JPH10335316A - 表面処理方法及びその装置 - Google Patents

表面処理方法及びその装置

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JPH10335316A
JPH10335316A JP9161881A JP16188197A JPH10335316A JP H10335316 A JPH10335316 A JP H10335316A JP 9161881 A JP9161881 A JP 9161881A JP 16188197 A JP16188197 A JP 16188197A JP H10335316 A JPH10335316 A JP H10335316A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 微細なホール内等の自然酸化膜も効率的に除
去することができる表面処理方法を提供する。 【解決手段】 被処理体Wの表面に形成された自然酸化
膜10を除去する表面処理装置において、N2 ガスとH
2 ガスの混合ガスをプラズマにより活性化して活性ガス
種を形成する工程と、該活性ガス種のダウンフローにN
3 ガスを添加してNF3 ガスを活性化する工程と、形
成されたNF3 ガスの活性ガス種を被処理体の表面に晒
してこれを前記自然酸化膜と反応させて保護膜82を形
成する工程と、前記被処理体を所定の温度に加熱するこ
とにより前記保護膜を昇華させる工程とを備える。これ
により、薬液を用いることなく、ホール内等の自然酸化
膜を効率的に除去する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体ウエ
ハ表面に形成された自然酸化膜を除去する表面処理方法
及びその装置に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、半導体集積回路を製造するため
には、半導体ウエハ等の基板に対して、成膜とパターン
エッチング等を繰り返し行なって、多数の所望の素子を
形成するようになっている。ところで、このように各種
の処理工程を行なうにあたり、半導体ウエハを処理装置
間に搬送することからウエハが大気に晒されることは避
けられず、そのため、ウエハ面の大気に晒される部分に
大気中の酸素や水分に起因して自然酸化膜が発生するこ
とは避けられない。この自然酸化膜は、膜質、例えば電
気的特性等を劣化させることから、上記した成膜工程等
の前処理として、上記自然酸化膜をウエハ面から除去す
る表面処理が行なわれる場合がある。
【0003】自然酸化膜を除去するこの表面処理は、従
来は、ウエハを薬液中に浸漬して、自然酸化膜を薬液に
より除去する、いわゆるウェット洗浄が一般的に行なわ
れていたが、しかしながら、半導体集積回路の高集積化
及び高微細化が推進されるに従って、線幅やコンタクト
ホール径等も小さくなり、例えばホール径等は0.2〜
0.3μm程度、或いはそれ以下になっている。そのた
め、薬液がこのホール内に十分にしみ込まなかったり、
或いは逆にしみ込んだ薬液が表面張力のためにホール内
から排出できない場合等が生じ、ホール底部に発生した
自然酸化膜を十分に除去することができないという問題
が生じた。
【0004】また、複数層の積層構造の成膜よりなるホ
ール壁が層毎にエッチングレートが異なることからホー
ル壁面に凹凸が発生するなどの問題もあった。この点を
詳しく説明すると、図6は例えばシリコン製のウエハW
の表面に形成されたドレインやソースに電気的コンタク
トをとるためのコンタクトホール2を示しており、ホー
ル径L1は0.2〜0.3μm程度である。このホール
2の壁面は、図6(A)に示すように異なる成膜工程で
形成された、例えば3層構造のシリコン酸化膜(SiO
2 )よりなっている。例えば、第1層目のSiO 2膜4
は、熱酸化により形成された膜であり、第2層目のSi
2膜6は、スピンコート法により形成されたリンドー
プドガラスであり、第3層目のSiO 2膜8は、シリカ
ガラスにより形成されている。そして、このコンタクト
ホール2の底部に自然酸化膜10が発生している。
【0005】このような3層構造において、各層のSi
2膜4、6、8は、薬液に対するエッチング速度がそ
れぞれ微妙に異なっており、従って、ウエット洗浄によ
る自然酸化膜10の除去後においては、図6(B)に示
すようにホール2の側壁に、エッチング速度の差に起因
して凹凸9が発生したり、或いは薬液が浸入し易い各層
間の境界部分が過度に削り取られてしまうといった問題
があった。そこで、このような問題を解決するために、
上記したような薬液によるウェット洗浄に替えて、エッ
