CN101256957B - 半导体处理用的热处理方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体处理用的热处理方法，在处理容器的处理区域内以隔开间隔层叠的状态收纳多个被处理基板。被处理基板在表面具有处理对象层。接着，对上述处理区域供给氧化性气体和还原性气体，同时将处理区域进行加热，由此使氧化性气体和上述还原性气体反应而产生氧活性种和羟基活性种，使用上述氧活性种和上述羟基活性种对被处理基板上的上述处理对象层进行氧化。接着，在由臭氧或者氧化性活性种构成的退火气体的氛围中将氧化后的处理对象层进行加热，由此对处理对象层进行退火。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体处理用的热处理方法和装置，在半导体晶片等被处理基板上施行用于形成氧化膜或者氮氧化膜的热处理。在此，所谓半导体处理是指：为了通过以规定的图案在半导体晶片或者LCD(Liquid Crystal Display(液晶显示器))等FPD(Flat panel Display(平板显示器))用的玻璃基板等被处理基板上形成半导体层、绝缘层、导电层等，制造在该被处理基板上包含半导体器件以及连接于半导体器件的配线、电极等的结构物而实施的各种处理。
背景技术
通常，为了制造半导体集成电路，对由硅晶片等构成的半导体基板进行成膜、蚀刻、氧化、扩散、改性等各种处理。例如在氧化时，在对单结晶硅膜或者多晶硅膜的表面等进行氧化时，有时会将金属膜进行氧化。特别是由氧化形成的硅氧化膜，应用于元件分离膜、栅极氧化膜、电容器等绝缘膜。
在进行该氧化处理的方法中，从压力的观点来考虑，有在与大气压大致相同的氛围下的处理容器内进行的常压氧化处理方法和在真空氛围下的处理容器内进行的减压氧化处理方法。另外，从用于氧化的气体种类的观点来考虑，有如下湿氧化处理方法：例如用外部燃烧装置使氢和氧燃烧，由此产生水蒸气，使用该水蒸气进行氧化(例如参照日本特开平3-140453号公报(专利文献1))。另外，有如下干氧化处理方法：仅将臭氧或氧流入处理容器内等，不使用水蒸气进行氧化(例如参照日本特开昭57-1232号公报(专利文献2))。
这样，氧化的方法有使用氧气的干氧化和使用水蒸气的湿氧化。通常，利用湿氧化成膜的氧化膜与利用干氧化成膜的氧化膜相比，膜质良好。即，作为绝缘膜，当考虑耐压性、耐腐蚀性、可靠性等膜质特性时，湿氧化膜一方优异。另外，形成的氧化膜(绝缘膜)的成膜速度以及晶片面内的均匀性也是重要的因素。从该观点来考虑，一般来讲，利用常压的湿氧化形成的膜，其氧化速度大，但膜厚的面内均匀性差。另一方面，利用减压的湿氧化形成的膜，相反其氧化速度小，但膜厚的面内均匀性优异。
在半导体器件或者半导体集成电路的设计规律不是很严格时，适当考虑应用氧化膜的用途以及工艺条件、装置成本等，使用如上所述的各种氧化方法。但是，近年来半导体器件的线幅(线宽)和膜厚进一步变小，设计规律变得严格。与此同时，关于氧化膜的膜质的特性和膜厚的面内均匀性等，要求更高的结构。因此，在现有的氧化方法中，存在不能充分地对应于该要求这样的问题。
在日本特开平4-18727号公报(专利文献3)中，公开有使用晶片氧化处理方法的一例的氧化装置。在该装置中，在立式的石英反应管内的下端分别导入氢气(H2)和氧气(O2)，利用在石英间隙内配置有其的燃烧部使上述气体燃烧而产生水蒸气。沿晶片的排列方向使该水蒸气上升，同时进行氧化。该情况下，由于在上述燃烧部使氢气燃烧，因此，在其附近的处理容器的下端水蒸气丰富。另外，随着水蒸气上升，其被消耗，在处理容器的上端相反有水蒸气不足的倾向。因此，有时产生在晶片面上形成的氧化膜的厚度，因晶舟上的晶片的支撑位置而存在较大不同，并且该氧化膜的厚度的面间均匀性劣化。
