DE60131698T2

DE60131698T2 - Thermische Behandlungsvorrichtung und Verfahren

Info

Publication number: DE60131698T2
Application number: DE60131698T
Authority: DE
Inventors: Takanobu Tsukui-gun Asano; Katsutoshi Tsukui-gun Ishii; Hiroyuki Tsukui-gun Yamamoto; George Tsukui-gun Hoshi; Kazutoshi Tsukui-gun Miura
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2000-05-31
Filing date: 2001-05-30
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2021-05-31
Also published as: KR100783841B1; KR100785132B1; EP1160838A3; TW550629B; KR100785133B1; US6540509B2; US6863732B2; KR20010109180A; DE60131698D1; KR20070073728A; US20030106495A1; US20010049080A1; KR20070074539A; EP1160838B1; EP1160838A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Wärmebehandlungssystem und ein Verfahren zum Wärmebehandeln eines zu behandelnden Objekts.
BESCHREIBUNG DER VERWANDTEN TECHNIK
Zunächst wird nachstehend die dem in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Wärmebehandlungssystem verwandte Technik beschrieben.
Als Verfahren zum Tragen einer großen Zahl von Halbleiterwafern (nachstehend: „Wafer") in einem Ofen vom Chargentyp zum Oxidieren eines Siliziumfilms auf den einzelnen Wafern zum Ausbilden eines Siliziumoxidfilms (SiO₂-Film) sind ein Trockenoxidationsverfahren, das Sauerstoffgas (O₂-Gas) und Wasserstoffchloridgas (HCl-Gas) benutzt, und ein Naßoxidationsverfahren zum Einleiten von Wasserdampf und Sauerstoffgas in eine Reaktionsröhre bekannt. Der Typ des Oxidationsverfahrens wird gemäß der Sollqualität eines auszubildenden Films ausgewählt.
Bei dem Trockenoxidationsverfahren wird ein Siliziumfilm mit Sauerstoffgas oxidiert, und Verunreinigungen auf der Oberfläche werden durch die Restgasbindungswirkung von Chlor entfernt. Im Speziellen werden zum Beispiel eine große Zahl von Wafern auf den Fächern einer Waferhalterung gehalten, die in einem vertikalen Wärmebehandlungsofen getragen wird, in welchem eine Behandlungsatmosphäre mit vorbestimmter Temperatur geschaffen wird, und dann werden Sauerstoffgas und Chlorgas von dem Deckenabschnitt des Wärmebehandlungsofens in eine Reaktionsröhre zugeführt und von der Unterseite abgesaugt. Bei dem Naßoxidationsverfahren muß außerhalb eines Wärmebehandlungsofens ein externes Verbrennungssystem bereitgestellt werden. In dem externen Verbrennungssystem wird ein Teil des Sauerstoffgases mit Wasserstoffgas zu Wasserdampf (H₂O) verbrannt, und der Rest des Sauerstoffgases und der Wasserdampf werden in eine Reaktionsröhre zugeführt. In dem oben beschriebenen Wärmebehandlungsofen wird Distickstoffgas (N₂O-Gas) bei normalen Temperaturen in ein Reaktionsgefäß geleitet, wo es mit einer Siliziumschicht auf dem Wafer reagieren kann, wobei ein stickstoffhaltiger Siliziumoxidfilm entsteht.
Übrigens: Je höher die Prozeßtemperatur ansteigt, umso leichter entstehen in dem Wafer Defekte, die „Vergleitungen" (engl. „Slip") genannt werden. Daher wurde untersucht, ob die Prozeßtemperatur abgesenkt werden kann, um die Beeinflussung von Filmen, die auf einer Unterschicht gestapelt sind, durch Wärme zu vermeiden und um Energie zu sparen. Allerdings verschlechtert sich die Gleichmäßigkeit der Dicke auf der Oberfläche des Wafers, wenn die Prozeßtemperatur abgesenkt wird, in Kombination mit der Zunahme des Waferdurchmessers, und die Schwankung der Dicke zwischen den Wafern (zwischen den Ebenen) steigt an.
Bei der Untersuchung der Beziehung zwischen der Dicke eines durch das Trockenoxidationsverfahren hergestellten Siliziumoxidfilms und der Position eines Wafers auf der Waferhalterung zeigte sich, daß die Gleichmäßigkeit der Dicke des Filmes sich verschlechterte, wenn der Wafer auf der Seite der oberen Etage der Waferhalterung positioniert wurde. Der Erfinder vermutet hierfür folgende Ursache. 6a, 6b und 6c zeigen schematisch die Gasströmung über einen Wafer W und die Temperatur und Dicke des Wafers W. Sauerstoffgas und Chlorgas strömen vom Umfangsrand des Wafers W zu dessen Mitte, und Silizium auf dem Wafer wird mit Sauerstoffgas oxidiert. Da der Wafer W Wärme über seinen Umfangsrand abgibt, ist die Temperatur des Wafers W in der Mitte höher als am Rand. Somit wird die Oxidationsreaktion in der Mitte beschleunigt, was dazu führt, daß der Film in der Mitte ursprünglich tendenziell dicker als am Umfangsrand ist, selbst wenn die Dicke sehr gleichmäßig ist.
Andererseits reagiert der bei der Zerlegung von Wasserstoffchlorid entstehende Wasserstoff mit Sauerstoff zu einer sehr geringen Menge Wasserdampf. Da die Gase auf der Seite der oberen Etage der Waferhalterung nicht zur Genüge erwärmt werden, nimmt die Menge des entstehenden Wasserdampfs mit zunehmender Erwärmung der Gase vom Umfangsrand des Wafers W auf dessen Mitte hin zu. Dieser Wasserdampf dient dazu, die Dicke des Oxidfilms zu vergrößern, so daß der Unterscheid bei der erzeugten Wasserdampfmenge sich deutlich auf die Dicke des Films auswirkt. Infolgedessen ist die Dickenverteilung eine sogenannte Crest-Verteilung (Kreuz-Verteilung), bei welcher die Dicke des Films in der Mitte des Wafers W groß ist, d. h., die Gleichmäßigkeit der Dicke verschlechtert sich. Bei der Ausbreitung in Richtung der Unterseite der Reaktionsröhre werden die Gase dann erwärmt, weswegen sich auf der Seite der unteren Etage der Waferhalterung die Wasserdampf produzierende Reaktion im wesentlichen in einem Gleichgewichtszustand befindet, so daß der Wasserdampf vollständig erzeugt wird, bevor die Gase über die Waferoberfläche strömen. Infolgedessen schwankt die Menge an Wasserdampf unabhängig von der Position des Wafers W kaum, wenn die Prozeßgase von der Umfangskante des Wafers W in Richtung dessen Zentrums strömen, so daß eine bessere Gleichmäßigkeit der Filmdicke erzielt wird. Es wird also festgestellt, daß die Gleichmäßigkeit der Filmdicke auf der Seite der oberen Etage der Waferhalterung niedrig ist, so daß sich der Filmdickenunterschied zwischen Wafer auf der Seite der unteren und der Seite der oberen Etage vergrößert.
Auch bei dem Prozeß zum Herstellen eines stickstoffhaltigen Siliziumoxidfilms mit Hilfe von Distickstoffoxidgas läßt sich beim Absenken der Prozeßtemperatur dieselbe Tendenz feststellen. D. h., Distickstoffoxidgas wird zerlegt, so daß Sauerstoff mit Silizium reagieren und einen stickstoffhaltigen Siliziumoxidfilm erzeugen kann, und die bei der Zerlegung des Distickstoffoxidgases erzeugte aktive Stickstoffspezies tritt in den Siliziumfilm ein, um den stickstoffhaltigen Siliziumoxidfilm zu vergrößern. Die Wafertemperatur ist in der Mitte des Wafers W höher, und das Distickstoffoxidgas wird bei niedriger Prozeßtemperatur auf der Seite der oberen Etage der Waferhalterung nicht zur Genüge zerlegt, wenn die Prozeßtemperatur niedrig ist. Daher wird, wenn das Distickstoffgas auf die Mitte des Wafers W zuströmt, die Zerlegungsreaktion in der Mitte des Wafers W stärker beschleunigt als an dessen Umfangsrand, so daß die Dicke des Films in der Mitte des Wafers W tendenziell größer als an dessen Umfangsrand ist. Da das Distickstoffoxidgas im Laufe seines Ausbreitungsweges in Richtung der Unterseite der Reaktionsröhre erwärmt wird, schreitet dessen Zerlegung auf der Seite der unteren Etage der Waferhalterung entweder zur Genüge fort oder schreitet dort zumindest, selbst wenn sie nicht zur Genüge erfolgt, so doch weiter voran. Somit unterscheidet sich der Zerlegungsgrad zwischen Mitte und Umfangskante des Wafers hier nur unwesentlich. Infolgedessen ist die Gleichmäßigkeit der Filmdicke innerhalb der Waferebene höher als auf der Seite der oberen Etage.
Somit besteht unter den vorliegenden Umständen auf der Seite der oberen Etage innerhalb der Waferebene und über verschiedene Wafer eine geringe Gleichmäßigkeit der Dicke des Filmes auf dem Wafer, so daß es schwierig ist, die Prozeßtemperatur abzusenken.
Unter solchen Umständen wurde ein Wärmebehandlungssystem geschaffen, das in der vorliegenden Anmeldung beschrieben wird, und dem Wärmebehandlungssystem liegt als Aufgabe zugrunde, eine Technik zu schaffen, mit der sich eine hohe Gleichmäßigkeit der Dicke eines Oxidfilmes erhalten läßt und die zur Absenkung einer Prozeßtemperatur beiträgt, wenn an einem zu behandelnden Objekt ein Oxidationsprozeß ausgeführt wird.
Nachstehend wird die verwandte Technik der von der vorliegenden Anmeldung bereitgestellten Erfindung beschrieben.
Einer der Abscheidungsprozesse, die bei der Fertigung von Halbleitereinrichtungen zum Einsatz kommen, ist die chemische Gasphasenabscheidung (CVD, engl. „Chemical Vapour Deposition"). Bei dieser Technik ist vorgesehen, daß ein Prozeßgas in eine Reaktionsröhre eingeleitet wird, wo durch eine chemische Gasphasenreaktion auf der Oberfläche eines Halbleiterwafers (nachstehend: „Wafer") ein Dünnfilm abgeschieden wird. Eines der Systeme, mit denen ein solcher Abscheidungsprozeß chargenweise ausgeführt werden kann, ist ein vertikales Wärmebehandlungssystem. Wie beispielsweise in 11 gezeigt ist, umfaßt dieses System eine vertikale Reaktionsröhre 112, die auf einem zylinderförmigen Verteilerstück 111 bereitgestellt ist, einen Heizer 113, welcher dergestalt bereitgestellt ist, daß er die Reaktionsröhre 112 umgibt, ein Gaszufuhrrohr 114, das bis in das Verteilerstück 111 hinein verläuft, und ein Ausströmrohr 115, das mit dem Verteilerstück verbunden ist.
