KR101145477B1 - 반도체 처리용 산화 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

반도체 처리용 산화 장치는 간격을 두고 적층된 상태에서 복수의 피처리 기판을 수납하는 처리 영역을 갖는 처리 용기와, 상기 처리 영역을 가열하는 히터와, 상기 처리 영역 내를 배기하는 배기계와, 상기 처리 영역에 산화성 가스를 공급하는 산화성 가스 공급계와, 상기 처리 영역에 환원성 가스를 공급하는 환원성 가스 공급계를 구비한다. 상기 산화성 가스 공급계는 상기 처리 영역에 대응하는 상하 방향의 길이로 연장되는 산화성 가스 노즐을 구비하고, 상기 산화성 가스 노즐은 상기 처리 영역에 대응하는 상하 방향의 길이에 걸쳐서 존재하는 복수의 가스 분사 구멍을 갖는다. 상기 환원성 가스 공급계는 상기 처리 영역의 상하로 배열된 복수의 존에 대응하여 다른 높이를 갖는 복수의 환원성 가스 노즐을 구비하고, 각 환원성 가스 노즐은 대응하는 존의 높이에 존재하는 가스 분사 구멍을 갖는다.
반도체 처리용 산화 장치, 피처리 기판, 환원성 가스 공급계, 환원성 가스 노즐, 히터

Description

반도체 처리용 산화 장치 및 방법{OXIDATION APPARATUS AND METHOD FOR SEMICONDUCTOR PROCESS}
본 발명은 반도체 웨이퍼 등의 피처리 기판의 표면을 산화하기 위한 반도체 처리용 산화 장치 및 방법에 관한 것이다. 여기서, 반도체 처리라 함은, 반도체 웨이퍼나 LCD(Liquid Crystal Display)와 같은 FPD(Flat Panel Display)용 글래스 기판 등의 피처리 기판 상에 반도체층, 절연층, 도전층 등을 소정의 패턴으로 형성함으로써, 상기 피처리 기판 상에 반도체 디바이스나, 반도체 디바이스에 접속되는 배선, 전극 등을 포함하는 구조물을 제조하기 위해 실시되는 다양한 처리를 의미한다.
일반적으로, 반도체 집적 회로를 제조하기 위해서는 실리콘 웨이퍼 등으로 이루어지는 반도체 기판에 대해, 성막, 에칭, 산화, 확산, 개질 등의 각종 처리가 행해진다. 예를 들어, 산화에는 단결정 실리콘막 혹은 폴리실리콘막의 표면 등을 산화하는 경우, 금속막을 산화하는 경우 등이 있다. 특히, 산화로 형성된 실리콘 산화막은 소자 분리막, 게이트 산화선, 캐패시터 등의 절연막에 적용된다.
이 산화 처리를 행하는 방법에는, 압력의 관점으로부터는 대략 대기압과 동 등한 분위기 하의 처리 용기 내에서 행하는 상압 산화 처리 방법과 진공 분위기 하의 처리 용기 내에서 행하는 감압 산화 처리 방법이 있다. 또한, 산화에 사용하는 가스 종류의 관점으로부터는, 예를 들어 수소와 산소를 외부 연소 장치에서 연소시킴으로써 수증기를 발생시키고 이 수증기를 이용하여 산화를 행하는 웨트 산화 처리 방법[예를 들어, 일본 특허 공개 평3-140453호 공보(특허문헌 1)]이 있다. 또한, 오존만, 혹은 산소만을 처리 용기 내로 흐르게 하거나 하여 수증기를 이용하지 않고 산화를 행하는 드라이 산화 처리 방법[예를 들어, 일본 특허 공개 소57-1232호 공보(특허문헌 2)]이 있다.
산화의 방법으로서는, 산소 가스를 이용한 드라이 산화와 수증기를 이용한 웨트 산화가 있다. 일반적으로는, 웨트 산화에 의해 성막한 산화막은 드라이 산화에 의해 성막한 산화막에 비해 막질이 양호하다. 즉, 절연막으로서는, 내압성, 내부식성, 신뢰성 등의 막질 특성을 고려하면, 웨트 산화막의 쪽이 우수하다. 또한, 형성되는 산화막(절연막)의 성막률이나 웨이퍼면 내의 균일성도 중요한 요소이다. 이 관점으로부터는, 일반적으로는 상압의 웨트 산화에 의해 형성된 막은, 산화율은 크지만, 막 두께의 면내 균일성이 뒤떨어진다. 한편, 감압의 웨트 산화에 의해 형성된 막은, 반대로 산화율은 작지만 막 두께의 면내 균일성이 우수하다.
반도체 디바이스 혹은 반도체 집적 회로의 디자인 룰이 그다지 엄격하지 않은 경우, 산화막이 적용되는 용도나 프로세스 조건, 장치 비용 등을 적절하게 감안하여 상술한 바와 같은 다양한 산화 방법이 이용된다. 그러나, 최근, 반도체 디바이스의 선 폭이나 막 두께가 보다 작아져 디자인 룰이 엄격하게 되어 있다. 그것 에 수반하여, 산화막의 막질의 특성이나 막 두께의 면내 균일성 등에 관하여 보다 높은 것이 요구되도록 되어 오고 있다. 이로 인해, 종래의 산화 방법에서는 이 요구에 충분히 대응할 수 없는 등의 문제가 발생하고 있다.
그래서, 최근에는 H2 가스와 O2 가스를 처리 용기 내로 개별로 도입하고, 양 가스를 처리 용기 내에서 반응시켜 수증기 등을 발생시키고, 이에 의해 웨이퍼 표면을 산화하도록 한 산화 장치가 제안되어 있다[예를 들어, 일본 특허 공개 평4-18727호 공보, 일본 특허 공개 제2004-22833호 공보, 일본 특허 공개 제2005-277386호 공보 및 일본 특허 공개 제2005-175441호 공보(특허문헌 3, 4, 5, 6)].
특허문헌 3, 5, 6에 개시되는 기술의 경우, 산화막을 형성하기 위해, H2 가스와 O2 가스를 1 Torr 정도의 낮은 압력 하이고, 또한 비교적 저온에서, 예를 들어 900 ℃ 이하에서 반응시켜 산소 활성종과 수산기 활성종을 발생시킨다. 이에 의해, 웨이퍼 표면을 산화하고, 예를 들어 실리콘 산화막을 형성한다.
본 발명은 최적화된 환원성 가스 유량 등의 프로세스 조건을 구하기 위한 조정 작업을 간단하고 또한 신속하게 행할 수 있는 피처리 기판의 산화 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1 시점은, 간격을 두고 적층된 상태에서 복수의 피처리 기판을 수납하는 처리 영역을 갖는 처리 용기와, 상기 처리 영역을 가열하는 히터와, 상기 처리 영역 내를 배기하는 배기계와, 상기 처리 영역에 산화성 가스를 공급하는 산화성 가스 공급계와, 상기 처리 영역에 환원성 가스를 공급하는 환원성 가스 공급계를 구비하고, 상기 산화성 가스 공급계는 상기 처리 영역에 대응하는 상하 방향의 길이로 연장되는 산화성 가스 노즐을 구비하고, 상기 산화성 가스 노즐은 상기 처리 영역에 대응하는 상하 방향의 길이에 걸쳐서 존재하는 복수의 가스 분사 구멍을 갖고, 상기 환원성 가스 공급계는 상기 처리 영역의 상하로 배열된 복수의 존에 대응하여 다른 높이를 갖는 복수의 환원성 가스 노즐을 구비하고, 각 환원성 가스 노즐은 대응하는 존의 높이에 존재하는 가스 분사 구멍을 갖는 반도체 처리용 산화 장치이다.
본 발명의 제2 시점은, 처리 용기의 처리 영역 내에 간격을 두고 적층된 상태에서 복수의 피처리 기판을 수납하는 공정과, 상기 처리 영역을 가열하면서 상기 처리 영역에 산화성 가스 및 환원성 가스를 각각 공급하는 공정과, 상기 산화성 가스 및 상기 환원성 가스를 반응시켜 상기 처리 영역 내에서 산소 활성종과 수산기 활성종을 발생시키는 공정과, 상기 산소 활성종과 상기 수산기 활성종을 사용하여 상기 피처리 기판의 표면에 대해 산화 처리를 행하는 공정을 구비하고, 상기 산화성 가스는 상기 처리 영역에 대응하는 상하 방향의 길이로 연장되는 산화성 가스 노즐로부터 공급되고, 상기 산화성 가스 노즐은 상기 처리 영역에 대응하는 상하 방향의 길이에 걸쳐서 존재하는 복수의 가스 분사 구멍을 갖고, 상기 환원성 가스는 상기 처리 영역의 상하로 배열된 복수의 존에 대응하여 다른 높이를 갖는 복수 의 환원성 가스 노즐로부터 공급되고, 각 환원성 가스 노즐은 대응하는 존의 높이에 존재하는 가스 분사 구멍을 갖는 반도체 처리용 산화 방법이다.