在上述日本特开昭57-1232号公报(专利文献2)的装置中，使用并列设置有多个半导体晶片的横型(卧式)的分批式反应管。从该反应管的一端侧导入氧气，或者同时导入氧气和氢气，在减压氛围气化中形成氧化膜。但是，对于该装置的情况而言，使用氢燃烧氧化法在比较高的压力氛围下进行成膜，所以，水蒸气成分成为反应的主体。因此，如上所述，有可能在处理容器内的气体流的上游侧和下游侧之间水蒸气的浓度差变得过大，并且氧化膜的厚度的面间均匀性劣化。
在美国专利第6037273号说明书(专利文献4)中，公开有其他氧化装置。在该氧化装置中，向利用灯加热的单片式的处理腔室内供给氧气和氢气。在设置于处理腔室内的半导体晶片表面的附近使这两种气体反应从而生成水蒸气，利用该水蒸气使晶片表面的硅氧化而形成氧化膜。
但是，在该装置的情况中，从距离晶片20～30mm左右的气体入口将氧气和氢气导入到处理腔室内，在半导体晶片表面的附近使这些氧气和氢气反应而产生水蒸气。而且，处理压力也在较高的区域进行，因此，有可能使膜厚的面内均匀性劣化。
在日本特开2002-176052号公报(专利文献5)中，公开有其他氧化方法。在该方法中，在每个处理容器中同时供给O2等氧化性气体和H2等还原性气体，在真空氛围下使其反应而形成以氧活性种和羟基活性种为主体的氛围，在该氛围中将硅晶片等进行氧化。
在日本特开2000-183055号公报(专利文献6)中，公开有作为氧化膜以外的绝缘膜的膜质特性良好的氮氧化膜(SiON膜)的形成方法。在该方法中，例如相对于如上述那样形成的SiO2，使用氨(ammonia)、一氧化氮(NO)、一氧化二氮(N2O)等而施行氮化处理，由此形成SiON膜。在该氮化处理后，为了除去过剩的N成分，利用氧气等进行再氧化处理。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种半导体处理用的热处理方法以及装置，能够形成具有良好的电特性的氧化膜或者氮氧化膜。
本发明的第一方面提供一种用于在半导体处理中形成氧化膜的热处理方法，其具有如下工序：在处理容器的处理区域内以隔开间隔层叠的状态下收纳多个被处理基板的工序，其中，上述被处理基板在表面具有处理对象层；向上述处理区域供给氧化性气体和还原性气体，同时对上述处理区域进行加热，由此使上述氧化性气体和上述还原性气体反应而产生氧活性种和羟基活性种，使用上述氧活性种和上述羟基活性种对上述被处理基板上的上述处理对象层进行氧化的工序；和在由臭氧或者氧化性活性种构成的退火气体的氛围中对上述氧化后的上述处理对象层进行加热，由此对上述处理对象层进行退火的工序。
本发明第二方面提供一种在半导体处理中用于形成氮氧化膜的热处理方法，其具有如下工序：在处理容器的处理区域内以隔开间隔层叠的状态下收纳多个被处理基板的工序，其中，上述被处理基板在表面具有处理对象层；向上述处理区域供给氧化性气体和还原性气体，同时对上述处理区域进行加热，由此使上述氧化性气体和上述还原性气体反应而产生氧活性种和羟基活性种，使用上述氧活性种和上述羟基活性种对上述被处理基板上的上述处理对象层进行氧化的工序；在氮化气体的氛围中对上述氧化后的上述处理对象层进行加热，由此对上述处理对象层进行氮化的工序；和在由臭氧或者氧化性活性种构成的退火气体的氛围中对上述氮化后的上述处理对象层进行加热，由此对上述处理对象层进行退火的工序。
本发明第三方面提供一种半导体处理用的热处理装置，其包括：具有在隔开间隔层叠的状态下收纳有多个被处理基板的处理区域的处理容器；配置在上述处理容器周围的、对上述处理区域进行加热的加热器；对上述处理区域进行排气的排气系统；对上述处理区域供给氧化性气体的氧化性气体供给系统；对上述处理区域供给还原性气体的还原性气体供给系统；以及对上述处理区域供给由臭氧或者氧化性活性种构成的退火气体的退火气体供给系统。
