JP2005236283A - ウェーハ上に膜を形成する方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 複数のウェーハ上にシリコン酸化膜を形成するための方法を提供する。
【解決手段】 ウェーハＷ上に膜を形成するための方法において、ウェーハＷは移動チャンバ１２０内部でウェーハボート１３０に積載され、ウェーハボート１３０は移動チャンバ１２０の上部に配置される反応チューブ１１２内部に上昇される。ウェーハＷ上には反応チューブ１１２内部に供給される反応ガスによって膜が形成される。続いて、ウェーハボート１３０は反応チューブ１１２から搬出されるように下降する。ウェーハボート１３０の上昇及び下降、そして、膜形成の間、ウェーハボート１３０は予め設定された回転速度で回転される。従って、ウェーハＷ上に形成される膜の均一度が向上されることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、シリコンウェーハ上に膜を形成するための方法に関し、より詳細には、複数のウェーハ上にシリコン酸化膜を形成するための方法に関する。
一般的に、半導体装置は、半導体基板として使用されるシリコンウェーハに複数の工程を実施することで製造される。例えば、蒸着工程は前記ウェーハ上に膜を形成するために実施され、酸化工程は前記ウェーハ表面上に酸化膜を形成するためにまたは、前記ウェーハ上に形成された膜を酸化膜で形成するために実施され、フォトリソグラフィ工程は、前記ウェーハ上に形成された膜を特定な形状を有するパターンで形成するために前記膜の一部分を除去するために実施され、平坦化工程は前記ウェーハ上に形成された膜を平坦化させるために実施される。
一般に、前記酸化膜は熱酸化工程を通じて形成される。前記のような熱酸化工程はＯ２ガスを用いて垂直型拡散炉を有する熱処理装置を用いて実施されることができ、前記のような熱処理装置の一例は、たとえば、特許文献１に開示されている。
前記熱処理装置は、垂直型処理チャンバ（ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｈａｍｂｅｒ）と、移動チャンバ、ウェーハボート、回転駆動ユニット、垂直駆動ユニットなどを含む。前記処理チャンバは半導体基板脳チューブ、前記反応チューブを取り囲むように配置される加熱炉、前記反応チューブの下部に結合されるシリンダ型マニホールドを含む。
最近では、ウェーハ上に改善された電気的特性を有する酸化膜を形成するために酸素ラジカルまたは酸素原子を用いたラジカル酸化工程が使用されている。前記ラジカル酸化工程についての一例は、たとえば、特許文献２に開示されている。
前記熱処理装置を用いて実施されるラジカル酸化工程を概略的に説明すると、次の通りである。
複数のウェーハは前記ウェーハボートに複層で把持され、前記ウェーハボートは垂直駆動ユニットによって移動チャンバから前記反応チューブ内部に移動される。酸素Ｏ２ガスと水素Ｈ２ガスを含む反応ガスが前記反応チューブ内部に供給される。前記ウェーハの表面は前記反応ガスによって酸化され、これにより、ウェーハ上に酸化膜が成長される。前記反応ガスが供給される間前記ウェーハ上に酸化膜が均一に形成されるように前記ウェーハは前記回転駆動ユニットによって回転される。
前記ラジカル酸化工程を通じて形成された酸化膜は、トランジスタのゲート絶縁膜の使用に適合し、電気的特性が優秀である。しかし、絶縁膜ウェーハの縁部位上に形成された酸化膜の厚さが前記ウェーハの中央部位上に形成された酸化膜の厚さより厚いという問題点が発生する。従って、ウェーハ上に形成された酸化膜の厚さ均一度を向上させるための改善された工程が要求されている。
米国特許第６、２３５、１２１号明細書 米国特許第６、３５８、８６７号明細書
前記のような問題点を解決するための本発明の目的は、ウェーハ上に均一な厚さを有する膜を形成するための方法を提供することにある。
