JP4977636B2 - 基板処理装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板に対して成膜処理などの処理を行う基板処理装置および半導体装置の製造方法に関する。

この種の基板処理装置として、半導体製造工程において半導体製造装置を用いて被処理基板上へ薄膜を形成する装置がある。この方法の一つであり、５０Å〜１００Å程度の酸化膜形成には基板温度約８００℃では、基板上に酸化原料ガスである酸素と水素の混合ガス、あるいは水蒸気等を反応させることにより、その表面に酸化膜が形成されている。

基板上に酸化膜を形成するためには、基板のシリコン原子の間に酸素が入り込んで通過し、深いところまで（拡散の境界まで）到達する必要がある。よって、シリコン原子の間で酸素が自由に動けなければならない。しかし、そのためにはシリコン原子間距離を通常の５．４３Åの１．２倍に広げる必要がある。ここで、シリコンに水素が付くとシリコンが動きやすくなることが分かっている。つまり、シリコンに水素が付いてシリコン原子間距離が広がったところへ酸素が付くため、酸素がシリコン原子間を通過して深いところまで拡散を進めることが可能となる。ここで、水素は小さいため、水素もシリコン原子間を動くことが出来る。ちなみに、８００℃程度の熱を与えてもシリコンは動かない。従って、水素がないとシリコン原子間距離を１．２倍に広げることが出来ず、シリコン間に入り込む酸素は動くことができず拡散が進まなくなるというように、低温拡散では水素がないと酸化膜の成長は困難だった。

しかし、上記の水素を含む反応性ガスで作成された酸化膜は、膜中に水素を含有しており、長期間に渡ってデバイスを駆動することで酸化膜中の水素が徐々に離脱してダングリングボンド（欠陥）が発生し、ＳＩＬＣなどのデバイス加速評価においてリーク電流特性の経時悪化現象となって観察されるという問題点がある。リーク電流は、誤作動、消費電力・発熱量の増加、発熱にともなう素子の劣化等を引き起こし、集積回路の微細化・高速化プロセスの進捗を妨害する多大な障害となる。尚、この現象は酸化膜の膜厚が１２０Å以下でないと観察されない。このため、近年、水素が含まれない反応性ガスであるオゾンを用いた酸化膜形成方法が注目を集めている。また、生産性向上のため、複数枚の基板を同時処理可能なバッチ式半導体製造装置が望まれている。

しかしながら、オゾンは熱分解しやすく、分解してＯとＯ_２となりこのＯがシリコンと反応し酸化膜（ＳｉＯ）となるが、このＯの寿命は短いため３０Å以上の深いところまで通過することは出来ず、従って３０Å以上の膜厚を持つ酸化膜を形成することが難しい。
また、枚葉装置では基板面の上方でガスを照射するため、均一にガスを供給できるが、バッチ式半導体製造装置では、基板面の側方でガスを照射するため、基板のエッジ部分が酸化されやすく、基板の中心は酸化されにくく、すなわち酸化膜の面内均一性の確保が非常に難しい。

本発明の目的は、この供給経路におけるオゾンの熱分解を抑制するために、オゾンの供給方法を改良すると共にオゾンガスに基板近傍にて高周波エネルギーを与えることで、上記従来の問題点であるバッチ式半導体製造装置において形成される酸化膜の面内均一性を確保しつつ、一定厚さ以上の酸化膜を形成することのできる基板処理装置および半導体装置の製造方法を提供することにある。

本発明の一態様によれば、処理室内に積層して収容される複数の基板の表面に酸化膜を形成する基板処理装置であって、前記処理室内にオゾンガスを供給するガス供給手段と、前記処理室内にプラズマを生成させるプラズマ生成手段と、少なくとも前記ガス供給手段及びプラズマ生成手段を制御する制御手段と、前記処理室内の雰囲気を排気する排気手段と、を備え、前記ガス供給手段は、開閉バルブと、この開閉バルブを介して前記処理室に接続されオゾンガスを充填するバッファタンクと、を有し、前記制御手段は、前記ガス供給手段によりオゾンガスを供給しつつ前記開閉バルブを閉とすることで前記オゾンガスを前記バッファタンクに充填し、所定時間経過後、前記開閉バルブを開として前記バッファタンクに充填された前記オゾンガスを前記処理室内に供給することで前記基板の表面に酸化膜を形成するように前記ガス供給手段を制御し、さらに、前記オゾンガスを前記処理室内に供給する時、前記プラズマ生成手段により前記処理室内にプラズマを生成させ前記オゾンガスを励起するように制御するよう構成されることを特徴とする基板処理装置が提供される。

