用于减少晶片表面缺陷的湿式蚀刻方法及其装置

摘要

本发明提供一种用于减少晶片表面缺陷的湿式蚀刻方法及其装置，在半导体制造工艺中的磷酸湿式制程后续的清洗过程中，容易出现因气泡附着于晶片表面而导致晶片表面气泡附着之处出现新月形缺陷的问题，最终影响产品良率。本发明的方法和装置针对上述问题而提出，可以使湿式制程中气泡附着于晶片表面的几率大为降低，几乎完全避免上述的缺陷问题。

说明书

技术领域

本发明主要涉及半导体制造工艺中的湿式蚀刻制程，主要涉及一种用于减少晶片表面缺陷的湿式蚀刻方法，其用于改善湿式蚀刻以及清洗过程中晶片表面出现的缺陷问题。

背景技术

在半导体制造工艺中，对其中多晶硅材料的蚀刻是非常关键的一步。因为多晶硅材料所构成的线条往往是整个工艺中最窄的。在半导体业界常说的0.15微米，0.09微米指的就是多晶硅线条的宽度；为了达到工艺的要求，蚀刻出标准宽度的多晶硅线条，业界往往采用在多晶硅表面再生长一层氮氧化硅(SiON)来充当蚀刻阻挡层或硬掩模(Hard Mask)，以及抗光反射涂层(ARC，Anti-Reflection Coating)；所形成的氮氧化硅在多晶硅蚀刻后，需要用热磷酸通过湿式蚀刻(WetEtching)去除。

半导体制造工艺中的湿式制程通常包括晶片清洗(wafer cleaning)和湿式蚀刻(wet etching)两大类。上述用磷酸(H₃PO₄)去除氮氧化硅的方法即属于磷酸湿式蚀刻，主要可用于对例如由氮化硅材料构成的氮化膜进行蚀刻，通常在形成有源区(Active Area)的半导体器件结构时，使用磷酸蚀刻氮化硅层。磷酸还可以在光刻过程中所形成硬掩模(hardmask)的去除过程中，用于去除抗反射涂层(ARC，Anti ReflectCoating)，或者，还可以用于多晶硅的蚀刻，用于形成例如浅沟隔离(STI)结构。

上述的使用磷酸的湿式蚀刻制程，一般需要将作为处理对象的晶片置于湿式蚀刻机台的蚀刻槽中，以热磷酸浸没晶片，对其进行蚀刻。此过程中容易有蒸发或者降解的气体产生，形成气泡附着于晶片表面，由于磷酸是一种性质较为粘稠的液体，气泡一旦附着于晶片，将难以轻易脱离晶片表面。这些气泡存在之处将出现化学物质残余，其容易与晶片表面反应而出现问题。例如，在一个多晶硅蚀刻过程中，多晶硅蚀刻后除去抗反射涂层(硬掩模)的制程，一般的用热磷酸去除氮氧化硅的工艺次序为：将晶片置于注入氢氟酸槽内去除表面氧化物，然后将晶片置于热磷酸槽内去除氮氧化硅，再置于去离子水的热水槽内去除晶片表面残余的磷酸，然后晶片进入SC1槽中去除颗粒，再置于干燥槽中进行干燥。

在热磷酸槽中，一般采用160℃的浓度85％的热磷酸浸没晶片进行蚀刻，较高的温度更容易使液体环境中产生气泡，由于85％的磷酸为粘稠液体，气泡附着于晶片表面后很难脱离。另一方面，热水槽使用的热水加热器需要输出60-65度的热水，容易造成液体内部局部沸腾，产生气泡；另外上述各种清洗槽的管路中由于设计原因，也会产生气泡。因为晶片表面当时兼有亲水性和憎水性，导致其特别容易吸附气泡。

这些气泡会造成晶片表面缺陷。例如，其吸附在晶片表面，阻碍热水清洗气泡处的磷酸残余，使磷酸残余继续与芯片表面反应，产生副产物，该副产物在后续制程中容易剥落而造成缺陷，影响后续步骤中间隔层(spacer)的沉积和蚀刻，甚至导致器件的接触断开。具体地，出现这种问题的晶片表面可能出现新月形的缺陷，所述缺陷可以引起良率损失。

