專利名稱：蝕刻系統(tǒng)及其蝕刻液處理方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種蝕刻系統(tǒng)及其蝕刻液處理方法，特別是涉及一種具有穩(wěn)定氮化硅/氧化硅蝕刻選擇比的蝕刻系統(tǒng)及其蝕刻液處理方法。
背景技術：
圖1至圖3例示現(xiàn)有在一晶片10上進行的淺溝槽隔離制造工藝。在集成電路制造過程中，金屬氧化物半導體(metal-oxide-semiconductor，MOS)制造工藝經(jīng)常使用淺溝槽隔離制造工藝來形成晶體管彼此之間的電氣隔離。如圖1所示，淺溝槽隔離制造工藝首先在一硅基板12上依序形成一墊氧化層14、一氮化硅層16及一光致抗蝕劑層18，然后以有源區(qū)域光掩模將有源區(qū)域的圖案轉(zhuǎn)移至光致抗蝕劑層18上。
參考圖2，接著以干式蝕刻將未受光致抗蝕劑層18覆蓋的氮化硅層16及氧化硅層14從硅基板12上去除。之后，干式蝕刻持續(xù)向下蝕刻硅基板12以形成一淺溝槽20于硅基板12之中。
參考圖3，在光致抗蝕劑層18去除之后，淺溝槽20的表面以熱氧化制造工藝成長一襯底氧化層22。接著以化學氣相沉積技術將氧化硅填入淺溝槽20之中，并以化學機械研磨技術平坦化晶片10的表面。最后，再以濕蝕刻制造工藝將氮化硅層16自硅基板12上剝除，而留下氧化硅層14及淺溝槽20中的氧化硅。MOS晶體管則由后續(xù)制造工藝形成于淺溝槽20兩旁的有源區(qū)域24，而淺溝槽20內(nèi)的氧化硅則形成MOS晶體管彼此之間的電氣隔離。
現(xiàn)有淺溝槽隔離制造工藝使用經(jīng)加熱的磷酸(H3PO4)來剝除氮化硅層16。由于后續(xù)制作MOS晶體管的制造工藝深受剝除氮化硅層16后的晶片10的表面形狀及清凈度的影響，因此如何控制氮化硅與氧化硅的蝕刻選擇比變得極為重要。氮化硅與氧化硅的蝕刻選擇比主要受蝕刻劑種類、反應生成物、反應溫度及反應時間等參數(shù)影響，因此必須妥善地控制此等參數(shù)方可實現(xiàn)良好的蝕刻比。
圖4例示一現(xiàn)有蝕刻裝置30。如圖4所示，蝕刻裝置30包括一處理槽32、一預熱槽34以及由磷酸與去離子水構成的蝕刻液。在進行蝕刻制造工藝時，處理槽32內(nèi)的蝕刻液被加熱并維持在150℃至160℃之間以剝除晶片10的氮化硅層16。預熱槽34將來自廠務管路40的磷酸預熱至120℃至140℃之間，再經(jīng)由管路36輸送至處理槽32以補充處理槽32經(jīng)由管路38排出的蝕刻液。
圖5及圖6顯示處理槽32內(nèi)蝕刻液的硅濃度變化。如圖5所示，由于進行氮化硅的蝕刻反應會生成硅化物，因此處理槽32內(nèi)的蝕刻液中硅化物的硅濃度會隨著蝕刻反應進行次數(shù)(即反應時間)而增加。當蝕刻液的硅濃度持續(xù)增加而變成飽和狀態(tài)(硅濃度大約為100ppm)時，將產(chǎn)生硅化物微粒。硅化物微粒的產(chǎn)生會嚴重地影響蝕刻后晶片10表面的清凈度，例如一顆0.2微米的硅化物微粒殘留于晶片10表面，對0.13微米MOS制造工藝而言可嚴重地導致集成電路失效。
參考圖4，為了避免硅化物微粒的產(chǎn)生，現(xiàn)有的蝕刻裝置30藉由管路42及過濾器44(filter)持續(xù)地循環(huán)過濾處理槽32內(nèi)的蝕刻液以去除其中的硅化物微粒。惟，當產(chǎn)生的硅化物微粒數(shù)量過多時，過濾器44易于因硅化物微粒阻塞而失效。因此，在進行數(shù)次蝕刻反應后(即在硅濃度達100ppm之前)必須將處理槽32內(nèi)的蝕刻液經(jīng)由管路38完全排出，再由預熱槽34供應全新的蝕刻液(硅濃度為零)至處理槽32以避免處理槽32內(nèi)的硅濃度呈現(xiàn)飽和狀態(tài)而產(chǎn)生過多的硅化物微粒。如此，處理槽32內(nèi)的蝕刻液的硅濃度變化曲線52在零與100ppm之間變化而呈現(xiàn)鋸齒狀，如圖5所示。
