KR100888539B1 - 피처리체의 산화 방법 및 산화 장치 - Google Patents

피처리체의 산화 방법 및 산화 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 과제는 산화막의 막 두께의 면간 균일성을 높게 유지하는 것이 가능한 피처리체의 산화 방법을 제공하는 것이다.
소정의 길이를 갖는 진공화 가능하게 이루어진 처리 용기(22) 내에 피처리체(W)를 복수매 수용하고, 상기 처리 용기 내에 산화성 가스와 환원성 가스를 공급하여 상기 양 가스를 반응시킴으로써 발생한 산소 활성종과 수산기 활성종을 갖는 분위기 중에서 상기 피처리체의 표면을 산화하도록 한 피처리체의 산화 방법에 있어서, 상기 산화성 가스를 상기 처리 용기의 길이 방향의 일단부측으로부터 공급하고, 상기 환원성 가스를 상기 처리 용기의 길이 방향의 다른 위치에 설치한 복수의 가스 분사구로부터 공급할 수 있게 하는 동시에, 상기 처리 용기 내의 상기 피처리체의 수용 매수와 수용 위치에 따라서 상기 가스 분사구 중 어느 하나를 선택하고, 상기 선택된 가스 분사구로부터 환원성 가스를 공급한다. 이에 의해, 산화막의 막 두께의 면간 균일성을 높게 유지한다.
산화 장치, 처리 용기, 웨이퍼 보트, 가열 수단, 가스 분사구

Description

피처리체의 산화 방법 및 산화 장치{OXIDIZATION METHOD AND OXIDIZATION APPARATUS FOR OBJECT TO BE PROCESSED}
도1은 본 발명의 방법을 실시하기 위한 산화 장치의 일례를 도시하는 구성도.
도2는 웨이퍼 위치와 SiO2막과의 관계를 나타내는 그래프.
도3은 H2 가스 농도와 SiO2막의 막 두께와의 관계를 나타내는 그래프.
도4는 웨이퍼 보트에 제품용 웨이퍼가 수용되는 형태를 도시하는 도면.
도5는 선택된 특정한 환원성 가스 분사 노즐로부터 H2 가스를 공급하였을 때의 막 두께에 대한 영향을 나타내는 그래프.
도6은 메인 노즐로부터의 H2 가스 공급량을 일정하게 한 상태에서 보조적으로 공급하는 노즐로부터의 H2 가스 공급량을 변화시켰을 때의 막 두께에 대한 영향을 나타내는 그래프.
도7은 환원성 가스 분사 노즐의 변형예를 나타내는 도면.
도8은 산화 장치의 변형예를 나타내는 개략 구성도.
도9는 종래의 산화 장치를 도시하는 개략 구성도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
20 : 산화 장치
22 : 처리 용기
36 : 웨이퍼 보트(보유 지지 수단)
56 : 가열 수단
60 : 산화성 가스 공급 수단
62 : 환원성 가스 공급 수단
64 : 산화성 가스 분사 노즐
80A 내지 80E : 환원성 가스 분사 노즐
88A 내지 88E : 가스 분사구
W : 반도체 웨이퍼(피처리체)
PW : 제품용 피처리체(제품용 웨이퍼)
본 발명은 반도체 웨이퍼 등의 피처리체의 표면에 대해 산화 처리를 하는 피처리체의 산화 방법 및 산화 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 반도체 집적 회로를 제조하기 위해서는 실리콘 기판 등으로 이루어지는 반도체 웨이퍼에 대해, 성막 처리, 에칭 처리, 산화 처리, 확산 처리, 개질 처리 등의 각종의 처리가 행해진다. 상기 각종의 처리 중에서, 산화 처리를 예 로 들어 이 산화 처리는 단결정 혹은 폴리실리콘막의 표면 등을 산화하는 경우, 금속막을 산화 처리하는 경우 등이 알려져 있고, 특히 게이트 산화막이나 캐패시터 등의 절연막을 형성할 때에 주로 이용된다.
이 산화 처리를 행하는 방법으로는, 압력의 관점으로부터는 대략 대기압과 동등한 분위기 하의 처리 용기 내에서 행하는 상압 산화 처리 방법과 진공 분위기 하의 처리 용기 내에서 행하는 감압 산화 처리 방법 등이 있고, 또한 산화에 사용하는 가스종의 관점으로부터는, 예를 들어 수소와 산소를 외부 연소 장치에서 연소시킴으로써 수증기를 발생시켜 이 수증기를 이용하여 산화를 행하는 습윤 산화 처리 방법(예를 들어 특허 문헌 1)과, 오존만 혹은 산소만을 처리 용기 내로 흐르게 하는 등으로 하여 수증기를 이용하지 않고 산화를 행하는 드라이 산화 처리 방법(예를 들어 특허 문헌 2)이 존재한다.
그런데, 절연막으로서는 내압성, 내부식성, 신뢰성 등의 막질 특성을 고려하면, 일반적으로는 드라이 산화 처리에 의해 형성된 것보다도, 습윤 산화 처리에 의해 형성된 것이 비교적 우수하다. 또한, 이와 같이 형성되는 산화막(절연막)의 성막율이나 웨이퍼 면내의 균일성의 관점으로부터는, 일반적으로는 상압의 습윤 산화 처리에 의해 형성된 것은 산화율은 크지만, 막 두께의 면내 균일성이 떨어져 감압의 습윤 산화 처리에 의해 형성된 것은 반대로 산화율은 작지만, 막 두께의 면내 균일성이 우수하다는 특성이 있다.
종래에 있어서는, 반도체 집적 회로의 디자인 규칙이 그만큼 엄격하지 않기 때문에, 산화막이 적용되는 용도나 프로세스 조건, 장치 비용 등을 적절하게 감안 하여, 상술한 바와 같은 여러 가지의 산화 방법이 이용되고 있었다. 그러나, 최근 선 폭이나 막 두께가 보다 작아져 디자인 규칙이 엄격해지면, 그에 따라 막질의 특성이나 막 두께의 면내 균일성 등이 보다 높은 것이 요구되도록 되어 오고 있고, 산화 처리 방법에서는 이 요구에 충분하게 대응할 수 없다는 등의 문제가 발생하고 있었다.
또한, 습윤 산화 처리 방법의 예로서 특허 문헌 3에 개시된 바와 같이, 종형의 석영 반응관 내의 하단부에 H2 가스와 O2 가스를 별개로 도입하고, 이를 석영 캡 내에 설치한 연소부에서 연소시켜 수증기를 발생하고, 이 수증기를 웨이퍼의 배열 방향에 따라서 상승시키면서 산화 처리를 행하도록 한 산화 장치도 제안되어 있다. 그러나, 이 경우에는 상기한 연소부에서 H2 가스를 연소시키도록 하고 있기 때문에, 예를 들어 처리 용기의 하단부에서는 수증기가 농후하게 되고, 수증기가 상승함에 따라서 이것이 소비되어 처리 용기의 상단부에서는 반대로 수증기 부족의 경향이 되기 때문에, 웨이퍼면 상으로 형성되는 산화막의 두께가 웨이퍼의 지지 위치에 의해 크게 다른 경우가 발생하여, 이 산화막 두께의 면간 균일성이 열화되는 경우도 있었다.
