4 基板洗浄

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あゆみあくや
6 years ago
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1 4. 基板洗浄 4.1 基板表面の汚染の形態とその影響デバイスプロセスではまず基板表面を清浄に維持せねばならない基板洗浄はプロセスの出発点で行なうが途中でもしばしば行なう基板上に粒子状物質が載っていたり表面の一部あるいは全体が汚染物質で被覆されるとその上に堆積する薄膜の密着性は弱くまた所定のエッチング加工もできないからである汚染の種類は粒子状汚染物 ( パーテイクル ) 無機物汚染有機物汚染に大別できるパーテイクルは基板操作中に外部から紛れ込んだり作業者が発生したり室内に浮遊する粉塵が基板上に堆積したりする最小パタン寸法よりも大きなパーテイクルが基板上に載っていればそれはパタン欠陥を引起しデバイス歩留 ( 良品率 ) の低減に繫がる人間の目で判別可能なパーテイクルの最小限界寸法は 100~10μm であるがこの程度のパーテイクルの除去だけでは不十分である最近の ULSI の特性長は 65~35nm であるから論理的にはこの程度の寸法まで問題視する大きな寸法のパーテイクルを除去して最後に問題になるのは作業環境中の空間に浮遊する微細なパーテイクルである IC ウェーハ生産工場では作業環境中のパーテイクルを一定量以下に管理したクリーンルームを使うがここでは詳細には触れないパーテイクルとは別な無機物汚染はそれが金属性であれば電気絶縁性の低下をもたら基板表面が金属あるいはシリコンなどの場合には空気中の酸素や水蒸気と反応して必ず薄い自然酸化膜ができるがこれも好ましくない影響例えば電気的接続不良を与える場合がある有機物汚染には付着した油性汚染物プロセス中に使用したレジストの残渣作業者の放出する汚染物等があるこれらはデバイス特性上電気接触不良の原因になる可能性があるまた次のプロセスで基板上に薄膜を形成する場合には汚染物の被覆があると作製された薄膜の基板密着強度は充分に高くできない表 4-1 には以上の基板汚染の分類と影響をまとめて示す表 4-1 基板汚染の分類分類区分汚染内容影響粒子状汚染 ( ハーテイクル ) ゴミチリパタン欠陥歩留低下無機物汚染金属電気特性不自然酸化膜良有機物汚染汚れレジスト残渣吸着電気特性不良薄膜密着性不足表 4-2 洗浄 ( クリーニング ) 法方の分類分類洗浄方法除去対象物ウェット化学エッチンク機械的タメーシ層洗浄酸化還元有機物, Si, SiO2 溶解有機物金属超純水残留薬品の濯ぎ機械フラシハーテイクル洗浄粒子噴射吹付ハーテイクルトライフラスマ洗浄 Si, C, 有機物洗浄高温水素アニール SiO2 Ar スハッタ酸化物等表面層 4

槽の外壁に取り付けられた超音波振動子のエネルギーが液体中を伝播して基板上のパーテイクルを振動させて基板表面から脱離するのを促進する図 4-3 は後述するシリコンウェーハの RCA 洗浄の APM(ammonium hydrogen-peroxide

2 4.2 各種洗浄方法表 4-2 には汚染除去のための様々な洗浄方法をまとめて示すこれらはプロセスの様々な段階で幾つか組み合せて使われる以下にはこれらの中の代表的な洗浄方法について説明する図 4-1 はブラシ洗浄を示すウェーハの両面にブラシを押し当ててウェーハを回転しながらブラシで擦る落されたパーテイクルは脱イオン水 (de-ionized water, DI water) の流れの中で運び去られる図 4-2 は超音波洗浄槽を使う液体洗浄を示す槽の外壁に取り付けられた超音波振動子のエネルギーが液体中を伝播して基板上のパーテイクルを振動させて基板表面から脱離するのを促進する図 4-3 は後述するシリコンウェーハの RCA 洗浄の APM(ammonium hydrogen-peroxide mixture: アンモニア過酸化水素水混合液 ) 薬品水溶液中で油性有機物に被覆されたパーテイクルが除去される洗浄のメカニズムを示す最初に有機物被覆が薬品により溶解して除かれ次にパーテイクルと基板表面の間に溶液が図 4-1 ブラシ洗浄器 ( 洗浄初期段階に使用大量の汚染物質除去大型パーテイク除去に使う ) 図 4-2 超音波洗浄槽を使う液体洗浄 5