チングガスを用いて自然酸化膜を除去する、いわゆるド
ライエッチング法が、特開平2−256235号公報や
特開平6−338478号公報等に示すように提案され
ている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記特開平2−256
235号公報に示す処理方法は、処理容器内にNF3
ス(ハロゲンガス)やNH3 ガス(塩基性ガス)を導入
してプラズマ化し、これにより自然酸化膜を除去しよう
とするものであるが、この場合には上記した2種類の特
殊ガスを用いることから、例えばその分、除害装置が必
要となって装置のコスト高を招来してしまう。また、上
記特開平6−338478号公報に示す処理方法は、H
2 ガスとH2Oとをプラズマ化し、このダウンフローに
NF3 ガスを添加させて自然酸化膜を除去しようとする
ものであるが、この場合には、H2 O(水蒸気)を導入
していることから、逆に自然酸化膜が除去される以上に
新しく発生してしまうという危惧があり、事実、本発明
者による検証では自然酸化膜の除去は十分ではなかっ
た。
【0007】本発明は、以上のような問題点に着目し、
これを有効に解決すべく創案されたものである。本発明
の目的は、微細なホール内等の自然酸化膜も効果的に除
去することができる表面処理方法及びその装置を提供す
ることにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
解決するために、プラズマ形成部を有するプラズマ形成
管と、該プラズマ形成管内にN2 ガスとH2 ガスを供給
するプラズマガス導入部と、前記プラズマ形成管に接続
されて、内部に被処理体を載置する載置台を設けた処理
容器と、前記プラズマ形成管内をダウンフローする活性
ガス種にNF3ガスを添加するNF3 ガス供給部と、前
記載置台を所定の温度に加熱する加熱手段とを備えるよ
うに構成したものである。
【0009】これにより、プラズマガス導入部よりプラ
ズマ形成管内にN2 ガスとH2 ガスを導入し、この混合
ガスをプラズマ形成部にて活性化して活性ガス種を形成
する。この活性ガス種はプラズマ形成管内を流下して、
すなわちダウンフローして処理容器内に流入する。この
活性ガス種のダウンフローにはNF3 ガス供給部よりN
3 ガスが供給、添加され、このNF3 ガスも活性化さ
せる。そして、ここで活性ガス化されたNF3 ガス等が
載置台上に載置された被処理体の表面と接触し、これら
の活性ガス種が被処理体の表面の自然酸化膜と反応して
保護膜を形成することになる。このようにして、自然酸
化膜と反応させて保護膜を形成したならば、各種のガス
の供給を断つと共にプラズマの形成を停止し、処理容器
内の残留ガスを排除する。
【0010】その後、加熱手段により被処理体を所定の
温度、例えば100℃以上に加熱することにより、上記
保護膜を昇華させて除去する。これにより、被処理体の
表面に形成されていた自然酸化膜を除去することが可能
となる。この場合、プラズマ形成部は、マイクロ波発生
源と導波管とにより構成して、マイクロ波によりプラズ
マを発生させてもよいし、或いはRF波を発生する高周
波発生源と誘導コイルとにより構成して、RF波により
プラズマを発生させるようにしてもよい。また、処理容
器内には、載置台の上方に傘状の覆い部材を設け、活性
ガス種のダウンフローが効率的に被処理体の表面に流れ
込むようにしてもよい。
【0011】
【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る表面処理方
法とその装置の一実施例を添付図面に基づいて詳述す
る。図1は本発明の表面処理装置を示す構成図、図2は
NF3 ガス供給部を示す平面図である。図示するように
この表面処理装置12は、N2 ガスとH2 ガスの混合ガ
スをプラズマにより活性化するプラズマ形成管14と、
被処理体である半導体ウエハWに対して自然酸化膜を除
去するための所定の表面処理を行なう処理容器16を主
に有している。
【0012】この処理容器16は、例えばアルミニウム
により円筒体状に成形されており、この処理容器16内
には、底部より例えば石英製の支柱18により支持され
た例えばSiC製の薄い載置台20が設けられている。
処理容器16の底部の周縁部には、排気口22が設けら
れ、この排気口22に真空ポンプ24等を介設した排気
系25を接続して処理容器16内を真空引き可能として
いる。また、載置台20の下方の処理容器底部には、載
置台20の径と略同等の照射口26が形成されており、
この照射口26には、下方に凸状に断面円弧状に成形さ
れた石英製の透過窓28がOリング管のシール部材30
を介して気密に設けられている。
