JP2540583B2 - 基板の清浄化処理方法およびその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は，微細な溝などを形成した半導体結晶などの
基板表面を清浄化する清浄化処理方法およびその装置に
関し，特に電界効果トランジスタやバイポーラトランジ
スタなどを含む集積回路の製造に好適で，製品歩留りを
一段と向上させることのできる基板の清浄化処理方法と
それを実施するための装置に関する。

〔従来の技術〕

従来，集積回路などの半導体装置において高密度化と
動作の高速化の進展を妨げていたのは，素子製造工程中
に半導体素子の表面に付着する汚染物質が原因してい
る。ここで，第３図に示すような従来の半導体素子の製
造方法を例に挙げて具体的にその原因を説明する。図に
おいて半導体結晶からなる基板１上に絶縁物層２を形成
し〔第３図（ａ）〕，絶縁物層２の一部および基板１の
一部を除去して溝３を形成し〔第３図（ｂ）〕，アルカ
リ系または酸系の洗浄液を用いてウェット洗浄を行い
〔第３図（ｃ）〕，溝３部を絶縁物４で充填し〔第３図
（ｄ）〕，イオン注入法などにより，基板１の一部に不
純物を導入し，絶縁物層２の一部を除去した後，ゲート
酸化膜5,ゲート電極6,ソース7,ドレイン８およびコレク
タ9,ベース10,エミッタ11,エミッタ電極12などを形成す
ることにより，互いに分離された電界効果トランジスタ
やバイポーラトランジスタが形成される〔第３図
（ｅ）〕。

この従来の方法では，溝３部形成工程において，溝３
部中に汚染物質13が付着する。この汚染物質13を除去す
るために従来行われているアルカリ系または酸系の洗浄
液によるウェット洗浄では，溝３部が狭く深くなるにつ
れ，溝３部からの汚染物質13の除去速度が低下し，汚染
物質13が完全に除去できないという欠点があった。

このため，除去できなかった汚染物質13が単結晶半導
体層中の結晶欠陥14生成の原因となった。結晶欠陥14の
近傍では，不純物拡散が異常に増速され，また，汚染物
質13から重金属などの不純物が単結晶半導体層中へ拡散
するため，半導体素子の電気特性が劣化したり，また汚
染物質13を含む絶縁物４では，リーク電流の少ない良好
な絶縁分離が達成できないなどの問題が生じる。このた
め，従来技術より製造した電界効果トランジスタなどの
半導体素子の信頼性，製品の歩留りに難点があった。さ
らに，この従来技術により製造した半導体素子を微細化
した場合には，上述の問題点が，より重大な悪影響を素
子の特性に及ぼすため，素子の微細化によって動作の高
速化および半導体装置の高密度化をはかることには限界
があった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来技術における問題点を解決するため，基
板上に形成された溝の内部に付着した汚染物質を除去す
る一方法として，超音波洗浄技術が提案された。しか
し，この方法は，第４図に示すごとく，絶縁物層２およ
び溝３を形成した半導体結晶の基板１を，振動波発生器
15を備えた容器16中の酸系（塩酸＋過酸化水素＋純水な
ど）あるいはアルカリ系（アンモニア＋過酸化水素＋純
水など）の洗浄液17中に浸し〔第４図（ａ）〕，洗浄液
17中で超音波などの振動波を利用して溝３部中の汚染物
質13を除去し〔第４図（ｂ）〕，清浄な溝３部を形成し
ようとするものである。この方法では，溝３の幅が１μ
ｍ程度以上の場合において汚染物質を除去することがで
きる。しかし，この方法では，清浄化法として溝３部中
に侵入した洗浄液による洗浄効果を利用するため，単結
晶半導体からなる基板１の表面に幅が0.5μｍ程度以下
で，深さと幅の比が４程度以上の微細で深い溝３が形成
された場合には，溝３部中に洗浄液が侵入しにくくなる
ため洗浄効果が低下するという欠点があった。さらに，
溝３部中に一部侵入した洗浄液が洗浄後の乾燥工程にお
いても脱離せず，このため雰囲気中の汚染物質13が溝３
部に付着し易くなるという問題があった。したがって，
単結晶半導体層中に高密度に電界効果トランジスタなど
を形成する際，汚染物質13のない微細な溝３部の形成が
困難となり，多数のトランジスタを絶縁分離特性よく形
成させることができなかった。

