CN101459040A

CN101459040A - Cmp工艺中清除晶圆表面污染物粒子的方法

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Publication number: CN101459040A
Application number: CNA2007100945330A
Authority: CN
Inventors: 张斐尧; 杜应提; 周静
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2007-12-13
Filing date: 2007-12-13
Publication date: 2009-06-17

Abstract

一种CMP工艺中清除晶圆表面污染物粒子的方法，包括：在化学机械抛光设备中通入抛光液，对晶圆进行化学机械抛光；停止通入抛光液；在化学机械抛光设备中通入与抛光液的酸碱性相同的弱酸性或者弱碱性有机物，清洗所述晶圆。所述方法能够有效去除现有技术化学机械抛光晶圆后晶圆表面无法清洗掉的大尺寸污染物粒子。

Description

CMP工艺中清除晶圆表面污染物粒子的方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种CMP工艺中清除晶圆表面污染物粒子的方法。

背景技术

随着半导体产业的不断发展，半导体制作工艺已经进入纳米时代，为了适应各项电子产品越做越小，功能越做越强的趋势，半导体制程中的线宽也由原先的0.18微米发展到现今的0.13微米甚至90nm的制程。而伴随着芯片功能越用越强，元件越做越小的趋势而来的，便是对于半导体晶圆表面的质量要求也越来越高，要求晶圆表面为平坦光滑、不含污染物粒子的清洁表面。所述的污染物粒子指从空白晶圆到最终形成半导体器件的过程中可能产生的有机物、无机物等各种影响晶圆表面清洁度的粒子。

化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，简称CMP)技术是机械削磨和化学腐蚀的组合技术，化学机械抛光技术借助超微粒子(例如二氧化硅粒子，氧化铝粒子)的研磨作用以及浆料的化学腐蚀作用在被研磨的介质表面上形成光洁平坦平面，现已成为半导体加工行业的主导技术。在CMP工艺之后，这些抛光粒子会附着在抛光的晶圆上，成为污染物粒子，必须从晶圆表面完全除去以保持电子器件的可靠性和生产线的清洁度。

通常情况下，化学机械抛光后的晶圆是在酸性(例如以HF酸为主要清洗剂)或者碱性(例如氨水为主要清洗剂)的清洗液中进行清洗，然后再用去离子水清洗。例如申请号为98812108的中国专利申请文件描述的一种在半导体晶片被研磨之后从半导体晶片表面上清除污染物粒子的工艺，此工艺包含：a)使研磨过的晶片与氧化剂接触，以便对可能存在于晶片表面上的有机沾污物进行氧化；b)在步骤a)之后，将晶片浸入加有声能的含有柠檬酸的水浴中，以便清除可能存在于晶片表面上的金属沾污物；c)在步骤b)之后，使晶片与氢氟酸接触，以便清除可能存在于晶片表面上的二氧化硅层；以及d)在步骤c)之后，将晶片浸入加有声能的水浴中，此水浴含有碱性组分和表面活化剂。

在半导体制作工艺中，经常会用到控片(control wafer)以及虚拟片(dummy wafer)，所述的控片其实就是空白的硅片，在半导体制作工艺中，用于离线模拟各种制作工艺，以在不使用制作器件的半导体晶圆的情况下，调试设备、试验工艺；而虚拟片是洁净室中洁净等级最低的空白硅片，主要用于热机，就是当机台没有连续生产时机台温度、化学品流量等参数会与生产过程中有所差异，在这种状况下不能直接生产产品，而是需要在生产产品之前先用虚拟片热机，使机台恢复到正常(即各项参数达到要求)时才能跑产品。

为了提高所述控片以及虚拟片的利用率，控片和虚拟片在使用之后，通常会采用化学机械抛光的方法清除在控片和虚拟片上形成的膜层以及器件，使控片和虚拟片重新成为空白片，循环利用。

在采用现有技术的化学机械抛光法抛光控片和虚拟片并采用现有技术的清洗方法清洗所述控片和虚拟片之后，发现控片和虚拟片表面尺寸大于0.16um的污染物粒子的数量仍然较多，通常大于100个，这种清洁度的控片以及虚拟片在使用时表面清洁度与在线晶圆表面的清洁状况差别太大，不能准确的显示机台的实际工作状况，在器件尺寸越来越小，工艺要求越来越严格的情况下，是不被允许的。因此，必须发展新的清洗方法，以提高控片和虚拟片化学机械抛光后表面的清洁度，提高控片和虚拟片的表面性能，使控片和虚拟片的表面性能尽可能与在线晶圆相同。

