TW436333B - Process and apparatus for cleaning semiconductor wafer/thin film - Google Patents

Description

436333 五、發明說明（l) ---- 本發明有關於一種清洗半導體晶圓/薄膜的方法，特 別有關於一種後化學機械研磨清洗方法，以除去晶圓/薄 膜上殘留之研磨微粒及各種陰、陽離子污染物。 化學機械研磨（chemical mechanical polishing; CMP)是目前廣泛用於使積體電路平坦化的一種方法，其係 將含有研磨微粒之研磨液供應到研磨墊或半導體晶圓/薄 膜上，再旋轉研磨墊及晶圓載具來研磨半導體晶圓/薄膜 之表面’而達到化學性和物理性平坦晶圓/薄膜表面的目 的。

化學機械研磨程序之後，在晶圓/薄膜的表面上會有 污染物產生，主要的污染物是來自研磨液中的研磨微粒和 來自金屬薄膜或研磨液中的金屬離子。因此，必須經過所 謂的後化學機械研磨清洗（post-CMP cleaning)除去.污染 物’方得以順利地進行下一階段的晶圓加工β傳統的後 CMP清洗是以化學清洗藥劑和機械力同時進行。一般常用 的化學清洗藥劑是氨水（ΝΗ40Η)、螯合劑（如EDTA、檸檬 酸）、氧化剤和氫氟酸（HF)之各式混合液；其中氨水的作 用是去除帶負電的研磨微粒，螯合劑是用來與金屬離子反 應’而氫氟酸具有腐蝕作用，可蝕刻晶圓薄膜的表層。如 此’在化學清洗藥劑的存在下，使用刷子去刷半導體晶 圓。此類先前技術如美國專利5, 858, 1 09中，所用之清洗 液SCI (Standard Clean 1)，其包括氨水、過氧化氫、和 水。然而，這種傳統清洗方法，由於需使用大量的化學清 洗藥劑，因此會對環境造成污染。

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因此，本發明之目的即為解決上述問題，而提供一種 清洗半導體晶圓/薄膜的方法及裝置，使用本發明之方法 和裝置’可有效地將半導體晶圓/薄膜上的污染微粒及金 属離子去除。此方法可不需使用或僅使用少量之傳統化學 清洗藥劑（如氨水、螯合劑、氧化劑和氫氟酸等），並且可 將清洗液以電解方式回收及純化’因而可減輕環境污染， 並降低操作成本。 ' 本發明中所謂薄膜（thin film)，係指經由塗佈、蒸 鍍或濺鍍方式在晶圓表面導入之氧化物（〇xide) '金屬戋 低介電常數材料（k <4.0)薄層。其中氧化物主要為Si〇2 ; 金屬可為銅、鋁、鎢、鈕或氮化鈕等。 為達成本發明之目的，本發明清洗半導體晶 的方法包括： π β % a;在 ' '— ⑺仏廿牡r ,从刷子刷該半導體晶圓 =，使得該晶圓/薄膜上之研磨微粒（陰離 =子污染物可被陰極液排斥，而自晶圓/薄膜 Μ及 膜，你姐分Γ播 刷子刷該半導體晶® /薄 得該半導體晶圓/薄膜上之陽離子污染物（主要為厶 屬離Ρ可被陽極液排斥，而自晶圓/薄二物』主要為金 液是進行或後進行’且該陰極液和陽極 由電解液在一電解槽内經電解後而得。 本發明清洗半導體晶圓/薄膜的裝置包括： 一電清洗機，其具有用以承載晶Η /薄膜之基座以 436333 五、發明說明（3) 及用以刷除晶圓/薄膜上污染物之刷子； —陽極液輸送裝置，用以脒嗒权冰, 將陽極液輸送到晶圓/薄膜 表面；以及 、 一陰極液輸送裝^ ’用以將陰極液輸送到薄膜 表面。 藉此，當在陰極液存在下以刷子刷該晶圓/薄膜時， 晶圓/薄膜上之陰離子污染物可被陰極液排斥，而自晶圓/ 薄膜上脫離’且當在陽極液存在下以刷子刷該晶圓/薄膜 時，晶圓/薄膜上之陽離子污染物可被陽極液排斥，而自 晶圚/薄膜上脫離。 以下即利用所附圖示及具體實施例來更進一步說明本 發明之方法、裝置及特徵，但並非用來限定本發明的範 圍。本發明之範圍應以所附之申請專利範圍為依據。 圖式之簡單說明： 第1圖顯示依據本發明一較佳具體實施例之清洗半導 體晶圓/薄膜之裝置的示意圖。 標號之說明： 電解槽10，陽極12，陰極14，陰離子交換膜16，陽離 子交換膜18，陽極液22，陰極液26，中性清洗液24 ;電清 洗機40 ’噴嘴41，基座42，超音波裝置43，刷子44，半導 體基板46 ’可逆式電場產生裝置48 ;陽極液儲存槽32，陰 極液儲存槽36，清洗液儲存槽34，陽極液輸送裝置52 ,陰 極液輸送裳置56，清洗液輸送裝置54 ;管路50、58、62、 W H 82、84、86 ,過濾系統60，晶舟72，機械手臂

