CN1158692C - 半导体器件的制造装置及制造方法 - Google Patents

Abstract

晶体生长装置由真空容器(10)、加热灯(12)、对加热灯(12)进行控制的灯控制器(13)、气体通入口(14)、调节气体流量的流量调节器(15)、测量衬底温度的高温计(19)、将乙硅烷等气体供到真空容器(10)的供气单元(30)组成。椭圆偏振光谱测量装置由光源(20)、起偏器(21)、调制器(22)、分析器(24)、分光仪/检测单元(25)以及计算Ψ、Δ的分析控制装置(26)组成。在去除衬底上的化学氧化膜时，通过现场椭圆偏振光谱测量，来识别氧化膜覆盖衬底面的phase 1和衬底的一部分已经露出来的phase 2，从而向各phase适当地提供和停供气体。

Description

半导体器件的制造装置及制造方法

技术领域

本发明涉及适于制造被组装在电子机器等内的晶体管、电容器等这样的半导体器件的制造方法及制造装置。

背景技术

靠在半导体衬底上的外延生长来形成半导体膜是一种技术。在形成各种半导体元件的时候得到普遍采用。比如，最近几年，很多人都在研究的一种技术为：让硅、SiGe等晶体在半导体衬底上外延生长，因为用它能制造出异质结双极型晶体管等高性能器件。例如可通过先在真空容器内对半导体衬底加热，接着将气体源供到半导体衬底表面的UHV-CVD法，或者将加热固体源而获得的分子束供到半导体衬底的MBE法来实现该硅系之外延生长。

无论使用上述哪一种晶体生长法，只要外延生长时衬底表面上有杂质，该杂质就会成为核，进而发生晶体缺陷，以致所生成的晶体层的质量显著下降。因此，在晶体生长开始时，半导体衬底的表面必须非常干净。清洗完半导体衬底后，再通过药液处理在半导体衬底上形成一不含碳等杂质的、很薄(10～20左右)的化学氧化膜，之后在真空容器内将该氧化膜去除，便可得到一干净的表面。

Ishizaka等人在论文(1986年，Journal of ElectrochemicalSociety，第666页)、Tatsumi等人在论文(1985年，Japanese Journalof Applied

Physics，第24卷，第4号，第L227页)中，详细地记述了利用该化学氧化膜来获得一干净表面的保护氧化膜法。

化学氧化膜本身是造成晶格缺陷的一个原因，所以必须在晶体生长开始时将它全部去除。问题是：要去除化学氧化膜，则必须进行加热处理，该处理温度(750～850℃左右)又比晶体生长时的温度(450～600℃)高。

对为制备器件而已图案化了的衬底进行热处理后，便会出现杂质浓度分布变化、图案变形等问题。因此，为确保器件特性，最好是尽量地降低衬底加热温度并缩短时间。从确保半导体器件特性的角度来看，尽可能地使该加热处理工序低温化和短时化就显得非常重要了。此乃化学氧化膜的加热处理要在高温下进行，难以确保器件特性之故。

到目前为止，对去除化学氧化膜的加热处理工序做了以下的观察，以期实现加热处理工序的低温化和短时化。

—利用硅系气体带来的氧化膜去除反应的低温化及现有的观察方法—

二氧化硅是化学氧化膜的主要构成成分，其单体是一种很稳定的物质。然而，若构成半导体衬底的硅和二氧化硅在半导体衬底—氧化膜的界面上起反应而生成一氧化硅的话，一氧化硅便会挥发，因为一氧化硅的挥发性很强，二氧化硅就这样消失了。

因此，不断地供给含硅的气体，并同时进行在半导体衬底的表面部分形成一氧化硅的反应，将对加快保护氧化膜去除反应很有效。Hirayama等人在论文(1987年，Applied Physics Letters第51号第2213页)中这样指出：以前在真空条件下去除一个氧化膜所需的温度、时间分别为840℃、10分，与此相比，若将硅烷(SiH4)通入真空容器内来去除同一个氧化膜的话，若去除温度相同(840℃)，则去除时间会缩短到2分钟；若去除时间相等(10分)，则去除温度会降到815℃。

我们还知道：将硅烷等硅系气体直接供来，将它们裂解后再供来这两个做法都是很有效的。前者可见日本专利公开公报特开昭64-4026号；后者可见日本专利公开公报特开平1-305893号。

这些论文和公报中所记述的是：利用反射高能电子衍射(RHEED：Reflection High-energy Electron Diffraction)，边观察边去除氧化膜。

然而，若利用上述论文、公报中所叙述的处理中所使用的反射高能电子衍射，则必须在真空室内进行测量。这样以来，虽然能够测知氧化膜全部被去除的状态，但几乎不可能观察出利用蚀刻气体去除氧化膜的过程中状态的详细变化情况。因此，就很难根据氧化膜去除的进行状态来适当地改变加热处理条件了。

结果，上述论文、公报中所叙述的处理方法，仅仅是靠凭经验而定的条件来去除氧化膜的，能视氧化膜在去除过程中的变化情况而将它去除的最合适的方法，至今尚未找到。特别是氧化膜的去除机理也尚不明确。

发明内容

本发明的目的在于：采用能现场观察保护氧化膜的去除过程的方法，提供能适当地根据氧化膜的去除情况来去除氧化膜的半导体器件的制造方法及制造装置。

本发明所涉及的半导体器件的制造装置，是一在要去除形成在半导体衬底上的氧化膜时使用的半导体器件的制造装置，其中有盛放半导体衬底的真空容器；被设置在上述真空容器上并能对真空容器内的半导体衬底加热的衬底加热装置；将能与上述氧化膜起反应而生成挥发性物质的气体供到上述真空容器内的供气装置；利用已偏振的测量光的偏振光p和偏振光s的相变差，即信号Δ，检测上述半导体衬底上的氧化膜的去除状态的偏振光解析装置；以及根据由上述偏振光解析装置检测到的信号Δ，对去除上述半导体衬底上的氧化膜所需的条件进行控制的控制装置。

这样，便能够根据高灵敏度地检测出氧化膜的去除状态的偏振光解析信号Δ，对去除氧化膜所需的条件进行适当的控制。比如，能够根据氧化膜去除过程的进行情况，对以下两种氧化膜去除过程做一适当的组合。即不断地通入气体，让在氧化膜表面上所形成的挥发性物质从氧化膜表面挥发，这样来除氧化膜；和不通入什么气体，让在氧化膜和半导体衬底的界面上所生成的挥发性物质先扩散到氧化膜中，然后再让它挥发，这样来去除氧化膜。结果：因氧化膜的去除时间，即加热时间缩短了，半导体器件特性的恶化就能得到抑制，也就能制造出高性能的半导体器件了。

最好在上述半导体器件的制造装置中的上述控制装置，具有判断该在哪一个时刻切换以下两个过程的功能，即将上述气体供到上述真空容器内而进行处理的过程；和不供给上述气体，即在实际上无上述气体的气氛下进行处理的过程。

最好上述半导体器件的制造装置还可作外延生长装置用。

本发明所涉及的第一种半导体器件的制造方法，是一种半导体器件的制造方法，包括在真空容器内，去除形成在半导体衬底上的氧化膜的去除氧化膜工序，在所述工序中：从氧化膜去除过程的开始到过了规定时间这一段时间内，边加热上述半导体衬底，边将能和上述氧化膜起反应而生成挥发性物质的气体供到真空容器内；当上述规定时间一过，立刻停止供气到上述真空容器内，而在一实际上无上述气体的气氛下加热半导体衬底，这样来去除氧化膜。

按此方法，能够遵循氧化膜去除过程中，氧化膜覆盖整个半导体衬底的前半期间，和从一部分氧化膜被去除而使一部分半导体衬底表面露出来到氧化膜全部去除为止的后半期间这两个期间内，不同的氧化膜去除机理，做到在前半期间内，主要是通入气体以求尽快将氧化膜去除；在后半期间内，主要是不通入什么气体，以防由于气体和衬底起反应而生成的物质堆积到已经露出来的半导体衬底上。也就是说，由于能缩短去除氧化膜所需的时间，即加热时间，半导体器件特性就不会恶化且半导体衬底的表面就非常干净，结果是能够制备出高性能的半导体器件。

在上述第一种半导体器件的制造方法中，在上述去除氧化膜的工序里，定义从开始去除氧化膜到有一部分氧化膜消失，以致底层即半导体衬底的一部分露出来为阶段1；定义有一部分底层开始露出来到氧化膜已全部除干净为阶段2时，就能根据从阶段1切换到阶段2的那一时刻来决定所规定的停供上述气体的时间，从而根据由我们要制造的半导体器件所允许的气体所生成的物质的堆积程度，最有效地去除氧化膜。

