專利名稱：半導體硅片的清洗方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于半導體硅片的清洗方法和裝置的。更確切地說，是關(guān)于在清洗過程 中，硅片旋轉(zhuǎn)的同時，通過改變一個超聲波或兆聲波裝置與硅片表面的相對距離，使得硅片 表面的超聲波或兆聲波能量密度分布均勻，從而有效地去除硅片表面的顆粒而不會損傷表 面元件結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
半導體器件是在半導體硅片上經(jīng)過一系列不同的加工步驟形成晶體管和互連線 而成的。為了使晶體管終端能和硅片連在一起，需要在硅片的介質(zhì)材料上做出導電的(例 如金屬)槽、孔及其他類似的結(jié)構(gòu)作為器件的一部分。槽和孔可以在晶體管之間、內(nèi)部電路 以及外部電路傳遞電信號和能量。在形成互連元素時，半導體硅片可能需要掩膜、刻蝕和沉積等工藝來形成半導體 器件所需要的電子回路。特別是多層掩膜和等離子體刻蝕工藝可以在半導體硅片的電介質(zhì) 層形成凹陷區(qū)域的圖案，用于充當互連線的槽和通孔。為了去除刻蝕或光刻膠灰化過程中 在槽和通孔中產(chǎn)生的顆粒和污染，必須進行一個濕法清洗步驟。特別地，隨著器件制造節(jié)點 不斷接近和小于65nm，槽和通孔的側(cè)壁損失是維護臨界尺寸的關(guān)鍵。為了減少或消除側(cè)壁 損失，應(yīng)用溫和的，稀釋的化學試劑，或有時只用去離子水非常重要。然而，稀釋的化學試劑 或去離子水往往不能有效地去除槽和通孔內(nèi)的顆粒。所以為了有效地去除顆粒，需要用到 機械裝置如超聲波或兆聲波裝置。超聲波或兆聲波裝置將為硅片表面提供機械力，能量密 度和能量分布是控制機械力不損傷硅片表面而又能有效地去除顆粒的關(guān)鍵常數(shù)。在美國專利No. 4，326，553中提到可以運用兆聲波能量和噴嘴結(jié)合來清洗半導體 硅片。流體被加壓，兆聲波能量通過兆聲傳感器施加到流體上。特定形狀的噴嘴噴射出像 帶狀的液體，在硅片表面上以兆聲波頻率振動。在美國專利No. 6，039，059中提到一個能量源通過振動一根細長的探針將聲波能 量傳遞到流體中。在一個例子中，流體噴射到硅片正反兩面，而將一根探針置于靠近硅片上 表面的位置。另一個例子中，將一根短的探針末端置于靠近硅片表面的位置，在硅片旋轉(zhuǎn)過 程中，探針在硅片表面移動。在美國專利No. 6，843，257B2中提到一個能量源使得一根桿繞平行于硅片表面的 軸振動。桿的表面被刻蝕成曲線樹枝狀，如螺旋形的凹槽。為整個硅片表面提供適量的、均勻的兆聲波能量是清洗工藝的關(guān)鍵。如果兆聲波 能量沒有均勻地施加到硅片表面上，得到較少兆聲波能量的硅片部分將不會被清洗干凈， 顆粒和污染將會遺留在這部分硅片表面，而得到過多超聲波能量的硅片部分表面的器件結(jié) 構(gòu)可能被損壞。為了高效且對結(jié)構(gòu)低損傷地去除硅片或襯底表面的顆粒和污染，需要有一種好的 方法來控制兆聲波在硅片表面的能量密度分布。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明介紹的一種方法是在清洗過程中，將兆聲波裝置朝向旋轉(zhuǎn)的硅片正面，并 且隨著硅片的不斷旋轉(zhuǎn)，連續(xù)增大兆聲波裝置和硅片之間的距離。硅片每旋轉(zhuǎn)一圈，距離的 增量是兆聲波半波長的一部分，而距離的總增加量在0.5λΝ范圍之內(nèi)，這里λ是兆聲波的 波長，N是從1開始的整數(shù)。