さらに，上記の諸問題を解決するために，有機系蒸気
洗浄技術が提案された。この方法は，第５図に示すよう
に，絶縁物層２および溝３を形成した半導体結晶からな
る基板１を有機系洗浄液（トリクレンなど）の蒸気を含
む雰囲気18中に置き〔第５図（ａ）〕，基板１表面およ
び溝３部中に有機系洗浄液の蒸気の凝縮により有機系洗
浄液層19を形成し〔第５図（ｂ）〕，汚染物質13を有機
系洗浄液に溶解させて除去する方法である。これは，微
細な溝３部中にも気相拡散により洗浄液を導入すること
ができ，汚染物質13を溶解させることができる。しか
し，この方法も縦横比が大きい微細な溝３部がある場
合，溶解した汚染物質を洗浄液中での拡散により除去す
ることが困難になるという欠点があった。このため，溶
解した汚染物質13が洗浄工程後溝３部表面に再付着し，
微細な溝３部中にも洗浄液が導入できるという蒸気洗浄
の特長が生かせないという問題があった。また，有機系
洗浄液では無機物系の汚染物質を除去し難いという欠点
もあった。

以上のように，従来の洗浄方法では，汚染物質の付着
していない微細な溝部を形成し，微細なトランジスタを
高密度に集積した半導体装置を歩留りよく製造すること
は極めて困難であった。

本発明の目的は，上記従来技術における問題点を解消
し，半導体基板表面に形成された狭く深い溝の内部に付
着した汚染物質であっても，これを完全に，しかも容易
に除去できる清浄化方式を提案し，集積回路などの製造
に好適で，半導体装置の高密度化・高性能化を可能とす
る基板の清浄化処理方法およびその装置を提供すること
にある。

〔課題を解決するための手段〕

上記本発明の目的は，半導体結晶などからなる基板表
面を，酸素を含む雰囲気中で紫外線を照射して上記基板
表面を親水性にする親水性化処理工程と，水蒸気を含む
雰囲気中で上記親水性化処理を施した基板表面の温度を
下げて，上記水蒸気を含む雰囲気の露点温度以下に冷却
保持して上記親水性化処理を施した基板表面に水を含む
含水層を形成させる工程と，上記含水層を媒体として洗
浄液に密接させて汚染物質を洗浄し除去する洗浄工程お
よび基板を乾燥させる乾燥工程を連続して行うことによ
り，達成される。

さらに，本発明の基板の清浄化処理は，上記基板表面
を親水性にする工程と，親水性化処理を施した基板表面
に含水層を形成させる工程の後，洗浄液に密接させて汚
染物質を洗浄し除去する場合に，基板表面に振動波を照
射しながら基板表面の洗浄を行うと，一段と基板の清浄
化効果は向上する。そして，さらに上記の基板表面を洗
浄液により洗浄処理した後，洗浄された基板表面に光を
照射することにより，基板表面から水を含む揮発物質を
除去し基板を乾燥させる乾燥工程を加えて，これらの工
程を連続して行うことにより，本発明の目的は達成され
る。

