半導體基底的清洗方法

2023-04-30 02:15:11 1

專利名稱：半導體基底的清洗方法
技術領域：
本發明提供一種清洗方法，尤指一種利用水洗工藝來清潔半導體基底的 清洗方法。
背景技術：
在半導體集成電路的製造過程中，常使用到黃光以及蝕刻工藝來進行晶 片上各層材料的圖案形成與圖案轉移。舉例來說，在製作集成電路的接觸插 塞時，即以圖案化光刻膠層作為蝕刻硬掩模，將未被圖案化光刻膠層覆蓋的 介電材料層蝕刻移除後，再將圖案化光刻膠層去除，接著再在插塞孔洞中形 成所要的金屬材料層，以完成接觸插塞。
請參閱圖1，其繪示的是已知方法形成插塞的流程示意圖，已知方法包
含有下列步驟
步驟101:先提供晶片，晶片上包含有介電材料層；
步驟103:在介電材料層上形成光刻膠層，並對光刻膠層進行黃光工藝， 以將預定圖案l殳射至光刻膠層上；
步驟105:將未被曝光的光刻膠層去除，而在晶片上留下一個圖案化光 刻膠層；
步驟107:對晶片進行蝕刻工藝，通常是等離子體幹蝕刻工藝或者反應 離子蝕刻(reactive ion etching, RIE)技術，將圖案化光刻膠層的圖案轉移至下 方的介電材料層中，以在介電材料層中形成所需的插塞孔洞；
步驟109:進行氧氣等離子體灰化工藝，以清除圖案化光刻膠層；
步驟111:進行溶劑清洗工藝(solvent cleaning process),利用高溫清洗溶 劑，例如7(TC的羥胺類(hydroxylamine)溶劑，去除位於介電材料層表面、插 塞孔洞內壁與插塞孔洞底部的側壁高分子與殘餘物；
步驟113:利用25 °C的去離子水(deionized water, DI water)進一 步去除位 於介電材料層上的側壁高分子與清洗溶劑；
步驟115:在晶片表面形成一層阻擋層，覆蓋於介電材料層表面、插塞
孔洞內壁與插塞孔洞底部；
步驟117:在晶片表面形成一層金屬層，覆蓋於阻擋層上，並填充於插 塞孔洞中；以及
步驟119:進行研磨工藝，以去除多餘的阻擋層與多餘的金屬層，由此 在介電材料層中形成插塞。
前述的等離子體幹蝕刻或者反應離子蝕刻技術其等離子體成分會與光 刻膠層中的有機物產生各種的難以去除的蝕刻副產物，其組成成分可能來自 於所蝕刻的基材、基材上的材料層、光刻膠層以及蝕刻氣體。這些蝕刻副產 物亦可能隨著不同蝕刻機臺、工藝條件以及不同被蝕刻材料而有所改變，而 業界就將這些難以用氧氣等離子體灰化工藝清除掉的蝕刻副產物稱為側壁 高分子。
晶片表面的潔淨度實際上對於產品成品率的影響甚巨，為了確保後續的 產品成品率不被影響，在沉積阻擋層之前，這些蝕刻副產物必須被有效地從 晶片表面上去除，但是卻又必須同時不影響到已形成好的金屬線路或半導體 裝置。因此，在氧氣等離子體灰化工藝之後，晶片會送入半導體溼法化學工 作站中接受前述7(TC羥胺類溶劑等的清洗液的清洗，接著接受25。C去離子 水的清洗，之後再進行後續工藝。
然而，當這些晶片接受最終的產品成品率測試時，測試結果顯示出的產 品成品率卻仍可能不如預期。根據產品成品率測試的結果可知，即使是在相 同的工藝參數下操作，由不同的機臺所處理的晶片或是相同機臺所處理的不 同批次的晶片仍然可能具有不同的產品成品率。舉例來說，由特定機臺所處 理的晶片可能會具有較多的結構缺陷。隨著半導體技術進入高密度的深亞微 米世代，產品成品率發生歧異的狀況愈發顯著，且這些結構缺陷往往會發生 在晶邊周圍的晶片中。
經過反覆的實驗後發現，成品率不如預期的主要原因就在於溶劑清洗工 藝的清洗溶劑的殘留。溶劑清洗工藝本身屬於一種開放式的工藝，也就是說， 清洗溶劑中的可揮發成分會在清洗的過程中漸漸逸散而出，使得清洗溶劑本 身的粘度漸漸提高，清洗溶劑的濃度也慢慢改變，而且懸浮於清洗溶劑中的 各種副產物也越來越多。因此，當溶劑清洗工藝的工藝時間越長，清洗溶劑 也就更容易附著於插塞孔洞中與晶片表面而難以去除。殘留的清洗溶劑往往 即時無法透過晶片可接受度測試(wafer acceptance testing, WAT)或是結構的
