专利名称：清洗半导体晶片的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及在半导体的制造过程中清洗半导体晶片的方法和装置。更确切的说，本发明涉及一种用蒸气清洗的后CMP(化学机械平面化)的晶片清洗方法和装置。
集成电路元件的细节的几何形状通常通过一种被称为光刻法的方法以照相方式确定。有了这种技术就可以精确地复制出非常精细的表面几何图形。这种光刻方法用于确定元件的区域并且在另一层顶上的一层形成元件。复杂的集成电路经常有许多不同的组合层(buit-up layer)、每层都有元件、每层都有不同的互连、每层都堆叠在前一层的顶上。由于集成电路的元件是制造在硅晶片的基础面上的，因此这些复杂的集成电路每层的表面就象我们熟悉的有许多“山”和“山谷”的陆地山脉一样凹凸不平。
在光刻过程中，用紫外线将各种不同元件的掩模图像或图案聚焦于感光层。这些图象通过光刻工具、用光学方法聚焦并打印在感光层上。如果要制成更小的元件，就要把更精细的图象聚焦于感光层表面，例如，必须提高光学分辨率。由于光学分辨率提高，掩模图象的焦深相应变窄。这是因为光刻工具中所用的大数值孔径透镜使焦深的范围变窄。焦深的变窄经常成为获得高分辨率和用光刻工具所能获得的最小的元件的制约因素。复杂集成电路的不平整表面，“山”和“谷”，使焦深变窄的影响增大了。这样，就需要一个精确地平坦的表面以便限定亚微米几何结构的掩膜图像聚焦于感光层。这种精确地平坦的表面(例如完全平面化)容许非常小的焦深，相应地允许限定和随后制造非常小的元件。
化学--机械平面化(CMP)是获得晶片的全平面化的最好方法。它利用晶片和移动式抛光盘之间的机械接触、在抛光膏的化学作用的帮助下去除绝缘材料或金属的保护层。由于表面高出的部分(凸起)比低洼部分(凹陷)更易被磨掉，因此抛光可以消除高度差。化学机械平面化法CMP是唯一有能力在毫米级平面化距离上将外形抛光、在抛光后产生远远小于1°的最大角度的技术。
图1示出一个典型的现有技术的CMP机100的俯视图；图2示出CMP机100的侧视剖面图。将需要抛光的晶片放入CMP机。CMP机100用臂101抓取晶片，并将它们放到旋转的抛光盘102上。抛光盘102由弹性材料制成，其典型的常用结构是俱有许多预先制成用来辅助抛光处理的沟槽103。抛光盘102在位于抛光盘102下面的工作台104、即、转台上以预定的速度旋转。晶片105由载体环112和载体106保持在抛光盘102和臂101的适当位置上。晶片105的下表面(例如，“正”面)靠在抛光盘102上。晶片105的上表面靠在臂101的载体106的下表面。当抛光盘旋转时，臂101使晶片105以预定的速度旋转。臂101以预定大小的、方向向下的力将晶片105压到抛光盘102上。CMP机100还包括伸展长度为抛光盘102半径的膏剂分配臂107，后者在抛光盘102上分配膏剂流。
所述膏剂是去离子水和用来以化学方式辅助对晶片进行平滑处理和可预测的平面化的抛光剂的混合物。抛光盘102和晶片105的旋转、连同所述膏剂的抛光作用相结合，以额定的速率对晶片105进行平面化、即、抛光。这个速率称为去除速率。恒定的和可预测的去除速率对于晶片制造过程的一致性和晶片的性能有非常大的影响。有适当的去除速率，就能生产出没有表面凹凸的精确地平面化的晶片。如果去除速率太慢，在一定的时间内平面化晶片的产量就会减少，降低了生产能力。如果去除速率太快，在整个晶片表面上CMP平面化处理将不一致，生产过程的质量难以保证。
为了保持稳定的去除速率，CMP机100有一个调节装置120。调节装置120包括调节臂108，它的伸展范围为抛光盘102的半径。末端执行器109连接在调节臂108上。末端执行器109包括研磨调节盘110，它用来使抛光盘102的表面粗糙。研磨调节盘110在旋转调节臂108作用下旋转，并向抛光盘102的中心平移，然后又从抛光盘102的中心向外平移、使得调节盘110覆盖了抛光盘102的半径，因此在抛光盘转动时几乎完全覆盖了抛光盘102的表面。在调节装置120的作用下，抛光盘的粗糙表面上又增加了大量的微小的凹坑和圆槽，从而借助于增加膏剂向晶体表面的转移以及由于加以更为有效的方向向下的抛光压力、产生更快的去除速率。若没有研磨调节盘，抛光盘102的表面在抛光过程中被磨平，去除速率显著降低。调节装置120使抛光盘102的表面再次变得粗糙，有利于输送膏剂和提高去除速率。
