JP2014192353A - 基板を処理する方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】廃液処理における環境負荷を軽減可能な、基板を処理する方法を提供できる。
【解決手段】オゾン水及び塩酸を含む混合物21に基板W1の主面を曝す。この方法によれば、オゾン水は、高い酸化還元電位を有している。このオゾン水の水素イオン濃度を高めることによって、廃液処理に大きな負担を生じさせる洗浄液を用いる処理を行うことなく、基板表面上のFe濃度を低減できる。好適な実施例では、混合物15のpHは2以下であることが好ましい。この混合物のpHに関しては、pH2以下であるときFe濃度の低減に好ましい。また、更に好適な実施例では、混合物15における塩酸(塩化水素)の濃度は6%以上であることが好ましい。この混合物の塩酸濃度に関しては、6%以上であるときFe濃度の低減に好ましい。
【選択図】図2

Description

本発明は、基板を処理する方法に関する。
特許文献1は、シリコン基板の表面に付着しているパーティクルや金属不純物を除去する方法を開示する。オゾンを含む超純水でシリコン基板を洗浄してシリコン酸化膜を形成し、このシリコン酸化膜の内部や表面にパーティクルおよび金属不純物を取り込む。次に、このシリコン基板を希フッ酸水溶液で洗浄してシリコン酸化膜をエッチングにより除去する。
特開平6−314679号公報
窒化ガリウムなどの化合物半導体デバイスにおいては、素子の微細化と高集積化に伴い、製造工程において混入する金属不純物が素子歩留まり及びデバイス特性に影響する。そのため、製造プロセスでは、金属不純物の除去のために、GaN基板やエピタキシャル基板の洗浄を行う。代表的な洗浄方法として、RCA洗浄がある。この方法では、大量の高濃度薬品を使用するので、リンスに大量の超純水を使用する。廃液処理が環境負荷を大きくする。
シリコンデバイスでは、シリコン表面を酸化膜で覆った後に、フッ酸を用いてシリコンデバイスを洗浄することによりシリコン表面の酸化膜を犠牲層として利用できる。つまり、酸化膜ごと金属不純物を除去することが可能になる。しかしながら、化合物半導体では、化合物半導体基板表面に形成可能な犠牲層となる適当な酸化膜が見出されていない。
化合物半導体のウエハ製造及びデバイス製造のプロセスは、製造ラインの雰囲気及び/又は製造装置からの微量金属による汚染にさらされている。この汚染物質を除去するために、総計で100回以上の洗浄工程を行っている。代表的な洗浄方法であるRCA洗浄は、硫酸/過酸化水素混合液や、塩酸/過酸化水素混合液、アンモニア/過酸化水素混合液など、高い濃度の薬品を大量に使用する。これ故に、洗浄後の廃液処理に大きな費用が必要である。また、洗浄液に含まれる薬品を化合物半導体表面から除去するために、大量の超純水でリンスを行う。これも高い環境負荷となる。
シリコンのウエハ製造やデバイス製造のプロセスにおいては、環境負荷低減のために、硫酸/過酸化水素の混合液を使わずにオゾン添加の超純水を使用している。シリコンをオゾン添加超純水に浸漬することにより、その表面にシリコン酸化膜を生成する。この酸化膜に汚染金属を取り込ませて、この酸化膜を犠牲層として、汚染金属ごとフッ酸で除去することが実用的に行われている。しかし、窒化ガリウムに代表される窒化物化合物は、硫酸/過酸化水素の混合液、及びオゾン添加の超純水によっては酸化され難い安定した物質である。これ故に、これらの処理により生成される酸化膜は1nm以下であり、この膜厚の酸化膜は犠牲層として利用できない。したがって、窒化物化合物上の金属汚染の除去に関しては、硫酸/過酸化水素に代表される高温及び高濃度の薬品を使用しているのが、現状である。
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、廃液処理における環境負荷を軽減可能な、基板を処理する方法を提供することを目的とする。
本発明は、基板を処理する方法に係る。この方法は、(a)III−V族化合物半導体の主面を有する基板を準備する工程と、(b)水素イオン濃度が所定のpH以下に調整されたオゾン水及び塩酸を含む混合物に前記基板の前記主面を曝す工程とを備える。前記III−V族化合物半導体はIII−V族窒化物を備える。
