CN102371525A - 抛光装置 - Google Patents
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Abstract
一种抛光装置，所述抛光装置包括：传动机构、抛光机构、清洗机构和蚀刻机构，所述传动机构配置为将晶圆在所述抛光机构、清洗机构和蚀刻机构之间进行传递；所述抛光机构，对所述传动机构传递的晶圆进行抛光处理，所述进行抛光处理的晶圆上形成有待抛光部分和待蚀刻部分；所述清洗机构，对经过所述抛光机构抛光处理后的晶圆进行清洗处理；所述蚀刻机构，对经过所述清洗机构清洗处理后的晶圆直接进行蚀刻。本发明能够减少工艺步骤、节省消耗，由此提高生产能力、降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件及制造领域，特别涉及一种抛光装置。
背景技术
随着CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor)制造工艺缩减到45nm以下级别，引入了采用新的设计和材料的技术，例如高K金属栅极(HKMG，High-K Metal Gate)技术。运用HKMG技术的栅极后制(Gate-last)工艺中，介质层(ILD，Inter Layer Dielectric)抛光工序采取的一种普遍的方法为：先沉积介质层，然后进行抛光(CMP，Chemical Mechanical Polishing)直至暴露出多晶硅(poly-Si)，接着用稀释的氢氟酸(DHF，Diluted Hydrofluoricacid)湿蚀刻自然氧化层，最后利用四甲基氢氧化铵(TMAH，Tetramethylammonium Hydroxide)去除多晶硅以便进行下一步的金属栅极的形成。
上述介质层抛光工序可以参考图1至图3，图1至图3为现有技术中介质层抛光工序示意图。图1示出了介质层的沉积，在衬底100上形成多晶硅102、二氧化硅103、氮化硅104后，再进行介质层101的沉积。图2示出了对介质层的抛光，该步骤具体是通过抛光装置来完成的，图4示出了现有技术的抛光装置与蚀刻装置连接的结构示意图，如图4所示，抛光装置20包括抛光机构201、清洗机构202、干燥机构203，所述抛光机构201用于对介质层101进行抛光，具体地，是对介质层101的待抛光部分101a进行抛光直至暴露出多晶硅102；所述清洗机构202用于对抛光后的晶圆进行清洗处理；所述干燥机构203用于对经过所述清洗机构202清洗后的晶圆进行干燥处理。图3示出了蚀刻去除自然氧化层和多晶硅，该步骤具体是通过蚀刻装置来完成的，如图4所示，经过干燥处理之后的晶圆送入蚀刻装置21进行蚀刻，蚀刻装置21包括第一蚀刻机构211和第二蚀刻机构212，所述第一蚀刻机构211使用稀释的氢氟酸对多晶硅102表面形成的自然氧化层进行蚀刻去除；所述第二蚀刻机构212对经过所述第一蚀刻机构211处理之后的晶圆使用稀释的TMAH蚀刻去除多晶硅102以便进行下一步的金属栅极的形成。
上述介质层抛光工序中，使用抛光装置对晶圆的介质层进行抛光以及将晶圆从抛光装置转移至蚀刻装置进行多晶硅去除，通常在这两步骤之间有一段时间的间隔，在此期间因多晶硅暴露在空气之中而容易生成的一层较薄的自然氧化层(二氧化硅，厚度大约为5埃)，由下表(不同薄膜的TMAH刻蚀速率表)可知，二氧化硅的刻蚀速率远远低于多晶硅，依靠TMAH去除较为困难，这使自然氧化层成为一道阻碍多晶硅去除的屏障，所以要先用稀释的氢氟酸(DHF)蚀刻去掉自然氧化层。
不同薄膜的TMAH刻蚀速率表
但是，稀释的氢氟酸蚀刻自然氧化层的工艺步骤，会产生一些弊端：
蚀刻自然氧化层的同时，由于稀释的氢氟酸对介质层的刻蚀速率比对自然氧化层的刻蚀速率更快(介质层更疏松，因而刻蚀速率更快)，这将消耗一些介质层，从而影响介质层的外形和厚度的控制；
