JP2839615B2 - Cleaning solution for semiconductor substrate and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

Cleaning solution for semiconductor substrate and method for manufacturing semiconductor device

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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は半導体基板の洗浄液及び製造方法に関するも
ので、特に金属汚染の除去に使用されるものである。
Description of the Invention [Object of the Invention] (Industrial application field) The present invention relates to a cleaning solution for semiconductor substrates and a method for producing the same, and more particularly to a method for removing metal contamination.

(従来の技術) 半導体ウエーハの洗浄液としては、目的に応じて様々
な洗浄液が開発されている。金属汚染の除去を目的とし
た洗浄液としてはHCl−H2O2系等の洗浄液が用いられて
いる。この洗浄液の基本的な洗浄原理は、酸性の液中で
酸化剤の働きを利用して金属をイオン化して溶解するこ
とである。この洗浄液は、温度が高ければ高いほどイオ
ン化する作用も大きく金属を溶解しやすくなるため洗浄
効果も高くなる。しかし、酸化物の標準生成自由エネル
ギーの低い金属、例えばAl等は、シリコン酸化膜の表面
近傍付近に取り込まれており、安定した酸化物を形成し
ている。このように酸化膜の内部に取り込まれた酸化物
は、酸性液中においても容易にイオン化せず、Cu,Fe,Ni
等の標準生成自由エネルギーの高い金属と比べると洗浄
効果が低いという問題があった。
(Prior Art) Various cleaning liquids have been developed as cleaning liquids for semiconductor wafers depending on purposes. As a cleaning liquid for the purpose of removing metal contamination, a cleaning liquid such as an HCl-H 2 O 2 system is used. The basic cleaning principle of this cleaning liquid is to ionize and dissolve metals in an acidic liquid by utilizing the function of an oxidizing agent. The higher the temperature of the cleaning liquid, the greater the effect of ionization and the easier it is to dissolve the metal, and thus the higher the cleaning effect. However, a metal having a low standard free energy of formation of an oxide, for example, Al, is taken in the vicinity of the surface of the silicon oxide film and forms a stable oxide. Oxide thus taken into the oxide film does not easily ionize even in an acidic solution, and Cu, Fe, Ni
However, there is a problem that the cleaning effect is low as compared with metals having a high standard free energy of formation.

(発明が解決しようとする課題) 従来の洗浄方法においては標準生成自由エネルギーが
低く、シリコン酸化膜表面近傍付近に取り込まれていた
金属に対し、洗浄力が低いという問題点があった。本発
明は、あらゆる金属、特に酸化膜の内部に取り込まれた
標準生成自由エネルギーの低い金属をも、効率よくイオ
ン化し洗浄する洗浄液及び洗浄方法を提供するものであ
る。
(Problems to be Solved by the Invention) In the conventional cleaning method, there is a problem that the standard free energy of formation is low and the cleaning power is low with respect to the metal taken in near the silicon oxide film surface. The present invention provides a cleaning solution and a cleaning method for efficiently ionizing and cleaning any metal, particularly a metal having a low standard free energy of formation, which is taken in an oxide film.

[発明の構成] (課題を解決するための手段) 上記問題点を解決するために第1の発明は、半導体基
板上のシリコン酸化膜をエッチングするエッチング液
と、このエッチング液のシリコン酸化膜に対するエッチ
ング速度より酸化反応速度の早い非金属性の酸化剤と金
属をイオン化する強酸とを含む半導体基板の洗浄液を提
供する。
[Structure of the Invention] (Means for Solving the Problems) In order to solve the above problems, a first invention is directed to an etching solution for etching a silicon oxide film on a semiconductor substrate, and an etching solution for etching the silicon oxide film. Provided is a cleaning solution for a semiconductor substrate including a nonmetallic oxidizing agent having a higher oxidation reaction rate than an etching rate and a strong acid for ionizing a metal.

また、第2の発明は、半導体基板上のシリコン酸化膜
をエッチングするエッチング液と、このエッチング液の
シリコン酸化膜に対するエッチング速度より酸化反応速
度の早い非金属性の酸化剤と、金属をイオン化する強酸
を含む洗浄液を用い、半導体基板を洗浄する工程を有す
る半導体装置の製造方法を提供するものである。
According to a second aspect of the present invention, there is provided an etching solution for etching a silicon oxide film on a semiconductor substrate, a nonmetallic oxidizing agent having an oxidation reaction rate higher than an etching rate of the etching solution for the silicon oxide film, and ionizing a metal. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor device, which includes a step of cleaning a semiconductor substrate using a cleaning solution containing a strong acid.

