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    公开号:WO1991013461A1
    申请号:PCT/JP1991/000215
    申请日:1991-02-20
    公开日:1991-09-05
    发明作者:Tohru Watanabe；Katsuya Okumura
    申请人:Kabushiki Kaisha Toshiba；
    IPC主号:H01L21-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 書 半導体基板表面処理方法および半導体基板表面処理装置 技術分野
    [0002] 本発明は、 半導体基板表面の処理方法およびそのため の処理装置に関するもので、 特に、 L S Iなどの製造プ 口セスの途中で行われる半導体基板表面に対する各種の 改質に使用されるものである。
    [0003] 背景技術
    [0004] L S Iの製造工程にあっては、 フォ ト リ ソグラフィ (Photo Lithography)^ エッチング及び成膜などの基本 プロセスに加えて、 半導体基板材料の表面を改質する処 理が多用されている。 これらは、 目的 · 方法も多岐に亘 つているが、 その代表的なものについて以下に説明する。
    [0005] (1) 高密度化処理
    [0006] C V D (Chemical Vapour Deposition) 法により半導 体基板上に堆積したシリ コン酸化膜などの絶緣物質は、 原子間の結合が十分でないばかりか水分も含んでいるた めに膜質が不十分である。 このため、 高温加熱による高 密度化が必要である。 通常このァニール工程には、 管状 の焼成炉を使用し、 用途に応じて各極ガス雰囲気下で加 熱が行われる。 (2) 界面反応促進処理
    [0007] L S I製造工程では、 多くの異種物質を直接接触させ た構造が用いられるが、 その界面反応促進のためにも熱 工程が多用されている。 例えば、 シリ コン基板とのコン 夕ク トをとるために、 アルミニウムまたはアルミニウム 合金がシリ コン半導体基板と接触させられる。 これらの 間で電気的な導通を確保させるために、 シリ コ ン表面に 形成される薄いシリ コン酸化膜をアルミ二ゥムが熱雰囲 気中で還元する特性を利用し、 加熱 （シンタリ ング） を 行う ことが知られている。
    [0008] また、 シリ コ ン半導体基板に T i の薄層をスパッタ法 により堆積後、 〜 6 0 0 °C以上の熱処理により T i と
    [0009] 5 i が反応してチタンシリサイ ド （ T i S i ) が形成 され、 被処理シリ コ ン半導体基板 2の表面抵抗を下げる ことができる。 通常この反応は、 T i表面の酸化を防ぐ ために窒素雰囲気または、 真空雰囲気に保った炉内で〜
    [0010] 6 0 0で以上に披処理シリ コン半導体基板を加熱するこ とによつて実現されている。
    [0011] (3) 活性化処理
    [0012] ィォン注入等により半導体基板中に添加された不純物 を活性化させるために、 高温での熱処理が行われる。
    [0013] (4) 表面酸化処理
    [0014] フ ォ ト リ ソグラフィ工程などにおいて、 半導体基板表 面にレジス 卜などの有機材料を成膜するには、 一般に有 機材料を溶剤に溶かした溶液を表面に塗布し、 乾燥させ ている。 この場合、 特に基板表面がアルミニウムまたは その合金表面である場合においてポジレジス トを塗布す ると液をはじき易く、 密着性が不十分な場合が多い。 こ のため、 基板表面を親水性表面に変えるために、 酸素プ ラズマ処理を行う ことにより表面酸化を行っている。
    [0015] (5) 灰化処理
    [0016] レジス トなどの有機物材料を基板表面から除去するに は、 従来酸素を主成分とするガスの放電プラズマにより この有機物を酸化して一酸化炭素や二酸化炭素に変換し て除去するいわゆる灰化処理が多く用いられている。
    [0017] (8) 結晶化処理
