JP3436256B2 - 被処理体の酸化方法及び酸化装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハ等の
被処理体の表面に対して酸化処理を施す被処理体の酸化
方法及び酸化装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体集積回路を製造するため
にはシリコン基板等よりなる半導体ウエハに対して、成
膜処理、エッチング処理、酸化処理、拡散処理、改質処
理等の各種の処理が行なわれる。上記各種の処理の中
で、例えば酸化処理を例にとれば、この酸化処理は、単
結晶或いはポリシリコン膜の表面等を酸化する場合、金
属膜を酸化処理する場合等が知られており、特に、ゲー
ト酸化膜やキャパシタ等の絶縁膜を形成する時に主に用
いられる。

【０００３】この酸化処理を行なう方法には、圧力の観
点からは、略大気圧と同等の雰囲気下の処理容器内で行
なう常圧酸化処理方法と真空雰囲気下の処理容器内で行
なう減圧酸化処理方法とがあり、また、酸化に使用する
ガス種の観点からは、例えば水素と酸素とを外部燃焼装
置にて燃焼させることによって水蒸気を発生させてこの
水蒸気を用いて酸化を行なうウェット酸化処理方法（例
えば特開平３−１４０４５３号公報等）と、オゾンの
み、或いは酸素のみを処理容器内へ流すなどして水蒸気
を用いないで酸化を行なうドライ酸化処理方法（例えば
特開昭５７−１２３２号公報等）とが存在する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、絶縁膜とし
ては耐圧性、耐腐食性、信頼性等の膜質特性を考慮する
と、一般的には、ドライ酸化処理により形成された物よ
りも、ウェット酸化処理により形成された物の方が比較
的優れている。また、形成される酸化膜（絶縁膜）の成
膜レートやウエハ面内の均一性の観点からは、一般的に
は、常圧のウェット酸化処理により形成された物は、酸
化レートは大きいが、膜厚の面内均一性に劣り、減圧の
ウェット酸化処理により形成された物は、逆に酸化レー
トは小さいが膜厚の面内均一性に優れている、という特
性を有している。

【０００５】従来にあっては、半導体集積回路のデザイ
ンルールがそれ程厳しくなかったことから、酸化膜が適
用される用途やプロセス条件、装置コスト等を適宜勘案
して、上述したような種々の酸化方法が用いられてい
た。しかしながら、最近のように線幅や膜厚がより小さ
くなってデザインルールが厳しくなると、それに従っ
て、膜質の特性や膜厚の面内均一性等がより高いものが
要求されるようになってきており、酸化処理方法では、
この要求に十分に対応することができない、といった問
題が発生してきた。

【０００６】また、ウェット酸化処理方法の例として例
えば特開平４−１８７２７号公報に示すように、縦型の
石英反応管内の下端にＨ_２ ガスとＯ_２ ガスとを別個に
導入し、これを石英キャップ内に設けた燃焼部にて燃焼
させて水蒸気を発生し、この水蒸気をウエハの配列方向
に沿って上昇させつつ酸化処理を行なうようにした酸化
装置も提案されている。しかしながら、この場合には、
上記した燃焼部にてＨ_２ ガスを燃焼させるようにして
いるので、例えば処理容器の下端では水蒸気リッチにな
り、そして、水蒸気が上昇するに従ってこれが消費され
て処理容器の上端では逆に水蒸気不足の傾向となるの
で、ウエハ面上に形成される酸化膜の厚さがウエハの支
持位置により大きく異なる場合が生じ、この酸化膜の厚
さの面間均一性が劣化する場合もあった。

【０００７】また、他の装置例として例えば特開昭５７
−１２３２号公報に開示されているように、横型のバッ
チ式の反応管内に複数の半導体ウエハを並べて設置し、
この反応管の一端側より、Ｏ_２ ガスを導入したり、或
いはＯ_２ ガスとＨ_２ ガスとを同時に導入したりして、
減圧雰囲気化にて酸化膜を生成するようにした酸化装置
も提示されている。しかしながら、この従来装置例の場
合には、水素燃焼酸化法を用いて比較的高い圧力雰囲気
下にて成膜を行っていることから、水蒸気成分が反応の
主体となり、上述したように処理容器内のガス流の上流
側と下流側との間での水蒸気の濃度差が大きくなり過
ぎ、酸化膜の厚さの面間均一性が劣化する恐れがあっ
た。また更に、他の装置例として例えば米国特許第６０
３７２７３号に開示されているように、ランプ加熱によ
る枚葉式のプロセスチャンバ内に酸素ガスと水素ガスと
を供給し、これらの両ガスをプロセスチャンバ内に設置
した半導体ウエハ表面の近傍にて反応させて水蒸気を生
成し、この水蒸気でウエハ表面のシリコンを酸化させて
酸化膜を形成するようにした装置が示されている。

【０００８】しかしながら、この装置例の場合には、ウ
エハから２０〜３０ｍｍ程度だけ離れたガス入口から酸
素ガスと水素ガスとをプロセスチャンバ内に導入し、半
導体ウエハ表面の近傍にてこれらの酸素ガスと水素ガス
とを反応させて水蒸気を発生させて、しかもプロセス圧
力も比較的高い領域で行うことから、膜厚の面内均一性
に劣る恐れが生ずる、といった問題があった。本発明
は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決す
べく創案されたものである。本発明の目的は、酸化レー
トをある程度高く維持しつつ、酸化膜の膜厚の面内均一
性と面間均一性の向上及び膜質の特性を向上させること
が可能な被処理体の酸化方法及び酸化装置を提供するこ
とにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に規定する発明
は、所定のピッチで複数枚の被処理体が配列された所定
の長さの処理容器内に酸化性ガスと還元性ガスとを前記
被処理体の配列方向の一端側から導入して他端側に向け
て流しつつ所定の温度になされた前記被処理体の表面を
酸化する酸化方法において、真空雰囲気下にて前記酸化
性ガスと前記還元性ガスとの反応により発生した水酸基
活性種と酸素活性種とを用いることにより前記酸化を行
なうようにしたものである。この場合、請求項２に規定
するように、前記処理容器はホットウォール状態になさ
れている。この場合、請求項３に規定するように、前記
酸化性ガスと前記還元性ガスとをそれぞれ異なるガス供
給系より別々に導入するように構成する。

