具有高深宽比结构的晶圆的清洗方法与流程

1.本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种具有高深宽比结构的晶圆的清洗方法。


背景技术：

2.随着半导体行业的不断发展，集成电路逐渐朝着高集成度、超细线宽方向发展，因而芯片制造过程中涉及到的高深宽比结构越来越多(半导体行业内，一般将深度/高度和宽度的比值大于1的结构定义为高深宽比)。
3.高深宽比结构不仅在刻蚀及沉积过程中面临巨大挑战，而且刻蚀后的清洗也存在很大的问题。一方面，目前主流清洗方法依然是基于水化学的湿法清洗，对这些开口很小但深度大的微纳米结构，液体很难进入凹槽底部达到清洗的目的；另一方面，清洗液体一旦进入深沟槽内，液体在表面张力的作用下很难去除，导致留下污染物残留，成为后续制程的潜在威胁，严重时甚至会导致器件失效。同时，在这些高深宽比结构干燥过程中存在的毛细力也可能会导致这些结构的坍塌，从而导致器件失效。
4.现有的用于改善高深宽比结构的清洗方法一般有三种，包括单晶圆清洗(详见申请号为cn201510282159.1的专利申请公开的方案)、兆声波清洗(详见公开号为doi:10.13290的专利申请公开的方案)和干法清洗(详见申请号为cn201510543852.x的专利申请公开的方案)清洗。但这三种方法各自存在不同的问题，比如单晶圆清洗是每次向单个硅片表面喷洒并浸渍低表面张力药液后再喷洒去离子水清洗，之后进行干燥，这种方法无法利用清洗槽清洗，存在清洗效率低、清洗液消耗量大等缺点；兆声波清洗利用兆声波产生的巨大动能以达到清洗效果，但这种方法容易导致晶圆损伤，且仍然难以解决污染物在深沟槽中残留的问题，而干法清洗则存在着清洗效率低以及清洗物残留等问题。


技术实现要素：

5.鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种高深宽比结构的晶圆的清洗方法，用于解决现有技术中的高深宽比结构的清洗方法存在各种不足，导致污染物残留在高深宽比结构中，且干燥过程中存在的毛细力也可能会导致高深宽比结构的坍塌，由此导致器件失效等问题。
6.为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种具有高深宽比结构的晶圆的清洗方法，包括步骤：
7.提供封闭的第一清洗槽，所述第一清洗槽内承载有去离子水，所述去离子水的水面覆盖有ipa膜且所述第一清洗槽内处于ipa氛围中；
8.将待清洗的晶圆呈竖直状态以低于3mm/s的速度下降直至完全浸没于所述第一清洗槽的去离子水中，所述晶圆表面具有高深宽比结构，下降过程中向所述晶圆表面喷洒ipa气体；
9.将晶圆在去离子水中翻转至水平状态，以使晶圆的高深宽比结构开口朝上，之后
向上提拉以使晶圆脱离去离子水水面；
10.将晶圆转移至第二清洗槽中并将晶圆浸没于清洗溶液中后，将晶圆翻转至竖直状态进行清洗；
11.将完成清洗的晶圆转移至干燥槽中进行干燥。
12.可选地，晶圆在第一清洗槽的下降过程中，下降速度为1～1.5mm/s。
13.可选地，采用marangoni干燥法对晶圆进行干燥，所述干燥槽和第一清洗槽为同一类型设备。
14.可选地，所述清洗溶液包括dhf、sc1、sc2、spm和ekc中的一种或多种。
15.可选地，ipa气体被加载于氮气上被喷洒到晶圆表面。
16.可选地，晶圆清洗过程中，采用扩散或超声震荡方式使清洗溶液进入晶圆的高深宽比结构中。
17.可选地，晶圆浸没于第一清洗槽的去离子水中后静置5s～1分钟。
18.可选地，所述高深宽比结构包括多个深沟槽，深沟槽的深宽比大于等于5。
19.可选地，清洗过程中，晶圆放置于托架上，且托架上同时放置有多片晶圆。
20.可选地，托架上同时放置有1～2个批次晶圆。
