CN101635251A - 在化学机械抛光中使用组分可调冲洗液冲洗晶片 - Google Patents

Abstract

本发明为一种在化学机械抛光中使用组分可调冲洗液冲洗晶片的方法。一种制造晶片上集成电路的设备，包括抛光垫；位于所述抛光垫上方的可移动冲洗臂；以及后抛光清洗器。所述后抛光清洗器包括用于刷动所述晶片的刷子；以及对准所述晶片的喷嘴。所述设备还包括用来混合添加物与去离子水的混合器；以及将所述混合器连接到所述冲洗臂和所述喷嘴至少一个的管道。

Description

在化学机械抛光中使用组分可调冲洗液冲洗晶片

技术领域

本发明通常涉及集成电路制造工艺，尤其涉及用于化学机械抛光的设备及方法。

背景技术

化学机械抛光(CMP)是集成电路形成工艺中的一般处理手段。通常，CMP用来半导体晶片的平坦化。CMP具有用来抛光晶片的物理力与化学力协作效果的优点。CMP是在晶片被搁置在抛光垫上的同时，通过向晶片的背部施加负荷力来执行。在包含研磨剂和反应化学品的研磨液(slurry)从下面通过的同时，抛光垫与晶片逆时针旋转。CMP是一种在整个晶片上获得真正全面平坦化的有效方法。

CMP工艺通常包括各种冲洗步骤。通常，利用去离子(DI)水冲洗抛光垫与晶片。去离子水的优点是不希望的颗粒将不会保留在晶片或抛光垫上。但是，传统使用去离子水的冲洗方法也存在缺陷。首先，去离子水不能够彻底地除去CMP的副产品，因而在冲洗之后会发现晶片上留有相当数量的残渣。尤其，有机残渣很难除去，即使使用额外的清洁溶液。

其次，去离子水由于其缺少离子的特性，因此具有低导电率，并因而不能够释放抛光和清洗步骤中产生的静电荷。通过电荷移动，这导致了严重的金属线电化腐蚀。尤其在铜线及其他金属器件中可以发现显著的电化腐蚀。

第三，由于大量颗粒保留在抛光垫上，因此抛光垫的寿命缩短，导致CMP成本的增加。此外，不同抛光垫之间寿命变化显著，导致难以监控抛光垫。因此，现有技术需要一种能够更彻底清洁晶片和抛光垫的新型冲洗方法。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种制造晶片上集成电路的方法，所述方法包括以下步骤：抛光所述晶片；以及使用包含碳酸的酸性溶液冲洗所述晶片。

根据本发明的另一个方面，提供了一种制造晶片上集成电路的方法包括以下步骤：将晶片结合到抛光头上，其中抛光头放置在抛光垫上方；向抛光垫上喷洒研磨液；抛光所述晶片；在抛光所述晶片的步骤之后，利用PH值不等于7的组分可调冲洗液(CTRW)对所述晶片进行冲洗；从所述抛光头上取下所述晶片；以及后抛光清洗所述晶片。

根据本发明的又一个方面，一种制造晶片上集成电路的方法包括以下步骤：将晶片结合到抛光头上；向抛光垫上喷洒研磨液；使用抛光垫抛光所述晶片；将从基本由二氧化碳和一氧化碳及其组合构成的组中选择的碳的氧化气体溶解到去离子水中，以产生溶液，其中所述溶液的导电率约大于1μS/cm；在抛光所述晶片的步骤之后，利用所述溶液对所述晶片进行冲洗；从所述抛光头上取下所述晶片；以及后抛光清洗所述晶片。

根据本发明的再一个方面，提供了一种制造晶片上集成电路的设备，所述设备包括抛光垫；位于所述抛光垫上方的可移动冲洗臂；以及后抛光清洗器。所述后抛光清洗器包括用于刷动所述晶片的刷子；以及对准所述晶片的喷嘴。所述设备还包括用来混合添加物与去离子水的混合器；以及将所述混合器连接到所述冲洗臂和所述喷嘴至少一个的管道。