본 발명의 추가 목적 및 이점들은 다음의 상세한 설명에 개시될 것이며, 부분적으로는 상세한 설명으로부터 명백할 것이고 또는 본 발명의 실시에 의해 학습될 수도 있다. 본 발명의 목적 및 이점들은 특별히 이후에 지시되는 수단들 및 조합들에 의해 인식되고 얻어질 수도 있다.
본 명세서에 합체되고 일부로 구성되는 첨부 도면들은 본 발명의 실시예들을 나타내고 있고, 상기한 일반적인 설명과 함께 하기되는 실시예들의 상세한 설명은 본 발명의 원리들을 설명하는 것으로 제공된다.
본 발명에 따르면, 최적화된 환원성 가스 유량 등의 프로세스 조건을 구하기 위한 조정 작업을 간단하고 또한 신속하게 행할 수 있는 피처리 기판의 산화 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 발명자들은 본 발명의 개발의 과정에서 반도체 처리에 있어서 산화에 의해 산화막을 형성하는 방법에 관한 종래 기술의 문제점에 대해 연구하였다. 그 결과, 본 발명자들은 이하에 서술하는 바와 같은 지견을 얻었다.
도9는 종래의 종형 열처리 장치(산화 장치)를 도시하는 개략 구성도이다. 이 산화 장치는 석영통으로 이루어지는 천장이 있는 원통체형의 처리 용기(2)를 갖는다. 이 속에 석영제의 웨이퍼 보트(4)가 배치되고, 웨이퍼 보트(4)에는 소정의 간격으로 복수매, 예를 들어 25 내지 150매 정도의 반도체 웨이퍼(W)가 다단으로 지지된다. 웨이퍼 보트(4)는 보온통(6) 상에 지지되고, 보트 엘리베이터(도시하지 않음)에 의해 처리 용기(2)의 하방측으로부터 승강되어 처리 용기(2) 내에 삽입 분리 가능하게 수용된다. 또한, 처리 용기(2)의 하단부 개구부는 보트 엘리베이터에 의해 승강되는 덮개부(8)에 의해 기밀하게 폐쇄된다.
처리 용기(2)의 하부에는 산소 가스를 도입하는 1개의 가스 노즐(10)과 수소 가스를 도입하는 복수개의 가스 노즐(12A 내지 12E)이 각각 배치된다. 처리 용기(2)의 하부에는 처리 용기(2) 내의 분위기를 배기하는 배기구(14)가 배치되고, 각 용기의 분위기를 진공 펌프(16)에 의해 진공화한다. 산소용 가스 노즐(10)은 L자형이고, 그 선단부가 용기 내의 상부까지 연장된다. 선단부에 형성한 가스 분사 구멍(10A)으로부터 산소를 매스플로우 컨트롤러(10B)에 의해 유량 제어하면서 도입함으로써 처리 용기(2) 내의 가스 흐름의 상류측에 산소를 공급한다.
수소용 각 가스 노즐(12A 내지 12E)은 L자형이고, 처리 용기(2) 내의 높이 방향의 다른 존에 위치되도록 그 길이가 각각 다르다. 각 노즐의 선단부에 가스 분사 구멍(13A 내지 13E)이 각각 형성된다.
수소용 각 가스 노즐(12A 내지 12E)은 개별로 설치한 매스플로우 컨트롤러(15A 내지 15E)에 의해 각각 가스 유량을 제어하면서 수소를 도입할 수 있다. 즉, 처리 용기(2) 내의 처리 영역을 5개의 존(17A 내지 17E)으로 구획하여 각각의 존(17A 내지 17E)에 최적화된 가스 유량의 H2 가스를 각각 도입할 수 있다. 또한, 처리 용기(2)의 주위에는 통체형의 히터(18)가 배치되고, 웨이퍼(W)를 소정의 온도로 가열한다.
처리 용기(2) 내로 도입된 H2 가스와 O2 가스를 1 Torr 정도의 낮은 압력 하에서 연소 반응시킨다. 이에 의해, 산소 활성종과 수산기 활성종을 발생시켜 웨이퍼 표면을 산화시킨다. 복수의 존에 걸쳐서 수소용 가스 노즐(12A 내지 12E)을 배치함으로써, 웨이퍼 표면에서 소비되어 가스 흐름의 하류측에서 부족 기미가 보이는 H2 가스를 그때마다 추가 도입할 수 있다.
H2 가스와 O2 가스를 저압 하에서 반응시켜 웨이퍼 표면을 산화하는 산화 방법에 있어서는, 반응에 의해 발생한 다양한 활성종(라디칼)은 매우 반응성이 높다. 이로 인해, 웨이퍼 표면에 노출되는 결정면의 방위에 관계없이 산화가 행해져 결정의 면방위 의존성이 없다. 따라서, 웨이퍼 표면의 요철 패턴에 관계없이 그 요철 패턴의 표면을 따라서 균일한 막 두께의 산화막을 형성할 수 있다. 또한, 활성종의 반응성이 높기 때문에, 산화되기 어려운 막, 즉 내산화성의 막, 예를 들어 실리콘 질화막 등도 산화될 수 있다.
그러나, 상술한 이점에 대해 산화 처리해야 할 웨이퍼 표면의 패턴 면적이나 막 종류 등에 따라서 활성종의 소비량은 크게 변동되므로, 그 변동량에 따라서 가스 유량 등의 프로세스 조건을 최적화해야만 한다. 이로 인해, 패턴 면적이나 막 종류 등에 따라서 최적화된 가스 유량 등의 프로세스 조건 등을 미리 구해야만 한다. 그러나, 이 최적화된 가스 유량 등의 프로세스 조건을 구하기 위한 조정 작업 이 매우 번거롭다.
도10은 도9의 산화 장치를 이용했을 때의 처리 용기 내에 있어서의 웨이퍼 위치와 실리콘 산화막의 최적화된 막 두께와의 관계를 원리적으로 설명하기 위한 그래프이다. 도10에 있어서, 횡축의 웨이퍼 위치는 가스 흐름의 상류측으로부터 하류측을 향해 번호가 붙고, 여기서는 처리 용기(2)의 상부측이 웨이퍼 위치는 작은 값이 된다. 도면 중 특성선(L0)이 목표로 하는 막 두께이고, 여기서는 막 두께의 목표치를 13 ㎚로 설정한다. 상하 방향의 전체 웨이퍼에 형성되는 산화막의 두께가 13 ㎚가 되도록 각 노즐에 있어서의 H2 가스 유량을 각각 조정한다. 또한, O2 가스의 유량은 고정이다.
상기와 같이 실리콘 산화막의 막 두께의 면간 균일성을 향상시키기 위해서는, 다음과 같은 방법을 채용할 수 있다. 즉, 제품 웨이퍼로 판단한, 표면에 SiO2막이 형성된 복수의 더미 웨이퍼 사이에 막 두께 측정용 베어 웨이퍼(SiO2가 표면에 형성되어 있지 않아 실리콘이 노출됨)로 이루어지는 모니터 웨이퍼를 삽입한다. 이 모니터 웨이퍼의 표면에 산화에 의해 형성된 SiO2막의 두께를 측정하고, 이 측정치를 도10에 도시한 바와 같이 플롯하여 특성선(L3 및 L5)을 구한다. 그리고, 이 처리에 의해 얻게 되는 H2 가스 유량을 최적치로서 미리 정한다. 또한, 특성선(L3 및 L5)을 도10에 도시한 바와 같은 형상으로 하는 것은 다음과 같은 이유에 의한다.
