JPH04304635A - 基板清浄化装置を有する半導体製造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】

【０００１】

【産業上の利用分野】半導体プロセスの及び装置に関し
、特にプロセスの途中で、基板表面に吸着している汚染
物を除去する工程及びその装置を具備する半導体製造方
法及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体製造方法として、例えばジ
ャパンジャーナルアプライドフィジックス（Ｊａｐａｎ
．Ｊｕｒｎａｌ．Ａｐｐｌｉｅｄ．ｐｈｙｊｉｃｓ．２
５．１２１６．１９８６）に記載の方法がある。本方法
は、被処理体であるＩＩＩ−Ｖ　族化合物半導体基板を
大気中において加熱し、基板表面に酸化膜を生成させる
。この後分子線エピタキシャル装置（ＭＢＥ装置）内に
搬送し、結晶成長前に基板をＶ族の分子を照射しながら
６００℃以上に加熱して、基板表面上の酸化膜とともに
炭素，酸素などの汚染付着物を蒸発させた後、基板表面
に各種の結晶を成長させる方法である。あるいは応用物
理第５４巻、第１１号、１９８５に記載のように、ＥＣ
Ｒプラズマを利用して生成した塩素の活性イオンを用い
て、基板の極表面層をエッチングすることによって、基
板表面の汚染物を同時に除去した後ＭＢＥ装置に搬送し
結晶成長を行なっていた。尚、分子エネルギーを励起し
た分子を用いた表面処理方法としては、例えば特開昭６
１−１１３７７５号公報がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし上述したそれら
の方法には次の問題がある。

【０００４】基板を高温に加熱して表面に付着した汚染
物を蒸発させる手段は、基板中の不純物の再分布を引き
起こし、基板の特性を変えてしまうほか、炭素系の汚染
物については十分に除去することが困難であった。さら
に加熱温度である６００℃では、ＩＩＩ−Ｖ　族化合物
半導体の場合Ｖ族が著しく脱離し基板表面が粗面化する
ため、加熱中はＶ族分子を絶えず供給しなければならな
い。またその際基板周辺も高温にさらされるため、そこ
から放出した放出ガスが基板表面に再付着し再び基板を
汚染する問題がある。またプラズマを利用して生成した
塩素イオンを用いて基板表面をエッチングすることによ
って、基板表面の汚染物を同時に除去する方法は、エッ
チャントであるイオンのエネルギーが１００ｅＶ以上と
高いので、エッチングと同時にこの高エネルギーのイオ
ンによって、基板に結晶欠陥などの損傷を与えることに
なる。またプラズマ中ではイオンのほか各種の分子，電
子，原子も生成されており、これらも必然的に基板又は
基板周辺にも入射することになる。それらによって基板
周辺からスパッタされた各種の元素が基板に再吸着する
ことによって再び基板が汚染されることになる。さらに
塩素イオンを使用しているため、装置内壁を著しく腐食
し、それらが汚染源となる。

【０００５】結晶成長表面に炭素のような汚染物が残留
している状態で結晶成長を行なうと、その炭素がアクセ
プタとして働き、結晶成長界面に深い準位を形成するこ
とになり、素子の特性を著しく劣化する。さらにＥＣＲ
プラズマを得るには、マイクロ波電源，磁気コイル，導
波管などが必要となり装置が複雑，高価となる問題があ
る。

【０００６】本発明の目的は、被処理体としてシリコン
，化合物などの半導体基板上に形成する半導体デバイス
プロセス、特に結晶成長の際に、基板に付着している酸
素，炭素などの汚染物を選択的に除去する工程及びそれ
を実現する装置を半導体製造装置に具備することによっ
て、欠陥の無い良質な半導体デバイスを歩溜りよく生産
することを可能とすることにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明による半導体製造
方法は、真空容器内に搬入された被処理体となる半導体
基板に、酸素を加熱して照射する工程と、その後水素を
同様に加熱して再度半導体基板表面に照射することによ
って、基板上の残留汚染物を除去する基板清浄化装置を
、例えばＭＢＥ装置内や清浄雰囲気下で連続して製造す
る、半導体デバイス連続プロセスシステムに組み込むこ
とによって、前述した目的を達成する。

【０００８】

【作用】酸素分子を基板に照射する過程で、例えば加熱
操作を加えることによって、その分子エネルギーを励起
し、活性な酸素分子として基板に照射すると、基板上の
炭素系汚染物と反応し気体の酸化物となり基板表面から
脱離する。この後同様の加熱操作を水素に行って、水素
分子の分子エネルギーを励起し活性な水素分子として基
板表面に照射することによって、基板上の自然酸化物と
反応し水蒸気などの水素化合物となり、基板表面から脱
離する。以上の操作によって、清浄な基板表面が得られ
る。またいずれの操作においても、使用する分子のエネ
ルギーは基板を構成する元素の変位エネルギー以下の低
エネルギーであるため、基板に損傷，汚染を新たに生成
すること無く行なわれる。さらにプラズマを生成する必
要が無いため、装置の構成が簡単になる。