抛光盘102粗糙表面的作用、膏剂的化学软化作用以及膏剂的研磨作用相结合、对晶片表面进行抛光，以便在毫米级平面化距离范围内使晶片外形几乎完全平滑。一旦CMP过程结束，晶片105由臂101从抛光盘102上取出，准备进入集成电路制造过程的下一道工序。但是，在下一道工序开始之前，必须清洗掉在CMP过程中残留在晶片105表面的杂质(如抛光盘102上的微粒、膏剂/研磨盘微量残留物、金属离子等)。
当CMP过程结束后，必须清洗晶片105的表面以除去微粒、金属离子和其它杂质。本专业的的技术人员知道，在晶片105进入下一道制作工序前一定要先将在CMP过程中残留在晶片上的杂质清除。例如杂质微粒的存在可能破坏下一步的光刻工艺，可导致诸如断线、短路等情况出现。现在应用最广泛的后CMP清洗技术包括用去离子水或湿润化学药品刷洗晶片表面。
实际中，刷洗用到包含化学药品的溶液和用聚合物材料制成的刷子。图3示出用在半导体晶片310上的硬毛刷300。如图所示，硬毛刷300按箭头301方向旋转。硬毛刷300旋转时，晶片310在硬毛刷300下有磨擦地旋转(如自旋)，使得硬毛刷300与晶片310的整个表面以磨擦的方式接触。
硬毛刷300的优点在于当硬毛刷300有磨擦地扫过晶片310的表面时，它高效地去除一切直接与它接触的杂质。硬毛刷300可以是一个充满特殊定制的清洗液的多孔刷。如图3所示，清洗液由入口320流入刷洗台305。清洗液是根据组成晶片310表面的材料(如有氧化物覆盖的金属线、氧化物通孔插销中的钨、铜等)特制而成的。包含在清洗液中的这些化学药品与晶片表面的杂质发生化学反应。这种清洗液与杂质反应，生成一种反应产物。借助硬毛刷300的擦拭力和清洗液的流动，从晶片表面洗掉这种反应产物。
用来去除反应产物和杂物的清洗液不能重复使用或再循环使用，因为它们含有杂质和反应产物。因此，传统的后CMP清洗方法需要大量的清洗液。化学清洗液含有有毒物质，即使经过适当的处理也可能对环境造成污染。大量的化学溶液的使用也增加了集成电路器件的生产成本。而且，清除残留在晶片表面上的杂物需要相当大的压力加在硬毛刷上。这就增加了损坏晶片表面的危险性。因此，我们需要一种对化学溶液用量小并且不会增加损伤晶体表面危险的后CMP清洗方法。
另外，集成电路器件已进入亚微米时代。确保晶片表面无杂质越来越重要。虽然现有硬毛刷方法可以有效的去除表面杂质，但它可能去除不了嵌入在晶体表面的杂质。而且，现有硬毛刷技术不能有效去除附着在晶片背面的杂质。因此，也需要一种能在完成CMP处理后从晶片表面更有效去除CMP杂质和副产品的方法和系统。
本发明一个实施例的下一步就是将一块经化学机械平面化后的有氧化物表面的半导体晶片放置到一个密封的刷洗台中。接着将氢氟酸(HF)蒸气送入密封的刷洗台。氢氟酸HF蒸气将晶片表面包含有嵌入的杂质的氧化物薄层(＜50埃)刻蚀掉。这种蒸气也与晶片背面接触，在不必直接在晶片背面分配化学药品的情况下去除晶片背面的杂质。经过一定的时限之后，断开蒸气发生器。一定数量的溶液或去离子水经由硬毛刷输送到晶片表面以去除杂质或它们与蒸气的反应产物。溶液的流动还将有助于防止硬毛刷加载。在一个实施例中，可以根据具体的处理要求来改变通入蒸气和断开蒸气的时间。
在替代的实施例中，如果要求保持晶片表面湿润，可以把化学清洗液的蒸气和去离子水一起输送。使用气态的化学药品在流量控制方面也有其优点，这是因为在后CMP清洗过程中能够容易地精确控制晶片表面的化学反应。
现有技术图1示出传统的CMP机的俯视图。
现有技术图2示出图1所示的传统的CMP机的侧视图。
现有技术图3示出传统的刷洗台的侧视图。
