拋光裝置及拋光副產物的去除方法
2023-07-12 18:25:51 2
專利名稱：拋光裝置及拋光副產物的去除方法
技術領域：
本發明涉及半導體製造領域，特別涉及一種拋光裝置及拋光副產物的去除方法。
背景技術：
隨著半導體產業的不斷發展，半導體製作工藝已經進入納米時代，在進行超大規模集成電路晶片的生產時，需要在幾平方釐米的晶片面積上形成數千萬個電晶體和數千萬條互連線，而多層金屬技術使單個集成電路中百萬電晶體和支持元件的內部互連成為可能。而化學機械拋光(CMP,Chemical Mechanical Polishing)則成為實現多層金屬技術的主要平坦化技術。化學機械拋光工藝由IBM於1984年引入集成電路製造工業，並首先用在後道工藝的金屬間絕緣介質(IMD, Inter Metal Dielectric)的平坦化,然後通過設備和工藝的改進用於鎢的平坦化，隨後用於淺溝槽隔離(STI)和銅的平坦化。化學機械拋光為近年來IC制 程中成長最快、最受重視的一項技術。化學機械拋光的機理是表面材料與研磨料發生化學反應生成一層相對容易去除的表面層，所述表面層通過研磨料中研磨劑和研磨壓力與拋光墊的相對運動被機械地磨去。特別地，在對金屬材料進行拋光時，研磨料與金屬表面接觸並產生金屬氧化物，並通過研磨去除所述金屬氧化物以達到拋光的效果。然而，在對金屬材料進行拋光操作時會產生大量的包含金屬離子(例如Cu+、Cu++)的拋光副產物，這個問題在以高去除率對金屬材料進行拋光時顯得尤其嚴重，例如在頂層金屬層和娃通孔(TSV, through silicon via)的3D封裝時對銅的拋光操作。金屬層的高去除率將導致高濃度拋光副產物的產生，而這些拋光副產物又會降低對金屬層的去除率，由此影響去除率的穩定性以及增加形成的缺陷。因此，在進行金屬材料的拋光過程中如何高效減少或去除拋光副產物是重要的考慮因素。圖I是現有技術去除拋光副產物的俯視示意圖。如圖I所示，晶圓101在處於旋轉狀態的拋光臺(圖I中未示出)上的拋光墊103上進行拋光操作，如上所述，對晶圓101表面的金屬材料進行拋光時，會產生大量的包含金屬離子的拋光副產物102(圖中僅對其中一個進行了標識)。在晶圓101在拋光墊103上進行拋光操作時，由於拋光臺處於旋轉狀態，一部分的拋光副產物102會在離心力的作用下隨著拋光液一起被帶走。後續步驟中(此時已將晶圓101從拋光墊103上取走)以去離子水或化學清洗劑對拋光臺上的拋光墊103進行清洗時，拋光臺也處於旋轉狀態，一部分的拋光副產物102會在離心力的作用下隨著去離子水或化學清洗劑一起被帶走。圖2是現有技術去除拋光副產物的正視示意圖，如圖2所示，拋光頭104真空吸附住晶圓101，置於拋光臺100上的拋光墊103上進行拋光操作，拋光臺100在轉軸105的帶動下旋轉，拋光頭104也可以旋轉，拋光副產物102在離心力的作用下隨著拋光液、去離子水或化學清洗劑被一起帶走。但是，現有技術對拋光副產物的去除效率十分有限，特別是對於具有較長拋光時間和去除較厚金屬層的拋光過程。相關技術還可參考申請號為US20010031558A1的美國專利申請，該專利公開了一種在鋁金屬進行化學機械拋光時消除拋光墊因殘留的拋光副產物而使晶圓刮傷的方法。
發明內容
本發明要解決的問題是現有技術中對金屬材料進行拋光操作後產生的拋光副產物的去除效率較低。為解決上述問題，本發明提供一種拋光副產物的去除方法，包括在拋光臺的中心位置設置正電極，在拋光臺的邊緣位置設置負電極，對金屬材料進行拋光後，在所述正電極與負電極之間施加電壓；旋轉所述拋光臺，以去離子水或化學清洗劑衝洗拋光墊，去除對金屬材料進行拋 光後產生的拋光副產物。可選的，將所述負電極環繞設置於所述拋光臺表面的邊緣位置。可選的，在以去離子水或化學清洗劑衝洗拋光墊後，還包括對拋光墊進行修整。可選的，所述對拋光墊進行修整是通過金剛石拋光墊修整器完成的。