CN1231500A - 半导体器件的生产工艺和其中使用的清洗装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种用于生产半导体器件的工艺过程,其构成为:一个在半导体晶片上生成金属布线图的工序,一个安置许多带有布线图的半导体晶片并用清洗液对其进行清洗的工序(清洗工序),一个使清洗后的半导体晶片高速旋转以甩出粘附在半导体晶片上的清洗液的工序(甩出工序),和一个用纯水漂洗已除去清洗液的半导体晶片的工序(漂洗工序)。按照本工艺过程生产半导体器件,在生成金属布线图的工序中出现的杂质和残留物,能在不导致腐蚀金属布线的情况下被除去,并以低成本生成出高质量的半导体器件。

Description

半导体器件的生产工艺和 其中使用的清洗装置
本发明涉及一种半导体器件的生产工艺和其中使用的清洗。
在半导体器件的生产过程中，每一个半导体晶片在于其上生成布线图后，需被清洗以除去在所述步骤中出现并粘附到布线上的杂质和残留物。
生成布线图的步骤如下。在其上形成有半导体元件的半导体晶片上，形成用导线材料制成金属薄膜，然后在金属薄膜上生成一层保护膜，对抗蚀剂膜进行光刻以便形成一个精细的保护图案。用保护图案作为掩模，对金属薄膜进行干刻。然后用等离子体磨光等方法除去金属薄膜上的这层保护膜，这样就制成了布线图形。然而，在生成布线图形时，对金属薄膜进行干刻和随后除去保护膜图形时会产生杂质和残留物拈附在金属布线上。粘附在金属布线上的杂质和残留物造成各种布线缺陷，导致生产率和最终产品如半导体元件的性能和可靠性的下降。因此为除去杂质和残留物，须在生成布线图形后进行清洗。
清洗杂质和残留物，一般用有机清洗液、酸性清洗液和碱性清洗液等进行湿洗，之后用纯水进行最后的漂洗。
当布线图形很精细时，进行杂质和残留物的清洗，清洗液主要采用有机清洗液，其对金属布线的腐蚀相对较小。但是，普通有机清洗液的清洗能力较差，并带来许多问题。例如，由于有机清洗液差的清洗能力，在使用有机清洗液清洗之前需用碱液处理(而碱液有腐蚀性)，而且在用有机清洗液清洗之后，在用纯水漂洗之前，还需用高燃点的有机溶剂(如异丙醇)进行预漂洗。
因此，用一种含有氟化物(如氟化铵)的有机清洗液来代替普通有机清洗液。这种有机清洗液包括一种氟化物(例如氟化铵)，一种溶剂(如二甲亚砜)和水。清洗液中含有的氟化铵有通过侵蚀掉布线与粘附在布线上的杂质和残留物之间自然形成的氧化膜，来除去拈附在金属布线上的金属杂质和残留物的作用。同时，清洗液中含有的溶剂溶解并除掉脂类的杂质和残留物。结果，含有氟化物的有机清洗液可充分地除去金属的和脂类的杂质和残留物，而不必用有腐蚀作用的碱液来处理了。而且，上述的有机清洗液在约为室温(25℃)的相对较低的温度下，也表现出优越的清洗能力。另外，由于这种有机清洗液被认为基本上对金属布线无腐蚀，因而在使用这种有机清洗液清洗后可直接用纯水漂洗，而不需进行预漂洗。顺便说一句，使用预漂洗溶剂进行预漂洗会导致成本上升，需额外的预漂洗工序和对废液进行处理的工序，这样使整个工艺过程没有优势，而且，氟化物和预漂洗溶剂在一些情况下会相互反应而产生问题，因此，最好不要进行漂洗。
其它含有氟化物的清洗液在JP-A-7-271056中有说明。在这个文献中说明了一种用于光致抗蚀剂的剥去溶液。光致抗蚀剂由一种水溶液构成，包括按给定比例的一种特殊的有机羧酸铵盐或一种特殊的有机羧酸胺盐与一种氟化物。用于光致抗蚀剂的剥去溶液是由包括按给定比例配成的一种特殊的有机羧酸铵盐或一种特殊的有机羧酸胺盐，一种氟化物和一种特殊的有机溶剂的水溶液构成。
