JP3181308B2

JP3181308B2 - 熱処理装置

Info

Publication number: JP3181308B2
Application number: JP09813291A
Authority: JP
Inventors: 修横川
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1991-04-03
Filing date: 1991-04-03
Publication date: 2001-07-03
Anticipated expiration: 2016-07-03
Also published as: JPH04306824A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱処理装置に関する。

【従来の技術】一般に、熱処理装置、例えば酸化拡散装
置にあっては、酸化拡散反応は、ＣＶＤ等による成膜処
理と比較して高温状態、例えば１２００℃にて行なわれ
ることから、高温状態にさらされる炉内部分にもし金属
材料を使用すると、処理ガスとして腐食性ガスを使用し
た場合には、この金属材料が腐食して生成物が半導体ウ
エハに付着拡散し、性能の劣化を生ずるおそれがあるの
で、処理容器全体が１重構造あるいは２重構造に一体成
形された耐熱性および耐腐食性のある石英等で構成され
ている。そして、処理ガスの導入管および処理済みガス
を排出する排気管は、上記石英処理容器自体に一体的に
取付けられており、処理容器内に水蒸気等を供給しつつ
常圧で、例えば１２００℃で半導体ウエハを酸化処理す
るように構成されている。

【０００２】

【発明が解決すようとする課題】ところで、近年、ＬＳ
Ｉの高集積度化により、例えばＭＯＳＦＥＴの実装密度
が向上し、最近のＬＳＩでは、例えば１Ｍ、４ＭＤＲＡ
Ｍの最小設計幅が１ｍｍ以下になり、ゲート酸化膜の膜
厚も２００Å以下となってきた。更に、１６ＭＤＲＡＭ
のゲート酸化膜は、１００〜１５０Åとさらに薄膜化の
傾向となっている。成膜前の前処理としてシリコン表面
をＨＦやＨＣｌにてウエット洗浄した場合、洗浄直後は
清浄なシリコン表面が表れるが、すぐに空気中の酸素や
水分とシリコンが反応してシリコン表面に１０Å前後の
自然酸化膜が形成される。また、横型炉の場合には、半
導体ウエハを搭載したボートを例えば１０００℃に加熱
された反応管内部へ水平方向の駆動によりローデーィン
グする際に、炉内と炉外の温度差に起因する対流により
空気が反応管内部へ混入することが避けられなかった。
従って、横型炉の場合には、ウエハをローディングする
際に加熱されたウエハと空気中の酸素が反応し、５０〜
１００Åの自然酸化膜の形成が避けられず、また、自然
酸化膜はポーラスで膜質が悪いためゲート酸化膜を制御
する必要のある高密度素子への対応がその構造的理由に
より自ずから限界があった。

【０００３】一方、縦型炉の場合には、横型炉と比較し
て酸素の巻き込みが少なく、自然酸化膜の形成も３０〜
５０Åと少ないため現在の１ＭＤＲＡＭの成膜に使用さ
れる装置は、この縦型炉が主流となっている。しかしな
がら、４Ｍ、１６Ｍとさらに高密度化が促進すると、こ
の縦型炉の場合にもローディング、アンローディング時
に空気の差し込み、及びウエハの吸着水分に起因して発
生する自然酸化膜の生成を抑制すべき改良が必要とな
り、特に、素子の高密度化が急速に進み、酸化膜の膜厚
のコントロールがより緻密化すると、ウエハ洗浄後から
熱処理炉への搬送の間に空気中の酸素や水分とシリコン
が反応して形成される１０Å前後の自然酸化膜の生成の
抑制あるいは自然酸化膜の形成要因となる熱処理炉内の
残留水分や酸素の排除が必要とされるに至っている。ま
た、酸化膜の成膜装置以外の処理装置にあっても、特に
コンタクト抵抗を小さくする必要のあるポリシリコン膜
生成やキャパシタンス、、膜生成時にも余分な自然酸化
膜の生成を抑制する必要がある。本発明は、以上のよう
な問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案された
ものであり、本発明の目的は、熱処理部へのウエハロー
ディング時の自然酸化膜の形成を抑制することができる
と共にマニホールドの腐食及びマニホールドの下端開口
部を開閉するキャップ部の腐食も防止することができる
熱処理装置を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
解決するために、処理用ボートに収容された複数枚の被
処理体に所定の熱処理を行なう縦型の熱処理部と、該熱
処理部の開口部に接続されるマニホールドと、該マニホ
ールドに接続され、前記熱処理部内を真空引きするため
の真空排気系と、前記マニホールド全体を冷却するため
の冷却手段と、前記熱処理部に前記マニホールドの下端
開口部を介して接続され、内部に不活性ガスが充填され
ると共に、前記熱処理部へ前記被処理体を搬入搬出させ
るロードロック室と、前記マニホールドの下端開口部を
開閉するために昇降可能になされたキャップ部とを備
え、前記キャップ部にはこれを冷却する冷却手段が設け
られるようにしたものである。