    [0018] 液晶基板においては、 ガラス扳上にアモルファ スシリ コン層を堆積する工程がある。 シリ コン層と しては、 特 性上からは単結晶シリ コンが理想的であるが、 実現が不 可能であるため、 多結晶シリ コ ン層の形成が望まれる。 しかし、 基板ガラスの耐熱性が低いために多結晶シリ コ ンが形成できる高温まで温度を上げることができないた めに、 やむをえずアモルフ ァスシリ コン層を形成してい る。
    [0019] (7) メル ト処理
    [0020] 半導体装置では必然的に多攛構造となるため、 段差が 生じないようにするための処理が行われることがある。 例えば、 層間絶緣胰、 例えばシリ コ ン酸化胰を平坦化す る方法としてメルト処理が行われている。 この方法は、 例えば P S Gや B P S Gなど不純物を拡散させて軟化点 を低く した酸化膜を〜 9 5 0での炉に入れて加熱するこ とによって流動性を発揮させて平坦化している。
    [0021] 以上のような各種の基板表面処理には次のような問題 がある。
    [0022] 第 1に、 これらの処理を行うためには、 従来炉の中に 非処理基板を装入して、 加熱を行うが、 炉内で焼成する 際に導入するガスに含まれる不純物や高温に熱せられて いる炉壁からの不純物の放出により半導体基板が汚染さ れる。
    [0023] 第 2に、 通常の炉による加熱で処理する表面温度だけ でなく半導体基板全体の温度も上昇するために処理最高 温度がシリ コン基板下地材の耐えられる温度に制限され る。 また各種熱膨張係数の違う物質が加熱されるために 大きなス ト レスが生じて堆積する膜のクラ ック発生など を引起こすことがある。 さ らに、 基板全体が加熱される ために、 不純物の活性化を行おうとする場合、 同時に不 純物の拡散も進んでしまうため、 L S Iで望ま しい基板 表面近傍での高濃度化を行う ことができない。
    [0024] 第 3に、 表面酸化処理や灰化処理などプラズマを用い る処理では、 放電プラズマからのイオン衝搫により半導 体基板がダメ一ジを受けるなどの問題がある。
    [0025] 第 4に、 灰化処理固有の問題として、 放電プラズマ中 に発生する紫外線のために有機材料が自己硬化作用を受 けてかえって除去しにく く なるために残渣物が発生して しまうという問題がある。 この様子を図 7および図 8を 参照して説明する。 これらは例えば絶縁膜が形成された 半導体基板 5 0の上にアルミニウムライ ン 5 1を形成し た場合を示している。 蒸着形成されたアルミニウム膜の 上にレジス トが塗布され、 露光、 現像により所定のライ ン形状のレジス トパターン 5 2を得、 これをエッチング マスクと してアルミニウム膜のエッチングを行うと、 ァ ノレミニゥムライ ン 5 1が形成される。 エッチング終了後、 通常の酸素プラズマ灰化処理を行うことにより レジス ト は図 7の参照番号 5 2 , 5 3 , 5 4で示されるように順 次'减少除去されていく力《、 前述した自己硬化作用により 除去しきれず、 残渣物 5 4がアルミニウムライ ン 5 1の 中央部に残存する。 この様子は図 8においても示されて おり、 アルミニウムライ ン 5 0の中央部分には、 追加の 灰化処理を行つても除去できないレジス 卜の残渣 5 3力く 残ることになる。
    [0026] 第 5に、 メルト処理固有の問題として、 比較的低温で 十分の平坦性を持たせるために、 過剰の不純物を添加し なければならないという問題がある。
    [0027] 発明の開示
    [0028] 本発明にかかる半導体基板表面処理方法は、 半導体基 板表面に水素と酸素の混合ガスの燃焼炎を当て、 前記-基 板表面のみを加熱することを特徵とするものである。
    [0029] 水素と酸素の体積比を 2 ： 1 とするのが良いが、 2 : 1より も水素を多くすることにより燃焼炎に還元作用を 与え、 2 ： 1 より も酸素を多くすることにより、 燃焼炎 に酸化作用を与えることができる。
    [0030] 処理に用いられる燃焼炎は半導体基板の直径より も長 い直線状をなしていると都合が良い。
    [0031] 本発明による加熱により、 密度の低い堆積膜の高密度 化、 直接接触された異種物質間の界面反応の促進、 不純 物が注入された半導体基板領域の活性化、 半導体基板表 面の酸化、 半導体基板表面に形成されたレジス トあるい はその残渣の灰化、 多結晶膜あるいはアモルファス膜の 単結晶化、 半導体基板表面に形成された膜の流動化によ る平坦化などの各種の処理を行う ことが可能である。
