JP2013016599A - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを増大させることなくウエハの上面に固着した異物を除去可能な半導体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、半導体装置の製造方法が提供される。半導体装置の製造方法は、収縮層形成工程と、亀裂形成工程と、除去工程とを含む。収縮層形成工程では、半導体装置の構成材料が積層されたウエハの上面に、前記構成材料よりも収縮率が高い収縮層を形成する。亀裂形成工程では、前記収縮層を収縮させて該収縮層に亀裂を形成する。除去工程では、前記亀裂が形成された前記収縮層を前記ウエハの上面から除去する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、半導体装置の製造方法に関する。

従来、半導体装置は、微細なパターニングが施された複数の構成材料が積層されて製造されており、構成材料が積層された製造途中のウエハの上面へ異物が付着した場合、正常に動作しなくなる可能性がある。

かかる異物には、ウエハの上面に単に積もった異物とウエハの上面に固着した異物とがある。このうち、ウエハの上面に積もった異物は、薬液による洗浄やエアブローによって除去されていた。

一方、ウエハの上面に固着した異物は、薬液やエアブローでは十分に除去することが困難なため、たとえば、ウエハの上面にレジストを塗布して硬化させ、レジストへ粘着テープ等を貼着して剥離する装置によってレジストごと除去されていた。

しかし、ウエハの上面に固着した異物を除去するために粘着テープ等の貼着および剥離を行う装置を別途設けることは、製造コストの増大につながるという問題があった。

特開平７−７４１３７号公報

本発明の一つの実施形態の目的は、製造コストを増大させることなくウエハの上面に固着した異物を除去可能な半導体装置の製造方法を提供することである。

実施形態によれば、半導体装置の製造方法が提供される。半導体装置の製造方法は、収縮層形成工程と、亀裂形成工程と、除去工程とを含む。収縮層形成工程では、半導体装置の構成材料が積層されたウエハの上面に、前記構成材料よりも収縮率が高い収縮層を形成する。亀裂形成工程では、前記収縮層を収縮させて該収縮層に亀裂を形成する。除去工程では、前記亀裂が形成された前記収縮層を前記ウエハの上面から除去する。

第１の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面模式図。 第１の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す平面模式図。 第１の実施形態に係る半導体装置製造システムを示すブロック図。 第２の実施形態に係る収縮層の収縮態様を示す断面模式図。 第３の実施形態に係る収縮層の収縮態様を示す断面模式図。 第４の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面模式図。

以下に、添付図面を参照して、実施形態に係る半導体装置の製造方法および半導体装置製造システムを詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によって本発明が限定されるものではない。

また、以下では、半導体基板上に積層されて最終的に半導体装置の構成要素として半導体基板上に残される材料を構成材料と称し、半導体基板上に構成材料が順次積層された構造体をウエハと称する。また、以下では、半導体装置を製造途中のウエハの上面へ固着した異物を除去する製造工程について説明する。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面模式図であり、図２は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す平面模式図である。

図１（ａ）に示すように、半導体装置を製造する場合、製造の過程でウエハ１の上面に異物５が固着することがある。例えば、半導体基板２の上面に半導体装置の構成材料であるシリコン層３とメタル配線層４とを順次積層した場合、シリコン層３を積層する際に生じたシリコンの微粒子等の異物５がメタル配線層４の形成途中にメタル配線層４の上面に付着することがある。

このとき、異物５は、メタル配線層４の材料である銅等の金属膜等によって被覆されてウエハ１の上面に固着することがある。このようにウエハ１の上面に固着した異物５は、薬液による洗浄やエアブローによって除去することが困難である。

そこで、本実施形態では、半導体装置を製造する過程でウエハ１の上面に異物５が固着した場合（図１（ａ）参照）、図１（ｂ）に示すように、ウエハ１の上面に、ウエハ１の最上層を構成する構成材料（ここでは、メタル配線層４）よりも収縮率が高い収縮層６を形成する収縮層形成工程を行う。

