半导体器件的清洗方法
【专利摘要】本发明提供一种半导体器件的清洗方法，包括：在对铜层进行CMP研磨后，对研磨后的铜层进行氧化处理；之后再采用酸性清洗剂清洗或是采用碱性清洗剂清洗，对氧化后的铜层进行第一清洗。在对研磨后的铜层进行氧化处理后，使CMP工艺中形成的研磨副产物与氧气反应形成氧化物，从而促使被氧化的研磨副产物与清洗剂反应，从而提高研磨副产物的去除效率；此外，在所述氧化处理步骤中，铜层表面同样被氧化，在所述铜层形成氧化铜层在所述第一清洗步骤中，所述氧化铜层被清除，致使附着于所述氧化层上的研磨副产物由所述半导体晶圆上剥落，提高研磨副产物的去除效率。
【专利说明】
半导体器件的清洗方法
技术领域
[0001] 本发明涉及半导体制造领域，尤其是涉及一种半导体器件的清洗方法。
【背景技术】
[0002] 化学机械抛光（Chemical Mechanical polishing，简称CMP)是一种常用的平坦化 工艺。在诸如半导体制造领域，CMP被广泛应用于氧化膜等层间绝缘层制备，以及聚合硅电 极、妈插塞、浅沟槽隔离结构（shallow trench isolation，简称STI)，以及铜互连结构制备 等工艺。
[0003] 诸如在铜互连结构制备工艺中，在半导体晶圆内的沟槽，以及表面形成铜层后，将 CMP抛光设备的研磨头抵住半导体晶圆表面的铜层，并施加一研磨力，同时在铜层表面喷涂 研磨浆料用以腐蚀铜层，加快铜表面的研磨速率。
[0004] 在CMP工艺中，研磨头与铜层的摩擦产生大量的热量，研磨楽;料会与铜发生反应 而形成研磨副产物，这些副产物会附着在研磨后的铜层表面，从而降低后续形成的铜互连 结构性能。
[0005] 为此，铜互连结构制备的CMP工序后，都会进行清洗步骤，以去除CMP工艺中所产 生的副产物，提高后续形成的铜互连结构的性能。
[0006] 然而，随着半导体技术的发展，对于半导体器件的精度要求越发严格，采用现有工 艺进行的CMP后的清洗工艺后的铜互连结构洁净度要求仍无法满足半导体器件的精度要 求。
[0007] 为此，如何提高铜互连结构制备中，CMP工序后形成铜层的洁净度，以提高后续形 成的铜互连结构的性能，是本领域技术人员亟需解决的问题。
【发明内容】
[0008] 本发明解决的问题是提供一种半导体器件的清洗方法，可有效提高CMP研磨后铜 层的洁净度。
[0009] 为解决上述问题，本发明一种半导体器件的清洗方法，包括：
[0010] 提供半导体晶圆；
[0011] 在所述半导体晶圆上形成铜层；
[0012] 以化学机械研磨工艺研磨所述铜层；
[0013] 对研磨后的铜层表面进行氧化处理；
[0014] 对氧化处理后的铜层进行第一清洗，所述第一清洗为采用酸性清洗剂的清洗或是 采用碱性清洗剂的清洗。
[0015] 可选地，对研磨后的铜层表面进行氧化处理的步骤包括：将研磨后的铜层置于空 气中氧化。
[0016] 可选地，将研磨后的铜层置于空气中氧化的步骤中，将所述铜层置于空气中1~ 30分钟。
[0017] 可选地，所述第一清洗为采用酸性清洗剂的清洗，所述酸性清洗剂的PH值为3~ 5〇
[0018] 可选地，所述第一清洗为采用碱性清洗剂的清洗，所述碱性清洗剂的PH值为7~ 10。
[0019] 可选地，在以化学机械研磨工艺研磨所述铜层后，进行所述氧化处理前，所述清洗 方法还包括：
[0020] 对研磨后的铜层进行第二清洗。
[0021] 可选地，所述第二清洗为采用酸性清洗剂的清洗，所述酸性清洗剂的PH值为4~ 6〇
