CN101664899A

CN101664899A - 化学机械研磨方法

Info

Publication number: CN101664899A
Application number: CN200810042589A
Authority: CN
Inventors: 檀广节; 李强
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2008-09-05
Filing date: 2008-09-05
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2028-09-05
Also published as: CN101664899B

Abstract

本发明揭露了一种化学机械研磨方法，用以在包括一个以上研磨站的CMP系统中研磨晶片表面的金属层。该方法包括：于第一研磨站，以第一研磨速率对上述金属层进行第一次研磨处理；于第一研磨站，以第二研磨速率对上述金属层进行第二次研磨处理，其中于该第一研磨站共去除半数以上的金属层；于第二研磨站，以第三研磨速率对金属层进行第三次研磨处理，以去除剩余金属层，其中第二研磨速率与第三研磨速率小于第一研磨速率。其在第一研磨站中增加了对晶片进行低速率研磨处理的过程，以分担第二研磨站的低速率研磨处理任务，减少晶片在第二研磨站所需的时间，进而平衡第一与第二研磨站的研磨时间，减少第一研磨站的闲置时间，提高了CMP的效率。

Description

化学机械研磨方法

技术领域

本发明涉及化学机械研磨(CMP)领域，特别是涉及多研磨站(Multi-Platen)的CMP系统中的化学机械研磨的方法。

背景技术

随着半导体行业的飞速发展，集成电路的集成度日趋增加，平面布线已远远不能满足集成电路晶体管之间的连接要求，取而代之的是独立布线与多层布线。然而层与层之间的平坦度直接影响着器件的性能，于是平坦化工艺随之快速发展起来。化学机械研磨(CMP)技术以其全局平坦化优势快速发展，广泛应用于深槽填充的平面化、接触孔和过孔中的金属接头的平面化以及生产中间步骤中氧化层和金属间电介层的平面化等众多领域。

然而业界对于器件高性能、低成本与高成品率的追求是不会间断的，对其有直接影响的CMP技术也在不断的改进中。许多提高CMP效率与平坦度的设备与方法不断涌现。例如，应用材料公司的Mirra Mesa Cu CMP设备(请参考图1)，其具有多研磨站(Multi-Platen)的结构，如图1所示：

该CMP设备包括基座100与传送盘200。其中基座100上设置有中转站110以及多个研磨站120a，120b和120c，而每个研磨站上均设置有旋转平台121，研磨垫122位于旋转平台121之上，以在其带动下旋转，而浆料分配器123用来提供研磨浆料。传送盘200可绕着中心柱300旋转，其上设置有晶片保持器210。通常，传送盘200上形成有狭缝220，晶片保持器210便可在各自的马达230驱动下，在狭缝220中独立的旋转以及前后振荡，以便于均匀的研磨晶片表面。在操作中，晶片从中转站110被送至晶片保持器210中；而后通过传送盘200的旋转将晶片依次经过各个研磨站120a，120b和120c；在每个研磨站的停留期间，即研磨期间，晶片保持器210旋转晶片以将其压靠于研磨站的研磨垫122上。通常晶片保持器210与旋转平台121相对逆着旋转，即晶片与研磨垫122之间相对逆着旋转，同时在研磨浆料的作用下，实现对晶片的平坦化处理。

通常，晶片的化学机械研磨包含多次研磨步骤，而以上CMP设备具有多个研磨站，从而可实现多个晶片的同时研磨，以下便给出了现有的晶片研磨步骤：请参考图2，其为现有晶片研磨过程中某一晶片的部分截面示意图。如图，其包括衬底10，扩散阻挡层20以及金属层30(通常为铜层)。图中(1)显示了未经研磨处理的晶片，其被送至中转站110后，被传送盘200的晶片保持器210所夹持后送至研磨站120a；而后以较高的研磨速率于研磨站120a上进行粗研磨，以大体上降低金属层30的高度，得到如(2)所示的晶片；而后将晶片送至研磨站120b，以较低的研磨速率于研磨站120b上进行细研磨，以去除扩散阻挡层以上的金属层30，得到如(3)所示的晶片；最后将晶片送至研磨站120c，利用高选择性的研磨浆料于研磨站120c上进行研磨，以去除扩散阻挡层20；得到如(4)所示的平坦化的晶片以制作下一层金属连线结构。然而，由于最终的平坦度要求以及研磨条件的不同，以上每个研磨步骤的研磨时间不平衡，例如，研磨站120a的研磨时间通常为60s，研磨站120b的研磨时间通常为120s。于是，常常导致研磨站120a和120c闲置等待研磨站120b的情况出现。如此，便降低了CMP的效率，从而影响了半导体器件的出厂效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提高化学机械研磨(CMP)的效率，尤其是改善多研磨站(Multi-Platen)的CMP系统的研磨效率。

