CN109585262A - 清洁半导体衬底的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例提供一种清洁半导体衬底的方法。所述方法包括以下步骤：在以第一旋转频率旋转所述半导体衬底的同时，向所述半导体衬底的顶表面上施加第一药剂；在以第二旋转频率旋转所述半导体衬底的同时，将所述半导体衬底浸没在第二药剂中；以及在向所述半导体衬底的所述顶表面上引入第三药剂的同时，以第三旋转频率旋转所述半导体衬底。所述第一旋转频率可大于所述第三旋转频率且所述第三旋转频率大于所述第二旋转频率。在一些实施例中，所述第二旋转频率为零，且所述半导体衬底在所述浸没步骤期间保持静止。

Description

清洁半导体衬底的方法
技术领域
本发明的实施例涉及半导体加工，更具体来说，涉及一种清洁半导体衬底的方法。
背景技术
在半导体衬底(例如硅衬底)上形成元件层之前，对所述半导体衬底的表面进行清洁。对半导体衬底的表面进行清洁是集成电路制作工艺中的关键步骤。表面清洁会清除微粒及痕量(trace)表面污染(例如有机杂质及金属杂质)。这些清洁技术几乎完全是基于化学试剂，所述化学试剂选择性地移除表面污染物及微粒而不会对晶片表面造成侵蚀或化学改变。由于污染物的容许浓度随着装置集成密度的增加而按比例减小，因此清洁工艺的质量变得更加重要。清洁方法包括利用液体介质的湿式清洁以及利用气相介质的干式清洁。
发明内容
本发明的实施例是针对一种清洁半导体衬底的方法。
在某些实施例中，一种清洁半导体衬底的方法包括以下步骤。在以第一旋转频率旋转所述半导体衬底的同时，向所述半导体衬底的顶表面上施加第一药剂。在以第二旋转频率旋转所述半导体衬底的同时，将所述半导体衬底浸没在第二药剂中。在向所述半导体衬底的所述顶表面上引入第三药剂的同时，以第三旋转频率旋转所述半导体衬底。所述第一旋转频率大于所述第三旋转频率且所述第三旋转频率大于所述第二旋转频率。
附图说明
结合附图阅读以下详细说明，会最好地理解本发明的实施例的各个方面。应注意，根据本行业中的标准惯例，各种特征并非按比例绘制。事实上，为清晰论述起见，可任意增大或减小各种特征的尺寸。在说明书通篇及全部图式中，相同参考编号标示相同特征。
图1是集成电路的剖视示意图，其示出由静电电荷积聚造成的破坏影响。
图2是绘示根据一些实施例的一种清洁半导体衬底的示例性方法的流程图，所述方法包括步骤202、步骤204及步骤206。
图3是说明在向半导体衬底的顶表面上施加第一药剂的同时以第一旋转频率旋转的半导体衬底(在步骤202中)的剖视图。
图4说明浸没在第二药剂中的图2所示的半导体衬底(在步骤204中)。
图5说明在对半导体衬底的顶表面引入第三药剂的同时以第三旋转频率旋转的图4所示的半导体衬底(在步骤206中)。
图6是在一些实施例中在半导体衬底已经过步骤202及/或步骤206之后而不经过步骤204(浸没步骤)时的半导体衬底的缺陷图(defect map)。
图7是在一些实施例中在半导体衬底已经过步骤202、步骤204及步骤206且步骤206是在10转/分钟条件下执行之后的半导体衬底的缺陷图。
图8是根据一些实施例的在半导体衬底已经过步骤202、步骤204及步骤206且步骤206是在300转/分钟条件下执行之后的半导体衬底的缺陷图。
图9是根据一些实施例的在半导体衬底已经过步骤202、步骤204及步骤206且步骤206是在600转/分钟条件下执行之后的半导体衬底的缺陷图。
[符号的说明]
100：半导体装置
102：半导体衬底
104、106：源极/漏极区
105：栅极电极
110：导电材料
112、114、116：金属内连线
118：层间介电质
120：光刻胶
125：沟槽
200：示例性方法
202、204、206：步骤
302：半导体衬底/衬底
304：第一药剂
306：静电电荷
308：微粒
404：第二药剂
504：第三药剂/介质
具体实施方式
以下公开内容提供许多不同的实施例或实例以用于实作本发明的实施例的不同特征。以下阐述组件及配置形式的具体实例以简化本公开内容。当然，这些仅为实例而并非旨在进行限制。举例来说，以下说明中将第一特征形成在第二特征“之上”或第二特征“上”可包括其中第一特征与第二特征被形成为直接接触的实施例，且也可包括其中第一特征与第二特征之间可形成有附加特征、进而使得所述第一特征与所述第二特征可能不直接接触的实施例。另外，本公开内容可能在各种实例中重复使用参考编号及/或字母。这种重复使用是出于简明及清晰的目的，而自身并不表示所论述的各种实施例及/或配置之间的关系。
