JP2007273806A - Semiconductor substrate cleaning method and cleaning apparatus - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a method for cleaning a semiconductor substrate and a cleaning apparatus for the same, which can remove foreign matters between fine patterns without damaging the fine patterns formed on the surface of the semiconductor substrate.
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。 Conventionally, in a fine pattern forming process in the manufacture of a semiconductor device, after performing patterning by dry etching using a resist pattern formed by photolithography as a mask, the resist pattern is removed by a cleaning process. In the cleaning process, there is a problem in that the yield of the semiconductor device is significantly reduced unless foreign matters such as resist residues after dry etching, dry etching products and particles are removed.
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。 Usually, in these cleanings, chemical cleaning that removes foreign matters by chemical reaction using a chemical solution and physical cleaning that physically removes foreign matters such as applying ultrasonic waves to a cleaning solution or pure water are used. In chemical cleaning, a cleaning solution corresponding to each foreign substance to be removed is often used. For example, organic substances such as resist residues are washed using a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution. For particles adhering to the substrate surface, a mixed solution of ammonia water and hydrogen peroxide solution is used. On the other hand, physical cleaning such as brushes and ultrasonic waves is often used when the particle size of foreign matter is large. In addition, when a sufficient cleaning effect cannot be obtained by either one of the cleanings, it is possible to remove foreign substances by combining chemical cleaning and physical cleaning.
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。
However, as the miniaturization of semiconductor devices progresses, the mechanical strength of the pattern formed on the substrate surface becomes weaker, and conventional ultrasonic cleaning methods cause pattern damage such as collapse or breakage of the fine pattern. End up. For this reason, it is difficult to remove foreign substances using physical cleaning. The damage given to the fine pattern causes the performance of the semiconductor device to deteriorate and significantly reduces the yield. As a countermeasure against this,
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。
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。 However, along with further miniaturization of semiconductor devices, it is difficult not only to remove foreign substances by physical force, but also the pressure of cleaning liquid or pure water supplied to the surface of the semiconductor substrate, or centrifugation during spin cleaning. It has been confirmed that the fine pattern is also damaged by force or the like. In other words, foreign matter removal using ultrasonic waves becomes impossible, and even if the cleaning liquid can be infiltrated between the fine patterns using vapor, pressure is applied to the fine pattern simply by supplying the cleaning liquid. Will be damaged.
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。 Therefore, an object of the present invention is to provide a cleaning method that can effectively remove foreign matters between fine patterns without damaging the fine patterns.
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。 In order to solve the above-described problems, a method for cleaning a semiconductor substrate according to the present invention provides a method for cleaning a semiconductor substrate having a fine pattern formed on a surface thereof, wherein a pattern forming surface of the semiconductor substrate is formed in a processing chamber by a substrate holding mechanism. While holding downward, vapor is supplied into the processing chamber to cause condensation on the surface of the semiconductor substrate, and the foreign matter between the fine patterns is pulled away from the semiconductor substrate and dropped by its own weight to remove the foreign matter. .
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。 In the above cleaning method, vapor may be supplied to form droplets on the semiconductor substrate, and at the same time, a desired gas may be supplied according to the foreign matter between the fine patterns. As a result, the gas supplied to the droplets condensed on the semiconductor substrate can be dissolved, the hydrogen ion concentration of the droplets can be adjusted to a suitable value, and cleaning can be performed, and the effect of removing foreign matters from the semiconductor substrate is enhanced. be able to. Furthermore, chemical vapor generated by heating a desired cleaning liquid that can be optimally removed according to foreign matter between the fine patterns may be supplied into the processing chamber to cause condensation on the surface of the semiconductor substrate. In this case, the hydrogen ion concentration of the droplets condensed on the surface of the semiconductor substrate can be changed by controlling the concentration of the cleaning liquid to be heated, and the foreign matter removal effect can be enhanced.
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。 After the cleaning process using the chemical liquid vapor is performed, the liquid droplets condensed on the semiconductor substrate may be subsequently rinsed by supplying pure water vapor. Further, after the rinsing process, the drying process may be performed by supplying a drying gas such as nitrogen gas or IPA into the processing chamber.