第8頁 436333 五、發明說明（4) 74，閥92、94、96、98 ; V-間，幫浦。 本發明使用電化學方法所產生之陰極液和陽極液，以 分別清洗半導體晶圓/薄膜上之陰離子污染物（含研磨微粒 和其他陰離子）和陽離子污染物（主要為金屬離子）。本發 明之方法和裝置，特別適合於作為後CMP清洗，亦即，在 半導體晶圓/薄膜經過化學機械研磨後，使用本發明之方 法和裝置來清洗因化學機械研磨而在晶圓/薄膜上產生的 污染物。 參考第1圈’顯示依據本發明一較佳具體實施例之清 洗半導體晶圓/薄膜的裝置，其包括：一電解槽10，一電 清洗機40，一陽極液輸送裝置52，一清洗液輸送裝置54， 以及一陰極液輸送裝置56。 電解槽10内設有陽極12、陰極14、陰離子交換膜16和 陽離子交換膜18。陰離子交換膜16設於陽極12的附近，而 暘離子交換膜18設於陰極14的附近。將電解液置於電解槽 10内，陽極12及陰極14兩端通以電流後，即可進行電解β 電解一段時間後’在暘極12附近可得到陽極液22，在陰極 14附近可得到陰極液26。由於電解槽10内設有陰離子交換 膜16和陽離子交換膜18，Η+—旦在陽極12附近產生後，便 不能再穿透過陰離子交換膜16 ’ΟΗ-一旦在陰極Η附近產 生後’便不能再穿透過陽離子交換膜丨8。因此，電解後， 電解槽10内之液體可分為三個區域，即陽極12和陰離子交 換膜16之間的陽極液22，陰極14和陽離子交換膜18之間的 陰極液26，以及陰離子交換膜16和陽離子交換膜18之間的

第9頁 436333 五、發明說明（5) 中性清洗液24 » 本發明所使用之陰極液、陽極液、及中性清洗液不一 定要由電解槽1〇產生，亦即，本發明之裝置不一定包括電 解槽。 電清洗機40具有基座42以及刷子44。基座42係用來承 載半導體晶团/薄膜46，刷子44係用來刷除晶圓/薄膜46上 之污染物。依據本發明之較佳具體實施例，電清洗機4〇内 之刷子44和晶SJ /薄膜4 6可與一可逆式電場產生裝置48連 接’以使晶圓/薄膜46帶有電性，或使刷子44和晶圓/薄膜 46同時帶相反的電性。 陽極液22可經由管路82而送至陽極液儲存槽32中儲 存，陰極液26可經由管路86而送至陰極液儲存槽36中儲 存’而中性清洗液24則可經由管路8 4而送至清洗液儲存槽 34中儲存。接著，陽極液儲存槽32中之陽極液可經由陽極 液輸送裝置52而輸送到電清洗機40中之喷嘴41再輸送至晶 圓/薄膜4 6表面*陰極液儲存槽36中之陰極液亦可經由陰 極液輸送裝置56而輸送到電清洗機4〇中之喷嘴41再輸送至 晶圓/薄膜46表面，而清洗液儲存槽34中之清洗液同樣可 經由清洗液輸送裝置54而輸送到電清洗機40中之喷嘴41再 輸送至晶圓/薄膜46表面。 如上所述’電解槽10内所產生的陽極液22、陰極液 26、以及中性清洗液24，可經由輸送管路而輸送至電清洗 機40中之晶圓/薄膜46表面。此外，去離子水亦可經由管 路58而輸送到電清洗機4〇之晶圓/薄膜46表面。然而，陽

