JPH11145128A - 酸化工程を有する半導体装置の製造方法、及び酸化装置を有する半導体装置の製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水分含有酸化雰囲気で酸化を行い、水素の燃
焼で水分を供給する場合も、爆発の危険性を排除し、酸
化反応室に乾燥酸素等を供給せず、清浄な水分供給がで
き、高信頼性の半導体装置を歩留り良く得る製造方法と
装置を提供する。 【解決手段】 酸化反応室２中で水分含有酸化雰囲気
下で酸化を行う工程を含み、水分は燃焼反応室１で水素
を燃焼させた水蒸気で供給し、ここに水素を導入する前
に酸化性ガスを導入し、該酸化性ガスは、水中を通して
酸化反応室に供給し、水蒸気供給開始後は、水中を通す
操作を停止する。水素を燃焼させる燃焼反応室と、酸
化性ガスを導入し半導体材料を酸化させる酸化反応室と
を合わせ持ち、酸化反応室中で水蒸気を含有した酸化雰
囲気下で酸化を行う装置において、燃焼反応室と酸化反
応室との間に、燃焼反応室から供給されるガスを水５中
を通す機構（容器３）を設け、該ガスを水中を通すか否
かは切り換え自在にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
装置に関し、特に、酸化装置を有する半導体装置の製造
装置に関するものである。本発明は、たとえばＬＳＩ等
の半導体装置を製造するに際し、酸化炉等の酸化装置で
の処理を要する場合の製造装置として、利用できるもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体装置の製造の際に、酸
化装置での処理を要する場合は数多くある。たとえば、
ＭＯＳ半導体装置の製造において、ゲート酸化膜を形成
するのに、酸化装置での処理が要せられる。このような
酸化処理については、従来より、水分を含有した酸化雰
囲気を用いて酸化を行うと、乾燥空気を用いた場合よ
り、信頼性の高い酸化膜が得られることが知られてい
る。たとえばＭＯＳＬＳＩのゲート酸化膜の形成雰囲気
として、水分を含有した酸化雰囲気下で酸化を行うと、
乾燥空気を用いた場合より、信頼性の高い酸化膜が得ら
れる。このような水分を含有した酸化雰囲気を用いた酸
化は、パイロ酸化と称されている。

【０００３】従来技術においては、上記水分を含有した
酸化雰囲気を用いた酸化における水分を供給する機構と
しては、図３に示すような水素外部燃焼装置が広く用い
られている。これはパイロ燃焼機構と称される。水素外
部燃焼装置として燃焼反応室１が設けられ、ここに水素
と酸素が導入されて燃焼反応が行われ、生成した水蒸気
が、酸化炉等の酸化反応室２に供給されて、パイロ酸化
が行われる。この場合、水素と酸素の混合ガスに着火す
る時に、爆発的に反応する危険を避けるために、酸素を
燃焼管に満たしてから水素を供給、着火し、水蒸気を生
成させる機構となっている。この機構では、水分が供給
される前に酸化反応室２（酸化炉）中に乾燥酸素が多量
に供給され、本来、水分含有雰囲気で酸化されることが
望ましい酸化膜たとえばゲート酸化膜に、乾燥酸素で酸
化された領域が混ざり込み、酸化膜が薄くなったときな
どに膜質を低下させる懸念がある。

【０００４】なお、パイロ燃焼機構が用いられる以前に
は、ヒーター７′により加熱した水の中に酸素や窒素を
バブリングさせて水蒸気を添加する、図４に示すような
バブリング機構も用いられていた（符号３′で水バブル
装置を示す）が、水の純度管理や、水蒸気に水滴が混入
しやすいなどの問題があり、現在はほとんど用いられて
いない。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、信頼
性の高い酸化膜を得るために、水分を含有した酸化雰囲
気を用いて酸化を行う酸化装置を有する半導体装置製造
装置を用いる従来技術にあっては、爆発的反応を避けよ
うとすると、乾燥酸素が供給され、乾燥酸素で酸化され
た領域が生成して、膜質を低下させるおそれがあった。

【０００６】本発明は上記問題点を解決して、爆発の危
険性を排除しつつ、酸化反応室に乾燥酸素等の乾燥した
酸化性ガスが供給されることがなく、かつ、クリーンな
水分供給が可能で、よって信頼性の高い半導体装置を歩
留り良く得ることができる酸化工程を有する半導体装置
の製造方法、及び酸化装置を有する半導体装置の製造装
置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る酸化工程を
有する半導体装置の製造方法は、酸化反応室中で水分を
含有した酸化雰囲気下で酸化を行う酸化工程を含む半導
体装置の製造方法において、上記水分は燃焼反応室で水
素を燃焼させて得る水蒸気により供給するとともに、上
記燃焼反応室には、水素を導入するに先立ち、酸化性ガ
スを導入し、該酸化性ガスは、水中を通して酸化反応室
に供給し、その後水素を導入して水素の燃焼により水蒸
気の供給が開始された後は、上記水中を通す操作を停止
することを特徴とするものである。