本發(fā)明介紹的另一種方法是在清洗過程中，將兆聲波裝置朝向旋轉(zhuǎn)的硅片正面， 并且隨著硅片的不斷旋轉(zhuǎn)，連續(xù)減小兆聲波裝置和硅片之間的距離。硅片每旋轉(zhuǎn)一圈，距離 的縮小值是兆聲波半波長的一部分，而距離的總縮小值在0.5λΝ范圍之內(nèi)，這里λ是兆聲 波的波長，N是從1開始的整數(shù)。本發(fā)明介紹的另一種方法是在清洗過程中，將兆聲波裝置朝向旋轉(zhuǎn)的硅片背面， 并且隨著硅片的不斷旋轉(zhuǎn)，連續(xù)增大兆聲波裝置和硅片之間的距離。硅片每旋轉(zhuǎn)一圈，距離 的增量是兆聲波半波長的一部分，而距離的總增加量在0.5λΝ范圍之內(nèi)，這里λ是兆聲波 的波長，N是從1開始的整數(shù)。本發(fā)明介紹的另一種方法是在清洗過程中，將兆聲波裝置朝向旋轉(zhuǎn)的硅片背面， 并且隨著硅片的不斷旋轉(zhuǎn)，連續(xù)減小兆聲波裝置和硅片之間的距離。硅片每旋轉(zhuǎn)一圈，距離 的縮小值是兆聲波半波長的一部分，而距離的總縮小值在0.5λΝ范圍之內(nèi)，這里λ是兆聲 波的波長，N是從1開始的整數(shù)。


圖1A-1D描述了一個典型的硅片清洗裝置；圖2描述了一個典型的硅片清洗工藝；圖3Α-3Β描述了另一個典型的硅片清洗工藝；圖4描述了另一個典型的硅片清洗裝置；圖5描述了一種硅片清洗方法；圖6描述了另一個典型的硅片清洗裝置；圖7描述了另一個典型的硅片清洗裝置；圖8描述了另一個典型的硅片清洗裝置；圖9描述了另一個典型的硅片清洗裝置；圖10A-10G描述了超聲波或兆聲波傳感器的各種形狀。
具體實施例方式圖IA到圖IB展示了利用兆聲波儀器對硅片進行清洗的常見裝置。硅片清洗裝置 包括硅片1010，由旋轉(zhuǎn)傳動裝置1016控制旋轉(zhuǎn)的硅片夾1014，傳輸清洗液化學試劑或去離 子水1032的噴嘴1012，及兆聲波裝置1003。兆聲波裝置1003由壓電式傳感器1004及與 其配對的聲學共振器1008組成。傳感器1004通電后作用如振動，而共振器1008會將高頻 聲能量傳遞到液體中。由兆聲波能量產(chǎn)生的清洗液的振動使硅片1010表面的顆粒松動，進 而通過由噴嘴1012提供的流動液體1032將其從硅片表面移除。如圖IC所示，為了得到最少的反射能量，反射波rl (從水膜上表面射出)的相位 必需與反射波R2(從水膜下表面射出)的相位相反，這樣水膜厚度應(yīng)等于
5
d = ηλ /2, η = 1,2,3. . (1)這里，d是水膜的厚度或是兆聲波裝置1003與硅片1010之間的距離，η是一個 整數(shù)，而λ是兆聲波在水中的波長。例如，當兆聲波的頻率是937. 5ΚΗζ，λ = 1.6mm時， d = 0. 8mm，1.6mm，2. 4mm等等。即所以當水膜厚度d等于0. 8mm，1. 6mm，2. 4mm時，頻率為 937. 5kHz的兆聲波反射會大大減小。圖ID所示為間距d與由圖IA中所示傳感器1002測得的兆聲波能量密度之間的 關(guān)系。在間距增大到0. 4mm的過程中，可得到從谷值20w/cm2到峰值80w/cm2的多個能量 密度值，并能在間距增大到0. 8mm(0.5A)時得到一個完整的周期。精確穩(wěn)定地控制間距是 能在硅片表面保持均勻的兆聲波能量分布的關(guān)鍵。然而，實際上很難精確地保持一個均勻的間距，特別是當硅片處于旋轉(zhuǎn)模式時。如 圖2所示，如果硅片夾1014的軸心不是百分之百垂直于兆聲波裝置2003表面，兆聲波裝置 與硅片表面2010的間距會從硅片邊緣向硅片中心不斷減小。據(jù)ID所示的數(shù)據(jù)，這將引起 從硅片邊緣向硅片中心兆聲波能量分布的不均勻。如圖3A和3B所示，引起間距變化的另一個原因可能是由于硅片夾的旋轉(zhuǎn)軸不垂 直于硅片表面3010。