CN102806525A - 抛光装置及抛光副产物的去除方法 - Google Patents

抛光装置及抛光副产物的去除方法 Download PDF

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Abstract

一种抛光装置及抛光副产物的去除方法，所述抛光副产物的去除方法包括：在抛光台的中心位置设置正电极，在抛光台的边缘位置设置负电极；对金属材料进行抛光后，在所述正电极与负电极之间施加电压；旋转所述抛光台，以去离子水或化学清洗剂冲洗抛光垫，去除对金属材料进行抛光后产生的抛光副产物。所述抛光副产物的去除方法能提高对金属材料抛光后所产生的抛光副产物的去除效率。

Description

抛光装置及抛光副产物的去除方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种抛光装置及抛光副产物的去除方法。
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，在进行超大规模集成电路芯片的生产时，需要在几平方厘米的芯片面积上形成数千万个晶体管和数千万条互连线，而多层金属技术使单个集成电路中百万晶体管和支持元件的内部互连成为可能。而化学机械抛光(CMP，ChemicalMechanical Polishing)则成为实现多层金属技术的主要平坦化技术。
化学机械抛光工艺由IBM于1984年引入集成电路制造工业，并首先用在后道工艺的金属间绝缘介质(IMD，Inter Metal Dielectric)的平坦化，然后通过设备和工艺的改进用于钨的平坦化，随后用于浅沟槽隔离(STI)和铜的平坦化。化学机械抛光为近年来IC制程中成长最快、最受重视的一项技术。
化学机械抛光的机理是表面材料与研磨料发生化学反应生成一层相对容易去除的表面层，所述表面层通过研磨料中研磨剂和研磨压力与抛光垫的相对运动被机械地磨去。特别地，在对金属材料进行抛光时，研磨料与金属表面接触并产生金属氧化物，并通过研磨去除所述金属氧化物以达到抛光的效果。
然而，在对金属材料进行抛光操作时会产生大量的包含金属离子(例如Cu+、Cu++)的抛光副产物，这个问题在以高去除率对金属材料进行抛光时显得尤其严重，例如在顶层金属层和硅通孔(TSV，through silicon via)的3D封装时对铜的抛光操作。金属层的高去除率将导致高浓度抛光副产物的产生，而这些抛光副产物又会降低对金属层的去除率，由此影响去除率的稳定性以及增加形成的缺陷。因此，在进行金属材料的抛光过程中如何高效减少或去除抛光副产物是重要的考虑因素。
图1是现有技术去除抛光副产物的俯视示意图。如图1所示，晶圆101在处于旋转状态的抛光台(图1中未示出)上的抛光垫103上进行抛光操作，如上所述，对晶圆101表面的金属材料进行抛光时，会产生大量的包含金属离子的抛光副产物102(图中仅对其中一个进行了标识)。在晶圆101在抛光垫103上进行抛光操作时，由于抛光台处于旋转状态，一部分的抛光副产物102会在离心力的作用下随着抛光液一起被带走。后续步骤中(此时已将晶圆101从抛光垫103上取走)以去离子水或化学清洗剂对抛光台上的抛光垫103进行清洗时，抛光台也处于旋转状态，一部分的抛光副产物102会在离心力的作用下随着去离子水或化学清洗剂一起被带走。图2是现有技术去除抛光副产物的正视示意图，如图2所示，抛光头104真空吸附住晶圆101，置于抛光台100上的抛光垫103上进行抛光操作，抛光台100在转轴105的带动下旋转，抛光头104也可以旋转，抛光副产物102在离心力的作用下随着抛光液、去离子水或化学清洗剂被一起带走。但是，现有技术对抛光副产物的去除效率十分有限，特别是对于具有较长抛光时间和去除较厚金属层的抛光过程。
