CN103325717B

CN103325717B - 单片式清洗设备及其清洗方法

Info

Publication number: CN103325717B
Application number: CN201310227185.5A
Authority: CN
Inventors: 胡正军; 周炜捷
Original assignee: Shanghai Integrated Circuit Research and Development Center Co Ltd
Current assignee: Shanghai IC R&D Center Co Ltd
Priority date: 2013-06-08
Filing date: 2013-06-08
Publication date: 2018-04-03
Anticipated expiration: 2033-06-08
Also published as: CN103325717A

Abstract

本发明的单片式清洗设备及其清洗方法，包括：旋转夹盘，用于固定半导体衬底，并带动半导体衬底进行旋转；位于半导体衬底上的喷嘴，用于将清洗液注入到旋转的半导体衬底上；位于半导体衬底上的含有负压装置的制具，用于将清洗液从旋转的半导体衬底上吸走；时间控制装置，用于控制制具或喷嘴的工作时间，或者控制制具和喷嘴之间进行交替工作；其中，制具不与喷嘴接触，喷嘴位于晶圆上方且对应于制具区域外的区域。清洗时，清洗液通过喷嘴持续注入，制具在一定的负压下，将清洗液吸走和排出，然后停止工作一段时间后，再进行清洗液的吸走和排出，重复循环此过程，最终能够使半导体衬底内的高深宽比结构得到充分清洗。

Description

单片式清洗设备及其清洗方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及单片式清洗设备及其清洗方法。

背景技术

随着半导体制造工艺的发展，半导体器件的特征尺寸越来越小，对于高深宽比结构的清洗越来越重要，如果不能使其得到充分清洗，将会影响到器件的结构和性能。比如，硅通孔(Through Silicon Via，TSV)工艺因其具有减小互连延迟、提高存储密度、降低成本和提高器件性能的优点，成为重要的互连工艺之一。然而，由于晶圆代工厂中采用的是通孔优先（Via-First）和通孔居中（Via-Middle）工艺，这样会面临在高的深宽比的结构上进行刻蚀、清洗、介质和金属填充等一系列问题，尤其是对于高深宽比的TSV结构在干法刻蚀之后的清洗特别重要。

目前业界普遍采用的清洗方法为湿法清洗，可以采用各种清洗药液和纯水来清洗半导体衬底。湿法清洗包括有批量式清洗和单片式清洗。请参阅图1，图1为常规的单片式清洗设备的结构示意图，单片式清洗设备100通常包括：旋转夹盘102和清洗液供给系统104；旋转夹盘102上设置有多个固定栓106，固定半导体衬底108固定在这些固定栓106上；清洗液供给系统104的输液管110的出口位于半导体衬底108上；采用该单片式清洗设备100对半导体衬底108进行清洗时，旋转夹盘102带动半导体衬底108以一定的转速旋转，同时，清洗液供给系统104将清洗液通过输液管110输送到半导体衬底108表面对其进行清洗。

由于单片式清洗可以较好的控制清洗药液或水在半导体衬底表面的分布，并且硅片自身可以高速旋转使半导体衬底表面的清洗药液或水具有更高的相对速度，所以，单片式清洗具有清洗药液或水的消耗少、高的制作工艺环境控制能力、占地小的优点，并且清洗药液或水在不断更新，能够有效防止交叉污染，使其清洗效果更强以及工艺稳定性更好。因此，在先进的半导体制造工艺中，单片式清洗方式成为主要清洗方式之一。

然而，在先进的半导体制造工艺中碰到的问题是：清洗药液或水不能够充分进入特征尺寸较小的高深宽比结构，比如通孔优先/居中的TSV结构，高宽比通常为10，极端情况下可达20，55nm工艺的后端在互连层次的特征尺寸在90nm左右、深宽比在4左右，这些特征尺寸很小的结构，由于高的深宽比，清洗药液或水不能够完全填充满这些结构中，从而使这些小尺寸结构不能够得到充分清洗，这将影响半导体器件的制造和性能。因此，如何使得刻蚀之后的清洗药液能够充分进入高宽比的TSV结构进行清洗，将是一个很大的挑战。

发明内容

为了克服上述问题，本发明旨在改进现有的单片式清洗设备，从而使得单片式清洗设备对高深宽比结构的清洗工艺中具有更大的清洗工艺窗口，使这些高深宽比结构能够得到充分清洗。

