JP2019216153A - 半導体装置の製造方法及び洗浄装置 - Google Patents

半導体装置の製造方法及び洗浄装置 Download PDF

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Abstract

【課題】半導体ウェハを洗浄する工程が正常に行われているかをより正確に検知することができる。【解決手段】一実施形態に係る半導体装置の製造方法は、洗浄を行う工程を備える。洗浄を行う工程は、第１モータを含む第１回転機構と、第２モータを含む第２回転機構と、第２中心軸と、外周面とを含む円柱形状のローラーブラシとを有する洗浄装置を準備する工程と、第１回転機構により、半導体ウェハを、第１中心軸周りに回転させる工程と、第２回転機構によりローラーブラシを第２中心軸周りに回転させるとともに、外周面と表面とを接触させる工程とを有する。第２モータから出力される電流に基づいて、洗浄を行う工程における異常が検知される。【選択図】図６

Description

本発明は、半導体装置の製造方法及び洗浄装置に関する。
従来から、特開２００１−８５３７７号公報（特許文献１）に記載のＣＭＰ装置が知られている。特許文献１に記載のＣＭＰ装置は、半導体ウェハが載置された状態で回転するヘッドと、ヘッドに取り付けられた光電センサとを有している。半導体ウェハには、ノッチが形成されている。特許文献１に記載のＣＭＰ装置は、光電センサ上を半導体ウェハのノッチが通過したか否かを検知することにより、半導体ウェハの回転状態を検知する。
また、従来から、特開２０１２−１０３０３２号公報（特許文献２）に記載のサーボユニットが知られている。特許文献２に記載のサーボユニットは、モータと、エンコーダとを有している。特許文献２に記載のサーボユニットにおいて、エンコーダにより、モータの回転が検知される。
特開２００１−８５３７７号公報 特開２０１２−１０３０３２号公報
洗浄装置は、水、酸等の液体が飛散する環境下で用いられる。このような環境下においては、特許文献１に記載されているように、光電センサを配置することは困難である。飛散する水、酸等の液体の影響により、光電センサが機能しなくなるからである。また、洗浄装置においては、モータの回転が回転機構を介して半導体ウェハに伝達されることにより、半導体ウェハが回転する。そのため、モータが正常に回転していたとしても、回転機構のその他の部分の異常により、モータの回転が半導体ウェハに伝達されない結果、半導体ウェハが正常に回転しないことがある。したがって、特許文献２に記載されているようなモータの回転を検知する手法では、半導体ウェハの回転が正常であるか否かを検知することができない場合がある。
その他の課題及び新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
一実施形態に係る半導体装置の製造方法は、表面と、表面に直交する第１中心軸とを有し、表面に層間絶縁膜が形成された半導体ウェハを準備する工程と、層間絶縁膜に溝を形成する工程と、溝中に導電材料を埋め込む工程と、溝からはみ出した導電材料を化学的機械研磨で除去する工程と、半導体ウェハの洗浄を行う工程とを備える。
洗浄を行う工程は、第１モータを含む第１回転機構と、第２モータを含む第２回転機構と、第２中心軸と外周面とを含むローラーブラシとを有する洗浄装置を準備する工程と、第１回転機構により、半導体ウェハを、第１中心軸周りに回転させる工程と、第２回転機構によりローラーブラシを第２中心軸周りに回転させるとともに、外周面と表面とを接触させる工程とを有する。一実施形態に係る半導体装置の製造方法においては、第２モータから出力される電流に基づいて洗浄を行う工程における異常が検知される。
一実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、半導体ウェハを洗浄する工程が正常に行われているかをより正確に検知することができる。
第１実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。 第１実施形態に係る半導体装置の製造方法における半導体ウェハ準備工程Ｓ１での断面図である。 第１実施形態に係る半導体装置の製造方法における溝形成工程Ｓ２での断面図である。 第１実施形態に係る半導体装置の製造方法における導電材料埋め込み工程Ｓ３での断面図である。 第１実施形態に係る半導体装置の製造方法における化学的機械研磨工程Ｓ４での断面図である。 第１実施形態に係る半導体装置の製造方法に用いられる洗浄装置ＣＥ１の模式図である。 第１実施形態に係る半導体装置の製造方法の洗浄工程Ｓ５において回転機構ＲＭ１が正常である場合にモータＭ２から出力される電流を示すグラフである。 第１実施形態に係る半導体装置の製造方法の洗浄工程Ｓ５において回転機構ＲＭ１が異常である場合にモータＭ２から出力される電流を示すグラフである。 第１実施形態に係る半導体装置の製造方法においてローラーブラシＲＢと半導体ウェハＷＦとの位置関係を説明するための模式図である。 第１実施形態に係る半導体装置の製造方法においてｖｒｂとｙとの関係を示すグラフである。 第１実施形態に係る半導体装置の製造方法においてωｗが相対的に大きい場合におけるｖｒｂとｙとの関係を示すグラフである。 第１実施形態に係る半導体装置の製造方法においてωｗが相対的に小さい場合におけるｖｒｂとｙとの関係を示すグラフである。 第１実施形態に係る半導体装置の製造方法において第１電流と第２電流との差分と半導体ウェハＷＦの回転速度との関係を示すグラフである。 第２実施形態に係る半導体装置の製造方法を示す工程図である。 第２実施形態に係る半導体装置の製造方法における半導体ウェハ準備工程Ｓ６での断面図である。 