半導體處理用氧化裝置和方法

專利名稱：半導體處理用氧化裝置和方法
技術領域：
本發明涉及用于對半導體晶片等的被處理基板的表面進行氧化的 半導體處理用的氧化裝置和方法。這里，半導體處理指的是通過在半導體晶片和LCD(Liquid Crystal Display:液晶顯示器)這樣的FPD(Flat Panel Display:平板顯示器)用的玻璃基板等的被處理基板上，以規定 圖案形成半導體層、絕緣層、導電層等，由此在該被處理基板上制造 半導體器件、包括與半導體器件連接的布線、電極等的結構體所進行 的各種處理。
背景技術：
一般情況下，為了制造半導體集成電路，針對由硅晶片等形成的 半導體基板，進行成膜、蝕刻、氧化、擴散、改性等各種處理。例如， 在氧化中，在對單晶硅膜或多晶硅膜的表面等進行氧化的情況下，存 在對金屬膜進行氧化等的情況。特別是，氧化時形成的硅氧化膜可適 用于元件隔離膜、柵氧化膜、電容器等的絕緣膜。從壓力的角度考慮，作為進行這種氧化處理的方法，有在與大氣 壓大致相同的氣氛下的處理容器內進行的常壓氧化處理方法和在真空 氣氛下的處理容器內進行的減壓氧化處理方法。此外，從氧化時使用 的氣體種類考慮，例如，有通過利用外部燃燒裝置使氫和氧燃燒而產 生水蒸氣，使用該水蒸氣進行氧化的濕氧化處理方法(例如日本特開 平3-140453號公報(專利文獻l))。此外，還有僅使臭氧或氫在處理 容器內流動等而不使用水蒸氣進行氧化的干氧化處理方法(例如日本 特開昭57-1232號公報(專利文獻2))。作為氧化的方法，有使用氧氣的干氧化和使用水蒸氣的濕氧化。 一般情況下，通過濕氧化成膜的氧化膜比通過干氧化成膜的氧化膜膜 質更好。即，作為絕緣膜，考慮到耐壓性、耐腐蝕性、可靠性等的膜 質特性時，濕氧化膜更優異。此外，形成的氧化膜(絕緣膜)的成膜
速度和晶片面內的均勻性也是重要因素。從這個觀點看， 一般情況下，通過常壓的濕氧化形成的膜，氧化速度快，膜厚的面內均勻性不好。另一方面，通過減壓的濕氧化形成的膜，正相反，氧化速度慢，但膜厚的面內均勻性優異。在半導體器件或半導體集成電路的設計規則不這么嚴格的情況下，適當考慮適用氧化膜的用途和工藝條件、裝置成本等，可使用上 述各種氧化方法。但是，近年來，半導體器件的線寬和膜厚逐步變小、 設計規則變得更嚴格。因此，對氧化膜的膜質特性和膜厚的面內均勻 性等提出更高要求。因此，在現有的氧化方法中，產生不能完全應對 應這樣的要求的問題。因此，最近提出了一種氧化裝置，向處理容器內分別導入H2氣體 和02氣體，使這兩種氣體在處理容器內反應產生水蒸氣等，由此對晶片表面進行氧化(例如，日本特開平4-18727號公報，日本特開2004- 22833號公報，日本特開2005-277386號公報，以及日本特開2005- 175441號公報(專利文獻3、 4、 5、 6))。在專利文獻3、 5、 6中公開的技術的情況下，為了形成氧化膜， 在lTorr左右的低壓下，并且在比較低的溫度下，例如在90(TC以下使 H2氣體和02氣體反應產生氧活性種和羥基活性種。由此對晶片表面進 行氧化，形成例如硅氧化膜。發明內容本發明的目的是提供一種被處理基板的氧化裝置和方法，可以簡 單且迅速地進行用于得到最佳化還原性氣體流量等的處理條件的調整 作業。本發明的第一方面是一種半導體處理用氧化裝置，包括具有以隔開間隔的堆積狀態容納多個被處理基板的處理區域的處理容器；對 所述處理區域進行加熱的加熱器；對所述處理區域內進行排氣的排氣 系統；向所述處理區域供給氧化性氣體的氧化性氣體供給系統；和向 所述處理區域供給還原性氣體的還原性氣體供給系統；其中，所述氧 化性氣體供給系統包括在與所述處理區域對應的上下方向的長度上延 伸的氧化性氣體噴嘴，所述氧化性氣體噴嘴具有在與所述處理區域對 應的上下方向的整個長度上存在的多個氣體噴射孔，所述還原性氣體供給系統包括與沿所述處理區域的上下配置的多個區段(zone)對應 而具有不同高度的多個還原性氣體噴嘴，各還原性氣體噴嘴具有存在 于對應的區段的高度的氣體噴射孔。本發明的第二方面是一種半導體處理用的氧化方法，包括在處理容器的處理區域內以隔開間隔的堆積狀態收納多個被處理基板的工序； 一面對所述處理區域進行加熱， 一面向所述處理區域分別供給氧 化性氣體和還原性氣體的工序；使所述氧化性氣體和所述還原性氣體 反應，在所述處理區域內產生氧活性種和羥基活性種的工序；和使用 所述氧活性種和所述羥基活性種對所述被處理基板的表面進行氧化處 理的工序；其中，所述氧化性氣體從在與所述處理區域對應的上下方 向的長度上延伸的氧化性氣體噴嘴被供給，所述氧化性氣體噴嘴具有 在與所述處理區域對應的上下方向的整個長度上存在的多個氣體噴射 孔，所述還原性氣體從與沿所述處理區域的上下排列的多個區段對應 而具有不同高度的多個還原性氣體噴嘴被供給，各還原性氣體噴嘴具 有存在于對應的區段的高度的氣體噴射孔。


圖1是表示本發明實施方式的立式熱處理裝置(氧化裝置)的剖 面圖。圖2是用于從原理上說明使用圖1的氧化裝置時處理容器內的晶 片位置和硅氧化膜的最佳化膜厚之間的關系的曲線圖。圖3是表示使用圖1的氧化裝置和現有裝置，使硅氧化膜的膜厚 最佳化時的膜厚和在產品晶片上實際形成的硅氧化膜的膜厚和膜厚的 面內均勻性的曲線圖。圖4A、 4B是說明在半導體晶片的表面上形成的薄膜的厚度的傾 向的剖面圖。圖5A、 5B是表示噴嘴的變形例的示意圖。圖6A是表示氣體噴射孔的氣體噴射方向朝向晶片中心情況下的
