CN112967924B - 一种晶圆的清洗方法及实现其的装置 - Google Patents

一种晶圆的清洗方法及实现其的装置 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种晶圆的清洗方法和一种晶圆的清洗装置。该清洗方法包括：在晶圆以第一转速旋转的情况下，使用第一清洗液对晶圆进行第一清洗处理；以及在晶圆以第二转速旋转的情况下，使用通入有CO2气体的第二清洗液对晶圆进行第二清洗处理，其中，第二转速小于第一转速。根据该方法，通过在清洗液中加入CO2气体并增加超慢转速的清洗步骤，规避了由于清洗刷与清洗液之间的摩擦所导致的晶圆带电问题，改善了器件的可靠性和稳定性。

Description

一种晶圆的清洗方法及实现其的装置
技术领域
本申请涉及集成电路领域，更具体地，涉及一种晶圆的清洗方法及实现其的装置。
背景技术
在集成电路工艺中，三维集成是一种在保持现有技术优点的同时提高器件整体性能的解决方案。例如，在当前集成电路中经常会出现将超高压(Ultra High Voltage，UHV)器件和低压(Low Voltage，LV)器件集成在一起的情况，以充分发挥LV器件速度快、UHV器件耐高压的优势，从而实现电路的高性能工作。通过将两个或多个功能相同或不同的晶圆进行三维集成可缩短晶圆之间的金属互联、减小功耗、改善发热和延迟问题，提高器件性能的同时还具有缩短工艺研发周期和减小集成体积等优点。
在三维集成工艺中，包括大量的刻蚀、抛光、切割等过程，在该过程中产生的颗粒物、化学残留物会遗留在晶圆表面，对晶圆造成污染甚至损伤。因此，在诸如晶圆的前制程工艺之后、晶圆的键合工艺之前都需要对晶圆进行清洗处理，以提高产品良率。
在现有技术中，晶圆的清洗通常采用湿法化学清洗方法，该方法包括：配合使用清洗液与清洗刷对晶圆进行清洗处理后并甩干。该过程需要晶圆在特定转速(不低于特定阈值)下进行，以保证清洗效果。然而，在较高转速的情况下，清洗刷与清洗液之间的摩擦不可避免地使晶圆带电，而该多余电荷会在后制程和器件使用期间产生累积效果，影响器件的可靠性和稳定性，例如，该多余电荷会导致拖尾效应，严重的拖尾效应会使栅极氧化物的寿命迅速退化，从而导致器件失效。
发明内容
本申请提供可至少部分地解决现有技术中存在的上述问题的晶圆的清洗方法和清洗装置。
在本申请的一个方面中，提供了晶圆的清洗方法。该方法可包括：在晶圆以第一转速旋转的情况下，使用第一清洗液对晶圆进行第一清洗处理；以及在晶圆以第二转速旋转的情况下，使用通入有CO2气体的第二清洗液对晶圆进行第二清洗处理，其中，第二转速小于第一转速。其中，第一转速可为400-600rpm。第二转速可为40-60rpm。第一清洗液可包括氢氟酸、硝酸、硫酸、盐酸、双氧水、氨水或去离子水中的任意一种或多种混合后形成的溶液。第一清洗液中可通入有N2气体，N2气体的流量范围为40-80ssml。第一清洗液中可通入有CO2气体，CO2气体的流量范围为5-10ssml。其中，使用第一清洗液对晶圆进行第一清洗处理的步骤可包括将晶圆在第一转速下冲洗20-30s。第二清洗液可包括氢氟酸、硝酸、硫酸、盐酸、双氧水、氨水或去离子水中的任意一种或多种混合后形成的溶液。其中，通入第二清洗液的CO2气体的流量范围可为10-15ssml。其中，使用通入有CO2气体的第二清洗液对晶圆进行第二清洗处理的步骤包括将晶圆在第二转速下冲洗20-40s。在第二清洗处理之后，还可包括使晶圆以第三转速旋转，以对晶圆进行甩干操作。其中，第三转速可为1000-2000rpm。
在本申请的另一个方面中，提供了晶圆的清洗装置。该装置可包括：驱动器、晶圆放置部和清洗器，其特征在于，该装置还可包括控制器，该控制器可配置为控制驱动器驱动晶圆放置部以第一转速旋转，并控制清洗器使用第一清洗液对设置在晶圆放置部上的晶圆进行第一清洗处理；以及在进行第一清洗处理预定时间后，控制驱动器驱动晶圆放置部以第二转速旋转，并控制清洗器使用通入有CO2气体的第二清洗液对设置在晶圆放置部上的晶圆进行第二清洗处理，其中，第二转速小于第一转速。第一转速可为400-600rpm。第二转速可为40-60rpm。该装置还可包括清洗剂添加器，清洗剂添加器被配置为向清洗器提供第一清洗液，第一清洗液可包括由氢氟酸、硝酸、硫酸、盐酸、双氧水、氨水或去离子水中的任意一种或多种混合后形成的溶液。