为此，本发明提供一种化学机械研磨方法，用以在包括一个以上研磨站的化学机械研磨系统中研磨晶片表面的金属层，该方法包括：于第一研磨站，以第一研磨速率对上述金属层进行第一次研磨处理；于第一研磨站，以第二研磨速率对上述金属层进行第二次研磨处理，其中于该第一研磨站共去除半数以上的上述金属层；于第二研磨站，以第三研磨速率对上述金属层进行第三次研磨处理，以去除剩余金属层，其中上述第二研磨速率与第三研磨速率小于上述第一研磨速率。

进一步的，在所述第一研磨站去除的金属层中，以第一研磨速率去除60％-90％，以第二研磨速率去除40％-10％。

进一步的，所述第一研磨速率为6000a/min±30，且第二研磨速率为2000a/min±30。

进一步的，所述第三研磨速率为2000a/min±30。

进一步的，所述的化学机械研磨方法还包括：于第一研磨站，预置上述第二次研磨处理后剩余金属层的厚度，以精确控制第二次研磨处理的终点。

进一步的，在上述第二次研磨处理的过程中，利用间隔扫描技术控制研磨终点，即利用间隔扫描技术监测剩余金属层的厚度，当该剩余金属层厚度到达上述预置的厚度时，控制该第二次研磨处理终止。

进一步的，上述第二次研磨处理后剩余金属层的厚度为总金属层厚度的10％-30％。

进一步的，在上述第三次研磨处理的过程中，利用全扫描技术控制研磨终点。

进一步的，上述金属层为用以构成层间连线的铜层，其下具有阻挡层。

进一步的，所述的化学机械研磨方法还包括：于第三研磨站，去除所述阻挡层。

可见，本发明在第一研磨站中，增加了以低研磨速率对晶片进行研磨处理的过程，以分担第二研磨站的低研磨速率的处理任务，减少晶片在第二研磨站所需的时间，进而平衡了第一研磨站与第二研磨站的研磨时间，减少了第一研磨站的闲置时间，提高了CMP的效率。

附图说明

图1为现有的一种化学机械研磨(CMP)设备的结构示意图；

图2为现有晶片研磨过程中某一晶片的部分截面示意图；

图3为图1中CMP设备的俯视图；

图4为本发明一实施例所提供的CMP方法的流程示意图；

图5为图4中每一个步研磨处理后的晶片部分截面示意图；

图6为不同研磨参数下所对应的研磨速率、研磨终点以及剩余金属层厚度的示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术特征更明显易懂，下面结合附图与实施例，对本发明做进一步的描述。

在此，首先描述一些概念的含义，以便于理解本发明：研磨速率是指单位时间内被研磨层厚度的变化；晶片表面的阻挡层与金属层是指位于通孔或沟道以外的阻挡介质与金属。

为了便于参考，图3给出了多研磨站(Multi-Platen)的化学机械研磨(CMP)设备的俯视图。其对应于图1中的CMP设备，包括传送盘200，中转站110以及多个研磨站120a、120b和120c。从背景技术的描述可知，在现有CMP工艺中，研磨站120a用以完成高研磨速率的粗研磨；而研磨站120b用以完成低研磨速率的细研磨；通过这两步处理，以完全去除金属层，之所以分开处理，是为了减少晶片表面的刮痕、浅碟凹陷(dishing)以及铜腐蚀等问题。然而，粗研磨与细研磨在处理时间上的不平衡导致了该CMP处理过程的效率降低。那么只要将部分细研磨在研磨站120a中完成，虽然增加了研磨站120a的处理时间，但却减少了研磨站120b的处理时间，使得他们之间的研磨时间得以平衡，从而增加CMP的效率。

