CN101479831B - 利用弯液面的蚀刻后晶片表面清洁 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种半导体晶片表面清洗方法。提供用于去除晶片表面上的污染物的第一清洗溶液到晶片表面。去除晶片表面上的所述第一清洗溶液和一些污染物。接下来，提供氧化剂溶液到晶片表面。氧化剂溶液在残留污染物材料上形成氧化层。氧化剂溶液再从晶片表面去除掉，接着，提供第二清洗溶液到晶片表面。第二清洗溶液从晶片表面去除。所述第二清洗溶液配置为能充分去除氧化层与残留污染物。
Description
背景技术
半导体芯片加工是一个包括一系列协同的精确操作的复杂过程。众所周知，在所述这些操作的不同步骤中，半导体基层(例如半导体晶片)的表面形成包含微粒、有机材料、金属杂质(例如铜、铝、钛、钨等)和本征氧化物(例如二氧化硅)的残留层污染。
作为制造过程的结果所导致的晶片污染的一个例子可以从图1A中看出，该图显示了运用在半导体晶片100上的等离子蚀刻过程。半导体晶片100位于等离子蚀刻腔内。半导体晶片100的表面覆盖光致抗蚀剂材料104，以阻止晶片表面的区域被蚀刻。蚀刻是一种公知的方法，用于从晶片表面去除材料以产生与集成电路(IC)设计一致的微细图案。等离子体110被引导到半导体晶片100的表面以在晶片上启动蚀刻。晶片表面未被光致抗蚀剂材料104保护的区域被等离子体110蚀刻以在半导体基层的氧化层中形成沟槽结构。未被光致抗蚀剂材料104保护的区域显示作为等离子蚀刻的结果，蚀刻材料102的羽状物形成。所述羽状物倾注蚀刻材料到晶片表面和被蚀刻的沟槽的侧部。该材料然后能与晶片上的其他污染物相互作用来形成污染膜(即蚀刻后残余)。
在等离子蚀刻后，光致抗蚀剂材料104通过称为灰化的步骤被去除，从而剥去晶片表层的光致抗蚀剂材料。图1B显示了晶片表面上的污染物，作为等离子蚀刻后和完成灰化操作的结果。如图1B所示，晶片具有各种污染材料120，包括蚀刻后残余，剩余的光致抗蚀剂材料，溅射金属以及金属氧化物。
这些污染物的去除是生产IC中的重大步骤，这是因为晶片表面的污染物引起IC缺陷从而导致IC可靠性的降低甚至失效。因此，从晶片表面去除污染物对于每个晶片所存在的装置产生最高效益是非常必要的。
专有的化学配方可用来去除蚀刻后残余。然而，足额购买这些配方用于大规模晶片生产是昂贵的。另外，这些专有化学物通常要经过几分钟才能有效去除晶片表面上的污染物。这一延误会导致较低的晶片产出，从而增加在上下文提到的大规模晶片生产中使用这些配方的费用。过去也使用过非专有的清洗化学制品来清洗晶片。然而，保留在晶片表面上的污染物的数量仍然高得无法接受，除非对清洁晶片表面提供长加工时间。这同样与达到高产能晶片生产的目的是相反的。因此如前所述，需要提供一种去除蚀刻后残余化学物质的方法，能及时有效清洗晶片的表面。
发明内容
宽泛地说，本发明提供了一种用以从晶片表面去除污染物的改进的清洗方法来满足上述需要。应当意识到，本发明可通过多种手段实现，包括系统、装置和方法。下面将描述本发明的几个创新的实施方式。
在一个方案中设计了一种清洗半导体晶片的方法。先提供包括多个源入口和多个源出口的接近头。接着将接近头设在靠近晶片表面处。将接近头设在靠近晶片表面处之后，通过多个源入口将氧化剂溶液提供到晶片表面。氧化剂溶液在晶片表面上的一种或多种污染物材料上形成氧化层。通过所述多个源出口将所述氧化剂溶液从晶片表面去除。然后，通过所述多个源入口提供清洗溶液到晶片表面。该清洗溶液配置为能将晶片表面上的所述氧化层随同一种或多种污染物材料充分去除。通过所述多个源出口将清洗溶液从晶片表面去除。
