CN1762043B - 半导体装置的制造方法及衬底处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种半导体装置制造方法，其特征为包含以下步骤：将多张衬底1搬入处理室4内的步骤、从搬入处理室4内的多张衬底1的上游侧供给含氧气体的步骤、从对应于搬入处理室4内的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、使含氧气体与含氢气体在处理室4内发生反应从而将多张衬底1氧化的步骤、以及将处理后的衬底1从处理室4搬出的步骤。

Description

半导体装置的制造方法及衬底处理装置

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装置。

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。

附图说明

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匀性。

以下参照附图说明本发明的实施例。

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℃，处理压力例如为1～1000Pa。

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，结果使膜厚均匀性显著恶化。

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的膜厚均匀性。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匀性。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，则晶片间的膜厚均匀性变化较大。实验结果在图9中给出。图9示出伴随各H₂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，H₂(短/中/长)＝220/145/135cc是指H₂喷嘴81、H₂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2500sccm。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匀性。另外，膜厚均匀性最佳的条件为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℃、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流量达到最造化，可以改善晶片间的膜厚均匀性。

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匀性，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适化。

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℃或700℃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℃或700℃以下时，螺柱上各位置晶片的膜厚均匀性变好，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℃或700℃以下时，螺柱上各位置晶片的膜厚均匀性变好，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O₂。

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匀性。

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H₂和O₂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匀性。

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O₂，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O₂和H₂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℃、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℃、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℃～950℃，优选处理压力为数Pa～1000Pa。处理温度至少在H₂、O₂的着火点(480℃)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℃或500℃以上.另外认为如果超过950℃，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℃或500℃以上、950℃或950℃以下.对于处理压力，在重视均匀性时将压力减低，在重视成长速度时将压力升高.当同时考虑成长速度和均匀性时，压力优选为数Pa或数Pa以上、1000Pa或1000Pa以下.

H₂流量优选为10sccm～2000sccm，O₂流量优选为20sccm～5000sccm。

优选的H₂/O₂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，则存在均匀性变差的倾向。考虑到均匀性时，优选将H₂浓度降低以使氧富余(H₂流量＜O₂流量)，该情况下，H₂/O₂流量最高为目前水平的50％左右，优选为10％～50％(0.1～0.5)。H₂/O₂流量比超过0.5，则不能获得实用水平的均匀性。

另外，本发明中H₂被如下所述地消耗。即，供给H₂、O₂，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H₂O、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O₂、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O₂、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O₂、H₂O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。

Claims (18)

1.一种半导体装置制造方法，其特征为，包含以下步骤：

将多张衬底搬入竖式处理室内的步骤；

在所述处理室内的压力低于大气压的状态下，从所述处理室内的顶壁侧供给含氧气体，流向底端侧，同时，从所述处理室内的对应于在垂直方向上多段配置有所述多张衬底的衬底排列区域的中途的至少1个部位供给含氢气体，流向所述底端侧，或从所述处理室内的所述底端侧供给含氧气体，流向所述顶壁侧，同时从对应于所述衬底排列区域的中途的至少1个部位供给含氢气体，流向所述顶壁侧，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处理室搬出的步骤。

2.一种半导体装置制造方法，其特征为，包含以下步骤：

将多张衬底搬入竖式处理室内的步骤；

在所述处理室内的压力低于大气压的状态下，从所述处理室内的顶壁侧供给含氧气体和含氢气体，流向底端侧，同时，从所述处理室内的对应于在垂直方向上多段配置有所述多张衬底的衬底排列区域的中途的至少1个部位供给含氢气体，流向所述底端侧，或从所述处理室内的所述底端侧供给含氧气体及含氢气体，流向所述顶壁侧，同时从对应于所述衬底排列区域的中途的至少1个部位供给含氢气体，流向所述顶壁侧，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处理室搬出的步骤。

3.如权利要求1或2所述的半导体装置制造方法，其特征为，在所述氧化处理的步骤中，从所述处理室内的对应于所述衬底排列区域的中途的多个部位供给所述含氢气体，流向所述底端侧，或流向所述顶壁侧。

4.如权利要求3所述的半导体装置制造方法，其特征为，在所述氧化处理的步骤中，使从各供给部位供给的含氢气体的流量各不相同。

5.如权利要求4所述的半导体装置制造方法，其特征为，在所述氧化处理的步骤中，使从供给所述含氢气体的所述各供给部位中最上游的供给部位供给的含氢气体的流量最大。

6.如权利要求1或2所述的半导体装置制造方法，其特征为，所述含氧气体是指选自氧气及一氧化氮气体中的至少一种气体，所述含氢气体是指选自氢气、氨气及甲烷气体中的至少一种气体。

7.如权利要求1或2所述的半导体装置制造方法，其特征为，所述衬底的表面具有不同的晶体取向面或具有利用CVD形成的多晶硅或硅氮化物。

8.如权利要求1或2所述的半导体装置制造方法，其特征为，所述含氢气体相对于所述含氧气体的流量比为0.1～0.5。

9.一种半导体装置制造方法，其特征为，包含以下步骤：

将多张衬底搬入竖式处理室内的步骤；

在所述处理室内的压力低于大气压的状态下，从所述处理室内的顶壁侧供给在所述处理室外进行了混合的含氧气体与含氢气体的混合气体，流向底端侧，同时从所述处理室内的对应于在垂直方向上多段配置有所述多张衬底的衬底排列区域的中途的至少1个部位供给含氢气体，流向所述底端侧，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处理室搬出的步骤。

