ウェット洗浄 (ウェット クリーン) は、半導体製造プロセスにおける重要なステップの 1 つであり、ウェーハの表面からさまざまな汚染物質を除去して、後続のプロセス ステップをきれいな表面で実行できるようにすることを目的としています。
半導体デバイスのサイズが縮小し続け、精度の要件が高まるにつれて、ウェーハ洗浄プロセスの技術的要求はますます厳しくなっています。ウェーハ表面上の最小の粒子、有機材料、金属イオン、または酸化物の残留物であっても、デバイスの性能に大きな影響を与える可能性があり、その結果、半導体デバイスの歩留まりと信頼性に影響を及ぼします。
ウェーハ洗浄の基本原則
ウェーハ洗浄の核心は、物理的、化学的、その他の方法によってウェーハ表面からさまざまな汚染物質を効果的に除去し、ウェーハの表面が後続の処理に適した清浄な状態になるようにすることにあります。
汚染の種類
デバイス特性への主な影響
| 粒子の汚染 | パターン欠陥
イオン注入欠陥
絶縁皮膜破壊欠陥
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| 金属汚染 | アルカリ金属 | MOSトランジスタの不安定性
ゲート酸化膜破壊・劣化
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| 重金属 | PN接合の逆漏れ電流の増加
ゲート酸化膜破壊欠陥
少数キャリア寿命の劣化
酸化物励起層欠陥の発生
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| 化学物質による汚染 | 有機材料 | ゲート酸化膜破壊欠陥
CVD膜のバリエーション（インキュベーション時間）
熱酸化膜厚変化（酸化促進）
ヘイズの発生（ウエハ、レンズ、ミラー、マスク、レチクル）
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| 無機ドーパント（B、P） | MOSトランジスタのVthシフト
Si基板と高抵抗ポリシリコンのシート抵抗のばらつき
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| 無機塩基（アミン、アンモニア）および酸（SOx） | 化学増幅型レジストの解像度の劣化
塩の発生によるパーティクル汚染やヘイズの発生
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| 湿気、空気による自然酸化膜および化学酸化膜 | 接触抵抗の増加
ゲート酸化膜破壊・劣化
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具体的には、ウェーハ洗浄プロセスの目的には次のものが含まれます。
粒子除去: 物理的または化学的方法を使用して、ウェーハ表面に付着した小さな粒子を除去します。粒子が小さいと、粒子とウェーハ表面の間に強い静電気力が働くため、除去が難しくなり、特別な処理が必要になります。
有機物質の除去: グリースやフォトレジスト残留物などの有機汚染物質がウェーハ表面に付着している可能性があります。これらの汚染物質は通常、強力な酸化剤または溶剤を使用して除去されます。
金属イオンの除去: ウェーハ表面に金属イオンが残留すると、電気的性能が低下し、その後の処理ステップに影響を与える可能性があります。したがって、これらのイオンを除去するために特定の化学溶液が使用されます。
酸化物の除去: 一部のプロセスでは、ウェーハ表面に酸化シリコンなどの酸化物層が存在しないことが必要です。このような場合、特定の洗浄ステップ中に自然酸化層を除去する必要があります。
ウェーハ洗浄技術の課題は、表面荒れ、腐食、その他の物理的損傷を防ぐなど、ウェーハ表面に悪影響を与えることなく汚染物質を効率的に除去することにあります。
2. ウェーハ洗浄工程の流れ
ウェーハの洗浄プロセスには通常、汚染物質を完全に除去し、完全にきれいな表面を実現するために複数のステップが含まれます。
図：バッチ式洗浄と枚葉式洗浄の比較
