专利名称：蚀刻系统及其蚀刻液处理方法
技术领域：
本发明涉及一种蚀刻系统及其蚀刻液处理方法，特别是涉及一种具有稳定氮化硅/氧化硅蚀刻选择比的蚀刻系统及其蚀刻液处理方法。
背景技术：
图1至图3例示现有在一晶片10上进行的浅沟槽隔离制造工艺。在集成电路制造过程中，金属氧化物半导体(metal-oxide-semiconductor，MOS)制造工艺经常使用浅沟槽隔离制造工艺来形成晶体管彼此之间的电气隔离。如图1所示，浅沟槽隔离制造工艺首先在一硅基板12上依序形成一垫氧化层14、一氮化硅层16及一光致抗蚀剂层18，然后以有源区域光掩模将有源区域的图案转移至光致抗蚀剂层18上。
参考图2，接着以干式蚀刻将未受光致抗蚀剂层18覆盖的氮化硅层16及氧化硅层14从硅基板12上去除。之后，干式蚀刻持续向下蚀刻硅基板12以形成一浅沟槽20于硅基板12之中。
参考图3，在光致抗蚀剂层18去除之后，浅沟槽20的表面以热氧化制造工艺成长一衬底氧化层22。接着以化学气相沉积技术将氧化硅填入浅沟槽20之中，并以化学机械研磨技术平坦化晶片10的表面。最后，再以湿蚀刻制造工艺将氮化硅层16自硅基板12上剥除，而留下氧化硅层14及浅沟槽20中的氧化硅。MOS晶体管则由后续制造工艺形成于浅沟槽20两旁的有源区域24，而浅沟槽20内的氧化硅则形成MOS晶体管彼此之间的电气隔离。
现有浅沟槽隔离制造工艺使用经加热的磷酸(H3PO4)来剥除氮化硅层16。由于后续制作MOS晶体管的制造工艺深受剥除氮化硅层16后的晶片10的表面形状及清净度的影响，因此如何控制氮化硅与氧化硅的蚀刻选择比变得极为重要。氮化硅与氧化硅的蚀刻选择比主要受蚀刻剂种类、反应生成物、反应温度及反应时间等参数影响，因此必须妥善地控制此等参数方可实现良好的蚀刻比。
图4例示一现有蚀刻装置30。如图4所示，蚀刻装置30包括一处理槽32、一预热槽34以及由磷酸与去离子水构成的蚀刻液。在进行蚀刻制造工艺时，处理槽32内的蚀刻液被加热并维持在150℃至160℃之间以剥除晶片10的氮化硅层16。预热槽34将来自厂务管路40的磷酸预热至120℃至140℃之间，再经由管路36输送至处理槽32以补充处理槽32经由管路38排出的蚀刻液。
图5及图6显示处理槽32内蚀刻液的硅浓度变化。如图5所示，由于进行氮化硅的蚀刻反应会生成硅化物，因此处理槽32内的蚀刻液中硅化物的硅浓度会随着蚀刻反应进行次数(即反应时间)而增加。当蚀刻液的硅浓度持续增加而变成饱和状态(硅浓度大约为100ppm)时，将产生硅化物微粒。硅化物微粒的产生会严重地影响蚀刻后晶片10表面的清净度，例如一颗0.2微米的硅化物微粒残留于晶片10表面，对0.13微米MOS制造工艺而言可严重地导致集成电路失效。
参考图4，为了避免硅化物微粒的产生，现有的蚀刻装置30藉由管路42及过滤器44(filter)持续地循环过滤处理槽32内的蚀刻液以去除其中的硅化物微粒。惟，当产生的硅化物微粒数量过多时，过滤器44易于因硅化物微粒阻塞而失效。因此，在进行数次蚀刻反应后(即在硅浓度达100ppm之前)必须将处理槽32内的蚀刻液经由管路38完全排出，再由预热槽34供应全新的蚀刻液(硅浓度为零)至处理槽32以避免处理槽32内的硅浓度呈现饱和状态而产生过多的硅化物微粒。如此，处理槽32内的蚀刻液的硅浓度变化曲线52在零与100ppm之间变化而呈现锯齿状，如图5所示。