切面觀察而被檢測出，但清洗溶劑的存在卻會破壞金屬層與下方的裝置之間 的電連接，導致所填入的金屬層和其下方裝置的結電阻值過大或電連接失 效，殘留的清洗溶劑甚至可能會影響到後續工藝或是後續形成的結構。
承上，若長時間使用去離子水以大量清除殘餘溶劑，則會因去離子水與 溶劑作用進而腐蝕位於插塞孔洞底部的金屬層。故為了減少清洗溶劑的殘 留，產品成品率較低的機臺必須要加快其清洗溶劑的更換頻率。也就是說， 為了避免清洗溶劑粘度過大的情況發生，清洗溶劑的更換周期必須縮短，由 原來每12個小時更換清洗溶劑的周期改為每8個小時就要更換新的清洗溶 劑。這不但會增加工藝時間與清洗溶劑的成本，而且對於產品成品率的改善 也相當有限。
有鑑於此，已知方法不但可能會製作出低成品率的晶片，而且還會浪費 龐大的工藝成本與時間，故已知晶片的清潔方法仍具有待改進的處。

發明內容
因此，本發明於此提供一種半導體基底的清洗方法，利用高溫的去離子 水以較短的工藝時間來清除殘留於半導體基底上的溶劑，以提升產品成品
根據本發明的一個優選實施例，本發明提供一種半導體基底的清洗方 法。首先，提供半導體基底，半導體基底包含有材料層與圖案化光刻膠層， 且圖案化光刻膠層位於材料層上。之後，利用圖案化光刻膠層作為蝕刻掩模 來蝕刻材料層，以在材料層中形成蝕刻孔洞。接著，利用清洗溶劑對半導體
基底進行溶劑清洗工藝(solvent cleaning process)。其後利用去離子水對半導 體基底進行水洗工藝，其中去離子水的溫度範圍介於3(TC至99。C之間，反 應時間範圍介於30秒至5分鐘之間。
根據本發明的另一優選實施例，本發明另提供一種半導體基底的清洗方 法。首先，提供半導體基底，半導體基底包含有材料層。之後，利用清洗溶 劑對半導體基底與材料層進行溶劑清洗工藝，其中清洗溶劑包含有羥胺類成 分。接著，利用去離子水對半導體基底進行水洗工藝，其中去離子水的溫度 範圍介於3CTC至99X:之間，反應時間範圍介於30秒至5分鐘之間。
為讓本發明的上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實 施方式，並配合附圖，作詳細說明如下。然而如下優選實施方式與圖式僅供
參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。


圖1繪示的是已知方法形成插塞的流程示意圖。
圖2、 3、 4、 5、 6、 7和8繪示的是本發明的優選實施例半導體基底的 清洗方法的剖面示意圖。
圖9繪示的是本發明的優選實施例清洗半導體基底的流程示意圖。 附圖標記說明
101、 103、 105、 107、 109步驟
120半導體基底
114圖案化光刻膠層
124阻擋層
128插塞
132輸送管線
142去離子水
146導體
211、 213、 215步驟
111、 113、 115、 117、 119步驟
112介電材料層
122蝕刻孔洞
126導電層
130浸泡槽
140清洗溶劑
144側壁高分子
201、 203、 205、 207、 209步驟
具體實施例方式
請參照圖2至圖9，圖2至圖8繪示的是本發明的優選實施例半導體基 底的清洗方法的剖面示意圖，而圖9繪示的是本發明的優選實施例清洗半導 體基底的流程示意圖，其中相同的元件或部位仍沿用相同的符號來表示。需 注意的是圖式僅以說明為目的，並未依照原尺寸作圖。
首先，如圖2與圖9的步驟201所示，先提供半導體基底120，半導體 基底120上包含有導體146、介電材料層112與圖案化光刻膠層114。其中 如本領域普通技術員然所熟知，當要利用光刻膠進行圖案形成與圖案轉移 時，通常需先將光刻膠液塗布在預定的材料層表面，經由黃光工藝將影像投 射至光刻膠層上之後，再經烘烤及顯影步驟將未被曝光的光刻膠層去除，藉 以形成前述的圖案化光刻膠層114。 一般而言，半導體基底120可以由矽基 底、含矽基底或者矽覆絕緣(Silicon-on-Insulator, SOI)等半導體材料所構成， 例如為晶片。介電材料層112可由氧化物或摻有硼、磷的氧化矽等絕緣材料