在上述第一种半导体器件的制造方法中，利用能检测出已偏振的测定光的偏振光p和偏振光s的相变差，即信号Δ的偏振光解析来监视上述氧化膜的去除过程，从偏振光解析数据中获知从上述阶段1转换到阶段2的那一时刻，再根据已获知的那一时刻来控制所规定的停供上述气体的时间，以此对从阶段1转换到阶段2的时刻和停供上述气体的时刻进行最有效的调节。

在上述第一种半导体器件的制造方法中，从上述偏振光解析数据中，获知上述阶段1进行到了从上述阶段1开始到它结束时所需时间的所规定的百分比的那一时刻，再根据它来决定停供上述气体的所规定的时间。这样，靠一较简单的控制，便能迅速地判断出停供气体的那一时刻。

最好在上述第一种半导体器件的制造方法中，上述所规定的百分比在50％以上、95％以下。

在上述第一种半导体器件的制造方法中，能够根据上述偏振光解析数据，在上述通入气体的过程中，至少对气体流量、压力以及衬底温度这三者中之一进行控制来改变它，从而做到：进行和氧化膜的去除状态相适应的控制。

最好在上述第一种半导体器件的制造方法中，上述去除氧化膜的工序是一去除半导体晶体层开始在半导体衬底上外延生长之前的保护用氧化膜的工序。

本发明所涉及的第二种半导体器件的制造方法，是一种半导体器件的制造方法，包括在真空容器内，去除形成在半导体衬底上的氧化膜的去除氧化膜工序，在所述工序中：利用能检测出已偏振的测定光的偏振光p和偏振光s的相变差，即信号Δ的偏振光解析来监视上述氧化膜的去除过程，再根据该偏振光解析数据来控制氧化膜的去除条件；包括边加热上述衬底，边将能与上述氧化膜起反应而生成挥发性物质的气体通入上述真空容器内的过程；上述对条件的控制，至少是上述通入气体的过程中，控制气体供给量、压力以及衬底温度这三者中之一。

按此方法，也就是现场偏振光解析，便能够在制造过程中，以很高的灵敏度获知时时刻刻变化着的氧化膜的厚度等信息，并能够根据这些信息设定出针对每一个时刻的适宜的氧化膜去除条件，以期制出高性能的半导体器件。

在上述第一种或者第二种半导体器件的制造方法中，在进行上述偏振光解析时，使衬底温度保持不变，以提高解析精度。

最好在上述第二种半导体器件的制造方法中，上述去除氧化膜的工序包括边加热上述衬底，边将能与上述氧化膜起反应而生成挥发性物质的气体通入上述真空容器内的过程；上述对条件的控制，至少是控制上述通入气体之过程中的气体供给量、压力以及衬底温度这三者中之一。

最好在上述第二种半导体器件的制造方法中，上述去除氧化膜的工序，是去除半导体晶体层开始在半导体衬底上外延生长之前的保护用氧化膜的工序。

本发明所涉及的第三种半导体器件的制造方法，是一种半导体器件的制造方法，包括在真空容器内，去除形成在半导体衬底上的氧化膜的去除氧化膜工序，在所述工序中：以从开始去除氧化膜到规定时间过后的这一段时间内，边加热上述半导体衬底，边将能和上述氧化膜起反应而生成挥发性物质的气体供到真空容器内；另一方面，上述规定时间一过，便停止供气到上述真空容器内，而在一实际上无上述气体的气氛下加热半导体衬底来去除氧化膜为前提，事先利用能检测出已偏振的测定光的偏振光p和偏振光s的相变差，即信号Δ的现场偏振光解析来求得上述氧化膜的去除状态和至少上述气体流量、压力以及衬底温度这三者中之一间的相关关系，在上述去除氧化膜的工序里，在根据上述相关关系而决定好的上述那一规定时间，停供上述气体的方法。

按此方法，即使在实际的制造工序中不进行什么偏振光解析，只要能事先做好现场偏振光解析，便能利用去除氧化膜的进行状态和氧化膜的去除条件间的相关关系，就能够适当地切换靠加热和不断供气来去除氧化膜，和不供气了，仅靠加热去除氧化膜。换句话说，既可使控制和制造装置简单化，又可制出我们想要的半导体器件。

按上述第三种半导体器件的制造方法，在上述去除氧化膜的工序里，定义从开始去除氧化膜到有一部分氧化膜消失，以致一部分底层即半导体衬底露出来为阶段1；定义有一部分底层开始露出来到氧化膜已全部除干净为阶段2。在该情况下，上述去除氧化膜的进行状态和上述条件间的相关关系，也就成了阶段1和阶段2所需的时间与上述条件间的相关关系了，因此便能够根据在阶段1和阶段2中，氧化膜去除机理的不同，来设定合适的停供气体的时刻等。

在上述第一种、第二种以及第三种半导体器件制造方法中，上述气体中至少含有硅、锗二者中之一。

在这种情况下，上述气体中可至少含有乙硅烷、硅烷二者中之一，也可含锗烷。

本发明所涉及的第四种半导体器件的制造方法，是一种半导体器件的制造方法，包括在真空容器内，去除形成在半导体衬底上的氧化膜的去除氧化膜工序，在所述工序中：定义从开始去除氧化膜到有一部分氧化膜消失，以致一部分半导体衬底露出来为阶段1；定义有一部分底层开始露出来到氧化膜已全部除干净为阶段2的情况下，使阶段1和阶段2的最高衬底温度不一样的方法。

利用此法，可在权衡了去除氧化膜所需的时间即加热时间的缩短，和防止异物沾到已露出的半导体衬底表面上这二者间的利弊之后，选出一和我们要制造的半导体器件相对应的更有利的衬底温度条件。也就是说，能制造出具备它所应具备的性能的半导体器件。

在上述第四种半导体器件的制造方法中，上述阶段1中的最高衬底温度比阶段2的最高衬底温度高，这样便可缩短去除氧化膜时所需的时间。

最好在上述第四种半导体器件的制造方法中，在上述去除氧化膜的工序里，从开始去除氧化膜到规定时间过后这一段时间内，边加热上述半导体衬底边将能和上述氧化膜起反应而生成挥发性物质的气体供到真空容器内；另一方面，上述规定时间一过，立刻停止供气到上述真空容器内，而在一实际上无上述气体的气氛下加热半导体衬底，这样来去除氧化膜。

附图说明

图1用断面图示出了在本发明所涉及的实施例的实验中，所使用的带椭圆偏振光谱测量装置的晶体生长装置的一部分。

图2(a)～(c)示出了保护氧化膜即化学氧化膜的蚀刻工序里的具体过程。

图3示出了在真空气氛并加热到800℃的条件下去除氧化膜时，进行了现场观察后而获得的信号Δ和ψ的变化情况。

图4示出的是在图3所示的氧化膜去除反应的时间内，Δ的变化情况的放大图。

图5是图4所示的阶段1下的点A所对应的衬底表面的电镜照片的复印图。

图6是图4所示的阶段2下的点B所对应的衬底表面的电镜照片的复印图。

图7示出了在氧化膜的去除过程中，将乙硅烷通入晶体生长装置内时，信号ψ和Δ的变化情况。此时，流量为1sccm，时间为15分。

图8示出的是在进行图5所示的实验时，使用不同的能量同时测得的ψ和Δ中具有代表性的ψ和Δ。

图9示出的是通过实验而求得的在氧化膜去除的阶段1下，反应速度随时间的变化情况。

图10示出的是通过实验而求得的在氧化膜去除的阶段2下，反应速度随时间的变化情况。

图11示出的是通过实验而求得的在真空气氛下和乙硅烷气氛下去除氧化膜所需的时间随衬底温度的变化情况。

图12示出的是通过实验而求得的在真空条件下去除氧化膜所需的时间，分为阶段1和阶段2。

图13示出的是通过实验而求得的在乙硅烷气氛下去除氧化膜所需的时间，分为阶段1和阶段2。

图14示出的是真空气氛下和乙硅烷气氛下，阶段1和阶段2中氧化膜去除反应模型。

图15概略地示出了椭圆偏振光谱测量装置的结构的侧面图，用它来测量被测物，即衬底上的外延区域里的化学氧化膜形成区域。

图16示出的是本发明的实施例所涉及的一种异质结场效应管，即HCMOS器件的剖面图。

图17(a)～(c)是剖面图，示出了本发明的实施例中的HCMOS器件的一部分制造工序。

具体实施方式

下面，从可应用本发明来制造的半导体器件、所使用的装置、观察到的数据以及条件控制等这几个方面，来说明本发明的实施例。

适于制造的半导体器件及测量装置

椭圆偏振光谱法的测量原理—

图15概略地示出了椭圆偏振光谱仪(椭圆偏振光谱测量装置)的结构的侧面图，可用它来测量被测物—衬底上外延区域的化学氧化膜形成区域。其工作原理为：从氙灯光源射出的氙光通过偏光镜变成线偏振光后，再以与垂直于衬底面的方向成θ0角的角度射入衬底，作为椭圆偏振光反射回来的光经检偏器后，再射入分光仪，边分光，边由检测器测量每一波长下的复数折射率N＝n-ik。其中入射光的直线偏振光的光轴倾斜于方向p(垂直于光轴的面与包括入射光和反射光的面相交而成的交线方向)、方向s(在垂直于光轴的面内和p方向正交的方向)。

