JP3156925B2 - Cold wall type single-wafer lamp heating furnace - Google Patents
Cold wall type single-wafer lamp heating furnaceInfo
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、加熱分解した後に
酸化性ガスを生成し、半導体基板に酸化膜を形成するガ
ス（例えばハロゲンガスやＮ2Ｏガス）を用いて熱酸化
を行うコールドウォール型枚葉式ランプ加熱炉に関す
る。The present invention relates to the oxidizing gas generated after thermal decomposition, cold-wall performing thermal oxidation using a gas for forming an oxide film on a semiconductor substrate (such as a halogen gas or N 2 O gas) The present invention relates to a single-wafer lamp heating furnace.
【０００２】[0002]
【従来の技術】半導体製造における酸化膜成長や窒化膜
成長では、導入ガスが加熱分解反応をしたガスが半導体
基板上で反応し、膜が成長することが重要な要素の一つ
となっている。2. Description of the Related Art In the growth of an oxide film or a nitride film in the manufacture of semiconductors, it is one of the important factors that a gas obtained by a thermal decomposition reaction of an introduced gas reacts on a semiconductor substrate to grow a film.
【０００３】通常、ＤＣＥ（ジクロルエチレン）による
ハロゲン酸化やＮ2Ｏによる酸窒化成長においては、図
３に示した様なバッチ式の縦型拡散炉を用いて膜が形成
される。Normally, in halogen oxidation by DCE (dichloroethylene) or oxynitridation by N 2 O, a film is formed using a batch type vertical diffusion furnace as shown in FIG.
【０００４】しかしながら、この手法では、薄い酸化膜
や窒化膜を形成することが難しくなっているため、より
高性能なＬＳＩに必要とされる、薄いゲート酸化膜（約
４０Å以下）を形成することが不可能である。このた
め、図４に示した様なコールドウォール型枚葉式ランプ
加熱炉によるゲート酸化膜の形成が必須となりつつあ
る。このコールドウォール型枚葉式ランプ加熱炉は、半
導体基板がランプにより加熱され、高温状態の半導体基
板上に導入ガスが横方向から流れ込み、半導体基板周辺
部から中心部方向へ流れながら半導体基板と反応する。However, in this method, it is difficult to form a thin oxide film or a nitride film. Therefore, it is necessary to form a thin gate oxide film (about 40 ° or less) required for a higher performance LSI. Is impossible. Therefore, it is becoming essential to form a gate oxide film using a cold-wall single-wafer lamp heating furnace as shown in FIG. In this cold wall type single-wafer lamp heating furnace, the semiconductor substrate is heated by the lamp, and the introduced gas flows into the semiconductor substrate in a high temperature state from the lateral direction, and reacts with the semiconductor substrate while flowing from the peripheral portion of the semiconductor substrate toward the central portion. I do.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】ここで、このコールド
ウォール型枚葉式ランプ加熱炉を用いてＤＣＥハロゲン
酸化やＮ2Ｏ酸窒化成長を行った場合、横方向から導入
されたＤＣＥガスあるいはＮ2Ｏガスは、加熱されてい
る半導体基板の熱伝導あるいは輻射熱によりはじめて熱
分解反応を起こす。そのため、半導体基板上をガスが横
切って移動する過程で熱分解反応を起こし、塩酸（ＨＣ
ｌ）、水が生成されて行く（酸窒化膜の場合はＮＯとＯ
2ガス）。Here, when DCE halogen oxidation or N 2 O oxynitridation growth is performed using this cold wall type single wafer lamp heating furnace, DCE gas or N 2 O introduced from the lateral direction is used. The 2 O gas causes a thermal decomposition reaction only by heat conduction or radiant heat of the semiconductor substrate being heated. Therefore, a thermal decomposition reaction occurs in a process in which the gas moves across the semiconductor substrate, and hydrochloric acid (HC)
l), water is generated (in the case of an oxynitride film, NO and O
2 gas).
