JP4840813B2 - 半導体製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハの液体による処理に関する。

半導体装置の製造においては、半導体ウエハを加工し、半導体ウエハ表面上に集積回路などの素子を形成する。その半導体装置の製造の過程において、液体による処理、例えば、洗浄、ウェットエッチングなどが行われる。以下に、ウエハ上に付着したパーティクルを除去するためにウエハ１枚毎に洗浄する一般的な技術について説明する。

図１は、ウエハ処理部１を上面から見た図である。ウエハ処理部１内にはウエハ処理ステージ２が用意される。ウエハ処理ステージ２にはウエハを載置するための複数のガイドピン４が設けられる。ウエハ３は、複数のガイドピン４の上に置かれ、ガイドピン４によって水平に支持される。

図２は、図１のＡ−Ａ´断面においてウエハ処理部１を側面から見た図である。ウエハ３は、表面（素子形成面、以下表面と記載する）５と裏面（素子形成面とは反対側の面、以下裏面と記載する）6とを有する。ウエハ３の表面５が洗浄されるときには裏面６が下向きに配置されてガイドピン４に支持される。ウエハ３の裏面６が洗浄されるときには表面５が下向きに配置されてガイドピン４に支持される。図２は、表面５が下向きに配置され裏面６が洗浄される場合を示す。

裏面６が上に向いた状態で、ウエハ３がガイドピン４の上に置かれる。その際、ウエハ３の中心と、ウエハ処理ステージ２の回転軸２ａとはほぼ同一の軸上に位置する。ノズル８からウエハ３の裏面６の中央付近に純水９が供給されると共に、ウエハ処理ステージ２が回転軸２ａを中心に回転する。純水９によりウエハ３の裏面６が濡れる。純水９は、回転の遠心力により外周方向に移動しながら、ウエハ３の裏面６を覆う。ウエハ３の裏面６の汚れは、この純水９の流れに巻き込まれ、裏面６から除去される。

本発明に関して、先行技術文献を以下に示す。
特許文献１には、被処理物に対し遠心力で塗り広げる液体の裏面回り込み防止を目的とした技術が開示されている。この技術によれば、凸面で構成された支持台によって被処理物の主表面がラウンド形状に反ることにより、主表面に付与された液体が被処理物の裏面に回り込み難くなる。

特許文献２には、真空処理方法および基板処理装置が開示されている。この技術によれば、基板を回転させている間に基板の挟持位置を変化させることによりパーティクルの発生が抑制される。

特許文献３には、基板の処理装置が開示されている。この技術は、ウェハの回転を伴った裏面洗浄の際に、ウェハの裏面から表面への洗浄液の回り込みを防止することを目的とする。この目的を達成するために、ウェハの外縁部の裏面に対向する位置に、環状の拡散抑制部材が設けられる。

特許文献４には、ウェーハ洗浄装置が開示されている。この技術によれば、ウェーハ上面を洗浄しているとき、ウェーハ下面の外周部にガスを吹付けることによって上面から下面への洗浄液の回り込みが抑制される。
特開２００５−１５８８６１号公報 特開２００４−１１１９０２号公報 特開２００２−３５９２２０号公報 特開平８−６４５６８号公報

本特許出願の発明者は、上述したような通常のウエハ洗浄における、ある問題点に着目した。以下、その問題点について説明する。

図３は、ガイドピン４の付近（図２のＢの部分）の拡大図である。ウエハ３はガイドピン４の上に載せられる。ガイドピン４とウエハ３とは接触部１０で接触する。接触部１０の形状はガイドピン４の形状とウエハ３の形状に依存する。接触部１０の付近のガイドピン４とウエハ３の間には隙間１１が存在する。

