TWI487013B - 半導體清洗方法與裝置及其控制方法 - Google Patents

Description

半導體清洗方法與裝置及其控制方法

本發明是有關於一種清洗方法，且特別是有關於一種半導體清洗方法與裝置及其控制方法。

半導體裝置(例如是晶圓)之製造利用到多種顯影技術，其中，尤其是光微影製程，其更已成為半導體製程中形成並圖案化不同材料層之標準流程。一般光微影製程之操作程序包括：於半導體裝置上沈積一光阻層；使選定之部分光阻層曝光；利用顯影液將不需要之光阻溶解掉以使光阻層顯影，其中，若是使用正型光阻，則照射到光的部分會溶解在顯影液中，反之，若使用負型光阻，則未照射到光的部分會溶解在顯影液中。之後，再清洗半導體裝置以將顯影液完全去除。清洗過後，通常會利用氣體(如氮氣)吹乾半導體裝置，以將多餘的液體與雜質去除。接下來於光微影製程完成之前，再進行硬烤光阻層之步驟，以強化光阻層之結構。

現今由於市場競爭的關係，對半導體裝置之品質要求越來越高。由於半導體之性能攸關於半導體之微細構造，各家半導體製造廠商無不致力於改良半導體裝置之結構。然而，受限於傳統上半導體製程之限制，特別是上述提及之光微影製程，製程良率並非總是令人滿意。舉例來說，於半導體裝置之顯影步驟後，光阻層通常會伴隨著多處缺陷，這些缺陷大多是倒塌的光阻結構所構成，不僅降低半導體裝置之品質，同時也影響製程良率，是以如何解決上述問題實乃為必要之課題。

本發明係有關於一種半導體清洗方法與裝置及其控制方法，用以在半導體製程中有效維持光阻層之結構，進而降低缺陷的發生率，並增加製程良率。

根據本發明之一方面，提出一種半導體清洗方法，其包括步驟：提供顯影液至晶圓之一已預先曝光之光阻層上；使位在晶圓之中央上方位置之噴嘴持續一段時間噴灑清洗液至光阻層，其中，清洗液係不與光阻層與顯影液反應；沿著晶圓之半徑方向移動噴嘴至晶圓上方之至少一下一位置；使停留在該至少一下一位置之噴嘴持續至少另一段時間噴灑清洗液至光阻層；以及，清洗晶圓直到顯影液與溶解在顯影液中之光阻被沖淨為止，以露出晶圓之一圖案化光阻。

根據本發明之另一方面，提出一種半導體清洗裝置，其包括一載架、一顯影液供應元件、一旋轉驅動元件、一清洗液供應元件、一動作驅動元件與一控制器。載架用以承載一晶圓，其中，晶圓具有一已預先曝光之光阻層。顯影液供應元件用以提供一顯影液至晶圓上。旋轉驅動元件用以旋轉載架及載架上之晶圓，藉此使顯影液均勻地分散在光阻層上。清洗液供應元件具有一噴嘴用以噴灑一清洗液，其中，清洗液係不與光阻層與顯影液反應。動作驅動元件用以移動噴嘴。控制器用以控制清洗液供應元件與動作驅動元件，其中，於不必要之光阻溶解在顯影液後，控制器係控制噴嘴於晶圓上之多個位置停留，並以相同或不同之時間長短噴灑清洗液。

根據本發明之再一方面，提出一種半導體清洗之控制方法，其包括步驟：設定噴嘴移動之一路徑，其中，噴嘴用以噴灑清洗液至晶圓上，而該路徑包括噴嘴停留之多個位置；設定噴嘴於該些位置停留之多個時間長短；以及，使噴嘴依照該路徑移動，並根據該些時間長短停留在該些位置上。

為讓本發明之上述內容能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

半導體製造之光微影製程通常包括塗佈光阻材料、曝光光阻材料以及使光阻材料之圖案顯影出來等步驟。本實施例係以光阻之顯影及其清洗過程為例作說明，然本發明並不侷限於此。

請參照第1圖，其係依照本發明較佳實施例的一種半導體清洗裝置100之示意圖。半導體清洗裝置100包括一載架101、一顯影液供應元件103、一旋轉驅動元件105、一清洗液供應元件107、動作驅動元件109、110與一控制器111。載架101用以承載一晶圓200。載架101例如是一圓盤，以提供足夠之吸力托住晶圓200。晶圓200具有一光阻層201，光阻層201已預先被選擇性地曝光以形成特定之光阻圖案，此光阻圖案在晶圓200完成顯影後係保留在晶圓200上。

