JP2002176051A

JP2002176051A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JP2002176051A
Application number: JP2000370855A
Authority: JP
Inventors: Naoto Nakamura; 直人中村
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2000-12-06
Filing date: 2000-12-06
Publication date: 2002-06-21

Abstract

(57)【要約】【課題】触媒を用いずに選択酸化する。【解決手段】パイロジェニック酸化装置１０の外部燃
焼装置３０の水素ガスノズル４０への水素ガス４５の流
量に比べて少ない流量の酸素ガス３９を酸素ガスノズル
３４に流して水蒸気４６を生成し、この水蒸気４６を水
素ガス４５と共にパイロジェニック酸化装置１０のプロ
セスチューブ１１の処理室１２にガス導入管１７を通じ
て供給することにより、タングステン膜が形成されたウ
エハ１のシリコンを選択酸化させる。【効果】水蒸気と水素ガスの比により、タングステン
については還元反応を、シリコンについては酸化反応を
起こさせることができるため、触媒を使用しないで、タ
ングステン膜を酸化させずにシリコンだけを選択酸化さ
せることができ、タングステン膜が形成されたウエハの
選択酸化工程のコストを低減できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に関し、特に、酸化膜形成技術に係り、例えば、タ
ングステン（Ｗ）を酸化させずにシリコン（Ｓｉ）を酸
化させる選択酸化工程に利用して有効な技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体装置の製造方法において、半導体
素子を含む半導体集積回路が作り込まれる半導体ウエハ
（以下、ウエハという。）に形成されたタングステンを
酸化させずにウエハのシリコン（サブストレート）また
はウエハ（サブストレート）の上に形成されたシリコン
を酸化させる選択酸化工程（方法）が実施されることが
ある。この選択酸化方法に使用される選択酸化装置とし
て、触媒（例えば、白金や白金・ルテニウムを主成分と
する触媒）を用いて水素（Ｈ₂ ）と酸素（Ｏ₂ ）とを化
学反応させて水蒸気（Ｈ₂ Ｏ）を生成し、この水蒸気を
ウエハに接触させて選択酸化するものがある。この触媒
を用いた選択酸化装置によれば、燃焼熱の影響を抑制す
ることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、触媒を使用し
た選択酸化装置においては、触媒の価格が高価であるた
め、半導体装置の製造方法のコストが増加するという問
題点がある。

【０００４】本発明の目的は、触媒を用いずに選択酸化
することができる半導体装置の製造方法を提供すること
にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体装置
の製造方法は、表面の一部に金属膜が形成された基板に
水蒸気を含むガスを接触させて基板の表面を酸化する半
導体装置の製造方法において、前記水蒸気は水素ガス雰
囲気の中に酸素ガスを、水素ガスに対する酸素ガスの流
量が前記水蒸気を生成するのに必要な水素ガスに対する
酸素ガスの流量比よりも小さくなるように流して燃焼さ
せて生成されることを特徴とする。

【０００６】前記した手段によれば、水素ガスの流量に
比べて少ない流量の酸素ガスを流して水蒸気を生成し表
面の一部に金属膜が形成された基板を酸化することによ
り、金属膜を酸化させずに基板を酸化させることができ
るため、触媒を使用した選択酸化方法に比べてコストを
大幅に低減することができる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を図
面に即して説明する。

【０００８】本実施の形態において、本発明に係る半導
体装置の製造方法は、表面の一部に金属膜としてのタン
グステン膜が形成された基板としてのウエハにタングス
テン膜を酸化させずにウエハのシリコン（サブストレー
ト）またはウエハ（サブストレート）の上に形成された
シリコンを酸化させる選択酸化工程を備えており、この
選択酸化工程は図１に示されているパイロジェニック
（ｐｙｒｏｇｅｎｉｃ）酸化装置が使用されて実施され
る。

【０００９】図１に示されているパイロジェニック酸化
装置１０はバッチ式縦形ホットウォール形熱処理装置と
して構成されており、石英ガラスが使用されて上下両端
が開口した円筒形状に一体成形されたプロセスチューブ
１１を備えている。プロセスチューブ１１は中心線が垂
直になるように縦に配されて筐体（図示せず）に支持さ
れている。プロセスチューブ１１の筒中空部は処理室１
２を形成しており、処理室１２は複数枚のウエハ１を同
心的に整列させた状態で保持したボート２１が搬入され
るようになっている。プロセスチューブ１１の下端開口
はウエハ１群を保持したボート２１を搬入搬出するため
の炉口１３を構成している。プロセスチューブ１１の側
壁の下部には排気管１４が処理室１２に連通するように
接続されており、排気管１４の他端には水素（Ｈ₂ ）ガ
スを燃焼させるための燃焼装置（図示せず）が接続され
ている。

