CN1310860A - 半导体晶片清洗装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种从半导体的晶片的表面上除去杂质颗粒的清洗装置。超音速喷嘴和硬毛刷包含在清洗装置中。采用超音速喷嘴产生超音速地搅动的液体从半导体晶片的表面上除去杂质颗粒。采用硬毛刷接触半导体晶片表面并摩擦地除去杂质颗粒。喷嘴和硬毛刷都安装在清洗组件内。清洗组件同时使用喷嘴和硬毛刷从半导体的晶片的表面上有效地除去杂质。

Description

半导体晶片清洗装置和方法
本发明的领域涉及半导体制造工艺。具体地，本发明涉及更有效的CMP后晶片清洗装置。在一个实施例中，公开了一种CMP后基于超音速和刷子的半导体晶片清洗。
当今数字IC器件的大部分功劳和实用性归功于日益增加的集成度。越来越多的元件(电阻器、二极管、晶体管等)不断地集成到基底的芯片或IC内。通常IC的起始材料为很高纯度的硅。材料生长成单晶。为固体圆柱形。然后锯开所述晶体(像面包片)生成通常直径为10到30cm厚度为250μm的晶片。
IC元件结构的几何形状通常通过称为光刻的工艺用照相的方法限定。通过该技术能精确地复制很微小的表面几何形状。使用光刻工艺限定元件区域并在相互叠置的层上形成元件。复杂的IC经常有许多不同的叠置层，每层有元件，每层有不同的互连，并且每层叠置在前一层的顶部。这些复杂IC的所得构形经常类似于陆地上“山脉”，作为IC元件的许多“小丘”和“山谷”形成在下面硅晶片的表面上。
在光刻工艺中，使用紫外线将限定了各种元件的掩模图像或图形集中到感光层上。使用光刻设备的光学装置将图像集中到表面上，并在感光层内留下印记。要形成更小的结构，必须将越来越精细的图像集中到感光层的表面上，例如，光学分辨率必须提高。随着光学分辨率的提高，掩模图像的聚焦深度相应变窄。这是由于光刻设备中高数字的孔径透镜施加的聚焦深度范围窄。所述窄聚焦深度经常是可得到的清晰度以及使用光刻设备可得到的最小元件的限制因素。复杂IC的最终构形，“小丘”和“山谷”，放大了聚焦深度降低的效果。由此，为了将限定亚微米几何形状的掩模图像适当地聚焦到感光层上，需要精确平坦的表面。精确平坦(例如，完全平面化)的表面便于极小的聚焦深度，进而便于限定和随后制造极小的元件。
化学机械抛光(CMP)为得到完全平面化晶片的优选方法。包括使用晶片和移动的抛光垫之间的机械接触利用抛光浆料的化学帮助除去介质材料或金属的牺牲层。由于除去高构形区域(小丘)快于低构形区域(山谷)，因此抛光只是尽可能地除去高度差异。CMP为具有毫米级平面化距离以上平滑构形能力的技术，导致抛光后远小于1度的最大角。
图1示出了典型的现有技术CMP装置100的俯视图，图2示出了CMP装置100的侧面剖视图。CMP装置100送入要抛光的晶片。CMP装置100用臂101拾取晶片并将它们放置在旋转的抛光垫102上。抛光垫102由弹性材料制成，通常纹理清晰，经常有多个预定的槽103，以辅助抛光工艺。抛光垫102在台板104或旋转台上以预定的速度旋转，所述台板或旋转台位于抛光垫102下面。晶片105由垫圈112和载架106固定在抛光垫102上。晶片105的下表面(例如，“前”面)靠在抛光垫102。晶片105的上表面靠着臂101的载架106的下表面。随着抛光垫102的旋转，臂101以预定的速率旋转晶片105。臂101用预定量向下的力将晶片105推入抛光垫102内。CMP装置100还包括沿抛光垫102的半径延伸的浆料分配臂107。浆料分配臂107将浆料流分配到抛光垫102上。
