TW529069B - Single type of semiconductor wafer cleaning apparatus and method of using the same - Google Patents

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1. 發明領域 本發明係有關於—種半導體晶圓潔淨裝置，特別是有關 於-種單型態半導體晶圓潔淨裝置及使用其之方法。 2. 先前技藝 般而。’半v體晶圓潔淨裝置包括批次型態和單型態 。於批次型態之半導體晶圓潔淨裝置中，數個半導體晶圓 同日_!進行潔ί錢用批次型料導體晶圓潔淨裝置具 有南產能，但卻具有低的潔淨度。相反地，使用單型雖半 導體晶圓潔淨裝置具有低產_，卻有高的潔淨度。在㈣ 南積集度+導體元件時，製程中之數道步驟，對於晶圓必 裝 須要求非常高的潔淨度…，單型態半導體晶圓潔淨裝 置較佳於批次型態半導體潔淨裝置。 訂 傳統的半導體晶圓潔淨裝置中，通常使用臭氧（。_, 〇3)以增加潔淨度。半導體晶圓潔淨裝置使用臭氧，包括在 一般批次型態半導體晶圓潔淨裝置，其使用一含有臭氧的 溶液、-噴霧型態半導體晶圓潔淨裝i，使用氣體狀賤之 臭氧，及一蒸氣型態半導體晶圓潔淨裝置，使用一含有臭 氧的混合蒸氣。 S 六 批次半導體晶圓潔淨裝置，在室溫下、當臭氧濃度為 10〜20 ppm即呈飽和潔淨溶液。因此，高溫下之批次體 晶圓潔淨裝置，使用高濃度臭氧是非常因難的。在噴霧型 態半導體晶圓潔淨裝置1去離子水噴灑在一旋轉的體 晶圓上形成一水層。接著藉由喷灑臭氧到反應室，使水2 中的臭氧含f增加’達到半導體晶圓的潔淨效果 许 八、、而相 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 529069 五 、發明説明（ 對於半導體晶圓的旋轉速率，水層的厚度 路徑。在蒸氣型態半導體晶圓潔淨裝置，臭氧主要 合，再將混合物噴灑到半導體晶圓上，在此方法目f 擴政到条氣分子中附著到半導體晶圓上，其中，、氧 二數：,數千個ppm ’然而在密封反應室中高壓下使用 、、氧’条氣會附著在反應室的側壁上。 發明總結 本發明主要目的為解決先前技藝之問題、缺點和限制。 更加特別地，本發明的主要目的為提供一單型態半導體 圓潔淨裝置具有一簡單構造，可產生具有高濃度臭氧的 =溶液，及可產生不同的潔淨溶液。本發明的另一目的為 提供一種高效能的半導體晶圓潔淨方法。 有關於本發明主要的之單型態半導體晶圓潔淨裝置包括 、旋轉檯，並可固疋晶圓在檯上，一去離子水供給裝置 為去離子水供給源到晶圓上，並在晶圓上形成一水層， 氣體噴灑組件位於旋轉檯上方，並包含有一氣體喷^管 噴灑潔淨氣體到水層，一氣體防護層從氣體注射管延伸 成一水型反應室，並於反應室中噴灑氣體進入到水層中 車父佳的是氣體喷灑組件可以相對於晶圓向前、後或左 右移動，氣體防護層為一截去頂體的錐形體，並具有排 孔。一百萬聲波傳導器附接在氣體噴灑組件，經由氣體 護層傳送超音波進入水層。 本裝置更包括氣體供給裝置作為氣體供給到氣體注射 。氣體選擇包括有臭氧、氫氟酸、氨、二氧化碳 曰曰 潔 作 以 形 出 管 氧化 -5- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(21〇X 297公嫠） 529069 A7 B7 五、發明説明（3 ) 硫、氫氣、氬氣、異丙醇或上述氣體之混合。氣體供給裝 置更包含一混合器以混合複數種氣體。 為達成本發明之第二目的之半導體晶圓潔淨方法包括步 驟於一反應室中固定一晶圓在旋轉檯上，喷灑去離子水到 該旋轉晶圓表面，並於晶圓表面形成一水層，提供一氣體 防護層位於晶圓上水層的上方，形成一反應室其具有一底 端開口（距離水層為2-4微米），噴灑潔淨氣體到該反應室及 進入該水層’使該潔淨氣體溶解在水層中，形成一含有高 濃度潔淨氣體的潔淨溶液。 乳體噴灑組件和氣體防護層，可於喷灑潔淨氣體時移動 ’橫跨晶圓表面加以掃描水層。以氣體防護層形成之反應 室其内部較佳壓力為保持在1-2 atm。其次，乾燥氣體注 入到乾淨晶圓上之水層，以使晶圓乾燥（水層揮發），水層 的乾燥氣體較佳者為異丙醇（ip A)。 簡單圖示說明 本务明上述或其他目的、特徵及優點，將會在下文較隹 實施例中並配合參考圖示詳細說明。 圖1所示為本發明之一單型態半導體晶圓潔淨裝置示意 圖； 圖2所示為圖1之單型態之半導體晶圓潔淨裝置之氣體喷 灑組件詳細示意圖； 圖3為圖2之局部單型態半導體晶圓潔淨裝置俯視圖； 圖4所示為氣體噴灑組件放大圖； 圖5所示為氣體噴灑組件之氣體防護層透視圖；以及 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 4 五、發明説明（ 圖6所示為本發明之半導體晶圓潔淨方法最佳實施例流 程圖。 發明詳細說明 本發明將配合圖示參考說明，詳盡描述如下。 參閱圖1和圖2，本發明之單型態半導體晶圓潔淨裝置包 含一反應室u，並於反應室u中承載一晶圓23，一旋轉檯 11a置於反應室n中，晶圓23固定在旋轉檯^&上，一去離 子水供給裝置以提供去離子水，從反應室u側壁至晶圓23 上。去離子水供給裝置包括去離水供給源D〗和D2、控制閥 V5和V6、以及至少一條去離子水供給管路丨3 &、丨3b，甚至 更佳者為二條或更多之去離子水供給管路。 半導體晶圓潔淨裝置更包括一氣體噴灑組件丨5，使噴灑 氣體趨向晶圓23，一氣體供給裝置以供應氣體到氣體喷灑 組件15。氣體噴灑裝置包括氣體供給源〇、一氣體管路i7a 、控制閥VI到V4和V7到V9、質流控制器MFC1到MFC5、氣 體偵測儀Μ 1和M2、和一混和器1 7b。為了便於說明，只有 四個氣體供給源G 1到G4作為舉例說明，雖然有更多的氣體 供給源可被使用。