(作用) このように構成された洗浄液において、基本的には強
酸により金属をイオン化することを洗浄の原理としてい
る。その際、イオン化傾向の小さい金属も効率よくイオ
ン化するため酸化剤を用いる。さらに、エッチング液に
よりシリコン酸化膜表面をエッチングし、シリコン酸化
膜表面近傍付近に存在する金属をその表面に露出させ
る。そして、強酸によりこの表面に露出した金属をイオ
ン化するものである。なお、本発明における酸化剤は、
イオン化傾向の小さい金属をイオン化するための補助の
みならず、シリコン膜表面に常に酸化膜を形成させてい
る役割をも有している点が重要である。すなわちエッチ
ング液のシリコン酸化膜に対するエッチング速度よりも
酸化反応速度の早い非金属性の酸化剤を用いるため、洗
浄後のウエーハ表面は、常にシリコン酸化膜が存在して
いることになる。シリコン酸化膜がウエーハ表面に存在
すべき理由は、ウエーハ表面にCu等の金属が吸着するこ
とを防止するためである。シリサイドを形成しやすいこ
れらの金属はウエーハが露出していると、ウエーハに吸
着するため、酸化速度をエッチング速度より早くするこ
とにより、常にシリコン酸化膜を存在せしめ、この吸着
を防止しているのである。
(Action) In the cleaning liquid configured as described above, basically, the principle of cleaning is to ionize a metal with a strong acid. At that time, an oxidizing agent is used to efficiently ionize even a metal having a small ionization tendency. Further, the surface of the silicon oxide film is etched with an etchant to expose the metal existing near the surface of the silicon oxide film to the surface. Then, the metal exposed on the surface is ionized by the strong acid. Incidentally, the oxidizing agent in the present invention,
It is important to have a role of always forming an oxide film on the surface of the silicon film as well as assisting in ionizing a metal having a low ionization tendency. That is, since a nonmetallic oxidizing agent having an oxidation reaction rate higher than the etching rate of the etching solution with respect to the silicon oxide film is used, the silicon oxide film always exists on the wafer surface after cleaning. The reason that the silicon oxide film should be present on the wafer surface is to prevent metals such as Cu from adsorbing on the wafer surface. These metals, which are likely to form silicide, adsorb to the wafer when the wafer is exposed, so the oxidation rate is made faster than the etching rate, so that a silicon oxide film is always present and this adsorption is prevented. is there.

(実施例) 本発明の実施例を以下に説明する。(Example) An example of the present invention will be described below.

本実施例において、エッチング液として重量比0.025
%以上のフッ酸と、非金属性の酸化剤として0.8ppm以上
25.0ppm以下の濃度範囲のオゾンと、そして強酸として
安全性のあるPH2以下の塩酸、又は硫酸とを含む洗浄液
を用いる。
In this example, the weight ratio of the etching solution was 0.025.
% Hydrofluoric acid and 0.8 ppm or more as a nonmetallic oxidizing agent
A cleaning solution containing ozone in a concentration range of 25.0 ppm or less and hydrochloric acid or sulfuric acid of PH2 or less, which is safe as a strong acid, is used.

金属をイオン化できる限界は、酸の濃度と洗浄液の酸
化力に依存し、また金属によっても異なる。ことにイオ
ン化傾向の小さい金属のイオン化には強力な酸化力が必
要である。半導体製品の製造現場で検出される金属、主
としてFe,Ni,Al,Cu,Ag,Mg,Mn,Pb,Zn,Co,Mo,Ti等をすべ
てイオン化するためには、酸の濃度がPH2以下の強酸な
ら可能である。また、エッチング液としてフッ酸を用い
ているが、フッ酸の濃度は、SiO2の最表面層をエッチン
グできる濃度が必要である。
The limit at which a metal can be ionized depends on the concentration of the acid and the oxidizing power of the cleaning solution, and varies depending on the metal. In particular, a strong oxidizing power is required for ionizing a metal having a low ionization tendency. In order to ionize all metals, mainly Fe, Ni, Al, Cu, Ag, Mg, Mn, Pb, Zn, Co, Mo, Ti, etc., detected at semiconductor product manufacturing sites, the acid concentration must be less than PH2 It is possible with a strong acid. Although hydrofluoric acid is used as an etching solution, the concentration of hydrofluoric acid needs to be a concentration capable of etching the outermost surface layer of SiO 2 .

