專利名稱：在半導體處理過程中鈍化導電表面的方法
技術領域：
本發明一般涉及形成半導體器件的方法，更具體地說，涉及化學機械處理(CMP)。
背景技術：
在半導體器件處理過程中，金屬互連在電源存在下可用作電解池的陽極或陰極。在電解質存在下，當半導體晶片為濕的時，在化學機械處理(CMP)過程中會發生電流從一個金屬互連流動到另一個，并引起電解。在電解過程中，一個金屬互連可被氧化(陽極)形成可被傳遞的離子，并在另一個金屬互連(陰極)處被還原。在陰極處被還原的金屬可生長，并形成會導致金屬互連之間電短路的枝晶(dendrite)。在陽極處被氧化的金屬可能溶解，在金屬互連之間產生空隙和電開路。在任何一種情況下(短路或開路)，電解都使電路失效并降低可靠性。
電解發生需要的電源可能歸于幾種現象，包括硅水平面處電子空穴對(ehp’s)的熱產生或光產生。在能量大于硅帶隙(～1.1eV)的光子(例如光)的存在下，可產生ehp’s并在p-n結處分開。在這種條件下，電勢有利于表面處的電解和光產生ehp’s作為電源。電流量與p-n結的面積、p和n區域的相對摻雜以及吸收光子的量和位置成比例。ehp’s在半導體晶片表面附近產生，取決于半導體晶片的吸收和消光系數。吸收輻射的量通常遵循Beer定律關系，隨進入半導體晶片表面的深度按指數規律衰減。這些光子的收集效率(產生電流的光子百分比)取決于多種因素，包括光子能、摻雜劑類型、摻雜劑濃度分布、復合速率和產生速率。
最小化電解(即枝晶形成)的一種解決方法是在暗處拋光和洗滌半導體晶片，以防止載體光生成，如通過在制造室中關閉光。盡管在暗處或微光中處理半導體晶片可減少枝晶形成，但載體的熱產生可允許發生顯著的腐蝕，取決于器件結構和處理環境。另外，在暗處或微光環境中拋光晶片對操作人員和工程師在制造室中觀察造成困難，這增加了事故風險，如掉落和打破半導體晶片或人受傷。
為了能使操作人員和工程師在制造室中看見，同時仍最小化枝晶形成和生長，當半導體晶片是濕的并很傾向于枝晶形成時，CMP工具或洗滌器的窗口可蓋有不透明材料以防止光到達半導體晶片。但是，CMP工具上的不透明材料阻止操作人員和工程師在處理過程中看到半導體晶片以確定例如半導體晶片是否停止處理或拋光液是否由于未知原因而停止流動。此外，如果出于某些原因必需移去半導體晶片的話(例如如果處理由于半導體晶片在CMP工具中被沖擊而停止的話)，則一旦打開CMP工具的門，就可能發生電解，半導體晶片可能遇到可靠性問題或產量損失。因此，需要克服上述過程的問題，同時最小化電解和相應的形成和生長。
舉例說明本發明，但不受附圖限制，其中相同的引用表示相同的元件。
圖1圖示了根據本發明的實施方案制造半導體晶片中使用的化學機械處理(CMP)系統的示意圖；和圖2-5圖示了在使用圖1的CMP系統的各種處理階段中半導體晶片一部分的橫截面。
本領域技術人員能認識到，圖中的元件為了簡單和清楚而被圖示，沒有必要按比例畫出。例如，圖中部分元件的尺寸可相對于其它元件而被放大，以幫助促進對本發明實施方案的理解。
具體實施例方式
在沖洗半導體晶片表面的同時或沖洗表面后，施加包括表面活性劑和腐蝕抑制劑的枝晶最小化溶液。該溶液還可包括溶劑和助溶劑。優選在半導體晶片上形成的大量互連沿半導體晶片表面被電絕緣后將溶液施加到半導體晶片上。但是，在沖洗過程中或過程后不必使用相同的溶液。在一種實施方案中，在施加溶液后干燥半導體晶片。下面(連同附圖)更詳細地描述溶液在化學機械拋光(CMP)處理中的使用。
