半導體裝置的製造方法及襯底處理裝置的製作方法

2023-10-27 17:37:07 2

專利名稱：半導體裝置的製造方法及襯底處理裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及半導體裝置的製造方法及襯底處理裝置，特別涉及具有對半導體晶片等襯底的表面進行氧化處理的步驟的半導體裝置製造方法、及為此而優選使用的襯底處理
直ο
背景技術：
在半導體處理中間過程中形成的、漏出有不同Si結晶面的Si襯底(晶片)上直 接發生氧化反應的步驟中，若採用現有的氧化技術，則氧化速度因結晶面不同而不同，結果 在襯底上形成不同膜厚的氧化膜，存在襯底上因部位不同而特性不均的問題。不同Si結晶面露出在襯底上的工序，例如有作為淺槽隔離(STI)而公知的元件間 分離、以及刨入Si襯底形成豎式MOS電晶體的步驟，在Si襯底上採用幹刻形成溝槽，則溝 槽的側面和底面露出不同的面取向。另外，在STI工序的氧化步驟中，Si3N4也露出在襯底 表面，要求使Si3N4上的氧化速度接近於Si襯底上的氧化速度從而儘量形成相同的氧化膜 厚度。現有的氧化方法有下述幹法氧化和溼法氧化，幹法氧化是使反應室的環境氣體為 常壓或減壓，在單獨為氧、或者經N2、Ar等調節了氧分壓的環境氣體中對襯底進行氧化處 理；溼法氧化是利用將氧和氫在反應室的前段混合而形成的水分對襯底進行氧化處理。作 為氫和氧混合而形成水分的方法，可以廣泛利用經電阻加熱或燈聚光加熱等升溫至氫、氧 的著火溫度或該溫度以上以使其燃燒的方法、以及在著火溫度以下利用催化劑作用使氫、 氧發生反應的方法(參見日本特開平11-204511號)。現有的氧化方法在Si襯底的不同面取向間、例如(100)面和(110)面，依賴於Si 襯底表面的Si原子面密度，在薄膜氧化區域中，Si原子面密度較大的(110)面的氧化速度 約為(100)面的2倍。另外，Si3N4上的耐氧化性通常較高，Si3N4甚至可以作為耐氧化的阻 隔層使用，因此幾乎不進行氧化。

發明內容
相對於此，可知在減壓環境的反應室中用獨立的氣體供給體系分別導入氧、氫時， 氧化初期的成長速度較快，Si襯底的不同面取向間的成長速度差、以及Si襯底和Si3N4上 的成長速度差減小，結果可以顯著地減小膜厚差從而實現各向同性氧化。但是，發現在分批式豎式裝置中實施各向同性氧化時存在下述問題當氣體的供 給部位僅為作為被處理物襯底上遊的上部時，垂直方向上多段配置的各襯底配置部位的氫 濃度不同，形成的氧化膜厚度差異較大。
本發明的主要目的為提供一種半導體裝置製造方法、以及為此而優選使用的襯底 處理裝置，利用該方法在將多張襯底疊層配置的裝置中實施各向同性氧化時，可以抑制不 同襯底配置部位的氫濃度差異所導致的氧化膜厚變動較大的問題，從而可以製造高品質的 半導體裝置。本發明的一種方案為提供一種製造半導體裝置的方法，其特徵為該方法包含以下 步驟將多張襯底搬入處理室內的步驟、在搬入所述處理室內的所述多張襯底的上遊側供 給含氧氣體的步驟、在對應於搬入所述處理室內的所述多張襯底存在的區域中途的至少1 個部位供給含氫氣體的步驟、使所述含氧氣體與所述含氫氣體在所述處理室內反應從而將 所述多張襯底氧化的步驟、以及將處理後的所述襯底從所述處理室搬出的步驟。本發明的其它方案為提供一種襯底處理裝置，其特徵為該裝置含有下述結構單元處理多張襯底的處理室、在所述處理室內保持所述多張襯底的保持器具、從所述多張襯 底的上遊側對所述多張襯底供給含氧氣體的含氧氣體供給管路、從對應於所述多張襯底存 在的區域中途的至少1個位置對所述襯底供給含氫氣體的含氫氣體供給管路、對所述處理 室內進行排氣的排氣管路。


圖1為用於說明本發明實施例1的襯底處理裝置的縱剖面簡圖。圖2為用於說明本發明實施例2的襯底處理裝置的縱剖面簡圖。圖3為用於說明本發明實施例3的襯底處理裝置的縱剖面簡圖。圖4為用於說明本發明實施例4的襯底處理裝置的縱剖面簡圖。圖5為用於說明本發明實施例5的襯底處理裝置的縱剖面簡圖。圖6為用於說明本發明實施例6的襯底處理裝置的縱剖面簡圖。圖7為用於說明本發明實施例7的襯底處理裝置的縱剖面簡圖。圖8為用於說明本發明實施例7的襯底處理裝置的縱剖面簡圖。圖9為示出本發明實施例7的實驗結果的圖。圖10為示出本發明實施例8的實驗結果的圖。圖11為示出本發明實施例9的實驗結果的圖。圖12為用於說明本發明實施例10的襯底處理裝置的縱剖面簡圖。圖13為圖12的AA線橫截面簡圖。圖14為圖12的B部部分放大的縱剖面簡圖。圖15為圖14的CC線橫截面簡圖。圖16為用於說明本發明實施例11的襯底處理裝置的縱剖面簡圖。圖17為圖12的DD線橫截面簡圖。圖18為圖12的E部部分放大的縱剖面簡圖。圖19為圖18的FF線橫截面簡圖。圖20為用於說明本發明實施例12的襯底處理裝置的縱剖面簡圖。圖21為圖20的GG線橫截面簡圖。圖22為圖20的H部部分放大的縱剖面簡圖。圖23為用於說明本發明實施例13中製成的晶片的結構的縱剖面簡圖。
