WO2002091447A1 - Traitement thermique de semi-conducteur et systeme a cet effet - Google Patents

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WO2002091447A1
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chamber
heater
processing
heating
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Katsutoshi Ishii
Yutaka Takahashi
Harunari Hasegawa
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Tokyo Electron Limited
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Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor processing heat treatment apparatus and method for performing heat treatment on a substrate to be processed such as a semiconductor wafer.
  • semiconductor processing refers to forming a semiconductor layer, an insulating layer, a conductive layer, and the like in a predetermined pattern on a substrate to be processed such as a semiconductor wafer or an LCD substrate. It means various processes performed to manufacture a structure including a semiconductor device II, a wiring connected to the semiconductor device, an electrode, and the like on a processing substrate.
  • a vertical heat treatment apparatus In semiconductor processing, a vertical heat treatment apparatus is known as a patch-type processing apparatus for performing heat treatment such as oxidation, diffusion, annealing, and CVD on a large number of semiconductor wafers at a time.
  • a vertical heat treatment apparatus a large number of wafers are arranged and held at regular intervals in a holder called a wafer boat, and the holder is carried into a vertical processing chamber. Then, heat treatment is performed while heating the wafer by a heating mechanism arranged around the processing chamber.
  • dry oxidation and wet oxidation are known as processes for oxidizing a silicon wafer to form a silicon oxide film (SiO 2 film).
  • oxygen (O 2) gas and hydrogen chloride (HC 1) gas are supplied to the treatment chamber.
  • HC 1 gas In jet oxidation treatment, water vapor and oxygen gas are supplied to the treatment chamber. Either of the dry oxidation treatment and the wet oxidation treatment is selected depending on the quality of the target film.
  • oxygen gas oxidizes silicon wafers and layers, while chlorine gettering effect removes surface impurities.
  • a large number of wafers are held in a shelf on a wafer boat and carried into a vertical processing chamber to form a processing atmosphere at a predetermined temperature.
  • oxygen gas and hydrogen chloride gas are supplied into the processing chamber from the ceiling of the processing chamber at room temperature, and exhausted from the lower side.
  • an external combustor is required outside the processing chamber.
  • a part of the oxygen gas and hydrogen (H 2 ) gas are burned in the combustor to generate steam, and the remaining oxygen and steam are supplied into the processing chamber.
  • oxynitridation is also known.
  • dinitrogen monoxide gas N 2 O gas
  • N 2 O gas is introduced into the processing chamber at room temperature and reacted with the silicon layer of the wafer to form a silicon oxide film containing nitrogen.
  • An object of the present invention is to provide a heat treatment apparatus and method for semiconductor processing that can lower the process temperature when heat treatment such as oxidation treatment is performed on a substrate to be processed.
  • a first aspect of the present invention is a heat treatment apparatus for semiconductor processing
  • a processing chamber for storing a substrate to be processed
  • a support member disposed in the processing chamber and supporting the substrate to be processed
  • the supply system includes:
  • a combustor having a combustion chamber disposed outside the processing chamber, wherein the combustor reacts hydrogen gas and oxygen gas in the combustion chamber to generate steam and supply the water vapor to the processing chamber;
  • a heater having a heating chamber disposed outside the processing chamber, wherein the heater selectively heats the gas that does not pass through the combustion chamber to a temperature above an activation temperature and supplies the gas to the processing chamber.
  • a gas distributor for selectively supplying hydrogen gas and oxygen gas to the combustion chamber and selectively supplying a reactive gas and an inert gas to the heating chamber;
  • a second aspect of the present invention is a heat treatment apparatus for semiconductor processing
  • a processing chamber for storing a substrate to be processed
  • a support member disposed in the processing chamber and supporting the substrate to be processed
  • a supply system for supplying a processing gas into the processing chamber With
  • the supply system includes:
  • a combustor having a combustion chamber disposed outside the processing chamber, wherein the combustor reacts hydrogen gas and oxygen gas in the combustion chamber to generate steam and supply the water vapor to the processing chamber;
  • a heater having a heating chamber disposed outside the processing chamber; and the heater selectively heating a gas that does not pass through the combustion chamber in the heating chamber and supplying the gas to the processing chamber.
  • a control unit that controls the combustor, the heater, and the gas distribution unit so as to selectively use the combustor and the heater.
  • a third aspect of the present invention is a heat treatment method for semiconductor processing
  • the substrate to be processed is oxidized by reacting hydrogen gas and oxygen gas with a combustor having a combustion chamber provided outside the processing chamber and supplying the gas to the processing chamber while generating water vapor. Forming an oxide film by performing a wet oxidation process; By supplying the reactive gas to the processing chamber while heating the reactive gas to a temperature higher than the activation temperature by a heater having a heating chamber disposed outside the processing chamber, Performing a first treatment other than the wet oxidation treatment by
  • FIG. 1 is a vertical side view showing a vertical heat treatment apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing a processing unit used in the heat treatment apparatus shown in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a combustor used in the heat treatment apparatus shown in FIG.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a heater used in the heat treatment apparatus shown in FIG.
  • FIGS. 5A to 5C are explanatory diagrams showing gas supply states in a combustor and a heater for different processes.
  • FIGS. 6A and 6B are explanatory diagrams showing gas supply states in a combustor and a heater for different processes.
  • FIGS. 7A and 7B are characteristic diagrams respectively showing the inter-plane uniformity and the in-plane uniformity, which are the experimental results when the dry oxidation treatment was performed using the heat treatment apparatus shown in FIG.
  • FIGS. 8A and 8B are characteristic diagrams showing experimental results when the oxynitriding treatment was performed using the heat treatment apparatus shown in FIG. 1 and turning the heaters on and off, respectively.
  • FIG. 9 shows a diluted wet oxidation treatment using the heat treatment apparatus shown in FIG.
  • FIG. 6 is a characteristic diagram showing an experimental result when the process is performed.
  • FIGS. 10A to 10C are explanatory diagrams for explaining the problems of the conventional dry oxidation treatment.
  • the present inventors studied problems such as dry oxidation treatment, wet oxidation treatment, and oxynitridation treatment in a vertical heat treatment apparatus. As a result, the present inventors have obtained the following findings.
  • In-plane uniformity is reduced. This decrease in the in-plane uniformity becomes more remarkable as the diameter of the wafer increases.
  • the uniformity of processing between a plurality of substrates for example, between an upper wafer and a lower wafer in a batch process
  • FIGS. 10A to 10C are explanatory diagrams for explaining the problems of the conventional dry oxidation treatment.
  • 1OA schematically shows the gas flow on the wafer W
  • FIG. 1OB schematically shows the temperature of the wafer W
  • FIG. 10C schematically shows the film thickness of the wafer W.
  • the silicon oxynitride film is formed by the decomposition of nitrous oxide gas and the reaction of oxygen and silicon to form a silicon oxide film and the decomposition. It grows when activated nitrogen species enter the silicon oxide film.
  • the temperature of the wafer W becomes higher toward the center. If the process temperature is low, nitrous oxide is not sufficiently decomposed on the upper side of the wafer port. For this reason, in the upper wafer W, the decomposition reaction is promoted as the nitrous oxide flows toward the center, and as a result, in the upper wafer W, the film thickness in the center is thick, so to speak, Film thickness distribution (poor in-plane uniformity).
  • the lower stage of the wafer boat Since the nitrous oxide gas is warmed toward the lower side of the reaction tube, the lower stage of the wafer boat has a sufficient force to decompose the gas or, if not to a greater extent, the upper stage. Promoted. Therefore, in the lower wafer W, when the nitrous oxide gas flows from the peripheral portion to the central portion of the wafer w, the difference in gas decomposition depending on the position of the wafer W is small. Therefore, the difference in film thickness due to the difference in gas decomposition is also small. From the above, the in-plane uniformity of the thickness of the silicon oxynitride film becomes better as the wafer W on the lower side becomes more uniform. As described above, when the process temperature is lowered, the in-plane uniformity of the processing performed on the upper wafer tends to decrease, and the uniformity between wafer surfaces tends to decrease. For this reason, it is currently difficult to lower the process temperature.
  • FIG. 1 is a vertical side view showing a vertical heat treatment apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • This heat treatment apparatus has a vertical heat treatment unit 11, a combustor 12, a heater 13, and a gas distribution unit 14 controlled under the control of a main control unit 57.
  • This heat treatment apparatus can selectively perform wet oxidation treatment, dry oxidation treatment, and oxynitridation treatment.
  • hydrogen gas and oxygen gas are burned by a combustor 12 to generate steam, and the steam is used to oxidize the wafer.
  • a heater 13 heats oxygen gas (oxidizing gas) and hydrogen chloride gas (a compound gas containing hydrogen and chlorine: gettering gas), and oxidizes the wafer using this gas.
  • dinitrogen monoxide gas oxynitriding gas
  • oxynitriding gas dinitrogen monoxide gas
  • oxynitriding gas dinitrogen monoxide gas
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing a processing unit 11 used in the heat treatment apparatus shown in FIG. As shown in FIGS. 1 and 2, the processing unit 11 has a vertical heat treatment furnace 2.
  • a gas distributor 14 is connected to the heat treatment furnace 2 via a first gas supply pipe 41.
  • a wafer port 3 which is a support or a holder for the wafer W is removably disposed in the heat treatment furnace 2 to which exhaust means 15 is connected via an exhaust pipe 20.
  • the wafer port 3 is moved up and down by a wafer boat elevator 30 arranged below the heat treatment furnace 2.
  • the vertical heat treatment furnace 2 includes, for example, a vertical reaction tube (processing chamber) 21 made of quartz and having an open lower end.
  • a soaking tube 23 is provided between the reaction tube 21 and the heater 22. The soaking tube 23 is supported by the heat insulator 2 at the lower end.
  • a gas diffusion plate 21 c having a large number of gas holes 21 b is provided slightly below the upper wall 21 a.
  • the first gas supply pipe 41 penetrates the heat insulator 24 from outside, is bent into an L shape inside the heat insulator 24, and stands vertically between the reaction tube 21 and the soaking tube 23. Can be raised. The distal end of the first gas supply pipe 41 protrudes into the space between the upper wall 21a of the reaction pipe 21 and the gas diffusion plate 21c.
  • the wafer boat 3 has, for example, a top plate 31, a bottom plate 32, and a plurality of columns 33 connecting between them. A plurality of grooves are formed in the column 33 at intervals in the vertical direction, and the edges of the wafer W are inserted into these grooves to hold the wafer W horizontally.
  • the wafer boat 3 is placed on a lid 34 that opens and closes an opening 25 at the lower end of the reaction tube 21 via a heat insulating member, for example, a heat insulating cylinder 35.
  • Heat insulation tube 3 5 It is placed on a table 36 and is rotated via a rotating shaft 37 by a driving unit M provided in the elevator 30.
  • the lid 34 is attached to the elevator 30, and as the elevator 30 moves up and down, the wafer boat 3 is carried in and out of the heat treatment furnace 2.
  • FIG. 3 is a sectional view showing a combustor 12 used in the heat treatment apparatus shown in FIG.
  • the combustor 12 is connected outside the vertical heat treatment unit 11 and upstream of a first gas supply pipe 41 made of, for example, quartz.
  • the combustor 12 has, for example, a concentric double structure 50 composed of an inner tube 51a and an outer tube 51b made of transparent quartz.
  • An inner heating space 52A is formed inside the inner tube 51a, and an outer heating space 52B is formed between the inner tube 51a and the outer tube 51b.
  • the inner heating space 52A communicates with the first gas inlet pipe 71 in a state of being extended as it is.
  • the outer heating space 52B is narrowed on the upstream side and communicates with a second gas introduction pipe 72 extending perpendicularly from the narrowed portion.
  • the gas flow path from the heating space 52B to the reaction pipe 21 via the first gas supply pipe 41 corresponds to a first gas flow path.
  • a helical carbon wire heater 53 for example, is provided around the outer periphery of the outer heating space 52 B and is covered with a tubular heat insulator 54.
  • the heater 53 includes, for example, a string-like body formed by knitting a plurality of bundles of carbon fiber containing few metallic impurities. And a spiral quartz tube for accommodating and sealing the string.
  • the heater 53 generates heat by a voltage applied via a power supply line 55 connected to the power control unit 56.
  • the power control unit 56 includes, for example, a signal corresponding to the set heating temperature specified by the main control unit 57 that controls the heat treatment apparatus, and a temperature sensor 58 that includes a thermocouple provided near the heater 53, for example. The amount of power to the heater 53 is controlled on the basis of the temperature detection signals and.
  • the inner heating space 52A and the outer heating space 52B communicate with the downstream combustion chamber 59.
  • the hydrogen gas and oxygen gas undergo a combustion reaction in the combustion chamber 59 to generate steam.
  • FIG. 4 is a sectional view showing a heater 13 used in the heat treatment apparatus shown in FIG.
  • the heater 13 is branched from the first gas supply pipe 41 between the vertical heat treatment unit 11 and the combustor 12, and is made of, for example, quartz. Connected to the upstream side of the second gas supply pipe 42.
  • the heater 13 has a heating chamber 61 made of, for example, transparent quartz connected to the second gas supply pipe 42.
  • the heating chamber 61 has a cylindrical heating shape having an inner diameter larger than the inner diameter of the third gas introduction pipe 73 for introducing the processing gas and elongated in the gas ventilation direction. It is composed of tubes.
  • the gas flow path from the third gas introduction pipe 73 to the reaction pipe 21 via the heating chamber 61 and the second gas supply pipe 42 corresponds to a second gas flow path.
  • the heating chamber 61 functions as a heating medium by being heated, and imparts ventilation resistance to the gas passing therethrough.
  • a ventilation resistance member 62 is provided.
  • the ventilation resistance member 62 is composed of an aggregate of many pieces such as quartz ceramics.
  • the ventilation resistance member 62 is formed by fusing a large number of quartz pieces (for example, beads).