    [0032] また、 本発明にかかる半導体基板処理装置によれば、 水素を導く第 1 の導管と、 酸素を導く第 2の導管と、 非 処理半導体基板の直径より も広い範囲で前記水素および 酸素を混合状態で燧焼させて下向きの炎を発生する炎発 生手段と、 前記第 1および第 2の導管の途中に設けられ、 それぞれを通る気体の流量を調整する流量調整手段と、 前記炎発生手段の下方に設けられ、 非処理半導体基板を 搬送する搬送手段とを備える。
    [0033] 炎発生手段を上下に移動させて炎発生手段と非処理基 板表面との距離を可変させる上下動制御装置をさらに備 えることが好ま しく、 また、 基板表面温度を検出する検 出手段と、 この検出手段の検出結果に基づいて、 流量調 整手段、 上下動制御装置を制御する制御手段をさらに備 えると好ま しい。
    [0034] 炎発生手段は複数のノズルを直線状に配設したもので あるか、 直線状の開口部を備えたものであるとよい。 本発明によれば、 酸素と水素の混合ガスの檨焼炎によ り半導体基板表面を局所的に加熱する。 すなわち、 炎が 当たつているところだけが加熱され、 炎が当たつていな い表面部分や裏面の温度は上昇しない。 水素と酸素の体 積比が 2 ： 1であるときには完全燃焼し酸化性も還元性 もないが、 水素 酸素比を変えることにより単純な加熱 のみならず、 還元作用や酸化作用を併せ持たせることが でき、 所望の処理が可能となる。
    [0035] 図面の簡単な説明
    [0036] 図 1 は本発明にかかる半導体基板の表面処理方法およ びそのために使用する装置の概念を示す図、
    [0037] 図 2は図 1 に示した構成の制御の様子を示す系統図、 図 3図 1および図 2に示した炎発生ュニッ トの他の例 を示す斜視図、
    [0038] 図 4は図 3のュニッ トの断面図、
    [0039] 図 5は還元炎および酸化炎を得る様子を示す説明図、 図 6は二酸化珪素層の焼き しめ効果を示すグラフ、 図 7は従来の灰化処理における問題点を示す断面図、 図 8は従来の灰化処理における問題点を示す斜視図で 発明を実施するための最良の形態
    [0040] 以下、 図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明す る。
    [0041] 図 1は、 本発明にかかる半導体基板表面処理方法およ びそのために使用される装置の概要を示す斜視図である。
    [0042] ローラ 2により駆動され、 非処理ゥユ ーハ 1を搬送す る一対のベルト 3 , 3を有するゥユ ーハ搬送機構が設け られ、 その途中に多数の下向きノズル 4が 2列に直線状 に配設された炎発生ュニッ ト 5が配設されている。 なお、 ノズル 4の配設方向はベルト 3の配設方向と直角をなし ている。 ノズル 4の配設範囲は非処理半導体基板の直径 より も大き く なつていることが望ま しい。 炎発生ュニッ ト 5には 2本の管 6 , 7が連結されており、 この 2本の 管 6 , 7にはそれぞれ水素と酸素が例えば電磁弁である 流量調整器 8 , 9を経て導かれ、 これらの燃焼炎 1 0力《 ノズル先端から下向きに吹き出されるようになつている。 図 2は図 1の構成を制御の面からさらに詳細に示した もので、 同図によれば、 本装置は、 ノズル 4の先端から ゥユ ーハ 1の表面までの距離を制御するために炎発生ュ ニッ ト 5を上下方向に駆動する上下駆動制御装置 1 1 、 流量調整器 8 , 9をそれぞれ制御する流量制御装置 1 2 、 1 3、 ベル 卜の搬送速度を制御する搬送制御装置 1 4を 備えている。 また、 ゥユ ーハの表面温度は放射温度計 1 5により検出されており、 その検出出力は制御装置 2 0に与えられている。 制御装置 2 0は、 基板に対する 必要.な処理の種類、 非処理基板の大きさなどに応じて、 温度条件、 加熱時間を満足するように上下駆動制御装置 1 1、 流量制御装置 1 2 、 1 3、 搬送制御装置 1 4を制 御する。 なお、 水素と酸素の体積比は 2 ： 1であるとき には完全燃焼し、 水蒸気が発生するが、 酸素の比率が高 いときには酸化性の炎に、 水素の比率が高いときには還 元性の炎となるので、 要求される処理に応じて流量調整 器 8 , 9により水素と酸素の体積比が調整される。
