CN101150050A - 半导体处理用氧化装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种半导体处理用氧化装置，包括具有以隔开间隔的堆积状态收纳多个被处理基板的处理区域的处理容器；对所述处理区域进行加热的加热器；对所述处理区域内进行排气的排气系统；向所述处理区域供给氧化性气体的氧化性气体供给系统；和向所述处理区域供给还原性气体的还原性气体供给系统。氧化性气体供给系统包括在与所述处理区域对应的上下方向的长度上延伸的氧化性气体喷嘴，氧化性气体喷嘴具有存在于与所述处理区域对应的上下方向的整个长度上的多个气体喷射孔，还原性气体供给系统包括与沿所述处理区域的上下排列的多个区段相对应的、具有不同高度的多个还原性气体喷嘴，各还原性气体喷嘴具有存在于对应的区段高度的气体喷射孔。

Description

半导体处理用氧化装置和方法
技术领域
本发明涉及用于对半导体晶片等的被处理基板的表面进行氧化的半导体处理用的氧化装置和方法。这里，半导体处理指的是通过在半导体晶片和LCD(Liquid Crystal Display：液晶显示器)这样的FPD(FlatPanel Display：平板显示器)用的玻璃基板等的被处理基板上，以规定图案形成半导体层、绝缘层、导电层等，由此在该被处理基板上制造半导体器件、包括与半导体器件连接的布线、电极等的结构体所进行的各种处理。
背景技术
一般情况下，为了制造半导体集成电路，针对由硅晶片等形成的半导体基板，进行成膜、蚀刻、氧化、扩散、改性等各种处理。例如，在氧化中，在对单晶硅膜或多晶硅膜的表面等进行氧化的情况下，存在对金属膜进行氧化等的情况。特别是，氧化时形成的硅氧化膜可适用于元件隔离膜、栅氧化膜、电容器等的绝缘膜。
从压力的角度考虑，作为进行这种氧化处理的方法，有在与大气压大致相同的气氛下的处理容器内进行的常压氧化处理方法和在真空气氛下的处理容器内进行的减压氧化处理方法。此外，从氧化时使用的气体种类考虑，例如，有通过利用外部燃烧装置使氢和氧燃烧而产生水蒸气，使用该水蒸气进行氧化的湿氧化处理方法(例如日本特开平3-140453号公报(专利文献1))。此外，还有仅使臭氧或氢在处理容器内流动等而不使用水蒸气进行氧化的干氧化处理方法(例如日本特开昭57-1232号公报(专利文献2))。
作为氧化的方法，有使用氧气的干氧化和使用水蒸气的湿氧化。一般情况下，通过湿氧化成膜的氧化膜比通过于氧化成膜的氧化膜膜质更好。即，作为绝缘膜，考虑到耐压性、耐腐蚀性、可靠性等的膜质特性时，湿氧化膜更优异。此外，形成的氧化膜(绝缘膜)的成膜速度和晶片面内的均匀性也是重要因素。从这个观点看，一般情况下，通过常压的湿氧化形成的膜，氧化速度快，膜厚的面内均匀性不好。另一方面，通过减压的湿氧化形成的膜，正相反，氧化速度慢，但膜厚的面内均匀性优异。
在半导体器件或半导体集成电路的设计规则不这么严格的情况下，适当考虑适用氧化膜的用途和工艺条件、装置成本等，可使用上述各种氧化方法。但是，近年来，半导体器件的线宽和膜厚逐步变小、设计规则变得更严格。因此，对氧化膜的膜质特性和膜厚的面内均匀性等提出更高要求。因此，在现有的氧化方法中，产生不能完全应对应这样的要求的问题。
因此，最近提出了一种氧化装置，向处理容器内分别导入H2气体和O2气体，使这两种气体在处理容器内反应产生水蒸气等，由此对晶片表面进行氧化(例如，日本特开平4-18727号公报，日本特开2004-22833号公报，日本特开2005-277386号公报，以及日本特开2005-175441号公报(专利文献3、4、5、6))。
在专利文献3、5、6中公开的技术的情况下，为了形成氧化膜，在1Torr左右的低压下，并且在比较低的温度下，例如在900℃以下使H2气体和O2气体反应产生氧活性种和羟基活性种。由此对晶片表面进行氧化，形成例如硅氧化膜。
发明内容
本发明的目的是提供一种被处理基板的氧化装置和方法，可以简单且迅速地进行用于得到最佳化还原性气体流量等的处理条件的调整作业。
本发明的第一方面是一种半导体处理用氧化装置，包括：具有以隔开间隔的堆积状态容纳多个被处理基板的处理区域的处理容器；对所述处理区域进行加热的加热器；对所述处理区域内进行排气的排气系统；向所述处理区域供给氧化性气体的氧化性气体供给系统；和向所述处理区域供给还原性气体的还原性气体供给系统；其中，所述氧化性气体供给系统包括在与所述处理区域对应的上下方向的长度上延伸的氧化性气体喷嘴，所述氧化性气体喷嘴具有在与所述处理区域对应的上下方向的整个长度上存在的多个气体喷射孔，所述还原性气体供给系统包括与沿所述处理区域的上下配置的多个区段(zone)对应而具有不同高度的多个还原性气体喷嘴，各还原性气体喷嘴具有存在于对应的区段的高度的气体喷射孔。
本发明的第二方面是一种半导体处理用的氧化方法，包括：在处理容器的处理区域内以隔开间隔的堆积状态收纳多个被处理基板的工序；一面对所述处理区域进行加热，一面向所述处理区域分别供给氧化性气体和还原性气体的工序；使所述氧化性气体和所述还原性气体反应，在所述处理区域内产生氧活性种和羟基活性种的工序；和使用所述氧活性种和所述羟基活性种对所述被处理基板的表面进行氧化处理的工序；其中，所述氧化性气体从在与所述处理区域对应的上下方向的长度上延伸的氧化性气体喷嘴被供给，所述氧化性气体喷嘴具有在与所述处理区域对应的上下方向的整个长度上存在的多个气体喷射孔，所述还原性气体从与沿所述处理区域的上下排列的多个区段对应而具有不同高度的多个还原性气体喷嘴被供给，各还原性气体喷嘴具有存在于对应的区段的高度的气体喷射孔。
