CN101879511B

CN101879511B - 半导体衬底的清洗方法和装置

Info

Publication number: CN101879511B
Application number: CN 200910050834
Authority: CN
Inventors: 王坚; S·V·纳其; 谢良智; 武俊萍; 贾照伟; 黄允文; 高志峰; 王晖
Original assignee: ACM (SHANGHAI) Inc
Priority date: 2009-05-08
Filing date: 2009-05-08
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2029-05-08
Also published as: CN101879511A

Abstract

本发明揭示了一种利用超声波或兆声波装置清洗半导体衬底的方法，包括利用一个硅片夹夹住半导体衬底，将一套超声波或兆声波装置置于半导体衬底附近，喷射化学液体到半导体衬底及半导体衬底与超声波或兆声波装置之间的间隙中，在清洗过程中，硅片夹旋转的同时改变半导体衬底和超声波或兆声波装置之间的距离。硅片夹每旋转一圈，间隙增大或减小0.5λ/N，清洗过程中间隙大小在0.5λn范围内变化，这里λ是超声波或兆声波的波长，N是一个从2到1000的整数，n是从1开始的整数。

Description

半导体衬底的清洗方法和装置

技术领域

本发明是关于半导体衬底的清洗方法和装置的。更确切地说，是关于在清洗过程中，硅片旋转的同时，通过改变一个超声波或兆声波装置与硅片表面的相对距离，使得硅片表面的超声波或兆声波能量密度分布均匀，从而有效地去除硅片表面的颗粒而不会损伤表面元件结构。

背景技术

半导体器件是在半导体衬底上经过一系列不同的加工步骤形成晶体管和互连线而成的。为了使晶体管终端能和硅片连在一起，需要在硅片的介质材料上做出导电的(例如金属)槽、孔及其他类似的结构作为器件的一部分。槽和孔可以在晶体管之间、内部电路以及外部电路传递电信号和能量。

在形成互连元素时，半导体衬底可能需要掩膜、刻蚀和沉积等工艺来形成半导体器件所需要的电子回路。特别是多层掩膜和等离子体刻蚀工艺可以在半导体衬底的电介质层形成凹陷区域的图案，用于充当互连线的槽和通孔。为了去除刻蚀或光刻胶灰化过程中在槽和通孔中产生的颗粒和污染，必须进行一个湿法清洗步骤。特别地，随着器件制造节点不断接近和小于65nm，槽和通孔的侧壁损失是维护临界尺寸的关键。为了减少或消除侧壁损失，应用温和的，稀释的化学试剂，或有时只用去离子水非常重要。然而，稀释的化学试剂或去离子水往往不能有效地去除槽和通孔内的颗粒。所以为了有效地去除颗粒，需要用到机械装置如超声波或兆声波装置。超声波或兆声波装置将为硅片表面提供机械力，能量密度和能量分布是控制机械力不损伤硅片表面而又能有效地去除颗粒的关键常数。

在美国专利No.4,326,553中提到可以运用兆声波能量和喷嘴结合来清洗半导体衬底。流体被加压，兆声波能量通过兆声传感器施加到流体上。特定形状的喷嘴喷射出像带状的液体，在硅片表面上以兆声波频率振动。

在美国专利No.6,039,059中提到一个能量源通过振动一根细长的探针将声波能量传递到流体中。在一个例子中，流体喷射到硅片正反两面，而将一根探针置于靠近硅片上表面的位置。另一个例子中，将一根短的探针末端置于靠近硅片表面的位置，在硅片旋转过程中，探针在硅片表面移动。

在美国专利No.6,843,257 B2中提到一个能量源使得一根杆绕平行于硅片表面的轴振动。杆的表面被刻蚀成曲线树枝状，如螺旋形的凹槽。

为整个硅片表面提供适量的、均匀的兆声波能量是清洗工艺的关键。如果兆声波能量没有均匀地施加到硅片表面上，得到较少兆声波能量的硅片部分将不会被清洗干净，颗粒和污染将会遗留在这部分硅片表面，而得到过多超声波能量的硅片部分表面的器件结构可能被损坏。

