JP2005064244A - Device and method for forming oxide film of semiconductor substrate - Google Patents

Device and method for forming oxide film of semiconductor substrate Download PDF

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Hirotoshi Yamagishi
浩利 山岸
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<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an oxide film forming device of a semiconductor substrate which easily forms a high-quality oxide film on a substrate surface with high throughput, and also to provide an oxide film forming method. <P>SOLUTION: The oxide film forming device forms an oxide film on the surface of the semiconductor substrate. The oxide film forming device at least comprises: a chamber in which the semiconductor substrate is thrown; a retention means for retaining the semiconductor substrate in the chamber; an inert gas supply means for supplying an inert gas into the chamber; an O<SP>-</SP>ion supply means for supplying an O<SP>-</SP>ion into the chamber; and a natural oxide film removal means for supplying a substance for removing a natural oxide film formed on the semiconductor substrate into the chamber. The oxide film forming device includes the oxide film forming method for forming the oxide film on the surface of the semiconductor substrate by using the oxide film forming device. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、半導体基板の表面に酸化膜を形成するための酸化膜形成装置及び酸化膜形成方法に関するものである。   The present invention relates to an oxide film forming apparatus and an oxide film forming method for forming an oxide film on a surface of a semiconductor substrate.

近年、半導体素子の高集積化や高性能化に伴い、例えばMOSキャパシタのゲート酸化膜等のような半導体基板の表面に形成される酸化膜(絶縁膜)の薄膜化が進んでいる。例えば、ハーフミクロンサイズ以下のゲート長を持つMOSFETの場合、ゲート酸化膜の厚さは10nm以下が要求されるようになってきている。   2. Description of the Related Art In recent years, with higher integration and higher performance of semiconductor elements, an oxide film (insulating film) formed on the surface of a semiconductor substrate such as a gate oxide film of a MOS capacitor has been made thinner. For example, in the case of a MOSFET having a gate length of half micron size or less, the thickness of the gate oxide film is required to be 10 nm or less.

通常、半導体基板として主に使用されているシリコン基板は、外気に触れると自然酸化膜と呼ばれる厚さがおよそ1nm程度の酸化膜で覆われてしまう。しかしながら、この自然酸化膜は、熱酸化膜等に比べてダングリングボンドやSi−Si結合などが多く含まれている。そのため、半導体基板に自然酸化膜が形成されていると、膜中に有機物や重金属等の汚染物質を取り込みやすく、またこの取り込まれた汚染物質が熱酸化工程等において酸化膜やシリコン基板に拡散して欠陥準位を形成するため、半導体素子の作製の際に品質を劣化させる原因の一つとなる。   Usually, a silicon substrate mainly used as a semiconductor substrate is covered with an oxide film having a thickness of about 1 nm called a natural oxide film when exposed to the outside air. However, this natural oxide film contains more dangling bonds, Si—Si bonds, and the like than a thermal oxide film or the like. Therefore, if a natural oxide film is formed on the semiconductor substrate, it is easy to incorporate contaminants such as organic substances and heavy metals into the film, and the incorporated contaminants diffuse into the oxide film and silicon substrate in the thermal oxidation process. As a result, defect levels are formed, which is one of the causes of quality degradation during the manufacture of semiconductor elements.

したがって、半導体基板に酸化膜を形成する際には、高品質の酸化膜を得るために、予めシリコン表面を洗浄して有機物や重金属等の汚染物質を除去するとともに自然酸化膜を除去しておき、その後基板表面に酸化膜の形成を行うことが必要となる。   Therefore, when forming an oxide film on a semiconductor substrate, in order to obtain a high-quality oxide film, the silicon surface is washed in advance to remove contaminants such as organic substances and heavy metals, and the natural oxide film is removed. Thereafter, it is necessary to form an oxide film on the substrate surface.

このような汚染物質の除去や自然酸化膜の除去に関しては、例えば塩素原子による重金属のリフトオフを利用した重金属除去、Oガスによる有機物除去、無水HFによる酸化膜除去等の方法が提案されている。これらのシリコン基板表面の処理方法は、一般にドライクリーニング法と呼ばれており、高い真空度を維持した真空容器内で行われる。そのため、シリコン基板から除去された汚染物質等は強制的に排気されて基板表面への再付着を防止でき、シリコン基板の表面を清浄にすることができる。 For removing contaminants and natural oxide films, methods such as heavy metal removal using heavy metal lift-off by chlorine atoms, organic substance removal using O 3 gas, and oxide film removal using anhydrous HF have been proposed. . These silicon substrate surface processing methods are generally called dry cleaning methods, and are performed in a vacuum container that maintains a high degree of vacuum. Therefore, contaminants and the like removed from the silicon substrate can be forcibly exhausted to prevent reattachment to the substrate surface, and the surface of the silicon substrate can be cleaned.

しかしながら、このようにシリコン基板の表面を洗浄しても、その後、酸化膜を形成するためにシリコン基板を真空容器から取り出して酸化炉へ移送する際に、シリコン基板が外気に曝されるため基板表面に再度自然酸化膜が形成されることが避けられず、この再形成された自然酸化膜中に再び汚染物質が取り込まれてしまうといった問題があった。   However, even if the surface of the silicon substrate is cleaned in this way, the silicon substrate is exposed to the outside air when the silicon substrate is taken out of the vacuum vessel and transferred to the oxidation furnace to form an oxide film. There is a problem that a natural oxide film is formed again on the surface, and contaminants are taken into the regenerated natural oxide film again.

そこで、このような問題を解決するために、特許文献1では、有機物の除去及び自然酸化膜の除去を行う準備室と酸化膜の形成を行う酸化炉とが開閉自在な仕切り弁を介して気密に連結されており、この仕切り弁を開けて半導体ウエハを外気に曝すことなく準備室から酸化炉に移動するようにした絶縁膜製造装置を開示している。このような絶縁膜製造装置を用いれば、熱酸化直前の半導体ウエハ表面を清浄な状態に保つことができ、高品質の絶縁膜を製造することが可能となる。   Therefore, in order to solve such a problem, in Patent Document 1, a preparation chamber for removing organic substances and a natural oxide film and an oxidation furnace for forming an oxide film are hermetically sealed via a gate valve that can be opened and closed. An insulating film manufacturing apparatus is disclosed in which the gate valve is opened and the semiconductor wafer is moved from the preparation chamber to the oxidation furnace without being exposed to the outside air. By using such an insulating film manufacturing apparatus, the surface of the semiconductor wafer immediately before thermal oxidation can be kept clean, and a high-quality insulating film can be manufactured.

しかしながら、この特許文献1に記載された絶縁膜製造装置は、準備室と酸化炉とを気密に連結する構造を有するため、製造装置自体が非常に大掛りなものとならざるを得ず、設備コストへの負担が大きいものであった。さらに、半導体基板に準備室で有機物の除去と自然酸化膜の除去を行った後は、熱酸化工程(ゲート酸化膜形成工程)しか行うことができないため、工程の自由度が極めて少ないという欠点もあった。   However, since the insulating film manufacturing apparatus described in Patent Document 1 has a structure in which the preparation chamber and the oxidation furnace are connected in an airtight manner, the manufacturing apparatus itself must be very large, The burden on the cost was great. Furthermore, after removing organic substances and natural oxide film from the semiconductor substrate in the preparation chamber, only the thermal oxidation process (gate oxide film forming process) can be performed. there were.

そこで、特許文献2では、工程の自由度拡大と設備コストの低減を図るために、シリコン基板を真空容器内にセットして前記真空容器内を真空排気系により排気する排気工程と、前記真空容器内で前記シリコン基板の表面をドライクリーニング法により洗浄して前記シリコン基板の表面から有機物等の汚染物質や自然酸化膜を除去する表面洗浄工程と、前記真空容器内で前記シリコン基板の表面に保護用の極薄酸化膜を形成する保護膜形成工程とを順次実行した後、前記真空容器から前記シリコン基板を取り出して次工程へ移送し、酸化装置で前記シリコン基板の表面に絶縁用の酸化膜を形成するようにした酸化膜の製造方法を開示している。   Therefore, in Patent Document 2, in order to increase the degree of freedom of the process and reduce the equipment cost, an evacuation process in which a silicon substrate is set in a vacuum vessel and the inside of the vacuum vessel is evacuated by a vacuum evacuation system, and the vacuum vessel A surface cleaning process in which the surface of the silicon substrate is cleaned by a dry cleaning method to remove organic substances and other contaminants and natural oxide films from the surface of the silicon substrate, and the surface of the silicon substrate is protected in the vacuum vessel. A protective film forming step for forming an ultra-thin oxide film is sequentially performed, and then the silicon substrate is taken out from the vacuum container and transferred to the next step, and an insulating oxide film is formed on the surface of the silicon substrate by an oxidizer. The manufacturing method of the oxide film which formed it is disclosed.

