TW201523714A - 基板處理系統以及使用該系統的基板處理方法 - Google Patents

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Abstract

提供一種具有改良結構的基板處理系統，該基板處理系統可防止下層發生損害且可有效移除蝕刻副產物及煙氣兩者，且提供一種使用該系統的基板處理方法。該基板處理系統包括濕洗模組及乾洗模組。濕洗模組用以向基板供應洗液以清洗基板之表面，且乾燥該經清洗基板。乾洗模組用以向基板噴灑含有HF氣體的清洗氣體，以蝕刻形成於基板上的氧化矽層。

Description

基板處理系統以及使用該系統的基板處理方法 【相關專利申請案之交叉引用】
本發明主張2011年5月31日在韓國知識產權局申請之韓國專利申請案第10-2011-0051974號之優先權，所述申請案之揭露內容以引用的方式全部并入本文中。
本發明是有關於基板處理系統及使用該系統的基板處理方法，且更特定言之，是有關於在蝕刻基板之製程之後自基板移除雜質、氧化矽層及煙氣(fumes)的基板處理系統及使用該系統的基板處理方法。
由於半導體裝置之整合度愈來愈高，用於使鄰近裝置電性隔離之隔離技術亦愈來愈重要。淺溝渠隔離(STI)形成方法是用於半導體處理中的一種類型的隔離技術，其形成一溝渠，該溝渠限制半導體基板中之作用區域，且藉由以絕緣材料掩埋溝渠之內側來形成隔離層。
圖1是描述典型隔離層形成方法的剖視圖。
參看圖1，襯墊氧化物層及氮化物層按順序形成於半導體基板10上。在該氮化物層上形成光阻圖案(未繪示)，且接著藉由以該光阻圖案來圖案化該氮化物層而形成氮化物圖案30。藉由以氮化物圖案30作為蝕刻遮罩來蝕刻襯墊氧化物層及半導體基板10，形成襯墊氧化物圖案20及溝渠40(限制半導體基板10之作用區域)。
在後續製程中，藉由灰化(ashing)移除光阻圖案，藉由濕洗法移除蝕刻副產物及類似者，將絕緣材料掩埋於溝渠40內側，且接著移除氮化物圖案30及襯墊氧化物圖案20，從而完成隔離層。
然而，在下層形成為PSG層、BPSG層、SOD層或相對軟的氧化物層時，由於濕洗法中之洗液，下層中發生損害(亦即，下層被過度蝕刻)。
為了克服此等限制，以HF氣體進行之乾洗(代替濕洗)作為替代製程近來正獲得愈來愈多的關註。然而，在應用乾洗時，由於基板在形成圖案之蝕刻裝置與蝕刻之後使用的乾洗裝置之間的傳送，各個製程間會有時間延遲，且因此，在圖案內側產生稱作煙氣之雜質。
圖2是示意地說明溝渠40藉由蝕刻裝置而形成於半導體基板10中之狀態的俯視圖，在將半導體基板10傳送至乾洗裝置時，該半導體基板10曝露至大氣，且因此在溝渠40內側產生煙 氣50。
如所說明，煙氣50產生於半導體基板10上，且以XPS/AES進行之分析展示該等煙氣50含有SiO2。此可理解為以下所述的狀態，在此狀態中，蝕刻製程所使用之蝕刻氣體中的諸如F、Cl及Br之鹵素成分留在溝渠40內側，且接著在該等鹵素成分曝露至大氣時，其與大氣中之水分反應以形成固體水合物。此等煙氣成為STI製程及圖案化之後應用乾洗之任何製程(例如，形成閘極線及位元線之製程)中之難題。
換句話說，若用濕洗來清洗蝕刻副產物(作為蝕刻後之後續製程)，則與H2O2或緩衝氧化物蝕刻劑(BOE)的水解使煙氣不會形成。然而，如上文所描述，由於發生於下層中之損害，不可能應用濕洗。相反地，若使用乾洗，則會造成煙氣。
因此，需要開發新型基板處理系統以防止下層中發生損害且另外移除蝕刻副產物及煙氣兩者。