由于采用磷酸槽进行湿式蚀刻时采用的固有方式，例如液体浸泡，加热等处理方式，上述因气泡附着于晶片表面形成缺陷的问题难以避免。

发明内容

为了克服用磷酸进行湿式蚀刻容易出现的气泡附着于晶片表面导致缺陷的问题，提出本发明。

基于本发明的第一方面，提供了一种用于减少晶片表面缺陷的湿式蚀刻方法，其用于改善湿式蚀刻以及清洗过程中晶片表面出现的缺陷问题。该方法通常包括用氢氟酸浸泡去除所述晶片上的氧化硅，和/或用磷酸浸泡去除所述晶片上的氮化硅或氮氧化硅的步骤，这些蚀刻制程之后，需要用去离子水清洗晶片，以去除蚀刻溶液或者各种蚀刻过程中生产的化学反应产物，根据本发明的方法，首先将所述晶片置于一容器中，注入去离子水，使所述晶片背面向下倾斜地浸泡于去离子水中，并使其在去离子水中轻微振动，优选方式是上下轻微振动；然后排出所述用于浸泡晶片的去离子水，并在该排出去离子水的过程中喷洒去离子水冲洗所述晶片，使所述晶片始终保持在去离子水的氛围中。上述步骤中，晶片背面向下倾斜地浸泡于去离子水中可以使气泡不易吸附在该晶片的上表面，因为这种方式可保证大部分水蒸气形成的气泡自槽底部升起时只接触晶片的背面。使晶片在水中上下轻微振动，也可以释放其表面附着的气泡。此外，所述去离子水的温度控制在40～50℃或者更低的温度(常规方法中的去离子水温度一般在60℃左右)，优选地，所述去离子水的温度控制在44～46℃，控制温度可以减少水中气泡发生的几率，从而使晶片表面被气泡附着的几率降低。

但是，较低的水温下对晶片进行清洗，可能会导致其上有蚀刻剂残余的问题，尤其是使用的蚀刻剂是磷酸时该问题最为明显，这是因为，磷酸性质比较粘稠，其在低水温下不易从晶片上去除。相应地，为了更好地去除残余的例如磷酸的蚀刻剂，本发明可以优选地在下一道制程加上硫酸清洗步骤对其加以清除，具体地，可以使用硫酸或者硫酸双氧水混合试剂(SPM)来清洗去除残余的蚀刻剂，适合的清洗温度可以控制在120～125℃。

基于本发明的第二方面，还提供了一种用于减少晶片表面缺陷的湿式蚀刻装置，该装置包括一用于浸泡去除氧化硅的氢氟酸槽，和/或一用于浸泡去除所述晶片上的氮化硅或氮氧化硅的磷酸槽，为了清洗蚀刻后的晶片，本发明的装置还包括：去离子水槽，用于在其中以去离子水浸泡所述晶片；该去离子水槽的底部为斜面，所述斜面用于支撑放置于该去离子水槽中的晶片，使所述晶片背面向下倾斜地置于该去离子水槽中；机械手，用于在该去离子水槽中抓住所述晶片使其上下轻微振动；以及喷淋头，用于在排出去离子水的过程中喷洒去离子水冲洗所述晶片，使所述晶片始终保持在去离子水的氛围中。

为了更好地去除残余的例如磷酸的蚀刻剂，根据本发明的装置可以优选地包括一硫酸槽，用于在其中用硫酸或者硫酸双氧水混合试剂清洗所述晶片，去除所述晶片上由氢氟酸和/或磷酸形成的残余物。

本发明的优点在于，将所提供的方法以及装置应用于磷酸湿式制程后，因气泡附着于晶片表面而导致的缺陷问题几乎可以完全被避免，从而最终提升产品良率。而且所述的方法和装置并不会对原有制程带来任何不良影响。

为了更容易理解本发明的目的、特征以及其优点，下面将配合附图和实施例对本发明加以详细说明。

附图说明

本申请书中包括的多个附图显示出本发明的多个实施例，本申请中包括的附图是说明书的一个构成部分，附图与说明书和权利要求书一起用于说明本发明的实质内容，用于更好地理解本发明。

