JPH05308064A - シリコン自然酸化膜の「その場」除去方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 この発明は、成膜等の処理直前のシリコン基
板表面に存在する自然酸化膜を低温で加熱して「その
場」除去する方法及びその装置を得ることを目的とす
る。 【構成】 除去室１内に極微量のシラン類ガスを添加し
た水素ガスを供給し、シリコン基板３を基板支持台２上
に載置する。光入射窓７を介して、光源６からシラン類
ガスを光化学分解する波長の光を照射しながら、シリコ
ン基板３を加熱処理することにより、従来に比べ低温で
シリコン基板３の自然酸化膜を「その場」除去できる。
この時、光入射窓７をシリコン基板３の加熱処理温度と
同程度以上に加熱することにより、光入射窓７に膜堆積
が起こるのを防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、シリコン自然酸化膜
の「その場」除去方法及び装置、特に、成膜等の処理直
前のシリコン基板表面に存在する自然酸化膜を低温で加
熱して「その場」除去する方法及び装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】シリコン基板表面に存在する自然酸化膜
を完全に除去した後、外気に触れることなく成膜等以後
の処理を行う自然酸化膜の「その場」除去方法は、従来
からＳｉエピタキシャル成長プロセスにおける最も重要
な工程とされてきたが、この自然酸化膜除去方法は、微
細化の進展する今後のＬＳＩ製造プロセスにおいても決
定的な重要性を持ち始めている。一方、ＬＳＩ製造プロ
セスでは、デバイスが損傷を受けるのを防止するため
に、同時に低温化が追及されるべきであり、この点に十
分配慮をした自然酸化膜除去プロセスが開発されなけれ
ばならない。

【０００３】従来のＳｉエピタキシャルプロセスにおけ
る自然酸化膜除去方法としては、水素ベーク法が賞用さ
れている。しかし、この方法では、確実な自然酸化膜の
除去効果は、およそ９５０℃以上でしか認められず、現
状のＬＳＩ製造プロセスにおいてさえ許容することがで
きない。また、上述した低温化の切札として、ＨＦ（フ
ッ化水素）蒸気によるエッチング法が期待されている
が、原理的に処理後の半導体表面へのフッ素の残留は不
可避であり、さらに、酸化膜パターン部分の不要な過剰
エッチングの制御の問題も解決されなければならない。
さらに、高温が不要の物理的除去法として、Ａｒ等によ
るスパッタエッチング法があるが、この場合は、スパッ
タダメージの問題と、微細なパターン部分で除去効果が
喪失するという問題点があった。

【０００４】上述した種々の自然酸化膜除去方法のう
ち、水素ベークによる自然酸化膜除去の低温化を目的と
して、最近、シラン類を極微量添加した水素ベーク法が
注目され、報告が相次いでいる。ここで、水素ベーク法
による自然酸化膜除去の機構を述べる。この場合に重要
なことは、水素は次の(１)式で与えられるような自然酸
化膜を直接還元するのではなく、(２)式で示されるよう
な水素雰囲気を提供したり、触媒としての作用の方が大
きいと考えられていることである。

【０００５】

【化１】

【０００６】すなわち、水素は、一般に考えられるよう
に直接に自然酸化膜を還元除去するのではなく単に還元
的な雰囲気を与えるだけであり、自然酸化膜（Ｓｉ
Ｏ₂）は、より還元性の強い（基板）シリコンによって
還元され、揮発性のＳｉＯになることで蒸発除去される
のである。このような機構に基づき、水素ベーク法によ
る自然酸化膜除去の低温化を目的として、極微量のシラ
ン類、例えばモノシラン（ＳｉＨ₄）、ジシラン（Ｓｉ₂
Ｈ₆）等のガスを添加して水素ベークが行われている。

【０００７】この方法は、上記(２)式における自然酸化
膜の還元剤として、基板シリコンに加え、極微量添加さ
れたＳｉＨ₄やＳｉ₂Ｈ₆が熱分解して発生する極めて還
元性に富むＳｉＨｎ（シリルラジカル；ｎ＝１〜３）
と、同時に自然酸化膜上に発生する極微量のシリコン核
（種、ｓｅｅｄ）とを利用するものである。すなわち、
気相又は基板表面上で発生したＳｉＨｎ及び自然酸化膜
上に発生した極微量のシリコン核により、次の(３)式及
び(４)式に示すような機構によっても、自然酸化膜が還
元、蒸発除去される。

