最先端半導体ウェーハ洗浄技術
Advanced Semiconductor Wafer Cleaning Technology

株式会社東芝 セミコンダクター社 プロセス技術推進センター
半導体プロセス開発第四部 フロントエンドプロセス技術開発第三担当

主査冨田

寛

HIROSHI TOMITA
Advanced ULSI Process Engineering Dept.Ⅳ , Process & Manufacturing Engineering Center
Toshiba Corporation Semiconductor Company

1．はじめに窒化膜、ポリシリコン膜、タングステンプラグ、銅配線など）
以外にHigh-ｋ（高誘電率）
膜、メタルゲート膜に各種金国内初の世界標準汎用メモリーとなったNAND型フラッ属材料が使われ始めている。そのためバックエンドプロセ

シュメモリー（電源を切ってもデータが消えない不揮発性のス（BEOL：Back End of the Line）
だけでなく、フロントエンド半導体メモリーの一種）
は、近年アプリケーションが益々プロセス（FEOL：Front End of the Line）
でも、金属材料を広がってきた。デジタルカメラ、携帯電話のメモリーとして溶解しない薬液プロセスが必要になってきた。代表的な使われ始め、USBメモリーに代表される可搬電子媒体、従来のパーティクル除去洗浄液であるアンモニア＋過酸化可搬音楽媒体として使用されるだけでなく、PC内蔵ハー水素水（SC1：Standard Clean 1）
は、金属材料を溶解してドディスクメモリーの置き換えも始まった。このメモリー最大しまう懸念が高いため、使用できない工程が増えてきた。のメリットは、記憶素子の微細化が容易な構造であること

この様な背景のなかで、次世代デバイスのクリティカルであり、その結果として集積容量の増大化、メモリーチップ欠陥となる20〜30nmサイズの微小パーティクルは、従来のの縮小化が進められている。東芝は、2009年には32nm薬液プロセスを用いた洗浄技術で除去可能であるのか。

世代のNAND型フラッシュメモリーの量産開始を計画して更に、同サイズのデバイスパターンに対してダメージレス洗浄いる。次世代NAND型フラッシュメモリーにおいても、現が本当に実現可能であるのか。これらの課題を最初に紹

在、露光装置メーカが開発中の極端紫外線（Extreme介し、今後の新しい洗浄技術に関して考察したい。

UV：EUV）
を用いた特殊な露光装置を使用する事なく、リソグラフィ技術とプロセス技術を組み合わせた微細パター

2．物理洗浄方法の定量解析技術

ン形成技術を用いて、20nmサイズの超微細デバイスの開発を行っている。

従来からパーティクルの洗浄効果には、除去率（PRE：

一方、その様な微細パターンを有したデバイス構造でParticle Removal Efficiency）を指標として議論がなされてあっても、高い歩留まりで「ものづくり」を行う必要がある。

きた。PREは、微粒子計測器で測定されたウェーハ上の半導体製造プロセスのウェーハ洗浄工程における洗浄対パーティクル数、ポスト（洗浄後）値とイニシャル（洗浄前）象となる異物（パーティクル）は、微細化の代償として致命値を使って表記される。

欠陥サイズ(Critical dimension)が小さくなる。異物検査装置では、検出困難な20〜30nmサイズの微小パーティクル

PRE
（％）
＝
［（Initial-Post）/ Initial］ｘ 100も洗浄対象となってきている。

2

微細化とは別に、低消費電力化と高速化を推進する

本指標は、相対的に洗浄方法間差を議論するには有ために次世代の半導体デバイスでは、従来から用いられ効であるが、同一洗浄条件における微粒子除去効果のてきた標準的な材料（例えば、シリコン酸化膜、シリコン粒径依存性を調べるためには、サンプルに工夫が必要とTHE CHEMICAL TIMES 2009 No.3（通巻213号）

最先端半導体ウェーハ洗浄技術なる。我々は、微粒子塗布装置を用いて粒子径を変え最大のポイントは、除去が容易で洗浄評価の強制汚染て、同一ウェーハ上に既知量の粒子のみを塗布する方法