所構成。圖案化光刻膠層114可以包含有正光刻膠材料或負光刻膠材料。導 體146可以是任何導電物質或是半導體裝置中的導電區域，例如金屬線路、 導電插塞、金屬氧化物半導體電晶體的源極區域、金屬氧化物半導體電晶體 的漏極區域、金屬氧化物半導體電晶體的柵極，或是二極體元件的連接區域 等等。需注意的是，在本發明的其他實施例中，前述介電材料層112亦可替 換為其他非介電材料層，例如鋁金屬層或鋁合金鈍化層等的薄膜。
接著，如圖3與圖9的步驟203所示，對半導體基底120進行蝕刻工藝， 例如等離子體蝕刻工藝或者反應離子蝕刻工藝等，將圖案化光刻膠層114的 圖案轉移至下方的介電材料層112中，以在介電材料層112中形成所需的蝕 刻孔洞122，例如接觸插塞孔洞(contact plug hole)、介層插塞孔洞(via plug hole) 或渠溝(trench)圖案，並暴露出導體146 。
之後，如圖4與圖9的步驟205所示，利用剝除(striping)工藝來清除圖 案化光刻膠層114，例如進行氧氣等離子體灰化工藝或是溼法化學蝕刻工藝 等。其後，半導體基底120可以被傳送至半導體溼法化學工作站進行半導體 基底120的潔淨，以去除半導體基底120表面上的蝕刻後殘餘物與側壁高分 子144，如圖5與圖9的步驟207所示，接著進行溶劑清洗工藝(solvent cleaning process),半導體基底120被置入浸泡槽130中接受旋轉與浸泡。浸泡槽130 中注入有高溫的清洗溶劑140，例如70°C的羥胺類(hydroxylamine)溶劑等， 以去除位於介電材料層112表面、蝕刻孔洞122內壁與蝕刻孔洞122底部的 側壁高分子144與殘餘物，其浸泡時間通常約5-30分鐘左右，例如IO分鐘。 隨後，對半導體基底120進行旋轉乾燥(spin-drying)工藝，利用旋轉半導體基 底120的慣性與離心力來移除半導體基底120上大部分的清洗溶劑140。
這裡的清洗溶劑140可以為各式含胺(amine-base)溶劑或是含氟化物 (fluoride-base)等的溶劑，例如EKC-270或ACT-935。根據本優選實施例，浸 泡槽130中的清洗溶劑140包含有EKC-270。 EKC-270清洗溶劑是一種由杜 邦EKC科技公司所生產的商業化蝕刻後殘餘物去除劑(post-etch residue remover),在半導體溼法清洗工藝中常被用來清除半導體基底表面上的有機 高分子成分、光刻膠灰化後殘餘物以及有機金屬蝕刻殘餘物等等。EKC-270 清洗溶劑主要的成分是羥胺類物質。ACT-935清洗溶劑則是由Ashland公司 所生產的蝕刻後殘餘物去除劑，主要的成分是單乙醇胺與羥胺類物質。
清洗溶劑l40經由清洗溶劑控制閥(未示於圖中)以及清洗溶劑的輸送管
線132注入浸泡槽130中。在輸送管線132中間可以設置有液體輸送泵浦(未 示於圖中)。此外，在清洗溶劑140進入浸泡槽130之前，清洗溶劑140可 以先被容置於容置槽中(未示於圖中)。容置槽包含有加熱裝置(heater),用以 把清洗溶劑140加熱至適當的工藝溫度。舉例來說，EKC-270清洗溶劑的沸 點大約是ll(TC至170°C,因此這裡EKC-270清洗溶劑的溫度不宜高於110 。C。實際的工藝溫度可以根據半導體基底120的結構材料與溶劑清洗工藝的 工藝狀況等等參數而調整， 一方面要能有效地移除蝕刻副產物，另一方面必 須不影響到已形成好的導體146。
隨後，如圖6與圖9的步驟209所示，利用去離子水142對半導體基底 120進行水洗工藝，進一步去除位於介電材料層112上的清洗溶劑140。水 洗工藝中所使用的去離子水142的溫度範圍介於30。C至99。C之間，例如70 。C，反應時間範圍介於30秒至5分鐘之間，例如為1分鐘。在水洗工藝的 過程中，殘留於半導體基底120表面、蝕刻孔洞122側壁與蝕刻孔洞122洞 底部的清洗溶劑140會受到去離子水142的加熱與溶解，因此清洗溶劑140 的粘度便會下降，且因有效縮短水洗時間，不至於過度腐蝕導體146表面， 使得清洗溶劑140較容易從半導體基底120表面被移除。
