(57)【要約】連続循環した物理化学的研磨プロセスを用いた半導体ウェハの表面の洗浄を、統合された連続方法によって達成する。すなわち、上記の表面を、初めにエッチングし、次にすすぎ、最後に乾燥する。
2004512693.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学的機械研磨工程後に行う半導体ウェハ表面の洗浄方法において、
半導体ウェハを連続的に回転させている状態で、
ウェハ表面をエッチングする方法工程と、
ウェハ表面をすすぐ方法工程と、
ウェハ表面を乾燥する方法工程と、
を行う方法。
【請求項２】
上記の化学的機械研磨工程によって酸化物を平坦化した場合、
連続的に回転している上記半導体ウェハに対し、
殺菌された蒸留水によってすすぐ方法工程と、
ＨＦ溶液によってエッチングする方法工程と、
殺菌された蒸留水によってすすぐ方法工程と、
イソプロパノールおよび窒素からなる混合気体によって乾燥させる方法工程と、
を行う、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
上記の化学的機械研磨工程によって、半導体ウェハ上の金属層を平坦化した場合、
連続的に回転している上記半導体ウェハに対し、
ＨＦ溶液またはＨＦとＨ２Ｏ２添加物とを加えたＨ２ＳＯ４溶液によってエッチングする方法工程と、
殺菌された蒸留水によってすすぎ、イソプロパノールおよび窒素からなる混合気体によって乾燥させる方法工程と、
を行う、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
上記乾燥を行う間、半導体ウェハの回転速度を上げる、請求項２または３に記載の方法。
【請求項５】
上記化学的機械研磨工程と洗浄方法との間に、半導体ウェハを水槽に貯蔵する、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の方法によって、化学的機械研磨工程の後、半導体ウェハの表面を洗浄するための装置であって、
半導体ウェハ用の着脱部と、半導体ウェハを支えて回転させるための回転盤と、半導体ウェハを洗浄するためのプロセス溶媒の供給部と、半導体ウェハを洗浄するためのプロセス溶媒の回収部とを備えた、プロセス室を有する装置。
【請求項７】
上記プロセス室は、各洗浄工程を行うための独立したプロセス部を備え、プロセス部の間で上記回転盤が移動できるように設計されている、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
上記プロセス室の着脱部を化学的機械研磨機に接続するためのウェットハンドルが備えられている、請求項６または７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は、化学的機械研磨工程後の半導体ウェハ表面の洗浄方法、および、このような方法を実施するための装置に関するものである。
【０００１】
化学的機械研磨は、半導体素子の製造に頻繁に用いられてきている。特に、０．５μｍ未満世代の素子（Ｓｕｂ−０．５μｍ−Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅ）に関し、製造過程で発生する半導体ウェハ上の起伏（Ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｅ）を平坦化するために用いられている。この化学的機械研磨によって平坦化されるものとしては、主に、トレンチ充填部、金属プラグ（例えばコンタクトホールおよびビア中のタングステンのプラグ）、中間酸化物、および、合金誘電体を挙げられる。
【０００２】
化学的機械研磨を行うときには、処理される半導体ウェハを、ウェハキャリアによって回転可能な研磨台に圧着する。この研磨台の上には、穴の開いた（ｐｅｒｆｏｒｉｅｒｔｅ）、伸縮性のある、研磨剤（いわゆるスラリ）を含んだ、カバー（いわゆるパッド）が位置している。そして、半導体ウェハと研磨台とは、逆方向に回転している。これにより、半導体ウェハの表面の突き出た箇所（ｈｅｒａｕｓｒａｇｅｎｄｅｎ Ｓｔｅｌｌｅｎ）を、ウェハ表面が完全に平坦になるまで研磨除去できる。研磨剤は、一般的に、研磨粒子以外に、半導体ウェハ上の層を選択的に除去できる他の活性化学添加物を含んでいる。それゆえ、いわゆるブラインド研磨プロセス（ｂｌｉｎｄ−ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ−Ｐｒｏｃｅｓｓ；研磨される層の内部でやめる研磨プロセス）と、いわゆる阻止層研磨プロセス（Ｓｔｏｐ−Ｌａｙｅｒ−Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ−Ｐｒｏｃｅｓｓ；研磨層の下方に位置する他の層に対して選択的に研磨工程を行う）との違いは明らかである。