【０００８】この発明によれば、爆発の危険性を排除す
るために、燃焼反応室には水素を導入するに先立ち、酸
化性ガスを導入するが、その酸化性ガスは、水中を通し
て酸化反応室に供給されるので、第１に、酸化性ガスに
は水分が与えられて、乾燥した酸化性ガスにより酸化が
なされることによる酸化膜質の劣化の問題が防止され
る。第２に、酸化性ガスは、水中を通る間に水中に一部
溶け込み、乾燥した酸化性ガスの総量が減少し、これに
よっても乾燥した酸化性ガスによる問題を抑止できる。

【０００９】また第３に、この発明によれば、水素を導
入して水素の燃焼により水蒸気の供給が開始された後
は、上記水中を通す操作を停止するので、水（たとえば
純水）の品質管理（たとえば純度管理）の問題はなく、
また、水滴混入その他汚染等の問題はなくて、燃焼反応
室で水素を燃焼させて得たクリーンな水蒸気が酸化反応
室に供給される。

【００１０】したがって、この発明は、爆発の危険性を
回避できるとともに、酸化反応室に乾燥酸素等の乾燥し
た酸化性ガスが供給されることが防止され、かつ、酸化
反応室にはクリーンな水分供給が可能であると言うすぐ
れた作用を示す。

【００１１】本発明に係る酸化装置を有する半導体装置
の製造装置は、水素を燃焼させて水蒸気を発生させる燃
焼反応室と、酸化性ガスを導入し半導体材料を酸化させ
る酸化反応室とを合わせ持つ酸化装置を有し、上記酸化
反応室中で上記燃焼反応室から供給される水蒸気を含有
した酸化雰囲気下で酸化を行う半導体装置の製造装置に
おいて、上記燃焼反応室と上記酸化反応室との間には、
燃焼反応室から供給されるガスを水中を通す機構が設け
られるとともに、該ガスを水中を通すか否かは切り換え
自在になっていることを特徴とするものである。

【００１２】この発明によれば、燃焼反応室と酸化反応
室との間に、燃焼反応室から供給されるガスを水中を通
す機構が設けられ、該ガスを水中を通すか否かは切り換
え自在にしたので、上記方法を、簡明な構成で実施で
き、よって、爆発の危険性を回避でき、酸化反応室に乾
燥酸素等の乾燥した酸化性ガスが供給されることが防止
され、かつ、酸化反応室にはクリーンな水分供給が可能
であると言う作用を効果的に実現できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態について
さらに詳細に説明し、また、本発明の好ましい実施の形
態の具体例について、図面を参照して説明する。但し当
然のことではあるが、本発明は図示実施の形態例に限定
されるものではない。

【００１４】本発明においては、水分を含有した酸化性
ガス、たとえばウェット酸素を与える酸化性ガス供給機
構として、水素と酸素とを燃焼させて水蒸気を発生させ
る燃焼反応室を設け、かかる燃焼反応室と、このような
酸化性ガスを導入して半導体膜等の半導体材料を高温で
酸化させる酸化反応室とを合わせ持つ酸化装置を有する
構成にできる。この構成において、酸化性ガス供給機
構、特に燃焼反応室からつながる酸化性ガス供給管のも
う一方の端（出口側の端）を、密閉容器内の純水中に挿
入し、密閉容器の純水面より上方にガス供給管を取り付
け、その他端が酸化反応室につながっている構成にする
ことができる。

【００１５】本発明は、パイロ酸化技術に具体化して、
従来のパイロ酸化装置のパイロ燃焼室と、酸化反応室と
の間に、たとえばバブリング機構を設け、爆発回避のた
めにパイロ燃焼開始前にパイロ燃焼室に与えられる先出
し酸素を、純水を満たしたバブリング機構に通してこれ
を酸化反応室に供給することによって乾燥酸素の問題を
無くし、かつパイロ燃焼開始後は、たとえばバブリング
機構から水を排水することによって、パイロ燃焼室で生
成した水蒸気をそのまま酸化反応室に供給することによ
り、クリーンな水分供給を可能とした態様で、好ましく
実施できる。