【００１０】ここで、例えば請求項４に規定するよう
に、前記酸化性ガスと前記還元性ガスの前記処理容器内
に対する導入位置は、前記配列された被処理体の収容領
域よりも所定の距離だけ離間された位置である。この場
合、例えば請求項５に規定するように、前記所定の距離
は、前記配列された被処理体の収容領域における温度分
布に悪影響を与えないで、且つ前記導入された酸化性ガ
スと前記還元性ガスとの混合を十分に行い得る長さに設
定されている。従って、この所定の距離を設けることに
よって、被処理体の収容領域における温度分布に悪影響
を与えることを防止でき、また、酸化性ガスと還元性ガ
スとの混合も十分に行うことが可能となる。

【００１１】請求項６に規定するように、例えば前記所
定の距離は、略１００ｍｍ以上である。また、例えば請
求項７に規定するように、前記酸化性ガスはＯ_２ とＮ
_２ ＯとＮＯとＮＯ_２ よりなる群から選択される１つ以
上のガスを含み、前記還元性ガスはＨ_２ とＮＨ_３ とＣ
Ｈ_４ とＨＣｌよりなる群から選択される１つ以上のガ
スを含む。これにより、酸化レートをある程度高く維持
しつつ、酸化膜の面内均一性と膜質の特性を共に向上さ
せることが可能となる。

【００１２】ここで請求項８に規定するように、前記真
空雰囲気の圧力は、１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）未満であ
る。また、例えば請求項９に規定するように、前記真空
雰囲気の圧力は、６．７Ｐａ（０．０５Ｔｏｒｒ）〜１
６．５Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）の範囲内であるである。
また、請求項１０に規定するように、前記所定の温度
は、４００〜１１００℃の範囲内である。また、請求項
１１に規定するように、前記被処理体の配列方向の他端
側の処理容器内にも前記酸化性ガス及び／或いは還元性
ガスを導入するようにした。

【００１３】請求項１２には規定する発明は、上記方法
発明を実施するための装置発明であり、所定のピッチで
複数枚の被処理体を支持する支持手段と、前記被処理体
に酸化処理を施すために前記支持手段を収容することが
できると共に真空引き可能になされた所定の長さの処理
容器と、前記被処理体を加熱するための加熱手段と、前
記処理容器内の雰囲気を真空引きする真空排気系と、前
記処理容器の一端側に設けられて前記処理容器内に酸化
性ガスを供給して他端側に向けて流すための酸化性ガス
供給系と、前記処理容器の一端側に前記酸化性ガス供給
系とは別個に設けられて、前記処理容器内に還元性ガス
を供給して他端側に向けて流すための還元性ガス供給系
とを備えることを特徴とする被処理体の酸化装置であ
る。この場合、例えば請求項１３に規定するように、前
記酸化性ガスと前記還元性ガスとの反応により水酸基活
性種と酸素活性種とを発生させるようになされている。
この場合、例えば請求項１４に規定するように、前記処
理容器はホットウォール状態になされている。

【００１４】また、例えば請求項１５に規定するよう
に、前記加熱手段は、前記酸化性ガスと前記還元性ガス
とを共に加熱するようになされている。また、例えば請
求項１６に規定するように、前記酸化性ガス供給系は酸
化性ガスノズルを有し、前記還元性ガス供給系は還元性
ガスノズルを有し、前記両ノズルのガス出口は、前記配
列された被処理体の収容領域よりも所定の距離だけ離間
された位置である。この場合、例えば請求項１７に規定
するように、前記所定の距離は、前記配列された被処理
体の収容領域における温度分布に悪影響を与えないで、
且つ前記導入された酸化性ガスと前記還元性ガスとの混
合を十分に行い得る長さに設定されている。

【００１５】従って、この所定の距離を設けることによ
って、被処理体の収容領域における温度分布に悪影響を
与えることを防止でき、また、酸化性ガスと還元性ガス
との混合も十分に行うことが可能となる。請求項１８に
規定するように、例えば前記所定の距離は、略１００ｍ
ｍ以上である。

【００１６】また、例えば請求項１９に規定するよう
に、前記酸化性ガス供給系は酸化性ガスノズルを有し、
前記還元性ガス供給系は還元性ガスノズルを有し、前記
両ノズルは前記処理容器内を他端側に向けて延びると共
に他端側に各ガス出口が位置されるようにしてもよい。
これによれば、両ガスはそれぞれのノズル内を流れる間
に十分に予熱されることになり、その分、両ガスの活性
化を促進させることが可能となる。また、例えば請求項
２０に規定するように、前記酸化性ガスノズルと前記還
元性ガスノズルの内、少なくともいずれか一方は、２系
統有しており、前記２系統のガスノズルの各ガス出口
は、前記被処理体の収容領域の上端側と下端側とにそれ
ぞれ位置されるようにしてもよい。これによれば、酸化
膜の膜厚の面内均一性と面間均一性の更なる向上及び膜
質の特性の更なる向上を図ることが可能となる。また、
請求項２１に規定するように、前記酸化性ガスはＯ₂ と
Ｎ₂ ＯとＮＯとＮＯ₂ よりなる群から選択される１つ以
上のガスを含み、前記還元性ガスはＨ₂とＮＨ₃ とＣＨ₄
とＨＣｌよりなる群から選択される１つ以上のガスを
含む。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る被処理体の
酸化方法及び酸化装置の一実施例を添付図面に基づいて
詳述する。図１は本発明に係る成膜方法を実施するため
の被処理体の酸化装置の一例を示す構成図である。ここ
では酸化性ガスとして酸素（Ｏ_２ ）を用い、還元性ガ
スとして水素（Ｈ_２ ）を用いる場合を例にとって説明
する。この酸化装置２は、内筒４と外筒６とよりなる石
英製の２重管構造の縦型の所定の長さの処理容器８を有
している。上記内筒４内の処理空間Ｓには、被処理体を
保持するための支持手段としての石英製のウエハボート
１０が収容されており、このウエハボート１０には被処
理体としての半導体ウエハＷが所定のピッチで多段に保
持される。尚、このピッチは、一定の場合もあるし、ウ
エハ位置によって異なっている場合もある。

