特許 7200226 エピタキシャル堆積前の表面調製方法及び装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-23

(45)【発行日】2023-01-06

(54)【発明の名称】エピタキシャル堆積前の表面調製方法及び装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/304 20060101AFI20221226BHJP

   H01L 21/3065 20060101ALI20221226BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20221226BHJP

【ＦＩ】

H01L21/304 645C

H01L21/302 102

H01L21/205

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2020511385

(86)(22)【出願日】2018-08-23

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2020-11-05

(86)【国際出願番号】 EP2018072776

(87)【国際公開番号】W WO2019038382

(87)【国際公開日】2019-02-28

【審査請求日】2021-08-18

(31)【優先権主張番号】15/687,006

(32)【優先日】2017-08-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】502010251

【氏名又は名称】アイクストロン、エスイー

(74)【代理人】

【識別番号】100095267

【弁理士】

【氏名又は名称】小島 高城郎

(74)【代理人】

【識別番号】100124176

【弁理士】

【氏名又は名称】河合 典子

(72)【発明者】

【氏名】サバス、ステファン・エドワード

(72)【発明者】

【氏名】サルダナ、ミグエル・エンジェル

(72)【発明者】

【氏名】コッセンティン、ダン・レスター

(72)【発明者】

【氏名】キム、ハエ・ヤング

(72)【発明者】

【氏名】タミルマニ、サブラマニアン

(72)【発明者】

【氏名】ムクハージー、ニロイ

(72)【発明者】

【氏名】カリム、エム・ズィアウル

【審査官】小池 英敏

(56)【参考文献】

【文献】特開２００２－２３７４８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－３０６８９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００１－５２３８８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００４－５００７０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０１９８４１７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－２０１３００（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００２－５０３０３０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２１／３０４

Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

エピタキシャル堆積前にウェハを調製するための装置において、
金属筐体（10）内の誘電体容器（12）であって、前記誘電体容器（12）は排気マニホールド（27）と流体連通するプラズマ空間 （32）を形成し、前記排気マニホールドは真空ポンプライン（28）に接続されている、前記誘電体容器（12）と、
前記プラズマ空間（32）の隣に配置された支持台座（14）であって、前記支持台座（14）が半導体ウェハ(16)を支持しかつ前記半導体ウェハの温度を少なくとも３００℃に上げるように構成された、前記支持台座（14）と、
水素ガス供給源（18）及びそのフローを制御するコントローラ（50）であって、前記水素ガスが前記供給源（18）から管を通って前記誘電体容器（12）の１又は複数のガス入口（21）へと流れる、前記水素ガス供給源（18）及び前記コントローラ（50）と、
前記誘電体容器（12）の少なくとも１つの面の外側に近接して配置された誘導コイル（34,40）と、
インピーダンスマッチング回路（38,44）を介して前記誘導コイル（34,40）に接続された高周波（ＲＦ）電源（36）と、
電気的に接地されかつ前記誘導コイル（34,40）と前記誘電体容器（12）との間に配置されたスロット付き静電シールド（46,48）と、
前記誘電体容器（12）の内側にて該誘電体容器（12）の表面に近接して配置された保護ライナー（42）であって、前記保護ライナー（42）は結晶シリコン又はポリ結晶シリコンのうち少なくとも１つを有する、前記保護ライナー（42）と、を有し、前記保護ライナーが、前記保護ライナーを通して前記プラズマ空間内に前記誘導コイルの磁場を貫通させるためのスロットを有する、装置。

【請求項2】

前記誘電体容器（12）の１又は複数の前記ガス入口に結合されたガス注入ノズル（22）をさらに有し、前記ガス注入ノズル（22）は、前記支持台座（14）の反対側にある前記誘電体容器（12）の表面から延在し、前記誘電体容器（12）の表面から前記支持台座（14）までの距離の少なくとも３分の１まで延在している、請求項１に記載の装置。

【請求項3】

前記誘電体容器（12）が円筒形であり、かつ、前記誘電体容器（12）の高さが前記誘電体容器（12）の半径の半分より小さく、かつ／又は、
前記誘導コイルが、前記誘電体容器の上面の外側に近接して配置されている、請求項１又は２に記載の装置。

【請求項4】

前記支持台座（14）が、前記半導体ウェハの温度を約８５０℃に上げるように構成されている、請求項１～３のいずれかに記載の装置。

【請求項5】

前記誘電体容器に接続された、ヘリウム用の制御可能なガス供給源をさらに有する、請求項１～４のいずれかに記載の装置。

【請求項6】

前記保護ライナー（42）が、ライナー材料からなる複数の平面パネル又はライナー材料からなる複数の曲面パネルを有し、かつ／又は、
前記保護ライナー（42）が、前記誘電体容器の上面及び側面をイオン衝撃から部分的に保護するように構成されている、請求項１～５のいずれかに記載の装置。

【請求項7】

残留ガス解析装置（54）であって、前記残留ガス解析装置（54）のサンプリングポート（52）が、前記排気マニホールド（27）と流体連通している、前記残留ガス解析装置（54）と、
前記水素ガスの供給及びＲＦ電源（36）を制御するように構成された自動プロセスコントローラ（50）と、をさらに有し、
前記自動プロセスコントローラ（50）がさらに、エピタキシャル堆積前の前記半導体ウェハ（16）の調製のためのプロセスをいつ終了させるかを決定するために前記残留ガス解析装置（54）から汚染物質の濃度に関する情報を受信するように構成されている、請求項１～６のいずれかに記載の装置。

【請求項8】

エピタキシャル堆積前にウェハを調製するための装置において、
プラズマ空間（32）を形成する誘電体容器（12）であって、前記プラズマ空間（32）は排気マニホールド（27）と流体連通し、かつ前記排気マニホールド（27）は真空ポンプライン（28）に接続されている、前記誘電体容器（12）と、
前記プラズマ空間（32）の隣に位置する支持台座（14）であって、前記支持台座（14）は半導体ウェハ（16）を支持しかつ前記半導体ウェハ（16）の温度を少なくとも３００℃に上げるように構成されている、前記支持台座（14）と、
前記誘電体容器（12）の少なくとも１つの面の外側に近接して配置された誘導コイル（34,40）と、
前記プラズマ空間（32）内でプラズマを維持するべく電流を供給するように構成された高周波（ＲＦ）電源（36）であって、前記ＲＦ電源（36）はインピーダンスマッチング回路（44）を介して前記誘導コイル（34,40）に接続されている、前記ＲＦ電源（36）と、
電気的に接地されかつ前記誘導コイル（34,40）と前記誘電体容器（12）との間に配置されたスロット付き静電シールド（46,48）と、
前記誘電体容器（12）内に水素ガスを注入するように構成されたガス注入ノズル（22）であって、前記ガス注入ノズル（22）は、前記誘電体容器（12）内に配置され、前記支持台座（14）の反対側に位置する前記誘電体容器（12）の上面に配置された少なくとも１つのガス入口（21）に接続され、かつ前記誘電体容器（12）の上面から前記支持台座（14）までの距離の少なくとも３分の１まで延在している、前記ガス注入ノズル（22）と、
水素ガス供給源（18）及びそのフローを制御するコントローラ（50）であって、前記水素ガスが前記供給源（18）から管を通って前記誘電体容器（12）の少なくとも１つの前記ガス入口（21）へと流れる、前記水素ガス供給源（18）及び前記コントローラ（50）と、を有する、装置。

【請求項9】

前記ガス注入ノズル（22）の複数のガス出口が、前記ガス注入ノズル（22）の底面に配置されるか、又は、前記ガス注入ノズル（22）の底面及び側面に配置されており、かつ／又は、
少なくとも１つの結晶シリコンライナープレート（42）が、前記誘電体容器（12）の内壁に近接して配置されており、かつ／又は、
少なくとも１つの結晶シリコン制限要素（25）が、前記プラズマ空間（32）を前記排気マニホールド（27）に接続する開口に配置され、前記結晶シリコン制限要素（25）は、前記プラズマ空間（32）のプラズマが前記排気マニホールド（27）に流入することを防ぐように構成されている、請求項８に記載の装置。

【請求項10】

エピタキシャル堆積前にウェハを調製するための装置において、
プラズマ空間（32）を形成する誘電体容器（12）であって、前記プラズマ空間（32）は排気マニホールド（27）と流体連通し、前記排気マニホールド（27）は真空ポンプライン（28）に接続されている、前記誘電体容器（12）と、
前記プラズマ空間（32）の隣に配置された支持台座（14）であって、前記支持台座（14）は、半導体ウェハ（16）を支持しかつ前記半導体ウェハ（16）の温度を少なくとも３００℃に上げるように構成されている、前記支持台座（14）と、
水素ガス供給源（18）及びそのフローを制御するコントローラ（50）であって、前記水素ガスは前記供給源（18）から管を通って前記誘電体容器（12）の１又は複数のガス入口（21）へと流れる、前記水素ガス供給源（18）及び前記コントローラ（50）と、
前記誘電体容器（12）の少なくとも１つの面の外側に近接して配置された誘導コイル（34,40）と、
インピーダンスマッチング回路（38,44）を介して前記誘導コイル（34,40）に接続された高周波（ＲＦ）電源（36）と、
電気的に接地されかつ前記誘導コイル（34,40）と前記誘電体容器（12）との間に配置されたスロット付き静電シールド（46,48）と、
前記プラズマ空間（32）を前記排気マニホールド（27）に接続している開口に配置された少なくとも１つの結晶シリコン制限要素（25）であって、前記結晶シリコン制限要素（25）は、前記プラズマ空間（32）のプラズマが前記排気マニホールド（27）に流入することを防ぐように構成されている、前記結晶シリコン制限要素（25）と、を有し、前記結晶シリコン制限要素（25）が、前記誘電体容器（12）に取り付けられている、装置。

【請求項11】

少なくとも１つの結晶シリコンライナー（42）が、前記誘電体容器（12）の内壁に近接して配置されており、かつ／又は、
ガス注入ノズル（22）が、前記支持台座（14）の反対側にある前記誘電体容器（12）の上面の中央から延在し、少なくとも前記誘電体容器（12）の上面から前記支持台座（14）までの距離の３分の１まで延在している、
請求項１０に記載の装置。

【請求項12】

エピタキシャル堆積前にウェハを調製するための装置において、
プラズマ空間（32）を形成する誘電体容器（12）であって、前記プラズマ空間（32）は排気マニホールド（27）と流体連通しており、かつ前記排気マニホールド（27）は真空ポンプライン（28）に接続されている、前記誘電体容器（12）と、
前記プラズマ空間（32）の隣に配置された支持台座（14）であって、前記支持台座（14）は、半導体ウェハ（16）を支持しかつ前記半導体ウェハ（16）の温度を少なくとも３００℃に上げるように構成されている、前記支持台座（14）と、
前記誘電体容器（12）の少なくとも１つの面の外側に近接して配置された誘導コイル（34,40）と、
インピーダンスマッチング回路（38,44）を介して前記誘導コイルに接続された高周波電源（36）と、
電気的に接地されたスロット付き静電シールド（46,48）であって、前記スロット付き静電シールド（46,48）は前記誘導コイル（34,40）と前記誘電体容器（12）との間に配置されている、前記スロット付き静電シールド（46,48）と、
水素ガス供給源（18）及びそのフローを制御するコントローラ（50）、並びに前記供給源（18）と前記誘電体容器（12）の１又は複数のガス入口（21）とに接続された管と、を有し、
１又は複数の前記ガス入口（21）は、前記支持台座（14）の第１の側面の隣にある前記誘電体容器（12）の壁に配置されており、
前記プラズマ空間（32）を前記排気マニホールド（27）に接続する開口が、前記支持台座（14）の前記第１の側面の反対側にある前記支持台座（14）の第２の側面の隣に配置されることによって、水素ガスが前記半導体ウェハ（16）の表面に対して実質的に平行に流れ、
前記支持台座（14）が、前記半導体ウェハ（16）の温度を約８５０℃に上げるように構成されている、装置。