本発明の他の態様によれば、基板を処理室内に搬入する工程と、前記処理室に接続されたバッファタンクにオゾンガスを充填する工程と、前記バッファタンクに充填されたオゾンガスを前記処理室内に供給しつつ、前記オゾンガスをプラズマ励起する工程と、前記処理室内の雰囲気を排気する工程と、前記基板を処理室内から搬出する工程と、
を有し、前記基板の表面に所望の厚さの酸化膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法が提供される。

本発明によれば、オゾンを用いることにより、複数の基板の表面に形成される酸化膜の面内均一性を確保しつつ、一定厚さ以上の酸化膜を形成することのできる基板処理装置および半導体装置の製造方法を提供することができる。

次に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１及び図２には、本発明の適用される形態に係る基板処理装置１の一例である半導体製造装置が示されている。

図１及び図２に示すように、筐体１０１の前面側には、図示しない外部搬送装置との間で基板収納容器としてのカセット１００の授受を行う保持具授受部材としてのカセットステージ１０５が設けられ、該カセットステージ１０５の後側には昇降手段としてのカセットエレベータ１１５が設けられ、該カセットエレベータ１１５には搬送手段としてのカセット移載機１１４が取り付けられている。

また、前記カセットエレベータ１１５の後側には、前記カセット１００の載置手段としてのカセット棚１０９が設けられると共に、前記カセットステージ１０５の上方にも、予備カセット棚１１０が設けられている。前記予備カセット棚１１０の上方にはクリーンユニット１１８が設けられ、クリーンエアを前記筐体１０１の内部に流通させるように構成されている。

筐体１０１の後部上方には、処理室として用いられる処理炉２０２が設けられ、該処理炉２０２の下方には基板としてのウエハ２００を水平姿勢で多段に保持する基板保持手段としてのボート２１７を該処理炉２０２に昇降させる昇降手段としてのボートエレベータ１２１が設けられ、該ボートエレベータ１２１に取り付けられた昇降部材１２２の先端部には蓋体としてのシールキャップ２１９が取り付けられ、該ボート２１７を垂直に支持している。

前記ボートエレベータ１２１と前記カセット棚１０９との間には、昇降手段としての移載エレベータ１１３が設けられ、該移載エレベータ１１３には基板搬送手段としてのウエハ移載機１１２が取り付けられている。また、前記ボートエレベータ１２１の横には、開閉機構を持ち前記処理炉２０２の下面を塞ぐ遮蔽部材としての炉口シャッタ１１６が設けられている。

前記ウエハ２００が装填された前記カセット１００は、図示しない外部搬送装置から前記カセットステージ１０５に該ウエハ２００が上向きの姿勢で搬入され、該ウエハ２００が水平の姿勢になるよう該カセットステージ１０５で９０°回転させられる。更に、前記カセット１００は、前記カセットエレベータ１１５の昇降動作、横行動作及び前記カセット移載機１１４の進退動作、回転動作の協働により前記カセットステージ１０５から前記カセット棚１０９又は前記予備カセット棚１１０に搬送される。

前記カセット棚１０９には前記ウエハ移載機１１２の搬送対象となる前記カセット１００が収納される移載棚１２３があり、前記ウエハ２００が移載に供される該カセット１００は前記カセットエレベータ１１５、前記カセット移載機１１４により該移載棚１２３に移載される。

前記カセット１００が前記移載棚１２３に移載されると、前記ウエハ移載機１１２の進退動作、回転動作及び前記移載エレベータ１１３の昇降動作の協働により該移載棚１２３から降下状態の前記ボート２１７に前記ウエハ２００を移載する。