【０００９】以上述べた工程によって清浄化した基板を
、大気に暴すること無く清浄な雰囲気中を搬送して次の
半導体デバイスプロセスを行うことにより、大気の成分
に起因する基板の再汚染が無くなり、欠陥の無い、良質
な半導体デバイスが得られる。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図１を用い
て説明する。

【００１１】本実施例では、被処理体としてＩＩＩ−Ｖ
　族化合物半導体、特にＧａＡｓ半導体を想定して説明
を行っているが、シリコンの場合でも当然適用できるこ
とは言うまでもない。

【００１２】図１は本発明による基板清浄化装置を、半
導体デバイス連続プロセスシステムに適用した例である
。半導体基板１の表面処理室１０はストッカ室１６，搬
送路１１とそれぞれゲートバルブ１４を介して互いに結
合されている。表面処理室１０は、結晶成長，エッチン
グ，リソグラフィ，配線形成などの処理を行う。半導体
基板１は導入室１３から搬送路１１内へ導入される。 基板１は搬送路１１からストッカ室１６内に搬入され、
表面処理室１０内に搬送されている別の基板１の処理が
終了するまで待機する。図２にストッカ室１６の横から
見た断面図を示す。ストッカ室１６には基板１を固定し
、基板１の温度を制御する熱源３ｂ及び温度制御機能３
ａを備えた基板保持台３，ストッカ室１６内へ各種ガス
を導入するリークバルブ４ａ，４ｂ及びその流量を制御
する流量制御バルブ７、ガスを加熱する熱源５ｂ，熱源
５ｂを制御する温度制御機能５ａ及びガスを基板１に噴
出する噴出口５ｃを備えた加熱炉５が納められている。 本実施例では基板保持台３には駆動機構３ｃを備えてお
り、基板１を任意の姿勢に設定できるようにしてある。 基板１は前述した待機時間内にストッカ室１６内で以下
の処理が行なわれる。

【００１３】ストッカ室１６に搬入された基板１の表面
には、ストッカ室１６に搬送するまでの間に付着した酸
素，炭素系汚染物などに被われている。基板１を基板保
持台３に固定する。次に酸素のガス源に接続しているリ
ークバルブ４ａを開放し、流量制御バルブ７を介して熱
源５ｂによって５００から２０００℃に加熱されている
加熱炉５へ酸素を導入する。酸素は、加熱炉５内で分子
エネルギーが励起され活性な分子となり基板１に入射す
る。この時の基板１の温度は、基板保持台３に設けてい
る熱源３ｂによって約４００℃以下に保持して行なわれ
る。この基板１の温度ではＡｓの脱離は無視できる程度
であるため、Ａｓの分子線源をストッカ室１６内に設け
る必要はない。基板１に到達した活性な酸素分子は、基
板１の表面に付着している炭素と反応し、一酸化炭素，
二酸化炭素などを生成し、表面から脱離する。この時、
一部の酸素は基板１の表面に新たな酸化物を生成する。 次にリークバルブ４ａ，４ｂを切り替えて水素を加熱炉
５へ導入し、分子エネルギーを励起して活性な水素分子
として、基板１に入射する。基板１に到達した活性な水
素分子は、基板１の表面の自然酸化膜及び前述した新た
な酸化膜と反応し、水などの水素酸化物を生成して基板
１の表面から脱離する。清浄化処理開始時間は、基板１
をこの操作後即座に表面処理室１０内へ搬送できるよう
に調整する。一般に清浄表面とは、汚染分子による表面
被覆が１／１０分子層以下の表面状態であると定義され
ている。この定義から、基板１の汚染物除去後、表面処
理室１０へ搬送し、表面処理を開始するまで許容できる
時間Ｔｍは、基板１の搬送中の圧力をＰ，吸着分子の分
子量をＭｒ，基板１の温度をＴ，吸着確立をβ，基板１
の原子密度をＮｍとすると、次式で表される。

【００１４】

【数１】

【００１５】例えば、ストッカ室１６の圧力が、排気装
置１２の能力によって５／１０８Ｐａであるとすると、
清浄化処理後１０分以内で表面処理室１０へ搬送し、結
晶成長などの表面処理を行なえる半導体デバイス連続シ
ステムを構成しなければならないことになる。