附图中相同或相似的构成部分用相同的参考数字指示。

图1a为多晶硅线条蚀刻工艺中使用磷酸蚀刻前的集成电路器件结构示意图；

图1b为多晶硅线条蚀刻工艺中使用磷酸蚀刻后的集成电路器件结构示意图；

图2a为去离子水中的气泡附着在经过磷酸蚀刻的晶片表面的示意图；

图2b为气泡附着在晶片表面阻碍清洗，并使气泡区域中的晶片表面产生蚀刻反应，产生副产物的示意图；

图2c为后续制程中副产物剥落而造成缺陷的示意图；

图3为晶片按照本发明提供的技术方案背面向下倾斜地置于去离子水槽中的示意图；

图4为将晶片浸泡于去离子水槽中并用机械手臂抓住晶片，使其在去离子水槽中上下轻微振动的示意图；

图5为利用热水加热器输出热的去离子水混合冷的去离子水形成温度适中的去离子水以供应去离子水槽的示意图；

图6为通过喷淋头喷洒去离子水冲洗半导体晶片的表面，帮助去除晶片表面的气泡以及化合物残余的示意图；和

图7为用于实现本发明方法的湿式蚀刻装置的一种具体实施方式的示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的方案作详细叙述，以进一步阐明本发明概念且显示本发明的较重要的发明特征，

本发明提供的防止气泡附着于晶片表面导致缺陷的方法，通常可以在集成电路制造工艺中的磷酸湿式蚀刻制程中用于减少气泡附着于晶片表面导致的缺陷，但是，本领域技术人员应当理解，本发明所提供的方法还可以应用于其它湿式蚀刻制程，例如，使用氢氟酸蚀刻二氧化硅的湿式蚀刻制程，而不限于磷酸湿式蚀刻制程。具体地，本发明的方法包括下列具体步骤：

首先根据集成电路制造工艺中对湿式蚀刻制程的具体需要，用特定的蚀刻溶剂去除半导体晶片上特定区域的半导体材料，例如，用氢氟酸浸泡去除目标晶片上的氧化硅，和/或用磷酸浸泡去除所述晶片上的氮化硅或氮氧化硅；

然后将所述晶片背面向下倾斜地浸泡于去离子水中，并使其在去离子水中轻微振动(优选为竖直方向的上下轻微振动)，以清洗晶片表面由于之前的蚀刻制程而残余的蚀刻剂或者蚀刻残余物。

该过程中，晶片放置于蚀刻槽时倾斜晶片，并使之背向蚀刻槽底部，以减少晶片的前面与降解或者蒸发的气体接触。优选地，晶片的倾斜角度设置为5～10°，这个角度可保证大部分水蒸气形成的气泡自蚀刻槽底部升起时只接触晶片的背面。所述振动可以使晶片在去离子水中轻轻地晃动，释放其表面附着的气泡。优选地，晃动频率可以设置在每分钟30次，晃动的方向为上下，这样可以释放并阻止气泡附着于晶片表面。

在本发明中，所述的“轻微振动”意为极小位移的往复运动。通常这种运动对晶片在蚀刻槽中的倾斜角度没有影响，或者也可以理解为影响很小。优选地，晶片的运动方式是在竖直方向上进行轻微的上下振动，这种上下振动的方式对于去除附着在晶片表面的气泡最为有利。

接着排出所述用于浸泡晶片的去离子水，并在该排出去离子水的过程中喷洒去离子水冲洗所述晶片，使所述晶片始终保持在去离子水的氛围中。

如果需要，上述用去离子水浸泡清洗的步骤可进行一次或者一次以上。

在用去离子水浸泡洗涤所述晶片的过程中，为了减少所述用于浸泡的去离子水中产生气泡的几率，可以将所述去离子水的温度控制在40～50℃，优选地，水温控制在44～46℃左右，例如45℃，该温度下既可以保证水中出现较少气泡，也可以兼顾较好的清洗性能(温度较高的去离子水清洗性能相对较好)。在具体实现时，可以采用例如热水和冷水混合调节水温后再输送去离子水至清洗槽用于浸泡清洗的方式。

