CN102160150A - 使用顺序化工品施加对半导体衬底进行表面处理的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于在蚀刻后清洁操作过程中从衬底表面上形成的金属栅极结构周围除去聚合物残留的系统和方法，包括确定与该金属栅极结构和要除去的该聚合物残留相关联的多个工艺参数。多个制造层限定该金属栅极结构而该工艺参数限定该制造层和该聚合物残留的性质。确定第一清洁化学物质和第二清洁化学物质并根据该工艺参数确定与该第一和第二清洁化学物质相关联的多个施加参数。使用施加参数以受控方式顺序施加该第一和第二施加化学物质以基本上除去该聚合物残留，同时保留该栅极结构的结构完整性。

Description

使用顺序化工品施加对半导体衬底进行表面处理的方法和装置
技术领域
本发明大体涉及半导体衬底处理，尤其涉及使用顺序(sequencial)化工品施加处理半导体衬底表面的系统和方法。
背景技术
半导体器件是通过各种制造操作获得的。制造操作在半导体晶圆(晶圆或衬底)上限定多个跨越多个层次的特征，比如栅极结构。在各种制造操作过程中，该衬底被暴露于各种污染物。制造操作中使用的、该衬底暴露于其中的任何材料或化工品是潜在的污染源。各种制造操作(比如蚀刻、沉积等)中使用的化工品在该衬底的表面上形成的特征(比如栅极结构)上和特征周围留下沉积物，比如工艺气体、蚀刻化工品、沉积化工品等，作为颗粒或聚合物残留污染物。颗粒污染物的大小处于在该衬底上制造的特征的临界尺寸(critical dimensions)的量级上。这些污染物堆积在难以抵达的区域中的特征的顶部上、侧壁边和特征之间，比如围绕这些精密特征的沟槽中，并有可能损害该污染物颗粒附近区域内的特征。
衬底上形成的典型栅极结构(gate structure)可包括由限定该栅极结构的不同材料制成的层的堆垛(stack)。该栅极结构可包括栅极氧化物，使用一层或更多层金属(比如钨、钨的化合物等)在该栅极氧化物上方制造电极。可用于制造该电极的金属可包括钨、硅化钨、氮化钨、钽、多晶硅、氧化硅、氧化铝、氧化铪、氮氧化硅、氮化钽。多晶硅层被形成在该金属层的顶部上并且在该多晶硅层的顶部上方制造硬掩模层。该硬掩模层被制造为光刻胶层(photoresist layer)且被用于图案化(pattern)该栅极堆垛并保留下面的层。在蚀刻操作中，图案化该硬掩模和下面的层时使用的蚀刻化工品在该栅极结构的顶部上和沿着侧壁留下聚合物残留。传统聚合物残留清洁方法依赖于批量工具，该批量工具将该聚合物残留暴露于清洁化学物质中一段漫长的时间。当使用侵蚀性较低的清洁化学物质时，该暴露导致聚合物残留和其它污染物的低效除去。另一方面，当使用侵蚀性更高的化学物质时，使用批量工具的暴露导致该栅极结构处很高的材料损耗率，使得该清洁工艺不良好。材料损耗包括硬掩模层的拉回(pullback)和/或栅极氧化物和该衬底上形成的该栅极结构的其它层的底切(undercut)。图1描绘了一种典型栅极结构而图2描绘了在该栅极结构的各层处经历的一些副作用的示例。
图1描绘了通过各种制造操作在衬底100上形成的一种典型的金属栅极结构。蚀刻操作被用于形成该栅极结构的各层，从而限定栅极堆垛。该栅极结构包括在衬底100上形成的栅极氧化物115的层。衬底100包括源极/漏极区105，栅极氧化物115(通常是高介电常数的)的层在该源极/漏极区105上方形成。使用一个或更多个金属层在栅极氧化物115上方制造金属电极。在图1中所示的金属栅极结构中，使用一层金属1120和一层金属2122形成该金属电极。在该金属层上方形成多晶硅层125，并在该多晶硅层上方形成硬掩模层。该硬掩模层可进一步包括一个或更多硬掩模层。如图1中所示，该硬掩模层包括3层硬掩模：掩模1130、掩模2132和掩模3134。该蚀刻操作中使用的蚀刻材料和蚀刻化工品在该栅极结构的顶部和侧壁上限定了堆垛沉积的金属或聚合物污染物。典型的污染物包括聚合物残留140和含有金属的聚合物残留142。
图2描绘了作为使用传统批量工具的清洁工艺的结果，在该栅极结构上经历的一些潜在问题。该栅极结构对在该批量工具中使用的侵蚀性清洁化学物质的长时间暴露导致该硬掩模的侵蚀，也被称为“硬掩模拉回”。该硬掩模侵蚀导致下面的层的过早暴露，带来对该栅极特征的潜在损害和/或进一步的污染。对该清洁化学物质的长时间暴露可能进一步导致在该栅极氧化物上方形成金属电极时使用的金属层(比如钨、硅化钨等)最终将该栅极氧化物暴露于该清洁化学物质。该硬掩模的拉回和该栅极结构的金属层和其他层(包括该栅极氧化物)的底切在该清洁工艺中带来最大的问题。栅极堆垛的各层过早暴露于后续制造操作中使用的化学物质可能导致形成该栅极结构的层无法工作。在制造过程中高效的、非破坏性的除去污染物在清洁工艺中带来了巨大的挑战。
