半导体装置的制造方法及衬底处理装置的制作方法

专利名称：半导体装置的制造方法及衬底处理装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体装置的制造方法及衬底处理装置，特别涉及具有对半导体晶片等衬底的表面进行氧化处理的步骤的半导体装置制造方法、及为此而优选使用的衬底处理
直ο
背景技术：
在半导体处理中间过程中形成的、漏出有不同Si结晶面的Si衬底(晶片)上直 接发生氧化反应的步骤中，若采用现有的氧化技术，则氧化速度因结晶面不同而不同，结果 在衬底上形成不同膜厚的氧化膜，存在衬底上因部位不同而特性不均的问题。不同Si结晶面露出在衬底上的工序，例如有作为浅槽隔离(STI)而公知的元件间 分离、以及刨入Si衬底形成竖式MOS晶体管的步骤，在Si衬底上采用干刻形成沟槽，则沟 槽的侧面和底面露出不同的面取向。另外，在STI工序的氧化步骤中，Si3N4也露出在衬底 表面，要求使Si3N4上的氧化速度接近于Si衬底上的氧化速度从而尽量形成相同的氧化膜 厚度。现有的氧化方法有下述干法氧化和湿法氧化，干法氧化是使反应室的环境气体为 常压或减压，在单独为氧、或者经N2、Ar等调节了氧分压的环境气体中对衬底进行氧化处 理；湿法氧化是利用将氧和氢在反应室的前段混合而形成的水分对衬底进行氧化处理。作 为氢和氧混合而形成水分的方法，可以广泛利用经电阻加热或灯聚光加热等升温至氢、氧 的着火温度或该温度以上以使其燃烧的方法、以及在着火温度以下利用催化剂作用使氢、 氧发生反应的方法(参见日本特开平11-204511号)。现有的氧化方法在Si衬底的不同面取向间、例如(100)面和(110)面，依赖于Si 衬底表面的Si原子面密度，在薄膜氧化区域中，Si原子面密度较大的(110)面的氧化速度 约为(100)面的2倍。另外，Si3N4上的耐氧化性通常较高，Si3N4甚至可以作为耐氧化的阻 隔层使用，因此几乎不进行氧化。

发明内容
相对于此，可知在减压环境的反应室中用独立的气体供给体系分别导入氧、氢时， 氧化初期的成长速度较快，Si衬底的不同面取向间的成长速度差、以及Si衬底和Si3N4上 的成长速度差减小，结果可以显著地减小膜厚差从而实现各向同性氧化。但是，发现在分批式竖式装置中实施各向同性氧化时存在下述问题当气体的供 给部位仅为作为被处理物衬底上游的上部时，垂直方向上多段配置的各衬底配置部位的氢 浓度不同，形成的氧化膜厚度差异较大。
本发明的主要目的为提供一种半导体装置制造方法、以及为此而优选使用的衬底 处理装置，利用该方法在将多张衬底叠层配置的装置中实施各向同性氧化时，可以抑制不 同衬底配置部位的氢浓度差异所导致的氧化膜厚变动较大的问题，从而可以制造高品质的 半导体装置。本发明的一种方案为提供一种制造半导体装置的方法，其特征为该方法包含以下 步骤将多张衬底搬入处理室内的步骤、在搬入所述处理室内的所述多张衬底的上游侧供 给含氧气体的步骤、在对应于搬入所述处理室内的所述多张衬底存在的区域中途的至少1 个部位供给含氢气体的步骤、使所述含氧气体与所述含氢气体在所述处理室内反应从而将 所述多张衬底氧化的步骤、以及将处理后的所述衬底从所述处理室搬出的步骤。本发明的其它方案为提供一种衬底处理装置，其特征为该装置含有下述结构单元处理多张衬底的处理室、在所述处理室内保持所述多张衬底的保持器具、从所述多张衬 底的上游侧对所述多张衬底供给含氧气体的含氧气体供给管路、从对应于所述多张衬底存 在的区域中途的至少1个位置对所述衬底供给含氢气体的含氢气体供给管路、对所述处理 室内进行排气的排气管路。


图1为用于说明本发明实施例1的衬底处理装置的纵剖面简图。图2为用于说明本发明实施例2的衬底处理装置的纵剖面简图。图3为用于说明本发明实施例3的衬底处理装置的纵剖面简图。图4为用于说明本发明实施例4的衬底处理装置的纵剖面简图。图5为用于说明本发明实施例5的衬底处理装置的纵剖面简图。图6为用于说明本发明实施例6的衬底处理装置的纵剖面简图。图7为用于说明本发明实施例7的衬底处理装置的纵剖面简图。图8为用于说明本发明实施例7的衬底处理装置的纵剖面简图。图9为示出本发明实施例7的实验结果的图。图10为示出本发明实施例8的实验结果的图。图11为示出本发明实施例9的实验结果的图。图12为用于说明本发明实施例10的衬底处理装置的纵剖面简图。图13为图12的AA线横截面简图。图14为图12的B部部分放大的纵剖面简图。图15为图14的CC线横截面简图。图16为用于说明本发明实施例11的衬底处理装置的纵剖面简图。图17为图12的DD线横截面简图。图18为图12的E部部分放大的纵剖面简图。图19为图18的FF线横截面简图。图20为用于说明本发明实施例12的衬底处理装置的纵剖面简图。图21为图20的GG线横截面简图。图22为图20的H部部分放大的纵剖面简图。图23为用于说明本发明实施例13中制成的晶片的结构的纵剖面简图。