氮化硅與氧化硅的蝕刻選擇比深受蝕刻液中的硅濃度的影響。然而，處理槽32內(nèi)的蝕刻液的硅濃度并非維持為一定值，而由零(完全更新蝕刻液時)逐漸變化至硅飽和濃度。因此，氮化硅與氧化硅的蝕刻選擇比亦隨蝕刻液的使用次數(shù)而改變，導致蝕刻時間等制造工藝參數(shù)的控制難度增加。
產(chǎn)業(yè)界目前的處理方法在完全更新蝕刻液(硅濃度為零)時，先以控片(dummy wafer)進行數(shù)次試產(chǎn)(dummy run)以提升蝕刻液的硅濃度至一預定值后，再進行實際晶片的蝕刻制造工藝。然而，此一處理方法明顯地降低了蝕刻液的使用效益。再者，將磷酸蝕刻液完全更新顯然亦增加了磷酸的使用量，導致蝕刻成本的增加。請參考圖6，另一種蝕刻液處理方法為周期性地經(jīng)由管路38排出部分磷酸蝕刻液，并經(jīng)由管路36供應等量的全新磷酸至處理槽32中。如此，處理槽32內(nèi)的蝕刻液的硅濃度變化曲線62具有較小的變化范圍。相對于處理槽32內(nèi)的硅濃度隨蝕刻反應時間而改變，預熱槽34內(nèi)的磷酸直接由廠務管路40供應而無任何產(chǎn)生硅的來源，因此其硅濃度實質(zhì)上為零。因此，這種處理方法在完全更新處理槽32的蝕刻液時，仍需以控片進行數(shù)次試產(chǎn)以提升蝕刻液的硅濃度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是提供一種具有穩(wěn)定氮化硅/氧化硅蝕刻選擇比的蝕刻系統(tǒng)及其蝕刻液處理方法。
為達成上述目的，本發(fā)明揭示一種具有穩(wěn)定氮化硅/氧化硅蝕刻選擇比的蝕刻系統(tǒng)及其蝕刻液處理方法。該蝕刻系統(tǒng)包括一具有一含硅蝕刻液的處理槽、一冷卻槽、一預熱槽、一可自該處理槽輸送該蝕刻液至該冷卻槽的第一管路、一可自該冷卻槽輸送該蝕刻液至該預熱槽的第二管路以及一可自該預熱槽輸送該蝕刻液至該處理槽的第三管路。
本發(fā)明的蝕刻液處理方法首先利用一蝕刻液進行一含硅薄膜的蝕刻制造工藝，接著將該蝕刻液冷卻至一第一溫度以形成一硅飽和蝕刻液。將該硅飽和蝕刻液內(nèi)大于一預定尺寸的硅化物微粒過濾去除后，再將該硅飽和蝕刻液加熱至少10℃以上，使之形成一非飽和蝕刻液。之后，利用該非飽和蝕刻液進行另一次蝕刻制造工藝。
相較于現(xiàn)有技藝，本發(fā)明的蝕刻液具有較小的硅濃度變化區(qū)間，因而可穩(wěn)定地控制氮化硅/氧化硅的蝕刻選擇比。再者，本發(fā)明不需頻繁排放使用過的蝕刻液，因而可大幅地降低蝕刻制造工藝的成本。


圖1至圖3例示現(xiàn)有在一晶片上進行的淺溝槽隔離制造工藝；圖4例示一現(xiàn)有蝕刻裝置；圖5及圖6顯示現(xiàn)有的蝕刻液的硅濃度變化；圖7顯示蝕刻液的硅濃度與蝕刻速率及硅化物微粒濃度的關系；圖8顯示蝕刻液的硅飽和濃度(即硅的溶解度)與溫度的關系；圖9例示本發(fā)明的蝕刻系統(tǒng)；以及圖10顯示本發(fā)明的蝕刻液的硅濃度變化。
簡單符號說明
10 晶片12 硅基板14 墊氧化層16 氮化硅層18 光致抗蝕劑層20 淺溝槽22 襯底氧化層 24 有源區(qū)域30 蝕刻系統(tǒng)32 處理槽34 預熱槽 36 管路38 管路40 廠務管路42 管路44 過濾器52 曲線62 曲線72 曲線74 曲線76 曲線92 曲線100 蝕刻系統(tǒng)102 處理槽104 冷卻槽 106 預熱槽111 閥門112 管路113 閥門114 管路116 管路118 廠務管路120 過濾器 122 入口端124 出口端 131 閥門132 管路133 閥門134 管路141 閥門142 管路143 閥門144 管路具體實施方式
