CN101373704A - 半导体基底的清洗方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体基底的清洗方法。首先，提供半导体基底，半导体基底包含有材料层与图案化光刻胶层，且图案化光刻胶层位于材料层上。之后，利用图案化光刻胶层作为蚀刻掩模对材料层进行接触蚀刻工艺，以在材料层中形成蚀刻孔洞。接着，利用清洗溶剂对半导体基底进行溶剂清洗工艺。其后利用去离子水对半导体基底进行水洗工艺，其中去离子水的温度范围介于30℃至99℃之间。

Description

半导体基底的清洗方法

技术领域

本发明提供一种清洗方法，尤指一种利用水洗工艺来清洁半导体基底的清洗方法。

背景技术

在半导体集成电路的制造过程中，常使用到黄光以及蚀刻工艺来进行晶片上各层材料的图案形成与图案转移。举例来说，在制作集成电路的接触插塞时，即以图案化光刻胶层作为蚀刻硬掩模，将未被图案化光刻胶层覆盖的介电材料层蚀刻移除后，再将图案化光刻胶层去除，接着再在插塞孔洞中形成所要的金属材料层，以完成接触插塞。

请参阅图1，其绘示的是已知方法形成插塞的流程示意图，已知方法包含有下列步骤：

步骤101：先提供晶片，晶片上包含有介电材料层；

步骤103：在介电材料层上形成光刻胶层，并对光刻胶层进行黄光工艺，以将预定图案投射至光刻胶层上；

步骤105：将未被曝光的光刻胶层去除，而在晶片上留下一个图案化光刻胶层；

步骤107：对晶片进行蚀刻工艺，通常是等离子体干蚀刻工艺或者反应离子蚀刻(reactive ion etching，RIE)技术，将图案化光刻胶层的图案转移至下方的介电材料层中，以在介电材料层中形成所需的插塞孔洞；

步骤109：进行氧气等离子体灰化工艺，以清除图案化光刻胶层；

步骤111：进行溶剂清洗工艺(solvent cleaning process)，利用高温清洗溶剂，例如70℃的羟胺类(hydroxylamine)溶剂，去除位于介电材料层表面、插塞孔洞内壁与插塞孔洞底部的侧壁高分子与残余物；

步骤113：利用25℃的去离子水(deionized water，DI water)进一步去除位于介电材料层上的侧壁高分子与清洗溶剂；

步骤115：在晶片表面形成一层阻挡层，覆盖于介电材料层表面、插塞孔洞内壁与插塞孔洞底部；

步骤117：在晶片表面形成一层金属层，覆盖于阻挡层上，并填充于插塞孔洞中；以及

步骤119：进行研磨工艺，以去除多余的阻挡层与多余的金属层，由此在介电材料层中形成插塞。

前述的等离子体干蚀刻或者反应离子蚀刻技术其等离子体成分会与光刻胶层中的有机物产生各种的难以去除的蚀刻副产物，其组成成分可能来自于所蚀刻的基材、基材上的材料层、光刻胶层以及蚀刻气体。这些蚀刻副产物亦可能随着不同蚀刻机台、工艺条件以及不同被蚀刻材料而有所改变，而业界就将这些难以用氧气等离子体灰化工艺清除掉的蚀刻副产物称为侧壁高分子。

晶片表面的洁净度实际上对于产品成品率的影响甚巨，为了确保后续的产品成品率不被影响，在沉积阻挡层之前，这些蚀刻副产物必须被有效地从晶片表面上去除，但是却又必须同时不影响到已形成好的金属线路或半导体装置。因此，在氧气等离子体灰化工艺之后，晶片会送入半导体湿法化学工作站中接受前述70℃羟胺类溶剂等的清洗液的清洗，接着接受25℃去离子水的清洗，之后再进行后续工艺。

然而，当这些晶片接受最终的产品成品率测试时，测试结果显示出的产品成品率却仍可能不如预期。根据产品成品率测试的结果可知，即使是在相同的工艺参数下操作，由不同的机台所处理的晶片或是相同机台所处理的不同批次的晶片仍然可能具有不同的产品成品率。举例来说，由特定机台所处理的晶片可能会具有较多的结构缺陷。随着半导体技术进入高密度的深亚微米世代，产品成品率发生歧异的状况愈发显著，且这些结构缺陷往往会发生在晶边周围的芯片中。