    [0043] 図 3および図 4は本発明にかかる装置で使用される炎 発生ュニッ 卜の変形例を示す斜視図およびその中央断面 図である。
    [0044] この炎発生ュニッ 卜 3 0は上部に直線状の開口部を有 する水素用の吹出しチヤ ンバ 3 1を挟むように酸素用の 吹出しチヤ ンバ 3 2が設けられている。 両チヤ ンバの中 には酸素あるいは水素の流れ方向を効果的に変えるとと もに分散させる分散板 3 3および小さい穴あるいはス リ ッ トを通すこ とにより流れを定常化させる定常板 3 4力《 設けられている。 両チヤ ンバの先端部は厚さが薄く なつ て互いに近接しているため、 先端部で水素と酸素は混合 しあい、 ϋ線状の燃焼炎 3 5が得られる。
    [0045] 図 5は、 還元炎および酸化炎作成の他の方法を示す。 ノズル 4の先端部の横に別の钿管 40を設け、 钿管 40 に空気または酸素を送り込むようにしている。 この際、 図 4 (a〉 に示すように、 炎 1 0から離れた位置で細管 40から酸素を放出すると、 還元炎が形成できる。 また、 細管 40の先端部を炎 1 0の中に挿入するようにすれば、 酸化炎となる。
    [0046] 以上説明したような装置を用いて、 各種の処理を行つ た応用例を説明する。
    [0047] (1) 熱処理
    [0048] 図 6は、 C VD (Chemical Vapour Deposition) 法に よるシリ コン酸化膜のデンシフアイ （Densify)効果を示 すグラフである。 C V D法により堆積されたシリ コン酸 化膜はそのままでは密度が小さいため、 例えばフッ化ァ ンモニゥム （NH4 F) による等方性エッチングを行つ たときのエッチング速度は、 〜8500 AZm i nと大き な初期値を示している。 このシリ コン酸化膜層を図 1に 示したように熱処理を行う と、 ノズル 4の先端と非処理 基板表面との距離 dが小さいほどエッチング速度は小さ く なっていること 分かる。 例えば dを 1 cmにした時の エッチング速度は、 〜 3◦ 0 0 A / m i nとなっている力く、 これは、 通常の炉ァニールで〜 60◦。Cの処理を行って 焼き締めた場合に想到する。 しかも、 本発明の方法では、 被処理シ リ コ ン半導体基板 2裏面温度は、 〜 1 20 °Cに しかなつておらず、 表面の必要な領域だけが加熱されて いることがわかる。
    [0049] (2) 界面反応促進処理
    [0050] 本発明の方法を用いて異種物質間の界面反応促進処理 を容易に行う ことができる。
    [0051] 例えば、 即ち、 チタンとシリ コンを接触させて T i 一
    [0052] S i 2層を形成させる場合には、 T i 表面の酸化を防ぐ ために、 H。比を大き く し、 あるいは図 5 (a) により還 元力を大き く した炎によって T i 堆積後の被処理シリ コ ン半導体基板 2表面を焼成する。.焼成後の表面抵抗は、 もとのそれより も低下したことが確認され、 T i 一
    [0053] S i ヮ層が形成されたことが確認された。 このような反 応は、 特に清浄度を必要とされるプロセスであるが、 本 発明の方法は、 十分な清浄度が補償されるので有効であ る 0
    [0054] ( 3 ) 活性化処理
    [0055] 図 1 に示した方法で、 イオン注入等により不純物が添 加された半導体基板の表面を加熱したところ、 不純物の 拡散を起こすことなしに、 活性化させることができた。 (4) 表面酸化処理
    [0056] 図 1 に示した方法において、 酸素の流量を增加させて 酸素比を増大させた酸化性の炎を用いて、 半導体基板表 面を加熱する。 これによりアルミニウムまたはその合金 層の表面付近に効菜的に酸化層を形成するこ とができ、 ポジレジス 卜の密疆性を大幅に改善するこ とができ る。 この時表面温度をアルミニゥムまたはその合金の融点以 下に抑えるため、 ノズル 4とアルミニウム膜間の距離 d を上下駆動制御装置 1 1を用いて調整するとよい。 この 例にも、 第 4図（b) に示した方法によって作った酸化炎 を用いることもできる。
    [0057] (5) 灰化処理