根据本发明的另一个方面，提供了一种制造晶片上集成电路的设备，所述设备包括抛光垫；位于所述抛光垫上方的冲洗臂；连接到所述冲洗臂上的管道；以及用于混合碳的氧化气体与去离子水的混合器。所述混合器包括气体入口；液体入口；以及连接到所述管道的输出。所述设备还包括至少一个和所述管道连接的电导计及PH测量计。

根据本发明的再一个方面，根据本发明的另一个方面，提供了一种制造晶片上集成电路的设备，所述设备包括抛光垫和后抛光清洗器。所述后抛光清洗器包括用于刷动所述晶片的刷子；以及对准所述晶片的喷嘴。所述设备还包括连接到所述喷嘴的管道；以及用来混合二氧化碳气体和去离子水的混合器。所述混合器包括气体入口；液体入口；以及连接到所述管道的输出。所述设备还包括至少一个和所述管道连接的电导计及PH测量计。

本发明的有益特征包括更有效的冲洗，以及减少发生在对应铜线上的电化腐蚀。

附图说明

为了更完全地理解本发明及其优点，现在将结合附图对发明实施例说明如下，其中：

图1显示了一种化学机械抛光(CMP)系统，该系统包括用来提供组分可调冲洗液的混合器；

图2显示了CMP系统中的后抛光清洗器，其中后抛光清洗器包括用来提供组分可调冲洗液的混合器；以及

图3显示了在CMP处理后从晶片样本上测得的表面电压。

具体实施方式

下面，将对本发明的优选实施例的实现及使用做出讨论。但是，应当了解本发明提供许多可应用的发明概念，这些发明概念可以体现在各种特定环境下。文中讨论的特定实施例仅阐述了本发明的实现及使用的特定方式，并不用来限制本发明的保护范围。

在化学机械抛光(CMP)工艺包括的多个工艺步骤中，通常包括有两个步骤。其中一个步骤关于晶片的抛光，因此整个说明书中称作为抛光部分。另一个步骤称作为后抛光清洗，该步骤关于抛光完成后对晶片的清洗。

抛光部分进一步包括多个步骤。例如抛光部分包括的步骤列表显示如下：

步骤1：高压冲洗。

步骤2：研磨液预流(pre-flow)。

步骤3：使用研磨液的主抛光。

步骤4：清洗抛光。

步骤5：后抛光高压冲洗。

应当了解，除上述列出的步骤之外，CMP还可以包括更多的步骤。现在结合图1对执行上述列举步骤的实施例作出说明，其中图1显示了用于执行上述步骤的CMP系统的实施例。

参考图1，抛光头10放置在抛光垫12上。抛光头10包括用于固定晶片16的结构，该结构朝下面向抛光垫12。在晶片16的抛光过程中、抛光之前及/或抛光之后，抛光垫12与抛光头10可以逆方向旋转。CMP系统进一步包括高压冲洗臂20，高压冲洗臂20用来喷洒组分可调冲洗液(CTRW)，下文中将详细对此进行讨论。在冲洗步骤中，高压冲洗臂20可以被移动位于抛光垫12的上方，并且在没有冲洗步骤执行时，移动其不位于抛光垫12的上方。

通过导管22，将高压冲洗臂20连接到混合器24上。在本发明的一个实施例中，混合器24可用来产生冲洗晶片的组分可调冲洗液(CTRW)。组分可调冲洗液可以包括碳酸，其中碳酸是通过将气态二氧化碳(CO₂)及/或一氧化氮(CO)溶解到去离子(DI)水中产生。因此，混合器24包括用于引入碳的氧化物的入口26以及用于引入去离子水的入口30。CMP系统可以进一步包括气体调节器28，以用于调节混合器24中的气体压力以及/或者碳的氧化气体的流动速度。混合器24可以还包括排放装置38，以用来平衡混合器24内部的压力，以及保持混合器24中组分可调冲洗液的更新。在下面的讨论中，使用二氧化碳作为例子来解释本发明的概念。

