CN116230520A - 晶圆碱刻蚀方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种晶圆碱刻蚀方法，包括步骤，先将晶圆置于氢氧化钾水溶液中进行第一次刻蚀，之后将晶圆置于氢氧化锂水溶液中进行第二次刻蚀，其中，氢氧化钾水溶液的浓度大于等于45wt％，温度为60‑80℃，氢氧化锂水溶液的浓度大于等于5wt％，温度大于等于60℃。采用本发明，有助于降低氢氧化钾水溶液的各项异性刻蚀选择性，在之后采用各项异性刻蚀选择性更低的氢氧化锂水溶液进行刻蚀以最终完成所需的刻蚀量，通过多步骤使用各自使用具有不同特性的刻蚀溶液进行，可以同时调整晶圆表面加工处理变质层的选择刻蚀性和刻蚀速率随晶向的各向异性，防止深坑的形成和扩散，有助于改善晶圆表面粗糙度，减少后续工艺中的抛光量，降低半导体晶圆的制造成本。

Description

晶圆碱刻蚀方法
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，特别是涉及一种晶圆碱刻蚀方法。
背景技术
通常，半导体晶圆的制造方法包括使用内周刃切割装置或线切割装置等进行切片，以将通过直拉法(CZ法)或浮区法(FZ法)等单晶制造装置制造的单晶棒切成薄片获得原始晶圆，然后对原始晶圆的外围边缘进行倒角处理，以防止从切片工艺获得的晶圆产生裂纹或磨损，之后将完成倒角后的晶圆执行平坦化处理的研磨工艺，以及将切片或倒角及研磨后的晶圆表面残留的加工变形(晶圆表面加工处理变质层)去除的刻蚀工艺和对刻蚀晶圆表面进行缺陷抛光的初级镜面抛光工艺和对经初级镜面抛光工艺后的晶圆进行最终的镜面抛光以提高平整度，之后进行最终清洗以去除附着在晶圆表面的研磨剂和异物质。
这其中，用于去除晶圆表面加工处理变质层的刻蚀工艺有两种：通过将半导体晶圆浸入酸性溶液中进行的酸刻蚀和通过将半导体晶圆浸入碱性溶液中进行的碱刻蚀。从最先进的半导体器件的高集成度的角度考虑，碱刻蚀比酸刻蚀更能满足器件的高平坦度要求。这是因为镜面抛光处理后的晶圆平坦度很大程度上取决于作为镜面抛光晶圆的刻蚀晶圆的平坦度。因此，刻蚀过程中，需确保晶圆的高平坦度，以确保抛光工艺达成的平坦度不恶化，而碱刻蚀在这一点上表现优秀。然而，碱性溶液对待刻蚀晶圆表面的晶体方向各向异性和表面处理变质层的刻蚀选择性比酸性刻蚀液强得多，导致刻蚀后的晶圆表面非常粗糙，特别是碱刻蚀可能会造成局部深坑(pit)，而这种表面粗糙度的恶化，尤其是深坑的存在，不可避免地会在后续的研磨工艺中因去除这种深坑而增加镜面抛光过程中的抛光量(抛光加工公差)。因此，与酸刻蚀相比，使用碱刻蚀，则在后续工艺中必须将镜面研磨工序中的研磨量设定得较大，导致研磨时间增加，成本上升。碱刻蚀导致的表面粗糙度的恶化，特别是局部凹坑的出现，是对切片工艺或倒角工艺等，尤其是抛光工艺中导热的表面处理变质层或者裂纹进行选择性刻蚀的结果。因此，导致抛光量增加的主要原因的局部凹坑的出现是因为在刻蚀工艺前的抛光工艺引入了不均匀的表面处理变质层。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种晶圆碱刻蚀方法，用于解决现有技术中因碱刻蚀导致晶圆表面粗糙度增加，晶圆表面出现深坑等现象，导致后续工艺的研磨量增加等问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种晶圆碱刻蚀方法，包括步骤，先将待刻蚀晶圆置于氢氧化钾水溶液中进行第一次刻蚀，之后将晶圆置于氢氧化锂水溶液中进行第二次刻蚀，其中，氢氧化钾水溶液的浓度大于等于45wt％，温度为60-80℃，氢氧化锂水溶液的浓度大于等于5wt％，温度大于等于60℃。