圖7顯示蝕刻液的硅濃度與蝕刻速率及硅化物微粒濃度的關系。曲線72為氮化硅的蝕刻速率曲線，曲線74為氧化硅的蝕刻速率曲線，而曲線76則為硅化物微粒濃度變化曲線。如圖7所示，氮化硅的蝕刻速率實質(zhì)上并不受硅濃度影響而為一定值，約90埃/分鐘。相對地，氧化硅的蝕刻速率隨著硅濃度的增加而降低，而且在硅濃度超過100ppm時為一定值，約0.2埃/分鐘。在硅濃度大于100ppm以上時，蝕刻液的硅化物微粒濃度隨著硅濃度的增加而增加。
圖8顯示蝕刻液的硅飽和濃度(即硅的溶解度)與溫度的關系。如圖8所示，當蝕刻液的溫度為80℃、120℃及160℃時，硅飽含濃度分別大約為20ppm、40ppm及120ppm。亦即，提升蝕刻液的溫度，可增加硅的溶解度。由于可知，降低蝕刻液的溫度可促進蝕刻液的硅形成硅化物微粒(固相)并減少蝕刻液(液相)的硅濃度，而固相硅化物微?？梢越逵蛇^濾器過濾自蝕刻液中移除。
圖9例示本發(fā)明的蝕刻系統(tǒng)100。如圖9所示，蝕刻系統(tǒng)100包括一具有一含硅蝕刻液的處理槽102、一冷卻槽104、一預熱槽106、一可自該處理槽102輸送該蝕刻液至該冷卻槽104的管路112、一可自該冷卻槽104輸送該蝕刻液至該預熱槽106的管路114以及一可自該預熱槽106輸送該蝕刻液至該處理槽102的管路116。此外，該預熱槽106亦可經(jīng)由廠務管路118供應全新的蝕刻液。
該冷卻槽104將槽內(nèi)的蝕刻液冷卻至一第一溫度以使該蝕刻液的硅濃度呈一飽和狀態(tài)，其中該第一溫度優(yōu)選地介于80℃至120℃之間。該預熱槽106將槽內(nèi)的蝕刻液加熱至一第二溫度以使該蝕刻液的硅濃度呈一非飽和狀態(tài)，其中該第二溫度高于該第一溫度至少10℃。該預熱槽106將來自該冷卻槽104的蝕刻液加熱后，經(jīng)由管路116輸送至該處理槽102以便進行濕蝕刻制造工藝。該處理槽102內(nèi)的蝕刻液的溫度可介于130℃至160℃之間。優(yōu)選地，該預熱槽106將槽內(nèi)的蝕刻液直接加熱至進行蝕刻反應的溫度，再經(jīng)由管路116輸送至處理槽102。
本發(fā)明的蝕刻系統(tǒng)100還包括一具有一入口端122及一出口端124的過濾器120、一可自該冷卻槽104的底部輸送該蝕刻液至該入口端122的管路132、一可自該出口端124輸送該蝕刻液至該冷卻槽104的管路134。該過濾器120可為一具有多個開孔的過濾器120，其中該開孔的大小可小于0.1微米。該冷卻槽104藉由降低蝕刻液的溫度以促進蝕刻液的硅形成固相硅化物微粒，而大于0.1微米的固相硅化物微粒在蝕刻液通過該過濾器120的開孔時將因無法通過而自蝕刻液中被濾除。
本發(fā)明的蝕刻系統(tǒng)100亦可包括一連接于該入口端122的管路142以及一連接于該出口端124的管路144。由于過濾器120的開孔會被硅化物微粒阻塞，因此必須經(jīng)常地清洗以去除阻塞的硅化物微粒。本發(fā)明在清洗該過濾器120時，可自該管路142輸入一包括氫氟酸的溶液(例如稀釋氫氟酸)以溶解該過濾器120上的硅化物微粒，而溶解的硅化物微粒將自該管路144輸出。之后，再以去離子水沖洗殘留于過濾器120的氫氟酸。此外，該過濾器120的清洗亦可經(jīng)由管路144輸入一去離子水以逆流方式清洗去除該過濾器120上的硅化物微粒，并將廢液自該管路142輸出。