氮化硅与氧化硅的蚀刻选择比深受蚀刻液中的硅浓度的影响。然而，处理槽32内的蚀刻液的硅浓度并非维持为一定值，而由零(完全更新蚀刻液时)逐渐变化至硅饱和浓度。因此，氮化硅与氧化硅的蚀刻选择比亦随蚀刻液的使用次数而改变，导致蚀刻时间等制造工艺参数的控制难度增加。
产业界目前的处理方法在完全更新蚀刻液(硅浓度为零)时，先以控片(dummy wafer)进行数次试产(dummy run)以提升蚀刻液的硅浓度至一预定值后，再进行实际晶片的蚀刻制造工艺。然而，此一处理方法明显地降低了蚀刻液的使用效益。再者，将磷酸蚀刻液完全更新显然亦增加了磷酸的使用量，导致蚀刻成本的增加。请参考图6，另一种蚀刻液处理方法为周期性地经由管路38排出部分磷酸蚀刻液，并经由管路36供应等量的全新磷酸至处理槽32中。如此，处理槽32内的蚀刻液的硅浓度变化曲线62具有较小的变化范围。相对于处理槽32内的硅浓度随蚀刻反应时间而改变，预热槽34内的磷酸直接由厂务管路40供应而无任何产生硅的来源，因此其硅浓度实质上为零。因此，这种处理方法在完全更新处理槽32的蚀刻液时，仍需以控片进行数次试产以提升蚀刻液的硅浓度。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种具有稳定氮化硅/氧化硅蚀刻选择比的蚀刻系统及其蚀刻液处理方法。
为达成上述目的，本发明揭示一种具有稳定氮化硅/氧化硅蚀刻选择比的蚀刻系统及其蚀刻液处理方法。该蚀刻系统包括一具有一含硅蚀刻液的处理槽、一冷却槽、一预热槽、一可自该处理槽输送该蚀刻液至该冷却槽的第一管路、一可自该冷却槽输送该蚀刻液至该预热槽的第二管路以及一可自该预热槽输送该蚀刻液至该处理槽的第三管路。
本发明的蚀刻液处理方法首先利用一蚀刻液进行一含硅薄膜的蚀刻制造工艺，接着将该蚀刻液冷却至一第一温度以形成一硅饱和蚀刻液。将该硅饱和蚀刻液内大于一预定尺寸的硅化物微粒过滤去除后，再将该硅饱和蚀刻液加热至少10℃以上，使之形成一非饱和蚀刻液。之后，利用该非饱和蚀刻液进行另一次蚀刻制造工艺。
相较于现有技艺，本发明的蚀刻液具有较小的硅浓度变化区间，因而可稳定地控制氮化硅/氧化硅的蚀刻选择比。再者，本发明不需频繁排放使用过的蚀刻液，因而可大幅地降低蚀刻制造工艺的成本。
图1至图3例示现有在一晶片上进行的浅沟槽隔离制造工艺；图4例示一现有蚀刻装置；图5及图6显示现有的蚀刻液的硅浓度变化；图7显示蚀刻液的硅浓度与蚀刻速率及硅化物微粒浓度的关系；图8显示蚀刻液的硅饱和浓度(即硅的溶解度)与温度的关系；图9例示本发明的蚀刻系统；以及图10显示本发明的蚀刻液的硅浓度变化。
简单符号说明
10 晶片12 硅基板14 垫氧化层16 氮化硅层18 光致抗蚀剂层20 浅沟槽22 衬底氧化层 24 有源区域30 蚀刻系统32 处理槽34 预热槽 36 管路38 管路40 厂务管路42 管路44 过滤器52 曲线62 曲线72 曲线74 曲线76 曲线92 曲线100 蚀刻系统102 处理槽104 冷却槽 106 预热槽111 阀门112 管路113 阀门114 管路116 管路118 厂务管路120 过滤器 122 入口端124 出口端 131 阀门132 管路133 阀门134 管路141 阀门142 管路143 阀门144 管路具体实施方式