近年来，随着半导体器件变得更小，集成度更高，需要更加精细的布线图形，每一根布线的宽度以及相邻布线间的距离变得更细微。在清洗这样精细的布线时，即使是对布线非常轻微的腐蚀也会显著改变布线的大小尺寸，洗后的布线图形不同于设计尺寸，而清洗传统的布线图形时不会有这个问题。结果，洗后的布线带有许多缺陷，如接触不良、短路等。
因此，即使是用上述的含有氟化物的清洗液清洗，也存在一个问题，即在用上述的清洗液清洗后用纯水漂洗会腐蚀布线。当许多半导体布线按给定间隔排列在一起进行清洗和漂洗时，纯水漂洗对布线的腐蚀作用特别明显。集中处理大量的半导体晶片对于简化生产过程和降低成本是很重要的，因此，这种处理造成的明显的腐蚀是一个严重的问题，因为对降低半导体器件成本的要求正变得日益强烈。
本发明提出一种生产半导体器件的工艺过程，其中在生成金属布线图形时出现的杂质和残留物可在不导致对金属布线腐蚀的情况下被除出，从而以较低的成本生产出高质量的半导体器件。在这个过程中要用到一种清洗设备。
本发明体现在一种生产半导体器件的工艺过程中，包括：
一个在半导体晶片上生成金属布线图形的工序；
一个排列许多形成有布线图形的半导体晶片并用一种清洗液清洗它们的工序(清洗工序)；
一个高速旋转被清洗的半导体晶片以将附着在半导体晶片上的清洗溶液甩出的工序(甩出工序)；和
一个用纯水漂洗除去附在半导体晶片上的清洗液的工序(漂洗工序)。
本发明也涉及一种清洗设备，包括：一个用来容纳许多排列好的带有铝基布线图形的半导体晶片并使这些半导体晶片旋转的装置(包容和旋转装置)；一个向半导体晶片喷射含有氟化物的清洗液的装置(供给清洗液装置)；一个向半导体晶片喷射纯水的装置(供给纯水装置)；和一个向半导体晶片喷射惰性气体的装置(供给惰性气体装置)。
按照本工艺生产半导体器件，在生成金属布线图形的工序中出现的杂质和残留物能在不导致金属布线腐蚀的情况下被除去，并以较低的成本生产出高质量的半导体器件。而且，由于粘附在半导体器件上的清洗液可几乎完全地在甩出工序中被除去，就没有必要用一种溶剂进行传统的预漂洗工序，使漂洗工序得到简化，可防止残余清洗液使半导体器件质量和可靠性降低。
图1是本发明的清洗设备的一个实施例中使用的处理盒的构造示意图。
图2是说明随着本发明例子中所用的清洗液浓度发生变化，对铝的侵蚀率的变化的曲线图。
下文中将用具体实施例来对本发明作详细的说明。
在本发明的工艺过程中，例如采用普通方法生成布线图形。首先，采用溅射等方法，在形成有一个扩散层和一个绝缘薄膜等的晶片上用导线材料制成一金属薄膜。然后，在该金属膜上覆盖上一层保护膜，保护膜通过光刻形成一个精细的保护图案。随后，用这个保护图案作为掩模对金属膜进行干刻。金属膜上的保护图案用等离子体磨光等方法除去，这样一个布线图形就制好了。
当形成用以铝为基础的布线材料制成的布线图形，即形成铝基布线图形时，本发明的工艺过程特别有效。铝基布线材料包括铝和铝合金，例如铝硅合金、铝铜合金和铝硅铜合金等。
在对用铝基导线材料制成的金属膜进行干刻时，要用到一种含一种氯化物的气体，这些氯化合物有三氯化硼、四氯化碳、氯气、氯化氢、四氯化硅等。
对上述的带布线图形的晶片进行清洗，方法如下：
首先，许多晶片按给定间隔被固定在清洗装置上，用清洗液在室温左右的情况下清洗约5到10分钟(清洗工序)。清洗可采用喷淋式的湿处理方法或DIP式的湿处理方法等。然后，晶片被高速旋转以甩出粘在晶片上的清洗液(甩出工序)。之后，再在室温下对晶片漂洗5到10分钟(漂洗工序)。最后，通过旋转干燥等方法使晶片变干(干燥工序)。
在本发明的清洗工序中，所用的清洗液是含有一种氟化合物的清洗液较好，更好是含有氟化合物，一种溶剂和水的清洗液。
