TWI421919B

TWI421919B - 藉由順序施加化學品以進行半導體基板之表面處理的方法與設備

Info

Publication number: TWI421919B
Application number: TW98125029A
Authority: TW
Inventors: Katrina Mikhaylichenko; Yizhak Sabba; Dragan Podlesnik
Original assignee: Lam Res Corp
Priority date: 2008-07-24
Filing date: 2009-07-24
Publication date: 2014-01-01
Also published as: TW201007825A

Description

藉由順序施加化學品以進行半導體基板之表面處理的方法與設備

本發明一般係關於半導體基板處理，尤有關於藉由順序化學品施加之半導體基板表面的處理系統及方法。

半導體裝置係經由各種製造操作而獲得。製造操作在半導體晶圓(晶圓或基板)上，定義出例如閘極結構之複數個橫跨多層次的特徵部。在各種製造操作過程中，基板會曝露於各種汙染物。基板曝露於在製造操作中使用之任何材料或化學品，皆為潛在的汙染源。使用於例如蝕刻、沉積等之各種製造操作中的化學品，以微粒或聚合物殘留汙染物之形式，在形成於基板表面上之特徵部(例如閘極結構)上及周圍，留下例如處理氣體、蝕刻化學品、沉積化學品等之沉積物。微粒汙染物的尺寸相當於在基板上所製造之特徵部的關鍵尺寸階次(order)。此等汙染物嵌入在特徵部頂部上、沿特徵部側壁及在難以觸及的特徵部之間，例如在環繞細微特徵部的溝渠中，而可能對在污染物微粒的附近區域內之特徵部造成損傷。

形成在基板上的典型閘極結構包含由定義出閘極結構之不同材料所製成之疊層。閘極結構可包含閘極氧化物層，在其上方有使用例如鎢、鎢化合物等之一或更多之金屬層所製造的電極。可用於製造電極的金屬包含鎢、矽化鎢、氮化鎢、鉭、多晶矽、氧化矽、氧化鋁、氧化鉿、氮氧化矽、氮化鉭等。多晶矽層形成在金屬層頂部，而硬遮罩層製造在多晶矽層的頂部上方。硬遮罩層係製造來作為光阻層，且用來圖形化閘極堆疊並保護下伏層。在蝕刻操作期間，用於圖形化硬遮罩及下伏層的蝕刻化學品，在閘極結構的頂部及沿其側壁留下聚合物殘留。習用之聚合物殘留清理方法已依賴批次機台，其曝露聚合物殘留至清理化學品達延長的時間。當使用侵犯性較小的清理化學品時，此曝露的結果是聚合物殘留及其他汙染物之效率差的移除。另一方面，當使用侵犯性較高的化學品時，使用批次機台的曝露導致閘極結構上的高材料損失速率，使得清理處理令人不滿意。材料損失包含硬遮罩層的回縮(pullback)及/或形成在基板上的閘極結構之閘極氧化物或其他膜層的底切(undercut)。圖1例示典型的閘極結構，而圖2例示閘極結構之各種膜層上經歷的若干負面影響的例子。

圖1例示藉由各種製造操作形成在基板100上之典型金屬閘極結構。使用蝕刻操作以形成閘極結構的各種膜層，因而定義出閘極堆疊。閘極結構包含形成在基板100上的閘極氧化物層115。基板100包含源極/汲極區域105，在其上方形成閘極氧化物層115(通常為高介電常數)。將使用一或更多層金屬的金屬電極製造在閘極氧化物層115上方。在圖1中例示的金屬閘極結構中，金屬電極係使用金屬層1120及金屬層2122所形成。多晶矽層125係形成在金屬層上方，而硬遮罩層係形成在多晶矽層上方。硬遮罩層可更包含一個以上的硬遮罩層。如圖1中所描述，硬遮罩層包含3層硬遮罩層：遮罩1 130、遮罩2 132、及遮罩3 134。經蝕刻的材料及使用在定義堆疊之蝕刻操作中的蝕刻化學品，將金屬或聚合物汙染物沉積在閘極結構的頂部或側壁上。典型的汙染物包含聚合物殘留140及含金屬聚合物殘留142。

圖2例示因為使用傳統批次機台的清理處理，而導致在閘極結構經歷的若干潛在問題。使閘極結構延長的曝露至使用在批次機台中的侵犯性清理化學品，會導致硬遮罩的腐蝕，或被認為是硬遮罩回縮。硬遮罩腐蝕造成下伏層的過早暴露，導致潛在的損傷及/或進一步之閘特徵部的汙染。延長的清理化學品曝露可更導致金屬層的底切(例如鎢、矽化鎢等，其使用於形成閘極氧化物上方的金屬電極)，最終使閘極氧化物曝露於清理化學品中。硬遮罩層的回縮及金屬與包含閘極氧化物之其他閘極結構層的底切，造成在清理處理中最嚴重的問題。將各種閘極堆疊層過早曝露於隨後製造操作中使用的化學品，可能導致膜層之進一步損傷，而使閘極結構不能操作。在製造期間，汙染物的有效率及非損害性移除，在清理處理中形成一個重大的挑戰。

有鑑於前述觀點，需要一種自基板表面移除汙染物且同時能保持閘極結構的完整性之更有效的清理技術。本發明的實施例於是形成於此上下文中。

本發明藉由提供自形成在基板表面之金屬閘極結構周圍移除聚合物殘留汙染物的改進方法及設備來滿足以上需求。吾人應明白，可以許多方式達成本發明，其包含裝置與方法。以下說明本發明之數個發明實施例。