图24为用于说明本发明实施例13中制成的晶片的纵剖面简图。图25为本发明实施例13中制成的晶片的透射电子显微镜像。图26为用于说明比较例中制成的晶片的纵剖面简图。图27为比较例中制成的晶片的透射电子显微镜像。
具体实施例方式本发明人等发现，在减压环境的反应室内导入氧气和氢气可以进行各向同性氧化，并且成膜速度是氢供给控速反应，为了使垂直方向多段配置的各衬底上的成膜速度相 同，考虑到将供向反应室的氢供给系统管路设置为2系统或2系统以上的多条管路。由此 可以避免由于从反应室上游供给的氢与同样从反应室上游供给的氧反应消耗而导致反应 室内部的气体流在下游方向的氢浓度减小，因此，在使用分批式竖式装置进行各向同性氧 化时，成功地提高了多张衬底上的氧化膜厚度的均勻性。以下参照

本发明的实施例。实施例1参照图1说明作为本实施例中衬底处理装置的分批式竖式半导体制造装置(氧化 装置)。反应炉20具有反应管21，在由所述反应管21形成的反应室(处理室)4内插入有 作为衬底保持器具的螺柱2。保持器具2构成为将多张作为衬底的半导体晶片(硅晶片)1 以略呈水平状态隔有间隙地(衬底螺距间隔)多段保持。反应管21的下方敞开以便插入 保持器具2，该敞开部分可由密封盖22密闭。保持器具2搭载在隔热盖25上，隔热盖25通 过旋转轴26安装在旋转机构27上。反应管21的周围配置有作为加热源的电阻加热器5。 反应管21中连接有下述氧供给管路7、氢供给管路8、氢供给管路9，所述氧供给管路7从衬 底1的上游侧对衬底1供给作为含氧气体的氧气(O2)，所述氢供给管路8从衬底1的上游 侧对衬底1供给作为含氢气体的氢气(H2)，所述氢供给管路9从对应于多张衬底1存在的 区域的中途位置对衬底供给作为含氢气体的氢气(H2)。优选设置多条氢供给管路9。氧供 给管路7连接在氧气供给源41上，氢供给管路8、9连接在氢气供给源42上。氧供给管路 7和氢供给管路8设置为贯穿反应管21的顶壁31。气体喷出口朝向下方并向下方分别喷 出氧气及氢气。氢供给管路9设置为贯穿反应管21的侧壁32。气体喷出口朝向水平方向 并向晶片方向喷出氢气。各供给管路7、8、9中设置有用于供给气体及停止供给的电磁阀6。 另外，反应管21上连接有排出处理气体的排气管路23，在所述排气管路23上连接有真空 排气泵3。衬底处理过程中，由真空泵3将反应管21内处理成低于大气压的规定压力(减 压)，由控制单元24实施压力控制。下面利用上述氧化装置说明作为半导体装置制造步骤之一的对衬底实施氧化处 理的方法。将1批份的晶片1移载至保持器具2上后，将装填有多张晶片1的保持器具2装 入(装载)由加热源5维持在加热状态的反应炉20的处理室4内，用密封盖22将反应管 21内密闭。接下来，用真空泵3将反应管21内抽成真空，利用控制单元24将炉内压力控 制为低于大气压的规定处理压力。利用旋转机构27使螺柱2以规定的旋转速度旋转。使 炉内温度升温，利用控制单元24将炉内温度控制为规定的处理温度。然后，在经由氧供给 管路7向处理室4内供给氧的同时，经由氢供给管路8、氢供给管路9向处理室4内供给氢气。由此氧气和氢气在经加热源5加热的环境内发生反应而生成反应种，利用该反应种对 晶片1实施氧化处理。处理温度例如为500 1000°C，处理压力例如为1 lOOOPa。晶片1的氧化处理结束时，通过抽真空、引入惰性气体等方法除去炉内的残留气体，在炉内温度降至规定温度后，将保持器具2从反应炉20中取出，使保持器具2在规定位 置待机直至保持器具2中支持的所有晶片1冷却为止。当待机状态的保持器具2中保持的 晶片1冷却至规定温度后，使用衬底移载机等回收晶片。本实施例与现有的氧化方法相比，在各种半导体晶片的处理步骤中形成的晶片衬 底上不同面取向的硅表面中，可以显著减小氧化膜成长速度的差异(可以减小处理晶片的 面取向依存性)，并且，能够抑制在竖式半导体制造装置中处理多张晶片时伴随各晶片上氢 浓度不均而出现的氧化膜厚不均。另外，本发明在实施氧化处理的衬底表面含有不同晶体 取向面、或含有利用CVD形成的多晶硅或硅氮化物的情况下特别有效。需要说明的是，上述实施例中说明了使用氧气作为含氧气体、使用氢气作为含氢 气体的情况，含氧气体也可以使用选自氧气(O2)及一氧化氮(N2O)气体中的至少一种气体， 含氢气体也可以使用选自氢气(H2)、氨气(NH3)及甲烷(CH4)气体中的至少一种气体。实施例2下面参照图2，详细说明实施例2的衬底处理装置。利用真空排气泵3处理成减压环境的反应室4连接有分别独立的氧供给管路7、 氢供给喷嘴8，氧气和氢气在供给反应室4之前不进行混合，在经加热源5加热的环境气体 内，活性的氢和氧发生反应，从而可以增大氧化初期的氧化速度。