TWI673118B - 一種半導體晶圓的清洗方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種半導體晶圓的清洗方法，包括：對晶圓執行第一清洗，以使所述晶圓的介面電位轉變為正值；使用酸性清洗液清洗所述晶圓，以去除所述晶圓上殘留的金屬；對所述晶圓執行第二清洗，且在所述第二清洗過程中，所述晶圓進入漂洗槽的初期，漂洗槽裡的液體介面電位為正值，並在第二清洗完成後所述晶圓的介面電位轉變為負值。該清洗方法可以避免由於晶圓表面的電動電位與後續溶液裡微粒的動電位有相反的情況存在，而導致微粒重新附著在晶圓表面的問題，提高了清洗效果。

Description

一種半導體晶圓的清洗方法
本發明係關於半導體技術領域，尤其係關於一種半導體晶圓的清洗方法。
在積體電路製造之前，需要對半導體晶圓進行拋光，以提高晶圓的平整度。半導體晶圓的最終拋光是在最終拋光機(Final Polish)上利用拋光液(Slurry)及拋光墊(Pad)，以化學機械反應(Chemical Mechanical Reaction)的方式對諸如300mm晶圓的正面做最終拋光，以改善正面的粗糙度、平坦度與奈米形貌，並去除顆粒。最終拋光決定了晶圓最終的平坦度與奈米形貌。一般情況下最終拋光去除量在1μm左右，拋光液一般為鹼性二氧化矽及一些其它添加物的混合液。當完成最終拋光之後需要對晶圓進行清洗，以去除有機物、顆粒及金屬等。
最終拋光的清洗包括預清洗和最終清洗。預清洗後會進行一系列的量測，如平坦度、目視檢測等，然後進行晶圓出貨前的最終清洗。最終清洗主要是去除量測過程中帶入的金屬污染，及進一步降低晶圓表面的顆粒。
目前一般的最終拋光後的清洗過程使用RCA清洗法(即SC1 (NH4OH+H2O2)、SC2(HCL+H2O2))。其中SC1主要是去除微粒，當然其對某些金屬也有效果，SC2主要是去除金屬。但RCA清洗法的主要問題是SC1去除微粒之後，由於後續各槽PH值的差異使得晶圓表面的電動電位(Zeta Potential)與後續溶液(SC2，及漂洗的DIW(去離子水))裡微粒的動電位有相反的情況存在，導致微粒重新附著在晶圓表面，降低了整體的清洗效果。
因此有必要提出一種半導體晶圓的清洗方法，以解決上述問題。
針對現有技術的不足，本發明提出一種半導體晶圓的清洗方法，可以避免由於晶圓表面的電動電位與後續溶液裡微粒的動電位有相反的情況存在，而導致微粒重新附著在晶圓表面的問題，提高了清洗效果。
為了克服目前存在的問題，本發明提供一種半導體晶圓的清洗方法，包括下述步驟：對晶圓執行第一清洗，以使所述晶圓的介面電位轉變為正值；使用酸性清洗液清洗所述晶圓，以去除所述晶圓上殘留的金屬；對所述晶圓執行第二清洗，且在所述第二清洗過程中，所述晶圓進入漂洗槽的初期，漂洗槽裡的液體介面電位為正值，並在第二清洗完成後所述晶圓的介面電位轉變為負值。
視情況，在所述第一清洗中使用去離子水和酸性表面活性劑的混合溶液。
視情況，所述對晶圓執行第一清洗，以使所述晶圓的介面電位 轉變為正值包括下述步驟：在去離子水槽中清洗所述晶圓；向所述去離子水槽中注入所述酸性表面活性劑，繼續清洗所述晶圓。
視情況，所述酸性清洗液為SC2和氫氟酸的混合液。
視情況，在所述第二清洗中使用去離子水和酸性表面活性劑的混合溶液。
視情況，所述對所述晶圓執行第二清洗包括下述步驟：向去離子水槽中注入所述酸性表面活性劑後，使用去離子水和酸性表面活性劑的混合液清洗所述晶圓；停止向去離子水槽中注入所述酸性表面活性劑，並繼續在所述向去離子水槽中清洗所述晶圓。