【００１０】プロセスチューブ１１の上端開口には分散
板１５が載置されて被せられており、分散板１５には複
数個の流通孔１６がガスを処理室１２の全体に分散させ
るように配置されて厚さ方向に開設されている。プロセ
スチューブ１１の外側にはガス導入管１７が敷設されて
おり、ガス導入管１７はプロセスチューブ１１の一部に
沿って上下方向に延在した状態になっているとともに、
分散板１５の上方を被覆した状態になっている。ガス導
入管１７の下端部には水素と酸素とから生成された水蒸
気（Ｈ₂ Ｏ）を含むガスを供給するためのガス供給装置
としての外部燃焼装置３０が接続されている。

【００１１】プロセスチューブ１１の外部にはヒータユ
ニット１８がプロセスチューブ１１を包囲するように同
心円に設備されており、ヒータユニット１８は筐体に支
持されることにより垂直に据え付けられた状態になって
いる。ヒータユニット１８は処理室１２内を全体にわた
って均一または所定の温度分布に加熱するように構成さ
れている。

【００１２】プロセスチューブ１１の真下にはプロセス
チューブ１１の外径と略等しい円盤形状に形成されたキ
ャップ１９が同心的に配置されており、キャップ１９は
送りねじ機構によって構成されたエレベータ（一部のみ
が図示されている。）２０によって垂直方向に昇降され
るようになっている。キャップ１９はエレベータ２０に
よって上昇された状態において、プロセスチューブ１１
の下端面にシールリング１９ａを挟んで密着することに
より、処理室１２を気密シールするようになっている。
キャップ１９の中心線上にはボート２１が垂直に立脚さ
れて支持されている。

【００１３】ボート２１は上下で一対の端板２２、２３
と、両端板２２、２３間に架設されて垂直に配設された
複数本（本実施の形態では三本）の保持部材２４とを備
えており、各保持部材２４に長手方向に等間隔に配され
て互いに同一平面内において開口するようにそれぞれ刻
設された複数条の保持溝２５間にウエハ１が挿入される
ことにより、複数枚のウエハ１を水平にかつ互いに中心
を揃えた状態に整列させて保持するように構成されてい
る。なお、１バッチのウエハの処理枚数は、１００〜１
５０枚程度である。

【００１４】ボート２１の下側端板２３の下には断熱キ
ャップ部２６が形成されており、断熱キャップ部２６の
下面には断熱キャップ部２６の外径よりも若干だけ大径
の円板形状に形成されたベース２７が水平に設けられて
いる。ボート２１はベース２７がキャップ１９の上面に
当接されて着脱自在に固定されることによって、キャッ
プ１９の上に据え付けられている。

【００１５】外部燃焼装置３０は石英ガラスによって形
成された燃焼チューブ３１を備えており、燃焼チューブ
３１の中空部によって燃焼室３２が形成されている。燃
焼チューブ３１のプロセスチューブ１１側には送出管３
３の一端が燃焼室３２に連通するように接続されてお
り、送出管３３の他端はプロセスチューブ１１のガス導
入管１７に接続されている。燃焼チューブ３１の送出管
３３と反対側にはいずれも石英ガラスによって形成され
た酸素ガスノズル３４および水素ガスノズル４０が互い
に近接して設けられている。酸素ガスノズル３４には酸
素ガス供給路３５が接続されており、酸素ガス供給路３
５はマスフローコントローラ３６およびコック３７を介
して酸素ガス供給源３８に接続されている。水素ガスノ
ズル４０には水素ガス供給路４１が接続されており、水
素ガス供給路４１はマスフローコントローラ４２および
コック４３を介して水素ガス供給源４４に接続されてい
る。燃焼チューブ３１の外側には容器５１によって被覆
されたヒータ５２が設置されており、ヒータ５２は燃焼
室３２の内部を加熱するようになっている。

【００１６】外部燃焼装置３０のマスフローコントロー
ラ３６、４２、コック３７、４３およびヒータ５２は、
コンピュータによって構築されたコントローラによって
パイロジェニック酸化装置１０のヒータユニット１８等
と共に制御されるようになっている。