【０００６】したがって、この塩酸や水と半導体基板と
の反応は、半導体基板周辺部と中心部とでは異なってし
まい、半導体基板面内の均一性が低下する。そのため、
酸化膜の膜厚や不純物除去効果が面内でばらついてしま
うという問題が生じる。Therefore, the reaction between the hydrochloric acid or water and the semiconductor substrate differs between the peripheral portion and the central portion of the semiconductor substrate, and the uniformity within the semiconductor substrate surface is reduced. for that reason,
There arises a problem that the thickness of the oxide film and the effect of removing impurities vary in the plane.
【０００７】本発明の主な目的の一つは コールドウォ
ール型枚葉式ランプ加熱炉を用いてハロゲンガスあるい
はＮ2Ｏガスを含んだ雰囲気で熱酸化を行う際に、ハロ
ゲンガスやＮ2Ｏガスがウェーハ直上ではなく、事前に
加熱分解された状態でウェーハに到達することが可能な
コールドウォール型枚葉式ランプ加熱炉を提供し、半導
体基板の膜厚や特性の均一性を向上させた半導体装置を
提供することにある。One of the main objects of the present invention is to carry out halogen gas or N 2 O when performing thermal oxidation in an atmosphere containing halogen gas or N 2 O gas using a cold wall type single-wafer lamp heating furnace. Provided a cold-wall single-wafer lamp heating furnace that allows the gas to reach the wafer in a state where it has been thermally decomposed in advance instead of directly above the wafer, and has improved the uniformity of the film thickness and characteristics of the semiconductor substrate. It is to provide a semiconductor device.
【０００８】[0008]
【課題を解決するための手段】本発明のコールドウォー
ル型枚葉式ランプ加熱炉は、加熱分解した後に酸化性ガ
スを生成し、半導体基板に酸化膜または酸窒化膜を形成
する反応性ガスを用いて熱酸化を行うコールドウォール
型枚葉式ランプ加熱炉であって、前記半導体基板を収容
する反応チャンバーの前記半導体基板の上方に複数の加
熱用ランプが設けられ、前記複数の加熱用ランプの間に
複数のガス導入孔が設けられ、 前記反応性ガスは前記加
熱用ランプの上部側に導入され、前記複数のガス導入孔
を通って前記半導体基板が設置された部分に導入され、
前記複数のガス導入孔は前記加熱用ランプの側方に接近
して設けられ、前記複数のガス導入孔を通る前記反応性
ガスは前記加熱用ランプの熱により加熱分解されること
を特徴とする。The cold-wall type single-wafer lamp heating furnace of the present invention generates an oxidizing gas after being thermally decomposed, and generates a reactive gas for forming an oxide film or an oxynitride film on a semiconductor substrate. a cold wall type single-wafer processing type lamp heating furnace for performing thermal oxidation using, a plurality of heating lamps above the semiconductor substrate in the reaction chamber containing the semiconductor substrate is provided, the plurality of heating lamps <br/> plurality of gas inlet holes is provided between said reactive gas the pressure
The plurality of gas introduction holes introduced into the upper side of the heat lamp.
Is introduced into the portion where the semiconductor substrate is installed through,
The plurality of gas introduction holes approach the side of the heating lamp.
The reactivity passing through the plurality of gas introduction holes.
The gas is thermally decomposed by the heat of the heating lamp .
【０００９】すなわち本発明によれば、加熱分解した後
に酸化性ガスを生成し、半導体基板に酸化膜を形成する
ガス（例えばハロゲンガスやＮ2Ｏガス）を用いて熱酸
化を行う際に、その未分解状態であるガスが事前に加熱
分解された状態でウェーハに到達することが可能であ
る。That is, according to the present invention, when thermal oxidation is performed using a gas (for example, halogen gas or N 2 O gas) that generates an oxidizing gas after thermal decomposition and forms an oxide film on a semiconductor substrate, The gas in the undecomposed state can reach the wafer in a state where the gas has been thermally decomposed in advance.
【００１０】本発明のコールドウォール型枚葉式ランプ
加熱炉においては、キャリアガスである窒素をＤＣＥ溶
液が封入されている容器の中に導入し、バブリングを行
い、キャリアガスとともに揮発したＤＣＥガスをに導入
する。またこれとは別に、熱酸化用の酸素ガスと置換及
び希釈用の窒素ガスも導入する。In the cold wall type single-wafer lamp heating furnace of the present invention, nitrogen as a carrier gas is introduced into a vessel in which a DCE solution is sealed, and bubbling is performed to remove the DCE gas volatilized together with the carrier gas. To be introduced. Separately, oxygen gas for thermal oxidation and nitrogen gas for replacement and dilution are also introduced.