【００１８】この処理容器８の下方を開閉するためにキ
ャップ１２が設けられ、これには磁性流体シール１４を
介して貫通する回転軸１６が設けられる。そして、この
回転軸１６の上端に回転テーブル１８が設けられ、この
テーブル１８上に保温筒２０を設け、この保温筒２０上
に上記ウエハボート１０を載置している。そして、上記
回転軸１６は昇降可能なボートエレベータ２２のアーム
２４に取り付けられており、上記キャップ１２やウエハ
ボート１０等と一体的に昇降可能にしており、ウエハボ
ート１０は処理容器８内へその下方から挿脱可能になさ
れている。尚、ウエハボート１０を回転せずに、これを
固定状態としてもよい。上記処理容器８の下端開口部
は、例えばステンレス製のマニホールド２６が接合され
ており、このマニホールド２６には、流量制御された酸
化性ガスと還元ガスとを処理容器８内へ導入するための
酸化性ガス供給系２８と還元性ガス供給系３０がそれぞ
れ個別に設けられている。

【００１９】具体的には、まず、上記酸化性ガス供給系
２８は、上記マニホールド２６を貫通して設けられる酸
化性ガスノズル３２を有しており、このノズル３２には
途中に例えばマスフローコントローラのような流量制御
器３４を介設したガス供給路３６が接続される。そし
て、このガス供給路３６には、酸化性ガスとしてここで
は例えば酸素を貯留する酸化性ガス源３８が接続されて
いる。また、上記還元ガス供給系３０は、同様に上記マ
ニホールド２６を貫通して設けられる還元性ガスノズル
４０を有しており、このノズル４０には途中に例えばマ
スフローコントローラのような流量制御器４２を介設し
たガス供給路４４が接続される。そして、このガス供給
路４４には、還元性ガスとしてここでは例えば水素を貯
留する還元性ガス源４６が接続されている。

【００２０】従って、上記各ノズル３２、４０より供給
された各ガスは、内筒４内の処理空間Ｓであるウエハの
収容領域を上昇して天井部で下方へ折り返し、そして内
筒４と外筒６との間隙内を流下して排出されることにな
る。また、外筒６の底部側壁には、排気口５０が設けら
れており、この排気口５０には、排気路５２に真空ポン
プ５４を介設してなる真空排気系５６が接続されてお
り、処理容器８内を真空引きするようになっている。こ
こで処理空間Ｓとしてのウエハの収容領域と各ガスの導
入位置との間の距離Ｈ１、具体的にはウエハの収容領域
の下端部、すなわちウエハボート１０の下端部と各ノズ
ル３２、４０の先端のガス出口との間の距離Ｈ１は所定
の距離だけ離間されている。このように距離Ｈ１を設け
た第１の理由は、この距離Ｈ１の長さを各ガスが上昇す
る間に、加熱ヒータ６２により加熱されてホットウォー
ル状態になさされた処理容器８からの放熱により、上記
各ガスを予備的に加熱させるためである。すなわち、一
般的にはウエハボート１０の長さ方向に沿った処理空間
Ｓの温度は精度良く略一定に維持されているが、もし、
例えば室温程度の各ガスをウエハボート１０の下部近傍
に導入すると、この部分における温度が低下して処理空
間Ｓ内の全体における温度分布に悪影響を与えるからで
ある。また、第２の理由は、距離Ｈ１の長さに亘って両
ガスが上昇する際に、これらの両ガスを良好に混合させ
るためである。

【００２１】従って、上記距離Ｈ１は、ウエハの収容領
域（処理空間Ｓ）における温度分布に悪影響を与えない
で、且つ導入された酸化性ガスと還元性ガスとの混合を
十分に行う得る長さ、例えば１００ｍｍ以上、好ましく
は３００ｍｍ以上に設定する。尚、本実施例の場合は、
距離Ｈ１は３５０ｍｍ程度に設定されている。また、処
理容器８の外周には、断熱層６０が設けられており、こ
の内側には、加熱手段として加熱ヒータ６２が設けられ
て内側に位置するウエハＷを所定の温度に加熱するよう
になっている。ここで、処理容器８の全体の大きさは、
例えば成膜すべきウエハＷのサイズを８インチ、ウエハ
ボート１０に保持されるウエハ枚数を１５０枚程度（製
品ウエハを１３０枚程度、ダミーウエハ等を２０枚程
度）とすると、内筒４の直径は略２６０〜２７０ｍｍ程
度、外筒６の直径は略２７５〜２８５ｍｍ程度、処理容
器８の高さは略１２８０ｍｍ程度である。