在一實施例中，揭露一種在後蝕刻清理操作期間自金屬閘極結構周圍移除聚合物殘留的方法。此方法包含測定與金屬閘極結構及形成在閘極結構周圍的聚合物殘留相關聯的複數個處理參數。閘極結構包含一個以上的製造層。處理參數定義一個以上之製造層的一個以上的特性，包含閘極結構及形成在閘極結構周圍的聚合物殘留。確認用以處理基板表面的第一及第二清理化學品。基於處理參數定義關於各第一及第二清理化學品的一個以上的施加參數。使用施加參數，以控制的方式，順序施加第一及第二清理化學品至基板的表面的一部份，以便提供基板表面的一部份至第一及第二清理化學品之最佳曝露達一最佳時期，使得聚合物殘留實質上自閘極結構周圍移除，同時保存閘極結構之一個以上膜層的結構完整性。

在另一實施例中，定義一種後蝕刻清理操作期間自形成在基板表面上之金屬閘極結構周圍移除聚合物殘留的系統。此系統包含基板支撐裝置，其用以接收、支撐及傳送該基板通過系統。第一近接頭，其用以通入第一清理化學品至基板之表面的一部份如彎液面。第二近接頭，其用以通入第二清理化學品至基板之表面的一部份如彎液面。順序通過第一及第二近接頭而通入第一及第二清理化學品，能夠以控制的方式，施加第一及第二清理化學品至基板的表面的一部分，使得基板的表面的一部份至第一及第二清理化學品之最佳曝露達一最佳時期，以便實質上移除形成在金屬閘極結構周圍的聚合物殘留，同時維持閘極結構之一個以上膜層的結構完整性。

本發明之其他實施態樣與優點可從下列結合說明本發明範例之隨附圖式的詳細說明而更顯明白。

現將說明自形成於基板表面上之金屬閘極結構周圍有效地移除聚合物殘留(包括含金屬聚合物殘留)的數個實施例。然而，對於熟習本項技藝者，很明顯地，本發明可在沒有某些或所有這些特定細節的情況下實施。此外，為了不使本發明產生不必要的混淆，已不詳述熟知的處理操作。

自基板表面有效移除例如聚合物殘留及含金屬聚合物殘留之汙染物，可幫助保存形成在基板上的特徵部及例如微晶片的合成裝置的功能。在本發明之一實施例中，係藉由順序施加侵犯性化學品至基板的表面，來移除形成在金屬閘極結構周圍的聚合物殘留。侵犯性化學品係以最適控制的方式來施加，以便能夠自閘極結構周圍最佳地移除聚合物殘留汙染物，而同時能保存閘極結構的結構完整性。為了以最適控制的方式施加侵犯性化學品，吾人測定了複數個與閘極結構及聚合物殘留相關聯的處理參數。處理參數係藉由分析複數個形成閘極結構的製造層及形成在閘極結構特徵部周圍的各種形式聚合物殘留而獲得。處理參數定義了與各種不同閘極結構層及聚合物殘留相關聯的一個以上特性。確認第一及第二侵犯性化學品，然後基於處理參數，定義所確認的侵犯性化學品之一個以上的施加參數。以控制的方式，將施加參數用於按順序施加侵犯性化學品，俾能達成聚合物殘留之最佳移除，而不損失閘極結構的結構完整性。

各種實施例的優點包含使用簡單、常見的化學品來有效移除非期望的聚合物殘留，而導致實質上乾淨的裝置。侵犯性化學品的控制施加完成了以關鍵尺寸之精確控制移除聚合物殘留。

為了瞭解侵犯性化學品之控制施加的有效性，將首先參考圖1及2來說明在閘極結構經歷的負面作用。圖1例示在本發明的一實施例中的閘極結構的簡要圖式。閘極結構係利用複數個製造層所形成，此處的製造材料係沉積在基板100的表面上方。製造層可包含一個以上之金屬層120、122，金屬層120、122係形成在基板100的表面上之閘極氧化物層115上方。閘極氧化物層115通常為形成在源極/汲極105上方的高介電常數膜層。金屬層用於形成金屬電極。在圖1中，兩金屬層，金屬1 120及金屬2 122，係用來形成金屬電極。用於形成金屬電極的若干金屬包含：鎢(W)、矽化鎢、氮化鎢、鉭、多晶矽(摻雜或未摻雜)、氧化矽(SiO₂ )、氮化鉭(TaN)、氧化鉿、氧化鋁、氮化矽酸鉿(HfSiON)等。多晶矽層125形成在金屬上方。硬遮罩層130形成在多晶矽層130上方。硬遮罩層可由複數個硬遮罩層130、132、134所組成。用於形成硬遮罩層的典型材料包含：氮化矽、氧化矽等。硬遮罩層形成為光阻層，並用於在蝕刻操作期間保護下伏層。在蝕刻操作期間，用於定義金屬閘極結構的蝕刻化學品，將會在金屬閘極結構的頂部上及沿側壁留下聚合物殘留汙染物140及含金屬聚合物殘留汙染物142。有必要移除非期望之聚合物殘留汙染物140、142，同時保存金屬閘極結構的特性。

圖1中例示的閘極結構為形成在基板上方之閘極結構的一個例子。閘極結構的變化是可能的。圖3A-3D例示圖1中例示之閘極結構的若干變化。圖3A例示完全蝕刻後之DRAM閘極結構。包含閘極氧化物115的閘極結構之閘極堆疊形成在矽基板100上方。多晶矽層125形成在閘極氧化物115上方，接著是金屬層1120及金屬層2 122。硬遮罩層130形成在金屬層2上方。如可見者，在蝕刻操作之後，後蝕刻聚合物殘留140及含金屬聚合物殘留142形成在閘極結構周圍。除去形成在閘極結構周圍的聚合物殘留，而不會實際上損傷閘極結構的各種膜層，是一個挑戰。

圖3B例示圖3A中顯示的閘極結構的變化。圖3B中的閘極結構係由於開放蝕刻處理所形成，其具有形成在整個閘極氧化物115上方的多晶矽層125，及形成在多晶矽層125的一部分上方的閘極堆疊。