또한, 다른 장치예로서 특허 문헌 4에 개시되어 있는 바와 같이 횡형의 배치식의 반응관 내에 복수의 반도체 웨이퍼를 모두 설치하고, 이 반응관의 일단부측으로부터 O2 가스를 도입하거나, 혹은 O2 가스와 H2 가스를 동시에 도입하거나 하여, 감압 분위기화에서 산화막을 생성하도록 한 산화 장치도 제시되어 있다. 그러나, 이러한 종래 장치예의 경우에는 수소 연소 산화법을 이용하여 비교적 높은 압력 분위기 하에서 성막을 행하고 있으므로, 수증기 성분이 반응의 주체가 되고, 상술한 바와 같이 처리 용기 내의 가스류의 상류측과 하류측 사이에서의 수증기의 농도 차가 지나치게 커져, 산화막 두께의 면간 균일성이 열화될 우려가 있었다.
게다가 또한, 다른 장치예로서 특허 문헌 5에 개시되어 있는 바와 같이, 램프 가열에 의한 매엽식의 프로세스 챔버 내에 산소 가스와 수소 가스를 공급하고, 이러한 양 가스를 프로세스 챔버 내에 설치한 반도체 웨이퍼 표면의 근방에서 반응시켜 수증기를 생성하고, 이 수증기로 웨이퍼 표면의 실리콘을 산화시켜 산화막을 형성하도록 한 장치가 개시되어 있다.
그러나, 이 장치예의 경우에는 웨이퍼로부터 20 내지 30 ㎜ 정도만큼 떨어진 가스 입구로부터 산소 가스와 수소 가스를 프로세스 챔버 내로 도입하고, 반도체 웨이퍼 표면의 근방에서 이러한 산소 가스와 수소 가스를 반응시켜 수증기를 발생시키고, 게다가 프로세스 압력도 비교적 높은 영역으로 행하므로, 막 두께의 면내 균일성이 떨어질 우려가 생긴다는 등의 문제가 있었다.
그래서, 본 출원인은 상기 각 문제점을 해결하기 위해 특허 문헌 6에 있어서, O2 등의 산화성 가스와 H2 등의 환원성 가스를, 각각 처리 챔버의 상부와 하부에 동시에 공급하여 진공 분위기 하에서 반응시켜 산소 활성종과 수산기 활성종을 주체로 하는 분위기를 형성하고, 이 분위기 중에서 실리콘 웨이퍼 등을 산화시키는 산화 방법을 개시하였다.
이 산화 방법을 도9를 참조하여 간단히 설명한다. 도9는 종래의 산화 장치를 도시하는 개략 구성도이다. 도9에 도시한 바와 같이, 이 산화 장치(2)는 외측 주위에 저항 가열 히터(4)를 배치한 종형의 통체형의 처리 용기(6)를 갖고 있다. 이 처리 용기(6) 내에는 그 하방으로부터 승강 가능하게 로드ㆍ언로드되는 웨이퍼 보트(8)가 설치되어 있고, 이 웨이퍼 보트(8)에 실리콘 기판 등으로 이루어지는 반도체 웨이퍼(W)가 다단에 적재되어 보유 지지되어 있다. 이 처리 용기(6)의 하부측 벽측에는 H2 가스를 공급하는 H2 가스 노즐(10)과 O2 가스를 공급하는 O2 가스 노즐(12)이 설치되어 있고, 처리 용기(6)의 상부에는 도시하지 않은 진공 펌프 등에 연결되는 배기구(14)가 설치된다.
상기 양 노즐(10, 12)로부터 상기 처리 용기(6) 내의 하부로 도입된 H2 가스와 O2 가스의 양 가스는 이 처리 용기(6) 내에서 예를 들어 133 Pa 미만의 압력 하에서 반응하면서 산소 활성종과 수산기 활성종을 발생하고, 이러한 활성종은 처리 용기(6) 내를 상승하면서 웨이퍼(W)의 표면과 접촉하여 그 표면을 산화하게 된다.
[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 평3-140453호 공보
[특허 문헌 2] 일본 특허 공개 소57-1232호 공보
[특허 문헌 3] 일본 특허 공개 평4-18727호 공보
[특허 문헌 4] 일본 특허 공개 소57-1232호 공보
[특허 문헌 5] 미국 특허 제6037273호 명세서
[특허 문헌 6] 일본 특허 공개 제2002-176052호 공보
그런데, 상기한 특허 문헌 1 내지 6에 개시된 산화 방법에 따르면, 막질 특성이 양호한 산화막을 형성할 수 있고, 게다가 산화막의 막 두께의 면내 균일성도 높게 유지할 수 있었다. 그러나, 웨이퍼 사이의 막 두께 차의 정도를 나타내는 막 두께의 면간 균일성이 상당히 떨어져 버린다는 문제가 있었다. 이 이유는, 가스류의 상류측에서는 활성종의 농도가 높지만 하류측에서는 낮아지기 때문이라고 생각할 수 있다.
또한 최근에 있어서는, 반도체 집적 회로가 다용도화되어 오고 있기 때문에 다품종 소량 생산의 경향이 강해져 오고 있다. 이 경우, 최대 수용 능력 매수가 50 내지 150매 정도의 제품용 웨이퍼를 수용할 수 있는 웨이퍼 보트(8)에 제품용 웨이퍼를 그 최대 수용 능력 매수보다도 적은 매수 밖에 수용하지 않는 경우도 발생하고, 이 경우에는 보트 내를 가득차게 할 수 없을 때가 있다. 이 제품용 웨이퍼의 부족분의 영역을 비어 있는 영역으로서 웨이퍼 보트(8)의 도중을 비어 있는 영역인 상태로, 통상의 웨이퍼가 가득찰 때 프로세스 조건(가스 유량 등을 동일하게 설정)으로 산화 처리하는 것도 생각할 수 있지만, 제품용 웨이퍼는 표면이 패턴 형성되어 있으므로 표면적이 매우 커져 다량으로 활성종을 소비하는 경향이 있다. 이러한 활성종 소비의 정도를 로딩 효과라 칭한다. 이로 인해 웨이퍼 보트에 대한 제품용 웨이퍼의 수용 형태(수용 매수나 수용 위치)에 따라서 상기 활성종의 분포나 양이 크게 변동되어 버려 막 두께의 면간 균일성을 높게 유지할 수 없는 경우가 생긴다는 등의 문제가 있었다.
그래서, 일반적으로는 이러한 때에는 웨이퍼 보트(8)의 웨이퍼 부족분의 비 어 있는 영역에 더미용 웨이퍼를 수용하여 웨이퍼 보트(8) 내가 가득 찬 상태로 하고, 처리 용기(6) 내의 온도 분포나 가스류 등에 악영향을 끼치지 않도록 하여 산화 처리를 행하고 있다. 그러나, 이 경우에는 더미용 웨이퍼도 비교적 고가이므로, 그만큼 제품 비용도 높아져만 갔다. 그래서, 더미용 웨이퍼를 이용하지 않고 웨이퍼 보트(8)의 웨이퍼 부족분의 영역을 비어 있는 영역으로 하고, 비어 있는 영역이 생겼을 때 열 분포의 변화를 영역마다 독립 제어할 수 있는 가열 수단의 온도 조정에 의해 보상하도록 제어하는 것도 생각할 수 있지만, 이 경우에는 제품용 웨이퍼에 공급되는 열 이력이 변화될 우려가 있어 채용하는 것이 곤란하다.
본 발명은 이상과 같은 문제점에 주목하여, 이를 유효하게 해결하기 위해 창안된 것이다. 본 발명의 목적은 처리 용기 내의 온도 분포를 일정하게 한 상태에 있어서 또한 더미 웨이퍼를 이용하지 않고, 웨이퍼 보트에 대한 제품용 피처리체의 수용 형태에 따라서, 처리 용기의 길이 방향의 다른 위치에 설치한 환원성 가스용의 복수의 가스 분사구 중 어느 하나를 선택하고, 이 선택한 가스 분사구로부터 환원성 가스를 공급함으로써, 산화막의 막 두께의 면간 균일성을 높게 유지하는 것이 가능한 피처리체의 산화 방법 및 산화 장치를 제공하는 데 있다.