对偏振光p和偏振光s的反射率因试样而异。这里，设对偏振光p的复数反射率为Rp，对偏振光s的复数反射率为Rs，那么，Rp和Rs之比ρ＝Rp/Rs也就为复数了。

这里，ρ”tanψe^iΔ，即定义ψ、Δ分别如下：

ψ＝tan^-1|ρ|

Δ＝arg|ρ|便能用两个实数ψ、Δ来表示复数ρ。ψ、Δ是椭圆偏振光谱法中的基本参数，ψ被称为振幅反射率，Δ被称为相位差。

ψ、Δ和试样的光学常数之间有着极其密切的关系。如当试样为一组成单一的非常厚的平板时，衬底的复数折射率N＝n？ik与ψ、Δ之间的关系如下式(1)、(2)所示。其中，θ0为入射光和衬底法线间所成的角度。

n2？k2＝sin2θ0{1+[tan2θ0(cos22ψ？sin22ψsin2Δ)

        /(1+sin2cosΔ)2]}(1)

2nk＝(sin2θ0 tan2θ0 sin4ψsinΔ)/(1+sin2ψcosΔ)2(2)

在试样表面形成有薄膜的情况下，以及表面、薄膜间的界面不平坦的情况下，试样的复数折射率和ψ、Δ之间的关系也就更复杂了。

以下是本案发明人的新发现，只要能测量出反射光的Δ、ψ，即使不求试样的复数折射率N，也能获得去除化学氧化膜时所需的重要信息(后述)。

—半导体器件及其制造工序之例—

图16示出的是本发明的实施例所涉及的异质结场效应管中的一种，即HCMOS器件的剖面图。如该图所示，在硅衬底101上，依次形成SiGe驰豫缓冲层102、SiGe缓冲层103、n型高浓度掺杂层104、间隔层105、n沟道层106、p沟道层107、Si盖层108以及栅极绝缘膜109。衬底上还形成有n沟道型场效应管(称其为n-HMOS)的栅电极113和p沟道型场效应管(称其为p-HMOS)的栅电极118。在位于栅电极113两侧的SiGe缓冲层103、n型高浓度掺杂层104、间隔层105、n沟道层106、p沟道层107以及Si盖层108中，每一层的一部分导入n型杂质，而形成了n-HMOS的源极区域110和漏极区域111。在位于栅电极118两侧的SiGe缓冲层103、n型高浓度掺杂层104、间隔层105、n沟道层106、p沟道层107以及Si盖层108中，每一层的一部分内导入p型杂质，而形成了p-HMOS的源极区域115和漏极区域116。其中，为获得晶格常数大于硅衬底101内的单晶硅的晶格常数的结晶面，而在SiGe驰豫缓冲层102内逐渐增大锗的含量，从0到10％。SiGe缓冲层103是为防止发生在SiGe驰豫缓冲层102内的晶格缺陷影响沟道层106和沟道层107而形成的。n型高浓度掺杂层104是一能将载流子提供给n沟道层106的层。间隔层105，是为防止n型高浓度掺杂层104内已离子化的杂质侵入n沟道层106，载流子发生散射，而从空间上将它们隔离开了。上述SiGe缓冲层103和间隔层105都是由Ge含量10％的SiGe形成的。而上述n型高浓度掺杂层104是由Ge含量20％的SiGe形成的。

n-HMOS中的n沟道层106是电子移动的层；p-HMOS中的p沟道层107是空穴移动的层。Si盖层108是为了在它和由SiGe形成的p沟道层107的上端间形成异质界面而形成的。

图17(a)～(c)示出的是实施例中的HCMOS器件的一部分制造工序的剖面图。

在图17(a)所示的工序里，对其上已形成有n阱和p阱(未图示)的硅衬底101进行RCA等清洗处理，去除表面上的杂质后，将它放入晶体生长装置内。此时，厚15左右的化学氧化膜120形成在硅衬底101的主面上。

在图17(b)所示的工序里，通过预备室(load lock)将衬底导入真空容器内后，再在真空容器内去除化学氧化膜120。在后述的图1所示的真空容器内，加热衬底并通入乙硅烷等，即可完成该去除工作。详情后述。

在图17(c)所示的工序里，让SiGe层、Si层在硅衬底101上进行外延生长。

若此时将源气体通入晶体生长装置内，则可使用的硅源气体有：硅烷(SiH4)、乙硅烷(Si2H6)等氢化硅类；可使用的锗源气体有：锗烷(GeH4)。

首先，让SiGe驰豫缓冲层102在硅衬底101上生长。这是为获得一晶格驰豫的SiGe层，而让Ge含量逐渐增大(例如，增大百分率为5％)的混晶层生长的。SiGe驰豫缓冲层102的总厚为1μm左右。接着，让组成单一的SiGe缓冲层103在SiGe驰豫缓冲层102上生长，其中的Ge含量为10％。该SiGe缓冲层103的厚度可在30～50nm左右。接着，在SiGe缓冲层103上让n型高浓度掺杂层104生长，Ge含量为20％。此时的掺杂是在把硅源气体、锗源气体与含杂质的掺杂气体都通到晶体生长装置的情况下进行的。接着，在n型高浓度掺杂层104长好后到间隔层105开始生长时为止，停供PH3，让锗含量10％、厚度1～2nm左右的间隔层生长。间隔层105的组成分子式为SiO.7Ge0.3，锗含量比n型高浓度掺杂层104的锗含量低。

接着，让由硅形成的n沟道层106在间隔层105上生长。再让由SiGe形成的p沟道层107在其上生长。接着，再让Si盖层108在p沟道层107上生长。到此便完成了整个外延生长过程。最后生长的Si盖层108，是为了在它和其下的由SiGe形成的p沟道层107之间形成异质界面而让它生长的。不仅如此，还可以利用该盖层，并通过热氧化形成硅氧化膜做栅极绝缘膜。栅极氧化后，剩下1nm厚的Si盖层108就行了。

上述外延生长过程完成以后，大致上按普通的SiCMOS的形成过程，就能制成HCMOS。也就是说，氧化外延生长已完成的衬底表面(Si盖层108的表面)，以形成栅极氧化膜109。再在衬底上沉积多晶硅膜，然后进行图案化，以形成栅电极113和118。之后，以覆盖p-HMOS形成区域的光阻膜和栅电极113为屏蔽，把n型杂质(磷)离子注到衬底内，以形成n-HMOS的源极区域110及漏极区域111。之后，再以覆盖n-HMOS形成区域的光阻膜和栅电极118为屏蔽，把p型杂质(硼)离子注到衬底内，以形成p-HMOS的源极区域115及漏极区域116。

通过上述工序，很容易地就能制出其结构如图16所示的HCMOS器件。

—装置—

下面，说明是如何对硅衬底上的保护氧化膜的去除过程进行动态观察的。这时，在进行外延生长的晶体生长装置上，安装了现场观察用椭圆偏振光谱测量装置，用它来进行偏正光解析。

图1示出的是实施例中的晶体生长装置的部分剖面图，该装置上还安装有实验所用椭圆偏振光谱测量装置，所用成膜方法为UHV-CVD法。如上所述，在本实施例的图17(b)所示的工序中，使用该晶体生长装置。

如图1所示，晶体生长装置由以下几部分组成。分别为：收容硅衬底上形成有化学氧化膜(氧化膜)的衬底11，去除该氧化膜并进行外延晶体生长的真空容器10；对衬底11加热的加热灯12；控制加热灯12以调节衬底温度的灯控制器13；向真空容器10内通入气体的气体通入口14；调节气体流量的流量调节器15；真空泵16以及测量衬底温度的高温计19。上述流量调节器15被设在连接真空容器10和将乙硅烷等气体供到真空容器10内的气体供给单元30的管道上。

椭圆偏振光谱测量装置由以下几部分组成。分别为：光源20；调节入射光的偏振状态的起偏器21；调制入射光的调制器22；接收来自被测物，即衬底11的形成有氧化膜的那一个面上的反射光的分析器24；将反射光分光并测量信号强度的分光仪/检测单元25；根据检测单元15所测得的信号，计算出用椭圆偏振光谱法测得的基本量，即ψ、Δ，并对条件做出判断后，再将控制信号传送给各装置的分析控制装置26。

此外，还备有能让入射光射到真空容器内的真空窗17，和从真空容器10内将反射光取出的真空窗18，好对真空容器10内的试样进行观察。最好是使用靠椭圆偏振光谱法进行测量的、市售的低应变真空窗来做真空窗17和18。

