外部への搬出の際は、ウェーハホルダ３６
の昇降速度を制御して、急熱急冷を避け、半導体ウェー
ハ３８に熱ストレスが加わらないように注意する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来の縦
型枚葉熱処理装置を用いた高温短時間熱処理方法におい
ては、ウェーハホルダ３６の昇降速度を制御するにして
も、その昇降速度を余りに低速にすると、結果的に所定
の高温度以下の温度でかなりの時間熱処理をすることに
なり、高温短時間熱処理の条件から逸脱し、所望の効果
を得ることができなくなる。従って、半導体ウェーハ３
８の炉心管３０内への搬入及び炉心管３０内からの搬出
の際の急熱急冷を避け、半導体ウェーハ３８に熱ストレ
スが加わらないように注意しても、半導体ウェーハ３８
面内に温度差が生じることを避けることができない。

【０００８】即ち、半導体ウェーハ３８を炉心管３０内
へ搬入し、また炉心管３０内から搬出する際には、半導
体ウェーハ３８の周辺部から温まり、また周辺部から冷
えるため、半導体ウェーハ３８面内の周辺部と中央部と
の間にはどうしても温度の不均一が生じる。このため、
こうした加熱時及び冷却時、特に冷却時において、半導
体ウェーハ３８面内の温度不均一性が生じることにより
熱ストレスが加わり、その結果、ウェーハの反りやスリ
ップ（結晶転位）が発生するという問題があった。

【０００９】そこで本発明は、ウェーハの熱処理におい
て、その加熱時及び冷却時におけるウェーハ面内の温度
の不均一性を解消し、安定した熱処理を可能とする熱処
理方法及び熱処理装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】加熱時及び冷却時におけ
るウェーハ面内の温度不均一性は、「外部から加熱して
物体を温める場合、また外部の冷気に晒して物体を冷や
す場合、その物体の表面及び周辺から温まり、また冷え
る」というメカニズムに起因する。即ち、ウェーハを外
部から高温度の炉心管内に搬入する際、及び高温度の炉
心管内から外部に搬出する際に、ウェーハの周辺部から
温まり、周辺部から冷えるため、ウェーハ面内の周辺部
と中央部との間に温度不均一が生じるのである。

【００１１】従って、上記課題は、ウェーハを外部から
炉心管内に搬入して、前記ウェーハを外部温度から前記
炉心管内の高温度にまで加熱する際に、前記ウェーハの
外周に熱バッファリングを設置した状態で加熱し、前記
炉心管内の高温度で所定の時間の前記ウェーハに対する
熱処理を行った後、前記ウェーハを前記炉心管内から外
部に搬出して、前記ウェーハを前記炉心管内の高温度か
ら外部温度にまで冷却する際に、前記ウェーハの外周に
熱バッファリングを設置した状態で所定の温度にまで冷
却することを特徴とする熱処理方法によって達成され
る。

【００１２】また、ウェーハをウェーハホルダ上に装填
した後、前記ウェーハホルダ上に熱バッファリングを載
置して、前記熱バッファリングが前記ウェーハの外周に
位置するようにし、前記ウェーハホルダを駆動して、前
記ウェーハ及び前記熱バッファリングを外部から炉心管
内に搬入し、前記ウェーハの外周に前記熱バッファリン
グが位置する状態で、前記ウェーハを外部温度から前記
炉心管内の高温度にまで加熱し、前記炉心管内の高温度
で所定の時間の前記ウェーハに対する熱処理を行った
後、前記ウェーハホルダを駆動して、前記ウェーハ及び
前記熱バッファリングを前記炉心管内から外部に搬出
し、前記ウェーハの外周に前記熱バッファリングが位置
する状態で、前記ウェーハを前記炉心管内の高温度から
所定の温度にまで冷却し、前記熱バッファリングを前記
ウェーハホルダから離脱させた後、前記ウェーハホルダ
から前記ウェーハを取り出すことを特徴とする熱処理方
法によって達成される。

