JP4142655B2 - 洗浄方法 - Google Patents

Description

本発明は、洗浄方法に係り、より詳細には、従来より極めて少ない工程でかつ加熱を行うことなく、超高清浄な洗浄が可能な洗浄方法に関する。

近時、半導体基板上に形成される半導体装置はサブミクロンのレベルに高密度化・微細化している。高密度を達成するためには、基板の表面は超高清浄な状態に保たれていなければならない。すなわち、基板表面から、有機物、金属、各種パーティクル、酸化物（酸化膜）は除去されていなければならない。そのため、基板表面は洗浄が行われる。

ところで、従来、超高清浄な基板表面を達成するための清浄技術としては、次の工程からなる洗浄方法が知られている。
（１）９８％Ｈ₂ＳＯ₄／３０％Ｈ₂Ｏ₂（組成比４：１） 温度１３０℃
この工程により有機物およびメタルを除去する。
（２）超純水洗浄 室温
（３）希ＨＦ洗浄 室温
この工程により酸化膜を除去する。
（４）超純水洗浄 室温
（５）２８％ＮＨ₄ＯＨ／３０％Ｈ₂Ｏ₂／Ｈ₂Ｏ（組成比１：１：５）
温度８０〜９０℃
この工程によりパーティクルを除去する。
（６）超純水洗浄 室温
（７）希ＨＦ洗浄 室温
上記（５）の工程でＨ₂Ｏ₂を使用しているため（５）の工程においては酸化膜が形成されるためこの工程においてその酸化膜を除去する。
（８）超純水洗浄 室温
（９）３６％ＨＣｌ／３０％Ｈ₂Ｏ₂／Ｈ₂Ｏ（組成比１：１：６）
温度８０〜９０℃
この工程では、メタルを除去する。
（１０）超純水洗浄 室温
（１１）希ＨＦ洗浄 室温
上記（９）の工程でＨ₂Ｏ₂を使用しているため(9)の工程においては酸化膜が形成されるためこの工程においてその酸化膜を除去する。
（１２）超純水洗浄 室温

しかし、上記従来の洗浄方法には、次の諸々の問題を有している。
・工程数が１２と非常に多い。
・薬品・水の使用量が多い。
・高温工程を含んでいる。
・薬品として酸・アルカリの両方を使用しており、薬品の回収が困難である。

一方、従来、洗浄装置の洗浄液を収納する容器はガラス製あるいは石英製のものが用いられる。しかし、ガラスあるいは石英はＨＦと反応を起こすため、ＨＦを含有する洗浄液の場合には樹脂製容器を用いざるを得ないのが現実である。

ところで、被洗浄体あるいは洗浄液に容器外部から振動を与えながら洗浄を行うことがある。容器がガラス製容器、石英製容器あるいは金属製容器の場合には振動は容器内部の洗浄液あるいは被洗浄体に十分伝播する。しかるに、容器が樹脂製容器の場合には、振動が樹脂に吸収されて減衰してしまい容器内の洗浄液あるいは被洗浄体に十分には伝播しない。ＨＦを含有する洗浄液の場合には樹脂製容器を用いざるを得ないことは前述した通りであるので、ＨＦを含有する洗浄液の場合には、振動を与えながら洗浄を行う技術は従来存在しなかった。

本発明は、工程数が極めて少なく、室温工程のみで処理可能であり、薬品・水の使用量が少なく、しかも酸のみの使用で足り、薬品の回収が容易な洗浄方法を提供することを目的とする。

本発明は、ＨＦを含有する洗浄液を用いた場合であっても振動を与えながら洗浄を可能とした洗浄方法を提供することを目的とする。

本発明の洗浄方法は、オゾンを含有する純水による洗浄を行う第１工程、洗浄液に５００ｋＨｚ以上の周波数の振動を与えながら、ＨＦと、Ｈ₂Ｏ₂及び／又はＯ₃と、Ｈ₂Ｏと界面活性剤とを含有する洗浄液による洗浄を行う第２工程、純水による洗浄を行う第３工程、酸化膜を除去する第４工程、
からなることを特徴とする。
また、本発明の半導体基板の製造方法は上記の洗浄方法を含むことを特徴とする。

