CN102371534B - 晶圆表面的化学机械研磨方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种晶圆表面的化学机械研磨方法，包括：提供经初次化学机械研磨后的晶圆；在晶圆表面形成缓冲层；对晶圆表面进行第二化学机械研磨，去除所述缓冲层。所述缓冲层在第二化学机械研磨中，能够防止晶圆表面的残留物与研磨液接触而形成新的缺陷，还起到精确控制研磨的停止位置，以避免损坏晶圆上半导体器件的作用。

Description

晶圆表面的化学机械研磨方法

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种晶圆表面的化学机械研磨方法。

背景技术

在半导体制造工艺中，经常需要使用化学机械研磨工艺对晶圆表面进行平钽化处理。例如在金属互连工艺中，形成大马士革双镶嵌结构后，需要在沟槽或通孔内填充Cu、Al、Wu等互连金属，上述互连金属在沉积时，通常会溢出沟槽或通孔，并覆于晶圆的表面。则需要采用化学机械研磨工艺对晶圆表面进行减薄，去除上述溢出的互联金属。

通常对晶圆表面的金属进行化学机械研磨工艺，包括如下三步骤：首先，通过较高的研磨速率(Material Remoal rate，MRR)，进行快速研磨，去除大部分厚度的金属并完成初步的表面平坦化。在此过程中，并未露出底部的半导体衬底，而保留有部分厚度的表面金属。然后，采用较低的研磨速率，进行精确研磨，去除剩余厚度的表面金属，并停止于底部的半导体衬底。在此过程中，根据所述半导体衬底与金属在同等研磨参数下具有不同研磨速率的特点，精确控制所述研磨的终点，使得研磨停留于半导体衬底上。最后，如果半导体衬底表面还存在残留的金属，则需要进行过度抛光处理以减少缺陷，所述过度抛光去除的厚度很小，仅有几十埃。

在实际的生产过程中，已完成化学机械研磨形成金属互连层的晶圆，由于外界环境的变化，金属互连层表面会出现微腐蚀的情况，造成表面缺陷，而影响后续工艺，导致芯片的可靠性问题。因此必要的时候，还需要对上述产生表面缺陷的晶圆进行重新化学机械研磨的处理。

现有工艺再进行重新化学机械研磨的处理时，微腐蚀的金属互连层部分很容易与研磨液发生化学反应形成新的残留物，在去除原有缺陷的同时，又形成新的缺陷；此外，对已形成金属互连层的晶圆表面进行重新化学机械研磨时，如果减薄的厚度过大，将导致金属互连层中的互连线断裂(参考图1所示)，从而造成芯片失效甚至报废。

发明内容

本发明解决的问题是在提供一种晶圆表面的化学机械研磨方法，在去除晶圆表面的缺陷的同时，避免引入二次缺陷，提高产品的良率。

本发明提供的晶圆表面的化学机械研磨方法，包括：

提供经初次化学机械研磨后的晶圆；

在晶圆表面形成缓冲层；

对晶圆表面进行第二化学机械研磨，去除所述缓冲层。

可选的，所述第二化学机械研磨减薄的厚度等于或大于缓冲层的厚度。

可选的，所述缓冲层为氧化硅层或氮化硅层。厚度范围为在第二化学机械研磨中，调整研磨压力以及研磨盘转速，先进行快速研磨再进行慢速研磨，所述快速研磨所减薄的厚度与慢速研磨所减薄的厚度比为3∶1～1∶1，研磨速率范围为

研磨时间范围为30s～180s。

作为另一个可选方案，所述缓冲层为复合层，包括氮化硅层及其表面的氧化硅层。所述氮化硅层与氧化硅层的厚度比为1∶1～1∶3。所述缓冲层的总厚度范围为

在第二化学机械研磨中，采用恒定的研磨压力以及研磨盘转速，研磨速率为

研磨时间范围为30s～300s。

本发明所述的晶圆表面化学机械研磨方法，在已经过初次化学机械研磨的晶圆表面形成缓冲层，所述缓冲层包覆晶圆表面的缺陷，再进行第二次化学机械研磨去除所述缓冲层，以避免产生新的缺陷，提高了产品的良率。

附图说明

通过附图中所示的本发明的优选实施例的更具体说明，本发明的上述及其他目的、特征和优势将更加清晰。附图中与现有技术相同的部件使用了相同的附图标记。附图并未按比例绘制，重点在于示出本发明的主旨。在附图中为清楚起见，放大了层和区域的尺寸。

