CN111584340B - 晶圆的清洗方法 - Google Patents

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Abstract

一种晶圆的清洗方法，包括以下步骤：提供晶圆；清洗所述晶圆表面，清洗后的所述晶圆表面呈正电性，晶圆表面残留物具有负电性；调节所述晶圆表面电性或所述残留物的电性，使所述晶圆表面和所述残留物的呈相同电性；对所述晶圆表面进行干燥，去除所述残留物。根据同性相斥的原理，经过调节后所述残留物与所述晶圆表面电性相同，因此所述残留物不会粘附在所述晶圆的表面，而是悬浮在晶圆表面的液膜内。在后续的干燥过程中，悬浮在液膜内的残留物会随着液膜一起被去除，提高了产品良率。

Description

晶圆的清洗方法
技术领域
本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种晶圆的清洗方法。
背景技术
目前在半导体器件的的制造工艺中，经常会在具有叠层结构的半导体器件表面上形成凸凹不平的结构，通常使用化学机械研磨(CMP)工艺平整凸凹不平的表面。
化学机械研磨亦称为化学机械抛光，是目前机械加工中唯一可以实现表面全局平坦化的技术。化学机械研磨工艺中，一般是把芯片放在旋转的研磨垫(pad)上，再加一定的压力，使用含有抛光颗粒(例如SiO2颗粒)的研磨液(slurry)，在化学腐蚀与磨削移除的交互作用下进行平坦化。
在化学机械研磨工艺之后，研磨液中的颗粒成为缺陷微粒存在于晶圆表面，因此必须从晶圆表面完全除去才能保持半导体器件的可靠性和生产线的清洁度。
鉴于此，实有必要提出一种晶圆的清洗方法，以提升清洗效果，从而提高产品的良率。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种晶圆的清洗方法，以提升清洗效果，提高产品良率。
为解决上述技术问题，本发明提供一种晶圆的清洗方法，包括以下步骤：提供晶圆；清洗所述晶圆表面，清洗后的所述晶圆表面呈正电性，晶圆表面残留物具有负电性；调节所述晶圆表面电性或所述残留物的电性，使所述晶圆表面和所述残留物呈相同电性；对所述晶圆表面进行干燥，去除所述残留物。
可选的，所述晶圆表面包括SiN层或金属Cu层。
可选的，在清洗所述晶圆表面之前，还包括：对所述晶圆进行化学机械研磨，所述化学机械研磨所使用的研磨液中含有SiO2或Al2O3颗粒。
可选的，清洗所述晶圆表面包括：先采用清洗剂和去离子水的混合溶液清洗所述晶圆表面；然后，用去离子水清洗所述晶圆表面。
可选的，所述清洗剂为碱性溶液，pH值为9～13。
可选的，所述碱性溶液是二甲基乙醇胺溶液，或者是氢氧化四甲胺和乙醇胺的混合溶液。
可选的，调节所述晶圆表面电性的方法为：采用碱性溶液润湿所述晶圆表面，使晶圆表面呈负电性。
可选的，所述碱性溶液的pH值为9～13。
可选的，所述碱性溶液是二甲基乙醇胺溶液，或者是氢氧化四甲胺和乙醇胺的混合溶液。
可选的，调节所述残留物的电性的方法为：对所述残留物进行表面修饰，使所述残留物呈正电性。
可选的，所述干燥采用IPA干燥工艺。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：在清洗所述晶圆表面之后，通过调节所述晶圆表面电性或所述残留物的电性，使所述晶圆表面和所述残留物的呈相同电性。根据同性相斥的原理，原本粘附于所述晶圆表面的残留物离开所述晶圆表面，悬浮于所述晶圆表面的液膜中；在后续的干燥过程中，悬浮在液膜中的残留物，会随着液膜一起被去除，提高了产品良率。