本発明の第２目的は、酸素ラジカルを用いてウェーハ上に均一な厚さを有する酸化膜を形成するための酸化膜形成方法を提供することにある。
前記第１目的を達成するための本発明によると、膜形成方法は、ウェーハをボートに積載する段階、前記ボートを反応チューブ内部に搬入させる段階、前記ウェーハ上に膜を形成するために前記反応チューブ内部に反応ガスを供給する段階、及び前記ボートを前記反応チューブから搬出する段階を含む。ここで、前記ボートの搬入段階、前記ガス供給段階及び前記ボートの搬出段階を実施する間、前記ボートは予め設定された回転速度で回転されることが望ましい。
前記第２目的を達成するための本発明によると、酸化膜形成方法は、複数のウェーハを移動チャンバ内部に配置されたボートに複層で積載する段階、前記ボートを前記移動チャンバの上部に配置された垂直型反応チューブに搬入させるために前記ボートを上昇させる段階、前記反応チューブの内部で前記ボートに積載されたウェーハの表面に酸化膜を形成するために前記ウェーハの表面に酸素ラジカルを提供する段階、前記ボートを前記反応チャンバから前記移動チャンバに搬出させるために前記ボートを下降させる段階、及び前記ウェーハを前記ボートからアンローディングする段階を含む。ここで、前記ボートの上昇ないし下降段階を実施する間、前記ボートを予め設定された回転速度で回転させることが望ましい。
前述したように本発明によると、前記ウェーハが積載されたボートは酸化膜を形成する間は勿論、前記反応チューブに上昇／及び反応チャンバから下降する間にも一定な速度で回転される。即ち、前記ウェーハのローディング／アンローディング段階の間で前記ボートは一定速度で回転される。従って、それぞれのウェーハ上に酸化膜が均一な厚さに形成されることができる。
以下、図面を参照して本発明の望ましい一実施形態をより詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態による膜形成方法を説明するための順序図であり、図２は図１に示された膜形成方法を実施するための膜形成装置を説明するための概略的な構成図である。
図１及び図２に示すように、前記膜形成装置（１００、垂直型熱処理装置と称する）は垂直型処理チャンバ１１０、移動チャンバ（１２０、またはロードラックチャンバ）、ウェーハボート１３０、回転駆動ユニット１４０、垂直駆動ユニット１５０を含む。前記処理チャンバ１１０は内側チューブと外側チューブで構成される二重壁構造の反応チューブ１１２、前記反応チューブ１１２を取り囲むように配置される加熱炉１１４、及び前記反応チューブ１１２の下部に結合されるシリンダ型マニホールド１１６を含む。
ウェーハボート１３０は前記マニホールド１１６の下部開口を通じて前記反応チューブ１１２内部に搬入され、前記マニホールド１１６の下部開口はリッド部材１１８によってカバーされる。前記反応チューブ１１２とマニホールド１１６との間及び前記リッド部材１１８とマニホールド１１６との間には密封のための密封部材が介在される。前記ウェーハボート１３０はターンテーブル１３２上に配置され、前記ターンテーブル１３２は回転軸１４２を通じて回転駆動ユニット１４０と連結される。前記回転駆動ユニット１４０は垂直駆動ユニット１５０の水平アーム１５２の下部と連結され、前記リッド部材１１８は前記垂直駆動ユニット１５０の水平アーム１５２の上部に配置され、前記回転軸１４２は前記リッド部材１１８と水平アーム１５２を通じて回転駆動ユニット１４０と連結される。
前記のような構成要素は本発明の技術分野で幅広く知られており、その例は、米国特許第５、４０７、１８１号明細書、米国特許第５、５９５、６０４号明細書、米国特許第５、８２９、９６９号明細書、米国特許第６、３５８、８６７号明細書などに開示されている。従って、本発明は前記のような構成要素によって限定されることはない。
図中に示された矢印はウェーハボート１３０の垂直移動方向、ウェーハボート１３０の回転方向、反応ガスの供給方向及び反応ガスの排出方向をそれぞれ意味する。