此外，为易于说明，本文中可能使用例如“在...之下(beneath)”、“在...下方(below)”、“下部的(lower)”、“在...上方(above)”、“上部的(upper)”等空间相对性用语来阐述图中所示的一个元件或特征与另一(其他)元件或特征的关系。所述空间相对性用语旨在除图中所绘示的取向外还囊括装置在使用或操作中的不同取向。设备可具有其他取向(旋转90度或处于其他取向)，且本文中所使用的空间相对性描述语可同样相应地进行解释。
在本发明的实施例中，单数形式“一(a、an)”及“所述(the)”包括复数指称形式，且除非上下文另外清晰地指明，否则在提及特定数值时包括至少所述特定值。因此，举例来说，在提及“半导体衬底”时是提及所属领域中的技术人员所知的这种结构及其等效形式中的一者或多者等。当使用先行词“约”将值表示成近似值时，应理解，所述特定值将形成另一实施例。本文所使用的“约X”(其中X是数值)优选地是指所列值的±10％，且包括所列值。当存在时，所有范围均被包括在内且可进行组合。举例来说，当列出“1到5”的范围时，所列范围应被视为包括“1到4”、“1到3”、“1到2”、“1到2以及4到5”、“1到3以及5”、“2到5”等范围。另外，当以肯定方式提供一系列替代形式时，这种罗列可被解释为意指可排除这些替代形式中的任一者，例如通过权利要求中的否定限制来排除。举例来说，当列出“1到5”的范围时，所列范围可被视为包括1、2、3、4、或5中的任一者以否定方式被排除的各种情况；因此“1到5”的叙述可被视为“1以及3到5但不包括2”或者简单地“其中不包括2”。旨在可在权利要求中将本文以肯定方式列出的任何组件、元件、属性、或步骤明确地排除，而无论这些组件、元件、属性、或步骤是否被列为替代形式或者这些组件、元件、属性、或步骤是否被孤立地列出。
在半导体工艺(例如光刻(lithography)显影(development)工艺)中，需要清洁半导体衬底(substrate)(例如硅晶片(silicon wafer))。在一些实施例中，半导体衬底使用去离子(deionized，DI)水来进行冲洗(rinse)，其中衬底是以高速旋转。尽管这种冲洗工艺会移除衬底上的副产物或污染，然而这种冲洗工艺常常会导致静电电荷在衬底内积聚。这种静电电荷可破坏半导体或相关联的集成电路的组件。在另一些实施例中，使用酸性水来替代去离子水。尽管使用酸性水可减少静电电荷，然而会增加成本且因这种药剂(agent)的性质而危及安全性。因此，需要一种工艺来清洁半导体衬底以减少或消除静电电荷，而不增加成本或危及安全性。
本发明的实施例提供在半导体工艺中(例如，在光刻显影工艺期间或在光刻显影工艺之后)清洁半导体衬底的方法。本文所公开的方法能减少衬底内的静电电荷，从而提高半导体衬底及所得到的集成电路的效果。半导体衬底上的特定污染及因静电荷(staticcharges)引起的破坏均得到减少或消除。因此，本文所述的方法为来自半导体衬底的半导体装置提供高的良率。
除非另外明确地指明，否则本文中在提及“药剂”(agent)或“介质”(medium)时应理解为囊括包含用于洗涤或清洁半导体装置的化合物或混合物的化学组合物。药剂或介质也被称为清洁剂或清洁介质、溶剂(solvent)、或者溶液(solution)。在一些实施例中，药剂或介质包括去离子水或纯水或者包含添加剂(additive)的水或含少量(例如少于5重量％)添加剂(例如醇)的水溶液。
除非另外明确地指明，否则本文中在提及“旋转频率”(rotational frequency)时应理解为囊括衬底架(substrate holder)上的半导体衬底旋转(rotate)(或转动(spin))的速度。旋转频率或旋转速度在适合的单元中可为零或大于零的值，例如每分钟若干转。当旋转频率或旋转速度为每分钟零转时，半导体衬底为静止的。