为了高效且对结构低损伤地去除硅片或衬底表面的颗粒和污染，需要有一种好的方法来控制兆声波在硅片表面的能量密度分布。

发明内容

本发明介绍的一种方法是在清洗过程中，将兆声波装置朝向旋转的硅片正面，并且随着硅片的不断旋转，连续增大兆声波装置和硅片之间的距离。硅片每旋转一圈，距离的增量是兆声波半波长的一部分，而距离的总增加量在0.5λN范围之内，这里λ是兆声波的波长，N是从1开始的整数。

本发明介绍的另一种方法是在清洗过程中，将兆声波装置朝向旋转的硅片正面，并且随着硅片的不断旋转，连续减小兆声波装置和硅片之间的距离。硅片每旋转一圈，距离的缩小值是兆声波半波长的一部分，而距离的总缩小值在0.5λN范围之内，这里λ是兆声波的波长，N是从1开始的整数。

本发明介绍的另一种方法是在清洗过程中，将兆声波装置朝向旋转的硅片背面，并且随着硅片的不断旋转，连续增大兆声波装置和硅片之间的距离。硅片每旋转一圈，距离的增量是兆声波半波长的一部分，而距离的总增加量在0.5λN范围之内，这里λ是兆声波的波长，N是从1开始的整数。

本发明介绍的另一种方法是在清洗过程中，将兆声波装置朝向旋转的硅片背面，并且随着硅片的不断旋转，连续减小兆声波装置和硅片之间的距离。硅片每旋转一圈，距离的缩小值是兆声波半波长的一部分，而距离的总缩小值在0.5λN范围之内，这里λ是兆声波的波长，N是从1开始的整数。

附图说明

图1A-1D描述了一个典型的硅片清洗装置；

图2描述了一个典型的硅片清洗工艺；

图3A-3B描述了另一个典型的硅片清洗工艺；

图4描述了另一个典型的硅片清洗装置；

图5描述了一种硅片清洗方法；

图6描述了另一个典型的硅片清洗装置；

图7描述了另一个典型的硅片清洗装置；

图8描述了另一个典型的硅片清洗装置；

图9描述了另一个典型的硅片清洗装置；

图10A-10G描述了超声波或兆声波传感器的各种形状。

具体实施方式

图1A到图1B展示了利用兆声波仪器对硅片进行清洗的常见装置。硅片清洗装置包括硅片1010，由旋转传动装置1016控制旋转的硅片夹1014，传输清洗液化学试剂或去离子水1032的喷嘴1012，及兆声波装置1003。兆声波装置1003由压电式传感器1004及与其配对的声学共振器1008组成。传感器1004通电后作用如振动，而共振器1008会将高频声能量传递到液体中。由兆声波能量产生的清洗液的振动使硅片1010表面的颗粒松动，进而通过由喷嘴1012提供的流动液体1032将其从硅片表面移除。

如图1C所示，为了得到最少的反射能量，反射波r1(从水膜上表面射出)的相位必需与反射波R2(从水膜下表面射出)的相位相反，这样水膜厚度应等于：

d＝nλ/2，n＝1，2，3.. (1)

这里，d是水膜的厚度或是兆声波装置1003与硅片1010之间的距离，n是一个整数，而λ是兆声波在水中的波长。例如，当兆声波的频率是937.5K Hz，λ＝1.6mm时，d＝0.8mm，1.6mm，2.4mm等等。即所以当水膜厚度d等于0.8mm，1.6mm，2.4mm时，频率为937.5kHz的兆声波反射会大大减小。

图1D所示为间距d与由图1A中所示传感器1002测得的兆声波能量密度之间的关系。在间距增大到0.4mm的过程中，可得到从谷值20w/cm2到峰值80w/cm2的多个能量密度值，并能在间距增大到0.8mm(0.5λ)时得到一个完整的周期。精确稳定地控制间距是能在硅片表面保持均匀的兆声波能量分布的关键。

