JP2005135959A

JP2005135959A - 酸化処理装置

Info

Publication number: JP2005135959A
Application number: JP2003367157A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Sonoyama; 裕一園山
Original assignee: Renesas Semiconductor Manufacturing Co Ltd; Kansai Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: Renesas Semiconductor Manufacturing Co Ltd; Kansai Nippon Electric Co Ltd
Priority date: 2003-10-28
Filing date: 2003-10-28
Publication date: 2005-05-26

Abstract

【課題】水素ガスが正常に流れない等の異常が発生した場合、危険な水素ガスを使用することなく流量低下の原因調査及び流量校正ができ、作業の安全性を高めた酸処理装置を提供する。
【解決手段】本発明の酸化処理装置１におけるガス供給装置３は、それぞれ酸素供給管１５及び水素供給管１６から酸素ガス及び水素ガスを導入して燃焼させ、水蒸気を生成する水蒸気生成器１７と、水蒸気生成器１７から出てプロセスガス導入管９に接続する水蒸気管１８に連結して窒素ガスを水蒸気に混合させる窒素供給管１９とを備えている。また、各供給管１５、１６、１９には、酸素、水素及び窒素ガスの各流量を調整するＭＦＣ２０ａ〜２０ｃと、流路を開閉するための開閉弁２１ａ〜２１ｆが設けられている。さらに、水素供給管１６のＭＦＣ２０ｂのＩＮ側に、窒素供給管１９と連結するバイパス管２２と逆止弁２３が設けられ、バイパス管２２と接続する水素供給管１６と窒素供給管１９には、各々開閉弁２４ａ、２４ｂが設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウェーハ（以下、ウェーハと言う）上に酸化絶縁膜を成膜する酸化処理装置に関し、特に、ガス流量に不具合が生じた場合に配管検査を安全に行なうことができる酸化処理装置に関する。

半導体デバイスの製造プロセスにおいて、ウェーハの表面に酸化膜を形成する工程がある。この酸化膜を形成する方法として、高純度の酸素ガスを用いるドライ酸化法と水蒸気を用いるウェット酸化法がある。さらに、ウェット酸化法には、温水バブラーに通した酸素ガスを酸化種とする加湿酸化、高純度純水を１００℃以上に加熱した高温水蒸気を酸化種とする水蒸気酸化、純粋な水素ガスを酸素ガスで燃焼させて水蒸気を酸化種とするパイロジェニック酸化などの方式がある。このウェット酸化法はドライ酸化法に比べ成膜速度が数倍速く、電気的信頼性の高い酸化膜を形成できるという利点があり、例えば、特開２００２−１７６０４８号公報に開示されている。

図４は、従来の酸化処理装置の概略構成を示す図である。図４に示すように、従来の酸化処理装置４１は、酸化炉本体４２と酸化炉本体４２にプロセスガスを供給するガス供給装置４３とを備えている。

酸化炉本体４２は、下部に開閉自在な炉入口４４を有し、天井に楕円形状壁を有する炉外筒体４５と、炉外筒体４５の内側に離隔してほぼ相似形に設けられた炉内筒体４６と、炉外筒体４５の外側を取り巻く筒状のヒータ４７とを備えている。また、酸化炉本体４２は、炉内筒体４６に沿って上方に延在し、その先端にプロセスガスを炉内筒体４６内に分散放出するガスインジェクタ４８を有するプロセスガス導入管４９を備え、炉内筒体４６内にプロセスガスを供給する。ガスインジェクタ４８は、炉内筒体４６の天井壁のほぼ中央に配置され、排ガスは排出口５０から排出される。さらに、酸化炉本体４２は、複数枚のウェーハＷを水平に収容して、炉入口４４から炉内筒体４６内に搬入し、保持し、搬出する縦型ボート５１を備えている。また、炉外筒体４５と炉内筒体４６との間の環状間隙５２には、パージ用の窒素ガスがガス入口５３から流入し、ガス出口５４から流出する。