本发明第四方面提供一种用计算机能够读取的介质，其包含用于在处理器上执行的程序指令，其中，上述程序指令在通过处理器执行时，控制半导体处理用的热处理装置而执行热处理方法，上述热处理方法具有如下工序：在处理容器的处理区域内以隔开间隔而层叠的状态下收纳多个被处理基板的工序，其中，上述被处理基板在表面具有处理对象层；向上述处理区域供给氧化性气体和还原性气体，同时对上述处理区域进行加热，由此使上述氧化性气体和上述还原性气体反应而产生氧活性种和羟基活性种，使用上述氧活性种和上述羟基活性种对上述被处理基板上的上述处理对象层进行氧化的工序；向上述处理区域供给由臭氧或者氧化性活性种构成的退火气体，同时对上述处理区域进行加热，在上述退火气体的氛围中将上述氧化后的上述处理对象层进行加热，由此对上述处理对象层进行退火的工序。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式的立式热处理装置的构成图。
图2是表示利用第一实施方式的热处理方法形成SiO2膜的一例的流程图。
图3是表示利用第一实施方式的实验得到的硅氧化膜的SILC特性的退火依赖性的图。
图4是表示利用第一实施方式的实验得到的硅氧化膜的TDDB特性的退火依赖性的图。
图5是表示本发明的第二实施方式的立式热处理装置的构成图。
图6是表示利用第二实施方式的热处理方法形成SiON膜的一例的流程图。
图7是表示利用第二实施方式的实验得到的氧氮化硅膜TDDB的特性的退火依赖性的图。
具体实施方式
本发明者等在本发明的开发的过程中，对与半导体处理中利用热处理形成氧化膜或者氮氧化膜的方法有关的现有技术的问题点进行了研究。其结果是，本发明者等得到下面所述的见解。
例如，根据上述专利文献1～6所公开的热处理方法，可以形成膜质特性比较良好的氧化膜，而且，也可以比较高地维持氧化膜的膜厚的面内均匀性。但是，近年来，鉴于对半导体器件中使用的绝缘膜所要求的特性变得严格，在几个方面发现问题。例如，关于SILC(SiliconInduced Leak Current：硅感应漏电流)特性以及TDDB(Time DependentDirect Break-down：经时直接击穿)特性等电特性，在现有技术中，不能充分地对应于严格的要求。其中，SILC特性表示将硅氧化膜用作栅极绝缘膜时的泄漏电流。TDDB特性表示在使用硅氧化膜的晶体管中流过一定的电流时，在击穿(breakdown)前注入的电荷量，作为栅极电压的位移量表示。根据实验推定，这些特性的降低是因为在绝缘膜中残留氢而产生的。
下面，对基于这种见解构成的本发明的实施方式参照附图进行说明。其中，在以下的说明中，对具有大致相同的功能和结构的构成要素标注相同符号，重复说明仅在需要的场合进行。
<第一实施方式>
图1是表示本发明第一实施方式的立式热处理装置的构成图。如图所示，该处理装置2具有形成为下端开放的圆筒体状的立式的处理容器4，并且规定出处理区域5，所述处理区域5在内部收纳有隔开间隔层叠的多个半导体晶片(被处理基板)并对其进行处理。处理容器4利用耐热性的材料、例如石英形成。
在处理容器4的顶部配置有排气口6，在排气口6上与其相连续地设置有例如向横向弯曲成直角的排气管线8。在排气管线8上连接着插设有压力控制阀10和真空泵12等的真空排气系统14，能够对处理容器4内的氛围进行真空排气。
在处理容器4的下端开口，通过用于维持气密性的O环等密封部件20而连接有成形为圆筒体状的岐管(manifold：总管)16。其中，也可以不另外配置岐管16，而是由圆筒体状的石英制的处理容器构成整体。岐管16例如由不锈钢构成，用于支撑处理容器4的下端。通过岐管16的下端开口，石英制的晶舟18进行升降，由此，对处理容器4负载/卸载晶舟18。在晶舟18上，多层地载置有作为被处理基板的多个半导体晶片W。例如，在本实施方式的情况下，晶舟18能够大致等间隔地多层支撑有例如50个左右的直径为300mm的晶片W。