本發明之實施例提供一種具有改良結構的基板處理系統，該基板處理系統可防止下層中發生損害且有效移除蝕刻副產物及煙氣兩者，且提供一種使用該系統的基板處理方法。
在一態樣中，基板處理系統包括濕洗模組及乾洗模組。濕洗模組用以向基板供應洗液，從而清洗基板之表面且乾燥經清洗基板。乾洗模組用以噴灑清洗氣體至基板上，從而蝕刻形成於基板上的氧化矽層，該清洗氣體含HF氣體。
根據本發明之實施例，基板處理系統可更包括：卡匣模組，用以在處理基板之前或之後收納基板；大氣傳送模組，用以傳送收納於該卡匣模組中之基板；真空傳送模組，其連接至乾洗模組，用以在真空狀態下傳送基板至乾洗模組；及負載鎖定模組，其連接至真空傳送模組，且使壓力在大氣狀態與真空狀態之間改變。
在另一態樣中，一種基板處理方法包括：執行乾洗製程，噴灑清洗氣體至基板上以移除形成於基板上的氧化矽層，該清洗氣體含有HF氣體；及執行濕洗製程，供應洗液至基板以清洗基板之表面，及乾燥基板。
根據本發明之另一實施例，該基板處理方法可更包括：執行初步濕洗製程，所述初步濕洗製程是乾洗製程之前供應洗液至基板以清洗基板之表面並乾燥基板。
根據本發明之另一實施例，該初步濕洗製程可包括自基板之表面移除有機材料，且濕洗製程可包括移除煙氣，該等煙氣產生自含有鹵素化合物之蝕刻氣體殘留物。
根據本發明之實施例，可防止下層遭受損害，且可有效地自基板移除氧化矽層、蝕刻副產物及煙氣。
藉由參看隨附圖式詳細描述本發明之例示性實施例，本發明之以上特徵及優點及其他特徵及優點將變得更加顯而易見。
10‧‧‧半導體基板
20‧‧‧襯墊氧化物圖案
30‧‧‧氮化物圖案
40‧‧‧溝渠
50‧‧‧煙氣
100‧‧‧卡匣模組
200‧‧‧大氣傳送模組
210‧‧‧傳送機械手
220‧‧‧緩衝零件
230‧‧‧輔助傳送機械手
300‧‧‧濕洗模組
310‧‧‧腔室
320‧‧‧基座
330‧‧‧洗液噴灑器
400‧‧‧負載鎖定模組
500‧‧‧真空傳送模組
510‧‧‧傳送機械手
600‧‧‧乾洗模組
610‧‧‧腔室
620‧‧‧基座
630‧‧‧噴灑頭
640‧‧‧氣體供應系統
641‧‧‧供應源
642‧‧‧氣體供應通路
643‧‧‧質量流量控制器(MFC)
1000‧‧‧基板處理系統
M100、M200‧‧‧基板處理方法
S10‧‧‧初步濕洗製程
S11、S12、S31、S32、S51、S52‧‧‧操作
S20、S40、S60‧‧‧製程
S30、S110‧‧‧乾洗製程
S50、S130‧‧‧濕洗製程
S120‧‧‧基板傳送製程
S140‧‧‧基板卸載製程
W‧‧‧基板
圖1是描述典型隔離層形成方法的剖視圖。
圖2是示意地說明溝渠藉由蝕刻裝置而形成於半導體基板中之狀態的俯視圖，在將半導體基板傳送至乾洗裝置時，該半導體基板曝露至大氣，且因此在溝渠內側產生煙氣。
圖3是根據本發明之實施例的基板處理系統的示意組態圖。
圖4是圖3之濕洗模組的示意組態圖。
圖5是圖3之乾洗模組的示意組態圖。
圖6是根據本發明之一實施例的基板處理方法的流程圖。
圖7是根據本發明之另一實施例的基板處理方法的流程圖。
下文中，將參看隨附圖式詳細描述根據本發明之實施例的基板處理系統及方法。
圖3是根據本發明之實施例的基板處理系統的示意組態圖。圖4是圖3之濕洗模組的示意組態圖。圖5是圖3之乾洗模組的示意組態圖。
參看圖3至圖5，根據本發明之實施例的基板處理系統1000包括卡匣模組100、大氣傳送模組200、濕洗模組300、負載鎖定模組400、真空傳送模組500及乾洗模組600。
