JP4922329B2

JP4922329B2 - 半導体基板の洗浄装置および半導体基板の洗浄方法

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Publication number: JP4922329B2
Application number: JP2009073657A
Authority: JP
Inventors: 義宏小川
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2029-03-25
Also published as: JP2010225995A; US20100243003A1

Description

本発明は、半導体基板の表面に付着した微粒子（残渣）を除去する半導体基板の洗浄装置および半導体基板の洗浄方法に関する。

半導体基板の表面に付着した微粒子（例えばレジストの残渣等）を除去する洗浄装置の一例として、超音波洗浄装置が知られている（特許文献１参照）。この超音波洗浄装置により半導体基板を洗浄すると、微粒子除去において高い効果が得られることがわかっている。しかし、パターンの微細化が進むと、微細なパターンが形成された半導体基板を超音波洗浄するときに、超音波により微細なパターンがダメージを受けることがあった。

また、微細且つ深溝のホール（コンタクトホール等）が形成された半導体基板を超音波洗浄する場合にも、ホールの微細化が進むと、ホールとホールの間隔が狭いような場合、超音波により微細なホールがダメージを受けるような事態が発生するおそれがあった。

特開２００１−２８４３０６号公報

本発明は、半導体基板を超音波洗浄したときに微細なパターンやホール等がダメージを受けることを極力防止できる半導体基板の洗浄装置および半導体基板の洗浄方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様の半導体基板の洗浄装置は、半導体基板を薬液を用いて洗浄する洗浄装置であって、前記薬液に含まれる水分の濃度を検出する水分濃度検出装置と、前記薬液または前記半導体基板に超音波を印加して超音波洗浄を実行する超音波振動子と、前記水分濃度検出装置により検出された前記水分の濃度が所定値より高くなると水分の濃度が所定値以下である薬液に交換して超音波洗浄を実行させる制御装置とを備えたところに特徴を有する。

本発明の一態様の半導体基板の洗浄方法は、超音波振動子により薬液または半導体基板に超音波を印加しつつ、半導体基板に形成されたホールまたはスペース内に水の表面張力よりも小さい表面張力を有する第１の薬液を浸透させた後前記ホールまたはスペース内の前記第１の薬液を第２の薬液に置換して前記ホールまたはスペース内をリンス、乾燥させ、前記ホールまたはスペース内を超音波洗浄する洗浄方法であって、水分濃度検出装置により前記薬液に含まれる水分の濃度を検出し、前記検出された水分濃度に基づいて前記超音波振動子をオンオフするまたは前記超音波洗浄の洗浄条件を変えるところに特徴を有する。

本発明によれば、半導体基板を超音波洗浄したときに微細なパターンやホール等がダメージを受けることを極力防止できる。

本発明の第１実施形態を示す半導体基板の洗浄装置のブロック図ホールを洗浄する際の作用を説明する半導体基板の縦断面図本発明の第２実施形態を示す図１相当図

（第１実施形態）
以下、本発明を枚葉式の超音波洗浄装置に適用した場合の第１実施形態について、図１を参照しながら説明する。本実施形態の超音波洗浄装置は、ウエハ（半導体基板）１を回転させる回転ユニット２と、ウエハ１上に薬液（洗浄液またはリンス液等）を吐出する吐出ノズル３と、この吐出ノズル３に薬液を供給する薬液供給ユニット４と、この薬液供給ユニット４内の薬液に含まれる水分の濃度を検出する水分濃度計（水分濃度検出装置）５と、超音波洗浄装置の各部を制御する制御装置６とを備えて構成されている。

回転ユニット２は、ウエハ１を載置支持する回転テーブル７と、この回転テーブル７を回転駆動するモータ８とから構成されている。モータ８の起動／停止／回転速度は、制御装置６により制御される構成となっている。吐出ノズル３には、薬液供給ユニット４から供給された薬液に超音波を加える超音波振動子９が配設されている。超音波振動子９は、制御装置６によりオンオフ制御されると共に発振出力が調整制御されるように構成されている。また、吐出ノズル３は、ＸＹＺ移動機構（図示しない）によりＸＹＺ方向に移動可能に構成されており、ウエハ１上の任意の位置であって所定高さの位置に配置させることが可能になっている。