然而，实际上很难精确地保持一个均匀的间距，特别是当硅片处于旋转模式时。如图2所示，如果硅片夹1014的轴心不是百分之百垂直于兆声波装置2003表面，兆声波装置与硅片表面2010的间距会从硅片边缘向硅片中心不断减小。据1D所示的数据，这将引起从硅片边缘向硅片中心兆声波能量分布的不均匀。

如图3A和3B所示，引起间距变化的另一个原因可能是由于硅片夹的旋转轴不垂直于硅片表面3010。旋转时硅片上下摆动，图3B所示为从图3A所示状态旋转180度之后的状态。硅片边缘处的间距从图3A所示的最大值减小到图3B所示的最小值。这将导致当硅片经过兆声波装置时，硅片表面的兆声波能量密度分布不均匀。所有这些不均匀的能量分布将导致硅片表面的器件结构损伤及硅片清洗不均匀。

为了克服在硅片夹旋转过程中由间距变化引起的能量分布不均匀，本发明揭示了一种如图4所示的方法。在清洗过程中，当硅片夹4014旋转时，通过控制丝杆4005和马达4006，使兆声波装置4003和硅片4010之间的距离增大或减小。控制单元4088用来以马达4016的速度为基准控制马达4006的速度。硅片4010或硅片夹4014每旋转一圈，控制单元4088命令马达4006控制兆声波装置4003向上或向下移动的距离为：

Δz＝0.5λ/N

这里，λ是超声波或兆声波的波长，N是从2到1000之间的整数。

更进一步的细节如图5所示，当硅片或硅片夹每旋转一圈增大间距时，在硅片的相同位置兆声波能量密度从P1变到P2。当间距增大到兆声波的半波长时，能量密度变化了从P1到P11的一个周期。周期的起点取决于兆声波装置与硅片特定位置的距离，然而当距离增大到兆声波的半波长时，硅片的每一部分都将得到一个完整周期的能量密度。换句话说，当兆声波装置向上移动兆声波的半波长时(频率为937.5kHz时为0.8mm)，即使是由于图2，图3A和图3B中提到的原因导致兆声波装置和硅片之间的距离不均匀，硅片的每一部分也将得到一个完整周期的能量密度。这将保证硅片的每个点都得到同量的兆声波能量密度，包括同样的平均能量密度，同样的最大能量密度和同样的最小能量密度。操作过程如下所述：

工艺过程1(兆声波频率：f＝937.5kHz，在去离子水中的波长λ＝1.6mm)：

步骤1：以速度ω旋转硅片，ω的范围从10rpm到1500rpm。

步骤2：将兆声波装置移动到离硅片距离为d的位置，d的范围从0.5到15mm。

步骤3：打开喷嘴喷射去离子水或化学试剂，然后开启兆声波装置。

步骤4：硅片夹每旋转一圈，将兆声波装置上移0.5λ/N(mm)，这里N是从2到1000的整数。

步骤5：继续步骤4的操作，直到兆声波装置上移0.5nλ(mm)的距离，这里n是从1开始的整数。

步骤6：硅片夹每旋转一圈，将兆声波装置下移0.5λ/N(mm)，这里N是从2到1000的整数。

步骤7：继续步骤6的操作，直到兆声波装置下移0.5nλ(mm)的距离，这里n是从1开始的整数。

步骤8：重复步骤4到7，直到硅片清洗完成。

步骤9：关闭兆声波装置，停止喷射去离子水或化学试剂，使硅片干燥。

工艺过程2(兆声波频率：f＝937.5kHz，在去离子水中的波长λ＝1.6mm)：

步骤1：以速度ω旋转硅片，ω的范围从10rpm到1500rpm

步骤6：关闭兆声波装置，停止喷射去离子水或化学试剂，使硅片干燥。

传感器的频率可以设置在超声波和兆声波范围内，频率的大小取决于被清洗的颗粒的尺寸。颗粒尺寸越大，用到的频率越小。超声波的范围在20kHz到200kHz之间，而兆声波的范围在200kHz到10MHz之间。为了去除相同基底或硅片表面不同尺寸的颗粒，也需要连续或同时交替改变机械波的频率。如果一个双重的波频率被使用，高频率f₁应该是低频率f₂的整数倍，而传感器的移动范围应该是0.5λ₂n，硅片夹每旋转一圈距离的增大或减小值应为0.5λ₁/N，这里λ₂是频率为f₂的低频波对应的波长，λ₁是频率为f₁的高频波对应的波长，N为从2到1000之间的整数，n为从1开始的整数。