かかる収縮層形成工程では、ウエハ１上へ例えば、一般的なリソグラフィー工程において用いられる感光性ポリマー等のレジストを塗布してウエハ１を回転させるスピンコートによって収縮層６を形成する。

このように、本実施形態では、リソグラフィー工程で用いられるレジストの材料を用い、スピンコートを行う既存の装置によって収縮層６を形成することができる。このため、本実施形態によれば、収縮層６を形成するために特殊な材料や装置を別途用意する必要がないため、製造コストを増大させることなく収縮層６を形成することができる。

このとき、収縮層６は、異物５を包み込むように形成される。ここで、収縮層６の材料としては、例えば、照射される光の強度が高いほど収縮して硬化する光収縮性および透光性（光透過性）を備えた材料を用いる。

なお、収縮層形成工程では、半透光性を備えたレジストによって収縮層を形成することもできる。かかる点については、図４を用いて後述する。また、収縮層形成工程では、熱を加えることによって収縮および硬化する熱収縮性を備えたレジストによって収縮層を形成することもできる。かかる点については、図５を用いて後述する。

なお、収縮層６は、レジストに限定するものではなく、ウエハ１の表面に設けられた構成材料よりも高い収縮性を備えた任意の材料によって形成されてもよい。例えば、収縮層６は、熱処理またはフリーズドライ処理等によって収縮する乾燥収縮性を備えたポリマー等によって形成されてもよい。

また、ここでは、単層の収縮層６を形成する場合について説明するが、収縮層形成工程では、複層の収縮層を形成することもできる。かかる点については、図６を用いて後述する。

続いて、本実施形態では、図１（ｃ）に示すように、収縮層６を収縮および硬化させて収縮層６に亀裂７を形成する亀裂形成工程を行う。具体的には、亀裂形成工程では、収縮層６の上面へ光を照射することによって、収縮層６を収縮させて硬化させる。

かかる亀裂形成工程では、リソグラフィー工程において用いられるレジスト硬化装置を用いる。これにより、本実施形態では、亀裂形成工程を行うために特殊な装置を別途用意する必要がないため、製造コストを増大させることなく収縮層６へ亀裂７を形成することができる。

ここで、収縮層６は、前述したようにウエハ１の上面を構成するメタル配線層４よりも光収縮率が高い。このため、図２に示すように、収縮層６には、全体にわたって亀裂７が形成される。

また、かかる亀裂形成工程では、図１（ｃ）に示すように、収縮層６の上面から下面まで達する亀裂７が形成されるまで光の照射を行う。このとき、亀裂７によって分断された収縮層６の各破片は、下側に凸となるように湾曲して周縁部がメタル配線層４の表面から剥離した状態となる。

これにより、異物５を被覆している金属膜は、収縮層６の収縮力および剥離力によってメタル配線層４の表面から切離される。なお、このとき、収縮層６の各破片が上側に凸となるように湾曲したとしても、異物５を被覆している金属膜は、収縮層６の収縮力および剥離力によってメタル配線層４の表面から切離される。

続いて、本実施形態では、図１（ｄ）に示すように、リソグラフィー工程において用いるレジスト剥離装置を用いて収縮層６を剥離してウエハ１から収縮層６ごと異物５を除去する除去工程を行う。

このとき、異物５を被覆した金属膜は、前述の亀裂形成工程によってメタル配線層４から既に切離された状態となっている。したがって、収縮層６は、既存のレジスト剥離装置によって異物５ごと容易に除去される。

なお、レジスト剥離装置としては、リソグラフィー工程で形成するレジストを所定の薬液によって洗浄除去する装置や、エアブローによってレジストを除去する装置、レジストを加熱燃焼させて無機化合物化（灰化）させて除去するアッシング装置等を用いる。

このように、本実施形態では、リソグラフィー工程において用いられる既存のレジスト剥離装置を用いて収縮層６ごと異物５をウエハ１から除去することができる。したがって、本実施形態によれば、収縮層６および異物５を除去するために、特殊な薬品や装置を別途用意する必要がないため、製造コストを増大させることなく異物５をウエハ１から除去することができる。