第２実施形態に係る半導体装置の製造方法における導電膜形成工程Ｓ７での断面図である。 第２実施形態に係る半導体装置の製造方法に用いられる洗浄装置ＣＥ２の模式図である。 第２実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるフォトレジスト塗布工程Ｓ９での断面図である。 第２実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるフォトリソグラフィ工程Ｓ１０での断面図である。 第２実施形態に係る半導体装置の製造方法におけるエッチング工程Ｓ１１での断面図である。 第２実施形態に係る半導体装置の製造方法の洗浄工程Ｓ５においてモータＭ４から出力される電流を示すグラフである。 第２実施形態に係る半導体装置の製造方法において第４電流と半導体ウェハＷＦの回転速度との関係を示すグラフである。 第２実施形態に係る半導体装置の製造方法においてペン型ブラシＰＢと半導体ウェハＷＦとの位置関係を説明するための模式図である。 第２実施形態に係る半導体装置の製造方法において半導体ウェハＷＦの回転速度とペン型ブラシＰＢに作用するトルクの関係についてのシミュレーション結果を示すグラフである。 第３実施形態に係る半導体装置の製造方法における溝形成工程Ｓ２での断面図である。 第３実施形態に係る半導体装置の製造方法における導電材料埋め込み工程Ｓ３での断面図である。 第３実施形態に係る半導体装置の製造方法における化学的機械研磨工程Ｓ４での断面図である。 第４実施形態に係る半導体装置の製造方法に用いられる洗浄装置ＣＥ３の模式図である。 第４実施形態に係る半導体装置の製造方法の洗浄工程Ｓ５においてモータＭ１から出力される電流を示すグラフである。 第４実施形態に係る半導体装置の製造方法において第５電流と第６電流との差分とローラーブラシＲＢの回転速度との関係を示すグラフである。
実施形態の詳細を、図面を参照して説明する。以下の図面においては、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は繰り返さない。
（第１実施形態）
以下に、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。
図１に示されるように、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法は、半導体ウェハ準備工程Ｓ１と、溝形成工程Ｓ２と、導電材料埋め込み工程Ｓ３と、化学的機械研磨工程Ｓ４と、洗浄工程Ｓ５とを有している。
図２に示されるように、半導体ウェハ準備工程Ｓ１においては、半導体ウェハＷＦが準備される。半導体ウェハＷＦは、半導体基板ＳＵＢと層間絶縁膜ＩＬＤとを有している。半導体ウェハＷＦは、表面ＦＳと、裏面ＢＳとを有している。半導体基板ＳＵＢは、第１面と、第２面とを有している。第２面は、第１面の反対面である。
層間絶縁膜ＩＬＤは、半導体ウェハＷＦの表面ＦＳに形成されている。層間絶縁膜ＩＬＤは、半導体基板ＳＵＢの第１面上に形成されている。層間絶縁膜ＩＬＤは、例えば、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）で形成されている。半導体基板ＳＵＢは、例えば、単結晶のシリコン（Ｓｉ）で形成されている。
半導体ウェハＷＦには、トランジスタＴｒが形成されている。トランジスタＴｒは、ソース領域ＳＲと、ドレイン領域ＤＲＡと、ウェル領域ＷＲ（図示せず）と、ゲート絶縁膜ＧＯと、ゲート電極ＧＥとを有している。ソース領域ＳＲ及びドレイン領域ＤＲＡは、半導体基板ＳＵＢの第１面に形成されている。ウェル領域ＷＲは、ソース領域ＳＲ及びドレイン領域を取り囲むように半導体基板ＳＵＢの第１面に形成されている。
ゲート絶縁膜ＧＯは、ソース領域ＳＲ及びドレイン領域ＤＲＡで挟み込まれるウェル領域ＷＲ上に形成されている。ゲート電極ＧＥは、ゲート絶縁膜ＧＯ上に形成されている。各々のトランジスタＴｒは、素子分離膜ＩＳＬで互いに絶縁分離されている。素子分離膜ＩＳＬは、半導体基板ＳＵＢの第１面に形成されている。素子分離膜ＩＳＬは、例えばＳＴＩ（Shallow Trench Isolation）である。
ゲート絶縁膜ＧＯは、例えばシリコン酸化物で形成されている。ゲート電極ＧＥは、例えば不純物がドープされた多結晶のシリコンで形成されている。素子分離膜ＩＳＬは、例えばシリコン酸化物で形成されている。ソース領域ＳＲ及びドレイン領域ＤＲＡの導電型は、ウェル領域ＷＲの導電型の反対である。
半導体ウェハＷＦは、従来公知の方法で準備される。ソース領域ＳＲ、ドレイン領域ＤＲＡ及びウェル領域ＷＲは、例えば、イオン注入法で形成される。ゲート絶縁膜ＧＯは、例えば、熱酸化で形成される。ゲート電極ＧＥは、ゲート電極ＧＥを構成する材料をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等で成膜するとともに、フォトリソグラフィ及びエッチングでパターンニングすることで形成される。層間絶縁膜ＩＬＤは、例えば、層間絶縁膜ＩＬＤを構成する材料をＣＶＤ等で成膜するとともに、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）で平坦化することで形成される。
溝形成工程Ｓ２においては、図３に示されるように、層間絶縁膜ＩＬＤに溝ＴＲが形成される。第１実施形態に係る半導体装置の製造方法においては、溝ＴＲは、コンタクトホールＣＨである。コンタクトホールＣＨは、ソース領域ＳＲ、ドレイン領域ＤＲＡ及びゲート電極ＧＥ上に位置している。溝ＴＲは、例えば、ＲＩＥ等で層間絶縁膜ＩＬＤを異方性エッチングすることで形成される。