在本实施例中，使用的是能用多个波长进行测量的椭圆偏振光谱测量装置，因此以能生成较宽波谱的光的灯(例如，氙灯)作光源20，用具有分光功能的器件来作分光仪/检测单元25。不过，在本发明中，也可以使用只处理单一波长的椭圆偏振光谱测量装置，此时所使用的光源20及分光仪/检测单元25也就可以是对应于单一波长的了，从而能实现装置构造的简单化。

如上所述，椭圆偏振光谱测量装置是一种将直线偏振的光照射到被测物上，再根据从被测物上反射回来的光的偏振状态的变化，获知薄膜的厚度·组成、表面以及界面的平坦性等各种信息的测量装置。其特征为以下几点：可以在不破坏试样的情况下进行测量；即使在有反应气体的气氛下，光也几乎不会被吸收，故测量精度高等。

本发明是利用该椭圆偏振光谱测量装置来对氧化膜去除工序进行控制的。不仅如此，该椭圆偏振光谱测量装置，还可以用来测量氧化膜去除后，所生长的晶体薄膜的膜厚·组成等，所以它在半导体器件的制造工程中的利用价值很高。

—氧化膜的去除过程—

图2(a)～(c)示出了保护氧化膜—化学氧化膜的蚀刻工序里的步骤。图2(a)示出了衬底温度随时间的变化情况；图2(b)示出了乙硅烷流量随时间的变化情况。图2(c)示出了锗烷流量随时间的变化情况。这里，我们对最基本的氧化膜去除步骤进行说明。

先用硫酸混合溶液清洗衬底，去除金属和有机物杂质，再通过水洗充分地洗掉药液，然后用氨混合溶液系药液将表面杂质去除，再进行水洗。

以上的清洗处理和本发明无关，所以改换用其他药液进行清洗的工序也是可以的。例如，可使用Ishizaka等人在论文中所叙述的有机类、硝酸类等其他药液。

因在清洗完毕的这一阶段，有时氧化膜会形成在衬底的表面，所以为形成均匀的保护氧化膜，便这样做：将衬底浸泡在3％左右的稀氟酸中30秒左右，将表面的氧化膜去除。然后，用软水轻轻地冲洗一下已经过氟酸处理的晶片，对表面的斥水性进行确认。当斥水性不够时，说明还残留有氧化膜，所以可再次进行氟酸处理、水洗，直到斥水性充分为止。结束软水冲洗，对具有充分斥水性的晶片进行药液处理，便能形成保护氧化膜了。

形成保护氧化膜时所用的药剂，主要有氨混合溶液系药剂和盐酸混合溶液系药液，但若使用后者，则容易在处理后生长的晶体层中发生缺陷，所以使用氨混合溶液系，可生长出良好的晶体。

如上所述，可使用体积比为1∶6∶20的NH3∶H2O2∶H2O溶液作药液，将衬底浸在药液(约70℃)里约一分钟，在衬底表面上形成厚约15～20左右的氧化膜。

用软水进行冲洗，以便在形成有保护氧化膜的晶片表面上不残留下什么药液。再用氮气等进行干燥，然后将它传送并放入晶体生长装置中。

为保持晶体生长室的超高真空状态，将衬底暂时插入预备室内，待将真空度从大气压升到3×10-7Torr(约0.04mPa)左右后，再把它从预备室传送到晶体生长室中。

在将生长室的真空度上升到10-10Torr(约1.33×10-10mPa)左右的那一时刻(例如，时刻t1)，开始进行加热处理。本实施例中所使用的装置，是利用了可在300℃以上的温度范围下使用的高温计来测量衬底温度的。所以要在2分钟左右快速地将它加热到300℃。

开始对衬底加热，到衬底温度上升到800℃左右为止。为更明确氧化膜去除过程的物理现象，在做这个实验的时候，迅速地加热到了800℃。但在实际制作器件的时候，若在该阶段使温度急剧上升，则热应变会加到衬底上而出现滑移线(slip line)，所以最好是将温度上升率控制在20～50℃/min左右。

接下来，进行保护氧化膜的去除过程。保护氧化膜在大约710℃以上的温度下就可被去除，然而，温度越低，所需要的去除时间就越长；温度高的话，器件的特性会由于杂质分布发生变化等而恶化。于是，本实施例是在800℃的温度下去除它的。为在较短的时间内去除氧化膜，本实施例是从温度达到800℃的那一时刻(时刻t2)就开始将lsccm的乙硅烷(Si2H6)通到晶体生长装置内的。

如上所述，在去除氧化膜以外的场合下，椭圆偏振光谱中的信号也会因衬底温度发生变化而跟着变化，所以在结束之前后，保持衬底温度不变，则能比较容易地检测出伴随着氧化膜去除结束的信号的变化。因此，在本实施例中，到氧化膜去除结束为止，一直将衬底温度保持在800℃。若是在考虑了衬底温度的变化的基础之上再对信号的变化加以分析的话，则即使是温度正在发生变化，也是能够检测出氧化膜已被去除的那一时刻的。在这一段时间内，伴随着氧化膜的去除，ψ、Δ会跟着变化，特别是在氧化膜已完全被去除的那一时刻，Δ的变化突然地变缓，所以可参照该变化，用椭圆偏振光谱法来检测氧化膜完全被去除的那一时刻(时刻t3)。

在用椭圆偏振光谱法检测到氧化膜已完全被去除的那一时刻，控制信号被送到灯控制器13及流量调节器15，开始冷却一直冷却到适于晶体在衬底上生长的那一温度，且停供为去除氧化膜而通入真空容器10的乙硅烷。这时，采用的是机械式自动化控制。不过，不使用自动化控制，而是让人们对椭圆偏振光谱的测量结果进行分析，并对灯控制器和流量调节器做一合适的设定，或者对它进行适当的改变等。

在到达适于晶体生长的温度(450℃～600℃左右)的那一时刻(时刻t4)，将能让晶体生长的源气体(在让硅生长的情况下，为硅烷或者乙硅烷等；在让SiGe生长的情况下，除了供给硅源气体外，再一起供给锗烷等)供到真空容器10。

为对氧化膜去除反应进行解析而做的观察

图3示出了在真空气氛并加热到800℃的条件下去除氧化膜时，利用现场椭圆偏振光谱法进行观察所获得的信号Δ和ψ的变化情况。该图的横轴表示时间(秒)，纵轴表示Δ或者ψ(度)。这里，被测量的氧化膜(化学氧化膜)是这样得到的：先用硫酸·过氧化氢和氨·过氧化氢清洗衬底，再通过氟酸处理将表面的氧化膜去除，然后用70℃的氨混合溶液(NH3∶H2O2∶H2O＝1∶6∶20)处理一分钟，即可形成它。将它放入晶体生长装置内以后，立刻用椭圆偏振光谱法进行测量，所测得的氧化膜的厚度为16左右。

在该实验中，在一开始的150秒左右的时间内，迅速地将衬底温度加热到800℃，并将它(衬底温度为800℃)保持30分钟，之后对衬底进行冷却，直冷却到室温。从温度开始上升到经过了约2.5分(150秒)为止的这一段时间内，以及从温度上升开始到经过了约34分(约2000秒)之后的这一段时间内，信号的变化是因衬底温度的变化而变化的，即信号的变化和氧化膜的去除无关。也就是说，即使是对同一个试样，温度一变化，Δ、ψ就会变化，所以在用椭圆偏振光谱法进行观察的时候，最好是保持衬底温度不变。

这里，在将衬底温度保持在800℃不变的30分钟(1800秒)的时间里，只有在一开始的7分钟(420秒)内，Δ、ψ随着氧化膜去除反应的进行而同时增大，在氧化膜去除已基本结束，即经过了11分钟(660秒)以后的时间内，Δ、ψ都成了定值了。

图4示出的是在图3所示的氧化膜去除反应的时间内，Δ的变化情况的放大图。由该图可知，在进行去除氧化膜的反应过程中，Δ一开始只是慢慢地在增大，过了某一时刻t1以后，才开始急速地增大。这里，将一开始缓慢增大的部分，称为阶段1；将后半急剧增大的部分称为阶段2。

—阶段1和阶段2所代表的物理意义—

图5和图6都是显微镜照片的复印图，在图4所示的阶段1、2的各点A、B，停止去除氧化膜，将衬底11从晶体生长装置内取出来，然后对衬底11的表面进行电镜摄影，即可得到显微镜照片。因观察对象是一非常薄的氧化膜难以观察，为易于观察，而让SiGe仅在氧化膜消失且底层的洁净的硅表面露出来的部分上生长，这样来获得图5所示的显微镜照片。

