晶圆清洗方法及半导体器件制作方法与流程

本发明涉及半导体生产制造技术领域，特别涉及一种晶圆清洗方法及半导体器件制作方法。

背景技术：

光刻技术是集成电路制造中利用光学-化学反应原理和化学、物理刻蚀方法，将电路图形传递到半导体晶圆表面或介质层上，形成有效图形窗口或功能图形的工艺技术。随着半导体技术的发展，光刻技术传递图形的关键尺寸逐渐缩小，对于图形精度和均匀性以及套准精度的要求越来越严格，半导体制造业对于关键层次的图形的关键尺寸的控制精度要求在3％～10％左右。在光刻尺寸精度、套准精度或光阻形貌超出容许范围时，半导体晶圆就必须进行光刻返工(rework)处理流程。返工的目的是去除光刻时的光刻掩蔽层，对半导体晶圆表面清理，使其具备第二次光刻的条件。

目前现有的光刻去胶返工工艺，最常见采用的是先干法灰化去胶，然后再湿化学法去胶的方式，而且会根据不同类型/组合的光刻掩蔽层来选用不同的去胶流程(reworkflow)，其中采用的化学试剂有多种且需要转移处理室，即这些去胶流程均为多种多步的方式，工艺周期(processcycletime)较长，成本较高，而且其中的某些去胶流程去胶后的残留较多，由此导致后续还需要反复进行几次光刻返工，工艺周期变得更长。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种晶圆清洗方法及半导体器件制作方法，能够采用一步清洗的湿法去胶方式去除光刻掩蔽层，避免造成去胶残留，降低成本，并缩短工艺周期。

为解决上述技术问题，本发明提供一种晶圆清洗方法，包括：

提供一晶圆，所述晶圆上形成有待去除的光刻掩蔽层；

在同一清洗槽中，利用酸洗混合溶液对所述晶圆表面进行第一清洗，以去除所述光刻掩蔽层；

利用漂洗混合溶液对所述晶圆表面进行第二清洗，以清除所述第一清洗后的残余物，所述第一清洗和第二清洗之间具有换液冲洗的过程，所述换液冲洗的时间小于所述第一清洗的时间及所述第二清洗的时间，且所述第一清洗的时间与所述第二清洗的时间不同。

