CN1605116A - 半导体处理用的热处理装置及方法 - Google Patents

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Abstract

半导体处理用的热处理装置的供给系统具有燃烧器(12)、加热器(13)和气体分配部(14)。燃烧器(12)具有配置在处理室(21)外面的燃烧室(59)。燃烧器(12)使氢气和氧气在燃烧室(59)内反应，生成水蒸气，供给处理室(21)。加热器(13)具有配置在处理室(21)外面的加热室(61)。加热器(13)有选择地将不通过燃烧室(59)的气体，在加热室(61)内加热至活性化温度以上，供给处理室(21)。气体分配部(14)有选择地将氢气和氧气供给燃烧室(59)，同时，有选择地将反应性气体和不活性气体供给加热室(61)。

Description

半导体处理用的热处理装置及方法
技术领域
本发明涉及对半导体晶片等被处理基板进行热处理用的半导体用的热处理装置及方法。所谓半导体处理是指通过按给定的图形，在半导体晶片或LCD基板等被处理基板上形成半导体层、绝缘层、导电层等，为了在该处理基板上制造包含半导体装置、或与半导体装置连接的线路、电极等的构造物而实施的各种处理。
背景技术
在半导体处理中，已知有一种立式热处理装置，它是一次对多个半导体晶片进行氧化、扩散、退火、CVD等热处理的批量式处理装置。在立式热处理装置中，将多个晶片在垂直方向以一定间隔配置保持在称为晶片载置部件的保持器件中，将该保持器件送入立式处理室中。另外，利用设在处理室周围的加热机构，加热晶片，进行热处理。
另一方面，作为使硅晶片氧化，形成氧化硅膜(SiO2膜)的处理，已知有干式的氧化处理和湿式的氧化处理等。在干式的氧化处理时，将氧气(O2)和氯化氢(HCl)气送入处理室中。在湿式氧化处理时，将水蒸气和氧气供给处理室中。根据所求目的的膜质不同，可选择任一种处理。
在干式氧化处理时，利用氧气使硅晶片或层氧化，另一方面，利用氯的去疵效果，除去表面的杂质。具体的是：将多个晶片呈棚状保持在晶片载置部件，送入立式处理室内，形成给定温度的处理气氛。其次，在常温下，将氧气和氯化氢气从处理室的顶部送入处理室内，从下方排气。
在湿式氧化处理时，在处理室外，必需有外部燃烧器。利用燃烧器燃烧氧气的一部分和氢(H2)气，产生水蒸气，剩余的氧气和水蒸气供给处理室内。
作为其他的热处理，已知有氧氮化处理。在进行氧氮化处理时，在常温下，将一氧化二氮气体(N2O气体)送入处理室内，与晶片的硅层反应，形成含有氮的氧化硅膜(氧氮化硅膜)。
发明内容
本发明的目的，是要提供一种在对被处理基板进行氧化处理等热处理的情况下，可以使过程的温度降低的半导体处理用的热处理装置和方法。
本发明的第一要点是提供了一种半导体处理用的热处理装置，它具有：
容纳被处理基板的处理室；
配置在上述处理室内、支承上述被处理基板的支承部件；
放置在上述处理室内、加热上述被处理基板的加热器；
用于排出上述处理室内的气体的排气系统；和
向上述处理室内供给处理气体的供给系统，
上述供给系统具有：
配置在上述处理室外、具有燃烧室的燃烧器，上述燃烧器使氢气和氧气在上述燃烧室内反应，生成水蒸气，供给上述处理室；
配置在上述处理室外、具有加热室的加热器，上述加热器在上述加热室内，有选择地将不通过上述燃烧室的气体加热到活性化温度以上，供给上述处理室；和
气体分配部，它有选择地将氢气和氧气供给上述燃烧室，同时，有选择地将反应性气体和不活性气体供给上述加热室。
本发明的第二要点是提供了一种半导体处理用的热处理装置，它具有；
容纳被处理基板的处理室；
配置在上述处理室内、支承上述被处理基板的支承部件；
放置在上述处理室内、加热上述被处理基板的加热器；
用于排出上述处理室内的气体的排气系统；和
向上述处理室内供给处理气体的供给系统，
上述供给系统具有：
配置在上述处理室外、具有燃烧室的燃烧器，上述燃烧器使氢气和氧气在上述燃烧室内反应，生成水蒸气，供给上述处理室；
配置在上述处理室外、具有加热室的加热器，上述加热器在上述加热室内，有选择地将不通过上述燃烧室的气体加热，供给上述处理室；和
气体分配部，在有选择地将氢气和氧气供给上述燃烧室的同时，有选择地将氧化气体、氧氮化气体、含有氢和氮的化合物气体、以及不活性气体供给上述加热室；
控制部，控制上述燃烧器、上述加热器和上述气体分配部，以便有选择地使用上述燃烧器和上述加热器。
本发明的第三个要点是提供了一种半导体处理用的热处理方法，它包括下列工序：
将被处理基板放置在处理室内的工序；
加热放置在上述处理室内的上述被处理基板的工序；
通过利用配置在上述处理室外、具有燃烧室的燃烧器，使氢气和氧气反应而生成水蒸气并将之供给上述处理室，使上述被处理基板氧化而形成氧化膜的进行湿式氧化处理的工序；和
通过利用配置在上述处理室外、具有加热室的加热器，将反应性气体加热至活性化温度以上，同时供给上述处理室，对上述被处理基板进行湿式氧化处理以外的第一处理的工序。
附图说明
图1表示本发明的实施方式的立式热处理装置的纵截面图。
图2为表示在图1所示的热处理装置中用的处理单元的展开立体图。
图3为表示图1所示的热处理装置中用的燃烧器的截面图。
图4为表示在图1所示的热处理装置中用的加热器的截面图。
图5A-C为表示不同处理的燃烧器和加热器的气体供给状态的说明图。
图6A、B为表示不同处理的燃烧器和加热器的气体的供给状态的说明图。