由图5可知，在阶段1中，氧化膜去除工序已停止的衬底11上，氧化膜仍覆盖着整个底层，即硅衬底。与此相对，由图6可知，在阶段2中，氧化膜去除过程已停止的衬底11上，既有残留着氧化膜的区域Re1，又有在一部分氧化膜消失且洁净的硅衬底表面已经露出来的部分上生长了SiGe晶体层的区域Re2。也就是说，在实际的制造过程中，形成有该SiGe层的区域Re2是由于一部分氧化膜被去除而形成的孔。

于是，可知：保护氧化膜并不是通过对晶体生长装置加热，在其膜厚均匀减少的情况下消失的。而是在某些部分出现孔且暴露出底层，即硅的洁净表面，然后该孔逐渐扩大而消失的。

要想在利用上述现有的RHEED等观察方法的情况下，检测出氧化膜去除过程中，阶段1和阶段2的切换时刻是很困难的。但是，若能够象本发明这样，利用现场椭圆偏振光谱法进行观察，便可从图4所示出的Δ的上升率的变化中，检测出从阶段1切换到阶段2的时刻。

—由乙硅烷带来的反应低温化—

下面要叙述的是，在乙硅烷气氛下所进行的去除氧化膜的实验，此时所使用的衬底，为同于上述实验中所使用的衬底11的、其上形成有氧化膜(化学氧化膜)的衬底。

图7示出的是在氧化膜的去除过程中，将乙硅烷通入晶体生成装置内时，信号ψ和Δ的变化情况。此时，流量为1sccm，时间为15分。该图中的横轴表示时间(秒)，纵轴表示ψ和Δ(度)。由该图可知，利用乙硅烷来去除氧化膜，也和图3所示的在真空下去除氧化膜一样，在氧化膜的去除反应过程中，ψ、Δ都在增大；当氧化膜去除结束时，ψ、Δ基本上都成为一定值。还有，在去除反应的进行过程中，Δ的增大率出现一次变化。还有，和在真空下完全去除氧化膜所需要的时间相比，此时完全去除氧化膜时所需要的时间明显地被缩短了。

—椭圆偏振光谱法中所使用的测量光的波长和灵敏度—

图8示出的是在进行图3所示的实验时，使用不同的能量同时测得的ψ和Δ中具有代表性的ψ和Δ。

在这里所示出的所有能量下，都能看到去除氧化膜时所伴随的信号的变化。能量为3.5eV以上时，信号变化不大。由此可知，用3.0eV以下的能量，将能比较容易地检测出氧化膜是否已被完全去除。

—氧化膜去除反应对温度的依赖性—

接着，测量了在真空气氛下和乙硅烷气氛下去除氧化膜时，不同的衬底温度下，氧化膜去除的阶段1、阶段2所需要的时间。

图9示出的是在氧化膜去除的阶段1下，反应速度随时间的变化情况。图10示出的是在氧化膜去除的阶段2下，反应速度随时间的变化情况。在图9和图10中，横轴代表衬底温度的倒数，纵轴代表反应速度，是用阶段1、阶段2所需的时间的倒数来表示的。由二图可知，该反应是一反应所需的时间的倒数的对数和衬底的绝对温度的倒数成正比，即所谓的热激活过程。

从图9求得的在真空气氛下，阶段1时的活化能为4.6eV；在乙硅烷气氛下，则为3.7eV。从图10求得的在真空气氛下，阶段2时的活化能为3.9eV，在乙硅烷气氛下，则为2.8eV。由此可知，无论在阶段1还是阶段2，利用乙硅烷去除氧化膜的反应所需的活化能，都比真空气氛下的低。

因此，若在去除氧化膜的过程中，利用乙硅烷等含硅的气体，则无论是在氧化膜还覆盖着整个衬底的阶段1，还是在一部分氧化膜消失且底层，即洁净的硅表面露出来的阶段2，氧化膜去除反应都加快了。

这里，每一个阶段的活化能是分别进行测量的，于是便能利用它，正确地预测在保护氧化膜的去除过程中，硅洁净表面开始露出的时间以及氧化膜完全消失的时间。

图11示出了在所求得的在真空气氛和乙硅烷气氛下去除氧化膜所需的时间和衬底温度间的关系。图12示出了在真空气氛下去除氧化膜时，阶段1和阶段2所需的时间。图13示出的是在乙硅烷气氛下去除氧化膜时，阶段1和阶段2所需的时间。在图11～图13中，横轴表示处理温度，纵轴表示所需的去除时间(以分表示)。

—阶段1和阶段2的氧化膜去除反应模型—

对通过上述实验而获得的数据和事实进行总结分析，得出了以下推论：即阶段1和阶段2中的氧化膜去除反应，是按以下机理进行的。图14示出了真空气氛下和乙硅烷气氛下，阶段1和阶段2的氧化膜去除反应模型。

在真空气氛下，硅和二氧化硅在硅衬底和氧化膜(SiO2)的界面起反应，而生成易挥发气体，即一氧化硅，靠该一氧化硅的挥发而将氧化膜去除。此时，在阶段1，硅衬底的整个表面被氧化膜所覆盖，所以一氧化硅要先扩散到氧化膜中，然后到达氧化膜表面，这样它才能挥发掉。也就是说，去除氧化膜所需时间的变长，可能是受到了该一氧化硅的扩散速度的影响。但是，越是氧化膜很薄的部分，一氧化硅到达氧化膜表面的时间就越短，所以和其他部分相比，在变薄的部分氧化膜被优先地去除的概率就高。因此，在阶段1，一部分氧化膜被去除，易生成图6所示的孔。孔一旦形成，则在能看到衬底的孔的底部中，硅衬底和氧化膜已不接触的部分就不会再生成什么一氧化硅了；而在孔底部的边缘，硅衬底和氧化膜相接触。还有，在该部分上所形成的一氧化硅能直接挥发到真空中，不用扩散到氧化膜中了。也就是说，和由硅衬底和一氧化硅发生反应而生成的一氧化硅扩散到氧化膜中相比，在孔底部所生成的一氧化硅的直接挥发将进行得非常快。结果，与其说是氧化膜厚度的减小，倒不如说是孔扩大的过程占了优势，而将氧化膜去除掉了。

本案发明人推论：图4所示的阶段1和阶段2中的氧化膜去除反应速度快慢的不同，是由上述氧化膜去除反应机理的不同而造成的。从而提出了以下的反应模型：以仅靠一氧化硅先扩散到氧化膜中，然后到达氧化膜表面并挥发，这样来进行氧化膜去除反应的期间为阶段1，以在该过程的基础上，再加上在孔底部边缘所生成的一氧化硅直接挥发到真空中的过程的期间为阶段2。

若将乙硅烷通入真空容器内，则乙硅烷和二氧化硅不仅在硅衬底和氧化膜界面起反应生成一氧化硅，还在氧化膜表面生成一氧化硅。图14中，用方向不同的阴影线来区分，以便于识别在硅衬底和氧化膜界面上所生成的一氧化硅和在氧化膜表面上所生成的一氧化硅。在氧化膜表面上所生成的一氧化硅直接挥发到气氛中，所以和生成在硅衬底和氧化膜界面处的一氧化硅扩散到氧化膜中后再挥发的机理相比，该机理占优势。因此，在乙硅烷中，氧化膜厚度是均匀地减小的。但是，在这种情况下，也同时进行着靠在硅衬底和氧化膜界面上所生成的一氧化硅的挥发而将氧化膜去除的反应，所以氧化膜被部分地去除而形成了孔。孔一旦形成，便开始了由孔底部的硅和二氧化硅起反应而生成的一氧化硅直接挥发到气氛中，而去除氧化膜的氧化膜去除反应。即孔开始扩大。

我们得出了以下结论：在使用乙硅烷的情况下，在阶段1，进行着通过在硅衬底和氧化膜界面上所生成的一氧化硅来去除氧化膜的氧化膜去除反应，和通过在氧化膜表面上所生成的一氧化硅来去除氧化膜的氧化膜去除反应。在阶段2，进行着通过在硅衬底和氧化膜界面上所生成的一氧化硅来去除氧化膜的氧化膜去除反应；通过在氧化膜表面上所生成的一氧化硅来去除氧化膜的氧化膜去除反应；以及在孔底部的边缘所生成的一氧化硅来去除氧化膜的氧化膜去除反应。结果，结束氧化膜去除反应所需的时间将远远地短于真空下的。该模型还合理地说明了：无论是在阶段1还是在阶段2，使用乙硅烷时的氧化膜去除反应速度比真空下的要快。

但是，因为乙硅烷还是一种能使硅晶体膜外延生长的气体，所以使用乙硅烷时，在氧化膜完全去除后，在一部分硅衬底上会形成硅晶体膜。且该硅晶体膜是在阶段2中，形成了孔後而露出来的孔底部的硅衬底上进行生长的。