可选地，所述酸洗混合溶液的温度为100℃～120℃，所述第一清洗的时间为3至5分钟。

可选地，所述漂洗混合溶液的温度为70℃～90℃，所述第二清洗的时间为3至5分钟。

可选地，所述换液冲洗的时间为2至3分钟。

可选地，所述光刻掩蔽层包括抗反射层和光刻胶层的组合，或者，所述光刻掩蔽层包括抗反射层。

可选地，所述抗反射层中的硅含量为40％以上。

可选地，所述光刻掩蔽层还包括形成于所述晶圆的表面和所述抗反射层之间的旋涂碳层。

可选地，采用所述酸洗混合溶液对所述晶圆进行第一清洗的步骤包括：

第一阶段，使得向所述晶圆表面喷淋的所述酸洗混合溶液的温度从100℃逐渐升温到120℃；

第二阶段，使得向所述晶圆表面喷淋的所述酸洗混合溶液的温度持续维持在120℃；以及，

第三阶段，使得向所述晶圆表面喷淋的所述酸洗混合溶液的温度从120℃逐渐降低至100℃；

采用所述漂洗混合溶液对所述晶圆进行第二清洗的步骤包括：

第一阶段，使得向所述晶圆表面喷淋的所述漂洗混合溶液的温度维持在90℃；

第二阶段，使得向所述晶圆表面喷淋的所述漂洗混合溶液的温度从90℃逐渐降低至70℃。

可选地，在所述喷淋清洗的过程中，保持旋转所述晶圆。

可选地，所述酸洗混合溶液包括硫酸与双氧水混合溶液，所述漂洗溶液包括氨水、双氧水和水混合溶液。

可选地，所述硫酸与双氧水混合溶液中，硫酸和双氧水的体积比为20:1～至40:1。

可选地，所述氨水、双氧水和水混合溶液中，氨水、双氧水和水的体积比为1:8:60至1:4:20。

本发明提供一种半导体器件的制作方法，包括本发明所述的晶圆清洗方法。

可选地，所述光刻掩蔽层用于所述半导体器件的制作方法中的硬掩膜层刻蚀、离子注入、栅极刻蚀、接触孔刻蚀或金属互连层的制作。

与现有技术相比，本发明的晶圆清洗方法及半导体器件制作方法，在同一清洗槽内，先采用酸洗混合溶液来对晶圆表面进行第一次清洗，以去除所述晶圆表面上的大部分光刻掩蔽层，仅剩余一些残余物，再采用漂洗混合溶液对所述晶圆的表面进行第二次清洗，以去除所述残余物，由此，可以一步清洗方式来替代现有的多种多步的清洗方式，简化去胶工艺，降低成本，缩短工艺周期，并避免造成去胶残留。且两次清洗之间具有换液冲洗的过程，所述换液冲洗的时间小于所述第一清洗的时间及所述第二清洗的时间，以提高第二清洗的效果。本发明的技术方案适用于硬掩膜层刻蚀、离子注入、栅极刻蚀、接触孔刻蚀、金属互连层等各种需要光刻掩膜的制程。

附图说明

图1a至图1c分别是现有的光刻掩蔽层的剖面结构示意图。

图2a至2b是图1a和图1b所示的光刻掩蔽层的去除方法中的剖面结构示意图。

图3a至3c是图1c所示的光刻掩蔽层的去除方法中的剖面结构示意图。

图4是本发明具体实施例的晶圆清洗方法的流程示意图。

图5是实现图4所示的晶圆清洗方法的湿法去胶系统的结构示意图。

图6是应用图4所示的晶圆清洗方法去除图1a至图1c所示的光刻掩蔽层的示意图。

其中，附图标记如下：

10-待去胶的晶圆；100-晶圆；101-抗反射层；102-光刻胶层；103-旋涂碳层；104-二氧化硅；104a-残留的光刻掩蔽层的颗粒；200-清洗槽；200a-旋转承片台；201-硫酸溶液(98％)管路；202-第一双氧水管路；203-第一混合槽；204-第一喷嘴；205-氨水管路；206-超纯水管路；207-第二双氧水管路；208-第二混合槽；209-第二喷嘴。

具体实施方式

发明人研究发现，目前通常需要去除的光刻掩蔽层有三类：第一类光刻掩蔽层包括依次层叠在晶圆100上的抗反射层101(主要由si、c、h、o组成)和光刻胶层102(主要由c、h、o组成)，如图1a所示；第二类光刻掩蔽层包括层叠在晶圆100上的抗反射层101，如图1b所示；第三类光刻掩蔽层包括依次层叠在晶圆100上的旋涂碳层103(主要由c、h、o组成)、抗反射层101和光刻胶层102。

而针对图1a所示的第一类光刻掩蔽层和图1b所示的第二类光刻掩蔽层，现有的去胶返工工艺具体为：请参考图1a～1b和图2a，首先，采用大功率、大流量的氧气(o2)对晶圆100上的光刻掩蔽层进行灰化处理，使这两类光刻掩蔽层均转化为二氧化硅(sio2)104；然后使用氨水(nh4oh)、双氧水(h2o2)和水(h2o)的混合溶液对晶圆100进行清洗，以去除灰化产生的二氧化硅104。当抗反射层101中的含硅量超过40％时，采用上述的胶返工工艺去胶后的效果如图2b所示，晶圆100表面上存有大量残留的光刻掩蔽层的颗粒104a，不能满足第二次光刻的条件，需要再进行至少一次的光刻返工，成本高，工艺周期长。

