CN105529284A - 一种抛光及清洗晶圆的半导体设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种抛光及清洗晶圆的半导体设备，包括前端模组、测量模组、CMP抛光模组和清洗模组，在清洗模组中设置有EKC清洗单元，能够对放入其内的晶圆进行EKC溶液的清洗处理，通过轻微剥蚀晶圆表面的部分区域，从而连带地去除成分复杂且顽固附着在晶圆表面的污染成分，达到了清洁晶圆、提高晶圆良率的良好效果。同时，本发明还提出了一种抛光及清洗晶圆的方法，该方法包括抛光和清洗两大部分，其中在清洗部分，又包括了兆声波清洗、Brush清洗、EKC清洗和IPA干燥四道工序，不仅完成了传统清洗流程的各项常规清洗工序，还通过EKC清洗工序进一步提高了清洗的洁净效果，有助于产品良率的提高。

Description

一种抛光及清洗晶圆的半导体设备及方法

技术领域

本发明涉及半导体加工及生产领域，尤其涉及到了微电子器件领域化学机械平坦化工艺中所用到的设备及方法。

背景技术

半导体DRAM制程工艺分许多步骤，其中化学机械平坦化(ChemicalMechanicalPlanarizationofMicroelectronicMaterials，简称CMP)用于从晶圆表面去除各种物质。常规的CMP方法使用抛光垫(polishingpad)与待平坦化的晶圆旋转接触，同时在晶圆和抛光垫之间引入合适的CMP研磨剂，以促进物质的去除。CMP研磨剂通常包括研磨淤浆，除此之外还包括各种研磨颗粒和氧化剂，如二氧化硅和氧化铝。

随着技术的进步，CMP技术的应用范围已被广泛拓宽，针对金属进行CMP处理的技术手段日渐成熟，例如可以对晶圆的金属钨塞或铜塞进行CMP。但是，抛光金属产生的废物流与常规CMP相比，其成分更加复杂，不仅含有研磨剂中的各种研磨颗粒和氧化物，还会带入其他大分子聚合物颗粒以及金属离子流。上述这些成分构成的复杂废物流容易顽固地占据在晶圆表面难以去除，进而导致对金属进行CMP处理时的设备异常，如研磨头压力异常，研磨垫磨损等情况。

异常情况的出现会使晶圆在抛光过程中滑片，需要返工。工艺阶段的不良影响反应到产品上，最终将直接地体现为处理后晶圆的良率降低，大量晶圆报废。

发明内容

本发明对上述技术问题给出了相应的解决思路，涉及一种抛光及清洗晶圆的半导体设备及方法通过在抛光清洗过程中追加EKC溶液对晶圆进行清洗处理，着重解决了沉积在晶圆表面的大颗粒问题，从而避免了设备异常情况的频繁出现，最终实现了提高晶圆良率的目的。

为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种抛光及清洗晶圆的半导体设备，包括：

前端模组，所述前端模组用于传递和存放晶圆；

测量模组，所述测量模组用于测量晶圆的介质层厚度；

CMP抛光模组，所述CMP抛光模组对晶圆进行CMP研磨；

清洗模组，晶圆在所述清洗模组内接受清洗处理；

其中，所述清洗模组内包含有EKC清洗单元，晶圆在所述EKC清洗单元内被EKC溶液清洗处理。

进一步地，所述清洗模组还包括兆声波清洗单元、Brush清洗单元、IPA干燥单元以及晶圆输出单元。

可选地，所述晶圆被EKC溶液清洗处理的方式包括浸泡、冲刷或漂洗，所述EKC溶液的有效成分为盐酸羟胺，或者为羟胺和氨水，或者为含有-NH₂-OH基团的溶液。

进一步地，所述前端模组包括装卸载台、机械手和传感器，所述前端模组通过所述连接端口和所述传感器在设备端和工厂端之间传输晶圆的状态信息。

进一步地，所述测量模组包括装卸载台和测量探针。

进一步地，所述CMP抛光模组包括抛光转盘和装卸载台。

优选地，所述半导体设备具备预警***，对厚度不合格的晶圆发出警报并返工重做。

一种抛光及清洗晶圆的方法，包括抛光工艺和清洗工艺，在所述抛光工艺对晶圆进行CMP研磨处理；在所述清洗工艺中包含有对晶圆进行EKC清洗的步骤，所述晶圆在EKC清洗的步骤中被EKC溶液清洗处理。