清洗剂添加器还可被配置为向第一清洗液添加流量范围为40-80ssml的N2气体。清洗剂添加器还可被配置为向第一清洗液添加流量范围为5-10ssml的CO2气体。其中，预定时间可为20-30s。控制器还可被配置为控制清洗器对晶圆进行第二清洗处理20-40s。该装置还可包括清洗剂添加器，清洗剂添加器可被配置为向清洗器提供第二清洗液，第二清洗液可包括由氢氟酸、硝酸、硫酸、盐酸、双氧水、氨水或去离子水中的任意一种或多种混合后形成的溶液。清洗剂添加器可被配置为向第二清洗液添加流量范围为10-15ssml的CO2气体。控制器还可被配置为，在进行第二清洗处理预定时间后，控制驱动器驱动晶圆放置部以第三转速旋转，以对设置在晶圆放置部上的晶圆进行甩干操作。其中，第三转速可为1000-2000rpm。
如上所述的晶圆的清洗方法和清洗装置，通过降低晶圆的转速，例如增加在晶圆超慢旋转时的清洗步骤，有效地规避了由于清洗刷与清洗液的摩擦而产生的晶圆带电问题，以及因此导致的拖尾效应，解决了在拖尾效应严重时栅极氧化物寿命迅速退化、击穿电压减小等器件稳定性和可靠性问题。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施方式的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更加明显。在附图中：
图1为根据本申请的示例性实施方式的晶圆清洗方法的流程图；
图2为根据现有技术和本申请的示例性实施方式的晶圆清洗方法的效果对比图；
图3为根据现有技术和本申请的示例性实施方式的晶圆清洗方法的效果对比图；以及
图4为根据本申请的示例性实施方式的晶圆清洗装置的示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本申请进行详细描述，本文中提到的示例性实施方式仅用于解释本申请，并非用于限制本申请的范围。
应理解，诸如“包括”、“包括有”、“具有”、“包含”和/或“包含有”等表述在本说明书中是开放性而非封闭性的表述，其表示存在所陈述的特征，但不排除一个或多个其它特征和/或它们的组合的存在。此外，当诸如“...中的任意一种”的表述出现在所列特征的列表之后时，其修饰整列特征，而非仅仅修饰列表中的单独特征。表述“和/或”包括相关联的所列项目中的一个或多个的任何和全部组合。此外，当描述本申请的实施方式时，使用“可”表示“本申请的一个或多个实施方式”。如在本文中使用的，用语“大致”、“大约”以及类似的用语用作表示近似，而不用作表示程度，并且旨在说明将由本领域普通技术人员认识到的、测量值或计算值中的固有偏差。
除非另外限定，否则本文中使用的所有措辞(包括工程术语和科技术语)均具有与本申请所属领域中普通技术人员的通常理解相同的含义。此外，除非本申请中有明确的说明，否则在常用词典中定义的词语应被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义一致的含义，而不应以理想化或过于形式化的意义解释。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。此外，除非明确限定或与上下文相矛盾，否则本申请所记载的方法中包含的具体步骤不必限于所记载的顺序，而是可以任意顺序执行或并行地执行。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本申请。
图1为根据本申请的示例性实施方式的晶圆清洗方法100的流程图。如图1所示，该方法包括以下步骤：S1，在晶圆以第一转速旋转的情况下，使用第一清洗液对晶圆进行第一清洗处理；S2，在晶圆以第二转速旋转的情况下，使用通入有CO2气体的第二清洗液对晶圆进行第二清洗处理，其中，第二转速小于第一转速。
具体地，在使用第一清洗液对晶圆进行第一清洗处理(S1)中，第一清洗液可为氢氟酸、硝酸、硫酸、盐酸、双氧水、氨水或去离子水中的任意一种或多种混合后形成的溶液。在本文中，所列举的清洗液成分是非限制性的。在具体实施方式中，可根据不同的三维集成工艺采用不同的清洗液配方，并且该清洗液配方中各成分的配比符合该三维集成工艺的要求。