附图说明
图1是表示本发明实施方式的立式热处理装置(氧化装置)的剖面图。
图2是用于从原理上说明使用图1的氧化装置时处理容器内的晶片位置和硅氧化膜的最佳化膜厚之间的关系的曲线图。
图3是表示使用图1的氧化装置和现有装置，使硅氧化膜的膜厚最佳化时的膜厚和在产品晶片上实际形成的硅氧化膜的膜厚和膜厚的面内均匀性的曲线图。
图4A、4B是说明在半导体晶片的表面上形成的薄膜的厚度的倾向的剖面图。
图5A、5B是表示喷嘴的变形例的示意图。
图6A是表示气体喷射孔的气体喷射方向朝向晶片中心情况下的示意图。
图6B是表示具有进行了气体喷射方向改善的气体喷射孔的氧化性气体喷嘴和还原性气体喷嘴与处理容器和晶片的关系的示意图。
图6C是表示气体喷射孔的气体喷射方向的变形例的示意图。
图7是表示使用图6A、6B的气体喷射孔情况下的膜厚的面内均匀性的曲线图。
图8A、8B表示以比相对晶舟满载时数量少的片数对产品晶片进行氧化处理时的氧化膜的膜厚的改变情况的曲线图。
图9是表示现有立式热处理装置(氧化装置)的示意结构图。
图10是用于在原理上说明使用图9的氧化装置时处理容器内的晶片位置和硅氧化膜的最佳化的膜厚之间的关系的曲线图。
具体实施方式
本发明人在开发本发明的过程中，研究了关于在半导体处理中通过氧化形成氧化膜的方法的现有技术的问题点。结果是，本发明人得到以下认识。
图9是表示现有的立式热处理装置(氧化装置)的示意结构图。这种氧化装置具有由石英筒构成的有顶的圆筒状的处理容器2。其中设有石英制的晶舟4，在晶舟4上以规定间隔多层支撑多片例如25～150片左右的半导体晶片W。晶舟4被支撑在保温筒6上，并通过舟升降机(未图示)使其从处理容器2的下方侧升降，以能够插拔的方式收纳在处理容器2内。此外，处理容器2的下端开口部被通过舟升降机升降的盖部8气密地封闭。
在处理容器2的下部，分别设置导入氧气的一个气体喷嘴10和导入氢气的多个气体喷嘴12A～12E。在处理容器2的下部设置对处理容器2内的气氛进行排气的排气口14，利用真空泵16对各容器的气氛抽真空。氧用气体喷嘴10是L字形，其前端部延伸到容器内的上部。一边利用质量流量控制器10B控制流量，一边从在前端部形成的气体喷射孔10A导入氧，由此向处理容器2内的气体流的上游侧供给氧气。
氢用的各气体喷嘴12A～12E为L字状，位于处理容器2内的高度方向的不同区域，由此其长度互不相同。在各喷嘴的前端部分别形成气体喷射孔13A～13E。
氢用的各气体喷嘴12A～12E，可以一面利用个别设置的质量流量控制器15A～15E分别控制气体流量，一面导入氢。即，能够将处理容器2内的处理区域划分为5个区段17A～17E，向各个区段17A～17E分别导入最佳化气体流量的H2气体。此外，在处理容器2的周围设置筒体状的加热器18，将晶片W加热到规定温度。
使导入处理容器2内的H2气体和O2气体在1Torr左右的低压下进行燃烧反应。由此，产生氧活性种和羟基活性种，从而对晶片表面进行氧化，通过在整个的多个区段配置氢用气体喷嘴12A～12E，由此，每当在晶片表面被消耗而在气流的下游侧稍显不足时，能够追加导入H2气体。
对于在低压下使H2气体和O2气体反应来对晶片表面进行氧化的氧化方法而言，因反应产生的各种活性基(自由基)反应性非常高。因此，进行与晶片表面露出的结晶面的方位无关的氧化，不存在结晶的面方位相关性。所以，可以形成与晶片表面的凹凸图形无关的、沿着这种凹凸图形的表面厚度均匀的氧化膜。此外，由于活性基的反应性很高，因此也可以对难氧化的膜，即耐氧化的膜，例如硅氮化膜等进行氧化。
然而，对于上述优点，由于按照需氧化处理的晶片表面的图形面积和膜种等，活性基的消耗量有大的变动，因此需要根据这种变动量使气体流量等的处理条件最佳化。因此，必须预先求得与图形面积和膜种等相应的最佳化的气体流量等的处理条件等。但是，用于求得这种最佳化的气体流量等处理条件的调整工作非常麻烦。
图10是用于在原理上说明使用图9的氧化装置时处理容器内的晶片位置和硅氧化膜的最佳化的膜厚之间的关系的曲线图。图10中，横轴的晶片位置用从气流的上游侧向下游侧编号，这里的处理容器2的上部侧是晶片位置小的值。图中的特征线L0是目标膜厚，这里将膜厚的目标值设定为13nm。为了使在上下方向的整个晶片上形成的氧化膜的厚度为13nm，分别调整各喷嘴中的H2气体流量。而且，固定O2气体的流量。
为了提高上述硅氧化膜的膜厚的面间均匀性，可以采用如下方法。即，在表面形成有SiO2膜的多个模拟晶片之间插入作为产品晶片的、膜厚测定用的由裸晶片(在表面不形成SiO2，露出硅)构成的监视晶片。测量在这种监视晶片的表面上通过氧化形成的SiO2膜的厚度，如图10所示，绘制此测量值，求得特征线L3和L5。而且，预设这种处理得到的H2气流量为最佳值。其中，特征线L3和L5成为图10中所示的形状，其理由如下。