卡匣模組100收納處理之前及之後的基板。在本實施例中，將四個卡匣模組配置成一列，且該四個卡匣模組中之兩者收 納處理之前的基板，且其他兩個卡匣模組收納處理之後的基板。本文中，如下文所描述，「處理」意指藉由乾洗模組600及濕洗模組300執行的清洗(或蝕刻)製程。
大氣傳送模組200傳送置放於卡匣模組100中之基板，或傳送該基板至該卡匣模組100。該大氣傳送模組200連接至該四個卡匣模組，且包括傳送機械手210。該傳送機械手210沿著四個卡匣模組配置的方向移動，且在緩衝零件220與卡匣模組100之間傳送基板。
緩衝零件220暫時收納基板，且該緩衝零件220安置於下文將描述之一對濕洗模組300之間。藉由輔助傳送機械手230，將置放於緩衝零件220中之基板傳送至濕洗模組300或負載鎖定模組400。另一方面，自濕洗模組300及負載鎖定模組400傳送之基板暫時置放於緩衝零件220中。為此，將用於收納基板之多個槽製備於緩衝零件220中。
在濕式製程中，濕洗模組300清洗基板。在本實施例中，設置一對濕洗模組。參看圖4，濕洗模組300包括腔室310、基座320及洗液噴灑器330。基座320可旋轉地安置於腔室310內側，且基板W置放於基座320上。洗液噴灑器330安置於基座320之上部部分，且供應洗液至基板W。在此情況下，可根據清洗之目的(亦即，根據欲經由清洗自基板表面移除之材料)適當地改變洗液。舉例而言，洗液可為超純水、去離子水、NH4OH水、臭氧水或類似者。又，濕洗模組300可更包括沖洗溶液供應器，該沖 洗溶液供應器供應沖洗溶液(例如，超純(ultra pure)沖洗溶液)至基板以沖洗清洗之後的基板。或者，濕洗模組300可不包括單獨的沖洗溶液供應器，但允許洗液噴灑器330來供應沖洗溶液。
藉由供應沖洗溶液至基板且同時旋轉基座320，沖洗溶液擴散至基板之整個表面上，從而清洗該基板。隨後，藉由將沖洗溶液供應至該基板來沖洗該基板，且接著藉由連續旋轉基座320歷時某一時間來乾燥該基板。此時，可加熱基板，或可供應惰性氣體至該基板以實現平滑乾燥。為此，濕洗模組300可更包括加熱器(未繪示)及惰性氣體噴灑器(未繪示)。
可控制供應至基板的洗液(或沖洗溶液)量，以使洗液之擴散僅遍及基板之表面(頂部)而不會沿著側表面流下或流動至基板之底部上。亦即，藉由考慮到基板之轉速、根據轉速之離心力及基板與洗液之間的摩擦力而適當地控制洗液量，洗液在基板之整個表面上擴散且藉由離心力而甩出基板之邊緣，而不是在該基板之邊緣處沿著側表面流下。以此方式，藉由控制洗液量，可防止洗液接觸基板之側表面及底部，且因此可防止基板之下層中發生由洗液引起的損害。
另外，為了防止洗液沿著基板之側表面流下，濕洗模組300可更包括輔助惰性氣體噴灑器(未繪示)，該輔助惰性氣體噴灑器供應惰性氣體至基板之側表面。清洗基板時，藉由供應惰性氣體至基板之側表面，可防止洗液沿著基板之側表面流下。
在此情況下，藉由使惰性氣體自基板之邊緣的下部部分 噴灑至其上部部分，由於離心力，不會阻止洗液橫越基板之整個頂表面而擴散，且另外，可有效地防止洗液沿著基板之側表面流下。
負載鎖定模組400使壓力在真空狀態與大氣狀態之間改變，且用於收納基板的卡匣(未繪示)製備於負載鎖定模組400內側。
真空傳送模組500在真空狀態下傳送基板至乾洗模組600，且該真空傳送模組500連接至負載鎖定模組400。真空傳送模組500之內側維持在真空狀態中。此外，用於傳送基板之傳送機械手510製備於真空傳送模組500內側。本文中，傳送機械手510可以是包括兩個傳送臂以提高傳送效率的雙臂型(dual type)傳送機械手。