图7A、B为分别表示利用图1所示的热处理装置，进行干式氧化处理情况下的作为实验结果的面间均匀性和面内均匀性的特性图。
图8A、B为表示在使用图1所示的热处理装置且分别在接通和断开加热器而进行氧氮化处理情况下的实验结果的特性图。
图9为表示使用图1所示的热处理装置，进行稀释的湿式氧化处理情况下的实验结果的特性图。
图10A-C为用于说明现有的干式氧化处理的问题的说明图。
具体实施方式
本发明者等，在本发明的过程中，研究了立式热处理装置的干式氧化处理、湿式氧化处理、氧氮化处理等的问题。结果，本发明者得出下述的结论。
在半导体晶片的热处理中，处理温度越高，在晶片容易产生称为滑移的缺陷，而且热对晶片上的膜的影响大。因此，现在希望降低处理温度。但是，当降低处理温度时，一块被处理基板上(例如，晶片的中央部部和周边部部分之间)的处理的均匀性(面内均匀性)降低。晶片的直径越大，这种表面的均匀性降低越显著。另外，当降低处理温度时，多块被处理基板之间(例如，批量处理时的上段侧的晶片和下段侧的晶片之间)的处理的均匀性(面间均匀性)降低。
另外，在立式热处理装置中，是使氧气和氯化氢气体从反应管(处理室)的上端流入，对晶片载置部件上的晶片进行干式氧化处理。在这种情况下，氧化硅膜的膜厚的面内均匀性，具有位于晶片载置部件上段侧的晶片变差的倾向。其理由可能如下。
图10A-C为用于说明现有的干式氧化处理的问题的说明图。图10A、10B和10C分别示意性地表示晶片W上的气体流动、晶片W的温度和晶片W的膜厚。氧气和氯化氢气从晶片W的周边部向中央部流动(参见图10A)，晶片W上的硅被氧气氧化。由于晶片W的热从周边部散热，因此晶片的温度向着中央部升高(参见图10B)。因此，氧化反应向中央部促进，具有中央部比周边部膜厚要厚的倾向(参见图10C)。
另外，氯化氢分解产生的氢和氧稍有反应，就生成水蒸气。由于在晶片载置部件的上段侧，气体温度不是很高，因此，随着气体从晶片W的周边部向中央部而被加热，水蒸气的生成量增多。这种水蒸气有使氧化膜成长的效果，因此，水蒸气生成量的差别，对膜厚有很大影响。结果，在上段侧的晶片W中，中央部的膜厚厚，膜厚成为山形分布(面内均匀性差)。
由于处理气体越向着反应管的下方，温度越高，因此在晶片载置部件的下段侧，水蒸气的生成反应达到平衡状态。即：在气体沿着晶片W流动前，水蒸气已几乎全部生成。因此，在下段侧的晶片W中，当处理气体从晶片W的周边部向中央部流动时，与晶片W的位置有依存关系的水蒸气生成量的差别小。这样，由水蒸气生成量的差别引起的膜厚的差别小。由于这样，氧化硅膜的膜厚的面内均匀性，在下段侧的晶片W中良好。
另一方面，在利用一氧化二氮，形成含有氮的氧化硅膜(氧氮化硅膜)的氧氮化处理中，当降低处理温度时，也有同样的倾向。在这种情况下，在一氧化二氮气体分解，使氧和硅反应，形成氧化硅膜的同时，通过使因分解而生成的氮的活性种进入氧化硅膜中，氧氮化硅膜成长。
如上所述，在这种处理的情况下，晶片W的温度向着中央部增高。另外，当处理温度低时，在晶片载置部件的上段侧，一氧化二氮气体不充分分解。因此，在上段侧的晶片W中，随着一氧化二氮气体向中央部流动，可促进分解反应。结果，在上段侧的晶片W中，中央部的膜厚变厚，膜厚成为山形分布(面内均匀性差)。
由于一氧化二氮气体向着反应管下方温度升高，因此，在晶片载置部件的下段侧，气体的分解进行得充分，或者即使不说是充分，也比上侧促进。因此，在下段侧的晶片W中，当一氧化二氮气体从晶片W的周边部向中央部流动时，与晶片W的位置有关的气体分解的差别小。因此，由气体分解的差别引起的膜厚差别也小。由于这样，氧氮化硅膜的膜厚的面内均匀性，在下段侧的晶片W中良好。
这样，当降低处理温度时，对上段侧的晶片的处理的面内均匀性降低，另外，也有晶片面间均匀性降低的倾向。因此，目前现状是降低处理温度有困难。
以下参照附图来说明基于这种认识构成的本发明的实施方式。在以下的说明中，具有大致相同的功能和结构的结构元件，用相同的标号表示，只在必要时进行重复说明。
图1为表示本发明实施方式的立式热处理装置的纵截面图。该热处理装置具有由主控制部57控制的立式热处理单元11、燃烧器12、加热器13和气体分配部14。这个热处理装置可有选择地进行湿式氧化处理、干式氧化处理和氧氮化处理。在湿式氧化处理时，燃烧器12使氢气和氧气燃烧，生成水蒸气，利用该水蒸气，对晶片进行氧化处理。在干式氧化处理时，利用加热器13加热氧气(氧化气体)和氯化氢气体(含有氢和氯的化合物气体-去疵气体)，利用这种气体对晶片进行氧化处理。在氧氮化处理时，利用加热器13加热一氧化二氮气(氧氮化气体)，利用这种气体，对晶片进行氧氮化处理。
图2为表示图1所示的热处理装置中所用的处理单元11的展开立体图。如图1和图2所示，处理单元11具有立式热处理炉2。气体分配部14通过第一气体供给管41与热处理炉2连接；同时，排气装置15通过排气管20与热处理炉2连接。在热处理炉2内可自由插入和脱开地配置着作为晶片W的支持器件或保持器件的晶片载置部件3。晶片载置部件3由安装在热处理炉2下部的晶片载置部件升降机30升降。
立式热处理炉2由石英制成，且含有下端开口的立式反应管(处理室)21。作为由电阻发热体等构成的加热装置的加热器22，按照包围着反应管21的方式配置。在反应管21和加热器22之间配置均热管23。均热管23的下端支承在绝热体24上。
