JP6013289B2 - 半導体基板の洗浄方法および半導体基板の洗浄装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、半導体基板の洗浄方法および半導体基板の洗浄装置に関する。

半導体装置の製造工程には、リソグラフィ工程、エッチング工程、イオン注入工程などの様々な工程が含まれている。各工程の終了後、次の工程に移る前に、ウエハ表面に残存した不純物や残渣を除去してウエハ表面を清浄にするための洗浄工程及び乾燥工程が実施されている。

近年、素子の微細化に伴い、ウエハの表面の微細パターンを洗浄し、乾燥させる際に、毛細管現象により、微細パターンが倒壊するという問題が生じた。このような問題を解決するため、パターンの表面を撥水化し、パターンとリンス純水との間に働く毛細管力を低下させる洗浄方法が知られている。

この洗浄方法の一例について、説明する。まず、ウエハの表面について、例えばＳＰＭ（sulfuric acid/hydrogen peroxide mixture）の薬液を用いて洗浄することにより、ウエハの表面に残存するエッチング残渣を除去する。この後、ウエハに付着した薬液を除去するために、純水、例えばＤＩＷ（deionized water）によるリンス処理を行う。このリンス処理は、ウエハに付着した薬液を純水に置換することにより行う。純水でリンスした後は、純水をアルコール、例えばＩＰＡ（isopropyl alcohol）で置換するアルコールリンス処理を行う。

その後、ウエハの表面に撥水化処理を施す。撥水化処理としては、例えばシランカップリング剤を含む薬液を用いて、撥水性保護膜を形成する処理を行う。すなわち、ウエハの表面にシランカップリング剤を接触させることにより、凸形状パターンの表面に撥水性保護膜を形成する。次に、シランカップリング剤を含む薬液をアルコールで置換するアルコールリンス処理を行う。この後、アルコールリンス液を純水で置換する純水リンス処理を行う。次に、乾燥工程を実行し、ウエハに付着した水を除去する。しかし、素子の微細化が一層進むと、パターン間のスペースが一層狭くなることから、置換不足によりパターン間に残った前ステップの微量の薬液の影響でパターン倒壊が発生することがあった。例えば、薬液として水と親和性の低いシランカップリング剤を用いている場合、水と親和性のよいＩＰＡとの置換が十分でなかった場合、最後の水リンス時にシランカップリング剤やＩＰＡがパターン間に残ってしまうため、パターン倒壊を引き起こすことがあった。

特開２０１０−１１４４１４号公報

素子の微細化が一層進んだ場合において、半導体基板の表面の洗浄時に微細パターンが倒壊することを防止できる半導体基板の洗浄方法および半導体基板の洗浄装置を提供する。

本実施形態の半導体基板の洗浄方法は、パターンが形成された半導体基板の表面にシランカップリング剤を含む薬液を供給して前記パターン表面に保護膜を形成する工程と、
前記シランカップリング剤を含む薬液が付着した前記半導体基板の表面にアルコールを供給して前記薬液をアルコールに置換する工程と、前記アルコールで置換した前記半導体基板の表面に予め希釈されたアルコールをノズルを介して供給して前記アルコールを前記希釈アルコールに置換する工程と、前記希釈アルコールで置換した前記半導体基板の表面に純水を供給して前記希釈アルコールを前記純水に置換する工程とを備えている。

本実施形態の半導体基板の洗浄装置は、パターンが形成された半導体基板を保持して回転させる基板保持回転機構と、前記半導体基板の上方に設けられ、処理液を前記半導体基板上に供給するノズルと、前記ノズルを介して前記半導体基板に前記処理液を供給する処理液供給装置と、を備え、前記処理液供給装置を制御することにより、シランカップリング剤を含む薬液を前記半導体基板に供給して前記半導体基板上のパターン表面に保護膜を形成し、前記シランカップリング剤を含む薬液が付着した前記半導体基板の表面にアルコールを供給して前記薬液をアルコールに置換し、前記アルコールで置換した前記半導体基板の表面に予め希釈されたアルコールをノズルを介して供給して前記アルコールを前記希釈アルコールに置換し、前記希釈アルコールで置換した前記半導体基板の表面に純水を供給して前記希釈アルコールを前記純水に置換することを特徴とする。