【００１６】また全てのストッカ室が図１に示した構成
を採る必要は無く、特に清浄な表面を欲する表面処理室
に接続したストッカ室にのみ設ければ良いのは言うまで
もない。このようなシステムとすることによって、デバ
イスプロセスのスループットが向上し、かつ表面汚染に
起因するデバイスの性能不良が減少するため、良好な性
能を有するデバイスを歩溜りよく生産することが可能と
なる。

【００１７】図３は本発明のべつの実施例を示してある
。図３の名称は図１に準じてある。ＧａＡｓ基板１をス
トッカ室１６へ搬送し、基板保持台３に固定するまでは
実施例１と同じである。加熱炉５に水素，酸素のガス源
のほか、酸素と混合し、酸素の並進エネルギーを高める
ヘリウムのガス源とそれぞれリークバルブ４ａ，４ｂ，
４ｃを介して接続している点が図２の実施例と異なる点
である。基板１の清浄化は以下の手段で行われる。 まず酸素のガス源に接続しているリークバルブ４ａ及び
、ヘリウムのガス源に接続しているリークバルブ４ｃを
開放し、流量制御バルブ７を介して熱源５ｂによって５
００から２０００℃に加熱している加熱炉５内へ導入す
る。加熱炉５内に導入された酸素とヘリウムは互いに衝
突を繰返し、並進エネルギーが〜１０ｅＶ以内に励起さ
れて基板１に到達する。この時の基板１の温度は、基板
保持台３に設けている熱源３ｂによって約４００℃以下
に保持して行なう。この基板１の温度では実施例１と同
様にＡｓの脱離は起きないため、Ａｓの分子線源をスト
ッカ室１６内に設ける必要はない。基板１に到達した酸
素分子は、基板１の表面に付着している炭素と反応し、
一酸化炭素，二酸化炭素などを生成し、表面から脱離す
る。この時、一部の酸素は基板１の表面に新たな酸化物
を生成する。炭素系汚染物は、酸素系汚染物（酸化物）
と比較しＧａＡｓとの結合エネルギーが大きく、除去さ
れにくいが、このように特に酸素の並進エネルギーを励
起して照射することによって、容易に除去することが可
能となる。次にリークバルブ４ａ，４ｂ，４ｃを切り替
えて水素を加熱炉５内に導入する。加熱炉５内で加熱さ
れた水素は、分子エネルギーが励起され活性な水素分子
として、基板１に入射する。基板１に到達した活性な水
素分子は、基板１の表面の自然酸化膜及び前述した新た
な酸化膜と反応し、水などの水素酸化物を生成して基板
１の表面から脱離する。

【００１８】以上の操作によって基板に付着している、
炭素，酸化物等の汚染物は除去され、清浄な基板の表面
が得られる。また基板に照射する活性な酸素，水素の分
子エネルギーは、いずれも０．１　から１０ｅＶ以内に
制御されているため、基板に損傷，汚染を新たに与える
ことはなく、基板の温度も４００℃以下という低温度で
達成できる。この得られた清浄表面に、例えば結晶成長
を行なうことによって、欠陥の無い良質の結晶成長面が
得られ、さらに界面の抵抗層を著しく減少することが可
能となり、半導体デバイスの性能を向上できる。

【００１９】図４は酸素，水素と同時に光を照射する実
施例を示している。ストッカ室１６内に紫外光源２０を
設置している点が実施例１と異なる点である。ＧａＡｓ
基板１をストッカ室１６へ搬送し、基板保持台３に固定
して排気し分子エネルギーを励起した酸素，水素を照射
する手順は実施例１と同じ手順で行う。酸素，水素を加
熱炉５を介して照射するときに、紫外光源２０から紫外
線を同時に照射する。この紫外線によって、酸素，水素
の分子エネルギーがさらに高く励起されるため、基板１
の清浄化効率が向上し、また酸素，水素照射中の基板１
温度はさらに低温化が図れる。本実施例では光源として
紫外線を適用した例を示したが、この他赤外線，Ｘ線，
各種レーザなどでも同様の効果が得られる。また光源は
ストッカ室１６の外側に設置しても支障は無い。その際
は、図５に示すようにストッカ室２の一部に使用する光
の波長を遮蔽しない材料から成る透過窓２１を設け、そ
の近傍に光源２０を設置する。

