CN102126181B

CN102126181B - 化学机械研磨方法

Info

Publication number: CN102126181B
Application number: CN 201010022888
Authority: CN
Inventors: 邓武锋; 杨涛
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2010-01-14
Filing date: 2010-01-14
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2030-01-14
Also published as: CN102126181A

Abstract

本发明提供一种化学机械研磨方法，该方法包括以下步骤：提供多个具有相似或相同图形的硅片，这些硅片均具有硅衬底和位于该硅衬底之上的待研磨层，使用化学机械研磨设备将待研磨层研磨至目标位置，再进行一定时间T_op的过研磨，其中，使用终点检测装置来监测研磨终点及监测到该终点后发出开始所述过研磨的指示，并由该终点检测装置测得硅片被正常研磨时抵达所述终点所经历的平均研磨时间T₁，其中，该方法还包括：当多个硅片中的一个硅片被研磨至终点时所经历的实际研磨时间T小于T₁的70％-85％时，将该硅片的过研磨时间T_op延长至T_op+(T₁-T)。

Description

化学机械研磨方法

技术领域

本发明涉及一种半导体器件制造方法，具体地说，涉及一种终点判断经过改进的化学机械研磨(或称为化学机械抛光)工艺，更具体地说，涉及一种经改进的化学机械研磨方法(CMP)，特别是，对CMP的终点曲线进行优化以在大规模生产中保持一致性的方法。

背景技术

随着集成电路制造工艺的发展，对于半导体器件的集成密度的要求日益增高。随着上个世纪70年代将多层金属化技术引入到集成电路制造工艺中，使得半导体晶片的垂直空间得到有效的利用，并显著提高了器件的集成度。金属化是芯片制造过程中在绝缘介质薄膜上淀积金属薄膜以及随后刻印图形以便形成互连金属线和集成电路的孔填充塞的过程。对于例如硅、铝和钨等传统的金属，一般采用干法刻蚀来刻印图形。

为了减少金属互连的电阻率以降低信号延迟，业界已使用铜来替代铝作为基本的导电金属。但由于铜的刻蚀非常困难，无法用普通的刻蚀方法进行处理，业界开发了大马士革法来形成通孔和铜互连。一种简单的大马士革法是：先在硅衬底上淀积介质层(SiO₂)，再对介质层进行平坦化，通过光刻形成图形，然后在介质层上刻蚀用于通孔或连接金属线的孔或沟，再在沟中淀积金属层，对该金属层进行平坦化直至其平面与介质层表面齐平以形成金属互连。其中，金属层的平坦化一般采用化学机械研磨(CMP)方法。在形成金属互连时，一般还需要在介质层与金属层之间设置阻挡层(例如使用Ta)，以阻止硅与金属之间的扩散而导致结短路。在对金属层进行平坦化时，需要同时研磨去除介质层上的该阻挡层。

在目前的集成电路制造工艺中，CMP技术是最常用的一种全面平坦化技术。CMP技术需要使用具有研磨性和腐蚀性的研磨浆液，并配合使用研磨垫和支撑环，通过综合利用化学作用和机械作用，对半导体硅片进行研磨。CMP设备是采用将一个研磨垫设置在转盘的表面，通过硅片与研磨垫之间的相对运动来平坦化硅片表面。大多数的生产性CMP设备都有多个转盘和研磨垫，以适应研磨不同材料的需要。在研磨时，该设备在硅片与研磨垫之间供应磨料，并同时对衬底的背面施加压力，以将衬底压在研磨垫上进行相对运动。

图1表示了一个典型的铜CMP工艺中包括的三个步骤，其中10表示硅衬底，其表面可以具有介质层(未示出)，12表示在硅衬底或介质层上设置(例如通过刻蚀)的孔或沟，16表示铜金属层，14表示阻挡层。首先，在第一转盘上以比较高的研磨速率(即材料被去除的速度)除去大块的铜，以使铜厚度达到目标值(例如2000～3000埃)，即获得图1中的第二种层结构，其次，在第二转盘上以低研磨速率对铜金属层进行研磨，以除去阻挡层上不希望有的铜金属层，从而露出阻挡层，即获得图中的第三种层结构；最后，在第三转盘上对阻挡层进行研磨，以除去阻挡层而露出硅衬底的上表面(可以是介质层)，即获得图1中的第四种层结构。一般来说，在第二步骤中，为了彻底去除阻挡层上的铜，还需要实施一定时间的过研磨。图2显示了一种典型的CMP设备，其中，1、2和3分别表示第一转盘、第二转盘和第三转盘。由于三个转盘需研磨的材料和速率各不相同，因此，为了达到最好的研磨效果，它们所用的磨料、压力和转速等工艺条件也有所差异。具体地说，需要针对特定的待研磨层来设置这些工艺条件。

