JP2013542607A - 半導体ウエハを乾燥させるための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【解決手段】半導体ウエハを乾燥させるための方法および装置が、６０℃より高く８２℃より低い温度で液体形態の高温イソプロピルアルコールを用いる。高温のＩＰＡを用いると、パターン崩壊がより良好に回避されると共に、ＩＰＡの消費の削減が可能になる。ウエハの反対側の面に高温の脱イオン水を供給し、加熱された窒素ガスを用いてウエハ表面から高温のＩＰＡを蒸発させることによって、ウエハの温度を維持することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、円板状の物品の表面を乾燥させるための方法および装置に関し、特に、水系リンス液によるリンスの後に有機溶媒による後続のリンスを行うことによって円板状の物品の表面を乾燥させるための方法および装置に関する。

半導体業界では、製造プロセス中にシリコンウエハを洗浄（例えば、プレフォト洗浄、ＣＭＰ後洗浄、および、プラズマ後洗浄）するために、通例、円板状の物品の表面を乾燥させるための技術が利用される。ただし、かかる乾燥方法は、コンパクトディスク、フォトマスク、レチクル、磁気ディスク、または、フラットパネルディスプレイなど、その他の板状の物品に適用されてもよい。半導体業界で利用される場合、（例えば、シリコン・オン・インシュレータプロセスにおける）ガラス基板、ＩＩＩ−Ｖ基板（例えば、ＧａＡｓ）、もしくは、集積回路の製造に用いられる任意のその他の基板またはキャリアにも適用されてよい。

いくつかの乾燥方法が、半導体業界で周知である。乾燥方法の１つのタイプは、規定された液体／気体境界層を用いる。かかる乾燥方法は、マランゴニ乾燥法としてよく知られている。

米国特許第５，８８２，４３３号は、マランゴニ法およびスピン法を組み合わせた乾燥方法を開示しており、その方法では、脱イオン水がウエハ上に供給されると同時に窒素および２−プロパノール（イソプロピルアルコール）の混合物が供給される。窒素中の２−プロパノールは、表面勾配を生じさせるように液体／気体境界層に影響を及ぼし、それにより、ウエハ上に液滴を残すことなく水がウエハから流れ落ちるよう促す（マランゴニ効果）。液体供給器がウエハの中心から縁部に向かって移動されると共に、ウエハが回転される間に、ガス供給器が液体供給器の後を辿ることにより、ガスが直ちにウエハからの液体と置き換わる。米国特許第５，８８２，４３３号は、水溶液が有機溶液によって除去される方法も開示している。

しかしながら、ウエハの乾燥時、特に、旧式の２００ｍｍウエハ技術と次第に置き換わっている３００ｍｍウエハを乾燥する際に、欠陥の増加が起きる。

半導体ウエハ上に形成されるデバイスの小型化がますます進んでいることも、ウエハの乾燥を困難にしている。半導体ウエハ上に形成されるデバイスが小さくなった時に、それらの比率が同じままであるとは限らないことを考慮すると、特に困難になる。例えば、以前の製造技術よりもセル幅が減少したコンデンサについては、目標の静電容量を達成するのに十分な表面積を提供する必要があることから、必ずしも比例して高さが低くなるわけではない。したがって、半導体デバイスが小さくなると、しばしば、アスペクト比が大きくなる。これは、マンハッタンの不動産開発になぞらえることができる。つまり、水平方向のスペースが一層限られてくると、上方向に建築を伸ばすしかない。

さらに小さいデバイス構造のより高いアスペクト比は、「パターン崩壊」という望ましくない現象に寄与する。その現象においては、デバイス構造を取り囲むリンス工程の残りの脱イオン水が、乾燥に窒素ガス流を用いるか否かに関わらず、脱イオン水の比較的高い表面張力により、スピン乾燥中にそれらの構造に破壊力を印加する。