顯影液供應元件103用以提供一顯影液至晶圓200上。顯影液供應元件103具有噴嘴112，其係由動作驅動元件110控制，以噴灑顯影液至晶圓200上溶解光阻層201上不需要的光阻201A。光阻材料分為正型光阻與負型光阻，顯影液係可根據光阻材料之特性去選定。舉例來說，當光阻層201之材料為正型光阻，顯影液係可為鹼性溶液，或較佳為去離子鹼性稀釋溶液(dilute nonionic alkaline solution)。

旋轉驅動元件105連接載架101，用以旋轉載架101及載架101上之晶圓200，藉此使顯影液或其他種類之溶液均勻地分散在光阻層201上。舉例來說，旋轉驅動元件105包括馬達，其旋轉軸係與載架101結合。清洗液供應元件107具有一噴嘴113用以噴灑清洗液至晶圓200，其中，清洗液係不與光阻層201與顯影液反應，以洗淨晶圓200並保留晶圓200之光阻圖案。清洗液較佳為純水或超純水。

動作驅動元件109用以移動噴嘴113以改變噴嘴113相對於晶圓200之位置。較佳地，動作驅動元件109與上述控制噴嘴112之動作驅動元件110各別包括機械元件，如馬達、導軌、皮帶、皮帶輪、齒輪組等所構成之機構(未繪示)。本實施例中，動作驅動元件109、110分別驅使噴嘴113、112沿著晶圓200之半徑方向移動。

控制器111例如是一可程式控制器，其電性連接至顯影液供應元件103、旋轉驅動元件105、清洗液供應元件107與動作驅動元件109、110，以控制這些元件之狀態。舉例來說，可對應這些元件之操作方式在控制器111中設定由電腦碼編寫之特定程式，如此，噴嘴112、113之移動路徑、顯影液供應元件103之顯影液供應量、清洗液供應元件107之清洗液供應量可在晶圓200之顯影步驟開始之前，事先設定在控制器111中。此外，這些元件被致動之順序亦可事先規劃並設定在控制器111中。

請參照第2A圖，其係依照本發明較佳實施例的一種半導體清洗之控制方法之流程圖。半導體清洗之控制方法包括步驟S101至S103。於步驟S101中，先設定噴嘴移動之一路徑，其中，噴嘴用以噴灑清洗液至晶圓上，而該路徑包括噴嘴停留之多個位置。如第1圖所示，噴嘴113移動之路徑係預先設定在控制器111中。接著，如步驟S102所示，設定噴嘴於這些位置停留之多個時間長短，這些時間長短亦可設定於控制器111中。然後，如步驟S103所示，使噴嘴依照該路徑移動，並根據該些時間長短停留在該些位置上。

並請參照第2B圖，其係依照本發明較佳實施例的一種半導體清洗方法之流程圖。半導體清洗方法包括步驟S201至S208，之後將詳細說明各步驟。顯影過程中，噴嘴係在晶圓上方的多個位置停留，而各位置停留的時間長短可相同或不相同。以下係以噴嘴停留在晶圓上方三個位置為例作說明，然本發明並不限定於此。

在步驟S201中，提供顯影液至晶圓上，其中，晶圓具有一已預先曝光之光阻層。通常，為了形成具有特定圖案之光阻層，可將具有預定圖案之不透明或半透明光罩覆蓋在塗佈好的光阻層上，再進行曝光的步驟。由於光阻材料具有感光特性，未被光罩覆蓋之光阻部分會吸收光能量而改變其對於顯影液之反應。以正型光阻為例，在正型光阻曝光一段時間後，照光的部分係可溶解於顯影液中，而未照光的部分則不會被顯影液所溶解，因此在顯影步驟後，與光罩之預定圖案相似之光阻圖案係可保留下來。

如第1圖所示，在噴嘴112噴灑顯影液之前，較佳地可先將噴嘴112移到晶圓200之中央上方位置，使顯影液直接滴落到晶圓200中央。

接著，如步驟S202所示，旋轉晶圓以使顯影液均勻地分散在光阻層上，以溶解不需要的光阻。如第1圖所示，當旋轉驅動元件105旋轉載架101及晶圓200時，旋轉所產生的離心力會對顯影液造成一股拖拉的力量，使顯影液從晶圓200中心流向晶圓200邊緣。在載架101旋轉之作用下，顯影液係散佈在光阻層201上，以均勻地將不需要之光阻，如已曝光之光阻部分溶解掉。在供應足夠的顯影液後，動作驅動元件110再將位在晶圓200中央上方之噴嘴112移回其初始位置，如晶圓200邊緣外之位置。之後，當不需要的光阻完全溶解於顯影液後，係可執行晶圓200之清洗步驟。

