JPH021913A - 半導体装置用エッチング処理装置 - 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］ この発明は半導体装置用エツチング処理装置に関するも
のであり、特に、低温で、かつ半導体基板表面に損傷を
与えずに、半導体基板表面に付着していることがある自
然酸化膜や汚染物（以下、自然酸化膜等という）を除去
し、引き続き、その清浄表面をエツチングすることので
きる、半導体装置用エツチング処理装置に関するもので
ある。

［従来の技術］ 電子デバイスの特性は、作製中の故意あるいは意図しな
い事故で導入された不純物の存在に極めて強く影響され
るため、全工程にわたって、作製環境の清浄度が極めて
高いレベルに維持される必要があり、使用材料、処理雰
囲気形成法等に高度な清浄化技術および高純度化技術が
駆使されている。

薄膜デバイスにおいて、その製造工程は薄膜形成工程と
回路パターン形成工程とに大別される。

薄膜形成工程は、さらに、膜種や形成方法により、種々
の工程に細分化され、それぞれ独自のあるいは一部共通
した清浄化技術が開発されている。そして、これらのす
べてに共通して重要かつ基本的な清浄化作業は、薄膜形
成前の基板前処理である。

前処理工程では、通常、脱脂、重金属除去、自然酸化膜
除去を目的として、水洗、酸洗浄あるいはアルカリ洗浄
、化学酸化、希フッ酸処理等が行なわれている。これら
の溶液洗浄法は、現在、確立された工程として広く採用
されているが、その決定的な問題点は、処理終了直後か
ら薄膜形成開始までの間に、処理後の基板が必ず空気に
さらされるため、特に活性な半導体や金属が基板上に露
出しているときは、例外なくいくらかの自然酸化膜成長
が起こるということである。それゆえ、溶液洗浄は、有
機物、重金属等の不純物の除去には有効であるが、必ず
しも真性表面を得るための手段とは言えない。

自然酸化膜の成長は、後の工程である薄膜形成工程にお
いて、薄膜の品質に決定的な悪影響を及ぼす。薄膜形成
には、たとえば、エピタキシャル成長、ポリシリコン上
への高融点金属膜（いわゆるポリサイド構造）形成、基
板に電気的コンタクトを求める配線形成、極薄絶縁膜形
成等があり、これらの形成工程は、高集積化に伴って、
今後、その重要性が益々増大する工程である。したがっ
て、膜中に取込まれる有害な不純物の除去もさることな
がら、薄膜の品質を向上させるために、薄膜と基板との
界面構造のよく制御された薄膜形成法が強く求められて
いる。

現在、このような要請に対抗する手段として、溶液洗浄
後の半導体基板を薄膜形成装置に導入してから、アルゴ
ン等の不活性ガスのプラズマによるスパッタエツチング
あるいは高温水素還元法によるガスエツチングによって
自然酸化膜等を除去し、そのまま連続的にエツチングを
行なう方法が採用されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、これらのアルゴン等の不活性ガスのプラ
ズマによるスパッタエツチングでは、自然酸化膜等を除
去するために、半導体基板とアルゴンガスとの間に高バ
イアスを印加することが必要であり、そのため、アルゴ
ンプラズマによって、半導体基板に損傷が導入されると
いう問題点かあった。