一般的なウェーハ洗浄プロセスには、次の主な手順が含まれます。
1. 前洗浄（プレクリーン）
前洗浄の目的は、ウエハ表面から遊離した汚染物質や大きな粒子を除去することであり、これは通常、脱イオン水 (DI 水) リンスと超音波洗浄によって達成されます。脱イオン水は最初に粒子と溶解した不純物をウェーハ表面から除去しますが、超音波洗浄はキャビテーション効果を利用して粒子とウェーハ表面の間の結合を破壊し、粒子を除去しやすくします。
2. 化学洗浄
化学洗浄は、ウェーハ洗浄プロセスの中核となるステップの 1 つで、化学溶液を使用してウェーハ表面から有機物質、金属イオン、酸化物を除去します。
有機物質の除去: 通常、有機汚染物質を溶解および酸化するには、アセトンまたはアンモニア/過酸化物混合物 (SC-1) が使用されます。 SC-1 溶液の一般的な比率は NH₄OH です。
₂O₂
₂O = 1:1:5、使用温度は約 20°C。
金属イオンの除去: 硝酸または塩酸/過酸化物混合物 (SC-2) を使用して、ウェーハ表面から金属イオンを除去します。 SC-2 溶液の一般的な比率は HCl です。
₂O₂
₂O = 1:1:6、温度は約 80°C に維持されます。
酸化物の除去: 一部のプロセスでは、ウェーハ表面から自然酸化物層を除去する必要があり、そのためにフッ化水素酸 (HF) 溶液が使用されます。 HF 溶液の一般的な比率は HF です。
₂O = 1:50、室温で使用できます。
3. 最終洗浄
化学洗浄後、ウェーハは通常、表面に化学残留物が残らないようにするための最終洗浄ステップを受けます。最終洗浄では主に脱イオン水を使用して徹底的にすすぎます。さらに、オゾン水洗浄 (O3/H2O) を使用して、ウェーハ表面に残っている汚染物質をさらに除去します。
4. 乾燥
洗浄されたウェーハは、ウォーターマークや汚染物質の再付着を防ぐために、迅速に乾燥させる必要があります。一般的な乾燥方法には、スピン乾燥や窒素パージなどがあります。前者は高速回転によりウェーハ表面から水分を除去し、後者はウェーハ表面に乾燥窒素ガスを吹き付けることで完全な乾燥を保証します。
汚染物質
洗浄手順名
化学混合物の説明
化学薬品
| 粒子 | ピラニア (SPM) | 硫酸/過酸化水素/脱イオン水 | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90℃ |
| SC-1 (APM) | 水酸化アンモニウム/過酸化水素/脱イオン水 | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80℃ | |
| 金属（銅以外） | SC-2（HPM） | 塩酸/過酸化水素/脱イオン水 | HCl/H2O2/H2O1:1:6; 85℃ |
| ピラニア (SPM) | 硫酸/過酸化水素/脱イオン水 | H2SO4/H2O2/H2O3-4:1; 90℃ | |
| DHF | 希フッ酸/脱イオン水 (銅は除去されません) | HF/H2O1:50 | |
| オーガニック | ピラニア (SPM) | 硫酸/過酸化水素/脱イオン水 | H2SO4/H2O2/H2O 3-4:1; 90℃ |
| SC-1 (APM) | 水酸化アンモニウム/過酸化水素/脱イオン水 | NH4OH/H2O2/H2O 1:4:20; 80℃ | |
| DIO3 | 脱イオン水中のオゾン | O3/H2O の最適化された混合物 | |
| 自然酸化物 | DHF | 希フッ酸/脱イオン水 | HF/H2O 1:100 |
| BHF | 緩衝フッ酸 | NH4F/HF/H2O |
3. 一般的なウェーハ洗浄方法
1. RCAクリーニング方法
RCA 洗浄方法は、40 年以上前に RCA Corporation によって開発された、半導体業界で最も古典的なウェーハ洗浄技術の 1 つです。この方法は主に有機汚染物質と金属イオン不純物を除去するために使用され、SC-1 (標準洗浄 1) と SC-2 (標準洗浄 2) の 2 つのステップで完了できます。
