CN101730929B - 清洁cmp后的晶片的热学方法 - Google Patents
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Abstract
提供在化学机械抛光之后清洁半导体晶片的方法。一种示例性的方法将晶片先后暴露于氧化环境和还原环境中的热处理。在该氧化环境的热处理除去残留物并氧化暴露的铜表面以形成氧化铜层。然后在该还原环境中的热处理将氧化铜还原为元素铜。这使得暴露的铜很清洁并适于进一步处理，比如无电镀覆。
Description
技术领域
本发明大体涉及半导体器件制造领域，尤其涉及晶片的清洁。
背景技术
半导体器件(包括其中的线路后端(BEoL)互连线结构)包括由铜形成的导电线路和其它特征。在晶片上制造半导体器件的过程中，铜通常被沉积在限定于电介质层中的沟槽或通孔中。然后铜和电介质层被平坦化以提供平滑和平坦的表面，其它的层被沉积在该表面上。一种常用的平坦化方法是化学机械抛光(CMP)。CMP工艺通常会在晶片的暴露表面上留下残留物，这些残留物在形成后续层之前必须被除去。
除去CMP残留物的典型方法涉及清洗晶片。例如，首先在酸溶液中清洗晶片，然后在碱溶液中清洗；或者先在碱溶液中然后在酸溶液中。然而，这些方法是不好的，因为它们通常会除去铜，使得铜特征相对于周围的电介质层出现凹陷。除去CMP残留物的其它方法将晶片暴露于高能等离子体中以刻蚀掉残留物。
本发明所提供的是一种除去CMP残留物的新方法，这种方法不会损害暴露的铜或电介质层。
发明内容
一种示例性的CMP后的清洁方法包含在约100℃以上的温度下，在气态氧化环境中处理晶片，然后在约100℃以上的温度下，在气态还原环境中处理该晶片。在该氧化环境中处理该晶片包括在包含O2或O3的气氛中处理该晶片，而在该还原环境中处理该晶片包括在包含H2的气氛中处理该晶片。该方法进一步包含在在该氧化环境中处理该晶片之前，用碱溶液处理该晶片。该碱溶液的pH值在约8到约11的范围内，例如，在一些实施方式中包含氢氧化四甲基铵。
本发明还提供一种清洁CMP后的晶片的方法，该晶片包括具有Cu2O表面层的导电特征。此示例性方法包含在第一气态环境中氧化该Cu2O表面层以形成CuO表面层，然后在第二气态环境中将该CuO表面层还原为元素Cu。氧化该Cu2O表面层可包含在约100℃以上的温度下在包括O2或O3的气氛中处理该晶片，而还原该CuO表面可包含在约100℃以上的温度下在包括H2的气氛中处理该晶片。该方法可进一步包含在氧化该Cu2O表面层之前，用碱溶液大体除去残留物层。
本发明的另一种方法致力于在晶片的导电层上方选择性地形成帽层。此示例性方法包含清洁该晶片和通过无电沉积在该导电特征上方选择性地形成该帽层。在此方法中，清洁该晶片可包括在第一气态环境中氧化该导电特征的Cu2O表面层以形成CuO表面层，然后在第二气态环境中将该CuO表面层还原为Cu。在一些实施方式中，该帽层包含钴或钴合金。
附图说明
图1是CMP后的晶片的横截面视图，该晶片包括位于电介质层中的导电特征。
图2是图1的导电特征的顶部部分的横截面视图。
图3是根据本发明的一个实施方式，清洁图1的CMP后的晶片的方法的流程图。
图4是根据本发明的一个实施方式，图2中所示的导电特征的顶部部分在氧化环境中处理之后的横截面视图。
图5是根据本发明的一个实施方式，图3中所示的导电特征的顶部部分在还原环境中处理之后的横截面视图。
图6是根据本发明的一个实施方式的晶片的横截面视图，该晶片包括选择性地位于导电特征上的帽层。
具体实施方式
本发明提供在化学机械抛光之后清洁半导体晶片的方法。一种示例性的方法将晶片先后暴露于氧化环境和还原环境中的热处理。在该氧化环境的热处理除去残留物并氧化暴露的铜表面以形成氧化铜层。然后在该还原环境中的热处理将氧化铜还原为元素铜。这使得暴露的铜很清洁并适于进一步处理，比如无电镀覆。
图1是化学机械抛光(CMP)工艺之后的晶片100的横截面视图。晶片100包含电介质层110和位于电介质层110中的暴露的导电特征120。图1还显示了CMP工艺在电介质层110和导电特征120表面上留下的残留物层130。残留物层130可包括，例如，清洁残留物和防蚀剂，其通常是铜的有机络合物。在进一步处理(比如在导电特征120上进行无电沉积)之前，应当将残留物层130尽可能完全除去。
