JP2009278086A - ウェーハを処理するプロセスおよび装置 - Google Patents

Abstract

【課題】堆積の前に半導体表面から不純物を除去する低圧でのベーキングのための方法およびシステムを提供する。
【解決手段】短時間で、低温での処理が、熱履歴の僅か一部のみを消費するが、有利にも、半導体表面から界面酸素を除去するのに効果がある。本方法およびシステムは特に、エピタキシャルの前に半導体表面を処理するのに適している。本発明の一態様によれば、基板を、化学気相成長法の反応チャンバ内の基板支持部に負荷することと、この反応チャンバ内の圧力を、約１×１０^-6Ｔｏｒｒ（約１３３．３２×１０^-6Ｐａ）から１０Ｔｏｒｒ（約１３３３．２２Ｐａ）の間のベーク圧力にまで低減すること、によって半導体基板を処理する方法が提供される。
【選択図】図１Ａ

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２００８年５月１６日に出願された米国仮特許出願第６１／０５３，７７０号明細書の利益を主張し、この出願は本明細書中でその全体において参照することにより援用される。

（発明の分野）
本発明は、半導体基板の処理に関し、より詳細には、低圧でのベークおよびそれに続く、単一ウェーハの化学気相成長法（ＣＶＤ）のチャンバ内でのインサイチュ（その場で）のエピタキシャル成長に関する。

高温反応室は、半導体基板上の集積回路などの非常に細かい大きさの構造物を製造するために用いられる。シリコンウェーハなどの１つ以上の基板（基板上または基板内に前もって形成された構造物を含んでも、含まなくてもよい）は、反応チャンバ内の基板支持部上に配置される。この基板は所望の温度にまで熱せられる。通常の処理工程において、反応ガスは熱せられた基板を通過して、基板上の反応ガスまたは前駆ガスから生じる材料の薄層のＣＶＤを引き起こさせる。様々なプロセス条件、特に温度の均一性および反応ガスの配分は、生じる高品質の層を保証するために、注意深く制御されなければならない。

堆積、ドーピング、フォトリソグラフィー、およびエッチングの一連の工程を介して、開始時の基板およびその後の層は、基板の大きさや回路の複雑さ具合によるが、数十から数千、または数百万もの集積デバイスから製造する単層を用いて集積回路へと変換される。

バッチプロセッサは、従来から半導体業界において用いられ、多数のウェーハを同時に処理することを可能にし、それゆえウェーハ１個当たりの処理時間およびコストを経済的に下げる。しかしながら、最近の小型化とそれに付随する回路密度における進歩により、半導体処理における欠陥に対する許容性が低くなっている。従って、単一ウェーハ処理の反応器が、堆積条件の制御を改良するために開発されている。

他の処理パラメータの中でも、単一ウェーハ処理は、非常に改良された温度およびウェーハにわたるガス流の分配を有する。しかしながら、優れた処理制御と引き換えに、処理時間はバッチ式を用いるよりもさらに重要になっている。処理時間に加えられる時間（秒）は、同一の単一ウェーハを処理するチャンバを介して一つずつ連続して処理されるウェーハの数により増加しなければならない。逆に言えば、ウェーハのスループットにおけるあらゆる改良により、著しく製造コストを節約することができる。

処理制御が特に重要であり、かつ単一のウェーハ処理が特に有用である１つの処理は、エピタキシャル層の形成である。堆積された層が下地のシリコンウェーハと同一の結晶構造を有する場合、それはエピタキシャル層と呼ばれる。堆積条件を注意深く制御し、反応ガスが熱せられた基板上を通過すると、その結果、堆積粒子は下地の結晶構造と一致して堆積し、このようにして、成長層が拡大する。トランジスタを含む最下位のデバイスは、単一結晶の半導体基板上に形成されたエピタキシャル層をしばしば含む。

重要なことは、エピタキシャル層が、デバイスの操作に影響を及ぼし得る不純物のない、純結晶構造を維持することである。エピタキシャル成長の前に、下地の基板の純度および結晶構造が、得られるエピタキシャル層に強く影響を及ぼす。基板表面における不純物、例えば自然に形成する「自然酸化物」や炭素不純物は、結晶構造およびその結果として形成される各々の上層の電気特性に干渉してしまい、それにより、多結晶の層を形成してしまう。汚れがなく、酸化されていない半導体または導体表面もまた、エピタキシャル成長以外の多くの場面において所望されることに留意されたい。

通常、ウェーハは、「ＡＰＭ」洗浄として公知の、水酸化アンモニウム、過酸化水素の混合物を用いて、堆積の前に洗浄される。酸化されていない表面が必要とされる場合、シリコンウェーハは、通常、フッ化水素酸の水溶液に浸漬されるか、または、ＡＰＭ洗浄によって残された酸化被膜をエッチングするためにＨＦ気相処理され、理論的には、水素終端を得る。様々な種類のＡＰＭ洗浄およびフッ化水素酸の処理が存在する。洗浄後、ウェーハは、通常は、さらなる処理の前に、所定時間の間、保存される。自然酸化物は、それまで酸化されていなかったシリコンウェーハ表面上に、それが空気または湿気に曝されたほぼ直後に形成される傾向にある。さらに、シリコン−フッ素およびシリコン−炭素結合が、洗浄後のシリコンウェーハ表面にしばしば見受けられる。その表面上のフッ素および炭素の不純物は、熱履歴（プロセス中にウェーハが受けたトータルの熱量。温度と、その温度にさらされた時間の関数）および／またはウェーハ表面上に成長または堆積される層の品質に支障を来たし得る。

