WO2002035598A1 - Verfahren und vorrichtung zum reinigen einer halbleiterscheibe - Google Patents

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Grit Bonsdorf
Wolfgang Dickenscheid
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    • H01L21/32115—Planarisation
    • H01L21/3212—Planarisation by chemical mechanical polishing [CMP]

Definitions

  • the invention relates to a method for cleaning a surface of a semiconductor wafer after a chemical-mechanical polishing step and a device for carrying out such a method.
  • chemical mechanical polishing is increasingly being used to planarize the topography on the semiconductor wafer that occurs during the production processes.
  • the chemical mechanical polishing mainly serves to level trench fillings, metal plugs, e.g. made of tungsten in contact holes and vias and of intermediate oxides and intermetallic dielectrics.
  • the semiconductor wafer to be processed is pressed by a wafer carrier against a rotatably arranged polishing table on which there is an elastic perforated pad, a so-called pad, which contains a polishing agent, a so-called slurry.
  • the semiconductor wafer and the polishing table rotate in opposite directions, as a result of which the surface of the semiconductor wafer is polished off at the protruding points until a completely flat wafer surface is reached.
  • the polishing agents generally contain further active chemical additives which enable selective removal of the layers on the semiconductor wafer.
  • a so-called blind polishing process ie a polishing process that is stopped within the layer to be polished
  • a so-called stop-ayer polishing process in which the polishing process is selective to another one lying below the polishing layer Layer
  • slurry impurities generally remain on the surface of the semiconductor wafer and have to be removed in a subsequent cleaning process.
  • the semiconductor wafers are first stored in a water bath after the polishing process and then freed from the surface contamination with a brush apparatus, a so-called brush cleaner.
  • the semiconductor wafer is continuously rinsed with distilled water and / or ammonia.
  • the semiconductor wafer is then dried in a drying station by rapid rotation.
  • the brush cleaning process shown is a single disk process so that the disk throughput remains severely restricted.
  • the necessary loading and unloading of the brush cleaner and the spin dryer also make the cleaning process very time-consuming. There is also a high consumption of distilled water or ammonia during the brush cleaning process.
  • a wet cleaning process with the aid of chemical baths is also used, in which the semiconductor wafer is drawn through several successive cleaning baths, in particular the chemically bound slurry residues on the semiconductor surface being removed.
  • a rinsing with distilled water and then a disk drying is carried out, the so-called Marangoni drying process preferably being used here, in which the semiconductor wafers are pulled through an isopropanol solution and then dried in hot nitrogen.
  • the wet chemical cleaning process shown it is possible to clean several semiconductor wafers at the same time, which enables a high throughput of writing to be achieved.
  • the problem here remains the high consumption of chemicals in the cleaning process and the high equipment costs.
  • the object of the invention is therefore to provide a method and apparatus can remove with which remaining on a semiconductor wafer in chemical mechanical polishing, impurities quickly and effectively with little effort apparati ⁇ ven.
  • the semiconductor wafer is first rinsed in succession with an etching liquid, then preferably rinsed with distilled water and then preferably dried with an isopropanol-nitrogen mixture.
  • This integrated process control makes it possible to summarize the process steps previously carried out separately during cleaning, which saves process time and at the same time significantly increases the throughput of the disks.
  • etching chemistry and distilled water can be saved to a great extent, in particular by carrying out the cleaning process with constant disk rotation.
  • an HF solution, a buffered HF solution or a solution of H 2 SO 4 , H 2 O 2 and HF is used as the etching liquid.
  • Such etching solutions can be used to reliably remove slurry impurities, such as those that occur in particular in the case of oxide or metal planarization with the aid of a chemical-mechanical polishing process.
  • the cleaning device according to the invention has a process chamber which has a loading and unloading station for the semiconductor wafers, a turntable for holding and rotating the semiconductor wafer and feed and return lines for the process media for cleaning the semiconductor wafers.
  • the process chamber for the cleaning and drying process is connected directly to the device for chemical mechanical polishing via a wet handler. This enables an integrated polishing and cleaning process with which a minimum defect density on the semiconductor wafer is guaranteed.
  • Figure 1 shows schematically a combination system consisting of a chemical mechanical polishing system and a cleaning station according to the invention.
  • 2A shows a blind polishing process
  • 2B shows a stop layer polishing process
  • Fig. 4 shows a cleaning station according to the invention in a sectional view.