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ί㈡極二中性清洗液、以及去離子水並不是同時輸 1到曰曰圓溥膜46的表面。利用輸送裝置或管路52、54、 U58i所設之閥(92、94、96和98)，可控制陽極液、 ^ ’先液、陰極液、以及去離子水等輸送的順序。例如 刼極輸送裝置52上之閥92打開時，則陽極液可經由管路5〇 而輸送到晶圓/薄膜46上。 ,依據本發明，以刷子44刷半導體晶圓/薄膜46時，必 須在液體的存在下，而此液體可先以超音波裝置43震盪 (megasonic agitation)增加動能，以提高處理效率。另

半導體晶圓係先放置於晶舟（wafer cassette)72中以機 械手臂74將其移至電清洗機中進行清洗。 ^以下說明依據本發明一具體實施例之清洗半導體晶圓 /薄膜之方法的步驟。 (1) 使去離子水經由管路58及5〇而輸送到超音波裝置 43，震盪後送至晶圓/薄膜46表面，在去離子水的存在 下’以刷子刷晶圓/薄膜46表面。刷洗完成後，將去離子 水經由過濾系統60過濾，再經管路64而排至廢液系統。 (2) 接著，開啟可逆式電場產生裝置48，使刷子帶正 電，晶圓/薄膜帶負電。使陰極液由陰極液儲存槽36中經 陰極液輸送裝置56、管路50及超音波裝置43而輸送到晶圓 /薄膜46表面’在陰極液的存在下以刷子刷晶圓/薄膜46表 面。藉此，晶圓/薄膜46表面上之研磨微粒及其他陰離子 污染物可被陰極液排斥’而自晶圓/薄膜上脫離；同時， 由於晶圓帶負電，可使得晶圓/薄膜表面上之陰離子污染

第11頁 436333 五、發明說明（7) 物被排斥，加強陰離子脫離晶圓/薄膜表面的效果。刷洗 完成後，將使用過之陰極液經由過濾系統6〇過濾，經管路 62而輸送至清洗液儲存槽34中儲存，再經管路66而輸送至 電解槽中性清洗液24區中回收純化。使用過之陰極液可在 電解槽中性清洗液24區中進行電解/分離/回收。 (3)接著’關閉可逆式電場產生裝置48，使刷子和晶 圓46均不帶電。再使去離子水經由管路58、5〇及超音波裝 置43而輸送到晶圓/薄膜46表面上，在去離子水的存在 下，以刷子刷晶圓/薄膜46表面。刷洗完成後，將去離子 水經由過濾系統60過濾，再經管路64而排至廢系 Μ然後，開啟可逆式電場產生裝置48帶負 電，晶圓/薄膜帶正電》使陽極液由陽極液儲存槽32中經 陽^極液輸送裝置52、管路50及超音波裝置43而輸送到晶圓 /薄膜46上，在陽極液的存在下，以刷子刷晶圓/薄膜46表 面。藉此，晶圓/薄膜表面上之陽離子污染物（主要為金屬 離子）可被陽極液排斥，而自晶圓/薄膜表面脫離；同時， 由於晶圓帶正電，可使得晶圓/薄膜表面上之陽離子污染 物被排斥，加強陽離子脫離晶圓/薄膜表面的效果。刷洗 完成後’將使用過之陽極液經由過濾系統6〇過濾，經管路 62而輸送至清洗液儲存槽34中儲存，再經管路66而輸送至 電解槽中性清洗液24區中回收純化。使用過之陽極液可在 電解槽中性清洗液24區中進行電解/分離/回收。 (5)然後，關閉可逆式電場產生裝置48，使刷子和晶 圓均不帶電。再使去離子水經由管路58、5〇及超音波裝置

