專利名稱：晶片處理裝置及在單一裝置中處理半導(dǎo)體晶片的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體的制造。尤其涉及一種移除金屬或其他薄膜的裝 置和研磨方法。
背景技術(shù)：
在快速進(jìn)步的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，傳統(tǒng)用研磨來移除半導(dǎo)體基材上表面的金屬 或其他導(dǎo)電薄膜為已公知的。雖然在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)上有各種其他研磨方法，但
化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)為較受歡迎的操作方法。CMP常見用于鑲嵌工藝的操作 上，包含在一介電或其他表面上形成一金屬或其他的導(dǎo)電材料，且填滿表面 上像是通孔(vias)和溝渠(trenches)等開口。 CMP由表面上移除此金屬或其他 導(dǎo)電材料，留下填滿這些開口的金屬或其他導(dǎo)電材料來形成導(dǎo)電內(nèi)連線結(jié)構(gòu) (interconnect structures),像是插塞、通孑L和導(dǎo)電端子(conductive leads),這些 內(nèi)連線結(jié)構(gòu)的頂部與介電表面共平面。
先進(jìn)技術(shù)像是使用晶片堆疊的3D-IC和硅穿孑L(through-Si-via， TSV)技 術(shù)需要窄、深的通孔或其他高深寬比的開口。因此，現(xiàn)在需使用更厚的導(dǎo)電 薄膜來確保這些導(dǎo)電材料能完全填滿這些窄且深的通孔或其他高深寬比的 開口。傳統(tǒng)化學(xué)機(jī)械研磨的缺點(diǎn)之一在于移除速率相對緩慢，速率大約為每 分鐘小于0.4或0.5微米。因此，當(dāng)先進(jìn)技術(shù)為了填滿這些更窄、更深或其 他高深寬比的開口而加厚金屬或其他導(dǎo)電材料薄膜的厚度時，增加了從半導(dǎo) 體基材表面上移除金屬或其他導(dǎo)電薄膜的時間且抑制了產(chǎn)能。另一個缺點(diǎn)為 傳統(tǒng)CMP的研磨漿花費(fèi)相當(dāng)高昂，此缺點(diǎn)將會在移除越來越厚的薄膜所需 的冗長操作中被放大。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供一種裝置與具成本效益的工藝，以從半導(dǎo)體晶片 表面上更快速地移除一基體(bulk)金屬或其他導(dǎo)電薄膜，且能得到如同化學(xué)機(jī)械研磨一般高品質(zhì)的研磨表面。
本發(fā)明的目的之一就是提供一種晶片處理裝置。此裝置包含一第一處理 室，包含下列至少其一(a)—濕式蝕刻裝置及(b)—機(jī)械研磨裝置，包含一 機(jī)械蝕刻裝置，借由一半導(dǎo)體晶片和一切割構(gòu)件之間的相對運(yùn)動來移除該半 導(dǎo)體晶片上的材料。此晶片處理裝置也包含一第二處理室包含一化學(xué)機(jī)械研 磨(CMP)裝置和一晶片輸送裝置，從此晶片處理裝置的第一處理室輸送半導(dǎo) 體基材至此晶片處理裝置的第二處理室。
本發(fā)明的另一目的是提供一種晶片處理裝置，包含 一第一處理室，包 含一濕式蝕刻裝置； 一第二處理室，包含一機(jī)械蝕刻裝置，該機(jī)械蝕刻裝置
借由一半導(dǎo)體晶片和一切割構(gòu)件之間的相對運(yùn)動來移除該半導(dǎo)體晶片上的