圖3C例示形成在矽基板100上方的快閃鎢金屬閘極結構的實施例。閘極結構的閘極堆疊包含形成在基板上方的閘極氧化物115。氮化矽保護層152形成在閘極氧化物115上方。金屬層1 120、金屬層2 122、及金屬層3 124係形成在氮化矽層152的頂部上。硬遮罩層130形成在金屬層124的頂部上。

圖3D例示在本發明之一實施例中，形成在矽基板100上方的後蝕刻閘極結構。如早先之其他閘極結構所提及，高介電常數膜層115形成在矽基板上方，而複數個金屬層，例如金屬層2 122及金屬層1 120形成在高介電常數膜層115上方。金屬層可為鎢或鉭基礎金屬層，例如鎢、矽化鎢、鉭、氮化鉭等。在金屬層的頂部上，形成了多晶矽層125。在多晶矽層125的頂部上，形成了硬遮罩層。各種使用在蝕刻操作中的化學品，在閘特徵部周圍沉積成聚合物殘留140。因為在清理期間，用於移除此等殘留的化學品易於損傷一個以上的閘極結構層，因而包括含金屬聚合物殘留142的後蝕刻聚合物殘留140的移除成為挑戰。圖2例示當使用傳統清理機台時，遮罩回縮及因為金屬腐蝕造成的金屬層底切的潛在清理問題的一個例子。

圖3E例示當清理操作期間使用批次機台時，另一潛在的清理問題。例如浸潤槽機台(舉例來說，像是製程記錄(POR，Process of Record)槽機台)的批次機台，可用於有效地移除聚合物殘留汙染物。批次機台將具有相關閘極結構的基板曝露至清理化學品，以有效移除聚合物殘留。在槽機台中使用侵犯性較小的化學品導致無效率的清理處理。當在槽機台中使用侵犯性較高的化學品時，閘極結構經歷高材料損失，如圖3E所示。使用於分解含金屬聚合物殘留汙染物的侵犯性化學品，亦將與硬遮罩層反應而嚴重腐蝕硬遮罩層，因而在清理及後清理處理期間，會將閘極結構的下伏層曝露於侵犯性的清理化學品。閘極結構的曝露層可能經歷來自侵犯性清理及其他製造化學品的嚴重損傷，而導致損傷的或不能操作的閘極結構。

習用的方法使用浸潤機台使基板的表面曝露至清理化學品。當在浸潤機台中使用侵犯性較小的清理化學品時，清理會沒有效率且具有很差的輪廓控制。另一方面，當使用侵犯性較高的化學品來處理基板的表面時，對於製造層會發生實質的損傷，包含硬遮罩層的回縮及各種製造層的底切，如圖2所示。這是因為閘極結構的側壁上及頂部上的聚合物殘留含有金屬的事實。為了有效地移除含金屬聚合物殘留，選擇了侵犯性化學品，使得侵犯性化學品能夠在清理操作期間分解及/或移除含金屬聚合物殘留。然而，此等侵犯性化學品亦會與含金屬製造層及硬遮罩層反應，導致硬遮罩層的部分被移除(硬遮罩回縮)及閘極結構的含金屬製造層的底切部分被移除。當硬遮罩層中有回縮時，形成閘極結構的下伏製造層會過早曝露至包含使用在隨後之製造操作中的化學品的周遭環境，而導致下伏層的汙染或損傷。汙染的/受損傷的下伏層會使得合成裝置不能操作。因此，防止硬遮罩回縮，同時保存可能以其他方式將閘極氧化物層過早曝露至製造化學品的下伏製造層是有幫助的。

圖4A-4C例示關於圖3A-3C所描述之各種閘極結構之清理操作之期望清理結果。預期的期望結果保存閘極結構的各種製造層，同時有效地自閘極結構周圍移除聚合物殘留汙染物。在這方面，圖4A例示圖3A所例示的完全蝕刻閘極結構，在清理操作之後的預期的期望結果，圖4B例示圖3B所例示的開放蝕刻閘極結構的期望清理結果，及圖4C例示圖3C所例示的鎢金屬閘極結構的期望清理結果。如所見，期望的結果需要有效的聚合物殘留汙染物移除，包括含金屬殘留，而不會損傷任何製造層。

圖5例示本發明之一實施例中的位於潔淨室內的系統500，此系統用於以控制的方式，通入第一清理化學品及第二清理化學品至基板100的表面，以實質上移除沉積在金屬閘極結構周圍的聚合物殘留。系統500包含外罩腔室510，其具有例如載具550的基板支撐裝置，以經外罩腔室510接收、支撐、及傳送基板在選定平板上。基板100在基板輸入區域515被接收，經過具有一個以上近接頭組545及555的區域輸送，並傳送至基板輸出區域560。圖5的實施例顯示放置在選定平板的每一側上的一對近接頭，基板100經過其傳送，以傳遞第一及第二清理化學品至基板100的兩側。吾人應注意，此近接頭的結構僅為例示性而不應理解為限制性。因此，其他近接頭的組合及結構亦可被考慮用於基板100的有效清理。

在後蝕刻清理操作期間，第一近接頭組545及第二近接頭組555分別用於將第一清理化學品及第二清理化學品施加至基板的表面成彎液面。在此使用的術語「彎液面」，是指某種程度上受到液體的表面張力限制及控制的一定量之液體。定義化學品區域的彎液面係可控制的，且能以控制的形狀在表面上方移動。此外，可經由連接至近接頭545及555的電腦系統505來控制彎液面的形狀。系統510可包含儲槽525及530，以接收、保持、及供應第一及第二清理化學品至近接頭545及555。連接至儲槽525及530的化學品施加機械裝置520控制通過近接頭545及555的第一及第二清理化學品的流動。化學品施加機械裝置520可包含一個以上的精準控制器，以便能夠控制第一及第二清理化學品輸送至近接頭545及555。精準控制器可以藉由計算系統505進行遠端控制。計算系統505中的軟體可用以操作精準控制器，使得適當總量的第一及第二施加化學品，可以在清理處理的適當階段施加至近接頭。與各種製造層及聚合物殘留汙染物相關聯的複數個處理參數係用以操作輸送控制器，俾將適量的第一及第二清理化學品輸送至近接頭。