【0013】この透過窓28の下方には、上記載置台2
0を裏面側から加熱するための加熱手段32が設けられ
ている。この加熱手段32は、回転台34上にハロゲン
ランプ等よりなる多数の加熱ランプ36を配置して構成
されており、このランプ36から放出される熱線が透過
窓28を透過して載置台20の裏面に入射するようにな
っている。尚、ここでは、加熱手段32として加熱ラン
プ36を用いたが、これに限定されず、加熱手段として
載置台20内に抵抗加熱ヒータ等を設けるようにしても
よい。また、処理容器16の側壁には、搬出入口38が
設けられており、ここにはウエハWの搬出入時に開閉さ
れるゲートバルブ40が設けられる。
【0014】一方、上記プラズマ形成管14は、例えば
石英により管状に成形されており、上記処理容器16の
天井部16Aに開口部を設けて、この開口部にシール部
材42を介して起立させた状態で気密に取り付けられて
いる。このプラズマ形成管14の上端には、この管内に
2 ガスとH2 ガスよりなるプラズマガスを導入するプ
ラズマガス導入部44が設けられる。具体的には、この
プラズマ導入部44は、プラズマ形成管14内に挿通さ
れた導入ノズル46を有しており、この導入ノズル46
にガス通路48を連結している。このガス通路48は2
つに分岐されており、各分岐管にはそれぞれマスフロー
コントローラのごとき流量制御器50を介してN2 ガス
を充填したN2 ガス源52及びH2 ガスを充填したH2
ガス源54がそれぞれ接続されている。
【0015】また、上記導入ノズル46の真下には、プ
ラズマ形成部56が設けられている。このプラズマ形成
部56は、例えば2.45GHzのマイクロ波を発生す
るマイクロ波発生源58と、上記プラズマ形成管14に
設けた例えばエベンソン型の導波管60よりなり、上記
マイクロ波発生源58で発生したマイクロ波を例えば矩
形導波管62を介して上記エベンソン型の導波管60へ
供給し、これよりプラズマ形成管14内に導入して、こ
のマイクロ波によりプラズマ形成管14内にプラズマを
立ててH2 ガスとN2 ガスの混合ガスを活性化してこの
ダウンフローを形成し得るようになっている。
【0016】一方、上記プラズマ形成管14の下端部で
ある流出口64には、これに連通させて、下方向へ傘状
に或いは円錐状に広がった石英製の覆い部材66が設け
られており、載置台20の上方を覆ってガスを効率的に
ウエハW上に流下させるようになっている。そして、こ
の流出口64の直下には、NF3 ガスを供給するための
NF3 ガス供給部68が設けられる。具体的には、この
NF3 ガス供給部68は、図2にも示すように石英製の
リング状のシャワーヘッド70を有し、このシャワーヘ
ッド70には多数のガス孔72が形成されている。この
シャワーヘッド70には、連通管74を接続してこれを
容器側壁より外部へ取り出し、これにガス通路76を接
続している。このガス通路76は、例えばマスフローコ
ントローラのような流量制御器78を介してNF3 ガス
を充填するNF3 ガス源80に接続されている。
【0017】次に、以上のように構成された装置を用い
て行なわれる本発明方法について説明する。まず、被処
理体である半導体ウエハWを、開放されたゲートバルブ
40を介して処理容器16内に導入し、これを載置台2
0上に載置する。このウエハWには、例えば前段階でコ
ンタクトホール2(図6(A))等が形成されており、
その底部の表面に自然酸化膜が発生している。図3
(A)は、シリコンウエハWの表面のコンタクトホール
の底部等に付着発生した自然酸化膜10を示す拡大図で
ある。
【0018】ウエハWを処理容器16内に搬入したなら
ば、処理容器16内を密閉し、内部を真空引きする。そ
して、N2 ガス源52及びH2 ガス源54よりN2 ガス
及びH2 ガスをそれぞれ、所定の流量でプラズマガス導
入部44よりプラズマ形成管14内へ導入する。これと
同時に、マイクロ波形成部56のマイクロ波発生源58
より2.45GHzのマイクロ波を発生し、これをエベ
ンソン型の導波管60へ導いて、これよりプラズマ形成
管14内へ導入する。これにより、N2 ガスとH2 ガス
はマイクロ波によりプラズマ化されると共に活性化さ
れ、活性ガス種が形成される。この活性ガス種は処理容
器16内の真空引きによりダウンフローを形成してプラ
ズマ形成管14内を流出口64に向けて流下することに
なる。
【0019】一方、NF3 ガス供給部68のリング状の
シャワーヘッド70からは、NF3ガス源80より供給
されたNF3 ガスがN2 ガスとH2 ガスよりなる混合ガ
スのダウンフローの活性ガス種に添加される。この結
果、添加されたNF3 ガスもダウンフローの活性ガス種
により活性化されることになる。このようにNF3 ガス
