(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体ウェハ洗浄装置であって、
脱イオン水、硫酸、および過酸化水素を含む洗浄液を含むプロセス・タンクと、
前記洗浄液のフッ素イオン濃度について時間の経過と共に複数回の測定を実施して前記各測定に関連する測定濃度レベルを得るためのモニタリング・システムと、
フッ化水素酸の供給源と、
前記測定濃度レベルに応答する制御装置と、
前記制御装置に応答して、前記供給源から前記プロセス・タンクにフッ化水素酸を加えるポンプ輸送装置であって、目標フッ素イオン濃度レベルを達成するのに十分である第１の量のフッ化水素酸を初期に加え、その後は前記洗浄液のフッ素イオン濃度を前記目標フッ素イオン濃度レベルに維持するように少量のフッ化水素酸を加えるポンプ輸送装置と、
脱イオン水、硫酸、および過酸化水素を含みフッ化水素酸を含まない予混合溶液をブレンドするための混合タンクと、
前記混合タンクを前記プロセス・タンクに連結し、前記予混合溶液がそれを通して前記プロセス・タンクに移送されるチューブと、
前記プロセス・タンクの満杯レベルを検知し、前記満杯レベルに達したとき予混合溶液の移送を停止するためのバルブ制御装置とを含み、
前記洗浄液が少なくとも８０体積％の水を含有し、
前記目標フッ素イオン濃度レベルが５ｐｐｍ〜１２ｐｐｍの間にあり、
前記モニタリング・システムは、フッ素イオン濃度の対数に比例する電圧の変化を測定することによりフッ素イオン濃度を測定する、
装置であって、
前記制御装置は、前記測定濃度レベルが初期限界値より小さい場合には、前記ポンプ輸送装置に、前記第１の量のフッ化水素酸を加えるよう指示し、前記測定濃度レベルが下限値より小さい場合には、前記ポンプ輸送装置に、前記フッ素イオン濃度が実質的に前記目標フッ素イオン濃度レベルとなるまで、少量のフッ化水素酸を加えるよう指示することができ、
前記初期限界値は前記目標フッ素イオン濃度レベルより小さく、前記下限値は前記初期限界値より大きくかつ前記目標フッ素イオン濃度レベルより小さい、
装置。
【請求項２】
前記制御装置は、前記測定濃度レベルが高限界値以上である場合には、さらにアラームを発生させることができ、前記高限界値は前記目標フッ素イオン濃度レベルより大きい、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記洗浄液が約５０部の脱イオン水、約３部の濃硫酸、および約７部の３０重量パーセント過酸化水素を含む請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記初期限界値が約２ｐｐｍである請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記下限値が前記目標フッ素イオン濃度レベルより約０．５〜１ｐｐｍ小さい請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記プロセス・タンクが前記洗浄液を実質的に一定温度に維持する加熱エレメントをさらに備える請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記一定温度が３５±２℃である請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記モニタリング・システムが約２ｐｐｍの濃度のフッ素イオンを０．５ｐｐｍ以内の確度で検出できる請求項１に記載の装置。
【請求項９】
半導体ウェハの洗浄液をブレンドし維持する方法であって、
脱イオン水、硫酸、および過酸化水素を含みフッ化水素酸を含まない予混合溶液を予混合するステップと、
前記予混合溶液をプロセス・タンクに移送するステップと、
前記プロセス・タンクの洗浄液のフッ素イオン濃度について時間の経過と共に複数回の測定を実施して前記各測定に関連する測定濃度レベルを得るステップと、
目標フッ素イオン濃度レベルを設定するステップと、
前記目標フッ素イオン濃度レベルより小さい初期限界値を設定するステップと、
前記初期限界値より大きく前記目標フッ素イオン濃度レベルより小さい下限値を設定するステップと、
前記測定濃度レベルと、前記目標フッ素イオン濃度レベル、並びに、初期限界値および下限値とを比較して、前記測定濃度レベルが前記初期限界値より小さい場合には、前記フッ素イオン濃度が実質的に前記目標フッ素イオン濃度レベルとなるように前記プロセス・タンクに第１の量のフッ化水素酸を加え、前記測定濃度レベルが前記下限値より小さい場合には、前記フッ素イオン濃度が実質的に前記目標フッ素イオン濃度レベルとなるまで前記プロセス・タンクに少量のフッ化水素酸を加えるステップとを含み、それによって、
前記プロセス・タンクに移送された予混合溶液は前記目標フッ素イオン濃度レベルの洗浄液となるように初期に混合され、以降は前記洗浄液のフッ素イオン濃度が実質的に前記目標フッ素イオン濃度レベルに維持され、
前記洗浄液が少なくとも８０体積％の水を含有し、
前記目標フッ素イオン濃度レベルが５ｐｐｍ〜１２ｐｐｍの間であり、
前記測定濃度レベルを得るステップが、フッ素イオン濃度の対数に比例する電圧の変化を測定することによりフッ素イオン濃度を測定するステップである
方法。
【請求項１０】
