JP2012054269A

JP2012054269A - 半導体洗浄方法および半導体洗浄装置

Info

Publication number: JP2012054269A
Application number: JP2010193238A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Yagi; 秀明八木
Original assignee: Elpida Memory Inc
Current assignee: Micron Memory Japan Ltd
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2012-03-15

Abstract

【課題】半導体デバイスパターンに形成されたホール内をより高い洗浄能力で洗浄する。
【解決手段】ホールや溝が形成されたパターン面を有するウェハを一枚ずつ洗浄する本発明の半導体洗浄装置では、ウェハスピンベース７に固定されたウェハ２上のパターン面に２流体ノズル１からミスト化した薬液を吐出してから、ＤＩＷノズル５によりウェハ２のパターン面を純水で洗う。その後、該パターン面の全面にＩＰＡノズル６によりイソプロピルアルコールを塗布する。しかる後、ウェハ２を、そのパターン面が重力方向下向きになるように反転させ、ウェハ２を回転した状態において２流体ノズル８より該重力方向下向きのパターン面に向けて、ミスト化したイソプロピルアルコールを吐出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコンウェハのような半導体を洗浄する半導体洗浄方法および半導体洗浄装置に関する。

半導体デバイスの微細化に伴い、コンタクト工程やシリンダー工程でのホール形成において１０以上の高アスペクト比化へのプロセス要求が必然となってきており、ホール内の洗浄及び乾燥技術が益々厳しくなってきている。また、従来の半導体清浄では、薬液槽、水洗槽、乾燥槽の組み合わせた洗浄装置であってそれらの槽に順に複数のウェハを浸漬して一括処理する清浄装置が使用されていた（特許文献１等）。しかし今日、このようなバッチ式による多槽浸漬清浄装置では、半導体デバイス製造の材料であるシリコンウェハの大口径化に伴い、ウェハ自体からや、同一処理における他ウェハからのパーティクルの再付着の影響が大きくなり、特にウェハ裏面から洗浄工程に持ち込まれる転写パーティクルに対しても無視できないレベルとなっている。

特開２００３−２２４１０４号公報

転写パーティクルの抑制のために枚葉式すなわち一枚ずつ処理する方式の洗浄装置を用いた場合、従来技術ではウェハ高回転によるスピン乾燥方式が用いられる。そのため、ウェハ上の水分は遠心力により振り切られてウェハ乾燥は可能であるが、乾燥領域としてはウェハ最表面に限られ、ウェハ上に形成されたパターンでのホール底には水分が残留したままの状態となってしまう。これにより、従来の枚葉式洗浄装置は、バッチ式洗浄装置で一般的に用いられているＩＰＡ（イソフ゜ロヒ゜ルアルコール）によるマランゴニ効果を利用した乾燥と比較して乾燥性能が劣り、ホール内洗浄には不向きとなっている。特に高アスペクト比のホールの内部洗浄では、ホール底に水滴が残留しやすくなり、乾燥不良によるシリコン酸化膜の析出や、いわゆるウォーターマークを起因としたコンタクト抵抗異常の不良を生じさせてしまう。

このため、パーティクル転写とウォーターマーク発生の問題を同時解決可能な、より精度の高いホール洗浄技術が要求される。

転写パーティクルを抑制するために、薬液吐出ノズルを備えた枚葉式スピン洗浄装置を用いるが、本発明では、洗浄性能及び乾燥性能を向上させるために、該ノズルから超微粒子化させた薬液を吐出することで、ミスト化した薬液を直接、ウェハ上に噴霧させる。本方法を用いることで、ウェハ上の微細パターン、特に高アスペクト比の微細ホールパターン内にも薬液が進入し易くなり、且つＮ₂キャリアガスによる物理的な力を加えながら噴霧することで洗浄性能を向上させることを実現する。

また、微細ホール内の乾燥性能向上のために、薬液による洗浄ステップと純水による水洗いを経た後のウェハ上に、水との親和性に優れ、且つ揮発性の高いイソプロピルアルコール（以下ＩＰＡ）を塗布し、ウェハパターン上に形成されたホール内に常温のＩＰＡを充填させる。これにより、ウェハ水洗後に長時間の間ウェハ上の微細ホール内部が大気と直接と触れる状況がなくなり、ホール底に水滴が残留してウォーターマークが発生する際に必要となっていた酸素供給源が低減される。その後、乾燥ステップ直前にウェハを反転させて乾燥処理を開始させることで、ＩＰＡで置換されたホール内部の水滴はウェハ反転により自重で滴下しながらも短時間では完全に落下しきれず、ホール内側面を概ね密閉させた状態で保つことができる。これにより、ホール内側面を直接大気に接触させずに乾燥ステップに移行できるため、枚葉式洗浄装置での課題であったウォーターマーク発生の抑制が実現可能となる。