導電材料埋め込み工程Ｓ３においては、図４に示されるように、導電材料ＣＭがコンタクトホールＣＨに埋め込まれる。導電材料ＣＭは、例えば、コンタクトプラグＣＰを構成する材料である。導電材料ＣＭは、例えばタングステン（Ｗ）である。コンタクトホールＣＨへの導電材料ＣＭの埋め込みは、例えばＣＶＤ等で行われる。
化学的機械研磨工程Ｓ４においては、図５に示されるように、コンタクトホールＣＨからはみ出した導電材料ＣＭが化学的機械研磨（ＣＭＰ）で除去される。これにより、コンタクトホールＣＨ中にコンタクトプラグＣＰが形成される。
洗浄工程Ｓ５においては、半導体ウェハＷＦの洗浄が行われる。洗浄工程Ｓ５は、洗浄装置準備工程Ｓ５１と、半導体ウェハ回転工程Ｓ５２と、ブラシ回転工程Ｓ５３とを有している。洗浄装置準備工程Ｓ５１においては、洗浄装置ＣＥ１が準備される。図６に示されるように、洗浄装置ＣＥ１は、回転機構ＲＭ１と、回転機構ＲＭ２と、ローラーブラシＲＢと、回転検知部ＲＤＰと、異常検知部ＡＤＰとを有している。
ローラーブラシＲＢは、例えば円柱形状を有している。ローラーブラシＲＢは、中心軸ＲＢａと、外周面ＲＢｂとを有している。ローラーブラシＲＢは、例えば、ＰＶＡ（Polyvinyl Alcohol）スポンジ等で形成されている。ローラーブラシＲＢは、表面ＦＳ（裏面ＢＳ）と接触及び離間可能に構成されている。
回転機構ＲＭ１は、モータＭ１と伝達機構ＴＭ１とを有しており、回転機構ＲＭ２は、モータＭ２と伝達機構ＴＭ２とを有している。伝達機構ＴＭ１及び伝達機構ＴＭ２は、例えば、ベルト、ギア等の機械部品で構成されている。
回転機構ＲＭ２及びローラーブラシＲＢの数は、２であってもよい。この場合、一方のローラーブラシＲＢは、半導体ウェハＷＦの表面ＦＳ側に配置され、他方のローラーブラシＲＢは、半導体ウェハＷＦの裏面ＢＳ側に配置される。
半導体ウェハ回転工程Ｓ５２においては、回転機構ＲＭ１により、半導体ウェハＷＦが中心軸ＷＦａ周りに回転される。より具体的には、モータＭ１の回転が伝達機構ＴＭ１を介して半導体ウェハＷＦに伝達されることにより、半導体ウェハＷＦが中心軸ＷＦａ周りに回転される。中心軸ＷＦａは、表面ＦＳ及び裏面ＢＳに直交している。
ブラシ回転工程Ｓ５３においては、回転機構ＲＭ２により、ローラーブラシＲＢが中心軸ＲＢａ周りに回転される。より具体的には、モータＭ２の回転が伝達機構ＴＭ２を介してローラーブラシＲＢに伝達されることにより、ローラーブラシＲＢが中心軸ＲＢａ周りに回転される。ローラーブラシＲＢの回転速度は、回転検知部ＲＤＰで検知される。
半導体ウェハＷＦ及びローラーブラシＲＢがそれぞれ回転している状態で外周面ＲＢｂと表面ＦＳ（裏面ＢＳ）とが接触することにより、半導体ウェハＷＦの洗浄が行われる。具体的には、この洗浄により、化学的機械研磨工程Ｓ４において用いられたスラリー等が除去される。
モータＭ２は、外周面ＲＢｂと表面ＦＳ（裏面ＢＳ）とが離間している状態において、異常検知部ＡＤＰに対して電流（第１電流）を出力する。また、モータＭ２は、外周面ＲＢｂと表面ＦＳ（裏面ＢＳ）とが接触している状態において、異常検知部ＡＤＰに対して電流（第２電流）を出力する。
異常検知部ＡＤＰは、モータＭ２から出力される電流に基づいて、回転機構ＲＭ２の回転異常を検知する。より具体的には、第１に、異常検知部ＡＤＰは、第１電流と第２電流との差分を算出する。第２に、異常検知部ＡＤＰは、第１電流と第２電流との差分と所定の閾値を比較することにより（第１電流と第２電流との差分が閾値を超えているかを判定することにより）、回転機構ＲＭ２の回転異常を検知する。異常検知部ＡＤＰは、例えばモータＭ２とモータドライバとを接続するケーブルに設けられた電流センサ及び当該電流センサに接続されたマイクロコントローラ等で構成されている。
閾値は、例えば、回転検知部ＲＤＰで検知されたローラーブラシＲＢの回転速度に基づいて設定される。好ましくは、閾値は、ローラーブラシＲＢの回転速度が毎分１００回転である場合、回転機構ＲＭ２が正常である場合の第１電流と第２電流との差分の１．５倍以上３．０倍以下に設定される。また、好ましくは、閾値は、ローラーブラシＲＢの回転速度が毎分２００回転である場合、回転機構ＲＭ２が正常である場合の第１電流と第２電流との差分の２．５倍以上３．０倍以下に設定される。
閾値は、第１電流の平均値と第２電流の平均値との差分と比較されてもよい。閾値は、第１電流の最大値と第２電流の最大値との差分と比較されてもよい。閾値は、第１電流のフーリエ変換値と第２電流のフーリエ変換値との差分と比較されてもよい。
なお、異常検知部ＡＤＰは、モータＭ２から出力される第２電流を所定の閾値と比較することにより（第２電流が所定の閾値を超えているかを判定することにより）、回転機構ＲＭ２の異常を検知してもよい。
上記においては、コンタクトプラグＣＰを形成した後の半導体ウェハＷＦの洗浄を行う際の回転機構ＲＭ２の異常検出について説明したが、上記の異常検出の方法は、その他の洗浄を行う際の回転機構ＲＭ２の異常検出にも適用することができる。この場合、各々の洗浄工程に用いられるレシピに関して、異なる閾値を設定してもよい。
上記においては、半導体ウェハＷＦの回転速度についての異常検知に関して説明した。しかしながら、上記の異常検出の方法は、半導体ウェハＷＦの回転速度についての異常検知以外にも適用することができる。例えば、ローラーブラシＲＢが破損した場合には、モータＭ２のトルクの上昇及びそれに伴う第２電流の上昇が生じるため、上記の異常検出の方法は、ローラーブラシＲＢの損傷検出にも適用することができる。
以下に、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法の効果を説明する。