图1是晶圆上化学机械研磨后的缺陷扫描电镜图；

图2是本发明化学机械研磨方法的流程示意图；

图3至图7是本发明实施例化学机械研磨方法的剖面示意图；

图8是采用本发明所述化学机械研磨方法以及现有的化学机械研磨方法后晶圆表面示意图。

具体实施方式

现有工艺对晶圆表面进行化学机械研磨时，在完成减薄的研磨后，为了去除晶圆表面产生的缺陷，直接进行重新研磨，容易产生新的缺陷，导致芯片的可靠性问题。本发明在进行重新研磨前，先在晶圆表面形成缓冲层，以防止晶圆表面的残留物与研磨液接触，避免形成新的缺陷，所述缓冲层还起到精确控制化学机械研磨的停止位置的作用。下面结合说明书附图，对本发明进行详细介绍。

本发明所述晶圆表面化学机械研磨方法的流程图如图2所示，基本步骤包括：

S101、对晶圆表面进行初次化学机械研磨，去除待减薄层；

其中，所述晶圆可以形成有半导体器件图形；所述待减薄层应当与底部的半导体结构具有材质差异，以便于控制化学机械研磨的停止位置；进一步的，所述半导体器件图形可以是金属互连结构，所述待减薄层可以是金属互连制作工艺中，溢出金属互连结构多余的互连金属层。所述初次化学机械研磨后，晶圆表面具有研磨的残留物或研磨后因为暴露于空气中发生微腐蚀而产生的缺陷。

S102、在晶圆表面形成缓冲层；

其中，所述缓冲层应当形成于具有上述缺陷的晶圆表面部分，将包覆或填充所述缺陷。所述缓冲层可以是单一材质的硅化物层例如氧化硅、氮化硅等，还可以是复合层，利用各层的研磨速率的差异起到精确控制后续的二次化学机械研磨停止位置的作用。

S103、对晶圆表面进行第二化学机械研磨，去除所述缓冲层。

其中，所述第二化学机械研磨所减薄的厚度可以等于或略大于所述缓冲层的厚度。可以通过已知的缓冲层厚度，以及预先设定或实时获得的研磨速率，调整研磨时间以精确去除缓冲层或进行部分过抛光。

图3至图7提供了一个具体实施例，对本发明所述晶圆表面化学机械研磨方法的特点以及优点进一步介绍。

首先如图3所示，提供晶圆10，所述晶圆10包括半导体衬底100、形成于半导体衬底100内的半导体器件图形101，以及位于所述半导体器件图形101上的待减薄层102。

本实施例中，所述半导体器件图形101可以为金属互连结构，包括双镶嵌结构的沟槽101a、通孔101b以及填充于所述沟槽101a、通孔101b内的互连金属，所述互连金属可以是铜、铝、钨等，本实施例以铜为例。所述待减薄层102是形成上述金属互连结构时，溢出沟槽/通孔表面，而覆于半导体衬底100表面的铜金属，因此本实施例所述化学机械研磨是对铜进行的化学化学机械研磨(Cu CMP)。

如图4所示，对晶圆10进行初次化学机械研磨，所述初次化学机械研磨用于去除待减薄层102。

具体的，本实施例中所述初次化学机械研磨可以根据铜金属以及半导体衬底的研磨速率差异作为研磨停止条件，或者以待减薄层102的厚度以及预设的研磨速率估算研磨时间控制减薄厚度，而无需进行过抛光的措施。可以采用较快的研磨速率对所述待减薄层102进行研磨，去除大量的铜金属以及表面的波形结构形成初步平坦化的半导体器件图形101。其中，对铜金属的研磨速率可以设置为

具体的研磨时间为待减薄层102的厚度除以研磨速率得到。在初次化学机械研磨结束后，还包括采用去离子水冲洗晶圆表面的步骤。

如图5所示，在进行初次化学机械研磨，初步平坦化后，所述晶圆10表面露出半导体衬底100以及半导体器件图形101，其中半导体器件图形101上可能存在减薄物残留或不平坦的凸起、凹陷等各种缺陷。

具体的，本实施例中，在进行初次化学机械研磨后，晶圆10表面可能残留有铜金属，所述残留的铜金属凸出于晶圆10的表面。此外，所述缺陷还包括当金属互连结构长时间暴露于不良外界环境下，发生微腐蚀而形成的氧化铜等金属化合物。

如图6所示，在所述晶圆10的表面形成缓冲层103。

所述缓冲层103将包覆或填充晶圆10表面的缺陷。所述缓冲层103可以是单一材质的硅化物层例如氧化硅、氮化硅等，还可以是复合层。本实施例中，所述缓冲层103包括底部的氮化硅层103a及其表面的氧化硅层103b，可以通过化学气相沉积形成。其中，氮化硅层103a相较于氧化硅层103b，结构性质较为致密，硬度更高，因此通常在同等研磨参数(例如研磨压力、研磨盘转速等)下，氮化硅层103a的研磨速率会更慢。将所述氮化硅层103a设置于氧化硅层103b底部，可以起到缓冲的作用，并易于在较薄的减薄厚度下，精确控制化学机械研磨的停止位置。所述缓冲层103的厚度无需太厚，以避免浪费研磨时间，增加工艺成本，本实施例中，所述缓冲层103的厚度范围为