【０００５】

【作用】本発明によれば、熱処理部にて被処理体の熱処
理、例えば酸化処理が終了すると真空排気系を駆動して
熱処理部内に残留する自然酸化膜形成の要因である水蒸
気、酸素成分を排除する。その後、不活性ガス、例えば
窒素（Ｎ₂）で内部雰囲気を置換し、常圧にする。つい
で、すでに不活性ガスにより常圧に維持されているロー
ドロック室内へ処理済みの被処理体をアンロードする。
この時、熱処理部内とロードロック室内は連通するが、
熱処理部内の水蒸気や酸素成分はすでに排除されている
ので、これがロードロック室内へ流入することがない。
また、被処理体を熱処理部にロードした状態で真空排気
し、内部の水蒸気や酸素成分を排除する。熱処理部にて
被処理体に熱処理、例えば酸化拡散処理を行なうとき、
金属性マニホールドが高温になって腐食性ガスにより腐
食されることを防止するために、冷却手段により上記マ
ニホールド全体を冷却する。そして、熱処理操作が終了
したならば、処理ガスの供給を停止し、上記マニホール
ドに接続した真空排気系を駆動し、内部の残留水蒸気、
酸素成分、処理ガスを排除する。その後、内部雰囲気を
窒素で置換して常圧にし、処理済みの被処理体をアンロ
ードする。また、マニホールドの下端開口部を開閉する
キャップ部にも冷却手段を設けてこれを冷却するように
しているので、腐食性ガスによりこのキャップ部が腐食
されることを防止することができる。