此外，为了保证清洗性能，可以按照预设的时间点定时地排放用于浸泡晶片的去离子水，然后再注入去离子水进行浸泡。预定的排放时间可以使晶片经过预定的浸泡时间，更好地浸泡去除晶片表面的附着物，例如残余的蚀刻溶剂。

通常对于磷酸湿式蚀刻制程，根据本发明所提供方法的优选方案，还可以增加热硫酸或者硫酸双氧水混合试剂清洗步骤，高温的热硫酸或者硫酸双氧水混合试剂清洗有助于去除晶片表面的磷酸残余物。上述湿式蚀刻和热硫酸清洗之间的间隔时间一般小于24小时。具体的操作方法是，用硫酸或者硫酸双氧水混合试剂清洗所述晶片，去除所述晶片上由氢氟酸和/或磷酸，尤其是磷酸形成的残余物。优选地，所使用的硫酸或者硫酸双氧水混合试剂的温度一般控制在120～125℃，可以保证良好的清洗效果。

本发明方法中最基本的措施包括，用去离子水温水代替去离子水热水在使用高温粘滞性化学品处理晶片的制程后进行清洗，例如在热磷酸蚀刻制程后，以热的去离子水混合冷的去离子水形成温度适中的去离子水，减少水中气泡的发生几率，用产生气泡较少的去离子水温水对晶片表面进行数次浸泡以及快速倾倒(即排出用于浸泡的去离子水)，直到晶片表面被洗净。当去离子水槽进行注入和快速倾倒时，通过例如喷淋头等类似的装置喷洒去离子水冲洗晶片表面，帮助去除晶片表面的气泡以及化合物残余。

以下提供本发明方法的一个具体实施方式，其可以用于减少磷酸湿式蚀刻中气泡附着于晶片表面导致的缺陷。

以集成电路器件中的多晶硅线条蚀刻工艺举例，在该蚀刻工艺所处理的半导体晶片如图1a所示，半导体晶片的硅基材101之上依次生长有氧化硅层102，多晶硅层103，和氮氧化硅层104。其中，所述氮氧化硅层104通常用于充当多晶硅层103的保护层和抗光反射涂层，其覆盖于特定区域的多晶硅层103上，当采用蚀刻剂对多晶硅材料进行蚀刻时(例如用氢溴酸)。所述特定区域的多晶硅层103将由于覆盖于其上的氮氧化硅层104的保护而不被蚀刻，该不被蚀刻的多晶硅层103即可以构成多晶硅线条。

上述多晶硅蚀刻完成后，需要进一步去除所述特定区域的多晶硅层103上覆盖的氮氧化硅层104。通常可以使用热磷酸湿式蚀刻来去除所述的氮氧化硅层104，经过热磷酸蚀刻的晶片结构如图1b所示，特定区域的多晶硅层103上覆盖的氮氧化硅层104已被磷酸蚀刻去除。

进行上述的热磷酸湿式蚀刻制程后，需要用去离子水清洗去除晶片表面残留的磷酸、残余物等物质。由于磷酸的质地比较粘稠，所述去离子水需要有较高的温度，才易于在浸泡过程中将磷酸洗去。但是，所述去离子水的温度较高时，水中容易出现气泡附着在所述晶片表面上。

如图2a所示，经过磷酸蚀刻的晶片203表面附着有一层磷酸202，当浸泡该晶片203的去离子水中产生气泡时，这些气泡容易附着在晶片203的表面上，即图2a所示的气泡201。

如图2b所示，这种情况下，所述气泡201将阻碍热水清洗附着在晶片203表面的气泡201附着区域。该区域中的磷酸将继续在晶片203的表面与其产生蚀刻反应，产生副产物204。

如图2c所示，在后续制程中，所述副产物204将剥落，而造成缺陷。

在本发明中，为了解决上述问题，在用去离子水对晶片进行浸泡洗涤时，将所述晶片倾斜放置于去离子水槽中，并以晶片背面朝向蚀刻槽底部放置，以减少晶片的前面与降解或者蒸发的气体接触。晶片的倾斜角度θ设置为5～10°，这个角度可保证大部分水蒸气形成的气泡自蚀刻槽底部升起时只接触晶片的背面。如图3所示，去离子水槽3用于盛放去离子水，当晶片301放置于该去离子水槽3中时，由于其中所示的斜面302的作用，晶片301将和竖直方向保持一个夹角θ，形成前述的倾斜角度。本领域技术人员应当理解，晶片在进行蚀刻、清洗等湿式制程时，其通常是放置在一晶舟盒中。虽然图3中没有明确示意出晶舟盒，但是可以理解为图3所示的多个晶片301是固定于晶舟盒内，再倾斜地浸泡在去离子水中。