また、乾燥ステップにおいては、ウェハパターン面を下にしてＩＰＡを吐出しながらウェハを回転させることで、従来のウェハ回転による遠心力だけでなく、ＩＰＡ置換による水分揮発やパターン面の下向きによる自重の効果を加えてホール内の水分残留を最小限にまで抑制して乾燥できることになる。なお、ウェハパターン面の下向きによる自重効果はホール内において局所的なＩＰＡによるマランゴニ効果が得られ、バッチ式の乾燥装置と同等以上の乾燥性能を実現させることが可能である。

したがって本発明によれば、半導体デバイスパターンに形成されたホール内をより高い洗浄能力で洗浄することができる。

本実施形態に係る枚葉式スピン洗浄装置の構造を示す図で、ウェハが有る状態での側面図。本実施形態に係る枚葉式スピン洗浄装置の、ウェハが無い状態での上面図。本実施形態に係る枚葉式スピン洗浄装置の、ウェハが有る状態での上面図。本実施形態における洗浄ステップを説明するための図。本実施形態における水洗ステップを説明するための図。本実施形態における乾燥ステップを説明するための図。本実施形態での乾燥ステップにおけるホール内の状態を詳しく説明するための断面図。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

転写パーティクルを抑制するために、枚葉式洗浄装置を用いるが、本発明では、図１乃至図３に示すように２流体ノズルを利用してウェハ処理を実行させ、ウェハのホール内を洗浄、乾燥する。

図１乃至３を参照して本実施形態の半導体洗浄装置を説明する。この洗浄装置は、洗浄を行うウェハ２を上面に固定して回転可能な回転テーブルのようなウェハスピンベース７を備える。ウェハスピンベース７は、ウェハ２の裏面の外周部を吸着保持するウェハチャッキングピン９を有する。このようなウェハスピンベース７は凹形容器からなるウェハカップ４内に配置されている。ウェハスピンベース７の上方には２流体ノズル１がウェハ２のおもて面に向けて配置されている。また、２流体ノズル１の周囲にはＤＩＷノズル５およびＩＰＡノズル６がウェハ２のおもて面に向けて配置されている。さらに、ウェハスピンベース７の、ウェハ２の裏面に対向する場所には、２流体ノズル８がウェハ２の裏面に向けて配置されている。なお、不図示であるが、ウェハ２をウェハカップ４に対して搬送したり、ウェハスピンベース７に対してウェハ２を表裏反転させたりする機構も装備されている。なお、これらは後述の洗浄シーケンスを実行する制御手段によって動作される。また、ノズル１，５，６は別個に設けられているが、一体にまとめてユニット化されていてもよい。

このような洗浄装置を用いてウェハ２を一枚ずつ洗浄するシーケンスは、洗浄ステップ、水洗ステップ、ウェハ反転ステップ、乾燥ステップ、およびウェハ反転ステップをこの順番に含む。以下、洗浄ステップ、水洗ステップ、および乾燥ステップについて詳述する。

[洗浄ステップ]
図４を参照して洗浄ステップを説明する。図４（ａ）は洗浄ステップの概略図、図４（ｂ）は洗浄ステップでのホール内の様子を示す断面図である。

洗浄ステップとして、不活性ガスのＮ₂と希フッ酸のような無機洗浄薬液（以下ＤＨＦ）を２流体ノズルの特徴を利用して混合させた後、２流体ノズル１よりＮ₂をキャリアガスとしながら薬液混合ガスをウェハ２のパターン面２ａ（上面）上に吐出させる。これにより、ホール内洗浄のエッチャントとなる薬液を２０〜１００ｎｍ程度まで微粒子化させることが可能となる。薬液をミスト化させながら吐出させることで、通常よりも直進性を持った薬液微粒子による洗浄ができるようになり、高アスペクト比のホール３に対して、物理的な洗浄効果を加えたウェハ洗浄の実現が可能となる。また、ウェハ全面に均一に薬液を供給させるために２流体ノズル１は可変仕様とし、２流体ノズル１をウェハ２のパターン面２ａに沿ってスキャンさせながら該パターン面を洗浄させていく。不活性ガスのＮ₂とＤＨＦの混合比は、薬液混合ガス吐出によるウェハ洗浄効果とウェハ上のパターンダメージを考慮し、以下の条件程度とする。