在反应管21内上壁21a稍微偏下方一侧上配置了具有多个气体孔21b的气体扩散板21c。第一气体供给管41从外面贯通绝热体24，在绝热体24的内侧，弯曲成L字形，在反应管21和均热管23之间垂直直立。第一气体供给管41的前端突入反应管21的上壁21a和气体扩散板21c之间的空间中。
如图2所示，晶片载置部件3具有顶板31、底板32和将它们之间连接起来的多根支柱33。在支柱33上，沿上下方向，以一定间隔作出多个槽，通过将晶片W的边缘插入这些槽中，可使晶片W保持水平。晶片载置部件3通过作为保温部件的保温筒35，放置在开闭反应管21的下端的开口部25的盖体34上。保温筒35放置在转台36上，由装在升降机30上的驱动部M经转动轴37而转动。盖体34安装在升降机30上，通过升降机30的升降，晶片载置部件3可以在热处理炉2中搬入搬出。
图3为表示在图1所示的热处理装置中所用的燃烧器12的截面图。如图1所示，在立式热处理单元11外面，燃烧器12与由石英制成的第一气体供给管41上游连接。又如图3所示，燃烧器12具有例如由透明石英制的内管51a和外管51b组成的同心双重结构部分50。在内管51a的内侧形成内侧加热空间52A，在内管51a和外管51b之间形成外侧加热空间52B。
内侧加热空间52A，在延长状态下与第一气体导入管71连通。外侧加热空间52B的上游被拉延，它与从该拉延部呈直角伸出的第二气体导入管72连通。从第一气体导入管71，通过内侧加热空间52A、第一气体供给管41，至反应管21的气体流路；和从第二气体导入管72，通过外侧加热空间52B、第一气体供给管41，至反应管21的气体流路相当于第一气体流路。
在外侧加热空间52B的外周，配置螺旋形的碳线电热器53，并用筒状的绝热体54覆盖。电热器53具有将金属杂质少的碳素纤维束进行多束编织而形成的纽状体、和容纳与密封该纽状体的螺旋形石英管。电热器53利用通过与电力控制部56连接的电力供给线55所加的电压发热。电力控制部56根据与由控制本热处理装置的主控制部57指定的设定加热温度对应的信号；和由设在电热器53附近的热电偶构成的温度传感器58输出的温度检测信号，控制通向电热器53的通电量。
内侧加热空间52A和外侧加热空间52B与下游的燃烧室59连通。在利用氢气和氧气作为处理气体进行湿式氧化的情况下，氢气和氧气在燃烧室59中起燃烧反应，生成水蒸气。
图4为表示图1所示的热处理装置中所用的加热器13的截面图。如图1所示，加热器13与从在立式热处理单元11和燃烧器12之间的第一气体供给管41分支出来的、例如由石英制成的第二气体供给管42的上游连接。加热器13具有与第二气体供给管42连接的、例如由透明石英制成的加热室61。如图4所示，加热室61由内径比导入处理气体的第三气体导入管73的内径大且在气体通入方向长的圆筒形加热管构成。从第三气体导入管73，通过加热室61、第二气体供给管42，至反应管21的气体流路，相当于第二气体流路。
在加热室61内，配置了通气阻挡部件62，它在通过被加热而用做加热媒体的同时，对通过的气体具有通气阻力。通气阻挡部件62由石英、陶瓷等的多个零件的集合体构成。在本实施方式中，通气阻挡部件62由将多个石英制的零件(例如有孔玻璃珠)熔融粘接构成。例如，在第二气体供给管42的内径为20mm的情况下，加热室61的内径为60mm-80mm，通气方向的长度为100mm-200mm左右，充填至加热室61中的各个石英零件的大小为φ1-φ10左右。
成为加热装置的碳线电热器63呈螺旋状卷绕在加热室61的外周。电热器63具有将多束金属杂质少的碳素纤维束编织而形成的纽状体、和容纳与密封该纽状体的螺旋形石英管。在图4中，标号64、65表示通往电热器63的电力供给部和端子。
加热室61和电热器63利用由筒状的例如高纯度氧化硅(SiO2)的烧结绝热体构成的壳体60覆盖。在壳体60中，沿着例如电热器63(沿着通气方向)，形成使冷媒例如冷却水流通用的冷却套管66。冷却水由冷却水供给部67供给至冷却套管66中。在壳体60内部的冷却套管66和电热器63之间，配置温度检测器68例如热电偶。根据热电偶68检测的该内部温度，将控制信号从主控制部57，通过供给量控制部69，输出至电力供给部64和冷却水供给部67。这样，可以控制通向电热器63的电力供给量和通向冷却套管66的冷却水供给量。即：通过电热器63的加热和冷却套管66的冷却的相互作用，加热室61可调整至给定的温度。
加热器13的加热室61和充填其中的通气阻挡部件62，形成相对于通过气体的热交换部。即：将处理气体从第三气体导入管73导入调整至给定温度的加热室61内，使该处理气体与被加热的通气阻挡部件62接触，将处理气体预热至300-1100℃(典型的是800-1000℃)的给定高温。
如图1所示，在燃烧器12和加热器13的上游，配置有气体分配部14。即：开闭用的阀VA、阀VB、和阀VC分别配置在第一气体导入管71、第二气体导入管72和第三气体导入管73上。第一气体导入管71与氢气源81连接，在其中间设置阀V1和作为流量调节部的质量流量控制器MF1。第二气体导入管72与氧气源82连接，在其中间设置阀V2和作为流量调节部的质量流量控制顺MF2。第三气体导入管73分支成例如4根，分别与氮气源83、一氧化二氮气源84、氯化氢气源85和氧气源86连接。阀V3、V4、V5、V6和质量流量控制器MF3、MF4、MF5、MF6分别配置在四根分支管上。氧气源82、86也可以作成共用的。
