一种化学机械研磨铜金属互连层后实施的清洗方法与流程

本发明涉及半导体制造工艺，具体而言涉及一种化学机械研磨铜金属互连层后实施的清洗方法。

背景技术：

在半导体器件的后段制程(beol)中，通常采用双大马士革工艺形成用于填充铜金属互连层的铜金属互连结构。采用电镀工艺在铜金属互连结构中填充铜金属互连层后，需要实施化学机械研磨将位于铜金属互连结构之外的铜去除干净。在实施化学机械研磨的过程中，使用的研磨液属于化学物质，加之外力的作用，需要严格控制避免研磨后的铜金属互连层中存在缺陷，因此，研磨后对晶圆的清洗就显得尤为重要。然而，现有的清洗工艺并不能完全去除铜金属互连层中存在的缺陷，还会造成化学物质的残留，由此会造成铜扩散的加剧，导致器件性能的下降。

因此，需要提出一种方法，以解决上述问题。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种化学机械研磨铜金属互连层后实施的清洗方法，包括：将经过所述化学机械研磨铜互连金属层的晶圆送入清洗操作室，用去离子水冲洗；将所述晶圆浸入盛有升温后的去离子水的容器中，持续时间为80秒-90秒；执行第一次刷洗过程，所述第一次刷洗过程包括依次实施的三个步骤：第一步，用去离子水刷洗所述晶圆，第二步，使用晶圆载片头吸附所述晶圆，用微型研磨垫研磨所述晶圆的正面，第三步，使用柠檬酸和去离子水刷洗所述晶圆；执行第二次刷洗过程，使用柠檬酸和去离子水刷洗所述晶圆；烘干所述晶圆。

在一个示例中，将所述晶圆送入清洗操作室后实施的所述去离子 水冲洗的持续时间为80秒-90秒。

在一个示例中，所述化学机械研磨的持续时间为70秒-80秒。

在一个示例中，所述第一次刷洗过程的第一步的持续时间为10秒-15秒。

在一个示例中，所述微型研磨垫研磨的持续时间为20秒-25秒，所述微型研磨垫研磨所使用的研磨液的化学品的成分为添加剂、二氧化硅和水，所述研磨液的流速为200毫升/分-220毫升/分。

在一个示例中，所述微型研磨垫的旋转速率为25转/分-30转/分，所述微型研磨垫的旋转方向为逆时针旋转，所述晶圆载片头的旋转方向为顺时针旋转，旋转速率为30转/分-40转/分。

在一个示例中，所述微型研磨垫的材料为聚氨酯，所述微型研磨垫的直径为205毫米-210毫米，所述微型研磨垫上密布圆形凹槽，所述圆形凹槽的直径为3.5毫米-3.8毫米，所述圆形凹槽的深度为50微米-80微米。

在一个示例中，所述第一次刷洗过程的第二步和第三步重复实施。

在一个示例中，所述第一次刷洗过程中使用的柠檬酸的体积百分含量为25％-30％，所述第一次刷洗过程的第三步的持续时间为35秒-40秒。

在一个示例中，所述第二次刷洗过程中使用的柠檬酸的体积百分含量为25％-30％，所述第二次刷洗过程的持续时间为80秒-90秒

根据本发明，可以显著减少研磨后的化学物质残留，抑制腐蚀现象的发生。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1a为实施本发明提出的清洗方法时使用的化学机械研磨设备的示意性剖面图；

图1b为图1a示出的化学机械研磨设备中的微型研磨垫的示意 图；

图2为根据本发明示例性实施例的方法依次实施的步骤的流程图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

应当理解的是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。

空间关系术语例如“在...下”、“在...下面”、“下面的”、“在...之下”、“在...之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向 为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在...下面”和“在...下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。

在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

[示例性实施例]

参照图2，其中示出了根据本发明示例性实施例的方法依次实施的步骤的流程图，用于简要示出制造工艺的流程。

首先，在步骤201中，将经过化学机械研磨铜互连金属层的晶圆送入清洗操作室，用去离子水冲洗80秒-90秒。

化学机械研磨铜互连金属层时使用的研磨液的化学品的成分为添加剂、二氧化硅和水，添加剂的重量百分比小于1.0％，二氧化硅的重量百分比为1.0％-10.0％，水的重量百分比为89.0％-98.0％。所述化学机械研磨的持续时间为70秒-80秒。

