專利名稱：加熱爐與半導體基板裝載治具的組合及半導體裝置的制造方法
技術領域：
本發明系有關于CVD、擴散等各種半導體制程所使用的熱壁型加熱爐(hotwall heating furnace)及半導體基板裝載治具的組合，以及半導體裝置的制造方法。
在1994年9月19日-22日在日本名古屋的第55次應用物理學會之發表會(發表號21a-ZE-6)中提到在直立爐(vertical furnace)的上下二處設置低溫區及高溫而將晶圓于此區間移動而進行快速熱退火(Rapid ThermalAnnealing)的話，在晶圓面內部的片電阻(sheet resistance)分布比一般的快速熱退火為佳。
而在1995年8月30日-9月1日在荷蘭阿姆斯特丹舉行的第3屆國際快速熱退火處理研討會，RTP‘95中之報告，The effects of rapid thermalprocessing on quarter micron CMOS device，pp101-103)中提出了于使用上述形式的直立爐的RTP(Rapid Thermal processing)中對5片的晶圓進行1000℃5秒的處理以制造CMOS，同樣型式的爐適用于回流(reflow)制程亦有報告(4th int conf on Thermal Processing of Semiconductors-RTP‘96pp30-33)及此型式的爐適用于千兆位DRAM的退火制程亦有報告。(4th Int confOn advanced Thermal processing of Semiconductor-RTP‘96)。
圖1顯示處理溫度分布優良的1片晶圓的直立式單片式加熱爐構造的主要部份。圖中，1為由耐火、斷熱材料所制成的爐體，2為加熱體，3為石英制反應管，4為于反應管3的頂部開口而從爐的下部將氣體導入爐內的氣體導入管，5為爐底板，6為在處理前后在爐內升降且在處理中旋轉的支持棒，7為從支持棒6向上成斜面而分開的晶圓支承部，8為晶圓，9為支撐晶圓背部之爪，10為O型環，11為開口于反應管下部的排氣管。以此構造的加熱爐加熱的晶圓8的溫度分布會受到至加熱體2的距離的影響而呈周圍溫度高而中心低。
為了使此種晶圓面內的溫度分布均一，本案申請人在其美國專利NO.6,159,873中提出了在爐內配置與晶圓有幾乎相同形狀的蓄熱板，并預先加熱，并移至晶圓的近傍，而藉由加熱體與蓄熱板雙方的熱源來使晶圓急速升溫并使溫度分布均一化的方法。本發明的發明人在1998年春季應用物理學會研討會的發表論文中，對于蓄熱板的上述效果以模擬方法作研究及考察。
再者，于該美國專利中對于使用蓄熱板作為加熱體的構想亦具體的揭示，而且在該專利的第12圖中亦揭示了將晶圓之面盡量接近在平坦狀的爐頂部配置的加熱體的方法。依此方法，由于晶圓與加熱體之面互相成近距離面對面，因而晶圓面的溫度分布可顯著的改善。
于前述美國專利所揭示的使晶圓盡量接近爐頂及加熱體的方法雖可改善晶圓的溫度分布，但由于加熱之斷面為圓形，因此爐的占有床面積(footprint)大。
由于半導體制造用的加熱爐的每單位體積及每單位容積需高價的建設成本來設置無塵屋(clean room)，所以能夠縮減該床占有面積或無塵室容積極具意義。
本發明的加熱爐與半導體基板裝載治具的組合乃為由耐火，斷熱材所構成的爐體及含有配置于爐體內側面的加熱體所構成的直立爐或橫置爐，以及其在爐的反應管的均熱區內將一片或二片的半導體基板以其面與爐之長軸方向一致，且可自由前進后退的方式所支持的基板裝載治具所構成的組合，其將征在于加熱體之面與半導體基板之面實質上成平行。
再者，本發明乃以使用上述加熱爐與半導體基板的裝載治具之為組合進行RTP(Rapid Thermal Processing)為其特征。RTP之方法如下述所示(1)RTA(Rapid Thermal Annealing)以10-150℃/sec之速度升溫降溫，并保持在處理溫度0-20秒。
(2)RTO(Rapid Thermal Oxidation)以與(1)同樣之條件于硅之表面形成薄的氧化膜。
