JPS63266835A - 気相反応装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は気相反応装置に関する。更に詳細には、本発明
は反応室への搬入待機中にＧａＡｓ系ウェハの表面をク
リーニングする機構を打する気相反応装置に関する。

［従来の技術］ １へ導体素子の性能と信頼性を向４−させるためには洗
浄処理が大きな鍵を握っている。゛ｉ導体の表面は非常
に敏感なので、素子表面の？η染を最小にすることによ
って素子の特性の安定性・ｉｌ＋現性が著しく改善され
る。このため、ウェハ製造工程中に゛ｂ導体表面に付着
する汚染物が完成製品中に残らないように、拡散、酸化
、ＣＶＤ、蒸着等の気相反応工程前に汚染物を注意深く
除去しなければならない。

表面の汚染物は一般的に、分子状、イオン吠。

原子状に分類することができる。

分子状汚染物としては、ワックス、レジン、ホトレジス
ト、油、有機溶剤の残滓等が挙げられる。

指紋による脂肪もこの部類に入る。分子状汚染物は基板
表面に弱い静電気で付着している。有機物による汚染は
、特に表面に敏感なＭＯ８構造において、プロトンの移
動による分極とイオン性のドリフトを起こす。

イオン状汚染物は物理的あるいは化学的に吸着している
が、物理的に吸着しているイオンより、化学吸着してい
るイオンのほうが除去が困難である。これを除去するに
は化学反応を利用しなければならない。イオン状汚染物
のなかではＮａ十等のアルカリイオンが特に有害であり
、ＢＴ処理により閾値電圧のドリフト、反転層の形成１
表面の漏れ電流の発生を引き起こす。

原子状汚染物はＡｕ＋　Ａｇ＋　Ｃｕのような重合属を
挙げることができる。これらは結晶欠陥に偏析してｐｎ
接合耐圧を低下させ、また少数のキャリアのライフタイ
ム、表面伝導、その他の素子パラメータに影響を及ぼす
。これらを除去するには、金属を溶解する液を用いてイ
オン化し、再び表面に沈着しないようにする。

［発明が解決しようとする問題点］ このような半導体素子またはウェハは従来、洗浄液を使
用することからなるウェット洗浄と呼ばれる化学的方法
により洗浄されてきた。

洗浄液は水だけでもよいが、洗浄効果を高めるために、
半導体素子またはウェハに悪影響を及ぼさない種類の薬
剤類（例えば、アルカリ、酸、界面活性剤、有機溶剤等
）を使用できる。

水洗方法として（１）水槽内に浸漬する；（２）水槽内
で超音波振動を与える；　（３）　５０〜ｌ００ｋｇ／
ｃｍ２の高圧で水を吹き付ける；（４）ナイロンやモヘ
アの布でこすりながら水を流す；などがある。

前記（３）の洗浄方法の場合、ノズルとウェハの距離が
離れていると、吹き付けられる高圧水と空気の摩擦で静
電気が発生し、ＭＯＳデバイスを破壊することがある。

このような水洗装置は必ず後処理用の乾燥装置も備えて
いなければならない。乾燥方法としては、例えば、窒素
ガスを吹き付けながらウェハを数千ｒｐＩ１１で高速回
転して乾燥させる方法が使用されている。しかし、この
場合、吹き飛んだ水が装置の壁に当たって跳ねかえり、
ウェハに再付着しウェハ表面を汚染する恐れがある。

ドライ洗浄法として、（１）加熱して火炎処理による洗
ｔ％　：　（２）スパッタ洗ｔ４１　；　（３）イオン
ミリングによる洗浄；Ｃ４）プラズマ洗浄がある。

火炎処理の場合、熱応力によりデバイスが変形または破
壊される恐れがあるので金属基板等にしか適用できない
。スパッタ、イオンミリングおよびプラズマ洗浄は高周
波電源が必要である。

従って、従来の技術では、ウェハの表面を清浄にするた
めに、本来の気相反応工程および気相反応装置とは別に
、洗浄・乾燥工程およびそのための装置類を特別に設け
なければならない。

５一 本来の気相反応工程の前にこのような洗浄・乾燥工程を
置くと半導体製造工程全体のスループットが低下される
。しかも、特別な洗浄・乾燥装置類を設けるために多額
の費用とスペースが必要になるので製品のコストアップ
をもたらす。