有鉴于此，需要一种更有效的清洁技术，以从该衬底表面除去污染物，同时保留该栅极结构的结构完整性。在此背景下，提出了本发明的实施方式。
发明内容
本发明通过提供高效除去在该衬底表面上的金属栅极结构周围形成的聚合物残留污染物的方法和装置而满足了上述需要。应当理解，本发明可以许多方式实现，包括装置和方法。下面描述本发明的一些创新性的实施方式。
在一个实施方式中，披露一种用于在蚀刻后清洁操作过程中从金属栅极结构周围除去聚合物残留的方法。该方法包括确定与金属栅极结构和该栅极结构周围形成的该聚合物残留相关的多个工艺参数。该栅极结构包括一个或更多个制造层。该工艺参数限定组成该栅极结构的一个或更多制造层以及该栅极结构周围形成的该聚合物残留的一个或更多性质。确定用于处理该衬底表面的第一和第二清洁化学物质。根据该工艺参数针对该第一和第二清洁化学物质限定一个或更多施加参数。使用该施加参数以受控方式将该第一和第二清洁化学物质顺序施加至该衬底表面的一部分以提供该衬底表面的该一部分对该第一和该第二清洁化学物质的最佳暴露一段最佳时间段以便基本上从该栅极结构周围除去该聚合物残留，同时保留该栅极结构的该一个或更多个层的结构完整性。
在另一个实施方式中，限定一种用于在蚀刻后清洁操作过程中从衬底表面上形成的金属栅极结构周围除去聚合物残留的系统。该系统包括用于接收、支撑和传送衬底通过该系统的衬底支撑装置。第一临近头被配置为将第一清洁化学物质作为弯液面引介至该衬底表面的一部分。第二临近头被配置为将第二清洁化学物质作为弯液面引介至该衬底表面的该一部分。该第一和第二清洁化学物质通过该第一和第二临近头的顺序引介使得能够向该衬底表面的该一部分以受控方式施加该第一和第二清洁化学物质以便该衬底表面的该一部分被最佳地暴露于该第一和第二清洁化学物质最佳时间段以基本上除去该金属栅极结构周围的该聚合物残留同时保留该栅极结构的该一个或更多个层的结构完整性。
通过下面结合附图进行的详细说明，本发明的其他方面和优点会变得更显而易见，其中附图是用本发明的示例的方式进行描绘的。
附图说明
参考下面的描述，并结合附图，可以最好的理解本发明。这些图不应当被认为是将本发明限制于这些优选实施方式，而只是为了说明和理解。
图1描绘了，在本发明的一个实施方式中，典型的蚀刻后(post-etch)金属栅极结构的简化示意图。
图2描绘了，在本发明的一个实施方式中，在清洁操作过程中在图1中描绘的蚀刻后金属栅极结构处经历的可能问题和损害的简化示意图。
图3A-3D描绘了蚀刻操作后的各种栅极结构的简化示意图。图3A描绘了，在本发明的一个实施方式中，在完全蚀刻后简化的DRAM栅极结构。图3b描绘了，在本发明的另一个实施方式中，局部蚀刻后的简化的DRAM栅极结构。图3C描绘了，在本发明的另一个实施方式中，在蚀刻操作后的简化的Flash钨栅极结构。图3D描绘了，在本发明的另一个实施方式中，在蚀刻操作后的简化的钨门逻辑结构。
图3E描绘了，在本发明的一个实施方式中，在典型的槽(tank)清洁操作后钨金属栅极结构的简化示意图。
图4A-4C描绘了，在清洁操作后，图3A-3C中描绘的各种栅极结构所预期的期望清洁结果的简化示意图。
图4D描绘了，在本发明的一个实施方式中，在使用第一清洁化学物质和第二清洁化学物质的清洁操作后产生的金属栅极结构。
图5描绘了，在本发明的一个实施方式中，在将第一和第二施加化学物质施加到该衬底表面时使用的系统的简化示意图。
图6A和6B描绘了，在本发明的一个实施方式中，确定使用该第一和第二清洁化学物质对聚合物残留的有效除去率的图表。
图7描绘了，在本发明的一个实施方式中，包含金属的聚合物残留除去的有效除去所需的最佳暴露时间和载具速度。
图8描绘了，在本发明的一个实施方式中，有效的包含金属的聚合物残留的除去率的最佳浓度。
图9描绘了，在本发明的一个实施方式中，在蚀刻后清洁操作中，从金属栅极结构周围除去聚合物残留所涉及的各方法操作。
具体实施方式
现在描述用于从衬底表面上形成的金属栅极结构周围除去聚合物残留(包括含有金属的聚合物残留)的若干实施方式。然而，显然，对于本领域的技术人员来说，本发明可以没有这些具体细节中的一些或全部而实现。在其它情况下，没有详细地描述熟知的处理操作以免不必要地模糊本发明。