发明内容

有鉴于此，本发明解决的技术问题是提供一种CMP工艺中清除晶圆表面污染物粒子的方法，以得到表面清洁度符合要求的晶圆表面。

虽然本发明是在对控片和虚拟片化学机械抛光之中清洗的工艺过程中形成的，但是，本发明的技术方案仍然适用于各种用于制作半导体器件的在线晶圆的表面清洗以及半导体器件制作工艺过程中对含有半导体器件的晶圆进行化学机械抛光工艺中的表面清洗。

一种CMP工艺中清除晶圆表面污染物粒子的方法，包括：在化学机械抛光设备中通入抛光液，对晶圆进行化学机械抛光；停止通入抛光液；在化学机械抛光设备中通入与抛光液的酸碱性相同的弱酸性或者弱碱性有机物，清洗所述晶圆。

当抛光液的pH值大于10时，所述的弱碱性有机物为包含季铵氢氧化物的有机碱，所述季铵氢氧化物包括：氢氧化四甲铵(TMAH)、氢氧化四乙铵、氢氧化四丙基铵、氢氧化三甲基乙基铵、氢氧化(2一羟乙基)三甲基铵、氢氧化(2一羟乙基)三乙基铵、氢氧化(2一羟乙基)三丙基铵和氢氧化(1一羟丙基)三甲基铵。

所述的pH值大于10的抛光液为NALCO公司(美国纳尔科公司)生产的型号为2354的抛光液或者CABOT公司(美国嘉柏公司)生产的型号为SC720的溶液和硫酸铝溶液混合形成的抛光液。

其中，所述晶圆为控片或者虚拟片。

其中，弱碱性有机物的用量与所使用的抛光液的用量比为80:3～80:20。

与现有技术相比，上述方案具有以下优点：

1)本发明所述的方法能够有效去除现有技术化学机械抛光晶圆后晶圆表面无法清洗掉的大尺寸污染物粒子，而且，在化学机械抛光设备中通入与抛光液的酸碱性相同的弱酸性或者弱碱性有机物不含金属离子，可以保证对芯片单元中的IC电路不造成伤害。

2)在化学机械抛光设备中通入与抛光液的酸碱性相同的弱酸性或者弱碱性有机物例腐蚀晶圆表面的速度和选择比适中，不会伤害晶圆表面。

3)在化学机械抛光设备中通入与抛光液的酸碱性相同的弱酸性或者弱碱性有机物经过与水混合，使用安全方便，无害无毒，成本底，操作简单。

附图说明

图1为本发明实施例的工艺流程图；

图2为现有技术的CMP抛光并清洗后的晶圆表面；

图3为本发明实施例CMP抛光并清洗后的晶圆表面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明的目的在于一种CMP工艺中清除晶圆表面污染物粒子的方法，以得到表面清洁度符合要求的晶圆表面。所述方法适用于各种用于制作半导体器件的在线晶圆的表面处理以及半导体器件制作工艺过程中对含有半导体器件的晶圆进行化学机械抛光工艺中的表面清洗，尤其适用于化学机械抛光工艺中对控片和虚拟片进行清洗。

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。

实施例

一种CMP工艺中清除晶圆表面污染物粒子的方法，参考附图1，包括：S100，在化学机械抛光设备中通入抛光液，对晶圆进行化学机械抛光；S110，停止通入抛光液；S120，在化学机械抛光设备中通入与抛光液的酸碱性相同的弱酸性或者弱碱性有机物，清洗所述晶圆。

本实施例所述的晶圆为空白的半导体晶圆或者表面含有膜层的控片或者虚拟片，还可以是在半导体器件制作过程中表面已经形成有部分膜层或者器件的晶圆。

其中，晶圆表面所述的膜层是指半导体器件制作过程中的所有膜层，例如氧化硅，氮化硅等绝缘材料、铝，铜，钨等金属材料。

本实施例中，首先按照现有技术的工艺方法，通过化学机械抛光设备的管路将抛光液通入研磨垫(pad)上，对所述晶圆表面进行化学机械抛光，待主要抛光工艺完成之后，停止通入抛光液，之后，通过化学机械抛光设备的另一个管路将所述的与抛光液的酸碱性相同的弱酸性或者弱碱性有机物通入抛光垫，清洗所述晶圆。

