TWI543245B - 半導體裝置之製造方法及半導體基板之清洗方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於半導體積體電路等半導體裝置之製造方法,更詳言之,係關於半導體基板之清洗方法。本發明尤關於相較於以往,以較少步驟數得到超高清潔度之半導體表面的閘絕緣膜形成前步驟。
形成於半導體基板上之半導體積體電路的微細化、高密集化一直進展。為了達成微細化、高密集化,必需保持基板表面為超高清潔度。亦即,必需從基板表面除去有機物、金屬及各種微粒、氧化物(氧化膜),因此,進行基板清洗。
以往,基板表面之清洗方法係以非專利文獻1記載之RCA清洗為主流。但是,該RCA清洗係大量使用高溫、高濃度之化學藥品溶液,且步驟數非常多,因此,對於生產性、成本面甚至對於環境的影響受到顧慮。
所以,已有各種取代RCA清洗的清洗方法被提出。例如,於專利文獻1提供一種清洗方法,包含:第1步驟,利用含有臭氧之超純水進行清洗;第2步驟,一面施以頻率500kHz以上的振動,一面以含有氟酸、超純水及界面活性劑之清洗液進行清洗;第3步驟,以含有臭氧之超純水進行清洗;第4步驟,以用於除去氧化膜之氟酸及含有超純水之清洗液進行清洗;及第5步驟,以超純水進行清洗。
專利文獻1記載之清洗方法,全部步驟為室溫且能以較RCA為短的步驟數進行清洗。
該清洗方法,可於第1步驟將有機物及一部分金屬除去,並於第2步驟將微粒、金屬及氧化膜除去。
然而,於第1步驟、第2步驟雖然完成必要的清洗,但是,於第2步驟使用之界面活性劑會殘存於基板表面,因此,於第3步驟再度以含有臭氧之超純水進行清洗。
利用含有臭氧之超純水清洗雖能除去界面活性劑,但是,於表面形成氧化膜。為了除去該氧化膜,以含有氟酸及超純水之清洗液進行清洗,最終以超純水清洗。
如此,專利文獻1之清洗方法,會有包含將清洗產生之新的污染使用超純水清洗之多餘步驟的問題。
另一方面,本案發明人等先前在專利文獻2中,提出將半導體基板以含有醇類(例如2-丙醇)、酮類之水溶液處理後,將附著於半導體表面之醇類、酮類除去之方法。如此可知,藉由以含有醇類之水溶液處理,能抑制半導體原子溶解於處理液之溶解量,其結果,可得到表面粗糙度小的表面。又,也有人提出將附著於半導體表面之醇類以氙氣電漿處理將之除去的提案。
專利文獻1:日本特開平11-57636號公報
專利文獻2:WO2006/009003號公報
非專利文獻1:W.Kern et al.RCA Rev.,No.31,p187,1970
本發明係有鑑於前述問題點而生,目的在於提供較專利文獻1以更縮短的步驟數能得到之超高清潔度之半導體表面的半導體基板的清洗方法。
本發明之目的亦為提供一種相較於以往能以更少步驟數得到超高清潔度之半導體表面的具有閘絕緣膜形成前處理步驟的半導體裝置之製造方法。
本發明更提供一種也能除去界面活性劑由來之有機物的清洗方法。
本案發明人等為了解決前述習知之問題努力探討,結果發現藉由採用下列構成,以較專利文献1更為縮短之步驟數可得超高清潔度之半導體表面的閘絕緣膜形成前處理步驟,乃完成本發明。
亦即,本發明之半導體裝置之製造方法,特徵在於經過至少將表面為半導體之基板之前述半導體表面以含有臭氧之超純水清洗之第1步驟、一面施以頻率500kHz以上之振動一面以含有氟酸及過氧化氫水溶液及超純水及界面活性劑之清洗液清洗之第2步驟、以含有2-丙醇及超純水之清洗液清洗之第3步驟,並照射稀有氣體電漿後,進行閘絕緣膜形成步驟。在此,第1步驟與第2步驟之間,不需要進行以超純水所為之清洗,又,於第3步驟後亦不需進行以超純水所為之清洗。