【００１６】本発明においては、水蒸気発生装置である
燃焼反応室（たとえばパイロ燃焼室）で、水素とたとえ
ば酸素とが反応しはじめたことを検知する手段を有する
構成にすることができる。この検知手段を設けると、燃
焼反応室での燃焼たとえばパイロ燃焼開始をこの検知手
段により検知した後に、たとえばバブリング機構から水
を排水するようにして、水中を通す操作を停止できる。

【００１７】本発明においては、水素と酸素等の燃焼開
始前においては純水等を入れた密閉容器を０℃近傍に冷
却し、燃焼開始後においては密閉容器を１００℃以上に
加熱する構成をとることができる。これは、燃焼開始
前、すなわち先出し酸素等を容器内の水中を通して酸化
反応室に供給する場合は、先出し酸素である乾燥酸素等
はできるだけ水中に溶け込ませて酸化反応室への供給を
抑えることが望ましいのであるが、この水中への酸素等
の溶解の効果は、純水等の水の温度が０℃に近くなるほ
ど大きくなるので、密閉容器を０℃近傍に冷却すること
によりその中の水の温度を０℃に近くしてこの効果を大
きくするようにできる。この水中への酸素等の溶解の効
果は、水中への酸素等の供給口をできるだけ小さくし
て、バブル数を多くするほど良いので、後記する実施の
形態例では、水中へのガス吐出口を小さくして実施し
た。また、燃焼開始後は、燃焼室で生成した水蒸気を含
む水分含有酸化性ガスが酸化反応室に供給されて酸化が
行われるが、品質の良いウェット酸化膜を得るには、ガ
スが１００℃に近いほど良いので、密閉容器（このとき
は純水等は排水されている）を１００℃以上に加熱する
ことにより、この効果を大きくできる。

【００１８】次に、本発明の具体的な好ましい実施の形
態例について、図面を参照して説明するが、本発明は以
下述べる実施の形態例により限定を受けるものではな
い。

【００１９】図１及び図２を参照する。図１及び図は、
本例の装置構成を示すが、図１は、燃焼反応室での燃焼
前、図２は燃焼時の状態を説明するものである。図１及
び図２に示すように、本例の酸化装置は、水素を燃焼さ
せて水蒸気を発生させる燃焼反応室１と、酸化性ガスを
導入し半導体材料を酸化させる酸化反応室２とを合わせ
持ち、酸化反応室２中で、燃焼反応室１から供給される
水蒸気を含有した酸化雰囲気下で酸化を行う構成になっ
ている。燃焼反応室１と酸化反応室２との間には、燃焼
反応室１から供給されるガスを水中を通す機構が設けら
れる。図示ではこの機構は、純水を入れた容器３であ
る。ガスを水中を通すか否かは切り換え自在にするが、
ここでは、容器３内に水を入れた状態にするか、水を排
出した空の状態にするかにより、この切り換えを行う。

【００２０】さらに詳しくは、本例構成においては、水
分含有酸素を供給する酸化性ガス供給機構として、水素
と酸素を燃焼反応させて水蒸気を発生させる燃焼反応室
（ここではパイロ燃焼室）１、酸化性ガスを導入し半導
体膜を高温で酸化させる酸化反応室（ここでは酸化炉。
符号２０で、炉心管を示す）２、及び純水を適量充填し
た容器（ここでは密閉容器）３が設けられる。

【００２１】本例の密閉容器３は、純水供給口３１と排
水口３２とを持つ。排水口３２は、燃焼反応室（パイロ
燃焼室）１で水素と酸素の反応が開始したことをを検知
するセンサー（燃焼検知器９）からの信号を受けて、動
作させることができる。符号３３，３４は、それぞれ、
純水供給口３１、排水口３２を開閉するための弁であ
る。

【００２２】燃焼反応室（パイロ燃焼室）１からつなが
る酸化性ガス供給管４の、出口側の端（反応室１側と逆
の端）は、容器（密閉容器）３内の純水５中に挿入す
る。容器（密閉容器）３の水面より上方に、ガス供給管
６が取り付けられ、その出口側の端（容器３側と逆の
端）は、酸化反応室２につながっている。このガス供給
管６にも、図示していないが、加熱用のヒーター等を設
け、結露等を防止するようにする。さらに容器（密閉容
器）３は、水素と酸素の燃焼反応開始前においては、こ
の容器（密閉容器）３を０℃近傍に冷却し、燃焼反応開
始後は、容器（密閉容器）３を１００℃以上に加熱す
る、冷却加熱機構７を持つ。