前記ボート２１７に所定枚数の前記ウエハ２００が移載されると、前記ボートエレベータ１２１により該ボート２１７が前記処理炉２０２に挿入され、前記シールキャップ２１９により前記処理炉２０２が気密に閉塞される。気密に閉塞された前記処理炉２０２内では前記ウエハ２００が加熱されると共にオゾンガスが該処理炉２０２に供給され、前記ウエハ２００に処理がなされる。

前記ウエハ２００への処理が完了すると、該ウエハ２００は上述した動作と逆の手順により、前記ボートから前記移載棚１２３の前記カセット１００に移載され、該カセット１００は前記カセット移載機１１４により該移載棚１２３から前記カセットステージ１０５に移載され、図示しない外部搬送装置により前記筐体１０１の外部に搬出される。なお、前記炉口シャッタ１１６は、前記ボート２１７が降下状態の際に前記処理炉２０２の下面を塞ぎ、外気が該処理炉２０２内に巻き込まれるのを防止している。

前記カセット移載機１１４等の搬送動作は、搬送制御手段１２４により制御される。

次に、上述した処理炉２０２について図３に基づいて詳細に説明する。

図３は、本発明の実施形態に係る基板処理装置１が有する処理炉２０２の概略構成図である。

加熱手段であるヒータ２０７の内側に、基板であるウエハ２００を処理する反応容器としての反応管２０３が設けられ、この反応管２０３の下端開口は蓋体であるシールキャップ２１９により気密部材であるＯリング２２０を介して気密に閉塞され、少なくとも、このヒータ２０７、反応管２０３、及びシールキャップ２１９により処理室２０１を形成している。シールキャップ２１９にはボート支持台２１８を介して基板保持手段であるボート２１７が立設され、前記ボート支持台２１８はボート２１７を保持する保持体となっている。そして、ボート２１７は処理室２０１に挿入される。ボート２１７には基板処理される複数枚のウエハ２００が水平姿勢で管軸方向に多段に積載される。前記ヒータ２０７は処理室２０１に挿入されたウエハ２００を所定の温度に加熱する。

処理室２０１へはオゾンガスを供給するガス供給手段が設けられている。ガス供給手段は、上流方向から順に、酸素供給配管３０１、オゾンナイザー１０１、開閉弁であるバルブ２４３ｄ、流量制御装置（流量制御手段）であるマスフローコントローラ２４１ｂ、バッファタンク５０３及び開閉弁であるバルブ２４３eから構成されている。

また、ガス供給手段の下流部先端であり、処理室２０１を構成している反応管２０３の内壁とウエハ２００との間における円弧状の空間には、反応管２０３の下部より上部の内側にウエハ２００の積載方向に沿って、ノズル２４９が設けられ、ノズル２４９にはガスを照射するための多数のノズル穴が設けられている。

オゾンガスは、酸素供給配管３０１から供給された酸素をオゾンナイザー１０１内部で無声放電させることにより生成され、開閉弁であるバルブ２４３ｄ、マスフローコントローラ２４１ｂ、バッファタンク５０３、開閉弁であるバルブ２４３e、更にノズル２４９を介して処理室２０１へ供給される。オゾンナイザー１０１で酸素を無声放電させない場合は、オゾンの生成はされず酸素が処理室２０１に供給され、または、図示してないが、分岐ラインを設け酸素を処理炉２０２の上部側へ排気することもある。

また、処理室２０１へはプラズマを生成するプラズマ生成手段が設けられている。プラズマ生成手段は、高周波電力ユニット５０２及び高周波電極５０１から構成され、高周波電極５０１は、反応管２０３の内壁とウエハ２００との間における円弧状の空間であって、ノズル２４９の反応管２０３側かつノズル２４９の近傍に、ウエハ２００の積載方向に沿ってノズル２４９と平行に設けられている。

また、処理室２０１は、ガスを排気する排気配管２３１により開度制御バルブ２４３ｆを介して排気装置（排気手段）である真空ポンプ２４６に接続され、真空排気されるようになっている。なお、この開度制御バルブ２４３ｆは弁の開閉により処理室２０１の真空排気及び真空排気停止ができるうえ、更に弁開度を調節することにより圧力調整も可能になっている圧力制御バルブである。

