JPH0669194A - シリコン製品の熱酸化と半導体装置製造に使用の炉管清浄法 - Google Patents

シリコン製品の熱酸化と半導体装置製造に使用の炉管清浄法

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 低温ならびに環境に対する加工条件の近代化
に伴いTCAの高度の化学安定性がかえって欠点となっ
た。これは化合物が超高層大気に達してから初めて分解
するので、地球の保護オゾン層を破壊する遊離塩素基の
発生の原因となる。 【構成】 珪素の熱酸化あるいは半導体製造に用いられ
る炉管を、珪素もしくは管を700℃以上の温度に暴露
しながら、酸素を含むキャリヤーガスと一般式がCxH
xClx(式中xが2、3もしくは4)で示されるクロ
ロ炭化水素を前記珪素もしくは管上全般に流すことで清
浄化する。 【効果】 TCAの6年という半減期に比べ僅か3日間
という短い半減期のトランス−ジクロロエタンの使用に
よりオゾン層の破壊に及ぼす影響が著しく減少する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体装置製造中の珪素
の熱酸化に広範に用いられる塩素原料に関する。
【0002】
【従来の技術】集積回路の製造において、珪素の熱酸化
は基本的な製法工程の1つである。新しい方法は少量の
塩素含有蒸気(HCl又はClなど)をキャリヤーガ
ス中のオキシダントと併用して酸化物の性質を強化させ
る。前記塩素種は環境において、炉を出るキャリヤーガ
ス中の蒸気として行われる塩素への転化により環境中の
金属種(例えばNa、Fe)を除くか、或いは前記酸化
物中に塩化物を形成して金属種の移行を防ぐ。これは酸
化物の電気絶縁性を安定させる。塩素の添加も酸化物の
生長動力学を変える。
【0003】この方法に更に広範囲に使用される塩素原
料の1つは、加州カールスバッドの本出願人のシュマッ
ヒャー集団により計画、販売される1、1、1−トリク
ロロエタン(TCA)である。前記TCA塩素原料をキ
ャリヤーガス例えば窒素に酸素原料と一緒にして製造炉
に流し入れる。珪素物品を800℃以上の温度に加熱し
て炭化水素を酸化させて次式による高純度塩化水素を形
成する: CCl+XO → 3HCl+2CO+(x−2)O 余分の量の酸素を用いて炭素が、前記炭素の二酸化炭素
への転化により形成されることを防ぐ。余分の酸素を用
いると酸素の反応の飢餓を防げ、前記TCAのすべてを
HClとCOに転化する。これは更に危険なガスであ
るホスゲン形成の危険を防ぐ。アルゴンをキャリヤーガ
スとしての窒素の代わりに使用できる。
【0004】前記TCAは同様の方法で使用して半導体
装置の生産に用いられる炉管を清浄にする。ここで、石
英管を酸素もしくは蒸気で高温に維持して、塩素原料を
前記管に流通させる。発生した塩素が金属汚染物と反応
して揮発性金属塩化物を発生させ、これらの塩化物を前
記管から前記ガス流れと共に排出する。前記金属を珪素
酸化中管に残留させた場合、それらは珪素に著しい欠陥
を発生させることがある。この結果は、珪素ウエフェー
の表面上もしくはその近辺にこのような汚染物を生長す
る酸化物中で揮発させるか固定させる珪素酸化のそれと
同様である。更に決定的な珪素酸化に用いられる塩素原
料は条件の比較的酷しくない管の清浄化に適している。
【0005】TCAがHClガスに取って代った。それ
は後者が腐食性が強く、設備と装置の収率に広範な損失
をもたらすからである。TCAは熱酸化環境おいてHC
lガスと同一の割合で同じ生成反応物を生成する。これ
は珪素酸化法にとっては、それがHClガスの代りにT
CAを広範囲の実験をすることなく用いることを可能に
するので極めて重大である。
【0006】他の塩素原料を評価した。ジクロロエタン
と特に、1、1、2−トリクロロエチレンが珪素のクロ
ロキシド化用のHClの原料として技術上説明されてき
た(例えば、1985年刊S.Wu.J.Electr
onics Soc.132号、151頁のR.G.コ
スウェイ(Cosway)の論文;1980年刊J.A
ppl.Phys.第51号第6,183頁のC.L.
