JP3552037B2

JP3552037B2 - シリコン酸化膜の形成方法及び形成装置

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Publication number: JP3552037B2
Application number: JP2000223235A
Authority: JP
Inventors: 武司熊谷; 義幸藤田; 寿加藤
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2000-07-25
Filing date: 2000-07-25
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2020-07-25
Also published as: JP2002043313A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン酸化膜の形成方法及び形成装置に関し、詳しくは被処理体、例えば半導体ウエハにシリコン酸化膜を形成するシリコン酸化膜の形成方法及び形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体装置の製造工程においては、化学的気相成長法（ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ））等の処理によって、被処理体、例えば半導体ウエハにシリコン酸化膜を形成することが行われている。
【０００３】
このシリコン酸化膜の形成は、例えば、以下のように行われる。まず、シリコン基板から構成された半導体ウエハを熱処理装置内に配置する。次に、熱処理装置内を所定の圧力、例えば１３．３Ｐａ（０．１Ｔｏｒｒ）〜１３３０Ｐａ（１０Ｔｏｒｒ）に減圧するとともに、所定の温度、例えば７００℃〜９００℃に加熱する。そして、熱処理装置内に、処理ガス、例えば、ジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）及び一酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ）を所定時間導入すると、ジクロロシランが酸化されて、半導体ウエハの表面にシリコン酸化膜が形成される。このように形成されたシリコン酸化膜は、緻密で絶縁性がよく、膜剥がれが起こりにくいという特質を有する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような方法により半導体ウエハにシリコン酸化膜を形成する場合、半導体ウエハに形成されるシリコン酸化膜の成膜速度が遅いという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、被処理体に形成するシリコン酸化膜の成膜速度を上げることができるシリコン酸化膜の形成方法及び形成装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明の第１の観点にかかるシリコン酸化膜の形成方法は、
被処理体が収容された反応室を所定の温度及び所定の圧力に設定し、該反応室内にシラン系ガスと一酸化二窒素とを供給して前記被処理体にシリコン酸化膜を形成するシリコン酸化膜の形成方法であって、
前記一酸化二窒素を７５０℃〜９５０℃に設定された加熱手段で加熱し、該加熱された一酸化二窒素を前記反応室に供給する、ことを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、７５０℃〜９５０℃に設定された加熱手段で一酸化二窒素が加熱され、加熱された一酸化二窒素が反応室に供給される。このため、一酸化二窒素の熱分解が促進されて多くの酸素が発生し、反応室内のシラン系ガスの酸化が促進される。従って、被処理体に形成されるシリコン酸化膜の成膜速度を上げることができる。
【０００９】