第１実施形態を示す半導体基板の洗浄装置の概略構成を示す図 半導体基板の洗浄方法を示すフローチャート 第２実施形態を示す図２相当図 第３実施形態を示す図２相当図

以下、複数の実施形態について、図面を参照して説明する。尚、各実施形態において、実質的に同一の構成部位には同一の符号を付し、説明を省略する。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる。

（第１実施形態）
第１実施形態に係る半導体基板の洗浄方法及び半導体基板の洗浄装置について、図１及び図２を参照して説明する。まず、図１は、半導体基板の洗浄装置１の概略構成を示す図である。この洗浄装置１は、ウエハ（半導体基板）２に処理液を供給してウエハ２を１枚ずつ処理する枚葉式のものである。図１に示すように、洗浄装置１は、ウエハ２をほぼ水平に保持して回転させる基板保持回転機構であるスピンチャック３を備えている。処理対象のウエハ２は、搬送装置（図示しない）により搬入されて、スピンチャック３に受け渡されるように構成されている。

上記スピンチャック３は、ほぼ鉛直方向に延びるように設けられ駆動装置により回転駆動される回転軸４と、回転軸４の上端に取り付けられウエハ２を載置支持する円板状のスピンベース５と、スピンベース５の周縁部に設けられウエハ２を挟持するチャックピン６とを有する。スピンチャック３は、ウエハ２をほぼ水平に保持して所望の回転速度で回転させることが可能である。

スピンチャック３のスピンベース５の中心部の上方には、ノズル７が配設されている。ノズル７には、薬液や純水やアルコール（ＩＰＡ）等の種々の処理液を供給する処理液供給装置８がパイプ９を介して接続されており、処理液供給装置８から送出された処理液はノズル７の先端からウエハ２の表面の回転中心付近に吐出されて供給されるようになっている。尚、ノズル７をロボット等によりＸＹＺ方向に移動可能に設けることが好ましい。

処理液供給装置８は、処理液を貯留するタンク１０と、処理液をタンク１０から送り出すポンプ１１と、処理液が流通するパイプ９を開閉するバルブ１２とからなる処理液供給ユニット１３を複数（処理液の種類分以上）備えている。そして、パイプ９のうちのノズル７に近い部分にもバルブ１４が設けられている。更に、上記複数の処理液供給ユニット１３の各ポンプ１１及び各バルブ１２、加えて、バルブ１４は、コントローラ（制御装置）１５によってそれぞれ駆動制御される構成となっている。これにより、コントローラ１５は、複数種類の各処理液の供給開始及び供給停止をバルブ１２、１４を開閉制御することによって実行し、各処理液の供給量の増減をポンプ１１を運転制御することによって実行する構成となっている。尚、複数の処理液供給ユニット１３にそれぞれ対応させて複数のノズル７を設けるように構成しても良い。このように構成した場合、複数のノズル７はロボット等によりＸＹＺ方向に移動可能に設け、各ノズル７の移動はコントローラ１５によって制御することが好ましい。

次に、本実施形態のウエハ２の洗浄方法について、図２のフローチャートも参照して説明する。まず、図２のステップＳ１０において、ウエハ２を導入してスピンチャック３のスピンベース５上に載置してチャックピン６により挟持する。続いて、ステップＳ２０へ進み、ウエハ２の表面に薬液（例えばＳＰＭ）を供給して洗浄する薬液（洗浄）処理を行う。この場合、ノズル７からウエハ２の表面の回転中心付近に薬液を供給すると、薬液がウエハ２の回転による遠心力を受けてウエハ２の表面の全域に行き渡り、ウエハ２の洗浄処理が行われる。これにより、ウエハ２の表面に残存するエッチング残渣を除去することができる。尚、薬液としては、上記ＳＰＭの他に、アンモニア及び過酸化水素水のアルカリ性水溶液であるＳＣ１を用いても良い。

