CN101006571A - 蚀刻与清洗衬底的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一个实施例提供了一种处理衬底的方法。该方法包括将一种溶液施加到衬底的表面。通过将能量(如光)作用于该溶液而由该溶液的离解产生至少一种反应组分。使衬底上的第一材料发生反应，并除去反应后的该第一材料。也描述了用于处理衬底的系统。
Description
技术领域
本发明一般涉及清洗半导体衬底，更具体地，涉及用于将氧化性溶液施加到半导体衬底的表面的方法和系统。
背景技术
半导体器件的制造包括多种处理操作。这些操作包括杂质注入、栅氧化层的生成、金属间氧化物淀积、金属化淀积、光刻成图、蚀刻操作、化学机械抛光(CMP)，等等。由于这些操作均产生微粒和残余物，因而需要对晶圆的表面进行清洗，从而除去晶圆表面上的污染物，如粘附的颗粒和吸附的化合物(如有机化合物或金属化合物)。由于这类污染物的存在对集成电路器件的性能产生了负面影响，因而应当除去晶圆表面上的污染物。
已实施多种配置的清洗处理工具。一种这样的双面工具是一种刷型擦洗工具，它包括一对对称的刷。图1A和1B示出了两种现有技术的双面晶圆擦洗器。图1A示出了一种水平设置的传统的晶圆擦洗器100。图1B示出了一种垂直设置的传统的晶圆擦洗器100’。图1A和图1B均包括一对通过相应的刷104a和104b安装的刷中心(brush core)102a和102b。如图所示，各个刷104a和104b的外表面均各自覆盖了多个结节105a和105b。然而，刷104a、104b也可以具有基本光滑的表面(例如，不具有相当多的结节105a、105b)。在两种设置中，当对称刷104a和104b以相应的旋转方向108a和108b进行旋转时，擦洗了晶圆106。
如图所示，刷中心102a和102b的物理结构是相同的。类似地，刷104a和104b的外表面由相同的材料制成，从而具有相同的密度和可压缩性，而且与晶圆的表面接触面积也相同。因此，在这两种的现有技术的晶圆擦洗器配置中，由于以相同的力将刷104a和104b作用于晶圆106的正面和背面，因而施加到各个接触面积的压力是相等的。结果，在现有技术的晶圆擦洗器中，对晶圆的正面和背面进行同等的处理，即使在仅晶圆的正面包含反应组分的情况下也是如此。
当刷104a和104b旋转时，也加入了清洗化学制剂110。可通过喷嘴或或滴液口112或是从刷104a和104b内部提供该清洗化学110制剂。清洗化学制剂110帮助移动和稀释晶圆W表面的污染物。清洗化学制剂110也能除去晶圆上经过移动和稀释的污染物。清洗化学制剂110可以是DI水或是更具反应性的化学制剂，如经过氯化或氟化的制剂、一种或多种酸性溶液、一种或多种碱性溶液。清洗化学制剂的选择取决于要除去的污染物。例如，如果目标污染物是有机污染物，则通常使用硫酸和过氧化氢的混合物(以下用“SPM”，表示)来作为清洗化学制剂。也可加热清洗化学制剂110和/或晶圆来帮助进行清洗。
有机污染物非常常见，因此，需要对各晶圆进行清洗，以除去有机污染物。结果，SPM的使用非常频繁。遗憾的是，SPM可能很昂贵，且它的反应属性导致它较难操作。此外，中和以及安全地处理废液/副产品(如包含已除去的污染物的SPM)的代价也可能会很高。由于以上的原因，因而，需要经过改进的的清洗化学制剂，该制剂能将有机污染物从晶圆上除去，同时使成本、处理问题和废液/副产品最小化。
发明内容
一般而言，通过提供用于将氧化性溶液施加到半导体衬底的表面的方法和系统，本发明满足了这些需求。应当理解，可通过多种方式实施本发明，包括将其实施成过程、装置、系统、计算机可读介质或是设备。以下描述了本发明的几个实施例。
一个实施例提供了一种处理衬底的方法。该方法包括将一种溶液施加到衬底的表面。通过该溶液的离解可以产生至少一种反应组分。使衬底上的第一材料发生反应，并可除去该反应后的第一材料。该溶液可包含由H2O2或H2O形成的组中的至少一种。该氧化基团可包括由O3、O2、OH、O或OOH形成的组中的至少一种。