しかしながら、このような特許文献2の酸化膜の製造方法では、シリコン基板にドライクリーニング法を施す際に真空容器内を6×10−7Pa以下の高真空状態となるまで排気しなければならないので、長い処理時間が必要とされ、スループットの低下を招いていた。また、シリコン基板表面に保護用の極薄酸化膜を形成する際に、赤外線ランプでシリコン基板を500℃程度まで加熱して基板表面を酸化するため、基板表面を再び汚染する恐れがあるという問題があった。さらに、特許文献2では、表面洗浄工程で汚染物質を除去する際に酸素ガスをオゾン化するための紫外線ランプや、シリコン基板を加熱するための赤外線ランプ等を設置する必要があるので、装置の構造が複雑になるといった問題もあった。 However, in such an oxide film manufacturing method of Patent Document 2, when a dry cleaning method is performed on a silicon substrate, the inside of the vacuum vessel must be evacuated to a high vacuum state of 6 × 10 −7 Pa or less. A long processing time is required, resulting in a decrease in throughput. In addition, when forming a protective ultra-thin oxide film on the silicon substrate surface, the silicon substrate is heated to about 500 ° C. with an infrared lamp to oxidize the substrate surface, which may cause contamination of the substrate surface again. was there. Furthermore, in Patent Document 2, it is necessary to install an ultraviolet lamp for ozoneizing oxygen gas or an infrared lamp for heating a silicon substrate when removing contaminants in the surface cleaning process. There was also a problem that the structure became complicated.

ところで、従来、シリコン基板上に酸化膜を形成する方法として、熱酸化法やプラズマCVD法などが用いられている。しかしながら、熱酸化法を用いて酸化膜を形成する場合では、酸化膜の形成領域が面方向に広がってしまい、集積回路の高密度化、微細化には対応できないという致命的欠点があった。また、プラズマCVD法の場合でも、微小な酸化膜形成領域で酸化膜の厚さを制御することは非常に困難であった。   Conventionally, a thermal oxidation method, a plasma CVD method, or the like is used as a method for forming an oxide film on a silicon substrate. However, in the case of forming an oxide film using a thermal oxidation method, the oxide film formation region spreads in the plane direction, which has a fatal defect that it cannot cope with higher density and miniaturization of integrated circuits. Even in the case of the plasma CVD method, it is very difficult to control the thickness of the oxide film in a minute oxide film formation region.

特に近年、例えば半導体基板のトレンチ内を酸化する際に方向性を持たせて酸化膜を形成することが必要とされることがあるが、その場合、熱酸化法やプラズマCVD法で対応することは非常に困難であった。また、今後トレンチのサイズはますます微小になることが予想されるため、酸化膜を微小な領域で方向性を持たせて形成できる酸化膜形成方法の開発が望まれていた。   In particular, in recent years, for example, when oxidizing the inside of a trench in a semiconductor substrate, it may be necessary to form an oxide film with directionality. In such a case, it is necessary to cope with thermal oxidation or plasma CVD. Was very difficult. In addition, since the size of the trench is expected to become smaller in the future, it has been desired to develop an oxide film forming method capable of forming an oxide film with directionality in a minute region.

それに対して、特許文献3では、シリコン基板に酸化膜を形成する方法として、酸素を含むプラズマを発生し、このプラズマ中の酸素負イオンをシリコン基板に照射するシリコン基板の酸化膜形成方法が開示されており、またその際に、シリコン基板に高周波バイアス及び/または直流バイアスを印加して酸素負イオンをシリコン基板に照射することが開示されている。   On the other hand, Patent Document 3 discloses a method of forming an oxide film on a silicon substrate by generating a plasma containing oxygen and irradiating the silicon substrate with oxygen negative ions in the plasma. In this case, it is disclosed that a high frequency bias and / or a direct current bias is applied to the silicon substrate to irradiate the silicon substrate with oxygen negative ions.

このような方法を用いてシリコン基板に酸化膜を形成することにより、熱酸化法のように面方向に酸化が広がることが殆どなく、酸化膜が方向性をもって形成されるため、所望の領域を所望の深さまで好適に酸化できるようになった。   By forming an oxide film on a silicon substrate using such a method, oxidation hardly spreads in the surface direction unlike the thermal oxidation method, and the oxide film is formed with directionality. It became possible to oxidize suitably to a desired depth.

しかしながら、この特許文献3による酸化膜形成方法では、基板に形成されている自然酸化膜の除去を別の手段で行わなければならないので、前述したような自然酸化膜が再形成されるという問題があり、さらに酸素を含むプラズマを発生する手段が必要とされるため、装置が非常に大掛りなものとなるし、また装置の構造が複雑になるといった問題もあった。   However, in the oxide film forming method according to Patent Document 3, since the natural oxide film formed on the substrate must be removed by another means, there is a problem that the natural oxide film as described above is re-formed. Furthermore, since a means for generating plasma containing oxygen is required, the apparatus becomes very large and the structure of the apparatus becomes complicated.

特開平3−66126号公報JP-A-3-66126 特開平7−74165号公報JP-A-7-74165 特開2002−280369号公報JP 2002-280369 A 西岡将輝,李全新,定方正毅、”アルミナセメントC12A7表面からの活性酸素の生成”、静電気学会2002年全国大会講演論文集、29aA−7、pp.253−256(2002)Masaaki Nishioka, Zenshin Lee, Masatsugu Sadakata, “Generation of Active Oxygen from Alumina Cement C12A7 Surface”, Proceedings of the Annual Conference of the Electrostatic Society 2002, 29aA-7, pp. 253-256 (2002)

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、半導体基板の表面に酸化膜を形成する際に、高真空状態の形成や半導体基板を高温に加熱を行わず、またプラズマを発生させるような大掛かりな装置を用いることもなく、基板表面に高品質の酸化膜を容易にかつ高いスループットで形成することのできる半導体基板の酸化膜形成装置及び酸化膜形成方法を提供することにある。   Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and the object of the present invention is to form a high vacuum state or heat the semiconductor substrate to a high temperature when forming an oxide film on the surface of the semiconductor substrate. Oxide film forming apparatus and oxide film formation of a semiconductor substrate that can easily form a high-quality oxide film on the substrate surface with high throughput without using a large-scale apparatus for generating plasma It is to provide a method.

上記目的を達成するために、本発明によれば、半導体基板の表面に酸化膜を形成するための装置であって、少なくとも、前記半導体基板が投入されるチャンバと、該チャンバ内で前記半導体基板を保持する保持手段と、前記チャンバ内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、前記チャンバ内にOイオンを供給するOイオン供給手段と、前記チャンバ内に半導体基板に形成されている自然酸化膜を除去するための物質を供給する自然酸化膜除去手段とを具備することを特徴とする半導体基板の酸化膜形成装置が提供される(請求項1)。 In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided an apparatus for forming an oxide film on a surface of a semiconductor substrate, comprising at least a chamber into which the semiconductor substrate is placed, and the semiconductor substrate in the chamber. holding means for holding and a inert gas supply means for supplying an inert gas into the chamber, O into the chamber - O supplying ions - and an ion supplying means, are formed on the semiconductor substrate in the chamber There is provided an oxide film forming apparatus for a semiconductor substrate, comprising a natural oxide film removing means for supplying a substance for removing the natural oxide film.

このような構成を有する半導体基板の酸化膜形成装置であれば、チャンバ内を高真空状態にしなくとも、常圧状態(または常圧に近い状態)で半導体基板に汚染物質の除去及び自然酸化膜の除去を行うことができ、またその後基板を外気に曝すことなく常温、常圧状態で酸化膜の形成を行うことが可能となるので、高品質の酸化膜を基板表面に容易にかつ高いスループットで形成できる酸化膜形成装置とすることができる。また、本発明の酸化膜形成装置は、装置自体の構成が簡単でコンパクトなものとなるため、設備コストへの負担を大幅に軽減できる。   In the case of an oxide film forming apparatus for a semiconductor substrate having such a configuration, contaminants can be removed from the semiconductor substrate and a natural oxide film in a normal pressure state (or a state close to normal pressure) without setting the chamber in a high vacuum state. Since the oxide film can be formed at room temperature and normal pressure without exposing the substrate to the outside air, a high-quality oxide film can be easily formed on the substrate surface with high throughput. Thus, the oxide film forming apparatus can be formed. In addition, since the oxide film forming apparatus of the present invention has a simple and compact structure, the burden on the equipment cost can be greatly reduced.

この場合、前記Oイオン供給手段が、前記Oイオンを12CaO・7Alから生成して前記チャンバ内に供給するものであることが好ましい(請求項2)。
12CaO・7Alは、通称アルミナセメントC12A7として知られており、酸化カルシウムとアルミナから非常に安価に製造することのできる材料である。また、この材料は負イオンとして高い選択率でOイオンのみを連続的に生成できることが報告されている(非特許文献1参照)。そして、本発明の酸化膜形成装置において、Oイオン供給手段が、このような12CaO・7Alを利用してOイオンを生成するものであれば、Oイオンのみをチャンバ内に連続的に安定して供給することができる。また、12CaO・7Alは人体や環境への影響も非常に小さいので、材料の取扱いや廃棄等が容易であり、またコストダウンも期待できる。
In this case, it is preferable that the O ion supply means generates the O ions from 12CaO · 7Al 2 O 3 and supplies them into the chamber.
12CaO · 7Al 2 O 3 is commonly known as alumina cement C12A7, and is a material that can be manufactured from calcium oxide and alumina at a very low cost. Moreover, it has been reported that this material can generate | occur | produce only O < - > ion continuously with high selectivity as a negative ion (refer nonpatent literature 1). In the oxide film forming apparatus of the present invention, if the O ion supply means generates O ions using such 12CaO · 7Al 2 O 3 , only the O ions are contained in the chamber. It can be supplied continuously and stably. Further, 12CaO.7Al 2 O 3 has a very small influence on the human body and the environment, so that handling and disposal of the material can be easily performed, and cost reduction can be expected.