当二氧化碳溶解在去离子水中时，产生出碳酸(CO2+H2O＝＞H2CO3)。从而导致产生的组分可调冲洗液的PH值减小。通过调节去离子水中二氧化碳的数量，例如通过调整混合器24中的压力(其中混合器24的压力大于一个大气压)来执行，可以对产生的组分可调冲洗液的PH值进行调整(因此名称为“组分可调冲洗液”)。为了监控组分可调冲洗液的PH值以及导电率，CMP系统可以进一步包括连接在混合器24与高压冲洗臂20之间的电导计34及PH测量计36。由电导计34与PH测量计36测量的数值可以反馈给控制单元40，控制单元40监控所测得的组分可调冲洗液的导电率及PH值，并且比较测量值与期望值。如果测量的导电率及PH值偏离期望值，控制单元40则控制气体调节器28来调节碳的氧化物的流动速度及/或压力，直至导管22中的导电率及PH值位于期望范围内。因此，喷洒在抛光垫12上的组分可调冲洗液具有可调的导电率及可调的PH值。

在替换实施例中，可以使用去离子水与其他酸性材料，例如HCOOH、CH3COOH、有机盐诸如CH3-(CH2)x-NH4Cl，NH4Cl等，或者它们的组合来产生组分可调冲洗液。在去离子水中引入酸性材料则导致组分可调冲洗液的PH值降低，以及导电率增加。优选，组分可调冲洗液的导电率约大于1μS/cm，并且最佳的是位于大约1μS/cm到大约15μS/cm之间。并且，组分可调冲洗液的PH值优选为约小于6.9，最佳是位于大约3到大约6.9之间。当组分可调冲洗液由二氧化碳和去离子水形成时，在大约0℃到60℃的温度之间，组分可调冲洗液中优选的二氧化碳浓度在大约0.0001mM到0.75mM之间。

在又一个实施例中，组分可调冲洗液可以使用去离子水与碱性材料，例如NH3、KOH、有机盐例如CH3COONa，或者它们的组合产生。向去离子水中引入碱性材料，则导致组分可调冲洗液的PH值及导电率增加超出纯去离子水的PH值和导电率。更好地是，组分可调冲洗液的导电率位于大约1μS/cm到大约15μS/cm之间。并且，碱性组分可调冲洗液的PH值优选为约大于7.1。

为了调节导电率及PH值，如图1所示，混合器24优选靠近高压冲洗臂20定位，尤其假如组分可调冲洗液是通过气态材料与去离子水的混合形成。有利地，由于碳的氧化气体在水中具有低溶解度，并且可以容易地从水中蒸发，因此在其混合之后立即于原位使用组分可调冲洗液则确保PH值及导电率处于期望的范围之内。如果组分可调冲洗液是通过溶解气体材料，例如液体或固体材料形成，则可以使用不同的混合器，或者可以预先混合组分可调冲洗液，并将其输送到冲洗发生的位置。

利用上述方法及设备产生的组分可调冲洗液可以使用在CMP的不同步骤中。下面，结合图1以及上面列出的冲洗部分中的示例步骤，对CMP工艺的实施例说明如下。首先，将芯片16结合在抛光头10上。通过移动抛光垫12上方的高压冲洗臂20，以及将组分可调冲洗液喷洒到抛光垫12上，从而执行高压冲洗(步骤1)。同时，晶片16停留在抛光垫12的上方，并因而不会被冲洗。优选地，步骤1包括利用纯去离子水的非冲洗步骤。在步骤1之后，移动高压冲洗臂20以使其不位于抛光垫12的上方。

接着，预流用于抛光的研磨液(步骤2)，以将研磨液喷嘴14以及研磨液分配系统导管中的研磨液丢弃。然后，通过将研磨液分配到抛光垫12上，并逆方向旋转抛光头10与抛光垫12，从而执行主抛光工艺(步骤3)。

在主抛光步骤之后，则执行清洗抛光(步骤4)，其中晶片16保持位于抛光垫12的上方并且可能接触，而且可以继续旋转。高压冲洗臂20被再次移动到抛光垫12上方，并且向旋转的抛光垫12上喷洒组分可调冲洗液。因而，将研磨液及主抛光步骤中产生的物质除去，并且清洗抛光垫12。

接着，在后抛光高压冲洗工艺中(步骤5)，从抛光头10上取下晶片16。利用组分可调冲洗液，高压冲洗臂20用于继续冲洗抛光垫12，而不是晶片16。同时，抛光垫12可以继续旋转。

