CN117059477A - 一种多层多晶硅的清洗方法及半导体器件 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种晶圆上的多层多晶硅的清洗方法及半导体器件，多层多晶硅的清洗方法包括：提供质量浓度为49%的HF溶液和质量浓度为70%的HNO3溶液，当HF溶液和HNO3溶液按照体积比大于或等于1/200、且小于或等于1/25混合以形成第一清洗剂时，则按照如下步骤对多层多晶硅进行清洗，并重复N次，其中，N为多层多晶硅的层数，N≥2；步骤S110、采用HF溶液清洗第一预设时间，以清除最外层的氧化层；步骤S120、采用第一清洗剂清洗第二预设时间，以清除最外层的多晶硅。本申请可以完全清除晶圆背面的多层多晶硅，晶圆背面基本无色差，晶圆正面、背面应力差小，可以降低半导体器件的破片不良。
Description
技术领域
本申请涉及半导体器件技术领域，具体涉及一种多层多晶硅的清洗方法及半导体器件。
背景技术
半导体器件的加工过程，会涉及到对晶圆背面的多晶硅（poly）薄膜的清洗。例如，BCD(Bipolar-CMOS-DMOS)产品的DTI（Deep Trench Isolation） 制程中，晶圆的正面会刻蚀出大约30um的沟道，随后会在沟道中生长氧化硅层以及填充poly，由于设备的制约，为了实现对DTI沟道有效的填充，该段制程会进行7次的ploy生长。poly生长的过程中晶圆背部也会同时生长。由于DTI沟道较深，为了降低晶圆背部膜层应力，降低晶圆破片的风险，晶圆背部的poly需要进行清除。
Poly的清除，可以使用强氧化性酸溶液或碱性溶液对多晶硅进行刻蚀。对于单次生长的多晶硅来说，上述清洗方法效果良好，但是对于多层生长的多晶硅来说，上述方法刻蚀完成后晶圆表面常常会有色差，这是多晶硅不完全刻蚀造成的，多晶硅刻蚀不完全会对晶圆的正面、背面带来应力差，增加了晶圆破片的机率。
发明内容
针对上述技术问题，本申请提供一种多层多晶硅的清洗方法及半导体器件，可以改善现有的清洗方法无法完全清洗晶圆背面的多层多晶硅导致晶圆破片机率增大的问题。
为解决上述技术问题，第一方面，本申请实施例提供一种晶圆上的多层多晶硅的清洗方法，包括：
提供质量浓度为49%的HF溶液和质量浓度为70%的HNO3溶液，当所述HF溶液和所述HNO3溶液按照体积比大于或等于1/200、且小于或等于1/25混合以形成第一清洗剂时，则按照如下步骤对所述多层多晶硅进行清洗，并重复N次，其中，N为所述多层多晶硅的层数，N≥2；
步骤S110、采用所述HF溶液清洗第一预设时间，以清除最外层的氧化层；
步骤S120、采用所述第一清洗剂清洗第二预设时间，以清除最外层的多晶硅。
可选的，所述步骤S110中，所述第一预设时间为2~3s。
可选的，所述步骤S110具体包括：
控制所述晶圆旋转，向所述多层多晶硅喷洒所述HF溶液，并保持所述第一预设时间；
向所述多层多晶硅喷洒纯水，以清洗残余的所述HF溶液。
可选的，所述步骤S120中，所述第二预设时间= n*（所述多层多晶硅的每一层厚度/所述第一清洗剂对多晶硅的刻蚀速率），n为过量刻蚀系数，n=1.2~1.4。
可选的，所述HF溶液和所述HNO3溶液的体积比等于1/50；
所述多层多晶硅的总厚度为16000Å；
所述第二预设时间为5s。
可选的，所述步骤S120具体包括：
控制所述晶圆旋转，向所述多层多晶硅喷洒所述第一清洗剂，并保持所述第二预设时间；
控制所述晶圆空转以甩掉残余的所述第一清洗剂；
向所述多层多晶硅喷洒纯水，以清洗残余的所述第一清洗剂，并进行干燥。
可选的，当所述HF溶液和所述HNO3溶液按照体积比大于或等于1/10、且小于或等于1混合以形成第二清洗剂时，则按照如下步骤对所述多层多晶硅进行清洗：
步骤S210、采用所述HF溶液清洗第三预设时间，以清除最外层的氧化层；
步骤S220、采用所述第二清洗剂清洗第四预设时间，以一次性清除所述多层多晶硅。