【請求項13】

前記誘電体容器（12）が円筒形であり、かつ、前記誘電体容器（12）の高さが前記誘電体容器（12）の半径の半分より小さく、かつ／又は、
結晶シリコン製の少なくとも１つのライナー（42）が、前記誘電体容器（12）の内壁に近接して配置されている、請求項１２に記載の装置。

【請求項14】

エピタキシャル堆積前にウェハを洗浄しかつ再構成するための方法において、
誘電体容器（12）内に形成されたプラズマ空間（32）の隣に配置された支持台座（14）の上にウェハ（16）を載置し、前記プラズマ空間（32）は、真空ポンプライン（28）に接続された排気マニホールド（27）と流体連通しており；
第１のガスの制御されたフローを前記プラズマ空間（32）に注入し；
前記誘電体容器（12）の少なくとも１つの面の外側に近接して配置された誘導コイル（34,40）に高周波（ＲＦ）電源(36)からインピーダンスマッチング回路(38,44)を介してＲＦ電力を供給し、それにより前記プラズマ空間(32)内の第１のプラズマを維持して前記ウェハ（16）から汚染物質を除去し、その場合、スロット付き静電シールド(46,48)が電気的に接地されかつ前記誘導コイル（34,40）と前記誘電体容器（12）との間に配置されており；
残留ガス解析装置(54)により前記排気マニホールド（27）内の汚染物質の濃度を検知し；
前記残留ガス解析装置(54)により検知された前記汚染物質の濃度が所定のレベル未満に低下したとき、前記誘導コイル（34,40）へのＲＦ電力を終了させかつ前記第１のガスのフローを終了させ；
前記支持台座（14）により、前記ウェハ（16）を少なくとも７００℃に加熱し；
第２のガスを前記プラズマ空間（32）に注入し；かつ
前記誘電体容器（12）の少なくとも１つの面の外側に近接して配置された誘導コイル（34,40）に高周波（ＲＦ）電源からインピーダンスマッチング回路(38,44)を介してＲＦ電力を供給し、それにより前記プラズマ空間（32）内の第２のプラズマを維持し、前記第２のプラズマは前記支持台座（14）からの熱と合わさって前記ウェハ（16）を少なくとも７５０℃に加熱することによって、薄膜のヘテロエピタキシーのために前記ウェハ（16）の結晶表面を再構成し、
その場合、ライナー(42)が、前記第１及び第２のプラズマにより前記誘電体容器（12）の表面がエッチングされかつスパッタリングされることを防ぐことによって、前記プラズマ空間（32）に汚染物質が放出されることを実質的に防止し、その場合、前記ライナー(42)は、結晶シリコン又はポリ結晶シリコンのうち少なくとも１つを有する、方法。

【請求項15】

前記第１のガスが、前記誘電体容器（12）内に配置されたガス注入ノズル（22）を通して前記プラズマ空間（32）に注入され、前記ガス注入ノズル（22）は、前記支持台座（14）の反対側に位置する前記誘電体容器（12）の上面に配置された少なくとも１つのガス入口（21）に接続され、かつ前記誘電体容器（12）の上面から前記支持台座（14）までの距離の少なくとも３分の１まで延在しており、かつ／又は、
前記残留ガス解析装置(54)により検知された前記排気マニホールド(27)内の酸素の濃度が、１ｐｐｍ未満に低下したとき、前記第１のガスの流れを終了し、かつ／又は、
前記ウェハ（16）の表面のプレ洗浄及び再構成によって１ｃｍ^２当たり５×１０^９個未満の欠陥密度が得られ、かつ／又は、
前記第１のガスが、前記誘電体容器（12）内の再循環を生じずに前記誘電体容器（12）を通って前記支持台座（14）の周囲を流れて前記排気マニホールド（27）へと流れるように、前記第１のガスが注入され、かつ／又は、
前記第１のガスが水素を有し、かつ、前記第２のガスがヘリウム、ＮＦ_３、Ｆ_２又はＨ_２のうち少なくとも１つを有する、請求項１４に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、誘電体容器及びそれに関係する部品、並びに、半導体材料のヘテロ又はホモエピタキシャル堆積前に（パターンなし又はありの）ウェハの表面調製のためにその誘電体容器内で行われるプラズマベースの表面再構成プロセスに関する。このようなエピタキシーは、トランジスタにおける重要ではない領域又はチャネルのような重要な領域のいずれにおいても行うことができる。そのプロセスは、ウェハ表面を損傷することなく自然酸化物をエッチングし、酸素、炭素及びアモルファスシリコン等の汚染物質を除去するためにプラズマ中の水素原子を用いる。それによってウェハが、III－V又はその他の半導体材料の高品質エピタキシーのための準備がなされた高品質結晶表面を有することになる。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、エピタキシャル堆積前の洗浄プロセスを開示しており、表面上の自然酸化物又は汚染物質を除去するために、不特定なタイプの高周波（ＲＦ）励起プラズマが、不特定なエッチングガスから形成される。ガス圧力又は高周波電力の電力密度若しくは結合モードは提示されていないと思われる。

【0003】

特許文献２は、自然酸化物（～５０Ａ）をスパッタリング除去するために２０ｅＶ～１００ｅＶのイオンエネルギーをもつアルゴンプラズマを用い、その後、アルゴンイオン衝撃により損傷したシリコンを除去するために極めて小さいイオンエネルギーをもつ水素プラズマを用いる洗浄方法を開示している。

【0004】

特許文献３は、水素ガスを用いた純粋に熱的な自然酸化物除去プロセスを開示しており、酸素の除去及びシリコンウェハの表面欠陥の回避を提供する。プラズマは用いられないため、約１０００℃を超える温度を必要とする。

【0005】

特許文献４は、ケイ化物を形成するための金属堆積前の洗浄プロセスを開示している。そのプロセスは、１００ＳＣＣＭのフローで１００Ｐａのガス圧力のＨ_２とアルゴンの混合物による、約５００Ｗの電力レベルの－容量結合した－水素ガスプラズマを用いる。特許文献４は、洗浄プロセス後に得られる表面の結晶状態又は汚染レベルを記載又は特定していない。

【0006】

特許文献５は、パターン化ウェハ表面の遠隔プラズマエッチングを開示する。遠隔プラズマエッチングは、エピタキシープロセス前には行われず、エッチング後の表面の結晶化度には関係しないようである。プラズマは、ＮＦ_３ガス及びＮＨ_３ガス並びに水素を主に含む水素フッ素ガス混合物を用いて与えられる。反応機構は、２つのステップに分けられる。最初に、プラズマ中で自然酸化物、ＮＦ_３及びＮＨ_３の反応から付加物が形成される反応ステップが実行され、その後、高温で付加物が蒸発する昇華ステップが実行される。

【0007】

特許文献６は、相互接続又は接点のためのウェハ表面の金属化前のプレ洗浄プロセスを開示している。水素、ヘリウム及びアルゴンを含むガス混合物が、誘導結合プラズマ源とウェハサポートに適用される低電力ＲＦバイアスの双方を用いてチャンバに供給される。発明者らは、特許文献６のこのプロセスが清浄さをもたらすが、その後の低欠陥エピタキシャル膜の成長には不適切な損傷した表面（アルゴンイオン衝撃による）を生成し、基板材料の一部も除去することに留意する。

【0008】

特許文献７は、ウェハ表面から自然酸化物を除去するための、水素ガスを用いた静電シールド誘導結合プラズマ源を開示している。主なプロセスの適用は、コバルトの堆積及びケイ化コバルトの形成前の接点領域の表面洗浄である。この方法の使用は、上述した方法により生じる幾つかの問題、例えばイオン損傷によるシリコンの浸食及び深い結晶欠陥を回避する。特許文献７では、チャンバが、プラズマ容器の上面中央開口からガスを注入するように構成されている。さらに、コイル内の真空チャンバの壁が、磁場透過に必要な非導電材料からなる。最後に、プレ洗浄プロセスが、特許文献７の用途では、ウェハ表面から汚染物質を除去するために適切な予め規定された時間で行われる。発明者らは、特許文献７の欠陥レベル性能は、特許文献７の用途に適切な１ｃｍ^２当たり１×１０^１１～１×１０^１２個の欠陥となり得ることに留意する。しかしながら、この欠陥レベルは、ヘテロエピタキシーの前の表面調製方法として、特にチャネルなどのトランジスタの超高感度領域においてははるかに高すぎる。

【0009】

特許文献８は、プラズマと隣接する誘電体ライナーを有する静電シールド誘導プラズマを開示している。このようなライナーは、石英と高純度セラミックで作製できる。発明者らは、このようなライナー材料は、典型的には酸化アルミニウムを含んでいるため、プラズマ源の気相に侵入し得る酸素の発生源、及び可能性として金属不純物の発生源となり得ることに留意する。

【0010】

特許文献９は、ゲルマニウム又はIII－V材料を含む場合があるウェハ表面材料上の酸化物から酸素を除去するための水素ベースの洗浄プロセスを開示している。水素は、ウェハから離れたチャンバ内で解離し、原子水素が、ウェハを保持する別のチャンバへと流される。ウェハを支持する台座は、比較的小電力のＲＦバイアス（５０Ｗ～１５０Ｗ）を印加され、そしてプロセスチャンバ内のガス圧力は、約１００ｍＴｏｒｒである。発明者らは、実質的なエネルギーによるウェハのイオン衝撃が発生し、ゲルマニウム又はIII－V材料であるウェハ表面材料の表面近傍層を損傷させ得ることに留意する。この洗浄後、ケイ化物接点又はゲート誘電体／ゲート電極を表面上に堆積させ得るが、表面上のエピタキシャル堆積には言及されていないようである。洗浄プロセス後の表面の結晶化度についても考慮されていないようである。

【0011】

現状（最先端のウェハ製造設備に現在導入されている１０ｎｍノード）までのところ、半導体製造におけるパターン化ウェハ上のヘテロエピタキシーの適用は、接点（ソース／ドレイン再成長）領域における堆積を含み、トランジスタのチャネルにおける堆積は含んでいなかった。接点においては、堆積されたエピタキシャル層は、Ｇｅであれ他の材料であれ、接点の機能を損なうことなく欠陥を有する場合がある。この場合の表面再構成は不要である。なぜなら、堆積した層の欠陥は重要ではないからである。ホモ及びヘテロエピタキシーの成功は、パターンニングの前にベアウェハ上で日常的に行われている。しかしながら、パターン化ウェハ上のシリコン上のIII－Vのようなヘテロエピタキシーの将来の用途では、最適な相互コンダクタンスを有しかつ望ましくない副作用を避けるために、欠陥のないチャネルにヘテロエピタキシャル層を堆積することになるであろう。

