JP2015133444A - 半導体製造装置および半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体装置の信頼性を維持しながら、半導体基板に付着した水分を除去することができる半導体製造装置および半導体装置の製造方法を提供する。【解決手段】半導体製造装置は、半導体基板を収容するチャンバを備える。真空部は、チャンバ内を減圧する。加熱部は、半導体基板を加熱する。真空部は、チャンバ内を減圧することによって半導体基板に付着した水分を凍結させる。加熱部は、半導体基板を加熱して半導体基板において凍結した水分を昇華させる。【選択図】図２

Description

本発明による実施形態は、半導体製造装置および半導体装置の製造方法に関する。

半導体製造プロセスにおいて、ウェット洗浄後の乾燥手法としてスピンドライまたはＩＰＡ（Isopropyl Alcohol）乾燥が頻繁に用いられる。しかし、近年、半導体装置の微細化が進むにつれ、高アスペクト比を有するトレンチの形成が所望されている。高アスペクト比を有するトレンチを形成する場合、ウェット洗浄後に従来のスピンドライまたはＩＰＡ乾燥を実行しても、トレンチ内部に水が残留し易い。トレンチ内部に水が残留すると、大気中の酸素、水分およびシリコンが反応し、水ガラスが生成される場合がある。水ガラスは、半導体装置の歩留りおよび特性を悪化させ、半導体装置の信頼性を損なう原因となり得る。

特開２００４−２３５５５９号公報

半導体基板に付着した水分除去を促進することができる半導体製造装置および半導体装置の製造方法を提供する。

半導体製造装置は、半導体基板を収容するチャンバを備える。真空部は、チャンバ内を減圧する。加熱部は、半導体基板を加熱する。真空部は、チャンバ内を減圧することによって半導体基板に付着した水分を凍結させる。加熱部は、半導体基板を加熱して半導体基板において凍結した水分を昇華させる。

第１の実施形態による半導体製造装置１００の構成の一例を示す概略図。 半導体基板Ｗの薬液処理および洗浄処理の工程を示す図。 水の相図。 第１の実施形態による半導体製造装置１００において処理される半導体基板Ｗの様子を示す断面図。 第２の実施形態による半導体製造装置２００の構成の一例を示す概略図。 第２の実施形態による半導体基板Ｗの薬液処理および洗浄処理の工程を示す図。

以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態による半導体製造装置１００の構成の一例を示す概略図である。半導体製造装置１００（以下、単に装置１００ともいう）は、例えば、ウェット洗浄装置であり、薬品を用いて半導体基板を処理した後、純水を用いて半導体基板を洗浄する装置である。

装置１００は、チャンバ１０と、処理槽２０と、窒素供給部３０と、ＩＰＡ供給部４０と、真空ポンプ５０と、加熱部６０とを備えている。チャンバ１０は、処理槽２０を収容しており、内部を密閉しかつ真空引きすることができる。処理槽２０は、半導体基板を収容し、該半導体基板を薬液処理および洗浄処理するために薬液または純水を入れることができる。例えば、処理槽２０に薬液を入れて半導体基板を薬液処理した後、処理槽２０内の薬液を純水に入れ替え、半導体基板を洗浄処理する。尚、処理槽２０は、複数の半導体基板を収納可能なサイズに形成されていてもよい。この場合、装置１００は、複数の半導体基板を同時に洗浄処理（バッチ処理）することができる。窒素供給部３０は、チャンバ１０内に窒素ガスを供給するために設けられている。ＩＰＡ供給部４０は、チャンバ１０内にＩＰＡガスを供給するために設けられている。真空ポンプ５０は、チャンバ１０内を真空引きするために設けられている。加熱部６０は、処理槽２０において半導体基板を洗浄した後、該半導体基板を加熱するために設けられている。加熱部６０は、特に限定しないが、例えば、電気加熱、レーザ加熱、電磁誘導加熱等を用いて半導体基板を加熱すればよい。また、加熱部６０は、チャンバ１０内の半導体基板を加熱することができればよく、チャンバ１０の内部に設けられてもよく、あるいは、チャンバ１０の外側に設けられていてもよい。