经过反复的实验后发现，成品率不如预期的主要原因就在于溶剂清洗工艺的清洗溶剂的残留。溶剂清洗工艺本身属于一种开放式的工艺，也就是说，清洗溶剂中的可挥发成分会在清洗的过程中渐渐逸散而出，使得清洗溶剂本身的粘度渐渐提高，清洗溶剂的浓度也慢慢改变，而且悬浮于清洗溶剂中的各种副产物也越来越多。因此，当溶剂清洗工艺的工艺时间越长，清洗溶剂也就更容易附着于插塞孔洞中与晶片表面而难以去除。残留的清洗溶剂往往即时无法透过晶片可接受度测试(wafer acceptance testing，WAT)或是结构的切面观察而被检测出，但清洗溶剂的存在却会破坏金属层与下方的装置之间的电连接，导致所填入的金属层和其下方装置的结电阻值过大或电连接失效，残留的清洗溶剂甚至可能会影响到后续工艺或是后续形成的结构。

承上，若长时间使用去离子水以大量清除残余溶剂，则会因去离子水与溶剂作用进而腐蚀位于插塞孔洞底部的金属层。故为了减少清洗溶剂的残留，产品成品率较低的机台必须要加快其清洗溶剂的更换频率。也就是说，为了避免清洗溶剂粘度过大的情况发生，清洗溶剂的更换周期必须缩短，由原来每12个小时更换清洗溶剂的周期改为每8个小时就要更换新的清洗溶剂。这不但会增加工艺时间与清洗溶剂的成本，而且对于产品成品率的改善也相当有限。

有鉴于此，已知方法不但可能会制作出低成品率的晶片，而且还会浪费庞大的工艺成本与时间，故已知晶片的清洁方法仍具有待改进的处。

发明内容

因此，本发明于此提供一种半导体基底的清洗方法，利用高温的去离子水以较短的工艺时间来清除残留于半导体基底上的溶剂，以提升产品成品率。

根据本发明的一个优选实施例，本发明提供一种半导体基底的清洗方法。首先，提供半导体基底，半导体基底包含有材料层与图案化光刻胶层，且图案化光刻胶层位于材料层上。之后，利用图案化光刻胶层作为蚀刻掩模来蚀刻材料层，以在材料层中形成蚀刻孔洞。接着，利用清洗溶剂对半导体基底进行溶剂清洗工艺(solvent cleaning process)。其后利用去离子水对半导体基底进行水洗工艺，其中去离子水的温度范围介于30℃至99℃之间，反应时间范围介于30秒至5分钟之间。

根据本发明的另一优选实施例，本发明另提供一种半导体基底的清洗方法。首先，提供半导体基底，半导体基底包含有材料层。之后，利用清洗溶剂对半导体基底与材料层进行溶剂清洗工艺，其中清洗溶剂包含有羟胺类成分。接着，利用去离子水对半导体基底进行水洗工艺，其中去离子水的温度范围介于30℃至99℃之间，反应时间范围介于30秒至5分钟之间。

为让本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施方式，并配合附图，作详细说明如下。然而如下优选实施方式与图式仅供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。

附图说明

图1绘示的是已知方法形成插塞的流程示意图。

图2、3、4、5、6、7和8绘示的是本发明的优选实施例半导体基底的清洗方法的剖面示意图。

图9绘示的是本发明的优选实施例清洗半导体基底的流程示意图。

附图标记说明

101、103、105、107、109步骤         111、113、115、117、119步骤

120半导体基底                       112介电材料层

114图案化光刻胶层                   122蚀刻孔洞

124阻挡层                           126导电层

128插塞                             130浸泡槽

132输送管线                         140清洗溶剂

142去离子水                         144侧壁高分子

146导体                             201、203、205、207、209步骤

211、213、215步骤

具体实施方式

请参照图2至图9，图2至图8绘示的是本发明的优选实施例半导体基底的清洗方法的剖面示意图，而图9绘示的是本发明的优选实施例清洗半导体基底的流程示意图，其中相同的元件或部位仍沿用相同的符号来表示。需注意的是图式仅以说明为目的，并未依照原尺寸作图。