(3)RTN(Rapid Thermal Nitriding)以與(1)同樣之條件在硅表面形成薄的氮化膜。
(4)RTCVD(Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition)以與(1)同樣之條件于CVD氣體之氣氛中成長CVD膜。
(5)RT-Wet Reflowing以與(1)同樣的條件在高溫水蒸氣中回流BPSG。
依照本發明，可于8～12英寸CVD上施行上述RTP。
于直立爐內將晶圓槽置時，爐床占有面積較半導體基板(以下稱晶圓)之面積為大。而在橫置爐內將晶圓面與爐的長軸方向成交叉而直立裝載的話，同樣地爐床占有面積較晶圓面積為大。因此不論何種情況，加熱爐變大。因此一般將晶圓與爐的長軸方向，亦即直立爐之縱軸或橫置爐之水平方向軸一致以構成加熱爐與基板裝載治具之組合。此種構造的本身為習知，但依照本發明，藉由將爐之內側面與晶圓面成實質的平行而變更爐之斷面輪廓的話就可達成所預期的目的，以下參照本發明之圖式具體說明本發明。
圖1為顯示習知的單片式直立熱壁型加熱爐之一例的剖面圖；圖2為顯示本發明立直之爐與直立裝載的晶圓裝載治具的組合之一例之圖，為圖3的A-A剖面圖(但氣體導入管4，排氣管11省略)；圖3為圖2之爐的縱剖面圖；圖4為顯示本發明的直立爐，晶圓裝載治具及蓄熱板的組合之一例的橫剖面圖；圖5為圖4的A-A剖面圖；圖6為顯示本發明的橫置爐與直立裝載晶圓的裝載治具的組合之一例，為圖7的A-A剖面圖；圖7為圖6的B-B剖面圖；圖8為顯示晶圓裝載治具之爪部構造之一例之圖，而為圖7的C-C剖面圖；圖9為顯示晶圓裝載治具爪部構造之另一例的圖7之B-B剖面圖；圖10a及圖10b為橫置于橫置爐內裝載晶圓的治具之圖；圖10c為說明依照本發明進行硅晶圓加熱的示意圖；圖11為顯示依照本發明的橫置爐與橫置的晶圓的橫裝載治具的組合之側面圖；圖12為圖11之平面圖；圖13為顯示圖11及圖12之框架的斷面2圖。
于圖6及圖7中，晶圓8乃直立地裝載于橫置爐內。爐體1及加熱體2乃分為進行反應的高溫均熱部及反應前將晶圓8保持在低溫之低溫均熱部。13為排氣管，14為將加熱爐之入口側關閉的蓋子，20為開有如蜂巢之多數之孔而將反應空間內的氣流均一化的整流板。
圖6及圖7為橫置爐的爐體1a及1b間的寬度，較習知的爐可大幅減少1/2以下，床占有面積可降低。
圖7所示的基板裝載治具16乃用來裝載晶圓8，乃由可在低溫均熱部及高溫均熱部之間可前進及后退之中空棒17及在其前端固接之弧狀腕部19所構成。15為間隔片。中空棒17兼具晶圓移動治具及氣體導引管的功能。固接于中空棒17之弧狀腕部19乃支持住晶圓8之下部而成約120°展開之基部。而從此基部三個爪19a、19b伸出。二個爪19a乃對鉛直線成約60°的展開位置的配置，主要用來防止晶圓倒下。亦即爪19a將晶圓8之邊緣部把持住以防止晶圓倒下，而在其前端內部成叉狀分開以將晶圓挾住。爪19b乃于鉛直線上將晶圓8支持著。于中空棒17內之貫通的中心孔內氣體流動防止晶圓12與爪19之附著。此將于后文詳述。
圖8為顯示上述氣體在爪19a流動的構造。爪19a支持晶圓8不向右側倒下。爪19a乃固接于中空棒17之前端而同時具有挾持晶圓8及噴出氣體之構造。在爪19a之外側殼體21，于其內部形成與中空棒17內的氣體的流通空間連通的空間23。而且上部成逆U字形彎曲，形成凹部27。另一方面，在外一側殼體21的內部，配置有U字形的內側構件22，且固接于前者。U字形內部構件22乃為凹部27的一部份。晶圓8之硅與爪19a之石英在1000℃左右起燒結反應而附著。附著的晶圓8與21，22間之磨擦力變大，有產生粒子(Partic1e)的危險。再者，將完全附著之8與22分離時亦會發生粒子。系照本發明，于U用形內側構件22與外側殼體22之間形成空隙24。所以氣體從空間22流至U字形內側構形22所圍起之空間內，而從晶圓8與石英的接觸部所存在的微小空隙間選出。其結果，晶圓8與爪部磨擦而可防止粒子的產生。由于氣體之比熱小，在爐內先充份預加熱至高溫氣體會從空隙24噴出，因而不會有損晶圓8內部的溫度分布。