本発明は、イソプロピルアルコールが、６０℃よりも高く８２℃（ＩＰＡの沸点）よりも低い温度に加熱されると、より効果的に円板状物品の表面を洗浄して乾燥させるという本発明者の発見を反映するものである。液体の表面張力は、一般に、温度が上昇すると減少するが、６０℃より高い温度に加熱されたＩＰＡで実現される改良乾燥工程は、かかる温度で期待されていたよりも大幅に良好なものである。したがって、本発明は、パターン崩壊の防止を改善しつつ、ウェット化学処理後に円板状物品をリンスして乾燥させるための方法として実施されうる。また、本発明は、６０℃より高く８２℃近くまでに至る温度のＩＰＡを円板状物品の表面に供給するよう構成された要素を備える、円板状物品のウェット処理のための装置として実施される。

本発明は、達成される乾燥結果の改善だけでなく、可燃性であり引火点が１２℃に過ぎないＩＰＡを沸点に近い温度で安全に利用できるという発見の点で、驚くべきものである。

より一般に、本発明は、板状物品を乾燥させるための方法を提供しており、その方法は、水系リンス液で板状物品をリンスする工程と、水系リンス液でのリンス工程の開始後に、２０質量％未満の含水率を有する有機溶媒（例えば、イソプロピルアルコール）で板状物品をさらにリンスする工程と、を備えており、有機溶媒は、液体形態であり、６０℃よりも高く有機溶媒の沸点（すなわち、有機溶媒がイソプロピルアルコールの場合、１バールで８２℃）よりも低い温度に維持される。

有機溶媒は、残部が水である溶液に対して少なくとも１０質量％から５０質量％の範囲の溶媒濃度で、水と共に溶液を形成することが好ましい。したがって、溶媒が水とあらゆる割合で混和できる必要はないが、かかる有機溶媒も本発明の範囲に含まれる。好ましい有機溶媒は、ケトン、エーテル、および、アルコールからなる群より選択される。

方法は、２バールの高圧で実行されてもよく、そうすれば、沸点が高くなるため、有機溶媒の温度の上限が高くなる。

好ましい実施形態において、有機溶媒は、１０質量％未満の含水率を有する。

方法の別の実施形態において、板状物品は、有機溶媒によるリンス工程中に回転される。

有機溶媒は、２０ｍｌ／分から４００ｍｌ／分の範囲の体積流量で供給される。

方法のさらに別の実施形態において、有機溶媒の温度は、イソプロピルアルコールの沸点よりも２度低い温度（有機溶媒が１バールのイソプロピルアルコールである場合、８０℃）より低く、６０℃より高い温度に維持される。上述のように、沸点は、用いられる有機溶媒の種類だけでなく、処理が実行される圧力にも依存する。

方法のさらに別の実施形態は、さらに、有機溶媒の蒸発を促すために、板状物品の表面に加熱ガスを供給する工程を備える。かかるガスは、清浄な空気であってもよいが、不活性ガス（希ガスまたは窒素など）であることが好ましい。用いられるガスの酸素含有率は、１質量％未満であることが好ましい。

方法のさらに別の実施形態において、加熱ガスは、板状物品とガスの供給ノズルとの間の相対移動を行うことによって、板状物品の表面全体に供給される。

方法のさらに別の実施形態において、供給ノズルが板状物品の周縁に近づくにつれて、ガスの流量が低減される。

方法のさらに別の実施形態は、さらに、有機溶媒が供給されるのと反対側の板状物品の面の少なくとも周辺領域に、加熱された脱イオン水を供給する工程を備える。

本発明の別の態様は、板状物品を乾燥させるための装置を含んでおり、その装置は、水系リンス液供給源と連通して、水系リンス液で板状物品をリンスするためのリンスノズルと、有機溶媒供給源と連通する有機溶媒供給管であって、供給管を通して供給される有機溶媒を、６０℃よりも高く有機溶媒の沸点よりも低い温度に加熱するよう適合された加熱装置を備える、有機溶媒供給管と、板状物品の表面に液体形態の前記有機溶媒を供給するよう構成された有機溶媒供給ノズルと、を備える。

本発明の好ましい実施形態において、装置は、さらに、加熱ガスの供給源と、加熱窒素ガスを板状物品の表面に方向付けるための供給ノズルと、を備える。

本発明の別の実施形態において、装置は、さらに、加熱水（脱イオン水が好ましい）の供給源と、加熱脱イオン水のための供給ノズルと、を備えており、供給ノズルは、リンスノズルおよび有機溶媒供給ノズルが作用するのと反対側の板状物品の面の少なくとも周辺領域に加熱脱イオン水を供給するように配置される。

