CN102079063A

CN102079063A - 化学机械研磨方法

Info

Publication number: CN102079063A
Application number: CN2009102000217A
Authority: CN
Inventors: 江志琴
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2009-12-01
Filing date: 2009-12-01
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2029-12-01
Also published as: CN102079063B

Abstract

本发明公开了一种化学机械研磨方法，用于研磨沟槽上方的金属，包括主研磨和研磨去除剩余金属的步骤，当沟槽上方金属厚度大于等于15千埃时，该方法包括：主研磨沟槽上方预定厚度的金属分为多步完成，每步主研磨速率为5～9千埃每分钟；研磨去除沟槽上方剩余的金属。采用该方法大大减少了研磨产生的副产物，从而减少对导线金属铜的划伤。

Description

化学机械研磨方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种化学机械研磨方法。

背景技术

目前，随着电子设备的广泛应用，半导体的制造工艺得到了飞速的发展，在半导体的制造流程中，涉及化学机械研磨工艺(CMP)。后段工艺互连层的金属互连线一般采用铜，所以需要对铜进行化学机械研磨。对于不同的互连层，化学机械研磨之前沉积的金属铜的厚度不同，例如顶层互连层，沉积的金属铜的厚度大约为16～50千埃，而底层互连层，沉积金属铜的厚度只有6～10千埃。

现有技术中研磨金属铜层主要通过三个研磨台来实现，每个研磨台分别执行一个研磨工序，下面以对具有30千埃厚度的金属铜的研磨为例，说明化学机械研磨金属铜的方法。

图1为现有技术中化学机械研磨方法的第一工序的剖面示意图。在第一研磨台(Platen 1)上执行第一工序，如图1所示，采用较大的研磨速率(Remove Rate)对金属铜进行研磨，去除沟槽上方绝大部分的金属铜，也称为主研磨。第一工序的执行时间由RTPC(Real Time Process Control)function来控制，第一工序结束之后要求沟槽上方金属铜的厚度残留值在1000～2500A左右。根据不同的金属厚度，第一工序的执行时间也不相同，当对金属铜进行研磨时，该工序中若需要去除厚度为28～29千埃的金属铜，所以第一工序的执行时间一般被设置为大约为200秒。

图2为现有技术中化学机械研磨方法的第二工序的剖面示意图。在第二研磨台上(Platen 2)执行第二工序，如图2所示，通过反射率的变化来实时探测研磨终点，本工序采用较小的研磨速率(Remove Rate)去除沟槽上方剩余的金属铜，当探测到完全去除沟槽上方剩余的金属铜后，结束第二工序。第二工序中去除金属铜的厚度为1～2.5千埃。

具体来说，实时探测研磨终点的方法为：在研磨机台的抛光垫下方安装有激光发生器和传感器，激光发生器实时发出激光束，并将激光束投向晶圆(机台对晶圆上的金属铜同时进行研磨)，同时，传感器实时接收来自晶圆的反射强度数据，并根据不同材质对激光的不同反射强度，通过分析反射强度数据确定研磨终点。

图3为现有技术中化学机械研磨方法的第三工序的剖面示意图。在第三研磨台上(Platen 3)执行第三工序，如图3所示，预先设置研磨时间，去除沟槽外的阻挡层和少量的氧化层，以确保沟槽上方剩余的金属铜全部被去除而达到隔离的目的。

由于互连层金属铜的厚度较厚，第一工序中主研磨时研磨的时间过长(大于200秒)，使得研磨速率在短时间内迅速升高，而研磨台上的研磨垫整理器不可能立刻去除干净较高研磨速率所产生的副产物，一般为研磨下来的金属铜的氧化物。由于这些副产物硬度都高于金属铜，就有可能将金属铜划伤，破坏了电路间的相互连接，使得半导体器件的良率(yield)下降。图4为被严重划伤的半导体器件电路俯视图。金属铜401之间沉积有介质层402，划痕403将介质层402从中间切断，导致电路无法工作。

发明内容

有鉴于此，本发明解决的技术问题是：减少研磨产生的副产物，从而减少对导线金属铜的划伤。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明公开了一种化学机械研磨方法，用于研磨沟槽上方的金属，包括主研磨和研磨去除剩余金属的步骤，当沟槽上方金属厚度大于等于15千埃时，该方法包括：