例如，在具有X-tacking三维存储器件中，可在阵列晶圆上加工存储单元，在另一外围晶圆上独立加工负责数据I/O及记忆单元操作的外围电路。当两个晶圆各自完工后，通过键合工艺来实现二者的连接。这样的加工方式有利于选择合适的先进逻辑工艺以及更高的I/O接口速度和更多的操作功能。通过X-tacking技术可实现更高的存储密度、更简单的工艺流程以及更少的研发时间。然而，在阵列晶圆和外围晶圆的前制程过程中，包括大量的刻蚀、抛光、切割等工艺。因此，在晶圆的键合之前，需要对各晶圆进行清洗。
在一个实施方式中，所述进行清洗的晶圆可为其中形成有存储单元的阵列晶圆。该阵列晶圆可包括衬底、设置在衬底的一侧表面上的存储阵列结构以及设置在存储阵列结构上的后段制程互连结构。在本实施方式中，清洗该阵列晶圆的清洗液配方可为去离子水。
在另一实施方式中，所述进行清洗的晶圆可为其中形成有外围电路的外围晶圆。该外围晶圆可包括衬底、设置在衬底的一侧表面上的多个外围晶体管以及设置在外围晶体管上的后段制程互连结构。在本实施方式中，清洗该外围晶圆的清洗液配方可为去离子水。
为了进一步增加晶圆表面颗粒物、化学残留物等的清洗效果，该第一清洗液中可通入有N2气体，并且N2气体的流量可控制为80ssml。可选地，N2气体的流量可控制为40ssml。另外，第一清洗液中可通入有CO2气体，以提高清洗液的导电率，增加移除带电杂质的能力。CO2气体的流量可控制为10ssml。可选地，CO2气体的流量可控制为5ssml。
根据一个示例性实施例，在对晶圆进行第一清洗处理时，晶圆的转速范围可为400-600rpm，以保证颗粒物、化学残留物等的清洗效果。所述第一清洗处理的时长范围可为20-30s。
在本申请的描述中，清洗时间、晶圆转速和气体流量均是非限制性的。在具体实施方式中，每次清洗处理的清洗时间、晶圆转速和气体流量可根据残留物情况、所使用的清洗液配方以及所清洗的晶圆的要求而确定。
在第一清洗处理中，晶圆的转速需要不小于特定阈值，以保证晶圆表面残留的薄膜、颗粒、化学残留或等离子损伤的清洗效果。然而，在高转速的情况下，清洗刷与清洗液之间的摩擦会不可避免地导致晶圆带电，由此产生的多余电荷在后制程过程和器件使用期间会不断累积负面效果，影响器件的可靠性和稳定性。该现象尤其在晶圆中心附近表现尤为严重。例如，该多余电荷会导致器件出现拖尾效应，严重的拖尾效应会使栅极氧化物的寿命迅速退化，从而导致器件失效。
因此，在第一清洗处理之后，可使用第二清洗液对晶圆进行第二清洗处理(S2)。第二清洗液可包括氢氟酸、硝酸、硫酸、盐酸、双氧水、氨水或去离子水中的任意一种或多种混合后形成的溶液。第二清洗液的配方可与第一清洗液的配方相同，也可不同，在此不作限定。
具体地，在第二清洗处理中，晶圆的转速需要保持为超低转速，例如，40-60rpm。第二清洗液中可通入CO2气体，并且CO2气体的流量可为15ssml。可选地，CO2气体的流量可为10ssml。所述第二清洗处理的时长范围为20-40s。在超慢的转速下执行清洗一段时间后，可明显地减轻清洗刷与清洗液摩擦带来的带电问题，并通过长时间使用CO2气体将多余的电荷转移出。
然后，可关断清洗液输入和气体输入，将晶圆转速加速至1000-2000rpm并保持一段时间，从而甩干其表面水分。可选地，该甩干过程也可以采用较低的转速(例如，500-1000rpm)并保持较长时间的方式完成。
图2为根据现有技术和本申请的示例性实施方式的晶圆清洗方法的效果对比图。图2A和2B示出采用现有技术对晶圆进行清洗后晶圆表面的电势分布，图2C和2D示出采用本申请的示例性实施方式的清洗方法的相应结果。经测试，图2A中晶圆表面的平均电势为-0.183V，图2B中晶圆表面的平均电势为-0.202V，图2C和2D中的相应结果分别为-0.110V和-0.120V。可见，采用本申请的示例性实施方式的清洗方法可有效地将晶圆表面的平均电势降低约0.1V。并且，该实验结果可重复。
图3为根据现有技术和本申请的示例性实施方式的晶圆清洗方法的效果对比图。图中曲线A与曲线B示出采用现有技术对晶圆进行清洗后晶圆表面平均电势与距离晶圆中心的位置的关系，图中曲线C与曲线D示出采用本申请的示例性实施方式的清洗方法的相应结果。经测试，采用本申请所述的清洗方法可将晶圆表面的位于晶圆中心位置的平均电势降低约0.4V。并且，该实验结果可重复。