氧化速度的加速依赖于晶片附近的氢浓度，从晶片1排列的上游仅经由氢供给管 路8实施氢气供给的结构中，朝晶片排列的下游方向，氢气发生氧化反应而被消耗，氢气浓 度因晶片的配置位置而不同，结果使膜厚均勻性显著恶化。因此，作为氢供给管路，除了氢供给管路8之外，为了补充氧化反应中被消耗而在 下游缺乏的氢气，设置了多条氢供给管路91、92、93。由此，可从多张晶片1存在区域中途 的多个位置对衬底供给氢气以补充晶片1存在区域中途位置所缺乏的氢气，从而能够提高 配置在反应室4中的多张晶片1的膜厚均勻性。氢供给管路91、92、93分别独立，设置为贯 穿反应管21的侧壁32。氢供给管路91、92、93的气体喷出口分别朝向晶片方向(与晶片1 对向)，能够对晶片附近供给氢气。经由氢供给管路91、92、93供给的氢气与经由连接在晶 片排列上游的氧供给管路7供给的氧在晶片1附近混合。应予说明，氧供给管路7和氢供 给管路8设置为贯穿反应管21的顶壁31。气体喷出口朝向下方，分别向下方喷出氧气及氢 气。实施例3下面参照图3详细说明实施例3的衬底处理装置。与实施例2的相同点在于，反应室4的顶壁31上连接有与氧供给管路7相独立的 氢供给管路8。与实施例2的不同点在于，与氢供给管路8相独立的氢供给管路91、92、93分 别连接在沿着反应管21的侧壁32的内壁竖立在反应室4内的长度不同的多个(多系统) 喷嘴101、102、103上。具体而言，氢供给管路91、92、93分别连接在相对于晶片排列方向长 度不同的氢供给喷嘴101、102、103上，可以调节反应室4内晶片排列方向(垂直方向)上 的氢浓度。需要说明的是，各喷嘴的前端敞开，该敞开部分成为气体喷出口。所述气体喷出口朝向反应室4的上方而并不朝向晶片1的方向，也可以如实施例2那样朝向晶片的方向 (与晶片1对向)。实施例4下面参照图4详细说明实施例4的衬底处理装置。与实施例3的相同点为，反应室4连接有与氧供给管路7相独立的氢供给管路8，除了氢供给管路8之外，为了补充因在氧化反应中被消耗而在下游缺乏的氢气，设置有氢 供给管路91、92、93及喷嘴101、102、103。与实施例3的不同点为，氧供给管路7、氢供给管 路8、氢供给管路91、92、93中各自分别设置有能够调节流量的质量流量控制器(流量控制 装置)12。由此可以调节各个供给管路中的氧流量、氢流量，从而可以微细地控制反应室内 的氢浓度。实施例5下面参照图5详细说明实施例5的衬底处理装置。与实施例2的相同点为，反应室4连接有与氧供给管路7相独立的氢供给管路8。 与实施例2的不同点为设置了多孔喷嘴13，用该多孔喷嘴13代替与氢供给管路8相独立 地设置的、作为用于调整反应室内氢浓度的中途供给喷嘴的氢供给管路91、92、93。该多孔 喷嘴13的喷嘴前端被密封，并且，喷嘴侧面方向上至少有2个或2个以上的小孔131，不需 要使用多个氢管路即可控制反应室内的氢浓度。多孔喷嘴13的侧面也可以设置直径、即开 口面积不同的至少2种或2种以上的小孔131。即，小孔的孔径也可以至少设置为2种或2 种以上。由此可以微细地控制经各小孔流出的氢流量。需要说明的是，本实施例中由于后 述的理由，形成多孔喷嘴13的气体喷出口的小孔131并非设置在晶片侧，而是设置为与反 应管21的侧壁32的内壁侧对向，中途供给的氢朝向反应管21的侧壁32的内壁供给。实施例6下面参照图6详细说明实施例6的衬底处理装置。实施例6与实施例1-5中的反应室4内的气体流动方向不同。实施例1-5中反应 室4内的气体基本上为从上方向下方流动，但本实施例中反应室4内的气体从下方向上方 流动。氧供给管路7和氢供给管路8分别连接在贯穿反应管21的下部侧壁32而水平地设 置的氧供给喷嘴71和氢供给喷嘴81上。氧供给喷嘴71和氢供给喷嘴81的气体喷出口朝 向水平方向。在反应室4的结构中，外管(反应管)21内具有内管14，并以此将反应室4内 进行区分，作为反应气体的氧和氢经由氧供给喷嘴71及氢供给喷嘴81分别从反应室下部 供给至内管14的内侧，中途供给用的氢供给喷嘴也在内管14的内侧垂直竖立，反应后的气 体、未反应的气体通过内管14的外侧(内管14和外管21之间的空间)经排气管路23、真 空泵3排出。实施例7下面参照图7、8详细说明实施例7的衬底处理装置。实施例7设置多条(多系统)作为含氢气体供给管路的H2气体管路，且使各个气 体管路的H2流量不同、达到最适化，从而提高晶片间的膜厚均勻性。该衬底处理装置称为竖 式炉，由对衬底进行减压氧化处理的反应炉20和反应炉下方的用于移载晶片的移载室35 构成。实施氧化处理时，采取将装填有多张晶片1的螺柱2从移载室35送入反应炉20内 的方式。图7示出在移载室35内螺柱2上装填有晶片1的状态。图8示出将装填有晶片1的螺柱2装载在反应炉20中的状态。反应炉20的结构与实施例6相同，反应室4内气体 从下方向上方流动。需要说明的是，螺柱2在移载室35内的期间，反应室4下部的炉口凸缘33下端的开口由炉口闸阀34进行封闭。
