JP2920850B2 - 半導体の表面処理方法及びその装置 - Google Patents

半導体の表面処理方法及びその装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は半導体の表面処理方法
及びその装置に関するもので、更に詳細には、例えば半
導体ウエハ等の被処理体の表面に形成される自然酸化膜
その他の原子・分子を除去し、清浄化する半導体の表面
処理方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】一般に、シリコン製半導体ウエハ（以下
にウエハという）の表面に形成される自然酸化膜（Ｓｉ
Ｏ 2 ）は２０オングストローム（Ａ）といわれており、
凹凸の大きな絶縁物である。半導体デバイスを製造する
とき、この自然酸化膜上にアルミニウム（Ａｌ）配線を
施すと、酸化膜の絶縁性が電極との導通を妨げるため、
半導体デバイスの機能を果たさなくなったり、酸化膜の
凹凸がＡｌ金属の密着性を悪化させたりする。また、酸
化タンタル（Ｔａ2 Ｏ5 ）のようなキャパシターを形成
する際に、下地層との間に酸化膜が介在すると、Ｔａ2
Ｏ5が還元されて誘電体としての機能が低下してしま
う。
【０００３】このように、自然酸化膜の存在は、デバイ
ス特性に極めて悪い影響を与えることがわかっており、
各研究機関で自然酸化膜の除去が盛んに行われている。
現在最も一般的に普及している自然酸化膜の除去方法と
して希ＨＦ溶液に浸漬する方法が知られており、希ＨＦ
処理後のウエハ表面は約８０％が水素（Ｈ）、残りがフ
ッ素（Ｆ）で終端していることが判明している。また、
この表面は不活性で自然酸化膜の抑制に有効とされてい
る。
【０００４】一方、Ｓｉ表面にＡｌやタングステン
（Ｗ）等の薄膜を堆積したいとき、このような不働体膜
は逆に阻害要因となる。その理由は、特に、ＦはＳｉ原
子ステップの角に強固に結合（結合解離エネルギー＝１
３４kcal/mol）しており、容易に脱離させることができ
ないからである。したがって、この結合部分は膜界面に
残り、密着性を悪化させたり、あるいは、最悪の場合に
は膜の剥離等の事態が予想され、膜質を低下させる働き
をする。また、ＦがＯＨ基あるいは酸素原子の攻撃を受
けて脱離すると、ステップから横方向一層に一挙に酸化
する、いわゆる横方向酸化の出発点になっていることも
明らかにされている。
【０００５】ところで、このような表面原子や分子を酸
化に対して不活性で、かつ薄膜形成のときに比較的容易
に他原子と置換し易い水素（Ｈ）でＳｉ全面を終端でき
れば、極めて特性の良い薄膜形成が可能になると考えら
れる。そのためには、一度希ＨＦ処理した表面に終端し
ている原子・分子を脱離し清浄化させる必要がある。
【０００６】このＨ／Ｆ不働体膜除去の要請に対する方
法として、赤外加熱やＸｅランプを照射する方法が知ら
れている。また、別の方法として、希ＨＦ処理後に純水
洗し、再び自然酸化膜を抑制して薄く形成させる方法も
知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前者す
なわち赤外加熱やＸｅランプを照射する方法において
は、Ｈの除去には４００℃付近の、また、Ｆは９００℃
近い温度が必要であるため、ウエハが熱的劣化等による
品質の低下をきたすので、半導体製造プロセスにおいて
は難しいという問題がある。また、後者すなわち純水洗
処理による方法においては熱的劣化等の問題はないが、
膜厚や純水中に含まれる汚染源によってリーク電流発生
の原因となったり、耐絶縁性の低下を招く等の問題があ
り、しかも、この汚染源の制御が困難である等の問題が
ある。
【０００８】この発明は上記事情に鑑みなされたもの
で、ウエハ表面のダメージが少なく、かつ低温プロセス
で自然酸化膜の除去・清浄化を行えるようにした半導体
の表面処理方法及びその装置を提供することを目的とす
るものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明の第１の半導体の表面処理方法は、被処理
体の表面に形成された自然酸化膜その他の原子・分子を
除去・清浄化する半導体の表面処理方法において、上記
被処理体の表面に真空紫外線光を照射して被処理体表面
に結合する原子・分子の結合を切断させ、上記被処理体
表面に不活性ガスイオンを照射すると共に、この不活性
ガスイオンの浮遊電位にて被処理体表面に衝撃を与える
