JP3924551B2

JP3924551B2 - Ｓｏｉウェハ製造方法

Info

Publication number: JP3924551B2
Application number: JP2003155690A
Authority: JP
Inventors: 庸司高木; 靖二有馬; 敏泰堀
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2023-05-30
Also published as: JP2004356593A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）ウェハの製造方法に関し、特にＳＯＩ製造に際して行われるイオン注入に起因するウェハ裏面側のパーティクルを除去する手段に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェハの洗浄方法としては、従来から、バッチ式ウェット洗浄方法と称されるものが一般的に用いられている（下記の特許文献１参照）。バッチ式ウェット洗浄方法とは、簡単には、実質的に並行に配列された半導体ウェハを、アンモニア過水（ＡＰＭ）系の洗浄液で満たされた洗浄槽に浸漬して洗浄する方法をいう。この方法は、複数枚の半導体ウェハを同時に洗浄できるという利点がある。
【０００３】
しかしながら、バッチ式洗浄方法では、近年の半導体ウェハの大径化に伴い、洗浄装置が大型化し、また複数枚の半導体ウェハを取り扱うことが困難となるという問題が生じている。また、バッチ式洗浄方法では、隣合う半導体ウェハ間の間隔が比較的小さいため、一方のウェハの裏面に付着していたパーティクルが対向する他方のウェハの表面に再付着するというクロスコンタミネーションのおそれもある。
【０００４】
これに対して、従来においては半導体ウェハを１枚ずつ洗浄する枚葉式ウェット洗浄方法が開発され、バッチ式に代わり広く採用されつつある。例えば下記の特許文献２に記載されているような枚葉式ウェット洗浄方法は、水平に配置した半導体ウェハの上面（表面）にＡＰＭ系の洗浄液を流下して上面の洗浄を行うと共に、ウェハ下面（裏面）を同種のＡＰＭ系洗浄液に浸し、更に超音波を当てて洗浄効果を高めるというものである。
【０００５】
上記の枚葉式ウェット洗浄方法は、半導体ウェハを１枚ずつ処理するため、装置設備も比較的小型で済み、超音波による洗浄も行うため短時間での処理が可能となる。また、ウェハの表裏をそれぞれ洗浄するため、クロスコンタミネーションという問題もない。
【０００６】
【特許文献１】
特開平６−７７２０１号公報（図６）
【０００７】
【特許文献２】
国際公開公報ＷＯ０２−１６０９Ａ２（図６ａ）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来の枚葉式ウェット洗浄方法を、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェハの製造プロセスにおける洗浄工程に適用しても、パーティクルをウェハ裏面から除去できない場合がある。
【０００９】
ここで、ＳＯＩウェハとは、シリコンウェハ（以下「Ｓｉウェハ」という）の表面近くに二酸化シリコン膜（以下「ＳｉＯ ₂ 膜」という）とシリコン単結晶層（以下「Ｓｉ単結晶層」又は「Ｓｉ層」という）とを形成してＳｉ層／ＳｉＯ₂膜／Ｓｉウェハの積層構造とした半導体ウェハをいう。通常のバルクＳｉウェハに比べて高集積化、高速化等の点で優れており、近年着目されている半導体ウェハの一つである。ＳＯＩウェハを製造する方法としては、ＳｉＯ₂膜が形成されたＳｉウェハに水素イオンを注入し、このウェハを別のＳｉウェハと貼り合わせた後で水素イオン注入層の部分で分断することによってＳＯＩウェハを作製するというものが一般的である（例えば特開２０００−１２２８５号公報参照）。
【００１０】