[0022] 可选地，所述第二清洗为采用碱性清洗剂的清洗，所述碱性清洗剂的PH值为7~ 10。
[0023] 可选地，在以化学机械研磨工艺研磨所述铜层后，在进行所述第二清洗步骤前，还 包括采用去离子水对研磨后的铜层进行第三清洗。
[0024] 可选地，在进行氧化处理之前，所述清洗方法还包括：对研磨后的铜层进行第一干 燥处理。
[0025] 可选地，所述第一干燥处理包括：采用异丙酮对第一清洗前的铜层进行干燥处理。
[0026] 可选地，在所述第一清洗的步骤后，所述半导体器件的清洗方法还包括对所述铜 层进行第二干燥处理。
[0027] 可选地，所述第二干燥处理包括：采用异丙酮对第一清洗后的铜层进行第二干燥 处理。
[0028] 与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
[0029] 在对铜层进行化学机械研磨后，对研磨后的铜层进行氧化处理；之后再采用酸性 清洗剂或是采用碱性清洗剂，对氧化后的铜层进行第一清洗。在对研磨后的铜层进行氧化 处理后，使CMP工艺中形成的研磨副产物与氧气反应形成氧化物，从而促进被氧化的研磨 副产物与清洗剂反应，进而提高研磨副产物的去除效率；
[0030] 此外，在所述氧化处理步骤中，铜层表面同样被氧化，在所述铜层形成氧化铜层， 因而所述第一清洗步骤中，所述氧化铜层被清除，致使附着于所述氧化层上的研磨副产物 由所述半导体晶圆上剥落，进而提高研磨副产物的清除效率。
【附图说明】
[0031] 图1至图6为本发明半导体器件的清洗方法一实施例的示意图；
[0032] 图7为采用现有的清洗方法和采用本发明一实施例对半导体晶圆分别进行清洗 后，两块半导体晶圆内的成分的比对图；
[0033] 图8为采用现有的清洗方法和采用本发明一实施例对半导体晶圆分别进行清洗 后，在两块半导体晶圆铜层表面形成氮化硅层后，铜层与氮化硅层的结合力对比图。
【具体实施方式】
[0034] 如【背景技术】中所述，在CMP研磨工艺后，会在铜表面残留研磨副产物，但采用现有 的清洗工艺难以去除这些研磨副产物，从而影响后续研磨后铜层的洁净度，进而影响后续 形成的诸如铜互连结构的性能。
[0035] 为此，本发明提供了一种半导体器件的清洗方法，包括：
[0036] 提供半导体晶圆，在半导体晶圆上形成铜层；在以CMP工艺研磨所述铜层后，对研 磨后的铜层表面进行氧化处理；再对氧化处理后的铜层进行第一清洗，所述第一清洗为采 用酸性清洗剂的清洗或是采用碱性清洗剂的清洗。
[0037] 本发明提高的技术方案中，对以CMP工艺研磨后的铜层进行氧化处理，使研磨后 的铜层表面以及CMP工艺中形成的研磨副产物与氧气反应形成氧化物，从而促使被氧化的 研磨副产物与清洗剂反应，以提高研磨副产物的去除效率。
[0038] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图，以对本发 明的具体实施例作详细的说明。
[0039] 图1~图6为提供的半导体器件的清洗方法的一实施例的结构示意图。
[0040] 本实施例半导体器件的清洗方法具体包括：
[0041 ] 参考图1所不，提供半导体晶圆。
[0042] 本实施例中，所述半导体晶圆包括半导体衬底10,和位于所述半导体衬底10上的 介质层20。
[0043] 所述半导体衬底10为娃衬底。但在其他实施例中，所述半导体衬底10还可为锗、 锗硅、砷化镓衬底或绝缘体上硅衬底，常见的半导体衬底均可作为本实施例中的半导体衬 底；此外，在所述半导体衬底10内还形成有晶体管结构、浅沟槽隔离结构，以及和金属互连 结构等半导体元器件。本发明对所述半导体衬底的材料和结构并不做限定。
