JP5422497B2 - 基板乾燥方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、基板乾燥方法に関する。

半導体装置の製造工程には、リソグラフィ工程、ドライエッチング工程、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、ウェーハ表面に残存した不純物や残渣を除去してウェーハ表面を清浄にするための洗浄工程、洗浄後の薬液残渣を除去するリンス工程、及び乾燥工程が実施されている。

例えば、エッチング工程後のウェーハの洗浄処理では、ウェーハの表面に洗浄処理のための薬液が供給され、その後に純水が供給されてリンス処理が行われる。リンス処理後は、ウェーハ表面に残っている純水を除去してウェーハを乾燥させる乾燥処理が行われる。

乾燥処理を行う方法としては、例えば回転による遠心力を利用してウェーハ上の純水を排出させる回転乾燥、ウェーハ上の純水をイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）に置換し、ＩＰＡを気化させてウェーハを乾燥させるＩＰＡ乾燥等が知られている。しかし、これら一般的な乾燥処理では、ウェーハ上に残る液体の表面張力により、ウェーハ上に形成された微細パターン同士が乾燥時に互いに接触し、閉塞してしまう問題があった。

このような問題を解決するため、表面張力がゼロとなる超臨界乾燥が提案されている。超臨界乾燥では、ウェーハの洗浄処理後に、一旦、超臨界乾燥溶媒にて最終置換する別溶媒、例えばＩＰＡ、でウェーハ上の液体を置換し、表面がＩＰＡで濡れている状態のままウェーハを超臨界チャンバへ導入する。その後、超臨界状態として二酸化炭素（超臨界ＣＯ_２流体）をチャンバ供給し、ＩＰＡと超臨界ＣＯ_２流体とを置換し、徐々にウェーハ上のＩＰＡが超臨界ＣＯ_２流体に溶解し、排出される超臨界ＣＯ_２流体と共にウェーハから排出される。すべてのＩＰＡが排出された後、チャンバ内を降圧し、超臨界ＣＯ_２流体を気体ＣＯ_２に相変化させて、ウェーハの乾燥が終了する。

しかし、二酸化炭素の臨界圧力は約７．５ＭＰａであるため、処理設備としてはこの臨界圧以上の耐圧性能を持った肉厚の金属製チャンバが必要となり、チャンバ単体のコストが増加することで、トータルの装置コストが増加するという問題があった。

また、乾燥溶媒に超臨界ＣＯ_２流体を用いるのではなく、薬液洗浄後のリンス純水との置換液であるＩＰＡ自体を超臨界状態にし、気化排出することで乾燥する手法も知られている。ＩＰＡの臨界圧力は約５．４ＭＰａのため、超臨界ＣＯ_２流体を用いる場合よりは、チャンバに必要な肉厚は薄くてよく、装置コストを削減できる。また、純水との置換液となるＩＰＡをそのまま超臨界とするため、炭酸超臨界のように、ＩＰＡを炭酸超臨界流体と置換する工程が不要なため、ＣＯ_２超臨界に必要なＣＯ_２供給系と昇圧装置等が不要になり大幅にコストを削減できる。しかし、ＩＰＡを超臨界状態にするためには、密閉状態のチャンバ内で昇温によりＩＰＡを超高密度化する必要があるため、始めに液体として十分な量のＩＰＡをチャンバ内に導入する必要がある。従って、基板の乾燥にあたり、ＩＰＡの使用量が増大し、コストが増加するという問題があった。

特開２００４−３２７８９４号公報

本発明は、微細パターンが形成された半導体基板を、パターン倒壊を防止しつつ、低コストに乾燥させる基板乾燥方法を提供することを目的とする。

本実施形態によれば、表面が薬液（溶媒）で濡れ、アスペクト比１０以上のパターンが形成された半導体基板をチャンバ内に導入する。そして、前記薬液（溶媒）を前記半導体基板上に残留させつつ、１６０℃以上かつ前記薬液（溶媒）の臨界温度未満の所定温度まで昇温し、気化した前記薬液（溶媒）を前記チャンバから排出する。

圧力と温度と物質の相状態との関係を示す状態図である。 基板乾燥時にパターンにかかる倒壊力を説明する図である。 本発明の実施形態に係る基板処理装置の概略構成図である。 同実施形態に係る半導体基板の洗浄・乾燥方法を説明するフローチャートである。 ＩＰＡの状態図である。 半導体基板上に形成されるパターンの一例を示す図である。 乾燥溶媒の乾燥時の温度とパターンの倒壊有無との関係を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