可选地，待刻蚀晶圆包括硅晶圆、GaAs晶圆，InP晶圆、锗晶圆、GaN晶圆和GaP晶圆中的任意一种。
可选地，氢氧化钾水溶液的浓度小于等于60wt％，氢氧化锂水溶液的浓度小于等于20wt％。
可选地，氢氧化锂水溶液的温度小于等于75℃。
可选地，氢氧化钾水溶液通过CCSS系统供应。
可选地，氢氧化锂水溶液为现地供应，液体源与刻蚀槽相邻。
可选地，在对晶圆进行第一次刻蚀前，还包括对晶圆进行清洗的步骤。
可选地，对晶圆进行第二次刻蚀后，还包括采用第三碱性溶液对晶圆进行第三次刻蚀的步骤，第三碱性溶液的碱性小于氢氧化锂水溶液的碱性。
可选地，对晶圆进行第二次刻蚀后，还包括对晶圆进行去离子水清洗，之后进行SC-2清洗的步骤。
可选地，对晶圆进行SC-2清洗后，还包括依次对晶圆进行去离子水清洗和采用热去离子水进行干燥的步骤。
如上所述，本发明的晶圆碱刻蚀方法，具有以下有益效果：采用本发明的晶圆碱刻蚀方法，有助于降低氢氧化钾水溶液的各项异性刻蚀选择性，在之后采用各项异性刻蚀选择性更低的氢氧化锂水溶液进行刻蚀以最终完成所需的刻蚀量，避免使用单一刻蚀液进行单一碱性刻蚀时，可能会出现深坑和深坑向晶圆本体中扩散的问题，通过多步骤使用各自使用具有不同特性的刻蚀溶液进行，可以同时调整晶圆表面加工处理变质层的选择刻蚀性和刻蚀速率随晶向的各向异性，从而防止深坑的形成和凹坑的扩散，有助于改善晶圆表面粗糙度，可以减少后续工艺中的抛光量，由此可以显著降低半导体晶圆的制造成本。
附图说明
图1显示为执行本发明的晶圆碱刻蚀方法的刻蚀设备的例示性结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。为使图示尽量简洁，各附图中并未对所有的结构全部标示。
碱刻蚀(例如氢氧化钾刻蚀)因为具有良好的各项异性刻蚀特性，有利于形成精细图形，因而在半导体领域得到越来越广泛的应用。但是碱刻蚀会导致刻蚀后的晶圆表面非常粗糙，且可能导致形成局部凹坑(pit)，造成后续工艺的研磨量增大。对此，本申请的发明人经长期研究，提出了一种改善方案。采用本发明提供的晶圆碱刻蚀方法，即使晶圆表面存在不均匀表面处理变质层，也能够抑制局部凹坑的形成和凹坑深度增加。通过在半导体晶圆的制造过程中采用本发明提供的刻蚀方法，能够减少作为后续工序的镜面研磨工序的研磨量，能够降低晶圆的制造成本。
具体地，本发明提供的晶圆碱刻蚀方法，包括步骤，先将待刻蚀晶圆置于氢氧化钾(KOH)水溶液中进行第一次刻蚀，之后将晶圆置于氢氧化锂(LiOH)水溶液中进行第二次刻蚀，其中，氢氧化钾水溶液的浓度大于等于45wt％，温度为60-80℃(包括端点值，本说明书中在涉及数值范围时，如无特殊说明，均包括端点值)，氢氧化锂水溶液的浓度大于等于5wt％，温度大于等于60℃，第一次刻蚀和第二次刻蚀的时间可以根据刻蚀量而定，例如第一次刻蚀时间为5min-15min，第二次刻蚀时间例如为10-30min。