薬液供給ユニット４は、薬液を貯留する貯留部１０と、貯留部１０内の薬液をヒータ１３及びフィルタ１４を有する循環経路１５を通して循環させる循環ポンプ１６と、循環経路１５から分岐して貯留部１０内の薬液をバルブ１２を介して吐出ノズル３へ送り出す供給経路１１とを備えて構成されている。循環ポンプ１６およびヒータ１３は制御装置６により各別に通電制御され、バルブ１２は制御装置６により開閉制御されるように構成されている。この構成の場合、貯留部１０内の薬液が循環経路１５を通して循環するときに、ヒータ１３により加熱されて所定温度に保持されると共に、フィルタ１４によりごみ等の異物が除去されるようになっている。

水分濃度計５は、比抵抗測定装置や、吸光度計で構成されており、貯留部１０内の薬液に含まれる水分の濃度を検出し、その検出信号を制御装置６に与えるように構成されている。水分濃度計５の検出部は、貯留部１０内に設けても良いし、循環経路１５の途中に設けても良いし、供給経路１１の途中に設けても良いし、吐出ノズル３の中に設けても良い。尚、水分濃度計５の検出部を吐出ノズル３の中に設ける場合には、ウエハ１上へ吐出される直前の薬液を検出する部位に配設することが好ましい。

制御装置６は、例えばコンピュータで構成されており、回転ユニット２のモータ８を通電制御することにより、回転テーブル７を所定回転速度で回転させると共に、薬液供給ユニット４のヒータ１３および循環ポンプ１６を通電制御することにより、貯留部１０内の薬液の温度を所定温度に保持する機能を有している。そして、制御装置６は、薬液供給ユニット４のバルブ１２を開閉制御することにより、貯留部１０内の薬液を吐出ノズル３へ送り出して、吐出ノズル３からウエハ１上へ吐出させる機能を有している。

更に、制御装置６は、吐出ノズル３の超音波振動子９を通電駆動して吐出ノズル３内の薬液に超音波を印加することにより、この超音波を加えた薬液を吐出ノズル３からウエハ１上へ吐出させてウエハ１の超音波洗浄を実行する機能を有している。また、制御装置６は、水分濃度計５からの検出信号（即ち、薬液に含まれる水分の濃度）に基づいて、超音波振動子９をオンまたはオフする機能を有している。

さて、超音波を印加した薬液を吐出ノズル３からウエハ１上へ吐出させてウエハ１の超音波洗浄を実行する場合、薬液（洗浄液）として、ＩＰＡ（イソプロピルアルコール）等の有機溶剤、または、Ｈ_３ＰＯ_４（リン酸）やＨ_２ＳＯ_４（硫酸）などの無機の薬液が有効であることを、本発明者は、実験等で確認している。そして、本発明者は、薬液に水分が含まれていない状態では、超音波洗浄が良好に実行され、ウエハ１の表面に形成された微細なパターンにダメージが発生しないことを実験等で確認している。この後、後述する種々の要因で薬液に水分がある程度含まれるようになると、即ち、薬液中の水分濃度がある程度高くなると、超音波洗浄が良好に実行されなくなり、ウエハ１の表面に形成された微細なパターンにダメージが発生することを、本発明者は、実験等で確認している。

例えば、薬液の主成分としてＨ_２ＳＯ_４を用いた場合、水分濃度が２０ｗｔ％程度に高くなると、微細なパターンの２０％程度にダメージが発生することを実験等で確認している。そして、水分濃度が更に高くなると、それに応じて微細なパターンのダメージの発生率が高くなり、水分濃度が４０ｗｔ％程度になると、微細なパターンの１００％程度にダメージが発生することを実験等で確認している。