청구항 1에 관한 발명은, 소정의 길이를 갖는 진공화 가능하게 이루어진 처리 용기 내에 피처리체를 복수매 수용하고, 상기 처리 용기 내에 산화성 가스와 환원성 가스를 공급하여 상기 양 가스를 반응시킴으로써 발생한 산소 활성종과 수산기 활성종을 갖는 분위기 중에서 상기 피처리체의 표면을 산화하도록 한 피처리체 의 산화 방법에 있어서, 상기 산화성 가스를 상기 처리 용기의 길이 방향의 일단부측으로부터 공급하고, 상기 환원성 가스를 상기 처리 용기의 길이 방향의 다른 위치에 설치한 복수의 가스 분사구로부터 공급할 수 있게 하는 동시에, 상기 처리 용기 내의 상기 피처리체의 수용 매수와 수용 위치에 따라서 상기 가스 분사구 중 어느 하나를 선택하고, 상기 선택된 가스 분사구로부터 환원성 가스를 공급하도록 한 것을 특징으로 하는 피처리체의 산화 방법이다.
이와 같이, 산화성 가스를 처리 용기의 길이 방향의 일단부측으로부터 공급하고, 환원성 가스를 처리 용기의 길이 방향의 다른 위치에 설치한 복수의 가스 분사구로부터 공급할 수 있게 하고, 처리 용기 내의 피처리체의 수용 매수와 수용 위치를 기초로 하여 상기 가스 분사구 중 어느 하나를 선택하고, 이 선택한 가스 분사구로부터 환원성 가스를 흐르게 하도록 하였으므로, 피처리체(제품용)의 수량에 관계없이 산화막의 막 두께의 면간 균일성을 높게 유지하는 것이 가능해진다.
이 경우, 예를 들어 청구항 2에 규정된 바와 같이, 상기 선택되는 가스 분사구는 상기 가스 분사구로부터 개별로 환원성 가스를 흐르게 하여 산화 처리를 행하였을 때에 형성되는 산화막의 막 두께를 기초로 하여 상기 막 두께의 면간 균일성이 높아지도록 미리 요구된 가스 분사구이다.
또한 예를 들어 청구항 3에 규정된 바와 같이, 상기 선택된 가스 분사구로부터 공급되는 환원성 가스의 유량은 가장 적절한 값으로 제어되어 있다.
또 예를 들어 청구항 4에 규정된 바와 같이, 상기 양 가스에 대한 상기 환원성 가스의 농도는 5 ％ 내지 40 ％의 범위 내이다.
또한 예를 들어 청구항 5에 규정된 바와 같이, 상기 산화성 가스는 O2와 N2O와 NO와 NO2와 O3로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1개 이상의 가스를 포함하고, 상기 환원성 가스는 H2와 NH3와 CH4와 HCl과 중수소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1개 이상의 가스를 포함한다.
또한 예를 들어 청구항 6에 규정된 바와 같이, 상기 피처리체는 제품용 웨이퍼 및 모니터용 웨이퍼로 구성되어 있다.
또한 예를 들어 청구항 7에 규정된 바와 같이, 상기 피처리체는 제품용 웨이퍼만으로 구성되어 있다.
청구항 8에 관한 발명은, 피처리체를 소정의 피치로 복수매 지지하는 보유 지지 수단과, 상기 보유 지지 수단을 수용할 수 있게 소정의 길이를 갖는 동시에 진공화 가능하게 이루어진 처리 용기와, 상기 피처리체를 가열하기 위한 가열 수단과, 상기 처리 용기 내의 일단부측으로 산화성 가스를 공급하는 산화성 가스 공급 수단과, 상기 처리 용기 내의 길이 방향의 다른 위치에 환원성 가스를 공급하는 복수개의 환원성 가스 노즐을 갖는 환원성 가스 공급 수단과, 상기 처리 용기 내의 상기 피처리체의 수용 매수와 수용 위치를 기초로 하여, 상기 환원성 가스 노즐 중 어느 하나를 선택하고, 상기 선택된 환원성 가스 노즐로부터 환원성 가스를 공급하도록 제어하는 주 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 산화 장치이다.
이 경우, 예를 들어 청구항 9에 규정된 바와 같이, 상기 선택되는 환원성 가스 노즐은 상기 환원성 가스로부터 개별로 환원성 가스를 흐르게 하여 산화 처리를 행하였을 때에 형성되는 막 두께를 기초로 하여 상기 막 두께의 면간 균일성이 높아지도록 미리 요구된 환원성 가스 노즐이다.
또한 예를 들어 청구항 10에 규정된 바와 같이, 상기 보유 지지 수단에 수용되는 상기 피처리체의 수용 매수가 상기 보유 지지 수단의 최대 수용 능력 매수보다도 적은 경우에는, 상기 적은 매수에 상당하는 영역은 비어 있는 영역으로 이루어져 있다.
또한 예를 들어 청구항 11에 규정된 바와 같이, 상기 산화성 가스는 O2와 N2O와 NO와 NO2와 O3로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1개 이상의 가스를 포함하고, 상기 환원성 가스는 H2와 NH3와 CH4와 HCl과 중수소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1개 이상의 가스를 포함한다.
또한 예를 들어 청구항 12에 규정된 바와 같이, 상기 피처리체는 제품용 웨이퍼 및 모니터용 웨이퍼로 구성되어 있다.
또한 예를 들어 청구항 13에 규정된 바와 같이, 상기 피처리체는 제품용 웨이퍼만으로 구성되어 있다.
이하에, 본 발명에 관한 피처리체의 산화 방법 및 산화 장치의 일 실시예를 첨부 도면을 기초로 하여 상세하게 서술한다.
도1은 본 발명의 방법을 실시하기 위한 산화 장치의 일례를 나타내는 구성도이다. 우선 이 산화 장치에 대해 설명한다. 도시한 바와 같이, 이 산화 장치 (20)는 하단부가 개방되어 상하 방향으로 소정의 길이를 갖고 원통체 형상이 된 종형의 처리 용기(22)를 갖고 있다. 이 처리 용기(22)는, 예를 들어 내열성이 높은 석영을 이용할 수 있다.
이 처리 용기(22)의 천정부에는 개구된 배기구(24)가 설치되는 동시에, 이 배기구(24)에 예를 들어 직각에 가로 방향으로 굴곡된 배기 라인(26)이 연속 설치되어 있다. 그리고, 이 배기 라인(26)에는 도중에 압력 제어 밸브(28)나 진공 펌프(30) 등이 개재 설치된 진공 배기계(32)가 접속되어 있고, 상기 처리 용기(22) 내의 분위기를 진공화하여 배기할 수 있게 되어 있다.
상기 처리 용기(22)의 하단부는, 예를 들어 스테인레스 스틸제의 통체형의 매니폴드(34)에 의해 지지되어 있고, 이 매니폴드(34)의 하방으로부터 다수매의 피처리체로서의 반도체 웨이퍼(W)를 다단에 소정의 피치로 적재한 보유 지지 수단으로서의 석영제의 웨이퍼 보트(36)가 승강 가능하게 삽입 탈착 가능하게 이루어져 있다. 상기 처리 용기(22)의 하단부와 상기 매니폴드(34)의 상단부 사이에는 O링 등의 밀봉 부재(38)가 개재되어 이 부분의 기밀성을 유지하고 있다. 본 실시예의 경우에 있어서, 이 웨이퍼 보트(36)에는 예를 들어 50매 정도의 직경이 300 ㎜의 웨이퍼(W)를 대략 등 피치로 다단으로 지지할 수 있게 되어 있다.
