專利名稱：一種濕法清洗背面金屬銅的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路(IC)制造工藝技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種濕法清洗背面金屬銅的方法。
事實(shí)上，人們?cè)缫颜J(rèn)識(shí)到當(dāng)器件幾何尺寸減小到小于0.18μm~0.13μm時(shí)，器件中很多關(guān)鍵薄膜層遇到了各種材料兼容性和可靠性等局限性問題，不得不用新的材料取代它們。例如傳統(tǒng)上，金屬鋁最流行應(yīng)用于多層金屬互連材料，作為超大規(guī)模(VLSI)集成電路金屬間介質(zhì)的化學(xué)汽相淀積(CVD)二氧化硅已經(jīng)出現(xiàn)互相不兼容問題。由于電路密度不斷增加，金屬鋁和二氧化硅(Al-SiO2)組合體系不能滿足下列挑戰(zhàn)高電導(dǎo)率和小電阻電容時(shí)間延遲。由于金屬銅的高電導(dǎo)率、低電遷移和無小丘形成等優(yōu)點(diǎn)，所以金屬銅逐漸取代傳統(tǒng)金屬鋁成為主要的多層金屬互連材料。然而金屬銅工藝存在一些缺點(diǎn)，例如對(duì)介質(zhì)具有差的粘附力，這通常可以應(yīng)用淀積一薄層粘附層來解決；使用常規(guī)干法等離子體刻蝕方法很難刻蝕到精細(xì)圖形，這是由于等離子體/金屬銅反應(yīng)產(chǎn)物具有很低的揮發(fā)性。因此需要采用新的金屬互連結(jié)構(gòu)。
在較小幾何尺寸情況下，和金屬鋁相比，金屬銅具有以下優(yōu)點(diǎn)1.金屬銅電阻率(1.7μΩ·cm)明顯小于金屬鋁(3.0μΩ·cm)隨著器件線寬的不斷縮小，制約器件速度主要因素，已由柵延遲(gate delay)變成由連線電阻(R)和連線間電容(C)構(gòu)成的RC延遲。采用金屬銅做連線，可大大降低連線電阻；而采用低介質(zhì)常數(shù)(low k)材料取代氧化層做連線間介質(zhì)層，則可大大降低連線間電容。
2.金屬銅抗電遷移性能遠(yuǎn)優(yōu)于金屬鋁由于金屬連線越來越細(xì)，金屬鋁條越來越容易受電遷移效應(yīng)影響而形成空洞甚至斷裂，嚴(yán)重影響器件可靠性。金屬銅抗電遷移性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于金屬鋁，這也是金屬銅取代金屬鋁的一個(gè)重要因素。
傳統(tǒng)工藝中，金屬鋁線條可由干法刻蝕形成，而相鄰層的金屬鋁線條，則由通孔中的金屬鎢連接。由于金屬銅很難采用常規(guī)等離子體干法刻蝕方法，所以金屬銅互連需要采用一種新的方法，即目前最流行的，稱之‘大馬士革’(damascene)技術(shù)。其中，第一層金屬銅采用的是‘單大馬士革’(single damascene)技術(shù)，第二層以上金屬銅用的是‘雙大馬士革’(dual damascene)技術(shù)。表1作為傳統(tǒng)金屬鋁互連與‘雙大馬士革’金屬銅互連工藝流程對(duì)比的一個(gè)例子。
表1傳統(tǒng)金屬鋁互連與‘雙大馬士革’金屬銅互連的工藝流程比較


由表1可見，金屬銅互連工藝流程中，金屬銅需要使用銅仔晶層淀積(PVD)、電化學(xué)鍍(ECP)方法，后者晶圓片必須侵泡于電化學(xué)鍍?nèi)芤豪锊拍軐?shí)現(xiàn)。這些方法不僅使金屬銅淀積或電鍍到晶圓片正面表面上，而且背面也淀積或電鍍了一薄層金屬銅。另外，當(dāng)化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)金屬銅時(shí)，也會(huì)使背面產(chǎn)生金屬銅。因此，在晶圓片電化學(xué)鍍金屬銅等工序之后必須將背面金屬銅清洗去除才能向后續(xù)工序流片。否則，背面金屬銅會(huì)產(chǎn)生交叉沾污問題。因此需要開發(fā)一種清洗去除背面金屬銅方法并且保證正面金屬銅不能被腐蝕掉。這就涉及到兩個(gè)方面課題，即清洗工藝技術(shù)及其配套設(shè)備研究開發(fā)。