[0044] 本实施例中，所述介质层20的材料为氧化硅，形成方法为化学气相沉积 (Chemical Vapor Deposition，简称CVD)，但本领域中适用于介质层的材料均可用作本实 施中的所述介质层20,本发明对所述介质层20的材料和形成方法并不做限定。
[0045] 继续参考图1，本实施例中，在介质层20内形成开口 21，所述开口 21用于填充金 属导电材料，以形成金属互连结构。
[0046] 所述开口 21可通过干法刻蚀所述介质层20形成，该开口 21的形成方法为本领域 的成熟技术，在此不再赘述。
[0047] 结合参考图2,在所述半导体晶圆上形成铜层30。
[0048] 本实施例中，在所述介质层20上形成铜层30,所述铜层30填充所述开口 21，且覆 盖所述介质层20的表面。所述铜层30用于形成金属互连结构。
[0049] 再参考图3,采用化学机械研磨（Chemical Mechanical Polish，简称CMP)去除部 分厚度的铜层，使所述开口 21内的铜层31表面与介质层20的表面齐平。
[0050] 在CMP过程中，喷涂在所述铜层30表面的研磨浆料与铜层30反应，同时CMP设备 研磨头抵住所述铜层30,并施加研磨力，从而加快铜表面的研磨速率。
[0051] 继续参考图3,在所述CMP工艺后，在研磨后的铜层31以及介质层20的表面会形 成研磨副产物40,所述研磨副产物40会影响后续形成的半导体器件性能。
[0052] 为此，对所述半导体晶圆进行清洗工艺以去除所述研磨副产物。
[0053] 本实施例中，所述清洗工艺包括：
[0054] 先采用去离子水，对经CMP工艺后的介质层20和铜层31进行第三清洗，以去除所 述铜层31和介质层20上的研磨副产物。
[0055] 在所述第三清洗步骤中，一些与所述铜层31和介质层20结合力较弱的研磨副产 物在水流作用下被去除，但在所述铜层31和介质层20表面仍残留一些与所述铜层31和介 质层20结合力较强的残留。
[0056] 可选地，在所述第三清洗步骤后，采用酸性清洗剂或是碱性清洗剂，对所述铜层31 和介质层20进行第二清洗。
[0057] 本实施例中，所述第二清洗步骤包括，采用酸性清洗剂对所述半导体晶圆进行清 洗。
[0058] 在所述第二清洗步骤中，残留的研磨副产物被溶解在所述酸性清洗剂中，从而提 高对铜层31和介质层20的清洗力度。
[0059] 在所述第二清洗中，若酸性清洗剂的酸性过弱，降低所述研磨副产物去除效率；若 酸性清洗剂的酸性过强，会造成铜层被过度腐蚀，从而影响后续形成的半导体器件性能。
[0060] 本实施例中，所述酸性清洗剂的PH值为4~6之间。
[0061] 在本发明的另一实施例中，可采用碱性清洗剂对所述半导体晶圆进行第二清洗。 可选地，所述碱性清洗剂的PH值为7~10之间。
[0062] 再参考图4,在第二清洗步骤后，仍然有部分研磨副产物41无法充分溶解于清洗 剂中，而残留在所述铜层31和介质层20表面。如在CMP的研磨浆料中作为腐蚀抑制剂的 苯并三氮唑（Benzotrizzole，简称BTA)，其与铜反应产生的副产物较为难以清洗，因而残 留在半导体晶圆表面。
[0063] 为此，结合参考图4和图5,本实施例中，在经所述第二清洗步骤后，对所述铜层31 的表面进行氧化处理；之后再进行第一清洗工艺，采用酸性清洗剂清洗或是采用碱性清洗 剂对经氧处理后的铜层31进行清洗。
