CN101197268B - 化学机械研磨后残留物的去除方法 - Google Patents

Abstract

一种化学机械研磨后残留物的去除方法，包括：提供一半导体晶片；用含有氧化剂和研磨剂的研磨液对所述半导体晶片表面进行化学机械研磨；用酸性溶液对所述半导体晶片表面进行清洗。该方法能够去除研磨后的污染物残留。

Description

化学机械研磨后残留物的去除方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种钨的化学机械研磨后残留物的去除方法。

背景技术

随着半导体器件日益减小，由于多层互连或填充深宽比较大的沉积过程导致了晶片表面过大的起伏，引起光刻工艺聚焦的困难，使得对线宽控制能力减弱，降低了整个晶片上的线宽的一致性，业界引入化学机械研磨(chemicalmechanical planarization，CMP)来平坦化晶片表面。其步骤为，将硅片放置于一研磨头上，并使所述硅片表面向下与一抛光垫接触，然后通过硅片表面和抛光垫之间的相对运动将所述硅片表面平坦化。在CMP过程中，在硅片表面和抛光垫之间供给有研磨液(Slurry)，所述研磨液一般包含有化学腐蚀剂和研磨颗粒，通过化学腐蚀剂和所述待研磨表面的化学反应生成较软的容易被去除的材料，通过研磨颗粒的机械作用将所述较软的材料去除。研磨后，研磨液中的化学腐蚀剂和晶片表面反应生成的反应物以及研磨颗粒易附着在晶片表面形成污染物残留，该污染物残留对器件的电性及工艺制造均会造成影响，特别是后端铜互连和钨插塞制造工艺对所述污染物残留更加敏感，因而需要尽可能的减少或去除该污染物残留。专利号为US 7125802 B2的美国专利公开了一种钨或铜化学机械研磨的方法，在其公开的方法中，用含有疏水性物质TMAH(Tetra-methyl-ammonium-hydropxide)和TBAH(Tetra-butyl-ammonium-hydropxide)的研磨液对含有钨或铜的表面进行研磨，所述疏水性物质可排斥研磨颗粒和污染物在表面的粘附；完成研磨后用去离子水进行冲洗以达到减少或消除研磨液残留和颗粒污染的效果。然而，所述公开的专利中疏水性物质可导致待研磨表面呈疏水性，疏水性的晶片表面使得清洗液也很难附着于晶片表面，影响了清洗的效果，反而不易使晶片表面的残留物去除。

现有技术中对化学机械研磨后的清洗方法中，也有在去离子水中加入碱性物质例如氢氧化氨并辅助于超声波清洗和毛刷擦洗，其主要步骤如下：

首先，将完成化学机械研磨的表面含有金属钨的晶片放入第一清洗槽，用超声波和氢氧化铵清洗液进行清洗；接着，将所述晶片放入第二清洗槽用毛刷进行刷洗并同时用氢氧化铵溶液清洗；然后用去离子水进行冲洗。最后甩干。该方法清洗后的晶片表面仍然有污染物残留，所述残留物一方面附着于光刻工艺中套刻的对准标记上，影响光刻中对套刻的量测，从而无法判断曝光机对准精度；另一方面，所述残留物附着于钨表面可对钨造成腐蚀进而影响互连，对器件的可靠性能产生影响。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种化学机械研磨后残留物的去除方法，以解决现有对含有钨的晶片表面研磨后有污染物残留的问题。

为达到上述目的，本发明提供的一种化学机械研磨后残留物的去除方法，包括：提供一半导体晶片；用含有氧化剂和研磨剂的研磨液对所述半导体晶片表面进行化学机械研磨；用酸性溶液对所述半导体晶片表面进行清洗。

所述氧化剂为硝酸铁、氰亚铁酸盐、硫酸盐、高锰酸盐中的一种或其组合。

所述研磨剂为CMP3200、CR90中的一种或其组合。

所述酸性溶液为草酸、柠檬酸、醋酸、氢氟酸中的一种。

所述草酸溶液的PH值为4至5。

所述草酸溶液的浓度为0.2％至1.5％。

所述用酸性溶液对所述半导体晶片表面进行清洗的时间为5至300秒。

用酸性溶液对所述半导体晶片表面进行的清洗同时进行超声波清洗。

该方法还包括用毛刷对所述半导体晶片表面进行擦洗的步骤。

该方法还包括用去离子水对所述半导体晶片表面进行清洗并甩干的步骤。

相应的，本发明还提供一种化学机械研磨后残留物的去除方法，包括：提供一表面经过化学机械研磨的半导体晶片；用草酸溶液对所述半导体晶片表面进行清洗。

本发明还提供一种半导体晶片表面残留物的去除方法，包括：提供一表面有残留物的半导体晶片；用草酸溶液对所述半导体晶片表面进行清洗。

所述残留物为含铁的盐、金属钨的氧化物、研磨剂颗粒中的一种或组合。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明方法中通过用草酸对完成研磨的含有金属钨的半导体晶片表面进行清洗，可有效的去除在研磨时残留于所述半导体晶片表面的含铁的盐类、钨的氧化物以及研磨剂颗粒等污染物残留。减少或消除了由于残留带来的光刻工艺中套刻量测的误差以及残留物对金属钨的腐蚀，提高了器件的可靠性及稳定性。