晶舟18通过石英制的保温筒22而被载置在载物台24上。载物台24被支撑在贯通用于开闭岐管16的下端开口部的盖体26的旋转轴28的上端部。在盖体26的旋转轴28的贯穿部设置有例如磁性流体密封30，气密地密封旋转轴28，同时能够旋转地对其进行支撑。在盖体26的外围部和岐管16的下端部设置有由用于维持气密性的O环等构成的密封部件32。
旋转轴28被安装在支撑于例如晶舟升降机等升降装置34的臂36的前端。利用升降装置34，使晶舟18和盖体26等一体地进行升降。其中，使载物台24固定配置在盖体26侧，不使晶舟18旋转地进行晶片W的处理也可以。
在处理容器4的侧部，以将其包围的方式配置有碳线制成的加热器38，用于对处理容器4内的氛围以及半导体晶片W进行加热。碳线加热器能够实现清洁的工艺，并且其升降温特性优异。另外，在加热器38的外周，为了确保热稳定性而配置有隔热件40。
在岐管16上配置有用于将各种气体向该处理容器4内导入以进行供给的各种气体供给系统。具体地，在岐管16上分别连接有向处理区域5供给氧化性气体的氧化性气体供给系统42、向处理区域5供给还原性气体的还原性气体供给系统44和向处理区域5供给臭氧的臭氧供给系统46。其中，在岐管16上还连接有例如用于供给作为吹扫气体的氮气(N2)的吹扫气体供给系统(未图示)。两个气体供给系统42、44分别具有贯穿岐管16的侧壁并且其前端部插入到处理容器4内而与处理容器4内相面临配置的氧化性气体喷射喷嘴48和还原性气体喷射喷嘴50。
在从各喷射喷嘴48、50延伸的气体通路52、54上，分别设置有开闭阀56、58和质量流量控制器那样的流量控制器60、62。通过分别控制各开闭阀56、58和流量控制器60、62，而能够控制各气体的供给的开始、停止以及气体流量。在此，作为一个例子，氧化性气体使用氧气，还原性气体使用氢气，各气体被供给至处理容器4内的下部。
臭氧供给系统46具有贯穿岐管16的侧壁并将其前端部插入到处理容器内而与处理容器内相面临配置的臭氧喷射喷嘴64。在从臭氧喷射喷嘴64延伸的气体通路66上，依次设置有开闭阀68、质量流量控制器那样的流量控制器70以及臭氧发生器72。因此，能够根据需要由O2产生臭氧，对其进行流量控制，并将其供给至处理容器4内的下部。
如以上那样构成的处理装置2的整体的操作，通过由例如计算机等构成的控制装置74而被控制。进行该操作的计算机的程序被存储在包含软盘、CD(Compact Disc：光盘)、硬盘、闪速存储器等存储介质的存储部76中。具体而言，利用来自该控制装置74的指令，进行各气体(包含臭氧)的供给的开始/停止、气体流量、处理温度、处理压力的控制等。
其中，在此，作为处理容器4的结构表示的是单管结构，但是并不限定于此，也可以使用由内管和外管构成的双管结构的处理容器。另外，各气体(包含臭氧)的喷嘴的方式并不限定于图示的方式。也可以在例如沿晶舟18的高度方向延伸的管中配置多个喷射孔，对晶舟18的高度方向的各区域均匀地喷射各气体。
下面，对使用如以上那样构成的处理装置2进行的第一实施方式所述的热处理方法，参照图2进行说明。图2是表示用第一实施方式的热处理方法形成SiO2膜的一例的流程图。在图2中表示在半导体晶片的表面利用氧化形成作为绝缘膜的SiO2膜的情况。
即，在该处理方法中，首先，在通过在处理区域5内使氧化性气体和还原性气体反应而产生的具有氧活性种和羟基活性种的氛围中，将晶片W的表面进行氧化而形成氧化膜(氧化步骤S1)。接着，通过在臭氧或者氧化性气体的活性种的氛围中对氧化膜进行加热而进行退火(退火步骤S2)。在同一处理区域5内依次进行这些工序，形成膜中所含的氢成分少的SiO2膜。