圖24為用於說明本發明實施例13中製成的晶片的縱剖面簡圖。圖25為本發明實施例13中製成的晶片的透射電子顯微鏡像。圖26為用於說明比較例中製成的晶片的縱剖面簡圖。圖27為比較例中製成的晶片的透射電子顯微鏡像。
具體實施例方式本發明人等發現，在減壓環境的反應室內導入氧氣和氫氣可以進行各向同性氧化，並且成膜速度是氫供給控速反應，為了使垂直方向多段配置的各襯底上的成膜速度相 同，考慮到將供向反應室的氫供給系統管路設置為2系統或2系統以上的多條管路。由此 可以避免由於從反應室上遊供給的氫與同樣從反應室上遊供給的氧反應消耗而導致反應 室內部的氣體流在下遊方向的氫濃度減小，因此，在使用分批式豎式裝置進行各向同性氧 化時，成功地提高了多張襯底上的氧化膜厚度的均勻性。以下參照

本發明的實施例。實施例1參照圖1說明作為本實施例中襯底處理裝置的分批式豎式半導體製造裝置(氧化 裝置)。反應爐20具有反應管21，在由所述反應管21形成的反應室(處理室)4內插入有 作為襯底保持器具的螺柱2。保持器具2構成為將多張作為襯底的半導體晶片(矽晶片)1 以略呈水平狀態隔有間隙地(襯底螺距間隔)多段保持。反應管21的下方敞開以便插入 保持器具2，該敞開部分可由密封蓋22密閉。保持器具2搭載在隔熱蓋25上，隔熱蓋25通 過旋轉軸26安裝在旋轉機構27上。反應管21的周圍配置有作為加熱源的電阻加熱器5。 反應管21中連接有下述氧供給管路7、氫供給管路8、氫供給管路9，所述氧供給管路7從襯 底1的上遊側對襯底1供給作為含氧氣體的氧氣(O2)，所述氫供給管路8從襯底1的上遊 側對襯底1供給作為含氫氣體的氫氣(H2)，所述氫供給管路9從對應於多張襯底1存在的 區域的中途位置對襯底供給作為含氫氣體的氫氣(H2)。優選設置多條氫供給管路9。氧供 給管路7連接在氧氣供給源41上，氫供給管路8、9連接在氫氣供給源42上。氧供給管路 7和氫供給管路8設置為貫穿反應管21的頂壁31。氣體噴出口朝向下方並向下方分別噴 出氧氣及氫氣。氫供給管路9設置為貫穿反應管21的側壁32。氣體噴出口朝向水平方向 並向晶片方向噴出氫氣。各供給管路7、8、9中設置有用於供給氣體及停止供給的電磁閥6。 另外，反應管21上連接有排出處理氣體的排氣管路23，在所述排氣管路23上連接有真空 排氣泵3。襯底處理過程中，由真空泵3將反應管21內處理成低於大氣壓的規定壓力(減 壓)，由控制單元24實施壓力控制。下面利用上述氧化裝置說明作為半導體裝置製造步驟之一的對襯底實施氧化處 理的方法。將1批份的晶片1移載至保持器具2上後，將裝填有多張晶片1的保持器具2裝 入(裝載)由加熱源5維持在加熱狀態的反應爐20的處理室4內，用密封蓋22將反應管 21內密閉。接下來，用真空泵3將反應管21內抽成真空，利用控制單元24將爐內壓力控 制為低於大氣壓的規定處理壓力。利用旋轉機構27使螺柱2以規定的旋轉速度旋轉。使 爐內溫度升溫，利用控制單元24將爐內溫度控制為規定的處理溫度。然後，在經由氧供給 管路7向處理室4內供給氧的同時，經由氫供給管路8、氫供給管路9向處理室4內供給氫氣。由此氧氣和氫氣在經加熱源5加熱的環境內發生反應而生成反應種，利用該反應種對 晶片1實施氧化處理。處理溫度例如為500 1000°C，處理壓力例如為1 lOOOPa。晶片1的氧化處理結束時，通過抽真空、引入惰性氣體等方法除去爐內的殘留氣體，在爐內溫度降至規定溫度後，將保持器具2從反應爐20中取出，使保持器具2在規定位 置待機直至保持器具2中支持的所有晶片1冷卻為止。當待機狀態的保持器具2中保持的 晶片1冷卻至規定溫度後，使用襯底移載機等回收晶片。本實施例與現有的氧化方法相比，在各種半導體晶片的處理步驟中形成的晶片襯 底上不同面取向的矽表面中，可以顯著減小氧化膜成長速度的差異(可以減小處理晶片的 面取向依存性)，並且，能夠抑制在豎式半導體製造裝置中處理多張晶片時伴隨各晶片上氫 濃度不均而出現的氧化膜厚不均。另外，本發明在實施氧化處理的襯底表面含有不同晶體 取向面、或含有利用CVD形成的多晶矽或矽氮化物的情況下特別有效。需要說明的是，上述實施例中說明了使用氧氣作為含氧氣體、使用氫氣作為含氫 氣體的情況，含氧氣體也可以使用選自氧氣(O2)及一氧化氮(N2O)氣體中的至少一種氣體， 含氫氣體也可以使用選自氫氣(H2)、氨氣(NH3)及甲烷(CH4)氣體中的至少一種氣體。實施例2下面參照圖2，詳細說明實施例2的襯底處理裝置。