附图说明
图1是对晶圆表面进行干燥的示意图；
图2至图11是本发明实施例晶圆清洗过程中各步骤的示意图。
具体实施方式
目前，常用的去除化学机械研磨后晶圆表面的残留物的清洗方法一般包括：采用清洗剂清洗晶圆1表面，然后再以大量的去离子水冲洗掉大颗的残留物3和清洗剂，最后对晶圆表面进行干燥。
但是，在以大量的去离子水进行冲洗之后，一些细小的残留物3并不能被完全冲洗掉，并且，由于残留的细小残留物3在所述晶圆1表面的去离子水液膜2中呈现负电性，而所述晶圆表面在去离子水液膜2的环境下呈现正电性，二者电性相反，残留的细小残留物3因吸引力会粘附在所述晶圆1表面，难以在后续的干燥工艺中被去除，降低产品良率，如图1所示。
为了克服上述缺陷，发明人进行了研究，发现在清洗所述晶圆1表面之后，调节所述晶圆1表面电性或所述残留物3的电性，使所述晶圆1表面的电性和残留物3的电性相同。根据同性相斥的原理，所述残留物3不会粘附在所述晶圆1的表面，而是悬浮在晶圆表面的液膜内，并在后续的干燥过程中随着液膜一起被去除。
为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
图2至图11是本发明实施例晶圆清洗过程中各步骤的示意图。
参考图2，提供晶圆1，所述晶圆1表面经过化学机械研磨工艺处理过。
本实施例中，经过化学机械研磨工艺处理后的所述晶圆1表面会产生残留物3。
作为一个实例，当在所述晶圆1表面包括有SiN层时，采用包括SiO2颗粒的研磨液去平坦化SiN层，最终研磨后附着于所述晶圆1表面的残留物3为SiO2颗粒。
其他实例中，所述晶圆1表面还可以形成有其他材料的膜层，研磨液中也可以包含其他研磨颗粒，例如，所述晶圆表面包括金属Cu层，通常采用包括Al2O3颗粒的研磨液进行研磨，最终研磨后附着于所述晶圆1表面的残留物3为Al2O3颗粒。
本实施例中，清洗步骤之前还包括：将所述晶圆1放置于清洗设备中。
参考图3，所述清洗设备包括至少一个晶圆辊4、喷洒装置5、刷子6。其中：所述晶圆辊4的外周具有凹槽，所述凹槽的轴心线与所述晶圆辊4的轴心线重合。所述晶圆辊4用于承载所述晶圆1，并带动所述晶圆1转动。清洗前将所述晶圆1置于所述凹槽内。
通过所述晶圆辊4、所述喷洒装置5、所述刷子6的配合运动，能够促使所述喷洒装置5和所述刷子6喷出的液体更加均匀的喷洒在所述晶圆1的表面，使所述刷子6刷洗到所述晶圆1表面的每个位置，并且可提高效率，节省时间。
为了便于清洗所述晶圆1的正反两个表面，提升效率，所述晶圆1的正反两面的方位均布置有所述喷洒装置5和所述刷子6(如图4所示)。
本实施例中，清洗所述晶圆1表面的具体步骤如下：
首先，参考图5，润湿所述晶圆1表面；其次，参考图6，对所述晶圆1表面进行冲刷；最后，参考图8，对所述晶圆1表面进行冲洗。
继续参考图5，本实施例中，润湿工艺采用的介质21为去离子水。其他实施例中，所述介质21也可以采用其他液体。
对所述晶圆1表面进行润湿有助于所述介质21在所述晶圆1表面附着和扩展，所述介质21逐渐渗入到所残留物3和所述晶圆1表面之间，可以减少所述残留物3与所述晶圆1表面之间的物理吸附力，削弱了所述残留物3对所述晶圆1表面的粘附。
本实施例中，润湿工艺所采用的参数为：以500mL/min～3000mL/min的流量向所述晶圆1喷洒去离子水，润湿时间为5s～10s。在此过程中，可选的，所述晶圆1以5r/min～500r/min的转速转动，以便于加速润湿过程。
