JP2009543319A - 半導体ウェーハの洗浄方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、ウェーハ(1)が少なくとも室温より10℃高い温度にあり、該ウェーハ(1)をウェーハ表面(3)と垂直な軸の周りで回転させ、また水をウェーハ表面(3)に分配する熱間すすぎ工程を備えたウェーハ(1)の表面(3)を洗浄する方法を提供する。その後、ウェーハ(1)をウェーハ表面(3)と垂直な軸の周りで回転させ、その環境の湿度がウェーハ表面(3)を水の膜(13)で覆ったままウェーハ表面(3)の水を部分的に除去するようなものとする第一乾燥工程を実行する。第一乾燥工程に続いて第二乾燥工程を行って、水の膜(13)をウェーハ表面(3)から除去する。本発明に係る方法は、ウェーハ表面(3)上の金属イオン汚染を有利に低減する。

Description

本発明は半導体ウェーハを洗浄する方法に関する。
半導体処理では、一般に2つの技術がウェーハを洗浄するために適用される。それは、ウェーハを洗浄する化学薬品を含む浴への浸漬と、洗浄効果を有する化学薬品のウェーハへの噴霧である。両方の技術は枚葉式処理およびバッチ式処理で利用可能である。枚葉式処理では、バッチ式処理よりも短い時間ウェーハを化学薬品に曝露する。洗浄処理の目的は、例えば有機汚染物や金属イオンのような不所望な粒子をできるだけ多く取り除くことである。
米国特許公開第2004/0127044号には単一ウェーハを洗浄する方法が開示されており、これはウェーハが枚葉湿式洗浄処理中に経験し得る気液界面数を最小にすることによって粒子欠陥を減ずるもので、疎水性表面を有するウェーハにとって特に重要である。これは、液体溶液を枚葉式洗浄室内で水平に置かれたウェーハに疎水性のウェーハ表面を該液体で覆うに十分な流速で分配する一方、疎水性の表面を液体で覆うのに十分低いウェーハ回転速度を維持することにより達成される。さらに、前記方法は、洗浄液中でのエッチング種とウェーハの間の反応をpHの変化の間最小限にする、例えばpHの変化の間洗浄液を冷却することによってウェーハ表面上での粒子欠陥、特にシリカ凝集塊を減少または排除することを含む。キレート剤を変性SC-1(標準洗浄 1)洗浄液に適用して金属イオン不純物を結合し、次いで該変性SC-1(標準洗浄 1)溶液と共に除去する。 しかし、いくつかの金属イオン、例えばAlとCrがキレート剤によって結合されず、それゆえウェーハ上に汚染物質として残るものと思われる。
本発明の目的は、金属イオン汚染を減少するウェーハ表面の洗浄方法を提供することにある。本発明は、請求項1で要求されるような洗浄方法を提供する。有利な実施形態は、従属請求項で定義される。
本発明に係る洗浄方法は、
ウェーハが室温より少なくとも10℃高い温度にあり、該ウェーハをウェーハ表面と垂直な軸の周りで回転させ、そして水を前記ウェーハ表面に分配する熱間すすぎを備えた第一工程と、
ウェーハを該ウェーハの表面と垂直な軸の周りで回転させ、ウェーハ表面上の水の蒸発率が、ウェーハ表面を水の膜で覆われたままにしながらウェーハの回転により水をウェーハ表面から主として除去するようなものである第二工程と、
前記水の膜をウェーハ表面から除去する第三工程と
を備えることを特徴とする。
第一工程は、金属汚染物を含む余分な水を振り落とすことにより、前記金属汚染物をウェーハ表面から除去する。第二工程は、ウェーハを回転させると同時に、水の蒸発率を減じ、ウェーハの回転で生じた遠心力により水をウェーハ表面から主として除去するような湿度を付与してウェーハ表面が乾燥して金属汚染物が該ウェーハ表面上に不利に残るのを防止することにより、前記金属汚染物を含む水をウェーハ表面から除去する。第三工程は、残留水をウェーハ表面から速やかに除去する。
