JP4799266B2 - 半導体装置の製造方法、半導体基板の製造方法および半導体基板 - Google Patents
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Description
このような自然酸化膜の品質は必ずしも良好ではない。よって、半導体装置の製造の際、洗浄処理後、自然酸化膜のついた状態で、ゲート絶縁膜等を形成すると、形成されるゲート絶縁膜等の信頼性が劣化する恐れがある。また、自然酸化膜のついた状態で、エピタキシャル成膜や薄膜形成を行なうと、成膜不良が生ずる場合がある。さらに、自然酸化膜のついた状態で、上層にコンタクトの導電層を形成する際には、界面に残存する自然酸化膜によるコンタクト抵抗不良が生ずる恐れもある。
また、半導体基板メーカーがシリコン半導体基板を、デバイスメーカーに供給する際、自然酸化膜のない状態でシリコン半導体基板を供給することが出来ず、デバイスメーカー側でデバイス製造前に、表面の自然酸化膜除去を行なう必要があった。
以上のような、ウェット処理後の室温下、大気中等における自然酸化膜成長の問題を回避するために、例えば、ウェット処理後、酸化や成膜等の次工程までの時間を自然酸化膜の成長が問題を生じさせない程度の時間内で管理する運用がなされている。あるいは、ウェット処理後、次工程までの間、窒素ガス等を充填した保管ケース内に保管する方法がある。また、特許文献1には、次工程の装置にフィルタを設けて水分や酸素量を制御し、ウェット処理後は次工程の装置内でシリコン半導体基板を保管する技術が開示されている。
また、半導体基板メーカーが、デバイスメーカーにシリコン半導体基板を供給する際に、窒素ガス等を充填した保管ケースを使用すると必然的にシリコン半導体基板の製造コスト増加が生ずる。
このような状況に鑑み、水分や酸素量を管理することなく、大気環境下に放置した場合でも、自然酸化膜の成長を抑制する技術が要求されている。
単結晶、多結晶または非晶質のシリコンを少なくとも表面の一部に有する半導体基板をウェット処理する際に、フッ化水素酸水溶液又はフッ化アンモニウム水溶液からなる処理液と前記半導体基板を相対的に運動させることにより、シリコン表面が水素で終端化され、更に、前記半導体基板に静電気を発生させ正に帯電させるウェット処理をするステップと、
前記ウェット処理後に、前記半導体基板を前記半導体基板と同程度に帯電した治具または非導電性治具によって保持して、前記半導体基板が静電気により正に帯電した状態で乾燥および保管するステップを有し、
前記ウェット処理から前記保管に至る間は、前記半導体基板に生起された静電気の除電効果のない環境下で処理されることを特徴とする。
単結晶、多結晶または非晶質のシリコン層を少なくとも表面に有する半導体基板をウェット処理する際に、フッ化水素酸水溶液又はフッ化アンモニウム水溶液からなる処理液と前記半導体基板を相対的に運動させることにより、シリコン表面が水素で終端化され、更に、前記半導体基板に静電気を発生させ正に帯電させるウェット処理をするステップと、
前記ウェット処理後に、前記半導体基板を前記半導体基板と同程度に帯電した治具または非導電性治具によって保持して前記半導体基板が静電気により正に帯電した状態で乾燥および保管するステップを有し、
前記ウェット処理から前記保管に至る間は、前記半導体基板に生起された静電気の除電効果のない環境下で処理されることを特徴とする。
最初に、本発明に係る半導体装置の製造方法の実施の形態について、n型電界効果型トランジスタを例にして説明する。
図1は、本実施の形態のトランジスタ製造のプロセスフローを説明する図である。
図1(a)に示すように、p型(100)シリコンウェーハ10の表面に、例えばSTI(Shallow Trench Isolation)法により素子分離領域11を形成し、ソース、ドレイン及びチャネル領域を含む素子領域を形成する。
次に、図1(b)に示すように、素子領域上の熱酸化膜12を介して、素子領域上に、トランジスタの閾値調整のためにB(ボロン)をイオン注入により、導入する。
