JP6320325B2 - 半導体製造装置および半導体デバイスの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は半導体製造装置および半導体デバイスの製造方法に関し、特に、ウエハの表面に酸化膜を形成するための半導体製造装置およびこれを用いた半導体デバイスの製造方法に関する。

半導体デバイスの製造工程では、複数のウエハをプロセスチューブ（反応炉）内に配置し、ウエハ表面に酸化膜が形成される。例えば、従来の方法では、プロセスチューブの、ガス導入口とウエハとの間やウエハと排気口との間に、プロセスチューブの長手方向に垂直な気流緩和部材を配置することにより、ガス流の速度を緩和して、各ウエハに形成される酸化膜の膜厚の均一化を図っている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−０４９３６０号公報

しかしながら、ガス導入口からプロセスチューブに酸素ガスと水素ガスを供給し、水素ガスを燃焼させて形成した高温の水蒸気ガスを用いてウエハ表面に酸化膜を形成する場合、酸素ガスに比べて軽い水素ガスや、温度の高い水蒸気ガスは、プロセスチューブの上側に向かう。このため、例えばガス導入口近傍において、水蒸気ガスがプロセスチューブの上側に向かって流れ、ウエハの酸化膜の膜厚は上側が厚くなって不均一になるという問題があった。

そこで、本発明は、プロセスチューブ中で複数のウエハに酸化膜を均一（異なるウエハ間および１つのウエハ上の双方で均一）に形成するための半導体製造装置の提供を目的とする。

発明者らは、鋭意検討の結果、例えば特許文献１に記載の熱処理装置のような従来の半導体製造装置では、水蒸気等のガスが、ウエハの上部の、プロセスチューブとウエハとの間の隙間を流れて、プロセスチューブ内で十分に広がらないために酸化膜の膜厚が不均一になることを見出して、本発明を完成した。

即ち、本発明は、ウエハの表面を熱酸化するための半導体製造装置であって、一端にガス導入口を有し、他端が蓋部で閉じられた円筒形の反応管と、反応管内に、反応管の中心軸に対して垂直に複数のウエハを配置する保持手段と、ガス導入口と保持手段との間に、反応管の内壁に周囲が接するように設けられ、下方に開口部を有する遮蔽板と、遮蔽板と保持手段との間に、反応管の内壁に周囲が接するように設けられ、複数の貫通孔を有する整流板と、反応管の周囲に設けられたヒーターと、を含み、ガス導入部から導入されたガスは、遮蔽板の開口部を通った後、整流板の貫通孔を通ってウエハに供給されることを特徴とする半導体製造装置である。

また、本発明は、かかる半導体製造装置を用いてウエハの表面に酸化膜を形成する工程を含む半導体デバイスの製造方法でもある。

本発明にかかる半導体製造装置では、ガス導入口とウエハとの間に、プロセスチューブの内壁に周囲が接する遮蔽板と整流板を備えることにより、遮蔽板によりガスの温度を均一にした後に、整流板を用いてガスを均一に分布させて、均一な膜厚の酸化膜をウエハ上に作製することが可能となる。

本発明の実施の形態１にかかる横型熱酸化装置の断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる横型熱酸化装置に用いる（ａ）遮蔽板と（ｂ）整流板の平面図である。 本発明の実施の形態１にかかる横型熱酸化装置の使用方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態１にかかる横型熱酸化装置の使用方法を示す断面図である。 本発明の実施の形態２にかかる（ａ）横型熱酸化装置の断面図と、（ｂ）遮蔽板の平面図である。 本発明の実施の形態３にかかる（ａ）横型熱酸化装置の断面図と、（ｂ）遮蔽板の平面図である。 本発明の実施の形態４にかかる（ａ）横型熱酸化装置の断面図と、（ｂ）遮蔽板の平面図である。