根据本发明的方法还包括在蚀刻过程中轻轻地晃动晶片，以释放其表面附着的气泡。如图4所示，当晶片301浸泡于去离子水槽3中时，可以采用例如一机械手臂303抓住所述晶片301，在所述去离子水槽3中上下轻微振动，但不能使晶片露出用于浸泡的去离子水的液面。该振动的频率可以设置在例如每分钟30次，晃动的方向为上下，这样可以阻止气泡附着于晶片表面。

本发明中还对所采用的去离子水的温度进行控制，如图5所示，去离子水槽3中的去离子水是通过热水加热器304输出的热去离子水混合冷的去离子水形成温度适中的去离子水，例如温度为45℃的去离子水，来减少水中气泡的发生几率。

另外为了保证对所述热磷酸的清洗效果，该方法还包括数次快速倾倒去离子水槽中的去离子水，并注入新的去离子水的过程。该过程中，将通过去离子水槽上装载的喷淋头对晶片进行喷淋，如图6所示，当去离子水槽3快速倾倒其中的去离子水和注入新的去离子水时，喷淋头305开启并喷洒去离子水冲洗晶片301的表面，帮助去除晶片301表面的气泡以及化合物残余。

优选地，在上述用去离子水浸泡去除磷酸的手段之外，还可以结合热硫酸清洗步骤，例如，在所述的对多晶硅线条区域上覆盖的抗光反射层(ARC，即氮氧化硅层)用磷酸湿式蚀刻后，用高温的热硫酸或者硫酸双氧水混合试剂清洗晶片，这种方式可以更好地去除晶片表面的磷酸残余物。优选地，所述高温的热硫酸或者硫酸双氧水混合试剂的温度控制在120～125℃，在实际进行制程整合时，上述湿式蚀刻和热硫酸清洗工艺之间的间隔时间不超过24小时。

其后将半导体晶片置于本领域中常用的用于去除颗粒的一号标准溶液(SC1)中进行清洗，进一步去除晶片表面的颗粒，然后对晶片进行干燥。

上述湿式制程是针对集成电路器件中的多晶硅线条蚀刻过程，在实际应用过程中，磷酸湿式蚀刻通常可用于有源区(AA，Active Area)氮化硅层的去除，浅沟隔离(STI)蚀刻过程中将氮化硅材料向开口两侧蚀刻，以及抗光反射涂层的湿式蚀刻。对于有源区氮化硅层的去除而言，其比另两种应用方式容易产生更多的副产物。

因此，作为上述具体实施方式的一个变化例，热磷酸用于有源区(AA)氮化硅层的去除时可以将该蚀刻制程分别对待，提供一个专门的磷酸蚀刻槽用于氮化硅层湿式蚀刻，而浅沟隔离以及抗光反射涂层的湿式蚀刻制程另外提供一个磷酸蚀刻槽，或者，甚至可以对这两类涉及磷酸湿式蚀刻的制程各自提供单独的用于湿式蚀刻后清洗的去离子水槽，这样可以更好地控制晶片表面的缺陷水平。

以下结合附图7对用于实现本发明方法的装置的一个具体实施方式进行描述，如图7所示，本发明提供的湿式蚀刻装置，包括一氢氟酸槽1，用于在其中以氢氟酸浸泡去除半导体晶片上的氧化硅；和一磷酸槽2，其用于在其中以磷酸浸泡去除半导体晶片上的氮化硅或氮氧化硅；一去离子水槽3，用于在其中以去离子水浸泡所述晶片；一号标准溶液SC1槽4，用于在其中用去除颗粒的一号标准溶液(SC1)去除半导体晶片表面附着的颗粒；以及一干燥槽5，用于在其中干燥半导体晶片。

