JP2793504B2

JP2793504B2 - 基板の洗浄方法および洗浄装置

Info

Publication number: JP2793504B2
Application number: JP6115501A
Authority: JP
Inventors: 喜宏林; 奉文富高
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1994-05-27
Filing date: 1994-05-27
Publication date: 1998-09-03
Anticipated expiration: 2013-09-03
Also published as: JPH07321082A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体基板の表面の洗
浄方法および装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】チップ内に集積するトランジスタ数の増
大にともなって、それらを接続するための配線密度が急
増し、配線の多層化（４〜５層）は必須となっている。
多層配線間は層間絶縁膜で分離されており、この層間絶
縁膜表面には下地配線パターンを反映した凹凸が存在す
るが、上層配線パターンを形成する際に凹凸を効率良く
除去して、層間膜表面を平坦にする必要がある。この平
坦化工程に、シリカ粒子を研磨剤としたスラリーによる
化学・機械研磨法（ＣＭＰ：ＣｈｅｍｉｃａｌＭｅｃｈ
ａｎｉｃａｌＰｏｌｉｓｈｉｎｇ）が用いられている
（林、特願平４−９４６７７号明細書＝特開平５−３１
５３０８号公報）。

【０００３】ところで、ＣＭＰ後層間絶縁膜上に付着し
ているシリカ粒子等の研磨剤を除去する必要がある。従
来の基板洗浄方法として、いろいろな方法が用いられて
いるが、それらは主にデバイスの形成されていない半導
体基板をポリッシングした後の洗浄方法に関するもので
ある。例えば、バーシ（特開昭５６−４５２９５号公
報）は、シリカ基板をシリカスラリーでポリッシングし
た後、第４アンモニウムを塩水溶液に浸すことで、シリ
コン（Ｓｉ）表面に付着したシリカ粒子を洗浄・除去す
る方法を提示しているが、層間絶縁膜（ＳｉＯ₂）上の
シリカ粒子を除去する方法は提示されていない。すなわ
ち、層間膜平坦化ＣＭＰとは、すでに配線層等のデバイ
スがつくり込まれてある基板をポリッシングするわけで
あって、従来の基板洗浄方法を利用できるものではな
い。

【０００４】さて、層間絶縁膜平坦化ＣＭＰ後の基板洗
浄に関する従来技術としては、マリク（Ｆ．Ａ．Ｍａｌ
ｉｋ、ＵＳＰ５，０７８，８０１）が、基板をｐＨ＝１
０のＫＯＨ水溶液に浸すことで、シリカ粒子表面と層間
絶縁膜（ＳｉＯ₂）表面にＯＨ^-基を吸着させ、電気的
反発力でシリカ粒子を除去する方法を提示している。ま
た、中島ら（特願平５−１０５９９１号明細書）は、電
解イオン水に基板を浸すことで、層間絶縁膜上からシリ
カ粒子を除去する方法を提示している。さらに、中島ら
（特願平５−３３４１５９号明細書）で、酸素プラズマ
中に基板を保持することで、層間絶縁膜上からシリカ粒
子を除去する方法を提示している。

【０００５】一方、和田ら（特願平１−５１６２号明細
書＝特開平２−１８５０３２号公報）は、基板表面から
のシリカ粒子洗浄・除去方法とは明記していないが、基
板表面に薬液を供給する方法として、図４に示す方法を
提示している。すなわち、基板（ウェハ）１を中心軸３
４で保持して自転させながら、その保持面に水流３５の
保護層を形成した状態で、その反対面に洗浄液３６を供
給する。

【０００６】図５は、この和田らの発明による基板洗浄
装置の構成を示す断面図である。基板１の裏面を中心軸
で自転させながら、基板１の表面は、洗浄液供給管１３
より洗浄液が排出され、裏面は真空チャック２０で基板
裏面の中心部を保持している。また軸２１は真空吸着２
０とモータ２２に連結され基板１を回転する。基板１の
吸着方法は、ポンプ（図示なし）から減圧ケース２３と
軸２１の中心に設けられた穴２４を介して行っている。
また裏面保護液は、給水ケース２５より給水穴２６を介
して基板１の裏面に接液される。この装置を用いた基板
洗浄方法では、基板が回転しているので、基板の表面洗
浄液がその裏面となる基板保持面に回り込みにくいのみ
ならず、保持面が液体（純水）の保護層で覆われている
ため、表面洗浄液が直接触れることはないため、基板保
持面の汚染はないとしている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た層間絶縁膜の平坦化ＣＭＰ後の基板洗浄方法には、以
下に述べる課題があった。まず、ＣＭＰ後の基板をＫＯ
Ｈ水溶液に浸すと、層間絶縁膜の下地デバイス層へのカ
リウム汚染の原因となるといった課題があった。また、
ＫＯＨ水溶液に浸した基板を取り出す際、基板表面へシ
リカ粒子が再付着してしまう。基板を電解イオン水に浸
した場合であっても同様であり、粒子の再付着はさけら
れない。また、酸素プラズマを用いる方法では、基板表
面から離脱した微粒子がプラズマチャンバーの内壁に付
着して、プラズマチャンバーを汚染するといった課題が
ある。また、図５に示した洗浄装置を用いた場合、洗浄
液に含まれる粒子の再付着はないが、基板中心部で基板
を保持していたため、基板保持機構部との接触による傷
の発生や粒子付着等の汚染が基板中心部に発生するとい
った課題があった。