现有技术中的碱刻蚀通常为单步刻蚀，即利用单一的碱刻蚀液(例如氢氧化钾水溶液)对晶圆进行预定量的刻蚀；而本发明的碱刻蚀方法至少使用两种化学属性不同的碱刻蚀液对晶圆进行刻蚀，例如氢氧化钾的刻蚀能力通常大于氢氧化锂水溶液的刻蚀能力，其各项异性刻蚀选择性也比氢氧化锂水溶液强，且本发明中使用的氢氧化钾水溶液的浓度接近其过饱和浓度(现有技术中使用的氢氧化钾刻蚀液的浓度通常为15wt％左右，一般不超过30wt％)，远高于现有技术中的常用浓度。通过这样的设置，有助于降低氢氧化钾水溶液的各项异性刻蚀选择性，在之后采用各项异性刻蚀选择性更低的氢氧化锂水溶液进行刻蚀以最终完成所需的刻蚀量，避免使用单一刻蚀液进行单一碱性刻蚀时，可能会出现深坑和深坑向晶圆本体中扩散的问题，通过多步骤使用各自使用具有不同特性的刻蚀溶液进行，可以同时调整晶圆表面加工处理变质层的选择刻蚀性和刻蚀速率随晶向的各向异性，从而防止深坑的形成和凹坑的扩散，有助于改善晶圆表面粗糙度，可以减少后续工艺中的抛光量，由此可以显著降低半导体晶圆的制造成本。
本实施例提供的碱刻蚀方法不仅适用于硅晶圆的刻蚀，同时还适用于其他诸如GaAs(砷化镓)晶圆，InP(磷化铟)晶圆、锗晶圆、GaN(氮化镓)晶圆和GaP(磷化镓)晶圆等同样具有诸如(110)等特定晶向特性的晶圆。该晶圆可以是裸晶圆，例如刚从单晶硅棒切割出的晶圆，也可以是表面已经制作有器件的晶圆。
虽然本实施例中使用的氢氧化钾水溶液的浓度大于现有技术中的常用浓度，但其浓度也不宜过大，否则刻蚀过程中析出物太多会导致刻蚀难以顺利进行。一般地，氢氧化钾水溶液的浓度不超过60wt％，更佳地为50wt％以内，而氢氧化锂水溶液的浓度较佳地在20wt％以内，且氢氧化锂水溶液的温度较佳地为小于等于75℃。
本实施例中使用的氢氧化钾水溶液在60-80℃这样一个相对比较高的温度，且氢氧化钾水溶液的腐蚀性比较强，因而出于安全起见，氢氧化钾水溶液较佳地为通过CCSS(中央化学原料供给系统)系统供应，通常为现配现制，避免放置时间过久其性状发生改变。而氢氧化锂水溶液较佳地为现地(local)供应，液体源，例如氢氧化锂存储罐与氢氧化锂刻蚀槽相邻。
为避免污染物带入刻蚀槽中，较佳地，在对晶圆进行第一次刻蚀前，还包括对晶圆进行清洗的步骤，例如采用去离子水(DIW)对晶圆进行清洗。
需要时，对晶圆进行第二次刻蚀后，还可以采用第三碱性溶液对晶圆进行第三次刻蚀的步骤，第三碱性溶液的碱性小于氢氧化锂水溶液的碱性，更确切地说是其各项异性刻蚀选择性比氢氧化锂溶液还低，例如采用氨水进行第三次刻蚀，以进一步改善晶圆表面粗糙度，当然第三碱性溶液也可以为浓度比第二次刻蚀时的氢氧化锂水溶液更低的氢氧化锂水溶液。
为提高晶圆表面洁净度，在一示例中，对晶圆进行第二次刻蚀后，还包括对晶圆进行去离子水清洗，之后进行SC-2(氯化氢：双氧水：水＝1：1：6-1：2：8，氯化氢浓度37％，双氧水30％)清洗的步骤。且进一步地，对晶圆进行SC-2清洗后，还包括依次对晶圆进行去离子水清洗和采用热去离子水进行干燥的步骤。
图1显示为执行本发明的晶圆碱刻蚀方法的刻蚀设备的例示性结构示意图。如图1所示，该设备包括依次设置的晶圆装载栈11，第一去离子水清洗槽12、氢氧化钾水溶液刻蚀槽13、氢氧化锂水溶液刻蚀槽14、第二去离水清洗槽15、SC-2清洗槽16、第三去离子水清洗槽17、热去离子水干燥(H.DIW DRYER)18、红外干燥槽(IR DRYER)19和晶圆卸载栈20，待刻蚀晶圆经晶圆装载栈11传送至第一去离子水清洗槽12进行清洗后，依次经过后续各槽完成对应的工艺操作，最后经晶圆卸载栈20移出而转移到下一工艺栈点，例如研磨工艺。
