JP3203708B2 - 縦型拡散炉による酸化膜の形成方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、縦型拡散炉による酸化
膜の形成方法、特に酸化膜の膜厚の均一性を高くするこ
とのできる酸化膜の形成方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】拡散炉として古くから横型拡散炉が多く
使用されてきたが、これは半導体ウェハのロード時にエ
アーの巻き込みにより生じる自然酸化膜を薄くすること
が難しいという欠点を有する。そして、半導体集積回路
の高集積化、半導体素子の微細化に伴って自然酸化膜を
薄くする必要性が高くなっている。そこで、近年、エア
ーの巻き込みの少ない縦型拡散炉が注目され、それを使
用する傾向が強くなりつつあり、将来は縦型拡散炉が拡
散炉の主流となるものと予想される。そして、半導体ウ
ェハ表面部にシリコン酸化膜を形成する場合にも縦型拡
散炉が用いられる場合が増えている。図６はそのような
縦型拡散炉の一例の概要を示す断面図である。この縦型
拡散炉はアップロードタイプものである。

【０００３】図面において、１はヒーター、２は炉芯
管、３はガス供給路で、４はその給気口、５は排気口、
６、６、…は炉芯管２上部に配置された下向きのガス噴
出孔、７はエレベータで、略水平の向きを有した半導体
ウェハ８、８、…を多数枚離間して重ねて指示するとこ
ろの便宜上図示を省略した縦型ウェハボートを上下す
る。そして、従来、半導体ウェハ表面部にシリコン酸化
膜を形成する場合においてこのような縦型拡散炉を使う
ときは、横型拡散炉を使うときと同様に、半導体ウェハ
のロード時、アンロード時には窒素ガスＮ₂ を供給して
半導体ウェハ表面の酸化を防止していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、縦型拡散炉
を用いて酸化膜を形成した場合、上述した従来の方法に
よれば、酸化膜の膜厚がきわめて不均一になるという問
題があった。図７（Ａ）乃至（Ｃ）は従来の場合におけ
る半導体ウェハに形成された酸化膜の等膜厚曲線図で、
（Ａ）は上部の半導体ウェハ（具体的には上から１１枚
目の半導体ウェハ）、（Ｂ）は中間部の半導体ウェハ
（具体的には上から８５枚目の半導体ウェハ）、（Ｃ）
は底部の半導体ウェハ（具体的には上から１６０枚目の
半導体ウェハ）についての膜厚分布を示し、各隣接曲線
間の膜厚差（インターバル）は３オングストロームであ
る。

【０００５】図７（Ａ）に示すように、縦型拡散炉上部
の半導体ウェハは膜厚差が大きい。具体的には、半導体
ウェハの中央部近くにおける酸化膜の膜厚が４３４オン
グストロームであるのに対して、周縁部ではそれが４８
２オングストロームとなっており、中央部で薄いという
傾向があり、膜厚差は４８オングストロームにも達し非
常に大きい。縦型拡散炉中間部の半導体ウェハ、縦型拡
散炉下部の半導体ウェハは図７（Ｂ）、（Ｃ）に示すよ
うに縦型拡散炉上部の半導体ウェハに比較して小さい
が、縦型拡散炉上部の半導体ウェハの酸化膜の膜厚の不
均一性は無視できないのである。

【０００６】そこで、その原因を模索したが、その過程
で、半導体ウェハのロード時の縦型拡散炉内部雰囲気で
ある窒素ガスによって半導体ウェハの表面が窒化される
という現象が生じているのではないかという推測が生ま
れた。というのは、半導体ウェハを８００℃以上の温度
に高めると表面部が窒化され、窒化膜は酸素を通りにく
くするので酸化膜の形成を妨げる性質を有し、そして窒
化膜の成長速度は大きな温度依存性を有し、半導体ウェ
ハの温度の僅かな面内不均一性によって窒化膜の膜厚が
変化するからである。ちなみに、図８は窒化の温度依存
性を示すもので、温度や窒素ガス中の酸素濃度によって
反応生成物が異なることが解る。

【０００７】次に、その推測が正しいかどうかを確かめ
るため上部の半導体ウェハに対してオージェ電子分光を
行ってみたところ酸化膜の膜厚が薄くなっている中央部
から窒素元素Ｎが検出され、その推測が正しいことを確
認できた。そこで、酸化膜の膜厚の均一性を高める具体
的方法として先ず考えられるのは、縦型拡散炉による酸
化を行う前に行う洗浄の終了後にある程度自然酸化膜を
厚く形成しておくことである。なぜならば、自然酸化膜
が半導体ウェハ表面の窒化を確実に妨げるからである。

