一种半导体元件的湿式清洗制备方法与流程

一种半导体元件的湿式清洗制备方法
1.交叉引用
2.本技术案主张2021/04/28申请的美国正式申请案第17/243,159号的优先权及益处，该美国正式申请案的内容以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
3.本公开关于一种半导体元件的制备方法，特别涉及一种半导体元件的湿式清洗制备方法。


背景技术：

4.最近在开发具有更小尺寸和更大集成(integration)密度的半导体元件方面的趋势导致了晶体管之间距离的减少。浅沟槽隔离(shallow trench isolation，sti)是目前应用最广泛的隔离晶体管的方法。sti已经取代了现有的硅局部氧化(local oxidation of silicon，locos)的方法，以满足半导体世代小于0.18微米的要求。一般来说，在制备过程的某一阶段，“深沟”(deep trenche)可以延伸到基底表面以下4至8微米。深沟通常是高纵横比的沟槽。“纵横比”是指沟槽的深度与沟槽顶部开口的宽度相比的比率。举例来说，在先进的半导体制造中，高纵横比沟槽的纵横比可能在20：1和60：1之间，甚至更高。
5.随着半导体元件的尺寸越来越小，关键尺寸(critical dimension，cd)小于50纳米，使用湿式剥离(wet strip)工艺制备具有高纵横比沟槽的阵列可能导致沟槽边界的扭曲，例如弯曲，或图案塌陷。图案塌陷现象首次在使用超低介电(ulk)膜案例的一后端(back end of line，beol)应用中被观察到。随着尺寸和间距的不断缩小，在湿式清洗的过程中发生的图案塌陷缺陷的频率在不断增加。此外，由于图案的高纵横比，塌陷问题经常发生在光阻(光刻胶)剂层。图案塌陷现象会导致半导体元件的漏电和短路，进而导致低产量。
6.经蚀刻后的调查证实，在现有技术的制造中，弯曲通常发生在湿式剥离的工艺中，而不是在其之前。这一观察证实，弯曲是由湿式剥离的工艺所产生的沟槽侧壁上的毛细力造成。然而，通过从工艺中消除湿式剥离并不是解决弯曲/塌陷问题的可行或具有吸引力的方法，因为湿式剥离还提供一显著的功能，例如，用于移除聚合物残留物。
7.因此，在半导体制造业中，需要一种用于处理半导体元件的基底(例如，晶圆)的方法，以减少或消除基底上高纵横比特征的塌陷，特别是具有大约10或更大纵横比的特征。
8.上文的“现有技术”说明仅提供背景技术，并未承认上文的“现有技术”说明揭示本公开的标的，不构成本公开的现有技术，且上文的“现有技术”的任何说明均不应做为本案的任一部分。


技术实现要素：

9.本公开的一实施例提供一种半导体元件的湿式清洗制备方法，包括：提供一基底，包括设置在该基底上的一垫氧化层，和设置在该垫氧化层上的一氧化层；执行一干式蚀刻工艺，蚀刻该基底，以在该基底上形成多个高纵横比(high aspect ratio)的浅沟槽隔离
(shallow trench isolation，sti)特征，同时从该基底移除该氧化层；执行一清洗工艺，使用一稀释氢氟酸(hf)或一氨水和hf的溶液，在一单晶圆清洗机(single wafer cleaner，swc)中清洗该基底，以移除该干式蚀刻工艺留下的该垫氧化层和聚合物残留物；以及执行一蒸气蚀刻工艺，使用一hf蒸气蚀刻该基底，以形成具有多个无图案塌陷的高纵横比sti特征的基底。
10.在一些实施例中，该基底是一绝缘体上硅(silicon on insulator，soi)基底。
11.在一些实施例中，该垫氧化物是一sio2缓冲层。
12.在一些实施例中，通过一热氧化工艺在该基底上生长出该垫氧化层，该热氧化工艺是在大约800摄氏度(℃)至1200摄氏度范围内的温度下进行。
13.在一些实施例中，该氧化物层是一四氯硅酸(tetraethylorthosilicate，teos)层。
14.在一些实施例中，该干式蚀刻工艺是通过使用一含氟气体的一后反应离子蚀刻(rie)进行。
15.在一些实施例中，该含氟气体选自cf4、ch2f2、chf3和c2f6组成的一组。
16.在一些实施例中，该含氟气体是c2f6。