この後、ステップＳ３０へ進み、ウエハ２に付着した薬液を除去するために、薬液を純水、例えばＤＩＷ（deionized water）により置換する純水リンス処理を行う。この場合、ノズル７からウエハ２の表面の回転中心付近に純水を供給すると、純水がウエハ２の回転による遠心力を受けて、ウエハ２の表面の全域に行き渡る。これにより、ウエハ２の表面に残留していた薬液が純水によって洗い流される。

次いで、ステップＳ４０へ進み、純水をアルコール（例えばＩＰＡ（isopropyl alcohol））で置換するアルコールリンス処理を行う。この場合、ノズル７からウエハ２の表面の回転中心付近にアルコールを供給すると、アルコールがウエハ２の回転による遠心力を受けて、ウエハ２の表面の全域に行き渡る。これにより、ウエハ２の表面に残留していた純水がアルコールによって置換される。

この後、ステップＳ５０へ進み、ウエハ２の表面に撥水性処理を施す。この撥水性処理においては、例えばシランカップリング剤を含む薬液を用いて、撥水性保護膜を形成する。この場合、ノズル７からウエハ２の表面の回転中心付近に上記シランカップリング剤を含む薬液を供給する。シランカップリング剤を含む薬液がウエハ２の回転による遠心力を受けて、ウエハ２表面全域に行き渡る。これにより、ウエハ２の表面にシランカップリング剤が接触することにより、ウエハ２の表面の凸形状パターンの表面に撥水性保護膜が形成される。上記シランカップリング剤としては、例えばヘキサメチルジシラン（ＨＭＤＳ）、トリメチルシリルジメチルアミン（ＴＭＳＤＭＡ）、トリメチルシリルジエチルアミン（ＴＭＳＤＥＡ）等を用いることが好ましい。尚、上記撥水性保護膜を、界面活性剤を用いて形成しても良い。

次に、ステップＳ６０へ進み、シランカップリング剤を含む薬液をアルコール（例えばＩＰＡ）で置換するアルコールリンス処理を行う。この場合、ノズル７からウエハ２の表面の回転中心付近にアルコールを供給すると、アルコールがウエハ２の回転による遠心力を受けて、ウエハ２の表面の全域に行き渡る。これにより、ウエハ２の表面に残留していたシランカップリング剤を含む薬液がアルコールによって置換される。

続いて、ステップＳ７０へ進み、上記アルコールリンス液（ＩＰＡ）を希釈アルコール（希釈ＩＰＡ）で置換する希釈アルコールリンス処理を行う。この場合、ノズル７からウエハ２の表面の回転中心付近に希釈アルコールを供給すると、希釈アルコールがウエハ２の回転による遠心力を受けて、ウエハ２の表面の全域に行き渡る。これにより、ウエハ２の表面に残留していたアルコールが希釈アルコールによって置換される。尚、希釈アルコールの濃度は、例えば約５０％とする。

この後、ステップＳ８０へ進み、希釈アルコールリンス液（希釈ＩＰＡ）を純水で置換する純水リンス処理を行う。この場合、ノズル７からウエハ２の表面の回転中心付近に純水を供給すると、純水がウエハ２の回転による遠心力を受けて、ウエハ２の表面の全域に行き渡る。これにより、ウエハ２の表面に残留していた希釈ＩＰＡが純水によって置換される。

上述したように、アルコールリンス液（ＩＰＡ）を希釈アルコールリンス液（希釈ＩＰＡ）で置換する希釈アルコールリンス処理（ステップＳ７０）と、希釈アルコールリンス液（希釈ＩＰＡ）を純水で置換する純水リンス処理（ステップＳ８０）とを、この順に続けて実行するように構成すると、撥水成保護膜表面におけるアルコールリンス液から純水への置換を速やかに且つ十分に実行することができる。尚、従来構成においては、上記ステップＳ７０を実行しないで、アルコールリンス液（ＩＰＡ）を純水で直接置換する純水リンス処理を実行するように構成しており、このように純水リンス処理を実行すると、置換不足が発生することがあり、残留したアルコールに起因してパターン倒壊が発生することがあった。これに対して、本実施形態によれば、純水リンス処理（ステップＳ８０）の前に、希釈アルコールリンス処理（ステップＳ７０）を実行するように構成したので、置換不足を解消することができ、パターン倒壊のリスクを大幅に低減することができる。