【０００８】しかしながら、自然酸化膜の膜質は悪く、
そのため界面準位が発生し、耐圧劣化が生じる。従っ
て、この方法は好ましくない。また、窒化には前述のと
おり図８に示すような強い温度依存性があり、低い温度
では窒化しないことからロード時の温度を窒化が生じな
いような温度（例えば７００℃以下）にすることも考え
られる。しかしながら、このようにすると、ロード後拡
散温度まで温度を上昇させるのに時間がかかり、また、
拡散温度からアンロード時の温度にまで温度を低下させ
るのに時間がかかり、生産性が低下するので好ましくな
い。

【０００９】本発明はこのような問題点を解決すべく為
されたものであり、縦型拡散炉による酸化膜の形成方法
において、界面準位の発生や耐圧劣化及び生産性の低下
を伴うことなく酸化膜の膜厚の均一性を高めることを目
的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明縦型拡散炉による
酸化膜の形成方法は、半導体ウェハの縦型拡散炉へのロ
ード時及びロード時の温度から拡散温度への昇温時に該
縦型拡散炉内を、窒素ガスに酸素ガスを加えた雰囲気又
は希ガス雰囲気にすることを特徴とする。

【００１１】

【実施例】以下、本発明縦型拡散炉による酸化膜の形成
方法を図示実施例に従って詳細に説明する。図１は本発
明縦型拡散炉による酸化膜の形成方法の一つの実施例を
示すシーケンス図である。本縦型拡散炉による酸化膜の
形成方法の実施には例えば図６に示すような縦型拡散炉
を用いる。この縦型拡散炉の温度は待機時には例えば８
００℃に保たれている。

【００１２】次に、縦型拡散炉内に半導体ウェハをロー
ドするが、このときガス供給路４から窒素ガス（例えば
１５ＳＬＭ）及び微量酸素ガス（例えば４００ＳＣＣ
Ｍ）を供給する。即ち、窒素ガスに微量酸素ガスを混合
した雰囲気にした状態でロードを行う。ロードが終了し
たら温度を８００℃から酸化温度、例えば１０００℃に
昇温するが、昇温中も窒素ガス及び微量酸素ガスを供給
し続ける。このように窒素ガス及び微量酸素ガスを供給
するのは本来の酸化前にエアーの巻き込みによる厚い自
然酸化膜が形成されることを半導体ウェハ表面の窒化を
伴うことなく防止するためである。

【００１３】即ち、従来はエアーの巻き込みによる厚い
自然酸化膜の発生を窒素ガス雰囲気の形成により行って
いたが、これだと窒素ガス雰囲気の成長防止に有効なも
のの窒化が進行し、それが酸化膜の成長を抑圧するため
に本来の酸化による酸化膜の厚さにバラツキが生じる。
というのは、窒化膜が均一な厚さだと問題ないが、巻き
込みによる酸素ガスの濃度が低い縦型拡散炉によれば、
半導体ウェハの周縁部よりも中央部が極端に酸素ガス濃
度が低くなり、窒化膜が極端に厚くなり、従って、窒化
によって酸化が抑制される酸化膜の厚さがきわめて不均
一になるからである。

【００１４】そこで、本縦型拡散炉による酸化膜の形成
方法においては、純度の高い微量酸素ガスを窒素ガス中
に加えて縦型拡散炉内へ供給することにより、半導体ウ
ェハに薄い酸化膜を生ぜしめて窒化を防止するのであ
る。尚、この酸化膜は純度の高い酸素ガスを供給量を制
御したうえで供給窒素ガス中に微量に混合することによ
り形成されたものであり、巻き込みにより縦型拡散炉内
に入るところの酸素の純度が低いエアーにより形成され
る酸化膜と比較して膜質が高いので、界面準位発生、耐
圧劣化の生じる虞れはない。

【００１５】半導体ウェハの昇温が終了すると、微量酸
素ガス及び窒素ガスの供給を停止し、今度は本来の酸化
を行うためのガス、例えば＋Ｎ _２ 、Ｎ_２ Ｏ _２ 、Ｏ_２＋Ｈ
_２Ｏガスを供給する。これにより酸化が進行する。尚、
このとき不純物をガス中に添加すれば、不純物の拡散も
同時に行うことができる。このように、本発明は不純物
の拡散も同時に行うという態様でも実施することも可能
である。