第一及第二清理化學品的施加係基於複數個處理參數。處理參數係藉由分析形成閘極結構的各種製造層及需要被清除的聚合物殘留而獲得。處理參數定義各製造層及聚合物殘留的特性。與閘極結構的各製造層相關聯的若干處理參數包含類型、尺寸、及組成其中一者以上。與聚合物殘留移除相關聯的若干處理參數可包含使用在閘極製造的處理中的半導體材料上的化學品類型、濃度、溫度、曝露時間、及目標移除速率。若干使用在閘製造之處理中的半導體材料可包含氧化矽(SiO₂ )、鎢(W)、矽化鎢、氮化鎢、氮化鉭、鉭、及其他材料。基於處理參數選擇第一清理化學品及第二清理化學品，使得聚合物殘留汙染物可有效且實質地移除，而不會損傷閘極結構特徵部。與製造層及聚合物殘留相關聯的處理參數可因不同基板而加以變化。有必要在清理操作期間保存形成在基板表面上的閘極結構，俾能維持閘極結構及半導體裝置的功能性。

基於處理參數所選擇的第一及第二清理化學品係侵犯性化學品，在清理操作期間，傳統機台一般不會使用這些侵犯性化學品。當曝露超過延長的時間時，這些侵犯性化學品被認為會對形成在基板100上的特徵部造成相當大的損傷。然而，這些侵犯性化學品在以控制的方式施加限量時間時，卻可幫助形成在閘極結構周圍的聚合物殘留之有效移除。在一實施例中，第一清理化學品為氨水過氧化氫混合物(APM)而第二清理化學品為稀釋氫氟酸(dHF)。APM為有效的清理化學品，如所周知其會與含金屬聚合物殘留反應，而自形成在基板上的特徵部周圍有效的移除此含金屬聚合物殘留。然而，如先前所提及，已知APM為對鎢及含鎢化合物具有高移除速率的侵犯性化學品，如此使其難以在習知的批次清理機台中用作清理含鎢裝置堆疊(例如閘極結構)的有效清理化學品。為了避免損傷閘極結構的製造層，特別是包含鎢/鎢化合物者，利用近接頭545及555，以恰好的控制方式分別施加第一及第二清理化學品，以便限制基板表面曝露至清理化學品。使用近接頭的長度及精準的曝露時間，可藉由聚合物殘留的期望目標移除速率加以驅動，以便使吾人定義出在APM施加期間，特徵部的製造層中之可接受的金屬膜損失量。

為了幫助對清理化學品的基板表面曝露限制，基於與例如閘極結構的特徵部的各種製造層及聚合物殘留汙染物相關聯的處理參數，對於各第一及第二清理化學品定義了一個以上的施加參數。對於各第一及第二清理化學品可能定義的若干施加參數可包含：化學品類型、第一及第二化學品的施加順序、濃度、曝露時間、溫度、壓力、及流率。在一實施例中，曝露時間可更定義為線性速度的函數，基板在此線性速度下，在近接頭及可能施加至基板表面的彎液面的寬度下方輸送。因此，F(t_曝露時間 )=f(彎液面寬度/表面面積,基板線性速度)。可使用例如馬達的機械裝置控制晶圓的線性速度。例如，如果近接頭545能夠施加約20 mm寬的彎液面，那麼基板的線性速度可調整為約20 mm/sec，以為施加第一清理化學品提供1秒的曝露時間。根據各第一及第二清理化學品期望的曝露時間，近接頭下方的基板線性速度可使用馬達進行對應的調整。

在建立清理化學品的施加參數後，第一及第二清理化學品可立即根據施加參數，以控制的方式使用近接頭545及555，按順序地施加至基板的表面。清理化學品的施加順序並非固定。在一實施例中，使用第一近接頭545施加第一清理化學品(APM)，隨後以第二近接頭555施加第二清理化學品(dHF)。在另一實施例中，在使用第一近接頭545施加第二化學品(dHF)之後，使用第二近接頭555順序地施加第一清理化學品(APM)。清理化學品的施加順序可能基於例如待保留的金屬氧化物量的期望結果。第一及第二清理化學品之控制的順序施加，幫助自例如閘極結構的特徵部周圍實質上移除聚合物殘留，而不會損傷特徵部。如先前所提及，藉由控制在對應近接頭下方的基板線性速度，可控制各清理化學品的曝露時間。

在施加各第一及第二清理化學品之後，可使用沖洗化學品進行沖洗操作。沖洗化學品係在各別的清理操作之後，用來移除施加至基板表面的殘留清理化學品。因此，在本發明之一實施例中，各種化學品的處理順序，可包含第一清理化學品的施加、利用沖洗化學品之沖洗操作、第二化學品的施加及利用沖洗化學品之沖洗操作。跟隨在各第一及第二清理化學品施加後的沖洗操作，可使用相同的沖洗化學品或不同的沖洗化學品。

第一及第二近接頭(545、555)係用以使清理化學品及沖洗化學品傳輸成彎液面，以清理及沖洗基板的表面。清理化學品及沖洗化學品彎液面可為連接或分離。在一實施例中清理化學品及沖洗化學品為連接。近接頭(545、555)係用以使清理化學品彎液面及沖洗化學品彎液面之間能夠連接。在此實施例中，施加的清理化學品只使用一次，且在施加之後不會回收。在另一實施例中，清理化學品與沖洗化學品分離。在此實施例中，各近接頭(545、555)係設置來使得清理化學品彎液面與沖洗化學品彎液面保持分離。因此，在此實施例中，施加的清理化學品可在施加之後回收，以用於隨後之清理操作的再使用。