また、高温水素還元法によるガスエツチングによって自
然酸化膜を除去する方法では、高温（通常１０００℃以
上）を要するため、ＰＮ接合の熱ダレを招来し、その適
用範囲が限定されるという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、充分低温で、かつ半導体基板表面に損傷を与
えずに、半導体基板表面に付着した自然酸化膜等を除去
し、引き続き、大気にさらすことなく基板表面に形成さ
れたアルミニウムやポリシリコンのエツチングを行なう
ことのできる、半導体装置用エツチング処理装置を提供
することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 本発明者等は、長年、半導体基板表面に形成されたアル
ミニウムやポリシリコンのエツチングについて研究を続
けてきた。また、半導体基板表面に付着した自然酸化膜
等を除去する方法についても鋭意研究を続けてきた。そ
の結果、チャンバ内に半導体基板を置き、該チャンバ内
に自然酸化膜等と反応し得る反応ガスを導入し、光を照
射し、該自然酸化膜等を除去するに際し、上記半導体基
板をわずかに加熱することにより、自然酸化膜等をより
低温で、より効率良く除去できることを知見し、本発明
を完成させるに至った。すなわち、本発明は、低温で、
かつ損傷を与えることなしに、半導体基板表面に付着し
ていることがある自然酸化膜等を除去し、引き続き、そ
の清浄面をエツチングすることのできる、エツチング処
理装置に係るものであり、半導体基板を収容するチャン
バと、上記チャンバ内に自然酸化膜除去用ガスを導入す
る自然酸化膜除去用ガス導入手段と、上記チャンバ内に
収容された上記半導体基板を加熱する加熱手段と、上記
チャンバ内に収容された上記半導体基板の表面に光を照
射する光照射手段とを備え、これらの手段により、上記
半導体基板表面に付着していることがある自然酸化膜等
は除去され、さらに上記自然酸化膜が除去された上記半
導体基板の清浄表面をエツチングするエツチング手段と
、を備えている。

本発明で用い得るチャンバは、自然酸化膜除去室と、エ
ツチング室とを備え、上記自然酸化膜除去用ガス導入手
段、上記加熱手段および上記光照射手段は上記自然酸化
膜除去室に設けられ、上記エツチング手段は上記エツチ
ング室に設けられるのが好ましい。

本発明で用い得る光照射手段としては、低圧水銀ランプ
、高圧水銀ランプおよび水銀−キセノンランプが好まし
く採用される。

本発明で用い得るチャンバは、チャンバ内の雰囲気圧力
を調節する雰囲気圧力調節手段を備えているものが好ま
しい。

［作用］ 上述のとおり、本発明においては、半導体基板表面上に
付着した自然酸化膜等を自然酸化膜除去用ガスで除去す
るにあたり、光と熱とを併用している。自然酸化膜除去
用ガスにたとえばＨＣｕガスを用いた場合、たとえば自
然酸化膜は次のような反応式に従って、基板上から除去
される。

Ｓ　ｉ０２　＋４ＨＣ住→ＳｉＣ痣、　＋２Ｈ２０本発
明は、この反応が、光エネルギと熱エネルギとの相乗効
果により促進されるのを利用している。それゆえに、光
だけでは活性化できないような自然酸化膜除去用ガスを
用いても、該自然酸化膜除去用ガスで自然酸化膜等を除
去することが可能となる。また、高温下に置かないと自
然酸化膜等を除去できない場合であっても、光のエネル
ギの助けによって、より低温で、自然酸化膜等を除去で
きるようになる。

それゆえに、充分低温で、かつ半導体基板表面に損傷を
与えずに、半導体基板表面に付着した自然酸化膜等を除
去できるようになる。そして、このようにして得られた
半導体基板のｉＦｆ浄而に面弓き続き、大気にさらすこ
となく、エツチング処理を行なうことができるので、自
然酸化膜等の存在によるエツチングの困難さは回避され
、本来のエツチング対象物であるポリシリコン等のエツ
チングが容易となる。

次に、半導体基板表面から自然酸化膜等が、実際にどの
程度除去されるかについて、実験データを示しながら、
説明する。

第２図は、使用した実験装置の断面図である。

第２図を参照して、実験装置はチャンバ３を備えている
。チャンバ３には、ＨＣＱ、ガス導入管６と、５ｉＨ２
ＣＬガス導入管７と、ＮＨ，ガス導入管８と、排気管９
が設けられている。さらに、チャンバ３には、チャンバ
３内に紫外線を照射するための紫外線入射窓２が設けら
れいる。紫外線入射窓２に対向して、低圧水銀ランプ１
が設置されている。チャンバ３内には基板支持台５が設
置され、基板支持台５の上には半導体基板たとえばシリ
コン基板４が置かれている。基板支持台５は加熱手段５
ａを備えている。これにより、基板支持台５を介して、
シリコン基板４を加熱できる。次に、上述の実験装置を
用いて、半導体基板の表面に付着した自然酸化膜等を除
去する方法の概略を述べる。