可選的,所述拋光臺的轉速為10 120轉/分鐘(RPM,Revolutions Per Minute)。可選的，施加於所述正電極與負電極之間的電壓為O 10V。可選的,所述正電極和負電極的材料為金屬或其表面電鍍有金屬。為解決上述問題，本發明還提供了一種拋光裝置，包括電源、設置於拋光臺的中心位置的正電極以及設置於拋光臺的邊緣位置的負電極，所述正電極與所述電源的正極連接，所述負電極與所述電源的負極連接。可選的，所述負電極為環狀電極，環繞設置於所述拋光臺表面的邊緣位置。 可選的,所述正電極和負電極的材料為金屬或其表面電鍍有金屬。與現有技術相比，本技術方案具有以下優點通過在拋光臺的中心位置設置正電極，在拋光臺的邊緣位置設置負電極，在所述正電極與負電極之間施加電壓後形成電場，同時旋轉拋光臺，並以去離子水或化學清洗劑衝洗拋光墊，從而能同時在離心力以及電場力的作用下去除對金屬材料進行拋光後產生的拋光副產物，由此獲得對拋光副產物更高的去除效率。
圖I是現有技術去除拋光副產物的俯視示意圖；圖2是現有技術去除拋光副產物的正視示意圖；圖3是本發明實施方式提供的拋光副產物的去除方法的流程示意圖；圖4是本發明實施例提供的拋光副產物的去除方法去除拋光副產物的俯視示意圖；圖5是本發明實施例提供的拋光副產物的去除方法去除拋光副產物的正視示意圖。
具體實施例方式現有技術中依靠離心力的作用對金屬材料拋光後產生的拋光副產物進行去除，其去除效率較低。本技術方案通過在拋光臺的中心位置設置正電極，在拋光臺的邊緣位置設置負電極，在所述正電極與負電極之間施加電壓後形成電場，同時旋轉拋光臺，並以去離子水或化學清洗劑衝洗拋光墊，從而能實現同時在離心力以及電場力的作用下去除對金屬材料拋光後產生的拋光副產物，獲得更高的去除效率。為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更為明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。在以下描述中闡述了具體細節以便於充分理解本發明。但是本發明能夠以多種不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣。因此本發明不受下面公開的具體實施方式
的限制。圖3是本發明實施方式提供的拋光副產物的去除方法的流程示意圖。 參閱圖3，所述拋光副產物的去除方法包括步驟S101，在拋光臺的中心位置設置正電極，在拋光臺的邊緣位置設置負電極；步驟S102，對金屬材料進行拋光後，在所述正電極與負電極之間施加電壓；步驟S103，旋轉所述拋光臺，以去離子水或化學清洗劑衝洗拋光墊，去除對金屬材料進行拋光後產生的拋光副產物。下面以具體實施例對上述拋光副產物的去除方法進行詳細說明。圖4和圖5分別是本發明實施例提供的拋光副產物的去除方法去除拋光副產物的俯視示意圖和正視示意圖。結合圖3與圖4、圖5，執行步驟S101，在拋光臺100的中心位置設置正電極201，在拋光臺的邊緣位置設置負電極202，其中，所述正電極201與電源203的正極相連接，所述負電極202與電源203的負極相連接。具體實施例中，正電極201和負電極202的材料可以為金屬(例如不鏽鋼、銅等等)或其表面電鍍有金屬。當然，在對晶圓表面的金屬材料進行拋光操作時，電源203處於關閉狀態(或者正電極201和負電極202並未與電源203的正極和負極相連)，拋光臺100在轉軸105的帶動下旋轉，拋光金屬材料所產生的一部分的拋光副產物102會在離心力的作用下隨著拋光液一起被帶走。本實施例中，所述拋光金屬材料具體以在頂層金屬層和矽通孔(TSV)的3D封裝時對銅的拋光操作為例。本實施例中，步驟SlOl中在拋光臺的邊緣位置設置負電極具體如圖4所示，負電極202為一個環狀電極，將所述負電極202環繞設置於所述拋光臺100表面的邊緣位置。