CN102122615B

CN102122615B - 对用于湿法刻蚀的溶液进行预处理的方法

Info

Publication number: CN102122615B
Application number: CN 201010022610
Authority: CN
Inventors: 杨永刚; 耿亚平
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2010-01-08
Filing date: 2010-01-08
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2030-01-08
Also published as: CN102122615A

Abstract

本发明提供了一种对用于湿法刻蚀的溶液进行预处理的方法，所述预处理是通过将多片空白控挡片或多片具有多晶硅表面层的控挡片浸渍于所述用于湿法刻蚀的溶液而实施的，所述溶液是浓磷酸溶液、浓硫酸溶液或稀氢氟酸溶液。

Description

对用于湿法刻蚀的溶液进行预处理的方法

技术领域

本发明涉及一种减少半导体工艺中湿法刻蚀所带来的颗粒缺陷和残留物缺陷的方法，具体地说，本发明涉及通过预先清除用于湿法刻蚀的化学溶液槽中的颗粒和残留物来减少晶片表面的缺陷的预处理方法。

背景技术

随着集成电路制造工艺的发展，对于半导体器件的集成密度和制造精度的要求日益增高。为了降低成本和提高集成度，厂商们正在不断增大晶片尺寸(已达到12寸以上)，并不断缩小晶片(又称“硅片”、“晶圆”等)上的关键尺寸(已缩小到0.10μm以下)。随着关键尺寸的不断缩小，附着在晶片表面的杂质颗粒和残留物已经成为影响晶片良率的一个重要因素。源自例如湿法刻蚀(即通过将晶片浸渍到化学溶液中而以化学反应来达到刻蚀的目的)等步骤的杂质很可能引起电路的短路和开路，从而导致芯片出现故障。当前的技术发展趋势意味着晶片性能对杂质颗粒和残留物的敏感性将越来越强，因此迫切需要对如何减少晶片上的颗粒和残留物缺陷进行研究。

在集成电路制造中，通常，多晶硅栅的宽度是整个晶片上最关键的线宽。多晶硅栅结构的制作包括最薄的栅氧化层的热生长以及多晶硅栅的刻蚀，其中后者是整个集成电路工艺中物理尺寸最小的结构，因此该制作成为流程中最关键的一步。参考图1，从左到右，多晶硅栅刻蚀依次包括以下步骤：(1)栅氧化层(图中未示出)生长以及多晶硅淀积，SiON(氮氧化硅)抗反射层(ARC)淀积和光刻胶(PR)的定义；(2)在光刻胶的未定义区刻蚀去除不需要的抗反射层；(3)多晶硅的刻蚀；(4)光刻胶的去除；以及(5)SiON抗反射层的去除，其中，1为硅衬底；2为多晶硅层；3为SiON层；4为光刻胶。在定义多晶硅线条的光刻胶时，氮氧化硅可作为抗反射层(ARC)，使光刻更精确；而在多晶硅刻蚀时，氮氧化硅可以当作硬掩模，即先将氮氧化硅刻蚀出线条形状，然后以氮氧化硅线条为掩模来刻蚀下面的多晶硅，这样可以避免由于光刻胶边缘受离子轰击变薄而使多晶硅线条受损。以上步骤中，第5步骤中SiON抗反射层(亦为掩模层)的去除可采用湿法刻蚀工艺，而且一般包括以下几个步骤：HF酸清洗步骤(用于去除表面氧化物)、溢流(OF)清洗步骤(用于去除氢氟酸)、浓磷酸清洗步骤(用于去除氮氧化硅)、热快速排水(HQDR)清洗步骤(用于去除浓磷酸及反应副产物)和干燥步骤。据称，在多晶硅栅刻蚀后的SiON掩模层的去除过程中，所产生的杂质颗粒数对良率的影响是半导体制造前段工艺中最高的。

尽管湿法刻蚀已大部分被干法刻蚀所取代，但它在漂去氧化硅、去除残留物、表层剥离以及大尺寸图形刻蚀应用方面仍然起着重要的作用。在湿法刻蚀工艺中，热磷酸(H₃PO₄)刻蚀(清洗)法对Si₃N₄和SiON有很好的选择比，因此已在SiON抗反射层的去除步骤中得到广泛的应用。该方法中所用的热磷酸刻蚀液是浓磷酸与去离子水的混合物。一般来说，磷酸的浓度为80-92重量％，工艺温度在150-180℃范围内。然而，由于85％的磷酸在154℃下已达到沸点，因此该工艺实际上是在溶液沸腾状态下实施的，相对其他湿法工艺更加复杂和难以控制，由此又对减少颗粒污染带来了极大的麻烦。因此，为了减少颗粒并确保适当的溶液强度，一定批次后一般需要更换溶液。这显然增加了湿法刻蚀的成本。