【００１６】酸化が終ると酸化を行うためのガスの供給
を停止し、巻き込みエアーによる酸化を防止するための
窒素ガスの供給（例えば１５ＳＬＭ）を行い、温度を８
００℃まで低下させる。そして、温度が８００℃まで低
下したらアンロードを行う。

【００１７】図２（Ａ）乃至（Ｃ）はこの実施例により
半導体ウェハの酸化を行った場合の酸化膜の等膜厚曲線
図で、（Ａ）は上部の半導体ウェハ（具体的には上から
１１枚目の半導体ウェハ）、（Ｂ）は中間部の半導体ウ
ェハ（具体的には上から８５枚目の半導体ウェハ）、
（Ｃ）は底部の半導体ウェハ（具体的には上から１６０
枚目の半導体ウェハ）についての膜厚分布を示し、各隣
接曲線間の膜厚差（インターバル）は３オングストロー
ムである。

【００１８】この図２（Ａ）乃至（Ｃ）と、従来の場合
を示す図７（Ａ）乃至（Ｃ）との比較から明らかなよう
に、図１に示す実施例の方が酸化膜の膜厚の均一性が高
く、特に縦型拡散炉内上部の半導体ウェハにおいて膜厚
の均一性が顕著に改善されている。即ち、図７（Ａ）の
場合、具体的には膜厚の最大値が４８２オングストロー
ム、最小値が４３４オングストロームで、膜厚差が４８
オングストロームである。それに対して図２（Ａ）の場
合、膜厚の最大値が４９６オングストローム、最小値が
４８５で、膜厚差が１１オングストロームである。

【００１９】ちなみに、図２（Ｂ）に示す中間部のウェ
ハの場合、膜厚の最大値が４９２オングストローム、最
小値が４８４オングストローム、膜厚差が８オングスト
ロームであり、膜厚差はきわめて小さいといえる。ま
た、図２（Ｃ）に示す中間部のウェハの場合、膜厚の最
大値が５１０オングストローム、膜厚の最小値が４９４
オングストローム、膜厚差が１６オングストロームであ
る。いずれの部分においても本縦型拡散炉による酸化膜
の形成方法による方が膜厚の均一性が高くなっている。

【００２０】以上のことから次のような説明ができる。
即ち、一般に、縦型拡散炉ではエアーの巻き込みが少な
いため、窒素雰囲気中ではロード時に上部のウェハの中
心で極端に酸素濃度が低下する。また、ロード時にウェ
ハが徐々に暖められて上部のウェハの温度が最も高くな
る。そして、シリコンは窒素雰囲気中の酸素濃度、温度
により反応生成物が異なり、上部のウェハの中心部では
Ｓｉ₂ ＯＮ₂ が生じ、それ以外の部分では酸素濃度が高
いのでＳｉＯ₂ が生成されていると思われる。そこで、
本発明のようにＯ₂ガスを入れるとどこでもＳｉＯ₂ が
でき、これが窒化を抑制するのである。

【００２１】図３（Ａ）乃至（Ｃ）は図１の二点鎖線で
示すように、ロード時には微量酸素ガスの供給を行わ
ず、昇温時のみ微量酸素ガスの供給を行った場合の等膜
厚曲線図である。この図から明らかなように、酸化膜の
膜厚の均一性は従来の場合よりは改善されているが、し
かし、図１の実施例の場合と比較すると膜厚の均一性は
劣る。殊に、上部のウェハには中心部程酸化膜が薄くな
るという傾向がはっきり現われている。従って、巻き込
みエアーによる酸化の防止のための窒素ガスにはロード
時のみならず昇温時にも微量酸素ガスを混ぜるべきであ
ることが明らかである。

【００２２】図４はロード時、昇温時における酸素濃度
分布を概略的に説明する概略図である。左側の部分はロ
ード時、昇温時に窒素ガスのみを供給した場合を、右側
の部分は窒素ガスと微量酸素ガスを供給した場合の酸素
濃度の分布傾向を示している。右端の矢印は温度分布傾
向を示している。また、上端の矢印は半導体ウェハ中心
から周縁に行くに従って酸素濃度がどう変化するかを示
している。概括すると、縦型拡散炉内部の温度は下側が
低く、上に行く程高くなる。そして、酸素濃度は、上部
程低く下に行く程高くなり、また半導体ウェハの中心部
上が最も低く、周縁（外側）へ行く程高くなる。