即，实际上，在将特征线L0作为目标，形成SiO2膜的情况下，由于处理气体的消耗，越下游侧膜厚越倾向于变小。由此，例如，在使来自各气体喷嘴12A～12E的H2气流量固定而形成SiO2膜的情况下得到的预想的特征线，在图10中，成为晶片W位置的编号越变大、膜厚越变小的向下侧弯曲的曲线。此外，这种下游侧(晶片W位置的编号变大时)的膜厚减小，晶片的表面积越大越显著。因此，为了补偿气体的消耗量，用于对具有更大表面积(由于表面的凹凸)的产品晶片求最佳化的气体流量的特征线L3和L5，是相对于特征线L0与预想的特征线大致线对称的、向上侧弯曲的曲线。
特征线L3表示相对于表面为平面状态的晶片表面积，用于对表面上有凹凸而具有三倍表面积的晶片进行氧化处理的特征线。特征线L5表示用于对表面上有凹凸而具有五倍表面积的晶片进行氧化处理的特征线。即，例如，对在产品晶片表面上形成凹凸，表面积是平面状态的晶片表面积的三倍左右的产品晶片进行氧化处理的情况下，以形成特征线L3时的流量从气体喷嘴12A～12E导入各H2气体。
在制作上述特征线L3、L5的情况下，将上述O2气体供给量固定位某一数值，分别单独调整来自H2气体用各喷嘴12A～12E的供给量。此外，针对与实际对应的倍数的表面积的产品晶片进行氧化处理的情况下，在重复进行试错法(try-and error)操作的同时，调整各气体流量以便成为特征线L0所示的那样的目标膜厚。针对晶片表面积的整数倍的表面积，预定种类进行这种试错法的操作。这里，在各特征线L3、L5中，总膜厚差虽然上下偏离，但是从上游侧到中流区域的途中依次增加，之后成为基本上一定状态。
在图10中，虽然只示出了对应两种面积的特征线L3、L5，但实际上，为了预先求出在每个更细倍数的面积上这种调整用的H2气流量，必须形成这种特征线。因此，求最佳化的气体流量的工艺条件的调整工作非常麻烦。
下面参照附图说明基于这种认识构成的本发明的实施方式。而且，在下面的说明中，对具有大致相同功能和结构的结构要素标赋予相同的符号，并在必要的情况下进行重复说明。
图1是表示本发明实施方式的立式热处理装置(氧化装置)的剖面图。这种氧化装置22包括可以选择地供给O2气体等的氧化性气体、H2气体等还原性气体和N2气体等不活泼气体的处理区域。氧化装置22构成为：在这种处理区域内，对半导体晶片等的被处理基板的表面进行氧化。
氧化装置22具有有顶的圆筒状石英制的立式处理容器24。处理容器24具有规定的长度，并在内部规定处理区域25，在该处理区域25中收纳隔开间隔堆积设置的多个半导体晶片(被处理基板)，并对其进行处理。在处理区域25内收纳用于保持被处理基板的作为支撑装置的石英制晶舟26，在晶舟26上以规定间隔多段保持作为被处理基板的半导体晶片W。而且，其间隔有时固定，有时因晶片位置而不同。
在处理容器24的下端开口，在该开口上设置用于通过O形环等密封部件28气密地开关该开口的盖部30。在盖部30上设置通过磁性流体密封件32贯通的旋转轴34。在旋转轴34的上端配设有旋转台36，在旋转台36上设置有保温筒38，在保温筒38上载置晶舟26。旋转轴34安装在可升降的舟升降机40的臂40A上，能够与盖部30和晶舟26等一体地升降。
晶舟26可以从处理容器24下方向其内插拔。而且，也可以不旋转晶舟26，使其处于固定状态。也有在处理容器24的下端部配置例如不锈钢制的圆筒体状的多歧管的情况。在处理容器24的下部侧壁上分别单独设置用于向处理区域25内导入经过流量控制的氧化性气体和还原性气体的氧化性气体供给系统42和还原性气体供给系统44。此外，在处理容器24的下部侧壁上设置用于对处理区域25的气氛进行排气的大口径的排气口46。
具体来说，氧化性气体供给系统42具有贯通容器侧壁而设置的氧化性气体喷嘴48。喷嘴48与在途中插设如质量流量控制器之类的流量控制器50A的气体供给管路50连接，可以一边控制流量一边供给氧化性气体，例如氧。
氧化性气体喷嘴48包括从处理容器24的下部(一端)延伸到上部(另一端)的第一喷嘴部分和从上部延伸到下部的第二喷嘴部分，所述第一和第二喷嘴部分由折回部连接。即，氧化性气体喷嘴48，沿处理容器24的高度方向形成为U字形状。在氧化性气体喷嘴48中，通过其全体以规定间隔形成例如直径为0.1～0.4mm左右的多个气体喷射孔48A、48B，(能够使“气体喷射孔48A、48B的开口面积相同”)，从各气体喷射孔48A、48B喷射O2气体。各气体喷射孔48A、48B的间隔例如为8～200mm左右(能够使该间隔为等间隔)。
在氧化性气体喷嘴48的第二喷嘴部分(折回后)形成的各气体喷射孔48B以位于在第一喷嘴部分(折回前)上形成的气体喷射孔48A内的相邻的两个气体喷射孔48A之间的中央部的方式设置。由此，可以沿着处理容器24内的高度方向尽可能地分散、供给O2气体。此外，组合最上游侧的气体喷射孔48A和最下游侧的气体喷射孔48B使其位置对应，因此可以向处理容器24内的各晶片W喷射大致均等的气流量的O2气体。其原因是，位于氧化性气体喷嘴48的上游侧的气体喷射孔，由于O2气体的气压高而可以更多的喷射气体。