從氣體供給源G丨到G4供給氣體到混合器 1 7b以混合氣體，此混合氣體供給氣體噴灑組件丨5。利用真 空幫浦2 1除去殘存氣體’以利來自氣體供給源G 1到G4之氣 體供給。 氣體供給源G 1到G 4之來源可為臭氧（〇 z 〇 n e，〇3)、氫氟酸 (hydrofluoric acid，HF)、氨（ammonia，NH3)、二氧化碳 (carbon dioxide，C〇2)、二氧化硫（sulfur oxide，S〇2)、氫 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 x 297公釐） 529069 A7 B7 五、發明説明（ 氣（hydrogen，H2)、氮氣（nitrogen，N2)、氬氣（argon，Ar) 或異丙醇（isopropyl a|cohop ΙΡΑ)。氣體供給裝置的氣體供 給包括潔淨氣體（例如臭氧、氫氟酸、氨、二氧化硫、二氧 化碳和氫氣）、運送氣體（例如氮氣、氬氣）和乾燥氣體（例如 異丙醇）。 雖然反應室1 1和氣體喷灑組件1 5顯示於圖1為互相分開 ’氣體噴灑組件1 5也可設計在反應室1 1内部。上者任一個 例子、單型態半導體晶圓潔淨裝置的要點為包含一簡單構 造的氣體喷灑組件1 5、氣體供給裝置和去離子水供給裝置。 參閱圖2和圖3，從去離子水供給管路1 3a和1 3b提供去離 子水到晶圓23上，而形成一水層25在晶圓23上。氣體嘴灑 組件15包括一氣體喷射管15a和一氣體防護層15b。氣體噴 射管1 5 a實際上包含複數個喷嘴N，例如第一噴嘴n 1和第二 噴嘴N2。氣體防護層15b設計為一小型反應室27 ,晶圓23 表面上方成開放性，並固定在旋轉檯11 a上。更特別地，氣 體防護層15b依附在氣體噴射管15a上，從氣體噴射管i5a 延伸趨近水層2 5表面成一局部空間。例如，氣體防護層為 固定的，所以介於水層25和氣體防護層1 5b底部的距離範圍 為2-4微米。氣體噴射管15a和氣體防護層15b可利用鐵氟隆 (Teflon®)、不銹鋼（stainless steel)、金（gold，Au)、或麵 (platinum，Pt)形成之。 第一氣體G1和第二氣體G2注入氣體噴射管15a，但其他 氣體也可注入氣體噴射管15a。例如，第一氣體⑴和第二氣 體G2可為臭氧、氫氟酸、氨、二氧化碳、二氧化硫、氫氣 本紙浪尺度適用中國國家標準(CNS) A4规格(210 X 297公釐）~ -- 529069 A7 B7 五、發明説明（6 ) 、氮氣、氬氣、異丙醇或上述之混合氣體，分別經由第一 I 噴嘴N1和第二噴嘴N2注入。較佳的圖示於圖4和圖5，氣體 防濩層l：)b為一戴去頭體的圓錐形，具有一上端和下端開口 ，其中上見開口小於下端開口。氣體防護層i 5 b更包括一導 向部分e，從戴去頭體的圓錐形底端放射狀向外延伸。 如上所述’在單型態半導體晶圓潔淨裝置中，利用氣體 防護層15b形成一小型反應室27趨近於水層以。介於水層乃 和氣體防護層15b底端的距離範圍為2-4微米。更進一步， 氣體喷灑組件15包含氣體噴射管15a和氣體防護層1513，當 水層25在晶圓23上，氣體噴灑組件15可向前和向後或向右 和向左移動’也就是如圖3所示在晶圓上X和Y的指向。就 如前所知，任何適當Χ_γ驅動裝置16，可以連接氣體噴射 管15a達到潔淨效果。來自氣體噴射管15a的氣流降低下方 之水層25的厚度，於是擴散障壁層33變的較薄。本實施例 中’介於水層25和氣體防護層15b底部的距離範圍為2-4微 来’擴散障壁層33可成為只有數百微米之薄層。 再次參閱圖4，氣體防護層1 5b具有排出孔3 1。排出孔3 i 之設計為使小型反應室27的空氣得已排出，並使小量的潔 淨氣體持續注入。因此小型反應室27的壓力藉由排出孔3 ι 必須保持高於大氣壓力，例如維持在1-2 atm。反應室27内 部維持一定壓力，空氣無法回流進入氣體注射管i 5a。排出 孔3 1的尺寸和數量可以小型反應室27的體積為基準加以選 擇’藉由氣體注射管15a注入潔淨氣體。 從氣體注射管15a之第一噴嘴N1和第二喷嘴N2提供潔淨 _____ - 9 - 本纸張尺度適用中^5"^準(€卿A4規格(210X297公着） " ~ ' -— 529069 A7 _ B7 五、發明説明（7 ) 氣體（或混合氣體），例如臭氧氣體，喷灑到位於小型反應 室27底部的的水層25上’並溶解至水層中。本實施例中; 潔淨氣體（或混合氣體）具有一局部壓力使擴散障壁層變的 很薄。因此，置備-潔淨溶液具有高濃度潔淨氣體(例如， -潔淨溶液含有高濃度臭氧）’_大量的潔淨氣體溶解於水 層25中，當氣體贺灑組件15掃描橫跨晶圓的χ_γ方向，更 谷易將雜質從晶圓表面移除。掃描速度和氣體噴灑組件U 的數量，視氣體的溶解度和蝕刻速率決定之。 更進一步的疋氣體噴灑組件丨5伴隨一百萬聲波傳導器 (megaS〇niC UanSduCer) 29，使氣體喷灑組件15產生優良震 動效果，產生超音波經由氣體防護層15b傳送到水層25，以 促進晶圓23的潔淨，特別是超音波可加強從晶圓23上顆粒 雜質的移除。 圖6所示為本發明之使用單型態半導體晶圓潔淨裝置使 用方法之流程圖。在本方法中，一晶圓23負載在旋轉檯Ua 上（步驟100)。接著，去離子水D1噴灑到晶圓上，以形成一 水層25(步驟110)。去離子水的溫度為丨…5〇t。旋轉檯工“ 在去離子水噴灑形成水層期間固定速率持續旋轉。 其-人，小型反應至2 7形成在水層之上（步驟丨2 〇)。小型反 應室裡的壓力保持在1-2 atm。介於氣體防護層15b和水層25 之間的距離範圍為2-4微求。更特別地，氣體喷灑組件15從 前一個位置可以橫向移動以涵蓋整個晶圓，組件位於晶圓 上方之水平位置。 或者疋，於氣體賀灑組件已經運作整個晶圓後，去離子 -10- 本紙張尺度適用悄s家標準(CNS) A4規格(21Q X 297公I)_ 529069