以上的现有技术的细节可参考中国专利申请公开号CN101352833A等文献。

一般的CMP设备均可配备终点检测装置，以根据需要对研磨的终点进行检测。当材料被磨到一个预设的目标厚度或目标材料(目标位置)时，终点检测装置即发出停止研磨的信号，然后CMP设备可将完成此步骤研磨的硅片转移到下一转盘，再进行下一步研磨。

上述终点检测装置可采用电机电流终点检测和光学终点检测等方法。目前被广泛采用的一种方法是基于光的反射系数的在线光学干涉终点检测。其原理可以是如下所述：由于光从膜层上反射的不同角度与膜层材料和厚度有关，当研磨从一个材料的界面推进到另一种材料的界面处时，光学终点检测可测量到从抛光膜层反射过来的紫外光或可见光之间的干涉，从而获得厚度和材料变化数据；通过连续地测量研磨时膜层厚度的变化，这项技术就能够连续测定研磨速率并控制研磨的精准度。一种典型的光学终点检测装置如图3所示，其中，30表示转盘，31表示硅片，32表示设在安装于转盘上的研磨垫中的激光透射窗，a表示转盘的旋转方向，b表示硅片的旋转方向，在硅片被研磨的过程中，由设置在转盘的与硅片相反的一侧的光照射装置(未示出)经由光透射窗32射出的光对硅片31上的由A表示的区域进行照射，并由设置在与该光照射装置同侧的检测器(未示出)对硅片反射的光进行检测。而且，由图中可知，硅片上处于A区域的部位将随着硅片与转盘的旋转而变化。这样的设置可以确保检测器所接受到的反射信号基本反映硅片的整体研磨状态，从而可以比较准确地对终点作出判断。该终点检测装置已广泛地应用于铜CMP工艺中(参见例如US2007015441A)，其实例可以是由Applied Materials(应用材料)公司制造的Full Scan ISRM系统。

以上述的第二步骤为例，在第二转盘上以低研磨速率对铜金属层进行研磨时，使用例如Full Scan ISRM系统可不断监测所研磨的表面的反射系数的变化，当某一时间窗口内的反射系数变化量小于一个预设值(即表示研磨速率进入平台期)时，该系统即发出抵达终点的信号，从而停止当前的研磨程序，继而实施一定时间的过研磨，以确保表面上的铜被彻底去除。待过研磨结束后，如上所述，CMP设备将把该硅片转移到下一转盘实施下一步的阻挡层研磨。

然而，据发现，现有的终点检测装置有时不能对具有某些图形的硅片的铜研磨终点作出准确的判断，由此又导致部分硅片过研磨时间不足，从而造成在CMP设备完成第三步骤后这些硅片上仍然存在铜残留物(参见图4)。其原因可能是以现有的技术水平无法使铜的淀积达到非常均匀的程度，这导致研磨速率会出现不期望的波动，再加上复杂的图形也会干扰检测的精确度。这导致在抵达终点之前研磨速率或表面反射系数的变化偶尔会出现不希望有的波动。由于终点检测装置对终点的确定基本上是基于研磨速率或表面反射系数，当这些检测参数的变化趋势出现不明原因的波动时，误判就变得不可避免。一旦出现误判，由于各步骤工艺条件的不同，即使经历下一研磨步骤，这些铜残留物也很难被彻底去除，而且还会影响后续阻挡层的顺利去除。

由于这些铜残留物会引起短路或降低芯片的可靠性，从而严重影响成品率，因此需要找到一种可彻底去除铜残留物并基本消除片间非均匀性(WTWNU)的铜CMP方法，以便提高成品率和器件可靠性。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了解决上述问题，本发明提供了一种经改进的铜CMP方法，该方法可以彻底去除阻挡层上不希望有的铜残留物，从而有效提高成品率和器件稳定性。此外，该方法还可以确保硅片之间的研磨均匀性，提高铜研磨成功率，有利于阻挡层的顺利去除。而且，发明人发现，该方法不仅适用于铜化学机械研磨(例如大马士革法)，亦可适用于其他化学机械研磨，例如STI(浅槽隔离)氧化硅研磨、LI(局部互连)氧化硅研磨、LI钨研磨、ILD(层间介质)氧化硅研磨、钨塞研磨等其他CMP工艺。

