JP5159738B2

JP5159738B2 - 半導体基板の洗浄方法および半導体基板の洗浄装置

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Publication number: JP5159738B2
Application number: JP2009219111A
Authority: JP
Inventors: 義宏小川; 浩川本; 始小野田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-09-24
Filing date: 2009-09-24
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2029-09-24
Also published as: US20110067734A1; US9761466B2; US8758521B2; JP2011071199A; US20140238452A1

Description

本発明は、ウエハ等の半導体基板を洗浄する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。

半導体基板の洗浄工程においては、薬液処理後に水リンスを行ない、その後、スピン乾燥またはＩＰＡ（イソプロピルアルコール）乾燥を行なっている。スピン乾燥では、水リンス液を遠心力で振り切った後、半導体基板の表面に残った水滴を蒸発乾燥させるようにしている。このスピン乾燥の場合、半導体基板の表面に残った水の持つ表面張力に起因する毛細管力によって、半導体基板に形成されている微細なパターンが倒壊するという問題が発生した。この問題は、近年の微細化の進行に伴って顕在化してきた。

これに対して、ＩＰＡの表面張力の大きさは、水の表面張力の１／３程度と小さいため、スピン乾燥に代えてＩＰＡ乾燥を行うことで上記問題をある程度解消することが可能であり、例えば特許文献１には、ＩＰＡ乾燥の際のスループット向上を図った乾燥処理装置の例が記載されている。しかし、微細化がさらに進み、３０ｎｍ世代以降の微細デバイスになると、乾燥工程が微細なパターンに及ぼす悪影響をさらに低減することが望まれる状況にあった。

特開平１０−２２２５７号公報

本発明は、半導体基板をリンスした後、半導体基板を乾燥させるときに微細なパターンに及ぶ影響を著しく低減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ことを目的とする。

本発明の一態様の半導体基板の洗浄方法は、洗浄液で半導体基板を洗浄する洗浄工程と、この洗浄工程の後にリンス水で前記半導体基板をリンスするリンス工程と、このリンス工程の後に前記半導体基板を乾燥させる乾燥工程とを行う洗浄方法であって、前記リンス工程の際、前記リンス水の温度を７０℃以上に設定すると共に、前記リンス水を酸性に設定し、更に、前記リンス工程および前記乾燥工程の各処理時間を１０秒以下に設定するところに特徴を有する。

本発明の一態様の半導体基板の洗浄装置は、半導体基板を搬送するベルトコンベアと、このベルトコンベアにより搬送された前記半導体基板が通過する洗浄処理用の隙間を有し、通過する半導体基板に対して洗浄処理とリンス処理と乾燥処理とを行う処理ヘッドとを備えてなる半導体基板の洗浄装置であって、前記処理ヘッドに酸性のリンス水を供給すると共に、前記リンス水の温度を７０℃以上に設定するリンス水供給機構を具備し、前記乾燥処理を実行するときに、乾燥溶媒を使用する乾燥処理を行うと共に、ランプアニールを行うところに特徴を有する。

本発明によれば、半導体基板をリンスした後、半導体基板を乾燥させるときに微細なパターンに及ぶ影響を著しく低減することができる。

本発明の第１実施形態を示す半導体基板の洗浄装置の側面図半導体基板の洗浄装置の上面図半導体基板の洗浄装置の斜視図リンス水供給機構構成のブロック図洗浄処理のフローチャートリンス水の温度とパターン閉塞率との関係を示すグラフリンス水のｐＨ値と乾燥時間とWater Mark欠陥数との関係を示すグラフリンス水の温度と乾燥時間とパターン生存率との関係を示すグラフ本発明の第２実施形態を示すもので、ラインアンドスペースパターンの延びる方向が、半導体基板の搬送方向に平行な場合と、直交する場合と、ラインアンドスペースパターンの閉塞率との関係を示す図ＩＰＡ乾燥時におけるランプアニールの有無と、ラインアンドスペースパターンの閉塞率との関係を示す図本発明の第３実施形態を示すもので、毛細管力を説明する図ラインアンドスペースパターンのアスペクト比を変化させたときに、従来構成と本発明の第１〜第３実施形態とについて、パターン閉塞起因欠陥密度を測定した結果を示す図