前記予混合ステップが、約７部の３０重量パーセント過酸化水素を約５０部の脱イオン水に加えるステップと、次に約３部の濃硫酸を加えるステップとをさらに含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記洗浄液を実質的に一定温度に維持するステップをさらに含む請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記一定温度が３５±２℃である請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体加工に関し、より詳細には洗浄液の望ましい特性を実現し維持する希釈洗浄液を用いてウェハを湿式洗浄する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造においては、加工の様々な段階でウェハを洗浄しなければならない。例えば、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）プロセスでは、基板に無機ポリマー残渣が残ることがあり、これを取り除かない場合、半導体デバイスに電気的または機械的欠陥をもたらすことになる。
【０００３】
ＲＩＥはしばしば導電性フィルムまたは層中に半導体回路用の配線または接続（例えば、端子バイア）として機能する金属線（例えば、アルミニウム、銅、および当技術分野で知られる合金）のパターンを形成するのに使用される。ＲＩＥプロセスは通常フォトレジストを用いる導電層のパターニング、および次に反応性イオン・エッチングを使用するものであり、プラズマ雰囲気が、例えば三塩化ホウ素、ＨＣｌガス、Ｃｌ2、または他の活性種を含む化学種から生成し、それら導電層の露出部分をエッチングする。しかし、ＲＩＥプロセスは通常金属の回りに残渣が残り、例えばアルミニウム線では、これは無機マトリックスに取り込まれた塩素に加えてアルミニウムの複合ポリマー酸化物を含む。これはしばしば側壁ポリマー残渣と呼ばれ、その存在は空気または湿気に曝された場合に金属線が腐食する１つの原因である。さらに、ＲＩＥプロセスの後、側壁ポリマーは半導体ウェハ表面に残る。これらの側壁ポリマーは「ポリマー・レール（ｐｏｌｙｍｅｒ  ｒａｉｌ）」として知られ、無機的な性質を有し、通常アルミニウム、シリコン、チタン、酸素、炭素および塩素を含めて様々な化学成分を含む。これらの各成分は半導体の機能に有害な作用をしあるいは妨害するので、側壁ポリマーを除去することが望ましい。
【０００４】
従来技術のいくつかの洗浄プロセスでは、ＲＩＥプロセスの後で配線および端末バイアを洗浄するためにクロム系リン酸（ＣＰ）溶液または他の重金属溶液を用いていた。しかし、このような重金属溶液は、環境および健康への影響を避けるために特別な取扱いとそれに関連するコストを必要とする。
【０００５】
より最近になって、水を８０体積パーセントより多く含む溶液が用いられており、これらは重金属（例えばクロム）系の溶液より環境により安全でまたコストがかからない。主たる添加成分には硫酸および過酸化水素が含まれ、得られる溶液はしばしば希釈硫酸／過酸化物（dilute sulfuric peroxide、ＤＳＰ）と呼ばれる。他の酸化剤、例えばオゾンを過酸化物の代わりに用いてもよい。例えば、デレハンティ（Delehanty）他（米国特許第５７８０３６３号、以下でデレハンティ特許として参照する）は、約０．０１重量％から約１５重量％の硫酸、および約０．０１重量％から約２０重量％の過酸化水素または約１ｐｐｍから３０ｐｐｍのオゾンを含む水性エッチング溶液を開示し、これは基板から、特にアルミニウム線をもつチップからポリマー残渣を取り除くのに有効である。通常のＤＳＰ溶液は約５０部の脱イオン水、約７部の標準３０％希釈過酸化水素、および約３部の濃硫酸、あるいはほぼ９２重量％の水、３重量％の過酸化物、および５重量の硫酸を混合することにより得られる。しかし、この混合物はすべてのタイプのポリマー・レールの除去には成功しなかった。
【０００６】
約０．１〜約１００ｐｐｍ、好ましくは約８〜１０ｐｐｍの範囲の少量のフッ化水素酸（ＨＦ）を添加して希釈硫酸／過酸化物／フッ化水素酸（ＤＳＰＨＦ）溶液にすると、エッチング速度を改善するのに十分であり、さらに結果としてＲＩＥプロセス後の金属から側壁ポリマーをより完全に除去でき、効果的に金属接点を洗浄し、またアルミニウムだけでなく銅加工技術の特殊な用途に用いることができるということが見出された。しかし、ＤＳＰＨＦ溶液中の少量のＨＦは時間の経過と共に涸渇し、浴の効力を低下させ、時間の経過によらずＨＦ濃度を比較的一定のレベルに保つことは手動操作では難しい。例えば、ＤＳＰＨＦ洗浄液は同時係属の米国特許出願第０８／９７５７５５号に開示されており、その全体を参照により組込む。
【０００７】