反応管２０３内の中央部には、複数枚のウエハ２００を多段に同一間隔で載置するボート２１７が設けられていて、ボート２１７は、図示しないボートエレベータ機構により反応管２０３に出入りできるようになっている。また、処理の均一性を向上する為にボート２１７を回転するための回転装置（回転手段）であるボート回転機構２６７が設けてあり、ボート回転機構２６７を回転させることにより、ボート支持台２１８に保持されたボート２１７を回転するようになっている。

制御手段であるコントローラ２８０は、オゾンナイザー１０１、エアーバルブ２４３ｄ、２４３e、マスフローコントローラ２４１ｂ、開度制御バルブ２４３ｆ、ヒータ２０７、真空ポンプ２４６、ボート回転機構２６７、及び図示しないボート昇降機構に接続されており、オゾンナイザー１０１の放電の制御、エアーバルブ２４３ｄ、２４３eの開閉制御、マスフローコントローラ２４１ｂの流量調整及び圧力調整動作、開度制御バルブ２４３ｆの開閉、ヒータ２０７の温度調節、真空ポンプ２４６の起動・停止、ボート回転機構２６７の回転調節及び図示しないボート昇降機構の昇降動作制御が行われる。

次に、ウエハ移載機１１２について説明する。
上述したウエハ移載機１１２は、ウエハ２００を支持する基板搬送プレートとしての搬送アーム１１１（図１及び図２に示す）を有する。この搬送アーム１１１の先端は、２股に分かれて略Ｕ字状に形成されている。また、この搬送アーム１１１は、ボート２１７内に挿入できるようになっている。

次に、図３の基板処理炉２０２において、オゾンガスを用いてウエハ２００上に酸化膜を形成する方法について説明する。

まず、成膜しようとするウエハ２００をボート２１７に装填し、処理炉２０２内にある処理室２０１にボート昇降機構により搬入する。搬入後、処理室２０１内を真空引きし、ウエハ２００をヒータ２０７で所定の温度まで昇温する。昇温後に後述する５つのステップを順次実行する。

[ステップ１]
酸素配給管から供給された酸素をオゾンナイザー１０１で無声放電を印加することにより一定の濃度のオゾンガスを供給し、エアーバルブ２４３ｄを開、エアーバルブ２４３eを閉とする。マスフローコントローラ２４１ｂで流量制御されたオゾンガスはバルブ２４３eまでチャージされる。処理時間は例えば２秒である。

[ステップ２]
開度制御バルブ２４３ｆを閉じて排気を止める。この時、高周波電力ユニット５０２より電力を供給してプラズマを発生させる。処理時間は例えば１秒である。

[ステップ３]
エアーバルブ２４３eを開けて反応性ガスを処理室２０１へ供給する。ステップ２において、開度制御バルブ２４３ｆが閉じられているので処理室２０１内の圧力は急激に上昇して昇圧できる。このステップ３においても、高周波電力ユニット５０２より電力を供給してプラズマを発生させる。処理時間は例えば２秒である。
尚、昇圧時のピーク圧力（最大値）は、前記のバッファタンク５０３の容量、バルブ２４３ｄ〜２４３e間の配管長などにより制御可能である。

[ステップ４]
開度制御バルブ２４３ｆを開とする。高周波電力ユニット５０２による電力印加を停止する。処理時間は例えば１秒である。

[ステップ５]
エアーバルブ２４３ｄを閉として、エアーバルブ２４３ｄから反応室２０１までのオゾン供給経路を１Ｔｏｒｒ以下の圧力まで真空排気する。処理時間は例えば２秒である。

以上の酸化処理シーケンスを図４に示す。
上述したステップ１〜５を１サイクルとして、このサイクルを複数回繰り返すことにより、ウエハの酸化を進行させ、サイクル数で膜厚を制御することができる。