Bei einem solchen System wird eine große Zahl von Wafer W auf den Fächern einer Waferhalterung 116 gehalten, die von einer in dem unteren Ende des Verteilerstücks 111 ausgebildeten Öffnung in der Reaktionsröhre 112 getragen wird, und über das Gaszuführungsrohr 114 wird aus einer Gaszufuhrquelle 117 ein Prozeßgas in die Reaktionsröhre 112 eingeleitet, um einen Dünnfilm abzuscheiden. Zu dieser Zeit wird das Prozeßgas von dem Heizer 113 in der Reaktionsröhre 112 durch Erwärmen zerlegt und weiter auf eine Reaktionstemperatur oder darüber hinaus erwärmt, um eine vorbestimmte Reaktion auszuführen. Der Recktand wird auf dem Wafer W abgeschieden und bildet auf diesem einen vorbestimmten Film aus.
Übrigens: Wenn der Film mit dem oben beschriebenen System auf dem Wafer W abgeschieden wird, ist der Film im Mittenabschnitt des Wafers tendenziell dicker als in dessen Randabschnitt, wie in 12 gezeigt. Hierfür wird folgende Ursache angenommen. Bei dem oben beschriebenen vertikalen Wärmebehandlungssystem, einem so genannten Chargenofen, wird aus dem Gaszufuhrrohr 114 ein Prozeßgas in die Reaktionsröhre 112 eingeleitet, das dem Wafer W, der auf der Waferhalterung 116 gehalten wird, von dessen Umfangsrandabschnitt aus zugeführt werden soll und von dem Umfangsrandabschnitt des Wafers zum Mittenabschnitt des Wafers strömt, so daß die Konzentration des Prozeßgases im Mittenabschnitt des Wafers höher als in dessen Randabschnitt ist.
Bei einem Prozeß zum Anheben der Temperatur des Wafers auf eine Prozeßtemperatur wird im Umfangsrandabschnitt des Wafers W mehr Wärme an die Umgebung abgegeben als in dessen Mittenabschnitt, so daß die Temperatur des Mittenabschnitts des Wafers höher als die Temperatur dessen Randabschnitts ist. Es wird daher vermutet, daß im Mittenabschnitt des Wafers W, wo Temperatur und Konzentration des Prozeßgases höher als in dessen Randabschnitt sind, aufgrund der Temperatur- und Konzentrationsunterschiede des Prozeßgases zwischen Rand- und Mittenabschnitt des Wafers W die Abscheidungsreaktion weiter beschleunigt wird, so daß auf dem Mittenabschnitt des Wafers W ein dickerer Film ausgebildet wird als auf dessen Randabschnitt.
Andererseits ist bei einem Halbleiterfertigungsprozeß ein Prozeß mit niedriger Temperatur wünschenswert, um negative Auswirkungen auf einen im letzten Schritt produzierten Film zu vermeiden und um Energie zu sparen. Jedoch wird das oben beschriebene Phänomen der Dickenzunahme des Films im Mittenabschnitt des Wafers tendenziell um so auffälliger, je weiter die Prozeßtemperatur abgesenkt wird, so daß es bei dem bestehenden System schwierig ist, einen Niedrigtemperaturprozeß zu realisieren.
Der Erfinder hat daher eine Technik zum Absenken einer Prozeßtemperatur in der Reaktionsröhre 112 durch Vorwärmen eines Prozeßgases auf eine vorbestimmte Temperatur mittels eines außerhalb der Reaktionsröhre 112 bereitgestellten Heizers (nicht gezeigt) vor dem Einleiten des Prozeßgases in die Reaktionsröhre 112 und anschließendes Einleiten des aktivierten und zur Genüge erwärmten Prozeßgases in die Reaktionsröhre 112 untersucht. Der Heizer umfaßt beispielsweise eine Heizkammer zum Erwärmen eines eingeleiteten Prozeßgases und einen außerhalb der Heizkammer bereitgestellten Heizer zum Erwärmen der Heizkammer. Bei dieser Technik wird das Prozeßgas von dem Heizer auf einer Temperatur, die nahe bei z. B. einer Zerlegungstemperatur liegt, vorgewärmt, weswegen das in eine Abscheidungsregion eingeleitete Prozeßgas zur Genüge aktiviert ist und, wenn des Prozeßgas die Umfangskante des Wafers erreicht, eine Reaktion zur Genüge stattfindet. Der Reaktionszustand im Mittenabschnitt des Wafers ist somit der gleiche wie in dessen Randabschnitt, so daß selbst dann eine hohe Gleichmäßigkeit der Filmdicke bereitgestellt werden kann, wenn die Prozeßtemperatur in der Reaktionsröhre 112 niedrig ist.
Allerdings liegt bei einem CVD-Prozeß mit niedrigem Druck zum Absenken des Drucks in der Reaktionsröhre 112 zum Durchführen eines Prozesses auch im Heizer verminderter Druck vor. Falls der Druck im Heizer auf beispielsweise ca. 200 Torr reduziert wird, läßt sich nur schwierig Konvektion erzielen. Außerdem sinkt bei niedrigem Druck im Heizer der Partialdruck des Prozeßgases, so daß sich im Heizer nur schwierig ein Wärmeübergang durch Konvektion des Prozeßgases erzielen läßt. Somit wird keine Wärme ins Innere des Heizers übertragen, und die Effizienz des Wärmeübergangs auf das Prozeßgas ist schlecht, so daß sich das Prozeßgas nur schwierig auf eine Temperatur erwärmen läßt, bei welcher es zur Genüge aktiviert wird.
Unter solchen Umständen wurde die von der vorliegenden Anmeldung bereitgestellte Erfindung gemacht, und der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, ein Wärmebehandlungssystem und ein Verfahren zu schaffen, mit denen sich eine hohe Gleichmäßigkeit der Dicke eines ausgebildeten Filmes erhalten läßt und die zur Absenkung einer Prozeßtemperatur beitragen, indem ein von einem Heizteil vorgewärmtes Prozeßgas in ein Reaktionsgefäß zugeführt wird, zum Beispiel, wenn ein Dünnfilm auf einem zu behandelnden Objekt abgeschieden wird.
Ein Wärmebehandlungssystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus der JP 05 085890 bekannt.
Aus der US 5,777,300 ist ein Naßoxidationssystem bekannt. Das System umfaßt einen Verarbeitungsofen zum Oxidieren eines zu verarbeitenden Objektes bei hohen Temperaturen von zum Beispiel 850°C und bei einem Druck von zum Beispiel 400 Torr. Das System umfaßt Druckreduziermittel zum Evakuieren des Inneren eines Verarbeitungsofens, ein außerhalb des Verarbeitungsofens angeordnetes Verbrennungsgefäß zum Verbrennen von Wasserstoffgas und Sauerstoffgas, um Wasserdampf zu erzeugen, und ein Wasserdampfzuführungsrohr, welches das Verbrennungsgefäß und den Verarbeitungsofen verbindet. Das Wasserzuführungsrohr ist mit einer Verengung versehen. Außerdem ist stromabwärts nach der Verengung rings um das Wasserdampfzuführungsrohr ein Wasserdampfheizer zum Erwärmen des Wasserdampfes, der gerade die Verengung passiert hat, angeordnet, um zu vermeiden, daß der Was serdampf aufgrund einer beim Passieren der Verengung auftretenden Druckänderung kondensiert.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Wärmebehandlungssystem gemäß Anspruch 1 geschaffen. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Wärmebehandlungssystem geschaffen, bei dem ein zu behandelndes Objekt in einem Reaktionsgefäß getragen wird, dessen Inneres auf eine vorbestimmte Prozeßtemperatur erwärmt wird, und ein Prozeßgas über eine Gaszufuhrleitung in das Reaktionsgefäß zugeführt wird, um das Objekt zu bearbeiten, wobei das Wärmebehandlungssystem folgendes umfaßt: ein Heizteil, welches in der Gaszufuhrleitung vorgesehen ist, um das Prozeßgas auf eine vorbestimmte Temperatur zu erwärmen, bevor das Prozeßgas in das Reaktionsgefäß zugeführt wird, wobei die zwischen dem Heizteil und dem Reaktionsgefäß angeordnete Gaszufuhrleitung ein Doppelrohr umfaßt, welches ein inneres Rohr und ein äußeres Rohr umfaßt, welches außerhalb des inneren Rohrs so vorgesehen ist, daß es von dem inneren Rohr beabstandet ist, und wobei das Prozeßgas über die Gaszufuhrleitung in das Heizteil zugeführt wird, um auf eine vorbestimmte Temperatur vorgewärmt zu werden und über die Gaszufuhrleitung in das Reaktionsgefäß zugeführt zu werden.
Bei einem solchen Wärmebehandlungssystem umfaßt das zwischen dem Heizteil und dem Reaktionsgefäß angeordnete Gaszufuhrrohr ein Doppelrohr, und das vorgewärmte Prozeßgas wird über das innere Rohr des Doppelrohrs in das Reaktionsgefäß zugeführt. Daher ist es möglich, die Abgabe von Wärme aus dem das Doppelrohr durchlaufenden Prozeßgas an die Umgebung zu unterdrücken und das Prozeßgas unter Beibehaltung einer hohen Temperatur in das Reaktionsgefäß einzuleiten.
Das äußere Rohr des Doppelrohrs der Gaszufuhrleitung kann gebogen sein, um einen Flansch auszubilden, der über ein Abdichtelement mit dem Reaktionsgefäß verbunden ist. Da in diesem Falle die Temperatur im äußeren Rohr niedriger als die Temperatur im inneren Rohr ist, kann die Gaszufuhrleitung an das Reaktionsgefäß angeschlossen werden, ohne daß dabei das Abdichtelement, aus z. B. einem Gummi, durch Wärme in Mitleidenschaft gezogen wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Aus der nachstehend gegebenen detaillierten Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung läßt sich die vorliegende Erfindung ausführlicher verstehen. Die Zeichnungen sollen jedoch keine Einschränkung der Erfindung auf eine spezielle Ausführungsform implizieren, sondern dienen lediglich der Erklärung und dem Verständnis.
1 ist eine Längsschnittansicht, die ein Beispiel für ein Wärmebehandlungssystem zeigt,
2 ist eine perspektivische Ansicht, die eine vertikale Wärmebehandlungseinheit zur Verwendung in dem Wärmebehandlungssystem aus 1 zeigt,
3 ist eine Schnittansicht, die ein Verbrennungssystem zur Verwendung in dem Wärmebehandlungssystem aus 1 zeigt,
4a bis 4c veranschaulichen einen Gaszufuhrzustand in einem Verbrennungssystem für jeden der Prozesse,
5 veranschaulicht eine Dickenverteilung an verschiedenen Positionen in einer Waferhalterung,
6a bis 6c sind Darstellungen zur Erläuterung von Problemen bei einem herkömmlichen Oxidationsverfahren,
7 ist eine Längsschnittansicht, die ein Beispiel für eine bevorzugte Ausführungsform eines vertikalen Wärmebehandlungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt,
8 ist eine perspektivische Ansicht, die einen Teil des vertikalen Wärmebehandlungssystems aus 7 zeigt,
9 ist eine Schnittansicht, die einen Heizer und eine Verengung zur Verwendung in dem vertikalen Wärmebehandlungssystem aus 7 zeigt,
10a und 10b zeigen eine perspektivische Ansicht und eine Schnittansicht einer Gaskammer zur Verwendung in einem weiteren Beispiel für ein vertikales Wärmebehandlungssystem,
11 ist eine Schnittansicht, die ein herkömmliches vertikales Wärmebehandlungssystem zeigt, und
12 ist ein Kennliniendiagramm, das die Beziehung zwischen der Dicke und der Position auf einem Wafer zeigt.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, insbesondere auf 1 bis 5, wird nachstehend ein Beispiel für ein Wärmebehandlungssystem beschrieben, bei dem es sich nicht um eine Ausführungsform der von der vorliegenden Anmeldung bereitgestellten Erfindung handelt.