可选的，所述第四预设时间= n*（所述多层多晶硅的总厚度/所述第二清洗剂对多晶硅的刻蚀速率），n为过量刻蚀系数，n=1.2~1.4。
可选的，所述HF溶液和所述HNO3溶液的体积比等于1/6；
所述多层多晶硅的总厚度为16000Å；
所述第四预设时间为16s。
第二方面，本申请实施例提供一种半导体器件，包括隔离槽，所述隔离槽在填充完多层多晶硅后采用如上各实施例所述的清洗方法进行清洗。
如上所述本申请的多层多晶硅的清洗方法，质量浓度为49%的HF溶液和质量浓度为70%的HNO3溶液按照体积比大于或等于1/200、且小于或等于1/25混合以形成第一清洗剂，然后上述HF溶液和第一清洗剂交替对多层多晶硅进行清洗，依次清除每一层的自然氧化层和多晶硅层，交替循环次数等于多层多晶硅的层数。本申请可以完全清除晶圆背面的多层多晶硅，最终制备的半导体器件背面基本无多晶硅残留，无色差，晶圆正面、背面应力差小，可以降低半导体器件的破片不良。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是传统清洗方法清洗前后晶圆的TEM照片；
图2是传统清洗方法清洗后晶圆的EDS分析图片；
图3是本申请实施例提供的一种晶圆上的多层多晶硅的清洗方法的流程示意图；
图4是本申请实施例提供的HNO3溶液和HF溶液在不同体积比下对多晶硅以及氧化物的刻蚀速率对比图；
图5是本申请实施例提供的一种晶圆背面的多层多晶硅的结构示意图；
图6是本申请实施例提供的一种晶圆上的多层多晶硅的一个循环的清洗流程示意图；
图7是本申请实施例的清洗方法清洗后晶圆的TEM照片；
图8是本申请实施例的清洗方法清洗后晶圆的EDS分析图片；
图9是本申请实施例提供的另一种晶圆上的多层多晶硅的清洗方法的流程示意图。
本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。通过上述附图，已示出本申请明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本申请构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本申请的概念。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
如上所述，现有的清洗方法无法完全清除多层多晶硅，多晶硅刻蚀不完全会对晶圆的正面、背面带来应力差，增加了晶圆破片的机率，申请人对该不良问题进行了研究分析。
以HF溶液（质量浓度为49%）和HNO3溶液（质量浓度为70%）按照体积比1：50混合形成的清洗剂为例，其可以直接清洗掉常规的单层多晶硅层。其清洗机理如下方程式所示，具体过程为：清洗剂中的HF首先对多晶硅表面的自然氧化层（SiO2）进行腐蚀以露出多晶硅（Si），清洗剂中的HNO3进一步与Si反应，从而最终清洗掉多晶硅。
（1）
（2）
当晶圆制作时需要沉积较厚的多晶硅时，由于设备限制，只能通过多次沉积得到。比如，当需要得到16000 Å的多晶硅时，可以通过7次沉积、每次沉积2500 Å（设备设定值），最终累积得到的多晶硅厚度刚好为16000 Å（实际测量值）左右。而每一层多晶硅的表面由于环境的氧化，均会存在一个薄的氧化层，该氧化层的厚度可以达到20~30Å。对于该较厚的多层多晶硅而言，继续采用传统的清洗方法则无法完全清除掉多层多晶硅，请参阅图1和图2，图1中图（a）是厚多晶硅被刻蚀前的TEM照片，背面氮化硅20表面的多层多晶硅10总厚度大概为16kÅ，顶层黑色为油墨，图（b）是刻蚀工艺完成后的TEM照片，背面氮化硅20表面的多层多晶硅10仍有残留，图2是刻蚀后的元素分析（EDS）图片，证实了晶圆背面的多层多晶硅10有残留。基于此，本申请提供了一种多层多晶硅的清洗方法及半导体器件。