另一方面，由於這裡系使用高溫的去離子水142來進行水洗工藝，因此 去離子水142會比較容易與清洗溶劑140中的成分進行水解反應，使清洗溶 劑140更容易溶於去離子水142而被帶除。此外，在高溫的環境之下，去離 子水142與清洗溶劑140反應所產生的副產物還可以幫助水洗工藝移除半導 體基底120表面的氧化物與高分子物質。舉例來說，當清洗溶劑140包含有 EKC-270清洗溶劑時，去離子水142與羥胺類物質反應可產生氫氧化銨，利 用氫氧化銨來協助移除氧化物與高分子物質。
其中，前述步驟207與步驟209可以反覆交替地進行。也就是說，溶劑 清洗工藝以及水洗工藝可以為多重步驟(multi-cycle)。如此一來，半導體基底 120可在水洗工藝之後再反覆進行溶劑清洗工藝以及水洗工藝，直到半導體 基底120表面的殘餘物、側壁高分子144與清洗溶劑140幾乎都被移除為止。
之後，如圖9的步驟211所示，對半導體基底120進行乾燥工藝，例如 利用氮氣來乾燥半導體基底120。接著，如圖7、圖9的步驟213與步驟215 所示，在半導體基底120表面形成一層粘著層或阻擋層124,覆蓋於介電材 料層112表面、蝕刻孔洞122側壁與蝕刻孔洞122底部，再在半導體基底120
表面形成一層導電層126,覆蓋於阻擋層124上，並填充於蝕刻孔洞122中。 其中，導電層126可利用鴒(W)、氮化鈦(TiN)、鎢化鈦(TiW)等金屬材料或 其混合物所構成。
其後，如圖8與圖9的步驟217所示，進行平坦化工藝，例如化學機械 拋光工藝，以去除多餘的阻擋層124與多餘的導電層126，由此於介電材料 層112中形成插塞128，例如接觸插塞或介層插塞。
在本發明的另 一 實施例中，在溶劑清洗工藝之前另可包含有預水洗工 藝。預水洗工藝同樣是利用高溫的去離子水142對半導體基底120進行清洗， 其中水洗工藝、溶劑清洗工藝與預水洗工藝可以利用同一工藝機臺或同一工 藝工具進行，也可以利用不同工藝機臺或不同工藝工具進行。舉例來說，水 洗工藝、溶劑清洗工藝與預水洗工藝可以在同 一半導體溼法化學工作站中進 行，而可使用的工藝工具包含有溶劑清洗工具(solvent cleaning tool)或是刷洗 工具(scrubber cleaning tool)。
此外，溶劑清洗工藝可以接續著預水洗工藝而直接進行，而水洗工藝可 以緊接著溶劑清洗工藝而直接進行。換句話說，溶劑清洗工藝與預水洗工藝 之間、水洗工藝與溶劑清洗工藝之間可以不進行乾燥步驟等等工藝。另外， 溶劑清洗工藝與預水洗工藝之間、水洗工藝與溶劑清洗工藝之間也可以依據 實際工藝需要而進行其他步驟，例如中間溶劑浸潤(intermediate post-solvent rinse, IPR)步驟或是刷洗步驟。
前述實施例是使用插塞結構為例進行本發明的說明，然而，該領域具通 常知識者應可理解，本發明的主要特徵在於使用高溫去離子水來移除半導體 基底上的清洗溶劑與殘餘物，因此本發明不必局限於製作插塞結構，本發明 亦可用於形成或清潔金屬連線結構或是連接墊結構。舉例來說，前述實施例 的介電材料層112可以替換為任何其他材料層，例如鋁金屬材料層，圖案化 光刻膠層114的可以具有任何圖樣的開口圖案，且圖案化光刻膠層114可以 替換為其他材料的圖案化硬掩模，例如含有氮氧化合物的圖案化硬掩模。換 句話說，本發明可用於各式薄膜的蝕刻後的清洗工藝，或是各種薄膜的沉積 前的清洗工藝。
由於本發明使用高溫去離子水來移除半導體基底上的殘餘物，因此具有 以下幾個優點。首先，高溫去離子水能有效地移除半導體基底上的清洗溶劑 與殘餘物，所以可以大幅提升本發明所製作出的產品成品率，也使得不同機
臺的成品率差異值縮小，提升工藝的穩定度。其次，由於清洗溶劑可以被有 效地移除，因此本發明可以增加清洗溶劑的更換周期，不需要每8個小時就 更換新的清洗溶劑。因此，不但可以減少更換溶液所花費的時間，增加生產