反应室4的结构也与实施例6相同，外管(反应管)21内具有内管14，由此将反应 室4内进行区分。对衬底1实施减压氧化处理时，作为反应气体的含氧气体O2及含氢气体 H2分别经由设置在反应室4下部的炉口凸缘33中的含氧气体供给管路7及含氧气体供给 喷嘴71、含氢气体供给管路8及含氢气体供给喷嘴81从晶片排列的上游侧供给至减压的内 管14内侧。作为用于调整氢浓度的中途供给用管路(喷嘴)的含氢气体供给管路91 (喷嘴 101)、含氢气体供给管路92 (喷嘴102)垂直地竖立在内管14内侧。上述含氢气体供给喷嘴 101、含氢气体供给喷嘴102与实施例3同样地构成、配置。经由含氢气体供给喷嘴101、含 氢气体供给喷嘴102从存在多张晶片1的区域中途的多个位置对衬底1供给氢气。由此， O2由单一系统的管路(喷嘴)导入，而H2由多条(多系统)管路(喷嘴)导入。所述各个 H2管路中设置有调整流量的MFC(质量流量控制器)12。O2管路中也设置有MFC(质量流量 控制器)12。设置在各管路中的MFC由控制单元24进行控制。反应后的气体或未反应的气 体通过内管14的外侧(内管14和外管21之间的空间)经由排气管路23、真空泵3排出。本发明人等使用该衬底处理装置对衬底进行减压氧化处理试验时，发现改变H2管 路的各H2流量，则晶片间的膜厚均勻性变化较大。实验结果在图9中给出。图9示出伴随 各吐喷嘴的H2流量改变的螺柱上各位置晶片的膜厚结果。横轴表示螺柱位置(以最下部的 槽(slot)为基准的槽编号)，纵轴表示膜厚。图中的H2(短/中/长)表示H2喷嘴81、102、 101，吐(短/中/长)=220/145/135cc是指H2喷嘴SUH2喷嘴102,H2喷嘴101的设定流 量分别为220SCCm、45SCCm、135SCCm。需要说明的是，O2喷嘴71仅为单一系统，流量固定为 2500sccmo根据图9可知，各H2喷嘴的H2流量在各个管路中不同，比其在各管路固定时更 能够提高膜厚均勻性。另外，膜厚均勻性最佳的条件为H2(短/中/长)= 220/145/135cc。 由此可以认为，优选使从各管路供给的H2的流量越往上游越大(越往下游越小)。需要说 明的是，该结果为将172张晶片同时处理的结果，炉内温度为850°C、压力为35Pa、H2管路为 3系统，当处理张数有所增减、或者H2管路为2系统、4系统或4系统以上时，也可显示出相 同的倾向。另外，本结果使用CVD结构的双层反应管型的炉体，可以认为在扩散炉之类无内 管的结构中也具有相同的效果。从该结果可知，通过使各管路的H2流量达到最适化，可以 改善晶片间的膜厚均勻性。由于炉内发生的反应为H2供给控速反应，因此朝向排气方向出现气体缺乏、不能 获得晶片面间的均勻性，中途供给的H2仅为补充缺乏气体的流量即可，因此结果使最上游 的流量最大。实施例8下面参照图10详细说明实施例8。实施例8涉及利用实施例7的衬底处理装置进行实验的结果。图10示出伴随处理(成膜)压力改变的、螺柱上各位置晶片的膜厚分布。O2仅为 单一系统(O2喷嘴71)，流量固定为2500cc。H2为3系统(H2喷嘴81、102、101)，流量为短 /中/长=240/145/135cc。从图10可知，处理压力优选为35Pa或35Pa以下范围内的压 力。另外，可知压力越高，晶片间的膜厚分布越差。由此可以认为，也优选根据处理压力对H2喷嘴流量及其系统数进行最造化。实施例9下面参照图11详细说明实施例9。实施例9涉及使用实施例7的衬底处理装置进行实验的结果。图11示出随处理(成膜)温度改变而得到的、螺柱上各位置晶片的膜厚分布。O2 仅为单一系统(O2喷嘴71)，流量固定为2500cc。H2也仅为单一系统(H2喷嘴81)，流量为 240cc。从图10可知，处理温度优选为700°C或700°C以下范围内的温度。另外可知，温度 越低，膜厚分布越能够得到改善，温度越高，膜厚分布越差。由此可以认为与上述实施例8 相同，也优选根据处理温度将H2喷嘴的流量及其系统数最适化。需要说明的是，本实施例9中在700°C或700°C以下时，螺柱上各位置晶片的膜厚 均勻性变好，这是仅由H2喷嘴81供给H2，未经H2喷嘴101、102进行炉内流量调整的结果。 本处理、即、在减压环境气体的反应室内导入O2和H2的处理中，由于H2在气体上游被消耗， 因此下游发生H2气体不足，处理温度越低则上游的H2消耗量越少、越不易发生下游侧的气 体不足。