テルヒト（Teruhito）他（欧州特許出願０  ６１８  ６１２  Ａ３、以下でテルヒトとして参照する）は、時間の経過につれて洗浄液が劣化することを防ぐ目的をもつ、半導体基板の残渣を洗浄する方法および装置を開示する。テルヒトは、硫酸と過酸化水素の比が５：１の混合物を含み、フルオロ硫酸（ＨＳＯ3Ｆ）またはＳＯ2Ｆ2を添加した濃厚洗浄液を記載しているように思われ、さらに８０℃〜１３０℃の範囲、好ましくは約１００℃の温度で洗浄液を使用することを開示している。テルヒトは、ＨＦより優先して用いられるＨＳＯ3ＦまたはＳＯ2Ｆ2を使用すると、エッチング速度を好ましい毎分０．５〜２ｎｍの範囲に安定化する傾向をもつフッ素イオンの量が揮発により減少したとき、フッ化水素酸およびフッ素イオンを放出するように作用することを開示している。テルヒトは、少なくとも８０％の水を含む非常に希釈された溶液が半導体基板上のポリマー残渣の洗浄に適切であることは示唆していない。テルヒトは、フッ素濃度をモニタするのに赤外線検出器を、またフッ素濃度をほぼ一定値に維持するために指定された時間フルオロ硫酸を添加するように働く制御装置を用いることは確かに開示している。しかし、フルオロ硫酸はＨＦに比べて通常入手しやすい化学薬品ではない。さらに、テルヒトに開示されているモニタリング装置、制御装置、およびバルブ機構は、例えば約５ｐｐｍ〜約１２ｐｐｍの範囲にある非常に少量のフッ素イオン濃度を正確に検出し制御するのに適しているようには思われない。例えば、テルヒトは、主プロセス・タンクに隣接する小さな槽にフルオロ硫酸を添加し、その流体がチューブを通ってその小さな槽からプロセス・タンクに循環しているときにイオン濃度を測定することを開示しているように思われる。本発明の発明者は、このような配置では洗浄が行われているプロセス・タンクのフッ素イオンの高濃度レベルを正確に反映せず不正確に示唆することを見出した。さらに、本発明者は５ｐｐｍ〜約１２ｐｐｍの範囲のフッ素濃度を正確にモニタできる赤外線検出器を知らない。
【０００８】
カミカワ（Kamikawa）他（米国特許第６１５８４４７号、以下でカミカワとして参照する）は、半導体ウェハを浸漬するための洗浄浴を含む洗浄装置を開示する。この装置は設定量の希フッ化水素酸（ＨＦ）などの化学薬品を水に注入するための化学薬品供給パイプおよびポンプを含む。溶液の温度はセンサでモニタされ、温度センサからの信号出力に基づき、ダイアフラム・ポンプは、ある量の化学薬品を注入して化学薬品の濃度が設定濃度となるように制御される。しかし、ＲＩＥプロセスから残されたポリマー残渣を洗浄するという目的には、例えば６ｐｐｍ〜１２ｐｐｍの範囲の非常に少量のＨＦが必要となるが、当技術分野で知られるダイアフラム・ポンプはこれほど少量に制御されるＨＦの添加を制御することはできない。カミカワ特許では、ＨＦ濃度をモニタする必要も示唆されていない。
【０００９】
マッコネル（McConnell）他（米国特許第４８９９７６７号、以下でマッコネルの'７６７特許として参照する）は、異なる複数の処理液を用いて半導体ウェハを処理するシステムを開示する。流体のレベル、温度、および流体の電気伝導度を検出するセンサが設けられる。化学薬品の注入を制御し、またＨＦが正確に０．５％（約５０００ｐｐｍ）になるように４９％のフッ化水素酸（ＨＦ）を添加するための計量ポンプを含むこともできる。しかし、マッコネルの'７６７特許に開示される装置は、ＤＳＰＨＦ溶液での洗浄に必要とされる６ｐｐｍ〜１２ｐｐｍ（約０．０００６％から約０．００１２％）のように低いＨＦ濃度を正確にモニタおよび制御できるようなものではない。さらに、マッコネルの'７６７特許に開示される装置は、複数の処理液を用いるためのものであり、洗浄液にＤＳＰＨＦを用いる場合に必要とされるよりも複雑である。
【００１０】
フカザワ（Fukazawa）他（米国特許第５８１０９４０号、以下では「フカザワ特許」）は、半導体ウェハを大気に曝すことなく洗浄する方法および装置を開示する。フカザワ特許は、様々な時点で洗浄液を供給するためにバルブを制御する制御装置を含む装置を開示する。まず、洗浄槽が脱イオン水で満たされ、ウェハが洗浄槽に入れられる。次に、約５ｐｐｍのオゾン、またはその代わりに約１重量％の過酸化水素を含む溶液が指定された時間ある流量で供給され、徐々に脱イオン水を置き換えて最後にオゾン溶液の濃度は４ｐｐｍになる。オゾン溶液の流れは停止され、ウェハ表面から有機物質を取り除くために、槽はある時間その状態に放置される。その後、別のバルブが開かれて約０．２重量％（これは約２０００ｐｐｍに等しい）の希フッ化水素酸がある時間毎分約０．５リットルの流量で供給され、オゾンの濃度が約１ｐｐｍに低下しかつ希フッ化水素酸の濃度が０．１％（あるいは約１０００ｐｐｍのＨＦ）になるまで以前に存在した流体を置き換える。ここで希釈フッ化水素酸の流れは停止され、槽は約５分間維持される。異なる溶液を異なる流量で異なる時点で供給するこの手順は、有機物質を除去し（オゾン溶液の流れている間）、オゾンとの相互作用で生成する酸化物を希釈フッ化水素酸により除去する働きをし、さらに鉄（Ｆｅ）、アルミニウム（Ａｌ）、および銅（Ｃｕ）などの金属不純物がオゾンと希フッ化水素酸の混合物により除去される。最後に、脱イオン水を用いてウェハをリンスする。この方法および装置はＲＩＥプロセスのポリマー残渣の洗浄にそのままでは適用できず、そのまま適用すればウェハのアルミニウム線または接点を損傷することになる。さらに流体の連続的置換は、洗浄液が無駄になり、またＲＩＥプロセスのポリマー残渣を洗浄するのに望ましい、ＨＦが約６ｐｐｍ〜約１２ｐｐｍの範囲のＤＳＰＨＦ溶液中のＨＦ濃度の制御も得られない。
【００１１】