Ｎ₂：20L/min程度
希フッ酸（DHF）：100cc/min程度
２流体ノズル１のスキャン速度：80mm/sec程度（300mm径ウェハ：4scan/30sec）
ウェハ回転数：300rpm程度
[水洗ステップ]
図５を参照して水洗ステップを説明する。図５（ａ）は水洗ステップの概略図、図５（ｂ）は水洗ステップでのホール内の様子を示す断面図である。

上記洗浄ステップが行われたウェハカップ４内からウェハ２を取り出さずにそのまま上記洗浄ステップに連続して水洗ステップに移行する。まず、ＤＩＷノズル５より純水をウェハ２のパターン面２ａ（上面）上に吐出させる。この際、ウェハ回転によるチャージアップを考慮して、超純水に炭酸ガス（以下ＣＯ₂）を添加した炭酸水を利用して、ウェハ２の表面の薬液成分を十分に純水(ＤＩＷ)に置換させるまで実施する。水洗が終了した後、乾燥ステップに移行する直前にウェハ２を１５０ｒｐｍ程度の低速回転に保ち、ホール３内の残留水分をイソプロピルアルコール（以下ＩＰＡ）で置換させ易くするようにＩＰＡノズル６によりウェハ２上にＩＰＡを塗布する。ウェハ２全面にＩＰＡがコーティングされた後、ウェハ２を停止させて、ウェハ２の表面上にＩＰＡの液体が盛り上がった状態で保持し、ウェハを乾燥させない状態とする。その後、ウェハ反転機構を用いてウェハ２のパターン面を重力方向下向きに変えて乾燥ステップに移行させる。

[乾燥ステップ]
図６を参照して乾燥ステップを説明する。図６（ａ）は乾燥ステップの概略図、図６（ｂ）は乾燥ステップでのホール内の様子を示す断面図である。

ウェハ２のパターン面２ａを図６（ａ）中の矢印のように重量方向下向きにすることで、ウェハ２の表面上のＩＰＡが自重により滴下していくが、ホール３内に浸入したＩＰＡは、短時間では完全に落下しきれず、ホール３内の側壁は概ねＩＰＡ皮膜で密閉された状態で保つことができる。この際、ウェハスピンベース７の、ウェハ２の下部に設置された２流体ノズル６より瞬時にＮ₂ガスと混合されてミスト化されたＩＰＡを、回転中のウェハ２に吐出し続けることで、ウェハ２の表面上及びホール底の水分濃度を低下させ、比重（0.78）が低く親水性が高いというＩＰＡの特性を利用してホール３内の水分を完全にＩＰＡに置換させる。この後、ウェハ２の回転に関して低速回転と高速回転を交互に繰り返す。なお、ＩＰＡ吐出中とＩＰＡ置換後のウェハ回転速度は以下の条件とする。

ＩＰＡ吐出中のウェハ回転速度：300rpm程度
ＩＰＡ置換後のウェハ回転速度：低速回転150rpm程度と高速回転1000rpm程度の繰り返し
以上のようなウェハ回転による本発明のスピン乾燥は、従来のウェハ回転による遠心力だけでなく、ＩＰＡ置換による水分揮発の効果と、ウェハパターン面を下向きにした為にホール開口部が下向きになることによる、ホール部に対する自重の効果とが加わって、ホール内の水分残留量を最小限に抑制することができる。

なお、ホール部に対する自重の効果によりホール開口部まで達した水分は表面張力によりウェハ表面上のＩＰＡ側に引っ張られることで、ホール開口部における局所的なＩＰＡによるマランゴニ効果が得られ、バッチ式の乾燥装置と同等以上の乾燥性能を実現させることが可能である。上で述べた乾燥方法により、枚葉洗浄装置での乾燥性能を向上させることができる。

より詳述すると、ホール３内の残留水分は、下向きのウェハパターン面へのＩＰＡの吐出によりホール３内でＩＰＡに置換される。このとき、図７に示すように、ホール内の残留Ｈ₂Ｏ成分１０は、ホール底３ａからホール中間部付近までのＩＰＡ層（領域Ｃ）から自重効果により、図７中の矢印のようにホール開口部付近のＩＰＡ層（領域Ｂ）まで達する。なお、ＩＰＡ吐出中のホール開口部におけるＩＰＡ濃度は、ウェハ表面上のＩＰＡ層（領域Ａ）、ホール開口部付近のＩＰＡ層（領域Ｂ）、およびホール底からホール中間部付近までのＩＰＡ層（領域Ｃ）の順番で小さい。そのため、ホール開口部における局所的なＩＰＡによるマランゴニ効果が得られることになる。