浆料为去离子水和抛光剂的混合物，设计用于化学地帮助晶片的平滑和预计的平面化。抛光垫102和晶片105的旋转作用和浆料的抛光作用结合在一起以某个额定速率平面化或抛光晶片105。该速率称做清除速率。恒定和可预定的清除速率对于晶片制造工艺的一致性和性能很重要。清除速率应适当，以生产精确平面化的晶片，没有表面构形。如果清除速率太慢，那么在预定期间内制造的平面化晶片数量减少，降低了制造工艺的晶片生产量。如果清除速率太快，那么晶片表面上的CMP平面化工艺将不均匀降低了制造工艺的成品率。
为了有助于保持稳定的清除速率，CMP装置100包括调节器组件120。调节器组件120包括沿抛光垫102的半径延伸的调节臂108。端部操纵装置109连接到调节器臂108。端部操纵装置109包括用于使抛光垫102表面变粗糙的磨料调节盘110。调节盘110由调节器臂108旋转并朝抛光垫102的中心和远离抛光垫102的中心平移，从而使调节盘110覆盖抛光垫102的半径，由此随着抛光垫102的旋转，几乎覆盖了抛光垫102的整个表面区域。具有粗糙表面的抛光垫在它远离调节器组件120的表面里有许多很小的凹坑和槽，因此借助传送到晶片表面增多的浆料和更有效的施加向下的抛光力产生较快的清除速率。如果没有调节，那么在抛光工艺期间抛光垫102的表面变光滑，清除速率显著降低。调节器组件120使抛光垫102的表面重新变得粗糙，改善了浆料的输送并提高了清除速率。
由此，抛光垫102粗糙表面的作用、浆料的化学软化作用以及浆料的研磨作用结合在一起抛光晶片105，由此几乎完全平滑掉毫米级平面化距离以上的构形。一旦完成CMP，通过臂101从抛光垫102移走晶片105，并准备用于器件制造工艺的下一阶段。然而，在随后的制造处理之前，必须清除掉CMP工艺留在晶片105上的杂质(例如，抛光垫102的颗粒、微量的浆料/磨料、金属离子等)。
完成CMP工艺之后，清洗晶片105的表面以除去颗粒、金属离子以及其它杂质。正如本领域中的技术人员公知的，在对晶片105进行进一步的处理之前，除去CMP工艺留下的杂质很重要。例如，存在杂质颗粒会破坏随后的光刻，导致例如断线、短路等。目前，大多数广泛使用的CMP后清洗工艺包含使用刷子，其中使用刷子摩擦地刷洗晶片105表面直到除去所有的杂质。
然而，使用刷子有一个明显的缺陷是刷子需要直接接触晶片105的表面以便有效地擦去杂质。随着刷子不断地压向表面，清洗的有效性增加。压力增加导致晶片表面由于刷子刷洗作用受损伤的危险增加。此外，在多数情况中，刷子自身带有杂质，由此降低了清洗的有效性。此外，当构形存在于凹陷区域(例如，沟槽、孔等)时，刷子的有效性往往降低。
由于以上与CMP后清洗使用刷子有关的缺陷，现已开发了“超音速”晶片清洗的技术。众所周知，超音速清洗包含使用朝晶片105的表面高频快速搅动的液体流(例如，去离子水)。液体流的高频快速搅动作用有力地除去杂质并从晶片表面上抛光掉副产品。超音速清洗的优点是能够除去杂质和离子，即使在凹槽区域中的，并且不直接物理地接触晶片，由此极大的降低了损伤晶片表面的危险。然而，超音速清洗的主要缺点是清洗作用不如刷洗的清洗作用有效。
由此，需要一种完成CMP工艺之后从晶片表面上有效地除去CMP杂质和副产品的方法和系统。需要一种没有损伤晶片表面危险的有效CMP后清洗的解决方案。进一步需要一种有效地清洗CMP后晶片表面的杂质/副产品同时不会产生损伤的解决方案。本发明提供一种满足以上要求的新颖解决方案。
本发明提供一种从完成CMP工艺之后的晶片表面上有效的除去杂质和副产品的方法和系统。本发明提供一种没有损伤晶片表面危险的有效的CMP后清洗。本发明有效地清洗了CMP后晶片表面的杂质/副产品同时不会产生损伤。
