特開 2023-138329 熱処理装置及び熱処理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023138329

(43)【公開日】2023-10-02

(54)【発明の名称】熱処理装置及び熱処理方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/31 20060101AFI20230922BHJP

   H01L 21/316 20060101ALI20230922BHJP

   H01L 21/336 20060101ALI20230922BHJP

【ＦＩ】

H01L21/31 E

H01L21/316 S

H01L29/78 301F

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023005289

(22)【出願日】2023-01-17

(31)【優先権主張番号】P 2022041039

(32)【優先日】2022-03-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】000219967

【氏名又は名称】東京エレクトロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】渡邊 将久

【テーマコード（参考）】

5F045

5F058

5F140

【Ｆターム（参考）】

5F045AA20

5F045AB32

5F045AC11

5F045AC15

5F045AD11

5F045AD12

5F045AE25

5F045AF03

5F045BB02

5F045CA05

5F045DP19

5F045DP28

5F045DQ05

5F045EB03

5F045EF02

5F045EF14

5F045EK06

5F045EM10

5F058BB04

5F058BC02

5F058BF55

5F058BF60

5F058BF63

5F058BJ01

5F140AA00

5F140BA01

5F140BF04

5F140BF27

5F140BG41

5F140BG44

5F140BG50

5F140BK19

(57)【要約】

【課題】水分を含む減圧雰囲気での酸化処理の均一性を改善できる技術を提供する。
【解決手段】本開示の一態様による熱処理装置は、減圧可能な処理容器と、水素と酸素を触媒反応させて水分を生成する水分発生装置と、前記水分発生装置に水素及び酸素を導入するガス導入部と、前記水分発生装置が生成する前記水分を前記処理容器内に供給するノズルと、を有し、前記ガス導入部が導入する酸素に対する水素の流量比は２より大きく、前記処理容器は、前記ノズルから供給される前記水分を滞留させる滞留部を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

減圧可能な処理容器と、
水素と酸素を触媒反応させて水分を生成する水分発生装置と、
前記水分発生装置に水素及び酸素を導入するガス導入部と、
前記水分発生装置が生成する前記水分を前記処理容器内に供給するノズルと、
を有し、
前記ガス導入部が導入する酸素に対する水素の流量比は２より大きく、
前記処理容器は、前記ノズルから供給される前記水分を滞留させる滞留空間を有する、
熱処理装置。

【請求項2】

前記処理容器は、基板を収容する処理空間を有し、
前記滞留空間は、前記処理容器の内部の前記処理空間の上方に区画板を介して設けられ、
前記区画板は、前記処理空間と前記滞留空間とを連通させる複数のガス孔を有する、
請求項１に記載の熱処理装置。

【請求項3】

前記処理容器は、下端が開口しかつ天井部を含む円筒形状を有し、
前記処理空間には、前記基板が水平姿勢で多段に収容される、
請求項２に記載の熱処理装置。

【請求項4】

前記ノズルは、前記水分を前記滞留空間の中心付近で垂直方向上側、もしくは垂直方向下側に吐出する、
請求項１に記載の熱処理装置。

【請求項5】

前記処理容器内を減圧する真空ポンプを有する、
請求項１に記載の熱処理装置。

【請求項6】

前記ガス導入部が前記水分発生装置に導入する酸素の流量は、５０ｓｃｃｍ以上である、
請求項１に記載の熱処理装置。

【請求項7】

前記処理容器内を加熱する加熱部を有し、
前記加熱部は、前記処理容器内を８５０℃以下に加熱する、
請求項１に記載の熱処理装置。

【請求項8】

前記水素は、水素ガス（Ｈ_２）、重水素ガス（Ｄ_２）及び三重水素ガスのうちの少なくとも１つを含み、
前記水分は、水（Ｈ_２Ｏ）、重水（Ｄ_２Ｏ）及び三重水のうちの少なくとも１つを含む、
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の熱処理装置。

【請求項9】

基板を収容した処理容器内を減圧する工程と、
水分発生装置により水素と酸素を触媒反応させて水分を生成する工程と、
減圧された前記処理容器内に前記水分を供給する工程と、
を有し、
前記水分を生成する工程において前記水分発生装置に導入される酸素に対する水素の流量比は２より大きく、
前記水分を供給する工程は、前記処理容器内に供給される前記水分を滞留させることを含む、
熱処理方法。

【請求項10】

前記基板には、金属が露出する領域と、シリコンが露出する領域とが設けられ、
前記水分を供給する工程は、前記金属を酸化させることなく、前記シリコンを選択的に酸化させることを含む、
請求項９に記載の熱処理方法。