【0012】

従来技術におけるエピタキシーの前の前処理の方法は、上述したように、非荷電粒子が用いられる高温でのガスエッチングを採用するか、又は、低いウェハ温度で汚染物質をエッチング除去するためにある種のプラズマ生成された反応種の使用を含む。ガスエッチングを可能とする温度は少なくとも９００℃であり、それはエッチングガスと表面上の汚染物質との化学反応を活性化してそれらを揮発性種に変換してポンプで排出するために必要である。このような方法は、通常、超清浄なチャンバ条件を維持することにより壁から来るウェハの汚染を回避することができる。ほとんどの熱的洗浄の適用においては、このような処理における最大の「サーマルバジェット（熱収支）」があり、それは、所定の温度範囲でプロセス時間を短く維持する必要がありかつ最大温度を超えてはならないことを意味する。

【0013】

ベアウェハ上での結晶材料のブランケットヘテロエピタキシャル成長のための調製において、水素又は他のガスを用いたシリコンウェハの効果的な洗浄は、日常的に高温（＞９００℃）のガスによるウェハ処理を用いて行われている。しかしながら、トランジスタ製造のためのパターンニングが一旦開始されると、このような高温はウェハのサーマルバジェットの範囲内に収まらない場合がある。長い焼成時間を伴う高温（＞９００℃）による既存のウェハパターンに対する化学的及び機械的影響は、半導体デバイスに対して次のような問題を生じ得る：１）ソース／ドレイン領域の浅い注入ドーパントの損失、２）エピタキシャル成長用のトレンチを具備するパターン化ウェハに対する損傷、及び、３）ＨＦ洗浄とＨ_２焼成の併用による重要なデバイス寸法の変化。
低温（＜８５０℃）では、熱的汚染物質除去のプロセス時間の長さが過大となる。なぜならその速度が温度とともに指数関数的に低下するからである。このような熱的／化学的洗浄も、表面汚染を完全に除去できないことがあるが、通常は適切な結晶化度の表面を生じ、引き続きエピタキシャル層を成長させる。高温洗浄の利点は、汚染物質が除去された後に、結晶構造に適切に組み込まれなかった可能性のあるシリコン原子の再結晶化を同時に促進することである。

【0014】

プラズマベースの前処理は、通常、熱的な前処理よりも遙かに低いウェハ温度を有し、通常６００℃未満である。プラズマは、解離又は気相反応によって、種を活性化し又は反応性ラジカルを形成するために用いられる。汚染物質除去のための反応種を生成するプラズマを用いたプレ洗浄処理は、多様な異なるプラズマ構成を用いて行われてきた。幾つかの従来技術の特許は、ＲＦ帯における電力の容量結合、誘導結合、又は、ＵＨＦ若しくはマイクロ波帯の電磁結合を含むプラズマ生成の多様な方法を用いて、反応種生成のためにプロセスチャンバ内でプラズマを用いる。

【0015】

汚染物質と化学的に反応するガス種を活性化するプラズマを用いたプロセスは、ＣＶＤチャンバで用いられ、金属化の前のウェハで用いられ、さらには幾つかのホモエピタキシャル堆積プロセスでさえ普通に用いられる。しかしながら、このような洗浄プロセスでは、通常、スパッタリング又はチャンバ壁からの汚染物質の放出によって、許容できない量の表面汚染物質（＞＞１×１０^１０／ｃｍ^２）が残り、そしてほとんど常に、結晶格子からの原子の転位を生じさせるのに十分なエネルギーによるウェハのイオン衝撃がある。このような酸素の汚染レベルは、一般的に、ほとんどのエピタキシー層に中程度から高度の欠陥密度を生じさせ、そして、壁からの他の汚染物質がこの状況を悪化させることになる。上記の問題があることから、直接プラズマ洗浄は、より敏感な半導体膜のエピタキシープロセス前の洗浄及び表面調製のための高度な技術ノード（約１０ｎｍ未満の臨界寸法）における全ての要件を満たすことに未だに成功していない。従来技術における直接プラズマ洗浄の欠陥レベルは極めて高く、特に化学的に異なる単結晶を原材料表面上に堆積するヘテロエピタキシーにおいて高い。このような層は、表面層の結晶と基板の結晶との間に「格子不整合」を有し、それによって汚染物質に対して特に敏感となる。

【0016】

それに替えて、幾つかの従来技術では、表面から汚染物質をエッチングする反応種を生成するプラズマを、遠隔プラズマと呼ばれる別のチャンバで形成することができる。遠隔プラズマが用いられるほとんどの場合、反応種の自然酸化物や他の汚染物質との反応を促進するためにウェハ表面上で活性化エネルギーの別の供給源が必要である。このようなプレ洗浄プロセスのために、フッ素ベース及び水素ベースのガスを含め、不活性ガス及び反応性ガスを含むガス混合物としてそれらを用いた多くのアプローチによる多様なプロセス化学が用いられてきた。いくつかの近接及び遠隔プラズマのプレ洗浄システムは、ウェハ表面の酸素の除去と自然酸化物の還元のための主要な反応種として水素ガスを使用してきた。

【0017】

「ダウンストリーム」プラズマベースのガス活性化を用いたプレ洗浄プロセスは、反応種を生成するために用いられるプラズマを別のチャンバがサポートするが、プロセスチャンバ内でのスパッタリング及び結晶損傷の問題を回避し、そして壁から放出される汚染物質の量を低減する可能性がある。しかしながら、プラズマチャンバの壁からスパッタリングされ又は脱離され得る汚染物質が、プロセスチャンバに流入する活性化ガスに追随することによってウェハが汚染される可能性がある。さらに、このようなプレ洗浄プロセスは、通常はゆっくりであり、そしてウェハ上の表面反応のための別の活性化エネルギーの供給源がなければ普通は完全に炭素及び酸素の汚染物質をウェハから除去できない。この活性化エネルギーは、エッチャント種と表面汚染物質との反応生成物を除去するべくかつ処理時間を短くするべく、ラジカルと表面酸化物又は他の種との反応を促進するために重要である。通常、「ソフト」プラズマは、ソフトイオン衝撃、ＵＶ衝撃又は電子衝撃の形態で活性化エネルギーを付与するためにプロセスチャンバ内で用いられる。しかしながら、ＲＦを用いる場合もＤＣを用いる場合も、プラズマを維持することは極めて困難であり、プラズマ電位が極めて低いためにイオン衝撃やスパッタリングを生じない。ＵＶ照射は、活性化エネルギーの１つの可能なクリーンな供給源であるが、それを利用する商用技術が未だなく、そして他のデータ（特許文献６）は、実質的なエッチング又は洗浄の速度をもたらすには非常に高いエネルギーのフォトン（例えば、ヘリウム励起などからのＶＵＶ）を必要とする場合があることを示しているが、それは外部の照射源から提供することは困難である。

【0018】

ウェハの表面結晶構造を再構成するためのチャンバは、一般的に少なくとも１０００℃の温度に対応できる熱アニールチャンバである。これらのアニールチャンバは、通常、アニールチャンバを中央処理システムに接続することにより、処理システムに組み込む必要がある。これによって、プレ洗浄チャンバから来るウェハを、ウェハの表面上に薄膜が成長させられるエピタキシャル成長チャンバに非汚染環境で移動する前に、アニールチャンバ内で速やかに再構成することができる。しかしながら、パターン化ウェハにとってはこの温度は非常に高すぎるため、上述した通り、ウェハ上のトランジスタ用パターンを損傷させることになる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0019】

【文献】米国特許第8,152,918号明細書

【文献】米国特許第5,252,181号明細書

【文献】米国特許第6,995,077号明細書

【文献】米国特許第6,811,448号明細書

【文献】米国特許第8,501,629号明細書

【文献】米国特許第7,053,002号明細書

【文献】米国特許第6,776,170号明細書

【文献】米国特許第5,903,106号明細書

【文献】米国特許出願公開第2014／0011339号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0020】

温度及び処理時間の制約を考慮すると、いずれの従来技術の洗浄装置及び方法も、ウェハ表面を十分に洗浄せず、そして、極めて低い欠陥密度の、薄膜のエピタキシャル堆積のための十分な表面結晶化度を保持しない。特許文献３のような非プラズマ法は、数時間未満の処理時間とするためには１０００℃を遙かに超える温度を必要とするが、パターン化ウェハは８５０℃を超える温度に耐えられない。水素原子などの活性化された水素種を生成するためにプラズマを利用する他の従来の方法及び装置には、以下の欠点があった：ウェハの重要な表面層に結晶損傷を生じること；壁からの汚染物質がウェハに到達できそこに欠陥を残すこと；ウェハ表面材料の除去が多すぎること；ウェハ表面上に残す欠陥が多すぎるために最高品質のエピタキシャル膜の成長ができないこと。

【課題を解決するための手段】

【0021】

本発明の一実施形態によれば、プレ洗浄プロセス中、半導体ウェハが、金属筐体内の誘電体容器内に配置され、そして水素を有する誘導結合プラズマ（誘電体容器のプラズマ空間で生成されたもの）が、半導体ウェハの表面から汚染物質（例えば、酸素、炭素）を除去するために用いられる。プラズマからの反応種が、半導体ウェハの表面上の汚染物質と結合して揮発性化合物を形成し、それらがウェハ表面から脱離され、誘電体容器から排気マニホールドへと排気され、その後、排気マニホールドから排出される。以下の技術及び装置の１又は複数が用いられることで、半導体表面上において５×１０^９／ｃｍ^２未満の低い欠陥密度が得られる。

【0022】

本発明の幾つかの実施形態によれば、水素ガスを注入ノズルを介してプラズマ空間内に注入することができ、注入ノズルは、誘電体容器の上面から、誘電体容器の上面を半導体ウェハの表面から分離する距離の少なくとも３分の１まで延在する。別の実施形態では、水素と３フッ化窒素等のフッ素化ガスとの混合物を注入することができる。半導体ウェハ表面の近傍（一般的に誘電体容器の半径の約半分より小さい）における水素ガスの注入によって、注入ノズルがウェハ表面から容器半径の半分より大きいところに位置する場合に比べて、ウェハの表面の直ぐ上方でガスの径方向外向きの速度が大きくなる。ガスが、ウェハ表面から離れた中央ガス入口から直接注入されるのではなくウェハの近傍で注入される実施形態においては、誘電体容器から搬送される揮発性化合物及び他の汚染物質の増加、及び、半導体ウェハ表面上への汚染物質の再堆積の低減という効果が得られる。この細長い注入ノズルによって、処理に必要な時間が短くなると共に、幾つかの場合、プロセスの完了時におけるウェハの清浄さのレベルが向上する。

【0023】

本発明の幾つかの実施形態では、誘電体容器が、低いプロフィール（例えば、誘電体容器の高さが誘電体容器の半径の半分より小さいか又はほぼ等しい）を有することができる。低いプロフィールのフロー速度場に対する影響は、ウェハ表面の直ぐ上方のガスが（ガスが高いプロフィールをもつ誘電体容器内に注入される場合に比べて）より大きな径方向速度を有することができるという点で、細長い注入ノズルの影響と類似している。