具体请一并参考图4，其为本发明一实施例所提供的CMP方法的流程示意图。而图5示出了每一步处理后的晶片部分截面示意图，其中该晶片具有衬底11，阻挡层21与位于其上的金属层31，其通常为用以构成层间连线的铜层。如图所示，该CMP方法包括如下步骤：

S1：于第一研磨站120a，以第一研磨速率对金属层31进行第一次研磨处理，(处理后的晶片表面如图5(2)所示)；

S2：于第一研磨站120a，以第二研磨速率对金属层31进行第二次研磨处理，(处理后的晶片表面如图5(3)所示)；

其中在以上两个步骤中，于第一研磨站120a共去除半数以上的金属层31；

S3：于第二研磨站120b，以第三研磨速率对金属层31进行第三次研磨处理，以去除剩余金属层31，其中第二研磨速率与第三研磨速率小于第一研磨速率(处理后的晶片表面如图5(4)所示)。

步骤S1与S2中，在第一研磨站去除的金属层中，通常以第一研磨速率去除60％-90％，以第二研磨速率去除40％-10％。因为采用第一研磨速率比较快，通常为6000a/min±30，是一种粗研磨方式，所以在第一研磨站中开始采用这种方式去除大部分金属层，将有助于效率的提高；但为了避免剩余金属层较薄时，继续采用这种粗研磨对晶片表面造成刮痕，便利用第二研磨速率来进行接下来的研磨处理，通常第二研磨速率为2000a/min±30，是一种细研磨方式，可获得更为平坦的晶片表面。相同的原因，在步骤S3中，于第二研磨站120b上对剩余金属层31的处理，同样采用低研磨速率的细研磨方式，故第三研磨速率通常为2000a/min±30。

由于与研磨金属层31所采用的研磨浆料不同，接下来将在第三研磨站120c对阻挡层21进行研磨处理，以去除该阻挡层21(处理后的晶片表面如图5(5)所示)。

在以上步骤中对每次研磨处理的终点的控制，将直接影响晶片表面的平坦度，同时，合适的终点控制将减少晶片表面的刮痕、浅碟凹陷(dishing)以及铜腐蚀等问题。

为此，引入间隔扫描(iScan)技术与全扫描(FullScan)技术来实现对金属层第二次研磨处理与第三次研磨处理终点的控制。其中iScan技术可用以实时监测金属层的厚度，其往往通过设置于研磨站的传感器来获得与金属层厚度相关的电信号。于是，常常预置步骤S2中第二次研磨处理后剩余金属层的厚度。当监测到金属层厚度达到这个预置厚度时，控制第二次研磨处理终止。该技术的引入使得晶片从第一研磨站120a送至第二研磨站120b的时间点获得了很好的控制，同时避免了步骤S1中高速率研磨过程过抛光情况的出现，减少了刮痕、浅碟凹陷(dishing)以及铜腐蚀等问题的出现。通常，利用第一研磨站120a去除大部分金属层，通常为总金属层的70％-90％(例如，80％)，此时预置剩余金属层的厚度为总金属层厚度的10％-30％(例如，20％)。

而FullScan技术往往利用扫描光束对晶片表面进行扫描，同时利用传感器监测经晶片表面反射的光强度，由于金属层与阻挡层的反射率不同，从而根据反射强度控制步骤S3中第三次研磨处理的终点。如此精确的控制，大大的降低了刮痕、浅碟凹陷(dishing)以及铜腐蚀等问题的出现几率。

在CMP的处理过程中，研磨速率往往由晶片相对于研磨垫的旋转速率、压力以及研磨浆料所决定，现有技术有许多关于研磨浆料的文献与研究成果，在此不再赘述，所属领域技术人员可根据需要进行选择。而在浆料确定以后，便可以通过改变晶片相对于研磨垫的旋转速率、压力来获得不同的研磨速率。而晶片相对于研磨垫的旋转速率往往由传送盘200的晶片保持器以及研磨站120a-120c的旋转平台的旋转速率决定，故在在实际操作中，常常将传送盘200的晶片保持器以及研磨站120a-120c的旋转平台程序化，以根据需要调整其旋转速率。