进一步地，所述清洗工艺步骤的顺序依次为兆声波清洗、Brush清洗、EKC清洗以及IPA干燥。

可选地，所述EKC清洗的方式包括浸泡、冲刷或漂洗，所述EKC溶液的有效成分为盐酸羟胺，或者为羟胺和氨水，或者为含有-NH₂-OH基团的溶液。

本发明中所涉及到的半导体设备及工艺方法，由于引入了EKC溶液的清洗流程，使对金属进行CMP处理的可靠性以及顺畅程度都有了较大程度的提高，从而保证了晶圆以及产品的优良率。

附图说明

图1是本发明中待平坦化晶圆的结构示意图；

图2是本发明所述半导体设备具体实施例的结构示意图；

图3是本发明所述半导体设备具体实施例中晶圆在EKC清洗单元内进行清洗处理的示意图；

图4是本发明所述抛光及清洗晶圆的方法的步骤框图。

具体实施方式

下述具体实施例及具体实施方式对本发明的要旨作出了更好的诠释，结合附图有助于公众及本领域技术人员加深对本发明专利内容的理解。

图1对本发明中待平坦化的晶圆的结构进行了介绍。众所周知，半导体行业中所使用的晶圆通常为一片圆形的薄片，厚度在0.50mm左右，直径尺寸通常有8英寸晶圆、12英寸等规格。在晶圆不足一毫米的厚度上，由其物质组成成分的不同，仍然可以人为的将其分为若干层，以便更好地理解加工工艺对晶圆造成的变化和影响。为了更清楚的展示晶圆各层的物质成分和结构，本发明中的附图将晶圆绘制的比较厚，但并不影响晶圆的实际尺寸。

在图1中可以看到，该待平坦化晶圆被分为了三层，它们分别为：介质层101、硅层103和期间层104。同时，在介质层101内填充有金属层，由晶圆的不同，填充的金属也会有所不同，通常可选的有铜或钨，从而构成晶圆的钨塞或铜塞与硅层103形成良好的欧姆接触。在该晶圆中所填充的金属是钨，由此构成了晶圆的钨塞102。图中还标出了抛光结束后进行测量时，通常所选取的测量位置，即对介质层101的厚度进行测量。

由于钨塞102的存在，对这种晶圆进行CMP抛光的过程将非常复杂，抛光过程不但受金相/微观结构变形的影响，而且复杂的抛光液成分所产生的化学作用也会对抛光过程产生很大的影响。该晶圆在经过CMP抛光后，往往将会在晶圆表面形成一些聚合物颗粒以及复杂的钨离子流，加之抛光液中的研磨颗粒以及氧化物，这些顽固成分沉滞在晶圆表面对晶圆造成的不利影响主要体现在两个方面：其一在于，顽固成分占据晶圆表面，在测量介质层101的厚度时会被计算入晶圆的厚度，从而造成晶圆的实际厚度不达标；其二在于，晶圆的价格十分昂贵，当加工过程出现不达标的晶圆时，往往需要将这些不合格的晶圆返工处理，重新放入CMP设备进行研磨，而现有的清洗技术往往不能去除上述顽固成分，这些顽固成分对CMP设备的研磨头损伤很大，频繁的返工处理不合格晶圆将大大缩短CMP设备的使用寿命。所以，有必要对现有的设备以及工艺进行改进，想办法在清洗阶段去除顽固成分。

图2-3介绍了本发明的具体实施例。该实施例中提供了一台抛光及清洗晶圆的半导体设备，主要包括前端模组210、测量模组220、CMP抛光模组230和清洗模组240。为了解决前述顽固成分所带来的问题，该具体实施例所给出的方案是在设备中的清洗模组240内加设了EKC清洗单元243，让经过CMP研磨之后的晶圆除了进行常规的清洗之外，还被额外地放置于EKC清洗单元243中，由EKC溶液浸泡或冲洗干净。本发明中所说的EKC溶液，是指美国杜邦公司旗下的子公司，全称为DuPontEKCTechnology公司所研发的EKC系列的半导体清洗液。该公司专门生产用于半导体工艺的各种工业药剂，其所开发的EKC清洗液专门为一个系列，该系列下包括有若干种EKC溶液的子产品，其内部有不同的编号，效果尤为突出，广受半导体厂商的好评。本发明中所使用的EKC溶液及为EKC清洗液系列中的任一子产品，根据具体EKC产品的不同，其有效成分分别可以是盐酸羟胺，或者是羟胺和氨水，或者是含有-NH₂-OH基团的溶液。晶圆在经过EKC溶液的浸泡或冲洗后，EKC溶液会在保证不影响晶圆性能的情况下轻微剥蚀晶圆表面的一小部分，连带地去除附着在晶圆表面的顽固成分，从而解决了现有技术的难题，达到提升良率的效果。EKC溶液通常会集中去除晶圆表面具有顽固成分的部分，去除厚度约200埃，而不太会伤及晶圆表面的其他区域。