本發明中,首先以含有臭氧之超純水進行清洗(第1步驟)。該第1步驟中,將有機物及金屬大部分除去。並且,藉由進行該第1步驟,能使全部清洗步驟後之表面粗糙度的不均減小。
第1步驟後,如前所述,可不進行超純水清洗,而進入以第2步驟之含有氟酸及過氧化氫水溶液及超純水及界面活性劑之清洗液所為之清洗。換言之,可省略1個超純水清洗步驟。第1步驟後,基板表面所殘存者為含臭氧之超純水,即使維持殘存之狀態進入第2步驟也不會發生不利影響。此時,臭氧濃度希望為2ppm~50ppm。若不滿2ppm,金屬除去不充分,若超過50ppm,基板表面的粗糙會變得顯著。
第2步驟係一面提供500kHz以上之振動一面以含有氟酸及過氧化氫水溶液及超純水及界面活性劑之清洗液所為之清洗,利用該清洗,可將微粒、氧化膜中之金屬除去。又,可使表面粗糙度之上升極小。界面活性劑從表面張力降低、溶解性之觀點考慮,以非離子界面活性劑較佳。
界面活性劑之濃度宜為10ppm至500ppm。原因在於:若不滿10ppm,微粒之再附着會變得顯著。又,若為500ppm以上,則膠束化之界面活性劑會妨礙清洗。
第2步驟之超純水中,宜含有氫0.01ppm~1.6ppm。藉由添加氫,可提升微粒除去效率。若氫濃度為0.01ppm,則微粒除去效率低。又,使1.6ppm以上溶於超純水係屬困難。
第2步驟之氟酸濃度宜為0.1%~3%。原因在於:若不滿0.1%,則氧化膜無法充分地蝕刻,若為3%以上,則對於表面黏度會造成不利影響。
第2步驟之過氧化氫水溶液濃度,宜為0.1%至10%。原因在於:若不滿0.1%,則金屬之除去效率低,若為10%以上,則表面會氧化。
第3步驟係以含有2-丙醇及超純水的清洗液所為之清洗。藉由使用2-丙醇,可將第2步驟殘存之界面活性劑大部分除去。又,如專利文獻2所記載,藉由以含有2-丙醇及超純水之清洗液清洗,能使基板表面黏度之上升極小。
2-丙醇濃度希望為30%至50%。若不滿30%,則基板表面粗糙度上升之抑制不充分。又,即使為50%以上也不認為有一定以上之效果。不僅如此,若濃度高則化學藥品溶液之黏度增高,或在成本面會發生不利,故以30%至50%可說是最適。
第3步驟後,將前述半導體積體電路之基板旋轉乾燥,移送到閘絕緣膜形成用腔室。並且,藉由在閘絕緣膜形成前照射稀有氣體電漿,可將基板表面之界面活性劑(起因於界面活性劑之有機物)完全除去。
稀有氣體氦氣、氬氣、氪氣、氙氣均被認為有除去界面活性劑之效果,但是對於之後之閘絕緣膜形成以氪氣電漿最適,故電漿照射亦以氪氣為宜。
依照本發明,可得到能將不僅是先前進行之清洗步驟無法除去之有機物,尚能將表面終結之氫氣以稀有氣體電漿除去之清洗方法、半導體裝置之製造方法。
以下例示性地詳細說明本發明之較佳實施形態。惟,該實施例記載之氣體物質或清洗液濃度等,如無特別限定之記載,則並無將本發明範圍僅限於此等之意,而僅是說明例。
實施例1之清洗方法及比較例1之清洗方法:
將Cz(丘克拉斯基(czochralski))法製作之矽(100)基板(尺寸;8吋、電阻值;1~100Ω.cm)浸泡於將MERCK公司製ICP-MS Multi-Element Standard Solution IV以超純水稀釋20倍之化學藥品溶液,使矽晶圓表面附著Fe、Ni、Cu1013個/cm2左右。
與實施例1同樣,準備於比較例1之清洗方法使用之矽晶圓,於該表面亦使附著Fe、Ni、Cu約1013個/cm2左右。
