CN107863288A

CN107863288A - 一种清洗半导体衬底的方法

Info

Publication number: CN107863288A
Application number: CN201610843948.2A
Authority: CN
Inventors: 谢志勇
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2016-09-22
Filing date: 2016-09-22
Publication date: 2018-03-30

Abstract

本发明提供一种清洗半导体衬底的方法，涉及半导体技术领域。该方法包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底至少包括一含硅区域；采用盐酸溶液清洗所述半导体衬底；以及采用氯化氢、双氧水和水的混合溶液清洗所述半导体衬底。根据本发明的方法，在氧化物形成之前，先采用盐酸溶液清洗所述半导体衬底，再采用氯化氢、双氧水和水的混合溶液清洗所述半导体衬底，避免了由于双氧水先接触衬底而在衬底上形成Si‑OH键的问题的出现，保证了在衬底表面的含硅区域的表面形成Si‑Cl键，硅键的氯终止可以有效增强在不同晶向表面上形成的氧化物的均匀性，进而提高器件的良率和性能。

Description

一种清洗半导体衬底的方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体而言涉及一种清洗半导体衬底的方法。

背景技术

存储器用于存储大量数字信息，最近的调查显示，在世界范围内，存储器芯片大约占了半导体交易的30％，多年来，工艺技术的进步和市场需求催生越来越多高密度的各种类型存储器。

随机存储器，例如DRAM与SRAM(静态随机存储器)在使用过程中存在掉电后存储数据丢失的问题。为了克服这个问题，人们已经设计并开发了多种非易失性存储器。最近，基于浮栅概念的闪存，由于其具有小的单元尺寸和良好的工作性能已成为最通用的非易失性存储器。

闪存存储器即FLASH，其成为非易失性半导体存储技术的主流，在各种各样的FLASH器件中，嵌入式闪存是片上系统(SOC)的一种，在一片集成电路内同时集成逻辑电路模块和闪存电路模块，在智能卡、微控制器等产品中有广泛的用途。在嵌入逻辑电路的闪存存储器技术逐渐成熟、存储速度不断加快、成本逐渐下降的发展过程中，人们开始对其制作方法提出了新的要求。

在常规的闪存存储器制作工艺过程中，往往需要在形成浮栅氧化物之前对衬底表面进行预清洗工艺，以改善之后形成的浮栅氧化物的均匀性，然而，由于预清洗工艺和控制预清洗工艺的计算机硬件等的问题，有时会使预清洗工艺的效果不能很好的实现，使浮栅氧化物的均匀性变差，进而使得闪存存储器的快速擦除失效增多，造成良率的严重损失。

因此，为解决上述技术问题，有必要提供一种新的清洗半导体衬底的方法。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

针对现有技术的不足，本发明实施例一中提供一种清洗半导体衬底的方法，包括：

提供半导体衬底，所述半导体衬底至少包括一含硅区域；

采用盐酸溶液清洗所述半导体衬底；以及

采用氯化氢、双氧水和水的混合溶液清洗所述半导体衬底。

进一步，在采用盐酸溶液清洗所述半导体衬底的步骤之前，还包括以下步骤：

采用氢氟酸溶液清洗所述半导体衬底；

采用去离子水对所述半导体衬底进行冲洗。

进一步，在采用氯化氢、双氧水和水的混合溶液清洗所述半导体衬底的步骤之后，还包括以下步骤：采用去离子水冲洗所述半导体衬底，并进行干燥。

进一步，所述盐酸溶液清洗所述半导体衬底的时间范围为1～6000秒。

进一步，所述盐酸溶液中的氯化氢和水的体积比为1:500～1:10。

进一步，所述氯化氢、双氧水和水的混合溶液中的氯化氢、双氧水和水的体积比为10:1:3000～10:1:1。

进一步，采用氯化氢、双氧水和水的混合溶液清洗所述半导体衬底的时间范围为1～6000秒。

进一步，采用氯化氢、双氧水和水的混合溶液清洗所述半导体衬底的温度范围为23℃～90℃。

进一步，所述氢氟酸溶液中的质量分数为49％的HF和H₂O的体积比为1:1000～1:2，采用氢氟酸溶液清洗所述半导体衬底的时间为1～6000秒。

进一步，在采用氯化氢、双氧水和水的混合溶液清洗所述半导体衬底的步骤之后，还包括对所述含硅区域进行氧化，以形成氧化物的步骤。

根据本发明的方法，在氧化物形成之前，先采用盐酸溶液清洗所述半导体衬底，再采用氯化氢、双氧水和水的混合溶液清洗所述半导体衬底，避免了由于双氧水先接触衬底而在衬底上形成Si-OH键的问题的出现，保证了在衬底表面的含硅区域的表面形成Si-Cl键，硅键的氯终止(Chloride termination)可以有效增强在不同晶向表面上形成的氧化物的均匀性，进而提高器件的良率和性能。

