CN101452824A - 用于湿化学处理半导体晶片的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于湿化学处理半导体晶片的方法，其包括：a)使半导体晶片旋转；b)将包括直径为100μm或以下的气泡的清洗液施加到旋转半导体晶片上，以便在半导体晶片上形成液体膜；c)使旋转的半导体晶片暴露于具有活性气体的气氛中；d)除去液体膜。
Description
技术领域
本发明涉及用于湿化学处理半导体晶片的方法。
背景技术
用于生产电子元件所需的半导体晶片必须定期地清洗颗粒和金属污染物。这样的清洗步骤通常由电子元件生产商进行，以及由其供应商、半导体晶片的生产商进行。已知单个晶片清洗和批量清洗方法。
本发明涉及单个晶片清洗方法。
单个晶片清洗方法是基于旋转半导体晶片的原理，在这种情况下在待清洗的半导体晶片表面上形成液体膜。单个晶片清洗是有利的，这是因为在这种情况下尤其较小的清洗液消耗是可能的。
含有氟化氢(HF)和臭氧(O3)的水溶液已经被证实为有效的清洗液，参见，例如，US5759971。
US7037842 B2描述了一种用含有例如HF和O3的水性清洗液喷洒旋转半导体晶片表面的方法。例如，氢气(H2)和氮气(N2)也可以作为该清洗液的选择性成份。
最后，US7037842 B2还公开了将旋转半导体晶片暴露于声波中来增加清洗过程的有效性。在围绕其中心轴旋转的半导体晶片的中心，由于这里的表面张力和消失的离心力而产生了液体膜的鼓起，这可以通过加入醇以及降低表面张力来减轻。作为一种选择方案，通过物理力，通过将N2气体吹到鼓起上而减少了鼓起。
US2002/0050279A1中描述了用来进行单个晶片清洗方法的合适装置。来自Semitool/USA的设计系列Raider SP系统是特别适合的。
US2002/0050279A1还公开了一种用来使气体充分扩散通过施加到旋转半导体晶片上的液体膜的方法。通过半导体晶片的快速旋转降低了液体膜的厚度。该膜越薄，气体就能够越快地扩散通过该膜。然而，由此原因，液体膜的厚度是半导体晶片表面上气体成分浓度的限定参数。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于湿化学处理半导体晶片的特别有效的方法，其中气体成分在液体膜中具有改进的扩散性。
该目的是通过根据权利要求1的方法实现的。
本发明特别在于含酸性HF和含臭氧清洗溶液的化学效应以及清洗液中所产生的小气泡(微泡)的物理效应的结合。此外，已经显示了这样的微泡适合用来加速运送反应气体通过清洗液。
微泡优选使用于含有氟化氢或者氯化氢的酸性溶液中。
微泡还被用于蚀刻硅晶片表面的含HF和臭氧的清洗液中。表面颗粒被从底下切开从而从表面上除去。游离的颗粒被吸附在微泡上并且在液体流中通过气泡运送走。
在根据本发明的方法中，含有上述微泡的清洗液通过入口分布于旋转的半导体晶片上。
该半导体晶片优选是硅晶片。
该方法还适合于处理SOI和GeOI晶片(SOI、GeOI＝“绝缘体上的硅/锗”)，涂覆晶片，具有一个或多个功能层结构的晶片，特别是包括具有硅/锗层的晶片。
该方法特别优选用于直径为300mm或450mm的半导体晶片。
半导体晶片的旋转速度为20—600rpm，优选100—500rpm，特别优选200—400rpm。
含有大量微泡的薄液体膜形成于半导体晶片上。
活性气体例如臭氧优选是通过气相应用的。微泡使得气体扩散穿过液体膜到达半导体晶片的表面。
本发明的一个优点是通过使微泡与蚀刻硅表面的清洗化学品结合实现了改进的颗粒清洗。
此外，由于微泡的存在，引起了活性气体在清洗液中改进的气体运送(扩散)。这促进了有机污染物和含金属污染物的氧化和除去。
此外，通过微泡的使用，减轻了在现有技术中所观察到的液体膜在晶片中心的鼓起。
在本发明的上下文中，微泡应该被理解为直径为100μm或更小的气泡。
所述微泡具有相对大的表面—体积比。此外，微泡在水介质中的长期稳定性以及在它们的表面吸附疏水性和两性物质的能力被认为是特别有利的。
