JP4357456B2 - Semiconductor substrate cleaning method - Google Patents
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本発明は半導体基板の洗浄方法に関し、特にウォータマークを抑制する技術に関する。 The present invention relates to a semiconductor substrate cleaning method, and more particularly to a technique for suppressing a watermark.
半導体装置の製造過程では、ウェハ上のパーティクル、金属、有機物、表面皮膜(自然酸化膜、吸着分子)等の汚染物質や異物を除去するために、ウェット洗浄が広く用いられている。 In the process of manufacturing semiconductor devices, wet cleaning is widely used to remove contaminants and foreign matters such as particles, metals, organic substances, and surface films (natural oxide films, adsorbed molecules) on the wafer.
ウェット洗浄に使用されるウェットエッチング(洗浄)装置には、スプレー式ウェハ洗浄装置、枚葉式エッチング装置(エッチング液を循環仕様又は使い捨て仕様で使用するタイプ)、バッチ式エッチング装置(循環式バスを使用するタイプ又はワンバス方式のもの)等がある。スプレー式ウェハ洗浄装置は、ウェハを挿入したカセットを回転させながら、装置容器内のスプレーノズルからウェハに向かって洗浄用薬液を噴霧して洗浄するもので、カセット自体を回転させる自転式とカセットを複数個セットしたターンテーブルを回転させる公転式とがある。枚葉式エッチング装置では、水平に保持したウェハ上にノズルよりエッチング液(洗浄用薬液)を供給してエッチングにより洗浄する。バッチ式エッチング装置では、ウェハを挿入したカセットをエッチング液が満たされた複数個の洗浄槽に順次に送り込んで浸漬してエッチングにより洗浄する。 Wet etching (cleaning) devices used for wet cleaning include spray wafer cleaning devices, single wafer etching devices (types that use etchant in circulation or disposable specifications), batch etching devices (circulation baths) Type or one-bus type). The spray-type wafer cleaning device sprays cleaning chemicals from the spray nozzle in the device container toward the wafer while rotating the cassette in which the wafer is inserted. There is a revolution type that rotates a set of turntables. In a single-wafer etching apparatus, an etching solution (cleaning chemical) is supplied from a nozzle onto a wafer held horizontally and cleaned by etching. In the batch type etching apparatus, the cassette in which the wafer is inserted is sequentially fed into a plurality of cleaning tanks filled with an etching solution, immersed therein, and cleaned by etching.
近年、超LSI等の半導体集積回路装置では、微細化、高密度化、高速化、及び低消費電力化等が進められており、微細化に比例して、致命的な欠陥となるパーティクル等の汚染物質やシミなどのサイズが小さくなってきている。超LSIプロセスでは、多様な汚染物質やシミを除去するために、複数の薬液を組み合わせた洗浄法が用いられている(たとえば特許文献1)。 In recent years, in semiconductor integrated circuit devices such as VLSI, miniaturization, high density, high speed, low power consumption, and the like have been promoted. The size of pollutants and stains is getting smaller. In the VLSI process, a cleaning method combining a plurality of chemical solutions is used to remove various contaminants and spots (for example, Patent Document 1).
