CN101325152A - 用于将半导体晶片清洗、干燥和亲水化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于将半导体晶片清洗、干燥和亲水化的方法，其包括给定顺序的下列步骤：a)用含有氟化氢的液体水溶液处理半导体晶片，其中该半导体晶片至少短时地绕其中轴旋转，和b)使该半导体晶片绕其中轴以1000至5000转/分钟的转速在含臭氧的气氛中旋转，由此干燥该半导体晶片，其中所述含有氟化氢的液体水溶液由于通过旋转产生的离心力而从所述半导体晶片上流走，并且该半导体晶片的表面被臭氧亲水化。
Description
技术领域
本发明涉及将半导体晶片清洗、干燥并同时亲水化的方法，其中干燥是在旋转半导体晶片的情况下进行的。
背景技术
用作例如制备微电子元件的基材的半导体晶片，通常硅晶片，在抛光、涂层(例如通过外延沉积)或热处理步骤(“退火处理”)后或在高温处理步骤之前，通过湿化学工艺进行清洗。清洗的目的为尽可能完全除去半导体晶片，例如，被金属如铜或有机物质以及粘附于晶片表面的颗粒污染，由于该污染在随后生产元件期间导致一些问题，例如导致栅氧化物层不均匀生长或导致多晶硅栅非均相沉积。
从现有技术中得知很多清洗和干燥半导体晶片的方法：
US 5,714,203公开了一种方法，其中将完全浸渍于包括氟化氢溶液(氢氟酸)的槽中的半导体晶片从该槽中取到含臭氧的气氛中。将所述气氛中的臭氧溶解于液体表面并因此减少了其表面张力，这使液体变得易于从晶片表面流散。同时，晶片表面被含臭氧的气氛氧化。因此，在干燥后晶片是亲水的。在US 6,451,124中规定，允许将半导体晶片以只有每秒0.01至15mm和优选地，每秒0.01至0.5mm的速度从氢氟酸中取出，以便实际上达到干燥的晶片表面。如果提供300mm的晶片直径和每秒0.5mm的速度，仅该过程本身就需要10分钟。此外，由于在晶片表面观察到不均匀性，例如，所谓的“水纹”，必须将晶片完全干燥。
多年以来，单晶片清洗方法也越来越多地被采用，其中，使半导体晶片绕其中轴快速旋转并首先使用一种或更多种液体清洗，然后使用去离子水冲洗并干燥。将液体施用于转动的半导体晶片上并由于离心力而向着晶片的边缘加速，使得液体向外流散并在晶片表面形成通常整个面积的薄膜。在随后经半导体晶片继续旋转干燥期间，例如添加蒸汽(例如异丙醇的蒸汽)来降低液体膜的表面张力，最终液体膜完全流走。这类方法在US 2004/0103915A1和EP 0905747A1中描述。这种单晶片清洗方法的特征是较低的化学物质消耗。
在这样的装置中使用氢氟酸作为清洗液也是众所周知的。因此，US6,869,487B1描述了其中使用快速旋转的液体清洗半导体晶片的方法，该液体包含溶解的臭氧，臭氧或提前溶解在液体中或来自含臭氧的工艺气氛中。此外，在已经停止提供液体之后，通过将臭氧添加到工艺气氛中可以达到亲水表面。然而，应该注意确保只要它与臭氧接触就总会在晶片表面存在闭合的液体薄膜。随后将半导体晶片使用去离子水冲洗并干燥。例如，所述干燥是通过离心干燥经添加蒸汽来实现的。
然而，已经发现，以这种方式处理的颗粒、金属和有机污染物在半导体晶片上的浓度还需要改进。因此，本发明的目的在于提供克服这些缺点的清洗和干燥方法。
发明内容
该目的是通过用于将半导体晶片清洗、干燥和亲水化的方法实现的，该方法包括给定顺序的下列步骤：
a)用含有氟化氢的液体水溶液处理半导体晶片，其中该半导体晶片至少短时地绕其中轴旋转，然后