材料； 一第三處理室，包含一化學(xué)機(jī)械研磨裝置；及一晶片輸送裝置，用來 輸送該半導(dǎo)體晶片，從該第一處理室到第三處理室及從該第二處理室到第三 處理室，其中該第一、第二和第三處理室及該晶片輸送裝置皆配置在晶片處 理裝置的一共同外殼內(nèi)。
本發(fā)明的另一目的為提供一種在單一處理裝置處理中半導(dǎo)體晶片的方 法，此方法包含在半導(dǎo)體晶片表面上形成一基體金屬層；在此裝置的一第 一處理室中使用濕式化學(xué)蝕刻或機(jī)械切割來移除此基體(bulk)金屬層的上層
部分，接著以研磨方法移除此基體金屬層剩下的部分且暴露此表面。 此研磨包含化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)。


圖1為一本發(fā)明一實(shí)施例的示范裝置示意圖。 圖2為一本發(fā)明另一實(shí)施例的示范裝置示意圖。 .圖3A 圖3C為一系列剖面圖，用以顯示本發(fā)明一實(shí)施例的工藝 并且，上述附圖中的附圖標(biāo)記說明如下
2 晶片處理裝置；4 共同外殼；6 第一處理室；8 晶片輸送裝置； 10 CMP裝置；12 后處理清洗站；14 晶片載入/載出裝置；16~濕式化學(xué) 蝕刻裝置；18 機(jī)械切割裝置30 基材；32 基材上的薄膜；34~開口； 36~ 開口的寬度；38 開口的高度；40~頂表面；42 導(dǎo)電薄膜；44~導(dǎo)電薄膜 的厚度；46 移除的導(dǎo)電薄膜的厚度；48 第一次表面處理的終止處；50~
5第一次表面處理后的剩余導(dǎo)電薄膜；52 第一次表面處理后剩余導(dǎo)電薄膜的 厚度；56 填滿的開口的頂表面。
具體實(shí)施例方式
鑲嵌工藝已普遍用于半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)，該工藝包含形成一介電層，然后 在此介電層表面形成開口或孔洞。這些開口或孔洞(在此以后稱為開口)從介 電層的上部表面延伸向下。這些開口可能為插塞開口、通孔、溝渠或其他溝 槽(grooves)，然后填滿一導(dǎo)電材料， 一般為鋁或銅等金屬。各種沉積方法皆
可用于在介電層的表面上形成一導(dǎo)電金屬膜且填滿這些開口。然后通常利用 化學(xué)機(jī)械研磨方式來從表面上移除此基體(bulk)導(dǎo)電膜并使之平坦化，剩下 這些填滿開口的導(dǎo)電材料。在這些開口中的導(dǎo)電材料形成導(dǎo)電結(jié)構(gòu)例如插 塞、通孔或內(nèi)連線。
當(dāng)科技進(jìn)步時，這些在介電層中形成的通孔和其他開口變得更窄、更深 且增高了深寬比例。為了完全填滿像這樣深的通孔或其他高深寬比的開口 ， 各種沉積方式像是化學(xué)沉積(ECP， electrochemical plating)可用于在此介電表 面上和開口中形成像是金屬等導(dǎo)電材料，但這些沉積過程中，需要在此介電 表面上形成更厚的基體膜來確保這些通孔或其他開口能完全填滿。典型的 CMP移除基體金屬膜(例如銅)的速率相對較慢，大約為0.4 um/min。當(dāng)薄膜 的厚度不停地為了適應(yīng)這些更深且深寬比更高的開口而增加時，用CMP來 完全移除一完整的基體金屬層且最后研磨此薄膜來生成鑲嵌內(nèi)連線結(jié)構(gòu)，是 一項(xiàng)耗時的工藝而限制了產(chǎn)能。