さらに、本発明の半導体基板の酸化膜形成装置は、前記チャンバの排気を行う排気手段を具備することが好ましい(請求項3)。
このように酸化膜形成装置が排気手段を具備していれば、例えば不活性ガス供給手段から不活性ガスを供給する前に、排気手段によってチャンバ内の雰囲気中に含まれている窒素や水分を効果的に取り除くことが可能となる。したがって、例えばその後チャンバ内にOイオンを供給した際にOイオンが窒素や水分と結合するのを確実に防止することができるので、Oイオンによる汚染物質の除去や酸化膜の形成を非常に効果的に行うことができる。
Furthermore, the oxide film forming apparatus for a semiconductor substrate according to the present invention preferably includes an exhaust means for exhausting the chamber.
Thus, if the oxide film forming apparatus includes the exhaust means, for example, before supplying the inert gas from the inert gas supply means, nitrogen or moisture contained in the atmosphere in the chamber is removed by the exhaust means. It can be effectively removed. Therefore, for example, when O ions are subsequently supplied into the chamber, it is possible to reliably prevent O ions from binding to nitrogen or moisture, so that it is possible to remove contaminants by O ions and to form oxide films. Can be done very effectively.

また、前記自然酸化膜除去手段が、無水HFを供給するものであることが好ましい(請求項4)。
このように自然酸化膜除去手段が無水HFを供給するものであれば、チャンバ内に保持された半導体基板の自然酸化膜除去を非常に効果的に行うことのできる酸化膜形成装置となる。
Preferably, the natural oxide film removing means supplies anhydrous HF.
If the natural oxide film removing means supplies anhydrous HF as described above, the oxide film forming apparatus can perform the natural oxide film removal of the semiconductor substrate held in the chamber very effectively.

さらに、前記不活性ガス供給手段が、アルゴンガス又はヘリウムガスを供給するものであることが好ましい(請求項5)。
このように不活性ガス供給手段がアルゴンガス又はヘリウムガスを供給するものであれば、チャンバ内をアルゴンガス等の不活性ガスで容易に充満できるので、基板に洗浄や自然酸化膜の除去を行った後に汚染物質の再付着や自然酸化膜の再形成が生じるのを防止することができる。
Further, it is preferable that the inert gas supply means supplies argon gas or helium gas.
If the inert gas supply means supplies argon gas or helium gas in this way, the chamber can be easily filled with an inert gas such as argon gas, so that the substrate is cleaned and the natural oxide film is removed. After that, it is possible to prevent the reattachment of contaminants and the re-formation of the natural oxide film.

このとき、前記酸化膜を形成する半導体基板は、シリコン基板であることが好ましい(請求項6)。
このように、本発明の半導体基板の酸化膜形成装置は、半導体デバイスの主要材料であるシリコン基板の表面に酸化膜を形成する際に特に好適に用いることができ、シリコン基板の表面に高品質の酸化膜を容易にかつ高いスループットで形成することが可能となる。
At this time, the semiconductor substrate on which the oxide film is formed is preferably a silicon substrate.
As described above, the oxide film forming apparatus for a semiconductor substrate of the present invention can be particularly suitably used when forming an oxide film on the surface of a silicon substrate which is a main material of a semiconductor device, and has a high quality on the surface of the silicon substrate. This oxide film can be formed easily and with high throughput.

さらに、本発明によれば、半導体基板の表面に酸化膜を形成する方法であって、前記半導体基板をチャンバ内に保持した後、該チャンバに不活性ガスを供給しながら、先ずOイオンを導入して前記半導体基板を洗浄し、次に自然酸化膜除去物質を導入して前記半導体基板に形成されている自然酸化膜を除去し、その後再びOイオンを導入して前記半導体基板の表面に酸化膜を形成することを特徴とする半導体基板の酸化膜形成方法が提供される(請求項7)。 Further, according to the present invention, there is provided a method for forming an oxide film on a surface of a semiconductor substrate, wherein the semiconductor substrate is held in a chamber and then an O ion is first supplied while supplying an inert gas to the chamber. Introducing and cleaning the semiconductor substrate, then introducing a natural oxide film removing material to remove the natural oxide film formed on the semiconductor substrate, and then introducing O ions again to introduce the surface of the semiconductor substrate. An oxide film is formed on the semiconductor substrate, and a method for forming an oxide film on a semiconductor substrate is provided.

このようにして半導体基板の表面に酸化膜を形成することによって、一つのチャンバ内で、半導体基板の洗浄や自然酸化膜の除去を常圧状態(または常圧に近い状態)で行うことができるとともに、その後基板を外気に曝すことなく常温、常圧状態で酸化膜の形成を行うことができるので、高品質の酸化膜を基板表面に容易にかつ高いスループットで形成することができる。   By forming the oxide film on the surface of the semiconductor substrate in this manner, the semiconductor substrate can be cleaned and the natural oxide film can be removed in a normal pressure state (or a state close to normal pressure) in one chamber. At the same time, since the oxide film can be formed at normal temperature and normal pressure without exposing the substrate to the outside air, a high quality oxide film can be easily formed on the substrate surface with high throughput.

このとき、前記チャンバ内に導入するOイオンを、12CaO・7Alから生成することが好ましい(請求項8)。
このようにOイオンを、12CaO・7Alから生成すれば、Oイオンのみをチャンバ内に連続的に安定して導入することができる。また、12CaO・7Alを用いれば、材料の取扱いや廃棄等を容易に行うことができるし、さらにコストダウンも期待できる。
At this time, it is preferable that O ions introduced into the chamber are generated from 12CaO · 7Al 2 O 3 (claim 8).
Thus, if O ions are generated from 12CaO · 7Al 2 O 3, only O ions can be continuously and stably introduced into the chamber. If 12CaO · 7Al 2 O 3 is used, handling and disposal of materials can be easily performed, and further cost reduction can be expected.

この場合、前記12CaO・7Alから生成したOイオンを、不活性ガスをキャリアガスとして前記チャンバ内に導入することが好ましい(請求項9)。
このように、不活性ガスをキャリアガスとしてOイオンをチャンバ内に導入すれば、Oイオンの供給を容易にかつ円滑に行うことができるし、また半導体基板表面での反応を容易に制御できる。
In this case, it is preferable that O ions generated from the 12CaO · 7Al 2 O 3 are introduced into the chamber using an inert gas as a carrier gas.
Thus, O inert gas as a carrier gas - is introduced ions into the chamber, O - to the supply of ions can be easily and smoothly it is also easily controlled reaction at the semiconductor substrate surface it can.

また、前記チャンバに不活性ガスを供給する前に、前記チャンバ内の排気を行うことが好ましい(請求項10)。
このように、チャンバに不活性ガスを供給する前にチャンバの排気を行えば、不活性ガスを導入する前のチャンバ内の初期雰囲気中に含まれている窒素や水分等を効果的に取り除くことが可能となる。したがって、例えばその後チャンバ内にOイオンを供給した際にOイオンが窒素や水分と結合するのを確実に防止することができるので、Oイオンによる半導体基板の洗浄や酸化膜の形成を非常に効果的に行うことができる。
Further, it is preferable that the chamber is evacuated before supplying the inert gas to the chamber.
Thus, if the chamber is evacuated before supplying the inert gas to the chamber, nitrogen or moisture contained in the initial atmosphere in the chamber before introducing the inert gas is effectively removed. Is possible. Thus, for example, then into the chamber O - formation of cleaning and oxide film of the semiconductor substrate by ion - it is possible ions is prevented reliably from being bonded to the nitrogen and water, O - O upon supply ions Can be done very effectively.

さらに、前記自然酸化膜除去物質を無水HFとすることが好ましく(請求項11)、また前記不活性ガスをアルゴンガス又はヘリウムガスとすることが好ましい(請求項12)。
自然酸化膜除去物質を無水HFとすれば、チャンバ内に保持された半導体基板の自然酸化膜除去を非常に効果的に行うことができる。また、不活性ガスをアルゴンガス又はヘリウムガスとすれば、半導体基板に洗浄や酸化膜除去を行った後、汚染物質の再付着や自然酸化膜の再形成が生じるのを確実に防止できる。
Furthermore, it is preferable that the natural oxide film removing substance is anhydrous HF (Claim 11), and the inert gas is preferably argon gas or helium gas (Claim 12).
If the natural oxide film removing material is anhydrous HF, the natural oxide film removal of the semiconductor substrate held in the chamber can be performed very effectively. Further, if the inert gas is argon gas or helium gas, it is possible to reliably prevent the reattachment of pollutants and the re-formation of the natural oxide film after the semiconductor substrate is cleaned or the oxide film is removed.