其中，具体的流量和时间参数可以根据实际需要选择，例如，喷洒去离子水的流量选择为500mL/min、800mL/min、1000mL/min、1500mL/min、2000mL/min、2500mL/min、3000mL/min等，时间选择为5s、6s、7s、8s、9s、10s等，所述晶圆1转速选择为5r/min、10r/min、50r/min、100r/min、200r/min、300r/min、400r/min、500r/min等。
其他实施例中，润湿工艺也可采用其他参数，可以根据晶圆、残留物、润湿所采用的的介质等视具体情况而定。
继续参考图6，冲刷工艺包括：在所述晶圆1的表面喷洒清洗剂和去离子水的混合溶液22，同时刷洗所述晶圆1的正反面，以去除大量的所述残留物3；然后，停止使用所述清洗剂，采用去离子水冲刷所述晶圆1。
作为一个实例，当所述晶圆1表面包括SiN层，所述残留物3为SiO2颗粒时，所述清洗剂采用碱性溶液，pH值为9～13。在优选的实例中，所述碱性溶液可以选择为二甲基乙醇胺溶液；所述碱性溶液的pH值可选择为9、10、11、12或13。
参考图7，为SiN和SiO2的电动电位(zate potential，又称为电动电势)随着pH值的变化曲线。其中，曲线A表示SiN的电动电势的变化曲线，曲线B表示的是SiO2的电动电势的变化曲线。
虽然，电动电位在数字上并不严格等于固体材料表面的电位，但是，电动电位能够近似地表示材料在液体中其表面所带有的静电荷的电位。一般来说，电动电位<0时，表示材料表面带有静的负电荷，即为负电性；电动电位>0时，表示材料表面带有静的正电荷，即为正电性。
从图7中可以看出，SiN和SiO2在不同的酸碱性环境下，会呈现不同的电性：SiN在碱性环境下带有负电，随着pH值的减小，其负电性会减弱，甚至变成正电性；而SiO2在酸性和碱性环境下均呈现负电性。因此，在采用碱性的溶液作为清洗剂时，所述晶圆表面的处于碱性环境中，所述晶圆1表面的SiN薄膜层和所述SiO2颗粒均呈负电性。根据同性相斥的原理，所述晶圆1与所述SiO2颗粒相互排斥，所述SiO2颗粒易于从所述晶圆1表面分离，提高了清洗的效率。
其他实例中，当所述晶圆1表面包括其他材料的膜层，所述残留物3为其他物质时，所述清洗剂也可选用其他溶液。例如，当所述晶圆表面包括金属Cu层(Cu的电动电位随着pH值的变化趋势与SiN基本相同)，所述残留物为SiO2颗粒或者Al2O3颗粒(Al2O3颗粒的电动电位随着pH值的变化趋势与SiO2颗粒相似)时，所述清洗剂采用碱性溶液，pH值为9～13。在优选的实例中，所述碱性溶液选择为氢氧化四甲胺和乙醇胺的混合溶液；所述碱性溶液的pH值可选择为9、10、11、12或13。
本实施例中，所述冲刷工艺所采用的参数为：以500mL/min～3000mL/min的流量向所述晶圆1喷洒所述清洗剂和去离子水的混合溶液或者去离子水，同时，以5r/min～500r/min的转速转动所述刷子6，以5r/min～500r/min的转速转动所述晶圆1，采用清洗剂和去离子水的混合溶液进行冲刷的时间为1min～2min，仅采用去离子水进行冲刷的时间为20s～60s。