具体实施方式
下面将基于优选的方案详细地解释本发明的主题。
微泡理论上可以由惰性气体或者由活性气体生产。
惰性气体的例子是空气、氮气和氩气。
合适的活性气体的例子是氢气、二氧化碳和臭氧。
微泡在水中的稳定性可以通过向水溶液中添加两性物质来进一步提高。例如，阴离子或非离子表面活性剂、脂肪酸、脂肪醇或者乙二醇适合于此。
微泡自身是例如在混合气体和液体的专用喷嘴中生产的。此外，可以通过离心泵生产气泡。
用于生产微泡的合适装置可以从Nanoplanet Co.Ltd购得，参见JP2006116365A2。
根据本发明用于清洗半导体晶片的方法在于使半导体晶片快速旋转并且同时将含有微泡的清洗液喷洒到半导体晶片表面上。
清洗溶液优选包括氟化氢(HF)。
包括氯化氢(HCl)的清洗液或者结合了HCl和HF的清洗液同样是优选的。
微泡优选是由使硅表面氧化的活性气体组成的。臭氧以及臭氧与氧气或空气的混合物是特别优选的。
当清洗液接触半导体晶片的时候，在半导体晶片上形成了液体膜，并且通过半导体晶片的旋转，液体膜变薄为1—100μm的厚度。
通常，厚度为50—100μm的液体膜是通过50—300rpm的旋转速度生产的。
微泡在半导体晶片的表面上吸附，结合形成较大的气泡或者破裂。这些机械过程具有液体膜被局部旋动，产生具有涡流的区域或者液体膜在各个区域完全破裂的效应。通过所产生的力，表面颗粒被从半导体晶片上除去并且被运送到液体膜的本体中。
由于半导体晶片的高旋转速度，清洗溶液的体积元与半导体晶片的接触时间非常短。因此，在微泡被应用于清洗槽中时至关重要的微泡长期稳定性，对于根据本发明的方法是不重要的。
使用用来稳定气泡的表面活性物质是可能的，但不是绝对必需的。
为了确保均在半导体表面上清洗液中尽可能高密度的均匀分布的微泡，在液体接触半导体晶片，也就是说“使用点”之前，直接生产微泡是有利的。
将颗粒从表面上除去是由清洗溶液的化学效应支持的。由于它们高的表面一体积比，微泡使得气体能够快速从气泡扩散到周围的液体中。
从而，在稀氢氟酸中，含臭氧的微泡形成了氟化氢和溶解的臭氧的混合物。该混合物能够蚀刻硅表面。
在这种情况下，半导体晶片表面薄层中存在的二氧化硅被氟化氢溶解。
暴露的硅立即再次被臭氧氧化。这样这两个过程一起产生了硅的连续除去。粘附于表面上的颗粒被从底下切开。与微泡的机械效应一起，这使得能够有效的除去颗粒。
在本发明的第二个方案中，微泡被用来促进并且加速气体扩散透过液体膜。
含微泡的液体被分散于旋转的半导体晶片上。
半导体晶片被设置于然后另外加入气体成分的加工室中。气体扩散透过液体膜到达半导体晶片表面并且在此放大了化学效应，例如，蚀刻硅，氧化有机化合物，溶解金属污染物。
微泡改进了气体运送通过液体膜。本发明的发明人为此设想了三种不同的机理：
a)微泡在液体膜的表面装载了气体成分然后与流动的液体一起移动到硅晶片表面。
b)由于微泡在液体中的移动或者在液体表面破裂，从而产生了涡流或者强化层流的区域。在这些区域中发生气体迁移通过液体膜，不仅仅由于扩散，另外在很大程度上由于对流物质的运送。
c)由于在半导体晶片以高旋转速度旋转的时候，微泡的直径基本上相应于液体膜的厚度，从而气体扩散主要是通过微泡的气体空间发生的。气体扩散通过另一种气体比气体扩散通过液体快的多。
通常用于清洗半导体晶片的气体适合作为该气体成分。
不限制本发明的范围，可以提及下列气体作为特别合适的气体：臭氧、氨气、氟化氢、氯化氢、氢气和二氧化碳。
惰性气体或实施特定化学作用的其它气体可以用来生产这些微泡。
例子是空气、氮气、氩气、氦气作为惰性气体，以及氧气或臭氧(产生氧化气氛)、氢气(缩小微泡)或者二氧化碳(在水溶液中以酸的形式反应)。
在本发明的一个优选的方案中，分布于旋转半导体晶片上的液体含有氟化氢。HF的浓度优选为0.02-2％，优选0.05-0.5％，特别优选0.05-0.15％。
在HF溶液中生成的微泡含有惰性气体，例如，氮气或空气。
清洗液的温度优选为5-70℃。
从周围气体空间加入的气体成分是臭氧或者臭氧与氧气或者空气的混合物。