【請求項11】

前記水素は、水素ガス（Ｈ_２）、重水素ガス（Ｄ_２）及び三重水素ガスのうちの少なくとも１つを含み、
前記水分は、水（Ｈ_２Ｏ）、重水（Ｄ_２Ｏ）及び三重水のうちの少なくとも１つを含む、
請求項９又は１０に記載の熱処理方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、熱処理装置及び熱処理方法に関する。

【背景技術】

【0002】

水素と酸素の触媒反応により発生させた水分を処理容器内に供給し、処理容器内の基板に対して酸化処理を施す技術が知られている（例えば、特許文献１～３参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００２－３５３２１０号公報

【特許文献2】特開２００３－０４５８６７号公報

【特許文献3】特開２００１－３５１９１０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本開示は、水分を含む減圧雰囲気での酸化処理の均一性を改善できる技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の一態様による熱処理装置は、減圧可能な処理容器と、水素と酸素を触媒反応させて水分を生成する水分発生装置と、前記水分発生装置に水素及び酸素を導入するガス導入部と、前記水分発生装置が生成する前記水分を前記処理容器内に供給するノズルと、を有し、前記ガス導入部が導入する酸素に対する水素の流量比は２より大きく、前記処理容器は、前記ノズルから供給される前記水分を滞留させる滞留部を有する。

【発明の効果】

【0006】

本開示によれば、水分を含む減圧雰囲気での酸化処理の均一性を改善できる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】実施形態に係る熱処理装置を示す概略断面図

【図2】実施形態に係る熱処理方法を示す図

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、添付の図面を参照しながら、本開示の限定的でない例示の実施形態について説明する。添付の全図面中、同一又は対応する部材又は部品については、同一又は対応する参照符号を付し、重複する説明を省略する。

【0009】

〔熱処理装置〕
図１を参照し、実施形態に係る熱処理装置１について説明する。熱処理装置１は、複数枚の基板Ｗに対して一度に処理を行う縦型のバッチ装置として構成される。基板Ｗは、例えば半導体ウエハである。

【0010】

熱処理装置１は、処理容器１０と、供給部２０と、排気部３０と、加熱部４０と、制御部９０とを有する。

【0011】

処理容器１０は、内部を減圧可能に構成される。処理容器１０は、内管１１と、外管１２とを有する。内管１１は、下端が開放された有天井の円筒形状を有する。外管１２は、下端が開放されて内管１１の外側を覆う有天井の円筒形状を有し、均熱を確保することを目的としている。内管１１及び外管１２は、同軸状に配置されて２重管構造となっている。内管１１及び外管１２は、石英等の耐熱材料により形成される。外管１２は無くても良い。

【0012】

内管１１は、例えば平坦な天井部１１ａを有する。内管１１は、天井部１１ａの少し下方に位置する区画板１１ｂを有する。区画板１１ｂは、内管１１内を処理空間Ａ１と滞留空間Ａ２とに区画する。処理空間Ａ１には、基板Ｗが収容される。処理空間Ａ１は、内管１１の下部の側壁に設けられる排気ポート１３を介して減圧される。滞留空間Ａ２は、処理空間Ａ１の上方に位置する。滞留空間Ａ２は、処理空間Ａ１に比べて容積が小さい。滞留空間Ａ２には、ノズル１４の先端が挿通される。ノズル１４は、内管１１と外管１２との間において上下方向に延び、先端が内管１１の上部においてＬ字状に屈曲されて滞留空間Ａ２に挿通され、基端が内管１１の下部においてＬ字状に屈曲されて外部に取り出される。ノズル１４には、基端の側から処理ガスが導入される。ノズル１４は、先端から滞留空間Ａ２に処理ガスを吐出する。ノズル１４が処理ガスを吐出する方向は限られないが、滞留空間Ａ２内の処理ガス濃度の均一化のために、滞留空間Ａ２の中心付近で垂直方向上側、もしくは垂直方向下側に向かって吐出することが好ましい。滞留空間Ａ２に吐出される処理ガスは、滞留空間Ａ２において一時的に滞留する。区画板１１ｂには、処理空間Ａ１と滞留空間Ａ２とを連通させる複数のガス孔１１ｃが形成される。複数のガス孔１１ｃは、滞留空間Ａ２で滞留する処理ガスを処理空間Ａ１に供給する。