【００２２】また、ウエハＷのサイズが１２インチの場
合には、ウエハボート１０に保持されるウエハ枚数が２
５〜５０枚程度の場合もあり、この時、内筒４の直径は
略３８０〜４２０ｍｍ程度、外筒６の直径は略４４０〜
５００ｍｍ程度、処理容器８の高さは略８００ｍｍ程度
である。そして、ウエハボート１０の高さＨ２は、ウエ
ハ枚数に依存し、例えば２００〜１０００ｍｍ程度の範
囲内となる。尚、これらの数値は単に一例を示したに過
ぎない。尚、図中、６４はキャップ１２とマニホールド
２６との間をシールするＯリング等のシール部材であ
り、６６はマニホールド２６と外筒６の下端部との間を
シールするＯリング等のシール部材である。

【００２３】次に、以上のように構成された酸化装置を
用いて行なわれる本発明方法について説明する。まず、
未処理の多数枚の半導体ウエハＷをウエハボート１０に
所定のピッチで多段に保持させ、この状態でボートエレ
ベータ２２を上昇駆動することにより、ウエハボート１
０を処理容器８内へその下方より挿入し、処理容器８内
を密閉する。この処理容器８内は予め予熱されており、
また、例えば半導体ウエハＷの表面は酸化対象となる単
結晶膜、多結晶膜、金属膜、金属酸化膜等が前工程にて
形成されている。また、単結晶のシリコンウエハ自体の
表面を酸化する場合もある。上述のようにウエハＷが挿
入されたならば、加熱ヒータ６２への供給電圧を増加し
てウエハＷを所定のプロセス温度まで昇温すると共に、
真空排気系５６により処理容器８内を真空引きする。

【００２４】そして、これと同時に酸化性ガス供給系２
８の酸化性ガスノズル３２から流量制御された酸素を処
理容器８内へ導入すると共に、還元性ガス供給系３０の
還元性ガスノズル４０から流量制御された水素を処理容
器８内へ導入する。このように、処理容器８内へ別々に
導入された酸素と水素はこの処理容器８内を上昇しつつ
ウエハＷの直近で水素の燃焼反応を生じて、ウエハ表面
を酸化することになる。この時の酸化プロセス条件は、
酸化対象膜が単結晶シリコン、或いは多結晶シリコンの
時にはウエハ温度が４００〜１１００℃の範囲内、好ま
しくは下層の素子の耐熱性等を考慮して４００〜９００
℃の範囲内、圧力は１３３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ）未満、好
ましくは濃度分布を考慮して６．７Ｐａ（０．０５Ｔｏ
ｒｒ）〜６６．５Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）の範囲内であ
る。また、ガス流量は酸素ガスが１ｓｃｃｍ〜１０リッ
トル／ｍｉｎの範囲内、水素ガスが１ｓｃｃｍ〜５リッ
トル／ｍｉｎの範囲内である。これにより、酸化レート
をある程度高く維持しつつ、酸化膜の面内均一性と膜質
の特性とを共に大幅に向上させることが可能となる。

【００２５】このように、減圧雰囲気下にて水素と酸素
とを別々に処理容器８内へ導入することにより、ウエハ
Ｗの直近にて以下のような水素の燃焼反応が進行すると
考えられる。尚、下記の式中において＊印を付した化学
記号はその活性種を表す。 Ｈ_２ ＋Ｏ_２ → Ｈ＊＋ＨＯ_２ Ｏ_２ ＋Ｈ＊ → ＯＨ＊＋Ｏ＊ Ｈ_２ ＋Ｏ＊ → Ｈ＊＋ＯＨ＊ Ｈ_２ ＋ＯＨ＊ → Ｈ＊＋Ｈ_２ Ｏ

【００２６】このように、Ｈ_２ 及びＯ_２ を別々に処理
容器８内に導入すると、水素の燃焼反応過程中において
Ｏ＊（酸素活性種）とＯＨ＊（水酸基活性種）とＨ_２
Ｏ（水蒸気）が発生し、これらによりウエハ表面の酸化
が行なわれる。この場合、酸化膜の膜質の特性や膜厚の
面内均一性及び面間均一性が改善された理由は、特に上
記Ｏ＊とＯＨ＊の両活性種が大きく作用するものと考え
られる。換言すれば、上述のような従来方法よりはプロ
セス圧力が遥かに低い真空雰囲気下にて酸化処理を行な
うようにしたので、Ｈ_２ ガスとＯ_２ ガスが処理容器８
内を上昇しつつ上記した一連の化学反応式で示す反応が
徐々に進むので、ウエハＷのどの高さ位置においても過
不足のない状態でＨ_２ Ｏが存在するような状態とな
り、このため酸化反応がウエハＷのどの高さ位置におい
ても略均等に行われ、この結果、特に膜厚の面間均一性
も向上させることが可能となる。すなわち、上述のよう
にプロセス圧力を１３３Ｐａ未満に設定して従来方法よ
りもかなり低く設定することにより、酸素と水素基の活
性種の寿命が共に長くなり、従って、この活性種が高さ
Ｈ２の処理空間Ｓに沿って流れる際に途中であまり消滅
することなく、酸化反応に寄与しつつ上昇することにな
り、よって膜厚の面間均一性も向上する。

【００２７】また、ここではＨ_２ ガスとＯ_２ ガスとを
直接的に処理空間Ｓに供給するのではなく、その下端部
より距離Ｈ１だけ離れた所に供給するようにしているの
で、両ガスが距離Ｈ１の長さを上昇する間に、両ガスが
十分に混合され、また、この距離Ｈ１の長さを上昇する
間に、加熱ヒータ６２により、或いは加熱ヒータ６２に
より加熱されてホットウォール状態になった処理容器８
からの熱により予備加熱されるので、これらの両ガスの
活性化を促進することができる。