在其他實施例中，也可在拋光臺100表面的邊緣位置設置多個其他類型的負電極，每個負電極都與電源203的負極連接。執行步驟S102，對金屬材料進行拋光後，在所述正電極201與負電極203之間施加電壓。具體地，在完成對晶圓表面的金屬材料的拋光操作後(此時已將晶圓從拋光墊103上取走)，開啟電源203 (正電極201和負電極202分別與電源的正極和負極相連)，在正電極201和負電極202之間形成電場，所述電場的方向如圖4中虛線箭頭所示。本實施例中，施加於所述正電極與負電極之間的電壓為O IOV。執行步驟S103，旋轉所述拋光臺100，以去離子水或化學清洗劑衝洗拋光墊103，去除對金屬材料進行拋光後產生的拋光副產物102。具體地，旋轉所述拋光臺100，以去離子水或化學清洗劑對拋光臺100上的拋光墊103進行衝洗，由於拋光臺100處於旋轉狀態，一部分的拋光副產物102會在離心力的作用下隨著去離子水或化學清洗劑一起被帶走。本實施例中，所述拋光臺的轉速為10 120RPM。此時，由於在正電極201和負電極202之間形成有電場，且所述電場的方向為從正電極201到負電極202，即從拋光臺100的中心位置到其邊緣位置，金屬離子在電場中則會受到電場力的作用，由於金屬離子帶正電荷，因此電場力的作用方向與電場的方向一致。由此，拋光副產物102不僅會受到離心力的作用，還會受到電場力的作用，在離心力和電場力形成的合力作用下，拋光副產物102隨著去離子水或化學清洗劑一起被帶走，其去除效率更高。本實施例中，在以去離子水或化學清洗劑衝洗拋光墊103後，還可以包括對拋光墊103進行修整的步驟。具體地，在以去離子水或化學清洗劑(例如有機酸溶液)衝洗所述拋光墊103後，並由金剛石拋光墊修整器(Pad conditioner)對拋光墊103進行刷洗,從而實現對所述拋光墊103的修整。由於拋光副產物會大量殘留在所述拋光墊103的溝槽內，僅僅依靠噴射去離子水或化學清洗劑是很難將其去除乾淨的，因此還需要採用拋光墊修整器將其拉出所述拋光墊103的溝槽，並且在修整的過程中，同時會噴射去離子水或化學清洗劑進行衝洗。此外，對拋光墊103進行修整的步驟中，拋光臺100仍然可以處於旋轉狀態，而且電源203也處於開啟狀態，所以拋光副產物102仍然能同時在離心力和電場力的作用下被去除，並且其去除效率更高。 下面分析一下離心力和電場力對拋光副產物的作用力大小。所述拋光副產物以金屬離子Cu2+為例進行說明。當e= I. 6 X KT19Cr = O. 5mU = IOVM = 64X I. 67 X l(T27kgω = 50rpm = 5. 2rd/s (弧度 / 秒)其中，e為金屬離子Cu2+的帶電量，r為拋光臺的半徑，U為所述正電極與負電極之間施加的電壓，M為金屬離子的質量，ω為拋光臺的轉速(角速度)。基於上述數據，分別計算出電場力以及離心力電場力=2eU/r= 6. 4X ICT18N離心力=Mco2r= I. 5X KT24N由此可知，作用於金屬離子Cu2+的電場力遠遠大於作用於其的離心力，所以較現有技術，能夠獲得對拋光副產物更高的去除效率。本實施例中，晶圓表面的金屬材料為銅，在其他實施例中，也可以是其他金屬材料，例如在形成金屬柵極的工藝中，金屬材料最常用的是鋁或鋁合金。鋁在CMP過程中所產生的拋光副產物(主要為氧化鋁和氫氧化鋁)很多殘留在拋光墊的溝槽中，由於鋁是一種硬度很低的金屬材料，而所述拋光副產物的硬度比鋁的硬度大得多，在後續晶圓的鋁的CMP過程中會給鋁的表面造成刮傷，從而會嚴重影響半導體器件的功能以及可靠性。由於所述拋光副產物不能溶於去離子水，因此，依靠常規的方式(噴射去離子水以及旋轉拋光臺)很難將其清除乾淨，此時則需要以化學清洗劑(例如有機酸溶液)進行衝洗。對於去除鋁在CMP過程中所產生的拋光副產物的具體實施可參考本發明實施例所述的拋光副產物的去除方法。