参考発明の洗浄装置は、金属からなる容器の少なくとも洗浄液収納部の内面にフッ化ニッケル層が形成され、さらに該フッ化ニッケル層上にカーボン層が形成されており、該容器の外面に振動子が取り付けられていることを特徴とする。

また、参考発明の他の洗浄装置は、金属からなる容器の少なくとも洗浄液の収納部の内面にカーボン層が形成され、さらに該カーボン層上にフロロカーボン層が形成されており、該容器の外面に振動子が取り付けられていることを特徴とする。

本発明によれば次の諸々の効果が達成される。
（１）工程数が極めて少ない。
（２）加熱を行うことなく室温で処理が可能である。
（３）薬品・水の使用量が少なくてすむ。
（４）薬品として酸のみを使用し、回収が容易である。

（作用）
以下に、本発明の作用を本発明をなすに至った経緯及びその際に得た知見等ともともに説明する。
本発明者は、工程数が少なく、しかも室温のみの処理が可能である洗浄方法を鋭意探求した。

（Ａ）
まず、最初の試みとして、ＨＦとＨ₂Ｏ₂とＨ₂Ｏとの混合溶液（以下「ＨＦ／Ｈ₂Ｏ₂／Ｈ₂Ｏ」と表示する。）について実験を行った。
その結果、次のことがわかた。

・パーティクル
１μｍ以上の大きなパーティクルの数は減少するが、０．５〜１μｍのパーティクルの数、あるいは０．３〜０．５μｍの小さなパーティクルの数は逆に増加してしまうこと。

・金属
金属については１０¹⁰（原子の数／ｃｍ²）のレベルが達成されたが、未だ十分とはいえない。

・有機物
有機物は検出限界以下まで除去されていた。

・酸化膜
洗浄前に存在していた酸化膜は除去されたが該洗浄工程であらたに別の酸化膜が形成されてしまった。

・表面粗さ
洗浄後の表面をＲ_ms（中心線ニ乗平均粗さ）で評価したところ、Ｒ_ms＝０．２３と粗いものであった。

（Ｂ）
上記（Ａ）での問題を解決するためにさらに実験を重ねた。
まず、（ＨＦ／Ｈ₂Ｏ₂／Ｈ₂Ｏ）溶液に界面活性剤を添加して実験を行ったところ、次のような結果が得られた。

・パーティクル
１μｍ以上の大きなパーティクルの数、０．５〜１μｍのパーティクルの数は著しく減少した。ただ、０．３〜０．５μｍの小さなパーティクルの数は増加はしなかったが減少はしなかった。結局、０．３〜０．５μｍの小さなパーティクルの除去については満足できないものであった。

・金属
金属については１０⁹（原子の数／ｃｍ²）のレベルが達成されたが、未だ十分とはいえない。

・有機物
有機物は検出限界以下まで除去されていた。

・酸化膜
洗浄前に存在していた酸化膜は除去されたが該洗浄工程であらたに別の酸化膜が形成されてしまった。

・表面粗さ
洗浄後の表面をＲ_ms（中心線二乗平均粗さ）で評価したところ、Ｒ_ms＝０．１５のレベルが達成され満足のいくものであった。

（Ｃ）
上記（Ｂ）における試みによってもまだ満足できるものでなかった。そこで、本発明者は視点を変え以下の視点から別の試みを行った。

本発明者は、別途、金属上にフッ化ニッケル層が形成され、さらに該フッ化ニッケル層上にカーボン層が形成されている材料を開発している（特願平６−２８８８０５号）。この材料はＨＦに対して優れた耐食性を示す材料である。

