CN100377836C - 采用含水和低温清洗技术组合的半导体晶圆表面的后-cmp清洗 - Google Patents

采用含水和低温清洗技术组合的半导体晶圆表面的后-cmp清洗 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种新的适用于清洗半导体表面以及金属、特别是疏水性低K介质膜和CMP侵蚀阻挡膜的表面，以去除后CMP污染物的含水和低温增强(ACE)清洗的改进方法。该方法特别适用于去除尺寸为0.3μm或小于0.3μm的污染物。ACE清洗方法适用于已经经历过化学机械抛光(CMP)的表面。该方法包括这样的步骤：采用含水基的清洗方法清洗表面，至少局部干燥表面，以及之后不久，采用 CO2 低温清洗方法清洗表面。该方法能够从疏水性的、由此单独采用含水基清洗技术难以清洁的表面上，去除所述的污染物。

Description

采用含水和低温清洗技术组合的半导体晶圆表面的后-CMP清洗
发明领域
本发明涉及从半导体材料的后化学机械抛光清洗污染物的领域，尤其涉及采用含水基和低温增强(ACE)清洗技术的组合，在金属和电介质膜的化学机械抛光之后，脱除污染物。
技术背景
在基于硅的器件制造、光学制造和化合物半导体器件的制造加工工艺中长采用化学机械抛光(CMP)来进行金属和介质膜的整体平整。CMP加工工艺可包括保持薄的和平面的半导体材料基片在可控压力和温度且涂有称为浆料的化学品的条件下靠着湿的抛光盘旋转。该浆料包含着诸如二氧化铈、氧化铝、或者气体或胶态二氧化硅之类的颗粒，以及适用于CMP处理的表面活性剂、侵蚀剂和其它添加剂。在CMP处理之后，由抛光浆料的颗粒、添加至浆料中的化学品、以及抛光浆料的反应产生物所构成的污染物会留在晶圆的表面上。这些污染物必须在进入到IC制造处理的下一步骤之前清洗干净，以避免降低器件的可靠性，以及对器件引入缺陷。这些污染物的许多颗粒都是小于0.3μm的。
常规的清洗技术用于清除后CMP污染物，例如，与兆声能和毛刷相结合的含水化学清洗方法，都不能适用于清除这些较小尺寸的污染物。常规的湿法技术在晶圆的表面上使用液流体来清除污染物，然而，它们的效率受到由于液流体所产生的边界层厚度的限制。比边界层小的颗粒可以屏蔽流体的物理拖曳力，因此仍旧保留在晶圆的表面上。亚0.3m浆料的范德瓦尔斯(Van der Waals)力使得双层离子相互排斥，这是由于在湿法清洗中颗粒的Z势能和表面相似所引起的，因此湿法清洗不能充分地清洗含有颗粒的晶圆和表面，所以也不能充分地清洗晶圆的表面。正是如此，液体的流体不能去除这些较小尺寸的污染物。其它由于化学和氢键合所引起的粘结，进一步使得湿法清洗技术变得更加复杂，明显降低了这些处理对去除较小尺寸污染物的效率。
兆声能可以结合这些常规湿法技术使用，以明显减小边界层的厚度。边界的厚度可以在1MHz的条件下减小至0.5μm。然而，去除由后CMP浆料所形成的这些小的亚0.3μm尺寸颗粒的效果仍不是很明显。正是如此，这些污染物仍旧会保留在这些晶圆的表面。
低K介质膜的使用，例如，在双层金属镶嵌集成中的掺碳氧化物或有机膜，进一步挑战仅仅只使用含水基化学品的后CMP清洗技术。这些膜以及CMP阻挡层，例如，碳化硅、氮化硅和氮氧化硅，都是非常疏水性的，因此采用基于水的湿法清洗技术是不能去除的。
正是如此，就需要清洗技术能够从半导体晶圆或者其它金属或者介质膜的表面清除亚0.3μm颗粒的后CMP污染物。
发明内容
本发明提供了一种新的和改进的清洗半导体表面的方法，以及清洗金属、电介质膜、尤其疏水性低k电介质膜、以及CMP侵蚀阻挡膜的表面，以去除后CMP污染物的方法。