【００２８】ここで、本発明方法とドライ酸化処理方法
による従来方法とを用いてシリコン膜を酸化してシリコ
ン酸化膜（ＳｉＯ_２ ）をそれぞれ形成し、その膜質の
特性について検討したので、その評価結果について説明
する。図２は本発明方法と従来方法（ドライ酸化処理方
法）とを用いた酸化処理により形成したＳｉＯ_２ 膜の
故障率特性を示すグラフである。ここでは各ＳｉＯ_２膜
に０．０５アンペア／ｃｍ^２ の電流を強制的に流した
時に９０％の素子が破壊されるまでに要した時間を計測
している。このグラフから明らかなように、従来方法
（ドライ酸化処理方法）により形成したＳｉＯ_２ 膜
は、９０％破壊までに６秒程度を要したが、本発明方法
により形成したＳｉＯ_２ 膜は、９０％破壊までに５０
秒程度も要し、本発明方法によるＳｉＯ_２ 膜が耐圧性
及び信頼性に優れており、膜質が良好であることが判明
した。尚、グラフ中において、９０％破壊までの総電荷
量は、従来方法によるＳｉＯ_２膜は０．２５クーロン／
ｃｍ^２ であり、本発明方法によるＳｉＯ_２ 膜は２．３
５クーロン／ｃｍ^２ であった。

【００２９】次に、本発明方法と従来方法として外部燃
焼方式によるウェット酸化処理方法（常圧）を用いてシ
リコン膜を酸化してシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２ ）をそ
れぞれ形成し、この時の膜厚の面内均一性について検討
したので、その評価結果について説明する。図３は本発
明方法と従来方法（外部燃焼方式による常圧ウェット酸
化処理）とを用いた酸化処理により形成したＳｉＯ_２
膜の膜厚差（最大値と最小値の差）の分布を示すグラフ
である。この時のプロセス条件は、本発明方法の場合は
プロセス温度が８５０℃、プロセス圧力が２６．６Ｐａ
（０．２Ｔｏｒｒ）、Ｏ_２ガス流量が０．１リットル／
ｍｉｎ、Ｈ_２ ガス流量が０．２リットル／ｍｉｎであ
る。従来方法の場合はプロセス温度が８５０℃、プロセ
ス圧力が９５７６０Ｐａ（７２０Ｔｏｒｒ：略常圧）、
Ｏ_２ ガス流量が０．６リットル／ｍｉｎ、Ｈ_２ ガス流
量が０．６リットル／ｍｉｎ、Ｎ_２ 希釈ガスが２０リ
ットル／ｍｉｎである。また、膜厚は共に１〜４ｎｍだ
け酸化させた。

【００３０】このグラフから明らかなように、酸化膜の
厚さによらず、従来方法による酸化膜の膜厚のウエハ面
内のバラツキはかなり大きいのに対して、本発明方法に
よる酸化膜の膜厚のウエハ面内のバラツキはかなり小さ
い。この各膜厚差の値を平均した結果、従来方法の場合
には０．０６６ｎｍであったが、本発明方法の場合には
０．０４７ｎｍであり、本発明方法の場合の方が膜厚の
面内均一性を大幅に改善できることが判明した。また、
ここで酸化のために処理容器内で水蒸気を直接導入する
ようにした従来方法（水蒸気導入）の場合と本発明方法
の場合の酸化レートについて検討を行ったので、その評
価結果について説明する。図４は酸化時間と酸化膜の厚
さとの関係を示すグラフである。このプロセス条件は、
プロセス温度が８５０℃、プロセス圧力が９３Ｐａ
（０．７Ｔｏｒｒ）、Ｈ_２ ガスの流量が１００ｃｃ、
Ｏ_２ ガスの流量が６００ｃｃである。このグラフから
明らかなように、同一の酸化時間を比較した場合、本発
明方法の方が、従来方法の場合よりも１０倍以上膜厚が
厚くなっており、従って、従来方法と比較して本発明方
法の方が１０倍以上も成膜レートが高く、その分、スル
ープットも高くできることが判明した。

【００３１】また、次に、酸化膜の厚さのプロセス圧力
に対する依存性について検討したので、その評価結果に
ついて説明する。図５は酸化膜の膜厚及びこの面内均一
性のプロセス圧力に対する依存性を示すグラフである。
図６は図５に示す場合よりもより圧力が小さい領域も含
めて酸化膜の膜厚及びこの面内均一性のプロセス圧力に
対する依存性を示すグラフである。尚、図５に示す膜厚
のグラフには、面間均一性を併記してある。ここでグラ
フ中においてＴＯＰはウエハボートの上段に位置したウ
エハを示し、ＣＴＲはウエハボートの中段に位置したウ
エハを示し、ＢＴＭはウエハボートの下段に位置したウ
エハを示す。また、プロセス条件は、図５及び図６
（Ａ）ではプロセス温度が９００℃、Ｈ_２ ガス流量が
０．６リットル／ｍｉｎ、Ｏ_２ ガス流量が１．２リッ
トル／ｍｉｎ、プロセス時間は６０分である。図６
（Ｂ）ではプロセス温度が８５０℃、Ｈ_２ ガス流量が
０．０５リットル／ｍｉｎ、Ｏ_２ ガス流量が０．１リ
ットル／ｍｉｎ、プロセス時間は３分である。

【００３２】まず、図５に示すグラフから明らかなよう
に、膜厚の面内均一性及び面間均一性ともに、プロセス
圧力が低くなる程向上している。そして、今後、酸化プ
ロセスにおいて必要になると予測される数値、すなわち
面内均一性が略±０．８％で、且つ面間均一性が略±６
％を満足するには、プロセス圧力を１３３Ｐａ（１Ｔｏ
ｒｒ）よりも低く設定する必要があることが判明した。
また、図６（Ａ）は図５にて説明したと全く同じプロセ
ス条件で酸化膜を形成した時のプロセス圧力と膜厚との
関係を示しており、異なる点は図６（Ａ）に示すグラフ
では圧力が６７Ｐａ（０．５Ｔｏｒｒ）においても成膜
処理を行った点である。このように図５に示すグラフと
図６（Ａ）に示すグラフは圧力６７Ｐａの部分を除いて
ほとんど同じ状態となっているので再現性にも優れてい
る点が判明した。図５及び図６（Ａ）では膜厚を１２ｎ
ｍ程度形成する場合を説明しているが、今後予定される
もっと薄い膜厚の場合及び圧力が６７Ｐａ（０．５Ｔｏ
ｒｒ）以下の部分における評価を図６（Ｂ）に示す。