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。

附图中：

图1A-图1C为现有技术中的一种闪存器件预清洗工艺相关步骤所获得的器件的结构示意图；

图2为现有技术中的一种闪存器件预清洗工艺相关步骤的工艺流程图；

图3为根据本发明一个实施方式清洗半导体衬底的方法的工艺流程图；

图4为根据本发明一个实施方式闪存器件预清洗工艺的工艺流程图；

图5A-图5C为根据本发明一个实施方式中的闪存器件预清洗工艺相关步骤所获得的器件的结构示意图。

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而言显而易见的是，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。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

这里参考作为本发明的理想实施例(和中间结构)的示意图的横截面图来描述发明的实施例。这样，可以预期由于例如制造技术和/或容差导致的从所示形状的变化。因此，本发明的实施例不应当局限于在此所示的区的特定形状，而是包括由于例如制造导致的形状偏差。例如，显示为矩形的注入区在其边缘通常具有圆的或弯曲特征和/或注入浓度梯度，而不是从注入区到非注入区的二元改变。同样，通过注入形成的埋藏区可导致该埋藏区和注入进行时所经过的表面之间的区中的一些注入。因此，图中显示的区实质上是示意性的，它们的形状并不意图显示器件的区的实际形状且并不意图限定本发明的范围。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤，以便阐释本发明提出的技术方案。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。

如图1A至图1C和图2所示，在常规的闪存器件浮栅氧化物预清洗工艺中，首先，如图1A所示，使用HF溶液清洗处理晶圆，在Si表面形成Si-H键，接着，使用去离子水(DIW)进行冲洗，随后，如图1B所示，使用包括HCl和H₂O₂的SC2(2号标准清洗液)对晶圆进行清洗处理，以使Si-Cl键替代Si-H键，并能够对金属起到清洗作用，通常SC2清洗液由在线(inline)混合HCl、H₂O₂和DIW获得，而由于计算机硬件和配方设定裕度(margin)的问题，有时使得H₂O₂首先流出来，并在短时间内形成Si-OH键替代Si-H键，而之后SC2中的氯离子很难形成Si-Cl替代Si-OH键。最后，如图1C所示，氧化形成浮栅氧化物101，由于Si-OH键的存在，在不同晶向上形成的浮栅氧化物的厚度均匀性变差，进而导致擦除失效问题的出现，使良率损失严重。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种清洗半导体衬底的方法，如图3所示，其主要包括以下步骤：

步骤S301，提供半导体衬底，所述半导体衬底至少包括一含硅区域；

步骤S302，采用盐酸溶液清洗所述半导体衬底；

步骤S303，采用氯化氢、双氧水和水的混合溶液清洗所述半导体衬底。

实施例一

下面，参考图4和图5A至图5C对本发明的清洗半导体衬底的方法进行详细说明，其中，图4为根据本发明一个实施方式闪存器件预清洗工艺的工艺流程图；图5A-图5C为根据本发明一个实施方式中的闪存器件预清洗工艺相关步骤所获得的器件的结构示意图。

首先，如图5A所示，提供半导体衬底500，所述半导体衬底500至少包括一含硅区域。

所述半导体衬底500的构成材料可以是以下所提到的材料中的至少一种：硅、绝缘体上硅(SOI)、绝缘体上层叠硅(SSOI)、绝缘体上层叠锗化硅(S-SiGeOI)、绝缘体上锗化硅(SiGeOI)以及绝缘体上锗(GeOI)等。优选地，半导体衬底500可以为硅衬底。虽然在此描述了可以形成半导体衬底500的材料的几个示例，但是可以作为半导体衬底的任何材料均落入本发明的精神和范围。

此外，半导体衬底500可以被划分有源区，和/或半导体衬底500中还可以形成有掺杂阱(未示出)等等。

在半导体衬底500中形成有隔离结构501，以用于限定并隔离各集成电路器件。所述隔离结构501可以是局部硅氧化(LOCOS)结构或浅沟槽隔离(STI)结构。隔离结构的填充材料为绝缘介质如氧化硅、氮化硅、碳化硅中的一种或其组合。