なお、本実施形態では、半導体装置の構成材料としてシリコン層３およびメタル配線層４を例に挙げたが、構成材料は、これらに限定するものではない。すなわち、半導体装置の構成材料は、たとえば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、配線材料に用いられる金、銅、チタン、タングステン、アルミニウム等、半導体装置の製造に用いられる任意の材料であってもよい。

次に、本実施形態に係る半導体装置製造システムについて図３を用いて説明する。図３は、第１の実施形態に係る半導体装置製造システム１０を示すブロック図である。なお、図３には、ウエハ１上へ付着した異物５の除去に関する構成要素を選択的に図示しており、他の一般的な構成要素については図示を省略している。

図３に示すように、半導体装置製造システム１０は、製造装置２０と制御装置３０とを備える。製造装置２０は、収縮層形成部２１、亀裂形成部２２、除去部２３とを含む。

ここで、収縮層形成部２１は、リソグラフィー工程においてウエハ１へレジストを塗布してスピンコートする装置である。また、亀裂形成部２２は、リソグラフィー工程においてレジストを硬化させるレジスト硬化装置である。また、除去部２３は、リソグラフィー工程においてウエハ１からレジストを剥離するレジスト剥離装置である。

制御装置３０は、制御部３１と記憶部３２とを備える。記憶部３２は、異物除去プログラム３４等の半導体装置の製造に必要なプログラムや各種パラメータ等の情報を記憶する。ここで、異物除去プログラム３４には、前述した異物除去を行う製造工程（図１参照）の手順や、亀裂形成工程および除去工程における処理条件等が記載されている。

なお、処理条件は、たとえば、ウエハ１へ塗布する収縮層６の材料の塗布量、スピンコートの回転速度、収縮層６へ亀裂７を形成するために必要な光の強度および照射時間、異物５の除去に要する処理時間等である。

かかる処理条件は、予め試験を行うことで算出された最適な条件である。たとえば、収縮層６に亀裂７を形成する光の強度および照射時間を決定する場合、試験用のウエハ１に収縮層６を形成し、光の強度および照射時間を変更して試験を行う。そして、試験後の各収縮層６の断面を電子顕微鏡等で観察し、収縮層６の上面から下面まで達する亀裂７が形成された際の強度および照射時間を処理条件として決定する。

制御部３１は、半導体装置製造システム１０全体を統括制御する処理部であり、異物除去指示部３３を含む。異物除去指示部３３は、たとえば、ウエハ１上に構成材料が成膜される毎に、異物除去プログラム３４を実行して製造装置２０へ所定の制御信号を出力することにより、収縮層形成部２１、亀裂形成部２２および除去部２３を動作させて異物５の除去動作を行わせる。

このように、半導体装置製造システム１０では、リソグラフィー工程において用いられる既存の各種装置を流用し、制御装置３０による制御に従って各装置を動作させることによってウエハ１の上面から異物５を除去する。したがって、半導体装置製造システム１０によれば、製造コストを増大させることなくウエハ１の上面へ固着した異物５を除去することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について図４を用いて説明する。図４は、第２の実施形態に係る収縮層６ａの収縮態様を示す断面模式図である。なお、図４では、図１に示す構成要素と同一の構成要素に対して同一の符号を付している。

図４（ａ）に示すように、本実施形態では、異物５を除去するためにメタル配線層４の上面に積層する収縮層６ａが第１の実施形態における収縮層６とは異なる。具体的には、第１の実施形態では、透光性を備えたレジストを収縮層６として用いたが、本実施形態では、半透光性を備えたレジストを収縮層６ａとして用いる。

すなわち、本実施形態の収縮層６ａは、第１の実施形態の収縮層６よりも光の透過性が低いポリマー等を材料として形成される。したがって、図４（ａ）に示すように、上方から収縮層６ａへ光αを照射した場合、収縮層６ａでは、上面から下面へ向かうにつれて光αの強度が低くなる。なお、図４（ａ）では、光αを示す矢印の大きさが大きいほど光αの強度が高いことを示している。