图7显示蚀刻液的硅浓度与蚀刻速率及硅化物微粒浓度的关系。曲线72为氮化硅的蚀刻速率曲线，曲线74为氧化硅的蚀刻速率曲线，而曲线76则为硅化物微粒浓度变化曲线。如图7所示，氮化硅的蚀刻速率实质上并不受硅浓度影响而为一定值，约90埃/分钟。相对地，氧化硅的蚀刻速率随着硅浓度的增加而降低，而且在硅浓度超过100ppm时为一定值，约0.2埃/分钟。在硅浓度大于100ppm以上时，蚀刻液的硅化物微粒浓度随着硅浓度的增加而增加。
图8显示蚀刻液的硅饱和浓度(即硅的溶解度)与温度的关系。如图8所示，当蚀刻液的温度为80℃、120℃及160℃时，硅饱含浓度分别大约为20ppm、40ppm及120ppm。亦即，提升蚀刻液的温度，可增加硅的溶解度。由于可知，降低蚀刻液的温度可促进蚀刻液的硅形成硅化物微粒(固相)并减少蚀刻液(液相)的硅浓度，而固相硅化物微粒可以藉由过滤器过滤自蚀刻液中移除。
图9例示本发明的蚀刻系统100。如图9所示，蚀刻系统100包括一具有一含硅蚀刻液的处理槽102、一冷却槽104、一预热槽106、一可自该处理槽102输送该蚀刻液至该冷却槽104的管路112、一可自该冷却槽104输送该蚀刻液至该预热槽106的管路114以及一可自该预热槽106输送该蚀刻液至该处理槽102的管路116。此外，该预热槽106亦可经由厂务管路118供应全新的蚀刻液。
该冷却槽104将槽内的蚀刻液冷却至一第一温度以使该蚀刻液的硅浓度呈一饱和状态，其中该第一温度优选地介于80℃至120℃之间。该预热槽106将槽内的蚀刻液加热至一第二温度以使该蚀刻液的硅浓度呈一非饱和状态，其中该第二温度高于该第一温度至少10℃。该预热槽106将来自该冷却槽104的蚀刻液加热后，经由管路116输送至该处理槽102以便进行湿蚀刻制造工艺。该处理槽102内的蚀刻液的温度可介于130℃至160℃之间。优选地，该预热槽106将槽内的蚀刻液直接加热至进行蚀刻反应的温度，再经由管路116输送至处理槽102。
本发明的蚀刻系统100还包括一具有一入口端122及一出口端124的过滤器120、一可自该冷却槽104的底部输送该蚀刻液至该入口端122的管路132、一可自该出口端124输送该蚀刻液至该冷却槽104的管路134。该过滤器120可为一具有多个开孔的过滤器120，其中该开孔的大小可小于0.1微米。该冷却槽104藉由降低蚀刻液的温度以促进蚀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蚀刻液通过该过滤器120的开孔时将因无法通过而自蚀刻液中被滤除。
本发明的蚀刻系统100亦可包括一连接于该入口端122的管路142以及一连接于该出口端124的管路144。由于过滤器120的开孔会被硅化物微粒阻塞，因此必须经常地清洗以去除阻塞的硅化物微粒。本发明在清洗该过滤器120时，可自该管路142输入一包括氢氟酸的溶液(例如稀释氢氟酸)以溶解该过滤器120上的硅化物微粒，而溶解的硅化物微粒将自该管路144输出。之后，再以去离子水冲洗残留于过滤器120的氢氟酸。此外，该过滤器120的清洗亦可经由管路144输入一去离子水以逆流方式清洗去除该过滤器120上的硅化物微粒，并将废液自该管路142输出。