前述したように、膜形成装置１００を用いてウェーハ１００上に膜を形成するための方法（例えば、ラジカル酸化工程）を図１及び図２を参照して説明すると次の通りである。
まず、ウェーハをウェーハボート１３０に積載する（段階Ｓ１００）、前記ウェーハは移動ロボット(図示せず)によってウェーハボート１３０に複層に積載される。例えば、１ないし１５０枚のウェーハＷがウェーハボート１３０に積層されることができる。しかし、前記ウェーハの数量は本発明の範囲を限定することなく、多様に変更されることができる。
前記ウェーハボート１３０に積載されたウェーハの表面に自然酸化膜が不均一に形成されることを防止するために、前記ウェーハが積載されたウェーハボート１３０を予め設定された回転速度で回転させる（段階Ｓ１１０）。前記ウェーハボート１３０は回転駆動ユニット１４０によって回転されることができ、前記ウェーハボート１３０の回転速度は約０．５ｒｐｍないし約５ｒｐｍ程度であることが望ましい。さらに望ましくは、約１ｒｐｍないし２ｒｐｍ程度が望ましい。前記ウェーハボート１３０の回転速度が過度に高い場合、ウェーハボート１３０に積載されたウェーハがウェーハボート１３０から離脱されてしまうのでウェーハがウェーハボート１３０から離脱されないように適切に調節することが望ましい。また、ウェーハボート１３０に積載されたウェーハの中心は前記ウェーハボート１３０の回転中心軸上に位置されることが望ましい。
前記ウェーハボート１３０を反応ボート１１２内部に搬入させるために上昇させる（段階１２０）。前記ウェーハボート１３０は垂直駆動ユニット１５０によって上方に移動されることができ、移動される間回転駆動ユニット１４０によって前記予め設定された回転速度に回転される。
前記Ｓ１１０段階ないしＳ１２０段階を実施する間、前記移動チャンバ１２０内部にはウェーハの表面に自然酸化膜が形成されることを抑制するために窒素Ｎ２ガスを供給することが望ましい。即ち、窒素Ｎ２ガスをウェーハの表面に供給することによって前記自然酸化膜の成長を抑制することができる。
前記反応チューブ１１２内部に位置されたウェーハの表面に酸化膜を形成する（段階Ｓ１３０）。前記酸化膜は前記反応チューブ１１２内部に供給される反応ガスによって形成される。前記反応ガスは酸素Ｏ２ガスと水素Ｈ２ガスを含む。前記酸素Ｏ２ガスと水素ガスＨ２は前記反応チューブ１１２内部で反応して酸素ラジカル（または酸素原子）を形成し、前記ウェーハの表面は前記酸素ラジカルによって酸化される。これにより、前記ウェーハ上には前記酸化反応によってシリコン酸化膜が形成される。
前記酸化膜を形成する間、前記反応チューブ１１２内部の温度は６００℃ないし１２００℃程度に保持されることが望ましく、反応チューブ１１２の内部圧力は２５ｐａないし１００ｐａ程度に保持されることが望ましい。また、前記酸化膜を形成する間前記ウェーハボート１３０は回転駆動ユニット１４０によって前記予め設定された回転速度に回転される。
前記ウェーハボート１３０を反応チューブ１１２から搬出させるために下降させる（段階Ｓ１４０）。前記ウェーハボート１３０の下降段階は、垂直駆動ユニット１５０によって実施され、前記ウェーハボート１３０が下降する間前記回転駆動ユニット１４０によって前記予め設定された回転速度に回転される。
前記ウェーハボート１３０の回転を中止させるために前記回転駆動ユニット１４０の動作を中止させる（段階Ｓ１５０）。
最後に、前記移動ロボットによってウェーハボート１３０に積載されたウェーハが前記ウェーハボート１３０からアンローディングされる（段階Ｓ１６０）。
前記Ｓ１４０段階ないしＳ１６０段階を実施する間、前記移動チャンバ１２０に窒素Ｎ２ガスが供給されることが望ましい。
前述したように、前記Ｓ１１０段階ないしＳ１５０段階を実施する間、ウェーハボート１３０は前記予め設定された速度に回転され、これにより酸化膜の厚さ均一度が向上されることができる。一方、前述したように前記Ｓ１１０段階とＳ１２０段階は順次に実施されているが、同時に実施されることもできる。
