DE10052762A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen einer Halbleiterscheibe - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Reinigen einer Halbleiterscheibe

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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, dann gespült und dann anschließend getrocknet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen einer Ober­ fläche einer Halbleiterscheibe nach einem chemisch-mecha­ nischen Polierschritt und eine Vorrichtung zum Ausführen ei­ nes solchen Verfahrens.
Im Rahmen der Herstellung von Halbleiterbauelementen, insbe­ sondere 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 dreh­ bar 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 ent­ halten dabei neben Polierkörnern im allgemeinen weitere ak­ tive chemische Zusätze, die ein selektives Abtragen der Schichten auf der Halbleiterscheibe ermöglichen. Man unter­ scheidet dabei zwischen einem sog. Blind-Polishing-Process, d. h. einem Polierprozess der innerhalb der zu polierenden Schicht angehalten wird, und einen sog. Stop-Layer-Polishing- Process, bei dem der Poliervorgang selektiv zu einer unter­ halb 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 Reinigungs­ vorgang werden die Halbleiterscheiben nach dem Poliervorgang zunächst in einem Wasserbad gelagert und anschließend mit ei­ ner Bürstenapparatur, einem sog. Brush-Cleaner von den Ober­ flächenverunreinigungen befreit. Während der Büstenreinigung wird die Halbleiterscheibe dabei fortlaufend mit destillier­ tem 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 ei­ nen Einzelscheibenprozess, so dass der Scheibendurchsatz stark eingeschränkt bleibt. Darüber hinaus macht das erfor­ derliche Be- und Entladen des Brush-Cleaner sowie der Trockenschleuder den Reinigungsprozess zusätzlich sehr zeit­ aufwendig. Weiterhin tritt ein hoher Verbrauch an destillier­ tem Wasser bzw. Ammoniak während des Bürstenreinigungsprozes­ ses auf.
Statt einer Reinigung der Scheibenoberfläche mit Hilfe eines Brush-Cleaners wird auch ein Nassreinigungsprozess mit Hilfe von chemischen Bädern eingesetzt, bei dem die Halbleiter­ scheibe durch mehrere aufeinanderfolgende Reinigungsbäder ge­ zogen 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-Trocknungsver­ fahren eingesetzt wird, bei dem die Halbleiterscheiben durch eine Isopropanol-Lösung gezogen und anschließend in heißem Stickstoff getrocknet werden. Bei dem dargestellten nass­ chemischen 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-mecha­ nischen 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. Be­ vorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung wird zum Reinigen einer Oberfläche einer Halbleiterscheibe nach einem chemisch-mechanischen Polier­ schritt unter ständiger Scheibenrotation der Halbleiter­ scheibe die Halbleiterscheibe nacheinander zuerst mit einer Ätzflüssigkeit gespült, anschließend vorzugsweise mit destil­ liertem 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 einge­ spart und zugleich der Scheibendurchsatz wesentlich erhöht werden kann. Darüber hinaus kann insbesondere durch das Aus­ führen des Reinigungsvorgangs unter ständiger Scheibenrota­ tion in hohem Maße Ätzchemie und destilliertes Wasser einge­ spart werden.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird als Ätzflüssigkeit eine HF-Lösung, ein gepufferte HF-Lösung oder eine Lösung aus H2SO4, H2O2 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 Pro­ zesskammer auf, die eine Be- und Entladestation für die Halb­ leiterscheiben, einen Drehteller zum Halten und Drehen der Halbleiterscheibe und Zu- und Rückführungen für die Prozess­ medien zum Reinigen der Halbleiterscheiben aufweist. Durch eine solche Ausgestaltung ist für den gesamten Reinigungsvor­ gang einschließlich des Trocknens nur eine einzelne Prozess­ kammer notwendig, wodurch eine wesentliche Einsparung an ap­ parativen Aufwand erreicht wird. Darüber hinaus bleibt die Halbleiterscheibe während des gesamten Reinigungs- und Trock­ nungsvorgangs in einer einzigen Kammer, wodurch insbesondere die Gefahr von Oberflächendefekten wesentlich reduziert wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Pro­ zesskammer für die Reinigungs- und Trocknungsvorgang über ei­ nen Nass-Handler direkt mit der Vorrichtung zum chemisch-me­ chanischen Polieren verbunden. Hierdurch wird ein integrier­ ter Polier- und Reinigungsprozess möglich, mit dem eine mini­ male 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 erfindungsgemä­ ßen 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 Schnittdar­ stellung.