実施の形態１．
図１は、全体が１００で表される、本発明の実施の形態１にかかる横型熱酸化装置（横型熱酸化炉）の、長手方向（プロセスチューブの中心軸方向）に沿った断面図である。横型熱酸化装置１００は、例えば石英で形成された円筒状のプロセスチューブ（反応管、熱酸化炉）１を含む。プロセスチューブ１の直径は、５インチウエハを処理する場合は、例えば２００ｍｍである。

プロセスチューブ１の一端（図１では右側：炉奥）は直径が小さくなり、その端部には、酸素ガスを供給する第１プロセスガス導入管２と、水素ガスを供給するノズル状の第２プロセスガス導入管３が設けられている。酸化膜の形成時には、ノズル状の第２プロセスガス導入管３に水素ガスが供給され、その周囲に第１プロセスガス導入管２から酸素ガスが供給される。

一方、プロセスチューブ１の他端（左側）は開放されて炉口となり、例えば石英から形成されたエンドリッド７が着脱可能なように取り付けられて封止される。エンドリッド７には、例えば石英からなる板状のフォーク６が取り付けられている。フォーク６は、移動機構（図示せず）により、自動的に、プロセスチューブ１の処理位置に移動する。

フォーク６の上には、例えば石英からなるウエハボート５が着脱可能に搭載される。ウエハボート５には、例えば複数のスリット（図示せず）が設けられ、そのスリット内にウエハが保持される。スリットは、プロセスチューブ１の長手方向に垂直な方向に設けられており、スリットに一部が挟まるように立てられたウエハの表面も、プロセスチューブ１の長手方向に垂直な方向に配置される。

ウエハは、例えば単結晶シリコンであるが、多結晶シリコンや、ＳｉＣ等の他の材料を用いることもできる。また、ＳｏＩ（Semiconductor on Insulator）のような絶縁基板からなるウエハを用いることもできる。

ウエハは、例えば２５枚が１ロットを構成し、ウエハボート５には、５つのロットＳ１〜Ｓ５分のウエハ、合計１２５枚が保持される。各ロットＳ１〜Ｓ５では、２５枚のウエハが、ウエハ面が平行になるように、等間隔で配置される。ロットとロットの間には、各ロットＳ１〜Ｓ５からウエハを取り出しやすいように、所定の間隔が設けられている。

５つのロットＳ１〜Ｓ５のうち、両端のロットＳ１、Ｓ５の外側には、それぞれ所定の間隔でダミーロットＤ１、Ｄ２が配置される。ダミーロットＤ１、Ｄ２は、例えば平行に配置された５枚のウエハからなる。

フォーク６とエンドリッド７との間には、排気用の隙間部４が設けられ、隙間部４を通ってプロセスチューブ１の外に出たガスは、例えば排気ダクトのような排気ポート１１を通って排気される。

横型熱酸化装置１００では、更にフォーク６と、ノズル状の第２プロセスガス導入管３との間に、第２プロセスガス導入管３側から順に、遮蔽板８と整流板９が設けられている。遮蔽板８と整流板９は、例えば円盤状の石英や炭化ケイ素からなり、プロセスチューブ１の長手方向に垂直な方向に、即ち、ウエハ面に平行に配置される。

図２（ａ）は、プロセスチューブ１の長手方向に垂直な方向の、遮蔽板８の平面図であり、図２（ｂ）は、プロセスチューブ１の長手方向に垂直な方向の、整流板９の平面図である。

遮蔽板８は、プロセスチューブ１の内径に略等しい直径を有する円盤状であり、下方の一部が切り取られて開口部１３となっている。遮蔽板８の厚さは、第２プロセスガス導入管３のノズルの先端から、水素ガスの流れに沿って燃焼炎が生じるため、この燃焼炎の熱がウエハボート５のウエハに影響を与えないように選択される。同様に、開口部１３の位置も、この燃焼炎がウエハボート５のウエハに影響を与えないように、遮蔽板８の中心より下方（図１、２の下方向）に設けられ、好ましくは、遮蔽板８の直径の下から３分の１より下方の、プロセスチューブ１の底部近傍に設けられる。開口部１３の面積は、この面積が大きいと水蒸気ガスが十分に混合しなくなり、一方で、面積が小さいと水蒸気ガスの流速が大きくなりすぎるため、例えば実験的に最適値を見出せば良い。

