JP3794243B2 - 酸化処理方法及びその装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン酸化膜を形成するための酸化処理方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多数枚の半導体ウエハ（以下ウエハという）をバッチ炉内に搬入し、ウエハ上のシリコン膜を酸化してシリコン酸化膜（Ｓｉ０2 膜) を形成する方法として、酸素（０2 ）ガス及び塩化水素（ＨＣｌ）ガスを用いるドライ酸化法や、酸素ガス及び水素（Ｈ2 ）ガスを外部で燃焼させて水蒸気を生成し、この水蒸気と酸素ガスとを反応管内に導入するウエット酸化法などが知られており、目的とする膜質に応じて酸化法が選択される。
【０００３】
これらの酸化法のうち、ドライ酸化法は、酸素ガスによりシリコン膜を酸化する一方、塩素のゲッタリング効果により表面の不純物が除去される。具体的には例えば多数枚のウエハをボ−トに棚状に保持させて縦型の反応管内に搬入し、反応管を囲むヒ−タにより処理雰囲気を加熱した後、酸素ガス及び塩化水素ガスを常温で反応管の天井部から反応管内に供給し、下方側から排気することにより行われる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところでプロセス温度が高い程スリップと呼ばれる欠陥がウエハに発生しやすくなることから、また下地に積まれた膜に対する熱の影響を避けるため、更には省エネルギ−化を図ることなどから、プロセス温度の低温化が検討されつつある。
【０００５】
しかしながらプロセス温度を低くすると、ウエハの大口径化が進んでいることと相俟ってウエハの面内の膜厚の均一性が悪くなり、またウエハ間（面間）の膜厚のばらつきも大きくなる。
【０００６】
ボ−ト上におけるウエハの搭載位置と膜厚の関係について調べてみると、膜厚の均一性は、ボ−トの上段側に位置するものほど悪くなる傾向がある。この理由について本発明者は次のように推測している。図７の（ａ），（ｂ），（ｃ）は夫々ウエハＷ上のガスの流れ、ウエハＷの温度及び膜厚を模式的に示したものである。酸素ガス及び塩化水素ガスはウエハＷの周縁（エッジ）から中央に向かって流れ、ウエハ上のシリコンが酸素ガスにより酸化されていくが、ウエハＷの熱は周縁から放熱されるので温度は中央に向かうにつれて高くなる。このため酸化反応は中央の方が促進されるので、膜厚均一性が高い場合でも、膜厚は本来中央の方が周縁よりも厚くなる傾向にある。
【０００７】
一方塩化水素が分解されて生成した水素と、酸素とが反応して僅かではあるが水蒸気が生成される。そしてボ−トの上段側ではガスが十分に温められていないので、ガスがウエハＷの周縁から中央に向かって加熱されるにつれて水蒸気の生成量が多くなる。この水蒸気は酸化膜を増膜する効果があり、水蒸気の生成量の差が膜厚に大きく効いてくる。この結果膜厚分布はウエハＷの中央部の膜厚が大きいいわば山形の分布になって、均一性が悪くなる。そしてガスは反応管の下方側に向かうにつれて温められるので、ボ−トの下段側では水蒸気の生成反応はほぼ平衡状態になっており、ウエハＷに沿ってガスが流れる前に既に水蒸気が生成され尽くしている。従って処理ガスがウエハＷの周縁から中央に向かって流れたときにウエハＷの位置にかかわらず水蒸気の量はほとんど変わらないので、膜厚の均一性が高くなる。こうしたことからボ−トの上段側では膜厚の均一性がかなり悪く、上段側と下段側のウエハ間の膜厚の差が大きくなっていると考えられる。この結果プロセス温度の低温化が困難になっているというのが現状である。
【０００８】
