JPH0955385A

JPH0955385A - 半導体熱処理方法およびそれに用いる装置

Info

Publication number: JPH0955385A
Application number: JP20593395A
Authority: JP
Inventors: Akira Yoshino; 明吉野; Hiromi Kiyama; 洋実木山; Nobunori Omori; 宣典大森; Shunichi Maekawa; 俊一前川; Hajime Inamine; 一稲嶺
Original assignee: SEMITSUKUSU ENG KK; Daido Hoxan Inc
Current assignee: SEMITSUKUSU ENG KK; Daido Hoxan Inc
Priority date: 1995-08-11
Filing date: 1995-08-11
Publication date: 1997-02-25

Abstract

(57)【要約】【課題】急激に温度変化させてもウエハ周囲において温
度ムラおよびガスの濃度ムラを生じることのない、優れ
た半導体熱処理方法およびそれに用いる装置を提供す
る。【解決手段】熱処理装置２０の熱処理炉内に被処理物を
装填し加熱するに際し、炉内に、雰囲気ガスもしくはプ
ロセスガス希釈用ガスとしてヘリウムを主体とするガス
を供給するとともに、炉内からこれを排気して回収し、
回収後ヘリウムを精製して再利用に供するようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体熱処理方法
およびそれに用いる装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】大規模集積回路（ＬＳＩ）や超大規模集
積回路（ＶＬＳＩ）等を製造する場合、酸化，アニー
ル，拡散，化学蒸着法（ＣＶＤ）等の各種熱処理工程が
必要である。これらの熱処理を行う熱処理装置として
は、従来から、ランプ加熱型とホットウォール型の２つ
のタイプのものが知られている。上記ランプ加熱型装置
は、枚葉処理であり、プロセス制御性に優れている反
面、生産性や温度制御性に劣る。これに対し、上記ホッ
トウォール型装置は、バッチ処理であり、温度制御性に
優れ多数枚処理が可能であるという利点を有する反面、
プロセス制御性に問題がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】また、上記ホットウォ
ール型装置では、熱処理時にウエハ表面の酸化を防止す
るために雰囲気ガスとして窒素，アルゴン等の不活性ガ
スを用い、あるいはプロセス用のガス（以下「プロセス
ガス」という）を流す場合の希釈ガスとして上記不活性
ガスを用いることが行われるが、これらのガスは熱伝導
特性や拡散特性が悪いため、各ウエハ周辺が均一温度か
つ均一ガス濃度になるのに時間がかかり、生産効率が大
幅に低下するという問題が生じている。特に、近年、Ｌ
ＳＩの高集積化に伴い、製造コスト低減の目的でウエハ
のサイズが６インチから８インチ、そして１２インチへ
と大口径化しているため、ウエハ周囲に温度ムラを生じ
ることなく急激に温度変化を行い、しかもプロセスガス
の均一拡散を図ることが重要な課題となっている。

【０００４】本発明は、このような事情に鑑みなされた
もので、急激に温度変化を行ってもウエハ周囲において
温度ムラおよびガスの濃度ムラを生じることがなく、効
率よく熱処理を行うことのできる優れた半導体熱処理方
法およびそれに用いる装置の提供をその目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、半導体製造のために熱処理炉内で熱処理
を行う熱処理方法であって、上記熱処理炉内に被処理物
を装填し加熱するに際し、炉内に、雰囲気ガスもしくは
プロセスガス希釈用ガスとしてヘリウムを主体とするガ
スを供給するとともに、炉内からこれを排気して回収
し、回収後ヘリウムを精製して再利用に供するようにし
た半導体熱処理方法を第１の要旨とし、半導体製造のた
めに熱処理を行う熱処理炉と、上記熱処理炉内にヘリウ
ムを供給するヘリウム供給手段と、上記熱処理炉内から
ガスを排気する排気手段と、上記排気されたガスを回収
し回収ガス中からヘリウムを分離精製するヘリウム精製
手段と、上記精製されたヘリウムを、上記ヘリウム供給
手段に戻すヘリウム戻し手段とを備えた半導体熱処理装
置を第２の要旨とする。

【０００６】なお、本発明において、「ヘリウムを主体
とするガス」とは、ヘリウムのみで構成されるガスも含
む趣旨で用いている。

【０００７】つぎに、本発明の実施の形態を説明する。

【０００８】

【発明の実施の形態】まず、本発明が対象とする半導体
製造のための熱処理とは、ＶＣＥ（真空化学エピタキシ
ー）やＣＶＤによる製膜処理や、酸化処理，アニール処
理，拡散処理等があげられ、熱処理炉を備えた熱処理装
置が用いられる。