즉, 실제로 특성선(L0)을 목표로 하여 SiO2막을 형성한 경우, 처리 가스의 소비에 의해 하류측일수록 막 두께가 작아지는 경향이 있다. 이로 인해, 예를 들어 각 가스 노즐(12A 내지 12E)로부터의 H2 가스 유량을 일정하게 하여 SiO2막을 형성하는 경우에 얻게 된다고 예상되는 특성선은, 도10에서는 웨이퍼(W) 위치의 번호가 커질수록 막 두께가 작아지도록 하측으로 만곡된 곡선이 된다. 또한, 이 하류측[웨이퍼(W) 위치의 번호가 커질수록]에 있어서의 막 두께의 감소는 웨이퍼의 표면적이 클수록 현저해진다. 이로 인해, 보다 큰 표면적을 갖는(표면의 요철에 의해) 제품 웨이퍼에 대해 최적화된 가스 유량을 구하기 위한 특성선(L3 및 L5)은 가스의 소비량을 보상하기 위해, 특성선(L0)에 대해 예상되는 특성선과 대략 선대칭이 되도록 상측으로 만곡된 곡선으로 한다.
특성선(L3)은 표면이 평면 상태인 웨이퍼의 표면적에 대해, 표면에 요철이 형성되어 3배의 표면적을 갖는 웨이퍼에 대해 산화 처리를 행하기 위한 특성선을 나타낸다. 특성선(L5)은 표면에 요철이 형성되어 5배의 표면적을 갖는 웨이퍼에 대해 산화 처리를 행하기 위한 특성선을 나타낸다. 즉, 예를 들어 제품 웨이퍼 표면에 요철이 형성되어, 표면적이 평면 상태의 웨이퍼 표면적의 3배 정도가 되는 제품 웨이퍼에 대해 산화 처리를 행하는 경우에는, 가스 노즐(12A 내지 12E)로부터는 특성선(L3)을 형성했을 때의 유량으로 각 H2 가스를 도입한다.
상기한 특성선(L3, L5)을 제작하는 경우에는, 상술한 바와 같이 O2 가스 공 급량을 임의의 값으로 고정하고, H2 가스용 각 가스 노즐(12A 내지 12E)로부터의 공급량을 각각 개별로 조정한다. 그리고, 실제로 대응하는 배수의 표면적의 제품 웨이퍼에 대해 산화 처리를 행한 경우에 특성선(L0)으로 나타낸 바와 같은 목표 막 두께가 되도록 트라이 앤드 에러의 조작을 반복해서 행하면서 각 가스 유량을 조정한다. 이와 같은 트라이 앤드 에러의 조작은 웨이퍼 표면적의 정수배의 표면적에 관하여 미리 수종류 행한다. 여기서, 각 특성선(L3, L5)에서는, 전체의 막 두께 차는 상하로 시프트하지만, 상류측으로부터 중류 영역의 도중까지는 점점 증가하고, 그 후에는 대략 일정 상태가 된다.
도10에서는 2종류의 면적에 대응하는 특성선(L3, L5)만을 도시하지만, 실제로는, 이와 같은 특성선은, 또한 미세한 배수의 면적마다 그 조정용으로서 H2 가스 유량을 미리 구하기 위해 형성하는 것이 필요해진다. 이로 인해, 최적화된 가스 유량의 프로세스 조건을 구하는 조정 작업이 매우 번거롭다.
이하에, 이와 같은 지견을 기초로 하여 구성된 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 대략 동일한 기능 및 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는 동일 부호를 붙여 중복 설명은 필요한 경우에만 행한다.
도1은 본 발명의 실시 형태에 관한 종형 열처리 장치(산화 장치)를 도시하는 단면도이다. 이 산화 장치(22)는 O2 가스 등의 산화성 가스와, H2 등의 환원성 가스와, N2 가스 등의 불활성 가스를 선택적으로 공급 가능한 처리 영역을 구비한다. 산화 장치(22)는 이와 같은 처리 영역 내에서 반도체 웨이퍼 등의 피처리 기판의 표면을 산화하도록 구성된다.
산화 장치(22)는 천장이 있는 원통체형의 석영제의 종형으로 이루어진 처리 용기(24)를 갖는다. 처리 용기(24)는 소정의 길이를 갖고, 간격을 두고 적층된 복수의 반도체 웨이퍼(피처리 기판)를 수납하여 처리하는 처리 영역(25)을 내부에 규정한다. 처리 영역(25) 내에는 피처리 기판을 유지하기 위한 지지 수단으로서의 석영제의 웨이퍼 보트(26)가 수용되고, 웨이퍼 보트(26)에는 피처리 기판으로서의 반도체 웨이퍼(W)가 소정의 간격으로 다단으로 유지된다. 또한, 이 간격은 일정한 경우도 있고, 웨이퍼 위치에 따라서 다른 경우도 이다.
처리 용기(24)의 하단부는 개방되고, 이 개구에는 O링 등의 시일 부재(28)를 통해 이 개구를 기밀하게 개폐하기 위한 덮개부(30)가 배치된다. 덮개부(30)에는 자성 유체 시일(32)을 통해 관통하는 회전축(34)이 배치된다. 회전축(34)의 상단부에 회전 테이블(36)이 배치되고, 테이블(36) 상에 보온통(38)을 설치하고, 보온통(38) 상에 웨이퍼 보트(26)를 적재한다. 회전축(34)은 승강 가능한 보트 엘리베이터(40)의 아암(40A)에 설치되고, 덮개부(30)나 웨이퍼 보트(26) 등과 일체적으로 승강 가능하다.
웨이퍼 보트(26)는 처리 용기(24) 내로 그 하방으로부터 삽입 분리 가능하게 이루어진다. 또한, 웨이퍼 보트(26)를 회전하지 않고, 이를 고정 상태로 해도 좋다. 처리 용기(24)의 하단부에, 예를 들어 스테인리스제의 원통체형의 매니폴드를 배치하는 경우도 있다. 처리 용기(24)의 하부 측벽에는 유량 제어된 산화성 가스 와 환원 가스를 처리 영역(25) 내로 도입하기 위한 산화성 가스 공급계(42)와 환원성 가스 공급계(44)가 각각 개별로 배치된다. 또한, 처리 용기(24)의 하부 측벽에는 처리 영역(25)의 분위기를 배기하기 위한 대구경의 배기구(46)가 배치된다.
구체적으로는, 산화성 가스 공급계(42)는 용기 측벽을 관통하여 배치되는 산화성 가스 노즐(48)을 갖는다. 노즐(48)에는 도중에, 예를 들어 매스플로우 컨트롤러와 같은 유량 제어기(50A)를 개재 설치한 가스 공급로(50)가 접속되어, 산화성 가스, 예를 들어 산소를 유량 제어하면서 공급할 수 있다.
산화성 가스 노즐(48)은 처리 용기(24)의 하부(일단부)로부터 상부(타단부)까지 연장되는 제1 노즐 부분과, 상부로부터 하부로 연장되는 제2 노즐 부분을 구비하고, 상기 제1 및 제2 노즐 부분은 되접힘부로 연결된다. 즉, 산화성 가스 노즐(48)은 처리 용기(24)의 높이 방향을 따라서 U자형으로 형성된다. 산화성 가스 노즐(48)에는 그 전체에 걸쳐서 소정의 간격으로, 예를 들어 직경이 0.1 내지 0.4 ㎜ 정도인 복수의 가스 분사 구멍(48A, 48B)이 형성되고(가스 분사 구멍(48A, 48B)의 개구 면적은 동일하게 할 수 있음), 각 가스 분사 구멍(48A, 48B)으로부터 O2 가스를 분사한다. 각 가스 분사 구멍(48A, 48B)의 간격은, 예를 들어 8 내지 200 ㎜ 정도이다(이 간격은 등간격으로 할 수 있음).
산화성 가스 노즐(48)의 제2 노즐 부분(되접힘 후)에 형성된 각 가스 분사 구멍(48B)은 제1 노즐 부분(되접힘 전)에 형성된 가스 분사 구멍(48A) 내의 인접하는 2개의 가스 분사 구멍(48A) 사이의 중앙부에 위치하도록 배치된다. 이에 의해, 처리 용기(24) 내의 높이 방향을 따라서 O2 가스를 가능한 한 분산시켜 공급할 수 있다. 또한, 최상류측의 가스 분사 구멍(48A)과 최하류측의 가스 분사 구멍(48B)이 위치적으로 대응하도록 조합함으로써 처리 용기(24) 내의 각 웨이퍼(W)에 대해 대략 균등한 가스 유량으로 O2 가스를 분사할 수 있다. 왜냐하면, 산화성 가스 노즐(48)의 상류측에 위치하는 가스 분사 구멍일수록 O2 가스의 가스압이 높기 때문에 보다 많은 가스를 분사하기 때문이다.
