CN101630629B - 通过控制抛光温度改进化学机械抛光 - Google Patents
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Abstract
一种用于在晶片上加工集成电路的方法，其包括提供设备供应的室温溶液；将所述设备供应的室温溶液的温度控制到期望的温度设定点，以得到清洗溶液；以及使用所述清洗溶液清洗抛光垫。接着通过化学机械抛光工艺对晶片进行抛光。
Description
技术领域
本发明整体上涉及集成电路的加工工艺，更特别地涉及进行化学机械抛光(CMP)工艺的设备和方法。
背景技术
CMP处理被广泛地用于制造集成电路。由于集成电路是通过在半导体晶片的表面上逐层建立起来的，因此，CMP被用于使得最上层或者最上几层平坦化，以提供水平的表面进行后续制造步骤。通过将晶片置于载具中进行CMP，其中所述载具将被抛光的晶片表面压到压盘上的抛光垫。旋转压盘和晶片载具，同时将含有磨料微粒和反应性化学制品的浆液施加到抛光垫。通过多孔抛光垫的旋转，将浆液传送到晶片表面。抛光垫和晶片表面之间的相对移动结合浆液中反应性化学制品的共同作用使得CMP通过物理和化学力将晶片表面变平。
在制造集成电路的过程中的许多节点都可以使用CMP。例如，CMP可以用于使得层间电介质层平坦化，其中所述层间电介质层将集成电路中的多个电路层分开。CMP通常还用于形成铜线，该铜线将集成电路的组件相互连接。
传统的CMP工艺具有多种缺点。首先，难以控制均匀性，包括晶片内部的均匀性和晶片间的均匀性。例如，当对铜互连层进行平坦化时，即使使用高级的工艺控制来调节抛光时间，铜的薄层电阻(Rs)的总变化(晶片间加上晶片内)也会高于15％。第二，传统的CMP工艺通常不能从晶片上去除所期望的量的材料，这意味着需要对晶片再加工。通常，20％以上的晶片需要再加工。第三，需要许多假片(dummy wafer)用于调节新的抛光垫，及用于调节每批次之间抛光垫(在每批次之间CMP设备被闲置)，通常每天超过20个假片。第四，由于晶片间显著的不均匀性，各抛光垫的抛光寿命会显著不同。上面所述的缺点意味着CMP工艺具有低产率和高消耗品成本(例如假片、抛光垫等)。
为了解决上述问题，已经开发了用于改进CMP处理的方法。例如，已经提出的包括控制压盘、晶片载具和浆液的温度的方法。然而，发现这些方法具有有限的效果。因此，需要得到改进效果的新方法。
发明内容
本发明的实施方式包括制备CMP工艺用抛光垫的方法，在CMP工艺中在用抛光垫抛光晶片之前，使用温度控制的清洗溶液对所述抛光垫进行清洗。分配到晶片上的清洗溶液的温度与室温不同。所述清洗溶液可以含有去离子(DI)水，或可以仅由去离子水构成。而且，在对晶片进行抛光之后，在进行下一步抛光步骤之前，可以使用不同温度的清洗溶液对该抛光垫进行清洗。本发明通过使用不同温度的清洗溶液，来调整最佳化的抛光温度。
本发明的其他实施方式包括用于制造集成电路的设备，其中所述设备包括抛光垫；清洗臂，其被设置成可以在所述抛光垫上移动；连接到所述清洗臂上的管；和连接到所述管的温度控制器。在将清洗溶液分配到所述抛光垫之前，所述温度控制器将所述清洗溶液的温度控制到期望的温度设定点。
本发明的有利特征包括提高的晶片间和晶片内部的均匀性，延长的抛光垫寿命以及减少了假片的使用。
附图说明
为了更全面地理解本发明以及其优点，请参考后面结合附图的描述，其中：
图1描述了本发明的第一实施方式，具有温度控制器的CMP系统，其中所述温度控制器采用含有热交换介质的罐；
图2描述了本发明的第二实施方式，其中CMP系统中包括具有温度控制器的CMP系统，其中所述温度控制器包括热交换管；
图3描述了本发明的第三实施方式，其中在CMP系统中包括两种温度控制器；
图4描述了一种集成电路结构，在其上可以有效地进行两个连续的CMP工艺；
图5描述了在使用室温去离子水对用于抛光晶片的抛光垫进行清洗之后，沿着多个晶片的直径所去除的TaN的量的变化；