図２（Ａ）〜図２（Ｆ）は、半導体基板Ｗの薬液処理および洗浄処理の工程を示す図である。図２（Ａ）に示すように、まず、半導体基板Ｗを処理槽２０内に入れて薬液処理を行った後、半導体基板Ｗを純水に浸漬させる。これにより、半導体基板Ｗを洗浄する。このとき、チャンバ１０は、空気で満たされている。従って、半導体基板Ｗの洗浄後、もし半導体基板Ｗを単純に引き上げた場合、半導体基板Ｗのシリコン、水および酸素が反応して半導体基板Ｗの表面に水ガラス（例えば、ウォーターマーク）が形成されてしまう。

従って、半導体基板Ｗを処理槽２０内の純水に浸漬させた状態で、図２（Ｂ）に示すように、チャンバ１０内の空気を窒素で置換する。このとき、窒素供給部３０のバルブを開けてチャンバ１０内に窒素ガスを導入する。

次に、図２（Ｃ）に示すように、ＩＰＡ供給部４０のバルブを開けて、チャンバ１０内に高温のＩＰＡガス（ＩＰＡ蒸気）を導入する。これにより、チャンバ１０内は、ＩＰＡガスで満たされる。

次に、図２（Ｄ）に示すように、処理槽２０から半導体基板Ｗを引き上げる。これにより、半導体基板Ｗの表面がチャンバ１０内のＩＰＡガスの雰囲気に晒される。ＩＰＡと水との表面張力の差を利用して、チャンバ１０内のＩＰＡは、半導体基板Ｗの表面の純水と置換し、半導体基板Ｗの表面に付着する。即ち、図２（Ａ）〜図２（Ｄ）においてＩＰＡ乾燥処理を実行する。しかし、半導体基板Ｗが高アスペクト比のトレンチ構造を有する場合、ＩＰＡは、トレンチの底部の純水と完全に置き換わることはできず、水分がトレンチの底部に残留する場合がある。

そこで、図２（Ｅ）に示すように、真空ポンプ５０でチャンバ１０内を真空引きする（真空状態にする）。チャンバ１０内を真空引きすると、断熱膨張によりチャンバ１０内の温度が低下する。それにより、半導体基板Ｗに付着した水分が凍結（固化）する。次に、図２（Ｆ）に示すように、加熱部６０が半導体基板Ｗを加熱して半導体基板Ｗにおいて凍結した水分を昇華させる。即ち、本実施形態では、液体の水を蒸発させることによって半導体基板Ｗを乾燥させるのではなく、固体の水を気体に昇華させることによって半導体基板Ｗを乾燥させている。尚、加熱部６０は、半導体基板Ｗに直接熱を与えるヒータであってもよく、半導体基板Ｗにレーザを照射することによって加熱するレーザ生成装置、あるいは、電磁誘導によって半導体基板Ｗを加熱する装置、赤外線ランプやセラミックヒータを熱源とした加熱装置のいずれでもよい。

図３は、水の相図である。縦軸は気圧を示し、横軸は温度を示す。図３に示すように、三重点以下の気圧において、水は、液相としては安定に存在せず、固相または気相で存在する。従って、真空ポンプ５０はチャンバ１０内の気圧を水の三重点以下の気圧まで減圧する。即ち、真空ポンプ５０は、チャンバ１０内の気圧を約０．００６０３ａｔｍ以下に減圧する。これにより、半導体基板Ｗに残留する水は、断熱膨張により凍結（固化）する。このとき、水の状態は、図３のＡ１に示す領域にある。

加熱部６０が半導体基板Ｗを加熱することによって半導体基板Ｗの温度を水の昇華曲線よりも低い温度から水の昇華曲線よりも高い温度に遷移させる。即ち、加熱部６０は、水の昇華曲線を固相（領域Ａ１）から気相（領域Ａ２）へ通過するように半導体基板Ｗを加熱する。ここで、半導体基板Ｗの加熱は、凍結した水を固相（領域Ａ１）から気相（領域Ａ２）へ昇華させればよい。従って、加熱前後の半導体基板Ｗの温度あるいはチャンバ１０内の温度は、２７３．１６ケルビン以下の範囲でもよい。あるいは、加熱前後の半導体基板Ｗの温度あるいはチャンバ１０内の温度は、１ａｔｍの気圧における水の融点以下であってもよい。勿論、半導体基板Ｗは、２７３．１６ケルビン以上に加熱されてもよい。これにより、断熱膨張により固化した水分は気体に昇華する。気化した水分は、真空ポンプ５０を介してチャンバ１０の外部へ排気される。