この方法(基板を処理する方法)によれば、オゾン水は、高い酸化還元電位を有している。このオゾン水の水素イオン濃度を所定のpH以下となるように高めることによって、廃液処理に大きな負担を生じさせる洗浄液を用いる処理を行うことなく、基板上のFe濃度を低減できる。
本発明に係る方法では、前記混合物の前記pHは2以下であることが好ましい。この方法(基板を処理する方法)によれば、混合物のpHに関しては、pH2以下であるとき基板表面のFe濃度の低減に好ましい。
本発明に係る方法では、前記混合物における塩酸の濃度は6%以上であることが好ましい。この方法(基板を処理する方法)によれば、混合物の塩酸濃度に関しては、6%以上であるとき基板表面のFe濃度の低減に好ましい。本発明に係る方法では、前記混合物の塩酸の濃度は10%以上であることが好ましい。この方法(基板を処理する方法)によれば、混合物の塩酸濃度が、10%以上であるとき基板表面のFe濃度の低減に好ましい。
本発明に係る方法は、超純水からオゾン水を生成する工程と、前記オゾン水に塩酸を加えて塩酸添加オゾン水を生成して、前記混合物として混合溶液を準備する工程と更に備えることができる。前記塩酸の添加は、前記塩酸添加オゾン水の前記水素イオン濃度(pH)が鉄のプルーベ図において鉄のイオン化領域に位置するように行われる。
本発明に係る方法では、前記III−V族化合物半導体は、InAlGa1−X−YN(0≦X≦1、0≦Y≦1)からなることができる。
以上説明したように、本発明によれば、廃液処理における環境負荷を軽減可能な、基板を処理する方法を提供できる。
図1は、本実施の形態に係る方法における主要な装置を示す図面である。 図2は、本実施の形態に係る方法における主要な工程を示す図面である。 図3は、鉄のプールベ図を示す図面である。 図4は、銅(Cu)の洗浄除去に関する効果を示す図面である。 図5は、ニッケル(Ni)の洗浄除去に関する効果を示す図面である。 図6は、亜鉛(Zn)の洗浄除去に関する効果を示す図面である。 図7は、鉄(Fe)の洗浄除去に関する効果を示す図面である。 図8は、いくつかの洗浄液に関する鉄の除去効果を示す図面である。
引き続いて、添付図面を参照しながら、基板を処理する方法、III−V族化合物半導体の表面を処理する方法、III−V族化合物半導体を洗浄する方法に係る本発明の実施形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
図1は、基板を処理する方法、III−V族化合物半導体の表面を処理する方法、III−V族化合物半導体を洗浄する方法における主要な装置を示す図面である。システム11では、超純水生成装置13は超純水UPWを生成する。超純水UPWは、例えばオゾン水O3−UPWのために用いられる。オゾン水生成装置15はオゾン水O3−UPWを生成する。オゾン水O3−UPWの生成は、例えば気体のオゾンをバブリング等により超純水UPWに添加することができる。オゾン水におけるオゾン濃度は例えば10ppm以上であることができ、また20ppm以下であることができる。次いで、混合装置19は、塩酸(又は塩化水素)貯蔵器17からの塩酸(又は塩化水素)をオゾン水O3−UPWに添加して、オゾン水及び塩化水素の混合物21を作製する。第1処理装置23には混合物21が供給される。第1処理装置23において混合物21に基板W1が曝される。第2処理装置25にはオゾン水O3−UPWが供給される。第2処理装置25においてオゾン水O3−UPWに基板W1が曝される。第3処理装置27には純水UPWが供給される。第3処理装置27において超純水UPWに基板W1が曝される。第1処理装置23、第2処理装置25及び第3処理装置27からの廃水は、廃水処理装置29に送られる。廃水処理装置29は、第1処理装置23、第2処理装置25及び第3処理装置27からの供給物を廃棄可能な程度まで処理する。
図2は、基板を処理する方法、III−V族化合物半導体の表面を処理する方法、III−V族化合物半導体を洗浄する方法における主要な工程を示す図面である。工程S101では、基板W1を準備する。基板W1はIII−V族化合物半導体からなる主面を有することができ、好適な実施例では、このIII−V族化合物半導体はIII−V族窒化物を備える。基板W1は、III−V族窒化物ウエハ、このウエハ上にIII−V族窒化物を堆積したエピタキシャル基板、III−V族窒化物と異なるウエハ上にIII−V族窒化物を堆積したエピタキシャル基板、単結晶GaN基板等であることができる。III−V族窒化物はInAlGa1−X−YN(0≦X≦1、0≦Y≦1)からなることができ、このIII−V族窒化物としては、例えばGaN、InGaN、AlGaN、AlN等であることができる。