本发明的第一方案是一种化学机械研磨方法，该方法包括以下步骤：

提供多个具有相似或相同图形的硅片，所述硅片均具有硅衬底和位于该硅衬底之上的待研磨层，

使用化学机械研磨设备将所述待研磨层研磨至目标位置，再进行一定时间T_op的过研磨，其中，使用终点检测装置来监测所述研磨的终点及监测到该终点后发出开始所述过研磨的指示，并由所述终点检测装置测得硅片被正常研磨时抵达所述终点所经历的平均研磨时间T₁，

其中，该方法还包括：

当一个硅片被研磨至经所述终点检测装置检测到的终点时所经历的实际研磨时间T小于T₁的70％-85％时，将该硅片的过研磨时间T_op延长至T_op+(T₁-T)。

所述待研磨层可以是氧化硅层、金属层(特别是铜金属层和钨金属层)等需要进行化学机械研磨的层。

所述待研磨层与硅衬底之间还可以设置有阻挡层，即用于阻挡研磨的层。除此之外，该层也可以具有其他功能，例如用于隔离待研磨层与硅衬底。

所述终点检测装置的实例可包括光学终点检测装置和电机电流终点检测装置。

本发明的第二方案是一种铜化学机械研磨方法，该方法包括以下步骤：

提供多个具有相似或相同图形的硅片，所述硅片均具有硅衬底、位于该硅衬底之上的阻挡层和覆盖在该阻挡层上的铜金属层，

使用具有多个转盘的化学机械研磨设备对所述硅片依次进行以下各项研磨，

在第一转盘上除去所述铜金属层中大块的铜，

在第二转盘上将铜金属层研磨至所述阻挡层，并进行一定时间Top的过研磨，

在第三转盘上除去所述阻挡层，从而获得铜互连金属化的硅片，

其中，在第二转盘的研磨步骤中，该方法还包括：

使用光学终点检测装置来监测此转盘上的研磨终点，并在监测到该终点后发出开始所述过研磨的指示，

由所述光学终点检测装置测得正常研磨时抵达所述研磨终点所经历的平均研磨时间T₂，而且

当此转盘上一个硅片被研磨至所述研磨终点时所经历的实际研磨时间T小于T₂的70％-85％时，由所述终点检测装置将该硅片的过研磨时间T_op延长至T_op+(T₂-T)。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，

图1显示了一种典型的铜CMP工艺，其包括三个步骤；

图2显示了一种典型的CMP设备；

图3显示了一种典型的光学终点检测装置；

图4表示的是，在使用具有终点检测装置的CMP设备以现有的方法完成硅片的铜CMP工艺后，硅片上存在的铜残留物(SEM照片)；

图5显示了一种典型的光学终点检测曲线；

图6显示了经本发明的化学机械研磨方法处理过的铜互连金属化的硅片的SEM照片。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底了解本发明，将在下列的描述中提出具体的实施方案，以便说明本发明如何改进现有技术中存在的问题。显然，本发明的实施并不限定于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

本发明的化学机械研磨方法中，硅衬底与待研磨层之间可具有例如阻挡层和/或介质层。该介质层可以是淀积的二氧化硅。就阻挡层来说，可根据具体工艺的需要而使用各种材料。例如，如果待研磨层为铜金属层，阻挡层可使用Ti、W、Ta、Mo、Co和Pt等具有高熔点的难熔金属及含有这些金属元素的其他阻挡层材料，例如TiW、TiN、TaN和TaSiN等。毫无疑问，该硅衬底与待研磨层之间还可以根据需要而具有其他层，本领域技术人员可基于具体工艺的要求来设置其他层。无论是否设置其他层，只要该硅片具有硅衬底和位于该硅衬底上的待研磨层，即可适用于本发明的方法。对于铜化学机械研磨方法来说，从有利于阻挡铜金属层的扩散和阻挡层附着性的角度考虑，其阻挡层材料优选包含Ta、TaN和WN等。该阻挡层可通过高密度等离子体CVD(HDPCVD)或离子化了的金属等离子体物理气相来淀积形成。

在化学机械研磨方法中，所谓“使用化学机械研磨设备将所述待研磨层研磨至目标位置”的含义对于本领域技术人员来说是公知的。在大马士革工艺、STI(浅槽隔离)氧化硅研磨、LI(局部互连)氧化硅研磨、LI钨研磨、ILD(层间介质)氧化硅研磨、钨塞研磨等CMP工艺中，尽管目标位置各有不同，但都可采用化学机械研磨设备来实施化学机械研磨，从而将待研磨层研磨至目标位置。所述化学机械研磨设备可采用市售的各种设备，例如Speedfam-IPEC生产的各种设备。