一方、ガス供給装置４３は、それぞれ酸素供給管５５及び水素供給管５６から酸素ガス及び水素ガスを導入して燃焼させ、水蒸気を生成する水蒸気生成器５７と、水蒸気生成器５７から出てプロセスガス導入管４９に接続する水蒸気管５８に連結して窒素ガスを水蒸気に混合させる窒素供給管５９とを備えている。また、各供給管５５、５６、５９には、酸素、水素及び窒素ガスの各流量を調整するＭＦＣ（マスフローコントローラ）６０ａ〜６０ｃと、流路を開閉するための開閉弁６１ａ〜６１ｆが設けられている。

次に、上記のように構成された従来の熱処理装置４１の動作を説明する。先ず、窒素ガスをガス入口５３から入れてガス出口５４から流出させ、炉内筒体４６と炉外筒体４５との間の環状間隙５２を窒素ガスでパージする。そして、縦型ボート５１にウェーハＷを搭載して、炉入口４４から炉内筒体４６に搬入し、所定の位置に保持する。

次に、開閉弁６１ａ〜６１ｆを開にした後、ＭＦＣ６０ａ〜６０ｃにより流量を調節し、それぞれ酸素供給管５５及び水素供給管５６から酸素ガス及び水素ガスを水蒸気生成器５７に導入し、燃焼させて水蒸気を生成させ、水蒸気管５８から水蒸気を流出させつつ、窒素供給管５９から窒素ガスを水蒸気に合流させ、プロセスガスとしてプロセスガス導入管４９を介して炉内筒体４６の上部のガスインジェクタ４８から炉内筒体４６内部に放出し、排出口５０から排出する。

この状態で、ヒータ４７により炉内筒体４６を加熱し、縦型ボート５１を回転させることにより、ウェーハＷ上に熱酸化膜を形成することができる。このとき、窒素供給管５９に加熱手段を設けて窒素ガスを加熱するようにすれば、ウェーハ面内の温度分布が均一になり、より膜厚の面内均一性が良好になる。
特開２００２−１７６０４８号公報（第２，３頁、０００２段落〜０００８段落、図３）

しかしながら、上述した熱処理装置４１には、以下のような問題があった。水素ガスと酸素ガスを水蒸気生成器５７内で燃焼させて水蒸気を生成し、ウェーハＷ上に熱酸化膜を形成しているが、水素供給管５６の配管漏れや水素供給管５６に接続されたＭＦＣ６０ｂの制御不良等により水素ガスが正常に流れなくなると、水蒸気生成器５７に供給される水素ガスの濃度が低下し、水素ガスを安定に燃焼させることが困難になる。その結果、水蒸気の生成量が減少して熱酸化膜の膜厚が低下し、製品の絶縁耐圧が損なわれ、歩留りが大きく低下することになる。

これを防止するために、従来の酸化処理装置４１は、水素ガスが正常に流れない等の異常が発生した場合、作業者が装置が停止した後に直接水素ガスを使用して水素供給管５６やＭＦＣ６０ｂの点検を行ない、流量低下の原因調査と問題箇所の修復を行なう。その後、酸化炉本体４２と水蒸気管５８の接続部を外して、水蒸気管５８に校正用の流量測定器（図示せず）を取付け、ＭＦＣ６０ｂの設定流量値と実際の流量値の関係を調べることにより流量の校正を行なう。このとき、流量測定器のＯＵＴ側はスクラバーに接続され、水素ガスが処理される。校正終了後は、水蒸気管５８から流量測定器を取外して酸化炉本体４２に接続し、ウェーハＷへの酸化処理を継続する。

このように、従来の酸化処理装置４１は、直接水素ガスを使用して問題箇所の修復や流量校正を行なっていたので、水素ガスが外部に漏れると周囲の着火源により爆発する危険性があり、作業の安全性に大きな問題があった。特に、校正用の流量測定器を取付け、取外しする際は、大量の水素ガスが大気中に漏れることになり、より爆発の危険性が大きくなる。