而这针对图1c所示的第三类光刻掩蔽层，现有的去胶返工工艺具体为：首先，请参考图1c和图3a，在光刻胶层102上覆光刻胶稀释剂(resistreducedcoating，rrc)，通过所述光刻胶稀释剂溶解去除所述光刻胶层102；然后请参考图3a～3b，采用四氟化碳(cf4)和/或氧气对抗反射层101进行灰化处理，以去除抗反射层101；接着，请参考图3b～3c，使用氨水、双氧水和水的混合溶液或者硫酸(h2so4)和双氧水混合溶液对晶圆100进行清洗，以去除旋涂碳层103。该去胶返工工艺存在以下缺陷：一、采用的化学试剂多种，且步骤繁多，造成工艺周期长且成本高的问题；二、由于第三类光刻掩蔽层包括依次涂布的旋涂碳层103、抗反射层101以及光刻胶层102，因此，当旋涂碳层103厚度太薄或者涂布不均匀(poorcoating)时,利用此去胶返工工艺去除所述第三类光刻掩蔽层的过程中，由于前述的所述光刻胶稀释剂溶解步骤以及灰化处理步骤都有可能会消耗较薄区域的旋涂碳层103，进而对该区域下的晶圆100表面造成损伤，产生表面清洗缺陷，影响最终制得的半导体器件的性能和良率。

此外，发明人还发现，现有的去胶返工工艺中，使用的硫酸和双氧水混合溶液是常规的spm溶液，其中的硫酸和双氧水的体积比通常为3:1～10:1，使用的氨水、双氧水和水的混合溶液也是常规的sc1清洗液，其氨水、双氧水和水的体积比为1:1:5～1:2:10。在使用spm溶液清洗过程中，因硫酸消耗过快，而导致去胶效果差，去胶时间长；而在使用sc1清洗液清洗过程中，因氨水、双氧水的含量相对过高而导致对晶圆10表面的侵蚀过大，产生晶圆表面缺陷。

基于此，本发明提出一种晶圆清洗方法以及应用该晶圆清洗方法的半导体器件的制作方法，在需要去除晶圆上的光刻掩蔽层时，在同一个清洗槽内，先采用酸洗混合溶液对晶圆表面进行第一清洗，再采用漂洗混合溶液对所述晶圆的表面进行第二次清洗，以去除所述光刻掩蔽层并暴露出所述晶圆的表面，所述第一清洗和第二清洗之间具有换液冲洗的过程，所述换液冲洗的时间小于所述第一清洗的时间及所述第二清洗的时间，所述第一清洗的时间与所述第二清洗的时间不同。由此，能够利用一种一步清洗的湿法去胶方式去除多种类型的光刻掩蔽层，并避免造成去胶残留，降低成本，缩短工艺周期。

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的技术方案作详细的说明，然而，本发明可以用不同的形式实现，不应只是局限在所述的实施例。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参考图4，本发明一实施例提供一种晶圆清洗方法，包括以下步骤：

s1，提供一晶圆，所述晶圆上形成有待去除的光刻掩蔽层；

s2，在一清洗槽中，利用酸洗混合溶液对所述晶圆表面进行第一清洗，以去除所述光刻掩蔽层；

s3，利用漂洗混合溶液对所述晶圆表面进行第二清洗，以清除所述第一清洗后的残余物，所述第一清洗和第二清洗之间具有换液冲洗的过程，所述换液冲洗的时间小于所述第一清洗的时间及所述第二清洗的时间，且所述第一清洗的时间与所述第二清洗的时间不同。