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について、図１ないし図８を参照しながら説明する。尚、以下の図面の記載において、同一又は類似の部分は同一又は類似の符号で表している。図１は本実施形態の半導体基板の洗浄装置１の概略構成を示す側面図であり、図２は洗浄装置１の概略構成を示す上面図であり、図３は洗浄装置１の概略構成を示す斜視図である。

図１、図２、図３に示すように、洗浄装置１は、ベルトコンベア搬送型洗浄装置で構成されている。この洗浄装置１は、図１に示すように、ウエハ（半導体基板）２を載置して搬送するベルトコンベア３と、ウエハ２を洗浄処理する洗浄処理ヘッド４とから構成されている。洗浄処理ヘッド４は、上部ヘッド４ａと、下部ヘッド４ｂとから構成されている、この構成の場合、ベルトコンベア３により搬送されたウエハ２を上部ヘッド４ａと下部ヘッド４ｂとの間の洗浄処理用の隙間に挿入させて通過させるように構成されている。

洗浄処理ヘッド４（即ち、上部ヘッド４ａおよび下部ヘッド４ｂ）は、ウエハ２の挿入側（図１中右端側）から順に並ぶように設けられた薬液処理部５と、リンス処理部６と、乾燥処理部７とを備えている。薬液処理部５は、ウエハ２の表面に洗浄用の薬液を吐出して化学的に洗浄する機能と、洗浄後の薬液を回収する機能とを有している。リンス処理部６は、ウエハ２の表面にリンス用の水（後述する酸性の温水）を吐出してリンスする機能と、リンス後の水を回収する機能とを有している。

乾燥処理部７は、ウエハ２の表面に乾燥用のＩＰＡを吹き付ける機能と、ウエハ２の表面に乾燥用のＮ₂ガスを吹き付ける機能とを有している。更に、乾燥処理部７は、ウエハ２の表面のうちの乾燥処理部７に対応する領域の上方空間についてその内部を減圧する機能を有している。この場合、ウエハ２の表面の上記領域を囲み且つウエハ２の表面と微小な隙間が形成されるように配置された減圧用シール部（図示しない）を設け、上記上方空間内を真空ポンプ（例えばロータリーポンプ）で真空引きし、所定の減圧空間を形成することが可能になっている。尚、この減圧状態においても、ベルトコンベア３によりウエハ２を乾燥処理部７中で搬送させることが可能な構成となっている。

次に、リンス処理部６にリンス用の水（酸性の温水）を供給するリンス水供給機構について、図４を参照して説明する。図４に示すように、リンス水供給機構８は、制御部９と、リンス水ミキシング部１０と、超純水供給部１１と、塩酸（ＨＣｌ）供給部１２とを備えて構成されている。超純水供給部１１は、超純水を貯留するタンク（図示しない）と、このタンクから超純水を送出するポンプ（図示しない）とからなる。塩酸供給部１２は、塩酸を貯留するタンク（図示しない）と、このタンクから塩酸を送出するポンプ（図示しない）とからなる。

リンス水ミキシング部１０は、超純水供給部１１から送出された超純水と、塩酸供給部１２から送出された塩酸とを貯留してミキシングする。リンス水ミキシング部１０には、内部のリンス水のｐＨ値を検出するｐＨセンサ１３と、内部のリンス水の温度を検出する温度センサ１４と、内部のリンス水を加熱するヒータ１５とが設けられている。制御部９は、ｐＨセンサ１３および温度センサ１４からの各検出信号を受けて、超純水供給部１１のポンプと、塩酸供給部１２のポンプと、ヒータ１５とをそれぞれ駆動制御する。この場合、塩酸を供給しなければ、リンス水のｐＨは「７」であり、塩酸の供給量を増やせば、ｐＨは「７」より漸次小さくなる。また、ヒータ１５を通電すれば、リンス水の温度が上昇し、通電をやめれば下降する。これにより、制御部９は、リンス水ミキシング部１０内に、所望のｐＨの値且つ所望の温度のリンス水を生成して貯留すると共に、この生成したリンス水を供給ポンプ１６を駆動して前記リンス処理部６へ供給することが可能な構成となっている。