【００３３】図６（Ｂ）においては目標膜厚は、図５及
び図６（Ａ）に示す膜厚１２ｎｍの１／６である２ｎｍ
の厚さである。このグラフから明らかなように、圧力
６．７Ｐａ（０．０５Ｔｏｒｒ）〜６６．５Ｐａ（０．
５Ｔｏｒｒ）の範囲に亘って、膜厚は略２ｎｍ程度であ
り、しかも、ＴＯＰ、ＣＴＲ、ＢＴＭ間でも膜厚の差は
ほとんど生じていない。従って、膜厚が２ｎｍ程度に非
常に薄い場合でも、膜厚の面内均一性及び面間均一性を
共に高く維持できることが判明した。また、圧力範囲も
６．７Ｐａ（０．０５Ｔｏｒｒ）〜６６．５Ｐａ（０．
５Ｔｏｒｒ）の範囲内で、膜厚の面内均一性及び面間均
一性を共により高く維持できることが判明した。

【００３４】このように、より低いプロセス圧力領域で
膜厚の面内及び面間均一性をより高く維持できる理由
は、上述したような極めて低い圧力領域では、処理容器
８内にて発生したＯ_２ ガスとＨ_２ ガスの活性種の寿命
が十分に長くなってこれが処理空間Ｓに沿って流れる際
に処理空間Ｓの全体に亘って略均一な濃度分布になるか
らであると考えられる。尚、酸化レートについては、Ｈ
_２ ガスとＯ_２ ガスとの流量比を変えたり、或いはそれ
ぞれのガスに、Ｎ_２ ガスやＡｒガスやＨｅガス等の不
活性ガスを希釈ガスとして混入させることにより、その
酸化レートを適宜変更することもできる。

【００３５】また、ここでは処理容器８が２重管構造の
酸化装置について説明したが、本発明は単管構造の処理
装置にも適用することができる。この場合、図７に示す
ように処理容器の上端側から下端側に向けてガスを流す
ようにしてもよい。すなわち、図７は単管構造の酸化装
置の一例を示している。尚、この図７において図１に示
した装置の構成部分と同一構成部分については同一符号
を付して説明を省略する。

【００３６】すなわち、この酸化装置にあっては、図１
に示す内筒４（図１参照）をなくし、外筒６を処理容器
８として単管構造としている。そして、排気口５０をマ
ニホールド２６に設けると共に、酸化性ガス供給系２８
の酸化性ガスノズル３２と還元性ガス供給系３０の還元
性ガスノズル４０とを処理容器８の天井部に設けてい
る。そして、この各ノズル３２、４０からそれぞれ導入
したＯ_２ ガスとＨ_２ ガスとを処理容器８内を下方へ流
下させつつ前述したようにＨ_２ ガスを燃焼させてウエ
ハＷを酸化させ、このガスを排気口５０から真空引きす
るようにしている。また、図８に示すように、単管構造
の処理容器８の天井部に上部排気口７０を設け、そし
て、酸化性ガスと還元性ガスは、処理容器８の下部に設
けた各ノズル３２、４０から導入させるようにしてもよ
い。

【００３７】更には、図９に示すように、マニホールド
２６に挿通させた各ノズル３２、４０を、単管構造の処
理容器８の内壁に沿って処理容器８の上端まで延ばして
この容器天井部に各ガス出口３２ａ、４０ａを位置させ
る。そして、この容器天井部の各ガス出口３２ａ、４０
ａから導入されたＯ_２ ガスとＨ_２ ガスは活性化されて
流下し、容器下部に設けた排気口５０から排気される。

【００３８】この実施例によれば、容器壁に沿って延び
る各ノズル３２、４０内を各ガスが流れる際に、このガ
スが、加熱ヒータ６２やこの加熱ヒータ６２によって加
熱されてホットウォール状態となった処理容器８の壁面
から十分に予備加熱されることになるので、両ガスの活
性種をより効率よく形成することが可能となる。また、
上記各実施例では、酸化性ガスノズル３２と還元性ガス
ノズル４０とをそれぞれ１系統のみ設けた場合について
説明したが、これに限定されず、これら２種類のガスノ
ズル３２、４０の内、少なくともいずれか一方を２系統
設け、この２系統設けたガスノズルのガス出口を、ウエ
ハの収容領域の上端側と下端側とにそれぞれ位置させる
ようにしてもよい。図１０はこのような酸化装置のまた
更に他の一例を示す図である。この図１０では図９に示
す装置例をベースとして改良した装置を示しているの
で、図９において示した構成部品については同一参照符
号を付している。

【００３９】図示するように、上記第１系統の酸化性ガ
スノズル３２及び還元性ガスノズル４０に連結される各
ガス供給路３６、４４を途中で分岐させて、それぞれ第
２の系統の酸化性ガスノズル７０及び還元性ガスノズル
７２を設けている。尚、これらの第２の系統の各ガスノ
ズル７０、７２に対して、それぞれ個別のマスフローコ
ントローラを設けて個別に供給ガス量を制御するように
してもよい。そして、上記第２の系統の両ガスノズル７
０、７２は、処理容器８の下端に連結されるマニホール
ド２６に貫通させて設けられており、上記ガスノズル７
０、７２のそれぞれのガス出口７０ａ、７２ａは、処理
容器８内のウエハボート１０の下端よりも所定の距離だ
け下方に、すなわちウエハの収容領域の下端側にそれぞ
れ位置されている。