圖1圖示了CMP系統10，其具有第一臺板12、第二臺板14、第三臺板16、可選擇的槽18，和洗滌器或非接觸型清潔工具20。典型地，第一臺板12、第二臺板14、第三臺板16和槽18為同一工具的一部分。CMP系統10可被分為使用第一臺板12、第二臺板14、第三臺板16和槽18的CMP處理，和使用洗滌器20的CMP后清潔處理。使用第一臺板12、第二臺板14和第三臺板16拋光或均夷(planarize)半導體晶片。在每次CMP處理后，可進行可選的沖洗以除去顆粒，以便不污染隨后的處理。但是，CMP系統10可具有任意數目的臺板。例如，CMP系統10可具有唯一一個臺板、兩個臺板或三個以上臺板。
均夷后，將半導體晶片存貯在有液體的槽中，液體包括水，直到完成多個半導體晶片，如在同一個晶片箱或容器中存貯在一起的那些。在一種實施方案中，半導體晶片被從槽18中一起轉移到洗滌器20中的第一站，其為裝載站，并具有液體，液體包括水。人工或用機器從裝載站一次移去大量半導體中的一個半導體晶片，并放在洗滌器20的刷盒中，在那里通過刷對半導體晶片施加間歇的機械作用(刷洗)以除去在均夷后進行的可選沖洗后先前未被除去的顆粒。在用刷從半導體晶片除去顆粒后，進行旋轉、沖洗和干燥過程來進一步清洗和干燥半導體晶片用于進一步處理，可包括沉積、蝕刻等。
在另一種實施方案中，第一、第二、第三臺板12、14、16和洗滌器20為同一工具的一部分。在這種實施方案中，槽和洗滌器20的裝載站不需要存貯晶片。在又一實施方案中，洗滌器20可為非接觸清洗工具20，如使用聲波力代替機械作用(如刷盒)的超聲清洗器，以除去半導體晶片上的顆粒。為了減少電解和腐蝕，在最后的金屬除去步驟后，使用表面活性劑、腐蝕抑制劑、溶劑和助溶劑(與另一溶劑結合使用的溶劑)處理半導體晶片，這將在下面更詳細地說明。
關于使用圖1的CMP系統10制造圖2-5的半導體晶片30，將描述形成銅槽的銅拋光過程。將半導體晶片30送到CMP系統10的第一臺板12上，半導體晶片30已經過常規半導體處理在半導體襯底32上形成阻擋層36和導電層38，如圖2所示。半導體襯底32包括在絕緣層33內形成的凹槽34，絕緣層33形成于半導體襯底32內P-型區域和N-型區域的上方。盡管在圖2中未示出，半導體襯底32還可包括在半導體層如硅、硅鍺、砷化鎵等上面形成的層，如電介質(如二氧化硅)層。阻擋層36和導電層38的部分理想地形成在凹槽34內，而這些層的其它部分位于凹槽34的外部，并將使用CMP系統10除去。在一種實施方案中，阻擋層36和導電層38包括鉭、銅、鋁、鎢、銀、鈦等，和上述的組合。
將半導體晶片30放在第一臺板12上以除去一部分導電層38。使用第一臺板12除去導電層38的主體部分，導電層38優選為銅，產生圖3所示的較薄導電層40。例如，導電層38的厚度可為大約500-1000納米，較薄導電層40可為大約10-200納米。在一種實施方案中，被除去的導電層38的主體部分厚度為大約400-900納米，因而較薄導電層40為大約100納米。