シリコンウェーハが、最終洗浄工程（「ＨＦ最終」処理としても公知である）として、フッ化水素酸に浸漬される場合、シリコンの表面は、通常、ほぼ水素の単分子層で終端され、殆どはＳｉ−Ｈ結合を介して基板に付着される。水素終端化された表面は、未処理のシリコンよりも耐酸化性に優れている。所望の場合、水素終端は、約５００℃より高い温度にて除去可能である。しかしながら、従来のＨＦ最終処理の後のシリコンウェーハの表面は、通常、元の酸化被膜が除去された後、約２０分以内に再び酸化が始まり、そのシリコンウェーハの表面上において、新たな５Åから７Å厚の酸化被膜を急速に形成する。炭素またはフッ素終端は再酸化をより良く防ぐことができる。しかし、これは他の問題、例えば、不純物の混入または後の処理の前に終端を除去することにおける困難さを導く。ＨＦ最終処理後の再酸化の問題は、多くのシリコンデバイスの高スループットでの製造に対して支障を来たしている。

従って、化学気相成長法の前に基板表面を純化する方法、および形成後の堆積された層の純度を維持する方法についての必要性が存在する。望ましくは、そのような方法は、システムのコストを上昇させることなく、またはウェーハのスループットを減少させることなく、単一ウェーハのエピタキシャルシリコン堆積チャンバに適合されるべきである。一部の構成において、これらの方法は、その後のエピタキシャル層についての熱履歴を消費するべきではない。これらおよび他の必要性は、本発明内のいくつかの実施形態によって満たされる。

本発明の一態様によれば、基板を、化学気相成長法の反応チャンバ内の基板支持部に負荷することと、この反応チャンバ内の圧力を、約１×１０^-6Ｔｏｒｒ（約１３３．３２×１０^-6Ｐａ）から１０Ｔｏｒｒ（約１３３３．２２Ｐａ）の間のベーク圧力にまで低減すること、によって半導体基板を処理する方法が提供される。本方法はさらに、このベーク圧力から堆積圧力にまで、この反応チャンバ内の圧力を上昇させることと、この堆積圧力にて、化学気相成長法によって層を堆積することとを含む。

本発明の別の態様は、シリコン表面を洗浄する方法を提供する。本方法は、さらに、この基板を、反応チャンバ内の基板支持部に負荷することと、還元ガスをこの反応チャンバに導入することとを含む。本方法は、さらに、還元ガスを導入した後、この還元ガスを反応チャンバに供給し続けながら、反応チャンバ内の圧力を、約１×１０^-6Ｔｏｒｒ（約１３３．３２×１０^-6Ｐａ）から１０Ｔｏｒｒ（約１３３３．２２Ｐａ）の間のベーク圧力にまで低減することを含む。

本発明の別の態様によれば、半導体基板上での化学気相成長法のためのシステムが提供される。このシステムは、約１００リットル未満の大きさを有し、５Ｔｏｒｒ（約６６６．６１Ｐａ）未満の圧力に耐えるように構成された強化構造を備える反応チャンバを備える。このシステムは、さらに、基板をこの反応チャンバに搬送するように構成されたロボットと、この反応チャンバ内においてこの基板を加熱するように構成された複数の加熱素子とを備える。このシステムは、さらに、この反応チャンバ内の圧力を低減し、約１×１０^-6Ｔｏｒｒ（約１３３．３２×１０^-6Ｐａ）から４Ｔｏｒｒ（約５３３．２９Ｐａ）の間のベーク圧力にて、低圧でのベークを実行するように構成された制御器を備える。

本発明のこれらおよび他の態様は、以下の記載および添付の図面から当業者には容易に明らかである。

本発明の実施形態に係る処理を概略的に示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る別の処理を概略的に示すフローチャートである。 本発明の特定の実施形態に係る基板温度および反応チャンバ圧力を示すプロット図である。 本発明の別の実施形態に係る基板温度および反応チャンバ圧力を示すプロット図である 本発明の実施形態に係るベークおよびＣＶＤ反応装置の概略図である。 図５Ａは、本発明の実施形態に係る処理前のウェーハの概略断面図である。図５Ｂは、本発明の実施形態に係る洗浄後のウェーハの概略図である。図５Ｃは、本発明の実施形態に係るエピタキシャル後のウェーハの概略図である。

本発明の好ましい実施形態が、単一基板の反応チャンバに関して記載されるが、当業者は、本明細書において教示される原理および利点が、他の種類の堆積反応器への適用を有することを理解する。さらに、一連の処理工程が本明細書において開示されるが、当業者は、他の開示された工程の一部が欠けた場合であっても、特定の開示された工程の有用性を認識するものである。

インサイチュの堆積の前に半導体表面から不純物を除去するために、低温かつ迅速なベーキングのためのシステムおよび方法を提供する。有利にも、短時間での低温処理は、熱履歴を殆ど消費せず、スループットを改良する。本発明の実施形態は化学気相成長法（ＣＶＤ）を主に参照して説明するが、当業者は原子層堆積（ＡＬＤ）にも適していることを理解する。さらに、実施形態はウェーハまたは半導体ウェーハを参照して記載するが、当業者は、層が堆積されるシリコンを含む表面を有する他の基板もまた使用可能であることを理解する。また、当業者は、図面および明細書の記載がパターン化されていないウェーハを示しているが、本明細書において記載される処理はまた、パターン化されているウェーハを用いても実行可能であることを理解する。