次いで、ステップＳ９０へ進み、ウエハ２に付着した水を除去する乾燥処理を行なう。この場合、例えばウエハ２の回転速度を所定のスピンドライ回転速度に上昇させることにより、ウエハ２の表面に残っている純水を振り切って乾燥させるスピンドライ処理を実行する。

この後、ステップＳ１００へ進み、必要に応じて、ウエハ２の表面に形成された撥水性保護膜を除去する処理を行なう。この場合、例えばエキシマＵＶ処理により、撥水性保護膜を除去する。これにより、ウエハ２の洗浄処理（清浄化処理）が終了する。尚、ドライアッシングやオゾンガス処理等の処理を行なって、撥水性保護膜を除去するようにしても良い。また、この後の工程において、撥水性保護膜が除去される場合には、上記乾燥処理後、すぐに撥水性保護膜を除去しないように構成しても良い。

上記した構成の本実施形態においては、撥水性保護膜の表面におけるアルコールリンス液から純水への置換を行なう際に、希釈アルコールリンス処理（ステップＳ７０）と純水リンス処理（ステップＳ８０）とを、この順に続けて実行するように構成した。まず、希釈アルコールリンス処理においては、アルコールリンス液を希釈アルコールリンス液で置換するので、アルコールリンス液を純水で直接置換する構成に比べて、両者の濃度差が小さくなる。このため、アルコールリンス液に希釈アルコールリンス液がなじみ易くなり、希釈アルコールリンス液への置換を十分に行なうことができる。

そして、次に実行する純水リンス処理においては、希釈アルコールリンス液を純水で置換するので、アルコールリンス液を純水で直接置換する構成に比べて、両者の濃度差が小さくなる。このため、希釈アルコールリンス液に純水がなじみ易くなり、純水への置換を十分に行なうことができる。従って、本実施形態によれば、希釈アルコールリンス処理と純水リンス処理とを、この順に続けて実行するように構成したので、アルコールリンス液から純水へ直接置換する従来構成に比べて、アルコールリンス液から純水への置換を十分に実行することができる。

尚、上記実施形態において、アルコール濃度が約５０％の希釈アルコールを用いて希釈アルコールリンス処理を実行する際に、アルコール濃度が約５０％の希釈アルコールを貯留したタンク１０から送り出した希釈アルコールを、ウエハ２の表面に供給するように構成したが、これに代えて、ノズル７を２個設け、一方のノズル７から約１００％のＩＰＡ濃度のＩＰＡを供給し、他方のノズル７から約１００％の純水を同時に供給することによって、アルコール濃度が約５０％の希釈アルコールをウエハ２の表面に供給するように構成しても良い。

また、上記実施形態では、希釈アルコールリンス処理（ステップＳ７０）において、例えば約５０％のアルコール濃度の希釈アルコールを用いるように構成したが、これに限られるものではなく、他の数値（約６０％、約４０％等）のアルコール濃度の希釈アルコールを用いて希釈アルコールリンス処理を行うようにしても良い。

（第２実施形態）
図３は、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。この第２実施形態の半導体基板の洗浄方法は、図３に示すように、ステップＳ１７０の段階的希釈アルコールリンス処理を除いて、第１実施形態の半導体基板の洗浄方法（図２参照）と同じである。

上記ステップＳ１７０の段階的希釈アルコールリンス処理においては、ノズル７からウエハ２の表面の回転中心付近に希釈アルコール（ＩＰＡ）を供給するときに、希釈アルコールのアルコール濃度を段階的に変化させる。この場合、段階的希釈アルコールステップの最初においては、アルコールの濃度を高くし、段階的にアルコール濃度を低減していく。具体的には、約９０％、約８０％、・・・、約１０％というようにアルコール濃度を低減させることが好ましい。