[0064] 在所述氧化处理步骤中，残留在所述铜层31表面的研磨副产物41与氧气反应形 成氧化后的研磨副产物42,氧化后的研磨副产物42更易于与酸性清洗剂清洗或是采用碱 性清洗剂反应，从而提高研磨副产物的去除效率。
[0065] 此外，在所述氧化处理步骤中，所述铜层31表面同样被氧化，在所述铜层31形成 一层氧化铜层32。在所述第一清洗步骤中，所述氧化铜层32被清除，致使附着于所述氧化 层32上的研磨副产物42由所述半导体晶圆上剥落。
[0066] 本实施例中，对经第二清洗步骤后的铜层31进行氧化处理的步骤包括：将经第二 清洗后的铜层31置于空气中，使铜层31以及铜层31表面的研磨副产物41被氧化，形成氧 化后的研磨副产物42。
[0067] 若所述半导体晶圆置于空气中时间过短，不利于所述铜层31表面和附着于所述 铜层31表面的研磨副产物41被氧化，从而降低后续采用第一清洗工艺去除所述研磨副产 物41的效果；若所述半导体晶圆置于空气中时间过长，致使铜层31被过度氧化，从而降低 所述铜层31表面形成的氧化铜32的去除效率，同时造成铜层过度损耗，此外，若半导体晶 圆置于空气中时间过长，在第二清洗后，残留的部分清洗液与空气中的水等成分反应，也对 铜层31产生腐蚀，进而影响后续形成的半导体器件的性能。
[0068] 本实施例中，控制所述铜层持续置于空气中的时间为1~30分钟，进一步可选地， 铜层持续置于空气中的时间为3分钟左右。
[0069] 进一步可选地，在所述氧化处理过程中，所述铜层31表面形成的氧化铜层32的厚 度为0.卜20/\。
[0070] 采用将经第二清洗后的半导体晶圆置于空气中氧化的方式，即可提高铜层31被 氧化的可控性，又可降低工艺成本。但除本实施例外的其他实施例中，还可向放置经第二清 洗后的半导体晶圆的反应腔内通入氧气等方式，以完成所述研磨后的铜层表面进行氧化处 理的步骤。上述改变均在本发明的保护范围内。
[0071] 接着参考图6,在对所述半导体晶圆进行氧化处理后，对所述半导体晶圆进行一次 清洗。所述第一清洗为采用酸性清洗剂的清洗或是采用碱性清洗剂的清洗。
[0072] 结合参考图4、图5和图6,残留在所述铜层31表面的研磨副产物41与氧气反应 形成氧化后的研磨副产物42,且在所述铜层31形成一层氧化铜层32。在所述第一清洗过 程中，氧化后的研磨副产物42更易与酸性（或碱性）清洗剂反应，从而提高CMP工艺后的 研磨副产物去除效率；而且所述氧化铜层32与清洗剂反应后被去除，致使附着于所述氧化 层32上的研磨副产物由所述半导体晶圆上剥落，以进一步提高研磨副产物去除效率。
[0073] 在所述一次清洗过程中，采用的清洗剂酸性或是碱性过强，会造成铜层过度腐蚀， 若采用的清洗剂酸性或是碱性过弱，降低所述半导体晶圆上的研磨副产物去除效率。
[0074] 可选地，若第一清洗为采用酸性清洗剂的清洗，所述酸性清洗剂的PH值为3~5 ; 若所述第一清洗为采用碱性清洗剂的清洗，所述碱性清洗剂的PH值为7~10。
[0075] 本实施例中，采用酸性清洗剂对所述半导体晶圆进行一次清洗，进一步可选地，所 述酸性清洗剂的PH值为5左右。
[0076] 采用上述PH值浓度的酸性清洗剂，可有效去除所述氧化铜层32和氧化后的研磨 副产物42 (参考图5)，从而提高所述研磨副产物的去除效率，同时降低清洗剂对于半导体 晶圆其余部分的损伤。
