JP2005072377A

JP2005072377A - 半導体装置の製造方法及び基板処理装置

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Publication number: JP2005072377A
Application number: JP2003301841A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Yuasa; 和宏湯浅; Takashi Ozaki; 貴志尾崎
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2003-08-26
Filing date: 2003-08-26
Publication date: 2005-03-17

Abstract

【課題】本発明の目的は、等方性酸化をバッチ式の縦型装置にて実施する場合に、基板
配置場所により水素濃度が異なり酸化膜厚が大きく変動するのを抑制し、高品質な半導体
装置を製造することができる半導体装置の製造方法及び基板処理装置を提供することを目
的としている。
【解決手段】複数枚の基板１を処理室４内に搬入する工程と、処理室４内に搬入された
複数枚の基板１の上流側から酸素含有ガスを供給する工程と、処理室４内に搬入された複
数枚の基板１の上流側および前記複数枚の基板が存在する領域に対応する途中箇所から水
素含有ガスを供給する工程と、処理室４内で酸素含有ガスと前記水素含有ガスとを反応さ
せて複数枚の基板１を酸化する工程と、処理後の基板１を処理室４より搬出する工程と、
を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウェハ等の基板の表面を酸化処理するための半導体装置（デバイス）
の製造方法及び基板処理装置に関する。

半導体プロセスの途中過程において形成される、異なるＳｉ結晶面が露出したＳｉ基板
（ウェハ）上を直接酸化反応させる工程において、従来の酸化技術においては、結晶面に
依存して酸化速度が異なる結果、基板上にて異なる膜厚の酸化膜が形成され、基板上の場
所により特性がバラツク問題があった。

異なるＳｉ結晶面が基板上に露出する工程には、例えばShallow Trench Isolation（Ｓ
ＴＩ）として知られる素子間分離や、Ｓｉ基板を掘り込んだ縦型のＭＯＳトランジスタの
形成工程があり、Ｓｉ基板上にドライエッチングにより溝を形成することにより、溝の側
面と底面にて異なる面方位が露出される。また、ＳＴＩ工程においては、酸化工程にて、
Ｓｉ_３Ｎ_４も基板表面に露出しており、Ｓｉ_３Ｎ_４上の酸化速度がＳｉ基板上の酸化速度
に近くなり、極力同じ酸化膜厚としたいプロセス要求がある。

従来の酸化方法には、反応室の雰囲気を常圧、若しくは減圧として、酸素単独もしくは
、Ｎ_２、Ａｒ等により酸素分圧が調節された雰囲気にて基板の酸化処理を行うドライ酸化
と、酸素と水素を反応室の前段にて混合することにより形成される水分を利用して基板の
酸化処理を行うウェット酸化とがある。水素と酸素の混合により水分を形成する方法には
、抵抗加熱、やランプ集光加熱等により水素、酸素の着火温度以上に昇温、燃焼させる方
法と、着火温度以下で触媒作用により水素、酸素を反応させる方法が、広く利用されてき
ている（特許文献１参照）。
特開平１１−２０４５１１号

従来の酸化方法では、異なるＳｉ基板の面方位間、例えば（１００）面と（１１０）面で
は、Ｓｉ基板表面のＳｉ原子面密度に依存して、よりＳｉ原子面密度の大きい（１１０）
面の酸化速度が（１００）面のそれより、薄膜酸化領域においておよそ２倍となる。また
、Ｓｉ_３Ｎ_４上では通常、耐酸化性が高く、酸化に対するバリア層として使用されること
もあり、ほとんど酸化が進行しない。

これに対し、減圧雰囲気とした反応室に、それぞれ独立したガス供給系より酸素、水素
を導入し、被処理物である基板近傍で直接反応させる方法では、水分を形成する前に基板
との反応が進行するため、酸化初期の成長速度が速く、異なるＳｉ基板の面方位間、Ｓｉ
_３Ｎ_４上における成長速度差が小さくなる結果、膜厚差を著しく小さくすることができ、
等方性酸化が可能である。