由于将所述的与抛光液的酸碱性相同的弱酸性或者弱碱性有机物通入抛光垫的时间是在停止通入抛光液之后进行的，此时，对晶圆进行化学机械抛光的主要研磨步骤结束，化学机械抛光设备正在对晶圆进行细研磨，也就是说，研磨垫在晶圆表面施加的压力比主要研磨阶段的压力小，此时将所述弱酸性或者弱碱性有机物流到研磨垫上并与晶片直接接触，可以使化学机械抛光设备在进行精细研磨的工艺中将晶圆表面的较大的粒子从晶圆表面带出，达到清洗晶圆表面的目的。

在化学机械抛光设备中，通常情况下，通入抛光液的管路和通入所述弱酸性或者弱碱性有机物的管路是相互独立的，比较优选的，通入抛光液的管路和通入所述弱酸性或者弱碱性有机物的管路是平行排列的。

本实施例所述的抛光液为本领域技术人员所熟知的任何抛光液，可以是市售的各种型号的抛光液。例如NALCO公司(美国纳尔科公司)生产的型号为2354的抛光液或者CABOT公司(美国嘉柏公司)生产的型号为SC720的溶液和硫酸铝溶液混合形成的抛光液。

所述抛光液的pH值在10～12之间时，所述的抛光液的酸碱性相同的弱碱性有机物为包含季铵氢氧化物的有机碱，所述季铵氢氧化物包括：氢氧化四甲铵(TMAH)、氢氧化四乙铵、氢氧化四丙基铵、氢氧化三甲基乙基铵、氢氧化(2一羟乙基)三甲基铵、氢氧化(2一羟乙基)三乙基铵、氢氧化(2一羟乙基)三丙基铵和氢氧化(1一羟丙基)三甲基铵。

除季铵氢氧化物以外其它适合的有机碱的实施例包括，但不受局限于，羟胺、有机胺诸如伯、仲、叔脂肪族胺、脂环胺、芳香族胺和杂环胺、和氨水。羟胺的具体实例包括羟胺(NH₂OH)，N一甲基羟基胺、N，N二甲基羟基胺和N，N二乙基羟基胺。脂肪族伯胺的具体实例包括单乙醇胺、乙二胺和2-(2一胺乙基胺基)乙醇。脂肪族仲胺的具体实例包括二乙醇胺、N一甲胺基乙醇、二丙基胺和2一乙氨基乙醇。

脂肪族叔胺的具体实例包括二甲氨基乙醇和乙基二乙醇胺。脂环胺的具体实例包括环己胺和二环己基胺。芳香族胺的具体实例包括苯甲胺。杂环胺的具体实例包括吡咯、吡咯烷、吡咯烷酮、吡啶。

晶圆表面含有不同的膜层时，采用的化学机械抛光的抛光液不同，当所述膜层为氧化硅、氮化硅等绝缘材料时，通常采用NALCO公司(美国纳尔科公司)生产的型号为2354的抛光液或者CABOT公司(美国嘉柏公司)生产的型号为SC720的溶液和硫酸铝溶液混合形成的抛光液，如果所述膜层为铝，铜，钨等金属材料，则会使用相对应的其它抛光液，只要抛光液的pH值在10以上，就可以采用本实施例所述的工艺方法，通入抛光液后，通入所述的碱性有机物。

本实施例中，通入的弱碱性有机物的用量根据所使用的抛光液的用量来确定，本实施例采用的弱碱性有机物的用量与所使用的抛光液的用量比为80:3～80:20，本实施例尝试弱碱性有机物的用量与所使用的抛光液的用量比为80:5、80:7、80:9、80:11、80:15、80:18，都能够得到比较好的清洗效果。

其中，所述弱碱性有机物与所使用的抛光液用量比的计算方法为：(化学机械抛光步骤通入抛光液的时间×抛光液的流量)：(弱碱性有机物的流量×通入弱碱性有机物的的时间)。

采用本实施例所述的工艺方法对晶圆表面进行化学机械抛光并清除晶圆表面的粒子之后，还需要按照现有的工艺方法，使所述控片或者虚拟片离开所述化学机械抛光设备，再次进行清洗。清洗方法依据所述晶圆的类别以及晶圆表面的膜层或者晶圆表面含有的半导体器件的具体情况确定。

例如，所采用的晶圆为半导体硅的控片，抛光之前所述控片表面含有膜层，化学机械抛光后的清洗方法为先采用热的磷酸和氢氟酸清洗剂等强酸进行清洗，清洗的时间根据研磨后残余的薄膜的多少来确定，然后再采用去离子水进行清洗，再经过干燥即可。