17.在一些实施例中，该干式蚀刻工艺在该基底上形成多个高纵横比sti特征，其中该多个高纵横比sti特征的至少一部分的一纵横比是20：1或更大的纵横比。
18.在一些实施例中，该干式蚀刻工艺在该基底上形成该多个高纵横比sti特征，其中该多个高纵横比sti特征的该至少一部分的该纵横比在20：1至60：1的范围内。
19.在一些实施例中，该干式蚀刻工艺在该基底上形成该多个高纵横比sti特征，其中该多个高纵横比sti特征的该至少一部分的该纵横比在30：1至60：1的范围内。
20.在一些实施例中，该清洗工艺的该稀释hf的浓度是0.5％或更高稀释浓度的hf。
21.在一些实施例中，该清洗工艺的该稀释hf的浓度在1％至5％的范围内。
22.在一些实施例中，该蒸气蚀刻工艺是在一醇类存在下使用该hf蒸气进行。
23.由于本公开的湿式清洗制备方法的设计，其中包括使用含氟气体如c2f6进行后rie，然后在swc中用稀释的hf或在氨和hf的溶液中进行清洗，可以得到具有多个图案塌陷的高纵横比sti特征的基底。由于半导体元件中塌陷现象的显著减少或消除，半导体元件的产量得到提高。
24.上文已相当广泛地概述本公开的技术特征及优点，从而使下文的本公开详细描述得以获得较佳了解。构成本公开的权利要求标的的其它技术特征及优点将描述于下文。本公开所属技术领域中技术人员应了解，可相当容易地利用下文揭示的概念与特定实施例可做为修改或设计其它结构或工艺而实现与本公开相同的目的。本公开所属技术领域中技术人员亦应了解，这类等效建构无法脱离权利要求所定义的本公开的构思和范围。
附图说明
25.参阅实施方式与权利要求合并考量附图时，可得以更全面了解本技术案的揭示内容，附图中相同的元件符号指相同的元件。
26.图1是例示本公开一实施例的一种半导体元件的湿式清洗制备方法的流程图。
27.图2a是例示本公开一实施例在图1所示步骤s101的半导体结构的俯视示意图。
28.图2b是例示本公开一些实施例沿图2a中a-a线拍摄的剖视示意图。
29.图3a是例示本公开一实施例在图1所示步骤s102的半导体结构的俯视示意图。
30.图3b是例示本公开一些实施例沿图3a中b-b线拍摄的剖视示意图。
31.图4a是例示本公开一实施例在图1所示步骤s103的半导体结构的俯视示意图。
32.图4b是例示本公开一些实施例沿图4a中c-c线拍摄的剖视示意图。
33.图4c是例示本公开一实施例在图1所示步骤s103的半导体结构的俯视显微照片图。
34.图4d是例示本公开一些实施例沿图4c中d-d线拍摄的剖视显微照片图。
35.图5a是例示本公开一实施例在图1所示步骤s104的半导体结构的俯视示意图。
36.图5b是例示本公开一些实施例沿图5a中e-e线拍摄的剖视示意图。
37.图5c是例示本公开一实施例在图1所示步骤s104的半导体结构的俯视显微照片图。
38.图5d是例示本公开一些实施例沿图5c中f-f线拍摄的剖视显微照片图。
39.附图标记说明：
40.10：湿式清洗制备方法
41.200：半导体结构
42.201：基底
43.202：垫氧化层
44.203：氧化层
45.s101：步骤
46.s102：步骤
47.s103：步骤
48.s104：步骤
具体实施方式
49.为了简洁起见，本公开内容可或不详细描述与半导体元件与集成电路(ic)制造有关的常规技术。此外，本文描述的各种任务与工艺步骤可以并入一个更全面的程序或工艺中，该程序或工艺具有未在本文中详细描述的额外步骤或功能。特别是，制造半导体元件和基于半导体的集成电路的各种步骤是众所周知，因此，为了简洁起见，许多常规步骤在本公开将只简要提及，或完全省略，不提供众所周知的工艺细节。
50.本公开的以下说明伴随并入且组成说明书的一部分的附图，说明本公开的实施例，然而本公开并不受限于该实施例。此外，以下的实施例可适当整合以下实施例以完成另一实施例。
[0051]“一实施例”、“实施例”、“例示实施例”、“其他实施例”、“另一实施例”等指本公开所描述的实施例可包括特定特征、结构或是特性，然而并非每一实施例必须包括该特定特征、结构或是特性。再者，重复使用“在实施例中”一语并非必须指相同实施例，然而可为相同实施例。
[0052]