还原性气体供给系统44具有贯通容器侧壁配设的多个例如5个还原性气体喷嘴52、54、56、58、60。各喷嘴52～60分别与在途中分别插设例如质量流量控制器等流量控制器62A、64A、66A、68A、70A的气体供给管路62、64、66、68、70连接，可以一边单独地控制流量一边供给例如氢等还原性气体。
处理容器24内的处理区域25沿着高度方向被划分为多个、即与还原性气体喷嘴52～60的数量相对应数量的、例如5个区段72A、72B、72C、72D、72E。换言之，从气流的上游侧向下游侧将处理区域25划分为5个区段72A～72E。而且，5个还原性气体喷嘴52～60按照与5个区段72A～72E相对应的方式，使其长度不同的进行配设。
各还原性气体喷嘴52～60在其前端部侧上分别形成有气体喷射孔52A、54A、56A、58A、60A，可以向各相应的区段72A～72E喷射H2气体。在各还原性气体喷嘴52～60上配设分别以规定间隔形成的3个气体喷射孔52A～60A。再有，气体喷射孔的数量不限于3个。各气体喷射孔52A～60A的直径为0.1～0.4mm(能够使“气体喷射孔52A～60A的开口面积相同”)，此外，这个间隔例如为8～200mm左右(该间隔可以为等间隔)。
另一方面，为了对处理容器24内进行抽真空，在处理容器24的下部侧壁上设置的排气口46与在排气管路80中插设压力控制阀82和真空泵84而形成的真空排气系统86连接。在处理容器24的外周上设置圆筒状的绝热层88，在其内侧设置加热器90，将位于内侧的晶片W加热到规定温度。
关于处理容器24的整体的大小，例如晶片W的尺寸为8英寸，晶片数量为100片(产品晶片)左右时，处理容器24的高度大约为1300mm左右。此外，晶片W的尺寸为12英寸的情况下，晶片数量为25～50片左右，处理容器24的高度大约为1500mm左右。
氧化装置22控制各流量控制器50A、62A～70A、压力控制阀82以及加热器90等，并通过两种气体的反应产生氧活性种和羟基活性种，而且具有例如由“微处理器”等构成的控制部92。控制部92控制氧化装置22的整体动作，氧化装置22的动作是根据来自控制部92的指令进行的。此外，控制部92具有用于预先存储用于执行这种控制操作的程序的软盘、闪存存储器和硬盘等存储介质94。此外，根据需要，设置用于供给N2气等不活泼气体的不活泼气体供给单元(未图示)。
下面，说明使用如上构成的氧化装置22进行的氧化方法。
氧化装置22在未装载半导体晶片W的待机状态时，将处理容器24维持在低于处理温度的温度。处理时，首先，将保持多片例如100片晶片W的常温的晶舟26从下方装入设定为规定温度的处理区域25(处理容器24处于热壁状态)内。此外，用盖部30封闭处理容器24的下端开口部，由此将处理容器24内部密闭。
然后，对处理区域25抽真空，并维持在规定的处理压力下。与此同时，通过增大向加热器90供给的电力，使处理区域25的温度上升，直到氧化处理用处理温度并使其稳定。之后，将进行氧化处理必须的规定处理气体，即这里为O2气体和H2气体，一边控制流量一边从各气体供给系统42、44的氧化性气体喷嘴48以及还原性气体喷嘴52～60分别向处理区域25供给。
从成形为U字形的氧化性气体喷嘴48的各气体喷射孔48A、48B向水平方向喷射O2气体。从各还原性气体喷嘴52～60的各气体喷射孔52A～60A向水平方向以控制流量的状态向每个区段72A～72E供给H2气体。
两种气体在处理区域25内从上方向下方下降的同时，在真空气氛下反应，生成羟基活性种和氧活性种。如此形成的气氛与收纳在旋转的晶舟26中的晶片W接触，对晶片表面进行氧化处理。由此，例如对硅表面进行氧化，形成SiO2的氧化膜。通过真空排气系统86将处理区域25的气体(处理气体和经反应产生的气体)从处理容器24的下部侧壁的排气口46向系统外排出。此时的气体流量，与处理容器24的大小相关，例如在大到可容纳100片左右的8英寸晶片的情况下，例如O2气体流量在10～30000sccm的范围内，H2气体流量在1～5000sccm范围内。
向处理容器24内分别导入的O2气体和H2气体在处于热壁状态下的处理容器24的处理区域25内下降，同时在晶片W附近通过氢的燃烧反应形成以氧活性种(O*)和羟基活性种(OH*)为主体的气氛。利用这种活性种对晶片W的硅表面进行氧化，形成SiO2膜。
此时的处理条件为：晶片温度在450～1100℃的范围内，例如900℃，压力为466Pa(3.5Torr)以下，优选为1Torr以下，例如46.6Pa(0.35Torr)。处理时间与形成的膜厚有关，例如为10～30分钟左右。如果处理温度低于450℃，则不会充分的产生上述活性种(自由基)。如果处理温度高于1100℃，则超过处理容器24和晶舟26等的耐热温度，不能进行安全处理。如果处理压力高于3.5Torr，则不能充分产生上述活性基。
如上所述，对于实际的产品晶片，由于在表面上形成有凹凸，因此存在表面积是表面为平面状态的晶片表面积的几倍的情况。由于根据这个表面积的倍数的大小活性种的消耗量大大不同，因此在对产品晶片进行氧化处理之前，必须根据晶片表面积的变化量使供给的气体流量等的处理条件最佳化。在现有的氧化装置中，如参照图10说明的，如三倍面积的特征线L3和五倍面积的特征线L5所示，膜厚的特征线变为曲线状。因此，用于求气体流量的调整工作必须以试错方式进行，非常麻烦。
