TW202349491A

TW202349491A - 剝除及清洗半導體結構之方法

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Publication number: TW202349491A
Application number: TW112104637A
Authority: TW
Inventors: 劉慶旻; 海河梁; 楊鈞婷
Original assignee: 環球晶圓股份有限公司
Priority date: 2022-02-11
Filing date: 2023-02-09
Publication date: 2023-12-16
Also published as: US20230260779A1; WO2023154644A1; US11798802B2

Abstract

揭示用於移除氧化物膜及用於清洗絕緣體上矽結構之方法。該等方法可涉及將該絕緣體上矽結構浸入一剝除浴中以自該絕緣體上矽結構之表面剝除氧化物膜。將該經剝除之絕緣體上矽結構浸入包括臭氧之臭氧浴中。可將該經臭氧處理之絕緣體上矽結構浸入包括氫氧化銨及過氧化氫之SC-1浴中以清洗該結構。

Description

剝除及清洗半導體結構之方法

本發明之領域係關於用於自一絕緣體上矽(SOI)結構移除氧化物及用於清洗此一結構之方法。

諸如絕緣體上矽結構(「SOI」結構)之半導體結構可在下游處理之前經歷一退火。此退火可導致在SOI結構之表面上形成氧化物(SiO ₂)。此氧化物通常自該結構之頂表面移除。在移除該氧化物之後清洗該結構時，絕緣體上矽結構之表面上之一些區域形成晶圓表面之凸起凸部或「凸塊」。諸如藉由增加剝除程序之時間來移除該等凸部之先前嘗試未成功地消除該等凸部之形成。

存在對減少或消除來自SOI結構之表面之凸起凸部之用於移除SOI結構頂表面上之氧化物及用於清洗該結構之方法之需要。

本節意欲於向讀者介紹可能與下文描述及/或主張之本發明之各個態樣相關之各個技術態樣。此論述被認為有助於向讀者提供背景資訊以促進更好地理解本發明之各個態樣。據此，應理解，此等陳述應自此角度來解讀，而不是作為對先前技術之承認。

本發明之一個態樣係關於一種用於剝除及清洗一絕緣體上矽結構之一表面之方法。該絕緣體上矽結構包含一處置結構、一矽頂層及安置於該處置結構與該矽頂層之間的一介電層。該絕緣體上矽結構在該絕緣體上矽結構之一頂表面上具有氧化物膜。將該絕緣體上矽結構浸入一剝除浴中以自該絕緣體上矽結構之該表面剝除該氧化物膜且製備一經剝除之絕緣體上矽結構。該剝除浴包含氫氟酸及一界面活性劑。將該經剝除之絕緣體上矽結構浸入包括臭氧之臭氧浴中以製備一經臭氧處理之絕緣體上矽結構。將該經臭氧處理之絕緣體上矽結構浸入包括氫氧化銨及過氧化氫之SC-1浴中以製備一經SC-1處理之絕緣體上矽結構。

存在關於本發明之上文提及態樣所述之特徵之各種改進。進一步特徵亦可被併入本發明之上文提及態樣中。此等改進及額外特徵可個別地或以任何組合存在。例如，下文關於本發明之所繪示實施例之任一者所論述之各種特徵可單獨地或以任何組合被併入至本發明之上文提及態樣之任一者中。

本申請案主張2022年2月11日申請之美國非臨時專利申請案第17/670,167號之優先權，該案之全文以引用的方式併入本文中。

本發明之提供係關於用於剝除及清洗一半導體結構之一表面之方法。在一些實施例中，藉由將該半導體結構浸入包括氫氟酸及一界面活性劑之一剝除浴中而自該結構之表面移除氧化物(例如，SiO ₂)。在剝除之後，在後續清洗操作之前將該半導體結構浸入包括臭氧之一浴中以移除缺陷(例如，奈米級缺陷)以防止該等缺陷充當一蝕刻遮罩，由此在該半導體結構之表面上形成凸部。