  • Nes layer structure consisting of a silicon layer 41 with trenches, a thin Si 2 N 3 layer 43 arranged thereon and a thick SiO 2 layer 44 is shown, the polishing process is stopped when the Si 2 N lying under the SiO 2 layer 44 3 layer 42 is exposed.
  • the endpoint detection can z. B. done by measuring the current consumption of the rotating disc carrier, since the current changes during the transition of the layer materials.
  • the problem with chemical mechanical polishing is that slurry residues adhering to the semiconductor surface have to be removed after the polishing process.
  • This cleaning takes place according to the invention in the cleaning system 3, the essential elements of which are shown in more detail in a sectional view in FIG. 4.
  • the semiconductor wafer 4 to be cleaned is transferred directly from the polishing system 1 into the cleaning station 3 with the aid of the wet handler 2.
  • the wet handler 2 comprises a water bath 21 in which the semiconductor wafer to be cleaned is temporarily stored in order to then move it to the cleaning station 3.
  • This coherent structure of the polishing system 1 and cleaning station 3 considerably simplifies the process implementation and significantly reduces the risk of defects forming on the semiconductor surface during the transition from the polishing system to the cleaning station.
  • the cleaning station 3 has a loading and unloading station 31 which is connected to the wet handler 2 and to which a cleaning chamber 32 is connected.
  • This cleaning chamber 32 is designed essentially cylindrical and divided into a plurality of vertically arranged subchambers, in the embodiment shown four stations, between which a rotatably mounted table 33 can be moved.
  • the semiconductor wafer 4 to be cleaned is arranged on this turntable 33, the semiconductor wafer being held only at the edge, so that front and rear side cleaning is possible at the same time.
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  • slurry residues which occur during the planarization of tungsten with the aid of chemical mechanical polishing are to be removed, this is preferably carried out using the following process sequence.
  • rinsing with distilled water and then etching off the slurry residues with HF or dilute sulfuric acid with small amounts of HF and H 2 O 2 are carried out in the individual subchambers.
  • the semiconductor wafer is then rinsed again with distilled water and then dried in the fourth subchamber with an isopropanol / nitrogen gas mixture at high speed.
  • This process sequence also ensures effective and quick removal of slurry residues that remain in a tungsten planarization by means of mechanical-chemical polishing.
  • the process sequence according to the invention can in principle be adapted to all impurities which can occur during mechanical-chemical polishing. It is therefore within the scope of the invention to modify the specified materials and processes in a suitable manner in addition to the exemplary embodiments shown in order to remove residues which remain on a semiconductor wafer during mechanical-chemical polishing.
  • the features of the invention disclosed in the above description, the drawings and the claims can be of importance both individually and in any combination for realizing the invention in its various configurations.

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Abstract

Zum Reinigen einer Oberfläche einer Halbleiterscheibe nach einem chemisch-mechanischen Polierprozess wird unter ständiger Drehung der Halbleiterscheibe mit Hilfe eines integrierten Verfahrensdurchlaufs zuerst die Oberfläche geätzt, denn gespült und dann anschließend getrocknet.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen einer Halbleiterscheibe
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen einer Oberfläche einer Halbleiterscheibe nach einem chemisch-mechanischen Polierschritt und eine Vorrichtung zum Ausführen eines solchen Verfahrens.
Im Rahmen der Herstellung von Halbleiterbauelementen, insbesondere der Sub-0,5 μm-Technologie wird zur Planarisierung der bei den Herstellungsprozessen auftretenden Topographie auf der Halbleiterscheibe zunehmend das chemisch-mechanische Polieren eingesetzt. Das chemisch-mechanische Polieren dient dabei vorwiegend zum Einebnen von Grabenfüllungen, von Me- tall-Plugs, z.B. aus Wolfram in Kontaktlöchern und Vias und von Zwischenoxiden und Intermetalldielektrika .