增加了工艺步骤，造成更多的消耗(氢氟酸的消耗、氢氟酸蚀刻装置的消耗、时间的消耗等)、更低的生产能力、更高的成本。
相关技术还可参考专利号为7183184的美国专利，该专利公开了一种制造包括金属栅极的半导体装置的方法。
发明内容
本发明要解决的问题是现有技术中进行抛光处理后因多晶硅表面形成的自然氧化层而增加蚀刻工艺步骤以及化学药剂的消耗由此导致生产能力降低、成本增加。
为解决上述问题，本发明提供了一种抛光装置，包括：传动机构、抛光机构、清洗机构和蚀刻机构，
所述传动机构配置为将晶圆在所述抛光机构、清洗机构和蚀刻机构之间进行传递；
所述抛光机构，对所述传动机构传递的晶圆进行抛光处理，所述进行抛光处理的晶圆上形成有待抛光部分和待蚀刻部分；
所述清洗机构，对经过所述抛光机构抛光处理后的晶圆进行清洗处理；
所述蚀刻机构，对经过所述清洗机构清洗处理后的晶圆直接进行蚀刻。
可选的，所述抛光装置还包括晶圆放置台，所述传动机构将晶圆从所述清洗机构传递至所述蚀刻机构包括：所述传动机构将晶圆从所述清洗机构先传递至所述晶圆放置台，再从所述晶圆放置台将晶圆抓起放入所述蚀刻机构。
可选的，所述蚀刻机构为单晶圆湿法蚀刻及清洗腔。
可选的，所述蚀刻机构包括：
用于承载晶圆的承载台和分别设置于所述承载台上方的蚀刻部、冲洗部和干燥部；
所述蚀刻部，配置为向所述承载台上的晶圆喷淋蚀刻剂；
所述冲洗部，配置为向所述承载台上的晶圆喷淋清洗剂；
所述干燥部，配置为向所述承载台上的晶圆喷吹干燥剂。
可选的，所述蚀刻机构包括：
蚀刻槽，盛放蚀刻剂，以蚀刻去除浸泡在所述蚀刻剂中的晶圆的待蚀刻部分；
清洗槽，采用清洗剂对所述蚀刻槽进行蚀刻后的晶圆进行清洗。
可选的，所述抛光装置应用于栅极后制工艺。
可选的，所述蚀刻剂为四甲基氢氧化铵或氨水。
可选的，所述清洗剂为去离子水。
可选的，所述干燥剂为氮气。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
通过在抛光装置中加入蚀刻机构并利用传动机构将晶圆从清洗机构传递至所述蚀刻机构，晶圆经过抛光、清洗直接对多晶硅进行蚀刻，不存在生成自然氧化层的问题，无需进行用氢氟酸去除自然氧化层的步骤，减少了工艺步骤，缩短了工艺时间；
节省了消耗，比如氢氟酸的消耗、氢氟酸蚀刻装置的消耗；
由此提高了生产能力、降低了生产成本。
附图说明
图1至图3是现有技术中介质层抛光工序示意图；
图4是现有技术中抛光装置与蚀刻装置连接的结构示意图；
图5是本发明提供的抛光装置的一种实施方式结构示意图；
图6是图5中所示蚀刻机构的结构示意图；
图7是图6中所示蚀刻机构的实施例示意图；
图8是本发明提供的抛光装置的另一种实施方式结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
本发明在完成图1所示的介质层的沉积后，可运用如下方法处理晶圆，包括：对所述晶圆进行抛光处理，所述晶圆上形成有待抛光部分和待蚀刻部分；对所述经过抛光处理后的晶圆进行清洗处理；还包括：对所述经过清洗后的晶圆直接进行蚀刻。因为在现有技术中，现有的抛光装置对晶圆进行抛光、清洗处理之后，会将晶圆放置于晶圆盒内，所述晶圆盒一般可容纳25片晶圆，而将所述晶圆盒装满需要一段较长的时间间隔，一般大于1.5小时，因此较容易产生自然氧化层。而采用的上述方法中，对所述经过清洗后的晶圆直接进行蚀刻是指使经过抛光和清洗后的晶圆立即使用TMAH进行蚀刻去除多晶硅，使晶圆尽可能少时间的暴露在空气中(时间一般小于5秒)。因为本发明提供的处理晶圆的方法中，对晶圆进行抛光处理后直接进行蚀刻多晶硅的步骤，便不存在产生自然氧化层的问题，因此不需要进行DHF去除自然氧化层的步骤。