更に、洗浄および乾燥後、気相反応処理に入るまで待機
している間にウェハは空気中の水分、酸素等により酸化
されたり、再汚染する可能性がある。

特に、最近になって超ＬＳＩ製造用ウェハとして注目さ
れているＧａ−Ａｓ（ガリウムーヒ素）系ウェハは洗浄
後、空気に触れただけで表面が酸化され、酸化物膜が出
来てしまう。この酸化物膜を残したまま反応室ヘロード
して本来の成膜処理を行うと、生成膜とウェハとの密着
性が低下したり、生成膜にクラックが発生したりする。

クラックが存在するままの伏態でアニール処理などを行
うとＡｓが飛んでしまうことがある。また、酸化物膜を
残したまま８００℃程度に加熱すると、生成膜がウェハ
から剥がれやすくなる。

［発明の目的］ 従って、本発明の目的は従来のようなウェット洗浄法お
よびドライ洗浄法のような特別な工程および装置類を７
認とせず、しかも、ウェット洗浄と同等あるいはこれ以
上の洗浄効果を有し、かつ、半導体製造工程全体のスル
ープットを低下させないドライ洗浄装置を具備した気相
反応装置を提供することである。

［問題点を解決するための手段］ 前記の問題点を解決し、あわせて本発明の目的を達成す
るための手段として、この発明は、少なくとも気相反応
装置の反応室へＧａＡｓ系ウェハをロードするためのロ
ードロック室が反応室に接続されている気相反応装置に
おいて、前記ロードロック室に紫外線照射装置と酸素ガ
スおよびアンモニアガス供給装置とが配設されているこ
とを特徴とする気相反応装置を提供する。

［作用］ 本発明の気相反応装置は紫外線による有機化合物の化学
結合の切断効果とオゾンの強力な酸化効果とを組合わせ
ることにより、有機質汚れを揮発性の物質（例えば、Ｃ
０２＋　Ｎ２　＋水等）に分解除去するドライ洗浄手段
を備えている。

２４０ｎｍ以下の波長の紫外線は酸素を吸収し、次の反
応によりオゾン０３を発生する。

ｏ　　　＋　　０２　　−一→　　０３また、２４０ｎ
１１１より長い波長の紫外線は０２に吸収されず、オゾ
ン０３に吸収されて再びオゾンを生ずる。

０　＋　０２　　　　　　　　０３ 波長３（３５ｎｍの紫外線のエネルギーは約７８゜３ｋ
ｃａｌ／ｍｏｌであるが、波長２５３．７ｎｍおよび１
８４．９ｎｍの紫外線のエネルギーは各々約１１３と１
５５　ｋｃａｌ／ｒ６ｏｌである。一方、Ｃ−Ｃおよび
Ｃ−Ｈの化学結合エネルギーは各々８３．１と９８゜８
　ｋｃａｌ／ｍｏｌである。すなわち、３６５ｎＩ１１
の光ではＣ−ＣおよびＣ−Ｈ結合を解離させられないが
、２５３．７ｎｍ以下の光では解離させることができる
。

従って、本発明のドライ洗浄手段によれば、汚染分子が
波長２５３．７ｎｒｒｌ以下の紫外線でイオン。

フリーラジカル、励起分子または中性分子に解離され、
これらがオゾンと接触してＣ０２１Ｎ　２あるいはＮ２
０等の揮発性分子に分解されるものと思われる。

ウェハ表面」二の有機質汚れおよび空気酸化物膜などは
前記の処理により殆ど除去できるが、ＧａＡｓ系ウェハ
の場合は紫外線とオゾンによりウェハ表面から約５０人
〜１００八程度の深さにまで酸化されることがある。こ
のＵＶ１０３酸化膜は空気酸化膜と同様に、Ｐ−８ｒＮ
キヤツプをする場合に密着性を低下させ、かつ、クラッ
ク発生の原因となる可能性があるので、半導体素子の集
積度が高まるにつれて、好ましからざる存在となる。

本発明者らが長年にわたり広範な実験と研究を続けた結
果、ＵＶ１０３洗浄処理が終了した後、ロードロツタ室
内にアンモニアガスを導入し、紫外線を照射すると、ド
記の反応式で示されるように、水素イオンが発生し、Ｇ
ａＡｓウェハ表面の酸化物膜を還元除去することが発見
された。