在制作集成电路期间，对半导体衬底执行各种物理工艺及化学工艺。作为这些工艺中的一种工艺，光刻涉及到在衬底上形成三维几何特征。这使得晶体管(transistors)与其他组件能够隔离及连接，从而形成集成电路的精密电路系统。光刻工艺常常涉及到使用光刻胶(photoresist)。这种光刻胶以薄层形式施加到衬底或介电材料。将光刻胶(例如感光性聚合物)暴露到浮凸图像(relief image)，从而使衬底或介电质的一部分被光刻胶覆盖而其他部分不被覆盖。衬底的被覆盖部分则受到保护而不经历蚀刻(etching)、离子植入(ion implantation)或其他图案转移机制。
光刻工艺中的一个步骤需要将光刻胶显影来图案化介电层。在这种显影工艺期间，对光刻胶施加显影剂以在衬底上形成所期望的轮廓(profile)。在显影之后，必须对衬底、光刻胶及介电质进行清洁以移除微粒(particle)及其他缺陷。本文所述的清洁半导体衬底的方法会使衬底内的静电电荷(electrostatic charge)消散、同时还减少缺陷数(defect count)。在一些实施例中，所述方法包括在以高速旋转衬底的同时，使用去离子(DI)水来冲洗衬底。在高速冲洗之后，在衬底静止的同时将衬底暴露到或浸没(immerse)到去离子水浴(bath)中。最终，衬底使用去离子水进行低速冲洗。
图1是说明静电电荷可对示例性半导体装置100造成的破坏的示意图，示例性半导体装置100包括设置在半导体衬底102上的集成电路。半导体装置100可包括设置在半导体衬底102上的晶体管，且所述晶体管可由多个源极/漏极(source/drain)区104、106以及一个或多个栅极(gate)电极105来界定。金属内连线(metal interconnects)112、114、116通过导电材料110耦合到半导体衬底102。层间介电质(interlayer dielectric)118接触多条金属内连线112、114、116或设置在多条金属内连线112、114、116之上。参考图1，在示例性光刻工艺期间，在层间介电质118上设置光刻胶120。可对光刻胶120进行图案化以界定沟槽(trenches)125来用于进一步的工艺。
在一些实施例中，当例如利用去离子水清洁半导体衬底102并接着进行干燥时，静电电荷会积聚在绝缘材料(例如光刻胶120及层间介电质118)上。无任何离子或电解质的高纯水可造成静电荷积聚。这些电荷可沿金属内连线112、114、116行进，并破坏敏感的装置特征(例如晶体管)。这种破坏对集成电路的效能产生负面影响且降低半导体装置的总体良率。
参考图2，根据一些实施例提供一种在减少静电电荷的积聚的同时清洁半导体衬底的示例性方法200。示例性方法200可在其中温度接近室温或为约摄氏23度到约摄氏25度的环境中执行。
在步骤202中，在以第一旋转频率(或速度)旋转半导体衬底302的同时，向半导体衬底302的顶表面上施加第一药剂304。半导体衬底302可为硅晶片或任何其他适合的衬底。衬底302可具有任何适宜的大小及形状。在一些实施例中，衬底302实质上为直径约200mm的圆形。衬底302可包括所阐述的示例性半导体装置100及相关结构特征。第一药剂304为流体或液体介质。适合的第一药剂的实例为去离子水或纯水或者包含少量添加剂(例如挥发性醇)的水。第一旋转频率(或速度)等于或高于900转/分钟(rpm)或1,000rpm，例如介于约1,000rpm到2,000rpm的范围内。
第一药剂304可使用喷嘴或其他器件来施加。当对衬底302施加第一药剂304时，衬底302的旋转及相关联的离心力会使第一药剂304的至少一部分从表面排出。步骤202可移除表面上存在的微粒及缺陷。在一些实施例中，第一药剂304为去离子水。有利地是，去离子水在处理上是安全的且相对便宜，从而能够降低加工成本。作为另外一种选择，第一药剂304可为任何其他适合的流体。虚线所示静电电荷306可在半导体衬底302中累积。