请参考图6，在步骤s1中，提供一晶圆100，所述晶圆100可以是本领域技术人员熟知的任意合适的底材，例如为单晶硅(si)、单晶锗(ge)、硅锗(gesi)或碳化硅(sic)，也可以是绝缘体上硅(soi)、绝缘体上锗(goi)或者砷化镓等ⅲ-ⅴ族化合物等材料，所述晶圆100是经过了光刻和相应加工工艺(例如刻蚀、离子注入等)的底材，例如可以是经过光刻、刻蚀工艺而形成了用于实现器件隔离的浅沟槽(图中未示出)的底材，也可以是经过离子注入而形成阱区(图中未示出)、源漏区(图中未示出)等的底材，还可以是经过了一些半导体元件(图中未示出)的制作的底材，所述半导体元件例如包括晶体管、二极管、电容、电感等。由于所述晶圆100是经过了光刻和相应加工工艺(例如刻蚀、离子注入等)的底材，因此其上方形成有待去除的光刻掩蔽层，所述光刻掩蔽层可以是图1a所示的第一类光刻掩蔽层，也可以是图1b所示的第二类光刻掩蔽层，还可以是图1c所示的第三类光刻掩蔽层，所述晶圆100的上表面和所述光刻掩蔽层的下表面之间还可以依次形成有垫氧化层(图中未示出)和氮化硅硬掩膜层(图中未示出)等中间膜层。

请参考图5和图6，在步骤s2中，首先，通过机械手臂夹取具有所述待去除的光刻掩蔽层的晶圆100(即待去胶的晶圆10)，并将其放入到一湿法去胶系统的清洗槽(chamber)200的旋转承片台200a上。所述湿法去胶系统包括清洗槽200、旋转承片台200a、硫酸溶液(98％)管路201、第一双氧水管路202、第一混合槽203、第一喷嘴204、氨水管路205、超纯水管路206、第二双氧水管路207、第二混合槽208以及第二喷嘴209。其中，清洗槽200用于提供晶圆10去胶的工作环境；所述旋转承片台200a用于承接晶圆10并带动所述晶圆10旋转；硫酸溶液(98％)管路201用于输送98％硫酸溶液；第一双氧水管路202用于输送双氧水；第一混合槽203用于将硫酸溶液(98％)管路201输送的98％硫酸溶液和第一双氧水管路202输送的双氧水充分混合，以获得酸洗混合溶液；第一喷嘴204用于将所述酸洗混合溶液喷淋到所述晶圆10的表面上；氨水管路205用于输送氨水；超纯水管路206用于输送去离子水；第二双氧水管路207用于输送双氧水；第二混合槽208用于将氨水管路205输送的氨水、超纯水管路206输送的去离子水以及第二双氧水管路207输送的双氧水充分混合，以获得漂洗混合溶液；第二喷嘴209用于将所述漂洗混合溶液喷淋到所述晶圆10的表面上。

请参考图5和图6，在步骤s2中，接着，将第一喷嘴204移到晶圆10的中间，同时打开第一混合槽203的开关，硫酸溶液(98％)管路201输送的硫酸和第一双氧水管路202输送的双氧水溶液按30：1体积比在第一混合槽203中充分混合后，形成温度为100℃～120℃(具体例如为105℃、108℃、110℃、115℃等)的酸洗混合溶液(其是含有硫酸、双氧水和水的混合物)，所述酸洗混合溶液从第一喷嘴204中喷淋到晶圆10的表面，且在喷淋所述酸洗混合溶液的同时，旋转承片台200a一直持续旋转晶圆10，以保证所述酸洗混合溶液能喷淋到晶圆10的整个表面上。

在湿法去胶工艺中，清洗混合液的配比、温度和时间均是重要的工艺参数，不同配比的清洗混合液只有工作在在特定的温度下，才能最大程度上发挥清洗混合液的清洗效果，且只有经历合适的清洗时间，才能保证晶圆表面上的去胶残留最少以及损伤缺陷最低。本实施例的s2步骤中，采用的酸洗混合溶液中的98％硫酸溶液和双氧水溶液的体积比为30：1，且设定其工作在100℃～120℃范围内，由此最大程度上发挥其清洗效果，且利用所述酸洗混合溶液的整个第一清洗的时间为4分钟，以保证晶圆10表面上的去胶残留最少以及损伤缺陷最低。且为了进一步缩短步骤s2的清洗时间并提高该步骤的去胶效果，优选地将步骤s2分三个阶段进行，以更加精细的温度控制来进行清洗：第一阶段为升温过程，具体地，随时间的发展，第一喷嘴204向晶圆10表面喷射的酸洗混合溶液的温度从100℃逐渐升温到120℃，以使得晶圆10本身的温度逐渐升高，以避免温度过高的清洗液直接喷淋到晶圆10上造成不良影响；第二阶段为恒温过程，随时间的发展，第一喷嘴204向晶圆10表面喷射的酸洗混合溶液的温度持续维持在120℃，以最大程度上发挥酸洗混合溶液的清洗效果，加快清洗速度，缩短清洗时间；第三阶段为降温过程，随时间的发展，第一喷嘴204向晶圆10表面喷射的酸洗混合溶液的温度从120℃逐渐降低至100℃，由此，可以使得晶圆10表面的温度降低，以为步骤s3的第二清洗工作做准备。

