JP4036751B2 - 洗浄並びにエッチング方法とその装置 - Google Patents

Description

技術分野
この発明は、半導体ウェーハや半導体デバイスの製造工程において、シリコンウェーハからのダストやキャリアに突き刺さっている著しく微細なシリコン片、あるいは作業者から発生する皮脂やクリーンルーム中に設置された各製造装置のポンプ等から漏出した油分などによる油膜などを洗浄除去する方法と装置に関し、詳しくはＸｅＦ_２ガスを用いる方法によって、ポリマー、油脂、金属や自然酸化膜ＳｉＯ_２の除去を可能にしたドライ洗浄方法とエッチング方法並びにそれらの装置に関する。
背景技術
半導体ウェーハ、半導体デバイスの製造において、それらの製造装置は、加工製品が種々の汚れや付着物質などで汚染されるのを防ぐため、あるいは気相成長プロセスを施すため、主に密閉型のチャンバーを用いたり、これを複数接続配置した装置構成が多用されている。
また一方、前記の製造において、当該ウェーハの搬送や装置間の移替えにウェーハキャリアと呼ばれる収納具が使用されたり、ウェーハを一枚ずつ掴むためのハンドリング装置などが使用される。このウェーハキャリアは、内面に設けた多数の溝によって、多数枚の半導体ウェーハを整列保持させる構成であって、微細なシリコンダストを発生させ得るものである。
半導体デバイスの集積度の向上が求められる都度、半導体ウェーハへの付着物の低減が求められ、各種プロセス装置等においてクリーン度の要求が一段と高まる。従って、微細なシリコンダストはもちろん、クリーンルーム内での作業者から発生する皮脂やクリーンルーム中に設置された各製造装置のポンプ等から漏出した油分などによる油膜等は、除去が困難で最も嫌われる汚染物質である。
一度ライン設定した一連のデバイス製造装置を、油分等の除去のために例えば界面活性剤を含む洗浄液で洗浄することは、界面活性剤等を除去するための新たな洗浄を必要として、汚染が連鎖的に行われることになるため、通常、かかる界面活性剤を含まない洗浄液が使用されており、従って、前記油膜などはその除去が極めて困難となっている。
また、各種装置でシリコンウェーハの挿入、搬出が続けられる間、極めて微細なシリコンダストが装置内に付着してくることは避けられず、これらダストは経時的にいずれも表面が酸化されて強固な酸化膜が生成することになる。
さらに、繰り返しの使用により内外面が汚れたウェーハキャリアは、半導体ウェーハ自体の汚染の原因になるため定期的に洗浄が行われる。ウェーハキャリアの洗浄は、これまで、高圧ジェットやメカソニック等による自動洗浄、もしくは有機溶剤を併用したハンドブラシ洗浄により行われていた。しかし、キャリアに突き刺さっている著しく微細なシリコン片を除去することは容易ではなかった。
発明の開示
この発明は、半導体ウェーハ、半導体デバイスの製造で使用される各種装置やキャリアなどにおいて、装置内に付着蓄積した微細なシリコンダストの除去、あるいは本来除去が困難な油脂分や微細なシリコン片を洗浄除去できる洗浄方法とその装置の提供を目的としている。
又、この発明は、半導体ウェーハ、半導体デバイスの製造に際して、シリコンウェーハ表面の酸化膜を除去の他に連続的にシリコンのエッチングが可能なエッチング方法とその装置の提供を目的としている。
発明者らは、装置に付着して除去が困難な油脂分やシリコンダスト、キャリアに突き刺さった微細なシリコン片、シリコン酸化物片等を洗浄除去でき、例えば気密チャンバー内であっても前記物質を洗浄できる方法を目的に、前記油脂分などの分解物質について種々検討した結果、昇華させて得たＸｅＦ_２ガスを真空雰囲気で被洗浄物に接触作用させることで、前記油脂等を分解気化させることができ、またシリコン片などもエッチング除去できることを知見した。