本发明还提供了一种这样的方法：它可以从半导体、金属、电介质膜特别是疏水性低k介质膜、以及CMP侵蚀阻挡膜的表面上，清除后化学机械抛光(CMP)污染物，所述污染物的尺寸为0.3μm或更小。
本发明的ACE清洗方法包括：含水清洗和低温清洗技术的独特组合，以便从半导体、金属或膜的表面去除这些小颗粒的污染物。就其广泛性而言，本发明包括清洗这些表面以去除污染物颗粒的方法，其中，该方法包括这样的步骤：提供经历了化学机械抛光(CMP)的表面，采用含水基的清洗方法来清洗表面，至少局部干燥表面。之后不久，采用CO2低温清洗方法来清洗表面。使用这一方法，就能够从表面上去除包括亚0.3μm的小颗粒和亚0.1μm的小颗粒的污染物。本发明也能够从疏水性的、由此仅用含水基的清洗技术而难以清洗的表面上，去除这类污染物。
附图的简要说明
图1是描述现有技术和本发明方法的总步骤的流程图。
图2是描述在CO2低温清洗中的总装置的流程图。
详细说明
图1提供了ACE清洗方法的总步骤的流程。ACE清洗方法包括步骤：采用含水基清洗剂清洗具有CMP污染物的表面，选择性地使用兆声能和/或毛刷，从表面上去除重力水，以及采用CO2低温情形方法来清洗表面。含水清洗步骤较佳地是在低温清洗步骤之前进行，以便于获得最佳的效果。
标准的湿法(溶液)清洗方法在业内都是众所周知的，并且都是可以采用的。美国专利No.5,922,136(1999年7月13日申请)讨论了该方法的一例实例。作为一个常规的实例，湿法清洗方法所包括的步骤大致有：采用去离子水漂洗半导体晶圆的表面，使用一种或多种含水基或基于溶剂的清洗剂，以及采用去离子水再次漂洗表面。在采用多种含水或溶剂基的清洗剂的情况下，可以重复使用这些步骤，并且可以在每一次使用清洗剂之间进行漂洗。基于湿法的清洗包括可以使用也含有清洗剂的去离子水(DI)。此外，基于湿法的清洗方法可以与兆声能和/或毛刷清洗相合并，以进一步去除污染物的颗粒。
在湿法清除之后，从晶圆的表面去除重力水，并随后进行低温清洗。较佳的是，低温清洗可以在湿法清洗之后不久进行，以减小颗粒粘附的可能性。标准低温清洗方法在业内都是众所周知的，并且可以与ACE清洗方法相结合。在美国专利No.5,853,962(1998年12月29日，由Eco-Snow System公司申请)中讨论了这些技术的实例。合并在ACE清洗方法中的低温清洗方法还可以包括采用液体和/或蒸气辅助的较新形式的低温清洗。
作为CO2低温清洗的一个实例，在压力(例如在850psi和25℃下)下的液体CO2通过一个特殊设计的喷嘴进行膨胀。液体的快速膨胀使得压力和温度下降，从而使固体CO2以雪状颗粒的形式存在于气体CO2的流体中。固体和气体CO2的流体直接喷在晶圆的表面，以去除污染物。通过低温颗粒的动能转移克服在晶圆表面上的污染物颗粒的粘附力来去除颗粒的污染物。有机污染物薄膜以这样的方式脱除：由于颗粒上的压力而将该薄膜溶解于形成在低温颗粒和晶圆表面的界面处的液态CO2中。
ACE清洗方法可以应用于半导体晶圆和晶圆表面，但并不仅仅只限制于硅基材料。CMP不仅可以在硅基的器件制造中使用，也可以在光学制造和基于化合物半导体器件制造中使用。ACE清洗方法也可以用于从已经历过CMP的金属表面和介质膜去除污染物。然而，本文所使用的术语“晶圆”或者“晶圆表面”，是指也可以使用其它材料，并且本发明的处理可以相同的方式应用于这些材料。