利用真空排氣泵3處理成減壓環境的反應室4連接有分別獨立的氧供給管路7、 氫供給噴嘴8，氧氣和氫氣在供給反應室4之前不進行混合，在經加熱源5加熱的環境氣體 內，活性的氫和氧發生反應，從而可以增大氧化初期的氧化速度。氧化速度的加速依賴於晶片附近的氫濃度，從晶片1排列的上遊僅經由氫供給管 路8實施氫氣供給的結構中，朝晶片排列的下遊方向，氫氣發生氧化反應而被消耗，氫氣濃 度因晶片的配置位置而不同，結果使膜厚均勻性顯著惡化。因此，作為氫供給管路，除了氫供給管路8之外，為了補充氧化反應中被消耗而在 下遊缺乏的氫氣，設置了多條氫供給管路91、92、93。由此，可從多張晶片1存在區域中途 的多個位置對襯底供給氫氣以補充晶片1存在區域中途位置所缺乏的氫氣，從而能夠提高 配置在反應室4中的多張晶片1的膜厚均勻性。氫供給管路91、92、93分別獨立，設置為貫 穿反應管21的側壁32。氫供給管路91、92、93的氣體噴出口分別朝向晶片方向(與晶片1 對向)，能夠對晶片附近供給氫氣。經由氫供給管路91、92、93供給的氫氣與經由連接在晶 片排列上遊的氧供給管路7供給的氧在晶片1附近混合。應予說明，氧供給管路7和氫供 給管路8設置為貫穿反應管21的頂壁31。氣體噴出口朝向下方，分別向下方噴出氧氣及氫 氣。實施例3下面參照圖3詳細說明實施例3的襯底處理裝置。與實施例2的相同點在於，反應室4的頂壁31上連接有與氧供給管路7相獨立的 氫供給管路8。與實施例2的不同點在於，與氫供給管路8相獨立的氫供給管路91、92、93分 別連接在沿著反應管21的側壁32的內壁豎立在反應室4內的長度不同的多個(多系統) 噴嘴101、102、103上。具體而言，氫供給管路91、92、93分別連接在相對於晶片排列方向長 度不同的氫供給噴嘴101、102、103上，可以調節反應室4內晶片排列方向(垂直方向)上 的氫濃度。需要說明的是，各噴嘴的前端敞開，該敞開部分成為氣體噴出口。所述氣體噴出口朝向反應室4的上方而並不朝向晶片1的方向，也可以如實施例2那樣朝向晶片的方向 (與晶片1對向)。實施例4下面參照圖4詳細說明實施例4的襯底處理裝置。與實施例3的相同點為，反應室4連接有與氧供給管路7相獨立的氫供給管路8，除了氫供給管路8之外，為了補充因在氧化反應中被消耗而在下遊缺乏的氫氣，設置有氫 供給管路91、92、93及噴嘴101、102、103。與實施例3的不同點為，氧供給管路7、氫供給管 路8、氫供給管路91、92、93中各自分別設置有能夠調節流量的質量流量控制器(流量控制 裝置)12。由此可以調節各個供給管路中的氧流量、氫流量，從而可以微細地控制反應室內 的氫濃度。實施例5下面參照圖5詳細說明實施例5的襯底處理裝置。與實施例2的相同點為，反應室4連接有與氧供給管路7相獨立的氫供給管路8。 與實施例2的不同點為設置了多孔噴嘴13，用該多孔噴嘴13代替與氫供給管路8相獨立 地設置的、作為用於調整反應室內氫濃度的中途供給噴嘴的氫供給管路91、92、93。該多孔 噴嘴13的噴嘴前端被密封，並且，噴嘴側面方向上至少有2個或2個以上的小孔131，不需 要使用多個氫管路即可控制反應室內的氫濃度。多孔噴嘴13的側面也可以設置直徑、即開 口面積不同的至少2種或2種以上的小孔131。即，小孔的孔徑也可以至少設置為2種或2 種以上。由此可以微細地控制經各小孔流出的氫流量。需要說明的是，本實施例中由於後 述的理由，形成多孔噴嘴13的氣體噴出口的小孔131並非設置在晶片側，而是設置為與反 應管21的側壁32的內壁側對向，中途供給的氫朝向反應管21的側壁32的內壁供給。實施例6下面參照圖6詳細說明實施例6的襯底處理裝置。實施例6與實施例1-5中的反應室4內的氣體流動方向不同。實施例1-5中反應 室4內的氣體基本上為從上方向下方流動，但本實施例中反應室4內的氣體從下方向上方 流動。氧供給管路7和氫供給管路8分別連接在貫穿反應管21的下部側壁32而水平地設 置的氧供給噴嘴71和氫供給噴嘴81上。氧供給噴嘴71和氫供給噴嘴81的氣體噴出口朝 向水平方向。在反應室4的結構中，外管(反應管)21內具有內管14，並以此將反應室4內 進行區分，作為反應氣體的氧和氫經由氧供給噴嘴71及氫供給噴嘴81分別從反應室下部 供給至內管14的內側，中途供給用的氫供給噴嘴也在內管14的內側垂直豎立，反應後的氣 體、未反應的氣體通過內管14的外側(內管14和外管21之間的空間)經排氣管路23、真 空泵3排出。實施例7下面參照圖7、8詳細說明實施例7的襯底處理裝置。實施例7設置多條(多系統)作為含氫氣體供給管路的H2氣體管路，且使各個氣 體管路的H2流量不同、達到最適化，從而提高晶片間的膜厚均勻性。該襯底處理裝置稱為豎 式爐，由對襯底進行減壓氧化處理的反應爐20和反應爐下方的用於移載晶片的移載室35 構成。實施氧化處理時，採取將裝填有多張晶片1的螺柱2從移載室35送入反應爐20內 的方式。圖7示出在移載室35內螺柱2上裝填有晶片1的狀態。圖8示出將裝填有晶片1的螺柱2裝載在反應爐20中的狀態。反應爐20的結構與實施例6相同，反應室4內氣體 從下方向上方流動。需要說明的是，螺柱2在移載室35內的期間，反應室4下部的爐口凸緣33下端的開口由爐口閘閥34進行封閉。