該等方法通常可適用於自任何半導體結構(例如，單個層或經接合結構) ，諸如其中可期望移除氧化物膜之任何經接合晶圓結構移除氧化物。根據本發明之實施例清洗之半導體結構具有一前表面、一後表面、一圓周邊緣及一中心軸。半導體結構可為適於由熟習此項技術者使用之任何直徑，包含例如約200 mm、約300 mm、大於約300 mm或甚至約450 mm直徑之基板。

在一些實施例中，被處理之結構可為一絕緣體上矽結構。此等結構可包含一處置晶圓、一矽層(有時被稱為「矽裝置層」或「矽頂層」)及安置於處置晶圓與矽層之間的一介電層。以下僅僅係用於製備一絕緣體上矽結構之方法之一項實例且除非另有陳述，否則可使用其他方法。

圖1中展示可接合至一處置結構以形成一經接合晶圓結構之一供體結構30之一實例。供體結構30可經形成有沈積於一供體晶圓12之前表面上之一介電層15。應理解，替代地，介電層15可生長或沈積於處置晶圓上或一介電層可生長於供體晶圓及處置晶圓兩者上，且此等結構可以各種配置之任一者接合而沒有限制。合適供體晶圓12可由矽、鍺、矽鍺、氮化鎵、氮化鋁、砷化鎵、砷化銦鎵及其等任何組合構成。在一些實施例中，供體晶圓由單晶矽組成。

介電層15可為適合用於一SOI結構中之任何電絕緣材料，諸如包括SiO ₂、Si ₃N ₄、氧化鋁或氧化鎂之一材料。在一些實施例中，介電層15係SiO ₂(即，介電層基本上由SiO ₂組成)。在其中介電層係二氧化矽(SiO ₂)之實施例中，介電層有時被稱為「掩埋氧化物」或「BOX」層15。介電層15可根據此項技術中之任何已知技術，諸如熱氧化、濕式氧化、熱氮化或此等技術之一組合來施覆。

例如圖2中所展示，可將離子(例如，氫原子、氦原子或氫及氦原子之一組合)植入供體結構之前表面22下面之一實質上均勻之指定深度處以界定一劈裂平面17。應注意，當氦及氫離子被共同植入至該結構中以形成劈裂平面17時，可同時或循序地植入氦及氫離子。在一些實施例中，在沈積介電層15之前植入離子。當在沈積介電層15之前執行植入時，在一足夠低的溫度下適當地執行介電層在供體晶圓12上之後續生長或沈積以防止沿著供體層中之平面17過早分離或劈裂(即，在晶圓接合程序步驟之前)。

處置結構10 (圖3)可包含一處置晶圓，該處置晶圓自用於製備多層結構之任何合適材料，諸如矽、碳化矽、藍寶石、鍺、矽鍺、氮化鎵、氮化鋁、砷化鎵、砷化銦鎵、石英及其等之組合獲得。處置結構10可包含沈積於一處置晶圓上之一介電層，或如在其他實施例中，僅由一處置晶圓組成(即，不包含一介電層)。處置晶圓及供體晶圓可為單晶矽晶圓且可為已自根據習知丘克拉斯基晶體生長方法生長之單晶錠切割之單晶矽晶圓。

如圖3中所展示，供體結構之介電層15之前表面經適當地接合至處置結構10之前表面以透過一接合程序形成一經接合晶圓結構20。介電層15及處置結構10可經接合在一起，同時藉由將該等結構之表面曝露於含有例如氧或氮之一電漿來執行一表面活化。接著將晶圓按壓在一起且在其等之間形成接合介面18處之一接合。一般而言，本質上可使用此項技術中已知之任何技術達成晶圓接合，只要用來達成接合介面之形成之能量足以確保在後續處理期間維持接合介面之完整性(即，藉由沿著供體晶圓中之劈裂或分離平面17分離進行之層轉移)。

一旦被製備，便將經接合晶圓結構20放置於劈裂裝置中以沿著劈裂平面自該經接合結構分離(即，劈裂)供體晶圓之一部分以形成分層半導體結構(例如，SOI結構)。一般而言，劈裂裝置可使用此項技術中已知之技術，諸如熱及/或機械誘導劈裂技術誘導此斷裂。