在另一个方案中的清洗半导体晶片的方法，先提供用于去除晶片表面上的一种或多种污染物材料的第一清洗溶液到晶片表面。从晶片表面去除所述第一清洗溶液随同一种或多种污染物材料的至少一部分。接下来，提供氧化剂溶液到晶片表面。氧化剂溶液在残留污染物材料上形成氧化层。氧化剂溶液再从晶片表面去除掉。接着，提供第二清洗溶液到晶片表面。所述第二清洗溶液配置为能充分去除氧化层与残留污染物材料。将第二清洗溶液从晶片表面去除。
在另一个方案中设计了另一种清洗半导体晶片的方法。提供包括多个源入口和多个源出口的接近头。将接近头设在靠近晶片表面处。接着，通过所述多个源入口提供用以去除晶片表面上的一种或多种污染物材料的第一清洗溶液到晶片表面。通过所述多个源出口将所述第一清洗溶液随同所述一种或多种污染物材料的至少一部分去除。然后，通过所述多个源入口将氧化剂溶液提供到晶片表面。氧化剂溶液在残留污染物材料上形成氧化层。氧化剂溶液通过多个源入口被去除掉。通过所述多个源入口将第二清洗溶液提供到晶片。该第二清洗溶液配置为能将晶片表面上的所述氧化层随同残留的污染物材料充分去除。通过所述多个源出口将第二清洗溶液从晶片表面去除。
附图说明
下面将通过实施例并结合附图来帮助理解本发明。附图中采用同样的标号表示同样的结构。
图IA显示了半导体晶片上的半导体等离子蚀刻加工过程。
图IB描绘了典型的等离子蚀刻程序完成后残留在半导体晶片上的污染物。
图2A描绘了根据本发明的一个实施例的将清洗溶液加到晶片的接近头。
图2B显示了根据本发明的一个实施例的将氧化剂溶液加到晶片的接近头。
图2C显示了根据本发明的一个实施例的将第二清洗溶液加到晶片的接近头。
图3A描绘了根据本发明的一个实施例的具有两工位晶片表面清洗操作的晶片清洗站。
图3B描绘了根据本发明的一个实施例的具有三工位晶片清洗操作的晶片清洗站。
图4描绘了根据本发明的一个实施例的带有相关群配件的多室、自动化晶片清洗站。
图5A是采用根据本发明的一个实施例的氧化剂和清洗溶液的晶片清洗过程的流程图。
图5B采用根据本发明的一个实施例的第一清洗溶液、氧化剂和第二清洗溶液的晶片清洗过程的流程图。
具体实施方式
以下将要描述本发明的用于清洗半导体基层表面的装置、系统和方法。显然对于本领域的人员来说，没有部分或者全部这些特定的详述也可以实施本发明。在其他例子中，公知的加工过程没有详细描述，这是为了突出本发明的实质特征。
任何硅基材料可以用来制造半导体基层。在一个示例中，基层是半导体晶片，也就是半导体材料的薄片，例如硅晶体，通过扩散和沉积各种材料在所述半导体晶片上来构建微电路。在本文中，术语半导体基层和半导体晶片可以互换使用。这里的实施例所揭示的本质上是半导体基层清洗方法，该方法与接近头或其他设备的专用配置一起使用来经济有效率地从基层的表面去除污染物。
一般而言，在晶片被蚀刻后或者其他制造过程污染后，向晶片提供一种氧化剂溶液。选择的氧化剂溶液使得形成于晶片表面上的氧化层捕获位于晶片表面上和布图结构中的污染物。一旦氧化层形成，可通过提供清洗溶液来去除该氧化层。由此该氧化层结构给清洗溶液提供了一种协同清洗机构来从晶片表面去除污染物。然后可以选择合适的氧化剂和清洗溶液以使得氧化剂和清洗溶液的化合物协同工作来从晶片表面去除污染物。只要知道晶片表面的污染物材料，就能容易地确定特定氧化剂和清洗溶液的选择。