【００１１】そのコールドウォール型枚葉式ランプ加熱
炉に設置された半導体基板に対して、ＤＣＥから熱分解
したＨＣｌガスによる不純物の除去及び酸素ガスによる
熱酸化を行うという構成に対し、本発明のコールドウォ
ール型枚葉式ランプ加熱炉は、導入されたＤＣＥが加熱
用ランプの間を通過できるように、ランプの間に複数の
ガス導入孔を有している。このランプ間の複数のガス導
入孔は、ランプの脇を通っているために、ランプの熱に
より加熱される。したがって、導入されたＤＣＥガス
は、このガス導入孔を通過する際に加熱分解されること
になる。このように、このランプ間の複数のガス導入孔
は、導入ガスの加熱分解用加熱機構という役割を果た
す。According to the present invention, the semiconductor substrate installed in the cold wall type single-wafer lamp heating furnace is subjected to removal of impurities by HCl gas thermally decomposed from DCE and thermal oxidation by oxygen gas. The cold wall type single-wafer lamp heating furnace has a plurality of gas introduction holes between the lamps so that the introduced DCE can pass between the heating lamps. The gas inlets between the lamps are heated by the heat of the lamp because they pass by the lamp. Therefore, the introduced DCE gas is thermally decomposed when passing through the gas introduction hole. Thus, the plurality of gas introduction holes between the lamps serve as a heating mechanism for thermal decomposition of the introduced gas.
【００１２】したがって、半導体基板にガスが到達する
ときには、ガスが既に加熱分解されているために、半導
体基板上で均一に反応するという効果が得られる。Therefore, when the gas reaches the semiconductor substrate, the gas is already thermally decomposed, so that an effect of uniformly reacting on the semiconductor substrate is obtained.
【００１３】このＤＣＥをＮ2Ｏガスに代え、コールド
ウォール型枚葉式ランプ加熱炉に導入して酸窒化膜を形
成した場合にも、同様に均一に反応を起こさせることが
できる。[0013] Even when the DCE is replaced with N 2 O gas and introduced into a cold wall type single-wafer lamp heating furnace to form an oxynitride film, a similar reaction can be caused.
【００１４】[0014]
【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態について図
面を参照して説明する。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
【００１５】図１に、本発明のコールドウォール型枚葉
式ランプ加熱炉の断面図が示されている。このコールド
ウォール型枚葉式ランプ加熱炉は、内部に半導体基板１
を収容できる反応チャンバー２を備え、この反応チャン
バー２の天板２１には、複数の加熱用ランプ３が取り付
けられ、各ランプ３の間の位置に、複数のガス導入孔２
２が形成されている。FIG. 1 is a sectional view of a cold wall type single-wafer lamp heating furnace according to the present invention. This cold wall type single wafer lamp heating furnace has a semiconductor substrate 1 inside.
A plurality of heating lamps 3 are attached to a top plate 21 of the reaction chamber 2 , and a plurality of gas introduction holes 2 are provided between the lamps 3.
2 are formed.
【００１６】図２は、天板２１に取り付けられたランプ
３と、その間に形成された複数のガス導入孔２２の配置
の一例を示している。FIG. 2 shows an example of an arrangement of the lamp 3 attached to the top plate 21 and a plurality of gas introduction holes 22 formed therebetween.
【００１７】一方、半導体基板に酸化膜を形成する反応
性ガスは、容器４に収容されたＤＣＥ中にＮ2のような
キャリアガスでバブルリングすることにより揮発により
発生され、この反応性ガスは、経路５を通って分配室６
に導かれ、その過程で、反応性ガスに、熱酸化用の酸素
ガスと置換及び希釈用の窒素ガスが混合される。On the other hand, a reactive gas for forming an oxide film on the semiconductor substrate is generated by volatilization by bubble ringing with a carrier gas such as N 2 in DCE accommodated in the container 4. Distribution room 6 through path 5
In the process, oxygen gas for thermal oxidation and nitrogen gas for replacement and dilution are mixed with the reactive gas.