本發(fā)明提供一多重步驟處理操作來從表面上移除一基體材料或其他導(dǎo) 電或半導(dǎo)體膜，且可在一單一、多腔處理裝置完成。此多重步驟處理操作包 括移除基體膜的第一步驟，接著用CMP來研磨和平坦化此表面來形成像是 插塞和內(nèi)連線等位于介電層開口中的鑲嵌結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明一實(shí)施例的晶片處理裝置如圖1所示。在共同外殼4內(nèi)有第一處 理室6、晶片輸送裝置8、 CMP裝置10和選擇性的(optional)后處理清洗站 12。在此實(shí)施例中，載入/載出站4舉例為在共同外殼4的外面，但在其他實(shí) 施例中也可將其配置在共同外殼4之內(nèi)。第一處理室6可為一濕式化學(xué)蝕刻 裝置或?yàn)橐粰C(jī)械切割裝置。晶片輸送裝置8可為任何合適的晶片輸送裝置，
6像是各種能輸送晶片的機(jī)器設(shè)備，能將一個或多個晶片從載入/載出站14、 第一處理室、CMP裝置10、選擇性的后處理清洗站12輸送至外或送入其中。 根據(jù)一示范例的處理程序(sequence)，一個或多個晶片裝載在載入/載出站14， 且晶片輸送裝置8 —開始遞送此一個或多個晶片至第一處理室6。接著在第 一處理室6處理完畢后，晶片輸送裝置8輸送此一個或多個晶片至CMP裝 置10。經(jīng)過CMP裝置10的處理后，晶片輸送裝置8輸送此一個或多個晶片 至選擇性的后處理清洗站12，然后再到載入/載出站14。 CMP裝置10可為 任何已知且合適的商業(yè)上可得的CMP裝置。后處理清洗站12可為任何己知 且合適的站來清洗這些經(jīng)過了化學(xué)機(jī)械研磨之后的晶片。
另一個實(shí)施例的晶片處理裝置22如圖2所示。晶片處理裝置22包含共 同外殼4，在其內(nèi)有第一處理室6、晶片輸送裝置8、 CMP裝置IO、選擇性 的后處理清洗站12及濕式化學(xué)蝕刻裝置16和機(jī)械切割裝置18。
根據(jù)圖2中示意的此晶片處理裝置22，晶片輸送裝置8能將一個或多 個晶片從濕式化學(xué)蝕刻裝置16和機(jī)械切割裝置18進(jìn)行輸送至外或送入其 中。例如， 一個示范例處理程序可為在濕式化學(xué)蝕刻裝置16做第一處理， 接著在CMP裝置10中作處理；另一個示范處理可為在濕式化學(xué)蝕刻裝置16 和機(jī)械切割裝置18其中之一做第一處理，接著在濕式化學(xué)蝕刻裝置16和機(jī) 械切割裝置18另一個做處理，再到CMP裝置10中做處理。
濕式化學(xué)蝕刻裝置16可為任何合適和已知的濕式化學(xué)蝕刻裝置，像是 一停滯(stagnant)、串聯(lián)(cascading)浴或一包含固定晶片在其上的夾盤裝置， 并包含一個或多個噴嘴，將濕式化學(xué)蝕刻溶液導(dǎo)向固定在夾盤上的晶片表 面。根據(jù)各種示范實(shí)施例，此夾盤可提供此晶片轉(zhuǎn)動，并可用各種常見方法 像是激光干涉量度法(laser interferometry)來檢測薄膜已移除的厚度，及在當(dāng) 一想要的厚度已移除時，提供反饋信息到控制器來終止操作。在一實(shí)施例中， 濕式化學(xué)蝕刻裝置16可用于從基材上移除一銅膜，且此濕式化學(xué)溶液的比
例可為去離子水(DI): H3P04: H2O2=20: 1: 1，但在其他示范例中，可使用
其他濕式化學(xué)蝕刻溶液來蝕刻銅，或可用各種合適的化學(xué)蝕刻溶液移除其他 導(dǎo)電薄膜，像是鋁或其他半導(dǎo)體膜。
機(jī)械研磨站18可使用各種用常見磨擦或切割方法來從一基材表面上移 除薄膜。當(dāng)移除已需要的薄膜厚度時，機(jī)械研磨站18可用各種常見技術(shù)來終止移除的操作。在一個實(shí)施例中，機(jī)械研磨站18可包含一鉆石磨料來進(jìn) 行平面切割，及根據(jù)另一個實(shí)施例，各種鋸齒和刀片可借由切割構(gòu)件和固定 晶片的夾盤之間的運(yùn)動產(chǎn)生的機(jī)械力來從一基材的表面上移除薄膜。