本发明的单片式清洗设备，包括：

旋转夹盘，用于固定半导体衬底，并带动所述半导体衬底进行旋转；

位于所述半导体衬底上的喷嘴，用于将清洗液注入到所述的旋转的半导体衬底上；

位于所述半导体衬底上的含有负压装置的制具，用于将清洗液从所述的旋转的半导体衬底上吸走；

时间控制装置，用于控制制具或喷嘴的开启或闭合，和/或控制制具和喷嘴之间进行交替工作的时间；其中，

所述制具不与所述喷嘴接触，所述喷嘴位于所述半导体衬底上方且对应于所述制具区域外的区域，所述喷嘴底部高于所述制具底部所在平面。

优选地，所述的制具与所述半导体衬底相对的表面上且对应于所述半导体衬底上部分布有微孔。

优选地，所述制具的一端的边缘与所述旋转夹盘的中心对齐或超出，另一端的边缘超出所述半导体衬底的边缘。

优选地，所述微孔之间的间距是所述微孔孔径的1-10倍。

优选地，所述微孔的孔径为2-5mm。

优选地，所述制具的形状为条形或扇形。

优选地，所述制具的长度为12-30cm。

优选地，所述制具的宽度为1-5cm。

优选地，所述为扇形的制具的圆心角为30-180度。

优选地，所述的制具与所述半导体衬底的距离为1-5mm。

本发明的一种采用上述任一项所述的单片式清洗设备进行的单片式清洗方法，包括：

步骤S01：将半导体衬底放置于旋转夹盘上，开启时间控制装置，所述半导体衬底进行旋转；

步骤S02：采用时间控制装置，控制喷嘴将清洗液持续地或间歇地注入到所述的旋转的半导体衬底上；

步骤S03：采用时间控制装置，经一定的间隔停止时间，含有负压装置的制具在一定的负压下将所述的旋转的半导体衬底内部和表面的清洗液吸走；

步骤S04：采用时间控制装置，经一定的间隔工作时间，所述制具停止工作；

步骤S05：重复循环上述步骤S03和S04，所述循环次数不小于3次；

步骤S06：清洗完毕，关闭时间控制装置。

优选地，所述步骤S04中，所述制具的负压装置关闭，从而使所述制具停止工作。

优选地，在所述步骤S06中，采用所述清洗液对所述的旋转的半导体衬底清洗完毕之后，提高所述半导体衬底的旋转速度，和/或采用所述制具喷出气体对所述的旋转的半导体衬底进行干燥处理。

优选地，所述制具的间隔工作时间为3-60秒，间隔停止时间为3-60秒。

优选地，所述制具采用的负压为-5到-15PSI。

优选地，所述制具吸走所述清洗液的流速为所述喷嘴注入所述清洗液的流速的0.3至0.9倍。

优选地，所述半导体衬底的转速为200-1000r/min。

本发明的单片式清洗设备及其方法，通过制具所含有的负压装置，配合制具的形状、微孔的分布，以及喷嘴和制具对清洗液的注入和吸走的工作时间和流速的调整，比如制具为扇形，由于扇形有利于较大范围的吸走半导体衬底上的清洗液，在一定的合适的负压下，调整注入和吸走的工作时间，以及流速比例，能够促进清洗液的流动性，有效将高深宽比结构比如高深宽比的TSV结构中的带有残留物的清洗液吸走，经不断重复的注入和吸走清洗液，从而实现对特征尺寸较小的高深宽比的结构进行充分有效的清洗。

附图说明

图1为常规的单片式清洗设备的结构示意图

图2为本发明的一个较佳实施例的单片式清洗设备的主视结构示意图

图3为本发明的上述较佳实施例的单片式清洗设备的俯视结构示意图

图4为本发明的一个较佳实施例的单片式清洗方法的流程示意图

图5为本发明的一个较佳实施例的单片式清洗设备的工作原理示意图

图6为本发明的一个较佳实施例的单片式清洗方法中喷嘴和制具的工作时间示意图

具体实施方式

体现本发明特征与优点的实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的示例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当做说明之用，而非用以限制本发明。

以下结合附图2和3，通过具体实施例对本发明的单片式清洗设备作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、明晰地达到辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的单片式清洗设备及其方法用于清洗高深宽比的小尺寸结构比如高深宽比的TSV结构，如前所述，由于常规的单片式清洗设备不能够将高深宽比的小尺寸结构进行充分清洗，所以，本发明的对常规的单片式清洗设备进行而来改进，以达到对高深宽比的小尺寸结构进行充分有效清洗的目的。本发明的单片式清洗设备可以应用于8寸、12寸、18寸等含有高深宽比结构的晶圆上，本发明对此不作限制。