その後、チャンバ１０内の気圧を大気圧に戻し、半導体基板Ｗを搬出する。これにより、薬液処理および洗浄処理の工程が完了する。

このように、半導体基板Ｗに残留している水分は、断熱膨張および加熱を受けて、固体から気体に昇華する。これにより、半導体基板Ｗに残留している水分を除去することができる。

図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は、第１の実施形態による半導体製造装置１００において処理される半導体基板Ｗの様子を示す断面図である。半導体基板Ｗは、例えば、シリコンウェハである。図４（Ａ）は、図２（Ｄ）に示したように半導体基板Ｗを処理槽２０から引き上げたときの半導体基板Ｗの断面図を示す。半導体基板Ｗの表面には、高アスペクト比のトレンチＴＲが形成されている。トレンチＴＲの開口幅は、例えば、約６〜８μｍであり、トレンチＴＲの深さは、例えば、５０μｍである。このようなトレンチＴＲは、例えば、スーパージャンクション型パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等を形成する際に用いられる。

図４（Ａ）に示すように、ＩＰＡ乾燥後であっても、高アスペクト比のトレンチＴＲの底部には、水分ＷＴｒが残留する場合がある。水分ＷＴｒは、液相状態の水分を示す。

図４（Ｂ）は、図２（Ｅ）を参照して説明したように、チャンバ１０内を減圧したときの半導体基板Ｗの断面図を示す。半導体基板Ｗの表面に残留する水分は、断熱膨張により凍結する。ＷＴｓは、固相状態の水分を示す。

図４（Ｃ）は、図２（Ｆ）を参照して説明したように、加熱時の半導体基板Ｗの断面図を示す。凍結した水分ＷＴｓは、昇華して気相状態の水分ＷＴｇとなる。

以上のように、本実施形態によれば、装置１００は、半導体基板Ｗの表面に残留する水分を断熱膨張により凍結する。さらに、装置１００は、凍結した水分を加熱することによって昇華させる。固相状態の水分は、酸素およびシリコンと反応せず、水ガラスを形成しない。従って、本実施形態は、チャンバ１０内を減圧することによって、液相状態の水を固相状態の水に凍結し、液相状態の水が酸素とシリコンに触れることを可及的に抑制することができる。これにより、半導体基板Ｗの表面にウォーターマーク等の水ガラスが生成されることを抑制することができる。その結果、装置１００は、信頼性を損ねることなく、半導体基板Ｗに付着した水分を除去することができる。

もし、ＩＰＡ乾燥処理において、減圧雰囲気中の半導体基板Ｗを加熱しない場合、凍結した水分は、トレンチＴＲの底部に残存したままとなる。このため、チャンバ１０内の気圧を大気圧に戻すと、水分は液相の水としてトレンチＴＲの底部に残ったまま除去され得ない。

これに対し、本実施形態では、半導体基板Ｗの表面上の水分を減圧によって凍結させた後、気体へ昇華させる。これにより、水分は半導体基板Ｗから除去され、かつ、気化した水分が半導体基板Ｗ上で再凍結するおそれもない。

尚、半導体基板Ｗを加熱するタイミングは、チャンバ１０内を減圧するタイミングの後でもよく、あるいは、チャンバ１０内を減圧するタイミングと同時でもよい。チャンバ１０内の減圧後に、半導体基板Ｗを加熱することによって、水分を確実に凍結させた後に、固相状態の水分を昇華させることができる。チャンバ１０内の減圧と同時に半導体基板Ｗを加熱することによって、乾燥処理時間を短縮することができる。

もし、図４（Ａ）に示す液相状態の水分ＷＴｒを蒸発乾燥させた場合、トレンチＴＲの底部に水ガラス（ウォーターマーク）が形成される場合がある。この場合、追加エッチングをしたときに、ウォーターマークがマスクとなってトレンチＴＲの底部が所望通りの形状に形成できないおそれがある。これは、半導体装置の歩留りおよび特性を悪化させ、半導体装置の信頼性を損なう原因となり得る。

