JPH0536653A - 基板表面処理方法 - Google Patents

基板表面処理方法

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JPH0536653A
JPH0536653A JP20845591A JP20845591A JPH0536653A JP H0536653 A JPH0536653 A JP H0536653A JP 20845591 A JP20845591 A JP 20845591A JP 20845591 A JP20845591 A JP 20845591A JP H0536653 A JPH0536653 A JP H0536653A
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JP
Japan
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substrate
wafer
ultraviolet rays
oxide film
oxide
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JP20845591A
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Yoshihiko Saito
芳彦 斉藤
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、例えばエピタキシャル気相成長工
程前のSi基板の表面層に存在する金属、有機化合物等
の不純物を効率よく除去し、かつSi基板表面に、フッ
素、塩素等のハロゲンあるいは自然酸化膜等が存在しな
い基板表面処理方法を提供するものである。 【構成】本発明は、波長160nm以上の紫外線で励起
した酸化性ガス(例えばO2 )により、基板表面を効率
よく酸化する工程と、 前記紫外線で励起した酸化物除
去ガス(例えばHF蒸気)により、基板表面に形成され
た酸化物を効率よく除去する工程とを、同時にまたは交
互に連続して行なった後、水素雰囲気中に該基板を置
き、前記紫外線を照射することを特徴とする基板表面処
理方法である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板の表面処理
方法に関するもので、特に基板の表面層(基板主面を含
み該主面近傍の基板部分)の清浄度に敏感なプロセス、
例えばエピタキシャル気相成長やゲート酸化膜形成等の
プロセス前の基板前処理に使用され、また基板表面層に
吸着する金属等の不純物を評価する場合のサンプリング
手法等にも使用されるものである。
【0002】
【従来の技術】半導体産業において、基板の表面層の不
純物は、素子特性、素子歩留りを左右する重要な要素で
ある。例えばシリコン基板の表面層に金属不純物が存在
すると、酸化工程においては、酸化誘起積層欠陥、また
ロコス(Locos)工程においては、いわゆるロコス
転位を誘起する。これらの問題を解決するために、半導
体産業では様々な表面処理方法を用いて、基板(ウェー
ハ)表面の清浄度を高めている。
【0003】基板の表面処理方法は、ウェット(We
t)方式とドライ(Dry)方式とに大別できる。ウェ
ット方式の従来例として、酸系またはアルカリ系による
金属不純物の処理方法があげられる。酸系の処理として
は、例えば塩酸+過酸化水素または希弗酸による処理等
は、効率よく金属不純物を除去する手段として用いられ
ている。また、濃硫酸+過酸化水素は、その強力な酸化
力を利用して、有機物を除去するのに利用されている。
【0004】ウェット処理方式の問題点は、金属不純物
除去の場合、その除去効率が金属種により異なる等の問
題のほかに、最終的に純水による洗浄を実施するため、
基板表面に自然酸化膜が生成するという問題を生じる。
そのため、例えば酸化膜が薄膜化するにつれ、酸化膜耐
圧等の素子特性にバラツキが生じる。またエピタキシャ
ル気相成長工程等、今後低温化が必要とされる工程にお
いては、純水洗浄によって生じる自然酸化膜の生成が低
温化の妨げになるという問題もある。
【0005】ドライ方式としては、例えばエピタキシャ
ル成長の前工程として行なう基板主面に対するガスエッ
チングがあげられる。Cl2 、HCl、HBr、H
2 S、SF6 、SiF2 等を反応ガスとしてシリコン基
板をエッチングし、基板上の不純物を除去しようとする
ものである。またシリコン基板上の自然酸化膜を除去す
るには、水素雰囲気中でアニールし、還元により除去す
る方法がとられている。
【0006】このような従来のドライ方式では、ウェッ
ト方式の場合と同様に、金属種により除去効率が異なる
という問題点がある。他方H2 アニールにより酸化膜を
除去する方法では、基板温度1000℃以下では酸化膜
はほとんどエッチングされない(0.01nm/min
以下)。図3は、H2 アニールによる酸化膜(Si
2 )のエッチング速度と基板温度との関係を示すもの
で、縦軸はエッチング速度(nm/min)、上側横軸
はシリコン基板の温度(℃)、下側横軸はその逆数(1