在進行該過濾器120的清洗時，關閉閥門131及133以避免該過濾器120上的硅化物微?；亓髦猎摾鋮s槽104。該過濾器120在過濾該冷卻槽104內(nèi)的硅化物微粒時，閥門141及143呈關閉狀態(tài)。再者，在清洗過濾器120時可將閥門113暫時關閉以暫停供應蝕刻液至預熱槽106，而該預熱槽106因儲存了許多蝕刻液，可在過濾器120清洗期間持續(xù)供應蝕刻液至該處理槽102。在完成過濾器120的清洗并過濾該冷卻槽104內(nèi)的硅化物微粒后，再將閥門113打開以便供應蝕刻液至該預熱槽106。
隨著半導體制造工藝的設計準測縮小化，蝕刻液中所容許的微粒尺寸亦對應地縮小，因而必須選用具有較小開孔的過濾器120(例如0.1微米以下的開孔)。惟，由于較小的開孔易于因微粒堵塞而失效，因此必須藉由增加過濾器的清洗或更換頻率以確保過濾可將蝕刻液中的微粒去除。本發(fā)明的過濾器120在進行清洗或更換時，該預熱槽106仍可持續(xù)供應經(jīng)循環(huán)過濾處理的蝕刻液至該處理槽102。亦即本發(fā)明在不影響蝕刻液的供應下增加過濾器120的清洗頻率，因而可選用具有較小開孔的過濾器120以因應未來的半導體制造工藝。
圖10顯示該處理槽102內(nèi)蝕刻液的硅濃度變化。本發(fā)明可藉由控制該冷卻槽104的溫度而間接地控制該處理槽102內(nèi)蝕刻液的硅濃度。該冷卻槽104內(nèi)的蝕刻液呈硅飽和狀態(tài)，其硅濃度依冷卻槽104的溫度而定。該預熱槽106在未經(jīng)由廠務管路118注入新的蝕刻液時僅單純地將來自該冷卻槽104的蝕刻液加熱，并不會改變蝕刻液的硅濃度。從該預熱槽106輸送至該處理槽102的蝕刻液的硅濃度并不為零，而且維持為一定值。相比于現(xiàn)有技術加入處理槽32的蝕刻液的硅濃度為零，因而造成較大的濃度變化區(qū)間(如圖10的曲線62)，本發(fā)明因加入處理槽102的蝕刻液的硅濃度并不為零，因此硅濃度變化曲線92具有較小的濃度變化區(qū)間。上述系統(tǒng)，甚至可將蝕刻液以固定流量連續(xù)式輸入及輸出處理槽102，而使硅濃度變化曲線變成穩(wěn)定且小于飽和濃度。
再者，相較于現(xiàn)有技術的預熱槽34內(nèi)蝕刻液的硅濃度為零(請參圖4、5及6)且處理槽32必須周期性地排放使用過的蝕刻液，本發(fā)明由于該冷卻槽104可供應經(jīng)循環(huán)回收的蝕刻液至該預熱槽106，因此該預熱槽106的硅濃度并不為零，所以該處理槽102并不須使用控廢片進行試產(chǎn)。
此外，磷酸在蝕刻液中僅做為催化劑，不會因蝕刻反應進行而消耗。然而，現(xiàn)有技術必須排放使用過的蝕刻液，導致蝕刻制造工藝的成本增加且處理蝕刻廢液亦增加額外成本。相對地，本發(fā)明不需排放使用過的蝕刻液，可大幅地降低蝕刻制造工藝的成本。
簡言之，本發(fā)明的蝕刻液處理方法首先利用一蝕刻液進行一含硅薄膜的蝕刻制造工藝，接著將該蝕刻液冷卻至80℃至120℃之間以形成一硅飽和蝕刻液。將該硅飽和蝕刻液內(nèi)大于一預定尺寸(例如0.1微米)的硅化物微粒過濾去除后，再將該硅飽和蝕刻液加熱至少10℃以上，使之形成一非飽和蝕刻液。之后，利用該非飽和蝕刻液進行另一次蝕刻制造工藝。
雖然本發(fā)明以優(yōu)選實施例揭露如上，然而其并非用以限定本發(fā)明，本領域的技術人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可作些許的更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護范圍應當以后附的權利要求所界定者為準。
權利要求
