用于清洗半导体晶片的装置和方法

专利名称：用于清洗半导体晶片的装置和方法
技术领域：
本发明的领域涉及一种半导体处理的装置和方法，特别是包含用于清洗半导体晶片的设备和工艺。
生产半导体晶片需要很多的步骤，通常多于100步。在这些步骤中，有三十或更多的步骤与在处理步骤之间对晶片进行清洗的步骤有关。这些清洗步骤中更重要的是那些与蚀刻后(post-etch)清洗有关的步骤。
在晶片加工的处理程序中，通常在掩膜后进行蚀刻。其中的一种掩膜方法是通过下面的流程实现的，即将“光刻胶”(光-敏聚合物)的薄膜施加到晶片表面上的预先处理的层上，然后通过“掩膜”将光刻胶暴露到强光中，所述的掩膜为在蚀刻步骤中产生的目标照相图象。在暴光后，对光刻胶进行“显影”，此后可去除未暴露的光刻胶。在其后为烘焙步骤，在该步骤使余留的光刻胶硬化。然后准备对晶片进行蚀刻。
在蚀刻步骤期间，去除未被硬化的光刻胶保护的晶片层中的材料。蚀刻步骤的目标在于对材料进行“各向异性”的蚀刻，即只在一个方向上进行，通常在与晶片的表面垂直的方向上。在半导体生产中所使用的两种公知的蚀刻为化学蚀刻和物理或“干”蚀刻。化学蚀刻步骤为非各向异性的；即，当在要进行正交蚀刻的层中蚀刻化学物质溶解未被保护的材料时，其同样从形成的空穴的侧壁溶解被蚀刻层中的材料，由此产生非垂直的侧壁。换句话说，其从硬化的光刻胶下面腐蚀掉材料。物理蚀刻，即用高能离子轰击被蚀刻层材料的过程，为更加各向异性的过程，且在当前被选择作为需要各向异性蚀刻时高密度晶片生产的方法。
然而，物理蚀刻造成其他的问题。由于对晶片施加非常高能量的离子，通过高能离子与构成晶片的金属或其他材料的反应，会形成不需要的化学成分。这些所形成的化学物质的本质依赖于用来轰击晶片的离子的类型，还依赖于用于构成所生产的器件特定层的材料。例如，在现代的半导体生产中，氟和氯化学物质为普通的高能离子源，且很多类型的半导体晶片层包含诸如钛、铝、钨和硅等材料。因此，在包含这些元件的晶片的物理蚀刻期间可形成钛、铝、钨和硅的氟化物或氯化物，所形成的很多的氟化物和氯化物在蚀刻条件下为挥发性的，并快速的从蚀刻区挥发掉，不会产生任何的问题。然而，随着这些挥发成分，一些已经公知的非-挥发自然金属被溅入到高能离子蚀刻层的不希望进入的区域。由于是非-挥发性的，这些溅入的金属会黏附到在蚀刻期间生成的空穴的内表面上。
在蚀刻时除了挥发成分的形成和溅射的自然金属外，已经知道通过前述的元素与高能离子的反应而形成各种非挥发成分。象自然金属一样，这种非挥发成分也易于沉淀或粘结在蚀刻时产生的空穴的内表面上。需要在蚀刻之后且在继续进行晶片生产过程之前去除掉这些不需要的金属和非挥发成分的残留物。
通过并不构成限制的实例的方式，介绍三种类型的形成残留物的干蚀刻过程，即通孔蚀刻、图形蚀刻和小接孔蚀刻。
通孔为在晶片上的金属层之间被蚀刻的孔，以通过用导电材料填充通孔而用于在层间产生电连接。在通孔内不需要的残留物会对电连接的形成造成干扰，从而对所生成的电路的工作造成负面的影响。
图形蚀刻为在金属层中蚀刻沟槽的步骤，用于形成电路，其对应于传统电路的“布线”。不需要的残留物会阻塞沟槽，即在沟槽中造成断开(等同于“断线”)或在两个或更多的沟槽之间形成桥路(对应于“短路”)。
小接孔蚀刻与通孔蚀刻类似，区别在于，为了在金属层间提供接触，在硅化物层之间提供用于物理接触的接孔，该过程为在形成晶体管过程中的典型过程。在小接孔蚀刻的过程中，在被蚀刻的孔穴的底部通常形成一层光刻胶聚合物。由于通常的此聚合物为非导电的，即其为绝缘体，如果其被残留下来，结果会导致密封器件故障。
在大多数的半导体的生产技术中，一旦完成了蚀刻，通过干灰(dryashing)去除残留的光刻胶，其通过使用高能等离子体从晶片的表面燃烧硬化的光刻胶。在灰化后所存留的为被蚀刻的晶片，其在通孔、图形蚀刻和小接孔中会包含不需要的自然金属和非-挥发的成分，及由于在蚀刻期间由于已经黏结到光刻胶边上的自然金属和非-挥发成分而在这些区域的边上堆积的不需要的残留物。