粒子には不適と言われていたPSL粒子であっても、粒子を採用した。微粒子塗布装置は、MSP社製2300 NPT-1

径が小さくなるに従ってPREが低下することである。特（日本代理店：GSIクレオス）を用いた。PREの算出にに、60nm以下では極端にPREが低下した。

は、KLA-Tencor社製SP2とSURFmonitorを利用した。
図1に2300 NPT-1装置概要図と300mmウェーハに40、60、80、100、200nmのPSL（ポリスチレンラテックス）
粒子を塗 布して、それをSP2で 測 定した 結 果を示 す。図2に
SURF monitorを用いた同一ウェーハを使ったPRE算出方法の概念図を示した。

図3 二流体洗浄における PRE の粒子径依存性

次に、40nmと200nm の二つのPSL粒子に対してPREの窒素流量依存性を図4に示した。200nm PSL粒子は、極端な流量依存性はなく高いPREを示す。40nm PSL粒
図1 2300 NPT-1 概要図と微粒子塗布結果

子は、窒素が低流量の際は低いPREを示すが、窒素を高流量の条件にすることでPREを向上させることができた。しかし、一般的には二流体洗浄の窒素ガス高流量条件は、物理力も大きくなるため、パターンダメージの発生確率が増加する。

図2 SURF monitor を用いた PRE 算出方法

今回の微粒子径と粒子数（密度）の条件は、SP2計測環境、並びに洗浄効率を考慮して設定した。また、今回はPSL球を採用したが、同塗布装置は他の粒子（例えば、シ

図4 PRE のN2 流量依存性（40nm/200nm PSL）

リカ、シリコン窒化物）も導入できるというメリットがある。

3．二流体洗浄

図5に35nm CMOS
（Complementary Metal OxideSemiconductor）
ゲート構造のダメージ評価を行った結果を代表的な枚葉式二流体洗浄によるPREを、図3に示示す。図4にて40nm PSL粒子のPREが改善した窒素

した1）。窒素流量は14L/min.とした。図3に示した結果の35L/min.の条件では、ウェーハ全面でパターン欠陥を検出

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した 。同 様 に40nm PSL 粒 子 が 除 去できない 窒 素
14L/min.の条件では、パターン欠陥は殆ど発生しなかった。この結果からもパターン欠損ダメージを引き起こさずに、40nm以下の微小パーティクルを高いPREを維持しながら効率良く物理洗浄することは非常に困難であることが分かる。

図6 液体条件を換えた二流体洗浄における PRE のパーティクルサイズ依存性

リを微量添加した条件では、更にPREが向上した。この
図5 パターン欠損評価(左：N2=14L/min.、右：N2=35L/min.）

PRE向上のモデルはIPA添加によって液体の表面張力が低下することで、①粒子と基板間への液体浸透性が増したことと、②基板上の液膜厚、特にStagnant layerが薄く従来から提案されているダメージレスのパーティクルなることにより、二流体ジェットの液玉がウェーハ表面の微洗浄方法として、物理洗浄を用いない薬液洗浄のみに小サイズのPSL粒子に対しても影響を与えたためと考えてよるリフトオフプロセスがある。この方法は、下地シリコいる。

ン酸化膜等の絶縁膜をアルカリ洗浄によってエッチング次に、IPA添加の二流体ジェット洗浄における35nmし、パーティクルをリフトオフさせる方法である。PREとアCMOSゲート構造のダメージ評価を行った結果を図7にルカリ洗浄の条件との間には強い相関があり、特に処示す。純水の同条件と同様に二流体ジェット洗浄による理温度が高く、且つアルカリ濃度が高い条件ほどPREゲートパターンダメージは、発生させないことを確認しが高くなる。これはPREが、下地膜のエッチング量に依た。最後に表1にPRE、ゲートダメージ発生量をまとめ存していることを意味している。高いPREを得るためにた。表1に示したように、従来の純水をベースとした二流下地を多くエッチングする必要があり、結果として下地体ジェット洗浄では、微小パーティクルをパターン欠損を膜に対してはダメージ（膜減り）を与えてしまう。つまり、下発生させずに除去することは困難であったが、IPAを添地をエッチングすると言う観点では、SC1アルカリ洗浄も加した二流体ジェット洗浄の採用で高いPREとダメージ条件によっては使用できない。特にメタル、High-ｋ膜をレスを同時に実現できる可能性を示した。この低表面張用いたLogicデバイスでは、下地とゲート構造にアルカリ力液体を洗浄に用いる方向性は、今後の微細パターン及び過酸化水素水に弱い膜を使っているため、パーテの洗浄には必要不可欠な技術になると思われる。