このようなＳＯＩウェハ製造プロセスのイオン注入の後の洗浄に対して、上記の枚葉式ウェット洗浄方法を用いてもウェハ裏面に対しては十分な洗浄効果が得られない場合がある。これは、イオン注入を行う一般的なイオン注入装置においては、Ｓｉウェハを保持するホルダの表面（ウェハ保持面）が、保持性向上や帯電防止という観点から、シリコーン被覆されており、このシリコーンポリマーがウェハ裏面全体に強固に付着するためと考えられる。ウェハ裏面にパーティクルが残っている場合、それがウェハ表面側に回り込むと、ウェハ同士を隙間無く貼り合わせることができず、製造されたＳＩＯウェハは欠陥を有するものとなってしまう。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、ＳＯＩウェハを製造するに際して、イオン注入後にウェハ裏面のパーティクルを良好に除去することのできるＳＯＩウェハ製造方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者らは種々検討した結果、ＳＯＩウェハの製造に関しては、Ｓｉウェハの表面のみならず裏面側にもＳｉＯ₂膜が形成されており、そこにイオン注入装置のホルダによるシリコーンポリマー・パーティクルが付着していることに着目した。すなわち、裏面側のＳｉＯ₂膜は表面のＳｉＯ₂膜ものとは異なり、最終的には無用なものであり、除去しても問題ないことに気づいた。
【００１３】
そこで、本発明によるＳＯＩウェハ製造方法は、第１の面とその反対側の第２の面とに二酸化シリコン膜が形成された第１のシリコンウェハに、前記第１の面側から水素イオンを注入して水素イオン注入層を形成する第１ステップと、該第１ステップの後、前記第１のシリコンウェハの前記第２の面に形成された前記二酸化シリコン膜のみに対し、超音波を印加しながらエッチングして前記第１のステップにおいて前記第２の面に形成された二酸化シリコン膜に付着したパーティクルを除去する第２ステップと、該第２ステップの後、前記第１の面に形成された前記二酸化シリコン膜の表面に第２のシリコンウェハを貼り合わせる第３ステップと、を含むことを特徴としている。この第３ステップの後、水素イオン注入層において前記第１のシリコンウェハを分断することで、ＳＯＩウェハが得られる。なお、エッチングを行うための液、すなわちエッチャントは、フッ酸水溶液（ＨＦ水溶液）であることが好ましい。
【００１４】
この方法により、二酸化シリコン膜のエッチングと超音波印加を同時に行うことによって、二酸化シリコン膜に強固に付着していたパーティクルを十分に除去することができるようになる。一方、ウェハ裏面（第２の面）のみをエッチャントでエッチングすることとしているので、イオン注入された面には何らの影響も与えない。
【００１５】
また、イオン注入された側の第１の面については、前記エッチャントとは異なる洗浄液、例えば純水で洗浄することが好ましい。これにより、エッチャントの第１の面側への回り込みを防止することができるからである。また、純水に代えて、オゾン水、水素水、電解水等のいわゆる機能水を用いてもよい。
【００１６】
更に、裏面（第２の面）を下向きとして第１のシリコンウェハを水平に配置し、エッチャントを第１のシリコンウェハの下方から供給することが好ましい。下方からエッチャントを接触させた方が、上面（第１の面）へのエッチャントの回り込みを防止できるからである。
【００１７】
更にまた、エッチャントを第１のシリコンウェハの第１の面全面に供給し、超音波をこの第１の面全面に対向する面から印加することが、ウェハ１枚当たりの処理時間を大幅に短縮できるので、有効である。
【００１８】
本発明によるＳＯＩウェハ製造方法の第２ステップは、次のような洗浄装置を用いて行うことが有効である。すなわち、シリコンウェハを水平に支持する支持手段と、支持手段により支持されたシリコンウェハの下面に、エッチャント（二酸化シリコン膜をエッチングすることのできる洗浄液）を供給する第１の洗浄液供給手段と、エッチャントに対し超音波を印加するための超音波印加手段とを備える洗浄装置を用いるとよい。更に、支持手段により支持されたシリコンウェハの上面に、前記エッチャントとは異なる洗浄液を供給する第２の洗浄液供給手段を更に備えることが、より有効である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明によるＳＯＩウェハ製造方法を実施するのに適した洗浄装置の一実施形態を示すものである。本実施形態に係るＳＯＩウェハ製造方法では、前述したように、まずＳｉウェハ（第１のシリコンウェハ）を酸化炉に入れて、その表裏全面にＳｉＯ₂膜を形成する。次いで、ＳｉＯ₂膜が形成されたＳｉウェハの裏面（第２の面）をイオン注入装置のホルダにセットし、水素イオンを表面（第１の面）側から注入する（第１ステップ）。この後、洗浄工程（第２ステップ）となり、イオン注入されたウェハに対して図１に示す洗浄装置が用いられることとなる。洗浄後、このウェハと別のＳｉウェハ（第２のシリコンウェハ）とを貼り合わせる（第３ステップ）。最後に、水素イオン注入層の部分で、貼り合わせたウェハを分断することによって、ＳＯＩウェハを作製するのである（第４ステップ）。