為了使用第一臺板12拋光導電層38，可使用包括磨粒(例如含鋁(氧化鋁)、含二氧化鈰(二氧化鈰)或含硅(二氧化硅)顆粒)、銅可溶解液或絡合劑(例如檸檬酸)、氧化劑(例如過氧化物)、水和表面活性劑(例如聚乙二醇)的CMP漿液。盡管銅是兩性的(即既在酸中可溶又在堿中可溶)，但可使用絡合劑使含銅離子在銅離子通常不可溶的CMP漿液的pH范圍內可溶。第一CMP漿液還可包括防止表面侵蝕性化學蝕刻(點蝕)的腐蝕抑制劑，還可能包括防止漿液中生物生長的殺生物劑。
在拋光導電層38形成較薄導電層40后，人工或用機器將半導體晶片移動到第二臺板14上，如圖1中箭頭13所示。使用第二臺板14除去不在凹槽34內的較薄導電層40部分，形成導電區42，如圖4所示。
典型地，使用第二臺板14的拋光過程在阻擋層36上達到終點，在一些實施方案中，阻擋層36為大約10-100納米的鉭(Ta)或氮化鉭(TaN)。在一種實施方案中，在這個過程中不除去阻擋層36。但是，在另一種實施方案中，可能由于晶片上致密區和隔離區的拋光速度不同而除去一部分阻擋層36。典型地，第二臺板14使用與第一臺板12所用類似的CMP漿液。因此，可能希望使用同一個臺板除去不在凹槽34內的全部導電層38和較薄導電層40。
在除去不在凹槽34內的全部較薄導電層40后，在一種實施方案中，人工或自動(例如用機器)將半導體晶片轉移到第三臺板16上，如圖1中箭頭15所示。典型地，使用軟拋光墊除去阻擋層36和已在絕緣層33上形成的任何保護(或覆蓋)電介質層部分，以形成互連區域46和互連阻擋層44。典型地，保護(或覆蓋)電介質不是低介電常數材料，但絕緣層33的暴露表面為低介電常數材料，其降低了形成的半導體器件的電阻。因此，希望除去覆蓋電介質以減小電阻。
一旦除去阻擋層36，這發生在使用第三臺板的拋光過程中，互連區域46就不再沿半導體晶片的頂表面彼此電連接(例如在絕緣層33上方沒有導電區域)，這和導電層38和較薄導電層40形成對比。一旦互連區域46不沿著半導體襯底的頂面彼此電連接，則CMP過程中枝晶形成的可能性增加，因為導電區域42不會被一起短路從而使電流經由電解通過。這是因為環境光不會被導電層38和40和阻擋層36所遮擋，并可通過絕緣層33達到P-型區域和N-型區域，從而引發電子空穴對(ehp’s)的光產生。這樣，P-型區域和N-型區域用作電解池的電源，其中互連區域46為陽極和陰極，CMP漿液為電解質。
實際上，在拋光過程中，半導體晶片部分被以不同的速度拋光。因此，在半導體晶片的一個區域中，位于互連區域46外部的阻擋層36部分已被除去，從而使光透過P-型區域和N-型區域，而在另外的區域中，阻擋層36存在于互連區域46的外部。因此，為了除去互連區域46外部的全部阻擋層36，半導體晶片的部分區域可被比所需拋光更長。因此，上面不再覆蓋有阻擋層36的P-型區域和N-型區域在拋光過程中暴露于光，并可形成枝晶，其在拋光時使用枝晶最小化溶液減少。
可使用包括表面活性劑、腐蝕抑制劑、溶劑和助溶劑的枝晶最小化溶液，助溶劑為不同于存在的其它溶劑的溶劑。在一種實施方案中，表面活性劑包括聚乙二醇(PEG)、聚丙二醇(PPG)、聚氧化丙烯(PPO)或聚氧化乙烯(PEO)的嵌段共聚物、十二烷基硫酸銨、烷基苯酚醚磷酸鹽、氨基乙基咪唑啉等或上述的組合，腐蝕抑制劑包括苯三唑(BTA)、三唑、咖啡因、茶堿、聯吡啶等或上述的組合。