结果，700°C或700°C以下时，螺柱上各位置晶片的膜厚均勻性变好，喷嘴的流量调 整变简单。另外，本实施例中装入SiO2虚设晶片，将SiO2虚设晶片换为Si衬底时，H2消耗 量变化较大，即使在低温下，也必须用H2喷嘴101、102调整炉内的流量。实施例10在上述实施例1 7中，中途供给H2的同时也从上游供给H2,而本实施例不从上 游供给，仅从途中供给H2。参照图12 图15，在作为本实施例的衬底处理装置的分批式竖式半导体制造装 置(氧化装置)中，反应炉20具有反应管21，由该反应管21形成的反应室(处理室)4内 插入有作为衬底保持器具的螺柱2。螺柱2构成为将多张半导体晶片1以略呈水平的状态 隔有规定间隙地保持。反应管21的下方为了插入螺柱2而敞开，所述敞开部分可由密封盖 22密闭。螺柱2搭载在螺柱载置体28上，螺柱载置体28通过旋转轴26安装在旋转机构 27上。螺柱2的下部搭载有多个隔热板29。反应管21的周围配置有作为加热源的电阻加 热器5。反应管21上连接有供给作为含氧气体的氧气(O2)的氧气供给管路7、和供给作为 含氢气体的氢气(H2)的氢气供给管路91、92、93、94。氧气供给管路7连接在氧气供给源 41上，氢气供给管路91、92、93、94连接在氢气供给源42上。氧气供给管路7及氢供给管路 91、92、93、94中分别设置有电磁阀6及质量流量控制器12。反应管21的顶壁31上安装有喷淋板44，顶壁31和喷淋板44形成缓冲室43。氧 气供给管路7连接在氧供给管72上，氧供给管72从反应管21的下部延伸存在于侧壁32 的外侧，然后延伸存在于反应管21的顶壁31上方，并与缓冲室43连通。本实施例从最上 游的喷淋板44仅导入02。氢供给管路91、92、93、94分别独立地连接在氢供给喷嘴101、102、103、104上。氢供给喷嘴101、102、103、104被设置为贯穿反应管21的侧壁32。氢供给喷嘴101、102、103、 104在反应管21内沿着反应管21的侧壁32的内壁竖立，竖立的长度不同。由此，氢供给 喷嘴101、102、103、104在晶片排列方向上的长度不同，H2由晶片排列区域的多个位置供给 (实施例中为4个位置)，从而可以调节反应室4内晶片排列方向(垂直方向)的氢浓度。但是，H2不从喷淋板44供给。将氢供给喷嘴101、102、103、104沿内壁设置为比晶片1更靠近反应管21的侧壁 32的内壁。氢供给喷嘴101、102、103、104的喷嘴前端敞开，该敞开部分分别为气体喷出口 111、112、113、114。氢供给喷嘴101、102、103、104中最长的喷嘴101的气 体喷出口 111位于与喷淋板 44分开的位置，该位置在对应于晶片排列区域上端(最上游的晶片)的位置。参照图14、15，氢供给喷嘴101的前端被切成斜面，并构成为气体喷出口 111在反 应管21的侧壁32的内壁211附近，朝向内壁211侧。由此，可以将中途供给的H2朝向反 应管21的侧壁32的内壁211喷出，经加热器5加热的侧壁32的热量使H2和O2在侧壁32 附近有效地发生反应。由此在利用反应管21侧壁32的热量使H2和O2在侧壁32附近发生 反应时，可以在侧壁32附近生成反应种，并将生成的反应种在稳定的状态下供给晶片1，从 而可以提高膜厚均勻性。如上所述，本实施例使H2和O2在侧壁32附近发生反应，与利用晶片1的热量使H2 和O2在晶片附近发生反应的方法不同。认为使吐和02在晶片1附近反应时，反应初期产 生的不稳定反应种可能对晶片1的处理产生影响，从而可能影响膜厚均勻性。需要说明的是，以上对氢供给喷嘴101进行了说明，氢供给喷嘴102、103、104也相 同。设置在反应管21下部的排气管36上连接有排出处理气体的排气管路23，该排气 管路23上连接有压力控制单元37及真空排气泵3。晶片处理中，反应管21内由真空泵3 处理成低于大气压的规定压力(减压)，该压力控制由压力控制单元37及控制单元24实 施。实施例11上述实施例1 7中，在最上游，H2和O2分别由不同的喷嘴供给反应室4内，而本 实施例中，在最上游的缓冲室43中混合H2和02，H2和O2的混合气体经由最上游的喷淋板 44导入反应室4内。由此，即使将02和吐预先混合后再导入反应室4内，也可以生成反应 性较O2或H2O高的反应种。