请参阅图3，图3是本申请实施例提供的一种晶圆上的多层多晶硅的清洗方法的流程示意图。需要说明的是，在配置清洗剂时，主要采用质量浓度为49%的HF溶液和质量浓度为70%的HNO3溶液进行配置。为了研究清洗剂对多层多晶硅的清洗方案，申请人首先研究了不同浓度配比的清洗剂对多层多晶硅的刻蚀速率的基本规律。
如图4所示， HNO3溶液和HF溶液在一定的体积比下，对氧化硅具有很高的选择性。比如，体积比为1:50的HF/HNO (为HNO3的简写)的清洗剂对于poly的刻蚀速率可以达到800±200 Å /s，而对于氧化硅的刻蚀速率只有0.25 Å /sec。随着HF的含量的增加，清洗剂对于氧化硅的刻蚀速率会有所增加，因而对于氧化硅的选择比也会随着降低。此外，多晶硅由于自然氧化层的存在，多层多晶硅基本由多晶硅和氧化硅交替层叠而成。因而，传统方法特定比例（1：50）的HF/HNO对多层多晶硅进行刻蚀清洗的话会存在一定的局限性。
本申请实施例一的清洗方法为：质量浓度为49%的HF溶液和质量浓度为70%的HNO3溶液按照特定体积比R进行混合，当1/200≤R≤1/25，从图4中可以看出（R=1/200的数据未补上），该清洗剂（第一清洗剂）对氧化硅具有较高的选择比，并且根据图示趋势，当R ＜1/200时，选择比会进一步增大，根据实验结果，R太小对氧化硅的刻蚀速率过低，会影响刻蚀效率。因此，本申请实施例一中，R取值范围为[1/200，1/25]，该清洗方法包括如下步骤S110和步骤S120，并且重复N次，其中，N为多层多晶硅的层数，N≥2。
步骤S110、采用HF溶液清洗第一预设时间，以清除最外层的氧化层。
步骤S120、采用所述第一清洗剂清洗第二预设时间，以清除最外层的多晶硅。
请参阅图5，以晶圆（衬底）100背面生长的多层多晶硅为7层为例，由外至内分别为第一层氧化物OX1、第一层多晶硅SI1、第二层氧化物OX2、第二层多晶硅SI2、…、第七层氧化物OX7、第七层多晶硅SI7。如上所述方程式（1），可以先采用HF溶液对第一层的氧化硅进行刻蚀清除，刻蚀的第一预设时间，以可以清除第一层氧化物OX1露出第一层多晶硅SI1为准。
作为一个示例，第一预设时间可以是2~3s，一般可以清除自然氧化层。
然后采用HF/HNO（体积比R取值范围为[1/200，1/25]）的第一清洗剂清洗第二预设时间，清洗原理如上所述方程式（2），以清除第一层多晶硅SI1露出第二层氧化物OX2。需要说明的是，第一清洗剂中的HF虽然可以继续对第二层氧化物OX2进行刻蚀，但是速率过低，没有实际生产意义。
再采用HF溶液刻蚀第二层氧化物OX2以露出第二层多晶硅SI2，然后采用第一清洗剂刻蚀第二层多晶硅SI2以露出第三层氧化物OX3。依此类推，直至完成第七层氧化物OX7和第七层多晶硅SI7的刻蚀。
需要说明的是，实际生产过程中，设备参数设定好后不会进行更改，因此，每一层的氧化物厚度基本相同，去除每层的氧化物可以刻蚀相同的时间；每一层的多晶硅的厚度也基本相同，去除每层多晶硅也可以刻蚀相同的时间。
本申请实施例在清洗过程中通过HF和HF/HNO的交替使用，可以完全清除晶圆背面的多层多晶硅，最终制备的半导体器件背面基本无多晶硅残留，无色差，晶圆正面、背面应力差小，可以降低半导体器件的破片不良。
以上述多层多晶硅含7层且每层多晶硅SI的厚度为2500 Å（沉积时，设备设定值）、总厚度为16000 Å（实际测量值）为例，具体的刻蚀过程中，每一个清洗循环请参阅图6，具体可以包括如下步骤：
步骤S111、控制晶圆旋转，向多层多晶硅喷洒HF溶液，并保持第一预设时间。
比如，晶圆固定在机台上以后，可以控制机台旋转，然后向晶圆背面喷洒HF溶液（质量浓度为49%），溶液的温度可以控制在55℃左右，喷洒的第一预设时间可以是2-3s，将最外层的氧化层去除。
步骤S112、向多层多晶硅喷洒纯水，以清洗残余的HF溶液。
第一步清洗完成后，可以保持机台继续旋转，并向晶圆背面的多层多晶硅喷洒纯水，比如，喷水3-5s以清除晶圆上残余的HF溶液，可以避免其对后续的清洗剂的浓度造成影响，影响清洗剂的循环使用次数。