參考圖4，在分離時，形成兩個結構30、31。因為經接合晶圓結構20之分離沿著供體結構12中之劈裂平面17發生(圖3)，所以供體結構之一部分保留兩個結構之部分(即，供體晶圓之一部分連同介電層15一起被轉移)。結構30包括供體晶圓之一部分。結構31係SOI結構且包含一處置結構10、介電層15及安置於介電層15頂上之矽頂層25 (在劈裂後保留之供體晶圓之部分)。在其中供體結構及處置結構兩者包含一介電層之實施例中，介電層組合以形成SOI結構之介電層15。

用來沿著劈裂平面分離經接合晶圓結構之劈裂裝置可為其中憑藉機械力單獨地或作為退火之補充誘導或達成分離之一機械劈裂裝置。例如，可將經接合結構放置於一夾具中，在該夾具中垂直於經接合結構之相對側施加機械力以便將供體結構之一部分拉離經接合結構。

一實例劈裂裝置包含在經接合晶圓結構20之一前劈裂邊緣附近施加機械力之吸盤。可藉由在劈裂平面17處在經接合晶圓之邊緣處應用一機械楔或刀片以便起始一裂紋沿著劈裂平面17之傳播而起始供體晶圓之該部分之分離。由吸盤施加之機械力接著自經接合結構拉動供體結構之該部分，因此形成SOI結構。機械劈裂裝置係可商購的，諸如來自Silicon Genesis Corporation (加利福尼亞州聖何塞)之Debond & Cleave Tools。

在替代實施例中，該劈裂裝置係一熱劈裂裝置，其中藉由對經接合結構進行退火來達成破裂。例如，可在一惰性(例如，氬或氮)氣氛或環境條件下，在約200℃至約800℃或自約250℃至約650℃之一溫度下執行熱劈裂達至少約10秒、至少約1分鐘、至少約15分鐘、至少約1小時或甚至至少約3小時之一時段(溫度越高，需要越短的退火時間，且反之亦然)。熱劈裂裝置可為一帶狀爐，其中劈裂之傳播在經接合結構之前邊緣(即，在該結構穿過該爐之行進方向上之前邊緣)處達成，且朝向經接合晶圓結構之後邊緣繼續進行。亦可使用其他類型之劈裂裝置。

SOI結構31之層(處置結構10、介電層15及矽頂層25)通常可具有允許該等層如本文中所描述般起作用之任何厚度。在一些實施例中，矽頂層25相對較薄(例如，約0.1 μm至約0.3 μm之厚度)，且介電層15相對較厚(約1.0 μm或更大)。

本文中所描述之用於產生一SOI結構之方法係實例方法且在不脫離本發明之範疇之情況下可使用其他方法。

現參考圖5，展示本發明之一方法100。雖然本文中可參考一絕緣體上矽結構來描述本發明之方法，但在一些實施例中，可藉由所揭示方法處理其他半導體結構。在一第一步驟110中，將絕緣體上矽結構101浸入一剝除浴中以自絕緣體上矽結構101之頂表面移除氧化物(例如，SiO ₂)且製備一經剝除之絕緣體上矽結構112。剝除浴包括氫氟酸及一界面活性劑。在一些實施例中，界面活性劑係一非離子界面活性劑。在一些實施例中，非離子界面活性劑包括醚基。在一些實施例中，醚類界面活性劑係聚氧伸烷基烷基醚。可商購的醚類界面活性劑包含TRITON X系列(Dow Chemical Company (密西根州米德蘭))以及NCW1001及NCW1002 (Wako Chemicals USA (維吉尼亞州裡奇蒙))。

在一些實施例中，可在剝除或清洗半導體基板期間將一兆頻超音波聲場施加於本文中所描述之各種清洗浴。用於兆頻超音波清洗之典型頻率可在自750 kHz至約1.5 MHz之範圍內。兆頻超音波清洗導致氣穴(cavitation)，其促進自基板之表面移除粒子。在其他實施例中，在本文中所描述之各種剝除及清洗步驟期間未施加兆頻超音波聲場。