【０００９】そして、本発明では、上記熱処理時におい
て、熱処理炉内に、雰囲気ガスもしくはプロセスガス希
釈用ガスとしてヘリウムを主体とするガスを供給する。
これが第１の特徴である。

【００１０】上記ヘリウムを主体とするガスは、１００
％ヘリウムからなるガスであっても、ヘリウムにヘリウ
ム以外のガスを添加したガスであっても差し支えはない
が、熱伝導度および拡散性に優れたヘリウムを用いるこ
とが本発明の特徴であり、これに添加混合するガスも、
比較的熱伝導度および拡散性に優れたガス、例えば水素
ガスを用いることが好適である。特に、上記水素ガスを
添加することにより、ヘリウム回収時に、回収ガス中に
不純物として存在する酸素を、上記水素と反応させて水
として除去することができ、好適である。しかも、上記
水素ガスは熱伝導度がヘリウムよりも大きいという点で
も優れている。ただし、添加する水素ガスは、全体に対
し０．５〜７％の範囲内に設定することが好適である。
水素ガスが７％を超えると爆発の危険性があり、０．５
％未満では、上記酸素との反応が不充分になるおそれが
あるからである。

【００１１】また、上記ヘリウムを主体とするガスを、
プロセスガス希釈用ガスとして用いる場合、上記プロセ
スガスとしては、アルシン，ホスフィン，ジボラン等の
ドーピングガスや、三フッ化窒素，四フッ化カーボン等
のクリーニングガス、あるいはオゾン，酸素等の酸化性
ガス、アンモニア，笑気ガス等の窒化性ガスが上げられ
る。これらのガスは、単独で用いる場合と２種以上を組
み合わせて用いる場合がある。

【００１２】本発明に用いるヘリウムは、熱伝導度およ
び拡散性に優れる反面、従来雰囲気ガス等として用いら
れてきた窒素，アルゴンに比べて非常に高価である。そ
こで、本発明では、上記ヘリウムを主体とするガスを熱
処理に使用しながら熱処理炉から排気させて回収し、ヘ
リウムを精製して再利用に供するようにしている。これ
が第２の特徴である。

【００１３】上記熱処理炉からの排気手段としては、通
常適宜のポンプが用いられ、ヘリウムの精製には、通常
反応塔と吸着塔とを組み合わせたものが用いられる。ま
た、再利用するガスに対する要求グレードが厳しい場合
には、常温の吸着塔とともに低温吸着塔を併設すること
により、極微量の不純物の除去と窒素ガスの除去を行う
ことが好ましい。なお、上記低温吸着塔には冷熱源とし
て液体窒素等が必要となるが、半導体製造工場では大量
の液体窒素および窒素ガスが常時使用されており、冷熱
源を確保することは簡単である。そして、冷熱源として
使用した液体窒素は気化蒸発後、通常使用する窒素ガス
の一部として半導体製造工場で有効に利用できる。

【００１４】つぎに、実施例について説明する。

【００１５】

【実施例】図１は、本発明の一実施例の装置を示してい
る。図において、２０は熱処理を行う熱処理装置であ
り、図２に示すように、カンタル線等の発熱体からなる
上部炉体２および下部炉体３と、これらの内側に設けら
れた石英反応管４とで構成された熱処理炉を備えてい
る。なお、１は断熱材である。上記石英反応管４の上端
部と下端部には、それぞれ上部ガス導入管５と下部ガス
導入管６が連通されており、上記下部ガス導入管６の反
対側には、ガス排出管７が連通されている。そして、上
記石英反応管４の内側には、ウエハ８を所定間隔で多段
に積重保持したウエハホルダー９がウエハ移動棒１０に
よって昇降自在に保持されている（上昇時には鎖線Ｐで
示す位置にくる）。したがって、この熱処理装置２０で
は、上部炉体２を高温に設定し下部炉体３を低温に設定
しておき、ウエハ８を下部の低温加熱領域から上部の高
温加熱領域に高速で移動させることにより、ＲＴＰ（Ｒ
ａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）を
行うことができるようになっている。

【００１６】上記熱処理装置２０のガス排出管７には、
図１に示すように、排気装置２１，回収タンク２２，コ
ンプレッサ２３，精製装置２４，ガス供給タンク３２が
接続され、ガス回収ラインを形成している。なお、上記
ガス供給タンク３２から延びるガス供給配管１１が分岐
して、前記上部ガス導入管５および下部ガス導入管６に
なっている。