相关技术还可参考申请号为US20010031558A1的美国专利申请，该专利公开了一种在铝金属进行化学机械抛光时消除抛光垫因残留的抛光副产物而使晶圆刮伤的方法。
发明内容
本发明要解决的问题是现有技术中对金属材料进行抛光操作后产生的抛光副产物的去除效率较低。
为解决上述问题，本发明提供一种抛光副产物的去除方法，包括：
在抛光台的中心位置设置正电极，在抛光台的边缘位置设置负电极，
对金属材料进行抛光后，在所述正电极与负电极之间施加电压；
旋转所述抛光台，以去离子水或化学清洗剂冲洗抛光垫，去除对金属材料进行抛光后产生的抛光副产物。
可选的，将所述负电极环绕设置于所述抛光台表面的边缘位置。
可选的，在以去离子水或化学清洗剂冲洗抛光垫后，还包括对抛光垫进行修整。
可选的，所述对抛光垫进行修整是通过金刚石抛光垫修整器完成的。
可选的，所述抛光台的转速为10～120转/分钟(RPM，Revolutions PerMinute)。
可选的，施加于所述正电极与负电极之间的电压为0～10V。
可选的，所述正电极和负电极的材料为金属或其表面电镀有金属。
为解决上述问题，本发明还提供了一种抛光装置，包括：电源、设置于抛光台的中心位置的正电极以及设置于抛光台的边缘位置的负电极，所述正电极与所述电源的正极连接，所述负电极与所述电源的负极连接。
可选的，所述负电极为环状电极，环绕设置于所述抛光台表面的边缘位置。
可选的，所述正电极和负电极的材料为金属或其表面电镀有金属。
与现有技术相比，本技术方案具有以下优点：
通过在抛光台的中心位置设置正电极，在抛光台的边缘位置设置负电极，在所述正电极与负电极之间施加电压后形成电场，同时旋转抛光台，并以去离子水或化学清洗剂冲洗抛光垫，从而能同时在离心力以及电场力的作用下去除对金属材料进行抛光后产生的抛光副产物，由此获得对抛光副产物更高的去除效率。
附图说明
图1是现有技术去除抛光副产物的俯视示意图；
图2是现有技术去除抛光副产物的正视示意图；
图3是本发明实施方式提供的抛光副产物的去除方法的流程示意图；
图4是本发明实施例提供的抛光副产物的去除方法去除抛光副产物的俯视示意图；
图5是本发明实施例提供的抛光副产物的去除方法去除抛光副产物的正视示意图。
具体实施方式
现有技术中依靠离心力的作用对金属材料抛光后产生的抛光副产物进行去除，其去除效率较低。本技术方案通过在抛光台的中心位置设置正电极，在抛光台的边缘位置设置负电极，在所述正电极与负电极之间施加电压后形成电场，同时旋转抛光台，并以去离子水或化学清洗剂冲洗抛光垫，从而能实现同时在离心力以及电场力的作用下去除对金属材料抛光后产生的抛光副产物，获得更高的去除效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
图3是本发明实施方式提供的抛光副产物的去除方法的流程示意图。参阅图3，所述抛光副产物的去除方法包括：
步骤S101，在抛光台的中心位置设置正电极，在抛光台的边缘位置设置负电极；
步骤S102，对金属材料进行抛光后，在所述正电极与负电极之间施加电压；
步骤S103，旋转所述抛光台，以去离子水或化学清洗剂冲洗抛光垫，去除对金属材料进行抛光后产生的抛光副产物。
下面以具体实施例对上述抛光副产物的去除方法进行详细说明。
图4和图5分别是本发明实施例提供的抛光副产物的去除方法去除抛光副产物的俯视示意图和正视示意图。结合图3与图4、图5，执行步骤S101，在抛光台100的中心位置设置正电极201，在抛光台的边缘位置设置负电极202，其中，所述正电极201与电源203的正极相连接，所述负电极202与电源203的负极相连接。具体实施例中，正电极201和负电极202的材料可以为金属(例如不锈钢、铜等等)或其表面电镀有金属。当然，在对晶圆表面的金属材料进行抛光操作时，电源203处于关闭状态(或者正电极201和负电极202并未与电源203的正极和负极相连)，抛光台100在转轴105的带动下旋转，抛光金属材料所产生的一部分的抛光副产物102会在离心力的作用下随着抛光液一起被带走。本实施例中，所述抛光金属材料具体以在顶层金属层和硅通孔(TSV)的3D封装时对铜的抛光操作为例。