【００１３】更に、上記課題は、縦型の炉心管と、前記
炉心管の周囲に設置され、前記炉心管内を所定の高温度
に設定するヒータと、ウェーハホルダと、前記ウェーハ
ホルダにウェーハを装填するウェーハハンドリング手段
と、前記ウェーハホルダに装填された前記ウェーハの外
周に位置するように熱バッファリングを前記ウェーハホ
ルダに載置し、又は前記熱バッファリングを前記ウェー
ハホルダから離脱させる熱バッファリング着脱手段と、
前記ウェーハホルダを昇降させ、前記ウェーハホルダに
装填された前記ウェーハ及び前記ウェーハの外周に位置
する前記熱バッファリングを外部から前記炉心管内に搬
入し、又は前記炉心管から外部に搬出する駆動手段とを
有することを特徴とする熱処理装置によって達成され
る。

【００１４】

【作用】本発明においては、ウェーハを加熱する際に、
熱バッファリングがウェーハの外周に設置され、加熱媒
体とウェーハとの間の熱緩衝材として機能することによ
り、ウェーハの周辺部からの温度上昇を抑制する。この
ため、加熱時におけるウェーハ面内の周辺部と中央部と
の間の温度不均一性を解消することができる。

【００１５】また、ウェーハを冷却する際に、熱バッフ
ァリングがウェーハの外周に設置され、熱バッファリン
グが一時的に保温材として機能することにより、ウェー
ハの周辺部からの熱の逃げを抑制する。このため、冷却
時におけるウェーハ面内の周辺部と中央部との間の温度
不均一性を解消することができる。従って、ウェーハの
加熱時及び冷却時における熱ストレスによるウェーハ反
りやスリップの発生を抑制し、安定した熱処理を実現す
ることが可能になる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明を図示する実施例に基づいて具
体的に説明する。図１は本発明の一実施例による縦型枚
葉熱処理装置を示す概略断面図であり、図２（ａ）、
（ｂ）はそのウェーハホルダの先端部に載置した熱バッ
ファリングを示す斜視図及び断面図であり、図３及び図
４はその熱バッファリングを用いた高温短時間熱処理方
法を説明するための図である。

【００１７】円筒形の石英管からなる縦型の炉心管１０
の周囲には、炉心管１０内の温度を制御するヒータ１２
ａ，１２ｂ，１２ｃが設置されている。また、炉心管１
０の上部には、Ｏ₂ （酸素）、Ｎ₂ （窒素）、Ａｒ（ア
ルゴン）等の雰囲気ガスを供給する入口１４がある。ま
た、石英製のウェーハホルダ１６は、その先端部に例え
ばＳｉ基板からなる半導体ウェーハ１８を装填すると共
に、その半導体ウェーハ１８の外周に位置するように円
筒形状の熱バッファリング２０を載置するようになって
いる。尚、この熱バッファリング２０の材質としては、
Ｓｉ基板と同様の熱物性を有する多結晶ＳｉやＳｉＣ等
を用いる。

【００１８】また、このウェーハホルダ１６は駆動装置
（図示せず）によって昇降し、ウェーハホルダ１６先端
部に装填された半導体ウェーハ１８を、その外周に位置
する熱バッファリング２０と共に、外部から炉心管１０
内に搬入し、又は炉心管１０内から外部に搬出するよう
になっている。更に、図示はしないが、炉心管１０下方
には、熱バッファリング２０をウェーハホルダ１６先端
部に載置し、又はウェーハホルダ１６から離脱させるた
めの熱バッファリング着脱装置が設置されている。更
に、前後の工程との間に設置されたウェーハ搬送装置の
末端には、半導体ウェーハ１８をウェーハホルダ１６先
端部に装填し、又はウェーハホルダ１６先端部から取り
出すウェーハハンドリング装置が設置されている。

【００１９】次に、この縦型枚葉熱処理装置を用いて行
う高温短時間熱処理方法について説明する。まず、前の
工程からウェーハ搬送装置（図示せず）によって搬送さ
れてきた半導体ウェーハ１８を、ウェーハハンドリング
装置（図示せず）によってウェーハホルダ１６先端部に
１枚装填する。尚、このとき、熱バッファリング２０
は、ウェーハハンドリング装置によるウェーハ装填の障
害とはならないように、熱バッファリング着脱装置のア
ーム２２により、炉心管１０とウェーハホルダ１６との
間の空間に挟持されている（図３（ａ）参照）。