また、発明者らは、前記真空雰囲気でごく微量の水分含まれるようにすることで、雰囲気内のＨ_２ＯとＸｅＦ_２が反応してＨＦが発生して、例えばシリコン片などの表面に生成している自然酸化膜ＳｉＯ_２を除去でき、その後前記水分のない雰囲気でＸｅＦ_２がシリコンに直接作用することでこれをエッチングできることから、一連の洗浄及びエッチング反応が極めて速くなり、より短時間で洗浄、エッチングできることを知見した。
さらに、発明者らは、除去すべきシリコン片に生成している酸化膜ＳｉＯ_２量を想定して、所定量の水分を雰囲気中に残すか添加してＸｅＦ_２ガスを供給し、先にシリコン片などの表面に生成している自然酸化膜ＳｉＯ_２を除去し、前記の水分が消費された後にＸｅＦ_２ガスを直接シリコン片に作用させて、Ｓｉ自体をエッチング除去するという、２工程を連続的に実施することで、あらゆるシリコンウェーハや半導体デバイスなどの製造装置内の洗浄が可能になり、例えば既存のデバイス製造装置にＸｅＦ_２ガスの供給装置と除湿又は加湿装置を設けることで、当該装置の完全ドライ洗浄を適宜実施できることを知見し、この発明を完成した。
すなわち、この発明は、減圧下又は真空雰囲気で微量の水分を含むか所定量の水分を加えた雰囲気で被洗浄物にＸｅＦ_２ガスを接触作用させ、その後水分を含まない真空雰囲気で被洗浄物にＸｅＦ_２ガスを接触作用させることを特徴とする洗浄方法並びにエッチング方法である。
また、発明者らは、上記方法において、被洗浄物（被処理材）が半導体ウェーハやデバイス製造装置の各種チャンバー内又はガス通路、あるいは半導体ウェーハ、半導体デバイス、それらのキャリアのいずれかであることを特徴とする洗浄方法並びにエッチング方法を併せて提案する。
さらに発明者らは、公知のシリコンウェーハやデバイス製造装置に、ＸｅＦ_２ガスの供給手段と、除湿及び／又は加湿手段を設けた洗浄並びにエッチング装置を併せて提案する。
発明を実施するための最良の形態
この発明において、ＸｅＦ_２は、結晶を昇温又は減圧、真空雰囲気でガスとして利用するもので、従来、シリコンの等方性エッチングガスとして知られている。発明者らは、このＸｅＦ_２ガスが油脂分に対して分解気化させる機能を有していることを知見し、これを有効利用するものである。
また、発明者らは、雰囲気中のごく微量の残留水分又は添加した水分と反応させてＨＦガスを生成させ、例えばシリコンウェーハの酸化膜ＳｉＯ_２をＨＦガスで除去してからＸｅＦ_２ガスでシリコンへのエッチングを行わせると、トータルの処理時間を短縮できることを知見し、これを有効利用するものである。
半導体ウェーハやデバイス製造装置の各種チャンバー内及び／又はガス通路内を洗浄する場合、別途既存のガス通路を利用して例えば、低圧のエキスパンジョンチャンバーにてＸｅＦ_２結晶を昇華させて得たＸｅＦ_２ガスを同装置部内に導入可能に構成し、例えば被洗浄チャンバーや通路内を真空引きして微量の水分が残留するように設定し、次にＸｅＦ_２ガスを導入してまずＨＦガスを生成して被洗浄チャンバーや通路内に付着しているシリコンダストの酸化膜を除去し、続いて前記水分がなくなった後に供給されるＸｅＦ_２ガスによって、被洗浄チャンバーや通路内に付着しているシリコンダスト自体並びに油脂分に対して分解気化させ、その後真空引きを行って、ＸｅＦ_２ガス排気を完了することで、当該チャンバーや通路内の洗浄を完了することができる。