図７に示されるように、回転機構ＲＭ１が正常である場合には、第１電流と第２電流との差分は、相対的に小さい。他方で、図８に示されるように、回転機構ＲＭ１に異常がある場合（半導体ウェハＷＦの回転が停止している又は半導体ウェハＷＦの回転速度が低下している場合）には、第１電流と第２電流との差分は相対的に大きくなる。そのため、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、モータＭ２から出力される電流をモニタリングすることにより、洗浄工程Ｓ５において半導体ウェハＷＦが正常に回転しているかを検知することができる。
一般的に、２つの物体が互いに接触している際に働く摩擦力の大きさは、それらの相対速度には依存しないが、当該摩擦力の方向は、それらの相対速度の方向となる。図９に示されるように、半導体ウェハＷＦの表面ＦＳをｘｙ平面とし、ローラーブラシＲＢの外周面ＲＢｂは、ｙ軸上において表面ＦＳと接触するものとする。
半導体ウェハＷＦの中心軸ＷＦａ周りの回転の角速度をωｗとし、ローラーブラシＲＢの中心軸ＲＢａ周りの回転の角速度をωｂとし、半導体ウェハＷＦの半径をｒｗとし、ローラーブラシＲＢの半径をｒｂとする。半導体ウェハＷＦとローラーブラシＲＢとが接触する点である（０，ｙ）におけるローラーブラシＲＢの中心軸ＲＢａ周りの回転速度をｖｂとすると、ｖｂ＝ｒｂ×ωｂとなる。半導体ウェハＷＦとローラーブラシＲＢとが接触する点である（０，ｙ）における半導体ウェハＷＦの中心軸ＷＦａ周りの回転速度をｖｗとすると、ｖｗ＝ｙ×ωｗとなる。
したがって、ローラーブラシＲＢ側から見た半導体ウェハＷＦの相対速度をｖｒｂとすると、ｖｒｂ＝ｙ×ωｗ−ｒｂ×ωｂとなる。この式においてｖｒｂ＝０としてローラーブラシＲＢから見た半導体ウェハＷＦの相対速度が０となる位置であるｙ０を求めると、ｙ０＝ｒｂ×ωｂ／ωｗとなる。このことを図に示すと、図１０のようになる。
上記のとおり、２つの物体が互いに接触している際に働く摩擦力の方向は、相対速度の方向で決定されるため、ｙ＝ｙ０を境界として、摩擦力の方向が変化する。ローラーブラシＲＢに作用するトルクは、ｙ軸上の各点に作用するトルクを合計したものである。ｙ０を中心として逆方向に働くトルクは、互いに相殺される。
図１１に示されるように、半導体ウェハＷＦの回転速度が速くなると（ωｗの値が大きくなると）、ｙ０の位置は原点に近づく。すなわち、半導体ウェハＷＦの回転速度が速くなると、ローラーブラシＲＢに作用するトルクが小さくなる。他方で、図１２に示されるように、半導体ウェハＷＦの回転速度が遅くなると（ωｗの値が小さくなると）、ｙ０の位置はｙ軸上において原点から離れる。すなわち、半導体ウェハＷＦの回転速度が遅くなると、逆方向に働くトルクが互いに相殺されにくくなり、ローラーブラシＲＢに作用するトルクが大きくなる。
モータＭ２から出力される電流は、ローラーブラシＲＢに作用するトルクが大きくなるほど、大きくなる。したがって、回転機構ＲＭ１の異常が生じると、それに起因してローラーブラシＲＢに作用するトルクが大きくなるとともに、モータＭ２から出力される電流が大きくなる。そのため、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、モータＭ２から出力される電流をモニタリングすることにより、洗浄工程Ｓ５において半導体ウェハＷＦが正常に回転しているかを検知することができる。
図１３に示されるように、第１電流と第２電流との差分の半導体ウェハＷＦの回転速度依存性は、ローラーブラシＲＢの回転速度により変化する。そのため、第１電流と第２電流との差分と比較される閾値がローラーブラシＲＢの回転速度に基づいて設定されることにより、洗浄工程Ｓ５において半導体ウェハＷＦが正常に回転しているかをより正確に検知することができる。
ローラーブラシＲＢの回転速度が毎分１００回転であれば、半導体ウェハＷＦの回転速度が毎分５０回転である場合の第１電流と第２電流との差分は、半導体ウェハＷＦの回転速度が毎分１００回転である場合（すなわち、回転機構ＲＭ１が正常である場合）の第１電流と第２電流との差分の１．５倍程度である。また、ローラーブラシＲＢの回転速度が毎分１００回転であれば、半導体ウェハＷＦの回転速度が停止している場合の第１電流と第２電流との差分は、半導体ウェハＷＦの回転速度が毎分１００回転である場合の第１電流と第２電流との差分の３．３倍程度である。そのため、ローラーブラシＲＢの回転速度が毎分１００回転であれば、閾値を回転機構ＲＭ１が正常である場合の第１電流と第２電流との差分の１．５倍以上３．０倍以下とすることにより、回転機構ＲＭ２の異常を十分に検知可能である。
同様にして、ローラーブラシＲＢの回転速度が毎分２００回転であれば、閾値を回転機構ＲＭ１が正常である場合の第１電流と第２電流との差分の２．５倍以上３．０倍以下とすることにより、回転機構ＲＭ２の異常を十分に検知可能である。
（第２実施形態）
以下に、第２実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。
図１４に示されるように、第２実施形態に係る半導体装置の製造方法は、半導体ウェハ準備工程Ｓ６と、導電膜形成工程Ｓ７と、洗浄工程Ｓ８と、フォトレジスト塗布工程Ｓ９と、フォトリソグラフィ工程Ｓ１０と、エッチング工程Ｓ１１とを有している。
図１５に示されるように、半導体ウェハ準備工程Ｓ６においては、半導体ウェハＷＦが準備される。半導体ウェハＷＦは、半導体基板ＳＵＢと、層間絶縁膜ＩＬＤとを有している。層間絶縁膜ＩＬＤは、半導体ウェハＷＦの表面ＦＳに形成されている。層間絶縁膜ＩＬＤ中には、コンタクトプラグＣＰが形成されている。
導電膜形成工程Ｓ７においては、図１６に示されるように、導電膜ＣＦが形成される。導電膜ＣＦは、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム合金等で形成されている。導電膜ＣＦの形成は、例えば、スパッタリング等で行われる。