在一个实施例中，本发明体现为从半导体晶片的表面除去杂质的清洗装置。超音速喷嘴和硬毛刷包含在清洗装置中。采用超音速喷嘴产生超音速地搅动的液体从半导体晶片的表面上除去杂质颗粒。采用硬毛刷接触半导体晶片表面并摩擦地除去杂质颗粒。超音速喷嘴和硬毛刷都安装在清洗组件内。清洗组件同时使用喷嘴和硬毛刷从半导体晶片的表面上有效地除去杂质。清洗组件同时使用超音速地搅动的液体和硬毛刷比单独使用一个或另一个清洗更有效。以此方式，清洗组件可以有效地清洗CMP后晶片表面的杂质/副产品同时不会损伤表面。
引入并构成本说明书一部分的附图示出了本发明的实施例，和说明书一起用于介绍本发明的原理。
现有技术的图1示出了典型的现有技术CMP装置的俯视图。
现有技术的图2示出了图1的现有技术CMP装置的侧视图。
图3为在半导体晶片上使用的硬毛刷，示出了本发明基于刷子的构件。
图4为在半导体晶片上使用的超音速换能器，示出了本发明基于超音速的构件。
图5示出了本发明基于超音速的构件，其中超音速喷嘴和超音速传感器结合成一个单元并且半导体晶片进行自旋运动。
图6A示出了根据本发明的一个实施例的组合超音速/刷子清洗组件的侧视图。
图6B示出了图6A的组合超音速/刷子清洗组件的俯视图。
图7A示出了根据本发明的另一个实施例的组合超音速/刷子清洗组件的侧视图。
图7B示出了图7A的组合超音速/刷子清洗组件的俯视图。
图8示出了根据本发明的一个实施例工艺步骤的流程图。
现在具体参考本发明的优选实施例，CMP后基于超音速和刷子的半导体晶片清洗方法和系统以例子形式显示在附图中。虽然结合优选实施例介绍了本发明，但应该理解本发明并于限于这些实施例。相反，本发明意在覆盖包含在附带的权利要求书限定的本发明的精神和范围内的所有替换、修改和等效。此外，在本发明下面的详细说明中，陈列了大量的具体细节以更全面地理解本发明。然而，对于本领域中的普通技术人员来说显然可以不采用这些具体细节也可以实施本发明。此外，没有具体地介绍公知的方法、工序、构件以及电路以防止不必要地混淆本发明的方案。
本发明提供一种以组合的超音速和刷子为基础的半导体晶片清洗方法和系统，以有效地从完成CMP处理后的晶片表面上除去杂质和副产品。本发明提供一种有效的CMP后清洗，不会有损伤晶片表面的危险。本发明可以有效地清洗CMP后晶片表面的杂质/副产品同时不会产生损伤。
化学机械抛光(CMP)为得到含有器件用于制造处理的半导体晶片完全平面化的优选方法。CMP工艺包含利用晶片和浸透抛光浆料移动的抛光垫之间的摩擦接触以及浆料自身的化学作用除去一层或多层材料(例如，介质材料、铝、钨或铜层等)。由于除去高构形区域(小丘)快于低构形区域(山谷)，通过CMP工艺的抛光只是尽可能地除去高度差异。CMP工艺为具有毫米级平面化距离以上平滑掉构形能力的优选技术，导致抛光后远小于1度的最大角。
CMP装置的抛光垫表面的摩擦接触、浆料的化学软化作用以及浆料的研磨作用结合在一起抛光了半导体晶片，也一起产生了大量的杂质和抛光副产品。CMP工艺将这些杂质/副产品(例如，抛光垫102的颗粒、微量的浆料/磨料、金属颗粒等)分散到晶片的整个表面上。一旦完成CMP，从CMP装置上移走晶片，并准备用于器件制造工艺的下一阶段。然而，在随后的制造处理之前，必须清除掉CMP工艺留下的杂质/副产品。在对晶片进行进一步的处理之前，除去CMP工艺留下的杂质很重要。例如，存在杂质颗粒会破坏随后的光刻，导致例如断线、短路等。
现在参考图3，示出了在半导体晶片310上使用的硬毛刷300。图3示出了根据本发明清洗组件的硬毛刷构件。如图3所示，硬毛刷300在箭头301显示的方向中旋转。随着硬毛刷300的旋转，晶片310在硬毛刷300下摩擦地旋转(例如，回旋)，由此硬毛刷300摩擦地接触晶片310的整个表面。