シリコンウェハの一般的な洗浄シーケンスを図5に示す。ステップS11で主にウェハ表面の自然酸化膜の除去を目的として希フッ酸で洗浄し、ステップS12で純水リンスし、ステップS13で主に有機物除去を目的として硫酸過酸化水素水で洗浄し、ステップS14で純水リンスし、ステップS15で主にパーティクル除去を目的としてアンモニア過酸化水素水で洗浄し、ステップS16で純水リンスした後、ステップS17で仕上げの乾燥処理を実施する。
しかしながら、図5に示した洗浄シーケンスでウェハを洗浄する場合、希フッ酸(以下、フッ化水素と言う)での洗浄によってウェハ最表面が疎水性を帯びた状態になり、ウォータマークが非常に発生しやすいという問題があった。一般にウォータマークの発生メカニズムとしては、雰囲気中の酸素がシリコン基板のSi表面に付着している水滴に溶解し、Si表面と水滴との界面に拡散し、Si表面で酸化反応が起こり、それにより生成したSi酸化物(SiO2)が水和してケイ酸(H2SiO3)を生ずる、という一連のステップを経て、水滴中でのSi酸化物の濃度が高まり、これが乾燥後に析出物(ウォータマーク)として残る、と言われている。 However, when a wafer is cleaned by the cleaning sequence shown in FIG. 5, the wafer outermost surface becomes hydrophobic due to cleaning with dilute hydrofluoric acid (hereinafter referred to as hydrogen fluoride), and the watermark is very high. There was a problem that it was likely to occur. In general, as a watermark generation mechanism, oxygen in the atmosphere dissolves in water droplets adhering to the Si surface of the silicon substrate, diffuses to the interface between the Si surface and water droplets, and an oxidation reaction occurs on the Si surface, thereby Through a series of steps in which the produced Si oxide (SiO 2 ) is hydrated to form silicic acid (H 2 SiO 3 ), the concentration of Si oxide in the water droplets increases, It is said that it will remain as a watermark.
またウェハ上に水分が残存している状態で硫酸過酸化水素水での洗浄を実施すると、水と硫酸過酸化水素水との混合による発熱が起こり、ウェハ上の水の温度が沸点もしくは沸点近くまで上昇する。これは硫酸の性質、つまり硫酸が相手から水素と酸素とを水分子の割合で奪う脱水作用に基づくものである。本発明者らの知見によれば、このような脱水、温度上昇が起こっている時にパーティクル源が存在していると、パーティクルが凝集状態となり、結果としてウォータマークが発生しやすい。 In addition, if cleaning with sulfuric acid hydrogen peroxide solution is performed with moisture remaining on the wafer, heat is generated due to the mixing of water and sulfuric acid hydrogen peroxide solution, and the water temperature on the wafer is at or near the boiling point. To rise. This is based on the nature of sulfuric acid, that is, the dehydration effect in which sulfuric acid takes away hydrogen and oxygen from the partner in the proportion of water molecules. According to the knowledge of the present inventors, if a particle source is present when such dehydration and temperature rise are occurring, the particles are in an aggregated state, and as a result, a watermark is likely to occur.
つまり、ウォータマークの発生には、フッ化水素での洗浄後のウェハ最表面が疎水性を帯びた状態であること、及び、ウェハ上に水分が残存している状態で硫酸を用いた洗浄を実施することが関わっていると思われる。 In other words, in order to generate the watermark, the outermost surface of the wafer after cleaning with hydrogen fluoride is in a hydrophobic state, and cleaning with sulfuric acid is performed with moisture remaining on the wafer. Implementation seems to be involved.
本発明は、上記問題に鑑み、フッ化水素での洗浄後に硫酸を用いた洗浄を実施してもウォータマークを抑制できる半導体基板の洗浄方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor substrate cleaning method capable of suppressing watermarks even when cleaning with sulfuric acid is performed after cleaning with hydrogen fluoride.