1 zeigt ein Beispiel für ein Wärmebehandlungssystem. Dieses Wärmebehandlungssystem dient als System zum Ausführen eines sogenannten Naßoxidationsprozesses zum Verbrennen von Wasserstoffgas und Sauerstoffgas zu Wasserdampf, um mit dem entstehenden Wasserdampf einen Oxidationsvorgang an einem Wafer auszuführen, als System zum Ausführen eines sogenannten Trockenoxidationsprozesses, der Sauerstoffgas und Wasserstoffchloridgas benutzt, und als System zum Ausführen eines Prozesses, der Distickstoffoxidgas benutzt. Das Wärmebehandlungssystem umfaßt eine vertikale Wärmebehandlungseinheit 1 und ein Verbrennungssystem 2.
Es wird nun die Struktur der vertikalen Wärmebehandlungseinheit 1 beschrieben. Wie in 1 und 2 gezeigt ist, umfaßt diese Einheit 1 einen vertikalen Wärmebehandlungsofen 3, eine Waferhalterung 4, einen Lift 40 zum vertikalen Bewegen der Waferhalterung 4 und ein Gaszufuhrrohr 5 und ein Ausströmrohr 30, die mit dem Wärmebehandlungsofen 3 verbunden sind.
Der vertikale Wärmebehandlungsofen 3 umfaßt eine vertikale Reaktionsröhre 31, bei welcher es sich um ein Reaktionsgefäß aus z. B. Quarz handelt, einen Heizer 32, bei welchem es sich um ein Heizmittel eines Widerstandsheizelements oder dergleichen handelt, der dergestalt vorgesehen ist, daß er die Reaktionsröhre 31 umgibt, und ein Durchwärmungsgefäß 33, das auf einem Wärmeisolationselement 34 zwischen der Reaktionsröhre 31 und dem Heizer 32 gestützt ist. Das untere Ende der Reaktionsröhre 31 ist offen, und die Reaktionsröhre 31 ist mit einer Gasdiffusionsplatte 31c versehen, die eine große Zahl von Gaslöchern 31b aufweist und ein wenig unterhalb der Oberseite 31a der Reaktionsröhre 31 angeordnet ist. Das Gaszufuhrrohr 5 läuft von außen kommend durch das Wärmeisolationselement 34, weist innerhalb des Wärmeisolationselements 34 eine L-förmige Biegung auf und verläuft vertikal zwischen der Reaktionsröhre 31 und dem Durchwärmungsgefäß 33 bis in einen Raum zwischen der Oberseite 31a der Reaktionsröhre 31 und der Gasdiffusionsplatte 31c hinein.
Die Waferhalterung 4 ist zum Beispiel, wie in 2 gezeigt, mit mehreren zwischen einer oberen Platte 41 und einer Grundplatte 42 verlaufenden Streben 43 versehen, die in gleichmäßigen Abständen in vertikaler Richtung Vertiefungen aufweisen, welche den Umfangsrand der einzelnen Wafer W aufnehmen und halten. Die Waferhalterung 4 ist auf einem Deckel 44 befestigt, der über ein wärmerückhaltendes Teil 31, z. B. eine wärmerückhaltende Verschlußkappe 45, eine im unteren Ende der Reaktionsröhre 31 ausgebildete Öffnung 35 öffnet und verschließt. Die wärmerückhaltende Verschlußkappe 45 ist auf einer Drehscheibe 46 befestigt, damit sie mittels eines auf dem Lift 40 vorgesehenen Antriebsteils M über eine Welle 47 gedreht werden kann. Der Deckel 44 ist auf dem Lift 40 vorgesehen, damit die Waferhalterung 4 durch die vertikale Bewegung des Liftes 40 in den Wärmebehandlungsofen 3 herein und aus diesem hinaus getragen werden kann.
Wie in 1 gezeigt ist, ist auf dem Weg des Gaszufuhrrohres 5 außerhalb der vertikalen Wärmebehandlungseinheit 1 das Verbrennungssystem 2 vorgesehen. Wie in 3 gezeigt ist, weist das Verbrennungssystem 2 ein Teil mit konzentrischer doppelter Struktur 6 auf, das eine innere Röhre 21 und eine äußere Röhre 22 aus z. B. transparentem Quarz umfaßt. Eine aus einem inneren Bereich der inneren Röhre 21 gebildete Heizkammer wird nachstehend als innere Heizkammer 61 bezeichnet, und eine von einem inneren Bereich der äußeren Röhre 22 gebildete Heizkammer wird nachstehend als äußere Heizkammer 62 bezeichnet. Die Verbindung zu der inneren Heizkammer 61 wird über ein erstes Gaszufuhrrohr 71 hergestellt; die innere Heizkammer 61 verläuft geradlinig. Die Verbindung zu der äußeren Heizkammer 62 wird über ein zweites Gaszufuhrrohr 72 hergestellt, dessen stromaufwärts angeordnete Seite sich verjüngt; die äußere Heizkammer verläuft senkrecht zu dem verjüngten Abschnitt. Ferner entsprechen eine Gaszufuhrleitung, die von dem ersten Gaszufuhrrohr 71 zur inneren Heiz kammer 61 verläuft, und eine Gaszufuhrleitung, die von dem zweiten Gaszufuhrrohr 72 zu der äußeren Heizkammer 62 verläuft, der ersten und zweiten Gasleitung, die in den Ansprüchen erwähnt werden.
Auf dem äußeren Umfangsabschnitt der äußeren Heizkammer 62 ist ein Heizmittel, beispielsweise ein Kohlenstoffdrahtheizer 23, spiralförmig bereitgestellt. Der Heizer 23 ist mit einem zylinderförmigen Wärmeisolationselement 24 versehen, das diesen bedeckt. Der Kohlenstoffdrahtheizer 23 wird zum Beispiel durch spiralförmiges Einfüllen eines fasernstrangartigen, durch Zusammenfügen mehrerer Kohlenstoffaserbündel gebildeten Elementes in eine Quarzröhre gebildet. Der Kohlenstoffdrahtheizer 23 erzeugt Wärme, wenn er von einer Stromversorgungsleitung 25 unter Strom gesetzt wird. Die Stromversorgungsleitung 25 ist an ein Leistungsregelungsteil 26 angeschlossen. Zum Beispiel regelt das Leistungsregelungsteil 26 die an den Kohlenstoffdrahtheizer 23 geleitete Strommenge auf Basis eines Signals, das einer von einem Hauptsteuerungsteil 27 zum Steuern des Wärmebehandlungssystems festgesetzten Erwärmungstemperatur entspricht, und auf Basis eines Temperaturdetektionssignals von einem Temperatursensor 28, der in der Umgebung des Heizers 23 bereitgestellt ist und zum Beispiel ein Thermoelement umfaßt.
Die äußere Heizkammer 62 ist mit einem Ventilationswiderstandsmaterial 60 gefüllt, das zum Beispiel aus einer großen Zahl transparenter Quarzglasperlen besteht. Durch Bereitstellen des Ventilationswiderstandsmaterials 60 wird die Gasverweildauer vergrößert, und das Ventilationswiderstandsmaterial 60 wird erwärmt, so daß das Gas effizient erwärmt wird, während es mit dem erwärmten Ventilationswiderstandsmaterial 60 in Kontakt steht. Außerdem soll das Ventilationswiderstandsmaterial 60 nicht hierauf beschränkt sein, sondern es können intermittierend in Durchgangsrichtung mehrere Ventilationsplatten mit einer großen Anzahl von Lüftungslöchern angeordnet werden, um den Leitungsdurchgang zu blockieren.
Die innere Heizkammer 61 und die äußere Heizkammer 62 stehen mit einer stromabwärts nachgeordneten Verbrennungskammer 63 in Verbindung. Wenn Naßoxidation durchgeführt wird, wobei Wasserstoffgas und Sauerstoffgas als Prozeßgase benutzt werden, bewirken das Wasserstoffgas und das Sauerstoffgas in der Verbrennungskammer 63 eine Verbrennungsreaktion, bei welcher Wasserdampf entsteht.
Es wird nun die stromabwärts liegende Seite des Verbrennungssystems 2 beschrieben. Wie in 1 gezeigt ist, ist das erste Gaszufuhrrohr 71 mit einer Wasserstoffgasquelle 81 verbunden, und dazwischen sind ein Ventil V1 und ein Massendurchflußregler MF1 bereitgestellt, die als strömungsregelndes Teil dienen. Das zweite Gaszufuhrrohr 72 verzweigt sich in beispielsweise drei Richtungen, die an eine Sauerstoffquelle 82a, eine Distickstoffoxidgasquelle 82b und eine Wasserstoffchloridgasquelle 82c angeschlossen werden, und dazwischen sind Ventile Va, Vb bzw. Vc sowie Massendurchflußregler MFa, MFb bzw. MFc bereitgestellt.
Nachstehend wird die Betriebsweise des oben beschriebenen Beispiels beschrieben. In diesem Beispiel können an einem Wafer, bei dem es sich um ein zu behandelndes Objekt handelt und auf dessen Oberflächenabschnitt eine Siliziumschicht ausgebildet worden ist, drei Prozesse ausgeführt werden: ein Naßoxidationsprozeß, ein Trockenoxidationsprozeß und ein Prozeß, der Distickstoffoxidgas benutzt. Zunächst werden der Trockenoxidationsprozeß, der darauf abzielt, die Gleichmäßigkeit der Dicke zu verbessern, und der Prozeß, der Distickstoffoxidgas benutzt, beschrieben.
Trockenoxidationsprozeß
Eine große Zahl von Wafer W, z. B. 60 Wafer, die als zu behandelnde Objekte dienen, werden auf den Fächern der Waferhalterung 4 gehalten, die in der Reaktionsröhre 31 getragen wird, welche mit Hilfe des Heizers 32 auf eine vorbestimmte Temperatur vorgeheizt worden ist, und die als Ofenöffnung dienende Öffnung 35 wird von dem Deckel 44 luftdicht verschlossen (der in 1 gezeigte Zustand). Anschließend wird die Temperatur in der Reaktionsröhre 31 auf eine vorbestimmte Prozeßtemperatur, z. B. 900°C, angehoben. Bei dem Schritt des Tragens des Wafers W in der Reaktionsröhre 31 und bei dem Schritt des Anhebens der Temperatur in der Reaktionsröhre 31 wird Stickstoffgas, das z. B. eine sehr geringe Menge an Sauerstoffgas enthält, aus einem Gaszufuhrrohr (nicht gezeigt) in die Reaktionsröhre 31 zugeführt, und die Gaszufuhr wird gestoppt, wenn die Temperatur in der Reaktionsröhre 31 eine Prozeßtemperatur erreicht. Dann wird das Gas in der Reaktionsröhre 31 von einem Absaugmittel (nicht gezeigt) über das Ausströmrohr 30 abgesaugt, so daß in der Reaktionsröhre 31 ein Zustand mit geringfügig reduziertem Druck vorliegt. In diesem Zustand wird die Temperatur der Wafer W stabilisiert, und anschließend wird ein Oxidationsprozeß ausgeführt.