在乾洗製程中，乾洗模組600清洗(或蝕刻)基板。在本實施例中，提供四個乾洗模組。該四個乾洗模組是沿著真空傳送模組500之周邊而安置。參看圖5，乾洗模組600包括連接至真空傳送模組500之腔室610。上面安置有基板W之基座620以可升降方式安置於腔室內部空間的下側處。基座620可包括熱交換器以調整基板之溫度。噴灑清洗氣體的噴灑頭630安置於腔室610內部空間中的上側處，以使形成於基板W上之氧化矽層及其他雜質可藉由乾洗製程而得以清洗。
噴灑頭630連接至氣體供應系統640以用於引入通量受控的清洗氣體。在乾洗時，不單獨使用HF氣體，而將至少包括 HF氣體的混合氣體用作清洗氣體。舉例而言，可將HF氣體與NH3氣體的混合氣體用作清洗氣體。清洗氣體之每一組份氣體是分別提供至氣體供應系統640，如此一來，直至該等組份氣體供應至腔室，該等組份氣體方混合。亦即，儘管未細分且未繪示，但氣體供應系統640包括：氣體供應通路642，其連接至每一組份氣體的供應源641(含有氣瓶(gas bombe)或流體的罐)；及質量流量控制器(mass flow controller,MFC)643，其包括於供應源641中。
噴灑頭630是用於噴灑組份氣體的構件，其自氣體供應系統640收納至腔室610中。為了有效維護且清洗噴灑頭630，噴灑頭630可能是非混合類型，其中，清洗氣體不會在該噴灑頭630內側混合，而是在將其噴灑至腔室610中之後混合。為此，可應用雙流型(dual type)噴灑頭630，其中，在噴灑頭630內側形成至少兩支單獨的流動路徑。用於噴灑清洗氣體至腔室610中的構件可以是與噴灑頭不同類型的構件(諸如，氣體噴嘴或氣體噴灑板)，或是其中每種氣體均可自腔室610之下部部分(而非上部部分)引入的一類構件。
此外，用於加熱基板的鹵素燈可另外安置於腔室610之上端部分。
接著描述乾洗製程。將腔室610內部的壓力調整至10毫托(mTorr)至150托，將基座620的溫度調整至攝氏20度至攝氏70度，且接著裝載基板W。將基座620的溫度選在最適合清洗氣體之清洗反應的範圍內，且基座620的溫度成為基板W的溫 度。此時，為了防止清洗氣體凝結，可將腔室610之壁維持在攝氏50度至攝氏150度，且亦將噴灑頭630維持在攝氏50度至攝氏150度。
接著，將通量受控的HF氣體自HF氣體供應系統引入至腔室610中，且同時將通量受控的NH3氣體自NH3氣體供應系統引入至腔室610中。
以此方式，經由噴灑頭630將已分別引入至腔室610中之HF氣體及NH3氣體噴灑至腔室610中，且混合HF氣體與NH3氣體。因此，藉由混合氣體來蝕刻形成於基板W上的氧化矽層及其他雜質。隨後，將基座620提昇到以圖5中之虛線說明的位置，且藉由以鹵素燈在攝氏80度至攝氏200度下加熱基板W來移除蝕刻副產物。
藉由將選自N2、Ar及He中之至少一惰性氣體添加至清洗氣體，可將該清洗氣體用作載運氣體。又，可供應添加有IPA氣體的清洗氣體。在此情況下，因為IPA在室溫下為流體，所以可藉由適當起泡或汽化器來使IPA汽化，且接著引入IPA。
下文中，將描述使用上文描述之基板處理系統的基板處理操作。
圖6是根據本發明之實施例的基板處理方法M100的流程圖。
參看圖6，將等候處理的基板置放於卡匣模組100中。在此情況下，如上文在先前技術中所描述，可以使用包括鹵素成分 (諸如，F、Cl或Br)的蝕刻氣體來蝕刻基板，且因此該基板成為圖案形成於其中的基板。經由大氣傳送模組200及緩衝零件220來將基板傳送至濕洗模組300，且在濕洗模組300中執行初步濕洗製程S10。
