JP2007273806A - 半導体基板の洗浄方法および洗浄装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微細パターンが形成された半導体基板を、微細パターンにダメージを与えることなく、洗浄を行うことができる半導体基板の洗浄方法、および洗浄装置を提供する。
【解決手段】表面に微細パターンが形成された半導体基板を洗浄する処理において、洗浄処理チャンバー内で半導体基板のパターン面を下向きにして保持するとともに、洗浄処理チャンバー内に蒸気を供給して半導体基板表面で液滴を結露させて微細パターンの間の異物除去を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体基板表面に形成された微細パターンに対しダメージを与えることなく微細パターンの間の異物を除去することのできる半導体基板の洗浄方法およびその洗浄装置に関するものである。

従来、半導体装置の製造における微細パターンの形成工程では、フォトリソグラフィーによって形成されたレジストパターンをマスクとしたドライエッチングによりパターンニングを行った後に、洗浄処理によりレジストパターンの除去を行っている。洗浄処理において、ドライエッチング後のレジスト残渣、ドライエッチング生成物やパーティクルなどの異物が除去されないと、半導体装置の製品歩留まりが著しく低下するという問題を生じる。

通常これらの洗浄においては、薬液を用いて化学反応により異物を除去する化学洗浄と、洗浄液や純水等に超音波を印加するなどの物理的に異物を除去する物理洗浄が用いられている。化学洗浄では、除去する異物それぞれに対応する洗浄液が用いられることが多い。例えば、レジスト残渣のような有機物は硫酸と過酸化水素水の混合液を用いて洗浄が行われる。また、基板表面に付着するパーティクルに対しては、アンモニア水と過酸化水素水の混合液が用いられる。一方、ブラシや超音波などの物理洗浄は、異物の粒径が大きい場合などに用いられることが多い。なお、いずれか一方の洗浄では十分な洗浄効果が得られない場合は、化学洗浄と物理洗浄を組合せて異物除去を行うことも可能である。

しかしながら、半導体装置の微細化が進むにつれて、基板表面に形成されたパターンの機械的強度は弱くなり、従来の超音波を利用した洗浄方法では、微細パターンの倒壊や破損などのパターンダメージを与えてしまう。このため、物理洗浄を用いて異物を除去することが困難になっている。微細パターンに与えるダメージは、半導体装置の性能劣化を引き起こし、歩留まりを著しく低下させてしまう。この対策として、後掲の特許文献１では２種類の超音波を交互に、あるいは一定間隔で繰り返すことにより異物の除去能力を落とすことなくパターンダメージを防止する洗浄方法が提案されている。

また、微細化によりパターン間隔が狭くなることから、表面張力によって微細パターンの間まで洗浄液が浸入できず、十分な洗浄効果が得られなくなってきている。これを解決するために特許文献２では、蒸気を微細パターンの間で結露させた後に薬液を供給することにより微細パターンの間への薬液の浸入効果を高めて異物の除去能力を向上させる洗浄方法が提案されている。
特開２００２−２８９５６５号公報 特開平２−１７７３２７号公報

しかしながら、更なる半導体装置の微細化に伴い、物理力によって異物除去を行うことが困難になっているばかりでなく、半導体基板表面に供給される洗浄液や純水の水圧、あるいはスピン洗浄時の遠心力等によっても微細パターンにダメージを与えてしまうことが確認されている。すなわち、超音波を用いた異物除去は不可能となり、さらに、蒸気を利用して微細パターンの間へ洗浄液を浸入させることができても、洗浄液を供給するだけで微細パターンに圧力がかかり、パターンにダメージを与えてしまう。

そこで本発明では、微細パターンにダメージを与えることなく、微細パターンの間の異物を効果的に除去することのできる洗浄方法を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するため、本発明に係る半導体基板の洗浄方法は、表面に微細パターンが形成された半導体基板を洗浄する処理において、基板保持機構により処理チャンバー内で半導体基板のパターン形成面を下向きにして保持するとともに、処理チャンバー内に蒸気を供給して半導体基板表面で結露させ、微細パターンの間の異物を半導体基板から引き離し、自重により落下させて異物の除去を行うことを特徴としている。

上記の洗浄方法において、蒸気を供給して半導体基板上で液滴を形成させると同時に、微細パターンの間の異物に応じて所望の気体を供給してもよい。これにより、半導体基板で結露した液滴に供給した気体を溶解させて、液滴の水素イオン濃度を好適な値に調整して洗浄を行うことができ、半導体基板から異物を除去する効果を高めることができる。さらに微細パターンの間の異物に応じて、最適に除去することのできる所望の洗浄液を加温することによって生成した薬液蒸気を処理チャンバー内に供給し、半導体基板表面上で結露させてもよい。この場合、半導体基板表面に結露する液滴の水素イオン濃度は、加温する洗浄液の濃度を制御することによって変化させることができ、異物の除去効果を高めることができる。