이 웨이퍼 보트(36)는 석영제의 보온통(40)을 통해 테이블(42) 상에 적재되어 있고, 이 테이블(42)은 매니폴드(34)의 하단 개구부를 개폐하는 덮개부(44)를 관통하는 회전축(46)의 상단부에 지지된다. 그리고, 이 회전축(46)의 관통부에는 예를 들어 자성 유체 밀봉(48)이 개재 설치되고, 이 회전축(46)을 기밀하게 밀봉하 면서 회전 가능하게 지지하고 있다. 또, 덮개부(44)의 주변부와 매니폴드(34)의 하단부에는, 예를 들어 0링 등으로 이루어지는 밀봉 부재(50)가 개재 설치되어 있고, 처리 용기(22) 내의 기밀성을 보유 지지하고 있다.
상기한 회전축(46)은, 예를 들어 보트 엘리베이터 등의 승강 기구(52)에 지지된 아암(54)의 선단부에 부착되어 있고, 웨이퍼 보트(36) 및 덮개부(44) 등을 일체적으로 승강할 수 있게 이루어져 있다. 한편, 상기 테이블(42)을 상기 덮개부(44)측으로 고정하여 설치하고, 웨이퍼 보트(36)를 회전시키는 일 없이 웨이퍼(W)의 처리를 행하도록 해도 좋다.
상기 처리 용기(22)의 측부에는, 이를 둘러싸도록 하고 있었던 예를 들어 일본 특허 공개 제2003-209063호 공보에 기재된 바와 같은 카본 와이어제의 히터로 이루어지는 가열 수단(56)이 마련되어 있고, 이 내측에 위치하는 처리 용기(22) 및 이 중의 상기 반도체 웨이퍼(W)를 가열할 수 있게 되어 있다. 이 카본 와이어 히터는 청정한 프로세스가 실현되고, 또한 승강온 특성이 우수하다. 또한 이 가열 수단(56)의 외주에는 단열재(58)가 설치되어 있고, 이 열적 안정성을 확보하도록 되어 있다. 그리고, 상기 매니폴드(34)에는 각종의 가스를 이 처리 용기(22) 내로 도입하여 공급하기 위한 각종의 가스 공급 수단이 마련되어 있다.
구체적으로는, 이 매니폴드(34)에는 상기 처리 용기(22) 내로 산화성 가스를 공급하는 산화성 가스 공급 수단(60)과, 처리 용기(22) 내로 환원성 가스를 공급하는 본 발명의 특징으로 하는 환원성 가스 공급 수단(62)이 각각 마련되어 있다. 우선, 상기 산화성 가스 공급 수단(60)은 상기 매니폴드(34)의 측벽을 관통시켜 그 선단부를 처리 용기(22) 내의 일단부측인 하부에 삽입해 향하게 하여 설치한 산화성 가스 분사 노즐(66)을 갖고 있다. 그리고, 분사 노즐(66)로부터 연장되는 가스 통로(70)의 도중에는 질량 유량 제어기와 같은 유량 제어기(74)가 개재 설치되어 있고, 마이크로 컴퓨터 등으로 이루어지는 주 제어부(78)에 의해 상기 유량 제어기(74)를 제어하여 가스 유량을 제어할 수 있게 되어 있다.
또한 본 발명의 특징으로 하는 환원성 가스 공급 수단(62)은, 처리 용기(22)의 길이 방향의 다른 복수의 위치에 환원성 가스를 공급하는 것이며, 도시예에서는 상기 매니폴드(34)의 측벽을 관통시켜서 그 선단부측을 직선형으로 하고, 혹은 L자 형상으로 굴곡시켜 상방으로 연장시킨 복수개, 예를 들어 5개의 환원성 가스 분사 노즐(80A, 80B, 80C, 80D, 80E)이 설치되어 있다. 상기 각 환원성 가스 분사 노즐(80A 내지 80E)로부터 연장되는 가스 통로(82A, 82B, 82C, 82D, 82E)의 도중에는 질량 유량 제어기와 같은 유량 제어기(84A, 84B, 84C, 84D, 84E) 및 개폐 밸브(86A, 86B, 86C, 86D, 86E)가 각각 개재 설치되어 있고, 상기 주 제어부(78)에 의해 공급하는 환원성 가스의 공급량을 공급의 정지도 포함시켜 독립적으로 제어할 수 있게 되어 있다. 이 환원성 가스 분사 노즐(80A 내지 80E) 내의 선택된 노즐로부터는, 산화 처리 중에는 각각 후술하는 방법으로 미리 정해진 소정량의 가스 유량으로 환원성 가스가 공급된다. 그리고, 상기 각 환원성 가스 분사 노즐(80A 내지 80E)의 선단부는 가스 분사구(88A, 88B, 88C, 88D, 88E)로 형성되어 있고, 각 가스 분사구(88A 내지 88E)는 상기 처리 용기(22)의 길이 방향(상하 방향)에 있어서 다른 위치에 설치되어 있다. 여기서는 처리 용기(22) 내의 웨이퍼(W)의 배열된 수용 영역(S)을 가스의 유동 방향에 따라서 예를 들어 4개의 영역, 즉 상류 영역(S1)과 상중류 영역(S2)과 하중류 영역(S3)과 하류 영역(S4)으로 구획하고, 최하단의 환원성 가스 분사 노즐(80A)의 가스 분사구(88A)를 처리 용기(22) 내의 일단부측인 하부(가스류의 상류측)에 위치시키고, 각 유역(S1 내지 S4)에 상기 다른 가스 분사구(88B 내지 88E)를 위치시키고 있다.
구체적으로는, 상기 처리 용기(22) 내의 웨이퍼(W)가 수용되는 공간을 수용 영역(S)으로 하고 있고, 도시예에서는 처리 용기(22) 내로 도입된 가스는 이 도입된 위치로부터 수용 영역(S) 내를 상부 방향을 향해 흘러 상단부에 설치한 배기구(24)로부터 배출된다. 그리고, 이 수용 영역(S)은 웨이퍼 보트(36)의 길이보다도 약간 상하 방향으로 넓게 설정되어 있고, 가스의 유동 방향에 따라서 편의상 4개의 영역, 즉 상류 영역(S1)(도면 중에 있어서 하부의 영역), 상중류 영역(S2)(도면 중에 있어서 중앙 하부의 영역), 하중류 영역(S3)(도면 중에 있어서 중앙 상부의 영역), 하류 영역(S4)(도면 중에 있어서 상부의 영역)으로 구분되어 있다. 예를 들어 2번째로 짧은 환원성 가스 분사 노즐(80B)의 가스 분사구(88B)를 상류 영역(S1)에 위치시키고 있다. 더욱 상세하게는, 이 가스 분사구(88B)는 웨이퍼 보트(36)의 하단부의 근방에 위치시키는 것이 좋다.