示意圖。圖6B是表示具有進行了氣體噴射方向改善的氣體噴射孔的氧化 性氣體噴嘴和還原性氣體噴嘴與處理容器和晶片的關系的示意圖。 圖6C是表示氣體噴射孔的氣體噴射方向的變形例的示意圖。 圖7是表示使用圖6A、 6B的氣體噴射孔情況下的膜厚的面內均 勻性的曲線圖。圖8A、 8B表示以比相對晶舟滿載時數量少的片數對產品晶片進行氧化處理時的氧化膜的膜厚的改變情況的曲線圖。圖9是表示現有立式熱處理裝置(氧化裝置)的示意結構圖。 圖10是用于在原理上說明使用圖9的氧化裝置時處理容器內的晶片位置和硅氧化膜的最佳化的膜厚之間的關系的曲線圖。
具體實施方式
本發明人在開發本發明的過程中，研究了關于在半導體處理中通 過氧化形成氧化膜的方法的現有技術的問題點。結果是，本發明人得 到以下認識。圖9是表示現有的立式熱處理裝置(氧化裝置)的示意結構圖。 這種氧化裝置具有由石英筒構成的有頂的圓筒狀的處理容器2。其中設 有石英制的晶舟4，在晶舟4上以規定間隔多層支撐多片例如25 150 片左右的半導體晶片W。晶舟4被支撐在保溫筒6上，并通過舟升降 機(未圖示)使其從處理容器2的下方側升降，以能夠插拔的方式收 納在處理容器2內。此外，處理容器2的下端開口部被通過舟升降機 升降的蓋部8氣密地封閉。在處理容器2的下部，分別設置導入氧氣的一個氣體噴嘴10和導 入氫氣的多個氣體噴嘴12A 12E。在處理容器2的下部設置對處理容 器2內的氣氛進行排氣的排氣口 14，利用真空泵16對各容器的氣氛抽 真空。氧用氣體噴嘴10是L字形，其前端部延伸到容器內的上部。一 邊利用質量流量控制器10B控制流量， 一邊從在前端部形成的氣體噴 射孔10A導入氧，由此向處理容器2內的氣體流的上游側供給氧氣。氫用的各氣體噴嘴12A 12E為L字狀，位于處理容器2內的高 度方向的不同區域，由此其長度互不相同。在各噴嘴的前端部分別形成氣體噴射孔13A 13E。氫用的各氣體噴嘴12A 12E，可以一面利用個別設置的質量流量 控制器15A 15E分別控制氣體流量， 一面導入氫。即，能夠將處理容 器2內的處理區域劃分為5個區段17A 17E，向各個區段17A 17E 分別導入最佳化氣體流量的H2氣體。此外，在處理容器2的周圍設置 筒體狀的加熱器18，將晶片W加熱到規定溫度。使導入處理容器2內的H2氣體和02氣體在1Torr左右的低壓下進 行燃燒反應。由此，產生氧活性種和羥基活性種，從而對晶片表面進 行氧化，通過在整個的多個區段配置氫用氣體噴嘴12A 12E，由此， 每當在晶片表面被消耗而在氣流的下游側稍顯不足時，能夠追加導入H2氣體。對于在低壓下使H2氣體和02氣體反應來對晶片表面進行氧化的 氧化方法而言，因反應產生的各種活性基(自由基)反應性非常高。 因此，進行與晶片表面露出的結晶面的方位無關的氧化，不存在結晶 的面方位相關性。所以，可以形成與晶片表面的凹凸圖形無關的、沿 著這種凹凸圖形的表面厚度均勻的氧化膜。此外，由于活性基的反應 性很高，因此也可以對難氧化的膜，即耐氧化的膜，例如硅氮化膜等 進行氧化。然而，對于上述優點，由于按照需氧化處理的晶片表面的圖形面 積和膜種等，活性基的消耗量有大的變動，因此需要根據這種變動量 使氣體流量等的處理條件最佳化。因此，必須預先求得與圖形面積和 膜種等相應的最佳化的氣體流量等的處理條件等。但是，用于求得這 種最佳化的氣體流量等處理條件的調整工作非常麻煩。圖10是用于在原理上說明使用圖9的氧化裝置時處理容器內的晶 片位置和硅氧化膜的最佳化的膜厚之間的關系的曲線圖。圖10中，橫 軸的晶片位置用從氣流的上游側向下游側編號，這里的處理容器2的 上部側是晶片位置小的值。圖中的特征線LO是目標膜厚，這里將膜厚 的目標值設定為13nm。為了使在上下方向的整個晶片上形成的氧化膜 的厚度為13nm，分別調整各噴嘴中的H2氣體流量。而且，固定02氣 體的流量。為了提高上述硅氧化膜的膜厚的面間均勻性，可以采用如下方法。 艮P，在表面形成有Si02膜的多個模擬晶片之間插入作為產品晶片的、膜厚測定用的由裸晶片(在表面不形成Si02，露出硅)構成的監視晶片。測量在這種監視晶片的表面上通過氧化形成的Si02膜的厚度，如圖10所示，繪制此測量值，求得特征線L3和L5。而且，預設這種處 理得到的H2氣流量為最佳值。其中，特征線L3和L5成為圖10中所 示的形狀，其理由如下。艮P，實際上，在將特征線LO作為目標，形成Si02膜的情況下， 由于處理氣體的消耗，越下游側膜厚越傾向于變小。由此，例如，在 使來自各氣體噴嘴12A 12E的H2氣流量固定而形成Si02膜的情況下 得到的預想的特征線，在圖10中，成為晶片W位置的編號越變大、 膜厚越變小的向下側彎曲的曲線。此外，這種下游側(晶片W位置的 編號變大時)的膜厚減小，晶片的表面積越大越顯著。因此，為了補 償氣體的消耗量，用于對具有更大表面積(由于表面的凹凸)的產品 晶片求最佳化的氣體流量的特征線L3和L5，是相對于特征線L0與預 想的特征線大致線對稱的、向上側彎曲的曲線。