濕式化學(xué)蝕刻裝置16和機(jī)械研磨站18各自可擁有其特定構(gòu)件，適于從 下方表面，像是一介電或其他材料的表面上移除一導(dǎo)電金屬，例如鋁、銅或 合金或各種半導(dǎo)體材料像是多晶硅。例如，在機(jī)械研磨站18中的切割工具 或表面和轉(zhuǎn)動速度取決于所欲移除的材料，而在濕式蝕刻裝置16中也可依 所要去除的材料來決定選用的化學(xué)溶液、溫度和其他的參數(shù)。
圖3A為薄膜32形成在基材30上的剖面示意圖?；?0可為任何常見 的可用材料，例如在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)使用的晶片。根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施例，薄膜32 可為一介電材料。薄膜32包含那些從頂表面40延伸向下的開口 34。這些在 薄膜32中形成的開口 34可為通孔、溝渠或其他溝槽(grooves)。使用高度或 深度38及寬度36來定義這些開口 34。高度或深度38對寬度36即為深寬比。 根據(jù)各種實(shí)施例，這些開口 34可有約80微米的深度、約5-10微米的寬度和 約為10: 1的深寬比。各種已公知的方法像是干蝕刻或激光鉆孔(laser drilling) 可用于形成具有相當(dāng)深度的開口 34。導(dǎo)電薄膜42形成在頂表面上40，及用 各種沉積方法包括但不限于化學(xué)沉積(ECP， electrochemical plating)來填滿這 些開口34。根據(jù)一個實(shí)施例，導(dǎo)電薄膜42可為銅；而根據(jù)其他實(shí)施例，導(dǎo) 電薄膜可為鋁；在另外的實(shí)施例中，各種其他合金和導(dǎo)電或半導(dǎo)體材料可用 來做為導(dǎo)電薄膜42。雖然圖中未顯示，至少一個阻擋層或其他薄膜像是鉭(和 /或)氮化鉭可用于在導(dǎo)電薄膜42形成之前先在開口 42形成內(nèi)襯(lining)。導(dǎo) 電薄膜42包含一厚度44在頂表面40上的薄膜32，厚度范圍為1-10微米， 厚度44的大小至少由這些需要填滿的開口 34的深度、寬度和深寬比來決定。 對于更深而高深寬比的開口 34可沿著此方式達(dá)到8-10微米或是更多。
雖然這些開口 34舉例為終止在薄膜32中，應(yīng)該要知道的是在其他實(shí)施 例中，這些開口 34可以延伸穿越薄膜32且延伸至下層，在此外其他的實(shí)施 例中，這些開口 34可以直接在一基材材料中形成。
對圖3A中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行第一次移除處理，例如可用圖2中的濕式化學(xué)蝕 刻裝置16作濕式化學(xué)蝕刻或用圖2中的機(jī)械研磨站18作機(jī)械切割來完成。 或者說，此第一次移除處理用來移除部分46的原始厚度44的部分可在第一處理室中完成。此第一次的移除處理在表面48停止而產(chǎn)生包含厚度52的剩 余部分50導(dǎo)電薄膜42。根據(jù)各種示范實(shí)施例，原始厚度44的范圍為1-10 微米之間，而移除的厚度46范圍在l-10微米之間。移除的厚度46可約為原 始厚度44的10-90%。根據(jù)一個實(shí)施例，原始厚度44可約為9微米，且移 除的厚度46約為7微米，因此剩余部份的厚度50約為2微米。但在其他實(shí) 施例中，在第一處理室中可移除不同比例的厚度。