【０００８】本発明の目的は、従来の上記欠点を解消し
て、基板保持面を破損させず、また微粒子を再付着させ
ることもなく、基板を洗浄する方法および装置を提供す
るものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、回転している
基板に、洗浄液とガスを同時に吹き付ける工程を特徴と
する基板の洗浄方法である。さらに、基板の外周部のみ
を保持した状態で、かかる保持面に保護液を供給しなが
ら基板を洗浄する方法である。さらに、基板回転・保持
機構部に洗浄液とガスを同時に吹き付けて洗浄する工程
と、回転している基板に洗浄液を供給しながら軟質材料
で擦る工程後に、洗浄液とガスを吹き付ける一連の工程
かとからなる基板の洗浄方法である。また、上述した一
連の洗浄方法において、洗浄液として電解イオン水を用
いる基板の洗浄方法である。

【００１０】また、本発明の基板の洗浄装置では、基板
裏面の外周部を保持して自転させる保持・回転機構と、
基板保持面に保護液または保護ガスを供給して保持面に
保護液または保護ガスの膜を形成する機構と、洗浄液と
ガスを吹き付ける機能を備えたことを特徴とし、さらに
は、基板表面を軟質材料で擦る機能と軟質材料部自体を
洗浄する機能をも備えたことを特徴とする洗浄装置であ
る。

【００１１】

【作用】本発明では、回転している基板に洗浄水とガス
を同時に供給することで、まずガスの吹き付けにより基
板表面から離脱したシリカ粒子が、基板の回転により基
板外周部に向かう洗浄水流に乗って基板から連続的に除
去される。このため、シリカ粒子が基板表面に再付着す
ることはない。さらに、基板保持面に純水等の保護液を
供給することで、洗浄液が基板裏面に回り込んで、微粒
子が基板裏面に再付着することはない。また、基板保持
・回転機構部に洗浄水とガスを同時に吹き付けて、予め
基板保持・回転機構部に付着している微粒子を除去する
ことで、基板の保持に伴う基板保持面の汚染を回避して
いる。さらに、予め洗浄された軟質材料で基板表面を擦
る工程で、基板表面のシリカ粒子をある程度除去してお
けば、それに続く洗浄水とガスを同時に吹き付けること
による基板の洗浄工程の処理時間を短縮できる。また洗
浄水として基板表面からの微粒子剥離作用の大きい電解
イオン水を用いることで、洗浄処理時間をさらに短縮で
きる。

【００１２】また、本発明による洗浄装置を用いること
で、基板保持・回転機構部の洗浄、該保持面に保護液膜
を形成、流体とガスを吹き付けることによる基板表面の
洗浄といった単位操作を一連の工程として行えるととも
に、基板裏面すなわち基板保持面の外周部を保持してい
るため、基板保持中心面の破損あるいは微粒子の付着が
なく基板洗浄処理が行える。さらには、基板表面を軟質
材料での擦りと軟質材料部自体を洗浄といった単位操作
を一連の工程として行える。

【００１３】

【実施例】次に本発明の実施例について図面を参照して
詳細に説明する。

【００１４】（実施例１）図１は、本発明による基板洗
浄装置の実施例を示す断面正面図である。基板１表面に
洗浄液供給管１３より洗浄液が排出され、裏面は基板外
周が保持可能で中央が座ぐりになっている基板保持盤２
によって保持されている。基板１は、モータ８から主軸
３を介して回転する。ガス供給管２７より窒素ガスが基
板表面に吹き付けられるが、洗浄液供給管１３とガス供
給管２７を基板内に往復運動させる機構（図示せず）が
具備されているため、洗浄液および吹き付けガスは、基
板全面に対して均一に供給されるように配慮されてい
る。窒素ガスはフィルタを通してパーティクルを除去し
た高純度窒素であり、半導体製造工程で通常用いるもの
である。