在抛光部分的步骤1到步骤5执行完毕之后，晶片16则经历后抛光清洗步骤。后抛光清洗器的实施例如图2所示，图2显示晶片16由刷子，例如可以是滚动海绵44划动(也称作拂刷)。滚动海绵44旋转以擦去晶片16上残留的颗粒、研磨液或者其他物质。同时，例如利用喷嘴42将组分可调冲洗液喷洒到晶片16和海绵44上，其中一些喷嘴42可以对准晶片16，并且一些喷嘴42可以对准滚动海绵44。喷嘴42可以连接到用于抛光部分的同一个混合器24，或者连接到分开的混合器24上。使用抛光部分和后抛光清洗的分开混合器24，则抛光部分与后抛光清洗所使用的组分可调冲洗液的组分可以是不同的。

各种清洗步骤可以与使用组分可调冲洗液的后抛光清洗步骤结合。在一个实施例中，在上述后抛光清洗步骤之前，可以使用酸性溶液，例如柠檬酸来预先清洗晶片16。在其他实施例中，可以不执行酸性预清洗。在另外的实施例中，在使用组分可调冲洗液的后抛光清洗步骤之后，利用滚动海绵44继续刷动晶片16，可以执行使用纯去离子水冲洗的步骤。在其他实施例中，在使用组分可调冲洗液的后抛光清洗步骤之后，可以不执行进一步使用纯去离子水的冲洗。

应当了解，组分可调冲洗液的成分可以实时调节。这可以对上述冲洗步骤(例如步骤1及步骤4)以及后抛光清洗步骤提供有益的特征。例如，经过所有上述冲洗及后抛光清洗步骤，组分可调冲洗液可以具有恒定的组分。或者，相比其他步骤中使用的组分可调冲洗液，每个上述冲洗及后抛光清洗步骤可以使用具有不同组分的组分可调冲洗液。甚至在同一步骤中，即使具有不同组分的组分可调冲洗液可以全部由相同的材料，例如二氧化碳与去离子水制造，并且使用相同的混合器24，组分可调冲洗液的组分仍可以不时地改变。例如，在预抛光清洗步骤(或者步骤1或步骤4)的初始阶段中，组分可调冲洗液可以具有较高导电率及较低PH值(低于7)，但是在后抛光清洗步骤(或者步骤1或步骤4)的稍后阶段中，组分可调冲洗液可以具有较低导电率及较高PH值(高于7)。有利地，这样的组分变化不需要更换设备，并且可以无间断地执行。例如组分由控制单元40调节，控制单元40控制气体调节器28，进而改变不同数值的组分(例如碳的氧化物的浓度)。

此外，对于冲洗步骤及/或后抛光清洗步骤的某些阶段，例如后抛光清洗步骤的初始阶段，混合器24甚至可以输出其中基本没有混合任何二氧化碳的纯去离子水。此外，虽然其他步骤通过使用组分可调冲洗液来执行，但上述冲洗及后抛光清洗步骤中的一个或多个步骤可以使用纯去离子水执行。

有利地，随着组分可调冲洗液的导电率的增加超过去离子水，当利用组分可调冲洗液冲洗晶片时，可以更有效地释放抛光步骤及后抛光清洗步骤中在晶片上建立的电荷。图3所示的实验结果显示了在抛光及后抛光清洗步骤中产生的电荷导致的表面电压。在X轴表示不同样本晶片的同时，Y轴表示在后抛光清洗之后从晶片上测量的表面电压。条54、56、58及60是从使用组分可调冲洗液冲洗的样本晶片的测量结果，条50及52是从使用纯去离子水冲洗的样本晶片的测量结果。可以注意到，由条54、56、58及60表示的表面电压大小显著低于条50及52表示的表面电压，表明通过组分可调冲洗液冲洗导致电荷的减少。进一步的实验显示，相比使用纯去离子水冲洗的晶片，利用组分可调冲洗液冲洗的晶片上的表面电荷数量可以减少多于75％。