应当理解，以下公开内容提供用于实作本公开的不同特征的诸多不同的实施例或实例。以下阐述组件及排列形式的具体实施例或实例以简化本公开内容。当然，该些仅为实
例且不旨在进行限制。举例而言，元件的尺寸并非仅限于所公开范围或值，而是可相依于工艺条件及/或装置的所期望性质。此外，以下说明中将第一特征形成于第二特征“之上”或第二特征“上”可包括其中第一特征及第二特征被形成为直接接触的实施例，且亦可包括其中第一特征与第二特征之间可形成有附加特征、进而使得所述第一特征与所述第二特征可能不直接接触的实施例。为简洁及清晰起见，可按不同比例任意绘制各种特征。在附图中，为简化起见，可省略一些层/特征。
[0053]
此外，为易于说明，本文中可能使用例如“之下(beneath)”、“下面(below)”、“下部的(lower)”、“上方(above)”、“上部的(upper)”等空间相对关系用语来阐述图中所示的一个元件或特征与另一(其他)元件或特征的关系。所述空间相对关系用语旨在除图中所示出的取向外亦囊括元件在使用或操作中的不同取向。所述元件可具有其他取向(旋转90度或处于其他取向)且本文中所用的空间相对关系描述语可同样相应地进行直译。
[0054]
图1是流程图，例示本公开一实施例的湿式清洗制备方法10，图2a和图2b、图3a和图3b、图4a至图4d和图5a至图5d是例示本公开一些实施例，执行该制备方法的步骤后半导体结构200的俯视图或剖视图。
[0055]
图2a是示意性俯视图，例示本公开一实施例在图1所示步骤s101的半导体结构。图2b是例示本公开一些实施例沿图2a中a-a线拍摄的剖视示意图。参照图1，图2a和图2b，在步骤s101中，在基底201的表面上生长出垫氧化层202，并在垫氧化层202上方生长出氧化层203。
[0056]
在本公开中，半导体元件一般是指可以利用半导体特性而发挥作用的元件，如电光(electro-optic)元件、发光显示(light-emitting display)元件、半导体电路和电子元件都包括在半导体元件的范围内。此外，图案塌陷可以指经过湿式处理和干燥之后相邻特征之间的非故意接触。特别是，接触可以在干燥工艺中发生，并在干燥完成后保持。在接触的位置以下，图案的底层特征并没有被破坏，相反，这些特征是变形的，也就是说，它们已经向彼此弯曲，形成接触。
[0057]
在本公开内容中，术语“基底”是指在其上形成材料的基础材料或结构。应可理解的是，基底可以包括单个材料、多个不同材料的层、具有不同材料区域或不同结构的单层或多层，或其他类似组合的材料。基底的材料可以包括半导体、绝缘体、导体，或其组合的材料。例如，可以是一半导体基底、一支撑结构上的基础半导体(base semiconductor)层、一金属电极，或一其上形成有单层或多层、结构或区域的半导体基底。基底201可以是现有的硅基底或其他包括半导电材料层的块状(bulk)基底。在一些实施例中，基底201可以是一硅(si)基底、一锗(ge)基底、一硅锗(sige)基底、一蓝宝石上的硅(sos)基底、一石英上的硅基底、一绝缘体上硅(soi)基底、一iii-v化合物半导体、其组合或类似物。优选的是，基底201是一soi基底。一般来说，复合层结构，如soi，是通过将两个晶圆直接接触，因此通过凡得瓦力(van der waals forces)启动结合，然后进行热处理以加强结合。绝缘体的选择在很大程度上取决于所预期的应用，蓝宝石用于高性能射频(rf)和辐射敏感的应用，而二氧化硅用于其他微电子元件中的短通道效应的减弱。在一些实施例中，基底是一复合层结构，一般包括一处理晶圆(wafer)或一层，一元件绝缘层，以及在该处理晶圆和元件绝缘层之间的一隔离膜(即介电质)的层(通常是氧化层)。一般来说，一元件层的厚度在0.01微米(mm)至20微米的范围内，如0.05至20微米的范围。一厚膜元件层的厚度可在大约1.5微米和大约20微
米的范围内。一薄膜元件层的厚度可在大约0.01微米至约大约0.20微米的范围内。
[0058]