实际经验已经显示，会出现初始氧化层结构被污染物材料抑制的情况。一旦遭遇该情况，就有必要使用高达5％重量百分比浓度的氧化剂并经历长达几分钟的处理时间。由于氧化剂溶液相对昂贵，使用私有清洗配方或单独使用清洗溶剂的初始问题的存在使得该问题无法接受。现在要讨论这两种操作清洗加工的改进。
通过在提供氧化剂溶液之前使用初始清洗步骤，可获得在两个运行清洗处理上的改进。在第一清洗溶液提供到晶片表面后，第一清洗溶液就携带抑制氧化层生长的污染物被去除。氧化剂溶液然后被提供到晶片表面使氧化层形成。通常，初始清洗处理去除将会抑制氧化层结构的污染物。该清洗方法然后采用如上所述的相同的氧化剂和清洗溶液处理。使得该处理能适于大规模晶片制造的益处就是可采用稀释的化学溶液且处理时间比先前清洗方法所经历的时间要短。
根据本发明的一个实施例中所采用的典型氧化剂的示例列于表1中。过氧化氢，溶解于水中的臭氧，以及硝酸作为可应用于本发明中的典型的氧化剂示例列出。额外的氧化剂可以容易地选择和制作来形成晶片表面上污染物材料之上的氧化层。
应当指出，这些化学品可以批量和适当纯度获得以用于大规模晶片制造。另外采用将在下面探讨的现有加工装备技术，列于表1中的氧化剂能用于水溶液中。
表1：操作浓度的氧化剂溶液示例
| 化学品 | 高浓度 | 最低浓度 | 中间浓度 | 优选浓度 | 加工时间 |
| 双氧水 | 重量百分比30％ | 重量百分比0.01％ | 重量百分比5％ | 重量百分比0.1％ | 1-10秒 |
| 溶解在水中的臭氧 | 饱和 | 1ppm | 10ppm | 10ppm | 1-10秒 |
| 石肖酸 | 重量百分比90％ | 重量百分比5％ | 重量百分比20％ | 重量百分比10％ | 1-10秒 |
根据本发明的一个实施例中采用的酸性清洗溶液示例清单列在表2中。列出的氢氟酸，乙酸，硝酸和硫酸，草酸仅作为本发明所采用的典型酸性清洗溶液的示例。其他清洗溶液也可以根据晶片表面上要溶解的氧化剂和污染物材料的特性来选择。示例的酸性溶液应当具有小于7自勺pH值。
虽然表2的示例是酸性清洗溶液，合适的碱性清洗溶液也可使用于本发明，其要么作为与氧化剂溶液一起使用的唯一清洗溶液，要么与先前或后续清洗步骤使用的酸性清洗溶液结合。碱性清洗溶液的例子包括ST250和ST255(由ATMI股份有限公司制造的商业清洗配方)，以及Rezi-38(MallinckrodtBaker股份有限公司的J.T.Baker制造的商业清洗配方)。因此碱性溶液是PH值大于7或者碱性的溶液。需要指出，这些特定配方基于氨，且在晶片表面上的铜基污染物的清洗中很好的起反应。制造者推荐的浓度与1秒-120秒范围内的处理时间一起使用，以获得有效的清洗效果。
返回到表2，列出的清洗溶液均具有可以批量和适当纯度获得以用于大规模晶片制造的益处。这些清洗溶液也可以在使用现有晶片清洗技术的水溶液中传输。
表2：操作浓度的清洗溶液的示例
| 化学品(酸) | 高浓度 | 最低浓度 | 中间浓度 | 优选浓度 | 加工时间 |
| 氢氟酸 | 重量百分 比49％ | 重量百分 比0.01％ | 重量百分比1％ | 重量百分比0.049％-0.49％ | 0.1-60秒，优选2-10秒 |
| 乙酸 | 重量百分 比50％ | 重量百分 比0.01％ | 重量百分比5％ | 重量百分比5％ | 0.1-60秒，优选2-10秒 |
| 石肖酸 | 重量百 | 重量百 | 重量百 | 重量百分比5％ | 0.1-60秒，优选 |
| 分 比50％ | 分 比0.01％ | 分比5％ | 2-10秒 | ||
| 硫酸 | 重量百分 比50％ | 重量百分 比0.01％ | 重量百分比5％ | 重量百分比5％ | 0.1-60秒，优选2-10秒 |