五、發明説明（8 A7 B7 水可噴灑在晶圓上。在任何例子中，一次水層形成，利用 氣體噴;麗組件之氣體防護層1 5 b，位於在水層2 5上形成之小 型反應室2 7。 其次，帶有潔淨氣體例如臭氧氣體之氣體噴灑組件15可 向左、右或向前、後移動喷灑。最後結果，潔淨氣體溶解 於水層中（步驟1 3 0)。潔淨氣體的形成，可選擇氣體為臭氧 、氫氟酸、氨、二氧化碳、二氧化硫、氫氣或上述之混合 氣體。如上所述，潔淨氣體在小型反應室中處於高壓之下 因此〉谷解於水層中有而濃度的潔淨氣體。因此，在高壓 下’具有潔淨氣體之氣體噴丨麗組件掃描橫過晶圓表面，水 層已先行形成在晶圓表面，晶圓表面的雜質將有效地被移 除。掃描速度和喷嘴N的數量使用決定於潔淨氣體的溶解 度和姓刻速率。當然，在潔淨過程中，另一項特色為百萬 聲波傳導器29附接於氣體噴灑組件15上，可產生超音波傳 送到水層，增加潔淨效果。 其次，在乾淨晶圓上的水層加以乾燥（步驟14〇)。使用氣 體嘴灑組件14喷灑異丙醇在旋轉晶圓上使水層乾燥。因此 ’本方法從潔淨步驟到乾燥步驟部分可於相同反應室1 1中 完成。 檯面的旋轉速率於步驟120時設定於5_1〇〇 rpm，於步驟 130異丙醇乾燥步驟時設定於5_15〇〇 rpm。 如上所述，本發明可得到高濃度臭氧的潔淨溶液。適用 南；辰度/糸淨氣體的潔淨溶液潔淨晶圓可促進潔淨度。更者 ，電流轉化器附於氣體喷灑組件上可產生超音波傳送到水