图4示出按照本发明的后CMP清洗方法的正在清洗的晶片。
图5是说明根据本发明的实施例的后CMP清洗方法的各个步骤的流程图。
最佳实例介绍下面将详细涉及作为本发明最佳实施例的用于后CMP晶片清洗的方法和系统，附图中图解说明其各个实例。虽然用最佳实例来介绍本发明，但这并不表示本发明局限于这些最佳实施例。相反，本发明包括包含在由后附的权利要求书定义的本发明的精神和范围内的所有变更、修改和等同物。此外，在以下对本发明的详细描述中，为了提供对本发明的透彻理解，陈述了大量具体细节。但是，对于本专业的普通技术人员来说，显然，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明。另外，没有详细描述众所周知的方法、过程、部件和电路，因为它们会不必要地使本发明的各个方面模糊不清。
本发明提供一种用于在完成CMP处理后从晶片表面有效地去除CMP杂质和副产品的基于刻蚀和刷洗的组合的半导体晶片清洗方法和系统。本发明用于不会增加晶片表面损伤危险的有效的后CMP清洗中。使用化学药品蒸气去除晶片表面的薄层、从而去除难以去除的杂质，大大减少了所需要的刷洗量。从而可以减少所需用的化学溶液的量和CMP处理本身的成本。
化学-机械平面化(CMP)是用制造设备获得完全平面化的半导体晶体的最佳方法。CMP过程包括利用晶片和充满抛光剂的移动式抛光盘之间的磨擦接触以及所述膏剂本身的化学反应去除一层或多层材料(如绝缘材料、铝、钨或铜层等)。由于晶体表面高出部分(凸起)比低洼部分(凹陷)更快被磨平，所以CMP过程中的抛光可以消除晶体表面高度差。CMP技术是有能力在毫米级平面化距离范围使外形平滑、在抛光后产生远远小于1°的最大倾斜角的最好的方法。
抛光半导体晶片时与CMP机抛光盘表面的磨擦接触、膏剂的化学软化作用以及膏剂的研磨作用会产生大量的杂质和抛光生成物。这些杂质/抛光生成物(例如抛光盘102的微粒、微量的膏剂/研磨残留物、金属离子等)在CMP过程中分布在整个晶片表面。一些杂质甚至可能嵌入晶片表面。CMP过程结束后，晶片从CMP机中取出准备进入芯片制造过程的下一道工序。但是在下一道工序之前，必须将晶片上在CMP过程中残留的杂质/生成物清洗掉。在晶片进入下一道工序前清洗掉CMP过程的残留物是非常重要的。例如，杂质微粒的存在可能破坏下一步的光刻处理，导致例如断线、短路等情况出现。
当硬毛刷在晶片310表面移动时，图3示出传统的刷洗方法可以有效的去除那些硬毛刷直接接触到的杂质。这是传统刷洗方法的优点。然而这些传统刷洗方法有一个缺点，即由于用过的清洗液中含有杂质和化学反应产物而不能再次利用或回收。而且，去除陷入晶片表面中的杂质需要对硬毛刷施加相当大的压力。这就可能增加损伤晶片表面的危险。
本发明提供一种用于后CMP刷洗的系统和改进的后CMP清洗方法用气态清洗液刷洗的后CMP方法。图4示出根据本发明的实施例的用于清洗化学机械平面化后的半导体晶片405的刷洗台400。如图所示，晶片405被放置在刷洗台400的密封腔440中，其中有硬毛刷430和清洗液入口410。当硬毛刷430旋转时，晶片405也在硬毛刷430下有磨擦地自旋、以便所述刷洗操作去除晶片405的前表面450a上的杂质。清洗液由液体入口410流入，清洗液可以根据构成晶片405表面的材料的不同(例如有氧化膜覆盖的金属线、氧化物通道插销中的钨、铜等)来专门配制。
显然，如图4所示，刷洗台400包括安装在密封腔440中的蒸气入口420，通过这个入口，气化的清洗液可以在刷洗过程的不同阶段引入、并持续不同的时段。本实施例中气态清洗液也是根据构成晶片405表面的材料不同而专门配制的。使用气态清洗液(如气态氢氟酸)的优点是气态的清洗液的刻蚀作用能去除晶片405前表面450a和后表面450b上的非常薄的一层沉积层以及附着在上面的杂质形成容易去除的或气态的反应生成物。