在本發明的一實施例中，各第一及第二近接頭545、555進一步用以提供乾燥操作，以在清理及沖洗操作之後，乾燥基板的表面。乾燥操作可包含施加例如異丙醇(IPA)蒸汽的乾燥化學品至基板表面。在一實施例中，在第一清理及沖洗操作之後，乾燥操作為選擇性的。在此實施例中，在第一清理化學品及沖洗化學品的施加之後並未施行乾燥操作，去離子水的薄膜留在基板的表面上，以便防止過早乾燥及/或進一步的污染。然而，乾燥操作包含發生在第二清理及沖洗之後。

清理處理期間，基板在近接頭(545、555)下方能放射狀移動，以確認各種化學品可平坦施加至基板表面。在此實施例中，近接頭的尺寸小於基板的寬度。近接頭下面之基板的旋轉速度係基於期望之曝露時間及聚合物殘留的目標移除速率而調整。

在另一實施例中，近接頭係配置成具有稍大於基板直徑的頭部，以便提供具有短曝露時間的更局部之清理化學品施加。在此實施例中，基板在近接頭下方線性移動。

使用近接頭及短的曝露時間，允許在清理處理中，使用濃縮的及侵犯性的化學品。侵犯性化學品的高流動條件及隨後以沖洗化學品置換，使得與聚合物殘留汙染物的反應及反應中止能夠更快，因而能使聚合物殘留汙染物的移除最佳化，同時使對侵犯性化學品的特徵部曝露最小化，因而在清理處理期間，防止例如閘極結構之特徵部製造層的回縮或底切。因此，例如，APM可用於移除使用鎢/鎢化合物的金屬閘極結構周圍的金屬聚合物殘留。即使APM被認為能非常快速分解鎢，控制的曝露時間能有效移除聚合物殘留，同時保存聚合物殘留形成在周圍的特徵部。圖6A、6B及7分別例示圖表1、2及3，描述具有最小氧化物層損失的殘留清理速率。如可在圖6A中所見，例如，APM的濃度可調整成提供約1sec至10sec的蝕刻速率，而最佳的蝕刻速率約為5sec。閘極結構中的材料損失，在約5秒的曝露時間，可介於約5及10之間。可調整APM的濃度及曝露時間，以獲得可接受的聚合物殘留移除範圍，同時維持閘極結構材料的低材料損失。可使用精準控制器來調整曝露時間，以將曝露時間微調至約±0.1秒的等級。例如，APM的組成的典型範圍，在標準濃度約1：4：10下，在濃縮側依次約1：1：1，至在稀釋側約1：4：50。對於dHF，在標準濃度約1：100下，濃度範圍可在濃縮側約1：10至稀釋側約1：1000之間。標準的曝露時間會為約2秒，且具有約1秒至約20秒之間的範圍。取決於近接頭尺寸，可調整基板的速度以提供需求的曝露時間。近接頭寬度可為約10 mm至約40 mm之間，而基板的速度可調整至需求的曝露時間。圖8例示關於聚合物殘留汙染物的有效移除之目標曝露時間對載具速度的圖式。

圖8顯示利用兩個不同的近接頭寬度而有效移除聚合物殘留汙染物之掃描速度對曝露時間的圖式。此圖式確認聚合物殘留的目標移除速率。基於期望的移除速率，可調整第一及第二施加化學品的濃度、近接頭下方之基板的速度及曝露時間。例如，如果期望移除5之鎢基殘留，此圖式確認達成此目標的最佳曝露時間及基板速度。

如先前所提及，圖3D、3E及4D例示本發明之一實施例中，在施行清理操作之前及之後的金屬閘極結構結果。如可在圖3D中所見，圖3D例示具有形成在閘極結構周圍之聚合物殘留汙染物的典型閘極結構。圖3E例示使用侵犯性化學品之傳統清理處理的結果。硬遮罩層頂部上的聚合物殘留被剝除且帶有嚴重的硬遮罩層腐蝕，因而使下伏層曝露出來。圖4D例示使用本發明之第一及第二清理化學品之清理操作之後的結果。使第一及第二清理化學品精準地輸送及控制性地曝露至基板表面，能有效移除形成在硬遮罩頂部上的聚合物殘留，而不會在硬遮罩層上導致任何負面效應。此外，清理化學品之控制的曝露，能夠移除形成在金屬閘極結構之側壁上的聚合物殘留，同時能實質上保存閘極結構的金屬層。

圖9例示在本發明之一實施例中，包含後蝕刻清理操作期間，自金屬閘極結構周圍移除聚合物殘留的處理操作。處理開始於操作910，其中與金屬閘極結構及形成在金屬閘極結構周圍的聚合物殘留相關聯的複數個處理參數被測定。金屬閘極結構可為使用各種製造操作形成之多層結構。藉由分析形成閘極結構的製造層及藉由分析形成在閘極結構周圍的聚合物殘留，可獲得處理參數。處理參數可包含與各製造層及聚合物殘留相關聯的種類、尺寸、組成、溫度，及關於待移除之聚合物殘留之目標移除速率。處理參數定義包含閘極結構之製造層及待移除之聚合物殘留兩者的特性。

如操作920所例示，基於處理參數，確認第一清理化學品及第二清理化學品。第一及第二清理化學品可為侵犯性清理化學品，且可包含氨水過氧化氫混合物(APM)及稀釋氫氟酸(dHF)。第一及第二清理化學品的範例為例示性，且不限制於APM或dHF，而可包含其他公知可分解或有效地反應以實質上移除金屬聚合物殘留的侵犯性化學品。可用作清理化學品的若干其他侵犯性化學品包含，例如，氫氟酸及氫氯酸的混合物(HF/HCl)。