本発明のさらに別の実施形態において、装置は、さらに、板状物品を受け入れて処理するための閉じた処理モジュールを備えており、半導体ウエハの枚葉式ウエハウェット処理のためのステーションである。

さらに別の実施形態において、加熱装置は、有機溶媒の沸点よりも高い温度まで過熱させることなく、６０℃よりも高く有機溶媒の沸点よりも低い温度に有機溶媒を加熱するよう構成された２つのインラインヒータを含む。

本発明に従って、装置の一実施形態を示す概略図。

図１のノズルアセンブリの概略底面図。

ここで、本発明の好ましい実施形態について、添付の図面を参照しつつ、さらに詳細に説明する。本発明の方法は、板状または円板状の物品を水系リンス液でリンスした後にＩＰＡ（液体形態）でリンスする工程を備えており、ＩＰＡは、２０質量％以下の含水率を有することが好ましく、６０℃より高く８２℃より低い温度で供給される。

水溶液は、脱イオン水（ＤＩ）が好ましいが、オゾン、フッ化水素酸、塩酸、炭酸、または、アンモニアの希釈溶液であってもよい。

後続のリンスとは、ＩＰＡでのリンスの開始が、水溶液でのリンスの開始後であることを意味する。つまり、ＩＰＡでのリンスは水溶液でのリンスの直後に実行されてもよいし、２つのリンス工程の間に時間間隔があってもよいし、ＩＰＡでのリンスは水溶液でのリンスの終了前に開始されてもよい。

ＩＰＡの最初の含水率が１０質量％未満であると有利である。そうすれば、溶媒残留物が蒸発した時、基本的に表面に水が残らない。この効果は、５質量％未満またはさらに低い２質量％未満の含水率の時、さらに高まる。ＩＰＡおよび水の共沸混合物は、８７．９重量％のイソプロピルアルコールおよび１２．１重量％の水を含むので、これは、ＩＰＡが共沸蒸留によって準備されることを意味する。

脱イオン水の供給が終了すると、円板の表面から流れ出たＩＰＡが、回収および再利用されてよい。ＩＰＡは吸湿性であるため、この再利用の際に新たなＩＰＡが補充されない限りは、ＩＰＡ中の含水率が次第に増加する。

板状物品は、ＩＰＡによるリンス中に回転されることが好ましいが、直線的に移動されてもよい。ＩＰＡは、２０ｍｌ／分から４００ｍｌ／分の範囲の体積流量で供給されるのが好ましい。ＩＰＡの流量は、２００ｍｌ／分以下であることがより好ましい。実際、本発明に従って用いられるＩＰＡの温度では、有機溶媒の流量は、ウォーターマークを生じさせることなく、１００ｍｌ／分未満にすることができる。これは環境的に望ましいだけでなく、乾燥コストを低くする助けにもなる。

別の実施形態では、フッ素含有溶液（例えば、フッ化水素、フッ化アンモニウムを含む溶液）が、乾燥の実行前に円板状物品上に供給される。かかるフッ素含有溶液は、フッ化水素の分析濃度が１ｇ／ｌ未満の水溶液である希釈フッ化水素であることが好ましい。

ここで、添付の図面を参照すると、符号１は、チャンバＣ内のスピンチャックを示しており、チャンバＣは、半導体ウエハの枚葉式ウエハウェット処理のための処理モジュールであることが好ましい。チャンバＣは、高温のＩＰＡなど、用いられる化学物質を閉じ込めるために、閉じたモジュールであることが好ましい。３００ｍｍ半導体ウエハＷが、スピンチャック１上に載置され、グリップピン（図示せず）によって把持されている。

ウェット処理が実行され、異なる液体がノズルアセンブリ２を通してウエハ上に供給される。供給ノズルアセンブリは、液体を供給する時に、中心から縁部に向かい、そして、中心に戻るように、選択された速度でウエハにわたって移動されうる。この動きは、それぞれの液体が供給されている限り繰り返されうる。洗浄液の供給中のスピン速度は、３００ｒｐｍから２０００ｒｐｍの範囲に設定されることが好ましい。

