CN102810459B - 化学机械平坦化后清洗晶圆的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种化学机械平坦化后清洗晶圆的方法，包括：将晶圆放置在晶圆夹持机构上驱动晶圆旋转机构，以带动晶圆夹持机构和晶圆共同旋转；进行第一次化学清洗，通过清洗液供应悬梁向晶圆表面供应化学清洗液，其中清洗液供应悬梁与晶圆表面间隔一定距离；进行第一次去离子水清洗，通过清洗液供应悬梁向晶圆表面供应去离子水，清洗掉化学清洗液和清洗产物；进行第二步工艺清洗，进一步巩固清洗效果；对晶圆进行干燥。依照本发明的晶圆清洗方法，由于采用非接触式的悬梁供应清洗液和去离子水清洗晶圆表面，减少或消除了接触式刷洗过程可能带来的晶圆表面划伤问题，提高晶圆器件的良率。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体器件的制造方法，特别是涉及一种化学机械平坦化后清洗晶圆的方法。
背景技术
化学机械平坦化工艺(CMP)在1990年被引入集成电路制造工艺以来，经过不断实践和发展，已成为推动集成电路技术节点不断缩小的关键工艺。目前CMP已经广泛应用在浅沟槽隔离(STI)平坦化、氧化物(例如层间介质层ILD)平坦化、钨塞(W-plug)平坦化、铜互连平坦化等工艺中。CMP是晶圆干进干出的先进工艺，根据对晶圆处理过程的不同，可分为化学机械平坦化及其后清洗工艺两部分。在化学机械平坦化工艺过程中，研磨液中的氧化物颗粒和研磨产物会不断的吸附在晶圆表面，虽然通过研磨头和研磨垫的自转，以及研磨头相对研磨垫中心的径向直线运动可以带走大部分研磨液和研磨产物，但在CMP工艺结束时，仍会有大量残余研磨液以及研磨产物吸附在晶圆表面上。如果不经过及时清洗，这些微粒会凝结在晶圆表面并无法有效去除，因此CMP后的清洗工艺非常重要，是提升晶圆良率的重要手段。
目前CMP工艺设备中，CMP工艺后的清洗，一般分为两步，均采用接触式刷洗晶圆的方法，接触式刷洗晶圆方式主要有2种，分别参见示意图1和图2。第一步清洗均是直接使用一对乙烯基聚合物(PVC)滚刷(图中网格状矩形所示)把晶圆(图1黑色矩形所示)夹在中间，参加图1；晶圆可以平放或是竖直放置；对晶圆表面和背面进行同时清洗；清洗过程中从晶圆上下表面附近的供应管路(图中灰色矩形所示)按箭头所示，根据不同工艺需要选择通入不同的化学清洗液，而后再通入去离子水清洗。第二步清洗仍是采用接触式清洗方式清洗晶圆，或是使用PVC滚刷或是用凸头式接触清洗刷(Pencile刷)来刷洗晶圆。Pencile刷是接触式刷洗晶圆的一种刷子类型，参见图2；该刷是通过具有一定面积的接触式刷头对晶圆来回刷洗来达到清洗晶圆的目的；此时晶圆平放，晶圆背面通去离子水冲洗。在第二步接触式清洗过程中，可根据工艺需要选择不同化学清洗液清洗，然后再用去离子水清洗，来进一步巩固清洗效果。这两步清洗完成后，对晶圆进行干燥，完成CMP后的清洗步骤。
第一步清洗十分重要，这一步将去除掉大部分残留在晶圆表面上的研磨液颗粒以及研磨产物颗粒。在第一步的PVC滚刷清洗过程，滚刷相对晶圆进行旋转刷洗，同时为保证清洗到晶圆整个表面，晶圆需要做固定圆心的滚动运动。为保证清洗效果，清洗过程中滚刷与晶圆表背面均要产生一定的压力接触。如果在CMP工艺后，晶圆表面残余有大尺寸的研磨液研磨颗粒或是研磨产物颗粒，或是滚刷表面沾污或结晶有硬质颗粒，那么在第一步刷洗过程中，就会对晶圆表面造成严重的划伤(macro scratch)，大大降低晶圆器件的良率。