1.一種蝕刻系統(tǒng)，包括一處理槽，具有一含硅蝕刻液；一冷卻槽；一第一管路，可自該處理槽輸送該蝕刻液至該冷卻槽；一預熱槽；一第二管路，可自該冷卻槽輸送該蝕刻液至該預熱槽；以及一第三管路，可自該預熱槽輸送該蝕刻液至該處理槽。
2.如權利要求1的蝕刻系統(tǒng)，其中該冷卻槽內(nèi)的蝕刻液被冷卻至一第一溫度，用以使該蝕刻液的硅濃度呈一飽和狀態(tài)。
3.如權利要求2的蝕刻系統(tǒng)，其中該第一溫度介于80℃至120℃之間。
4.如權利要求2的蝕刻系統(tǒng)，其中該預熱槽將該蝕刻液加熱至一第二溫度，用以使該蝕刻液的硅濃度呈一非飽和狀態(tài)。
5.如權利要求4的蝕刻系統(tǒng)，其中該第二溫度高于該第一溫度至少10℃。
6.如權利要求1的蝕刻系統(tǒng)，其還包括一過濾器，具有一入口端及一出口端；一第四管路，用以自該冷卻槽輸送該蝕刻液至該過濾器的入口端；以及一第五管路，用以自該過濾器的出口端輸送該蝕刻液至該冷卻槽。
7.如權利要求6的蝕刻系統(tǒng)，其中該過濾器具有多個小于0.1微米的開孔，可去除該蝕刻液中大于該開孔的硅化物微粒。
8.如權利要求7的蝕刻系統(tǒng)，其另包括一第六管路，連接于該過濾器的入口端；以及一第七管路，連接于該過濾器的出口端；其中可自該第六管路輸入一包括氫氟酸的溶液以溶解該過濾器上的硅化物微粒，并自該第七管路輸出。
9.如權利要求7的蝕刻系統(tǒng)，其還包括一第六管路，連接于該過濾器的入口端；以及一第七管路，連接于該過濾器的出口端；其中可自該第七管路輸入一去離子水以清洗去除該過濾器上的硅化物微粒，并自該第六管路輸出。
10.如權利要求1的蝕刻系統(tǒng)，其中該處理槽內(nèi)的蝕刻液溫度等于該預熱槽內(nèi)的蝕刻液溫度。
11.一種蝕刻液處理方法，包括利用一蝕刻液進行一含硅薄膜的蝕刻制造工藝；冷卻該蝕刻液至一第一溫度，以形成一硅飽和蝕刻液；過濾該硅飽和蝕刻液中大于一預定尺寸的硅化物微粒；加熱該硅飽和蝕刻液至一第二溫度，以形成一非飽和蝕刻液；以及利用該非飽和蝕刻液進行另一蝕刻制造工藝。
12.如權利要求11的蝕刻液處理方法，其中該第一溫度介于80℃至120℃之間。
13.如權利要求11的蝕刻液處理方法，其中該第二溫度高于該第一溫度至少10℃。
14.如權利要求11的蝕刻液處理方法，其中過濾該硅化物微粒將該硅飽和蝕刻液以一順流方式通過一過濾器，該過濾器具有多個小于0.1微米的開孔以去除該硅飽和蝕刻液中大于該開孔的硅化物微粒。
15.如權利要求14的蝕刻液處理方法，其還包括將一去離子水以一逆流方式通過該過濾器，以去除該過濾器上的硅化物微粒。
16.如權利要求14的蝕刻液處理方法，其還包括將一含氫氟酸的溶液以一順流方式通過該過濾器，以去除該過濾器上的硅化物微粒。
17.如權利要求11的蝕刻液處理方法，其中該蝕刻制造工藝在該第二溫度下進行。
全文摘要
本發(fā)明的蝕刻系統(tǒng)包括一具有一含硅蝕刻液的處理槽、一冷卻槽、一預熱槽、一可自該處理槽輸送該蝕刻液至該冷卻槽的第一管路、一可自該冷卻槽輸送該蝕刻液至該預熱槽的第二管路以及一可自該預熱槽輸送該蝕刻液至該處理槽的第三管路。本發(fā)明的蝕刻液處理方法首先利用一蝕刻液進行一含硅薄膜的蝕刻制造工藝，接著將該蝕刻液冷卻至一第一溫度以形成一硅飽和蝕刻液。將該硅飽和蝕刻液內(nèi)大于一預定尺寸的硅化物微粒過濾去除后，再加熱至一第二溫度以形成一非飽和蝕刻液，以便進行另一次蝕刻制造工藝。該第二溫度高于該第一溫度至少10℃。
文檔編號H01L21/02GK1713359SQ20041005980
公開日2005年12月28日 申請日期2004年6月22日 優(yōu)先權日2004年6月22日
發(fā)明者張宏隆, 呂泓岳 申請人:茂德科技股份有限公司