まず、臨界点について説明する。図１は、圧力と温度と物質の相状態との関係を示す状態図である。一般に、物質には、三態と称される気相（気体）、液相（液体）、固相（固体）の３つの存在状態がある。

図１に示すように、上記３つの相は、気相と液相との境界を示す蒸気圧曲線（気相平衡線）、気相と固相との境界を示す昇華曲線、固相と液相との境界を示す溶解曲線で区切られる。これら３つの相が重なったところが三重点である。この三重点から蒸気圧曲線が高温側に延び、気相と液相が共存する限界が臨界点である。この臨界点では、気相と液相の密度が等しくなり、気液共存状態の界面が消失する。臨界点より高温、高圧の状態では、気相、液相の区別がなくなり、物質は超臨界流体となる。

次に、図２を用いて、基板を乾燥させる際に、基板上に形成されたパターンにかかる倒壊力について説明する。図２は、半導体基板Ｗ上に形成されているパターン２００の一部が液体２０１に濡れた状態を示す。ここで、パターン２００間の距離をＳ、パターン２００の両側にある液体２０１の液面高さの差をΔＨ、液体２０１の表面張力をγ、接触角をθとすると、パターン２００にかかる倒壊力ＦはＦ＝２×γ×ΔＨ×ｃｏｓθ／Ｓ・・・（数式１）となる。

従って、倒壊力Ｆを小さくしてパターン倒壊を防止するためには、表面張力γを小さくすること、液面高さの差ΔＨを小さくすること、接触角θを９０°に近付けることが有効である。

図３に本発明の実施形態に係る基板処理装置の概略構成を示す。基板処理装置１は、基板洗浄部１０、基板搬送部２０、及び基板乾燥部３０を備える。

基板洗浄部１０は、洗浄チャンバ１１、薬液供給部１２、１３、及び純水供給部１４を有する。洗浄チャンバ１１には、被処理基板（半導体基板）Ｗを保持する基板保持部１５が設けられている。基板洗浄部１０は、枚葉式の洗浄装置でもよいし、バッチ式の洗浄装置でもよい。

薬液供給部１２は、被処理基板Ｗに薬液を供給し、被処理基板Ｗの洗浄処理を行う。薬液には、例えば、硫酸、フッ酸、塩酸、過酸化水素等を用いることができる。洗浄処理は、基板表面上のパーティクルや金属不純物を除去する処理や、基板上に形成された膜をエッチング除去する処理等を含む。

薬液供給部１３は、被処理基板Ｗに乾燥溶媒を供給する。乾燥溶媒には、例えば、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）が用いられる。純水供給部１４は、被処理基板Ｗに純水を供給し、純水リンス処理を行う。洗浄チャンバ１１内の液体は、廃液管１６を介して排出することができる。

搬送部２０は、基板洗浄部１０の洗浄チャンバ１１から被処理基板Ｗを取り出して、基板乾燥部３０へ搬送する。

基板乾燥部３０は、乾燥チャンバ３１、ヒータ３２、配管３３、及びバルブ３４を有する。乾燥チャンバ３１は、ＳＵＳ等で形成された高圧容器である。乾燥チャンバ３１には、被処理基板Ｗを保持するリング状の平板で形成されたステージ３５が設けられている。

ヒータ３２は乾燥チャンバ３１内の気体や液体、被処理基板Ｗを加熱し、温度調整することができる。図３ではヒータ３２を乾燥チャンバ３１の内部に設ける構成を示しているが、乾燥チャンバ３１の外周部に設けるようにしてもよい。

乾燥チャンバ３１には配管３３が連結されており、乾燥チャンバ３１内の気体を排出できるようになっている。配管３３から排出された気体は図示しない回収再生機構により回収・再生される。また、配管３３には、乾燥チャンバ３１からの気体排出量を制御するバルブ３４が設けられている。

また、基板乾燥部３０は、乾燥チャンバ３１内に乾燥溶媒としてのＩＰＡを供給する薬液供給部（図示せず）をさらに備える構成にしてもよい。

本実施形態に係る半導体基板の洗浄・乾燥方法を図４に示すフローチャート及び図３を用いて説明する。

（ステップＳ１０１）処理対象の半導体基板Ｗが洗浄チャンバ１１に搬入され、基板保持部１５に保持される。半導体基板Ｗには微細パターンが形成されている。

（ステップＳ１０２）薬液供給部１２が半導体基板Ｗに薬液を供給する。これにより、半導体基板Ｗの洗浄処理が行われる。

（ステップＳ１０３）前記洗浄処理後に、純水供給部１４が半導体基板Ｗに純水を供給する。これにより、半導体基板Ｗの表面に残留していた薬液を純水によって洗い流す純水リンス処理が行われる。薬液は廃液管１６から排出される。

