JP2013069764A - 半導体基板の洗浄方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微細パターンに与えられるダメージを抑制しつつ、半導体基板上のパーティクルを効果的に除去する。
【解決手段】本実施形態によれば、半導体基板の洗浄方法は、表面に凹凸パターンが形成された半導体基板を所定温度に加熱しながら前記半導体基板の表面に水蒸気を供給する工程と、前記加熱及び水蒸気の供給の停止に伴い前記半導体基板を冷却し、前記半導体基板上の水分を凍結させる工程と、前記水分の凍結後に、前記半導体基板上に純水を供給し、凍結膜を融解させる工程と、前記凍結膜の融解後に、前記半導体基板を乾燥させる工程と、を備える。
【選択図】図９

Description

本発明の実施形態は、半導体基板の洗浄方法及び装置に関する。

半導体製造技術の進歩によるデバイスパターンの微細化に伴い、より微細な汚染物であるパーティクルを半導体基板上から除去する洗浄技術が望まれている。

従来の枚葉洗浄装置として用いられる２流体ジェット洗浄装置は、濡れた半導体基板を回転させ、乾燥空気または窒素等の気体と、純水等の液体とを混合してミスト化した水滴（液滴ミスト）を、半導体基板の表面に噴射し、パーティクルを除去していた。

また、半導体基板上のパーティクルを除去する方法として、凍結洗浄処理が知られている。従来の凍結洗浄処理では、まず、半導体基板上に純水を供給し、半導体基板を回転させ純水の一部を基板外に振り切ることで、半導体基板の表面に液膜（水膜）を形成する。そして、半導体基板に冷却ガスを吐出して液膜を凍結させ、液体から固体への相変化時の堆積膨張力を使って凍結膜（氷膜）にパーティクルを取り込む。その後、半導体基板に純水を供給して凍結膜を融解させ、純水とともにパーティクルを半導体基板上から排出する。

しかし、このような従来の凍結洗浄処理では、液体の堆積膨張力により半導体基板上の微細パターンがダメージを受けるという問題があった。

特開２００８−２４３９８１号公報

本発明は、微細パターンに与えられるダメージを抑制しつつ、半導体基板上のパーティクルを効果的に除去することができる半導体基板の洗浄方法及び装置を提供することを目的とする。

本実施形態によれば、半導体基板の洗浄方法は、表面に凹凸パターンが形成された半導体基板を所定温度に加熱しながら前記半導体基板の表面に水蒸気を供給する工程と、前記加熱及び水蒸気の供給の停止に伴い前記半導体基板を冷却し、前記半導体基板上の水分を凍結させる工程と、前記水分の凍結後に、前記半導体基板上に純水を供給し、凍結膜を融解させる工程と、前記凍結膜の融解後に、前記半導体基板を乾燥させる工程と、を備える。

比較例による凍結洗浄処理を説明するフローチャートである。 比較例によるパーティクル除去率及びパターンダメージ数と、冷却温度との関係を示すグラフである。 比較例によるパターンダメージ箇所を示す図である。 比較例によるパターンに加えられる力を説明する図である。 比較例によるパーティクルの除去傾向を示す図である。 比較例による凸部上に付着したパーティクルを示す図である。 本発明の実施形態に係る半導体基板の洗浄装置の概略構成図である。 変形例による保持加熱部の概略構成図である。 同実施形態に係る半導体基板の洗浄方法を説明するフローチャートである。 比較例による凍結洗浄処理により基板上に形成される液膜と、同実施形態による洗浄方法により基板上に形成される吸着水分層を示す図である。 凸パターン上のパーティクルの表面に形成される吸着水分層を示す図である。

本発明の実施形態の説明に先立ち、発明者らが本発明をなすに至った経緯について説明する。図１は、比較例による凍結洗浄処理を説明するフローチャートである。比較例による凍結洗浄処理は、まず、半導体基板上に純水を供給し（ステップＳ１）、半導体基板を回転させ純水の一部を基板外に振り切ることで、半導体基板の表面に薄い液膜（水膜）を形成する（ステップＳ２）。次に、半導体基板に冷却ガスを吐出して液膜を凍結させ、液体から固体への相変化時の堆積膨張力を使って凍結膜（氷膜）にパーティクルを取り込む（ステップＳ３）。そして、半導体基板に純水を供給して凍結膜を融解させ（ステップＳ４）、スピン乾燥により、純水とともにパーティクルを半導体基板上から排出する（ステップＳ５）。

図２は、このような凍結洗浄処理を行った際の、パーティクル除去率及び微細凹凸構造を有するデバイスパターンのパターンダメージ数と、ステップＳ３における冷却温度との関係を示すグラフである。図２に示すように、パーティクル除去率は凍結温度が低いほど向上する。これは、凍結温度を下げることで氷の結晶が成長し、堆積膨張率が大きくなるためである。しかし、図２に示すように、凍結温度の低下に伴い、パターンダメージ数が増加する。従って、図１に示すような凍結洗浄処理では微細凹凸パターンへのダメージを抑制しつつ、パーティクル除去率向上を達成出来無いことが分かった。