在进行该过滤器120的清洗时，关闭阀门131及133以避免该过滤器120上的硅化物微粒回流至该冷却槽104。该过滤器120在过滤该冷却槽104内的硅化物微粒时，阀门141及143呈关闭状态。再者，在清洗过滤器120时可将阀门113暂时关闭以暂停供应蚀刻液至预热槽106，而该预热槽106因储存了许多蚀刻液，可在过滤器120清洗期间持续供应蚀刻液至该处理槽102。在完成过滤器120的清洗并过滤该冷却槽104内的硅化物微粒后，再将阀门113打开以便供应蚀刻液至该预热槽106。
随着半导体制造工艺的设计准测缩小化，蚀刻液中所容许的微粒尺寸亦对应地缩小，因而必须选用具有较小开孔的过滤器120(例如0.1微米以下的开孔)。惟，由于较小的开孔易于因微粒堵塞而失效，因此必须藉由增加过滤器的清洗或更换频率以确保过滤可将蚀刻液中的微粒去除。本发明的过滤器120在进行清洗或更换时，该预热槽106仍可持续供应经循环过滤处理的蚀刻液至该处理槽102。亦即本发明在不影响蚀刻液的供应下增加过滤器120的清洗频率，因而可选用具有较小开孔的过滤器120以因应未来的半导体制造工艺。
图10显示该处理槽102内蚀刻液的硅浓度变化。本发明可藉由控制该冷却槽104的温度而间接地控制该处理槽102内蚀刻液的硅浓度。该冷却槽104内的蚀刻液呈硅饱和状态，其硅浓度依冷却槽104的温度而定。该预热槽106在未经由厂务管路118注入新的蚀刻液时仅单纯地将来自该冷却槽104的蚀刻液加热，并不会改变蚀刻液的硅浓度。从该预热槽106输送至该处理槽102的蚀刻液的硅浓度并不为零，而且维持为一定值。相比于现有技术加入处理槽32的蚀刻液的硅浓度为零，因而造成较大的浓度变化区间(如图10的曲线62)，本发明因加入处理槽102的蚀刻液的硅浓度并不为零，因此硅浓度变化曲线92具有较小的浓度变化区间。上述系统，甚至可将蚀刻液以固定流量连续式输入及输出处理槽102，而使硅浓度变化曲线变成稳定且小于饱和浓度。
再者，相较于现有技术的预热槽34内蚀刻液的硅浓度为零(请参图4、5及6)且处理槽32必须周期性地排放使用过的蚀刻液，本发明由于该冷却槽104可供应经循环回收的蚀刻液至该预热槽106，因此该预热槽106的硅浓度并不为零，所以该处理槽102并不须使用控废片进行试产。
此外，磷酸在蚀刻液中仅做为催化剂，不会因蚀刻反应进行而消耗。然而，现有技术必须排放使用过的蚀刻液，导致蚀刻制造工艺的成本增加且处理蚀刻废液亦增加额外成本。相对地，本发明不需排放使用过的蚀刻液，可大幅地降低蚀刻制造工艺的成本。
简言之，本发明的蚀刻液处理方法首先利用一蚀刻液进行一含硅薄膜的蚀刻制造工艺，接着将该蚀刻液冷却至80℃至120℃之间以形成一硅饱和蚀刻液。将该硅饱和蚀刻液内大于一预定尺寸(例如0.1微米)的硅化物微粒过滤去除后，再将该硅饱和蚀刻液加热至少10℃以上，使之形成一非饱和蚀刻液。之后，利用该非饱和蚀刻液进行另一次蚀刻制造工艺。
虽然本发明以优选实施例揭露如上，然而其并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围应当以后附的权利要求所界定者为准。
权利要求
1.一种蚀刻系统，包括一处理槽，具有一含硅蚀刻液；一冷却槽；一第一管路，可自该处理槽输送该蚀刻液至该冷却槽；一预热槽；一第二管路，可自该冷却槽输送该蚀刻液至该预热槽；以及一第三管路，可自该预热槽输送该蚀刻液至该处理槽。