환원성 가스 공급계(44)는 용기 측벽을 관통하여 배치되는 복수, 예를 들어 5개의 환원성 가스 노즐(52, 54, 56, 58, 60)을 갖는다. 각 노즐(52 내지 60)에는 도중에, 예를 들어 매스플로우 컨트롤러와 같은 유량 제어기(62A, 64A, 66A, 68A, 70A)를 각각 개재 설치한 가스 공급로(62, 64, 66, 68, 70)가 각각 접속되고, 환원성 가스, 예를 들어 수소를 각각 개별적으로 유량 제어하면서 공급할 수 있다.
처리 용기(24) 내의 처리 영역(25)은 높이 방향을 따라서 복수, 즉 환원성 가스 노즐(52 내지 60)의 개수에 대응한 수, 예를 들어 5개의 존(72A, 72B, 72C, 72D, 72E)으로 구획된다. 환언하면, 처리 영역(25)은 가스 흐름의 상류측으로부터 하류측을 향해 5개의 존(72A 내지 72E)으로 구획된다. 그리고, 5개의 환원성 가스 노즐(52 내지 60)은 5개의 존(72A 내지 72E)에 대응하도록 그 길이를 다르게 하여 배치된다.
각 환원성 가스 노즐(52 내지 60)은 그 선단부측에 가스 분사 구멍(52A, 54A, 56A, 58A, 60A)이 각각 형성되고, 각 대응하는 존(72A 내지 72E)에 대해 H2 가 스를 분사할 수 있다. 각 환원성 가스 노즐(52 내지 60)에는 각각 소정의 간격으로 형성된 3개의 가스 분사 구멍(52A 내지 60A)이 배치된다. 또한, 가스 분사 구멍의 수는 3개로 한정되지 않는다. 각 가스 분사 구멍(521A 내지 60A)의 직경은 0.1 내지 0.4 ㎜이고(가스 분사 구멍(52A 내지 60A)의 개구 면적은 동일하게 할 수 있음), 또한 그 간격은, 예를 들어 8 내지 200 ㎜ 정도이다(이 간격은 등간격으로 할 수 있음).
한편, 처리 용기(24)의 하부 측벽에 형성한 배기구(46)에는 처리 용기(24) 내를 진공화하기 위해, 배기로(80)에 압력 제어 밸브(82)와 진공 펌프(84)를 개재 설치하여 이루어지는 진공 배기계(86)가 접속된다. 처리 용기(24)의 외주에는 원통형의 단열층(88)이 배치되고, 이 내측에는 히터(90)가 배치되어 내측에 위치하는 웨이퍼(W)를 소정의 온도로 가열한다.
처리 용기(24)의 전체의 크기에 관하여, 예를 들어 웨이퍼(W)의 사이즈를 8인치, 웨이퍼 매수를 100매(제품 웨이퍼) 정도로 하면, 처리 용기(24)의 높이는 대략 1300 ㎜ 정도이다. 또한, 웨이퍼(W)의 사이즈가 12인치인 경우에는 웨이퍼 매수가 25 내지 50매 정도, 처리 용기(24)의 높이는 대략 1500 ㎜ 정도이다.
산화 장치(22)는 각 유량 제어기(50A, 62A 내지 70A), 압력 제어 밸브(82), 히터(90) 등을 제어하여 양 가스의 반응에 의해 산소 활성종과 수산기 활성조를 발생하는, 예를 들어 마이크로 프로세서 등으로 이루어지는 제어부(92)를 갖는다. 제어부(92)는 산화 장치(22)의 전체의 동작도 제어하는 것이고, 산화 장치(22)의 동작은 제어부(92)로부터의 지령에 의해 행해진다. 또한, 제어부(92)는 그 제어 동작을 행하기 위한 프로그램이 미리 기억되는 플로피디스크나 플래시 메모리나 하드디스크 등의 기억 매체(94)를 갖는다. 또한, 필요에 따라서 N2 가스 등의 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급 수단(도시하지 않음)도 배치된다.
다음에, 이상과 같이 구성된 산화 장치(22)를 이용하여 행해지는 산화 방법에 대해 설명한다.
산화 장치(22)가, 반도체 웨이퍼(W)가 로드되어 있지 않은 대기 상태일 때에는, 처리 용기(24)는 프로세스 온도보다 낮은 온도로 유지된다. 처리 시에는, 우선 다수매, 예를 들어 100매의 웨이퍼(W)를 유지한 상온의 웨이퍼 보트(26)를, 소정의 온도로 설정된 처리 영역(25)[처리 용기(24)는 핫월 상태] 내에 하방으로부터 로드한다. 또한, 덮개부(30)로 처리 용기(24)의 하단부 개구부를 폐쇄함으로써 처리 용기(24) 내를 밀폐한다.
그리고, 처리 영역(25)을 진공화하여 소정의 프로세스 압력으로 유지한다. 이것과 함께, 히터(90)로의 공급 전력을 증대시킴으로써 처리 영역(25)의 온도를 상승시켜 산화 처리용 프로세스 온도까지 승온하여 안정시킨다. 그 후, 산화 처리를 행하는 데에 필요해지는 소정의 처리 가스, 즉 여기서는 O2 가스와 H2 가스를 유량 제어하면서 각 가스 공급계(42, 44)의 산화성 가스 노즐(48) 및 환원성 가스 노즐(52 내지 6O)로부터 각각 처리 영역(25)으로 공급한다.
O2 가스는 U자형으로 성형된 산화성 가스 노즐(48)의 각 가스 분사 구멍(48A, 48B)으로부터 수평 방향을 향해 분사된다. H2 가스는 각 환원성 가스 노 즐(52 내지 60)의 각 가스 분사 구멍(52A 내지 60A)으로부터 수평 방향을 향해 존(72A 내지 72E)마다 유량 제어된 상태에서 공급된다.
양 가스는 처리 영역(25) 내를 상방으로부터 하방을 향해 강하하면서 진공 분위기 하에서 반응하여 수산기 활성종과 산소 활성종이 발생한다. 이와 같이 하여 형성된 분위기가 회전하는 웨이퍼 보트(26)에 수용되는 웨이퍼(W)와 접촉하여 웨이퍼 표면에 대해 산화 처리가 실시된다. 이에 의해, 예를 들어 실리콘의 표면이 산화되어 SiO2의 산화막이 형성된다. 처리 영역(25)의 가스(처리 가스나 반응에 의해 생성된 가스)는 처리 용기(24)의 하부 측벽의 배기구(46)로부터 진공 배기계(86)에 의해 시스템 밖으로 배기된다. 이때의 가스 유량은 처리 용기(24)의 크기에도 의하지만, 예를 들어 8인치 웨이퍼를 100매 정도 수용할 수 있는 크기의 경우에는 O2 가스, 예를 들어 10 내지 30000 sccm의 범위 내, H2 가스는 1 내지 5000 sccm의 범위 내이다.
처리 용기(24) 내로 별도로 도입된 O2 가스와 H2 가스는 핫월 상태가 된 처리 용기(24)의 처리 영역(25) 내를 하강하면서, 웨이퍼(W)의 직근에서 수소의 연소 반응을 통해 산소 활성종(O*)과 수산기 활성종(OH*)을 주체로 하는 분위기를 형성한다. 이들 활성종에 의해 웨이퍼(W)의 실리콘의 표면이 산화되어 SiO2막이 형성된다.
이때의 프로세스 조건은 웨이퍼 온도가 450 내지 1100 ℃의 범위 내에서, 예를 들어 900 ℃, 압력은 456 ㎩(3.5 Torr) 이하, 바람직하게는 1 Torr 이하이고, 예를 들어 46.6 ㎩(0.35 Torr)이다. 처리 시간은 형성해야 할 막 두께에도 의하지만, 예를 들어 10 내지 30분 정도이다. 프로세스 온도가 450 ℃보다도 낮으면, 상기한 활성종(라디칼)이 충분히 발생하지 않는다. 프로세스 온도가 1100 ℃보다도 높으면, 처리 용기(24)나 웨이퍼 보트(26) 등의 내열 온도를 초과하여 안전한 처리를 할 수 없게 된다. 프로세스 압력이 3.5 Torr보다도 크면, 상기한 활성종이 충분히 발생하지 않게 된다.