可通过将光作用于溶液而由溶液的离解产生反应组分。该光可以是紫外光。可在上述溶液接触衬底表面之前将光作用于溶液。在溶液接触衬底表面的至少一部分时间里，可以将光作用于溶液。
上述光可具有小于或等于约300nm的波长。上述光可具有介于约180nm至约220nm之间的波长。可以对上述光进行准直校准。可以以脉冲形式发出上述光。基本上，仅一部分暴露在上述光下的第一材料发生了氧化。
将上述溶液施加到衬底的表面可包括在衬底表面形成厚度小于反应组分的复合长度(recombination length)的溶液层。该溶液可包含浓度至少为百分之十的H2O2。
上述第一材料可以是有机材料。该第一材料可通过掩模层中的图案而曝光。
将上述溶液施加到衬底的表面可包括通过动态的液体弯月面而施加溶液。该方法也可包括冲洗衬底的表面。
另一个实施例提供了一种用于处理衬底的系统。该系统包括：衬底支撑，其上支持了衬底；该衬底表面上支持的溶液层；以及能离解该溶液而产生反应组分的能量源。
该能量源可以是光源。该能量源可以是紫外光源。该能量源可被包含在壳体中。该能量源可被包含在邻近头(proximity head)中，且可以在上述衬底表面上支持处于动态液体弯月面内的上述溶液层。
另一个实施例提供了一种用于蚀刻衬底中的有机层的方法，该衬底包括衬底支撑和该支撑支持的衬底，该衬底也具有在有机层上形成的带图案的掩模层。上述有机层的第一部分通过掩模层中的图案的第一部分而曝光。该衬底的上表面支持了溶液层。该系统也包括了能离解上述溶液而产生至少一种反应组分的光源。
通过阅读以下结合附图给出的详细描述，可以更清楚地理解本发明的其他方面和优点，其中，附图通过举例说明了本发明的原理。
附图说明
通过阅读以下的详细描述和附图，可以更容易地理解本发明。
图1A示出了水平设置的常规晶圆擦洗器。
图1B示出了垂直设置的常规晶圆擦洗器。
图2示出了根据本发明的一个实施例的、用于清洗衬底的系统的侧视图。
图3是根据本发明的一个实施例的、氧化性基团的浓度与生成该氧化性基团的溶液深度的关系曲线。
图4A示出了根据本发明的一个实施例的、暴露在过氧化氢和紫外光下而得到蚀刻的衬底的一部分。
图4B是根据本发明的一个实施例的区域扫描图。
图5示出了根据本发明的一个实施例的衬底。
图6是根据本发明的一个实施例的、用于生成处于衬底表面的上游的氧化性基团的系统的详细视图。
图7是根据本发明的一个实施例的、用于生成处于衬底表面的上游的氧化性基团的系统的图。
图8是根据本发明的一个实施例的、用于支持动态液体弯月面的邻近头的图。
图9的流程图示出了根据本发明的一个实施例的、生成用于处理衬底的氧化性基团的方法操作。
具体实施方式
现在，将描述一些将氧化溶液施加到半导体衬底表面的示范性实施例。对本领域技术人员而言，显而易见，不具备本文陈述的某些或全部具体细节也可以实施本发明。
通过氧化有机污染物，SPM(即硫酸和过氧化氢的混合物)清除了衬底表面上的有机污染物。通过氧化有机材料，SPM也可用于除去有机材料层。
本发明的一个实施例提供了一种通过使用过氧化氢以及波长与强度得到选定的光来与衬底表面上的材料发生反应(即氧化这些材料或与它们发生反应)的系统和方法。例如，过氧化氢与波长和强度得到选定的光可用于除去有机残余物或聚合物膜(如光刻胶)。波长和强度得到选定的光可将过氧化氢分解成两种羟基。这些羟基也可形成过氧化氢副产品(如过氧羟基、原子氧和臭氧)。以下，将这些羟基和过氧化氢副产品称为氧化性基团。氧化性基团很容易与有机材料发生反应，并容易氧化有机材料而形成一氧化碳和其他有机副产品(如CO2和HHCO等)。因而，可以更容易地除去(如冲洗掉)衬底表面上的CO和其他有机副产品。
光的选定波长可处于紫外光(UV)光谱内(即波长处于约180nm至约300nm之间)。当UV光经过过氧化氢时，过氧化氢吸收紫外光而形成氧化性基团。然而，在被过氧化氢完全吸收之前，UV光仅能穿过相对较浅深度(如约3mm)的过氧化氢。因此，如果在衬底表面上形成了相对较薄(即小于约2mm)的过氧化氢膜，则可在衬底表面上形成氧化性基团，以便与衬底表面上的任何有机材料发生反应。