【００２０】次いで、このウェーハホルダ１６を駆動装
置（図示せず）によって上昇させ、ウェーハホルダ１６
先端部に熱バッファリング２０を載置する位置にまで移
動する。そして熱バッファリング着脱装置のアーム２２
を移動させ、熱バッファリング２０の挟持を解除する。
こうして半導体ウェーハ１８の外周に熱バッファリング
２０を設置する（図３（ｂ）参照）。

【００２１】次いで、再び、ウェーハホルダ１６を駆動
装置によって上昇させ、半導体ウェーハ１８を外部から
炉心管１０内に搬入する。このとき、所定の雰囲気ガス
が供給されている炉心管１０内は、ヒータ１２ａ，１２
ｂ，１２ｃによって所定の高温度に設定されている。従
って、ウェーハホルダ１６先端部に装填された半導体ウ
ェーハ１８は、その外周に熱バッファリング２０を位置
させた状態で、室温から所定の高温度にまで加熱され
る。続いて、この所定の高温度で高温短時間熱処理を行
う（図３（ｃ）参照）。

【００２２】次いで、この高温短時間熱処理が終了する
と、半導体ウェーハ１８の外周に熱バッファリング２０
を位置させた状態のままで、ウェーハホルダ１６を駆動
装置によって下降させる。この下降の途中で、熱バッフ
ァリング着脱装置のアーム２２を、再び熱バッファリン
グ２０を挟持する位置まで移動させておく。勿論、この
アーム２２の移動は、この時点でなくとも、熱バッファ
リング２０をウェーハホルダ１６から離脱させる時点ま
でに行えばよい（図４（ａ）参照）。

【００２３】次いで、半導体ウェーハ１８が炉心管１０
の外へ搬出された段階で、ウェーハホルダ１６の下降を
一旦停止し、外周に熱バッファリング２０を位置させた
状態のままで半導体ウェーハ１８を空冷し、炉心管１０
内の高温度から室温にまで冷却する（図４（ｂ）参
照）。尚、この半導体ウェーハ１８の冷却は、室温まで
ではなく、それより高い所定の温度であっても、それ以
降の冷却によって半導体ウェーハ１８に熱ストレスが生
じなければよい。また、このとき、ウェーハホルダ１６
の下降速度を制御することにより、必ずしもその下降を
停止しなくともよい。

【００２４】次いで、再びウェーハホルダ１６を下降さ
せ、図３（ｂ）に示す場合と同じ位置において、熱バッ
ファリング着脱装置のアーム２２により、熱バッファリ
ング２０を挟持する。そしてこの状態で、更にウェーハ
ホルダ１６を下降させることにより、熱バッファリング
２０をウェーハホルダ１６から離脱させる（図４（ｃ）
参照）。

【００２５】続いて、図示はしないが、ウェーハハンド
リング装置により、ウェーハホルダ１６先端部から半導
体ウェーハ１８を取り出した後、ウェーハ搬送装置によ
って次の工程へ搬送する。このように本実施例によれ
ば、半導体ウェーハ１８を外部から炉心管１０内に搬入
して、室温から所定の高温度にまで加熱する際に、熱バ
ッファリング２０が半導体ウェーハ１８の外周に位置し
ていることにより、加熱媒体と半導体ウェーハ１８との
間の熱緩衝材として機能するため、半導体ウェーハ１８
に吸収される熱エネルギーを奪い、半導体ウェーハ１８
の周辺部からの温度上昇を抑制する。このため、加熱時
の温度上昇における半導体ウェーハ１８面内の周辺部と
中央部との間の温度不均一性を解消することができる。