特征線L3表示相對于表面為平面狀態的晶片表面積，用于對表面 上有凹凸而具有三倍表面積的晶片進行氧化處理的特征線。特征線L5 表示用于對表面上有凹凸而具有五倍表面積的晶片進行氧化處理的特 征線。即，例如，對在產品晶片表面上形成凹凸，表面積是平面狀態 的晶片表面積的三倍左右的產品晶片進行氧化處理的情況下，以形成 特征線L3時的流量從氣體噴嘴12A 12E導入各H2氣體。在制作上述特征線L3、 L5的情況下，將上述02氣體供給量固定 位某一數值，分別單獨調整來自H2氣體用各噴嘴12A 12E的供給量。 此外，針對與實際對應的倍數的表面積的產品晶片進行氧化處理的情 況下，在重復進行試錯法(try-and error)操作的同時，調整各氣體流 量以便成為特征線L0所示的那樣的目標膜厚。針對晶片表面積的整數 倍的表面積，預定種類進行這種試錯法的操作。這里，在各特征線L3、 L5中，總膜厚差雖然上下偏離，但是從上游側到中流區域的途中依次
增加，之后成為基本上一定狀態。在圖10中，雖然只示出了對應兩種面積的特征線L3、 L5，但實際上，為了預先求出在每個更細倍數的面積上這種調整用的H2氣流量，必須形成這種特征線。因此，求最佳化的氣體流量的工藝條件的調整 工作非常麻煩。下面參照

基于這種認識構成的本發明的實施方式。而且， 在下面的說明中，對具有大致相同功能和結構的結構要素標賦予相同 的符號，并在必要的情況下進行重復說明。圖1是表示本發明實施方式的立式熱處理裝置(氧化裝置)的剖 面圖。這種氧化裝置22包括可以選擇地供給02氣體等的氧化性氣體、 H2氣體等還原性氣體和N2氣體等不活潑氣體的處理區域。氧化裝置 22構成為在這種處理區域內，對半導體晶片等的被處理基板的表面 進行氧化。氧化裝置22具有有頂的圓筒狀石英制的立式處理容器24。處理容 器24具有規定的長度，并在內部規定處理區域25,在該處理區域25 中收納隔開間隔堆積設置的多個半導體晶片(被處理基板)，并對其進 行處理。在處理區域25內收納用于保持被處理基板的作為支撐裝置的 石英制晶舟26，在晶舟26上以規定間隔多段保持作為被處理基板的半 導體晶片W。而且，其間隔有時固定，有時因晶片位置而不同。在處理容器24的下端開口 ，在該開口上設置用于通過O形環等密 封部件28氣密地開關該開口的蓋部30。在蓋部30上設置通過磁性流 體密封件32貫通的旋轉軸34。在旋轉軸34的上端配設有旋轉臺36， 在旋轉臺36上設置有保溫筒38，在保溫筒38上載置晶舟26。旋轉軸 34安裝在可升降的舟升降機40的臂40A上，能夠與蓋部30和晶舟26 等一體地升降。晶舟26可以從處理容器24下方向其內插拔。而且，也可以不旋 轉晶舟26，使其處于固定狀態。也有在處理容器24的下端部配置例如 不銹鋼制的圓筒體狀的多歧管的情況。在處理容器24的下部側壁上分 別單獨設置用于向處理區域25內導入經過流量控制的氧化性氣體和還 原性氣體的氧化性氣體供給系統42和還原性氣體供給系統44。此外，
在處理容器24的下部側壁上設置用于對處理區域25的氣氛進行排氣 的大口徑的排氣口46。具體來說，氧化性氣體供給系統42具有貫通容器側壁而設置的氧 化性氣體噴嘴48。噴嘴48與在途中插設如質量流量控制器之類的流量 控制器50A的氣體供給管路50連接，可以一邊控制流量一邊供給氧化 性氣體，例如氧。氧化性氣體噴嘴48包括從處理容器24的下部(一端)延伸到上 部(另一端)的第一噴嘴部分和從上部延伸到下部的第二噴嘴部分， 所述第一和第二噴嘴部分由折回部連接。即，氧化性氣體噴嘴48，沿 處理容器24的高度方向形成為U字形狀。在氧化性氣體噴嘴48中， 通過其全體以規定間隔形成例如直徑為0.1 0.4mm左右的多個氣體噴 射孔48A、 48B，(能夠使"氣體噴射孔48A、 48B的開口面積相同")， 從各氣體噴射孔48A、 48B噴射02氣體。各氣體噴射孔48A、 48B的 間隔例如為8 200mm左右(能夠使該間隔為等間隔)。在氧化性氣體噴嘴48的第二噴嘴部分(折回后)形成的各氣體噴 射孔48B以位于在第一噴嘴部分(折回前)上形成的氣體噴射孔48A 內的相鄰的兩個氣體噴射孔48A之間的中央部的方式設置。由此，可 以沿著處理容器24內的高度方向盡可能地分散、供給02氣體。此外， 組合最上游側的氣體噴射孔48A和最下游側的氣體噴射孔48B使其位 置對應，因此可以向處理容器24內的各晶片W噴射大致均等的氣流 量的02氣體。其原因是，位于氧化性氣體噴嘴48的上游側的氣體噴 射孔，由于02氣體的氣壓高而可以更多的噴射氣體。還原性氣體供給系統44具有貫通容器側壁配設的多個例如5個還 原性氣體噴嘴52、 54、 56、 58、 60。各噴嘴52 60分別與在途中分別 插設例如質量流量控制器等流量控制器62A、 64A、 66A、 68A、 70A 的氣體供給管路62、 64、 66、 68、 70連接，可以一邊單獨地控制流量 一邊供給例如氫等還原性氣體。處理容器24內的處理區域25沿著高度方向被劃分為多個、即與 還原性氣體噴嘴52 60的數量相對應數量的、例如5個區段72A、72B、 72C、 72D、 72E。換言之，從氣流的上游側向下游側將處理區域25劃