发明人以硅晶圆为对象进行了对比实验，将两个不同的硅晶圆分别采用浓度为15wt％的氢氧化钾水溶液进行单一刻蚀以及本发明的先采用氢氧化钾水溶液(浓度为45wt％)刻蚀，后采用氢氧化钾水溶液(浓度为5wt％)进行刻蚀，经过相同的刻蚀时间后，采用单一氢氧化钾水溶液刻蚀的晶圆表面在电子显微镜下呈现出凹凸不平的形貌，粗糙度约20nm，而采用本发明提供的方法，晶圆表面基本平整，粗糙度在5nm左右。其他几次试验中调整了刻蚀液的浓度，但结果也相似。这表明采用本发明的方法，可以改善晶圆的表面平坦度，提高晶圆品质。
综上所述，本发明提供一种晶圆碱刻蚀方法，包括步骤，先将待刻蚀晶圆置于氢氧化钾水溶液中进行第一次刻蚀，之后将晶圆置于氢氧化锂水溶液中进行第二次刻蚀，其中，氢氧化钾水溶液的浓度大于等于45wt％，温度为60-80℃，氢氧化锂水溶液的浓度大于等于5wt％，温度大于等于60℃。采用本发明的晶圆碱刻蚀方法，有助于降低氢氧化钾水溶液的各项异性刻蚀选择性，在之后采用各项异性刻蚀选择性更低的氢氧化锂水溶液进行刻蚀以最终完成所需的刻蚀量，避免使用单一刻蚀液进行单一碱性刻蚀时，可能会出现深坑和深坑向晶圆本体中扩散的问题，通过多步骤使用各自使用具有不同特性的刻蚀溶液进行，可以同时调整晶圆表面加工处理变质层的选择刻蚀性和刻蚀速率随晶向的各向异性，从而防止深坑的形成和凹坑的扩散，有助于改善晶圆表面粗糙度，可以减少后续工艺中的抛光量，由此可以显著降低半导体晶圆的制造成本。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种晶圆碱刻蚀方法，其特征在于，包括步骤，先将待刻蚀晶圆置于氢氧化钾水溶液中进行第一次刻蚀，之后将晶圆置于氢氧化锂水溶液中进行第二次刻蚀，其中，氢氧化钾水溶液的浓度大于等于45wt％，温度为60-80℃，氢氧化锂水溶液的浓度大于等于5wt％，温度大于等于60℃。
2.根据权利要求1所述的晶圆碱刻蚀方法，其特征在于，待刻蚀晶圆包括硅晶圆、GaAs晶圆，InP晶圆、锗晶圆、GaN晶圆和GaP晶圆中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的晶圆碱刻蚀方法，其特征在于，氢氧化钾水溶液的浓度小于等于60wt％，氢氧化锂水溶液的浓度小于等于20wt％。
4.根据权利要求1所述的晶圆碱刻蚀方法，其特征在于，氢氧化锂水溶液的温度小于等于75℃。
5.根据权利要求1所述的晶圆碱刻蚀方法，其特征在于，氢氧化钾水溶液通过CCSS系统供应。
6.根据权利要求1所述的晶圆碱刻蚀方法，其特征在于，氢氧化锂水溶液为现地供应，液体源与刻蚀槽相邻。
7.根据权利要求1所述的晶圆碱刻蚀方法，其特征在于，在对晶圆进行第一次刻蚀前，还包括对晶圆进行清洗的步骤。
8.根据权利要求1所述的晶圆碱刻蚀方法，其特征在于，对晶圆进行第二次刻蚀后，还包括采用第三碱性溶液对晶圆进行第三次刻蚀的步骤，第三碱性溶液的碱性小于氢氧化锂水溶液的碱性。
9.根据权利要求1所述的晶圆碱刻蚀方法，其特征在于，对晶圆进行第二次刻蚀后，还包括对晶圆进行去离子水清洗，之后进行SC-2清洗的步骤。
10.根据权利要求9所述的晶圆碱刻蚀方法，其特征在于，对晶圆进行SC-2清洗后，还包括依次对晶圆进行去离子水清洗和采用热去离子水进行干燥的步骤。
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