在晶圆的清洗过程中，通过加入超慢转速的清洗步骤，并同时通入CO2气体进行较长时间的清洗，可规避晶圆表面的带电问题。该问题在后制程以及器件使用期间会不断地累积负面效果。通过采用本申请所述的晶圆清洗方法可带来诸如增加源漏击穿电压、改善栅极承受电压等的有益效果，因此提高器件的可靠性和稳定性。
图4为根据本申请的示例性实施方式的晶圆清洗装置200的示意图。如图4所示，该装置包括以下部件：控制器10、驱动器20、晶圆放置部30、清洗器40和清洗剂添加器50。
具体地，控制器10可控制驱动器20驱动晶圆放置部30以第一转速旋转，并控制清洗器40使用来自清洗剂添加器50的第一清洗液对设置在晶圆放置部30上的晶圆进行第一冲洗处理。在第一清洗处理过程中，控制器10可控制清洗剂添加器50向第一清洗液添加包括氢氟酸、硝酸、硫酸、盐酸、双氧水、氨水或去离子水中的任意一种或多种混合后形成的溶液。其中，清洗器40可为清洗刷。
为了进一步增加晶圆表面颗粒物、化学残留物等的清洗效果，在第一清洗处理过程中，控制器10可控制清洗剂添加器50向第一清洗液添加N2气体，并且N2气体的流量可控制为80ssml。可选地，N2气体的流量可控制为40ssml。另外，控制器10可控制清洗剂添加器50向第一清洗液添加CO2气体，以提高清洗液的导电率，增加移除带电杂质的能力。CO2气体的流量可控制为10ssml。可选地，CO2气体的流量可控制为5ssml。在对晶圆进行第一清洗处理时，控制器10可控制驱动器20驱动晶圆放置部30以400-600rpm的转速转动，以保证颗粒物、化学残留物等的清洗效果。第一清洗处理的时长范围可为20-30s。
在第一清洗处理之后，控制器10可控制驱动器20驱动晶圆放置部30以第二转速旋转，并控制清洗器40使用来自清洗剂添加器50的添加有CO2气体的第二清洗液对设置在晶圆放置部30上的晶圆进行第二冲洗处理。在第二清洗处理过程中，控制器10可控制清洗剂添加器50向第一清洗液添加包括氢氟酸、硝酸、硫酸、盐酸、双氧水、氨水或去离子水中的任意一种或多种混合后形成的溶液。第二清洗液的配方可与第一清洗液的配方相同，也可不同，在此不作限定。
在第二清洗处理过程中，晶圆的转速需要保持为超低转速。控制器10可控制清洗剂添加器50向第二清洗液添加CO2气体，CO2气体的流量可控制为15ssml。可选地，CO2气体的流量可控制为10ssml。控制器10可控制驱动器20驱动晶圆放置部30以40-60rpm的转速旋转，从而减轻清洗刷与晶圆的摩擦。第二清洗处理的时长范围可为20-40s。
然后，控制器10可控制驱动器将晶圆放置部30加速至1000-2000rpm并保持一段时间，从而对设置在晶圆放置部30上的晶圆进行甩干操作。可选地，该甩干过程也可以采用较低的转速(例如，500-1000rpm)并保持较长时间的方式完成。
尽管在本申请中，以具有X-tacking架构的三维存储器中的阵列晶圆和外围晶圆为例进行描述，但应理解，本申请的构思可应用于任何其它合适的晶圆结构。
以上描述仅为本申请的实施方式以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的保护范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离技术构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (20)

1.一种晶圆的清洗方法，其特征在于，所述方法包括：
在所述晶圆以第一转速旋转的情况下，使用第一清洗液对所述晶圆进行第一清洗处理，所述第一转速为400-600rpm；以及
在所述晶圆以第二转速旋转的情况下，使用通入有CO2气体的第二清洗液对所述晶圆进行第二清洗处理，其中，所述第二转速小于所述第一转速，所述第二转速为40-60rpm。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一清洗液包括氢氟酸、硝酸、硫酸、盐酸、双氧水、氨水或去离子水中的任意一种或多种混合后形成的溶液。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一清洗液中通入有N2气体，所述N2气体的流量范围为40-80ssml。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一清洗液中通入有CO2气体，所述CO2气体的流量范围为5-10ssml。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，使用所述第一清洗液对所述晶圆进行所述第一清洗处理的步骤包括：