しかしながら等方性酸化を、バッチ式の縦型装置にて実施する場合、従来の方法では、
ガスの供給箇所が被処理物である基板の上流のみであることから、垂直方向に多段に配置
された各基板配置場所により、反応室内にて水素濃度が異なる結果、形成される酸化膜厚
が大きく変動してしまう問題があった。

本発明の目的は、等方性酸化をバッチ式の縦型装置にて実施する場合に、基板配置場所
により水素濃度が異なり酸化膜厚が大きく変動するのを抑制し、高品質な半導体装置（デ
バイス）を製造することができる半導体装置の製造方法及び基板処理装置を提供すること
を目的としている。

本発明の第１の特徴とするところは、複数枚の基板を処理室内に搬入する工程と、前記
処理室内に搬入された前記複数枚の基板の上流側から酸素含有ガスを供給する工程と、前
記処理室内に搬入された前記複数枚の基板の上流側および前記複数枚の基板が存在する領
域に対応する途中箇所から水素含有ガスを供給する工程と、前記処理室内で前記酸素含有
ガスと前記水素含有ガスとを反応させて前記複数枚の基板を酸化する工程と、処理後の基
板を処理室より搬出する工程と、を有することを特徴とする半導体装置の製造方法にある
。

本発明の第２の特徴とするところは、第１の特徴において、前記基板を酸化する工程は
、前記処理室内の圧力を大気圧よりも低くした状態で行うことを特徴とする半導体装置の
製造方法にある。

本発明の第３の特徴とするところは、第１の特徴において、前記酸素含有ガスとは、酸
素ガス、亜酸化窒素ガスよりなる群から選択される少なくとも一つのガスであり、前記水
素含有ガスとは、水素ガス、アンモニアガス、メタンガスよりなる群から選択される少な
くとも一つのガスであることを特徴とする半導体装置の製造方法にある。

本発明の第４の特徴とするところは、第１の特徴において、前記酸素含有ガスとは酸素
ガスであり、前記水素含有ガスとは水素ガスであることを特徴とする半導体装置の製造方
法にある。

本発明の第５の特徴とするところは、第１の特徴において、前記基板の表面は異なる結
晶方位面を有するか、ＣＶＤによる多結晶シリコンであるか、またはシリコン窒化物であ
ることを特徴とする半導体装置の製造方法にある。

本発明の第６の特徴とするところは、複数枚の基板を処理する処理室と、前記処理室内
で前記複数枚の基板を保持する保持具と、前記複数枚の基板の上流側から基板に対して酸
素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給ラインと、前記複数枚の基板の上流側および前記
複数枚の基板が存在する領域に対応する途中箇所から基板に対して水素含有ガスを供給す
る水素含有ガス供給ラインと、前記処理室内を排気する排気ラインと、を有することを特
徴とする基板処理装置にある。

本発明の第７の特徴とするところは、第６の特徴において、更に、前記処理室内の圧力
が大気圧以下の圧力となるよう制御する制御手段を有することを特徴とする基板処理装置
にある。

本発明の第８の特徴とするところは、第６の特徴において、前記水素含有ガス供給ライ
ンは、前記複数枚の基板の上流側から水素含有ガスを供給する供給ラインと、前記複数枚
の基板が存在する領域に対応する途中箇所から水素含有ガスを供給する供給ラインからな
り、それぞれの供給ラインは独立して設けられることを特徴とする基板処理装置にある。

本発明の第９の特徴とするところは、第６の特徴において、前記水素含有ガス供給ライ
ンは、前記複数枚の基板の上流側から水素含有ガスを供給する供給ラインと、前記複数枚
の基板が存在する領域に対応する途中の複数箇所から水素含有ガスを供給する複数の供給
ラインからなり、それぞれの供給ラインは独立して設けられることを特徴とする基板処理
装置にある。

