CN112837994B

CN112837994B - 一种半导体器件的清洗方法

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Publication number: CN112837994B
Application number: CN201911167421.2A
Authority: CN
Inventors: 马一楠; 刘轩
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: 2019-11-25
Filing date: 2019-11-25
Publication date: 2022-12-09
Anticipated expiration: 2039-11-25
Also published as: CN112837994A

Abstract

本发明实施例提供了一种半导体器件的清洗方法。在本发明实施例中，在切换清洗溶液的间隙设置润湿工序，以保持所述堆叠结构间隙存在液体。通过增加润湿工序，不需要干燥前端器件层后再切换清洗溶液，能够避免前端器件层表面干燥过程中，由于清洗溶液的表面张力导致的堆叠结构倾斜。由此，本发明实施例的清洗方法能够避免相邻堆叠结构因倾斜而相互接触，从而避免相邻堆叠结构电连接导致的前端器件层短路。由此，能够提高半导体器件的良率，确保半导体器件的可靠性。

Description

一种半导体器件的清洗方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体器件的清洗方法。

背景技术

随着半导体制造工艺的不断发展，半导体器件的集成度越来越高，半导体器件的特征尺寸也逐渐缩小。然而，半导体器件的性能还需要提高。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种半导体器件的清洗方法，以提高半导体器件的性能。

本发明实施例的方法包括：

提供前端器件层，所述前端器件层包括多个堆叠结构；

采用不同的清洗溶液清洗所述前端器件层，以去除杂质，其中，在切换清洗溶液的工艺之间设置润湿工序，以保持所述堆叠结构间隙存在清洗溶液。

进一步地，所述润湿工序至少包括切换前的工序的延长和切换后的工序的预启动。

进一步地，所述半导体器件为与非门闪存。

进一步地，所述清洗溶液至少包括稀氢氟酸、臭氧化的去离子水以及含二氧化碳的去离子水中的一种或多种。

进一步地，所述采用不同的清洗溶液清洗所述前端器件层具体为：

在所述前端器件层的上表面喷洒清洗溶液，在所述前端器件层的下表面喷洒氮气或者含二氧化碳的去离子水。

第一工序，在所述前端器件层的上表面喷洒稀氢氟酸溶液；

第一润湿工序，在所述前端器件层的上表面依次喷洒稀氢氟酸溶液、含二氧化碳的去离子水以及臭氧化的去离子水；

第二工序，在所述前端器件层的上表面喷洒臭氧化的去离子水；

第二润湿工序，在所述前端器件层的上表面依次喷洒臭氧化的去离子水以及含二氧化碳的去离子水；

第三工序，在所述前端器件层的上表面喷洒含二氧化碳的去离子水；

第三润湿工序，在所述前端器件层的上表面喷洒含二氧化碳的去离子水。

进一步地，所述第一工序的卡盘转速为500rpm-1000rpm；

在所述第一润湿工序中，在所述前端器件层上表面依次喷洒稀氢氟酸溶液、含二氧化碳的去离子水以及臭氧化的去离子水的卡盘转速分别为500rpm-1000rpm，400rpm-800rpm和400rpm-800rpm。

进一步地，所述第二工序的转速为400rpm-800rpm；所述第二润湿工序的转速为400rpm-800rpm。

进一步地，所述第三工序的转速为300rpm-700rpm；所述第三润湿工序的转速为300rpm-700rpm。

进一步地，在采用不同的清洗溶液清洗所述前端器件层后，所述方法还包括：

干燥所述前端器件层。

在本发明实施例中，在切换清洗溶液的间隙设置润湿工序，以保持所述堆叠结构间隙存在液体。通过增加润湿工序，不需要干燥前端器件层后再切换清洗溶液，能够避免前端器件层表面干燥过程中，由于清洗溶液的表面张力导致的堆叠结构倾斜。由此，本发明实施例的清洗方法能够避免相邻堆叠结构因倾斜而相互接触，从而避免相邻堆叠结构电连接导致的前端器件层短路。由此，能够提高半导体器件的良率，确保半导体器件的可靠性。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是采用对比例的清洗方法清洗后的半导体器件的照片；

图2是对比例的清洗方法清洗后的半导体器件的示意图；

图3是本发明实施例的半导体器件的清洗方法的流程图；

图4-图6是本发明实施例的半导体器件的清洗方法的各步骤形成的结构的示意图；

图7是采用本发明实施例的清洗方法清洗后的前端器件层的照片；

图8是堆叠结构间的沟槽深度为2200埃的前端器件层分别经本发明实施例和对比例的清洗方法清洗后的良率测试结果；

图9是堆叠结构间的沟槽深度为1900埃的前端器件层分别经本发明实施例和对比例的清洗方法清洗后的良率测试结果。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则在本申请文件中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本申请文件的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请文件的描述中，需要理解的是，术语“层”在其最广泛的意义上被使用，从而包括膜、盖层或类似，并且一个层可以包括多个子层。