| 草酸 | 重量百分 比50％ | 重量百分 比0.01％ | 重量百分比5％ | 重量百分比5％ | 0.1-60秒，优选2-10秒 |
使用上述所列清洗溶液和氧化剂的晶片清洗技术的例子是由本发明的受让人LamResearch研制出来的接近头。图2A描述了根据本发明的一个实施例中将清洗溶液用于晶片210的接近头200。接近头200具有设为靠近晶片210顶表面和底表面的上部和下部。连接到接近头200的是入口202和出口204。入口202和出口204与位于接近头内部的内管流体连接。内管依次通向接近头表面上的多个源入口和多个源出口，接近头靠近晶片表面。这些入口和出口设置为传输和去除流体，由此在晶片表面和接近头表面之间的间隙中形成弯液面。这表现为形成于晶片210顶表面和底表面和接近头200之间的弯液面206。图2A显示了根据本发明的一个实施例的提供到晶片210的清洗溶液。接近头可相对晶片表面移动，这样晶片210的整个表面可用清洗溶液处理。对于熟知本领域的技术人员来说，显然也可以用晶片移动代替接近头的移动从而使得整个晶片表面能用清洗溶液处理。
同样，图2B显示根据本发明的一个实施例提供到晶片的氧化剂溶液。传送和去除氧化剂溶液到晶片表面采用接近头。图2C例举了根据本发明的一个实施例所提供的清洗溶液。应当理解，图2A的入口和出口也出现在图2B和图2C中，但为了方便没有显示。
图3A和图3B描绘了采用接近头的晶片清洗技术的进一步的实施例。图3A描绘了根据本发明的一个实施例的具有两工位晶片表面清洗操作的晶片清洗站。在清洗位置300，通过采用接近头，氧化剂溶液同时提供到晶片表面并从晶片表面被去除。在氧化层形成于晶片表面之后，晶片被移到清洗位置302，此处第二接近头同时提供并去除清洗溶液。应当理解，接近头所去除的清洗溶液中包括溶解的氧化层和污染物。晶片在清洗位置302被清洗后，移转到下一步加工过程。
图3B描绘了根据本发明的一个实施例的具有三工位晶片表面清洗操作的晶片清洗站。在清洗位置310，初始清洗步骤采用接近头来传送和去除清洗溶液。被接近头去除的清洗溶液是脏的，含有被本发明的清洗溶液从晶片表面溶解或散开的污染物。晶片然后被移到清洗位置312，此处第二接近头提供并去除氧化剂溶液。经过足够的时间让氧化层形成后，晶片被移到清洗位置314。在清洗位置314，第三接近头提供清洗溶液到晶片。晶片在清洗位置314被清洗后，可移转到下一步加工过程。应当理解，图3A和图3B所描绘的并非清洗站的唯一可能配置。其他采用物理清洗和超声清洗装置的配置也是可以的。
图4显示了根据本发明的一个实施例的制造单元400，其包括带有相连的群配件420的多腔室、自动化晶片清洗位置410。清洗位置410包含中心腔室和该中心腔室外围的多个腔室，中心腔室包含晶片转移机械手419。加载锁422将清洗位置410连接到群配件420，群配件420包含中心腔室和该中心腔室外围的多个腔室，中心腔室包含晶片转移机器人425。连接到群配件420的中心腔室的多个腔室专门用于晶片处理工作。例如，腔室424采用等离子加工在晶片表面上的沟槽进行等离子蚀刻。如果需要，晶片在群配件420中完成一个或多个处理工作后，晶片转移机器人425将转移被污染的晶片使其在清洗位置410被清洗。晶片穿过加载锁422，并根据是采用两工位表面清洗处理还是三工位表面清洗处理，由晶片转移机器人419将晶片传送到清洗腔或氧化腔。晶片转移机器人419将完成清洗的晶片传送到晶片存储单元418，在此晶片可被人工或自动传送到下一个制造工序。应当理解，图4仅举例说明了制造单元的一个可行配置，其他组合与本发明的工序一致。