クレイス(Claes)ほかの論文と1982年7月刊
Solid State Tech.第83頁のT.ハ
ットリ(Hattori)の論文)が、E.J.ジャン
セン(Janssens)とG.J.デクラーク(De
clerck)(1978年刊J.Electroch
em.Soc.第125号1,697頁)が教示するよ
うに、先駆物質の性能は水素の数が塩素の数に等しい化
合物に最適である。例えば、トリクロロエチレンは分解
すると余分の2原子塩素を発生させ、その結果、酸化中
の珪素基板に過剰の食刻をもたらすことになる。そのう
え、1、1、2−トリクロロエチレンは、C.M.オズ
ボーン(Osborn)による記述(1974年刊J.
Electrochem.Soc.第121号第809
頁)のCl原料である四塩化炭素のように非常に毒性
が強い。ジャンセンズ(Janssens)ほかは、水
素の数が塩素の数に等しいと考えられる先駆物質として
塩化メチレン、1、1、2−トリクロロメタンと1、
1、1−トリクロロエタンを引例に出している。しか
し、揮発性、化学安定性、商業的利用度と毒性を比較し
て前記1、1、1−トリクロロエタンが最適の候補材料
であると結論を下している。前記1、1、2−トリクロ
ロエタン(tlv 10ppm)と塩化メチレンの両者
は動物実験で毒性が強く発がん性物質と考えられてい
る。そのうえ、珪素基板でのクロロキシド化実験で1、
1、1−トリクロロエタンに対しジクロロメタンの著し
い性能長所を備えていないことがわかった。
【0007】TCAをHCl原料としての利用法ならび
にその応用は半導体業界に幅広く実施されている。典型
的方法は、1986年ラティスプレス社(Lattic
ePress)刊「シリコン、プロセシング、フォア、
ザ、VLSI、イアラ(Silicon Proces
sing for the VLSI Era)」第1
巻第215乃至216頁のS.ウォルフ(Wolf)と
R.N.タウバー(Tauber)の論文と同様で、温
度は850℃以上である。ジャンセンス(Jansse
ns)ほかの熱力学研究で、TCAの酸化が700℃の
温度でも問題ないことを実証したが、800℃の温度で
のTCAの気相組成が、前記クロロキシド化法(198
8年刊J.Electrochem.Soc.第135
号第1,192頁のJ.R.フレミッシュ(Flemi
sh)、R.E.トレッスラー(Tressler)、
J.R.モンコウスキー(Monkowski)の論
文)で実施された条件と同様の条件下の平衡組成で行っ
たものでないと報告された。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】現行の酸化は温度を8
00℃以上にして行っている。熱生長した酸化物の厚さ
と品質の条件をより酷しくする必要がある場合、反応を
行わせる温度を低下させる必要がある。TCAの高度の
安定性は温度が低下するに従ってかえって欠点となる。
それは、不完全燃焼の危険が生長酸化物の薄膜に炭素の
混和をもたらすからである。
【0009】TCAがクロロキシド化と管清浄化の双方
にとって有用な添加剤となってきたが、低温のみならず
環境問題に対する加工条件の新しい傾向がTCAの高度
の化学安定性を欠点に変えてしまった。化合物の環境暴
露に示す高い安定性が材料の処理に欠点となっている
が、それは化合物が超高層大気に達してから初めて分解
することである。分解は地球の保護オゾン層を破壊でき
る遊離塩素基の発生の原因となる。米国では現在、TC
Aをすべての非供給原料商業用用途から徐々に削減して
いる。
【0010】
【課題を解決するための手段】一般式CxHxClxで
示され、式中xが2、3又は4のクロロカーボンが意外
にも珪素のクロロキシド化に意図した効果を生ずること
がわかった。この配合をもつ化合物は少くとも800℃
という低温で有効に分解して低炭素混和のしかも高品質
の酸化珪素となる。そのうえ、これらの化合物はTCA
に比べて地球のオゾン層に対する有害性が遥かに少い。
更に、このような化合物は、熱酸化環境にあってHCl
ガスとTCAにより生成されるものと同一の割合でHC
lとHOを生成させるので、TCA/HClの絶対的
代替となる。
【0011】
【作用】TCAの代替の調査で、CxHxClxの形を
とり式中xが2、3又は4で示される化合物を、CxH
yClyの形をとり式中xが1、2;yがx+1で示さ