上記課題を解決するために本発明は、半導体基板を洗浄する際に、半導体基板のシリコン層上をフッ化水素を含んだ薬液で洗浄し、前記シリコン層の表面上の酸化膜を除去することによって前記シリコン層の表面を露出させる第1工程と、前記露出したシリコン層の表面を酸化剤を含んだ水溶液である薬液で処理し、化学酸化膜を形成する第2工程と、前記化学酸化膜が形成された前記シリコン層の表面上に残存する水分を除去し、乾燥させる第3工程と、前記乾燥させたシリコン層の表面上を硫酸を含んだ薬液で洗浄する第4工程とを行うことを特徴とする。
前記第1工程、前記第2工程および前記第4工程のそれぞれにおいて、前記それぞれの工程に対応する前記薬液による処理の後、前記シリコン層上に存在する前記それぞれの工程に対応する薬液を純水で置換することを特徴とする。
前記第1から前記第4工程を、単一の密閉した処理槽内で連続的に行うことを特徴とする。前記第1から前記第4工程は、前記半導体基板の表面が大気に曝されることなく行われることを特徴とする。
前記第3工程における、前記シリコン層の表面上に残存する水分の除去と乾燥は、前記半導体基板を回転させて行うことを特徴とする。前記化学酸化膜の厚みは0.5nmから0.9nmであることを特徴とする。
前記フッ化水素を含んだ薬液はフッ化水素の水溶液であり、前記フッ化水素を含んだ薬液中の前記フッ化水素の濃度は0.1wt%以上であることを特徴とする。前記フッ化水素を含んだ薬液は希フッ酸であり、前記酸化剤を含んだ薬液は過酸化水素水であり、前記硫酸を含んだ薬液は硫酸過酸化水素水であることを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention removes the oxide film on the surface of the silicon layer by cleaning the silicon layer of the semiconductor substrate with a chemical solution containing hydrogen fluoride when cleaning the semiconductor substrate. a second step of forming a first step of exposing the surface of the silicon layer, the surface of the exposed silicon layer was treated with a chemical solution is an aqueous solution containing an oxidizing agent, a chemical oxide film by the chemical oxide film Performing a third step of removing moisture remaining on the surface of the silicon layer on which is formed and drying, and a fourth step of cleaning the surface of the dried silicon layer with a chemical solution containing sulfuric acid. It is characterized by.
In each of the first step, the second step, and the fourth step, after the treatment with the chemical solution corresponding to the respective step, the chemical solution corresponding to the respective step existing on the silicon layer is purified water. It is characterized by replacing with .
The first to fourth steps are continuously performed in a single sealed processing tank. The first to fourth steps are performed without exposing the surface of the semiconductor substrate to the atmosphere.
The removal and drying of moisture remaining on the surface of the silicon layer in the third step is performed by rotating the semiconductor substrate. The chemical oxide film has a thickness of 0.5 nm to 0.9 nm.
The chemical solution containing hydrogen fluoride is an aqueous solution of hydrogen fluoride, and the concentration of the hydrogen fluoride in the chemical solution containing hydrogen fluoride is 0.1 wt% or more. The chemical solution containing hydrogen fluoride is dilute hydrofluoric acid, the chemical solution containing the oxidizing agent is hydrogen peroxide solution, and the chemical solution containing sulfuric acid is sulfuric acid hydrogen peroxide solution .
本発明の半導体基板の洗浄方法は、フッ化水素を用いた洗浄と硫酸を用いた洗浄との間に、化学酸化膜を形成する工程と、化学酸化膜が形成された基板表面に残存する水分を除去する工程とを追加したことにより、前記フッ化水素洗浄、硫酸洗浄に起因するウォータマークの発生を抑制することが可能となり、この半導体基板を用いた半導体装置の信頼性及び歩留まりを向上させることができる。
フッ化水素処理後にリンスおよび乾燥処理を実施して一旦処理を完了させ、その後に硫酸処理を実施する場合には、ウォーターマークの発生は特に問題とならないが、フッ化水素処理後に連続して硫酸処理する場合に、本発明方法が有用となる。一般に、スループット向上や洗浄コスト削減のために、1回のランニングで複数薬液を幾つかのステップに分けて適用することが望まれるが、本発明方法によって、フッ化水素処理後に連続して硫酸処理することが可能になる。
The method for cleaning a semiconductor substrate according to the present invention includes a step of forming a chemical oxide film between cleaning with hydrogen fluoride and cleaning with sulfuric acid, and moisture remaining on the substrate surface on which the chemical oxide film is formed. In addition, the generation of watermarks due to the hydrogen fluoride cleaning and sulfuric acid cleaning can be suppressed, and the reliability and yield of a semiconductor device using this semiconductor substrate can be improved. be able to.