上述金屬污染晶圓分別以下列說明之實施例1之方法及比較例1之方法清洗時,矽晶圓表面之Fe、Ni及Cu濃度以全反射螢光X射線分析裝置測定之結果,如表1所示。
以含有臭氧(5ppm)之超純水清洗5分鐘(第1步驟),一面施以頻率900kHz之振動一面以含有添加有氟酸(0.5%)及過氧化氫水溶液(1%)及氫(1.2ppm)之超純水及界面活面劑(50ppm)之清洗液清洗10分鐘(第2步驟),以含有30%之2-丙醇及超純水之清洗液清洗10分鐘(第3步驟)。
以含有臭氧(5ppm)之超純水清洗5分鐘(第1步驟),一面施以頻率900kHz之振動一面以添加有氟酸(0.5%)與過氧化氫水溶液(1%)及氫(1.2ppm)之超純水及含有界面活性劑(50ppm)之清洗液清洗10分鐘(第2步驟),以含有臭氧(5ppm)之超純水清洗5分鐘(第3步驟)、以含有氟酸(0.5%)及超純水之清洗液清洗1分鐘(第4步驟)、以超純水清洗10分鐘(第5步驟)。
從表1亦可知,如比較例1之5個步驟進行清洗時,與從比較例1之5個步驟之清洗方法當中將第3步驟之含有臭氧之超純水之清洗及第4步驟之含有氟酸及超純水之清洗液的清洗除外且最終步驟為以含有30%之2-丙醇及超純水清洗液清洗之3步驟之本發明之清洗方法(實施例1),均能將晶圓表面之金屬雜質除去至檢測極限以下。亦即,本發明實施例1之半導體積體電路之製造方法中,與由5個步驟構成之比較例1同樣,可充分除去金屬雜質。
準備將氮化矽粉;SiN(Johnson matthey Japan Inc.公司製Alfa Aesar SiN(IV)alpha phase 99.9%)溶於超純水之化學藥品溶液。
將以Cz法製作之矽(100)基板(尺寸;8吋、電阻值;1~100Ω.cm)浸泡於前述SiN污染化學藥品溶液,使矽表面附著約3000個SiN粒子。
將上述SiN污染晶圓以下述(實施例2之清洗方法)及(比較例2之清洗方法)之方法清洗時,矽晶圓表面之SiN微粒數以晶圓表面異物檢查裝置測定,結果如表2(最小可測粒徑;0.079μm)。
以含有臭氧(5ppm)之超純水清洗5分鐘(第1步驟)、一面施以頻率900kHz之振動一面以添加有氟酸(0.5%)及過氧化氫水溶液(1%)及氫(1.2ppm)之超純水及含有界面活性劑(50ppm)之清洗液清洗10分鐘(第2步驟),以含有30%之2-丙醇及超純水的清洗液清洗10分鐘(第3步驟)。
以含有臭氧(5ppm)之超純水清洗5分鐘(第1步驟),一面施以頻率900kHz之振動一面以含有添加有氟酸(0.5%)及過氧化氫水溶液(1%)及氫(1.2ppm)之超純水及界面活性劑(50ppm)之清洗液清洗10分鐘(第2步驟),以含有臭氧之超純水清洗5分鐘(第3步驟),以含有氟酸(0.5%)及超純水之清洗液清洗1分鐘(第4步驟),以超純水清洗10分鐘(第5步驟)。
如表2所示之實施例2及比較例2中之矽晶圓表面之SiN微粒數可知,與比較例2所示5個步驟之清洗方法相比,將比較例2之5個步驟之清洗方法中除去第3步驟之以含有臭氧之超純水之清洗及第4步驟之以含有氟酸及超純水之清洗液之清洗且最終步驟以含有30%之2-丙醇及超純水之清洗液清洗之本發明實施例2之清洗方法,能更為減少晶圓表面之微粒。推測藉此減少步驟數,可能減少搬運中之污染等。亦即,本發明之半導體積體電路之製造方法,相較於習知方法更能達成SiN微粒少之高清潔度之晶圓表面。
其次,使用升溫脫離裝置-大氣壓離子化質量分析裝置(TDS-APIMS)測定,進行矽晶圓表面殘存之界面活性劑之分析。取樣面積定為86.6cm2,將氬氣以1.2L/分流過作為載流氣體。晶圓之升溫速度定為30℃/分。APIMS藉由測定質量電荷數為45之斷片,相對地評價界面活性劑之殘存量。