所公知的用于从蚀刻表面去除残留物的方法为化学湿清洗方法。然而，化学湿清洗带来一些问题。所使用的化学物质必须为高纯度的，因此非常昂贵。另外，所使用的大多数的化学物质对人身健康和环境都有害。例如，通常使用的湿清洗过程使用诸如硫酸、硝酸、氢氟酸、盐酸、磷酸、氢氧化氨、过氧化氢和多种的有机溶剂。不只是这些化学物质对人体和环境有害，其还涉及一个废弃的问题。另外，化学湿清洗过程使用大量的水，例如，在大多数的情况下，在每个化学清洗步骤之间都需要用水进行冲刷，特别是当清洗完成时，更需要大量的水进行最后的清洗。据估算一个典型的半导体生产者每天要使用六百万加仑的水，所使用的大多数的水是用于进行清洗过程。
湿清洗的另外的一个问题是产量问题。即，湿清洗为一个耗时的多步骤过程，其包含几个化学清洗和水漂洗循环。例如，所公知的作为RCA的湿清洗过程可包含十个或更多的步骤，使用硫酸、过氧化氢和氢氧化氨会花费一个小时完成整个的清洗循环过程。在清洗和漂洗步骤之后进行晶片干燥过程，需要单独花费10-15分钟的时间。
当用热水对晶片进行漂洗时在湿清洗过程中会产生很多麻烦的问题。当使用热水浸入方法作为去除残留物的单一方法时同样会产生一些问题，该方法适用于在残留物为水溶性的情况。问题在于会形成水软铝石、氧化铝等。将晶片浸入到100摄氏度的热水中一到两秒足以产生添满通孔的水软铝石。由于水软铝石为非导电性的，即为绝缘体，这会对半导体器件造成障碍。除了形成水软铝石外，适用热水进入方法还需要一个晶片干燥步骤，如前面所注意到的，这是一个非常费时的步骤。
最后，随着半导体电路元件的密集化和沟槽和蚀刻孔变的更加细小，清洗程序必须可去除越来越小的残留粒子。去除尺寸小于0.1微米的残留粒子已经成为了日常的所需。然而，已经提出的湿清洗过程可达到对0.2微米粒子的实际处理极限。
然而一些所公知的清洗过程，也同样存在一些问题。例如，如前所述，在小接孔蚀刻期间，在被蚀刻的孔穴的底部上的硅化物的表面上通常形成一个聚合绝缘层。此聚合物为非挥发且难熔，很难去除。当前所述使用的去除此聚合物残留物的干清洗过程包含用加速的氩离子溅射此硫化物。然而，当接孔的直径小于0.25微米时，该尺寸很普通，此方法无效，原因在于所获得的离子束的入射角有限。
另外，现存的清洗过程通常包含使用相对的反应物质。例如，已经建议的是使用通过由诸如ClF3和HF气体形成的反应气体原子团。在另外的一个过程中，使用激光和诸如氮和氩等推进气体去除溅射的残留物。这些方法和材料的能量相当的高，其自身发生反应会撞击蚀刻表面的侧壁和金属层，从而在进行清洗的同时会损害晶片。
相对比的，本发明的装置和方法可提供安全、快速、高效、经济和相对低能量的干清洗过程，去除蚀刻后晶片的残留物。
本发明包含一种用于使用汽化液体去除半导体晶片的蚀刻后残留物的装置和方法。液体最好被放置在室中。此室与包含被清洗晶片的处理室分离。清洗过程包含将液体加热到所选择的温度。在过程中的某些时刻，将处理室中的压力降低到所选择的压力。处理室中的液体的温度和压力处于选择的压力和温度，而液体处于一种汽化的状态。
当液体和处理室相通时，液体的压力和处理室中的压力达成平衡，且液体转化为气态。在本发明的当前的最佳实施例中，选择在处理室中引入的压力，从而当处理室和液体的压力平衡时，残留的压力仍然低于将液体维持在气态下的压力。即，将所形成的气体进行强加热，即其所具有的热能超过在所选择的压力下维持汽化状态所需要的能量。超-热的气体不含有液体，其为“干燥的”。
在液体的挥发过程中，一些液滴被带入到散发的气体中，从而气体不“干”。因此，在本发明的一方面中，装置包含隔板，用于阻止和去除此种的被带入的液滴。