【０００３】
しかし、化学的機械研磨工程を行うと、一般的に、半導体ウェハの表面に、続く洗浄プロセス中に除去されるスラリ汚染物質が残る。この洗浄工程のために、研磨工程後、初めに半導体ウェハを水槽に貯蔵し、次に、ブラシ機器（いわゆるブラシクリーナー）によって表面の汚染物質を取り除く。このブラシクリーニングを行う間、半導体ウェハを、蒸留水および／またはアンモニアによって途切れなくすすぐ。次に、ブラシクリーニング工程後、乾燥部（Ｔｒｏｃｋｅｎｓｔａｔｉｏｎ）において高速回転することによって半導体ウェハを乾燥させる。上述のブラシクリーニング工程は、独立したウェハプロセスであり、この結果、ウェハ処理量は著しく制限されてしまう。さらに、ブラシクリーナーおよび乾燥脱水機の着脱（Ｂｅ− ｕｎｄ Ｅｎｔｌａｄｅｎ）が必要であるため、洗浄工程にはさらに著しく時間がかかってしまう。その上、ブラシクリーニングプロセスの間、蒸留水またはアンモニアを大量に消費してしまう。
【０００４】
ブラシクリーナーによってウェハ表面を洗浄する代わりに、化学バス（ｃｈｅｍｉｓｃｈｅｎ Ｂａｅｄｅｒｎ）のウェット洗浄プロセスを使用することもある。この化学バスを用いる場合、半導体ウェハを一連の複数の洗浄バス中を通し、特に、化学的に結びついたスラリの残留物を半導体表面で除去する。この化学洗浄後、蒸留水によってすすぎ、次に、ウェハの乾燥を行う。ここでは、半導体ウェハを、イソプロパノール溶液に通し、次に熱せられた窒素によって乾燥させる、いわゆるマランゴニ乾燥方法を用いることが好ましい。上述のウェット化学洗浄方法を行うと、複数の半導体ウェハを同時に洗浄でき、したがって、ウェハ処理量を増加やせる。しかしながら、ここでも、洗浄工程の際に化学物質を大量に消費し、設備コストが高まるという問題がある。
【０００５】
したがって、本発明の課題は、化学的機械研磨を行う際、半導体ウェハ上に残る汚染物質を、設備コストを抑えて、高速で効果的に除去できる方法および装置を提供することにある。
【０００６】
この課題を、本発明の請求項１に記載の方法および請求項６に記載の装置によって解決する。また、有効な一形態を従属請求項に示す。
【０００７】
本発明に従って、化学的機械研磨工程後に半導体ウェハの表面を洗浄するために、半導体ウェハのウェハを連続的に回転させている状態で、連続的に、半導体ウェハを初めにエッチング溶液によってすすぎ、次に、蒸留水によってすすぐことが好ましく、さらに、イソプロパノール窒素混合物（Ｉｓｏｐｒｏｐａｎｏｌ−Ｓｔｉｃｋｓｔｏｆｆ−Ｇｅｍｉｓｃｈ）によって乾燥させることが好ましい。
【０００８】
この本発明の集積化されたプロセスを実施することによって、従来、洗浄の際に別々に行われていたプロセス工程を１つにできる。これにより、プロセス時間を低減できるとともに、ウェハ処理量を大幅に増やせる。そして特に、ウェハを連続的に回転させている状態で洗浄工程を実施することで、エッチング化学物質および蒸留水を大幅に低減できる。
【０００９】
有効な一形態では、エッチング溶液として、ＨＦ溶液、緩衝ＨＦ溶液、または、Ｈ２ＳＯ４、Ｈ２Ｏ２およびＨＦからなる溶液を使用する。このようなエッチング溶液によって、特に酸化物または金属を平坦化する際に、化学的機械研磨工程によって発生するようなスラリ汚染物質を、確実に除去できる。
【００１０】
また、本発明の洗浄装置は、半導体ウェハ用の着脱部（Ｂｅ− ｕｎｄ Ｅｎｔｌａｄｅｓｔａｔｉｏｎ）と、半導体ウェハを支えて回転させるための回転盤と、半導体ウェハを洗浄するためのプロセス溶媒用の供給・回収部（Ｒｕｅｃｋｆｕｅｈｒｕｎｇｅｎ）とを有するプロセス室（Ｐｒｏｚｅｓｓｋａｍｍｅｒ）を備えている。このような形態によって、１つのプロセス室のみを備えることで、乾燥を含めた全洗浄工程を行える。この結果、設備コストを著しく削減できる。さらに、全洗浄・乾燥工程の間、半導体ウェハは、１つの空間に位置している。これによって、特に、表面欠陥のリスクを著しく低減できる。
【００１１】
他の有効な形態では、洗浄・乾燥工程用のプロセス室は、ウェットハンドル（Ｎａｓｓ−Ｈａｎｄｌｅｒ）を介して、直接、化学的機械研磨用装置と接続されている。これによって、半導体ウェハ上の欠陥密度（Ｄｅｆｅｋｔｄｉｃｈｔｅ）を最小に抑えられる、集積化された研磨・洗浄プロセスを実施できる。