洗浄工程Ｓ８においては、半導体ウェハＷＦの洗浄が行われる。洗浄工程Ｓ８は、洗浄装置準備工程Ｓ８１と、半導体ウェハ回転工程Ｓ８２と、ブラシ回転工程Ｓ８３とを有している。洗浄装置準備工程Ｓ８１においては、洗浄装置ＣＥ２が準備される。図１７に示されるように、洗浄装置ＣＥ２は、回転機構ＲＭ３と、回転機構ＲＭ４と、ペン型ブラシＰＢと、異常検知部ＡＤＰとを有している。回転機構ＲＭ３は、モータＭ３と伝達機構ＴＭ３とを有しており、回転機構ＲＭ４は、モータＭ４と伝達機構ＴＭ４とを有している。伝達機構ＴＭ３及び伝達機構ＴＭ４は、例えば、ベルト、ギア等の機械部品で構成されている。
ペン型ブラシＰＢは、例えば円柱形状を有している。ペン型ブラシＰＢは、中心軸ＰＢａと、端面ＰＢｂとを有している。端面ＰＢｂは、中心軸ＰＢａに直交している。ペン型ブラシＰＢは、例えば、ＰＶＡスポンジ等で形成されている。ペン型ブラシＰＢは、裏面ＢＳと接触及び離間可能に構成されている。
半導体ウェハ回転工程Ｓ８２においては、回転機構ＲＭ３により、半導体ウェハＷＦが中心軸ＷＦａ周りに回転される。より具体的には、モータＭ３の回転が伝達機構ＴＭ３を介して半導体ウェハＷＦに伝達されることにより、半導体ウェハＷＦが中心軸ＷＦａ周りに回転される。ブラシ回転工程Ｓ８３においては、回転機構ＲＭ４により、ペン型ブラシＰＢが中心軸ＰＢａ周りに回転される。より具体的には、モータＭ４の回転が伝達機構ＴＭ４を介してペン型ブラシＰＢに伝達されることにより、ペン型ブラシＰＢが中心軸ＰＢａ周りに回転される。ペン型ブラシＰＢの回転速度は、回転検知部ＲＤＰで検知される。
半導体ウェハＷＦ及びペン型ブラシＰＢがそれぞれ回転している状態で端面ＰＢｂと裏面ＢＳとが接触することにより、半導体ウェハＷＦの洗浄が行われる。この洗浄で裏面ＢＳに付着していた異物が除去されることにより、フォトリソグラフィ工程Ｓ１０におけるデフォーカスエラー（焦点ずれ）が抑制される。
モータＭ４は、端面ＰＢｂと裏面ＢＳとが離間している状態において、異常検知部ＡＤＰに対して電流（第３電流）を出力する。また、モータＭ４は、端面ＰＢｂと裏面ＢＳとが接触している状態において、異常検知部ＡＤＰに対して電流（第４電流）を出力する。
異常検知部ＡＤＰは、モータＭ４から出力される電流に基づいて、回転機構ＲＭ４の回転異常を検知する。より具体的には、第１に、異常検知部ＡＤＰは、第３電流と第４電流との差分を算出する。第２に、異常検知部ＡＤＰは、第３電流と第４電流との差分と所定の閾値を比較することにより（第３電流と第４電流との差分が閾値を超えているかを判定することにより）、回転機構ＲＭ４の回転異常を検知する。
フォトレジスト塗布工程Ｓ９においては、図１８に示されるように、フォトレジストＰＲが形成される。フォトレジストＰＲは、導電膜ＣＦ上に形成される。フォトレジストＰＲは、例えばスピンコートで塗布される。
フォトリソグラフィ工程Ｓ１０においては、図１９に示されるように、フォトレジストＰＲがフォトリソグラフィでパターンニングされる。具体的には、フォトマスクを用いて開口を形成する部分のフォトレジストＰＲを露光した後に、フォトレジストＰＲが現像される。
エッチング工程Ｓ１１においては、図２０に示されるように、導電膜ＣＦのエッチングが行われる。このエッチングは、フォトリソグラフィ工程Ｓ１０においてパターンニングされたフォトレジストＰＲをマスクとして行われる。このエッチングは、例えば、ＲＩＥ等の異方性エッチングである。エッチング工程Ｓ１１により、導電膜ＣＦがパターンニングされ、コンタクトプラグＣＰに電気的に接続される配線ＷＬが形成される。
上記においては、半導体ウェハＷＦの回転速度についての異常検知に関して説明した。しかしながら、上記の異常検出の方法は、半導体ウェハＷＦの回転速度についての異常検知以外にも適用することができる。例えば、ペン型ブラシＰＢに動力を伝達するベルトが切れてモータＭ４に巻き付いた場合には、モータＭ４のトルクの上昇及びそれに伴う第４電流の上昇が生じるため、上記の異常検出の方法は、伝達機構ＴＭ４の損傷にも適用することができる。
以下に、第２実施形態に係る半導体装置の製造方法の効果を説明する。
図２１に示されるように、回転機構ＲＭ４が正常である場合には、第３電流と第４電流との差分は、相対的に小さい。他方で、回転機構ＲＭ４に異常がある場合（半導体ウェハＷＦの回転が停止している又は半導体ウェハＷＦの回転速度が低下している場合）には、第３電流と第４電流との差分は相対的に大きくなる。そのため、第２実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、モータＭ４から出力される電流をモニタリングすることにより、洗浄工程Ｓ８において半導体ウェハＷＦが正常に回転しているかを検知することができる。
図２２に示されるように、ペン型ブラシＰＢの回転速度が毎分６７０回転である場合、半導体ウェハＷＦが正常に回転している際（半導体ウェハＷＦの回転速度が毎分１５００回転である際）の第４電流は、半導体ウェハＷＦの回転に異常がある際（半導体ウェハＷＦの回転が停止している際）の第４電流の１．２倍程度となる。そのため、例えば、ペン型ブラシＰＢの回転速度が毎分６７０回転であれば、第４電流が所定の閾値を超えているかにより回転機構ＲＭ４の異常を検知する際に、当該閾値を回転機構ＲＭ４が正常である場合の第４電流の１．２倍以上とすることで、回転機構ＲＭ４の異常を検知することができる。