ニシザワ（Nishizawa）他（米国特許第５２７５１８４号、以下でニシザワ特許として参照する）は、入口から出口まで処理流体の均一な上昇流を形成することができる浸漬タイプのウェハ処理装置を開示している。処理液が処理液槽の入口から供給されて処理液槽の出口から抜き取られ、したがって処理液が迅速に置換でき、またウェハは処理液の置換中に空気と接触しない。化学薬品として、通常ＮＨ4ＯＨ、ＨＦ、ＨＣｌ、およびＨ2Ｏ2が含まれる。化学薬品の望ましい混合は、ポンプの圧力を調節して個別の容器からの各化学薬品の流量を変えることによって得られる。ニシザワ特許には、濃度を検知し次にその結果に基づいて濃度を調節するような装備は存在しない。ニシザワ特許の装置は、ＤＳＰＨＦ溶液を用いてウェハからＲＩＥポリマー残渣を洗浄するのに必要とされるより複雑でよりわずかな制御しかできない。
【００１２】
テラモト（Teramoto）（米国特許第５７２２４４１号、以下でテラモト特許として参照する）は、不純物を除去するために半導体ウェハを洗浄する装置を開示する。テラモト特許は処理液としてＤＨＦと呼ばれるフッ化水素酸、過酸化水素、および水の混合物を含む洗浄槽を開示する。分光器により濃度をモニタすることができ、分光器は検出信号を中央演算処理装置（ＣＰＵ）に送ることができ、ＣＰＵは次にバルブを制御して溶液に加えられる化学成分の量を制御する。しかし、５ｐｐｍ〜１２ｐｐｍの範囲の非常に少量のＨＦを検出できるほど感度がよい分光法は知られておらず、またバルブを用いてＨＦ添加してもＤＳＰＨＦ洗浄プロセスに必要とされる５ｐｐｍ〜１２ｐｐｍの範囲にＨＦを維持するのに十分な制御を行えない。
【００１３】
以上のことから、メタル・ラインを損傷することなく半導体ウェハ上の金属フィーチャにあるポリマー残渣の洗浄を最適化するために、ＤＳＰＨＦ溶液中に存在するＨＦを自動的に混合し、モニタし、その量を調節するための方法および装置を提供すること、さらにコストおよび環境への影響を最小限に抑えると同時に、多数のウェハの生産洗浄のための洗浄プロセスの有効性および一貫性を維持するために、約５ｐｐｍ〜約１２ｐｐｍの範囲のＨＦ濃度のモニタリングおよび制御を提供することが求められている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、少量であるがクリティカルな量のＨＦを含むカストマイズされた半導体洗浄液を自動的にブレンドし維持するための方法および装置を提供することにより前記の必要に対処する。
【００１５】
本発明は、浴を自動的にモニタしまた調節してＨＦの濃度を目標ＨＦ濃度の±１．０ｐｐｍ以内、また好ましくは±０．５ｐｐｍ以内に維持することにより、希釈硫酸／過酸化物／フッ化水素酸（ＤＳＰＨＦ）溶液中のＨＦ濃度が一様でない問題を解決する。
【００１６】
本発明のさらなる目的は、通常の使用で時間の経過と共にＨＦまたは他の望ましい少量の活性成分がしばしば涸渇するＤＳＰＨＦなどの洗浄液中のＨＦなどの活性成分の濃度を自動的に維持し、それによってコストおよび廃棄物問題を低減することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の一態様によれば、希釈硫酸／過酸化物／フッ化水素酸（ＤＳＰＨＦ）溶液を用いる半導体ウェハ洗浄装置が記載される。脱イオン水、硫酸、および過酸化水素を含む洗浄液を収容するプロセス・タンクが設けられる。モニタリング・システムが、少なくとも１回より多く、可能なら時間の経過と共に連続的に洗浄液のフッ素イオン濃度を測定するために設けられる。モリタリング・システムは約３ｐｐｍの低いＨＦ濃度を約±０．５ｐｐｍより高い確度で正確に検出できる。モニタリング装置で検出される濃度レベルに応答し、それによってまずフッ素イオンの目標濃度が得られるように洗浄液にＨＦを混合し、その後ＨＦ濃度を実質的に一定のレベルに維持するようにポンプ輸送装置を制御する制御装置が設けられる。ポンプ輸送装置は計量された少量の希ＨＦ溶液を例えば２０μｌ単位またはスパイクで供給することができる。希ＨＦの供給源は、例えば標準の４９重量％ＨＦ溶液を準備し、脱イオン水１０部に対して４９％希ＨＦ溶液１部の割合で脱イオン水でさらにそれを希釈することにより得られる。このシステムは、またコストおよび廃棄物による影響は最少であり、金属フィーチャに損傷を与えずに半導体ウェハから残渣を洗浄するのに一貫して効果的で予測できる溶液を提供する。
【００１８】
本発明の別の態様によれば、洗浄装置は脱イオン水、硫酸、および過酸化水素を含む溶液を予混合し、予混合された溶液を連結チューブを通してプロセス・タンクに移送する混合タンクをさらに含むことができ、ここで予混合される溶液の量は満杯センサにより制御される。予混合溶液は、５０部の脱イオン水、約３部の濃硫酸、および約７部の３０重量パーセント過酸化水素を含むことが好ましい。
【００１９】
本発明の別の態様によれば、モニタリング・システムが初期限界値、好ましくは２ｐｐｍより小さいＨＦ濃度を検出した場合、速やかに洗浄液の目標フッ素イオン濃度レベルに達するために第１の量のＨＦを加えるようにポンプを制御する制御装置が設けられる。さらに、制御装置はまた、洗浄液のＨＦイオン濃度が、例えば約０．５〜１ｐｐｍだけ目標フッ素イオン濃度レベルより小さい、下限値より低くなった場合、実質的に前記目標フッ素イオン濃度レベルとなるまで、少量の必要なＨＦを加えるようにポンプを制御する。こうして、ＨＦの濃度レベルは一貫した効果的な目標レベルでほぼ一定に維持される。目標フッ素イオン濃度レベルは、例えば約５ｐｐｍ〜約１２ｐｐｍ、好ましくは約８ｐｐｍである。