ACE清洗方法可以与半导体工业中所熟知的清洗相结合。湿法或含水清洗方法都是清洗半导体晶圆表面所熟知的方法。在业内，它的使用是标准化的。然而，至今为止，使用CO2低温清洗方法来清洗半导体晶圆以去除后CMP污染物、尤其是去除亚0.3μm的污染物、甚至于从晶圆表面清除亚0.1μm的污染物是未知的。在含水基清洗以后采用CO2低温清洗方法的组合，从晶圆表面去除这类后CMP污染物颗粒，也一直是未知的。含水基清洗和CO2低温清洗的组合能够去除所有后CMP污染物，包括尺寸较小的颗粒。湿法或含水基的清洗方法并不能有效地清除所有的污染物，特别是尺寸较小的颗粒，并且在必须从疏水性表面去除颗粒时也不能十分有效地清除污染物。低温清洗方法的本身也不能清除所有的CMP污染物。在CMP中所使用的添加剂包括表面活性剂和阻蚀剂，从本质上来看，都是有机的。采用低温清洗也不能够清除这些添加剂，并且如果这些添加剂是留在晶圆表面上的话，低温清洗还会影响所要去除的这些颗粒。因此，令人惊讶地发现，低温清洗和湿法清洗一起可以适用和满足于半导体工业的使用，以便于从晶圆表面上去除后CMP的污染物，当与湿法清洗结合使用时，与单独使用湿法清洗的方法相比较，提供了从晶圆表面去除这些小的亚0.3μm的污染物的增强效果，特别是难以清洗的疏水性表面。
湿法和低温清洗方法各自都可以在它们各自技术中合并所熟知的步骤。然而，在此之前，它们还一直没有组合起来使用，从晶圆表面清除污染物，并且低温清洗技术也没有在半导体领域中用于去除后CMP的污染物。CO2低温清洗并不依赖于晶圆表面的可湿性，而是取决于动能转移。因此，甚至能够从疏水性低K介质膜去除污染物。这样就能够使得铜-低K集成电路从其传统应用而进一步扩大到其它技术结点上。
ACE清洗方法组合了含水基和低温清洗技术，以克服单独使用含水基清洗技术所面临的主要问题：在从晶圆表面和清洗的疏水性表面有效去除亚0.3μm的颗粒、甚至于亚范德瓦尔斯所存在的边界层限制。低温清洗方法是通过动能转移进行工作的，其中，在晶圆表面上高速达到低温的颗粒能够克服受其影响的污染物颗粒的粘附力。一旦颗粒克服了粘附力，则由于气体CO2流体所产生的拖曳力能够将颗粒完全从表面上去除。于是清洗就不依赖于表面的可湿性，因此就不受表面或者在其表面沉积膜的疏水性/亲水性的性能限制。
在低温清洗的过程中，由于CO2气体在晶圆表面上的流动也会形成边界层。然而，与在湿法清洗中的流体动力拖曳力相比较，由于在低温清洗中去除颗粒的主要机理是动能的转移，因此边界层呈现着明显差异。CO2低温的颗粒必须跨越这一边界层才能到达晶圆表面。在跨越通过这一边界层的过程中，由于边界层所产生的拖曳力而降低低温颗粒的速度。可以根据它的松弛时间来测量低温颗粒在速度上的降低。松弛时间是指低温颗粒的速度下降至其原始速度的36％的时间，并且可以由下列表示式给出：
τ＝(2r2ρpCc)/9η
式中：r是低温颗粒的半径；ρp是低温颗粒的密度，CC是坎宁安片段校正系数，以及η是媒介的粘性。该表示式显示了如果媒介的粘性是高的，则松弛时间常数就低的，这表示低温颗粒在跨越边界层处会呈现出更大的拖曳力，从而使得它们到达晶圆表面的速度和动能快速下降。这也显示了较大的颗粒能够以较大速度和动能达到晶圆的表面，从而克服污染物颗粒在晶圆表面上的粘附力。一例实例的计算显示要去除由范德瓦尔斯(Van der Waals)力保持在晶圆表面上的0.1μm的污染物颗粒，直径大于1.2μm的低温颗粒必须以大于14m/s的速度到达晶圆表面。该速度可以使用典型的侵占型喷嘴获得，例如，EcoSnowTM清洗工具。能够具有至少14m/s的速度跨越50μm边界层的最小低温颗粒为0.2μm。因此，该实例显示了边界层并不去除小尺寸颗粒的限制因素，因为需要去除小的污染物颗粒的低温颗粒的整体尺寸分布能够跨越CO2气流在晶圆表面上所产生的边界层。