与此相反，在本实施方式中，在处理容器24内的长度方向，即沿着处理区域25设置氧化性气体喷嘴48，并且由在喷嘴48上以规定间隔形成的气体喷射孔48A、48B供给作为氧化性气体的O2气体。由此，对处理区域25，即对各晶片W，从这个水平方向大致均等地供给氧气。此外，由长度或高度不同的多个、这里为5个还原性气体喷嘴52～60的各气体喷射孔52A～60A，从这个水平方向向处理区域25的各个相应区段供给H2气体。
即，向处理容器24内供给的O2气体和H2气体从上方向下游侧的下方流动时，分别依次追加导入在晶片表面被消耗的稍显不足的O2气体和H2气体。由于采用这种O2气体和H2气体的供给形态，提高了晶片上形成的膜厚的面间均匀性，可以简单且快速地进行用于使来自各还原性气体喷嘴52～60的供给量最佳化的调整工作。这个能够通过参照在作为产品的、膜厚测量用监视晶片上形成的SiO2膜的膜厚来进行，其中膜厚测量用监视晶片插入在表面上形成了SiO2膜的多个模拟晶片之间。这种情况下，在监视晶片之间，即在处理容器24内的高度方向上，调整各还原性气体喷嘴52～60的气体流量以使SiO2膜的膜厚基本一定，由此可以得到各最佳化的气体流量。
图2是用于在原理上说明使用图1的氧化装置时的处理容器内的晶片位置和硅氧化膜的最佳化膜厚之间的关系的曲线。晶片位置沿着气体流动的方向依次设置为，晶片位置小的值位于气流的上游侧，晶片位置大的值位于气流的下游侧。图中的特征线M0是目标膜厚，这里将膜厚的目标值设定为13nm。分别调整各气体喷嘴中的H2气体流量以使在上下方向的所有晶片上形成的氧化膜的膜厚为13nm。此外，固定O2气体的流量。
为了提高上述硅氧化膜的膜厚的面间均匀性，可以采用如下方法。即，如上所述，将作为产品晶片的、膜厚测定用的裸晶片(在表面没有形成SiO2，露出硅)构成的监视晶片插入在表面形成有SiO2膜的多个模拟晶片之间。测量在这种监视晶片的表面上通过氧化形成的SiO2膜的厚度，如图2所示绘制该测量值，求出特征线M3和M5。而且，将通过这种处理得到的H2气流量预设为最佳值。
特征线M3表示，相对于表面为平面状态的晶片的表面积，用于对表面上存在凹凸、具有三倍表面积的晶片进行氧化处理的特征线。特征线M5表示用于对表面上存在凹凸、具有五倍表面积的晶片进行氧化处理的特征线。
如上所述，在制作上述的、例如特征线M5的情况下，将O2气体供给量固定为某值，分别调整来自H2气体用的各还原性气体喷嘴52～60的供给量。而且，在对与实际对应的五倍表面积的产品晶片进行氧化处理的情况下，调整各气体流量，以便成为特征线M0所示的目标膜厚。
这里的重点在于，在本实施方式的情况下，与图10中所示的特征线L3、L5不同，膜厚在面间方向固定，特征线M5向(图面上)水平方向直线状地延伸。换言之，如果分别设定各还原性气体喷嘴52～60的氢气供给量，以使在面间方向上所有监视晶片的膜厚固定，则即使在对实际产品晶片进行氧化处理的情况下，也可以较高地维持晶片的面间方向上的SiO2膜的膜厚的面间均匀性。
在现有装置中，在求解图10中的特征线L3、L5时，必须分别进行试错操作。即，需要对应晶片表面积的多个膜厚曲线，而求解这个膜厚曲线非常困难。与此相反，在本实施方式的情况下，由于特征线M5或特征线M3相对于水平方向延伸成直线状，因此求得一条特征线，例如特征线M5，其他表面积的倍数不同的特征线，例如特征线M3，仅上下方向平行地移动，即仅调整氧化处理的处理时间就可简单得到。换言之，在对表面积的不同倍数的产品晶片进行处理的情况下，使用上述表面积五倍的特征线M5，仅缩短或延长氧化处理的处理时间就可以进行处理。因此，可以简单且快速地进行用于得到最佳化的H2气体流量等处理条件的调整工作。
这样，在供给O2气体等氧化性气体的氧化性气体喷嘴48上通过整个处理区域25以规定间隔形成多个气体喷射孔48A。此外，设置向在高度方向划分处理区域25而得的每个区段供给H2气体等还原性气体的长度不同的多个还原性气体喷嘴52～60。由此，针对表面积不同的晶片W[面间均匀性高(直线)]可得到膜厚特性，进而可以简单且迅速地进行用于获得最佳化还原性气体流量等的处理条件的调整工作。
一般化确定上述处理条件时，根据本实施方式的方法，首先，对于具有基准表面积的多个基准基板，使其满足规定水平的面间均匀性(希望如图2所示的直线特性)，同时得到氧化处理的基准条件。这里，对于基准表面积，作为处理对象的多个被处理基板具有某一比率的表面积。接着，作为所述某一比率因素，通过实质上只改变基准条件的处理时间，来确定对多个被处理基板进行氧化处理的实际条件。希望参照通过氧化处理形成的膜的膜厚的面间均匀性来确定面间均匀性。此外，基准条件包含氧化性气体和还原性气体的流量。
<实验1>
使用根据上述实施方式的图1的氧化装置，使硅氧化膜的膜厚最佳化，并使用此时的H2气体流量对实际产品晶片进行氧化处理。图3是表示使用图1的氧化装置和现有装置对硅氧化膜的膜厚进行最佳化时的膜厚和在产品晶片上实际形成的硅氧化膜的膜厚和膜厚的面内均匀性的曲线图。这里，为了比较，同时记录使用现有装置时的硅氧化膜的测量值。此外，在曲线上方并列记载在上述实施方式中使用的气体喷嘴的模式图。