次に、上記した洗浄装置１を用いてラインアンドスペースパターンが形成されたウエハ２を洗浄する処理について、図５ないし図８を参照して説明する。図５のステップＳ１０に示すように、まずウエハ２を化学的に洗浄する薬液処理（薬液処理部５による処理）を、一般的なＡＰＭ、ＳＰＭ等の洗浄液を使用して実行する。続いて、ステップＳ２０に示すように、リンス処理部６によりウエハ２をリンスするときに、リンス水の温度を７０℃以上に設定すると共に、リンス水のｐＨを「７」未満とするように設定している（即ち、ＨＣｌが溶解することで酸性となったリンス水を使用している）。

ここで、リンス水の温度を７０℃以上に設定する理由は、リンス水の温度が７０℃未満であると、図６に示すように、隣接するラインパターン同士がくっついてパターンを閉塞させるラインアンドスペースパターンの閉塞率が高くなるという不良が発生するためである。図６のグラフは、本発明者らが実験で測定した結果である。この図６のグラフによれば、リンス水の温度を７０℃以上に設定すると、ラインアンドスペースパターンの閉塞率を十分小さくできることがわかる。

ただし、リンス水の温度を上げると、リンス液中へのシリコン溶解速度が高くなるので、Water Markが発生し易くなるという問題が発生する。これに対して、本実施形態においては、リンス処理の処理時間を例えば１０秒以下の短時間とすると共に、酸性のリンス水（ＰＨ「７」未満のリンス水）を用いることにより、リンス水中にＳｉが溶出することを防止している。これにより、Water Markの発生を抑制することができる。ここで、図７は、リンス水のｐＨの値と、乾燥時間と、（１ｃｍ²当たりの）Water Markの欠陥数との関係を示すグラフである。この図７のグラフも、本発明者らが実験で測定した結果である。この図７から、リンス水を酸性にすると（ｐＨ「４」またはｐＨ「２」にすると）、Water Markの発生を十分抑制できることがわかる。

また、図８は、リンス水の温度と、乾燥時間と、ラインアンドスペースパターンの生存率との関係を示すグラフである。この図８のグラフも、本発明者らが実験で測定した結果である。この図８から、リンス水の温度を７０℃以上に設定すると共に、乾燥時間を短くすると（例えば１０秒以下にすると）、パターン生存率が十分高くなること（すなわち、パターン閉塞率が十分低くなること）がわかる。

ここで、ラインアンドスペースパターンが閉塞するときに作用する力、即ち、パターン閉塞力について考察する。パターン閉塞力は、一般的に毛細管力Ｆに起因するものであり、物質の表面張力をγ、接触角をθ、パターンの左右の液面差をΔＨとしたときに、毛細管力Ｆは、γ、ｃｏｓθ、ΔＨに比例することがわかっている。このため、乾燥速度を上げることにより、毛細管力Ｆが大きい状態を短時間にして、パターンの変形量を小さくすると、パターン閉塞率が減少すると考えられる。

上記したリンス処理部６によるウエハ２のリンス処理が完了したら、続いて、図５のステップＳ３０に示すように、乾燥処理部７によるウエハ２の乾燥処理（ＩＰＡ乾燥処理）を実行する。これにより、ウエハ２の洗浄を終了する。尚、上記ＩＰＡ乾燥処理においては、ＩＰＡガスおよびＮ₂ガスの温度をウエハ２の温度よりも高くするように設定した。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について、図９および図１０を参照して説明する。この第２実施形態の場合も、前記ベルトコンベア搬送型洗浄装置１を用いる。この第２実施形態では、３つの処理部、即ち、薬液処理部５、リンス処理部６、乾燥処理部７の各処理時間が例えば５秒以下になるように、ウエハ２の搬送速度を設定した。更に、薬液処理部５により洗浄を開始する前において、即ち、図２に示すように、ウエハ２を薬液処理部５内に挿入する前の状態において、ウエハ２のノッチの位置に基づいて、ウエハ２に形成されたラインアンドスペースパターンの延びる方向が、ウエハ２の搬送方向（ベルトコンベア３の搬送方向）と略平行となるように位置合わせし、この位置合わせした状態でウエハ２をベルトコンベア３上に設置する。ここでは、例えばベルトコンベア搬送型洗浄装置１において、ウエハ２上のパターンを認識する機能を有する光学機構を備え、この光学機構からの信号を受けてウエハ２のノッチを合わせる方向を９０°変化させることの可能な構成とすることで、ベルトコンベア３上へのウエハ２の設置を自動で行うこともできる。