【0024】

本発明の一実施形態によれば、プラズマからの反応種に対して不活性な材料からなる保護表面層が、内側の誘電体壁（すなわち誘電体容器の内壁）を覆っている。このような表面材料層は、物理的なライナー又はその上のコーティングの形態をとることができ、誘電体容器の内面近傍に、又は、内側の容器壁上のコーティングとして配置することができる。幾つかの好ましい実施形態では、材料の保護表面又は保護層を、結晶シリコン製又はポリシリコン製の薄いシート材料のライナーの形態とすることができる。このようなライナーは、約１ｍｍ又はそれより大きい厚さを有することができ、誘電体壁の近傍とするべきであるが、誘電体壁に取り付ける必要はなく、自立させることもできる。他の実施形態によれば、保護層が誘電体容器の内壁上のコーティング又は誘電体容器の内側に装着された別の非導電性構造の上のコーティングとすることができ、そのようなコーティングはＹ_２Ｏ_３（高密度イットリア）、Ｌａ_２Ｚｒ_２Ｏ_７（ジルコン酸ランタン）、窒化チタン、窒化タンタル又は窒化アルミニウムとすることができ、これらの全てが、原子水素による還元に対して化学的に極めて安定である。このような保護表面材料は、（原子水素による還元の結果として生じる）汚染物質が誘電体容器から放出されガスを通して半導体ウェハ表面に拡散することを防止する。

【0025】

本発明の一実施形態によれば、排気リストリクタにより形成された排気制限要素によって、排気マニホールド内でプラズマが形成することを防止し、さらに、汚染物質を含む揮発性化合物及び他の化学化合物が排気マニホールドから誘電体容器に逆流拡散することを防止する。排気リストリクタは、誘電体容器内に汚染物質を導入することがないシリコン等の材料から作製されるか、又は、誘電体容器の内壁上又は内壁近傍の保護表面のような不活性コーディングによりコーティングされた誘電体材料から作製されることが好ましい。

【0026】

本発明の幾つかの実施形態では、プラズマ空間内の汚染化学種のレベルを計測するために残留ガス解析装置（ＲＧＡ）を用いることができる。ＲＧＡのサンプリングポートは、誘電体容器の壁上に配置することができ、その場合、誘電体容器内のプロセスガス中の汚染物質のレベルが直接計測される。あるいは、ＲＧＡのサンプリングポートを排気マニホールド内に配置することができ、その場合、誘電体容器から排気された直後のガス中の汚染物質のレベルが計測される。ＲＧＡは、プレ洗浄プロセスの開始前に汚染物質のレベルを計測することができる（すなわち、汚染物質のレベルが許容可能なレベル未満のときにのみプレ洗浄プロセスを開始する）。ＲＧＡにより計測される汚染物質のレベルは、プレ洗浄プロセスをいつ終了させるかを決定するためにも用いることができる（すなわち、汚染物質のレベルが許容可能なレベル未満のときにプレ洗浄プロセスを終了する）。このようなＲＧＡは、好ましい実施形態では、高感度を有しかつ１０^－６パスカルより十分低い汚染物質分圧を計測することができる。

【0027】

幾つかの実施形態では、プレ洗浄プロセスが行われた同じ誘電体容器内で、ウェハの表面結晶化度を再構成させるためにウェハを約８５０℃に加熱することができる。ウェハは、プラズマなしでランプにより又は加熱された支持台座に近接することにより、加熱することができ、そして幾つかの実施形態では、再構成が行われている間にプラズマを作動させることができ、プラズマによるウェハの加熱が、ウェハ温度を必要な温度に上げるために必要な電力の一部を提供する。幾つかの実施形態では、表面結晶化度の再構成のためのエネルギーを、プラズマからのイオンによる表面の衝撃から得ることができる。しかしながら、イオン衝撃のエネルギーは、結晶の原子の転位形成の閾値を超えてはならない。シリコンについては、このような閾値は、酸素又はフッ素等のイオン種において約１５ｅＶである。一方、幾つかの化合物半導体材料については、閾値が２５ｅＶ程度の場合がある。

【0028】

これらの又は他の本発明の実施形態は、以下の図面に関してより詳細に説明される。

【図面の簡単な説明】

【0029】

【図1】図１は、本発明の一実施形態による、半導体ウェハの表面を調製するための装置、並びに電気制御部品及び水素ガス源の断面図を示す。

【図2】図２は、ウェハ表面の中央部上に汚染物質が堆積している、半導体ウェハの表面を調製するための装置の断面を示す。

【図3】図３は、本発明の一実施形態による、細長いガス注入ノズル及び保護ライナーを含む、半導体ウェハの表面を調製するための装置の断面を示す。

【図4】図４は、本発明の幾つかの実施形態による、側面及び底面のガス出口を有する細長いガス注入ノズルを具備する、半導体ウェハの表面を調製するための装置の断面を示す。

【図5】図５は、本発明の一実施形態による、低い誘電体容器高さを有する、半導体ウェハの表面を調製するための装置の断面を示す。

【図6】図６は、本発明の一実施形態による、水素ガスが、支持台座の第１の側の隣の誘電体容器の壁に配置されたガス入口から注入され、排気ガスが、支持台座の第２の側の隣に配置されたガス出口から排出される、半導体ウェハの表面を調製するための装置の断面を示す。

【図7】図７は、本発明の一実施形態による、低い誘電体容器高さを有すること以外において、図６に類似する装置の断面を示す。

【図8A】図８Ａは、本発明の幾つかの実施形態による、円筒形のスロット付き静電シールドの斜視図を示す。

【図8B】図８Ｂは、本発明の幾つかの実施形態による、ディスク形状のスロット付き静電シールドの斜視図を示す。

【図9A】図９Ａは、本発明の幾つかの実施形態による、スロット付き保護ライナーの側面部の斜視図を示す。

【図9B】図９Ｂは、本発明の幾つかの実施形態による、スロット付き保護ライナーの上面部の斜視図を示す。

【図10A】図１０Ａは、本発明の幾つかの実施形態による、スロットのない保護ライナーの側面部の斜視図を示す。

【図10B】図１０Ｂは、本発明の幾つかの実施形態による、スロットのない保護ライナーの上面部の斜視図を示す。

【図11A】図１１Ａは、本発明の幾つかの実施形態による、ライナー材料の曲面パネルにより形成された保護ライナーの平面図を示す。

【図11B】図１１Ｂは、本発明の幾つかの実施形態による、平面パネルにより形成された保護ライナーの平面図を示す。

【図12A】図１２Ａは、（特許文献７の図１の実施形態などのチャンバ内での）シリコンウェハのプレ洗浄及び洗浄されたシリコンウェハ上でのIII－V材料のヘテロエピタキシャル堆積の双方を含む組合せプロセス後の半導体ウェハの概略を示す（ＵＶ光を照射する診断ツールからの画像を表現している）。

【図12B】図１２Ｂは、（保護ライナーはないが図５の実施形態のようなチャンバ内での）プレ洗浄及びIII－V材料のヘテロエピタキシャル堆積を含む組合せプロセス後の半導体ウェハの概略を示す（ＵＶ光を照射する診断ツールからの画像を表現している）。

【図12C】図１２Ｃは、（保護ライナーはないが図１の実施形態のようなチャンバ内での）プレ洗浄及びIII－V材料のヘテロエピタキシャル堆積を含む組合せプロセス後の半導体ウェハの概略を示す（ＵＶ光を照射する診断ツールからの画像を表現している）。

【図13A】図１３Ａは、本発明の幾つかの実施形態による、シリコン基板の表面上にIII?V層をエピタキシャル成長させるプロセスの様々な時点にわたるシリコンウェハの断面を示す。

【図13B】図１３Ｂは、本発明の幾つかの実施形態による、シリコン基板の表面上にIII?V層をエピタキシャル成長させるプロセスの様々な時点にわたるシリコンウェハの断面を示す。

【図13C】図１３Ｃは、本発明の幾つかの実施形態による、シリコン基板の表面上にIII?V層をエピタキシャル成長させるプロセスの様々な時点にわたるシリコンウェハの断面を示す。

【図13D】図１３Ｄは、本発明の幾つかの実施形態による、シリコン基板の表面上にIII?V層をエピタキシャル成長させるプロセスの様々な時点にわたるシリコンウェハの断面を示す。

【図13E】図１３Ｅは、本発明の幾つかの実施形態による、シリコン基板の表面上にIII?V層をエピタキシャル成長させるプロセスの様々な時点にわたるシリコンウェハの断面を示す。

【図14】図１４は、本発明の方法をインスタンス化する（すなわち実行する）コンピュータ可読命令が格納されかつ実行され得るコンピュータシステムの構成要素を示す。

【発明を実施するための形態】

【0030】

以下の好ましい実施形態の詳細な説明においては、本明細書の一部を形成しかつ本発明を実施することができる特定の実施形態を例示として示す添付の図面を参照する。本発明の範囲から逸脱することなく、他の実施形態を利用することができ、構成上の変更を行うことができることを理解されたい。幾つかの図面に関係付けられた説明は、同様又は類似の構成要素／ステップを含む別の図面に適用可能である。シーケンス図は、それぞれ特定の順序で一連のステップを示しているが、一部のステップの順序は変更される場合がある。

【0031】

半導体ＩＣ製造においては、エピタキシー、特にヘテロエピタキシーの前に完了することができるウェハ前処理プロセスの２つの独立した機能がある。まだ明らかでないならば、「前処理」における「処理」は、その後のエピタキシー処理のことを指す。第１の機能であるウェハ表面洗浄（プレ洗浄プロセスとも称する）は、ウェハ表面上の汚染物質が除去されるプロセスステップである。第２の機能であるウェハ表面の再構成は、複数の平行した結晶面をそれらの間の「段」と共に形成するための、ウェハ表面再成長又は修正を含む。現在まで（現在最先端の製造システムに導入されている１０ｎｍノード）、半導体製造においてパターン化ウェハ上のヘテロエピタキシーへの適用は、接点（ソース／ドレイン再成長）領域における堆積を含み、トランジスタのチャネルにおける堆積を含んでいなかった。接点では、堆積されたエピタキシャル層は、Ｇｅであろうと他の材料であろうと、接点機能を損なうことなく欠陥を有する場合がある。この場合、堆積された層中の欠陥は重要ではないので、表面再構成は不要である。ホモ及びヘテロエピタキシーは、パターン化の前のベアウェハ上では日常的に行われ成功している。しかしながら、パターン化ウェハのシリコン上へのIII－Vなどの、ヘテロエピタキシーの将来の適用では、最適な相互コンダクタンスを有しかつ望ましくない副作用を避けるためにほぼ欠陥のないことを必要とするチャネルにヘテロエピタキシャル層を堆積することになる。このため、ほぼ完全な汚染物質除去（通常、酸素が主要な汚染物質）と表面再構成の両方を、ウェハ前処理プロセスで実行する必要がある。