[0077] 可选方案中，基于经第二清洗后的铜层31表面残留有水，不利于铜层被氧化。为 此，在对所述铜层进行氧化处理前，本实施例半导体器件的清洗方法还包括，先对经第二清 洗后的半导体晶圆进行一次干燥处理，以去除所述铜层31表面的水，提高后续氧化处理工 艺中，铜层31被氧化的速率和效果。
[0078] 本实施例中，对所述半导体晶圆进行一次干燥处理的步骤包括：
[0079] 采用异丙酮作为干燥剂，对经第二清洗后的半导体晶圆进行干燥处理。采用异丙 酮作为干燥剂对半导体晶圆进行干燥处理，可起到对铜层31以及介质层20表面进行清洗 的功效，且可减小干燥处理对于铜层31和介质层20损伤。
[0080] 当然，除采用异丙酮作为干燥剂进行干燥处理的方法外，还可通过其他方式进行 所述半导体晶圆的干燥处理，本发明对所述半导体晶圆进行第一干燥处理的方法不做限 定。
[0081] 可选方案中，在完成所述一次清洗步骤后，再次对所述半导体晶圆进行第二干燥 处理，以去除一次清洗步骤中，残留在半导体晶圆表面的水分。
[0082] 所述第二干燥处理可采用异丙酮作为干燥剂，对经第一清洗后的半导体晶圆进行 干燥处理。
[0083] 下面通过具有实验，以本实施例提供的半导体器件的清洗方法的优势。
[0084] 实验一
[0085] 将采用上述实施例半导体器件的清洗方法清洗后的半导体晶圆进行X光电子能 谱仪测试（XPS测试），以分析铜层构成；
[0086] 并提供一块与上述实施例相同工艺形成的铜CMP研磨后的半导体晶圆作为对比 例，并以现有清洗工艺，采用酸性清洗对所述半导体晶圆进行数次进行清洗，并对清洗后的 半导体晶圆进行X光电子能谱仪测试（XPS测试），以分析铜层构成。
[0087] 图7为将实施例的半导体晶圆铜层的XPS测试结果和对比例的半导体晶圆铜层的 XPS测试结果的比对柱状图。其中，A代表铜元素含量、B代表氧元素含量，C代表如碳等其 余杂质含量。
[0088] 柱体100为对比例中铜层的XPS测试数据，柱体200为实施例中铜层的XPS测试 数据。
[0089] 对比柱体100和柱体200,发现，对比例中杂质C成分含量为9. 8%，而实施例中的 杂质C成分含量为7. 4%。
[0090] 因而相比与传统的清洗工艺，本实施例提供的半导体器件的清洗方法可有效降低 半导体晶圆内铜层上杂质含量，即本实施例提供的半导体器件的清洗方法有效提高了半导 体器件的清洗效果。
[0091] 实验二
[0092] 采用相同的工艺，在上述对比例和实施例两块半导体晶圆的铜层上形成掺氮的碳 化物层（Nitrogen Doped Carbide，简称NDC)，在两块半导体晶圆的铜层上各选4各测试 点，分析掺氮的碳化物层与铜层的粘合强度。
[0093] 图8为两块半导体晶圆上的铜层各测试点与掺氮的碳化物的结合力的平均数值。
[0094] 其中，柱体300为对比例中铜层与掺氮的碳化物的结合力，柱体400为实施例中铜 层与掺氮的碳化物的结合力。
[0095] 对比柱体300和柱体400,发现，对比例各点与掺氮的碳化物的粘附例平均值为 8. 1焦耳每平方厘米（焦耳/厘米2)，实施例中各点与掺氮的碳化物的粘附例平均值为9焦 耳每平方厘米。
[0096] 分析原因，实施例中铜层表面的杂质少于对比例铜层表面杂质，因而有效提高铜 层与掺氮的碳化物的结合力。
[0097] 本发明提供的半导体器件的清洗方法中，在对铜层进行CMP研磨后，对研磨后的 铜层进行氧化处理；之后再采用酸性清洗剂清洗或是采用碱性清洗剂清洗，对氧化后的铜 层进行第一清洗。
