TW453904B - Method for cleaning semiconductor wafer surface - Google Patents

Description

45390 4 — P五、發明說明（1) 發明之韻域 本發明提供一種清洗半導體晶片表面的方法，尤指一 種有效清洗製程線寬小於0. 1 5微米之半導體晶片表面的方 法。 背景說明 由於在半導體製程中，半導體晶片常須反覆地經過各 種化學氣相沈積（chemical vapor deposition, CVD)、乾 钱刻（dry etch)、或化學機械研磨（chemical mechanical polishing，CMP)等製程，使得半導體晶片表面往往會殘 留有金屬或有機物等污染微粒（particle)，而且半導體晶 片的矽基底表面也非常容易氧化形成自然氧化層（native ox i de )，進而影響到半導體產品的品質。因此半導體晶片 在製造的過程中需要經過多次清洗（c 1 ean)製程，以去除 這些外界污染物以及自然氧化層，維持半導體晶片的表面 潔淨度（surface cleanliness)。. 一般來說，半導體晶片清洗製程可分為乾式及濕式清 洗法兩種，其中又以濕式清洗法為較常用的清洗方法。濕 式清洗法基本上是利用RCA清洗方法（RCA cleaning technique)，其基本上包括有： (1)標準清洗溶液-1(RCA standard clean I,簡稱為 SC-1)，用來清除殘留於半導體晶片表面上之微粒子，一 般是以體積比NH40H: H 20 2: H20 = 1 : 1 : 5之混合溶液於 45 3 904 五、發明說明（2) 7(TC溫度下進#約5分鐘之浸泡清洗； (2) 標準清洗溶液 _2(RCA standard clean II,簡稱 為SC-2)，用來清除去除殘留於半導體晶片表面上之金屬 離子，一般是以體積比HC1 : H 20 2: H20 = 1 : 1 : 6之混合 溶液於7 0°C溫度下進行約5分鐘至1 0分鐘之浸泡清洗； (3) 皮拉罕（Piranha)清洗溶液（簡稱為SPM)，用來去 除殘留於半導體晶片上之有機物，一般是以體積比約為 H sS0 ^ H2〇2 = 5 : 1之混合溶液於1 2 0°C溫度下進行約1 0分 鐘至1 5分鐘之浸泡清洗；以及 (4) 稀釋氫氟酸溶液（diluted hydrofluoric acid clean，簡稱為DHF) ’用來请除半導體晶片表面自然生成 之二氧化矽層，一般是以體積比HF : Η 20 = 1 : 5 0之混合 溶液於室溫下進行約1 〇秒至3 〇秒之浸泡清洗。 目前為了節省清洗溶液的使用量，並且提高清洗效 果’陸續又有其他改良的清洗溶液被發展出來，例如利用 一溶有臭氧之水溶液（〇3/Η2〇)的強氧化力於室溫下去除有 機污染物以及金屬離子，以取代SPM需在1 2(TC高溫下的清 洗方法。此外’界面活性劑（s u r f a c t a n t)以及超音波震盪 技術也常被用來搭配傳統的清洗製程，以達到所需的清洗 效果。 晴參閱圖一，圖一為習知於室溫下清洗半導體晶片的 流程1 〇示意圖。如圖一所示，習知半導體晶片之清洗流程