污染物(比如聚合物残留和含有金属的聚合物残留)从衬底表面的有效除去有助于维持在该衬底上形成的特征以及所产生的器件(比如微芯片)的功能性。在本发明的一个实施方式中，通过顺序施加侵蚀性化学物质至该衬底表面而除去在金属栅极结构周围形成的聚合物残留。该侵蚀性化学物质是以严格受控的方式施加的以便能够最佳地从该栅极结构的周围除去聚合物残留，同时保持该栅极结构的结构完整性。为了以严格受控的方式施加该侵蚀性化学物质，确定与该栅极结构和该聚合物残留相关联的多个工艺参数。该工艺参数是通过分析形成该栅极结构的多个制造层和在该栅极结构特征周围形成的各种类型的聚合物残留而获得的。该工艺参数限定与该栅极结构的不同的层和该聚合物残留相关联的一个或多个性质。确定第一和第二侵蚀性化学物质并根据该工艺参数针对所确定的侵蚀性化学物质限定一个或更多施加参数。以受控的方式顺序施加该侵蚀性化学物质时使用该施加参数以便能够最佳地除去该聚合物残留而不丢失该栅极结构的结构完整性。
各实施方式的优点包括使用简单的、常见的化学物质以有效地除去不想要的聚合物残留，带来基本上清洁的器件。该侵蚀性化学物质的受控施加能够在精确控制临界尺寸的情况下除去聚合物残留。
为了理解该侵蚀性化学物质的受控施加的有效性，首先参考图1和图2描述在该栅极结构处经历的副作用。图1描绘了，在本发明的一个实施方式中，栅极结构的简化示意图。该栅极结构是使用多个制造层形成的，其中制造材料被沉积在衬底100的表面上方。该制造层可包括在衬底100的表面上的栅极氧化物115层上方形成的一层或更多层金属120、122。栅极氧化物层115通常是在该源极/漏极105上方形成的高介电常数膜层。金属层被用于形成金属电极。在图1中，两层金属——金属1 120和金属2 122——用于形成金属电极。被用来形成金属电极的一些金属包括钨(W)、硅化钨、氮化钨、钽、多晶硅(掺杂或非掺杂的)、氧化硅(SiO2)、氮化钽(TaN)、氧化铪、氧化铝、氮氧化铪硅(HfSiON)等。在该金属上方形成多晶硅层125。在该多晶硅层130上方形成硬掩模层130。该硬掩模层130可以由多层硬掩模130、132、134组成。用于形成硬掩模层的典型材料包括氮化硅、氧化硅等。该硬掩模层是作为光刻胶层形成的并被用于在蚀刻操作中保护下面的层。在蚀刻操作过程中，用于限定该金属栅结构的蚀刻化工品将在该金属栅极结构的顶部上和沿着侧壁留下聚合物残留污染物140和含有金属的聚合物残留污染物142。有必要除去不想要的聚合物残留污染物140、142，同时保留该金属栅极结构的性质。
图1中所示的栅极结构是在该衬底上方形成的栅极结构的一个示例。该栅极结构的各种变形是可能的。图3A-3D描绘了图1中所示的栅极结构的一些变形。图3A描绘了在完全蚀刻之后的DRAM栅极结构。该栅极结构的栅极堆垛包括在硅衬底100上方形成的栅极氧化物115。多晶硅层125形成于栅极氧化物115上方，然后是一层金属1 120和一层金属2 122。硬掩模层130形成于金属2层上方。可以看到，在该蚀刻操作后，蚀刻后聚合物残留140和含有金属的聚合物残留142在该栅极结构周围形成。除去该栅极结构周围的聚合物残留而不实际上破坏该栅极结构的各层是一个挑战。
图3B描绘了在图3A中显示的栅极结构的变形。图3B中的栅极结构是作为打开蚀刻工艺的结构而形成的，其中该多晶硅层125是在栅极氧化物115的整体的上方形成的，而该栅极堆垛是在该多晶硅层125的一部分的上方形成的。
图3C描绘了在该硅衬底100上方形成的flash钨金属栅极结构的一个实施方式。该栅极结构的栅极堆垛包括在该衬底上方形成的栅极氧化物115。氮化硅152的保护层形成于栅极氧化物115的上方。金属1 120、金属2 122和金属3124的层形成于氮化硅层152的顶部上。硬掩模层130形成于金属层124的顶部上。
图3D描绘了，在本发明的一个实施方式中，在硅衬底100上方形成的蚀刻后栅极结构。如同前面针对其它栅极结构中提到的，高介电常数膜层115形成于硅衬底上方，多个金属层(比如金属2 122和金属1 120的层)形成于该高介电常数膜层115上方。该金属层可以是基于钨或钽的金属层，比如钨、硅化钨、钽、氮化钽。在该金属层顶上，形成多晶硅125的层。在该多晶硅125顶上，形成硬掩模层。在该蚀刻操作中使用的各种化工品在该栅极特征的周围沉积为聚合物残留140。蚀刻后聚合物残留140(包括含有金属的聚合物残留142)的除去是有挑战性的，因为用于在清洁操作过程中除去这些残留物的化工品通常损害该栅极结构的一个或更多个层。图2描绘了在使用传统清洁工具时由金属侵蚀带来的掩模拉回和对该金属层的底切的问题的一个这样的示例。
图3E描绘了在清洁操作过程中使用批量工具时另一个可能的问题。批量工具，比如浸没槽工具(例如，有记录工艺(Process of Record，POR)槽工具)，被用于有效地除去聚合物残留污染物。该批量工具将具有相关栅极结构的衬底暴露于清洁化学物质中以有效除去聚合物残留。在该槽工具中使用侵蚀性较低的化学物质导致效率很低的清洁工艺。当在该槽工具中使用侵蚀性更高的化学物质时，该栅极结构经历很高的材料损耗，如图3E中所示。用于溶解含有金属的聚合物残留污染物的侵蚀性化学物质也会与硬掩模层发生反应，严重侵蚀该硬掩模层从而在清洁和清洁后工艺过程中将下面的栅极结构层暴露于侵蚀性的清洁化学物质。该栅极结构的暴露的层可能受到侵蚀性清洁和其它制造化工品的严重破坏，产生受损的或无法工作的栅极结构。