以下對於使用電漿之氧化膜形成前處理說明。圖1顯示本發明使用之輻射狀槽孔天線之電漿處理裝置例之剖面圖。
圖1所示電漿處理裝置,包含:真空容器101;配置於該真空容器101內之噴淋板102;支持矽基板103之試樣台104;同軸導波管105;輻射狀槽孔天線106;及介電體板107。
圖1中,首先,使真空容器(處理室)101內為真空,其次從噴淋板102首先於導入氪氣之狀態,將處理室101內之壓力設定為133Pa(1Torr)左右。
將矽基板103安置於具有加熱機構(未圖示)之試樣台104,將試樣溫度設定為約400℃。若前述矽基板103之溫度為200~550℃之範圍內,則以下所述結果大致為同樣。
前述矽基板103,由於在剛才的前處理清洗步驟中經過以含有氟酸或氟酸及過氧化氫水溶液及界面活性劑之清洗液清洗,故矽表面之未鍵結手以氫終結化。
其次,從同軸導波管105對於輻射狀槽孔天線106供給頻率2.45GHz之微波,將前述微波從前述輻射狀槽孔天線106通過設於處理室101之壁面一部分之介電體板107,導入到前述處理室101內。
導入之微波激發從前述噴淋板102導入到前述處理室101內之氪氣,結果於前述噴淋板102正下方形成高密度之氪電漿。
供給之微波之頻率若為約900MHz以上約10GHz以下之範圍,則以下所述結果大致為相同。
圖1之構成中,噴淋板102與矽基板103之間隔,於本實施例設定為5cm。該間隔以較窄者能以更高速成膜。本實施例中,顯示使用輻射狀槽孔天線之電漿裝置之結果,但也可用其他方法將微波導入處理室內並激發電漿。
本實施例中,微波之輸出,係將3500W、氪電漿之照射時間定為10秒。
以下列5條件之清洗方法清洗8吋矽(100)晶圓後,進行TDS-APIMS測定,結果如表3。
以含有臭氧(5ppm)之超純水清洗5分鐘(第1步驟),一面施以頻率900kHz之振動一面以含有添加有氟酸(0.5%)及過氧化氫水溶液(1%)及氫(1.2ppm)之超純水及界面活性劑(50ppm)之清洗液清洗10分鐘(第2步驟),以含有2-丙醇(30%)及超純水之清洗液清洗10分鐘(第3步驟)。
之後,於前述電漿處理裝置內照射氪電漿10秒。
以含有臭氧(5ppm)之超純水清洗5分鐘(第1步驟),一面施以頻率900kHz之振動,一面以含有添加有氟酸(0.5%)及過氧化氫水溶液(1%)及氫(1.2ppm)之超純水及界面活性劑(50ppm)之清洗液清洗10分鐘(第2步驟),以含有臭氧(5ppm)之超純水清洗5分鐘(第3步驟),以含有氟酸(0.5%)及超純水之清洗液清洗1分鐘(第4步驟),以超純水清洗10分鐘(第5步驟)。
以含有臭氧(5ppm)之超純水清洗5分鐘(第1步驟),一面施以頻率900kHz之振動一面以含有添加有氟酸(0.5%)及過氧化氫水溶液(1%)及氫(1.2ppm)之超純水及界面活性劑(50ppm)之清洗液清洗10分鐘(第2步驟),以超純水清洗10分鐘(第3步驟)。比較例4之清洗方法,於第3步驟僅使用超純水且不進行電漿照射之點,與實施例3不同。
以含有臭氧(5ppm)之超純水清洗5分鐘(第1步驟),一面施以頻率900kHz之振動一面以含有添加有氟酸(0.5%)及過氧化氫水溶液(1%)及氫(1.2ppm)之超純水及界面活性劑(50ppm)之清洗液清洗10分鐘(第2步驟),以含有2-丙醇(30%)及超純水之清洗液清洗10分鐘(第3步驟)。實施例4於不進行電漿處理之點,與實施例3不同。
