JP2002343762A - 湿式洗浄装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 金属フィーチャの損傷を最小限に抑え、コス
トおよび廃棄物の影響を最小限に抑えながら、効果的で
予測可能な半導体ウェハの洗浄が可能なシステムを提供
すること。 【解決手段】 脱イオン水が少なくとも８０％で、硫
酸、過酸化水素などの酸化剤、および好ましくは約５ｐ
ｐｍ〜約１２ｐｐｍの範囲の少量のフッ化水素酸（Ｈ
Ｆ）を含む希釈水溶液を用いる半導体ウェハの洗浄装置
および方法が記載される。自動化されたシステムが水、
硫酸、過酸化水素およびＨＦを混合して、好ましい範囲
内にある目標ＨＦ濃度、例えば８ｐｐｍの洗浄液を生成
する。その後、システムは少なくとも目標ＨＦ濃度から
約０．５ｐｐｍ〜１ｐｐｍの範囲内にＨＦ濃度を維持す
る。

Description

【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（ＤＳＰＨ
Ｆ）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ＨＳＯ₃
ＦまたはＳＯ₂Ｆ ₂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Ｈ
Ｆ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１２
ｐｐｍ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１２ｐｐ
ｍ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６１
５８４４７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５８
１０９４０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ＤＳＰ
ＨＦ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５
２７５１８４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、Ｄ
ＳＰＨＦ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５７２
２４４１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（ＣＰ
Ｕ）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、５
ｐｐｍ〜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１２ｐ
ｐｍ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４
９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
・システムが下限レベルのＨＦ濃度、好ましくは２ｐｐ
ｍを検出した場合、速やかに洗浄液の初期目標ＨＦ濃度
に達するために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
標レベルより小さく、例えば５ｐｐｍ〜約１２ｐｐｍ、
好ましくは約８ｐｐｍである下限値より低くなった場
合、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。

【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む洗
浄液を予混合するステップと、前記洗浄液をプロセス・
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定めるステップと、前記目標フ
ッ素イオン濃度レベルより小さい初期限界濃度レベルを
定めるステップと、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濃度レベルを定
めるステップと、各前記測定レベルと前記目標および限
界レベルを比較して、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
洗浄液に第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になるま
で前記洗浄液に第２の量のフッ化水素酸を加えるステッ
プとを含み、このため前記洗浄液は初期に前記目標フッ
素イオン濃度をもつように混合され、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１．８
０ｋｇ／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（１
０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１
２５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１
８３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１８
４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Ｄ
ＳＰ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。ｐ
Ｈ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が第１の所定の濃度レベル（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濃度を望ましいレベルに上げるた
めに、適量の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８ｐｐ
ｍ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。フッ化水素酸が第２の所定レベ
ルより低下すると、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、第２の所定レベル
はＨＦの目標レベルより約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レベルが第３の設定ＨＦ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１２ｐ
ｐｍ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１
８１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１７
０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】第１の、または「初期」ＨＦ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Ｄ
ＳＰ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２５
１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、好ましい目標はＨＦ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、好ましくは目標濃度より約１
ｐｐｍ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
ベルを示す第２の濃度限界値より低下したと制御装置１
５０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濃度が目標レベルを第３の限
界値を超える量だけ越えた、あるいは好ましくは目標レ
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２５
３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洗浄液に第１の量のフッ化水素
酸を加えるポンプ輸送装置であって、前記第１の量のフ
ッ化水素酸が目標フッ素イオン濃度レベルを達成するの
に十分であり、その後前記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装置とを含む、装
置。 （２）脱イオン水、硫酸、および過酸化水素を含む予混
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さらに含む上記（１）に記
載の装置。 （３）前記測定濃度レベルが初期限界値より小さい場合
には、前記制御装置が第１の標識を発生し、前記測定濃
度レベルが目標フッ素イオン濃度レベル以上である場合
には、前記制御装置がさらに第２の標識を発生すること
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、また前記測定濃度レベルが第３の限界
値より小さい場合には、前記制御装置がさらに第３の標
識を発生することができ、前記第３の限界値は前記初期
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、上記（１）に記載の装置。 （４）前記目標フッ素イオン濃度レベルが約５ｐｐｍ〜
約１２ｐｐｍの間にある上記（１）ないし上記（４）の
いずれか１つに記載の装置。 （５）前記目標フッ素イオン濃度レベルが約８ｐｐｍで
ある上記（１）に記載の装置。 （６）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）に記載の装置。 （７）前記目標フッ素イオン濃度レベルが約５ｐｐｍ〜
約１２ｐｐｍの間にある上記（６）に記載の装置。 （８）前記目標フッ素イオン濃度レベルが約８ｐｐｍで
ある上記（６）に記載の装置。 （９）前記目標フッ素イオン濃度レベルが約５ｐｐｍ〜
約１２ｐｐｍの間である上記（３）に記載の装置。 （１０）前記目標フッ素イオン濃度レベルが約８ｐｐｍ
である上記（３）に記載の装置。 （１１）前記初期限界値が約２ｐｐｍである上記（３）
に記載の装置。 （１２）前記第３の限界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（３）に記載
の装置。 （１３）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）に記載の装置。 （１４）前記実質的に一定の温度が約３５℃である上記
（１３）に記載の装置。 （１５）前記フッ化水素酸の供給源が１０：１希釈した
４９重量パーセントのＨＦを含む上記（１）に記載の装
置。 （１６）前記ポンプ輸送装置がフッ化水素酸を約２０μ
ｌずつ供給する上記（１）に記載の装置。 （１７）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）に記載の装置。 （１８）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
む洗浄液を予混合するステップと、前記洗浄液をプロセ
ス・タンクに移送するステップと、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
限界濃度レベル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
下限濃度レベルを設定するステップと、前記測定レベル
と前記目標および限界値レベルを比較して、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洗浄液に第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洗浄液に第２の量のフッ
化水素酸を加えるステップとを含み、それによって、前
記洗浄液は前記目標フッ素イオン濃度レベルとなるよう
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
れる方法。 （１９）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（１８）に記載の方法。 （２０）前記目標フッ素イオン濃度レベルが約５ｐｐｍ
〜約１２ｐｐｍの間である上記（１８）に記載の方法。 （２１）前記目標フッ素イオン濃度レベルが約８ｐｐｍ
である上記（１８）に記載の方法。 （２２）前記初期限界値が約２ｐｐｍである上記（１
８）に記載の方法。 （２３）前記下限値が前記目標フッ素イオン濃度レベル
より約０．５ｐｐｍ〜約１ｐｐｍ小さい上記（１８）に
記載の方法。 （２４）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（１８）に記載の方法。 （２５）前記実質的に一定の温度が約３５℃である上記
（２４）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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 チャールズ・ジェイ・タフト アメリカ合衆国12590 ニューヨーク州ワ ッピンガーズ・フォールズ ブラザーズ・ ロード 88 (72)発明者 ケニス・ジェイ・マッカラ アメリカ合衆国12524 ニューヨーク州フ ィッシュキル バーチウッド・ドライブ ５ (72)発明者 ジョージ・エフ・ウイメット アメリカ合衆国12545 ニューヨーク州ミ ルブルック ヴァーバンク・ロード 406 (72)発明者 デーヴィッド・エル・ラス アメリカ合衆国12582 ニューヨーク州ス トームヴィル リッター・ロード 14 (72)発明者 ロバート・ダブリュー・ツィグナー・ジュ ニア アメリカ合衆国12538 ニューヨーク州 ハイド・パーク ハドソン・ドライブ ２ Ｆターム(参考） 5F043 AA01 BB27 DD07 DD10 EE23 EE28 EE29 EE30 EE31