そこで、本実施形態においては、制御装置６は、薬液中の水分濃度が所定の基準値（例えばＨ_２ＳＯ_４を用いた場合、２０ｗｔ％）よりも高くなったときに、超音波振動子９をオフして、吐出ノズル３内の薬液に超音波を加えることを止めるように制御する構成となっている。これにより、通常の薬液による洗浄を実行することになるから、微細なパターンにダメージが発生することを極力防止できる。尚、この後、薬液中の水分濃度が所定の基準値（例えばＨ_２ＳＯ_４を用いた場合、２０ｗｔ％）以下となったときには、制御装置６は、超音波振動子９を再びオンして、吐出ノズル３内の薬液に再び超音波を加えるように制御する構成となっている。

このような再び超音波を印加する構成の具体例としては、例えば水分濃度が高くなった薬液の全部あるいは一部を、新しい薬液（即ち、水分を含まない（または水分濃度が極めて小さい）薬液）に交換して、水分濃度を前記所定の基準値以下に低下させるような場合が考えられる。このように水分濃度を所定の基準値以下に低下させると、制御装置６は自動的に超音波振動子９をオンして再び超音波洗浄を実行する。尚、超音波振動子９のオンオフ判定用の水分濃度の基準値は、超音波振動子９の発振出力や周波数、薬液の種類や、薬液の温度、微細なパターンの間隔寸法（例えばライン＆スペースパターンの場合、スペースの幅寸法）等に応じて適宜設定すれば良い。

次に、薬液中の水分濃度が高くなる要因について説明する。まず、薬液の温度の変動によって、薬液の吸水性（水を吸収し易い特性）が強くなり、大気に含まれる水分が薬液に混入し易くなることにより、薬液中の水分濃度が上昇する場合がある。この場合、特に、薬液としてＨ_２ＳＯ_４を用いると、Ｈ_２ＳＯ_４は吸水性があるため、大気中の水分が薬液に混入し易い。また、本実施形態の超音波洗浄を実行する工程の前において、水溶性の薬液処理や水リンスを実行すると、水分が微量ずつ薬液に混入するようになり、薬液中の水分濃度が上昇する場合もある。

尚、上記実施形態では、薬液中の水分濃度が、微細パターンにダメージが発生する水分濃度よりも高くなったときに、超音波振動子９の印加電源をオフして超音波の印加を停止したが、これに代えて、超音波洗浄の洗浄条件を変える、例えば超音波振動子９の発振出力を低下させて、薬液に印加する超音波の出力パワーを低下させるように制御しても良い。薬液に印加する超音波の出力パワーをどれくらい低下させるかの具体的な出力低下幅は、実験等を行って適宜設定すれば良い。一方、超音波振動子９の発振周波数を可変とした装置構成を備える場合は、超音波の周波数を上げるような制御を行うことで、微細パターンおけるダメージの発生を抑えるようにしても良い。

また、超音波洗浄の洗浄条件を変える他の例として、例えば超音波振動子９をオフする代わりに、バルブ１２を閉塞して薬液の吐出ノズル３への供給を停止する。そして、貯留部１０内の薬液を例えば水分を含まない新しい薬液に交換し、制御装置６によりヒータ１３を介して新しい薬液の温度調整を行った後、改めてバルブ１２を開放し、供給経路１１を通して吐出ノズル３へ薬液を供給するように構成しても良い。

更に、上記実施形態では、薬液を吐出ノズル３からウエハ１上へ吐出させた後、薬液を廃棄するように構成したが、これに代えて、ウエハ１上へ吐出された薬液を回収し、回収した薬液を薬液供給ユニット４へ戻して循環使用するように構成しても良い。

次に、図２を参照して、上記実施形態の超音波洗浄装置により、ウエハ１の表面に形成した微細且つ深溝のホール（例えばコンタクトホール等）１７を洗浄する実施例について説明する。

図２（ａ）に示すように、シリコン基板１８の上面には複数の膜１９、２０、２１が積層されており、これら積層された膜１９、２０、２１に上記ホール１７が例えばＲＩＥ（reactive ion etching）により形成されている。ホール１７の底面には、シリコン基板１８が露出している。そして、ホール１７の内周面及び底面には、ＲＩＥの反応生成物２２が付着している。尚、ホール１７の深さ寸法は、例えば１μｍ以上であり、加工するホール１７が深くなるほど、原理上ホール１７内に付着する反応生成物の量は多くなる。