总之，现有的第一步接触式CMP后清洗过程对晶圆表面会有造成严重划伤的隐患。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种非滚刷接触的晶圆清洗方法，取代现有CMP清洗工艺中第一步接触式PVC滚刷刷洗过程，以减少或消除刷洗过程带来的晶圆表面划伤问题。
主要思路是CMP工艺后第一步晶圆清洗工艺采用非滚刷接触的晶圆清洗方法来清洗晶圆，取代现有的接触式PVC滚刷刷洗过程，消除刷洗过程带来的晶圆表面划伤；第二步根据工艺需要，使用非滚刷接触的晶圆清洗方法或是PVC滚刷刷洗或是用pencile刷洗，进一步巩固清洗效果。
具体地，本发明提供了一种化学机械平坦化后清洗晶圆的方法，包括：步骤A，将晶圆放置在晶圆夹持机构上；步骤B，驱动晶圆旋转机构，以带动晶圆夹持机构和晶圆共同旋转；步骤C，进行化学清洗，通过清洗液供应悬梁向晶圆表面供应化学清洗液，其中清洗液供应悬梁与晶圆表面间隔一定距离；步骤D，进行去离子水清洗，通过清洗液供应悬梁向晶圆表面供应去离子水，清洗掉化学清洗液和清洗产物；步骤E，进行第二步工艺清洗，进一步巩固清洗效果；以及步骤F，对晶圆进行干燥。
其中步骤A中，晶圆通过机械夹持和/或伯努力气垫式夹持固定在晶圆夹持装置上。
其中，步骤C和/或D中，向化学清洗液或去离子水中施加气压或声波，以增强清洗效果。其中，加入气体为空气或氮气，化学清洗液喷射速度为1～8m/s。其中，声波为兆声波。
其中，步骤C还包括通过晶圆旋转机构内置的管线向晶圆背面供应化学清洗液或去离子水。
其中，化学清洗液包括氨水、有机柠檬酸、双氧水、盐酸、卡若斯酸、氢氟酸、硝酸、胆碱、三甲基(2-羟基-甲基)氢氧化铵、臭氧化水、硫酸及其组合。
其中，在步骤D之后，进行第二步工艺清洗；第二步根据工艺需要，使用与步骤C相同的非滚刷接触的晶圆清洗方法，或是采用PVC滚刷刷洗或是用pencile刷洗，进一步巩固清洗效果。
依照本发明的晶圆清洗方法，由于采用非接触式的悬梁供应清洗液和去离子水清洗晶圆表面，减少或消除了接触式刷洗过程可能带来的晶圆表面划伤问题，提高晶圆器件的良率。
本发明所述目的，以及在此未列出的其他目的，在本申请独立权利要求的范围内得以满足。本发明的实施例限定在独立权利要求中，具体特征限定在其从属权利要求中。
附图说明
以下参照附图来详细说明本发明的技术方案，其中：
图1显示了现有技术的PVC滚刷刷洗晶圆的示意图；
图2显示了现有技术的Pencile刷刷洗晶圆的示意图；以及
图3显示了依照本发明的非滚刷接触单片清洗晶圆设备的示意图。
附图标记
1基台
2晶圆旋转机构
3晶圆夹持机构
4清洗液供应悬梁
5喷嘴
6晶圆
具体实施方式
以下参照附图并结合示意性的实施例来详细说明本发明技术方案的特征及其技术效果，公开了方法。需要指出的是，类似的附图标记表示类似的结构，本申请中所用的术语“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修饰各种器件结构或工艺步骤。这些修饰除非特别说明并非暗示所修饰器件结构或工艺步骤的空间、次序或层级关系。