另外，含有硝酸铁的研磨液(Slurry)价格低廉，本发明采用草酸溶液作为清洗液可有效去除含有硝酸铁的研磨液研磨钨时的残留物，使得在90nm甚至更小的技术节点可用含有硝酸铁的研磨液对钨进行研磨，降低了成本；同时含有硝酸铁的研磨液研磨速率较高，可节省制造工艺的时间，缩短制造周期。

附图说明

图1为本发明化学机械研磨后残留物的去除方法的第一实施例的流程图；

图2为一种化学机械研磨的研磨设备的俯视图；

图3为本发明化学机械研磨后残留物的去除方法的第二实施例的流程图；

图4为表面含有钨的半导体晶片的剖面示意图；

图5为图4所示的半导体晶片经过本发明的方法研磨后的剖面示意图；

图6为本发明化学机械研磨后残留物的去除方法的第三实施例的流程图；

图7为本发明方法的第四实施例的流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在半导体制造工艺中，钨常常被用来作为连接插塞连接半导体晶体管器件及后端的金属互连线。形成连接插塞的工艺一般为镶嵌工艺，即首先通过光刻和刻蚀工艺在绝缘介质层中形成接触孔(contact)，然后在所述接触孔中沉积金属钨，并通过化学机械研磨进行平坦化，接着进行研磨后清洗以去除研磨液和颗粒污染。本发明提供一种对钨的化学机械研磨后残留物的去除方法，该方法能够有效的去除半导体晶片表面的残留物。

图1为本发明化学机械研磨后残留物的去除方法的第一实施例的流程图。

如图1所示，首先提供一半导体晶片(S100)。所述半导体晶片上具有金属氧化物半导体器件，所述金属氧化物半导体器件具有源极、漏极及栅极。在所述金属氧化物半导体器件上形成有一绝缘层，所述绝缘层为氧化硅、氮化硅、碳化硅、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃、硼硅玻璃、氟硅玻璃中的一种。本实施例中所述绝缘层为硼磷硅玻璃(BPSG)。所述绝缘层用于隔离所述金属氧化物半导体器件和后续形成的金属互连线。在所述绝缘层中形成接触孔(Contact)，所述接触孔贯穿整个绝缘层，其底部露出所述源极、栅极或漏极，所述接触孔中填充金属后用于电连接所述源极、栅极或漏极与后续形成的金属互连层。在所述接触孔沉积金属钨，沉积的方法为物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积、电镀中的一种。沉积后钨填满整个接触孔，在所述接触孔中沉积金属钨的同时会在所述绝缘层也形成一钨的金属层。所述绝缘层上的钨金属材料需要通过化学机械研磨的方法去除。

将所述半导体晶片传送至研磨设备，用含有氧化剂和研磨剂的研磨液对所述半导体晶片的绝缘层上的钨进行研磨(S110)。所述氧化剂为硝酸铁、氰亚铁酸盐、硫酸盐、高锰酸盐中的一种或其组合。本实施例中所述氧化剂为硝酸铁；所述研磨剂为CMP3200、CR90中的一种或其组合。研磨在如图2所示的研磨设备100中进行。该研磨设备100包括数个研磨垫11，12和13，一研磨头清洗及装载卸载晶片装置10，研磨头旋转装置50，用于向所述研磨垫11，12和13供给研磨液的数个研磨液供给装置21，22和23。数个研磨垫调节装置31，32和33的一端设置于底座上，另一端分别扫过对应的研磨垫表面来对研磨垫表面进行调节。数个研磨头41，42，43和44分别设置于研磨头旋转装置50周围，并能够围绕所述研磨头旋转装置50做整体转动，每一个研磨头也可以自身做转动。所述研磨头41，42，43和44可以吸附晶片并将晶片向下压向所速研磨垫11，12和13，通过研磨垫和研磨头之间的相对转动将晶片表面需要去除的材料磨掉。研磨时，将所述半导体晶片送入晶片装载卸载装置10，并通过一研磨头吸附后置于研磨垫上，通过研磨液供给装置供给研磨液，并依靠研磨头和研磨垫之间的相对运动使得研磨液均匀分布于所述半导体晶片的表面，研磨液中的氧化剂与所述半导体晶片表面的钨发生化学反应生成氧化物，所述氧化物经过所述研磨液中的研磨剂颗粒的机械作用被除去。所述研磨可经过一步(在一个研磨垫上)或数个步骤(在数个研磨垫上)完成，然后用去离子水进行冲洗，以将大部分的研磨掉的物质去除。