    [0058] 図 8に示したようなレ ジス ト残渣のあるアル ミ ニウム パターンを有する半導体基板を第 1図に示した装置によ り加熱処理した。 この際、 アル ミ ニウムが溶解しない程 度にノズル 4の先端と被処理半導体基板間、 正確にはァ ノレミニゥムパター ン間の距離 dを調整し、 酸素、 水素の 流量を調整することにより、 表面の残渣 6だけを除去す ることができた。 なお、 初期状態の厚いレジス トを一度 に除去することもできるのは勿論である。
    [0059] (6) 結晶化処理
    [0060] 被処理半導体基板 2の絶縁物層と してアモルフ ァ スシ リ コンを堆積後、 表面付近を加熱して単結晶化するいわ ゆる S 0 J に応用した例について説明する。
    [0061] まず、 水素と酸素の燃焼炎により表面付近の一部を局 所的に加熱して単結晶の種部分を作る。 この時燃焼炎に 晒す而積はなるべく 小さ くする。 これは、 余り大きく す ると複数個の核生成が発生して完全な単結晶化が妨げら れるためである。 続いて、 図 3に示したような線状の燃 焼炎により、 初めに加熱した部分を始点と して被処理シ リ コン半導体基板全体を順次燃焼炎に晒す。 これにより 被処理シリ コ ン半導体基板は、 順次加熱され、 初めに作 つた単結晶領域が拡大して全面を覆う ことになる。
    [0062] (7) 平坦化処理
    [0063] 図 1 に示すように、 水素と酸素の燃焼炎により表面を 加熱することにより、 表面を平坦化することができたが、 この加熱の際、 裏面温度は〜 5 0 0 eC以下にとどま った。 したがって、 表面付近だけを有効に加熱することで被処 理半導体基板全体の温度上昇を抑えたままで十分な平坦 効果が得られた。
    [0064] このよ うに、 本発明にかかる方法では、 従来のように 特定の雰囲気中で全体的に加熱を行う こ とにより行われ ていた表面処理に代えて、 酸素と水素の混合ガスにより 得られる炎を利用するこ とにより半導体基板の表面に対 する各種の処理を局所的、 特に表面に限って行っている ので、 従来の全体的加熱に伴う半導体基板の汚染、 クラ ックゃダメージの発生を避けることができ、 また、 従来 行っている特殊な処理を行う ことなく 、 加熱のみで処理 することが可能となる。
    权利要求:
    Claims 請 求 の 範 囲
    1 . 半導体基板表面に水素と酸素の混合ガスの燧焼炎 を当て、 前記基板表面のみを加熱することを特徵とする 半導体基板表面処理方法。
    2 . 請求の範囲第 1項に記載の表面処理方法において. 水素と酸素の体積比が 2 ： 1であることを特徵とする半 導体基板表面処理方法。
    3 . 請求の範囲第 1項に記載の表面処理方法において、 水素と酸素の体積比が 2 : 1より も水素が多く、 燃焼炎 が還元作用を有することを特徴とする半導体基板表面処 理方法。
    4 . 請求の範囲第 1項に記載の表面処理方法において、 水素と酸素の体積比が 2 : 1より も酸素が多く、 ·燃焼炎 が酸化作用を有することを特徵とする半導体基板表面処 理方法。
    5 . 請求の範囲第 1項に記載の表面処理方法において、 前記檨焼炎が前記半導体基板の直径より も長い直線状を なしていることを特徴とする半導体基板表面処理方法。
    6 . 請求の範 EI第 1項に記載の表面処理方法において、 前記加熱により、 密度の低い堆狨膜の高密度化を行う こ とを特徴とする半導体基板表面処理方法。
    7 . 請求の範囲第 1項に記載の表面処理方法において、 前記加熱により、 直接接触された異種物質間の界面反応 を促進することを特徴とする半導体基板表面処理方法。
    S . 請求の範囲第 1項に記載の表面処理方法において、 前記加熱により、 不純物が注入された半導体基板領域を 活性化することを特徴とする半導体基板表面処理方法。 9 . 請求の範囲第 1項に記載の表面処理方法において、 酸化性の炎を用いた前記加熱により、 半導体基板表面を 酸化させることを特徵とする半導体基板表面処理方法。
    1 0 . 請求の範囲第 1項に記載の表面処理方法におい て、 前記加熱により、 半導体基板表面に形成されたレジ ス 卜あるいはその残渣を灰化させることを特徵とする半 導体基板表面処理方法。