視情況，在所述對晶圓執行第一清洗，以使所述晶圓的介面電位轉變為正值之前，還包括下述步驟：去除所述晶圓上殘留的顆粒和部分金屬。
視情況，所述去除所述晶圓上殘留的顆粒和部分金屬包括下述步驟：使用第一清洗液清洗晶圓；使用去離子水清洗晶圓。
視情況，在所述去除所述晶圓上殘留的顆粒和部分金屬之前還包括下述步驟：使用去離子水清洗所述晶圓。
視情況，在所述對所述晶圓執行第二清洗之後，還包括下述步 驟：使用去離子水清洗晶圓；對晶圓進行親水性處理。
根據本發明的半導體晶圓的清洗方法，在使用酸性清洗液去除晶圓上殘留的金屬之前，先對晶圓執行第一清洗，使晶圓的介面電位為正值，這樣當進入酸性清洗液槽中時，由於晶圓和酸性清洗液槽中顆粒的介面電位均為正值，二者互斥使得晶圓不會吸附顆粒；且在使用酸性清洗液去除晶圓上殘留的金屬之後，在所述第二清洗過程中，所述晶圓進入漂洗槽的初期，漂洗槽裡的液體介面電位為正值，並在第二清洗完成後所述晶圓的介面電位轉變為負值，這樣不僅在所述第二清洗過程中所述晶圓所處的介面電位不會突然變化而影響清洗效果，且當後續使用去離子水清洗晶圓時，由於晶圓和去離子水中顆粒的介面電位均為負值，二者互斥使得晶圓不會吸附顆粒，因此根據本發明的半導體晶圓最終拋光後的清洗方法提高了整體的清洗效果。
S201、S202、S203、S301、S302、S303、S304、S305、S306、S307、S308‧‧‧步驟
第1圖係表示習知RCA清洗法的示意性流程圖。
第2圖係表示，依據本發明之一實施例，半導體晶圓的清洗方法的示意性流程圖。
第3圖係表示第2圖所示半導體晶圓的清洗方法的更詳細示意性流程圖。
於下述內容提供大量具體細節以利於徹底理解本發明。然而，本領域技術人員可輕易理解，在一些實施例中，可省略其中一個或多個細節而仍得以實施。在其他實施例中，為了避免與本發明發生混淆，並未描述對於本領域為習知的一些技術特徵。
應理解，本發明能以不同形式實施，不應解釋為侷限於此處所提出的實施例。相反地，該等實施例之提供足以徹底、完全地公開本發明技術特徵，並可將本發明的範圍完整地傳遞給本領域技術人員。需說明的是，圖式均採用簡化形式，且均使用非精準的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發明實施例的目的。相同元件符號則表示相同的元件。
應理解，當元件或層被稱為“在…上”、“與…相鄰”、“連接到”或“耦合到”其它元件或層時，其可以直接地在其它元件或層上、與之相鄰、連接或耦合到其它元件或層，或者可以存在居間的元件或層。相反，當元件被稱為“直接在…上”、“與…直接相鄰”、“直接連接到”或“直接耦合到”其它元件或層時，則不存在居間的元件或層。應理解，儘管可使用術語第一、第二、第三等描述各種元件、部件、區、層和/或部分，這些元件、部件、區、層和/或部分仍不應當被這些術語限制。這些術語僅僅用來區分一個元件、部件、區、層或部分與另一個元件、部件、區、層或部分。因此，在不悖離本發明教示的情況下，所提及的第一元件、部件、區、層或部分可表示為第二元件、部件、區、層或部分。