本発明の第１０の特徴とするところは、第８の特徴において、前記各供給ラインにはそ
れぞれマスフローコントローラが設けられることを特徴とする基板処理装置にある。

本発明の第１１の特徴とするところは、第９の特徴において、前記各供給ラインにはそ
れぞれマスフローコントローラが設けられることを特徴とする基板処理装置にある。

本発明の第１２の特徴とするところは、第６の特徴において、前記水素含有ガス供給ラ
インは、複数本の独立したノズルを含むことを特徴とする基板処理装置にある。

本発明の第１３の特徴とするところは、第６の特徴において、前記水素含有ガス供給ラ
インは、側面に少なくとも２つ以上の孔が設けられた多孔ノズルを含むことを特徴とする
基板処理装置にある。

本発明の第１４の特徴とするところは、第１３の特徴において、前記多孔ノズルの側面
には、開口面積が異なる少なくとも２種類以上の孔が設けられることを特徴とする基板処
理装置にある。

本発明によれば、様々な半導体ウェハのプロセス工程で形成されるシリコン基板上の異
なる面方位のシリコン表面において、酸化膜の成長速度差を、従来の酸化方法に比較して
著しく小さくすることができる。また、バッチ式の縦型装置にて複数枚の基板を処理する
際に、各基板上における水素濃度のバラツキに伴う酸化膜厚のバラツキを抑制でき、高品
質な半導体装置（デバイス）を製造することができる。

本発明者らは、等方性酸化が、酸素と水素が基板直近で加熱源により加熱された基板と
直接反応し、且つその成膜速度が水素の供給律速反応であることを見出し、垂直方向多段
に配置された各基板上の成膜速度を一定とするために、反応室への水素供給系路を２系統
以上の複数本とすることを考案した。これにより、反応室の上流より供給された水素が、
同じく反応室の上流より供給された酸素と基板直上にて反応消費されることによる、反応
室内部のガス流れ下流方向における水素濃度の減衰を無くすことができ、バッチ式の縦型
装置を用いて等方性酸化を行う場合において、複数枚の基板上における酸化膜厚の均一性
を向上することに成功した。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態における基板処理装置としてのバッチ式縦型半導体製造装置
（酸化装置）を説明するものである。この反応炉２０は、反応管２１を有し、この反応管
２１により形成される反応室（処理室）４内に基板保持具としてのボート２が挿入される
。保持具２は、複数枚の基板としての半導体ウェハ（シリコンウェハ）１を略水平状態で
隙間（基板ピッチ間隔）をもって複数段に保持するように構成されている。反応管２１の
下方は、保持具２を挿入するために開放され、この開放部分はシールキャップ２２により
密閉されるようにしてある。反応管２１の周囲には加熱源としての抵抗加熱ヒータ５が配
置されている。反応管２１には、酸素含有ガスとしての酸素（Ｏ_２）ガスを基板の上流側
から基板に対して供給する酸素供給ライン７と、水素含有ガスとしての水素（Ｈ_２）ガス
を基板の上流側から基板に対して供給する第一の水素供給ライン８と、複数枚の基板が存
在する領域に対応する途中箇所から基板に対して供給する第二の水素供給ライン９が接続
されている。第二の水素供給ライン９は、複数設けられることが好ましい。各供給ライン
７、８、９にはガスの供給および供給停止を行うための電磁バルブ６が設けられている。
また、反応管２１には処理ガスを排気する排気ライン２３が接続されており、この排気ラ
イン２３には真空排気ポンプ３が接続されている。基板処理中、反応管２１内は真空ポン
プ３により大気圧よりも低い所定の圧力（減圧）とされるが、この圧力制御は制御手段２
４により行う。