本発明はこのような事情の下になされたものであり、その目的は、被処理体に対していわゆるドライ酸化処理を行うにあたって酸化膜の膜厚について高い均一性が得られ、プロセス温度の低温化に寄与することのできる技術を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、シリコン層が少なくとも表面部に形成された被処理体を反応容器内に搬入すると共に当該反応容器内を所定の処理温度に加熱し、水素ガスを処理ガスとして用いずに、塩化水素ガスと酸素ガスとを処理ガスとして用い、この処理ガスを反応容器内に供給して前記シリコン層を酸化してシリコン酸化膜を形成する方法において、
前記処理ガスを反応容器内に供給する前に当該処理ガスにエネルギ−を与えて塩化水素から生成される水素と酸素とを反応させて微量な水分を強制的に生成することを特徴とする。
【００１０】
処理ガスにエネルギ−を与える工程は、例えば反応容器内の処理温度にて水分の生成がそれ以上促進しない程度まで水分を生成する工程である。この工程は、処理ガスを例えばガス供給管に設けられた加熱部にて加熱する工程であり、この場合その加熱温度は、反応容器内の処理温度よりも高いことが好ましい。
【００１１】
この方法を実施する酸化処理装置の一例としては、
被処理体を反応容器内に搬入すると共に、反応容器内を所定の処理温度に加熱し、水素ガスを処理ガスとして用いずに、塩化水素ガスと酸素ガスとを処理ガスとして用い、この処理ガスを反応容器内に供給して被処理体に対して酸化処理を行う熱処理装置と、
前記反応容器内に処理ガスを供給するガス供給管と、
前記ガス供給管に設けられ、処理ガスを反応容器内に供給する前に当該処理ガスを加熱し、塩化水素から生成される水素と酸素とを反応させて微量な水分を強制的に生成するための加熱部と、を備えた構成を挙げることができる。熱処理装置としては例えば多数の被処理体を棚状に保持具に保持して縦型の反応容器内に搬入し、反応容器を取り囲むヒ−タにより反応容器内を所定の処理温度に加熱する縦型熱処理装置が用いられる。
【００１２】
また加熱部は、通気抵抗体が設けられ、処理ガスを加熱するための加熱室と、この加熱室を囲むように設けられると共に金属不純物の少ない抵抗発熱体例えば高純度の炭素素材をセラミックス例えば石英の中に封入してなるヒ−タ部と、を備えたものが好適である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の酸化処理方法を実施するために用いられる酸化処理装置の一例を示す図である。この酸化処理装置は、縦型熱処理装置１と、この縦型熱処理装置１に処理ガスを導入する前に当該処理ガスを加熱するための加熱部２とを備えている。前記縦型熱処理装置１の構造について述べると、この装置１は、図１及び図２に示すように縦型の熱処理炉３と、保持具であるウエハボ−ト４と、このウエハボ−ト４を昇降させるボ−トエレベ−タ４０と、前記熱処理炉３に接続されたガス供給管５及び排気管３０と、を備えている。
【００１４】
縦型の熱処理炉３は例えば石英よりなる反応容器である反応管３１と、この反応管３１を囲むように設けられた抵抗発熱体などからなる加熱手段であるヒ−タ３２と、前記反応管３１及びヒ−タ３２の間にて断熱体３４に支持されて設けられた均熱用容器３３と、を備えている。前記反応管３１は下端が開口すると共に、上面３１ａの少し下方側に多数のガス穴３１ｂを有するガス拡散板３１ｃが設けられている。前記ガス供給管５は断熱体３４を外から貫通して配管されると共に、断熱体の３４の内側でＬ字に屈曲されて反応管３１と均熱用容器３３との間にて垂直に立ち上げられ、反応管３１の上面３１ａとガス拡散板３１ｃとの間の空間に突入されている。
【００１５】