또한 환원성 가스 분사 노즐(80C)의 가스 분사구(88C)는 상중류 영역(S2)의 대략 중앙부에 위치시키고, 환원성 가스 분사 노즐(80D)의 가스 분사구(88D)는 하중류 영역(S3)의 대략 중앙부에 위치시키고, 가장 긴 환원성 가스 분사 노즐(80E)의 가스 분사구(88E)는 하류 영역(S4)이고, 웨이퍼 보트(36)의 상단부보다도 약간 의 거리만큼 하방에 위치시키는 것이 좋다. 여기서 최하단의 환원성 가스 분사 노즐(80A)은 환원성 가스 공급을 위한 메인 노즐을 구성하는 것이며, 산화 처리시에는 비교적 높은 빈도로 이 메인 노즐로부터 환원성 가스가 공급된다. 또, 이러한 각 영역의 구획은 단순한 일례로, 이것보다도 적거나 혹은 대부분 구획하도록 하여 각각의 영역에 대응시켜 환원성 가스 분사 노즐을 설치하도록 해도 좋다. 여기서는 일례로 하여 산화성 가스로서는 O2 가스가 이용되고, 환원성 가스로서는 H2 가스가 이용되고 있다. 또한 도시되어 있지 않지만, 필요에 따라서 N2 가스 등의 불활성 가스를 공급하는 불활성 가스 공급 수단도 마련되어 있다.
다음에, 이상과 같이 구성된 산화 장치(20)를 이용하여 행해지는 산화 방법에 대해 설명한다.
우선, 예를 들어 실리콘 웨이퍼로 이루어지는 반도체 웨이퍼(W)가 언로드 상태로 산화 장치(20)가 대기 상태일 때에는, 처리 용기(22)는 프로세스 온도보다 낮은 온도로 유지되어 있고, 상온의 다수매, 웨이퍼 보트(36)의 최대 수용 능력인 예를 들어 100매, 혹은 그 이하의 매수의 웨이퍼(W)(제품용 웨이퍼)가 적재된 상태의 웨이퍼 보트(36)를 고온벽(hot wall) 상태가 이루어진 처리 용기(22) 내에 그 하방으로부터 상승시켜 로드하고, 덮개부(44)로 매니폴드(34)의 하단 개구부를 폐쇄함으로써 처리 용기(22) 내를 밀폐한다. 이 피처리체로서의 반도체 웨이퍼(W)는 상술한 바와 같이 제품용 웨이퍼이지만, 이 제품용 웨이퍼(W)의 매수가 웨이퍼 보트(36)의 최대 수용 능력 매수보다도 적은 경우에는, 그 적은 부분에 관해서는 웨이 퍼 보트(36) 내는 비어 있는 영역으로 되어 있다.
그리고, 처리 용기(22) 내를 진공화하여 소정의 프로세스 압력으로 유지하는 동시에, 가열 수단(56)으로의 공급 전력을 증대시킴으로써, 웨이퍼 온도를 상승시켜 산화 처리용의 프로세스 온도까지 승온하여 안정시키고, 그 후 산화 처리 공정을 행하는 데 필요하게 되는 소정의 처리 가스, 즉 여기서는 O2 가스와 H2 가스를 유량 제어하면서 각 가스 공급 수단(60, 62)의 산화성 가스 분사 노즐(66) 및 환원성 가스 분사 노즐(80A 내지 80E) 내의 선택된 노즐로부터 각각 처리 용기(22) 내로 공급한다.
이 양 가스는 처리 용기(22) 내를 상승하면서 진공 분위기하에서 반응하여 수산기 활성종과 산소 활성종이 발생하고, 이 분위기가 회전하고 있는 웨이퍼 보트(36)에 수용되어 있는 웨이퍼(W)와 접촉하여 웨이퍼 표면에 대해 산화 처리가 실시되게 된다. 그리고, 이 처리 가스 혹은 반응에 의해 생성된 가스는 처리 용기(22)의 천정부의 배기구(24)로부터 시스템 밖으로 배기된다.
이때 가스 유량은 H2 가스가 200 내지 5000 sccm의 범위 내이고, 예를 들어 270 sccm, O2 가스가 50 내지 10000 sccm의 범위 내이고, 예를 들어 2430 sccm이다.
상기 산화 처리의 구체적인 흐름은, 상술한 바와 같이 처리 용기(22) 내로 별도로 도입된 O2 가스와 H2 가스는, 고온벽 상태가 된 처리 용기(22) 내를 상승하면서 웨이퍼(W)의 인접 부근에서 수소의 연소 반응을 통해 산소 활성종(O*)과 수산기 활성종(OH*)을 주체로 하는 분위기가 형성되고, 이러한 활성종에 의해 웨이퍼 (W)의 표면이 산화되어 SiO2막이 형성된다. 이때 프로세스 조건은 웨이퍼 온도가 400 내지 1000 ℃의 범위 내, 예를 들어 900 ℃, 압력은 13.3 내지 1330 Pa의 범위 내, 예를 들어 133 Pa(1 Torr)이다. 또한, 처리 시간은 형성해야 할 막 두께에도 따르지만 예를 들어 10 내지 30분 정도이다.
여기서 상기한 활성종의 형성 과정은, 다음과 같이 생각할 수 있다. 즉, 감압 분위기 하에서 수소와 산소를 별도로 고온벽 상태의 처리 용기(22) 내로 도입함으로써, 웨이퍼(W)의 인접 부근에서 이하와 같은 수소의 연소 반응이 진행된다고 생각할 수 있다. 한편, 하기의 식 중에 있어서 * 표시를 부여한 화학 기호는 그 활성종을 나타낸다.
H2 + O2 → H* + HO2
O2 + H* → OH* + O*
H2 + O* → H* + OH*
H2 + OH* → H* + H2O
이와 같이, H2 및 O2를 별도로 처리 용기(22) 내로 도입하면, 수소의 연소 반응 과정 중에 있어서 O*(산소 활성종)와 OH*(수산기 활성종)와 H2O(수증기)가 발생하고, 이들에 의해 웨이퍼 표면이 산화되어 SiO2막이 형성된다. 이 때, 특히 상기 O*와 OH*의 양 활성종이 크게 작용하는 것이라고 생각할 수 있다. 여기서, 본 발명에서는 상기 환원성 가스 분사 노즐(80A 내지 80E) 내, 웨이퍼(W)의 수용 형태 에 대응시켜 이에 적합하도록 선택된 노즐로부터 수용 영역(S)의 특정한 영역에 대해 H2 가스를 각각 필요량 공급하고 있고, 이 H2 가스가 하부 방향으로부터 상승되어 오는 O2 가스와 차례로 반응하여 소비되거나, 혹은 활성을 잃고 부족성을 띠게 된 산소 활성종이나 수산기 활성종이 이들을 보충하도록 만들어진다. 따라서, 면간 방향(높이 방향)에 있어서 웨이퍼(W)의 어떤 높이 위치에 있어서도 과부족이 없는 활성종이 존재하는 상태가 되어 활성종의 농도를 균일하게 할 수 있어, 실리콘층의 표면에 선택적으로 형성된 산화막의 막 두께의 면간 균일성을 향상시킬 수 있다.
여기서 상기 환원성 가스 노즐(80A 내지 80E) 내로부터 H2 가스(환원성 가스)를 공급하기 위해 선택되는 노즐은 상기 처리 용기(22), 즉 웨이퍼 보트(36) 내에 수용되는 제품용 웨이퍼(W)의 매수(수용 매수)와 수용 위치에 따라서 미리 정해지고 있다. 구체적으로는, 상기 각 환원성 가스 분사 노즐(80A 내지 80E)로부터 개별로 환원성 가스를 흐르게 하여 산화 처리를 행하였을 때에 형성되는 산화막의 막 두께를 기초로 하여 막 두께의 면간 균일성이 높아지게 미리 시뮬레이션으로 선택하여 설정된다. 상기 개별로 환원성 가스를 흐르게 하는 형태로서는, 상기 5개의 환원성 가스 분사 노즐(80A 내지 80E)의 조합의 수만큼 상당하지만, 실제로는 처리 용기(22) 내의 전체 영역에 영향을 끼치게 되는 가스류의 최상류에 위치하는 노즐(80A)이 메인 노즐이 되어 대부분의 수용 형태에 있어서 이 노즐(80A)로부터는 환원성 가스가 공급되게 된다. 구체적인 조합으로서는, 환원성 가스를 예를 들어 노즐(80A, 80B)로부터 공급하는 경우, 노즐(80A, 80E)로부터 공급하는 경우, 노즐(80A, 80C, 80D)로부터 공급하는 경우, 노즐(80A, 80B, 80C)로부터 공급하는 경우, 혹은 모든 노즐(80A 내지 80E)로부터 공급하는 경우 등이 있다. 한편, 선택되지 않은 노즐은 그때에는 대응하는 개폐 밸브가 폐쇄되어 환원성 가스가 흐르지 않도록 이루어져 있는 것은 물론이다.