キャリアの洗浄の場合、従来からのキャリア洗浄工程に乾燥を兼ねたＸｅＦ_２処理工程を追加することにより、従来では除去できなかった極めて微細なシリコン片の自然酸化膜ＳｉＯ_２を除去後にシリコン片自体並びに油膜を除去可能にする。
例えば、キャリアを収納した乾燥処理室内の真空引きを行い、ＸｅＦ_２ガス供給ユニットからＸｅＦ_２ガスを導入して、接触作用させてキャリアに付着した油脂分に対して分解気化させ、また、キャリアに付着したシリコン片へのエッチングを行わせる。また、この処理工程でガスを吹き付ける際、ＸｅＦ_２ガスのみを吹き付ける。
前記の真空引きの際、ごく微量の残留水分を残すとＨ_２ＯとＸｅＦ_２が反応してＨＦが発生し、シリコン片の自然酸化膜が先に除去され、ＸｅＦ_２ガスによるエッチングがより有効になる。
その後真空引きを行って、ＸｅＦ_２ガス排気を完了し、さらにチャンバー内の圧力調整することで、当該キャリアの洗浄を完了し、従来の洗浄技術を上回る洗浄効果が得られる。
この発明によるＸｅＦ_２ガス供給ユニットには、実施例に示すごとき構成からなるエキスパンジョンチャンバーを用いるとよい。すなわち、低圧のエキスパンジョンチャンバーにてＸｅＦ_２結晶を昇華させてＸｅＦ_２ガスを得て、一定量を保持しておくか、あるいは発生させる都度これをＸｅＦ_２処理により他所へ供給することにより、当該エキスパンジョンチャンバーの内圧が下がるとまた結晶が自然に昇華を再開するのでＸｅＦ_２ガスの連続供給が可能となる。
また、従来公知のガスの供給と排気を交互に行うパルスプロセスは、処理時間が長くなる問題があるが、この発明に採用することも可能である。
各種チャンバーやガス通路内に所要量の水分を残留させるかあるいは所要量を供給する手段には、例えば公知の真空ポンプなどの真空化手段に、公知の各種除湿手段や加湿手段を併用することができ、一般的なガスフローコントローラーを用いて別途発生させる水蒸気を添加することも可能である。さらに冷却手段も有効であり、例えば、シリコンウェーハのエッチングを行う場合に、真空化と共にシリコンウェーハを冷却してウェーハ表面に水分を均等に付着、凍結させて残留させることも可能であり、又所要箇所に水分を残留させておくことができる。ここで、種々手段で残留又は添加した所定量の水分は、前記のＸｅＦ_２ガス供給ユニットにてガスが連続的に供給される場合、当該チャンバーなどで水分が消費された後にはＸｅＦ_２ガス単独の工程に移行することになる。
この発明によるシリコンウェーハのエッチングに際して、表面に形成されている酸化膜を除去するため、雰囲気中のごく微量の残留水分を活用するか又は所定量を雰囲気に添加した水分とＸｅＦ_２ガスとを反応させてＨＦガスを生成させるが、このＨＦガスの自然酸化膜と熱酸化膜へのエッチングレートは各々異なり、例えばＨＦガス自体の濃度を換えることも可能であり、ＸｅＦ_２ガスと水分量などの諸条件を適宜選定してエッチングを実施することができる。
実 施 例
実施例１
公知のデバイス製造装置のチャンバーに、図１に示すごとくＸｅＦ_２ガスの連続供給装置を接続した。すなわち、連続供給装置は、ＸｅＦ_２結晶カートリッジ１がエキスパンジョンチャンバー２に接続され、さらにフローコントローラー３を介してプロセスチャンバー４への既存のガス供給管に接続した構成からなる。
プロセスチャンバー４には図示しないプロセスガス供給管の他、真空ポンプ装置５が接続され、チャンバー４内の雰囲気を任意に制御することができる。従って、プロセスチャンバー４に導入するＸｅＦ_２ガスの正確な流量制御が可能になり、またガス流量とプロセスチャンバー４圧力の独立した制御が可能となる。