表１は従来のラジカル酸化工程を通じてウェーハ上に形成された酸化膜の厚さÅを示し、図３はウェーハ上に設定された測定ポイントを示すためのウェーハの平面図である。
Figure 2005236283
前記従来のラジカル酸化工程は、ウェーハをボートに積載する第１段階、ウェーハが積載されたボートを反応チューブ内部に搬入させるために前記ボートの回転なしに上昇させる段階、前記反応チューブ内部で前記ボートを予め設定された回転速度で回転させ前記反応チューブ内部に反応ガスを供給して前記ウェーハ上に酸化膜を形成する段階、前記ボートを反応チューブから搬出するために前記ボートの回転なしに下降させる段階、及び前記ボートから前記ウェーハをアンローディングする段階を含む。
前記従来のラジカル酸化工程を実施する間酸化Ｏ２ガスと水素Ｈ２ガスを含む反応ガスは約４分間供給される。前記反応ガスが供給される間前記反応チューブの内部温度は約８５０℃程度に保持され、反応チューブの内部圧力は約３５ｐａ程度に保持される。また、前記反応ガスが供給される間前記ボートは約１ｒｐｍ程度に回転された。
表１で、ウェーハ番号はウェーハボートのスロット番号と対応し、測定ポイントは図３に示されたのと同様である。
表２は図１及び図２を参照して、予め説明された膜形成方法を通じてウェーハ上に形成された酸化膜の厚さÅを示す。
Figure 2005236283
表２で、ウェーハ番号はウェーハボートのスロット番号と対応し、測定ポイントは図３に示されたのと同様である。本発明の実施形態による膜形成方法を実施する間、酸素Ｏ２ガスと水素Ｈ２ガスを含む反応ガスは約４分間供給された。前記反応ガスが供給される間前記反応チューブの内部温度は約８５０℃程度に保持され、反応チューブの内部圧力は約３５ｐａ程度に保持された。一方、前記ボートは上昇段階から下降段階まで約１ｒｐｍ程度に回転された。
表１及び表２に示すように、それぞれの差異値はそれぞれのウェーハ上に形成された酸化膜の最大厚さと最少厚さとの値を意味する。従来のラジカル酸化工程を通じて形成された酸化膜の平均厚さは本発明の実施形態による膜形成方法を通じて形成された酸化膜の平均厚さと類似する。しかし、従来のラジカル酸化工程を通じて形成された酸化膜の差異値は約２Å程度であるが、本発明の実施形態による膜形成方法を通じて形成された酸化膜の差異値は１Åより小さい。
具体的に、従来のラジカル酸化工程を通じて形成された酸化膜の場合、縁部位（測定ポイント１０、１１、１２及び１３）の厚さが残りの部分に比べてさらに厚いということを確認することができる。これについて、本発明の実施形態による膜形成方法を通じて形成された酸化膜の場合、厚さ測定値が全ての測定ポイントで均一であることがわかる。
一方、表１及び表２で、均一度は下記する数学式によって算出される。
均一度＝（差異値／平均）×（１００／２）
表１及び表２に示すように、本発明の実施形態による膜形成方法を通じて形成された酸化膜の均一度が従来のラジカル酸化工程によって形成された酸化膜の均一度より大きく改善されたことをわかる。
図４はボートの回転なしに上昇及び下降の間ウェーハ上に形成された酸化膜の厚さを示すウェーハの平面図である。
図４に示すように、ウェーハの上昇及び下降の間ウェーハ上に形成された酸化膜の縁部位の厚さが中心部位の厚さより厚い。即ち、ウェーハの上昇及び下降の間ウェーハ上に酸化膜が不均一に形成されることを意味する。
前述したように、本発明によるとウェーハが積載されたボートの反応チューブに搬入及び反応チューブから搬出する間、前記ボートを回転させることによってウェーハ上に酸化膜が不均一に形成されることを防止することができる。
以上、本発明の実施形態によって詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者であれば、本発明の思想と精神を離れることなく、本発明を修正または変更できる。