なお、図２（ａ）では、開口部１３は遮蔽板８を略矩形に切り取って形成したが、例えば、遮蔽板８の下方を水平に切り取って半円形の開口部としても良い。

遮蔽板８は、プロセスチューブ１の内壁に溶接されても良いし、脱着可能に固定されて良いが、遮蔽板８とプロセスチューブ１との間にはガスが流れる隙間が出来ないように固定される。遮蔽板８をプロセスチューブ１内に取り付ける位置は、上述の燃焼炎の先端が、遮蔽板８に到達しないように選択するのが好ましい。遮蔽板８が燃焼炎に曝されると、石英が失透する可能性があるためである。

同様に、整流板９も、プロセスチューブ１の内径に略等しい直径を有する円盤状であり、複数の貫通孔１２が設けられて、貫通孔１２を通過することにより、ガスが略均等に分布するようになっている。整流板９は、プロセスチューブ１の内壁に溶接されても良いし、脱着可能に固定されて良いが、整流板９とプロセスチューブ１との間にはガスが流れる隙間が出来ないように固定される。

整流板９の貫通孔１２は、貫通孔１２を通過した水蒸気ガスが、プロセスチューブ１内に均等に広がるように配置され、例えば、貫通孔１２は、正三角形の頂点の位置に配置され、または同心円上に均等に配置される。貫通孔１２は、例えば直径が数ｍｍの円形である。貫通孔１２の面積を小さくした場合や、数を少なくした場合は、プロセスチューブ１内に水蒸気ガスが均等に広がりにくくなり、また水蒸気ガスの流れが乱れるため、貫通孔１２の面積や数は、例えば実験的に最適値を見出せば良い。

プロセスチューブ１の外側には、プロセスチューブ１を囲むようにヒーター１０が設けられ、プロセスチューブ１内を、例えば８００℃〜１０００℃程度に加熱する。

次に、本発明の実施の形態１にかかる横型熱酸化装置１００を用いてウエハの表面に酸化膜を形成する工程について説明する。

まず、図３ａに示すように、プロセスチューブ１からフォーク６を引き出して、ウエハボート５の上に、ロットＳ１〜Ｓ５およびダミーロットＤ１、Ｄ２のウエハを配置する。

次に、図３ｂに示すように、第１プロセスガス導入管２から酸素ガスを供給しながら、ウエハボート５を積載したフォーク６を炉口（開放端部）からプロセスチューブ１内に、矢印の方向に移動させる。フォーク６の移動は、移動機構を用いて自動的に行われるが、手動で行っても構わない。エンドリッド７はプロセスチューブ１の炉口に接触して、これを封止する。

続いて、プロセスチューブ１内に、第１プロセスガス導入管２から酸素ガスを供給した状態で、ヒーター１０の温度を上げ、プロセスチューブ１内の温度を例えば９５０℃に維持する。

プロセスチューブ１内の温度が安定した後、ノズル状の第２プロセスガス導入管３から水素ガスを供給することで、第２プロセスガス導入管３の先端で、酸素ガスと酸素ガスが反応して燃焼し、燃焼炎となり、高温の水蒸気ガスが発生する。酸素ガスは、水蒸気ガスのキャリアガスとしても機能する。水素ガス、酸素ガスの供給量は、例えば、水素ガスが３６００ｓｃｃｍ、酸素ガスが７２００ｓｃｃｍである。