ィクル除去という観点では非常に使いづらい工程の一つである。
新しい取り組みとして、二流体ジェット洗浄に用いる液体を工夫する提案を、我々は行っている1）。本提案では、ウェーハ上に形成されているStagnant layer（停滞層）をコントロールすることを検討している。図6に表面張力をコントロールした液体を用いて二流体ジェット洗浄を行った結果を示した。純水（DIW）を用いた二流体ジェット洗浄条件ではPREが低いが、IPA（イソプロピルアルコール）を添加した条件ではPREが飛躍的に向上する。更にアルカ4

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図7 パターン欠損評価(左：DIW、右：希釈 IPA）

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表1 二流体ジェット洗浄性能まとめ

図8 キャビテーションダメージ（アルミニウム膜）（a）Single、 (b) Twin、 (c) Triple

4．枚葉超音波洗浄
超音波洗浄を次世代の微細パターン洗浄に適用する
ためには、超音波印加時に形成されるキャビテーションの物理強度を定量的に把握し、キャビテーション自体を制御可能であるかを検討する必要がある2）。
4.1 キャビテーションのモニタリング方法

図9 キャビテーションダメージ（レジスト膜）（a）Single、 (b) Twin、 (c) Triple

一般的に用いられているデバイスパターンの欠損有無評価からは、超音波印加時に発生するキャビテーションべて示す。このSEM写真では、ゲートパターン欠損（a）からのパワー解析までを行うことは困難である。また、ソノルミ

は、たまたま二つ別々のキャビテーションが近接領域で発ネッセンス（液体中の気泡が超音波によって圧壊した時に生してゲートダメージを発生させたと理解できるが、実際は起こる発光）を用いたキャビテーション有無評価では、本Imaging filmであるアルミニウム膜上の穴欠陥（b）から、来の三次元情報をCCDカメラ等で二次元情報として取りTwinのキャビテーションダメージがゲート構造に働いてダメー込むため、キャビテーションの一つ一つの信号を分離、解ジを引き起こしていると推察できる。また、ゲートパターン欠析することは不可能となる。また同技術では、ウェーハ洗損（a）
ではキャビテーションの有無は判別できるが、ダメージ浄処理中のデバイスパターン形成領域近傍の状態を直力を算出することは困難である。一方のアルミニウム膜上に接モニターすることが出来ない。そこで、我々は、超音波形成された穴欠陥（b）からは膜材質、穴の大きさ、穴深さ

洗浄時の真のキャビテーション力を直接観察するための情報からキャビテーションパワーを算出することが可能とに、ブランケット膜の金属膜（アルミニウム）とレジスト膜を言える。

キャビテーションダメージ評価用の「イメージング フィルム：Imaging film」として用いることを検討した。
図8、9にアルミニウム金属膜上、及びレジスト膜上に形成された特徴的なキャビテーションダメージSEM（ScanningElectron Microscope）
写真を各々示した。このSEM写真からは、アルミニウム膜であってもレジスト膜であっても膜表面に特異的な穴状のダメージ（穴欠陥）が形成されていることが分かる。穴の形態としてもSingle/ Twin/ Triple holeがあり、この穴を穿つ力が超音波印加時に形成される

図10 ゲートパターン欠損ダメージとアルミニウム穴欠陥(a)ゲートパターン欠損、(b)Twin holes on Al

キャビテーションの力と考えられる。すなわち、このダメージが、パターン欠陥を引き起こす超音波洗浄起因のダメージと言える。

図11にSingle及びTwinの穴欠陥の数例を挙げた。このSEM写真からは、単一の穴欠陥であっても、下地シリコ

図10に超音波洗浄実施時に形成された、代表的なゲーン基板の表面まで完全に見えている穴と、クレータ形状のトパターン欠損とアルミニウム膜上に形成された穴欠陥を並

中央のみ下地の表面が見えている穴欠陥があることが分

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かる。また、Twin欠陥では、2μm枠内に少し離れて二つ考察すると、先ずは微細化デバイス向けにキャビテーションの穴欠陥を形成している場合と、二つの穴が一つの穴欠パワーを一義的に下げること。且つ微細化デバイスが形陥として結びついた場合がある。