该电介质层110可包含SiO2或介电常数小于SiO2的介电常数的低介电常数(“低k”)材料。这种低k材料，尤其是那些介电常数小于3的低k材料，在半导体器件制造中越来越受欢迎，因为它们给造好的器件带来了优异的电学特性。合适的低k材料的例子包括氟化硅玻璃(FSG)、有机硅玻璃(OSG)和高孔隙度SiO2。
导电特征120可以是例如由铜制成的导电连线或通孔。尽管图1中只显示了一个导电特征120，然而该导电特征120用于表示晶片100上通常存在的大量的导电特征。
图2显示了图1的导电特征120的顶部部分的放大的视图。为了更清楚，图2中省略了残留物层130。如图2所示，当该导电特征120包含铜时，CMP工艺在导电特征120上留下氧化亚铜(Cu2O)的很薄的表面层200。
图3是清洁晶片100以除去残留物层130的示例性方法300的流程图。该方法包含使用碱溶液可选地处理(310)晶片100、在气态氧化环境中处理(320)该晶片以及在气态还原环境中处理(330)该晶片。此处，“气态”指的是该环境中的物质的相态是气体，而不是等离子体。
方法300可选地开始于使用碱溶液处理(310)该晶片100。在一些实施方式中，该碱溶液的pH值为10；碱溶液的合适的pH值范围是约8到约11。一种示例性的碱溶液包含氢氧化四甲基铵。在这种条件下在碱溶液中合适的驻留时间为约30秒到约2分钟。使用碱溶液处理(310)晶片100是为了从电介质层110的表面和导电特征120的表面除去残留物层130的大部分。在一些实施方式中，处理(310)在电介质层110表面和导电特征120表面上都留下了残留物层130的大约一个单层。使用碱溶液的处理(310)不是为了改变Cu2O表面层200(图2)。
接下来，在氧化环境中处理(320)晶片100。因为使用碱溶液处理(310)晶片100是可选的，所以在有些实施方式中，方法300开始于在氧化环境中的处理(320)。示例性的氧化环境包含包括约1％到约10％的分子氧(O2)，或约1％到约2％的臭氧(O3)的气氛，其中气氛的其余部分是惰性气体，比如氮气、氦气或氩气。此处使用的所有百分数都是体积百分数，除非另外注明。
氧化环境的合适的温度范围是约100℃到约400℃。更优选的温度在约150℃到约250℃范围内。氧化环境的气压可以在标准大气压下或低于标准大气压。示例性的气压为约1托。在这种条件下在氧化环境中合适的驻留时间是约2分钟，但也可以在约1分钟到约5分钟范围内。如果省略可选的使用碱溶液处理(310)晶片100，那么驻留时间就变长。
在氧化环境中的处理320用于分解和挥发残留物层130中的有机材料。氧化环境的较高的温度也用于释放出残留物层130中吸收的水。而且，氧化环境用于氧化导电特征120的Cu2O表面层200。如图4所示，Cu2O表面层200(图2)被氧化以形成氧化铜(CuO)表面层400。
接下来，在还原环境中处理(330)晶片100。一种示例性的还原环境包含包括分子氢(H2)的气氛。该气氛可以基本上全部是氢气，或者可以包含氢气与惰性气体(比如氮气、氦气或氩气)的混合物。还原环境中的气压可以在标准大气压下或低于标准大气压。在标准大气压下，氢气的合适的浓度是约4％。在较低的气压下，比如在约1托到约10托范围内，该气氛可以全部是氢气。还原环境的合适的温度范围是约100℃到约400℃。更优选的温度在约150℃到约250℃范围内。在一些实施方式中，，在处理320和330全程保持同样的温度。在这种条件下在还原环境中合适的驻留时间是约1分钟到约2分钟。
如图5所示，在还原环境中的处理330用于将该CuO表面层400(图4)还原为元素铜(Cu)的表面层500。在还原环境中的处理330之后，可以进一步处理晶片100，例如，通过在导电特征120上选择性的无电镀覆帽层。钴和钴合金的无电镀覆的方法在例如申请号为11/644,697，申请日为2006年12月22日，名称为“ElectrolessDeposition of Cobalt Alloys”的美国专利申请和申请号为11/513,634，申请日为2006年8月30日，名称为“Processes and Systems forEngineering a Copper Surface for Selective Metal Deposition”的美国专利申请中有所教导，其中每个的内容皆通过参考全部并入此处。图6显示通过无电镀覆在导电特征120上选择性的形成帽层600之后的晶片100。好处是，元素铜的表面层500比Cu2O的表面层200为钴和钴合金帽层的成核和生长提供了更加优异的表面。