分為5個區段72A 72E。而且，5個還原性氣體噴嘴52 60按照與5 個區段72A 72E相對應的方式，使其長度不同的進行配設。各還原性氣體噴嘴52 60在其前端部側上分別形成有氣體噴射孔 52A、 54A、 56A、 58A、 60A，可以向各相應的區段72A 72E噴射 H2氣體。在各還原性氣體噴嘴52 60上配設分別以規定間隔形成的3 個氣體噴射孔52A 60A。再有，氣體噴射孔的數量不限于3個。各氣 體噴射孔52A 60A的直徑為0.1 0.4mm(能夠使"氣體噴射孔52A 60A的開口面積相同")，此外，這個間隔例如為8 200mm左右(該 間隔可以為等間隔)。另一方面，為了對處理容器24內進行抽真空，在處理容器24的 下部側壁上設置的排氣口 46與在排氣管路80中插設壓力控制閥82和 真空泵84而形成的真空排氣系統86連接。在處理容器24的外周上設 置圓筒狀的絕熱層88，在其內側設置加熱器90，將位于內側的晶片W 加熱到規定溫度。關于處理容器24的整體的大小，例如晶片W的尺寸為8英寸， 晶片數量為100片(產品晶片)左右時，處理容器24的高度大約為 1300mm左右。此外，晶片W的尺寸為12英寸的情況下，晶片數量為 25 50片左右，處理容器24的高度大約為1500mm左右。氧化裝置22控制各流量控制器50A、 62A 70A、壓力控制閥82 以及加熱器卯等，并通過兩種氣體的反應產生氧活性種和羥基活性種， 而且具有例如由"微處理器"等構成的控制部92。控制部92控制氧化 裝置22的整體動作，氧化裝置22的動作是根據來自控制部92的指令 進行的。此外，控制部92具有用于預先存儲用于執行這種控制操作的 程序的軟盤、閃存存儲器和硬盤等存儲介質94。此外，根據需要，設置用于供給N2氣等不活潑氣體的不活潑氣體供給單元(未圖示)。下面，說明使用如上構成的氧化裝置22進行的氧化方法。 氧化裝置22在未裝載半導體晶片W的待機狀態時，將處理容器 24維持在低于處理溫度的溫度。處理時，首先，將保持多片例如100 片晶片W的常溫的晶舟26從下方裝入設定為規定溫度的處理區域25 (處理容器24處于熱壁狀態)內。此外，用蓋部30封閉處理容器24
的下端開口部，由此將處理容器24內部密閉。然后，對處理區域25抽真空，并維持在規定的處理壓力下。與此 同時，通過增大向加熱器卯供給的電力，使處理區域25的溫度上升， 直到氧化處理用處理溫度并使其穩定。之后，將進行氧化處理必須的 規定處理氣體，即這里為02氣體和H2氣體， 一邊控制流量一邊從各 氣體供給系統42、 44的氧化性氣體噴嘴48以及還原性氣體噴嘴52 60分別向處理區域25供給。從成形為U字形的氧化性氣體噴嘴48的各氣體噴射孔48A、 48B 向水平方向噴射02氣體。從各還原性氣體噴嘴52 60的各氣體噴射 孔52A 60A向水平方向以控制流量的狀態向每個區段72A 72E供給H2氣體。兩種氣體在處理區域25內從上方向下方下降的同時，在真空氣氛 下反應，生成羥基活性種和氧活性種。如此形成的氣氛與收納在旋轉 的晶舟26中的晶片W接觸，對晶片表面進行氧化處理。由此，例如 對硅表面進行氧化，形成Si02的氧化膜。通過真空排氣系統86將處理 區域25的氣體(處理氣體和經反應產生的氣體)從處理容器24的下 部側壁的排氣口 46向系統外排出。此時的氣體流量，與處理容器24 的大小相關，例如在大到可容納100片左右的8英寸晶片的情況下， 例如02氣體流量在10 30000sccm的范圍內，H2氣體流量在l 5000sccm范圍內。向處理容器24內分別導入的02氣體和H2氣體在處于熱壁狀態下 的處理容器24的處理區域25內下降，同時在晶片W附近通過氫的燃 燒反應形成以氧活性種(0*)和羥基活性種(OH*)為主體的氣氛。 利用這種活性種對晶片W的硅表面進行氧化，形成SiOj莫。此時的處理條件為晶片溫度在450 1100°C的范圍內，例如 900°C，壓力為466Pa (3.5Torr)以下，優選為1Torr以下，例如46.6Pa(0.35Torr)。處理時間與形成的膜厚有關，例如為10 30分鐘左右。 如果處理溫度低于450°C，則不會充分的產生上述活性種(自由基)。 如果處理溫度高于IIO(TC，則超過處理容器24和晶舟26等的耐熱溫 度，不能進行安全處理。如果處理壓力高于3.5Torr，則不能充分產生 上述活性基。如上所述，對于實際的產品晶片，由于在表面上形成有凹凸，因 此存在表面積是表面為平面狀態的晶片表面積的幾倍的情況。由于根 據這個表面積的倍數的大小活性種的消耗量大大不同，因此在對產品 晶片進行氧化處理之前，必須根據晶片表面積的變化量使供給的氣體 流量等的處理條件最佳化。在現有的氧化裝置中，如參照圖IO說明的，如三倍面積的特征線L3和五倍面積的特征線L5所示，膜厚的特征線 變為曲線狀。因此，用于求氣體流量的調整工作必須以試錯方式進行， 非常麻煩。與此相反，在本實施方式中，在處理容器24內的長度方向，即沿 著處理區域25設置氧化性氣體噴嘴48，并且由在噴嘴48上以規定間 隔形成的氣體噴射孔48A、 48B供給作為氧化性氣體的02氣體。由此， 對處理區域25,即對各晶片W，從這個水平方向大致均等地供給氧氣。 此外，由長度或高度不同的多個、這里為5個還原性氣體噴嘴52 60 的各氣體噴射孔52A 60A，從這個水平方向向處理區域25的各個相應區段供給H2氣體。