本発明者はこの材料の振動伝播特性を調査したところ、この材料は樹脂とは異なり優れた振動伝播特性を示すことを知見した。

そこで、本発明者は、この材料を用いて（ＨＦ／Ｈ₂Ｏ₂／Ｈ₂Ｏ／界面活性剤）洗浄液用の容器を構成しその外面に振動子を取り付けることにより洗浄時に振動を与えれば何らかの効果があるかも知れないと考えた。 ただ、前述した通り、ＨＦを含有する洗浄液の場合には、振動を与えながら洗浄を行う技術は従来存在しなかったので、ＨＦを含有する洗浄液の場合には、振動を与えることと洗浄効果との関係は全く未知である。すなわち、ＨＦを含有する洗浄液については、振動を与えて洗浄を行った場合、洗浄効果は向上するのかあるいは逆に悪くなるのかは全く知られていなかった。

そこで実験を行ったところ、振動を与えた場合と与えない場合との間では有意差が認められたが、単に振動を与えればよいというものではなく、洗浄効果は振動の強度（振幅）ではなく周波数に依存していることを解明した。すなわち周波数により洗浄効果が異なることを見いだした。そしてより具体的に洗浄効果が生じる周波数を求めたところ５００ｋＨｚ以上の周波数の振動を与えた場合に初めて所定の洗浄効果が得られることを解明した。すなわち、（ＨＦ／Ｈ₂Ｏ₂／Ｈ₂Ｏ／界面活性剤）洗浄液の場合には、５００ｋＨｚ以上の周波数の振動を与えながら洗浄を行うと、パーティクル、金属、有機物、酸化膜の除去、及び表面粗度について優れた洗浄効果を示すことを知見した。

ただ、界面活性剤を加えることにより粗さは改善されるが、大量の処理を行った場合粗さにバラツキが生じてしまうことがわかった。その原因は明かではなかった。

そこで、バラツキを少なくする手段を各種試みたところ、（ＨＦ／Ｈ₂Ｏ₂／Ｈ₂Ｏ／界面活性剤）溶液による振動を与えながらの洗浄に先立ち、オゾンを含有した超純水による洗浄を行えば上記バラツキはなくなることを知見した。その理由は不明であるが、（ＨＦ／Ｈ₂Ｏ₂／Ｈ₂Ｏ／界面活性剤）溶液による振動を与えながらの洗浄を行う前において基板表面に付着している金属の付着量が影響しているのではないかと考えられる。すなわち、金属の付着量が多いと表面粗度は大きく（粗く）なり、（ＨＦ／Ｈ₂Ｏ₂／Ｈ₂Ｏ／界面活性剤）溶液による振動を与えながらの洗浄に先立ちオゾンを含有した超純水による洗浄により付着金属の大部分が除去されるためではないかと考えられる。

結局本発明においては、まず、オゾンを含有する超純水による洗浄を行う（第１工程）。この第１工程において、金属及び有機物の大部分が除去される。ただ、全てが除去されるわけではない。そしてこの第１工程を行うことにより全洗浄工程後における表面粗度のバラツキを小さくすることができる。

第１工程後は超純水洗浄を行うことなく、（ＨＦ／Ｈ₂Ｏ₂／Ｈ₂Ｏ／界面活性剤）溶液による洗浄（第２工程）に入ることができる。いいかえると超純水洗浄工程を一つ省略できるわけである。第１工程後基板表面に残存するのはオゾン含有超純水であり、それが残存したまま第２工程に入っても悪影響を与えるものではないからである。

第２工程は、（ＨＦ／Ｈ₂Ｏ₂／Ｈ₂Ｏ／界面活性剤）溶液による５００ｋＨｚ以上の周波数の振動を与えながらの洗浄であり、この洗浄により、パーティクル、金属、有機物を除去でき、また表面粗度も小さいものとすることができる。
ここで、Ｈ₂Ｏ₂に替えあるいはＨ₂Ｏ₂と共にＯ₃を使用することができる。