SC-1 洗浄: このステップは主に有機汚染物質や粒子を除去するために使用されます。この溶液はアンモニア、過酸化水素、水の混合物であり、ウェーハ表面に薄い酸化シリコン層を形成します。
SC-2 洗浄: このステップは主に、塩酸、過酸化水素、水の混合物を使用して金属イオン汚染物質を除去するために使用されます。再汚染を防ぐために、ウェーハ表面に薄いパッシベーション層を残します。
2. ピラニア洗浄方法（ピラニアエッチクリーン）
ピラニア洗浄法は、硫酸と過酸化水素の混合物 (通常は 3:1 または 4:1) を使用して、有機物質を除去するための非常に効果的な技術です。この溶液は非常に強い酸化特性を持っているため、大量の有機物や頑固な汚染物質を除去できます。この方法では、ウェーハへの損傷を避けるために、特に温度と濃度に関して条件を厳密に制御する必要があります。
超音波洗浄は、液体中の高周波音波によって発生するキャビテーション効果を利用して、ウェーハ表面から汚染物質を除去します。従来の超音波洗浄と比較して、メガソニック洗浄はより高い周波数で動作するため、ウェーハ表面に損傷を与えることなくサブミクロンサイズの粒子をより効率的に除去できます。
4. オゾン洗浄
オゾン洗浄技術は、オゾンの強力な酸化特性を利用してウェーハ表面から有機汚染物質を分解して除去し、最終的にそれらを無害な二酸化炭素と水に変換します。この方法は高価な化学試薬の使用を必要とせず、環境汚染も少ないため、ウェーハ洗浄の分野における新興技術となっています。
4. ウェーハ洗浄処理装置
ウェーハ洗浄プロセスの効率と安全性を確保するために、半導体製造ではさまざまな高度な洗浄装置が使用されています。主な種類には次のようなものがあります。
1. 湿式洗浄装置
湿式洗浄装置には、各種浸漬槽、超音波洗浄槽、スピンドライヤーなどがあります。これらのデバイスは、機械的な力と化学試薬を組み合わせて、ウェーハ表面から汚染物質を除去します。浸漬タンクには通常、化学溶液の安定性と有効性を確保するための温度制御システムが装備されています。
2. ドライクリーニング装置
ドライクリーニング装置には主にプラズマクリーナーが含まれており、これはプラズマ内の高エネルギー粒子を使用してウェーハ表面と反応して残留物を除去します。プラズマ洗浄は、化学残留物を導入せずに表面の完全性を維持する必要があるプロセスに特に適しています。
3. 自動洗浄システム
半導体生産の継続的な拡大に伴い、大規模なウェーハ洗浄には自動洗浄システムが好まれる選択肢となっています。これらのシステムには多くの場合、自動搬送機構、マルチタンク洗浄システム、精密制御システムが含まれており、各ウェーハで一貫した洗浄結果を保証します。
5. 今後の動向
半導体デバイスが縮小し続けるにつれて、ウェーハ洗浄技術はより効率的で環境に優しいソリューションを目指して進化しています。将来の洗浄技術は以下に焦点を当てます。
サブナノメートルの粒子除去: 既存の洗浄技術はナノメートルスケールの粒子を処理できますが、デバイスサイズがさらに小型化されると、サブナノメートルの粒子を除去することが新たな課題となります。
グリーンで環境に優しい洗浄: 環境に有害な化学物質の使用を削減し、オゾン洗浄やメガソニック洗浄など、より環境に優しい洗浄方法を開発することがますます重要になります。
より高いレベルの自動化とインテリジェンス: インテリジェント システムにより、洗浄プロセス中のさまざまなパラメーターのリアルタイムの監視と調整が可能になり、洗浄の有効性と生産効率がさらに向上します。
ウェーハ洗浄技術は、半導体製造における重要なステップとして、後続のプロセスでウェーハ表面を清浄にする上で重要な役割を果たします。さまざまな洗浄方法を組み合わせることで汚染物質を効果的に除去し、次のステップに使用できるきれいな基板表面を提供します。技術の進歩に伴い、半導体製造におけるより高い精度とより低い欠陥率の要求を満たすために、洗浄プロセスは最適化され続けます。
投稿日時: 2024 年 10 月 8 日