实验还显示，CMP工艺之后铜线中出现的缺陷显著减少。在使用纯去离子水的样本晶片上，可发现明显的腐蚀。然而，在使用组分可调冲洗液冲洗的样本晶片上，则没有发现明显缺陷。

虽然本发明及其优点已详细说明如上，但应当理解在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和变型。另外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此。本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (15)

1.一种制造晶片上集成电路的方法，包括以下步骤：

抛光所述晶片；以及

使用包含碳酸的酸性溶液冲洗所述晶片。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述酸性溶液由溶解在去离子水中的碳的氧化物形成。

3.如权利要求1所述的方法，进一步包括产生所述酸性溶液的步骤，所述步骤包括：

提供混合器；

将去离子水引入所述混合器中；以及

将二氧化碳进入所述混合器中。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述冲洗晶片的步骤执行在所述抛光晶片步骤之前。

5.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

后抛光清洗所述晶片的步骤，其中所述冲洗晶片的步骤执行在所述抛光晶片的步骤之后，以及所述后抛光清洗晶片的步骤之前；以及/或者

后抛光清洗所述晶片的步骤，其中所述冲洗晶片的步骤在所述抛光晶片的步骤过程中执行。

6.如权利要求1所述的方法，其中：

所述酸性溶液的PH值约低于6.9；

所述酸性溶液的导电率值位于大约1μS/cm到大约15μS/cm之间；及/或

所述酸性溶液的二氧化碳浓度位于大约0.0001mM到大约0.75mM之间。

7.一种制造晶片上集成电路的方法，所述方法包括以下步骤：

将所述晶片结合到抛光头上，其中所述抛光头放置在抛光垫上方；

向所述抛光垫上喷洒研磨液；

抛光所述晶片；

在抛光所述晶片的步骤之后，利用PH值不等于7的组分可调冲洗液对所述晶片进行冲洗；

从所述抛光头上取下所述晶片；以及

后抛光清洗所述晶片。

8.如权利要求7所述的方法，其中

所述组分可调冲洗液的PH值与去离子水的PH值之间的差值约大于0.1；及/或

所述组分可调冲洗液的导电率值在大约1μS/cm到大约15μS/cm之间。

9.如权利要求7所述的方法，还包括，在向所述抛光垫上喷洒研磨液的步骤之前，利用组分可调冲洗液对所述晶片执行额外冲洗。

10.如权利要求7所述的方法，其中后抛光清洗所述晶片的步骤包括利用组分可调冲洗液对所述晶片执行额外冲洗。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述冲洗步骤与所述后抛光清洗步骤中至少一个包括：

对所述晶片执行第一冲洗，其中所述组分可调冲洗液具有第一浓度的二氧化碳；以及

对所述晶片执行第二冲洗，其中所述组分可调冲洗液具有区别于所述第一浓度的第二浓度二氧化碳。

12.一种制造晶片上集成电路的方法，所述方法包括以下步骤：

将所述晶片结合到抛光头上；

向抛光垫上喷洒研磨液；

使用所述抛光垫抛光所述晶片；

将从基本由二氧化碳和一氧化碳及其组合构成的组中选择的碳的氧化气体溶解到去离子水中，以产生溶液，其中所述溶液的导电率约大于1μS/cm；

在抛光所述晶片的步骤之后，利用所述溶液对所述晶片进行冲洗；

从所述抛光头上取下所述晶片；以及

后抛光清洗所述晶片。

13.如权利要求12所述的方法，其中后抛光清洗所述晶片的步骤是通过利用所述溶液再次冲洗所述晶片来执行，并且其中所述方法还包括，在所述向抛光垫上喷洒研磨液的步骤之前，使用所述溶液第三次冲洗所述晶片的步骤。

14.一种制造晶片上集成电路的设备，包括：

抛光垫；

位于所述抛光垫上方的可移动冲洗臂；以及

后抛光清洗器，所述后抛光清洗器包括用于刷动所述晶片的刷子以及对准所述晶片的喷嘴。

15.如权利要求14所述的所述设备，还包括：

用来混合添加物与去离子水的混合器；以及

将所述混合器连接到所述冲洗臂和所述喷嘴至少一个的管道。

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