第２工程では、界面活性剤を含有する洗浄液を用いているため第２工程終了後は超純水による洗浄（リンス）を行い界面活性剤を基板表面から除去する（第３工程）。

なお、前記第３工程によっては界面活性剤が除去しきれない場合には、次の工程に入る前にオゾン含有溶液による洗浄工程を適宜行えば界面活性剤の完全除去が可能である。使用する薬品種は第１工程の薬品と同じであるため管理薬品の種類を増やす必要がない。

第２工程ではＨ₂Ｏ₂（あるいはＯ₃）を含有する洗浄液を用いているため洗浄後、酸化膜が形成される。第４工程ではその酸化膜の除去を行う。例えば、希ＨＦ溶液による洗浄及びその後の超純水による洗浄（リンス）により行えばよい。

以下に本発明を実施するための最良の形態を説明する。

（洗浄装置）
第２工程で使用する洗浄装置の構造としては例えば図１に示す構造とすればよい。図１において１は容器であり２は振動子、３は洗浄液である。

容器の構成材は以下の通りとすれば第２工程で用いる洗浄液に対する耐食性と優れた振動伝播特性が得られる。なお、詳細は前述した特願平６−２８８８０５号に記載された通りである。

金属の表面にニッケル−リンのメッキ層を形成し、次いで該ニッケル−リン層をフッ素でフッ素化を行い、更に不活性ガス（例えば窒素ガス）雰囲気下で熱処理を行ってフッ化ニッケル層を形成する。さらにこのフッ化ニッケル層に炭化水素ガスを接触させてカーボン層を形成する（カーボン処理と称する。）。反応条件によってフッ化ニッケルを残存させたり全てをカーボンに置換することができる。

炭化水素によるカーボン処理の温度は室温〜４００℃、好ましくは２００〜３７０℃である。炭化水素によるカーボン処理の時間は１〜５時間である。カーボン処理の雰囲気は炭化水素ガス単独、あるいは適宜不活性ガス、例えば、Ｎ₂，Ａｒ，Ｈｅ等で希釈して使用することが好ましい。

カーボン処理後にフッ素化（フロロカーボン処理という）を行う場合がある。フロロカーボン処理の温度は室温〜３００℃、好ましくは１００〜２５０℃である。フロロカーボン処理の時間は数分〜５時間である。フロロカーボン処理の雰囲気は酸素の存在しない状態で行うのが好ましく、従って、フッ素を単独であるいは適宜不活性ガス例えばＮ₂，Ａｒ，Ｈｅ等で希釈して使用することが好ましい。フロロカーボン処理は常圧で行うことを基本とするが必要に応じて加圧下で行うこともできこの際の圧力としてはゲージ圧力で２気圧以下程度でよい。更に、Ｎ₂，Ａｒ，Ｈｅ等の不活性ガス中で熱処理することが好ましく、熱処理は１００〜４００℃、好ましくは２００〜３７０℃で１〜５時間行うことにより堅牢かつ緻密で金属との密着性が良好であり、さらに耐食性が十分認められるフロロカーボン層を形成する。

なお、金属としてはステンレス、ニッケル、アルミニウムあるいはこれ等と他の金属との合金であり、これらの表面上にニッケル−リンめっきを施したものも用いられる。

フッ化ニッケル層の厚みは１０ｎｍ〜１μｍが好ましく、１００〜２００ｎｍがより好ましい。
カーボン層は１ｎｍ〜１μｍが好ましく、１００〜５００ｎｍがより好ましい。

（第１工程）
第１工程では、オゾンを含有する超純水による洗浄を行うが、オゾン濃度としては２ｐｐｍ以上が好ましい。２ｐｐｍを境としてそれ以上の濃度では洗浄後の表面粗度のバラツキが著しく小さくなる。

なお、超純水としては、比抵抗１８．２ＭΩ以上、金属濃度１ｐｐｔ以下、不純物数ｐｐｂ以下のものが好ましい。

（第２工程）
第２工程において用いる洗浄液におけるＨＦの濃度は、０．５〜１０ｗｔ％が好ましい。０．５ｗｔ％以上とした場合には酸化物のエッチングレートが速くなる。一方、１０ｗｔ％を超えるとエッチングレート飽和しそれ以上上昇しない。従って、それ以上の添加量としても無意味であり、薬品使用量多くなり経済的に損である。