【００２６】また、高温短時間熱処理の終了後、半導体
ウェーハ１８を炉心管１０内から外部へ搬出して、炉心
管１０内の高温度から室温にまで冷却する際に、半導体
ウェーハ１８の外周に熱バッファリング２０を位置させ
たままの状態であることにより、熱バッファリング２０
が一時的に外気に対する半導体ウェーハ１８の保温材と
して機能するため、半導体ウェーハ１８に熱エネルギー
を与え、半導体ウェーハ１８の周辺部からの熱の逃げを
抑制する。このため、冷却時の温度下降における半導体
ウェーハ１８面内の周辺部と中央部との間の温度不均一
性を解消することができる。

【００２７】従って、半導体ウェーハ１８の加熱時及び
冷却時における熱ストレスによるウェーハ反りやスリッ
プの発生を抑制し、安定した高温短時間熱処理を実現す
ることが可能になる。更に、熱バッファリング２０の着
脱は、熱バッファリング着脱装置のアーム２２により、
ウェーハ装填時におけるウェーハホルダ１６と炉心管１
０との間の空間において行うことにより、ウェーハハン
ドリング装置による半導体ウェーハ１８のウェーハホル
ダ１６への装填又はウェーハホルダ１６からの取出しの
障害とはならないため、従来のウェーハ搬送装置及びウ
ェーハハンドリング装置をそのまま使用できるという利
点がある。

【００２８】尚、上記実施例において、熱バッファリン
グ２０として円筒形状のものを使用したが、熱バッファ
リングの形状はこれに限定されず、種々の形状を用いる
ことができる。例えば図５に示されるように、円板形状
の熱バッファリング２４であってもよい。但し、その大
きさは、半導体ウェーハ１８の外周に位置させた状態で
炉心管１０内に搬入できることが必要である。また、熱
バッファリングの形状を変化させる場合、その変化に対
応して、例えば円板形状の熱バッファリング２４を載置
するように先端部の形状を変化させたウェーハホルダ２
６を用いなければならない場合もある。

【００２９】また、Ｓｉ基板からなる半導体ウェーハ１
８に対して、熱バッファリング２０の材質もＳｉと同様
の熱物性を有する多結晶ＳｉやＳｉＣ等を使用している
が、ウェーハの材質に応じて、又は要求される熱緩衝材
や保温材としての機能に応じて、熱バッファリング２０
の材質も種々のものを用いることができる。また、上記
実施例において、熱バッファリング２０の着脱は、熱バ
ッファリング着脱装置により、ウェーハ装填時における
ウェーハホルダ１６と炉心管１０との間の空間において
行っているが、この熱バッファリング２０の着脱には種
々の方法がある。例えば、半導体ウェーハ１８をウェー
ハホルダ１６に装填した後、その状態もままで熱バッフ
ァリング２０をウェーハホルダ１６に載置するような熱
バッファリング着脱装置であってもよい。或いはまた、
ウェーハハンドリング装置を改良して、ウェーハホルダ
１６先端部に熱バッファリング２０を載置した状態のま
まで半導体ウェーハ１８を装填できるようにすれば、熱
バッファリング２０をウェーハホルダ１６先端部に固定
してもよい。

【００３０】更に、上記実施例においては、半導体ウェ
ーハ１８を高温短時間熱処理する場合について説明した
が、こうした熱処理に限らず、ウェーハ状の試料の面内
における温度の不均一性を解消し、熱ストレスの発生を
抑制する必要がある熱処理に対して、本発明は広く適用
される。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、ウェーハ
を外部から炉心管内に搬入して外部温度から炉心管内の
高温度にまで加熱する際に、ウェーハの外周に熱バッフ
ァリングが設置されていることにより、加熱媒体とウェ
ーハとの間の熱緩衝材として機能し、ウェーハの周辺部
からの温度上昇を抑制するため、加熱時におけるウェー
ハ面内の周辺部と中央部との間の温度の不均一性を解消
することができる。

【００３２】また、炉心管内で高温熱処理を行った後、
ウェーハを炉心管内から外部に搬出して炉心管内の高温
度から外部温度にまで冷却する際に、ウェーハの外周に
熱バッファリングが設置されていることにより、一時的
に保温材として機能し、ウェーハの周辺部からの熱の逃
げを抑制するため、冷却時におけるウェーハ面内の周辺
部と中央部との間の温度の不均一性を解消することがで
きる。