为实施上述处理晶圆的方法，本发明提供了一种抛光装置，图5为本发明提供的抛光装置的一种实施方式结构示意图，如图5所示，所述抛光装置30包括：抛光机构201、清洗机构202和蚀刻机构301。所述抛光机构201配置为对晶圆进行抛光处理；所述清洗机构202配置为对经过所述抛光机构201抛光处理后的晶圆进行清洗处理；所述蚀刻机构301配置为对经过所述清洗机构202清洗处理后的晶圆直接进行蚀刻。另外，所述抛光装置30还包括传动机构(图中未示出)，配置为将晶圆在所述抛光机构201、清洗机构202和蚀刻机构301之间进行传递。所述抛光装置30还包括晶圆放置台，所述传动机构将晶圆从所述清洗机构202传递至所述蚀刻机构301的时候，是通过将晶圆从所述清洗机构202先传递至所述晶圆放置台，再从所述晶圆放置台将晶圆抓起放入所述蚀刻机构301。具体实施例中，因为采用了所述晶圆放置台，可以调整晶圆的放置位置以便于传动机构的抓取，相当于起了传递缓冲的作用，使晶圆从所述清洗机构202到所述蚀刻机构301的传递实现起来更加容易。所述传动机构可以包括用于抓取晶圆的机械手、用于传递晶圆的传动带等，是整个工艺过程各个机构联系的纽带。
结合图1，所述抛光机构201对晶圆进行抛光处理，具体地，所述抛光机构201承载所述传动机构传递的晶圆(例如从晶圆盒中取出的待抛光和蚀刻的晶圆)，并对所述传动机构传递的晶圆进行抛光处理，所述进行抛光处理的晶圆上形成有待抛光部分和待蚀刻部分。本实施例中，抛光机构201是对介质层101的待抛光部分101a进行抛光直至暴露出多晶硅102，所述多晶硅102便是本实施例中的待蚀刻部分。所述抛光处理过程中是使用碱性(一般PH值为10～11左右)的氢氧化钾(KOH)溶液或氢氧化铵(NH4OH)溶液作为抛光液在抛光台上对晶圆进行机械研磨以去除介质层101的待抛光部分101a的。该步骤中，抛光机构201对晶圆进行的抛光处理的次数为3次，经过3次抛光后一般能达到较佳效果，在其他实施例中，至少需要进行1次抛光处理，抛光去除待抛光部分并暴露出待蚀刻部分即完成抛光机构201的抛光处理。
所述抛光机构201完成抛光处理后由传动机构将晶圆传递至清洗机构202，所述清洗机构202承载所述传动机构从所述抛光机构201传递的晶圆，并对经过所述抛光机构201抛光处理后的晶圆进行清洗处理。所述清洗机构202可以包括兆声清洗部202a和刷洗器清洗部202b，分别用兆声(megasonics)和刷洗器(scrubbing brush)对晶圆进行清洗。兆声清洗部202a通过其超声换能器的振动在清洗池的液体中激发起压力波使兆声清洗得以实现，所述清洗池的液体的化学配料一般为氢氧化铵/过氧化氢/去离子水(NH4OH/H2O2/H2O)，按照1∶1∶5到1∶2∶7的配比混合。刷洗器清洗部202b包含两套刷洗器，对晶圆进行2次刷洗，这样可以达到较佳效果，在其他实施例中，也可以只进行1次刷洗。刷洗器清洗部202b的刷洗器选材一般是聚乙烯醇(PVA)，清洗过程中多孔海绵状呈挤压状态，可同时与PH值2～12的化学溶液一同使用，例如去离子水，通过向晶圆喷射液体和刷洗同时进行。刷洗器还可以用双面模式来实现，这样可以同时刷洗晶圆的两面。
所述清洗机构202完成清洗处理后由传动机构将晶圆传递至蚀刻机构301，所述蚀刻机构301承载所述传动机构从所述清洗机构202传递的晶圆，并对经过所述清洗机构202清洗处理后的晶圆直接进行蚀刻，以去除晶圆的待蚀刻部分。图6是图5中所示蚀刻机构的结构示意图。参阅图6，所述蚀刻机构301包括蚀刻部301a、冲洗部301b和干燥部301c；所述蚀刻部301a配置为向晶圆喷淋蚀刻剂完成待蚀刻部分的蚀刻；所述冲洗部301b配置为向晶圆喷淋清洗剂进行清洗处理；所述干燥部301c，配置为向晶圆喷吹干燥剂进行干燥处理。