图3中，特征线L5表示使用现有装置的五倍表面积的最佳化的特征线。特征线L表示使用现有装置对五倍表面积的产品晶片实际进行氧化处理时的膜厚。得到特征线L5时的处理条件如下。即，处理压力为0.35Torr，处理温度为900℃，O2气体流量为5.0slm。在如图9所示的喷嘴12A～12E中，H2气体的流量分别为：喷嘴12A为0.40slm，喷嘴12B为0.65slm，喷嘴12C为0.45slm，喷嘴12D为0.40slm，喷嘴12E为0.35slm。此外，处理时间为45分钟。
特征线M5表示使用图1的装置对五倍表面积进行最佳化的特征线。特征线M是表示使用图1的装置对五倍表面积的产品晶片进行实际氧化处理时的膜厚。此时的产品晶片，其目标膜厚为13nm。得到特征线M5时的处理条件如下。即，处理压力为0.35Torr，处理温度为900℃，O2气体流量为5.0slm。H2气体流量分别为：来自喷嘴52的为0.2slm，来自喷嘴54的为0.4slm，来自喷嘴56的为0.42slm，喷嘴58的为0.45slm，来自喷嘴60的为0.45slm。此外，处理时间为45分钟。
特征线La表示使用现有装置时的五倍表面积的产品晶片上的膜厚的面内均匀性。特征线Ma表示使用图1装置时的五倍表面积的产品晶片上的膜厚的面内均匀性。
如特征线L5所示，现有装置的五倍表面积的特征线描画出膜厚向下游侧依次变厚，在中途几乎恒定的曲线。如特征线M5所示，图1的装置的五倍表面积的特征线表示膜厚恒定为大约16.5nm左右的直线。
根据求得特征线L5和特征线M5时的最佳化的各气体流量等的处理条件，对产品晶片分别进行氧化处理的结果，如特征线L、M所示，膜厚在面间方向都大致固定为13nm。
关于膜厚的面内均匀性，在特征线La所示的现有装置的情况下，在TOP(上游侧)和BTM(下游侧)，膜厚的面内均匀性分别上升到±1％，因而膜厚的面内均匀性劣化。与此相对，在如特征线Ma所示的图1的装置的情况下，所有晶片位置上的膜厚的面内均匀性都在±0.5％以下，因此膜厚的面内均匀性比现有装置的情况更优异。
其理由是考虑到如下现象。即，作为晶片的氧化处理的通常倾向，气体从晶片周边进入到晶片中心时，边消耗活性种边流向中心。因此，如图4A所示的晶片剖面那样，在活性种多的晶片周边，SiO2膜96的膜厚倾向于变厚，在活性种少的中心侧，膜厚倾向于变薄。与此相对，在图1的装置中，在沿着处理容器24的长度方向设置的各喷嘴48、52～60上分别设置多个气体喷射孔48A、52A～60A，在大致整个处理区域25上分别分散供给O2气体和H2气体。因此，如图4B所示，在晶片中心部的气体(活性种)并不缺少，可进行与晶片周边部同等的氧化。结果是，如图4B所示，以晶片中心部稍稍隆起的状态进行SiO2膜96的成膜。
<喷嘴的变形例>
图5A、B是表示喷嘴的变形例的示意图。在上述实施方式中，氧化性气体喷嘴48被弯曲成U字形、由向处理容器24的高度方向往复一次的喷嘴构成。取而代之，如图5A所示，作为氧化性气体喷嘴48，可以使用以规定间隔形成多个气体喷射孔48A的一个直线状延伸的喷嘴。此时的各气体喷射孔48A的间隔比图1所示的情形小，例如优选设定为1/2左右。这种情况下，除了在处理容器24的高度方向的O2气体的供给量的均匀性比图1的情况稍微劣化之外，可以发挥与图1所示的装置相同的作用效果。
在上述实施方式中，在还原性气体喷嘴52～60的上部分别形成多个例如3个气体喷射孔52A～60A。取而代之，可以形成如图5B所示的1个气体喷射孔52A～60A。这种喷嘴的结构与图9所示的情况相同。
此外，也可以组合图5A所示的喷嘴48和图5B所示的喷嘴52～60。这些喷嘴的任何组合都可以发挥与图1所示的氧化装置相同的作用和效果。
<膜厚的面内均匀性的改善>
相对于各晶片检查用图1的氧化装置形成的氧化膜的面内均匀性后，发现在特定的晶片位置上膜厚的面内均匀性存在很大劣化的可能性。其理由是，考虑到气体喷射孔朝向晶片方向，结果，在特定的晶片位置上，O2气体和H2气体的混合平衡被破坏。因此，优选改变气体喷射孔的朝向方向，即气体喷射方向，优选不直接对晶片喷射气体。
图6A是表示气体喷射孔的气体喷射方向朝向晶片中心的情况的示意图。图6B是表示具有改善气体喷射方向的气体喷射孔的氧化性气体喷嘴48和还原性气体喷嘴52～60与处理容器42和晶片W的关系的示意图。图6C是表示气体喷射孔的气体喷射方向的另一变形例的示意图。图7是表示使用图6A、6B的气体喷射孔的情况下的膜厚的面内均匀性的曲线。
如图6A所示，氧化性气体喷嘴48的气体喷射孔48A、48B朝向晶片W的方向，对晶片直接喷射气体时，如图7中的特征线X所示，在特定的晶片位置上膜厚的面内均匀性极端劣化。其理由是，如上所述，气体从晶片W的侧面方向与其直接接触，而H2气体和O2气体的混合平衡被破坏，没有发生适宜的燃烧反应。
与此相对，在图6B所示的结构中，氧化性气体喷嘴48的气体喷射孔48A、48B相对于连接气体喷嘴的中心和晶片的中心的直线，气体喷射方向设定为角度θ1＝135°。这里，向着互相相反的方向形成氧化性气体喷嘴48的第一和第二喷嘴部分的气体喷射孔48A、48B。另一方面，还原性气体喷嘴52～60的气体喷射孔52A～60A相对于连接气体喷嘴的中心和晶片的中心的直线，气体喷射方向设定为角度θ2＝90°。这里，还原性气体喷嘴52～60，其背面高的喷嘴设置在上游侧。使用这种结构时，如图7中的特征线Y所示，与特征线X相比，可以大大提高膜厚的面内均匀性。