【０００６】

【実施例】以下に、本発明に係る熱処理部の一実施例を
添付図面に基づいて詳述する。本実施例においては、熱
処理装置として酸化拡散装置を例にとって説明する。図
１及び図２に示すごとくこの熱処理装置は、熱処理部１
を有し、この熱処理部１は例えば石英にて円筒状に形成
されて天井部を有す外筒２と、この内側に所定の距離だ
け隔てて同心状に設置されると共に、例えば石英により
円筒状に形成されて上端が開放された内筒３とにより主
に構成されており、全体として縦型の２重管構造の処理
容器を構成している。そして、上記外筒２の外周には、
これを囲繞するごとく加熱ヒータ４が設けられている。
そして、上記外筒２および内筒３の下端部の開口部５に
は、例えばステンレススチールよりなるマニホールド６
が接続されており、上記外筒２及び内筒３を保持してい
る。具体的には、上記外筒２の下端部には環状フランジ
部７が形成されると共に、上記マニホールド６の上端部
にも同様な環状フランジ部８が形成されており、これら
両フランジ部７、８を係止部材９を介してボルト１０で
固定することにより、上記外筒２とマニホールド６とを
固定している。また、上記両フランジ部７、８の接触面
には、例えばフッ素ゴムよりなるＯリング１１が介設さ
れており、シール性を保持している。また、上記係止部
材９と外筒フランジ部７のの上面との間には、このフラ
ンジ部７の放熱を促進すべく熱伝導性の良好な例えば炭
素繊維よりなる弾性パッキング部材１３が介設されてい
る。また、上記マニホールド６の内壁には環状凸部１４
が形成されており、この環状凸部１４に上記内筒３の下
端部を支持固定させている。そして、上記マニホールド
６の上部側壁には、例えば石英よりなるガス導入管１８
が貫通させて設けられると共に、その先端部を起立させ
て上記外筒２と内筒３との間に配置し、上端部に設けた
噴出孔２０から処理ガスを放出し得るように構成されて
いる。また、上記ガス導入管１８には、窒素などの不活
性ガス供給源或いは処理ガス供給源、例えば酸化処理を
行なう場合には酸素と水素を燃焼させて水蒸気を発生さ
せる燃焼装置２１が接続されている。更に、上記ガス導
入管１８の下部には、比較的大口径、例えば直径６０ｍ
ｍの真空引口２３が形成されると共に、この真空引口２
３には、例えばターボ分子ポンプ等を備えた真空排気系
２５が接続されており、容器内を例えば１０^-6Ｔｏｒｒ
程度まで真空引きできるように構成されている。また、
上記真空引口２３の対向部分のマニホールド６には、処
理ガスを排気するための排気口２６が形成されると共
に、この排気口２６には排気管２７が接続されており、
処理済みガスを処理系へ供給するように構成されてい
る。更に、上記排気口２６の上部には、処理容器内の温
度を測定するための温度測定用治具２９が挿入されてい
る。

【０００７】また、上記マニホールド６には、酸化拡散
処理時にこのマニホールド６全体を冷却するための冷却
手段３０が設けられている。具体的には、この冷却手段
３０は、上記マニホールド６を２重管構造とすることに
より内部に冷却水を流通させる冷却水通路３１を形成す
ることにより構成されている。そして、上記マニホール
ド６の下端部には、環状フランジ部３３が形成されると
共に、この環状フランジ部３３は、例えばステンレスス
チール等よりなるベースプレート３４すなわち後述する
ロードロック室の上壁側へ補助部材３５を介してボルト
３６、３７により支持固定されている。そして、この処
理容器の下方には、後述するごとく気密性を必要とされ
るロードロック室４０が設けられることから、上記環状
フランジ部３３の上面と上記補助部材３５との間、及び
この補助部材３５と上記ベースプレート３４との接触部
にはＯリング４１、４２が介設されている。一方、上記
マニホールド６の下端開口部には、例えばステンレスス
チールよりなるキャップ部４５がＯリング４６を介して
封止可能に設けられている。このキャップ部４５には、
図示しない駆動手段により回転自在になされた回転軸４
７が挿通されると共に、この回転軸４７の上端には、例
えば石英よりなる保温筒５０が取付けられている。そし
て、この保温筒５０の上に、例えば石英よりなる処理用
ボートとしてのウエハボート５１が載置されると共に、
このウエハボート５１内に被処理体、例えば多数の半導
体ウエハ５２が所定のピッチで積層されている。そし
て、上記キャップ部４５は、下方に設けられたボートエ
レベータ５４により上記保温筒５０、ウエハボート５１
と一体となって昇降自在に構成されている。