最初に、０．０１ｇ／ｌのＨＦ濃度を有する希釈フッ化水素酸が供給され；第２に、リンス液（例えば、脱イオン水）が供給され；第３に、リンス液が止められると同時にＩＰＡの供給が開始され；第４に、有機溶媒および窒素ガスが同時に供給され；第５に、スピンオフ工程が実行される。

このプロセスに用いられる媒体アーム３は、複数のノズルを備えたノズルヘッド２を備える。希釈フッ化水素または脱イオン水を供給するためのノズル２４、高温のＩＰＡを供給するためのノズル２２、乾燥工程中にウエハ上にガス（窒素ガスが好ましい）を吹き付けるためのノズル２０、および、所望の雰囲気を維持するためにチャンバＣの内部にガスを供給するための一対のカーテンノズル１８が設けられている。

乾燥方法の手順は、以下の順で実行される：

工程Ａ：最後の化学物質供給工程として、ウエハが５００〜１２００ｒｐｍの範囲（例えば、８００ｒｐｍ）のスピン速度で回転している間に、希釈フッ化水素（１ｇ／ｌから１００ｇ／ｌの間の濃度）が、１．７〜２ｌ／分の流量で３０秒から２００秒間、ウエハ中央に供給される。媒体の温度は２２℃である。

工程Ｂ：ウエハが５００〜１２００ｒｐｍの範囲（例えば、８００ｒｐｍ）で回転している間に、さらにリンス液（脱イオン水）が、１．７〜２ｌ／分の流量でＤＩ供給源６からウエハの中央に２０秒間供給される。媒体の温度は２２℃である。

工程Ｃ：乾燥工程：ノズルヘッドが、平均速度１０ｍｍ／秒で中心から縁部まで一回ウエハを走査する。この時、走査速度は、中心では２０ｍｍ／秒であり、縁部に向かって移動しつつ５ｍｍ／秒まで減速される。走査の間、ＩＰＡがウエハの中心から縁部まで供給される。ＩＰＡが供給されるのと同時に、窒素が吹き付けられる。ＩＰＡは、ウエハの縁部で停止される。この例において、ＩＰＡの温度は７５℃である。

ヒータを通した安定したＩＰＡ流と、高温での出力とを達成するために、加熱温度範囲を良好に規定して、ＩＰＡの沸騰および可能性のある安全上の不具合を避けることが望ましい。この実施形態によると、ＩＰＡは、リザーバ８から供給され、２つのインラインヒータ１５および１７、供給ライン７、マニホルド１１を通過して、ノズルヘッド２に到達する。２つのＩＰＡヒータを直列に接続することによって、全体の加熱が安定するため、ヒータの設定値を高くして、流出口でより高いＩＰＡ温度を実現することが可能になる。一方、単一のヒータを利用した場合、ＩＰＡの温度設定値を超過することを避けるために、加熱設定値を低くする必要がある。

ウエハ上でより高いＩＰＡ温度を達成するために、高温のＩＰＡが供給時に冷却されないように、供給ライン７内のＩＰＡの温度を維持することも望ましい。特に、ライン７は、ラインへの任意の熱伝導を最小化できるように、ノズル端２に対して熱的に安定に維持されることが好ましい。この実施形態において、ラインは、ＩＰＡ供給時の温度降下を避けるために加熱ジャケット１２で覆われている。加熱ジャケットの加熱温度は、ウエハ乾燥中に重大な粒子欠陥を引き起こしうるＩＰＡの気泡がウエハ上へ供給されることを防ぐために、供給ライン内のＩＰＡ温度が沸点未満の温度になるように、良好に制御されることが好ましい。

ウエハがスピンチャック上で処理されると、ウエハの周辺部での回転運動量がウエハの中央領域よりも高いために、ウエハ縁部でのＩＰＡの温度が大幅に下がる可能性がある。同様に、パターン崩壊は、加熱されたＩＰＡを用いた場合でも、縁部でより深刻になる傾向がある。ウエハ上のＩＰＡ温度の降下を避けるために、高温のＤＩ供給源９からウエハの裏側に高温のＤＩを供給して、ウエハ上のＩＰＡ温度を均一に保つ。本発明者が行った実験により、処理中に高温のＤＩが裏面に供給されない通常条件と比べて、縁部においてより高いウエハ温度を達成できることが示された。