其中氮化硅层103a与氧化硅层103b的厚度比约为1∶1～1∶3。

如图7所示，对晶圆10的表面进行第二化学机械研磨，去除所述缓冲层103；作为可选方案，还可以对底部的半导体衬底102进行一定程度的过抛光。

具体的，所述缓冲层103包覆于晶圆表面的残留铜金属、氧化铜等金属化合物。在进行第二化学机械研磨过程中，上述残留物尤其氧化铜等金属化合物，不会与研磨液接触，而避免了两者之间发生化学反应而产生新的缺陷，当缓冲层103被去除后，其包覆的金属残留物也会被一并去除。从而实现，在去除初次化学机械研磨所形成的缺陷同时，避免形成二次缺陷。此外，所述缓冲层103还填充晶圆10表面可能的凹陷等部分，有利于进一步提高表面的平整度。

本实施例中，所述缓冲层103包括氮化硅层103a以及氧化硅层103b，因此可以采用恒定的研磨参数(研磨压力、研磨盘转速)既能够实现先快速研磨后慢速研磨的过程，并实时测量研磨速率，根据实际的减薄厚度，判断当前的减薄位置，其中，研磨速率控制在

研磨时间控制在30s～300s。进一步的，当研磨速率明显减慢时，表示已减薄至氮化硅层103a，此时也可以根据需要微调整所述研磨参数，以达到最终精确控制研磨停止位置的目的。

作为另一个可选实施例，如果所述第二化学机械研磨的减薄对象为氮化硅或氧化硅单一材质的缓冲层103，通常沉积的厚度相对复合结构较薄，范围为

可以调整研磨压力以及研磨盘转速，先进行快速研磨再进行慢速研磨，以精确控制研磨的停止位置。其中快速研磨所减薄的厚度与慢速研磨所减薄的厚度比为3∶1～1∶1，可以预先设定快速研磨以及慢速研磨两阶段的研磨速度，然后根据各阶段所需减薄的厚度除以预先设定的研磨速度计算获得各阶段的研磨时间。在本实施例中，所述研磨速率范围为

总的研磨时间范围为30s～180s。

半导体器件图形101通常较为脆弱，在进行过抛光时，极易损坏半导体器件图形101。例如本实施例中，金属互连结构如果在过抛光过程中被损坏，极易形成金属互连线的断裂，造成第二化学机械研磨的失败。因此可以根据需要，选择过抛光的厚度，所述过抛光厚度加上缓冲层厚度即第二化学机械研磨所需的减薄厚度。上述实施例均可以通过精确控制研磨停止位置实现准确的减薄，而避免在过抛光时损坏金属互连线。

在第二化学机械研磨结束后，同样还需用去离子水冲洗晶圆，去除残留的研磨液以及研磨聚合物的步骤，最终完成本发明所述晶圆表面的化学机械研磨工艺。

图8为本发明化学机械研磨方法与传统对晶圆表面重新化学机械研磨，晶圆表面对比示意图。如图8所示，经过本发明的化学机械研磨方法，晶圆10表面的残留物以及不平整缺陷不仅较处理前大为减少，且相比于现有的二次机械研磨工艺也大为减少，可见本发明具有良好的技术效果。

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 (6)

1.一种应用于金属互连线工艺中的晶圆表面的化学机械研磨方法，其特征在于，包括：

提供经初次化学机械研磨后的晶圆；

在晶圆表面形成缓冲层，所述缓冲层为复合层，包括氮化硅层及其表面的氧化硅层，所述氮化硅层与氧化硅层的厚度比为1:1～1:3；

对晶圆表面进行第二化学机械研磨，去除所述缓冲层，其中，所述化学机械研磨缓冲层时快速研磨所减薄的厚度与慢速研磨所减薄的厚度比为3:1-1:1。

2.如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述第二化学机械研磨减薄的厚度等于或大于缓冲层的厚度。

3.如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述缓冲层的厚度范围为

4.如权利要求3所述的化学机械研磨方法，其特征在于，在第二化学机械研磨中，调整研磨压力以及研磨盘转速，先进行快速研磨再进行慢速研磨，所述快速研磨所减薄的厚度与慢速研磨所减薄的厚度比为3:1～1:1，研磨速率范围为

研磨时间范围为30s～180s。

5.如权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述缓冲层的厚度范围为

6.如权利要求5所述的化学机械研磨方法，其特征在于，在第二化学机械研磨中，采用恒定的研磨压力以及研磨盘转速，研磨速率为

研磨时间范围为30s～300s。

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