【００２０】
本発明のさらなる態様によれば、実質的に一定の温度、好ましくは約３５℃に洗浄液の温度を維持するための加熱エレメントが設けられる。
【００２１】
本発明のさらなる態様によれば、半導体ウェハを洗浄する溶液をブレンドし維持する方法が記載され、これは脱イオン水、硫酸および過酸化水素を含みフッ化水素酸を含まない予混合溶液を予混合するステップと、前記予混合溶液をプロセス・タンクに移送するステップと、時間の経過と共に前記プロセス・タンクの洗浄液のフッ素イオン濃度測定を複数回実施して前記各測定に関連する測定濃度レベルを得るステップと、目標フッ素イオン濃度レベルを設定するステップと、前記目標フッ素イオン濃度レベルより小さい初期限界値を設定するステップと、前記初期限界値より大きく前記目標フッ素イオン濃度レベルより小さい下限値を設定するステップと、各前記測定濃度レベルと、前記目標フッ素イオン濃度レベル、並びに、初期限界値および下限値とを比較して、前記測定濃度レベルが前記初期限界値より小さい場合には、前記フッ素イオン濃度が実質的に前記目標フッ素イオン濃度レベルとなるように前記プロセス・タンクに第１の量のフッ化水素酸を加え、前記測定濃度が前記下限値より小さい場合には、前記フッ素イオン濃度が実質的に前記目標フッ素イオン濃度レベルとなるまで前記プロセス・タンクに少量のフッ化水素酸を加えるステップとを含み、それによって前記プロセス・タンクに移送された予混合溶液は初期に前記目標フッ素イオン濃度レベルの洗浄液となるように混合され、また前記洗浄液のフッ素イオン濃度はその後前記目標フッ素イオン濃度レベルに実質的に維持される。
【００２２】
本発明に特徴的であると思われる新規な特徴は添付の特許請求の範囲に記載される。しかし、本発明自体ならびにそれの他の目的と利点は、例示される好ましい実施形態の以下の詳細な説明を添付図と併せ読めば最もよく理解されるであろう。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施形態の以下の説明において、半導体ウェハ洗浄液用のカストマイズされたブレンド溶液を混合し維持する方法および装置が詳述される。これは例示のためのものにすぎず、本発明は様々な基材および金属で実施できることを理解されたい。
【００２４】
図１に示すように、予混合タンク１１０が設けられ、その中で基礎ＤＳＰ溶液が混合される。典型的な予混合タンクの容量は約３８リットル（約１０ガロン）である。好ましいＤＳＰ混合物の体積比は、約５０部の脱イオン水、約７部の標準３０％希釈過酸化水素、および３部の硫酸である。予混合制御装置１１５が設けられ、適切な添加量を求めるために化学成分の比重または比重量を用いて、混合量および順序の両方を制御する。例えば、約３０℃の周囲温度で、脱イオン水は約０．９９５ｇ／リットル（８．３ポンド／ガロン）の重さ、３０％希釈過酸化水素は１．１０ｋｇ／リットル（９．２ポンド／ガロン）の重さ、また濃硫酸は１．８０ｋｇ／リットル（１５ポンド／ガロン）の重さである。したがって、制御装置１１５は約２９ｋｇ（６４ポンド）の脱イオン水を、例えば水供給源１１１から水用パイプ１１６を通して加え、その後で約４．５ｋｇ（１０ポンド）の標準３０％希釈過酸化水素を供給源１１２からパイプ１１７を通して加えるようにプログラムされている。過酸化水素を添加した後で、約３．２ｋｇ（７ポンド）の濃硫酸が供給源１１３からパイプ１１８を通して加えられる。このシステムは発熱反応を安全に制御するためにこの順序で行うことが好ましい。
【００２５】
混合ポンプ１１９を運転して最短で約２〜５分の間予混合再循環ステップが実施される。その後、送出しバルブ１２０が開き、ポンプ１１９を使って、後で洗浄のために半導体ウェハ（図示せず）が浸漬されるプロセス・タンク１２５に基礎予混合ＤＳＰ溶液を送る。典型的なプロセス・タンク１２５の満杯レベルは約３４リットル（９ガロン）である。プロセス・タンク１２５が満杯レベルに達すると、送出しバルブ１２０が閉じる。液体レベルは当技術分野で周知の技術、例えば外部タンク１３０内の望ましい深さに挿入された管（図示せず）により背圧を検知することによりモニタできる。通常の背圧検知方法においては、タンク内の液体レベルが検知管の開口部を覆うときの検知管内のガス圧力の変化が検出される。例えば、標準的な操作では３個の背圧検知管が用いられる。このような検知管の１つが「満杯」レベルに設置され、したがって液体が洗浄プロセスを進めるのに十分であることを示す「満杯」レベルに達した場合、「満杯」センサ（図示せず）は送出しバルブ１２０を閉じるように作用する。別の検知管（図示せず）をオーバーフロー・タンク１３０の「満杯」レベルより低い「低」レベルに設置することもできる。液体が「低」レベルにあることが検知された場合、例えば水が蒸発で涸渇した場合、そのことが制御装置１５０に知らされ、制御装置１５０は「満杯」レベルに再び達するまでさらに脱イオン水を加えるよう指示するポンプ１４０に信号を送ることができる。「満杯」レベルより上に「過剰」状態を示すために第３の検知管（図示せず）を設置することもでき、これはシステム障害を示し、それによりアラームを発生し、これを修正処置が行われるまでのシステムの停止に用いることができる。