ウエハ乾燥にＩＰＡが用いられる場合、回転中のウエハ上の残留ＩＰＡを除去および／または蒸発させるために、通例は窒素ガスが用いられる。通常のＮ₂流は処理中にＩＰＡ温度を下げうるため、高温Ｎ₂供給源４からの高温のＮ₂を用いれば、温度の降下を最小化してＩＰＡによる乾燥を円滑にすることができる。

ＩＰＡ流は、５０ｍｌ／分から１６０ｍｌ／分の間に設定されることが好ましい。ノズル開口部の断面積は、８ｍｍ²である（１／８インチ管に由来する）。したがって、流速は、０．１ｍ／秒から０．３３ｍ／秒の範囲である。高温のＩＰＡは、ウエハ温度を上昇させ、それにより、ウォーターマークの数を劇的に減少させる。これは、ウエハ表面の温度を周囲空気の露点より高く維持できることから凝結の減少によって実現されると考えられる。窒素流量は、中心から縁部までのノズルヘッドの移動中に増大されてよい（最大窒素流量の５０％から１００％まで）。最大で（縁部付近）、窒素流量は、約３０ｌ／分である。チャックの速度は、有機溶媒供給ノズルが円板状物品の中心から縁部まで移動する間に、１１００ｒｐｍから４５０ｒｐｍまで線形的に減少される。６０℃を超えるＩＰＡの温度を用いれば、ＩＰＡの流量は、ウォーターマークを生じさせることなく、１００ｍｌ／分未満に選択可能であり、それにより、ＩＰＡの消費を大幅に低減することができる。

高温のＩＰＡのウエハＷへの供給は、ＤＩリンス工程の完了後ではなく、ＤＩリンス工程中に始まることが好ましい。具体的には、ＤＩリンス工程中に、加熱されたＩＰＡ（最高８２℃、典型的な処理では６０〜８０℃）をウエハに供給することで、ＤＩ流が遮断された時にもウエハを湿った状態に保つ。ＩＰＡヒータ１５、１７の加熱設定値は、可能な限り高く保たれることが好ましいが、過熱を避けるために安定していることが好ましい。加熱ジャケット１２もオンにされ、制御されることが好ましい。加熱ジャケット１２の加熱設定値にも、安全上の懸念を避けるために特定の設定値が必要である。乾燥アーム３がウエハの縁部に向かって移動する時に、窒素ガスがウエハに供給されて、ウエハを乾燥させる。窒素ガスの流量は、乾燥アームが外側に移動するのに伴って変更されてよい。乾燥アームがウエハの外側へ移動すると、ウエハは、ウエハ乾燥を実現するために特定の時間回転する。

高温のＤＩは、加熱されたＩＰＡがウエハの上面に供給される間に、温度を維持するためにウエハの背面に供給される。高温のＤＩの流量は、処理中にチャンバ壁からの跳ね返りを避けるために、可能な限り低く保たれることが好ましい。また、ウエハ縁部への熱伝導を確実にするために、或る程度の流量が必要である。乾燥アームがウエハ上の特定の位置を通過している間、高温のＤＩは、上述のように、跳ね返りを避けるために止められることが好ましい。

乾燥アームがウエハの縁部に向かって移動する時に、加熱された窒素ガスがウエハに放出されて、ウエハを乾燥させる。窒素ガスの温度は、処理中にウエハ乾燥を円滑にするように選択される。加熱されたＮ₂の流量は、乾燥アームが外側に移動するのに伴って変更されることが好ましい。乾燥アームがウエハ上の特定の位置を通過している間、高温のＤＩは、上述のように、跳ね返りを避けるために止められることが好ましい。

ウエハＷの表面から流れ出た高温のＩＰＡは、リザーバ８に戻される前に、高温ＩＰＡ収集領域１４で収集され、高温ＩＰＡ回収領域１６で回収されてよい。上述のように、ＩＰＡの吸湿性により、特に回収が行われる時に、含水率が次第に増大する。この含水率の上昇に対処するために、新たなＩＰＡが、未使用ＩＰＡ供給源１３からリザーバ８へ供給されてよい。