该半导体设备的CMP抛光模组230包括三个抛光转盘231和一个装卸载台232。待抛光的晶圆可以放置于装卸载台232上，等待抛光转盘231的处理。抛光转盘231的数量可以结合半导体设备的占地面积以及对工艺效率的要求增加或减少，并不限定为三个。装卸载台232设置在靠近设备的其他模组的一侧，方便机械手取放和传递。

图2中可以看到，装卸载台232毗邻一条运动轨道247，该运动轨道247留给机械手246使用，机械手246能够沿着运动轨道247横向或纵向传递晶圆，负责将晶圆送抵半导体设备的CMP抛光模组230、清洗模组240和测量模组220的相应位置。

被抛光过的晶圆需要经历一整套的清洗处理，所以在经CMP抛光模组230处理之后的晶圆将被机械手246抓取并传递至清洗模组240。该清洗模组240按清洗顺序的先后分别具有兆声波清洗单元241、Brush清洗单元242、EKC清洗单元243和IPA干燥单元244。除此之外，清洗模组240还具有晶圆输出单元245，用于将清洗干净的晶圆输送至测量模组220。上述清洗的顺序一般情况下不会改变，每个清洗单元分别有各自针对的要去除的颗粒或杂质。兆声波清洗单元241主要通过超声振波使液体产生大量气泡带出颗粒物；Brush清洗通过刷子去除晶圆表面的杂质，而IPA干燥为主要使用异丙醇蒸汽进行脱水干燥的过程；上述三种清洗方式是CMP抛光处理后常规的一些清洗方式。而本发明则是在Brush清洗单元242之后、IPA干燥单元244之前增设了EKC清洗单元243，晶圆在EKC清洗单元243中，将接受EKC溶液的清洗处理，从而能够进一步去除晶圆表面的顽固成分。用EKC溶液进行清洗处理的方式则包括浸泡、冲刷以及漂洗等方式，具体方式并不限定，只要能达到清洗目的即可。

由于对晶圆厚度的测量工序排在整个工艺的最后，需要等前面的工艺都完成之后才对晶圆的厚度进行测量，主要是对晶圆表面的介质层101进行测量，所以该半导体设备的测量模组220设置在清洗模组240的晶圆输出单元245末端。经IPA干燥处理后的晶圆将由晶圆输出单元245送出，在测量模组220处接受检验和测量。该测量模组220包括装卸载台221和测量工位222。装卸载台221用于暂时停放晶圆，因为并不是所有的晶圆都会被测量，由于设备异常而得知的那些不合格的晶圆在经过清洗后会暂时停留于装卸载台221，等待机械手246的抓取并返工而不会进入测量工位222。而那些被正常抛光和清洗的晶圆将被送入测量工位222，由测量工位222上的测量探针223测量得出介质层101的厚度。通过测量所得的介质层101的厚度，可以判断晶圆是否合格，以决定后续的处理方式。

整个设备的前端模组210包括装卸载台211、机械手212、连接端口213和传感器。该前端模组210还安装了警报器和预警***，能够在测量模组220测量之后对测量不合格的晶圆发出警报并自动送去返工重做；同时，如果是在抛光或清洗过程中设备异常情况下被处理的晶圆，预警***也会报警并自动送去重做。装卸载台211用于存放晶圆，机械手212则负责晶圆的传递。由于在半导体工厂中，一台半导体设备通常都会连接中一台中央处理计算机，以方便工作人员统筹和掌控晶圆的各个处理过程，此时的半导体设备即业内所称的设备端，该中央处理计算机为业内所称的工厂端，所以根据需要为该半导体设备设置了一个连接端口213以及相应的传感器，以方便半导体设备与工厂的中央处理计算机相连，实现设备端和工厂端之间的晶圆信息传输。该连接端口213通常为USB连接，兼容性良好。