[0098] 在对研磨后的铜层进行氧化处理后，使CMP工艺中形成的研磨副产物与氧气反应 形成氧化物，从而促使被氧化的研磨副产物与清洗剂反应，以提高研磨副产物的去除效率； 此外，在所述氧化处理步骤中，铜层表面同样被氧化，在所述铜层形成氧化铜层在所述第一 清洗步骤中，所述氧化铜层被清除，致使附着于所述氧化层上的研磨副产物由所述半导体 晶圆上剥落，提高研磨副产物的去除效率，提高研磨后形成铜层的性能，如降低后续形成的 铜互连结构的电阻，以及提高铜层与其他结构结合强度，进而提高后续形成的半导体器件 的性能。
[0099] 虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本 发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所 限定的范围为准。
【主权项】
1. 一种半导体器件的清洗方法，其特征在于，包括： 提供半导体晶圆； 在所述半导体晶圆上形成铜层； 以化学机械研磨工艺研磨所述铜层； 对研磨后的铜层表面进行氧化处理； 对氧化处理后的铜层进行第一清洗，所述第一清洗为采用酸性清洗剂的清洗或是采用 碱性清洗剂的清洗。2. 如权利要求1所述的半导体器件的清洗方法，其特征在于，对研磨后的铜层表面进 行氧化处理的步骤包括：将研磨后的铜层置于空气中氧化。3. 如权利要求2所述的半导体器件的清洗方法，其特征在于，将研磨后的铜层置于空 气中氧化的步骤中，将所述铜层置于空气中1~30分钟。4. 如权利要求1所述的半导体器件的清洗方法，其特征在于，所述第一清洗为采用酸 性清洗剂的清洗，所述酸性清洗剂的PH值为3~5。5. 如权利要求1所述的半导体器件的清洗方法，其特征在于，所述第一清洗为采用碱 性清洗剂的清洗，所述碱性清洗剂的PH值为7~10。6. 如权利要求1所述的半导体器件的清洗方法，其特征在于，在以化学机械研磨工艺 研磨所述铜层后，进行所述氧化处理前，所述清洗方法还包括：对研磨后的铜层进行第二清 洗。7. 如权利要求6所述的半导体器件的清洗方法，其特征在于，所述第二清洗为采用酸 性清洗剂的清洗，所述酸性清洗剂的PH值为4~6。8. 如权利要求6所述的半导体器件的清洗方法，其特征在于，所述第二清洗为采用碱 性清洗剂的清洗，所述碱性清洗剂的PH值为7~10。9. 如权利要求6所述的半导体器件的清洗方法，其特征在于，在以化学机械研磨工艺 研磨所述铜层后，在进行所述第二清洗步骤前，还包括采用去离子水对研磨后的铜层进行 第三清洗。10. 如权利要求1所述的半导体器件的清洗方法，其特征在于，在进行氧化处理之前， 所述清洗方法还包括：对研磨后的铜层进行第一干燥处理。11. 如权利要求10所述的半导体器件的清洗方法，其特征在于，所述第一干燥处理包 括：采用异丙酮对第一清洗前的铜层进行干燥处理。12. 如权利要求1所述的半导体器件的清洗方法，其特征在于，在所述第一清洗的步骤 后，所述半导体器件的清洗方法还包括对所述铜层进行第二干燥处理。13. 如权利要求12所述的半导体器件的清洗方法，其特征在于，所述第二干燥处理包 括：采用异丙酮对第一清洗后的铜层进行第二干燥处理。
【文档编号】H01L21/768GK105990219SQ201510051612
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年1月30日
【发明人】胡平
【申请人】中芯国际集成电路制造(上海)有限公司