【０００８】

【化２】

【０００９】この方法を用いることにより、単純な水素
ベークに比べ、同等の自然酸化膜除去効果がおよそ１０
０℃〜１５０℃低い温度、すなわち８００℃〜８５０℃
程度の温度でも得られている。この方法において重要な
ことは、添加するシラン類ガスの濃度を実質的なシリコ
ン堆積が起こらないように、十分に希薄にすることであ
る。すなわち、もしシラン類ガスの添加量が過剰で濃度
が高すぎる場合には、シリコン核の発生が過剰になり、
結果として上記(３)式及び(４)式の機構により自然酸化
膜が除去されるよりは自然酸化膜上にシリコンが堆積す
る状態となる。換言すれば、添加するシラン類ガスはそ
の濃度によりシリコンの堆積用のソースガスにもなり
（これが一般的な用途である）、一方、シリコン酸化膜
のエッチングガスにもなるが、自然酸化膜の除去は後者
の性質を利用したものである。このような用途としての
シラン類ガスの添加量は、実際には数ｐｐｍから数十ｐ
ｐｍの濃度が一般的である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上述したようなシリコ
ン自然酸化膜の「その場」除去方法では、シラン類ガス
を添加して熱分解を行うため、水素ベークの低温化に有
効であるが、それでもなお８００℃〜８５０℃程度の温
度が必要であり、ＬＳＩプロセスへの適用にはさらに一
層の低温化が要求されているという問題点があった。こ
の発明は、このような問題点を解決するためになされた
もので、従来のシラン類ガスの添加による水素ベークよ
りもさらに低温で自然酸化膜の除去が可能であり、ＬＳ
Ｉプロセスへも適用することができるシリコン自然酸化
膜の「その場」除去方法及びその装置を得ることを目的
とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明の請求項第１項
に係るシリコン自然酸化膜の「その場」除去方法は、極
微量のシラン類ガスを添加した水素雰囲気中で、このシ
ラン類ガスを光化学分解する波長の光を照射しながら、
以後の処理直前のシリコン基板を加熱処理するものであ
る。

【００１２】この発明の請求項第２項に係るシリコン自
然酸化膜の「その場」除去装置は、シリコン基板が内部
に配置され、極微量のシラン類ガスが添加された水素ガ
スが供給されるチャンバに設けられ、かつ、このチャン
バ外部に設けられた光源からの光をチャンバ内に入射す
る光入射窓を、上記シリコン基板の加熱処理温度と同程
度以上に加熱して、以後の処理直前のシリコン基板を加
熱処理するものである。

【００１３】

【作用】この発明の請求項第１項においては、温度と無
関係にＳｉＨｎラジカルとシリコン核を供給できる光化
学分解を採用することによって、極微量シラン類ガス添
加水素ベーク法における有効下限温度の一層の低温化を
図ったものである。

【００１４】この発明の請求項第２項においては、光入
射窓をシリコン基板の加熱温度と同程度以上に加熱する
ので、光入射窓に膜堆積が起こるのを防止し、入射光が
阻害されるのを回避できる。

【００１５】

【実施例】従来の極微量シラン類ガスを添加した水素ベ
ーク法において、ある程度の低温化が達成できるのは、
上述のように、熱分解して発生するＳｉＨｎラジカル
と、臨界核以下の大きさのシリコンの自然酸化膜還元効
果によるものであるが、この熱分解効率が従来法の適用
下限温度を決めていた要因の一つであった。そこで、こ
の発明では、温度と無関係に上記ＳｉＨｎラジカルとシ
リコン核を供給できる光化学分解を採用することによっ
て、極微量シラン類ガス添加水素ベーク法における有効
下限温度の一層の低温化を達成したものである。また、
この発明の特徴は、添加シラン類ガスの濃度を極微量と
することで、この添加シラン類ガスを通常の用途である
シリコンの堆積に用いるのではなく、逆に酸化シリコン
膜のエッチング除去に用いることにある。

【００１６】図１は、この発明の一実施例によるシリコ
ン自然酸化膜の「その場」除去装置を示す概略構成図で
ある。図において、自然酸化膜の「その場」除去室１内
には、加熱装置２aを備えた基板支持台２に載置された
シリコン基板３が収容されている。また、除去室１に
は、極微量のシラン類ガスが添加された水素ガスを供給
するガス供給管４及び除去室１内を排気する真空排気管
５が設けられている。さらに、除去室１の外部には、シ
ラン類ガスを光化学分解する光を発生する光源６が設け
られている。この光源６は、シラン類ガスを光化学分解
する放射線波長を有するものであれば、レーザでもラン
プでもよく、例えばＡｒＦエキシマレーザ（例えば１９
３０Å）、低圧水銀ランプ（例えば２５３７Å、１８４
９Å）又は重水素ランプ等が好適に使用できる。