10.如权利要求9所述的半导体装置制造方法，其特征为，在所述氧化处理的步骤中，从所述处理室内的所述顶壁侧呈喷淋状地供给所述混合气体。

11.一种衬底处理装置，其特征为含有下述结构单元：

处理多张衬底的竖式处理室；

在所述处理室内保持在垂直方向上多段配置的所述多张衬底的保持器具；

从所述处理室内的顶壁侧或底部侧供给含氧气体的含氧气体供给管路；

从所述处理室内的对应于在垂直方向上多段配置有所述多张衬底的衬底排列区域的中途的至少1个部位供给含氢气体的含氢气体供给管路；

将所述处理室内进行排气使被供给于所述处理室内的各气体流向所述底端侧或顶壁侧的排气管路；

将所述处理室内的压力控制为低于大气压的压力的控制单元；

从所述处理室内的所述顶壁侧供给含氧气体，流向所述底端侧，同时从对应于所述衬底排列区域的中途的至少1个部位供给含氢气体，流向所述底端侧，或从所述处理室内的所述底端侧供给含氧气体，流向所述顶壁侧，同时，从对应于所述衬底排列区域的中途的至少1个部位供给含氢气体，流向所述顶壁侧，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处理。

12.一种衬底处理装置，其特征为，含有下述结构单元：

处理多张衬底的竖式处理室；

在所述处理室内保持在垂直方向上多段配置的所述多张衬底的保持器具；

从所述处理室内的预壁侧或底部侧供给含氧气体的含氧气体供给管路；

从所述处理室内的所述顶壁侧供给含氢气体同时从对应于在垂直方向上多段配置有所述多张衬底的衬底排列区域的中途的至少1个部位供给含氢气体、或从所述底部侧供给含氢气体同时从对应于所述衬底排列区域的中途的至少1个部位供给含氢气体的含氢气体供给管路；

将所述处理室内进行排气使被供给于所述处理室内的各气体流向所述底端侧或所述顶壁侧的排气管路；

将所述处理室内的压力控制为低于大气压的压力的控制单元；

从所述处理室内的所述顶壁侧供给含氧气体和含氢气体，流向所述底端侧，同时从所述处理室内的对应于所述衬底排列区域的中途的至少1个部位供给含氢气体，流向所述底端侧，或从所述处理室内的所述底端侧供给含氧气体及含氢气体，流向所述顶壁侧，同时从对应于所述衬底排列区域的中途的至少1个部位供给含氢气体，流向所述顶壁侧，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处理。

13.如权利要求11或12所述的衬底处理装置，其特征为，所述含氢气体供给管路包括从所述处理室内的对应于所述衬底排列区域的中途的多个部位供给含氢气体的多条供给管路；或从所述处理室内的顶壁侧供给含氢气体同时从对应于所述衬底排列区域的中途的多个部位供给含氢气体的多条供给管路；或从所述处理室内的底部侧供给含氢气体同时从对应于所述衬底排列区域的中途的多个部位供给含氢气体的多条供给管路；各条供给管路分别独立设置。

14.如权利要求13所述的衬底处理装置，其特征为，在所述各供给管路中分别设置有质量流量控制器，并设置有控制所述各质量流量控制器的控制单元，将从各供给部位供给的含氢气体流量控制为各不相同。

15.如权利要求13所述的衬底处理装置，其特征为，所述各供给管路中分别设置有质量流量控制器，并设置有控制所述各质量流量控制器的控制单元，将从各供给部位中最上游的供给部位供给的含氢气体的流量控制为最大。

16.如权利要求11或12所述的衬底处理装置，其特征为，所述含氢气体供给系统管路包括沿垂直方向长度不同的多根独立喷嘴，或在侧面至少设置有沿垂直方向分布的2个或2个以上孔的多孔喷嘴。

17.一种衬底处理装置，其特征为，含有下述结构单元：

处理多张衬底的竖式处理室；

在所述处理室内保持在垂直方向上多段配置的所述多张衬底的保持器具；

从所述处理室内的顶壁侧供给含氧气体的含氧气体供给管路；

从所述处理室内的所述顶壁侧供给含氢气体同时从对应于在垂直方向上多段配置有所述多张衬底的衬底排列区域的中途的至少1个部位供给含氢气体的含氢气体供给管路；

在供给于所述处理室之前混合从所述处理室内的所述顶壁侧供给的所述含氧气体和从所述顶壁侧供给的所述含氢气体的混合部；

以及将所述处理室内进行排气使被供给于所述处理室内的各气体流向所述处理室内的底端侧的排气管路；

将所述处理室内的压力控制为低于大气压的压力的控制单元；

从所述处理室内的所述顶壁侧供给在所述混合部进行了混合的含氧气体和含氢气体的混合气体，流向所述底端侧，同时从所述处理室内的对应于所述衬底排列区域的中途的至少1个部位供给含氢气体，流向所述底端侧，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处理。

18.如权利要求17所述的衬底处理装置，其特征为，还具有从所述处理室内的所述顶壁侧呈喷淋状地供给在所述混合部混合的所述含氧气体和所述含氢气体的混合气体的喷淋板。

Images