传统方法使用浸没工具将衬底表面暴露于清洁化学物质。当侵蚀性较低的清洁化学物质被用于该浸没工具中时，该清洁是很低效的，对轮廓的控制很差。另一方面，当侵蚀性更高的清洁化学物质被用于处理该衬底表面时，会对制造层带来很大的损伤，包括硬掩模层的拉回和各制造层的底切，如图2中所示的那样。这是由于以下事实：该栅极结构的侧壁上和的顶部上的聚合物残留包含金属。为了有效地除去含有金属的聚合物残留，侵蚀性化学物质被选择为在该清洁操作中该侵蚀性化学物质能够溶解和/或除去含有金属的聚合物残留。然而，这些侵蚀性的化学物质也有含有金属的制造层和硬掩模层发生反应，从而除去部分硬掩模层(硬掩模拉回)和底切部分含有金属的该栅极结构的制造层。当在硬掩模层中有底切时，下面的形成该栅极结构的层过早地暴露于周围的环境，该环境包括在顺序制造操作中使用的化工品，导致下面的层的污染或损伤。被污染的/损伤的下面的层可能导致产生的器件无法工作。因此，阻止硬掩模拉回，同时保留下面的制造层(否则会将栅极氧化物层过早暴露于制造化工品)是有益的。
图4A-4C描绘了从在图3A-3C中所示的各栅极结构的清洁操作所期望的清洁结果。预期的期望结果保留该栅极结构的制造层，同时有效地从该栅极结构周围有效除去聚合物残留污染物。为了这个目的，图4A描绘了在对图3A中所示的全蚀刻栅极结构的清洁操作之后预期的期望结果，图4B描绘了在对图3B中所示的打开蚀刻栅极结构的清洁期望的清洁结果，而图4C描绘了对图3C中所示的钨金属栅极结构的期望的清洁结果。可以看到，期望的结果要求有效地除去聚合物残留污染物(包括含有金属的残留物)而又不破坏任何制造层。
图5描绘了，在本发明的一个实施方式中，洁净室中使用的系统500，用于将第一清洁化学物质和第二清洁化学物质以受控方式引介到衬底100的表面以基本上除去在金属栅极结构周围沉积的聚合物残留。系统500包括容纳室(housing chamber)510，其具有支撑装置(比如载具550)以接收、支撑和转移衬底在选定平面上通过容纳室510。衬底100在衬底输入区515被接收，被传送穿过具有一组或更多组临近头(proximity head)545和555的区域并被输送至衬底输出区560。图5的实施方式显示了在衬底100传送所穿过的选定平面的两侧上放置的一对临近头，以将该第一和第二清洁化学物质传送至衬底100的两侧。应当注意，这种临近头结构是示例性的，不应当被解释为限制性的。因此，其它临近头的组合或结构也可被认为能够有效清洁衬底100。
在蚀刻后清洁操作过程中，第一组临近头545被用于施加第一清洁化学物质而第二组临近头555被用于施加第二清洁化学物质(分别地)弯液面至该衬底表面。本文使用的术语“弯液面(meniscus)”指的是被液体的表面张力部分界定并容纳的一定量的液体。限定被容纳的化工品的区域的弯液面是可控的且能够以被容纳的形状在表面上方移动。而且，该弯液面的形状可以通过连接于临近头545和555的计算系统505控制。系统510可包括储存槽525和530以接收、保持并供应第一和第二清洁化学物质至临近头545和555。连接于储存槽525和530的化学物质施加机构520控制第一和第二清洁化学物质通过临近头545和555的流动。化学物质施加机构520可包括一个或更多精度控制器(precision control)以能够进行第一和第二清洁化学物质到临近头545和555的受控输送。该精度控制器可由计算系统505远程控制。计算系统505中的软件可被用于操纵该精度控制器从而在该清洁工艺的适当阶段合适的量的第一和第二施加化学物质被提供到该临近头。与各制造层和聚合物残留污染物相关联的多个工艺参数被用于操纵该输送控制器从而足够量的第一和第二清洁化学物质被输送至该临近头。
该第一和第二清洁化学物质的施加是基于该多个工艺参数的。该工艺参数是通过分析形成该栅极结构的各制造层和需要被除去的聚合物残留而获得的。该工艺参数限定每一个制造层和聚合物残留的性质。与该栅极结构处的每一个制造层关联的一些工艺参数包括类型、尺寸和组成中的一个或更多个。与该聚合物残留的除去相关联的一些工艺参数包括化学物质类型、浓度、温度、暴露时间和在该栅极制造工艺中使用的半导体材料上的目标除去率。该栅极制造工艺中使用的一些半导体材料可包括氧化硅(SiO2)、钨(W)、硅化钨、氮化钨、氮化钽、钽和其它。该第一清洁化学物质和该第二清洁化学物质是根据该工艺参数选择的，从而该聚合物残留污染物被有效地、基本上除去而不破坏该栅极结构特征。与制造层和聚合物残留相关联的工艺参数在不同的衬底之间有差异。有必要在清洁操作过程中保留该衬底表面上形成的栅极结构以便该栅极结构的功能和该半导体器件的功能得以保持。