Andererseits wird in dem Verbrennungssystem 2 in Übereinstimmung mit der Auswahl eines von dem Hauptsteuerungsteil 27 gewählten Trockenoxidationsprozesses ein entsprechendes Temperatureinstellungssignal an das Leistungsregelungsteil 26 geleitet, und der Kohlenstoffdrahtheizer 23 wird dergestalt geregelt, daß die Temperatur in den Heizkammern 61 und 62 eine eingestellte Temperatur von z. B. 1000°C ist. Dann werden die Ventile Va und Vc geöffnet, um Sauerstoffgas und Wasserstoffchloridgas in das Verbrennungssystem 2 einströmen zu lassen, wobei die Massendurchflußregler MFa und MFb die Durchflußraten des Sauerstoffgases und des Wasserstoffchloridgases auf vorbestimmte Durchflußraten, z. B. 10 slm und 0,3 slm, regeln. Diese Gase werden durch das Ventilationswiderstandsmaterial 60 geleitet und strömen in das Verbrennungssystem 2; dabei stehen sie mit dem Ventilationswiderstandsmaterial 60 in der äußeren Heizkammer 62 in Kontakt und werden beim Durchströmen des Ventilationswiderstandsmaterials auf ca. 1000°C erwärmt. Somit regiert, wie in 4a gezeigt ist, das Sauerstoffgas gemäß nachstehender Formel mit dem Wasserstoffchloridgas, wobei eine sehr geringe Menge, z. B. einige hundert ppm, an Wasserdampf entsteht. Die innere Heizkammer 61 wird bei diesem Prozeß nicht benutzt. 2HCl → H₂ + Cl₂ H₂ + 1/2O₂ → H₂O
Das solchermaßen erwärmte Prozeßgas tritt über das Gaszufuhrrohr 5 in den Wärmebehandlungsofen 3 ein, strömt aufwärts in den oberen Abschnitt der Reaktionsröhre 31 und durchlauft dabei das Durchwärmungsrohr 33, wobei es erwärmt wird. Weiter wird dieses Prozeßgas von den Gaslöchern 31b in eine Prozeßregion in der Reaktionsröhre 31 zugeführt, von wo es über das Ausströmrohr 30 an der Unterseite abgepumpt wird. Zu dieser Zeit tritt das Prozeßgas in Zwischenräume zwischen den in Form von Fächern gestapelten Wafern W ein, und die Siliziumschicht auf den Oberflächenabschnitten der einzelnen Wafer W wird oxidiert, während die Restgasbindung der Oberflächen der einzelnen Wafer mit Chlorgas durchgeführt wird, so daß darauf ein Siliziumoxidfilm hergestellt wird. Wie oben beschrieben wurde, enthält das Prozeßgas eine sehr kleine Menge an Wasserdampf, welche die Dicke des Oxidfilms vergrößert.
Prozeß unter Verwendung von Distickstoffoxidgas
Eine große Zahl von Wafer W werden mittels der Waferhalterung 4 in der Reaktionsröhre 31 getragen, und die Temperatur in der Reaktionsröhre 31 wird auf eine vorbestimmte Prozeßtemperatur, z. B. 900°C, angehoben, die auf dieselbe Weise wie obenstehend beschrieben stabilisiert wird. Andererseits wird in dem Verbrennungssystem 2 in Übereinstimmung mit der Auswahl des von dem Hauptsteuerungsteil 27 gewählten Prozesses, der Distickstoffoxidgas verwendet, ein entsprechendes Temperatureinstellungssignal an das Leistungsregelungsteil 26 geleitet, und der Kohlenstoffdrahtheizer 23 wird dergestalt geregelt, daß die Temperatur in den Heizkammern 61 und 62 eine eingestellte Temperatur von z. B. 900 bis 1000°C ist. Dann wird das Ventil Vb geöffnet, um Distickstoffoxidgas in das Verbrennungssystem 2 einströmen zu lassen, wobei der Massendurchflußregler MFc die Durchflußrate des Distickstoffoxidgases auf eine vorbestimmte Durchflußrate, z. B. 1 bis 10 slm, regelt. Das Distickstoffoxidgas strömt somit durch das Ventilationswiderstandsmaterial 60 und in das Verbrennungssystem 2; dabei steht es mit dem Ventilationswiderstandsmaterial 60 in der äußeren Heizkammer 62 in Kontakt und wird beim Durchströmen des Ventilationswiderstandsmaterials auf die eingestellte Temperatur erwärmt. Somit wird das Distickstoffoxidgas zwar nicht zerlegt, jedoch derart aktiviert, daß es unmittelbar nach dem Einströmen in die Reaktionsröhre 31 zerlegt wird. Dies ist der in 4b gezeigte Zustand, wobei N₂O* den aktivierten Zustand von N₂O angibt. Die innere Heizkammer 61 wird auch bei diesem Prozeß nicht benutzt.
Das solchermaßen aktivierte Distickstoffoxid tritt in die Reaktionsröhre 31 ein, um die Siliziumschicht des Wafers W zu oxidieren und nitrieren und einen stickstoffhaltigen Siliziumoxidfilm zu erzeugen.
Naßoxidationsprozeß
Eine große Zahl von Wafern W werden mittels der Waferhalterung 4 in der Reaktionsröhre 31 getragen, und die Temperatur in der Reaktionsröhre 31 wird auf eine vorbestimmte Prozeßtemperatur, z. B. 900°C, angehoben, die auf dieselbe Weise wie obenstehend beschrieben stabilisiert wird. Andererseits wird in dem Verbrennungssystem 2 in Übereinstimmung mit der Auswahl des von dem Hauptsteuerungsteil 27 gewählten Naßoxidationsprozesses ein entsprechendes Temperatureinstellungssignal an das Leistungsregelungsteil 26 geleitet, und der Kohlenstoffdrahtheizer 23 wird dergestalt geregelt, daß die Temperatur in den Heizkammern 61 und 62 eine eingestellte Temperatur von z. B. 900 bis 950°C ist. Dann werden die Ventile V1 und Va geöffnet, um Wasserstoffgas und Sauerstoffgas in das Verbrennungssystem 2 einströmen zu lassen, wobei die Massendurchflußregler MF1 und MFa die Durchflußraten des Wasserstoffgases und des Sauerstoffgases auf vorbestimmte Durchflußraten, z. B. 3 bis 10 slm und 3 bis 10 slm, regeln. Infolgedessen wird das Wasserstoffgas in der inneren Heizkammer 61 und das Sauerstoffgas in der äußeren Heizkammer 62 erwärmt, und in der Verbrennungskammer 63 findet eine Verbrennungsreaktion zwischen einem Teil des Sauerstoffgases und dem Wasserstoffgas statt, wobei Wasserdampf entsteht. 4c zeigt diesen Zustand. Somit strömt das Prozeßgas, das Sauerstoffgas und Wasserdampf enthält, in den Wärmebehandlungsofen 3 und tritt in Zwischenräume zwischen den in Form von Fächern gestapelten Wafer W ein, so daß die Siliziumschicht auf den Oberflächenabschnitten der einzelnen Wafer W mit Sauerstoffgas und Wasserdampf oxidiert und so ein Siliziumoxidfilm hergestellt wird.
Gemäß einem solchen Beispiel liegt auf der Oberfläche des Wafers W eine hohe Gleichmäßigkeit des von dem Trockenoxidationsprozeß hergestellten Siliziumoxidfilms bzw. des von dem Distickstoffoxidprozeß hergestellten stickstoffhaltigen Siliziumoxidfilms vor, und die Gleichmäßigkeit der Dicke der Filme über verschiedene Wafer W hinweg ist ebenfalls hoch. Hierfür wird folgende Ursache angenommen.
Zunächst wird im Falle des Trockenoxidationsprozesses das Prozeßgas (eine Gasmischung aus Sauerstoffgas und Wasserstoffchloridgas) in dem Verbrennungssystem 2 auf z. B. ca. 1000°C erwärmt, um eine sehr geringe Menge an Wasserdampf zu erzeugen. Da die Menge des erzeugten Wasserdampfes auch bei Temperaturabnahme nicht abnimmt, selbst wenn sich der Wasserdampf beim Passieren des Gaszufuhrrohrs 5 auf der Sekundärseite geringfügig abkühlt, erzeugt das Prozeßgas in der Reaktionsröhre 31 keinen zusätzlichen Wasserdampf, wenn der Wasserdampf bei einer Temperatur erzeugt worden ist, die höher liegt als die Prozeßtemperatur in der Reaktionsröhre 31.
Daher wurde der Wasserdampf bereits vollständig erzeugt, wenn das Prozeßgas in die Zwischenräume zwischen den auf der Waferhalterung 4 gestapelten Wafer W eintritt, so daß die Menge an Wasserdampf, der in dem von dem Rand des Wafers W in Richtung dessen Mitte strömenden Prozeßgas enthalten ist, im wesentlichen an allen Positionen gleich ist. Infolgedessen ist der Grad der wasserdampfbedingten Dickenzunahmewirkung in der Ebene auf dem in der oberen Etage des Waferhalterung 4 angeordneten Wafer W im wesentlichen die gleiche, so daß die Gleichmäßigkeit der Dicke innerhalb der Waferebene zunimmt. Herkömmlich wird die Erzeugung von Wasserdampf auf dem Weg zur unteren Etage der Waferhalterung 4 fortgesetzt, und daher ist die Gleichmäßigkeit der Dicke auf der Seite der oberen Etage schlecht, während auf der Seite der unteren Etage eine höhere Gleichmäßigkeit der Dicke vorliegt. In diesem Beispiel dagegen kann auf der Seite der oberen Etage die gleiche Gasatmosphäre wie auf der Seite der unteren Etage hergestellt werden, so daß die Schwankung der Dickenverteilung zwischen verschiedenen Wafern W abnimmt, das heißt, die Gleichmäßigkeit der Dicke über die Ebenen hinweg zunimmt. 5 zeigt schematisch die Dickenverteilungen auf der oberen, mittleren und unteren Etage, wenn das Prozeßgas nicht erwärmt wird und wenn es erwärmt wird. Unter Prozeßbedingungen, wie sie in der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurden, wurden Experimente ausgeführt, die als Beispiele dienen. Herkömmlich (d. h., bei ausgeschaltetem Heizer 23 des Verbrennungssystems 2) betrug innerhalb der Waferebene die Gleichmäßigkeit der Dicke auf dem Wafer auf der Seite der oberen Etage ca. ±3%. Bei eingeschaltetem Heizer 23 des Verbrennungssystems 2 dagegen betrug die Gleichmäßigkeit innerhalb der Waferebene ca. ±1%.