上記の薬液蒸気による洗浄処理が行われた後には、続いて純水蒸気を供給することによって半導体基板に結露している液滴のリンス処理を行ってもよい。また、リンス処理の後、処理チャンバー内に窒素ガスやＩＰＡなどの乾燥用気体を供給することによって乾燥処理を行ってもよい。

また、本発明に係る半導体基板の洗浄装置は、半導体基板を保持する機構と、微細パターンが下方を向くように保持された半導体基板に下方より蒸気を供給する手段を備えることを特徴としている。この構成において、さらに半導体基板表面に結露した液滴に所望の薬液を溶解させるための気体供給手段と、気体の溶解した液滴の濃度や水素イオン濃度を制御するために処理チャンバー内の圧力と温度、及び供給する気体の流量を相互に制御する機構とを備えてもよい。加えて、半導体基板表面に結露させる液滴の量を制御するために、半導体基板の温度を制御する機構を備えてもよい。

本発明によれば、超音波等の物理洗浄による微細パターンへのダメージを発生させることなく、微細パターンの間の異物を効果的に除去することができる。また本発明によれば、結露させる液滴の濃度を、異物除去に最適な濃度にすることができ、異物除去効果を高めることができる。さらに、異物の種類によらず最適な洗浄処理を行うことができる。

以下、本発明の実施の形態に係る半導体基板の洗浄方法および洗浄装置について、図面を参照して説明する。

まず、本発明に係る蒸気を用いた洗浄の異物除去メカニズムを、図１を参照して説明する。微細パターンの加工された半導体基板４の表面や微細パターン６の間には有機物やパーティクル等の異物９が付着している（図１（ａ））。パターン形成面が下向きになるように保持された半導体基板４に供給された蒸気は、基板上で温度降下により結露し液滴１０を形成する（図１（ｂ））。異物９を取り囲むように結露した液滴１０は半導体基板４から異物９を引き離す。液滴１０は一定の大きさになると同時に自重により落下して、異物９は再付着することなく半導体基板４表面から除去される（図１（ｃ））。

例えば、半導体基板４表面がシリコン、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等からなり、異物９が主成分の一つにシリコンを含むようなパーティクルである場合、基板表面に結露した液滴の水素イオン濃度（以下、ｐＨ）をアルカリ性に制御すれば、ゼータ電位を利用して半導体基板４と異物９とを反発させることができ、除去効果を高めることができる。また異物９が金属からなるパーティクルである場合には、前述のゼータ電位だけでなく、液滴のｐＨを酸性に制御して金属を溶解させて除去しても良い。さらに、異物９がレジスト残渣やポリマーなどの有機物である場合は、薬液蒸気を供給して基板表面で結露させることにより有機異物を溶解させて除去する、あるいは有機異物を酸化させた後に液滴のｐＨを制御してゼータ電位により除去するなどを組み合わせることによっても異物の除去性を高めることができる。

次に本発明に係る基板洗浄方法を実施するための洗浄装置を、図２の概略図を用いて説明する。半導体基板４はパターン面が下向きになる状態で洗浄処理チャンバー１内に搬送され、当該状態で洗浄処理チャンバー１内上部の基板保持機構３（基板保持手段）によって半導体基板４の端面が保持される。洗浄処理において半導体基板４はその表面に結露する液滴の量を制御するために、ペルチェ素子等の基板温度制御機構３１（基板温度制御手段）によって温度制御される。本実施形態では、基板温度処理機構３１は、保持された半導体基板の上方に設置されている。

洗浄処理チャンバー１内の下部には薬液槽２が設置されている。薬液槽２は純水や薬液を洗浄処理チャンバー１の外部から薬液槽２に供給するための薬液供給手段７と、供給された純水や薬液を加温して蒸気化するための薬液槽加温ヒーター８と、薬液槽２内の薬液の濃度を測定するための濃度測定器２１とを備えている。洗浄処理チャンバー１は半導体基板４への蒸気の供給を制御するための雰囲気制御板５により上下に分離可能に構成され、蒸気の供給を停止した状態で気体供給手段６１から窒素ガスやミスト化したＩＰＡ等を供給することで、半導体基板４に付着した液滴が乾燥される。