半导体器件是导电性介于良导电体与绝缘体之间，利用半导体材料特殊电特性来完成特定功能的电子器件，可用来产生、控制、接收、变换、放大信号和进行能量转换。现有常用的半导体器件包括快闪存储器(Flash Memory，FM)。快闪存储器是半导体制造中的最基本器件，其广泛应用于各种集成电路中，因此提高快闪存储器的性能对集成电路的发展具有重要意义。

根据结构的不同，闪存分为非门闪存(NOR Flash Memory，NOR)和与非门闪存(NAND Flash Memory，NAND)。相比非门闪存，与非门闪存能提供高的单元密度，可以达到高存储密度。

然而，为了提高半导体器件的集成度，与非门闪存的栅极堆叠结构的深宽比越来越高。清洗作为半导体制程中的基本工艺，被广泛应用于半导体制造过程的各个阶段。如：刻蚀完成后去除抗蚀剂层的步骤中、去除刻蚀完成后表面残留物的步骤中以及去除离子注入完成后表面残留物的步骤中均需利用清洗工艺。而随着栅极堆叠结构的深宽比的增加，给清洗带来一定的困难。

在一个对比例中，半导体器件的清洗方法包括在前端器件层的表面依次喷洒稀氢氟酸溶液、臭氧化的去离子水以及含二氧化碳的去离子水。在切换溶液时，喷头停止喷洒溶液，这会使得前端器件层的表面的溶液蒸发，溶液蒸发会形成一定的应力。溶液蒸发所形成的应力容易导致高深宽比的结构出现缺陷。图1是采用对比例的清洗方法清洗后的半导体器件的照片。如图1所示，由于堆叠结构1的深宽比高，在清洗过程中容易出现应力集中，进而导致栅极堆叠结构弯曲或倾斜。因此，使得半导体器件的可靠性降低。图2是对比例的清洗方法清洗后的半导体器件的示意图。如图2所示，堆叠结构1包括依次叠置的浮栅2、栅间介质层3以及控制栅4。

有鉴于此，为了提高半导体器件的性能。本发明实施例提供了一种半导体器件的清洗方法。在本发明实施例中，以与非门闪存的清洗为例进行说明，应理解，本发明实施例的清洗方法也可以用于其他半导体器件的清洗，例如鳍式场效应晶体管(Fin Field-Effect Transistor，fin-FET)。

图3是本发明实施例的半导体器件的清洗方法的流程图。如图3所示，本发明实施例的半导体器件的清洗方法包括如下步骤：

步骤S100、提供前端器件层。所述前端器件层上包括多个堆叠结构。

步骤S200、采用不同的清洗溶液清洗所述前端器件层，以去除杂质。其中，在切换清洗溶液的工艺之间设置润湿工序，以保持所述堆叠结构间隙存在清洗溶液。

在一种可选的实现方式中，本发明实施例的半导体器件的清洗方法还包括：

步骤S300、干燥所述前端器件层。

参考图4，在步骤S100中，提供前端器件层10。所述前端器件层10包括多个深宽比为预定值的堆叠结构。

具体地，在步骤S100中提供的前端器件层10可包括硅单晶衬底、锗单晶衬底或硅锗单晶衬底。可替换地，前端器件层10还可包括绝缘体上硅(SOI)衬底、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)、绝缘体上锗(GeOI)、硅上外延层结构的衬底、化合物衬底或合金衬底。所述化合物衬底包括碳化硅、砷化镓、磷化镓、磷化铟、砷化铟、或镝化铟，所述合金衬底包括SiGe、GaAsP、AlInAs、AlGaAs、GaInAs、GaInP、GaInAsP或者它们的组合，所述SOI衬底包括设置在绝缘材料层上的半导体层(例如硅层、锗硅层、碳硅层或锗层)，半导体层中具有源器件和无源器件，所述绝缘材料层保护设置在半导体层上的有源器件和无源器件。

如图4所示，前端器件层10包括多个堆叠结构20。堆叠结构20包括依次叠置的浮栅21、栅间介质层22以及控制栅23。堆叠结构20用于作为存储晶体管存储数据。

随着半导体器件的集成度越来越高，堆叠结构20的深宽比也随之升高，而堆叠结构20的深宽比越高，则越容易出现缺陷。在一种可选的实现方式中，堆叠结构20的深宽比大于10。在本实施例中，所述堆叠结构20之间的凹槽的深度为1900埃。