〔作用〕

本発明の基板の清浄化処理方法において，従来技術に
開示されていない最も特徴とするところは，第１段階と
して基板に形成された溝内部を親水性にし，次に水蒸気
の凝結により溝内部に水を含む含水層を形成し，この含
水層へ振動波照射の効果により洗浄液を拡散させること
により微細な溝の内部にも酸系またはアルカリ系の洗浄
液を侵入させ，洗浄液と汚染物質の反応により無機系お
よび有機系の汚染物質を分解し，そして基板に与える振
動波照射の効果により分解した汚染物質を溝外部へ拡散
させ，最後に乾燥工程において，例えば基板表面に光を
照射して溝内部の洗浄液を完全に除去する点にある。例
えば，従来の第３図（ｃ）の超音波振動を用いないアル
カリ系または酸系のウェット洗浄法に比べ，本発明は溝
３部が深い場合であっても，振動波照射による拡散速度
の増大のため，溝３部からの汚染物質の除去速度を必要
な値以上に保つことができ，汚染物質が完全に除去でき
る優れた効果がある。また，従来の第３図（ｃ）の超音
波振動を用いないアルカリ系または酸系のウェット洗浄
を第１段階に行った場合と比べ，および，従来の第４図
の超音波振動を用いたアルカリ系または酸系のウェット
洗浄を第１段階に行った場合に比べ，本発明の基板の清
浄化の処理方法は，単結晶半導体表面に幅が0.5μｍ程
度以下で深さと幅の比が４程度以上の微細で深い溝であ
る場合においても，溝３部中に洗浄液を侵入させること
ができるため，洗浄効果が低下しない特徴がある。さら
に，本発明は，溝３部中に侵入した洗浄液が基板洗浄後
の乾燥工程において完全に脱離されるため，雰囲気中の
汚染物質が溝３部に付着しにくいという作用がある。ま
た，従来の第５図の有機系洗浄液の蒸気を含む雰囲気中
で基板１表面および溝３部中に有機系洗浄液蒸気の凝縮
により有機系洗浄液層19を形成し汚染物質13を有機系洗
浄液に溶解させ除去する方法に比べ，本発明は，縦横比
が大きい微細な溝３部がある場合でも，溝３部中の無機
物系および有機物系の汚染物質13を分解することがで
き，分解した汚染物質13を完全に除去することができる
利点がある。

また，本発明の基板の清浄化処理装置は，上記の清浄
化処理工程の各々を連続して行なうことを特徴とするも
ので，個々の工程を別々の従来型装置で行なった場合と
比べ，本発明は各工程間に基板が汚染される可能性が極
めて少ないという特徴を有するものである。

〔実施例〕

以下に本発明の一実施例を挙げ，図面を参照しながら
さらに詳細に説明する。なお，本実施例は一つの例示で
あって，本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で種々の
変更あるいは改良を行い得ることは言うまでもない。

（実施例１） 第１図に示すごとく，まず，溝を形成した半導体結晶
からなる基板１を酸素を含む雰囲気20の中に置く〔第１
図（ａ）〕。この際，酸素を含む雰囲気20としては，純
酸素，酸素＋不活性ガス（窒素，アルゴン，ヘリウムな
ど），空気などを用いればよいが，雰囲気中のダスト数
が少なく炭素を含むガスの分圧が小さいことが望まし
い。この雰囲気中で基板１表面に紫外光を照射し，基板
１表面を親水性にする。紫外光源21としては，低圧また
は高圧の水銀ランプ，重水素ランプ，希ガス共鳴線ラン
プ，エキシマレーザなどを単独または複数を用いればよ
い。この際，波長が130nmから約200nmの，酸素分子
（O₂）からオゾン（O₃）を発生させる効果を持つ紫外光
と，波長が250nm付近の，オゾンから酸素原子（Ｏ）を
発生させる効果を持つ紫外光の両者が照射できることが
望ましい。オゾンが分解して生じた活性な酸素原子は，
基板表面を疎水性にする炭素系の化合物を分解し揮発性
の分子にして基板１表面から除去し，また，露出した基
板１表面をわずかに酸化することにより，基板１表面を
親水性にする。オゾンの供給源として放電型などのオゾ
ン発生器を用いた場合は，波長が250nm付近の紫外光の
みを用いることもできる。紫外光を照射する際，基板１
表面の温度を，適当な温度，例えば100℃程度まで上げ
ることにより，親水性にする効果が高まる。基板１の表
面は，単結晶半導体であってもよく，また，絶縁物や金
属などで覆われた状態であってもよい。酸素を含む雰囲
気中で上記のような紫外線照射を行うことにより，接触
角が４度程度の良好な親水性表面を形成させることがで
きる。