【００１７】光源６からの光は、例えば石英で造られた
光入射窓７を介して除去室１内のシリコン基板３に照射
される。この光入射窓７は、加熱装置８によりシリコン
基板３と同程度又はそれ以上の温度に加熱されている。
除去室１には、ゲートバルブ９を介して成膜室１０が隣
接して配置されている。この成膜室１０は、除去室１で
自然酸化膜が除去されたシリコン基板３を、外気に接触
することなく気密下でゲートバルブ９を通過し、成膜室
１０内に搬送され、シリコン基板３の成膜処理を行うも
のである。成膜室１０内には、加熱装置１１aを備えシ
リコン基板３を載置する基板支持台１１が配置され、成
膜反応用ガスを成膜室１０内に供給する成膜反応用のガ
ス供給管１２、及び成膜室１０内を真空排気する真空排
気管１３が設けられている。

【００１８】上述したように構成された自然酸化膜の
「その場」除去装置においては、まず、除去室１内を真
空排気管１３を介して図示しない真空排気手段により真
空排気した後、１ｐｐｍ〜１００ｐｐｍ程度の極微量の
シラン類ガスが添加された水素ガスをガス供給管４から
除去室１内に供給する。加熱手段２a及び８によりそれ
ぞれシリコン基板３及び光入射窓７を５００℃〜６００
℃程度に加熱する。シリコン基板３と同程度の温度に加
熱された光入射窓７を介して、シラン類ガスを光化学分
解する波長の光を光源６から除去室１内のシリコン基板
３に照射する。従来に比べてより低温に加熱されたシリ
コン基板３は、極微量シラン類ガスの添加された水素ガ
ス中で光照射を受けながら、ベークされてシリコン基板
３表面の自然酸化膜が除去される。

【００１９】この時、光入射窓７はシリコン基板３の加
熱処理温度と同程度以上の温度に加熱されているため、
光入射窓７に堆積しようとするシリコンは、上記(４)式
に類似する機構によりＳｉＯに変換されて蒸発し、結果
として光入射窓７は清浄なままに保持されることにな
る。このように、従来の光エネルギーを利用するプロセ
スにおいて最も厄介な問題の一つであった光入射窓７へ
の膜堆積に起因する励起光入射の阻害は、光入射窓７を
上述のように加熱することにより完全に回避することが
できる。

【００２０】自然酸化膜が除去されたシリコン基板３
は、外気に触れることなくゲートバルブ９を介して成膜
室１０に搬送される。この成膜室１０内は、予め真空排
気管１３による真空排気した後、成膜反応用ガスがガス
供給管１２から供給されている。基板支持台１１に載置
されたシリコン基板３は、所定の成膜処理が行われる。

【００２１】なお、上述した実施例における成膜室１０
での成膜処理は、光化学反応的に実施する必要はなく、
熱ＣＶＤやプラズマＣＶＤその他の処理方法であっても
よい。また、自然酸化膜除去以後の工程では、成膜以外
の種々の処理を行うことができる。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したとおり、この発明の請求項
第１項に係る発明は、極微量のシラン類ガスを添加した
水素雰囲気中で、このシラン類ガスの光化学分解する波
長の光を照射しながら、以後の処理直前のシリコン基板
を加熱処理するので、ベークによるシリコン自然酸化膜
の「その場」除去に必要な温度を大幅に低下させること
ができ、ＬＳＩプロセスへも適用可能であるという効果
を奏する。

【００２３】この発明の請求項第２項に係る発明は、シ
リコン基板が内部に配置され、極微量のシラン類ガスが
添加された水素ガスが供給されるチャンバに設けられ、
かつ、このチャンバ外部に設けられた光源からの光をチ
ャンバ内に入射する光入射窓を、上記シリコン基板の加
熱処理温度と同程度以上に加熱して、以後の処理直前の
シリコン基板を加熱処理するので、光入射窓に膜堆積が
起こるのを防止し、入射光が阻害されるのを回避できる
という効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例によるシリコン自然酸化膜
の「その場」除去装置を示す概略構成図である。

【符号の説明】

１ 除去室 ２、１１ 基板支持台 ２ａ、８、１１ａ 加熱装置 ３ シリコン基板 ４、１２ ガス供給管 ５、１３ 真空排気管 ６ 光源 ７ 光入射窓 ９ ゲートバルブ １０ 成膜室 １２ ガス供給管

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 極微量のシラン類ガスを添加した水素雰
   囲気中で、このシラン類ガスを光化学分解する波長の光
   を照射しながら、以後の処理直前のシリコン基板を加熱
   処理することを特徴とするシリコン自然酸化膜の「その
   場」除去方法。
2. 【請求項２】 シリコン基板が内部に配置され、極微量
   のシラン類ガスが添加された水素ガスが供給されるチャ
   ンバに設けられ、かつ、このチャンバ外部に設けられた
   光源からの光をチャンバ内に入射する光入射窓を、上記
   シリコン基板の加熱処理温度と同程度以上に加熱して、
   以後の処理直前のシリコン基板を加熱処理することを特
   徴とするシリコン自然酸化膜の「その場」除去装置。