【０００８】一方、この熱処理部１の下方には、内部に
不活性ガス、例えば窒素が充填されると共に、上記熱処
理部１内の半導体ウエハ５２を搬入搬出させる、例えば
ステンレススチールにより直方体状に形成された気密構
造のロードロック室４０が開口部１００を介して設けら
れている。このロードロック室４０には、前記ボートエ
レベータ５４の全体が収容されており、少なくとも上記
ウエハボート５１の全体を収容し得る高さを有してい
る。そして、図３乃至図６にも示すごとく、このロード
ロック室４０の側壁には、例えば窒素のごとき不活性ガ
スを供給するガス供給口５９が形成されると共に、この
ガス供給口５９には途中にバルブ等を介した不活性ガス
管６０が接続され、この不活性ガス６０の他端には不活
性ガス供給源６１が接続されている。また、このロード
ロック室４０の同じ側壁には、比較的大口径の排気口６
３が形成されると共に、この排気口６３には圧力スイッ
チ６４ａ、圧力計６４ｂを備えた排気管６５が接続さ
れ、この排気管６５の他端には、ターボ分子ポンプ、ド
ライポンプ等を備えた排気系６６が接続されている。ま
た、このロードロック室４０の他の側壁には、この室内
のメンテナンスを行なうときに開閉すメンテナンスドア
６７が開閉自在に取付けられている。そして、上記ロー
ドロック室４０には、ゲート弁７０を介して気密自在に
なされたロボット室７１が接続されており、このロボッ
ト室７１内には、半導体ウエハを移載する移載装置（図
示せず）や半導体ウエハの表面に形成された自然酸化膜
を除去する清浄装置（図示せず）等が収容されている。
そして、このロボット室７１の側壁には、内部の操作状
況を観察するためのガラス等よりなる複数の観察窓７３
が形成されている。

【０００９】そして、上記ロボット室７１には、ゲート
弁７５を介して気密自在になされたカセット室７６が接
続されており、開閉ドア７７を介して、複数枚の半導体
ウエハを収容するカセット（図示せず）を搬入搬出し得
るように構成されている。そして、上記ロボット室７１
及びカセット室７６にも前記不活性ガス供給源６１へ直
結されたガス供給管８０、８１及び前記排気系６６へ連
結された排気管８３、８４が接続されている。次に、以
上のように構成された本実施例の動作について説明す
る。まず、酸化拡散処理を行なうに際して、熱処理装置
のマニホールド６に接続した真空排気系２５及びロード
ロック室４０、ロボット室７１、カセット室７６に接続
した排気系６６を長時間駆動して全体体を真空引きして
例えば１０^−５〜１０^−６Ｔｏｒｒの真空状態にする。
これにより、処理容器内や各室４０、７１、７６内に残
留する水分や酵素成分などの自然酸化膜の形成要因とな
るガスをほぼ確実に排除する。この排除が完了したなら
ば、次いでガス導入管１８を介して処理容器内に窒素ガ
スを常圧まで供給すると共に、不活性ガス供給源６１よ
りロードロック室４０、ロボット室７１、カセット室７
６に窒素ガスを常圧まで供給する。このように内部圧力
が常圧になったならば、図示しないカセット搬送手段に
より、例えば２５枚の半導体ウエハを収容したカセット
を開閉ドア７７を介してカセット室７６内へ搬入する。
このカセット室７６内の半導体ウエハは、ロボット室７
１内の枚葉移載手段（図示せず）により把持されて、洗
浄によりウエハ表面の自然酸化膜を除去した後、ロード
ロック室４０内に降下されているウエハボート５１に順
次収容する。