而且，如图6C所示，氧化性气体喷嘴48和还原性气体喷嘴52～60的气体喷射方向最好是至少从晶片W的轮廓向外的方向。但是，如图6B所示，相对于连接气体喷嘴的中心和晶片中心的直线，气体喷射方向设定为90°以上时，由于气体每次撞击容器侧壁后扩散，因此晶片表面上的气体不偏离并均匀分散。从这个观点出发，氧化性气体喷嘴48和还原性气体喷嘴52～60的气体喷射方向设定为相对于晶片轮廓的切线方向或比切线更向外侧的方向。此外，气体喷射方向优选设定为相对于连接气体喷嘴的中心和晶片中心的直线成90°以上的角度，更优选为90°～135°。
<晶片个数可变处理的评价>
在对实际产品晶片进行氧化处理的情况下，也存在需处理产品晶片的片数比晶舟的最大承载个数少的时候。即，通常氧化处理时晶舟26上不限于晶片为满载状态，也有存在一部分空的空间的情况。例如，存在以下情况：在满载状态时可以保持100片(最大载置片数)产品晶片的晶舟26上，保持25片或50片产品晶片，其它为空的空间，在这个空的空间上保持非产品的表面带SiO2膜的模拟晶片仍旧进行氧化处理。这种情况下，产品晶片保持在晶舟26上时，在气流的上游侧的晶片W保持装满状态。即，在如图1所示的情况下，气体从处理容器24的上方向下方流动，因此晶片相对于晶舟26从上侧依次保持。
<实验2>
进行对少于晶舟满载时的个数的产品晶片进行氧化处理的实验。图8A、B是表示对比晶舟满载时数量少的产品晶片进行氧化处理时的氧化膜的膜厚的改变情况的曲线图。图8A表示使用图9所示现有装置进行氧化处理时的结果。图8B表示使用图1的装置进行氧化处理时的结果。图8A所示的情况下，目标厚度为5.5nm，图8B所示的情况下，目标厚度为6.0nm。
图8A中，特征线Y100表示保持100片产品晶片(满载)时的特性。特征线Y50表示保持50片产品晶片(非满载)时的特性。特征线Y25表示保持25个产品晶片(非满载)时的特性。在进行得到特征线Y100、Y50、Y25的所有特性的氧化处理时，H2、O2的各气体流量、处理压力、处理温度等都设定的相同。
图8B中，特征线Z100表示保持100片产品晶片(满载)时的特性。特征线Z25表示保持25片产品晶片(非满载)时的特性。在进行得到特征线Z100、Z25的所有特性的氧化处理时，H2、O2的各气体流量、处理压力、处理温度等都设定得相同。
如图8A所示，在现有装置的情况下，产品晶片满载时，如特征线Y100所示，所有晶片位置上的膜厚大致一定，膜厚的面间均匀性非常好。但是，如特征线Y50、Y25所示，在产品晶片的数量比满载时少的情况下，不仅各个膜厚发生变化，膜厚在气流的下游侧的行程上有上升的倾向。这种情况意味着必须根据产品晶片的数量变化，进行用于事先使此时的O2和H2的各气体流量最佳化的调整工作。
与此相反，如图8B所示，在图1的装置的情况下，如特征线Z100和Z25所示，与产品晶片的满载、非满载无关，膜厚大致都为目标值。而且膜厚与晶片位置无关且大致一定，膜厚的面间均匀性非常好。这意味着即使在晶片数量少于满载时的数量的情况下也可以使用晶片数量满载时的最佳化的处理条件(气体流量)。因此，可以简化用于使气体流量最佳化的调整工作。
<变形例>
在上述实施例中，为了将处理区域25划分成5个区段，而使用长度不同的5个还原性气体喷嘴52～60。但是，这个区段的数量不限于5个，可以划分成任何数量，并可以配设与此数量相应的数量的高度不同的喷嘴。
处理容器24构成为：在下部设有排气口46，并且使气体从容器内的上方向下方流动。取而代之，可以在处理容器24的顶部设有排气口46，使气体在容器内从下方向上方流动。此外，作为处理容器24，不限于单管结构，还可以采用设有同心圆状的内筒和外筒的双重管结构。
氧化性气体不限于O2，可以包括选自O2、N2O、NO、NO2和O3中的一种以上的气体。还原性气体不限于H2，可以包括选自H2、NH3、CH4、HCl和重氢中的一种以上的气体。
作为被处理基板，代替半导体晶片，可以以玻璃基板、LCD基板、陶瓷基板等作为对象。

Claims (20)

1.一种半导体处理用的氧化装置，其特征在于，包括：
具有以隔开间隔堆积的状态收纳多个被处理基板的处理区域的处理容器；
对所述处理区域进行加热的加热器；
对所述处理区域内进行排气的排气系统；
向所述处理区域供给氧化性气体的氧化性气体供给系统；和
向所述处理区域供给还原性气体的还原性气体供给系统，
所述氧化性气体供给系统包括在与所述处理区域对应的上下方向的长度上延伸的氧化性气体喷嘴，所述氧化性气体喷嘴具有在与所述处理区域对应的上下方向的整个长度上存在的多个气体喷射孔，