接著描述初步濕洗製程S10。首先，在操作S11中，藉由在旋轉基板之同時供應洗液(例如，臭氧水)，使洗液之擴散遍及基板之整個表面，以便移除留在基板上的任何有機材料。藉由供應超純水(沖洗溶液)至基板來沖洗該基板，且接著在操作S12中乾燥該基板，從而完成初步濕洗製程。接著，在製程S20中，經由緩衝零件220、負載鎖定模組400及真空傳送模組500將基板傳送至乾洗模組600，且在乾洗模組600中執行乾洗製程S30。
接著描述乾洗製程S30。在基板溫度維持在最適合清洗反應的溫度範圍內(攝氏20度至攝氏70度)的情況下，藉由在操作S31中將清洗氣體(HF、NH3)噴灑至基板上，氧化矽層及其他雜質藉由與清洗氣體反應而得以蝕刻。隨後，提昇基座320，且藉由在操作S32中在攝氏80度至攝氏200度下加熱基板來移除蝕刻副產物。
隨後，在製程S40中，再次將基板傳送至濕洗模組300，且在該濕洗模組300中執行濕洗製程S50。該濕洗製程S50移除來自基板的煙氣。如上文在先前技術中所描述，當諸如F、Cl及Br之鹵素成分(在蝕刻製程中，該等鹵素成分被添加至蝕刻氣體中以在基板上形成圖案)留在基板之溝渠40內側，且接著曝露至 大氣時，該等鹵素成分與大氣中之水分反應以形成固體水合物。
接著描述濕洗製程S50。在操作S51中，藉由在旋轉基板之同時供應洗液(超純水)，使洗液擴散而遍及基板之整個表面，且煙氣藉由與洗液反應而得以移除。接著，藉由在操作S52中乾燥基板，完成濕洗製程S50。
在進行至濕洗製程S50之後的製程時，出於製程的穩定性，有時需要在基板上形成化學氧化物。在此情況下，移除煙氣，且接著藉由供應諸如臭氧水或氨水的洗液(其促進形成化學氧化物)至基板，在基板上形成化學氧化物(隨後，可執行沖洗製程)，且接著乾燥基板。
隨後，在製程S60中，在基板已自濕洗裝置傳送至卡匣模組100時，完成基板的全部清洗製程，且基板進行至後續製程。
在上文描述之實施例中，藉由乾洗製程移除基板上的大部分氧化矽層及其他雜質。因此，如在典型濕洗製程中，可防止下層(諸如SOD或BPSG)遭受損害。
在濕洗製程中，並未完全蝕刻基板(亦即，洗液僅與煙氣反應，且不與其他部分反應)，且是選擇性地移除基板上的煙氣。不同於習知技術，此舉防止下層遭受各向同性蝕刻引起的損害。在此情況下，如上文所描述，藉由適當調整洗液的供應，可防止洗液沿著側表面流下且沿著基板之底部流下，從而防止下層遭受損害。
亦即，在本實施例中，藉由乾洗製程蝕刻基板，且在濕 洗製程中移除煙氣。因此，防止下層遭受損害，且另外，可有效地自基板移除氧化矽層、蝕刻副產物及煙氣。
當基板上存在有機材料時，可能不會有效地在乾洗製程中移除該有機材料。亦即，該有機材料及氧化矽層即使在乾洗製程之後亦可能餘留在基板上。然而，在本實施例中，基板上之任何有機材料在執行乾洗製程之前可藉由初步濕洗製程而得以移除，從而更徹底地清洗基板。
圖7是根據本發明之另一實施例的基板處理方法M200的流程圖。
參看圖7，在本實施例中，直接執行乾洗製程S110而不執行初步濕洗製程，且接著按順序執行基板傳送製程S120、濕洗製程S130及基板卸載製程S140。相比於上文描述之實施例，根據本實施例，不執行初步濕洗製程以便減少所花費的總清洗時間。因此，在乾洗製程之前不需要單獨的濕洗製程時(例如，全部外來物質皆藉由基板上之清洗氣體而得以溶解時)，基板處理方法M200可改良基板處理方法M100的效率。
儘管已參看本發明之數個示範性實施例來描述本發明，但應理解，熟習此項技術者可設計各種修改及替代實施例而不脫離本發明之精神及範疇。更特定而言，有可能在本發明、圖式及隨附申請專利範圍的範疇內在組份零件及/或目標組合配置的配置中做出各種變化及修改。