図１Ａは、シリコンを含む主要な表面を有する基板を処理するプロセスを概略的に示す。図１Ａは、ＨＦ最終処理１００を用いて処理を開始して、水素を用いて主要な表面においてシリコンを終端することを示す。しかしながら、ＨＦ最終処理は必須ではなく、表面を洗浄する他の処理が、ＨＦ最終の前に実行されてもよい。例えば、「ＬＯＷ ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ ＬＯＡＤ ＡＮＤ ＢＡＫＥ」と題され、２００６年９月１９日に発行された米国特許第７，１０８，７４８号明細書に記載されるように、水酸化アンモニウム／過酸化水素の混合物（ＡＰＭ）を用いて表面を洗浄してもよい。ＡＰＭ洗浄および／または他の洗浄処理などが実行されるとしても、酸化被膜２２２は通常、図５Ａに示すように、基板２２０の表面２２１に、後で存在する。ＨＦ最終処理１００はこの酸化被膜２２２を除去し（それは一時的なものである）、その表面２２１上に水素終端を提供する。

ＨＦ最終処理１００に用いられる例示的な低濃度のフッ化水素酸（水溶液）は、およそ０．５重量％から１．０重量％の濃度のフッ化水素、より特定的には、およそ０．５重量％のＨＦを有する。このエッチング処理１００のための低濃度のフッ化水素酸を使用して、シリコンウェーハの表面上の汚染を最小限にする。この低濃度のフッ化水素酸は、好ましくは、約３５℃から６０℃の温度、より好ましくは、約５０℃にまで熱せられて、粒子を最小限に抑え、シリコンウェーハの表面上の水素終端を向上させる。また、この熱せられた低濃度のフッ化水素酸によるエッチングは、シリコンウェーハの表面全体において、均一な酸化エッチング速度を提供する。例示的な手順において、シリコンウェーハは、およそ６０秒間、およそ５０℃の温度にて、およそ０．５重量％の濃度のフッ化水素を有する低濃度のフッ化水素酸を用いてエッチングされる。

一実施形態において、基板は水性または湿潤性のＨＦ槽において浸漬されるが、ＨＦ気相もまた、他の構成において用いることができる。エッチング槽内の低濃度のフッ化水素酸を形成するために用いられる超高純度の水は高抵抗性を有し、これは金属レベルが低いことを示している。エッチング槽内の低濃度のフッ化水素酸を形成するために用いられる水は、２５℃の温度にて、約１５メガオーム−ｃｍ（ＭΩ−ｃｍ）より高い抵抗性を有する。一実施形態において、その抵抗性は、少なくとも約１８ＭΩ−ｃｍである。また、全有機体炭素（ＴＯＣ）および溶解シリカは、好ましくは、１０ｐｐｂ（１０億分の１）未満のレベルに最小限に抑えられる。

一実施形態において、エッチング槽内の低濃度のフッ化水素酸を形成するために用いられるフッ化水素酸は、ギガビット等級（１兆分の１程度の不純物）の、低レベルの粒子および溶解性金属を有するフッ化水素酸であり、Ａｌａｍｅｄａ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｏｆ Ｔｅｍｐｅ（アリゾナ州、（４８０）７８５−４６８５）からの４９％溶液中の分類番号１０７１０１として市販されている。

ＨＦ最終処理１００の後、図１Ａに示すように、基板を負荷する（１１０）ことによって、反応チャンバに搬送する。一実施形態において、反応チャンバは単一基板の、水平流（ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ ｆｌｏｗ）、冷壁（ｃｏｌｄ−ｗａｌｌ）反応器を備える。上述のように、単一ウェーハ処理ツールは、通常、従来のバッチ式よりも、処理制御および均一性により優れていることが実証されている。しかしながら、１つのみ、または多くても少数の基板が一度に処理可能であり、均一性および処理制御における利点はスループットを犠牲にして成立する。単一基板処理チャンバの大きさは様々であり、その中で処理されるウェーハの大きさに依存する。例えば、３００ｍｍのウェーハのための単一基板処理チャンバは、約１００リットル未満、特に、約３０リットル未満の容量を有してもよい。２００ｍｍのウェーハを処理するために設計された単一ウェーハ処理チャンバの総容量は、約３０リットル未満、特に、約１０リットル未満であってもよい。これらのチャンバの「効果的な」量（処理ガスが流れる分配器より上の量）は、およそ、チャンバの総量の半分であることが理解されている。これらの大きさの単一基板処理チャンバは、単一ウェーハのエピタキシャル成長ツールの一群のＥＰＳＩＬＯＮ（登録商標）を記載した「ＩＮ ＳＩＴＵ ＧＲＯＷＴＨ ＯＦ ＯＸＩＤＥ ＡＮＤ ＳＩＬＩＣＯＮ ＬＡＹＥＲＳ」と題された、２００４年６月１５日に発行された米国特許第６，７４９，６８７号に十分に記載され、これは、アリゾナ州、フェニックスの、ＡＳＭ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．から市販されている。当業者は、量が３００ｍｍから４５０ｍｍのウェーハの変化に応じて増減することを理解する。

また、ＥＰＳＩＬＯＮ（登録商標）の単一経路の水平流設計は、低い滞留時間で、反応ガスの層が流れることを可能にし、次いで、連続した処理を容易にし、その一方で、相互の反応作用、およびチャンバ表面の反応作用を最小限に抑える。そのような層の流れにより、相互に反応し得る反応物を連続して流すことを可能にする。回避すべき反応は、高度に発熱する反応または爆発性の反応、およびチャンバの粒子状汚染物を生成する反応を含む。さらに、チャンバは、処理の間、チャンバを迅速にパージすること、例えば、サセプタに基板を負荷した後に、チャンバから、空気および湿気をパージすることを容易にする。