反應室4的結構也與實施例6相同，外管(反應管)21內具有內管14，由此將反應 室4內進行區分。對襯底1實施減壓氧化處理時，作為反應氣體的含氧氣體O2及含氫氣體 H2分別經由設置在反應室4下部的爐口凸緣33中的含氧氣體供給管路7及含氧氣體供給 噴嘴71、含氫氣體供給管路8及含氫氣體供給噴嘴81從晶片排列的上遊側供給至減壓的內 管14內側。作為用於調整氫濃度的中途供給用管路(噴嘴)的含氫氣體供給管路91 (噴嘴 101)、含氫氣體供給管路92 (噴嘴102)垂直地豎立在內管14內側。上述含氫氣體供給噴嘴 101、含氫氣體供給噴嘴102與實施例3同樣地構成、配置。經由含氫氣體供給噴嘴101、含 氫氣體供給噴嘴102從存在多張晶片1的區域中途的多個位置對襯底1供給氫氣。由此， O2由單一系統的管路(噴嘴)導入，而H2由多條(多系統)管路(噴嘴)導入。所述各個 H2管路中設置有調整流量的MFC(質量流量控制器)12。O2管路中也設置有MFC(質量流量 控制器)12。設置在各管路中的MFC由控制單元24進行控制。反應後的氣體或未反應的氣 體通過內管14的外側(內管14和外管21之間的空間)經由排氣管路23、真空泵3排出。本發明人等使用該襯底處理裝置對襯底進行減壓氧化處理試驗時，發現改變H2管 路的各H2流量，則晶片間的膜厚均勻性變化較大。實驗結果在圖9中給出。圖9示出伴隨 各吐噴嘴的H2流量改變的螺柱上各位置晶片的膜厚結果。橫軸表示螺柱位置(以最下部的 槽(slot)為基準的槽編號)，縱軸表示膜厚。圖中的H2(短/中/長)表示H2噴嘴81、102、 101，吐(短/中/長)=220/145/135cc是指H2噴嘴SUH2噴嘴102,H2噴嘴101的設定流 量分別為220SCCm、45SCCm、135SCCm。需要說明的是，O2噴嘴71僅為單一系統，流量固定為 2500sccmo根據圖9可知，各H2噴嘴的H2流量在各個管路中不同，比其在各管路固定時更 能夠提高膜厚均勻性。另外，膜厚均勻性最佳的條件為H2(短/中/長)= 220/145/135cc。 由此可以認為，優選使從各管路供給的H2的流量越往上遊越大(越往下遊越小)。需要說 明的是，該結果為將172張晶片同時處理的結果，爐內溫度為850°C、壓力為35Pa、H2管路為 3系統，當處理張數有所增減、或者H2管路為2系統、4系統或4系統以上時，也可顯示出相 同的傾向。另外，本結果使用CVD結構的雙層反應管型的爐體，可以認為在擴散爐之類無內 管的結構中也具有相同的效果。從該結果可知，通過使各管路的H2流量達到最適化，可以 改善晶片間的膜厚均勻性。由於爐內發生的反應為H2供給控速反應，因此朝向排氣方向出現氣體缺乏、不能 獲得晶片面間的均勻性，中途供給的H2僅為補充缺乏氣體的流量即可，因此結果使最上遊 的流量最大。實施例8下面參照圖10詳細說明實施例8。實施例8涉及利用實施例7的襯底處理裝置進行實驗的結果。圖10示出伴隨處理(成膜)壓力改變的、螺柱上各位置晶片的膜厚分布。O2僅為 單一系統(O2噴嘴71)，流量固定為2500cc。H2為3系統(H2噴嘴81、102、101)，流量為短 /中/長=240/145/135cc。從圖10可知，處理壓力優選為35Pa或35Pa以下範圍內的壓 力。另外，可知壓力越高，晶片間的膜厚分布越差。由此可以認為，也優選根據處理壓力對H2噴嘴流量及其系統數進行最造化。實施例9下面參照圖11詳細說明實施例9。實施例9涉及使用實施例7的襯底處理裝置進行實驗的結果。圖11示出隨處理(成膜)溫度改變而得到的、螺柱上各位置晶片的膜厚分布。O2 僅為單一系統(O2噴嘴71)，流量固定為2500cc。H2也僅為單一系統(H2噴嘴81)，流量為 240cc。從圖10可知，處理溫度優選為700°C或700°C以下範圍內的溫度。另外可知，溫度 越低，膜厚分布越能夠得到改善，溫度越高，膜厚分布越差。由此可以認為與上述實施例8 相同，也優選根據處理溫度將H2噴嘴的流量及其系統數最適化。需要說明的是，本實施例9中在700°C或700°C以下時，螺柱上各位置晶片的膜厚 均勻性變好，這是僅由H2噴嘴81供給H2，未經H2噴嘴101、102進行爐內流量調整的結果。 