在一種實施方案中，表面活性劑和腐蝕抑制劑的每一種為枝晶最小化溶液的大約100-500ppm。在優選的實施方案中，表面活性劑和腐蝕抑制劑至多為枝晶最小化溶液的1重量百分數(1wt％)。希望減小表面活性劑和腐蝕抑制劑的總濃度，因為它們都是有機的，由于枝晶最小化溶液中有限的溶解度而增加了半導體晶片表面上碳缺陷的可能性。腐蝕抑制劑的存在減少了腐蝕和枝晶生長。但是，單獨使用腐蝕抑制劑(即沒有助溶劑)可能由于非均勻潤濕或干燥而導致不想要的缺陷。
枝晶最小化溶液中助溶劑的存在可提高腐蝕抑制劑的溶解度，并可提高腐蝕抑制劑與互連區域46的吸附動力學。此外，具有助溶劑乙二醇、甲醇或另外的非極性化學物質和為極性的溶劑水，能增加晶片疏水和親水表面兩者的潤濕。表面活性劑還允許晶片表面疏水和親水區域的均勻潤濕。這些益處導致CMP處理和CMP后清潔中表面缺陷的減少。
使用的溶劑和助溶劑可為水、醇、二醇(例如乙二醇)、乙腈、丙酮、碳酸丙烯等，條件是溶劑與助溶劑不同。例如，如果溶劑為水，則助溶劑可為乙二醇。在優選的實施方案中，助溶劑為枝晶最小化溶液的大約0.5-50重量百分數(0.5-50wt％)，或更優選1-10重量百分數(1-10wt％)。
拋光后，可在第三臺板16上沖洗半導體晶片以除去因CMP處理而殘留在半導體晶片上的任何顆粒。溶液還可包括殺生物劑。在一種實施方案中，腐蝕抑制劑為表面活性劑，因此不需要與腐蝕抑制劑分開的表面活性劑。
在CMP后清潔處理中也可使用枝晶最小化溶液，這將在下文描述，但化學組成和濃度不需要全部處理都相同。在沖洗晶片后，人工或用機器將它從第三臺板16轉移到槽18中，如箭頭17所示，然后與其它半導體晶片一起到洗滌器20中，如圖1中箭頭19所示。或者，直接將晶片從第三臺板16轉移到洗滌器20。在又一實施方案中，洗滌器20為非接觸清潔工具20，因此半導體晶片可被從第三臺板16轉移到非接觸清潔工具20。槽18中的溶液、洗滌器(即裝載站、刷盒和旋轉-沖洗-干燥處理)20的所有部分或超聲清潔器都可包括枝晶最小化溶液。
但是，洗滌器刷盒中使用的枝晶最小化溶液還可包括另外的化學物質，如檸檬酸，以調整磨粒的Z(ζ)電勢。Z電勢表示晶片或磨粒的表面上存在的表面電荷。取決于磨料和晶片表面，可在溶液中控制Z電勢以增加顆粒和表面之間的排斥力。Z電勢還可用于預測和控制磨料的穩定性。當磨粒的Z電勢增加時，團聚的可能性就降低。
枝晶最小化溶液可用于上述任何過程。可通過浸沒半導體晶片到枝晶最小化溶液中、噴涂枝晶最小化溶液到半導體晶片上或將枝晶最小化溶液倒在晶片上等或上述的組合來施加枝晶最小化溶液。優選地，例如，當在臺板上拋光半導體晶片的同時施加枝晶最小化溶液時，就噴涂枝晶最小化溶液，當在CMP后清潔處理過程中施加枝晶最小化溶液時，就將半導體晶片浸沒到洗滌器中的枝晶最小化溶液中。另外，可能希望在有可能形成枝晶和缺陷的其它潤濕過程中使用枝晶最小化溶液。枝晶最小化溶液可與任何其它減少枝晶或缺陷的方法結合使用。例如，當使用枝晶最小化溶液或靜置在制造室中時，可關閉燈或使其變暗。試驗表明，枝晶最小化溶液與CMP系統10中從第三臺板16開始到旋轉-沖洗-干燥處理中進行的過程一起使用，大大減少了完全環境照明中的枝晶形成。換句話說，所有處理都可在波長小于大約一(1)微米的光的存在下進行，并仍減少了枝晶生長。還和第二臺板14上的半導體晶片一起使用枝晶最小化溶液進行了試驗，這是可以的，但沒有產生對枝晶生長的明顯影響，因此不是優選的，因為它不必要地增加了第二臺板14上所用溶液的成本。