전술한 바와 같이, 실제의 제품 웨이퍼에서는 표면에 요철이 형성되므로, 표면이 평면 상태인 웨이퍼의 표면적의 몇 배의 표면적이 되는 경우가 있다. 이 표면적의 배수의 크기에 따라서 활성종의 소비량은 크게 다르기 때문에, 산화 처리를 제품 웨이퍼에 대해 실시하는데 앞서, 웨이퍼의 표면적의 변동량에 따라서 공급하는 가스 유량 등의 프로세스 조건을 최적화해야만 한다. 종래의 산화 장치에서는, 도10에서 설명한 바와 같이 3배 면적의 특성선(L3)이나 5배 면적의 특성선(L5)으로 나타낸 바와 같이 막 두께의 특성선이 곡선형으로 변화된다. 이로 인해, 가스 유량을 구하기 위한 조정 작업을 트라이 앤드 에러의 방식으로 행할 필요가 있어, 매우 번거롭다.
이에 대해, 본 실시 형태에서는 산화성 가스 노즐(48)을 처리 용기(24) 내의 길이 방향, 즉 처리 영역(25)을 따라서 배치하는 동시에, 노즐(45)에 예정의 간격으로 형성한 가스 분사 구멍(48A, 48B)으로부터 산화성 가스인 O2 가스를 공급한다. 이에 의해, 처리 영역(25)에 대해, 즉 각 웨이퍼(W)에 대해 그 수평 방향으로부터 대략 균등하게 O2 가스가 공급된다. 또한, 길이 혹은 높이가 다른 복수, 여기서는 5개의 환원성 가스 노즐(52 내지 60)의 각 가스 분사 구멍(52A 내지 60A)으로부터 처리 영역(25)의 각각 대응하는 존으로 그 수평 방향으로부터 H2 가스를 공급한다.
즉, 처리 용기(24) 내로 공급된 O2 가스와 H2 가스가 상방으로부터 하류측의 하방을 향해 흐를 때에, 웨이퍼 표면에서 소비되어 부족 기미가 보이는 O2 가스와 H2 가스를 각각 순차적으로 추가하여 도입한다. 이와 같은 O2 가스와 H2 가스의 공급 형태를 채용함으로써 웨이퍼에 형성되는 막 두께의 면간 균일성을 높게 하는 각 환원성 가스 노즐(52 내지 60)로부터의 가스 공급을 최적화하기 위한 조정 작업을 간단하고 또한 신속화할 수 있다. 이는, 제품으로 판단한, 표면에 SiO2막이 형성된 복수의 더미 웨이퍼 사이에 삽입한 막 두께 측정용 모니터 웨이퍼에 형성되는 SiO2 막의 막 두께를 참조하여 행할 수 있다. 이 경우, 모니터 웨이퍼 사이에서, 즉 처리 용기(24) 내의 높이 방향에서 SiO2막의 막 두께를 대략 일정해지도록 각 환원성 가스 노즐(52 내지 60)의 가스 유량을 조정함으로써, 각 최적화된 가스 유량을 구할 수 있다.
도2는 도1의 산화 장치를 이용했을 때의 처리 용기 내에 있어서의 웨이퍼 위치와 실리콘 산화막의 최적화된 막 두께와의 관계를 원리적으로 설명하기 위한 그래프이다. 웨이퍼 위치는 가스의 흐름 방향을 따른 순서로 되어 있고, 웨이퍼 위치가 작은 값이 가스 흐름의 상류측에 위치되고, 큰 값이 가스 흐름의 하류측에 위 치된다. 도면 중 특성선(Mo)이 목표로 하는 막 두께이고, 여기서는 막 두께의 목표치를 13 ㎚로 설정한다. 상하 방향의 전체 웨이퍼에 형성되는 산화막의 두께가 13 ㎚가 되도록 각 노즐에 있어서의 H2 가스 유량을 각각 조정한다. 또한, O2 가스의 유량은 고정이다.
상기와 같이 실리콘 산화막의 막 두께의 면간 균일성을 향상시키기 위해서는, 다음과 같은 방법을 채용할 수 있다. 즉, 상술한 바와 같이 제품 웨이퍼로 판단한, 표면에 SiO2막이 형성된 복수의 더미 웨이퍼 사이에 막 두께 측정용 베어 웨이퍼(SiO2가 표면에 형성되어 있지 않아 실리콘이 노출됨)로 이루어지는 모니터 웨이퍼를 삽입한다. 이 모니터 웨이퍼의 표면에 산화에 의해 형성된 Si02막의 막 두께를 측정하고, 이 측정치를 도2에 도시한 바와 같이 플롯하여 특성선(M3 및 M5)을 구한다. 그리고, 이 처리에 의해 얻게 되는 가스 유량을 최적치로 하여 미리 정한다.
특성선(M3)은 표면이 평면 상태인 웨이퍼의 표면적에 대해, 표면에 요철이 형성되어 3배의 표면적을 갖는 웨이퍼에 대해 산화 처리를 행하기 위한 특성선을 나타내고, 특성선(M5)은 표면에 요철이 형성되어 5배의 표면적을 갖는 웨이퍼에 대해 산화 처리를 행하기 위한 특성선을 나타낸다.
상기한, 예를 들어 특성선(M5)을 제작하는 경우에는, 상술한 바와 같이 O2 가스 공급량을 임의의 값으로 고정하고, H2 가스용 각 환원성 가스 노즐(52 내지 60)로부터의 공급량을 각각 개별로 조정한다. 그리고, 실제로 대응하는 5배의 표면적의 제품 웨이퍼에 대해 산화 처리를 행한 경우에 특성선(M0)으로 나타낸 바와 같은 목표 막 두께가 되도록 각 가스 유량을 조정한다.
여기서, 중요한 점은, 본 실시 형태의 경우에는 도10 중에 나타내는 특성선(L3, L5)과는 달리, 특성선(M5)은 막 두께가 면간 방향으로 일정해지고, 도면상 수평 방향으로 직선형으로 연장된다. 환원하면, 면간 방향에 있어서의 전체의 모니터 웨이퍼의 막 두께가 일정해지도록 각 환원성 가스 노즐(52 내지 60)의 H2 가스 공급량을 각각 설정하면, 실제의 제품 웨이퍼에 대해 산화 처리를 행한 경우에도 웨이퍼의 면간 방향에 있어서의 SiO2막의 막 두께의 면간 균일성을 높게 유지할 수 있는 것을 의미한다.
종래 장치에서는 도10 중 특성선(L3, L5)을 구할 때에 각각 트라이 앤드 에러의 조작을 행해야만 했었다. 즉, 웨이퍼의 표면적에 대응시켜 복수의 막 두께 커브가 필요해지고, 이 막 두께 커브를 구하는 것이 매우 번잡했다. 이에 대해, 본 실시 형태의 경우에는 특성선(M5), 혹은 특성선(M3)은 수평 방향에 대해 직선형으로 연장되므로, 1개의 특성선, 예를 들어 특성선(M5)을 구하고, 다른 표면적의 배수가 다른 특성선, 예를 들어 특성선(M3)은 상하 방향으로 평행 시프트하는 것만으로, 즉 산화 처리의 프로세스 시간을 조정하는 것만으로 간단하게 구할 수 있다. 환언하면, 표면적이 다른 배수의 제품 웨이퍼를 처리하는 경우에는, 상기 표면적 5배의 특성선(M5)을 이용하여 산화 처리의 프로세스 시간을 짧게, 혹은 길게 하는 것만으로 처리를 행할 수 있다. 따라서, 최적화된 H2 가스 유량 등의 프로세스 조건을 구하는 조정 작업을 간단하고 또한 신속하게 행할 수 있다.
이와 같이, O2 등의 산화성 가스를 공급하는 산화성 가스 노즐(48)에 처리 영역(25)에 걸쳐서 소정의 간격으로 복수의 가스 분사 구멍(48A)을 형성한다. 또한, 처리 영역(25)을 높이 방향으로 구획한 존마다 H2 등의 환원성 가스를 공급하는 길이가 다른 복수의 환원성 가스 노즐(52 내지 60)을 배치한다. 이에 의해, 표면적이 다른 웨이퍼(W)에 대해 면간 균일성이 높은(직선적인) 막 두께 특성을 얻을 수 있고, 아울러 최적화된 환원성 가스 유량 등의 프로세스 조건을 구하기 위한 조정 작업을 간단하고 또한 신속하게 행할 수 있다.