前記反応室は、例えば前記被処理体を収容する内管と、該内管を覆うように形成された有天井の外管とから構成されている。そして、前記シラン系ガス及び前記一酸化二窒素が前記内管内に供給される。
【００１０】
この発明の第２の観点にかかるシリコン酸化膜の形成装置は、
被処理体を収容するとともに、所定の温度に設定可能な加熱部を有する反応室と、
前記反応室内にシラン系ガスを供給する第１供給手段と、
前記反応室内に一酸化二窒素を供給する第２供給手段と、
前記第２供給手段に介設され、前記一酸化二窒素を所定の温度で加熱する加熱手段と、
前記反応室に接続された排気管を有し、前記反応室内のガスを前記排気管から排気して所定の圧力に設定可能な排気手段と、
前記加熱手段により前記一酸化二窒素を７５０℃〜９５０℃で加熱させ、該加熱された一酸化二窒素を前記第２供給手段を介して前記反応室に供給する制御手段と、
を備える、ことを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、加熱手段により一酸化二窒素が７５０℃〜９５０℃で加熱され、加熱された一酸化二窒素が第２供給手段を介して反応室に供給される。このため、一酸化二窒素の熱分解が促進されて多くの酸素が発生し、反応室内のシラン系ガスの酸化が促進される。従って、被処理体に形成されるシリコン酸化膜の成膜速度を上げることができる。
【００１３】
この発明の第３の観点にかかるシリコン酸化膜の形成装置は、
被処理体を収容するとともに、所定の温度に設定可能な加熱部を有する反応室と、
前記反応室内にシラン系ガスを供給する第１供給手段と、
前記反応室内に一酸化二窒素を供給する第２供給手段と、
前記第２供給手段に介設され、前記一酸化二窒素を所定の温度で加熱する加熱手段と、
前記反応室に接続された排気管を有し、前記反応室内のガスを前記排気管から排気して所定の圧力に設定可能な排気手段と、
前記加熱手段により前記一酸化二窒素を少なくとも７００℃で加熱させ、該加熱された一酸化二窒素を前記第２供給手段を介して前記反応室に供給する制御手段と、を備え、
前記第２供給手段は、前記反応室に連通するとともに前記加熱手段が介設された供給管を備え、該供給管の前記加熱手段の下流側には、前記供給管の口径を縮径させる狭径部が設けられている、ことを特徴とする。
この構成によれば、加熱手段内を通過する一酸化二窒素に十分な滞留時間が付与され、加熱手段による加熱効率が向上する。
【００１４】
前記反応室は、例えば前記被処理体を収容する内管と、該内管を覆うように形成された有天井の外管とから構成されている。そして、前記第１供給手段及び前記第２供給手段が前記内管内を臨むように配設される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態にかかるシリコン酸化膜の形成方法及び形成装置を、図１に示すバッチ式縦型熱処理装置を用いて、半導体ウエハにシリコン酸化膜を形成する場合を例に説明する。
【００１６】
図１に示すように、熱処理装置１は、長手方向が垂直方向に向けられた略円筒状の反応管２を備えている。反応管２は、内部に成膜領域を構成する内管３と、内管３を覆うと共に内管３と一定の間隔を有するように形成された有天井の外管４とから構成された二重管構造を有する。内管３及び外管４は、耐熱材料、例えば石英により形成されている。
【００１７】
外管４の下方には、筒状に形成されたステンレス鋼（ＳＵＳ）からなるマニホールド５が配置されている。マニホールド５は、外管４の下端と気密に接続されている。また、内管３は、マニホールド５の内壁から突出すると共に、マニホールド５と一体に形成された支持リング６に支持されている。
【００１８】
マニホールド５の下方には蓋体７が配置され、ボートエレベータ８により蓋体７は上下動可能に構成されている。ボートエレベータ８により蓋体７が上昇すると、マニホールド５の下方側が閉鎖される。
【００１９】
蓋体７には、例えば石英からなるウエハボート９が載置されている。ウエハボート９には、被処理体、例えば半導体ウエハ１０が垂直方向に所定の間隔、例えば５．２ｍｍの間隔をおいて複数枚収容されている。