图6描述了在使用温度控制的去离子水对用于抛光晶片的抛光垫进行清洗之后，沿着多个晶片的直径所去除的TaN的量的变化。
具体实施方式
下面详细讨论本发明优选实施方式的实施和应用。然而，需要理解的是本发明提供了许多可以实施的发明概念，可以在许多具体的情况中被实现。所讨论的具体实施方式仅仅是以具体的方式进行说明以实施和利用本发明，并不限制本发明的范围。
参考图1-3对本发明的示范性实施方式进行讨论，其中图1-3描述了用于完成本发明方法的示范性CMP系统。图1中的CMP系统包括被载具10所保持的晶片16、保持在压盘13上的抛光垫12，浆液分配喷嘴14和高压清洗臂20。载具10将待抛光的晶片16的表面压向抛光垫12。在抛光的过程中，抛光垫12和晶片16都被旋转，在某些实施方式中，晶片16还可以沿着抛光垫12的径向移动。晶片16和抛光垫12可以以相同的方向旋转，或者它们可以以相反的方向相反地旋转。高压清洗臂20被用于分配清洗溶液，例如去离子(DI)水。在清洗步骤中，高压清洗臂20可以在抛光垫12上移动，并在没有进行清洗时被移开。
高压清洗臂20通过管21与温度控制器22连接。在本发明的一个实施方式中，温度控制器22用于将高压清洗臂20所分配的清洗溶液的温度确保在期望的温度。清洗溶液可以是去离子水，当然清洗溶液还可以含有少量的添加剂。因此，温度控制器22包括用于引入设备供应的溶液的入口26，该溶液通常是室温的。泵28可以与温度控制器22的入口26连接，用于控制设备供应的室温溶液的流速。
在图1的实施方式中，温度控制器22包括用于保持一定量热交换介质32的容器30。热交换介质32可以是水、油等。嵌入元件34可以是加热元件或冷却元件，嵌入元件34被浸入到热交换介质32中，并用于调节热交换介质32的温度。混合器36用于搅拌热交换介质32以得到容器30中所包含的热交换介质32中基本均一的温度。设备供应的室温溶液流经浸在热交换介质32中的热交换管40。可将热交换管40卷起以提高热交换效率。可以将各种温度传感器44浸入热交换介质32中，以探测热交换介质32的温度。温度传感器44也可以与管21连接以感应温度控制器22所输出清洗溶液的温度，其中所述输出清洗溶液的温度与设备供应的室温溶液的温度不同。可以将热绝缘材料42绕在容器30和/或管21外以减少热损失。
尽管提到的是在室温，但流进入口26内的设备供应的溶液可以具有比CMP所位于环境的室温高或低的温度，其中所述室温可以是例如在大约20℃和大约25℃之间，或者大约24℃。在流经温度控制器22之后，设备供应的室温溶液的温度被提高或降低，例如提高或降低大约2℃以上，甚至大约3℃以上。在本文中，从温度控制器22流出的设备供应的控制温度的溶液被称作清洗溶液。
为了更好地实现清洗溶液的温度控制，CMP系统还可以包括控制单元46。温度传感器44所感应到的温度可以被反馈到控制单元46，控制单元46监控所感应的温度，并将所感应到的温度与预先确定的设定点进行比较。如果所感应到的温度偏离设定点，则控制单元46控制嵌入元件34以调节温度，直到高压清洗臂20所喷射的清洗溶液的温度是期望的温度。
温度控制的清洗溶液可以用于CMP的各个步骤。可以通过图1中所示设备进行的示范性CMP处理包括多个步骤。首先，将晶片16安装在载具10上。接着通过将高压清洗臂20置于抛光垫12上，并将清洗溶液喷射到旋转的抛光垫12上以使用温度控制的清洗溶液进行高压清洗。同时，可以对载具10进行定位以便使得晶片16高出抛光垫12，从而晶片16不会被清洗。可替换的，可以将晶片16降低以接触抛光垫12，或者至少足够接近抛光垫12，以便抛光垫12和晶片16都能够被清洗。在完成高压清洗之后，可以将高压清洗臂20从抛光垫12上移开。
接着，将浆液预先在浆液分配喷嘴14和浆液分配系统(未显示)的上游管(未显示)中流动，以去除残余的浆液，并且用于稳定浆液流速。接着通过同时将载具10将晶片16压向抛光垫12，将浆液分配到抛光垫12上，并旋转晶片16和抛光垫12以对晶片16进行抛光。可以不依赖清洗溶液的温度，控制浆液、抛光垫、与晶片的温度。可选择的，压盘13的温度可以被调节，例如通过在压盘内循环液态热交换介质。