工程S102では、オゾン水及び塩酸を含む混合物21に基板W1の主面を曝す。この方法によれば、オゾン水は、高い酸化還元電位を有している。このオゾン水の水素イオン濃度を所定のpH以下となるように高めることによって、廃液処理に大きな負担を生じさせる洗浄液を用いる処理を行うことなく、基板上のFe濃度を低減できる。好適な実施例では、混合物15のpHは2以下であることが好ましい。この混合物のpHに関しては、pH2以下であるときFe濃度の低減に好ましい。また、更に好適な実施例では、混合物15における塩酸(塩化水素)の濃度は6%以上であることが好ましい。この混合物の塩酸濃度に関しては、6%以上であるとき基板表面のFe濃度を好適に低減することができる。或いは、混合物15における塩酸(塩化水素)の濃度は10%以上であることが好ましい。10%以上であるときFe濃度の低減に特に好ましく、これは、塩酸濃度が高いほどpHが下がり、pHが小さいほどFeのイオン化が促進されるためである。ここで、塩酸の濃度は質量パーセント濃度である。
必要な場合には、混合物21に基板W1の主面を曝した後に、工程S103では、基板W1を純水UPWに曝すことができる。また、必要な場合には、混合物21又は純水UPWに基板W1の主面を曝した後に、工程S104では、この基板W1を乾燥することができる。
また、工程S102の曝す工程に先立って、装置27を用いて基板W1を純水UPWに曝すことができる。これと独立に、工程S102の曝す工程に先立って、装置25を用いて基板W1をオゾン水O3+UPWに曝すことができる。また、工程S102の曝す工程に先立って、装置27を用いて基板W1を純水UPWに曝すと共に、装置25を用いて基板W1をオゾン水O3+UPWに曝すことができる。
さらに、工程S102の曝す工程の後に、装置27を用いて基板W1を純水UPWに曝すことができる。これと独立に、工程S102の曝す工程の後に、装置25を用いて基板W1をオゾン水O3+UPWに曝すことができる。また、工程S102の曝す工程の後に、装置27を用いて基板W1を純水UPWに曝すと共に、装置25を用いて基板W1をオゾン水O3+UPWに曝すことができる。
基板W1への処理に先立って、工程S105では、超純水UPWからオゾン水O3−UPWを生成する。次いで、工程S106では、このオゾン水O3−UPWに塩酸又は塩化水素を加え塩酸添加オゾン水を生成して、混合物21として混合溶液を準備する。
塩酸添加オゾン水は混合物21として使用できる。塩酸又は塩化水素の添加は、塩酸添加オゾン水のpHが鉄のプルーベ図において鉄のイオン化領域に位置するように行われる。
この調整(塩酸添加オゾン水の調整)は例えば以下のように行われる。図3は、鉄のプールベ図を示す。プールベ図は、3つの部分に分けられている。第1領域では、鉄が不活性態である。第2領域では、鉄が不動態である。第3領域では、鉄がイオン化可能である。図3において、以下の符号を用いる。
HCl:塩酸。
SPM:硫酸/過酸化水素の混合液、混合の重量比(硫酸:過酸化水素=4:1)。
HPM:塩酸/過酸化水素/純水の混合液、混合の重量比(塩酸:過酸化水素:純水=1:1:6)、液温は摂氏70度。
DHF:希フッ酸、濃度0.5%。
UPW:超純水。
O3−UPW:オゾン添加超純水(いわゆる、オゾン水)、濃度10〜20ppm。
HCl+O3+UPW:塩酸とオゾン添加超純水との混合溶液。
NH3:アンモニア水、濃度29%。
オゾン水の酸化還元電位は1.2ボルト程度であり、この値は濃度36%の塩酸の酸化還元電位(約1ボルト)よりも大きい。混合液SPM及び混合液HPMの酸化還元電位は、オゾン水の酸化還元電位(1.2程度)より大きい。
塩酸の濃度及び酸化還元電位については、図3に示されるように、6%塩酸は鉄のイオン化領域にあり、10%塩酸も鉄のイオン化領域にある。一方、高濃度の36%塩酸は鉄のイオン化領域にある。矢印A1に示されるように、超純水UPWは、塩酸の添加に応じて、酸化還元電位が高くなる。超純水UPWの酸化還元電位より低い値では、鉄のイオン化領域は、pHが小さくなるにつれて酸化還元電位がほぼ一定の割合で上昇する。これ故に、ある程度の塩酸の濃度において、初めてpH2を越える。したがって、塩酸濃度6%、10%の希塩酸液中では、鉄は不動態領域にあり、基板W1の主面から鉄(Fe)を除去できない。