Ｈ₂Ｏ₂の濃度は、０．１〜２０ｗｔ％が好ましい。０．１ｗｔ％以上の場合、金属の除去をより効率的に行うことができる。一方、２０ｗｔ％を超えても酸化速度は変わらず、薬品使用量増加が増えるだけで経済的に損である。
また、Ｏ₃の濃度は５ｐｐｍ以上が好ましい。

界面活性剤としては、アニオン系、カチオン系、非イオン系どれでも利用可能である。さらに、ハイドロカーボン系フロロカーボン系等なんでもよい。特に好ましいのは、溶液の表面張力を下げる機能をもつ非イオン系活性剤である。

なお、前述した通り、第２工程で使用する界面活性剤が種類によっては第３工程のリンスにより除去できない場合はオゾン（Ｏ₃）添加超純水による洗浄を入れればよい。この場合は工程数は６工程となる。

第２工程において与える振動の周波数は５００ｋＨｚ以上とするが、好ましくは１ＭＨｚ〜２ＭＨｚである。この範囲においては特に洗浄効果が顕著となる。

以下に本発明の実施例を説明する。なお、当然ながら本発明範囲は以下の実施例により制限されるものではない。

（実施例１）
（１００）面のシリコンウエハ（４インチ径）をオゾン濃度３ｐｐｍの超純水溶液に１０分間漬浸することにより第１工程を行った。

次に第２工程における洗浄効果の一つとしてパーティクルの除去性能を評価すべく、平均粒径０．２２μｍのポリスチレンラテックス（ＰＳＬ）粒子を付着させた後、次の４種類の洗浄方法により洗浄を行った。

（i）ＤＨＦ：比較例
０．５％ＨＦ溶液
（ii）ＦＰＭ：比較例
（０．５％ＨＦ／１０％Ｈ₂Ｏ₂／Ｈ₂Ｏ）溶液
（iii）ＦＰＭＳ：比較例
（０．５％ＨＦ／１０％Ｈ₂Ｏ₂／Ｈ₂Ｏ／５０ｐｐｍ界面活性剤）
（iv）ＦＰＭＳ＋ＭＳ：実施例
（０．５％ＨＦ／１０％Ｈ₂Ｏ₂／Ｈ₂Ｏ／５０ｐｐｍ界面活性剤）溶液
周波数９５０ｋＨｚ、電力２００Ｗの振動付与（図１の装置）
なお、上記（i）〜（iv）の洗浄時間はいずれも１０分であり、洗浄温度は室温である。また、洗浄はシリコンウエハを洗浄液へ漬浸することにより行った。

洗浄後、パーティクルカウンターで付着粒子数を測定した。
その結果を図２に示す。

図２に示すように、比較例である（i）、（ii）、（iii）ではパーティクル除去の効果は少ないが、唯一、実施例である（iv）の場合だけ除去率９９％以上でパーティクルが除去できた。

（実施例２）
本例では、第２工程における金属除去性能を調べるためのテストを行った。

（１００）面のシリコンウエハ（８インチ径）をオゾン２０ｐｐｍ含有する超純水に３分間漬浸することにより第１工程を行った。

次にこのシリコンウエハを、ＣｕＣｌ₂を１ｐｐｍ含有する超純水中に３分間漬浸後、超純水による洗浄を行った。これによりシリコンウエハ表面に金属不純物としてＣｕを１０¹⁵個／ｃｍ²付着させておいた（Initialの状態）。

次に、実施例１で述べた（ii）（比較例）、（iii）（比較例）、（iv）（実施例）の洗浄方法のそれぞれの方法で室温で１０分間ウエハを洗浄液に漬浸することにより洗浄を行った。