根据工艺参数选择的第一和第二清洁化学物质是清洁操作过程中传统工具中通常不使用的侵蚀性化学物质。人们知道，当衬底100暴露于这些侵蚀性化学物质中过长的一段时间时，这些化学物质可能会对该衬底100上形成的特征造成相当大的损伤。然而，当以受控方式施加有限量的时间时，这些侵蚀性化学物质有助于有效除去栅极结构周围形成的聚合物残留。在一个实施方式中，该第一清洁化学物质是过氧化铵混合物(APM)而该第二清洁化学物质是稀释氢氟酸(dHF)。APM是一种有效的清洁化学物质，因为众所周知，它与含有金属的聚合物残留发生反应，有效地将它们从该衬底上形成的特征周围除去。然而，如同前面提到的，众所周知，APM还是对钨和含钨化合物具有高除去率的侵蚀性化学物质，使得在传统批量清洁工具中难以将其用作清洁含钨器件堆垛(比如栅极结构)的有效清洁化学物质。为了避免损害该栅极结构的制造层，尤其是含有钨/钨化合物的那些制造层，分别使用临近头545和555以严格受控的方式施加该第一和第二清洁化学物质，以便限制该衬底表面对该清洁化学物质的暴露。使用临近头，长度和精确暴露时间可由该聚合物残留的期望的目标除去率驱动以便能够限定APM施加过程中该特征的制造层的可接受的量的金属膜损耗。
为了协助限制该衬底表面对该清洁化学物质的暴露，根据与该特征的各制造层(比如栅极结构)和该聚合物残留污染物有关的工艺参数，针对该第一和第二清洁化学物质中的每一个限定一个或更多施加参数。针对该第一和第二清洁化学物质中的每一个可限定的一些施加参数可包括化学物质类型、施加第一和第二清洁化学物质的次序、浓度、暴露时间、温度、压强和流速。在一个实施方式中，暴露时间可进一步限定为该衬底在该临近头下方传送的线性速度和被施加到该衬底表面的弯液面的宽度的函数。相应地，F(t暴露时 间)＝F(弯液面宽度/表面面积，衬底线性速度)。可以使用机械装置(比如马达)控制该晶圆的线性速度。例如，如果临近头545能够施加约20mm宽的弯液面，则该衬底的线性速度可被调整到约20mm/秒以针对第一清洁化学物质的施加得到1秒的暴露时间。根据针对第一和第二清洁化学物质中的每一个所期望的暴露时间，该衬底在该临近头下方的线性速度可使用马达相应地调整。
一旦针对清洁化学物质建立了施加参数，根据该施加参数，使用第一和第二临近头545和555，以受控方式将该第一和第二清洁化学物质顺序施加至该衬底表面。该清洁化学物质施加的次序不是固定的。在一个实施方式中，使用第一临近头545施加第一清洁化学物质(APM)，然后使用第二临近头555施加第二清洁化学物质(dHF)。在另一个实施方式中，在使用第一临近头545施加第二清洁化学物质(dHF)后顺序使用第二临近头555施加第一清洁化学物质(APM)。清洁化学物质施加的次序可以是基于期望的结果的，比如要保留的金属氧化物的量。第一和第二清洁化学物质的受控的顺序施加有助于基本上从特征(比如栅极结构)周围除去聚合物残留而不破坏该特征。如同前面提到的，每种清洁化学物质的暴露时间是通过控制该衬底在相应的临近头下方的线性速度而控制的。
施加第一和第二清洁化学物质的每一种之后可以使用漂洗(rinsing)化学物质进行漂洗操作。漂洗化学物质被用于在相应的清洁操作之后除去施加到该衬底的任何残留的清洁化学物质。因而，在本发明的一个实施方式中，各种化学物质的处理的次序可包括施加第一清洁化学物质、用漂洗化学物质进行漂洗操作、施加第二清洁化学物质和用漂洗化学物质进行漂洗操作。第一和第二清洁化学物质中的每一个的施加之后的漂洗操可以使用相同的漂洗化学物质或不同的漂洗化学物质。
第一和第二临近头(545，555)被配置为将清洁化学物质和漂洗化学物质作为弯液面输送以清洁和漂洗该衬底表面。该清洁化学物质和该漂洗化学物质可以被连接或分离。在一个实施方式中，该清洁化学物质和漂洗化学物质弯液面是连接的。临近头(545，555)被配置为能够连接该清洁化学物质弯液面和该漂洗化学物质弯液面。在此实施方式中，被施加的清洁化学物质是一次性使用的并且在施加之后不进行回收。在另一个实施方式中，该清洁化学物质和该漂洗化学物质弯液面是分离的。在此实施方式中，每一个临近头(545，555)被配置为保持该清洁化学物质弯液面不同于该漂洗化学物质弯液面。相应地，在此实施方式中，被施加的清洁化学物质可在施加之后回收以在后续的清洁操作中再使用。