When rinsing and drying treatment are performed after the hydrogen fluoride treatment to complete the treatment once and then the sulfuric acid treatment is carried out, the generation of watermark is not particularly problematic, but the sulfuric acid is continuously added after the hydrogen fluoride treatment. In the case of processing, the method of the present invention is useful. In general, in order to improve throughput and reduce cleaning costs, it is desirable to apply a plurality of chemical solutions in several steps in a single run. It becomes possible to do.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図1は本発明で使用するウェハ洗浄装置の概略構成を示す断面図である。
このウェハ洗浄装置は、スプレー式ウェハ洗浄装置と呼ばれるものであって、密閉型の処理槽1内に、複数のウェハWを保持可能な有底筒状のウェハホルダー2が回転軸3により下方から支持されて回転軸3の軸芯廻りに回転自在に配置されるとともに、ウェハホルダー2内に、薬液等の流体4aを吐出可能なスプレーノズル4が回転軸3と同軸状に配置されていて、ウェハホルダー2内のウェハWはスプレーノズル4の周りを公転し、スプレーノズル4はウェハWに向けて薬液等の流体4aを噴射する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a sectional view showing a schematic configuration of a wafer cleaning apparatus used in the present invention.
This wafer cleaning apparatus is called a spray-type wafer cleaning apparatus, and a bottomed
詳細には、ウェハホルダー2には、ウェハWを水平方向に支持する支持板5が上下に複数段に設けられたカセットホルダー6が脱着されるようになっている。スプレーノズル4は、容器1の天部からウェハホルダー2の底部近傍まで延び、周方向に沿ってまた軸心方向に沿って複数の吐出孔7が配列されていて、カセットホルダー6の各段の支持板5に支持されたウェハWに薬液等の流体4aを均一に噴霧するようになっている。
Specifically, a cassette holder 6 in which a
上記ウェハ洗浄装置におけるウェハ洗浄方法を説明する。
複数のウェハWをセットしたカセットホルダー6をウェハホルダー2に装着し、ウェハホルダー2を回転軸3の軸芯廻りに回転させることにより、複数のウェハWを同時にスプレーノズル4の周りを公転させる。
A wafer cleaning method in the wafer cleaning apparatus will be described.
A cassette holder 6 on which a plurality of wafers W are set is mounted on the
その状態で、スプレーノズル4の吐出孔7より薬液を噴射させて、複数のウェハWのそれぞれに吹き付け、ウェハW上の汚染物、異物を薬液との反応によって除去し、その後に純水を噴射させてウェハW上に残存している薬液を純水で置換する。この洗浄ステップは所定の薬液ごとに実施する。洗浄が終了したら、ウェハWを回転させて、残存する水分を除去する。
In this state, the chemical liquid is sprayed from the
以上のウェハ洗浄・乾燥工程は連続して実施する。それにより、ウェハWの表面を大気に曝すこと、つまり大気中のパーティクル源となる物質とウェハとの接触を回避して、ウェハ表面の清浄度をより高めることができる。 The wafer cleaning / drying process described above is performed continuously. Thereby, the surface of the wafer W is exposed to the atmosphere, that is, the contact between the substance serving as a particle source in the atmosphere and the wafer can be avoided, and the cleanliness of the wafer surface can be further increased.
ウェハの洗浄シーケンスを図2に基づいて、図3をも参照しつつ説明する。図2は洗浄シーケンスのフローチャート、図3は洗浄対象のウェハの断面図である。このウェハ洗浄・乾燥工程は一般に成膜工程の前洗浄として実施される。 The wafer cleaning sequence will be described with reference to FIG. 2 and with reference to FIG. FIG. 2 is a flowchart of the cleaning sequence, and FIG. 3 is a cross-sectional view of the wafer to be cleaned. This wafer cleaning / drying process is generally performed as a pre-cleaning of the film forming process.