基于上述討論，本領域技術人員應認識到，在CMP過程中，尤其是互連在半導體晶片表面上被彼此電隔離(即凹槽內的導電材料被除去)后進行的那些過程中，使用表面活性劑、腐蝕抑制劑、溶劑和助溶劑的枝晶最小化溶液能減少枝晶生長(即電解)。溶液還通過阻止表面氧化減輕了不是電解池一部分的金屬表面上的腐蝕，并因而通過消除互連內的缺陷提高了產量。另一個益處是增加的可靠性和電遷移電阻。互連-電介質界面已知為銅的快速擴散途徑，銅為可在互連中使用的一種元素，并且增加的缺陷(如碳或銅氧化物)可導致早期應力失效(空隙)和有限的器件壽命。
在前面的說明書中，已參考具體的實施方案描述了本發明。但是，本領域的普通技術人員能認識到，在不脫離權利要求所述的本發明范圍的情況下，可進行各種改進和變化。例如，盡管結合具體的導電型描述了本發明，但本領域技術人員能認識到導電型可被反轉。盡管圖顯示了兩個互連區域，但可形成任意數量的互連區域。另外，可使用其它合適的阻擋層和互連材料，并可使用任意數量的互連阻擋層或互連材料。例如，互連阻擋層可由多層不同的材料制成。因此，說明書和圖應被認為是說明性的而非限制性的，所有這類改進都打算包括在本發明的范圍內。
上文已就具體的實施方案描述了益處、其它優點和問題的解決方案。但是，益處、優點、問題的解決方案和可導致益處、優點或解決方案出現或變得更明顯的任何要素不被視為是任何或全部權利要求的關鍵、必需或基本特征或要素。本文使用的術語“包括”或它的任何其它各種變形都用于涵蓋非派他性包含，從而包括一系列要素的過程、方法、制品或裝置不只是包括這些列出的要素，而且可包括未明確列出或這類過程、方法、制品或裝置固有的其它要素。
權利要求書(按照條約第19條的修改)1.一種處理半導體晶片的方法，包括沖洗具有大量導電互連的半導體晶片的表面，其中，大量導電互連沿半導體晶片的表面被電隔離；施加溶液到半導體晶片上，其中，溶液包括表面活性劑和腐蝕抑制劑，并在半導體晶片表面的沖洗過程中或沖洗過程后被施加；和在施加溶液到半導體晶片后干燥半導體晶片。
2.如權利要求1所述的方法，其中，在半導體晶片表面的沖洗過程中和過程后施加溶液。
3.如權利要求1所述的方法，其中，在波長小于大約1微米的光存在時進行沖洗和干燥中的至少一個。
4.如權利要求8所述的方法，其中，在波長小于大約1微米的光存在時進行沖洗和干燥兩者。
5.如權利要求1所述的方法，其中，表面活性劑包括腐蝕抑制劑。
6.一種處理半導體晶片的方法，包括對半導體晶片進行CMP處理；對半導體晶片進行CMP后清潔處理；和在CMP處理或CMP后清潔處理的至少一個過程中施加溶液到半導體晶片，其中，溶液包括溶劑和助溶劑。
7.權利要求6的方法，其中，CMP后清潔處理包括施加機械作用到半導體晶片的表面，并且其中，至少在施加機械作用到半導體晶片表面的過程中進行施加溶液。
8.權利要求6的方法，其中，CMP處理包括拋光半導體晶片的表面，并且其中，至少在拋光過程中進行施加溶液。
9.在半導體晶片處理方法中使用的溶液，包括表面活性劑，其包括聚乙二醇(PEG)、嵌段共聚物或聚丙二醇中的一種；腐蝕抑制劑，其包括苯并三唑、咖啡因、茶堿、雙吡啶或三唑中的一種；溶劑，其包括水、醇、二醇、丙酮、乙腈或碳酸丙烯中的一種；和不同于溶劑的助溶劑，其包括醇、二醇、丙酮、乙腈或碳酸丙烯中的一種。