石英処理チャンバまたは反応チャンバを含むＣＶＤ反応器は、本明細書に開示される方法に対して特有の有用性を有する。そのような反応器は、同一のチャンバ内において、安全にかつきれいに、連続して複数の処理を成し遂げる。本明細書に記載された処理は低圧であるため、反応チャンバは構造的に強化される必要があってもよい。例えば石英チャンバは、複数の肋材を備えてもよく、低減された圧力でのＣＶＤ処理の間、チャンバの外側の周囲空気によって与えられる圧力を支持する。一実施形態において、反応チャンバは５Ｔｏｒｒ（約６６６．６１Ｐａ）以下の内圧に耐えるように構成される。他の実施形態は、１×１０^-2Ｔｏｒｒ（約１３３．３２×１０^-2Ｐａ）以下の内圧に耐えるように構成される反応チャンバを提供する。さらに重く強化された反応チャンバは、約１×１０^-6Ｔｏｒｒ（約１３３．３２×１０^-6Ｐａ）にまで低下した内圧に耐えるように構成できる。さらに、反応チャンバはそのような低圧での漏れ、例えば１０^-9ａｔｍ−ｃｃ／秒以下での漏れに対して実質的に不浸透性であるべきである。本発明の実施形態に係る例示的な反応器は、アリゾナ州、フェニックスのＡＳＭ Ａｍｅｒｉｃａ，ＩｎｃからのＥＰＳＩＬＯＮ（登録商標）３２００の製品にて商業的に使用されている。

負荷（１１０）を容易にするために、ロボットを、チャンバの外側からチャンバ内に、そして基板支持構造へとウェーハを移送するために使用してもよい。一部の実施形態において、負荷（１１０）は、ゲートバルブを反応チャンバに対して開け、ウェーハを搬送するロボットを反応チャンバへと挿入し、そのロボットがウェーハを支持構造に落下させることを可能にし、そのロボットを反応チャンバから回収し、ゲートバルブを閉じることを含む。支持構造は、基板ホルダ（ウェーハがその上で静止する）およびその基板ホルダを支持する支持スパイダを備えてもよい。スパイダは、下位チャンバ壁内で開口部から下方に延在するシャフトに取り付けられる。

一実施形態において、冷壁反応器は、放射熱エネルギーの「サセプタ」または吸収器である基板ホルダを有する。典型的なサセプタは、ＳｉｃまたはＳｉｃコーティングを施されたグラファイトで形成され、ウェーハエッジの周囲に約１ｍｍ未満のクリアランスを有する、２００ｍｍまたは３００ｍｍに適合するポケットサイズのウェーハ（あるいは、将来的に４５０ｍｍのウェーハ）を備えてもよい。他の構成において、サセプタは他の大きさのウェーハを支持するように設計可能である。一実施形態において、サセプタは標準的なサセプタであってもよく、その質量は、支持するように設計されたウェーハよりも大きい。そのような標準的なサセプタは、支持されるべきウェーハの熱質量の約３倍より大きい熱質量を有することができる。サセプタは、ウェーハが負荷された場合に、６００℃から８００℃の間の温度、特に、６５０℃から７５０℃の間にて維持されてよい。

一部の実施形態において、ウェーハが負荷されている間であって、反応チャンバのドアが閉じる前に、還元剤が反応チャンバに供給される。還元剤はウェーハの表面上の界面酸素の形成を除去または遅滞させる。図１Ａに示す処理において、供給（１２０）は、１ｓｌｍ（ｓｔａｎｄａｒｄ ｌｉｔｅｒｓ ｐｅｒ ｍｉｎｕｔｅ）から８０ｓｌｍの間の速度にて、水素ガスを反応チャンバに供給することを含む。ポンプ容量およびチャンバの強度に依存して、極端に高い流量はチャンバの圧力を上昇させる傾向を有する。当業者は、本明細書の開示に鑑みて、他のハードウェア構成のために、適切な範囲が、界面酸素に影響を及ぼすことを決定するために、１つの変量（例えば圧力）を設定して、他の変量を変更する（例えばガスの流量を減少させる）ことが決定可能であることを容易に理解する。説明された実施形態が水素ガスを用いる一方で、他の還元ガスが、水素ガスに追加して、またはその代替として用いられてもよい。

図１Ａは、負荷（１１０）の後に、水素ガスを反応チャンバに供給（１２０）を示すが、その供給（１２０）は、チャンバに対してゲートバルブが閉じる前に開始されてよく、かつ負荷（１１０）の前に開始されてよく、その結果、ウェーハは還元ガス環境に負荷される。他の実施形態は反応チャンバ内に還元ガス環境を提供しなくてもよい。還元ガス環境を提供するこれらの実施形態において、還元ガスは、処理の他の段階（例えば、ウェーハが負荷された後であって、ポンプ動作が始まる前、またはポンプ動作が生じている間など）にて供給されてもよい。反応チャンバに供給されている水素ガスの流量は、処理の異なる段階において可変であってよい。例えば、反応チャンバ内の総圧力が低減される場合、例えば５ｓｌｍから２０ｓｌｍの間などの低減された流量が、ポンプ動作および反応チャンバの低圧維持を支援するために供給されてもよい。

負荷（１１０）の後、温度遷移１３０により、負荷時の温度から初期のベーク時の温度へと基板の温度が増加する。負荷時の温度は、基板が負荷されている間の、サセプタの温度または基板支持部の温度であり、ベーク時の温度は、低圧でのベークが行われている間の、基板の温度である。低圧でのベーク（１５０）の間、基板の温度が変動可能であるように、ベーク時の温度は時間と共に可変である。温度遷移１３０は、約０℃から１００℃の間で、より特定的には、約２５℃から７５℃の間で、基板の温度を上昇させてもよい。図２および図３に示す実施形態において、負荷時の温度は７００℃であり、温度遷移１３０は、５０℃から初期のベーク時の温度７５０℃で、好ましくは、約２０秒から３０秒（１．７−２．５℃／秒の遷移）の間の遷移時間の間、基板の温度を上昇させてもよい。