在一个实施例中，通过旋转衬底，可以在衬底表面上形成相对较薄的过氧化氢膜。例如，衬底可以以高于200转/分的速度旋转。随着衬底旋转的速度增加，在衬底表面形成的过氧化氢膜的深度会减少。
一旦在衬底表面上形成了理想深度的过氧化氢膜，则可将UV光源(如激光、脉冲灯、发光毯(blanket)准直光源，等等)作用于该过氧化氢膜。结果，在衬底表面上形成了氧化性基团，且这些基团与可能存在的任何有机材料发生反应。
在一个实施例中，可使用过氧化氢和UV光的组合来执行近于各向异性的湿蚀刻过程。典型的湿蚀刻过程在本质上是各向同性的。例如，如果要蚀刻的聚合物层包括覆盖有机层(如光刻胶)的不透明掩模层(如硬掩模或其他足以阻碍施加的能量的不透明掩模层)。在传统的成图过程中，在不透明掩模层上形成了图案。一旦在该不透明掩模层上形成了图案，便可形成期望的过氧化氢膜。该过氧化氢膜的深度可介于1微米到约100微米之间。一旦形成了期望的过氧化氢膜，便可向其施加光(如UV光)。UV光导致在曝光衬底的表面上形成了氧化性基团，且这些基团与有机层中未受到带图案的不透明掩模层保护的有机材料发生反应。因为氧化性基团是通过紫外光与过氧化氢之间的反应形成的，因而，由于反应物相对于衬底表面的较快的基团复合速率和扩散路径长度的缘故，通常仅在UV光入射的区域内形成蚀刻。
图2示出了根据本发明的一个实施例的、用于清洗衬底的系统200的侧视图。系统200包括了支持衬底208的衬底支撑202。衬底支撑驱动器203可以在垂直方向204上移动衬底支撑202和衬底208，也可以在方向206上旋转衬底208。
衬底208包含几个层210、212。在衬底208的上表面208A上形成了加工溶液(如水和/或过氧化氢或它们的组合)的小池222。分配喷嘴224可以将来自源226的溶液222分配到上表面208A。
将能量源230设置成朝向衬底208的上表面208A。该能量源230可包括光源或能量源，该光源或能量源足以离解溶液222而产生至少一种反应组分(如至少一种氧基团)。在一个实施例中，将能量源230设置成使得它以基本垂直于上表面208A的方向234发出能量232(即光)。应当理解，尽管在图中示出以基本垂直于上表面208A的方向234发出光232，但是，也可以任意方向来引导光，以便形成反应组分来与其希望发生反应的有机材料进行接触。光源230可以是连续的D2灯(波长在约180nm至约220nm之间)、脉冲(例如，脉冲频率约为80赫兹的约5微秒的脉冲)形式的氙灯(波长在约240nm至约300nm之间)。光源的选择取决于希望的反应性。例如，第一有机材料可能与更多的由180nm范围内的UV光产生的氧化性基团发生反应。另外，第二有机材料可能更容易与由300nm范围内的UV光产生的氧化性基团发生反应。
所用光源230的确切强度取决于期望的结果。例如，随着光源230的强度的增加，所产生的氧化性基团的反应性也随之增强。因此，为快速地除去一些相对次要的有机残余物，可以选择较低的强度。相反地，为蚀穿有机材料层，可以大幅增加光源的强度。另外，一些有机材料可以以更为理想的方式与脉冲光源(以相对较高的峰值强度发出脉冲，但其随时间的平均强度较低)发生反应。例如，某种第一有机材料可以以期望的方式(如适时的反应速率、可预测、可控制，等等)与光源230产生的氧化性基团发生反应，该光源以80Hz的脉冲频率发出20-40mJ/脉冲的持续时间为5毫秒的脉冲光。相反地，如果光源230以3瓦的连续强度工作，则该第一有机材料可能不会如希望的那样(如，与脉冲光源时的情形相比，反应速率有所降低)发生反应。
用于清洗衬底208的系统200，也可被封装在壳体240中。壳体240可以是任何类型的合适壳体。例如，在清洗过程中，可以控制温度、压力或其他环境因素(如大气、吹扫气或液体流速，等等)等变量。壳体242可以是任何类型的、适于控制这些期望因素的壳体。