氧气/臭氧混合物中臭氧的浓度优选为100-300克每标准立方米[g/m3(stp)]。
臭氧-HF混合物的蚀刻和氧化效果实现了有效的颗粒清洁以及有机和含金属化合物的完全除去。
在根据本发明方法的另一个优选技术方案中，包括惰性气体如氮气、空气或者氩气的微泡是在碱性水溶液中产生的。
氨气、氢氧化四甲铵(TMAH)或者碳酸钾适合作为碱性成分。
其它碱性添加剂也是可用的，特别是有机胺和碱金属氢氧化物。
将该溶液施加到半导体晶片上。臭氧没有通过气相扩散进入液体中。
这样的碱和氧化物与微泡的结合特别适合于除去半导体晶片上的有机污染物。
本发明的第三个技术方案用来从半导体晶片上彻底除去表面氧化层并且用来产生不含氧的半导体表面。
将含有氢气微泡的去离子水喷洒到旋转的半导体晶片上。将HF气体引入到加工室中。在水中产生了HF和氢气的溶液。
可比的混合物还可以由包括惰性气体微泡的稀氢氟酸以及没有以气相扩散的氢气获得。
该溶液能够除去半导体表面上产生的氧化物层(二氧化硅与HF反应形成四氟化硅)。还原的氢气氛围防止了氧化层重新形成。
该方法的应用并不限于硅晶片，并且延伸到其它半导体材料例如，硅和锗的合金。
微泡对于除去颗粒的正面效应可以通过使用超声或者强声进一步强化。
Claims (17)
1、用于湿化学处理半导体晶片的方法，其包括：a)使半导体晶片旋转；b)将包括直径为100μm或以下的气泡的清洗液施加到旋转半导体晶片上，以便在半导体晶片上形成液体膜；c)使旋转的半导体晶片暴露于具有活性气体的气氛中；d)除去液体膜。
2、根据权利要求1所述的方法，其中所述气泡包括选自以下组中的气体或者气体混合物：空气、氮气、氩气、氦气、氢气、二氧化碳、臭氧以及上述气体混合物。
3、根据权利要求1或2所述的方法，其中所述半导体晶片以20-600rpm的速度旋转。
4、根据权利要求1-3任一项所述的方法，其中所述液体膜具有大于或等于1μm并且小于或等于100μm的厚度。
5、根据权利要求4所述的方法，其中所述液体膜具有50-100μm的厚度，并且所述半导体晶片的旋转速度是50-300rpm。
6、根据权利要求1-5任一项所述的方法，其中根据b)和c)中半导体晶片的湿化学处理进行了30-200s。
7、根据权利要求6所述的方法，其中对半导体晶片的湿化学处理进行了30-60s。
8、根据权利要求1-7任一项所述的方法，其中所述液体膜在d)中通过用超纯水、含臭氧的超纯水、SCl溶液或者稀盐酸冲洗而除去。
9、根据权利要求1-8任一项所述的方法，其中所述半导体晶片是硅晶片、SOI晶片、GeOI晶片或者具有硅-锗层的硅晶片。
10、根据权利要求1-9任一项所述的方法，其中使旋转的半导体晶片暴露于选自以下组中的活性气体的气氛中：臭氧、氨气、氟化氢、氯化氢、氢气和二氧化碳或者上述气体与氧气或空气的混合物。
11、如权利要求10所述的方法，其涉及臭氧浓度为100-300g/m3(stp)(克每标准立方米)的臭氧/氧气混合物或者臭氧/氧气/氮气混合物。
12、根据权利要求1-11任一项所述的方法，其中所述清洗液包括氟化氢、氯化氢、或者氟化氢与氯化氢的组合。
13、根据权利要求12所述的方法，其中所述清洗液含有浓度为0.02-2％的氟化氢。
14、根据权利要求1-11中任一项所述的方法，其中所述清洗液包括选自以下组中的碱性成分：氨、氢氧化四甲基铵、有机胺、碱金属氢氧化物或者碱金属碳酸盐，并且使旋转的半导体晶片暴露于臭氧气氛。
15、根据权利要求1-11中任一项所述的方法，其中所述清洗液包括去离子水和氢气气泡，并且使旋转的半导体晶片暴露于氟化氢气氛中。
16、根据权利要求1-11中任一项所述的方法，其中所述清洗液包括稀氢氟酸、由选自空气、氮气和氩气的惰性气体构成的气泡，并且所述旋转的半导体晶片暴露于氢气气氛中。
17、根据权利要求1-16中任一项所述的方法，其中将选自离子或者非离子表面活性剂、脂肪酸、脂肪醇和乙二醇的两性物质加入到所述清洗液中。
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