【００１８】分配室６に導入された反応性ガスは、つい
で天板２１に設けられたガス導入孔２２を通って反応チ
ャンバー２内に流入する。このとき、導入されるガスが
一旦加熱用ランプ３の上部側に導入されることが一つの
特徴であり、ここから加熱用ランプ３の間に設けられた
複数のガス導入孔２２を通って、半導体基板１が設置さ
れている部分に導入される。The reactive gas introduced into the distribution chamber 6 then flows into the reaction chamber 2 through a gas introduction hole 22 provided in the top plate 21. At this time, one feature is that the gas to be introduced is once introduced to the upper side of the heating lamp 3, and from there, the gas passes through a plurality of gas introduction holes 22 provided between the heating lamps 3. The semiconductor substrate 1 is introduced into a portion where the semiconductor substrate 1 is installed.
【００１９】このランプ３間の複数のガス導入孔２２
は、ランプ３の側方に接近して設けられているために、
ここを通るガスはランプ３の熱により加熱される。した
がって導入されたＤＣＥガスは、このガス導入孔２２を
通過する際に加熱分解されることになる。このように、
このランプ３間の複数のガス導入孔２２は、導入ガスの
加熱分解用加熱機構という役割を果たす。A plurality of gas introduction holes 22 between the lamps 3
Is provided close to the side of the lamp 3,
The gas passing therethrough is heated by the heat of the lamp 3. Therefore, the introduced DCE gas is thermally decomposed when passing through the gas introduction hole 22. in this way,
The plurality of gas introduction holes 22 between the lamps 3 serve as a heating mechanism for thermal decomposition of the introduced gas.
【００２０】したがって、半導体基板にガスが到達する
ときには、ガスが既に加熱分解されているために、半導
体基板上で均一に反応するという効果が得られる。Therefore, when the gas reaches the semiconductor substrate, since the gas has already been thermally decomposed, an effect of uniformly reacting on the semiconductor substrate is obtained.
【００２１】この反応チャンバーにはガス排気用の配管
が設置されており、ここから排気される。The reaction chamber is provided with a gas exhaust pipe, from which gas is exhausted.
【００２２】本発明のコールドウォール型枚葉式ランプ
加熱炉でハロゲン酸化を行った場合には、ランプ３間の
複数のガス導入孔２２が導入ガスの加熱分解用加熱機構
という役割を果たしている。このときの流れるガスは、 Ｃ2Ｈ2Ｃｌ2＋２Ｏ2 →２ＨＣｌ＋２ＣＯ2 ３Ｃ2Ｈ2Ｃｌ2＋１３／２Ｏ2 →４ＨＣｌ＋６ＣＯ2＋Ｈ
2Ｏ＋Ｃｌ2 という２種類の加熱分解反応が主に行われる。When halogen oxidation is performed in the cold-wall type single-wafer lamp heating furnace of the present invention, the plurality of gas introduction holes 22 between the lamps 3 serve as a heating mechanism for thermal decomposition of the introduced gas. The gas flowing at this time is C 2 H 2 Cl 2 + 2O 2 → 2HCl + 2CO 2 3C 2 H 2 Cl 2 + 13 / 2O 2 → 4HCl + 6CO 2 + H
Two kinds of thermal decomposition reactions of 2 O + Cl 2 are mainly performed.
【００２３】このような構成においては、塩酸（ＨＣ
ｌ）が発生するため、この塩酸が半導体基板に存在する
金属等の不純物と反応して塩化物となって昇華するた
め、半導体基板上から不純物を除去することが可能とな
る。またこれと同時に、熱分解反応を起こさなかった酸
素、あるいは分解反応により生じた水分子によって酸化
膜が形成される。In such a configuration, hydrochloric acid (HC
Since 1) is generated, the hydrochloric acid reacts with impurities such as metals existing in the semiconductor substrate to form chlorides and sublimate, so that the impurities can be removed from the semiconductor substrate. At the same time, an oxide film is formed by oxygen that has not caused a thermal decomposition reaction or water molecules generated by the decomposition reaction.