研磨终点监测至所述绝缘层露出时为止，完成对所述半导体晶片表面的研磨后，将所述半导体晶片放入含有酸性溶液的清洗槽进行清洗(S120)。所述酸性溶液为草酸、柠檬酸、醋酸、氢氟酸中的一种。本实施例中所述酸性溶液为草酸，所述草酸的PH值为4至5，浓度为0.2％至1.5％。将所述半导体晶片放入草酸溶液中进行5至300秒的清洗。所述清洗可去除所述半导体晶片表面在化学机械研磨工艺中残留的污染物。

图3为本发明化学机械研磨后残留物的去除方法的第二实施例的流程图。

如图3所示，步骤一，首先提供一半导体晶片(S100)。如图4所示，所述半导体晶片200上具有金属氧化物半导体器件，所述金属氧化物半导体器件具有源极102、漏极104及栅极106。在所述金属氧化物半导体器件上形成有一绝缘层108，所述绝缘层108为氧化硅、氮化硅、碳化硅、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃、硼硅玻璃、氟硅玻璃中的一种。本实施例中所述绝缘层108为硼磷硅玻璃。所述绝缘层108用于隔离所述金属氧化物半导体器件和后续形成的金属互连线。在所述绝缘层中形成接触孔(Contact)，所述接触孔贯穿整个绝缘层，其底部露出所述源极102、漏极104，在所述接触孔中和所述绝缘层108上沉积金属层110，用于电连接所述源极102、漏极104与金属互连层。所述接触孔中沉积的金属层110为钨、铜、铝中的一种。本实施例中所述金属层110为钨，沉积的方法为物理气相沉积、化学气相沉积、原子层沉积、电镀中的一种。

如图3所示，步骤二，将所述半导体晶片传送至如图2所示的研磨设备，用含有氧化剂和研磨剂的研磨液对所述半导体晶片绝缘层上的钨进行研磨(S110)。所述氧化剂为硝酸铁、氰亚铁酸盐、硫酸盐、高锰酸盐中的一种或其组合，本实施例中所述氧化剂为硝酸铁；所述研磨剂为CMP 3200、CR90中的一种或其组合。所述的研磨设备包括数个研磨垫11，12和13，一研磨头清洗及装载卸载晶片装置10，研磨头旋转装置50，用于向研磨垫11，12和13供给研磨液的数个研磨液供给装置21，22和23。数个研磨垫调节装置31，32和33的一端设置于底座上，另一端分别扫过对应的研磨垫表面来对研磨垫表面进行调节。数个研磨头41，42，43和44分别设置于研磨头旋转装置50周围，并能够围绕所述研磨头旋转装置50做整体转动，每一个研磨头也可以自身做转动。所述研磨头41，42，43和44可以吸附晶片并将晶片向下压向所速研磨垫11，12和13，通过研磨垫和研磨头之间的相对转动将晶片表面需要去除的材料磨掉。研磨时，将所述半导体晶片送入晶片装载卸载装置10，并通过研磨头吸附后置于研磨垫上，通过研磨液供给装置供给研磨液，并依靠研磨头和研磨垫之间的相对运动使得研磨液均匀分布于所述半导体晶片的表面，研磨液中的氧化剂与所述半导体晶片表面的钨发生化学反应生成氧化物，所述氧化物经过所述研磨液中的研磨剂颗粒的机械作用被除去。所述研磨可经过一步(在一个研磨垫上)或数个步骤(在数个研磨垫上)完成，然后去离子水进行冲洗，以将大部分的研磨掉的物质去除。

如图3所示，步骤三，完成对所述半导体晶片表面的研磨后，将所述半导体晶片放入含有酸性溶液的清洗槽进行清洗(S120)。所述酸性溶液为草酸、柠檬酸、醋酸、氢氟酸中的一种。本实施例中所述酸性溶液为草酸，所述草酸的PH值为4至5，浓度为0.2％至1.5％。将所述半导体晶片放入草酸溶液中进行5至300秒的清洗。所述清洗可去除所述半导体晶片表面在化学机械研磨工艺中残留的污染物。在用草酸的溶液对所述半导体表面进行清洗的同时，用超声波对所述半导体晶片表面进行清洗，通过所述超声波清除所述半导体晶片表面的残留颗粒。