高温の水蒸気ガスは、燃焼炎に沿って上昇しながら遮蔽板８に向かう（図１では、左上に向かう）が、本発明の実施の形態１にかかる横型熱酸化装置１００では、遮蔽板８とプロセスチューブ１との間に隙間が無いため、従来のように、遮蔽板８の上側とプロセスチューブ１との間を水蒸気ガスが流れることはできない。このため、水蒸気ガスは遮蔽板８の表面に沿って遮蔽板８の下側に向かって流れ、遮蔽板８の下側の開口部１３を通ってガス排出口側へ流れる。狭い開口部１３を通る間に、第１プロセスガス導入管２から導入された酸素ガスと水蒸気ガスが混合されて、水蒸気ガスの温度は均一となる。

ここで、開口部１３を通った水蒸気ガスをそのままロットに供給すると、水蒸気ガスは主にプロセスチューブ１の下側を移動し、ウエハに形成される酸化膜（二酸化ケイ素膜）の膜厚が、特に、開口部１３に近いロットＳ１やＳ２のウエハにおいて、上側に比べて下側で厚くなるという問題が発生する。

そこで、本発明の実施の形態１にかかる横型熱酸化装置１００では、遮蔽板８とウエハとの間に、複数の貫通孔１２を有する整流板９を設け、整流板９の貫通孔１２を水蒸気ガスが通ることにより、水蒸気ガスの流速が緩和されるとともに、プロセスチューブ１内に均一に水蒸気ガスを供給できる。この結果、ロットＳ１〜Ｓ５で、酸化膜の膜厚は、面内およびウエハ間で均一となり、各ロットＳ１〜Ｓ５の合計１２５枚で、良好な品質のウエハが得られる。

ウエハ上の酸化膜の膜厚が、所定の設計値に到達すれば、水素ガスと酸素ガスの供給を停止し、代わりに第２プロセスガス導入管３から窒素ガスを流しながらプロセスチューブ１の温度を下げる。室温近傍まで冷却した後、プロセスチューブ１からウエハボート５を載せ置いたフォーク６をプロセスチューブ１から搬出する。以上で、酸化膜の形成工程が終了する。

このように、本発明の実施の形態１にかかる横型熱酸化装置１００では、遮蔽板８の開口部１３を通して水蒸気ガスの温度を均一にした後、整流板９を通してプロセスチューブ１内に均一に水蒸気ガスを供給することにより、複数のウエハに均一な膜厚（１つのウエハ内で均一かつウエハ間においても均一な膜厚）の酸化膜の作製が可能となる。

実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２にかかる、（ａ）全体が２００で表される横型熱酸化装置の断面図と、（ｂ）遮蔽板の平面図を示す。図４中、図１と同一符合は、同一または相当箇所を示す。

本発明の実施の形態２にかかる横型熱酸化装置２００では、遮蔽板１８は、プロセスチューブ１の内径に略等しい直径を有する円盤状であり、下方が水平方向に切り取られて半月状の開口部１３となっている。開口部１３は、遮蔽板１８の中心より下方、好ましくは、遮蔽板１８の直径の下から３分の１より下方に設けられる。更に、遮蔽板１８は、遮蔽板１８の下端から炉奥に向かって水平に張り出した板状の庇部１８ａを有する。遮蔽板１８および庇部１８ａは、例えば石英から形成される。例えばプロセスチューブ１の直径が２００ｍｍの場合、庇部１８ａの長さ（図４の左右方向の距離）は、例えば２０〜５０ｍｍである。

横型熱酸化装置２００でも、上述の横型熱酸化装置１００と同様に、第２プロセスガス導入管３の先端で、酸素ガスと酸素ガスが反応し、燃焼して形成された高温の水蒸気ガスが、燃焼炎に沿って上昇しながら遮蔽板１８に向かう。横型熱酸化装置２００においても、遮蔽板１８とプロセスチューブ１との間に隙間が無いため、水蒸気ガスは遮蔽板１８の表面に沿って遮蔽板１８の下側方向に流れ、開口部１３を通ってガス排出口側へ流れる。