硬毛刷300的有利之处在于能有效地除去由于硬毛刷300在晶片310表面上摩擦地移动与硬毛刷300直接接触带来的这些杂质。在本实施例中，硬毛刷300为浸透专门特制的清洗液的多孔刷。清洗液为根据包含晶片310表面(例如，由氧化物覆盖的金属线、栓塞中的钨、铜等)的材料特制的。含在清洗液中的化学物质化学地影响晶片310表面上的杂质。清洗液与杂质反应，产生反应生成物。通过硬毛刷300的擦力以及清洗液的流动从晶片表面上除去反应生成物。
现在参考图4，示出了在半导体晶片310上使用的超音速换能器400。图4示出了根据本发明清洗组件的超音速喷嘴构件。如图4所示，喷嘴401将清洗液分配到晶片310的表面上，如箭头402所示。随着清洗液留在喷嘴401，清洗液由超音速换能器400超音速地搅动。超音速换能器400通过将高频(例如，2MHz以上)高能振动赋予清洗液402起作用。随着清洗液402接触表面，这些高能振动赋予晶片310的表面。清洗液402内的高能振动力将杂质颗粒从晶片310的表面除去。
本发明的超音速构件和刷子构件之间的主要区别为不需要与超音速喷嘴401或超音速换能器400有任何直接的物理接触就可以清洗晶片310的表面。采用超音速构件，除去杂质的力就是超音速地搅动清洗液402的力(例如，气穴现象、压力梯度、流动效应等)。由超音速波生成的压力梯度从晶片310的表面上移动并提升杂质。水流和大量的清洗液流动然后带走杂质。
图5示出了一种类型的本发明超音速构件，其中超音速换能器和喷嘴结合成一个超音速喷嘴500。如图5所示，超音速喷嘴500在晶片310左右之间移动，如线501所示。此外，超音速喷嘴500在晶片表面上来回移动的同时，晶片310在超音速喷嘴500下旋转。超音速喷嘴500以基本上类似于图4的超音速喷嘴401和超音速换能器400的方式起作用。然而，超音速喷嘴500利用它自身的运动和晶片310的旋转运动很容易覆盖晶片310的表面。
现在参考图6A和6B，显示了根据本发明的组合超音速/刷子清洗组件600的侧视和俯视图。如图6A和6B所示，清洗组件600示出超音速构件和刷子构件(例如，超音速换能器602和刷子601)组合在清洗组件600内。超音速换能器602同轴地位于刷子601内。刷子601在箭头603所示的方向中旋转。晶片310在刷子601下摩擦地旋转。
根据本发明，超音速换能器602同轴地位于刷子601内。超音能通过刷子601和清洗液传送到晶片310的表面。刷子601的刷洗作用和超音速换能器602的超音能的同时清洗作用产生许多优点。一个优点是刷子构件和超音速构件的搅动力显著强于仅刷洗或超音速液体的力，由此更有效地除去杂质。另一优点是使用刷子601的擦除作用的同时超音能渗透到刷子601内“brush loading”的机会减少。brushloading是指超音速换能器602不施加超音能，刷子601从晶片301获得大量的杂质以致刷子601不再有效地从晶片表面上除去所有的杂质(例如，尝试用“脏”刷子清洗晶片)。
本发明清洗组件600的另一优点是结合刷子601和超音速换能器602的作用产生高清洗效率，可以优化刷子601的压力和超音速换能器602的能量，由此清洗期间损伤晶片310表面的可能性减到最小。与仅刷洗相比，高清洗效率允许刷子601向晶片310的表面施加较小的压力。较小量的刷子压力降低了晶片310表面摩擦损伤的危险。
本发明清洗组件600的又一优点是与单独使用刷子清洗装置和接着超音速清洗装置的情况相比，刷子清洗工艺与超音速清洗工艺结合在一个清洗组件600内减少了清洗步骤数和需要的工厂占地面积。通过同时进行刷洗和超音速清洗减少了清洗步骤和时间，由此提高了晶片的生产量。此外，根据本发明的清洗组件600具有较小的占地面积。
