JP5405137B2 - 半導体基板の枚葉式スピン洗浄方法 - Google Patents

Description

本発明は、枚葉式スピン洗浄による半導体基板の洗浄技術に関する。

半導体製造プロセスにおいて半導体基板表面への汚染物質の付着は半導体デバイスの歩留まりやデバイス特性を低下させる要因となっており、このために洗浄は半導体基板の清浄度を向上させる必要不可欠なプロセスである。デバイス構造の微細化が進むにつれ求められる清浄度はますます高くなり、半導体製造プロセスおいて洗浄工程は重要度を増している。

半導体基板の洗浄方法としては多槽からなる浸漬式のバッチ洗浄であるＲＣＡ洗浄が良く知られている。半導体基板が要求される清浄度が高くなるにつれ、浸漬式のバッチ洗浄では被洗浄物である半導体基板自身からのクロスコンタミが問題となってくる。特に汚染レベルの高い半導体基板を洗浄する際には、このクロスコンタミは非常に大きな問題となる。
また、例えばＳＯＱ(Silicon On Quartz)のような異種複合基板では、洗浄溶液中における異種基板間のゼータ電位の違いから基板表面から除去した汚染物が他種の基板表面上への再付着が起こりやすく、洗浄後の基板表面上の清浄度の悪化の原因となる。

特開平８−６９９９０号公報

枚葉式は、基板を１枚ずつ処理する方式であり、枚葉式スピン洗浄法では、このような浸漬式のバッチ洗浄におけるクロスコンタミの問題は解決される。しかしながら、例えばサンドブラストの様な処理を行った汚染レベルの高い半導体基板の洗浄を行う場合、通常の超音波印加やフッ化水素酸、アルカリ洗浄液では汚染を完全に除去するのは難しく、また洗浄時間を長くする必要がある。洗浄時間が長くなることは枚葉式においてはプロセスのスループットの観点から大きな問題である。
また、洗浄効果を向上させるために通常行われているように枚葉式スピン洗浄において超音波振動子を有するノズルから洗浄液、特にフッ化水素酸のようにシリコンの自然酸化膜を除去する効果があるものを用いると、撥水性である活性な表面が暴露される。この暴露された活性表面はパーティクルが付着しやすく汚染の原因となってしまう。
本発明は、汚染度の高い半導体基板を洗浄する際に、枚葉式スピン洗浄によりパーティクルの発生を抑えながら清浄度を向上させることができ、且つスループットの低下を抑えることができる半導体基板の洗浄方法を提供する。

本発明によれば、半導体基板を回転させながら上記半導体基板の表面に純水を供給し、同時に上記半導体基板の表面に超音波を印加しながらフッ化水素酸水溶液を上記半導体基板の表面に供給して、上記表面の全面に上記純水の皮膜を形成させてパーティクル付着を防止し上記半導体基板の表面の洗浄を行う半導体基板の枚葉式スピン洗浄方法を提供できる。
なお、枚葉式は、基板を１枚ずつ処理する方式であり、プロセス処理の高精度化やウエーハの大口径化に伴い，従来のバッチ式から枚葉式へ移行する工程が増えている。

本発明により、汚染度の高い半導体基板を洗浄する際に、枚葉式スピン洗浄によりパーティクルの発生を抑えながら清浄度を向上させることができ、且つスループットの低下を抑えることができる。

以下に本発明の詳細を説明する。
被洗浄物である半導体基板は、特に限定されないが、好ましくは、シリコン基板や、シリコン、サファイア、石英または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を支持基板（ベースウェーハ）としその上にシリコン膜を有するＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板が例示できる。半導体基板のサイズや種類も、特に限定されず、目的により適宜選択できる。

本発明によれば、好ましくは一定の回転数で回転している半導体基板上に、超音波を印加しながらフッ化水素酸水溶液を流す。その際、別個に純水を半導体基板上に供給し、半導体基板の全面を純水で覆いつつ洗浄を行う。半導体基板の回転数は、特に限定されないが、半導体基板のサイズや種類により半導体基板の表面全体が純水で覆われるように選択する。なお、全面又は表面全体は、フッ化水素酸水溶液が接触している表面以外の表面全体である。

フッ化水素酸水溶液の濃度は、目的とする清浄度や半導体基板の種類により適宜選択することができるが、好ましくは０．０５体積(vol)％以上、より好ましくは０．０５〜１体積％である。濃度が０．０５体積％未満では洗浄効果が低下する場合があり、濃度を必要以上に高くしても洗浄効果はほとんど変わらないからである。