【0013】

内管１１の下端の開口１１ｄには、蓋体１５が取り付けられる。蓋体１５は、開口１１ｄを気密に塞ぐ。蓋体１５は、例えばステンレス鋼により形成される。蓋体１５の中央には、図示しない磁性流体シールを介して基板保持具１６を回転可能に支持する回転軸１７が貫通させて設けられる。回転軸１７の下部は、ボートエレベータよりなる昇降機構１８に回転自在に支持される。回転軸１７には、石英製の保温部材１９が設けられる。昇降機構１８を昇降させることによって蓋体１５と基板保持具１６とは一体として上下動し、基板保持具１６を処理容器１０内に対して挿脱できるようになっている。基板保持具１６は、処理空間Ａ１に収容可能である。基板保持具１６は、複数枚（例えば５０～１５０枚）の基板Ｗを水平姿勢で多段に保持する。

【0014】

供給部２０は、第１ガスソース２１と、第１流量制御器２２と、第２ガスソース２３と、第２流量制御器２４と、水分発生装置２５と、第３ガスソース２６と、第３流量制御器２７とを含む。

【0015】

第１ガスソース２１は、水素ガスのガスソースである。水素ガスは、水素ガス（Ｈ_２）及び水素同位体ガスのうちの少なくとも１つを含んでよい。水素同位体ガスは、例えば重水素ガス（Ｄ_２）、三重水素ガスであってよい。なお、本明細書等において、「水素ガス」は、水素ガス（Ｈ_２）及び水素同位体ガスのうちの少なくとも１つを含むガスを意味する。図１においては、第１ガスソース２１は、水素ガス（Ｈ_２）のガスソースである。第１ガスソース２１は、水分発生装置２５に水素ガスを導入する。第１流量制御器２２は、制御部９０の制御の下、第１ガスソース２１から水分発生装置２５に導入される水素ガスの流量を制御する。第１流量制御器２２は、例えばマスフローコントローラ（ＭＦＣ：Mass Flow Controller）である。

【0016】

第２ガスソース２３は、酸素ガス（Ｏ_２）のガスソースである。第２ガスソース２３は、水分発生装置２５に酸素ガスを導入する。第２流量制御器２４は、制御部９０の制御の下、第２ガスソース２３から水分発生装置２５に導入される酸素ガスの流量を制御する。第２流量制御器２４は、例えばマスフローコントローラである。

【0017】

第１ガスソース２１、第１流量制御器２２、第２ガスソース２３及び第２流量制御器２４は、ガス導入部の一例である。第１流量制御器２２及び第２流量制御器２４は、水分発生装置２５に導入される酸素ガスに対する水素ガスの流量比が２より大きくなるように、それぞれ水素ガスの流量及び酸素ガスの流量を制御する。

【0018】

水分発生装置２５は、水素ガスと酸素ガスを触媒反応させて水分を生成し、生成した水分をノズル１４に導入する。水分は、水（Ｈ_２Ｏ）、重水（Ｄ_２Ｏ）及び三重水のうちの少なくとも１つを含んでよい。なお、本明細書等において、「水分」は、水（Ｈ_２Ｏ）、重水（Ｄ_２Ｏ）及び三重水のうちの少なくとも１つを含むものを意味する。図１においては、水分発生装置２５は、水素ガス（Ｈ_２）と酸素ガスを触媒反応させて水（Ｈ_２Ｏ）を生成し、生成した水（Ｈ_２Ｏ）をノズル１４に導入する。水分発生装置２５に導入される酸素に対する水素の流量比が２より大きい場合、水分発生装置２５は、水素ガスと酸素ガスを触媒反応させて生成する水分と、未反応の水素ガスとをノズル１４に導入する。

【0019】

第３ガスソース２６は、窒素ガス（Ｎ_２）のガスソースである。第３ガスソース２６は、ノズル１４に窒素ガスを導入する。第３流量制御器２７は、制御部９０の制御の下、第３ガスソース２６からノズル１４に導入される窒素ガスの流量を制御する。第３流量制御器２７は、例えばマスフローコントローラである。

【0020】

係る供給部２０は、水分発生装置２５が生成する水分と、水分発生装置２５で未反応の水素ガスと、第３ガスソース２６が導入する窒素ガスとを含む処理ガスを、ノズル１４に導入する。ノズル１４は、供給部２０から導入される処理ガスを滞留空間Ａ２に供給する。

【0021】

排気部３０は、圧力制御器３１と、真空ポンプ３２とを含む。圧力制御器３１は、内管１１内の圧力を制御する。圧力制御器３１は、例えば自動圧力制御機器（ＡＰＣ：Automatic Pressure Controller）を含んでよい。真空ポンプ３２は、ターボ分子ポンプ、ドライポンプ又はこれらの組み合わせを含んでよい。真空ポンプ３２は、圧力制御器３１を介して排気ポート１３に接続される。排気部３０は、圧力制御器３１で内管１１内を所定圧力に制御しながら、真空ポンプ３２で内管１１内を排気する。