垫氧化层202的材料可以包括氧化硅(sio)、氧化铪(hfo2)、氧化铪硅(hfsio4)、氧化锆硅(zrsio4)，或其组合的材料。在一优选的实施例中，垫氧化层202是一sio2缓冲层。举例来说，垫氧化层202(例如，sio2缓冲层)可以通过一热氧化(thermal oxidation)工艺而在基底201上生长。通常，该热氧化工艺是在大约800摄氏度(℃)至1200摄氏度的温度下进行的。在该热氧化工艺中，例如一硅晶圆的基底被消耗并被氧化硅取代。例如，垫氧化层202可以包括氧化硅、氮化硅、氧氮化硅(silicon oxynitride)或其组合的层，可以形成为一单层结构或一多层结构。在一些实施例中，垫氧化层202的厚度在大约至大约2000埃的范围内。
[0059]
举例而言，氧化层203的制作技术可以是一薄膜相关工艺。在一实施例中，制作氧化层203的一工艺气体可包括四氯硅酸(teos)和一氧化二氮(n2o)。在另一实施例中，制作氧化层203的该工艺气体可包括一teos和一氧气(o2)。在任一情况下，该工艺气体可包括一种或多种载气(例如，惰性气体，如氦(he)或氩(ar))，以促进该工艺气体在一工艺室中的输送和分配。在一举例中，该工艺气体包括teos、n2o和ar。在另一举例中，该工艺气体包括teos、he和o2。在一些实施例中，氧化层203的制作技术是一等离子体增强氧化物(peox)、一未掺杂的硅酸盐玻璃(usg)或类似物。在一些实施例中，该氧化层203是一teos层。在一些实施例中，氧化层203的厚度在大约至大约2000埃的范围内。
[0060]
图3a是示意性俯视图，例示本公开一实施例在图1所示步骤s102的半导体结构。图3b是例示本公开一些实施例沿图3a中b-b线拍摄的剖视示意图。参照图1和图3a和图3b，在步骤s102中，执行一干式蚀刻工艺，以蚀刻垫氧化层202和基底201。垫氧化层202和基底201的上部可以被该干式蚀刻工艺部分移除，因此在基底201上形成多个高纵横比(high aspect ratio)的浅沟槽隔离(shallow trench isolation，sti)特征。多个高纵横比的sti特征的尺寸可以在32纳米或更小的范围内。虽然图示的sti描示为相等，但多个高纵横比sti特征之间之间距可以在不同的相邻特征之间变化。应当理解的是，多个高纵横比sti特征之间的间距可以是图案塌陷的一个因素。
[0061]
在一些实施例中，该干式蚀刻工艺可以使用一含氧气体、一含氟气体(例如cf4、ch2f2、chf3和/或c2f6)、一含氯气体(例如cl2、chcl3、ccl4和/或bcl3)、一含溴气体(例如hbr和/或chbr3)、一含碘气体、其他适合的气体和/或等离子体，或其组合的气体和/或等离子体。优选的是，该干式蚀刻工艺使用该含氟的气体进行。更优选的，该干式蚀刻工艺使用一化学式是cnfxhy的一碳氟化合物气体，其中n是1或2的整数，x是1至6的整数，y是0至3的整数。在一些实施例中，(x+y)等于6。在一些实施例中，该碳氟化合物气体可以是cf4、c2f6、chf3，或其组合的气体。最优选的是，该干式蚀刻工艺是使用c2f6的气体。
[0062]
在一优选的实施例中，该干式蚀刻工艺是通过一后反应离子蚀刻(reactive ion etching，rie)执行的。rie具有许多重要的微加工功能，包括在低介电(low-k)或超低介电(ulk)层间介电层上的沟槽/通孔特征的图案化，光阻剂的灰化/移除，底部抗反射涂料(barc)的蚀刻/移除，等离子体蚀刻聚合物的最小化/移除，有机污染物的蚀刻/移除，以及从低介电材料的损伤中恢复。在执行步骤s102后，氧化层203从基底201上被移除，并在基底201上形成多个高纵横比sti特征。多个高纵横比sti特征在横截面视图中是相互分离的。
[0063]
在一些实施例中，该干式蚀刻工艺在基底201上形成多个高纵横比sti特征，其中多个高纵横比sti特征的至少一部分的纵横比是20：1或更大，优选的纵横比在20：1至60：1的范围内，更优选的纵横比在30：1至60：1的范围内。sti特征的一特征尺寸，如一特征宽度，可以小于40纳米。在其他实施例中，该特征尺寸可以小于30纳米。在另一实施例中，该特征尺寸可以小于25纳米。
[0064]