【0032】

本発明の一実施形態では、ほぼ完全なヘテロエピタキシーを行うために必要とされるウェハ表面は、欠陥が１ｃｍ^２当たり約５×１０^９個未満でなければならず、単結晶でなければならない。さらに、１つの表面結晶平面から別の表面結晶平面へのいずれの「段」も、エピタキシャル層が段において転位を有しないように少なくとも２原子層であるという追加の要件がある。このために、前処理プロセスは、ほぼ全ての表面汚染物質を蒸発させるか又は揮発性種に化学的に変換し、そして同時に、環境又は誘電体容器の壁からウェハへの汚染物質の再流入を最小限に抑制することができる。ウェハ表面が２原子層の段をもつ単結晶平面を有するように「再構成」することは、現在、従来技術のプレ洗浄の後、別のアニーリングチャンバで行われている。

【0033】

現在、非パターン化ウェハ上又はソースドレイン領域でのエピタキシーの前に用いられている、ＩＣ製造におけるプレ洗浄のためのプロセス及び装備は、トランジスタのチャネル領域でのエピタキシーの前の、パターン化ウェハのプレ洗浄には許容できないものである。発明者らが知る全ての従来技術は、以下の欠点の１又は複数を有するように思われる：それらの技術では、ウェハの表面における化学的欠陥又は物理的欠陥により堆積層に欠陥が残ること、ウェハ温度を９００℃又はそれ以上とすること、又は、基板若しくは表面層材料の除去が多すぎることである。
チャネルにおけるヘテロエピタキシーのような新しい進んだ適用は、おそらく極めて高速の超大型集積（ＵＳＬＩ）論理集積回路（ＩＣ）共に、おそらくは７ｎｍノードで始まるであろう。上記及び他の特許に記載されているプレ洗浄システム及び関連する表面調製並びに再構成方法のための従来技術は、高度なデバイスの生産におけるウェハ調製に必要な以下のタスクの少なくとも１つを達成できない：
・ウェハ表面から酸素、炭素、フッ素、弱結合シリコンを含む汚染物質をほぼ完全に除去すること。プレ洗浄後の表面欠陥密度が、約５×１０^９／ｃｍ^２未満でなければならない。
・誘電体容器壁からウェハ表面に来る汚染物質を最小限とすること。
・（ウェハ近傍のプラズマからの汚染物質の除去をより困難とする）汚染物質のリサイクルとなるプラズマ空間内のガス再循環を最小限とすること。
・ウェハ台座の下の排気マニホールドからの汚染物質の逆拡散を最小限とすること。
・ウェハ上のパターンニングを保存するためにウェハ温度を８５０℃未満に維持すること。
・面領域間の階段状の移行を有する結晶表面をもつ表面を残すこと。
・合理的なコスト、プロセスの再現性、プロセスの移行性、及び高い可用性を有する量産ツールにおいて短いプロセス時間（５～１０分）及び高い生産性を実現すること。

【0034】

従来技術のチャンバ及びプロセスは、通常、上述した要件の幾つかを実現するが、それらの１つ又は複数を欠いている。上記のタスクの全てを満足するプレ洗浄チャンバ及びプロセスのみが、高度な（＜１０ｎｍ）半導体デバイス用のパターン化ウェハ上のヘテロエピタキシーのための半導体製造システムにおいて成功する可能性がある。

【0035】

プレエピタキシー表面調製のために誘導結合プラズマを用いるプレ洗浄チャンバは、通常、容量結合プラズマを用いるプレ洗浄チャンバよりも容積において大きく、より低いガス圧力で作動し、かつ、チャンバ周囲の注入リング又はプレ洗浄チャンバ（すなわち、プラズマチャンバ又はプラズマリアクタとも称される）の上面の中央ノズルのいずれかからのガス注入を有する。通常、プラズマチャンバの壁は、石英又はアルミナセラミック製であり（特許文献８参照）、酸素及び他の汚染物質の発生源となり得る。ウェハに対して近接して離間したシャワーヘッドによりガスフローパターンが設定される容量リアクタでは、ウェハ中心から径方向外向きの強力なガスフローパターンが得られるのに対し、これは、より大きな誘導プラズマチャンバには当てはまらない。
誘導プラズマチャンバの例としては特許文献７を参照されたい。誘導プラズマリアクタは、通常、約５パスカル未満の、通常は２パスカル未満のガス圧力で動作する。この範囲の下限近くの圧力では、大きな容積をもつこのようなプラズマリアクタは、プラズマチャンバ内のバルクガスフローによる汚染物質のチャンバ排気への穏やかな対流輸送をもたらすのみである。汚染物質のこの対流輸送は、過半数のガスが水素であるとき、Ｈ_２の低分子量と汚染物質の大きな平均自由行程のためにさらに減少する。このように、汚染物質は、極めて非効率的で汚染物質のかなりの部分をウェハへ戻す傾向がある拡散プロセスを介してその一部が排気に到達しなければならない。しかしながら、拡散は、商業的に実施可能な大量生産工場においてウェハから完全に汚染物質を除去するには極めて遅すぎる。
ウェハへの汚染物質の流れの別の機構は、排気マニホールドからの酸素などの種の逆拡散である。排気マニホールドは使用済みのプロセスガスが真空ラインへと流れる途中にある。排気マニホールドの壁は、それらの上に吸着していたり、プラズマ又はガスラジカルの存在下で気相中に放出され得る材料中に含まれるかなりの汚染ガスを有する場合がある。
特にウェハの中心近傍において、ウェハへ酸素などの汚染物質を還流する傾向のある第３の機構は、通常プラズマチャンバの中心軸近傍のプラズマ中において最も正であるＤＣプラズマ電位である。気相中の酸素汚染物質はこのプラズマ中で負イオンを形成する可能性があり、そしてこれらのイオンがその負電荷のためにＤＣ電界により中心軸の方へ移動させられる。電子は、中心において冷たくかつ密度が低いため、通常、負イオンはそこでの寿命が長くなり、ウェハ中心に落下する。この機構は、汚染物質の酸素をプラズマチャンバの壁から、それらを最も除去しにくいウェハ中心にリサイクルする傾向がある。従来の誘導リアクタは、汚染物質除去及び還流に関して理想的ではなく、そのようなリアクタからの汚染物質の完全な除去は効率的ではない。

【0036】

誘導リアクタにおけるプラズマは、通常、容量リアクタにおけるより高密度であり、純粋な誘導結合（静電シールドを用いる場合）においては、壁に衝突するイオンのエネルギーは通常遙かに小さい。それにも拘わらず、容量リアクタのように、還元ガス又は混合物で作動される誘導プラズマリアクタはなお、石英又はほとんどの誘電体壁材料からプラズマ中への汚染物質の流れを有することとなる。ウェハプレ洗浄チャンバ（特許文献７の図１と類似）内でこのようなガス注入構成の試験が本発明者らにより行われたとき、ウェハ表面に多くの欠陥が存在したことによって、シリコンウェハ上でのその後のヘテロエピタキシーにおいて、ウェハの大部分に多くの欠陥をもつIII－V層があり、ＵＶ蛍光画像で緑がかった色合いとなった。図１２Ａは、基板１６の表面上に多くの欠陥をもつIII－V層（影のある領域５６）を概略的に示している。

【0037】

重要なトランジスタ領域へのヘテロエピタキシーのようにウェハから汚染物質をほぼ完全に除去する適用においては、ウェハ上の汚染物質（例えば自然酸化物）の厚さの変化、又は、誘電体容器若しくは排気マニホールドの壁上の酸素若しくは水分の量の時間的な変化が重要である。この場合、一定の予め設定された処理時間によるウェハ洗浄は、幾つかのウェハでは非効率的となり得る（非常に僅かな汚染物質を有するウェハが不必要に長時間処理される場合）が、他のウェハにおいては、他のウェハの不適切な処理が、幾つかの状況下において処理を失敗させ得る（プレ洗浄プロセス前に、より多くの汚染物質が壁上又はウェハ上に存在する場合）。したがって、エピタキシャルのプレ洗浄のための従来技術の誘導リアクタは、一般的に、ヘテロエピタキシーであろうとホモエピタキシーであろうと、高品質エピタキシーに必要な極めて低い汚染物質の表面密度及び欠陥のないウェハ表面を提供することができない。

【0038】

発明者らは、ウェハの結晶表面の再構成を実現する熱処理を行うように構成され又はそれが可能である従来技術のプラズマベースのチャンバは意識していない。プラズマを生成する構成要素を有する従来技術におけるチャンバは、一般的に、後でトランジスタの一部となるパターン化構造を損傷せずにアニーリングを行う可能性がある非常に高い温度、通常８００℃～８５０℃の間の温度に耐えられない。

【0039】

本発明の１つの目的によれば、プラズマベースの、プレエピタキシーウェハ前処理チャンバ及びプロセスは、ウェハ表面から汚染物質種を完全に除去し、ウェハ上の欠陥／孔食サイトの密度を低減し、かつ幾つかの実施形態では、線状の段をもつウェハ表面に平行な結晶面として露出表面を残すアニーリングを含むべきである。本発明の目的は、さらに特別に以下のうちの１又は複数を含む：
・大量の反応水素原子を効率的に生成しかつＨｅ又はＦ原子もさらに提供できるよう、ウェハ表面に亘って均一な密度をもつプラズマを含む水素を提供すること。
・壁及び壁材料又はライナー材料に対するイオンエネルギーを制御することによりチャンバ壁からウェハへの汚染物質の流れを最小限とすること。
・ポンピングマニホールドの壁からウェハ上方のプラズマ領域への汚染物質の逆拡散を防止すること。
・ウェハ表面上の自然酸化物と原子水素との化学反応、酸素及び他の汚染物質の化学反応により酸素及び炭素などの元素を気相に取り込み、ウェハ表面上に残る欠陥を５×１０^９／ｃｍ^２未満とすること。
・誘電体容器を通って排気マニホールドに至るバルクガスフローに巻き込まれることによってウェハ上の空間からガス状汚染物質を効率的に除去すること。
・プラズマ空間における再循環フローが回避されるようにプロセスガスを注入すること。
・イオン衝撃のエネルギーを損傷又はスパッタ閾値未満に維持することによってイオン衝撃によるウェハ表面層の結晶中の欠陥を生じさせないこと。
・排出されたプロセスガスから汚染物質元素がほぼ完全に除去されたときを検知すること。
・ウェハ温度を約８５０℃未満に維持して、ウェハ表面を段をもつ面で再構成するためにウェハをアニーリングすること。
・結晶材料の１ｎｍ未満がウェハの露出層からエッチングされるように、基板材料のエッチングを最小限とすること。
・合理的なコスト、プロセス再現性、プロセス移行性、及び高い可用性を有する量産ヘテロエピタキシーツールにおける高い生産性を可能とすること。