艮P，向處理容器24內供給的02氣體和112氣體從上方向下游側的 下方流動時，分別依次追加導入在晶片表面被消耗的稍顯不足的02氣體和H2氣體。由于采用這種02氣體和H2氣體的供給形態，提高了晶片上形成的膜厚的面間均勻性，可以簡單且快速地進行用于使來自各 還原性氣體噴嘴52 60的供給量最佳化的調整工作。這個能夠通過參 照在作為產品的、膜厚測量用監視晶片上形成的Si02膜的膜厚來進行， 其中膜厚測量用監視晶片插入在表面上形成了 Si02膜的多個模擬晶片 之間。這種情況下，在監視晶片之間，即在處理容器24內的高度方向 上，調整各還原性氣體噴嘴52 60的氣體流量以使SiOj莫的膜厚基本 一定，由此可以得到各最佳化的氣體流量。圖2是用于在原理上說明使用圖1的氧化裝置時的處理容器內的 晶片位置和硅氧化膜的最佳化膜厚之間的關系的曲線。晶片位置沿著 氣體流動的方向依次設置為，晶片位置小的值位于氣流的上游側，晶 片位置大的值位于氣流的下游側。圖中的特征線M0是目標膜厚，這
里將膜厚的目標值設定為13nm。分別調整各氣體噴嘴中的H2氣體流 量以使在上下方向的所有晶片上形成的氧化膜的膜厚為13nm。此外， 固定02氣體的流量。為了提高上述硅氧化膜的膜厚的面間均勻性，可以采用如下方法。 艮P，如上所述，將作為產品晶片的、膜厚測定用的裸晶片(在表面沒有形成Si02，露出硅)構成的監視晶片插入在表面形成有Si02膜的多個模擬晶片之間。測量在這種監視晶片的表面上通過氧化形成的Si02 膜的厚度，如圖2所示繪制該測量值，求出特征線M3和M5。而且， 將通過這種處理得到的H2氣流量預設為最佳值。特征線M3表示，相對于表面為平面狀態的晶片的表面積，用于 對表面上存在凹凸、具有三倍表面積的晶片進行氧化處理的特征線。 特征線M5表示用于對表面上存在凹凸、具有五倍表面積的晶片進行 氧化處理的特征線。如上所述，在制作上述的、例如特征線M5的情況下，將02氣體 供給量固定為某值，分別調整來自H2氣體用的各還原性氣體噴嘴52 60的供給量。而且，在對與實際對應的五倍表面積的產品晶片進行氧 化處理的情況下，調整各氣體流量，以便成為特征線M0所示的目標 膜厚。這里的重點在于，在本實施方式的情況下，與圖10中所示的特征 線L3、 L5不同，膜厚在面間方向固定，特征線M5向(圖面上)水平 方向直線狀地延伸。換言之，如果分別設定各還原性氣體噴嘴52 60 的氫氣供給量，以使在面間方向上所有監視晶片的膜厚固定，則即使 在對實際產品晶片進行氧化處理的情況下，也可以較高地維持晶片的面間方向上的Si02膜的膜厚的面間均勻性。在現有裝置中，在求解圖10中的特征線L3、 L5時，必須分別進 行試錯操作。即，需要對應晶片表面積的多個膜厚曲線，而求解這個 膜厚曲線非常困難。與此相反，在本實施方式的情況下，由于特征線 M5或特征線M3相對于水平方向延伸成直線狀，因此求得一條特征線， 例如特征線M5，其他表面積的倍數不同的特征線，例如特征線M3， 僅上下方向平行地移動，即僅調整氧化處理的處理時間就可簡單得到。
換言之，在對表面積的不同倍數的產品晶片進行處理的情況下，使用上述表面積五倍的特征線M5，僅縮短或延長氧化處理的處理時間就可以進行處理。因此，可以簡單且快速地進行用于得到最佳化的H2氣體流量等處理條件的調整工作。這樣，在供給02氣體等氧化性氣體的氧化性氣體噴嘴48上通過 整個處理區域25以規定間隔形成多個氣體噴射孔48A。此外，設置向 在高度方向劃分處理區域25而得的每個區段供給H2氣體等還原性氣 體的長度不同的多個還原性氣體噴嘴52 60。由此，針對表面積不同 的晶片W[面間均勻性高(直線)]可得到膜厚特性，進而可以簡單且迅 速地迸行用于獲得最佳化還原性氣體流量等的處理條件的調整工作。一般化確定上述處理條件時，根據本實施方式的方法，首先，對 于具有基準表面積的多個基準基板，使其滿足規定水平的面間均勻性 (希望如圖2所示的直線特性)，同時得到氧化處理的基準條件。這里， 對于基準表面積，作為處理對象的多個被處理基板具有某一比率的表 面積。接著，作為所述某一比率因素，通過實質上只改變基準條件的 處理時間，來確定對多個被處理基板進行氧化處理的實際條件。希望 參照通過氧化處理形成的膜的膜厚的面間均勻性來確定面間均勻性。 此外，基準條件包含氧化性氣體和還原性氣體的流量。 <實驗1>使用根據上述實施方式的圖1的氧化裝置，使硅氧化膜的膜厚最 佳化，并使用此時的H2氣體流量對實際產品晶片進行氧化處理。圖3 是表示使用圖1的氧化裝置和現有裝置對硅氧化膜的膜厚進行最佳化 時的膜厚和在產品晶片上實際形成的硅氧化膜的膜厚和膜厚的面內均 勻性的曲線圖。這里，為了比較，同時記錄使用現有裝置時的硅氧化 膜的測量值。此外，在曲線上方并列記載在上述實施方式中使用的氣 體噴嘴的模式圖。圖3中，特征線L5表示使用現有裝置的五倍表面積的最佳化的特 征線。特征線L表示使用現有裝置對五倍表面積的產品晶片實際進行 氧化處理時的膜厚。得到特征線L5時的處理條件如下。g卩，處理壓力 為0.35Torr，處理溫度為900°C， 02氣體流量為5.0slm。