空間關係術語，例如“在…下”、“在…下面”、“下麵的”、“在…之下”、“在…之上”、“上面的”等，係為了便於描述而用於此處，可用於描述圖中所示的一個元件或特徵與其它元件或特徵的關係。應理解，除了圖 中所示取向外，空間關係術語還可包括使用和操作中的裝置的不同取向，例如：若附圖中的裝置翻轉，然後描述為“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特徵將取向為在其它元件或特徵“上”；因此，示例性術語“在…下面”和“在…下”可包括上和下兩個取向。裝置可以另外地取向(旋轉90度或其它取向)並且在此使用的空間描述語相應地被解釋。
此處所用術語的係用於描述具體實施例，並非作為限制本發明的目的。除非上下文有清楚指示，否則單數形式的“一”、“一個”和“所述/該”亦可包括複數形式。還應理解，當說明書中使用術語“組成”和/或“包括”時，係確定所述特徵、整數、步驟、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一或更多其它的特徵、整數、步驟、操作、元件、部件和/或組的存在或添加。此處所用術語“和/或”係包括相關所列出的任何方案及所有組合的方案。
為了徹底理解本發明，將於下提出詳細結構及步驟，以便闡釋本發明提出的技術方案。本發明的較佳實施例詳述如下，然而本發明亦可涵蓋其他實施方式。
目前最終拋光後的清洗機一般使用RCA清洗法，即採用SC1(NH4OH和H2O2的混合液)和SC2(HCL和H2O2的混合液)進行清洗，典型的最終拋光後的清洗流程如第1圖所示，包括依次執行的去離子水清洗、SC1清洗、去離子水清洗、SC2清洗、去離子水清洗、臭氧水清洗和乾燥。然而，由於矽的等電點(Isoelectric Point)為3~4，二氧化矽的等電點為1.5~3.7，晶圓在SC1中介面電位(Zeta Potential)為負值，在進入後續的去離子水槽時與其中的顆粒(去離子水槽中顆粒介面電位一般也為負值)原則上是互斥的而不會相互吸附。但是從去離子水槽進入SC2槽中時，由於SC2中的顆粒的介面電位為正值，晶 圓的介面電位為負值，二者之間會有一個吸引力，導致顆粒附著在晶圓上。並且SC2清洗完成後，晶圓的介面電位變為正值，這樣進入後續的去離子水槽時與其中介面電位為負的顆粒又發生相互吸附，這樣降低了RCA清洗的整體效果。
本發明基於此，提供一種半導體晶圓的清洗方法，如第2圖所示，該清洗方法包括：步驟S201，對晶圓執行第一清洗，以使所述晶圓的介面電位轉變為正值；步驟S202，使用酸性清洗液清洗所述晶圓，以去除所述晶圓上殘留的金屬；步驟S203，對所述晶圓執行第二清洗，且在所述第二清洗過程中，所述晶圓進入漂洗槽的初期，漂洗槽裡的液體介面電位為正值，並在第二清洗完成後所述晶圓的介面電位轉變為負值。
根據本發明的半導體晶圓的清洗方法，在使用酸性清洗液去除晶圓上殘留的金屬之前，先對晶圓執行第一清洗，使晶圓的介面電位為正值，這樣當進入酸性清洗液槽中時，由於晶圓和酸性清洗液槽中顆粒的介面電位均為正值，二者互斥使得晶圓不會吸附顆粒；且在使用酸性清洗液去除晶圓上殘留的金屬之後，對晶圓執行第二清洗，在所述第二清洗過程中，所述晶圓進入漂洗槽的初期，漂洗槽裡的液體介面電位為正值，並在第二清洗完成後所述晶圓的介面電位轉變為負值，這樣不僅在所述第二清洗過程中所述晶圓所處的介面電位不會突然變化而影響清洗效果，且當後續使用去離子水清洗晶圓時，由於晶圓和去離子水中顆粒的介面電位均為負值，二者互斥使得晶圓不會吸附顆粒，因此根據本發明的半導體晶圓最終拋光後的清洗方法提高了整體的清洗效果。