裝 訂

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層，因此更促進潔淨度。所以本方法的使用從潔淨步驟到 ㈣驟可：同一反應室中完成。此單型態半導體晶圓潔 淨裝置具有_單構造，包括一氣體喷灑組件由氣體总 和氣體防護層形成、氣體供給器和去離子水供給器。、吕 最後以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用 以限定本發明之巾請專利範圍；&其它未脫離本發明所揭 不之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之 申請專利範圍内。 -12-

Claims (1)

1. 申請專利範

   •一種單型態半導體晶圓潔淨裝置，包括： 一晶圓旋轉檯，其中使一晶圓加以固定並旋轉； 一去離子水供給裝置以提供去離子水到該晶圓上，形 成一水層在該晶圓上； 一氣體噴灑組件位於該晶圓旋轉檯上方，該氣體噴麗 組件包含一氣體注射管使注射氣體趨向固定在該晶圓 旋轉檯之該晶圓表面，一氣體防護層連接該氣體注射管 ，垓氣體防護層形成一具有開放底端之反應室鄰接該晶 圓旋轉檯；以及 一氣體供給裝置連接該氣體注射管作為氣體供給。 2·如申請專利範圍第1項之裝置，mx-γ方向驅動裝 置連接到該氣體供給裝置，使該氣體供給於 定在晶圓旋轉棱之晶圓可以向前、後和向左、右移=固 3·根據申請專利範圍第!項之裝置…該氣體防護層包 含一截去頂體之錐形體具有一上端開口和一下端開口 ，其中該上端開口小於該下端開口。 4.根據申請專利範圍第i項之裝置，#中於該氣體防護層 延伸壁上具有—排出孔’並由該氣體防護層延伸壁界定 該反應室。 5·根據中請專利範圍第1項之裝置，丨中該氣體注射管包 含複數個噴嘴。 6. 根據中請專利範圍第w之裝置，其中該氣㈣嘴和該氣 體防護層的可選擇材質包括鐵氟隆、不錄鋼、金和始; 7. 根據申請專利範圍第1項之裝置，以該去離子水供給 9 2 5