在第一處理室的移除速率優(yōu)選高于圖1或圖2中的CMP裝置10。在一 個實(shí)施例中，在第一處理室的移除速率約為之后CMP操作的2-10倍。在一 導(dǎo)電薄膜為銅的示范實(shí)施例中，鉆石磨料平坦化切割操作可用于機(jī)械研磨站 18來提供一約為2 um/min到4 um/min的移除速率。在一導(dǎo)電薄膜42為銅 的示范實(shí)施例中，使用濕式化學(xué)蝕刻裝置16組成為去離子水(DI)/H3P(VH202 比例為20: 1: l的化學(xué)溶液，以提供約為1-3 um/min的移除速率，而在其 他實(shí)施例中則會有不同的移除速率。
在圖3B所示的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行一化學(xué)機(jī)械研磨操作以產(chǎn)生圖3C的結(jié)構(gòu)，而 在頂表面40形成的導(dǎo)電薄膜42皆用CMP移除。在一導(dǎo)電薄膜42為銅的實(shí) 施例中，此CMP操作的移除速率約為0.4um/min。此CMP操作在這些開口 34中產(chǎn)生導(dǎo)電內(nèi)連線結(jié)構(gòu)，其各自的頂表面56大抵與一介電材料的薄膜32 的頂部表面40共平面。
在這些示范實(shí)施例的描述中，相對的詞例如"下層"、"上層"、"水平的"、 "垂直的"、"在...之上"、"在...之下"、"上"、"下"、"頂部"和"底部"及一些衍 生詞匯(例如"水平地"、"下降地"、上升地"等)對應(yīng)視為配合在圖中所示的方 位。這些相對的詞僅為便于描述本發(fā)明，不應(yīng)視為需在一特定的方位中建構(gòu) 或操作這些裝置。關(guān)于連接、耦合及相似的詞匯，像是"連接的"和"內(nèi)連線"， 意指一結(jié)構(gòu)直接或間接牢靠或附著于另一結(jié)構(gòu)，也可為移動的或固定的附 著，除非有其他更明確的描述。
雖然本發(fā)明已以數(shù)個優(yōu)選實(shí)施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明， 任何本領(lǐng)域普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作任意的 更動與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視所附的權(quán)利要求所界定的范圍為 準(zhǔn)。
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權(quán)利要求
1.一種晶片處理裝置，包含一第一處理室，包含下列至少其一(a)一濕式化學(xué)蝕刻裝置；及(b)一機(jī)械研磨裝置，借由一半導(dǎo)體晶片和一切割構(gòu)件之間的相對運(yùn)動來移除該半導(dǎo)體晶片上的材料；一第二處理室，包含一化學(xué)機(jī)械研磨裝置；及一晶片輸送裝置，用來輸送該半導(dǎo)體晶片，從該第一處理室到該第二處理室。
2. 如權(quán)利要求l所述的晶片處理裝置，其中該第一處理室、該第二處理室和該晶片輸送裝置皆配置在該晶片處理裝置的一共同外殼內(nèi)。
3. 如權(quán)利要求2所述的晶片處理裝置，還包含一晶片清洗裝置配置在該 外殼內(nèi)。
4. 如權(quán)利要求1所述的晶片處理裝置，其中該第一處理室包含該濕式化 學(xué)蝕刻裝置和該機(jī)械研磨裝置。 '
5. 如權(quán)利要求1所述的晶片處理裝置，其中該濕式化學(xué)蝕刻裝置包含一 旋轉(zhuǎn)夾盤和一導(dǎo)引一濕式化學(xué)蝕刻溶液流動到該旋轉(zhuǎn)夾盤的輸入線路。