【００１５】主軸３の中心部分にはＴ型穴７が設けられ
ており、この穴７は減圧ケース６および排気管５を介し
て外部の真空ポンプ（図示せず）に接続される。主軸３
と減圧ケース６の間は気密に且つ回転可能な構造となっ
ているため、回転する基板１を真空チャックによって保
持することができる。基板保持盤２の外周部に配置され
た給水ケース９で、給水管１０により外部から供給され
た純水は、給水穴８を介して給水ケース９の内部に入り
基板１の裏面に排出され、基板１の遠心力により基板１
の裏面に水の層を形成する。この時、基板１の裏面には
基板中心から外側に向かう水の流れがあるため、洗浄液
は裏面に回り込むことはない。廃液は、回収するための
受け皿１１と廃液管１２を介して外部に排出する。１４
は主軸に洗浄液および純水が侵入しないようにエアーを
吐き出す排出管で、外部から供給されたエアーは基板保
持盤２の外周に吐き出される。

【００１６】このような装置構造により、基板保持によ
る基板裏面の損傷がなく、また基板裏面に洗浄液が回り
込むことなく、基板表面に洗浄液およびガスを吹き付け
て、基板表面の洗浄が可能となる。

【００１７】（実施例２）図２は、実施例１で述べた基
板洗浄装置に回転ブラシ洗浄機能が付加された装置を用
いた場合の基板洗浄工程の模式図である。ここでは、ま
た洗浄水として電解イオン水を用いた場合の実施例につ
いて述べる。なお、電解イオン水は、以下に述べる方法
で製造される。まず、多孔質の膜で隔てられた水槽に、
陰電極および陽電極の設置された連続給水式電解イオン
水生成装置に直流電界を印加する。電気分解は開始する
と、陰極にＨ⁺イオンが引き寄せられて電子を受け取っ
てＨ₂ガスとなり放出されるが、Ｈ⁺イオンの減少に対
応してＯＨ^-イオンが残り、陰極水はアルカリ性を示
す。同様な理由により、陽極では酸素ガス放出でＯＨ^-
イオンの減少に対応して陽極水は酸性となる。酸化還元
単位が−８００ｍＶ（還元側）の陰極水であるアルカリ
性イオン水を用いた場合、層間絶縁膜（ＳｉＯ₂）表面
と研磨剤粒子（シリカ粒子：ＳｉＯ₂）の表面にＯＨ^-
基が吸着し、基板表面と研磨剤粒子表面が負に帯電する
ことで電気的に反発しあって、基板表面からシリカ粒子
が離脱しやすいといった特徴を有する。

【００１８】図２（Ａ）を用いて装置構成を説明する
と、ここでは図１に示した基板装置（ここでは、ウェハ
保持盤２、洗浄液供給管１３とガス供給間２７のみを表
示）に、回転ブラシ２８とブラシ洗浄漕２９とが一体に
なっている。ブラシ洗浄漕には、常時純水が通水されて
おり、ブラシに付着した微粒子を洗い流すように工夫さ
れている。なお、ここでブラシ洗浄漕に超音波振動を与
え、回転ブラシ２８の洗浄効率を上げることもできる
し、また純水の代わりに電解イオン水を通水してもよ
い。通常、回転ブラシ２８はブラシ洗浄漕２９中で待機
している。この時、洗浄液供給管１３とガス供給管２７
より、洗浄液（例えば、前述のアルカリ性イオン水）と
窒素ガスが吹き付けられて、ウェハ保持盤２の洗浄が行
われている。洗浄液供給管１３とガス供給管２７の移動
速度は、１分間に基板の直径方向を１０〜３０回往復す
る程度であるが、この移動速度に制限があるわけではな
い。この際のウェハ保持盤２の回転速度は、３００〜２
０００ｒｐｍ程度であるが、この回転速度にも制限はな
い。洗浄液の供給量は１００〜５００ｍｌ／ｍｉｎ程度
である。洗浄液および窒素ガスの供給管の先端内径は１
〜２mm程度としているが、ここで肝要なことは、洗浄液
およびガスを勢いよく噴出させることである。ウェハ保
持盤２の洗浄時間は、１〜５分程度が適当である。この
ウェハ保持盤洗浄工程を行うことで、ウェハ保持による
基板裏面の汚染を回避している。