上述的去离子水槽3的底部为斜面，所述斜面用于支撑放置于该去离子水槽3中的晶片，使所述晶片背面向下倾斜地置于该去离子水槽3中。关于去离子水槽中斜面的设计方案可参见图3，去离子水槽3用于盛放去离子水，当晶片301放置于该去离子水槽3中时，由于其中所示的斜面302的作用，晶片301将和竖直方向保持一个夹角θ，形成前述的倾斜角度，优选的该倾斜角度是5～10°。本领域技术人员应当理解，晶片在进行蚀刻、清洗等湿式制程时，其通常是放置在一晶舟盒中。虽然图3中没有明确示意出晶舟盒，但是可以理解为图3所示的多个晶片301是固定于晶舟盒内，再倾斜地浸泡在去离子水中。

所述去离子水槽3还配有一机械手303，用于在该去离子水槽中抓住半导体晶片使其上下轻微振动；其具体结构如图4所示，当晶片301浸泡于去离子水槽3中时，可以采用例如一机械手臂303抓住所述晶片301，在所述去离子水槽3中上下轻微振动，但不能使晶片露出用于浸泡的去离子水的液面。该振动的频率可以设置在例如每分钟30次，晃动的方向为上下，这样可以阻止气泡附着于晶片表面。

此外，所述去离子水槽3还包括喷淋头305，用于在排出去离子水的过程中喷洒去离子水冲洗所述晶片，使所述晶片始终保持在去离子水的氛围中。如图5所示，当去离子水槽3快速倾倒其中的去离子水和注入新的去离子水时，喷淋头305开启并喷洒去离子水冲洗晶片301的表面，帮助去除晶片301表面的气泡以及化合物残余。

为了控制所述去离子水槽中去离子水的温度，本发明所述的去离子水槽还包括一热水加热器304，其输出的热去离子水和冷水管输出的冷去离子水的比例可以用于控制混合后去离子水的温度。该温度控制部件304如图5所示，去离子水槽3中的去离子水是通过热水加热器304输出的热去离子水混合冷的去离子水形成温度适中的去离子水，例如温度为45℃的去离子水，来减少水中气泡的发生几率。

优选地，在上述用去离子水浸泡去除磷酸的去离子水槽之前，还可以具有一硫酸槽(图中未示出)，用于在例如对多晶硅线条区域上覆盖的抗光反射层(ARC，即氮氧化硅层)用磷酸湿式蚀刻后，用高温的热硫酸或者硫酸双氧水混合试剂在所述热硫酸清洗晶片，这种方式可以更好地去除晶片表面的磷酸残余物。所述高温的热硫酸或者硫酸双氧水混合试剂的温度通常需要通过一温度控制部件控制该硫酸槽中的硫酸或者硫酸双氧水的温度在120～125℃左右。例如，当晶片在蚀刻槽中的湿式蚀刻结束，先进入含有高温热硫酸(一般为120～125℃)的热硫酸清洗槽进行清洗，高温的热硫酸将有助于去除晶片表面的磷酸残余物。

作为上述具体实施方式的一个变化例，当所述磷酸槽2用于有源区(AA)氮化硅层的去除时可以将该蚀刻制程分别对待，提供一个专门的磷酸蚀刻槽2’(图中未示出)用于氮化硅层湿式蚀刻，而浅沟隔离以及抗光反射涂层的湿式蚀刻制程使用原有的磷酸蚀刻槽2，即在图7所示的各个蚀刻槽所组成的蚀刻系统基础上再增加一个磷酸蚀刻槽2’(图中未示出)。或者，甚至可以对这两类涉及磷酸湿式蚀刻的制程各自提供单独的用于湿式蚀刻后清洗的去离子水槽，即在图7所示的各个蚀刻槽所组成的蚀刻系统基础上再增加磷酸蚀刻槽2’和去离子水槽2’，分别用于有源区(AA)氮化硅层的磷酸湿式蚀刻制程和浅沟隔离以及抗光反射涂层的湿式蚀刻制程，这样可以更好地控制晶片表面的缺陷水平。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，虽然在本发明提出的各种方案中，各种处理方法或者各种装置是结合在一起使用，但是这些方法或者装置均可以其中的一项或任多项而进行应用，亦或和现有的工艺条件相结合而进行应用。本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。