遮蔽板１８には庇部１８ａが設けられているため、水蒸気ガスが開口部１３近傍に滞在する時間が長くなり、より水蒸気ガスの温度の均一化を図ることができる。

このように、本発明の実施の形態２にかかる横型熱酸化装置２００では、庇部１８ａを有する遮蔽板１８の開口部１３を通して水蒸気ガスの温度を均一にした後、整流板９を通してプロセスチューブ１内に均一に水蒸気ガスを供給することにより、複数のウエハに均一な膜厚の酸化膜の作製が可能となる。

なお、庇部１８ａは、本発明の実施の形態１の開口部１３のような他の形状の開口部に適用することも可能である。

実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３にかかる、（ａ）全体が３００で表される横型熱酸化装置の断面図と、（ｂ）遮蔽板の平面図を示す。図５中、図１と同一符合は、同一または相当箇所を示す。

本発明の実施の形態３にかかる横型熱酸化装置３００では、遮蔽板２８は、プロセスチューブ１の内径に略等しい直径を有する円盤状であり、下方が水平方向に切り取られて半月状の開口部１３となっている。開口部１３は、遮蔽板２８の中心より下方、好ましくは、遮蔽板２８の直径の下から３分の１より下方に設けられる。更に、遮蔽板２８は、下方が炉口方向に向かうように、鉛直方向に対して傾斜して配置されている。遮蔽板２８の傾斜角θは、例えば鉛直方向（図５の上下方向）に対して１０〜１５°である。

横型熱酸化装置３００でも、上述の横型熱酸化装置１００と同様に、第２プロセスガス導入管３の先端で、酸素ガスと酸素ガスが反応し、燃焼して形成された高温の水蒸気ガスが、燃焼炎に沿って上昇しながら遮蔽板２８に向かう。横型熱酸化装置３００においても、遮蔽板２８とプロセスチューブ１との間に隙間が無いため、水蒸気ガスは遮蔽板２８の表面に沿って遮蔽板２８の下側方向に流れ、開口部１３を通ってガス排出口側へ流れる。

遮蔽板２８が傾斜し、遮蔽板２８と整流板９との間隔は、上方より下方の方が大きくなり、下方において、水蒸気ガスの滞留時間が長くなる。この結果、より水蒸気ガスの温度の均一化を図ることができる。

このように、本発明の実施の形態３にかかる横型熱酸化装置３００では、傾斜配置した遮蔽板２８の開口部１３を通して水蒸気ガスの温度を均一にした後、整流板９を通してプロセスチューブ１内に均一に水蒸気ガスを供給することにより、複数のウエハに均一な膜厚の酸化膜の作製が可能となる。

実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４にかかる、（ａ）全体が４００で表される横型熱酸化装置の断面図と、（ｂ）遮蔽板の平面図を示す。図６中、図１と同一符合は、同一または相当箇所を示す。

本発明の実施の形態４にかかる横型熱酸化装置４００では、遮蔽板３８は、プロセスチューブ１の内径に略等しい直径を有する円盤状であり、下方に複数の円形の貫通孔３３が設けられている。複数の貫通孔３３は、遮蔽板３８の中心より下方、好ましくは、遮蔽板３８の直径の下から３分の１より下方に設けられる。

横型熱酸化装置４００でも、上述の横型熱酸化装置１００と同様に、第２プロセスガス導入管３の先端で、酸素ガスと酸素ガスが反応し、燃焼して形成された高温の水蒸気ガスが、燃焼炎に沿って上昇しながら遮蔽板３８に向かう。横型熱酸化装置４００においても、遮蔽板３８とプロセスチューブ１との間に隙間が無いため、水蒸気ガスは遮蔽板３８の表面に沿って遮蔽板３８の下側方向に流れ、貫通孔３３を通ってガス排出口側へ流れる。そして、狭い貫通孔３３を通る間に、水蒸気ガスの温度の均一化を図ることができる。