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[ΐ、發明說明（3) 1 0包含有下列步驟： 步驟1 2 :將半導體晶片 (CVH2〇)中，利用臭氧的 包於一、浴有臭氧之水溶液 (hydrocarbons)或其他有媲 去除碳氫化合物 子。 有機物以及Au、Ag等惰性金屬離 步驟1 4 將半導體晶η、，真、办 除-般金屬離子以及自:=層包於HF/H2〇水溶液中’以去 微粒子在半導體晶片表；再”界面活性劑降低 技術以去除附著於半導利用超音波震盡 丁导體日3片表面上的微粒子。 、步驟16:利用超高純度純水（ultra-pure water，簡 稱為UPW)沖洗半導體晶片表面，以去除步驟14中殘留於半 導體晶片表面上之無機物。 步驟1 8 :將半導體晶片浸泡於溶有臭氧之水溶液中， 以去除步驟1 4中殘留於半導體晶片表面上的界面活性劑。 步驟20:利用DHF溶液去除半導體晶片表面上於步驟 18中所生成之自然氧化層β 步驟22 :利用UPW對半導體晶片表面作最後的清洗。 然而隨著半導體晶片表面元件積集度的需求以及微影 技術的進步，形成於半導體晶表面上的接觸洞（contact hole)、介質窗（via)或溝渠（trench)的寬度也越來越小’ 而高寬比（aspect ratio)卻越來越大β以寬度為0·1 5微米 且高寬比為1 0之接觸洞為例，其深度幾達1 _ 5微米。、如此 一來，清洗溶液將會因為毛細現象而不易到達接觸洞的底 453904 五、發明說明（4) 部’造成清洗製程上的死角’進4降低清洗欵率 後續的製程以及半導體產品的良率6 請參閱圖二’圖二為習知半導體晶片1 〇〇於产 過程中的剖面示意圖。如圖二所示，丰導體 月〉 干守篮晶片1 〇 〇係浸 泡於一清洗液2 0 0中，且半導體晶片1 〇 0表面包含 约為0 _ 1 5微米之接觸洞1 0 2、寬度約為〇. 1 §微米之洞 1 0 4、1度約為〇 · 3微米之接觸洞1 〇 6以及一寬度約為〇 5微 米之接觸洞1 0 8，而其高寬比分別為6、（ 〇、3以及^相較 於接觸洞106以及接觸洞108，由於接觸洞ι〇2以及接觸目洞’ 1 〇 4的寬度小於〇 . 2微求’所以接觸洞1 〇 2以及接觸洞i 〇 4的 底部將會因為毛細現象的影響而各形成有一氣室2，造 成阻障，使得清洗液2 0 0無法接觸到接觸洞1 〇 2以及接觸洞 1 0 4的底部，進而降低半導體晶片1 〇 0的清洗效果。 z 發明概述 本發明之主要目的在於提供一種表面具有寬度小於〇 2微米之接觸洞、介質窗或溝渠的半導體晶片的清洗方 法。 本發明方法係先將一半導體晶片置於一密閉式清洗槽 (cleaning vessel)中，接著於該清洗槽中注入一預定深 度之清洗液（cleaning agent)，並使該半導體晶片完全浸 入該清洗液中。然後利用一真空泵浦（vacuum pump)於數 453904 五、發明說明（5) 秒内將該清洗槽^壓力降至一介於0 . 1大氣壓力至0. 5大氣 壓力的次常壓（sub-atmospheric)狀態。最後將該清洗槽 的壓力恢復至常壓。其中該清洗液可為稀釋氫氟酸 (dilute hydrofluoric acid，DHF)溶液' 超高純度純水 (ultra-pure water, UPW)' RCA標準清洗溶液-1(RCA standard clean 1，SC-1)、RCA標準清洗溶液-2(RCA standard clean 1，SC-2)、溶有臭氧之水溶液（03/Η20)、 HF/H20fii·溶液、二氧化石夕银刻緩衝液（buffered oxide etchant, Β0Ε)或熱磷酸溶液β 本發明利用於數秒内將該清洗槽的壓力降至一次常壓 狀態’因此能夠有效潤濕具有高高寬比的接觸洞或溝渠之 半導體晶片表面’進而達到清洗或蝕刻半導體晶片表面的 效果°此外’由於本發明方法可以快速潤濕半導體晶片表 面上高南寬比的接觸洞’因此能夠精確控制清洗的時間以 及钮刻的品質。 發明之詳細說明 睛_參閱圖三’圖三為本發明半導體晶片3 〇 〇清洗裝置 4 00的不意圖。如圖三所示，清洗裝置4〇〇包含有一可於真 ί狀態下操作之密閉式清洗槽410、一真空泵浦420、一超 尚純度純水供應單元（UPW supply unit) 430、一清洗液 (Cieaning agent)供應單元440、一清洗液供應單元450、 一'洗液供應單元460、一排氣閥（vent valve) 421、一

第8頁 453904 五、.發明說明（6) 排放閥422、以及控制閥431、441、451、461。清洗槽410 係用來放置半導體晶片3 0 〇，而真空泵浦4 2 0係用來將清洗 槽4 1 〇的壓力於2至5秒内降至〇 . 1大氣壓力至0 · 5大氣壓 力。 控制閥431、441、451、461係分別用來控制超高純度 純水供應單元4 3 0、清洗液供應單元440、清洗液供應單元 4 5 0以及清洗液供應單元4 6 〇所提供的清洗液注入清洗槽 4 1 0的時間與流量。排氣閥4 2 1係用來使清洗槽4 1 〇的壓力 恢復至常壓，而排放閥422則被用來將使用完之清洗液排 出清洗槽41 0。在本最佳實施例中.，清洗液供應單元4 4 0所 提供之清洗液係為溶有臭氧之水溶液（〇 3/Η 2〇)，清洗液供 應單元45 0所提供之清洗液係為HF/H20水溶液，而清洗液 供應單元46 0所提供之清洗液係為DHF溶液。 請參閱圖四，圖四為本發明利用圖三中之清洗裝置 40 0清洗半導體晶片30 0的流程520示意圖。如圖四所示， 習知半導體晶片3 0 0之清洗流程5 2 0包含有下列步驟： 步驟5 2 2 :開始半導體晶片3 0 0的清洗製程，將半導體 晶片3 0 0置於清洗槽410中。 步驟5 24 :將清洗液，例如溶有臭氧之水溶液，注入 清洗槽4 1 0中一足夠的高度，使半導體晶片3 0 0完全浸泡於 清洗液中。 步驟526 :利用真空泵浦420將清洗槽410中的壓力於3