在步骤s2结束后，去除了大部分的光刻掩蔽层(包括抗反射层101、光刻胶层102以及旋涂碳层103)，晶圆100表面上仅残留少量的光刻掩蔽层的颗粒等残余物。

请参考图5和图6，在步骤s3中，首先，在步骤s2的第一清洗结束后，关闭第一混合槽203的开关，将第一喷嘴204移到晶圆10的边缘，然后，可以利用能够喷射热的去离子水的喷嘴(未图示)向晶圆10的表面上喷淋热的去离子水，以进行换液冲洗，所述热的去离子水的温度为70℃～90℃，所述去离子水的换液冲洗时间小于步骤s2中的第一清洗的时间以及后续的第二清洗的时间，例如为2至3分钟。一方面，所述去离子水的换液冲洗可以将残余的酸洗混合溶液去除干净，避免残余的酸洗混合溶液和后续的漂洗混合溶液在晶圆10的表面上反应而对晶圆10表面造成损伤以及避免降低第二清洗的效果，且换液冲洗时间相对第一清洗和后的第二清洗的时间短，有利于节约时间，提高清洗效率；另一方面，由于所述热的去离子水具有较高的温度，因此其具有更高的分子动能，可有效破坏晶圆10表面上的残余物与晶圆10表面的粘附性，有利于提高第二清洗的去除效果；此外，由于所述热的去离子水的温度介于酸洗混合溶液和后续的漂洗混合溶液的温度之间，能够保持晶圆10表面的温度，为后续的第二清洗提供较佳工作环境。优选地，所述去离子水的温度与后续的漂洗混合溶液的温度相同，以达到极佳的清洗效果，进而提高半导体器件的可靠性及稳定性。

请继续参考图5和图6，在步骤s3中，在换液冲洗结束后，接着将第二喷嘴209移到晶圆中间，同时打开第二混合槽208的开关，氨水管路205输送的氨水、第二双氧水管路207输送的双氧水溶液以及超纯水管路206输送的去离子水按1：4：20体积比在第二混合槽208中充分混合后，形成温度为70℃～90℃的漂洗混合溶液，所述漂洗混合溶液从第二喷嘴209中喷淋到晶圆10的表面上，且在喷淋所述漂洗混合溶液的同时，旋转承片台200a一直持续旋转晶圆10，以保证所述漂洗混合溶液能喷淋到晶圆10的整个表面上。其中，使用第二双氧水管路207输送双氧水，可以避免继续使第一双氧水管路202时所需的降温冷却过程，节约时间。