図２３に示されるように、半導体ウェハＷＦの中心軸ＷＦａ周りの回転の角速度をωｗとし、ペン型ブラシＰＢの中心軸ＰＢａ周りの回転の角速度をωｐとし、半導体ウェハＷＦの半径をＲとし、ペン型ブラシＰＢの中心と半導体ウェハＷＦの中心との距離をｒｃｅｎとし、ペン型ブラシＰＢに作用するトルクをτとし、比例定数をＰとする。ペン型ブラシＰＢに作用するトルクは、以下の式により算出される。
Figure 2019216153
上記の式に基づいて半導体ウェハＷＦの回転速度とペン型ブラシＰＢに作用するトルクの関係をシミュレートすると、図２４のようになる。図２４に示されるように、半導体ウェハＷＦの回転数が減少するにしたがって、ペン型ブラシＰＢに作用するトルクが上昇する。このように、回転機構ＲＭ４の異常が生じると、それに起因してペン型ブラシＰＢに作用するトルクが大きくなるとともに、モータＭ４から出力される電流が大きくなる。そのため、第２実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、モータＭ４から出力される電流をモニタリングすることにより、洗浄工程Ｓ８において半導体ウェハＷＦが正常に回転しているかを検知することができる。
（第３実施形態）
以下に、第３実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。なお、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さない。
第３実施形態に係る半導体装置の製造方法は、半導体ウェハ準備工程Ｓ１と、溝形成工程Ｓ２と、導電材料埋め込み工程Ｓ３と、化学的機械研磨工程Ｓ４と、洗浄工程Ｓ５とを有している。洗浄工程Ｓ５は、洗浄工程Ｓ５は、洗浄装置準備工程Ｓ５１と、半導体ウェハ回転工程Ｓ５２と、ブラシ回転工程Ｓ５３とを有している。これらの点に関して、第３実施形態に係る半導体装置の製造方法は、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法と共通している。
しかしながら、第３実施形態に係る半導体装置の製造方法は、溝形成工程Ｓ２、導電材料埋め込み工程Ｓ３、化学的機械研磨工程Ｓ４及び洗浄工程Ｓ５の詳細に関して、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法と異なっている。
溝形成工程Ｓ２においては、図２５に示されるように、溝ＴＲとして、配線溝ＴＲ１及びビアホールＶＨが形成される。配線溝ＴＲ１及びビアホールＶＨの形成は、例えばＲＩＥ等の異方性エッチングで行われる。
導電材料埋め込み工程Ｓ３においては、図２６に示されるように、配線溝ＴＲ１及びビアホールＶＨに導電材料ＣＭが埋め込まれる。導電材料ＣＭには、銅（Ｃｕ）を含有する材料が用いられる。導電材料ＣＭは、配線溝ＴＲ１及びビアホールＶＨの表面にシード層を形成するとともに、シード層を用いて電解めっきを行うことで配線溝ＴＲ１及びビアホールＶＨに埋め込まれる。なお、図示されていないが、溝形成工程Ｓ２が行われた後、導電材料埋め込み工程Ｓ３が行われる前に、配線溝ＴＲ１及びビアホールＶＨの表面に窒化チタン（ＴｉＮ）等のバリアメタルが形成される。
化学的機械研磨工程Ｓ４においては、図２７に示されるように、配線溝ＴＲ１及びビアホールＶＨからはみ出した導電材料ＣＭが、化学的機械研磨（ＣＭＰ）で除去される。
化学的機械研磨工程Ｓ４及び洗浄工程Ｓ５は、遮光された状態で行われる。「化学的機械研磨工程Ｓ４及び洗浄工程Ｓ５が遮光された状態で行われる」とは、化学的機械研磨工程Ｓ４及び洗浄工程Ｓ５が、照度が１００ルクス以下のチャンバー内で行われることを意味する。
なお、上記においては、洗浄工程Ｓ５を行うブラシとしてローラーブラシＲＢを用いる例を示したが、洗浄工程Ｓ５を行うブラシは、ペン型ブラシＰＢであってもよい。
以下に、第３実施形態に係る半導体装置の製造方法の効果を説明する。なお、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法の効果と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さない。
導電材料ＣＭが銅を含む材料である場合、導電材料ＣＭの腐食を防止するために、化学的機械研磨工程Ｓ４及び洗浄工程Ｓ５は、遮光された状態で行う必要がある。しかしながら、化学的機械研磨工程Ｓ４及び洗浄工程Ｓ５が遮光された状態で行われる場合、半導体ウェハＷＦの回転の検知を、光学的な方法（例えば、光電センサを用いる方法）で行うことは困難である。
他方で、第３実施形態に係る半導体装置の製造方法においては、モータＭ２から出力される電流をモニタすることで半導体ウェハＷＦの回転を検知するため、光学的な方法で半導体ウェハＷＦの回転検知を行うことが困難な環境でも、半導体ウェハＷＦの回転検知を行うことが可能となる。
（第４実施形態）
以下に、第４実施形態に係る半導体装置の製造方法を説明する。なお、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さない。
第４実施形態に係る半導体装置の製造方法は、半導体ウェハ準備工程Ｓ１と、溝形成工程Ｓ２と、導電材料埋め込み工程Ｓ３と、化学的機械研磨工程Ｓ４と、洗浄工程Ｓ５とを有している。洗浄工程Ｓ５は、洗浄工程Ｓ５は、洗浄装置準備工程Ｓ５１と、半導体ウェハ回転工程Ｓ５２と、ブラシ回転工程Ｓ５３とを有している。これらの点に関して、第４実施形態に係る半導体装置の製造方法は、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法と共通している。
しかしながら、第４実施形態に係る半導体装置の製造方法は、ローラーブラシＲＢの回転の異常を検知する点に関して、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法と異なっている。