如图5A所示，相邻隔离结构501之间为一含硅区域，该含硅区域为半导体衬底500的一部分，其被定义为有源区，在该含硅区域上可以形成各种半导体器件的元件，例如，形成闪存器件的浮栅结构，或者CMOS晶体管的栅极结构等，在此不做一一列举。该含硅区域也可以为整个半导体衬底500的表面。

随后，对半导体衬底500的表面进行预清洗工艺，该预清洗工艺在浮栅结构中的浮栅氧化物形成之前进行，也可其他预定氧化含硅区域而形成氧化物的步骤之前进行，例如，CMOS晶体管的栅氧形成之前进行本实施例中的预清洗工艺。

作为示例，如图4所示，浮栅氧化物形成之前的预清洗工艺包括以下步骤：

首先，采用氢氟酸溶液清洗所述半导体衬底500，之后采用去离子水对所述半导体衬底500进行冲洗。

所述氢氟酸溶液的浓度可以为任意适合的浓度，本发明不对其做具体限制，其中，氢氟酸溶液清洗可以使用上流式(Up-Flow)清洗的方式，上流式(Up-Flow)清洗是指将半导体衬底500竖直放入清洗槽内，清洗溶液从下往上流，对半导体衬底500的表面进行清洗。

可选地，所述氢氟酸溶液中的质量分数为49％的HF和水的体积比为1:1000～1:2，例如，1:500、1:100、1:10、1:2等，采用氢氟酸溶液清洗所述半导体衬底500的时间为1～6000秒，例如，50秒、100秒、500秒、1000秒、2000秒、3000秒、4000秒、5000秒、6000秒等。

经过氢氟酸溶液清洗过程，在半导体衬底500的含硅区域表面上形成Si-H键，如图5A所示。

再采用去离子水对所述半导体衬底500进行冲洗若干次，以将氢氟酸溶液冲洗干净。

接着，如图5B所示，采用盐酸溶液清洗所述半导体衬底500，随后，采用氯化氢、双氧水和水的混合溶液清洗所述半导体衬底500。

采用盐酸溶液清洗所述半导体衬底500以及采用氯化氢、双氧水和水的混合溶液清洗所述半导体衬底500的过程可均采用上流式清洗的方式。

具体地，盐酸溶液也即氯化氢的水溶液，其可以为任意适合的浓度，在此不做具体限制，其中，较佳地，所述盐酸溶液中的氯化氢(HCl)和水(H₂O)的体积比为1:500～1:10，例如，1:500、1:300、1:200、1:100、1:50、1:10等。所述盐酸溶液清洗所述半导体衬底的时间范围为1～6000秒，例如，50秒、100秒、500秒、1000秒、2000秒、3000秒、4000秒、5000秒、6000秒等。

在该步骤的盐酸溶液清洗过程中，盐酸溶液中的氯离子与含硅区域的表面的Si形成Si-Cl键替代之前形成的Si-H键。

再采用氯化氢、双氧水和水的混合溶液清洗所述半导体衬底500。

具体地，该氯化氢、双氧水和水的混合溶液可称为SC2清洗液(2号标准清洗液)，混合溶液可以为任意适合的浓度，可根据具体的工艺要求进行和的选择设定，本实施例中，较佳地，氯化氢、双氧水和水的混合溶液中的氯化氢、双氧水和水的体积比为10:1:3000～10:1:1，例如，10:1:2500、10:1:2000、10:1:1500、10:1:1000、10:1:500、10:1:300、10:1:100、10:1:50、10:1:20等。SC2清洗液可由在线(inline)混合HCl、H₂O₂和DIW获得。

可选地，采用氯化氢、双氧水和水的混合溶液清洗所述半导体衬底500的时间范围为1～6000秒，，例如，50秒、100秒、500秒、1000秒、2000秒、3000秒、4000秒、5000秒、6000秒等。可以根据具体的工艺进行合理选择和设定，并不局限于上述范围。

其中，为了提高清洗时的反应速度位置清洗的稳定性等，还可以使清洗过程在适当的温度下进行，例如，采用氯化氢、双氧水和水的混合溶液清洗所述半导体衬底的温度范围为23℃～90℃，但并不局限于该温度范围。