（ステップＳ１０４）前記純水リンス処理後に、薬液供給部１３が半導体基板Ｗに乾燥溶媒としてのＩＰＡを供給する。これにより、半導体基板Ｗの表面に残留していた純水をＩＰＡに置換する処理が行われる。純水は廃液管１６から排出される。

（ステップＳ１０５）搬送部２０が、半導体基板Ｗを、表面がＩＰＡで濡れた状態のまま自然乾燥しないように、洗浄チャンバ１１から取り出し、基板乾燥部３０へ搬送し、乾燥チャンバ３１に導入する。半導体基板Ｗは、ステージ３５に固定される。

（ステップＳ１０６）乾燥チャンバ３１が密閉され、ヒータ３２が半導体基板Ｗ表面上のＩＰＡを加熱する。液体状態のＩＰＡは加熱に伴い徐々に気化する。この時、乾燥チャンバ３１内の圧力は、図５に示すＩＰＡの状態図における蒸気圧曲線に従って増加する。

（ステップＳ１０７）乾燥チャンバ３１内の温度を所定の温度Ｔまで上げる。この温度Ｔは、ＩＰＡの臨界温度（２４４℃）未満とし、例えば１８０℃程度である。なお、この温度Ｔに達するまで、半導体基板Ｗ表面上のＩＰＡが全て乾燥しないように、すなわち半導体基板ＷがＩＰＡで濡れ、乾燥チャンバ３１内に気体ＩＰＡと液体ＩＰＡが共存しているようにする。

気体の状態方程式に、温度Ｔ、温度ＴにおけるＩＰＡの蒸気圧Ｐ、乾燥チャンバ３１の容積Ｖを代入することで、乾燥チャンバ３１内に気体状態で存在するＩＰＡの量ｎ（ｍｏｌ）が求められる。従って、ステップＳ１０６で加熱を開始する前に乾燥チャンバ３１内にはｎ（ｍｏｌ）以上の液体ＩＰＡが存在する必要がある。乾燥チャンバ３１に導入される半導体基板Ｗ上のＩＰＡの量がｎ（ｍｏｌ）未満である場合は、図示しない薬液供給部から乾燥チャンバ３１内に液体ＩＰＡを供給し、乾燥チャンバ３１内にｎ（ｍｏｌ）以上の液体ＩＰＡを存在させるようにする。

（ステップＳ１０８）乾燥チャンバ３１内の温度Ｔを保ちつつ、バルブ３４を開き、配管３３を介して乾燥チャンバ３１内の気体ＩＰＡを徐々に排出する。この時、半導体基板Ｗ上に残留している液体ＩＰＡが突沸しないように、バルブ３４の開度を調整する。気体ＩＰＡを排出することで、液体ＩＰＡの気化が進む。

（ステップＳ１０９）乾燥チャンバ３１内の液体ＩＰＡが全て気化し、半導体基板Ｗが乾燥したら、バルブ３４の開度を大きくし、乾燥チャンバ３１内の気体ＩＰＡを排出する。気体ＩＰＡの排出に伴う乾燥チャンバ３１内の圧力低下によりＩＰＡの再液化が生じないように、温度は十分高温を維持する。

なお、乾燥チャンバ３１から配管３３を介して排出された気体ＩＰＡは、図示しない回収再生機構により回収、再生され、再使用される。

（ステップＳ１１０）乾燥チャンバ３１内の気体ＩＰＡが十分に排出された後、半導体基板Ｗを、搬送可能な温度まで冷却する。

（ステップＳ１１１）乾燥チャンバ３１を開けて、半導体基板Ｗを次工程へ搬送する。

このように、本実施形態では、半導体基板Ｗ上の液体ＩＰＡが全て気化してしまわないように昇温、昇圧し、所定の高温・高圧状態で半導体基板Ｗを乾燥させる。液体の表面張力は温度を上げることで低下する。従って、上述した数式１からも分かるように、ステップＳ１０８において、液体ＩＰＡが気化する際に半導体基板Ｗ上の微細パターンにかかる倒壊力Ｆは小さくなるため、パターン倒壊を防止できる。