在本发明的一个实施方式中，第一和第二临近头545，555中的每一个进一步被配置为提供干燥操作以在该清洁和漂洗操作后干燥该衬底表面。干燥操作可包括施加干燥化学物质，比如异丙醇(IPA)蒸汽，至该衬底表面。在一个实施方式中，在第一清洁和漂洗操作之后，该干燥操作是可选的。在该实施方式中，其中在施加该第一清洁化学物质和漂洗化学物质后不执行干燥操作，去离子水(DIW)膜留在该衬底表面上以便阻止过早的干燥和/或进一步的污染。然而，在第二清洁和漂洗操作后包括干燥操作。
在该清洁工艺过程中，使该衬底在临近头(545，555)下方径向移动以确保各化学物质到该衬底表面的所有部分的均匀施加。在此实施方式中，该临近头的大小小于该衬底的宽度。根据期望的暴露时间和聚合物残留的目标除去率而调整该衬底在该临近头下方的转速。
在另一个实施方式中，该临近头被配置为具有比该衬底的直径稍大的头以便用更短的暴露时间提供该清洁化学物质的更局部化的施加。在此实施方式中，该衬底在该临近头下方线性移动。
使用临近头的短的暴露时间允许在该清洁工艺中使用浓缩的和侵蚀性的化学物质。侵蚀性化学物质的高流动状态和与漂洗化学物质的后续置换使得能够进行与聚合物残留污染物的更快反应和反应的更快的中止，从而能够最佳地除去聚合物残留污染物同时最小化该特征到侵蚀性化学物质的暴露，从而阻止清洁工艺过程中该特征(比如该栅极结构)的制造层的拉回和底切。因此，例如，APM可被用于除去金属栅极结构(其中使用钨/钨化合物)周围的聚合物残留。即使大家知道APM会非常快地溶解钨，受控的暴露时间也能够高效地除去聚合物残留同时保留聚合物残留在其周围形成的特征。图6A、6B和7分别描绘了图表1、2和3，显示了在最小氧化物层损耗的情况下的残留物清洁速率。如图6A中所示，例如，APM的浓度可被调整以提供约1埃
Figure BPA00001331565800151
/秒到约10埃/秒的蚀刻速率，最佳蚀刻速率是约5埃/秒。在约5秒的暴露时间的情况下，栅极结构中的材料损耗可以在约5埃和约10埃之间。可以调整APM的浓度和暴露时间以获得聚合物残留除去的可接受范围，同时保持该栅极结构材料的低材料损耗。可以使用精度控制器调整该暴露时间以微调该暴露时间到约±0.1秒的量级。例如，APM的组成的典型范围是在浓缩侧约1∶1∶1、在稀释侧约1∶4∶50、标准浓度为约1∶4∶10的量级。对于dHF，浓度范围可以是在浓缩侧约1∶10、稀释侧约1∶1000、标准浓度约1∶100。标准暴露时间可以是约2秒，范围可在约1秒到约20秒之间。根据临近头的尺寸，可调整该衬底的速度以提供所需的暴露时间。临近头的宽度可在约10mm到约40mm之间，衬底的速度可被调整至所需的暴露时间。图8描绘了为了有效除去聚合物残留污染物，载具速度的目标暴露时间的图表。
图8中所示的图表描绘了在两种不同临近头的宽度下，为了有效除去聚合物残留污染物，扫描速度/曝光时间图。根据期望的除去率，可以调整第一和第二施加化学物质的浓度、衬底在临近头下方的速度和暴露时间。例如，如果期望除去5埃的钨基残留物，该图确定了实现该目标的最佳暴露时间和衬底速度。
如同前面提到的，图3D、3E和4D描绘了在本发明的一个实施方式中，执行清洁操作前后产生的金属栅极结构。图3D中描绘了在栅极结构周围形成的具有聚合物残留污染物的典型栅极结构。图3E描绘了使用侵蚀性化学物质的传统清洁操作的结果。硬掩模层顶部上的聚合物残留被硬掩模层的严重侵蚀剥离，从而暴露出下面的层。图4D描绘了使用本发明的第一和第二清洁化学物质的清洁操作之后的结果。第一和第二清洁化学物质到该衬底表面的精确输送和受控暴露能够高效地除去该硬掩模顶部上形成的聚合物残留而不在该硬掩模层上带来任何副作用。而且，清洁化学物质的受控暴露能过除去在该金属栅极结构的侧壁上形成的聚合物残留，同时基本上保留该栅极结构的金属层。
图9描绘了，在本发明的一个实施方式中，在蚀刻后清洁操作过程中，从金属栅极结构周围除去污染物残留的工艺操作。该工艺开始于操作910，其中确定与该金属栅极结构和在该金属栅极结构周围形成的聚合物残留相关的多个工艺参数。该金属栅极结构可以是使用各种制造操作形成的多层结构。通过分析形成该栅极结构的制造层并通过分析在该栅极结构周围形成的聚合物残留而获得该工艺参数。该工艺参数可包括与每个制造层以及聚合物残留相关的类型、尺寸、组成、温度和与要被除去的聚合物残留相关的除去率。该工艺参数限定组成该栅极结构的每一个制造层以及要被除去的聚合物残留的性质。
如操作920所示，根据工艺参数确定第一清洁化学物质和第二清洁化学物质。该第一和第二清洁化学物质可以是侵蚀性清洁化学物质并可包括过氧化铵混合物(APM)和稀释氢氟酸(dHF)。第一和第二清洁化学物质的例子是示例性的且不限于APM和dHF，而是可包括公知的能够溶解或有效反应以基本上除去金属聚合物残留的其它侵蚀性化学物质。可被用作清洁化学物质的其它侵蚀性化学物质中的一些可包括例如氟化氢和盐酸的混合物(HF/HCl)。