b)使半导体晶片绕其中轴以1000至5000转/分钟的转速在含臭氧的气氛中旋转，由此干燥半导体晶片，其中含有氟化氢的液体水溶液由于通过旋转产生的离心力而从半导体晶片上流走，并且半导体晶片的表面被臭氧亲水化。
本发明包括在含臭氧的气体气氛中在旋转半导体晶片的情况下干燥被含HF的清洗溶液覆盖的半导体晶片。干燥和表面亲水化在同一个加工步骤中进行。该方法特别适合应用在单晶片清洗装置中，例如由US2004/0103915A1所公开者。与已知的旋转干燥法不同，无需使用单独的冲洗介质，例如去离子水，并且无需有机溶剂，如异丙醇。已经表明，根据US 6,869,487B1所需的用去离子水冲洗再次增加了在晶片表面上的颗粒和金属污染物的浓度，此外导致形成所谓的“水纹”。若没有完全且均匀地除去冲洗水而是保留在半导体表面上的某些位置，则出现水纹。然后将这些残余物以不受控制的方式干燥。在此，存在于冲洗水中的所有污染物沉积于半导体晶片上并形成“水纹”。尤其是以痕量溶于水中的二氧化硅，沉积为分离的污染物。因此，即使该冲洗步骤在现有技术中被描述为必需的，根据本发明也无需用水冲洗的步骤。同时，根据本发明的方法也能够无需在清洗之后再次导致有机污染物的有机化合物，如异丙醇。
另一个优点是，节省了过程化学物质、去离子水和异丙醇，特别是避免了用于与环境相容地处理有机废物的费用。此外，与传统的包括亲水化、冲洗和干燥的三步法相比，根据本发明的方法导致加工持续时间显著缩短。
不同于在US 5,714,203中所公开的HF-臭氧干燥器，根据本发明的方法不涉及浴洗过程，而是单晶片过程，其中借助至少一个喷嘴将过程化学物质分布在旋转的半导体晶片上。因为可以将具有最低处理费用的干燥法并入多步单晶片清洗过程中，所以此类加工过程是特别有利的。
具体实施方式
步骤a)
在本发明方法的步骤a)中，用含有氟化氢(氢氟酸)的液体水溶液处理晶片表面。优选将该溶液通过一个或更多个喷嘴施加例如喷洒在半导体晶片上，同时借助夹持装置使半导体晶片旋转。由于离心力，液体向外流走，并在此于半导体晶片的表面上形成薄膜。通常将半导体晶片水平安装，从而使其可以绕垂直轴旋转。通常将液体从上方以及任选同时从下方送入。
氟化氢在液体水溶液中的浓度优选为0.001至50重量％，特别优选为0.01至2重量％。在HF浓度小于0.001％时，不再确保半导体晶片上的氧化物层完全溶解。高浓度的氢氟酸的腐蚀性很强，因此根据本发明采用不大于50％，优选不大于2％的浓度。任选其他的清洗化学物质如氯化氢也可存在于溶液中。氯化氢与金属阳离子一起形成易溶的络合化合物，将其与氟化氢溶液一起除去。
还可将臭氧加入溶液中，然后将该溶液送至半导体晶片。臭氧的浓度至少为0.1mg/l。从而提高了溶液的清洗效果，并降低了液体膜的表面张力。
步骤a)例如可以在干净的室内空气中或在惰性气氛例如氮气中进行。但也可在步骤a)中已经将臭氧添加到气氛中。臭氧优选以连续的气体流的形式作为O3/O2的混合物提供。在步骤a)中，该气体流优选包含1至35重量％的臭氧，特别优选5至20重量％的臭氧。若该气氛包含臭氧，则臭氧溶解于液体膜中，并通过扩散至半导体晶片的表面从而使其氧化。作为含臭氧的溶液的选择或者额外地使用含臭氧的气氛。含有臭氧和HF的溶液能够通过连续溶解和重新形成氧化物层来蚀刻半导体晶片。这有助于除去颗粒，若应除去更厚的表面层则是有利的。同时在存在强氧化剂如臭氧的情况下，防止金属还原沉积在半导体表面上。仅包含氟化氢而不含氧化剂的清洗溶液仅选择性地除去晶片表面上的薄氧化物层，而对单质硅不具有蚀刻作用。这对于在表面粗糙度方面具有高度要求的半导体晶片是有利的。