［実施例］ 以下、図面を参照しながら本発明の実施例について更に
詳細に説明する。

第１図は本発明のドライ洗浄手段を有する気相反応装置
の縦断面図であり、第２図は別の気相反応装置の一例を
示す斜視図であり、第３図はその蓋部分の底面図である
。

第１図に示されるように、気相反応装置（例えば、プラ
ズマＣＶＤまたはプラズマエツチング装置）１は反応室
１０と、この反応室ヘウエハをロードするための密閉可
能なロードロック室２０とを有する。

反応室１０の内部には、例えば、ウェハ３を乗せるため
の試料台１２と、これと対峙するプラズマ電極１４とが
配設されている。また、反応室の下部には排気ダクト１
６が設けられている。説明するまでもなく、反応室内部
の構成は各気相反応装置により異なる。

反応室１０とロードロック室２０とは開閉可能なゲート
１８で隔てられている。ロードロック室２０の内部には
ウェハ３を反応室内へ搬入するための進退可能なウェハ
キャリア手段２２が配設されている。

ロードロツタ室２０の適当な箇所に０２ガスおよびアン
モニアガス供給手段３０が配設されている。０２および
アンモニアガス供給量は弁３２で調節できる。供給手段
３０は図示されていないアンモニアガス供給源および０
２ガス供給源に接続されている。

また、ロードロック室２０には排気ダクト２４が配設さ
れている。これはロードロツタ室内の空気を排気し、高
酸素雰囲気を形成したり、ガス置換および不活性雰囲気
を形成するために７髪である。空気中の酸素に紫外線を
照射するよりも、純酸素雰囲気下で紫外線を照射したほ
うがオゾンの生成効率を高めることができる。

反応室１０内ヘウエハ３を搬入するためにウェハキャリ
ア手段２２がウェハを保持した状態で待機される位置の
、ロードロック室天井部に紫外線照射装置４０が配設さ
れている。紫外線照射装置４０は天井部の他に床面部に
も配設することができる。ウェハの裏面も清浄化する必
要がある場合に有効である。

紫外線照射装置４０は例えば、波長２５３．７０１以下
の紫外線を照射する光源である。紫外線光源としては例
えば、カーボンアーク灯、キセノンランプ、水銀灯また
はエキシマレーザ−等を使用できる。取扱の簡便性の点
から水銀灯が好ましい。

２５３．７ｎｍ以下の波長の紫外線光源としては低圧水
銀灯が最も好ましい。

水銀灯の形状は本発明の必須要件ではない。楕円形９球
形、リング形またはＵ字形杖の管を使用できる。リング
形またはＵ字管タイプの光源は有効照射面積が広く、ウ
ェハに対し均一照射が可能で、効率的に、かつ、均一に
洗浄できるので好ましい。

低圧水銀灯の管材として溶融石英管をパイプに使用する
と２５３．７ｎｍの光の他に１８４．９ｎｍの光を透過
する。高シリカガラスでは１８４．９ｎｍの光は管材に
吸収され外部には透過してこない。

従って、溶融石英管の低圧水銀灯を使用することが好ま
しい。

水銀灯の本数は本発明の必須要件ではない。少なくとも
一木以−Ｌ配設すればよい。ランプの出力も同様に本発
明の必須要件ではない。これらは、ロードロック室の寸
法、ウェハのサイズ等を考慮して当業者が容易に決定で
きる事項である。

洗浄速度を最大にするためには、紫外線光源を出来るだ
けウェハに近づけて配置することが好ましい。特に限定
される訳ではないが、一般的な指標として、約数ｌ１ｌ
Ｉ１１〜数ＣＩ＋程度の範囲内の距離に光源とウェハを
配置することが好ましい。

第１図に示されたようなロードロック室の天井部分に紫
外線光源を配設する装置例の代えて、第２図および第３
図に示されるように、ローダ側ロ−ドロック室２０ヘウ
エハを搬入し、その開口部７４を閉鎖するための、蓋部
材６２の下面部にリング形低圧水銀灯４２を配設した装
置も実施できる。水銀灯の形状はＵ字管あるいは球型で
もよい。