以下所述为利用化学试剂去除颗粒和污染的一个例子：

有机物去除：H₂SO₄∶H₂O₂＝4∶1

颗粒减少：NH₄OH∶H₂O₂∶H₂O＝1∶1∶5

金属污染去除：HCl∶H₂O₂∶H₂O＝1∶1∶6

氧化物去除：HF∶H₂O＝1∶100

图6所示为按照本发明将兆声波仪器运用到硅片清洗装置的另一个实例。这个装置与图4所示装置相似，不同之处在于硅片夹是通过丝杆6005和马达6006的控制而垂直移动。控制单元6088通过丝杆6005和马达6006来控制硅片夹6014上下移动，进而改变兆声波装置6003和硅片6010之间的距离。

图7所示为按照本发明将兆声波仪器运用到硅片清洗装置的另一个实例。这个装置与图4所示装置相似，不同之处在于兆声波装置7003被放置在硅片7010背面，并在丝杆7005和马达7006的控制下垂直移动。控制单元7088通过丝杆7005和马达7006来控制兆声波装置7003上下移动，进而改变兆声波装置7003和硅片7010背面之间的距离。兆声波穿过水膜7034和硅片7010传递到硅片7010正面和水膜7032。喷嘴7011提供去离子水或化学试剂来维持兆声波装置7003和硅片7010背面之间的水膜7034。这个装置的优点在于，可以减小或消除可能由兆声波引起的对硅片7010正面器件结构的损伤。

图8所示为按照本发明将兆声波仪器运用到硅片清洗装置的另一个实例。这个装置与图4所示装置相似，不同之处在于硅片8010正面朝下，而一排喷嘴8018朝向硅片8010正面。兆声波穿过水膜8032和硅片8010本身传递到硅片8010正面。

图9所示为按照本发明将兆声波仪器运用到硅片清洗装置的另一个实例。这个装置与图4所示装置相似，不同之处在于压电式传感器9004表面与硅片9010之间有个夹角α。共振器9008与压电式传感器9004相连，兆声波穿过共振器9008和去离子水膜或化学试剂膜传递到硅片上。工艺过程1，2和3可以应用到这里。

图10A到图10G所示为按照本发明兆声波装置的顶视图。图4所示的兆声波装置可以由不同形状的兆声波装置10003替代，即图10A所示的三角形或馅饼形，图10B所示的矩形，图10C所示的八角形，图10D所示的椭圆形，图10E所示的半圆形，图10F所示的四分之一圆形，图10G所示的圆形。

尽管本申请已经对一些具体装置，例子和应用进行了描述，但是本发明并不排除那些显而易见的各种修改和变化。

Claims

1.一种利用超声波或兆声波装置清洗半导体衬底的方法，包含：

利用一个硅片夹夹住半导体衬底；

将一套超声波或兆声波装置置于接近半导体衬底的位置；

利用至少一个喷嘴将化学液体喷射到半导体衬底及半导体衬底与超声波或兆声波装置之间的间隙中；

在清洗过程中，硅片夹每旋转一圈，都要改变半导体衬底和超声波或兆声波装置之间的距离。

2.如权利要求1所述的方法，其中，通过将超声波或兆声波装置以垂直于半导体衬底的方向移动来改变间隙的大小。

3.如权利要求1所述的方法，其中，通过将硅片夹以垂直于超声波或兆声波装置的方向移动来改变间隙的大小。

4.如权利要求1所述的方法，其中，超声波或兆声波装置置于朝向并靠近半导体衬底正面的位置。

5.如权利要求1所述的方法，其中，超声波或兆声波装置置于朝向并靠近半导体衬底背面的位置。

6.如权利要求5所述的方法，其中，化学液体通过置于半导体衬底正面附近的第一个喷嘴喷射到半导体衬底正面，同时，化学液体通过置于半导体衬底背面附近的第二个喷嘴喷射到半导体衬底背面。