【００２０】
反応管２の周囲には、反応管２を取り囲むように、断熱体１１が設けられている。断熱体１１の内壁面には、例えば抵抗発熱体からなる昇温用ヒータ１２が設けられている。そして、昇温用ヒータ１２の加熱により、反応管２内が所定の温度に設定される。
【００２１】
マニホールド５の側面には、複数のガス導入管が挿通されている。本実施の形態では、第１ガス導入管１３と第２ガス導入管１４との２つのガス導入管がマニホールド５の側面に挿通されている。
【００２２】
第１ガス導入管１３は内管３内を臨むように配設されている。例えば、図１に示すように、支持リング６より下方（内管３の下方）のマニホールド５の側面から第１ガス導入管１３が挿通されている。そして、第１ガス導入管１３から、例えばジクロロシラン（ＳｉＨ_２Ｃｌ_２）のようなシラン系のガスが内管３内に導入される。
【００２３】
第２ガス導入管１４は内管３内を臨むように配設され、第１ガス導入管１３と同様に、支持リング６より下方（内管３の下方）のマニホールド５の側面から第２ガス導入管１４が挿通されている。そして、第２ガス導入管１４から、一酸化二窒素（Ｎ_２Ｏ）が内管３内に導入される。
【００２４】
第２ガス導入管１４には、加熱器１５が介設されている。加熱器１５は、例えば抵抗発熱体からなるヒータを備え、加熱器１５内に供給された一酸化二窒素を所定の温度に加熱する。そして、加熱された一酸化二窒素が第２ガス導入管１４を介して、反応管２内に供給される。
【００２５】
また、第２ガス導入管１４の加熱器１５の下流側には狭径部１６が形成されている。図２に狭径部１６近傍の拡大図を示す。図２に示すように、狭径部１６は突部１６ａとオリフィス１６ｂとから構成されている。突部１６ａは、第２ガス導入管１４の内径を縮径させるように、第２ガス導入管１４の内周面から突出形成されている。本実施の形態では、突部１６ａが第２ガス導入管１４の内周面から、その鉛直方向に突出し、全体としてリング状に形成されている。そして、突部１６ａの内周側の空間がオリフィス１６ｂを形成する。本実施の形態では、第２ガス導入管１４の内径が２０ｍｍに形成され、オリフィス１６ｂの径が約０．６ｍｍに形成されている。
【００２６】
マニホールド５の側面には排出口１７が設けられている。排出口１７は支持リング６より上方に設けられており、反応管２内の内管３と外管４との間に形成された空間に連通する。そして、処理ガスが第１ガス導入管１３及び第２ガス導入管１４から内管３内に供給されて成膜処理が行われ、成膜処理によって発生した反応生成物が内管３と外管４との間を通って排出口１７に排出される。
【００２７】
排出口１７には排気管１８が気密に接続されている。排気管１８には、バルブ１９と、真空ポンプ２０とが介設されている。バルブ１９は、排気管１８の開度を調整して、反応管２内及び排気管１８内の圧力を所定の圧力に制御する。真空ポンプ２０は、排気管１８を介して反応管２内のガスを排気すると共に反応管２内及び排気管１８内の圧力を調整する。
【００２８】
ボートエレベータ８、昇温用ヒータ１２、第１ガス導入管１３、第２ガス導入管１４、加熱器１５、バルブ１９、真空ポンプ２０には、制御部２１が接続されている。制御部２１は、マイクロプロセッサ、プロセスコントローラ等から構成され、熱処理装置１の各部の温度、圧力等を測定し、測定データに基づいて、上記各部に制御信号等を出力して、熱処理装置１の各部を制御する。
【００２９】
次に、以上のように構成された熱処理装置１を用いたシリコン酸化膜の形成方法について、半導体ウエハ１０にシリコン酸化膜を形成する場合を例に説明する。なお、以下の説明において、熱処理装置１を構成する各部の動作は、制御部２１によりコントロールされている。
【００３０】
まず、ボートエレベータ８により蓋体７が下げられた状態で、半導体ウエハ１０が収容されたウエハボート９を蓋体７上に載置する。次に、ボートエレベータ８により蓋体７を上昇させ、ウエハボート９（半導体ウエハ１０）を反応管２内にロードする。これにより、半導体ウエハ１０を反応管２の内管３内に収容すると共に、反応管２を密閉する。