具体而言，处理装置2在不负载有由例如硅晶片构成的半导体晶片W的待机状态时，处理区域5维持在比处理温度低的温度。在处理时，首先，使常温的多个(例如50个)半导体晶片W以规定的间隔多层地保持在晶舟18上。通过上升驱动晶舟升降机34，从其下方向处于热壁(hot wall)状态的处理容器4内插入该晶舟18，从而将晶舟18配置在处理区域5内。另外，通过利用盖体26关闭岐管16的下端开口部，将处理容器4内密闭。
接着，利用真空排气系统14对处理容器4内进行真空吸引，将处理区域5维持在规定的处理压力。另外，通过增大对加热器38的供给电力，使晶片温度上升，将处理区域5升温至氧化处理用的处理温度。在处理区域5的温度稳定后，为了进行氧化工序，流量控制所需要的规定的处理气体、即氧气和氢气，并且从各气体供给系统42、44的氧化性气体喷射喷嘴48以及还原性气体喷射喷嘴50分别向处理区域5进行供给。在该时刻还没有供给臭氧。
该两种气体在处理区域5上升，并且在真空氛围下反应而产生羟基活性种和氧活性种。羟基活性种和氧活性种与收容在旋转的晶舟18的晶片W接触，对晶片表面施行氧化处理(步骤S1)。处理气体或者利用反应生成的气体从处理容器4的顶部的排气口6而被排出至体系之外。
此时，氢气流量在200～5000sccm的范围内设定为例如600sccm。氧气流量在200～10000sccm的范围内设定为例如1200sccm。处理温度在500～1200℃的范围内设定为例如900℃。处理压力在0.02Torr(2.7Pa)～3.0Torr(400Pa)的范围内设定为例如0.35Torr(46Pa)。另外，处理时间设定为例如10分钟。
分别向处理容器4内导入的氧气和氢气，在成为热壁状态的处理容器4内的处理区域5上升，并且在晶片W的面前(正前)通过氢的燃烧反应生成以氧活性种(O*)和羟基活性种(OH*)为主体的氛围。通过这些活性种来氧化晶片W的表面而形成SiO2膜。此时，活性种的形成过程为如下的形成过程。即，通常认为通过在减压氛围下将氢和氧分别导入到处于热壁状态的处理容器4内，在晶片W的面前(正前)进行如下的氢的燃烧反应。其中，在下述式中带*记号的化学符号表示其活性种。
H2+O2→H*+HO2
O2+H*→OH*+O*
H2+O*→H*+OH*
H2+OH*→H*+H2O
这样，当将H2以及O2分别导入处理区域5时，在氢的燃烧反应过程中产生(O*)氧活性种、(OH*)羟基活性种和H2O(水蒸气)，利用它们氧化晶片表面而形成SiO2膜。此时，通常认为特别是上述O*和OH*的两活性种起较大作用。
如以上那样形成的SiO2膜，由于使用氢作为还原性气体，因此在膜中含有氢成分，其结果，降低电的膜质特性。因此，为了从膜中去掉氢成分，下面进行臭氧氛围中的退火工序(步骤S2)。
首先，停止上述氧气和氢气的供给，同时使臭氧供给系统46工作而在臭氧发生器72内产生臭氧(O3)。对该臭氧进行流量控制，并且将其导入到处理容器4内，从而使该处理容器4内成为臭氧氛围，在该臭氧氛围中将晶片W进行加热而进行退火处理。
此时，处理压力为0.1Torr(13.3Pa)～76Torr(10130Pa)、优选0.1Torr(13.3Pa)～10Torr(1330Pa)的范围内，在此，设定为例如0.35Torr(47Pa)。当处理压力低于0.1Torr(13.3Pa)时，退火效果不充分。当处理压力高于76Torr(10130Pa)时，臭氧的活性极端地丧失。处理温度设定为500～1200℃、优选300～1000℃的范围内。当处理温度低于500℃时，退火的效果不充分。当处理温度高于1200℃时，产生对装置本身的耐热性带来恶劣影响的可能性。特别是为了节省晶片温度的升降温中需要的时间并提高生产量，该退火工序的温度优选设定为与氧化工序中的处理温度相同。在此，退火工序的处理温度设定为与氧化工序相同、例如900℃。
在退火工序中，处理区域5中的臭氧的浓度(O3/(O3+O2))，考虑到相对于目前的臭氧发生器的功能以及退火特性的臭氧的浓度的费用对效果，设定为5-20体积％。但是，臭氧的浓度越高，越可以提高退火特性，因此，可以使用接近于例如100体积％的浓度。其中，在本实施方式中，臭氧的流量设定为0.1～10slm的范围，臭氧的浓度(O3\(O3+O2)设定为10体积％。