本発明は、上記問題点を解決するために考えられたもので、水素ガスが正常に流れない等の異常が発生した場合、危険な水素ガスを使用することなく流量低下の原因調査及び流量校正ができ、作業の安全性を高めた酸処理装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１記載の酸化処理装置は、半導体ウェーハを収容する酸化炉本体と、酸素供給管及び水素供給管から酸素ガス及び水素ガスを導入し燃焼させて水蒸気を生成する水蒸気生成器と、水蒸気生成器から出てプロセスガス導入管に接続する水蒸気管と、前記水蒸気管に連結して不活性ガスを水蒸気に混合させる不活性ガス供給管を備えた酸化処理装であって、前記水素供給管に前記不活性ガス供給管と連結するバイパス管が接続され、さらに前記バイパス管に前記水素供給管からの水素ガスの逆流を防止する逆止弁を備えたことを特徴とする。この構成によれば、水素ガスの流量低下が発生した場合、危険な水素ガスの代わりに不活性ガスを使用して確認することができる。

また、請求項２記載の酸化処理装置は、請求項１記載の酸化処理装置であって、前記水素供給管に水素ガスの流量を監視する流量センサと、前記流量センサの出力信号を所定の値と比較し、その結果に基づいて開閉弁の開閉操作を行なう制御部を備えたことを特徴とする。この構成によれば、水素ガスの流量を常時監視し、流量低下が発生した場合は開閉弁の開閉操作を自動的に行なうことができる。

また、請求項３記載の酸化処理装置は、請求項１又は２記載の酸化処理装置であって、前記酸化炉本体の排出口に水素ガスを検出する水素ガスセンサを備えたことを特徴とする。この構成によれば、水素供給管内の水素ガスを窒素ガスで置換する際に、完全に置換されたかどうかを確認することができる。

また、請求項４記載の酸化処理装置は、請求項１〜３記載の酸化処理装置であって、前記不活性ガスが、窒素、アルゴン、ヘリウムガス又はこれらの混合ガスからなることを特徴とする。この構成によれば、安全性が高く、酸化膜形成に影響を与えないガスを使用することができる。

以上説明したように、本発明の酸化処理装置によれば、ガス供給装置の水素供給管にバイパス管を接続し、この窒素バイパス管に逆止弁を設けるようにしたので、水素ガスの流量低下が発生した場合に、危険な水素ガスの代わりに安全な不活性ガスを使用して原因調査及び流量校正を行なうことができ、作業者の安全を確保できる。

また、ガス供給装置の水素供給管に流量センサと制御部を設けるようにしたので、水素ガスの流量を常時監視し、流量低下が発生した場合は開閉弁の開閉操作を自動的に行なうことができ、作業性や安全性を向上できる。

また、酸化炉本体の排出口に水素ガスセンサを設けるようにしたので、不活性ガス置換確認後に作業を進めることができ、より安全性を向上できる。さらに酸化炉本体に安定して水蒸気を供給することもでき、高品質の熱酸化膜を形成できる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は本発明の第１実施例の酸化処理装置の概略構成を示す図である。

図１に示すように、本実施例の酸化処理装置１は、酸化炉本体２と酸化炉本体２にプロセスガスを供給するガス供給装置３とを備えている。

酸化炉本体２は、下部に開閉自在な炉入口４を有し、天井に楕円形状壁を有する炉外筒体５と、炉外筒体５の内側に離隔してほぼ相似形に設けられた炉内筒体６と、炉外筒体５の外側を取り巻く筒状のヒータ７とを備えている。また、酸化炉本体２は、炉内筒体６に沿って上方に延在し、その先端にプロセスガスを炉内筒体６内に分散放出するガスインジェクタ８を有するプロセスガス導入管９を備え、炉内筒体６内にプロセスガスを供給する。ガスインジェクタ８は、炉内筒体６の天井壁のほぼ中央に配置され、排ガスは排出口１０から排出される。さらに、酸化炉本体２は、複数枚のウェーハＷを水平に収容して、炉入口４から炉内筒体６内に搬入し、保持し、搬出する縦型ボート１１を備えている。また、炉外筒体５と炉内筒体６との間の環状間隙１２には、パージ用の窒素ガスがガス入口１３から流入し、ガス出口１４から流出する。