Ferner trägt strenggenommen der Wasserdampf zur Zunahme der Dicke bei, so daß sich eine geringe Abnahme in Richtung der Mitte des Wafers W erwarten läßt. Wie jedoch unter „Beschreibung der verwandten Technik" erläutert wurde, ist die Temperatur in der Mitte des Wafers W höher als an dessen Umfangsrandabschnitt, so daß die Dicke in der Mitte ursprünglich tendenziell größer ist. Es kann daher gesagt werden, daß der große Grad der Dickenzunahme des Films im Randabschnitt bewirkt, daß das Ansteigen der Dicke im Randabschnitt die Gleichmäßigkeit der Dicke verbessert.
Wenn Distickstoffoxidgas benutzt wird, wird das Gas im Verbrennungssystem 2 in einen aktivierten Zustand unmittelbar vor dem Zerlegen des Gases versetzt. Daher ist die Zerlegung des Gases bei dessen Eintreten in die Reaktionsröhre 31 und Erreichen der Seite der oberen Etage der Waferhalterung 4 bereits wesentlich fortgeschritten. Somit unterscheidet sich, wenn das Gas vom Umfangsrand des Wafers W in Richtung dessen Mitte strömt, der Zerlegungsgrad am Umfangsrand des Wafers kaum von dem Zerlegungsgrad in der Mitte des Wafers W, so daß die Menge der bei der Zerlegung des Distickstoffoxids entstehenden aktiven Spezies an allen Positionen die gleiche oder im wesentlichen die gleiche ist. Infolgedessen wird die Gleichmäßigkeit der Dicke innerhalb der Waferebene auf dem Wafer W, der auf der obersten Etage der Waferhalterung 4 positioniert ist, verbessert. Daher ist die Schwankung der Gleichmäßigkeit innerhalb der Waferebene zwischen dem Wafer W auf der Seite der oberen Etage und dem Wafer W auf der Seite der unteren Etage gering, und die Gleichmäßigkeit der Dicke über die Ebenen hinweg wird verbessert.
Das Phänomen, daß bei dem Trockenoxidationsprozeß in der Reaktionsröhre 31 Wasserdampf erzeugt wird, und das Phänomen, daß bei dem Prozeß, der Distickstoffoxidgas benutzt, in der Reaktionsröhre 31 Distickstoffoxidgas zerlegt wird, haben bei niedrigeren Temperaturen eine größere Aufwirkung auf die Gleichmäßigkeit der Dicke innerhalb der Waferebene und die Gleichmäßigkeit der Dicke über die Ebenen hinweg. Daher ist es gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform möglich, einen beträchtlichen Beitrag zur Absenkung der Temperatur bei der Wärmebehandlung zu leisten.
Darüber hinaus wird das zum Ausführen eines Naßoxidationsprozesses benutzte Verbrennungssystem zum Erwärmen eines Prozeßgases bei einem Trockenoxidationsprozeß und bei einem Prozeß, der Distickstoffgas verwendet, genutzt, so daß kein zusätzlicher dedizierter Heizer bereitgestellt werden muß, was hinsichtlich Kosten und Raumeffizienz vorteilhaft ist.
Das Gas, das bei dem Trockenoxidationsprozeß benutzt wird, ist nicht auf Wasserstoffchloridgas beschränkt; es könnte auch Dichlorethen (C₂H₂Cl₂, Trans-1,2-Dichlorethylen) benutzt werden, oder diese Gase können gemischt werden. Bei der obenstehenden Beschreibung wird das Prozeßgas unter Verwendung der äußeren Heizkammer 62 erwärmt, wenn nicht der Naßoxidationsprozeß, sondern ein anderer Prozeß ausgeführt wird. Gemäß dem vorliegenden Beispiel kann die innere Heizkammer 61 benutzt werden, und es können beide Heizkammern 61 und 62 benutzt werden. Gemäß dem vorliegenden Beispiel kann zusätzlich zu der ersten Gasleitung und der zweiten Gasleitung eine weitere Gasleitung außerhalb einer Heizkammer ausgebildet werden, z. B. ein Heizer 23 zusätzlich zu den Heizkammern 61 und 62, um das Prozeßgas mit Hilfe des Heizers 23 zu erwärmen, während das Prozeßgas durch die Gasleitung geleitet wird.
Wie oben beschrieben wurde, ist es möglich, beim Durchführen eines Oxidationsprozesses an einem zu behandelnden Objekts eine hohe Gleichmäßigkeit der Dicke des Oxidfilmes zu erzielen und einen Beitrag zum Absenken einer Prozeßtemperatur zu leisten. Außerdem wird das Verbrennungssystem für einen Naßoxidationsprozeß zum Heizen des Prozeßgases benutzt; dies ist hinsichtlich Kosten und Raumeffizienz vorteilhafter, als einen dedizierten Heizer bereitzustellen.
Unter Bezugnahme auf 7 bis 11 wird nachstehend eine bevorzugte Ausführungsform der von der vorliegenden Anmeldung bereitgestellten Erfindung beschrieben.
Zunächst wird ein Beispiel für ein vertikales Wärmebehandlungssystem zum Ausführen eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. In 7 bezeichnet das Bezugszeichen 2 eine Reaktionsröhre mit doppelter Röhrenstruktur, die eine innere Röhre 102a und eine äußere Röhre 102b aus z. B. Quarz umfaßt. Die Reaktionsröhre 102 ist auf der Unterseite mit einem zylinderförmigen Verteilerstück aus Metall versehen.
Das obere Ende der inneren Röhre 102a ist offen, und die innere Röhre 102a wird in dem Verteilerstück 121 unterstützt. Das obere Ende der äußeren Röhre 102b ist geschlossen, und das untere Ende davon ist luftdicht mit dem oberen Ende des Verteilerstücks 121 verbunden. Bei dieser Ausführungsform bilden die äußere Röhre 102b und das Verteilerstück 121 ein Reaktionsgefäß. Das Bezugszeichen 22 bezeichnet eine Grundplatte.
Zum Beispiel sind, wie in 8 gezeigt ist, in der Reaktionsröhre 102 eine große Zahl, z. B. ca. 60, von Wafern W, die als zu behandelnde Objekte dienen, in vertikaler Richtung intermittierend horizontal auf den Fächern einer Waferhalterung 123 befestigt. Die Waferhalterung 123 wird über eine wärmerückhaltende Verschlußkappe (Wärmeisolationselement) 125 auf einem Deckel 124 gehalten. Der Deckel 124 ist auf einem Lift 126 befestigt, welcher bereitgestellt ist, um die Waferhalterung 123 in die Reaktionsröhre 102 hinein und aus dieser heraus zu tragen. Wenn der Deckel 124 am oberen Anschlag positioniert ist, dient er dazu, eine Öffnung an der Unterseite des Verteilerstücks 121 zu schließen, d. h., eine Öffnung an der Unterseite des von der Reaktionsröhre 102 und dem Verteilerstück 121 gebildeten Reaktionsgefäßes. Ferner bezeichnet in 8 das Bezugszeichen 127 einen Transferarm zum Transferieren der Wafer W an die Waferhalterung 123.
Rings um den Umfang der Reaktionsröhre 102 ist ein Heizer 128 bereitgestellt, der als Heizmittel dient und die Reaktionsröhre 102 umgibt. Der Heizer 128 umfaßt z. B. ein Heizwiderstandselement, und die Temperatur des Heizers 128 wird auf Basis eines zuvor eingegebenen Temperaturprofils für einen Abscheidungsprozeß von einem Regelungsteil geregelt, welches später beschrieben werden wird.
Das Verteilerstück 121 ist mit mehreren ersten Gaszufuhrrohren 103, die als Gaszufuhrleitungen zum Zuführen von N₂O (Distickstoffoxid), das als erstes Prozeßgas dient, in die Reaktionsröhre 102 dienen, und mit mehreren zweiten Gaszufuhrrohren 104 zum Zuführen von SiH₂Cl₂ (Dichlorsilan), das als zweites Prozeßgas dient, in die Reaktionsröhre 102 dergestalt versehen, daß die ersten und die zweiten Gaszufuhrrohre 103 und 104 in Umfangsrichtung intermittierend angeordnet sind. Die jeweiligen Gase werden aus der ersten und der zweiten Gaszufuhrquelle 131 und 141, die außerhalb des Systems bereitgestellt sind, über die Gaszufuhrrohre 103 und 104 in die Reaktionsröhre 102 eingeleitet.
In dem ersten und dem zweiten Gaszufuhrrohr 103 bzw. 104 sind Gasdurchflußregelteile 132 bzw. 142 zum Regeln der Durchflußraten der Gase bereitgestellt. Die Gasdurchflußregelteile 133 und 143 zeigen Abschnitte mit Gasdurchflußreglern und Ventilen. Die Zeitsteuerung der Prozeßgaszufuhr (des Öffnen und Schließens) während des Abscheidungsprozesses erfolgt auf Basis eines zuvor eingegebenen Prozeßgas-Zufuhrprogramms in Reaktion auf ein von dem Steuerteil empfangenes Steuersignal. Das Verteilerstück 121 ist mit einem Ausströmrohr 143 verbunden, das zwischen der inneren Röhre 102a und dem äußeren Rohr 103b offen ist, so daß mit Hilfe eines Evakuierungsmittels (nicht gezeigt) im Inneren der Reaktionsröhre 102 eine Atmosphäre mit einem vorbestimmten reduzierten Druck aufrechterhalten werden kann.
Im folgenden wird ein System zum Zuführen von N₂O-Gas, das als erstes Prozeßgas dient, beschrieben. Dem Gasdurchflußregelteil 131 des ersten Gaszufuhrrohrs 103 sind stromabwärts ein Heizer 105, der als Heizteil zum Vorwärmen des N₂O-Gases auf eine vorbestimmte Temperatur dient, und eine Verengung 106 nachgeordnet, wobei der Heizer 105 stromaufwärts vor der Verengung 106 angeordnet ist.
Der Heizer 105 ist beispielsweise, wie in 9 gezeigt, auf dem Weg des ersten Gaszufuhrrohrs 103 außerhalb des vertikalen Wärmebehandlungssystems bereitgestellt. Der Heizer 105 weist eine Heizkammer 151 aus z. B. Quarz auf, die dergestalt bereitgestellt ist, daß sie das erste Gaszufuhrrohr 103 blockiert. Die Heizkammer 151 umfaßt z. B. eine zylinderförmige Heizröhre, deren Innendurchmesser größer als der Innendurchmesser des Gaszufuhrrohrs 103 ist und die dergestalt angeordnet ist, daß ihre Längsrichtung mit der Gasventilationsrichtung zusammenfällt. Die Heizkammer 151 ist mit einem Ventilationswiderstandsmaterial 152 gefüllt, zum Beispiel einer großen Zahl transparenter Quarzglasscherben.