この場合、各アルコール濃度の希釈アルコールを供給する処理液供給ユニット１３を用意し、これら処理液供給ユニット１３からノズル７へ所望のアルコール濃度の希釈アルコールを順次切り替えて供給するように構成することが好ましい。また、ノズル７を２個設け、一方のノズル７から約１００％のアルコール濃度のアルコールを供給し、他方のノズル７から約１００％の純水を同時に供給するように構成し、約１００％のアルコール濃度のアルコールと約１００％の純水の供給比率を段階的（経時的）に変化させるように構成しても良い。また、約１００％のアルコール濃度のアルコールと、約１００％の純水を同時に供給して混合するタンク１０を用意し、このタンク１０内で混合した希釈アルコールを１個のノズル７からウエハ２の表面へ供給するように構成し、上記タンクに供給する約１００％のアルコール濃度のアルコールと約１００％の純水の供給比率を段階的（経時的）に変化させるように構成しても良い。

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。特に、第２実施形態によれば、ノズル７からウエハ２の表面の供給する希釈アルコールのアルコール濃度を段階的に変化させるように構成したので、置換する際の濃度差をより一層小さくすることができる。このため、撥水性保護膜表面でのアルコールから純水への置換をより一層十分に行うことができるから、置換不足によるパターン倒壊のリスクをより一層低減することができる。

（第３実施形態）
図４は、第３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。この第３実施形態の半導体基板の洗浄方法は、図４に示すように、ステップＳ５０と、ステップＳ６０（シランカップリング剤を含む薬液をアルコールで置換するアルコールリンス処理）との間に、ステップＳ５５の希釈溶媒リンス処理を追加した。

上記ステップＳ５５の希釈溶媒リンス処理においては、シランカップリング剤に使用されている溶媒（例えばシンナー）を、アルコール（例えばＩＰＡ）で希釈した希釈溶媒で、シランカップリング剤を含む薬液を置換するリンス処理を実行する。この場合、希釈溶媒の濃度は、例えば約５０％とする。尚、上記シンナーとしては、例えばエステル系、ラクトン系、炭化水素系等を用いることが好ましい。エステル系の具体例としては、プロピレングリコールメチルエーテルアセテート（ＰＧＭＥＡ）やプロピレングリコールメチルエーテル（ＰＧＭＥ）等がある。ラクトン系の具体例としては、ガンマブチルラクトン（ＧＢＬ）等がある。

そして、上記ステップＳ５５の後のステップＳ６０においては、希釈溶媒をアルコールで置換するアルコールリンス処理が実行される。
上述した以外の第３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３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。特に、第３実施形態によれば、シランカップリング剤を含む薬液をアルコールで置換するアルコールリンス処理（ステップＳ６０）の前に、シランカップリング剤に使用されている溶媒をアルコールで希釈した希釈溶媒で、シランカップリング剤を含む薬液をリンスする処理（ステップＳ５５）を行うように構成したので、撥水性保護膜表面においてシランカップリング剤からアルコールへの置換を十分に行うことができ、置換不足によるパターン倒壊のリスクを低減することができる。

尚、上記実施形態において、濃度が約５０％の希釈溶媒を用いて希釈溶媒リンス処理を実行する際に、濃度が約５０％の希釈溶媒を貯留したタンク１０から送り出した希釈溶媒を、ウエハ２の表面に供給するように構成したが、これに代えて、ノズル７を２個設け、一方のノズル７から約１００％の溶媒（シンナー）濃度の溶媒を供給し、他方のノズル７から約１００％のアルコール濃度のアルコールを同時に供給することによって、濃度が約５０％の希釈溶媒をウエハ２の表面に供給するように構成しても良い。

また、上記実施形態では、希釈溶媒リンス処理（ステップＳ５５）において、例えば約５０％の濃度の希釈溶媒を用いるように構成したが、これに限られるものではなく、他の数値（約６０％、約４０％等）の濃度の希釈溶媒を用いても良い。更に、希釈溶媒リンス処理（ステップＳ５５）において、希釈溶媒の濃度を段階的に変化させるように、例えば最初は濃度の高い希釈溶媒を供給し、その後、段階的に濃度を低下させた希釈溶媒を供給するように構成しても良い。