プロセスチャンバー４内の大気雰囲気から真空引きを行い、所要量の残留水分を残しておく（方法１）、あるいは図示のごとく別経路のガス配管を用いてＨ_２Ｏガス供給装置６よりフローコントローラー７を介して水蒸気ガスの添加を行い、チャンバー４内の雰囲気の水分を所定量に制御しておく（方法２）。ここではチャンバーを換えて両方法（方法１、方法２）を実施した。
次いで、昇華点よりも低圧のエキスパンジョンチャンバー２にてＸｅＦ_２結晶を昇華させてＸｅＦ_２ガスを得て、ＸｅＦ_２の圧力が昇華点（数Ｔｏｒｒ）に達すると、プロセスチャンバー４内へ導入する。
また、ＸｅＦ_２のプロセスチャンバー４内へ導入と同時にＨ_２Ｏガス供給装置６よりフローコントローラー７を介して水蒸気ガスの添加を行う方法３も実施した。
ここでプロセスチャンバー４内にすでに水分が存在するガス導入初期段階（方法１、方法２）、あるいは同時に導入（方法３）されると、前記水分とＸｅＦ_２が反応してＨＦが発生し、チャンバー４内並びに排気系に付着しているシリコンダスト表面の熱酸化膜などが洗浄除去された。
その後ＸｅＦ_２が供給されてエキスパンジョンチャンバーの内圧が下がると結晶が自然に昇華を再開するのでＸｅＦ_２ガスの連続供給され、前記プロセスチャンバー４内の水分がなくなるか、あるいはフローコントローラー７からの水蒸気ガスの添加を止めると、ＨＦの発生がなくなり、続いてＸｅＦ_２ガスによる洗浄が実施されて、チャンバー４内並びに排気系に付着の金属や絶縁物、ポリマーを洗浄除去することができた。
図１では、ＸｅＦ_２ガスの供給系をプロセスチャンバー４へ直接配置した構成を示しているが、図示しないプロセスチャンバー４へプロセスガスを供給するためのガス配管に、ＸｅＦ_２ガスの供給系、あるいはさらに水蒸気ガスの供給系を接続配置する構成の装置を作製し、前記の方法１〜方法３を実施したところ、チャンバー４へのプロセスガス配管内並びに同配管とチャンバー４との接続部近傍に多く付着していたシリコンダストやポリマーなどを洗浄除去することができた。
実施例２
実施例１で使用したＸｅＦ_２ガスの連続供給装置を備えたプロセスチャンバーを用いて、デバイス用単結晶シリコンウェーハのエッチングを実施した。なお、図示しないが、図１の装置例において、ＸｅＦ_２ガスの供給口を前記シリコンウェーハの載置ステージ近くに配置して、ＸｅＦ_２ガスがウェーハ表面に均等に流れるよう、エッチング装置として好ましい構成となした。
ここでは、４インチウェーハの１００μｍ間隔で３μｍ深さのパターン形成を実施した。ＸｅＦ_２によるエッチングプロセス条件は、ＸｅＦ_２ガス、１５ｓｃｃｍ、圧力２０Ｐａ（１５０ｍＴｏｒｒ）であった。
真空引きを行って所定雰囲気となし、エッチング開始前に、排気をせずに異なるガス導入口からＨ_２Ｏを５０ｓｃｃｍ流量で５秒間加えたることで、プロセスチャンバー内に水蒸気を導入した。次いで、排気しながらＸｅＦ_２ガスを連続的に導入してエッチングを実施した。
また、比較のため、上述のエッチングプロセスを実施するに際し、エッチング開始前に水蒸気を導入しないで、ＸｅＦ_２ガスを連続的に導入してエッチングを実施した。
エッチング開始前に水蒸気を導入したこの発明のエッチングプロセスの場合、その総プロセス時間は１５分であった。また、比較のための水蒸気を導入しないエッチングプロセスの場合、その総プロセス時間は１８分であった。