也包含了控制系统242。控制系统242耦合到过氧化氢源226、衬底支撑驱动器203和光源230，以控制这些过氧化氢源、衬底支撑驱动器和光源的操作参数。该控制系统242也可以控制温度、压力或其他在清洗过程中希望控制的环境因素(如大气、吹扫气或液体流速等)等变量。
图3是根据本发明的一个实施例的、反应组分的浓度与生成这些反应组分(如氧化性基团)的溶液深度的关系曲线。当光通过溶液222时，光的强度根据溶液222的吸收率而减小。随着光强度减小，反应组分的浓度也相应地减小。结果，在溶液222的表面附近，光的强度达到其最大值，因而反应组分的相应浓度也达到其最大值。
反应组分的浓度至少部分地决定了衬底表面208A上的有机材料的反应性或氧化速率。因此，如果需要选定浓度的A来在衬底表面208A处实现所希望的反应性，则溶液222相对于衬底表面208A的深度不超过约为d的深度。
例如，如果溶液222包含用基本上对UV光透明的液体(如水)进行稀释的浓度为70％的过氧化物，则UV光的吸收率为100cm-1，且因此UV光可穿透约0.01cm的深度。
如溶液222的深度一样，也可以选择溶液的浓度来选择相应的反应性。例如，溶液222可以是过氧化氢与某液体(如水，它对UV光或其他可施加的能量类型基本透明)形成的稀释度介于1％和70％之间的溶液。
也可从处于深UV光(具有小于180nm的波长和足够的强度)照射之下的H2O(即过氧化氢浓度为0％)中生成反应组分。壳体240的气体环境也可以是不同于周围空气的气体。例如，可使用基本纯净的氮气气氛来使UV光强度的消散为最小。其他气体可包括任何惰性气体，如氩或其他惰性气体。
也可以操控溶液222的温度来选择相应的反应性。该温度可介于约0摄氏度至约180摄氏度之间。
图4A示出了根据本发明的一个实施例的、暴露在过氧化氢和紫外光下而得到蚀刻的衬底208的一部分402。该部分402的横向长度约为40mm。衬底208的表面层厚度约为3200埃。图4B是根据本发明的一个实施例的区域402的横向扫描图450。如图450所示，该表面层的厚度约为3200埃。往上述部分的中心看去，已将该表面层蚀刻成具有约1900埃的厚度。平均而言，该表面层的厚度减少了(如被蚀刻了)约800埃。
图5示出了根据本发明的一个实施例的衬底208。衬底208包括其上形成的有机层504。在有机层504上形成了带图案的掩模层502。掩模层502可以由阻碍光(或那些能用于生成反应组分的光)的透射的材料制成。与下方的有机层504相比，该带图案的掩模层502基本上较不容易与反应组分发生反应(如这些反应组分对掩模层存在选择性)。在带图案的掩模层502的表面上支持了溶液222。该带图案的掩模层包含开口508，下方的有机层504通过该开口曝光。
光源230引导光232通过溶液222并入射到掩模层502的表面上。用星形表示反应组分512。仅在溶液222的与光232接触的部分内生成反应组分512。如图所示，在溶液222的表面附近，反应组分512的浓度非常高。相反地，随着溶液222的深度的增加(如蚀刻到有机层504之中的特征514的底部)，反应组分512的浓度有所降低。
由于仅在溶液222的与光232接触的部分中生成反应组分512，因而区域510中基本不存在氧化性基团。结果，对有机层504的蚀刻通常被限制在有机层内的处于光源230的直“视线”覆盖之中的部分。尽管在区域510中未生成反应组分，但是，在上述直线覆盖的范围之外，仍然存在浓度相对较低的反应组分(直到该浓度较低的反应组分发生复合为止)。这个距离称为复合长度，并被进一步定义为离开与光直接相互作用的区域而仍然存在反应组分的距离。结果，对有机层的蚀刻基本上是各向异性的。在减少现有技术的各向同性湿蚀刻过程中可能出现的底切方面，这可以提供明显的优势。