【００２０】以上述べてきた実施例では、ストッカ室１
６内に設けた基板の清浄化装置と表面処理室１０は別置
きとしてたが、表面処理室内に設置しても問題は無い。 その場合は図６に示した構成と成る。図６は基板清浄化
装置を分子線結晶装置（ＭＢＥ）内に組み込んだ例を示
している。排気口１２を備えた真空容器２内に被処理体
となる基板１と、基板１を保持し基板１を加熱する熱源
３ｂと、熱源３ｂを制御する温度制御機能３ａを備えた
基板保持台３と、基板１と対向する位置に各種分子源２
２と図１で示した噴出口５ｃ，熱源５ｂ，温度制御機能
５ａを備えた加熱炉５及びリークバルブ４ａ，４ｂ、流
量制御バルブ７が設けられている。基板１を真空容器２
内へ搬送し、基板保持台３に固定し、実施例１の手順で
基板上の汚染物を除去する。この後排気口１２から真空
容器２内を排気し超高真空状態にした後、分子源２２か
ら分子線を基板１に照射する。これによって基板を大気
に暴すること無く、基板の清浄化処理と、結晶成長が連
続で行えるため、損傷，汚染，欠陥が無い良質な結晶成
長膜が得られる。尚、本実施例では一つの例として図２
の実施例を適用したが、図３，４，５に示したいずれの
実施例を用いても効果に影響が無いことは言うまでもな
い。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、分子エネルギーを結晶
欠陥を誘発しない程度に励起した酸素，水素を用いるた
め、基板に新たに損傷，汚染を生成することなく、基板
上の残留汚染物を選択的に除去することが可能となり、
これを半導体プロセス中に行うことによって、欠陥のな
い良質な半導体装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を連続デバイスプロセスシステムに組み
込んだ図。

【図２】ストッカ室の横断面図。

【図３】本発明の別の実施例を示す構成図。

【図４】光源を備えた実施例を示す構成図。

【図５】光源を備えた別の実施例を示す構成図。

【図６】ＭＢＥ装置に組み込んだ実施例示す構成図。

【符号の説明】

１…基板、２…真空容器、３…基板保持台、３ａ…温度
制御機能、３ｂ…熱源、３ｃ…駆動機構、４…リークバ
ルブ、４ａ…リークバルブ、４ｂ…リークバルブ、４ｃ
…リークバルブ、５…加熱炉、５ａ…温度制御機能、５
ｂ…熱源、５ｃ…噴出孔、７…流量制御バルブ、１０…
表面処理室、１１…搬送路、１２…排気口、１３…基板
導入室、１４…ゲートバルブ、１６…ストッカ室、２０
…紫外光源、２１…透過窓、２２…分子源。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被処理体である試料に、分子エネルギーを
   励起した酸素を前記試料の所定位置に照射し、前記試料
   に含まれる炭素を除去する工程と、前記試料に分子エネ
   ルギーを励起した水素を前記試料の所定位置に照射し、
   前記試料の酸化膜を除去する工程を少なくとも一回は含
   むことを特徴とする半導体製造方法。
2. 【請求項２】請求項１記載の半導体製造方法において、
   分子エネルギーを励起した前記酸素，水素と共に、光を
   同時に前記試料に照射することを特徴とする半導体製造
   方法。
3. 【請求項３】請求項１記載の半導体製造方法において、
   分子エネルギーを励起した前記酸素，水素を、前記試料
   に照射する過程で加熱することにより得ることを特徴と
   する半導体製造方法。
4. 【請求項４】請求項１記載の半導体製造方法において、
   前記酸素，水素の分子エネルギーのそれぞれの総和が前
   記試料を構成する元素の結合エネルギー以下にあること
   を特徴とする半導体製造方法。
5. 【請求項５】特殊雰囲気中で、シリコン、又は化合物な
   どの半導体基板上に半導体デバイスを形成する各種処理
   室と、前記各処理室と隣接して前記半導体基板が待機す
   るストッカ室と、前記半導体基板を前記ストッカ室へ前
   記半導体基板を大気から遮蔽された搬送路内で搬送する
   搬送手段を有している、半導体デバイス連続プロセスシ
   ステムにおいて、前記ストッカ室内に前記半導体基板を
   保持し前記半導体基板を加熱する加熱手段を備えた半導
   体基板保持台と、前記真空容器内に酸素，水素を導入す
   るガス導入手段と、導入したガスを加熱する加熱手段と
   、前記ガスを前記半導体基板に照射するガス照射手段を
   備えたことを特徴とする、半導体製造装置。
6. 【請求項６】排気手段を備えた真空容器と、前記真空容
   器内にシリコン又は化合物からなる半導体基板と、前記
   半導体基板を保持し前記半導体基板を加熱する加熱手段
   を備えた半導体基板保持台と、前記半導体基板上に堆積
   する元素の分子源を備えた結晶成長装置において、前記
   結晶成長装置内に酸素，水素を導入するガス導入手段と
   、導入したガスを加熱する加熱手段と、前記ガスを前記
   半導体基板に照射するガス照射手段を備えたことを特徴
   とする、半導体製造装置。