浸透してパーテイクルが表面から脱離するブラシ洗浄後のシリコンウェーハの化学薬品による洗浄は RCA 洗浄と金属成膜後洗浄 (post-metal clean) の 2 種類が工業的に標準化されており前者はトランジスタを形成するまでの工程で使用され後者はトラジスタ間の金属配線処理工程以後使用される表 2-2 有機物被膜図 4-3 APM の有機物パーテイクル洗浄機構に示したDRAM

3 浸透してパーテイクルが表面から脱離するブラシ洗浄後のシリコンウェーハの化学薬品による洗浄は RCA 洗浄と金属成膜後洗浄 (post-metal clean) の 2 種類が工業的に標準化されており前者はトランジスタを形成するまでの工程で使用され後者はトラジスタ間の金属配線処理工程以後使用される表 2-2 有機物被膜図 4-3 APM の有機物パーテイクル洗浄機構に示したDRAM 作製プロセスでは #1 の両ウェル形成ブロックから #4 のソースドレイン形成ブロックまでがトラジスタ形成までの工程でありここまではウェーハ作製プロセスのフロントエンド ( ウェーハ前工程 :front-end of line, FEOL) と呼びそれ以降をバックエンド ( ウェーハ後工程 :back-end of line, BEOL) と呼んで二つに区別する RCAの名前はこの洗浄技術を確立した会社に因むが洗浄能力は非常に強力でSi, SiO 2, Si 3 N 4 以外の物質は溶解して除去される BEOLの洗浄では金属配線材料を溶解せず有機汚染物質を除去する表 4-3 にRCA 洗浄の順序と使用薬品等をまとめて示す表 4-3 RCA 洗浄の順序使用薬品除去対象物等順序洗浄名称溶液組成と混合比率温度時間洗浄対象物 1 SPM H 2 SO 4 /H 2 O 2 1:1~4:1 120~150,10min 有機物 ( フォトレシスト ) 金属 2 DHF H 2 O/HF 10:1~50:1 RT, 1min SiO 2 層 3 DI water H 2 O RT リンス 4 APM(SC-1) NH 4 OH/H 2 O 2 /H 2 O 1:1:5~0.05:1:5 80~90, 10min 有機物パーテイクル 5 DI water H 2 O RT リンス 6 HPM(SC-2) HCl/H 2 O 2 /H 2 O 1:1:6 80~90, 10min 金属汚染 7 DI water H 2 O RT リンス SPM: sulfuric-acid and hydrogen-peroxide mixture, DHF: diluted hydrofluoric acid, DI: de-ionized, APM: ammonium hydrogen-peroxide mixture, SC: standard clean, RT: room temperature 表 4-4 三種類のフォトレジスト除去法方適用プロセス条件使用薬品除去化学反応 1 下層 SiO2 無機剥離液 :H2SO4(70%) + H2O2(30%), 125 H-C + O CO 2 +1/2H 2 2 下層金属薄膜有機剥離液 : フェノール系低フェノール系非フェノール系 3 制約無しトライエッチンク ( フラスマアッシャー灰化 ):O 2 カスフラスマ H-C + O CO 2 +1/2H 2 6

表 2-3 では 66 のプロセスステップの中でリソグラフィーは最大の 16 回行なわれている

加工終了後は常にウェーハ表面から除去して次のステップに進むフォトレジスト除去はストリップと呼ばれるが表 4-4

等のアルカリイオンが溶融しておりこれはSiの図 4-4 多段槽式リンス方式 ( 窒素泡沫で表面薬品除去促進

4 表 2-3 では 66 のプロセスステップの中でリソグラフィーは最大の 16 回行なわれているその度にフォトレジストが塗布され写真露光技術によりマスクパタンに変換されるが加工終了後は常にウェーハ表面から除去して次のステップに進むフォトレジスト除去はストリップと呼ばれるが表 4-4 にその三種類の方式を示す表 4-3 に示す SPM のフォトレジスト除去はその後に残留分の洗浄を意味する表 4-3 には薬品の洗浄と洗浄の間に 3 回の脱イオン水によるリンスが含まれているリンスは薬品水溶液のウェーハ表面残留分を洗い流すための濯ぎである脱イオン水を使うのは通常の水には微量のNa + 等のアルカリイオンが溶融しておりこれはSiの図 4-4 多段槽式リンス方式 ( 窒素泡沫で表面薬品除去促進高清浄度槽にウェーハを移動して再汚染防止洗浄水有効利用 ) 図 4-5 スプレイ式リンスの方式 ( 洗浄水のスプレーと高速排水の繰返し ) 図 4-6 スピンリンサードライヤー ( ウェーハ高速回転で水の振切りチャージアップ防止用イオン化乾燥窒素導入 ) 図 4-7 IPA 蒸気洗浄槽 7