堆叠结构20通过光刻工艺形成，表面残留有杂质30。杂质30包括有机颗粒以及金属颗粒等。

参考图5，在步骤S200中，采用不同的清洗溶液清洗所述前端器件层10，以去除杂质。其中，在切换清洗溶液的间隙设置润湿工序，以保持所述堆叠结构间隙存在液体。

所述润湿工序至少包括切换前的工序的延长和切换后的工序的预启动。

在本实施例中，采用单片清洗(Single Wafer Clean,SWC)工艺执行所述清洗操作。单片清洗具有清洗效果优异、清洗操作持续时间短等优点。具体地，在单片喷淋机台中对所述前端器件层10进行清洗。

所述清洗溶液至少包括稀氢氟酸(DHF)、臭氧化的去离子水(DIO₃)以及含二氧化碳的去离子水(DICO₂)中的一种或多种。

稀氢氟酸是氟化氢气体(HF)的水溶液稀释的氢氟酸能够腐蚀并溶解上一步中在晶片表面形成的氧化层，晶片表面的部分金属杂质和其它杂质颗粒会随着一起进入氢氟酸溶液之中，并从晶片边缘排出，进而达到清除的目的。本实施例中采用稀氢氟酸(DHF)，由质量百分比为49％的HF溶液与水以1:x的体积比混合而成，其中50≤x≤500。

臭氧(O₃)是一种很强的氧化剂，可分解有机物，生成二氧化碳和水，并且臭氧对大部分金属都有腐蚀性。同时，臭氧化的去离子水较为容易获得，采用臭氧化的去离子水作为清洗溶液可以降低成本。在本实施例中O₃的水溶液的浓度为15ppm-100ppm。

含二氧化碳的去离子水可以通过冲洗的作用力去除杂质30。且通过在去离子水中溶解一定量的二氧化碳可以去除清洗过程中由于机台的卡盘旋转产生的静电。

具体地，在所述前端器件层10的上通过机台内的至少一个喷头喷洒清洗溶液到所述前端器件层10的上表面。在所述前端器件层10下，通过机台内的至少一个喷头喷洒氮气或者含二氧化碳的去离子水在所述前端器件层10的下表面。

在所述前端器件层10的下表面喷洒氮气或者含二氧化碳的去离子水用于确保杂质随清洗溶液在前端器件层10的边缘排出，避免杂质残留在前端器件层10的边缘和底部。

在本发明实施例中，对前端器件层10进行清洗包括如下步骤：

步骤S210、第一工序，在所述前端器件层10的上表面喷洒稀氢氟酸溶液。

步骤S220、第一润湿工序，在所述前端器件层10的上表面依次喷洒稀氢氟酸溶液、含二氧化碳的去离子水以及臭氧化的去离子水。

步骤S230、第二工序，在所述前端器件层10的上表面喷洒臭氧化的去离子水。

步骤S240、第二润湿工序，在所述前端器件层10的上表面依次喷洒臭氧化的去离子水以及含二氧化碳的去离子水。

步骤S250、第三工序，在所述前端器件层10的上表面喷洒含二氧化碳的去离子水。

步骤S260、第三润湿工序，在所述前端器件层10的上表面喷洒含二氧化碳的去离子水。

在步骤S210中，第一工序包括在所述前端器件层10的上表面喷洒稀氢氟酸溶液以及在所述前端器件层10的下表面喷洒氮气。所述第一工序的卡盘转速为500rpm-1000rpm。第一工序的时长为21.8s。在一种可选的实现方式中，卡盘转速为800rpm。

其中，卡盘的转速根据不同的清洗溶液的流动性而变化，清洗溶液的流动性越差，则卡盘的转速越高，以便于增大离心力，使清洗溶液均匀的涂覆在前端器件层10的表面。

第一工序采用稀氢氟酸溶液去除了前端器件层10的表面的大部分金属颗粒以及有机颗粒。

在步骤S220中，在所述第一润湿工序中，在所述前端器件层10的上表面依次喷洒稀氢氟酸溶液、含二氧化碳的去离子水以及臭氧化的去离子水。

步骤S220包括如下步骤：

步骤S221、第一润湿子工序，在所述前端器件层的上表面喷洒稀氢氟酸溶液。

步骤S222、第二润湿子工序，在所述前端器件层的上表面喷洒含二氧化碳的去离子水。

步骤S223、第三润湿子工序，在所述前端器件层的上表面喷洒臭氧化的去离子水。

在步骤S221中，在所述前端器件层的上表面喷洒稀氢氟酸溶液。在所述前端器件层10的下表面喷洒氮气。卡盘转速为400rpm-800rpm。持续时长为10s。在一种可选的实现方式中，卡盘转速为600rpm。