清洗剂中含有的氟化合物包括氟化铵、氢氟化铵、氢氟酸、硼氟化铵等，其中，氟化铵是首选。氟化物的含量百分比较好为0.1～10％重量，最好是0.5～5％重量，当含量太低时，所得到的清洗液的清洗能力较差，当含量太高时，会造成清洗时清洗液对布线的腐蚀。
对于清洗液中含有的溶剂，采用的是一种能溶解树脂物质的有机溶剂。这种溶剂例如已知的有亚砜类如二甲亚砜，酰胺类如二甲酰胺、二甲乙酰胺、N甲基吡咯烷酮等，内酯类如丁内酯(butyrolactone)等，腈类如乙腈、笨基氰等。其中，二甲亚砜为首选。清洗液中溶剂的含量使溶剂能除去树脂状杂质和残留物。当含量太低时，此时清洗液的清洗能力较差，而且，清洗液中水的比例的增大还使清洗液有较高的腐蚀性。在本发明的实施例中，清洗液中溶剂的含量较好为30～90％重量，最好为50～80％重量。
清洗方式可以是喷淋式湿处理或DIP式湿处理等方法。在喷淋式湿处理时，当清洗液喷淋到晶片上时，会产生一种物理作用力，即作用在附着在晶片的布线图形上的杂质和残留物上的清洗液的喷射压力，从而使清洗效果更好。因此，应采用喷淋式的湿处理方法。
清洗温度在日常温度附近，但只要没有清洗液中的活性成分分解和随之带来的清洗能力的下降，清洗温度还可提高。没有对清洗的时间作出特定的限制，可根据清洗的方式、布线材料和抗蚀剂的种类、杂质和残留物的数量、清洗液中的活性成分情况、清洗温度等作适当的选择。
在甩出工序，优选喷射惰性气体，如氮气、氦气等。喷射惰性气体可提高除去附在基片上的清洗液的效果。喷射惰性气体不仅有在物理上除去清洗液的效果，而且有可用干的气体取代清洗装置中基片周围的气氛的效果。在本发明的实施例中，惰性气体的流速在80～100升/分钟就可达到满意的效果。
而且，惰性气体最好加热到大约100～150℃。用这种加热的惰性气体，溶剂、水和其它清洗液中的挥发成分可容易地气化，除去清洗液的效率可更高。
甩出工序中的旋转速度控制在清洗液被充分甩出的水平上。在一个相对短的时间内，为完成甩出工作最好用更高的转速。在本发明的实施例中，在大约1000～2000转/分钟就可达到足够的效果。甩出操作的时间根据转速、喷入的惰性气体的数量和温度等进行适当设置，但最好为约1～10分钟。
漂洗工序可按照普通方法进行。当在清洗工序中采用喷淋式湿处理方法时，漂洗最好为向晶片上喷淋纯水。可在漂洗前用弱酸水溶液进行预漂洗。
干燥工序也可按照普通方法进行。当在清洗工序中采用喷淋式湿处理方法时，最好在理想的温度和转速下，采用旋转干燥法。
图1所示的是本发明的清洗装置的实施例中所用的一个处理盒的构造示意图。
处理盒内部用SUS制成。处理盒中有一个包容着支架1并使支架1转动的转子2。在支架1上固定着许多有给定间隙的晶片3，在支架1周围有许多能喷射出清洗液、氮气、纯水和可选用的弱酸水溶液的喷射部件4。喷射部件4有一个或多个喷嘴，这些喷射部件可独立地用于要喷射的每一种物质，或者两种或更多种物质也可从一个喷射部件中喷出。例如，如果一个用于喷射纯水的喷射部件也可用于喷射氮气，则氮气可以从许多喷射部件中喷射，也就是说，除了完全用于喷射氮气的喷射部件，也可从上面所说的喷射纯水的喷射装置中喷射。另外，可在连接喷射部件的供给管路上设置一个开关阀，喷射弱酸水溶液和喷射纯水之间进行转换。被喷射到晶片上的清洗液、纯水等作为废液通过废液出口5从处理盒中排出。
在使用带有上述处理盒的清洗装置时，每个晶片上形成有一个铝布线图形(线宽0.44um，相邻布线间距0.32um)，对它们的清洗过程如下。
所用的清洗液含有重量百分比为1％的氟化铵，69％的二甲亚砜和30％的水。
处理盒中的支架上固定有25个晶片。当转子以35转/分钟的速度旋转时，清洗液从喷射部件中以23℃的温度喷向晶片，共进行5分钟(清洗工序)。