在图2所示步骤204中，在以第二旋转频率(或速度)旋转衬底302的同时，将半导体衬底302浸没在第二药剂404中。可将第二药剂404及半导体衬底302放置在容器(图中未示出)内。这一工艺示于图4中。在优选实施例中，在步骤204，第二旋转频率为零且衬底302保持静止。作为另外一种选择，衬底302可以低速、例如介于约0.1rpm到约20rpm范围内(如约5rpm或10rpm)的速度旋转。通过将衬底302浸没在第二药剂404中，已累积在衬底302中的静电电荷306能够通过第二药剂404消散(dissipate)，如图4所示。在一些实施例中，第二药剂404也为去离子水。作为另外一种选择，第二药剂404可为任何其他适合的流体，例如为包含水及少量(例如，少于5重量％、2重量％或1重量％)添加剂(例如醇)的水性混合物(aqueousmixture)。第二药剂404可包含气体，例如二氧化碳。在一些实施例中，第二药剂404是电阻率介于约1×103欧姆·米(ohm·meter)与约1×106欧姆·米之间、例如介于约5×103欧姆·米与约5×105欧姆·米之间的流体。在另一优选实施例中，第二药剂404是电阻率介于约1×105欧姆·米与约3×105欧姆·米之间的流体。在一些实施例中，第二药剂404是电阻率为约1.8×105欧姆·米的流体。第二药剂404可为去离子水。在一些实施例中，第二药剂404可为包含二氧化碳且具有约5×103欧姆·米的电阻率的去离子水。通过使用具有适合的电阻率的药剂(或液体介质)，静电电荷306可通过第二药剂404来消散。
衬底302可浸没或保持在第二药剂404中达任何适合的持续时间，例如达介于约5秒到约50秒、约5秒到约30秒或约8秒到约10秒范围内的持续时间。在一些实施例中，衬底302浸没在或浸渍(dip)到第二药剂404中达介于约8秒与约10秒之间的持续时间。在一些实施例中，微粒308可通过第二药剂404扩散且被沉积在衬底302上，如图4所示。
另外，在至少一些实施例中，在浸没步骤204之后，在步骤206中，半导体衬底302进行额外的冲洗。示例性步骤206示于图5中。在步骤206中，在旋转衬底302的同时，对衬底302的顶表面施加第三药剂(或介质)504。第三药剂504也可为去离子水。在步骤206，衬底302的旋转速度低于步骤202中的旋转速度。然而，由所述旋转造成的离心力足以使第三药剂504的一部分从表面排出(expel)。这种较低的速度在移除步骤204中通过第二药剂404扩散且沉积在衬底302上的微粒308的一部分的同时，使累积在衬底上的静电电荷306最少化。本发明人惊讶地发现，将以介于约300转/分钟到约600转/分钟范围内的旋转频率旋转衬底302与进行浸没的步骤204相结合，会提供包括静电荷最少及颗粒污染最少在内的有利的结果。
进行了实验来确定本文所述的示例性方法200的效果。参考表1，在一次实验(实例1)中，在步骤202及步骤206之后且不经过步骤204的情况下，每一晶片的缺陷数(表面上的微粒的量度(measure))为42(如图6所示)且电位(静电电荷的量度)为负11.3伏特。所测量的缺陷图示于图6中，其中衬底302上具有微粒308。
在实例2到实例6中，执行了包括静止地浸没在去离子水中的步骤204。步骤206中的旋转速度从实例2到实例6增大。在实例2中，步骤206中的旋转速度为10rpm。电位降低到负2.4伏特，同时每个晶片的缺陷数为317。实例2的缺陷图示于图7中。如表1所示，步骤206中的介于约300rpm到约600rpm范围内(在实例3到实例4中)的旋转频率提供包括颗粒污染低及静电荷低两者在内的最佳结果。在以300rpm(实例3)及600rpm(实例4)的旋转频率进行步骤206之后所测量的缺陷图分别示于图8及图9中。
当在步骤206的旋转频率继续增大时(在实例5到实例6中)，静电电荷再次增多，如表1所示。
表1
第三旋转频率(rpm) 缺陷数(每个晶片的颗粒) 电位(伏特)
实例1(不进行步骤204) 42 -11.3
实例2(进行步骤204) 10 317 -2.373
实例3(进行步骤204) 300 70 -6.4
实例4(进行步骤204) 600 24 -7.0
实例5(进行步骤204) 900 无法测量 -8.1
实例6(进行步骤204) 1200 无法测量 -9.8
本发明的实施例提供一种清洁半导体衬底的方法。在一些实施例中，本文所述的示例性方法包括以下步骤：在以第一旋转频率旋转所述半导体衬底的同时，向所述半导体衬底的顶表面上施加第一药剂；在以第二旋转频率旋转所述半导体衬底的同时，将所述半导体衬底浸没在第二药剂中；以及在向所述半导体衬底的所述顶表面上引入第三药剂的同时，以第三旋转频率旋转所述半导体衬底。在一些实施例中，所述第一旋转频率大于所述第三旋转频率且所述第三旋转频率大于所述第二旋转频率。第一药剂、第二药剂及第三药剂为不同的或相同的。在一些实施例中，第一药剂、第二药剂及第三药剂中的每一者为去离子水。在一些实施例中，第二药剂为电阻率介于约1×103欧姆·米与约1×106欧姆·米之间、例如介于约5×103欧姆·米与约5×105欧姆·米之间的流体。第二药剂可为电阻率介于约1×105欧姆·米(Ω·m)到约3×105Ω·m范围内(例如约1.8×105Ω·m)的适合的液体清洁剂。第二药剂可为包含二氧化碳且具有约5×103Ω·m的电阻率的去离子水。第一药剂及第三药剂相同于具有相同电阻率的第二药剂。