【００２３】燃焼反応室（パイロ燃焼室）１には、弁Ｖ
₁ と流量制御装置ＭＦＣ１、及び弁Ｖ₂ と流量制御装置
ＭＦＣ２を介して窒素、及び水素が導入され、弁Ｖ₃ と
流量制御装置ＭＦＣ３、及び弁Ｖ₄ と流量制御装置ＭＦ
Ｃ４を介して酸素、及び窒素が導入され得るようになっ
ている。また、弁Ｖ₅ と流量制御装置ＭＦＣ５を介し
て、燃焼反応室（パイロ燃焼室）１からの酸化性ガス供
給管４に、窒素が供給され得るようになっている。この
窒素は、酸化反応室（酸化炉）２に与えられる酸化性ガ
スを希釈して、酸化反応室（酸化炉）２における酸化レ
ートを制御する役割を果たす。なお、燃焼反応室（パイ
ロ燃焼室）１以降の高温にさらされ得る構成部分は、図
に太線で図示するように、石英製とした。それ以外は、
金属製とした。

【００２４】この装置の動作状況を、順を追って、説明
する。 （１）図１を参照する。被酸化基板８である半導体ウエ
ハを、酸化反応室２（酸化炉）２内に装填し、図示の流
量制御装置ＭＦＣ１または４を介し、まず窒素などの非
酸化性ガスを供給しながら、酸化反応室２（酸化炉）２
内を酸化温度まで上昇させる。符号２１で、加熱用ヒー
ターを示す。

【００２５】（２）上記（１）の窒素の供給を止め、乾
燥酸素ガスを流量制御装置ＭＦＣ３を介し、燃焼反応室
（パイロ燃焼室）１が酸素で満たされるまで供給する。
このときに要する酸素供給量（＝流量×時間）は、燃焼
反応室（パイロ燃焼室）１の内容積から求めることがで
きる。

【００２６】（３）流量制御装置ＭＦＣ３を介しての乾
燥酸素ガス供給はそのままで、流量制御装置ＭＦＣ２を
介し水素を供給する。酸素と水素の供給量の比（酸素流
量／水素流量）は、１以上とする。このとき、燃焼反応
室（パイロ燃焼室）１から押し出された酸素は、純水５
中にバブリングされる。この時点（燃焼前）では、容器
（密閉容器）３は冷却加熱機構７により０℃近傍に冷却
されているので、純水５は温度０℃近傍になっている。
また、酸化性ガス供給管４の水中に挿入した端、つまり
水中へのガスの吐出口は、その口径を小さくして、バブ
ルの数を多くする。このように０℃近傍の低温水中に、
バブル数が多い状態で酸素が通るので、押し出された酸
素のほとんどは純水５中に溶解する。このときに必要な
純水量は、０℃における酸素の溶解度（溶け込める酸素
体積／水の体積）の０．０４９から求めることができ
る。たとえば、酸素４００ｃｃに対しては、必要な水の
体積は約２リットルとなる。

【００２７】なおこの場合に、純水５を通ってウェット
酸素となった酸素を、酸化反応室２での酸化に寄与させ
るなら、この酸素は１００℃以上になっているのが好ま
しいが、そのために純水５を１００℃以上にすると、純
水の品質管理が難しくなるので、ここでは０℃近傍の低
温にして、酸素をなるべく溶解させて、酸化反応室２に
は導入されないようにしたのである。もちろん、酸化反
応室２にこの酸素が導入されても、ウェット酸素である
ので、酸化膜の劣化等の問題は生じない。

【００２８】（４）加熱された燃焼反応室（パイロ燃焼
室）１内で、水素と酸素の燃焼反応開始を燃焼検知器９
で検知し、その信号９１によって、容器（密閉容器）３
内の純水５を排水する。燃焼検知器９としては、たとえ
ば赤外センサーなど、任意のものを採用できる。弁３４
が燃焼検知器９からの信号９１により制御されて、排水
口３２の開閉がなされる。なお符号１０は、燃焼反応室
（パイロ燃焼室）１を加熱するヒーターである。

【００２９】（５）図２を参照する。容器（密閉容器）
３は上記排水によって空となり、よって燃焼反応室（パ
イロ燃焼室）１で生成された水蒸気はそのまま、酸化反
応室２（酸化炉）２内に導入され、被酸化基板８上にウ
ェット酸化膜のみが形成される。このとき、空になった
容器（密閉容器）３を、冷却加熱機構７により１００℃
以上に加熱する。これにより、品質の良いウェット酸化
膜が形成される。