図１は本発明の一実施形態による膜形成方法を説明するための順序図である。 図１に示された膜形成方法を実施するための膜形成装置を説明するための概略的な構成図である。 ウェーハ上に設定された測定ポイントを示すためのウェーハの平面図である。 ボートの回転なしにボートの上昇及び下降の間ウェーハ上に形成された酸化膜の厚さを示すウェーハの平面図である。
符号の説明
１００ 膜形成装置
１１０ 処理チャンバ
１１２ 反応チューブ
１１４ 加熱炉
１１６ マニホールド
１１８ リッド部材
１２０ 移動チャンバ
１３０ ウェーハボート
１３２ ターンテーブル
１４０ 回転駆動ユニット
１４２ 回転軸
１５０ 垂直駆動ユニット
１５２ 水平アーム
Ｗ ウェーハ

Claims (28)

  1. 半導体基板が積載されたボートを移動チャンバ内で回転させる段階と、
    前記ボートが回転する間、前記ボートを前記移動チャンバと処理チャンバとの間で移動させ前記処理チャンバに前記半導体ウェーハ上に膜を形成するために反応ガスを供給する段階と、
    を含むことを特徴とする半導体ウェーハ上に膜を形成する方法。
  2. 前記膜の端部分と中心部分との厚さの差は、１Å未満であることを特徴とする請求項１記載の半導体ウェーハ上に膜を形成する方法。
  3. 前記半導体ウェーハを前記反応ガスに露出させる前に前記ボートを前記移動チャンバから前記処理チャンバ内に移送する間、前記ボートを回転させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の半導体ウェーハ上に膜を形成する方法。
  4. 前記膜を形成するために前記反応ガスを供給した後、前記ボートを前記処理チャンバから前記移動チャンバ内に移送する間前記ボートを回転させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の半導体ウェーハ上に膜を形成する方法。
  5. 前記ボートを前記移動チャンバと前記処理チャンバとの間で垂直な方向に移送する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の半導体ウェーハ上に膜を形成する方法。
  6. 前記処理チャンバの熱処理反応チューブに前記反応ガスを提供する間、前記処理チャンバの熱処理反応チューブ内で前記半導体ウェーハを加熱する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の半導体ウェーハ上に膜を形成する方法。
  7. 前記ボートに前記半導体ウェーハを水平な方向に積載する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の半導体ウェーハ上に膜を形成する方法。
  8. 前記ボートの中心回転軸が、前記半導体ウェーハの中央部分を通過することを特徴とする請求項７記載の半導体ウェーハ上に膜を形成する方法。
  9. 前記ボートを０．５ないし５ｒｐｍの回転速度で回転させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の半導体ウェーハ上に膜を形成する方法。
  10. 前記ボートを１ないし２ｒｐｍの回転速度に回転させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の半導体ウェーハ上に膜を形成する方法。
  11. 前記反応ガスは、酸素Ｏ２ガス及び水素ガスＨ２を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体ウェーハ上に膜を形成する方法。
  12. 前記半導体ウェーハを前記移動チャンバと前記処理チャンバとの間で移送させる間、前記移動チャンバに窒素Ｎ２ガスを提供する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の半導体ウェーハ上に膜を形成する方法。
  13. 前記膜は酸化物を含むことを特徴とする請求項１記載の半導体ウェーハ上に膜を形成する方法。
  14. 前記酸化物は、シリコン酸化物であることを特徴とする請求項１３記載の半導体ウェーハ上に膜を形成する方法。