  • the inner diameter of the second gas supply pipe 42 is, for example, 20 mm
  • the inner diameter of the heating chamber 61 is, for example, 6 Omn! 88 O mm
  • the length in the ventilation direction is, for example, about 100 mm ⁇ 200 mm
  • the size of each quartz piece filled in the heating chamber 61 is, for example, about ⁇ 1 ⁇ 10. is there.
  • a carbon wire heater 63 serving as a heating means is spirally wound around the outer periphery of the heating chamber 61.
  • the heater 63 has, for example, a string-shaped body formed by knitting a plurality of bundles of carbon fibers having a small amount of metal impurities, and a spiral quartz tube for accommodating and sealing the string-shaped body.
  • reference numerals 64 and 65 indicate a power supply unit and terminals for the heater 63.
  • the heating chamber 61 and the heater 63 are covered with a cylindrical casing 60 made of, for example, a sintered heat insulator of high-purity silicon oxide (SiO 2 ).
  • the casing 60 is provided with, for example, a cooling jacket 66 for flowing a coolant such as cooling water along the heater 63 (along the ventilation direction). Cooling water is supplied to the cooling jacket 66 by a cooling water supply unit 67.
  • a temperature detector 68 for example, a thermocouple is provided between the cooling jacket 66 and the heater 63 inside the casing 60. Based on the internal temperature detected by the thermocouple 68, the main control unit 57 supplies power to the power supply unit 64 via the supply amount control unit 69 and cooling.
  • a control signal is output to the water supply section 67.
  • the amount of power supplied to the heater 63 and the amount of cooling water supplied to the cooling jacket 66 are controlled. That is, the heating chamber 61 is adjusted to a predetermined temperature by the interaction between the heating of the heater 63 and the cooling of the cooling jacket 66.
  • the heating chamber 61 of the heater 13 and the ventilation resistance member 62 filled therein form a heat exchange section for passing gas. That is, the processing gas is introduced from the third gas introduction pipe 73 into the heating chamber 61 adjusted to a predetermined temperature, and the processing gas is brought into contact with the heated ventilation resistance member 62, thereby causing the processing gas to flow. Can be preheated to a predetermined high temperature of 300-1100 ° C, typically 800-10000 ° C.
  • a gas distributor 14 is provided upstream of the combustor 12 and the heater 13. That is, the first gas introduction pipe 71, the second gas introduction pipe 72, and the third gas introduction pipe 73 are provided with an opening / closing valve VA, a valve VB, and a valve VC, respectively.
  • the first gas introduction pipe 71 is connected to a hydrogen gas source 81, and on the way there is provided a mass flow controller MF, 1 which is a valve V1 and a flow rate adjusting section.
  • the second gas introduction pipe 72 is connected to an oxygen gas source 82, and a valve V2 and a mass flow controller MF2, which is a flow rate adjusting unit, are provided on the way.
  • the third gas introduction pipe 73 is branched into, for example, four pipes and connected to a nitrogen gas source 83, a dinitrogen monoxide gas source 84, a hydrogen chloride gas source 85, and an oxygen gas source 86.
  • the four branch pipes include valves V 3, V 4, V 5 V 6 and mass flow controllers MF 3, MF 4, MF 5, MF 6 will be provided respectively.
  • the oxygen gas sources 82 and 86 may be common.
  • a wet oxidation process, a dry oxidation process, and an oxynitridation process can be selectively performed on a wafer, which is a substrate whose silicon layer is exposed on the surface.
  • a wafer which is a substrate whose silicon layer is exposed on the surface.
  • the operation and effects of the dry oxidation, gettering, oxynitridation, wet oxidation, and diluted wet oxidation will be described below in order.
  • the main control unit 57 By selecting the dry oxidation process in the main control unit 57, the main control unit 57 power supply, the processing unit 11, the combustor 12, the heater 13, and the gas distribution unit 14 are controlled. An operation signal for dry oxidation is sent.
  • a large number, for example, 25 to 150 semiconductor wafers W as substrates to be processed are held in a shelf on the wafer boat 3, and a predetermined temperature is previously set by the heater 22.
  • the wafer is loaded into the heated reaction tube 21 by the wafer boat elevator 30, and the opening 25, which is a furnace, is hermetically closed by the lid 34 (the state shown in FIG. 1).
  • the inside of the reaction tube 21 is heated up to a predetermined process temperature, for example, 800 ° C., and is stabilized.
  • the step of loading the wafer W and the step of raising the temperature inside the reaction tube 21 for example, nitrogen gas mixed with a slight amount of oxygen gas is supplied into the reaction tube 21 from a gas supply tube (not shown). I do.
  • a gas supply tube not shown
  • the gas supply is stopped,
  • the inside of the reaction tube 21 is exhausted by the exhaust means 15 via the exhaust pipe 20.
  • the inside of the reaction tube 21 is brought into a slightly reduced pressure state, and in this state, the temperature of the wafer W is stabilized, and then the oxidation treatment is performed.
  • the heater 13 is turned on, and the amount of power supplied to the heater 63 and the water cooling are set so that the inside of the heating chamber 61 becomes, for example, a set temperature of 100 ° C.
  • the amount of cooling water supplied to the jacket 66 is controlled.
  • the pulp V6 and V5 are opened, and the oxygen gas and the hydrogen chloride gas are adjusted to a predetermined flow rate by the mass flow controllers MF6 and MF5, respectively. For example, it flows into the heating chamber 61 at a flow rate of 10 slm and 1 slm.
  • the combustor 12 is turned off, and the valves VA and VB on the primary side of the combustor 12 are closed.
  • the processing gas flows through the gap through the heat equalizing pipe while contacting the ventilation resistance member 62 in the heating chamber 61, and while passing therethrough, For example, it is heated to around 100 ° C.
  • the oxygen gas and the hydrogen chloride gas react as shown in the following formula, and a small amount of water vapor, for example, on the order of several hundreds Ppm is generated.
  • the processing gas heated in this way is supplied to the heat treatment furnace 2 via the second supply pipe 42 and the first gas supply pipe 41.
  • the processing gas rises while being heated through the inside of the soaking tube 23, and flows into the upper part of the reaction tube 21. Further, the processing gas is supplied from the gas holes 21 b to the processing region in the reaction tube 11, and the lower exhaust pipe 20. It is exhausted from.
  • the processing gas enters between the wafers W held in a shelf shape, and performs a predetermined processing on the wafer. That is, while chlorine gas removes (getters) contaminant metals on the wafer surface, oxygen gas oxidizes the silicon layer on the wafer W surface to form a silicon oxide film. .
  • This processing gas contains a trace amount of water vapor as described above, and the water vapor grows an oxide film.
  • the processing gas from the heater 13 flows into the combustor 12 via the second gas supply pipe 42 and the first gas supply pipe 41.
  • the pulp VA provided in the first gas introduction pipe 71 of the combustor and the valve VB provided in the second gas introduction pipe 72 are closed, the pulp only enters the combustion chamber 59, and the combustion chamber 59 is merely inserted. It does not go into the upstream of 59.
  • the formed silicon oxide film has excellent characteristics in both the in-plane uniformity and the inter-plane uniformity of the film thickness.
  • the processing gas mixed gas of oxygen gas and hydrogen chloride gas
  • the heater 13 is heated to about 100 ° C. by the heater 13 and activated, for example, so that it is thermally decomposed.
  • the amount of water vapor and chlorine once generated in the process gas does not decrease even at low temperatures.
  • steam and chlorine are generated by the heater 13 at a temperature higher than the process temperature in the reaction tube 21, the processing gas becomes second gas supply pipe 4 on the secondary side. 2 and 1st gas supply pipe 41 Is less. Therefore, even if the processing gas is subsequently heated in the reaction tube 21, the processing gas does not generate any more water vapor.
  • the processing gas is activated by the heater 13 and sufficiently heated and decomposed, so that the processing gas enters between the wafers W loaded on the wafer boat 3.
  • steam and chlorine have been exhausted. Therefore, the amounts of water vapor and chlorine contained in the processing gas flowing from the peripheral part to the central part of the wafer W are almost the same at any position.
  • the degree of film formation by water vapor and gettering by chlorine are almost the same on the wafer W located on the upper stage of the wafer boat 3, and the film thickness is uniform in the plane. The property is good.
  • the uniformity of the film thickness is poor on the upper side, and the uniformity of the film thickness is lower on the lower side.
  • the dry oxidation treatment according to this embodiment the production reaction that occurs in the lower stage without the heater 13 is already generated in the upper stage. Can be done. Therefore, the variation in the film thickness distribution between wafers W is reduced, and the uniformity of the film thickness between the surfaces is improved.
  • the temperature at the central portion is higher than that at the peripheral portion of the wafer W, and the film thickness at the central portion tends to increase.
  • the hydrogen chloride gas and the oxygen gas are heated by the heater 13 to perform dry oxidation, a function of growing the film in the peripheral region works, and as a result, the uniformity of the film thickness is improved.
  • the reasons can be considered as follows. That is, the steam and chlorine obtained in the heater 13 flow in the reaction tube 21 from the peripheral portion of the wafer W toward the central portion. For this reason, it is considered that the concentration of the processing gas becomes slightly lower toward the center. As a result, the degree of film formation and gettering in the peripheral portion is increased, and the effect of increasing the film thickness in the peripheral portion works.
  • the processing gas can be sufficiently activated.
  • the heating chamber 61 is made of quartz and the heater 63 is made to have a special configuration, so that the heating chamber 61 is heated to a high temperature of 800 ° C. or more, for example. It is possible.
  • the heater 63 is composed of, for example, a string-shaped body formed by knitting a plurality of bundles of carbon fibers having a small amount of metal impurities, and a spiral-shaped quartz tube for storing and sealing the string-like body. It has a special structure having and.
  • a ventilation resistance member 62 is provided in the heating chamber 61, and the processing gas is brought into contact with the ventilation resistance member 62 for heating, so that the temperature of the processing gas increases efficiently. Since the heating chamber 61 is filled with the ventilation resistance member 62, the processing gas flows through the heating chamber 61 while contacting the ventilation resistance member 62, and the residence time of the processing gas becomes longer. . The processing gas is heated by a combination of heating by convection of the processing gas itself heated by the heater 63 and heating by heat transfer from the ventilation resistance member 62.
  • the ventilation resistance member 62 for example, a quartz piece (for example, a bead) having a size of about ⁇ 1 to ⁇ 10 is used. Quartz piece 6 2 Large heat transfer surface area due to large overall surface area As a result, the temperature of the processing gas can be increased efficiently. Since the heating chamber 61 and the second gas supply pipe 42 are connected, the processing gas sufficiently activated in the heating chamber 61 is supplied to the second gas supply pipe 42 while maintaining a high temperature state. You. As a result, the processing gas is supplied to the reaction tube 21 in a state of maintaining a high activity, so that the processing with good in-plane uniformity and inter-plane uniformity of the film thickness is performed as described above. be able to.
  • a quartz piece for example, a bead having a size of about ⁇ 1 to ⁇ 10 is used. Quartz piece 6 2 Large heat transfer surface area due to large overall surface area As a result, the temperature of the processing gas can be increased efficiently. Since the heating chamber 61 and the second gas supply pipe 42 are connected,
  • Gettering is a process performed to remove contaminant metals from the wafer surface.
  • the main control unit 57 power supply, the processing unit 11, the combustor 12, the heater 13, and the gas distribution unit 14 are provided.
  • an operation signal for gettering processing is sent.
  • a large number of wafers W are held in a shelf shape on the wafer boat 3, and the wafer port elevator is placed in a reaction tube 21 heated in advance to a predetermined temperature by a heater 22. 30, and the opening 25, which is the furnace, is airtightly closed by the lid 34 (the state shown in Fig. 1). Subsequently, the inside of the reaction tube 21 is heated to a predetermined process temperature, for example, 900 ° C., and is stabilized.
  • a predetermined process temperature for example, 900 ° C.
  • the heater 13 is turned on, and the amount of power supplied to the heater 63 and the water-cooled jacket are set so that the inside of the heating chamber 61 has a set temperature of, for example, 100 ° C.
  • the cooling water supply to 66 is controlled.
  • the valves V 6 and V 5 are opened, and minute oxygen gas and hydrogen chloride gas are adjusted to predetermined flow rates by the mass flow controllers MF 6 and MF 5, respectively.
  • flow into the heating chamber 61 at a flow rate of 0.01 to 1311111 and 0.01 to lslm.
  • the combustor 12 is turned off, and the pulp VA and the pulp VB on the primary side of the combustor 12 are closed.
  • the processing gas flows through the gaps while contacting the ventilation resistance member 62 in the heating chamber 61 and passes through the gap. For example, it is heated to around 100.
  • the processing gas heated in this way is supplied to the heat treatment furnace 2 via the second supply pipe 42 and the first gas supply pipe 41.
  • the processing gas enters between the wafers W held in a shelf shape, and performs a predetermined processing on the wafers. That is, contaminant metals on the wafer surface are removed (gettered) by the hydrogen chloride gas and the chlorine gas. After performing the predetermined gettering process in this way, subsequently, for example, a jet oxidation process is performed.
  • the hydrogen chloride gas and the oxygen gas are sufficiently heated and activated in heater 13, so that the reaction between the hydrogen chloride and the oxygen gas is performed.
  • the reaction products such as hydrogen chloride, chlorine and a small amount of water vapor are mixed, and the gettering effect is large, thereby increasing the efficiency of metal removal from the wafer surface. improves. Therefore, in the case of performing the subsequent oxidation treatment, an oxide film is formed on the surface of the wafer from which the metal has been removed, so that a high-quality film can be obtained.
  • the main control unit 57 By selecting the oxynitriding process in the main control unit 57, the main control unit 57, the main control unit
  • the operation signal for the oxynitriding process is sent to the processing unit 11, the combustor 12, the heater 13, and the gas distribution unit 14 from the power 57.