第9頁 "η 3 9 Ο 4' 五、發明說明（7) 秒内降至Ο . 5大氣壓力。 步驟5 2 8 :開啟排氣閥4 2 1，使清洗槽4 1 0的壓力恢復 至常壓。 步驟5 3 0 :使半導體晶片3 0 0於清洗液中浸泡一段時 間。 步驟5 3 2 :判斷是否更換清洗槽4 1 0中之清洗液。若要 更換清洗液，則重複步驟5 2 4至步驟5 3 0，若不更換清洗 液，則繼續進行步驟5 3 4。 步驟5 34 :結束半導體晶片3 00的清洗製程。 請參閲圖五，圖五為本發明半導體晶片3 0 0於清洗流 程5 2 0過程中進行步驟5 2 4時的剖面示意圖。如圖五所示， 半導體晶片3 0 0表面包含有一寬度約為0 · 1 5微米之接觸洞 3 0 2、寬度約為0 . 1 8微米之接觸洞3 0 4、寬度約為0 . 3微米 之接觸洞3 0 6以及一寬度約為0 . 5微米之接觸洞3 0 8，而其 高寬比分別為6、1 0、3以及1。當半導體晶片3 0 0浸泡於清 洗液3 4 0時，由於接觸洞3 0 2以及接觸洞3 0 4的寬度小於0 . 2 微米，所以接觸洞3 0 2以及接觸洞3 0 4的底部會因為毛細現 象而形成氣室3 1 2，使得清洗液3 4 0無法直接接觸到接觸洞 3 0 2以及接觸洞3 0 4的底部。 請參閱圖六，圖六為本發明半導體晶片30 0進行步驟 5 2 6時的剖面示意圖。如圖六所示，當清洗槽41 0的壓力被 快速降低至0.5大氣壓力時，原先存在於氣室31 2内的空氣

第10頁 453904 ' ____ - -. —~ _ — 五、發明說明（8) 會破碎形成許多微小氣泡3 5 0 ’並且豬由浮力作用快速地 被清洗液3 4 0趕出接觸洞3 0 2以及接觸洞3 0 4。如此一來’ 清洗液3 4 0即可以填滿接觸洞3 0 2以及接觸洞3 0 4。 請參閱圖七，圖七為本發明半導體晶片30 0進行步驟 5 2 8時的剖面示意圖。如圖七所示’當清洗槽41 0的壓力恢 復至常壓後，清洗液340内的微小氣泡350已經消失’並且 恢復平衡狀態。此時清洗液3 4 0便能夠完全潤濕接觸洞3 0 2 以及接觸洞3 0 4，達到清洗或蝕刻半導體晶片3 0 〇表面的目 的。此外，當清洗槽41 0壓力恢復至常壓之後’半導體晶 片3 0 0需再浸泡於該清洗液中約1 〇至3 0秒左右，用來蝕刻 該半導體晶片300表面以及接觸洞302、304、306、30 8底 部約10埃（angstrom)左右的自然氧化層（native oxide)» 由於本發明方法是將清洗槽41 0的壓力於數秒内降至 一介於0.1大氣壓力至0.5大氣壓力的次常壓狀態，再將清 洗槽41 0的壓力恢復至常壓。如此一來，累積於高高寬比 接觸洞3 0 2 ' 3 0 4底部之氣體分子便可完全地被趕出來，使 得清洗液3 4 0能夠完全潤濕接觸洞的底部。 本發明方法可應用於清洗液3 4 〇為稀釋氫氟酸（DHF )溶 液、超高純度純水（UPW)、rca標準清洗溶液— usc-D、 RCA標準清洗溶液_2(SC-2)、溶有臭氧之水溶液、HF/H2〇2 水溶液、二氧化矽蝕刻緩衝液（B〇E)或熱磷酸溶液。此 453904 五、發明說明（9) 外，本發明方法亦可以應用於化學機械研磨後清洗製程 (post-CMP cleaning)中，甚至半導體晶片表面的任何塗 佈製程。 相較於習知的方法，由於本發明之方法是於數秒内將 該清洗槽的壓力降至一次常壓狀態，因此能夠快速而有效 地潤濕具有高高寬比的接觸洞或溝渠之半導體晶片表面， 進而達到清洗或蝕刻半導體晶片表面的效果。此外，由於 本發明方法可以快速潤濕半導體晶片表面上高高寬比的接 觸洞，因此能夠精確控制清洗的時間以及蝕刻的品質，提 高半導體製程的產能（throughput)。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請 專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明專利之涵 蓋範圍。