【００１７】次に、前記構成に係るパイロジェニック酸
化装置１０による選択酸化工程を説明する。

【００１８】シリコンの一部にタングステン膜（いずれ
も図示せず）が形成された選択酸化すべきウエハ１が、
キャップ１９に支持されたボート２１へウエハ移載装置
（図示せず）によってチャージング（移載）されると、
図１に示されているように、ボート２１はエレベータ２
０によって上昇されて、プロセスチューブ１１の処理室
１２にローディング（搬入）される。ボート２１が予め
設定された上限に達すると、キャップ１９の上面の外周
辺部がプロセスチューブ１１の下面にシールリング１９
ａを挟んで着座した状態になってプロセスチューブ１１
の下端開口をシール状態に閉塞するため、処理室１２は
気密に閉じられた状態になる。

【００１９】処理室１２の温度が予め設定された選択酸
化の処理温度である７５０℃にヒータユニット１８によ
って上昇されると、外部燃焼装置３０において酸素ガス
３９が酸素ガスノズル３４へ１ＳＬＭ（スタンダード・
リットル毎分）供給され、水素ガス４５が水素ガスノズ
ル４０へ１０ＳＬＭ供給される。燃焼室３２の温度が水
素ガス４５の燃焼温度以上にヒータ５２によって加熱さ
れると、酸素ガスノズル３４から吹き出される酸素ガス
３９と水素ガスノズル４０から吹き出される水素ガス４
５とが燃焼反応するため、水蒸気（Ｈ₂ Ｏ）４６が生成
される。この際、酸素ガス３９の流量は水素ガス４５の
流量に比べて「１／１０」に設定されているため、水蒸
気の生成量は酸素ガス３９の流量に依存することにな
り、水蒸気と水素ガスとの比〔Ｈ₂ Ｏ／Ｈ₂ 〕は略「１
／１０」（やや大きめ）になる。

【００２０】燃焼室３２で生成された水蒸気４６は水素
ガス４５と共に処理ガスすなわち酸化ガスとして送出管
３３からガス導入管１７へ送り出され、ガス導入管１７
によってプロセスチューブ１１の処理室１２へ導入さ
れ、分散板１５によって全体にわたって均等に分散され
る。酸化種である水蒸気４６を含む酸化ガスの導入時間
すなわち酸化ステップの処理時間は３０分〜１２０分で
ある。また、処理室１２の圧力は常圧（大気圧）であ
る。

【００２１】酸化種である水蒸気４６を含む水素ガス４
５が処理室１２で分散されてウエハ１に接触すると、ウ
エハ１のシリコンは、Ｓｉ＋２Ｈ₂ Ｏ→ＳｉＯ₂ ＋２Ｈ
₂ 、の反応により酸化される。しかし、処理室１２に導
入される水蒸気と水素ガスとの比〔Ｈ₂ Ｏ／Ｈ₂ 〕が略
「１／１０」に設定され、かつ、処理室１２の温度が７
５０℃に設定されていると、図２によって次に説明する
ように、タングステンは酸化されずに還元される。

【００２２】すなわち、図２はシリコンおよびタングス
テンの還元と酸化との関係を示すグラフであって、縦軸
には水蒸気と水素ガスとの比〔Ｈ₂ Ｏ／Ｈ₂ 〕が取ら
れ、横軸には温度が取られている。図２において、Ａの
領域においてはタングステンの酸化反応〔Ｗ＋３Ｈ₂ Ｏ
→ＷＯ₃ ＋３Ｈ₂ 〕が起こり、Ｂの領域においてはタン
グステンの還元反応〔Ｗ＋３Ｈ₂ Ｏ←ＷＯ₃ ＋３Ｈ₂ 〕
と、シリコンの酸化反応〔Ｓｉ＋２Ｈ₂ Ｏ→ＳｉＯ₂ ＋
２Ｈ₂ 〕とが起こり、Ｃの領域においてはシリコンの還
元反応〔Ｓｉ＋２Ｈ₂ Ｏ←ＳｉＯ₂ ＋２Ｈ₂ 〕が起こっ
ている。