【0040】

プレ洗浄プロセスは、酸素（自然酸化物）及び他の汚染物質種をウェハから実質的に完全に除去し、かつ、エッチング不可能な汚染物質が壁又は排気マニホールドからウェハに接触することを回避する必要がある。このために、プロセスは、ラジカルベースの化学エッチングプロセスにより、通常は原子水素又はフッ素原子を用いて汚染物質要素をウェハ表面上で揮発性化合物に変換することができる。反応生成物は、表面に衝突するＵＶフォトンやイオンなどのエネルギー種によりウェハから脱離する。両方とも水素含有プラズマにより大量に提供される。そのようなイオンは、反応生成物を脱離させるのに十分なエネルギーを有するべきであるが、結晶に損傷やスパッタリングを生じさせてはならない。脱離されたならば、反応生成物は、バルクガスフロー及び拡散の両方によって誘電体容器から除去することができる。壁をたたくイオンのエネルギーは、プラズマ電位と壁電位の間の差にほぼ等しいが、ウェハをたたくエネルギーは、主にプラズマ電位に依存する。ウェハをたたくイオンは、結晶に欠陥を生成するエネルギー閾値未満でなければならず、その閾値はイオンの種類及び結晶組成に依存する。シリコン結晶については、０＋又は他の重いイオンの場合は２０ｅＶを超えるイオンエネルギーで転位を生じ得るのに対し、Ｈ＋イオンの場合は１２０ｅＶを超えるエネルギーが必要である。壁をたたくイオンについての主な懸念は、それらが、後でウェハに到達する汚染物質の化学エッチングやスパッタリングを促進することである。通常、より重いイオンでは、スパッタリングを生じるのに約２０ｅＶ超えのエネルギーを必要とするのみであり、これ未満のときでさえ化学エッチングを生じ得る。

【0041】

壁材料は、汚染物質の発生源となってはならず、かつスパッタリングによる金属汚染物質の発生源となり得る金属を含んではならない。さらに、壁材料は、原子水素及びフッ素によるエッチングに可能な限り耐えなければならない。

【0042】

処理時間は、各ウェハがほぼ完全なヘテロエピタキシャル膜成長のための清浄度要件を満たすように、ウェハ表面結晶から汚染物質及び欠陥を完全に除去するのに十分でなければならない。この時間は、量産環境で多数のウェハを洗浄する過程でウェハ毎に大きく異なる場合がある。この処理時間はまた、安全マージンとして、排気中に汚染物質が所定の低レベルに到達する時間を超過して、追加の適度なオーバーエッチング時間を含むべきである。しかしながら、処理時間は、過度及び無駄であってはならない。なぜなら、一時間にできるだけ多くのウェハを処理するような高価な処理システムの商業的競争力にとって不可欠だからである。

【0043】

可能であれば、この前処理プロセスは、化学的汚染物質に加え、ウェハ表面層材料の非結晶結合原子も除去し、又は、表面層を再構成して、ウェハ全体に亘って平面の／段付きの構造をもつ結晶表面を残すようにしなければならない。これは、幾つかの実施形態においては、「非結晶結合」種に対する極めて選択的なエッチングプロセスにより実現できる。シリコン基板の場合、汚染物質要素の除去後、弱く結合した表面上のシリコン原子が、アモルファス中のように存在し得る。このような原子は、結晶構造内に完全に結合した原子よりも容易に表面からエッチングすることができる。トランジスタ製造が既に開始されているパターン化ウェハの場合、ほぼ完全な（すなわち５×１０^９／ｃｍ^２未満の欠陥）表面洗浄は、ウェハ全体の各ダイについて、エピタキシャル層が堆積されるべきパターン内の全ての領域を含まなければならない。さらに、このようなプロセスは基板材料を過度に除去してはならない（～１ｎｍ又はそれ未満）。なぜなら、その材料は、通常、ウェハ上に作製されるデバイスに必要となるからである。理想的には平面領域間の段は、平面のセグメント間の不連続性を最小限に抑えるために、少なくとも２つの原子層でなければならない。前処理プロセスは、ウェハ全体に亘って、すなわちウェハ全体に亘って各デバイスの所望されるエリア上に、欠陥のないヘテロ及びホモエピタキシャル膜を成長させることができなければならない。

【0044】

前処理プロセスは、多様な基板又は表面層（結晶シリコン及びIII－V化合物半導体を含む）上での欠陥のないヘテロ及びホモエピタキシャル成長を可能とすべきである。この洗浄及び表面調製は、ＧａＡｓ上にＩｎＰ又はＩｎＰ上にＩｎＧａＡｓなどエピタキシャル層の上にエピタキシャル層を成長させるように、別の層を成長させるために既に薄い表面結晶層を有するウェハ表面の調製にも適用可能でなければならない。この場合、その後のエピタキシャル堆積のためにウェハを調製する前処理プロセス中に、下層における材料損失が２、３原子単層より多くなってはならない。

【0045】

図１は、本発明の一実施形態による、半導体ウェハの表面を調製する装置の断面と共に、制御構成要素及び水素ガス供給源を示している。表面の調製は、水素含有プラズマを用いた汚染物質（例えば自然酸化物）の除去と、ウェハを７５０～８５０℃の温度でアニーリングすることによる表面結晶度の回復を含むことができる。これらの両方のステップは、同じプロセスチャンバ内で生じさせることができる。

【0046】

誘電体容器１２は、金属筐体１０内に配置することができる。支持台座１４は、誘電体容器１２の隣に配置することができ、かつ基板１６（例えば半導体ウェハ）を支持することができる。支持台座１４は、交流（ＡＣ）接地に接続されることにより支持台座１４のＡＣ電圧を最小に抑えることができる。ヒーター１３（例えば抵抗ヒーター）が、基板１６の温度を３００℃～８５０℃の間に上げるために支持台座１４内に存在することができる。ヒーター１３の温度（そして基板１６の温度）は、コントローラ５０により制御可能である。支持台座１４は、支持台座１４を上昇又は下降させるように構成されたシャフト１５に接続されることができる。シャフト１５の動作（そして支持台座１４の高さ）は、コントローラ５０により制御可能である。

【0047】

バルブ２０は、ガス供給源１８からプラズマ空間３２へのＨ_２ガス又はＨ_２ガスを含む混合物のフローを制御可能である。プラズマ空間３２は、誘電体容器１２（プラズマチャンバ、プレ洗浄チャンバ又はプロセスチャンバとも称される）内に形成することができる。バルブ２０は、コントローラ５０により制御可能であり、コントローラ５０はＨ_２又は混合ガスのフローを遮断又は導通させることができる。Ｈ_２又は混合ガスは、管（すなわちガス供給源１８とバルブ２０とを接続するライン、及び、バルブ２０と誘電体容器１２のガス入口２１とを接続するライン）を通ってガス注入ノズル２２へ流れることができる。ガス注入ノズル２２は、誘電体容器１２の上面から下向きに延在することができる。幾つかの実施形態においては、ガス注入ノズル２２が、誘電体容器の上面から支持台座１４までの距離の４分の１～４分の３の間に延在することができる。別の実施形態では、ガス注入ノズル２２は、誘電体容器の上面から支持台座１４までの距離の少なくとも３分の１まで延在することができる。

【0048】

ガス出口２４は、ガス注入ノズル２２の底面に配置することができ、それを通ってＨ_２又は混合ガスがプラズマ空間３２内に入る。ガス注入ノズル２２の細長い形状によって、ウェハ１６の表面から５ｍｍ～１０ｍｍの間の距離におけるＨ_２又は混合ガスの、プラズマ空間３２の中心から外向きの径方向流速が（誘電体容器１２のガス入口２１から直接プラズマ空間３２内に注入されるガスに比べて）増加する。Ｈ_２又は混合ガスのフローは、図２～図７でさらに説明する。ガス注入ノズル２２は、ノズルが汚染物質の発生源となることを避けるためにシリコン製とすることができる。プロセスのプレ洗浄工程中、又は、再構成工程中、水素ガス供給源と組み合わせた他のガス供給源、例えばフッ素供給源を用いることができることに留意されたい。幾つかの実施形態においては、水素ガス供給源に替えて、ヘリウムガス供給源（図示せず）などを用いることができる。

【0049】

誘導コイル３４及び４０は、（交流電流により電力供給されると）磁場を発生し、その磁場は、プラズマ空間３２内でガスをプラズマに（すなわち、Ｈ２ガスを水素原子及びイオンに、そして他の分子ガスをＨ又はＦの原子及びイオンを含み得る断片に）変換する。誘導コイル３４は螺旋形状とすることができ、一方、誘導コイル４０は平坦コイルの形状とすることができる。誘導コイル３４及び４０は、両方とも図１の実施形態に存在しているが、他の実施形態では、誘導コイル３４（そして誘導コイル４０がない）又は誘導コイル４０（そして誘導コイル３４がない）を有することが可能であることを理解されたい。高周波（ＲＦ）電力は、ＲＦ電源３６からインピーダンスマッチング回路３８を介して誘導コイル３４に供給可能である。誘導コイル３４の端子部分は接地できる（図示せず）ことが理解される。同様に、ＲＦ電源４２からインピーダンスマッチング回路４４を介して誘導コイル４０にＲＦ電力を供給することができる。誘導コイル４０の端子部分も接地することができる（図示せず）ことが理解される。コントローラ５０は、ＲＦ電源３６及び／又はＲＦ電源４２を制御することができ、コントローラ５０がプラズマ空間３２内のプラズマの生成をアクティブ化／非アクティブ化することができる。金属筐体１０は、誘導コイル３４及び４０によって生成された磁場が金属筐体１０の周囲の環境に到達するのを防ぐために使用される。したがって、金属筐体１０は導電性材料から作られ、接地され得る。

【0050】

金属静電シールド４６及び４８は、実質的にプラズマ電位を低下させかつ基板１６に衝突するイオンエネルギーを低減することにより、基板１６の結晶構造の損傷を回避する。金属静電シールド４６及び４９はまた、誘電体１２に衝突するイオンエネルギーを低減することによって、気相中に汚染物質を誘導しその後にウェハを汚染する可能性がある誘電体容器１２の壁のスパッタリング及びプロセスガスの壁とのエッチング反応を低減する。誘電体容器１２が円筒形であるとき、静電シールド４６は、誘電体容器１２の円筒形壁にほぼ適合する開放端円筒に似ている（図８Ａ参照）が、静電シールド４８は、誘電体容器１２の円形上面にほぼ適合する円盤形状である（図８Ｂ参照）。静電シールド４６及び４８は、コイル３４及び４０における電流の方向に垂直な方向にそれぞれスロットを付与することができ、それにより磁場が効率的にプラズマ空間３２を貫通することができる。図示のように、両方の静電シールド４６及び４８は接地されている。

【0051】

保護ライナー４２は、誘電体壁に対するエネルギー種の流れを実質的に低減するために誘電体容器１２の内面の隣に配置することができ、それによって酸素又は他の汚染物質の気相中への流れが大きく低減される。保護ライナー４２は、プラズマに露出されたときにガス状汚染物質を放出しない（又はほとんど放出しない）、スパッタリング又はエッチングに対して高い耐性をもつ材料から作製することができる。好ましい実施形態では、保護ライナー４２は、結晶シリコン又はポリシリコンから作製することができ、それは主に水素ベースのプラズマ中で極めてゆっくりとエッチングされる。別の実施形態では、保護ライナー４２は、Ｙ_２Ｏ_３（高密度イットリア）、Ｌａ_２Ｚｒ_２Ｏ_７（ジルコン酸ランタン）、又は窒化アルミニウムから作製することができ、それらは原子水素による還元又はエッチングに対して化学的に非常に安定である。一実施形態では、保護ライナー４２は、誘電体容器１２の壁上のコーティング（例えば薄膜）として形成することができる。