かかる収縮層６ａは、スピンコートによってメタル配線層４上に形成される。なお、本実施形態の収縮層６ａもウエハ１上面の構成材料（ここでは、メタル配線層４）よりも高い光収縮性を備えている。

これにより、収縮層６ａは、上方から光αが照射されると、上面側の方が下面側よりも高い強度の光αが照射されるので、図４（ｂ）に示すように、上面側が下面側よりも高い収縮率で収縮する。すなわち、光αが照射される前に幅がＬであった収縮層６ａの破片は、下面の幅がＭまで収縮し、上面の幅がＮまで収縮する。なお、ここで、Ｌ，Ｍ，Ｎの大小関係は、Ｌ＞Ｍ＞Ｎである。

このように、本実施形態の収縮層６ａは、光αが照射されると上面が下面よりも高い収縮率で収縮する。したがって、亀裂７（図１参照）が形成されるまで収縮層６ａへ光αを照射した場合、収縮層６ａの破片では、上面の収縮力によって下面の周縁部が上側へ強制的に引っ張り上げられる。

このように、本実施形態では、収縮層６ａをメタル配線層４の上面からより一層剥離しやすい状態へ変位させることが可能となるので、異物５の除去に要する処理時間を短縮することができる。

なお、本実施形態では、収縮層６ａ全体が均一な半透光性を備える場合について説明したが、上層側よりも下層側の透光性が低くなるように収縮層を形成しても、図４に示す収縮態様で収縮層を収縮させることができる。

かかる場合、例えば、光の透過を抑制する透過防止材となる微粒子を混入したポリマーによって収縮層の下層側を形成した後に、透過防止材となる微粒子の混入量を徐々に低減しながら収縮層の上層側を形成する。これにより、収縮層の下層へ向かうほど収縮層の透光性（透明度）を低下させることができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について図５を用いて説明する。図５は、第３の実施形態に係る収縮層６ｂの収縮態様を示す断面模式図である。なお、図５では、図１に示す構成要素と同一の構成要素に対して同一の符号を付している。

図５（ａ）に示すように、本実施形態では、異物５を除去するためにメタル配線層４の上面に積層する収縮層６ｂが第１の実施形態における収縮層６とは異なる。具体的には、第１の実施形態では、光収縮性を備えたレジストを収縮層６として用いたが、本実施形態では、熱収縮性を備えたレジストを収縮層６ｂとして用いる。

すなわち、収縮層６ｂは、熱処理等によって高温になる部位ほど高い収縮率で収縮するポリマー等を材料として形成される。なお、本実施形態の収縮層６ｂは、ウエハ１上面の構成材料（ここでは、メタル配線層４）よりも高い熱収縮性を備えている。

かかる収縮層６ｂは、スピンコートによってメタル配線層４上に形成される。そして、本実施形態では、収縮層６ｂの下層よりも上層が高温となるように収縮層６ｂに対して熱処理を行う。例えば、図５（ｂ）に示すように、収縮層６ｂの上面から所定の深さまでイオン８を注入（インプラ）する。

このとき、イオン８と収縮層６ｂとの衝突によって収縮層６ｂの上面近傍が選択的に加熱されて下面部分よりも高温となり収縮して硬化する。なお、このとき、収縮層６ｂの上面部分の熱が下面方向へも伝達されるので下面近傍も収縮するが、上面近傍ほど高温にはならないため、下面近傍は上面近傍ほど収縮しない。

このように、収縮層６ｂは、上層部分へイオン８が注入されると、上層側の方が下層側よりも高温となるので、図５（ｂ）に示すように、上層側が下層側よりも高い収縮率で収縮する。すなわち、イオン８が注入される前に幅がＰであった収縮層６ｂの破片は、下面の幅がＱまで収縮し、上面の幅がＲまで収縮する。なお、ここで、Ｐ，Ｑ，Ｒの大小関係は、Ｐ＞Ｑ＞Ｒである。