21.如上所述，本发明的具有高深宽比结构的晶圆的清洗方法，具有以下有益效果：本发明的清洗方法通过marangoni干燥法的逆运用以有效降低毛细高度，使清洗溶液容易能够充分进入高深宽比结构的底部而达到改善深宽比结构的清洗效果。本发明便于采用槽式清洗，因而单次可实现多片晶圆的清洗，可以显著提高清洗效率。且清洗过程中无需使用表面活性剂等其他化学试剂，不会引入新的污染(包括晶圆自身的污染以及废液对环境的污染)，具有操作简单、成本低等优点。此外还可以降低毛细力带来的不良效果，可以避免深宽比结构的坍塌。
附图说明
22.图1显示为本发明提供的具有高深宽比结构的晶圆的清洗方法的流程图。
23.图2-6显示为本发明提供的具有高深宽比结构的晶圆的清洗方法于各步骤中的操作示意图。
24.图7显示为采用传统方法进行晶圆清洗时，高深宽比结构的润湿状态示意图。
25.图8显示为采用本发明提供的清洗方法进行晶圆清洗时，高深宽比结构的润湿状态示意图。
26.元件标号说明
[0027]1ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第一清洗槽
[0028]
11
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
去离子水
[0029]2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
晶圆
[0030]
21
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
高深宽比结构
[0031]3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
第二清洗槽
[0032]4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
干燥槽
具体实施方式
[0033]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
[0034]
为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。
[0035]
在本技术的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。
[0036]
需要说明的是,本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。为使图示尽量简洁，各附图中并未对所有的结构全部标示。
[0037]
随着器件特征尺寸的日益缩小和芯片集成度的日益提高，器件制造过程中，诸如沟槽等结构越来越密集，且深宽比越来越大，传统的诸如单晶圆清洗、兆声波清洗和干法清洗等清洗技术在用于清洗此类高深宽比结构时均存在各类问题。本技术的发明人在长期的工作中，通过大量研究而提出了一种改善方案。
[0038]
具体地，如图1所示，本发明提供一种具有高深宽比结构的晶圆的清洗方法，该清洗方法包括步骤：
[0039]
s1：提供封闭的第一清洗槽1，所述第一清洗槽1内承载有去离子水，所述去离子水的水面覆盖有ipa膜且所述第一清洗槽1内处于ipa氛围中；比如将一承装有ipa(异丙醇)溶液的密闭ipa槽通过气体管路连通至已预先承装有一定量的去离子水(diw)的第一清洗槽1中，向ipa槽内持续通入惰性气体(比如氮气，惰性气体起到载气作用)，使得ipa溶液在气压作用下进入气体管路中而形成ipa气体，ipa气体加载于惰性气体上而进入所述第一清洗槽1中，惰性气体可以预先进行加热，以尽量避免ipa气体在传送至第一清洗的过程中在气体管路内液化沉降，ipa气体被输送至第一清洗槽1中后，在去离子水表面均匀覆盖一层ipa膜，并使得第一清洗槽1内充满ipa氛围；