请参考图6，其示出了不同研磨参数下所对应的研磨速率、研磨终点以及剩余金属层厚度的示意图。其中psi为压强单位，其含义为磅每平方英寸；rpm为旋转速率单位，其含义为每分钟的转数。图中数据是以93rpm的旋转速率进行实验获得的；当然，也可以选择其他旋转速率，而旋转速率越大，研磨速率越大。从图中曲线可以看出：压强的越低，研磨速率越小，而对应研磨终点越靠后，但最终晶片表面的平坦差异在719A左右，达到了很好的抛光效果。另外，其中的旋转速率为晶片相对于研磨垫的旋转速率，故实际应用中，只要合理设置传送盘的晶片保持器以及研磨站的旋转平台的旋转速率便可以获得所需要的旋转速率；而压强即为晶片相对于研磨垫的压强，由于晶片面积一定，故只要合理设置晶片保持器相对于研磨垫的压力，便可以获得所需要的压强。

可见，以上实施例在第一研磨站120a中增加了对晶片进行低速率研磨处理的过程，以分担第二研磨站120b的低速率研磨处理任务，减少晶片在第二研磨站120b所需的时间，进而平衡了第一研磨站120a与第二研磨站120b的研磨时间，减少第一研磨站120a与第三研磨站120c闲置时间，提高了CMP的效率。另外，引入了iScan技术与FullScan技术来控制第一研磨站120a与第二研磨站120b的研磨终点，减少了刮痕、浅碟凹陷(dishing)以及铜腐蚀等问题的出现，并很好的控制了第一研磨站120a到第二研磨站120b的转换点。例如，以金属层厚度剩余20％为第一研磨站120a到第二研磨站120b的转换条件时，第一研磨站的总研磨时间为80s，第二研磨站的研磨时间为90s；相对于现有技术的60s与120s，效率提高了30％。

以上仅为举例，并非用以限定本发明，本发明的保护范围应当以权利要求书所涵盖的范围为准。

Claims

1.一种化学机械研磨方法，用以在包括一个以上研磨站的化学机械研磨系统中研磨晶片表面的金属层，其特征是，包括：

于第一研磨站，以第一研磨速率对上述金属层进行第一次研磨处理；

于第一研磨站，以第二研磨速率对上述金属层进行第二次研磨处理，

其中于该第一研磨站共去除半数以上的上述金属层；

于第二研磨站，以第三研磨速率对上述金属层进行第三次研磨处理，以去除剩余金属层，

其中上述第二研磨速率与第三研磨速率小于上述第一研磨速率。

2.根据权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征是，其中在所述第一研磨站去除的金属层中，

以第一研磨速率去除60％-90％，以第二研磨速率去除40％-10％。

3.根据权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征是，其中所述第一研磨速率为6000a/min±30，且第二研磨速率为2000a/min±30。

4.根据权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征是，其中所述第三研磨速率为2000a/min±30。

5.根据权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征是，还包括：

于第一研磨站，预置上述第二次研磨处理后剩余金属层的厚度，以精确控制第二次研磨处理的终点。

6.根据权利要求5所述的化学机械研磨方法，其特征是，其中在上述第二次研磨处理的过程中，利用间隔扫描技术控制研磨终点，即利用间隔扫描技术监测剩余金属层的厚度，当该剩余金属层厚度到达上述预置的厚度时，控制该第二次研磨处理终止。

7.根据权利要求5所述的化学机械研磨方法，其特征是，其中上述第二次研磨处理后剩余金属层的厚度为总金属层厚度的10％-30％。

8.根据权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征是，其中在上述第三次研磨处理的过程中，利用全扫描技术控制研磨终点。

9.根据权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征是，其中上述金属层为用以构成层间连线的铜层，其下具有阻挡层。

10.根据权利要求9所述的化学机械研磨方法，其特征是，还包括：

于第三研磨站，去除所述阻挡层。