  • a large number of wafers W are held in a shelf on the wafer boat 3, and the wafer boat elevator 3 is placed in the reaction tube 21 heated to a predetermined temperature in advance by the heater 22. 0, and the opening 25, which is the furnace, is airtightly closed by the lid 34 (the state shown in Fig. 1). Subsequently, the inside of the reaction tube 21 is heated to a predetermined process temperature, for example, 800 ° C., and is stabilized.
  • a predetermined process temperature for example, 800 ° C.
  • the heater 13 is turned on, and the heater 13 is set so that the inside of the heating chamber 61 has a set temperature of, for example, 900 ° C. to 100 ° C.
  • the amount of power supplied to 63 and the amount of cooling water supplied to water-cooled jacket 66 are controlled.
  • the valve V 4 is opened and —Nitrous oxide gas is adjusted to a predetermined flow rate by the mass flow controller MF 4, for example, from 1 to 10 s 1 Flow into the heating chamber 61 at a flow rate of m.
  • the combustor 12 is turned off, and the pulp VA and the pulp VB on the primary side of the combustor 12 are closed.
  • the nitrous oxide gas flows through those gaps through the heat equalizing tube while contacting the ventilation resistance member 62 in the heating chamber 61, and during the passage therethrough. It is heated near the set temperature. As a result, the nitrous oxide gas is preheated to a temperature close to the decomposition temperature, and activated to the extent that it is decomposed immediately after flowing into the reaction tube 21.
  • N 2 O * is activated by N 2 O. Shows a sexualized state. The thus activated nitrous oxide gas enters the reaction tube 21 and oxidizes and nitrides the silicon layer of the wafer W to form a silicon oxide film containing nitrogen.
  • the formed silicon oxide film containing nitrogen has excellent characteristics in both the in-plane uniformity of the film thickness and the uniformity between the surfaces. It comes to have.
  • the reason can be considered as follows. That is, the nitrous oxide gas is heated by the heater 13 at, for example, 900 to about 100 ° C., and is activated to a state immediately before decomposition. Therefore, when the gas enters the reaction tube 21 and reaches the upper side of the wafer boat 3, the decomposition has already progressed considerably. For example, even if the temperature of the reaction tube 21 is low, the nitrous oxide gas is sufficiently activated, and the silicon oxide film can be doped with nitrogen at a high concentration.
  • the main control unit 57 supplies the processing unit 11, the combustor 12, the heater 13, and the gas distribution unit 14.
  • the operation signal for the jet oxidation treatment is sent.
  • the wafer boat elevator 30 is placed in the reaction tube 21 heated to a predetermined temperature in advance by the heater 22. Then, the opening 25, which is a furnace, is hermetically closed by the lid 34 (the state shown in FIG. 1). Subsequently, the inside of the reaction tube 21 is heated to a predetermined process temperature, for example, 900 ° C., and is stabilized.
  • a predetermined process temperature for example, 900 ° C.
  • the combustor 12 is turned on, and the amount of electric power supplied to the heater 53 is set so that the inside of the heating spaces 52A and 52B has a set temperature of, for example, 900 to 950 ° C. Is controlled.
  • the pulp V1 and V2 are opened, and the hydrogen gas and the oxygen gas are adjusted to a predetermined flow rate by the mass flow controllers MF1 and MF2, respectively. For example, flow is made into the combustor 12 at a flow rate of 3 to 10 s 1 m and 3 to 10 slm.
  • the heater 13 is turned off, so that power supply to the heater 63 and cooling water supply to the cooling jacket 66 are not performed.
  • the valve V 3 is opened, and the nitrogen gas is adjusted to a predetermined flow rate by the mass flow controller MF 3. At a flow rate of, for example, 50 sccm to 500 sccm, it is made to flow into the heat chamber 61. Note that oxygen gas may be flowed into the heating chamber 61 instead of nitrogen gas.
  • the hydrogen gas and the oxygen gas are heated in the inner heating space 52 A and the outer heating space 52 B of the combustor 12, respectively. Combustion reaction between the part and hydrogen gas occurs to generate steam.
  • the oxygen gas and the water vapor thus generated are supplied to the heat treatment furnace 2 via the first gas supply pipe 41.
  • a trace amount of nitrogen gas that has passed through the heater 13 is also supplied to the heat treatment furnace 2 via the second gas supply pipe 42 and the first gas supply pipe 41.
  • the mixed processing gas enters between the wafers W held in a shelf shape and performs a predetermined processing on the wafers. That is, the silicon layer on the wafer surface is oxidized by oxygen gas and water vapor to form a silicon oxide film.
  • the combustion reaction between a part of the oxygen gas and the hydrogen gas occurs sufficiently in the combustor 12, and the reaction tube 21 is generated in a state where the steam is completely generated. Therefore, the amounts of water vapor and oxygen contained in the processing gas flowing from the peripheral portion to the central portion of the wafer W are almost the same at any position. Since the degree of supply of water vapor and oxygen in the plane of the wafer W is almost the same, the in-plane uniformity of the film thickness is improved even when the process temperature is lowered.
  • the second gas supply pipe 42 is made of quartz and has a considerably high temperature when the processing gas is heated by the heater 13, so that the supply and the supply of the gas are stopped. Pulp cannot be provided. Therefore, if gas is not flown from the heater 13 side, steam generated in the combustor 12 will enter the heating chamber 61 through the gas supply pipe 42. Once the water vapor is adsorbed by the ventilation resistance member 62 filled in the heating chamber 61, the water vapor is difficult to remove.
  • the diluted wet oxidation treatment is a treatment in which the processing gas containing oxygen and water vapor of the above-described wet oxidation treatment is diluted with a small amount of nitrogen gas and supplied into the reaction tube 21.
  • the main control unit 57 selects the dilution / oxidation oxidation process, so that the main control unit 57, the power unit, the processing unit 11, the combustor 12, the heater 13, and the gas distribution unit 14 An operation signal for the dilution / wet oxidation treatment is sent to this.
  • a large number of wafers W are held in a shelf shape on the wafer boat 3, and the wafer boat elevator 30 is placed in the reaction tube 21 heated to a predetermined temperature in advance by the heater 22. Then, the opening 25, which is a furnace, is airtightly closed by the lid 34 (the state shown in Fig. 1). Then, at a given process temperature, e.g. For example, the temperature inside the reaction tube 21 is raised to 850 ° C and stabilized.
  • the combustor 12 is turned on, and the electric power to the heater 53 is set so that the inside of the heating spaces 52A and 52B has a set temperature of, for example, 900 to 950 ° C.
  • the supply is controlled.
  • the pulp V1, V2 is opened and the hydrogen gas and the oxygen gas are adjusted to a predetermined flow rate by the mass flow controllers MF1, MF2, respectively.
  • the gas flows into the combustor 12 at a flow rate of 3 s 1 m and 3 s 1 m.
  • the heater 13 is also turned on, and the amount of power supplied to the heater 63 and the amount of water supplied to the water-cooled jacket 66 are adjusted so that the inside of the heating chamber 61 has a set temperature of, for example, 100 ° C.
  • the cooling water supply is controlled.
  • the valve V 3 is opened, and the nitrogen gas is adjusted to a predetermined flow rate by the mass flow controller MF 3. 6 Flow into 1.
  • the nitrogen gas flows through the gap through the uniformity pipe while contacting the ventilation resistance member 62 in the heating chamber 61. For example, it is heated to around 100 ° C.
  • the preheated nitrogen gas is supplied to the first gas supply pipe 41 via the second supply pipe 42, where the processing gas containing oxygen gas and water vapor from the combustor 12 is supplied. Mixed with. Thereby, the processing gas is supplied to the heat treatment furnace 2 in a state diluted with the nitrogen gas.
  • the mixed processing gas enters between the wafers W held in a shelf shape, and performs a predetermined processing on the wafer. That is, the silicon layer on the wafer surface is oxidized by the oxygen gas and water vapor, and the silicon oxide film is formed. Is formed.
  • the nitrogen gas is sufficiently preheated by heater 13 and then mixed with the processing gas containing oxygen gas and water vapor. For this reason, the situation where the temperature of the processing gas is lowered by the mixing of the nitrogen gas does not occur, and as a result, the processing with good in-plane uniformity of the film thickness can be performed.
  • the temperature of the processing gas decreases.
  • the film thickness in the vicinity of the peripheral portion of the wafer W tends to decrease.
  • the nitrogen gas is sufficiently pre-heated in advance by the heater 13 as in the case of the dilution and jet oxidation treatment according to the present embodiment, a decrease in the temperature of the processing gas can be suppressed, and the film It is possible to prevent the in-plane uniformity of the thickness from decreasing.
  • the combustor 12 and the heater 13 are arranged in parallel. Therefore, wet oxidation treatment using the combustor 12; dry oxidation treatment, oxynitridation treatment, and gettering treatment using the heater 13; use both the combustor 12 and the heater 13
  • the diluted dilution oxidation treatment can be selectively performed. Moreover, in each process, good results can be obtained.
  • the jet oxidation treatment and the dry oxidation treatment are performed by heating the oxygen gas and the hydrogen chloride gas in the combustor 12. It is possible You. However, since the heated oxygen gas cools when passing through the combustion chamber 59 at the latter stage of the combustor 12, the activity of the oxygen gas when supplied to the heat treatment furnace 2 is low. As a result, it is difficult to perform processing with good in-plane uniformity of the film thickness.
  • the oxygen gas heated by the heater 13 can be supplied to the heat treatment furnace 2 while maintaining the activity of the oxygen gas. For this reason, as described above, high in-plane uniformity of the film thickness can be ensured.
  • various processes can be favorably performed by one heat treatment apparatus. For this reason, the process can be selected in a wider range, which is advantageous in terms of cost and space efficiency. Further, since the above-mentioned processing can be performed by one heat treatment apparatus, a plurality of processings are continuously performed in the following manner while the wafer is stored in the reaction tube 21. You can do it.
  • the gettering process is first performed while the wafer W is stored in the reaction tube 21, and then the jet oxidation process is continuously performed. In this case, the metal on the wafer surface is removed by the gettering process, and the wet oxide film is formed in this state, so that a high-quality film can be formed.
  • both processes can be performed alternately and continuously.
  • wet oxidation is performed, and then the inside of the reaction tube 21 is compared.
  • a dry oxidation treatment is performed after purging with nitrogen gas, and further, the inside of the reaction tube 21 is purged with, for example, nitrogen gas, and a jet oxidation treatment is performed again.
  • a jet oxidation treatment is performed again.
  • a wet oxidation treatment and an oxynitridation treatment, or a wet oxidation treatment, a dry oxidation treatment and an oxynitridation treatment can be performed successively.
  • the wafer W is stored in the reaction tube 21 first, and then the wet oxidation process is performed, then the reaction tube 21 is purged with, for example, nitrogen gas, and then the dry oxidation process is performed. Further, the inside of the reaction tube 21 is purged with, for example, a nitrogen gas, and finally an oxynitriding process is performed.
  • the second gas supply pipe 42 can be configured as a double pipe at a portion downstream of the heating chamber 51.
  • the outer pipe is interposed between the inner pipe through which the gas passes and the outside air, and the inner pipe does not contact the outside air.
  • the processing gas can be introduced into the first gas supply pipe 41 while maintaining the pressure.
  • An orifice (a portion where the pipe diameter is sharply reduced) may be formed in the second supply pipe 42 between the heater 13 and the reaction pipe 21. Since a pressure loss occurs in the orifice, the degree of pressure reduction in the heating chamber 61 is reduced even when a decompression process is performed in the processing chamber. In this case, the degree to which convection in the heating chamber 61 is impeded in the depressurization process is small, and the partial pressure of the processing gas in the heating chamber 61 also increases. Therefore, heat conduction due to convection of the processing gas in the heating chamber 61 is more likely to occur than in the case where the orifice is not provided, and the processing gas can be sufficiently heated to a predetermined temperature. .
  • the experiment was performed under the processing conditions described in the section (Dry Oxidation Treatment) in the above embodiment.
  • the processing gas is heated by the heater 13 (the heater 63 of the heater 13 is turned on)
  • the dry oxidation treatment is performed. I went.
  • a silicon oxide film having a thickness of 10 nm was formed with a processing time of 90 minutes.
  • dry oxidation was performed under the same processing conditions except that the processing gas was not heated (the heater 63 of the heater 13 was turned off).
  • FIGS. 7A and 7B are characteristic diagrams respectively showing the inter-plane uniformity and the in-plane uniformity which are the experimental results when the dry oxidation treatment is performed using the heat treatment apparatus shown in FIG.
  • the horizontal axis is the surface of the film thickness. The average value of the inter-uniformity is shown, and the vertical axis indicates whether or not the heater 13 is heated.
  • the horizontal axis represents the average value of the in-plane uniformity of the film thickness.
  • the vertical axis represents the position of the wafer W on the wafer boat 3.
  • the hatched columns show the case where the calorific heat of the processing gas is applied, and the columns without hatching show the case where the processing gas is not heated.
  • the experiment was performed under the processing conditions described in the section (Oxynitriding) of the above embodiment.
  • an oxynitriding treatment was performed while heating the processing gas with the heater 13 (with the heater 63 of the heater 13 turned on).
  • the process temperature in the reaction tube 21 was 800 ° C.
  • the process pressure was 93.lkPa
  • the temperature of the heater 13 was 100 ° C.
  • dinitrogen monoxide gas was used.
  • the flow rate was 5 s 1 m.
  • the processing time At 7.5 minutes, a nitrogen-containing silicon oxynitride film having a thickness of 2.5 nm was formed.
  • oxynitriding was performed under the same processing conditions except that the processing gas was not heated (the heater 63 of the heater 13 was turned off).
  • FIGS. 8A and 8B are characteristic diagrams showing experimental results when the oxynitriding treatment was performed using the heat treatment apparatus shown in FIG. 1 and turning the heaters on and off, respectively.
  • the horizontal axis represents the film depth
  • the vertical axis represents the nitrogen concentration in the film.
  • FIG. 9 is a characteristic diagram showing an experimental result in the case of performing a diluted wet oxidation treatment using the heat treatment apparatus shown in FIG. Figure 9 Smell
  • the horizontal axis indicates the position of the wafer W on the wafer port 3, and the vertical axis indicates the in-plane uniformity.