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【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洗浄液に
   第１の量のフッ化水素酸を加えるポンプ輸送装置であっ
   て、前記第１の量のフッ化水素酸が目標フッ素イオン濃
   度レベルを達成するのに十分であり、その後前記フッ素
   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
   る装置とを含む、装置。
2. 【請求項２】脱イオン水、硫酸、および過酸化水素を含
   む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さらに含む請求項１に記載の装置。
3. 【請求項３】前記測定濃度レベルが初期限界値より小さ
   い場合には、前記制御装置が第１の標識を発生し、前記
   測定濃度レベルが目標フッ素イオン濃度レベル以上であ
   る場合には、前記制御装置がさらに第２の標識を発生す
   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、また前記測定濃度レベルが第３
   の限界値より小さい場合には、前記制御装置がさらに第
   ３の標識を発生することができ、前記第３の限界値は前
   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、請求項１に記載の装置。
4. 【請求項４】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。
5. 【請求項５】前記目標フッ素イオン濃度レベルが約５ｐ
   ｐｍ〜約１２ｐｐｍの間にある請求項１ないし４のいず
   れか１つに記載の装置。
6. 【請求項６】前記初期限界値が約２ｐｐｍである請求項
   ３に記載の装置。
7. 【請求項７】前記第３の限界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３に記
   載の装置。
8. 【請求項８】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。
9. 【請求項９】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。
10. 【請求項１０】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む洗浄液を予
    混合するステップと、 前記洗浄液をプロセス・タンクに移送するステップと、 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濃
    度レベル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濃度レベルを設定するステップと、 前記測定レベルと前記目標および限界値レベルを比較し
    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洗浄液に第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洗浄液に第
    ２の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、 前記洗浄液は前記目標フッ素イオン濃度レベルとなるよ
    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
    される方法。
11. 【請求項１１】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１０に記載の方法。
12. 【請求項１２】前記目標フッ素イオン濃度レベルが約５
    ｐｐｍ〜約１２ｐｐｍの間である請求項１０に記載の方
    法。
13. 【請求項１３】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１０に記載の方法。