次に，水蒸気を含む雰囲気22の中で，親水性基板１表
面の温度を水蒸気を含む雰囲気22の露点以下に保ち，親
水性基板１表面上に水を含む層23を形成させる〔第１図
（ｂ）〕。水蒸気を含む雰囲気22を形成するには，適当
な温度，例えば40℃に保った純水中をバブリングしたガ
スを導入すればよい。このガスの湿度が100％に近い場
合，ガス中の水分は50g/m³程度であり，基板の温度を20
℃に保った場合，飽和水分は20g/m³であるから，ガスを
1000cc/minの流量で１分間だけ基板１表面に吹き付けた
とき，凝縮の効率が100％に近い場合は，総量30mg程度
の水の層が形成される。基板１の表面積が100cm²とする
と，基板１表面が親水性の場合,3μｍ程度の厚さの水を
含む層23が基板１表面に，ほぼ均一に形成される。この
層の厚さは１μｍ程度の幅の基板１の溝３を埋めるのに
十分な厚さである。水を含む層23の厚さが適当でない場
合は，実際の凝縮効率に対応して，ガスの流量や吹き付
ける時間などを変えればよい。ガスの中にHClやNH₃など
を含ませておけば，洗浄効果の高い水を含む層23を形成
させることができる。基板１の温度を露点以下に保つに
は，適当な温度，例えば10℃程度に冷却したガスや純水
を基板１の裏面に吹き付ければよい。

次に，上記の水を含む層23を媒体として，親水性基板
１表面を洗浄液17に密接させる〔第１図（ｃ）〕。洗浄
液17としては，酸系（塩酸＋過酸化水素＋純水，弗酸＋
純水など）あるいはアルカリ系（アンモニア＋過酸化水
素＋純水など）の洗浄液17などを用いればよい。また，
過酸化水素のかわりに，オゾンを溶かしこんだ純水を用
いてもよい。アンモニア，塩酸，弗酸液などは，使用す
る直前に各種のガスを純水に溶かしこんで用いると，汚
染物質13が洗浄液17に混入する可能性が少なくなる。基
板１表面が親水性で，かつ，基板１表面に水を含む層23
が形成されているため，液体相互の拡散が速やかに進行
し，狭く深い溝３の内部も含む基板１表面全体が洗浄液
17と密接することができる。

本発明の基板の清浄化処理方法において，基板の汚染
の程度が軽微な場合は，この後，通常の清浄化法，例え
ば従来の第３図（ｃ）に示す超音波振動を用いないアル
カリ系または酸系のウェット洗浄を行なうことにより，
本発明の目的は達成できる。しかし，基板１の表面に形
成された溝３部が狭く深い場合，あるいは汚染の程度が
大きい場合には，上記した実施例の清浄化工程に加え
て，以下に示す工程を実施する必要が生じる。

すなわち，親水性化処理をして基板１の表面に水を含
む層23を形成させた基板１に洗浄液17を密接させて，基
板１に振動波発生器15から振動波を照射し，基板１表面
を清浄化する。振動波としては，汚染の程度および基板
１の強度により，数kHz程度から1MHz程度の周波数の振
動波を適当な強度で照射すればよい。振動波の周波数
は，単一でもよく，複数または経時的に変化するもので
もよい。照射は，第１図（ｃ）では横から照射する場合
について例示したが，基板１表面に垂直にしてもよく，
斜めからしてもよい。この振動波の効果により，洗浄液
17中の拡散が激しくなり，狭く深い溝３の内部まで清浄
化効果のある成分がいきわたり，また，分解された汚染
物質が溝３の外へ除去される。さらに，粒子状の汚染物
質13は，振動波により揺り動かされるため，基板１の表
面から脱離しやすくなる。洗浄液により基板１表面を清
浄化した後，必要に応じて，洗浄液を純水に置き換えた
状態で振動波を照射し，洗浄液の成分を除去することも
できる。