また、本実施形態の洗浄装置は、蒸気による洗浄処理中に、気体供給手段６１からアンモニア等のガスを供給することにより、半導体基板４の表面上に結露した液滴に供給したガスを溶解させ、異物の除去効果を高めることができる。液滴に溶解される気体の量は気体供給手段６１に介在された気体流量計６２によって測定され、洗浄処理チャンバー１に備えられたチャンバー内圧測定器１１とチャンバー内温度測定器１２によってチャンバー内の状態（圧力と温度）と供給されるガスの流量とをそれぞれに制御することにより、液滴に溶解されるガスの量を制御する。

次に上記構成の洗浄装置における半導体基板の洗浄処理方法について説明する。まず、薬液槽２に薬液供給手段７から純水が供給される。純水は薬液槽加温ヒーター８によって加温されて純水蒸気を発生する。発生した蒸気は半導体基板４に供給され、温度差によって半導体基板４表面上に結露し水滴を形成する。このとき基板温度制御機構３１は、結露量が多くなるように半導体基板４の温度を制御する。異物９を取り囲むように結露して形成された水滴は、異物９を半導体基板４から引き離した後、自重により落下して異物除去が行われる。このとき、水滴の落下効率を高めるため、基板保持機構３は、半導体基板４上のパターンにダメージを発生させないような５００ｒｐｍ以下の低速度（１０から１００ｒｐｍが望ましい）で半導体基板４を回転させる、若しくは、半導体基板４を水平面に対して３０度以下に傾斜させて保持しても良い。

所定時間の洗浄処理を行った後に、薬液槽加温ヒーター８を停止して純水の温度を低下させることによって蒸気の供給を停止するとともに、雰囲気制御板５により薬液槽２と半導体基板４との間の蒸気の供給経路を遮断する。このとき、基板温度制御機構３１は半導体基板４の温度を上昇させ、半導体基板４への結露量を減少させる。同時に、気体供給手段６１から窒素ガスやミスト化したＩＰＡ等を供給することにより、半導体基板４に対する酸素の反応を抑制し、ウォーターマーク等の発生を防止しつつ半導体基板４表面上に残留する水滴を除去する。このとき、乾燥処理効果を高めるために、分離された洗浄処理チャンバー１内を減圧下に制御した後、乾燥用気体の供給を行っても良い。所定時間の後、水滴は完全に除去され、半導体基板４の乾燥処理は終了する。

（変形例１）
上述したように、上記基板洗浄方法において、蒸気を半導体基板４に供給している間に、気体供給手段６１から所望のガスを供給してもよい。これにより、半導体基板４の表面上で結露した水滴に供給されたガスが溶解し、異物９の除去効果を高めることができる。このとき供給されるガスは、異物９の材質に応じて選択することが望ましい。特に、異物９が付着パーティクルである場合には、異物だけでなく半導体基板４の表面状態（表面の材質）のそれぞれに応じて供給するガスを選択することが望ましい。

例えば、異物９と異物９の付着面とがともにシリコンを主成分としている場合には、気体供給手段６１からアンモニアガスなどを供給して半導体基板４の表面に結露した液滴（ここでは、供給ガスが溶解した水滴）のｐＨをアルカリ側に制御することが好ましい。これにより、ゼータ電位を利用して半導体基板４と異物９とを反発させることができ、異物９の除去効果を高めることが可能である。なお、気体供給手段６１が供給するガスは、半導体基板４表面の液滴をアルカリ性にすることができるガスであれば任意のガスを使用することができる。

また、異物９が金属を一成分とするパーティクルである場合には、塩化水素ガスなどを気体供給手段６１から供給して、半導体基板４の表面に結露した液滴のｐＨを酸側に制御してもよい。この場合、金属パーティクルの溶解反応を促進させることができ、異物９を効率よく除去することができる。なお、気体供給手段６１が供給するガスは、半導体基板４表面の液滴を酸性にすることができるガスであれば任意のガスを使用することができる。特に、金属成分の溶解効果を高めることのできるガスを使用することが好ましい。

なお、これらの処理を組み合わせて、あるいは連続して洗浄処理を行っても良い。これにより、異物９を種類によらず除去することが可能となる。

また、液滴のｐＨの制御は、供給ガスの流量を測定するとともに、チャンバー内圧と温度を測定し、ガス流量、チャンバー内圧力、及びチャンバー内温度を調整することにより制御することができる。例えば、供給ガスの溶解量を多くする場合には流量を多くする、または内圧や温度を高くする。逆に、溶解量を少なくする場合には供給ガスの流量を減らす、またはチャンバーの内圧や温度を下げる。このように、ガス流量、チャンバー内圧力、及びチャンバー内温度を調整することにより、結露した液滴の濃度やｐＨなどの制御を行うことができる。