最好通过容纳液体的室和处理室之间的压差将干燥的气体抽入到处理室中，在其中其撞击晶片的表面，且可确信，通过热能和动能的组合，从晶片上去除不需要的残留物。在实际的清洗过程中，处理室中的压力最好被维持的尽量的低，以保证即使当气体应被冷却的情况下，其仍保持干燥。即，气体不会凝结回液体。
一旦完成了实际的清洗过程，终止室之间的相通。余留的气体和残留物从处理室排出。当已经从处理室排出了余留的气体和残留物后，将处理室中的压力上升到大气压，打开处理室，并取出清洁、干燥的晶片。
在本发明的另外的一个方面中，晶片支架为一个夹具，其与驱动器相连，从而夹具(和被固定的晶片)可在清洗过程中旋转。
在本发明的另外一个方面中，通过液体供给线路将液体供给容器和液体室相连。液体供给线路包含一个阀门，当闭合时，将液体供给容器与液体室分离。
在本发明的另外的一个方面中，在液体室中包含一个压力探测器和一个温度探测器，用于监控液体室中液体的加热和所伴随的压力的升高。
在本发明的另外的一个方面中，当处理室和液体室之间相通时，处理室和液体室中的压力借助真空器被降低到低于大气压的压力。
为了更有效的从处理室去除汽化的液体，并保证真空器高效的工作，以及防止真空器受到汽化的液体和/或液体自身的干扰，在处理室和真空器之间设置一个冷阱。
在根据本发明的另外的一个方面中，在气体与被清洗的晶片接触之前和期间与液体或气体接触的装置的所有的部分构成非-污染材物质。因此，液体供给容器、将液体供给容器与液体室相连的管路和阀门、液体室自身、连接器管和将液体室与处理室相连的阀门、液体室内的温度和压力探测器、晶片支架和处理室的壁在本发明的最佳实施例中都构成非污染的物质。
在本发明的另外的一个方面中，气体通过位于处理室的喷嘴进入到处理室，并与管端相连，通过该管进入气体进入到处理室，并将气体散发到被清洗的晶片的表面上。在本发明的另外的一个最佳实施例中，喷嘴构成非污染物质。
在本发明的另外的一个实施例中，液体为超纯的水，而气体为超纯的干燥气体。
通过实例对本发明进行描述，但不构成对本发明的限制。


图1为本发明的超纯干燥气体晶片清洗装置。
图2通孔的扫描电子照片，示出了在干蚀过程中在到达通孔的路径的周围存在的溅射的残留物。
图3为通孔的扫描电子照片，其示出了通过本发明的方法去除残留物的情况。
图4为在使用本发明的方法进行清洗之前通孔截面的扫描电子照片。
图5为使用本发明的方法在进行清洗后通孔截面的扫描电子照片。
图6为使用本发明的装置和方法已经进行清洗的铝图形的截面的扫描电子照片，照片示出，通过使用本发明的装置和方法，不存在软铝石。
现在将对使用超纯干燥气体对蚀刻后的半导体晶片进行清洗的装置和方法进行描述。将蚀刻后的晶片230固定到晶片支架200上并放置在处理室220中。蚀刻后的晶片230为已经经过蚀刻的晶片，并已经去除了残留的光刻胶。需注意的是，可根据所生产的特定的半导体，对蚀刻后的晶片230可进行几个循环的蚀刻，因此，会形成残留物。本发明的装置和方法可安全高效的去除在半导体生产的任何一个蚀刻步骤后存留的蚀刻后残留物。
在本发明的最佳实施例中，晶片支架200为一个机械的夹具，其通过压盘将蚀刻后晶片230固定到位，并可对手指等进行抑制。通过将蚀刻后晶片230固定到晶片支架200上，从而在整个的清洗过程中其都将保持与晶片支架200接触。当压力盘或手指从晶片230移开时，可从晶片支架200取出晶片。
通过打开阀门240和241，真空器260被接通，超纯水120从水箱(未示出)通过供水管170被抽入到水室150。阀门240可调节水室150和处理室220之间的流体和气体的流量；阀门241可调节水室150和水箱之间的流体和气体的流量，在本发明的最佳实施例中，阀门240为提升阀。