ウエハボ−ト４は、図１において例えば天板４１及び底板４２の間に複数の支柱４３を設け、この支柱４３に上下方向に形成された溝にウエハＷの周縁を挿入して保持するように構成されている。ウエハボ−ト４は反応管３１の下端の開口部３５を開閉する蓋体４４の上に保温部である例えば保温筒４５を介して載置されている。保温筒４５はタ−ンテ−ブル４６の上に載置され、ボ−トエレベ−タ４０に設けられた駆動部Ｍにより回転軸４７を介して回転できるようになっている。蓋体４４はボ−トエレベ−タ４０に設けられており、ボ−トエレベ−タ４０が昇降することにより、熱処理炉３に対して、ウエハボ−ト４の搬入出が行われる。
【００１６】
前記加熱部２は、図３に示すように縦型熱処理装置１の外においてガス供給管５の途中に設けられている。加熱部２は、加熱室を形成する例えば透明石英からなる加熱管２１と、この加熱管２１の外側に螺旋状に形成されたヒ−タ部２２と、加熱管２１及びヒ−タ部２２を覆う筒状の断熱体２３と、を備えており、断熱体２３内には冷媒例えば冷却水を通流させるための冷却水通路２４が形成されている。また加熱管２１の中には、通気抵抗体である例えば多数の透明石英ガラスビ−ズ２０が多数充填されている。通気抵抗体を設けることにより、ガスの滞留時間を長くすると共に、通気抵抗体が加熱されてガスがこれに接触しながら流れることによりガスが効率よく加熱される。
【００１７】
前記ヒ−タ部２２は例えば金属不純物の少ない金属例えば高純度のカ−ボンからなるファイバの束を複数束編み上げて紐状体を形成し、この紐状体をセラミックス体例えば石英管の中に封入して螺旋状に形成したものであり、電力供給線２５により通電されて発熱する。なお２６は熱電対からなる温度センサである。
【００１８】
前記ガス供給管５における加熱部２の下流側にはバルブＶ０を介して分岐され、分岐管５１、５２の夫々には酸素ガス源５３及び塩化水素ガス源５４が接続されている。Ｖ１，Ｖ２はバルブ、ＭＦ１、ＭＦ２はガス流量部であるマスフロ−コントロ−ラである。この加熱部２は、加熱されたガスが熱処理炉３内に入る前に冷えないようにするために、できるだけ熱処理炉３に接近して設けることが好ましい。
【００１９】
次に上述実施の形態の作用について説明する。先ずシリコン層が表面部に形成された多数枚例えば６０枚の被処理体であるウエハＷをウエハボ−ト４に棚状に保持させ、ヒ−タ３２により予め所定の温度に加熱された反応管３１内にボ−トエレベ−タ４０により搬入し、炉口である開口部３５を蓋体４４により気密に閉じる（図１の状態）。続いて所定の処理温度例えば８００℃まで反応管３１内を昇温する。ウエハＷを搬入する工程及び反応管３１内を昇温する工程においては、反応管３１内を図では見えないガス供給管から例えば僅かに酸素ガスを混入させた窒素ガスを供給しておき、反応管３１内が処理温度になるとガスの供給を止め、図示しない排気手段により排気管３０を介して反応管３１内を排気することにより反応管３１内を微減圧状態にし、この状態でウエハＷの温度を安定させてから酸化処理を行う。
【００２０】
一方縦型熱処理装置１の外部に設けられた加熱部２においては、加熱管２１内を例えば１０００℃の加熱雰囲気にしておき、バルブＶ０を開いて酸素ガス及び塩化水素ガスよりなる処理ガスを加熱管２１内を通流させる。処理ガスは加熱管２１内の透明石英ガラスビ−ズ２０に接触しながらそれらの隙間を通って流出し、ここを通る間に１０００℃付近に加熱される。これにより酸素ガス及び塩化水素ガスが下記式のように反応して微量な例えば数百ｐｐｍオ−ダの水蒸気が生成されると考えられる。
２ＨＣｌ→Ｈ2 ＋Ｃｌ2
Ｈ2 ＋１／２Ｏ2 →Ｈ2 ０