随着半导体元件的设计规则降低到次微米(submicron)尺度，在制造工艺中产生的污染物的可容忍尺寸也在降低。次微米大小的污染物(或颗粒)很难被移除，因为颗粒和基底之间有很强的黏附力，例如凡得瓦力、毛细管力、化学键和/或静电力。可以选择使用一还原剂进行一预清洗工艺，以从基底表面移除次微米大小的污染物。该还原剂可以是一四氯化钛、一四氯化钽，或其组合。如果需要，可以重复多次该预清洗工艺。
[0065]
图4a是示意性俯视图，例示本公开一实施例在图1所示步骤s103的半导体结构。图4b是例示本公开一些实施例沿图4a中c-c线拍摄的剖视示意图。参照图1，图4a和图4b，在步骤s103中，基底201在一单晶圆清洗机(single wafer cleaner，swc)中使用一稀释的hf(氢氟酸)或在一氨水和hf的溶液中进行一清洗工艺。在步骤s103执行后，该干式蚀刻工艺留下的聚合物残留物从基底201上被移除，而垫氧化层202也从基底201上被移除。单晶圆清洗机(swc)因其在清洗大直径(特别是300毫米)晶圆方面的高性能而被普遍用于微电子工艺中。具体而言，swc使得限制晶圆边缘的某些缺陷成为可能，这通常与批量清洗机(batch cleaner)有关，后者通过在化学浴中的一系列浸泡来工作。在一些实施例中，该清洗工艺使用浓度是0.5％或更高的稀释的hf进行。优选的是，该清洗工艺使用浓度在1％到5％之间的稀释的hf。更优选的，该清洗工艺使用浓度在2％至5％范围内的稀释的hf进行。在该清洗工艺中可以使用任何常规的swc。已经报告与制造swc有关的各种文件，例如，us 5,148,823、us 6,730,176 b2等。
[0066]
图5a是示意性俯视图，例示本公开一实施例在图1所示步骤s104的半导体结构。图5b是例示本公开一些实施例沿图5a中e-e线拍摄的剖视示意图。参照图1，图5a和图5b，在步骤s104中，基底201被置于使用hf蒸气的一蒸气蚀刻工艺(vapor-etching process)中。在一些实施例中，该蒸气蚀刻工艺是在有醇类存在的情况下用hf蒸气进行的。醇类使得该hf蒸气电离(ionize)并作为催化剂。使用hf蒸气的该蒸气蚀刻工艺可以使用任何商业上可用的hf蒸气蚀刻系统进行，例如，spts技术公司制造的monarch 25、monarch 3或uetch。
[0067]
可选地，在该蒸气蚀刻工艺后，可以通过一金属化工艺，如一化学蒸镀工艺、一物理蒸镀工艺、一溅镀工艺或类似的工艺，在多个高纵横比sti特征中沉积一导电材料，如铝、铜、钨、钴或其他合适的金属或金属合金。
[0068]
由于本公开的该湿式清洗制备方法的设计，即通过使用一含氟气体如c2f6进行一后rie工艺，然后在一swc中用一稀释的hf或在一氨和hf的溶液中进行清洗，本公开能够实现具有多个无图案塌陷的高纵横比sti特征的基底。由于半导体元件中图案塌陷的显著减少或消除，半导体元件的产量得到提高。
[0069]
本公开的一实施例提供一种半导体元件的湿式清洗制备方法，包括：提供一基底，包括设置在该基底上的一垫氧化层，和设置在该垫氧化层上的一氧化层；执行一干式蚀刻工艺，蚀刻该基底，以在该基底上形成多个高纵横比的浅沟槽隔离(sti)特征，同时从该基
底移除该氧化层；执行一清洗工艺，使用一稀释氢氟酸(hf)或一氨水和hf的溶液，在一单晶圆清洗机(swc)中清洗该基底，以移除该干式蚀刻工艺留下的该垫氧化层和聚合物残留物；以及执行一蒸气蚀刻工艺，使用一hf蒸气蚀刻该基底，以形成具有多个无图案塌陷的高纵横比sti特征的基底。
[0070]
虽然已详述本公开及其优点，然而应理解可进行各种变化、取代与替代而不脱离权利要求所定义的本公开的构思与范围。例如，可用不同的方法实施上述的许多工艺，并且以其他工艺或其组合替代上述的许多工艺。
[0071]
再者，本技术案的范围并不受限于说明书中所述的工艺、机械、制造、物质组成物、手段、方法与步骤的特定实施例。本领域技术人员可自本公开的揭示内容理解可根据本公开而使用与本文所述的对应实施例具有相同功能或是达到实质上相同结果的现存或是未来发展的工艺、机械、制造、物质组成物、手段、方法、或步骤。据此，这些工艺、机械、制造、物质组成物、手段、方法、或步骤包括于本技术案的权利要求范围内。