れる飽和クロロ炭化水素よりも有害性の少い炭素化合物
しか伴わない所望の生成物HCl、ClとHOに比
較的低い温度で酸化させる。これらの化合物を多数、平
衡熱力学分析し、CxHxClx(式中xが2、3、
4)とCxHyCly(式中、xが1、2そしてyがx
+1)が等価の生成物であるに違いないことを示してい
る。しかし、本発明者の動力学研究では不飽和化合物の
方が優れていることを示す。熱力学ならび動力学の結果
を以下に要約する。
【0012】
【実施例】酸素中のHClとTCAの平衡熱力学計算の
結果は、同様の割合での同一生成物を両方の塩素種で発
生させる。TCA/Oの熱力学計算に用いられた種を
表1に示す。HCl/Oには星印のついた種だけが用
いられた。
【0013】
【表1】 熱力学計算に使用の種 ―――――――――――――――――――――――――――――――― C CCl CHCl HOCl CH CCl COCl Cl CCl COCl ClO C CCl ClO CO CCl ClO COCl HO O CHCl HO CHCl O CHO CHCl CHO CHCl HCl ―――――――――――――――――――――――――――――――― ☆はH−Cl−O系に用いられた種。
【0014】下表2は酸素中の1%TCAが生成物の分
圧に関して、700乃至1,300℃の温度における酸
素中の3%HClに等しいことを示す。例えば、700
℃の温度でTCAの酸化で生成されるHClの分圧は、
3%HClガスで1%TCAを置換してもたらされたも
のの99.3%である。
【0015】
【表2】 1%TCA(温度20℃)の3%HClとの比較 種の部分圧比 (TCAから/HClから) ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― 温度(℃) HCl OO Cl ClOH ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― 700 0.993 0.913 0.971 0.971 0.949 800 0.991 0.913 0.969 0.969 0.947 900 0.989 0.913 0.967 0.967 0.946 1000 0.988 0.913 0.966 0.966 0.944 1100 0.987 0.913 0.965 0.965 0.943 1200 0.986 0.914 0.964 0.964 0.943 1300 0.986 0.914 0.964 0.964 0.942 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― 下表3は生成物のモル比を用いて同一の結果を示す。
【0016】
【表3】 1%TCA(温度20℃)の3%HClとの比較 種のモル比 (TCAから/HClから) ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― 温度(℃) HCl OO Cl ClOH ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― 700 1.013 0.942 0.990 0.990 0.968 800 1.011 0.942 0.988 0.988 0.966 900 1.009 0.942 0.987 0.987 0.965 1000 1.008 0.942 0.985 0.985 0.963 1100 1.007 0.942 0.985 0.985 0.962 1200 1.006 0.942 0.983 0.984 0.962 1300 1.006 0.942 0.981 0.983 0.961 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― 下表4は熱力学計算表への入力に使用された処理データ
を示す。
【0017】
【表4】 3(SLPM)全流の工程明細 原 料 原料温度 蒸気圧 原子/分子 必要N 原料容量比 ℃ トル C H Cl キャリヤー sccm ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― HCl − − 0 1 1 −− 3 TCA 20 100 2 3 3 198 1 DCM 20 335 1 2 2 57 1.5 TDCE 0 100 2 2 2 169 1.5 4CP 50 19.5 3 4 4 855 0.75 TCP 50 100 3 5 3 198 1 DCE 30 100 2 4 2 297 1.5 DCP 39 100 3 6 2 297 1.5 NPC 20 275 3 7 1 159 3 ―――――――――――――――――――――――――――――――――――― 塩素原料の略語を表5に関連して下記に説明する。化合