  • “ ⁇ ” indicates the case where heating of nitrogen gas is performed
  • “X” indicates the case where heating of nitrogen gas is not performed.

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Description

明 細 書
半導体処理用の熱処理装置及ぴ方法
技術分野
本発明は、 半導体ウェハ等の被処理基板に対して熱処理を 施すための半導体処理用の熱処理装置及び方法に関する。 な お、 こ こ で、 半導体処理とは、 半導体ウェハや L C D基板等 の被処理基板上に半導体層、 絶縁層、 導電層等を所定のパタ ーンで形成する こ と によ り 、 該被処理基板上に半導体デバイ スゃ、 半導体デバイ スに接続される配線、 電極等を含む構造 物を製造するために実施される種々の処理を意味する。
背景技術
半導体処理において、 一度に多数枚の半導体ウェハに対し て酸化、 拡散、 ァニール、 C V D等の熱処理を行 うパッチ式 処理装置と して縦型熱処理装置が知られる。 縦型熱処理装置 では、 ウェハボー ト と呼ばれる保持具に多数枚のウェハを垂 直方向に間隔をおいて配列して保持し、 この保持具を縦型の 処理室の中に搬入する。 そ して、 処理室の周囲に配設した加 熱機構によ り ウェハを加熱しなが ら熱処理を施す。
一方、 シ リ コ ンウェハを酸化してシ リ コ ン酸化膜 （ S i O 2 膜） を形成する処理と して、 ドライ酸化処理やウエッ ト酸 化処理な どが知 られている。 ドライ酸化処理では、 酸素 （ O 2 ) ガス及ぴ塩化水素 （ H C 1 ) ガスが処理室に供給される ゥエツ ト酸化処理では、 水蒸気及ぴ酸素ガスが処理室に供給 される。 ドライ酸化処理及ぴウエ ッ ト酸化処理は、 目 的とす る膜質に応じて何れかを行う かが選択される。 ドライ酸化処理では、 酸素ガスによ り シリ コンウェハや層 が酸化される一方、 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、 例えば多数枚のウェハをゥ ェハボー ト に棚状に保持させて縦型の処理室内に搬入し、 所 定温度の処理雰囲気を形成する。 次に、 酸素ガス及び塩化水 素ガスを常温で処理室の天井部から処理室内に供給し、 下方 側から排気する。
ゥエツ ト酸化処理では、 処理室の外に外部燃焼器が必要と なる。 燃焼器で酸素ガス の一部及び水素 （ H 2 ) ガスを燃焼 させて水蒸気を生成し、 残り の酸素と水蒸気と を処理室内に 供給する。
こ の他の熱処理と して酸窒化処理も知られている。 酸窒化 処理では、 常温で一酸化二窒素ガス （ N 2 Oガス） を処理室 内に導入し、 ウェハのシ リ コ ン層に反応させて窒素を含有す るシ リ コ ン酸化膜 （シ リ コ ン酸窒化膜） を形成する。
発明の開示
本発明は、 被処理基板に対して酸化処理等の熱処理を行 う 場合に、 プロ セス温度の低温化が可能と なる半導体処理用の 熱処理装置及び方法を提供する こ と を 目的とする。
本発明の第 1 の視点は、 半導体処理用の熱処理装置であつ て、
被処理基板を収納する処理室と、
前記処理室内に配設された、 前記被処理基板を支持する支 持部材と 、
前記処理室内に収納された前記被処理基板を加熱する ヒ ー タ と、
前記処理室内を排気するための排気系 と、
前記処理室内に処理ガスを供給するための供給系と、 を具備し、
前記供給系は、
前記処理室外に配設された燃焼室を有する燃焼器と、 前記 燃焼器は水素ガス及び酸素ガスを前記燃焼室内で反応させて 水蒸気を生成して前記処理室に供給する こ と と、
前記処理室外に配設された加熱室を有する加熱器と、 前記 加熱器は前記燃焼室を通過しないガスを活性化する温度以上 に前記加熱室内で選択的に加熱して前記処理室に供給する こ と と、
前記燃焼室に水素ガス及ぴ酸素ガスを選択的に供給する と 共に、 前記加熱室に反応性ガス及ぴ不活性ガスを選択的に供 給するガス分配部と、
を具備する。
本発明の第 2 の視点は、 半導体処理用の熱処理装置であつ て、
被処理基板を収納する処理室と、
前記処理室内に配設された、 前記被処理基板を支持する支 持部材と、
前記処理室内に収納された前記被処理基板を加熱する ヒ ー タ と、
前記処理室内を排気するための排気系と、
前記処理室内に処理ガスを供給するための供給系と、 を具備し、
前記供給系は、
前記処理室外に配設された燃焼室を有する燃焼器と、 前記 燃焼器は水素ガス及び酸素ガスを前記燃焼室内で反応させて 水蒸気を生成して前記処理室に供給する こ と と、
前記処理室外に配設された加熱室を有する加熱器と、 前記 加熱器は前記燃焼室を通過 しないガスを前記加熱室内で選択 的に加熱して前記処理室に供給する こ と と、
前記燃焼室に水素ガス及び酸素ガスを選択的に供給する と 共に、 前記加熱室に酸化ガス 、 酸窒化ガス 、 水素及び塩素を 含む化合物ガス 、 及び不活性ガスを選択的に供給するガス分 配部と、
前記燃焼器及び前記加熱器を選択的に使用する よ う に、 前 記燃焼器、 前記加熱器、 及び前記ガス分配部を制御する制御 部と 、
を具備する。
本発明の第 3 の視点は、 半導体処理用の熱処理方法であつ て、
処理室内に被処理基板を収納する工程と、
前記処理室内に収納された前記被処理基板を加熱する工程 と、
前記処理室外に配設された燃焼室を有する燃焼器によ り 水 素ガス及び酸素ガスを反応させて水蒸気を生成しながら前記 処理室に供給する こ とによ り 、 前記被処理基板を酸化して酸 化膜を形成する ゥエツ ト酸化処理を行う 工程と、 前記処理室外に配設された加熱室を有する加熱器によ り 反 応性ガスを活性化する温度以上に加熱しなが ら前記処理室に 供給する こ と によ り 、 前記被処理基板に対してウエッ ト酸化 処理以外の第 1 処理を行う 工程と、
を具備する。
図面の簡単な説明
図 1 は本発明の実施の形態に係る縦型熱処理装置を示す縦 断側面図。
図 2 は図 1 図示の熱処理装置に用いられる処理ュニッ ト を 示す展開斜視図。
図 3 は図 1 図示の熱処理装置に用い られる燃焼器を示す断 面図。
図 4 は図 1 図示の熱処理装置に用いられる加熱器を示す断 面図。
図 5 A〜 Cは異なる処理ごと の燃焼器及ぴ加熱器における ガスの供給状態を示す説明図。
図 6 A、 B は更に異なる処理ごと の燃焼器及ぴ加熱器にお けるガスの供給状態を示す説明図。
図 7 A、 Bは図 1 図示の熱処理装置を用いて ドライ酸化処 理を行った場合の実験結果である面間均一性及ぴ面内均一性 を夫々示す特性図。
図 8 A、 Bは図 1 図示の熱処理装置を用い且つ夫々加熱器 をオン及びオフ して酸窒化処理を行った場合の実験結果を示 す特性図。
図 9 は図 1 図示の熱処理装置を用いて希釈ゥエツ ト酸化処 理を行った場合の実験結果を示す特性図。
図 1 0 A〜 Cは従来の ドライ酸化処理の問題点を説明する ための説明図。
発明を実施するための最良の形態
本発明者等は、 本発明の開発の過程において、 縦型熱処理 装置における ドライ酸化処理、 ウエッ ト酸化処理、 酸窒化処 理等の問題点について研究した。 その結果、 本発明者等は、 以下に述べる よ う な知見を得た。
半導体ウェハの熱処理においては、 プロセス温度が高いほ ど、 ス リ ップと呼ばれる欠陥が ウェハに発生しやすく な り 、 また、 ウェハ上の膜に対する熱影響が大き く なる。 このため 現在、 プロセス温度の低温化が検討されている。 しかしなが ら、 プロセス温度を低く する と、 1 枚の被処理基板上におけ る （例えば、 ウェハの中心部と周辺部と の間） 処理の均一性
(面内均一性） が低下する。 こ の面内均一性の低下は、 ゥェ ハの径が大き く なるほど顕著と なる。 また、 プロセス温度を 低く する と、 複数の被処理基板間 （例えば、 バッチ処理にお ける上段の ウェハ と 下段の ウェハ と の間） の処理の均一性
(面間均一性） も低下する。
こ こで、 縦型熱処理装置において、 ウェハボー ト上のゥェ ハに対して反応管 （処理室） の上側から酸素ガス及び塩化水 素ガスを流して ドライ酸化処理を行う場合を想定する。 この 場合、 シ リ コ ン酸化膜の膜厚の面内均一性は、 ウェハポー ト の上段側に位置する ウェハほど悪く なる傾向がある。 この理 由は次のよ う に推測される。 図 1 0 A〜 Cは従来の ドライ酸化処理の問題点を説明する ための説明図である。 図 1 O Aはウェハ W上のガスの流れ、 図 1 O B はウェハ Wの温度、 図 1 0 Cはウェハ Wの膜厚を、 夫々模式的に示す。 酸素ガス及ぴ塩化水素ガスはウェハ Wの 周辺部から 中央部に向かって流れ （図 1 0 A参照） 、 ウェハ W上のシ リ コ ンが酸素ガスによ り 酸化される。 ウェハ Wの熱 は周辺部から放熱されるため、 ウェハ温度は中央部に向かう ほど高く なる （図 1 0 B参照） 。 このため酸化反応は中央部 の方が促進され、 中央部の方が周辺部よ り も厚く なる傾向に ある （図 1 0 C参照） 。
更に、 塩化水素が分解されて発生した水素と 、 酸素と が反 応して僅かではあるが水蒸気が生成される。 ウェハボー トの 上段側ではガスが十分に温め られていないので、 ガスがゥェ ハ Wの周辺部から中央部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成長させる効 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。 その結果、 上段側のウェハ Wでは、 中央部の膜厚が厚いいわ ば山形の膜厚分布 （面内均一性が悪い） と なる。
処理ガスは反応管の下方側に向かう ほど温め られるため、 ウェハボー ト の下段側では水蒸気の生成反応はほぼ平衡状態 になる。 即ち、 ウェハ Wに沿ってガスが流れる前に既に水蒸 気がほぼ生成され尽く されている。 従って、 下段側のウェハ
Wでは、 処理ガスがウェハ Wの周辺部から中央部に向かって 流れる際、 ウェハ Wの位置に依存する水蒸気の生成量の差が 小さい。 このため、 水蒸気の生成量の差に起因する膜厚の差 も小さい。 こ う したこ と力ゝら、 シ リ コ ン酸化膜の膜厚の面内 均一性は下段側のウェハ Wほど良好と なる。
一方、 一酸化二窒素ガスを用いて窒素含有のシリ コ ン酸化 膜 （シ リ コ ン酸窒化膜） を形成する酸窒化処理においても、 プロセス温度を低く する と 同様の傾向が見られる。 この場合 シ リ コ ン酸窒化膜は、 一酸化二窒素ガスが分解し、 酸素と シ リ コ ンとが反応してシ リ コ ン酸化膜が形成される と共に、 分 解によ り 生成された窒素の活性種がシリ コ ン酸化膜の中に入 り 込むこ と によって成長する。
この処理の場合も、 上述のよ う に、 ウェハ Wの温度は中央 部に向カゝぅ ほど高く なる。 また、 プロ セス温度が低いと ゥェ ハポー ト の上段側では一酸化二窒素ガスが十分に分解されて いない。 このため、 上段側のウェハ Wでは、 一酸化二窒素ガ ス は中央部に向かって流れるにつれて分解反応が促進される その結果、 上段側のウェハ Wでは、 中央部の膜厚が厚いいわ ば山形の膜厚分布 （面内均一性が悪い） と なる。
一酸化二窒素ガスは反応管の下方側に向か う ほど温められ るため、 ウェハボー ト の下段側ではガス の分解が十分に進ん でいる力 或いは十分と は言えないまでも上段側よ り も促進 されている。 従って、 下段側の ウェハ Wでは、 一酸化二窒素 ガスがウェハ wの周辺部から中央部に向かって流れる際、 ゥ ェハ Wの位置に依存するガス の分解の差が小さい。 このため ガスの分解の差に起因する膜厚の差も小さい。 こ う したこ と から、 シ リ コ ン酸窒化膜の膜厚の面内均一性は下段側のゥェ ハ Wほど良好と なる。 このよ う に、 プロセス温度を低く する と、 上段側のウェハ に対する処理の面内均一性が低下し、 またウェハ面間均一性 も低下する傾向がある。 こ のため、 現状では、 プロセス温度 の低温化が困難になっている。
以下に、 このよ う な知見に基づいて構成された本発明の実 施の形態について図面を参照して説明する。 なお、 以下の説 明において、 略同一の機能及び構成を有する構成要素につい ては、 同一符号を付し、 重複説明は必要な場合にのみ行う。