Zum chemisch-mechanische Polieren wird die zu bearbeitende Halbleiterscheibe von einem Scheibenträger gegen einen drehbar angeordneten Poliertisch gedrückt wird, auf dem sich eine elastische perforierte Auflage, ein sog. Pad befindet, die ein Poliermittel, ein sog. Slurry, enthält. Dabei rotieren die Halbleiterscheibe und der Poliertisch in entgegengesetzte Richtungen, wodurch die Oberfläche der Halbleiterscheibe an den herausragenden Stellen abpoliert wird, bis ein völlig plane Scheibenoberfläche erreicht ist. Die Poliermittel enthalten dabei neben Polierkörnern im allgemeinen weitere aktive chemische Zusätze, die ein selektives Abtragen der Schichten auf der Halbleiterscheibe ermöglichen. Man unterscheidet dabei zwischen einem sog. Blind-Polishing-Process , d.h. einem Polierprozess der innerhalb der zu polierenden Schicht angehalten wird, und einen sog. Stop- ayer-Polishing- Process, bei dem der Poliervorgang selektiv zu einer unterhalb der polierenden Schicht liegenden weiteren Schicht ist. Beim chemisch-mechanischen Poliervorgang bleiben jedoch im allgemeinen auf der Oberfläche der Halbleiterscheibe Slurry- Verunreinigungen zurück, die in einem anschließenden Reini- gungsprozess entfernt werden müssen. Für diesen Reinigungsvorgang werden die Halbleiterscheiben nach dem Poliervorgang zunächst in einem Wasserbad gelagert und anschließend mit einer Bürstenapparatur, einem sog. Brush-Cleaner von den Oberflächenverunreinigungen befreit. Während der Büstenreinigung wird die Halbleiterscheibe dabei fortlaufend mit destilliertem Wasser und/oder Ammoniak gespült. Nach dem Bürstenreini- gungsprozess wird die Halbleiterscheibe dann in einer Trockenstation durch schnelles Rotieren getrocknet. Bei dem dargestellten Bürstenreinigungsprozess handelt es sich um einen Einzelscheibenprozess , so dass der Scheibendurchsatz stark eingeschränkt bleibt. Darüber hinaus macht das erforderliche Be- und Entladen des Brush-Cleaner sowie der Trockenschleuder den Reinigungsprozess zusätzlich sehr zeitaufwendig. Weiterhin tritt ein hoher Verbrauch an destilliertem Wasser bzw. Ammoniak während des Bürstenreinigungsprozesses auf .
Statt einer Reinigung der Scheibenoberfläche mit Hilfe eines Brush-Cleaners wird auch ein Nassreinigungsprozess mit Hilfe von chemischen Bädern eingesetzt, bei dem die Halbleiterscheibe durch mehrere aufeinanderfolgende Reinigungsbäder gezogen wird, wobei insbesondere die chemisch gebundenen Slurry-Reste auf der Halbleiteroberfläche entfernt werden. Nach dieser chemischen Reinigung erfolgt eine Spülung mit destilliertem Wasser und anschließend eine Scheibentrocknung, wobei hierbei vorzugsweise das sog. Marangoni-Trocknungsverfahren eingesetzt wird, bei dem die Halbleiterscheiben durch eine Isopropanol-Lösung gezogen und anschließend in heißem Stickstoff getrocknet werden. Bei dem dargestellten nasschemischen Reinigungsverfahren besteht die Möglichkeit gleichzeitig mehrere Halbleiterscheiben zu reinigen, womit sich ein hoher Schreibendurchsatz erreichen lässt. Ein Problem bleibt jedoch auch hier der hohe Verbrauch an Chemie beim Reinigungsvorgang, sowie der hohe apparative Aufwand.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit dem sich beim chemisch-mechanischen Polieren auf einer Halbleiterscheibe zurückbleibende Verunreinigungen schnell und effektiv mit geringem apparati¬ ven Aufwand entfernen lassen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 6 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben .
Gemäß der Erfindung wird zum Reinigen einer Oberfläche einer Halbleiterscheibe nach einem chemisch-mechanischen Polierschritt unter ständiger Scheibenrotation der Halbleiterscheibe die Halbleiterscheibe nacheinander zuerst mit einer Ätzflüssigkeit gespült, anschließend vorzugsweise mit destilliertem Wasser nachgespült und dann vorzugsweise mit einem Isopropanol-Stickstoff-Gemisch getrocknet .