步骤S113、控制晶圆旋转，向多层多晶硅喷洒第一清洗剂，并保持所述第二预设时间。
在清除完最外层的氧化层后，可以继续保持晶圆旋转，然后向晶圆背面的多层多晶硅喷洒第一清洗剂，将裸露在外的多晶硅刻蚀掉。第一清洗剂中HF溶液和HNO3溶液的体积比等于1/50，刻蚀的第二预设时间可以是5s。
步骤S114、控制晶圆空转以甩掉残余的所述第一清洗剂。
步骤S115、向多层多晶硅喷洒纯水，以清洗残余的第一清洗剂，并进行干燥。
为了提高清洗效率，刻蚀完当前层的多晶硅后，可以控制晶圆空转以甩掉残余的所述第一清洗剂，空转时间可以是3s。然后再向多层多晶硅喷洒纯水，水洗时间也可以是3s。最后进行干燥处理，比如可以通过3s的氮气吹扫再加5s的空转来实现。
在一个实施例中，第二预设时间= n*（多层多晶硅的每一层厚度/第一清洗剂对多晶硅的刻蚀速率），n为过量刻蚀系数，n=1.2~1.4。比如，取n=1.3，上述厚度为2500 Å的单层多晶硅的刻蚀时间为：1.3*2500/800=4.1s。因此刻蚀时间为5s是合适的。
经过7次循环清洗后，请参阅图7和图8，晶圆的TEM照片显示，晶圆背面氮化硅20的界面整齐（上方为油墨区），并且EDS分析结果也显示背面的多层多晶硅已蚀刻干净。经过本申请实施例的清洗方法清洗后，晶圆背部的膜层停留在了氮化硅20上。
请参阅图9，图9是本申请实施例提供的另一种晶圆上的多层多晶硅的清洗方法的流程示意图，本申请实施例二的清洗方法为：质量浓度为49%的HF溶液和质量浓度为70%的HNO3溶液按照特定体积比R进行混合，当1/10≤R≤1，从图4中可以看出（R=1的数据未补上），该清洗剂（第二清洗剂）对氧化硅和多晶硅均具有较高的刻蚀速率，此时，可以采用该第二清洗剂直接对多层多晶硅进行刻蚀。根据图示趋势，当R ＞1时，第二清洗剂对氧化硅和多晶硅的刻蚀速率会更高，这也超出了可控的水平。因此，本申请实施例二中，R取值范围为[1/10，1]。该清洗方法包括如下步骤S210和步骤S220，
步骤S210、采用所述HF溶液清洗第三预设时间，以清除最外层的氧化层。
由于最外层的氧化层可能厚度较厚，为了提高效率，因此首先会采用HF溶液去除最外层的氧化层，比如，刻蚀的第三预设时间可以是3s。步骤S210的具体实施例可以参见步骤S110的实施例，在此不再赘述。
步骤S220、采用所述第二清洗剂清洗第四预设时间，以一次性清除所述多层多晶硅。
如上所述，第二清洗剂对氧化硅和多晶硅均具有较高的刻蚀速率，因此，可以直接采用本实施例配置的第二清洗剂一次性刻蚀完成。具体随着多层多晶硅厚度的不同，刻蚀的第四预设时间也相应不同。
在一个实施例中，第四预设时间= n*（所述多层多晶硅的总厚度/所述第二清洗剂对多晶硅的刻蚀速率），n为过量刻蚀系数，n=1.2~1.4。继续以前述示例为例，HF溶液和所述HNO3溶液的体积比等于1/6，多层多晶硅的总厚度为16000Å，刻蚀的总时间大约为1.3*16000/1300=16s。
因此，对于单层多晶硅，R=1:50的清洗剂可以清洗。但是对于多层多晶硅则无法在短时间内一次性清除。本实施例通过研究清洗剂对氧化硅和多晶硅的选择比，得出了上述体积比在[1/10，1]时，可以在可接受的时间内一次性清除多层多晶硅。
本申请实施例还提供了一种半导体器件，其包括隔离槽，比如该隔离槽为DTI槽，当槽的内壁沉积绝缘层后，还向该隔离槽填充多层多晶硅，多层多晶硅填充完成后，可以采用如上各实施例所述的清洗方法进行清洗，最终制备的半导体器件背面基本无多晶硅残留，无色差，晶圆正面、背面应力差小，可以降低半导体器件的破片不良。
以上对本申请所提供的一种多层多晶硅的清洗方法及半导体器件进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述。需要说明的是，在本申请中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素，此外，本申请不同实施例中具有同样命名的部件、特征、要素可能具有相同含义，也可能具有不同含义，其具体含义需以其在该具体实施例中的解释或者进一步结合该具体实施例中上下文进行确定。