【００２４】したがって、不純物を含まない酸化膜を半
導体基板上に形成することが可能であり、半導体装置の
性能及び歩留まりの向上という効果がもたらされる。Therefore, it is possible to form an oxide film containing no impurities on the semiconductor substrate, which brings about the effect of improving the performance and yield of the semiconductor device.
【００２５】このことを図２を用いてさらに説明する。
図２は、加熱用ランプ３を取り付けた反応チャンバー１
の天板２１に形成されたガス導入孔２２を上部から見た
ものとして示している。本発明によるコールドウォール
型枚葉式ランプ加熱炉においては、このガス導入孔２２
が多数存在していることにより、導入されるガスが半導
体基板１上のどの部分においても均一に加熱分解反応を
起こし、半導体基板１上で均一に不純物が除去され、そ
して酸化膜の形成が可能となる。This will be further described with reference to FIG.
FIG. 2 shows a reaction chamber 1 equipped with a heating lamp 3.
The gas introduction holes 22 formed in the top plate 21 are shown as viewed from above. In the cold-wall type single-wafer lamp heating furnace according to the present invention, the gas introduction holes 22 are provided.
Is present, the introduced gas causes a thermal decomposition reaction uniformly in any part on the semiconductor substrate 1, impurities are uniformly removed on the semiconductor substrate 1, and an oxide film can be formed. Becomes
【００２６】なお、以上の説明では、反応性ガスとして
ＤＣＥ（ジクロルエチレン）を用いた場合であるが、Ｔ
ＣＡ（トリクロロエタン）としてもよい。In the above description, DCE (dichloroethylene) is used as the reactive gas.
It may be CA (trichloroethane).
【００２７】また本発明のコールドウォール型枚葉式ラ
ンプ加熱炉では、ハロゲン酸化に代えて、酸窒化にも適
用することができる。同様に、図１に示した構造の半導
体製造装置を用いてＮ2Ｏガスを流すことで均一な酸窒
化膜を半導体基板上に形成することもできる。The cold wall type single-wafer lamp heating furnace of the present invention can be applied to oxynitriding instead of halogen oxidation. Similarly, a uniform oxynitride film can be formed on a semiconductor substrate by flowing N 2 O gas using the semiconductor manufacturing apparatus having the structure shown in FIG.
【００２８】この酸窒化膜成長では導入したＮ2Ｏガス
がいくつかの熱分解反応を起こし、結果的に以下のよう
な反応を起こす。この反応で生成されたＮＯ及びＯ2ガ
スによって酸窒化膜が形成される。In the growth of the oxynitride film, the introduced N 2 O gas causes some thermal decomposition reactions, resulting in the following reactions. An oxynitride film is formed by the NO and O 2 gases generated by this reaction.
【００２９】５Ｎ2Ｏ → ４Ｎ2＋Ｏ2＋ＮＯ＋ＮＯ2 この場合においても本発明による加熱用ランプの間にガ
ス導入孔が多数存在していることにより、導入されるガ
スが半導体基板上のどの部分においても均一に加熱分解
反応を起こし、半導体基板上で均一な酸窒化膜が形成さ
れるという効果が得られる。5N 2 O → 4N 2 + O 2 + NO + NO 2 Also in this case, since a large number of gas introduction holes are present between the heating lamps according to the present invention, the introduced gas can be generated at any part of the semiconductor substrate. This also has the effect of uniformly causing a thermal decomposition reaction to form a uniform oxynitride film on the semiconductor substrate.
【００３０】[0030]
【発明の効果】以上に説明したように、本発明のコール
ドウォール型枚葉式ランプ加熱炉では、加熱用ランプの
間に設けられた複数のガス導入孔を通って反応チャンバ
ーに導入される。またＤＣＥガスは、このガス導入孔を
通過する際に加熱分解されることになる。このように、
このランプ間の複数のガス導入孔は、導入ガスの加熱分
解用加熱機構という役割を果たす。As described above, in the cold wall type single-wafer lamp heating furnace of the present invention, the gas is introduced into the reaction chamber through a plurality of gas introduction holes provided between the heating lamps. The DCE gas is thermally decomposed when passing through the gas introduction hole. in this way,
The plurality of gas introduction holes between the lamps serve as a heating mechanism for thermal decomposition of the introduced gas.