如操作930所例示，基於複數個處理參數，定義與第一及第二清理化學品相關聯的複數個施加參數。與各第一及第二清理化學品相關聯的若干施加參數可包含種類、濃度、曝露時間、溫度、壓力及流率。此外，施加參數可包含第一及第二近接頭組下方的基板速度，及在各近接頭的彎液面寬度。可將曝露時間計算成在各近接頭處之基板速度及彎液面寬度之函數。施加參數係基於自金屬閘極結構周圍移除聚合物殘留的目標速率來加以定義。

如操作940所例示，處理包含使用施加參數，以控制的方式，順序施加第一及第二清理化學品。施加第一及第二清理化學品能夠實質上自金屬閘極結構周圍移除聚合物殘留，同時能實質上保存金屬閘極結構的結構完整性。第一及第二清理化學品的施加可透過相通地連接至第一及第二近接頭的電腦系統來完成。在相通地連接至近接頭的化學品施加機械裝置上之可用的一個以上的精準控制器，可利用電腦系統中的軟體來操作，而能夠控制地施加第一及第二清理化學品，以便最佳化地自基板的表面上之金屬閘極結構周圍移除聚合物殘留，同時能實質上保存組成閘極結構之一個以上之製造層的結構完整性。施加的清理化學品可以回收，使得其等可在隨後的清理操作中再使用，因而能夠最佳化單一但昂貴的清理化學品的使用。因此，本發明的各種實施例提供自金屬閘極結構周圍移除聚合物殘留，同時保存金屬閘極結構的結構完整性的方法，其使用公知可簡易分解使用在金屬閘極結構中之侵犯性化學品。

關於例如晶圓載具之基板支撐裝置上的更多資訊，可參考申請日為2007年5月2日、發明名稱為“HYBRID COMPOSITE WAFER CARRIER FOR WET CLEAN EQUIPMENT”、並讓渡給本申請案之受讓人的美國專利申請案第11/743,516號。

有關近接頭的額外資訊，可參考2003年9月9日公告、發明名稱為"METHODS FOR WAFER PROXIMITY CLEANING AND DRYING"的美國專利第6,616,772號中所說明的例示近接頭，此美國專利讓渡給Lam Research Corporation，其亦為本申請案之受讓人。

有關彎液面的額外資訊，可參考2005年1月24日公告、發明名稱為"METHODS AND SYSTEMS FOR PROCESSING A SUBSTRATE USING A DYNAMIC LIQUID MENISCUS"的美國專利第6,998,327號，及2005年1月24日公告、發明名稱為"PHOBIC BARRIER MENISCUS SEPARATION AND CONTAINMENT”的美國專利第6,998,326號。這些讓渡給本申請案之受讓人的美國專利，其整體內容為一切目的併入於此。

有關頂部及底部彎液面的額外資訊，可參考2002年12月24日申請、發明名稱為"MENISCUS,VACUUM,IPA VAPOR,DRYING MANIFOLD"的美國專利申請案第10/330,843號中所說明的例示彎液面。此美國專利讓渡給本申請案之受讓人Lam Research Corporation。

雖然上述發明已對於清楚瞭解之目的而作某程度的說明，但吾人可明白在隨附之申請專利範圍的範疇內可實施某種改變及修改。因此，本發明之實施例應被視為說明而非限制，以及本發明並不限於在此所提出的細節，而在隨附之申請專利範圍的範疇與等效設計內可進行修改。

100．．．基板

105．．．源極/汲極區域

115．．．閘極氧化物層

120．．．金屬層1

122．．．金屬層2

125．．．多晶矽層

130．．．遮罩1

132．．．遮罩2

134．．．遮罩3

140．．．聚合物殘留

142．．．含金屬聚合物殘留

152．．．氮化矽保護層

500．．．系統

505．．．電腦系統

510．．．外罩腔室

515．．．基板輸入區域

520．．．化學品施加機械裝置

525．．．儲槽

530．．．儲槽

545．．．第一近接頭組

550．．．載具

555．．．第二近接頭組

560．．．基板輸出區域

910．．．測定關於金屬閘極結構及形成在金屬閘極結構周圍的聚合物殘留的複數個處理參數

920．．．基於處理參數，確認第一清理化學品及第二清理化學品

930．．．基於複數個處理參數，定義關於第一及第二清理化學品的複數個施加參數

940．．．基於施加參數，以控制的方式，順序施加第一及第二施加化學品至基板表面，以實質上自閘極結構周圍有效移除聚合物殘留汙染物，同時能保存閘極結構的結構完整性

吾人可藉由參考下列結合隨附圖式的說明而獲得本發明的最佳瞭解。這些圖式不應被認為係限制本發明的較佳實施例，而係僅為了說明及瞭解。

圖1例示本發明之一實施例中之典型後蝕刻金屬閘極結構的簡要概略圖式。

圖2例示本發明之一實施例中，清理操作期間，圖1中例示的後蝕刻金屬閘極結構經歷的潛在問題及損傷的簡要概略圖式。

圖3A-3D例示蝕刻操作之後的各種閘極結構的簡要概略圖式。圖3A例示本發明之一實施例中之完全蝕刻之後的簡要DRAM閘極結構。圖3B例示本發明之另一實施例中之部分蝕刻之後的簡要DRAM閘極結構。圖3C例示本發明之另一實施例中之蝕刻操作之後的簡要快閃鎢閘極結構。圖3D例示本發明之另一實施例中之蝕刻操作之後的簡要鎢閘邏輯結構。

