[发明专利]半导体晶片清洗装置和方法

说明书

本发明的领域涉及半导体制造工艺。具体地，本发明涉及更有效的CMP后晶片清洗装置。在一个实施例中，公开了一种CMP后基于超音速和刷子的半导体晶片清洗。

当今数字IC器件的大部分功劳和实用性归功于日益增加的集成度。越来越多的元件(电阻器、二极管、晶体管等)不断地集成到基底的芯片或IC内。通常IC的起始材料为很高纯度的硅。材料生长成单晶。为固体圆柱形。然后锯开所述晶体(像面包片)生成通常直径为10到30cm厚度为250μm的晶片。

IC元件结构的几何形状通常通过称为光刻的工艺用照相的方法限定。通过该技术能精确地复制很微小的表面几何形状。使用光刻工艺限定元件区域并在相互叠置的层上形成元件。复杂的IC经常有许多不同的叠置层，每层有元件，每层有不同的互连，并且每层叠置在前一层的顶部。这些复杂IC的所得构形经常类似于陆地上“山脉”，作为IC元件的许多“小丘”和“山谷”形成在下面硅晶片的表面上。

在光刻工艺中，使用紫外线将限定了各种元件的掩模图像或图形集中到感光层上。使用光刻设备的光学装置将图像集中到表面上，并在感光层内留下印记。要形成更小的结构，必须将越来越精细的图像集中到感光层的表面上，例如，光学分辨率必须提高。随着光学分辨率的提高，掩模图像的聚焦深度相应变窄。这是由于光刻设备中高数字的孔径透镜施加的聚焦深度范围窄。所述窄聚焦深度经常是可得到的清晰度以及使用光刻设备可得到的最小元件的限制因素。复杂IC的最终构形，“小丘”和“山谷”，放大了聚焦深度降低的效果。由此，为了将限定亚微米几何形状的掩模图像适当地聚焦到感光层上，需要精确平坦的表面。精确平坦(例如，完全平面化)的表面便于极小的聚焦深度，进而便于限定和随后制造极小的元件。

化学机械抛光(CMP)为得到完全平面化晶片的优选方法。包括使用晶片和移动的抛光垫之间的机械接触利用抛光浆料的化学帮助除去介质材料或金属的牺牲层。由于除去高构形区域(小丘)快于低构形区域(山谷)，因此抛光只是尽可能地除去高度差异。CMP为具有毫米级平面化距离以上平滑构形能力的技术，导致抛光后远小于1度的最大角。

图1示出了典型的现有技术CMP装置100的俯视图，图2示出了CMP装置100的侧面剖视图。CMP装置100送入要抛光的晶片。CMP装置100用臂101拾取晶片并将它们放置在旋转的抛光垫102上。抛光垫102由弹性材料制成，通常纹理清晰，经常有多个预定的槽103，以辅助抛光工艺。抛光垫102在台板104或旋转台上以预定的速度旋转，所述台板或旋转台位于抛光垫102下面。晶片105由垫圈112和载架106固定在抛光垫102上。晶片105的下表面(例如，“前”面)靠在抛光垫102。晶片105的上表面靠着臂101的载架106的下表面。随着抛光垫102的旋转，臂101以预定的速率旋转晶片105。臂101用预定量向下的力将晶片105推入抛光垫102内。CMP装置100还包括沿抛光垫102的半径延伸的浆料分配臂107。浆料分配臂107将浆料流分配到抛光垫102上。

浆料为去离子水和抛光剂的混合物，设计用于化学地帮助晶片的平滑和预计的平面化。抛光垫102和晶片105的旋转作用和浆料的抛光作用结合在一起以某个额定速率平面化或抛光晶片105。该速率称做清除速率。恒定和可预定的清除速率对于晶片制造工艺的一致性和性能很重要。清除速率应适当，以生产精确平面化的晶片，没有表面构形。如果清除速率太慢，那么在预定期间内制造的平面化晶片数量减少，降低了制造工艺的晶片生产量。如果清除速率太快，那么晶片表面上的CMP平面化工艺将不均匀降低了制造工艺的成品率。

为了有助于保持稳定的清除速率，CMP装置100包括调节器组件120。调节器组件120包括沿抛光垫102的半径延伸的调节臂108。端部操纵装置109连接到调节器臂108。端部操纵装置109包括用于使抛光垫102表面变粗糙的磨料调节盘110。调节盘110由调节器臂108旋转并朝抛光垫102的中心和远离抛光垫102的中心平移，从而使调节盘110覆盖抛光垫102的半径，由此随着抛光垫102的旋转，几乎覆盖了抛光垫102的整个表面区域。具有粗糙表面的抛光垫在它远离调节器组件120的表面里有许多很小的凹坑和槽，因此借助传送到晶片表面增多的浆料和更有效的施加向下的抛光力产生较快的清除速率。如果没有调节，那么在抛光工艺期间抛光垫102的表面变光滑，清除速率显著降低。调节器组件120使抛光垫102的表面重新变得粗糙，改善了浆料的输送并提高了清除速率。