含水率が上がりすぎて使用できなくなったＩＰＡは、燃料として利用されてもよいし、塩水溶液中へのＩＰＡの比較的低い溶解性に基づいてＩＰＡおよび水を分離できる塩析など、周知の技術によって再精製されてもよい。

工程Ｄ：最後の工程は、１５００ｒｐｍのスピン速度で１０秒間、全く化学物質を供給せずに回転を行う工程である。この工程は必須ではないが、ウエハ背面上および／またはウエハを回転させるチャック上に付着しうる液滴の任意の跳ね返りを避ける。

本発明は様々な実施形態に関連して説明されているが、それらの実施形態は、添付の特許請求の範囲の真の範囲および精神によって与えられる保護範囲を限定するための根拠として用いるべきではないことを理解されたい。

Claims (15)

1. 板状物品を乾燥させるための方法であって、
   水系リンス液で前記板状物品をリンスする工程と、
   水系リンス液での前記リンス工程の開始後に、２０質量％未満の含水率を有する有機溶媒で板状物品をさらにリンスする工程と、
   を備え、
   前記有機溶媒は、液体形態であり、６０℃よりも高く前記有機溶媒の沸点よりも低い温度に維持される、方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、前記有機溶媒は、ケトン、エーテル、および、アルコールからなる群より選択される、方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、前記有機溶媒はアルコールである、方法。
4. 請求項１に記載の方法であって、前記有機溶媒はイソプロピルアルコールである、方法。
5. 請求項１に記載の方法であって、前記有機溶媒は、残部が水である溶液に対して少なくとも１０質量％から５０質量％の範囲の溶媒濃度で、水と共に溶液を形成する、方法。
6. 請求項１に記載の方法であって、前記有機溶媒は、１０質量％未満の含水率を有する、方法。
7. 請求項１に記載の方法であって、前記板状物品は、前記有機溶媒でのリンス工程中に回転される、方法。
8. 請求項１に記載の方法であって、前記有機溶媒は、２０ｍｌ／分から４００ｍｌ／分の範囲の体積流量で供給される、方法。
9. 請求項１に記載の方法であって、前記有機溶媒の温度は、６０℃より高く８０℃より低い温度に維持される、方法。
10. 請求項１に記載の方法であって、さらに、前記有機溶媒の蒸発を促すために、前記板状物品の表面に、加熱ガス（例えば、窒素）を供給する工程を備える、方法。
11. 請求項１に記載の方法であって、さらに、前記有機溶媒が供給されるのと反対側の前記板状物品の面の少なくとも周辺領域に、加熱された脱イオン水を供給する工程を備える、方法。
12. 板状物品を乾燥させるための装置であって、
    水系リンス液供給源と連通して、水系リンス液で前記板状物品をリンスするためのリンスノズルと、
    有機溶媒供給源と連通する有機溶媒供給管であって、前記供給管を通して供給される有機溶媒を、６０℃よりも高く前記有機溶媒の沸点よりも低い温度まで加熱するよう適合された加熱装置を備える、有機溶媒供給管と、
    前記板状物品の表面に液体形態の前記有機溶媒を供給するよう構成された有機溶媒供給ノズルと、
    を備える、装置。
13. 請求項１２に記載の装置であって、さらに、加熱ガスおよび加熱水の一方の供給源と、加熱ガスまたは加熱水を前記板状物品の表面に方向付けるための供給ノズルと、を備える、装置。
14. 請求項１２に記載の装置であって、さらに、
    前記板状物品を受け入れて処理するための閉じた処理モジュールを備え、
    前記装置は、半導体ウエハの枚葉式ウエハウェット処理のためのステーションである、装置。
15. 請求項１２に記載の装置であって、前記加熱装置は、前記有機溶媒の沸点を超える温度まで過熱させることなく、６０℃よりも高く前記有機溶媒の沸点よりも低い温度に前記有機溶媒を加熱するよう構成された２つのインラインヒータを含む、装置。

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