旋轉(zhuǎn)時硅片上下擺動，圖3B所示為從圖3A所示狀態(tài)旋轉(zhuǎn)180度之后 的狀態(tài)。硅片邊緣處的間距從圖3A所示的最大值減小到圖3B所示的最小值。這將導致當 硅片經(jīng)過兆聲波裝置時，硅片表面的兆聲波能量密度分布不均勻。所有這些不均勻的能量 分布將導致硅片表面的器件結(jié)構(gòu)損傷及硅片清洗不均勻。為了克服在硅片夾旋轉(zhuǎn)過程中由間距變化引起的能量分布不均勻，本發(fā)明揭示了 一種如圖4所示的方法。在清洗過程中，當硅片夾4014旋轉(zhuǎn)時，通過控制絲桿4005和馬達 4006，使兆聲波裝置4003和硅片4010之間的距離增大或減小?？刂茊卧?088用來以馬達 4016的速度為基準控制馬達4006的速度。硅片4010或硅片夾4014每旋轉(zhuǎn)一圈，控制單元 4088命令馬達4006控制兆聲波裝置4003向上或向下移動的距離為Δ ζ = 0.5Λ/Ν這里，λ是超聲波或兆聲波的波長，N是從2到1000之間的整數(shù)。更進一步的細節(jié)如圖5所示，當硅片或硅片夾每旋轉(zhuǎn)一圈增大間距時，在硅片的 相同位置兆聲波能量密度從Pl變到Ρ2。當間距增大到兆聲波的半波長時，能量密度變化了 從Pl到Pll的一個周期。周期的起點取決于兆聲波裝置與硅片特定位置的距離，然而當距 離增大到兆聲波的半波長時，硅片的每一部分都將得到一個完整周期的能量密度。換句話 說，當兆聲波裝置向上移動兆聲波的半波長時(頻率為937. 5kHz時為0. 8mm)，即使是由于 圖2，圖3A和圖3B中提到的原因?qū)е抡茁暡ㄑb置和硅片之間的距離不均勻，硅片的每一部 分也將得到一個完整周期的能量密度。這將保證硅片的每個點都得到同量的兆聲波能量密 度，包括同樣的平均能量密度，同樣的最大能量密度和同樣的最小能量密度。操作過程如下 所述工藝過程1 (兆聲波頻率f = 937. 5kHz，在去離子水中的波長λ = 1. 6mm)步驟1 以速度ω旋轉(zhuǎn)硅片，ω的范圍從IOrpm到1500rpm。步驟2 將兆聲波裝置移動到離硅片距離為d的位置，d的范圍從0. 5到15mm。步驟3 打開噴嘴噴射去離子水或化學試劑，然后開啟兆聲波裝置。步驟4 硅片夾每旋轉(zhuǎn)一圈，將兆聲波裝置上移0. 5 λ /N (mm)，這里N是從2到1000的整數(shù)。步驟5:繼續(xù)步驟4的操作，直到兆聲波裝置上移0.5η λ (mm)的距離，這里η是從 1開始的整數(shù)。步驟6 硅片夾每旋轉(zhuǎn)一圈，將兆聲波裝置下移0. 5 λ /N (mm)，這里N是從2到1000 的整數(shù)。步驟7:繼續(xù)步驟6的操作，直到兆聲波裝置下移0.5η λ (mm)的距離，這里η是從 1開始的整數(shù)。步驟8 重復步驟4到7，直到硅片清洗完成。步驟9 關(guān)閉兆聲波裝置，停止噴射去離子水或化學試劑，使硅片干燥。工藝過程2 (兆聲波頻率f = 937. 5kHz，在去離子水中的波長λ = 1. 6mm)步驟1 以速度ω旋轉(zhuǎn)硅片，ω的范圍從IOrpm到1500rpm步驟2 將兆聲波裝置移動到離硅片距離為d的位置，d的范圍從0. 5到15mm。步驟3 打開噴嘴噴射去離子水或化學試劑，然后開啟兆聲波裝置。步驟4 硅片夾每旋轉(zhuǎn)一圈，將兆聲波裝置上移0. 5 λ /N (mm)，這里N是從2到1000 的整數(shù)。步驟5:繼續(xù)步驟4的操作，直到兆聲波裝置上移0.5η λ (mm)的距離，這里η是從 1開始的整數(shù)。步驟6 關(guān)閉兆聲波裝置，停止噴射去離子水或化學試劑，使硅片干燥。