应当理解，尽管在本文可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本文范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。
应当理解的是，术语“顶”、“底”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上仅为本申请的优选实施例，并非因此限制本申请的专利范围，本申请技术方案的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，均同理包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种晶圆上的多层多晶硅的清洗方法，其特征在于，包括：
提供质量浓度为49%的HF溶液和质量浓度为70%的HNO3溶液，当所述HF溶液和所述HNO3溶液按照体积比大于或等于1/200、且小于或等于1/25混合以形成第一清洗剂时，则按照如下步骤对所述多层多晶硅进行清洗，并重复N次，其中，N为所述多层多晶硅的层数，N≥2；
步骤S110、采用所述HF溶液清洗第一预设时间，以清除最外层的氧化层；
步骤S120、采用所述第一清洗剂清洗第二预设时间，以清除最外层的多晶硅，所述第二预设时间= n*（所述多层多晶硅的每一层厚度/所述第一清洗剂对多晶硅的刻蚀速率），n为过量刻蚀系数，n=1.2~1.4。
2.根据权利要求1所述的清洗方法，其特征在于，所述步骤S110中，所述第一预设时间为2~3s。
3.根据权利要求1所述的清洗方法，其特征在于，所述步骤S110具体包括：
控制所述晶圆旋转，向所述多层多晶硅喷洒所述HF溶液，并保持所述第一预设时间；
向所述多层多晶硅喷洒纯水，以清洗残余的所述HF溶液。
4.根据权利要求1所述的清洗方法，其特征在于，所述HF溶液和所述HNO3溶液的体积比等于1/50；
所述多层多晶硅的总厚度为16000Å；
所述第二预设时间为5s。
5.根据权利要求1所述的清洗方法，其特征在于，所述步骤S120具体包括：
控制所述晶圆旋转，向所述多层多晶硅喷洒所述第一清洗剂，并保持所述第二预设时间；
控制所述晶圆空转以甩掉残余的所述第一清洗剂；
向所述多层多晶硅喷洒纯水，以清洗残余的所述第一清洗剂，并进行干燥。
6.根据权利要求1所述的清洗方法，其特征在于，当所述HF溶液和所述HNO3溶液按照体积比大于或等于1/10、且小于或等于1混合以形成第二清洗剂时，则按照如下步骤对所述多层多晶硅进行清洗：
步骤S210、采用所述HF溶液清洗第三预设时间，以清除最外层的氧化层；
步骤S220、采用所述第二清洗剂清洗第四预设时间，以一次性清除所述多层多晶硅。
7. 根据权利要求6所述的清洗方法，其特征在于，所述第四预设时间= n*（所述多层多晶硅的总厚度/所述第二清洗剂对多晶硅的刻蚀速率），n为过量刻蚀系数，n=1.2~1.4。
8.根据权利要求7所述的清洗方法，其特征在于，所述HF溶液和所述HNO3溶液的体积比等于1/6；
所述多层多晶硅的总厚度为16000Å；
所述第四预设时间为16s。
9.一种半导体器件，包括隔离槽，其特征在于，所述隔离槽在填充完多层多晶硅后采用权利要求1-8任一项所述的清洗方法进行清洗。
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- 2023-10-10 CN CN202311303114.9A patent/CN117059477A/zh active Pending
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