参照图16 图19可知，本实施例与实施例10的不同点为，进一步设置与氢供给 管路91、92、93、94相独立的氢供给管路8，该氢供给管路8连接在氢供给管82上，氢供给管 82从反应管21下部延伸存在于侧壁32的外侧，然后延伸存在至反应管21的顶壁31的上 方，并与缓冲室43连通，H2和O2在缓冲室43中混合后供给反应室4内；将其构成为氢供给 喷嘴101、102、103、104中最长的喷嘴101的气体喷出口 111处于与喷淋板44分开的位置， 且该位置处在比对应于晶片排列区域上端(最上游的晶片)的位置更靠近下方的位置，H2 并非从晶片排列区域的一端侧流入，而是从排列区域的中途流入；及氢供给喷嘴101、102、 103、104的上面封闭，气体喷出口 111、112、113、114设置在喷嘴前端部的侧面，所述气体喷 出口 111、112、113、114构成为处于反应管21的侧壁32的内壁211附近并朝向内壁211侧。 除了上述各点之外，其余与实施例10相同。实施例12本实施例也是经由最上游的喷淋板44将H2和O2的混合气体导入反应室4内。本 实施例与实施例11的不同点为，实施例11中H2和O2在缓冲室43中混合，但本实施例将氧供给管72和氢供给管82连接在缓冲室43的上游侧，O2和H2并非在缓冲室43中混合，而 是在缓冲室43上游侧的配管内混合，除此之外，与实施例11相同。实施例13
为了物理性地确认本发明的各向同性氧化，准备优选采用本发明的STI(浅槽隔 离)结构的晶片，对其剖面结构进行TEM观察。参照图23，本实施例中制作的晶片在硅衬底51的表面形成衬垫(pad)硅氧化膜 52，在其上形成Si3N4膜53后形成沟槽60，然后形成氧化膜54并在其上形成非掺杂多晶硅 膜55，接着在其上形成氧化膜56，进一步在其上形成非掺杂多晶硅膜57。在H2以494sccm流入、O2以2000sccm流入、H2的浓度为19. 8%、温度为950°C、压 力为40. 3Pa的条件下氧化42分钟，分别形成了氧化膜54及氧化膜56。图24为本实施例制成的晶片的纵剖面简图，图25为本实施例制成的晶片的TEM 像。为了比较，在H2 以 3000sccm 流入、O2 以 3000sccm 流入、N2 以 20000sccm 流入、H2 浓度为11. 5%、温度为950°C、大气压的条件下湿法氧化8. 5分钟，分别形成了氧化膜58及 氧化膜59。图26为比较例中制成的晶片的纵剖面简图，图27为比较例中制成的晶片的TEM像。沟槽60的底面601及侧面602露出的硅的面取向不同，因此认为采用通常的氧化 方法时氧化速度不同，另外由于Si3N4膜53不易发生氧化，因此认为沟槽60的底面601、沟 槽60的侧面602及Si3N4膜53上形成的氧化膜在采用通常的氧化方法时膜厚不同。应予 说明，即使在采用通常的氧化方法时也未发现非掺杂多晶硅膜55上形成的氧化膜存在上 述的膜厚差异。参照图26、27，进行作为现有方法的湿法氧化时，沟槽60侧面602上的氧化膜582 的膜厚B( = 26nm)比沟槽60底面601上的氧化膜581的膜厚D( = 16nm)厚，可以明确地 看出依赖于硅衬底51结晶面取向的氧化速度差异。即，明确地显示出各向异性。另外，Si3N4 膜53上的氧化膜583的膜厚A( = 1. 7nm)小于膜厚B ( = 26nm)、D( = 16nm)，氧化进程较 慢，显示出Si3N4膜53的耐氧化性。相对于此，参照图24、25，采用本发明处理的本实施例的晶片，沟槽60底面601上 的氧化膜541的膜厚D ( = 16nm)与沟槽60侧面602上的氧化膜542的膜厚B ( = 16. 5nm) 基本相同，可知氧化速度不依赖于硅衬底51的结晶面取向。即，明确地显示出各向同性氧 化。另外，可以确认Si3N4膜53上的氧化膜543的膜厚A为13nm，与硅衬底51的氧化膜54 的膜厚B(= 16. 5nm)、D(= 16nm)基本为相同膜厚的氧化，在对湿法氧化表现出高耐氧化 性的Si3N4膜53上也能够发生氧化。湿法氧化与本发明的区别在于湿法氧化依赖于H2O气体的膜中扩散，而本发明通 过O2和H2发生反应生成的反应种的高能量进行氧化。需要说明的是，非掺杂多晶硅膜55上形成的氧化膜56的膜厚E在湿法氧化时为 15. 5nm，而经本发明处理的本实施例的晶片中为16nm，成长膜厚未见到显著的差异。另外， 不同位置的不均在湿法氧化及本发明的方法中均较小。以上说明了本发明的优选实施例。本发明的优选处理温度为500°C 950°C，优选处理压力为数Pa lOOOPa。处理温度至少在吐、02的着火点(480°C )或该温度以上左右，否 则反应本身可能不发生，因此认为需要在500°C或500°C以上。另外认为如果超过950°C，则 高温、减压下石英反应管的强度不够。由此可知处理温度优选为500°C或500°C以上、950°C 或950°C以下。对于处理压力，在重视均勻性时将压力减低，在重视成长速度时将压力升高。 当同时考虑成长速度和均勻性时，压力优选为数Pa或数Pa以上、IOOOPa或IOOOPa以下。H2 流量优选为 IOsccm 2000sccm，O2 流量优选为 20sccm 5000sccm。