如步驟S203所示，使噴嘴停留在第一位置並持續第一段時間以噴灑清洗液至晶圓之光阻層上，其中，第一位置係對應晶圓之中央上方位置。請參照第3A圖，其係可移動之噴嘴停留在晶圓上不同位置之示意圖。較佳地，清洗液供應元件107之噴嘴113係從晶圓200之中央上方位置之第一位置P1開始。噴嘴113持續第一段時間停留在第一位置P1，其中，第一段時間之長短係可預先設定在控制器111中，第一段時間例如為20秒。

於第一段時間中，靜止之噴嘴113係噴灑清洗液至晶圓200上。同時，旋轉驅動元件105係持續旋轉載架101及其上之晶圓200，所產生之離心力會作用在清洗液上，朝晶圓200邊緣之方向牽引清洗液流動。當清洗液於晶圓200上流動時，顯影液與已溶解之光阻會與清洗液混合在一起，且在離心力之作用下被逐漸帶走。於第一段時間結束後，清洗方法跳至下一步驟S204。

於步驟S204中，使噴嘴沿著晶圓之半徑方向移動至晶圓上方之第二位置。如第3A圖所示，噴嘴113係可等速或非等速地在晶圓200上移動，較佳地，噴嘴113係等速移動。而在噴嘴113移動到第二位置P2之過程中，噴嘴113係可持續或暫停清洗液之噴灑，這些都可事先根據實際需求設定在控制器111中。於本實施例中，移動中之噴嘴113係持續噴灑清洗液至晶圓200上。當到達第二位置P2後，噴嘴113係停留在第二位置P2，清洗方法跳至下一步驟S205。

於步驟S205中，使噴嘴停留在第二位置並持續第二段時間以噴灑清洗液至晶圓之光阻層上。此步驟與步驟S203相同，然第二段時間之長短並不一定要與第一段時間相同，其中，第二段時間之長短亦可預先設定在控制器111中。於本實施例中，噴嘴113較佳是在各位置停留相同之時間，亦即，噴嘴113係在第二位置P2停留約20秒。而於第二段時間結束後，清洗方法跳至下一步驟S206。

於步驟S206中，使噴嘴沿著晶圓之半徑方向移動至晶圓上方之第三位置。之後，如步驟S207所示，使噴嘴停留在第三位置並持續第三段時間以噴灑清洗液至光阻層上。第三段時間之長短係與第一、第二段時間相同，約為20秒。本實施例中，雖然第二位置P2係位在第一位置P1與第三位置P3之間，使噴嘴113沿著由第一位置P1移動到第三位置P3之路徑移動，然本發明並不限定於此，噴嘴113亦可沿著P1-P3以外之路徑移動。第一位置P1、第二位置P2與第三位置P3的間隔係可預先設定在控制器111中。較佳地，第一位置P1與第二位置P2之間隔係等於第二位置P2與第三位置P3之間隔，然並不限定。

如步驟S208所示，清洗晶圓直到顯影液與溶解在顯影液中之光阻被沖淨為止，以露出晶圓之一圖案化光阻。從第一位置P1至第三位置P3之路徑係可重複多次以完全洗淨晶圓200。舉例來說，如第3A圖之箭頭A1所示，原本停留在第三位置P3之噴嘴113係再次被移回第一位置P1，以重複路徑P1-P3。而在.噴嘴113重新定位在第一位置P1後，再重複上述步驟S203至S207。重複路徑P1-P3之次數係可根據對於晶圓200之需求預先設定在控制器111中。換言之，噴嘴113之移動軌跡係可先由電腦碼編寫程式並預先設定在控制器111中，使動作驅動元件109根據設定好的程式驅使噴嘴113移動。當噴嘴113移動之路徑P1-P3重複時，係可縮減噴嘴113在各位置上停留的時間。舉例來說，當路徑P1-P3重複2或3次時，於第一位置P1、第二位置P2與第三位置P3停留之時間係可各為5秒。

由於在噴嘴113噴灑清洗液至晶圓200時，晶圓200係持續旋轉，因此所產生之離心力會不斷地牽弓1清洗液向外流動，使得顯影液與溶解的光阻會被清洗液帶走而非保留在晶圓200上。此外，由於在清洗過程中，噴嘴113係停留在不同位置(如位置P1、P2、P3)上噴灑清洗液，並非將清洗液噴灑在晶圓200之特定位置(如晶圓200之中央位置)，因此降低了對晶圓200其光阻層201之衝擊。再者，噴嘴113噴灑清洗液之效率及其移動速度係可由控制器111所控制。基於上述理由，當清洗晶圓200時，可避免圖案化光阻之結構剝落，以完整保護圖案化光阻，大幅增加晶圓200之製程良率。