こうして加熱された処理ガスが熱処理炉３内に入り、均熱管３３の内側を通って加熱されながら上昇し、反応管３１の上部に流入する。更にこの処理ガスはガス孔３１ｂから反応管３１内の処理領域に供給され、下部の排気管３０から排気される。このとき処理ガスは棚状に積まれたウエハＷの間に入り込み、酸素ガスによりウエハＷ表面部のシリコン層が酸化されてシリコン酸化膜が生成される。この処理ガスの中には既述のように微量な水蒸気が含まれており、この水蒸気により酸化膜が増膜される。
【００２１】
このような実施の形態によれば、後述の実施例の結果からも分かるようにウエハＷの面内における膜厚の均一性が高く、またウエハＷ間における膜厚の均一性も高い。この理由については次のように考えられる。処理ガス（酸素ガス及び塩化水素ガスの混合ガス）は加熱部２にて例えば１０００℃付近に加熱され、水蒸気が生成された後、二次側のガス供給管５を流れる間に多少冷えるが、一旦生成された水蒸気は温度が低くなっても量が減ることはないので、つまり上記の化学式において酸素と水素とから水蒸気が生成される反応の平衡が生成物側には移動しないので、反応管３１内の処理温度よりも高い温度で水蒸気を生成しておけば、処理ガスは反応管３１内にて、それ以上水蒸気を生成しない。
【００２２】
従ってウエハボ−ト４に積まれているウエハＷの間に処理ガスが入り込むときには水蒸気がいわば生成尽くされてしまっているので、ウエハＷの周縁から中央に向かって流れる処理ガスに含まれる水蒸気の量はどの位置でもほぼ同じである。この結果ウエハボ−ト４の上段に位置するウエハＷにおいても、面内での水蒸気による増膜作用の程度がほぼ同じであるため、膜厚の面内均一性が高くなる。従来ではウエハボ−ト４の下段側に向かうにつれて水蒸気の生成が進むことから、上段側では膜厚の均一性が悪く、下段側にいくほど膜厚の均一性が高かったが、この実施の形態では、下段側のガスの雰囲気を上段側で生成しているということができ、ウエハＷの間での膜厚分布のばらつきも小さくなる、つまり面間の膜厚の均一性が高くなる。
【００２３】
なお厳密には水蒸気が増膜に寄与するため、ウエハＷの中央に向かうにつれて多少少なくなると考えられるが、「従来技術」の項目で述べたようにウエハＷの周縁よりも中央の温度の方が高く、本来中央の膜厚が大きくなる傾向にあることから、周縁における増膜の程度が大きいことにより、周縁の膜厚を盛り上げる作用が働き、結果として膜厚の均一性を高めているともいえる。
【００２４】
反応管３内にて水蒸気の生成が進む現象は、低温ほど膜厚の面内均一性、面間均一性に与える影響が大きいので、この実施の形態によれば処理の低温化に大きく寄与することができる。
【００２５】
以上において本発明で用いる水素と塩素とを含む化合物のガスとしては塩化水素ガスに限らず、例えばジクロロシラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2）ガスなどであってもよい。また処理ガスにエネルギーを与えて水分を生成する工程は加熱部２で加熱することに限られるものではなく、例えばマイクロ波などの電力やレーザ光などのエネルギーを与えてガスを活性化させて行う工程などであってもよい。この場合、反応管内に処理ガスを導入したときにそれ以上水蒸気が生成されない程度に水蒸気を予め生成しておくことが好ましい。更に反応容器内でウエハに対して酸化処理を行う装置としてはバッチ処理を行う装置に限らず例えば枚葉式の熱処理装置であってもよい。
【００２６】
【実施例】
既述の実施の形態に係る装置を用いて行った試験結果について述べる。
【００２７】
（実施例１）
以下の処理条件により２０ｃｍサイズウエハの表面にシリコン酸化膜を形成した。
【００２８】