【００１２】
本発明を添付図面に基づいて詳述する。図１は、化学的機械研磨機および洗浄部（Ｒｅｉｎｉｇｕｎｇｓｓｔａｔｉｏｎ）からなる連結器を示す概略図である。図２Ａは、ブラインド研磨プロセスを示す図である。図２Ｂは、阻止層研磨プロセスを示す図である。図３は、化学的機械研磨機を示す概略断面図である。図４は、本発明の洗浄部を示す断面図である。
【００１３】
図１に示した連結器は、研磨機１と、ウェットハンドル２と、洗浄部３とから構成されている。この研磨機１を、図３の概略断面図によって示す。回転可能な研磨台１１上には、穴の開いた伸縮性のあるカバー１２（研磨剤（いわゆるスラリ）の供給部（Ｚｕｆｕｅｈｒｕｎｇ）１３からの研磨剤が浸透した、いわゆるパッド）が位置している。また、加工される半導体ウェハ４が、回転できるように設計されたウェハキャリア１４によって、パッド１２上に圧着されている。このウェハキャリア１４は、その上に固定された半導体ウェハ４および研磨台１１とは逆方向に回転するようになっている。
【００１４】
研磨剤は、半導体ウェハ４上の層を選択的に除去できる研磨粒子（つまり研磨パーティクル）および活性化学添加物を含んでいる。研磨粒子は、一般的に、平均２０〜５００ｎｍであり、そのほとんどは水晶、酸化アルミニウム、または、酸化セリウムからなる。また、化学添加物は、除去される層の材料に適合するように調整される。つまり、例えばタングステンを平坦化するためには、Ａｌ２Ｏ３とＦｅ（ＮＯ３）２との混合物をスラリとして使用する。また、酸化層を研磨するためには、特に、研磨粒子としてのＳｉＯ２と、蒸留水と、ＮＨ３との混合物をスラリとして使用する。
【００１５】
化学的機械研磨は、とりわけ、トレンチ充填剤と、接触ホールおよびビアに位置する金属プラグと、中間酸化物および合金誘電体とを平坦化するために用いられる。ここでは、図２Ａおよび図２Ｂに示した２つの異なる研磨プロセスについて記載する。いわゆるブラインド研磨プロセスでは、図２Ａに示したように、Ｓｉ基板４１と、薄いＳｉ２Ｎ３層４２と、その上に位置し、厚いＳｉＯ２層４４によって覆われた金属導体（Ｍｅｔａｌｌｅｉｔｅｒｂａｈｎｅｎ）４３とを含む層構造体を処理する場合、研磨されるＳｉＯ２層のさらに内部で研磨プロセスを終了するように、ＳｉＯ２層４４の平坦化を制御する。このとき、終点検出のために、例えば、容量を測定することによって、絶縁性のＳｉＯ２層の厚さを把握することが好ましい。そして、阻止層研磨プロセスでは、図２Ｂに示したように、トレンチを備えたシリコン層４１と、その上に配置された薄いＳｉ２Ｎ３層４２と、厚いＳｉＯ２層４４とを含む層構造体を処理する場合、ＳｉＯ２層４４の下に位置するＳｉ２Ｎ３層４２が露出すると、研磨プロセスを終了する。このとき、終点検出については、例えば、層材料を接合するときに変化する、回転するウェハキャリアの電流摂取量を測定することで行える。
【００１６】
化学的機械研磨の基本的な問題点として、半導体表面の研磨工程後に付着しているスラリの残留物を除去する必要がある、という点がある。このような残留物の洗浄を、本発明では、洗浄装置３で行う。この洗浄装置３の主な部材を、図４の断面図にできるだけ正確に（ｇｅｎａｕｅｒ）示す。洗浄する半導体ウェハ４を、研磨機１から、ウェットハンドル２によって洗浄部３に直接移す。ここで、半導体ウェハを洗浄部３へ移動させる（ｖｅｒｆａｈｒｅｎ）ために、ウェットハンドル２は、洗浄される半導体ウェハを中間貯蔵する水槽２１を含んでいる。この研磨機１および洗浄部３を連結して構成することによって、プロセスをはるかに簡単に実行でき、研磨機から洗浄部への移行の際に、半導体表面に欠陥が形成される危険をはるかに削減できる。
【００１７】
本発明の洗浄部３は、着脱部３１を備えている。この着脱部３１は、ウェットハンドル２と洗浄空間３２とに接続されている。この洗浄空間３２は、ほぼシリンダー状に設計されている。そして、この洗浄空間３２は、垂直に配置された複数の小室（Ｕｎｔｅｒｋａｍｍｅｒ；この実施形態では４部（ｖｉｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎｅｎ））に分割され、それら小室の間に、回転可能な台３３を垂直に備えられるようになっている。この回転台３３の上に、洗浄される半導体ウェハ４が配置されている。半導体ウェハはエッジでのみ支えられているので、表面・裏面を同時に洗浄できる。
【００１８】