物中のHのClに対する比が1:1乃至7:1の範囲に
なることがわかった。
【0018】
【表5】 有機塩素原料の酸化により発生された数種の平衡モルの分析 下記(2)それぞれからのHClのモルの相対数(1) 温度 TCA(2) DCM (2) TDCE(2) 4CP(2) TCP(2) DCE(2) DCP(2) NPC(2) 700 1.013 1.005 1.018 1.052 1.278 1.377 1.576 1.906 800 1.011 1.004 1.011 1.044 1.262 1.348 1.506 1.724 900 1.009 1.004 1.009 1.038 1.245 1.314 1.441 1.585 1000 1.008 1.003 1.008 1.032 1.229 1.290 1.384 1.481 1100 1.007 1.003 1.007 1.028 1.214 1.264 1.337 1.404 以下それぞれからのClのモルの相対数温度℃ TCA DCM TDCE 4CP TCP DCE DCP NPC 700 0.990 0.996 0.990 0.959 0.783 0.705 0.549 0.291 800 0.988 0.996 0.988 0.952 0.713 0.618 0.444 0.205 900 0.987 0.995 0.987 0.946 0.643 0.537 0.358 0.148 1000 0.985 0.994 0.987 0.946 0.577 0.465 0.291 0.112 1100 0.985 0.994 0.984 0.937 0.518 0.404 0.241 0.088 以下それぞれからのCl/HOのモルの相対数温度℃ TCA DCM TDCE 4CP TCP DCE DCP NPC 700 ← Clと同じ → 1.971 2.488 4.115 10.99 800 2.113 2.717 4.642 12.80 900 2.280 2.993 5.270 14.88 1000 2.474 3.310 5.981 17.18 1100 2.689 3.661 6.755 19.63 以下それぞれとの反応後のOのモルの相対数温度℃ TCA DCM TDCE 4CP TCP DCE DCP NPC 700-1100 0.932 0.980 0.926 0.705 0.917 0.876 0.853 0.808 (1) 示された値は3%HCl工程で生成された種のモル
に関連する。 (2) TCA −1、1、1−トリクロロエタン DCM −塩化メチレン TDCE−トランス−1、2−ジクロロエチレン 4CP −1、1、1、2−テトラクロロプロパン DCE −1、2−ジクロロエタン TCP −1、1、1−トリクロロプロパン DCP −1、2−ジクロロプロパン NPC −n−プロピルクロリド(1−クロロプロパ
ン) 表5は異なる塩素原料の平衡熱力学計算から得た結果を
示す。おのおの原料の入力が3%HCl法と同一の塩素
の同一モル入力を供給した。TCA、DCMとTDCE
は、HCl原料からと同様のモル数のHCl、Cl
Oを生成する。Clに等しいHを有する4CPもT
CAと3乃至5%相異する生成物を生成する。酸素の相
対的モル数の酸素は、おのおのの工程で非常に過剰な酸
素があるのでそれほど重要でない。
【0019】炉管中の珪素の酸化は高温での平衡法であ
る。しかし、低温(800℃以下)では塩素原料の所望
生成物への不完全転化が起こることがある。動力学研究
では、短い反応時間の原料は等価でないことを示す。
【0020】ガスを流し、反応時間が0.5秒になるよ
う選ばれた温度帯にした細径炉管で研究を行った。残留
ガス分析器(RGA)への入力を反応域から下流に位置
させた。塩素原料の有無に関係なくスペクトルを記録し
た。差スペクトルを窒素分圧に標準化し;窒素をキャリ
ヤーガスとして使用して塩素原料を反応器に搬送した。
【0021】800℃の温度のTCA、DCMとTDC