主研磨沟槽上方预定厚度的金属分为多步完成，每步主研磨速率为5～9千埃每分钟；

研磨去除沟槽上方剩余的金属。

所述每步主研磨时间小于100秒。

所述每步主研磨时金属表面温度小于47摄氏度。

所述主研磨在第一研磨机台和第二研磨机台之间交替进行。

所述研磨去除沟槽上方剩余的金属厚度为1～2.5千埃。

研磨去除沟槽上方剩余的金属之后，该方法进一步包括研磨去除阻挡层和预定厚度的氧化层。

由上述的技术方案可见，现有技术中对金属进行主研磨时，一次完成，研磨时间过长，使得金属表面温度迅速升高，导致研磨速率激增，带来研磨副产物使得缺陷数量的剧增。而本发明对于较厚的金属层，一般只要金属层的厚度大于等于15千埃，采用较大研磨速率(Remove Rate)的主研磨都需要分步完成，有效防止了该步骤中研磨时间过长，导致副产物剧增而导致的缺陷。

附图说明

图1为现有技术中化学机械研磨方法的第一工序的剖面示意图。

图2为现有技术中化学机械研磨方法的第二工序的剖面示意图。

图3为现有技术中化学机械研磨方法的第三工序的剖面示意图。

图4为采用现有技术的研磨金属铜的方法，导致半导体器件金属连线被严重划伤的俯视示意图。

图5为铜表面温度随研磨时间变化的关系曲线图。

图6为研磨速率随铜表面温度变化的关系曲线图。

图7为研磨产生的副产物导致缺陷数量随研磨速率变化的关系曲线图。

图8为本发明化学机械研磨沟槽上方金属的方法流程示意图。

图9a为现有技术中对具有30千埃厚度的金属铜进行化学机械研磨之后，扫描电子显微镜捕获的晶圆表面缺陷数量的效果示意图。

图9b为采用本发明的研磨方法对具有30千埃厚度的金属铜进行化学机械研磨之后，扫描电子显微镜捕获的晶圆表面缺陷数量的效果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案、及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明进一步详细说明。

本发明的核心思想是：对于较厚的金属层，一般只要沟槽上方金属层的厚度大于等于15千埃，主研磨都需要分步完成，防止该步骤中研磨时间过长，导致副产物剧增而导致划伤的缺陷剧增。

经过研究发现，采用较大的研磨速率(Remove Rate)研磨金属铜时，铜表面温度随着研磨的进行，迅速升高，在50摄氏度才趋于稳定，铜表面温度随研磨时间变化的关系曲线如图5所示。同时发现，铜表面温度与研磨速率有密切关系，而且研磨速率与研磨产生的缺陷也紧密相关。研磨速率随铜表面温度变化的关系曲线如图6所示；研磨产生的缺陷数量随研磨速率变化的关系曲线如图7所示。从图6和图7可以看出，由于研磨采用较大的研磨速率(Remove Rate)，所以研磨速率的起点为5千埃每分钟，随铜表面温度的升高，研磨速率平稳上升，当铜表面温度大于47摄氏度时，研磨速率迅速增大，此时对应的研磨速率为9千埃每分钟；当研磨速率大于9千埃每分钟时，研磨产生的副产物剧增同时导致划伤缺陷数量也剧增。从上述铜表面温度、研磨速率和研磨产生的划伤缺陷数量三者之间的关系可以看出，如果能够控制铜表面的温度就可以控制研磨速率，如果研磨速率降下来，就可以最终控制研磨产生的划伤缺陷数量。从图5可以看出，如果将铜表面温度控制在47摄氏度以内，则需要将研磨时间控制在100秒以内，这一点是比较关键的，因为现有技术中，对于较厚的金属铜层，第一工序的主研磨时间大约为200秒，远远大于100秒的控制时间，所以会导致研磨产生的划伤缺陷数量剧增。

由于主研磨需要去除沟槽上方大部分的金属铜，并且采用较大的研磨速率(Remove Rate)，然后采用较小的研磨速率(Remove Rate)，研磨1～2.5千埃的金属铜，在短时间内完全去除沟槽上方剩余的金属铜，所以本发明的关键方法在于将主研磨分为几步完成，每步研磨时间都控制在100秒之内，每步仍然采用较大的研磨速率(Remove Rate)，为5～9千埃每分钟。仍然以具有30千埃厚度的金属铜的研磨为例，按照本发明的方法将原来的三个研磨台的第一研磨台的主研磨工作分为3步完成，具体地，本发明具体实施化学机械研磨的方法包括以下步骤：

步骤81，在第一研磨机台上采用较大的研磨速率(Remove Rate)对金属铜进行第一步主研磨，去除10千埃厚度的金属铜，研磨速率在5～9千埃每分钟，研磨时间在70s以内；

步骤82，在第二研磨台上采用较大的研磨速率(Remove Rate)对金属铜进行第二步主研磨，去除10千埃厚度的金属铜，研磨速率在5～9千埃每分钟，研磨时间在70s以内；