第12頁 436333 五、發明說明（8) 43而輸送到晶圓/薄膜46表面上，在去離子水的存在下， 以刷子刷晶圓/薄膜表面。刷洗完成後，將去離子水經由 過濾系統60過濾’再經管路64而排至廢液系統。 (6) 使清洗液由清洗液儲存槽34中經清洗液輸送裝置 54、管路50及超音波裝置43而輸送到晶圓/薄膜表面在 清洗液的存在下，以刷子刷晶圓/薄膜46表面。刷洗完成 後，將使用過之清洗液經由過濾系統6〇過濾’經管路62而 輸送至清洗液儲存槽34中儲存，再經管路而輸送至電解 槽中性清洗液24區中。使用過之清洗液可在電解槽中性清 洗液24區中進行電解純化。 (7) 再使去離子水經由管路58、5〇及超音波裝置43而 輪送到晶圓/薄膜表面上，在去離子水的存在下，以刷子 刷晶圓/薄膜46表面。刷洗完成後，將去離子水經由過濾 系統60過濾，再經管路64而排至廢液系統。 、（8)將晶圓旋乾（spin dry)，將殘餘之去離子水經由 過濾系統60過濾，再經管路64而排至廢液系統β 依據本發明*上述步驟（1)、（3)、（5) '(6)、（7)均 可省略；亦即，半導體晶圓/薄膜可僅使用陽極液和陰極 液來刷洗，而不使用清洗液及去離子水。而為了節省成 本，使用過之陰極液、陽極液、和清洗液，可回收於電解 槽中’再進行電解回收’以產生新鮮的陰極液、陽極液、 和清洗液’供作下一次半導體晶圓/薄膜的清洗β但回收 步驟並非必要。 如上所述’為了使得半導體晶圓/薄膜上之污染物能 436333 五、發明說明（9) 更有效地除去，可使晶圓帶電，或可使晶圓和刷子帶相反 的電性，但帶電的步驟亦非必要。此外，為加強污染物去 除效+果，去離子水、陰極液、陽極液、清洗液在輸送至晶 圓/薄膜表面前，可先經超音波裝置震盪，以提昇液體之 動能而有助於去除污染物，但超音波震盪之步驟亦非必 要0 本發明所使用之電解液並沒有限制，一般電解質皆 可’例如硫酸、氫氧化鉀、氨水、磷酸等。 綜合上述，本發明使用陰極水和陽極水來除去半導艘 晶圓/薄膜上之陰離子污染物和陽離子污染物，而不需使 用傳統上使用之高濃度化學清洗液，或者為加強去除效果 而僅使用低濃度之化學清洗液’因此，可減輕環境污染， 並降低操作成本。 利用本發明之清洗方法及裝置，清洗坡覆氧化物金 屬、低介電常數材料等薄膜之晶圓’從下列實施例中可看 出在不使用高濃度化學藥劑或僅使用低濃度化學藥劑之清 洗液情況下，去除離子污染物之效果極佳。 清洗效果評估 實施例1 :

將披覆TEOSCtetraethoxysilane;四乙氧基矽烷）之6 对晶圓（oxide blanket wafer ;控片）先經過化學機械研 磨（ox i de CMP)平坦化處理，其中研磨液中之研磨微粒為 A 12〇3及S i 〇2 ;後再送入本發明之清洗裝置中清洗，清洗條 件及清洗結果如表1所示。 ''1 >

43 633 3 五、發明說明（ίο) 笼清洗條件 基座電埂 鼇解槽電洗 淦槿液流f 埼極液流爱 去離子水流躉 清洗液流董 狡乾速孪 15 V 10 A 250 ml/min 250 ml/min 250 ml/min 250 tnl/min(含 0.05M 蒋樣接) 2500 rpm 鼇清洗結果 \ 殘留微粗數W >0.2 iim 離子污染往度的（><1010过。111/〇113) K Na Ca Fe Ti Mn Cl S 清洗甫 25684 1986 71 2087 12 4 5 85 1624 清洗後 97 <0.5 <0.5 41 1.2 <0.3 1.1 24 97 tt(b) : K/Na 係以 SD^S(Secondary ion mass spectrometer)測得；其麵 難係以 TXRFftotal reflection X-rav fluorescence)»%!得 實施例2 ·_ 將坡覆鋁之6吋晶圓（A1 blanket wafer)先經過化學 機械研磨（metal CMP)平坦化處理，其中研磨液中之研磨 微粒為A 1203及S i 02 ;後再送入本發明之清洗裝置中清洗， 清洗條件及清洗結果如表2所示。

第15頁 436333 五、發明說明（11) 表2. 6ef A1 blanket wafer電清洗條件及清洗結果 電清洗條# 基座電埂 電解槽電液 陰極液流塋 琦極液流f 备®子水流t 清洗液流曼 校乾速牟 10 V 10A 250 ml/min 250 ml/min 250 ml/min 250 ml/mm(含0.05M辉樣鲅及界面活性劑） 2500 rpm 宽清洗枯果 \ 殘留微粒數 >0.2 離子污染程度（X10watom/cm2) K Na Ca Fe Ti Mi a S 清洗前 24348 2645 68 2415 34 10 8 104 2156 清洗後 85 <0.5 <0.5 58 <0.3 <0.3 <0.3 36 75 實施例3 : 將披覆Cu/Ta之6叶晶圓（metal blanket wafer)先經 過化學機械研磨（metal CMP)平坦化處理，其中研磨液中 之研磨微粒為A 1203及Si02，氧化劑則為H202 ;後再送入本 發明之清洗裝置中清洗，清洗條件及清洗結果如表3所 示。

