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
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 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 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 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
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