本实施例中，给出一种具体的实施方式，采用NALCO公司2354抛光液，在所述抛光液中加入去离子水，调节抛光液的pH值为10～11，对表面含有膜层的控片或者虚拟片进行化学机械抛光，主要抛光工艺结束后，停止抛光液的通入，在抛光垫上通入氢氧化四甲铵(TMAH)，清洗所述控片或者虚拟片。其中，NALCO公司2354抛光液与氢氧化四甲铵的用量比为80∶10。控片或者虚拟片表面含有的膜层例如氧化硅，氮化硅等。

本实施例还给出另一种具体的实施方式，采用CABOT公司生产的型号为SC720的溶液和硫酸铝溶液混合形成的抛光液，在所述抛光液中加入去离子水，调节抛光液的pH值为11～12，对表面含有膜层的控片或者虚拟片进行化学机械抛光，主要抛光工艺结束后，停止抛光液的通入，在抛光垫上通入氢氧化四甲铵(TMAH)，清洗所述控片或者虚拟片。其中，NALCO2354抛光液与氢氧化四甲铵的用量比为80:12。控片或者虚拟片表面含有的膜层例如氧化硅，氮化硅等绝缘材料。

未采用本实施例所述的CMP工艺中清除晶圆表面污染物粒子的方法对晶圆进行化学机械抛光时，化学机械抛光晶圆采用现有技术的清洗方法清洗晶圆之后，晶圆的表面状况如图2所示，从图中可以看出，晶圆表面尺寸在0.16um以上的污染物粒子的数量较多，通常大于100个。

参考图3所示，采用本实施例所述的工艺方法对晶圆表面进行化学机械抛光后，晶圆表面的污染物粒子的数量大大减小，尺寸在0.16um以上的晶圆的数量小于100个，满足工艺应用的需要。

在半导体器件制作过程中对控片或者虚拟片采用本实施例所述的方法，可以使晶圆的成功率从30％提高到90％。所述成功率的计算方法为：

成功率＝晶圆表面尺寸在0.16um以上的污染物粒子数量小于100的晶圆个数/进行化学机械抛光的晶圆总数。

本实施例所述的方法能够有效去除现有技术化学机械抛光晶圆后晶圆表面无法清洗掉的大尺寸污染物粒子，而且，在化学机械抛光设备中通入与抛光液的酸碱性相同的弱酸性或者弱碱性有机物例如氢氧化四甲铵不含金属离子，可以保证对芯片单元中的IC电路不造成伤害，也不会伤害晶圆表面并且价廉易得。

虽然本发明以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims

1.一种CMP工艺中清除晶圆表面污染物粒子的方法，包括：

在化学机械抛光设备中通入抛光液，对晶圆进行化学机械抛光；

停止通入抛光液；

在化学机械抛光设备中通入与抛光液的酸碱性相同的弱酸性或者弱碱性有机物，清洗所述晶圆。

2.根据权利要求1所述的CMP工艺中清除晶圆表面污染物粒子的方法，其特征在于，抛光液的pH值大于10时，所述的弱碱性有机物为包含季铵氢氧化物的有机碱。

3.根据权利要求2所述的CMP工艺中清除晶圆表面污染物粒子的方法，其特征在于，所述季铵氢氧化物为氢氧化四甲铵、氢氧化四乙铵、氢氧化四丙基铵、氢氧化三甲基乙基铵、氢氧化(2一羟乙基)三甲基铵、氢氧化(2一羟乙基)三乙基铵、氢氧化(2一羟乙基)三丙基铵或者氢氧化(1一羟丙基)三甲基铵。

4.根据权利要求1所述的CMP工艺中清除晶圆表面污染物粒子的方法，其特征在于，所述的弱碱性有机物为氢氧化四甲铵。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的CMP工艺中清除晶圆表面污染物粒子的方法，其特征在于，所述的pH值大于10的抛光液为美国嘉柏公司生产的型号为SC720的溶液和硫酸铝溶液混合形成的抛光液。

6.根据权利要求2至4中任一项所述的CMP工艺中清除晶圆表面污染物粒子的方法，其特征在于，所述的pH值大于10的抛光液为美国纳尔科公司生产的型号为2354的抛光液。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的CMP工艺中清除晶圆表面污染物粒子的方法，其特征在于，弱碱性有机物的用量与所使用的抛光液的用量比为80:3～80:20。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的CMP工艺中清除晶圆表面污染物粒子的方法，其特征在于，所述晶圆为控片或者虚拟片。