HCl及びオゾン水の混合物の酸化還元電位は、HCl濃度に依存して変化していない。このため、HCl及びオゾン水の混合物の酸化還元電位は、HCl濃度の増加に伴って混合物のpHが小さくなるけれども、矢印A2に示されるように、ほぼ一定の値である。濃度4%のHClの水素イオン濃度は、pH値で2よりわずかに大きいので、この混合容液中の鉄は不動態領域に入る。一方、HCl及びオゾン水の混合物(HCl濃度6%及び10%)では、水素イオン濃度は、PH値で2より小さいので、この混合容液中の鉄はイオン化領域に入る。発明者らの見積もりでは、HCl及びオゾン水の混合物(HCl濃度4.2%)では、水素イオン濃度(pH)がほぼ2である。この水素イオン濃度より大きくなるように(pHが小さくなるように)、HCl及びオゾン水の混合物を作成する。本実施の形態において廃液処理おける環境負荷を避けるためには、基板表面からの鉄の除去効果を考慮すると、HCl及びオゾン水の混合物におけるHCl濃度は20%以下であることが好ましい。
ウエハプロセスにおける金属汚染の除去は、ウエハに付着した金属をイオン化させ洗浄液中に溶解させて、ウエハから金属が脱離することにより実現されている。これまで、金属をウエハ表面から除去するためには、硫酸/過酸化水素混合液(SPM)や塩酸/過酸化水素混合液(SC−2)、濃度36%の濃塩酸、濃度29%のアンモニア水、濃度0.5%の希フッ酸、フッ酸/過酸化水素の混合液(FPM)などの高濃度・高温の薬液が用いられてきた。
環境負荷の低減のために、これらの薬液の使用量低減が求められている。シリコンデバイスにおいては、オゾン添加超純水にシリコンを浸漬することにより表面に酸化膜を形成できる。この酸化膜形成を利用して、酸化膜上や酸化膜中に汚染金属を取り込ませて、この酸化膜を犠牲層として汚染金属ごとフッ酸で除去することができる。しかし、窒化ガリウムに代表される化合物半導体デバイスにおいては、生成する酸化膜(酸化ガリウム等)の膜厚が薄い。これ故に、犠牲層としの機能を果たすことができない。これ故に、III−V族窒化物では、現在でも高濃度・高温の薬液に頼った洗浄を行っている。
この課題を鑑みて、本実施の形態により、例えば窒化ガリウム上において低い環境負荷の洗浄液を用いて金属を除去する洗浄を可能にする方法を見出している。低環境負荷の洗浄液としては、機能水を用いる。機能水は、例えば、脱気した超純水にオゾンや水素、アンモニアガスなどをppmオーダーの濃度で添加することにより生成可能であり、機能水そのものは、通常の水として廃棄できる特徴を持つ。金属の除去には、例えば濃度10ppmのオゾン添加の超純水O3+UPWを用いる。
ウエハプロセス中においては、蒸着装置の電極の部品類に使用される銅(Cu)、真空チャンバの材料であるステンレス鋼に含まれる鉄(Fe)及びニッケル(Ni)、並びに冷却装置の真鍮製配管に含まれる亜鉛(Zn)などが装置の摩耗やプラズマダメージによってウエハに付着することがある。これが金属汚染となる。これらの金属の除去について、オゾン添加超純水と従来の高濃度・高温の洗浄液で比較を行った。
図4は、銅(Cu)の洗浄除去に関する効果を示す。図4を参照すると、オゾン添加超純水O3+UPW(98%)は、他の洗浄液(SPM(100%)、NH3(100%)、DHF(96%)、FPM(100%))と同等の洗浄能を有する。丸括弧内の数値は除去率を示す。
図5は、ニッケル(Ni)の洗浄除去に関する効果を示す。オゾン添加超純水O3+UPW(80%)は、他の洗浄液(SPM(97%)、NH3(98%)、DHF(88%)、FPM(97%))と同等の洗浄能を持っている。
図6は、亜鉛(Zn)の洗浄除去に関する効果を示す。オゾン添加超純水O3+UPW(97%)は他の洗浄液(SPM(100%)、NH3(99%)、DHF(100%)、FPM(100%))と同等の洗浄効果を持っている。
図7は、鉄(Fe)の洗浄除去に関する効果を示す。SPMの洗浄効果(99%)は、オゾン添加超純水(35%)も含めた他の洗浄液(NH3(65%)、DHF(69%)、FPM(40%))に比べて著しく優れる。