其中，具体的流量和转速等参数可以根据实际需要选择，例如，喷洒的流量选择为500mL/min、800mL/min、1000mL/min、1500mL/min、2000mL/min、2500mL/min、3000mL/min等，所述刷子6的转速为5r/min、10r/min、50r/min、100r/min、200r/min、300r/min、400r/min、500r/min等，所述晶圆1的转速为5r/min、10r/min、50r/min、100r/min、200r/min、300r/min、400r/min、500r/min等，采用清洗剂和去离子水的混合溶液进行冲刷的时间为60s、70s、80s、90s、100s、110s、120s等，仅采用去离子水进行冲刷的时间为20s、30s、40s、50s、60s等。
其他实施例中，所述冲刷工艺也可采用其他参数，可以根据晶圆、残留物、清洗剂等视具体情况而定。
本实施例中，先将化学清洗工艺和刷洗工艺结合在一起，并且利用了同性相斥的原理，使所述残留物3，更加容易从所述晶圆1的表面分离，提高了清洗效率。然后用去离子水冲刷所述晶圆1，能够高效地去除所述晶圆1表面残留的清洗剂和残留物3。
继续参考图8，所述冲洗工艺包括：采用去离子水冲洗所述晶圆1表面，以冲干净大颗的残留物3。
本实施例中，所述冲洗工艺所采用的参数为：以500mL/min～3000mL/min的流量向所述晶圆1喷洒去离子水，同时，以5r/min～500r/min的转速转动所述刷子6；所述冲洗的时间为20s～60s。在此过程中，可选的，所述晶圆1以5r/min～500r/min的转速转动。
其中，具体的流量和转速等参数可以根据实际需要选择，例如，喷洒的流量选择为500mL/min、800mL/min、1000mL/min、1500mL/min、2000mL/min、2500mL/min、3000mL/min等，所述刷子6的转速为5r/min、10r/min、50r/min、100r/min、200r/min、300r/min、400r/min、500r/min等，冲洗的时间选择为20s、30s、40s、50s、60s等，所述晶圆1的转速为5r/min、10r/min、50r/min、100r/min、200r/min、300r/min、400r/min、500r/min等。
其他实施例中，所述冲洗工艺也可采用其他参数，可以根据晶圆、残留物、清洗剂等视具体情况而定。
本实施例中，在所述冲刷工艺中采用去离子水进行冲刷后，仍然用去离子水冲洗所述晶圆1表面的原因是：虽然冲刷工艺的步骤中，结合了冲洗工艺和刷洗工艺，可以快速高效的去除所述晶圆1表面的清洗剂和残留物3，但是，所述刷子6的刷毛上不可避免的会附着上残留物3，使用所述刷子6刷洗时，可能会导致残留物3重新附着在所述晶圆1表面，因而，冲刷工艺之后，停止使用所述刷子6，仅采用所述喷洒装置5向所述晶圆1喷洒去离子水以冲洗所述晶圆1表面，可以进一步去除所述晶圆1表面残留物3。
本实施例中，在清洗所述晶圆表面的过程中，采用了所述润湿工艺、所述冲刷工艺、所述冲洗工艺。其他实施例中，可以在本实施例的基础上加以变化，例如，将上述工艺的全部或部分重复使用，或者，增添其他步骤，或者，减去一些步骤，例如，将采用去离子水进行冲刷的步骤去除，保留采用去离子水进行冲洗的步骤；也可以采用其他清洗方法，例如超声波清洗等。
本实施例中，通过清洗所述晶圆1表面，可以有效的去除所述晶圆1表面的残留物3，特别是较大颗粒的残留物3，但是，仍然会有一些细小的残留物3不能被完全除去，残存在所述晶圆1表面的去离子水液膜2中，甚至粘附在所述晶圆1的表面。这是因为，在冲洗的过程中，去离子水会溶解空气中的CO2，呈现弱酸性，使所述去离子水液膜2的pH值下降。在此环境下，所述残留物3与所述晶圆1表面带相反电性，由于异性相吸的原理，会粘附至所述晶圆1的表面。