值得一提的是，只要是能和二氧化硅起反应而生成一氧化硅的气体，即使不是乙硅烷，我们也可以利用它，且这时的氧化膜去除反应机理和使用乙硅烷时相同。

—对氧化膜去除反应的总结—

对以上的氧化膜去除反应进行一下总结，而得出一下几点结论：

1)氧化膜的分解过程不是在膜厚单纯地变薄的情况下进行的，而是在过了阶段1之后切换到阶段2时进行的。阶段1是一在氧化膜覆盖着整个衬底的状态下，一氧化硅先扩散到氧化膜中，而后挥发的过程；阶段2是一在一部分氧化膜上形成孔，该孔逐渐地扩大的过程。

2)用椭圆偏振光谱法进行现场测量所得到的信号，即ψ、Δ，在氧化膜分解反应的进行过程中都是增大的，而在氧化膜完全去除的那一时刻，则变为一定值。而且Δ的增长率在阶段1较小，在阶段2较大。

3)阶段1和阶段2的氧化膜分解过程都属于热激活过程，衬底温度上升时，反应进行得就快。此时，阶段2的活化能比阶段1的低。还有，在氧化膜去除过程中通入乙硅烷时，能使反应的活化能降低。

详细说明在制造过程中，是怎样对条件进行控制的

根据上述见解，可按下述做法，控制氧化膜去除过程中的条件。

—让阶段1和阶段2中的为去除氧化膜的条件不一样—

a.对气体流量的控制

因乙硅烷能使阶段1和阶段2的氧化膜去除反应的活化能降低，所以在去除氧化膜的工序中，一直通入乙硅烷的话，能使去除氧化膜时的加热温度最低，或者是能使氧化膜去除时间缩短。

但是，因乙硅烷还是让硅晶体生长的源气体，所以在氧化膜上形成孔而进入阶段2，洁净的衬底晶体表面局部地露出来以后，硅晶体便开始在这一部分上生长。在图16所示的器件中，它便表现为：在硅衬底101和硅驰豫缓冲层102之间，局部地存在着小岛状的硅层，而导致衬底的平坦性恶化。特别是，在作为集电极的n型衬底上，让被掺杂而成为p型的SiGe基极层生长的Si/SiGe双极型晶体管的制造工序中等，则会由于在集电极层和基极层之间夹上了无掺杂的硅层，而导致双极型晶体管的特性大幅度地下降。还有，在Si衬底—SiGe外延生长层的界面上有载流子移动的器件中等，局部地生长着小岛状的硅时，因在沟道内移动的载流子的散射会增大，结果也会导致器件性能下降，如迁移率下降等。

因此，为防止或者抑制这样的我们所不希望有的晶体生长，最好是在阶段2停供乙硅烷，或减少其供给量(和阶段1相比)。若在阶段1的这一段时间内，就停供乙硅烷，则能防止我们所不希望有的晶体生长。然而，停供乙硅烷越早，到氧化膜完全去除所需的时间就会越长。

于是，本实施例是根据以下想法对氧化膜的去除条件进行控制的。因在阶段1，氧化膜还覆盖着整个硅衬底，所以无论在这一段时间内供给多少乙硅烷等气体，硅晶体都不可能生长。因此，理想的做法是：在阶段1下的这一段时间内一直供给乙硅烷等气体，从切换到阶段2的那一时刻开始停供，从而在能够抑制我们所不希望有的晶体生长的条件下，而使氧化膜去除时间最短。从图3和图4所示的数据可知，在此时的衬底温度条件(800℃)下，去除氧化膜所需要的总时间被缩短了。其中被缩短的这一部分时间即为在前半过程中，从真空气氛切换到使用乙硅烷时所缩短的那一段时间。

想提一下，停供气体后，真空容器基本上成为真空气氛了，但为防止杂质再次沾到衬底表面上，有时还要通入微量的水等。这时，水等的气体无助于挥发性物质的生成，所以实质上可以看成是在真空气氛下去除氧化膜的。

然而，一面通过现场椭圆偏振光谱法进行观察，一面在从阶段1切换到阶段2时，进行控制以改变条件，且在时间上无任何延迟。这在现实中是很难做到的。于是，在本发明中，采用了对控制的切换时刻进行设定的手段(后叙)。

b.对衬底温度进行控制

到目前为止，从开始去除氧化膜到除完为止，一直保持衬底温度不变。而实际上，若能根据去除反应的进行状态来改变衬底温度的话，则会有以下的优点。

首先，在阶段1使加热温度很高，则会有以下优点。

活化能越高，反应速度对时间的依赖性就越强。所以将衬底温度升高得话，缩短去除氧化膜时所需的时间的效果就越大。相反，若氧化膜去除工序的总时间一定，那么，在整个时间内一直使衬底温度很高的话，所形成的半导体器件的特性便有恶化的可能。因此，最好是仅在阶段1，或者仅在阶段2的这一段时间内，将衬底温度保持得较高。

此时，如图9及图10所示，阶段2的反应活化能比阶段1的低。于是，要想尽量地缩短衬底温度达到最高的时间，则在活化能较高的阶段1使衬底温度高温化，促进氧化膜去除反应的效果便会很大。特别是在其上有由于高温而特性特别易变的结构的衬底上，进行晶体生长等时时，这样在阶段1设置一高温部分，在阶段2将衬底温度降下来的话，则对降低整个加热量是及其有效的。

虽然阶段2中反应的活化能比阶段1的低，但仍可通过升高衬底温度来加快去除反应。在阶段2，局部地形成孔，而让洁净的衬底表面露出来，然后露出来的部分逐渐扩大开来，这样最先露出来的部分就会长时间地露出来。因此，最先露出来的部分沾上晶体生长装置内的微量杂质的几率也就高了。也就是说，在阶段2，越将衬底温度低温化，最先露出的洁净的硅表面就越会长时间地露着，所以在不允许微量残留杂质侵入衬底的时候，最好提高阶段2的加热温度，来缩短硅衬底的一部分洁净表面露出来的时间。

如上所述，可在对所要制造的器件的结构、晶体生长装置的状态等进行了综合考虑以后，再来决定是应该在阶段1使加热温度很高，还是应该在阶段2使加热温度很高。

—切换时刻及其方法—

本发明的特征为：以通过阶段1和阶段2这两个阶段来进行氧化膜去除反应这一见解为基础，而在各个阶段按上述对气体流量(气氛的改变)、衬底温度进行优化。因此，何时改变对去除反应有影响的装置的设定条件(如气体流量、衬底温度等)，便是实施本发明的要点所在。下面，说明几种检测阶段1和阶段2间的切换时刻的方法。

a.利用现场椭圆偏振光谱法所测得的信号的增大率的变化的方法

此方法为：利用由现场椭圆偏振光谱法所测得的信号的变化，特别是检测到Δ的突变点，即意味着检测到了阶段1和阶段2的切换时刻。例如，检测出图4所示的C点，则C点所对应的时刻就可作为控制的切换时刻。

就这样，以现场椭圆偏振光谱法所测得的阶段1和阶段2的切换时刻为触发点，在对每一个衬底都进行乙硅烷等气体的气体流量控制、衬底温度控制等时，有以下优点：即使在由于衬底的不同氧化膜膜厚等出现偏差，而使每一个衬底的氧化膜去除反应的进行状况不一致的情况下，也能准确地把握住阶段1和阶段2的切换时刻，从而对流量和衬底温度进行适当的控制。还有，经现场椭圆偏振光谱法而获得的信号(Δ)的绝对值，会由于安装衬底时，每一个衬底的衬底面和测定光之间的角度有变动，或者是每一个衬底的温度有微妙的变动等，而多少出现一点偏差，但信号(Δ)的增大率的变化则不受这些变动的影响，所以控制的再现性很高。

但即使正确地检测出了阶段1在什么时候结束，从检测到信号到气体流量、衬底温度等各种条件实际上被改变，也是需要一定的时间的。还有，即使停供了乙硅烷等，在一定的时间内，晶体生长装置内也有残留着乙硅烷等的可能性。

和所有的物理测量一样，如图4所示，信号Δ的值中多多少少地混杂有噪音。因此，有时很难判断出信号在极短的时间内所发生的变化，是起因于氧化膜去除过程的阶段间的切换，还是起因于噪音。在此，要想在彻底地排除噪声的影响的情况下，确认阶段已经切换，则必须经过实际上切换已经完成，且噪音的影响可被忽视这样的一段时间。这样做的话，则控制有可能更加拖后。换句话说，用椭圆偏振光谱法检测到已进入阶段2以后，再停供乙硅烷，那么在阶段2的初期，还是会多多少少地有乙硅烷流入。