本発明に係る洗浄方法の実施形態では、ウェーハが室温で、水をウェーハ表面に分配する冷間すすぎ工程に前記第一工程を先行させる。冷間すすぎ工程は、Feのような重金属の堆積を減少させる。
本発明に係る洗浄方法の実施形態では、前記方法を枚葉式処理に適用する。 第一工程の期間が0.5秒から90秒で、第二工程の期間が10秒から100秒であるのが好ましい。本実施形態では、第一工程及び第二工程中の回転速度が1分当たり1000回転より高いのが好ましい。
本発明に係る洗浄方法の実施形態では、前記方法をバッチ式処理に適用する。第一工程の期間が、20秒から300秒で、第二工程の期間が30秒から300秒であるのが好ましい。本実施形態では、第一工程及び第二工程中の回転速度が1分当たり200回転より高いのが好ましい。
本発明に係る洗浄方法の実施形態では、水を第一工程中ウェーハ表面上に徐々に減少する流速で分配する。 これは、ウェーハ表面上に残留する水膜、すなわちキャリーオーバー層の厚さを有利に減じ、ウェーハ表面上に残留する金属汚染物の数の減少に有益である。
本発明に係る洗浄方法の実施形態では、窒素ガス流が環境の湿度を制御し、該ガス流量が第二工程より第三工程で高い。
本発明の方法を図面を参照して更に説明する。図は縮尺通りに描かれたものではない。図中、同一構成材は通常同一の符号で示す。
洗浄処理中、シリコンウェーハ上の総金属イオン濃度に寄与するいくつかの給源がある。金属イオンの第一給源は、半導体ウェーハ上に延在する二酸化珪素と水からなるシリカ(SiOH)層での金属イオンの吸収である。これは、シリカ層が天然の酸化物層であるか、又は例えばオゾンまたは硫酸系洗浄液で化学的に成長されたものであれば、生起する。該シリカ層は多量の水を含み、いくつかの金属イオンに対して透過性である。シリカ層に存在する金属イオンは除去し難く、主にシリカ層のエッチングだけが金属イオンを除去することができるが、いくつかの技術では選択されない。熱的成長の二酸化珪素層を有するシリコンウェーハがほとんど金属イオンを吸収しないことに注意すべきである。金属イオンの第二の給源は、多くの吸収点を備えるシリカ層の表面である。金属イオンを該表面で吸収するためのいくつかの方法があり、例えばその一つがSi-OH基とのイオン交換反応である。金属イオンの第三の給源は、すすぎ工程後の乾燥工程で生じ、この場合浸漬処理ではウェーハを液体、例えば脱イオン(DI)水から引き上げることにより、または旋回処理では過剰な液体を振り落とすウェーハの回転によってウェーハを乾燥する。親水性のシリカ表面上に所謂キャリーオーバー層が乾いたままで残留し、このようにして前記キャリーオーバー層中に存在する汚染物がシリカ層の表面に堆積される。旋回処理では、キャリーオーバー層を遠心力によると同時に液体の蒸発により減ずる。蒸発が表面に残る汚染をもたらし、そして遠心力が汚染物を有する液体をウェーハから除去する。
図1は、本発明に係るシリコンウェーハ(1)の表面を単一ウェーハに適用するスプレー装置で洗浄する方法を示す。ウェーハ(1)を水平方向に置き、洗浄処理中該ウェーハ表面の中心に垂直な軸(2)の周りで回転する。ウェーハ(1)上の粒子が、洗浄液とすすぎをウェーハ(1)の表面に適用することにより一部除去される。洗浄液はRCA洗浄方法に基づくものであり、 APM(水酸化アンモニア−過酸化水素−水の混合物、NH4OH/H2O2/H2O)、すなわちSC-1(標準洗浄 1)、続いてDI水によるすすぎ、然る後HPM (塩酸−過酸化水素−水の混合物
、HCl/H2O2/H2O)、すなわちSC-2(標準洗浄2)である。APMは、ウェーハ(1)の表面から粒子を主として除去するのに用いる洗浄液であり、表面の有機物を除去することもできる。これは、化学酸化物(親水性の表面)をウェーハ(1)の表面に形成する。HPMは、金属汚染物を主として除去するのに用いる洗浄液で、金属の堆積を回避する。