其次，说明图1所示的热处理装置的作用。利用该装置，可以对例如作为硅层表面露出的被处理基板的晶片，有选择地进行湿式氧化处理、干式氧化处理、和酸氮处理等。以下，依次说明干式氧化处理、去疵处理、氧氮化处理、湿式氧化处理和稀释湿式氧化处理的作用和效果。
(干式氧化处理)
通过由主控制部57选择干式氧化处理，可将干式氧化处理用的操作信号，从主控制部57送至处理单元11、燃烧器12，加热器13和气体分配部14中。
在处理单元11中，将多片(例如25-150片)作为被处理基板的半导体晶片W，呈棚状保持在晶片载置部件3中，利用晶片载置部件升降机30送入由加热器22预先加热至给定温度的反应管21内，再用盖体34不漏气地封闭作为炉口的开口部25(图1的状态)。接着，将反应管21内升温，并稳定至给定的处理温度例如800℃。
在送入晶片W的工序和使反应管21内升温的工序中，将例如稍微混入氧气的氮气，从气体供给管(图中没有示出)送至反应管21内。在反应管21内成为处理温度时，停止供给气体，利用排气装置15，通过排气管20，将反应管21内排气。这样，使反应管21内处在微减压状态，在该状态下，因为晶片W的温度稳定，可以进行氧化处理。
另一方面，控制向电热器63的电力供给量和向水冷气管66的冷却水供给量，使得在加热器13处在接通状态时，加热室61内达到(例如)1000℃的设定温度。在气体分配部14中，打开阀V6、V5，分别在用质量流量控制器MF6、MF5调节至给定流量的状态下，例如10slm和1slm的流量，使氧气和氯化氢气流入加热室61内。这时，燃烧器12处在断开状态，燃烧器12的初级侧的阀VA、VB关闭。
如图5A所示，处理气体与加热室61内的通气阻挡部件62接触，同时流过这些间隙而通向均热管，在通过该间隙时，处理气体被加热至1000℃左右。这样，氧气和氯化氢气按下式反应，生成微量的例如数百个ppm数量级的水蒸气。
这样加热的处理气体，通过第二供给管42和第一气体供给管41，供给热处理炉2。处理气体通过均热管23的内侧而被加热，并上升，流入反应管21的上部。另外，处理气体从气体孔21b，供给至反应管11内的处理区域，从下部排气管20排气。这时，处理气体进入保持成棚状的晶片W之间，对晶片进行规定的处理。即：用氯气除去晶片表面的污染金属(去疵)，另一方面，用氧气使晶片W表面的硅层氧化，形成氧化硅膜。如上所述，在这种处理气体中，含有微量的上述水蒸气，这种水蒸气可使氧化膜成长。
在处理时，从加热器13出来的处理气体，通过第二气体供给管42和第一气体供给管41，流回燃烧器12。但是，如果关闭安装在燃烧器的第一气体导入管71上的阀VA、安装在第二气体导入管72上的阀VB，则只能进入燃烧室59中，不会回流至燃烧室59的上游。
利用本实施方式的干式氧化处理，所形成的氧化硅膜具有膜厚在面内均匀性和在面间均匀性都好的特性。其理由考虑如下。即：处理气体(氧气和氯化氢气的混合气体)利用加热器13通过被加热至例如1000℃左右被活性化，从而被加热分解，这样就生成微量的水蒸气和氯。处理气体中生成的水蒸气和氯，即使温度降低，其量也不减少。因此，当利用加热器13，在比反应管21内的处理温度高的温度下，生成水蒸气和氯时，即使处理气体在二次侧的第二气体供给管42和第一气体供给管41中流动时，多少有些变冷，处理气体的变化也少。因此，即使以后，在反应管21内加热处理气体，处理气体也不会生成水蒸气。
换句话说，当利用加热器13使处理气体活性化，充分加热分解，使处理气体进入堆积在晶片载置部件3上的晶片W之间时，可以说水蒸气和氯气已全部生成完毕。因此，在从晶片W的周边部向中央部流动的处理气体中所含的水蒸气和氯的量，不论在哪个位置都大致相同。结果，即使在位于晶片载置部件3的上段侧的晶片W中，依赖于面内的水蒸气而产生的成膜作用，和由氯产生的去疵作用的程度都大致相同，膜厚的面内均匀性良好。
另外，在现有的技术中，因为越向晶片载置部件3的下段侧，水蒸气和氯的生成进展越快，因此，在上段侧膜厚的均匀性差，而越向下侧，膜厚的均匀性越好。这样，利用本实施方式的干式氧化处理，在没有加热器13的情况下的下段侧所产生的生成反应，在上段侧已经生成。因此，在晶片W之间的膜厚分布的偏差减小，膜厚的面间均匀性良好。
又如上所述，晶片W中央部的温度比其周边部的温度高，因此有中央部的膜厚增大的倾向。但是当利用加热器13加热氯化氢气体和氧气而进行干式氧化时，周边部区域的膜的成长作用起作用。结果，膜厚的均匀性良好。其原理如下，即：利用加热器13得出的水蒸气和氯，在反应管21内，从晶片W的周边部向中央部流动，因此，处理气体的浓度越向中央部，越降低一些。这样，周边部的成膜和去疵的程度增大，提高周边部的膜厚的作用起作用了。
由于使用加热器13，加热处理气体，可使处理气体充分活性化。在加热器13中，利用石英制成加热室61，同时，通过使电热器63为特殊结构，因此可将加热室61加热至例如800℃以上的高温。如上所述，电热器63为具有将多束金属杂质少的碳素纤维束编织而形成的纽状体、和容纳与密封该纽状体的螺旋形的例如石英管的特殊结构。
由于在加热室61中设置通气阻挡部件62，使处理气体与通气阻挡部件62接触加热，因此可以高效率地使处理气体的温度升高。又由于将通气阻挡部件62充填在加热室61内，处理气体与通气阻挡部件62边接触边在加热室61内流动，因此处理气体的滞留时间长。处理气体由利用电热器63加热的处理气体本身对流产生的加热、和从通气阻挡部件62的传热作用造成的加热组合起来进行加热。