【００２３】図２によれば、水蒸気と水素ガスとの比
〔Ｈ₂ Ｏ／Ｈ₂ 〕が「１＝１０⁰ 」の場合において、処
理温度を７５０℃とすると、タングステンの酸化反応が
ぎりぎりに起こり、７５０℃よりも低い温度とすると、
タングステンが確実に酸化してしまい、７５０℃よりも
高い温度とすると、タングステンについては還元反応だ
けが起こり、シリコンについては酸化反応だけが起こる
ことが理解される。また、水蒸気と水素ガスとの比〔Ｈ
₂ Ｏ／Ｈ₂ 〕が「１／１０＝１０^-1」の場合であって、
かつ、処理温度が７５０℃である場合においては、タン
グステンについては還元反応だけが起こり、シリコンに
ついては酸化反応だけが起こることが理解される。

【００２４】なお、水蒸気と水素ガスとの比〔Ｈ₂ Ｏ／
Ｈ₂ 〕が「１／１０」の場合においては、処理温度を３
００℃以上に設定すれば、タングステンを酸化させずに
シリコンだけを酸化させることができる。他方、処理温
度を約７５０℃以上に設定した場合には、水蒸気と水素
ガスとの比〔Ｈ₂ Ｏ／Ｈ₂ 〕を「１」よりも小さく設定
することにより、タングステン膜を酸化させずにシリコ
ンだけを酸化させることができる。

【００２５】ここで、図３は、水蒸気が酸化ガス（水蒸
気＋水素ガス）に占める割合の百分率〔Ｈ₂ Ｏ／（Ｈ₂
Ｏ＋Ｈ₂ ）×１００。以下、水蒸気率という。〕毎の酸
化膜厚さと酸化時間の特性を示すグラフであり、縦軸は
酸化膜厚さ（ｎｍ）を、横軸は酸化時間（分）を示して
いる。図３において、直線ａは水蒸気率が「１５％」、
直線ｂは水蒸気率が「１０％」、直線ｃは水蒸気率が
「５％」、直線ｄは水蒸気率が「１％」の場合である。
なお、処理温度はいずれも７５０℃である。

【００２６】図３によれば、酸化膜の厚さの増加は処理
時間に比例することが理解される。また、水蒸気率が大
きい程、酸化膜は短い処理時間で増加することが理解さ
れる。処理温度が７５０℃であると、水蒸気率が「１０
％」すなわち水蒸気と水素ガスとの比〔Ｈ₂ Ｏ／Ｈ₂ 〕
が略「１／１０」の場合には、酸化膜の厚さは約１００
分で５ｎｍになることが理解される。

【００２７】図４は水素ガスおよび酸素ガスの供給シー
ケンスを示すグラフであり、縦軸は供給流量（ＳＬＭ）
を、横軸は時間をそれぞれ示している。図４において、
（ａ）は外部燃焼装置へ１０ＳＬＭの酸素ガスが流され
ている状態で、１０ＳＬＭの水素ガスが流される場合を
示し、（ｂ）は１０ＳＬＭの水素ガスが流されている状
態で、１ＳＬＭの酸素ガスが流される場合を示してお
り、（ｂ）が本実施の形態の場合に相当する。すなわ
ち、（ｂ）の場合は水素雰囲気中に少量の酸素ガスが供
給される場合を示している。

【００２８】以上の酸化ステップの時間が経過すると、
ボート２１を保持したキャップ１９がエレベータ２０に
よって下降されることにより、ボート２１がプロセスチ
ューブ１１の処理室１２からアンローディング（搬出）
される。その後、酸化膜を形成されたウエハ１はボート
２１からウエハ移載装置（図示せず）によってディスチ
ャージングされる。

【００２９】以降、前述したステップが繰り返されて複
数枚のウエハ１がパイロジェニック酸化装置１０によっ
てバッチ処理されて行く。

【００３０】前記実施の形態によれば、次の効果が得ら
れる。

【００３１】1) 処理温度を７５０℃に設定し水蒸気と
水素ガスとの比を略「１／１０」に設定してウエハを酸
化することにより、タングステン膜を酸化させずにシリ
コンだけを選択酸化させることができる

【００３２】2) 前記1)により、タングステン膜が形成
されたウエハのシリコンの選択酸化工程において触媒を
使用しないで済むため、タングステン膜を形成されたウ
エハの選択酸化工程のランニングコストひいては半導体
装置の製造方法全体のランニングコストを低減すること
ができる。

【００３３】3) 外部燃焼装置への酸素ガスの流量と水
素ガスの流量との比を「１／１０」に設定することによ
り、水蒸気と水素との比を略「１／１０」に容易に設定
することができるとともに、既存の外部燃焼装置をその
まま使用することができるため、タングステン膜が形成
されたウエハの選択酸化工程のイニシャルコストおよび
ランニングコストひいては半導体装置の製造方法全体の
イニシャルコストおよびランニングコストをより低減す
ることができる。