発明者の知見によれば、鉄の除去効果については鉄のプールべ図に基づいて理解できる。鉄のイオン化は洗浄液の酸化還元電位と水素イオン濃度(pH)に関係する。そこで、プールべ図により、鉄をイオン化して基板又はウエハから脱離可能な洗浄液を導き出せる。図8は、いくつかの洗浄液に関する鉄の除去効果を示す。6%塩酸及びオゾン添加超純水の混合物(86%)、10%塩酸及びオゾン添加超純水の混合物(87%)を用いるとき、鉄の除去率は、オゾン添加超純水(O3+UPW)(35%)より改善されて、SPM(99%)に近い洗浄能を示す。つまり、鉄は、オゾン添加超純水(O3+UPW)だけではイオン化しない。故に、鉄は不動態領域にあり、基板W1の主面から鉄(Fe)を除去できない。しかし、水素イオン濃度としてpH値が2以下になるように、超純水に塩酸(塩化水素)を添加してpHを調整することにより、鉄をイオン化させることができる。特に、塩酸濃度が高いほど、pH値が下がり(水素イオン濃度が大きくなり)、pH値が小さいほどFeのイオン化が促進される。鉄のイオン化は、汚染物としての鉄をイオン化して、ウエハから脱離させる。したがって、従来のような高濃度・高温のSPMを用いることなく、オゾンを添加した超純水及び塩酸の混合物を用いることにより、ウエハプロセス中に付着する鉄、銅、ニッケル、亜鉛といった金属の汚染物質を除去することが可能になる。オゾンを添加した超純水及び塩酸の混合物の利用は、従来の課題であった環境負荷の低減を実現する。
この方法では、超純水からオゾン水を生成すると共に、このオゾン水に塩酸を加えて塩酸添加オゾン水を生成して、混合物として混合溶液を準備する。塩酸の添加は、塩酸添加オゾン水のpHが鉄のプルーベ図において鉄のイオン化領域に位置するように行われることが好ましい。
また、本実施形態に係る鉄を除去する方法は、他の化合物半導体材料、すなわち、ガリウムヒ素、インジウム燐、窒化アルミニウム、炭化シリコンなどのウエハ製造やデバイスプロセスにおいても適用可能な方法である。また、シリコンのように犠牲層を形成しないので、エピタキシャル層の膜厚変動や表面荒れが抑制できる。
本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。
以上説明したように、本実施形態によれば、廃液処理における環境負荷を軽減可能な、基板を処理する方法を提供できる。
11…システム、13…超純水生成装置、UPW…超純水、O3−UPW…オゾン水、15…オゾン水生成装置、17…塩酸(又は塩化水素)貯蔵器、19…混合装置、21…混合物、23…第1処理装置、25…第2処理装置、27…第3処理装置。

Claims (6)

  1. 基板を処理する方法であって、
    III−V族化合物半導体の主面を有する基板を準備する工程と、
    水素イオン濃度が所定のpH以下に調整されたオゾン水及び塩酸を含む混合物に前記基板の前記主面を曝す工程と、
    を備え、
    前記III−V族化合物半導体はIII−V族窒化物を備える、基板を処理する方法。
  2. 前記混合物の前記pHは2以下である、請求項1に記載された基板を処理する方法。
  3. 前記混合物における塩酸の濃度は6%以上である、請求項1又は請求項2に記載された基板を処理する方法。
  4. 前記混合物の塩酸の濃度は10%以上である、請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載された基板を処理する方法。
  5. 超純水からオゾン水を生成する工程と、
    前記オゾン水に塩酸を加えて塩酸添加オゾン水を生成して、前記混合物として混合溶液を準備する工程と、
    更に備え、
    前記塩酸の添加は、前記塩酸添加オゾン水の前記水素イオン濃度(pH)が鉄のプルーベ図において鉄のイオン化領域に位置するように行われる、請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載された基板を処理する方法。
  6. 前記III−V族化合物半導体は、InAlGa1−X−YN(0≦X≦1、0≦Y≦1)からなる、請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載された基板を処理する方法。
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