在此，通过在臭氧的氛围中进行退火处理而从SiO2膜中除去氢成分的理由如下推测。即，通常认为由于通过臭氧的分解而生成的氧活性种与SiO2膜中的氢成分反应，在OH或H2O的状态下从膜中脱离。
<评价结果>
由上述第一实施方式的成膜方法形成SiO2膜，进行其电的膜质特性的测定而进行评价。图3是表示硅氧化膜的SILC特性的退火可靠性的图。SILC特性的定义如上所述。图3所示的SILC特性表示5[C/cm2]的电荷时的泄漏电流。
图3中也一并表示出由其他成膜方法形成的各种比较例A1～A4的SiO2膜的结果。在比较例A1中，通过干氧化形成SiO2膜。在比较例A2中，通过湿氧化形成SiO2膜。在比较例A3中，用图1所示的装置仅利用氧化处理形成SiO2膜(没有臭氧退火)。在比较例4中，用图1所示的装置形成SiO2膜，在N2氛围中(1000℃)进行退火。在实施例B1中，用第一实施方式所述的方法形成SiO2膜，在臭氧氛围中(500℃)进行退火。
如图3所示，作为由干氧化形成的SiO2膜的比较例A1的泄漏电流，在0.3×10-7(A/cm2)左右最多，膜质特性不是特别良好。比较例A2～A4也与比较例A1相比，泄漏电流稍微少，为1×10-8(A/cm2)左右，但没有充分减少。特别是如比较例A4所示，即使在1000℃下退火，在氮气氛围中也不能得到充分的效果。
与此相对，在由实施例B1中表示的第一实施方式的方法形成的SiO2膜的情况，即使仅仅在臭氧氛围中、在500℃下退火，泄漏电流也降低至0.5×10-8(A/cm2)左右。其可以确认，与比较例A1～A4相比，泄漏电流大幅度减少，能够得到良好的膜质特性。
图4是表示硅氧化膜的TDDB特性的退火依赖性的图。TDDB特性的定义如上所述。在此，将CCS(Constant Current Stress)设定为一0.1A/cm2。图4表示作为代表的比较例A3、A4和第一实施方式所述的方法的实施例B1。
如图4所示，在比较例A3、A4的情况，栅极电压Vg随着时间的经过而相当急剧地降低，并不是很优选。与此相对，在实施例B1的第一实施方式的方法的情况，栅极电压Vg随着时间的经过也不是如此地降低，膜质特性维持良好的结果。即，可以确认栅极电压Vg的变动少，并且可以大幅度减少正孔捕集量以及电子捕集量。其中，在现状中，没有直接测定膜中的氢成分的量的方法，但如上所述，可以利用SILC特性和TDDB特性间接地识别。
<第二实施方式>
图5是表示本发明第二实施方式的立式热处理装置的构成图。图6是表示用第二实施方式的热处理方法形成SiON膜的一例的流程图。
图5所示的热处理装置具有与图1所示的热处理装置类似的结构，但在进一步配置有向处理容器内供给氮气的氮气供给系统80方面不同。利用该构成，在该热处理装置中，如以下说明的那样，能够将SiO2膜氮化而形成SiON膜。
具体地，氮化气体供给系统80具有贯穿岐管16的侧壁并将其前端部插入到处理容器4内而与处理容器4内相面临配置的氮化气体喷射喷嘴82。在从氮化气体喷射喷嘴82延伸的气体通路84上，依次设置有开闭阀86和质量流量控制器那样的流量控制器88。因此，能够根据需要对氮化气体进行流量控制，并将其供给至处理容器4内的下部。
在本实施方式中，使用NH3作为氮化气体。但是，该氮化气体可以使用选自由NO、N2O、NH3构成的组中的1种以上的气体。
在第二实施方式的热处理装置的情况，如图6的流程图所示，在步骤S1的氧化工序和步骤S2的退火工序之间，进行由步骤S1-1表示的氮化工序。因此，在由步骤S1形成SiO2膜后，停止氢气和氧气的供给，并且利用氮化气体供给系统80对氮化气体进行流量控制，同时将其供给至处理区域5。由此，利用氮化气体将形成于晶片W的表面的氧化膜即SiO2膜进行氮化，形成作为氮氧化膜的SiON膜。