作为通气阻挡部件62，可以使用φ1-φ10左右大小的石英制的零件(例如，有孔玻璃珠)。由于石英制的零件62的整个表面积大，因此可确保大的传热表面积，高效率地使处理气体温度升高。由于加热室61和第二气体供给管42连接，因此加热室61中被充分活性化的处理气体，可以保持着高温状态而供给第二气体供给管42。这样，由于处理气体在保持高的活性度的状态下，供给反应管21，因此如上所述，可以进行膜厚在面内均匀性和面间均匀性良好的处理。
(去疵处理)
所谓去疵处理是用于除去晶片表面的污染金属而进行的处理。通过由主控制部57选择去疵处理，可将去疵处理用的操作信号从主控制部57送至处理单元11、燃烧器12、加热器13和气体分配部14。
在处理单元11中，将多片晶片W呈棚状保持在晶片载置部件3，利用晶片载置部件升降机30送入由加热器22预先加热至给定温度的反应管21内，再用盖体34不漏气地关闭作为炉口的开口部25(图1的状态)。接着，使反应管21内的温度升高至给定的处理温度例如900℃并稳定下来。
另一方面，控制向电热器63的电力供给量和向水冷套管66的冷却水供给量，使得在加热器13处在接通状态时，加热室61内达到例如1000℃的设定温度。在气体分配部14中，打开阀V6、V5，分别在用质量流量控制器MF6、MF5调节至给定流量的状态下，例如0.01-1slm和0.01-1slm的流量下，使微量的氧气和氯化氢气流入加热室61内。这时，燃烧器12处在断开状态，燃烧器12的初级侧的阀VA、VB关闭。
如图5B所示，处理气体与加热室61内的通气阻挡部件62接触，同时流过在它们之间的间隙而通向均热管，在通过该间隙时，处理气体被加热到1000℃左右。这样，氧气和氯化氢气反应，成为氯化氢气和氯气混在的状态。这样被加热过的处理气体，通过第二供给管42和第一气体供给管41，送入热处理炉2中。在反应管21内处理气体进入保持成棚状的晶片W之间，对晶片进行规定的处理。即：用氯化氢气体和氯气除去晶片表面的污染金属(去疵)。在进行了给定的去疵处理后，接着进行湿式氧化处理。
利用本实施方式的去疵处理，由于在加热器13中，氯化氢气体和氧气充分被加热而活性化，因此，氯化氢和氧气反应充分。因此，作为反应生成物的氯化氢，氯和微量的水蒸汽成为混合存在的状态，去疵效果大，因此可提高晶片表面的金属除去效率。接着，在进行湿式氧化处理的情况下，由于在除去金属后的晶片表面上形成氧化膜，因此可得到质量优良的膜。
(氧氮化处理)
通过利用主控制部57选择氧氮化处理可将氧氮化处理用操作信号，从主控制部57送至处理单元11、燃烧器12、加热器13和气体分配部14。
在处理单元11中，将多片半导体晶片W，呈棚状保持在晶片载置部件3中，利用晶片载置部件升降机30送入由加热器22预先加热至给定温度的反应管21内，再用盖体34不漏气地封闭作为炉口的开口部25(图1的状态)。接着，将反应管21内升温，并稳定至给定的处理温度例如800℃。
另一方面，控制向电热器63的电力供给量和向水冷套管66的冷却水供给量，使得在加热器13处在接通状态时，加热室61内达到例如900-1000℃的设定温度。在气体分配部14中，打开阀V4，在用质量流量控制器MF4调节至给定流量的状态下，例如1-10slm的流量下，使一氧化二氮气体流入加热室61内。这时，燃烧器12处在断开状态，燃烧器12的初级侧的阀VA、VB关闭。
如图5C所示，一氧化二氮气体与加热室61内的通气阻挡部件62接触，并在它们之间的间隙内流动而通向均热管，在通过该间隙时，将一氧化二氮气体加热至设定温度左右。这样，当一氧化二氮气体预先加热至接近分解温度的温度，流入反应管21内时，可以立即被活性化至分解的程度。在图5C中，N2O*是表示N2O被活性化的状态。将这样活性化的一氧化二氮气体通入反应管21内，氧化和氮化晶片W的硅层，可以形成混入氮的氧化硅膜。
利用本实施方式的氧氮化处理，所形成的含有氮的氧化硅膜具有膜厚的面内均匀性和面间均匀性都优良的特性，其理由如下，即：一氧化二氮气体在加热器13中加热至例如900-1000℃左右，在达到预先分解前的状态下被活性化。因此，在一氧化二氮气体进入反应管21内，到达晶片载置部件3的上段侧时，分解已进行得相当好。而且，即使反应管21的温度低，一氧化二氮气体已充分被活性化，可将氮以高浓度搀杂至氧化硅膜中。
这时，当一氧化二氮气体从晶片W的周边部向中央部流动时，在周边部和中央部的分解程度几乎没有差别。另外，由一氧化二氮分解生成的活性种的量，无论在哪个位置都大致相同，或者不变。这样，即使位于晶片载置部件3上段侧的晶片W中，膜厚的面内均匀性也良好。另外，利用本实施方式的氧氮化处理，在没有加热器13时的在下段侧产生的生成反应，已可在上段侧生成。因此，在晶片W之间的膜厚分布的偏差小，膜厚的面间均匀性好。
这样，利用本实施方式的氧氮化处理，即使反应管21的温度低，也可以高浓度渗杂氮，并且膜厚的面内均匀性和面间均匀性可以提高。
(湿式氧化处理)
通过由主控制部57选择湿式氧化处理，可将湿式氧化处理用的操作信号，从主控制部57送至处理单元11、燃烧器12、加热器13和气体分配部14。
在处理单元11中，将多片晶片W，呈棚状保持在晶片载置部件3中，利用晶片载置部件升降机30送入由加热器22预先加热至给定温度的反应管21内，再用盖体34不漏气地封闭作为炉口的开口部25(图1的状态)。接着，将反应管21内升温，并稳定至给定的处理温度(例如900℃)。