図2にウェーハ(1)の横断面を示すように、化学酸化物層(12)がAPM洗浄工程でシリコンウェーハ(1)の表面に形成される。シリコンウェーハ(1)の表面上、または化学酸化物層(12)の表面上に吸着される金属イオンを除去するために、熱間すすぎ工程を適用し、この場合DI水をウェーハ表面全体に分配して水及び金属イオン汚染物からなるキャリーオーバー層 (13)を作成する。ウェーハ(1)を、適用した設備の仕様に応じ、例えば400RPMから10000RPM(1分間当たりの回転数)、好ましくは1000RPMと3000RPMの間である高い回転速度で回転させて、金属イオンを含んだ水をウェーハ(1)の表面からより多く振り落とす。熱間すすぎ工程中のウェーハ(1)の温度は、室温より少なくとも10℃高い、例えば40℃である。熱間すすぎ工程は、特にすすぎ設備の容量の最適化及びウェーハ(1)の全表面にわたる金属イオンの除去の均一性に応じて、比較的短く0.5秒から90秒の間であり、通常約5秒である。熱間すすぎ工程は、ウェーハ(1)の表面上により薄いキャリーオーバー層(13)を付与し、その結果ウェーハ(1)の乾燥が始まる前にウェーハ表面に残される金属イオンを減少する。DI水の流速は熱間すすぎ工程の終わりで極めて低いのが好ましく、これによりさらに薄いキャリーオーバー層(13)が得られる。低いDI水流を得る好適な方法は、熱間すすぎ工程の間DI水の流速を、例えば1分あたり2リットルから1分あたり150ミリリットルまで直線的に徐々に減少させることである。
一実施形態では、ウェーハ(1)の温度が室温で、DI水を回転するウェーハ(1)全体に、例えば1分あたり2リットルである流速で分配する冷間すすぎ工程より、熱間すすぎ工程を先行させることができる。冷間すすぎ工程は、例えばFeのような重金属イオンがウェーハ(1)の表面に堆積するのを減じる。
熱間すすぎ工程の後、ウェーハ(1)を制御された方法で乾燥する。第一の乾燥工程を比較的高い湿度環境で行って、キャリーオーバー層(13)における水の蒸発率を減少する。これは、ウェーハ(1)を高い回転速度で回転し、キャリーオーバー層(13)における水の蒸発率を減ずるため、低い回転速度のとき以上により多くの水をウェーハ(1)から除去、または振り落として、ウェーハ(1)上での金属イオン汚染を減少することを意味する。熱間すすぎ工程中ウェーハ(1)の表面を水の(薄い)膜で覆ってキャリーオーバー層(13)の乾燥を回避し、これにより増加した数の金属イオンをウェーハ表面に残すことが重要である。ウェーハ(1)の高い回転速度は、適用した設備の仕様に左右され、例えば400RPMから10000RPM、好ましくは1000RPMから3000RPMである。ウェーハ(1)の表面が水を含む薄いキャリーオーバー層(13)に覆われたままで、例えば湿った窒素ガス流又はシールドプレートを適用することによって湿度を高く保持し、これにより低窒素ガス流と組み合わせて半閉塞的な環境を作成する。一般に、環境の湿度は80%から100%、好ましくは95%までであり、先行する熱間すすぎ工程中の湿度に匹敵する。第一乾燥工程は、特に適用した洗浄設備の容量の最適化に応じて10秒から100秒である。
最終的に、第二乾燥工程はウェーハ(1)をできるだけ速かに乾燥させる。このため、高い窒素ガス流を適用し、ウェーハ(1)を加熱して環境の湿度を減じ、またウェーハ(1)を適用した設備の仕様に応じて、例えば400RPMと10000RPMの間である高速で回転させる。
本発明に係る方法の実験結果は、一般的な洗浄方法と比較して2倍またはそれ以上の金属イオン汚染の減少を示す。
本発明に係る洗浄方法を所謂バッチ式処理に適用することもでき、この場合洗浄すべき
