이하에, 본 발명에 관한 피처리체의 산화 방법, 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 밀봉하면서 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 공급하 는 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, 이 주 제어부(78)는 이 산화 장치(20)의 전체의 동작도 제어하는 것이며, 후술하는 이 산화 장치(20)의 동작은 이 주제어부(78)로부터의 지령에 의해 행한다. 또한, 이 주 제어부(78)는 그의 동작을 행하기 위한 프로그램이 미리 기억되어 있는 플로피디스크나 플래시 메모리 등의 기억 매체(100)를 갖고 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 약간의 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 예 를 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 웨이퍼 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 형태에 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 농 도[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 형 태의 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 예에서는 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, 환원성 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 Pa이며 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 slm 로 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, 이 러한 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 도 시한 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 물론이다.
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 실시 예에서는 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.