本處理、即、在減壓環境氣體的反應室內導入O2和H2的處理中，由於H2在氣體上遊被消耗， 因此下遊發生H2氣體不足，處理溫度越低則上遊的H2消耗量越少、越不易發生下遊側的氣 體不足。結果，700°C或700°C以下時，螺柱上各位置晶片的膜厚均勻性變好，噴嘴的流量調 整變簡單。另外，本實施例中裝入SiO2虛設晶片，將SiO2虛設晶片換為Si襯底時，H2消耗 量變化較大，即使在低溫下，也必須用H2噴嘴101、102調整爐內的流量。實施例10在上述實施例1 7中，中途供給H2的同時也從上遊供給H2,而本實施例不從上 遊供給，僅從途中供給H2。參照圖12 圖15，在作為本實施例的襯底處理裝置的分批式豎式半導體製造裝 置(氧化裝置)中，反應爐20具有反應管21，由該反應管21形成的反應室(處理室)4內 插入有作為襯底保持器具的螺柱2。螺柱2構成為將多張半導體晶片1以略呈水平的狀態 隔有規定間隙地保持。反應管21的下方為了插入螺柱2而敞開，所述敞開部分可由密封蓋 22密閉。螺柱2搭載在螺柱載置體28上，螺柱載置體28通過旋轉軸26安裝在旋轉機構 27上。螺柱2的下部搭載有多個隔熱板29。反應管21的周圍配置有作為加熱源的電阻加 熱器5。反應管21上連接有供給作為含氧氣體的氧氣(O2)的氧氣供給管路7、和供給作為 含氫氣體的氫氣(H2)的氫氣供給管路91、92、93、94。氧氣供給管路7連接在氧氣供給源 41上，氫氣供給管路91、92、93、94連接在氫氣供給源42上。氧氣供給管路7及氫供給管路 91、92、93、94中分別設置有電磁閥6及質量流量控制器12。反應管21的頂壁31上安裝有噴淋板44，頂壁31和噴淋板44形成緩衝室43。氧 氣供給管路7連接在氧供給管72上，氧供給管72從反應管21的下部延伸存在於側壁32 的外側，然後延伸存在於反應管21的頂壁31上方，並與緩衝室43連通。本實施例從最上 遊的噴淋板44僅導入02。氫供給管路91、92、93、94分別獨立地連接在氫供給噴嘴101、102、103、104上。氫供給噴嘴101、102、103、104被設置為貫穿反應管21的側壁32。氫供給噴嘴101、102、103、 104在反應管21內沿著反應管21的側壁32的內壁豎立，豎立的長度不同。由此，氫供給 噴嘴101、102、103、104在晶片排列方向上的長度不同，H2由晶片排列區域的多個位置供給 (實施例中為4個位置)，從而可以調節反應室4內晶片排列方向(垂直方向)的氫濃度。但是，H2不從噴淋板44供給。將氫供給噴嘴101、102、103、104沿內壁設置為比晶片1更靠近反應管21的側壁 32的內壁。氫供給噴嘴101、102、103、104的噴嘴前端敞開，該敞開部分分別為氣體噴出口 111、112、113、114。氫供給噴嘴101、102、103、104中最長的噴嘴101的氣 體噴出口 111位於與噴淋板 44分開的位置，該位置在對應於晶片排列區域上端(最上遊的晶片)的位置。參照圖14、15，氫供給噴嘴101的前端被切成斜面，並構成為氣體噴出口 111在反 應管21的側壁32的內壁211附近，朝向內壁211側。由此，可以將中途供給的H2朝向反 應管21的側壁32的內壁211噴出，經加熱器5加熱的側壁32的熱量使H2和O2在側壁32 附近有效地發生反應。由此在利用反應管21側壁32的熱量使H2和O2在側壁32附近發生 反應時，可以在側壁32附近生成反應種，並將生成的反應種在穩定的狀態下供給晶片1，從 而可以提高膜厚均勻性。如上所述，本實施例使H2和O2在側壁32附近發生反應，與利用晶片1的熱量使H2 和O2在晶片附近發生反應的方法不同。認為使吐和02在晶片1附近反應時，反應初期產 生的不穩定反應種可能對晶片1的處理產生影響，從而可能影響膜厚均勻性。需要說明的是，以上對氫供給噴嘴101進行了說明，氫供給噴嘴102、103、104也相 同。設置在反應管21下部的排氣管36上連接有排出處理氣體的排氣管路23，該排氣 管路23上連接有壓力控制單元37及真空排氣泵3。晶片處理中，反應管21內由真空泵3 處理成低於大氣壓的規定壓力(減壓)，該壓力控制由壓力控制單元37及控制單元24實 施。實施例11上述實施例1 7中，在最上遊，H2和O2分別由不同的噴嘴供給反應室4內，而本 實施例中，在最上遊的緩衝室43中混合H2和02，H2和O2的混合氣體經由最上遊的噴淋板 44導入反應室4內。由此，即使將02和吐預先混合後再導入反應室4內，也可以生成反應 性較O2或H2O高的反應種。