JPH01226156A - 基板の清浄化処理方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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で充填しく第３図（ｄ）
）、イオン注入法などにより、基板ｌ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（塩素＋過酸化水素＋純水な
ど）あるいはアルカリ系（アンモニア＋過酸化水素子純
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１１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０．５ｕ＠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Ｉ！ｔ１
３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が洗浄工程抜溝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２本発明の基板の清浄化処理方法は、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、−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２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２
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９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９
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段階に行った場合に比べ、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９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
０．５−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９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９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９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９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２個々の工程を別々の従来型装置で行なった場合と比
べ９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２図面を参照しながらさ
らに詳細に説明する。なお９本実施例は一つの例示であ
って９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２ｏ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２
１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１３０１から
約２００ｎｍの、酸素分子（０２）からオゾン（０，）
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（０）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２５Ｏｎ
＋ｍ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２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２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／＋ｍ’程度であ
り、基板の温度を２０℃に保った場合、飽和水分は２０
ｇ／ｍ’であるから。

ガスを１ｏ００ｃｃ／ｗｉｎ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３０ａ＋ｇ程度の水の層が形成される。基板
１の表面積が１００ｃ＋ｍ”とすると、基板１表面が親
水性の場合、３−程度の厚さの水を含む層２３が基板１
表面に、はぼ均一に形成される。この層の厚さは１−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ＨＣｌ１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
化水素子純水など）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の内部も含め基板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９通常の清浄化法９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１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ＩＭＨｚ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２分解
された汚染物質が溝３の外へ除去される。さらに１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２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２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９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め汚染
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２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Ｖｉ１２などを形成〔第１図（ｆ）〕するわけであ
るが９９本実施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２
５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２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０．５゜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９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（、）〜（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　　　　　ｌＯ・
・・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 特許出願人　日本電信電話株式会社 代理人弁理士　　中　村　純之助 〜−一　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　−１−第２図 第２図 第３図 １−一一基橿 ２−−−８悄神１ ３−−一涜 ７−−−＼／−７ ８−一−ド゛しイシ ９−一一つＬ７９ １０−−−べ−ヌ １１−一一エミ・、７７ １−−一茎息 ２−ぐ色（をす１ ３−一一夕箕

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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、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、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にするガス導入口と、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、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。