此时，处理压力为100～760Torr的范围内，在此，设定为例如650Torr。处理温度设定为500～1200℃的范围内。氮化气体的流量设定为0.1～10slm的范围内。
在利用上述处理形成SiON膜后，如图6中的步骤S2所示，进行与图2中步骤S2说明的处理相同的退火工序，从SiON膜中除去氢成分。
图6中的步骤S2(退火工序)中的处理压力、处理温度、臭氧的流量等工艺条件，可以分别设定为与图2中的步骤S2的情况相同。但是，图6中的步骤S2的工艺条件也可以与图2中的步骤S2的工艺条件不同。
在第二实施方式中，为了提高生产量，优选将步骤S1的氧化工序、步骤S1-1的氮化工序以及步骤S2的退火工序设定为完全相同的处理温度。在此，氮化工序以及退火工序的处理温度设定为与氧化工序相同，例如900℃。
通过在臭氧的氛围中进行退火处理而从SiON膜中除去氢成分的理由，与前面对SiO2膜说明的情况相同。
<评价结果>
用上述第二实施方式的成膜方法形成SiON膜，并且进行其电的膜质特性的测定而进行评价。图7是表示氧氮化硅膜的TDDB特性的退火依赖性的图。在此，将CCS设定为-0.1A/cm2。
图7中也一并表示出由其他成膜方法形成的各种比较例A5～A7的SiON膜的结果。在比较例A5中，在形成SiON膜后，在氧气氛围中、在900℃下进行再氧化处理。在比较例A6中，在形成SiON膜后不进行任何退火处理。在比较例A7中，在形成SiON膜后，在氮气氛围中(900℃)进行退火处理。在实施例B2中，用第二实施方式所述的成膜方法形成SiON膜并在臭氧氛围中(600℃)进行退火处理。在实施例B3中，用第二实施方式所述的成膜方法形成SiON膜并在臭氧氛围中(900℃)进行退火处理。
如图7所示，在比较例A5～A7的情况下，栅极电压Vg随着时间的经过而大幅度地降低，这不是优选的。下降的程度按比较例A5～A7的顺序变得激烈。与此相对，在实施例B2、B3的第二实施方式所述的方法的情况，栅极电压Vg即使时间经过也不是如此地降低，膜质特性维持良好的结果。即，可以确认栅极电压Vg的变动少，并且能够大幅度减少正孔捕集量以及电子捕集量。与退火温度600℃的实施例B2相比，退火温度900℃的实施例B3的一方栅极电压Vg的降低少，因此判定，退火温度高的一方能够更良好地维持膜质特性。
<与第一和第二实施方式通用的事项>
在上述实施方式中，在臭氧氛围下进行退火工序。也可以取代其而在不含有氢成分的氧化性气体的活性种的氛围中进行退火工序。该氧化性气体可以使用O2、NO、NO2气体。此时，为了产生氧化性气体的活性种，可以使用由例如“US7,300,885 B2，the teachings of which arehereby incorporated by reference”所公开的等离子体激发装置。该等离子体激发装置具有沿立式的处理容器的侧部施加高频率电压的一对电极。可以利用该等离子体的激发装置将氧化性气体进行等离子体化，生成氧化性活性种。可以取代其而使用在处理容器的外部利用等离子体制作氧化性活性种、并且将该活性种导入到处理容器内的、所谓的远程等离子体方式的激发装置。
在上述实施方式中，使用氧气作为氧化性气体。关于这一点，上述氧化性气体可以使用选自由O2、N2O、NO、NO2和O3构成的组中的1种以上的气体。
在上述实施方式中，使用氢气作为还原性气体。关于这一点，上述还原性气体可以使用选自由H2、NH3、CH4、HCl和氘构成的组中的1种以上的气体。
在使用O3(臭氧)作为氧化性气体时，氧化性气体供给系统42可以作为臭氧供给系统兼用，因此，可以从图1的热处理装置2省略臭氧供给系统46。在使用相同气体、例如NO、NO2作为氧化性气体和氮化气体时，氧化性气体供给系统42可以作为氮化气体供给系统兼用，因此，可以从图5的热处理装置省略氮化气体供给系统80。