【００３１】したがって、半導体基板にガスが到達する
ときには、ガスが既に加熱分解されているために、半導
体基板上で均一に反応するという効果が得られる。Therefore, when the gas reaches the semiconductor substrate, since the gas has already been thermally decomposed, an effect of uniformly reacting on the semiconductor substrate is obtained.
【００３２】このＤＣＥをＮ2Ｏガスに代え、コールド
ウォール型枚葉式ランプ加熱炉に導入して酸窒化膜を形
成した場合にも、同様に均一に反応を起こさせることが
できる。Even when this DCE is replaced with N 2 O gas and introduced into a cold-wall type single-wafer lamp heating furnace to form an oxynitride film, the reaction can be similarly caused uniformly.
【図１】本発明の一実施の形態によるコールドウォール
型枚葉式ランプ加熱炉を示す概略的縦断面図。FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view showing a cold wall type single wafer lamp heating furnace according to an embodiment of the present invention.
【図２】図１のコールドウォール型枚葉式ランプ加熱炉
の加熱用ランプとガス導入孔の配置の一例を示す説明
図。FIG. 2 is an explanatory view showing an example of an arrangement of heating lamps and gas introduction holes of the cold wall type single-wafer lamp heating furnace of FIG.
【図３】従来のコールドウォール型枚葉式ランプ加熱炉
を示す概略的縦断面図。FIG. 3 is a schematic longitudinal sectional view showing a conventional cold wall type single wafer lamp heating furnace.
【図４】従来の他のコールドウォール型枚葉式ランプ加
熱炉を示す概略的縦断面図。FIG. 4 is a schematic longitudinal sectional view showing another conventional cold wall type single-wafer lamp heating furnace.
１ 半導体基板 ２ 反応チャンバー ２１ 天板 ２２ ガス導入孔 ３ 加熱用ランプ ４ 容器 ５ 経路 ６ 分配室 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor substrate 2 Reaction chamber 21 Top plate 22 Gas introduction hole 3 Heating lamp 4 Container 5 Path 6 Distribution chamber
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01L 21/205 H01L 21/31 H01L 21/22 H01L 21/26 C30B 16/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21/205 H01L 21/31 H01L 21/22 H01L 21/26 C30B 16/00
Claims (1)
半導体基板に酸化膜または酸窒化膜を形成する反応性ガ
スを用いて熱酸化を行うコールドウォール型枚葉式ラン
プ加熱炉であって、 前記半導体基板を収容する反応チャンバーの前記半導体
基板の上方に複数の加熱用ランプが設けられ、前記複数
の加熱用ランプの間に複数のガス導入孔が設けられ、 前記反応性ガスは前記加熱用ランプの上部側に導入さ
れ、前記複数のガス導入孔を通って前記半導体基板が設
置された部分に導入され、 前記複数のガス導入孔は前記加熱用ランプの側方に接近
して設けられ、前記複数のガス導入孔を通る前記反応性
ガスは前記加熱用ランプの熱により加熱分解される こと
を特徴とするコールドウォール型枚葉式ランプ加熱炉。An oxidizing gas is generated after thermal decomposition,
A cold wall type single-wafer processing type lamp heating furnace for performing thermal oxidation using a reactive gas to form an oxide film or an oxynitride film on the semiconductor substrate, the upper front Symbol semiconductor substrate of a reaction chamber containing the semiconductor substrate A plurality of heating lamps ,
A plurality of gas introduction holes are provided between the heating lamps, and the reactive gas is introduced into an upper side of the heating lamp.
And the semiconductor substrate is set through the plurality of gas introduction holes.
Introduced into the placed portion, the plurality of gas introduction holes approaching the side of the heating lamp
The reactivity passing through the plurality of gas introduction holes.
A cold wall type single-wafer lamp heating furnace, wherein the gas is thermally decomposed by the heat of the heating lamp.
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1999
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