【００３３】これにより、ウェーハの加熱時及び冷却時
における熱ストレスによってウェーハ反りやスリップが
発生することを抑制し、安定した高温短時間熱処理を実
現することができる。従って、浅い接合の形成技術を向
上させ、ＬＳＩの高集積化、高速化に寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による縦型枚葉熱処理装置を
示す概略断面図である。

【図２】図１の縦型枚葉熱処理装置のウェーハホルダ先
端部に載置した熱バッファリングを示す斜視図及び断面
図である。

【図３】図１の縦型枚葉熱処理装置を用いた高温短時間
熱処理方法を説明するための図（その１）である。

【図４】図１の縦型枚葉熱処理装置を用いた高温短時間
熱処理方法を説明するための図（その２）である。

【図５】本発明の他の実施例による熱バッファリングを
示す斜視図及び断面図である。

【図６】従来の縦型枚葉熱処理装置を用いた高温短時間
熱処理方法を説明するための図である。

【符号の説明】

１０…炉心管 １２ａ，１２ｂ，１２ｃ…ヒータ １４…雰囲気ガス供給入口 １６…ウェーハホルダ １８…半導体ウェーハ ２０…熱バッファリング ２２…熱バッファリング着脱装置のアーム ２４…熱バッファリング ２６…ウェーハホルダ ３０…炉心管 ３２ａ，３２ｂ，３２ｃ…ヒータ ３４…雰囲気ガス供給入口 ３６…ウェーハホルダ ３８…半導体ウェーハ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ウェーハを外部から炉心管内に搬入し
   て、前記ウェーハを外部温度から前記炉心管内の高温度
   にまで加熱する際に、前記ウェーハの外周に熱バッファ
   リングを設置した状態で加熱し、 前記炉心管内の高温度で所定の時間の前記ウェーハに対
   する熱処理を行った後、前記ウェーハを前記炉心管内か
   ら外部に搬出して、前記ウェーハを前記炉心管内の高温
   度から外部温度にまで冷却する際に、前記ウェーハの外
   周に熱バッファリングを設置した状態で所定の温度にま
   で冷却することを特徴とする熱処理方法。
2. 【請求項２】 ウェーハをウェーハホルダ上に装填した
   後、前記ウェーハホルダ上に熱バッファリングを載置し
   て、前記熱バッファリングが前記ウェーハの外周に位置
   するようにし、 前記ウェーハホルダを駆動して、前記ウェーハ及び前記
   熱バッファリングを外部から炉心管内に搬入し、前記ウ
   ェーハの外周に前記熱バッファリングが位置する状態
   で、前記ウェーハを外部温度から前記炉心管内の高温度
   にまで加熱し、 前記炉心管内の高温度で所定の時間の前記ウェーハに対
   する熱処理を行った後、前記ウェーハホルダを駆動し
   て、前記ウェーハ及び前記熱バッファリングを前記炉心
   管内から外部に搬出し、前記ウェーハの外周に前記熱バ
   ッファリングが位置する状態で、前記ウェーハを前記炉
   心管内の高温度から所定の温度にまで冷却し、 前記熱バッファリングを前記ウェーハホルダから離脱さ
   せた後、前記ウェーハホルダから前記ウェーハを取り出
   すことを特徴とする熱処理方法。
3. 【請求項３】 縦型の炉心管と、 前記炉心管の周囲に設置され、前記炉心管内を所定の高
   温度に設定するヒータと、 ウェーハホルダと、 前記ウェーハホルダにウェーハを装填するウェーハハン
   ドリング手段と、 前記ウェーハホルダに装填された前記ウェーハの外周に
   位置するように熱バッファリングを前記ウェーハホルダ
   に載置し、又は前記熱バッファリングを前記ウェーハホ
   ルダから離脱させる熱バッファリング着脱手段と、 前記ウェーハホルダを昇降させ、前記ウェーハホルダに
   装填された前記ウェーハ及び前記ウェーハの外周に位置
   する前記熱バッファリングを外部から前記炉心管内に搬
   入し、又は前記炉心管から外部に搬出する駆動手段とを
   有することを特徴とする熱処理装置。