參照圖16 圖19可知，本實施例與實施例10的不同點為，進一步設置與氫供給 管路91、92、93、94相獨立的氫供給管路8，該氫供給管路8連接在氫供給管82上，氫供給管 82從反應管21下部延伸存在於側壁32的外側，然後延伸存在至反應管21的頂壁31的上 方，並與緩衝室43連通，H2和O2在緩衝室43中混合後供給反應室4內；將其構成為氫供給 噴嘴101、102、103、104中最長的噴嘴101的氣體噴出口 111處於與噴淋板44分開的位置， 且該位置處在比對應於晶片排列區域上端(最上遊的晶片)的位置更靠近下方的位置，H2 並非從晶片排列區域的一端側流入，而是從排列區域的中途流入；及氫供給噴嘴101、102、 103、104的上面封閉，氣體噴出口 111、112、113、114設置在噴嘴前端部的側面，所述氣體噴 出口 111、112、113、114構成為處於反應管21的側壁32的內壁211附近並朝向內壁211側。 除了上述各點之外，其餘與實施例10相同。實施例12本實施例也是經由最上遊的噴淋板44將H2和O2的混合氣體導入反應室4內。本 實施例與實施例11的不同點為，實施例11中H2和O2在緩衝室43中混合，但本實施例將氧供給管72和氫供給管82連接在緩衝室43的上遊側，O2和H2並非在緩衝室43中混合，而 是在緩衝室43上遊側的配管內混合，除此之外，與實施例11相同。實施例13
為了物理性地確認本發明的各向同性氧化，準備優選採用本發明的STI(淺槽隔 離)結構的晶片，對其剖面結構進行TEM觀察。參照圖23，本實施例中製作的晶片在矽襯底51的表面形成襯墊(pad)矽氧化膜 52，在其上形成Si3N4膜53後形成溝槽60，然後形成氧化膜54並在其上形成非摻雜多晶矽 膜55，接著在其上形成氧化膜56，進一步在其上形成非摻雜多晶矽膜57。在H2以494sccm流入、O2以2000sccm流入、H2的濃度為19. 8%、溫度為950°C、壓 力為40. 3Pa的條件下氧化42分鐘，分別形成了氧化膜54及氧化膜56。圖24為本實施例製成的晶片的縱剖面簡圖，圖25為本實施例製成的晶片的TEM 像。為了比較，在H2 以 3000sccm 流入、O2 以 3000sccm 流入、N2 以 20000sccm 流入、H2 濃度為11. 5%、溫度為950°C、大氣壓的條件下溼法氧化8. 5分鐘，分別形成了氧化膜58及 氧化膜59。圖26為比較例中製成的晶片的縱剖面簡圖，圖27為比較例中製成的晶片的TEM像。溝槽60的底面601及側面602露出的矽的面取向不同，因此認為採用通常的氧化 方法時氧化速度不同，另外由於Si3N4膜53不易發生氧化，因此認為溝槽60的底面601、溝 槽60的側面602及Si3N4膜53上形成的氧化膜在採用通常的氧化方法時膜厚不同。應予 說明，即使在採用通常的氧化方法時也未發現非摻雜多晶矽膜55上形成的氧化膜存在上 述的膜厚差異。參照圖26、27，進行作為現有方法的溼法氧化時，溝槽60側面602上的氧化膜582 的膜厚B( = 26nm)比溝槽60底面601上的氧化膜581的膜厚D( = 16nm)厚，可以明確地 看出依賴於矽襯底51結晶面取向的氧化速度差異。即，明確地顯示出各向異性。另外，Si3N4 膜53上的氧化膜583的膜厚A( = 1. 7nm)小於膜厚B ( = 26nm)、D( = 16nm)，氧化進程較 慢，顯示出Si3N4膜53的耐氧化性。相對於此，參照圖24、25，採用本發明處理的本實施例的晶片，溝槽60底面601上 的氧化膜541的膜厚D ( = 16nm)與溝槽60側面602上的氧化膜542的膜厚B ( = 16. 5nm) 基本相同，可知氧化速度不依賴於矽襯底51的結晶面取向。即，明確地顯示出各向同性氧 化。另外，可以確認Si3N4膜53上的氧化膜543的膜厚A為13nm，與矽襯底51的氧化膜54 的膜厚B(= 16. 5nm)、D(= 16nm)基本為相同膜厚的氧化，在對溼法氧化表現出高耐氧化 性的Si3N4膜53上也能夠發生氧化。溼法氧化與本發明的區別在於溼法氧化依賴於H2O氣體的膜中擴散，而本發明通 過O2和H2發生反應生成的反應種的高能量進行氧化。需要說明的是，非摻雜多晶矽膜55上形成的氧化膜56的膜厚E在溼法氧化時為 15. 5nm，而經本發明處理的本實施例的晶片中為16nm，成長膜厚未見到顯著的差異。另外， 不同位置的不均在溼法氧化及本發明的方法中均較小。以上說明了本發明的優選實施例。本發明的優選處理溫度為500°C 950°C，優選處理壓力為數Pa lOOOPa。處理溫度至少在吐、02的著火點(480°C )或該溫度以上左右，否 則反應本身可能不發生，因此認為需要在500°C或500°C以上。另外認為如果超過950°C，則 高溫、減壓下石英反應管的強度不夠。由此可知處理溫度優選為500°C或500°C以上、950°C 或950°C以下。對於處理壓力，在重視均勻性時將壓力減低，在重視成長速度時將壓力升高。 