次に，適当な雰囲気中，例えば乾燥窒素中で，清浄化
された基板１に光を照射することにより，基板１表面か
ら水を含む揮発物質を除去する〔第１図（ｄ）〕。ここ
では第１図（ａ）と同じ紫外光源21を用いる場合につい
て例示したが，別の光源，例えば赤外線ランプなどを用
いてもよい。光として紫外光を用いれば，効率的に水を
含む揮発物質を除去することができる。光照射に加え，
基板回転や乾燥した清浄なガスの吹き付けなどの方法で
乾燥させてもよい。溝があまり微細でない場合は，これ
らの方法のみで乾燥させることもできる。

本実施例において例示した清浄化処理工程は，単一の
処理容器中で行なってもよく，また，ゲートバルブ24を
通して複数の処理容器を連続して基板１を移動させなが
ら行なってもよい。したがって，本発明の基板の清浄化
処理装置は，単一または複数の処理容器16に，ガス，液
体導入管25,紫外光源21,ゲートバルブ24などを備え，ま
た，必要な場合には，基板加熱機構，基板冷却機構，基
板移動機構，ガス調製機構，液体調製機構，自動処理プ
ログラム機構などを設けて，基板の清浄化処理を連続し
て行なうことができる。また，本発明の清浄化処理装置
は，さらに振動波発生器15を備え，洗浄液による清浄化
効果を一段と向上させる清浄化処理を連続して行なうこ
とができる。

このように基板の表面に形成された溝の内部も含む汚
染物質を完全に除去した半導体基板を用い，例えば電界
効果トランジスタやバイポーラトランジスタなどの素子
を形成する場合には，通常の方法で，溝３に絶縁物４を
充填し〔第１図（ｅ）〕，ゲート酸化膜5,ゲート電極6,
ソース7,ドレイン８およびコレクタ9,ベース10,エミッ
タ11,エミッタ電極12などを形成〔第１図（ｆ）〕する
わけであるが，本実施例の方法で作製した素子は汚染物
質が完全に除去されているため，極めて良好な電気特性
を有する素子を歩留りよく製造することができた。

（実施例２） 本実施例は，第２図に示すごとく，ガス，液体導入管
25から酸素，窒素などのガスや洗浄液，純水などの液体
を導入し，基板１の下側からガスまたは液体を噴出させ
ることにより基板１を浮上させた状態で，実施例１と同
様に基板１の清浄化工程を行なう方法および装置の一例
である。この場合，基板１全体が浮上しているため，接
触部分に汚染物質13が残留する恐れがない。また，この
際，基板１表面を下向きにすることにより，汚染物質13
が上方から基板１表面に落下し付着する可能性をほとん
ど除去することができる。そして，基板の清浄化処理後
の工程は，実施例１と同様であり，実施例１と同様の効
果が得られた。