も活性ガス化され、上記したダウンフローの活性ガス種
と相まってウエハWの表面の自然酸化膜10と反応し、
図3(B)に示すようにここにSi、N、H、F、Oの
混合した保護膜82を形成することになる。この処理中
はウエハWは何ら加熱されておらず、室温の状態で保護
膜82を形成する。
【0020】この時のプロセス条件は、ガスの流量に関
しては、H2 、NF3 、N2 が、それぞれ10scc
m、30sccm、100sccmである。プロセス圧
力は3Torr、プラズマ電力は50W、プロセス時間
は3分である。このようにして、ウエハ表面に自然酸化
膜10と反応した保護膜82を形成する。この場合、載
置台20の上方は、傘状の覆い部材66により覆われて
いるのでダウンフローの活性ガス種の分散が抑制され
て、これが効率的にウエハ面上に流下し、効率的に保護
膜82を形成することができる。
【0021】このように保護膜82の形成が完了したな
らば、H2 、NF3 、N2 のそれぞれのガスの供給を停
止すると共に、マイクロ波発生源58の駆動も停止す
る。そして、処理容器16内を真空引きして残留ガスを
排除し、この状態で加熱手段32を駆動させて加熱ラン
プ36により載置台20をその裏面より加熱し、ウエハ
Wを所定の温度、例えば100℃以上に加熱する。この
加熱により、上記保護膜82は、図3(C)に示すよう
にSi、N、H、F、Oの混じった分子84となって昇
華して行く。これにより、ウエハWの自然酸化膜10が
除去されてウエハ表面にSi面が現れることになる。こ
の時のプロセス条件は、プロセス圧力が1mTorr以
下、プロセス時間は2分程度である。
【0022】上記した自然酸化膜の除去のプロセスは、
詳細には解明されていないが、H2ガス、N2 ガス及び
NF3 ガスの各活性種が自然酸化膜(SiO2 )と反応
してSi、N、H、F、Oを含む大きな分子となり、す
なわちN、F、HがOとSiの間に入ってこれらをバイ
ンドするように作用し、この生成物がN−F−H−O−
Siの分子を保ったまま100℃以上の熱により容易に
昇華するものと考えられる。
【0023】このようにして表面処理を行なったウエハ
Wの表面の原子分析を表面原素分析装置(XPS)で行
なった。図4はこの時の分析結果を示すグラフであり、
図4(A)は表面処理前のウエハ表面の原素分析結果を
示し、図4(B)は表面処理後のウエハ表面の原素分析
結果を示している。図4(A)に示すように、表面処理
前にあっては、Si−Si結合(100eV近傍)に加
えてSi−O結合(105eV近傍)のバインドエネル
ギに関してもピークが認められる。これに対して、図4
(B)に示すように、表面処理後にあっては、Si−S
i結合(100eV近傍)に関しては同様にピークが認
められるのに対してSi−O結合(105eV近傍)に
関してはピークが認められず、従って、自然酸化膜(S
iO2 )が略完全に除去されていることが判明した。
【0024】また、保護膜82の昇華時のプロセス圧力
及びプロセス温度を種々変更して行なった結果、プロセ
ス圧力に関しては、上限は100mTorr程度であ
り、これ以上圧力が高いと、保護膜82の昇華が十分に
行なわれなかった。また、プロセス温度に関しては、下
限は100℃程度であり、これ以上温度が低いと、保護
膜82の昇華が十分に行なわれなかった。
【0025】また、ここではプラズマ形成部56とし
て、マイクロ波発生源58とエベンソン型の導波管60
を用いた場合を例にとって説明したが、これに替えて、
図5に示すようにプラズマ形成部56として、例えば1
3.56MHzのRF(Radio Frequenc
y)波を発生する高周波発生源86と、プラズマ形成管
14の一部に巻回した誘導コイル88とにより構成して
もよい。この誘導コイル88と高周波発生源86との間
は整合回路90を介して接続されて、インピーダンスマ
ッチングが図られている。この場合には、RF波を誘導
コイル88に供給することによって誘導結合によってプ
ラズマが発生することになり、前述した実施例と同様な
作用効果を発揮する。
【0026】上記した各種のガス流量は、単に一例を示
したに過ぎず、実施例の値に限定されないのは勿論であ
る。また、NF3 ガスを供給するシャワーヘッド70
は、プラズマ形成管14の下端の流出口64の所に設け
たが、これに限定されず、導波管60を設けた位置より
もダウンフローの下流側ならばどこに位置させてもよ
い。その理由は、プラズマ内にNF3 ガスが存在する
と、これが過度に活性化されて石英製のプラズマ形成管
14を激しくエッチングするからである。
【0027】更に、シャワーヘッド70の構造は、リン
グ状に限定されず、ガス孔を有する配管をいわゆる格子