在该步骤中，由于在此之前使用盐酸溶液对半导体衬底500进行了清洗，形成了Si-Cl键，由于清洗时计算机硬件或配方设定的问题使SC2清洗液中的H₂O₂先接触半导体衬底，也不会形成或者过多的形成Si-OH键，因此，可以很好的保证，经过SC2清洗液清洗后的半导体衬底表面上(也即含硅区域表面上)形成有足够的Si-Cl键，以增强之后形成的氧化物厚度的均匀性。

随后，还包括以下步骤：采用去离子水冲洗所述半导体衬底500，并进行干燥。

可使用本领域技术人员熟知的任何方法进行去离子水冲洗步骤，经过冲洗后，可将半导体衬底表面的杂质去除干净，获得洁净的表面。

可使用任何适合的干燥方法进行本步骤中的干燥，例如，将半导体衬底放入烘箱内80℃～200℃干燥处理5分钟～60分钟，或者也可以采用甩干的方式进行干燥。

随后，如图5C所示，对所述含硅区域进行氧化，以形成氧化物502。

可以采用本领域技术人员所习知的氧化工艺例如炉管工艺(Furnace)、快速热退火氧化(RTO，Rapid thermal oxide)、原位水蒸气氧化(ISSG)等形成氧化物502。

在一个示例中，该含硅区域用于形成闪存器件，则在该含硅区域上可形成浮栅结构，首先，对所述含硅区域进行氧化，以形成浮栅氧化物502，浮栅氧化物502的作用在于隔离浮栅多晶硅层和半导体衬底。浮栅氧化物502的厚度范围可以为40埃至180埃，但并不局限于此范围。

然后，在半导体衬底500上沉积形成浮栅材料层，浮栅材料层的材料可选用多晶硅，所述浮栅材料层完全覆盖隔离结构501和浮栅氧化物502，对浮栅材料层进行图案化形成以形成浮栅结构。

由于前述预清洗步骤在半导体衬底500的表面形成了均匀分布的Si-Cl，硅键中的氯终止可以有效增强在不同晶向表面上形成的氧化物502的均匀性，均匀性好的浮栅氧化物502可以改善闪存器件的擦除(erase)性能，提高其可靠性和良率。

该步骤中的氧化工艺，还可以适用于形成CMOS晶体管的栅极氧化物、或者其他的氧化含硅区域而形成氧化物的工艺过程等。

至此完成了对于本发明的清洗半导体衬底的方法的介绍，对于完整的器件的制备还需其他的前序步骤、中间步骤或者后续步骤等，在此不做赘述。

综上所述，根据本发明的方法，在浮栅氧化物形成之前，先采用盐酸溶液清洗所述半导体衬底，再采用氯化氢、双氧水和水的混合溶液清洗所述半导体衬底，避免了由于双氧水先接触衬底而在衬底上形成Si-OH键的问题的出现，保证了在衬底表面的含硅区域的表面形成Si-Cl键，硅键的氯终止(Chloride termination)可以有效增强在不同晶向表面上形成的氧化物的均匀性，进而提高器件的良率和性能。

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

1.一种清洗半导体衬底的方法，其特征在于，所述方法包括：

提供半导体衬底，所述半导体衬底至少包括一含硅区域；

采用盐酸溶液清洗所述半导体衬底；以及

采用氯化氢、双氧水和水的混合溶液清洗所述半导体衬底。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在采用盐酸溶液清洗所述半导体衬底的步骤之前，还包括以下步骤：

采用氢氟酸溶液清洗所述半导体衬底；

采用去离子水对所述半导体衬底进行冲洗。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在采用氯化氢、双氧水和水的混合溶液清洗所述半导体衬底的步骤之后，还包括以下步骤：采用去离子水冲洗所述半导体衬底，并进行干燥。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述盐酸溶液清洗所述半导体衬底的时间范围为1～6000秒。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述盐酸溶液中的氯化氢和水的体积比为1:500～1:10。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氯化氢、双氧水和水的混合溶液中的氯化氢、双氧水和水的体积比为10:1:3000～10:1:1。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用氯化氢、双氧水和水的混合溶液清洗所述半导体衬底的时间范围为1～6000秒。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用氯化氢、双氧水和水的混合溶液清洗所述半导体衬底的温度范围为23℃～90℃。

9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述氢氟酸溶液中的质量分数为49％的HF和H₂O的体积比为1:1000～1:2，采用氢氟酸溶液清洗所述半导体衬底的时间为1～6000秒。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在采用氯化氢、双氧水和水的混合溶液清洗所述半导体衬底的步骤之后，还包括对所述含硅区域进行氧化，以形成氧化物的步骤。