    1 1 . 請求の範囲第 1項に記載の表面処理方法におい て、 前記加熱により、 半導体基板表面に形成された多結 晶膜あるいはァモルファス膜を局所的に加熱して単結晶 の種を作り、 加熱範囲を広げることにより、 単結晶領域 を基板表面全体に拡大させることを特徴とする半導体基 板表面処理方法。
    1 2 . 請求の範囲第 1項に記載の表面処理方法におい て、 前記加熱により、 半導体基板表面に形成された膜を 流動化させ、 平坦化させることを特徴とする半導体基-板 表面処理方法。
    1 3 . 水素を導く第 1 の導管と、
    酸素を導く第 2の導管と、
    非処理半導体基板の直径より も広い範囲で前記水素お よび酸素を混合状態で燃焼させて下向きの炎を発生する 炎発生手段と、
    前記第 1および第 2の導管の途中に設けられ、 それぞ れを通る気体の流量を調整する流量調整手段と、
    前記炎発生手段の下方に設けられ、 非処理半導体基板 を搬送する搬送手段とを備えた半導体基板表面処理装置。
    1 4 . 請求の範囲第 1 3項に記載の半導体基板処理装 置において、
    前記炎発生手段を上下に移動させて炎発生手段と非処 理基板表面との距離を可変させる上下動制御装置をさら に備えた半導体基板表面処理装置。
    1 5 . 請求の範囲第 1 4項に記載の半導体基板処理装 置において、
    基板表面温度を検出する検出手段と、
    この検出手段の検出結果に基づいて、 前記流量調整手 段、 前記上下動制御装置を制御する制御手段をさ らに備 えたことを特徴とする半導体基板表面処理装置。
    1 6 . 請求の範囲第 1 3项に記載の半導体基板処理装 置において、
    前記炎発生手段が複数のノズルを直線状に配設したも のであることを特徵とする半導体基板処理装置。
    1 7 . 請求の範囲第 1 3項に記載の半導体基板処理装 置において、
    前記炎発生手段が直線状の開口部を備えたものである ことを特徵とする半導体基板処理装置。
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    EP0469157A4|1993-02-10|
    JPH04211128A|1992-08-03|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1991-09-05| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): US |
    1991-09-05| AL| Designated countries for regional patents|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): AT BE CH DE DK ES FR GB GR IT LU NL SE |
    1991-10-21| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 1991904335 Country of ref document: EP |
    1992-02-05| WWP| Wipo information: published in national office|Ref document number: 1991904335 Country of ref document: EP |
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    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
    JP2/38577||1990-02-20||
    JP3857790||1990-02-20||
    JP3024850A|JPH088255B2|1990-02-20|1991-02-19|半導体基板表面処理方法および半導体基板表面処理装置|
    JP3/24850||1991-02-19||US07/768,611| US5314847A|1990-02-20|1991-02-20|Semiconductor substrate surface processing method using combustion flame|
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