【００２６】
「満杯」レベルに達すると、再循環ポンプ１８１が始動し、これは液体をオーバーフロー・タンク１３０からフィルタ１８２を通して導き、パイプ１８０を通してプロセス・タンク１２５に液体を還流する。フィルタ１８２の圧力により少量の濾過液体がチューブ１８３を通して出口（図示せず）から流出できそれからプロセス・タンク１２５に戻る。本実施形態におけるチューブ１８３は１／４インチ（６．４ｍｍ）のテフロン（Ｒ）（商標）チューブであるが、多くの他のタイプのチューブも適していると思われる。試料採取バルブ１８４はポンプ／フィルタ・アセンブリ１８２とプロセス・タンク１２５の間の一点でチューブ１８３に結合している。再循環ポンプ１８１が運転を始めると、滴定ユニット１７０により試料採取バルブ１８４はチューブ１８３から液体試料を定期的に採取する。
【００２７】
初期に、プロセス・タンク１２５が基礎ＤＳＰ溶液で最初に満たされたとき、溶液中にＨＦは存在しない。滴定システムは硫酸濃度およびフッ化水素酸またはＨＦ濃度の両方をモニタするようにセットアップされる。例えば、本実施形態において、硫酸濃度の目標値は約０．９４重量モルである。硫酸の重量モルは、標準的な滴定技術、例えば試薬を供給源１７１からある量だけ加えることにより求めることができる。この量については硫酸の重量モルとｐＨの間に既知の関係がある。ｐＨは目標溶液中の少量のＨＦ濃度の影響を余り受けない。混合プロセスのこの段階では、ＨＦはまだ全く添加されていないので、ＨＦ含量は約２ｐｐｍより小さいかまたは本質的にゼロであると予想される。ＨＦの濃度は、標準添加など当分野で既知の技術でフッ素イオン濃度を測定することによりモニタすることができる。標準添加法は、フッ素イオン濃度の対数に比例する電圧の変化を測定するものである。
【００２８】
制御装置１５０は滴定ユニット１７０の出力をモニタし、ＨＦ濃度が初期限界値（例えば、２ｐｐｍのＨＦ）より低いことを検出し、プロセス・タンク１２５のＨＦ濃度を目標フッ素イオン濃度レベルに上げるために、第１の量のＨＦを希釈（１０：１）ＨＦ供給源１６１から送り出すよう指示する信号をマイクロポンプ１６０に送る。本実施形態では、メタライゼーションのＲＩＥプロセスの後に形成されるポリマーの洗浄にとって望ましいＨＦの範囲は、約５ｐｐｍ〜約１２ｐｐｍであり、８ｐｐｍが好ましい。標準的なマイクロポンプ１６０を用いることができ、本実施形態においてはこれはポンプの１サイクルまたはパルス当たり２０μｌ単位の流体「スパイク」を送り出す。したがって、３４リットル（あるいは約９ガロン）のプロセス・タンクでＨＦの目標値（目標フッ素イオン濃度）８ｐｐｍに到達するためには、このポンプ１６０は洗浄液を迅速に望みのレベルのＨＦ、今の場合は８ｐｐｍとするために、２７８パルス（各パルスは１０：１希ＨＦを２０μｌ含む）を射出するよう制御装置１５０から指示される。さらに、プロセス・タンク１２５内の加熱ユニット（図示せず）を用いて、浴の温度を約２分で約３５±２℃にする。この時点で、この溶液は半導体ウェハを洗浄するのにすぐ使用できる準備ができている。
【００２９】
浴を通常に使用している間、フッ化水素酸はプログラムされた時間間隔でモニタされる。フッ化水素酸はプロセス・タンク１２５で洗浄されるワークピースとの反応で涸渇する。フッ化水素酸が下限値より低下すると、制御装置はＨＦを再補給してＲＩＥプロセスの後に残るポリマーを洗浄するための目標フッ素イオン濃度レベル、好ましくは８ｐｐｍに戻すようポンプ１６０に指示する。好ましい実施形態においては、下限値は目標フッ素イオン濃度レベルより約１ｐｐｍ小さい。
【００３０】
硫酸濃度もまたモニタされるが、硫酸は洗浄プロセスの間ほとんどあるいは全く消費されないので、通常の条件では、硫酸濃度は最初の指定値とそれほど違わないはずである。そのような涸渇が起こった場合、それはシステム障害を示しており、システムは「酸モル濃度上昇」または「酸モル濃度低下」を示すアラームを発生する。このどちらのアラームもシステムを停止して、是正処置が実施されるまでさらなる処理が行われないようにする。
【００３１】
プロセス・タンク１２５は開放系であり加熱されるので、水が蒸発し涸渇することもありうる。したがって、前記のように水のレベルが「満杯」レベルより低下した場合、制御装置１５０は、水用ポンプ１４０が水供給源１１１からパイプ１４１を通してプロセス・タンクにさらに脱イオン水を追加するよう指示する。
【００３２】
同様に、ＨＦレベルが目標フッ素イオン濃度レベルより大きい、高限界値を超えて増大した場合、制御装置１５０は「ＨＦ濃度上昇」を示すアラームを発生してシステムを停止し、修正処置が実施されるまでさらなる処理が行われないようにする。
【００３３】