温度遷移１３０の後、低圧でのベーク１５０が開始し、このとき、ポンプ動作により反応チャンバ内の圧力が低減する。反応チャンバ内の圧力を低減することで、ウェーハの低圧でのベークが可能となり、このベークは、有利にも、迅速に、かつ熱履歴に対しては最小限のコストにて、ウェーハから酸化成長を除去する。理論によって本開示を限定することなく、低圧でのベークはウェーハ上にわたる境界層を低減させ、それにより、ウェーハ表面への水素の移動を容易にすると考えられる。

ＡＰＭ洗浄、ＨＦ最終、および／または他の洗浄処理がウェーハを反応チャンバに負荷する前に実行される場合であっても、酸化皮膜２２２は、典型的には、図５Ａに示すように、洗浄処理の完了とウェーハの負荷との間の時間間隔内に、表面２２１上に再び成長する。低圧でのベークは、ウェーハの主要な表面２２１上の酸化物を実質的に除去し、その結果、図５Ｂに示すように、ウェーハ２２０は、その後に、きれいな表面２２３を有する。一実施形態において、きれいなウェーハ表面２２１は、二次質量分析を用いて検出可能でない酸素のレベルを有し、その装置のバックグラウンドレベルは、１ｃｍ³あたり約５×１０¹⁷アトム以下である。低圧でのベークの後に、エピタキシャルＣＶＤ処理が実行されてよく、それにより、図５Ｃに示すように、ウェーハ２２０上にエピタキシャル層２２５が形成する。

一部の実施形態において、例えば、ウェーハが大気圧での環境から負荷される場合、低圧でのベーク１５０が開始する前の反応チャンバの圧力は実質的に大気圧である。他の構成において、例えば、ウェーハが、加圧された負荷ステーションから、反応チャンバへと負荷される場合、ポンプ動作前の反応チャンバ内の圧力は、大気圧未満でもよく、または大気圧より高くてもよい。ポンプ動作後、反応チャンバ内の圧力は、低圧でのベーク１５０を実行するのに適した圧力である。一実施形態において、ベーク圧力は、約１×１０^-6Ｔｏｒｒ（約１３３．３２×１０^-6Ｐａ）から１０Ｔｏｒｒ（約１３３３．２２Ｐａ）の間である。別の実施形態において、ベーク圧力は、約１×１０^-3Ｔｏｒｒ（約１３３．３２×１０^-3Ｐａ）から４Ｔｏｒｒ（約５３３．２９Ｐａ）の間である。さらに別の実施形態において、ベーク圧力は、約０．０１Ｔｏｒｒ（約１．３３Ｐａ）から３Ｔｏｒｒ（約３９９．９６Ｐａ）の間である。

ポンプ動作は、真空ポンプによって、特に、圧力を迅速に低減して熱履歴を保全することができる大容量真空ポンプによって実施されてもよい。真空ポンプは、６０秒未満で大気圧または１Ｔｏｒｒ（約１３３．３２Ｐａ）より大きい圧力から、より特定的には、４０秒以下で大気圧または１×１０^-3Ｔｏｒｒ（約１３３．３２×１０^-3Ｐａ）より大きい圧力から、反応チャンバ内の圧力を低減可能であってもよい。これらの性能を有する市販の真空ポンプの例は、英国、ウェストサセックスのＢＯＣ Ｅｄｗａｒｄｓから利用可能な１８００シリーズ半導体Ｄｒｙｐｕｍｐｓである。

図１Ａは、低圧でのベーク１５０が、開ループ温度制御モード１４０または閉ループ温度制御モード１４２において実行可能であることを示す。開ループモード１４０において、制御器は電力を加熱素子に供給し、この加熱素子は、チャンバ内の温度測定値とは独立して、反応器を加熱する。一部の実施形態において、制御器は、低圧でのベーク１５０の間、加熱素子に、実質的に一定の電力供給を維持する設定点を用いる。

開ループ制御モード１４０は、低圧でのベークの間、一定かつ比較的低いウェーハ温度を提供する。一部の実施形態において、開ループモード１４０における低圧でのベークの間、基板温度は、初期ベーク温度（図示の実施形態においては７５０℃）から、４０℃未満で上昇する。別の実施形態において、基板温度は、低圧でのベークの間、２０℃未満で上昇する。基板表面にわたる温度均一性を維持することは、ウェーハ処理においてもまた重要である。従って、一実施形態において、開ループモード１４０における低圧でのベークは、８０℃未満の基板表面にわたる温度範囲（ΔＴ）を維持する。別の実施形態において、開ループモード１４０における低圧でのベークは６０℃未満のΔＴを維持する。開ループモード１４０の別の態様は、短いベーク時間（しかし、閉ループモード１４２の一部のベーク時間よりも長い）を提供する。開ループモード１４０において、圧力が低減し始めるときから堆積が開始されるまでの時間間隔は、９０秒から２４０秒の間であってもよく、より特定的には、１１０秒から１９０秒の間であってもよい。

閉ループモード１４２において、制御器は、反応チャンバ内の温度センサからのフィードバックに基づいて、電力を加熱素子に供給することによって、温度設定点を達成しようとする。閉ループモード１４２において低圧でのベークを実行することは、急速な温度上昇を提供する。一部の実施形態において、温度は約７５０℃から９００℃の間まで、より特定的には約８００℃から８５０℃の間まで上昇する。一部の処理において、低圧でのベーク１５０の間の制御器の温度の設定点は、温度遷移１３０後の温度と実質的に同じまま（例えば７５０℃）であるが、基板の実際の温度は上昇する。他の処理において、温度の設定点は低圧でのベークの間に上昇するが、基板の温度の実際の上昇は、その上昇した温度の設定点を越える。この温度の急上昇が低圧でのベーク１５０の間に生じるため、この全範囲は、本開示の目的のためのベーク温度とみなされる。