そして本発明では、前記半導体基板をシリコン基板とすることができ(請求項13)、特に、前記シリコン基板の直径を150mm以上とすることができる(請求項14)。
このように、本発明は、シリコン基板の表面に酸化膜を形成する場合に非常に好適に用いることができる。特に、シリコン基板はOイオンとの反応性が高いため、自然酸化膜の除去後にOイオンをチャンバ内に導入することによりシリコン基板表面に高速で酸化膜を形成でき、スループットを大幅に向上できる。さらに、本発明は、シリコン基板の直径を150mm以上とすることができ、近年特に需要の高まっている直径が200mmや300mmあるいはそれ以上の大口径シリコン基板の表面に高品質の酸化膜を効率良く安定して形成することができる。
In the present invention, the semiconductor substrate can be a silicon substrate (claim 13), and in particular, the diameter of the silicon substrate can be 150 mm or more (claim 14).
Thus, the present invention can be used very suitably when an oxide film is formed on the surface of a silicon substrate. In particular, the silicon substrate is O - due to the high reactivity with the ion, O after removal of the native oxide film - at a high speed silicon substrate surface can form an oxide film by introducing ions into the chamber, significantly improved throughput it can. Further, according to the present invention, the diameter of the silicon substrate can be set to 150 mm or more, and a high-quality oxide film is efficiently formed on the surface of a large-diameter silicon substrate having a diameter of 200 mm, 300 mm, or more, which has recently been particularly demanded. It can be formed stably.

さらに、前記半導体基板の表面に酸化膜を形成した後、500℃以上1100℃以下の温度で15秒以下のランプ加熱処理(RTA処理)を行うことが好ましい(請求項15)。
本発明では、以上に説明したようにシリコン基板の温度を高温にすることなく極薄酸化膜を厚さの精度よく形成することができる。しかしながら、室温で形成した酸化膜はピンホールなどが多数形成されることがあり、ゲート酸化膜などに供するには絶縁破壊強度が弱いためデバイスに応用することが難しくなる場合が考えられる。また、シリコンとシリコン酸化膜の界面に欠陥ができて界面準位ができMOSトランジスターのデバイス特性に悪影響を与える恐れもある。そこで、上記のように半導体基板の表面に厚さ精度の優れた酸化膜を形成した後、500℃以上1100℃以下の温度で15秒以下のランプ加熱処理(RTA処理;Rapid Thermal Annealing)を行うことによって、酸化膜中の欠陥やシリコンと酸化膜界面の欠陥を消滅させることができ、デバイスに供することができる極めて高品質の酸化膜を得ることができる。
Further, after forming an oxide film on the surface of the semiconductor substrate, it is preferable to perform lamp heating treatment (RTA treatment) for 15 seconds or less at a temperature of 500 ° C. or higher and 1100 ° C. or lower (claim 15).
In the present invention, as described above, an ultrathin oxide film can be formed with high accuracy without increasing the temperature of the silicon substrate. However, the oxide film formed at room temperature may have a large number of pinholes and the like, and it may be difficult to apply to a device because the dielectric breakdown strength is weak for use as a gate oxide film. In addition, defects may be formed at the interface between the silicon and the silicon oxide film, resulting in an interface state, which may adversely affect the device characteristics of the MOS transistor. Therefore, after forming an oxide film with excellent thickness accuracy on the surface of the semiconductor substrate as described above, a lamp heat treatment (RTA treatment; Rapid Thermal Annealing) is performed at a temperature of 500 ° C. to 1100 ° C. for 15 seconds or less. As a result, defects in the oxide film and defects at the interface between silicon and the oxide film can be eliminated, and an extremely high-quality oxide film that can be used for a device can be obtained.

以上説明したように、本発明によれば、半導体基板の洗浄や自然酸化膜の除去を常圧状態(または常圧に近い状態)で行うことができ、またその後基板を外気に曝すことなく常温、常圧状態で酸化膜の形成を行うことができるので、高品質の酸化膜を基板表面に容易にかつ高いスループットで形成することができる。さらに、本発明の半導体基板の酸化膜形成装置は、構成が簡単でコンパクトなものとなるため、設備コストへの負担を大幅に軽減でき、コストダウンを図ることができる。   As described above, according to the present invention, the cleaning of the semiconductor substrate and the removal of the natural oxide film can be performed in the normal pressure state (or a state close to the normal pressure), and then the substrate is not exposed to the outside air at room temperature. Since the oxide film can be formed under normal pressure, a high quality oxide film can be easily formed on the substrate surface with high throughput. Furthermore, since the oxide film forming apparatus for a semiconductor substrate according to the present invention has a simple structure and is compact, the burden on the equipment cost can be greatly reduced and the cost can be reduced.

以下、本発明について実施の形態を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
本発明者等は、半導体基板の表面に常温、常圧の状態で高品質の酸化膜を容易に形成することのできる方法について鋭意検討を重ねた結果、12CaO・7Al(通称アルミナセメントC12A7)に着目し、この12CaO・7Alを利用してOイオンを生成することによって常温、常圧状態で半導体基板の洗浄及び基板表面への酸化膜形成を容易にかつ極めて効率的に行うことが可能となることを見出して、本発明を完成させた。
Hereinafter, although an embodiment is described about the present invention, the present invention is not limited to these.
As a result of intensive studies on a method capable of easily forming a high-quality oxide film at normal temperature and normal pressure on the surface of a semiconductor substrate, the present inventors have determined that 12CaO · 7Al 2 O 3 (commonly referred to as alumina cement) Focusing on C12A7), by using this 12CaO · 7Al 2 O 3 to generate O ions, cleaning of the semiconductor substrate and formation of an oxide film on the substrate surface at normal temperature and pressure are easy and extremely efficient. The present invention has been completed by finding that it is possible to carry out the process.

先ず、本発明に係る半導体基板の酸化膜形成装置について、図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに何ら限定されるものではない。図1は、本発明の半導体基板の酸化膜形成装置の一例を示す概略説明図である。
本発明の半導体基板の酸化膜形成装置1は、少なくとも、半導体基板2が投入されるチャンバ3と、チャンバ3内で半導体基板2を保持する保持手段4と、チャンバ3内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段5と、チャンバ3内にOイオンを供給するOイオン供給手段6と、チャンバ3内に半導体基板2に形成されている自然酸化膜を除去するための物質を供給する自然酸化膜除去手段7とを具備するものである。
First, an oxide film forming apparatus for a semiconductor substrate according to the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto. FIG. 1 is a schematic explanatory view showing an example of an oxide film forming apparatus for a semiconductor substrate according to the present invention.
The semiconductor substrate oxide film forming apparatus 1 of the present invention includes at least a chamber 3 into which a semiconductor substrate 2 is charged, a holding means 4 for holding the semiconductor substrate 2 in the chamber 3, and supplying an inert gas into the chamber 3. supplying an ion supply means 6, a substance for removing a natural oxide film formed on the semiconductor substrate 2 into the chamber 3 - and inert gas supply means 5, O into the chamber 3 to - O supplying ions Natural oxide film removing means 7 to be provided.

この酸化膜形成装置1において、Oイオン供給手段6は、Oイオンを生成してチャンバ内に導入することができるものであれば特に限定されないが、例えば、12CaO・7Alを用いて活性であるOイオンを生成するOイオン生成装置8と、マイナスに帯電されたステンレス配管からなるイオン導入ノズル9で構成することができる。 In this oxide film forming apparatus 1, O - ion supplying means 6, O - is not particularly limited as long as it can be introduced into the chamber to produce ions, for example, using a 12CaO · 7Al 2 O 3 Te is active O - O to produce ions - the ion generating device 8 can be constituted by iontophoresis nozzle 9 made of stainless steel pipe, which is negatively charged.

このようなOイオン供給手段6を用いることによって、例えばOイオン生成装置8で12CaO・7Alから生成したOイオンを、不活性ガスをキャリアガスとしてイオン導入ノズル9からチャンバ3内に連続的に安定して導入することができる。また、Oイオン供給手段6が、Oイオンを12CaO・7Alから生成して供給するものであれば、材料の取扱いや廃棄等を容易に行うことが可能となるし、また12CaO・7Alが安価な材料であるのでコストダウンを図ることもできる。 By using the ion supplying means 6, for example, O - - Such O O generated from 12CaO · 7Al 2 O 3 with an ion generating device 8 - ions chamber 3 from the ion introduction nozzle 9 the inert gas as a carrier gas It can be introduced continuously and stably. Further, if the O ion supply means 6 generates and supplies O 2 ions from 12CaO · 7Al 2 O 3 , the material can be easily handled and discarded, and 12CaO -Since 7Al 2 O 3 is an inexpensive material, the cost can be reduced.