状に配設するようにしてもよいし、或いはシャワーヘッ
ドに限定されず、単なるガス導入ノズルによりNF3
スを導入させるようにしてもよい。また、ここではシリ
コン表面上の自然酸化膜の除去を例にとって説明した
が、これに限定されず、金属シリサイド上に発生した自
然酸化膜、例えばWSix、TiSix、CoSix、
AlSix、NiSix上に発生した自然酸化膜を除去
する際にも本発明を適用できるのは勿論である。更に、
マイクロ波及びRF波の周波数は、ここで説明したもの
に限定されず、他の周波数のものを用いてもよいのは勿
論である。
【0028】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の表面処理
方法及びその装置によれば、次のように優れた作用効果
を発揮することができる。N2 ガスとH2 ガスをプラズ
マにより活性化し、この活性ガス種によりNF3ガスを
活性化して、これらと被処理体表面の自然酸化膜とを反
応させて保護膜を形成し、その後、加熱によりこの保護
膜を昇華させるようにしたので、薬液を用いることなく
被処理体表面上の自然酸化膜を容易に除去乃至クリーニ
ングすることができる。また、NH3 ガスは用いていな
いので、NF3 ガスの他は、除害設備を設ける必要がな
く、設備コストを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の表面処理装置を示す構成図である。
【図2】NF3 ガス供給部を示す平面図である。
【図3】本発明方法を説明するための工程図である。
【図4】本発明方法による表面処理前と表面処理後の被
処理体の表面原素分析の結果を示すグラフである。
【図5】プラズマ形成部の変形例を示すグラフである。
【図6】自然酸化膜を除去する従来の表面処理方法を説
明するための図である。
【符号の説明】
10 自然酸化膜 12 表面処理装置 14 プラズマ形成管 16 処理容器 20 載置台 32 加熱手段 36 加熱ランプ 44 プラズマガス導入部 52 N2 ガス源 54 H2 ガス源 56 プラズマ形成部 58 マイクロ波発生源 60 エベンソン型の導波管 66 覆い部材 68 NF3 ガス供給部 70 シャワーヘッド 80 NF3 ガス源 82 保護膜 86 高周波発生源 88 誘導コイル W 半導体ウエハ(被処理体)

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 プラズマ形成部を有するプラズマ形成管
    と、該プラズマ形成管内にN2 ガスとH2 ガスを供給す
    るプラズマガス導入部と、前記プラズマ形成管に接続さ
    れて、内部に被処理体を載置する載置台を設けた処理容
    器と、前記プラズマ形成管内をダウンフローする活性ガ
    ス種にNF3 ガスを添加するNF3 ガス供給部と、前記
    載置台を所定の温度に加熱する加熱手段とを備えたこと
    を特徴とする表面処理装置。
  2. 【請求項2】 前記プラズマ形成部は、マイクロ波を発
    生するマイクロ波発生源と、発生したマイクロ波を前記
    プラズマ形成管内へ導入する導波管とよりなることを特
    徴とする請求項1記載の表面処理装置。
  3. 【請求項3】 前記プラズマ形成部は、RF波を発生す
    る高周波発生源と、このRF波を前記プラズマ形成管内
    へ導入する誘導コイルとよりなることを特徴とする請求
    項1記載の表面処理装置。
  4. 【請求項4】 前記載置台の上方には、前記プラズマ形
    成管の流出口と連通された傘状の覆い部材が設けられて
    いることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載
    の表面処理装置。
  5. 【請求項5】 被処理体の表面に形成された自然酸化膜
    を除去する表面処理装置において、N2 ガスとH2 ガス
    の混合ガスをプラズマにより活性化して活性ガス種を形
    成する工程と、該活性ガス種のダウンフローにNF3
    スを添加してNF3 ガスを活性化する工程と、形成され
    たNF3 ガスの活性ガス種を被処理体の表面に晒してこ
    れを前記自然酸化膜と反応させて保護膜を形成する工程
    と、前記被処理体を所定の温度に加熱することにより前
    記保護膜を昇華させる工程とを備えたことを特徴とする
    表面処理方法。
  6. 【請求項6】 前記所定の温度は、100℃以上である
    ことを特徴とする請求項5記載の表面処理方法。
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