【００３４】4) 酸化種を水素燃焼法（パイロジェニッ
ク法）によって生成することにより、プロセスチューブ
の処理室への導入水蒸気量を精密に制御することができ
るため、安定した酸化速度を得ることができ、酸化膜を
再現性良く成長させることができる。

【００３５】5) 酸化種として水蒸気を使用することに
より、速い酸化膜成長速度を得ることができるため、厚
い酸化膜を形成することができる。

【００３６】なお、本発明は前記実施の形態に限定され
るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々に変
更が可能であることはいうまでもない。

【００３７】例えば、外部燃焼装置は図５に示されてい
るものを使用してもよい。図５に示された外部燃焼装置
が前記実施の形態と異なる点は、点火装置５３が設置さ
れている点である。すなわち、点火装置５３は赤外線ラ
ンプ５４と、赤外線ランプ５４の外側に設置された凹面
鏡５５と、シリコンチップからなる点火片５６とを備え
ており、赤外線ランプ５４の赤外線を凹面鏡５５によっ
て点火片５６に集光することにより、水素ガスを点火さ
せるように構成されている。

【００３８】また、前述したように、処理温度は７５０
℃に設定するに限らないし、水蒸気と水素ガスとの比も
略「１／１０」に設定するに限らない。さらに、外部燃
焼装置への酸素ガスの流量と水素ガスの流量との比も
「１／１０」に設定するに限らず、水蒸気と水素との比
に対応して設定することができる。

【００３９】前記実施の形態ではタングステン膜を形成
したウエハの選択酸化工程について説明したが、チタン
膜等の他の金属膜を形成したウエハの選択酸化工程さら
に他の酸化膜形成工程に使用することができる。

【００４０】また、前記実施の形態ではバッチ式縦形ホ
ットウォール形熱処理装置を使用した場合について説明
したが、本発明はこれに限らず、バッチ式横形ホットウ
ォール形熱処理装置等の熱処理装置を使用した半導体装
置の製造方法全般に適用することができる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
触媒を用いずに選択酸化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態である半導体装置の製造
方法の選択酸化工程を示す正面断面図である。

【図２】シリコンおよびタングステンの還元と酸化との
関係を示すグラフである。

【図３】水蒸気率毎の酸化膜厚さと酸化時間の特性を示
すグラフである。

【図４】水素ガスおよび酸素ガスの供給シーケンスを示
すグラフであり、（ａ）は比較例を示し、（ｂ）は本実
施の形態の場合を示している。

【図５】外部燃焼装置の他の実施の形態を示す正面断面
図である。

【符号の説明】

１…ウエハ（基板）、１０…パイロジェニック酸化装置
（バッチ式縦形ホットウォール形熱処理装置）、１１…
プロセスチューブ、１２…処理室、１３…炉口、１４…
排気管、１５…分散板、１６…流通孔、１７…ガス導入
管、１８…ヒータユニット、１９…キャップ、１９ａ…
シールリング、２０…エレベータ、２１…ボート、２２
…上側端板、２３…下側端板、２４…保持部材、２５…
保持溝、２６…断熱キャップ部、２７…ベース、３０…
外部燃焼装置（ガス供給装置）、３１…燃焼チューブ、
３２…燃焼室、３３…送出管、３４…酸素ガスノズル、
３５…酸素ガス供給路、３６…マスフローコントロー
ラ、３７…コック、３８…酸素ガス供給源、３９…酸素
ガス、４０…水素ガスノズル、４１…水素ガス供給路、
４２…マスフローコントローラ、４３…コック、４４…
水素ガス供給源、４５…水素ガス、４６…水蒸気、５１
…容器、５２…ヒータ、５３…点火装置、５４…赤外線
ランプ、５５…凹面鏡、５６…点火片。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】表面の一部に金属膜が形成された基板に
水蒸気を含むガスを接触させて基板の表面を酸化する半
導体装置の製造方法において、前記水蒸気は水素ガス雰
囲気の中に酸素ガスを、水素ガスに対する酸素ガスの流
量が前記水蒸気を生成するのに必要な水素ガスに対する
酸素ガスの流量比よりも小さくなるように流して燃焼さ
せて生成されることを特徴とする半導体装置の製造方
法。