另一方面，控制通向电热器53的电力供给量，使得在燃烧器12接通状态下，加热空间52A、52B内达到设定温度例如900-950℃。在气体分配部14中，打开阀V1、V2，在分别用质量流量控制器MF1、MF2调节至给定流量的状态下，例如3-10slm和3-10slm的流量下，使氧气和氢气流入燃烧器12内。加热器13处在断开状态，因此可以不给电热器63供给电力和不给冷却套管66供给冷却水。再在气体分配部14中，打开阀V3，在用质量流量控制器MF3调整至给定流量例如50sccm-500sccm的流量下，使氮气流入加热室61内。另外，将氧气代替氮气流入加热室61内也可以。
如图6A所示，氢气和氧气分别由燃烧器12的内侧加热空间52A和外侧加热空间52B加热，在燃烧室59中，产生氧气的一部分和氢气的燃烧反应，生成水蒸汽。这样生成的氧气和水蒸汽，通过第一气体供给管41，供给热处理炉2。另外，通过加热器13的微量的氮气，也通过第二气体供给管42和第一气体供给管41，供给热处理炉2。在反应管21内，混合这些气体的处理气体，进入呈棚状保持的晶片W之间，对晶片进行给定处理。即：氧气和氢气对晶片表面的硅层进行氧化，形成氧化硅膜。
利用本实施方式的湿式氧化处理，在燃烧器12中，氧气的一部分和氢气充分起燃烧反应，在全部生成水蒸汽的状态下，供给至反应管21。因此，在从晶片W的周边部向中央部流动的处理气体中所含的水蒸汽和氧的量，在任何位置都大致相同。由于在晶片W的表面内，水蒸汽和氧气的供给程度大致相同。因此即使在处理温度低的情况下，膜厚的面内均匀性仍好。
这时，由于将氮气送入加热器13中，因此可防止气体从燃烧器12回流至加热器13中。总之由于第二气体供给管42由石英制成，在用加热器13加热处理气体的情况下，可以达到相当高的温度，因此可以不设置用于进行气体的供给和停止用的阀。这样，当气体不从加热器13侧流出时，由燃烧器12产生的水蒸汽通过气体供给管42，进入加热室61内。当水蒸汽一旦被吸附在充填在加热室61内的通气阻挡部件62上时，水蒸汽难以除去。当在这个状态下，在以后的工序中进行干式氧化处理时，送入反应管21内的水蒸汽量变化，处理的再现性差，结果，膜厚的面内均匀性降低。因此应防止气体从燃烧器12向加热器13回流。
(稀释的湿式氧化处理)
所谓稀释的湿式氧化处理，是指将含有上述湿式氧化处理的氧和水蒸汽的处理气体，在用微量的氮气稀释的状态下，送入反应管21内的处理。通过由主控制部57选择稀释的湿式氧化处理，可将稀释的湿式氧化处理用的操作信号，从主控制部57送至处理单元11、燃烧器12、加热器13和气体分配部14中。
在处理单元11中，将多片晶片W，呈棚状保持在晶片载置部件3中，利用晶片载置部件升降机30送入由加热器22预先加热至给定温度的反应管21内，再用盖体34不漏气地封闭作为炉口的开口部25(图1的状态)。接着，将反应管21内升温，并稳定至给定的处理温度例如850℃。
另一方面，控制通向电热器53的电力供给量，使得在燃烧器12接通状态下，加热空间52A、52B内达到设定温度例如900-950℃。在气体分配部14中，打开阀V1、V2，在分别用质量流量控制器MF1、MF2调节至给定流量的状态下，例如3slm和3slm的流量下，使氢气和氧气流入燃烧器12内。因此，可以控制向电热器63供给电力和向冷却套管66供给冷却水，使加热器13处在接通状态。加热室61内达到设定温度例如1000℃。再在气体分配部14中，打开阀V3，在用质量流量控制器MF3调整至给定流量例如15slm的流量状态下，使氮气流入加热室61内。
如图6B所示，氮气与加热室61内的通气阻挡部件62接触，并通过经们之间的间隙，通入匀热管。在通过间隙时，将氮气加热至1000℃左右。这样预热的氮气，通过第二供给管42，送入第一气体供给管41中，在此与来自燃烧器12的含有氧气和水蒸汽的处理气体混合。这样，处理气体在用氮气稀释的状态下送至热处理炉2。在反应管21内，混合了这些气体的处理气体，进入呈棚状保持的晶片W之间，对晶片进行规定的处理。即：利用氧气和水蒸汽使晶片表面的硅层氧化，形成氧化硅膜。
利用本实施方式的稀释湿式氧化处理，因为氮气可在加热器13中充分预热，与含有氧气和水蒸汽的处理气体混合。因此，与氮气的混合，不会使处理气体的温度降低，结果可以进行膜厚的面内均匀性良好的处理。
总之，如果象现有那样在不加热氮气的状态下与处理气体混合时，处理气体的温度降低。当将温度降低的处理气体供给反应管21内进行处理时，晶片W的周边部附近的膜厚有变薄的倾向。对此，如本实施方式的稀释湿式氧化处理那样，如果预先用加热器13充分预热氮气，则可抑制处理气体的温度降低，可以防止膜厚的面内均匀性降低。
如上所述，在图1所示的热处理装置中，燃烧器12和加热器13并排配置。因此，可以有选择地进行利用燃烧器12的湿式氧化处理，利用加热器13的干式氧化处理、氧氮化处理和去疵处理，与利用燃烧器12和加热器13二者的稀释湿式氧化处理。在各种处理中，可以得到良好的结果。
即使使用只有燃烧器12的湿式氧化处理，通过利用燃烧器12加热氧气和氯化氢气，可以进行湿式氧化处理和干式氧化处理。但是，由于加热的氧气通过燃烧器12后段的燃烧室59时冷却，因此供给热处理炉2时的氧气的活性度降低。结果，难以进行膜厚的面内均匀性良好的处理。
如果采用图1所示的热处理装置，则可以保持用加热器13加热的氧气的活性度，并同时送入热处理炉2中。因此，如上所述可以确保膜厚的面内均匀性高。