步骤83，重新回到第一研磨台上采用较大的研磨速率(Remove Rate)对金属铜进行第三步主研磨，去除8～9千埃厚度的金属铜，研磨速率在5～9千埃每分钟，研磨时间在70s以内；

在上述主研磨完成后，执行步骤84，在第二研磨台上采用较小的研磨速率(Remove Rate)完全去除沟槽上方剩余的金属铜，研磨速率在1.5～2.5千埃每分钟，去除剩余金属铜的厚度为1～2.5千埃。

步骤85，在第三研磨台上继续研磨，预先设置研磨时间，去除沟槽外的阻挡层和少量的氧化层，以确保沟槽上方剩余的金属铜以及阻挡(barrier)层全部被去除而达到隔离的目的。

显然，在第三研磨台上进行研磨，去除沟槽外的阻挡层和少量的氧化层的步骤，只是本发明的一个具体实施例，氧化层还可以由氟化玻璃、黑金刚石等其他材料替代，所以步骤85并不能用以限定本发明的技术方案。

研究表明，当采用较大研磨速率(Remove Rate)的研磨时间在100秒时，研磨金属铜的厚度大约在15千埃，如果将上述具有30千埃厚度的金属铜的主研磨分为2步完成，每步主研磨需要研磨15千埃的金属铜，这样研磨了100秒的金属铜，表面温度就会达到47摄氏度，对应研磨速率为9千埃每分钟，大大增加了研磨产生的缺陷数量剧增的风险，所以为控制缺陷，最好将主研磨分为3步完成，每步主研磨去除10千埃左右的金属铜，很好地控制研磨速率在9千埃每分钟以下，从而确保研磨产生的划伤缺陷数量在有限范围内，最终实现减少对电路连线金属层的划伤。

所以说，只要沟槽上方金属铜层的厚度大于等于15千埃，主研磨都需要分步完成，防止该步骤中研磨时间过长，导致副产物剧增而导致的划伤缺陷。再例如，当对具有20千埃厚度的金属铜进行研磨时，主研磨分为2步进行：第一步主研磨可以去除10千埃厚度的金属铜，第二步主研磨可以去除8～9千埃厚度的金属铜，从而完成主研磨。当然，上述对于具有20千埃和30千埃厚度的金属铜的主研磨的说明，只是其中的一种优选实施例，主研磨还可以分为多步进行，只要控制主研磨速率在5～9千埃每分钟即可。而且，在上述具体实施例中，主研磨在第一研磨台和第二研磨台之间交替进行，这样在第一研磨台研磨之后，转移到第二研磨台，可以在第二研磨台进行研磨的时候，及时清理干净第一研磨台上的研磨垫整理器尚未清理完全的研磨副产物，不但进一步有效减少了研磨副产物的出现，而且提高了生产效率，否则只在一个研磨台上进行，研磨台上研磨垫整理器尚未处理的研磨副产物会一直积累，成为划伤电路连线金属铜的来源。

综上，本发明化学机械研磨沟槽上方金属的方法的流程示意图如图8所示，其包括以下步骤：

步骤91，主研磨沟槽上方预定厚度的金属分为多步完成，每步主研磨速率为5～9千埃每分钟；

步骤92，研磨去除沟槽上方剩余的金属。

需要说明的是，本发明是以研磨金属铜为例，得到研磨时间与研磨产生的缺陷数量的关系，从而判断将主研磨分为几步完成，显然，对于研磨其他任何种类的金属，如钨等，也可以得到类似的关系，从而确定主研磨分为几步完成。

图9a为现有技术中对具有30千埃厚度的金属铜进行化学机械研磨之后，扫描电子显微镜捕获的晶圆表面研磨缺陷数量的效果示意图；图9b为采用本发明的研磨方法对具有30千埃厚度的金属铜进行化学机械研磨之后，扫描电子显微镜捕获的晶圆表面研磨缺陷数量的效果示意图。图中的小点部分即为缺陷。图9a中缺陷数量高达3000颗(ea)，而图9b中缺陷数量只有36ea，通过比较，很容易看到本发明研磨方法的有效性。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，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。

Claims

1.一种化学机械研磨方法，用于研磨沟槽上方的金属，包括主研磨和研磨去除剩余金属的步骤，当沟槽上方金属厚度大于等于15千埃时，该方法包括：

研磨去除沟槽上方剩余的金属。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述每步主研磨时间小于100秒。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述每步主研磨时金属表面温度小于47摄氏度。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述主研磨在第一研磨机台和第二研磨机台之间交替进行。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述研磨去除沟槽上方剩余的金属厚度为1～2.5千埃。

6.如权利要求1、2、3、4或5所述的方法，其特征在于，研磨去除沟槽上方剩余的金属之后，该方法进一步包括研磨去除阻挡层和预定厚度的氧化层。