【００１０】このようにして、全ての半導体ウエハをウ
エハボート５１に収容したならば、次に、ボートエレベ
ータ５４によりウエハボート５１を上昇させて、これを
熱処理部１内に収容すると共に、キャップ部４５により
マニホールド６の下端開口部を気密封止する。今までの
各工程は、常圧の窒素雰囲気中にて行なわれているの
で、半導体ウエハに新たに自然酸化膜が付着することは
ない。また、各工程が終了したならば、各室４０、７
１、７６間における気体の移動を防止するために各ゲー
ト弁７０、７５を閉じるようにする。以上のように、熱
処理部１内に半導体ウエハ５２を収容したときには、熱
処理部をすでに加熱ヒータ４により所定の温度、例えば
酸化拡散を行なう場合には約１２００℃に加熱してお
く。そして、燃焼装置２１にて水素と酸素とを燃焼させ
ることにより水蒸気を発生させ、これをガス導入管１８
を介して外筒２と内筒３との間に供給する一方、処理容
器内の圧力が常圧を維持するように排気管２７から排気
し、酸化処理を行なう。この時、マニホールド６に設け
た冷却手段３０に冷却水を流通し、この金属性マニホー
ルド６を、１００℃以下、好ましくは７０℃以下に冷却
し、この腐食を防止する。特に、拡散処理においてオキ
シ塩化リン（ＰＯＣｌ₃ ）等の腐食性ガスを使用した場
合にあっても、上述のような温度までマニホールド６を
冷却することができるので腐食を抑制でき、歩留まり低
下の原因となるパーティクルの発生を阻止できる。ま
た、この時、キャップ部４５にも水冷ジャケットよりな
る冷却手段を設けておけば、一層の腐食抑制効果を発揮
することができる。更には、マニホールド６の内壁面に
沿って石英カバーを一面に設けておけば、腐食抑制効果
は一層向上する。

【００１１】以上のようにして、所定時間酸化拡散処理
を行なったならば、ガス導入管１８からの水蒸気の供給
を停止し、次いで、再度真空排気系２５を駆動して、処
理容器内を前述と同様に１０^-5〜１０^-6Ｔｏｒｒまで真
空引きして所定時間維持する。これにより、処理容器内
に残留する自然酸化膜の原因となる水蒸気成分や酸素成
分をほぼ完全に排除する。このようにして、排除が完了
したならば、次に、処理容器内に不活性ガスである窒素
を供給して、内部圧力を常圧にする。そして、ボートエ
レベータ５４によりウエハボート５１を降下して、処理
済みの半導体ウエハ５２を処理容器から搬出する。この
時、ロードロック室４０は、窒素雰囲気で常圧となって
おり、また、処理容器内とロードロック室４０とはマニ
ホールド６の下端開口部を介して連通するが、前述の如
く処理容器内の残留水蒸気等はすでに排除されているの
で、ロードロック室４０内へ水蒸気成分等が流入するこ
とはない。以後は、前述したと逆の操作手順により、処
理済みの半導体ウエハはロボット室７１、カセット室７
６を介して外部へ搬出される一方、新たな未処理の半導
体ウエハが搬入され、前述と同様な操作手順が繰り返さ
れることになる。このように、本実施例によれば、熱処
理部１内を真空引きできる構造とすると共に、その下方
に不活性ガスが充填されたロードロック室４０を設け
て、処理前或いは処理後の反応容器内に残留する水蒸気
成分や酸素成分を外部へ排除するようにしたので、半導
体ウエハ表面上に自然酸化膜が形成されることを大幅に
抑制することができる。また、上記実施例にあっては、
熱処理部１内を真空引きする必要から、金属性マニホー
ルド６を設ける必要が生じたが、この部分にはマニホー
ルド全体を冷却する冷却手段３０を設けたので、例えば
酸化拡散時に腐食性ガスを使用してもマニホールド６の
腐食を防止でき、したがって、歩留まり低下の要因とな
るパーティクルの発生を抑制しつつ自然酸化膜の形成を
抑制できる。

【００１２】更に、容器内を真空引きすることからマニ
ホールド６を用いてシール性を向上させたので、従来の
全て石英により構成した酸化拡散容器に比較してＰＯＣ
ｌ _３等の危険ガスに対するシール性を向上でき、安全性
を向上できる。また、上記実施例にあっては、マニホー
ルド６を用いて外筒２と内筒３とを分離分割した２重管
構造としたので、従来の酸化拡散装置における一体型２
重管構造に比較して、コストを大幅に削減することが可
能となる。尚、上記実施例において、処理容器内を真空
引きするときに、マニホールド６の冷却手段３０に高温
水を流すことにより、或いはマニホールド６の外周に加
熱手段を設けて真空引き時にマニホールド６全体を加熱
するように構成すれば、残留水蒸気等の排出を一層促進
でき、排出操作時間の短縮化或いは排出操作の完全性を
担保することができる。また、真空排気管と処理ガスを
排出する排気管２７を別構造とすることなく、これらを
一体として弁操作により両機能を切り替えるようにして
も良い。更に、上記実施例は、真空引きしない通常の酸
化拡散装置にも適用できるし、また、酸化拡散装置以外
のたとえば、ＣＶＤ装置等にも適用し得るのは勿論であ
る。