另外，利用图1所示的热处理装置，用一台热处理装置可以很好地进行各种过程，因此，过程选择的幅度加大，成本和空间效率有利。另外，由于可用一台热处理装置进行上述的处理，因此在下述的将晶片放置在反应管21内的状态下，可连续进行多个处理。
在将去疵处理和湿式氧化处理组合的情况下，可将晶片W放置在反应管21内，首先进行去疵处理，接着，连续进行湿式氧化处理，在这种情况下，由于利用去疵处理除去晶片表面的金属，在这个状态进行湿式氧化膜的形成，因此可以形成良好的质量的膜。
在将湿式氧化处理和干式氧化处理组合，形成栅极氧化膜的情况下，可以交互地连续进行两种处理。在这种情况下，将晶片W放置在反应管21内，首先进行湿式氧化处理，其次，用例如氮气清洗反应管21内，再进行干式氧化处理，然后，用例如氮气清洗反应管21内，再进行湿式氧化处理。这样，可以交互地进行湿式氧化处理和干式氧化处理。另外，在湿式氧化处理和干式氧化处理组合的情况下，在相同的时间带内，也可同时进行这些处理。
同样，可以连续进行湿式氧化处理和氧氮化处理，或湿式氧化处理和干式氧化处理与氧氮化处理。在后者情况下，将晶片W放置在反应管21内，首先进行湿式氧化处理，其次用例如氮气清洗反应管21内，再进行干式氧化处理，再用例如氮气清洗反应管21内，最后进行氧氮化处理。
作为干式氧化处理式去疵处理用的气体也可以用二氯化乙烯气体(C2H2Cl2)等的含有氢和氯的其他化合物气体代替氯化氢气体。作为设置在加热器13中的通气阻挡部件62，也可用按照将流路堵塞的方式而在通气方向并排放置具有多个通气孔的多块通气板的结构来代替实施方式的结构。
第二气体供给管42，在加热室51的下游的部分，可以作成双重管结构。在这种情况下，外管放在气体通过的内管和外气之间，内管不与外气接触。因此，加热的处理气体通过内管内时的放热量减少，可以将保持着因加热而被活性化的状态下的处理气体，导入第一气体供给管41中。
也可以在加热器13和反应管21之间的第二供给管42处形成节流孔(管径急剧变窄的部分)也可以。由于在节流孔处可产生压力损失，因此，即使有在处理室内进行减压处理的情况下，加热室61内的减压程度也变小。在这种情况下，在减压过程中，对加热室61内的对流的妨碍程度减小，加热室61内的处理气体的分压提高。因此，与不设节流孔的情况比较，加热室61内的处理气体的对流容易造成热传导，可以充分地将处理气体加热至给定的温度。
实验
(干式氧化处理)
根据上述实施方式的(干式氧化处理)一节所述的处理条件进行实验。作为在本发明实施方式的实施例，利用加热器13进行处理气体的加热，(使加热器13的电热器63接通)同时进行干式氧化处理。处理时间为90分钟，形成膜厚为10纳米(nm)的氧化硅膜。作为比较例，在除了不加热处理气体(断开加热器13的电热器63)之外而其余相同的处理条件下，进行干式氧化处理。
图7A、B为分别表示利用图1所示的热处理装置，进行干式氧化处理情况下的实验结果的面间均匀性和面均匀性的特性的图。在图7A中，横轴表示膜厚的面间均匀性的平均值，纵轴表示有无加热器13的加热。在图7B中，横轴表示膜厚的面内均匀性的平均性，纵轴表示晶片载置部件3上的晶片W的位置。在图7A、B中，打阴影线的列表示进行处理气体加热的情况，没有打阴影线的列表示不进行处理气体加热的情况。
膜厚的面间均匀性和面内均匀性的数值越小，表示均匀性越高。如图7A所示，处理气体进行加热的情况与不进行加热的情况相比，面间均匀性平均值小。即：用加热器13加热处理气体，可使面间均匀性提高，如图7B所示，处理气体进行加热的情况与不进行加热情况相比，在晶片载置部件的上段侧、中段侧和下段侧的任何位置上，面内均匀性的平均值都小。即：用加热器13加热处理气体，在晶片载置部件上的任何位置，面内均匀性都提高。
(氧氮化处理)
根据上述实施方式的(氧氮化处理)一节所述的处理条件进行实验。作为本发明实施方式的实施例，用加热器13加热处理气体(加热器13的电热器63接通)并且进行氧氮化处理。这时，反应管21内的处理温度为800℃，过程压力为93.1kPa，加热器13的温度为1000℃，一氧化二氮气体的流量为5slm。处理时间为7.5分钟，形成含有氮的2.5nm膜厚的氧化硅膜。作为比较例，在除了不加热处理气体(断开加热器13的电热器63)这点外而其余相同的条件下，进行氧氮化处理。
图8A、B表示利用图1所示的热处理装置，分别在加热器接通和断开进行氧氮化处理的情况下的实验结果的特性图。在图8A、B，横轴表示膜的深度，纵轴表示膜中的氮浓度。
如图8A、B所示，进行一氧化二氮气体加热的情况下，比不进行加热的情况，膜中的氮浓度大大提高。即：通过用加热器13加热一氧化二氮气体，可以形成含有高浓度氮的氧化硅膜。
(稀释的湿式氧化处理)
根据上述实施方式的(稀释的湿式氧化处理)一节所述的处理条件进行实验，作为本发明实施方式的实施例，利用加热器13加热氮气，(加热器13的电热器63接通)，同时进行稀释的湿式氧化处理。晶片载置部件3不转动而进行处理，形成膜厚为6nm的氧化硅膜。作为比较例，在除了不加热氮气(断开加热器13的电热器63)这点外而其他处理条件相同的情况下，进行稀释的湿式氧化处理。
图9表示利用图1所示的热处理装置，进行稀释的湿式氧化处理情况下的实验结果的特性图。在图9中，横轴表示晶片载置部件3上的晶片W的位置，纵轴表示面内均匀性，在图9中，“O”表示进行氮气加热的情况，“X”表示不进行氮气加热的情况。