図 1 は本発明の実施の形態に係る縦型熱処理装置を示す縦 断側面図である。 この熱処理装置は、 主制御部 5 7 の制御下 で制御される、 縦型熱処理ュニッ ト 1 1 、 燃焼器 1 2 、 加熱 器 1 3 、 及ぴガス分配部 1 4 を有する。 この熱処理装置は、 ゥエツ ト酸化処理、 ドライ酸化処理、 及ぴ酸窒化処理を選択 的に行う こ と ができ る。 ウエッ ト酸化処理では、 燃焼器 1 2 によ り 水素ガス と酸素ガス と を燃焼させて水蒸気を生成し、 この水蒸気を用いてウェハを酸化処理する。 ドライ酸化処理 では、 加熱器 1 3 によ り 酸素ガス （酸化ガス） と塩化水素ガ ス （水素及び塩素を含む化合物ガス ： ゲッタ リ ングガス） と を加熱し、 こ のガスを用いてウェハを酸化処理する。 酸窒化 処理では、 加熱器 1 3 に よ り 一酸化二窒素ガス （酸窒化ガ ス） を加熱し、 このガスを用いてウェハを酸窒化処理する。
図 2 は図 1 図示の熱処理装置に用いられる処理ュニッ ト 1 1 を示す展開斜視図である。 図 1 及び図 2 に示すよ う に、 処 理ユニッ ト 1 1 は、 縦型の熱処理炉 2 を有する。 熱処理炉 2 には、 第 1 ガス供給管 4 1 を介してガス分配部 1 4が接続さ れる と共に、 排気管 2 0 を介して排気手段 1 5 が接続される 熱処理炉 2 内には、 ウェハ Wの支持具或いは保持具である ゥ ェハポー ト 3 が揷脱自在に配置される。 ウェハポー ト 3 は、 熱処理炉 2 の下部に配設されたウェハボー トエレベータ 3 0 によ り昇降される。
縦型の熱処理炉 2 は、 例えば石英よ り な り 且つ下端が開口 する縦型の反応管 （処理室） 2 1 を含む。 反応管 2 1 を囲む よ う に、 抵抗発熱体などからなる加熱手段である ヒータ 2 2 が配設される。 反応管 2 1 と ヒータ 2 2 と の間には均熱管 2 3 が配設される。 均熱管 2 3 は、 下端部において、 断熱体 2 に支持される。
反応管 2 1 内には、 上壁 2 1 a の少し下方側に多数のガス 穴 2 1 b を有するガス拡散板 2 1 c が配設される。 第 1 ガス 供給管 4 1 は、 断熱体 2 4 を外から貫通 し、 断熱体の 2 4 の 内側で L字に屈曲されて反応管 2 1 と均熱管 2 3 との間で垂 直に立ち上げられる。 第 1 ガス供給管 4 1 の先端部は、 反応 管 2 1 の上壁 2 1 a とガス拡散板 2 1 c との間の空間に突入 される。
ウェハボー ト 3 は、 図 2 に示すよ う に、 例えば天板 3 1 、 底板 3 2 、 及びその間を繋ぐ複数の支柱 3 3 を有する。 支柱 3 3 に上下方向に間隔をおいて複数の溝が形成され、 これら の溝にウェハ Wのエッジが揷入されるこ と によ り ウェハ Wが 水平に保持される。 ウェハボー ト 3 は、 反応管 2 1 の下端の 開 口部 2 5 を開閉する蓋体 3 4 の上に、 保温部材である例え ば保温筒 3 5 を介して载置される。 保温筒 3 5 はターンテー ブル 3 6 の上に載置され、 エレベータ 3 0 に設け られた駆動 部 Mによ り 回転軸 3 7 を介して回転される。 蓋体 3 4 はエ レ ベータ 3 0 に取付けられ、 エレベータ 3 0 が昇降する こ と に よ り 、 熱処理炉 2 に対して、 ウェハボー ト 3 の搬入出が行わ れる。
図 3 は図 1 図示の熱処理装置に用いられる燃焼器 1 2 を示 す断面図である。 燃焼器 1 2 は、 図 1 に示すよ う に、 縦型熱 処理ユニッ ト 1 1 の外において、 例えば石英よ り 構成された 第 1 ガス供給管 4 1 の上流側に接続される。 燃焼器 1 2 は、 図 3 に示すよ う に、 例えば透明石英製の内管 5 1 a及び外管 5 1 b からなる同心二重構造部 5 0 を有する。 内管 5 1 a の 内側に内側加熱空間 5 2 Aが形成され、 内管 5 1 a と外管 5 1 b と の間に外側加熱空間 5 2 Bが形成される。
内側加熱空間 5 2 Aは第 1 ガス導入管 7 1 にそのまま延長 された状態で連通する。 外側加熱空間 5 2 B は上流側が絞 り 込まれ、 その絞り 込み部から直角に伸びる第 2 ガス導入管 7 2 に連通する。 第 1 ガス導入管 7 1 から、 内側加熱空間 5 2 A、 第 1 ガス供給管 4 1 を介して反応管 2 1 に至るまでのガ ス流路と 、 第 2 ガス導入管 7 2 から、 外側加熱空間 5 2 B 、 第 1 ガス供給管 4 1 を介して反応管 2 1 に至るまでのガス流 路とは、 第 1 ガス流路に相当する。
外側加熱空間 5 2 Bの外周部には、 例えば螺旋状のカーボ ンワイヤヒータ 5 3 が配設され且つ筒状の断熱体 5 4 によ り 被覆される。 ヒータ 5 3 は、 例えば金属不純物の少ないカー ボンフ ァイバの束を複数束編み上げて形成された紐状体と 、 この紐状体を収納して封止する螺旋状の石英管と を有する。 ヒータ 5 3 は、 電力制御部 5 6 に接続された電力供給線 5 5 を介して印加される電圧によ り 発熱する。 電力制御部 5 6 は 例えば本熱処理装置を制御する主制御部 5 7 で指定された設 定加熱温度に対応する信号と 、 ヒータ 5 3 の近傍に設け られ た例えば熱電対からなる温度センサ 5 8 からの温度検出信号 と に基づいてヒータ 5 3 への通電量を制御する。
内側加熱空間 5 2 A及ぴ外側加熱空間 5 2 B は下流側の燃 焼室 5 9 に連通する。 処理ガス と して水素ガス及ぴ酸素ガス を用いて ゥエツ ト酸化を行う場合、 燃焼室 5 9 で水素ガス及 ぴ酸素ガスが燃焼反応を起こ して水蒸気が生成される。
図 4 は図 1 図示の熱処理装置に用いられる加熱器 1 3 を示 す断面図である。 加熱器 1 3 は、 図 1 に示すよ う に、 縦型熱 処理ュ-ッ ト 1 1 と燃焼器 1 2 と の間で第 1 ガス供給管 4 1 から分岐する、 例えば石英によ り構成された第 2 ガス供給管 4 2 の上流側に接続される。 加熱器 1 3 は、 第 2 ガス供給管 4 2 に接続された、 例えば透明石英からなる加熱室 6 1 を有 する。 加熱室 6 1 は、 例えば、 図 4 に示すよ う に、 処理ガス を導入する第 3 ガス導入管 7 3 の内径よ り も内径が大き く 且 つガスの通気方向に長手の円筒形状の加熱管によ り構成され る。 第 3 ガス導入管 7 3 から、 加熱室 6 1 、 第 2 ガス供給管 4 2 を介して反応管 2 1 に至るまでのガス流路は、 第 2 ガス 流路に相当する。
加熱室 6 1 内には、 加熱される こ と によ り 加熱媒体と して 機能する と共に、 通過するガスに対して通気抵抗を付与する 通気抵抗部材 6 2 が配設される。 通気抵抗部材 6 2 は、 石英 セラ ミ ッ ク等の多数のピース の集合体からなる。 本実施の形 態において、 通気抵抗部材 6 2 は、 多数の石英製ピース （例 えばビーズ） を融着する こ と に よ り形成される。 例えば、 第 2 ガス供給管 4 2 の内径が例えば 2 0 m mである場合、 加熱 室 6 1 の内径が例えば 6 O m n！〜 8 O m m、 通気方向の長さ が例えば 1 0 0 m m〜 2 0 0 m m程度であ り 、 加熱室 6 1 に 充填される各石英ピース の大き さは例えば Ψ 1 〜 φ 1 0程度 である。
加熱室 6 1 の外周囲には加熱手段をなすカーボンワイヤヒ ータ 6 3 が螺旋状に卷回される。 ヒータ 6 3 は、 例えば金属 不純物の少ないカーボンフ ァ イ バの束を複数束編み上げて形 成された紐状体と 、 こ の紐状体を収納して封止する螺旋状の 石英管と を有する。 図 4 において、 符号 6 4、 6 5 は、 ヒ ー タ 6 3への電力供給部及び端子を示す。
加熱室 6 1 と ヒータ 6 3 と は、 筒状の例えば高純度の酸化 ケィ素 （ S i O 2 ) の焼結断熱体よ り なるケーシング 6 0 に よ り 被覆される。 ケーシング 6 0 には、 例えばヒータ 6 3 に 沿って （通気方向に沿って） 、 冷媒例えば冷却水を通流させ るための冷却ジャケッ ト 6 6 が形成される。 冷却ジャケッ ト 6 6 には、 冷却水供給部 6 7 によ り 冷却水が供給される。 ケ 一シング 6 0 の内部の冷却ジャケッ ト 6 6 と ヒータ 6 3 と の 間には、 温度検出部 6 8例えば熱電対が配設される。 熱電対 6 8 によ り検出された当該内部の温度に基づいて、 主制御部 5 7 から供給量制御部 6 9 を介して電力供給部 6 4及び冷却 水供給部 6 7 に制御信号が出力 される。 これによ り 、 ヒータ 6 3 への電力供給量及び冷却ジャケッ ト 6 6 への冷却水供給 量が制御される。 即ち、 ヒータ 6 3 の加熱と冷却ジャケッ ト 6 6 の冷却と の相互作用によ り 、 加熱室 6 1 が所定の温度に 調整される。
加熱器 1 3 の加熱室 6 1 及ぴこれに充填された通気抵抗部 材 6 2 は、 通過するガスに対する熱交換部を形成する。 即ち 所定の温度に調整された加熱室 6 1 内に第 3 ガス導入管 7 3 よ り 処理ガスを導入して、 当該処理ガス と加熱された通気抵 抗部材 6 2 と を接触させ、 処理ガスを 3 0 0〜 1 1 0 0 °C、 典型的には 8 0 0 〜 1 0 0 0 °Cの所定の高温に予備加熱する こ とができ る。
燃焼器 1 2及ぴ加熱器 1 3 の上流側には、 図 1 に示すよ う に、 ガス分配部 1 4 が配設される。 即ち、 第 1 ガス導入管 7 1 、 第 2 ガス導入管 7 2 、 及ぴ第 3 ガス導入管 7 3 には、 開 閉用のバルブ V A、 バルブ V B、 バルブ V Cが夫々配設され る。 第 1 ガス導入管 7 1 は水素ガス源 8 1 に接続され、 その 途中にパルブ V 1 及ぴ流量調整部であるマス フ ロ ーコ ン ト 口 ーラ M F ,1 が配設される。 第 2 ガス導入管 7 2 は酸素ガス源 8 2 に接続され、 その途中にバルブ V 2及ぴ流量調整部であ るマスフ ローコ ン ト ローラ M F 2 が配設される。 第 3 ガス導 入管 7 3 は、 例えば 4本に分岐され、 窒素ガス源 8 3 、 一酸 化二窒素ガス源 8 4 、 塩化水素ガス源 8 5 、 酸素ガス源 8 6 に接続される。 4本に分岐管には、 バルブ V 3 、 V 4 、 V 5 V 6 及ぴマス フ ロ ー コ ン ト ローラ M F 3 、 M F 4 、 M F 5 、 M F 6 が夫々配設される。 なお酸素ガス源 8 2 、 8 6 は共通 と しても よい。
次に、 図 1 に示す熱処理装置の作用について説明する。 こ の装置によれば、 例えばシ リ コ ン層が表面に露出する被処理 基板である ウェハに対して、 ウエッ ト酸化処理、 ドライ酸化 処理、 及ぴ酸窒化処理等を選択的に実施でき る。 以下では、 ドライ酸化処理、 ゲッタ リ ング処理、 酸窒化処理、 ウエッ ト 酸化処理、 希釈ウエッ ト酸化処理について作用 と効果と を順 に説明する。
( ドライ酸化処理）
主制御部 5 7 で ドライ酸化処理を選択する こ と によ り 、 主 制御部 5 7 力ゝら、 処理ュニッ ト 1 1 、 燃焼器 1 2 、 加熱器 1 3 、 ガス分配部 1 4 に対して ドライ酸化処理用の操作信号が 送られる。
処理ユニッ ト 1 1 では、 多数枚、 例えば 2 5 〜 1 5 0枚の 被処理基板である半導体ウェハ Wを、 ウェハボー ト 3 に棚状 に保持させ、 ヒータ 2 2 によ り 予め所定の温度に加熱された 反応管 2 1 内に、 ウェハボー トエレベータ 3 0 によ り 搬入し 炉ロである開 口部 2 5 を蓋体 3 4 によ り 気密に閉 じる （図 1 の状態） 。 続いて、 所定のプロ セス温度、 例えば 8 0 0 °Cま で反応管 2 1 内を昇温して安定させる。
ウェハ Wを搬入する工程及ぴ反応管 2 1 内を昇温する工程 においては、 反応管 2 1 内にガス供給管 （図示せず） 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する。 反応 管 2 1 内がプ ロ セス温度になったな らばガスの供給を止め、 排気手段 1 5 によ り排気管 2 0 を介して反応管 2 1 内を排気 する。 これによ り 、 反応管 2 1 内を微減圧状態にし、 この状 態でウェハ Wの温度を安定させてから酸化処理を行う。
一方、 加熱器 1 3 はオン状態と され、 加熱室 6 1 内が、 例 えば 1 0 0 0 °Cの設定温度になる よ う に、 ヒ ータ 6 3 への電 力供給量及ぴ水冷ジャケッ ト 6 6への冷却水供給量が制御さ れる。 ガス分配部 1 4 では、 パルプ V 6 、 V 5 を開いて、 酸 素ガス及び塩化水素ガス を、 夫々マス フ ローコ ン ト ローラ M F 6 、 M F 5 によ り 所定の流量に調整された状態で、 例えば 1 0 s l m及ぴ 1 s l mの流量で、 加熱室 6 1 内に流入させ る。 この時、 燃焼器 1 2 はオフ状態と され、 燃焼器 1 2 の一 次側のバルブ V A、 バルブ V B は閉鎖される。