通常，光微影製程之顯影步驟所需的時間包括供應顯影液之時間、光阻層201與顯影液反應之時間以及清洗晶圓200之時間。另外，尚須考量部分之光阻層201是需要較長時間之清洗以完全去除雜質。由於噴嘴113係噴灑清洗液至晶圓200之多個位置，使顯影步驟所需之時間大為降低，加速了顯影的過程。

在清洗晶圓200之後，噴嘴113通常是移回其初始位置，如對應晶圓200中央之第一位置P1，然本發明並不限定於此。噴嘴113亦可移到其他位置，如位在晶圓200邊緣外側之第四位置P4(見第3A圖)。

以下係以具有多個晶格(die)之晶圓作良率測試。測試時，晶圓的轉速係為700rpm至2000rpm，第一、第二與第三段時間之長短係各為5秒，第一與第二位置P1、P2之距離為5公釐，第二與第三位置P2、P3之距離為10公釐，而路徑P1-P3之重複次數為1至5次，晶圓之總清洗時間則少於60秒。請參照第3B圖，其係在清洗過程中將噴嘴113固定在晶圓之中央上方位置(第一位置P1)之示意圖，以作為對照之圖式。作為測試之晶圓在清洗之後，係進一步計算晶圓上產生之缺陷，此缺陷包括倒塌的光阻層部位以及毀壞之晶格，而缺陷之數目係記錄在表1與表2中，其中，表1記錄的是晶圓在不同轉速下之測試結果，表2記錄的則是在定轉速(1000rpm)與不同重複次數下之測試結果。在表1、表2中，DD代表根據本實施例之清洗方法清洗晶圓後，所得之毀壞晶格數目，而DC代表光阻層倒塌部位之數目，而DC-Base與DD-Base則為對照組之實驗數據。

並請參照第4、5圖，係分別對應表1、2之數據所繪製曲線之示意圖。由表1與第4圖之測試結果可觀察到，以轉速2000rpm測試之缺陷數目17.3遠大於轉速1500rpm之缺陷數目4.8，是以，晶圓之旋轉速度較佳可小於2000rpm。此外值得注意的是，以可動的噴嘴所做之測試結果皆優於噴嘴固定之試驗。以轉速1000rpm之試驗為例，以可動噴嘴進行測試所得的缺陷數目為16.8，而固定噴嘴(對照組)則為37.5。

另外，如表2與第5圖所示，於各個不同重複次數之測試中，以可動噴嘴所做測試所得之缺陷數目皆小於固定噴嘴之缺陷數目。由上述所記錄之測試結果清楚地表示，本發明較佳實施例之半導體清洗方法與裝置確實可製作出高品質之晶圓產品。

本發明較佳實施例之半導體清洗方法與裝置除了用在上述光微影製程中，亦可應用在化學機械研磨(chemical mechanical polishing/planarization,CMP)或是其他半導體製程中。

相較於傳統上使用之製程裝置與方法，本發明較佳實施例之半導體清洗方法與裝置及其控制方法係動態控制噴嘴噴灑清洗液之位置，使噴嘴之移動軌跡更具有彈性。此外，由於清洗過程中，噴嘴能夠噴灑清洗液至晶圓的不同部位，避免使清洗液集中在光阻層之特定位置，因而分散了清洗液之衝擊力，並可縮短清洗晶圓的時間，亦降低了毀壞光阻層結構之機率。且在噴嘴噴灑清洗液之過程中，晶圓係持續地旋轉以產生離心力去牽引清洗液，更容易將顯影液與溶解的光阻沖洗乾淨，以增加清洗晶圓之效率。基於上述之試驗結果，本發明較佳實施例之半導體清洗方法與裝置及其控制方法確實可降低晶圓缺陷的數目，有效提升半導體製程之製程良率。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。因此，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧半導體清洗裝置