상기한 바와 같이 선택된 노즐 형태로 후술하는 바와 같이 각 가스를 공급하여 산화 처리를 행하고 이 때 산화막의 막 두께가 미리 측정된다. 그리고, 이 설정치를 기초로, 상기한 바와 같이 시뮬레이션을 행하여 각 환원성 가스 분사 노즐(80A 내지 80E) 내로부터 상술한 바와 같이 실제로 가스를 공급하는 노즐의 조합이 미리 요구되게 된다.
다음에, 상기 환원성 가스를 공급하는 환원성 가스 분사 노즐의 선택을 위한 프로세스에 대해 설명한다.
<웨이퍼 사이의 SiO2 막 두께>
우선, 웨이퍼 사이의 SiO2 막 두께의 경향에 대해 검토하였다. 이 결과, 도2에 도시한 바와 같은 경향을 얻을 수 있었다. 도2는 웨이퍼 위치와 SiO2막과의 관계를 나타내는 그래프이다. 도2 중에 있어서, "BTM"(하부), "CTR"(중앙), "TOP"(상부)은 웨이퍼 보트(36) 중의 각 위치를 나타내고, "BTM", "CTR" 및 "TOP"은 도1 중의 웨이퍼 보트(36)의 높이 방향을 약 3등분 하였을 때 하부 위치, 중앙 위치, 상부 위치를 대표하고 있다.
이 때 프로세스 조건은 프로세스 압력이 47 Pa(0.35 torr), 프로세스 온도가 900 ℃, H2 가스 농도[H2/(H2 + O2)]가 90 ％이다. 또한 웨이퍼 보트(36)에는 최대 수용 능력 매수인 100매의 제품용 웨이퍼(베어 웨이퍼)가 수용되어 있다. 한편, 막 두께를 측정하기 위한 모니터용 웨이퍼도 소정의 복수 부위에 수용되어 있는 것은 물론이다.
도2로부터 명백한 바와 같이 가스류의 상류측인 "BTM"측의 막 두께가 크고, 가스류의 하류측인 "CTR" 및 "TOP"으로 행할수록, 활성종이 적어져 막 두께가 점차 작아지고 있는 것을 확인할 수 있었다. 이 결과, 막 두께의 면간 균일성을 개선하기 위해서는 "CTR" 및 "TOP"측의 막 두께를 크게 할 필요가 있는 것이 판명된다.
<H2 가스 농도와 막 두께와의 관계>
다음에, H2 가스 농도와 막 두께와의 관계를 검토하였다. 도3은 H2 가스 농도[H2/(H2 + O2)]와 SiO2막의 막 두께와의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 때 프로세스 조건에서는 H2 가스 농도를 5 ％ 내지 90 ％까지 변화시키고 있고, 각각 20분간의 산화 처리를 행하였을 때의 막 두께를 나타내고 있다. 이와 같이 나타낸 바와 같이, H2 가스 농도가 40 ％ 이하의 영역(도3 중에서 파선으로 나타냄)에서는, H2 가스 농도가 높아질수록 막 두께가 점차 커지고 있다. 이 결과, H2 가스 농도가 40 ％ 이하의 영역에서는 막 두께를 크게 하고자 하는 영역에 H2 가스를 공급하여 H2 가스 농도를 올리면 되는 것을 확인할 수 있었다. 그래서, 본 발명의 방법에서는 주로 메인 노즐(80A)로부터 H2 가스를 공급하는 동시에, 처리 용기(22) 내의 가스류의 도중에서 H2 가스를 보조적으로 공급하도록 하고 있다. 한편, H2 가스 농도가 지나치게 낮아지면 산화 속도가 지나치게 늦어져 처리량이 과도하게 작아지기 때문에, 그 하한은 5 ％ 정도이다.
<제품용 웨이퍼와 모니터용 웨이퍼의 수용 형태>
그런데, 상술한 바와 같이 실제의 산화 처리인 경우에는, 도4에 도시한 바와 같이 웨이퍼 보트(36)의 최대 수용 능력 한도로 제품용 웨이퍼(PW)가 수용되는 경우도 있고, 그 일부에 제품용 웨이퍼(PW)가 수용되어 남은 영역이 비어 있는 영역(도면 중 "비어 있음"으로 나타내고 있음)으로 이루어지는 경우도 있다. 또한 제품용 웨이퍼(PW)는, 일반적으로는 가스류의 상류측은, 즉 도4 중에 있어서는 웨이퍼 보트(36)의 하부의 영역으로부터 충전되어 간다. 도4는 제품용 웨이퍼의 수용 형태의 대표적인 일례를 나타내는 도면이다. 한편, 도4 중에는 환원성 가스 분사 노즐(80A 내지 80E)의 개략적인 위치도 병기되어 있다.
이러한 도시예에서는, 웨이퍼 보트(36)의 수용 영역을 편의상, 4개의 영역으로 구획하고 있고, 각 영역 사이 및 최상부와 최하부에는 합계 5매의 막 두께 측정을 위한 모니터용 웨이퍼(MW)가 수용되어 있다. 각 영역에는 예를 들어 25매의 웨이퍼를 수용할 수 있고, 따라서 전체적으로 100매의 웨이퍼를 수용할 수 있다. 또한 제품용 웨이퍼(PW)는, 상술한 바와 같이 일반적으로는 가스류의 상류측[본 예에 서는 웨이퍼 보트(36)의 하부측]으로부터 수용된다. 형태 1인 경우에는, 모든 영역에서 제품용 웨이퍼(PW)가 수용되어 있는 경우를 나타내고, 형태 2는 상류측의 3개의 영역에 제품용 웨이퍼(PW)가 수용되어 최하류측의 1개의 영역이 비어 있는 영역으로 되어 있는 경우를 나타내고, 형태 3은 상류측의 2개의 영역에 제품용 웨이퍼(PW)가 수용되어 하류측의 2개의 영역이 비어 있는 영역으로 이루어져 있는 경우를 나타내고, 형태 4는 최상류측의 1개의 영역에 제품용 웨이퍼(PW)가 수용되어 하류측의 3개의 영역이 비어 있는 영역으로 이루어져 있는 경우를 나타낸다. 상술한 바와 같이, 이러한 형태 1 내지 4는 단지 일례를 나타낸 것뿐이며, 제품용 웨이퍼(PW)의 매수에 따라서는 어느 하나의 영역의 도중까지 제품용 웨이퍼(PW)가 수용되어 남은 부분이 빔으로 이루어지는 경우도 생긴다.