2.如权利要求1的蚀刻系统，其中该冷却槽内的蚀刻液被冷却至一第一温度，用以使该蚀刻液的硅浓度呈一饱和状态。
3.如权利要求2的蚀刻系统，其中该第一温度介于80℃至120℃之间。
4.如权利要求2的蚀刻系统，其中该预热槽将该蚀刻液加热至一第二温度，用以使该蚀刻液的硅浓度呈一非饱和状态。
5.如权利要求4的蚀刻系统，其中该第二温度高于该第一温度至少10℃。
6.如权利要求1的蚀刻系统，其还包括一过滤器，具有一入口端及一出口端；一第四管路，用以自该冷却槽输送该蚀刻液至该过滤器的入口端；以及一第五管路，用以自该过滤器的出口端输送该蚀刻液至该冷却槽。
7.如权利要求6的蚀刻系统，其中该过滤器具有多个小于0.1微米的开孔，可去除该蚀刻液中大于该开孔的硅化物微粒。
8.如权利要求7的蚀刻系统，其另包括一第六管路，连接于该过滤器的入口端；以及一第七管路，连接于该过滤器的出口端；其中可自该第六管路输入一包括氢氟酸的溶液以溶解该过滤器上的硅化物微粒，并自该第七管路输出。
9.如权利要求7的蚀刻系统，其还包括一第六管路，连接于该过滤器的入口端；以及一第七管路，连接于该过滤器的出口端；其中可自该第七管路输入一去离子水以清洗去除该过滤器上的硅化物微粒，并自该第六管路输出。
10.如权利要求1的蚀刻系统，其中该处理槽内的蚀刻液温度等于该预热槽内的蚀刻液温度。
11.一种蚀刻液处理方法，包括利用一蚀刻液进行一含硅薄膜的蚀刻制造工艺；冷却该蚀刻液至一第一温度，以形成一硅饱和蚀刻液；过滤该硅饱和蚀刻液中大于一预定尺寸的硅化物微粒；加热该硅饱和蚀刻液至一第二温度，以形成一非饱和蚀刻液；以及利用该非饱和蚀刻液进行另一蚀刻制造工艺。
12.如权利要求11的蚀刻液处理方法，其中该第一温度介于80℃至120℃之间。
13.如权利要求11的蚀刻液处理方法，其中该第二温度高于该第一温度至少10℃。
14.如权利要求11的蚀刻液处理方法，其中过滤该硅化物微粒将该硅饱和蚀刻液以一顺流方式通过一过滤器，该过滤器具有多个小于0.1微米的开孔以去除该硅饱和蚀刻液中大于该开孔的硅化物微粒。
15.如权利要求14的蚀刻液处理方法，其还包括将一去离子水以一逆流方式通过该过滤器，以去除该过滤器上的硅化物微粒。
16.如权利要求14的蚀刻液处理方法，其还包括将一含氢氟酸的溶液以一顺流方式通过该过滤器，以去除该过滤器上的硅化物微粒。
17.如权利要求11的蚀刻液处理方法，其中该蚀刻制造工艺在该第二温度下进行。
全文摘要
本发明的蚀刻系统包括一具有一含硅蚀刻液的处理槽、一冷却槽、一预热槽、一可自该处理槽输送该蚀刻液至该冷却槽的第一管路、一可自该冷却槽输送该蚀刻液至该预热槽的第二管路以及一可自该预热槽输送该蚀刻液至该处理槽的第三管路。本发明的蚀刻液处理方法首先利用一蚀刻液进行一含硅薄膜的蚀刻制造工艺，接着将该蚀刻液冷却至一第一温度以形成一硅饱和蚀刻液。将该硅饱和蚀刻液内大于一预定尺寸的硅化物微粒过滤去除后，再加热至一第二温度以形成一非饱和蚀刻液，以便进行另一次蚀刻制造工艺。该第二温度高于该第一温度至少10℃。
文档编号H01L21/02GK1713359SQ20041005980
公开日2005年12月28日 申请日期2004年6月22日 优先权日2004年6月22日
发明者张宏隆, 吕泓岳 申请人:茂德科技股份有限公司