图5A是根据本发明的一个实施例采用氧化剂和清洗溶液的晶片清洗过程的流程图。在步骤500中，氧化剂溶液采用接近头提供给晶片表面。由于该接近头的构造，氧化剂溶液将同时提供到晶片表面和从晶片表面去除。当步骤500经历足够的时间使得氧化层形成于晶片表面上，开始步骤502。此处完成可选择的去离子水冲洗过程。该可选步骤可提供后续步骤的更有效的处理。在步骤502，采用接近头将清洗溶液提供到晶片表面并将清洗溶液随同污染物从晶片表面去除。由于该接近头的构造，所述提供和去除行为同时发生。清洗溶液既可以是碱性液也可以是酸性液体，这依据所选的氧化剂和存在于晶片上的污染物的种类。
图5B是根据本发明的一个实施例采用第一清洗溶液，氧化剂和第二清洗溶液的清洗过程的流程图。在步骤510中，清洗溶液提供到晶片表面。清洗溶液既可以是碱性液也可以是酸性液体，这依据存在于晶片上的污染物的种类。在步骤512中，清洗溶液随同污染物从晶片表面去除。然后氧化剂溶液提供到晶片表面。优选地，氧化剂溶液是如表1所示的稀释溶液。一旦经历足够的时间使得氧化层形成于晶片表面，氧化剂溶液在步骤516中从晶片表面去除。步骤516完成后，第二清洗溶液在步骤518中被提供。应当理解，该清洗溶液可以与步骤510中使用的清洗溶液相同或者不同。只要一种清洗溶液将被用来清洗晶片表面，不同浓度级别的清洗溶液可用在步骤510和518中。清洗溶液在步骤518中被提供后，步骤520通过从晶片表面去除清洗溶液和污染物来完成清洗过程。
有关接近头的进一步的情况，可以参考2003年9月9日公布的名称为“晶片近接清洗和烘干的方法”的6,616,772号美国专利中描述的接近头。该美国专利申请被转让给LamResearchCorporation，也就是本发明的受让人，在此结合参考该申请。
有关上部和下部弯液面的情况，可以参考2002年12月24日申请的名称为“弯液面、真空、异丙醇气体、干燥歧管”的10/330,843号美国专利申请所揭示的示例性弯液面。该美国专利申请被转让给LamResearchCorporation，也就是本发明的受让人，在此结合参考该申请。
这里虽然描述了本发明的一些实施例，应当理解，对于熟知本领域技术的人员，在不脱离本发明的原则或范围的情况下，还可以表现为多种其他特定形式。因此，本发明的例子和实施方式被理解为说明性的而非限制性的，本发明不以这里提供的具体方式为限，但可以在附加的权利要求的范围内变化和实行。另外，这里的方法权利要求中揭示的操作步骤并没有任何预定的顺序，可以任何适应于特定应用的顺序实行。
Claims (13)
1.一种清洗半导体晶片的方法，包括：
提供包括多个源入口和多个源出口的接近头，该接近头包括形成该多个源入口的头表面；
靠近晶片表面移动该接近头；
通过所述多个源入口将氧化剂溶液提供到晶片表面，该氧化剂溶液在该接近头的头表面和该晶片表面之间形成氧化剂弯液面，所述氧化剂溶液进一步在晶片表面上的一种或多种污染物材料上形成氧化层；
通过所述多个源出口将氧化剂溶液从晶片表面去除，在施加该氧化剂溶液过程中执行去除该氧化剂溶液从而在施加和去除该氧化剂溶液过程中该氧化剂弯液面保留在该头表面和该晶片表面之间；
实施去离子水冲洗作业；
通过第二接近头的多个源入口将清洗溶液提供到晶片表面，第二接近头具有头表面；以及