一些器件和过程不能暴露在某些波长的光或其他能量源下。例如，通过促进腐蚀或通过其他方式，紫外光可能会损坏某些结构。因此，可能不希望将衬底208的表面208A暴露在UV光下。图6是根据本发明的一个实施例的、用于生成处于衬底表面的上游的氧化性基团的系统的详细视图。系统600包括被封装在光源壳体610中的光源230。光源壳体610包括防止紫外光入射到表面208A上的挡板612。在工作中，当溶液暴露在光232下时，光232在溶液中生成了浓度为第一浓度的反应组分614(如氧化性基团)。如上所述，在光232覆盖的范围之外，氧化性基团的浓度快速消散。然而，如果上述第一浓度的氧化性基团足够浓缩，则当这些氧化性基团614通过挡板612到达表面208A时，便形成了浓度为第二浓度的氧化性基团。这些第二浓度的氧化性基团足以氧化表面208A上的有机材料。
图7是根据本发明的一个实施例的、用于生成处于衬底表面208A的上游的氧化性基团的系统的图。系统700包括光源壳体610，在其中，光源230′被设置成与表面208A基本平行。因此，以基本平行于表面208A的方式发出光232′。挡板612′则防止光232′到达表面208A。
图8是根据本发明的一个实施例的、用于支持动态液体弯月面的邻近头810。邻近头810可包括光源壳体610。在光源壳体610中生成了反应组分614。将包含反应组分614的溶液通过动态液体弯月面812运送到上述表面。接近头810支持动态液体弯月面812。也可提供来自第二溶液源824的第二溶液(如IPA)。可至少部分地通过基本为惰性的气体(如氮气、氩气等)将上述溶液和上述第二溶液中的一种或两种运送到上述邻近头。向邻近头810应用来自真空源822的真空源232。包含在邻近头810中的光源壳体610可以包括或不包括挡板612。如果光源壳体610中不包括挡板，则如上所示，在衬底表面上生成反应组分。
图9的流程图示出了根据本发明的一个实施例的、生成用于处理衬底的氧化性基团的方法操作900。在操作905中，接纳了用于加工的衬底。在操作910中，将溶液施加到该衬底的表面。该溶液可以是水、过氧化氢或水与过氧化氢的混合物，或如上所述的从其中能生成反应组分的其他溶液。
在操作915中，在溶液中生成了反应组分。用具有期望波长和强度的光照射溶液可生成反应组分。例如，可以从包含水、过氧化氢或它们的组合的溶液中生成一种或多种氧化性基团。
在操作920中，将上述反应组分施加到衬底的表面，直到期望数量的有机材料发生反应为止。可以在衬底表面(如图2-图5中描述的)处或衬底表面的上游(如图6-图8中描述的)生成上述反应组分。在衬底的表面上，反应组分很容易与至少一部分有机材料(如有机层或有机残余物)发生反应。
在可选择的操作925中，可以停止生成反应组分，并冲洗上述表面来除去任何反应后的有机材料。然后，可以结束该方法操作。
考虑上述实施例，应当懂得，本发明可采用各种涉及存储在计算机系统中的数据的计算机实施的操作。这些操作需要对物理量进行物理操作。通常，尽管并非必要，这些量表现为能进行存储、传输、组合、比较和其他操作的电或磁信号的形式。此外，通常用术语(如产生、识别、确定或比较)来称呼进行的上述操作。
本文所述的形成本发明的一部分的任何操作是有用的机器操作。本发明也涉及执行这些操作的设备或装置。该装置可以是专为欲达到的目的而制造的装置，也可以是由存储在计算机中的计算机程序有选择地进行启动或配置的通用计算机。具体而言，各种通用机器可以与根据本文的教导编写的计算机程序一起使用，或者，更为方便的是，制造更专门的装置来执行要求的操作。
也可以将本发明实施为计算机可读介质上的计算机可读代码。该计算机可读介质是任何能存储随后由计算机系统读取的数据的数据存储设备。计算机可读介质的例子包括：硬盘驱动器、网络连接存储器(NAS)、只读存储器，随机存取存储器、CD-ROM、CD-R、CD-RW、磁带和其他光学的、非光学的数据储存设备。也可在网络连接的计算机系统上分布设置该计算机可读介质，以通过分布式的方法存储和执行计算机可读代码。