ことにより、被処理体表面に結合する原子・分子を除去
し清浄化することを特徴とするものである。また、この
発明の第２の半導体の表面処理装置は、上記表面処理方
法を具現化するもので、上記被処理体を配設する真空状
の処理室と、上記処理室内に供給される反応ガスにマイ
クロ波放電及び磁界を印加して紫外線光を発光する励起
種を生成し、その紫外線光を上記被処理体の表面に照射
して被処理体表面に結合する原子・分子の結合を切断さ
せるプラズマ生成手段と、上記処理室内に不活性ガスを
供給し、これに上記紫外線光が当たって生成される不活
性ガスイオンがその浮遊電位にて被処理体表面に衝撃を
与えることにより、被処理体表面に結合する原子・分子
を除去し清浄化するようにした不活性ガス供給手段とを
具備するものである。
【００１０】この発明において、上記真空紫外線光は、
少なくともヘリウム（Ｈｅ）等の反応ガスのプラズマ化
によって生成される励起種から発光される紫外線光であ
れば、この励起種から発光される紫外線光単独のもので
もよく、あるいは、この励起種から発光される紫外線光
と外部の紫外線発光源から照射される外部紫外線光の双
方であってもよい。この場合、外部紫外線光を真空処理
室内に有効に照射させるために、処理室の一部に紫外線
透過窓を設けると共に、この紫外線透過窓を介して処理
室内の被処理体に紫外線を照射する外部紫外線発光源を
設ける方が好ましい。
【００１１】上記不活性ガスイオンは不活性ガスを任意
の手段でイオン化したものであっても差し支えないが、
好ましくは反応ガスのプラズマ化された励起種により放
出される光エネルギーにて生成する方がよい。この場
合、不活性ガスは反応ガスであるＨｅの共鳴線（２１．
２ｅＶ）よりも小さいイオン化エネルギーであって原子
量の大きいガスである方が好ましく、例えばアルゴン
（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）あるいはキセノン（Ｘ
ｅ）等を使用することができる。
【００１２】
【作用】上記のように構成されるこの発明によれば、プ
ラズマ生成手段によるプラズマ化によって生成されるＨ
ｅ励起種から発光される真空紫外線光等を被処理体の表
面に照射することにより、被処理体の表面に結合する原
子・分子の結合を切断することができ、そして、不活性
ガスイオンを被処理体表面に照射することにより、不活
性ガスイオンの浮遊電位にて被処理体表面に衝撃を与え
るので、被処理体にダメージを与えずに、被処理体表面
に結合する原子・分子を除去し清浄化することができ
る。
【００１３】また、Ｈｅ励起種により放出される光エネ
ルギーによって不活性ガスのイオン化を行うことによ
り、エネルギーの有効利用を図ることができる。
【００１４】
【実施例】以下にこの発明の実施例を図面に基いて詳細
に説明する。
【００１５】図１はこの発明の表面処理装置の第一実施
例の概略断面図が示されている。
【００１６】この発明の表面処理装置は、被処理体であ
るウエハ１を吸着保持する静電チャック２を配設した処
理室３と、この処理室３内に供給される反応ガス（Ｈ
ｅ）にマイクロ波放電及び磁界を印加して紫外線光を発
光するＨｅ励起種を生成するプラズマ生成手段４と、処
理室３内に例えばＡｒ、Ｋｒ、Ｘｅ等の不活性ガスを供
給する不活性ガス供給手段５とで主要部が構成されてい
る。
【００１７】処理室３には排気口６が設けられており、
この排気口６に図示しない真空ポンプが接続されて処理
室３内が真空状態に維持されている。この処理室３内の
圧力は１×１０-4Ｔｏｒｒ、ウエハ温度は３００℃以下
に設定されている。また、処理室３にはロードロック７
を介して蒸着室８が連結されている。この蒸着室８には
ウエハ１を吸着保持する静電チャック２ａが配設され、
この静電チャック２ａにて保持されるウエハ１に向って
電子ビームを照射する電子ビームガン９が装着されてい
る。また、蒸着室８にも図示しない真空ポンプと接続す
る排気口１０が設けられて処理室３と同様に真空状態に
維持されている。
【００１８】プラズマ生成手段４は、処理室３内の静電
チャック２にて保持されるウエハ１と対向する位置に設
けられた導入口１１に連通するプラズマ生成室１２の周
囲に磁場コイル１３（８７５ガウス）を設置すると共
に、プラズマ生成室１２にマイクロ波（２．４５ＧＨ
Z）を印加する電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を用