【００２１】
図１に示す洗浄装置１０は、枚葉式ウェット型であり、チャンバ１２内に設けられた超音波発生プレート（超音波印加手段）１４を備えている。この超音波発生プレート１４は、洗浄対象となる半導体ウェハＷの直径よりもやや大きな直径の円盤であり、上面が水平となるように配設されている。また、図示しないが、超音波発生プレート１４には、上方に超音波を伝搬するよう超音波発生素子が取り付けられている。更に、超音波発生プレート１４の略中心部には貫通孔１６が形成されており、この貫通孔１６には洗浄液供給管１８を介してチャンバ１２外の洗浄液供給源（第１の洗浄液供給手段）２０が接続されている。
【００２２】
超音波発生プレート１４の周囲には、半導体ウェハＷを支持するための支持装置（支持手段）２２が設けられている。図示実施形態の支持装置２２は、超音波発生プレート１４の上方にて内向きとされた少なくとも３つ、好ましくは４つの載置爪２４と、これらの載置爪２４から垂下するアーム２６を支持し超音波発生プレートと同軸に配置された円形のリング２８とを備えている。リング２８は、駆動装置３０により超音波発生プレート１４の中心軸線を中心にして回転可能となっている。また、支持装置２２の載置爪２４に半導体ウェハＷの周縁部が載置された状態では、半導体ウェハＷの下面（裏面）は超音波発生プレート１４の上面全面に対向し、且つ、半導体ウェハＷは超音波発生プレート１４の上面から所定の距離だけ離れた位置にて水平に支持される。従って、半導体ウェハＷが支持された状態で、洗浄液供給源２０から洗浄液を供給すると、その洗浄液は超音波発生プレート１４の上面と半導体ウェハＷの下面との間の間隙を通り外方に流通する。この際、支持装置２２を回転させ半導体ウェハＷを回転させた場合、洗浄液は淀むことなく半導体ウェハＷの下面の全域を円滑に流れる。
【００２３】
更に、超音波発生プレート１４の上方には、洗浄液吐出ノズル３２が配置されている。このノズル３２はチャンバ１２外に設置された、前記洗浄液供給源２０とは別個独立の洗浄液供給源（第２の洗浄液供給手段）３４に接続されている。なお、洗浄液吐出ノズル３２は、洗浄工程以外には超音波発生プレート１４の側方に移動させることができる。これによって、半導体ウェハＷを支持装置２２に容易に取り付け、或いは取り外すことが可能となる。
【００２４】
次に、以上のような構成の洗浄装置１０を用いて、本発明による洗浄方法について説明する。
【００２５】
まず、洗浄液供給源２０のタンク（図示せず）にＨＦ水溶液を第１の洗浄液として充填する。ＨＦ水溶液は、ＨＦ：純水が１：２０〜１：５０程度とすることが好ましい。また、洗浄液供給源３４のタンク（図示せず）には純水（第２の洗浄液）、好ましくは脱イオン純水（ＤＩＷ）を充填しておく。
【００２６】
この後、洗浄すべき半導体ウェハＷ、すなわち水素イオンが注入されたＳｉＯ₂膜付きのＳｉウェハを洗浄装置１０のチャンバ１２内に搬入し、支持装置２２の載置爪２４上に載置、支持する。この際、イオン注入された側の面（ウェハ表面）が上向き、イオン注入装置のホルダに接した面（ウェハ裏面）が下向きとなるように載置する。なお、図２の（ａ）は、この段階でのＳｉウェハＷに対するパーティクルＰの付着状態を示す概略図である。
【００２７】
そして、洗浄液吐出ノズル３２の先端をＳｉウェハＷの略中心点の上方に移動させ、純水をノズル３２から吐出させると共に、ＨＦ水溶液を超音波発生プレート１４の貫通孔１６から吐出させる。また同時に、駆動装置３０を駆動して、支持装置２２及びＳｉウェハＷを回転させる。更に、超音波発生素子を駆動して、超音波をＳｉウェハＷに印加する。
【００２８】
この状態においては、洗浄液吐出ノズル３２からの純水がＳｉウェハＷの表面を外方に流れ、ＳｉウェハＷの表面を洗浄する。また、この純水をＳｉウェハＷの表面に沿って流すことで、ウェハ裏面側に供給されたＨＦ水溶液の表面側への回り込みを阻止することが可能となる。更に、この純水によりＳｉウェハＷは下方に押え付けられるので、支持装置２２の載置爪２４からのウェハ脱落を防止することができる。なお、この純水に代えて、オゾン水、水素水、電解水等の機能水を用いてもよく、その場合、ウェハ表面の洗浄力を高めることができる。
【００２９】