一方、ガス供給装置３は、それぞれ酸素供給管１５及び水素供給管１６から酸素ガス及び水素ガスを導入して燃焼させ、水蒸気を生成する水蒸気生成器１７と、水蒸気生成器１７から出てプロセスガス導入管９に接続する水蒸気管１８に連結して窒素ガスを水蒸気に混合させる窒素供給管１９とを備えている。また、各供給管１５、１６、１９には、酸素、水素及び窒素ガスの各流量を調整するＭＦＣ２０ａ〜２０ｃと、流路を開閉するための開閉弁２１ａ〜２１ｆが設けられている。

さらに、本実施例の酸化処理装置１では、水素供給管１６のＭＦＣ２０ｂのＩＮ側に、窒素供給管１９と連結するバイパス管２２と逆止弁２３が設けられている。さらに、バイパス管２２と接続する水素供給管１６と窒素供給管１９には、各々開閉弁２４ａ、２４ｂが設けられている。

次に、上記のように構成された本実施例の熱処理装置１の動作を説明する。先ず、窒素ガスをガス入口１３から入れてガス出口１４から流出させ、炉内筒体１６と炉外筒体１５との間の環状間隙１２を窒素ガスでパージする。そして、縦型ボート１１にウェーハＷを搭載して、炉入口４から炉内筒体６に搬入し、所定の位置に保持する。

次に、開閉弁２１ａ〜２１ｆを開にした後、ＭＦＣ２０ａ〜２０ｃにより流量を調節し、それぞれ酸素供給管１５及び水素供給管１６から酸素ガス及び水素ガスを水蒸気生成器１７に導入し、燃焼させて水蒸気を生成させ、水蒸気管１８から水蒸気を流出させつつ、窒素供給管１９から窒素ガスを水蒸気に合流させ、プロセスガスとしてプロセスガス導入管９を介して炉内筒体６の上部のガスインジェクタ８から炉内筒体６内部に放出し、排出口１０から排出する。この状態で、ヒータ７により炉内筒体６を７００〜１２００℃、好ましくは８００〜１０００℃に加熱し、縦型ボート１１を回転させることにより、ウェーハＷ上に熱酸化膜を成膜する。

このとき、水素供給管１６の配管漏れや水素供給管１６に接続されたＭＦＣ２０ｂの制御不良等により水素ガスが正常に流れなくなると、水蒸気の生成量が減少して熱酸化膜の膜厚が低下する。その結果、製品の絶縁耐圧が損なわれ、歩留りが大きく低下する。これを防止するため、本実施例の酸化処理装置１では、ウェーハＷに酸化処理を行なう際には、開閉弁２４ａ、２４ｂを閉じ、さらにバイパス管２２を外しておく。そして、水素ガスの流量異常が発見された場合、開閉弁２１ｃを閉じて水素ガスの供給を停止した後、バイパス管２２を水素供給管１６と窒素供給管１９に接続した後、開閉弁２４ｂ、２４ａを順次開き、水素供給管１６内の水素ガスを窒素ガスで置換する。このとき、バイパス管２２には逆止弁２３が設けてあるので、残存する水素ガスが窒素供給管１９側に流れ込むことはない。そして、窒素ガスを使用して水素供給管１６やＭＦＣ２０ｂの点検を行ない、流量低下の原因調査と問題箇所の修復を行なう。その後、酸化炉本体２と水蒸気管１８の接続部を外して、水蒸気管１８に校正用の流量測定器（図示せず）を取付け、ＭＦＣ２０ｂの設定流量値と実際の流量値の関係を調べることにより流量の校正を行なう。校正終了後は、水蒸気管１８から流量測定器を取外して酸化炉本体２に接続する。次に、開閉弁２４ａ、２４ｂを閉じて窒素バイパス管２２を取外し、さらに開閉弁２１ｃを開け水素供給管１６内を水素ガスで加圧し、開閉弁２４ａ、２４ｂでガス漏洩がないことを確認した後、ウェーハＷへの酸化処理を継続する。