第12頁 453904 圖式簡單說明 圖示之簡單說明 ’ 圖一為習知於室溫下清洗半導體晶片的流程示意圖。 圖二為習知半導體晶片於清洗製程過程中的剖面示意 圖。 圖三為本發明清洗半導體晶片裝置的示意圖。 圖四為本發明清洗半導體晶片的流程示意圖。 圖五至圖七為本發明半導體晶片於清洗製程過程中的 剖面示意圖。 圖示之符號說明 10 習知清: 先方法流程 12 步 驟 12 14 步驟14 16 步 驟 16 18 步驟1 8 20 步 驟 20 22 步驟22 100 半 導 體晶 102 、104、 106^ 108 接 觸 洞 200 清洗液 202 氣 室 300 半導體 晶片 302 、3 0 4、 3 0 6 ' 308 接 觸 洞 312 氣室 340 清 洗 液 350 微小氣 泡 400 清 洗 裝置 410 清洗槽 420 真 空 泵浦 421 排氣閥 422 排 放 閥 430 UPW供 Μ 口口 — ^早兀 431 、441 > 451 ' 461 控 制 閥

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Claims (1)

1. 453904 六、申請專利範圍 1. —種於一密閉式清‘槽（cleaning vessel)中清洗一半 導體晶片表面的方法，包含有下列步驟： 於該清洗槽中注入一預定深度之清洗液（cleaning agent)，並使該半導體晶片完全浸入該清洗液中； 將該清洗槽壓力降至一次常壓（sub-atmospheric)狀 態；以及 使該清洗槽壓力恢復至常壓。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該次常壓狀態係為 一壓力介於0.1 at m至0 . 5 a ΐ m之低壓。 3. 如申請專利範圍第1項之方法，其中降低該清洗槽壓力 的方法係利用一真空泵浦（v a c u u m p u m p)於數秒内將該清 洗槽壓力降至該次常壓狀態。 4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該清洗液係為一稀 釋氫氟酸溶液（diluiie hydrofluoric acid, DHF)。 5 .如申請專利範圍第4項之方法，其中該稀釋氫氟酸溶液 係由體積比約為HF : Η 20 == 1 : 5 0之氫氟酸以及水所混合 而成。 6 .如申請專利範圍第1項之方法，其中該清洗槽壓力恢復 至常壓之後，該半導體晶片需再浸泡於該清洗液中一預定

   第15頁 453904 六、申請專利範圍 時間’，用來蝕刻該半導體晶片表面一預定厚度之自然氧化 yf (native oxide)0 7.如申請專利範圍第6項之方法，其中該預定時間係介於 1 0秒至3 0秒之間 8 _如申請專利範圍第1項之方法，其中該清洗液係為一超 高純度純水（ultra-pure water，UPW)。 9 ,如申請專利範圍第1項之方法，其中該清洗液係為一 RCA 標準清洗溶液-1(RCA standard clean 1，SC-1)。 I 0 _如申請專利範圍第1項之方法，其中該清洗液係為一 RCA標準清洗溶液-2(RCA standard clean 1，SC-2)。 II ·如申請專利範圍第1項之方法，其中該清洗液係為一 溶有臭氧之水溶液（〇 3/ Η 20 )。 為 1 2.如申請專利範園第1項之方法，其中該 H F / Η 2〇水溶液。 1 3.如申請專利範圍第1項之方法，其中該清洗液係為 蝕刻溶液，用來蝕刻該半導體晶片表面。

   第16頁 ) 453904 六、申請專利範圍 1 4.如申請專利範圍第1 3項之方法，其中該蝕刻溶液係為 一由氫氟酸以及氟化銨（HF/NH4F)所混合而成之二.氧化矽 I虫刻缓衝液（buffered oxide etchant, B0E)。 1 5 ·如申請專利範圍第1 3項之方法，其中該蝕刻溶液係為 一熱磷酸溶液。