理論によって本開示を限定することなく、閉ループモード１４２における急速な温度上昇は、基板と温度センサとの間の熱移動が低減したことに起因し、これにより、次に、対流のための低減されたガス供給が引き起こされると考えられる。ガスがポンプ動作１３０の間に排出されているため、ガス供給は低減される。従って、制御器は、急速に電力供給を加熱器に遷移することにより、センサによって誤って検出された低い温度を補正しようとし、それによって温度の設定点を超過する。このように、閉ループモード１４２における温度と圧力との間の関係により、反応チャンバ内の低い圧力によって制御器が一時的に温度を上昇させると考えられる。急速な温度上昇が、精密な温度制御または簡単な酸化物還元処理の目的のための追跡よりもさらに重要であるので、温度制御における一時的な誤りは許容可能な条件である。

閉ループモード１４２における低圧でのベークは、たとえ非常に短い時間であっても効果的であり得、熱履歴を保全する。一実施形態において、圧力が減少し始めるときから基板上に層を堆積し始めるまでの時間間隔は６０秒未満である。別の実施形態において、圧力が減少し始めるときから基板上に層を堆積し始めるまでの時間間隔は４０秒未満である。また、閉ループモード１４２は基板の主要な表面にわたって温度の均一性を促進する。一実施形態において、閉ループモード１４２における低圧でのベークの間の基板表面にわたる温度の範囲（ΔＴ）は５０℃未満である。別の実施形態において、閉ループモードにおける低圧でのベークの間の基板表面にわたるΔＴは３０℃未満である。

図１Ａに示す処理において、水素ガスが低圧でのベーク１５０の間に供給され続けてもよく、または、十分な水素が、ポンプ動作の前に、低圧でのベーク１５０全体に十分に提供されてもよい。上述のように、他の実施形態は、水素ガス以外の還元ガスを提供してもよい。

低圧でのベーク１５０の後に、図１Ａは、ウェーハ上においてエピタキシャル１７０を実行することを示す。本明細書に記載された方法は、特に、エピタキシャルＣＶＤに適しているが、主要な表面上の層を堆積する他の処理もまた利用可能である。低圧でのベーク１５０の後、制御器は、所望される処理に適しているウェーハ温度を提供するために、加熱器に対する電力供給を減少させる。一部の実施形態において、例えば、比較的低い温度のエピタキシャルが実行された場合、その温度は、３００℃から７５０℃の間まで減少され、一実施形態においては、５００℃から７００℃の間まで減少される。エピタキシャルＣＶＤ１７０および任意の他の所望される処理がウェーハ上において実行された後、アンロード１８０により反応チャンバからウェーハが除去される。反応チャンバから除去されたウェーハは、シリコン含有の主要な表面を含み、シリコンに対して酸化物を減少させてあり、その後のエピタキシャル成長のためのきれいな半導体表面を残す。

図１Ｂは、シリコン含有の主要な表面を有するウェーハを洗浄する別の処理を示す。図１Ｂに示す処理において、低圧でのベーク１５０の後に、バックフィル圧力（埋め戻し圧力（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｂａｃｋｆｉｌｌ））１６０が、反応チャンバ内で堆積圧力にまで増加し、この堆積圧力は所望のその後の堆積処理に適している圧力である。図１Ｂに示すように、所望の処理がエピタキシャル１７０である場合、バックフィル圧力１６０は、約１Ｔｏｒｒ（約１３３．３２Ｐａ）から１００Ｔｏｒｒ（約１３３３２Ｐａ）の間、特に、約５Ｔｏｒｒ（約６６６．６１Ｐａ）から５０Ｔｏｒｒ（約６６６６．１０Ｐａ）の間の堆積圧力にまで圧力を増加させてもよい。エピタキシャル１７０の後、基板はアンロード１８０によって除去できる。

図２は、本発明の実施形態に係る例示的な処理における基板温度およびチャンバ圧力のプロット図を示す。図２に示す処理は、図１Ｂに示されるように、閉ループ温度制御下での低圧でのベークを例示しており、ここで反応チャンバ内の圧力は低圧でのベークの後にバックフィルされる。図２の第１段階において見ることができるように、ウェーハ支持部を囲むセンサによって測定された温度は、大気圧にてウェーハが反応チャンバに負荷されたときと同じように、実質的に一定のままである。ウェーハが負荷される場合、その負荷時の温度は約７００℃である。次に、ウェーハが、温度遷移の間に、約７５０℃の初期のベーク温度にまで加熱される。次に、反応チャンバは、約１Ｔｏｒｒ（約１３３．３２Ｐａ）にまで急速にポンプ動作が行われ、そのウェーハは約８３０℃にまで急速な温度上昇を受ける。次いで、温度制御システムは安定化し始め、設定点温度（例示の実施形態においては７５０℃）にまで戻る。ウェーハの温度は、ポンプ動作が始まった後、約２２秒で、約７５０℃にまで戻る。低圧でのベークの後、反応チャンバ内の圧力および基板温度は所望の処理のために最適化される。例示の実施形態において、反応チャンバの圧力は、約９Ｔｏｒｒ（約１１９９．８８Ｐａ）にまでバックフィルされ、ウェーハ温度の設定点は低減される。実際のウェーハ温度は、約６５０℃において安定化する前に、一時的に揺れることが示されている。