さらに、回転台３３の上方には、５つの供給線が供給部３４に備えられており、これにより、半導体表面の各洗浄工程用のプロセス溶媒を、洗浄空間３２に供給する。さらに、洗浄空間３２の各小室には、回収部（Ｒｕｅｃｋｆｕｅｈｒｕｎｇ）３５が配置されており、これによって、流出するプロセス溶媒を蓄積し、再回収できる。また、上下方向に配置された複数のプロセス段階（Ｐｒｏｚｅｓｓｅｂｅｎｅｎ）を、互いの間で回転台３３を移動できるような複数の小室で実施することによって、一連の洗浄工程に、１つづつ別々のプロセス部（Ｐｒｏｚｅｓｓｓｔａｔｉｏｎ）を備えることができる。これにより、使用されたプロセス溶媒を洗浄室において清潔に（ｓａｕｂｅｒｅ）分割しておける。さらに、複数の洗浄室を平行して備えるように、洗浄部を設計できる。また、より多群の半導体ウェハを同時に洗浄でき、したがって、処理量を増やせる。
【００１９】
また、半導体ウェハに対する酸化物層の化学的機械研磨の後に残ったスラリ残留物の除去については、本発明では、次のプロセスシーケンス（Ｐｒｏｚｅｓｓｆｏｌｇｅ）を行う。半導体ウェハは、全洗浄工程の間、洗浄室３２の回転盤３３上で回転している。まず、第１小室において、半導体ウェハを、殺菌された蒸留水によってすすぐ。次に、第２小室において、ＨＦ溶液によって半導体表面のスラリ残留物を除去する。そして、第３小室において、殺菌された蒸留水によって半導体ウェハをもう一度すすぐ。最後に、第４小室において、回転台３３の回転速度を上げた状態で、イソプロパノール窒素混合物によって半導体ウェハを乾燥させる。この洗浄プロセスシーケンスによって、酸化物平坦化の際に化学的機械研磨によって発生するスラリの残留物を、効果的に速く除去できる。また、必要な集積化プロセス工程は僅かである。さらに、洗浄に用いる蒸留水およびエッチング溶液を少なくできる。
【００２０】
また、本発明では、化学的機械研磨によってタングステンを平坦化する場合、発生するスラリの残留物の除去を、次のプロセスシーケンスに従って行うことが好ましい。まず、回転台３３上の半導体ウェハ４を連続的に回転させている状態で、順々に、各小室において、初めに蒸留水によってすすぎ、次に、スラリの残留物を、ＨＦまたは少量のＨＦおよびＨ２Ｏ２を有する薄めた硫酸を用いたエッチングで除去する。次に、半導体ウェハを、蒸留水によってもう一度すすぎ、第４小室において、回転速度を上げた状態で、イソプロパノール窒素混合物によって乾燥させる。このプロセスシーケンスによっても、タングステンの平坦化を行う場合に化学的機械研磨によって残ったスラリの残留物を、効果的に速く除去できる。
【００２１】
本発明のプロセスシーケンスは、エッチングおよびすすぎに用いる液体を適切に選択することによって、基本的には、機械化学的研磨を行った場合に発生しうる全ての汚染物質に適応できる。したがって、本発明の範囲内で、機械的化学研磨を行う場合に半導体ウェハ上に残る残りかすを除去するために、上記した実施例に限らず、特に、上記した材料およびプロセスを適切に変形してもよい。上述の説明，図面および請求項に開示された本発明の特徴のそれぞれも、またそれらを任意に組み合わせたものも、本発明を実現するために、その様々な形態において重要である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
化学的機械研磨機と洗浄部からなる連結器を示す概略図である。
【図２Ａ】
ブラインド研磨プロセスを示す図である。
【図２Ｂ】
阻止層研磨プロセスを示す図である。
【図３】
化学的機械研磨機を示す概略断面図である。
【図４】
本発明の洗浄部を示す断面図である。
【国際公開パンフレット】
2004512693.tif 000003
2004512693.tif 000004
2004512693.tif 000005
2004512693.tif 000006
2004512693.tif 000007
2004512693.tif 000008
2004512693.tif 000009
2004512693.tif 000010
2004512693.tif 000011
2004512693.tif 000012
2004512693.tif 000013
2004512693.tif 000014
2004512693.tif 000015
2004512693.tif 000016
2004512693.tif 000017
【国際調査報告】
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2004512693.tif 000020
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