尚、上記のような12CaO・7AlからOイオンを生成するOイオン生成装置8としては、例えば図2に示したような、12CaO・7Alからなる片端を閉じた管状の形状を有するC12A7管10と、C12A7管10に負電圧を印加する電極11と、C12A7管10から離れた位置に配置した捕集電極12と、C12A7管10を加熱するヒーター13とを具備するものを用いることができる。そして、例えばこのOイオン生成装置8内を1.3×10−3Pa程度に減圧した状態で、ヒーター13でC12A7管10を600〜800℃程度に加熱しながらC12A7管10と捕集電極12との間に電圧を印加することによって、Oイオンを連続的に安定して生成することができる。 In addition, as the O ion generator 8 that generates O ions from 12CaO · 7Al 2 O 3 as described above, for example, as shown in FIG. 2, a tubular tube having one end made of 12CaO · 7Al 2 O 3 closed. A C12A7 tube 10 having a shape of: an electrode 11 for applying a negative voltage to the C12A7 tube 10, a collecting electrode 12 disposed at a position away from the C12A7 tube 10, and a heater 13 for heating the C12A7 tube 10. Things can be used. For example, the C12A7 tube 10 and the collecting electrode are heated while the C12A7 tube 10 is heated to about 600 to 800 ° C. by the heater 13 in a state where the inside of the O ion generator 8 is decompressed to about 1.3 × 10 −3 Pa. 12, O 2 ions can be generated continuously and stably.

また、本発明において、上記の自然酸化膜除去手段7は、自然酸化膜除去物質を収容しておく供給槽14と自然酸化膜除去物質を供給槽14からチャンバ3内に導入する自然酸化膜除去物質導入ノズル15とを具備しており、この自然酸化膜除去手段7により、無水HF等の自然酸化膜を除去できる物質をチャンバ3内に安定して供給することができる。   In the present invention, the natural oxide film removing means 7 includes a supply tank 14 for storing the natural oxide film removing substance and a natural oxide film removing process for introducing the natural oxide film removing substance from the supply tank 14 into the chamber 3. A substance introduction nozzle 15 is provided, and the natural oxide film removing means 7 can stably supply a substance capable of removing a natural oxide film such as anhydrous HF into the chamber 3.

さらに、不活性ガス供給手段5からは、アルゴンガス等の不活性ガスを安定して供給することができ、例えば不活性ガス供給手段5に設置されているバルブ16を調節することによって、チャンバ3内に供給する不活性ガスの流量を制御することができる。   Furthermore, an inert gas such as argon gas can be stably supplied from the inert gas supply means 5. For example, by adjusting a valve 16 installed in the inert gas supply means 5, the chamber 3 The flow rate of the inert gas supplied into the inside can be controlled.

そして、本発明の酸化膜形成装置1では、チャンバ3に形成された排気口17が排気手段18に接続されていることが好ましい。このように酸化膜形成装置1に排気手段18が設置されていれば、チャンバ3内の排気を行って、チャンバ内の初期雰囲気中に含まれている窒素や水分等を容易にまた効果的に取り除くことができる。排気手段18としては、例えば真空ポンプを用いることができる。この場合、本発明では、チャンバ3内のガスを置換するために必要な程度の真空度で足り、高真空にする必要はない。   And in the oxide film forming apparatus 1 of this invention, it is preferable that the exhaust port 17 formed in the chamber 3 is connected to the exhaust means 18. If the exhaust means 18 is installed in the oxide film forming apparatus 1 as described above, the chamber 3 is exhausted to easily and effectively remove nitrogen, moisture, and the like contained in the initial atmosphere in the chamber. Can be removed. As the exhaust means 18, for example, a vacuum pump can be used. In this case, in the present invention, the degree of vacuum required to replace the gas in the chamber 3 is sufficient, and it is not necessary to use a high vacuum.

次に、本発明の半導体基板の酸化膜形成方法を説明する。
本発明の半導体基板の酸化膜形成方法は、半導体基板をチャンバ内に保持した後、チャンバに不活性ガスを供給しながら、先ずOイオンを導入して半導体基板を洗浄し、次に自然酸化膜除去物質を導入して半導体基板に形成されている自然酸化膜を除去し、その後再びOイオンを導入して半導体基板の表面に酸化膜を形成するものである。
Next, a method for forming an oxide film on a semiconductor substrate according to the present invention will be described.
In the method for forming an oxide film on a semiconductor substrate of the present invention, after holding the semiconductor substrate in the chamber, while supplying an inert gas to the chamber, the O ions are first introduced to clean the semiconductor substrate, and then the natural oxidation is performed. by introducing a film removing material to remove a natural oxide film formed on a semiconductor substrate, then again O - is intended to form an oxide film on the surface of the semiconductor substrate by introducing ions.

以下、本発明の酸化膜形成方法について、シリコン基板に酸化膜を形成する場合を例に挙げて、図1に示した酸化膜形成装置1を参照しながら詳細に説明する。
先ず、シリコン基板2をチャンバ3内に投入し、保持手段4に保持・固定する。次に、排気手段18を用いてチャンバ3内の排気を行う。本発明において、このチャンバ3の排気は必ずしも行われる必要はないが、このようにチャンバ3内を排気することによって、チャンバ内の雰囲気中に含まれている窒素や水分等を効果的に取り除くことができるため、その後チャンバ内にOイオンを供給した際にOイオンが窒素や水分と結合して酸化するのを確実に防止することができるし、また半導体基板に洗浄や自然酸化膜除去を行った後に半導体基板が再汚染したり、自然酸化膜が再形成するのを確実に防止することができる。
Hereinafter, the oxide film forming method of the present invention will be described in detail with reference to the oxide film forming apparatus 1 shown in FIG. 1, taking as an example the case of forming an oxide film on a silicon substrate.
First, the silicon substrate 2 is put into the chamber 3 and held and fixed to the holding means 4. Next, the exhaust in the chamber 3 is performed using the exhaust means 18. In the present invention, the exhaust of the chamber 3 is not necessarily performed, but by exhausting the chamber 3 in this manner, nitrogen, moisture, and the like contained in the atmosphere in the chamber can be effectively removed. it ions can be reliably prevented from being oxidized by combining with nitrogen and moisture, also washing and removal of the native oxide film on the semiconductor substrate - O upon supply ions - O since it is, thereafter chamber Thus, it is possible to reliably prevent the semiconductor substrate from being recontaminated and the natural oxide film from being re-formed.

このようにチャンバ3内を排気する場合、チャンバ内の雰囲気中に含まれている窒素や水分等を取り除くことを目的としているので、従来のようにチャンバ内を高真空状態まで減圧する必要がなく、例えばチャンバ内が1×10Pa程度またはそれ以下の低真空状態となるように排気手段18でチャンバ3内を排気すれば良い。 When exhausting the inside of the chamber 3 in this way, the purpose is to remove nitrogen, moisture, etc. contained in the atmosphere in the chamber, so there is no need to depressurize the chamber to a high vacuum state as in the prior art. For example, the inside of the chamber 3 may be exhausted by the exhaust means 18 so that the inside of the chamber is in a low vacuum state of about 1 × 10 4 Pa or less.

このようにチャンバ3内の排気を行った後、不活性ガス供給手段5から不活性ガスとしてアルゴンガスを供給し、常圧または常圧近くまでアルゴンガスを充填する。このとき、本発明では不活性ガスとしてヘリウムガス等も用いることもできる。   After evacuating the chamber 3 in this way, argon gas is supplied as an inert gas from the inert gas supply means 5, and the argon gas is filled to normal pressure or close to normal pressure. At this time, helium gas etc. can also be used as an inert gas in this invention.

そして、チャンバ3内にアルゴンガスを充填した後、バルブ16を調節して不活性ガス供給手段5からアルゴンガスを例えば3l/min程度の流量でチャンバ3内に供給しながら、先ずOイオンをOイオン供給手段6からチャンバ3内に導入してシリコン基板2の洗浄を行う。このとき、Oイオン供給手段6を用いることにより、12CaO・7Alから生成したOイオンを、不活性ガス(例えば、アルゴンガス)をキャリアガスとしてイオン導入ノズル9からチャンバ3内に連続的にかつ安定して導入することができ、また半導体基板表面での反応を容易に制御できる。 Then, after filling an argon gas into the chamber 3, while supplying into the chamber 3 by adjusting to the inert gas supply means 5 about the argon gas for example, 3l / min flow rate valve 16, first O - ions The silicon substrate 2 is cleaned by introducing it into the chamber 3 from the O ion supply means 6. At this time, O - by using the ion supplying means 6, O generated from 12CaO · 7Al 2 O 3 - ions, inert gas (e.g., argon gas) from the ion inlet nozzle 9 as a carrier gas into the chamber 3 It can be introduced continuously and stably, and the reaction on the surface of the semiconductor substrate can be easily controlled.