根据本实施例，气态清洗液与在晶片表面450a和450b上发现的杂质或缺陷相互作用。由于这些缺陷为化学反应提供了优先的场地或更大密度的蒸气，因此气态清洗液优先地与这些缺陷或杂质相互作用。化学清洗效率因此得到提高。当与硬毛刷430的刷洗作用相结合时，气态清洗液的使用可明显减少所需的刷洗量。刷洗量的减少相应地减少了损伤晶片405的前表面450a的危险。此外清洗液的用量也会减少。这样，后CMP清洗时间和清洗成本将会明显降低。需要指出的是，本实施例中气态清洗液和清洗液的化学成分可能不同。
本发明的另一个优点在于气态清洗液可以很容易地与晶片405的下表面450b接触，从而不用直接将化学药品加到下表面450b就可轻易的去除掉其表面上的杂质。由于使用气体可以很容易地精确控制晶片表面450a和450b上的化学反应，所以使用气态的清洗液也具备流量控制方面的优点。
图5是根据本发明实施例的后CMP清洗过程的流程图。为说明起见，过程500表示的各步骤包括使用刷洗台(如图4所示的刷洗台400)的后氧化物CMP清洗系统的工作过程。然而它并不表示本发明仅适用于后氧化物CMP清洗过程。相反，本专业的技术的人员显然都知道可以为不同的后CMP清洗过程或不同表面清洗应用场合类似地引入不同的化合物蒸气。
过程500从接纳经过CMP机处理后的准备进入清洗的晶片的步骤510开始。正如上面所述，化学机械平面化法包括使用膏剂和与抛光盘的磨擦接触。CMP过程产生大量的杂质，必须将它们从晶片表面清除。
在步骤515中，晶片被放置在根据本发明的后CMP晶片清洗系统中刷洗台(如刷洗台400)的密封室中。这个刷洗台最好包括硬毛刷(如硬毛刷300)、供清洗液流入的清洗液入口(如入口410)和供气态清洗液流入的蒸气入口(如入口420)。
在步骤520中，根据本实施例，含有氢氟酸(HF)的气态清洗液被引入刷洗台的密封室里。在本实施例中，引入的蒸气的量和晶片与蒸气接触的时间由蒸气发生器控制。本实施例选用含有HF的气态清洗液的原因是气态HF可以刻蚀掉晶片表面的氧化膜(厚度不大于50埃)。嵌入在晶片表面的杂质也可以随着氧化膜一起被刻蚀掉。HF蒸气也可以与晶片背面接触并在化学药品不必直接接触的情况下去除该表面的杂质。在其它实施例中，可以根据晶片表面的构成选用其它清洗液的化合物蒸气。
在另一个实施例中，如果要求保持晶片表面湿润，化学药品蒸气也能与去离子水一起输入。
在步骤525中，含有氢氟酸的清洗液被撒布在晶片表面上。在一个实施例中，清洗液可以通过硬毛刷送到晶片表面。溶液的流动有助于防止硬毛刷加载。在其它实施例中，清洗液可以包括含有专为晶片表面的化学构成配制的各种不同化学药品或去离子水的专门的清洗液。而且，所述清洗液和所述气态清洗液(在步骤520中引入的)可以有不同的化学成分。
在步骤530中，晶片的表面被安装在密封腔内的硬毛刷刷洗。正如上述那样，硬毛刷利用擦拭作用来去除晶片表面的杂质。
继续参考图5中的步骤535，在硬毛刷和清洗液的流动的联合作用下，杂质从晶片表面去除。如前面所述，由于晶片的表面被气态氢氟酸刻蚀掉薄薄的一层以去除所有嵌入在晶片表面的杂质，因此只需较少的刷洗操作和较低的清洗液流量就可以有效地清洗晶片。与现有技术的清洗方法相比，所述刷洗台具有非常有效的清洗作用，并且允许较低的压力加在硬毛刷上。
在步骤540中，晶片的表面被用去离子水冲洗。这种冲洗可以在清洗过程结束后将所有的残留在晶片上的清洗液去除。
在步骤545中，晶片被旋转甩干。一旦清洗液在步骤507中被冲洗掉，经过旋转甩干可得到没有任何杂质的完全干净的晶片。
在步骤550中，从清洗设备中取出完全干净的晶片，从后化学机械平面化清洗设备送到进行集成电路制作过程的下一道工序。
这样，本发明提供用于在完成化学机械平面化过程后从晶片表面有效地去除CMP杂质和反应产物的方法和系统。本发明用于没有损伤晶片表面的危险的有效的后CMP清洗。本发明在不造成损伤的情况下有效的清洗掉后CMP晶片表面的杂质和副产品。