상술한 프로세스 조건의 결정을 일반화하여 서술하면, 본 실시 형태에 관한 방법에 있어서는, 우선 기준 표면적을 갖는 복수의 기준 기판에 대해, 소정 레벨의 면간 균일성을 만족시켜면서(바람직하게는, 도2와 같이 직선적인 특성), 산화 처리의 기준 조건을 얻는다. 여기서, 기준 표면적에 대해, 처리 대상이 되는 복수의 피처리 기판은 임의의 비율의 표면적을 갖는다. 다음에, 복수의 피처리 기판에 대한 산화 처리의 실조건을, 상기 임의의 비율의 함수로 하여 실질적으로 기준 조건의 처리 시간만을 변경함으로써 결정한다. 바람직하게는, 면간 균일성은 산화 처리에 의해 형성되는 막의 막 두께의 면간 균일성을 참조하여 결정된다. 또한, 기준 조건은 산화성 가스 및 환원성 가스의 유량을 포함한다.
<실험 1>
상기 실시 형태에 관한 도1의 산화 장치를 이용하여 실리콘 산화막의 막 두께를 최적화하고, 그때의 H2 가스 유량을 이용하여 실제의 제품 웨이퍼에 대해 산화 처리를 행하였다. 도3은 도1의 산화 장치 및 종래의 장치를 이용하여 실리콘 산화 막의 막 두께를 최적화했을 때의 막 두께와 제품 웨이퍼에 실제로 형성된 실리콘 산화막의 막 두께 및 막 두께의 면내 균일성을 나타내는 그래프이다. 여기서, 종래 장치를 이용했을 때의 실리콘 산화막의 측정치는 비교를 위해 병기하고 있다. 또한, 그래프의 상방에는 상기 실시 형태에서 이용한 가스 노즐의 개략도가 더불어 기재된다.
도3에 있어서, 특성선(L5)은 종래 장치를 이용한 표면적 5배의 최적화된 특성선을 나타낸다. 특성선(L)은 종래 장치를 이용하여 표면적 5배의 제품 웨이퍼에 대해 실제로 산화 처리를 실시했을 때의 막 두께를 나타낸다. 특성선(L5)을 얻었을 때의 프로세스 조건은 이하와 같다. 즉, 프로세스 압력은 0.35 Torr, 프로세스 온도는 900 ℃, O2 가스의 유량은 5.0 slm으로 하였다. H2 가스의 유량은 도9에 도시하는 노즐(12A 내지 12E)에 있어서, 노즐(12A)은 0.40 slm, 노즐(12B)은 0.65 slm, 노즐(12C)은 0.45 slm, 노즐(12D)은 0.40 slm, 노즐(12E)은 0.35 slm으로 하였다. 또한, 프로세스 시간은 45분으로 하였다.
특성선(M5)은 도1의 장치를 이용한 표면적 5배의 최적화된 특성선을 나타낸다. 특성선(M)은 도1의 장치를 이용하여 표면적 5배의 제품 웨이퍼에 대해 실제로 산화 처리를 실시했을 때의 막 두께를 나타낸다. 이때의 제품 웨이퍼에 대한 목표 막 두께는 13 ㎚이다. 특성선(M5)을 얻었을 때의 프로세스 조건은 이하와 같다. 즉, 프로세스 압력은 0.35 Torr, 프로세스 온도는 900 ℃, O2 가스의 유량은 5.0 slm으로 하였다. H2 가스의 유량은, 노즐(52)로부터는 0.2 slm, 노즐(54)로부터는 0.4 slm, 노즐(56)로부터는 0.42 slm, 노즐(58)은 0.45 slm, 노즐(60)로부터는 0.45 slm으로 하였다. 또한, 프로세스 시간은 45분으로 하였다.
특성선(La)은 종래 장치를 이용했을 때의 표면적 5배의 제품 웨이퍼에 있어서의 막 두께의 면내 균일성을 나타낸다. 특성선(Ma)은 도1의 장치를 이용했을 때의 표면적 5배의 제품 웨이퍼에 있어서의 막 두께의 면내 균일성을 나타낸다.
특성선(L5)에 나타낸 바와 같이, 종래 장치의 표면적 5배의 특성선은 막 두께가 하류측을 향해서 점차 두꺼워지고, 도중에 대략 일정해지는 커브를 도시하였다. 특성선(M5)에 나타낸 바와 같이 도1의 장치의 표면적 5배의 특성선은 막 두께가 대략 16.5 ㎚ 정도로 일정해지는 직선을 나타냈다.
특성선(L5)이나 특성선(M5)을 구했을 때의 최적화된 각 가스 유량 등의 프로세스 조건을 기초로 하여 제품 웨이퍼에 대해 산화 처리를 각각 행한 결과, 특성선(L, M)으로 나타낸 바와 같이 막 두께는 모두 면간 방향에 있어서 대략 13 ㎚로 일정하게 되었다.
막 두께의 면내 균일성에 관하여, 특성선(La)으로 나타낸 바와 같이 종래 장치의 경우에는 TOP(상류측)와 BTM(하류측)에서 각각 ±1 ％까지 상승하여 막 두께의 면내 균일성이 열화되었다. 이에 대해, 특성선(Ma)으로 나타낸 바와 같이 도1 의 장치의 경우에는, 모든 웨이퍼 위치에 있어서 막 두께의 면내 균일성은 ±0.5 ％ 이하이고, 막 두께의 면내 균일성이 종래 장치의 경우보다도 우수했다.
이 이유는 다음과 같은 현상에 의한 것이라 사료된다. 즉, 웨이퍼의 산화 처리의 일반적인 경향으로서, 가스가 웨이퍼 주변으로부터 웨이퍼 중심으로 들어갈 때에 활성종이 소비되면서 중심으로 흐른다. 이로 인해, 도4a에 도시하는 웨이퍼 단면과 같이 활성종이 많은 웨이퍼 주변에서 SiO2막(96)의 막 두께가 두껍고, 활성종이 적은 중심측에서 막 두께가 얇아지는 경향이 있다. 이에 대해, 도1의 장치에서는 처리 용기(24)의 길이 방향을 따라서 배치한 각 노즐(48, 52 내지 60)에 각각 복수의 가스 분사 구멍(48A, 52A 내지 60A)을 형성하고, 처리 영역(25)의 대략 전체 영역에 O2 가스나 H2 가스를 각각 분산시켜 공급한다. 이로 인해, 도4B에 도시한 바와 같이, 웨이퍼 중심부에 있어서의 가스(활성종)가 부족하지 않아, 웨이퍼 주변부와 마찬가지로 산화가 행해진다. 그 결과, 도4B에 도시한 바와 같이, 웨이퍼 중심부가 약간 융기된 상태에서 SiO2막(96)의 성막이 행해진다.
<노즐의 변형예>
도5의 (A), (B)는 노즐의 변형예를 나타내는 도면이다. 상기 실시 형태에 있어서는, 산화성 가스 노즐(48)은 U자형으로 굴곡시켜 처리 용기(24)의 높이 방향으로 1주 왕복시킨 노즐로 이루어진다. 이것 대신에, 도5의 (A)에 도시한 바와 같이, 산화성 가스 노즐(48)로서, 소정의 간격으로 복수의 가스 분사 구멍(48A)이 형성된 1개의 직선형으로 연장되는 노즐을 이용할 수 있다. 이때의 각 가스 분사 구 멍(48A)의 간격은 도1에 도시하는 경우보다도 작고, 예를 들어 1/2 정도로 설정하는 것이 바람직하다. 이 경우에는, 처리 용기(24)의 높이 방향에 있어서의 O2 가스의 공급량의 균일성은 도1의 경우보다도 약간 뒤떨어지는 점을 제외하고, 도1에 도시하는 장치와 동일한 작용 효과를 발휘할 수 있다.
상기 실시 형태에 있어서는, 환원성 가스 노즐(52 내지 60)의 상부에 각각 복수, 예를 들어 3개의 가스 분사 구멍(53A 내지 60A)이 형성된다. 이것 대신에, 도5의 (B)에 도시한 바와 같이 1개의 가스 분사 구멍(52A 내지 60A)을 형성해도 좋다. 이 노즐의 구성은 도6에 도시한 경우와 동일하다.
또한, 도5의 (A)에 도시하는 노즐(48)과 도5의 (B)에 도시하는 노즐(52 내지 60)을 조합하도록 해도 좋다. 이들 노즐의 어떠한 조합도 도1에 도시한 산화 장치와 동일한 작용 효과를 발휘할 수 있다.