作为一个实例，当所述晶圆1表面包括SiN层，所述残留物3为SiO2颗粒时，参考图7，随着pH值的减小，SiN负电性会减弱，甚至变成正电性；而SiO2在酸性和碱性环境下均呈现负电性。此时，所述晶圆1的表面和SiO2颗粒电性相反。根据异性相吸的原理，所述晶圆1与所述SiO2颗粒相互吸引，那些悬浮在所述去离子水液膜中的细小SiO2颗粒会回粘至所述晶圆1的表面。
其他实例中，例如，当所述晶圆1表面包括金属Cu层，所述残留物3为SiO2颗粒或Al2O3颗粒时，由于相似的原因，所述晶圆1与细小的残留物3相互吸引，那些悬浮在所述离子水液膜2中的细小残留物3会回粘至所述晶圆1的表面。
参考图9，在清洗所述晶圆1表面之后，调节所述晶圆1表面电性，使所述晶圆1表面与所述残留物3呈相同电性。
本实施例中，调节所述晶圆1表面电性的步骤包括：用pH值为9～13的碱性溶液润湿所述晶圆1表面。
本实施例中，所述pH值为9～13的碱性溶液可以采用二甲基乙醇胺溶液，也可以采用氢氧化四甲胺和乙醇胺的混合溶液，或者其他碱性溶液；pH值可选择为9、10、11、12或13。
本实施例中，调节所述晶圆1表面电性的碱性溶液和所述冲刷工艺中所用碱性溶液可以相同，也可以不同。即使二者是相同的，在清洗过程中，为了清除所述晶圆1表面大量的残留物，特别是较大颗粒的残留物，需采用去离子水冲刷或冲洗所述晶圆1表面，但是同时也会将冲刷过程中采用的碱性溶液基本上完全去除，即使有微量的碱性溶液残留，也不足以影响所述晶圆1表面的去离子水液膜2的酸碱性，因此，仍然需要用碱性溶液来润湿所述晶圆1的表面，以改变所述晶圆1表面的酸碱性，从而实现所述晶圆1表面电性的调节。
本实施例中，调节电性时所采用的参数为：以500mL/min～3000mL/min的流量向所述晶圆1喷洒所述碱性溶液，时间为1s～20s。在此过程中，可选的，所述晶圆1以5r/min～500r/min的转速转动，以便于加速润湿过程。
其中，具体的流量和时间参数可以根据实际需要选择，例如，流量为500mL/min、800mL/min、1000mL/min、1500mL/min、2000mL/min、2500mL/min、3000mL/min等，时间为5s、6s、7s、8s、9s、10s等，所述晶圆1转速为5r/min、10r/min、50r/min、100r/min、200r/min、300r/min、400r/min、500r/min等。
其他实施例中，调节电性的步骤也可采用其他参数，可以根据晶圆、残留物、所采用的碱性溶液视具体情况而定。
本实施例中，通过用碱性溶液润湿所述晶圆1的表面，所述晶圆1表面的液膜由呈现酸性环境的去离子水液膜2改变为液膜23，所述液膜23为碱性环境。
作为一个实施例，当所述晶圆1表面包括SiN层，所述残留物3为SiO2颗粒时，结合图7可知，随着pH值的变大，所述晶圆1表面的正电性逐渐变弱，在碱性环境下，由正电性转变为负电性；所述SiO2颗粒也呈负电性。根据同性相斥原理，所述SiO2颗粒会离开所述晶圆1的表面，悬浮在所述晶圆1表面呈碱性环境的液膜23中。
在其他实例中，例如，当所述晶圆1表面包括金属Cu层，所述残留物3为SiO2颗粒或Al2O3颗粒时，由于相似的原因，所述晶圆1与细小的残留物相互排斥，那些粘附在所述晶圆1表面的细小的残留物3会离开所述晶圆1的表面，悬浮在在所述晶圆1表面呈碱性环境的液膜23中。
其他实施例中，也可以通过调节所述残留物3的电性，使所述晶圆1表面与所述残留物3呈相同电性。