基板支持台５上にシリコン基板４を置く。このシリコン
基板４は、溶剤処理を行なった後のちのであるが、既に
大気に触れて、その表面に自然酸化膜が生じている。次
いで、８０店ガス導入管６より、ＨＣｕガスをチャンバ
３内に導入し、シリコン基板４の表面にＨＣｕガスを供
給する。次いで、低圧水銀ランプ１を点灯することによ
り、紫外線入射窓２からシリコン基板４の表面に紫外線
を照射する。この紫外線照射と同時に、シリコン基［４
を２００〜７００℃に加熱する。すると、光と熱の相乗
効果により、たとえば、次に示す反応が促進され、シリ
コン基板４上の自然酸化膜が除去される。

Ｓ　ｉ　０２　＋４ＨＣ見→ＳｉＣ髪、＋２Ｈ２０以上
のようにして、自然酸化膜が除去されるわけであるが、
自然酸化膜が除去されているか否かを確認するためには
、工夫を要する。なぜなら、シリコンは極めて酸化され
やすい物質であるので、上述の方法に従って自然酸化膜
を除去しても、その効果を確認するためにシリコン基板
を装置外に取出すと、その瞬間に再び表面が酸化されて
しまうからである。そこで、その評価にあたり、ここで
は巧みな手法が考案されている。その方法は、シリコン
基板の表面から自然酸化膜等を除去した後、そのまま、
その上へシリコン窒化膜等の酸素原子を含まない７４膜
を堆積し、その後、オージェ電子分光法等で膜厚方向の
元素プロファイルを観測する、という方法である。この
方法によれば、シリコン基板（Ｓｔ）と体積膜（Ｓｉａ
Ｎ４）との界面近傍における酸素の信号の検出の有無に
より、自然酸化膜の有無が判定される。第３Ａ図は、シ
リコン基板の表面から自然酸化膜を除去した直後に、シ
リコン窒化膜を化学体積法（以下、ＣＶＤ法という）に
より堆積させて得た試料の、膜厚方向のオージェプロフ
ァイルである。

オージェ電子分光法に供した試料は、次のようにして作
られた。すなわち、第２図を参照して、半導体基板表面
に付着している自然酸化膜の除去処理を行なった後、排
気管９からＨＣｕガスを排気し、次いで５ｉＨ２ＣＩＬ
ガス導入管７より５ｉＨ２ｃｆＬ２ガスを導入し、ＮＨ
，ガス導入管８よりＮＨ，ガスを導入し、シリコン基板
４上にシリコン窒化膜をＣＶＤ法により堆積させた。そ
して、このものを、オージェ電子分光分析に供した。

第３Ａ図において、横軸はスパッタ時間であり、縦軸は
オージェ信号である。第３Ａ図から明らかなように、自
然酸化膜の除去処理（ＨＣｕ処理）を行なったものは、
ＳｔとＳｉ、Ｎ４の界面近傍に、酸素の信号が検出され
なかった。

第３Ｂ図は、自然酸化膜除去処理を行なわず（ＨＣＬ処
理なし）に、Ｓｉ、Ｎ４を堆積したものの、膜厚方向の
元素プロファイルである。第３Ｂ図から明らかなように
、ＳｉとＳｔ、Ｎ４の界面近傍に、酸素の信号が検出さ
れた。

以上の結果より、この方法により、自然酸化膜が確実に
除去される、ということが確認された。

次に、自然酸化膜の除去処理における、望ましい基板温
度の範囲を求める実験を行なった。

第４図は、ＵＶ−ＨＣｆＬ系でシリコン基板をエツチン
グしたときの、エツチング速度と温度との関係を示した
、アレニウスプロット（ＬＯＧ　（エツチングレート）
ｖｓ、１／Ｔ）である。ここでは、自然酸化膜の除去速
度でなく、シリコン基板のエツチング速度をとっている
。これは、以下の理由による。すなわち、自然酸化膜は
薄すぎて、除去速度の定量ができないから、シリコン基
板のエツチング速度を求め、このシリコン基板のエツチ
ング速度から自然酸化膜の除去速度を准８ｐＩ　Ｌよう
と考えたためである。