中国专利申请CN101414558A提供了一种减少湿法刻蚀颗粒污染的方法，该方法通过在溶液中设置电场来阻止颗粒附着在晶片上。然而，由于溶液中包含各种各样的颗粒和残留物，该方法只能部分地阻止带电的颗粒，无法阻止不带电的颗粒。此外，如上所述，某些刻蚀用溶液(例如热磷酸)在进行刻蚀时可能处在沸腾状态，而此方法却是基于胶体的电泳原理，显然，溶液中的剧烈扰动会影响电泳进程，进而影响抑制颗粒污染的效果。

另外，也有人采用过滤的方式来去除溶液中的颗粒。然而，对于粘稠的溶液(例如浓磷酸)来说，过滤只能去除粒径较大的颗粒，无法快速去除粒径较小又容易造成不利影响的小颗粒(但小颗粒更容易嵌在精细图案的凹陷处，在后续工艺中更难以去除)，而且如果该溶液是浓酸的话，其过滤需要特殊的耐腐蚀的过滤设备，这又会造成成本的上升。此外，浓酸易于粘附在晶片表面，并包裹在杂质颗粒上，当吸收水汽后可形成“浓缩缺陷(condense defect)”，使得后续步骤(例如单片式硅片表面刷洗(waferscrubbing)、SC1清洗液(1号标准清洗液，即NH₄OH/H₂O₂/H₂O混合碱性溶液)清洗)难以清除这些被包裹的杂质颗粒。

此外，中国专利申请CN101211114A描述了一种去除栅极多晶硅掩模层的方法，该方法要解决的问题是更有效地清除热磷酸刻蚀后残留在晶片上的杂质颗粒，并未涉及在实施刻蚀之前对刻蚀用溶液的预处理。中国专利申请CN101465273A描述了一种用于减少晶片表面缺陷的湿法刻蚀方法和装置，该方法仅涉及对湿法刻蚀过程中附着在晶片上的气泡的消除，并未涉及对刻蚀用溶液的预处理。

发明内容

为了解决上述问题，发明人对此作了深入的研究，最终获得了一种有效减少湿法刻蚀中的颗粒缺陷和/或残留物缺陷的方法。

目前致力于解决湿法刻蚀后的晶片表面的缺陷问题的主流技术均着眼于刻蚀后的清洗方式和处理。这些技术不仅费时而且成本高昂。实际上，本领域对于如何清除用于湿法刻蚀的溶液中的颗粒和残留物的研究并不充分，其原因可能在于，一方面这些溶液基本上都是强酸或者浓酸，处理起来多有不便；另一方面，所要去除的颗粒或残留物特别细小，常规去除方式往往难以适用。

在仔细研究了发生上述晶片表面缺陷的原因之后，发明人发现，之所以在湿法刻蚀中出现这么多颗粒缺陷和残留物缺陷的一个重要原因在于，刻蚀后的晶片表面很容易吸附(至少不排斥)这些颗粒或残留物。以浓磷酸刻蚀法为例，在刻蚀后，该硅片上的多晶硅层上往往会吸附大量的颗粒或残留物。进一步的研究发现，空白的硅衬底对这些颗粒或残留物也有很好的吸附性。如果能够在刻蚀之前先用具有多晶硅层的硅片或空白硅片吸附溶液中的这些颗粒或残留物，溶液中存在的颗粒或残留物必然会显著减少。然而，如果使用芯片厂中的产品硅片来进行此项预处理可能会导致成本上升。为了进一步降低成本，发明人想到，芯片厂普遍使用的另一类低成本的调试或补足或遮挡用的硅片可用于实现本发明的目的，同时又不会增加过多的成本。这些调试用硅片往往被本领域技术人员称为“控片”或“试片”，而补足或遮挡用的硅片则被称为“挡片”或“陪片”，这些硅片可统称为“假片”(dummy wafer)或“控挡片”。控片可用于测试或监测生产设备的工艺状态，如颗粒率、刻蚀率、缺陷率等指标，或用于确定维修工作的质量，即，在维修后正式开工之前，先用控片运行一次制程，再通过检测该控片的参数来获得维修质量结果；挡片可用于补足某些有硅片数量要求的机台中的硅片数量，或者仅起到遮挡或抵消不良效应等作用。这些概念都是本领域技术人员公知的，在中国专利CN100459088C、专利申请CN101150083A等文献中也有描述，在此不作过多说明。总之，在芯片厂中，除了产品晶片和质量检测合格的晶片之外的晶片，都可以用作假片或称为控挡片，其中包括硅衬底、具有其他表面层(例如多晶硅层、氮氧化硅层、氧化硅层)的硅衬底等。如果该控挡片为不具有表面层的硅衬底，则可以称为空白控挡片。