真空器260可产生和维持处理室220中的压力低于大气压，当打开阀门240时，可维持处理室220和水室150。在本发明的最佳实施例中，真空器260为罗茨鼓风机。
水室150用于容纳水，所承受的温度范围为从室温到摄氏180度，且所承受的压力可达到200psi。水箱(未示出)、水供给管170和水室150由非污染材料构成。例如，在本发明中并不构成限制的非污染材料的实例包含石英、诸如聚四氟乙烯等碳氟聚合物或聚偏氟乙烯和涂有碳氟化合物的诸如涂有碳氟化合物的金属等材料。在本发明的实施例中，水室包含石英容器，水箱包含涂有碳氟化合物的金属的容器，水供给管包含碳氟聚合物。
超纯水120包含非常少量的离子材料。超纯水的一个典型特征是其电阻系数。即水所包含的离子材料越少，其电导能力越小。在本发明的最佳实施例中，超纯水120的电阻系数从大约10M欧姆到大约16M欧姆。
当已经将所需量的超纯水120抽入到水室150中时，阀门240和241被关闭。真空器260开始将处理室220中的压力降低到大气压以下。操作者根据在所产生的气体中所希望的热能和动能选择水温。所选择的温度可在25摄氏度到150摄氏度之间；在70摄氏度到125摄氏度之间较好，在大约95摄氏度到105摄氏度之间最好。通过温度探测器110检测水室150中的超纯水120的温度，其中温度探测器110与水室150相连。温度探测器110直接显示所测量的温度或可将其与单独的温度显示监控器相连。在本发明的最佳实施例中，温度探测器110包含一个热耦，其可感应温度的变化，并直接或间接的控制加热器140，以维持所选择的温度。
加热器140，用于加热水室150；加热器141，用于加热连接管121和122、阀门240和处理室220；和加热器142，用于加热晶片支架200，上述加热器被接通并被设定到同一个预-选的温度。加热器140、141和142中的每一个都可产生和维持从室温到180摄氏度的温度。加热器140、141和142可为相同的类型也可不同。在本发明的最佳实施例中，加热器140、141和142为相同的类型，每个都包含一个诸如开普顿(Kepton)加热器的加热器(从Dupont High Performance Films，Circleville，Ohio可获得)。
冷阱250可被冷却到从20摄氏度到零下78摄氏度范围；更好的被冷却到从20摄氏度到零下10摄氏度，或在本发明的最佳实施例中，从10摄氏度到5摄氏度。在本发明的最佳实施例中，冷阱250包含一个双壁容器，通过该容器将冷凝的诸如冷凝的乙烯乙二醇液体自由的在两个壁之间循环。
根据在预选温度下超纯水120存在于气态下的压力通过真空器260确定并选择处理室220中要生成的适宜的降低的压力。通过压力探测器181检测处理室220中的压力。压力探测器181可直接显示处理室220中被测量的压力，或其可与单独的显示监控器相连。在本发明的最佳实施例中，压力探测器181为半导体压力传感器。压力探测器180，其用于测量水室150中由于对超纯水120的加热而产生的压力。在本发明的最佳实施例中，同样为半导体压力传感器。压力探测器180可直接显示水室150中的压力，或可与单独的显示监控器相连。
通过参考公开的压力/温度关系的表可确定在处理期间装置中所应建立和保持的适宜的压力值，从上述的表中可直接读出将超纯水120转化并保持在气态所需的压力。处理室120中的压力最好被降低到低于正好将超纯水120维持在气态所计算出的压力值，即，在阀门240打开时，处理室220和水室150中的平衡压力使得所产生的气体为超-热的，其所包含的热能大大高于仅用于维持气态的热能。在本发明的最佳实施例中，在阀门240打开之前，处理室220中的压力，正如压力探测器181所指示的，被从大约5调节到大约10Torr，低于所计算出的在预选温度下仅将超纯水120转化为气态的数值。