【００１７】上記ガス供給タンク３２には、ヘリウムボ
ンベ３４（もしくはカードル）が接続されており、上記
ガス供給タンク３２内にヘリウムが充填されるようにな
っている。また、上記ガス供給配管１１には、水素ガス
供給設備３５およびドーピングガス，クリーニングガス
等のプロセスガス供給設備３６が接続されており、必要
に応じてヘリウムにこれらのガスを添加混合して熱処理
装置２０内に導入することができるようになっている。
なお、３３はガス組成分析器で、供給タンク３２内のガ
ス組成が常時チェックできるようになっている。

【００１８】また、精製装置２４は、反応塔２５と、２
塔自動切替式の吸着塔２６，２７と、同じく２塔自動切
替式の低温吸着塔２８，２９とで構成されている。上記
反応塔２５は、回収ガス中の不純物を酸化反応させて酸
化物とすることによりつぎの吸着塔２６，２７内で吸着
除去しやすくするようになっている。また、上記吸着塔
２６，２７および低温吸着塔２８，２９にはモレキュラ
ーシーブ等の吸着剤が充填されており、反応塔２５を通
過した回収ガス中の不純物を、吸着除去するようになっ
ている。なお、上記低温吸着塔２８，２９の冷熱源は、
液体窒素タンク３０から導入される液体窒素が用いられ
る。上記液体窒素は、通常、蒸発器３１により窒素ガス
として半導体製造ラインに供給されるものであり、冷熱
源としての役割を果たした液体窒素も、配管１２から熱
交換器１３を介して窒素ガスとして半導体製造ラインに
供給される。

【００１９】上記装置を用い、つぎのようにして急速ア
ニール処理を行った。すなわち、まず上部炉体２を１０
００℃、下部炉体３を７００℃に設定した。また、ヘリ
ウムボンベ３４を開き、供給タンク３２にヘリウムを充
填しておき、上記加熱準備が整った時点で、供給タンク
３２から熱処理装置２０にヘリウムを送出するととも
に、水素ガス供給設備３４から水素ガスを送出した。そ
して、両ガスを配管１１内で混合することにより、ヘリ
ウム９５％、水素ガス５％の混合ガスをつくり、石英反
応管４内にこれを充填しガス排出管７から排出させた。
この状態で、ウエハホルダー９に保持されたウエハ８
を、まず石英反応管４の下部低温領域に位置決めして７
００℃でプレヒートしたのち、図２において鎖線Ｐで示
すように、上部の高温加熱領域に移動させた。ヘリウム
・水素混合ガスの熱伝導率は約５×１０^-1Ｗ・ｍ^-1・Ｋ
^-1で、従来の不活性ガスに比べて優れているため、積重
されたウエハ８は外周から中心部まで均一に加熱され、
３分間でアニール処理を終えた。つぎに、ウエハ８を再
び下部の低温加熱領域に移動させ、大量のヘリウムガス
を流すことにより、ウエハ８を急速冷却した。

【００２０】上記アニール処理において、熱処理装置２
０のガス排出管７から排出された不純物を含んだ混合ガ
スは、排気装置２１により回収タンク２２に溜め、コン
プレッサ２３で約２ｋｇ／ｃｍ²Ｇまで昇圧したのち、
精製装置２４に導入した。この精製装置２４では、まず
反応塔２５において高温酸化反応を行い、回収ガス中の
酸素を、予め添加しておいた水素ガスと反応させて水と
したのち、つぎの吸着塔２６，２７のいずれか一方で除
去した。また、ガス中の残留するプロセスガス等の不純
物も、上記反応塔２５で酸化したのち、同じくつぎの吸
着塔２６，２７のいずれか一方で除去した。そして、低
温吸着塔２８，２９のいずれか一方において、極微量残
留する不純物および窒素ガスを除去した。このようにし
て精製された回収ヘリウム（純度９３〜９９％）を、供
給タンク３２に送入して再利用に供した。

【００２１】このようにしてアニール処理を行った結
果、熱処理装置２０において急激な温度変化を与えたに
もかかわらず、処理されたウエハ（１２インチのもの）
は、温度ムラやガス濃度ムラに伴う品質不良を生じてお
らず、いずれのウエハも高品質で処理されていた。そし
て、処理速度が、不活性ガスを用いる従来のアニール処
理に比べて短時間ですむため、単位時間当たりの処理量
を大幅に向上させることができた。