Nachstehend wird ein Beispiel für die Heizkammer 151 beschrieben. Wenn zum Beispiel der Innendurchmesser des ersten Gaszufuhrrohrs 103 20 mm beträgt, liegt der Innendurchmesser der Heizkammer 151 im Bereich von 60 mm bis 80 mm, und die Länge der Heizkammer 151 in Ventilationsrichtung liegt im Bereich von ca. 100 mm bis ca. 200 mm, und die Größe der in die Heizkammer 151 eingefüllten Quarzscherben liegt im Bereich von ca. ∅1 bis ca. ∅10.
Ein Heizelement 153, das als Heizteil dient, windet sich spiralenförmig in Ventilationsrichtung um den Außenumfang der Heizkammer 151. Das Heizelement 153 wird ausgebildet, indem ein fasernstrangartiges Element, das durch Zusammenfügen mehrerer Faserbündel aus einem Metall, welches eine geringe Menge an Metallverunreinigungen enthält, z. B. dünne Kohlenstoffasern mit einem Durchmesser von ca. 10 μm, ausgebildet wird, in ein Abdichtelement aus einer Keramik eingefüllt wird, z. B. in eine Röhre aus Quarz (d. h. transparentem Quarz) mit einem Außendurchmesser von zehn Millimeter oder mehr. Wenn das Heizelement 153 unter Strom gesetzt wird, erzeugt es Wärme. In der Figur bezeichnet das Bezugszeichen 154 ein Stromversorgungsteil zur Versorgung des Heizelements mit Strom, und das Bezugszeichen 155 bezeichnet einen abdichtenden Anschluß.
Die Heizkammer 151 und das Heizelement 153 werden von einem Heizgehäuse 150 eines zylinderförmigen Wärmeisolationselements umschlossen. Das Heizgehäuse 150 wird zum Beispiel mit einem Kühlmantel 156 zum Durchleiten eines Kühlmittels, z. B. Kühlwasser, in Ventilationsrichtung am Heizelement 153 entlang ausgebildet. Das Kühlwasser wird dem Kühlmantel 156 von einem Kühlwasserzufuhrteil 157 zugeführt. Zum Beispiel ist zwischen dem Kühlmantel 156 und dem Heizelement 153 in dem Heizgehäuse 150 ein Temperaturdetektionsteil 158, z. B. ein Thermoelement, vorgesehen. Auf Basis der solchermaßen von dem Thermoelement detektierten Temperatur gibt ein Regelteil C ein Steuersignal an das Stromversorgungsteil 154 und das Kühlwasserzufuhrteil 157 aus, um die Menge des dem Heizelement 153 bereitgestellten Stroms und die Menge des in den Kühlmantel 156 zugeführten Kühlwassers zu regeln, so daß die Temperatur in der Heizkammer 151 durch die Interaktion zwischen der Heizwirkung des Heizelements 153 und der Kühlwirkung des Kühlmantels 156 auf eine vorbestimmte Temperatur eingeregelt wird.
Somit dient die Heizkammer 151 in dem Heizer 105 als Wärmeaustauschteil. Indem ein Prozeßgas in die Heizkammer 151, deren Temperatur auf eine vorbestimmte Temperatur eingere gelt worden ist, eingeleitet und mit dem Ventilationswiderstandsmaterial 152 in Kontakt treten gelassen wird, wird das Prozeßgas auf eine vorbestimmte Temperatur vorgewärmt.
Ein der Heizkammer 151 stromabwärts nachgeordneter Abschnitt des Gaszufuhrrohrs 103 ist als Doppelrohr ausgebildet und umfaßt ein inneres Rohr 103a und ein außerhalb des inneren Rohrs 103a und zu diesem beabstandet bereitgestelltes äußeres Rohr 103b. Das andere Ende des äußeren Rohrs 103b ist gebogen, so daß es einen Flanschabschnitt 133 ausbildet, und ist über ein Abdichtelement 134 aus Gummi, z. B. einen O-Ring, mit z. B. der Seitenwand des Verteilerstückes 121 verbunden. Andererseits ist, wie oben beschrieben wurde, das innere Rohr 103a als erstes Gaszufuhrrohr 103 in das Verteilerstück eingesetzt. Das solchermaßen durch die Heizkammer 151 vorgewärmte Prozeßgas durchströmt das innere Rohr 103a und wird über die Verengung 106 in die Reaktionsröhre 102 eingeleitet.
Wie in 9 gezeigt ist, ist mit „Verengung 106" ein Abschnitt gemeint, in welchem der Durchmesser des Rohrs plötzlich abnimmt. Bei dieser Ausführungsform ändert sich der Innendurchmesser des äußeren Rohrs 103b nicht; nur der Innendurchmesser des inneren Rohrs 103a nimmt ab. Der Innendurchmesser der Verengung 106 wird auf z. B. 1/50 bis 1/2 des Innendurchmessers des inneren Rohres 103a eingestellt. Stromaufwärts vor und stromabwärts nach der Verengung 106 des inneren Rohrs 103a sind abgeschrägte Wegstücke 161 und 162 zum Verbinden des inneren Rohrs 103a mit der Verengung 106 bereitgestellt. Der Innendurchmesser des stromaufwärts angeordneten abgeschrägten Wegstücks 161 nimmt bis zu der Verengung 106 allmählich ab, und der Innendurchmesser des stromabwärts nachgeordneten abgeschrägten Wegstücks 162 nimmt allmählich zu.
Wenn bei einem Beispiel für die Verengung 106 der Innendurchmesser des äußeren Rohrs 103b des Doppelrohrs stromabwärts nach der Heizkammer 141 im Bereich von ∅10 bis ∅18 liegt und der Innendurchmesser des inneren Rohrs 103a im Bereich von ∅2 bis ∅6 liegt, liegt der Innendurchmesser der Verengung 106 im Bereich von ∅0,1 bis ∅2, die Länge der Verengung liegt im Bereich von ca. 0,1 mm bis ca. 1 mm und die Längen des stromaufwärts angeordneten abgeschrägten Wegstücks 161 und des stromabwärts nachgeordneten abgeschrägten Wegstücks 162 liegen jeweils im Bereich von ca. 0,1 mm bis ca. 1 mm.
Als Beispiel für ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung, das von dem oben beschriebenen System durchgeführt wird, wird nachstehend ein Verfahren zum Ausbilden eines Hochtemperatur-Oxidfilms (HTO-Films) beschrieben. Der HTO-Film wird beispielsweise als Siliziumoxidfilm angewendet, der für eine O-N-O-Film genannte Dreischichtenstruktur benutzt wird, die zwischen dem schwebenden Gate und dem Steuergate eines Flashspeichers bereitgestellt wird und einen Siliziumoxidfilm (SiO₂-Film), einen Siliziumnitridfilm (Si₃N₄-Film) und einen Siliziumoxidfilm (SiO₂-Film) umfaßt.
Im Speziellen wird zuerst eine große Zahl an Wafern W, die als zu behandelnde Objekte dienen, auf den Fächern einer Waferhalterung 123 gehalten, die über die Öffnung an der Unterseite in die Reaktionsröhre 102 getragen wird, indem der Lift 126 nach oben bewegt wird. Dann wird die Prozeßatmosphäre durch den Heizer 128 auf eine vorbestimmte Temperatur von z. B. 720°C erwärmt, und die Öffnung am unteren Ende des Verteilerstücks 121, d. h., die Schleuse des Reaktionsgefäßes zum Hinein- und Hinaustragen der Wafer, wird von dem Deckel 124 luftdicht verschlossen. Dann wird der Druck in dem Reaktionsgefäß in einer Heizatmosphäre von dem Evakuierungsmittel (nicht gezeigt) über das Ausströmrohr 143 auf einen vorbestimmten Vakuumsgrad reduziert, z. B. auf 0,1 Torr bis 1 Torr.
Andererseits erfolgt in dem Heizer 105 die Erwärmung der Heizkammer 151 durch die Kombination aus der Heizwirkung des Heizelements 153 und der durch das Durchleiten von Kühlwasser erzielten Kühlwirkung, wobei das Ventilationswiderstandsmaterial 152 auf eine vorbestimmte Temperatur, z. B. 500°C bis 900°C, erwärmt wird. Dann wird N₂O-Gas, das als erstes Prozeßgas dient, von der Gaszufuhrquelle 131 über das Gaszufuhrrohr 103 bei vorbestimmter Durchflußrate, z. B. 100 sccm bis 1000 sccm, in die Heizkammer 151 eingeleitet. Zu dieser Zeit ist, wie oben beschrieben wurde, der Druck in der Reaktionsröhre 102 bereits auf ca. 0,1 Torr bis ca. 1 Torr reduziert worden. Da jedoch zwischen dem Heizer 105 und der Reaktionsröhre 102 die Verengung 106 ausgebildet ist, beträgt der Druck in der Heizkammer 151 aufgrund des Druckabfalls an der Verengung 106 z. B. ca. 200 Torr bis ca. 700 Torr.
Also wird durch die Heizkammer, die auf die vorbestimmte Temperatur erwärmt worden ist, N₂O-Gas geleitet, das mit dem Ventilationswiderstandsmaterial 152 in Kontakt tritt, so daß das N₂O-Gas auf eine Temperatur vorgewärmt wird, bei welcher es aktiviert, jedoch nicht zerlegt wird, d. h., eine Temperatur nahe bei der Zerlegungstemperatur, z. B. 500°C bis 850°C, und anschließend wird das N₂O-Gas über das Gaszufuhrrohr 103a in die Reaktionsröhre 102 eingeleitet.
Somit werden N₂O-Gas, das als erstes Prozeßgas dient, und SiH₂Cl₂-Gas, das als zweites Prozeßgas dient, aus den Gaszufuhrquellen 131 bzw. 141 über die Gaszufuhrrohre 103 bzw. 104 mit vorbestimmten Durchflußraten in die Reaktionsröhre 102 (speziell in das Reaktionsgefäß, das die Reaktionsröhre 102 und das Verteilerstück 121 umfaßt) zugeführt. Auf diese Weise wird bei einem Druck in der Reaktionsröhre 102 von z. B. 0,1 Torr bis 1 Torr auf der Oberfläche des Wafers W ein Siliziumoxidfilm ausgebildet.
Zu dieser Zeit wird durch Zuführen der Prozeßgase gemäß nachstehender Reaktion der Siliziumfilm auf dem Wafer W abgeschieden: 3N₂O + SiH₂Cl₂ → SiO₂ + H₂O + 3N₂ + Cl₂
Die Prozeßgase diffundieren in der inneren Röhre 102a der Reaktionsröhre 102 zu den Oberflächen der auf der Waferhalterung 123 befestigten Wafer W, steigen zum oberen Endabschnitt der inneren Röhre 102a auf und sinken darin in einem Zwischenraum zwischen der inneren Röhre 102a und der äußeren Röhre 102b wieder ab und werden über das Ausströmrohr 143 abgesaugt. Somit werden die Prozeßgase gleichmäßig an die auf der Waferhalterung 123 befestigten Wafer W zugeführt, so daß auf den Wafer W der Siliziumoxidfilm ausgebildet wird.