これに対して、本実施形態では、半導体基板Ｗの表面にウォーターマーク等の水ガラスが生成されることを抑制することができるので、半導体装置の歩留りおよび特性を悪化させることなく、半導体装置の信頼性を維持することができる。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態による半導体製造装置２００の構成の一例を示す概略図である。半導体製造装置２００（以下、単に装置２００ともいう）は、例えば、ウェット洗浄装置であり、薬品を用いて半導体基板を処理した後、純水を用いて半導体基板を洗浄する装置である。装置１００は、バッチ式の処理装置であるが、装置２００は、枚葉式の処理装置である。

装置２００は、チャンバ１１と、ステージ１２と、冷却剤供給部２１と、薬液供給部３１と、純水供給部４１と、真空ポンプ５０と、加熱部６０とを備えている。チャンバ１１は、ステージ１２を収容しており、内部を密閉しかつ真空引きすることができる。ステージ１２は、該半導体基板を薬液処理および洗浄処理するために略水平に半導体基板を搭載する。ステージ１２は、薬液を振り切るために半導体基板を回転させることができる。

冷却剤供給部２１は、半導体基板上に冷却剤を供給するために設けられている。冷却剤は、例えば、液体窒素、冷却したＩＰＡ等の水の融点よりも温度の低い液体または気体である。薬液供給部３１は、半導体基板上に薬液を供給するために設けられている。純水供給部４１は、半導体基板上に純水を供給するために設けられている。これらの冷却剤、薬液および純水は、表面張力を利用して半導体基板の表面上に滞留させることができる。必要に応じて、これらの冷却剤、薬液および純水は、半導体基板の表面へ連続的に流し続けてもよい。

真空ポンプ５０および加熱部６０の構成は、第１の実施形態におけるそれらと同様でよい。

図６（Ａ）〜図６（Ｅ）は、第２の実施形態による半導体基板Ｗの薬液処理および洗浄処理の工程を示す図である。まず、半導体基板Ｗをステージ１２上に搭載し、チャンバ１１を密閉する。次に、薬液供給部３１が薬液を半導体基板Ｗ上に薬液を供給し、半導体基板Ｗに対して薬液処理を行う。次に、純水供給部４１が半導体基板Ｗ上に純水を供給する。これにより、半導体基板Ｗを洗浄する。このとき、チャンバ１１は、空気で満たされていてもよい。図６（Ａ）に示すように、半導体基板Ｗの表面は純水ＷＴｒで覆われているため、半導体基板Ｗの表面に酸素は到達しないからである。即ち、チャンバ１１にパージ用の窒素を導入しても問題無い。

半導体基板Ｗの洗浄後、半導体基板Ｗの表面上に純水ＷＴｒを滞留させたまま（半導体基板Ｗの表面を純水で被覆した状態のまま）、冷却剤供給部２１が半導体基板Ｗへ冷却剤を供給する。冷却剤は、上述の通り、水の融点よりも低い温度を有する液体または気体である。従って、冷却剤を半導体基板Ｗに供給することによって、図６（Ｂ）に示すように、半導体基板Ｗ上の純水ＷＴｒが凍結し、固相状態の水ＷＴｓとなる。

次に、図６（Ｃ）に示すように、真空ポンプ５０がチャンバ１１内を真空引きする（真空状態にする）。チャンバ１１内を真空引きすると、断熱膨張によりチャンバ１１内の温度が低下する。このとき、チャンバ１１内の気圧は、水の三重点以下の気圧にする。

次に、図６（Ｅ）および図６（Ｆ）に示すように、加熱部６０が半導体基板Ｗを加熱して半導体基板Ｗにおいて凍結した水分を気相の水（水蒸気）ＷＴｇへ昇華させる。即ち、第２の実施形態でも、図６（Ｆ）に示すように、液体の水を蒸発させることによって半導体基板Ｗを乾燥させるのではなく、固体の水を気体に昇華させることによって半導体基板Ｗを乾燥させている。尚、チャンバ１１内の気圧および半導体基板Ｗの温度は、図３を参照して説明した通りである。