第４図の結果を説明する前に、エツチング速度の求め方
を、第５Ａ図、第５Ｂ図および第５Ｃ図を参照して説明
する。まず、第５Ａ図を参照して、酸化膜のマスク１５
が形成された半導体基板１６を準備する。半導体基板１
６には１〜１００Ω・Ｃｍの抵抗を有するＰ型（１００
）シリコン基板を用いた。次に、第５Ｂ図を参照して、
エツチングを所定のエツチング条件（１００％ＨＣｌ１
ｊニア００ＳＣＣＭ、雰囲気圧カニ　７．　２Ｔｏ　ｒ
　ｒ、低圧水銀ランプの照射のある場合と、ない場合）
下で行なった。次に、第５Ｃ図を参照して、マスク１５
を除去し、エツチング深さｄを求めた。このエツチング
深さｄから、エツチング速度が求められた。

以上のような求め方により、ＵＶを照射する場合とＵＶ
を照射しない場合に分けて、種々の温度でエツチング速
度を求めた。第４図はこのようにして求められたエツチ
ング速度を温度の関数として、アレニウスプロットした
ものである。

第４図の上のプロットを参照して、ＵＶ照射がある場合
、エツチング速度は室温から２００℃にかけて少しずつ
上昇し、２００℃を屈曲点として急上昇することがわか
った。これは、２００℃以下では実効的なエツチングが
起こらず、２００℃以上にして初めて実効的なエツチン
グが起こる、ということを示している。また、第４図の
下のプロットは、ＵＶを照射しないと、基板温度を６０
０℃まで上昇させても、エツチング速度があまり大きく
ならず、実効的なエツチングが起こらないことを示して
いる。

これらのエツチング条件は、自然酸化膜の除去処理条件
と同じであるから、第４図の結果は、自然酸化膜の除去
速度にそのまま当てはめることができる。

以上の結果より、基板温度を２００℃以上にし、かつＵ
Ｖを照射して初めて、熱と光の相乗効果により、実行的
な自然酸化膜除去処理が行なえるということが明らかと
なった。この２００〜７００℃という温度は、高温水素
還元法（通常１０００℃以上）に比べて、著しく低温化
された温度である。以上のようにして、低温で、かつ損
傷を与えられることなく自然酸化膜等が除去された半導
体基板の清浄面が得られる。引き続き、損傷のない、か
つ熱ダレ等のない半導体基板の清浄表面にエツチング処
理を施すことができる。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図は、実施例に係るエツチング処理装置の断面図である
。

第１図を参照して、３はチャンバであり、チャンバ３は
扉１３により自然酸化膜除去室１０とエツチング室１１
とに区分されている。自然酸化膜除去室１０は、自然酸
化膜除去用ガス導入管１２と排気管１４とを備えている
。また、自然酸化膜除去室１０には紫外線入射窓２が設
けられ、紫外線入射窓２に対向して低圧水銀ランプ１が
設置されている。自然酸化膜除去室１０には基板支持台
５が設けられ、基板支持台５は加熱手段５ａを備えてい
る。自然酸化膜除去室１０は、半導体基板４を搬送させ
る搬送手段２３を備えている。

エツチング室１１は、エツチングガス導入管１７と排気
管１８を備えている。エツチング室１１内には、基板支
持台１つ（これは陰極となる）が設けられ、基板支持台
１９は加熱手段１９ａを備えている。基板支持台１９に
は、マツチングボックス２０を介して、ＲＦ電源２１が
接続されている。エツチング室１１には、上記基板支持
台１つと対向して陽極２２が設けられている。エツチン
グ室１１は、搬送手段２４を備えている。次に動作につ
いて説明する。

半導体基板たとえばシリコン基板４を、自然酸化膜除去
室１０内に設けられた基板支持台５の上に置く。このシ
リコン基板４は、溶剤処理を行なった後のものであるが
、既に大気に触れて、その表面に自然酸化膜が再付着し
ている。次いで、排気管１４より、自然酸化膜除去室１
０内を排気する。その後、自然酸化膜除去用ガス導入管
１２より、ＨＣｕガスを自然酸化膜除去室１０内に導入
する。雰囲気圧力は、Ｑ、１Ｔｏｒｒから大気圧までに
：Ａ整される。次いで、低圧水銀ランプ１を点灯するこ
とにより、紫外線入射窓２からシリコン基板４の表面に
紫外線を照射する。この紫外線照射と同時に、シリコン
基板４を２００〜７００℃に加熱する。すると、光と熱
の相乗効果により、たとえば、次に示すような反応が促
進され、シリコン基板４上の自然酸化膜等が除去され、
清浄面が現われる。