首先，如图2与图9的步骤201所示，先提供半导体基底120，半导体基底120上包含有导体146、介电材料层112与图案化光刻胶层114。其中如本领域普通技术员然所熟知，当要利用光刻胶进行图案形成与图案转移时，通常需先将光刻胶液涂布在预定的材料层表面，经由黄光工艺将影像投射至光刻胶层上之后，再经烘烤及显影步骤将未被曝光的光刻胶层去除，藉以形成前述的图案化光刻胶层114。一般而言，半导体基底120可以由硅基底、含硅基底或者硅覆绝缘(Silicon-on-Insulator，SOI)等半导体材料所构成，例如为晶片。介电材料层112可由氧化物或掺有硼、磷的氧化硅等绝缘材料所构成。图案化光刻胶层114可以包含有正光刻胶材料或负光刻胶材料。导体146可以是任何导电物质或是半导体装置中的导电区域，例如金属线路、导电插塞、金属氧化物半导体晶体管的源极区域、金属氧化物半导体晶体管的漏极区域、金属氧化物半导体晶体管的栅极，或是二极管元件的连接区域等等。需注意的是，在本发明的其他实施例中，前述介电材料层112亦可替换为其他非介电材料层，例如铝金属层或铝合金钝化层等的薄膜。

接着，如图3与图9的步骤203所示，对半导体基底120进行蚀刻工艺，例如等离子体蚀刻工艺或者反应离子蚀刻工艺等，将图案化光刻胶层114的图案转移至下方的介电材料层112中，以在介电材料层112中形成所需的蚀刻孔洞122，例如接触插塞孔洞(contact plug hole)、介层插塞孔洞(via plug hole)或渠沟(trench)图案，并暴露出导体146。

之后，如图4与图9的步骤205所示，利用剥除(striping)工艺来清除图案化光刻胶层114，例如进行氧气等离子体灰化工艺或是湿法化学蚀刻工艺等。其后，半导体基底120可以被传送至半导体湿法化学工作站进行半导体基底120的洁净，以去除半导体基底120表面上的蚀刻后残余物与侧壁高分子144，如图5与图9的步骤207所示，接着进行溶剂清洗工艺(solvent cleaningprocess)，半导体基底120被置入浸泡槽130中接受旋转与浸泡。浸泡槽130中注入有高温的清洗溶剂140，例如70℃的羟胺类(hydroxylamine)溶剂等，以去除位于介电材料层112表面、蚀刻孔洞122内壁与蚀刻孔洞122底部的侧壁高分子144与残余物，其浸泡时间通常约5-30分钟左右，例如10分钟。随后，对半导体基底120进行旋转干燥(spin-drying)工艺，利用旋转半导体基底120的惯性与离心力来移除半导体基底120上大部分的清洗溶剂140。

这里的清洗溶剂140可以为各式含胺(amine-base)溶剂或是含氟化物(fluoride-base)等的溶剂，例如EKC-270或ACT-935。根据本优选实施例，浸泡槽130中的清洗溶剂140包含有EKC-270。EKC-270清洗溶剂是一种由杜邦EKC科技公司所生产的商业化蚀刻后残余物去除剂(post-etch residueremover)，在半导体湿法清洗工艺中常被用来清除半导体基底表面上的有机高分子成分、光刻胶灰化后残余物以及有机金属蚀刻残余物等等。EKC-270清洗溶剂主要的成分是羟胺类物质。ACT-935清洗溶剂则是由Ashland公司所生产的蚀刻后残余物去除剂，主要的成分是单乙醇胺与羟胺类物质。

清洗溶剂140经由清洗溶剂控制阀(未示于图中)以及清洗溶剂的输送管线132注入浸泡槽130中。在输送管线132中间可以设置有液体输送泵浦(未示于图中)。此外，在清洗溶剂140进入浸泡槽130之前，清洗溶剂140可以先被容置于容置槽中(未示于图中)。容置槽包含有加热装置(heater)，用以把清洗溶剂140加热至适当的工艺温度。举例来说，EKC-270清洗溶剂的沸点大约是110℃至170℃，因此这里EKC-270清洗溶剂的温度不宜高于110℃。实际的工艺温度可以根据半导体基底120的结构材料与溶剂清洗工艺的工艺状况等等参数而调整，一方面要能有效地移除蚀刻副产物，另一方面必须不影响到已形成好的导体146。