Nach Abschluß der vorbestimmten Abscheidung des Siliziumfilms wird die Prozeßgaszufuhr unterbrochen und die Oberflächentemperatur des Wafers W auf eine vorbestimmte Temperatur abgesenkt. Darüber hinaus wird aus z. B. zwei der Gaszufuhrleitungen 103 und 104, die während der Abscheidung zum Einleiten der Prozeßgase benutzt wurden, ein Spülgas, z. B. N₂-Gas, eingeleitet, so daß das Innere der Reaktionsröhre 102 wieder auf Umgebungsdruck gebracht wird. Dann wird der Lift 126 nach unten bewegt, um die im unteren Ende der Reaktionsröhre 102 ausgebildete Schleuse zum Herein- und Heraustragen zu öffnen und die Waferhalterung 123 aus der Reaktionsröhre 102 herauszutragen.
Gemäß einer solchen bevorzugten Ausführungsform werden die Prozeßgase von dem Heizer 105 vorgewärmt und der Reaktionsröhre 102 zugeführt, so daß es möglich ist, einen Abscheidungsprozeß mit hoher Gleichmäßigkeit innerhalb der Waferebene selbst dann auszuführen, wenn ein so genannter Niedrigtemperaturprozeß bei niedriger Prozeßtemperatur in der Reaktionsröhre 102 ausgeführt wird. Das heißt, daß, wie unter „Beschreibung der verwandten Technik" beschrieben wurde, die Temperatur des Mittenabschnitts des Wafers W höher als die Temperatur dessen Randabschnitts ist, und die Prozeßgase strömen von dem Randabschnitt des Wafers W zu dessen Mittenabschnitt. Falls daher die Prozeßtemperatur gegenüber den 750°C bei 830°C bei einem herkömmlichen Prozeß auf ca. 720°C abgesenkt wird, werden dem Randabschnitt des Wafers Abscheidungsgase zugeführt, in denen die Abscheidungsreaktion nicht so gut abläuft, d. h., bei denen der Zerlegungsgrad klein ist. Andererseits werden an den Mittenabschnitt des Wafers die Prozeßgase zugeführt, bei denen die Abscheidungsreaktion abläuft, d. h., der Zerlegungsgrad hoch ist, da hier die Temperatur und die Konzentration der Gase höher als im Randabschnitt sind. Somit kann im Mittenabschnitt des Wafers W die Abscheidungsreaktion einfacher ablaufen als in dessen Randabschnitt, so daß die Dicke des ausgebildeten Films im Mittenabschnitt größer als im Randabschnitt ist.
Wenn andererseits gemäß der vorliegenden Erfindung die Prozeßgase von dem Heizer 105 auf eine Temperatur vorgewärmt werden, bei welcher die Prozeßgase derart aktiviert werden, daß die Zerlegungsreaktion nicht abläuft, d. h., auf eine Temperatur in der Nähe der Zerlegungstemperatur, und in die Reaktionsröhre 102 eingeleitet werden, so werden die in die Reaktionsröhre 102 eingeleiteten Prozeßgase selbst dann, wenn in der Reaktionsröhre 102 eine niedrige Prozeßtemperatur von ca. 720°C herrscht, auf eine über der Zerlegungstemperatur liegende Temperatur erwärmt, bevor sie den Randabschnitt des Wafers erreichen, so daß dem Randabschnitt des Wafers Prozeßgase zugeführt werden, in denen die Zerlegungsreaktion genügend weit fortgeschritten ist, da die Prozeßgase auf die Temperatur in der Nähe der Zerlegungstemperatur vorgewärmt worden sind.
Da somit dem Randabschnitt und dem Mittenabschnitt des Wafers W Prozeßgase mit im wesentlichen demselben Zerlegungsgrad zugeführt werden, erfolgt die Zerlegungsreaktion auf der gesamten Oberfläche des Wafers W im wesentlichen in demselben Zustand, so daß es möglich ist, die hohe Gleichmäßigkeit der Dicke des ausgebildeten Filmes innerhalb der Waferebene zu gewährleisten.
In dem Heizer 105 zum Vorwärmen der Prozeßgase ist die Heizkammer 151 mit dem Ventilationswiderstandsmaterial 152 zum Erwärmen der Prozeßgase, während sie in Kontakt mit dem Ventilationswiderstandsmaterial 152 treten gelassen werden, versehen, so daß es möglich ist, die Temperatur der Prozeßgase effizient anzuheben. D. h., die Heizkammer 151 ist mit dem Ventilationswiderstandsmaterial 152 gefüllt, so daß die Prozeßgase beim Durchströmen der Heizkammer 151 mit dem Ventilationswiderstandsmaterial 152 in Kontakt stehen. Dadurch wird die Verweildauer der Prozeßgase gesteigert, so daß die Prozeßgase durch die Kombination aus der Heizwirkung auf Basis der Konvektion der von dem Heizelement 153 erwärmten Prozeßgase selbst und der Heizwirkung auf Basis des Wärmeübergangs aus dem Ventilationswiderstandsmaterial 152 erwärmt werden.
Wenn die Heizkammer 151 mit Quarzscherben mit einer Größe von ca. ∅1 bis ca. ∅10 als Ventilationswiderstandsmaterial 152 gefüllt ist, ist die Gesamtoberfläche der Quarzscherben 152 groß, so daß für eine große Wärmeübergangsfläche gesorgt werden kann, um die Temperatur der Prozeßgase effizienter anheben zu können.
Da das Prozeßgaszufuhrrohr 103 mit der Verengung 106 zwischen dem Heizer 105 und der Reaktionsröhre 102 versehen ist, können die Prozeßgase auch dann zur Genüge auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt werden, wenn in dem Reaktionsgefäß ein Prozeß mit niedrigem Druck durchgeführt wird. D. h., in der Verengung 106 tritt ein Druckabfall auf, und daher ist der Druck stromaufwärts vor der Verengung höher als der Druck stromabwärts nach der Verengung. Somit beträgt der Druck in der stromaufwärts vor der Verengung 106 angeordneten Heizkammer 151 z. B. ca. 200 Torr bis ca. 700 Torr, selbst wenn der Druck im Reaktionsgefäß 102 auf z. B. ca. 0,1 Torr bis ca. 1 Torr reduziert wird. Andererseits beträgt der Druck in der Heizkammer 151 z. B. nur ca. 0,2 Torr bis ca. 1 Torr, wenn der Druck in dem Reaktionsgefäß 102 auf z. B. ca. 0,1 Torr bis ca. 1 Torr reduziert wird und die Verengung 106 nicht bereitgestellt ist.
Somit wird durch Bereitstellen der Verengung 106 der Grad der Druckminderung – welche die Konvektion in der Heizkammer 151 erschweren würde – reduziert. Außerdem steigen die Partialdrücke der Prozeßgase in der Heizkammer 151. Daher kann, verglichen mit einem Fall, bei dem die Verengung 106 nicht bereitgestellt ist, der Wärmeübergang durch Konvektion der Prozeßgase in der Heizkammer 105 einfach stattfinden. Somit wird, da genügend Wärme in das Innere des Heizers 105 übergeht, die Effizienz des Wärmeübergangs auf die Prozeßgase verbessert, so daß es möglich wird, die Prozeßgase in kurzer Zeit auf eine vorbestimmte Temperatur zu erwärmen und einen Niedrigtemperaturprozeß zu realisieren.
Unter Verwendung desselben Wärmebehandlungssystems wie dem in der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform wurde der Druck in der Reaktionsröhre 102 auf 0,1 bis 1 Torr eingestellt, die Prozeßtemperatur in der Reaktionsröhre 102 wurde auf 720°C eingestellt, und die Temperatur in der Heizkammer 151 wurde auf 500°C bis 900°C eingestellt. Außerdem wurden in das System N₂O-Gas und SiH₂Cl₂-Gas mit einer Durchflußrate von ca. 100 sccm bis ca. 1000 sccm bzw. 100 sccm bis ca. 300 sccm eingeleitet, um einen Abscheidungsprozeß durchzuführen. Die Gleichmäßigkeit der Dicke eines solchermaßen auf dem Wafer W ausgebildeten Siliziumoxidfilms innerhalb der Waferebene wurde mit Hilfe einer Dickenmeßvorrichtung (Ellipsometer) gemessen. Das Meßergebnis bestätigte, daß es möglich war, das N₂O-Gas durch Einleiten in die Heizkammer 151 mit der oben beschriebenen Durchflußrate zur Genüge vorzuwärmen, und daß es möglich war, die hohe Gleichmäßigkeit der Dicke des ausgebildeten Films auch bei einem Niedrigtemperaturprozeß zu realisieren.
Außerdem werden dadurch, daß die stromabwärts dem Heizer 105 nachgeordnete Seite ein Doppelrohr ist, die folgenden Wirkungen erzielt. Wenn zur Verbindung der Heizkammer 151 mit der Reaktionsröhre 102 ein als einzelnes Rohr ausgebildetes Gaszufuhrrohr benutzt wird, wird der Endabschnitt des einzelnen Rohrs als Flansch ausgebildet, und die Verbindung erfolgt über ein zwischen dem Flansch und der Reaktionsröhre 102 bereitgestelltes Abdichtelement (O-Ring) aus Gummi. Bei einer solchen Konstruktion ist die Temperatur der die Heizkammer 151 verlassenden Prozeßgase hoch, z. B. ca. 450°C bis ca. 850°C, so daß die Gaszufuhrleitung durch das Durchleiten der Prozeßgase erwärmt wird. Somit liegt die Temperatur des Flansches über der Wärmebeständigkeitstemperatur des Abdichtelements aus Gummi, die z. B. 250°C beträgt. Das Abdichtelement 134 aus Gummi wird durch die von dem Flansch ausgehende Wärme deformiert, so daß Gaslecks auftreten können.
Wenn andererseits erfindungsgemäß das Doppelrohr benutzt wird, werden die Prozeßgase durch das innere Rohr 103a geleitet, so daß sie nicht mit dem äußeren Rohr 103b in Kontakt treten. In dem äußeren Rohr 103b findet daher kein durch Kontakt mit den Prozeßgasen bedingter Wärmeübergang statt, so daß die Temperatur des äußeren Rohrs 103b nicht so weit ansteigt wie die des inneren Rohrs 103a. Wenn daher der Flansch 133, der über das Abdichtelement 134 aus Gummi mit dem Reaktionsrohr 102 verbunden wird, aus dem äußeren Rohr 103b ausgebildet ist, übersteigt die Temperatur des äußeren Rohrs nicht die Wärmebeständigkeitstemperatur des Abdichtelements 134 aus Gummi. Daher besteht keine Möglichkeit einer Deformation des Abdichtelements 134 aus Gummi durch die von dem Flansch 133 ausgehende Wärme, so daß die Zuverlässigkeit verbessert werden kann.