したがって、亀裂７（図１参照）が形成されるまでイオン８が注入された場合、収縮層６ｂの破片では、上面の収縮力によって下面の周縁部が上側へ強制的に引っ張り上げられる。

このように、本実施形態では、収縮層６ｂをメタル配線層４の上面からより一層剥離しやすい状態へ変位させることが可能となるので、異物５の除去に要する処理時間を短縮することができる。

なお、収縮層６ｂに対して行う熱処理の方法は、イオン８の注入に限定するものではない。例えば、収縮層６ｂの上面へプラズマを衝突させて加熱する方法や、収縮層６ｂの上面側へヒータを設けて加熱する方法を用いてもよい。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について図６を用いて説明する。図６は、第４の実施形態に係る半導体装置の製造工程を示す断面模式図である。なお、図６では、図１に示す構成要素と同一の構成要素に対して同一の符号を付している。

本実施形態では、収縮層形成工程において、下層から上層へ向かうほど収縮率が高い複数の収縮層（ここでは、第１収縮層６ｃおよび第２収縮層６ｄ）をウエハ１の上面に積層する。

具体的には、本実施形態では、図６（ａ）に示すように、ウエハ１の最上面を構成するメタル配線層４へ異物５が固着した場合、図６（ｂ）に示すように、メタル配線層４の上面へ第１収縮層６ｃを形成する。

かかる第１収縮層６ｃは、ウエハ１の上面よりも収縮性が高い材料をウエハ１の上面にスピンコートすることによって形成される。続いて、本実施形態では、図６（ｃ）に示すように、第１収縮層６ｃの上面へ第２収縮層６ｄを形成する。

かかる第２収縮層６ｄは、第１収縮層６ｃよりも収縮性が高い材料を第１収縮層６ｃの上面にスピンコートすることによって形成される。ここでは、例えば、リソグラフィー工程において使用される透光性を備え、光収縮性が異なるレジストを第１収縮層６ｃおよび第２収縮層６ｄとして形成する。

続いて、図６（ｄ）に示すように、本実施形態では、第２収縮層６ｄの上面へ光を照射することによって第１収縮層６ｃおよび第２収縮層６ｄを収縮させて硬化させ、第１収縮層６ｃおよび第２収縮層６ｄに亀裂７を形成させる亀裂形成工程を行う。

このとき、第２収縮層６ｄの方が第１収縮層６ｃよりも光収縮性が高いため高い収縮率で収縮する。ここで、第１収縮層６ｃおよび第２収縮層６ｄは、光収縮性が異なるだけで同種のポリマー等により形成されたものである。このため、第１収縮層６ｃと第２収縮層６ｄとの接着力は、第１収縮層６ｃとウエハ１（メタル配線層４）との接着力よりも高い。

したがって、第２収縮層６ｄは、第１収縮層６ｃから剥離することなく第１収縮層６ｃの破片の周縁部をウエハ１の上面からめくり上げることができる。このように、本実施形態では、第１収縮層６ｃの破片の周縁部が、第２収縮層６ｄの収縮力によって上側へ強制的に引っ張り上げられるので、第１収縮層６ｃおよび第２収縮層６ｄをメタル配線層４の上面からより一層剥離しやすい状態へ変位させることができる。

続いて、本実施形態では、図１（ｅ）に示すように、リソグラフィー工程において用いるレジスト剥離装置を用いて異物５ごと第１収縮層６ｃおよび第２収縮層６ｄをウエハ１から剥離して除去する除去工程を行う。

このとき、異物５を被覆した金属膜は、前述の亀裂形成工程によってメタル配線層４から既に切離された状態となっている。したがって、第１収縮層６ｃおよび第２収縮層６ｄは、既存のレジスト剥離装置によって異物５ごと容易に除去される。