一方、超音波発生プレート１４の貫通孔１６からのＨＦ水溶液はＳｉウェハＷの裏面に供給され、外方に流れていく。ＨＦ水溶液はＳｉウェハＷの裏面に形成されているＳｉＯ₂膜を化学的にエッチングすることができる。この化学的エッチングに加え、超音波がウェハ裏面の全面に対向する超音波発生プレート１４の上面から印加されるため、いわゆる超音波洗浄効果とエッチングとの相乗効果により、パーティクルの除去が確実且つ短時間で行われる。シリコーンポリマー・パーティクルは通常のパーティクルに比して径が大きく、そのためにシリコーンポリマー・パーティクルの後方のＳｉＯ₂膜にはＨＦ水溶液は回りにくくなっており、ＨＦ水溶液を半導体ウェハＷの裏面に接触させるだけではエッチングは不十分なものとなるが、超音波を印加させることで、シリコーンポリマー・パーティクルを剥離させつつＳｉＯ₂膜のエッチングを行うため、パーティクルの除去が確実且つ短時間で行われることとなるのである。シリコーンポリマー・パーティクルを完全に除去するためには、ＳｉＯ₂膜を全て除去する必要はなく、洗浄前のＳｉＯ₂膜の厚さにもよるが、１００〜２００オングストローム程度のエッチングでパーティクルはほぼ完全に除去される。
【００３０】
ＨＦ水溶液はＳｉウェハＷの裏面を流れ、その周縁まで達したならば、そのままＳｉウェハＷの回転による遠心力により外方に飛散される。この際、ＨＦ水溶液の一部がＳｉウェハＷの表面側に回り込むことも考えられるが、前述したように、ウェハ表面側には純水が供給されているため、ＨＦ水溶液がウェハ表面に流れ、ウェハ表面のＳｉＯ₂膜を荒らすことはない。勿論、ＨＦ水溶液に随伴したパーティクルがウェハ表面に再付着することもない。
【００３１】
このようにして所定時間、洗浄した後、更に、アンモニア・過水（ＡＰＭ）や塩酸・過水（ＨＰＭ）を用いてＳｉウェハＷの両面を洗浄することが好ましい。その結果得られたＳｉウェハＷは、図２の（ｂ）に示すような両面が清浄なものとなる。従って、ＳＯＩウェハ製造プロセスにおける次工程であるウェハ貼合せにおいて、パーティクルがウェハ表面に回り込むことはなく、２枚のウェハは密着し、分断後に得られるＳＯＩウェハは欠陥のない優良なものとなる。
【００３２】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限られないことはいうまでもない。
【００３３】
例えば、上記実施形態では、超音波発生プレート上に半導体ウェハを配置することとしているが、図３に示すように、ＨＦ水溶液を入れた洗浄槽５０の上方から半導体ウェハＷを適当な支持手段５２で吊支し、その下面（ウェハ裏面）にだけＨＦ水溶液を供給、接触させ、ウェハ裏面のパーティクルをＳｉＯ₂膜と共にエッチング除去してもよい。この場合、超音波印加手段５４を洗浄槽５０の底部に設置しておくことが有効である。
【００３４】
また、本発明は、半導体ウェハの少なくとも一面に形成された薄膜上にパーティクルが付着した場合、この薄膜をエッチングで除去することでパーティクルをも除去することを本質としているので、膜種はＳｉＯ₂に限られず、また、膜種によってはエッチング可能な洗浄液はＨＦ水溶液に限られない。
【００３５】
なお、薄膜がＳｉＯ₂膜ではなく、ＳｉＮ膜の場合、適当なエッチャントを用意できない場合がある。かかる場合には、ウェハ裏面に過酸化水素水やオゾン水等の酸化剤を供給し、ＳｉＮ膜を酸化させ、その後、ＨＦ水溶液を供給してエッチングと超音波で洗浄する方法により、パーティクルを除去することができる。この場合、必要に応じて、酸化処理とエッチング・超音波洗浄処理とを繰り返してもよい。より具体的には、図１に示す洗浄装置１０を用いてＳｉＮ膜が裏面に形成された半導体ウェハＷを洗浄する場合、まず、超音波発生プレート１４の貫通孔１６から酸化剤を供給し、ＳｉＮ膜を酸化する。次いで、貫通孔１６から純水を供給し、超音波発生プレート１４と半導体ウェハＷとの間に残存している酸化剤を純水に置換する。そして、前記と同様にＨＦ水溶液を供給するのである。酸化処理とエッチング・超音波洗浄とを繰り返す場合には、更にＨＦ水溶液を純水で置換した後、酸化剤を供給することになる。この方法において、酸化処理中や純水供給中に超音波を印加して、半導体ウェハＷの裏面の洗浄を行ってもよい。
【００３６】