在如圖9所示 的噴嘴12A 12E中，H2氣體的流量分別為噴嘴12A為0.40slm，噴 嘴12B為0.65slm，噴嘴12C為0.45slm，噴嘴12D為0.40slm，噴嘴 12E為0.35slm。此外，處理時間為45分鐘。特征線M5表示使用圖1的裝置對五倍表面積進行最佳化的特征 線。特征線M是表示使用圖1的裝置對五倍表面積的產品晶片進行實 際氧化處理時的膜厚。此時的產品晶片，其目標膜厚為13nm。得到特 征線M5時的處理條件如下。g卩，處理壓力為0.35Torr，處理溫度為 900°C， 02氣體流量為5.0slm。 H2氣體流量分別為來自噴嘴52的為 0.2slm，來自噴嘴54的為0.4slm，來自噴嘴56的為0.42slm，噴嘴58 的為0.45slm，來自噴嘴60的為0.45slm。此外，處理時間為45分鐘。特征線La表示使用現有裝置時的五倍表面積的產品晶片上的膜厚 的面內均勻性。特征線Ma表示使用圖1裝置時的五倍表面積的產品晶 片上的膜厚的面內均勻性。如特征線L5所示，現有裝置的五倍表面積的特征線描畫出膜厚向 下游側依次變厚，在中途幾乎恒定的曲線。如特征線M5所示，圖1 的裝置的五倍表面積的特征線表示膜厚恒定為大約16.5nm左右的直 線。根據求得特征線L5和特征線M5時的最佳化的各氣體流量等的處 理條件，對產品晶片分別進行氧化處理的結果，如特征線L、 M所示， 膜厚在面間方向都大致固定為13mn。關于膜厚的面內均勻性，在特征線La所示的現有裝置的情況下， 在TOP(上游偵O和BTM(下游側)，膜厚的面內均勻性分別上升到土 1 %，因而膜厚的面內均勻性劣化。與此相對，在如特征線Ma所示的圖 1的裝置的情況下，所有晶片位置上的膜厚的面內均勻性都在±0.5% 以下，因此膜厚的面內均勻性比現有裝置的情況更優異。其理由是考慮到如下現象。即，作為晶片的氧化處理的通常傾向， 氣體從晶片周邊進入到晶片中心時，邊消耗活性種邊流向中心。因此， 如圖4A所示的晶片剖面那樣，在活性種多的晶片周邊，Si02膜96的 膜厚傾向于變厚，在活性種少的中心側，膜厚傾向于變薄。與此相對， 在圖1的裝置中，在沿著處理容器24的長度方向設置的各噴嘴48、52 60上分別設置多個氣體噴射孔48A、 52A 60A，在大致整個處理區域 25上分別分散供給02氣體和H2氣體。因此，如圖4B所示，在晶片中 心部的氣體(活性種)并不缺少，可進行與晶片周邊部同等的氧化。 結果是，如圖4B所示，以晶片中心部稍稍隆起的狀態進行Si02膜96 的成膜。<噴嘴的變形例>圖5A、 B是表示噴嘴的變形例的示意圖。在上述實施方式中，氧 化性氣體噴嘴48被彎曲成U字形、由向處理容器24的高度方向往復 一次的噴嘴構成。取而代之，如圖5A所示，作為氧化性氣體噴嘴48, 可以使用以規定間隔形成多個氣體噴射孔48A的一個直線狀延伸的噴 嘴。此時的各氣體噴射孔48A的間隔比圖1所示的情形小，例如優選 設定為1/2左右。這種情況下，除了在處理容器24的高度方向的02 氣體的供給量的均勻性比圖1的情況稍微劣化之外，可以發揮與圖1 所示的裝置相同的作用效果。在上述實施方式中，在還原性氣體噴嘴52 60的上部分別形成多 個例如3個氣體噴射孔52A 60A。取而代之，可以形成如圖5B所示 的1個氣體噴射孔52A 60A。這種噴嘴的結構與圖9所示的情況相同。此外，也可以組合圖5A所示的噴嘴48和圖5B所示的噴嘴52 60。這些噴嘴的任何組合都可以發揮與圖1所示的氧化裝置相同的作 用和效果。<膜厚的面內均勻性的改善>相對于各晶片檢查用圖1的氧化裝置形成的氧化膜的面內均勻性 后，發現在特定的晶片位置上膜厚的面內均勻性存在很大劣化的可能 性。其理由是，考慮到氣體噴射孔朝向晶片方向，結果，在特定的晶片位置上，02氣體和H2氣體的混合平衡被破壞。因此，優選改變氣體噴射孔的朝向方向，即氣體噴射方向，優選不直接對晶片噴射氣體。圖6A是表示氣體噴射孔的氣體噴射方向朝向晶片中心的情況的 示意圖。圖6B是表示具有改善氣體噴射方向的氣體噴射孔的氧化性氣 體噴嘴48和還原性氣體噴嘴52 60與處理容器42和晶片W的關系 的示意圖。圖6C是表示氣體噴射孔的氣體噴射方向的另一變形例的示
意圖。圖7是表示使用圖6A、 6B的氣體噴射孔的情況下的膜厚的面 內均勻性的曲線。如圖6A所示，氧化性氣體噴嘴48的氣體噴射孔48A、 48B朝向 晶片W的方向，對晶片直接噴射氣體時，如圖7中的特征線X所示， 在特定的晶片位置上膜厚的面內均勻性極端劣化。其理由是，如上所述，氣體從晶片W的側面方向與其直接接觸，而H2氣體和02氣體的混合平衡被破壞，沒有發生適宜的燃燒反應。與此相對，在圖6B所示的結構中，氧化性氣體噴嘴48的氣體噴 射孔48A、 48B相對于連接氣體噴嘴的中心和晶片的中心的直線，氣 體噴射方向設定為角度^ 1 = 135°。這里，向著互相相反的方向形成氧 化性氣體噴嘴48的第一和第二噴嘴部分的氣體噴射孔48A、 48B。另 一方面，還原性氣體噴嘴52 60的氣體噴射孔52A 60A相對于連接 氣體噴嘴的中心和晶片的中心的直線，氣體噴射方向設定為角度S2二 卯°。這里，還原性氣體噴嘴52 60，其背面高的噴嘴設置在上游側。 使用這種結構時，如圖7中的特征線Y所示，與特征線X相比，可以大大提高膜厚的面內均勻性。