當同時考慮成長速度和均勻性時，壓力優選為數Pa或數Pa以上、IOOOPa或IOOOPa以下。H2 流量優選為 IOsccm 2000sccm，O2 流量優選為 20sccm 5000sccm。優選的H2/02流量比為0. 1 0. 5。離子等反應種使氧化初期的速度變得非常快，H2的濃度越高則成長速度越快，但如果成長速度變快，則存在均勻性變差的傾向。考慮到均 勻性時，優選將H2濃度降低以使氧富餘(H2流量< O2流量)，該情況下，H2/02流量最高為目 前水平的50%左右，優選為10% 50% (0.1 0.5)。H2/02流量比超過0. 5，則不能獲得 實用水平的均勻性。另外，本發明中H2被如下所述地消耗。即，供給H2、02，在常壓下加熱至著火點或該 溫度以上使其燃燒，結果生成H2O並產生反應熱。但是本發明人等進行實驗時對減壓氧化 的排氣進行Q-MASS (四重極質量分析)測定時未觀測到吐0、未發現反應室內的局部溫度上 升。由此可以認為，反應室內未形成H2O,基本上排出02、H2。因此可以推測，在減壓的反應 室內氧和氫發生反應生成離子等反應種，由此發生加速氧化，排氣時迅速恢復至H2、O2的狀 態。另外，本發明中即使象幹法氧化那樣僅流入氧，或者象溼法氧化那樣流入H2O,也 不引起本發明中的氧化加速，與02、H2O相比，氧化中反應性較高的離子等反應種發揮強勢 作用。並且在流入H2時形成處於引發形態的、反應性比02、H20高的反應種。本發明通過在對應於多張襯底存在區域的中途供給H2，具有下述效果。(1)能夠在中途補給因消耗而缺乏的H2。(2)可在襯底排列區域直接供給H2，不易在中途階段生成水(H2O)(從上遊1個部 位大量流入H2時，中途階段容易生成水(H2O))。(3)可以使H2遇到O2從而容易生成離子等反應種。2003年8月26日提交的日本專利申請2003-301982中公開的全部內容，包括說明 書、權利要求書、附圖、以及說明書摘要均被直接引用並編入本申請中。雖然給出各種典型的實施方案並進行了說明，但本發明並不受到所述實施方案的 限定。本發明的範圍僅由權利要求書進行限定。產業實用性如上所述，根據本發明的優選方案，在各種半導體晶片的處理步驟中形成的矽襯 底上的不同面取向的矽表面上，與採用現有的氧化方法時相比，可以顯著減小其氧化膜的 成長速度差。並且在分批式的豎式裝置中處理多張襯底時，能夠抑制各襯底上氫濃度不均 所引起的氧化膜厚度的不均，從而可以製造高品質的半導體裝置。結果，本發明特別優選用於使用半導體矽晶片的半導體裝置的製造方法、以及為 此而優選使用的襯底處理裝置中。
權利要求
一種半導體裝置的製造方法，其特徵在於，包含以下步驟將多張襯底搬入反應管內的步驟；在所述反應管內的壓力低於大氣壓的狀態下向所述反應管內供給含氧氣體與含氫氣體對所述多張襯底進行氧化處理的步驟；以及將所述氧化處理後的所述多張襯底從所述反應管搬出的步驟，在對所述襯底進行氧化處理的步驟中，在加熱所述反應管內壁及所述反應管內的狀態下，從所述反應管內的頂壁側供給含氧氣體，流向底端側，同時，在對應於所述反應管內的所述多張襯底排列區域的區域中，在比所述多張襯底的排列位置更靠近所述反應管內壁的位置處，從沿著所述反應管內壁的垂直方向的多個部位供給含氫氣體，流向所述底端側，或者，在加熱所述反應管內壁及所述反應管內的狀態下，從所述反應管內的底端側供給含氧氣體，流向頂壁側，同時，在對應於所述反應管內的所述多張襯底排列區域的區域中，在比排列有多張襯底的排列位置更靠近所述反應管內壁的位置處，從沿著所述反應管內壁的垂直方向的多個部位供給含氫氣體，流向所述頂壁側。
2.如權利要求1所述的半導體裝置的製造方法，其特徵在於，在對所述襯底進行氧化 處理的步驟中，以噴淋狀供給所述含氧氣體。
3.一種半導體裝置的製造方法，其特徵在於，包含以下步驟 將多張襯底搬入反應管內的步驟；在所述反應管內的壓力低於大氣壓的狀態下向所述反應管供給含氧氣體與含氫氣體 對所述襯底進行氧化處理的步驟；以及將所述氧化處理後的所述多張襯底從所述反應管搬出的步驟， 在對所述襯底進行氧化處理的步驟中，在加熱所述反應管內壁及所述反應管內的狀態下，從所述反應管內的頂壁側供給含氧 氣體和含氫氣體，流向底端側，同時，在對應於所述反應管內的所述多張襯底排列區域的區 域中，在比所述多張襯底的排列位置更靠近所述反應管內壁的位置處，從沿著所述反應管 內壁的垂直方向的多個部位供給含氫氣體，流向所述底端側，或者，在加熱所述反應管內壁及所述反應管內的狀態下，從所述反應管內的底端側供給含 氧氣體和含氫氣體，流向頂壁側，同時，在對應於所述反應管內的所述襯底排列區域的區域 中，在比所述多張襯底的排列位置更靠近所述反應管內壁的位置處，從沿著所述反應管內 壁的垂直方向上的多個部位供給含氫氣體，流向所述頂壁側。