同样地，因不同配比的清洗混合液只有工作在在特定的温度下，才能最大程度上发挥清洗混合液的清洗效果，且只有经历合适的清洗时间，才能保证晶圆表面上的残留最少以及损伤缺陷最低。所以本实施例的s3步骤中，漂洗混合溶液中的氨水、双氧水、水的体积比为1：4：20，其设定其工作在70℃～90℃范围内，且漂洗混合溶液中的氨水和双氧水含量相比现有的sc1溶液中的含量低，因此能够最大程度上发挥其清洗效果，且利用所述酸洗混合溶液的整个第二清洗的时间为3.5分钟，以保证晶圆10表面上的去胶残留最少以及损伤缺陷最低。为了进一步缩短步骤s3的清洗时间并提高该第二清洗步骤的去胶效果，优选地，将步骤s3分两个阶段进行，以更加精细的温度控制来进行清洗：第一阶段为恒温过程，具体地，随时间的发展，第二喷嘴209向晶圆10表面喷射的漂洗混合溶液的温度维持在90℃，一方面，90℃的温度非常接近或等于步骤s2结束后的换液冲洗时的温度(例如为90℃)，使得步骤s3的第二清洗过程能够瞬时承接所述换液冲洗步骤，避免在所述换液冲洗步骤和第二清洗步骤之间添加空闲时间，以冷却晶圆10的表面，从而缩短工艺周期，另一方面，第二喷嘴209向晶圆10表面喷射的漂洗混合溶液的温度持续维持在90℃，能最大程度上发挥漂洗混合溶液的清洗效果，加快清洗速度，缩短清洗时间；第二阶段为降温过程，随时间的发展，第二喷嘴209向晶圆10表面喷射的漂洗混合溶液的温度从90℃逐渐降低至70℃，由此，可以使得晶圆10表面的温度降低，以为后续工艺等做准备。

在步骤s3结束后，完全去除了晶圆10表面上残留的一些光刻掩蔽层颗粒等残余物，获得洁净且几乎无损的晶圆100的表面。

之后，再次通过所述机械手臂将晶圆10取出，该晶圆10可以用于光刻返工、新膜层沉积等下一个半导体加工制程等。

本实施例的晶圆清洗方法，在同一清洗槽内，先使用酸洗混合溶液对晶圆进行第一清洗，再更换漂洗混合溶液对晶圆进行第二清洗，可以使各种类型的光刻掩蔽层(尤其是si含量>40％的光刻掩蔽层)均被去除干净，去胶后无残留，且不会对晶圆的表面造成损伤。本实施例的晶圆清洗方法，由于所有的清洗步骤均在同一清洗槽中依时间顺序完成，因此将现有的针对不同光刻掩蔽层的不同去胶流程合成为一种去胶流程，进而简化了光刻返工工艺，减少去胶成本，缩短工艺周期。

在本发明的其他实施例中，步骤s2中的所述硫酸与双氧水混合溶液中，硫酸和双氧水的体积比不仅仅限于30:1，还可以是20:1至40:1的数据范围内的任意值，相应地，第一清洗的时间可以在3至5分钟内；步骤s3中的所述氨水、双氧水和水混合溶液中，氨水、双氧水和水的体积比不仅仅限于1:4:20，还可以是1:8:60至1:4:20数据范围内的任意值，相应地，第二清洗的时间可以在3至5分钟内，且所述第一清洗的时间与所述第二清洗的时间不同，以使得第二清洗能够完全去除第一清洗后的残余物。

本发明的晶圆清洗方法适用于半导体器件制造过程中的任意使用光刻技术的工艺之后，以用于去胶该光刻技术使用的光刻掩蔽层。因此，本发明还提供一种半导体器件的制作方法，包括：

首先，提供一晶圆，在所述晶圆上形成具有图案的光刻掩蔽层；

然后，以所述光刻掩蔽层为掩膜，进行半导体器件的加工，所述加工包括硬掩膜层刻蚀、离子注入、栅极刻蚀、接触孔刻蚀和金属互连层的制作中的至少一种；

接着，采用本发明的晶圆清洗方法，去除所述光刻掩蔽层。

进一步地，当在所述晶圆上形成的光刻掩蔽层中的图案不符合要求，需要进行光刻返工时，采用本发明的晶圆清洗方法，去除所述光刻掩蔽层，并在所述晶圆上重新形成具有图案的光刻掩蔽层。

本发明的半导体器件制作方法，由于采用本发明的晶圆清洗方法去除所述光刻掩蔽层，工艺简单，降低成本，工艺周期缩短，并能避免造成去胶残留以及表面清洗缺陷，最终形成的半导体器件的性能和良率得到提高。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。