剝除浴中之界面活性劑之量可為允許剝除浴如本文中所描述般起作用之任何有效量。在一些實施例中，界面活性劑之量係至少0.01 wt%，或如在其他實施例中至少約0.025 wt%或至少0.05 wt%，或自0.01 wt%至約0.1 wt%，或自0.025 wt%至0.075 wt%。去離子水與氫氟酸(HF)之比率(v:v)可小於100:1，小於50:1，小於25:1，至少1:1，至少5:1，自1:1至100:1或自1:1至25:1。絕緣體上矽結構浸入剝除浴中之時間段可為至少5分鐘，至少10分鐘，或自5分鐘至約60分鐘，或自約5分鐘至約30分鐘。在一些實施例中，剝除浴不包含乙酸。

剝除浴(及下文所提及之額外浴)可由任何合適容器，諸如作為一濕浸站設備之部分之一容器固持。此一系統之一實例係可自Naura-Akrion (賓夕法尼亞州亞蘭敦)購得之GAMA自動化潤濕站，其可包含用於將結構浸入不同浴中之複數個容器。複數個半導體結構(例如，至少5個、10個、25個或50個或更多個)可裝載至一晶圓載體(或「匣」或「晶舟皿」)上且該等載體之一或多者可浸入至固持於該容器內之浴中。用來將該等結構固定於浴中之組件通常係高純度部件，諸如PTFE、石英或塗層鋁或不銹鋼。可自Echo Giken有限公司(日本東京)及Akrion Systems LLC (賓夕法尼亞州亞蘭敦)購買可商購的清洗設備。在其他實施例中，該等結構可浸入一「無匣」系統中之浴中。

根據本發明之實施例，將絕緣體上矽結構「浸入」剝除浴或下文所描述之其他浴中涉及將絕緣體上矽結構完全浸入該浴中。通常且根據本發明之實施例，基板在此等浸入程序中之清洗期間不旋轉。

在該方法之一第二步驟120中，將經剝除之絕緣體上矽結構111浸入臭氧浴中以製備一經臭氧處理之絕緣體上矽結構121。臭氧浴包括臭氧(O ₃)。在一些實施例中，臭氧浴中之臭氧之濃度係至少5 ppm，或至少10 ppm，至少20 ppm，或自5 ppm至40 ppm。經剝除之絕緣體上矽結構111可浸入臭氧浴中達至少1分鐘，至少5分鐘或至少10分鐘(例如，自1分鐘至30分鐘或自5分鐘至約20分鐘)。

在一第三步驟130中，將經臭氧處理之絕緣體上矽結構121浸入SC-1浴中以製備一經SC-1處理之絕緣體上矽結構131。「SC-1」浴係熟習此項技術者已知之水性清洗浴且亦可被稱為「標準清洗-1」或「RCA-1」浴。

SC-1浴包括氫氧化銨(NH ₄OH)及過氧化氫(H ₂O ₂)。SC-1浴中之氫氧化銨之量可為至少0.1 wt%，至少0.5 wt%，或至少1.0 wt% (例如，自0.1 wt%至5 wt%或自1 wt%至3 wt%)。SC-1浴中之過氧化氫之量可為至少0.5 wt%，至少1 wt%，至少2 wt%，自0.5 wt%至10 wt%，或自2 wt%至約5 wt%。

在該方法之另一實施例中且如圖6中所展示，在浸入SC-1浴之後，將經SC-1處理之絕緣體上矽結構131浸入SC-2浴中以形成一經SC-2處理之絕緣體上矽結構141。「SC-2」浴係熟習此項技術者已知之水性清洗浴且亦可被稱為「標準清洗-2」或「RCA-2」浴。SC-2浴包括鹽酸(HCl)。在一些實施方案中，SC-2浴包括至少0.01 wt%之鹽酸，至少0.1 wt%之鹽酸，至少0.25 wt%之鹽酸，自0.01 wt%至5 wt%之鹽酸，或自0.1 wt%至5 wt%之鹽酸。絕緣體上矽結構可浸入SC-2浴中達至少5分鐘，至少7.5分鐘，或自5分鐘至20分鐘。