如操作930所示，根据该多个工艺参数限定与第一和第二清洁化学物质相关的多个施加参数。与该第一和第二清洁化学物质相关的一些施加参数可包括类型、浓度、暴露时间、温度、压强和流速。另外，该施加参数可包括衬底在第一和第二组临近头下方的速度和在每个临近头处的弯液面的宽度。可以将暴露时间作为衬底的速度和每个临近头处的弯液面的宽度的函数而进行计算。根据从该金属栅极结构周围除去聚合物残留的目标除去速率而限定该施加参数。
如操作940所示，该工艺结束于使用该施加参数以受控方式顺序施加该第一和第二清洁化学物质。该第一和第二清洁化学物质的施加能够基本上从该金属栅极结构周围除去聚合物残留，同时基本上保留该金属栅极结构的结构完整性。该第一和第二清洁化学物质的施加可以通过计算系统完成，该计算系统可通讯地连接于该第一和第二临近头。可以使用该计算系统中的软件操纵一个或更多精度控制器(其在可通信地连接于该临近头的化学物质施加机构处可得到)以能够受控施加该第一和第二清洁化学物质以便从该衬底表面的金属栅极结构周围最佳地除去该聚合物残留同时基本上保留构成该栅极结构的该一个或更多制造层的结构完整性。施加的清洁化学物质可被回收以便它们在后续的清洁操作中可以再使用，从而能够最佳地使用简单但昂贵的清洁化学物质。因此，本发明的实施方式提供了，使用公知的容易溶解金属栅极结构中使用的金属的侵蚀性化学物质，从金属栅极结构周围除去聚合物残留同时保留该金属栅极结构的结构完整性的方法。
有关衬底支撑装置，比如晶圆载具，的更多信息，可以参考申请号为11/743,516，申请日为2007年5月2日，名称为“HYBRID COMPOSITE WAFER CARRIER FOR WET CLEAN EQUIPMENT”，转让给本申请的受让人的美国专利申请。
对于有关临近头的更多信息，可以参考示例性的临近头，比如在专利号为6,616,772，授权日为2003年9月9日，名称为“METHODS FOR WAFER PROXIMITY CLEANING AND DRYING”的美国专利中所描述的。这个美国专利被转让给朗姆研究公司，即本申请的受让人。
对于有关弯液面的更多信息，可以参考专利号为6,998,327，授权日为2005年1月24日，名称为“METHODS AND SYSTEMS FOR PROCES SING A SUBSTRATE USING A DYNAMIC LIQUID MENISCUS”的美国专利，以及专利号为6,998,326，授权日为2005年1月24日，名称为“PHOBIC BARRIER MENISCUS SEPARATION AND CONTAINMENT”的美国专利。这些美国专利(都被转让给本申请的受让人)为所有目的而全部本并入本文。
对于有关顶部和底部弯液面的更多信息，可以参考示例性弯液面，例如在申请号为10/330,843，申请日为2002年12月24日，名称为“MENISCUS，VACUUM，IPA VAPOR，DRYING MANIFOLD”中所披露的。这个美国专利被转让给朗姆研究公司，即本申请的受让人。
尽管为了更清楚的理解而对前述发明做了详细描述，然而，显然，可以在所附权利要求的范围内实现某些变化和更改。相应地，所述实施方式应当被认为是描述性的而非限制性的，而且本发明不限于此处所给出的细节，而是可以在所附权利要求的范围和等同内进行更改。

Claims (16)

1.一种用于在蚀刻后清洁操作过程中从衬底表面上形成的金属栅极结构周围除去聚合物残留的方法，包含：
确定与所述金属栅极结构和要被除去的所述聚合物残留相关的多个工艺参数，所述栅极结构包括一个或更多个制造层，所述工艺参数是通过分析金属栅极结构和所述聚合物残留获得的以确定所述栅极结构的一个或更多层以及要被除去的所述聚合物残留的性质；
根据与所述栅极结构的所述一个或更多个层以及所述聚合物残留相关的所述多个工艺参数而确定第一和第二清洁化学物质；
限定与所述第一和第二清洁化学物质相关的多个施加参数，建立所述施加参数以限定从所述衬底表面将所述聚合物残留的最佳除去；
根据施加参数以受控方式将所述第一和第二清洁化学物质顺序施加至所述衬底表面的一部分，所述受控施加限定所述衬底表面的所述一部分暴露于所述第一和所述第二清洁化学物质的最佳暴露时间以便基本上除去所述聚合物残留，同时保留所述栅极结构的所述一个或更多个层的结构完整性。