Ｓ　ｉ　Ｏ２＋４ＨＣｆＬ→Ｓ　ｔ　ＣＱ、４　＋　２
Ｈ２０次いで、自然酸化膜除去室１０内を排気管１４よ
り排気し、同時にエツチング室１１内も、排気管１８よ
り排気する。その後、扉１３を開けて、搬送手段２３お
よび搬送手段２４を駆動し、シリコン基板４をエツチン
グ室１１内に搬送する。エツチング室１１内の基板支持
台１９上にシリコン基板４を置いたら、扉１３を閉じる
。シリコン基板４の搬送時において、該シリコン基板４
は大気に晒されないから、シリコン基板４上に自然酸化
膜が再付告することはなく、清浄面は清浄な状態に維持
される。

次いで、エツチングガスをエツチングガス導入管１７よ
りエツチング室１１内に導入する。そして、加熱手段１
９ａでシリコン基板４を加熱し、ＲＦ電ｗ、２１をＯＮ
Ｌ、基板支持台（陰極）と陽極２２との間にプラズマを
発生させる。このプラズマにより、シリコン基板４上に
形成されたたとえばポリシリコン、アルミニウム等がエ
ツチングされる。このとき、自然酸化膜は存在していな
いので、エツチングは容易に行なわれる。また、自然酸
化膜の除去処理が損傷を受けることなしに、かつ低温で
行なわれているので、損傷、熱ダレ等のない半導体装置
が得られる。

なお、上記実施例では、自然酸化膜除去用ガスにＨＣｕ
ガスを用いた場合について説明したが、この発明はこれ
に限られるものでなく、Ｃ麩２、Ｈ２ガス等も好ましく
用いられる。

以上、具体的な実施例を挙げて、この発明の半導体装置
用エツチング処理装置につい：Ｃ説明したが、本発明は
、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他
の色々な形で実施することができる。それゆえ、前述の
実施例はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解
釈してはならない。本発明の範囲は、特許請求の範囲に
よって示すものであって、明細書本文には何ら拘束され
ない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変型
や変更は、すべて本発明の範囲内のものである。

［発明の効果］ 以上説明したとおり、この発明に係る半導体装置用エツ
チング処理装置によれば、半導体基板上に付着した自然
酸化膜等を低温でかつ損傷を与えずに除去し、その後、
その清浄表面に引き続き、大気にさらすことなく、エツ
チング処理ができる。

それゆえ、自然酸化膜等の存在によるエツチングの困難
性は回避され、本来のエツチング対象物であるポリシリ
コン、アルミニウム等のエツチングが容易となる。また
、自然酸化膜等が低温でかつ基板に損傷を与えずに除去
されているので、損傷のない、かつ熱ダレ等を起こして
いない半導体装置が得られるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の断面図である。 基板のエツチング速度と温度との関係をアレニウスプロ
ットした図である。第５Ａ図、第５Ｂ図および第５Ｃ図
は、シリコン基板のエツチング速度を求める方法を示し
た図である。 図において、１は低圧水銀ランプ、３はチャンバ、５ａ
は加熱手段、１０は自然酸化膜除去室、１１はエツチン
グ室、１２は自然酸化膜除去用ガス導入管、１７はエツ
チングガス導入管、２１はＲＦ電源、２２は陽極である
。 なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体基板を収容するチャンバと、 前記チャンバ内に自然酸化膜除去用ガスを導入する自然
   酸化膜除去用ガス導入手段と、 前記チャンバ内に収容された前記半導体基板を加熱する
   加熱手段と、 前記チャンバ内に収容された前記半導体基板の表面に光
   を照射する光照射手段とを備え、 これらの手段により、前記半導体基板表面に付着してい
   ることがある自然酸化膜等は除去され、さらに 前記自然酸化膜が除去された前記半導体基板の清浄表面
   をエッチングするエッチング手段と、を備えた、半導体
   装置用エッチング処理装置。