6. 如權(quán)利要求1所述的晶片處理裝置，其中該第一處理室包含該機(jī)械研 磨裝置，該切割構(gòu)件包含輪子、刀片和鋸齒至少其一；且該機(jī)械研磨裝置含 有一固定該半導(dǎo)體晶片于其上的夾盤。
7. 如權(quán)利要求1所述的晶片處理裝置，其中該第一處理室能以較第二處 理室快大約2-10倍的速率來從該半導(dǎo)體晶片上移除一第一金屬。
8. —種晶片處理裝置，包含 一第一處理室，包含一濕式蝕刻裝置；一第二處理室，包含一機(jī)械蝕刻裝置，該機(jī)械蝕刻裝置借由一半導(dǎo)體晶 片和一切割構(gòu)件之間的相對運(yùn)動來移除該半導(dǎo)體晶片上的材料； 一第三處理室，包含一化學(xué)機(jī)械研磨裝置；及一晶片輸送裝置，用來輸送該半導(dǎo)體晶片，從該第一處理室到第三處理 室及從該第二處理室到第三處理室，其中該第一、第二和第三處理室及該晶片輸送裝置皆配置在晶片處理裝 置的一共同外殼內(nèi)。
9. 一種在單一裝置中處理半導(dǎo)體晶片的方法，包含提供一半導(dǎo)體晶片，其表面上形成有一基體材料層；在該裝置的一第一處理室中，用化學(xué)濕式蝕刻或機(jī)械切割來移除該半導(dǎo)體上該基體材料層的一上層部分；及之后，在該裝置的一第二處理室進(jìn)行研磨來移除該基體材料層的一剩余 部分及暴露該表面，該研磨包含化學(xué)機(jī)械械研磨。
10. 如權(quán)利要求9所述的在單一裝置中處理半導(dǎo)體晶片的方法，其中該 第一和第二處理室皆配置在一共同的外殼內(nèi)且還包含在該外殼內(nèi)部從第一 處理室輸送該半導(dǎo)體晶片到第二處理室。
11. 如權(quán)利要求9所述的在單一裝置中處理半導(dǎo)體晶片的方法，其中該 基體材料層包含金屬，且該上層部分的移除包含3-4 um/min的移除速率。
12. 如權(quán)利要求9所述的在單一裝置中處理半導(dǎo)體晶片的方法，其中該 材料包含金屬和該上層部分的移除包含該使用去離子水、HsP04和H202的濕 式蝕刻。
13. 如權(quán)利要求12所述的在單一裝置中處理半導(dǎo)體晶片的方法，其中該 去離子水、H3PO4和H2O2大約以20: 1: l的比例存在。
14. 如權(quán)利要求9所述的在單一裝置中處理半導(dǎo)體晶片的方法，其中該 基體材料層包含一厚度大約為9微米的銅層，及其中該上層部分的移除包含 移除大約6-7微米的該銅層。
15. 如權(quán)利要求9所述的在單一裝置中處理半導(dǎo)體晶片的方法，其中該 材料層包含一基體金屬層，且該上層部分的移除包含一第一移除速率，及該 研磨包含一第二移除速率，該第一移除速率較第二移除速率快了 2-10倍。
全文摘要
一種從一半導(dǎo)體晶片表面上移除一金屬或?qū)щ姳∧さ姆椒ê脱b置，其在一單一晶片裝置內(nèi)進(jìn)行兩步驟工藝。第一步驟為一濕式化學(xué)或機(jī)械移除工藝，以一高的移除速率來移除此薄膜的上層部分，接著第二步驟為較低的移除速率，其使用化學(xué)機(jī)械研磨。本發(fā)明提供一種裝置與具有合理成本的工藝，以從半導(dǎo)體晶片表面上更快速地移除一基體金屬或其他導(dǎo)電薄膜，且能得到如同化學(xué)機(jī)械研磨一般高品質(zhì)的研磨表面。
文檔編號H01L21/00GK101667526SQ20091013431
公開日2010年3月10日 申請日期2009年4月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月5日
發(fā)明者余振華, 吳文進(jìn), 楊固峰, 胡榮治, 邱文智 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司