【００３１】
また、昇温用ヒータ１２により、反応管２内をシリコン酸化膜の形成に適した所定の温度、例えば７００℃〜９００℃に加熱する。
【００３２】
さらに、図示しないヒータにより、加熱器１５を所定の温度に加熱する。加熱器１５の温度について検討するため、加熱器１５の温度と一酸化二窒素の熱分解により発生する酸素量との関係を調べた。図３に各温度における酸素量を示す。図３に示すように、一酸化二窒素を７００℃以上で加熱すると、熱分解により発生する酸素量が増えることが確認できた。このように熱分解により発生する酸素量が増えると、第１ガス導入管１３から供給されるジクロロシランの酸化を促進させることができ、半導体ウエハ１０に形成されるシリコン酸化膜の成膜速度を上げることができる。このため、加熱器１５の温度を７００℃以上に設定する。
【００３３】
特に、加熱器１５の温度を７５０℃以上にすると、熱分解により発生する酸素量が大幅に増えることから、加熱器１５の温度は７５０℃以上であることが好ましい。ただし、一酸化二窒素は９５０℃でほぼ完全に熱分解されることから、加熱器１５を９５０℃より高い温度に加熱しても酸素量は増加しない。このため、加熱器１５の温度は、７５０℃〜９５０℃であることが好ましい。
【００３４】
反応管２を密閉した後、バルブ１９の開度を制御しつつ、真空ポンプ２０を駆動させて、反応管２内のガスを排出して減圧を開始する。反応管２内のガスの排出は、反応管２内の圧力が常圧から所定の圧力、例えば４７Ｐａ（０．３５Ｔｏｒｒ）になるまで行う。
【００３５】
また、加熱器１５内の圧力を、例えば０．１ｋＰａ〜９０ｋＰａ（０．７５Ｔｏｒｒ〜６７７Ｔｏｒｒ）に若干減圧する。本実施の形態では８５ｋＰａ（６４０Ｔｏｒｒ）に減圧している。このように加熱器１５内を反応管２内の圧力より高い圧力にしているのは、一般に減圧下では熱分解効率（加熱効率）が悪くなりやすいことから、加熱器１５内での加熱効率を向上させるためである。
【００３６】
反応管２内の圧力が４７Ｐａ（０．３５Ｔｏｒｒ）に維持されると、第１ガス導入管１３から所定の流量、例えば０．１５リットル／ｍｉｎ（１５０ｓｃｃｍ）のジクロロシランを内管３内に導入する。
【００３７】
また、第２ガス導入管１４から、所定の流量、例えば０．３リットル／ｍｉｎ（３００ｓｃｃｍ）の一酸化二窒素を加熱器１５に供給する。加熱器１５に供給された一酸化二窒素は、加熱器１５内で加熱されて熱分解を起こして酸素を発生し、この酸素が発生した状態のまま、第２ガス導入管１４を介して内管３内に導入される。
【００３８】
ここで、第２ガス導入管１４の加熱器１５の下流側には狭径部１６（オリフィス１６ｂ）が形成されているので、加熱器１５内を通過する一酸化二窒素に十分な滞留時間が付与される。このため、加熱器１５による加熱効率が向上し、一酸化二窒素の熱分解が促進される。
【００３９】
内管３内に導入された酸素は、内管３内に供給されたジクロロシランを酸化させて二酸化珪素（ＳｉＯ_２）を生成する。さらに、内管３内に導入された一酸化二窒素は７００℃以上に加熱されているので、内管３内での加熱の際に、一酸化二窒素の熱分解を促進する。このため、内管３内の酸素量が増え、内管３内に供給されたジクロロシランの酸化を促進させることができ、二酸化珪素の生成量を増加させることができる。
【００４０】
生成された二酸化珪素は半導体ウエハ１０上に供給され、堆積する。そして、ジクロロシラン及び一酸化二窒素を所定時間、例えば６０分間供給すると、半導体ウエハ１０上にシリコン酸化膜が形成される。この際、二酸化珪素の生成量を増加させることができるので、半導体ウエハ１０に形成されるシリコン酸化膜の成膜速度を上げることができる。
【００４１】
本発明の効果を確認するため、加熱器１５の加熱温度を変化させた場合に、形成されるシリコン酸化膜の成膜速度（Ｄ／Ｒ：ＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎＲａｔｅ）を図４に示す。また、比較のため、一酸化二窒素を加熱器１５で加熱しない場合についても同様にシリコン酸化膜の成膜速度を図４に示す。