请参阅图2和图3，图2为本发明的一个较佳实施例的单片式清洗设备的主视结构示意图，图3是本发明的上述较佳实施例的单片式清洗设备的俯视结构示意图，本发明的本实施例的单片式清洗设备包括：

旋转夹盘201，用于固定半导体衬底202，并带动半导体衬底202进行旋转；

位于半导体衬底202上的喷嘴203，用于将清洗液注入到旋转的半导体衬底202上；

位于半导体衬底202上的含有负压装置的制具204，用于将清洗液从旋转的半导体衬底202上吸走；

时间控制装置，用于控制制具204或喷嘴203的开启或闭合，和/或控制制具204和喷嘴203之间进行交替工作的时间；其中，制具204不与喷嘴203接触，喷嘴203位于半导体衬底202上方且对应于制具204区域外的区域，喷嘴203底部高于制具204底部所在平面。

具体的，本发明的本实施例中的半导体衬底202可以是硅或锗晶圆，可以是P或N型硅衬底，也可以是含有源极、漏极和栅极等的半导体器件衬底；该半导体衬底中包括有高深宽比结构，比如高深宽比的TSV结构。

本发明中，喷嘴203或制具204与半导体衬底202之间具有一定的距离，在本实施例中，喷嘴203和制具204均与半导体衬底202的距离为1-5mm，较佳的，可以为3-5mm。喷嘴203可以位于半导体衬底202上方且对应于制具204区域外的区域，喷嘴203的底部高于制具204的底部所在平面，喷嘴203与制具204不能接触，从而避免喷嘴203喷出的清洗液直接被制具204吸走，而不能充分进入半导体衬底202的高深宽比的结构中，这不用于限制本发明的范围。

本发明中的本实施例中，喷嘴203和制具204均位于半导体衬底202的上方，喷嘴203或制具204与半导体衬底202相对的表面上且对应于半导体衬底202上部分布有微孔，制具204上的微孔能够但不限于以等比例间距均匀分布。喷嘴203和制具204上的微孔之间的间距是微孔孔径的1-10倍，较佳的，微孔之间的间距可以是微孔孔径的3倍、6倍或9倍；本实施例中，微孔可以是圆形，微孔的孔径可以为2-5mm，比如微孔孔径可以为2、3或5mm；比如，微孔孔径为5mm，相应的微孔之间的间距可以为15mm。

本实施例中，喷嘴203可以但不限于是单孔或多孔，喷嘴203的形状可以为条形、扇形、圆形等形状。

需要说明的是，喷嘴203用于向半导体衬底202注入清洗液，实际工艺中，清洗液可以是无机药液，比如：H₂SO₄，H₂O₂，NH₄OH，HF，HCL,H₃PO₄，也可以是有机药液，比如：ST-250，N311，SST-A2，也可以是纯水等，本发明对此不作限制。

本实施例中，制具204的靠近旋转夹盘201的一端的边缘与旋转夹盘201的中心对齐或超出中心，较佳的，如图2所示,制具204的该靠近旋转夹盘201的一端超过旋转夹盘201的中心位置，制具204的另一端的边缘超出半导体衬底202的边缘，这样制具204对清洗液吸收会更加充分；制具204可以为扇形，也可以为条形，扇形的圆心角可以为30-180度，扇形的半径大于半导体衬底202的半径，比如，半导体衬底202为晶圆，晶圆的半径为15cm，则扇形的半径可以为16cm、17cm、18cm等。扇形的制具204上的微孔可以呈扇形等比例均匀分布，比如，扇形的圆心角为120度，将扇形的圆心角等分为6等分，微孔分布于每个等分区域内，且每个等分区域内微孔的间距相等，相邻等分区域内相同行的微孔的间距相等。

如果制具204是条形，则制具204的宽度可以为1-5cm，比如2、3或4cm，制具204的长度可以为12-30cm，如果半导体衬底202为8寸，则相对应的制具204的长度可以为12-15cm，较佳的，可以为12、13或15cm；如果半导体衬底202为12寸，则相对应的制具204的长度可以为17-20cm，较佳的，可以为17、18或20cm；如果半导体衬底202为18寸，则相对应的制具204的长度可以为24.5-27.5cm,但这不用于限制本发明的范围。

需要说明的是，制具204上的微孔呈等比例分布于制具204相对于半导体衬底202的表面上，且对应于半导体衬底202的上部区域，制具204的该表面超出半导体衬底202的部分无微孔分布；本实施例中，按照等比例分布的定义，制具204上的微孔可以呈等间距分布，比如，制具204的长度为18cm,宽度为4cm,微孔孔径为5mm，则微孔可以分两列以15mm的间距分布。