【００４０】従って、Ｏ_２ ガスとＨ_２ ガスは、処理容
器８内の天井部に設けた各ガス出口３２ａ、４０ａから
供給されるのみならず、処理容器８内の下部に設けた各
ガス出口７０ａ、７２ａからもそれぞれ供給されること
になる。この結果、ウエハの収容領域内に保持されてい
る各ウエハには、十分な量の水蒸気成分が過不足なく供
給されることになるので、酸化膜の膜厚の面内均一性と
面間均一性を更に向上できるのみならず、膜質特性も、
更に向上させることができる。ここでは、酸化性ガスノ
ズルと還元性ガスノズルの両方を２系統設けた場合を例
にとって説明したが、上記両ガスノズルの内の、いずれ
か一方のみを２系統設けるようにしてもよい。また、こ
こでは図９に示す酸化装置に２系統のガスノズルを設け
た場合を例にとって説明したが、これに限定されず、図
１、図７、図８に示す各酸化装置に上記したような２系
統のガスノズルを設けるようにしてもよい。この場合、
ウエハの収容領域の上端側と下端側にそれぞれのガス出
口を位置させるのは上述した通りである。

【００４１】尚、以上の実施例では酸化性ガスとしてＯ
_２ ガスを用い、還元性ガスとしてＨ_２ ガスを用いた場
合を例にとって説明したが、酸化性ガスとしてはＯ
_２ 、Ｎ _２ Ｏ、ＮＯ、ＮＯ_２ よりなる群から選択され
る１つ以上のガスを用いることができ、また、還元性ガ
スとしてはＨ_２ 、ＮＨ_３ 、ＣＨ_４ 、ＨＣｌよりなる
群から選択される１つ以上のガスを用いることができ
る。この場合にも、ウエハ表面の酸化反応には、前述し
たように還元性ガスの燃焼過程に生ずる酸素活性種と水
酸基活性種が主として寄与することになる。また、ガス
としてＯ_２ やＨ_２ 以外の上記ガスを用いた場合にも、
ウエハ温度及びプロセス圧力などのプロセス条件は前述
のようにＯ_２ とＨ_２ とを用いた場合と略同様に設定す
ればよい。

【００４２】また、本発明方法は上述したような一度に
多数枚の半導体ウエハについて酸化処理できるバッチ式
の酸化装置に限定されず、処理容器内の載置台（支持手
段）に半導体ウエハを載置して加熱手段としてランプ加
熱或いはヒータ加熱により一枚ずつ酸化処理する枚葉式
の酸化装置にも適用することができる。また、被処理体
としては、半導体ウエハに限定されず、ＬＣＤ基板、ガ
ラス基板等にも適用することができる。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の被処理体
の酸化方法及び酸化装置によれば、次のように優れた作
用効果を発揮することができる。酸化レートをある程度
高く維持しつつ、酸化膜の膜厚の面内均一性と面間均一
性の向上及び膜質の特性の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る成膜方法を実施するための被処理
体の酸化装置の一例を示す構成図である。

【図２】本発明方法と従来方法（ドライ酸化処理方法）
とを用いた酸化処理により形成したＳｉＯ_２ 膜の故障
率特性を示すグラフである。

【図３】本発明方法と従来方法（外部燃焼方式による常
圧ウェット酸化処理）とを用いた酸化処理により形成し
たＳｉＯ_２ 膜の膜厚差（最大値と最小値の差）の分布
を示すグラフである。

【図４】酸化時間と酸化膜の厚さとの関係を示すグラフ
である。

【図５】酸化膜の膜厚及びこの面内均一性のプロセス圧
力に対する依存性を示すグラフである。

【図６】図５に示す場合よりもより圧力が小さい領域も
含めて酸化膜の膜厚及びこの面内均一性のプロセス圧力
に対する依存性を示すグラフである。

【図７】単管構造の酸化装置の一例を示す図である。

【図８】単管構造の酸化装置の他の一例を示す図であ
る。

【図９】単管構造の酸化装置の更に他の一例を示す図で
ある。

【図１０】酸化装置のまた更に他の一例を示す図であ
る。

【符号の説明】

２ 酸化装置 ４ 内筒 ６ 外筒 ８ 処理容器 １２ 支持手段（ウエハボート） ２８ 酸化性ガス供給系 ３０ 還元性ガス供給系 ３２ 酸化性ガスノズル ３８ 酸化性ガス源 ４０ 還元性ガスノズル ４６ 還元性ガス源 ５６ 真空排気系 ６２ 加熱ヒータ（加熱手段） Ｗ 半導体ウエハ（被処理体）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 梅澤 好太 東京都港区赤坂五丁目３番６号 ＴＢＳ 放送センター東京エレクトロン株式会社 内 (72)発明者 米川 司 東京都港区赤坂五丁目３番６号 ＴＢＳ 放送センター東京エレクトロン株式会社 内 (56)参考文献 特開2001−274154（ＪＰ，Ａ) 特開2001−223213（ＪＰ，Ａ) 国際公開99／03141（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/31 H01L 21/316