4.如權利要求1 3中任一項所述的半導體裝置的製造方法，其特徵在於，在對所述襯 底進行氧化處理的步驟中，從沿著反應管內壁的垂直方向的多個部位所供給的含氫氣體， 是向著所述反應管內壁供給的。
5.如權利要求1 3中任一項所述的半導體裝置的製造方法，其特徵在於，在對所述襯 底進行氧化處理的步驟中，在對應於所述反應管內的襯底排列區域的區域中，在比所述多 張襯底的排列位置更靠近所述反應管內壁的位置處，通過被加熱了的所述反應管內壁的熱 量使所述含氧氣體和所述含氫氣體反應生成反應種，將所生成的反應種供給至所述多張襯 底ο
6.如權利要求3所述的半導體裝置的製造方法，其特徵在於，在對所述襯底進行氧化處理的步驟中，從所述反應管內的所述頂壁側供給的所述含氧氣體和所述含氫氣體是以噴 淋狀供給的。
7.如權利要求3所述的半導體裝置的製造方法，其特徵在於，在對所述襯底進行氧化 處理的步驟中，從所述反應管內的所述頂壁側供給在所述反應管外混合的所述含氧氣體與 所述含氫氣體的混合氣體。
8.一種襯底處理裝置，其特徵在於，包括 反應管，其氧化處理多張襯底；加熱源，其設置於所述反應管周圍對所述反應管內壁以及所述反應管內進行加熱； 保持器具，其在所述反應管內保持所述多張襯底； 含氧氣體供給管路，其從所述反應管內的頂壁側或底端側供給含氧氣體； 含氫氣體供給管路，其在對應於所述反應管內的所述多張襯底的排列區域的區域中， 在比所述多張襯底的排列位置更靠近所述反應管內壁的位置處，沿著所述反應管內壁的垂 直方向的多個部位供給含氫氣體；排氣管路，其將所述反應管內進行排氣，使被供給至所述反應管內的各氣體流向所述 底端側或所述頂壁側；真空泵，其設置於所述排氣管路內，將所述反應管內進行抽真空； 控制單元，其將所述反應管內的壓力控制為低於大氣壓的壓力。
9.如權利要求8所述的襯底處理裝置，其特徵在於，所述含氫氣體供給管路的氣體噴 出口構成為朝向所述反應管內壁側。
10.如權利要求8所述的襯底處理裝置，其特徵在於，在所述反應管內的所述頂壁側設 置有噴淋板，所述噴淋板構成為使從所述含氧氣體供給管路供給的含氧氣體以噴淋狀供給 至所述反應管內。
11.一種襯底處理裝置，其特徵在於，包括 反應管，其氧化處理多張襯底；加熱源，其設置於所述反應管周圍對所述反應管內壁以及所述反應管內進行加熱； 保持器具，其在所述反應管內保持所述多張襯底； 含氧氣體供給管路，其從所述反應管內的頂壁側或底端側供給含氧氣體； 第1含氫氣體供給管路，其從所述反應管內的頂壁側或底端側供給含氫氣體； 第2含氫氣體供給管路，其在對應於所述反應管內的所述多張襯底的排列區域的區域 中，在比所述多張襯底的排列位置更靠近所述反應管內壁的位置處，沿著所述反應管內壁 的垂直方向的多個部位供給含氫氣體；排氣管路，其將所述反應管內進行排氣，使被供給至所述反應管內的各氣體流向所述 底端側或所述頂壁側；真空泵，其設置於所述排氣管路內，對所述反應管內進行抽真空； 控制單元，其將所述反應管內的壓力控制為低於大氣壓的壓力。
12.如權利要求11所述的襯底處理裝置，其特徵在於，所述第2含氫氣體供給管路的氣 體噴出口構成為朝向所述反應管內壁側。
13.如權利要求11所述的襯底處理裝置，其特徵在於，在所述反應管內的所述頂壁側 設置有噴淋板，所述噴淋板構成為使由所述含氧氣體供給管路供給的含氧氣體與由所述第1含氫氣體供給管路供給的含氫氣體以噴淋狀供給至所述反應管內。
14.如權利要求11所述的襯底處理裝置，其特徵在於，在所述含氧氣體供給管路以及 所述第1含氫氣體供給管路與所述反應管之間設置有混合部，在所述混合部將供給至所述 反應管內之前將由所述含氧氣體供給管路供給的含氧氣體與由所述第1含氫氣體供給管 路供給的含氫氣體進行混合。
全文摘要
本發明提供一種半導體裝置的製造方法及襯底處理裝置。本發明的半導體製造方法包括以下步驟將多張襯底搬入反應管內的步驟；在所述反應管內的壓力低於大氣壓的狀態下向所述反應管內供給含氧氣體與含氫氣體對所述多張襯底進行氧化處理的步驟；以及將所述氧化處理後的所述多張襯底從所述反應管搬出的步驟。本發明的襯底處理裝置包括氧化處理多張襯底的反應管；對所述反應管內壁以及所述反應管內進行加熱的加熱源；在所述反應管內保持所述多張襯底的保持器具；含氧氣體供給管路；含氫氣體供給管路；排氣管路；真空泵；以及將所述反應管內的壓力控制為低於大氣壓的控制單元。
文檔編號H01L21/00GK101807525SQ20101014560
公開日2010年8月18日 申請日期2004年8月25日 優先權日2003年8月26日
發明者前田喜世彥, 尾崎貴志, 湯淺和宏 申請人:株式會社日立國際電氣