次に、図1(c)に示すように、ウェット処理装置で、素子領域上の熱酸化膜12を剥離する。この剥離は、例えば、フッ化アンモニウム(NH4F)等のエッチング液により行なわれる。
まず、バッチ式のウェット処理装置内で、テフロン(登録商標)製のキャリアに保持されたシリコンウェーハ(シリコン半導体基板)を処理し、フッ化水素酸水溶液によってシリコンウェーハ上の自然酸化膜を剥離する。この時、ウェット処理中に、処理液であるフッ化水素酸水溶液を循環装置によって循環させることにより、処理液とシリコンウェーハを相対的に運動させる。この時のフッ化水素酸水溶液の循環流量は、例えば、5L/min〜20L/minである。
次に、処理液を純水として、やはり、バッチ式のウェット処理装置内で、例えばテフロン(登録商標)製のキャリアに保持されたシリコンウェーハ(シリコン半導体基板)のリンス処理を行う。この時も、ウェット処理中に、処理液である純水の給水(オーバーフロー)によって循環させることにより、処理液とシリコンウェーハを相対的に運動させる。この時の純水の給水流量は、例えば、5L/min〜20L/minである。
次に、スピン乾燥による乾燥を行ない、乾燥後、大気雰囲気中でシリコンウェーハの保管を行なう。そして、乾燥および保管の際にシリコウェーハを保持する治具(キャリア、ケースなど)は、洗浄処理中に帯電したシリコンウェーハの静電気を除去しない非導電性材料、例えば、ポリプロピレン(PP)、で形成されたものを用いる。また、この際、図2に示すように、上記シリコンウェーハ21と同様の洗浄処理を行った、ダミーウェーハ23を、シリコンウェーハ21に隣接させるように非導電性キャリア25に保持する。
また、ウェット処理装置において、処理液とシリコンウェーハを相対的に運動させる方法は、処理液の循環に限らず、例えば、超音波により処理液を振動させても良いし、シリコンウェーハ自体を機械的に揺動、回転させることによっても構わない。あるいは、シリコンウェーハの保持されたキャリアを手動で上下動させる方法によることも可能である。また、それらを組み合わせることも可能である。
また、自然酸化膜を剥離する処理液は、入手の容易性、高純度等の観点からフッ化水素酸水溶液であることが望ましいが、酸化膜剥離後に、シリコンウェーハの最表面が水素原子で終端される構造をとる処理液であれば、例えば、フッ化アンモニウム水溶液等であっても構わない。そして、上記では、熱酸化膜の剥離とゲート絶縁膜の前処理を分離するフローとしたが、熱酸化膜の剥離をゲート絶縁膜の前処理と同時におこなうフローとすることも可能である。
また、上記シリコンウェーハの乾燥は、スピン乾燥に限らず、例えば、フッ化水素酸水溶液処理後のシリコンウェーハ表面の疎水性を利用した自然乾燥であっても構わない。
そして、図1(e)に示すように、ゲート酸化膜上にLPCVD法により多結晶シリコン層15を堆積する。
そして、図1(f)に示すように、リソグラフィーと反応性イオンエッチングにより、この多結晶シリコン層15をパターニングしてトランジスタのゲート電極16を形成する。
また、ゲート絶縁膜についても、必ずしも、単層の熱酸化膜に限られず、例えば、気相成長による酸化膜、高誘電率膜、あるいは熱酸化膜と高誘電率膜の複合膜等であっても構わない。
本実施の形態によれば、シリコンウェーハ上に形成された酸化膜をウェット処理により剥離する際に、シリコン表面が水素で終端化される。これと共に、処理液とシリコンウェーハの相対的運動により、シリコンウェーハに静電気が発生し、シリコンウェーハが正に帯電する。この静電気の発生は、処理液中での摩擦帯電または流動帯電によるものと考えられる。
そして、続くウェット処理である、純水によるリンス処理中も処理液とシリコンウェーハの相対的運動により、シリコンウェーハの帯電状態が維持される。
一方、例えば、エレクトレットで出来た、シリコンウェーハと同程度に帯電したキャリアやケース等の治具を用いる場合、環境電位はシリコンウェーハと同等になるため、特段の環境電位に対する対策は必要ない。