而且，如圖6C所示，氧化性氣體噴嘴48和還原性氣體噴嘴52 60的氣體噴射方向最好是至少從晶片W的輪廓向外的方向。但是，如 圖6B所示，相對于連接氣體噴嘴的中心和晶片中心的直線，氣體噴射 方向設定為90°以上時，由于氣體每次撞擊容器側壁后擴散，因此晶片 表面上的氣體不偏離并均勻分散。從這個觀點出發，氧化性氣體噴嘴 48和還原性氣體噴嘴52 60的氣體噴射方向設定為相對于晶片輪廓 的切線方向或比切線更向外側的方向。此外，氣體噴射方向優選設定 為相對于連接氣體噴嘴的中心和晶片中心的直線成卯。以上的角度，更 優選為90° 135°。<晶片個數可變處理的評價>在對實際產品晶片進行氧化處理的情況下，也存在需處理產品晶 片的片數比晶舟的最大承載個數少的時候。即，通常氧化處理時晶舟 26上不限于晶片為滿載狀態，也有存在一部分空的空間的情況。例如， 存在以下情況在滿載狀態時可以保持100片(最大載置片數)產品晶片的晶舟26上，保持25片或50片產品晶片，其它為空的空間，在 這個空的空間上保持非產品的表面帶Si02膜的模擬晶片仍舊迸行氧化 處理。這種情況下，產品晶片保持在晶舟26上時，在氣流的上游側的 晶片W保持裝滿狀態。即，在如圖l所示的情況下，氣體從處理容器 24的上方向下方流動，因此晶片相對于晶舟26從上側依次保持。 <實驗2>進行對少于晶舟滿載時的個數的產品晶片進行氧化處理的實驗。 圖8A、 B是表示對比晶舟滿載時數量少的產品晶片進行氧化處理時的 氧化膜的膜厚的改變情況的曲線圖。圖8A表示使用圖9所示現有裝置 進行氧化處理時的結果。圖8B表示使用圖1的裝置進行氧化處理時的 結果。圖8A所示的情況下，目標厚度為5.5nm，圖8B所示的情況下， 目標厚度為6.0nm。圖8A中，特征線Y100表示保持100片產品晶片(滿載)時的特 性。特征線Y50表示保持50片產品晶片(非滿載)時的特性。特征線 Y25表示保持25個產品晶片(非滿載)時的特性。在進行得到特征線 YIOO、 Y50、 Y25的所有特性的氧化處理時，H2、 02的各氣體流量、 處理壓力、處理溫度等都設定的相同。圖8B中，特征線Z100表示保持100片產品晶片(滿載)時的特 性。特征線Z25表示保持25片產品晶片(非滿載)時的特性。在進行 得到特征線ZIOO、 Z25的所有特性的氧化處理時，H2、 02的各氣體流 量、處理壓力、處理溫度等都設定得相同。如圖8A所示，在現有裝置的情況下，產品晶片滿載時，如特征線 Y100所示，所有晶片位置上的膜厚大致一定，膜厚的面間均勻性非常 好。但是，如特征線Y50、 Y25所示，在產品晶片的數量比滿載時少 的情況下，不僅各個膜厚發生變化，膜厚在氣流的下游側的行程上有 上升的傾向。這種情況意味著必須根據產品晶片的數量變化，進行用 于事先使此時的02和H2的各氣體流量最佳化的調整工作。與此相反，如圖8B所示，在圖1的裝置的情況下，如特征線ZIOO 和Z25所示，與產品晶片的滿載、非滿載無關，膜厚大致都為目標值。 而且膜厚與晶片位置無關且大致一定，膜厚的面間均勻性非常好。這
意味著即使在晶片數量少于滿載時的數量的情況下也可以使用晶片數 量滿載時的最佳化的處理條件(氣體流量)。因此，可以簡化用于使氣 體流量最佳化的調整工作。 <變形例>在上述實施例中，為了將處理區域25劃分成5個區段，而使用長 度不同的5個還原性氣體噴嘴52 60。但是，這個區段的數量不限于 5個，可以劃分成任何數量，并可以配設與此數量相應的數量的高度不 同的噴嘴。處理容器24構成為在下部設有排氣口46，并且使氣體從容器內 的上方向下方流動。取而代之，可以在處理容器24的頂部設有排氣口 46，使氣體在容器內從下方向上方流動。此外，作為處理容器24，不 限于單管結構，還可以采用設有同心圓狀的內筒和外筒的雙重管結構。氧化性氣體不限于02，可以包括選自02、 N20、 NO、 N02和03 中的一種以上的氣體。還原性氣體不限于H2，可以包括選自H2、 NH3、 CH4、 HC1和重氫中的一種以上的氣體。作為被處理基板，代替半導體晶片，可以以玻璃基板、LCD基板、 陶瓷基板等作為對象。
權利要求
1.一種半導體處理用的氧化裝置，其特征在于，包括具有以隔開間隔堆積的狀態收納多個被處理基板的處理區域的處理容器；對所述處理區域進行加熱的加熱器；對所述處理區域內進行排氣的排氣系統；向所述處理區域供給氧化性氣體的氧化性氣體供給系統；和向所述處理區域供給還原性氣體的還原性氣體供給系統，所述氧化性氣體供給系統包括在與所述處理區域對應的上下方向的長度上延伸的氧化性氣體噴嘴，所述氧化性氣體噴嘴具有在與所述處理區域對應的上下方向的整個長度上存在的多個氣體噴射孔，所述還原性氣體供給系統包括與沿所述處理區域的上下排列的多個區段對應而具有不同高度的多個還原性氣體噴嘴，各還原性氣體噴嘴具有存在于對應的區段的高度的氣體噴射孔。
2. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于， 所述氧化性氣體噴嘴的所述氣體噴射孔實質上等間隔配置。
3. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述各還原性氣體噴嘴的所述氣體噴射孔包括存在于對應的區段 內的多個氣體噴射孔。
4. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于， 所述多個還原性氣體噴嘴能夠分別控制還原性氣體的流量。
5. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述氧化性氣體噴嘴包括從上下方向的一端側向另一端側延伸的 第一部分和從所述另一端側向一端側延伸的第二部分，所述第一和第 二部分由折回部連接。
6. 根據權利要求5所述的裝置，其特征在于， 所述第一部分的所述一端側與所述氧化性氣體的供給源連接，所述第二部分的所述一端側被封閉。
7. 根據權利要求6所述的裝置，其特征在于， 所述第一部分具有以規定間隔形成的多個第一氣體噴射孔，所述第二部分具有以位于所述第一氣體噴射空的中央的方式形成的多個第 二氣體噴射孔。
8. 根據權利要求7所述的裝置，其特征在于， 所述第一和第二氣體噴射孔朝向互相相反的方向。
9. 根據權利要求7所述的裝置，其特征在于， 所述第一氣體噴射孔具有彼此相同的開口面積，所述第二氣體噴射孔具有彼此相同的開口面積。
10. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于， 所述各氣體噴射孔的氣體噴射方向設定為所述被處理基板的輪廓的切線方向或比其更向外側。
11.根據權利要求10所述的裝置，其特征在于， 所述各氣體噴射孔的氣體噴射方向相對于連接對應的氣體噴嘴的 中心和所述被處理基板的中心的線成90。以上的角度。
12. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于， 所述氧化性氣體包括選自02、 N20、 NO、 N02和03中的1種以上的氣體，所述還原性氣體包括選自H2、 NH3、 CH4、 HC1和重氫中的 l種以上的氣體。
13. —種半導體處理用的氧化方法，其特征在于，包括 在處理容器的處理區域內以隔開間隔堆積的狀態收納多個被處理 基板的工序；一邊對所述處理區域進行加熱， 一邊向所述處理區域分別供給氧 化性氣體和還原性氣體的工序；使所述氧化性氣體和所述還原性氣體反應，在所述處理區域內產 生氧活性種和羥基活性種的工序；和使用所述氧活性種和所述羥基活性種對所述被處理基板的表面進 行氧化處理的工序，從在與所述處理區域對應的上下方向的長度上延伸的氧化性氣體 噴嘴供給所述氧化性氣體，所述氧化性氣體噴嘴具有在與所述處理區 域對應的上下方向的整個長度上存在的多個氣體噴射孔，從與沿所述處理區域的上下排列的多個區段對應而具有不同高度 的多個還原性氣體噴嘴供給所述還原性氣體，各還原性氣體噴嘴具有 存在于對應的區段的高度的氣體噴射孔。
14. 根據權利要求13所述的方法，其特征在于， 所述氧化性氣體和所述還原性氣體的氣體噴射方向設定為所述被處理基板的輪廓的切線方向或比其更向外側。
15. 根據權利要求14所述的方法，其特征在于，所述各氣體噴射孔的氣體噴射方向相對于連接對應的氣體噴嘴的 中心和所述被處理基板的中心的線成90。以上的角度。
16. 根據權利要求13所述的方法，其特征在于， 在所述處理區域內所述被處理基板由支撐部件支撐，在所述被處理基板的數量少于所述支撐部件的最大承載數量的情況下，從所述支 撐部件的上側依次支撐所述被處理基板。
17. 根據權利要求13所述的方法，其特征在于， 所述氧化性氣體包括選自02、 N20、 NO、 N02和03中的1種以上的氣體，所述還原性氣體包括選自H2、 NH3、 CH4、 HC1和重氫中的 l種以上的氣體。
18. 根據權利要求13所述的方法，其特征在于還包括 對于具有基準表面積的多個基準基板，滿足規定水平的面間均勻性，而獲得所述氧化處理的基準條件的工序，相對于所述基準表面積， 所述多個被處理基板具有某種比率的表面積；和通過實質上只改變所述基準條件的處理時間作為所述某種比率的 函數的工序來確定對所述多個被處理基板的所述氧化處理的實際條 件。
19. 根據權利要求18所述的方法，其特征在于， 所述面間均勻性參照通過所述氧化處理形成的膜的膜厚的面間均勻性確定。
20. 根據權利要求18所述的方法，其特征在于， 所述基準條件包含所述氧化性氣體和所述還原性氣體的流量。
全文摘要
本發明涉及一種半導體處理用氧化裝置，包括具有以隔開間隔的堆積狀態收納多個被處理基板的處理區域的處理容器；對所述處理區域進行加熱的加熱器；對所述處理區域內進行排氣的排氣系統；向所述處理區域供給氧化性氣體的氧化性氣體供給系統；和向所述處理區域供給還原性氣體的還原性氣體供給系統。氧化性氣體供給系統包括在與所述處理區域對應的上下方向的長度上延伸的氧化性氣體噴嘴，氧化性氣體噴嘴具有存在于與所述處理區域對應的上下方向的整個長度上的多個氣體噴射孔，還原性氣體供給系統包括與沿所述處理區域的上下排列的多個區段相對應的、具有不同高度的多個還原性氣體噴嘴，各還原性氣體噴嘴具有存在于對應的區段高度的氣體噴射孔。
文檔編號H01L21/00GK101150050SQ20071019290
公開日2008年3月26日 申請日期2007年9月21日 優先權日2006年9月22日
發明者井上久司, 水野功勝, 問谷昌孝 申請人:東京毅力科創株式會社