次に、上記ホール１７内の反応生成物２２を除去するために、前記した超音波洗浄装置により超音波洗浄を実行する。超音波を印加することで、微細且つ深溝のホール１７内への薬液の浸透が促進される。そして、この場合、薬液として例えばＩＰＡとＨＦ（沸酸）を混合したものを主成分とする混合液を用いる。この薬液（混合液）の表面張力は、水の表面張力の１／３以下程度に小さく、上記混合液を用いて超音波洗浄を行うと、図２（ｂ）に示すように、ホール１７が微細且つ深溝であっても、ホール１７の内部に薬液２３が入り易い。しかも、薬液２３により反応生成物２２を除去する化学反応が超音波洗浄により促進されることから、反応生成物２２を十分に除去することができる。

続いて、薬液を、ＩＰＡ（リンス液）を主成分とする薬液２４に代えて、超音波洗浄を実行することにより、図２（ｃ）に示すように、ホール１７内をリンスする。この場合、ホール１７の内底部に残っている混合液（反応生成物２２が溶けている薬液）を上記ＩＰＡで撹拌／置換する作用を超音波洗浄により促進することができる。これにより、ホール１７内をその底部まで十分きれいにリンスすることが可能となり、ホール１７の底部に正常なコンタクト界面を得ることができる。上記リンスを実行した後は、乾燥を行うことにより薬液を除去する。

さて、図２（ｂ）、（ｃ）に示す超音波洗浄時に、薬液中の水分濃度が所定の基準値よりも高くなったときには、制御装置６は、超音波振動子９をオフして、吐出ノズル３内の薬液に超音波を加えることを止めるように制御する。これにより、ホール１７の微細化が進み、ホール１７とホール１７の間隔が狭いような場合であっても、超音波により微細なホール１７がダメージを受けるようなことをほぼ確実に防止できる。

（第２実施形態）
図３は、本発明の第２実施形態を示すものである。尚、第１実施形態と同一構成には、同一符号を付している。第２実施形態の超音波洗浄装置は、複数枚のウエハ１を同時に洗浄するバッチ式の超音波洗浄装置である。第２実施形態の超音波洗浄装置は、ウエハカセット（図示しない）に収容された複数枚のウエハ１を洗浄処理する処理槽２５と、処理槽２５に薬液を循環供給する循環供給ユニット２６と、処理槽２５内の薬液に含まれる水分の濃度を検出する水分濃度計５と、超音波洗浄装置の各部を制御する制御装置６とを備えて構成されている。

処理槽２５の下部には、水を循環させる間接槽２７が配設されており、この間接槽２７の底面部に超音波振動子２８が取り付けられている。制御装置６により超音波振動子２８が通電制御されると、この超音波振動子２８から発生する超音波は、間接槽２７内の水を介して処理槽２５内の薬液に伝達されて該薬液に印加されるように構成されており、これにより処理槽２５内の複数枚のウエハ１が同時に超音波洗浄される。

循環供給ユニット２６は、循環ポンプ１６と、フィルタ１４と、ヒータ１３と、これら循環ポンプ１６、フィルタ１４、ヒータ１３および処理槽２５を接続する循環経路２９とを備えて構成されている。制御装置６は、循環ポンプ１６とヒータ１３を通電制御することにより、処理槽２５内の薬液を循環経路２９を通して循環させると共に、処理槽２５内の薬液の温度を所定温度に保持するように構成されている。

水分濃度計５は、処理槽２５内の薬液に含まれる水分の濃度を検出するものであり、その検出部を、処理槽２５の上部の側部に設けられ処理槽２５内と連通する検出槽部２５ａ内に配設している。尚、水分濃度計５の検出部は処理槽２５内に設けられてもよく、また、循環経路２９の途中部位や循環経路２９から分岐したバイパス経路（図示しない）中に配設されるように構成しても良い。

そして、制御装置６は、水分濃度計５からの検出信号（即ち、薬液に含まれる水分の濃度）に基づいて、薬液中の水分濃度が所定の基準値よりも高くなったときに、超音波振動子２８をオフし、薬液中の水分濃度が所定の基準値以下となったときに、超音波振動子２８をオンするように構成されている。