次に、全反射蛍光Ｘ線測定装置を用いて残存Ｃｕ量を測定した。その結果を図３に示す。

界面活性剤を添加した溶液で洗浄を行った場合（（iii）、（iv））の方が、界面活性剤を添加しない溶液で洗浄を行った場合（（ii））よりも残存Ｃｕ量が少なく、界面活性剤による金属の付着抑制効果が見られる。
さらに振動を与えることにより金属の付着抑制効果はより一層顕著となる。

次に、洗浄後の表面粗さを原子間力顕微鏡を用いて測定した。
洗浄後の表面粗さは次の通りであった。

（ii） Ｒ_ms＝０．２３ｎｍ
（iv） Ｒ_ms＝０．１５ｎｍ
（Ｒ_ms中心線２乗平均粗さ）
となり、界面活性剤の添加により表面荒れも抑えることができることがわかった。

（実施例４）
希ＨＦ／Ｈ₂Ｏ₂溶液のＨ₂Ｏ₂を０．００１〜１０ｗｔ％まで代えて金属除去テストを行った。ＨＦ濃度は０．５ｗｔ％で固定した。

Ｈ₂Ｏ₂濃度が０．１ｗｔ％を境としてそれ以上で金属除去が著しく向上する。従って、Ｈ₂Ｏ₂濃度は０．１ｗｔ％以上が好ましい。その結果を図４に示す。

（実施例５）
次に、水洗でとれない界面活性剤をシリコンウエハに付着させた後、Ｏ₃添加超純水で洗浄し、界面活性剤がとれるか否かを調査した。界面活性剤をシリコンウエハに付着させ、Ｏ₃添加超純水洗浄前後でフリーエ変換赤外分光装置を用いてカーボンの付着状況を調査した。界面活性剤を付着したウエハでは２８５０〜３１００ｃｍ^-1付近に吸収がみられハイドロカーボンの付着が確認された。しかし、Ｏ₃添加超純水で１０分間洗浄したウエハでは同付近に吸収がみられず、界面活性剤は除去されている。図５にその結果を示す。

（実施例６）
本例では、実施例１において、Ｈ₂Ｏ₂に替え５ｐｐｍＯ₃を用いた。
Ｏ₃が５ｐｐｍにおいて、残余している銅は１×１０¹¹／ｃｍ²より少なかった。

実施例に係る洗浄装置を示す概念図である。 実施例１における試験結果を示すグラフである。 実施例２における試験結果を示すグラフである。 実施例４における試験結果を示すグラフである。 実施例５における試験結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 容器、
２ 振動子、
３ 洗浄液。

Claims (10)

1. オゾンを含有する純水による洗浄を行う第１工程、
   洗浄液に５００ｋＨｚ以上の周波数の振動を与えながら、ＨＦと、Ｈ₂Ｏ₂及び／又はＯ₃と、Ｈ₂Ｏと界面活性剤とを含有する洗浄液による洗浄を行う第２工程、
   純水による洗浄を行う第３工程、
   酸化膜を除去する第４工程、
   からなることを特徴とする洗浄方法。
2. 前記第１工程のオゾンの濃度は２ｐｐｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の洗浄方法。
3. 前記周波数は１ＭＨｚ〜２ＭＨｚ以上であることを特徴とする請求項１または２記載の洗浄方法。
4. ＨＦの濃度は０．５〜１０ｗｔ％であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載の洗浄方法。
5. Ｈ₂Ｏ₂濃度は０．１〜２０ｗｔ％であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載の洗浄方法。
6. 前記界面活性剤は非イオン系界面活性剤であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項記載の洗浄方法。
7. 前記第２工程と前記第３工程との間にオゾン含有溶液による洗浄工程を行うことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項記載の洗浄方法。
8. 前記第４工程は、希ＨＦ溶液による洗浄および超純水による洗浄からなることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項記載の洗浄方法。
9. 前記第２工程のＯ₃濃度は５ｐｐｍ以上であることを特徴とする請求項第１ないし８のいずれか１項記載の洗浄方法。
10. 請求項第１ないし９のいずれか１項記載の洗浄方法を含むことを特徴とする半導体基板の製造方法。

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