次に、上述の酸化装置を使用して、半導体装置（デバイス）の製造工程の一工程として
、基板に酸化処理を施す方法について説明する。

１バッチ分のウェハ１を保持具２に移載すると、加熱源５により加熱状態を維持された
反応炉２０の処理室４内に複数枚のウェハ１を装填した保持具２を装入（ロード）し、シ
ールキャップ２２により反応管２１内を密閉する。次に、真空ポンプ３により反応管２１
内を真空引きし、制御手段２４により炉内圧力が大気圧よりも低い所定の処理圧力となる
よう制御する。また、炉内温度を昇温させ、制御手段２４により炉内温度が所定の処理温
度となるよう制御する。その後、酸素供給ライン７より処理室４内に酸素を供給すると共
に、第一の水素供給ライン８、第二の水素供給ライン９より処理室４内に水素ガスを供給
する。これにより、酸素ガスと水素ガスとが加熱源５により加熱された基板近傍で直接反
応し、ウェハ１に酸化処理が施される。処理温度としては、５００〜１０００℃、処理圧
力としては１〜１３３Ｐａが例示される。

ウェハ１の酸化処理が終了すると、真空引き、不活性ガスによるパージ等により炉内の
残留ガスを除去し、炉内温度を所定の温度まで降温した後、保持具２を反応炉２０からア
ンロードし、保持具２に支持された全てのウェハ１が冷えるまで、保持具２を所定位置で
待機させる。待機させた保持具２に保持されたウェハ１が所定温度まで冷却されると、基
板移載機等によりウェハを回収する。

本実施形態によれば、様々な半導体ウェハのプロセス工程で形成される、ウェハ基板上
の異なる面方位のシリコン表面において、酸化膜の成長速度差を、従来の酸化方法に比較
して著しく小さくすることができ、加えて、縦型半導体製造装置にて複数枚のウェハを処
理する際に、各ウェハ上における水素濃度のバラツキに伴う、酸化膜厚のバラツキを抑え
ることが可能となる。なお、本発明は、酸化処理を行う基板の表面が、異なる結晶方位面
を有するか、ＣＶＤによる多結晶シリコンであるか、またはシリコン窒化物である場合に
特に有効となる。

なお、上記実施形態では、酸素含有ガスとして酸素ガスを用いる場合について、水素含
有ガスとして水素ガスを用いる場合について説明したが、酸素含有ガスとしては、酸素（
Ｏ_２）ガス、亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）ガスよりなる群から選択される少なくとも一つのガス
を用いることができ、水素含有ガスとしては、水素（Ｈ_２）ガス、アンモニア（ＮＨ_３）
ガス、メタン（ＣＨ_４）ガスよりなる群から選択される少なくとも一つのガスを用いるこ
とができる。

次に図１を用いて、第１の実施例における基板処理装置について詳述する。
真空排気ポンプ３を介して減圧雰囲気とした反応室４に、それぞれ独立した、酸素供給
ライン７と、第一の水素供給ノズル８が接続されており、酸素ガスと水素ガスとが、反応
室４に供給される前に混合されることがなく、加熱源５により加熱された被処理物である
ウェハ１の直近にて、活性な水素と酸素の反応が起こるため、酸化初期における酸化速度
を大きくすることが出来る。

酸化速度の加速は、ウェハ近傍の水素濃度に依存しており、ウェハ１の配列の上流より
、第一の水素供給ライン８を介してのみ水素ガスの供給を実施する構成においては、ウェ
ハ配列の下流方向に向い、水素ガスが酸化反応に寄与することにより消費され、水素ガス
濃度がウェハ配置位置により異なる結果、膜厚均一性を著しく悪くしてしまう。

そこで、水素の供給ラインとして、第一の水素供給ライン８とは別に、酸化反応にて消
費され、下流で欠乏した水素ガスを補うために、第二、第三、…の水素供給ライン９を複
数本設けるようにしている。これにより、複数枚のウェハ1が存在する領域の途中の複数
箇所から基板に対して水素ガスを供給でき、ウェハ1が存在する領域の途中において欠乏
した水素ガスを補うことができるので、反応室４に配置された複数のウェハ1の膜厚均一
性を向上させることが可能となる。第二、第三の水素供給ライン９は、それぞれ独立して
おり、また、ガス噴出口はウェハ方向を向いており（ウェハ１と対向しており）、ウェハ
配列の上流に接続される酸素供給ライン７より供給される酸素と混合されることなく、ウ
ェハ近傍に水素を供給することが可能である。