このように、本実施例の酸化処理装置１では、従来水蒸気の希釈に使用していた窒素ガスを、水素ガス流量低下の原因調査及び流量校正にも使用できるようにしたので、水素ガスが外部に漏れて爆発する危険性がなくなり、作業の安全性が大幅に改善される。さらに、バイパス管２２は常時接続しないため、ウェーハＷの酸化処理中に作業者が誤って開閉弁２４ａ、２４ｂを操作し、水素供給管１６に窒素ガスを混入させるおそれもない。また、現状の配管系統がそのまま使用できるので、コスト的にも有利である。

次に、他の好ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。図２は本発明の第２実施例の酸化処理装置の概略構成を示す図である。なお、図２において、上述した第１実施例と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施例の酸化処理装置３１において、上述した第１実施例と相違するところは、水素ガスの流量低下を迅速に発見して対処するために、ガス供給装置３２における水素供給管１６に水素ガスの流量を監視する流量センサ３３と、流量センサの出力信号を所定の値と比較し、その結果に基づいて開閉弁の開閉操作を行なう制御部３４と、制御部３４の出力信号により警報を発する警報部３５を設けたことである。

次に、本実施例の酸化処理装置３１の動作を説明する。水蒸気生成器１７に供給される水素ガスの流量は、絶えず流量センサ３３で監視され、電気信号に変換されて制御部３４へ出力される。制御部３４ではこの出力信号を設定の値と比較し、所定の値以上であれば水素ガスの流量は正常であると判断する。そして、水素供給管１６の配管漏れや水素供給管１６に接続されたＭＦＣ２０ｂの制御不良等により水素ガスの流量が所定値よりも低下した場合、水素ガスの流量が異常であると判断し、制御信号を出力する。この制御信号は警報部３５に送られ、音や光による警報を発して作業者に異常を知らせるとともに、水素ガスの開閉弁２１ｃを閉じた後、窒素ガスの開閉弁２４ｂ、２４ａを順次開き、水素供給管１６内の水素ガスを窒素ガスで置換する。このとき、バイパス管２２には逆止弁２３が設けてあるので、水素ガスが窒素供給管１９側に流れ込むことはない。そして、作業者が水素供給管１６やＭＦＣ２０ｂの点検を行ない、流量低下の原因調査と問題箇所の修復を行なう。その後、酸化炉本体２と水蒸気管１８の接続部を外して、水蒸気管１８に校正用の流量測定器（図示せず）を取付け、窒素ガスを用いてＭＦＣ２０ｂの設定流量値と実際の流量値の関係を調べて流量の校正を行なう。校正終了後は、制御部３４の制御信号を解除して開閉弁２４ａ、２４ｂを閉じる。

このように、本実施例の酸化処理装置３１では、水素ガスの流量を常時、流量センサ３３で監視し、開閉弁２１ｃ、２４ａ、２４ｂの操作を自動的に行なうようにしたので、バイパス管２２を取外す必要がなくなる。これにより、窒素バイパス管２３の取付け、取外しにかかる手間や開閉弁２１ｃ、２４ａ、２４ｂの操作の手間が省略でき、作業性や生産性が大きく向上する。また、ウェーハＷの酸化処理中に、作業者が誤って開閉弁２４ａ、２４ｂを操作し製品に悪影響を及ぼすおそれもなくなる。

次に、他の好ましい実施の形態を、図面を参照して説明する。図３は本発明の第３実施例の酸化処理装置の概略構成を示す図である。なお、図３において、上述した第１実施例と同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施例の酸化処理装置３６において、上述した第１実施例と相違するところは、酸化炉本体２の排出口１０に、水素ガスを検出する水素ガスセンサ３７を設けたことである。

本実施例の酸化処理装置３６の動作を説明すると、水素供給管１６の配管漏れや水素供給管１６に接続されたＭＦＣ２０ｂの制御不良等により水素ガスが正常に流れない場合に、上述した第１実施例と同様の方法により水素供給管１６内の水素ガスを窒素ガスで置換した後、水素供給管１６やＭＦＣ２０ｂの点検を行なう。このとき、酸化炉本体２の排出口１０に設けた水素ガスセンサ３７により、水素供給管１６内が完全に窒素ガスで置換されたかを確認することができる。これにより、置換確認後に作業を進めるので、作業の安全性がより改善される。