<막 두께의 면내 균일성의 개선>
도1의 산화 장치에서 형성된 산화막의 면내 균일성을 각 웨이퍼에 대해 검토한바, 특정한 웨이퍼 위치에서 막 두께의 면내 균일성이 크게 열화될 가능성이 있는 것이 발견되었다. 이 이유는, 가스 분사 구멍이 웨이퍼 방향을 향하는 결과, 특정한 웨이퍼 위치에서 O2와 H2 가스의 혼합의 밸런스가 무너지기 때문이라고 사료된다. 그로 인해, 가스 분사 구멍을 향하는 방향, 즉 가스 분사 방향을 변경하여 웨이퍼(W)에 직접적으로 가스가 분사되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
도6a는 가스 분사 구멍의 가스 분사 방향이 웨이퍼의 중심을 향하는 경우를 나타내는 도면이다. 도6b는 가스 분사 방향이 개량된 가스 분사 구멍을 갖는 산화성 가스 노즐(48) 및 환원성 가스 노즐(52 내지 60)과, 처리 용기(24) 및 웨이퍼(W)와의 관계를 나타내는 개략도이다. 도6c는 가스 분사 구멍의 가스 분사 방향의 다른 변형예를 나타내는 도면이다. 도7은 도6a 및 도6b의 가스 분사 구멍을 사용한 경우의 막 두께의 면내 균일성을 나타내는 그래프이다.
도6a에 도시한 바와 같이, 산화성 가스 노즐(48)의 가스 분사 구멍(48A, 48B)이 웨이퍼(W)의 방향을 향해 가스가 웨이퍼(W)에 대해 직접적으로 분사되면, 도7 중 특성선(X)으로 나타낸 바와 같이 특정한 웨이퍼 위치에서 막 두께의 면내 균일성이 극단적으로 열화된다. 이 이유는, 상술한 바와 같이 가스가 웨이퍼(W)에 대해 그 측면 방향으로부터 직접 닿으면, H2 가스와 O2 가스의 혼합 밸런스가 무너져 적절하게 연소 반응이 생기지 않기 때문이다.
이에 대해, 도6b에 도시하는 구조에서는, 산화성 가스 노즐(48)의 가스 분사 구멍(48A, 48B)은 가스 노즐의 중심과 웨이퍼의 중심을 연결하는 선에 대해, 가스 분사 방향이 각도(θ1) ＝ 135 °가 되도록 설정된다. 여기서, 산화성 가스 노즐(48)의 제1 및 제2 노즐 부분의 가스 분사 구멍(48A, 48B)은 서로 반대 방향을 향하도록 형성된다. 한편, 환원성 가스 노즐(52 내지 60)의 가스 분사 구멍(52A 내지 60A)은 가스 노즐의 중심과 웨이퍼의 중심을 연결하는 선에 대해 가스 분사 방향이 각도(θ2) ＝ 90°가 되도록 설정된다. 여기서, 환원성 가스 노즐(52 내지 60)은 키가 높은 노즐일수록 상류측에 배치된다. 이와 같은 구성을 사용하면, 도7 중 특성선(Y)으로 나타낸 바와 같이 특성선(X)에 비해, 막 두께의 면내 균일성을 한층 향상시킬 수 있다.
또한, 산화성 가스 노즐(45) 및 환원성 가스 노즐(52 내지 60)의 가스 분사 방향은, 도6c에 도시한 바와 같이 적어도 웨이퍼(W)의 윤곽으로부터 벗어나 있으면 좋다. 그러나, 도6b에 도시한 바와 같이, 가스 노즐의 중심과 웨이퍼의 중심을 연결하는 선에 대해, 가스 분사 방향이 90° 이상으로 고정되면, 가스가 용기 측벽에 한번 충돌한 후 확산되므로, 웨이퍼 표면으로 가스를 치우치지 않고 균등하게 분산시킬 수 있다. 이러한 관점으로부터 산화성 가스 노즐(48) 및 환원성 가스 노즐(52 내지 60)의 가스 분사 방향은 웨이퍼의 윤곽에 대한 접선 방향 또는 그것보다도 외측을 향해 설정된다. 또한, 가스 분사 방향은 가스 노즐의 중심과 웨이퍼의 중심을 연결하는 선에 대해, 바람직하게는 90° 이상, 보다 바람직하게는 90° 내지 135°로 설정된다.
<웨이퍼 매수 가변 프로세스에 있어서의 평가>
실제로 제품 웨이퍼에 대해 산화 처리를 행하는 경우, 처리해야 할 제품 웨이퍼의 매수가 웨이퍼 보트의 최대 적재 매수보다도 적은 경우도 있다. 즉, 산화 처리 시에 웨이퍼 보트(26)에 항상 웨이퍼가 만재 상태로 되는 것으로 한정되지 않고, 일부에 빈 공간이 존재하는 경우도 있다. 예를 들어, 만재 상태에서 100매(최대 적재 매수)의 제품 웨이퍼를 유지할 수 있는 웨이퍼 보트(26)에 25매, 혹은 50매의 제품 웨이퍼를 유지하고 그 외에는 빈 공간으로 하고, 이 빈 공간에는 비제품 이 되는 표면 Si02막에 부착된 더미 웨이퍼를 유지시킨 상태에서 산화 처리를 행하는 경우도 있다. 이와 같은 경우에, 제품 웨이퍼를 웨이퍼 보트(26)에 유지할 때에는 가스 흐름의 상류측에 웨이퍼(W)를 채운 상태에서 유지시킨다. 즉, 도1에 도시하는 경우에는, 가스는 처리 용기(24)의 상방으로부터 하방을 향해 흐르기 때문에, 웨이퍼는 웨이퍼 보트(26)에 대해 상측으로부터 차례로 유지된다.
<실험 2>
웨이퍼 보트에 대한 만재 시보다도 적은 매수로 제품 웨이퍼에 대해 산화 처리를 실시했을 때의 실험을 행하였다. 도8a 및 도8b는 웨이퍼 보트에 대한 만재 시보다도 적은 매수로 제품 웨이퍼에 대해 산화 처리를 행하였을 때의 산화막의 막 두께의 변동 상황을 나타내는 그래프이다. 도8a는 도9에 도시하는 종래 장치를 이용하여 산화 처리를 행하였을 때의 결과를 나타낸다. 도8b는 도1의 장치를 이용하여 산화 처리를 행할 때의 결과를 나타낸다. 도8a에 나타내는 경우, 목표 막 두께는 5.5 ㎚, 도8b에 나타내는 경우, 목표 막 두께는 6.0 ㎚로 하였다.
도8a에 있어서, 특성선(Y100)은 제품 웨이퍼를 100매(만재) 유지했을 때의 특성을 나타낸다. 특성선(Y50)은 제품 웨이퍼를 50매(비만재) 유지했을 때의 특성을 나타낸다. 특성선(Y25)은 제품 웨이퍼를 25매(비만재) 유지했을 때의 특성을 나타낸다. 특성선(Y100, Y50, Y25)의 모든 특성을 얻는 산화 처리를 행할 때에, H2, O2의 각 가스 유량, 프로세스 압력, 프로세스 온도 등은 동일하게 설정하였다.
도8b에 있어서, 특성선(Z100)은 제품 웨이퍼를 100매(만재) 유지했을 때의 특성을 나타낸다. 특성선(Z25)은 제품 웨이퍼를 25매(비만재) 유지했을 때의 특성을 나타낸다. 특성선(Z100, Z25)의 모든 특성을 얻는 산화 처리를 행할 때에, H2, 02의 각 가스 유량, 프로세스 압력, 프로세스 온도 등은 동일하게 설정하였다.
도8a에 도시한 바와 같이, 종래 장치의 경우에는, 제품 웨이퍼의 만재 시에는 특성선(Y100)으로 나타내는 바와 같이 모든 웨이퍼의 위치에 있어서 막 두께가 대략 일정하게 되어 막 두께의 면간 균일성은 매우 우수했다. 그러나, 특성선(Y50, Y25)으로 나타낸 바와 같이 제품 웨이퍼의 매수가 만재 시보다도 적은 경우에는 각각의 막 두께가 변동될 뿐만 아니라, 막 두께는 가스 흐름의 하류측으로 갈수록 상승하는 경향이 있었다. 이는, 제품 웨이퍼의 매수가 변동되는 것에 따라서 미리 그때의 O2 및 H2의 각 가스 유량을 최적화하기 위한 조정 작업을 행할 필요가 있는 것을 의미한다.