SiO2の原子間距離はSiとO間で1.6Å、OとO間で2.6
Åである。このことから2.6Å以上は最低エッチングす
る必要がある。ところで、フッ酸によるシリコン酸化膜
のエッチングは温度依存性が大きいため、ウエーハ面
内、或いはバッチ内で温度が均一になる必要がある。従
って、常温付近で処理することが最も好ましい。第1図
は22℃におけるSiO2膜のエッチング量に対するエッチン
グ時間の依存性を調べた結果である。この図から重量比
0.025%のフッ酸溶液では、2.5Åのエッチング量で飽和
している。この結果からフッ酸は、重量比で0.025%以
上の濃度が必要である。
The interatomic distance of SiO 2 is 1.6 ° between Si and O, and 2.6 between O and O.
Å. From this, it is necessary to etch at least 2.6 mm. Since the etching of a silicon oxide film with hydrofluoric acid has a large temperature dependence, it is necessary to make the temperature uniform within the wafer surface or within the batch. Therefore, it is most preferable to perform the treatment at around normal temperature. FIG. 1 shows the result of examining the dependence of the etching time on the amount of etching of the SiO 2 film at 22 ° C. From this figure, weight ratio
With a 0.025% hydrofluoric acid solution, it is saturated at an etching amount of 2.5 mm. From this result, it is necessary that hydrofluoric acid has a concentration of 0.025% or more by weight.

酸化剤としてオゾンを用いたのは、フッ酸を常温付近
で使用するため、常温付近で十分な酸化力を持ち、非金
属性であり、かつウエーハに悪影響を及ぼさない酸化剤
であるという要求を満たしているからである。ところ
で、洗浄後のウエーハ表面はシリコン酸化膜が存在して
いる状態が要求される。この理由は前述のように、シリ
サイドを形成しやすい金属のウエーハ表面への吸着を防
止するためである。そこで、酸化剤としてのオゾンは金
属不純物をイオン化するのみならずウエーハのシリコン
をも酸化していくため、フッ酸のエッチングよりも早い
速度で酸化する必要がある。上述のフッ酸のエッチング
速度との兼ね合いにより、22℃において10分間で2.5Å
以上ウエーハを酸化するためには第2図より0.8ppmのオ
ゾン濃度が必要である。また、オゾンは0℃・1atmで3
8.5ppmまで純水に溶解することができるので、22℃では
ほぼ25ppmであり、オゾン濃度は0.8ppmから25ppmまでが
有効範囲である。従って、この範囲のオゾン濃度であれ
ばPH2以下の強酸のもとで前記製造現場で検出される金
属に対し十分イオン化できる。オゾンの添加方法として
は、純水に溶解したオゾン水を用いてフッ酸及び酸と混
合しても良く、またフッ酸及び酸に直接オゾンガスを溶
解させても良い。また、洗浄前にオゾンを溶解させなく
ても、気体のオゾンをバブリングしながら洗浄しても良
く、この場合はオゾンガスが十分ウエーハ全体に接触す
れば良い。上述のごとくフッ酸濃度はオゾン濃度によっ
てその上限は制約を受けることになるがシリコン酸化膜
のエッチングが律速となる濃度にすることが必要であ
る。
The use of ozone as the oxidizing agent requires that hydrofluoric acid be used at around room temperature, so that it has sufficient oxidizing power around room temperature, is non-metallic, and does not adversely affect the wafer. Because they are satisfied. Incidentally, the wafer surface after cleaning is required to be in a state where a silicon oxide film is present. The reason for this is to prevent the metal which easily forms silicide from adsorbing to the wafer surface as described above. Therefore, ozone as an oxidizing agent not only ionizes metal impurities but also oxidizes silicon of the wafer, so it is necessary to oxidize at a faster rate than etching with hydrofluoric acid. Due to the above mentioned hydrofluoric acid etching rate, 2.5Å
As shown in FIG. 2, an ozone concentration of 0.8 ppm is required to oxidize the wafer. Also, ozone is 3 ℃ at 0 ℃ ・ 1atm.
Since it can be dissolved in pure water up to 8.5 ppm, it is almost 25 ppm at 22 ° C, and the effective range of ozone concentration is 0.8 ppm to 25 ppm. Therefore, if the ozone concentration is in this range, the metal detected at the manufacturing site can be sufficiently ionized under a strong acid of PH2 or less. As a method for adding ozone, ozone water dissolved in pure water may be used to mix with hydrofluoric acid and an acid, or ozone gas may be directly dissolved in hydrofluoric acid and an acid. Further, the cleaning may be performed while bubbling gaseous ozone without dissolving ozone before cleaning. In this case, it is sufficient that the ozone gas sufficiently contacts the entire wafer. As described above, the upper limit of the hydrofluoric acid concentration is restricted by the ozone concentration, but it is necessary to set the concentration at which the etching of the silicon oxide film is rate-determining.