このように、本実施形態では、収縮層形成工程において、下層から上層へ向かうほど収縮率が高い複数の収縮層（ここでは、第１収縮層６ｃおよび第２収縮層６ｄ）を表面に異物５が固着したウエハ１の上面に積層し、亀裂形成工程により亀裂７を生じさせる。

これにより、本実施形態では、亀裂７により分断された収縮率が低い第１収縮層６ｃの破片の周縁部を、収縮率が高い第２収縮層６ｄの収縮力によって確実にウエハ１の上面からめくり上げることができる。

したがって、本実施形態によれば、より容易かつ短時間で確実にウエハ１の上面から第１収縮層６ｃおよび第２収縮層６ｄごと異物５を除去することができる。なお、本実施形態の収縮層形成工程では、下層から上層へ向かうほど収縮率が高い３層以上の収縮層を形成することもできる。

また、本実施形態では、第１収縮層６ｃおよび第２収縮層６ｄの双方をレジストによって構成したが、少なくとも第１収縮層６ｃをレジストによって構成すれば、既存のレジスト剥離装置によって第１収縮層６ｃおよび第２収縮層６ｄを剥離することができる。かかる場合には、第１収縮層６ｃとウエハ１の最上層を構成する構成材料との接着力よりも第１収縮層６ｃに対する接着力が高い材料を用いて第２収縮層６ｄを形成する。

また、上述した実施形態では、光の照射または熱処理によって収縮層を収縮させて収縮層に亀裂７を形成したが、所定の科学薬品を用いて収縮層の上層側を選択的に変質させて下層側よりも高い収縮率で上層側を収縮させ、亀裂７を形成してもよい。

また、上述した実施形態では、異物５の除去専用に収縮層を形成したが、半導体装置の構成材料をパターニングするために形成したレジストを異物５除去用の収縮層として利用することもできる。

例えば、ウエハ１上に形成した構成材料をパターニングするために行うレジスト形成工程を収縮層形成工程と兼用する。そして、レジストをマスクとして半導体装置の構成材料をエッチングによりパターニングした後、レジストに亀裂７を形成する亀裂形成工程を行う。その後、パターニングに用いたレジストの剥離工程を異物５除去用の除去工程と兼用する。

これにより、ウエハ１上でレジストのマスクによって被覆されていない部位に固着していた異物５は、エッチングによって除去され、レジストのマスクによって被覆されていた部位に固着していた異物５は、亀裂７が形成されたレジストの剥離によって除去される。

このように、半導体装置の構成材料をパターニングするために形成したレジストを異物５除去用の収縮層として利用することにより、異物５の除去専用に使用するレジストを削減することができるため、半導体装置の製造コストをさらに低減することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ ウエハ、 ２ 半導体基板、 ３ シリコン層、 ４ メタル配線層、 ５ 異物、 ６，６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ 収縮層、 ７ 亀裂、 ８ イオン １０ 半導体装置製造システム、 ２０ 製造装置、 ２１ 収縮層形成部、 ２２ 亀裂形成部、 ２３ 除去部、 ３０ 制御装置、 ３１ 制御部、 ３２ 記憶部、 ３３ 異物除去指示部、 ３４ 異物除去プログラム、 α 光

Claims (5)

1. 半導体装置の構成材料が積層されたウエハの上面に、前記構成材料よりも収縮率が高い収縮層を形成する収縮層形成工程と、
   前記収縮層を収縮させて該収縮層に亀裂を形成する亀裂形成工程と、
   前記亀裂が形成された前記収縮層を前記ウエハの上面から除去する除去工程と
   を含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
2. 前記収縮層は、
   リソグラフィー工程において用いられるレジストである
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
3. 前記収縮層は、
   光収縮性および半透光性を有する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
4. 前記収縮層は、
   熱収縮性を備え、
   前記亀裂形成工程では、
   前記収縮層の下層よりも上層が高温となるように前記収縮層に対して熱処理を行う
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体装置の製造方法。
5. 前記収縮層形成工程は、
   下層から上層へ向かうほど収縮率が高い複数の前記収縮層を前記ウエハの上面に積層する
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体装置の製造方法。

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