〔発明の効果〕

以上詳細に説明したごとく，本発明の基板の清浄化処
理方法を用いれば，基板表面に幅が0.5μｍ程度以下で
深さと幅の比が４程度以上の極めて微細で深い溝部があ
る場合においても，溝部中に洗浄液を十分に侵入させる
ことができ，また，溝部中の無機物系および有機物系の
汚染物質をほぼ完全に分解させることができ，また，基
板への振動波照射による洗浄液の拡散速度の増大のた
め，溝部からの汚染物質の除去速度を著しく速く保つこ
とができ，また，溝部中に侵入した洗浄液を洗浄後の乾
燥工程によって完全に脱離させることができるため，雰
囲気中の汚染物質が溝部に付着しなくなるという利点が
ある。これにより，本発明の基板の清浄化処理方法を用
いれば，汚染物質が全く付着していない微細な溝部を形
成させることができ，微細なトランジスタを高密度に集
積した半導体装置を高歩留りで製造することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｆ）は本発明の実施例１における基板
の清浄化処理方法と装置および作製した半導体素子の断
面構造を示す模式図，第２図（ａ）〜（ｄ）は本発明の
実施例２における基板の清浄化処理方法と装置を示す模
式図，第３図（ａ）〜（ｅ）は従来の基板の清浄化処理
方法および作製した半導体素子の断面構造を示す模式
図，第４図（ａ），（ｂ）は従来の基板の清浄化処理方
法の一例を示す模式図，第５図（ａ），（ｂ）は従来の
基板の清浄化処理方法の他の一例を示す模式図である。 １……基板、２……絶縁物層 ３……溝、４……絶縁物 ５……ゲート酸化膜、６……ゲート電極 ７……ソース、８……ドレイン ９……コレクタ、10……ベース 11……エミッタ、12……エミッタ電極 13……汚染物質、14……結晶欠陥 15……振動波発生器、16……処理容器 17……洗浄液、18……有機系洗浄液蒸気雰囲気 19……有機系洗浄液層、20……酸素を含む雰囲気 21……紫外光源、22……水蒸気を含む雰囲気 23……水を含む層、24……ゲートバルブ 25……ガス，液体導入管

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】微細加工を施した基板表面を，酸素を含む
   酸化性の雰囲気中で紫外光を照射して，上記基板表面を
   親水性にする親水性化処理工程と，上記親水性化処理を
   行った基板表面を，水蒸気を含む雰囲気中で，該雰囲気
   の露点温度以下に冷却して上記親水性化処理を行った基
   板表面に水を含む層からなる含水層を形成させる工程
   と，上記含水層を形成させた基板表面に洗浄液を密接さ
   せて基板表面を清浄化する洗浄工程と，上記洗浄した基
   板表面を乾燥させる乾燥工程を，連続して行うことを特
   徴とする基板の清浄化処理方法。
2. 【請求項２】微細加工を施した基板表面を，酸素を含む
   酸化性の雰囲気中で紫外光を照射して，上記基板表面を
   親水性にする親水性化処理工程と，上記親水性化処理を
   行った基板表面を，水蒸気を含む雰囲気中で，該雰囲気
   の露点温度以下に冷却して上記親水性化処理を行った基
   板表面に水を含む層からなる含水層を形成させる工程
   と，上記含水層を形成させた基板表面に洗浄液を密接さ
   せ，かつ基板表面に振動波を照射しながら基板表面を清
   浄化する洗浄工程と，上記洗浄した基板表面に光を照射
   して水を含む揮発性物質を除去する乾燥工程を，連続し
   て行うことを特徴とする基板の清浄化処理方法。
3. 【請求項３】微細加工を施した基板を収容する容器と，
   該容器内を，酸素を含む酸化性の雰囲気とするガス導入
   口と，酸素を含む酸化性雰囲気中で，基板表面に紫外光
   を照射して基板表面を親水性化処理する紫外光源を設け
   た親水性化処理手段と，親水性化処理をした基板を収容
   する容器と，該容器内を，水蒸気を含む雰囲気にするた
   めの水蒸気を含むガス導入口と，水蒸気を含む雰囲気を
   露点温度以下に冷却して基板表面に水を含む層からなる
   含水層を形成させる冷却器を設けた含水層形成手段と，
   含水層を形成した基板を収容する容器と，該容器内に洗
   浄液を導入して基板表面に洗浄液を密接させて基板表面
   を清浄化する洗浄手段と清浄化した基板表面を乾燥させ
   る乾燥手段を連続して備えたことを特徴とする基板表面
   の清浄化処理装置。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第３項において，基板表面
   を清浄化する洗浄手段は，基板表面に洗浄液を密接させ
   て基板表面に振動波を照射しながら洗浄を行う振動波発
   生器を備え，洗浄した基板表面の乾燥手段は，基板表面
   に光を照射して洗浄された基板表面の水を含む揮発性物
   質を蒸発させる光源を備えたことを特徴とする基板表面
   の清浄化処理装置。