实施例
湿法清洗方法
为了采用常规的湿法清洗方法从半导体晶圆去除后CMP污染物，将晶圆放置在流动水的水槽中，采用去离子水漂洗长达1分钟。随后，将含水基的清洗剂涂覆晶圆，长达约2分钟，清洗之。在该步骤之后，再次在流动水的水槽中，采用去离子水漂洗晶圆大约1分钟。随后，在旋转漂洗干燥机中以大约1500rpm速度旋转干燥，持续大约3分钟。
另外，采用含水或溶剂基的清洗剂的清洗步骤，可以在各个步骤之间采用去离子水漂洗的多个步骤来实施。溶剂包括在业内通常用于从晶圆表面去除污染物的任何溶剂。这些溶剂包括但并不限制于SCl(它是氢氧化铵、过氧化氢和水一般以从0.2∶1∶5至1∶1∶5范围内的比率混合而成的组合物)；0.5％-2％(体积)的氢氧化铵的水溶液；浓度为0.2至1.0％的氢氟酸在去离子水中的稀溶液；适用于后CMP清洗的螯合剂；氧化剂例如过氧化氢；以及减小表面张力的表面活性剂。溶剂的选择取决于所要去除的污染物。
在清洗的步骤中，通常还可以使用兆声能和/或具有PVA毛刷的毛刷清洗。这些技术在业内都是众所周知的，并且可以使用这些熟知的技术。以一个实用的方法作为实例来简要描述这些步骤，然而，也可以使用任何熟知的或者标准的技术。
兆声能和毛刷技术
对于兆声能清洗技术来说，可以使用批量清洗或者单个晶圆清洗的处理方法。在使用批量处理的兆声能清洗槽中，将晶圆垂直放置在槽的底部具有兆声能换能器的槽中。在单个晶圆清洗处理系统中，晶圆水平放置，并且兆声能棒在晶圆表面上以扫描方向移动。兆声能换能器或棒都是以大约800KHz至大约1.3MHz的频率工作。兆声能换能器或棒的振动形成由粘性媒介中的波衰减所产生的超声波。这些波会产生流动的流体并且形成小的空化泡沫，这些都有助于从晶圆的表面去除颗粒。
在毛刷清洗中，可以使用PVA毛刷。该毛刷包括软海绵状的材料并且是可高度压缩的。它可以在通过它的芯体部分包含清洗剂的同时旋转在晶圆的表面上。但是毛刷并不与晶圆的表面相接触。另外，当毛刷随其滑动时，被液体的水动力拖曳力所移动的污染物颗粒可以与毛刷一起压缩和推动。因此，很重要的是，晶圆表面是亲水性的，使得毛刷能够滑过晶圆表面而不会接触它。一旦污染物颗粒被移动，则它们就悬浮在液体中，直至污染物颗粒随着流体流动从晶圆表面去除。
干燥表面
在湿法清洗之后，从晶圆的表面上去除重力水，并随后进行低温清洗。通过将晶圆浸渍在乙醇中以置换水或者采用乙醇喷射在晶圆上，同时旋转晶圆来去除重力水。如果需要，表面可以全部干燥。
低温清洗方法
较佳的是，为了减小颗粒粘附的可能性，低温清洗是在湿法清洗之后不久就进行。较佳的是，低温清洗是在湿法清洗之后的24小时或者小于24小时内进行。标准的低温气方法在业内是众所周知的，并且可以与ACE清洗技术合并。在美国专利No.5,853,962(1998年12月29日，由EcoSnow System Inc.公司申请)中讨论了这些技术的实例。