将晶片230固定到其上的晶片支架200通过驱动器210进行旋转。在本发明的最佳实施例中，可使晶片支架200围绕与固定到晶片支架200上的晶片230的平面垂直的轴旋转的驱动器210为直接传动电机。
阀门240被打开。水室150中的超纯水转化为超纯气体。气体围绕挡板160通过，挡板160用于吸收被带入的水滴。在本发明的最佳实施例中，挡板160为固体板，由诸如前面描述的非污染材料构成，该挡板放置在水室150中超纯水120的液面之上，并阻挡从超纯水120形成的气体到达连接管121的直达路径，其中连接管121将水室150与阀门240相连。
干燥的气体继续通过连接管121、阀门240、连接管122和气体喷嘴190并喷洒到旋转的蚀刻后的晶片230上。在本发明的最佳实施例中，气体喷嘴190包含一个由诸如上述的非-污染材料构成的直管，其一端密封，而另外的一端连接到连接管122，由此气体进入到处理室220。气体喷嘴190略微大于蚀刻后晶片230的直径，并在面对蚀刻后晶片230的直边上沿长度方向打孔。
在经过大约5到30秒种后，最好从大约5到20秒，在本发明的最佳实施例中，从5到10秒，阀门240被关闭。真空器260维持接通状态，从处理室220抽出气体并去除残留粒子。在大约10到60秒后，最好的在大约15到30秒后，在本发明的最佳实施例中，从大约20到30秒，关闭真空器260，处理室中的压力回复到大气压。打开处理室并进行清洗，从装置中取出蚀刻后的晶片230。
这里已经对使用超纯干燥气体去除蚀刻后半导体晶片的装置和方法进行了描述。虽然使用的一些实施例和实例进行了描述，对本领域中的技术人员而言，对其所做的修改和变化都在本发明的范围之内。
在下面的权利要求中包含本发明的其他的类似的实施例。
权利要求
1．一种用于清洗蚀刻后晶片的装置，其特征在于包含一个水室；一个与所述水室相连的加热器；一个与所述水室有效相连的处理室；一个具有输入端和输出端的阀门，所述输入端与所述水室相连，所述输出端与所述处理室相连；一个设置在所述处理室中的晶片支架；及一个与所述处理室相连的真空器。
2．根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述晶片支架包含一个机械夹具。
3．根据权利要求1所述的装置，其特征在于还包含一个与所述晶片支架相连的驱动器，所述驱动器可使得所述晶片支架旋转。
4．根据权利要求1所述的装置，其特征在于还包含一个设置在所述处理室中的气体喷嘴。
5．根据权利要求1所述的装置，其特征在于还包含一个设置在所述水室中的挡板。
6．根据权利要求1所述的装置，其特征在于包含与所述水室相连的压力探测器；及与所述水室相连的温度探测器。
7．根据权利要求1所述的装置，其特征在于还包含一个冷阱，其具有一个输入端和一个输出端，所述冷阱的输入端与所述处理室相连，而所述冷阱的输出端与所述真空器相连。
8．根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述真空器包含一个罗茨鼓风机。
9．根据权利要求1所述的装置，其特征在于将所述阀门的输入端与所述晶片室相连的连接包含一个第一连接管，其具有第一端和第二端，所述第一连接管的所述第一端与所述阀门的所述输入端相连，所述第一连接管的所述第二端与所述水室相连。
10．根据权利要求1所述的装置，其特征在于将所述阀门的所述输出端与所述处理室的连接包含一个第二连接管，其具有第一端和第二端，所述第二连接管的所述第一端与所述阀门的所述输出端相连，所述第二连接管的所述第二端与所述处理室相连。
11．根据权利要求1所述的装置，其特征在于还包含一个与所述阀门相连的第二加热器。
12．根据权利要求11所述的装置，其特征在于所述第二加热器还与所述处理室相连。