可以理解的是，根據本發明的半導體晶圓的清洗方法不僅可以應用在半導體晶圓最終拋光後的清洗，也可以應用在積體電路製作中其它階段對半導體晶圓進行清洗，均可以提高整體的清洗效果。
下面將參照第3圖對本發明一實施方式的半導體晶圓的清洗方法做詳細描述。
如第3圖所示，根據本實施例的半導體晶圓的清洗方法，包括：步驟S301，使用去離子水清洗晶圓。
其中，去離子水槽為溢流方式清洗，清洗時溢流速度為5公升/分鐘(L/min)至30L/分鐘，較佳為20L/分鐘。
示例性地，去離子水電阻率為18M歐姆-釐米(Ω．cm)。清洗溫度為常溫至攝氏85度，較佳為常溫。清洗時間3至7分鐘，較佳為5分鐘。
步驟S302，去除晶圓上殘留的顆粒和部分金屬。
在此步驟中，使用第一清洗液去除圓上殘留的顆粒和部分金屬。示例性地，第一清洗液為SC1。
具體地，本步驟包括下述流程：依次使用SC1和去離子水清洗晶圓，亦即，先後將晶圓投入SC1槽和去離子水槽中進行清洗，從而去除晶圓上殘留的顆粒和部分金屬。
其中，去離子水槽為溢流方式清洗，清洗時溢流速度為5L/分鐘至30L/分鐘，較佳為20L/M。SC1槽為浸泡式清洗。
示例性地，去離子水電阻率為18M歐姆-釐米；SC1由氨水、雙氧水與去離子水混合而成；氨水濃度為5%至40%，較佳為23.6%；雙氧水濃度為5%至20%，較佳為11.8%。
SC1清洗的溫度為常溫至攝氏85度，較佳為攝氏45度。去離子水清洗的溫度為常溫。
SC1清洗和去離子水清洗的清洗時間均為3至7分鐘，較佳為5分鐘。
視情況，在該過程清洗中還可以加入超聲波，超聲波頻率1000KHZ至3000KHZ，較佳為1200KHZ。通過超聲波的振動作用，可以更好地去除晶圓上殘留的顆粒和部分金屬。
視情況，可重複兩次如上的SC1及去離子水清洗流程。
步驟S303，對晶圓執行第一清洗，以使第一清洗液清洗後的晶圓的介面電位轉變為正值。
示例性地，在所述第一清洗中使用去離子水和酸性表面活性劑的混合溶液。
更具體地，第一清洗的流程或操作為：首先，在去離子水槽中進行去離子水漂洗，其中，示例性地，去離子水電阻率為18M歐姆-釐米；清洗溫度為常溫至攝氏85度，較佳為常溫。去離子水槽為溢流方式清洗，清洗時溢流速度為5L/分鐘至30L/分鐘，較佳為20L/分鐘。清洗時間1至4分鐘，較佳為2分鐘。
接著，向去離子水槽注入酸性表面活性劑，示例性為檸檬酸，直到槽中液體PH值達3至3.7(較佳為3.3)。視情況，酸性表面活性劑的注入在30秒內完成，然後將晶圓提出。示例性的，在該過程中清洗溫度為常溫至攝氏85度，較佳為常溫。同樣採用溢流式清洗，清洗時溢流速度為2L/分鐘至20L/分鐘，較佳為5L/分鐘。
在上述過程，隨著去離子水槽中PH的降低，晶圓的介面電位由負值轉變為正值。
在上述過程，先使用去離子水清洗可以避免晶圓在SC1清洗之後，所處的介面電位突然變化影響清洗效果，且可以使第一清洗完成之後，晶圓的介面電位轉變為正值。
此外，應當理解，當晶圓提出後停止注入酸性表面活性劑，並保持溢流方式，此時溢流速度5L/分鐘至60L/分鐘，較佳為35L/分鐘。溢流時間為1至4分鐘，較佳為2.5分鐘，通過溢流一段時間，使去離子水槽中的PH值恢復到原來的值，以便對其它晶圓執行上述第一清洗過程。
視情況，在上階段的清洗可以加入超聲波，其頻率例如為1000KHZ至3000KHZ，較佳地為如1200KHZ。通過超聲波的振動作用，可以更好地對晶圓進行清洗。
步驟S304，去除晶圓上殘留的金屬。