Durch diese erfindungsgemäße integrierte Prozessführung ist es möglich, die bisher separat bei der Reinigung ausgeführten Prozessschritte zusammenzufassen, wodurch Prozesszeit eingespart und zugleich der Scheibendurchsatz wesentlich erhöht werden kann. Darüber hinaus kann insbesondere durch das Ausführen des Reinigungsvorgangs unter ständiger Scheibenrotation in hohem Maße Ätzchemie und destilliertes Wasser eingespart werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird als Ätzflüssigkeit eine HF-Lösung, ein gepufferte HF-Lösung oder eine Lösung aus H2S04, H202 und HF eingesetzt. Durch solche Ätzlösungen lassen sich zuverlässig Slurry-Verunreinigungen beseitigen, wie sie insbesondere bei einer Oxid- bzw. Metallplanarisierung mit Hilfe eines chemisch-mechanischen Poliervorgangs auftreten. Die erfindungsgemäße Reinigungsvorrichtung weist eine Prozesskammer auf, die eine Be- und Entladestation für die Halbleiterscheiben, einen Drehteller zum Halten und Drehen der Halbleiterscheibe und Zu- und Rückführungen für die Prozessmedien zum Reinigen der Halbleiterscheiben aufweist. Durch eine solche Ausgestaltung ist für den gesamten Reinigungsvorgang einschließlich des Trocknens nur eine einzelne Prozesskammer notwendig, wodurch eine wesentliche Einsparung an apparativen Aufwand erreicht wird. Darüber hinaus bleibt die Halbleiterscheibe während des gesamten Reinigungs- und Trocknungsvorgangs in einer einzigen Kammer, wodurch insbesondere die Gefahr von Oberflächendefekten wesentlich reduziert wird,
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Prozesskammer für die Reinigungs- und Trocknungsvorgang über einen Nass-Handler direkt mit der Vorrichtung zum chemisch-mechanischen Polieren verbunden. Hierdurch wird ein integrierter Polier- und Reinigungsprozess möglich, mit dem eine minimale Defektdichte auf der Halbleiterscheibe gewährleistet wird.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Kombi-Anlage, bestehend aus einer chemisch-mechanischen Polieranlage und einer erfindungsgemäßen Reinigungsstation;
Fig. 2A einen Blind-Polishing-Process ; Fig. 2B einen Stop-Layer-Polishing-Process ;
Fig. 3 schematisch eine chemisch-mechanische Polieranlage im Querschnitt; und
Fig. 4 eine erfindungsgemäße Reinigungsstation in Schnittdarstellung.
Die in Fig. 1 dargestellte Kombianlage setzt sich einer Polieranlage 1, einem Nass-Handler 2 und einer Reinigungssta-
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nes Schichtenaufbaus bestehend aus einer Siliziumschicht 41 mit Gräben, einer dünnen darauf angeordneten Si2N3-Schicht 43 und einer dicken Siθ2-Schicht 44 dargestellt ist, wird der Polierprozess angehalten, wenn die unter der Siθ2-Schicht 44 liegende Si2N3-Schicht 42 freigelegt wird. Die Endpunkterkennung kann dabei z. B. durch die Messung der Stromaufnahme des rotierenden Scheibenträger erfolgen, da sich der Strom beim Übergang der Schichtmaterialien ändert.
Beim chemisch-mechanischen Polieren besteht grundsätzlich das Problem, dass nach dem Poliervorgang auf der Halbleiteroberfläche anhaftende Slurry-Reste entfernt werden müssen. Diese Reinigung erfolgt erfindungsgemäß in der Reinigungsanlage 3, deren wesentliche Elemente in Fig. 4 in einer Schnittdarstellung genauer gezeigt sind. Die zu reinigende Halbleiterscheibe 4 wird von der Polieranlage 1 dabei mit Hilfe des Nass-Handlers 2 direkt in die Reinigungsstation 3 übergeführt. Der Nass-Handler 2 umfasst dabei ein Wasserbad 21 in dem die zu reinigende Halbleiterscheibe zwischengelagert wird, um sie dann zur Reinigungsstation 3 zu verfahren. Durch diesen zusammenhängenden Aufbau von Polieranlage 1 und Reinigungsstation 3 wird die Prozessdurchführung wesentlich vereinfacht und die Gefahr einer Defektbildung auf der Halbleiteroberfläche beim Übergang aus der Polieranlage in die Reinigungsstation wesentlich reduziert.
Die erfindungsgemäße Reinigungsstation 3 verfügt über eine Be- und Entladestation 31, die an den Nass-Handler 2 angeschlossen ist, und an die sich eine Reinigungskammer 32 anschließt. Diese Reinigungskammer 32 ist im wesentlichen zylindrisch ausgelegt und in mehrere vertikal angeordnete Unterkammern, in der gezeigten Ausführungsform vier Stationen unterteilt, zwischen denen vertikal ein drehbar gelagerter Tisch 33 verfahren werden kann. Auf diesen Drehtisch 33 ist die zu reinigende Halbleiterscheibe 4 angeordnet, wobei die Halbleiterscheibe nur am Rand gehalten wird, so dass gleichzeitig eine Vorder- und Rückseitenreinigung möglich ist. s; 3 rr iQ d K co rr φ 3 CO X ϊa Si N tn CO G • tQ ω 3 tr iQ .V G 3 SD SJ D rr N 3 O
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notwendig, wobei nur geringe Menge an destilliertem Wasser und Ätzlösung zum Reinigung benötigt werden.