应当理解，并不要求以图示的顺序来执行以上图中用操作表示的那些指令，而且，对实施本发明而言，并非所有由上述操作表示的处理均是必要的。此外，也可以将上述附图中描述的任何过程实施成存储在RAM、ROM或硬盘驱动器中的或它们的组合之中的软件。
尽管为促进对本发明的理解而相当详细地描述了之前的发明，但是，显而易见，在附录权利要求的范围内，可以实施某些变更和修改。相应地，应当将现有的实施例视为说明性的而非限制性的，而且，不应将本发明限于本文给出的细节，相反，应当可以在所附权利要求的范围和其等同物的范围内对本发明进行修改。
Claims (23)
1.一种处理衬底的方法，包括：
将溶液施加到衬底的表面，其中，通过将光作用于所述溶液而由所述溶液的离解产生至少一种反应组分；
使所述衬底上的第一材料发生反应；以及
从所述衬底上除去所述反应后的第一材料。
2.如权利要求1所述的方法，其中，所述溶液包含由H2O2或H2O形成的组中的至少其中一种。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述反应组分包括由O3、O2、OH、O或OOH形成的组中的至少其中一种。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述光是紫外光。
5.如权利要求1所述的方法，其中，在所述溶液接触所述衬底表面之前，将所述光作用于所述溶液。
6.如权利要求1所述的方法，其中，在所述溶液接触所述衬底表面的至少一部分时间内，将所述光作用于所述溶液。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述光具有小于或等于约300nm的波长。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述光具有处于约180nm与约220nm之间的波长。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述光是经过准直校准的。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述光是以脉冲方式发出的。
11.如权利要求1所述的方法，其中，基本上仅有一部分暴露在所述光下的所述第一材料发生反应。
12.如权利要求1所述的方法，其中，将所述溶液施加到所述衬底表面包括在所述衬底表面形成厚度小于反应组分的复合长度的所述溶液的层。
13.如权利要求1所述的方法，其中，所述溶液包括浓度至少为10％的H2O2。
14.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一材料是有机材料。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述第一材料通过掩模层中的图案而曝光。
16.如权利要求1所述的方法，其中，将所述溶液施加到所述衬底的表面包括通过动态的液体弯月面来施加所述溶液。
17.如权利要求1所述的方法，还包括冲洗所述衬底的表面。
18.一种处理衬底的系统，包括：
衬底支撑，其上支持了衬底；
所述衬底表面上支持的溶液层；以及
能离解所述溶液而产生反应组分的能量源。
19.如权利要求18所述的系统，其中，所述能量源是光源。
20.如权利要求18所述的系统，其中，所述能量源是紫外光源。
21.如权利要求18所述的系统，其中，所述能量源被包含在壳体中。
22.如权利要求18所述的系统，其中，所述能源被包含在邻近头中，且其中在所述衬底表面上支持了处于动态液体弯月面内的所述溶液层。
23.一种用于蚀刻衬底内的有机层的系统，包括：
衬底支撑，其上支持了衬底；所述衬底具有在有机层上形成的带图案的掩模层，且通过所述掩模层中的所述图案的第一部分将所述有机层的第一部分曝光；
所述衬底的上表面上支持的溶液层；以及
能离解所述溶液来产生至少一种反应组分的光源。
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