优选的H2/02流量比为0. 1 0. 5。离子等反应种使氧化初期的速度变得非常快，H2的浓度越高则成长速度越快，但如果成长速度变快，则存在均勻性变差的倾向。考虑到均 勻性时，优选将H2浓度降低以使氧富余(H2流量< O2流量)，该情况下，H2/02流量最高为目 前水平的50%左右，优选为10% 50% (0.1 0.5)。H2/02流量比超过0. 5，则不能获得 实用水平的均勻性。另外，本发明中H2被如下所述地消耗。即，供给H2、02，在常压下加热至着火点或该 温度以上使其燃烧，结果生成H2O并产生反应热。但是本发明人等进行实验时对减压氧化 的排气进行Q-MASS (四重极质量分析)测定时未观测到吐0、未发现反应室内的局部温度上 升。由此可以认为，反应室内未形成H2O,基本上排出02、H2。因此可以推测，在减压的反应 室内氧和氢发生反应生成离子等反应种，由此发生加速氧化，排气时迅速恢复至H2、O2的状 态。另外，本发明中即使象干法氧化那样仅流入氧，或者象湿法氧化那样流入H2O,也 不引起本发明中的氧化加速，与02、H2O相比，氧化中反应性较高的离子等反应种发挥强势 作用。并且在流入H2时形成处于引发形态的、反应性比02、H20高的反应种。本发明通过在对应于多张衬底存在区域的中途供给H2，具有下述效果。(1)能够在中途补给因消耗而缺乏的H2。(2)可在衬底排列区域直接供给H2，不易在中途阶段生成水(H2O)(从上游1个部 位大量流入H2时，中途阶段容易生成水(H2O))。(3)可以使H2遇到O2从而容易生成离子等反应种。2003年8月26日提交的日本专利申请2003-301982中公开的全部内容，包括说明 书、权利要求书、附图、以及说明书摘要均被直接引用并编入本申请中。虽然给出各种典型的实施方案并进行了说明，但本发明并不受到所述实施方案的 限定。本发明的范围仅由权利要求书进行限定。产业实用性如上所述，根据本发明的优选方案，在各种半导体晶片的处理步骤中形成的硅衬 底上的不同面取向的硅表面上，与采用现有的氧化方法时相比，可以显著减小其氧化膜的 成长速度差。并且在分批式的竖式装置中处理多张衬底时，能够抑制各衬底上氢浓度不均 所引起的氧化膜厚度的不均，从而可以制造高品质的半导体装置。结果，本发明特别优选用于使用半导体硅晶片的半导体装置的制造方法、以及为 此而优选使用的衬底处理装置中。
权利要求
一种半导体装置的制造方法，其特征在于，包含以下步骤将多张衬底搬入反应管内的步骤；在所述反应管内的压力低于大气压的状态下向所述反应管内供给含氧气体与含氢气体对所述多张衬底进行氧化处理的步骤；以及将所述氧化处理后的所述多张衬底从所述反应管搬出的步骤，在对所述衬底进行氧化处理的步骤中，在加热所述反应管内壁及所述反应管内的状态下，从所述反应管内的顶壁侧供给含氧气体，流向底端侧，同时，在对应于所述反应管内的所述多张衬底排列区域的区域中，在比所述多张衬底的排列位置更靠近所述反应管内壁的位置处，从沿着所述反应管内壁的垂直方向的多个部位供给含氢气体，流向所述底端侧，或者，在加热所述反应管内壁及所述反应管内的状态下，从所述反应管内的底端侧供给含氧气体，流向顶壁侧，同时，在对应于所述反应管内的所述多张衬底排列区域的区域中，在比排列有多张衬底的排列位置更靠近所述反应管内壁的位置处，从沿着所述反应管内壁的垂直方向的多个部位供给含氢气体，流向所述顶壁侧。
2.如权利要求1所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，在对所述衬底进行氧化 处理的步骤中，以喷淋状供给所述含氧气体。
3.一种半导体装置的制造方法，其特征在于，包含以下步骤 将多张衬底搬入反应管内的步骤；在所述反应管内的压力低于大气压的状态下向所述反应管供给含氧气体与含氢气体 对所述衬底进行氧化处理的步骤；以及将所述氧化处理后的所述多张衬底从所述反应管搬出的步骤， 在对所述衬底进行氧化处理的步骤中，在加热所述反应管内壁及所述反应管内的状态下，从所述反应管内的顶壁侧供给含氧 气体和含氢气体，流向底端侧，同时，在对应于所述反应管内的所述多张衬底排列区域的区 域中，在比所述多张衬底的排列位置更靠近所述反应管内壁的位置处，从沿着所述反应管 内壁的垂直方向的多个部位供给含氢气体，流向所述底端侧，或者，在加热所述反应管内壁及所述反应管内的状态下，从所述反应管内的底端侧供给含 氧气体和含氢气体，流向顶壁侧，同时，在对应于所述反应管内的所述衬底排列区域的区域 中，在比所述多张衬底的排列位置更靠近所述反应管内壁的位置处，从沿着所述反应管内 壁的垂直方向上的多个部位供给含氢气体，流向所述顶壁侧。