Die in Fig. 1 dargestellte Kombianlage setzt sich einer Po­ lieranlage 1, einem Nass-Handler 2 und einer Reinigungsstation 3 zusammen. Die Polieranlage 1 ist schematisch im Quer­ schnitt in Fig. 3 dargestellt. Auf einem drehbar angeordneten Poliertisch 11 befindet sich eine elastische perforierte Auf­ lage 12, das sog. Pad, das über eine Zuführung 13 mit Polier­ mittel, dem sog. Slurry, getränkt wird. Die zu bearbeitende Halbleiterscheibe 4 wird von einem drehbar ausgelegten Schei­ benträger 14 auf das Pad 12 gedrückt, wobei der Scheibenträ­ ger 14 mit der darauf befestigten Halbleiterscheibe 4 und der Poliertisch 11 sich in entgegengesetzte Richtung drehen.
Das Poliermittel enthält Polierkörner, sog. abrasive Parti­ kel, sowie aktive chemische Zusätze, die ein selektives Ab­ tragen von Schichten auf der Halbleiterscheibe 4 ermöglichen. Die Polierkörner besitzen im allgemeinen einen Durchschnitt von 20 bis 500 nm und bestehen meist aus Quarz, Aluminiumoxid oder Ceriumoxid. Die chemischen Zusätze werden auf das abzu­ tragende Schichtmaterial abgestimmt. So wird z. B. um Wolfram zu planarisieren ein Gemisch aus Al2O3 und Fe(NO3)2 als Slurry verwendet. Zum Polieren einer Oxidschicht wird dagegen als Slurry insbesondere ein Gemisch mit SiO2 als abrasive Partikel, destilliertem Wasser und NH3 eingesetzt.
Das chemisch-mechanische Polieren dient vor allem zum Plan­ arisieren von Grabenfüllungen, von Metall-Plugs in Kontakt­ löcher und Vias und von Zwischenoxiden und Intermetall­ dielektrika. Dabei werden zwei Polierprozesse unterschieden, die in Fig. 2A und 2B dargestellt sind. Beim sog. Blind- Polishing-Process, wie er in Fig. 2A anhand eines Schichtauf­ baus bestehend aus einem Si-Substrat 41, einer dünnen Si2N3- Schicht 42 und darauf angeordneten Metalleiterbahnen 43, die mit einer dicken SiO2-Schicht 44 aufgefüllt sind, dargestellt ist, wird die Planarisierung der SiO2-Schicht 44 so gesteu­ ert, dass der Polierprozess noch innerhalb der zu polierenden SiO2-Schicht angehalten wird. Zur Endpunkterkennung eignen sich dabei z. B. die Erfassung der Dicke der isolierenden SiO2-Schicht mit Hilfe einer Kapazitätsmessung. Bei dem in Fig. 2B gezeigt Stop-Layer- Polishing-Process, der anhand eines Schichtenaufbaus bestehend aus einer Siliziumschicht 41 mit Gräben, einer dünnen darauf angeordneten Si2N3-Schicht 43 und einer dicken SiO2-Schicht 44 dargestellt ist, wird der Polierprozess angehalten, wenn die unter der SiO2-Schicht 44 liegende Si2N3-Schicht 42 freigelegt wird. Die Endpunkterken­ nung 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 Halbleiterober­ fläche anhaftende Slurry-Reste entfernt werden müssen. Diese Reinigung erfolgt erfindungsgemäß in der Reinigungsanlage 3, deren wesentliche Elemente in Fig. 4 in einer Schnittdarstel­ lung genauer gezeigt sind. Die zu reinigende Halbleiter­ scheibe 4 wird von der Polieranlage 1 dabei mit Hilfe des Nass-Handlers 2 direkt in die Reinigungsstation 3 überge­ führt. Der Nass-Handler 3 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 Reini­ gungsstation 3 wird die Prozessdurchführung wesentlich ver­ einfacht und die Gefahr einer Defektbildung auf der Halblei­ teroberfläche beim Übergang aus der Polieranlage in die Rei­ nigungsstation wesentlich reduziert.
Die erfindungsgemäße Reinigungsstation 3 verfügt über eine Be- und Entladestation 31, die an den Nass-Handler 2 ange­ schlossen ist, und an die sich eine Reinigungskammer 32 an­ schließt. Diese Reinigungskammer 32 ist im wesentlichen zy­ lindrisch ausgelegt und in mehrere vertikal angeordnete Un­ terkammern, 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 gleich­ zeitig eine Vorder- und Rückseitenreinigung möglich ist.
Oberhalb des Drehtisches 33 ist weiterhin eine Zuführung 34 mit hier fünf Versorgungsleitungen vorgesehen, um die Pro­ zessmedium für die einzelnen Reinigungsschritte der Halblei­ teroberfläche in die Reinigungskammer 32 einzuspeisen. An je­ der Unterkammer der Reinigungskammer 32 ist weiterhin eine Rückführung 35 angeordnet, um die abfließenden Prozessmedien aufzusammeln und wiedergewinnen zu können. Durch das Vorsehen mehrerer übereinander angeordneter Prozessebenen in Form von Unterkammer, zwischen denen der Drehtisch 33 verfahren werden kann, ist es möglich, für die aufeinanderfolgenden Reini­ gungsschritte jeweils eine separate Prozessstation vorzuse­ hen, wodurch eine saubere Trennung der eingesetzten Prozess­ medien in der Reinigungskammer möglich ist. Die Reinigungs­ station kann weiterhin so ausgelegt sein, dass mehrere paral­ lel angeordnete Reinigungskammern vorgesehen sind, so dass gleichzeitig ein größeres Los an Halbleiterscheiben gereinigt werden kann und somit ein hoher Durchsatz erreicht wird.