在典型的使用中，500KHz以上的超音频率对CMP后清洗最有效。通过选择化学溶液和流量、频率和功率的超音速工艺条件以及刷子压力、旋转速度和时间的刷洗工艺条件可以使清洗效率最佳。
应该注意图6A和6B中示出的清洗组件600可以使用各种清洗方案。清洗液可以按晶片310表面的化学组成特制，其中特殊的化学制剂包含在清洗液中以引起对晶片310表面材料(例如介质、各种类型的金属等)的特殊清洗效果。此外，可以使用普通的去离子水作为清洗液。
仅使用刷洗的不足为刷子需要直接接触晶片表面以便有效地擦掉杂质。如果施加了高压，那么刷子会损伤晶片表面。在多数情况中，刷子自身带有杂质，由此降低了清洗效率。
仅使用超音速清洗的不足为超音速清洗器中的力不如擦洗器中直接的擦除有效；因此在CMP后应用中，超音速清洗不如擦洗普及。高能超音速清洗对构件使用了很高的能量级以补偿不太有效的清洗作用，例如当在或非常靠近晶片表面发生气穴现象时，也会损坏晶片表面。
现在参考图7A和7B，示出了根据本发明的另一个实施例的组合超音速/刷子清洗组件700侧视和俯视图。如图7A和7B所示，清洗组件700示出了两个超音速构件702和703以及刷子构件701组合在清洗组件700内。与同轴地位于刷子701内相反，超音速换能器702和703在刷子701两侧设置。刷子701在箭头704所示的方向中旋转。晶片310在刷子701下摩擦地旋转，如旋转方向705所示。
清洗组件700示出了根据本发明的一个变形。清洗组件700以基本上类似于图6A和6B的清洗组件600的方式起作用。然而，与位于擦洗刷内相反，清洗组件700在擦洗刷(例如刷子701)两侧设置两个换能器。在这种情况下，超音速换能器702和703以更直接的方式将超音速能量赋予晶片310的表面。要确保均匀的覆盖，晶片310在刷子701以及超音速换能器702和703下旋转。与清洗组件600相同的方式，清洗组件700使用刷子701的擦拭作用和换能器702和703的超音速能量，提供了保险、高效率、低占地面积的CMP后清洗。
现在参考图8，显示了根据本发明的一个实施例工艺800的步骤流程图。工艺800示出了使用本发明的清洗组件(例如，图6A和6B的清洗组件600)的CMP后清洗装置的操作工艺中包含的步骤。工艺800示出了从接收用于CMP后清洗的晶片到将晶片送到制造工艺中下一步骤的步骤。
工艺800开始于步骤801，其中接收晶片用于晶片在CMP装置中处理后的清洗。如上所述，化学机械抛光包括使用浆料和抛光垫的摩擦接触。CMP工艺产生大量的杂质必须从晶片表面上除去。
在步骤802中，晶片放置在根据本发明的CMP后清洗装置的清洗组件内。清洗组件(例如，清洗组件600)包括擦洗刷(例如刷子601)和超音速换能器(例如超音速换能器602)。
在步骤803中，清洗液分配到晶片上。如上所述，清洗液为专门的清洗溶液，含有为晶片表面的化学组成专门特制的各种化学试剂，或者清洗液可以是普通的去离子水。
在步骤804中，使用安装在清洗组件内的擦洗刷刷洗晶片的表面。如上所述，擦洗刷使用擦除作用除去晶片表面上的杂质。
在步骤805中，使用安装在清洗组件内的超音速喷嘴将超音速清洗液分配到晶片上。如上所述，通过高频(例如，500KHz以上)的超音速喷嘴超音速地搅动清洗液。超音速能量通过从晶片表面上除去杂质颗粒起作用。
现在仍参考图8，在步骤806中，通过清洗组件的刷子和超音速喷嘴的结合作用从晶片的表面上除去杂质。如上所述，超音速能量和刷子的擦除作用结合比单独使用两个中的一个更有效。与现有技术的清洗方法相比，清洗组件的高效清洗作用允许超音速喷嘴使用较少的能量，允许擦洗刷施加较小的压力。