图7是图6中所示蚀刻机构的实施例示意图。所述蚀刻机构301在本实施例中优选为单晶圆湿法蚀刻及清洗腔。之所以优选采用单晶圆湿法蚀刻及清洗腔是因为随着更大的晶圆尺寸、更紧缩的设计规格，单晶圆湿法清洗处理技术的采用可以改善了单个晶圆以及晶圆对晶圆的均一性，进而提高良率，并能减小关键清洗过程中的交叉污染。如图7所示，图6中所示的所述蚀刻机构301还包括承载晶圆302的承载台303，蚀刻部301a、冲洗部301b和干燥部301c设置于所述承载台303上方。当传动机构将经过抛光、清洗处理后的晶圆302传递到所述蚀刻机构301后，由传动机构(例如机械手)将所述晶圆302置于承载台303，所述承载台303能够在垂直方向上下移动，由其垂直向下移动到底部L1的水平位置后，蚀刻部301a向晶圆302喷淋蚀刻剂对待蚀刻部分(图1所示的多晶硅102)进行蚀刻，所述蚀刻剂为四甲基氢氧化铵或氨水，两者的浓度一般都为2％至10％，温度为60～80摄氏度。在所述蚀刻部301a对晶圆302的蚀刻处理过程中，所述承载台303带动着晶圆302在水平方向作高速旋转，从而使所述蚀刻剂能够通过侧面的回收槽306得以回收。完成蚀刻处理之后，所述承载台303垂直向上移动到L3的水平位置，先由所述冲洗部301b对晶圆302喷淋清洗剂进行清洗处理，所述清洗剂为去离子水(DI Water，Deionization Water)。在所述冲洗部301b对晶圆302冲洗处理过程中，承载台303带动着晶圆302在水平方向作高速旋转，从而使所述清洗剂能够通过侧面的排出系统304排出。完成清洗处理之后，如果还有其他的待蚀刻部分，则可以将所述承载台303垂直向下移动到L2的水平位置进行蚀刻处理，当然，此时的蚀刻剂与在L1的水平位置进行蚀刻处理的蚀刻剂不同，通过承载台303带动着晶圆302在水平方向作高速旋转，从而使所述蚀刻剂能够通过侧面的回收槽305得以回收。本实施例中，在蚀刻去除多晶硅102后并不需要进行其他的蚀刻处理，所以当冲洗部301b完成对晶圆302冲洗处理后，由干燥部301c向晶圆302喷吹干燥剂进行干燥处理，所述干燥处理采用的干燥剂为氮气，同时，承载台303带动着晶圆302在水平方向作高速旋转将水分甩干，从而可以使晶圆302达到干燥目的。由于所述蚀刻机构301便可以完成对晶圆302的干燥处理，因此在本实施例中可以省去现有技术抛光装置20中的干燥机构203。在干燥部301c完成对晶圆302的干燥处理后，便完成了介质层抛光和多晶硅蚀刻工序，可以进入下一步的金属栅极的形成。
当然，本发明提供的抛光装置还可以采取另一种实施方式。图8是本发明提供的抛光装置的另一种实施方式结构示意图。如图8所示，所述抛光装置40包括：抛光机构201、清洗机构202、蚀刻机构401、干燥机构203，所述抛光机构201、清洗机构202、干燥机构203的作用与现有技术的抛光装置20的组成并无区别，所述蚀刻机构401用于对经过所述清洗机构202清洗处理后的晶圆进行蚀刻。所述蚀刻机构401包括蚀刻槽401a和清洗槽401b，所述蚀刻槽401a用于盛放蚀刻剂，以蚀刻去除浸泡在所述蚀刻剂中的晶圆待蚀刻部分；所述清洗槽401b用于采用清洗剂对所述蚀刻槽进行蚀刻后的晶圆进行清洗。另外，所述抛光装置40还包括传动机构(图中未示出)，用于将晶圆在所述抛光机构201、清洗机构202和蚀刻机构401之间进行传递。所述传动机构包括用于抓取晶圆的机械手、用于传递晶圆的传动带等，是整个工艺过程各个机构联系的纽带。
具体实施例中，所述抛光装置40的抛光机构201、清洗机构202的实施方式与上一实施例中描述的相同，此处不再赘述。当所述清洗机构202完成对晶圆的清洗后，由传动机构将其传递至蚀刻机构401，由所述蚀刻机构401中的蚀刻槽401a对所述晶圆进行蚀刻处理。所述蚀刻槽401a盛放着蚀刻剂，所述蚀刻剂为四甲基氢氧化铵或氨水，两者的浓度一般都为2％至10％，温度为60～80摄氏度。所述晶圆浸泡于所述蚀刻槽401a的蚀刻剂中进行蚀刻处理以去除待蚀刻部分。所述蚀刻槽401a完成蚀刻处理后，传动机构将所述待蚀刻部分已去除的晶圆传递至清洗槽401b进行清洗处理，所述清洗槽401b盛放有清洗剂，所述清洗剂为去离子水，清洗方式可以采用传统的溢流清洗法，并配以氮气鼓泡的方式来增进与晶圆表面化学物的混合。