ウェーハを備える少なくとも一つのウェーハカセットをバッチ洗浄装置に置く。バッチ洗浄装置を使用すると、ウェーハの最高可能回転速度が通常枚葉式のスプレー装置を用いる時よりも小さい。例えば、バッチ洗浄装置で得ることができる高い回転速度は、200RPMより高い。バッチ洗浄装置の場合、熱間すすぎ工程の時間は20秒から300秒、好ましくは90秒で、また第一乾燥工程の時間は30秒から300秒である。さらにこの場合、任意の冷間すすぎ工程の時間は60秒から700秒である。
要約すれば、本発明は、ウェーハが室温より少なくとも10℃高い温度にあり、該ウェーハをウェーハ表面と垂直な軸の周りで回転させ、そして水を前記ウェーハ表面に分配する熱間すすぎ工程を備えたウェーハ表面を洗浄する方法を提供する。然る後、ウェーハを該ウェーハ表面と垂直な軸の周りで回転させ、その環境の湿度がウェーハ表面を水の膜で覆ったままウェーハ表面上の水を部分的に除去するようなものとする第一乾燥工程を行う。該第一乾燥工程に続いて第二乾燥工程を行って、水の膜をウェーハ表面から除去する。本発明に係る方法は、ウェーハ表面上の金属イオン汚染を有利に低減する。
上記の実施形態は、発明の制限というよりむしろ一例を説明するもので、当業者が請求項の範囲から逸脱することなく多くの代替の実施形態を考え得ることに注目すべきである。 請求項では、括弧中のあらゆる引用が該請求項を制限するものとして構成されていない。「を備える」という言葉は、請求項に記載された以上の要素や工程の存在を排除しない。 要素に先行する単語“a"か“an"が、そのような多くの要素の存在を排除しない。
回転ウェーハの図である。 本発明に係る方法の実施形態における層の断面図である。

Claims (10)

  1. ウェーハ(1)が室温より少なくとも10℃高い温度にあり、該ウェーハ(1)をウェーハ表面(3)と垂直な軸の周りで回転させ、そして水を前記ウェーハ表面(3)に分配する熱間すすぎを備えた第一工程と、
    ウェーハ(1)を該ウェーハの表面(3)と垂直な軸の周りで回転させ、ウェーハ表面(3)上の水の蒸発率が、ウェーハ表面(3)を水の膜(13)で覆ったままウェーハの回転により水をウェーハ表面(3)から主として除去するようなものである第二工程と、
    前記水の膜(13)をウェーハ表面(3)から除去する第三工程と
    を備えることを特徴とするウェーハ(1)のウェーハ表面(3)を洗浄する方法。
  2. 前記第一工程が、ウェーハ(1)を室温とし、水をウェーハ表面(3)に分配する冷間すすぎ工程より先行する請求項１に記載のウェーハ表面(3)の洗浄方法。
  3. 枚葉式処理に適用する請求項１に記載のウェーハ表面(3)の洗浄方法。
  4. 前記第一工程の期間が0.5秒から90秒、また前記第二工程の期間が10秒から100秒である請求項３に記載のウェーハ表面(3)の洗浄方法。
  5. 前記第一工程及び第二工程中にウェーハ(1)を1分当たり1000回転より高い回転速度で回転する請求項３に記載のウェーハ表面(3)の洗浄方法。
  6. バッチ式処理に適用する請求項１に記載のウェーハ表面(3)の洗浄方法。
  7. 前記第一工程の期間が20秒から300秒、また前記第二工程の期間が30秒から300秒である請求項６に記載のウェーハ表面(3)の洗浄方法。
  8. 前記第一工程及び第二工程中にウェーハ(1)を1分当たり200回転より高い回転速度で回転する請求項６に記載のウェーハ表面(3)の洗浄方法。
  9. 前記第一工程の間水をウェーハ表面(3)上に徐々に減少する流速で分配する請求項１に記載のウェーハ表面(3)の洗浄方法。
  10. 窒素ガス流が環境の湿度を制御し、該ガス流が第二工程より第三工程で高い請求項１に記載のウェーハ表面(3)の洗浄方法。
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