更にまた、上記実施形態では、ＳＩＯウェハ製造プロセスにおける洗浄工程に関するものとなっているが、例えばデバイス製造プロセスにおいても本発明による洗浄方法及び装置は適用可能である。すなわち、デバイス製造プロセスでは、通常、イオン注入工程後において、ウェハ裏面にはＳｉＯ₂膜等が形成されている。そして一般に、イオン注入工程の後、半導体ウェハ上のレジストを剥離し、その後にフォトリソグラフィ工程が行われるが、レジストの剥離工程とフォトリソグラフィ工程との間において本発明による洗浄を行うことができる。特に、近年のフォトリソグラフィ工程では、配線幅の微細化に伴い、ステッパによる露光時の焦点深度が小さくなってきており、ウェハ裏面のパーティクルの存在によるウェハの極く僅かな傾きや変形でさえも、レジスト・パターンに欠陥が生じる可能性があるが、本発明によれば、そのような裏面のパーティクルは除去され、且つまた、表面側のデバイスにはエッチング用の洗浄液による影響がないため、将来のデバイス製造プロセスにおける更なる微細化にも対応が可能となる。
【００３７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明は、半導体ウェハの裏面に強固に付着したパーティクルを、その面に形成された薄膜と共に除去することとしているので、通常の洗浄方法に比して、確実にパーティクルを除去することができる。また、本発明では、半導体ウェハの裏面のみに対してエッチング可能な洗浄液を供給することとしているので、表面、すなわちイオン注入された面には何らの影響も与えない。勿論、本発明では、１枚ずつの洗浄処理となるので、バッチ式の洗浄方法のような洗浄中におけるクロスコンタミネーションという問題も生じない。
【００３８】
このようにパーティクルがほぼ完全に除去されることにより、従来の洗浄処理ではＳＯＩウェハの歩留まりを飛躍的向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるＳＯＩウェハ製造方法に適した洗浄装置の一実施形態を示す概略説明図である。
【図２】（ａ）は洗浄前における半導体ウェハの状態を示し、（ｂ）は本発明により洗浄が行われた後の半導体ウェハの状態を示す概略図である。
【図３】本発明によるＳＯＩウェハ製造方法に適した洗浄装置の別の実施形態を示す概略説明図である。
【符号の説明】
１０…洗浄装置、１２…チャンバ、１４…超音波発生プレート、２０…洗浄液供給源、２２… 支持装置、３２…洗浄液吐出ノズル、３４…洗浄液供給源、５０…洗浄槽、５２…支持手段、５４…超音波印加手段。

Claims

第１の面とその反対側の第２の面とに二酸化シリコン膜が形成された第１のシリコンウェハに、前記第１の面側から水素イオンを注入して水素イオン注入層を形成する第１ステップと、
該第１ステップの後、前記第１のシリコンウェハの前記第２の面に形成された前記二酸化シリコン膜のみに対し、超音波を印加しながら前記二酸化シリコン膜のエッチングをして、前記第１のステップにおいて前記第２の面に形成された二酸化シリコン膜に付着したシリコーンポリマー・パーティクルを除去する第２ステップと、
該第２ステップの後、前記第１の面に形成された前記二酸化シリコン膜の表面に第２のシリコンウェハを貼り合わせる第３ステップと、
を含むＳＯＩウェハ製造方法。
前記水素イオン注入層において前記第１のシリコンウェハを分断する第４ステップを更に含むことを特徴とする請求項１に記載のＳＯＩウェハ製造方法。
前記エッチングのエッチャントはフッ酸水溶液であることを特徴とする請求項１又は２に記載のＳＯＩウェハ製造方法。
前記第２ステップにおいて、前記第１のシリコンウェハの前記第１の面に形成された前記二酸化シリコン膜を、前記エッチングのエッチャントとは異なる洗浄液により洗浄することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のＳＯＩウェハ製造方法。
前記洗浄液が純水又は機能水であることを特徴とする請求項４に記載のＳＯＩウェハ製造方法。
前記第２ステップにおいて、前記エッチングのエッチャントを、前記第１のシリコンウェハの前記第２の面に形成された前記二酸化シリコン膜の表面全面に供給し、前記超音波を前記第２の面の全面に対向する面から印加することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のＳＯＩウェハ製造方法。
前記第２の面を下向きとして前記第１のシリコンウェハを水平に配置し、前記エッチングのエッチャントを前記第１のシリコンウェハの下方から供給することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のＳＯＩウェハ製造方法。