   裝置包括複數個去離子水供給管路。 2據申請專利範圍第1項之裝置，其中該氣體供給裝置 包括一複數個氣體源可選擇包括臭氡（03)、氫氟酸（HF) ^(ΝΗ3)、二氧化碳（C〇2)、二氧化硫（s〇2)、氫氣（Η〗) 、氮氣（NO'氬氣（Αγ)、異丙醇（IPA)及上述之混合氣體。 據申請專利範圍第1項之裝置，更包括一百萬聲波傳導 為附接於氣體噴灑組件，經由氣體防護層傳送超音波。 根據申凊專利範圍第1項之裝置，纟中該氣體供給裝置 包括一混合器以混合數種氣體。 U· —種晶圓潔淨裝置，包含： 曰曰圓旋轉檯，其中使一晶圓加以固定並旋轉； "去離子水供給源，和至少一條去離子水供給管路， μ /去離子水供給源到該晶圓旋轉檯上方之直接區域； ^ 氣虹噴灑組件位於該晶圓旋轉檯上方，該氣體噴灑 Τ件包含一氣體噴射管使向外射出氣體趨向固定於該 :圓碇轉檯之該晶圓表面，一環狀氣體防護層依附在該 f體注射管並向下延伸，該環狀氣體防護層形成一反應 室在該氣體注射管下方，該反應室具有一底端開口；以 及 一潔淨氣體供給源連接該氣體注射管。 △如申請專利範圍第"項之裝置，更包含一驅動裝置可移 動該氣體噴灑組件，相對於固定在晶圓旋轉檯上之晶圓 上表面之另一平面平行移動，藉由來自氣體喷灑組件之 氣體注射管具有氣體流出掃描晶圓之上表面。

   1 ____ - 14- ^紙張尺度適财國國家鮮

   申請專利範圍 13·如申請專利範圍第Η項之裝置，其中 一戴去頂體錐形體。 ” 14.=:Γ範圍第11項之裝置，其中該氣體防護層延々 有—排出孔’並由該氡體防護層延伸壁界定d 其中該氣體喷射管包含 源連接到至少一個該噴 更包含一異丙醇供給源 固疋在晶圓旋轉棱上之 其中該潔淨氣體包含至 、氫氟酸、氨、二氧化 氣和異丙醇。 更包含一百萬聲波傳導 體防護層傳送超音波。 15·如申請專利範圍第11項之裝置， 複數個噴嘴，和該潔淨氣體供终 嘴。 〜 16.如申請專利範圍第15項之裝置， 連接到其中之一該喷嘴，藉此將 晶圓加以乾燥。 17·如申請專利範圍第15項之裝置， 少一種氣體，可選擇氣體為臭氧 碳、二氧化硫、氫氣、氮氣、氬 18·如申請專利範圍第1項之裝置， 器依附於氣體嘴灑組件，經由氣 19· 一種半導體晶圓潔淨方法，包含： 固定一晶圓於一旋轉檯上； 噴灑去離子水到該持續旋轉之a 〈日日圓上，在晶圓上形 一水層； 固疋一氣體防遵層，形成一具有彳 a低端開口的反應1 緊接在水層上方； 喷m潔淨氣體至反應'室進入水層並使潔淨氣體溶 在水層中，在相同時間移動反應室橫跨該曰曰曰圓表面， 15 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 529069

   漯淨該晶圓 以及 緊接著注射齡极— 虱體進入乾淨晶 乾燥。 20. 如申請專利範圍第…員之方法，其 包括臭氧、氫氟酸、氨、二氧化碳 上述之混合氣體。 21. 如申請專利範圍第19項之方法，其 ，該氣體防護層位置為固定在氣體 2-4微米處。 22. 如申請專利範圍第…員之方法，其 包持在1 - 2 atm之間。 23. 如申請專利範圍第19項之方法，其 形成之時間至該潔淨氣體被噴灑之 之速度來旋轉。 24·如申請專利範圍第19項之方法，其 醇。 25.如申請專利範圍第24項之方法，其 乾燥期間之轉速為5-1 500 rpm。 圓上的水層，使晶圓 中該潔淨氣體可選擇 、二氧化硫、氫氣和 中當潔淨氣體噴灑時 防護層底部距離水層 中該反應室内部壓力 中該旋轉檯在晶圓層 時間中，以5-100 rpm 中該乾燥氣體為異丙 中該晶圓利用異丙醇 Φ -16- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）