本实施例中，步骤S101中在抛光台的边缘位置设置负电极具体如图4所示，负电极202为一个环状电极，将所述负电极202环绕设置于所述抛光台100表面的边缘位置。在其他实施例中，也可在抛光台100表面的边缘位置设置多个其他类型的负电极，每个负电极都与电源203的负极连接。
执行步骤S102，对金属材料进行抛光后，在所述正电极201与负电极203之间施加电压。具体地，在完成对晶圆表面的金属材料的抛光操作后(此时已将晶圆从抛光垫103上取走)，开启电源203(正电极201和负电极202分别与电源的正极和负极相连)，在正电极201和负电极202之间形成电场，所述电场的方向如图4中虚线箭头所示。本实施例中，施加于所述正电极与负电极之间的电压为0～10V。
执行步骤S103，旋转所述抛光台100，以去离子水或化学清洗剂冲洗抛光垫103，去除对金属材料进行抛光后产生的抛光副产物102。具体地，旋转所述抛光台100，以去离子水或化学清洗剂对抛光台100上的抛光垫103进行冲洗，由于抛光台100处于旋转状态，一部分的抛光副产物102会在离心力的作用下随着去离子水或化学清洗剂一起被带走。本实施例中，所述抛光台的转速为10～120RPM。此时，由于在正电极201和负电极202之间形成有电场，且所述电场的方向为从正电极201到负电极202，即从抛光台100的中心位置到其边缘位置，金属离子在电场中则会受到电场力的作用，由于金属离子带正电荷，因此电场力的作用方向与电场的方向一致。由此，抛光副产物102不仅会受到离心力的作用，还会受到电场力的作用，在离心力和电场力形成的合力作用下，抛光副产物102随着去离子水或化学清洗剂一起被带走，其去除效率更高。
本实施例中，在以去离子水或化学清洗剂冲洗抛光垫103后，还可以包括对抛光垫103进行修整的步骤。具体地，在以去离子水或化学清洗剂(例如有机酸溶液)冲洗所述抛光垫103后，并由金刚石抛光垫修整器(Padconditioner)对抛光垫103进行刷洗，从而实现对所述抛光垫103的修整。由于抛光副产物会大量残留在所述抛光垫103的沟槽内，仅仅依靠喷射去离子水或化学清洗剂是很难将其去除干净的，因此还需要采用抛光垫修整器将其拉出所述抛光垫103的沟槽，并且在修整的过程中，同时会喷射去离子水或化学清洗剂进行冲洗。此外，对抛光垫103进行修整的步骤中，抛光台100仍然可以处于旋转状态，而且电源203也处于开启状态，所以抛光副产物102仍然能同时在离心力和电场力的作用下被去除，并且其去除效率更高。
下面分析一下离心力和电场力对抛光副产物的作用力大小。所述抛光副产物以金属离子Cu2+为例进行说明。
当：e＝1.6×10-19c
r＝0.5m
U＝10V
M＝64×1.67×10-27kg
ω＝50rpm＝5.2rd/s(弧度/秒)
其中，e为金属离子Cu2+的带电量，r为抛光台的半径，U为所述正电极与负电极之间施加的电压，M为金属离子的质量，ω为抛光台的转速(角速度)。
基于上述数据，分别计算出电场力以及离心力：
电场力＝2eU/r＝6.4×10-18N
离心力＝Mω2r＝1.5×10-24N
由此可知，作用于金属离子Cu2+的电场力远远大于作用于其的离心力，所以较现有技术，能够获得对抛光副产物更高的去除效率。