综合以上发现，发明人最终获得了一种有效减少湿法刻蚀中的颗粒缺陷和/或残留物缺陷的方法，该方法不仅可以有效地去除湿法刻蚀所用的化学溶液中的颗粒和残留物，进而减少晶片上的颗粒缺陷和残留物缺陷，提高成品率，而且可以利用芯片厂中原有的资源来进行实施，无需另添设备，同时，也有利于节省湿法刻蚀后再另行清洗晶片的费用和时间。

本发明的第一方案提供了一种对用于湿法刻蚀的溶液进行预处理的方法，所述预处理是通过将多片空白控挡片或多片具有多晶硅表面层的控挡片浸渍于所述用于湿法刻蚀的溶液而实施的，所述溶液是浓磷酸溶液、浓硫酸溶液或稀氢氟酸溶液。

本发明的第二方案是如第一方案所述的方法，其中，所述的预处理是：将所述空白控挡片或具有多晶硅表面层的控挡片置于载体上或置于载体中，并将该载体浸渍于所述用于湿法刻蚀的溶液，然后从该溶液中通过，并取出而获得表面附着有颗粒和/或残留物的所述空白控挡片或具有多晶硅表面层的控挡片。

本发明的第三方案是如第二方案所述的方法，其中，所述载体在所述溶液中的浸渍时间和通过时间总计至少为120秒。

本发明的第四方案是如第三方案所述的方法，其中，所述载体在所述溶液中的浸渍时间和通过时间总计为300-600秒。

本发明的第五方案是如第二方案至第四方案中任一方案所述的方法，其中，在湿法刻蚀之前，进行至少两次所述预处理，且每次使用至少50片空白控挡片或具有多晶硅表面层的控挡片。

本发明的第六方案是如以上方案中任一方案所述的方法，其中，所述用于湿法刻蚀的溶液是浓磷酸，该浓磷酸的浓度为80重量％以上。

本发明的第七方案是如以上方案中任一方案所述的方法，其中，所述预处理是通过将多片具有多晶硅表面层的控挡片浸渍于所述用于湿法刻蚀的溶液而实施的。

本发明的第八方案是如第七方案所述的方法，其中，所述具有多晶硅表面层的控挡片的层结构依次由多晶硅表面层、氧化层和硅衬底组成。

本发明的第九方案是如第八方案所述的方法，其中，所述氧化层的厚度为500埃至1400埃。

本发明的第十方案是如以上方案中任一方案所述的方法，其中，所述多晶硅表面层的厚度为1500埃至2000埃。

本发明的第十一方案提供了一种湿法刻蚀的方法，该方法包括以下步骤：采用以上方案中任一方案所述的对用于湿法刻蚀的溶液进行预处理的方法对用于湿法刻蚀的溶液进行预处理。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，

图1显示了现有技术中多晶硅栅刻蚀的基本流程；

图2A、2B和2C显示了现有技术中浓磷酸刻蚀后的晶片表面的缺陷情况，其中，图2A显示了颗粒监测器检测到的结果；图2B显示了SEM检测到的残留物缺陷，图2C显示了SEM检测到的颗粒缺陷；

图3显示了使用经过本发明的预处理方法处理的溶液进行刻蚀时，晶片表面在刻蚀之前和刻蚀之后的缺陷情况。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底了解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤。显然，本发明的施行并不限定于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