図４は、接触部１０付近の上面図である。ガイドピン４とウエハ３とが接触部１０で接触し、接触部１０の付近のガイドピン４とウエハ３との間には隙間１１が存在する。

図５は、ガイドピン４に載せられたウエハ３の上面にノズル８から純水９が供給されるタイミングの典型例を示す。図５（ａ）は、純水９が供給されるタイミングを示す。縦軸の“ｏｎ”は純水９が供給されていることを、“ｏｆｆ”は純水９の供給が停止されていることを示す。図５（ｂ）の縦軸は、ウエハ処理ステージ２の回転軸２ａを中心とする回転の回転数を示す。

時刻ｔ１からｔ５までは洗浄工程である。時刻ｔ１からｔ５までの間、ウエハ３の上面に純水９が供給される。時刻ｔ１において純水９の供給が開始されると共に、ウエハ処理ステージ２の回転が開始される。回転数は徐々に上昇し、時刻ｔ３でｆ２に達する。時刻ｔ３からｔ５まで、回転数はｆ２に保たれる。時刻ｔ５において、純水９の供給が停止される。

時刻ｔ５からｔ６まではウエハ３上の水分を除去する工程である。時刻ｔ５において、ウエハ処理ステージ２の回転数がｆ２からより大きい値ｆ３への上昇を開始する。ウエハ処理ステージ２は、回転数ｆ３で所定時間回転することにより水分が除去された後、回転速度を落として停止する。

図６は、洗浄工程が始まる時刻ｔ１より前の、ガイドピン４付近を側面から見た断面図である。ウエハ３の上面（ウエハ裏面６）にパーティクル（除去されるべき汚れ）１２が付着しているとする。

図７は、洗浄工程が開始されて間もなくの状態を示す。純水の流れ１３は、パーティクル１２を巻き込んで、遠心力によってウエハ３の外周方向に流れる。その後、図８に示されるように、パーティクル１２を含んだ純水の流れ１３は、ウエハ表面３の外縁部に沿って流れる。このとき、時刻ｔはｔ１＜ｔ＜ｔ３であり、ウエハ３の回転数はｆ２より小さい。図７は、純水供給開始直後の初期の洗浄状態を示しているが、初期の洗浄で除去できなかったパーティクル（より付着力の大きいパーティクル）は、その後のｔ５までに供給された純水によって、順次、除去される。

図９を参照して、純水の流れ１３はウエハ３の下面（ウエハ表面５）側に回り込む。パーティクル１２の一部は純水の流れ１３と共に落下し、他の一部はガイドピン４とウエハ３との隙間１１に滞留する。その結果、表面５の外縁付近にパーティクル１２が残留し付着する可能性がある。またパーティクル１２は、接触部１０の上流側において純水の流れ１３の流速が遅い領域、または接触部１０の下流側において純水の流れ１３の渦が発生する領域に残留し付着する可能性がある。

図１０は、純水９を図５に示されるタイミングでウエハの裏面６に供給した場合の実験結果の典型的な例を示す。ウエハ表面５の外縁付近には２５２個のパーティクルが残留し付着していた。特に、ガイドピンに近いウエハ外縁付近にパーティクルが多い。ウエハの表面の外縁付近にパーティクルが残留し付着していると、以後の半導体素子を形成する工程で、付着部分に該当する半導体集積回路パターンに欠陥が生じ、歩留まり低下の要因となる。従って、ウエハの外縁付近に付着するパーティクル数を低減する技術が望まれる。

以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号を括弧付きで用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明による半導体製造方法は、半導体ウエハ（３）を支持部材（４）の上に載せるステップと、その半導体ウエハを静止した状態から第１の回転数に到達するまで加速する加速ステップと、第１の回転数にて所定の時間、半導体ウエハを定速で回転させる回転ステップとを備える。加速ステップにおける回転数が設定値（ｆ１）を超えた後に、半導体ウエハに液体（９）の供給が開始され処理が施される。

このような半導体製造方法によれば、半導体ウエハが設定値を超えた回転数まで加速されてから処理用の液体が供給されるため、半導体ウエハの外縁端からパーティクルを含む液体が遠心力で外側に飛ばされ、半導体ウエハの反対面側（下面側）に回り込むことが防止される。そのため、パーティクルがウエハの洗浄面の反対面側に回り込むことなく除去される。