気化した水ＷＴｇは、真空ポンプ５０を介してチャンバ１１の外部へ排気される。その後、チャンバ１１内の気圧を大気圧に戻し、半導体基板Ｗを搬出する。これにより、薬液処理および洗浄処理の工程が完了する。

このように、半導体基板Ｗに残留している水分は、冷却、断熱膨張および加熱を受けて、固体から気体に昇華する。これにより、半導体基板Ｗに残留している水分を除去することができる。

第２の実施形態によれば、装置２００は、半導体基板Ｗの表面を被覆する純水を冷却して凍結する。さらに、装置２００は、凍結した純水を減圧および加熱することによって昇華させる。半導体基板Ｗの表面を被覆する純水をそのまま凍結しているので、酸素が半導体基板Ｗの表面に達しない。従って、第２の実施形態は、半導体基板Ｗの表面にウォーターマーク等の水ガラスが生成されることをさらに抑制することができる。第２の実施形態は、さらに第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、第２の実施形態では、半導体基板Ｗの表面上を被覆する純水を凍結させた後、気体へ昇華させる。これにより、気化した水分が半導体基板Ｗ上で再凍結するおそれもない。

尚、半導体基板Ｗを加熱するタイミングは、第１の実施形態と同様に、チャンバ１１内を減圧するタイミングの後でもよく、あるいは、チャンバ１１内を減圧するタイミングと同時でもよい。

また、第１の実施形態による装置１００は、枚葉式装置であってもよい。第２の実施形態による装置２００は、バッチ式装置であってもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１００、２００…半導体製造装置、１０…チャンバ、２０…処理槽、３０…窒素供給部、４０…ＩＰＡ供給部、５０…真空ポンプ、６０…加熱部、Ｗ…半導体基板、１１…チャンバ、１２…ステージ、２１…冷却剤供給部、３１…薬液供給部、４１…純水供給部

Claims (8)

1. 半導体基板を収容するチャンバと、
   前記チャンバ内を減圧する真空部と、
   前記半導体基板を加熱する加熱部とを備え、
   前記真空部が前記チャンバ内を減圧することによって前記半導体基板に付着した水分を凍結させ、
   前記加熱部が前記半導体基板を加熱して前記半導体基板において凍結した水分を昇華させることを特徴とする、半導体製造装置。
2. 前記真空部が前記チャンバ内を減圧し、同時に、前記加熱部が前記半導体基板を加熱することを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置。
3. 前記真空部は、水の三重点以下の気圧まで前記チャンバ内を減圧し、
   前記加熱部は、前記半導体基板を加熱することによって該半導体基板の温度を水の昇華曲線よりも低い温度から水の昇華曲線よりも高い温度にすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体製造装置。
4. 前記真空部は、水の三重点以下の気圧まで前記チャンバ内を減圧し、
   前記加熱部は、水の昇華曲線を固相から気相へ通過するように前記半導体基板を加熱することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体製造装置。
5. 前記真空部は、０．００６０３ａｔｍ以下の気圧まで前記チャンバ内を減圧することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体製造装置。
6. 前記チャンバ内に気化されたイソプロピルアルコールを導入するＩＰＡ供給部をさらに備え、
   前記チャンバ内において前記半導体基板上の水分をイソプロピルアルコールで置換した後に、前記真空部が前記チャンバ内を減圧することによって前記半導体基板に残存する水分を凍結させ、
   前記加熱部が前記半導体基板を加熱して前記半導体基板において凍結した水分を昇華させることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体製造装置。
7. 前記半導体基板上に水を凍結させる冷却剤を供給する冷却剤供給部をさらに備え、
   前記チャンバ内において前記半導体基板上に冷却剤を供給することによって、該半導体基板上に残存する水分を凍結した後に、前記真空部が前記チャンバ内を減圧し、
   前記加熱部が前記半導体基板を加熱して前記半導体基板において凍結した水分を昇華させることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体製造装置。
8. 半導体基板を収容するチャンバ内を減圧することによって前記半導体基板に付着した水分を凍結させ、
   前記半導体基板を加熱して前記半導体基板において凍結した水分を昇華させることを具備した半導体装置の製造方法。