在进行前述抛光步骤之后，进行清洗抛光，其中晶片13仍与抛光垫12接触，晶片和抛光垫继续旋转。在清洗抛光过程中，再一次将高压清洗臂20置于抛光垫12之上，在此处，高压清洗臂20再一次将清洗溶液喷射到抛光垫12上。由于晶片16仍与抛光垫12接触，因此晶片16也被清洗。接着，去除浆液和主抛光所产生的物质，并清洗抛光垫12和晶片16。
在清洗抛光过程中，不使用温度被控制在高于室温或低于室温的清洗溶液，可以使用设备供应的室温溶液对抛光垫12和晶片16进行清洗，其中所述设备供应的室温溶液可以具有基本上接近定位CMP系统室温的温度，例如在大约20℃-大约25℃之间，或者大约24℃。
在清洗抛光之后，从载具10拆下晶片16，并对晶片16进行后抛光清洗步骤。接着，使用控制温度或室温的清洗溶液对抛光垫12进行清洗。接着，可以进行所有上述CMP步骤，以抛光后续的晶片。
在许多实施方式中，清洗溶液具有被控制到高于室温的温度。通常，清洗溶液的温度至少比设备供应的室温溶液的温度高大约2℃。更优选，清洗溶液具有大约26℃-大约100℃之间的温度，更优选在大约30℃-大约65℃之间。对于给定的抛光工艺，清洗溶液温度的优选选择依赖于在抛光工艺过程中需要去除的材料，晶片的特征尺寸，抛光垫的特性和浆液的成分。例如，如果对体铜层(bulk copper layer)进行抛光，则通常较优的清洗溶液的温度在大约30℃-大约40℃之间。可替换的，如果对TaN阻挡层进行抛光，则较优的清洗溶液温度在大约40℃-大约50℃之间。由于TaN阻挡层比体铜层的构图更复杂，因此TaN层构图的特征尺寸可能会影响较优的清洗溶液温度。在一个示范性的实施方式中，可以使用温度较高的清洗溶液对标称特征尺寸较小的晶片进行清洗。例如，对于标称特征尺寸为65nm的晶片，较优的清洗溶液温度可以接近40℃，而对于具有32nm或45nm较小标称特征尺寸的晶片，较优的清洗溶液温度可以接近50℃。
使用图1中所描述的实施方式，或者图2和图3中的替换实施方式可以达到清洗溶液温度的提高。有利的是，加热的清洗溶液有助于促进CMP工艺的化学反应。加热的清洗溶液还能软化抛光垫12，这导致抛光垫12和晶片16之间更好的接触。结果还改进了CMP的物理反应部分。使用本发明的实施方式，无需通过抛光假晶片也能够使抛光垫12达到要求。具体的，对于使用新抛光垫12进行第一次抛光，以及在CMP系统被闲置一段时间后的第一次抛光，均不需要先在假晶片上抛光。而且，可以对具有集成电路的实际生产的晶片进行上述第一次抛光。
在替换的实施方式中，控制清洗溶液的温度低于室温。在替换的实施方式中，清洗溶液的温度比设备供应的溶液温度低大约2℃或更多的温度。更优选地，清洗溶液具有在大约1℃-大约22℃之间的温度，更优选在大约17℃-大约22℃之间。使用图1-3中所描述采用冷却器(一个或多个)的实施方式，可降低清洗溶液的温度。实验显示清洗溶液温度的降低会导致抛光垫12的整体温度的降低。温度的降低会改善抛光某些构形的均一性，特别是对于抛光体铜层，其中可以提高晶片中心-边缘的均一性。
图2描述了替换的CMP系统，其使用热交换管50加热或冷却设备供应的室温溶液。在图1和图2中，相同的参数用于表示相同的元件。热交换管50加热或冷却设备供应的室温溶液，因此所得到的清洗溶液的温度可以比流入入口26的设备供应的室温溶液的温度高或低。另外，控制单元46被用于将从高压清洗臂20分配的清洗溶液的温度维持在所期望的范围内。
图3中所示实施方式包括具有两个温度控制器的CMP系统。图3中系统的一个温度控制器被配置为对设备供应的室温溶液进行加热，另一个温度控制器被配置为对设备供应的室温溶液进行冷却。在另一个实施方式中，两个温度控制器都可以输出相互温度不同的被加热的清洗溶液。在另一个实施方式中，两个温度控制器都可以输出相互温度不同的被冷却的清洗溶液。在图3中，CMP系统包括两个温度控制器221和222，两个高压清洗臂201和202。因此，在单个CMP系统中均可以提供被加热的清洗溶液和被冷却的清洗溶液，如在后面段落中所详细讨论的，其可以用于抛光单个晶片上的不同构形或不同的晶片。