本発明により、ウエハ上の外縁付近に残留し付着するパーティクル数を抑制する処理方法が提供される。

以下、図面を参照しながら本発明を実施するための最良の形態について説明する。
［実施の第１形態］
本実施の形態では、ウエハ裏面を上向きにして、液体による処理として純水による洗浄を行う場合について説明する。本実施の形態におけるウエハ３は、図１、図２に示されるようにウエハ３の下面の周辺部の一部が支持部材であるガイドピン４の上に載せられることにより、ウエハ３が支持される。こうしたウエハ３の支持方法は、例えば真空チャックでウエハを固定する方法やウエハの両面を挟んで固定する（挟持する）方法に比べて、ウエハ３に対する負担が小さくウエハ３を傷つける可能性が小さいため好ましい。とくに、本実施の形態のように、ウエハ裏面を上向きにして載置する場合、下面となる素子形成面側がガイドピンに触れる部分は周辺部の一部のみであって素子への影響は最小限におさえられる。これに対して真空チャック方式は、素子形成面を真空でチャックすることになってしまい、その部分の素子を傷つけるため、真空チャック方式の適用は好ましくない。

図１１は、本実施の形態における純水９の供給のタイミングを示す。時刻ｔ１からｔａまでは始動工程である。時刻ｔ１において、回転機構を備えたウエハ処理ステージ２の回転が開始される。ウエハ３は、接触部１０における摩擦力により、ウエハ処理ステージ２と同期して回転する。ウエハ処理ステージ２の回転数は徐々に増加し、時刻ｔ２において所定の回転数ｆ１に達する。ウエハ処理ステージ２の回転数は時刻ｔ２からさらに増加し、時刻ｔ３においてｆ２に達する。時刻ｔ３から所定の期間、ウエハ処理ステージ２は回転数ｆ２を保って回転する。

時刻ｔａ（ｔａ≧ｔ３）からｔｂまでは洗浄工程である。時刻ｔａにおいて、液体供給機構であるノズル８がウエハ３の上面への純水９の供給を開始する。このときのウエハ３の回転数はｆ２である。純水９を吐出するタイミングは、エアオペレーテッドバルブのスピードコントローラ等の微調整機構によって制御される。純水９の供給は時刻ｔｂまで続けられる。

時刻ｔ５からｔ６まではウエハ３上の水分を除去する工程である。時刻ｔｂにおいて純水９の供給が停止される。時刻ｔ５＝ｔｂにおいて、ウエハ処理ステージ２の回転数がｆ２からより大きい値ｆ３への上昇を開始する。ウエハ処理ステージ２が回転数ｆ３で所定時間回転することにより水分が除去される。その後、回転速度は低下し、時刻ｔ６で０になる。

図１２は、上記洗浄工程の時刻ｔａとｔｂの間におけるガイドピン４付近の拡大図である。ノズルから供給された純水は、ウエハ３の上面（裏面６）のパーティクルを巻き込み、純水とパーティクルの流れ７となって、遠心力によってウエハ３の中心付近から外周の方向へ流れる。

遠心力が大きいと、純水の流れはウエハ３の縁に沿って流れ落ちずに、ウエハ３の外周端から外側に吹き飛ばされる。この条件を満たす最小のウエハ３の回転数をｆ１とすると、洗浄工程の回転数ｆ２はｆ１よりも大きい値に設定される。そのため洗浄工程では図１２に示されるように、純水とパーティクルの流れ７はウエハ３に沿って下面側に流れずに、外周端から外側に吹き飛ばされる。

図１２に示される状態が実現され、パーティクルがウエハ３の下面に回り込むことを抑制するために、上記ｔ２における所定の回転数ｆ１が適切に設定される。言い換えれば、回転数ｆ１は、ガイドピン４とウエハ３の外周縁との間に液体の流れが発生しない最小の回転数に設定される。具体的には、ｆ１は例えば３００ｒｐｍである。ｆ２は例えば１０００ｒｐｍである。