图3展示了本发明具体实施例中的EKC清洗单元243以及相应的清洗方式。在该具体实施例中，经过抛光和前期清洗处理之后的晶圆301将被放置于EKC清洗单元243中进行浸泡清洗，EKC溶液302与晶圆301表面发生微弱的化学反应，轻微剥蚀晶圆301表面的一部分区域，并连带地去除附着其上的顽固成分303，从而达到清洗目的，提高了晶圆良率。EKC清洗单元243整体呈一个长槽，晶圆301竖直的放入其内。如果需要达到更好的清洗效果，可以利用机械手或其他装置使晶圆浸泡在EKC溶液302的同时在EKC清洗单元243内旋转，从而能够更快彻底地洗涤去除顽固成分303。

图4给出了本发明对晶圆进行抛光和清洗的工艺方法的具体实施方式。该具体实施方式包括两大步骤：

步骤一：对晶圆进行CMP抛光；

步骤二：晶圆进入清洗模组进行清洗处理；

其中，步骤二又包含有5道工序，分别是：

1.兆声波清洗；

2.Brush清洗；

3.EKC清洗；

4.IPA干燥；

5.加热干燥并送出。

本发明的清洗步骤中包含有EKC清洗步骤，在该步骤中被CMP抛光过的晶圆将被EKC溶液浸泡、冲刷或漂洗处理，从而能够更好地去除晶圆表面的顽固成分，提高晶圆的良率。EKC清洗步骤中所使用的EKC溶液同样是由DuPontEKCTechnology公司所生产的EKC系列的清洗液。

另外，如果需要尽快使晶圆加工完毕，优选地，可以在清洗步骤的最后通过加热方式对清洗完毕的晶圆进行加热干燥。

以上对本发明的具体实施例以及具体实施方式进行了全面而详实的描述，但其只是范例，本发明并不仅仅限制于以上所描述的具体的技术方案。对于本领域技术人员而言，任何针对本发明所作出的等同修改和替代均将纳入在本发明的保护范畴之内。因此，在不脱离本发明的精神和要旨下所作出的均等变换和等效替代，都应受到本发明专利权的排斥和对抗。

Claims (10)

1.一种抛光及清洗晶圆的半导体设备，其特征在于，包括：

前端模组，所述前端模组用于传递和存放晶圆；

测量模组，所述测量模组用于测量晶圆的介质层厚度；

CMP抛光模组，所述CMP抛光模组对晶圆进行CMP研磨；

清洗模组，晶圆在所述清洗模组内接受清洗处理；

其中，所述清洗模组内包含有EKC清洗单元，晶圆在所述EKC清洗单元内被EKC溶液清洗处理。

2.根据权利要求1所述的半导体设备，其特征在于，所述清洗模组还包括兆声波清洗单元、Brush清洗单元、IPA干燥单元以及晶圆输出单元。

3.根据权利要求1所述的半导体设备，其特征在于，所述晶圆被EKC溶液清洗处理的方式包括浸泡、冲刷或漂洗，所述EKC溶液的有效成分为盐酸羟胺，或者为羟胺和氨水，或者为含有-NH₂-OH基团的溶液。

4.根据权利要求1所述的半导体设备，其特征在于，所述前端模组包括装卸载台、机械手、连接端口和传感器，所述前端模组通过所述连接端口和所述传感器在设备端和工厂端之间传输晶圆的状态信息。

5.根据权利要求1所述的半导体设备，其特征在于，所述测量模组包括装卸载台和测量探针。

6.根据权利要求1所述的半导体设备，其特征在于，所述CMP抛光模组包括抛光转盘和装卸载台。

7.根据权利要求1所述的半导体设备，其特征在于，所述半导体设备具备预警***，对厚度不合格的晶圆发出警报并返工重做。

8.一种抛光及清洗晶圆的方法，包括抛光工艺和清洗工艺，其特征在于，在所述抛光工艺对晶圆进行CMP研磨处理；在所述清洗工艺中包含有对晶圆进行EKC清洗的步骤，所述晶圆在EKC清洗的步骤中被EKC溶液清洗处理。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述清洗工艺步骤的顺序依次为兆声波清洗、Brush清洗、EKC清洗以及IPA干燥。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述EKC清洗的方式包括浸泡、冲刷或漂洗，所述EKC溶液的有效成分为盐酸羟胺，或者为羟胺和氨水，或者为含有-NH₂-OH基团的溶液。