この後、ベルトコンベア３によりウエハ２を搬送し、ウエハ２を薬液処理部５内へ挿入する。これにより、ウエハ２を化学的に洗浄する薬液処理（薬液処理部５による処理）が、第１実施形態と同様に実行される。尚、処理時間は例えば５秒以下になるように設定されている。続いて、リンス処理部６によりウエハ２をリンスする処理が、第１実施形態と同様に実行される。このとき、リンス水の温度は７０℃以上に設定されていると共に、リンス水のｐＨは「７」未満に設定されている。そして、上記したリンス処理部６によるウエハ２のリンス処理の処理時間は、例えば５秒以下になるように設定されている。

続いて、乾燥処理部７によるウエハ２の乾燥処理（ＩＰＡ乾燥処理）を、第１実施形態とほぼ同様に実行する。このＩＰＡ乾燥処理を行うとき、第２実施形態では、ランプアニール機能をＩＰＡ乾燥部に設け、ＩＰＡ乾燥時にランプアニールすることによりＩＰＡを高速に蒸発乾燥させている。ここで、図１０は、ＩＰＡ乾燥時におけるランプアニールの有無と、ラインアンドスペースパターンの閉塞率との関係を示す図である。この図１０のグラフは、本発明者らが実験で測定した結果である。この図１０から、ＩＰＡ乾燥時にランプアニールすると、ラインアンドスペースパターンの閉塞率が十分低下することがわかる。そして、上記した乾燥処理部７によるウエハ２のＩＰＡ乾燥処理の処理時間は、例えば５秒以下になるように設定されている。

また、図９は、ウエハ２に形成されたラインアンドスペースパターンの延びる方向が、ウエハ２の搬送方向に平行な（即ち、一致する）場合と、平行ではない（即ち、直交する）場合と、ラインアンドスペースパターンの閉塞率との関係を示す図である。この図９のグラフは、本発明者らが実験で測定した結果である。この図９から、ウエハ２に形成されたラインアンドスペースパターンの延びる方向を、ウエハ２の搬送方向に平行にすると、ラインアンドスペースパターンの閉塞率が十分低下することがわかる。

尚、上記第２実施形態では、ＩＰＡ乾燥処理において、乾燥溶媒として例えばＩＰＡを使用したが、これに限られるものではなく、例えばＨＦＥ（ハイドロフルオロエーテル）や、ＨＦＥに５ｖｏｌ％以下のＩＰＡを混合させた溶液等を使用しても良く、このように構成すると、ランプアニールしたときの安全性が高くなる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について、図１１を参照して説明する。この第３実施形態の場合も、前記ベルトコンベア搬送型洗浄装置１を用いる。この第３実施形態では、乾燥処理部７によりウエハ２のＩＰＡ乾燥処理を行うときに、乾燥処理部７の真空ポンプを動作させることにより、ウエハ２の表面のうちの乾燥処理部７に対応する領域の上方空間についてその内部を減圧するようにした。このように減圧すると、ラインアンドスペースパターンの倒壊力が小さくなり、パターンの閉塞率がより一層低下する。

ここで、減圧すると、ラインアンドスペースパターンの倒壊力が小さくなる特性について、図１１を参照して説明する。図１１は、毛細管現象を示しており、毛細管力ΔＰは圧力差に起因することから、次式で表現される。

ΔＰ＝Ｐ０−Ｐ１
ここで、Ｐ０を壁の外面にかかる圧力とし、Ｐ１を壁の内面(リンス水側)にかかる圧力とする。
また、リンス水の表面張力をγとし、リンス水の表面の曲率半径をＲとし、リンス水の壁面に対する接触角をθとし、壁面間の距離をＳとすると、次の２つの式が成り立つ。