次に図２を用いて、第２の実施例における基板処理装置について詳述する。
反応室４に、酸素供給ライン７とは独立した第一の水素供給ライン８が接続されている
点は第１の実施例と同様である。第１の実施例と異なるのは、第一の水素供給ライン８と
は独立した第二、第三、…の水素供給ライン９が、反応室４内を反応管２１の内壁に沿っ
て立ち上がる長さの異なる複数（多系統）のノズルに接続されている点である。具体的に
は、第二、第三、…の水素供給ライン９は、ウェハ配列方向に対し長さが異なる、第ニの
水素供給ノズル１０、第三の水素供給ノズル１１、…に接続されており、ウェハ配列方向
（垂直方向）の反応室内の水素濃度を調節することが可能となっている。なお、それぞれ
のノズルの先端は開放されており、この開放部がガス噴出口となっている。このガス噴出
口は反応室４上方を向いており、ウェハ１の方向を向いていないが、第１の実施例のよう
にウェハの方向を向く（ウェハ１と対向する）ようにしてもよい。

次に図３を用いて、第３の実施例における基板処理装置について詳述する。
反応室４に、酸素供給ライン７とは独立した第一の水素供給ライン８が接続され、第一
の水素供給ライン８とは別に、酸化反応にて消費され、下流で欠乏した水素ガスを補うた
めに、第二、第三、…の水素供給ライン９が複数本設けられる点は第１の実施例と同様で
ある。第１の実施例と異なるのは、酸素供給ライン７、第一の水素供給ライン８、第二、
第三、…の水素供給ライン９のそれぞれに、流量の調整が可能なマスフローコントローラ
（流量制御装置）１２がそれぞれ設置されている点である。これにより、それぞれの供給
ラインに流れる酸素流量、水素流量を調節することができ、反応室内の水素濃度を細かく
制御することが可能となっている。

次に図４を用いて、第４の実施例における基板処理装置について詳述する。
反応室４に、酸素供給ライン７とは独立した第一の水素供給ライン８が接続されている
点は第１の実施例と同様である。第１の実施例と異なるのは、第一の水素供給ライン８と
は独立して設けられた反応室内の水素濃度調整用の途中供給ノズルである第二、第三、…
の水素供給ライン９の代わりに、多孔ノズル１３を設けた点である。この多孔ノズル１３
は、ノズル先端が封止されており、且つノズル側面方向に少なくとも２個以上の小孔を有
しており、複数の水素ラインを用いることなく、反応室内の水素濃度を制御することが可
能となっている。多孔ノズル１３の側面には、直径すなわち開口面積が異なる少なくとも
２種類以上の小孔を設けるようにしてもよい。すなわち小孔の孔径が、少なくとも二種類
以上設置されていてもよい。これにより、それぞれの小孔より流出する水素流量を細かく
制御することが可能となっている。

次に図５を用いて、第５の実施例における基板処理装置について詳述する。
図５は、図１〜４に記載の第１〜第４の実施例とは反応室４内におけるガス流方向が異
なる実施例である。第１〜第４の実施例の場合、反応室４内においてガスは基本的には上
方から下方に向かって流れるが、本実施例の場合、反応室４内においてガスは下方から上
方に向かって流れる。反応室の構成において、アウターチューブ（反応管）２１内にイン
ナーチューブ１４を有しており、これを介して反応室４内が区分けされており、反応ガス
である酸素と水素が、それぞれ反応室下部よりインナーチューブ１４の内側に供給され、
途中供給用の水素供給ノズルもインナーチューブ１４内側に垂直に立ちあがっており、反
応後のガスや未反応のガスは、インナーチューブ１４の外側（インナーチューブ１４とア
ウターチューブ２１との間の空間）を通り、排気ライン２３、真空ポンプ３を介して排気
される構造となっている。