然后，转子转速增加到1500转/分钟，以用掉粘在晶片上的清洗液，与此同时，120℃的氮气从两个喷射部件中喷向晶片，共进行1分钟(甩出工序)。
随后，对转子转速进行适当的控制，纯水从两个喷射部件中以23℃的温度喷向晶片进行漂洗，按普通方法进行大约10分钟(漂洗工序)。然后，再用普通方法进行旋转干燥(干燥工序)。
旋转干燥之后，用扫描电子显微镜对一个晶片的截面进行观察，布线的尺寸未改变，布线未腐蚀，也没有杂质和残留物。另外，为了对比，除了没有进行甩出工序，对上面所用的同样的晶片做了相同的处理，并用同样的方式进行观察。结果，布线的宽度减小了0.1um，也就是说，由于清洗中未进行甩出操作，布线的宽度改变了23％。
为研究上面的结果，本发明人作了一个测试以检验本例中所用的清洗液对铝的腐蚀性。图2是说明上述例子中所用清洗液的浓度对铝受侵蚀速度的影响的曲线图。横轴上清洗液的浓度为：清洗液数量/(清洗液数量+所加水的数量)。在清洗液浓度为100％时的侵蚀率是本例中所用清洗液的侵蚀率。在低清洗液浓度时的侵蚀率即所说的被纯水稀释后的清洗液的侵蚀率。
从图可明显看出，即使清洗液本身没有腐蚀性，用水稀释后也会出现腐蚀性。因此，可推测出即使在清洗工序并未发生布线的腐蚀，但如果在漂洗工序中，清洗液仍留在晶片上，就会被纯水稀释而产生腐蚀性，导致对布线的腐蚀。可以推测，在进行了甩出工序的本发明的处理过程中，由于清洗工序中附着在晶片上的清洗液在甩出工序中几乎完全被甩出而没有清洗液留在晶片上，这样在随后的漂洗工序中就不会对布线产生腐蚀了。

Claims (12)

1．一种生产半导体器件的处理工艺包括：
一个在半导体晶片上生成金属布线图形的工序；
一个安置许多形成有布线图形的半导体晶片并用清洗液对其清洗的工序(清洗工序)；
一个使清洗后的半导体晶片高速旋转以甩出附着在半导体晶片上的清洗液的工序(甩出工序)；和
一个用纯水漂洗已除去清洗液的半导体晶片的工序(漂洗工序)。
2．如权利要求1所述的处理工艺，其特征在于在甩出工序中，半导体晶片高速旋转的同时，惰性气体被喷射到晶片上。
3．如权利要求1所述的处理工艺，其特征在于在甩出工序中，半导体晶片高速旋转的同时，被加热的惰性气体被喷射到晶片上。
4．如权利要求1所述的处理工艺，其特征在于包括一个在甩出工序之后，在漂洗工序之前，用弱酸溶液漂洗半导体晶片的工序(预漂洗工序)。
5．如权利要求1所述的处理工艺，其特征在于在清洗工序中，用向半导体晶片上喷射清洗液的方法清洗晶片。
6．如权利要求5所述的处理工艺，其特征在于在漂洗工序中，纯水被喷向半导体晶片以漂洗晶片。
7．如权利要求1所述的处理工艺，其特征在于清洗液是含有氟化合物的清洗液。
8．如权利要求7所述的处理工艺，其特征在于金属布线是一种铝基布线。
9．一个清洗装置具有：
一个用来容纳许多排列好的各带有形成于其上的铝基布线图形的半导体晶片并使这些半导体晶片旋转的装置(容纳和旋转装置)；
一个向半导体晶片喷射含有氟化合物的清洗液的装置(供给清洗液装置)；
一个向半导体晶片喷射纯水的装置(供给纯水装置)；和
一个向半导体晶片喷射惰性气体的装置(供给惰性气体装置)。
10．如权利要求9所述的清洗装置，其特征在于有一个向半导体晶片喷射被加热的惰性气体的装置。
11．如权利要求9所述的清洗装置，其特征在于有一个向半导体晶片喷射弱酸溶液的装置(供给弱酸溶液装置)。
12．如权利要求9所述的清洗装置，其特征在于其供给纯水装置有一个供给溶液转换装置，可以先供给弱酸溶液，然后再供给纯水。
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