シリコンウェーハには５〜１０Å厚みの自然酸化膜が形成されていたが、この発明のエッチングプロセスの場合、エッチング開始前に水蒸気を導入してＸｅＦ_２との反応にてＨＦが発生したため、ウェーハ表面の自然酸化膜がほぼ瞬時に除去されて、直ちにＸｅＦ_２ガスによるエッチングが実施され、本来のシリコンに対するＸｅＦ_２ガスのエッチングレート、０．２μｍ／ｍｉｎでエッチングが行われたと考えられる。
しかし、比較例のエッチングプロセスの場合、ＸｅＦ_２ガスがまず自然酸化膜に対してエッチングを実行するため、ＸｅＦ_２ガスのＳｉＯ_２膜に対するエッチングレートが非常に遅いため、総プロセス時間に大きな差が生じたと言える。
実施例３
この発明によるウェーハキャリアの自動洗浄装置は、図２に示すように、ローダー１０、ブラシ洗浄装置２０、超音波洗浄装置３０、仕上げ洗浄装置４０、乾燥洗浄装置５０およびアンローダー６０を縦列配置した構成からなる。
洗浄予定のウェーハキャリアは、ローダー１０により各洗浄装置に搬入される。搬入されたウェーハキャリアは、ロボットによりブラシ洗浄装置２０に運ばれる。ブラシ洗浄装置２０は、洗浄槽とこれに付設された洗浄ロボットを有する。洗浄槽には、底部から純水と中性洗剤の混合液等よりなる洗浄液が導入されオーバーフローして液面が一定に保たれる。洗浄槽の底部には、回転テーブルが設けられ、洗浄すべきキャリアはその開口部を上に向けて洗浄液に浸漬状態で槽内に支持されて、回転させる構成である。洗浄ロボットは、回転ブラシを有してキャリア内外面をブラッシングする。
キャリアのブラシ洗浄が終了すると、ロボットにてそのキャリアを超音波洗浄装置３０に搬送する。超音波洗浄装置３０は、４０〜６０℃に加熱された温純水中で発振された超音波によりキャリアを洗浄することができる。超音波洗浄を終えたキャリアは仕上げ洗浄装置４０に搬送され、洗浄装置４０はその洗浄槽底部から層流状態で常時供給されオーバーフローしている純水が蓄えられており、キャリアはこの純水に浸漬されて仕上げ洗浄される。超音波洗浄および仕上げ洗浄により、キャリアの表面に残存していた微細な異物、汚れが除去される。
乾燥洗浄装置５０には、実施例１で使用したＸｅＦ_２ガス連続供給装置７０を接続配置してある。乾燥洗浄装置５０では、まず、キャリアを１，０００ｒｐｍ程度で回転させてスピン乾燥する。次に、室内の真空引きを行い（３０〜６０ｓｅｃ）、減圧及びキャリア表面の水分除去を行う。さらに１３３．３Ｐａ〜２６６．３Ｐａ（１Ｔｏｒｒ〜２Ｔｏｒｒ）の雰囲気で、ＸｅＦ_２ガス供給装置からＸｅＦ_２ガスを導入することにより、洗浄処理を行う（６０ｓｅｃ）。
まず、室内の残留水分と導入されたＸｅＦ_２が反応してＨＦが発生し、キャリア表面に突き刺さっている著しく微細なシリコン片の表面の酸化膜を洗浄除去する。さらに供給されるＸｅＦ_２が直接キャリアに作用して、微細なシリコン片並びに付着の金属や絶縁物、ポリマーなどを洗浄除去することができた。
その後、真空引きを行って（３０〜６０ｓｅｃ）、ＸｅＦ_２の排気を実施する。さらにＮ_２ベントし（２０〜３０ｓｅｃ）、チャンバー内圧力調整を行ってから、別のロボットにより乾燥洗浄装置５０から取り出され、アンローダー６０に運ばれて収納される。
乾燥洗浄装置５０において、従来のブラシ洗浄で除去できなかったキャリア表面に突き刺さっている著しく微細なシリコン片並びに金属や絶縁物、ポリマーなどを除去することができた。
産業上の利用可能性