本发明提供了一种对用于湿法刻蚀的溶液进行预处理的方法，所述预处理是通过将多片空白控挡片或多片具有多晶硅表面层的控挡片浸渍于所述用于湿法刻蚀的溶液而实施的。该方法适用于所有需要清除颗粒和残留物的湿法刻蚀溶液，特别是浓磷酸、浓硫酸和稀氢氟酸。其中，所述的浓磷酸、浓硫酸和稀氢氟酸在半导体湿法刻蚀领域均有公认的确切含义，而且浓磷酸优选是80重量％以上的浓磷酸水溶液；浓硫酸优选是由98重量％浓硫酸水溶液与H₂O₂以3∶1-5∶1的体积比混合而形成的浓硫酸水溶液，例如所谓的SPM(Sulfuric-peroxide mix，两者的体积比可以为4∶1)；稀氢氟酸优选是由49重量％氢氟酸与水以1∶250-1∶50的体积比混合而形成的稀氢氟酸水溶液，例如所谓的DHF(Dilute HF，体积比可以为1∶100)。当该方法应用于浓磷酸刻蚀法时，效果特别显著。

图2显示了使用未经过该预处理的浓磷酸溶液刻蚀晶片后，晶片表面的缺陷情况，经清点，缺陷个数为385个，随机选取其中的50个进行分析时，发现颗粒缺陷与残留物缺陷的比例约为2∶3。EDX(能量弥散X射线探测器)结果显示，这些颗粒基本上由硅、磷和氧构成。

图3显示了使用经过本发明的预处理方法处理的浓磷酸溶液进行刻蚀时，晶片表面在刻蚀之前和刻蚀之后的缺陷情况。由图可知，其缺陷个数基本保持不变。这表明溶液中的颗粒和残留物已被基本上清除。

究其原因，据推测，可能是本发明的预处理方法可清除该溶液中易于粘附在晶片表面的大部分颗粒和残留物。在经过该预处理之后，即使没有彻底清除溶液中的所有颗粒和残留物，剩余的那些颗粒和残留物也很难吸附在晶片表面。换言之，本发明的预处理方法并不期望清除所有的颗粒和残留物，而是只需要清除那些特别容易吸附在晶片表面的颗粒和残留物即可。

明白这一点，就可以大大节省原本为了彻底清除这些物质而需要花费的成本和精力。例如，当本领域技术人员希望通过过滤等方式清除这些物质时，实际上是对这些物质的尺寸进行了选择，而没有区分它们对晶片表面缺陷的“贡献度”。与之相比，本发明的方法仅针对那些很容易影响晶片表面品质的物质。鉴于湿法刻蚀溶液的特殊性(例如酸性和粘性)，与本发明的方法相比，那些常规方式将需要花费更多的精力和成本。

另一方面，由于本发明采用了空白控挡片或具有多晶硅表面层的控挡片作为粘附这些颗粒或残留物的“粘附物”，也很好地控制了工艺成本。控挡片本身已成为芯片厂常见的原料，并不需要特别购置。而且，控挡片在用于本发明的预处理方法后，还可以进一步地回收使用，例如通过研磨或冲洗等等。由于本发明的预处理方法对作为清除工具的控挡片并没有什么特别的要求(只需要达到一定的洁净度即可)，这些回收方法也可以进一步简化，例如，可采取任何手段来去除使用过的控挡片上的颗粒或残留物。为了更有利于回收以及更好地吸附颗粒和残留物，本发明优选使用具有多晶硅表面层和硅衬底的控挡片。这样，可对吸附了颗粒和残留物的多晶硅表面层进行洁净处理或清洗以去除颗粒和残留物，然后将处理后的控挡片再次投入使用。为了更加有利于多次回收，优选多晶硅表面层的厚度为1500埃至2000埃，更优选为1600埃至1900埃。此外，具有多晶硅表面层的控挡片的层结构优选依次由多晶硅表面层、氧化层和硅衬底组成。所述氧化层的厚度为500埃至1400埃，更优选是800埃至1200埃。这样，在对多晶硅表面层进行洁净处理或清洗时，即使发生过度清洗，也不会刮伤硅衬底，从而有利于控挡片的硅衬底的多次使用。该氧化层通常为氧化硅或二氧化硅，可通过本领域公知的热生长或淀积来形成。

当控挡片上的多晶硅表面层在回收使用时被消耗后，可在该控挡片上再淀积(例如LPCVD等方式)一层多晶硅，其厚度也优选为1500埃至2000埃，更优选为1600埃至1900埃。然后将该控挡片再次用于本发明的预处理。