【００２３】そして、当然のことながら微量酸素ガスを
入れた方が入れない場合よりも全体的に酸素濃度は高
い。そして、酸素濃度が高いが故に上部のウェハの中央
部上にも酸素存在し酸化膜が形成されるので窒化を防止
できるので本来の酸化による酸化膜の膜厚の均一性が高
くなると言えるのである。

【００２４】図５は本発明縦型拡散炉による酸化膜の形
成方法の別の実施例を示すシーケンス図である。本実施
例は、エアーの巻き込みによる酸化を防止するためにロ
ード時、昇温時、降温時、アンロード時に供給するガス
として窒素ガスに代えて希ガスであるアルゴンＡｒを用
いたものである。そして、希ガスを用いるので、窒化の
虞れは全くなく、従って窒化防止用の微量酸素ガスの供
給も全く行う必要がない。

【００２５】本実施例によれば、エアーの巻き込みによ
る酸化を防止するために縦型拡散炉内に供給するガスが
希ガスなので、窒化による酸化膜の膜厚の均一性が損な
われる虞れがない。尚、希ガスとしてアルゴンＡｒに代
えてヘリウムＨｅ、ネオンＮｅを用いても良い。

【００２６】

【発明の効果】本発明縦型拡散炉による酸化膜の形成方
法は、半導体ウェハの縦型拡散炉へのロード時及びロー
ド時の温度から拡散温度への昇温時に該縦型拡散炉内
を、窒素ガスに酸素ガスを加えた雰囲気又は希ガス雰囲
気にすることを特徴とする。従って、本発明縦型拡散炉
による酸化膜の形成方法によれば、エアーの巻き込みの
ために半導体ウェハ表面部が窒化されることに起因して
生じる酸化膜の不均一性を酸化膜の膜質劣化を伴うこと
なく低減することができる。そして、半導体ウェハ表面
部の窒化が防止できるので、ロード時、アンロード時の
温度を酸化温度に比較的近い温度に設定することができ
る。依って、昇温時間、降温時間を短くすることがで
き、生産性を高くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明縦型拡散炉による酸化膜の形成方法の一
つの実施例を示すシーケンス図である。

【図２】（Ａ）乃至（Ｃ）は効果を示す酸化膜の等膜厚
曲線図で、（Ａ）は縦型拡散炉内上部のウェハ、（Ｂ）
は縦型拡散炉内中間部のウェハ、（Ｃ）は縦型拡散炉内
底部のウェハについて示す。

【図３】（Ａ）乃至（Ｃ）は昇温時のみ微量酸素ガスの
追加供給をした場合の酸化膜の等膜厚曲線図で、（Ａ）
は縦型拡散炉内上部のウェハ、（Ｂ）は縦型拡散炉内中
間部のウェハ、（Ｃ）は縦型拡散炉内底部のウェハにつ
いて示す。

【図４】縦型拡散炉内部の酸素濃度分布の概略図であ
る。

【図５】本発明縦型拡散炉による酸化膜の形成方法の別
の実施例を示すシーケンス図である。

【図６】縦型拡散炉の一例を示す断面図である。

【図７】（Ａ）乃至（Ｃ）は発明が解決しようとする問
題点を示す酸化膜の等膜厚曲線図で、（Ａ）は縦型拡散
炉内上部のウェハ、（Ｂ）は縦型拡散炉内中間部のウェ
ハ、（Ｃ）は縦型拡散炉内底部のウェハについて示す。

【図８】窒化の温度依存性を示す曲線図である。

【符号の説明】

２ 炉芯管 ３ ガス供給経路 ８ 半導体ウェハ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体ウエハの縦型拡散炉へのロード時
   及びロード時の温度から拡散温度への昇温時に該縦型拡
   散炉内を、窒素ガスに該窒素ガスより少ない量の酸素ガ
   スを加えた雰囲気にすることを特徴とする縦型拡散炉に
   よる酸化膜の形成方法
2. 【請求項２】 半導体ウェハの縦型拡散炉へのロード時
   及びロード時の温度から拡散温度への昇温時に該縦型拡
   散炉内を、希ガス雰囲気にすることを特徴とする縦型拡
   散炉による酸化膜の形成方法