一般情况下，由于控制在某种程度上拖后，而在阶段2的初期，通入乙硅烷是不会有什么问题的。然而，有些要让它生长的器件，从它的特性方面考虑，则是无论如何也要避免控制拖后的。在这样的场合下，最好是采用下述的利用椭圆偏振光谱法而测得的信号(Δ)的绝对值的方法。

b.利用靠椭圆偏振光谱法测得的信号的绝对值的方法

利用靠椭圆偏振光谱法测得的信号(Δ)的绝对值的话，上述a.项中所说明的控制拖后问题很容易地就能得到解决。如图4所示，在阶段1，Δ的变化不大，基本上是在单纯地增大。因此，能够从某一时刻所测得的Δ值，预测出还要经多长时间才切换到阶段2。另外，图4示出的是在真空气氛下进行加热时，椭圆偏振光谱中的信号Δ，如图7所示，即使在通入了乙硅烷等气体的情况下，也只是Δ的增大率不同，曲线的形状基本上是相同的。因此这里，利用图4所示的Δ曲线来说明是怎样在边供给乙硅烷等气体，边控制停供该气体的时刻的。

例如，图4所示的方法为，从信号Δ检测出时刻T0.7，该时刻为从阶段1的开始时刻T0到切换为阶段2的时刻T1所需时间的70％，其后的切换时刻T1是通过计算而求得的。该时刻T0.7，是在例如设过程的开始时刻T0的信号值Δ0和阶段1的结束时刻T1的信号值Δ1之差为1时，所检测出的和信号值Δ0之差为0.7的信号值Δ0.7所对应的时刻。在信号Δ内混有噪音的场合下，也可以采用由噪音而引起的变动峰值来作为信号值Δ0、Δ0.7、Δ1，这样就不用花时间来计算什么平均值了。另外，阶段1的各个阶段不同于阶段1和阶段2的切换时刻，信号Δ的值是单纯地在增大，所以即使采用由噪声而引起的变动的峰值，检测精度也不会变得太差。

还有，在这样能预测出阶段1和阶段2的切换时刻的情况下，可以不在已切换到阶段2的时刻停供乙硅烷等，而在阶段1的过程中，氧化膜去除反应进行到了阶段1的所规定的那一时刻时停供乙硅烷等。也就是说，不是从已切换到阶段2的那一时刻开始停供乙硅烷等，而是在这之前就停供该气体，这样确能防止进入阶段2以后还有乙硅烷被通入。还有，考虑到在停供气体后的某一段时间内仍会有气体残留在真空容器内，若在实际的切换时刻之前停供气体，那么在阶段2开始的那一时刻，真空容器内就不存在该气体了。不过，在即使在进入阶段2以后的某一段时间内，继续供给乙硅烷等气体，也几乎不会在开口了的、露出来的硅衬底上生长硅晶体的情况下，或者即使有一些硅晶体在生长，也不会成为什么大问题的情况下，便可以在我们要制造的器件的特性不出现不良现象的范围内，下意识地在从进入了阶段2后到经过了一定时间的这一段时间内，继续供给气体。

如上所述，在一边实际利用椭圆偏振光测量来进行观察，一边确认出氧化膜去除反应进行到了什么程度的状态下，再停供乙硅烷等气体，就可彻底地避免由于过早地停供乙硅烷等气体，氧化膜去除反应的促进效果不能充分发挥出来所造成的不良现象；或者由于进入阶段2以后还错误地继续提供乙硅烷等所造成的不良现象。结果是，能在适当的时候，通入适量的乙硅烷等气体。

还有，这样只要能先检测出信号Δ的绝对值，并判断出氧化膜去除反应的进行状况，那么便能够根据氧化膜一开始反应时的厚度上的偏差，来控制氧化膜完全去除後而留下的衬底状态的偏差。例如，在氧化膜去除反应比通常的慢的情况下，便能够靠提高衬底温度，或增大乙硅烷的流量等方法来促进氧化膜去除反应的进行，以抑制氧化膜完全去除后而留下的衬底状态的偏差。

c.并用两种控制

上述b.中所述的利用所测得的绝对值来预测切换时刻的方法，和上述a.中所述的检测阶段1和阶段2的切换时刻的方法，可同时并用。例如，一开始，使乙硅烷的流量充分大，并利用测量绝对值的方法，例如，在阶段1基本上过了90％的时候，降低乙硅烷的流量，然后再利用上述b.中所述的方法，在进入了阶段2以后停供乙硅烷，便可降低进入阶段2以后还会流入的乙硅烷的流量。因此，和上述a.栏中所述的方法相比，能够更有效地抑制我们所不希望有的硅晶体的生长。而且，和在阶段1完成了90％的时候，停供乙硅烷相比，将乙硅烷通到再也不允许通入的那一时刻，可使氧化膜的去除时间更短。

在这种情况下，采用由噪声而引起的变动的峰值作为信号值的话，就可以省去消耗在为排除噪声影响上的时间。

d.通过固定条件的控制

从再现性上来看，上述通过实时测量而进行的反馈控制是比较理想的。但其不足之处是：每一次都必须通过椭圆偏振光谱法来进行监控。这里，在事先做好采用椭圆偏振光测量的实验，确保了再现性的情况下，还可以采用以下的方法。

一般情况下，若使反应条件(氧化膜厚、衬底温度以及气体气氛等)理想化，即相同，则氧化膜去除反应的进行情况也就基本上是一致的。也就是说，实际生产中所采用的制造条件(氧化膜形成条件、衬底温度以及气体气氛)下，通过现场椭圆偏振光谱法来观察氧化膜去除反应，并测量好阶段1和阶段2所需的时间的话，那么在以后利用相同的条件去除氧化膜时，便可以这个时间为基准来进行控制。换句话说，事先把握好实际生产中所采用的条件和阶段1、阶段2的切换时刻的相关关系，便可根据该相关关系来决定各种实际条件下的切换时刻。此时，若改变气体流量、衬底温度等各种生产条件，并分别求出每一个生产条件下，该条件和切换时刻之间的相关关系，那么在实际生产中可能被采用的各种条件下，都能针对各种条件来适当地控制气体流量、衬底温度等。

因为阶段1和阶段2是具有不同的活化能的热激活过程(参看图9和图10)，所以只要最少获得其他条件相同，只是衬底温度不同这样的两种条件下的实验数据，则即使不在实际所使用的每一个温度做实验，也能分别预测出阶段1和阶段2在图12和图13所示的不同温度下所需的时间。

如上所述，只要能预测出阶段1所需的时间，便能发挥出由于通入乙硅烷等气体而带来的氧化膜去除效果；设定好各种条件，以避免进入阶段2以后再通入乙硅烷而造成的我们所不希望有的晶体生长。也就是说，在希望最大限度地通入乙硅烷等气体，以缩短去除氧化膜所需的时间的情况下，例如，可在由实验所求得的阶段1这一期间内一直通入乙硅烷，若想尽量避免不良现象，例如，可仅在阶段1的前半时间内通入乙硅烷等气体。到底应该将乙硅烷通到阶段1的哪一个时刻上，要综合考虑上述效果和不良现象之后再做决定。

但是，若过早地停供乙硅烷等气体，则氧化膜去除的短时化效果会减弱，所以最好是通入乙硅烷，直通到阶段1的前一半时间(50％)以上。还有，考虑到会有控制拖后，以及停供气体后会有气体残留在内，最好是将乙硅烷等气体的通入时间限定在阶段1的整个时间的95％以内。

值得说明的是，若利用由统计方法而获得的偏差来决定阶段1中通入乙硅烷等气体所应占的整个阶段1时间的百分比的话，则能发挥出更大的效果。也就是说，可以想像：若为决定各种条件而测得的阶段1和阶段2的时间上的偏差小，实际生产过程中，从阶段1切换到阶段2的切换时刻的偏差也就小。所以，即使在阶段1的大部分时间内通入乙硅烷，错误地将乙硅烷通到阶段2的可能性也就小。相反，可以想像：若为决定各种条件而测得的时间上的偏差大，则在实际生产过程中，从阶段1切换到阶段2的切换时刻的偏差也就大。所以，若不早早地停供乙硅烷，则会出现在阶段2中还通入乙硅烷的可能性。不过，若事先反复多次地进行测量实验，并对切换时刻的偏差进行统计分析，例如，可设定不进入阶段2的几率为99％的时间等条件。

在进行商业性的大量生产，即利用多个晶体生长装置进行去除氧化膜的衬底清洁化处理时，采用这样的利用固定条件的方法的话，就不必在所有的装置上都安装上现场椭圆偏振光谱测量装置了，从而可将制造成本降下来。

—其他控制—

以上是通过对乙硅烷等气体的流量的控制，来说明对上述阶段1和阶段2的切换时刻的检测和对制造条件的切换时刻的控制等的。不仅如此，还可以通过对该切换时刻的检测和对制造条件的控制，来控制衬底温度。