圖7中展示用於剝除及清洗一絕緣體上矽結構之一表面之方法之另一實施例。在一沖洗步驟115中沖洗經剝除之絕緣體上矽結構111 (即，在於步驟110中浸入剝除浴之後的結構)，在該沖洗步驟中該結構諸如藉由浸入去離子水(DIW)中而與去離子水接觸。在一第二沖洗步驟135中，用DIW水沖洗經SC-1處理之絕緣體上矽結構131。經SC-2處理之結構141可諸如藉由使該結構141與DIW接觸(例如，浸入)而經歷一第三沖洗步驟150。可在乾燥步驟160中乾燥經沖洗之絕緣體上矽結構。例如，可在異丙醇蒸汽(IPA)乾燥器中乾燥(馬蘭葛尼(Marangoni)乾燥)該結構。

本文中所描述之各種浴可處於室溫(約25℃)下。在其他實施方案中，使用一經加熱浴(例如，至少30℃，至少40℃，至少60℃，自30℃至95℃或自30℃至80℃)。

上文所描述及圖5至圖7中所展示之用於剝除及清洗一絕緣體上矽結構之一表面之方法係實例性的且可包含額外步驟，或可對各個步驟進行重新排序或可消除一或多個步驟。

與用於自一絕緣體上矽結構移除氧化物之習知方法相較，本發明之方法具有若干優點。不受任何特定理論之束縛，據信在氧化物剝除期間使用之界面活性劑導致在絕緣體上矽結構之表面上形成奈米大小缺陷。奈米大小缺陷可為界面活性劑或界面活性劑束縛之污染物。該等缺陷係奈米大小的且無法藉由習知晶圓檢測工具(例如，KLA-Tencor Surfscan SPx晶圓表面分析系統)偵測。該等缺陷被認為在後續清洗步驟(SC-1清洗)期間充當一蝕刻遮罩。已發現臭氧處理在清洗程序之前移除該等缺陷，此減少或消除來自SOI結構之表面之凸起凸部。實例

藉由以下實例進一步繪示本發明之程序。此等實例不應被視為限制意義。實例1：習知方法下SOI表面上之凸起凸部

藉由本文中所描述之方法製造一200 mm SOI結構。對該SOI結構進行退火以在SOI結構之矽裝置層之頂表面上形成氧化物(SiO ₂)。將該結構浸入具有界面活性劑之一HF浴中，進行DIW沖洗且浸入SC-1浴中。圖8係SOI結構之一AFM影像之一再現，其展示該結構之表面上之奈米級凸起凸部。圖9係展示凸起凸部之高度之一AFM圖表。當在SC-1清洗之前將在SOI結構之矽裝置層之頂表面上具有氧化物(SiO ₂)之一200 mm SOI結構浸入臭氧浴中時，AFM影像展示缺陷被消除。

如本文中所使用，術語「約」、「實質上」、「本質上」及「近似」在與尺寸、濃度、溫度或其他物理或化學性質或特性之範圍結合使用時意在涵蓋可存在於該等性質或特性之範圍之上及/或下限中之變動，包含例如由捨入、量測方法或其他統計變動導致之變動。

在介紹本發明或其(若干)實施例之元件時，冠詞「一(a、an)」及「該(the、said)」意欲於意謂存在該等元件之一或多者。術語「包括」、「包含」、「含有」及「具有」意欲於係包含性的且意謂亦可存在除所列出元件以外的額外元件。指示一特定定向之術語之使用(例如，「頂部」、「底部」、「側」等)係為了便於描述且不要求所描述品項之任何特定定向。