此外，由于控挡片的尺寸一般与产品晶片相近，因此，在进行浸泡式湿法刻蚀的预处理时，可以将用于预处理的控挡片放入原来用于放置产品晶片的载体中，利用原有的设备条件，按照产品晶片原来的刻蚀模式进行本发明的预处理，例如，在浸渍于溶液后，从溶液的一边移动至另一边，然后取出。这样，在进行预处理时，就无需另行配置预处理设备或装置，可利用现有的设备(例如DNS公司的FC3000或SES公司的BW3000)进行实施。对于喷射式湿法刻蚀的预处理，则可以先将控挡片浸渍于需要进行预处理的溶液中吸附颗粒或残留物。然后将经过预处理的溶液用于喷射式湿法刻蚀。

无论采用哪种方式，对于一般规模的湿法刻蚀机(例如DNS公司的FC3000或SES公司的BW3000)而言，优选进行至少两次预处理，且每次使用至少50片控挡片。当然，此处所说的次数和片数并非是固定不变的，本领域技术人员知道如何根据实际情况来选择预处理次数和控挡片数目。此外，对于一般规模的湿法刻蚀机而言，优选的预处理时间(对于使用载体的预处理而言，是指控挡片在溶液中所经历的全部时间，即浸渍时间与通过时间的总和)至少为120秒，更优选是300-600秒。也可以根据实际情况来确定预处理时间。

通过本发明的预处理方法对湿法刻蚀溶液进行预处理后，在线和离线的检测结果均证实，该方法可以明显改善刻蚀后晶片的表面品质，减少颗粒缺陷和残留物缺陷，节省更换溶液的次数，并节约后续步骤中清洗晶片的费用和时间，从而有利于降低工艺成本和提高产品良率。

由此，本发明还提供了一种湿法刻蚀的方法，除了现有的湿法刻蚀的一般步骤之外，该方法还包括采用本发明上述的预处理方法对用于湿法刻蚀的溶液进行预处理的步骤。该步骤可穿插在整个湿法刻蚀制程之中，有效清除用于湿法刻蚀的溶液中的颗粒或残留物。包含该预处理步骤的湿法刻蚀方法可有效减少目前的湿法刻蚀中存在的晶片表面的颗粒和残留物缺陷，显著提高产品良率并降低工艺成本。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims

1.一种对用于湿法刻蚀的溶液进行预处理的方法，所述预处理是通过将多片空白控挡片或多片具有多晶硅表面层的控挡片浸渍于所述用于湿法刻蚀的溶液而实施的，其中，在湿法刻蚀之前，进行至少两次所述预处理，且每次使用至少50片空白控挡片或具有多晶硅表面层的控挡片，每次实施所述预处理的时间至少为120秒，所述溶液是浓磷酸溶液、浓硫酸溶液或稀氢氟酸溶液。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述的预处理是：将所述空白控挡片或具有多晶硅表面层的控挡片置于载体上或置于载体中，并将该载体浸渍于所述用于湿法刻蚀的溶液，然后从该溶液中通过，并取出而获得表面附着有颗粒和/或残留物的所述空白控挡片或具有多晶硅表面层的控挡片，所述载体在所述溶液中的浸渍时间和通过时间总计至少为120秒。

3.如权利要求2所述的方法，其中，所述载体在所述溶液中的浸渍时间和通过时间总计为300-600秒。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述浓磷酸是浓度为80重量%以上的浓磷酸水溶液；所述浓硫酸溶液是由98重量%浓硫酸水溶液与H₂O₂以3:1-5:1的体积比混合而形成的浓硫酸水溶液；所述稀氢氟酸溶液是由49重量%氢氟酸与水以1:250-1:50的体积比混合而形成的稀氢氟酸水溶液。

5.如权利要求1或2所述的方法，其中，所述具有多晶硅表面层的控挡片的层结构依次由多晶硅表面层、氧化层和硅衬底组成。

6.如权利要求5所述的方法，其中，所述氧化层的厚度为500埃至1400埃。

7.如权利要求5所述的方法，其中，所述多晶硅表面层的厚度为1500埃至2000埃。

8.一种湿法刻蚀的方法，该方法包括以下步骤：采用权利要求1-4，6和7中任一项所述的方法对用于湿法刻蚀的溶液进行预处理。

9.一种湿法刻蚀的方法，该方法包括以下步骤：采用权利要求5所述的方法对用于湿法刻蚀的溶液进行预处理。