需要說明的是，在其他實施方式中，步驟SlOl也可以在對金屬材料進行拋光之後。具體地，對晶圓表面的金屬材料拋光後，然後將正電極設置於拋光臺的中心位置，將負電極設置於拋光臺的邊緣位置，在所述正電極與負電極之間施加電壓後執行步驟S103。基於上述拋光副產物的去除方法，本發明實施方式還提供了一種拋光裝置。可參閱圖4和圖5，所述拋光裝置包括電源203、設置於拋光臺100的中心位置的正電極201以及設置於拋光臺100的邊緣位置的負電極202，所述正電極201與所述電源203的正極連接，所述負電極202與所述電源203的負極連接。具體實施例中，所述負電極202為環狀電極，環繞設置於所述拋光臺100的邊緣位置。所述正電極201和負電極202的材料可以為金屬或其表面電鍍有金屬。關於所述拋光裝置的具體實施可參考上述拋光副產物的去除方法，在此不再贅述。綜上，本發明實施例提供的拋光裝置及拋光副產物的去除方法，至少具有如下有益效果通過在拋光臺的中心位置設置正電極，在拋光臺的邊緣位置設置負電極，在所述 正電極與負電極之間施加電壓後形成電場，同時旋轉拋光臺，並以去離子水或化學清洗劑衝洗拋光墊，從而能同時在離心力以及電場力的作用下去除對金屬材料進行拋光後產生的拋光副產物，由此獲得對拋光副產物更高的去除效率。本發明雖然已以較佳實施例公開如上，但其並不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，都可以利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬於本發明技術方案的保護範圍。
權利要求
1.一種拋光副產物的去除方法，包括 在拋光臺的中心位置設置正電極，在拋光臺的邊緣位置設置負電極； 對金屬材料進行拋光後，在所述正電極與負電極之間施加電壓； 旋轉所述拋光臺，以去離子水或化學清洗劑衝洗拋光墊，去除對金屬材料進行拋光後產生的拋光副產物。
2.根據權利要求I所述的拋光副產物的去除方法，其特徵在於，將所述負電極環繞設置於所述拋光臺表面的邊緣位置。
3.根據權利要求I所述的拋光副產物的去除方法，其特徵在於，在以去離子水或化學清洗劑衝洗拋光墊後，還包括對拋光墊進行修整。
4.根據權利要求3所述的拋光副產物的去除方法，其特徵在於，所述對拋光墊進行修整是通過金剛石拋光墊修整器完成的。
5.根據權利要求I所述的拋光副產物的去除方法，其特徵在於，所述拋光臺的轉速為10 120RPM。
6.根據權利要求I所述的拋光副產物的去除方法，其特徵在於，施加於所述正電極與負電極之間的電壓為0 10V。
7.根據權利要求I所述的拋光副產物的去除方法，其特徵在於，所述正電極和負電極的材料為金屬或其表面電鍍有金屬。
8.一種拋光裝置，其特徵在於，包括電源、設置於拋光臺的中心位置的正電極以及設置於拋光臺的邊緣位置的負電極，所述正電極與所述電源的正極連接，所述負電極與所述電源的負極連接。
9.根據權利要求8所述的拋光裝置，其特徵在於，所述負電極為環狀電極，環繞設置於所述拋光臺表面的邊緣位置。
10.根據權利要求8所述的拋光裝置，其特徵在於，所述正電極和負電極的材料為金屬或其表面電鍍有金屬。
全文摘要
一種拋光裝置及拋光副產物的去除方法，所述拋光副產物的去除方法包括在拋光臺的中心位置設置正電極，在拋光臺的邊緣位置設置負電極；對金屬材料進行拋光後，在所述正電極與負電極之間施加電壓；旋轉所述拋光臺，以去離子水或化學清洗劑衝洗拋光墊，去除對金屬材料進行拋光後產生的拋光副產物。所述拋光副產物的去除方法能提高對金屬材料拋光後所產生的拋光副產物的去除效率。
文檔編號H01L21/02GK102806525SQ201110145429
公開日2012年12月5日 申請日期2011年5月31日 優先權日2011年5月31日
發明者陳楓, 黎銘琦 申請人:中芯國際集成電路製造(上海)有限公司