反応管内の温度：８００℃
ガス流量：Ｏ2／ＨＣｌ＝１０／０．５（ｓｌｍ）
処理時間：９０分
加熱部の温度：１０００℃
ウエハの搭載枚数：１００枚
反応管内の圧力：−４９Ｐａ（−５ｍｍＨ2Ｏ）
ウエハボートの上段、中段、下段に位置するウエハのシリコン酸化膜の膜厚を測定し、各ウエハの面内均一性について調べると共に、加熱部のヒータをオフにした状態で同様の測定を行ったところ図４に示す結果が得られた。なお面内均一性とは、膜厚について２×面内平均値／（最大値−最小値）で表わされる値である。
【００２９】
この結果から、処理ガスを加熱部で加熱してから反応管内に供給することにより、上段側から中段側にかけての面内膜厚均一性が改善されていることが分かり、面内（ウエハ間）においても膜厚が揃っていることが分かる。
【００３０】
（実施例２）
以下の処理条件により２０ｃｍサイズウエハの表面にシリコン酸化膜を形成した。
【００３１】
反応管内の温度：８００℃
ガス流量：Ｏ2／ＨＣｌ＝１０／０．３（ｓｌｍ）
加熱部の温度：１０００℃
ウエハの搭載枚数：１００枚
反応管内の圧力：−４９Ｐａ（−５ｍｍＨ2Ｏ）
酸化処理時間の長さを２分、１５分、３０分、６０分の４通りに設定し、夫々において中段のウエハの面内膜厚均一性について調べると共に面間の膜厚の均一性についても調べたところ、図５に示す結果が得られた。ただし面間均一性とは、ボート上における各ウエハ（実際には所定枚数のモニタウエハ）の膜厚の平均値を求め、それらの平均値の最大の値と最小の値の差をＡとし、各ウエハの膜厚平均値の平均の値をＢとすると、２×Ｂ／Ａで表わされる値である。
【００３２】
この結果から分かるように酸化処理時間が長い程、即ち厚膜になる程面内、面間均一性の改善効果は大きくなっているが、膜厚が３ｎｍ程度の薄膜領域であっても均一性の改善効果がある。
【００３３】
（実施例３）
ウエハを搭載せずにウエハボートを反応管内に搬入すると共に反応管内の温度を８００℃に設定し、ガス流量をＯ2／ＨＣｌ＝１０／１（ｓｌｍ）とし、加熱部の温度を１０００℃にした場合とオフにした場合の夫々について排気管から排気されるガス中の水素濃度を調べた。
【００３４】
結果は図６に示す通りである。なお分析開始時間とは、ガスを流し始めてからの経過時間である。この結果から加熱部をオンにしたときには水素濃度が少ないことが分かるが、これはＨ2＋１／２Ｏ2→Ｈ2Ｏの反応が進んでいるため、Ｈ2（水素）濃度が少なくなっていると推測される。また加熱部をオフにすると、この反応が加熱部オンの場合に比べて進んでいないためＨ2濃度が高いと考えられる。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、被処理体に対していわゆるドライ酸化を行うにあたって酸化膜の膜厚について高い均一性が得られ、プロセス温度の低温化に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の酸化処理方法に用いられる酸化処理装置の一例を示す縦断側面図である。
【図２】図１の酸化処理装置に用いられる縦型熱処理装置の外観図である。
【図３】 図１の酸化処理装置に用いられる加熱部を示す断面図である。
【図４】 ウエハボ−トの位置による膜厚均一性を調べた結果を示す特性図である。
【図５】 酸化処理時間と膜厚均一性との関係を調べた結果を示す特性図である。
【図６】 処理ガスを加熱部により加熱した場合としない場合とにおける反応管の排気口側の水素濃度の測定結果を示す説明図である。
【図７】従来の酸化処理方法の問題点を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１ 縦型熱処理装置