Eそれぞれに対する結果を図1、2と3に示す。この温
度では、TDCEが所望の反応生成物を供給しながらす
べてより重い炭化水素種の排除にDCMはおろか、TC
Aよりも優れていることがわかる。これらの種は生長酸
化珪素を汚染させることがある。下表6は重原子質量単
位(AMU)の反応中のHClに対する分圧の百分率を
示す。この表6も図も検出器感度に対する補正は行わな
かった。このような補正は高AMU種の相対存在比を増
大させることになる。
【0022】
【表6】 高AMU種の相対百分率 以下それぞれからの相対百分率 AMU TCA DCM TDCE 132 nd(1) 0.0075 nd 117 nd 0.061 nd 100 0.018 0.022 nd 98 0.027 nd nd 92 nd 0.055 nd 84 0.18 0.53 nd (1) 検出されず 本発明によれば、150mm径のp−(100)単結晶
珪素ウエファーを過剰酸素中で800℃の温度に保った
石英炉に入れて、キャリヤーガス例えば窒素で炉内に運
ばれたクロロ炭化水素で酸化させた。等量の3%塩化水
素(HCl)を酸化雰囲気に加えた。塩素原料は1部を
実施例1、1、1−トリクロロエタン(TCA)と他の
一部を実験のトランス−1、2−ジクロロエチレン(T
DCECHCl=CHCl)にしてある。実験を少
くとも100オングストローム厚さの高結合度酸素が合
成されるまで続けた。
【0023】酸化物の物理的性質を楕円偏光法、全X線
蛍光、分光測定、2次イオン質量分析と蒸気相分解−原
子吸光分光により評価する。電気絶縁性をキャパシタン
ス電圧、表面電荷分析とマイクロ波光電導性崩壊により
測定した。
【0024】これらの研究は平均酸化物形態学、固定費
と界面状態性質と重金属汚染を確立した。TCAとTD
CEの両原料は0.7乃至1.2×1011cm−2
の同様の値をもつ薄膜をつくった。両薬品の酸化
物生長速度は等しい。薄膜の性質の最も著しい差はTC
A法の0.8/cmに対しTDCEの欠陥密度が0.
2/cmと低いものであった。これはTDCEがTC
Aの代りとなった場合、装置歩留が改善することを意味
する。
【0025】TDCEとTCAをp−(100)珪素ウ
エファーの上で920と1,000℃の温度で同様の方
法で評価した。3%等量のHClを用いると、薄膜を1
20乃至250オングストロームの範囲の厚さに生長さ
せた。
【0026】前記2つの薬品を用いると、920℃と
1,000℃それぞれの温度でTDCE生長速度が4%
でTCA速度より1%大きい酸化物生長速度に僅かな差
があった。これらの差は小さく、送出系の僅かな差異に
よりもたらされることがある。高蒸気圧液体の泡立てに
よる薬品送出は不正確な手順である。僅かに高い薬品容
器のヘッドスペース圧(数トル)もしくは僅かに低い温
度(1℃)は薬品送出を1%だけ減速させる。しかし、
これらの結果は、TDCEの比較的高い温度での性能は
TCAに優るとも劣らない。
【0027】ウエファーの2番目の群には300乃至6
00オングストロームの厚さ範囲で生長した酸化物があ
った。実験誤差内で、これらの酸化物の電気絶縁性は全
く同じであった。Qssの値は1.4乃至1.8×10
11cm−2の範囲であった。前記薄膜には10乃至1
2×10V/cmの場の強さがあった。TDCE薄膜
には920と1,000℃の温度で生長したTCA薄膜
より10%高い場の強さがあった。しかし、この差異は
実験誤差に接近しているので、TDCEを用いる実験の
改善は10%以下のことがある。これらの薄膜は珪素集
積回路には受入れられる。
【0028】熱力学データの分析は大抵のクロロカーボ
ンが700℃の低温でCOと、種々の水素、酸素と塩
素を含む種に完全に分解することを示唆する。しかし、
動力学データの分析は、等級の水素と塩素が、先駆物質
の分解速度で調節される条件下で有効HCl原料を保証
するには十分でないことを示唆している。ウエファーの
加工を典型的例として、プロセスガスを管の一端で導入
し、又ガスが管を下流に流れるに従って前記ウエファー
を通り過ぎて排出端から抜き取る。先駆物質の実際使用
の間、低温での不完全燃焼が結果として前記薄膜に炭素
種を混和させてしまう。実際に、上記の実施例で示され
た通り、この原料で生長させた薄膜のすぐれた電気絶縁
性に反映するトランス−ジクロロエチレンと関連する性
能利点がある。
【0029】