所述还原性气体供给系统包括与沿所述处理区域的上下排列的多个区段对应而具有不同高度的多个还原性气体喷嘴，各还原性气体喷嘴具有存在于对应的区段的高度的气体喷射孔。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述氧化性气体喷嘴的所述气体喷射孔实质上等间隔配置。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述各还原性气体喷嘴的所述气体喷射孔包括存在于对应的区段内的多个气体喷射孔。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述多个还原性气体喷嘴能够分别控制还原性气体的流量。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述氧化性气体喷嘴包括从上下方向的一端侧向另一端侧延伸的第一部分和从所述另一端侧向一端侧延伸的第二部分，所述第一和第二部分由折回部连接。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，
所述第一部分的所述一端侧与所述氧化性气体的供给源连接，所述第二部分的所述一端侧被封闭。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，
所述第一部分具有以规定间隔形成的多个第一气体喷射孔，所述第二部分具有以位于所述第一气体喷射空的中央的方式形成的多个第二气体喷射孔。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，
所述第一和第二气体喷射孔朝向互相相反的方向。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，
所述第一气体喷射孔具有彼此相同的开口面积，所述第二气体喷射孔具有彼此相同的开口面积。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述各气体喷射孔的气体喷射方向设定为所述被处理基板的轮廓的切线方向或比其更向外侧。
11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，
所述各气体喷射孔的气体喷射方向相对于连接对应的气体喷嘴的中心和所述被处理基板的中心的线成90°以上的角度。
12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述氧化性气体包括选自O2、N2O、NO、NO2和O3中的1种以上的气体，所述还原性气体包括选自H2、NH3、CH4、HCl和重氢中的1种以上的气体。
13.一种半导体处理用的氧化方法，其特征在于，包括：
在处理容器的处理区域内以隔开间隔堆积的状态收纳多个被处理基板的工序；
一边对所述处理区域进行加热，一边向所述处理区域分别供给氧化性气体和还原性气体的工序；
使所述氧化性气体和所述还原性气体反应，在所述处理区域内产生氧活性种和羟基活性种的工序；和
使用所述氧活性种和所述羟基活性种对所述被处理基板的表面进行氧化处理的工序，
从在与所述处理区域对应的上下方向的长度上延伸的氧化性气体喷嘴供给所述氧化性气体，所述氧化性气体喷嘴具有在与所述处理区域对应的上下方向的整个长度上存在的多个气体喷射孔，
从与沿所述处理区域的上下排列的多个区段对应而具有不同高度的多个还原性气体喷嘴供给所述还原性气体，各还原性气体喷嘴具有存在于对应的区段的高度的气体喷射孔。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，
所述氧化性气体和所述还原性气体的气体喷射方向设定为所述被处理基板的轮廓的切线方向或比其更向外侧。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，
所述各气体喷射孔的气体喷射方向相对于连接对应的气体喷嘴的中心和所述被处理基板的中心的线成90°以上的角度。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，
在所述处理区域内所述被处理基板由支撑部件支撑，在所述被处理基板的数量少于所述支撑部件的最大承载数量的情况下，从所述支撑部件的上侧依次支撑所述被处理基板。
17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，
所述氧化性气体包括选自O2、N2O、NO、NO2和O3中的1种以上的气体，所述还原性气体包括选自H2、NH3、CH4、HCl和重氢中的1种以上的气体。
18.根据权利要求13所述的方法，其特征在于还包括：
对于具有基准表面积的多个基准基板，满足规定水平的面间均匀性，而获得所述氧化处理的基准条件的工序，相对于所述基准表面积，所述多个被处理基板具有某种比率的表面积；和
通过实质上只改变所述基准条件的处理时间作为所述某种比率的函数的工序来确定对所述多个被处理基板的所述氧化处理的实际条件。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，
所述面间均匀性参照通过所述氧化处理形成的膜的膜厚的面间均匀性确定。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，
所述基准条件包含所述氧化性气体和所述还原性气体的流量。
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