在本步驟中，使用酸性清洗液清洗晶圓，以去除晶圓上殘留的金屬。示例性地，酸性清洗液為SC2和稀釋的氫氟酸(DHF)的混合液，即，在包括鹽酸、雙氧水、氫氟酸與去離子水混合液的槽中進行清洗，清洗方式為浸泡式清洗。
示例性地，鹽酸濃度為0.1%至2%，較佳為0.6%；雙氧水濃度為0%至2%，較佳為0.1%；DHF濃度為0%至2%，較佳為0.2%。
示例性地，清洗溫度常溫至攝氏85度，較佳為常溫。
示例性地，清洗時間3至7分鐘，較佳為5分鐘。
步驟S305，執行第二清洗，在所述第二清洗過程中，晶圓進入漂洗槽的初期，漂洗槽裡的液體介面電位為正值，並在第二清洗完成後所述晶圓的介面電位轉變為負值。
示例性地，在所述第二清洗中使用去離子水和酸性表面活性劑的混合溶液。
更具體地，第二清洗的流程或操作為：首先，在酸性表面活性劑和去離子水的混合液中清洗，酸性表面活性劑示例性為檸檬酸，混合液液體PH值示例性地為3至3.7，較佳為3.3。清洗溫度為常溫至攝氏85度，較佳為常溫。該過程採用溢流方式清洗，清洗時溢流速度為2L/分鐘至20L/分，較佳為5L/分鐘。
更具體地，將晶圓投入去離子水槽中，同時注入諸如檸檬酸的酸性表面活性劑，以使用酸性表面活性劑和去離子水的混合液清洗晶圓。示例性地，酸性表面活性劑的注入在30秒內完成。
接著，停止注入酸性表面活性劑，並繼續清洗，清洗溫度為常溫至攝氏85度，較佳為常溫。清洗方式仍為溢流式清洗，清洗時溢流速度5L/分鐘至30L/分鐘，較佳為20L/分鐘。清洗時間1至4分鐘，較佳為4分鐘。
在上述過程中，在晶圓進入漂洗槽初期時，由於漂洗槽中為酸性表面活性劑和去離子水的混合溶液，因此溶液的介面電位為正值，而後續隨著停止注入酸性表面活性劑，去離子水槽中的PH由低升高，使得晶圓的介面電位由正值變為負值。
需要說明的是漂洗槽中各種清洗槽中的總稱，例如去離子水槽即使通入去離子水的漂洗槽。
此外，當將晶圓提出後，重新注入酸性表面活性劑，並保持溢流方式，較佳為30秒內達到液體PH值3至3.7，較佳為3.3，以便進行其它晶圓的第二清洗。
步驟S306，使用去離子水清洗晶圓。
其中，去離子水槽為溢流方式清洗，清洗時溢流速度為5L/分鐘至30L/分鐘，較佳為20L/分鐘。
示例性地，去離子水電阻率為18M歐姆-釐米。清洗溫度為常溫至攝氏85度，較佳地為常溫。清洗時間3至7分鐘，較佳為5分鐘。
步驟S307，對晶圓進行親水性處理。
示例性地，使用臭氧水對晶圓進行清洗，也即將晶圓投入臭氧水槽中進行清洗，以在晶圓表面形成一層緻密氧化層，使晶圓表面呈現親水性，從而使得清洗後的晶圓微粒不易附著其上。
其中，臭氧水槽為溢流方式清洗，清洗時溢流速度為5L/分鐘至30L/分鐘，較佳為20L/分鐘。
示例性地，臭氧水中的去離子水電阻率為18M歐姆-釐米；臭氧水的臭氧濃度為10ppm至35ppm，較佳為25ppm。
示例性地，清洗溫度為常溫至攝氏85度，較佳溫度為常溫。
示例性地，清洗時間3至7分鐘，較佳為5分鐘。
步驟S308，對晶圓進行乾燥處理。
示例性地，可採用晶圓乾燥常用的純水提拉乾燥法或紅外線乾燥法或二者結合，在此不再贅述。