このようにOイオンをチャンバ3内へ導入することによって、チャンバ内が常圧または常圧に近い状態でも、Oイオンによりシリコン基板2の表面から有機物等の汚染物質を除去してシリコン基板2の表面を効果的に洗浄することができる。このとき、チャンバ内にはアルゴンガスが連続的に供給されているので、シリコン基板の表面から除去した汚染物質を排気口17から排出でき、汚染物質が基板表面に再付着するの防止することができる。すなわち、Oイオンは反応性が非常に高いので、ウエーハ上に存する微量の有機物や重金属と反応して酸化物を形成し、揮散させることができる。この場合、ウエーハ表面には自然酸化膜が存在するので、この時にはOイオンによる酸化膜は形成されない。 By introducing O ions into the chamber 3 in this way, contaminants such as organic substances are removed from the surface of the silicon substrate 2 by the O ions even in a state where the chamber is at normal pressure or close to normal pressure. 2 surfaces can be effectively cleaned. At this time, since the argon gas is continuously supplied into the chamber, the contaminant removed from the surface of the silicon substrate can be discharged from the exhaust port 17, and the contaminant can be prevented from reattaching to the substrate surface. it can. That is, since the O ion has a very high reactivity, it can react with a small amount of organic substances or heavy metals existing on the wafer to form an oxide and volatilize it. In this case, since a natural oxide film exists on the wafer surface, an oxide film by O ions is not formed at this time.

次に、不活性ガス供給手段5からアルゴンガスを引き続き3l/min程度の流量でチャンバ3内に供給しながら、自然酸化膜除去手段7から自然酸化膜除去物質を導入して、シリコン基板2に形成されている自然酸化膜を除去する。このとき、自然酸化膜除去手段7から供給する物質は、基板表面の自然酸化膜を除去できるものであれば特に限定されるものではないが、例えば自然酸化膜除去物質として水分濃度を極力下げた無水HFを用いることにより、シリコン基板の自然酸化膜除去を非常に効果的に行うことができる。また、このようにシリコン基板の自然酸化膜を除去した後は、チャンバ内がアルゴンガスで満たされているため、シリコン基板表面に自然酸化膜が再形成されることも、汚染物質が付着することもない。   Next, while the argon gas is continuously supplied from the inert gas supply means 5 into the chamber 3 at a flow rate of about 3 l / min, a natural oxide film removing substance is introduced from the natural oxide film removal means 7 to the silicon substrate 2. The formed natural oxide film is removed. At this time, the substance supplied from the natural oxide film removing means 7 is not particularly limited as long as it can remove the natural oxide film on the surface of the substrate. For example, the water concentration is reduced as much as possible as the natural oxide film removing substance. By using anhydrous HF, the natural oxide film removal of the silicon substrate can be performed very effectively. In addition, after removing the natural oxide film on the silicon substrate in this manner, the chamber is filled with argon gas, so that the natural oxide film is re-formed on the surface of the silicon substrate, and contaminants adhere to it. Nor.

そして、上記のようにシリコン基板の洗浄及び自然酸化膜の除去を行った後、チャンバ3内にアルゴンガスを3l/min程度の流量で引き続き供給しながら、Oイオン供給手段6からOイオンを再び導入して、シリコン基板2の表面に酸化膜を形成する。このとき、Oイオンは、Oイオンに比べて中性化反応が吸熱反応であるなど低損傷プロセスが期待でき、またシリコン基板との反応性が高く、酸化力が強力であるため、例えばチャンバ3内にOイオンを5μl/min程度の流量で導入することにより、チャンバ3内が常温、常圧の状態でも、シリコン基板2の表面に3nm程度の厚さを有する酸化膜を容易にかつ短時間で形成することができる。 Then, after washing and removal of the natural oxide film of the silicon substrate as described above, while continuing to supply the argon gas at a flow rate of about 3l / min into the chamber 3, O - O of the ion supply means 6 - ions Then, an oxide film is formed on the surface of the silicon substrate 2. At this time, O ions can be expected to have a low damage process such as an endothermic reaction as compared with O + ions, and have high reactivity with a silicon substrate and strong oxidizing power. By introducing O 2 ions into the chamber 3 at a flow rate of about 5 μl / min, an oxide film having a thickness of about 3 nm can be easily formed on the surface of the silicon substrate 2 even when the inside of the chamber 3 is at normal temperature and normal pressure. And it can be formed in a short time.

さらに、本発明の酸化膜形成方法では、上記のように半導体基板の表面に酸化膜を形成した後、500℃以上1100℃以下の温度で15秒以下のランプ加熱処理(RTA処理)を行うことが好ましい。
半導体基板上に室温で酸化膜を形成した場合、酸化膜中にピンホールなどの欠陥が多数形成されることがあり、ゲート酸化膜などに供するには絶縁破壊強度が弱いためデバイスに応用することが難しくなることが考えられる。また、シリコンとシリコン酸化膜の界面に欠陥ができて界面準位ができMOSトランジスターのデバイス特性に悪影響を与える恐れもある。そこで、上記のように室温近くで半導体基板の表面に厚さ精度の優れた酸化膜を形成した後は、その半導体基板を例えば500℃から1100℃の間にランプ加熱で急速に加熱し、所定温度で最大15秒間保持した後、ランプ加熱の電源を制御して室温まで急速に冷却する。このように半導体基板にRTA処理を行うことにより、酸化膜中の欠陥やシリコンと酸化膜界面の欠陥を効果的に消滅させることができ、デバイスに供することができる極めて高品質の酸化膜を得ることができる。尚、このようなRTA処理は、酸化膜を形成する際に必ず行わなければならないということではない。
Furthermore, in the oxide film forming method of the present invention, after forming the oxide film on the surface of the semiconductor substrate as described above, lamp heat treatment (RTA treatment) is performed at a temperature of 500 ° C. to 1100 ° C. for 15 seconds or less. Is preferred.
When an oxide film is formed on a semiconductor substrate at room temperature, many defects such as pinholes may be formed in the oxide film, and the dielectric breakdown strength is weak for use as a gate oxide film. Can be difficult. In addition, defects may be formed at the interface between the silicon and the silicon oxide film, resulting in an interface state, which may adversely affect the device characteristics of the MOS transistor. Therefore, after forming an oxide film with excellent thickness accuracy on the surface of the semiconductor substrate near the room temperature as described above, the semiconductor substrate is rapidly heated by, for example, lamp heating between 500 ° C. and 1100 ° C. After holding at temperature for a maximum of 15 seconds, the lamp heating power is controlled to cool rapidly to room temperature. By performing the RTA process on the semiconductor substrate in this manner, defects in the oxide film and defects at the interface between the silicon and the oxide film can be effectively eliminated, and an extremely high quality oxide film that can be used for a device is obtained. be able to. Note that such an RTA process is not necessarily performed when the oxide film is formed.

以上のようにシリコン基板の表面に酸化膜を形成することによって、一つのチャンバ内で、半導体基板の洗浄や自然酸化膜の除去を常圧状態(または常圧に近い状態)で行うことができるとともに、その後基板を外気に曝すことなく常温、常圧状態で酸化膜の形成を行うことができる。したがって、従来のような高真空状態の形成や基板の加熱を行わずに、半導体基板の表面に、特に近年需要の高まっている直径が150mm以上の大口径シリコン基板の表面に汚染のない高品質の酸化膜を容易にかつ高いスループットで安定して形成することができる。   By forming an oxide film on the surface of the silicon substrate as described above, the semiconductor substrate can be cleaned and the natural oxide film can be removed in a normal pressure state (or a state close to normal pressure) in one chamber. At the same time, the oxide film can be formed at normal temperature and normal pressure without exposing the substrate to the outside air. Therefore, high quality without contamination on the surface of a semiconductor substrate, especially the surface of a large-diameter silicon substrate having a diameter of 150 mm or more, which has recently been increasing in demand, without forming a high vacuum state and heating the substrate as in the past. The oxide film can be easily and stably formed with high throughput.

さらに、本発明では、酸化膜形成装置の構成が従来に比べて簡単でコンパクトなものとなるため、設備コストへの負担を大幅に軽減することができるし、またOイオンの生成に用いる12CaO・7Alも安価な材料であるので、大幅なコストダウンを図ることができる。 Furthermore, in the present invention, since the structure of the oxide film forming apparatus is simpler and more compact than the conventional one, the burden on the equipment cost can be greatly reduced, and 12CaO used for the generation of O 2 ions. · 7Al 2 O 3 is also because it is inexpensive material, it can be made considerably cost.

また、本発明の酸化膜形成方法によれば、半導体基板の表面に厚さが極めて薄い酸化膜を保護膜として形成することができるため、保護酸化膜が形成された極めて安定な表面を有する半導体基板を提供することが可能となる。このような半導体基板は、基板表面が保護用の極薄酸化膜で覆われているため、例えばその後次工程(例えば熱酸化工程)へ移送する際に半導体基板表面を外気曝露から保護することができ、自然酸化膜の再形成を防止して半導体基板の表面を清浄に保つことができる。   In addition, according to the oxide film forming method of the present invention, an oxide film having a very small thickness can be formed as a protective film on the surface of a semiconductor substrate. Therefore, a semiconductor having an extremely stable surface on which a protective oxide film is formed. A substrate can be provided. In such a semiconductor substrate, since the substrate surface is covered with a protective ultra-thin oxide film, the semiconductor substrate surface can be protected from exposure to the outside air when transferred to the next process (for example, thermal oxidation process). In addition, the surface of the semiconductor substrate can be kept clean by preventing re-formation of the natural oxide film.