[0040]
s2：将待清洗的晶圆2呈竖直状态以低于3mm/s的速度下降直至完全浸没于所述第一清洗槽1的去离子水中，所述晶圆2表面具有高深宽比结构21，下降过程中向所述晶圆2表面喷洒ipa气体；具体地，可以将若干晶圆2(可以为单片或多片，优选同时进行多片晶圆2的清洗，比如单批次25片或2批次50片晶圆2，这可以极大提高清洗效率，且提高片间均匀性)竖直固定在托架上，由托架带动晶圆2竖直向下移动，将晶圆2匀速缓缓浸入去离子水中，同时喷射载气(比如氮气)携带的ipa在晶圆2表面，由于ipa与diw的表面张力不同，diw的表面
张力大于ipa的表面张力(ipa的表面张力为22mn/m而diw的表面张力为72mn/m)，同样的温度条件下，ipa的表面张力是diw的三分之一左右，因此毛细高度也为diw的三分之一左右，故而通过该步骤，可以有效降低毛细高度，因此diw会缓慢浸润晶圆2，尤其是浸润高深宽比结构21，进而达到完全充满高深宽比结构21的效果；该步骤的示意图如图2及图3所示；
[0041]
s3：待晶圆2完全浸入diw后，将晶圆2翻转90度，使晶圆2在去离子水中翻转至水平状态，以使晶圆2的高深宽比结构21开口朝上，之后向上提拉以使晶圆2脱离去离子水水面，该步骤的示意图如图4所示；此过程中可以持续向第一清洗槽1内通入ipa气体，以使第一清洗槽1内始终维持ipa氛围，同时可以起到避免晶圆2在脱离去离子水的过程中被氧化污染；
[0042]
s4：之后将晶圆2转移至第二清洗槽3中并将晶圆2浸没于清洗溶液(优选水性清洗溶液，即该清洗溶液与水互溶)中后，将晶圆2翻转至竖直状态进行清洗；经过前序步骤处理，高深宽比结构21内充满去离子水而被完全浸润，在清洗过程中清洗药液能有效扩散到高深宽比结构21底部达到清洗的效果；当然，为进一步提高清洗品质，在该步骤中，可在第二清洗槽3上(槽底部或外部)设置超声波设备或其他类似装置，以通过扩散或超声震荡将清洗溶液传送到晶圆2的高深宽比结构21中，同时通过震荡促进晶圆2表面的杂质的分解脱落，以对晶圆2，包括高深宽比结构21的内部进行彻底清洗，该步骤的示意图如图5所示；
[0043]
s5：最后将完成清洗的晶圆2转移至干燥槽4中进行干燥；本实施例中，作为示例，该步骤采用marangoni干燥法对晶圆2进行干燥，即干燥槽4为marangoni干燥槽4，也即所述干燥槽4和第一清洗槽1为同一类型设备，考虑到晶圆2清洗前后的清洁度差异很大，为避免交叉污染，干燥步骤和润湿步骤优选不在同一槽中进行，该步骤的操作示意图如图6所示。即虽然与步骤s2中使用的设备类型相同，但步骤s2中是将待清洗的晶圆2缓慢下降放置于去离子水中以进行润湿和预清洗，而该步骤则是将完成清洗的晶圆2缓慢向上提拉(或者通过缓慢排水)以使晶圆2脱离去离子水的液面，由于ipa的表面张力比水小得多，晶圆2向上提拉的过程中，会在坡状水流表层形成表面张力梯度，产生marangoni对流，水被“吸回”水面，由此去除高深宽比结构21内的水分，实现干燥效果。
[0044]
本发明的清洗方法通过marangoni干燥法的逆运用以有效降低毛细高度，使清洗溶液能够充分进入高深宽比结构21的底部而达到改善深宽比结构的清洗效果。本发明便于采用槽式清洗，因而单次可实现多片晶圆2的清洗，可以显著提高清洗效率。且清洗过程中无需使用表面活性剂等其他化学试剂，不会引入新的污染(包括晶圆2自身的污染以及废液对环境的污染)，具有操作简单、成本低等优点。
[0045]
为确保较好的清洗效果，同时兼顾清洗效率，作为示例，晶圆2在第一清洗槽1的下降过程中，下降速度为1～1.5mm/s，以使去离子水能与晶圆2充分接触而进入深宽比结构中。若干燥步骤中采用marangoni法干燥，则向上提拉晶圆2的速度也可以采用该速度。
[0046]