【0022】

加熱部４０は、外管１２の周囲に設けられる。加熱部４０は、外管１２を覆うように円筒形状を有する。加熱部４０は、内管１１内の基板Ｗを所定温度に加熱する。加熱部４０は、例えば抵抗発熱体を含むヒータである。

【0023】

制御部９０は、後述する熱処理方法を実施するように熱処理装置１の各要素を制御するように構成される。制御部９０は、一部又は全てが熱処理装置１とは別に設けられてもよい。制御部９０は、例えばコンピュータを含んでもよい。コンピュータは、例えば処理部と、記憶部とを含んでよい。処理部は、記憶部に格納されたプログラムに基づいて種々の制御動作を行うように構成され得る。処理部は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）を含んでよい。記憶部は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）又はこれらの組み合わせを含んでよい。

【0024】

〔熱処理方法〕
図２を参照し、実施形態に係る熱処理方法の一例として、前述した熱処理装置１において基板Ｗの表面に選択酸化処理を施す場合について説明する。

【0025】

まず、選択酸化処理を施す対象の基板Ｗを準備する。基板Ｗは、シリコン基板１０１と、シリコン基板１０１上に形成された電気回路１０２とを有する。シリコン基板１０１上には、ソース領域１０３及びドレイン領域１０４が設けられると共に、ソース領域１０３及びドレイン領域１０４に跨るようにゲート酸化膜１０５が設けられる。ゲート酸化膜１０５上には、ポリシリコン膜１０６が設けられる。ポリシリコン膜１０６上には、バリア層１０７を介してタングステン膜１０８が設けられる。

【0026】

次に、基板Ｗの表面に選択酸化処理を施す。まず、複数枚の基板Ｗを搭載した基板保持具１６を内管１１内にその下方から上昇させることにより搬入する。続いて、蓋体１５で内管１１の下端の開口１１ｄを塞ぐことにより、内管１１内を密閉空間とする。続いて、排気部３０により内管１１内を減圧して所定圧力に維持すると共に、加熱部４０により基板温度を所定温度に上昇させる。所定圧力は、例えば１００Ｔｏｒｒ（１３．３ｋＰａ）～３００Ｔｏｒｒ（４０．０ｋＰａ）であってよい。所定温度は、例えば８５０℃以下であってよい。基板温度が所定温度に安定した後、基板保持具１６を回転させながら選択酸化処理を開始する。

【0027】

選択酸化処理は、第１ガスソース２１及び第２ガスソース２３からそれぞれ水素ガス及び酸素ガスを水分発生装置２５に導入し、水分発生装置２５において水素ガスと酸素ガスを触媒反応させて水分を生成する工程を含む。該工程において、第１流量制御器２２及び第２流量制御器２４は、水分発生装置２５に導入される酸素ガスに対する水素ガスの流量比が２より大きくなるように、それぞれ水素ガスの流量及び酸素ガスの流量を制御する。この場合、水分発生装置２５に導入される水素ガスの一部が未反応の状態でノズル１４に導入される。すなわち、水分発生装置２５は、水素ガスと酸素ガスを触媒反応させて生成する水分と、未反応の水素ガスとをノズル１４に導入する。ノズル１４に導入される水分及び水素ガスは、滞留空間Ａ２に供給されて滞留空間Ａ２で滞留した後に、区画板１１ｂの複数のガス孔１１ｃを介して処理空間Ａ１に供給される。処理空間Ａ１に供給された水分及び水素ガスは、基板Ｗの表面に設けられたタングステン膜１０８を酸化させずに、ソース領域１０３、ドレイン領域１０４及びポリシリコン膜１０６の露出面を選択的に酸化させて酸化膜１０９を形成する。また、選択酸化処理は、第３ガスソース２６から窒素ガスをノズル１４に導入する工程を含んでもよい。

【0028】

選択酸化処理における条件の一例は以下である。
・基板温度：７５０℃
・水素ガス（Ｈ_２）の流量：２．０ｓｌｍ
・酸素ガスの流量：０．２ｓｌｍ
・窒素ガスの流量：３．５ｓｌｍ
・圧力：２００Ｔｏｒｒ（２６．７ｋＰａ）