还需要说明的是，制具204包含有负压装置，用于将半导体衬底202内部和表面的清洗液吸走。在一定的负压下，可以将半导体衬底202中高深宽比结构中的清洗液及时地且充分地吸走，从而促进清洗液在高深宽比结构中的流动性。

以下将结合图4-6对本发明的本实施例中采用上述单片式清洗设备进行单片式清洗的方法做进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、明晰地达到辅助说明本发明实施例的目的。

请参阅图4，图4是本发明一个较佳实施例的单片式清洗方法的流程示意图，本实施例中，半导体衬底中包含有高深宽比结构，比如高深宽比的TSV结构，半导体衬底可以但不限于是含有高深宽比结构的硅或锗晶圆，本实施例中，后续将以含有高深宽比的TSV结构的晶圆为例进行说明，这不用于限制本发明的范围。本实施例的单片式清洗方法包括：

步骤S01：将晶圆放置于旋转夹盘上，开启时间控制装置，晶圆进行旋转；

具体的，本实施例中，将晶圆放置于旋转夹盘上，开启时间控制装置，晶圆开始旋转，整个清洗过程中，晶圆都保持旋转状态。本发明中，晶圆的旋转速率可以但不限于为200-1000r/min，本实施例中，晶圆的旋转速率为300r/min，这不用于限制本发明的范围。

步骤S02：采用时间控制装置，控制喷嘴将清洗液持续地或间歇地注入到旋转的晶圆上；

需要说明的是，时间控制装置可以控制喷嘴的工作时间，可以控制喷嘴持续性的工作或者控制喷嘴作间歇性的工作的，还可以控制喷嘴和制具之间的交替工作的时间，由于持续注入清洗液可以确保清洗液充分进入高深宽比结构中，所以本实施例中在整个清洗过程中保持清洗液的持续注入。清洗液可以是无机或有机药剂，也可以是纯水，清洗液的注入可以首先进行药液的注入，然后进行纯水的注入。

步骤S03：采用时间控制装置，经一定的间隔停止时间，含有负压装置的制具在一定的负压下将旋转的晶圆内部和表面的清洗液吸走；

具体的，本实施例中，在时间控制装置的调控下，在清洗液通过喷嘴注入到晶圆上一定的间隔停止时间后，制具开始将晶圆内部和表面的清洗液吸走；这里，制具的间隔停止时间可以为3-60秒，较佳的，可以为30秒；制具2在工作时所采用的负压可以为-5至-15PSI，比如可以为-8、-10或-12PSI，较佳的，可以为-10PSI，这不用于限制本发明的范围。

这里，制具吸走清洗液的流速为喷嘴注入清洗液的流速的0.3至0.9倍，较佳的，可以为0.3、0.65、0.7或0.75倍。比如，本实施例中，药液通过制具1注入的流速可以为0.6L/min，纯水通过喷嘴注入的流速可以为1.5L/min；在一定的负压下，比如-10PSI下，制具吸走药液的流速可以为0.4L/min，制具2吸走纯水的流速可以为0.8L/min。

这里，采用一定的负压可以将清洗液吸走和排除，从而促进清洗液的循环，由于高深宽比结构的特点，如不采用负压，很难有效地将高深宽比结构中的残留物排除，实际中，负压吸走清洗液和残留物是一种有效的清除方法。

步骤S04：采用时间控制装置，经一定的间隔工作时间，制具停止工作；本实施例中，可以将制具的负压装置关闭，从而使制具停止工作；间隔工作时间可以为3-60秒，较佳的，可以为30秒；具体的，本实施例中，制具进行清洗液的吸走持续30秒后，制具停止工作，而喷嘴仍在持续的进行清洗液的注入。

步骤S05：重复循环上述步骤S03和S04，循环次数不小于3次。

具体的，在时间控制装置的调控下，在制具停止工作一定的间隔停止时间后，制具吸收清洗液，制具持续吸收一定的间隔工作时间后，停止工作，在一定的间隔停止时间后，再开始吸收清洗液，依此循环，在此期间，喷嘴持续注入清洗液。比如，首先进行药液清洗，然后再进行纯水清洗；喷嘴在旋转的晶圆上注入药液或纯水，经30秒后，制具进行药液或纯水的吸收，经30秒后，制具停止工作，制具持续注入药液或纯水，经30秒后，制具再进行药液或纯水吸收，如此重复数次，重复的次数不小于3次，较佳的，可以是3-5次。