半導体特性に悪影響を及ぼすのからである特に不純物混入を抑制する重要なプロセスでは超純水を用いるリンスはウェーハ表面に残留する微量の薬品を除くために行なうがリンスをしている際にむしろ一度表面から徐供した汚染物が再付着する危険性もあるので注意を要するそれらの抑制対策を施したリンス方式を図 4-4, 4-5 に示すまたリンスする脱イオン水中には不溶性物質 ( 大部分はシリカ :SiO 2

5 半導体特性に悪影響を及ぼすのからである特に不純物混入を抑制する重要なプロセスでは超純水を用いるリンスはウェーハ表面に残留する微量の薬品を除くために行なうがリンスをしている際にむしろ一度表面から徐供した汚染物が再付着する危険性もあるので注意を要するそれらの抑制対策を施したリンス方式を図 4-4, 4-5 に示すまたリンスする脱イオン水中には不溶性物質 ( 大部分はシリカ :SiO 2 の微粒子 ) が含まれておりウェーハ上に残った脱イオン水を蒸発させるとそれらはウェーハ表面に残り外観上は水滴点となる従ってリンスに用いた水は表面に残してはならない図 4-6, 4-7 にそのための対策に使われるスピンリンサードライヤーとIPA 蒸気洗浄槽 (isopropyl-alcohol vapor-dryer) を示す図 4-8 自動レーザパーテイクルカウンター (a) パーテイクル検査の原理 : ウェーハ上に入射する光のパーテイクルによる散乱反射を利用 (b) レーザビームを用いた自動欠陥検査装置ブロックダイヤグラム (c) ウェーハ上のパーテイクルマップ (d) レーザ反射光検出光学系 8

6 4.3 パーテイクルカウンター図 4-8 にウェーハ表面のパーテイクルを測定する検査装置の原理構成ブロックダイヤグラムウェーハ上のマップ光学系を示すウェーハ表面に入射したレーザ光がパーテイクルの無い場所では鏡面反射しある場所では拡散反射することを利用してビームを走査することによりウェーハ上のパーテイクルの存在箇所とその大きさを自動的に検出することができるパーテイクル以外にウェーハ上のピットスパイククラックスクラッチ等々の外形的欠陥も同時に検出される検出限界は約 0.1 μm である 4.5 基板洗浄の問題 (1) 基板洗浄は何故必要か説明せよ (2) 基板表面に物理吸着する汚染物の種類にはどのようなものがありそれはどのような悪影響を及ぼすか (3) シリコンウェーハの洗浄は FEOL(front end of line, 前工程 ) と BEOL(back end of line, 後工程 ) では用いる洗浄液の種類が異なる何故そうせねばならないのか説明せよ (4) 2 つの標準 RCA 洗浄 SC-1, SC-2 の洗浄水溶液の成分とそれによって洗浄する対象物を述べよ (5) フォトレジストの除去にはどのような方式があるか (6) リンスは何故必要かリンスによる汚染防止のため配慮すべきことは何かそのための具体的リンス方式を 2 種類説明せよ (7) シリコンウェーハ洗浄工程では純水でリンスした後に表面に残った純水を直ちに機械的に振切り徐々に乾燥させることを避ける理由は何か 9

Microsoft PowerPoint - 集積デバイス工学２.ppt

Microsoft PowerPoint - 集積デバイス工学２.ppt チップレイアウトパターン ( 全体例 ) 集積デバイス工学 () LSI の製造プロセス VLSI センター藤野毅 MOS トランジスタの基本構造 MOS トランジスタの基本構造絶縁膜絶縁膜 p 型シリコン断面図 n 型シリコン p 型シリコン断面図 n 型シリコン破断面破断面トランジスタゲート幅 W 平面図 4 トランジスタゲート長 L 平面図 MOS トランジスタ (Tr) の構造