/T(10-4K))である。H2 流量は100 l/mi
nで、同図中、□または○印は、チャンバー内の圧力7
60[Torr]におけるエッチング速度の平均値、○
印を通る短線分はその分布範囲を示し、また△印はチャ
ンバー内の圧力70[Torr]の場合のエッチング速
度の平均値を示す。
【0007】同図より明らかなように、H2 アニールで
効率よく酸化膜を除去するためには、基板温度を100
0℃以上にする必要があるが、高温度にすると、基板内
の不純物分布が変化するという問題がある。
【0008】また自然酸化膜を低温で除去するためにH
F等のフッ素(F)含有化合物を用いるとSiのダング
リングボンド(dangling bond .切れた結合手)にフッ
素原子が終端(terminate )し、後の工程に悪影響を及
ぼす。終端したフッ素原子を除去するには、従来技術で
は1000℃以上の温度が必要となり、高温により不純
物の再分布が問題となる工程では、不適当である。
【0009】またウェット及びドライの両方式では、基
板表面からの深さ約1nm程度の近傍領域に存在する不
純物しか除去できないという共通の課題がある。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】これまで述べたよう
に、ウェット方式及びドライ方式の従来の基板表面処理
方法においては、金属不純物の種類により、その除去効
率が異なること、及びウェーハ表面のごく近傍(例えば
約1nm)のみの不純物しか除去できないことなどの共
通の課題がある。
【0011】また従来のウェット方式では、純水による
洗浄後における自然酸化膜の生成は避けられないという
課題があり、また従来のドライ方式では、Siのダング
リングボンドにフッ素原子が終端して残るという課題が
ある。
【0012】本発明は、上記課題に鑑みなされたもの
で、Si基板の表面層に存在する金属、有機化合物等の
不純物を効率よく除去し、かつ、Si基板表面に、フッ
素(F)、塩素(Cl)等のハロゲンあるいは自然酸化
膜等が存在しない表面処理方法を提供することを目的と
する。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明は、処理される半
導体基板表面に、波長160nm以上の紫外線を照射し
ながら、該基板主面を酸化する工程と、形成された酸化
物を除去する工程とを、同時にまたは交互に連続して実
施することにより該基板表面の処理を行なった後、水素
雰囲気中に該基板を置き、前記紫外線を照射することを
特徴とする基板表面処理方法である。
【0014】
【作用】シリコン基板表面の酸化工程は、例えば酸素ま
たは酸素含有化合物を表面処理の酸化剤として使用し、
これら酸化種と基板表面層のSiとの反応により酸化物
を生成する。紫外線を照射して酸化種を励起などさせ
て、より効率よく酸化を促進する。
【0015】また酸化物を除去する工程は、例えばフッ
酸蒸気またはフッ素含有化合物を酸化物除去剤として使
用し、これら酸化物除去剤と前記工程で形成された酸化
物(自然酸化膜を含む)とを反応させ、ガス化された反
応生成物として、排気系統を介して系外に放出する。こ
の際酸化工程と同様、紫外線を照射して、酸化物除去剤
を励起または分解などさせて、より効率よく酸化物を除
去する。
【0016】上記酸化工程と酸化物除去工程とにより、
シリコン基板の表面層はエッチング除去される。従って
表面層にもともと含まれている金属、有機化合物等の不
純物は勿論、工程中に基板内部から表面層に拡散移動し
た不純物も併せて除去され、その除去効率は極めて高
い。
【0017】前記酸化工程及び酸化物除去工程は同時に
または交互に行なわれるが、いずれの場合でも最後には
酸化物除去工程が行なわれる。この工程後のシリコン基
板表面には、例えばSiのダングリングボンドにフッ素
原子が結合しているなど、酸化物除去工程で使用した分
子種がSiと結合または吸着している。このため、該基
板を水素雰囲気中に置き、紫外線を照射して、結合また
は吸着している例えばフッ素等の有害分子種を除去す
る。
【0018】なお前記酸化種等を励起する紫外線の波長
を160nm以上としたのは、主として生産性の現実を
考慮したためである。即ちより短波長の紫外線の場合、
その光源等の設備が膨大となり、費用等がかかりすぎる
からである。
【0019】
【実施例】本発明の基板表面処理方法に使用した基板表
面処理装置の概念図の一例を図1に示す。該装置はガス
制御部1、光源(紫外線ランプ)2、チャンバー3、ウ
ェーハ搬送系4及び減圧ポンプ系5から成る。チャンバ
ー及びチャンバー内の材質としては、石英等の非金属で
構成されているか、もしくは、フッ酸(HF)等フッ素
系のガスによって腐蝕されないように不動態化した金属
部品より成る。
【0020】ガス制御部1は、酸化性ガス(O2 ,H2
O等)、酸化膜除去ガス(HF蒸気または紫外線照射に
よってHFを生成する混合ガス)及びキャリアガス(N
2 ,H2 等)の少なくとも3種のガスの流量、組成、温
度等を制御することが可能なように構成される。
【0021】また光源は、必ずしも酸化工程、酸化物除