【００１９】次に、図２（Ｂ）に示すように、基板１
を保持盤２に吸着させて回転させ、表面を回転ブラシ２
８で粗洗浄する。この回転ブラシによる粗洗浄の際に
も、洗浄液供給管１３より電解イオン水を供給して、基
板からのシリカ等の微粒子の離脱を促進させる。回転ブ
ラシ２８の回転速度は、５００〜２０００ｒｍｐが適当
である。なお、図示していないが、この実施例でも、電
解イオン水を供給する際、基板裏面には給水ケース９
（図１参照）から純水が供給され、洗浄水が裏面に回り
込まないようにしている。ポリッシング後の層間絶縁膜
表面には、研磨剤粒子が１０万個（６インチ基板上）以
上の微粒子が付着しているため、この粗洗浄工程は非常
に重要である。この粗洗浄工程で、０．５μm 程度以
上の比較的大きな粒子を除去する。

【００２０】次に、図２（Ｃ）に示すように、基板表面
に電解イオン水と窒素ガスを同時に吹き付ける。この窒
素ガスを同時に吹き付けることは、極めて重要である。
例えば、イオン水のみで洗浄を行った場合、０．３μm
以上の微粒子（シリカ凝集粒子）が６インチ基板上に１
０００個以上も残っていたが、窒素ガスを同時に吹き付
けることで、１００個程度以下にすることができた。こ
の工程での微粒子の除去メカニズムは明らかになってい
ないが、次のように推定している。まず、窒素ガスの吹
き付けにより、微粒子を基板表面より浮き上がらせ、こ
の微粒子をイオン水で基板外に流し出す。アルカリ性イ
オン水を用いた場合、微粒子表面および層間絶縁膜表面
に選択的に吸着した負イオンによる反発力により、微粒
子が層間絶縁膜表面に再付着することを防いでいるもの
と考えられる。なお、この際回転ブラシ２８をブラシ洗
浄漕２９で洗浄しておく。ＣＭＰ後の基板表面には、数
万個の微粒子が付着しており、回転ブラシ洗浄後に多数
の微粒子がブラシに付着している。このため、回転ブラ
シからの微粒子再付着による汚染を回避するため、回転
ブラシを洗浄しておく必要がある。

【００２１】以上述べたように、層間絶縁膜平坦化ＣＭ
Ｐ後の層間絶縁膜表面に付着した研磨剤粒子（ここで
は、シリカ粒子）を除去するには、基板裏面に保護水
（純水）を供給しながら、膜基板保持盤の洗浄、回転ブ
ラシによる回転基板の粗洗浄、イオン水と窒素の吹き付
けによる回転基板の洗浄を行うことが肝要であり、図２
に示した構成の装置を用いることで、これらの工程を連
続して行うことができる。さらに、図３に示したよう
に、溝３２の形成された層間絶縁膜上にアルミ膜３０等
の金属薄膜を形成した後（図３（Ａ））、ポリッシング
で金属薄膜を除去して溝部に金属を埋め込んだ基板表面
には（図３（Ｂ））、研磨剤粒子（ここでは、シリカ粒
子３３）が基板表面に付着しているが、図２に示した基
板の洗浄方法で除去できる。なお研磨の対象はアルミ膜
に限らず、タングステン、モリブデン、タンタルなどの
他の金属でもよく、またシリサイド、ポリシリコン、単
結晶シリコン等でもよいことは自明である。

【００２２】また、無塵布で基板を拭けば、基板に付着
した研磨剤粒子をある程度除去できるので、前述の回転
ブラシによる基板の粗洗浄工程を省略することもでき
る。

【００２３】また、洗浄液として電解イオン水を用いた
実施例を述べたが、アンモニアや酢酸アンモニウムある
いはアミン等を純水に溶解させた弱アルカリ性水溶液
や、酢酸、硝酸や塩酸を純水に溶解させた弱酸性水溶液
であってもよい。また、洗浄水と同時に吹き付けるガス
としては、コスト上あるいは安全上窒素ガスが望ましい
が、高純度のアルゴンや酸素、空気等であってもかまわ
ない。さらに、洗浄液の供給方法としてウェハ中心部に
集中して供給する方法を示しているが、ウェハ全面に供
給できるならば多数箇所からの供給やシャワー状に供給
しても良い。又、非加工面に供給する流体も水以外の流
体、例えばＮ₂ガス、アルゴンガス、空気等の気体を用
いても良い。