（その他の実施形態）
以上説明した複数の実施形態に加えて以下のような構成を採用しても良い。
上記した各実施形態において、撥水性保護膜形成前の置換ステップ、例えばステップＳ３０の純水リンス処理またはステップＳ４０のアルコールリンス処理の各前に、それぞれ希釈リンス処理を設けるように構成しても良い。また、希釈リンス処理の希釈リンス液の濃度は約５０％等の固定値にしても良いし、濃度を段階的に変化させるように構成しても良い。

以上のように、本実施形態の半導体基板の洗浄方法によると、素子の微細化が一層進んだ場合において、半導体基板の表面の洗浄時に微細パターンが倒壊することを防止できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１は洗浄装置、２はウエハ（半導体基板）、３はスピンチャック、７はノズル、８は処理液供給装置、１０はタンク、１１はポンプ、１２はバルブ、１３は処理液供給ユニット、１４はバルブ、１５はコントローラ（制御装置）である。

Claims (5)

1. パターンが形成された半導体基板の表面にシランカップリング剤を含む薬液を供給して前記パターン表面に保護膜を形成する工程と、
   前記シランカップリング剤を含む薬液が付着した前記半導体基板の表面にアルコールを供給して前記薬液をアルコールに置換する工程と、
   前記アルコールで置換した前記半導体基板の表面に予め希釈されたアルコールをノズルを介して供給して前記アルコールを前記希釈アルコールに置換する工程と、
   前記希釈アルコールで置換した前記半導体基板の表面に純水を供給して前記希釈アルコールを前記純水に置換する工程と
   を備えたことを特徴とする半導体基板の洗浄方法。
2. 前記アルコールを前記希釈アルコールに置換する工程において、アルコール濃度が５０％の希釈アルコールを用いることを特徴とする請求項１記載の半導体基板の洗浄方法。
3. 前記アルコールを前記希釈アルコールに置換する工程において、最初はアルコール濃度が高い希釈アルコールを用い、その後、アルコール濃度を段階的に低下させた希釈アルコールを用いることを特徴とする請求項１記載の半導体基板の洗浄方法。
4. パターンが形成された半導体基板の表面にシランカップリング剤を含む薬液を供給して前記パターン表面に保護膜を形成する工程と、
   前記シランカップリング剤を含む薬液の溶媒が付着した前記半導体基板の表面に予めアルコールで希釈された希釈溶媒を供給して前記シランカップリング剤を含む薬液を前記希釈溶媒に置換する工程と、
   前記希釈溶媒で置換した前記半導体基板の表面にアルコールを供給して前記希釈溶媒を前記アルコールに置換する工程と、
   前記アルコールで置換した前記半導体基板の表面に予め希釈されたアルコールを供給して前記アルコールを前記希釈アルコールに置換する工程と、
   前記希釈アルコールで置換した前記半導体基板の表面に純水を供給して前記希釈アルコールを前記純水に置換する工程と
   を備えたことを特徴とする半導体基板の洗浄方法。
5. パターンが形成された半導体基板を保持して回転させる基板保持回転機構と、
   前記半導体基板の上方に設けられ、処理液を前記半導体基板上に供給するノズルと、
   前記ノズルを介して前記半導体基板に前記処理液を供給する処理液供給装置と、
   を備え、
   前記処理液供給装置を制御することにより、シランカップリング剤を含む薬液を前記半導体基板に供給して前記半導体基板上のパターン表面に保護膜を形成し、前記シランカップリング剤を含む薬液が付着した前記半導体基板の表面にアルコールを供給して前記薬液をアルコールに置換し、前記アルコールで置換した前記半導体基板の表面に予め希釈されたアルコールをノズルを介して供給して前記アルコールを前記希釈アルコールに置換し、前記希釈アルコールで置換した前記半導体基板の表面に純水を供給して前記希釈アルコールを前記純水に置換することを特徴とする半導体基板の洗浄装置。

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