目前背面清洗工藝大多采用單片濕法清洗技術(shù)，設(shè)備已經(jīng)開發(fā)成熟。然而背面的介質(zhì)不同，使用的清洗溶液不同。為了去除背面金屬銅，不同的制造公司使用不同的清洗溶液，而且是保密的。但是，大多采用酸性溶液添加氧化劑的方法，如硫酸/雙氧水/DI水，其缺點(diǎn)是采用硫酸，需要進(jìn)行硫酸廢物處理，否則，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染；因此，增加了生產(chǎn)成本；而且去除背面金屬銅效率低，大于2E11原子/cm2。另一個(gè)缺點(diǎn)是去除顆粒能力很差。
為了克服上述缺點(diǎn)，本發(fā)明提出的方法不僅解決了背面金屬銅發(fā)生交叉沾污問題，而且具有如下優(yōu)點(diǎn)低生產(chǎn)成本；工藝操作簡(jiǎn)單方便；高的去除背面金屬銅性能；同時(shí)能夠有效地去除顆粒；低的環(huán)境、安全、健康(ESH)影響。
本發(fā)明提出的濕法清洗背面金屬銅的方法，采用酸性水溶液添加氧化劑混合溶液進(jìn)行清洗，該混合溶液由氫氟酸、鹽酸、雙氧水及去離子水(DIW)組成，混合溶液適宜的溫度為18-30℃，清洗時(shí)間根據(jù)背面金屬銅量而定，清洗時(shí)間一般為10秒至2分鐘。
上述混合溶液較好的配比(按體積比)為含氫氟酸(49％HF)，含量為0.5-2.0％(體積比，以下同)、混合溶液含鹽酸(37％HCl)，含量為5.0-10.0％；混合溶液含雙氧水(30％H2O2)，含量為15-25％、混合溶液含去離子水(DIW)的含量為79.5-63％?？偭繛?00％。
在前道工藝集成(FEOL)完成之后，在后道工藝集成(BEOL)過程中，通孔(VIA)刻蝕之后進(jìn)行PVD阻擋層及銅仔晶層淀積、電化學(xué)鍍ECP金屬銅填充、CMP金屬銅磨平等工藝都會(huì)在晶圓片背面沾污金屬銅。因此在上述每一步之后都需要用上述清洗溶液進(jìn)行背面金屬銅清洗。
本發(fā)明的原理是，使用酸性水溶液含氧化劑混合溶液清洗工藝，清洗過程發(fā)生了一系列化學(xué)反應(yīng)鹽酸和最上一層氧化銅或氧化亞銅反應(yīng)，之后雙氧水氧化金屬銅形成氧化銅，此步形成的氧化銅又和鹽酸或氫氟酸反應(yīng)，最后氫氟酸去除少量氮化硅或二氧化硅，確保金屬銅完全去除干凈，這些產(chǎn)物都溶于水。因此可以使用高純水漂洗。其可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)方程式如下 [2][3][4][5]或[6][7][8]經(jīng)過上述清洗后，需要評(píng)估兩個(gè)重要參數(shù)金屬銅表面濃度和顆粒。
采用汽相分解-液滴選擇性腐蝕-總反射X射線熒光光譜(VPD-DSE TXRF)技術(shù)進(jìn)行分析評(píng)估本發(fā)明的“一種新的濕法清洗背面金屬銅的方法”清洗效果。經(jīng)過清洗后金屬銅表面濃度小于5×1010原子/cm2，完全能夠滿足超大規(guī)模集成電路工藝技術(shù)對(duì)晶圓片背面金屬沾污要求。