また、異物９がレジスト残渣などの有機物である場合には、気体供給手段６１からオゾンガス等を供給することにより、除去効果を高めることができる。このように、水滴に溶解させることが難しいガスを使用する場合には、気体供給手段６１からガスを供給して異物９の溶解反応を行った後に、薬液槽２から蒸気を供給して異物の除去を行うなど、気体供給手段６１が気体を供給するタイミングを変更して洗浄を行っても良い。

なお、以上のように、水滴にガスを溶解させた場合には、洗浄処理に続いて薬液槽２内に純水を供給して加温することにより半導体基板４に純水蒸気を供給し、結露した液滴のリンス処理を行った後に乾燥処理を行うことが望ましい。

（変形例２）
ところで、上記基板洗浄方法において、薬液槽２内に薬液供給手段７から所望の薬液を供給し、当該薬液を加温することにより発生した薬液蒸気を半導体基板４に供給して結露させても良い。すなわち、異物９が付着パーティクルである場合には、薬液槽２にアンモニア水を供給し、加温することによりアンモニア蒸気を発生させる。半導体基板４表面でアンモニア水の液滴を結露させることにより、ゼータ電位を利用して半導体基板４と異物９とを反発させることができ、付着パーティクルを効果的に除去することができる。このとき、薬液槽２内の薬液の濃度は、濃度測定器２１によって測定され、当該測定結果に基づいて半導体基板４の表面に結露させる液滴の濃度やｐＨを制御することが望ましい。本変形例においても変形例１と同様に、薬液蒸気によって結露した液滴を、純水蒸気を用いてリンス処理を行った後に乾燥処理を行うことが望ましい。

なお、以上で説明した実施形態は本発明の技術的範囲を制限するものではなく、既に記載したもの以外でも、本発明の範囲内で種々の変形や応用が可能である。例えば、上記実施形態では、洗浄処理チャンバーの下方に雰囲気制御板と薬液槽を配置したが、下方を向いた微細パターン形成面に下方より蒸気を供給可能な構造であれば任意の配置を採用することができる。

本発明の一実施形態における異物除去メカニズムを示す概略図 本発明の一実施形態における半導体基板の洗浄装置を示す概略構成図

符号の説明

１ 洗浄処理チャンバー
２ 薬液槽
３ 基板保持機構（基板保持手段）
４ 半導体基板
５ 雰囲気制御板
７ 薬液供給手段
８ ヒーター
９ 異物
１１ チャンバー内圧測定器
１２ チャンバー内温度測定器
２１ 濃度測定器
３１ 基板温度制御機構（基板温度制御手段）
６１ 気体供給手段
６２ 気体流量計

Claims (7)

1. 微細パターン形成面が下方を向く状態で半導体基板を処理チャンバー内で保持し、処理チャンバー内に供給された蒸気を結露させて半導体基板表面に液滴を発生させることにより異物を除去することを特徴とする半導体基板の洗浄方法。
2. 半導体基板上で結露した液滴に酸系若しくはアルカリ系の気体を溶解させて、異物を除去することを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の洗浄方法。
3. 酸性若しくはアルカリ性薬液を加温することによって発生させた蒸気を半導体基板に供給することにより異物を除去することを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の洗浄方法。
4. 異物を除去後に純水蒸気によるリンス処理を行うことを特徴とする請求項２又は３に記載の半導体基板の洗浄方法。
5. チャンバー内で半導体基板を保持する手段と、
   前記保持手段に微細パターン形成面が下方を向く状態で保持された半導体基板に下方より蒸気を供給する手段と、
   を備えた半導体基板の洗浄装置。
6. 半導体基板表面に結露した液滴に溶解させる所望の気体を供給する気体供給手段と、
   前記供給気体の流量を測定する手段と、
   前記チャンバー内の圧力を測定する手段と、
   前記チャンバー内の温度を測定する手段と、
   を備え、
   前記供給気体の流量とチャンバー内の圧力とチャンバー内の温度とを相互に制御して、半導体基板表面に結露した液滴に対する気体の溶解量を制御することを特徴とした請求項５に記載の半導体基板の洗浄装置。
7. 前記保持手段に保持された半導体基板の温度を制御する手段を備えたことを特徴とする請求項５に記載の半導体基板の洗浄装置。
   
   

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