【００１３】

【発明の効果】以上ようするに、本発明によれば、熱処
理部内に残留する水蒸気成分や酸素成分を確実に排除で
きると共に、この中への水蒸気成分等の流入を阻止でき
るので、被処理体表面への自然酸化膜の形成を抑制する
ことができる。従って、被処理体表面上に品質良好な均
一な酸化膜を精度良く形成することができ、半導体製品
の高集積化に対応することができる。また、熱処理時に
マニホールドを冷却手段により冷却することにより、マ
ニホールドが腐食性ガスにより腐食されることを防止す
ることができる。更には、キャップ部を冷却する冷却手
段を設けることにより、キャップ部の腐食を防止するこ
とができる。また、マニホールドの内壁面に石英カバー
を設けるようにすれば、腐食抑制効果を一層向上でき
る。また、熱処理が終了して真空引きする際に、マニホ
ールドを加熱するようにすれば、残留する水蒸気等の排
出を促進できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る熱処理装置を示す断面図である。

【図２】本発明に係る熱処理装置の要部を示す拡大図で
ある。

【図３】本発明に係る熱処理装置のロードロック室側を
示す概略図である。

【図４】本発明に使用されるロードロック室側を示す平
面図である。

【図５】本発明に使用されるロードロック室側を示す正
面図である。

【図６】本発明に使用されるロードロック室側を示す側
面図である。

【符号の説明】

１熱処理部２外筒３内筒４加熱ヒータ５開口部６マニホールド２１燃焼装置２３真空引口２５真空排気系２７排気管３０冷却手段３１冷却水通路４０ロードロック室５２半導体ウエハ（被処理体）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/205 H01L 21/22 - 21/24 H01L 21/31 H01L 21/365 H01L 21/38 - 21/40 H01L 21/469 H01L 21/86

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】処理用ボートに収容された複数枚の被処
理体に所定の熱処理を行なう縦型の熱処理部と、該熱処理部の開口部に接続されるマニホールドと、該マニホールドに接続され、前記熱処理部内を真空引き
するための真空排気系と、前記マニホールド全体を冷却
するための冷却手段と、前記熱処理部に前記マニホールドの下端開口部を介して
接続され、内部に不活性ガスが充填されると共に、前記
熱処理部へ前記被処理体を搬入搬出させるロードロック
室と、前記マニホールドの下端開口部を開閉するために昇降可
能になされたキャップ部とを備え、前記キャップ部には
これを冷却する冷却手段が設けられることを特徴とする
熱処理装置。
【請求項２】前記マニホールド全体を冷却するための
冷却手段は、前記マニホールドを２重管構造とすること
により形成される冷却水通路よりなることを特徴とする
請求項１記載の熱処理装置。
【請求項３】前記マニホールドには、この内壁面に沿
って石英カバーが設けられることを特徴とする請求項１
または２記載の熱処理装置。
【請求項４】前記冷却手段には、前記熱処理装置が終
了して前記熱処理部を真空引きする時に高温水を流すよ
うにして残留水蒸気の排出を促進させるように構成した
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の熱
処理装置。
【請求項５】前記マニホールドには、前記熱処理装置
が終了して前記熱処理部を真空引きする時に駆動する加
熱手段を設けて残留水蒸気の排出を促進させるように構
成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記
載の熱処理装置。