半導体基板の表面の超音波の印加は、好ましくは、超音波を印加したフッ化水素酸水溶液を供給することにより行われる。また、超音波を印加したフッ化水素酸水溶液は、好ましくは超音波振動子を有するノズルから供給できる。
一般的に印加する超音波の周波数が高くなれば被洗浄物である半導体基板へのダメージが小さく、また微粒子の除去に適している。そのため印加する超音波の周波数は、好ましくは２００ｋＨｚ以上、より好ましくは２００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ、さらに好ましくは５００ｋＨｚ〜１ＭＨｚである。

超音波を印加したフッ化水素酸水溶液とは別個に純水を供給するのは、例えばシリコンではフッ化水素酸水溶液により自然酸化膜が除去され撥水性を有する活性表面が露出するが、この露出した活性表面はパーティクル等の汚染物を吸着しやすいからである。露出した活性表面が汚染物を吸着しやすいため、超音波印加により発生するヒュームや塵埃がこの露出した活性表面に付着し汚染の原因となる。従って、別個に、例えば別ノズルから超純水を供給し、基板表面上を超純水で覆われるようにすることで汚染の付着を防ぎ、且つ除去した汚染物を常に半導体基板外側へ押し流すことで汚染物の再付着を防ぎながら洗浄を行うことができる。
純水は、半導体の洗浄を可能とするものであれば良いが、好ましくは、半導体プロセスに通常用いられる超純水である。また、純水は、純水に過酸化水素水やアンモニア水等を加えたものであっても良く、オゾンや水素を加えたオゾン水や水素水であっても良い。特に、１〜１０質量％の過酸化水素水が半導体基板の表面に薄い酸化層を形成し、表面への汚染物付着の抑制の点から好ましい。

フッ化水素酸水溶液の流量及び純水の流量は、特に限定されないが、半導体基板のサイズや種類により半導体基板の表面全体が純水で覆われるように選択する。フッ化水素酸水溶液の流量は、好ましくは０．５〜２Ｌ／分であり、純水の流量は、好ましくは０．７〜１Ｌ／分であり、フッ化水素酸水溶液と純水の流量比は、好ましくは２：１から１：１の範囲である。これらの範囲では、表面全体に純水の被覆層ができ、フッ化水素酸水溶液により露出した活性表面への汚染物の付着を防ぐことができる。

フッ化水素酸水溶液の半導体基板の表面への供給は、好ましくは、フッ化水素酸水溶液を半導体基板の表面の中心部の内側から半導体基板の外周部よりも外側までの範囲で揺動しながら半導体基板の表面に供給するものである。さらに好ましくは、超音波を印加したフッ化水素酸水溶液を、半導体基板の中心部の内側から外周部よりも外側までの範囲で揺動しながら半導体基板の表面に供給する。
ノズルの揺動範囲を半導体基板の中心部の内側まで揺動するのは、中心付近の汚染物の除去が確実に行われるようにするためである。また、外周領域より外側まで揺動させるのはノズルの揺動範囲を最外周までに留めた場合、基板の最外周部から内側に向かう溶液の流れにより一度除去した汚染物を内側に押し流し再付着するのを防ぐためである。
超音波を印加したフッ化水素酸水溶液の揺動は、例えば、フッ化水素酸水溶液を吐出する超音波振動子付ノズルを揺動させて行うことができる。

前述したように、半導体基板の回転数、フッ化水素酸水溶液の流量及び超純水の流量は、特に限定されないが、半導体基板のサイズや種類により半導体基板の表面全体が純水で覆われるようそれぞれのパラメーターを適宜選択する必要がある。半導体基板の表面全体に純水の皮膜を形成させてパーティクル付着を防止しながら半導体基板の表面の洗浄を行うためである。
洗浄時間はスループットを考慮し３０秒以上２分以内であることが好ましい。

洗浄後は、フッ化水素酸水溶液の供給を停止し、好ましくは純水でリンスを行う。その後、基板の回転数を好ましくは８００〜１５００ｒｐｍまで上げて、基板を乾燥させてもよい。

本発明に適用できる好ましい枚葉式スピン洗浄装置を説明する。
枚葉式スピン洗浄装置は、半導体基板を保持して回転させるスピンチャックと、半導体基板の表面に超音波を印加したフッ化水素酸水溶液を供給できる少なくとも１つの超音波振動子付ノズルと、超音波振動子付ノズルを半導体基板の中心部内側から半導体基板の外郭の外側まで揺動できる超音波振動子付ノズルに接続されたアームと、半導体基板の表面に純水を供給できる、超音波振動子付ノズルとは別の少なくとも１つのノズルとを備え、半導体基板の表面の全面に純水の皮膜を形成させてパーティクル付着を防止し半導体基板の表面の洗浄を行うことができるものであればよく、特に限定されず、目的とする半導体基板の種類、サイズ等により適宜選択できる。
超音波振動子は、特に限定されないが、好ましくは２００ｋＨｚ以上、より好ましくは２００ｋＨｚ〜１ＭＨｚ、さらに好ましくは５００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの周波数の周波数を印加できるものがよい。一般的に印加する超音波の周波数が高くなれば被洗浄物である半導体基板へのダメージが小さく、また微粒子の除去に適しているからである。