由於在不脫離本發明之範疇之情況下，可對以上構造及方法進行各種改變，故以上描述中所含及(若干)隨附圖式中所展示之所有事項旨在應被解釋為繪示性而非限制意義。

10:處置結構 12:供體晶圓 15:介電層 17:劈裂或分離平面 18:接合介面 20:經接合晶圓結構 22:前表面 25:矽頂層 30:供體結構 31:絕緣體上矽(SOI)結構 100:方法 101:絕緣體上矽結構 110:第一步驟 111:經剝除之絕緣體上矽結構 115:沖洗步驟 120:第二步驟 121:經臭氧處理之絕緣體上矽結構 130:第三步驟 131:經SC-1處理之絕緣體上矽結構 135:第二沖洗步驟 141:經SC-2處理之絕緣體上矽結構 150:第三沖洗步驟 160:乾燥步驟

圖1係具有一供體晶圓與其上之一介電層之一供體結構之一橫截面視圖；

圖2係在離子植入程序期間的供體結構之橫截面視圖；

圖3係接合至一處置結構之供體結構之一橫截面視圖；

圖4係在劈裂平面處劈裂供體結構時的一經接合晶圓結構之一橫截面視圖；

圖5係用於移除氧化物及清洗一絕緣體上矽結構之一方法；

圖6係用於移除氧化物及清洗一絕緣體上矽結構之一方法之另一實施例；

圖7係用於移除氧化物及清洗一絕緣體上矽結構之一方法之另一實施例；

圖8係在用於移除氧化物及清洗一絕緣體上矽結構之一習知方法中形成之一奈米大小缺陷之一AFM影像之一再現；及

圖9係展示圖8中所展示之缺陷之高度之一圖表。

貫穿圖式，對應元件符號指示對應部分。

100:方法

101:絕緣體上矽結構

110:第一步驟

111:經剝除之絕緣體上矽結構

120:第二步驟

121:經臭氧處理之絕緣體上矽結構

130:第三步驟

131:經SC-1處理之絕緣體上矽結構

Claims

一種用於剝除及清洗一絕緣體上矽結構之一表面之方法，該絕緣體上矽結構包括一處置結構、一矽頂層及安置於該處置結構與該矽頂層之間的一介電層，該絕緣體上矽結構在該絕緣體上矽結構之一頂表面上具有氧化物膜，該方法包括：將該絕緣體上矽結構浸入一剝除浴中以自該絕緣體上矽結構之該表面剝除該氧化物膜且製備一經剝除之絕緣體上矽結構，該剝除浴包括氫氟酸及一界面活性劑；將該經剝除之絕緣體上矽結構浸入包括臭氧之臭氧浴中以製備一經臭氧處理之絕緣體上矽結構；及將該經臭氧處理之絕緣體上矽結構浸入包括氫氧化銨及過氧化氫之SC-1浴中以製備一經SC-1處理之絕緣體上矽結構。
如請求項1之方法，其進一步包括將該經SC-1處理之絕緣體上矽結構浸入包括鹽酸之SC-2浴中以形成一經SC-2處理之絕緣體上矽結構。
如請求項2之方法，其包括在將該經SC-1處理之絕緣體上矽結構浸入該SC-2浴之前用水沖洗該經SC-1處理之絕緣體上矽結構。
如請求項2之方法，其包括藉由將該經SC-2處理之絕緣體上矽結構與異丙醇蒸汽接觸來乾燥該經SC-2處理之絕緣體上矽結構。
如請求項4之方法，其進一步包括在乾燥該經SC-2處理之絕緣體上矽結構之前用水沖洗該經SC-2處理之絕緣體上矽結構。
如請求項1之方法，其中該剝除浴包括至少約0.01 wt%之界面活性劑。
如請求項1之方法，其中該界面活性劑係一非離子界面活性劑。
如請求項7之方法，其中該非離子界面活性劑係包括醚基之醚類界面活性劑。
如請求項8之方法，其中該醚類界面活性劑係聚氧伸烷基烷基醚。
如請求項1之方法，其中該臭氧浴包括至少20 ppm之臭氧。
如請求項1之方法，其中將該經剝除之絕緣體上矽結構浸入該臭氧浴中達至少5分鐘。
如請求項1之方法，其中將該經剝除之絕緣體上矽結構浸入該臭氧浴中達5分鐘與20分鐘之間。
如請求項1之方法，其中將該絕緣體上矽結構浸入該剝除浴中達至少5分鐘。