蓋の覗き窓６６が覆われないリング型またはＵ字管形水
銀灯が好ましい。

第２図に示された気相反応装置の概要を説明する。この
装置の詳細は特願昭６１−０５５７４８号明細書に記載
されている。

第２図に示された装置では、反応室１０に対してローダ
側ロードロック室２０およびアンローダ側ロードロック
室５０がほぼ直交するようにＬ字形に配列されている。

各ロードロツタ室はゲートバルブ（図示されていない）
で反応室と隔てられている。

ウェハカートリッジ（図示されていない）から供給され
たウェハは第１ウェハ搬送機構５２のホッパーテーブル
５４上に置かれ、ベルト駆動またはエアベアにより前進
されウェハトラック５６に達する。第１ウエハ検出器５
８がウェハを検出すると、第１ウエハ移送アーム６０が
ウェハを下側から真空吸着し、その状態のまま回転して
、第１蓋部６２の下部に配設されたウェハ受は渡し爪６
４にウェハを移送し、該爪」二にウェハを載置する。

第１蓋部６２は覗き窓６６を有する。第１蓋部６２は第
１蓋開閉機構７０の昇降可能アーム７２に螺着または固
設されている。ウェハ受は渡し爪６４にウェハが載置さ
れると、昇降可能アーム７２は下降し、ローダ側ロード
ロック室２０の上部に開けられた第１開ロ部７４を経て
ロードロック室内に進入し、ウェハキャリア手段２２に
ウェハを載置する。昇降可能アーム７２は更に下降し、
第１蓋部６２が第１開ロ部７４を覆い、ロードロツタ室
２０を密閉する。アンローダ側ロードロツタ室における
動きは人体、これと逆になる。

反応室の内部にはウェハ試料台１２が配置されている。

ウェハ試料台の周囲には試料台」―に置かれるウェハを
持ち」−げるためのウェハ受は爪７６が配設されている
。ウェハ受は爪は使用されるウェハの［１径にあわせて
、交換可能に構成されている。図示されていないが、反
応室の」二部には、反応ガス送大ノズルおよび／または
平行平板電極などを備えたトップカバーが被せられ、反
応室を気密構造に密閉する。

次にウェハクリーニングの具体的動作について説明する
。

先ス、ローダ側ロードロツタ室にウェハを搬入し、ロー
ドロック室を密閉する。室内に残っている空気を排気す
る。所定の真空圧に達したら酸素ガス供給手段から酸素
ガスを室内に送入する。室内の酸素ガス濃度が所定の値
に達したら紫外線光源から紫外線を照射しオゾンを発生
させなからウェハクリーニングを実施する。

クリーニング終了後、室内の残留酸素ガスおよびオゾン
を排出し、代わりにアンモニアガスを導入する。アンモ
ニアガスの濃度が所定の値に達したら紫外線を照射し水
素イオンを発生させてＧａＡｓウェハの表面に存在する
ＵＶ１０ａ酸化物膜を還元除去する。

酸化物膜の除去が終了したら、室内に残留しているアン
モニアガス等を不活性ガス（例えばＮ２またはＡｒ）で
置換する。その後、清浄化されたＧａＡｓウェハを反応
室内へ搬入する。

室内の酸素ガス濃度は２０％〜１００％に維持すること
が好ましい。クリーニング時間は使用光源の種類および
光源とウェハとの距離にもよるが、一般的には数十秒か
ら数分以内である。

洗浄効果を確認するため下記の試験を行った。

清浄なＧａＡｓウェハの表面に指を押し付けて皮脂を付
着させた。このウェハを第２図に示されるような気相反
応装置のローダ側ロードロック室に入れ、ウェハキャリ
ア手段に保持させた。蓋を密閉し、紫外線光源とウェハ
との距離を５＋ｎｍに設定した。室内の酸素ガス濃度を
１００％にした後、紫外線を照射した。清浄の判定は、
ウェハ表面にスチームを吹き付け、スチームの凝縮時に
均一で、蒸発時に不均一な虹状の干渉シマが発生するよ
うになるまでの時間を測定することにより行った。

比較のために波長２５３．７ｎｍの紫外線とオゾンでク
リーニングした場合、紫外線のみを照射してクリーニン
グした場合およびオゾンのみでクリーニングした場合に
ついても測定した。結果を下記の表１に要約して示す。

Ｋ上 これらの結果から明らかなように、極短波長の光（１８
４，９ｎ■）と酸素との反応によるオゾン発生と短波長
の光（２５３，７ｎｍ）による化学結合解離効果とを組
合わせることにより極めて短時間内にウェハを清浄化で
きることが理解される。

洗浄条件（１）のＧａＡｓウェハの表面を分析したとこ
ろ、約１００人〜約２００人の厚さの酸化膜が発生して
いた。これをロードロック室に戻し、アンモニアガスを
導入し、ガス濃度が１００％に達した時点で１８４．９
ｎｍと２５３．７ｎｍの波長の紫外線を照射した。照射
時間は約６０秒であった。照射終了後、ウェハの表面を
再び分析した。その結果、酸化物膜の厚さは半分に減少
していることが確認された。