【0052】

図９Ａ及び図９Ｂに示すように、保護ライナー（その側面部４２ａ及び上面部４２ｂ）は、電流の方向に垂直な方向にスロットを付与することができ、それによりコイルからの磁場が効率的にプラズマ空間３２内を貫通することができる。スロットは、３００℃超えでのシリコン（保護ライナーがシリコン製であると想定）の導電性により逆電流を誘導するので必要である。その逆電流はプラズマ空間３２を貫通する磁場を低減させてしまう。保護ライナー４２のスロットの幅は、静電シールド４６、４８のスロットの幅よりも小さくすることができる。保護ライナー４２は、接地されてもされなくてもよいが、誘電体容器１２の内面のできるだけ近傍に配置しなければならない。

【0053】

保護ライナー４２は、誘電体容器１２の壁領域全体に必要であるが、スロットは、プラズマ励起コイルとプラズマとの間のライナー部分のみに必要である。例えば、コイル３４が存在しない場合、誘電体容器１２の側面を覆う保護ライナー４２の部分は、図１０Ａに示された開放端（スロットのない）円筒４２ｃに類似し得る。同様に、コイル４０が存在しない場合、誘電体容器１２の天井を覆う保護ライナー４２の部分は、図１０Ｂに示された（スロットのない）円盤４２ｄに類似し得る。

【0054】

保護ライナー４２が接地されている場合、それは保護ライナー及び静電シールドとして機能することができる（静電シールド４６及び４８を冗長とする）が、状況によっては、保護ライナー４２と静電シールド４６、４８との両方を含めることが有利な場合がある。

【0055】

水素又は他の反応種が基板１６上の汚染物質に結合して揮発性化合物を形成した後、これらの化合物は、排気制限要素２６を介して排気マニホールド２７に排出されることができる。排気マニホールド２７は、支持台座１４の下の金属ベース部１７内の領域に形成されてもよい。ポンプ３０は、排気マニホールド２７から真空ポンプライン２８への排気ガスの排気を促進することができる。図１の断面には２つの排気制限要素２６が描かれているが、排気制限要素２６は、支持台座１４を円周方向に囲む制限された開口部でもよいことが理解される。

【0056】

排気リストリクタ２５により形成された排気制限要素２６は、プラズマが排気マニホールド２７内に流入することを防止し、排気ガス（揮発性化合物及び汚染物質を含む）が排気マニホールド２７からプラズマ空間３２へ逆拡散することを最小限に抑える。しかしながら、排気リストリクタ２５は、それ自体が汚染物質の発生源となってはならず、したがって、幾つかの実施形態では、プラズマ空間３２にほとんど汚染物質を導入することがないシリコンなどの材料から作製するか又は、可能なライナーコーティングとして上述したような不活性材料でコーティングすることが好ましい。

【0057】

ガス解析装置（ＲＧＡ）５４のサンプリングポート５２は、汚染物質（例えば酸素）の濃度をサンプリングするために（図示のように）排気マニホールド２７内又は（図示しないが）誘電体容器１２の壁上に配置することができる。ＲＧＡ５４は、プレ洗浄プロセスの前及びプレ洗浄プロセス中に用いることができる。台座上にウェハを搭載する前に、ＲＧＡ５４は、プラズマ空間３２に存在する化学的汚染物質のレベルをモニタリングするために用いることができる。汚染物質のレベルが第１の予め設定されたレベルを超えている場合、不活性ガスをプラズマ空間３２に流入させて汚染物質を排出するか、又は、汚染物質レベルが十分に低下するまで水素含有プラズマを稼動させることができる。汚染物質のレベルが第１の予め設定されたレベル未満に低下したならば、ウェハを搭載し、プレ洗浄プロセスを開始することができる。

【0058】

ＲＧＡ５４はさらに、プレ洗浄プロセス中に、プレ洗浄プロセスをいつ終了させるか（すなわちプロセスガスのフローをいつ終了させるか）を決定するために用いることができる。汚染物質が基板１６から除去されているとき、最初は汚染物質のレベルが高い場合がある。最終的にほとんどの汚染物質が揮発性化合物に変換されプラズマ空間３２から排出されたとき、ＲＧＡは化学的汚染物質のレベルが第２の予め設定されたレベル未満に低下したことを検知することになる。幾つかの実施形態においては、サンプリングされたガス中の酸素の濃度が約１ｐｐｍ未満に低下したとき、化学的汚染物質のレベルが第２の予め設定されたレベル未満であると見なす。このような終了条件に応じて、励起コイルへのＲＦ電源を停止してガスのフローを終了することができる。プレ洗浄プロセスに続いて、アニールプロセス又はエピタキシャル層の堆積を行うことができる。もしまだ明らかでなければ、プレ洗浄プロセスの時間は、気相中の汚染物質のレベルに依存するのでウェハ毎に異なる場合がある。プラズマプレ洗浄プロセスは、汚染内容が異なる可能性があるウェハ上で行われているためである。より多くの汚染物質を有するウェハは、より長い時間洗浄される場合があるのに対し、より少ない汚染物資を有するウェハは、より短い時間洗浄される場合がある。

【0059】

幾つかの実施形態では、所望されるプラズマ挙動及び反応ガス種の増強された反応は、ガス圧力、ＲＦ電力、ガスフロー及び電力デューティサイクルの所定の範囲内でプラズマ源を稼動させることにより実現することができる。プラズマ源は、支持台座１４より下にある排気マニホールド２７及び他の構成要素を除く図１の全ての構成要素を含むことができる。プラズマ空間３２の圧力は、約１ｍＴｏｒｒ～約１００ｍＴｏｒｒの圧力に、好ましくは約３ｍＴｏｒｒ～約５０ｍＴｏｒｒの圧力に維持することができる。ＲＦ電源３６及び／又は４２により供給されるＲＦ電力は、約２０ワット～５０００ワットに、そして好ましくは約２００ワット～２０００ワットの間の範囲とすることができる。Ｈ_２又は混合ガスのフローは、約１０ＳＣＣＭ～約５０００ＳＣＣＭに、そして好ましくは約１００ＳＣＣＭ～２０００ＳＣＣＭとすることができる。誘電体容器１２の大きさは、基板の大きさに依存することができ、基板直径よりも約１０％～約６７％大きい。プレ洗浄プロセスの効果は、幾つかの実施形態においては、約３００Ｈｚ～約５０ｋＨｚの範囲と約１０％より大きいデューティサイクルでＲＦ電力を変調することによりさらに最適化することができる。

【0060】

プレ洗浄プロセスに続いて、ウェハ１６の表面をプラズマ空間３２内で再構成することができる（もっとも、表面再構成ステップではプラズマ空間３２がプラズマを含んでも含まなくてもよい）。表面の再構成は、プレ洗浄プロセス中に基板表面から結晶と同じ元素の緩く結合した原子を除去することによって容易とすることができる。さらに幾つかの実施形態では、結晶再構成をプラズマにより、「プラズマ増強熱アニール」プロセスで増強できる。表面の再構成中、ヘリウム、ＮＦ_３、Ｆ_２又はＨ_２のうち少なくとも１つを含むガスをプラズマ空間３２内に流入させることができる。ヒーター１３が支持台座１４内に位置することによって基板１６が表面再構成に適した温度に到達可能である。通常、このような温度は、約８５０℃である。このアニールプロセスの持続は、約１分～約３０分とすることができる。しかしながら、アニールステップ中のプラズマ空間３２内のプラズマの存在は、プラズマによる基板加熱によって、及び幾つかの実施形態ではプラズマからのイオン衝撃の相乗作用によって、欠陥のアニーリングに必要な温度を低下させることができる。

【0061】

幾つかの実施形態においては、支持台座１４からの熱は、プレ洗浄プロセスと同じチャンバ（すなわち誘電体容器１２）内で行うことができる結晶再構成に必要な全てのエネルギーを提供する。それに替えて幾つかの実施形態では、プラズマが基板１６に与える加熱によって、プラズマが、ヒーター１３により行われる加熱を支援することができる。プラズマ電力の約２５％～４０％が基板１６の熱に変換されることで、ヒーター１３に必要な加熱電力を低減することができる。一実施形態では、ヒーター１３が基板１６を約７５０℃に加熱するのに十分な熱を与えることができ、プラズマ加熱が基板を７５０℃から８２０℃に上げるのに必要な熱を与えることができる。幾つかの実施形態では、プラズマの更なる効果があり、その場合、ウェハへのイオン流束が、各イオンがウェハに衝突するときに局所的に提供する活性化エネルギ－によって結晶表面の再構成を支援することができる。ウェハに衝突すると、イオンエネルギーは結晶内のフォノンに変換され、ピコ秒の時間スケールで衝突点から外側に伝播する。ウェハへのイオン流束は、１ｍＡ／ｃｍ^２～１ｍＡ／ｃｍ^２程度であり、各イオンは約１０ｅＶのエネルギーを与える。このイオン流束は、アニーリングプロセスの活性化エネルギーの追加のワット／ｃｍ^２まで効果的に提供する。

【0062】

図２は、ここに説明される本発明の技術なしで経験された課題を示すための装置の断面図である。図２に示した装置は、保護ライナーを有していない。したがって、汚染物質（例えば１１ａ）が誘電体容器１２の壁から放出され、基板１６上に吸着する可能性がある。当該技術分野で現在使用されているライナー（例えば、アルミナ製）でさえ、汚染物質（例えば、酸素）を放出する可能性があり、それが同様の態様で基板１６上に吸着する可能性がある。ガス注入ノズル２２なしで（そしてガス注入口２１と基板１６の表面との間に大きな鉛直方向の分離がある）ガス注入口２１からＨ_２を誘電体容器１２に直接注入すると、ウェハ表面の真上における水素含有ガスの径方向速度が弱すぎるため、汚染物質が基板１６の表面に再堆積する前に汚染物質をプラズマ空間３２から外に対流させることができない。主にＨ_２からなるガスがプラズマ空間３２から汚染物質を運びだすのが難しい理由を詳しく説明すると、汚染物質の分子量は、多くの場合、水素の分子量よりも数倍大きいため、多くの水素分子と衝突することで汚染物質を「押し出し」て排出マニホールド２７に向かうバルクフローと共に流すようにする。ボーリングボールに沿って運ぼうとするピンポンボールの群れとの類似性を用いて説明できる。ボーリングボールをピンポンボールの群れと共に所定の方向に移動させるためには多くの衝突を必要とする。図２は、水素プラズマにより脱離された幾つかの汚染物質（例えば汚染物質１１ｂ）でさえ、基板１６の表面上に落下して戻ることがあることを示す。その一方、特に基板１６の縁領域の幾つかの汚染物質（例えば１１ｃ）は、基板１６から無事に除去される可能性が高い。

【0063】

図３は、細長いガス注入ノズル２２と保護ライナー４２を有する、半導体ウェハの表面を調製する装置の断面を示している。図３では、ガス注入ノズル２２からのガス注入の詳細がより詳細に描かれる一方、装置のその他の詳細は、表示を明確に示すために図では省かれている。図示のように、細長いガス注入ノズルは、ウェハ上方の近距離にある、特にウェハ中心近傍のガスの径方向速度を増大させる。さらに、保護ライナー４２により、誘電体容器１２の壁から放出される汚染物質の量が実質的に低減されることによって、汚染物質が実現可能な除去速度でウェハの中心の領域から除去されると、商業的に許容可能なプロセス時間内にウェハから汚染物質を完全に除去することができる。