Wenn gemäß der Erfindung Slurry-Reste, die beim Planarisieren von Wolfram mit Hilfe des chemisch-mechanischen Polierens auftreten, entfernt werden sollen, erfolgt dies vorzugsweise mit folgender Prozessfolge. Unter ständigen Drehen der Halbleiterscheibe 4 auf dem Drehtisch 33 wird nacheinander in den einzelnen Unterkammern zuerst ein Spülen mit destilliertem Wasser und dann ein Abätzen der Slurry-Reste mit HF oder verdünnter Schwefelsäure mit geringen Mengen an HF und H202 durchgeführt. Anschließend wird die Halbleiterscheibe nochmals mit destilliertem Wasser gespült und in der vierten Unterkammer dann mit einem Isopropanol-Stickstoff-Gasgemisch unter hoher Drehgeschwindigkeit getrocknet. Auch diese Prozessfolge sorgt für ein effektives und schnelles Entfernen von Slurry-Reste, die bei einer Wolfram-Planarisierung mittels mechanisch-chemischen Polieren zurückbleiben.
Die erfindungsgemäße Prozessfolge lässt sich bei geeigneter Auswahl der Ätz- und Spülflüssigkeit grundsätzlich an alle Verunreinigungen anpassen, die beim mechanisch-chemischen Polieren auftreten können. Es liegt deshalb im Rahmen der Erfindung über die dargestellten Ausfϋhrungsbeispiele hinaus insbesondere die angegebenen Materialien und Prozesse in geeigneter Weise zu modifizieren, um Rückstände, die beim mechanisch-chemischen Polieren auf einer Halbleiterscheibe verbleiben, zu entfernen. Die in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können dabei sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Reinigen einer Oberfläche einer Halbleiterscheibe nach einem chemisch-mechanischen Polierschritt, wobei unter ständiger Drehung der Halbleiterscheibe folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:
Ätzen der Scheibenoberfläche; Spülen der Scheibenoberfläche; und Trocknen der Scheibenober läche.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mit dem chemisch-mechanischen Polierschritt ein Oxid planarisiert wird und nachfolgende Verfahrensschritte unter ständiger Drehung der Halbleiterscheibe durchgeführt werden:
Spülen mit ozonisiertem destillierten Wasser; Ätzen mit einer HF-Lösung;
Spülen mit ozonisierten destillierten Wasser; und Trocknen mit einer Gasmischung aus Isopropanol und Stickstoff.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mit dem chemisch-mechanischen Polierschritt eine Metallschicht auf der Halbleiterscheibe planarisiert wird und nachfolgende Verfahrensschritte unter ständiger Drehung der Halbleiterscheibe durchgeführt werden :
Ätzen mit einer HF-Lösung oder einer H2S04-LÖsung mit HF und H202-Zusätzen;
Spülen mit ozonisiertem destillierten Wasser; und Trocknen mit einer Gasmischung aus Isopropanol und Stickstoff .
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei während des Trocknens die Halbleiterscheibe mit erhöhter Geschwindigkeit gedreht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Halbleiterscheibe zwischen dem chemisch-mechanischen Polier- schritt und dem Reinigungsprozess in einem Wasserbad gelagert wird.
6. Vorrichtung zum Reinigen einer Oberfläche einer Halbleiterscheibe nach einem chemisch-mechanischen Polierprozess mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, die mit einer Prozesskammer ausgestattet ist, die eine Be- und Entladestation für Halbleiterscheiben, einen Drehteller zum Halten und Drehen der Halbleiterscheiben, eine Zuführung für Prozessmedien zum Reinigen der Halbleiterscheiben und eine Rückführung für die Prozessmedien zum Reinigen der Halbleiterscheiben aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Prozesskammer für jeden Reinigungsschritt eine eigenständige Prozessstation aufweist, zwischen denen der Drehteller verfahrbar ausgelegt ist .
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei ein Nass-Handler vorgesehen ist, der die Be- und Entladestation der Prozesskammer mit einer Anlage zum chemisch-mechanischen Polieren verbindet .
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