可采用图3中所示CMP系统达到CMP工艺组合的较优效果。图4描述了在其上进行两次CMP工艺的镶嵌结构。该镶嵌结构包括低k值的电介质层60、(扩散)阻挡层62以及体铜层64。扩散阻挡层62可以由钛、钽、氮化钽等形成。进行第一次CMP工艺，用于去除体铜层64，直到暴露出扩散阻挡层62。第一次CMP工艺可以在虚线66处停止。接着，进行第二次CMP工艺，以去除暴露的扩散阻挡层62，直到暴露出低k值的电介质层60。在一个实施方式中，去除体铜层64的第一次CMP工艺是在使用冷却的清洗溶液(例如温度为大约20℃和大约22℃)对抛光垫12进行清洗之后进行的。可替换地，第一次CMP工艺可以在使用被加热到大约30℃-大约40℃之间的清洗溶液对抛光垫12进行清洗之后进行的。无论被加热的或被冷却的清洗都能够提高第一次CMP工艺的均一性。去除扩散阻挡层62的第二次CMP工艺是使用被加热的清洗溶液清洗的抛光垫12进行的，例如如果阻挡层是TaN，则使用温度为大约40℃-大约50℃的清洗溶液进行清洗。通过采用两次不同温度的清洗，两次CMP工艺的每一次的均一性可以得到优化。
本发明的实施方式显著改进了CMP工艺。为了将本发明实施方式的结果与现有技术实施方式的结果进行比较，制备了两组样品，其中将第一组样品晶片在每次主抛光之前使用室温去离子水进行清洗，而将第二组样品晶片在每次主抛光之前使用50℃的去离子水进行清洗。使用JTS 009-5抛光垫和JSR T3B浆液在Applied Materials Reflexion LK CMP系统上进行CMP工艺。清洗溶液的流速(室温或者控制温度的)为8L/分钟。实验结果显示经过半个月的时间，所观察到的去除速率的标准偏差从第一组样品的56.53相对值降低到第二组样品晶片的34.46相对值。非均一性的平均值从第一组样品的7.83％降低到第二样品组晶片的4.35％。中心-边缘的平均值从第一组样品晶片的29.30
降低到第二组样品晶片的11.01
。进一步的实验显示尽管没有进行抛光时间的调节，没有进行假晶片抛光，没有进行重复工作，但在抛光垫的寿命内(抛光580个晶片)被抛光构形的厚度一直在目标范围内。
图5和6对采用室温清洗(图5)的CMP工艺和采用控制温度清洗的CMP工艺(图6)的材料去除速率分布进行了比较。先前描述的CMP系统，抛光垫和浆液用于产生图5和6中所显示的结果。图5和6的图表显示CMP工艺的去除速率分布，其中去除的材料是TaN阻挡层。在这些图表中，Y轴以
为单位表示去除的材料的量，而X轴上的点对应沿着晶片直径的位置，其中点25是晶片的中心，点1和49时晶片上相对的边界点。在图5和6的每个中，较低的线(例如线70和80)表示在将每种抛光垫用于抛光相对少量的晶片时所获得的结果，而较高的线(例如线76和88)表示在将每种抛光垫用于抛光相对大量的晶片后所获得的结果。
参考图5，使用室温去离子水对样品晶片进行清洗，发现如果将单个抛光垫用于抛光少量的晶片(例如对于70线、100片而言)，则每种晶片中心部分的TaN去除速率低于晶片边缘区域的TaN去除速率。在使用相同的抛光垫对更多晶片进行抛光后，晶片中心的TaN去除速率得到提高，并且最终，中心区的去除速率高于比边缘区的去除速率。作为比较，图6显示从使用50℃去离子水清洗的样品晶片所获得的结果。发现在抛光垫的寿命中，TaN的中心去除速率一直接近边缘去除速率。而且随着抛光垫所处理的晶片数目提高，去除速率分布保持不变。
本发明的实施方式具有许多有利特征。首先，显著改善了抛光处理的不均一性(包括晶片内的部均一性以及晶片间不均一性)。这种改进能够显著降低或者甚至消除对晶片进行再加工或者通过使用假晶片监控去除速率来调节抛光时间的需要。所需CMP耗材的量得到显著降低，因为基本上避免了假片抛光，抛光垫的寿命延长，并且重作的减少。