【００４２】
図４に示すように、一酸化二窒素を加熱器１５で７００℃以上で加熱すると、シリコン酸化膜の成膜速度が上がることが確認できた。この結果は、図３に示す熱分解により発生する酸素量に対応しており、熱分解により発生する酸素量の増加により、ジクロロシランの酸化を促進させることができ、半導体ウエハ１０に形成されるシリコン酸化膜の成膜速度が上がることが確認できた。
【００４３】
また、加熱器１５での加熱により熱分解しなかった一酸化二窒素も加熱されているので、内管３での加熱により熱分解されやすくなり一酸化二窒素の熱分解を促進することができる。このため、ジクロロシランの酸化を促進させることができ、半導体ウエハ１０に形成されるシリコン酸化膜の成膜速度を上げることができる。
【００４４】
さらに、一酸化二窒素を加熱器１５で７５０℃以上で加熱すると、シリコン酸化膜の成膜速度が大幅に上がり、一酸化二窒素を加熱器１５で９５０℃より高い温度に加熱してもシリコン酸化膜の成膜速度が上がらないことも、図３に示す熱分解により発生する酸素量に対応している。このことから、一酸化二窒素を加熱器１５で７５０℃〜９５０℃で加熱すると、特にシリコン酸化膜の成膜速度を上げることができる。
【００４５】
また、加熱器１５内の圧力を８４ｋＰａ（６３０Ｔｏｒｒ）にしているので、加熱器１５内での加熱効率を向上することができる。このため、一酸化二窒素の熱分解が促進され、シリコン酸化膜の成膜速度を上げることができる。
【００４６】
さらに、第２ガス導入管１４の加熱器１５の下流側には狭径部１６（オリフィス１６ｂ）が形成されているので、加熱器１５内を通過する一酸化二窒素に十分な滞留時間が付与され、加熱器１５による加熱効率が向上する。このため、一酸化二窒素の熱分解が促進され、シリコン酸化膜の成膜速度を上げることができる。
【００４７】
半導体ウエハ１０の表面にシリコン酸化膜が形成されると、第１ガス導入管１３及び第２ガス導入管１４からの処理ガスの供給を停止する。そして、反応管２内のガスを排気口１７から排出した後、反応管２内を常圧に戻す。そして、ボートエレベータ８によりウエハボート９（半導体ウエハ１０）を反応管２からアンロードする。
【００４８】
以上説明したように、本実施の形態によれば、一酸化二窒素を加熱器１５により７００℃以上に加熱し、加熱した一酸化二窒素を内管３内に導入しているので、一酸化二窒素の熱分解が促進され、シリコン酸化膜の成膜速度を上げることができる。
【００４９】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、例えば以下の場合であってもよい。
【００５０】
本実施の形態では、シラン系ガスとしてジクロロシランを用いた場合を例に本発明を説明したが、本発明に用いられるシラン系ガスはジクロロシランに限定されるものではなく、例えばモノシラン（ＳｉＨ_４）、ジシラン（Ｓｉ_２Ｈ_６）であってもよい。
【００５１】
本実施の形態では、加熱器１５内の圧力（８５ｋＰａ（６４０Ｔｏｒｒ））を反応管２内の圧力（４７Ｐａ（０．３５Ｔｏｒｒ））より高くしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば加熱器１５内の圧力を反応管２内の圧力とほぼ同じにしてもよい。この場合にも、一酸化二窒素の熱分解が促進され、シリコン酸化膜の成膜速度を上げることができる。
【００５２】
本実施の形態の狭径部１６を設けなくてもよい。この場合にも、一酸化二窒素の熱分解が促進され、シリコン酸化膜の成膜速度を上げることができる。
【００５３】
本実施の形態では、オリフィス１６ｂを約０．６ｍｍに形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、加熱器１５内を通過する一酸化二窒素に十分な滞留時間が付与される大きさであればよい。また、本実施の形態では、第２ガス導入管１４の加熱器１５の下流側に、狭径部１６（オリフィス１６ｂ）を形成しているが、加熱器１５内を通過する一酸化二窒素に十分な滞留時間が付与される構造であればよく、例えば加熱器１５内を通過する時間が長くなるように、加熱器１５内の一酸化二窒素が流れる流路を長くした構造であってもよい。この場合にも、加熱器１５の加熱効率を向上させることができる。