図2に示すステップS1で、ウェハ表面の酸化膜の除去を主目的としてウェハを希フッ酸で洗浄する。洗浄前のウェハは、図3(a)に示すように、シリコン基板11の表面に自然酸化膜12が成長しているが、希フッ酸による洗浄で酸化膜12が除去され、図3(b)に示すように、シリコン基板11の表面が露出した状態となる。この際の希フッ酸中のフッ化水素濃度は、酸化膜12を除去してウェハ表面に疎水性を帯びさせる濃度であればよく、たとえば0.1wt%以上が適切である。シリコン基板11の表面が露出した状態で、ステップS2で、ウェハ上の希フッ酸を置換するために純水リンスを実施する。
In step S1 shown in FIG. 2, the wafer is cleaned with dilute hydrofluoric acid for the main purpose of removing the oxide film on the wafer surface. As shown in FIG. 3A, the wafer before cleaning has a
ステップS3で、純水リンス後のウェハを過酸化水素水で洗浄する。これによって、図3(c)に示すように、シリコン基板11の表面に化学酸化膜13を形成させる。この際の化学酸化膜13は、基板表面に安定して均一に形成されて保護膜として機能する厚みであればよく、たとえば0.5nmから0.9nm程度が適切である。この状態で、ステップS4で、ウェハ上の過酸化水素水を置換するために純水リンスを実施する。
In step S3, the wafer after rinsing with pure water is washed with hydrogen peroxide. As a result, a
ステップS5で、スピンドライ処理を実施して、ウェハ表面の水分を除去する。このスピンドライ処理ではたとえば、密閉構造の処理槽1内に不活性ガス(窒素)を流量:200L/minで導入しながら、シリコン基板11を回転数:500rpm、回転時間:600secにて回転させて、遠心力により水分を除去する。装置構造を防爆仕様にして、窒素に代えてイソプロピルアルコール等を導入してもよい。
In step S5, a spin dry process is performed to remove moisture on the wafer surface. In this spin dry process, for example, the
ここで、ステップS1からS5におけるウェハ表面の状態について説明する。ステップS1で希フッ酸洗浄されたウェハの表面層(シリコン基板11の表面)は、シリコン原子のダングリングボンドを水素が終端した状態で、疎水性を帯びており、残存する水分は水滴となって付着しやすく、ウォータマークが発生しやすい状態となっている。しかし、ステップS3で化学酸化膜13が形成され、その最表面にOH基が存在するため、ウェハ表面は親水性を帯びることになり、残存する水分は一様に広がった状態となり、ステップS5のスピンドライ処理で除去されてしまう。
Here, the state of the wafer surface in steps S1 to S5 will be described. The surface layer (the surface of the silicon substrate 11) of the wafer cleaned with dilute hydrofluoric acid in step S1 is hydrophobic with hydrogen dangling bonds of silicon atoms terminated, and the remaining moisture becomes water droplets. The water mark is likely to be attached. However, since the
その後に、ステップS6で、乾燥されたウェハを有機物除去を主目的として140℃〜160℃程度に調節した硫酸過酸化水素水で洗浄し、引き続いてステップS7で、硫酸過酸化水素水を置換するために純水リンスを実施する。 Thereafter, in step S6, the dried wafer is washed with a sulfuric acid hydrogen peroxide solution adjusted to about 140 ° C. to 160 ° C. mainly for the purpose of removing organic substances, and subsequently in step S7, the sulfuric acid hydrogen peroxide solution is replaced. Therefore, a pure water rinse is carried out.
このときには、過酸化水素水による洗浄後のウェハ表面のリンス水は上記したように除去されているため、従来のような、硫酸過酸化水素水が混合されることによる発熱は起こらず、それに起因するウォータマークの発生を抑制することができる。また、過酸化水素水による洗浄後のウェハの最表面層(化学酸化膜)には、上記したようにOH基が存在し、親水性を帯びているため、硫酸過酸化水素洗浄に引き続いて純水リンスを行ってもウォータマークの原因となりにくい。 At this time, since the rinse water on the wafer surface after the cleaning with the hydrogen peroxide solution is removed as described above, heat generation due to the mixing of the sulfuric acid hydrogen peroxide solution does not occur as in the conventional case, and this is caused. Generation of watermarks to be performed can be suppressed. In addition, the outermost surface layer (chemical oxide film) of the wafer after cleaning with hydrogen peroxide solution has OH groups and is hydrophilic as described above. Water rinsing is unlikely to cause a watermark.