図１３を参照して、純水とパーティクルの流れ７（図１２）に含まれる純水９とパーティクル１２に働く力について説明する。一定の角速度ωで回転するウエハ３上の、中心から半径ｒａの位置にある純水９（単位質量）に働く遠心力Ｆは、下式で表される。
Ｆ＝ｍ×ｒａ×ω^２
その純水9の中にある単位質量ｎのパーティクル１２に働く遠心力Ｌ_１は、下式で表される。
Ｌ_１＝Ｆ＋ｎ×ｒａ×ω^２
従って、次式が成り立つ。
（１） Ｌ_１＝（ｍ＋ｎ）×ｒａ×ω^２

パーティクル１２は、遠心力Ｌ_１によってウエハ３の端部に向かって純水９と共に移動する。パーティクル１２がウエハ３の端部に到達したとき、遠心力Ｌ_１は、パーティクル１２の自重と純水９の表面張力によりウエハ３の端部から下面に回り込もうとする力よりもはるかに大きい。そのため、純水９と純水９に含まれるパーティクル１２とはウエハ３の端部から外部に離れて除去される。

発明者は、この方法によってウエハ３を洗浄した場合にウエハ３の下面の外縁付近に残留し付着したパーティクルの数を検出した。この実験は、純水９を供給するタイミングを除いては、図１０の実験と同じ条件で行われた。その結果、図１０に示された例に比べて、パーティクル数が０個〜４個程度と激減した。パーティクル数が４個の場合のウエハマップ例が図１４に示されている。この実験により残留したパーティクルの数は４個であった。図１０に示された例に比べて、残留したパーティクルが激減した。

さらに発明者は、上記の洗浄方法で洗浄されたウエハを用いた場合、ウエハ表面（素子形成面）の製品上の欠陥数が、従来の洗浄方法によるウエハ表面の製品上の欠陥数に対して、１／３から１／４程度に実際に低減することを、統計調査により確認した。

以上に説明した方法で洗浄されたウエハ３のウエハ表面５に、半導体集積回路など半導体素子のパターンが形成される。この洗浄方法により洗浄されたウエハ３はパーティクルが少ないため、形成された回路に欠陥が少ない。そのため半導体装置の歩留まりが向上する。

本実施の形態における半導体製造装置は、上記の半導体製造方法を自動的に実施することができる。そのために、ウエハ処理ステージ２は制御機構を備えている。その制御機構は、ウエハ３を静止した状態から回転数ｆ２に到達するまで加速する加速手段と、回転数ｆ２で所定の時間定速で回転させる定速回転手段とを有する。ノズル８は、定速回転手段がウエハ３を回転数ｆ２で回転させているときにウエハ３の上面に自動的に純水９を供給する。ウエハ処理ステージ２の制御機構は更に、時刻ｔ５までにノズル８が純水９の供給を停止した後、ウエハ３の回転数をｆ２より大きいｆ３に上昇させることによりウエハ３を乾燥させる乾燥手段を備える。

［実施の第２形態］
図１５は、実施の第２形態における純水９の供給のタイミングを示す。

時刻ｔ１からｔａまでは始動工程である。時刻ｔ１において、ウエハ処理ステージ２の回転が開始される。ウエハ３は、接触部１０における摩擦力により、ウエハ処理ステージ２に同期して回転する。ウエハ処理ステージ２の回転数は徐々に増加し、時刻ｔ２において所定の回転数ｆ１に達する。ウエハ処理ステージ２の回転数は時刻ｔ２からさらに増加する。時刻ｔａ（ｔａ＞ｔ２）においては回転数はｆａ（ｆａ＞ｆ１）である。

時刻ｔａからｔｂまでは洗浄工程である。時刻ｔａにおいて、ウエハ３の上面への純水９の供給が開始される。このときのウエハ３の回転数はｆａであり、より大きい回転数に上昇中である。ウエハ３の回転数は、時刻ｔ３においてｆ２に達し、時刻ｔ３から所定の期間、回転数はｆ２に保たれる。純水９の供給は時刻ｔｂまで続けられる。