13．根据权利要求12所述的装置，其特征在于所述第二加热器还与所述第一连接管相连。
14．根据权利要求13所述的装置，其特征在于所述第二加热器还与所述第二连接管相连。
15．根据权利要求7所述的装置，其特征在于将所述冷阱的所述输入端与所述处理室的连接包含一个第三连接管，其具有第一端和第二端，所述第三连接管的所述第一端与所述冷阱的所述输入端相连，而所述第三连接管的所述第二端与所述处理室相连。
16．根据权利要求7所述的装置，其特征在于将所述冷阱的所述输出端与所述真空器的连接包含一个第四连接管，其具有第一端和第二端，所述第四连接管的所述第一端与所述冷阱的所述输出端相连，而所述第四连接管的所述第二端与所述真空器相连。
17．根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述水室包含一个非污染材料。
18．根据权利要求17所述的装置，其特征在于所述非污染材料为石英。
19．根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述阀门、所述晶片支架和所述处理室的内壁包含非污染材料。
20．根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述晶片支架和所述处理室的内壁由单独从碳氟聚合物和涂有碳氟聚合物的金属构成的组中选出的非污染材料构成。
21．根据权利要求4、5、6、9或10中的任何一个权利要求所述的装置，其特征在于所述气体喷嘴、所述挡板、所述处理室、所述温度探测器、所述第一连接管和所述第二连接管包含非污染材料。
22．根据权利要求4、5、6、9或10中的任何一个权利要求所述的装置，其特征在于所述气体喷嘴、所述挡板、所述处理室、所述温度探测器、所述第一连接管和所述第二连接管包含由单独从碳氟聚合物或涂有碳氟聚合物的金属构成的组中选出的非污染材料构成。
23．一种用于清洗蚀刻后半导体晶片的方法，包含将所述蚀刻后半导体晶片与超纯干燥气体接触。
24．根据权利要求23所述的方法，其特征在于将所述蚀刻后半导体与所述超纯干燥气体接触的方法包含将水室中的超纯水加热到预选的温度，水室与处理室相连但通过一个闭合的阀门与所述处理室分隔；将所述要清洗的蚀刻后晶片固定到所述处理室中的旋转的晶片支架上；将所述处理室中的压力降低到所计算出的使得处于预选温度下的超纯水转化为所述超纯干燥气体的压力值；打开所述阀门，使得所述水室中的所述超纯水转换为所述超纯干燥气体；及将所述超纯干燥气体正面喷洒到所述被清洗的蚀刻后半导体晶片的所述表面上，其中所述半导体晶片被固定到所述处理室中的所述旋转的晶片支架上。
25．根据权利要求24所述的方法，其特征在于所述预选的温度从大约30摄氏度到大约150摄氏度。
26．根据权利要求24所述的方法，其特征在于所述预选的温度从大约70摄氏度到大约125摄氏度。
27．根据权利要求24所述的方法，其特征在于所述预选的温度从大约95摄氏度到大约105摄氏度。
28．根据权利要求24所述的方法，其特征在于通过一个机械夹具将所述蚀刻后半导体晶片与所述旋转的晶片支架固定。
29．根据权利要求24所述的方法，其特征在于所述处理室中的所述压力被降低到大约5到10Torr，其低于所计算出的在预选的温度下将水转化为气体的压力。
30．根据权利要求24所述的方法，其特征在于通过一个气体喷嘴将所述超纯干燥气体喷洒到所述蚀刻后半导体晶片的表面上。
全文摘要
本发明涉及一种使用超纯气体对蚀刻后的半导体晶片(230)进行清洗的装置和方法。
文档编号B08B3/00GK1295504SQ99804744
公开日2001年5月16日 申请日期1999年2月23日 优先权日1998年2月25日
发明者马萨托·托斯马 申请人:伽马精度技术公司