本発明によるドライ洗浄手段によれば、ウェハまたは半
導体素子等に付着する恐れのある、取扱者の皮脂、空気
中に放置されていた時の吸着物や酸化物、真空蒸着した
カーボンの薄膜、力°ツティングオイル、真空ポンプや
拡散ポンプのオイル。

酸性のハンダフラックス、ハンダのロジンフラックス、
シリコーン真空グリース、研磨液、ミツロウとロジンの
混合物等の汚れを除去するのに特に適している。

本発明によるドライ洗浄手段はそれだけでも充分な洗浄
効果をもたらすが、従来のウェット洗浄を前洗浄として
併用することもできる。ウェット前洗浄を行うと、紫外
線とオゾンの酸化分解作用によっても揮発性生成物とな
らない塵埃や塩類などの汚れを予め除去することができ
、更に、紫外線の作用により架橋を生じ、耐紫外線性の
被膜となるような厚い膜を予め除去することができる。

その結果、本発明によるドライ洗浄効果を一層詩めるこ
とが可能となる。

本発明の紫外線とオゾンによるドライ洗浄手段は様々な
気相反応装置について使用できる。例えば、常圧、減圧
、プラズマおよび光ＣＶＤ薄膜形成装置、ドライエツチ
ング装置、エピタキシャル成長装置、ＰＶＤによる金属
膜被着装置、酸化・拡散装置等の半導体製造装置につい
て使用できる。

その他、反応室にロードロック室が接続されているよう
な全ての装置についても使用できる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明の紫外線とオゾンによるド
ライ洗浄手段を有する気相反応装置は、ウェハを反応室
へ搬入するための待機時間中に洗浄処理するので製造工
程全体のスループットを向上させることができる。

ＧａＡｓ系ウェハをＵＶ１０Ｊクリーニングした際に発
生する酸化物膜は、アンモニアガスに紫外線を照射する
ことにより生成される水素イオンで還元され、除去する
ことができる。従って、酸化物膜の存在による密着性の
低下やクラック発生などの不都合な事態が起こることは
効果的に防止あるいは抑制される。

本発明のドライ洗浄手段は紫外線光源と酸素ガス／アン
モニアガス送大ノズルからなるので、従来のウェット洗
浄装置に比べて、装置構成は極めてシンプルであり、据
付スペースも極僅かしか必要としない。

しかも、広範囲の有機質汚れに対し高い洗浄効率を有し
、常温、常圧で操作できるので取扱は極めて簡便で、運
転コストも安価である。更に、洗浄時間も極めて短く、
高度の洗浄面が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のドライ洗浄手段を有する気相反応装置
の縦断面図であり、第２図は別の気相反応装置の一例を
示す斜視図であり、第３図はその蓋部分の底面図である
。 １・・・気相反応装置、３・・・ウェハ、１０・・・反
応室。 １２・・・試料台、１４・・・電極、１６・・・排気ダ
クト。 １８・・・ゲート、２０・・・ローダ側ロードロツタ室
。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも気相反応装置の反応室へＧａＡｓ系ウ
   ェハをロードするためのロードロック室が反応室に接続
   されている気相反応装置において、前記ロードロック室
   に紫外線照射装置と酸素ガスおよびアンモニアガス供給
   装置とが配設されていることを特徴とする気相反応装置
   。
2. （２）紫外線照射装置は２４０ｎｍ以下の波長を有する
   紫外線および／または２５３．７ｎｍ以下の波長を有す
   る紫外線を照射する光源からなる特許請求の範囲第１項
   に記載の気相反応装置。
3. （３）紫外線光源はカーボンアーク灯、キセノンランプ
   、水銀灯またはエキシマレーザーである特許請求の範囲
   第２項に記載の気相反応装置。
4. （４）水銀灯は低圧水銀灯である特許請求の範囲第３項
   に記載の気相反応装置。
5. （５）ローダ側ロードロック室のウェハ搬入待機位置付
   近に紫外線照射装置が配設されている特許請求の範囲第
   １項から第４項までの何れかに記載の気相反応装置。
6. （６）プラズマＣＶＤまたはプラズマエッチング装置で
   ある特許請求の範囲第１項から第５項までの何れかに記
   載の気相反応装置。