また、この水素ガスセンサ３７により、ウェーハＷの酸化処理前に水素ガスが正常に燃焼しているかどうかを確認することもできる。未反応の水素ガスが存在すると安全上問題であるとともに、水蒸気の生成量が減少して熱酸化膜の膜厚が低下するので、水素ガスや酸素ガスの流量を調整して完全燃焼させ、水蒸気の生成量を安定化させる。安定化させた後に酸化処理を行なうので、膜厚の均一な高品質の熱酸化膜を形成できる。

なお、上述した各実施例では不活性ガスとして窒素ガスを使用して説明したが、窒素ガスの代わりにアルゴン、ヘリウムガス又はこれらの混合ガスを使用するようにしてもよい。

ガス供給装置の水素供給管にバイパス管を接続し、この窒素バイパス管に逆止弁を設けることによって、水素ガスの流量低下が発生した場合に、危険な水素ガスの代わりに安全な不活性ガスを使用して原因調査及び流量校正を行なうことができ、作業者の安全を確保できる。

本発明の第１実施例の酸化処理装置の概略構成を示す図本発明の第２実施例の酸化処理装置の概略構成を示す図本発明の第３実施例の酸化処理装置の概略構成を示す図従来の酸化処理装置の概略構成を示す図

符号の説明

１本発明の第１実施例の酸化処理装置
２酸化炉本体
３ガス供給装置
４炉入口
５炉外筒体
６炉内筒体
７ヒータ
８ガスインジェクタ
９プロセスガス導入管
１０排出口
１１縦型ボート
１２環状間隙
１３ガス入口
１４ガス出口
１５酸素供給管
１６水素供給管
１７水蒸気生成器
１８水蒸気管
１９窒素供給管
２０ａ〜２０ｃＭＦＣ
２１ａ〜２１ｆ開閉弁
２２バイパス管
２３逆止弁
２４ａ、２４ｂ開閉弁
３１本発明の第２実施例の酸化処理装置
３２ガス供給装置
３３流量センサ
３４制御部
３５警報部
３６本発明の第３実施例の酸化処理装置
３７水素ガスセンサ
４１従来の酸化処理装置
４２酸化炉本体
４３ガス供給装置
４４炉入口
４５炉外筒体
４６炉内筒体
４７ヒータ
４８ガスインジェクタ
４９プロセスガス導入管
５０排出口
５１縦型ボート
５２環状間隙
５３ガス入口
５４ガス出口
５５酸素供給管
５６水素供給管
５７水蒸気生成器
５８水蒸気管
５９窒素供給管
６０ａ〜６０ｃＭＦＣ
６１ａ〜６１ｆ開閉弁

Claims

半導体ウェーハを収容する酸化炉本体と、酸素供給管及び水素供給管から酸素ガス及び水素ガスを導入し燃焼させて水蒸気を生成する水蒸気生成器と、水蒸気生成器から出てプロセスガス導入管に接続する水蒸気管と、前記水蒸気管に連結して不活性ガスを水蒸気に混合させる不活性ガス供給管を備えた酸化処理装置において、前記水素供給管に前記不活性ガス供給管と連結するバイパス管が接続され、さらに前記バイパス管に前記水素供給管からの水素ガスの逆流を防止する逆止弁を備えたことを特徴とする酸化処理装置。
前記水素供給管に水素ガスの流量を監視する流量センサと、前記流量センサの出力信号を所定の値と比較し、その結果に基づいて開閉弁の開閉操作を行なう制御部を備えたことを特徴とする請求項１記載の酸化処理装置。
前記酸化炉本体の排出口に水素ガスを検出する水素ガスセンサを備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の酸化処理装置。
前記不活性ガスが、窒素、アルゴン、ヘリウムガス又はこれらの混合ガスからなることを特徴とする請求項１〜３記載の酸化処理装置。