いた構造となっている。したがって、プラズマ生成室１
２に開口するＨｅ供給口１４から供給されるＨｅガスは
プラズマ生成手段４によってマイクロ波放電と磁界が印
加されてＨｅ励起種が生成される。
【００１９】不活性ガス供給手段５は処理室３の内に配
設されるウエハ１の側部付近に開口される不活性ガス供
給口１５に接続されるＡｒガス等の不活性ガスを収容す
るボンベにて形成されている。
【００２０】上記のように構成される表面処理装置にお
いて、Ｈｅ供給口１４からプラズマ生成室１２内にＨｅ
ガスを供給し、このＨｅガスにプラズマ生成手段４によ
り２．４５ＧＨzのマイクロ波及び磁場コイル１３から
８７５ガウスの磁界を印加すると、Ｈｅ励起種が生成さ
れる。このＨｅ励起種はダウンストリームによって処理
室３内に供給され、２１．２ｅＶに相当する真空紫外線
光である光エネルギーを放ちながら安定状態の中性Ｈｅ
になる。この際、光エネルギーはウエハ表面に照射され
て、ウエハ表面の原子・分子との相互作用でこれら原子
・分子の結合を切断する。
【００２１】Ｈｅ励起種の供給と同時に、不活性ガス供
給口１５から供給される不活性ガス（以下Ａｒガスにて
代表する）はＨｅ励起種の光エネルギーによってイオン
化され（１５．７ｅＶ）、イオン化したイオンは浮遊電
位（フローディングポテンシャル）でウエハ表面に衝突
し、この運動量変換あるいはエネルギー変換でウエハ表
面の原子・分子を脱離する。このときの雰囲気圧力は２
×１０-4Ｔｏｒｒ、脱離速度は３Ａ／min.である。
【００２２】脱離終了後、ロードロック７のゲートを開
放し、ウエハ１を蒸着室８へ移送する。そして、電子ビ
ームガン９によりＡｌを溶融し、その蒸気でＡｌ蒸着を
行う（１×１０-7Ｔｏｒｒ）。したがって、この発明の
表面処理によれば、Ａｌ／Ｓｉ界面に自然酸化膜のない
良質なＡｌ膜を形成することができる。
【００２３】図２はこの発明の第二実施例の表面処理装
置の概略断面図が示されている。
【００２４】第二実施例における表面処理装置は、Ｈｅ
励起種から発光される真空紫外線光の他に外部から処理
室３内のウエハ１に紫外線光を照射させて、自然酸化膜
の除去を一層効率よく行えるようにした場合である。す
なわち、処理室３内の静電チャック２にて保持されるウ
エハ１と対向する壁部に設けられた開口１６にＯリング
１７を介して紫外線透過窓１８（例えばフッ化カルシウ
ム（ＣａＦ2 ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ2 ）ある
いは紫外線透過ガラス等）を取付け、そして、この紫外
線透過窓１８を介して紫外線発光源１９からの紫外線光
をウエハ１に照射するようにした場合である。
【００２５】なお、第二実施例において、蒸着用プラズ
マ生成手段２０のマイクロ波プラズマにてジメチルアル
ミニウムハイドライド（Ａｌ（ＣＨ3 ）2 Ｈ）＋Ｈ2混
合ガスを分解してダウンストリームにて蒸着室８内に供
給する以外は上記第一実施例と同じであるので、同一部
分には同一符号を付して、その説明は省略する。
【００２６】上記のように構成される第二実施例の表面
処理装置において、プラズマ生成室１２に供給されるＨ
ｅガスを、第一実施例と同様にプラズマ生成手段４によ
りマイクロ波放電と磁界を印加してＨｅ励起種を生成す
ると同時に、紫外線透過窓１８を介して紫外線発光源１
９から真空紫外線光をウエハ１に照射すると、ウエハ表
面はＨｅ励起種から発光する真空紫外線光と、外部の紫
外線発光源１９からの真空紫外線光が照射されて、表面
原子・分子の結合が切断される。また同時に、不活性ガ
ス供給口１５から処理室３内に供給されるＡｒガス（２
×１０-4Ｔｏｒｒ）はＨｅ励起種の光エネルギーでイオ
ン化され、そのイオンはウエハ表面に衝突して、ウエハ
表面の原子・分子を脱離する。
【００２７】脱離終了後、ロードロック７のゲートを開
放し、ウエハ１を蒸着室８へ移送する。そして、ウエハ
温度を３００℃に昇温した後、ＤＭＡＨ＋Ｈ2混合ガス
を蒸着室８内に１Ｔｏｒｒ供給し、蒸着用プラズマ生成
手段２０におけるマイクロ波プラズマ（マイクロ波パワ
ー５０Ｗ）にてＤＭＡＨを分解して、ウエハ表面にＡｌ
を蒸着する。したがって、第二実施例の表面処理によれ
ば、自然酸化膜の除去をより一層容易に除去することが
でき、Ａｌ／Ｓｉ界面に自然酸化膜のない良質なＡｌ膜