<환원성 가스 분사 노즐로부터 H2 가스를 공급하였을 때의 평가>
다음에, 환원성 가스 분사 노즐(80A 내지 80E)로부터 H2 가스를 공급하였을 때의 막 두께에 대한 영향을 평가하였으므로, 그 평가 결과에 대해 설명한다. 도5는 선택된 특정한 환원성 가스 분사 노즐로부터 H2 가스를 공급하였을 때의 막 두께에 대한 영향을 나타내는 그래프이다. 횡축은 웨이퍼 보트의 웨이퍼를 지지하는 슬롯 번호를 나타내고, 각 플롯치는 도4 중의 5매의 모니터용 웨이퍼(MW)의 막 두께치이다. 상기 모니터용 웨이퍼(MW)는 웨이퍼 보트(36)의 슬롯(웨이퍼를 지지하는 홈) 번호 11, 37, 63, 89 및 115에 위치되어 있다. 도5에 나타내는 경우에는 가스의 공급 형태의 일례로 하여 노즐(66)로부터 O2 가스를 공급하는 동시에, 환원 성 가스인 H2 가스에 대해서는 메인 노즐의 노즐(80A)과 중앙부의 노즐(80C) 2개의 노즐을 선택하여 H2 가스를 공급하고 있다. 그리고, 웨이퍼의 수용 형태에 대해서는 도4에 도시한 모든 형태 1 내지 4에 대해 행하고, 또는 참고하기 위해 100매의 더미용 웨이퍼(표면에 SiO2막)를 수용한 경우에 대해서도 행하였다. 한편, 실제의 처리에서는 제품용 웨이퍼(PW)와 대략 동등한 작용을 나타내는 베어 웨이퍼를 이용하였다.
이와 같이 처리 용기(22)의 길이 방향에 따른 다른 위치에 배치된 환원성 가스용의 복수의 가스 분사구(88A 내지 88E)[가스 분사 노즐(80A 내지 80E)에 대응]로부터 사용하는 가스 분사구를 선택하는 이유는 이하와 같다.
즉, 처리 용기(22) 내의 환원성 가스의 농도 분포는 웨이퍼의 수용 형태에 따라서, 즉 웨이퍼가 웨이퍼 보트(36)에 수용 능력 한도로 수용되어 있는지 여부, 혹은 비어 있는 영역이 존재하는지 여부, 또한 비어 있는 영역이 존재하는 경우에는 그 비어 있는 영역이 웨이퍼 보트(36) 중의 어떤 부분에 위치하는지 등에 따라서 크게 다르다. 따라서, 처리 용기(22) 내의 길이 방향의 다른 위치에 배치한 각 가스 분사구(88A 내지 88E)로부터 균일하게 환원성 가스를 공급해도 가장 적절한 가스 농도 분포를 얻을 수 없다. 이로 인해, 미리 실증적인 시험을 행하여 웨이퍼의 각 수용 형태에 따라서 가장 적절한 가스 농도 분포를 실현할 수 있는 가스 분사구를 선택할 수 있게 미리 정해 둔다.
여기서 프로세스 조건은 프로세스 온도가 900 ℃, 프로세스 압력이 47 Pa이 며 직경 200 ㎜의 웨이퍼를 이용하고 있다. 프로세스 가스는 노즐(66)로부터의 O2 가스 유량은 2.43 slm(standard liter minute)로 고정하고, H2 가스에 관해서는 노즐(80A)로부터의 유량은 0.27 slm로 고정하고 있고, 노즐(80C)로부터의 유량은 0.07 slm로 고정하고 있다. 또 H2 가스 농도는 10 ％이다.
이 도5에 나타낸 막 두께 분포로부터 명백한 바와 같이, 메인 노즐(80A)로부터 H2 가스를 공급하는데다가, 대략 중앙부의 노즐(80C)로부터 H2 가스를 보조적으로 가하는 것만으로, 각 형태 1 내지 4에 대해 면간 방향의 막 두께를 미세하게 제어할 수 있는 것이 판명된다. 이 때의 막 두께의 면간 균일성은 형태 1이 ±0.95 ％, 형태 2가 ±0.96 ％, 형태 3이 ±1.14 ％, 형태 4가 ±1.67 ％였다.
상기 도5에 나타낸 경우에는, 노즐(80C)로부터의 H2 가스의 유량을 0.07 slm로 고정한 경우를 나타내고 있지만, 다음에 이 노즐(80C)로부터의 H2 가스의 유량을 변화시킨 경우에 대해서도 평가를 행하였다. 도6은 메인 노즐로부터의 H2 가스 공급량을 일정하게 하는 동시에, 보조적으로 공급하는 노즐로부터의 H2 가스 공급량을 변화시켰을 때의 막 두께에 대한 영향을 나타내는 그래프이다. 도6에 있어서, 노즐(80C)로부터의 H2 가스 공급량을 변화시킨 점 이외는, 도5에 나타낸 경우와 프로세스 조건은 동일하다. 여기서는 노즐(80C)로부터의 H2 가스 공급량을 웨이퍼 수용 형태 1 내지 4에 따라서 0.02 slm 내지 0.07 slm의 범위에서 변화시키고 있다. 즉 , 제품용 웨이퍼(베어 웨이퍼)의 수용 매수가 많아질수록, 노즐(80C)로부터의 H2 가스 공급량을 조금씩 많게 하고 있고, 이에 따르면 면간 방향에 있어서의 막 두께의 변동을 더욱 한층 억제하도록 제어할 수 있는 것이 판명된다. 이 때의 막 두께의 면간 균일성은 형태 1이 ±0.95 ％, 형태 2가 ±0.90 ％, 형태 3이 ±0.96 ％, 형태 4가 ±1.26 ％이며, 전체적으로 도5에 나타낸 경우보다도 막 두께의 면간 균일성을 개선할 수 있는 것이 판명된다.
도5 및 도6에 나타낸 바와 같이, 환원성 가스의 공급에 관해 메인 노즐(80A) 외에 1개의 보조적인 노즐, 예를 들어 노즐(80C)을 설치하여 이것보다 보조적으로 환원성 가스를 공급한 것만으로 막 두께의 면간 균일성을 향상시킬 수 있는 것이 판명된다. 따라서, 상기 각 노즐(80B, 80D, 80E)에 대해서도 도5 및 도6에서 설명한 바와 동일한 산화 처리를 미리 행하여 막 두께 분포의 데이터를 구해 두고, 이러한 막 두께 분포의 데이터를 기초로 하여 도4에 도시한 바와 같은 각 웨이퍼 수용 형태 1 내지 4에 대해 막 두께의 면간 균일성을 높게 유지할 수 있고, 각 노즐(80A 내지 80E)로부터 선택하여 노즐의 조합을 시뮬레이션에 의해 미리 구하여 최적화해 둔다. 또한, 선택된 각 노즐로부터의 가스 유량도 미리 최적화하여 결정해 둔다.
이 경우, 웨이퍼 수용의 형태 수를 증가시키도록 해 두면, 가스 유량의 제어 정밀도를 올릴 수 있다. 실제의 산화 처리시에는 합치한 웨이퍼 수용 형태의 노즐의 조합, 혹은 가장 근사한 형태의 노즐의 조합으로 환원성 가스가 공급되고, 그때 더불어 가스 유량도 제어되게 된다.
상기 실시예에 있어서의 환원성 가스 분사 노즐(80A 내지 80E)은, 각각 선단부에 1개의 가스 분사구를 갖는 구성이지만 이에 대신에, 예를 들어 도7에 도시한 바와 같이 환원성 가스 분사 노즐(80A 내지 80E)에 그 길이 방향에 따라서 소정의 피치로 형성한 복수의 가스 분사구(90)를 설치하도록 하여 환원성 가스를 분산시켜 공급하도록 해도 좋다.