在步骤S222中，在所述前端器件层的上表面喷洒含二氧化碳的去离子水。在所述前端器件层10的下表面喷洒含二氧化碳的去离子水。卡盘转速为400rpm-800rpm，时长为10s。在一种可选的实现方式中，卡盘转速为600rpm。

在步骤S223中，在所述前端器件层的上表面喷洒臭氧化的去离子水。在所述前端器件层10的下表面喷洒氮气。卡盘转速为400rpm-800rpm，持续时长为10s。

第一润湿工序起到衔接第一工序和第二工序的作用，由于的去离子水会导致氧化性过强，两种溶液不能在一个喷嘴中喷洒，因此，通过依次喷洒稀氢氟酸溶液、含二氧化碳的去离子水以及臭氧化的去离子水以完成清洗溶液的切换。并降低卡盘的转速。通过增加第一润湿工序，不需要干燥前端器件层10以切换清洗溶液，进而避免前端器件层10的表面干燥时，由于清洗溶液的表面张力导致的堆叠结构20倾斜。因此，通过增加第一堆叠工序可以提高半导体器件的可靠性。

在本步骤中，在第一工序和第二工序之间设置第一润湿工序，第一润湿工序的第一润湿子工序的采用与第一工序相同的清洗溶液进行清洗。也就是说，第一润湿子工序的相当于第一工序的延长。第二润湿子工序采用含二氧化碳的去离子水进行清洗。第三润湿子工序采用与第二工序相同的臭氧化的去离子水进行清洗，也就是说，第三润湿子工序相当于第二工序的预启动。通过采用上述工艺，可以避免清洗机台在切换第一工序的稀氢氟酸溶液和第二工序的臭氧化去离子水在切换过程中需要干燥晶圆的限制。使第一工序和第二工序切换的过程中保持前端器件层10表面湿润，避免对比例中前端器件层10表面干燥而形成表面张力，从而可以避免堆叠结构20倾斜。由此，能够避免相邻堆叠结构20因倾斜而相互接触，从而避免相邻堆叠结构20电连接导致的前端器件层10短路。由此，能够提高半导体器件的良率，确保半导体器件的可靠性。

在步骤S230中，在所述第二工序中，在所述前端器件层10的上表面喷洒臭氧化的去离子水；在所述前端器件层10的下表面喷洒氮气。所述第二工序的转速为400rpm-800rpm，持续时长为60s。在一种可选的实现方式中，第二工序的转速为600rpm。

第二工序采用臭氧化的去离子水去除了前端器件层10表面剩余的金属颗粒以及有机颗粒。

在步骤S240中，在所述第二润湿工序中，在所述前端器件层10的上表面依次喷洒臭氧化的去离子水和含二氧化碳的去离子水。所述第二润湿工序的转速为400rpm-800rpm，持续时长为10s。在一种可选的实现方式中，第二润湿工序的转速为600rpm。

也就是说，在第二润湿工序的前段，在前端器件层10的上表面喷洒与第二工序的清洗溶液相同的臭氧化的去离子水，也就是相当于第二工序的延长。在第二润湿工序的后段，在前端器件层10的上表面喷洒与后续的第三工序的清洗溶液相同的臭氧化的去离子水，也就是相当于第三工序的预启动。

第二润湿工序作为第二工序和第三工序中间的过渡工序，与第一润湿工序类似，能够避免第二工序和第三工序切换的过程中机台停止喷洒清洗溶液，避免前端器件层10表面干燥，保持前端器件层10表面湿润，避免表面张力导致的堆叠结构倾斜。

在步骤S250中，在所述第三工序中，在所述前端器件层10的上表面喷洒含二氧化碳的去离子水；在所述前端器件层10的下表面喷洒氮气。所述第三工序的转速为300rpm-700rpm，持续时长为20s。在一种可选的实现方式中，第三工序的转速为500rpm。

在步骤S260中，在所述第三润湿工序中，在所述前端器件层10的上表面喷洒含二氧化碳的去离子水。所述第三润湿工序的转速为300rpm-700rpm，持续时长为10s。在一种可选的实现方式中，第三润湿工序的转速为500rpm。

所述第三润湿工序为第三工序和后续的干燥过程的过渡工序。用于保持前端器件层10表面湿润，避免表面张力导致的堆叠结构倾斜。参考图6，在步骤S300中，干燥所述前端器件层10。