図 5 Aに示すよ う に、 処理ガスは、 加熱室 6 1 内の通気抵 抗部材 6 2 に接触しなが らそれらの隙間を均熱管通って通流 し、 こ こ を通る間に、 例えば 1 0 0 0 °C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、 微量な例えば数百 P p mオーダの水蒸気が生成される と考えられる。
2 H C 1 → H 2 + C 1 2
H 2 + l / 2 O 2 → H 2 0
こ う して加熱された処理ガスは、 第 2供給管 4 2及び第 1 ガス供給管 4 1 を介して熱処理炉 2 に供給される。 処理ガス は、 均熱管 2 3 の内側を通って加熱されなが ら上昇し、 反応 管 2 1 の上部に流入する。 更に、 処理ガスは、 ガス孔 2 1 b から反応管 1 1 内の処理領域に供給され、 下部の排気管 2 0 から排気される。 この間に、 処理ガスは棚状に保持されたゥ ェハ Wの間に入り 込み、 ウェハに対して所定の処理を行う 。 即ち、 塩素ガスによ り ウェハ表面の汚染金属が除去 （ゲッタ リ ング） される一方、 酸素ガスによ り ウェハ W表面のシリ コ ン層が酸化されてシ リ コ ン酸化膜が形成される。 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 酸化膜が成長する。
この処理の際、 加熱器 1 3 からの処理ガスは第 2 ガス供給 管 4 2及ぴ第 1 ガス供給管 4 1 を介して燃焼器 1 2 に回 り 込 む。 しかし、 燃焼器の第 1 ガス導入管 7 1 に設けたパルプ V A、 第 2 ガス導入管 7 2 に設けたバルブ V B を閉 じておけば 燃焼室 5 9 に入り 込むだけであ り 、 燃焼室 5 9 の上流側には 回 り 込むこ と はない。
こ の実施の形態に係る ドライ酸化処理によ り 、 形成された シ リ コ ン酸化膜は、 膜厚の面内均一性及び面間均一性の両者 において優れた特性を有する よ う になる。 こ の理由について は次のよ う に考えられる。 つま り 、 処理ガス （酸素ガス及ぴ 塩化水素ガス の混合ガス） は加熱器 1 3 で例えば 1 0 0 0 °C 付近に加熱されて活性化される こ と によ り加熱分解され、 こ こで微量な水蒸気と塩素とが生成される。 一旦処理ガス中に 生成された水蒸気や塩素は、 温度が低く なつ ても量が減る こ と はない。 このため、 加熱器 1 3 によ り 、 反応管 2 1 内のプ ロセス温度よ り も高い温度で水蒸気及ぴ塩素を生成しておく と、 処理ガスが二次側の第 2 ガス供給管 4 2 及ぴ第 1 ガス供 給管 4 1 を流れる間に多少冷えたと しても、 処理ガスの変化 は少ない。 このため、 その後反応管 2 1 内で処理ガスが加熱 されても、 処理ガスはそれ以上水蒸気を生成しない。
換言する と 、 加熱器 1 3 で処理ガスを活性化して、 十分に 加熱分解しておく こ と によ り 、 ウェハボー ト 3 に積まれてい る ウェハ Wの間に処理ガスが入り 込むと きには水蒸気及ぴ塩 素がいわば生成尽く されて しまっている。 このため、 ウェハ Wの周辺部から中央部に向かって流れる処理ガスに含まれる 水蒸気及ぴ塩素の量はどの位置でもほぼ同 じである。 その結 果、 ウェハボー ト 3 の上段に位置する ウェハ Wにおいても、 面内での水蒸気による成膜作用や塩素によるゲッタ リ ング作 用の程度がほぼ同じでとな り 、 膜厚の面内均一性が良好と な る。
更に、 従来技術では、 ウェハボー ト 3 の下段側に向かう ほ ど水蒸気及ぴ塩素の生成が進むこ 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良好と なる これに対して、 この実施の形態に係る ドライ酸化処理によれ ば、 加熱器 1 3 がない場合の下段側で生じる生成反応が上段 側で既に生成されてレ、る とい う こ とができ る。 このため、 ゥ ェハ Wの間での膜厚分布のばらつき も小さ く な り 、 膜厚の面 間均一性が良好となる。
なお、 厳密には前述のよ う にウェハ Wの周辺部よ り も中央 部の温度の方が高く 、 も と も と 中央部の膜厚が大き く なる傾 向にある。 しかし、 塩化水素ガス と酸素ガス と を加熱器 1 3 で加熱して ドライ酸化を行う と、 周辺部領域の膜が成長する 作用が働き、 結果と して膜厚の均一性が良好と なる。 この理 由については次のよ う に考えられる。 つま り 、 加熱器 1 3 で 得られた水蒸気や塩素は反応管 2 1 内では、 ウェハ Wの周辺 部側から中央部に向けて流れる。 このため、 処理ガスの濃度 は、 中央部に向かう ほど多少低く なる と考え られる。 これに よ り 、 周辺部における成膜やゲッタ リ ングの程度が大き く な り 、 周辺部の膜厚を盛り 上げる作用が働く 。
加熱器 1 3 を用いて処理ガスを加熱するため、 処理ガスを 十分に活性化するこ とができ る。 加熱器 1 3 では、 加熱室 6 1 を石英によ り 構成する と共に、 ヒータ 6 3 を特殊な構成と する こ と によ り 、 加熱室 6 1 を例えば 8 0 0 °C以上の高温に 加熱可能と している。 前述のよ う に、 ヒータ 6 3 は、 例えば 金属不純物の少ないカーボンフ ァイバの束を複数束編み上げ て形成された紐状体と、 この紐状体を収納して封止する螺旋 状の例えば石英管と を有する特殊な構造を有する。
加熱室 6 1 に通気抵抗部材 6 2 を設け、 処理ガスを通気抵 抗部材 6 2 に接触させて加熱するため、 効率良く 処理ガスの 温度が上昇する。 加熱室 6 1 内には通気抵抗部材 6 2 が充填 されるため、 処理ガスは通気抵抗部材 6 2 と接触しなが ら加 熱室 6 1 内を通流し、 処理ガス の滞留時間が長く なる。 処理 ガスは、 ヒ ータ 6 3 によ り加熱された処理ガス 自体の対流に よる加熱と、 通気抵抗部材 6 2 からの伝熱によ る加熱との組 み合わせによ り 加熱される。
通気抵抗部材 6 2 と して、 例えば、 φ 1 〜 φ 1 0程度の大 き さ の石英製ピース （例えばビーズ） が使用 される。 石英製 ピース 6 2全体の表面積が大きいので、 大きい伝熱表面積を 確保でき、 効率よ く 処理ガスを昇温させる こ とができる。 加 熱室 6 1 と第 2 ガス供給管 4 2 とが接続されるため、 加熱室 6 1 で十分に活性化された処理ガスが高温状態を保ったまま 第 2 ガス供給管 4 2 に供給される。 これによ り 、 処理ガスが 高い活性度を保持した状態で反応管 2 1 に供給されるため、 既述のよ う に膜厚の面内均一性及び面間均一性の良好な処理 を行う こ とができ る。
(ゲッタ リ ング処理）
ゲッタ リ ング処理と はウェハ表面の汚染金属を除去するた めに行われる処理である。 主制御部 5 7 でゲッタ リ ング処理 を選択する こ と によ り 、 主制御部 5 7 力ゝら、 処理ユニッ ト 1 1 、 燃焼器 1 2 、 加熱器 1 3 、 ガス分配部 1 4 に対してゲッ タ リ ング処理用の操作信号が送られる。
処理ユニッ ト 1 1 では、 多数枚のウェハ Wを、 ウェハボー ト 3 に棚状に保持させ、 ヒ ータ 2 2 によ り 予め所定の温度に 加熱された反応管 2 1 内に、 ウェハポー トエ レベータ 3 0 に よ り搬入し、 炉ロである開 口部 2 5 を蓋体 3 4 によ り気密に 閉 じる （図 1 の状態） 。 続いて、 所定のプロセス温度、 例え ば 9 0 0 °Cまで反応管 2 1 内を昇温して安定させる。
一方、 加熱器 1 3 はオン状態と され、 加熱室 6 1 内が、 例 えば 1 0 0 0 °Cの設定温度になる よ う に、 ヒータ 6 3への電 力供給量及ぴ水冷ジャケッ ト 6 6 への冷却水供給量が制御さ れる。 ガス分配部 1 4 では、 バルブ V 6 、 V 5 を開いて、 微 量な酸素ガス及ぴ塩化水素ガスを、 夫々マスフローコン ト ロ ーラ M F 6 、 M F 5 によ り 所定の流量に調整された状態で、 ί列えば 0 . 0 1 〜 1 3 1 111及ぴ 0 . 0 1 〜 l s l mの流量で 加熱室 6 1 内に流入させる。 こ の時、 燃焼器 1 2 はオフ状態 と され、 燃焼器 1 2 の一次側のパルプ V A、 パルプ V B は閉 鎖される。
図 5 B に示すよ う に、 処理ガスは、 加熱室 6 1 内の通気抵 抗部材 6 2 に接触しなが らそれらの隙間を均熱管通って通流 し、 こ こ を通る間に、 例えば 1 0 0 0 付近に加熱される。 これによ り 、 塩化水素ガス と酸素ガス と が反応して、 塩化水 素ガス と塩素ガス とが混在した状態と なる。 こ う して加熱さ れた処理ガスは、 第 2供給管 4 2及び第 1 ガス供給管 4 1 を 介して熱処理炉 2 に供給される。 反応管 2 1 内において、 処 理ガスは棚状に保持されたウェハ Wの間に入 り 込み、 ウェハ に対して所定の処理を行 う 。 即ち、 塩化水素ガス及び塩素ガ スによ り ウェハ表面の汚染金属が除去 （ゲッタ リ ング） され る。 こ う して所定のゲッタ リ ング処理を行った後、 続いて例 えばゥエツ ト酸化処理を行う 。
こ の実施の形態に係るゲッタ リ ング処理によれば、 加熱器 1 3 の中で塩化水素ガス と酸素ガス とが十分に加熱されて活 性化されるため、 塩化水素と酸素ガスの反応が十分に起こ る このため、 反応生成物である塩化水素、 塩素及び微量の水蒸 気が混在した状態とな り 、 ゲッタ リ ング効果が大き く 、 これ によ り ウェハ表面の金属の除去効率が向上する。 従って、 続 いてゥエツ ト酸化処理を行う 場合には、 金属が除去されたゥ ェハ表面に酸化膜が形成されるため、 良質な膜を得る こ と が でき る。 (酸窒化処理）
主制御部 5 7 で酸窒化処理を選択する こ と によ り 、 主制御部
5 7 力 ら、 処理ユニッ ト 1 1 、 燃焼器 1 2 、 加熱器 1 3 、 ガ ス分配部 1 4 に対して酸窒化処理用の操作信号が送られる。
処理ユニ ッ ト 1 1 では、 多数枚のウェハ Wを、 ウェハボー ト 3 に棚状に保持させ、 ヒータ 2 2 によ り 予め所定の温度に 加熱された反応管 2 1 内に、 ウェハボー トエ レベータ 3 0 に よ り搬入し、 炉ロである開口部 2 5 を蓋体 3 4 によ り 気密に 閉 じる （図 1 の状態） 。 続いて、 所定のプロセス温度、 例.え ば 8 0 0 °Cまで反応管 2 1 内を昇温して安定させる。
一方、 加熱器 1 3 はオン状態と され、 加熱室 6 1 内が、 例 えば 9 0 0 °C〜 1 0 0 0 °Cの設定温度になる よ う に、 ヒータ
6 3への電力供給量及び水冷ジャケッ ト 6 6への冷却水供給 量が制御される。 ガス分配部 1 4 では、 バルブ V 4 を開いて —酸化二窒素ガスを、 マス フ ロ ー コ ン ト ローラ M F 4 によ り 所定の流量に調整された状態で、 例えば 1 〜 1 0 s 1 mの流 量で、 加熱室 6 1 内に流入させる。 こ の時、 燃焼器 1 2 はォ フ状態と され、 燃焼器 1 2 の一次側のパルプ V A、 パルプ V Bは閉鎖される。
図 5 Cに示すよ う に、 一酸化二窒素ガスは、 加熱室 6 1 内 の通気抵抗部材 6 2 に接触しなが らそれらの隙間を均熱管通 つて通流し、 こ こを通る間に設定温度付近に加熱される。 こ れによ り 、 一酸化二窒素ガスは分解温度に近い温度まで予備 加熱され、 反応管 2 1 内に流入する とすぐに分解される程度 まで活性化される。 図 5 C において、 N 2 O * は N 2 Oが活 性化された状態を示す。 こ う して活性化された一酸化二窒素 ガスは、 反応管 2 1 内に入り 、 ウェハ Wのシ リ コ ン層を酸化 及ぴ窒化し、 窒素が混入されたシリ コ ン酸化膜が形成される . こ の実施の形態に係る酸窒化処理によれば、 形成された窒 素含有のシ リ コ ン酸化膜は、 膜厚の面内均一性及び面間均一 性の両者において優れた特性を有する様になる。 この理由に ついては次のよ う に考え られる。 つま り 、 一酸化二窒素ガス は加熱器 1 3 で例えば 9 0 0で〜 1 0 0 0 °C付近に加熱され 予め分解寸前の状態まで活性化される。 このため、 反応管 2 1 内に入ってウェハボー ト 3 の上段側に到達したと きには既 に分解が相当進んでいる。 たと え、 反応管 2 1 の温度が低温 度であっても、 一酸化二窒素ガスは十分に活性化され、 シリ コ ン酸化膜中に窒素を高濃度で ドープさせる こ とができ る。