率(productivity),還可以節省工藝成本。再者，由於機臺的成品率提高且不 同機臺的成品率差異值縮小，各機臺可接受的工藝參數的差異值也更大。也 就是說，本發明可以輕易地利用多個機臺來進行同一個工藝，而不必擔心不 同機臺所製作的產品會良莠不齊。
以上所述僅為本發明的優選實施例，凡依本發明權利要求所做的均等變 化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋範圍。
權利要求
1.一種半導體基底的清洗方法，包含有提供半導體基底，該半導體基底包含有材料層與圖案化光刻膠層，且該圖案化光刻膠層位於該材料層上；利用該圖案化光刻膠層作為蝕刻掩模來蝕刻該材料層，以在該材料層中形成蝕刻孔洞；利用清洗溶劑對該半導體基底進行溶劑清洗工藝；以及利用去離子水對該半導體基底進行水洗工藝，且該去離子水的溫度範圍介於30℃至99℃之間。
2. 如權利要求1所述的清洗方法，其中該水洗工藝的反應時間範圍介於 30秒至5分鐘之間。
3. 如權利要求1所述的清洗方法，其中該溶劑清洗工藝以及該水洗工藝 為多重步驟。
4. 如權利要求1所述的清洗方法，其中該清洗溶劑包含有羥胺類成分。
5. 如權利要求1所述的清洗方法，其中該清洗溶劑的溫度低於ll(TC。
6. 如權利要求1所述的清洗方法，其中該材料層包含有介電材料層。
7. 如權利要求1所述的清洗方法，其中該蝕刻孔洞包含有接觸插塞孔洞 或介層插塞孔洞。
8. 如權利要求1所述的清洗方法，在該溶劑清洗工藝之後另包含有旋轉 乾燥該半導體基底的步驟。
9. 如權利要求1所述的清洗方法，在該水洗工藝之後另包含有對該半導 體基底進行乾燥工藝的步驟。
10. 如權利要求9所述的清洗方法，其中該乾燥工藝是利用氮氣來乾燥該 半導體基底。
11. 如權利要求1所述的清洗方法，在該溶劑清洗工藝之前另包含有清除 該圖案化光刻膠層的步驟。
12. 如權利要求1所述的清洗方法，其中該溶劑清洗工藝與該水洗工藝是 在同一機臺之中進行。
13. 如權利要求1所述的清洗方法，其中該溶劑清洗工藝與該水洗工藝是 在不同機臺之中進4亍。
14. 如權利要求1所述的清洗方法，在該溶劑清洗工藝之前另包含有利用 該去離子水對該半導體基底進行預水洗工藝的步驟。
15. 如權利要求14所述的清洗方法，其中該溶劑清洗工藝與該預水洗工 藝是在同一機臺之中進行。
16. 如權利要求14所述的清洗方法，其中該溶劑清洗工藝與該預水洗工 藝是在不同機臺之中進行。
17. —種半導體基底的清洗方法，包含有 提供半導體基底，該半導體基底包含有材料層；利用清洗溶劑對該半導體基底與該材料層進行溶劑清洗工藝，該清洗溶 劑包含有羥胺類成分；以及利用去離子水對該半導體基底進行水洗工藝，且該去離子水的溫度範圍 介於30。C至99。C之間。
18. 如權利要求17所述的清洗方法，其中該去離子水的反應時間範圍介 於30秒至5分鐘之間。
19. 如權利要求17所述的清洗方法，其中該溶劑清洗工藝以及該水洗工 藝是多重步驟。
20. 如權利要求17所述的清洗方法，在該溶劑清洗工藝之後另包含有旋 轉該半導體基底的步驟。
21. 如權利要求17所述的清洗方法，在該水洗工藝之後另包含有對該半 導體基底進行乾燥工藝的步驟。
全文摘要
本發明公開了一種半導體基底的清洗方法。首先，提供半導體基底，半導體基底包含有材料層與圖案化光刻膠層，且圖案化光刻膠層位於材料層上。之後，利用圖案化光刻膠層作為蝕刻掩模對材料層進行接觸蝕刻工藝，以在材料層中形成蝕刻孔洞。接著，利用清洗溶劑對半導體基底進行溶劑清洗工藝。其後利用去離子水對半導體基底進行水洗工藝，其中去離子水的溫度範圍介於30℃至99℃之間。
文檔編號H01L21/311GK101373704SQ20071014177
公開日2009年2月25日 申請日期2007年8月21日 優先權日2007年8月21日
發明者孫智強, 李華國, 楊大江, 王志祥, 王敬玲, 王潤順, 藍天呈, 陳京好, 黃文俊 申請人:聯華電子股份有限公司