以下、オゾンガスを用いた実施例及び比較例について説明する。

実施例
図３に示す、本発明の実施形態に係る基板処理炉２０２及び上記シーケンスを用いた。
条件は、基板温度７６０℃、ウエハピッチ３０．８ｍｍ、オゾンの流量６．３ｓｌｍ、オゾン発生量２５０ｇ／ｍ^３とした。
結果は、図８に示すように、オゾンガスを用いて膜厚３０Å以上の酸化膜を形成することができた。また、サイクル供給することにより酸化膜厚は厚くなり、すなわち酸化力が増し、さらに、面内均一性が改善していることが分かる。

比較例
上記の基板処理炉２０２からバッファタンク５０３とプラズマ供給手段である高周波電力ユニット５０２と高周波電極５０１を取り除いたものであり、図５に示す、従来の基板処理炉を用いた。
図５の従来の基板処理炉２０２を用いてウエハ上に酸化膜を形成する方法について説明する。
まず、成膜しようとするウエハ２００をボート２１７に装填し、基板処理装置１の処理炉２０２内の処理室２０１に昇降機構により搬入する。搬入後、オゾンナイザー１０１内部で無声放電が印加されることにより生成されたオゾンガスが、エアーバルブ２４３ｄ、マスフローコントローラ２４１ｂ、エアーバルブ２４３eを経由してノズル２４９へ供給される。ノズルにはシャワー穴が設けられており、ボート２１７に複数積載されたウエハ２００へ照射されるとこにより酸化膜が形成される。その際、反応室の圧力は開度制御バルブ２４３ｆにより一定に制御されながら、ボート回転機構２６７によりボート２１７を回転させる。
条件は、基板温度７６０℃、炉内圧力７．０Ｔｏｒｒ、ウエハピッチ３０．８ｍｍ、オゾン流量５ｓｌｍ、オゾン発生量２５０ｇ／ｍ^３とした。
結果は、図６に示すように、ウエハのエッジ部分の酸化膜が厚く中心部分が薄くなり、面内均一性の確保が非常に難しかった。また、図７に示すように、オゾンの供給時間を延長しても膜厚３０Å以上の酸化膜を形成することができなかった。
すなわち、同条件下で、図５のような従来の基板処理炉では、オゾンガスを用いると、酸化膜を３０Å以上厚く形成することが難しい上に、面内均一性の確保もできなかった。
なお、図６の平均膜厚が薄い箇所について、４箇所の出っ張りがある部分はボートを支持する柱のつめがあるために、このような形で膜厚が薄くなっている。

実施例では、プラズマ供給手段である高周波電力ユニット及び高周波電極を設け、オゾンガスにプラズマを印加することで、生成された酸素イオン導体がシリコン原子間に入り込んで拡散の境界まで到達することができるようになり、３０Å以上酸化することができたと考えられる。ここで、Ｏラジカルは寿命が短いため、拡散に寄与するのはあくまでも酸素イオン導体である。

また、実施例では、バッファタンクを設け、バッファタンクにオゾンガスを溜めて一度に多くのオゾンガスを供給する技術（オゾンフラッシュフロー）を用い、フラッシュフローの瞬間が一番圧力差が大きく、ガスの速度が速いため、フラッシュフローの瞬間にプラズマを印加することで、酸化力が増し、面内均一性が改善したと考えられる。フラッシュフロー後はガスを流しても流さなくても良いが、プラズマは供給しない。通常のガスの流れではプラズマを印加してもさほどウエハ中心部で酸化は進まないからである。

比較例である従来では圧力制御を行って一定の圧力で成膜処理を行っていたが、本発明は圧力を変動させた瞬間にプラズマを印加するという新しいものである。
さらに、実施例のように、オゾンフラッシュフローをサイクル供給することで、処理室２０１内により顕著な圧力差を形成してオゾンを供給することができ、また、サイクル供給することでサイクル数で膜厚を制御することが可能である。