通常の洗浄操作では、プロセスの一貫性、信頼性および予測可能性にとって、ＨＦ濃度を設定範囲内に保つことは重要である。個々の好ましいＨＦ濃度の範囲は、洗浄される残渣の特定の化学的性質に応じて変わる。ＲＩＥプロセスからのポリマー残渣の場合には、好ましい範囲は、ＨＦが約５ｐｐｍ〜約１２ｐｐｍ、好ましくは約８ｐｐｍ±約１ｐｐｍである。ＨＦ濃度が約５ｐｐｍより低下すると、ポリマー残渣の洗浄効果が下がり、処理時間が非常に長くなり、側壁ラフネスを生じて信頼性が低下する可能性がある。ＨＦ濃度が約１２ｐｐｍを越えて上昇すると、溶液はポリマー残渣以外に他の材料、例えば金属をエッチングする傾向があり、ウェハが損傷を受ける。別のＲＩＥプロセス条件では、異なる組成の残渣が生成し、別のＨＦ最適濃度が必要となるかもしれない。この濃度を設定濃度から約１ｐｐｍの範囲内に維持することは、プロセスの安定性、信頼性および最終結果の予測可能性にとって重要である。
【００３４】
このように、本発明は、長時間使用でき、洗浄液のコストを削減し、また廃棄物の環境への影響を最小限に抑える、半導体ウェハ洗浄用のカスタム溶液をブレンドし維持する自動化された方法および装置を提供する。さらに、常に目標濃度にある洗浄液の有効性により、洗浄された半導体ウェハの信頼性が大きく改善される。
【００３５】
図２は、本発明による一実施形態の一部分として制御装置１５０内で使用されるようなコンピュター・プログラムの流れ図を示す。
【００３６】
ＨＦ濃度の所定の目標および限界レベル、硫酸濃度および溶液の容積レベルがブロック２１０で示すように制御装置にプログラムされる。再循環ポンプ１８１が運転を開始したとき、流体がフィルタ１８２から採取されチューブ１８３内に流れ、試料採取ができるようになる。したがって、制御装置１５０は、再循環ポンプ１８１からの信号に応答して、試料採取バルブ１８４から周期的に試料の採取を始めるよう滴定ユニット１７０に指示する（ブロック２２０）。
【００３７】
滴定ユニット１７０からの出力が制御装置１５０によってモニタされ、硫酸、水、およびＨＦの所定の限界レベルと比較される（ブロック２３５）。硫酸濃度が低すぎもしくは高すぎる（硫酸限界レベルの範囲外になる）あるいは溶液レベルが容積限界値より低下した場合、制御装置はアラーム２４１を発生し、それによって適当な担当者に通知が届き是正処置が取られるまでシステムは停止する（ブロック２４０）。本発明にとってより重要なことであるが、ＨＦ濃度レベルは３つの異なる限界値に対してモニタされる（ブロック２５０）。
【００３８】
「初期」ＨＦ限界値（初期限界値）は、プロセス・タンク１２５に最初に導入された新鮮な基礎ＤＳＰ溶液を示すものである。好ましい実施形態においては、このレベルはゼロ、あるいは少なくとも約２ｐｐｍより小さい。ＨＦ濃度が２ｐｐｍより低いと制御装置が判定すると、最初の信号２５１がマイクロポンプ１６０に送られ、マイクロポンプ１６０はこの最初の信号２５１に応答して、プロセス・タンクの溶液を迅速に目標レベルのＨＦ（目標フッ素イオン濃度レベル）まで持って行くのに十分な数の希ＨＦ溶液ユニットを送り出す（ブロック２５０）。本実施形態では、容量約３４リットル（９ガロン）のプロセス・タンクで、好ましい目標フッ素イオン濃度レベルは約８ｐｐｍであり、２０μｌのポンプを使用する場合、その目標に達するのに必要な１０：１希釈（４９％）ＨＦのパルス数は２７８パルスまたは「スパイク」である。
【００３９】
ＨＦ濃度が、好ましくは目標フッ素イオン濃度レベルより約１ｐｐｍ小さく（すなわち、約７ｐｐｍ）、その目標より０．５ｐｐｍ以内で低いこともありうるＨＦの「低」レベルを示す下限値より低下したと制御装置１５０が判定した場合、第２の信号２５２がマイクロポンプ１６０に送られる（ブロック２５０）。ポンプ１６０は第２の信号２５２に応答して適当な数のパルス（本実施形態では、約３５スパイク）を送り出し、ＨＦの濃度を目標フッ素イオン濃度レベル（本実施形態では８ｐｐｍ）にまで回復する。
【００４０】
最後に、ＨＦ濃度が高限界値を越えた、あるいは好ましくは目標フッ素イオン濃度レベルより約１ｐｐｍ高い「高」レベルを越えた場合、制御装置１５０はシステム制御装置１５０にアラーム２５３を発してシステム障害を示し、それにより是正処置が取られるまでさらなる処理は行われなくなる。
【００４１】
このように、本発明によれば、制御装置は、優れた有効度を維持できる半導体ウェハ用の洗浄液を自動的にブレンドし維持し、得られる半導体デバイスの不良率を著しく改善し、同時にコストおよび廃棄物の影響を低減する手段を提供する。
【００４２】
まとめとして、本発明の構成に関して以下の事項を開示する。
【００４３】
（１）  半導体ウェハ洗浄装置であって、
脱イオン水、硫酸、および過酸化水素を含む洗浄液を含むプロセス・タンクと、
前記洗浄液のフッ素イオン濃度について時間の経過と共に複数回の測定を実施して前記各測定に関連する測定濃度レベルを得るためのモニタリング・システムと、
フッ化水素酸の供給源と、
前記測定濃度レベルに応答する制御装置と、
前記制御装置に応答して、前記供給源から前記プロセス・タンクにフッ化水素酸を加えるポンプ輸送装置であって、目標フッ素イオン濃度レベルを達成するのに十分である第１の量のフッ化水素酸を初期に加え、その後は前記洗浄液のフッ素イオン濃度を前記目標フッ素イオン濃度レベルに維持するように少量のフッ化水素酸を加えるポンプ輸送装置と、
脱イオン水、硫酸、および過酸化水素を含みフッ化水素酸を含まない予混合溶液をブレンドするための混合タンクと、