時刻ｔ５からｔ６まではウエハ３上の水分を除去する工程である。時刻ｔｂにおいて純水９の供給が停止される。時刻ｔ５＝ｔｂにおいて、ウエハ処理ステージ２の回転数がｆ２からより大きい値ｆ３への上昇を開始する。ウエハ処理ステージ２が回転数ｆ３で所定時間回転することにより水分が除去される。その後、回転速度は低下し、時刻ｔ６で０になる。

この実施の形態における純水吐出時刻ｔａのウエハ３の回転数ｆａは、例えば実施の第１形態における純水吐出時刻ｔａにおける回転数ｆ２の１／２程度である。以下に説明するように、この回転数は、パーティクル１２と純水９がウエハ３の下面へ回り込むことを抑制するのに十分である。

図１６を参照して、例えばウエハ３の角速度が実施の第１形態の角速度ωの１／２程度であるときに、純水９の中にあるパーティクル１２に働く遠心力Ｌ_２は、次式（２）で表される。
（２） Ｌ_２＝（ｍ＋ｎ）×ｒａ×（ω／２）^２
純水９とパーティクル１２には、遠心力と直角方向に加速度Ａが働いている。この加速度Ａによる力Ｋは、ニュートンの法則により次式で表される。
Ｋ＝（ｍ＋ｎ）×Ａ
加速度Ａ＝ｒａ×（ω／２）を代入すると、Ｋは次式（３）で表される。
（３） Ｋ＝（ｍ＋ｎ）×ｒａ×（ω／２）

純水９に巻き込まれているパーティクル１２には、遠心力Ｆと力Ｋが両方作用する。ＦとＫの合成力Ｐは、幾何学的関係から、次式で表される。
Ｐ^２＝Ｌ_２ ^２＋Ｋ^２
すなわち、Ｐは次式で表される。
Ｐ＝√（Ｌ_２ ^２＋Ｋ^２）
上式に式（２）、（３）を代入すると、合成力Ｐは次式で表される。
（４） Ｐ＝（ｍ＋ｎ）×ｒａ×ω√（ω^２＋４）

パーティクル１２は、合成力Ｐによってウエハ３の端部に向かって純水９と共に移動する。パーティクル１２がウエハ３の端部に到達したとき、合成力Ｐは、パーティクル１２の自重と純水９の表面張力によりウエハ３の端部から下面に回り込もうとする力よりもはるかに大きい。そのため、純水９と純水９に含まれるパーティクル１２とはウエハ３の端部から外部に離れて除去される。

本実施の形態における半導体製造装置は、上記の半導体製造方法を自動的に実施することができる。そのために、ウエハ処理ステージ２は、ウエハ３を静止した状態から回転数ｆ２に到達するまで加速する加速手段と、回転数ｆ２で所定の時間定速で回転させる定速回転手段とを有する。ノズル８は、加速手段が加速中でありウエハ３の回転数がｆ１を超えた後のタイミングでウエハ３の上面に自動的に純水９を供給する。

実施の第１形態及び第２形態において、ウエハ３は純水９によって洗浄された。純水による洗浄に代えて、他の種類の液体によりウエハ３が表面処理される場合にも、本発明は好適に適用される。そのような例として、洗浄用の酸またはアルカリ、エッチング用の薬液（例えばリン酸）が挙げられる。

また、実施の第１形態及び第２形態においてはウエハ裏面６が上に向けられて洗浄されたが、ウエハ表面５（素子形成面）の洗浄についても、本発明は好適に適用される。ウエハ表面が処理されるときにウエハ裏面６にパーティクルが付着すると、後の工程の、例えば、ウェット処理槽での汚染や他のウエハへの再付着が発生する可能性がある。また、露光処理工程で、裏面のパーティクル付着位置においてウエハに盛り上がりが生じ、フォーカスが合わなくなる可能性がある。本発明を適用することにより、裏面へのパーティクル付着が抑制され、これらの問題の発生が防止される。