【００３０】（６）所定の酸化膜厚が形成された後、酸
素と水素の供給を停止し、窒素を供給する。

【００３１】（７）所定の温度まで降温し、基板８を取
り出す。

【００３２】上記したように、この実施の形態例によれ
ば、品質劣化のおそれのあるドライ酸化膜の問題を回避
できる。よって、信頼性の高い半導体装置を、歩留り良
く得ることができる。たとえば従来技術において、ＭＯ
ＳＬＳＩ製造の際に、ウェットゲート酸化膜形成時に混
入していたドライ酸化膜を排除でき、高品質、高信頼性
のゲート酸化膜が形成できる。この結果、ＭＯＳＬＳＩ
の歩留り、及び信頼性を向上させることができる。

【００３３】

【発明の効果】上述したように、本発明に係る酸化工程
を有する半導体装置の製造方法、及び酸化装置を有する
半導体装置の製造装置によれば、水分を含有した酸化雰
囲気を用いて酸化を行う場合に、水素の燃焼により水分
を供給する場合も、爆発の危険性を排除しつつ、酸化反
応室への乾燥酸素等の乾燥した酸化性ガスの供給を無く
せ、かつ、クリーンな水分供給が可能で、信頼性の高い
半導体装置を歩留り良く得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態例１の装置構成を示す図
で、水素燃焼前の状態を示す図である。

【図２】 本発明の実施の形態例１の装置構成を示す図
で、水素燃焼後の状態を示す図である。

【図３】 従来技術の構成を示す図である（１）。

【図４】 従来技術の構成を示す図である（２）。

【符号の説明】

１・・・燃焼反応室、２・・・酸化反応室、３・・・容
器、４・・・酸化性ガス供給管、５・・・水（純水）、
６・・・ガス供給管、７・・・冷却加熱機構、８・・・
被酸化基板、９・・・燃焼検知器。ＭＦＣ１〜５・・・
流量制御装置、Ｖ₁ 〜Ｖ₅ ・・・弁。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 酸化反応室中で水分を含有した酸化雰囲
   気下で酸化を行う酸化工程を含む半導体装置の製造方法
   において、 上記水分は燃焼反応室で水素を燃焼させて得る水蒸気に
   より供給するとともに、 上記燃焼反応室には、水素を導入するに先立ち、酸化性
   ガスを導入し、 該酸化性ガスは、水中を通して酸化反応室に供給し、 その後水素を導入して水素の燃焼により水蒸気の供給が
   開始された後は、上記水中を通す操作を停止することを
   特徴とする酸化工程を有する半導体装置の製造方法。
2. 【請求項２】 上記請求項１において、酸化性ガスを水
   中を通すのは、容器内の水中に酸化性ガスを供給して、
   酸化性ガスを水中から浮き上がらせることによるもので
   あり、この水中を通す操作を停止するのは、該容器内の
   水を排出することによるものであることを特徴とする酸
   化工程を有する半導体装置の製造方法。
3. 【請求項３】 水素を燃焼させて水蒸気を発生させる燃
   焼反応室と、酸化性ガスを導入し半導体材料を酸化させ
   る酸化反応室とを合わせ持つ酸化装置を有し、上記酸化
   反応室中で上記燃焼反応室から供給される水蒸気を含有
   した酸化雰囲気下で酸化を行う半導体装置の製造装置に
   おいて、 上記燃焼反応室と上記酸化反応室との間には、燃焼反応
   室から供給されるガスを水中を通す機構が設けられると
   ともに、該ガスを水中を通すか否かは切り換え自在にな
   っていることを特徴とする酸化装置を有する半導体装置
   の製造装置。
4. 【請求項４】 上記請求項３において、燃焼反応室から
   のガス供給管の供給側の端を、容器内の水中に挿入し、
   容器の水面より上方に酸化反応室に酸化性ガスを供給す
   るガス供給管を設けて、このガス供給管により水中を通
   した酸化性ガスを酸化反応室に供給することを特徴とす
   る酸化装置を有する半導体装置の製造装置。
5. 【請求項５】 上記請求項３において、水蒸気を発生さ
   せる燃焼反応室内で水素が燃焼反応をしはじめたことを
   検知する手段を有することを特徴とする酸化装置を有す
   る半導体装置の製造装置。
6. 【請求項６】 上記請求項３において、水素の燃焼開始
   前においては、上記容器を０℃近傍に冷却し、燃焼開始
   後においては該容器を１００℃以上に加熱することを特
   徴とする酸化装置を有する半導体装置の製造装置。