尚、上述した以外の第２実施形態の構成は、第１実施形態と同じ構成となっている。従って、第２実施形態においても、第１実施形態とほぼ同じ作用効果を得ることができる。そして、この第２実施形態の超音波洗浄装置によって、図２に示すような微細且つ深溝のホール１７の内部を超音波洗浄すれば、第１実施形態とほぼ同じ作用効果を得ることができる。

（他の実施形態）
本発明は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張できる。

第１実施形態または第２実施形態では、超音波振動子９、２８を吐出ノズル３または間接槽２７に配設して、薬液に超音波を印加するように構成したが、これに限られるものではなく、ウエハの上方の近接位置に超音波振動子を配設し、ウエハと超音波振動子との間に薬液を満たした状態で薬液に超音波を印加するように構成（近接超音波洗浄方式と称す）しても良い。また、ウエハ裏面（非デバイス面）側を薬液で満たした状態とさせつつ超音波振動子を近接配置してウエハに超音波が印加される構成とする一方、ウエハ表面（デバイス面）側には単にノズルから薬液を吐出させてウエハの表裏面で超音波洗浄を実行するようにしても良い。この場合、薬液中の水分濃度が高くなったときに、例えばウエハ表面側への薬液の供給のみ停止するように超音波洗浄の洗浄条件を変えることにより、デバイス面における微細パターンのダメージ発生を防止できる。更に、処理槽２５に超音波振動子を直接取り付けるように構成し、間接槽２７を設けないように構成しても良い。

また、上記各実施形態において、微細且つ深溝のホールを超音波洗浄するときに、薬液として、水の表面張力よりも小さい表面張力の薬液例えばＩＰＡとＨＦ（沸酸）を混合したものを主成分とする混合液を用いる構成としたが、ウエハ１の上面に形成された微細なライン＆スペースパターンを超音波洗浄するときに、薬液として、水の表面張力よりも小さい表面張力の薬液例えばＩＰＡとＨＦ（沸酸）を混合したものを主成分とする混合液を用いるように構成しても良い。このように構成すると、微細なライン＆スペースパターンのスペース内に薬液が入り易くなるから、超音波洗浄を良好に行うことができる。上記微細なライン＆スペースパターンの超音波洗浄の一例として、側壁転写法により形成したライン＆スペースパターンに適用することが好ましい。

図面中、１はウエハ（半導体基板）、２は回転ユニット、３は吐出ノズル、４は薬液供給ユニット、５は水分濃度計（水分濃度検出装置）、６は制御装置、９は超音波振動子、１０は貯留部、１１は供給経路、１２はバルブ、１３はヒータ、１５は循環経路、１６は循環ポンプ、１７はホール、２３、２４は薬液、２５は処理槽、２６は循環供給ユニット、２８は超音波振動子である。

Claims

半導体基板を薬液を用いて洗浄する半導体基板の洗浄装置であって、
前記薬液に含まれる水分の濃度を検出する水分濃度検出装置と、
前記薬液または前記半導体基板に超音波を印加して超音波洗浄を実行する超音波振動子と、
前記水分濃度検出装置により検出された前記水分の濃度が所定値より高くなると水分の濃度が所定値以下である薬液に交換して超音波洗浄を実行させる制御装置とを備えたことを特徴とする半導体基板の洗浄装置。
超音波振動子により薬液または半導体基板に超音波を印加しつつ、半導体基板に形成されたホールまたはスペース内に水の表面張力よりも小さい表面張力を有する第１の薬液を浸透させた後前記ホールまたはスペース内の前記第１の薬液を第２の薬液に置換して前記ホールまたはスペース内をリンス、乾燥させ、前記ホールまたはスペース内を超音波洗浄する半導体基板の洗浄方法であって、
水分濃度検出装置により前記薬液に含まれる水分の濃度を検出し、前記検出された水分濃度に基づいて前記超音波振動子をオンオフするまたは前記超音波洗浄の洗浄条件を変えることを特徴とする半導体基板の洗浄方法。
前記薬液には、イソプロピルアルコールが含まれていることを特徴とする請求項２記載の半導体基板の洗浄方法。