図３は別の例示的な処理における温度および圧力を示す。図３は、図１Ｂに示されるように、再び、開ループ温度制御下での例示的な低圧でのベーク処理を示し、ここで、反応チャンバ内の圧力は低圧でのベーク後にバックフィルされる。図３の第１の段階は、ウェーハが約７００℃の負荷時の温度にて負荷される間、温度は実質的に一定のままであり、次いで、温度は、約７５０℃の初期のベーク温度にまで遷移することを示す。次いでポンプ動作が始まり、反応チャンバ内の圧力を約０．１Ｔｏｒｒ（約１３．３３Ｐａ）にまで低減させる。その一方で、制御器は、一定の電力を、反応チャンバの外側の放射加熱器に供給し、それにより、低圧でのベークの間、ウェーハ温度を実質的に一定に維持する。温度プロット図における影付きの領域は、低圧でのベークの間、ウェーハ表面の異なる部分において、温度の範囲がおよそ７２５℃から７７５℃の間にあることを示す。低圧でのベークは、約１５０秒間続く。次いで、その圧力は、約１０Ｔｏｒｒ（約１３３３．２２）にまでバックフィルされ、そのウェーハ温度は、その後の低い温度でのエピタキシャルＣＶＤ処理の間、約６５０℃にまで減少される。

図４は、本発明の実施形態に係るＣＶＤシステムについての略図である。反応チャンバ２００およびその内部にあるウェーハ支持部２０１は上述と同様であり得る。ロボット２３０はウェーハを反応チャンバ２００に搬送し、真空ポンプ２４０は、反応チャンバ２００から、ガスを迅速に排出するように構成される。反応チャンバ２００内の温度は、反応チャンバ２００内の加熱素子２０２によって調節可能である。他の実施形態において、チャンバ２００の外側の放射熱ランプ２０４は、チャンバ２００内の圧力とは殆ど独立して、基板を加熱することができる。

制御器２１０は、加熱素子２０２および／または熱ランプ２０４と通信するので、制御器２１０は加熱素子２０２および／または熱ランプ２０４に、それらの出力を増加または減少させるように命令することができる。制御器２１０は、上述のように、例えば、開ループ制御低圧でのベークまたは閉ループ制御低圧でのベークなど、低圧でのベークを実行するようにプログラミングされていてもよい。従って、制御器２１０はまた、真空ポンプ２４０およびガスパネル２６０と通信してもよい。ガスパネルは、還元気相供給ライン２６２および１つ以上の半導体前駆供給ライン２６４のためのバルブを収容してもよく、各々は、反応チャンバ２００に送り出される。従って、制御器２１０は、例えば、水素ガスなどの還元剤およびシリコンソースガスを反応チャンバ２００に選択的に導入することができる。

本明細書に記載された処理は、その後の堆積のために、非常にきれいで、酸化されていないシリコン表面を提供する一方で、低い温度でかつ迅速な水素のベークを可能とする。さらに、上述の低圧でのベークと、インサイチュで行われる比較的低い温度での堆積との組み合わせにより、ウェーハのスループットにおける他の十分な改良を可能にし、運用全体のコストを下げる。

様々な改変および変更が本発明の範囲から逸脱することなくなされ得ることは当業者によって理解される。かような改変および変更は、添付の特許請求の範囲によって規定されるように、本発明の範囲内であることが意図されている。

Claims (34)