步骤四，将所述半导体晶片从所述草酸溶液中取出，并放置到另外的清洗槽中，用毛刷对所述半导体晶片表面进行擦洗(S130)。通过所述毛刷对所述半导体晶片表面和背面的擦洗可进一步清除玷污物颗粒。同时，为避免所述毛刷被污染物颗粒污染而将污染物颗粒带入到后续的半导体晶片表面，在用毛刷清洗的同时可用氨的水溶液进行清洗。

步骤五，对完成草酸清洗和毛刷擦洗的半导体表面进行去离子水冲洗(S140)。通过所述去离子水清洗可去除在酸性溶液清洗时残留于晶片表面的酸根离子和碱性溶液清洗时残留的氨根离子，以避免所述酸性或碱性离子对后续的工艺的影响，例如氨根离子容易与光刻胶反应而产生光刻胶残留。

步骤六，完成用去离子水对所述半导体表面的清洗后，将所述半导体晶片通过旋转的方法甩干(S150)。经过上述步骤的化学机械研磨和清洗，如图5所示，去除了所述绝缘层108上的多余的金属钨，形成了钨插塞110a。

图6为本发明方法第三实施例的流程图。

如图6所示，首先，提供一表面经过化学机械研磨的半导体晶片(S200)。所述半导体晶片表面含有钨或其它金属材料。研磨所述钨或其他金属材料的研磨液含有硝酸铁。经过研磨后所述半导体晶片表面有含有铁或研磨剂颗粒的污染物。

将所述半导体晶片放入含有草酸溶液的清洗槽进行清洗(S210)。所述草酸的PH值为4至5，浓度为0.2％至1.5％。将所述半导体晶片放入草酸溶液中进行5至300秒的清洗。所述清洗可去除所述半导体晶片表面在化学机械研磨工艺中残留的污染物。在用草酸溶液对所述半导体表面进行清洗的同时，用超声波对所述半导体晶片表面进行清洗，通过所述超声波清洗清除所述半导体晶片表面的残留颗粒。进一步的，通过毛刷对所述半导体晶片表面和背面的擦洗可进一步清除污染物颗粒。接着用去离子水进行冲洗，并通过旋转的方式甩干所述半导体晶片表面。

图7为本发明方法第四实施例的流程图。

如图7所示，首先提供一半导体晶片，所述半导体晶片表面具有残留物(S300)。所述残留物为含铁的盐类、金属钨的氧化物或化学机械研磨的研磨剂颗粒，如氧化铝中的一种或组合。所述残留物可能是经过化学机械研磨后残留于所述半导体晶片表面，或者由于其它方式导致了所述半导体晶片表面污染了所述残留物。

将所述半导体晶片放入含有草酸溶液的清洗槽进行清洗(S310)。所述草酸的PH值为4至5，浓度为0.2％至1.5％。将所述半导体晶片放入草酸溶液中进行5至300秒的清洗。所述清洗可去除所述半导体晶片表面在化学机械研磨工艺中残留的污染物。在用草酸溶液对所述半导体表面进行清洗的同时，用超声波对所述半导体晶片表面进行清洗；进一步的，通过毛刷对所述半导体晶片表面和背面的擦洗；接着用去离子水进行冲洗，并通过旋转的方式甩干所述半导体晶片表面。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种对钨的化学机械研磨后残留物的去除方法，包括：

提供一含钨的半导体晶片；用含有氧化剂和研磨剂的研磨液对所述半导体晶片表面进行化学机械研磨；

所述氧化剂为硝酸铁、氰亚铁酸盐、硫酸盐、高锰酸盐中的一种或其组合；所述研磨剂为CMP3200、CR90中的一种或其组合；

将研磨后的半导体晶片放入含有酸性溶液的清洗槽，对所述半导体晶片表面进行清洗；其中，所述酸性溶液为草酸、柠檬酸、醋酸、氢氟酸中的一种；

用毛刷擦洗所述半导体晶片表面，同时用氨的水溶液进行清洗；

用去离子水对所述半导体晶片进行清洗；

所述残留物包括含铁的盐、金属钨的氧化物、研磨剂颗粒中的一种或组合。

2.如权利要求1所述的对钨的化学机械研磨后残留物的去除方法，其特征在于：当所述酸性溶液为草酸时，所述草酸的PH值为4至5。

3.如权利要求1所述的对钨的化学机械研磨后残留物的去除方法，其特征在于：当所述酸性溶液为草酸时，所述草酸的浓度为0.2％至1.5％。

4.如权利要求1所述的对钨的化学机械研磨后残留物的去除方法，其特征在于：所述用酸性溶液对所述半导体晶片表面进行清洗的时间为5至300秒。

5.如权利要求4所述的对钨的化学机械研磨后残留物的去除方法，其特征在于：用酸性溶液对所述半导体晶片表面进行的清洗同时进行超声波清洗。

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