【００２４】また実施例では基板のパターンを形成した
側の面を洗浄する場合を述べたが、パターンの形成され
ていない側の面を洗浄する場合にも適用できる。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、基板裏面に保護水
（純水）を供給しながら、膜基板保持盤の洗浄工程、回
転ブラシによる回転基板の粗洗浄工程、イオン水とガス
の吹き付けによる回転基板洗浄工程を連続的に行うこと
で、層間絶縁膜などの平坦化ＣＭＰ後の絶縁膜表面に付
着した多数の研磨剤粒子（例えば、シリカ粒子）を効率
良く除去することができる。また本発明の装置を用いる
ことで、これらの工程を連続して行うことができる。ポ
リッシング後の基板上に残留する研磨剤粒子が除去され
ることで、平坦化された層間絶縁膜に新たな配線層を形
成する際の製造歩留まりが著しく改善される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の洗浄装置の一実施例を示す断面正面図
である。

【図２】本発明の洗浄方法の一実施例を示す断面工程図
である。

【図３】金属埋め込み配線基板に、本発明による洗浄方
法を適用して実施例を示す工程断面図である。

【図４】従来の基板洗浄方法の概略図である。

【図５】従来の基板洗浄装置の断面正面図である。

【符号の説明】

１ウェハ２ウェハ保持盤３主軸４モータ５排気管６減圧ケース７Ｔ型穴８給水穴９給水ケース１０供給管１１受け皿１２廃液管１３洗浄液供給管１４排出管２０真空チャック２１軸２２モータ２３減圧ケース２４穴２５給水ケース２６給水穴２７ガス供給管２８回転ブラシ２９ブラシ洗浄層３０アルミ膜３１層間絶縁膜３２溝３３シリカ粒子３４回転保持部３５水流３６洗浄液流

フロントページの続き (56)参考文献特開平２−185032（ＪＰ，Ａ) 特開平３−242919（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−122131（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−100950（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−55843（ＪＰ，Ａ) 特開平３−124027（ＪＰ，Ａ) 特開平４−206724（ＪＰ，Ａ) 実開平４−87638（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】研磨後に、絶縁膜凹部に導電体が埋め込
まれた導体表面領域と絶縁膜表面領域とからなる導電体
と絶縁膜の複合表面が露出した基板を得た後、前記基板
を回転させ、洗浄液とガスを同時に吹き付けることで該
複合表面に残留する研磨粒子を除去する基板の洗浄方法
であって、前記洗浄液として電解イオン水を用いること
を特徴とする基板の洗浄方法。
【請求項２】基板回転・保持機構部に洗浄液と高圧ガ
スを同時に吹き付けて洗浄する工程と、前記基板回転・
保持機構部に保持されて回転している基板に洗浄液を供
給しながら軟質材料で擦る粗洗浄工程と、電解イオン水
とガスを同時に吹き付ける洗浄工程と、を有する基板の
洗浄方法。
【請求項３】パターンの形成されている半導体基板面
の外周部を保持して、パターン形成されていない面を洗
浄することを特徴とする請求項２に記載の基板の洗浄方
法。
【請求項４】前記基板回転・保持機構部に洗浄液と高
圧ガスを同時に吹き付けて洗浄する工程、及び前記基板
回転・保持機構部に保持されて回転している基板に洗浄
液を供給しながら軟質材料で擦る粗洗浄工程における洗
浄液として、電解イオン水を用いる請求項２または３に
記載の基板の洗浄方法。
【請求項５】基板保持面に保護液または保護ガスを供
給して洗浄液が前記保持面に回らないようにしながら洗
浄を行う請求項１、２、３または４に記載の基板の洗浄
方法。
【請求項６】基板の外周部のみを保持した状態で基板
を回転させる請求項１、２、３、４または５に記載の基
板の洗浄方法。
【請求項７】基板表面に電解イオン水と洗浄ガスとを
同時に吹き付けることで回転基板の洗浄を行う装置であ
って、保持面の外周部を保持して自転させる保持・回転
機構と、この保持・回転機構の外周部に配置された保護
液または保護ガスの供給部と、この基板保持面の少なく
とも外周部に前記保護液または保護ガスの供給部より保
護液または保護ガスを供給することで保護液または保護
ガスの膜を形成する機構とを備えた基板の洗浄装置。
【請求項８】基板表面に電解イオン水と洗浄ガスとを
同時に吹き付けることで基板表面を洗浄する工程前に基
板表面を軟質材料で擦る機能部を有し、前記機能部を、
洗浄液が通水されている洗浄槽に入れた状態で洗浄する
機能を備えた請求項７に記載の基板の洗浄装置。
【請求項９】電解イオン水が通水されている洗浄槽で
基板表面を擦る軟質材料部自体を洗浄することを特徴と
する請求項８に記載の基板の洗浄装置。