この発明は、半導体ウェーハや半導体デバイスの製造装置の各種チャンバー内又はガス通路、あるいは半導体ウェーハ、半導体デバイス、それらのキャリアのいずれにおいても、それらに付着生成したシリコン酸化膜を有した微細なシリコンダストに対して、残留又は添加にて制御された雰囲気中の所定量の水分とＸｅＦ_２ガスとで発生したＨＦにてダスト表面のシリコン酸化膜を除去でき、その後にＸｅＦ_２ガスでシリコンダスト自体の除去、並びに従来除去が困難なポリマー、油脂分、金属などを選択エッチングできるため、比較的短時間でかつドライ洗浄方法にて、これら装置内の洗浄除去が可能となる。
この発明は、既存の半導体ウェーハや半導体デバイスの製造装置に、ＸｅＦ_２ガスの連続供給装置と除湿又は加湿装置などの雰囲気に水分を含ませる手段をを設けることで、当該装置の完全ドライ洗浄を適宜実施できる。
特に、現在の半導体ウェーハや半導体デバイスの製造には、装置内の雰囲気に対して極めて高いクリーン度が要求されるが、従来除去が困難であった超微細なシリコンダストやポリマーなどを完全ドライ洗浄で除去できるため、これに対応できる利点がある。
また、この発明は、ＸｅＦ_２ガスを連続的に供給する方法を併用することで、シリコンウェーハ上に形成された自然酸化膜などの酸化膜ＳｉＯ_２を雰囲気中の水分とＸｅＦ_２ガスとで発生したＨＦガスで除去してからＸｅＦ_２ガスでシリコンへのエッチングを行わせることができ、エッチングプロセスのトータル処理時間を短縮できる。
【図面の簡単な説明】
図１は、デバイス製造装置のチャンバーにＸｅＦ_２ガスの連続供給するための装置を接続した構成を示す説明図である。
図２は、キャリア洗浄工程を示す説明図である。

Claims (9)

1. 所要量の水分を含む減圧又は真空雰囲気で被洗浄物にＸｅＦ_２ガスを接触作用させる工程と、その後水分を含まない減圧又は真空雰囲気で被洗浄物にＸｅＦ_２ガスを接触作用させる工程とを含む洗浄方法。
2. 水分を含む雰囲気の工程と水分を含まない雰囲気の工程のいずれもＸｅＦ_２ガスを連続的に供給する請求項１に記載の洗浄方法。
3. 被洗浄物が半導体ウェーハの製造装置又は半導体デバイス製造装置の各種チャンバー内又はガス通路である請求項１に記載の洗浄方法。
4. 被洗浄物が半導体ウェーハ、半導体デバイス及びそのキャリアのいずれかである請求項１に記載の洗浄方法。
5. 減圧真空手段を有した半導体ウェーハの製造装置又は半導体デバイス製造装置に、ＸｅＦ_２ガスの発生手段と、装置内雰囲気に水分を含ませる手段を設け、所要量の水分を含む減圧又は真空雰囲気で被洗浄物にＸｅＦ_２ガスを接触作用させる工程と、その後水分を含まない減圧又は真空雰囲気で被洗浄物にＸｅＦ_２ガスを接触作用させる工程を行う洗浄装置。
6. 所要量の水分を含む減圧又は真空雰囲気で被処理材にＸｅＦ_２ガスを接触作用させる工程と、その後水分を含まない減圧又は真空雰囲気で被処理材にＸｅＦ_２ガスを接触作用させる工程とを含むエッチング方法。
7. 水分を含む雰囲気の工程と水分を含まない雰囲気の工程のいずれもＸｅＦ_２ガスを連続的に供給する請求項６に記載のエッチング方法。
8. 被処理材がシリコンウェーハである請求項６に記載のエッチング方法。
9. 減圧真空手段を有した半導体ウェーハの製造装置又は半導体デバイス製造装置に、ＸｅＦ_２ガスの発生手段と、装置内雰囲気に水分を含ませる手段を設け、所要量の水分を含む減圧又は真空雰囲気で被処理材にＸｅＦ_２ガスを接触作用させる工程と、その後水分を含まない減圧又は真空雰囲気で被処理材にＸｅＦ_２ガスを接触作用させる工程を行うエッチング装置。

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