Um nach einem chemisch-mechanischen Polieren einer Oxid­ schicht auf der Halbleiterscheibe die verbleibenden Slurry- Reste zu entfernen, wird gemäß der Erfindung folgende Pro­ zessfolge durchgeführt. Die Halbleiterscheibe rotiert während des gesamten Reinigungsvorgangs auf dem Drehteller 33 in der Reinigungskammer 32. Dabei wird in der ersten Unterkammer die Halbleiterscheibe mit ozonisiertem destillierten Wasser ge­ spült. Anschließend werden in der zweiten Unterkammer mit ei­ ner HF-Lösung die Slurry-Reste von der Halbleiteroberfläche entfernt. Dann wird in der dritten Unterkammer die Halblei­ terscheibe nochmals mit ozonisiertem destillierten Wasser ge­ spült. Abschließend wird dann in der vierten Unterkammer die Halbleiterscheibe mit einem Isopropanol-Stickstoff-Gemisch unter erhöhter Rotationsgeschwindigkeit des Drehtisches 33 getrocknet. Durch diese Reinigungsprozessfolge können effek­ tiv und schnell Slurry-Reste, die bei der Oxidplanarisierung mittels chemisch-mechanischem Polieren entstehen, entfernt werden. Es sind dabei nur wenige integrierte Prozessschritte 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 Halb­ leiterscheibe 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 ver­ dünnter Schwefelsäure mit geringen Mengen an HF und H2O2 durchgeführt. Anschließend wird die Halbleiterscheibe noch­ mals mit destilliertem Wasser gespült und in der vierten Un­ terkammer dann mit einem Isopropanol-Stickstoff-Gasgemisch unter hoher Drehgeschwindigkeit getrocknet. Auch diese Pro­ zessfolge sorgt für ein effektives und schnelles Entfernen von Slurry-Reste, die bei einer Wolfram-Planarisierung mit­ tels 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 Po­ lieren auftreten können. Es liegt deshalb im Rahmen der Er­ findung über die dargestellten Ausführungsbeispiele hinaus insbesondere die angegebenen Materialien und Prozesse in ge­ eigneter Weise zu modifizieren, um Rückstände, die beim me­ chanisch-chemischen Polieren auf einer Halbleiterscheibe verbleiben, zu entfernen. Die in der vorstehenden Beschrei­ bung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können dabei sowohl einzeln als auch in belie­ biger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ih­ ren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

Claims (8)

1. Verfahren zum Reinigen einer Oberfläche einer Halbleiter­ scheibe nach einem chemisch-mechanischen Polierschritt, wobei unter ständiger Drehung der Halbleiterscheibe folgende Ver­ fahrensschritte durchgeführt werden:
Ätzen der Scheibenoberfläche;
Spülen der Scheibenoberfläche; und
Trocknen der Scheibenoberfläche.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mit dem chemisch-mechani­ schen Polierschritt ein Oxid planarisiert wird und nachfol­ gende Verfahrensschritte unter ständiger Drehung der Halblei­ terscheibe 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 Stick­ stoff.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mit dem chemisch-mechani­ schen Polierschritt eine Metallschicht auf der Halbleiter­ scheibe planarisiert wird und nachfolgende Verfahrensschritte unter ständiger Drehung der Halbleiterscheibe durchgeführt werden:
Ätzen mit einer HF-Lösung oder einer H2SO4-Lösung mit HF und H2O2-Zusätzen;
Spülen mit ozonisiertem destillierten Wasser; und
Trocknen mit einer Gasmischung aus Isopropanol und Stick­ stoff.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei während des Trock­ nens die Halbleiterscheibe mit erhöhter Geschwindigkeit ge­ dreht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Halbleiterscheibe zwischen dem chemisch-mechanischen Polierschritt und dem Reinigungsprozess in einem Wasserbad gelagert wird.
6. Vorrichtung zum Reinigen einer Oberfläche einer Halblei­ terscheibe 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 Entla­ destation für Halbleiterscheiben, einen. Drehteller zum Halten und Drehen der Halbleiterscheiben, eine Zuführung für Pro­ zessmedien zum Reinigen der Halbleiterscheiben und eine Rück­ führung für die Prozessmedien zum Reinigen der Halbleiter­ scheiben 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 Prozess­ kammer mit einer Anlage zum chemisch-mechanischen Polieren verbindet.
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