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。 The semiconductor substrate cleaning apparatus according to the present invention includes a mechanism for holding the semiconductor substrate and means for supplying vapor from below to the semiconductor substrate held so that the fine pattern faces downward. In this configuration, a gas supply means for dissolving a desired chemical in the droplets condensed on the surface of the semiconductor substrate, and a pressure in the processing chamber for controlling the concentration of the gas-dissolved droplets and the hydrogen ion concentration, You may provide the mechanism which mutually controls temperature and the flow volume of the gas to supply. In addition, a mechanism for controlling the temperature of the semiconductor substrate may be provided in order to control the amount of droplets condensed on the surface of the semiconductor substrate.
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。 According to the present invention, foreign matters between fine patterns can be effectively removed without causing damage to the fine patterns due to physical cleaning such as ultrasonic waves. Further, according to the present invention, the concentration of droplets to be condensed can be set to an optimum concentration for removing foreign matter, and the foreign matter removing effect can be enhanced. Furthermore, an optimum cleaning process can be performed regardless of the type of foreign matter.
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。 Hereinafter, a semiconductor substrate cleaning method and cleaning apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
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))。
First, a foreign matter removal mechanism for cleaning using steam according to the present invention will be described with reference to FIG.
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。
For example, when the surface of the
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。
Next, a cleaning apparatus for carrying out the substrate cleaning method according to the present invention will be described with reference to the schematic view of FIG. The
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。
A chemical tank 2 is installed in the lower part of the
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。
Further, the cleaning apparatus of the present embodiment dissolves the gas supplied to the droplets condensed on the surface of the
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。
Next, a method for cleaning a semiconductor substrate in the cleaning apparatus having the above configuration will be described. First, pure water is supplied from the chemical solution supply means 7 to the chemical solution tank 2. The pure water is heated by the chemical
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。
After performing the cleaning process for a predetermined time, the chemical
(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。
(Modification 1)
As described above, in the substrate cleaning method, a desired gas may be supplied from the gas supply means 61 while the vapor is supplied to the
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。
For example, in the case where both the
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。
When the
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。
In addition, you may perform a washing process combining these processes or continuously. As a result, the
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。 Further, the pH of the droplet can be controlled by measuring the flow rate of the supply gas, measuring the chamber internal pressure and temperature, and adjusting the gas flow rate, chamber internal pressure, and chamber internal temperature. For example, when the amount of supply gas dissolved is increased, the flow rate is increased or the internal pressure or temperature is increased. Conversely, when the amount of dissolution is reduced, the flow rate of the supply gas is reduced, or the internal pressure and temperature of the chamber are reduced. In this way, by adjusting the gas flow rate, the pressure in the chamber, and the temperature in the chamber, it is possible to control the concentration and pH of the condensed droplets.
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。
Further, when the
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。
As described above, when the gas is dissolved in the water droplets, pure water is supplied to the
(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。
(Modification 2)
By the way, in the substrate cleaning method, a chemical solution generated by supplying a desired chemical solution from the chemical solution supply means 7 into the chemical solution tank 2 and heating the chemical solution may be supplied to the
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。 The embodiments described above do not limit the technical scope of the present invention, and various modifications and applications can be made within the scope of the present invention other than those already described. For example, in the above embodiment, the atmosphere control plate and the chemical solution tank are arranged below the cleaning treatment chamber. However, any arrangement may be adopted as long as the structure can supply steam from below to the fine pattern forming surface facing downward. be able to.
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
1 Cleaning treatment chamber 2
4 Semiconductor substrate 5
61 Gas supply means 62 Gas flow meter
Claims (7)
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。 Means for holding the semiconductor substrate in the chamber;
Means for supplying vapor from below to the semiconductor substrate held in a state where the fine pattern forming surface faces downward in the holding means;
A semiconductor substrate cleaning apparatus comprising:
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。 Gas supply means for supplying a desired gas to be dissolved in droplets condensed on the surface of the semiconductor substrate;
Means for measuring the flow rate of the supply gas;
Means for measuring the pressure in the chamber;
Means for measuring the temperature in the chamber;
With
6. The amount of gas dissolved in a droplet condensed on the surface of a semiconductor substrate is controlled by mutually controlling the flow rate of the supply gas, the pressure in the chamber, and the temperature in the chamber. Semiconductor substrate cleaning equipment.
6. The semiconductor substrate cleaning apparatus according to claim 5, further comprising means for controlling a temperature of the semiconductor substrate held by the holding means.
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