Wenn das Gaszufuhrrohr 103 das Doppelrohr umfaßt, ist zwischen dem inneren Rohr 103a, durch welches die Gase geleitet werden, und der Außenluft das äußere Rohr 103b angeordnet und verhindert den Kontakt zwischen dem inneren Rohr 103a und der Außenluft, so daß die Kühlwirkung der Außenluft auf das innere Rohr 103a abnimmt. Da also die Wärmeverluste beim Durchleiten der erwärmten Prozeßgase durch das innere Rohr 103a verringert werden, wird der Temperaturabfall der Prozeßgase unterdrückt, so daß der durch das Vorwärmen herbeigeführte aktivierte Zustand der Prozeßgase bis zum Einleiten in das Reaktionsrohr 102 aufrechterhalten werden kann.
Anhand von 10 und 11 wird nachstehend ein weiteres Beispiel beschrieben. Bei diesem Beispiel ist eine Gaszufuhrleitung (erstes Gaszufuhrrohr 103) mit einer Gaskammer 107 versehen, welche eine Kombination aus einer Heizkammer mit einer Verengung umfaßt, so daß die Gaszufuhrleitung blockiert wird. Die Gaskammer 107 weist drei Abteilungen 107a, 107b und 107c auf, die in Ventilationsrichtung angeordnet sind. Diese Abteilungen 107a bis 107c werden durch Trennwände 172a und 172b separiert, die Lüftungslöcher 171a und 171b aufweisen, welche als Verengungen dienen und einen kleineren Innendurchmesser aufweisen als das erste Gaszufuhrrohr 103. Die stromaufwärts angeordnete erste Abteilung 107a und die stromabwärts angeordnete dritte Abteilung 107c sind jeweils mit dem ersten Gaszufuhrrohr 103 verbunden, und zwischen der ersten Abteilung 107a und der dritten Abteilung 107c ist die zweite Abteilung 107b bereitgestellt.
Die erste Abteilung 107a ist als Heizkammer ausgebildet und mit einem Ventilationswiderstandsmaterial 173 aus z. B. perlenartigen Scherben gefüllt, und um die erste Abteilung 107a ist ein Heizelement 174 gewickelt, das als Heizteil dient, wie in 10b gezeigt ist. Das Ventilationswiderstandsmaterial 173 und das Heizelement 174 sind dieselben wie in der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform.
Bei einer solchen Konstruktion sind die erste Abteilung 107b und die dritte Abteilung 107c angrenzend an die Heizkammer 107a bereitgestellt, und die Verengungen 171a und 171b sind in den Verbindungsabschnitten dazwischen bereitgestellt. Wenn daher der Druck in der Reaktionsröhre 107a reduziert wird, nimmt aufgrund des Druckabfalls an den Verengungen der Druck in der ersten Abteilung 107a, der zweiten Abteilung 107b und der dritten Abteilung 107c (in dieser Reihenfolge) ab. Da daher in der ersten Abteilung 107a der kleinste Grad an Druckverminderung vorliegt, tritt in dieser Abteilung 107a genügend Konvektion auf und es geht zur Genüge Wärme ins Innere der Heizkammer über, so daß es möglich ist, die Effizienz der Erwärmung der Prozeßgase zu verbessern und sie zur Genüge auf eine vorbestimmte Temperatur zu erwärmen.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform können die Prozeßgase in der Heizkammer 151 durch die Konvektion der Prozeßgase erwärmt werden, ohne die Ventilationswiderstandsmaterialien 152 und 173 in die Heizkammer einzufüllen. Die Ventilationswiderstandsmaterialien 152 und 173 können außer Quarzscherben auch Schaumquarz oder poröses SiC sein.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform ist die Zerlegungstemperatur von SiH₂Cl₂, das als zweites Gas dient, niedriger als die des N₂O-Gases, und die Zerlegungsreaktion findet in der Reaktionsröhre 102 zur Genüge statt, selbst wenn kein Vorwärmen erfolgt, so daß nur das N₂O-Gas, das als erstes Prozeßgas dient, vorgewärmt wird. Jedoch kann auch das SiH₂Cl₂-Gas vorgewärmt werden.
Die vorliegende Erfindung kann nicht nur auf den CVD-Prozeß bei niedrigem Druck angewendet werden, sondern auch bei Prozessen, die bei Umgebungsdruck ablaufen und z. B. unter Verwendung von HCl-Gas (Wasserstoffchlorid) und O₂-Gas (Sauerstoff) als Prozeßgasen die folgende Reaktion bewirken: 2HCl + O₂ → H₂O + Cl₂
Das System, auf welches die vorliegende Erfindung angewendet werden kann, ist nicht auf das oben beschriebene vertikale Wärmebehandlungssystem vom Chargentyp beschränkt, sondern die Erfindung kann auch dann effektiv angewendet werden, wenn zum Abscheiden eines Dünnfilms ein Wärmebehandlungssystem für einzelne Wafer benutzt wird. Auch in diesem Fall ist es möglich, einen Prozeß mit hoher Gleichmäßigkeit durchzuführen. Die vorliegende Erfindung kann nicht nur auf das Abscheiden eines Siliziumoxidfilms angewendet werden, sondern auch auf das Abscheiden eines Polysiliziumfilms, eines auf TEOS basierenden Siliziumoxidfilms und eines Siliziumnitridfilms. Die vorliegende Erfindung kann außer auf CVD-Abscheidungsprozesse auch auf das Abscheiden eines Oxidfilms in anderen Trockenoxidations-, Naßoxidations- und HCl-Oxidationsprozessen angewendet werden.
Wie oben beschrieben wurde, wird gemäß der von der vorliegenden Anwendung bereitgestellten Erfindung das Prozeßgas in das Reaktionsgefäß zugeführt, nachdem es von dem außerhalb des Reaktionsgefäßes bereitgestellten Heizteil auf eine vorbestimmte Temperatur vorgewärmt worden ist, so daß es möglich ist, die Prozeßtemperatur abzusenken und dabei die Gleichmäßigkeit des Prozesses zu gewährleisten. In diesem Falle ist es selbst bei einem Prozeß mit niedrigem Druck möglich, den Grad der Druckminderung in dem Heizteil zu verringern und somit das Prozeßgas im Heizteil effizient zu heizen, wenn zwischen dem Heizteil und der Reaktionsröhre die Verengung bereitgestellt wird.
Die vorliegende Erfindung wurde zwar anhand der bevorzugten Ausführungsformen offenbart, um ein besseres Verständnis zu erleichtern, es versteht sich jedoch, daß die Erfindung auf verschiedene Wege ausgeführt werden kann, ohne von dem Grundsatz der Erfindung abzuweichen. Daher soll die Erfindung derart aufgefaßt werden, daß sie alle möglichen Modifikationen an den gezeigten Ausführungsformen umfaßt, die ausgeführt werden können, ohne von dem in den beigefügten Ansprüchen dargelegten Grundsatz der Erfindung abzuweichen.

Claims

Wärmebehandlungssystem, bei dem ein zu behandelndes Objekt (W) in ein Reaktionsgefäß (102) getragen wird, dessen Inneres auf eine vorbestimmte Prozeßtemperatur erwärmt wird, und ein Prozeßgas über eine Gaszufuhrleitung (103) in das Reaktionsgefäß zugeführt wird, um das Objekt (W) zu bearbeiten, wobei das Wärmebehandlungssystem folgendes umfaßt: ein Heizteil (105), welches in der Gaszufuhrleitung (103) vorgesehen ist, um das Prozeßgas auf eine vorbestimmte Temperatur zu erwärmen, bevor das Prozeßgas in das Reaktionsgefäß (102) zugeführt wird, wobei die zwischen dem Heizteil (105) und dem Reaktionsgefäß (102) angeordnete Gaszufuhrleitung (103) ein Doppelrohr umfaßt, welches ein inneres Rohr (103a) und ein äußeres Rohr (103b) umfaßt, welches außerhalb des inneren Rohrs (103a) so vorgesehen ist, daß es von dem inneren Rohr (103a) beabstandet ist, und wobei das Prozeßgas über die Gaszufuhrleitung (103) in das Heizteil (105) zugeführt wird, um auf eine vorbestimmte Temperatur vorgewärmt zu werden und über die Gaszufuhrleitung (103) in das Reaktionsgefäß (102) zugeführt zu werden, dadurch gekennzeichnet, daß das System ferner folgendes umfaßt: Evakuierungsmittel zum Verringern des Drucks in dem Reaktionsgefäß (102) auf einen vorbestimmten Vakuumsgrad, und eine Öffnung (106), welche in dem inneren Rohr (103a) der Gaszufuhrleitung (103) zwischen dem Heizteil (105) und dem Reaktionsgefäß (102) vorgesehen ist, wobei während der Druck in dem Heizteil (105) aufgrund des Druckverlustes an der Öffnung (106) höher ist als in dem Reaktionsgefäß (102) das Prozeßgas über die Gaszufuhrleitung (103) in das Heizteil (105) zugeführt wird, um das Prozeßgas auf eine vorbestimmte Temperatur vorzuwärmen und das vorgewärmte Prozeßgas in das Reaktionsgefäß (102) zuzuführen.
Wärmebehandlungssystem nach Anspruch 1, bei dem das äußere Rohr des Doppelrohrs der Gaszufuhrleitung gebogen ist, um einen Flansch zu bilden, der über ein Abdichtelement mit dem Reaktionsgefäß verbunden ist.
Wärmebehandlungssystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Heizteil (105) eine Heizkammer (151) zum Erwärmen des Prozeßgases umfaßt, und ein Heizteil (153), das so angeordnet ist, daß es die Heizkammer (151) zum Erwärmen der Heizkammer (151) umgibt.
Wärmebehandlungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Wärmebehandlungssystem ein vertikales Wärmebehandlungssystem ist, in welchem eine große Zahl von zu behandelnden Objekten (W) auf den Fächern eines Halters (123) gehalten wird, um in dem Reaktionsgefäß (102) getragen zu werden, und das Innere des Reaktionsgefäßes (102) durch Heizmittel (128), welche das Reaktionsgefäß (102) umgeben, auf eine vorbestimmte Prozeßtemperatur erwärmt wird.
Wärmebehandlungssystem nach Anspruch 3, bei dem in der Heizkammer (151) ein Ventilationswiderstandsmaterial (152) vorgesehen ist, wobei das Ventilationswiderstandsmaterial (152) mit dem Prozeßgas in Kontakt ist, um das Prozeßgas auf eine vorbestimmte Temperatur vorzuwärmen.
Wärmebehandlungssystem nach Anspruch 3, bei dem das Prozeßgas in der Heizkammer (151) auf eine Temperatur vorgewärmt wird, bei der das Prozeßgas derart aktiviert wird, daß das Prozeßgas zerlegt wird.
Wärmebehandlungssystem nach Anspruch 3, bei dem das Heizteil (105) ein Widerstandsheizelement (153) umfaßt, welches eine geringe Menge an Metallverunreinigungen aufweist und welches in eine Keramik gefüllt ist.
Wärmebehandlungssystem nach Anspruch 7, bei dem das Widerstandsheizelement (153) aus einem Kohlenstoffmaterial mit hoher Reinheit hergestellt ist.
Wärmebehandlungssystem nach Anspruch 7, bei dem die Keramik durch Quarz gebildet wird.