発明者らは、上記のパターンダメージ問題を解決するために、詳細にパターンダメージの発生状況を調べた。図３に３００mmウェーハにおいてパターン倒壊した欠陥発生部位を示すマップと、倒壊したパターンダメージ箇所のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）写真を示す。ＳＥＭ像から分かるように、パターンダメージ（異常）を示した箇所は殆ど密集パターンの端の凸部であり、その隣には幅広い凹部が存在している。

図４に示すように、密集パターンの端の凸部６０１は、幅広い凹部６０２と、密集パターンの狭い凹部６０３との間に位置している。凹部６０２と凹部６０３とでは、凍結する水の量が異なるため、凍結時の氷の堆積膨張量が異なると言える。つまり、凹部６０２側に形成される氷の堆積膨張量が増えるため、凸部６０１には強い力がかかり、凸部６０１が倒壊し、ダメージが発生すると言える。このようなパターンダメージの発生を抑制するためには、凹部において凍結する水を少なくすることが求められる。

また、発明者らは、上記の凍結洗浄処理を行った際に除去されたパーティクルと除去されなかったパーティクルを系統的に調べた。図５に示すように、除去されたパーティクルは、パターンが密集している部位ではなく、平面部に付着している傾向があった。一方、除去されなかったパーティクルは、微細パターンが密集している凸部上に付着している傾向があった。パーティクルの除去傾向が付着部位によって異なるという特徴が見られた。このことは、パーティクルが受ける水の凍結時の堆積膨張力の違いによるものと考えられる。すなわち、図６（ａ）に示すような平面部６１１に付着したパーティクル６１０は、図６（ｂ）に示すように、平面部６１１との接触点６１２を中心とした円周部分６１３で、水の凍結時の堆積膨張力を受ける。一方、図６（ｃ）に示すような凸部６２１上に付着したパーティクル６２０は、図６（ｄ）に示すように、凸部６２１との接触点６２２近傍の極微小点６２３で、水の凍結時の堆積膨張力を受ける。つまり、凸部６２１上のパーティクル６２０が受ける堆積膨張力は小さいため、このようなパーティクルが除去され難くなると考えられる。なお、図６（ａ）、（ｃ）は縦断面図であり、図６（ｂ）、（ｄ）は上面図となっている。

以下の実施形態においては、上記のような課題を解決することができる。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図７に本発明の実施形態に係る半導体基板の洗浄装置の概略構成を示す。洗浄装置は、保持加熱部１００、蒸気供給部２００、冷却部３００、及び温水供給部４００を備える。

保持加熱部１００は、スピンカップ１０１、回転軸１０２、スピンベース１０３、チャックピン１０４、及びヒータ１１０を有する。回転軸１０２は略鉛直方向に延び、回転軸１０２の上端に円盤状のスピンベース１０３が取り付けられている。回転軸１０２及びスピンベース１０３は、図示しないモータにより回転させることができる。

チャックピン１０４はスピンベース１０３の周縁部に設けられている。チャックピン１０４が基板（ウェーハ）Ｗを狭持することで、保持加熱部１００は基板Ｗをほぼ水平に保持して回転させることができる。

基板Ｗの表面の回転中心付近に、温水供給部４００から温純水が供給されると、液体は基板Ｗの半径方向に広がる。また、保持加熱部１００は、基板Ｗのスピン乾燥を行うことができる。基板Ｗの半径方向に飛散した余分な液体は、スピンカップ１０１に捕らえられ、廃液管１０５を介して排出される。

ヒータ１１０は、基板Ｗを所望の温度に加熱することができる。ヒータ１１０には、例えば、スピンベース１０３と一体型になった抵抗加熱ヒータ方式の加熱ステージを用いることができる。ヒータ１１０は、基板Ｗを一定温度に保つことができればよく、スピンベース１０３と一体型である必要はなく、温水供給方式等の加熱機構としてもよい。

蒸気供給部２００は、保持加熱部１００に保持された基板Ｗに蒸気を供給する。蒸気供給部２００は、配管２０１〜２０３及び気化器２０４を有している。気化器２０４は、配管２０１を介して供給される純水を、配管２０２を介して供給されるキャリアガスを用いて気化し、水蒸気を生成する。キャリアガスは例えば窒素である。気化器２０４により生成された水蒸気は、配管２０３を介して、ノズルＮから基板Ｗに供給される。

冷却部３００は、液体窒素等の冷却溶媒を供給する配管３０１を有している。冷却溶媒はノズルＮから基板Ｗに供給される。冷却部３００は、液体窒素等の冷却ガスを使用するものでもよいし、液体冷媒を用いた間接冷却を行うものでもよい。