次に、本発明に係る半導体基板の製造方法の実施の形態について、シリコンウェーハを例にして説明する。
次に、スライシングによりウェーハを切り出す。そして、切り出された各ウェーハにラッピングを行なうことにより、ウェーハ形状やスライシングで生じた加工歪層のバラツキを矯正する。
次に、デバイスプロセスによるウェーハの欠けを防止するため、シリコンウェーハの面取りを行なう。その後、ラッピングや面取りで結晶に残留する加工歪層を除去するため、化学エッチングを行なう。その後、MLポリッシュによりウェーハ表面を鏡面とする。
その後、ウェーハ上の微粒子、有機物および金属不純物を除去するためにRCA洗浄を行い、ウェーハ表面にケミカルオキサイド膜を形成する。
このような処理により、シリコンウェーハ上のケミカルオキサイドが除去されると共に、シリコン表面が水素で終端され化学的に安定な表面となる。さらに、シリコンウェーハが正に帯電した状態が維持されることにより、その後、大気雰囲気中に放置したとしても、自然酸化膜の成長が抑制される。
次に、本発明に係る半導体基板について、実施の形態について、シリコンウェーハを例にして説明する。
このように、シリコン表面が水素終端され、かつ、正に帯電していることにより、酸化種とシリコン原子との酸化反応が進まず、大気雰囲気などの酸化性雰囲気中においても、自然酸化膜の成長を抑制することが可能となる。
そして、さらに確実な自然膜成長抑制効果を得、かつ、静電破壊にたいしても十分なマージンを確保するためには、シリコンウェーハの電位は、+1KV〜+10KVの範囲にあることがより望ましい。
また、上記実施の形態1,2においては、本発明の望ましい実施の形態として、シリコン酸化膜を除去するウェットエッチングにおいて本発明を適用したが、正に帯電したシリコンウェーハの自然酸化膜成長が抑制されるメカニズムは、ケミカルオキサイド等の薄いシリコン酸化膜が形成された半導体基板においても働く。したがって、10Å以下の薄いシリコン酸化膜を形成するウェットエッチング処理や、薄い酸化膜を形成した後の洗浄処理等で本発明は効果を発揮する。そして、実施の形態3においては、本発明の望ましい実施の形態として、シリコン表面が水素終端されている半導体基板について記載したが、シリコン表面が水素終端されていなくとも自然酸化膜成長の抑制メカニズムが働くため、シリコン表面が水素終端されていない半導体基板においてもシリコン上の酸化膜が10Å以下と薄い場合には効果を発揮する。
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての半導体装置の製造方法、半導体基板の製造方法および半導体基板は、本発明の範囲に包含される。
まず、チョコラルスキー法(CZ法)によって引上げられ、<0−11>方向に0.5°オフしたφ8インチのP型(100)シリコンウェーハを用意した。このシリコンウェーハには、表面の鏡面(ML)ポリシュ加工後にRCA洗浄を行い6〜10Å程度のケミカルオキサイド膜が形成された。
その後、このウェーハを5%濃度のフッ化水素酸水溶液に10分間浸漬した。浸漬の間、フッ化水素酸水溶液はウェット処理装置槽内で循環し、シリコンウェーハは材質テフロン(登録商標)のキャリアに積載し手動により上下動を行うことによりで揺動を行なった。続いて、シリコンウェーハを純水に10分間浸漬し、リンス処理を行った。この間、純水の槽内での循環、オーバーフロー、揺動を行なった。揺動は、フッ化水素酸処理、リンス処理ともに、上下動50mm幅を1往復2sec程度、すなわち約50mm/secの相対速度で手動にて1min行なった。リンス後は、フッ化水素酸水溶液によって表面のケミカルオキサイドが除去されたシリコンウェーハは、疎水性の表面となっているため、特段の乾燥処理は行わなかった。
このシリコンウェーハの表面静電気による電位を、静電電位計キーエンス製SK−030/200で測定したところ、+1KV〜+10KVであった。