随后，如图6与图9的步骤209所示，利用去离子水142对半导体基底120进行水洗工艺，进一步去除位于介电材料层112上的清洗溶剂140。水洗工艺中所使用的去离子水142的温度范围介于30℃至99℃之间，例如70℃，反应时间范围介于30秒至5分钟之间，例如为1分钟。在水洗工艺的过程中，残留于半导体基底120表面、蚀刻孔洞122侧壁与蚀刻孔洞122洞底部的清洗溶剂140会受到去离子水142的加热与溶解，因此清洗溶剂140的粘度便会下降，且因有效缩短水洗时间，不至于过度腐蚀导体146表面，使得清洗溶剂140较容易从半导体基底120表面被移除。

另一方面，由于这里系使用高温的去离子水142来进行水洗工艺，因此去离子水142会比较容易与清洗溶剂140中的成分进行水解反应，使清洗溶剂140更容易溶于去离子水142而被带除。此外，在高温的环境之下，去离子水142与清洗溶剂140反应所产生的副产物还可以帮助水洗工艺移除半导体基底120表面的氧化物与高分子物质。举例来说，当清洗溶剂140包含有EKC-270清洗溶剂时，去离子水142与羟胺类物质反应可产生氢氧化铵，利用氢氧化铵来协助移除氧化物与高分子物质。

其中，前述步骤207与步骤209可以反复交替地进行。也就是说，溶剂清洗工艺以及水洗工艺可以为多重步骤(multi-cycle)。如此一来，半导体基底120可在水洗工艺之后再反复进行溶剂清洗工艺以及水洗工艺，直到半导体基底120表面的残余物、侧壁高分子144与清洗溶剂140几乎都被移除为止。

之后，如图9的步骤211所示，对半导体基底120进行干燥工艺，例如利用氮气来干燥半导体基底120。接着，如图7、图9的步骤213与步骤215所示，在半导体基底120表面形成一层粘着层或阻挡层124，覆盖于介电材料层112表面、蚀刻孔洞122侧壁与蚀刻孔洞122底部，再在半导体基底120表面形成一层导电层126，覆盖于阻挡层124上，并填充于蚀刻孔洞122中。其中，导电层126可利用钨(W)、氮化钛(TiN)、钨化钛(TiW)等金属材料或其混合物所构成。

其后，如图8与图9的步骤217所示，进行平坦化工艺，例如化学机械抛光工艺，以去除多余的阻挡层124与多余的导电层126，由此于介电材料层112中形成插塞128，例如接触插塞或介层插塞。

在本发明的另一实施例中，在溶剂清洗工艺之前另可包含有预水洗工艺。预水洗工艺同样是利用高温的去离子水142对半导体基底120进行清洗，其中水洗工艺、溶剂清洗工艺与预水洗工艺可以利用同一工艺机台或同一工艺工具进行，也可以利用不同工艺机台或不同工艺工具进行。举例来说，水洗工艺、溶剂清洗工艺与预水洗工艺可以在同一半导体湿法化学工作站中进行，而可使用的工艺工具包含有溶剂清洗工具(solvent cleaning tool)或是刷洗工具(scrubber cleaning tool)。

此外，溶剂清洗工艺可以接续着预水洗工艺而直接进行，而水洗工艺可以紧接着溶剂清洗工艺而直接进行。换句话说，溶剂清洗工艺与预水洗工艺之间、水洗工艺与溶剂清洗工艺之间可以不进行干燥步骤等等工艺。另外，溶剂清洗工艺与预水洗工艺之间、水洗工艺与溶剂清洗工艺之间也可以依据实际工艺需要而进行其他步骤，例如中间溶剂浸润(intermediate post-solventrinse，IPR)步骤或是刷洗步骤。

前述实施例是使用插塞结构为例进行本发明的说明，然而，该领域具通常知识者应可理解，本发明的主要特征在于使用高温去离子水来移除半导体基底上的清洗溶剂与残余物，因此本发明不必局限于制作插塞结构，本发明亦可用于形成或清洁金属连线结构或是连接垫结构。举例来说，前述实施例的介电材料层112可以替换为任何其他材料层，例如铝金属材料层，图案化光刻胶层114的可以具有任何图样的开口图案，且图案化光刻胶层114可以替换为其他材料的图案化硬掩模，例如含有氮氧化合物的图案化硬掩模。换句话说，本发明可用于各式薄膜的蚀刻后的清洗工艺，或是各种薄膜的沉积前的清洗工艺。