對(duì)清洗后顆粒數(shù)測(cè)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，其方法是可以采用掃描電子顯微鏡(SEM)技術(shù)，進(jìn)行測(cè)量顆粒數(shù)。經(jīng)過清洗后能夠有效地去除顆粒。
本發(fā)明提出的新的濕法清洗背面金屬銅的方法，具有如下優(yōu)點(diǎn)低生產(chǎn)成本；工藝操作簡(jiǎn)單方便；高的去除背面金屬銅性能；同時(shí)能夠有效地去除顆粒；低的環(huán)境、安全、健康(ESH)影響。
圖2是單片背面清洗設(shè)備俯視圖的部分。
圖3單片背面清洗工藝過程示意圖。清洗溶液噴淋到表面上，同時(shí)晶圓片以一定的速度不停地旋轉(zhuǎn)。
圖中標(biāo)號(hào)1為背面金屬銅，2和3為背面氮化硅或二氧化硅，4為晶圓片，5為晶圓片正面。
清洗溶液配制1.用量筒量取一定量去離子水(體積比為70％)，倒入干凈的盛溶液聚四氟乙烯容器里。
2.用量筒量取一定量的37％鹽酸(體積比為15％)，慢慢倒入上述盛高純水容器里。
3.用量筒量取一定量的49％氫氟酸(體積比為0.5％)，慢慢倒入上述盛1、2容器里。
4.用量筒量取一定量的30％雙氧水(體積比為15)，慢慢倒入上述盛1、2、3容器里。
5.在上述1至4步完成之后，讓各種成分混合均勻，待用。
6.清洗溶液溫度控制在22℃范圍下。
清洗工藝分別在PVD銅仔晶層淀積、電鍍ECP金屬銅填充、CMP金屬銅磨平等工藝后，用上述配制的清洗溶液對(duì)晶圓片進(jìn)行背面清洗，清洗時(shí)間根據(jù)具體情況而定，一般為100秒。
權(quán)利要求
1.一種濕法清洗背面金屬銅的方法，其特征在于采用酸性水溶液添加氧化劑混合溶液清洗，該混合溶液由氫氟酸、鹽酸、雙氧水及去離子水組成，混合溶液溫度為18-30℃，清洗時(shí)間范圍是10秒至2分鐘。
2.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的方法，其特征在于混合溶液中含氫氟酸(49％HF)，體積比為0.5-2.0％。
3.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的方法，其特征在于混合溶液中含鹽酸(37％HCl)，體積比為5.0-10.0％。
4.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的方法，其特征在于混合溶液含雙氧水(30％H2O2)，體積比為15-25％。
5.根據(jù)權(quán)利要求書1所述的方法，其特征在于混合溶液含去離子水體積比為79.5-63％。
全文摘要
本發(fā)明屬于集成電路制造工藝技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新的濕法清洗背面金屬銅的方法。目前金屬銅已逐步取代金屬鋁而成為主要金屬連線材料，金屬銅淀積工藝包括離子化物理氣相淀積(PVD)工藝淀積銅仔晶層，和電化學(xué)鍍(ECP)銅工藝。而這些方法不僅電鍍到晶圓片正面表面上，而且背面也淀積或電鍍了一薄層金屬銅。在離子化PVD，電化學(xué)鍍金屬銅等工藝步驟之后必須將背面金屬銅清洗去除干凈才能向后續(xù)工序流片。本發(fā)明提出了一種新的采用酸性水溶液添加氧化劑混合溶液清洗工藝技術(shù)，具有非常好的清洗效果。
文檔編號(hào)C23F1/10GK1425802SQ0311470
公開日2003年6月25日 申請(qǐng)日期2003年1月2日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月2日
發(fā)明者王劉坤 申請(qǐng)人:上海華虹(集團(tuán))有限公司