これにより、例えば、従来問題とされていた自然酸化膜中の汚染物質の拡散による欠陥準位の形成を防止することができるので、半導体基板の少数キャリアの発生ライフタイム(欠陥準位密度の少なさを示すパラメータ)を向上させることが可能となり、品質の優れた半導体素子を高歩留まりで製造することができるようになる。さらに、このような清浄な極薄酸化膜を得る技術は、例えばコンタクトホール形成のための酸化膜エッチング後の清浄界面を得る方法としても利用することができる。   As a result, for example, it is possible to prevent the formation of defect levels due to the diffusion of contaminants in the natural oxide film, which has been regarded as a problem in the past, so that the minority carrier generation lifetime (defect level density of the semiconductor substrate is low). A parameter indicating a lack of quality) can be improved, and a semiconductor element having excellent quality can be manufactured at a high yield. Furthermore, such a technique for obtaining a clean ultrathin oxide film can also be used as a method for obtaining a clean interface after oxide film etching for forming contact holes, for example.

また、本発明の酸化膜形成方法は、上記のようにシリコン基板の表面に保護酸化膜を形成することによって、その後熱酸化工程以外の種々の工程を行うことも可能となり、工程の自由度を拡大できるという利点も有している。   In addition, the oxide film forming method of the present invention can perform various processes other than the thermal oxidation process thereafter by forming the protective oxide film on the surface of the silicon substrate as described above, and the degree of freedom of the process is increased. It also has the advantage that it can be expanded.

さらに、本発明では、チャンバ内で保持されている半導体基板にRFバイアスや直流バイアスを印加する手段を例えば基板の保持手段等に設置することもできる。それにより、例えばトレンチを有する半導体基板に酸化膜を形成する際に、半導体基板の裏面側からバイアスを印加することができ、それによって、酸化膜の形成を方向性を持たせて行うことが容易に可能となる。   Furthermore, in the present invention, means for applying an RF bias or a DC bias to the semiconductor substrate held in the chamber can be installed in the substrate holding means, for example. Thus, for example, when forming an oxide film on a semiconductor substrate having a trench, a bias can be applied from the back side of the semiconductor substrate, thereby making it easy to form the oxide film with directionality. It becomes possible.

以下、実施例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
実施例として、図1に示した半導体基板の酸化膜形成装置1を用いて、直径が200mmのシリコン基板の表面に厚さが3nmの酸化膜の形成を行った。
先ず、シリコン基板をチャンバ3内に投入して保持手段4に保持・固定した後、排気手段18でチャンバ内の排気を行って、チャンバ内を1×10Paまで減圧した。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example is shown and this invention is demonstrated more concretely, this invention is not limited to these.
As an example, an oxide film having a thickness of 3 nm was formed on the surface of a silicon substrate having a diameter of 200 mm using the oxide film forming apparatus 1 for a semiconductor substrate shown in FIG.
First, after the silicon substrate was put into the chamber 3 and held and fixed to the holding means 4, the inside of the chamber was evacuated by the evacuation means 18, and the inside of the chamber was decompressed to 1 × 10 4 Pa.

次に、不活性ガス供給手段5からアルゴンガスを供給して、チャンバ内が常圧になるまで不活性ガスを充填した。その後、バルブ16を調節して不活性ガス供給手段からアルゴンガスを3l/minの流量でチャンバに供給しながら、Oイオン供給手段6からOイオンを5μl/minの流量でチャンバ内に導入してシリコン基板の洗浄を5分間行い、続いて自然酸化膜除去手段7から無水HF蒸気を5分間導入して、シリコン基板に形成されている自然酸化膜を除去した。 Next, argon gas was supplied from the inert gas supply means 5 and filled with the inert gas until the inside of the chamber became normal pressure. Thereafter, the valve 16 is adjusted, and argon gas is supplied from the inert gas supply means to the chamber at a flow rate of 3 l / min, while O ions are introduced from the O ion supply means 6 into the chamber at a flow rate of 5 μl / min. Then, the silicon substrate was cleaned for 5 minutes, and then anhydrous HF vapor was introduced from the natural oxide film removing means 7 for 5 minutes to remove the natural oxide film formed on the silicon substrate.

シリコン基板の自然酸化膜を除去した後、不活性ガス供給手段5からアルゴンガスを引き続き3l/minの流量でチャンバに供給しながら、O−イオン供給手段6から再びO−イオンを5μl/minの流量でチャンバ内に導入してシリコン基板2の表面に厚さが3nmの酸化膜を形成した。エリプソメーターで基板全面の酸化膜の膜厚一様性を調査したところ3nm±0.15nmの均一性を持つことが分かった。かかる結果により本発明による方法で極薄酸化膜を極めて均一性良く形成させることができることが分かった。   After removing the natural oxide film on the silicon substrate, the argon gas is continuously supplied from the inert gas supply means 5 to the chamber at a flow rate of 3 l / min, while O- ions are again supplied from the O-ion supply means 6 at 5 μl / min. An oxide film having a thickness of 3 nm was formed on the surface of the silicon substrate 2 by introducing into the chamber at a flow rate. When the film thickness uniformity of the oxide film on the entire surface of the substrate was examined with an ellipsometer, it was found that the film had a uniformity of 3 nm ± 0.15 nm. From these results, it was found that an ultrathin oxide film can be formed with extremely uniform by the method according to the present invention.

このようにしてシリコン基板の表面に形成した酸化膜について、以下の方法で品質を評価した。今回用いた評価方法は銅デコレーション法と呼ばれる方法である。メタノール中に調査するシリコン基板を浸漬し、該基板の裏面とメタノール中に浸漬した銅電極の間に5MV/cmの電界をかけて該シリコン基板の酸化膜上に銅を析出させ、酸化膜の破壊しやすいところを調査する方法である。シリコン基板の表面に厚さ3nmの酸化膜を本発明の方法で形成した後、銅デコレーション法で検査したところ、200個/cmの黒色斑点状銅析出物が計数された。また、銅デコレーション法は破壊検査のため、同一結晶ロットより作製したシリコン基板の表面に厚さ3nmの酸化膜を形成した後、ランプ加熱処理(RTA処理)により1050℃で15秒間、Ar雰囲気下で熱処理を施し、その後上記と同様に銅デコレーション法で酸化膜欠陥を調査した。その結果、10個/cmの黒色斑点状銅析出物が計数された。以上の結果から、酸化膜の品質が非常に優れていることが確認された。 The quality of the oxide film thus formed on the surface of the silicon substrate was evaluated by the following method. The evaluation method used this time is a method called a copper decoration method. A silicon substrate to be investigated is immersed in methanol, and an electric field of 5 MV / cm is applied between the back surface of the substrate and a copper electrode immersed in methanol to deposit copper on the oxide film of the silicon substrate. This is a method of investigating places that are easily destroyed. An oxide film having a thickness of 3 nm was formed on the surface of the silicon substrate by the method of the present invention and then inspected by the copper decoration method. As a result, 200 pieces / cm 2 of black spotted copper precipitates were counted. For the copper decoration method, an oxide film having a thickness of 3 nm is formed on the surface of a silicon substrate manufactured from the same crystal lot for destructive inspection, and then lamp heating treatment (RTA treatment) is performed at 1050 ° C. for 15 seconds in an Ar atmosphere. Then, the oxide film defects were investigated by the copper decoration method as described above. As a result, 10 pieces / cm 2 of black spotted copper precipitates were counted. From the above results, it was confirmed that the quality of the oxide film was very excellent.

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。   The present invention is not limited to the above embodiment. The above embodiment is merely an example, and the present invention has the same configuration as that of the technical idea described in the claims of the present invention, and any device that exhibits the same function and effect is the present invention. It is included in the technical scope of the invention.

たとえば、上記では、本発明の作用につき、常温・常圧で酸化膜を形成できることを述べたが、本発明は常温・常圧で酸化膜を形成しなければならないわけではない。温度、圧力については目的に応じて適宜増減、変更できることは言うまでもない。また、ランプ加熱によるRTA熱処理の条件も、求める酸化膜の品質に応じて、保持温度、昇温速度、冷却速度を適宜調節、変更できることは言うまでもない。ただし、ある保持温度での保持時間については基板表面からの酸素の外方拡散現象を制御するため適宜調節する必要がある。また、熱処理の雰囲気についても酸化性雰囲気であると酸化が進み精密な制御ができないため非酸化性雰囲気が好ましい。   For example, in the above description, it has been described that an oxide film can be formed at normal temperature and normal pressure for the operation of the present invention. However, the present invention does not necessarily have to form an oxide film at normal temperature and normal pressure. Needless to say, the temperature and pressure can be appropriately increased or decreased according to the purpose. Further, it is needless to say that the conditions for the RTA heat treatment by lamp heating can also be adjusted and changed as appropriate according to the quality of the oxide film to be obtained. However, the holding time at a certain holding temperature needs to be adjusted appropriately in order to control the outward diffusion phenomenon of oxygen from the substrate surface. Further, the heat treatment atmosphere is preferably a non-oxidizing atmosphere because if the atmosphere is an oxidizing atmosphere, oxidation proceeds and precise control cannot be performed.