第3図は、本発明と従来技術との洗浄結果の比較図で
ある。本発明として塩酸の濃度5wt%、フッ酸の濃度0.0
25wt%の混合液にオゾンガスを溶解し、濃度2ppmとした
洗浄液を用いてウエーハを22℃で10分間洗浄した。ま
た、従来技術として、塩酸の濃度5wt%,過酸化水素水
の濃度4.8wt%の混合液を用いウエーハを80℃で10分間
洗浄したものである。このように本発明では、従来洗浄
が難しかったAl等の金属をも有効に除去できることが確
認された。
FIG. 3 is a comparison diagram of cleaning results between the present invention and the conventional technology. In the present invention, the concentration of hydrochloric acid is 5 wt%, and the concentration of hydrofluoric acid is 0.0
Ozone gas was dissolved in a mixed solution of 25 wt%, and the wafer was washed at 22 ° C. for 10 minutes using a washing solution having a concentration of 2 ppm. Further, as a conventional technique, a wafer is washed at 80 ° C. for 10 minutes using a mixed solution having a concentration of hydrochloric acid of 5 wt% and a concentration of hydrogen peroxide of 4.8 wt%. Thus, in the present invention, it was confirmed that metals such as Al, which were conventionally difficult to clean, can be effectively removed.

[発明の効果] 以上に述べてきたように、本発明によれば、標準生成
自由エネルギーが低く、シリコン酸化膜表面近傍付近に
取り込まれた金属を、効率よくイオン化し、洗浄するこ
とが可能となる。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, it is possible to efficiently ionize and clean a metal having a low standard free energy of formation and taken in the vicinity of the surface of a silicon oxide film. Become.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は、重量比0.025%と0.05%のフッ酸溶液を用い
た場合のシリコン酸化膜のエッチング速度を示した図、
第2図は、0.8ppmと1.5ppmのオゾン水によるシリコンの
酸化速度を示した図、第3図は、本発明と従来技術との
洗浄効果の比較図である。
FIG. 1 is a diagram showing an etching rate of a silicon oxide film when a hydrofluoric acid solution having a weight ratio of 0.025% and 0.05% is used,
FIG. 2 is a diagram showing the oxidation rate of silicon with 0.8 ppm and 1.5 ppm of ozone water, and FIG. 3 is a comparison diagram of the cleaning effect between the present invention and the prior art.

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】半導体基板上のシリコン酸化膜をエッチン
グするエッチング液と、 このエッチング液の前記シリコン酸化膜に対するエッチ
ング速度より酸化反応速度の早い非金属性の酸化剤と、 金属をイオン化する強酸と を有することを特徴とする半導体基板の洗浄液。
An etching solution for etching a silicon oxide film on a semiconductor substrate, a non-metallic oxidizing agent having an oxidation reaction rate higher than an etching rate of the etching solution for the silicon oxide film, and a strong acid for ionizing metal. A cleaning solution for a semiconductor substrate, comprising:
【請求項2】半導体基板上のシリコン酸化膜をエッチン
グするエッチング液と、このエッチング液の前記シリコ
ン酸化膜に対するエッチング速度より酸化反応速度の早
い非金属性の酸化剤と、金属をイオン化する強酸とを有
する洗浄液を用いて半導体基板を洗浄することを特徴と
する半導体装置の製造方法。
2. An etching solution for etching a silicon oxide film on a semiconductor substrate, a nonmetallic oxidizing agent having an oxidation reaction rate higher than an etching rate of the etching solution with respect to the silicon oxide film, and a strong acid for ionizing a metal. Cleaning a semiconductor substrate using a cleaning solution having the following.
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