図２８に示されるように、洗浄装置ＣＥ３において、モータＭ１は、外周面ＲＢｂと表面ＦＳ（裏面ＢＳ）とが離間している状態において、異常検知部ＡＤＰに対して電流（第５電流）を出力する。モータＭ１は、外周面ＲＢｂと表面ＦＳ（裏面ＢＳ）とが接触している状態において、異常検知部ＡＤＰに対して電流（第６電流）を出力する。
異常検知部ＡＤＰは、モータＭ１から出力される電流に基づいて、回転機構ＲＭ２の回転異常を検知する。より具体的には、第１に、異常検知部ＡＤＰは、第５電流と第６電流との差分を算出する。第２に、異常検知部ＡＤＰは、第５電流と第６電流との差分と所定の閾値を比較することにより（第５電流と第６電流との差分が閾値を超えているかを判定することにより）、回転機構ＲＭ２の回転異常を検知する。
なお、上記においては、洗浄工程Ｓ５を行うブラシとしてローラーブラシＲＢを用いる例を示したが、洗浄工程Ｓ５を行うブラシは、ペン型ブラシＰＢであってもよい。
上記においては、ローラーブラシＲＢの回転速度についての異常検知に関して説明したが、上記の異常検出の方法は、ローラーブラシＲＢの回転速度についての異常検知以外にも適用することができる。例えば、ローラーブラシＲＢの下降動作に不具合がある場合、ローラーブラシＲＢと半導体ウェハＷＦとが接触しないため、モータＭ１のトルクの減少及びそれに伴う第６電流の減少が生じるため、上記の異常検出の方法は、ローラーブラシＲＢと半導体ウェハＷＦとの接触異常の検知にも適用することができる。
以下に、第４実施形態に係る半導体装置の製造方法の効果を説明する。なお、第１実施形態に係る半導体装置の製造方法の効果と異なる点を主に説明し、重複する説明は繰り返さない。
図２９に示されるように、回転機構ＲＭ２が正常である場合には、第５電流と第６電流との差分は、相対的に小さい。他方で、図２９に示されるように、回転機構ＲＭ２に異常がある場合（ローラーブラシＲＢの回転が停止している又はローラーブラシＲＢの回転速度が低下している場合）には、第５電流と第６電流との差分は相対的に大きくなる。そのため、第４実施形態に係る半導体装置の製造方法によると、モータＭ１から出力される電流をモニタリングすることにより、洗浄工程Ｓ５においてローラーブラシＲＢが正常に回転しているかを検知することができる。
図３０に示されるように、半導体ウェハＷＦの回転速度が毎分１００回転である場合、ローラーブラシＲＢが正常に回転している際（ローラーブラシＲＢの回転速度が毎分２００回転である際）の第５電流と第６電流との差分は、ローラーブラシＲＢの回転に異常がある際（ローラーブラシＲＢの回転が停止している際）の第５電流と第６電流との差分の１．１５倍程度となる。そのため、例えば、半導体ウェハＷＦの回転速度が毎分１００回転であれば、第５電流と第６電流との差分と比較される閾値を回転機構ＲＭ１が正常である場合の第５電流と第６電流との差分の１．１５倍以上とすることで、回転機構ＲＭ１の異常を検知することができる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
ＡＤＰ 異常検知部、ＢＳ 裏面、ＣＥ１，ＣＥ２，ＣＥ３ 洗浄装置、ＣＦ 導電膜、ＣＨ コンタクトホール、ＣＰ コンタクトプラグ、ＤＲＡ ドレイン領域、ＦＳ 表面、ＧＥ ゲート電極、ＧＯ ゲート絶縁膜、ＩＬＤ 層間絶縁膜、ＩＳＬ 素子分離膜、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４ モータ、ＰＢ ペン型ブラシ、ＰＢａ 中心軸、ＰＢｂ 端面、ＰＲ フォトレジスト、ＲＢ ローラーブラシ、ＲＢａ 中心軸、ＲＢｂ 外周面、ＲＤＰ 回転検知部、ＲＭ１，ＲＭ２，ＲＭ３，ＲＭ４ 回転機構、ＳＲ ソース領域、Ｓ１ 半導体ウェハ準備工程、Ｓ２ 溝形成工程、Ｓ３ 導電材料埋め込み工程、Ｓ４ 化学的機械研磨工程、Ｓ５ 洗浄工程、Ｓ５１ 洗浄装置準備工程、Ｓ５２ 半導体ウェハ回転工程、Ｓ５３ ブラシ回転工程、Ｓ６ 半導体ウェハ準備工程、Ｓ７ 導電膜形成工程、Ｓ８ 洗浄工程、Ｓ８１ 洗浄装置準備工程、Ｓ８２ 半導体ウェハ回転工程、Ｓ８３ ブラシ回転工程、Ｓ９ フォトレジスト塗布工程、Ｓ１０ フォトリソグラフィ工程、Ｓ１１ エッチング工程、ＳＵＢ 半導体基板、ＴＭ１，ＴＭ２，ＴＭ３，ＴＭ４ 伝達機構、ＴＲ 溝、ＴＲ１ 配線溝、Ｔｒ トランジスタ、ＶＨ ビアホール、ＷＦ 半導体ウェハ、ＷＬ 配線、ＷＲ ウェル領域。

Claims (13)

  1. 表面と、前記表面に直交する第１中心軸とを有し、前記表面に層間絶縁膜が形成された半導体ウェハを準備する工程と、
    前記層間絶縁膜に溝を形成する工程と、
    前記溝中に導電材料を埋め込む工程と、
    前記溝からはみ出した前記導電材料を化学的機械研磨で除去する工程と、
    前記半導体ウェハの洗浄を行う工程とを備え、
    前記洗浄を行う工程は、第１モータを含む第１回転機構と、第２モータを含む第２回転機構と、第２中心軸と、外周面とを含むローラーブラシとを有する洗浄装置を準備する工程と、前記第１回転機構により、前記半導体ウェハを、前記第１中心軸周りに回転させる工程と、前記第２回転機構により前記ローラーブラシを前記第２中心軸周りに回転させるとともに、前記外周面と前記表面とを接触させる工程とを有し、
    前記第２モータから出力される電流に基づいて前記洗浄を行う工程における異常が検知される、半導体装置の製造方法。
  2. 前記洗浄を行う工程における異常は、前記第２回転機構の異常である、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