【0029】

選択酸化処理が終了した後、内管１１内に基板Ｗを搬入した手順と逆の順で内管１１内から基板Ｗを搬出する。

【0030】

ところで、水分発生装置２５に導入される酸素ガスに対する水素ガスの流量比が２より大きい水素リッチの条件では、ノズル１４に水分と未反応の水素ガスとを含む処理ガスが導入されるが、水分発生装置２５で反応しなかった微量の酸素ガスが混入し得る。酸素ガスが混入した処理ガスが処理空間Ａ１に供給されると、基板Ｗの表面に形成される酸化膜１０９の膜厚の面内均一性が悪化する場合がある。これは、処理空間Ａ１に収容される基板Ｗの表面近傍において、酸素ガスと水素ガスとが反応して新たな酸化種が生成されるためと考えられる。

【0031】

例えば、縦型のバッチ装置の場合、内管１１の上方から処理ガスが供給される。このため、処理ガスに混入する酸素ガスは、ほとんどが内管１１の上方において水素ガスと反応して新たな酸化種となる。このため、基板保持具１６に保持される複数枚の基板Ｗのうち上部に位置する基板Ｗほど酸化膜１０９の膜厚の面内均一性が悪化する。

【0032】

そこで、実施形態では、ノズル１４から供給される水分及び水素ガスを含む処理ガスを滞留空間Ａ２で滞留させた後に処理空間Ａ１に供給する。このため、処理ガスに微量の酸素ガスが混入している場合であっても、滞留空間Ａ２において水素ガスと酸素ガスとが反応して酸素ガスが消費される。これにより、処理空間Ａ１に酸素ガスが供給されることが抑制される。その結果、基板Ｗの表面に形成される酸化膜１０９の膜厚の面内均一性が向上する。

【0033】

上記の選択酸化処理において、第２ガスソース２３が水分発生装置２５に導入する酸素ガスの流量は例えば５０ｓｃｃｍ以上であってよい。水素リッチの条件で処理ガスに混入する未反応の酸素ガスの流量は、水分発生装置２５に導入される酸素ガスの流量が大きくなるほど大きくなる。水分発生装置２５に導入する酸素ガスの流量が５０ｓｃｃｍ以上の場合、処理ガスを滞留空間Ａ２で滞留させることなく処理空間Ａ１に供給すると、酸化膜１０９の膜厚の面内均一性が悪化しやすい。そこで、第２ガスソース２３が水分発生装置２５に導入する酸素ガスの流量が５０ｓｃｃｍ以上である場合、滞留空間Ａ２を有する実施形態に係る熱処理装置１を用いて選択酸化処理を実施することが有効である。さらに、第２ガスソース２３が水分発生装置２５に導入する酸素ガスの流量が１００ｓｃｃｍ以上である場合、処理ガスに混入する未反応の酸素ガスの流量が更に大きくなる。そこで、滞留空間Ａ２を有する実施形態に係る熱処理装置１を用いて選択酸化処理を実施することがより有効である。

【0034】

上記の選択酸化処理において、プロセス温度は例えば８５０℃以下であってよい。プロセス温度が８５０℃より高い場合、水素ガスと酸素ガスとの反応が生じやすい。このため、処理ガスを滞留させることなく処理空間Ａ１に供給した場合であっても基板Ｗの表面近傍に酸素ガスが到達しにくい。一方、プロセス温度が８５０℃以下の場合、水素ガスと酸素ガスとの反応が生じにくい。このため、処理ガスを滞留させることなく処理空間Ａ１に供給すると、処理ガスに混入する微量の酸素ガスが基板Ｗの表面近傍に到達し、酸化膜１０９の膜厚の面内均一性が悪化しやすい。そこで、プロセス温度が８５０℃以下の場合には、滞留空間Ａ２を有する実施形態に係る熱処理装置１を用いて選択酸化処理を実施することが有効である。さらに、プロセス温度が８００℃以下の場合には、水素ガスと酸素ガスとの反応が更に生じにくい。そこで、滞留空間Ａ２を有する実施形態に係る熱処理装置１を用いて選択酸化処理を実施することがより有効である。

【0035】

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。

【0036】

上記の実施形態では、選択酸化処理において、タングステンを酸化させることなく、シリコンを選択的に酸化させる場合を説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、タングステンは、別の金属であってもよい。

【符号の説明】

【0037】

１ 熱処理装置
１０ 処理容器
１４ ノズル
２０ 供給部
２１ 第１ガスソース
２２ 第１流量制御器
２３ 第２ガスソース
２４ 第２流量制御器
２５ 水分発生装置
Ａ１ 処理空間
Ａ２ 滞留空間

【図1】

【図2】