２ 加熱部
Ｗ 半導体ウエハ
２０ 透明石英ガラスビ−ズ
２１ 加熱管
２２ ヒ−タ部
２３ 断熱体
３ 熱処理炉
３１ 反応管
３２ ヒ−タ部
４ ウエハボ−ト
４０ ボ−トエレベ−タ
４４ 蓋体
５ ガス供給管
５３ 酸素ガス源
５４ 塩化水素ガス源

Claims (12)

1. シリコン層が少なくとも表面部に形成された被処理体を反応容器内に搬入すると共に当該反応容器内を所定の処理温度に加熱し、水素ガスを処理ガスとして用いずに、塩化水素ガスと酸素ガスとを処理ガスとして用い、この処理ガスを反応容器内に供給して前記シリコン層を酸化してシリコン酸化膜を形成する方法において、
   前記処理ガスを反応容器内に供給する前に当該処理ガスにエネルギ−を与えて塩化水素から生成される水素と酸素とを反応させて微量な水分を強制的に生成することを特徴とする酸化処理方法。
2. 処理ガスにエネルギ−を与える工程は、反応容器内の処理温度にて水分の生成がそれ以上促進しない程度まで水分を生成することを特徴とする請求項１記載の酸化処理方法。
3. 処理ガスにエネルギ−を与える工程は、処理ガスを加熱する工程であることを特徴とする請求項１記載の酸化処理方法。
4. 反応容器内に供給する前に処理ガスを加熱する温度は、反応容器内の処理温度よりも高いことを特徴とする請求項３記載の酸化処理方法。
5. 反応容器内に供給する前に処理ガスを加熱する工程は、反応容器内にガスを供給するためのガス供給管に設けられた加熱部内で行われることを特徴とする請求項３または４記載の酸化処理方法。
6. シリコン酸化膜を形成する工程は、多数の被処理体を棚状に保持具に保持して縦型の反応管内に搬入して行われることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の酸化処理方法。
7. 被処理体の表面部のシリコン層を酸化してシリコン酸化膜を形成する酸化処理装置において、
   被処理体を反応容器内に搬入すると共に、反応容器内を所定の処理温度に加熱し、水素ガスを処理ガスとして用いずに、塩化水素ガスと酸素ガスとを処理ガスとして用い、この処理ガスを反応容器内に供給して被処理体に対して酸化処理を行う熱処理装置と、
   前記反応容器内に処理ガスを供給するガス供給管と、
   前記ガス供給管に設けられ、処理ガスを反応容器内に供給する前に当該処理ガスを加熱し、塩化水素から生成される水素と酸素とを反応させて微量な水分を強制的に生成するための加熱部と、を備えたことを特徴とする酸化処理装置。
8. 熱処理装置は、多数の被処理体を棚状に保持具に保持して縦型の反応容器内に搬入し、反応容器を取り囲む加熱手段により反応容器内を所定の処理温度に加熱する縦型熱処理装置であることを特徴とする請求項７記載の酸化処理装置。
9. 加熱部は、通気抵抗体が設けられ、処理ガスを加熱するための加熱室と、この加熱室を囲むように設けられると共に金属不純物の少ない抵抗発熱体をセラミックスの中に封入してなるヒ−タ部と、を備えたことを特徴とする請求項７または８記載の酸化処理装置。
10. 加熱部は、通気抵抗体が設けられ、処理ガスを加熱するための加熱室と、この加熱室を囲むように設けられると共に金属不純物の少ない抵抗発熱体をセラミックスの中に封入してなるヒ？タ部と、を備えたことを特徴とする請求項８または９記載の酸化処理装置。
11. 抵抗発熱体は高純度の炭素素材からなることを特徴とする請求項１０記載の酸化処理装置。
12. セラミックスは石英であることを特徴とする請求項１０または１１記載の酸化処理装置。

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