このように、本発明の実施の形態４にかかる横型熱酸化装置４００では、遮蔽板３８の貫通孔３３を通して水蒸気ガスの温度を均一にした後、整流板９を通してプロセスチューブ１内に均一に水蒸気ガスを供給することにより、複数のウエハに均一な膜厚の酸化膜の作製が可能となる。

なお、実施の形態１〜４の説明は、酸素ガスと水素ガスの混合雰囲気中でウエハを加熱して酸化させるパイロジェニック酸化法に関するものであるが、酸化雰囲気中でウエハを加熱して熱酸化させるドライ酸化法に適用してもよい。

１ プロセスチューブ、２ 第１プロセスガス導入管、３ 第２プロセスガス導入管、４ 隙間部、５ ウエハボート、６ フォーク、７ エンドリッド、８ 遮蔽板、９ 整流板、１０ ヒーター、１１ 排気ポート、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５ ロット、Ｄ１、Ｄ２ ダミーロット、１２ 貫通孔、１３ 開口部、１００ 横型熱酸化装置。

Claims (6)

1. ウエハの表面を熱酸化するための半導体製造装置であって、
   一端にガス導入口を有し、他端が蓋部で閉じられた円筒形の反応管と、
   該反応管内に、該反応管の中心軸に対して垂直に複数のウエハを配置する保持手段と、
   該ガス導入口と該保持手段との間に、該反応管の内壁に周囲が接するように設けられ、下方に開口部を有する遮蔽板と、
   該遮蔽板と保持手段との間に、反応管の内壁に周囲が接するように設けられ、複数の貫通孔を有する整流板と、
   該反応管の周囲に設けられたヒーターと、を含み、
   該ガス導入部から導入されたガスは、該遮蔽板の該開口部を通った後、該整流板の該貫通孔を通って該ウエハに供給され、
   該遮蔽板の開口部は、該遮蔽板の中心より下方に設けられた、矩形または半円形の切り取り孔、あるいは複数の円形の孔であり、
   半円形の切り取り孔からなる該開口部が、更に、該開口部の周囲から該ガス導入口方向に水平に張り出した庇部を有することを特徴とする半導体製造装置。
2. ウエハの表面を熱酸化するための半導体製造装置であって、
   一端にガス導入口を有し、他端が蓋部で閉じられた円筒形の反応管と、
   該反応管内に、該反応管の中心軸に対して垂直に複数のウエハを配置する保持手段と、
   該ガス導入口と該保持手段との間に、該反応管の内壁に周囲が接するように設けられ、下方に開口部を有する遮蔽板と、
   該遮蔽板と保持手段との間に、反応管の内壁に周囲が接するように設けられ、複数の貫通孔を有する整流板と、
   該反応管の周囲に設けられたヒーターと、を含み、
   該ガス導入部から導入されたガスは、該遮蔽板の該開口部を通った後、該整流板の該貫通孔を通って該ウエハに供給され、
   該遮蔽板は、下方が上記ガス導入口に近づくように傾斜して配置されたことを特徴とする半導体製造装置。
3. 上記整流板の貫通孔は、上記整流板の中心に対して、該中心を重心とする正三角形の頂点の位置に配置され、または該整流板の中心に対して、同心円上に均等に配置されたことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体製造装置。
4. 上記ガス導入口は、第２プロセスガスを供給するための、ノズル状の第２プロセスガス導入管と、第１プロセスガスを供給するための、該第２プロセスガス導入管を囲む第１プロセスガス導入管とを有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体製造装置。
5. 上記第１プロセスガスは酸素ガスであり、上記第２プロセスガスが水素ガスであり、上記ウエハがシリコンであり、該第１プロセスガスと該第２プロセスガスを反応させて形成した水蒸気ガスにより該ウエハの表面を酸化してシリコン酸化膜を形成することを特徴とする請求項４に記載の半導体製造装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の半導体製造装置を用いてウエハの表面に酸化膜を形成する工程を含む半導体デバイスの製造方法。

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