その後に、ステップS8で、パーティクル除去を主目的としてウェハをアンモニア過酸化水素水で洗浄し、ステップS9で、アンモニア過酸化水素水を置換するために純水リンスを実施し、最後に、ステップS10で、仕上げの乾燥処理を行う。このときもウェハの最表面層は化学酸化膜なのでウォータマークは発生しにくい。 After that, in step S8, the wafer is washed with ammonia hydrogen peroxide solution mainly for particle removal. In step S9, pure water rinsing is performed to replace the ammonia hydrogen peroxide solution, and finally, in step S10. Then, finish the drying process. Also at this time, since the outermost surface layer of the wafer is a chemical oxide film, a watermark is hardly generated.
以上のように本発明によれば、フッ化水素と硫酸とを順次に使用する洗浄方法に、過酸化水素水洗浄とスピンドライとを追加したことにより、ウォータマークを抑制することが可能となった。 As described above, according to the present invention, it is possible to suppress the watermark by adding hydrogen peroxide water cleaning and spin drying to a cleaning method that sequentially uses hydrogen fluoride and sulfuric acid. It was.
これら一連のステップをウェハ最表面の分子レベルで考えると、シリコンウェハの最表面が酸化膜(絶縁膜)であるときは図4(a)に示す状態となり、希フッ酸によって酸化膜が除去されたときには、図4(b)に示すように、水素Hによってダングリングボンドが終端された状態になると推測される。 Considering these series of steps at the molecular level of the outermost surface of the wafer, when the outermost surface of the silicon wafer is an oxide film (insulating film), the state shown in FIG. 4A is obtained, and the oxide film is removed by dilute hydrofluoric acid. 4B, it is presumed that the dangling bonds are terminated by hydrogen H as shown in FIG.
なお、ステップS1で希フッ酸(フッ化水素の水溶液)を用いるものとして説明したが、ウェハ表面に疎水性を帯びさせる薬液であれば、つまりフッ化水素成分が含まれている薬液であれば使用可能である。そのような薬液として、バッファードフッ酸(BHF)等、たとえばフッ酸にフッ化アンモニウム等を含むものが挙げられる。 In addition, although it demonstrated as what uses dilute hydrofluoric acid (aqueous solution of hydrogen fluoride) by step S1, if it is a chemical | medical solution which makes the wafer surface tinge hydrophobicity, that is, if it is a chemical | medical solution containing the hydrogen fluoride component, it is. It can be used. Examples of such a chemical solution include buffered hydrofluoric acid (BHF) and the like, for example, one containing ammonium fluoride or the like in hydrofluoric acid.
本発明の半導体基板の洗浄方法は、基板上の汚染物質等を除去する目的でウェット洗浄する際のウォータマークの抑制に有効であり、微小なシミも致命的な欠陥となる超LSI等の半導体集積回路装置の製造などに有用である。 The semiconductor substrate cleaning method of the present invention is effective in suppressing watermarks when wet cleaning is performed for the purpose of removing contaminants and the like on the substrate, and semiconductors such as ultra LSIs in which minute spots also become fatal defects. This is useful for manufacturing integrated circuit devices.
W ウェハ
1 処理槽
2 ウェハホルダー
3 回転軸
4 スプレーノズル
4a 薬液等の流体
11 シリコン基板
12 自然酸化膜
13 化学酸化膜
4a Fluid such as chemicals
11 Silicon substrate
12 Natural oxide film
13 Chemical oxide film
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