化学机械研磨方法中的研磨可以依情况分步实施，如图1所示；亦可一步完成，例如ILD氧化硅研磨。对于图1的情况，“使用化学机械研磨设备将所述待研磨层研磨至目标位置”可以是：将铜金属层研磨至阻挡层(去除阻挡层上不希望有的铜金属层)，即，露出阻挡层(沟(孔)内淀积的铜金属层与沟(孔)边的阻挡层基本无高度差)为止；也可以是第一步或第三步的情况。然而，本发明的方法特别适用于需要对难以彻底去除的层(例如铜金属层)进行研磨时的情况。这是因为，在对其他层进行研磨时，终点检测曲线失效的发生几率较小，或者即使失效，也可以通过后续步骤来弥补，因而根据实际情况可能不需要实施该方法。但是，本领域技术人员知晓，这并不影响本发明的方法在一般的化学机械研磨方法中的适用。换言之，对于所有的化学机械研磨工艺，只要设置了过研磨步骤，都可以采用本发明的方法来解决因终点检测曲线失效而导致待研磨层未能彻底去除的问题。

如上所述，当需要除去阻挡层上不希望有的铜金属层时，例如图1中的第二步骤中，终点检测装置经常会出现误判，结果常常在实际研磨时间(T)不足的情况下发出开始过研磨的指示，这样，即使进行了过研磨也仍然无法彻底去除铜残留物。由于在下一步的工艺中，需使用与研磨铜金属层时不同的条件，这就导致这些铜残留物在全部化学机械研磨工艺完成时仍然无法去除，如图4所示。在一个使用具有3个转盘的化学机械研磨设备的实施方式中，在第二转盘上设定的研磨条件使得铜金属层与阻挡层的选择比为40∶1，在第三转盘上设定的研磨条件使得铜金属层与阻挡层的选择比为1∶2，换言之，前者对铜金属层的研磨能力是后者的80倍。优选的是，该倍数为50-100倍，因为这样可以节省研磨时间和提高研磨效率。然而，如上所述，在这样的工艺条件下，当终点检测装置出现误判时，后续步骤是无法对在先的部分失效的步骤作出弥补的。因此，有必要对失效时的工艺条件作出及时的调整，以便提高成品率。

需要明确的是，终点检测装置一般仅对研磨终点进行监测，在监测到研磨终点后再发出开始过研磨的指示。如上所述，过研磨时间是固定不变的，因此终点检测装置不需要再对过研磨的终点进行监测。由此，本申请中所涉及的研磨终点均指化学机械研磨过程中过研磨之前的研磨的终点。理想情况下，该终点应为研磨至目标位置时。然而，由于图形密度、待研磨层的组成与材料分布等各种因素的影响，实际操作时终点检测装置经常在未研磨至目标位置时就作出已抵达终点的结论，从而导致实际研磨时间不足。

在本发明的方法中，通过比较各硅片与同批的具有相似或相同图形的硅片的平均研磨时间(即T₁或T₂)来确定其终点曲线是否失效。如果发现研磨失败，可通过人工或自动化手段来对工艺条件作出相应的调整，以避免产生研磨不彻底的硅片。作为对终点曲线是否失效的判定，发明人发现，当实际研磨时间T(秒)小于平均研磨时间T_ave(例如T₁或T₂)的约70％时，即可判定该终点曲线已失效，此时如所述终点检测装置将该硅片的过研磨时间T_op′(秒)延长至T_op+(T_ave-T)，即可彻底去除铜残留物。优选的是，当实际研磨时间T(秒)小于平均研磨时间T_ave(例如T₁或T₂)的约70％～85％(随实际精度要求的不同，该比例可在此范围内适当调整)时，将该硅片的过研磨时间T_op′(秒)延长至T_op+(T_ave-T)。当然，本领域技术人员知晓，为了避免人工操作的误差，这样的转换可以在终点检测装置中预先设定，而无需在失效时再进行人工操作。换言之，该转换过程既可由人工操作来完成，亦可由自动化手段来实施。在条件允许的情况下，自动化手段可实现两种研磨程序的无缝转换，所以是优选的。例如，在使用FullScan ISRM系统(由Applied Materials(应用材料)公司制造)来进行终点检测时，可在该系统中预先设置：当满足上述条件时，取消终点检测窗口(“window-in”)，而仅以更长时间(T_op+(T_ave-T))的过研磨来完成此步骤。

如上所述，本发明的方法的目的之一是为了解决化学机械研磨的终点检测曲线的失效问题，其通过比较各硅片与同批的具有相似或相同图形的硅片的平均研磨时间T_ave(例如T₁或T₂)来确定其终点曲线是否失效。尽管本发明的上述优选实施方式是通过比较研磨时间来实施的，但在实际操作时，也可以采用其他比较方式来进行实施。具体详见下文所述。