在一些实施例中，所述第二旋转频率为每分钟零转且所述半导体衬底在所述浸没步骤期间为静止的。所述第三旋转频率处于适合的范围内，例如介于约200转/分钟(rpm)到约1,000rpm、例如约300rpm到约600rpm或约500rpm到约600rpm的范围内。
在一些实施例中，在浸没步骤期间，所述半导体衬底被浸没在第二药剂中达适合的持续时间，例如达介于约5秒到约50秒、约5秒到约30秒或约8秒到约10秒范围内的持续时间。
所述示例性方法的步骤中的每一步骤可在介于约摄氏23度到约摄氏25度范围内的温度下执行。
本发明的实施例还包括一种包括以下步骤的方法：在以第一旋转频率旋转所述半导体衬底时，对所述半导体衬底的顶表面施加第一药剂；以及将所述半导体衬底浸没在第二药剂中且以第二旋转频率旋转所述半导体衬底。在这些实施例中，第二药剂具有介于约5×103Ω·m到约5×105Ω·m范围内的电阻率。在一些实施例中，第二药剂可具有介于约1×105欧姆·米(Ω·m)到约3×105Ω·m范围内(例如约1.8×105欧姆·米(Ω·m))的电阻率。所述半导体衬底可为硅晶片。所述方法还可包括在对所述半导体衬底的所述顶表面引入第三药剂时以第三旋转频率旋转所述半导体衬底的步骤，其中所述第一旋转频率大于所述第三旋转频率且所述第三旋转频率大于所述第二旋转频率。第一药剂、第二药剂及第三药剂可分别为去离子水。所述第三旋转频率可介于约300转/分钟(rpm)到约600rpm的范围内。在一些实施例中，在浸没步骤期间，所述半导体衬底被浸没在第二药剂中达介于约5秒到约50秒、例如约8秒到约10秒范围内的持续时间。
清洁半导体衬底的其他实施例包括以下步骤：在以第一旋转频率旋转所述半导体衬底时，对所述半导体衬底的顶表面施加第一药剂；在所述半导体衬底静止的同时，将所述半导体衬底浸没在第二药剂中；以及在对所述半导体衬底的所述顶表面引入第三药剂的同时，以第三旋转频率旋转所述半导体衬底。第一药剂、第二药剂及第三药剂具有相同的组成且为液体清洁介质(或药剂)。所述第一旋转频率大于所述第三旋转频率。所述药剂可为去离子水。作为另外一种选择，液体清洁剂可为电阻率处于适合的范围内、例如介于约1×105欧姆·米(Ω·m)到约3×105Ω·m范围内(例如1.8×105Ω·m)的药剂。在一些实施例中，所述第三旋转频率介于约300转/分钟到约600转/分钟的范围内。在某些实施例中，在所述浸没步骤期间，所述半导体衬底浸没在所述液态清洁剂中达介于约8秒到约10秒范围内的持续时间。在某些实施例中，所述步骤中的每一步骤是在介于约23摄氏度到约25摄氏度范围内的温度下执行。
以上概述了若干实施例的特征，以使所属领域中的技术人员可更好地理解本发明的各个方面。所属领域中的技术人员应知，其可容易地使用本发明作为设计或修改其他工艺及结构的基础来施行与本文中所介绍的实施例相同的目的及/或实现与本文中所介绍的实施例相同的优点。所属领域中的技术人员还应认识到，这些等效构造并不背离本发明的精神及范围，而且他们可在不背离本发明的精神及范围的条件下对其作出各种改变、代替、及变更。

Claims (1)

1.一种清洁半导体衬底的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在以第一旋转频率旋转所述半导体衬底的同时，向所述半导体衬底的顶表面上施加第一药剂；
在以第二旋转频率旋转所述半导体衬底的同时，将所述半导体衬底浸没在第二药剂中；以及
在向所述半导体衬底的所述顶表面上引入第三药剂的同时，以第三旋转频率旋转所述半导体衬底；
其中所述第一旋转频率大于所述第三旋转频率且所述第三旋转频率大于所述第二旋转频率。
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