【００５４】
本実施の形態では、シリコン酸化膜の形成装置について、反応管２が内管３と外管４とから構成された二重管構造のバッチ式縦型熱処理装置の場合を例に本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、被処理体に酸化膜を形成する各種の処理装置に適用することが可能である。また、被処理体は半導体ウエハに限定されるものではなく、例えばＬＣＤ用のガラス基板等にも適用することができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、被処理体に形成するシリコン酸化膜の成膜速度を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の熱処理装置の概略図である。
【図２】本発明の実施の形態の加熱器近傍の模式図である。
【図３】本発明の実施の形態の加熱器温度と酸素量との関係を示す表である。
【図４】本発明の実施の形態の加熱器温度と成膜速度との関係を示す表である。
【符号の説明】
１熱処理装置
２反応管
３内管
４外管
１０半導体ウエハ
１２昇温用ヒータ
１３第１ガス導入管
１４第２ガス導入管
１５加熱器
１６狭径部
２１制御部

Claims

被処理体が収容された反応室を所定の温度及び所定の圧力に設定し、該反応室内にシラン系ガスと一酸化二窒素とを供給して前記被処理体にシリコン酸化膜を形成するシリコン酸化膜の形成方法であって、
前記一酸化二窒素を７５０℃〜９５０℃に設定された加熱手段で加熱し、該加熱された一酸化二窒素を前記反応室に供給する、ことを特徴とするシリコン酸化膜の形成方法。
前記反応室は、前記被処理体を収容する内管と、該内管を覆うように形成された有天井の外管とから構成され、
前記シラン系ガス及び前記一酸化二窒素を前記内管内に供給する、ことを特徴とする請求項１に記載のシリコン酸化膜の形成方法。
被処理体を収容するとともに、所定の温度に設定可能な加熱部を有する反応室と、
前記反応室内にシラン系ガスを供給する第１供給手段と、
前記反応室内に一酸化二窒素を供給する第２供給手段と、
前記第２供給手段に介設され、前記一酸化二窒素を所定の温度で加熱する加熱手段と、
前記反応室に接続された排気管を有し、前記反応室内のガスを前記排気管から排気して所定の圧力に設定可能な排気手段と、
前記加熱手段により前記一酸化二窒素を７５０℃〜９５０℃で加熱させ、該加熱された一酸化二窒素を前記第２供給手段を介して前記反応室に供給する制御手段と、
を備える、ことを特徴とするシリコン酸化膜の形成装置。
被処理体を収容するとともに、所定の温度に設定可能な加熱部を有する反応室と、
前記反応室内にシラン系ガスを供給する第１供給手段と、
前記反応室内に一酸化二窒素を供給する第２供給手段と、
前記第２供給手段に介設され、前記一酸化二窒素を所定の温度で加熱する加熱手段と、
前記反応室に接続された排気管を有し、前記反応室内のガスを前記排気管から排気して所定の圧力に設定可能な排気手段と、
前記加熱手段により前記一酸化二窒素を少なくとも７００℃で加熱させ、該加熱された一酸化二窒素を前記第２供給手段を介して前記反応室に供給する制御手段と、を備え、
前記第２供給手段は、前記反応室に連通するとともに前記加熱手段が介設された供給管を備え、該供給管の前記加熱手段の下流側には、前記供給管の口径を縮径させる狭径部が設けられている、ことを特徴とするシリコン酸化膜の形成装置。
前記反応室は、前記被処理体を収容する内管と、該内管を覆うように形成された有天井の外管とから構成され、
前記第１供給手段及び前記第２供給手段が前記内管内を臨むように配設される、ことを特徴とする請求項３または４に記載のシリコン酸化膜の形成装置。