以上对本发明的特殊实施例的描述的目的是举例说明和描述。它们不会把本发明限制在某一范围，明显可能存在许多基于本发明的修改和变动。所选用来介绍的实施例是为了更好地解释本发明的原理和在实际中的应用，从而可以让本专业的技术人员更好地应用本发明和针对不同的使用要求进行一些改动。本发明所涉及的范围由后附的权利要求书及其等同物确定。
权利要求
1.一种清洗半导体晶片的方法，它包括以下步骤a)将所述半导体晶片放入密封室内；b)将气态清洗液送入所述密封室内，所述气态清洗液适合于在所述密封室内与所述半导体晶片的表面相互作用并且适合于与附着在所述表面的杂质微粒发生化学反应；c)将化学清洗溶液引入所述密封室内；以及d)用一个适合于与所述半导体晶片的所述表面接触的硬毛刷将所述半导体晶片上的杂质微粒刷掉。
2.权利要求1的方法，其特征在于还包括在所述刷洗步骤之后将所述半导体晶片自旋甩干的步骤。
3.权利要求1的方法，其特征在于所述半导体晶片是化学和机械平面化后的半导体晶片。
4.权利要求3的方法，其特征在于所述化学和机械平面化后的半导体晶片包括氧化层。
5.权利要求4的方法，其特征在于所述气态清洗液包括气态氢氟酸。
6.权利要求5的方法，其特征在于所述气态清洗液适合于从所述半导体晶片去除氧化物薄层。
7.权利要求6的方法，其特征在于所述氧化物薄层的厚度小于50埃。
8.权利要求1的方法，其特征在于还包括与所述b步骤同时将去离子水引到所述半导体晶片上的步骤。
9.权利要求1的方法，其特征在于所述杂质微粒包括化学机械平面化的副产品。
10.一种清洗半导体晶片的装置，它包括a)用来放置所述半导体晶片的密封室；b)用来将气态清洗液引入所述密封室的装置，所述气态清洗液适合于在所述密封室内与所述半导体晶片的表面相互作用并且适合于与附着在所述表面的杂质微粒发生化学反应；c)用来将所述化学清洗溶液引入所述密封室的装置；以及d)用来从所述半导体晶片上刷洗掉杂质微粒的装置。
11.权利要求10的装置，其特征在于所述半导体晶片是化学机械平面化后的半导体晶片。
12.权利要求11的装置，其特征在于所述化学机械平面化后的半导体晶片包括氧化层。
13.权利要求12的装置，其特征在于所述气态清洗液包括气态氢氟酸。
14.权利要求13的装置，其特征在于所述气体清洗液适合于从所述半导体晶片去除氧化物薄层。
15.权利要求14的装置，其特征在于所述氧化物薄层的厚度小于50埃。
16.权利要求10的装置，其特征在于还包括用于与引入所述气态清洗液同时将去离子水引入所述密封室的装置。
17.权利要求10的装置，其特征在于所述杂质微粒包括化学机械平面化的副产品。
18.权利要求10的装置，其特征在于用于将气态清洗液引入所述密封室的所述装置是适合于将气态清洗液引入所述密封室的第一入口。
19.权利要求10的装置，其特征在于用于将化学清洗溶液引入所述密封室的所述装置是适合于将化学清洗溶液引入所述密封室的第二入口。
20.权利要求10的装置，其特征在于用来从所述半导体晶片上刷洗掉杂质微粒的所述装置是适合于与所述半导体晶片接触以便从所述半导体晶片上刷洗掉杂质微粒的刷子。
全文摘要
一种利用气态化学清洗液与后化学机械平面化清洗过程相结合、从而提高化学药品清洗效率的方法。它的另一个优点在于化学溶液的用量也会相应减少。根据本发明的实施例,在各个不同的清洗步骤中、在不同的时间范围内蒸气发生器将化学药品溶液(如氢氟酸)的蒸气引入密封的刷洗台内。这些蒸气与晶片表面的杂质或缺陷相互作用。由于这些缺陷为化学反应提供优先的位置或密度更大的蒸气,所以这些蒸气优先与缺陷或杂质反应,因此提高了化学清洗的效率。因为清洗过程在密封的刷洗台中进行,所以有可能节省一定数量的所使用的化学药品。在另一个实施例中,如果需要保持晶片表面湿润,可以与化学药品蒸气一起引入去离子水。从流量控制的观点出发,使用气态化学药品提供了优点,因为可以很容易地实现对晶片表面上的化学反应的控制。
文档编号B08B3/08GK1341276SQ00804321
公开日2002年3月20日 申请日期2000年9月13日 优先权日1999年10月28日
发明者M·G·维林, L·张 申请人:皇家菲利浦电子有限公司