ΔＰ＝γ／Ｒ
１／Ｒ＝２ｃｏｓθ／Ｓ
上記２つの式から、次の式が成り立つ。

ΔＰ＝２γｃｏｓθ／Ｓ
上記式から、Ｐ０が小さい（即ち、減圧すると）と、Ｒが大きくなり、ｃｏｓθが小さくなり、毛細管力ΔＰ（即ち、パターンの倒壊力）が小さくなることがわかる。よって、ウエハ２の表面のうちの乾燥処理部７に対応する領域の上方空間を減圧すると、ラインアンドスペースパターンの倒壊力が小さくなり、パターンの閉塞率をより一層低下させることができる。

次に、ラインアンドスペースパターンのアスペクト比を変数として変化させたときに、従来構成と本発明の第１〜第３実施形態とについて、パターン閉塞起因欠陥密度を測定した結果を図１２に示す。この図１２から、本発明の第１〜第３実施形態によれば、パターン不良の一種であるパターン閉塞の発生し易いアスペクト比が８以上の高アスペクト比パターンの乾燥処理においても、十分良い結果が得られることがわかる。特に、ダブルパターニングの１種である側壁転写法にて形成されたハーフピッチ３０ｎｍ以下の微細なラインアンドスペースパターンが形成された半導体装置を洗浄する場合に、上記第１〜第３実施形態の洗浄方法を用いると、有効な作用効果を得ることができる。

（他の実施形態）
本発明は、上記実施形態にのみ限定されるものではなく、次のように変形または拡張できる。

上記した各実施形態では、ベルトコンベア搬送型洗浄装置１を用いたが、これに限られるものではなく、短時間処理が可能であれば、ウエハ２をスピンさせる枚葉型洗浄装置を用いるようにしても良いし、また、バッチ式の洗浄乾燥装置を用いるように構成しても良い。また、ベルトコンベア搬送型洗浄装置１として、３つの処理部５、６、７が一体の洗浄処理ヘッド４を備える構成の洗浄装置を用いたが、３つの処理部５、６、７がそれぞれ独立した処理ヘッドを備える構成のベルトコンベア搬送型洗浄装置を用いても良い。

また、上記各実施形態では、リンス水を酸性にするに際して、塩酸（ＨＣｌ）を使用するように構成したが、これに代えて、ＣＯ₂ガスを溶解させるように構成しても良い。

図面中、１は洗浄装置、２はウエハ（半導体基板）、３はベルトコンベア、４は洗浄処理ヘッド、５は薬液処理部、６はリンス処理部、７は乾燥処理部、８はリンス水供給機構である。

Claims

洗浄液で半導体基板を洗浄する洗浄工程と、この洗浄工程の後にリンス水で前記半導体基板をリンスするリンス工程と、このリンス工程の後に前記半導体基板を乾燥させる乾燥工程とを行う半導体基板の洗浄方法であって、
前記リンス工程の際、前記リンス水の温度を７０℃以上に設定すると共に、前記リンス水を酸性に設定し、更に、
前記リンス工程および前記乾燥工程の各処理時間を１０秒以下に設定することを特徴とする半導体基板の洗浄方法。
前記乾燥工程の際、前記半導体基板の乾燥処理している部分を減圧す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。
前記乾燥工程の際、前記半導体基板をランプアニールすることを特徴とする請求項１または２記載の半導体基板の洗浄方法。
半導体基板を搬送するベルトコンベアと、このベルトコンベアにより搬送された前記半導体基板が通過する洗浄処理用の隙間を有し、通過する半導体基板に対して洗浄処理とリンス処理と乾燥処理とを行う処理ヘッドとを備えてなる半導体基板の洗浄装置であって、
前記処理ヘッドに酸性のリンス水を供給すると共に、前記リンス水の温度を７０℃以上に設定するリンス水供給機構を具備し、
前記乾燥処理を実行するときに、乾燥溶媒を使用する乾燥処理を行うと共に、ランプアニールを行うことを特徴とする半導体基板の洗浄装置。
前記半導体基板上のパターンを認識して、前記パターンの方向と前記ベルトコンベアの搬送方向が所定の関係になるように前記半導体基板を前記ベルトコンベア上に設置する機構をさらに具備することを特徴とする請求項４記載の半導体基板の洗浄装置。