在上述实施方式中，从氧化工序至退火工序，在同一处理容器内进行。也可以取代其而在不同的处理容器(处理装置)中进行各工序。氧化对象物质并不限定于硅，也可以是其他半导体材料以及氧化膜或者氮氧化膜。被处理基板可以取代半导体晶片而以玻璃基板、LCD基板、陶瓷基板等为对象。
Claims (12)
1.一种用于在半导体处理中形成氧化膜的热处理方法，其特征在于，包括：
在处理容器的处理区域內以隔开间隔层叠的状态收纳多个被处理基板的工序，其中，所述被处理基板在表面具有处理对象层；
向所述处理区域供给氧化性气体和还原性气体，同时对所述处理区域进行加热，由此使所述氧化性气体和所述还原性气体反应而产生氧活性种和羟基活性种，使用所述氧活性种和所述羟基活性种对所述被处理基板上的所述处理对象层进行氧化的工序；和
在由臭氧或者氧化性活性种构成的退火气体的氛围中对所述氧化后的所述处理对象层进行加热，由此对所述处理对象层进行退火的工序，
其中，所述氧化性气体包含选自O2、N2O、NO、NO2和O3中的1种以上的气体，
所述还原性气体包含选自H2、NH3、CH4、HCl和氘中的1种以上的气体，
所述退火使用500～1200℃的处理温度和0.1Torr～76Torr的处理压力。
2.如权利要求1所述的热处理方法，其特征在于：
所述退火通过向所述处理区域供给所述退火气体，同时对所述处理区域进行加热，在所述处理区域內进行。
3.如权利要求1所述的热处理方法，其特征在于：
所述退火气体是臭氧。
4.如权利要求1所述的热处理方法，其特征在于：
所述氧化使用500～1200℃的处理温度和0.02Torr～3.0Torr的处理压力。
5.如权利要求1所述的热处理方法，其特征在于：
所述处理对象层具有硅。
6.一种用于在半导体处理中形成氮氧化膜的热处理方法，其特征在于，包括：
在处理容器的处理区域內以隔开间隔层叠的状态收纳多个被处理基板的工序，其中，所述被处理基板在表面具有处理对象层；
向所述处理区域供给氧化性气体和还原性气体，同时对所述处理区域进行加热，由此使所述氧化性气体和所述还原性气体反应而产生氧活性种和羟基活性种，使用所述氧活性种和所述羟基活性种对所述被处理基板上的所述处理对象层进行氧化的工序；
在氮化气体的氛围中对所述氧化后的所述处理对象层进行加热，由此对所述处理对象层进行氮化的工序；和
在由臭氧或者氧化性活性种构成的退火气体的氛围中对所述氮化后的所述处理对象层进行加热，由此对所述处理对象层进行退火的工序，
其中，所述氧化性气体包含选自O2、N2O、NO、NO2和O3中的1种以上的气体，
所述还原性气体包含选自H2、NH3、CH4、HCl和氘中的1种以上的气体，
所述退火使用500～1200℃的处理温度和0.1Torr～76Torr的处理压力。
7.如权利要求6所述的热处理方法，其特征在于：
所述氮化通过向所述处理区域供给所述氮化气体，同时对所述处理区域进行加热，在所述处理区域內进行，
所述退火通过对所述处理区域供给所述退火气体，同时对所述处理区域进行加热，在所述处理区域內进行。
8.如权利要求6所述的热处理方法，其特征在于：
所述退火气体是臭氧。
9.如权利要求6所述的热处理方法，其特征在于：
所述氧化使用500～1200℃的处理温度和0.02Torr～3.0Torr的处理压力。
10.如权利要求6所述的热处理方法，其特征在于：
所述氮化气体包含选自NO、N2O、NH3中的1种以上的气体。
11.如权利要求10所述的热处理方法，其特征在于：
所述氮化使用500～1200℃的处理温度和100Torr～760Torr的处理压力。
12.如权利要求6所述的热处理方法，其特征在于：
所述处理对象层具有硅。
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