傳感器的頻率可以設(shè)置在超聲波和兆聲波范圍內(nèi)，頻率的大小取決于被清洗的顆 粒的尺寸。顆粒尺寸越大，用到的頻率越小。超聲波的范圍在20kHz到200kHz之間，而兆 聲波的范圍在200kHz到IOMHz之間。為了去除相同基底或硅片表面不同尺寸的顆粒，也需 要連續(xù)或同時交替改變機械波的頻率。如果一個雙重的波頻率被使用，高頻率f\應(yīng)該是低 頻率f2的整數(shù)倍，而傳感器的移動范圍應(yīng)該是0. 5 λ 2n，硅片夾每旋轉(zhuǎn)一圈距離的增大或減 小值應(yīng)為0. 5 λ "Ν，這里λ 2是頻率為f2的低頻波對應(yīng)的波長，λ工是頻率為的高頻波對 應(yīng)的波長，N為從2到1000之間的整數(shù)，η為從1開始的整數(shù)。以下所述為利用化學試劑去除顆粒和污染的一個例子有機物去除=H2SO4 H2O2 = 4:1顆粒減少NH4OH H2O2 H2O = 1 1 5金屬污染去除HC1 H2O2 H2O = 1 1 6氧化物去除HF H2O = 1 100圖6所示為按照本發(fā)明將兆聲波儀器運用到硅片清洗裝置的另一個實例。這個裝 置與圖4所示裝置相似，不同之處在于硅片夾是通過絲桿6005和馬達6006的控制而垂直 移動?？刂茊卧?088通過絲桿6005和馬達6006來控制硅片夾6014上下移動，進而改變 兆聲波裝置6003和硅片6010之間的距離。圖7所示為按照本發(fā)明將兆聲波儀器運用到硅片清洗裝置的另一個實例。這個裝 置與圖4所示裝置相似，不同之處在于兆聲波裝置7003被放置在硅片7010背面，并在絲桿 7005和馬達7006的控制下垂直移動?？刂茊卧?088通過絲桿7005和馬達7006來控制兆 聲波裝置7003上下移動，進而改變兆聲波裝置7003和硅片7010背面之間的距離。兆聲波 穿過水膜7034和硅片7010傳遞到硅片7010正面和水膜7032。噴嘴7011提供去離子水或化學試劑來維持兆聲波裝置7003和硅片7010背面之間的水膜7034。這個裝置的優(yōu)點在 于，可以減小或消除可能由兆聲波引起的對硅片7010正面器件結(jié)構(gòu)的損傷。圖8所示為按照本發(fā)明將兆聲波儀器運用到硅片清洗裝置的另一個實例。這個裝 置與圖4所示裝置相似，不同之處在于硅片8010正面朝下，而一排噴嘴8018朝向硅片8010 正面。兆聲波穿過水膜8032和硅片8010本身傳遞到硅片8010正面。圖9所示為按照本發(fā)明將兆聲波儀器運用到硅片清洗裝置的另一個實例。這個裝 置與圖4所示裝置相似，不同之處在于壓電式傳感器9004表面與硅片9010之間有個夾角 α。共振器9008與壓電式傳感器9004相連，兆聲波穿過共振器9008和去離子水膜或化學 試劑膜傳遞到硅片上。工藝過程1，2和3可以應(yīng)用到這里。圖IOA到圖IOG所示為按照本發(fā)明兆聲波裝置的頂視圖。圖4所示的兆聲波裝置 可以由不同形狀的兆聲波裝置10003替代，即圖IOA所示的三角形或餡餅形，圖IOB所示的 矩形，圖IOC所示的八角形，圖IOD所示的橢圓形，圖IOE所示的半圓形，圖IOF所示的四分 之一圓形，圖IOG所示的圓形。盡管本申請已經(jīng)對一些具體裝置，例子和應(yīng)用進行了描述，但是本發(fā)明并不排除 那些顯而易見的各種修改和變化。
權(quán)利要求