7.如权利要求1所述的方法，其中，硅片夹每旋转一圈，间隙增大0.5λ/N，这里λ是超声波或兆声波的波长，N是一个从2到1000的整数。

8.如权利要求1所述的方法，其中，硅片夹每旋转一圈，间隙减小0.5λ/N，这里λ是超声波或兆声波的波长，N是一个从2到1000的整数。

9.如权利要求1所述的方法，其中，在清洗过程中，间隙大小在0.5λn范围内变化，这里λ是超声波或兆声波的波长，n是从1开始的整数。

10.如权利要求1所述的方法，其中，所述超声波或兆声波装置的声波频率是双频率。

11.如权利要求10所述的方法，其中，双频率包括一个高频f1和一个低频f2，并且f1＝M f2，这里M是从2开始的整数。

12.如权利要求11所述的方法，其中，硅片夹每旋转一圈，间隙增大0.5λ₁/N，这里λ₁是频率为f1的高频波的波长，N是一个从2到1000的整数。

13.如权利要求11所述的方法，其中，硅片夹每旋转一圈，间隙减小0.5λ₁/N，这里λ₁是频率为f1的高频波的波长，N是一个从2到1000的整数。

14.如权利要求11所述的方法，其中，在清洗过程中，间隙大小在0.5λ₂n范围内变化，这里λ₂是频率为f2的低频波的波长，n是从1开始的整数。

15.利用超声波或兆声波装置清洗半导体衬底的装置，包含：

一个夹着半导体衬底的硅片夹；

一套置于半导体衬底附近的超声波或兆声波装置；

至少有一个喷嘴将化学液体喷射到半导体衬底及半导体衬底与超声波或兆声波装置之间的间隙中；

在清洗过程中，硅片夹每旋转一圈，一个控制单元改变半导体衬底和超声波或兆声波装置之间的距离。

16.如权利要求15所述的装置，其中，通过将超声波或兆声波装置以垂直于半导体衬底的方向移动来改变间隙的大小。

17.如权利要求15所述的装置，其中，通过将硅片夹以垂直于超声波或兆声波装置的方向移动来改变间隙的大小。

18.如权利要求15所述的装置，其中，超声波或兆声波装置置于朝向并靠近半导体衬底正面的位置。

19.如权利要求15所述的装置，其中，超声波或兆声波装置置于朝向并靠近半导体衬底背面的位置。

20.如权利要求19所述的装置，其中，化学液体通过置于半导体衬底正面附近的第一个喷嘴喷射到半导体衬底正面，同时，化学液体通过置于半导体衬底背面附近的第二个喷嘴喷射到半导体衬底背面。

21.如权利要求15所述的装置，其中，硅片夹每旋转一圈，间隙增大0.5λ/N，这里λ是超声波或兆声波的波长，N是一个从2到1000的整数。

22.如权利要求15所述的装置，其中，硅片夹每旋转一圈，间隙减小0.5λ/N，这里λ是超声波或兆声波的波长，N是一个从2到1000的整数。

23.如权利要求15所述的装置，其中，在清洗过程中，控制单元使得间隙大小在0.5λn范围内变化，这里λ是超声波或兆声波的波长，n是从1开始的整数。

24.如权利要求15所述的装置，其中，超声波或兆声波装置产生的声波频率是双频率。

25.如权利要求24所述的装置，其中，双频率包括一个高频f1和一个低频f2，并且f1＝M f2，这里M是从2开始的整数。

26.如权利要求25所述的装置，其中，硅片夹每旋转一圈，间隙增大0.5λ₁/N，这里λ₁是频率为f1的高频波的波长，N是一个从2到1000的整数。

27.如权利要求25所述的装置，其中，硅片夹每旋转一圈，间隙减小0.5λ₁/N，这里λ₁是频率为f1的高频波的波长，N是一个从2到1000的整数。

28.如权利要求25所述的装置，其中，在清洗过程中，控制单元使得间隙大小在0.5λ₂n范围内变化，这里λ₂是频率为f₂的低频波的波长，n是从1开始的整数。