また、高圧状態であるため、図６に示すように、パターン５０１とパターン５０２に挟まれた溝５１１にある液体、及びパターン５０２とパターン５０３に挟まれた溝５１２にある液体は、空間に露出している自身の表面積を最小化するため、パターンに対してほぼ垂直な液面を形成し、見かけ上、パターンと液体との接触角が撥液側に変化するようになる。つまり上述した数式１におけるθが９０°に近付くため、ｃｏｓθはゼロに近付く。そのため、半導体基板Ｗ上の微細パターンにかかる倒壊力Ｆをさらに小さくすることができる。

図７に、半導体基板Ｗ上のＩＰＡを全て気化させる温度Ｔと、半導体基板Ｗ上のパターン倒壊の有無との関係を示す。半導体基板Ｗには酸化膜、窒化膜、シリコン等を含み、アスペクト比が１０程度のパターンを形成した。

この結果から分かるように、アスペクト比１０以上のパターンが形成された半導体基板を乾燥させる場合、乾燥溶媒の温度は１６０℃以上（圧力１ＭＰａ以上）で行うことが好適である。従って、ステップＳ１０７における所定温度Ｔは１６０℃以上臨界温度未満の範囲であることが好ましい。

本実施形態では、ＩＰＡの臨界点（２４４℃、５．４ＭＰａ）未満の圧力・温度で乾燥処理を行うため、超臨界乾燥を行うチャンバと比較して、乾燥チャンバ３１のコストを削減できる。また、臨界点未満の圧力・温度で乾燥処理を行うため、ＩＰＡを超臨界状態にする場合と比較して、ＩＰＡの使用量を低減できる。また、本実施形態に係る乾燥方法は、乾燥溶媒をリサイクル使用する場合、ＩＰＡを超臨界状態する方法と比較して、ＩＰＡ自体の分解比率も低く、溶媒回収率が高い。従って、乾燥溶媒使用量をさらに低減し、コストを削減できる。

このように、本実施形態に係る基板乾燥方法によれば、微細パターンが形成された半導体基板を、パターン倒壊を防止しつつ、低コストに乾燥させることができる。

上記実施形態では、ステップＳ１１０において、乾燥チャンバ３１内で半導体基板Ｗの冷却を行っていたが、冷却のための別ステージを設け、乾燥チャンバ３１内の気体ＩＰＡの排出終了後、半導体基板Ｗをこの別ステージへ速やかに搬送するようにしてもよい。これにより、乾燥チャンバ３１を冷却する必要がなく、次の基板の処理を速やかに開始できるため、スループットを向上できる。

上記実施形態では乾燥溶媒としてＩＰＡを用いていたが、メタノール、エタノール等の水との置換が可能な他の薬液を用いてもよい。他の薬液を用いた場合も、上記実施形態と同様に、パターン倒壊が生じない所定の高温・高圧状態になるまでは薬液が存在する程度の液量の薬液を予め乾燥チャンバに導入しておき、臨界点未満の所定の高温・高圧状態になったら、徐々に気化した薬液を排出していき、基板上の薬液を全て気化させ、基板を乾燥させる。なお、乾燥溶媒としてメタノールを用いた場合は、１００℃以上臨界温度（２４０℃）未満まで昇温することが好適であり、エタノールを用いた場合は、１００℃以上臨界温度（２４３℃）未満まで昇温することが好適である。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１ 基板処理装置
１０ 基板洗浄部
２０ 基板搬送部
３０ 基板乾燥部

Claims (4)

1. 表面が薬液で濡れ、アスペクト比１０以上のパターンが形成された半導体基板をチャンバ内に導入する工程と、
   前記薬液を前記半導体基板上に残留させつつ、前記薬液の臨界温度未満の所定温度まで昇温する工程と、
   前記所定温度において前記半導体基板上に残留している前記薬液を全て気化させ、前記半導体基板を乾燥させる工程と、
   気化した前記薬液を前記チャンバから排出する工程と、
   を備え、
   前記薬液がイソプロピルアルコールである場合、前記所定温度は１６０℃以上であり、
   前記薬液がメタノール又はエタノールである場合、前記所定温度は１００℃以上であることを特徴とする基板乾燥方法。
2. 昇温前に、前記所定温度、前記所定温度における前記薬液の蒸気圧、及び前記チャンバの容量に基づく液量の前記薬液を前記チャンバ内に供給する工程をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の基板乾燥方法。
3. 前記薬液はイソプロピルアルコールであり、前記薬液を前記所定温度に昇温して、前記チャンバ内の圧力を１ＭＰａ以上にすることを特徴とする請求項１又は２に記載の基板乾燥方法。
4. 前記チャンバから排出された気体状態の前記薬液を回収して再生する工程をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の基板乾燥方法。

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