【0064】

図４は、底面出口２４ａと側面出口２４ｂとを具備する細長いガス注入ノズル２２を有する、半導体ウェハの表面を調製する装置の断面を示している。側面出口２４ｂから注入されるガスは、プラズマ空間３２内のガスの再循環を低減することを支援し、誘電体容器１２から汚染物質が運び出される確率を高め、かつ、壁からの汚染物質が基板１６上に堆積（又は再堆積）する確率を低くする。

【0065】

図５は、誘電体容器の高さが誘電体容器の半径に対して小さい、半導体ウェハの表面を再調整する装置の断面を示している。一実施形態では、誘電体容器１２の高さは、誘電体容器１２の半径よりも小さくすることができる。好ましい実施形態では、誘電体容器１２の高さが、誘電体容器１２の半径の半分未満とすることができる。誘電体容器の低い高さは、水素ガスが移動する鉛直方向の距離を低減する別の方法であり、ひいてはウェハ中心に近い半径におけるウェハ表面の真上の径方向のバルクガスフロー速度を増加させる。しかしながら、誘電体容器の低い高さは、プラズマ生成の効率が悪くなるという欠点がある。プラズマ空間が小さくなると、エネルギーをもつ電子によるイオン化効率が悪くなる。低い高さの誘電体容器を有する装置では、誘電体容器１２の上方の平坦コイル４０のみが存在できる一方、螺旋コイル３４はプラズマ中に電力を結合するのに非効率的であるので省かれる。

【0066】

図６は、半導体ウェハの表面を調製する装置の断面を示しており、この場合、水素を含む混合ガスが、ウェハ支持台座１４の第１の側面の隣にある誘電体容器１２の壁に配置されたガス入口２３から注入され、排気ガスが、ウェハ支持台座１４の第２の側面の隣に配置された排気制限要素２６’から排出される。排気制限要素２６（例えば図１）が、ウェハ支持台座１４の周囲を取り囲む開口として理解されるのに対し、排気制限要素２６’は、ウェハ支持台座１４の一方の側面のみに存在する開口とすることができ、ウェハ中心について計測された限定された方位角範囲に亘って存在する。図示のように、注入されたガスは、基板１６の表面に対して実質的に平行に流れることができ、そしてガスの横方向のフローは、ウェハ１６の表面及び誘電体容器１２の壁から放出された全ての揮発性化合物及び汚染物質を運びさりかつ排出することを支援する。基板１６の表面の洗浄における均一性を高めるために、支持台座１４は中心軸７の周りで回転させることができる。排気リストリクタ２５’は支持台座１４に当接して描かれているが、支持台座１４が中心軸７の周りで自由に回転できるように僅かな隙間が存在してもよい。

【0067】

図７は、誘電体容器の高さが低い（すなわち誘電体容器の半径に比べて誘電体容器の高さが小さい）ことを除いて図６に示した装置に類似する装置の断面を示している。このような低い高さは、誘電体容器１２内のガスの再循環を低減することを助けることができる。

【0068】

本発明の幾つかの実施形態による、図１１Ａは、ライナー材料の曲面パネル４５ａにより形成された保護ライナー４２ｅの平面図を示し、図１１Ｂは、ライナー材料の平面パネル４５ｂにより形成された保護ライナー４２ｆの平面図を示す。曲面パネル４５ａの各々は、（図示のものとは異なる）同じ形状と大きさとすることができる。平面パネル４５ｂの各々も同じ形状及び大きさとすることができる。

【0069】

図１２Ａは、特許文献７の図１の実施形態のようなチャンバ内でのプレ洗浄と、III－V材料のヘテロエピタキシャル堆積とを含む複合プロセス後の半導体ウェハ（ＵＶ光を照射する診断ツールからの画像を表す）の概略図を示している。概略的に示すように、ウェハの中心の周りのかなりの領域に高密度の欠陥がある。

【0070】

図１２Ｂは、図５の実施形態のようなチャンバ（しかしながら保護ライナーはない）内でのプレ洗浄と、III－V材料のヘテロエピタキシャル堆積とを含む複合プロセス後の半導体ウェハ（ＵＶ光を照射する診断ツールからの画像を表す）の概略図を示している。概略的に示すように、ウェハの中心の周りの小さい領域（例えば直径５ｃｍ）に高密度の欠陥がある。

【0071】

図１２Ｃは、図１の実施形態のようなチャンバ（しかしながら保護ライナーはない）内でのプレ洗浄と、III－V材料のヘテロエピタキシャル堆積とを含む複合プロセス後の半導体ウェハ（ＵＶ光を照射する診断ツールからの画像を表す）の概略図を示している。概略的に示すように、高密度の欠陥はなかったが、しかし、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による検査では、ウェハの中心付近に点欠陥（１ｍｍ^２当たり約１０個の欠陥）が見つかった。

【0072】

図１３Ａ～図１３Ｅは、本発明の一実施形態による、シリコン基板の表面上にIII?V層をエピタキシャル成長させるプロセスの様々な時点に亘るシリコン基板の断面を示す。図１３Ａは、自然酸化物６２の層を有するシリコン基板６０を示す。自然酸化物６２は、シリコン基板６０の表面上にIII－V層を成長させる前に除去しなければならない。図１３Ｂは、水素含有プラズマ６４に曝されているシリコン基板を示している。図１３Ｃは、プラズマによって自然酸化物が除去された後のシリコン基板を示している。シリコン基板の欠陥レベルは、１ｃｍ^２当たり５×１０^９個未満である。 図１３Ｄは、アニールプロセス中のシリコン基板を示している。図１３Ｅは、シリコン基板の表面上にエピタキシャル成長したIII－V層６６を示す。

【0073】

前述の説明から明らかなように、本発明の態様は、様々なコンピュータシステム及びコンピュータ可読命令が格納されたコンピュータ可読記憶媒体の使用を含む。図１４は、本明細書で説明されたいずれかのコンピュータシステム（例えばコントローラ５０）を表すシステム１００の一例を示す。多様なコンピュータシステムの全てが、システム１００の全ての特徴を有するわけではない。例えば、上述したコンピュータシステムの中には、そのコンピュータシステムに通信接続されたクライアントコンピュータにより表示機能が提供可能であるか又はディスプレイ機能が不要である限り、ディスプレイを含まなくてもよいものがある。そのような詳細は本発明には重要ではない。

【0074】

システム１００は、情報を伝達するためのバス１０２又は他の伝達機構と、情報を処理するためにバス１０２に接続されたプロセッサ１０４とを含む。コンピュータシステム１００はさらに、情報及びプロセッサ１０４により実行される命令を格納するためにバス１０２に接続されたランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）又は他のダイナミック記憶デバイスなどのメインメモリ１０６を含む。メインメモリ１０６はさらに、プロセッサ１０４により実行されるべき命令の実行中、一時的な変数や他の中間情報を格納するために用いることができる。コンピュータシステム１００はさらに、プロセッサ１０４のためのスタティック情報及び命令を格納するためにバス１０２に接続されたリードオンリメモリ（ＲＯＭ）１０８や他のスタティック記憶デバイスを含む。１又は複数のフロッピーディスク、フレキシブルディスク、ハードディルク、フラッシュメモリベースの記憶媒体、磁気テープ又は他の磁気記憶媒体、コンパクトディスク（ＣＤ）ＲＯＭ、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）ＲＯＭ若しくは他の光学記憶媒体、又は、プロセッサ１０４が読み取り可能な他の全ての記憶媒体とすることができる記憶装置１１０が設けられ、情報及び命令（例えば、オペレーティングシステム、アプリケーションプログラムなど）を格納するためにバス１０２に接続されている。

【0075】

コンピュータシステム１００は、コンピュータユーザに対して情報を表示するために、バス１０２を介してフラットパネルディスプレイなどのディスプレイ１１２に接続されることができる。プロセッサ１０４に情報及びコマンド選択を伝達するために、英数字及び他のキーを含むキーボードなどの入力装置１１４をバス１０２に接続することができる。別の種類のユーザ入力装置は、プロセッサ１０４に情報及びコマンド選択を伝達しかつディスプレイ１１２上のカーソル移動を制御するための、マウス、トラックボール、又はカーソル方向キーなどのカーソル制御装置１１６である。マイクロフォン、スピーカー等の他のユーザインタフェース装置は、詳細に示さないが、ユーザ入力の受信及び／又は出力の提示に関係付けることができる。

【0076】

本明細書で言及したプロセスは、メインメモリ１０６に格納されたコンピュータ可読命令の適切なシーケンスを実行するプロセッサ１０４により行うことができる。このような命令は、記憶装置１１０などの別のコンピュータ可読媒体からメインメモリ１０６に読み込むことができ、そしてメインメモリ１０６に格納された命令のシーケンスの実行により、プロセッサ１０４が関連する動作を行うことができる。別の実施形態では、本発明を実施するために、プロセッサ１０４及びその関連するコンピュータソフトウェア命令の替わりに、又はそれらと組み合わせて、ハードワイヤード回路又はファームウェア制御処理ユニット（例えば、フィールドプログラマブルゲートアレイ）を使用することができる。コンピュータ可読命令は、任意のコンピュータ言語でレンダリングできる。一般に、前述の全ての用語は、任意のコンピューター実行可能アプリケーションの特徴である特定の目的を達成するために順番に行われる全ての一連の論理ステップを包含することを意味する。特に明記しない限り、本発明の説明を通して、「構成する」、「処理する」、「演算する」、「計算する」、「決定する」、「表示する」、「受信する」、「伝送する」などの用語の使用は、適切にプログラミングされたコンピュータシステムの動作及びプロセスを指すと理解すべきである。そのコンピュータシステムとは、コンピュータシステム１００又は類似の電子演算装置であり、そのレジスタ及びメモリ内の物理（電子的）量として表されるデータを、そのメモリ若しくはレジスタ又は他のそのような情報記憶装置、伝送装置又は表示装置内の物理量として同様に表される他のデータに操作しかつ変換する

【0077】

コンピュータシステム１００は、バス１０２に接続された通信インターフェース１１８も含む。通信インターフェース１１８は、コンピュータネットワークとの双方向データ通信チャネルを提供することができ、これは、上記で説明した多様なコンピュータシステムへの接続を提供する。例えば、通信インターフェース１１８は、互換性のあるＬＡＮへのデータ通信接続を提供するローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）カードとすることができ、それ自体が１つ以上のインターネットサービスプロバイダーネットワークを介してインターネットに通信可能に接続されている。そのような通信経路の正確な詳細は、本発明にとって重要ではない。重要なのは、コンピュータシステム１００が通信インターフェース１１８を介してメッセージ及びデータを送受信し、そのようにしてインターネットを介してアクセス可能なホストと通信できることである。

【0078】

このように、基板の表面を前処理し、前処理された表面上にエピタキシャルIII－V層を成長させるための方法及びシステムが説明された。上記の説明は例示的なものであり、限定的なものではないことを理解されたい。上記の説明を検討すれば、当業者には他の多くの実施形態が明らかであろう。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲を参照して、そのような特許請求の範囲が権利付与される均等物の全範囲とともに決定されるべきである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図9A】

【図9B】

【図10A】

【図10B】

【図11A】

【図11B】

【図12A】

【図12B】

【図12C】

【図13A】

【図13B】

【図13C】

【図13D】

【図13E】

【図14】