本発明を実施例等に基づき説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
＜サンドブラスト処理により汚染されたシリコン基板の準備＞
６インチシリコン基板を、アルミナ粉末（キイライト研磨材社製ＷＡ♯６００、平均粒径２０μｍ）を砥粒としてサンドブラスト装置（信越エンジニアリング社製）を用いて以下の条件で処理し、故意に汚染させたシリコン基板を得た。

＜実施例１＞
サンドブラスト処理されたシリコン基板の回転数を２００ｒｐｍとし、濃度が１体積％のフッ化水素酸水溶液を、基板上を中心部よりも内側から外周部よりも外側まで揺動する１ＭＨｚの振動子を有するノズルから、超音波を印加しながら１Ｌ／ｍｉｎの流量で供給しつつ、別のノズルから超純水を基板上に１Ｌ／ｍｉｎの流量で供給し洗浄を行った。洗浄時間は１分とした。その後フッ化水素酸水溶液の供給を停止し、超純水でリンスを行い基板の回転数を１２００ｒｐｍまで上げ乾燥させ、洗浄されたシリコン基板を得た。

＜比較例１＞
「別のノズルから超純水を基板上に１Ｌ／ｍｉｎの流量で供給」することを行わなかったこと以外は、実施例１と同様にして洗浄されたシリコン基板を得た。

＜比較例２＞
サンドブラスト処理されたシリコン基板上を中心部より外周側、且つ外周部より内側の範囲で揺動した以外は実施１同様にして洗浄されたシリコン基板を得た。

＜洗浄後のシリコン基板の清浄度の評価＞
実施例１、比較例１及び比較例２についてそれぞれの方法でシリコン基板１０枚の洗浄を実施し、それぞれ洗浄後のシリコン基板の清浄度の確認を行った。
パーティクル汚染については、欠陥検査装置（ＴＬＡ−Ｔｅｎｃｏｒ社製Ｓｕｒｆｓｃａｎ ＳＰ１）を用い、１０回実施した各洗浄後のシリコン基板上で検出された０．１９μｍ以上のパーティクル数の平均値を得た。金属汚染については、ＴＲＸＦ(Total Reflection X-ray Fluorescence：全反射蛍光Ｘ線)分析装置（テクノス社製ＴＲＥＸ６３０Ｔ）を用いて、１０回実施した各洗浄後のシリコン基板上の任意の５点を測定し、１×１０^１０ａｔｏｍ／ｃｍ^２以上の汚染が検出された点数を計測した。これらの結果を表１に示す。

表１に示すように、比較例１と比較例２で鉄分が検出され、パーティクル汚染は顕著であった。比較例１と比較例２の結果から、鉄分の除去には揺動範囲の影響が大きく、バーティクル汚染の除去には別のノズルからの純水供給の影響が大きいことが分かる。実施例１では、鉄分が検出されず、パーティクル汚染の発生を抑えながら、汚染を除去できる良好な洗浄結果が得られた。超音波振動子を有するノズルの揺動範囲と別のノズルからの超純水供給が、金属汚染やパーティクル汚染の低減に重要なことが分かる。

Claims (4)

1. 半導体基板を回転させながら上記半導体基板の表面に純水を供給し、同時に上記半導体基板の表面に超音波を印加しながらフッ化水素酸水溶液を上記半導体基板の表面に供給して、上記表面の全面に上記純水の皮膜を形成させてパーティクル付着を防止し上記半導体基板の表面の洗浄を行う半導体基板の枚葉式スピン洗浄方法であって、
   上記フッ化水素酸水溶液の上記半導体基板の表面への供給が、上記フッ化水素酸水溶液を上記半導体基板の表面の中心部の内側から上記半導体基板の外周部よりも外側までの範囲で揺動しながら上記半導体基板の表面に供給するものである半導体基板の枚葉式スピン洗浄方法。
2. 上記半導体基板の表面への超音波の印加が、超音波を印加したフッ化水素酸水溶液を供給することにより行われる請求項１に記載に記載の半導体基板の枚葉式スピン洗浄方法。
3. 上記超音波の周波数が、２００ｋＨｚ以上である請求項１または請求項２に記載の半導体基板の枚葉式スピン洗浄方法。
4. 上記半導体基板が、シリコン基板、またはシリコン、サファイア、石英もしくは窒化アルミニウムの支持基板の上にシリコン膜が形成されたＳＯＩ基板である請求項１〜３のいずれかに記載の半導体基板の枚葉式スピン洗浄方法。