第16頁 436333 五、發明說明（12) 表3. 6吋Cu/Ta blanket wafer電清洗條件及清洗結果 鼇清洗條# 基座電壌 電解槽電液 隆栋液流曼 味極液洗董 去離子水流ί 清洗液浦董 狡乾速率 20 V 12 A 350 ml/min 350 ml/min 350 ml/min 350 ml/min (含0.05MTMAH 及a〇5MEDTA)^ 2500 ipm 貧清洗結果 \ 殘《微粮數 >0.2 Jim 雔子再染輕度（XlC^atom/cm2) κ Na Ca Fe Ή Md a S 清洗前 19544 1547 71 3041 2415 58 14 68 3451 清洗後 94 <0.5 <0.5 76 2.5 3.1 <0.3 27 49 EDTA · cthvlene diamine tetraacetic acid 實施例4 : 將披覆低介電常數（Low K)材料之6吋晶圓（low K blanket wafer)先經過化學機械研磨（low K CMP)平坦化 處理，其中研磨液中之研磨微粒為Al2〇3及Si02，而低介電 常數材料為Flare 2. 0(d)，後再送入本發明之清洗裝置中 清洗，清洗條件及清洗結果如表4所示。

第17頁 436333 五、發明說明（13) 表4_ 6叫 Low K blanket wafer電清洗條#及清洗結果 電清洗條# 基座電崔 電解槽電流 电極液流f 暘極液洗曼 去離子水流曼 清洗液液釐 碇虼速率 30 V 10A 300 ml/min 300 ml/min 300 ml/min 350 ml/min (去離子水） 2500 rpm 笼清洗餘果 殘留微粗數 >0.2" m ft子污染程度（X l〇w atom/cm2) K Na Ca Fe Ti Mn Cl S 清洗前 10542 1998 85 1754 75 35 10 185 3871 清洗後 76 <0.5 <0.5 76 <0.3 <0.3 <0.3 75 124 註（d) : Flare 2.0: -O-Ar-O- 實施例5 : 將6 叶Cu/Low K之晶圓（pattern wafer, density = 0.4~0.8)先經過化學機械研磨（Cu/Low K CMP)平 坦化處理，其中研磨液中之研磨微粒為Al2〇3及Si02，氧化 劑為H202，而Low K材料為Flare 2.0 ;後再送入本發明之 清洗裝置中清洗，清洗條件及清洗結果如表5所示。

第18頁 436333 五、發明說明（14) 表5. 6叫· Cu/Low K pattern wafer電清洗條件及清洗結果 電清洗條# 基座電屡 電解槽電流 除接液流釐 陽極液流董 去離子水流董 清洗液流曼 玟乾速_ 30 V 10 A 300 ml/min 300 ml/min 300 ml/min 350 ml/min (含0.05M ΤΜΑΗ,0.05M EDTA 及界面活性劑） 2500 rpm 電清洗站果 \ 殘留微粗數 >0.2 jLim 雔子污染桎度（X1010 atom/cm2) K Na Ca Fe Τι Mn Cl S 清洗前 34657 2069 154 2451 345 45 9 241 2475 清洗後 103 <0.5 <0.5 47 3.1 1.1 <0.3 34 97

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Claims (1)

1. 43633 3

   I 一種清洗半導體晶圓/ 晶圓/薄膜上有陽離子污染物 括： 薄膜的方法，其中該半導體 和陰離子污染物，該方法包 臈 斥 膜 (a) 产一陰極液的存在下，以刷子刷該半導體晶 使得該晶圓/薄膜上之陰離子污染物可被陰極液排 而自晶圓/薄膜上脫離；以及 液排斥’而自晶圓/薄膜上脫離 (b) 在一陽極液的存在下，以刷子刷該半導體晶圓/薄 使得該半導體晶圓/薄膜上之陽離子污染物可被陽極 其中步驟（a)可先進行或後進行，且該陰極液和陽極 液是由一電解液在一電解槽内經電解後而得。 2.如申請專利範圍第1項所述之方法，更包括步称 (c) ’其係於步驟（a)及（b)均進行之後進行： (c)在一清洗液的存在下，以刷子刷該半導體晶圓/薄 膜。 3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該陰極 液、陽極液、和清洗液係經超音波震盪。 4. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該清洗液 係由該電解液經電解後而得之中性液。 5_如申請專利範圍第2項所述之方法，更包括以下步 驟： 一陰極液回收步驟，在步麻（a)之後進行’將使用過 之陰極液收集在該電解槽中； 一陽極液回收步麻，在步驊（b)之後進行，將使用過