在上述说明书中，本发明是参考其具体实施方式进行描述的，但是本领域的技术人员可以意识到，本发明不限于这些具体实施方式。上述发明的各个特征和方面可以单独或联合使用。而且，本发明可以在本文所述之外的许多环境和应用中使用，而不背离说明书的更宽的精神和范围。相应地，说明书和附图被认为是描述性的而非限制性的。
Claims (28)
1.一种CMP后的清洁方法，包含：
在100℃以上的温度下，在气态氧化环境中处理晶片；然后
在100℃以上的温度下，在气态还原环境中处理该晶片。
2.根据权利要求1所述的方法，其中在该氧化环境中处理该晶片包括在包含O2的气氛中处理该晶片。
3.根据权利要求2所述的方法，其中该气氛包含在1％到10％之间的O2。
4.根据权利要求1所述的方法，其中在该氧化环境中处理该晶片包括在包含O3的气氛中处理该晶片。
5.根据权利要求4所述的方法，其中该气氛包含在1％到2％之间的O3。
6.根据权利要求1所述的方法，其中该氧化环境的温度在150℃到250℃之间。
7.根据权利要求1所述的方法，其中该氧化环境的气压是1托。
8.根据权利要求1所述的方法，其中在该氧化环境中处理该晶片包括将该晶片在该氧化环境中保持1分钟到5分钟之间的驻留时间。
9.根据权利要求1所述的方法，其中在该还原环境中处理该晶片包括在包含H2的气氛中处理该晶片。
10.根据权利要求9所述的方法，其中该气氛包含H2和惰性气体的混合物。
11.根据权利要求1所述的方法，其中该还原环境中的气压在1托到10托之间。
12.根据权利要求1所述的方法，其中该还原环境的温度在150℃到250℃之间。
13.根据权利要求1所述的方法，其中该氧化环境的温度和该还原环境的温度是一样的。
14.根据权利要求1所述的方法，其中在该还原环境中处理该晶片包括将该晶片在该还原环境中保持1分钟到2分钟之间的驻留时间。
15.根据权利要求1所述的方法，进一步包含在在该氧化环境中处理该晶片之前，用碱溶液处理该晶片。
16.根据权利要求15所述的方法，其中该碱溶液的pH值在8到11的范围内。
17.根据权利要求15所述的方法，其中该碱溶液包含氢氧化四甲基铵。
18.根据权利要求15所述的方法，其中在该碱溶液中处理该晶片包括将该晶片在该碱溶液中保持30秒到2分钟的驻留时间。
19.一种清洁CMP后的晶片的方法，该晶片包括具有Cu2O表面层的导电特征，该方法包含：
在第一气态环境中氧化该Cu2O表面层以形成CuO表面层；然后
在第二气态环境中将该CuO表面层还原为元素Cu。
20.根据权利要求19所述的方法，其中该第一气态环境包含包括温度在100℃以上的O2的气氛。
21.根据权利要求19所述的方法，其中该第一气态环境包含包括温度在100℃以上的O3的气氛。
22.根据权利要求19所述的方法，其中该第二气态环境包含包括温度在100℃以上的H2的气氛。
23.根据权利要求19所述的方法，进一步包含在氧化该Cu2O表面层之前，用碱溶液大体上除去残留物层。
24.根据权利要求23所述的方法，其中该碱溶液的pH值在8到11的范围内。
25.根据权利要求23所述的方法，其中该碱溶液包含氢氧化四甲基铵。
26.一种在晶片的导电特征上方选择性地形成帽层的方法，该方法包含：
清洁该晶片，包括
在第一气态环境中氧化该导电特征的Cu2O表面层以形成CuO表面层；然后
在第二气态环境中将该CuO表面层还原为Cu；以及通过无电沉积在该导电特征上方选择性地形成该帽层。
27.根据权利要求26所述的方法，其中清洁该晶片进一步包括，在氧化该Cu2O表面层之前，用碱溶液处理该晶片。
28.根据权利要求26所述的方法，其中该帽层包含钴或钴合金。
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