Claims (21)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定のピッチで複数枚の被処理体が配列
   された所定の長さの処理容器内に酸化性ガスと還元性ガ
   スとを前記被処理体の配列方向の一端側から導入して他
   端側に向けて流しつつ所定の温度になされた前記被処理
   体の表面を酸化する酸化方法において、真空雰囲気下に
   て前記酸化性ガスと前記還元性ガスとの反応により発生
   した水酸基活性種と酸素活性種とを用いることにより前
   記酸化を行なうようにしたことを特徴とする被処理体の
   酸化方法。
2. 【請求項２】 前記処理容器はホットウォール状態にな
   されていることを特徴とする請求項１記載の被処理体の
   酸化方法。
3. 【請求項３】 前記酸化性ガスと前記還元性ガスとをそ
   れぞれ異なるガス供給系より別々に導入するようにした
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の被処理体の酸化
   方法。
4. 【請求項４】 前記酸化性ガスと前記還元性ガスの前記
   処理容器内に対する導入位置は、前記配列された被処理
   体の収容領域よりも所定の距離だけ離間された位置であ
   ることを特徴とする請求項３記載の被処理体の酸化方
   法。
5. 【請求項５】 前記所定の距離は、前記配列された被処
   理体の収容領域における温度分布に悪影響を与えない
   で、且つ前記導入された酸化性ガスと前記還元性ガスと
   の混合を十分に行い得る長さに設定されていることを特
   徴とする請求項４記載の被処理体の酸化方法。
6. 【請求項６】 前記所定の距離は、略１００ｍｍ以上で
   あることを特徴とする請求項５記載の被処理体の酸化方
   法。
7. 【請求項７】 前記酸化性ガスはＯ₂ とＮ₂ ＯとＮＯと
   ＮＯ₂ よりなる群から選択される１つ以上のガスを含
   み、前記還元性ガスはＨ₂ とＮＨ₃ とＣＨ₄ とＨＣｌよ
   りなる群から選択される１つ以上のガスを含むことを特
   徴とする請求項２乃至６のいずれかに記載の被処理体の
   酸化方法。
8. 【請求項８】 前記真空雰囲気の圧力は、１３３Ｐａ
   （１Ｔｏｒｒ）未満であることを特徴とする請求項１乃
   至７のいずれかに記載の被処理体の酸化方法。
9. 【請求項９】 前記真空雰囲気の圧力は、６．７Ｐａ
   （０．０５Ｔｏｒｒ）〜１６．５Ｐａ（０．５Ｔｏｒ
   ｒ）の範囲内であることを特徴とする請求項８記載の被
   処理体の酸化方法。
10. 【請求項１０】 前記所定の温度は、４００〜１１００
    ℃の範囲内であることを特徴とする請求項１乃至９のい
    ずれかに記載の被処理体の酸化方法。
11. 【請求項１１】 前記被処理体の配列方向の他端側の処
    理容器内にも前記酸化性ガス及び／或いは還元性ガスを
    導入するようにしたことを特徴とする請求項１乃至１０
    のいずれかに記載の被処理体の酸化方法。
12. 【請求項１２】 所定のピッチで複数枚の被処理体を支
    持する支持手段と、 前記被処理体に酸化処理を施すために前記支持手段を収
    容することができると共に真空引き可能になされた所定
    の長さの処理容器と、 前記被処理体を加熱するための加熱手段と、 前記処理容器内の雰囲気を真空引きする真空排気系と、前記処理容器の一端側に設けられて 前記処理容器内に酸
    化性ガスを供給して他端側に向けて流すための酸化性ガ
    ス供給系と、前記処理容器の一端側に前記 酸化性ガス供給系とは別個
    に設けられて、前記処理容器内に還元性ガスを供給して
    他端側に向けて流すための還元性ガス供給系とを備える
    ことを特徴とする被処理体の酸化装置。
13. 【請求項１３】 前記酸化性ガスと前記還元性ガスとの
    反応により水酸基活性種と酸素活性種とを発生させるよ
    うにしたことを特徴とする請求項１２記載の被処理体の
    酸化装置。
14. 【請求項１４】 前記処理容器はホットウォール状態に
    なされていることを特徴とする請求項１２又は１３記載
    の被処理体の酸化装置。
15. 【請求項１５】 前記加熱手段は、前記酸化性ガスと前
    記還元性ガスとを共に加熱するようになされていること
    を特徴とする請求項１２乃至１４のいずれかに記載の被
    処理体の酸化装置。
16. 【請求項１６】 前記酸化性ガス供給系は酸化性ガスノ
    ズルを有し、前記還元性ガス供給系は還元性ガスノズル
    を有し、前記両ノズルのガス出口は、前記配列された被
    処理体の収容領域よりも所定の距離だけ離間された位置
    であることを特徴とする請求項１２乃至１５のいずれか
    に記載の被処理体の酸化装置。
17. 【請求項１７】 前記所定の距離は、前記配列された被
    処理体の収容領域における温度分布に悪影響を与えない
    で、且つ前記導入された酸化性ガスと前記還元性ガスと
    の混合を十分に行い得る長さに設定されていることを特
    徴とする請求項１６記載の被処理体の酸化装置。
18. 【請求項１８】 前記所定の距離は、略１００ｍｍ以上
    であることを特徴とする請求項１７記載の被処理体の酸
    化装置。
19. 【請求項１９】 前記酸化性ガス供給系は酸化性ガスノ
    ズルを有し、前記還元性ガス供給系は還元性ガスノズル
    を有し、前記両ノズルは前記処理容器内を他端側に向け
    て延びると共に他端側に各ガス出口が位置されることを
    特徴とする請求項１２乃至１５のいずれかに記載の被処
    理体の酸化装置。
20. 【請求項２０】 前記酸化性ガスノズルと前記還元性ガ
    スノズルの内、少なくともいずれか一方は、２系統有し
    ており、前記２系統のガスノズルの各ガス出口は、前記
    被処理体の収容領域の上端側と下端側とにそれぞれ位置
    されることを特徴とする請求項１２乃至１９のいずれか
    に記載の被処理体の酸化装置。
21. 【請求項２１】 前記酸化性ガスはＯ₂ とＮ₂ ＯとＮＯ
    とＮＯ₂ よりなる群から選択される１つ以上のガスを含
    み、前記還元性ガスはＨ₂ とＮＨ₃ とＣＨ₄ とＨＣｌよ
    りなる群から選択される１つ以上のガスを含むことを特
    徴とする請求項１２乃至２０のいずれかに記載の被処理
    体の酸化装置。