去工程、及びH2 アニール工程と、3種類必要とせず、
光源の短波長側が160nmに達している紫外線ランプ
であればよい。本発明の基板表面処理方法は、自然酸化
膜の存在、または表面近傍の不純物の存在が害になる工
程と組み合わせて使用する。一例として、エピタキシャ
ル成長と組み合わせた場合について述べる。
【0022】まず被処理基板(ウェーハ)6をウェーハ
搬送系4に載置する。シリコン基板表面の酸化工程は、
公知の方法によることができる。本実施例では、酸化剤
はO2 とH2 Oとの混合ガス、キャリアガスはN2 、基
板温度は室温〜数百度、時間は10〜30分の酸化を、
紫外線を照射しながら実施する。
【0023】次に基板を外気にさらすことなく、引き続
き前工程で形成された酸化物の除去を行なう。酸化物除
去剤はHFガス、キャリアガスはH2 、基板温度は室温
〜数百度、時間数分の酸化物除去を行なう。
【0024】なお図2は、25℃付近にピークを持つH
F濃度4.7%,H2 O濃度1ppmの希釈HFガスを
使い熱酸化膜をエッチングしたとき、そのエッチング速
度(nm/分)と基板温度(℃)との関係を示す特性図
である(宮下他、「pptへの挑戦,超クリーン化技
術」別冊No.2,1988,p202−p207より
引用)。この図からわかるようにHFガスを使用する
と、図3に示すH2 アニールによるエッチング速度に比
し、酸化膜または自然酸化膜を効率よく除去することが
できる。
【0025】
【表1】 基板主面に対し、上記の方法により酸化工程と酸化物除
去工程とを交互に連続して数回行なう。
【0026】表1にSi−H,Si−Oなど2原子間の
結合エネルギーを示す。HFガスを用いることにより、
SiO2 を低温で効率よく除去することは可能である
が、フッ素原子がSiのダングリングボンドに結合して
しまい、酸化物除去工程後も残り、後の工程に悪影響を
及ぼす。このため、酸化物除去工程を終えた基板を、紫
外線照射のもとに、水素雰囲気中にさらし、フッ素原子
を水素原子に置換する。次に本発明の基板表面処理方法
において、基板主面を酸化する工程と該基板主面に形成
される酸化物を除去する工程とを同時に実施する場合に
は、相互反応が実質的に無視できる酸化剤と酸化物除去
剤とを含む混合ガスを使用し、前記に準じ行なう。
【0027】上記実施例の基板表面処理方法によれば、
酸化工程と酸化物除去工程が交互にまたは同時に実施さ
れ、基板表面層は剥離される。また条件を適宜設定する
ことにより、剥離される表面層の厚さを制御でき、例え
ば基板表面から数10nmの領域まで簡単にエッチング
可能である。これにより表面層に存在する金属、有機化
合物等の不純物は除去される。他方、工程中、基板内部
の不純物は、基板表面に向かって拡散により集められ、
表面層と共に除去される。
【0028】これらにより、イオン化傾向の低いCuな
ども効率よく除去でき、金属不純物の種類によりその除
去効率が異なるという問題点は解決され、また基板表面
のごく近傍(約1nm)のみの不純物しか除去できない
という欠点もなくなる。
【0029】またHFガスを使用し酸化物を除去した
後、Siのダングリングボンドにフッ素原子が結合して
残るという問題も、H2 雰囲気中、紫外線を照射してフ
ッ素原子を水素原子に置換することにより解決できた。
【0030】このように前処理したウェーハにエピタキ
シャル成長すると約800℃でエピタキシャル成長が可
能となった。
【0031】
【発明の効果】これまで述べたように、本発明により、
Si基板の表面層に存在する金属、有機化合物等の不純
物を効率よく除去し、かつ、Si基板表面にフッ素
(F)、塩素(Cl)等のハロゲンあるいは自然酸化膜
等が存在しない基板表面処理方法を提供することができ
た。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の基板表面処理方法に使用する基板表面
処理装置の一実施例の概念図である。
【図2】HF(気相)による酸化膜(SiO2 )のエッ
チング速度と温度との関係を示す図である。
【図3】H2 アニールによる酸化膜(SiO2 )のエッ
チング速度と温度との関係を示す図である。
【符号の説明】
1 ガス制御部 2 光源(紫外線ランプ) 3 チャンバー 4 ウェーハ搬送系 5 減圧ポンプ系 6 半導体基板(ウェーハ)

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項1】 半導体基板主面に波長160nm以上の
    紫外線を照射しながら、該基板主面を酸化する工程と該
    基板主面に形成される酸化物を除去する工程とを同時に
    または交互に連続して実施する表面処理を行った後、水
    素雰囲気中に該基板を置き、前記紫外線を照射すること
    を特徴とする基板表面処理方法。
JP20845591A 1991-07-25 1991-07-25 基板表面処理方法 Pending JPH0536653A (ja)

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