此时，对乙硅烷等气体的流量进行控制的控制时刻的决定方法，以及对衬底温度进行控制的控制时刻的决定方法，是可以独立地做出选择的。还有，就是在选择了同一个方法，例如利用固定条件的方法的情况下，也可以仅使在阶段1中，停供乙硅烷等气体的时刻和开始改变衬底温度的时刻不一样。例如，在阶段1所需时间刚过50％的那一时刻，停供乙硅烷等气体；在阶段1所需时间刚过90％的那一时刻，开始改变衬底温度。

还有，在上述实施例中，是用乙硅烷作被通入晶体生长装置内的气体的，不仅如此，凡是具有能和氧化膜起反应，而生成高挥发性物质之功能的气体，例如，硅烷等氢化硅类、其他含硅的气体以及锗烷等含锗的气体等，都可在本发明中使用。挥发性高的物质并不仅限于一氧化硅。

还有，本发明的晶体生长装置以及制造方法还可被应用到：例如，要在SiGe层上形成Si层之前，必须对衬底进行RCA清洗等的场合下。

还有，在上述实施例中，在停供具有生成挥发性物质之功能的乙硅烷等气体以后(后半过程)，主要是在真空气氛下去除氧化膜的。不仅如此，有时为防止再沾上杂质，还要靠通入微量的氢气等来去除氧化膜。因在这样的场合下，氢气等不会帮助生成挥发性物质，所以可认为实际上是在真空气氛下去除氧化膜的。也就是说，本发明也可被应用到后半过程中通入微量氢气等的场合下。

在产业上的利用可能性

本发明的半导体器件的制造装置及制造方法，可用来制造电子机器上所搭载的各种晶体管。

Claims (28)

1.一种半导体器件的制造装置，是在去除形成在半导体衬底上的氧化膜时使用的半导体器件的制造装置，其中包括：

盛放半导体衬底的真空容器；

被设置在上述真空容器上并对真空容器内的半导体衬底加热的衬底加热装置；

将能与上述氧化膜起反应而生成挥发性物质的气体供到上述真空容器内的供气装置；

利用已偏振的测量光的p偏光和s偏光的相变之差，即信号Δ，检测上述半导体衬底上的氧化膜的去除状态的偏振光解析装置；

根据由上述偏振光解析装置所检测出的信号Δ，对去除上述半导体衬底上的氧化膜所需的条件进行控制的控制装置。

2.根据权利要求1所述的半导体器件的制造装置，其中：

上述控制装置，具有判断该在哪一个时刻切换以下两个过程的功能，即将上述气体供到上述真空容器内而进行处理的过程，和不供给上述气体，即在一实际上无上述气体的气氛下进行处理的过程。

3.根据权利要求1或者2所述的半导体器件的制造装置，其中：

该装置还可作外延生长装置用。

4.一种半导体器件的制造方法，包括在真空容器内，去除形成在半导体衬底上的氧化膜的去除氧化膜工序，在所述工序中：

从氧化膜去除过程的开始到过了规定时间这一段时间内，边加热上述半导体衬底，边将能和上述氧化膜起反应而生成挥发性物质的气体供到真空容器内；当上述规定时间一过，立刻停止供气到上述真空容器内，而在一实际上无上述气体的气氛下加热半导体衬底，这样来去除氧化膜。

5.根据权利要求4所述的半导体器件的制造方法，其中：

在上述去除氧化膜的工序里，定义从开始去除氧化膜到有一部分氧化膜消失，以致底层，即半导体衬底的一部分露出来为阶段1；定义有一部分底层开始露出来到氧化膜已全部除干净为阶段2，则根据从阶段1切换到阶段2的那一时刻来决定所规定的停供上述气体的时间。

6.根据权利要求5所述的半导体器件的制造方法，其中：

利用能检测出已偏振的测定光的偏振光p和偏振光s的相变差，即信号Δ的偏振光解析来监视上述氧化膜的去除过程，从偏振光解析数据中获知从上述阶段1转换到阶段2的那一时刻，再根据已获知的那一时刻来控制所规定的停供上述气体的时间。

7.根据权利要求6所述的半导体器件的制造方法，其中：

从上述偏振光解析数据中，获知上述阶段1进行到了从开始上述阶段1到它结束所需时间的一定百分比的那一时刻，并根据它来决定所规定的停供上述气体的时间。

8.根据权利要求7所述的半导体器件的制造方法，其中：

上述所规定的比例在50％以上、95％以下。

9.根据权利要求6～8中之一所述的半导体器件的制造方法，其中：

根据上述偏振光解析的数据，在上述通入气体的过程中，至少对气体流量、压力以及衬底温度这三者中之一进行控制来改变它。

10.根据权利要求6～8中之一所述的半导体器件的制造方法，其中：

在进行上述偏振光解析之时，保持衬底温度不变。

11.根据权利要求4～8中之任一权利要求所述的半导体器件的制造方法，其中：

上述去除氧化膜的工序，是一去除半导体晶体层开始在半导体衬底上外延生长前的保护用氧化膜的工序。

12.根据权利要求4～8中之任一权利要求所述的半导体器件的制造方法，其中：

上述气体中至少含有硅、锗二者中之一。

13.根据权利要求12所述的半导体器件的制造方法，其中：

上述气体中至少含有乙硅烷、硅烷二者中之一。

14.根据权利要求12所述的半导体器件的制造方法，其中：

上述气体中含有锗烷。

15.根据权利要求4所述的半导体器件的制造方法，还包括在真空容器内，去除形成在半导体衬底上的氧化膜的去除氧化膜工序，在所述工序中：

事先利用能检测出已偏振的测定光的偏振光p和偏振光s的相变差，即信号Δ的偏振光解析来求出上述氧化膜的去除状态和至少上述气体流量、压力以及衬底温度中之一间的相关关系；

在上述去除氧化膜的工序里，在根据上述相关关系而决定好的上述那一规定时间，停供上述气体。

16.根据权利要求15所述的半导体器件的制造方法，其中：

在上述去除氧化膜的工序里，定义从开始去除氧化膜到有一部分氧化膜消失，以致一部分底层即半导体衬底露出来为阶段1，定义有一部分底层开始露出来到氧化膜已全部除干净为阶段2的情况下，

上述去除氧化膜的进行状态和上述条件间的相关关系，便成了阶段1和阶段2所需的时间与上述条件间的相关关系。

17.根据权利要求15或者16所述的半导体器件的制造方法，其中：

上述气体中至少含有硅、锗这二者中之一。

18.根据权利要求17所述的半导体器件的制造方法，其中：上述气体中至少含有乙硅烷、硅烷这二者中之一。

19.根据权利要求17所述的半导体器件的制造方法，其中：上述气体中含有锗烷。

20.根据权利要求4所述的半导体器件的制造方法，包括在真空容器内，去除形成在半导体衬底上的氧化膜的去除氧化膜工序，在所述工序中：定义从开始去除氧化膜到有一部分氧化膜消失，以致一部分半导体衬底露出来为阶段1；定义有一部分底层开始露出来到氧化膜已全部除干净为阶段2的情况下，使阶段1和阶段2的最高衬底温度不一样。

21.根据权利要求20所述的半导体器件的制造方法，其中：上述阶段1中的最高衬底温度比阶段2的最高衬底温度高。

22.根据权利要求20或者21所述的半导体器件的制造方法，其中：

在上述去除氧化膜的工序里，从开始去除氧化膜到规定时间过后这一段时间内，边加热上述半导体衬底，边将能和上述氧化膜起反应而生成挥发性物质的气体供到真空容器内；上述规定时间一过，立刻停止供气到上述真空容器内，而在一实际上无上述气体的气氛下加热半导体衬底，以去除氧化膜。

23.一种半导体器件的制造方法，包括在真空容器内，去除形成在半导体衬底上的氧化膜的去除氧化膜工序，在所述工序中：

利用能检测出已偏振的测定光的偏振光p和偏振光s的相变差，即信号Δ的偏振光解析来监视上述氧化膜的去除过程，再根据该偏振光解析数据来控制氧化膜的去除条件；

包括边加热上述衬底，边将能与上述氧化膜起反应而生成挥发性物质的气体通入上述真空容器内的过程；

上述对条件的控制，至少是上述通入气体的过程中，控制气体供给量、压力以及衬底温度这三者中之一。

24.根据权利要求23所述的半导体器件的制造方法，其中：在进行上述偏振光解析之时，保持衬底温度不变。

25.根据权利要求23或24所述的半导体器件的制造方法，其中：

上述去除氧化膜的工序，是去除半导体晶体层开始在半导体衬底上外延生长前的保护用氧化膜的工序。

26.根据权利要求23或24所述的半导体器件的制造方法，其中：

上述气体中至少含有硅、锗这二者中之一。

27.根据权利要求26所述的半导体器件的制造方法，其中：上述气体中至少含有乙硅烷、硅烷这二者中之一。

28.根据权利要求26所述的半导体器件的制造方法，其中：上述气体中含有锗烷。

Images