2.根据权利要求1所述的方法，其中与每个栅极结构层相关的所述多个工艺参数包括类型、尺寸、组成中的一个或更多个，且其中与所述聚合物残留的除去相关联的所述多个工艺参数包括化学物质的类型、浓度、温度、暴露时间和与所述金属栅极结构相关联的一个或更多个制造层上的目标除去率。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一清洁化学物质是过氧化铵混合物(APM)而所述第二清洁化学物质是稀释氢氟酸(dHF)。
4.根据权利要求1所述的方法，其中施加所述第一和第二清洁化学物质是通过使用一个或更多临近头将所述第一和第二清洁化学物质作为弯液面施加进行的，所述弯液面针对所述第一和第二清洁化学物质在所述衬底表面上建立被容纳的化工品区域以能够从所述栅极结构周围基本上除去所述聚合物残留。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述多个施加参数包括化学物质类型、第一和第二清洁化学物质的施加次序、浓度、暴露时间、温度、压强、所述第一和第二清洁化学物质的每一个的流速、所述衬底的速度、所述弯液面的宽度中的一个或更多个，其中所述暴露时间是所述衬底的速度和所述弯液面的宽度的函数。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述第一清洁化学物质是通过第一临近头施加的而所述第二清洁化学物质是通过第二临近头施加的，其中所述第一和第二临近头被配置为在向所述衬底表面施加所述第一和所述第二清洁化学物质中的每一个之后执行漂洗操作。
7.根据权利要求6所述的方法，其中施加所述第一和第二清洁化学物质进一步包括在施加所述第二清洁化学物质之前施加所述第一清洁化学物质，所述第二临近头被进一步配置为在施加所述第二清洁化学物质和漂洗操作之后执行干燥操作。
8.根据权利要求6所述的方法，其中施加所述第一和第二清洁化学物质进一步包括在施加所述第一清洁化学物质之前施加所述第二清洁化学物质，所述第一临近头被进一步配置为在施加所述第一施加化学物质和所述漂洗操作之后执行干燥操作。
9.根据权利要求6所述的方法，其中施加所述第一和所述第二清洁化学物质进一步包括在施加至所述衬底表面后回收所述第一和第二清洁化学物质，被回收的第一和第二清洁化学物质在随后的清洁操作中被再循环。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述金属栅极结构是由一个或更多个金属的层制成的，其中所述金属包括钨、硅化钨、氮化钨、多晶硅、氧化硅、氧化铝、氧化铪、氮化硅、氮化钽或其组合中的一个或更多个。
11.一种用于在蚀刻后清洁操作过程中从衬底表面上形成的金属栅极结构周围除去聚合物残留的系统，包含：
衬底支撑装置，以接收、支撑和转移所述衬底；
被配置为将第一清洁化学物质作为弯液面引介至所述衬底表面的一部分的第一临近头；
被配置为将第二清洁化学物质作为弯液面引介至所述衬底表面的所述一部分的第二临近头，所述第一和所述第二清洁化学物质是被顺序引介的；
其中所述第一和所述第二临近头能够根据多个施加参数以受控方式将所述第一和第二清洁化学物质施加至所述衬底表面的所述一部分，所述受控施加限定所述衬底表面的所述一部分暴露于所述第一和所述第二清洁化学物质的最佳暴露时间以便基本上除去在所述金属栅极结构周围形成的所述聚合物残留，同时保留所述栅极结构的所述一个或更多个层的结构完整性。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述第一和所述第二临近头中的每一个被进一步配置为向所述衬底表面施加漂洗化学物质，所述漂洗化学物质是在向所述衬底表面施加所述第一和所述第二清洁化学物质中的每一个之后施加的。
13.根据权利要求12所述的系统，其中所述第一和所述第二临近头被配置为作为不同的弯液面施加所述漂洗化学物质和相应的所述第一或第二清洁化学物质以能够回收相应的清洁化学物质以供后续清洁工艺使用。
14.根据权利要求12所述的系统，其中所述第一临近头或所述第二临近头之一被进一步配置为在所述漂洗操作之后执行干燥操作，根据向所述衬底表面施加所述第一和所述第二清洁化学物质的次序而在所述清洁工艺的末尾执行所述干燥操作。
15.根据权利要求12所述的系统，其中所述第一和所述第二临近头中的每一个进一步包括一个或更多精度控制器以控制所述第一化学物质、所述第二化学物质、所述漂洗化学物质中每一个的施加和对所述衬底表面的所述干燥操作。
16.根据权利要求15所述的系统，进一步包括可通信地连接于所述第一和第二临近头的计算系统，所述计算系统具有用于控制所述精度控制器的软件。
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