将所述晶圆在所述第一转速下冲洗20-30s。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二清洗液包括氢氟酸、硝酸、硫酸、盐酸、双氧水、氨水或去离子水中的任意一种或多种混合后形成的溶液。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，通入所述第二清洗液的所述CO2气体的流量范围为10-15ssml。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，使用通入有所述CO2气体的所述第二清洗液对所述晶圆进行所述第二清洗处理的步骤包括：
将所述晶圆在所述第二转速下冲洗20-40s。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，在所述第二清洗处理之后，还包括使所述晶圆以第三转速旋转，以对所述晶圆进行甩干操作。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第三转速为1000-2000rpm。
11.一种晶圆的清洗装置，包括驱动器、晶圆放置部和清洗器，其特征在于，所述装置还包括：
控制器，配置为：
控制所述驱动器驱动所述晶圆放置部以第一转速旋转，并控制所述清洗器使用第一清洗液对设置在所述晶圆放置部上的所述晶圆进行第一清洗处理，所述第一转速为400-600rpm；以及
在进行所述第一清洗处理预定时间后，控制所述驱动器驱动所述晶圆放置部以第二转速旋转，并控制所述清洗器使用通入有CO2气体的第二清洗液对设置在所述晶圆放置部上的所述晶圆进行第二清洗处理，其中，所述第二转速小于所述第一转速，所述第二转速为40-60rpm。
12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述装置还包括清洗剂添加器，所述清洗剂添加器被配置为向所述清洗器提供所述第一清洗液，所述第一清洗液包括由氢氟酸、硝酸、硫酸、盐酸、双氧水、氨水或去离子水中的任意一种或多种混合后形成的溶液。
13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述清洗剂添加器还被配置为向所述第一清洗液添加流量范围为40-80ssml的N2气体。
14.根据权利要求12所述的装置，其中，所述清洗剂添加器还被配置为向所述第一清洗液添加流量范围为5-10ssml的CO2气体。
15.根据权利要求11所述的装置，其中，所述预定时间为20-30s。
16.根据权利要求11所述的装置，其中，所述控制器被配置为控制所述清洗器对所述晶圆进行所述第二清洗处理20-40s。
17.根据权利要求11所述的装置，其中，所述装置还包括清洗剂添加器，所述清洗剂添加器被配置为向所述清洗器提供所述第二清洗液，所述第二清洗液包括由氢氟酸、硝酸、硫酸、盐酸、双氧水、氨水或去离子水中的任意一种或多种混合后形成的溶液。
18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述清洗剂添加器被配置为向所述第二清洗液添加流量范围为10-15ssml的所述CO2气体。
19.根据权利要求11所述的装置，其中，所述控制器还被配置为，在进行所述第二清洗处理预定时间后，控制所述驱动器驱动所述晶圆放置部以第三转速旋转，以对设置在所述晶圆放置部上的所述晶圆进行甩干操作。
20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述第三转速为1000-2000rpm。
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