尽管已经详细描述了本发明和其优点，但应该理解的是，这里可以进行多种改变，替换和变化，而不离开所附权利要求限定的本发明的主旨和范围。而且，本发明的范围不限于在说明书中描述的处理、设备、制造和物质的组合、手段、方法和步骤的具体实施方式。本领域技术人员容易从本发明的公开内容中理解无论是目前存在的，还是将来开发的完成与这里所描述的对应实施方式基本相同的功能，或者达到基本相同的结果的处理、设备、制造和物质的组合、手段、方法和步骤都可以在本发明中利用。因此，所附的权利要求是为了在其范围内包括这些处理、设备、制造和物质的组合、手段、方法和步骤。
Claims (12)
1.一种制备用于化学机械抛光CMP工艺的抛光垫的方法，所述方法包括：
将第一清洗溶液的温度控制到第一期望的温度设定点；
使用所述温度控制的第一清洗溶液对抛光垫进行清洗；
在清洗步骤之后，对第一晶片的表面进行第一次CMP工艺；
将第二清洗溶液的温度控制到第二期望的温度设定点；
使用所述温度控制的第二清洗溶液对抛光垫进行清洗；
在清洗步骤之后，对所述第一晶片的表面进行第二次CMP工艺；
其特征在于，所述第一期望的温度设定点与所述第二期望的温度设定点不同。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述温度控制的第一清洗溶液是去离子水。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一期望的温度设定点与进行所述CMP处理的环境室温相差超过2℃。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述第一期望的温度设定点高于或低于所述室温超过3℃。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一期望的温度设定点在26℃～100℃之间，或所述第一期望的温度设定点在1℃～22℃之间。
6.根据权利要求1所述的方法，其中对第一清洗溶液温度进行控制的步骤是通过含有热交换介质的温度控制器完成的。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一温度设定点低于室温，且所述第二温度设定点高于室温。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一晶片的表面含有铜，所述第一期望的温度设定点在30℃-40℃之间，所述第二期望的温度设定点在40℃-50℃之间。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一晶片的表面含有铜，所述第一期望的温度设定点在30℃-40℃之间。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一晶片的表面含有TaN，所述第一期望的温度设定点在40℃-50℃之间。
11.一种用于在晶片上加工集成电路的设备，所述设备包括：
抛光垫；
两个清洗臂，其被设置成可以在所述抛光垫上和抛光垫下移动；
连接到所述清洗臂上的管；
连接到所述管的第一温度控制器，所述第一温度控制器被配置成将室温溶液的温度控制到第一期望的温度设定点；和
连接到所述管的第二温度控制器，所述第二温度控制器被配置成将室温溶液的温度控制到第二期望的温度设定点；
其中，所述第一期望的温度设定点与所述第二期望的温度设定点不同。
12.根据权利要求11所述的设备，其还包括与所述第一温度控制器和管之一连接的温度传感器，和与所述温度传感器和所述第一温度控制器连接的控制单元，其中所述控制单元被配置成使用从所述温度传感器获得的数据控制所述第一温度控制器。
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