  15. 前記反応チューブの下で前記ボートが前記移動チャンバ内に位置するとき前記ボート上に前記半導体ウェーハを積載する段階と、
    前記半導体ウェーハを前記移動チャンバから前記処理チャンバ内に移送するために前記ボートを上の方に移動させる段階と、
    前記半導体ウェーハを前記処理チャンバから前記移動チャンバ内に移送するために前記ボートを下の方に移動させる段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の半導体ウェーハ上に膜を形成する方法。
  16. 移動チャンバ内に位置したボート上に複数の半導体ウェーハを積載する段階と、
    所定速度で前記ボートが回転する間前記ボートを前記移動チャンバの上の方に位置する垂直反応チューブ内に移送するために前記ボートを上の方に移動させる段階と、
    前記半導体ウェーハ上に酸化膜を形成するための前記反応チューブ内に位置する前記ボート上に積載された半導体ウェーハの表面上に酸素ラジカルを提供する段階と、
    所定の回転速度で前記ボートが回転する間、前記反応チューブから前記移動チャンバ内部に前記ボートを移送させるために前記ボートを下の方に移動させる段階と、
    前記ボートから前記半導体ウェーハをアンローディングする段階と、
    を含むことを特徴とする半導体ウェーハ上に膜を形成する方法。
  17. 酸素ガスと水素ガスを含む反応ガスを提供する段階をさらに含み、前記酸素ラジカルは前記酸素ガスと前記水素ガスの反応によって形成されることを特徴とする請求項１６記載の半導体ウェーハ上に膜を形成する方法。
  18. 前記酸化膜の端部分と前記酸化膜の中央部分との厚さの差異は、１Å未満であることを特徴とする請求項１６記載の半導体ウェーハ上に膜を形成する方法。
  19. 前記酸化膜が前記半導体ウェーハ上に形成されるとき、前記反応チューブは６００ないし１２００℃の温度を有することを特徴とする請求項１６記載の半導体ウェーハ上に膜を形成する方法。
  20. 前記半導体ウェーハ上に前記酸化膜が形成されるとき、前記反応チャンバの圧力は２５ないし１００ｐａであることを特徴とする請求項１６記載の半導体ウェーハ上に膜を形成する方法。
  21. 前記移動チャンバ内に窒素ガスを提供する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１６記載の半導体ウェーハ上に膜を形成する方法。
  22. 半導体ウェーハが回転する間前記半導体ウェーハを前記処理チャンバに移送し、前記半導体ウェーハ上に膜を形成するために処理チャンバに反応ガスを提供する段階を含むことを特徴とする半導体ウェーハ上に膜を形成する方法。
  23. ウェーハをボートに積載する段階と、
    前記ボートを反応チューブ内部に搬入する段階と、
    前記ウェーハ上に膜を形成するために前記反応チューブ内部に反応ガスを供給する段階と、
    前記ボートを前記反応チューブから搬出する段階と、を含み、
    前記ボートの搬入段階、前記ガス供給段階、及び前記ボートの搬出段階を実施する間、前記ボートを回転させることを特徴とする膜形成方法。
  24. 前記ボートの回転速度は、０．５ｒｐｍないし５ｒｐｍ程度であることを特徴とする請求項２３記載の膜形成方法。
  25. 前記ボートの回転速度は、１ｒｐｍないし２ｒｐｍ程度であることを特徴とする請求項２３記載の膜形成方法。
  26. 前記反応ガスは、酸素Ｏ２ガスと水素Ｈ２ガスを含むことを特徴とする請求項２３記載の膜形成方法。
  27. 前記ボートの搬入及び搬出段階を実施する間、前記ボートに積載されたウェーハに向かって窒素Ｎ２ガスを供給することを特徴とする請求項２３記載の膜形成方法。
  28. 前記膜は、シリコン酸化膜であることを特徴とする請求項２３記載の膜形成方法。
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