이에 대해, 도8b에 도시한 바와 같이, 도1의 장치의 경우에는 특성선(Z100 및 Z25)으로 나타내는 바와 같이, 제품 웨이퍼의 만재, 비만재에 관계없이 대략 막 두께는 목표치가 되었다. 게다가, 막 두께는 웨이퍼 위치에 관계없이 대략 일정하며 막 두께의 면간 균일성은 매우 우수했다. 이는 웨이퍼 매수가 만재 시보다도 적은 매수인 경우라도 웨이퍼 매수의 만재 시에 최적화된 프로세스 조건(가스 유량)을 이용할 수 있는 것을 의미한다. 따라서, 가스 유량을 최적화하기 위한 조정 작업을 간단화하는 것이 가능해진다.
<변형예>
상기 실시 형태에서는 처리 영역(25)을 5개의 존으로 구획하기 위해 길이가 다른 5개의 환원성 가스 노즐(52 내지 60)을 이용하고 있다. 그러나, 이 존 수는 5로 한정되지 않고, 어떠한 수로 구획해도 좋고, 그 수에 대응한 수의 높이가 다른 노즐을 배치할 수 있다.
처리 용기(24)는 배기구(46)를 하부에 형성하여 용기 내의 상방으로부터 하방을 향해 가스가 흐르도록 구성된다. 이것 대신에, 처리 용기(24)의 천장부에 배기구(46)를 형성하여 용기 내의 하방으로부터 상방을 향해 가스가 흐르도록 해도 좋다. 또한, 처리 용기(24)로서는, 단관 구조로 한정되지 않고, 내통과 외통을 동심원형으로 설치한 2중관 구조를 채용해도 좋다.
산화성 가스는 O2로 한정되지 않고, O2, N2O, NO, NO3 및 O3로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1개 이상의 가스를 구비할 수 있다. 환원성 가스는 H2로 한정되지 않고, H2, NH3, CH4, HCl, 중수소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1개 이상의 가스를 구비할 수 있다.
피처리 기판으로서는, 반도체 웨이퍼 대신에, 글래스 기판, LCD 기판, 세라믹 기판 등을 대상으로 할 수 있다.
추가적인 이점 및 변경들은 해당 기술 분야의 숙련자들에게 용이하게 발생할 것이다. 따라서, 보다 넓은 관점에서의 본 발명은 본 명세서에 도시되고 설명된 특정 설명 및 대표적인 실시예로 한정되지 않는다. 따라서, 첨부된 청구범위 및 그와 균등한 것에 의해 한정된 바와 같은 일반적인 본 발명의 개념의 기술 사상 또 는 범위를 벗어나지 않고 다양한 변경들이 이루어질 수도 있다.
도1은 본 발명의 실시 형태에 관한 종형 열처리 장치(산화 장치)를 도시하는 단면도.
도2는 도1의 산화 장치를 이용했을 때의 처리 용기 내에 있어서의 웨이퍼 위치와 실리콘 산화막의 최적화된 막 두께와의 관계를 원리적으로 설명하기 위한 그래프.
도3은 도1의 산화 장치 및 종래의 장치를 이용하여 실리콘 산화막의 막 두께를 최적화했을 때의 막 두께와 제품 웨이퍼에 실제로 형성된 실리콘 산화막의 막 두께 및 막 두께의 면내 균일성을 나타내는 그래프.
도4a 및 도4b는 반도체 웨이퍼의 표면에 형성되는 박막의 두께의 경향을 설명하기 위한 단면도.
도5의 (A), (B)는 노즐의 변형예를 나타내는 도면.
도6a는 가스 분사 구멍의 가스 분사 방향이 웨이퍼의 중심을 향하는 경우를 나타내는 도면.
도6b는 가스 분사 방향이 개량된 가스 분사 구멍을 갖는 산화성 가스 노즐 및 환원성 가스 노즐과, 처리 용기 및 웨이퍼와의 관계를 나타내는 개략도.
도6c는 가스 분사 구멍의 가스 분사 방향의 다른 변형예를 나타내는 도면.
도7은 도6a 및 도6b의 가스 분사 구멍을 사용한 경우의 막 두께의 면내 균일성을 나타내는 그래프.
도8a 및 도8b는 웨이퍼 보트에 대한 만재 시보다도 적은 매수로 제품 웨이퍼 에 대해 산화 처리를 행하였을 때의 산화막의 막 두께의 변동 상황을 나타내는 그래프.
도9는 종래의 종형 열처리 장치(산화 장치)를 도시하는 개략 구성도.
도10은 도9의 산화 장치를 이용했을 때의 처리 용기 내에 있어서의 웨이퍼 위치와 실리콘 산화막의 최적화된 막 두께와의 관계를 원리적으로 설명하기 위한 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
22 : 산화 장치
24 : 처리 용기
25 : 처리 영역
26 : 웨이퍼 보트
30 : 덮개부
34 : 회전축
38 : 보온통
40 : 보트 엘리베이터
42, 44 : 가스 공급계
46 : 배기구
48 : 산화성 가스 노즐
52 내지 60 : 환원성 가스 노즐
90 : 히터
W : 웨이퍼

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  13. 처리 용기의 처리 영역 내에 간격을 두고 적층된 상태에서 복수의 피처리 기판을 수납하는 공정과,
    상기 처리 영역을 가열하면서 상기 처리 영역에 산화성 가스 및 환원성 가스를 각각 공급하는 공정과,
    상기 산화성 가스 및 상기 환원성 가스를 반응시켜 상기 처리 영역 내에서 산소 활성종과 수산기 활성종을 발생시키는 공정과,
    상기 산소 활성종과 상기 수산기 활성종을 사용하여 상기 피처리 기판의 표면에 대해 산화 처리를 행하는 공정과,
    기준 표면적을 갖는 복수의 기준 기판에 대해 면간 균일성을 만족시키면서 상기 산화 처리의 기준 조건을 얻는 공정과, 상기 기준 표면적에 대해 상기 복수의 피처리 기판은 임의의 비율의 표면적을 갖는 것과,
    상기 복수의 피처리 기판에 대한 상기 산화 처리의 실조건을 상기 임의의 비율의 함수로 하고, 상기 기준 조건의 처리 시간만을 변경함으로써 결정하는 공정을 구비하고,
    상기 산화성 가스는 상기 처리 영역에 대응하는 상하 방향의 길이로 연장되는 산화성 가스 노즐로부터 공급되고, 상기 산화성 가스 노즐은 상기 처리 영역에 대응하는 상하 방향의 길이에 걸쳐서 존재하는 복수의 가스 분사 구멍을 갖고,
    상기 환원성 가스는 상기 처리 영역의 상하로 배열된 복수의 존에 대응하여 다른 높이를 갖는 복수의 환원성 가스 노즐로부터 공급되고, 각 환원성 가스 노즐은 대응하는 존의 높이에 존재하는 가스 분사 구멍을 갖는 반도체 처리용 산화 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 산화성 가스 및 상기 환원성 가스의 가스 분사 방향은 상기 피처리 기판의 윤곽에 대한 접선 방향 또는 그것보다도 외측을 향해 설정되는 반도체 처리용 산화 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 산화성 가스 노즐 또는 상기 환원성 가스 노즐의 상기 각 가스 분사 구멍의 가스 분사 방향은 대응하는 가스 노즐의 중심과 상기 피처리 기판의 중심을 연결하는 선에 대해 90° 이상의 각도를 이루는 반도체 처리용 산화 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 처리 영역 내에서 상기 피처리 기판은 지지 부재에 의해 지지되고, 상기 피처리 기판의 매수가 상기 지지 부재의 최대 적재 매수보다도 작은 경우에는, 상기 피처리 기판은 상기 지지 부재의 상측으로부터 차례로 지지되는 반도체 처리용 산화 방법.
  17. 제13항에 있어서, 상기 산화성 가스는 O2, N2O, NO, NO2 및 O3로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1개 이상의 가스를 구비하고, 상기 환원성 가스는 H2, NH3, CH4, HCl, 중수소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1개 이상의 가스를 구비하는 반도체 처리용 산화 방법.
  18. 삭제
  19. 제13항에 있어서, 상기 면간 균일성은 상기 산화 처리에 의해 형성되는 막의 막 두께의 면간 균일성을 참조하여 결정되는 반도체 처리용 산화 방법.
  20. 제13항에 있어서, 상기 기준 조건은 상기 산화성 가스 및 상기 환원성 가스의 유량을 포함하는 반도체 처리용 산화 방법.
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