こ の時、 一酸化二窒素ガスは、 ウェハ Wの周辺部から 中央 部に向かって流れる と き に周辺部と 中央部と における分解の 程度の差がほとんどない。 また、 一酸化二窒素の分解によ り 生成される活性種の量はどの位置でもほぼ同 じか或いはそれ 程変わらない。 これによ り ウェハボー ト 3 の上段に位置する ウェハ Wにおいても膜厚の面内均一性が良好と なる。 また、 この実施の形態に係る酸窒化処理によれば、 加熱器 1 3 がな い場合の下段側で生じる生成反応が上段側で既に生成されて いる とい う こ とができ る。 このため、 ウェハ Wの間での膜厚 分布のばらつき も小さ く な り 、 膜厚の面間均一性が良好と な る。
こ のよ う に、 この実施の形態に係る酸窒化処理によれば、 反応管 2 1 の温度が低温度であっても、 窒素を高濃度で ドー プさせ且つ膜厚の面内均一性及ぴ面間均一性を高める こ と が でき る。
(ゥエツ ト酸化処理）
主制御部 5 7 でウエ ッ ト酸化処理を選択する こ と によ り 、 主制御部 5 7 から、 処理ュエツ ト 1 1 、 燃焼器 1 2 、 加熱器 1 3 、 ガス分配部 1 4 に対して ゥエツ ト酸化処理用の操作信 号が送られる。
処理ユニッ ト 1 1 では、 多数枚のウェハ Wを、 ウェハボー ト 3 に棚状に保持させ、 ヒータ 2 2 によ り 予め所定の温度に 加熱された反応管 2 1 内に、 ウェハボー トエ レベータ 3 0 に よ り搬入し、 炉ロである開口部 2 5 を蓋体 3 4 によ り 気密に 閉 じる （図 1 の状態） 。 続いて、 所定のプロセス温度、 例え ば 9 0 0 °Cまで反応管 2 1 内を昇温して安定させる。
一方、 燃焼器 1 2 はオン状態と され、 加熱空間 5 2 A、 5 2 B内が、 例えば 9 0 0 〜 9 5 0 °Cの設定温度になる よ う に ヒータ 5 3 への電力供給量が制御される。 ガス分配部 1 4 で は、 パルプ V 1 、 V 2 を開いて、 水素ガス及ぴ酸素ガスを、 夫々マスフ ローコ ン ト ローラ M F 1 、 M F 2 によ り所定の流 量に調整された状態で、 例えば 3 〜 1 0 s 1 m及び 3 〜 1 0 s l mの流量で、 燃焼器 1 2 内に流入させる。 加熱器 1 3 は オフ状態と され、 従って、 ヒータ 6 3への電力供給及び冷却 ジャケッ ト 6 6 への冷却水供給は行われない。 しかし、 ガス 分配部 1 4 では、 バルブ V 3 を開いて、 窒素ガスを、 マス フ ローコン ト ローラ M F 3 によ り 所定の流量に調整された状態 で、 例えば 5 0 s c c m〜 5 0 0 s c c mの流量で、 力卩熱室 6 1 内に流入させる。 なお、 窒素ガスに代えて酸素ガスを加 熱室 6 1 内に流入させても よい。
図 6 Aに示すよ う に、 水素ガス及ぴ酸素ガスは、 夫々燃焼 器 1 2 の内側加熱空間 5 2 A及ぴ外側加熱空間 5 2 B で加熱 され、 燃焼室 5 9 で酸素ガス の一部と水素ガス と の燃焼反応 が起こ り 水蒸気が生成される。 こ う して生成された酸素ガス と水蒸気と は、 第 1 ガス供給管 4 1 を介して熱処理炉 2 に供 給される。 また、 加熱器 1 3 を通過した微量な窒素ガスも第 2 ガス供給管 4 2及び 1 第 1 ガス供給管 4 1 を介して熱処理 炉 2 に供給される。 反応管 2 1 内において、 これらが混合さ れた処理ガスは、 棚状に保持されたウェハ Wの間に入 り込み ウェハに対して所定の処理を行う。 即ち、 酸素ガス及ぴ水蒸 気によ り ウェハ表面のシリ コ ン層が酸化されてシ リ コ ン酸化 膜が形成される。
こ の実施の形態に係る ウエッ ト酸化処理によれば、 燃焼器 1 2 で酸素ガスの一部と水素ガス との燃焼反応が十分に起こ り 、 水蒸気が生成尽く された状態で反応管 2 1 に供給される このため、 ウェハ Wの周辺部から中央部に向かって流れる処 理ガスに含まれる水蒸気及び酸素の量はどの位置でも ほぼ同 じである。 ウェハ Wの面内での水蒸気及ぴ酸素の供給の程度 がほぼ同 じであるため、 プロセス温度の低温化を図った場合 であっても、 膜厚の面内均一性が良好と なる。
こ の時、 加熱器 1 3 に窒素ガスを供給しているため、 燃焼 器 1 2 から加熱器 1 3へのガスの回 り 込みを防止する こ とが でき る。 つま り 、 第 2 ガス供給管 4 2 は石英によ り構成され 加熱器 1 3 で処理ガスの加熱を行う場合にはかな り の高温に なるため、 ガス の供給及ぴ停止を行 う ためのパルプを設ける こ とができない。 このため、 加熱器 1 3側からガスを流さな い と、 燃焼器 1 2 で発生した水蒸気がガス供給管 4 2 を通 じ て加熱室 6 1 内に入り 込んできて しま う。 加熱室 6 1 内に充 填された通気抵抗部材 6 2 に水蒸気が一旦吸着される と、 水 蒸気は除去されにく い。 こ の状態で後の工程で ドライ酸化処 理を行 う とする と、 反応管 2 1 内に供給される水蒸気量が変 化して処理の再現性が悪化し、 結果と して膜厚の面内均一性 が低下する。 このため、 燃焼器 1 2 から加熱器 1 3へのガス の回 り 込みを防止する こ と は有用である。
(希釈ゥエツ ト酸化処理）
希釈ゥエツ ト酸化処理と は、 既述のゥエツ ト酸化処理の酸 素と水蒸気と を含む処理ガスを微量の窒素ガスによ り 希釈し た状態で反応管 2 1 内に供給する処理である。 主制御部 5 7 で希釈ゥエツ ト酸化処理を選択する こ と によ り 、 主制御部 5 7 力、ら、 処理ユニッ ト 1 1 、 燃焼器 1 2 、 加熱器 1 3 、 ガス 分配部 1 4 に対して希釈ゥエツ ト酸化処理用の操作信号が送 られる。
処理ユニッ ト 1 1 では、 多数枚のウェハ Wを、 ウェハボー ト 3 に棚状に保持させ、 ヒータ 2 2 によ り 予め所定の温度に 加熱された反応管 2 1 内に、 ウェハボー トエ レベータ 3 0 に よ り搬入し、 炉ロである開 口部 2 5 を蓋体 3 4 によ り 気密に 閉 じる （図 1 の状態） 。 続いて、 所定のプロ セス温度、 例え ば 8 5 0 °Cまで反応管 2 1 内を昇温して安定させる。
一方、 燃焼器 1 2 はオン状態と され、 加熱空間 5 2 A、 5 2 B 内が、 例えば 9 0 0 〜 9 5 0 °Cの設定温度になる よ う に ヒ ータ 5 3 への電力供給量が制御される。 ガス分配部 1 4 で は、 パルプ V 1 、 V 2 を開いて、 水素ガス及ぴ酸素ガスを、 夫々マスフローコ ン ト ローラ M F 1 、 M F 2 によ り 所定の流 量に調整された状態で、 例えば 3 s 1 m及ぴ 3 s 1 mの流量 で、 燃焼器 1 2 内に流入させる。 加熱器 1 3 もオン状態と さ れ、 加熱室 6 1 内が、 例えば 1 0 0 0 °Cの設定温度になる よ う に、 ヒータ 6 3 への電力供給量及び水冷ジャケッ ト 6 6 へ の冷却水供給量が制御される。 ガス分配部 1 4 では、 パルブ V 3 を開いて、 窒素ガスを、 マスフ ローコ ン ト ローラ M F 3 によ り所定の流量に調整された状態で、 例えば 1 5 s 1 mの 流量で、 加熱室 6 1 内に流入させる。
図 6 B に示すよ う に、 窒素ガスは、 加熱室 6 1 内の通気抵 抗部材 6 2 に接触しなが らそれらの隙間を均熱管通って通流 し、 こ こを通る間に、 例えば 1 0 0 0 °C付近に加熱される。 こ う して予備加熱された窒素ガスは、 第 2供給管 4 2 を介し て第 1 ガス供給管 4 1 に供給され、 こ こで燃焼器 1 2 からの 酸素ガス と水蒸気と を含む処理ガス と混合される。 これによ り 、 処理ガスは窒素ガスによ り 希釈された状態で熱処理炉 2 に供給される。 反応管 2 1 内において、 これらが混合された 処理ガスは、 棚状に保持されたウェハ Wの間に入り 込み、 ゥ ェハに対して所定の処理を行 う。 即ち、 酸素ガス及び水蒸気 によ り ウェハ表面のシリ コ ン層が酸化されてシ リ コ ン酸化膜 が形成される。
こ の実施の形態に係る希釈ゥエツ ト酸化処理によれば、 窒 素ガスが加熱器 1 3 で十分に予備加熱されてから、 酸素ガス と水蒸気と を含む処理ガスに混合される。 このため窒素ガス の混合によ り 処理ガスの温度が低下する とい う事態が発生せ ず、 結果と して膜厚の面内均一性の良好な処理を行う こ と が でき る。
つま り 、 従来のよ う に窒素ガスを加熱しない状態で処理ガ スに混合する と 、 処理ガスの温度が低下する。 温度が低下し た処理ガス を反応管 2 1 内に供給して処理を行う と 、 ウェハ Wの周辺部付近の膜厚が薄く なる という傾向がある。 これに 対して、 こ の実施の形態に係る希釈ゥエツ ト酸化処理のよ う に、 予め加熱器 1 3 で窒素ガスを十分に予備加熱しておけば、 処理ガスの温度低下が抑え られ、 膜厚の面内均一性の低下を 防止する こ と ができ る。
上述のよ う に、 図 1 図示の熱処理装置においては、 燃焼器 1 2 と加熱器 1 3 とが並列して配設される。 このため、 燃焼 器 1 2 を利用 したゥエツ ト酸化処理 ； 加熱器 1 3 を利用 した ドライ酸化処理、 酸窒化処理、 及びゲッタ リ ング処理 ； 燃焼 器 1 2及ぴ加熱器 1 3 の両者を利用 した希釈ゥエツ ト酸化処 理を選択的に行 う こ とができ る。 しかも、 各処理においては、 夫々 良好な結果を得る こ とができ る。
燃焼器 1 2 のみを有する ゥエツ ト酸化処理装置を用いても、 燃焼器 1 2 で酸素ガス と塩化水素ガス と を加熱する こ と によ り 、 ゥエツ ト酸化処理と ドライ酸化処理と を行 う こ とができ る。 しかし、 加熱された酸素ガスが燃焼器 1 2 の後段の燃焼 室 5 9 を通過する際に冷えて しま う ので、 熱処理炉 2 に供給 される と きの酸素ガスの活性度が低い。 その結果、 膜厚の面 内均一性の良好な処理を行う こ と は困難である。
これに対して図 1 図示の熱処理装置によれば、 加熱器 1 3 で加熱された酸素ガスの活性度を保ちなが ら熱処理炉 2 に供 給する こ とができる。 このため、 既述のよ う に高い膜厚の面 内均一性を確保する こ とができ る。
また、 図 1 図示の熱処理装置によれば、 1 台の熱処理装置 によ り 種々 のプロセスを良好に行う こ とができ る。 このため プロセスの選択の幅が広く な り 、 コス ト及ぴスペース効率の 点で有利である。 更に、 1 台の熱処理装置によ り 上述の処理 を行 う こ と ができ るため、 反応管 2 1.内にウェハを収納した まま、 下記のよ う な態様で、 複数の処理を連続して行う こ と ができる。
ゲッタ リ ング処理と ゥエツ ト酸化処理と を組み合わせる場 合、 反応管 2 1 内にウェハ Wを収納したまま、 先ずゲッタ リ ング処理を行い、 続いてゥエツ ト酸化処理を連続して行 う。 この場合、 ゲッタ リ ング処理によ り ウェハ表面の金属が除去 され、 この状態でウエッ ト酸化膜の形成が行われるため、 良 質な膜を形成するこ とができ る。
ゥエツ ト酸化処理と ドライ酸化処理と を組み合わせてゲー ト酸化膜を形成する場合、 両処理を交互に連続して行う こ と ができ る。 この場合、 反応管 2 1 内にウェハ Wを収納したま ま、 先ずウエッ ト酸化処理を行い、 次に反応管 2 1 内を例え ば窒素ガスでパージし、 次に ドライ酸化処理を行い、 更に、 反応管 2 1 内を例えば窒素ガスでパージし、 再びゥエツ ト酸 化処理を行う 。 このよ う に して、 ウエッ ト酸化処理と ドライ 酸化処理と を交互に行う こ と が可能と なる。 なお、 ウエッ ト 酸化処理と ドライ酸化処理と を組み合わせる場合、 同 じ時間 帯で同時にこれらの処理を行 う よ う に しても よい。
同様に、 ウエッ ト酸化処理と酸窒化処理、 或いはウエッ ト 酸化処理と ドライ酸化処理と酸窒化処理と を連続して行 う こ と もでき る。 こ の後者の場合、 反応管 2 1 内にウェハ Wを収 納したまま、 先ずウエッ ト酸化処理を行い、 次に反応管 2 1 内を例えば窒素ガスでパージし、 次に ドライ酸化処理を行い . 更に、 反応管 2 1 内を例えば窒素ガスでパージし、 最後に酸 窒化処理を行 う。
ドライ酸化処理やゲッタ リ ング処理に用いられるガス と し ては、 塩化水素ガスに代えて、 ジク ロルエチレンガス （ C 2 H 2 C 1 2 ) な どの、 水素及ぴ塩素を含む他の化合物ガスを 用いる こ とができ る。 加熱器 1 3 に設ける通気抵抗部材 6 2 と しては、 実施の形態のものに代えて、 多数の通気穴のあい た複数の通気板を流路を塞ぐよ う に通気方向に並べた構造を 用いる こ と もでき る。