（その他の実施の形態）
乾燥性能を更に向上させるためには、乾燥ステップにおいて、ウェハ２の非パターン面に該当するウェハ裏面に対してそのウェハ裏面上方のＩＰＡノズル６より１５０〜２００℃度の高温のＩＰＡのミストを噴霧するとよい。このような高温ＩＰＡの噴霧によりウェハ２の裏面側より表面側へ熱を伝達させ、ウェハパターン面の温度を７０〜１００℃程度まで上昇させることで、ホール内ＩＰＡの揮発効果が得られ、パターン面の微細ホール底に残留する水滴の除去性能を高めることが出来る。

以上に例示した本発明により、枚葉式スピン洗浄装置において、ウェハパターン面に形成された微細な溝やホールの底部に残る水滴を完全に除去でき、ウォーターマーク発生によるコンタクト抵抗異常などの製品特性不良を防止できる。

１ウェハのおもて面側の２流体ノズル
２ウェハ
３ホール
４ウェハカップ
５ＤＩＷノズル
６ＩＰＡノズル
７ウェハスピンベース（回転テーブル）
８ウェハの裏面側の２流体ノズル
９ウェハチャックピン
１０ホール内の残留Ｈ₂Ｏ成分

Claims

ホール又は溝が形成されたパターン面を有するウェハを一枚ずつ洗浄する半導体洗浄方法であって、
ミスト化した薬液を前記ウェハのパターン面に吐出する洗浄ステップと、
前記洗浄ステップ後の前記ウェハのパターン面を純水で洗った後、該パターン面の全面にイソプロピルアルコールを塗布する水洗ステップと、
前記水洗ステップ後の前記ウェハを、前記パターン面が重力方向下向きになるように反転させるウェハ反転ステップと、
前記ウェハが回転する状態において前記重力方向下向きのパターン面に向けて、ミスト化したイソプロピルアルコールを吐出する乾燥ステップと、
を含む半導体洗浄方法。
請求項１に記載の半導体洗浄方法において、
前記洗浄ステップでは、前記ミスト化した薬液を不活性ガスと一緒に前記ウェハのパターン面に噴霧することを特徴とする半導体洗浄方法。
請求項１又は２に記載の半導体洗浄方法において、
前記乾燥ステップでは、前記ウェハの、前記重力方向下向きのパターン面とは反対の面側より前記重力方向下向きのパターン面へ熱を伝達させることを特徴とする半導体洗浄方法。
ホール又は溝が形成されたパターン面を有するウェハを一枚ずつ洗浄する半導体洗浄装置であって、
前記ウェハを固定して回転可能な回転テーブルと、
ミスト化した薬液を前記ウェハのパターン面に吐出する第１のノズルと、
純水を前記ウェハのパターン面に吐出する第２のノズルと、
イソプロピルアルコールを前記ウェハのパターン面に塗布する第３のノズルと、
前記ウェハを、前記パターン面が重力方向下向きになるように反転させるウェハ反転機構と、
前記ウェハが回転する状態において前記重力方向下向きのパターン面に向けて、ミスト化したイソプロピルアルコールを吐出する第４のノズルと、
前記回転テーブルの回転と前記第１乃至第４のノズルの吐出を少なくとも制御する制御手段とを有し、
前記制御手段は、前記回転テーブルに固定された前記ウェハのパターン面に前記第１のノズルからミスト化した薬液を吐出してから、前記第２のノズルにより前記ウェハのパターン面を純水で洗った後、該パターン面の全面に前記第３のノズルによりイソプロピルアルコールを塗布し、その後、前記ウェハを、前記パターン面が重力方向下向きになるように反転させ、前記ウェハを回転した状態において前記第４のノズルより前記重力方向下向きのパターン面に向けて、ミスト化したイソプロピルアルコールを吐出することを含む半導体洗浄装置。
請求項４に記載の半導体洗浄装置において、
前記第１のノズルは、薬液を不活性ガスと一緒に混合するとともにミスト化して吐出する２流体ノズルで構成されていることを特徴とする半導体洗浄装置。
請求項４又は５に記載の半導体洗浄方法において、
前記第４のノズルは、イソプロピルアルコールを不活性ガスと一緒に混合するとともにミスト化して吐出する２流体ノズルで構成されていることを特徴とする半導体洗浄装置。