4.如权利要求1 3中任一项所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，在对所述衬 底进行氧化处理的步骤中，从沿着反应管内壁的垂直方向的多个部位所供给的含氢气体， 是向着所述反应管内壁供给的。
5.如权利要求1 3中任一项所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，在对所述衬 底进行氧化处理的步骤中，在对应于所述反应管内的衬底排列区域的区域中，在比所述多 张衬底的排列位置更靠近所述反应管内壁的位置处，通过被加热了的所述反应管内壁的热 量使所述含氧气体和所述含氢气体反应生成反应种，将所生成的反应种供给至所述多张衬 底ο
6.如权利要求3所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，在对所述衬底进行氧化处理的步骤中，从所述反应管内的所述顶壁侧供给的所述含氧气体和所述含氢气体是以喷 淋状供给的。
7.如权利要求3所述的半导体装置的制造方法，其特征在于，在对所述衬底进行氧化 处理的步骤中，从所述反应管内的所述顶壁侧供给在所述反应管外混合的所述含氧气体与 所述含氢气体的混合气体。
8.一种衬底处理装置，其特征在于，包括 反应管，其氧化处理多张衬底；加热源，其设置于所述反应管周围对所述反应管内壁以及所述反应管内进行加热； 保持器具，其在所述反应管内保持所述多张衬底； 含氧气体供给管路，其从所述反应管内的顶壁侧或底端侧供给含氧气体； 含氢气体供给管路，其在对应于所述反应管内的所述多张衬底的排列区域的区域中， 在比所述多张衬底的排列位置更靠近所述反应管内壁的位置处，沿着所述反应管内壁的垂 直方向的多个部位供给含氢气体；排气管路，其将所述反应管内进行排气，使被供给至所述反应管内的各气体流向所述 底端侧或所述顶壁侧；真空泵，其设置于所述排气管路内，将所述反应管内进行抽真空； 控制单元，其将所述反应管内的压力控制为低于大气压的压力。
9.如权利要求8所述的衬底处理装置，其特征在于，所述含氢气体供给管路的气体喷 出口构成为朝向所述反应管内壁侧。
10.如权利要求8所述的衬底处理装置，其特征在于，在所述反应管内的所述顶壁侧设 置有喷淋板，所述喷淋板构成为使从所述含氧气体供给管路供给的含氧气体以喷淋状供给 至所述反应管内。
11.一种衬底处理装置，其特征在于，包括 反应管，其氧化处理多张衬底；加热源，其设置于所述反应管周围对所述反应管内壁以及所述反应管内进行加热； 保持器具，其在所述反应管内保持所述多张衬底； 含氧气体供给管路，其从所述反应管内的顶壁侧或底端侧供给含氧气体； 第1含氢气体供给管路，其从所述反应管内的顶壁侧或底端侧供给含氢气体； 第2含氢气体供给管路，其在对应于所述反应管内的所述多张衬底的排列区域的区域 中，在比所述多张衬底的排列位置更靠近所述反应管内壁的位置处，沿着所述反应管内壁 的垂直方向的多个部位供给含氢气体；排气管路，其将所述反应管内进行排气，使被供给至所述反应管内的各气体流向所述 底端侧或所述顶壁侧；真空泵，其设置于所述排气管路内，对所述反应管内进行抽真空； 控制单元，其将所述反应管内的压力控制为低于大气压的压力。
12.如权利要求11所述的衬底处理装置，其特征在于，所述第2含氢气体供给管路的气 体喷出口构成为朝向所述反应管内壁侧。
13.如权利要求11所述的衬底处理装置，其特征在于，在所述反应管内的所述顶壁侧 设置有喷淋板，所述喷淋板构成为使由所述含氧气体供给管路供给的含氧气体与由所述第1含氢气体供给管路供给的含氢气体以喷淋状供给至所述反应管内。
14.如权利要求11所述的衬底处理装置，其特征在于，在所述含氧气体供给管路以及 所述第1含氢气体供给管路与所述反应管之间设置有混合部，在所述混合部将供给至所述 反应管内之前将由所述含氧气体供给管路供给的含氧气体与由所述第1含氢气体供给管 路供给的含氢气体进行混合。
全文摘要
本发明提供一种半导体装置的制造方法及衬底处理装置。本发明的半导体制造方法包括以下步骤将多张衬底搬入反应管内的步骤；在所述反应管内的压力低于大气压的状态下向所述反应管内供给含氧气体与含氢气体对所述多张衬底进行氧化处理的步骤；以及将所述氧化处理后的所述多张衬底从所述反应管搬出的步骤。本发明的衬底处理装置包括氧化处理多张衬底的反应管；对所述反应管内壁以及所述反应管内进行加热的加热源；在所述反应管内保持所述多张衬底的保持器具；含氧气体供给管路；含氢气体供给管路；排气管路；真空泵；以及将所述反应管内的压力控制为低于大气压的控制单元。
文档编号H01L21/00GK101807525SQ20101014560
公开日2010年8月18日 申请日期2004年8月25日 优先权日2003年8月26日
发明者前田喜世彦, 尾崎贵志, 汤浅和宏 申请人:株式会社日立国际电气