図１は、ウエハの上面図である。 図２は、ウエハの側面図である。 図３は、ガイドピン付近の拡大図である。 図４は、ガイドピン付近の上面図である。 図５は、背景技術における純水の供給のタイミングを示す。 図６は、ガイドピン付近の純水の流れを示す。 図７は、ガイドピン付近の純水の流れを示す。 図８は、ガイドピン付近の純水の流れを示す。 図９は、ガイドピン付近の純水の流れを示す。 図１０は、背景技術における実験結果を示す。 図１１は、実施の第１形態における純水の供給のタイミングを示す。 図１２は、ガイドピン付近の純水の流れを示す。 図１３は、パーティクルに働く力について説明するための図である。 図１４は、実施の第１形態における実験結果を示す。 図１５は、実施の第２形態における純水の供給のタイミングを示す。 図１６は、パーティクルに働く力について説明するための図である。

符号の説明

２…ウエハ処理ステージ
２ａ…回転軸
３…ウエハ
４…ガイドピン
５…ウエハ表面
６…ウエハ裏面
７…純水とゴミの流れ
８…ノズル
９…純水
１０…接触部
１１…隙間
１２…パーティクル

Claims (10)

1. 半導体ウエハを支持部材の上に載せるステップと、
   前記半導体ウエハを静止した状態から第１の回転数に到達するまで加速する加速ステップと、
   前記第１の回転数にて所定の時間、前記半導体ウエハを定速で回転させる回転ステップとを具備し、
   前記加速ステップにおける回転数が設定値を超えた後、且つ前記第１の回転数に到達する以前に、前記半導体ウエハに液体の供給を開始し処理を施すことを特徴とする半導体製造方法。
2. 前記液体の供給の開始は、前記加速ステップにおける回転数が前記設定値を超えてから前記第１の回転数に到達するまでの間であることを特徴とする請求項１に記載の半導体製造方法。
3. 前記液体の供給の開始は前記回転ステップ中であることを特徴とする請求項１に記載の半導体製造方法。
4. 前記回転ステップの終了後、前記半導体ウエハの回転数を前記第１の回転数よりも大きい第２の回転数に上昇させて、前記液体の供給をせずに、前記半導体ウエハを乾燥させるステップをさらに有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の半導体製造方法。
5. 前記液体は純水であり、前記処理は前記半導体ウエハの上面の洗浄であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の半導体製造方法。
6. 半導体ウエハをその下面の一部で支持することにより載置する支持部材と、
   前記支持部材を回転させることによって前記半導体ウエハを回転させる回転機構と、
   前記半導体ウエハの上面に液体を供給する液体供給機構とを具備する半導体製造装置であって、
   前記回転機構は、前記半導体ウエハを第１の回転数に到達するまで加速する手段と、前記半導体ウエハを前記第１の回転数にて所定の時間定速で回転させる手段とを有し、
   前記液体供給機構は、前記加速の間の回転数が設定値を超えた後、且つ前記第１の回転数に到達する以前に、前記半導体ウエハに液体の供給を開始し前記半導体ウエハの上面に処理を施すことを特徴とする半導体製造装置。
7. 前記液体の供給の開始は、前記加速における回転数が前記設定値を超えてから前記第１の回転数に到達するまでの間であることを特徴とする請求項６に記載の半導体製造装置。
8. 前記液体の供給の開始は、前記第１の回転数で回転中の間であることを特徴とする請求項６に記載の半導体製造装置。
9. 前記半導体ウエハを前記第１の回転数にて所定の時間定速で回転させた後、
   前記液体供給機構は前記液体の供給を中止し、前記回転機構は前記第１の回転数より大きい第２の回転数に上昇させて、前記半導体ウエハを乾燥させる手段をさらに有することを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一に記載の半導体製造装置。
10. 前記液体は純水であり、前記処理は前記半導体ウエハの上面の洗浄であることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか一に記載の半導体製造装置。

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