以含有臭氧(5ppm)之超純水清洗5分鐘(第1步驟),一面施以頻率900kHz之振動一面以添加有氟酸(0.5%)及過氧化氫水溶液(1%)及氫(1.2ppm)之超純水及含有界面活性劑(50ppm)之清洗液清洗10分鐘(第2步驟),以超純水清洗10分鐘(第3步驟)。之後,於前述電漿處理裝置內照射氪電漿10秒。比較例5,於第3步驟使用超純水之點與實施例3不同。
比較例3中,處理前後晶圓表面之有機物量無變化。另一方面,以超純水進行最終清洗之由3個步驟構成之比較例4,與比較例3相比較,檢測到約60倍有機物。如此可知,以含有界面活性劑之清洗液清洗後,僅以超純水清洗並未除去有機物。
以含有超純水及2-丙醇之清洗液進行最終清洗之3步驟之實施例4,相較於比較例4,界面活性劑由來之有機物可降低至0.09%。
另一方面,以超純水進行最終清洗後,經電漿照射之比較例5,即使進行電漿照射,界面活性劑由來之有機物也僅能除去至約0.06%。另一方面,實施例4即使不實施電漿照射,相較於僅用超純水之比較例4,更能顯著地除去有機物。又,實施例3中,與比較例3為同程度之有機物殘存量,處理前後無變化。
亦即可知,經過以含有臭氧之超純水清洗之第1步驟、一面施以頻率500kHz以上之振動一面以含有氟酸及過氧化氫水溶液及超純水及界面活性劑之清洗液清洗之第2步驟、以含有2-丙醇及超純水之清洗液清洗之第3步驟,僅照射氪電漿,可得不殘存界面活性劑,且與習知之5個步驟數的清洗方法為同樣的效果。
又,本實施例中,稀有氣體係氪氣,但氦氣、氬氣、氙氣也可得到同樣效果。
本實施例中,微波輸出定為3500W、電漿照射時間定為10秒,但是只要是能完全除去界面活性劑之輸出、照射時間之組合即可。
又,藉由進行電漿照射,能與界面活性劑同時除去矽晶圓表面之終結氫。以本實施例之條件,以FTIR-ATR法(傅利葉變換紅外分光法-全反射吸收法)測定矽表面之氫終結除去效果之結果,如圖2所示。
圖2之橫軸表示波數(cm-1)、縱軸表示吸收率,顯示氪電漿之照射時間與矽表面之氫終結除去之變化的關係。
如圖2所示可知,僅約1秒左右的氪電漿照射,矽-氫鍵結之特徵的波數2100cm-1附近的紅外吸收幾乎消滅,約10秒之照射,幾乎完全消滅。
如此,藉由在氧化膜形成前照射稀有氣體電漿,可同時進行界面活性劑之除去與矽晶圓表面之終結氫除去,能提升閘絕緣膜之漏電流減低之效果。接續於電漿照射,於經清潔的表面,於相同電漿處理裝置內進行閘絕緣膜之形成。閘絕緣膜之形成,可包含以使用氪及氧之電漿將半導體表面直接氧化形成氧化膜之步驟,以使用氪氣等稀有氣體及含氮氣之氣體的電漿將半導體表面直接氮化形成氮化膜之步驟其中之一或兩者。又,也可在其上以電漿CVD等沉積高介電率之絕緣膜。
本發明不僅適用於具有閘絕緣膜之半導體裝置之製造方法,也能適用於必需清洗之各種基板之製造方法。
101‧‧‧真空容器(處理室)
102‧‧‧噴淋板
103‧‧‧矽基板
104‧‧‧試樣台
105‧‧‧同軸導波管
106‧‧‧輻射狀槽孔天線
107‧‧‧介電體板
圖1顯示本發明之實施例使用之電漿處理裝置之示意剖面圖。
圖2顯示氪電漿之照射時間與矽表面之氫終結除去之關係。
Claims (22)
- 一種半導體裝置之製造方法,其特徵為包含:第1步驟,將至少表面為半導體之基板的該半導體表面以含有臭氧之超純水清洗;第2步驟,在該第1步驟後,不進行僅以超純水所為的清洗,而一面施以頻率500kHz以上之振動,一面以含有氟酸、過氧化氫水溶液、超純水及界面活性劑之清洗液清洗該表面;第3步驟,在該第2步驟後,以含有2-丙醇及超純水之清洗液清洗該表面;及於經過該第1步驟、第2步驟、第3步驟,不進行僅以超純水所為的清洗,而將該半導體表面上所附著的金屬雜質、SiN微粒及有機物去除,並且進一步對於該表面照射稀有氣體電漿,藉此去除該界面活性劑後,在該表面形成閘絕緣膜的步驟。