  3. 前記第２回転機構の異常は、前記外周面と前記表面とが離間している状態で前記第２モータから出力される電流と前記外周面と前記表面とが接触している状態で前記第２モータから出力される電流との差分を閾値と比較することにより検知される、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  4. 前記洗浄装置は、前記ローラーブラシの回転速度を検知する回転検知部をさらに有し、
    前記閾値は、前記回転速度に基づいて設定される、請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
  5. 前記閾値は、前記回転速度が毎分１００回転である場合、前記第２回転機構が正常であり、かつ前記外周面と前記表面とが離間している状態で前記第２モータから出力される電流と前記第２回転機構が正常であり、かつ前記外周面と前記表面とが接触している状態で前記第２モータから出力される電流との差分の１．５倍以上３．０倍以下に設定される、請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
  6. 前記閾値は、前記回転速度が毎分２００回転である場合、前記第２回転機構が正常であり、かつ前記外周面と前記表面とが離間している状態で前記第２モータから出力される電流と前記第２回転機構が正常であり、かつ前記外周面と前記表面とが接触している状態で前記第２モータから出力される電流との差分の２．５倍以上３．０倍以下に設定される、請求項４に記載の半導体装置の製造方法。
  7. 前記第２回転機構の異常は、前記外周面と前記表面とが離間している状態で前記第２モータから出力される電流の平均値と前記外周面と前記表面が接触している状態で前記第２モータから出力される電流の平均値との差分を閾値と比較することにより検知される、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  8. 前記第２回転機構の異常は、前記外周面と前記表面とが離間している状態で前記第２モータから出力される電流の最大値と前記外周面と前記表面が接触している状態で前記第２モータから出力される電流の最大値との差分を閾値と比較することにより検知される、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  9. 前記第２回転機構の異常は、前記外周面と前記表面とが離間している状態で前記第２モータから出力される電流のフーリエ変換値と前記外周面と前記表面が接触している状態で前記第２モータから出力される電流のフーリエ変換値との差分を閾値と比較することにより検知される、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  10. 前記導電材料は、銅を含有しており、
    前記除去する工程及び前記洗浄を行う工程は、周囲から遮光された状態で行われる、請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
  11. 表面と、前記表面の反対面である裏面と、前記表面及び前記裏面に直交する第１中心軸とを有し、前記表面に層間絶縁膜が形成された半導体ウェハを準備する工程と、
    前記層間絶縁膜上に導電膜を成膜する工程と、
    前記導電膜を成膜する工程の後に、前記半導体ウェハの洗浄を行う工程と、
    前記洗浄を行う工程の後に、前記導電膜上にフォトレジストを成膜する工程とを備え、
    前記洗浄を行う工程は、第１モータを含む第１回転機構と、第２モータを含む第２回転機構と、第２中心軸と、前記第２中心軸に直交する端面とを含むペン型ブラシとを有する洗浄装置を準備する工程と、前記第１回転機構により、前記半導体ウェハを前記第１中心軸周りに回転させる工程と、前記第２回転機構により前記ペン型ブラシを前記第２中心軸周りに回転させるとともに、前記端面と前記表面とを接触させる工程とを有し、
    前記第２モータから出力される電流に基づいて前記洗浄を行う工程における異常が検知される、半導体装置の製造方法。
  12. 第１モータを有し、半導体ウェハを前記半導体ウェハの表面に直交する第１中心軸周りに回転させる第１回転機構と、
    第２中心軸と、外周面とを有し、前記外周面が前記表面と接触及び離間可能に構成されたローラーブラシと、
    第２モータを有し、前記ローラーブラシを前記第２中心軸周りに回転させる第２回転機構と、
    前記第２モータから出力される電流に基づいて前記第２回転機構の異常を検知する異常検知部とを備え、
    前記異常検知部は、前記外周面と前記表面とが離間している状態で前記第２モータから出力される電流と前記外周面と前記表面とが接触している状態で前記第２モータから出力される電流との差分を閾値と比較することにより前記第２回転機構の異常を検知するように構成される、洗浄装置。
  13. 第１モータを有し、半導体ウェハを前記半導体ウェハの表面に直交する第１中心軸周りに回転させる第１回転機構と、
    第２中心軸と、前記第２中心軸に直交する端面とを有し、前記端面が前記表面と接触及び離間可能に構成されたペン型ブラシと、
    第２モータを有し、前記ペン型ブラシを前記第２中心軸周りに回転させる第２回転機構と、
    前記第２モータから出力される電流に基づいて前記第２回転機構の異常を検知する異常検知部とを備え、
    前記異常検知部は、前記端面と前記表面とが離間している状態で前記第２モータから出力される電流と前記端面と前記表面とが接触している状態で前記第２モータから出力される電流との差分を閾値と比較することにより前記第２回転機構の異常を検知するように構成される、洗浄装置。
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