【００２２】なお、本発明において、熱処理装置２０
は、上記実施例のものに限らず各種のものを用いること
ができるが、本発明が、高速処理を高品質で行うことが
できることを特徴としているため、高速処理機能を備え
たタイプの熱処理装置を用いることが好適である。

【００２３】また、精製装置２４は、必ずしも上記実施
例のように２塔自動切替式の吸着塔２６，２７および低
温吸着塔２８，２９を用いる必要はなく、適宜に設定さ
れる。そして、熱処理装置２０に供給するヘリウムの純
度に対する要求が特に厳しいものでない場合には、低温
吸着塔２８，２９は設ける必要がない。

【００２４】さらに、上記実施例のように、一台の熱処
理装置２０に対し一台の精製装置２４を設けるのでみな
く、複数の熱処理装置２０に対し一台の精製装置２４を
共用することもできる。この場合、各熱処理装置２０か
ら排気された回収ガスをまとめて一基の回収タンク２２
に貯蔵し、これを上記精製装置２４に導入して処理し再
利用に供するようにする。このようにするとより経済的
である。

【００２５】

【発明の効果】以上のように、本発明は、半導体製造の
ための熱処理において、炉内に、雰囲気ガスもしくはプ
ロセスガス希釈用ガスとしてヘリウムを主体とするガス
を供給するとともに、炉内からこれを排気して回収し、
回収後ヘリウムを精製して再利用に供するようにしたも
のである。したがって、本発明によれば、上記ヘリウム
を主体とするガスが、熱伝導度および拡散性に優れてい
るため、処理するウエハが大形で、しかも熱処理時の温
度変化を急激に与えても、ウエハ周囲において温度ムラ
やガス濃度ムラが生じることがなく、均一処理を短時間
で行うことができる。このため、処理効率を大幅に向上
させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の装置の一実施例を示す構成図である。

【図２】上記実施例に用いる熱処理装置の縦断面図であ
る。

【符号の説明】

２０熱処理装置２１排気装置２２回収タンク２４精製装置３２供給タンク３４ヘリウムボンベ３５水素供給設備３６プロセスガス供給設備

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大森宣典大阪府堺市築港新町２丁６番地40 大同ほくさん株式会社技術本部堺研究所内 (72)発明者前川俊一兵庫県伊丹市春日丘１−15 (72)発明者稲嶺一大阪府大阪市西淀川区大和田２−６−８− 1007

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体製造のために熱処理炉内で熱処理
を行う熱処理方法であって、上記熱処理炉内に被処理物
を装填し加熱するに際し、炉内に、雰囲気ガスもしくは
プロセスガス希釈用ガスとしてヘリウムを主体とするガ
スを供給するとともに、炉内からこれを排気して回収
し、回収後ヘリウムを精製して再利用に供するようにし
たことを特徴とする半導体熱処理方法。
【請求項２】上記ヘリウムを主体とするガスとして、
ヘリウムに対し０．５〜７％の水素ガスを添加した混合
ガスを用いるようにした請求項１記載の半導体熱処理方
法。
【請求項３】上記ヘリウムを主体とするガスによって
希釈されるプロセスガスとして、アルシン，ホスフィン
およびジボランからなる群から選択された少なくとも一
つのドーピングガスを用いる請求項１または２記載の半
導体熱処理方法。
【請求項４】上記ヘリウムを主体とするガスによって
希釈されるプロセスガスとして、三フッ化窒素および四
フッ化カーボンの少なくとも一方のクリーニングガスを
用いる請求項１または２記載の半導体熱処理方法。
【請求項５】上記ヘリウムを主体とするガスによって
希釈されるプロセスガスとして、オゾンおよび酸素の少
なくとも一方の酸化性ガスを用いる請求項１または２記
載の半導体熱処理方法。
【請求項６】上記ヘリウムを主体とするガスによって
希釈されるプロセスガスとして、アンモニアおよび笑気
ガスの少なくとも一方の窒化性ガスを用いる請求項１ま
たは２記載の半導体熱処理方法。
【請求項７】半導体製造のために熱処理を行う熱処理
炉と、上記熱処理炉内にヘリウムを供給するヘリウム供
給手段と、上記熱処理炉内からガスを排気する排気手段
と、上記排気されたガスを回収し回収ガス中からヘリウ
ムを分離精製するヘリウム精製手段と、上記精製された
ヘリウムを、上記ヘリウム供給手段に戻すヘリウム戻し
手段とを備えたことを特徴とする半導体熱処理装置。
【請求項８】上記ヘリウム供給手段に、ヘリウム以外
のガスを添加混合しうるガス添加供給手段を接続した請
求項７記載の半導体熱処理装置。