その後、シリコンウェーハは、非導電性のポリプロピレン(PP)製のキャリアおよびケースに、大気雰囲気中で保管し、周囲の環境電位がシリコンウェーハと同電位のダミーウェーハでキャリアの上下溝を埋めた。なお、ダミーウェーハは材質シリコンであり、シリコンウェーハと同様の処理を行って同電位とした。また、シリコンウェーハを処理、保管した場所には、イオナイザーやUV光、アース設置などの静電気を除電する効果がない場所とした。
図3に測定結果を示す。図3から明らかなように、24時間の間、ライフタイム値に変化はない。したがって、24時間の間は表面再結合中心に変化が生じていない、言い換えれば、電気的に観測されるような表面状態の変化、例えば、終端水素の脱離等が生じていないことが判明した。
測定結果を図4に示す。図4より明らかなように、ウェット処理後172時間が経過しても水素終端の吸収ピークおよびシリコンバックボンド酸化の吸収ピークは、変化せず、自然酸化膜の成長の前段階であるバックボンド酸化が抑制されているのが分かる。
測定結果を図5に示す。図5より明らかなように、約600時間後も酸化膜厚は測定下限値以下である。
上記実施例と同様の処理を行ったウェーハを、ブロー型イオナイザー(キーエンス製 SFJ−F010)により10分間除電した場合の表面再結合中心の変化をμーPCD法により測定を行なった。その結果を図6に示す。除電後時間が経過するにつれてライフタイム値が減少している。したがって、実施例と異なり、再結合中心が増加しウェーハ表面が電気的に不安定になっていることが分かる。
14 ゲート酸化膜
21 シリコンウェーハ
23 ダミーウェーハ
25 非導電性ケース
Claims (5)
- 単結晶、多結晶または非晶質のシリコンを少なくとも表面の一部に有する半導体基板をウェット処理する際に、フッ化水素酸水溶液又はフッ化アンモニウム水溶液からなる処理液と前記半導体基板を相対的に運動させることにより、シリコン表面が水素で終端化され、更に、前記半導体基板に静電気を発生させ正に帯電させるウェット処理をするステップと、
前記ウェット処理後に、前記半導体基板を前記半導体基板と同程度に帯電した治具または非導電性治具によって保持して、前記半導体基板が静電気により正に帯電した状態で乾燥および保管するステップを有し、
前記ウェット処理から前記保管に至る間は、前記半導体基板に生起された静電気の除電効果のない環境下で処理されることを特徴とする半導体装置の製造方法。 - 前記ウェット処理するステップが、前記フッ化水素酸水溶液又はフッ化アンモニウム水溶液による処理の後、純水からなる処理液と前記半導体基板を相対的に運動させる処理をさらに有することを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。
- 前記非導電性治具は、ポリプロピレン(PP)製であることを特徴とする請求項1または2いずれか記載の半導体装置の製造方法。
- 前記半導体基板を非導電性治具によって保持するステップにおいて、前記半導体基板と同電位のダミー基板を前記半導体基板に隣接して保持することを特徴とする請求項1乃至請求項3いずれか記載の半導体装置の製造方法。
- 単結晶、多結晶または非晶質のシリコン層を少なくとも表面に有する半導体基板をウェット処理する際に、フッ化水素酸水溶液又はフッ化アンモニウム水溶液からなる処理液と前記半導体基板を相対的に運動させることにより、シリコン表面が水素で終端化され、更に、前記半導体基板に静電気を発生させ正に帯電させるウェット処理をするステップと、
前記ウェット処理後に、前記半導体基板を前記半導体基板と同程度に帯電した治具または非導電性治具によって保持して、前記半導体基板が静電気により正に帯電した状態で乾燥および保管するステップを有し、
前記ウェット処理から前記保管に至る間は、前記半導体基板に生起された静電気の除電効果のない環境下で処理されることを特徴とする半導体基板の製造方法。
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