一種利用超聲波或兆聲波裝置清洗半導體襯底的方法，包含利用一個硅片夾夾住半導體襯底；將一套超聲波或兆聲波裝置置于接近半導體襯底的位置；利用至少一個噴嘴將化學液體噴射到硅片襯底及半導體襯底與超聲波或兆聲波裝置之間的間隙中。在清洗過程中，硅片夾每旋轉(zhuǎn)一圈，都要改變半導體襯底和超聲波或兆聲波裝置之間的距離。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過將超聲波或兆聲波裝置以垂直于半導體襯底 的方向移動來改變間隙的大小。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過將硅片夾以垂直于超聲波或兆聲波裝置的方 向移動來改變間隙的大小。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，超聲波或兆聲波裝置置于朝向并靠近半導體襯底 正面的位置。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，超聲波或兆聲波裝置置于朝向并靠近半導體襯底 背面的位置。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，化學液體通過置于半導體硅片正面附近的第一個 噴嘴噴射到半導體襯底正面，同時，化學液體通過置于半導體硅片背面附近的第二個噴嘴 噴射到半導體襯底背面。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，硅片夾每旋轉(zhuǎn)一圈，間隙增大0.5λ/Ν，這里λ是 超聲波或兆聲波的波長，N是一個從2到1000的整數(shù)。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，硅片夾每旋轉(zhuǎn)一圈，間隙減小0.5λ/Ν，這里λ是 超聲波或兆聲波的波長，N是一個從2到1000的整數(shù)。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在清洗過程中，間隙大小在0.5 λ η范圍內(nèi)變化，這 里λ是超聲波或兆聲波的波長，η是從1開始的整數(shù)。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，聲學儀器的聲波頻率是雙頻率。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中，雙頻率包括一個高頻Π和一個低頻f2，并且Π =M f2，這里M是從2開始的整數(shù)。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，硅片夾每旋轉(zhuǎn)一圈，間隙增大0.5λ/N，這里X1 是高頻波的波長，N是一個從2到1000的整數(shù)。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，硅片夾每旋轉(zhuǎn)一圈，間隙減小0.5λ/N，這里X1 是頻率為Π的高頻波的波長，N是一個從2到1000的整數(shù)。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，在清洗過程中，間隙大小在0.5 λ 2η范圍內(nèi)變化， 這里λ 2是低頻波的波長，η是從1開始的整數(shù)。
15.利用超聲波或兆聲波裝置清洗半導體襯底的裝置，包含一個夾著半導體襯底的硅片夾；一套置于半導體襯底附近的超聲波或兆聲波裝置；至少有一個噴嘴將化學液體噴射到硅片襯底及半導體襯底與超聲波或兆聲波裝置之 間的間隙中；在清洗過程中，硅片夾每旋轉(zhuǎn)一圈，一個控制單元改變半導體襯底和超聲波或兆聲波裝置之間的距離。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，通過將超聲波或兆聲波裝置以垂直于半導體襯 底的方向移動來改變間隙的大小。