1. 半導体基板の処理方法であって、
   基板を、化学気相成長法の反応チャンバ内の基板支持部に負荷することと、
   前記反応チャンバ内の圧力を、約１×１０^-6Ｔｏｒｒ（約１３３．３２×１０^-6Ｐａ）から１０Ｔｏｒｒ（約１３３３．２２Ｐａ）の間のベーク圧力にまで低減することと、
   前記ベーク圧力から堆積圧力にまで、前記反応チャンバ内の圧力を上昇させることと、
   前記堆積圧力にて、化学気相成長法によって層を堆積することと、
   を含む、半導体基板の処理方法。
2. 前記圧力を低減することは、約１×１０^-3Ｔｏｒｒ（約１３３．３２×１０^-3Ｐａ）から４Ｔｏｒｒ（約５３３．２９Ｐａ）の間まで、圧力を低減することを含む、請求項１に記載の半導体基板の処理方法。
3. 前記圧力を上昇させることは、約１Ｔｏｒｒ（約１３３．３２）から１００Ｔｏｒｒ（約１３３３２Ｐａ）の間まで圧力を上昇させることを含む、請求項１に記載の半導体基板の処理方法。
4. 前記基板を負荷することは、およそ大気圧にて前記基板を前記チャンバに負荷することを含む、請求項１に記載の半導体基板の処理方法。
5. 前記ベーク圧力にて、前記反応チャンバ内に還元ガス環境を提供することをさらに含む、請求項１に記載の半導体基板の処理方法。
6. 前記圧力を低減することの前に、前記反応チャンバに前記還元ガス環境を導入することをさらに含む、請求項５に記載の半導体基板の処理方法。
7. 前記反応チャンバ内において圧力を低減しながら、約７５０℃から９００℃の間まで前記基板の温度を上昇させることをさらに含む、請求項１に記載の半導体基板の処理方法。
8. 前記基板の温度を上昇させることは、３０℃未満の前記基板表面にわたる温度範囲を維持することを含む、請求項１に記載の半導体基板の処理方法。
9. 前記反応チャンバ内において圧力を低減し始めるときから前記層を堆積し始めるまでの時間間隔は４０秒未満である、請求項７に記載の半導体基板の処理方法。
10. 前記基板の温度を上昇させることは、閉フィードバックループを用いて前記温度を制御することと、温度設定点を一定に保つこととを含む、請求項７に記載の半導体基板の処理方法。
11. 前記基板の温度を上昇させた後に、約３００℃から７５０℃の間まで前記基板の温度を減少させることをさらに含む、請求項７に記載の半導体基板の処理方法。
12. 化学気相成長法によって前記層を堆積することは、エピタキシャルを含む、請求項１１に記載の半導体基板の処理方法。
13. 前記圧力を低減することは、前記反応チャンバを加熱する加熱器に対して、実質的に一定の電力設定点を維持することを含む、請求項１に記載の半導体基板の処理方法。
14. 前記実質的に一定の電力設定点を維持することは、一定の電力での開ループ制御モードにおいて、前記加熱器を制御することを含む、請求項１３に記載の半導体基板の処理方法。
15. 前記圧力を低減することは、４０℃未満で前記基板の温度を上昇させることを含む、請求項１４に記載の半導体基板の処理方法。
16. 前記圧力を低減することは、６０℃未満の前記基板表面にわたる温度範囲を維持することを含む、請求項１４に記載の半導体基板の処理方法。
17. 前記チャンバに前記基板を負荷する前に、水素を用いて前記基板の前記表面においてシリコンを終端させることをさらに含み、前記表面を終端させることがＨＦ最終を含む、請求項１に記載の半導体基板の処理方法。
18. 前記化学気相成長法はエピタキシャル処理を含む、請求項１７に記載の半導体基板の処理方法。
19. シリコン表面の処理方法であって、
    基板を、反応チャンバ内の基板支持部に負荷することと、
    還元ガスを前記反応チャンバに導入することと、
    前記還元ガスを導入した後、前記還元ガスを前記反応チャンバに供給し続けながら、前記反応チャンバ内の圧力を、約１×１０^-6Ｔｏｒｒ（約１３３．３２×１０^-6Ｐａ）から１０Ｔｏｒｒ（約１３３３．２２Ｐａ）の間のベーク圧力にまで低減することと、
    を含む、シリコン表面の処理方法。
20. 前記反応チャンバ内の圧力を低減することは、圧力を、約１×１０^-2Ｔｏｒｒ（約１３３．３２×１０^-2Ｐａ）から３Ｔｏｒｒ（約３９９．９６Ｐａ）の間まで低減することを含む、請求項１９に記載のシリコン表面の処理方法。
21. 前記基板を負荷することは、およそ大気圧にて前記反応チャンバに負荷することを含む、請求項１９に記載のシリコン表面の処理方法。
22. 前記圧力を低減することは、初期のベークの温度から上昇されたベークの温度にまで、前記基板の温度を上昇させることを含み、前記初期のベークの温度は、約７００℃から８００℃の間であり、前記上昇されたベークの温度は、約７５０℃から９００℃の間である、請求項１９に記載のシリコン表面の処理方法。
23. 前記基板の温度を上昇させた後、前記基板の温度を、約５００℃から７００℃の間まで、低減することをさらに含む、請求項２２に記載のシリコン表面の処理方法。
24. 前記圧力を低減することは、前記反応チャンバ内における加熱器に対して、実質的に一定の電力設定点を維持することを含む、請求項１９に記載のシリコン表面の処理方法。
25. 前記圧力を低減することは、０℃より高く２０℃未満で、前記基板の温度を上昇させる、請求項２４に記載のシリコン表面の処理方法。
26. 半導体基板上での化学気相成長法のためのシステムであって、
    約１００リットル未満の大きさを有し、５Ｔｏｒｒ（約６６６．６１Ｐａ）未満の圧力に耐えるように構成された強化構造を備える反応チャンバと、
    基板を前記反応チャンバに搬送するように構成されたロボットと、
    前記反応チャンバ内において前記基板を加熱するように構成された複数の加熱素子と、
    約１×１０^-6Ｔｏｒｒ（約１３３．３２×１０^-6Ｐａ）から４Ｔｏｒｒ（約５３３．２９Ｐａ）の間のベーク圧力にて、低圧でのベークを実行するようにプログラミングされた制御器と、
    を備える、システム。
27. 前記制御器は、約９０秒から約２４０秒の間、前記低圧でのベークを実行し、その後、圧力を、約１Ｔｏｒｒ（約１３３．３２）から１００Ｔｏｒｒ（約１３３３２Ｐａ）の間の堆積圧力にまで上昇させるようにプログラミングされている、請求項２６に記載のシステム。
28. 前記制御器は、前記低圧でのベークを実行しながら、前記加熱素子に対して実質的に一定の電力を維持するようにプログラミングされている、請求項２７に記載のシステム。
29. 前記制御器は、前記低圧でのベークを実行しながら、初期のベーク温度から、約７５０℃から９００℃の間まで、前記基板の温度を上昇させることが可能な閉ループ温度制御モードを有する、請求項２６に記載のシステム。
30. 前記制御器は、還元ガスを前記反応チャンバに供給しながら、前記低圧でのベークを実行するようにプログラミングされている、請求項２６に記載のシステム。
31. 半導体前駆ガスを前記反応チャンバに供給するように構成された半導体前駆供給ラインをさらに備える、請求項２６に記載のシステム。
32. ６０秒未満で、大気圧から約１Ｔｏｒｒ（約１３３．３２Ｐａ）以下まで、前記反応チャンバ内の圧力を低減するように構成された真空ポンプをさらに備える、請求項２６に記載のシステム。
33. 前記チャンバは、１０^-9ａｔｍ−ｃｃ／秒での漏出速度を有する、請求項２６に記載のシステム。
34. 前記反応チャンバは、単一ウェーハ、冷壁、化学気相成長法の反応チャンバである、請求項２６に記載のシステム。

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