前記混合タンクを前記プロセス・タンクに連結し、前記予混合溶液がそれを通して前記プロセス・タンクに移送されるチューブと、
前記プロセス・タンクの満杯レベルを検知し、前記満杯レベルに達したとき予混合溶液の移送を停止するためのバルブ制御装置とを含み、
前記洗浄液が少なくとも８０体積％の水を含有し、
前記目標フッ素イオン濃度レベルが５ｐｐｍ〜１２ｐｐｍの間にあり、
前記モニタリング・システムは、フッ素イオン濃度の対数に比例する電圧の変化を測定することによりフッ素イオン濃度を測定する、
装置であって、
前記制御装置は、前記測定濃度レベルが初期限界値より小さい場合には、前記ポンプ輸送装置に、前記第１の量のフッ化水素酸を加えるよう指示し、前記測定濃度レベルが下限値より小さい場合には、前記ポンプ輸送装置に、前記フッ素イオン濃度が実質的に前記目標フッ素イオン濃度レベルとなるまで、少量のフッ化水素酸を加えるよう指示することができ、
前記初期限界値は前記目標フッ素イオン濃度レベルより小さく、前記下限値は前記初期限界値より大きくかつ前記目標フッ素濃度イオンレベルより小さい、
装置。
（２）  前記制御装置は、前記測定濃度レベルが高限界値以上である場合には、さらにアラームを発生させることができ、前記高限界値は前記目標フッ素イオン濃度レベルより大きい、上記（１）に記載の装置。
（３）  前記洗浄液が約５０部の脱イオン水、約３部の濃硫酸、および約７部の３０重量パーセント過酸化水素を含む上記（１）又は上記（２）に記載の装置。
（４）  前記初期限界値が約２ｐｐｍである、上記（１）〜上記（３）いずれか１つに記載の装置。
（５）  前記下限値が前記目標フッ素イオン濃度レベルより約０．５〜１ｐｐｍ小さい、上記（１）〜上記（４）いずれか１つに記載の装置。
（６）  前記プロセス・タンクが前記洗浄液を実質的に一定温度に維持する加熱エレメントをさらに備える、上記（１）〜上記（５）いずれか１つに記載の装置。
（７）  前記一定温度が３５±２℃である、上記（６）に記載の装置。
（８）  前記モニタリング・システムが約２ｐｐｍの濃度のフッ素イオンを０．５ｐｐｍ以内の確度で検出できる、上記（１）〜（７）いずれか１つに記載の装置。
（９）  半導体ウェハの洗浄液をブレンドし維持する方法であって、
脱イオン水、硫酸、および過酸化水素を含みフッ化水素酸を含まない予混合溶液を予混合するステップと、
前記予混合溶液をプロセス・タンクに移送するステップと、
前記プロセス・タンクの洗浄液のフッ素イオン濃度について時間の経過と共に複数回の測定を実施して前記各測定に関連する測定濃度レベルを得るステップと、
目標フッ素イオン濃度レベルを設定するステップと、
前記目標フッ素イオン濃度レベルより小さい初期限界値を設定するステップと、
前記初期限界値より大きく前記目標フッ素イオン濃度レベルより小さい下限値を設定するステップと、
前記測定濃度レベルと、前記目標フッ素イオン濃度レベル、並びに、初期限界値および下限値とを比較して、前記測定濃度レベルが前記初期限界値より小さい場合には、前記フッ素イオン濃度が実質的に前記目標フッ素イオン濃度レベルとなるように前記プロセス・タンクに第１の量のフッ化水素酸を加え、前記測定濃度レベルが前記下限値より小さい場合には、前記フッ素イオン濃度が実質的に前記目標フッ素イオン濃度レベルとなるまで前記プロセス・タンクに少量のフッ化水素酸を加えるステップとを含み、それによって、
前記プロセス・タンクに移送された予混合溶液は前記目標フッ素イオン濃度レベルの洗浄液となるように初期に混合され、以降は前記洗浄液のフッ素イオン濃度が実質的に前記目標フッ素イオン濃度レベルに維持され、
前記洗浄液が少なくとも８０体積％の水を含有し、
前記目標フッ素イオン濃度レベルが５ｐｐｍ〜１２ｐｐｍの間であり、
前記測定濃度レベルを得るステップが、フッ素イオン濃度の対数に比例する電圧の変化を測定することによりフッ素イオン濃度を測定するステップである
方法。
（１０）  前記予混合ステップが、約７部の３０重量パーセント過酸化水素を約５０部の脱イオン水に加えるステップと、次に約３部の濃硫酸を加えるステップとをさらに含む、上記（９）に記載の方法。
（１１）  前記洗浄液を実質的に一定温度に維持するステップをさらに含む、上記（９）又は上記（１０）に記載の方法。
（１２）  前記一定温度が３５±２℃である、上記（１１）に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による装置を示す図である。
【図２】本発明による制御装置１５０の動作を示す流れ図である。
【符号の説明】
１１０  予混合タンク
１１１  水供給源
１１２  ３０％Ｈ2Ｏ2供給源
１１３  濃硫酸供給源
１１５  予混合制御装置
１１６  パイプ
１１７  パイプ
１１８  パイプ
１１９  混合ポンプ
１２０  送出しバルブ
１２５  プロセス・タンク
１３０  オーバーフロー・タンク
１４０  水用ポンプ
１４１  パイプ
１５０  制御装置
１６０  マイクロポンプ
１６１  希釈ＨＦ供給源
１７０  滴定ユニット
１７１  試薬供給源
１８０  パイプ
１８１  再循環ポンプ
１８２  フィルタ
１８３  チューブ
１８４  試料採取バルブ
【図１】
0004319803.tif 000002
【図２】
0004319803.tif 000003