圖3E例示本發明之一實施例中之典型槽清理操作之後的鎢金屬閘極結構的簡要概略圖式。

圖4A-4C例示圖3A-3C中例示之各種閘極結構在清理之後預期之期望清理結果的簡要概略圖式。

圖4D例示本發明之一實施例中，使用第一清理化學品及第二清理化學品之清理操作之後的作為結果的金屬閘極結構。

圖5例示本發明之一實施例中，使用於施加第一及第二施加化學品至基板表面的系統之簡要概略圖式。

圖6A及6B例示本發明之一實施例中，確認使用第一及第二清理化學品之聚合物殘留的有效移除速率的圖式。

圖7例示本發明之一實施例中，對於含金屬聚合物殘留移除之有效移除需求之最佳曝露時間及載具速度。

圖8例示本發明之一實施例中，對於有效的含金屬聚合物殘留移除速率的最佳濃度。

圖9例示本發明之一實施例中，包含在後蝕刻清理操作期間，自金屬閘極結構周圍移除聚合物殘留的各種方法操作。

910．．．測定與金屬閘極結構及形成在金屬閘極結構周圍的聚合物殘留相關聯的複數個處理參數

930．．．基於複數個處理參數，定義與第一及第二清理化學品相關聯的複數個施加參數

940．．．基於施加參數，以控制的方式，按順序施加第一及第二施加化學品至基板表面，以實質上自閘極結構周圍有效移除聚合物殘留汙染物，同時能保存閘極結構的結構完整性

Claims

一種藉由自蝕刻表面移除後蝕刻聚合物殘留之準備基板的表面之方法，該等蝕刻表面定義由至少一層鎢金屬所形成之閘極結構，該方法包含：在一第一預定曝露時間施加氨水過氧化氫混合物(APM)之第一清理化學品至該基板的表面成第一彎液面，以便在範圍介於約1Å/秒至約10Å/秒之間的蝕刻速率下蝕刻包括鎢金屬的該後蝕刻聚合物殘留之一數量，該第一預定曝露時間由該基板在該第一彎液面下移動之線性速度以及小於該基板的直徑之該第一彎液面的第一寬度所決定；在該第一彎液面之後相繼施加稀釋氫氟酸(dHF)之第二清理化學品至該基板的表面成第二彎液面，以便實質上移除包括因一或更多製造操作所留下之矽金屬殘留的該後蝕刻聚合物殘留，在一第二預定曝露時間施加該第二清理化學品，該第二預定曝露時間由該基板在該第二彎液面下移動之線性速度以及小於該基板的直徑之該第二彎液面的第二寬度所決定，dHF的施加用以實質上移除包括氧化矽之該後蝕刻聚合物殘留，其中以利用涵蓋該基板之一部份的一或更多近接頭之受控方式來施加該第一及第二彎液面，該第一彎液面及該第二彎液面各自具有延伸至該基板之至少一直徑的長度，該第一彎液面及該第二彎液面各自定義一化學區域，其中被該第一彎液面及該第二彎液面所覆蓋之該基板的部份表面係曝露至各別的該第一及第二清理化學品，並且該第二彎液面與該第一彎液面以該第一彎液面的線性速度一起移動。
如申請專利範圍第1項之藉由自蝕刻表面移除後蝕刻聚合物殘留之準備基板的表面之方法，其中該基板的線性速度係基於施加該第一清理化學品之該一或更多近接頭的尺寸、以及該第一彎液面的該第一寬度而加以調整。
如申請專利範圍第1項之藉由自蝕刻表面移除後蝕刻聚合物殘留之準備基板的表面之方法，其中該APM的組成範圍介於約1體積的氫氧化銨比1體積的過氧化氫比1體積的去離子水與約1體積的氫氧化銨比4體積的過氧化氫比50體積的去離子水之間，並且dHF的組成範圍介於約1：10與約1：1000之間。
如申請專利範圍第1項之藉由自蝕刻表面移除後蝕刻聚合物殘留之準備基板的表面之方法，其中該第一清理化學品係經由一第一近接頭加以施加，而該第二清理化學品係經由一第二近接頭加以施加，其中該第一及第二近接頭係用以在各該第一及該第二清理化學品的該施加步驟之後，施行一沖洗操作至該基板的該表面。
如申請專利範圍第4項之藉由自蝕刻表面移除後蝕刻聚合物殘留之準備基板的表面之方法，其中施加該第一及第二清理化學品更包含在施加該第二清理化學品之前施加該第一清理化學品，該一或更多近接頭更用以在施加該第二清理化學品及沖洗操作後，施行一乾燥操作。
如申請專利範圍第4項之藉由自蝕刻表面移除後蝕刻聚合物殘留之準備基板的表面之方法，其中施加該第一及第二清理化學品之步驟更包含在施加該第一清理化學品之前施加該第二清理化學品，該一或更多近接頭更用以在施加該第一清理化學品及該沖洗操作之後，施行一乾燥操作。
如申請專利範圍第4項之藉由自蝕刻表面移除後蝕刻聚合物殘留之準備基板的表面之方法，其中該第一及該第二清理化學品的施加步驟更包含在施加該第一及第二清理化學品至該基板的該表面之後，回收該第一及第二清理化學品，該回收的第一及第二清理化學品在隨後的清理操作中再循環利用。
如申請專利範圍第1項之藉由自蝕刻表面移除後蝕刻聚合物殘留之準備基板的表面之方法，其中該閘極結構係由一個以上的金屬層所製成，該金屬層包含一個以上之鎢、矽化鎢、氮化鎢、多晶矽、氧化矽、氧化鋁、氧化鉿、氮化矽、氮化鉭或其組合。