清洗方式也可以采用排空清洗法，所述清洗槽401b盛放的去离子水是在晶圆传递来之后通过向所述晶圆喷射的方式注入的，待清洗槽401b中的去离子水到达一定水位，快速开启清洗槽401b底部的排水管，水立即排空，然后关闭排水管，这个周期按一定次数循环，另外再配以氮气鼓泡的方式通过产生清洗反应来增进沾污物的去除。所述蚀刻机构401对晶圆的蚀刻以及清洗，可以应用于单片晶圆，也可以应用于多片晶圆。因为所述蚀刻机构401不包括进行干燥处理，因此在完成蚀刻以及清洗处理后，由传动机构将晶圆传递至干燥机构203进行干燥处理，所述干燥机构203为图4中所示的现有技术抛光装置20的干燥机构203，所述干燥机构203通常采用的是旋转式甩干机，晶圆在被喷吹加热氮气的同时，通过高速旋转去除水分。
本发明提供的抛光装置和处理晶圆的方法不仅适用于采用HKMG技术的栅极后制(Gate-last)工艺的介质层抛光工序中抛光后蚀刻去除多晶硅，还适用于其他需要在抛光后进行蚀刻的工艺中，例如，在进行浅沟槽隔离工艺(STI，Shallow-trench isolation)时，对氧化层(STI氧化硅)进行抛光处理后对氮化硅进行湿法刻蚀去除，其中，待抛光部分的材料为氧化硅，待蚀刻部分的材料为氮化硅，相应地，抛光液、蚀刻剂和清洗剂可以根据待抛光和待蚀刻部分的材料进行选择。
综上，上述技术方案在抛光装置中加入了蚀刻机构，使得晶圆在抛光处理后可以直接进行蚀刻处理，这样在抛光处理后，待蚀刻部分不会因暴露在空气中而在表面生成额外的氧化层，因而至少具有如下有益效果：
通过在抛光装置中加入蚀刻机构并利用传动机构将晶圆从清洗机构传递至蚀刻机构，晶圆经过抛光、清洗直接对多晶硅进行蚀刻，不存在生成自然氧化层的问题，无需进行用氢氟酸去除自然氧化层，减少了工艺步骤，缩短了工艺时间；
节省了消耗，比如氢氟酸的消耗、氢氟酸蚀刻装置的消耗；
由此提高了生产能力、降低了生产成本。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (9)
1.一种抛光装置，包括：传动机构、抛光机构、清洗机构和蚀刻机构，
所述传动机构配置为将晶圆在所述抛光机构、清洗机构和蚀刻机构之间进行传递；
所述抛光机构，对所述传动机构传递的晶圆进行抛光处理，所述进行抛光处理的晶圆上形成有待抛光部分和待蚀刻部分；
所述清洗机构，对经过所述抛光机构抛光处理后的晶圆进行清洗处理；
所述蚀刻机构，对经过所述清洗机构清洗处理后的晶圆直接进行蚀刻。
2.根据权利要求1所述的抛光装置，其特征在于，还包括晶圆放置台，所述传动机构将晶圆从所述清洗机构传递至所述蚀刻机构包括：所述传动机构将晶圆从所述清洗机构先传递至所述晶圆放置台，再从所述晶圆放置台将晶圆抓起放入所述蚀刻机构。
3.根据权利要求1所述的抛光装置，其特征在于，所述蚀刻机构为单晶圆湿法蚀刻及清洗腔。
4.根据权利要求1所述的抛光装置，其特征在于，所述蚀刻机构包括：
用于承载晶圆的承载台和分别设置于所述承载台上方的蚀刻部、冲洗部和干燥部；
所述蚀刻部，配置为向所述承载台上的晶圆喷淋蚀刻剂；
所述冲洗部，配置为向所述承载台上的晶圆喷淋清洗剂；
所述干燥部，配置为向所述承载台上的晶圆喷吹干燥剂。
5.根据权利要求1所述的抛光装置，其特征在于，所述蚀刻机构包括：
蚀刻槽，盛放蚀刻剂，以蚀刻去除浸泡在所述蚀刻剂中的晶圆的待蚀刻部分；
清洗槽，采用清洗剂对所述蚀刻槽进行蚀刻后的晶圆进行清洗。
6.根据权利要求4或5所述的抛光装置，其特征在于，所述抛光装置应用于栅极后制工艺。
7.根据权利要求6所述的抛光装置，其特征在于，所述蚀刻剂为四甲基氢氧化铵或氨水。
8.根据权利要求6所述的抛光装置，其特征在于，所述清洗剂为去离子水。
9.根据权利要求4所述的抛光装置，其特征在于，所述干燥剂为氮气。
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