实施所述化学机械研磨前的晶圆中包括：半导体衬底，在半导体衬底中形成有隔离结构以及各种阱(well)结构，作为示例，隔离结构为浅沟槽隔离(sti)结构或者局部氧化硅(locos)隔离结构；形成在半导体衬底上的前端器件，所述前端器件是指在半导体器件的后段制程之前形成的器件，在此并不对前端器件的具体结构进行限定；形成在半导体衬底上的自下而上层叠的蚀刻停止层、低k介电层、缓冲层和硬掩膜层，蚀刻停止层的材料优选sicn、sic、sin或bn，其作为后续蚀刻低k介电层以形成上层铜金属互连结构的蚀刻停止层的同时，可以防止下层铜金属互连线中的铜扩散到上层的介电质层(例如低k介电层)中，低k介电层的构成材料可以选自本领域常见的具有低k值(介电常数小于4.0)的材料，包括但不限于k值为2.6-2.9 的硅酸盐化合物(hydrogensilsesquioxane，简称为hsq)、k值为2.8的hosp^tm(honeywell公司制造的基于有机物和硅氧化物的混合体的低介电常数材料)以及k值为2.65的silk^tm(dowchemical公司制造的一种低介电常数材料)等等，缓冲层可以包括自下而上层叠的omcts(八甲基环化四硅氧烷)层和teos(正硅酸乙酯)层，omcts层的作用是作为低k介电材料和teos之间的过渡材料层以增加二者之间的附着力，teos层的作用是在后续研磨填充的铜互连金属时避免机械应力对低k介电材料的多孔化结构造成损伤，硬掩膜层可以包括自下而上层叠的金属硬掩膜层和氧化物硬掩膜层，这种双层硬掩膜层的结构能够保证双重图形化或者多重图形化的工艺精度，保证于硬掩膜层中所需形成的全部图形的深度和侧壁轮廓的一致性，即先将具有不同特征尺寸的图案形成在氧化物硬掩膜层中，再以氧化物硬掩膜层为掩膜蚀刻金属硬掩膜层于硬掩膜层中制作所需形成的图形，金属硬掩膜层的构成材料包括ti、tin、bn、aln、cun或者其任意的组合，优选tin；氧化物硬掩膜层的构成材料包括sio2、sion等，且要求其相对于金属硬掩膜层的构成材料具有较好的蚀刻选择比；形成于低k介电层中的铜金属互连层，形成铜金属互连层之前，需在形成于低k介电层中的用于填充铜金属互连层的铜金属互连结构的底部和侧壁上依次形成铜金属扩散阻挡层和铜金属种子层，铜金属扩散阻挡层可以防止铜金属互连层中的铜向低k介电层中的扩散，铜金属种子层可以增强铜金属互连层与铜金属扩散阻挡层之间的附着性，形成铜金属扩散阻挡层和铜金属种子层可以采用本领域技术人员所熟习的各种适宜的工艺技术，例如，采用物理气相沉积工艺形成铜金属扩散阻挡层，采用溅射工艺或者化学气相沉积工艺形成铜金属种子层，铜金属扩散阻挡层的材料为金属、金属氮化物或者其组合，例如ta和tan的组合或者ti和tin的组合。

接着，在步骤202中，将晶圆浸入盛有升温后的去离子水的容器中，持续时间为80秒-90秒。作为示例，所述升温后的去离子水的温度为45℃-65℃。

接着，在步骤203中，执行第一次刷洗过程，其包括依次实施的三个步骤：第一步，用去离子水刷洗晶圆10秒-15秒；第二步，如图1a所示，使用晶圆载片头101吸附晶圆100，用微型研磨垫104研磨晶圆100的正面20秒-25秒，研磨液由喷嘴107流出，流速为200毫升/分-220毫升/分，研磨液的化学品的成分为添加剂、二氧化硅和水，添加剂的重量百分比小于1.0％，二氧化硅的重量百分比为1.0％-10.0％，水的重量百分比为89.0％-98.0％，晶圆100正面与微型研磨垫104之间的接触压力为5.0磅-5.5磅，微型研磨垫104的旋转速率为25转/分-30转/分，微型研磨垫104的旋转方向为逆时针旋转，微型研磨垫104固定于研磨垫支撑台103上，研磨垫支撑台103通过转轴106与固定于支撑板102的驱动电机105相连，如图1b所示，微型研磨垫104的材料为聚氨酯，微型研磨垫104的直径为205毫米-210毫米，研磨垫104上密布圆形凹槽108，圆形凹槽108的直径为3.5毫米-3.8毫米，圆形凹槽108的深度为50微米-80微米，晶圆载片头101通过其中的气压室产生一定的真空度以吸附晶圆100，晶圆100与固定于晶圆载片头101的膜之间的真空度为1.2磅-3.2磅，晶圆载片头101的旋转方向为顺时针旋转，旋转速率为30转/分-40转/分；第三步，使用体积比为25％-30％的柠檬酸和去离子水刷洗晶圆35秒-40秒。为了充分去除缺陷和残留的化学物质，上述第二步和第三步可以重复实施。

接着，在步骤204中，执行第二次刷洗过程，使用体积比为25％-30％的柠檬酸和去离子水刷洗晶圆80秒-90秒。

接着，在步骤205中，烘干晶圆，作为示例，可以在晶圆旋干机中烘干晶圆。然后，将晶圆送往下一工序的操作单元。

至此，完成了根据本发明示例性实施例的方法实施的工艺步骤。根据本发明，通过执行所述第一次刷洗过程，即依次实施的用去离子水刷洗晶圆100、用微型研磨垫104研磨晶圆100的正面和用体积比为25％-30％的柠檬酸和去离子水刷洗晶圆100，可以显著减少研磨后 的化学物质残留，尤其是位于铜金属互连层的缺陷中的化学物质残留，抑制腐蚀现象的发生。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。