一種藉由自蝕刻表面移除後蝕刻聚合物殘留之準備基板的表面之方法，該等蝕刻表面定義由至少一層鎢金屬所形成之閘極結構，該方法包含：在一第一預定曝露時間施加稀釋氫氟酸(dHF)之第一清理化學品至該基板的表面成第一彎液面，以便實質上移除包括因一或更多製造操作所留下之矽金屬殘留的該後蝕刻聚合物殘留，該第一預定曝露時間由該基板在該第一彎液面下移動之線性速度以及小於該基板的直徑之該第一彎液面的第一寬度所決定；在一第二預定曝露時間施加氨水過氧化氫混合物(APM)之第二清理化學品至該基板的表面成第二彎液面，以便在範圍介於約1Å/秒至約10Å/秒之間的蝕刻速率下蝕刻包含鎢金屬的該後蝕刻聚合物殘留之一數量，該第二清理化學品在施加該第一清理化學品之後相繼施加，該第二預定曝露時間由該基板在該第二彎液面下移動之線性速度以及小於該基板的直徑之該第二彎液面的第二寬度所決定，其中以利用一或更多近接頭之受控方式來施加該第一及第二清理化學品，該第一彎液面及該第二彎液面各自具有延伸至該基板之至少一直徑的長度，該第一彎液面及該第二彎液面各自定義一化學區域，其中被該第一彎液面及該第二彎液面所覆蓋之該基板的部份表面係曝露至各別的該第一及第二清理化學品，並且該第二彎液面與該第一彎液面以該第一彎液面的線性速度一起移動。
如申請專利範圍第9項之藉由自蝕刻表面移除後蝕刻聚合物殘留之準備基板的表面之方法，其中該基板的線性速度係基於施加該第二清理化學品之該一或更多近接頭的尺寸、以及該第二彎液面的該第二寬度而加以調整。
如申請專利範圍第9項之藉由自蝕刻表面移除後蝕刻聚合物殘留之準備基板的表面之方法，其中該APM的組成範圍介於約1體積的氫氧化銨比1體積的過氧化氫比1體積的去離子水與約1體積的氫氧化銨比4體積的過氧化氫比50體積的去離子水之間，並且dHF的組成範圍介於約1：10與約1：1000之間。
一種藉由自蝕刻表面移除後蝕刻聚合物殘留之準備基板的表面之方法，該等蝕刻表面定義由至少一層鎢金屬所形成之閘極結構，該方法包含：在一長達約5秒鐘之預定曝露時間施加其組成範圍介於約1體積的氫氧化銨比1體積的過氧化氫比1體積的去離子水與約1體積的氫氧化銨比4體積的過氧化氫比50體積的去離子水之間的氨水過氧化氫混合物(APM)之第一清理化學品至該基板的表面成第一彎液面，以便在範圍介於約1Å/秒至約10Å/秒之間的蝕刻速率下蝕刻包括鎢金屬的該後蝕刻聚合物殘留之一數量，該預定曝露時間由該基板在該第一彎液面下移動之線性速度以及該第一彎液面的定義寬度所決定；在該第一彎液面之後相繼施加其組成範圍介於約1：10與約1：1000之間的稀釋氫氟酸(dHF)之第二清理化學品至該基板的表面成第二彎液面，dHF的施加用以移除包括氧化矽之該後蝕刻聚合物殘留，其中以利用一或更多近接頭之受控方式來施加該第一及第二清理化學品，該第一彎液面及該第二彎液面各自延伸至該基板之至少一直徑，並且具有覆蓋小於該基板的整個表面之該基板的部份表面之定義寬度，該第一彎液面及該第二彎液面各自定義一化學區域，其中被該第一彎液面及該第二彎液面所覆蓋之該基板的部份表面係曝露至各別的該第一及第二清理化學品。
一種在後蝕刻清理操作期間自形成在基板的表面上之金屬閘極結構周圍移除聚合物殘留的系統，包含：一基板支撐裝置，其用以接收、支撐及傳送該基板；一第一近接頭，其用以將一第一清理化學品通入至該基板之該表面的一部份成一彎液面；及一第二近接頭，其用以將一第二清理化學品通入至該基板之該表面的該部份成一彎液面，該第一及該第二清理化學品被按順序地通入，其中該基板支撐裝置以一線性速度輸送該基板，並且該第一及該第二近接頭能夠以一受控方式來施加該第一及該第二清理化學品至該基板的部份表面，以使該基板的部份表面曝露至該第一清理化學品長達約5秒鐘的預定曝露時間，以便在範圍介於約1Å/秒至約10Å/秒之間的蝕刻速率下蝕刻該後蝕刻聚合物殘留，並且實質上移除形成在該金屬閘極結構周圍的該聚合物殘留。
如申請專利範圍第13項之在後蝕刻清理操作期間自形成在基板的表面上之金屬閘極結構周圍移除聚合物殘留的系統，其中該第一及該第二近接頭的每一者更用以施加一沖洗化學品至該基板的該表面，該施加沖洗化學品之步驟係在施加該第一及該第二清理化學品至該基板之該表面之後進行。
如申請專利範圍第14項之在後蝕刻清理操作期間自形成在基板表面上之金屬閘極結構周圍移除聚合物殘留的系統，其中該第一及該第二近接頭係用以施加該沖洗化學品及對應的該第一或第二清理化學品成分離的彎液面，而能夠回收該對應的清理化學品，以用於隨後的清理處理。
如申請專利範圍第14項之在後蝕刻清理操作期間自形成在基板表面上之金屬閘極結構周圍移除聚合物殘留的系統，其中該第一近接頭或該第二近接頭其中之一更用以在該沖洗操作後施行一乾燥操作，該乾燥操作係基於施加該第一及該第二清理化學品至該基板的該表面的順序，而在該清理處理結束時實施。
如申請專利範圍第14項之在後蝕刻清理操作期間自形成在基板表面上之金屬閘極結構周圍移除聚合物殘留的系統，其中各該第一及該第二近接頭更包含一個以上的精準控制器，其係用以控制施加該第一清理化學品、該第二清理化學品、該沖洗化學品、及該乾燥操作之每一者至該基板的該表面。
如申請專利範圍第17項之在後蝕刻清理操作期間自形成在基板表面上之金屬閘極結構周圍移除聚合物殘留的系統，更包含一計算系統，該計算系統相通地連接至該第一及第二近接頭，該計算系統具有用以控制該精準控制器之一軟體。