作为一个实例，当所述晶圆1表面包括SiN层，所述残留物3为SiO2颗粒时，通过对SiO2颗粒进行表面修饰，可以改变的SiO2颗粒的电性，使其在溶解有CO2的去离子水液膜中呈现正电性。此时，所述晶圆1表面与所述SiO2颗粒均呈正电性。根据同性相斥的原理，所述SiO2颗粒会离开所述晶圆1的表面，悬浮在去离子水液膜2中，便于在后续的干燥工艺中随着液膜一起被去除。
其他实例中，也可采用其他技术手段来改变所述残留物3的表面电性，使所述晶圆1与所述残留物3呈相同电性。
参考图10，在使所述晶圆1表面与所述残留物3呈相同电性之后，对所述晶圆1表面进行干燥。
本实施例中，采用IPA干燥工艺对所述晶圆1的表面进行干燥，其原理如图11所示。所述晶圆1置于水槽7中。在所述水槽7上方临近出口处，所述晶圆1的两侧，均设置有喷杆8。当所述晶圆1被逐渐拉出所述水槽7(沿着如图11的箭头所示的方向移动)时，所述喷杆8向所述晶圆1的正反面喷射IPA(isopropyl alcohol，异丙醇)蒸汽与N2的混合气体，能够降低所述晶圆1表面上液膜的表面张力，由于马拉高尼效应，所述晶圆1表面的液膜向下运动，流入所述水槽7之中。所述水槽7中的水实时处于向外溢流的状态(溢流状态未图示)，以保证水质的清洁度。
本实施例中，由于经过电性调节，所述晶圆1表面和所述残留物3呈现相同电性。所述晶圆1表面和所述残留物3同性相斥，使细小的残留物3悬浮在液膜中。因此，在干燥的过程中，细小的残留物3会随着液膜一起流入入所述水槽7中，从而被去除，提高了所述晶圆1的清洁度。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (9)

1.一种晶圆的清洗方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供晶圆；
清洗所述晶圆表面，清洗后的所述晶圆表面呈正电性，晶圆表面残留物具有负电性；
清洗所述晶圆表面后，调节所述晶圆表面电性，使所述晶圆表面和所述残留物呈相同电性；
对所述晶圆表面进行干燥，去除所述残留物；
其中，调节所述晶圆表面电性的方法为：利用晶圆表面膜层的材料在碱性环境下呈负电性的特性，采用碱性溶液润湿所述晶圆表面，使晶圆表面呈负电性。
2.如权利要求1所述的晶圆的清洗方法，其特征在于，所述晶圆表面包括SiN层或金属Cu层。
3.如权利要求1所述的晶圆的清洗方法，其特征在于，在清洗所述晶圆表面之前，还包括：对所述晶圆进行化学机械研磨，所述化学机械研磨所使用的研磨液中含有SiO2或Al2O3颗粒。
4.如权利要求1所述的晶圆的清洗方法，其特征在于，清洗所述晶圆表面包括：先采用清洗剂和去离子水的混合溶液清洗所述晶圆表面；然后，用去离子水清洗所述晶圆表面。
5.如权利要求4所述的晶圆的清洗方法，其特征在于，所述清洗剂为碱性溶液，pH值为9～13。
6.如权利要求5所述的晶圆的清洗方法，其特征在于，所述碱性溶液是二甲基乙醇胺溶液，或者是氢氧化四甲胺和乙醇胺的混合溶液。
7.如权利要求1所述的晶圆的清洗方法，其特征在于，所述碱性溶液的pH值为9～13。
8.如权利要求1所述的晶圆的清洗方法，其特征在于，所述碱性溶液是二甲基乙醇胺溶液，或者是氢氧化四甲胺和乙醇胺的混合溶液。
9.如权利要求1所述的晶圆的清洗方法，其特征在于，所述干燥采用IPA干燥工艺。
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