第 2 ガス供給管 4 2 は、 加熱室 5 1 の下流側の部分におい て二重管と して構成する こ と ができ る。 この場合、 ガスが通 気する内管と外気と の間に外管が介在し、 内管が外気と接触 しない。 このため、 加熱された処理ガスが内管内を通気して いく 際の放熱量が小さ く な り 、 加熱によ り 活性化された状態 を保持したまま処理ガスを第 1 ガス供給管 4 1 に導入する こ と ができ る。
加熱器 1 3 と反応管 2 1 と の間の第 2供給管 4 2 にオリ フ イ ス （管径が急激に狭く なつている部分） を形成する よ う に しても よい。 オリ フ ィ スでは圧力損失が生じるため、 処理室 内で減圧プロセスを行う 場合であっても、 加熱室 6 1 内の減 圧の程度が小さ く なる。 この場合、 減圧プロセス においても 加熱室 6 1 内の対流が妨げられる程度が小さ く 、 また加熱室 6 1 内の処理ガスの分圧も大き く なる。 このため、 オリ フ ィ ス を設けない場合に比べて、 加熱室 6 1 内における処理ガス の対流によ る熱伝導が起こ り やすく 、 処理ガスを十分所定温 度まで加熱する こ とができ る。
[実験]
( ドライ酸化処理）
上述の実施の形態の （ ドライ酸化処理） の項で記載した処 理条件に沿って実験を行った。 本発明の実施の形態に係る実 施例と して、 加熱器 1 3 で処理ガスの加熱を行いなが ら （加 熱器 1 3 の ヒータ 6 3 をオンに して） 、 ドライ酸化処理を行 つた。 こ こで、 処理時間を 9 0分と して、 膜厚が 1 0 n mの シ リ コン酸化膜を形成した。 また、 比較例と して、 処理ガス の加熱を行わない （加熱器 1 3 のヒータ 6 3 をオフにして） 点を除いて同 じ処理条件で、 ドライ酸化処理を行った。
図 7 A、 B は図 1 図示の熱処理装置を用いて ドライ酸化処 理を行った場合の実験結果である面間均一性及ぴ面内均一性 を夫々示す特性図である。 図 7 Aにおいて、 横軸が膜厚の面 間均一性の平均値を、 縦軸が加熱器 1 3 の加熱の有無を夫々 示す。 図 7 B において、 横軸が膜厚の面内均一性の平均値を . 縦軸がウェハボー ト 3上のウェハ Wの位置を夫々示す。 図 7 A、 Bにおいて、 ハッチングを付したカラムは処理ガスのカロ 熱を行った場合、 ハッチングの無いカラムは処理ガスの加熱 を行わない場合を夫々示す。
膜厚の面間均一性及び面内均一性は、 共に数値が小さい程 均一性が高いこ と を意味する。 図 7 Aに示すよ う に、 処理ガ スの加熱を行った場合は、 加熱を行わない場合よ り も、 面間 均一性の平均値が小さかった。 即ち、 加熱器 1 3 で処理ガス の加熱を行う こ と によ り 、 面間均一性が向上する こ とが確認 された。 図 7 B に示すよ う に、 処理ガスの加熱を行った場合 は、 加熱を行わない場合よ り も、 ウェハボー トの上段側、 中 段側、 下段側の何れの位置においても、 面内均一性の平均値 が小さかった。 即ち、 加熱器 1 3 で処理ガスの加熱を行う こ と によ り 、 ウェハボー ト上の何れの位置においても、 面内均 一性が向上する こ とが確認された。
(酸窒化処理）
上述の実施の形態の （酸窒化処理） の項で記載した処理条 件に沿って実験を行った。 本発明の実施の形態に係る実施例 と して、 加熱器 1 3 で処理ガスの加熱を行いなが ら （加熱器 1 3 のヒータ 6 3 をオンにして） 、 酸窒化処理を行った。 こ こで、 反応管 2 1 内のプロセス温度を 8 0 0 °C、 プロセス圧 力を 9 3 . l k P a 、 加熱器 1 3 の温度を 1 0 0 0 °C、 一酸 化二窒素ガスの流量を 5 s 1 mと した。 そして、 処理時間を 7 . 5分と して、 膜厚が 2 . 5 n mの窒素を含むシリ コ ン酸 化膜を形成した。 また、 比較例と して、 処理ガスの加熱を行 わない （加熱器 1 3 のヒータ 6 3 をオフにして） 点を除いて 同 じ処理条件で、 酸窒化処理を行った。
図 8 A、 B は図 1 図示の熱処理装置を用い且つ夫々加熱器 をオン及びオフ して酸窒化処理を行った場合の実験結果を示 す特性図である。 図 8 A、 B において、 横軸が膜の深さ、 縦 軸が膜中の窒素濃度を夫々示す。
図 8 A、 Bに示すよ う に、 一酸化二窒素ガス の加熱を行つ た場合は、 加熱を行わない場合よ り も、 膜中の窒素濃度が格 段に大き く なつた。 即ち、 加熱器 1 3 で一酸化二窒素ガスの 加熱を行う こ と によ り 、 高濃度の窒素が含有されたシリ コ ン 酸化膜を形成できる こ とが確認された。
(希釈ゥェッ ト酸化処理）
上述の実施の形態の （希釈ゥエツ ト酸化処理） の項で記載 した処理条件に沿って実験を行った。 本発明の実施の形態に 係る実施例と して、 加熱器 1 3 で窒素ガスの加熱を行いなが ら （加熱器 1 3 のヒータ 6 3 をオンに して） 、 希釈ウエッ ト 酸化処理を行った。 こ こ で、 ウェハボー ト 3 を回転させずに 処理を行い、 膜厚が 6 n mのシ リ コ ン酸化膜を形成した。 ま た、 比較例と して、 窒素ガスの加熱を行わない （加熱器 1 3 のヒータ 6 3 をオフにして） 点を除いて同 じ処理条件で、 希 釈ゥエツ ト酸化処理を行った。
図 9 は図 1 図示の熱処理装置を用いて希釈ゥエツ ト酸化処 理を行った場合の実験結果を示す特性図である。 図 9 におい て、 横軸がウェハポー ト 3 上のウェハ Wの位置、 縦軸が面内 均一性を夫々示す。 また、 図 9 において、 「〇」 は窒素ガス の加熱を行った場合、 「 X」 は窒素ガスの加熱を行わない場 合を夫々示す。
図 9 に示すよ う に、 窒素ガスの加熱を行った場合は、 加熱 を行わない場合よ り も、 ウェハボー ト の上段側、 中段側、 下 段側の何れの位置においても、 面内均一性の平均値が小さか つた。 即ち、 加熱器 1 3 で窒素ガスの加熱を行 う こ と によ り 膜厚の面内均一性が向上する こ とが確認された。
本願発明は、 上記各実施の形態に限定される ものでなく 、 実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々 に変更する こ とが可能である。 また、 各実施の形態は可能な限り適宜組み 合わせて実施しても よ く 、 その場合組み合わされた効果が得 られる。

Claims

求 の 範 囲
1 . 半導体処理用の熱処理装置であって、
被処理基板を収納する処理室と、
前記処理室内に配設された、 前記被処理基板を支持する支 持部材と、
前記処理室内に収納された前記被処理基板を加熱する ヒ ー タ と 、
前記処理室内を排気するための排気系と、
前記処理室内に処理ガスを供給するための供給系と、 を具備し、
前記供給系は、
前記処理室外に配設された燃焼室を有する燃焼器と、 前記 燃焼器は水素ガス及ぴ酸素ガスを前記燃焼室内で反応させて 水蒸気を生成して前記処理室に供給する こ と と 、
前記処理室外に配設された加熱室を有する加熱器と、 前記 加熱器は前記燃焼室を通過しないガスを活性化する温度以上 に前記加熱室内で選択的に加熱して前記処理室に供給する こ と と 、
前記燃焼室に水素ガス及び酸素ガス を選択的に供給する と 共に、 前記加熱室に反応性ガス及び不活性ガスを選択的に供 給するガス分配部と、
を具備する。
2 . 前記燃焼器及び前記加熱器を選択的に使用する よ う に 前記燃焼器、 前記加熱器、 及び前記ガス分配部を制御する制 御部を更に具備する請求の範囲 1 に記載の装置。
3 . 前記ガス分配部は、 前記燃焼器から前記処理室に前記 水蒸気を供給する際に、 前記水蒸気が前記加熱室に進入する のを防ぐよ う に、 前記加熱室を通して前記処理室に不活性ガ スを供給する請求の範囲 1 に記載の装置。
4 . 前記加熱器は前記加熱室内のガスを 3 0 0 〜 1 1 0 0 °Cに加熱する請求の範囲 1 に記載の装置。
5 . 前記加熱器は前記加熱室内に配設されて加熱される通 気抵抗部材を有する請求の範囲 1 に記載の装置。
6 . 前記通気抵抗部材は、 石英、 セラ ミ ックからなる群か ら選択された材料から実質的になる多数のピースを具備する 請求の範囲 5 に記載の装置。
7 . 前記ガス分配部は、 前記反応性ガス と して酸化ガス、 酸窒化ガス、 及び水素及び塩素を含む化合物ガスを選択的に 供給する請求の範囲 1 に記載の装置。
8 . 前記ガス分配部は、 前記不活性ガス と して窒素ガスを 供給する請求の範囲 1 に記載の装置。
9 . 前記供給系は、 前記処理室に接続された共通入口管を 具備し、 前記燃焼室及び前記加熱室は前記共通入口管に接続 される請求の範囲 1 に記載の装置。
1 0 . 前記加熱室は石英によ り 構成され、 前記加熱室を包 囲する よ う に加熱部材が配設され、 前記加熱部材は低金属不 純物の抵抗発熱体と これを封止する絶縁性の封止体と を具備 する請求の範囲 1 に記載の装置。
1 1 . 前記抵抗発熱体は高純度の炭素素材を編むこ と によ り 形成された紐状体からなる請求の範囲 1 0 に記載の装置。
1 2 . 前記封止体抵は石英、 セラ ミ ックからなる群から選 択された材料から実質的になる請求の範囲 1 0 に記載の装置
1 3 . 前記支持部材は、 前記処理室内において、 複数の被 処理基板を垂直方向に間隔をおいて一緒に支持する請求の範 囲 1 に記載の装置。
1 4 . 半導体処理用の熱処理装置であって、
被処理基板を収納する処理室と、
前記処理室内に配設された、 前記被処理基板を支持する支 持部材と、
前記処理室内に収納された前記被処理基板を加熱する ヒ ー タ と 、
前記処理室内を排気するため の排気系 と、
前記処理室内に処理ガスを供給するための供給系と、 を具備し、
前記供給系は、
前記処理室外に 設された燃焼室を有する燃焼器と、 前記 燃焼器は水素ガス及び酸素ガスを前記燃焼室内で反応させて 水蒸気を生成して前記処理室に供給する こ と と 、
前記処理室外に配設された加熱室を有する加熱器と、 前記 加熱器は前記燃焼室を通過しないガスを前記加熱室内で選択 的に加熱して前記処理室に供給する こ と と、
前記燃焼室に水素ガス及ぴ酸素ガスを選択的に供給する と 共に、 前記加熱室に酸化ガス 、 酸窒化ガス 、 水素及ぴ塩素を 含む化合物ガス、 及ぴ不活性ガスを選択的に供給するガス分 配部と、 前記燃焼器及び前記加熱器を選択的に使用する よ う に、 前 記燃焼器、 前記加熱器、 及び前記ガス分配部を制御する制御 部と、
を具備する。
1 5 . 前記加熱器は前記加熱室内のガスを 3 0 0 〜 1 1 0 0 °Cに加熱する請求の範囲 1 4 に記載の装置。
1 6 . 半導体処理用の熱処理方法であって、
処理室内に被処理基板を収納する工程と、
前記処理室内に収納された前記被処理基板を加熱する工程 と、
前記処理室外に配設された燃焼室を有する燃焼器によ り水 素ガス及ぴ酸素ガス を反応させて水蒸気を生成しながら前記 処理室に供給する こ と によ り 、 前記被処理基板を酸化して酸 化膜を形成する ゥエツ ト酸化処理を行う 工程と 、
前記処理室外に配設された加熱室を有する加熱器によ り反 応性ガスを活性化する温度以上に加熱しなが ら前記処理室に 供給する こ と によ り 、 前記被処理基板に対してウエッ ト酸化 処理以外の第 1 処理を行 う工程と、
を具備する。
1 7 . 前記反応性ガスは酸化ガス と水素及ぴ塩素を含む化 合物ガス と を含み、 前記第 1 処理は前記被処理基板を酸化し て酸化膜を形成する ドライ酸化処理である請求の範囲 1 6 に 記載の方法。
1 8 . 前記反応性ガスは酸化ガス と水素及び塩素を含む化 合物ガス と を含み、 前記第 1 処理は前記被処理基板の表面の 金属を除去するゲッタ リ ング処理である請求の範囲 1 6 に記 載の方法。
1 9 . 前記反応性ガスは酸窒化ガスを含み、 前記第 1 処理 は前記被処理基板を酸窒化して窒素を含む酸化膜を形成する 酸窒化処理である請求の範囲 1 6 に記載の方法。
2 0 . 前記ウエッ ト酸化処理と前記第 1 処理と を交互に行 う請求の範囲 1 6 に記載の方法。
2 1 . 前記ウエッ ト酸化処理と前記第 1 処理と を実質的に 同時に行う請求の範囲 1 6 に記載の方法。
2 2 . 前記ウエッ ト酸化処理において、 前記燃焼器から前 記処理室に前記水蒸気を供給する際に、 前記水蒸気が前記加 熱室に進入する のを防ぐよ う に、 前記加熱室を通して前記処 理室に不活性ガスを供給する請求の範囲 1 6 に記載の方法。
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