成されているウェーハ表面から離れた所でキャビテーション

これらの穴欠陥は、キャビテーション起因のダメージと考を発生させる、キャビティー制御技術が必要になると思わえられる。このダメージを低減させなければ、微細パターンれる。今後、洗浄装置メーカ、超音波振動子メーカからのが形成されているウェーハに対して、パターン欠陥を抑制し提案を待ちたい。

た超音波洗浄は実現不可能と考えられる。

図12 キャビテーションダメージ発生モデル
図11 キャビテーションダメージの例 (a) Single、 (b) Twin

5．32nm 以降の次世代微細パターン向けの洗浄方法とは
4.2 パターンダメージ形成モデル

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キャビテーションパワーを下げるために、超音波振動子

本編にて紹介してきた洗浄プロセスの課題は、全てデバ周波数を高周波数へシフトすることを検討した3）。高周波イス微細化が進むことによって、新たに考慮すべき課題とし数振動を採用することでキャビテーションのパワーを低減て挙げられた事柄である。更にその課題は、新しいデバイすることは可能であったが、同時にPREの低下を引き起ス構造や微細化が更に進んだデバイス寸法に対して、不こした。更にゲートダメージ発生量を低減することは可能で都合（オーバーエッチングや基板掘れ等）が発生しないようあったが、皆無にすることは不可能であった。これらの結に、既設洗浄プロセスレシピの局所最適化ワークを行うだ

果から、超音波洗浄の一番の課題は、デバイスが形成けでは課題を克服できないほど、技術困難度が高い問題されているウェーハ最表面を避けて（離れて）如何にキャビだと思われる。従って、最小寸法が30nm以下の次世代デテーションを発生させるかである。図12にキャビテーションバイスにおいて、その洗浄プロセスを確立するためには、従ダメージの発生モデルを示した。キャビテーションによって来の経験則からだけで解を求めるのではなく、物理現象をウェーハに与えられるダメージは、ウェーハからのキャビテー理解し、制御する新たな、且つ有効なパラメーターを導入しション発生距離で決まるというモデルである。キャビテーた新しい洗浄技術が必要と思われる。

ションサイズは、本来は超音波振動子の周波数で一義的しかしながら、30nm以下の微細なデバイスパターンのに決まるサイズであり、キャビテーションのエネルギーは周波欠損（ダメージ）を発生させずに、パターンサイズよりも大き数で定まる。従って、ウェーハ直上でキャビテーションが発いパーティクルを除去することが原理的に可能であるのか生した場合には、下地ウェーハに強いダメージを引き起こをもう一度考え直す必要がある。そのためには、パーティす。逆にウェーハから離れ過ぎた場所でキャビテーションがクル付着形態（ドライとウエット）の理解を進めるのと同時発生した場合には、下地ウェーハにダメージを与えないが、に、ウェーハ（下地膜種毎）に対してのパーティクル付着力同時にパーティクルも除去できない。

測定技術を確立し、パターンダメージレスの洗浄の解があ

このキャビテーションダメージ発生モデルを考慮した、次るのかを見極める必要がある。その際、解無しの場合は世代デバイス向けの超音波洗浄によるパーティクル除去を高度な洗浄技術を探求しても意味が無くなる。そのため、

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新しい洗浄技術の探求とは別に、ウェーハに対してパーティ引用文献

クル付着を防止する各種プロセス（プロセスとハード）の清浄化と、プロセス材料（レジスト、塗布膜、薬品等）中のパーティクルに対してのフィルタリング技術の開発が益々重要になると思われる。

1） 吉水、犬飼、梅澤、林、大口、冨田, 新規な二流体洗浄方法を用いた効率的なナノサイズ粒子除去 , 2009年春季 第56回応用物理学関係連合講演会
2） 冨田、犬飼、梅澤、季, UCPSS 2008 proceeding, p. 695,Sept.2008
3） 飛沢、山田、梅澤、冨田、Yilamas Nick、松角， 近接超音波洗浄機における高周波超音波を用いた場合のパー
ティクル除去性能とパターンダメージ評価 2009年春季 第56回応用物理学関係連合講演会

関東化学の半導体プロセス用薬品

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