101‧‧‧載架

103‧‧‧顯影液供應元件

105‧‧‧旋轉驅動元件

107‧‧‧清洗液供應元件

109、110‧‧‧動作驅動元件

111‧‧‧控制器

112、113‧‧‧噴嘴

200‧‧‧晶圓

201‧‧‧光阻層

201A‧‧‧不需要的光阻

P1、P2、P3、P4‧‧‧第一、第二、第三、第四位置

第1圖係依照本發明較佳實施例的一種半導體清洗裝置之示意圖。

第2A圖係依照本發明較佳實施例的一種半導體清洗之控制方法之流程圖。

第2B圖係依照本發明較佳實施例的一種半導體清洗方法之流程圖。

第3A圖係可移動之噴嘴停留在晶圓上不同位置之示意圖。

第3B圖係在清洗過程中將噴嘴固定在晶圓之中央上方位置(第一位置P1)之示意圖。

第4、5圖係分別對應表1、2之數據所繪製曲線之示意圖。

Claims (12)

1. 一種半導體清洗方法，包括步驟：藉由一固定設置於該晶圓外側的一第一動作驅動元件，提供一顯影液至一晶圓之一已預先曝光之光阻層上；使位在該晶圓之一中央上方位置之一噴嘴持續一段時間噴灑一清洗液至該光阻層，其中，該清洗液係不與該光阻層與該顯影液反應；藉由一固定設置於該晶圓外側且與該第一動作驅動元件彼此相對的一第二動作驅動元件，使該噴嘴沿著該晶圓之一半徑方向，相對於該第二動作驅動元件水平移動至該晶圓上方之至少一下一位置；使停留在該至少一下一位置之該噴嘴持續至少另一段時間噴灑該清洗液至該光阻層；以及清洗該晶圓直到該顯影液與溶解在該顯影液中之光阻被沖淨為止，以露出該晶圓之一圖案化光阻。
2. 如申請專利範圍第1項所述之半導體清洗方法，其中，該晶圓之該中央上方位置係為一第一位置，該噴嘴係持續一第一段時間停留在該第一位置，該噴嘴更持續一第二段時間停留在一第二位置，以及持續一第三段時間停留在一第三位置。
3. 如申請專利範圍第2項所述之半導體清洗方法，其中，該第二位置係位在該第一位置與該第三位置之間。
4. 如申請專利範圍第2項所述之半導體清洗方法，其中，該第一段時間、該第二段時間與該第三段時間係各約20秒。
5. 如申請專利範圍第2項所述之半導體清洗方法，更包括步驟：使該噴嘴從該第三位置移回該第一位置；以及使該噴嘴從該第一位置持續該第一段時間噴灑該清洗液至該光阻層。
6. 如申請專利範圍第5項所述之半導體清洗方法，其中，該噴嘴沿著該第一位置移動至該第三位置之路徑係重複2至5次。
7. 一種半導體清洗裝置，包括：一載架，用以承載一晶圓，其中，該晶圓具有一已預先曝光之光阻層；一顯影液供應元件，具有一第一噴嘴，用以提供一顯影液至該晶圓上；一第一動作驅動元件，固定設置於該晶圓外側，用以使該第一噴嘴沿著該晶圓之一半徑方向，相對於該第一動作驅動元件水平移動；一旋轉驅動元件，用以旋轉該載架及該載架上之該晶圓，藉此使該顯影液均勻地分散在該光阻層上；一清洗液供應元件，具有一第二噴嘴用以噴灑一清洗液，其中，該清洗液係不與該光阻層與該顯影液反應；一第二動作驅動元件，固定設置於該晶圓外側且與該第一動作驅動元件彼此相對，用以使該第二噴嘴沿著該晶圓之一半徑方向，相對於該第二動作驅動元件水平移動；以及一控制器，用以控制該清洗液供應元件與該第二動作 驅動元件，其中，於不必要之光阻溶解在該顯影液後，該控制器係控制該第二噴嘴於該晶圓上之複數個位置停留，並以相同或不同之時間長短噴灑該清洗液。
8. 如申請專利範圍第7項所述之半導體清洗裝置，其中，該控制器係一可程式控制器。
9. 如申請專利範圍第7項所述之半導體清洗裝置，其中，該控制器係預先設定有該第二噴嘴停留之一第一位置、一第二位置與一第三位置，該第一位置係位在該晶圓中央上方，該第二位置係位在該第一位置與該第三位置之間。
10. 如申請專利範圍第9項所述之半導體清洗裝置，其中，該第二噴嘴於該第一位置、該第二位置與該第三位置停留之時間約各為20秒。
11. 如申請專利範圍第9項所述之半導體清洗裝置，其中，該控制器係控制停留在該第三位置之該第二噴嘴移回該第一位置，並控制該第二噴嘴噴灑該清洗液至該光阻層上。
12. 如申請專利範圍第11項所述之半導體清洗裝置，其中，該第二噴嘴沿著該第一位置移動至該第三位置之路徑係重複2至5次。