- 如申請專利範圍第1項之半導體裝置之製造方法,其中,該第2步驟之超純水中添加有氫。
- 如申請專利範圍第1或2項之半導體裝置之製造方法,其中,該第2步驟中添加於超純水之氫之濃度為0.01ppm至1.6ppm之範圍。
- 如申請專利範圍第1或2項之半導體裝置之製造方法,其中,該第2步驟之界面活性劑為非離子系界面活性劑。
- 如申請專利範圍第1或2項之半導體裝置之製造方法,其中,該第2步驟之界面活性劑之濃度為10ppm至500ppm。
- 如申請專利範圍第1或2項之半導體裝置之製造方法,其中,該第2步驟之氟酸濃度為0.1%至3%。
- 如申請專利範圍第1或2項之半導體裝置之製造方法,其中,該第2步驟之過氧化氫水溶液濃度為0.1%至10%。
- 如申請專利範圍第1或2項之半導體裝置之製造方法,其中,該第1步驟之含有臭氧之超純水中,臭氧濃度為2ppm至50ppm之範圍。
- 如申請專利範圍第1或2項之半導體裝置之製造方法,其 中,該第3步驟之2-丙醇濃度為30%至50%。
- 如申請專利範圍第1或2項之半導體裝置之製造方法,其中,利用該稀有氣體電漿之照射,除去該表面所殘存之起因於界面活性劑之有機物。
- 如申請專利範圍第10項之半導體裝置之製造方法,其中,利用該稀有氣體電漿之照射,除去該表面之終結氫。
- 如申請專利範圍第1或2項之半導體裝置之製造方法,其中,該稀有氣體為氪氣、氪氣、氙氣至少其中之一。
- 如申請專利範圍第11項之半導體裝置之製造方法,其中,該稀有氣體為氪氣。
- 一種半導體基板之清洗方法,其特徵為包含:第1步驟,以含有臭氧之超純水,清洗半導體基板表面;第2步驟,在該第1步驟後,不進行僅以超純水所為的清洗,而一面施以頻率500kHz以上之振動,一面以含有氟酸、過氧化氫水溶液、超純水及界面活性劑之清洗液清洗;及第3步驟,在該第2步驟後,以含有2-丙醇及超純水之清洗液清洗;且不進行僅以超純水所為的清洗,而將該半導體表面上所附著的金屬雜質、SiN微粒及有機物去除,並且在該第3步驟後,進一步藉由照射稀有氣體電漿,以將殘留於該基板上之起因於該界面活性劑的有機物去除。
- 如申請專利範圍第14項之半導體基板之清洗方法,其中,該第2步驟之超純水添加有氫。
- 如申請專利範圍第14項之半導體基板之清洗方法,其中,於該第2步驟中添加於超純水之氫之濃度為0.01ppm至1.6ppm之範圍。
- 如申請專利範圍第14項之半導體基板之清洗方法,其中,於該第2步驟之界面活性劑為非離子系界面活性劑。
- 如申請專利範圍第14項之半導體基板之清洗方法,其中,於該第2步驟之界面活性劑之濃度為10ppm至500ppm。
- 如申請專利範圍第14項之半導體基板之清洗方法,其中,於該第2步驟之氟酸濃度為0.1%至3%。
- 如申請專利範圍第14項之半導體基板之清洗方法,其中,於該第2步驟之過氧化氫水溶液濃度為0.1%至10%。
- 如申請專利範圍第14項之半導體基板之清洗方法,其中,於該第1步驟之含有臭氧之超純水中,臭氧濃度為2ppm至50ppm之範圍。
- 如申請專利範圍第14項之半導體基板之清洗方法,其中,於該第3步驟之2-丙醇濃度為30%至50%。
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