温水供給部４００は、温純水を供給する配管４０１を有している。温純水はノズルＮから基板Ｗに供給される。温純水は例えば５０℃程度の純水である。温水供給部４００から、温純水だけでなく、常温の純水を供給できるようにしてもよい。

保持加熱部１００及びノズルＮは、図示しない処理チャンバ内に設けられている。

図７に示す洗浄装置は、水蒸気、冷却溶媒、及び温純水が同一のノズルＮから供給される構成になっているが、水蒸気、冷却溶媒、及び温純水の各々に対応するように３つのノズルを設けてもよいし、２つのノズルを設け、例えば、一方のノズルから水蒸気及び温純水を供給し、他方のノズルから冷却溶媒を供給するようにしてもよい。

また、図８に示すように、保持加熱部１００に基板Ｗの昇降機能を設け、基板Ｗに冷却溶媒を供給する際に、基板Ｗを上昇させてノズルＮ近傍に配置するようにしてもよい。

このような洗浄装置を用いて半導体基板の洗浄を行う方法について図９に示すフローチャートを用いて説明する。なお、保持加熱部１００、蒸気供給部２００、冷却部３００、及び温水供給部４００の動作は図示しない制御部により制御することができる。

（ステップＳ１０１）表面に凹凸パターンが形成された半導体基板Ｗが搬送部（図示せず）により搬入され、保持加熱部１００に保持される。凹凸パターンは、例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法により形成され、半導体基板Ｗ上には加工残渣等のパーティクルが存在している。

（ステップＳ１０２）ヒータ１１０を用いて半導体基板Ｗを加熱しつつ、蒸気供給部２００から半導体基板Ｗの表面に水蒸気を供給する。処理チャンバ内は加湿雰囲気になり、半導体基板Ｗの表面に水分が吸着する。半導体基板Ｗはヒータ１１０により所定温度に保たれている。このような環境下では、水蒸気は半導体基板Ｗ上で吸着・脱離平衡状態となり、飽和水蒸気濃度までしか半導体基板Ｗ上に吸着することができない。室温状態下では、半導体基板Ｗ上に供給された水蒸気が、半導体基板Ｗ上の凹凸パターン内にて結露し、液膜が形成されてしまうため、半導体基板Ｗの表面温度が４０℃〜８０℃となるようにヒータ１１０を制御し、吸着水分量を調整する。これにより、半導体基板Ｗの表面には吸着水分層が形成される。

半導体基板Ｗ上の凹凸パターンには、様々な種類の膜、例えばＣＶＤ−ＳｉＯ_２膜、塗布ＳｉＯ_２膜、ＣＶＤ−ＳｉＮ膜、ポリシリコン膜、ボロン添加ポリシリコン膜、タングステン膜などが混在しており、表面吸着する水分との反応（例えば水素結合反応）の有無により水分吸着量が異なる。従って、凹凸パターン状態及び表面露出膜状態に応じて、半導体基板Ｗの表面温度を調整する必要がある。

（ステップＳ１０３）蒸気供給部２００からの水蒸気の供給及びヒータ１１０による加熱を停止する。そして、加熱停止直後に、冷却部３００から半導体基板Ｗの表面に冷却溶媒を供給し、半導体基板Ｗの表面に吸着していた水分を凍結させる。半導体基板Ｗ上の水分が固体へ相変化する時の堆積膨張力を使って半導体基板Ｗとパーティクルとが接触していた部分を離すことができる。本ステップでは半導体基板Ｗの表面に吸着していた水分、及びパーティクル表面に吸着していた水分のみが凍結されるため、凹パターンを被いつくすような水の凍結は起こらない。半導体基板Ｗの表面は、例えば−４０℃以下に冷却される。

（ステップＳ１０４）温水供給部４００が、半導体基板Ｗの表面の回転中心付近に温純水を供給し、保持加熱部１００が半導体基板Ｗを回転させる。温純水が半導体基板Ｗの回転による遠心力を受けて、半導体基板Ｗ表面全域に行き渡る。これにより、凍結膜が溶解する。温純水の供給後、半導体基板Ｗ上に常温の純水を供給してもよい。

（ステップＳ１０５）半導体基板Ｗの乾燥処理を行う。例えば半導体基板Ｗの回転速度を所定のスピンドライ回転速度に上げて、半導体基板Ｗの表面に残っている純水を振り切って乾燥させるスピンドライ処理を行う。半導体基板Ｗ上のパーティクルは、ステップＳ１０４で溶解した純水とともに半導体基板Ｗ上から除去される。