干燥所述前端器件层10包括如下步骤：

步骤S301、在所述前端器件层10上表面喷洒异丙醇(IPA)溶液。

具体地，在一种可选的实现方式中，在所述前端器件层10上表面和下表面喷洒异丙醇(IPA)溶液。

步骤S302、蒸发所述异丙醇溶液，以干燥所述前端器件层10。

由于异丙醇(IPA)溶液易挥发，表面张力小，在干燥前将前端器件层表面的水溶液替换为异丙醇溶液，再蒸发去除异丙醇溶液，能够避免堆叠结构20倾斜，且能够避免杂质残留在所述前端器件层10上。

图7是采用本发明实施例的清洗方法清洗后的前端器件层的照片。如图7所示，前端器件层10中的堆叠结构20没有出现对比例中所示的缺陷。

在本发明的第一实施例中，对堆叠结构间的沟槽深度为2200埃的前端器件层。图8是堆叠结构间的沟槽深度为2200埃的前端器件层分别经本发明实施例和对比例的清洗方法清洗后的良率测试结果。如图8所示，左图为采用本发明实施例的清洗方法清洗后的前端器件层的良率测试结果。右图为采用对比例的清洗方法清洗后的前端器件层的良率测试结果。本发明实施例的清洗方法能够明显减少缺陷，提高半导体器件的良率。

在本发明的第二实施例中，对堆叠结构间的沟槽深度为1900埃的前端器件层。图9是堆叠结构间的沟槽深度为1900埃的前端器件层分别经本发明实施例和对比例的清洗方法清洗后的良率测试结果。如图9所示，左图为采用本发明实施例的清洗方法清洗后的前端器件层的良率测试结果。右图为采用对比例的清洗方法清洗后的前端器件层的良率测试结果。本发明实施例的清洗方法能够明显减少缺陷，提高半导体器件的良率。

在本发明实施例中，在切换清洗溶液的间隙设置润湿工序，以保持所述堆叠结构间隙存在液体。通过增加润湿工序，不需要干燥前端器件层后再切换清洗溶液，能够避免前端器件层表面干燥过程中，由于清洗溶液的表面张力导致的堆叠结构倾斜。由此，能够避免相邻堆叠结构因倾斜而相互接触，从而避免相邻堆叠结构电连接导致的前端器件层短路。由此，能够提高半导体器件的良率，确保半导体器件的可靠性。以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种半导体器件的清洗方法，其特征在于，所述方法包括：

提供前端器件层，所述前端器件层包括多个堆叠结构；

采用不同的清洗溶液清洗所述前端器件层，以去除杂质，其中，在切换清洗溶液的工艺之间设置润湿工序，以保持所述堆叠结构间隙存在清洗溶液；

其中，所述采用不同的清洗溶液清洗所述前端器件层具体为：

第一工序，在所述前端器件层的上表面喷洒稀氢氟酸溶液；

2.根据权利要求1所述的半导体器件的清洗方法，其特征在于，所述润湿工序至少包括切换前的工序的延长和切换后的工序的预启动。

3.根据权利要求1所述的半导体器件的清洗方法，其特征在于，所述半导体器件为与非门闪存。

4.根据权利要求1所述的半导体器件的清洗方法，其特征在于，所述清洗溶液至少包括稀氢氟酸、臭氧化的去离子水以及含二氧化碳的去离子水中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的半导体器件的清洗方法，其特征在于，所述采用不同的清洗溶液清洗所述前端器件层具体为：

6.根据权利要求1所述的半导体器件的清洗方法，其特征在于，所述第一润湿工序包括：

第一润湿子工序，在所述前端器件层的上表面喷洒稀氢氟酸溶液；

第二润湿子工序，在所述前端器件层的上表面喷洒含二氧化碳的去离子水；以及

第三润湿子工序，在所述前端器件层的上表面喷洒臭氧化的去离子水。

7.根据权利要求6所述的半导体器件的清洗方法，其特征在于，

所述第一工序的卡盘转速为500rpm-1000rpm；

所述第一润湿子工序、第二润湿子工序以及第三润湿子工序的卡盘转速分别为500rpm-1000rpm，400rpm-800rpm和400rpm-800rpm。

8.根据权利要求6所述的半导体器件的清洗方法，其特征在于，所述第二工序的转速为400rpm-800rpm；所述第二润湿工序的转速为400rpm-800rpm。

9.根据权利要求6所述的半导体器件的清洗方法，其特征在于，所述第三工序的转速为300rpm-700rpm；所述第三润湿工序的转速为300rpm-700rpm。

10.根据权利要求1所述的半导体器件的清洗方法，其特征在于，在采用不同的清洗溶液清洗所述前端器件层后，所述方法还包括：

干燥所述前端器件层。