于圖9中，于鉛直方向之爪部19b形成氣體噴出機構。25為與中空棒的氣體流動空間連通的爪部19a的內部空間。26則為不活性氣性或N2等與晶圓不易反應之氣體流出之氣體噴出孔。
本發明與可于晶圓成橫置的橫置爐實施。其具體實施例雖未圖示，但圖6之爐體12的側面1a，1b乃成上下面。圖10a及圖10b為使用此具體例之基板裝載治具之圖。圖10顯示與圖7所示者不同的晶圓裝載治具。
亦即，于爐內前進后退之棒32之前端，固接有支持部30。于此支持部突出有八個銷33。此銷33之內側之四個從晶圓8的下側將其支撐住。在爐內的高溫部，有支持框架31被安裝著，同樣地有八個銷34突出。支持部30在移至支持框架31之上方后，一直下降至晶圓8與銷34相接觸，然后，后退之。
于圖11所示的二片成橫置的晶圓的橫置爐中，如果成一段放置時占有體積少，而成多段堆積時實質上占有面積可更小。依此方式采用的基板裝載治具(圖未示)乃成上下分別裝載1片晶圓于其分叉的叉部，而且于上下分開之棚架上支持住晶圓8。
于圖11中另外圖示了防止晶圓與石英燒結的其它方法。二片之晶圓藉由圖示的基板裝載治具裝載于晶圓棚架之上。晶圓18藉由成90°展開的四個爪19(圖12)從其底面支持著。爪19乃固接于平面輪廓成短形的框架42上。框架42介著圖未示之基臺設置于石英反應管3的平坦面3a之上。氣體導管40從石英制反應管3的入口側伸入框架42的區域內，而為了防止燒結的氣體則從爪19之前端的氣體噴出孔19c噴出。構成框架之管41(圖13)的內部氣體可通過而從噴出孔19c將氣體噴出而使晶圓8被稍稍舉起，因而防止燒結。
另外，請參閱圖10c，依照本發明，在加熱硅晶圓時，如果高溫區在700℃以下的話，可不必預備加熱立即將晶圓插入高溫部，但是如果高溫部在800℃以上時，如第10c圖所示，先于均熱區進行準備加熱之后再將晶圓急速移至高溫部以進行急速加熱的話，較不易在晶圓產生應力。
如圖7及圖11所示，當使用橫置爐時當然亦可如圖10c所示先于均一加熱的低溫部均一加熱之后移至高溫部進行急速加熱。
如以上說明，依照本發明，除了晶圓的溫度分布良好外，亦可抑制半導體制造設備的高價投資。
權利要求
1.一種加熱爐與半導體基板裝載治具的組合，其為由耐火、斷熱材料所構成的爐體及含有配置于爐體之內側面的加熱體所構成的直立爐或橫置爐，以及在其反應管的均熱區內可將一片或二片的半導體基板以其面與爐的長軸方向一致，且可自由前進后退的方式裝載的基板裝載治具，所構成的組合，其特征為前述加熱體與前述半導體基板的面成實質上平行。
2.如權利要求1所述的加熱爐與半導體基板裝載治具的組合，其特征在于其中一具有與前述一片或二片的半導體基板幾乎相同的形狀且比該半導體基板的尺寸為小的蓄熱板乃于前述均熱區內，成與前述一片或二片半導體基板實質上平行地設置。
3.一種使用權利要求1或2的加熱爐與半導體基板裝載治具之組合以對前述半導體基板進行RTP為特征的半導體的制造方法。
4.一種半導體基板裝載治具，其乃于直立爐或橫置爐的長軸方向的延伸方向設置，且具有中空部的氣體導入管的前端區設置半導體基板的裝載治具，而于該裝載治具所設的半導基板的裝載部，形成噴出由前述氣體導入管送來而與該半導體基板不作化學反應的不活性氣體的噴出孔為其特征。
全文摘要
一種加熱爐與半導體基板裝載治具的組合，其為由耐火斷熱材料所構成的爐體及含有配置于爐體之內側面的加熱體所構成直立爐或橫置爐，以及在其反應管的均熱區內可將一片或二片之半導體基板以其面與爐的長軸方向一致，且可自由前進后退的方式裝載的基板裝載治具所構成的組合。此組合的特征為加熱體與半導體基板的面成實質上平行。依照本發明的加熱爐與半導與基板裝載治具的組合進行RTP的話，加熱爐之床占有面積(footprint)可變小。
文檔編號H01L21/687GK1416153SQ0212691
公開日2003年5月7日 申請日期2002年7月25日 優先權日2001年7月26日
發明者高木干夫 申請人:F.T.L股份有限公司, 崇越科技股份有限公司