参照图3，显示了依照本发明的非滚刷接触单片清洗晶圆设备的示意图，包括有基台1、晶圆旋转机构2、晶圆夹持机构3、清洗液供应悬梁4等。其中，基台1固定在CMP设备清洗模块内部，用于支承其上的晶圆旋转机构2。晶圆旋转机构2可伸缩地机械耦合至基台1，例如通过轴承。晶圆旋转机构2和/或基台1中包含驱动电机(未示出)，可使得晶圆旋转机构2绕基台1的纵轴旋转。晶圆夹持机构3机械耦合至晶圆旋转机构2，例如通过螺栓或卡槽，因此当晶圆旋转机构2在驱动电机带动下旋转时，晶圆夹持机构3以及其上的晶圆6也将一并同步旋转。晶圆夹持机构3用于固定、夹持CMP后待清洗的晶圆6，夹持方式包括伯努力气垫式和/或机械夹持方式，机械夹持方式例如槽齿卡合、凸缘夹持等等。晶圆夹持机构3的上方具有清洗液供应悬梁4，与晶圆夹持机构3以及晶圆6间隔一定距离，清洗液供应悬梁4的下表面上包含用于供应清洗液的多个喷嘴5，多个喷嘴5优选地等距设置以实现均匀清洗。虽然图3所示的清洗液供应悬梁4仅固定地位于晶圆夹持机构3的某一侧，但是该两者的水平以及垂直距离和设置方式可以根据清洗工艺需要而合理调整，例如清洗液供应悬梁4与晶圆夹持机构3长度相等且固定设置为不可旋转，或者清洗液供应悬梁4长度为晶圆夹持机构3长度的一半且通过额外的旋转机构(未显示)而设置为可绕基台1的纵轴旋转，又例如清洗液供应悬梁4尽可能贴近晶圆夹持结构3以便减少清洗液的浪费。清洗液供应悬梁4在外部控制系统(未示出)的控制下，依照不同的工艺流程在不同时间段内向晶圆6表面供应不同的清洗液，具体的使用方法以下将详述。
依照本发明的清洗晶圆的方法包括以下几个步骤：
首先，步骤A，将晶圆放置在晶圆夹持机构上。其中，可以通过机械手将事先已经经过了CMP工艺处理的晶圆6表面(也即其上形成了半导体器件结构的那一面)朝上放置在晶圆夹持机构3上，然后通过晶圆夹持机构3将晶圆6的边缘卡合固定住。
其次，步骤B，驱动晶圆旋转机构，以带动晶圆夹持机构和晶圆共同旋转。驱动方式可以是由基台1内设的电机驱动，也可以是由晶圆旋转机构2内设的电机驱动，还可以是两者共同旋转以加速启动、减少耗时。
再次，步骤C，第一次化学清洗，通过清洗液供应悬梁向晶圆表面供应化学清洗液。具体地，随着晶圆6的转动，悬在晶圆上方表面的清洗液供应梁4的多个喷嘴5同时喷出清洗液，对晶圆6表面进行化学液清洗。所使用的化学清洗液依据CMP对象的材质不同而选择，例如可以是氨水、有机柠檬酸、双氧水、盐酸、卡若斯酸、氢氟酸、硝酸、胆碱、三甲基(2-羟基-甲基)氢氧化铵、臭氧化水、硫酸等等以及这些清洗液的组合，其配比依照待清洗的化学物质以及清洗速度而选定。清洗液还可以是超临界流体，例如丙烯酸与5％体积比的二氧化碳的混合物。为了增强清洗去除小颗粒的效果，还可以通过额外的储气槽或供气管线向清洗液供应梁4供应加压的空气或氮气。进一步地，还可以在清洗液供应系统中加入额外的声波装置，借助超声波(20～800kHz)或兆声波(大于800kHz)来进一步增强去颗粒的清洗效果，但是对于那些精细结构器件，例如MEMS传感器、纳米级芯片等等，兆声波清洗可能具有一定的挑战性。清洗液喷出的速度依照晶圆大小、喷嘴与晶圆间距、流体边界层厚度、清洗效果等等来设置，例如为1m/s～8m/s，特别是4m/s。化学清洗时，不仅可以通过清洗液供应悬梁4的喷嘴5从晶圆6的正面进行清洗，还可以通过设置在晶圆夹持机构2内的额外的液体供应管线(未示出)对晶圆背面进行清洗，清洗液可以与正面清洗液相同为加气压或声波的化学清洗液，也可以仅是加气压或声波的去离子水。