本発明は、特許請求の範囲に記載した事項を特徴とするが、さらに次に記載した事項も含まれる。

（１）酸化膜を形成する第一の工程と、前記排気手段により前記処理室内の雰囲気を排気する第二の工程とを、１回以上繰り返すことで所望の厚さの酸化膜を形成し、前記制御手段は、前記第二の工程で、前記ガス供給手段により前記オゾンガスを供給しつつ前記開閉バルブを閉とすることで前記オゾンガスを前記バッファタンクに充填するように制御することを特徴とする請求項１記載の基板処理装置。
（２）複数の基板を処理室内に搬入する第一の工程と、前記処理室に接続されたバッファタンクにオゾンガスを充填する第二の工程と、前記バッファタンクに充填されたオゾンガスを前記処理室内に供給しつつ、オゾンガスをプラズマ励起する第三の工程と、前記処理室内の雰囲気を排気する第四の工程と、前記基板を処理室内から搬出する第五の工程と、を含み、前記第二の工程から前記第四の工程を少なくとも１回以上繰り返して行い、前記基板の表面に所望の厚さの酸化膜を形成することを特徴とする基板処理方法。
（３）（２）であって、前記第二の工程から前記第四の工程を繰り返すとき、少なくとも１回以上、前記第二の工程と前記第四の工程を同時に行う場合を有することを特徴とする基板処理方法。
（４）（２）であって、前記第三の工程において、前記バッファタンクに充填されたオゾンガスを前記処理室内に供給する瞬間のみオゾンガスをプラズマ励起することを特徴とする基板処理方法。

以上のように、本発明は、半導体基板やガラス基板等を処理するための基板処理装置や、半導体製造方法に適用することができる。

本発明の適用される形態に係る基板処理装置を示す斜視図である。 本発明が適用される形態に係る基板処理装置を示す断面図である。 本発明の適用される形態に係る基板処理炉の概略構成図である。 本発明の実施形態に係る酸化シーケンスの一例である。 従来の基板処理炉の概略構成図である。 比較例の酸化膜厚分布である。 比較例におけるオゾン供給時間と膜厚の関係である。 比較例及び実施例にかかる酸化力の相違を示す図である。

符号の説明

１ 基板処理装置
１０１ オゾンナイザー
２００ ウエハ
２０１ 処理室
２０２ 処理炉
２０３ 反応管
２０７ ヒータ
２１７ ボート
２１８ ボート支持台
２１９ シールキャップ
２２０ Ｏリング
２３１ 排気配管
２４１ｂ マスフローコントローラ
２４３ｄ〜２４３e エアーバルブ
２４３ｆ 開度制御バルブ
２４６ 真空ポンプ
２４９ ノズル
２６７ ボート回転機構
２８０ コントローラ
３０１ 酸素供給配管
５０１ 高周波電極
５０２ 高周波電力ユニット
５０３ バッファタンク

Claims (2)

1. 処理室内に積層して収容される複数の基板の表面に酸化膜を形成する基板処理装置であって、
   前記処理室内にオゾンガスを供給するガス供給手段と、
   前記処理室内にプラズマを生成させるプラズマ生成手段と、
   少なくとも前記ガス供給手段及びプラズマ生成手段を制御する制御手段と、
   前記処理室内の雰囲気を排気する排気手段と、を備え、
   前記ガス供給手段は、開閉バルブと、この開閉バルブを介して前記処理室に接続されオゾンガスを充填するバッファタンクと、を有し、
   前記制御手段は、前記ガス供給手段によりオゾンガスを供給しつつ前記開閉バルブを閉とすることで前記オゾンガスを前記バッファタンクに充填し、所定時間経過後、前記開閉バルブを開として前記バッファタンクに充填された前記オゾンガスを前記処理室内に供給することで前記基板の表面に酸化膜を形成するように前記ガス供給手段を制御し、さらに、前記オゾンガスを前記処理室内に供給する時、前記プラズマ生成手段により前記処理室内にプラズマを生成させ前記オゾンガスを励起するように制御するよう構成されることを特徴とする基板処理装置。
2. 基板を処理室内に搬入する工程と、
   前記処理室に接続されたバッファタンクにオゾンガスを充填する工程と、
   前記バッファタンクに充填されたオゾンガスを前記処理室内に供給しつつ、前記オゾンガスをプラズマ励起する工程と、
   前記処理室内の雰囲気を排気する工程と、
   前記基板を処理室内から搬出する工程と、
   を有し、前記基板の表面に所望の厚さの酸化膜を形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。

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