本発明は、半導体基板にゲート酸化膜を形成する場合に適用できることはもちろんのこと、その他に例えばLSI製造工程中のパッド酸化、LOCOS酸化、側壁酸化等、あるいは、EEPROM製造工程中のトンネル酸化や浮遊ゲート上酸化等の全ての酸化工程に適用でき、またBPSG、TEOS等の全てのSiO系膜のデポ工程の前処理としても適用できる。また、貼り合せ法によるSOI作成時のシリコン基板同士の間に挟む酸化膜としても使用することができる。 The present invention can be applied to a case where a gate oxide film is formed on a semiconductor substrate. Besides, for example, pad oxidation, LOCOS oxidation, sidewall oxidation, etc. during LSI manufacturing process, or tunnel oxidation during EEPROM manufacturing process, etc. The present invention can be applied to all oxidation processes such as oxidation on a floating gate, and can also be applied as a pretreatment for a deposition process of all SiO 2 films such as BPSG and TEOS. It can also be used as an oxide film sandwiched between silicon substrates at the time of SOI creation by a bonding method.

本発明の半導体基板の酸化膜形成装置の一例を示す構成概略図である。It is the structure schematic which shows an example of the oxide film formation apparatus of the semiconductor substrate of this invention. イオン生成装置の一例を示す構成概略図である。O - it is a configuration schematic diagram showing an example of the ion generating device.

符号の説明Explanation of symbols

1…半導体基板の酸化膜形成装置、 2…半導体基板(シリコン基板)、
3…チャンバ、 4…保持手段、 5…不活性ガス供給手段、
6…Oイオン供給手段、 7…自然酸化膜除去手段、
8…Oイオン生成装置、 9…イオン導入ノズル、
10…C12A7管、 11…電極、 12…捕集電極、 13…ヒーター、
14…供給槽、 15…自然酸化膜除去物質導入ノズル、
16…バルブ、 17…排気口、 18…排気手段。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Semiconductor substrate oxide film formation apparatus, 2 ... Semiconductor substrate (silicon substrate),
3 ... chamber, 4 ... holding means, 5 ... inert gas supply means,
6 ... O - ion supply means, 7 ... Natural oxide film removal means,
8 ... O - ion generator, 9 ... Ion introduction nozzle,
10 ... C12A7 tube, 11 ... electrode, 12 ... collecting electrode, 13 ... heater,
14 ... Supply tank, 15 ... Natural oxide removal substance introduction nozzle,
16 ... valve, 17 ... exhaust port, 18 ... exhaust means.

Claims (15)

半導体基板の表面に酸化膜を形成するための装置であって、少なくとも、前記半導体基板が投入されるチャンバと、該チャンバ内で前記半導体基板を保持する保持手段と、前記チャンバ内に不活性ガスを供給する不活性ガス供給手段と、前記チャンバ内にOイオンを供給するOイオン供給手段と、前記チャンバ内に半導体基板に形成されている自然酸化膜を除去するための物質を供給する自然酸化膜除去手段とを具備することを特徴とする半導体基板の酸化膜形成装置。 An apparatus for forming an oxide film on the surface of a semiconductor substrate, comprising at least a chamber into which the semiconductor substrate is placed, a holding means for holding the semiconductor substrate in the chamber, and an inert gas in the chamber supplying an ion supply means, a material for removing a natural oxide film, wherein formed in the semiconductor substrate in a chamber - and an inert gas supply means for supplying, O into the chamber a - O supplying ions An oxide film forming apparatus for a semiconductor substrate, comprising: a natural oxide film removing unit. 前記Oイオン供給手段が、前記Oイオンを12CaO・7Alから生成して前記チャンバ内に供給するものであることを特徴とする請求項1に記載の半導体基板の酸化膜形成装置。 The apparatus for forming an oxide film on a semiconductor substrate according to claim 1, wherein the O - ion supply means generates the O-ions from 12CaO.7Al 2 O 3 and supplies the O - ions into the chamber. . 前記チャンバの排気を行う排気手段を具備することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体基板の酸化膜形成装置。   The apparatus for forming an oxide film on a semiconductor substrate according to claim 1 or 2, further comprising exhaust means for exhausting the chamber. 前記自然酸化膜除去手段が、無水HFを供給するものであることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の半導体基板の酸化膜形成装置。   4. The apparatus for forming an oxide film on a semiconductor substrate according to claim 1, wherein the natural oxide film removing means supplies anhydrous HF. 前記不活性ガス供給手段が、アルゴンガス又はヘリウムガスを供給するものであることを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか一項に記載の半導体基板の酸化膜形成装置。   5. The oxide film forming apparatus for a semiconductor substrate according to claim 1, wherein the inert gas supply means supplies argon gas or helium gas. 前記酸化膜を形成する半導体基板は、シリコン基板であることを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載の半導体基板の酸化膜形成装置。   6. The apparatus for forming an oxide film on a semiconductor substrate according to claim 1, wherein the semiconductor substrate on which the oxide film is formed is a silicon substrate. 半導体基板の表面に酸化膜を形成する方法であって、前記半導体基板をチャンバ内に保持した後、該チャンバに不活性ガスを供給しながら、先ずOイオンを導入して前記半導体基板を洗浄し、次に自然酸化膜除去物質を導入して前記半導体基板に形成されている自然酸化膜を除去し、その後再びOイオンを導入して前記半導体基板の表面に酸化膜を形成することを特徴とする半導体基板の酸化膜形成方法。 A method of forming an oxide film on a surface of a semiconductor substrate, wherein after the semiconductor substrate is held in a chamber, the semiconductor substrate is cleaned by first introducing O ions while supplying an inert gas to the chamber. and then to introduce the natural oxide film removing material to remove a natural oxide film formed on the semiconductor substrate, then again O - that by introducing ions to form an oxide film on a surface of the semiconductor substrate A method for forming an oxide film on a semiconductor substrate. 前記チャンバ内に導入するOイオンを、12CaO・7Alから生成することを特徴とする請求項7に記載の半導体基板の酸化膜形成方法。 The method for forming an oxide film on a semiconductor substrate according to claim 7, wherein O ions introduced into the chamber are generated from 12CaO · 7Al 2 O 3 . 前記12CaO・7Alから生成したOイオンを、不活性ガスをキャリアガスとして前記チャンバ内に導入することを特徴とする請求項8に記載の半導体基板の酸化膜形成方法。 9. The method of forming an oxide film on a semiconductor substrate according to claim 8, wherein O ions generated from the 12CaO · 7Al 2 O 3 are introduced into the chamber using an inert gas as a carrier gas. 前記チャンバに不活性ガスを供給する前に、前記チャンバ内の排気を行うことを特徴とする請求項7ないし請求項9のいずれか一項に記載の半導体基板の酸化膜形成方法。   10. The method of forming an oxide film on a semiconductor substrate according to claim 7, wherein the chamber is evacuated before an inert gas is supplied to the chamber. 11. 前記自然酸化膜除去物質を無水HFとすることを特徴とする請求項7ないし請求項10のいずれか一項に記載の半導体基板の酸化膜形成方法。   11. The method of forming an oxide film on a semiconductor substrate according to claim 7, wherein the natural oxide film removing material is anhydrous HF. 前記不活性ガスをアルゴンガス又はヘリウムガスとすることを特徴とする請求項7ないし請求項11のいずれか一項に記載の半導体基板の酸化膜形成方法。   12. The method of forming an oxide film on a semiconductor substrate according to claim 7, wherein the inert gas is argon gas or helium gas. 前記半導体基板をシリコン基板とすることを特徴とする請求項7ないし請求項12のいずれか一項に記載の半導体基板の酸化膜形成方法。   13. The method of forming an oxide film on a semiconductor substrate according to claim 7, wherein the semiconductor substrate is a silicon substrate. 前記シリコン基板の直径を150mm以上とすることを特徴とする請求項13に記載の半導体基板の酸化膜形成方法。   14. The method of forming an oxide film on a semiconductor substrate according to claim 13, wherein the diameter of the silicon substrate is 150 mm or more. 前記半導体基板の表面に酸化膜を形成した後、500℃以上1100℃以下の温度で15秒以下のランプ加熱処理(RTA処理)を行うことを特徴とする請求項7ないし請求項14のいずれか一項に記載の半導体基板の酸化膜形成方法。   15. The lamp heat treatment (RTA treatment) for 15 seconds or less is performed at a temperature of 500 ° C. to 1100 ° C. after forming an oxide film on the surface of the semiconductor substrate. The method for forming an oxide film on a semiconductor substrate according to one item.
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