100‧‧‧卡匣模組
200‧‧‧大氣傳送模組
210‧‧‧傳送機械手
220‧‧‧緩衝零件
230‧‧‧輔助傳送機械手
300‧‧‧濕洗模組
400‧‧‧負載鎖定模組
500‧‧‧真空傳送模組
510‧‧‧傳送機械手
600‧‧‧乾洗模組
1000‧‧‧基板處理系統

Claims (9)

  1. 一種基板處理系統，包括：濕洗模組，用以向基板供應洗液，從而清洗所述基板之表面，且乾燥所述經清洗基板；及乾洗模組，其用以噴灑清洗氣體至所述基板上，從而蝕刻形成於所述基板上的氧化矽層，所述清洗氣體含有HF氣體。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之基板處理系統，更包括：卡匣模組，用以在處理所述基板之前或之後收納所述基板；大氣傳送模組，用以傳送收納於所述卡匣模組中之所述基板；真空傳送模組，其連接至所述乾洗模組，且用以在真空狀態下將所述基板傳送至所述乾洗模組；及負載鎖定模組，其連接至所述真空傳送模組，且使壓力在大氣狀態與所述真空狀態之間改變。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之基板處理系統，其中所述濕洗模組包括：基座，所述基板置放於所述基座中，所述基座是可旋轉的；及洗液噴灑器，用以供應洗液至所述基板之頂表面，其中在所述洗液供應至所述基板之所述頂表面時，所述基座旋轉，且根據由所述基座之旋轉產生的離心力，對所述洗液之供應量進行調整，以防止供應至所述基板之所述頂表面的所述洗液沿著所述基板之側表面流下。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之基板處理系統，其中所述濕洗模組包括：基座，所述基板置放於所述基座中，所述基座是可旋轉的；洗液噴灑器，其供應洗液至所述基板之頂表面；及輔助惰性氣體噴灑器，用以噴灑惰性氣體至所述基板之側表面，以防止所述洗液沿著所述基板之所述側表面流下。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之基板處理系統，其中所述惰性氣體是自所述基板之邊緣的下部部分噴灑至其上部部分。
  6. 一種基板處理方法，包括：執行乾洗製程，噴灑含有HF氣體的清洗氣體至基板上以移除形成於所述基板上的氧化矽層；及執行濕洗製程，供應洗液至所述基板以清洗所述基板之表面，及乾燥所述基板。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之基板處理方法，其中在所述濕洗製程中，在所述基板旋轉時，所述洗液供應至所述基板之頂表面，且根據由所述基板之旋轉產生的離心力，對所述洗液之供應量進行調整，以防止供應至所述基板之所述頂表面的所述洗液沿著所述基板之側表面流下。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之基板處理方法，其中所述濕洗製程包括噴灑惰性氣體至所述基板之側表面，以防止供應至所述基板之頂表面的所述洗液沿著所述基板之所述側表面流下。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之基板處理方法，其中所述惰 性氣體是自所述基板之邊緣的下部部分噴灑至其上部部分。
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