本発明の実施形態（第１の実施例）に係る基板処理装置を示す概略断面図本発明の実施形態（第２の実施例）に係る基板処理装置を示す概略断面図本発明の実施形態（第３の実施例）に係る基板処理装置を示す概略断面図本発明の実施形態（第４の実施例）に係る基板処理装置を示す概略断面図本発明の実施形態（第５の実施例）に係る基板処理装置を示す概略断面図

符号の説明

１ウェハ
２ウェハ保持具
３真空排気ポンプ
４反応室
５加熱源
６電磁バルブ
７酸素供給ライン
８第一の水素供給ライン
９第二の水素供給ライン
１０第一の水素供給ノズル
１１第二の水素供給ノズル
１２マスフローコントローラー
１３多孔ノズル

Claims

複数枚の基板を処理室内に搬入する工程と、
前記処理室内に搬入された前記複数枚の基板の上流側から酸素含有ガスを供給する工程と
、
前記処理室内に搬入された前記複数枚の基板の上流側および前記複数枚の基板が存在する
領域に対応する途中箇所から水素含有ガスを供給する工程と、
前記処理室内で前記酸素含有ガスと前記水素含有ガスとを反応させて前記複数枚の基板を
酸化する工程と、
処理後の基板を処理室より搬出する工程と、
を有することを特徴とする半導体装置の製造方法。
前記基板を酸化する工程は、前記処理室内の圧力を大気圧よりも低くした状態で行うこと
を特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記酸素含有ガスとは、酸素ガス、亜酸化窒素ガスよりなる群から選択される少なくとも
一つのガスであり、前記水素含有ガスとは、水素ガス、アンモニアガス、メタンガスより
なる群から選択される少なくとも一つのガスであることを特徴とする請求項１記載の半導
体装置の製造方法。
前記酸素含有ガスとは酸素ガスであり、前記水素含有ガスとは水素ガスであることを特徴
とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
前記基板の表面は異なる結晶方位面を有するか、ＣＶＤによる多結晶シリコンであるか、
またはシリコン窒化物であることを特徴とする請求項１記載の半導体装置の製造方法。
複数枚の基板を処理する処理室と、
前記処理室内で前記複数枚の基板を保持する保持具と、
前記複数枚の基板の上流側から基板に対して酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給ラ
インと、
前記複数枚の基板の上流側および前記複数枚の基板が存在する領域に対応する途中箇所か
ら基板に対して水素含有ガスを供給する水素含有ガス供給ラインと、
前記処理室内を排気する排気ラインと、
を有することを特徴とする基板処理装置。
更に、前記処理室内の圧力が大気圧以下の圧力となるよう制御する制御手段を有すること
を特徴とする請求項６記載の基板処理装置。
前記水素含有ガス供給ラインは、前記複数枚の基板の上流側から水素含有ガスを供給する
供給ラインと、前記複数枚の基板が存在する領域に対応する途中箇所から水素含有ガスを
供給する供給ラインからなり、それぞれの供給ラインは独立して設けられることを特徴と
する請求項６記載の基板処理装置。
前記水素含有ガス供給ラインは、前記複数枚の基板の上流側から水素含有ガスを供給する
供給ラインと、前記複数枚の基板が存在する領域に対応する途中の複数箇所から水素含有
ガスを供給する複数の供給ラインからなり、それぞれの供給ラインは独立して設けられる
ことを特徴とする請求項６記載の基板処理装置。
前記各供給ラインにはそれぞれマスフローコントローラが設けられることを特徴とする請
求項８記載の基板処理装置。
前記各供給ラインにはそれぞれマスフローコントローラが設けられることを特徴とする請
求項９記載の基板処理装置。
前記水素含有ガス供給系ラインは、複数本の独立したノズルを含むことを特徴とする請求
項６記載の基板処理装置。
前記水素含有ガス供給ラインは、側面に少なくとも２つ以上の孔が設けられた多孔ノズル
を含むことを特徴とする請求項６記載の基板処理装置。
前記多孔ノズルの側面には、開口面積が異なる少なくとも２種類以上の孔が設けられるこ
とを特徴とする請求項１３記載の基板処理装置。