通过该第二接近头的多个源出口将清洗溶液从晶片表面去除，在施加该清洁溶液过程中执行去除该清洁溶液以在该头表面和该晶片表面之间限定清洁弯液面，以及该清洗溶液限定为能利用该清洁弯液面将晶片表面上的所述氧化层随同一种或多种污染物材料充分去除。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化剂溶液是浓度范围为0.01％至30％重量百分比的过氧化氢。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化剂溶液是溶解于水的臭氧，所述臭氧的浓度范围为百万分之一至饱和。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氧化剂溶液是硝酸，其浓度范围为5％至90％重量百分比。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述清洗溶液是以下至少一种：浓度范围为0.01％至49％重量百分比的氢氟酸或者浓度范围为0.01％至50％重量百分比的乙酸，硫酸和草酸。
6.一种清洗半导体晶片的方法，包括：
提供三个接近头，每个接近头包括头表面，该头表面包括多个源入口和多个源出口，该头表面被配置为靠近该半导体晶片的表面；
通过第一接近头提供用以去除晶片表面上的一种或多种污染物材料的第一清洗溶液到晶片表面；
通过该第一接近头将所述第一清洗溶液随同所述一种或多种污染物材料的至少一部分去除，该第一清洗溶液的该提供和去除在该晶片表面和该头表面之间限定了第一清洗溶液弯液面；
通过第二接近头提供氧化剂溶液到晶片表面，该氧化剂溶液在残留的污染物材料上形成氧化层；
通过该第二接近头从晶片表面去除所述氧化剂溶液，该氧化剂溶液的该提供和去除在该晶片表面和该头表面之间限定了氧化剂溶液弯液面；
通过第三接近头将第二清洗溶液提供到晶片表面；以及
通过该第三接近头将所述第二清洗溶液从晶片表面去除，该第二清洗溶液的该提供和去除在该晶片表面和该头表面之间限定了第二清洗溶液弯液面，该第二清洗溶液配置为能将晶片表面上的所述氧化层随同残留污染物材料充分去除。
7.如权利要求6所述的方法，进一步包括：在将氧化剂溶液从晶片表面去除之后以及在将第二清洗溶液提供到晶片表面之前，实行去离子水冲洗作业。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述氧化剂溶液是浓度范围为0.01％至30％重量百分比的过氧化氢。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述氧化剂溶液是溶解于水的臭氧，所述臭氧的浓度范围为百万分之一至饱和。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述氧化剂溶液是硝酸，其浓度范围为5％至90％重量百分比。
11.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一清洗溶液和第二清洗溶液均是以下至少一种：浓度范围为0.01％至49％重量百分比的氢氟酸或者浓度范围为0.01％至50％重量百分比的乙酸，硫酸和草酸。
12.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一清洗溶液是酸性溶液，所述第二清洗溶液是碱性溶液。
13.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一清洗溶液是碱性溶液，所述第二清洗溶液是酸性溶液。
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