17.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，通過將硅片夾以垂直于超聲波或兆聲波裝置的 方向移動來改變間隙的大小。
18.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，超聲波或兆聲波裝置置于朝向并靠近半導體襯 底正面的位置。
19.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，超聲波或兆聲波裝置置于朝向并靠近半導體襯 底背面的位置。
20.如權(quán)利要求19所述的裝置，其中，化學液體通過置于半導體硅片正面附近的第一 個噴嘴噴射到半導體襯底正面，同時，化學液體通過置于半導體硅片背面附近的第二個噴 嘴噴射到半導體襯底背面。
21.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，硅片夾每旋轉(zhuǎn)一圈，間隙增大0.5λ/Ν，這里λ 是超聲波或兆聲波的波長，N是一個從2到1000的整數(shù)。
22.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，硅片夾每旋轉(zhuǎn)一圈，間隙減小0.5λ/Ν，這里λ 是超聲波或兆聲波的波長，N是一個從2到1000的整數(shù)。
23.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，在清洗過程中，控制單元使得間隙大小在0.5 λ η 范圍內(nèi)變化，這里λ是超聲波或兆聲波的波長，η是從1開始的整數(shù)。
24.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中，超聲波或兆聲波儀器產(chǎn)生雙波長。
25.如權(quán)利要求24所述的裝置，其中，雙頻率包括一個高頻Π和一個低頻f2，并且fl =M f2，這里M是從2開始的整數(shù)。
26.如權(quán)利要求25所述的裝置，其中，硅片夾每旋轉(zhuǎn)一圈，間隙增大0.5λ/N，這里X1 是頻率為Π的高頻波的波長，N是一個從2到1000的整數(shù)。
27.如權(quán)利要求25所述的裝置，其中，硅片夾每旋轉(zhuǎn)一圈，間隙減小0.5λ/N，這里X1 是頻率為Π的高頻波的波長，N是一個從2到1000的整數(shù)。
28.如權(quán)利要求25所述的裝置，其中，在清洗過程中，控制單元使得間隙大小在 0. 5 λ 2η范圍內(nèi)變化，這里λ 2是頻率為f2的低頻波的波長，η是從1開始的整數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種利用超聲波或兆聲波裝置清洗半導體襯底的方法，包括利用一個硅片夾夾住半導體襯底，將一套超聲波或兆聲波裝置置于半導體襯底附近，噴射化學液體到硅片襯底及半導體襯底與超聲波或兆聲波裝置之間的間隙中，在清洗過程中，硅片夾旋轉(zhuǎn)的同時改變半導體襯底和超聲波或兆聲波裝置之間的距離。硅片夾每旋轉(zhuǎn)一圈，間隙增大或減小0.5λ/N，清洗過程中間隙大小在0.5λn范圍內(nèi)變化，這里λ是超聲波或兆聲波的波長，N是一個從2到1000的整數(shù)，n是從1開始的整數(shù)。
文檔編號H01L21/00GK101879511SQ20091005083
公開日2010年11月10日 申請日期2009年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月8日
發(fā)明者S·V·納其, 武俊萍, 王堅, 王暉, 謝良智, 賈照偉, 高志峰, 黃允文 申請人:盛美半導體設(shè)備(上海)有限公司