步骤S06：清洗完毕，关闭时间控制装置。

这里，清洗的过程中，随着清洗液的吸出和排走，残留物等也随之吸出和排走，多次清洗后，能够将高深宽比结构充分清洗。本实施例中，采用清洗液对旋转的晶圆进行清洗完毕之后，可以通过提高晶圆的旋转速度，或者喷嘴可以喷出气体到旋转晶圆上，或者将喷嘴喷出气体和提高晶圆的转速相结合，对晶圆进行干燥处理，本发明对此不作限制，干燥处理之后，关闭电源。

请参阅图5，图5为本发明的一个较佳实施例的单片式清洗设备的工作原理示意图。图5中，501为旋转夹盘，502为含有高深宽比结构的晶圆，503为喷嘴，504为制具，505为液膜，上箭头和左箭头表示清洗液吸出。清洗液从喷嘴503持续地注入到晶圆502的高深宽比结构中，在晶圆202表面形成一层液膜505，制具504采用一定的负压，将高深宽比结构中的清洗液吸走和排出。

请参阅图6，图6是本发明的一个较佳实施例的单片式清洗方法中喷嘴和制具的工作时间示意图。其中，喷嘴的工作时间是持续的，在图中表示为一条直线；制具的工作时间是间歇式的，在图中表示为不连续的线段，制具的工作时间分为间隔工作时间601和间隔停止时间602，间隔工作时间601和间隔停止时间602可以相同也可以不同。

本发明的单片式清洗设备及其清洗方法，通过喷嘴、制具的形状调整、微孔的分布，喷嘴和制具对清洗液的注入和吸走流速的调整，以及制具所采用负压的调整，比如制具为扇形，由于扇形有利于较大范围的吸走半导体衬底上的清洗液，再结合一定注入和吸走流速比例和合适的负压，能够有效将晶圆中的高深宽比结构比如高深宽比的TSV结构中的带有残留物的清洗液吸走，经不断重复的注入和吸走清洗液，从而实现对特征尺寸较小的高深宽比的结构进行充分有效的清洗。

以上所述的仅为本发明的实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种单片式清洗设备，其特征在于，包括：

所述制具不与所述喷嘴接触，所述喷嘴位于所述半导体衬底上方且对应于所述制具区域外的区域，所述喷嘴底部高于所述制具底部所在平面；所述制具的形状为扇形；所述扇形的一端的边缘与所述旋转夹盘的中心对齐或超出，另一端的边缘超出所述半导体衬底的边缘。

2.根据权利要求1所述的单片式清洗设备，其特征在于，所述的制具与所述半导体衬底相对的表面上且对应于所述半导体衬底上部分布有微孔。

3.根据权利要求2所述的单片式清洗设备，其特征在于，所述微孔之间的间距是所述微孔孔径的1-10倍。

4.根据权利要求2所述的单片式清洗设备，其特征在于，所述微孔的孔径为2-5mm。

5.根据权利要求1或2所述的单片式清洗设备，其特征在于，所述制具的长度为12-30cm。

6.根据权利要求1或2所述的单片式清洗设备，其特征在于，所述制具的宽度为1-5cm。

7.根据权利要求1所述的单片式清洗设备，其特征在于，所述为扇形的制具的圆心角为30-180度。

8.根据权利要求1所述的单片式清洗设备，其特征在于，所述的制具与所述半导体衬底的距离为1-5mm。

9.一种采用上述权利要求1-8任一项所述的单片式清洗设备进行的单片式清洗方法，其特征在于，包括：

步骤S03：采用时间控制装置，经一定的间隔停止时间，含有负压装置的制具在一定的负压下将所述的旋转的半导体衬底内部和表面的清洗液吸走；其中，所述制具吸走所述清洗液的流速为所述喷嘴注入所述清洗液的流速的0.3至0.9倍；

步骤S06：清洗完毕，关闭时间控制装置。

10.根据权利要求9所述的单片式清洗方法，其特征在于，所述步骤S04中，所述制具的负压装置关闭，从而使所述制具停止工作。

11.根据权利要求9所述的单片式清洗方法，其特征在于，在所述步骤S06中，采用所述清洗液对所述的旋转的半导体衬底清洗完毕之后，提高所述半导体衬底的旋转速度，和/或采用所述制具喷出气体对所述的旋转的半导体衬底进行干燥处理。

12.根据权利要求9所述的单片式清洗方法，其特征在于，所述制具的间隔工作时间为3-60秒，间隔停止时间为3-60秒。

13.根据权利要求9所述的单片式清洗方法，其特征在于，所述制具采用的负压为-5到-15PSI。

14.根据权利要求9所述的单片式清洗方法，其特征在于，所述半导体衬底的转速为200-1000r/min。