作为这些方法的实例，图2显示了典型的清洗系统。清洗容器12提供一个超清洗、被围起来的或密封的清洗区域。在该清洗区域内，晶圆1通过真空被置于平台2上。载有晶圆的平台可以维持在控制温度下，控制温度最高为100℃。来自于圆筒的、处于室温和850psi下的液体CO2，首先通过一个烧结的串联过滤器4，以从液体流中过滤掉非常小的颗粒，以便提供尽可能纯的二氧化碳并减少在液体流中的污染物。随后，液体CO2通过小孔径的喷嘴进行膨胀，较佳的是，喷嘴的直径为0.05″-0.15″。液体的迅速膨胀使得温度下降，从而以大约每分钟1-3立方英尺的速率在气体CO2流中形成固体CO2雪状颗粒。固体和气体CO2的流以大约30度至大约60度的角度，较佳的是，以45度的角度直接引导到晶圆表面。喷嘴可较佳地定位在沿着喷嘴的视线到晶圆所测量的大约0.374″至0.5″的距离上。在清洗处理过程中，平台2可以Y方向沿着轨道9前后移动，同时清洗喷嘴的臂可以X方向沿着轨道10水平移动。这就在晶圆表面上形成光栅清洗图形，并且其步骤尺寸和扫描速率可以根据需要预置。较佳的是，在清洗腔体中的湿度保持尽可能低，例如，＜-40℃的露点。低的湿度可以避免在清洗处理过程中大气气氛在晶圆表面上的冷凝和冷冻，因为这会通过在污染物颗粒和晶圆表面之间形成结晶桥而增加在污染物颗粒和晶圆表面之间的粘附力。可以采用氮气气流或者清洁的干燥空气来保持低湿度。同样，在整个清洗处理过程中，很重要的是，在清洗腔体中的静电电荷是中和的。这是采用双极性电晕离子板5来实现的。该系统还具有钋喷嘴，它可以直接安装在CO2喷嘴的前面，以增加安装在电接地平台上的晶圆的电荷中和。静电电荷是由于CO2流体通过喷嘴的摩擦起电所形成的以及覆盖着整个晶圆表面，并且在清洗腔体中保持着低湿度有助于静电电荷的形成。
对于颗粒污染物来说，脱除机理的原理是CO2低温颗粒的动能转移以克服在晶圆表面上的污染物颗粒的粘附力。一旦颗粒被“松开”，则气体CO2的拖曳力就能够将颗粒从晶圆的表面去除。有机污染物膜的清除机理是：由于在晶圆表面上低温CO2的冲击压力，而在有机污染物和所述表面的界面处形成液态CO2薄层。随后，液体CO2能够溶解有机污染物，并且将它从晶圆表面上带走。
在辅助液体的低温方法中，美国专利申请号No.60/369,853(2002年4月5日申请)作了详细的讨论，并且通过参考合并与此，无论是在低温清洗过程中，还是在低温清洗之前，可以将具有高蒸气压力的液体，例如但并不限制于：异丙醇、乙醇、丙酮、50％v/v的乙醇-丙酮混合物、甲醇、甲酸甲酯、甲基碘化物和乙烷基溴化物，喷射在晶圆的表面上。液体可以喷洒在表面上，作为颗粒去除的较薄的薄层或作为颗粒去除的较厚的膜，当采用低温喷洒方式喷出时将会产生附加的拖曳力来去除颗粒。液体可以采用任何标准的孔径来喷洒，例如，在湿法清洗工作台中用于在晶圆表面上喷洒去离子水的Teflon雾喷嘴，另外，液体的蒸气可以冷凝在晶圆的表面上，正如在美国专利申请60？369,852(2002年4月5日申请)中所讨论的蒸气低温清洗，该专利通过参考合并与此。采用液体所覆盖的晶圆较佳的是在10分钟以上。可以采用喷洒一层液体覆盖或者重复喷洒多层覆盖晶圆，以确保晶圆保持可湿性。在该时间周期之后，就可以开始CO2低温喷洒。可以使用以上所讨论的标准技术。通过减小介于其中媒介的Hammaker常数分量，液体可以减小在晶圆表面上的颗粒污染物的粘附力。因此，CO2低温颗粒可以较容易从表面松开污染物。

Claims (15)

1.一种从半导体晶圆、金属或膜的表面上去除化学机械抛光污染物的方法，它包括以下步骤：
a)采用去离子水和/或含水或溶剂基的清洗剂来湿清洗表面；
b)至少局部干燥所述表面；和，
c)采用CO2低温清洗所述表面；