例如，在图5所示的一个实施方式中，使用Full Scan ISRM系统(由Applied Materials(应用材料)公司制造)来进行终点检测，分别以表面反射系数γ和时间t作为终点曲线的纵坐标和横坐标，E为终点检测曲线，D为一个终点检测窗口，t₁为开始对阻挡层上不希望有的铜金属层进行研磨的时间，t₂为此次研磨的终点，t₃为过研磨结束的时间。需要说明的是，该曲线为在实际操作时，当曲线从窗口D的左侧进入，并从其右侧画出(即所谓的“window in”)时，终点检测曲线判断此次研磨抵达终点，于是发出开始过研磨的指示；如曲线从窗口D的左侧进入，从其下侧画出(即所谓的“window out”)，则判断此次研磨未抵达终点，仍需继续进行研磨。在本发明的一个实施方式中，t₂-t₁即为研磨时间t_a，t₃-t₂为过研磨时间T_op(对于某一类硅片来说，在正常情况下，该时间一般固定不变)，如采样取得例如至少3个硅片的正常研磨时间t_a，即可获得平均研磨时间T_ave(例如T₁或T₂，数量平均值)。如某一硅片的实际研磨时间T小于T_ave的约70％～约85％，则判断该硅片的终点检测曲线失效，按照本发明的方法，其过研磨时间T_op将被延长至T_op+(T_ave-T)。

然而，如图5所示，t_a的获得可以不依赖于时间的测量，而是可以通过测量曲线(拟合直线)与垂直方向的夹角θ以及t₁与t₂时间点所分别对应的反射系数γ₁和γ₂而获得：即，t_a＝t₂-t₁＝(γ₁-γ₂)tanθ。本领域技术人员知晓，夹角θ、γ₁和γ₂可以由光学终点检测装置(例如Applied Materials(应用材料)公司制造的Full Scan ISRM系统)中的计算单元和/或结合人工测量而获得，在此不再赘述。

另一方面，对于分别以厚度d和时间t作为纵坐标和横坐标的终点曲线中，如果已测得研磨起始点至终点之间的平均研磨速度和这两点之间所经历的厚度，也可以算得研磨时间(人工或自动化)，进而得出需要延长的时间。

总之，该研磨时间可通过各种方式获得，但优选在终点检测装置中直接测得，因为这样可以提高精度和减少人工操作，从而提高成品率和减少误差。

图6显示了经过本发明的方法处理的铜互连金属化的硅片的SEM照片。由该图可知，本发明的方法可彻底去除不希望有的铜残留物，提高研磨精度，从而有效提高成品率和器件稳定性。此外，与其他盲目增加过研磨时间的方法相比，该方法还有利于准确控制研磨时间以减少对下层的侵蚀和图形中央位置材料的凹陷。此外，还可以确保硅片之间的研磨均匀性，提高研磨成功率，有利于后续步骤的顺利进行。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims

1.一种化学机械研磨方法，该方法包括以下步骤：

使用化学机械研磨设备将所述待研磨层研磨至目标位置，再进行一定时间T_op的过研磨，其中，使用终点检测装置来监测所述研磨的终点及监测到该终点后发出开始所述过研磨的指示，并由所述终点检测装置测得所述多个硅片中的至少3个硅片被正常研磨时抵达所述终点所经历的平均研磨时间T₁，

其中，该方法还包括：

当所述多个硅片中的一个硅片被研磨至经所述终点检测装置检测到的终点时所经历的实际研磨时间T小于T₁的70%-85%时，将该硅片的过研磨时间T_op延长至T_op+(T₁-T)。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述待研磨层与所述硅衬底之间设置有阻挡层。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述待研磨层是氧化硅层或金属层。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述待研磨层与硅衬底之间设置有阻挡层，而且所述金属层是钨金属层或铜金属层。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述终点检测装置是光学终点检测装置或电机电流终点检测装置。

6.一种铜化学机械研磨方法，该方法包括以下步骤：

在第一转盘上除去所述铜金属层中大块的铜，

在第二转盘上将铜金属层研磨至所述阻挡层，并进行一定时间T_op的过研磨，

其中，在第二转盘的研磨步骤中，该方法还包括：

由所述光学终点检测装置测得此转盘上所述多个硅片中的至少3个硅片被正常研磨时抵达所述研磨终点所经历的平均研磨时间T₂，而且

当此转盘上一个硅片被研磨至所述研磨终点时所经历的实际研磨时间T小于T₂的70％-85%时，由所述终点检测装置将该硅片的过研磨时间T_op延长至T_op+(T₂-T)。