【発明の効果】理論に縛られることを望まないが、前記
トランス−ジクロロエチレンでの不飽和すなわち炭素・
炭素二重結合がそれを酸化に対し更に過敏にした。この
過敏性は、この材料の電子業界での実際活用に関するも
う1つの主要利点がある。例えば、前記トランス−ジク
ロロエタン、これは本発明の好ましい実施例であるが、
環境でわずか3日間の半減期をもっていることで周知で
ある。これはTCAの6年という半減期と対照的であ
る。この過敏性は、この材料を大気中に解放するとオゾ
ン層の破壊に及ぼす影響が著しく減少する。それはこの
材料が容易に分解されてから更に高度に達するからであ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】温度800℃におけるTCA/Oの原子質量
単位に対する相対振幅の対数のグラフである。
【図2】温度800℃におけるDCM/Oの原子質量
単位に対する相対振幅の対数のグラフである。
【図3】温度800℃におけるTDCE/Oの原子質
量単位に対する相対振幅の対数のグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アンドレ.ラゲンジック アメリカ合衆国.92054.カリフォルニア 州.オーシャンサイド.ファイアー.マウ ンテン.ドライヴ.2081 (72)発明者 アーサー.ケニース.ホックバーグ アメリカ合衆国.92075.カリフォルニア 州.ソラーナ.ビーチ.サンタ.クエー タ.1037 (72)発明者 ディヴィッド.アレン.ロバーツ アメリカ合衆国.92009.カリフォルニア 州.カールズバッド.レヴァンテ.ストリ ート.2753

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 珪素製品の熱酸化の方法であって、 ・前記珪素製品を反応器で700℃以上の温度に加熱す
    る工程と; ・酸素と、一般式CxHxClxをもち(式中、xは
    2、3又は4で)、前述の条件で容易に又完全に酸化さ
    せることを根拠として選ばれるクロロ炭化水素との気体
    混合物を前記反応器に流し込む工程と; ・前記珪素製品を前記気体混合物に前記酸化が完了する
    まで暴露しつづける工程と;からなる熱酸化法。
  2. 【請求項2】 前記クロロ炭化水素がトランス−ジクロ
    ロエチレンであることを特徴とする請求項1の熱酸化
    法。
  3. 【請求項3】 前記クロロ炭化水素がシス−ジクロロエ
    チレンであることを特徴とする請求項1の熱酸化法。
  4. 【請求項4】 前記クロロ炭化水素が1、1−ジクロロ
    エチレンであることを特徴とする請求項1の熱酸化法。
  5. 【請求項5】 前記クロロ炭化水素がトランス−ジクロ
    ロエチレン、シス−ジクロロエチレン、1、1−ジクロ
    ロエチレンとその混合物から本質的になる群より選ばれ
    ることを特徴とする請求項1の熱酸化法。
  6. 【請求項6】 半導体装置の製造に用いられる炉管を化
    学蒸着を用いて清浄にする方法であって、 ・前記炉管を800℃以上の温度に加熱する工程と; ・酸素と、一般式CxHxClxを有し(式中、xが
    2、3又は4で示され)、前述の条件で容易にかつ完全
    に酸化させることを根拠にして選ばれるクロロ炭化水素
    との気体混合物を前記管に通す工程と; ・前記管を適当な温度で、かつ前記キャリヤーガス中の
    前記混合物に前記管が十分に清浄になるまで接触を続け
    させる工程と; からなる炉管清浄法。
  7. 【請求項7】 前記クロロ炭化水素がトランス−ジクロ
    ロエチレンであることを特徴とする請求項6の炉管清浄
    法。
  8. 【請求項8】 前記クロロ炭化水素がシス−ジクロロエ
    チレンであることを特徴とする請求項6の炉管清浄法。
  9. 【請求項9】 前記クロロ炭化水素が1、1−ジクロロ
    エチレンであることを特徴とする請求項6の炉管清浄
    法。
  10. 【請求項10】 前記クロロ炭化水素がトランス−ジク
    ロロエチレン、シス−ジクロロエチレン、1、1−ジク
    ロロエチレンとその混合物からなる群より選ばれること
    を特徴とする請求項6の炉管清浄法。
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