図１に示す比較例による凍結洗浄処理では、半導体基板上に液体水を供給し、半導体基板を回転させることで半導体基板上の水量を徐々に減らし、液膜を形成する。この手法では、半導体基板上の水量を減らす際に、凹凸パターンの凹部の水を取り除くことができず、図１０（ａ）に示すように、凹凸パターン内に水が満たされたような液膜７０１が形成される。

一方、本実施形態では、ステップＳ１０２において、液体水を供給するのでなく、加湿雰囲気下で、半導体基板Ｗの表面温度及び凹凸パターンの材料に基づく水分の吸着・脱離平衡状態まで水分吸着量を徐々に増やし、半導体基板Ｗ表面に吸着水分層を形成する。そのため、図１０（ｂ）に示すように、凹凸パターン表面にのみ水が吸着された吸着水分層７０２を形成することができ、ステップＳ１０３の凍結処理時に、凹部において凍結する水の量を少なくすることができる。

このように、凹凸パターン内に水を満たさない状態を作ることにより、凍結温度を低くしても、幅広い凹部７０４と、密集パターンの狭い凹部７０５との間に位置している密集パターンの端の凸部７０３には、凹部７０４と凹部７０５の凍結時の氷の堆積膨張量の違いにより加わる力が極めて小さくなり、ダメージの発生を抑制することができる。

また、本実施形態による洗浄方法によれば、図１１に示すように、凸パターン８０３上のパーティクル８０１の表面にも吸着水分層８０２を形成することができる。そのため、凍結時に十分な堆積膨張力が得られ、凍結膜の融解・スピン乾燥により、融解した純水とともにパーティクル８０１を半導体基板上から容易に排出することができ、パーティクル除去率を向上させることができる。

このように、本実施形態によれば、微細パターンに与えられるダメージを抑制しつつ、凍結洗浄により半導体基板上のパーティクルを効果的に除去することができる。

上記実施形態において、配管２０１を介して気化器２０４に供給される純水に、ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）を添加し、５〜３０ｗｔ％程度の濃度としてもよい。これにより、表面張力が低下し、パーティクルの直下まで吸着水分が侵入し、パーティクル除去率をさらに向上させることができる。なお、ＩＰＡ濃度を上記濃度より高めると、表面張力はさらに低下するが、凍結する水分が減り、パーティクル除去率が低下するおそれがあることに留意すべきである。

本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１００ 保持加熱部
２００ 蒸気供給部
３００ 冷却部
４００ 温水供給部

Claims (7)

1. 表面に凹凸パターンが形成された半導体基板を所定温度に加熱しながら前記半導体基板の表面に水蒸気を供給する工程と、
   前記加熱及び水蒸気の供給の停止に伴い前記半導体基板を−４０℃以下に冷却し、前記半導体基板上の水分を凍結させる工程と、
   前記水分の凍結後に、前記半導体基板上に純水を供給し、凍結膜を融解させる工程と、
   前記凍結膜の融解後に、前記半導体基板を乾燥させる工程と、
   を備え、
   前記水蒸気はイソプロピルアルコールを含み、前記イソプロピルアルコール濃度は５〜３０ｗｔ％であることを特徴とする半導体基板の洗浄方法。
2. 表面に凹凸パターンが形成された半導体基板を所定温度に加熱しながら前記半導体基板の表面に水蒸気を供給する工程と、
   前記加熱及び水蒸気の供給の停止に伴い前記半導体基板を冷却し、前記半導体基板上の水分を凍結させる工程と、
   前記水分の凍結後に、前記半導体基板上に純水を供給し、凍結膜を融解させる工程と、
   前記凍結膜の融解後に、前記半導体基板を乾燥させる工程と、
   を備える半導体基板の洗浄方法。
3. 前記水蒸気はイソプロピルアルコールを含むことを特徴とする請求項２に記載の半導体基板の洗浄方法。
4. 前記イソプロピルアルコール濃度は５〜３０ｗｔ％であることを特徴とする請求項３に記載の半導体基板の洗浄方法。
5. 前記半導体基板を−４０℃以下に冷却して前記半導体基板上の水分を凍結させることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の半導体基板の洗浄方法。
6. 表面に凹凸パターンが形成された半導体基板を保持し、前記半導体基板を回転させる基板保持部と、
   前記基板保持部に保持された前記半導体基板に水蒸気を供給する第１供給部と、
   前記第１供給部が前記半導体基板に水蒸気を供給している際に、前記半導体基板を所定温度に加熱する加熱部と、
   前記基板保持部に保持された前記半導体基板の表面に付着した水分を凍結させる冷却部と、
   前記基板保持回転部に保持された前記半導体基板の表面に純水を供給し、前記半導体基板上の凍結膜を融解させる第２供給部と、
   を備える半導体基板の洗浄装置。
7. 前記水蒸気はイソプロピルアルコールを含むことを特徴とする請求項６に記載の半導体基板の洗浄装置。