接着，步骤D，第一次去离子水清洗，通过清洗液供应悬梁向晶圆表面供应去离子水，清洗掉化学清洗液和清洗产物。与上一步类似的，为了增强清洗效果，可以向去离子水中加气压或加声波，使得去离子水高速喷射到晶圆表面。
在步骤D之后，采用步骤E，对晶圆表面进行第二次化学清洗。其中，第二次化学清洗可以是与步骤C相同的使用图3所示的设备进行的非滚刷接触的晶圆清洗工艺，也即通过清洗液供应悬梁向晶圆表面供应化学清洗液，也可以是与传统CMP清洗相同的PVC滚刷刷洗或是Pencile刷洗方式。
最后，步骤F，对晶圆进行干燥。例如可以将空气或氮气流吹送到晶圆6表面，或是以一定低温进行烘干。
依照本发明的晶圆清洗方法，由于采用非接触式的悬梁供应清洗液和去离子水清洗晶圆表面，减少或消除了接触式刷洗过程可能带来的晶圆表面划伤问题，提高晶圆器件的良率。
尽管已参照一个或多个示例性实施例说明本发明，本领域技术人员可以知晓无需脱离本发明范围而对工艺流程做出各种合适的改变和等价方式。此外，由所公开的教导可做出许多可能适于特定情形或材料的修改而不脱离本发明范围。因此，本发明的目的不在于限定在作为用于实现本发明的最佳实施方式而公开的特定实施例，而所公开的器件结构及其制造方法将包括落入本发明范围内的所有实施例。
Claims (9)
1.一种化学机械平坦化后清洗晶圆的方法，包括：
步骤A，将晶圆放置在晶圆夹持机构上；
步骤B，驱动晶圆旋转机构，以带动晶圆夹持机构和晶圆共同旋转；
步骤C，进行第一次化学清洗，通过清洗液供应悬梁向晶圆表面供应化学清洗液，其中清洗液供应悬梁与晶圆表面间隔一定距离，清洗液供应悬梁与晶圆夹持机构两者的水平以及垂直距离和设置方式可以调整；
步骤D，进行第一次去离子水清洗，通过所述清洗液供应悬梁向晶圆表面供应去离子水，清洗掉化学清洗液和清洗产物；
步骤E，进行第二步工艺清洗，进一步巩固清洗效果；以及
步骤F，对晶圆进行干燥。
2.如权利要求1的方法，其中步骤A中，晶圆通过机械夹持和/或伯努力气垫式夹持固定在晶圆夹持装置上。
3.如权利要求1的方法，其中，步骤C和/或D中，向化学清洗液或去离子水中施加气压或声波，以增强清洗效果。
4.如权利要求3的方法，其中，加入气体为空气或氮气，化学清洗液喷射速度为1～8m/s。
5.如权利要求3的方法，其中，声波为兆声波。
6.如权利要求1的方法，其中，步骤C还包括通过晶圆旋转机构内置的管线向晶圆背面供应化学清洗液或去离子水。
7.如权利要求1的方法，其中，化学清洗液包括氨水、有机柠檬酸、双氧水、盐酸、卡若斯酸、氢氟酸、硝酸、胆碱、三甲基(2--羟基--甲基)氢氧化铵、臭氧化水、硫酸及其组合。
8.如权利要求1的方法，其中，第二步工艺清洗使用与步骤C相同的非滚刷接触的晶圆清洗方法。
9.如权利要求1的方法，其中，第二步工艺清洗采用PVC滚刷刷洗或是用pencile刷刷洗。
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