由于本发明使用高温去离子水来移除半导体基底上的残余物，因此具有以下几个优点。首先，高温去离子水能有效地移除半导体基底上的清洗溶剂与残余物，所以可以大幅提升本发明所制作出的产品成品率，也使得不同机台的成品率差异值缩小，提升工艺的稳定度。其次，由于清洗溶剂可以被有效地移除，因此本发明可以增加清洗溶剂的更换周期，不需要每8个小时就更换新的清洗溶剂。因此，不但可以减少更换溶液所花费的时间，增加生产率(productivity)，还可以节省工艺成本。再者，由于机台的成品率提高且不同机台的成品率差异值缩小，各机台可接受的工艺参数的差异值也更大。也就是说，本发明可以轻易地利用多个机台来进行同一个工艺，而不必担心不同机台所制作的产品会良莠不齐。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (21)

1.一种半导体基底的清洗方法，包含有：

提供半导体基底，该半导体基底包含有材料层与图案化光刻胶层，且该图案化光刻胶层位于该材料层上；

利用该图案化光刻胶层作为蚀刻掩模来蚀刻该材料层，以在该材料层中形成蚀刻孔洞；

利用清洗溶剂对该半导体基底进行溶剂清洗工艺；以及

利用去离子水对该半导体基底进行水洗工艺，且该去离子水的温度范围介于30℃至99℃之间。

2.如权利要求1所述的清洗方法，其中该水洗工艺的反应时间范围介于30秒至5分钟之间。

3.如权利要求1所述的清洗方法，其中该溶剂清洗工艺以及该水洗工艺为多重步骤。

4.如权利要求1所述的清洗方法，其中该清洗溶剂包含有羟胺类成分。

5.如权利要求1所述的清洗方法，其中该清洗溶剂的温度低于110℃。

6.如权利要求1所述的清洗方法，其中该材料层包含有介电材料层。

7.如权利要求1所述的清洗方法，其中该蚀刻孔洞包含有接触插塞孔洞或介层插塞孔洞。

8.如权利要求1所述的清洗方法，在该溶剂清洗工艺之后另包含有旋转干燥该半导体基底的步骤。

9.如权利要求1所述的清洗方法，在该水洗工艺之后另包含有对该半导体基底进行干燥工艺的步骤。

10.如权利要求9所述的清洗方法，其中该干燥工艺是利用氮气来干燥该半导体基底。

11.如权利要求1所述的清洗方法，在该溶剂清洗工艺之前另包含有清除该图案化光刻胶层的步骤。

12.如权利要求1所述的清洗方法，其中该溶剂清洗工艺与该水洗工艺是在同一机台之中进行。

13.如权利要求1所述的清洗方法，其中该溶剂清洗工艺与该水洗工艺是在不同机台之中进行。

14.如权利要求1所述的清洗方法，在该溶剂清洗工艺之前另包含有利用该去离子水对该半导体基底进行预水洗工艺的步骤。

15.如权利要求14所述的清洗方法，其中该溶剂清洗工艺与该预水洗工艺是在同一机台之中进行。

16.如权利要求14所述的清洗方法，其中该溶剂清洗工艺与该预水洗工艺是在不同机台之中进行。

17.一种半导体基底的清洗方法，包含有：

提供半导体基底，该半导体基底包含有材料层；

利用清洗溶剂对该半导体基底与该材料层进行溶剂清洗工艺，该清洗溶剂包含有羟胺类成分；以及

利用去离子水对该半导体基底进行水洗工艺，且该去离子水的温度范围介于30℃至99℃之间。

18.如权利要求17所述的清洗方法，其中该去离子水的反应时间范围介于30秒至5分钟之间。

19.如权利要求17所述的清洗方法，其中该溶剂清洗工艺以及该水洗工艺是多重步骤。

20.如权利要求17所述的清洗方法，在该溶剂清洗工艺之后另包含有旋转该半导体基底的步骤。

21.如权利要求17所述的清洗方法，在该水洗工艺之后另包含有对该半导体基底进行干燥工艺的步骤。

Images