또한 도1에 도시한 장치예에 있어서는, 주(메인)된 O2 가스 및 H2 가스는 처리 용기(22)의 하부측으로부터 공급하고, 이 처리 용기(22) 내에서 상방을 향하는 가스류를 형성하고, 이 용기의 천정부의 배기구(24)로부터 용기 밖으로 배출하도록 한 구조로 되어 있지만, 이에 한정되지 않으며, 도8에 도시한 바와 같은 구조로 해도 좋다. 도8은 산화 장치의 변형예를 나타내는 개략 구성도이다. 즉, 도8에 도시한 경우에는, 주된 O2 가스 및 H2 가스를 공급하는 노즐(66, 80A)을 처리 용기(22)의 내벽에 따라서 상방을 향해 배치하고, 각 가스 분사구를 용기 천정부에 배치하고 있다. 그리고, 배기구(24)를 용기 천정부가 아니라, 용기 하부의 측벽에 설치하고, 도1의 경우와는 반대로 처리 용기(22) 내에 상방으로부터 하방을 향하는 가스류를 형성하도록 되어 있다.
이 도8에 도시한 경우에는, 도1 중에서 도시한 상류 영역(S4)과 하류 영역(S1)과의 관계가 상하 반대가 되고, 또한 각 환원성 가스 분사 노즐(80A 내지 80E)로부터의 가스 공급 형태는 도1 중에서 도시한 경우와는 상하 반대가 되는 것은 물 론이다.
또한, 본 실시예에서는 메인 노즐(80A)로부터 환원성 가스를 항상 공급하는 경우를 일례로 하여 설명하였지만, 이에 한정되지 않으며, 노즐(80A)로부터의 가스 공급을 정지하고, 다른 노즐(80B 내지 80E)로부터 선택적으로 공급하도록 해도 좋다.
또한 웨이퍼 보트(36)에 대한 제품용 웨이퍼(PW)의 매립은, 가스류의 상류측으로부터 수용하도록 하였지만, 이에 한정되지 않으며, 웨이퍼 보트(36)의 어떤 위치에 수용하도록 해도 좋고, 이 경우에는 그 수용 형태에 따라서 환원성 가스를 공급하는 환원성 가스 분사 노즐을 미리 선택해 두는 것은 물론이다.
또한, 상기 실시예에서는 산화성 가스로서 O2 가스를 이용하였지만, 이에 한정되지 않으며, N2O 가스, NO 가스, NO2 가스 등을 이용해도 좋다. 또한 상기 실시예에서는 환원성 가스로서 H2 가스를 이용하였지만, 이것에 한정되지 않으며, NH3 가스나 CH4 가스나 HCl 가스를 이용해도 좋다.
또한, 본 발명은 피처리체로서는 반도체 웨이퍼에 한정되지 않으며, LCD 기판 및 유리 기판 등에도 적용할 수 있다.
본 발명의 피처리체의 산화 방법 및 산화 처리에 따르면, 다음과 같이 우수한 작용 효과를 발휘할 수 있다.
산화성 가스를 처리 용기의 길이 방향의 일단부측으로부터 공급하고, 환원성 가스를 처리 용기의 길이 방향의 다른 위치에 설치한 복수의 가스 분사구로부터 공급할 수 있게 하고, 처리 용기 내의 피처리체의 수용 매수와 수용 위치를 기초로 하여 상기 가스 분사구 중 어느 하나를 선택하고, 이 선택된 가스 분사구로부터 환원성 가스를 흐르게 하도록 하였으므로, 처리 용기 내의 온도 분포를 균일하게 유지한 상태로, 게다가 더미 웨이퍼를 이용하는 일 없이, 또한 피처리체(제품용)의 수량에 관계없이 산화막의 막 두께의 면간 균일성을 높게 유지할 수 있다.

Claims (13)

  1. 소정의 길이를 갖는 진공화 가능하게 이루어진 처리 용기 내에 피처리체를 복수매 수용하고, 상기 처리 용기 내에 산화성 가스와 환원성 가스를 공급하여 상기 양 가스를 반응시킴으로써 발생한 산소 활성종과 수산기 활성종을 갖는 분위기 중에서 상기 피처리체의 표면을 산화하도록 한 피처리체의 산화 방법에 있어서,
    상기 산화성 가스를 상기 처리 용기의 길이 방향의 일단부측으로부터 공급하고, 상기 환원성 가스를 상기 처리 용기의 길이 방향의 다른 위치에 설치한 복수의 가스 분사구로부터 공급할 수 있게 하는 동시에, 상기 처리 용기 내의 상기 피처리체의 수용 매수와 수용 위치에 따라서 상기 가스 분사구 중 어느 하나를 선택하고, 상기 선택된 가스 분사구로부터 환원성 가스를 공급하도록 한 것을 특징으로 하는 피처리체의 산화 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 선택되는 가스 분사구는 상기 가스 분사구로부터 개별로 환원성 가스를 흐르게 하여 산화 처리를 행하였을 때에 형성되는 산화막의 막 두께를 기초로 하여 상기 막 두께의 면간 균일성이 높아지도록 미리 요구된 가스 분사구인 것을 특징으로 하는 피처리체의 산화 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 양 가스에 대한 상기 환원성 가스의 농도는 5 ％ 내지 40 ％의 범위 내인 것을 특징으로 하는 피처리체의 산화 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 산화성 가스는 O2와 N2O와 NO와 NO2와 O3로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1개 이상의 가스를 포함하고, 상기 환원성 가스는 H2와 NH3와 CH4와 HCl과 중수소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1개 이상의 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 피처리체의 산화 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 피처리체는 제품용 웨이퍼 및 모니터용 웨이퍼로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 피처리체의 산화 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 피처리체는 제품용 웨이퍼만으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 피처리체의 산화 방법.
  8. 피처리체를 소정의 피치로 복수매 지지하는 보유 지지 수단과,
    상기 보유 지지 수단을 수용할 수 있게 소정의 길이를 갖는 동시에 진공화 가능하게 이루어진 처리 용기와,
    상기 피처리체를 가열하기 위한 가열 수단과,
    상기 처리 용기 내의 일단부측으로 산화성 가스를 공급하는 산화성 가스 공급 수단과,
    상기 처리 용기 내의 길이 방향의 다른 위치에 환원성 가스를 공급하는 복수개의 환원성 가스 노즐을 갖는 환원성 가스 공급 수단과,
    상기 처리 용기 내의 상기 피처리체의 수용 매수와 수용 위치를 기초로 하여, 상기 환원성 가스 노즐 중 어느 하나를 선택하고, 상기 선택된 환원성 가스 노즐로부터 환원성 가스를 공급하도록 제어하는 주 제어부를 구비한 것을 특징으로 하는 산화 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 선택되는 환원성 가스 노즐은 상기 환원성 가스로부터 개별로 환원성 가스를 흐르게 하여 산화 처리를 행하였을 때에 형성되는 막 두께를 기초로 하여 상기 막 두께의 면간 균일성이 높아지도록 미리 요구된 환원성 가스 노즐인 것을 특징으로 하는 산화 장치.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 보유 지지 수단에 수용되는 상기 피처리체의 수용 매수가 상기 보유 지지 수단의 최대 수용 능력 매수보다도 적은 경우에는, 상기 적은 매수에 상당하는 영역은 비어 있는 영역으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 산화 장치.
  11. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 산화성 가스는 O2와 N2O와 NO와 NO2와 O3로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1개 이상의 가스를 포함하고, 상기 환원성 가스는 H2와 NH3와 CH4와 HCl과 중수소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1개 이상의 가스를 포함하는 것을 특징으로 하는 산화 장치.
  12. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 피처리체는 제품용 웨이퍼 및 모니터용 웨이퍼로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 산화 장치.
  13. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 피처리체는 제품용 웨이퍼만으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 산화 장치.
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