在步骤807中，使用去离子水漂洗晶片的表面。漂洗除去清洗工艺后留下的任何残留清洗液。
在步骤808中，旋转晶片进行干燥。一旦清洗液在步骤807中被漂洗掉，那么旋转干燥产生完全清洁的晶片，没有任何杂质。
在步骤809中，从清洗组件中移走完全清洁的晶片，并从CMP后清洗装置送到器件制造工艺的下一步骤。
由此，本发明提供一种从完成CMP工艺的晶片表面上有效地除去CMP杂质和副产品的方法和系统。本发明提供一种没有损伤晶片表面危险的有效的CMP后清洗。本发明有效地清洗了CMP后晶片表面的杂质/副产品同时不会产生损伤。
为了图示和说明介绍了本发明的以上具体实施例。这些实施例不意味着穷举或将本发明限制到公开的明确形式，显然根据以上的教导可以有许多修改和变形。选择和介绍这些实施例以便更好地解释本发明的原理和它的实际应用，由此本领域中的技术人员能更好地利用本发明，具有各种修改的各种实施例适合于预期的特定用途。本发明的范围由附带的权利要求书及等效物限定。

Claims (15)

1．一种从半导体晶片的表面除去杂质的清洗装置，包括：
超音速换能器，用于产生超音速地搅动的液体从半导体晶片的表面上除去杂质颗粒；
刷子，用于接触半导体晶片表面并除去杂质颗粒；以及
安装了超音速换能器和刷子的清洗组件，可操作该清洗组件以便同时使用超音速换能器和刷子从半导体的晶片的表面上除去杂质颗粒。
2．根据权利要求1的装置，其中采用超音速换能器产生超音速地搅动的液体流接触半导体晶片的表面以除去杂质颗粒。
3．根据权利要求1的装置，其中采用刷子接触半导体晶片表面并通过使用擦除作用摩擦地除去杂质颗粒。
4．根据权利要求1的装置，其中清洗组件随着刷子清洗半导体晶片的表面相对于刷子横向地移动半导体晶片。
5．根据权利要求1的装置，其中装置为CMP后清洗装置，用于从半导体晶片的表面上除去CMP后杂质颗粒，刷子通过使用擦除作用从半导体的晶片的表面上除去杂质颗粒，清洗组件随着刷子清洗半导体晶片的表面相对于刷子横向地移动半导体晶片。
6．根据权利要求1或5的装置，其中超音速换能器同轴地设置在刷子内，以便借助刷子超音速地搅动的液体流接触半导体晶片的表面。
7．根据权利要求1或5的装置，其中超音速换能器横向地设置在刷子的两侧使超音速地搅动的液体接触半导体晶片的表面。
8．根据权利要求1或5的装置，其中清洗之后清洗组件旋转干燥半导体晶片。
9．根据权利要求1或5的装置，其中液体为去离子水。
10．根据权利要求1或5的装置，其中液体为化学地影响半导体晶片表面特制的清洗溶液。
11．一种CMP后清洗半导体晶片的方法，该方法包括以下步骤：
通过使用产生超音速地搅动的液体流的超音速换能器从半导体晶片表面上除去杂质颗粒；
通过使用刷子接触半导体晶片的表面从半导体晶片表面上除去杂质颗粒；以及
同时使用超音速换能器和刷子从半导体的晶片的表面上清除杂质颗粒，通过安装有超音速换能器和刷子的清洗组件进行所述的清除。
12．根据权利要求11的方法，其中超音速换能器同轴地设置在刷子内，以便借助刷子超音速地搅动的液体流接触半导体晶片的表面。
13．根据权利要求11的方法，还包括以下步骤：
随着刷子清洗半导体晶片的表面相对于刷子横向地移动半导体晶片，通过清洗组件进行横向移动。
14．根据权利要求11的方法，其中超音速换能器横向地设置在刷子的两侧使超音速地搅动的液体接触半导体晶片的表面。
15．根据权利要求11的方法，还包括以下步骤：
通过使用清洗组件清洗之后旋转干燥半导体晶片。
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