步骤b)
在步骤a)结束时，半导体晶片的表面覆盖有含有氟化氢和任选其他组分如氯化氢或臭氧的薄的含水液体膜。根据本发明，氟化氢在步骤a)之后位于半导体晶片表面上的液体水溶液中的浓度在步骤b)之前不变，尤其是在干燥前不用水或其他液体冲洗半导体晶片。
在步骤b)中，含臭氧的气体混合物流过半导体晶片上方的气体空间。例如以与氧气(O2)或空气的混合物的形式使用臭氧。臭氧优选以连续气体流的形式作为O3/O2的混合物提供。在步骤b)中，臭氧在该气体流中的浓度优选为5至35重量％，特别优选为5至20重量％。在该臭氧浓度下，一方面确保晶片表面完全亲水化，另一方面通过溶解的臭氧充分降低液体膜的表面张力以获得完全令人满意的干燥。
来自该气氛的臭氧部分地溶解于液体膜中，并降低液体的表面张力。半导体晶片快速旋转，由此在离心力的作用下使液体膜流走。转速可选择为足够高，以将液体完全从晶片表面离心除去。这可借助1000至5000转/分钟，优选2000至3000转/分钟的转速来实现。只有保持该转速，才能省略根据现有技术所需的用水冲洗。
优选在步骤a)中结束液体输送并同时提高半导体晶片的转速，而开始将臭氧加入气体空间中。若已经通过转动降低了液体膜的厚度，则也可在较晚时添加臭氧。但为了完全且均匀地除去液体，只要在晶片上还存在闭合的液体膜就需要将臭氧送入气体空间中。整个清洗和干燥过程可以在少于30秒内进行。
在干燥半导体晶片期间，使含臭氧的气体气氛与晶片表面接触并在此形成亲水性氧化物层，从而在步骤b)结束时，该半导体晶片是亲水性且干燥的。干燥的晶片没有水纹。因为根据本发明的方法不会引起晶片表面上的金属和颗粒浓度的升高，根据本发明处理的半导体晶片的特征在于低的金属和颗粒浓度。
根据本发明的方法可以应用于所有的半导体晶片，优选应用于单晶硅晶片。优选还应用于尚不包含元件结构的半导体晶片。
Claims (10)
1、用于将半导体晶片清洗、干燥和亲水化的方法，其包括给定顺序的下列步骤：
a)用含有氟化氢的液体水溶液处理半导体晶片，其中该半导体晶片至少短时地绕其中轴旋转，和
b)使该半导体晶片绕其中轴以1000至5000转/分钟的转速在含臭氧的气氛中旋转，由此干燥该半导体晶片，其中所述含有氟化氢的液体水溶液由于通过旋转产生的离心力而从所述半导体晶片上流走，并且该半导体晶片的表面被臭氧亲水化。
2、根据权利要求1的方法，其特征在于，步骤b)中的转速为2000至3000转/每分钟。
3、根据权利要求1或2的方法，其特征在于，在步骤a)和b)中氟化氢在所述液体水溶液中的浓度为0.01至2重量％。
4、根据权利要求3的方法，其特征在于，氟化氢在步骤a)之后位于所述半导体晶片的表面上的液体水溶液中的浓度在步骤b)之前不变。
5、根据权利要求1至4之一的方法，其特征在于，在步骤b)中，臭氧在所述气氛中的浓度为5至20重量％。
6、根据权利要求1至5之一的方法，其特征在于，步骤a)在含臭氧的气氛中进行。
7、根据权利要求6的方法，其特征在于，在步骤a)中，臭氧在所述气氛中的浓度为5至20重量％。
8、根据权利要求1至7之一的方法，其特征在于，所述液体水溶液包含臭氧。
9、根据权利要求1至8之一的方法，其特征在于，该方法是借助单晶片清洗装置进行的。
10、根据权利要求1至9之一的方法，其特征在于，从所述半导体晶片仍被连续的液体膜覆盖的时间点起，将所述半导体晶片暴露于含臭氧的气氛。
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