作为示例，所述清洗溶液优选包括但不限于dhf(稀释的氢氟酸溶液)、sc1(氨水、双氧水以及水的混合溶液)、sc2(盐酸、双氧水和水的混合溶液)、spm(比如采用体积分数为98％的h2so4和30％的h2o2按照4：1比例配置而成的溶液)和ekc(有效成分为羟胺、邻苯二酚等的混合溶液)中的一种或多种，即可以采用单种清洗溶液对晶圆2进行单次清洗，也可以采用多种清洗溶液依次对晶圆2进行清洗。当然，所述清洗溶液并不限于以上几种，但凡半导体领域在刻蚀之后使用的清洗试剂，皆可应用于本发明，由于前述步骤已对晶圆的高深宽比结构进行了充分的润湿和预清洁，故而后续的清洗步骤采用任意常规清洗方法进行清
洗，都能达到提高清洗品质的效果。
[0047]
为确保去离子水充分进入高深宽比结构21中，作为示例，晶圆2浸没于第一清洗槽1的去离子水中后静置5s～1分钟，较优地为5s～10s。
[0048]
作为示例，所述高深宽比结构21包括多个深沟槽，深沟槽的深宽比大于等于5。当然，本发明的清洗方法同样适用于一般晶圆2(即沟槽的深宽比小于5)的清洗，只是在用于具有高深宽比结构21的晶圆2清洗时，本发明的优点才更为突出。
[0049]
发明人对本发明的清洗方法进行了验证。具体地，采用传统的清洗方法将具有高深宽比的晶圆2未经任何处理放置到去离子水槽中时，根据毛细公式：
[0050][0051]
其中，h为毛细高度，σ为表面张力，θ为接触角，δρ为液体气体密度差而r——毛细管半径，由于去离子水具有相对较大的表面张力，故而相应具有较大的毛细高度，使得去离子水11难以完全填充高深宽比结构21(比如深槽)而在深槽底部形成清洗盲区(即清洗溶液无法进入该区域而无法进行清洗)，该示意图如图7所示。同时，在后续干燥过程中存在的毛细力也可能会导致这些高深宽比结构21的坍塌，由此导致器件失效。而采用本发明的清洗方法，先将晶圆2浸润于含有ipa氛围的去离子水11中，利用ipa对晶圆2，尤其是对高深宽比结构21的内表面进行润湿，利用ipa的表面张力远小于去离子水的表面张力的原理，使得经过润湿处理后，去离子水11能够逐步进入深宽比结构中直至将深宽比结构完全填满，该过程如图8所示。故而在后续清洗过程中，水性清洗溶液能进入深宽比结构底部而达到彻底的清洗效果，且可以降低毛细力带来的不良效果，可以避免高深宽比结构的坍塌。
[0052]
综上所述，本发明提供一种具有高深宽比结构的晶圆的清洗方法，包括步骤：提供封闭的第一清洗槽，所述第一清洗槽内承载有去离子水，所述去离子水的水面覆盖有ipa膜且所述第一清洗槽内处于ipa氛围中；将待清洗的晶圆呈竖直状态以低于3mm/s的速度下降直至完全浸没于所述第一清洗槽的去离子水中，所述晶圆表面具有高深宽比结构，下降过程中向所述晶圆表面喷洒ipa气体；将晶圆在去离子水中翻转至水平状态，以使晶圆的高深宽比结构开口朝上，之后向上提拉以使晶圆脱离去离子水水面；将晶圆转移至第二清洗槽中并将晶圆浸没于水性清洗溶液中后，将晶圆翻转至竖直状态进行清洗；将完成清洗的晶圆转移至干燥槽中进行干燥。本发明的清洗方法通过marangoni干燥法的逆运用以有效降低毛细高度，使清洗溶液容易能够充分进入高深宽比结构的底部而达到改善深宽比结构的清洗效果。本发明便于采用槽式清洗，因而单次可实现多片晶圆的清洗，可以显著提高清洗效率。且清洗过程中无需使用表面活性剂等其他化学试剂，不会引入新的污染(包括晶圆自身的污染以及废液对环境的污染)，具有操作简单、成本低等优点。此外还可以降低毛细力带来的不良效果，可以避免深宽比结构的坍塌。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
[0053]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。