该方法足以从表面上脱除至少一种与化学机械抛光有关的尺寸≤0.3μm的污染物。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面通过去除重力水进行局部干燥。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述表面是基本干燥的。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)包括这样的步骤：采用去离子水漂洗所述表面，采用含水或溶剂基的清洗剂清洗所述表面，以及采用去离子水漂洗所述表面。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)还包括这样的步骤：重复采用一种或多种含水或溶剂基的清洗剂清洗所述表面，以及采用去离子水漂洗所述表面。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)包括这样的步骤：采用去离子水和/或含水或溶剂基的清洗剂抛光所述表面。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(c)包括这样的步骤：在压力条件下使CO2液体经过喷嘴而膨胀，以便在气态CO2流体中形成夹带的固态CO2；以及将CO2流直接引导至表面以去除污染物。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述重力水这样脱除：将所述表面浸渍在乙醇中，并慢慢地将所述表面从乙醇中取出；或者旋转所述表面，并同时在所述表面上喷洒乙醇。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述步骤(c)之前，用具有高蒸气压的液体喷射所述表面；并使所述液体保留在所述表面上达所需的一段时间。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述步骤(c)之前，用液体的蒸气覆盖所述表面，以降低颗粒表面的粘附力；并且使所述蒸气保留在所述表面上达所需的一段时间。
11.一种从半导体晶圆、金属或膜的表面上去除尺寸为0.3μm或更小的污染物的方法，所述污染物是由所述半导体晶圆、金属或膜的后化学机械抛光所产生，该方法包括以下步骤：
a)湿法清洗所述表面，该步骤包括用去离子水清洗表面，在去离子水中用含水基的清洗剂清洗所述表面，或者采用去离子水和/或含水清洗剂抛光所述表面；
b)通过去除重力水来至少局部干燥所述表面；和，
c)采用CO2低温清洗所述表面，该步骤包括：在压力条件下使CO2液体经过喷嘴而膨胀，以便在气态CO2流体中形成夹带的固态CO2；以及将CO2流直接引导至表面以去除污染物。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述表面是完全干燥的。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，所述步骤(a)包括这样的步骤：采用去离子水漂洗所述表面，采用含水基的清洗剂清洗所述表面，以及采用去离子水再漂洗所述表面。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述步骤(c)之前，用具有高蒸气压的液体喷射所述表面；并使所述液体保留在所述表面上达所需的一段时间。
15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，在所述步骤(c)之前，用具有高蒸气压的液体蒸气覆盖在所述表面上，以降低颗粒表面的粘附力；并且使所述蒸气保留在所述表面上达所需的一段时间。
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