本实施例中，晶圆表面的金属材料为铜，在其他实施例中，也可以是其他金属材料，例如在形成金属栅极的工艺中，金属材料最常用的是铝或铝合金。铝在CMP过程中所产生的抛光副产物(主要为氧化铝和氢氧化铝)很多残留在抛光垫的沟槽中，由于铝是一种硬度很低的金属材料，而所述抛光副产物的硬度比铝的硬度大得多，在后续晶圆的铝的CMP过程中会给铝的表面造成刮伤，从而会严重影响半导体器件的功能以及可靠性。由于所述抛光副产物不能溶于去离子水，因此，依靠常规的方式(喷射去离子水以及旋转抛光台)很难将其清除干净，此时则需要以化学清洗剂(例如有机酸溶液)进行冲洗。对于去除铝在CMP过程中所产生的抛光副产物的具体实施可参考本发明实施例所述的抛光副产物的去除方法。
需要说明的是，在其他实施方式中，步骤S101也可以在对金属材料进行抛光之后。具体地，对晶圆表面的金属材料抛光后，然后将正电极设置于抛光台的中心位置，将负电极设置于抛光台的边缘位置，在所述正电极与负电极之间施加电压后执行步骤S103。
基于上述抛光副产物的去除方法，本发明实施方式还提供了一种抛光装置。可参阅图4和图5，所述抛光装置包括：电源203、设置于抛光台100的中心位置的正电极201以及设置于抛光台100的边缘位置的负电极202，所述正电极201与所述电源203的正极连接，所述负电极202与所述电源203的负极连接。具体实施例中，所述负电极202为环状电极，环绕设置于所述抛光台100的边缘位置。所述正电极201和负电极202的材料可以为金属或其表面电镀有金属。
关于所述抛光装置的具体实施可参考上述抛光副产物的去除方法，在此不再赘述。
综上，本发明实施例提供的抛光装置及抛光副产物的去除方法，至少具有如下有益效果：
通过在抛光台的中心位置设置正电极，在抛光台的边缘位置设置负电极，在所述正电极与负电极之间施加电压后形成电场，同时旋转抛光台，并以去离子水或化学清洗剂冲洗抛光垫，从而能同时在离心力以及电场力的作用下去除对金属材料进行抛光后产生的抛光副产物，由此获得对抛光副产物更高的去除效率。
本发明虽然已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，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (10)

1.一种抛光副产物的去除方法，包括：
在抛光台的中心位置设置正电极，在抛光台的边缘位置设置负电极；
对金属材料进行抛光后，在所述正电极与负电极之间施加电压；
旋转所述抛光台，以去离子水或化学清洗剂冲洗抛光垫，去除对金属材料进行抛光后产生的抛光副产物。
2.根据权利要求1所述的抛光副产物的去除方法，其特征在于，将所述负电极环绕设置于所述抛光台表面的边缘位置。
3.根据权利要求1所述的抛光副产物的去除方法，其特征在于，在以去离子水或化学清洗剂冲洗抛光垫后，还包括对抛光垫进行修整。
4.根据权利要求3所述的抛光副产物的去除方法，其特征在于，所述对抛光垫进行修整是通过金刚石抛光垫修整器完成的。
5.根据权利要求1所述的抛光副产物的去除方法，其特征在于，所述抛光台的转速为10～120RPM。
6.根据权利要求1所述的抛光副产物的去除方法，其特征在于，施加于所述正电极与负电极之间的电压为0～10V。
7.根据权利要求1所述的抛光副产物的去除方法，其特征在于，所述正电极和负电极的材料为金属或其表面电镀有金属。
8.一种抛光装置，其特征在于，包括：电源、设置于抛光台的中心位置的正电极以及设置于抛光台的边缘位置的负电极，所述正电极与所述电源的正极连接，所述负电极与所述电源的负极连接。
9.根据权利要求8所述的抛光装置，其特征在于，所述负电极为环状电极，环绕设置于所述抛光台表面的边缘位置。
10.根据权利要求8所述的抛光装置，其特征在于，所述正电极和负电极的材料为金属或其表面电镀有金属。
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