在上述清洗流程中，由於SC1清洗後晶圓的介面電位為負值，而SC2和DHF清洗中顆粒的介面電位為正值，為避免SC2和DHF清洗時晶圓與顆粒吸附，在SC2和DHF清洗之前先執行第一清洗，以使晶圓的介面電位轉變為正值，這樣進行SC2和DHF清洗時，由於晶圓和SC2和DHF槽中顆粒的介 面電位均為正值，二者互斥使得晶圓不會吸附顆粒；且在使用SC2和DHF去除晶圓上殘留的金屬之後，對晶圓執行第二清洗，在所述第二清洗過程中，所述晶圓進入漂洗槽的初期，漂洗槽裡的液體介面電位為正值，並在第二清洗完成後所述晶圓的介面電位轉變為負值，這樣在所述第二清洗過程中，所述晶圓進入漂洗槽的初期，漂洗槽裡的液體介面電位為正值，並在第二清洗完成後所述晶圓的介面電位轉變為負值，且當後續使用去離子水清洗晶圓時，由於晶圓和去離子水中顆粒的介面電位均為負值，二者互斥使得晶圓不會吸附顆粒，因此根據本發明的半導體晶圓最終拋光後的清洗方法提高了整體的清洗效果。
上述特定實施例之內容係為了詳細說明本發明，然而，該等實施例係僅用於說明，並非意欲限制本發明。熟習本領域之技藝者可理解，在不悖離後附申請專利範圍所界定之範疇下針對本發明所進行之各種變化或修改係落入本發明之一部分。

Claims (8)

  1. 一種半導體晶圓的清洗方法，其特徵在於，包括下述步驟：對晶圓執行第一清洗，以使所述晶圓的介面電位轉變為正值；使用酸性清洗液清洗所述晶圓，以去除所述晶圓上殘留的金屬；對所述晶圓執行第二清洗，且在所述第二清洗過程中，所述晶圓進入漂洗槽的初期，漂洗槽裡的液體介面電位為正值，並在第二清洗完成後所述晶圓的介面電位轉變為負值，其中在所述第二清洗中使用去離子水和酸性表面活性劑的混合溶液，且所述對所述晶圓執行第二清洗包括下述步驟：向去離子水槽中注入所述酸性表面活性劑後，使用去離子水和酸性表面活性劑的混合液清洗所述晶圓；停止向去離子水槽中注入所述酸性表面活性劑，並繼續在所述向去離子水槽中清洗所述晶圓。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的清洗方法，其中在所述第一清洗中使用去離子水和酸性表面活性劑的混合溶液。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的清洗方法，其中所述對晶圓執行第一清洗，以使所述晶圓的介面電位轉變為正值包括下述步驟：在去離子水槽中清洗所述晶圓；向所述去離子水槽中注入所述酸性表面活性劑，繼續清洗所述晶圓。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的清洗方法，其中所述酸性清洗液為SC2和氫氟酸的混合液。 。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項所述的清洗方法，其特徵在於，在所述對晶圓執行第一清洗，以使所述晶圓的介面電位轉變為正值之前，還包括下述步驟：去除所述晶圓上殘留的顆粒和部分金屬。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的清洗方法，其中所述去除所述晶圓上殘留的顆粒和部分金屬包括下述步驟：使用第一清洗液清洗晶圓；使用去離子水清洗晶圓。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的清洗方法，其中在所述去除所述晶圓上殘留的顆粒和部分金屬之前還包括下述步驟：使用去離子水清洗所述晶圓。
  8. 如申請專利範圍第5項所述的清洗方法，其中在所述對所述晶圓執行第二清洗之後，還包括下述步驟：使用去離子水清洗晶圓；對晶圓進行親水性處理。
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