を形成することができる。
【００２８】なお、上記実施例では不活性ガスとしてＡ
ｒガスを使用する場合について説明したが、Ａｒガス以
外にＫｒ、Ｘｅガスを用いることもできる。
【００２９】
【発明の効果】以上に説明したように、この発明によれ
ば、真空紫外線光を被処理体の表面に照射することによ
り、被処理体の表面に結合する原子・分子の結合を切断
すると共に、不活性ガスイオンの被処理体表面への照射
により、不活性ガスイオンの浮遊電位にて被処理体表面
に衝撃を与えるので、低温下において、しかも被処理体
にダメージを与えずに、被処理体表面に結合する原子・
分子を除去し清浄化することができる。また、Ｈｅ励起
種により放出される光エネルギーによって不活性ガスの
イオン化を行うことにより、エネルギーの有効利用を図
ることができる等の優れて効果が得られるので、その利
用価値は顕著である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の半導体の表面処理装置の第一実施例
の概略断面図である。
【図２】この発明の半導体の表面処理装置の第二実施例
の概略断面図である。
【符号の説明】
１ 半導体ウエハ（被処理体） ３ 処理室 ４ プラズマ生成手段 ５ 不活性ガス供給手段 １８ 紫外線透過窓 １９ 紫外線発光源
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−227089（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−56931（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 21/304 645 H01L 21/3065

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 被処理体の表面に形成された自然酸化膜
    その他の原子・分子を除去・清浄化する半導体の表面処
    理方法において、 上記被処理体の表面に真空紫外線光を照射して被処理体
    表面に結合する原子・分子の結合を切断させ、 上記被処理体表面に不活性ガスイオンを照射すると共
    に、この不活性ガスイオンの浮遊電位にて被処理体表面
    に衝撃を与えることにより、被処理体表面に結合する原
    子・分子を除去し清浄化することを特徴とする半導体の
    表面処理方法。
  2. 【請求項２】 真空紫外線光が、反応ガスのプラズマ化
    によって生成される励起種であることを特徴とする請求
    項１記載の半導体の表面処理方法。
  3. 【請求項３】 真空紫外線光が、反応ガスのプラズマ化
    によって生成される励起種及び外部の紫外線発光源から
    照射される外部紫外線光であることを特徴とする請求項
    １記載の半導体の表面処理方法。
  4. 【請求項４】 不活性ガスイオンが、反応ガスのプラズ
    マ化された励起種により放出される光エネルギーにて生
    成されることを特徴とする請求項１記載の半導体の表面
    処理方法。
  5. 【請求項５】 被処理体の表面に形成された自然酸化膜
    その他の原子・分子を除去・清浄化する半導体の表面処
    理装置において、 上記被処理体を配設する真空状の処理室と、 上記処理室内に供給される反応ガスにマイクロ波放電及
    び磁界を印加して紫外線光を発光する励起種を生成し、
    その紫外線光を上記被処理体の表面に照射して被処理体
    表面に結合する原子・分子の結合を切断させるプラズマ
    生成手段と、 上記処理室内に不活性ガスを供給し、これに上記紫外線
    光が当たって生成される不活性ガスイオンがその浮遊電
    位にて被処理体表面に衝撃を与えることにより、被処理
    体表面に結合する原子・分子を除去し清浄化するように
    した不活性ガス供給手段とを具備することを特徴とする
    半導体の表面処理装置。
  6. 【請求項６】 請求項５記載の半導体の表面処理装置に
    おいて、 処理室の一部に紫外線透過窓を設けると共に、この紫外
    線透過窓を介して処理室内の被処理体に紫外線を照射す
    る外部紫外線発光源を設けたことを特徴とする半導体の
    表面処理装置。
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