如图9所示，加热氮气的情况，比不加热的情况，在晶片载置部件的上段侧、中段侧、下段侧的任何位置上，面内均匀性平均值都小。即：利用加热器13加热氮气，可以提高膜厚的面内均匀性。
本发明不是仅限于上述实施方式，在不偏离本发明的范围和精神的条件下，可以作各种变更。另外，也可以将各个实施方式进行适当的组合，可以得到组合的效果。

Claims (22)

1.一种半导体处理用的热处理装置，其特征在于，具有：
容纳被处理基板的处理室；
配置在所述处理室内、支承所述被处理基板的支承部件；
放置在所述处理室内、加热所述被处理基板的加热器；
用于排出所述处理室内的气体的排气系统；和
向所述处理室内供给处理气体的供给系统，
所述供给系统具有：
配置在所述处理室外、具有燃烧室的燃烧器，所述燃烧器使氢气和氧气在所述燃烧室内反应，生成水蒸气，供给所述处理室；
配置在所述处理室外、具有加热室的加热器，所述加热器在所述加热室内，有选择地将不通过所述燃烧室的气体加热到活性化温度以上，供给所述处理室；和
气体分配部，它有选择地将氢气和氧气供给所述燃烧室，同时，有选择地将反应性气体和不活性气体供给所述加热室。
2.如权利要求1所述的装置，其特征为，它还具有控制所述燃烧器、所述加热器和所述气体分配部的控制部，以便有选择地使用所述燃烧器和所述加热器。
3.如权利要求1所述的装置，其特征为，所述气体分配部在将所述水蒸气从所述燃烧器供给所述处理室时，通过所述加热室而将不活性气体供给所述处理室，可防止所述水蒸气进入所述加热室中。
4.如权利要求1所述的装置，其特征为，所述加热器将所述加热室内的气体加热至300-1100℃。
5.如权利要求1所述的装置，其特征为，所述加热器具有配置在所述加热室内而被加热的通气阻挡部件。
6.如权利要求5所述的装置，其特征为，所述通气阻挡部件具有实质上由选自石英、陶瓷的材料构成的多个零件。
7.权利要求1所述的装置，其特征为，所述气体分配部有选择地供给氧化气体、氧氮化气体、和含有氢与氯的化合物气体作为所述反应性气体。
8.如权利要求1所述的装置，其特征为，所述气体分配部供给氮气作为所述不活性气体。
9.如权利要求1所述的装置，其特征为，所述供给系统具有与所述处理室连接的共用入口管，所述燃烧室和所述加热室与所述共用入口管连接。
10.如权利要求1所述的装置，其特征为，所述加热室由石英制成，加热部件按照包围所述加热室而被配置，所述加热部件具有金属杂质少的电阻发热体和密封该发热体的绝缘性密封体。
11.如权利要求10所述的装置，其特征为，所述电阻发热体，由通过编织高纯度的碳素材料而形成的纽状体构成。
12.如权利要求10所述的装置，其特征为，所述密封体实质上由选自石英、陶瓷的材料构成。
13.如权利要求1所述的装置，其特征为，所述支承部件在所述处理室内，在垂直方向以一定间隔同时支承多个被处理基板。
14.一种半导体处理用的热处理装置，其特征在于，它具有：
容纳被处理基板的处理室；
配置在所述处理室内、支承所述被处理基板的支承部件；
放置在所述处理室内、加热所述被处理基板的加热器；
用于排出所述处理室内的气体的排气系统；和
向所述处理室内供给处理气体的供给系统，
所述供给系统具有：
配置在所述处理室外、具有燃烧室的燃烧器，所述燃烧器使氢气和氧气在所述燃烧室内反应，生成水蒸气，供给所述处理室；
配置在所述处理室外、具有加热室的加热器，所述加热器在所述加热室内，有选择地将不通过所述燃烧室的气体加热，供给所述处理室；和
气体分配部，在有选择地将氢气和氧气供给所述燃烧室的同时，有选择地将氧化气体、氧氮化气体、含有氢和氮的化合物气体以及不活性气体供给所述加热室；
控制部，控制所述燃烧器、所述加热器和所述气体分配部，以便有选择地使用所述燃烧器和所述加热器。
15.如权利要求14所述的装置，其特征为，所述加热器，将所述加热室内的气体加热到300-1100℃。
16.一种半导体处理用的热处理方法，其特征为，具有下列工序：
将被处理基板放置在处理室内的工序；
加热放置在所述处理室内的所述被处理基板的工序；
通过利用配置在所述处理室外、具有燃烧室的燃烧器，使氢气和氧气反应而生成水蒸气，并将水蒸气供给所述处理室，使所述被处理基板氧化，形成氧化膜的进行湿式氧化处理的工序；和
通过利用配置在所述处理室外、具有加热室的加热器，将反应性气体加热至活性化温度以上，同时供给所述处理室，对所述被处理基板，进行湿式氧化处理以外的第一处理的工序。
17.如权利要求16所述的方法，其特征为，所述反应性气体包含氧化气体和含有氢及氯的化合物气体，所述第一处理为使所述被处理基板氧化而形成氧化膜的干式氧化处理。
18.如权利要求16所述的方法，其特征为，所述反应性气体包含氧化气体和含有氢和氯的化合物气体，所述第一处理为除去所述被处理基板表面上的金属的去疵处理。
19.如权利要求16所述的方法，其特征为，所述反应性气体包含氧氮化气体，所述第一处理为使所述被处理基板氧氮化而形成含有氮的氧化膜的氧氮化处理。
20.如权利要求16所述的方法，其特征为，所述湿式氧化处理和所述第一处理交互地进行。
21.如权利要求16所述的方法，其特征为，所述湿式氧化处理和所述第一处理实质上同时进行。
22.如权利要求16所述的方法，其特征为，在所述湿式氧化处理中，当将所述水蒸气从所述燃烧器供给至所述处理室时，要通过所述加热室而将不活性气体送入所述处理室中，以防止所述水蒸气进入加热室中。
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