10.如權利要求9所述的溶液，其中，溶液中表面活性劑的濃度小于約1wt％，溶液中腐蝕抑制劑的濃度小于約1wt％。
11.一種處理半導體晶片的方法，包括對半導體晶片進行CMP處理；在對半導體晶片進行CMP處理后對半導體晶片進行CMP后清潔處理；和施加溶液到半導體晶片，其中，溶液包括嵌段共聚物、腐蝕抑制劑和絡合劑。
12.如權利要求30所述的方法，其中，施加溶液到半導體晶片發生在CMP后清潔處理過程中。
13.如權利要求30所述的方法，其中，溶液還包括溶劑和助溶劑。
權利要求
1.一種處理半導體晶片的方法，包括沖洗具有大量導電互連的半導體晶片的表面，其中，大量導電互連沿半導體晶片的表面被電隔離；施加溶液到半導體晶片上，其中，溶液包括表面活性劑和腐蝕抑制劑，并在半導體晶片表面的沖洗過程中或沖洗過程后被施加；和在施加溶液到半導體晶片后干燥半導體晶片。
2.如權利要求1所述的方法，其中，在半導體晶片表面的沖洗過程中和過程后施加溶液。
3.如權利要求1所述的方法，其中，在波長小于大約1微米的光存在時進行沖洗和干燥中的至少一個。
4.如權利要求8所述的方法，其中，在波長小于大約1微米的光存在時進行沖洗和干燥兩者。
5.如權利要求1所述的方法，其中，表面活性劑包括腐蝕抑制劑。
6.一種處理半導體晶片的方法，包括對半導體晶片進行CMP處理；對半導體晶片進行CMP后清潔處理；和在CMP處理或CMP后清潔處理的至少一個過程中施加溶液到半導體晶片，其中，溶液包括溶劑和助溶劑。
7.權利要求6的方法，其中，CMP后清潔處理包括施加機械作用到半導體晶片的表面，并且其中，至少在施加機械作用到半導體晶片表面的過程中進行施加溶液。
8.權利要求6的方法，其中，CMP處理包括拋光半導體晶片的表面，并且其中，至少在拋光過程中進行施加溶液。
9.在半導體晶片處理方法中使用的溶液，包括表面活性劑，其包括聚乙二醇(PEG)、嵌段共聚物或聚丙二醇中的一種；腐蝕抑制劑，其包括苯并三唑、咖啡因、茶堿、雙吡啶或三唑中的一種；溶劑，其包括水、醇、二醇、丙酮、乙腈或碳酸丙烯中的一種；和不同于溶劑的助溶劑，其包括醇、二醇、丙酮、乙腈或碳酸丙烯中的一種。
10.如權利要求9所述的溶液，其中，溶液中表面活性劑的濃度小于約1wt％，溶液中腐蝕抑制劑的濃度小于約1wt％。
全文摘要
公開了一種處理半導體晶片的方法。向半導體晶片施加溶液以防止金屬互連表面處的枝晶和電解反應。溶液可在CMP處理過程中或在CMP后清潔處理過程中被施加。溶液可包括表面活性劑和腐蝕抑制劑。在一種實施方案中，溶液中表面活性劑的濃度小于約1wt％，溶液中腐蝕抑制劑的濃度小于約1wt％。溶液還可包括溶劑和助溶劑。在一種可選實施方案中，溶液包括溶劑和助溶劑而沒有表面活性劑和腐蝕抑制劑。在一種實施方案中，可在波長小于大約1微米的光的存在下進行CMP處理和CMP后清潔處理。
文檔編號H01L21/02GK1784513SQ200480012346
公開日2006年6月7日 申請日期2004年4月30日 優先權日2003年5月7日
發明者約翰·C·弗雷克, 凱文·E·庫珀, 賽菲·烏斯馬尼 申請人:飛思卡爾半導體公司