CN102463522A

CN102463522A - 铝的化学机械抛光方法

Info

Publication number: CN102463522A
Application number: CN2010105513871A
Authority: CN
Inventors: 蒋莉; 黎铭琦
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2010-11-18
Filing date: 2010-11-18
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2030-11-18
Also published as: CN102463522B

Abstract

一种铝的化学机械抛光方法，待抛光的部件包括基底以及形成于基底上的介质层，所述介质层中形成有开口，所述开口中填充有金属铝，所述金属铝填满所述开口并覆盖所述介质层，所述化学机械抛光包括：对所述金属铝进行第一抛光过程，至所述介质层上剩余预定厚度的金属铝；对所述剩余的金属铝进行第二抛光过程，至暴露出所述介质层，所述第二抛光过程与第一抛光过程为非原位的；将所述待抛光的部件移出化学机械抛光设备，对其表面进行清洗。本发明减少了金属铝表面的划伤，改善了器件的可靠性。

Description

铝的化学机械抛光方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种铝的化学机械抛光方法。

背景技术

铝具有良好的导电性能，而且其形成工艺和图案化工艺都比较简单，因而在半导体领域中受到了广泛的应用，如用作栓塞、焊垫、互连线、金属栅等。在形成金属铝的薄膜后，一般都需要对其表面进行平坦化，而化学机械抛光是最常用的平坦化工艺。

化学机械抛光中所使用的设备主要包括抛光头(head)和抛光盘(platen)，所述抛光盘上设置有抛光垫(pad)。在抛光过程中，待抛光的部件的待抛光表面向下固定在抛光盘上，抛光头向下压在待抛光部件的背面，抛光头和抛光盘各自转动进行抛光，抛光过程中需不断加入抛光液(slurry)，化学机械抛光过程中主要通过调节抛光头的压力(down-force)以及抛光液的选择性来调节抛光研磨的速率。抛光液由多种成分构成，主要包括研磨剂(SiO₂，Al₂O₃)，氧化剂(H₂O₂)，腐蚀抑制剂(BTA)以及其他一些化学添加物质。

图1和图2示出了现有技术的一种铝的化学机械抛光方法的剖面结构示意图。

如图1所示，提供基底10，所述基底10上形成有介质层11，所述介质层11中形成有开口，所述开口中填充有金属铝12，且所述金属铝12还覆盖所述介质层11的表面。所述开口可以是后栅(gate-last)工艺中去除伪栅(dummy gate)之后形成的开口，填充的金属铝12是为了形成金属栅。

如图2所示，对所述金属铝12进行化学机械抛光，至暴露出所述介质层11的表面。但是，由于铝是一种较为柔软的材质，其硬度约为160MPa，而化学机械抛光过程中会产生多种副产物(by product)，如氧化铝的颗粒，其硬度约为20000MPa，是铝的上百倍，因而很容易在金属铝12表面造成划伤(scratch)。随着半导体器件的特征尺寸(CD，Critical Dimension)的不断减小，划伤会影响器件的性能和可靠性，如对于32nm节点以下的铝材质的金属栅MOS晶体管，铝材质的栅电极上的划伤会严重影响MOS晶体管的可靠性。

关于铝的化学机械抛光方法，更多内容请参考美国专利申请US20010031558和US20050112894。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种铝的化学机械抛光方法，减少铝表面的划伤，提高器件的可靠性。

为解决上述问题，本发明提供了一种铝的化学机械抛光方法，待抛光的部件包括基底以及形成于基底上的介质层，所述介质层中形成有开口，所述开口中填充有金属铝，所述金属铝填满所述开口并覆盖所述介质层，所述化学机械抛光方法包括：

对所述金属铝进行第一抛光过程，至所述介质层上剩余预定厚度的金属铝；

对所述剩余的金属铝进行第二抛光过程，至暴露出所述介质层，所述第二抛光过程与第一抛光过程为非原位的；

将所述待抛光的部件移出化学机械抛光设备，对其表面进行清洗。

可选的，所述预定厚度为

至

可选的，所述第二抛光过程与第一抛光过程为非原位的指的是：所述第二抛光过程与所述第一抛光过程在不同的化学机械抛光设备中进行，或所述第二抛光过程与所述第一抛光过程在同一化学机械抛光设备的不同抛光盘中进行。

可选的，所述第一抛光过程和第二抛光过程中，在将所述待抛光的部件移入化学机械抛光设备之前，抛光液的流量为100ml/min至1000ml/min。

可选的，所述第一抛光过程和第二抛光过程中，在将所述待抛光的部件移入化学机械抛光设备之后，所述化学机械抛光设备的抛光头的压力逐渐增加，增加的速率为1psi/min至5psi/min。

可选的，在所述第一抛光过程中，所述化学机械抛光设备的抛光头的压力增加至1.5psi至5.0psi。

可选的，在所述第二抛光过程中，所述化学机械抛光设备的抛光头的压力增加至0.5psi至4.0psi。

可选的，所述第一抛光过程和第二抛光过程中，在将所述待抛光的部件移入化学机械抛光设备之后，所述化学机械抛光设备的抛光头的转速逐渐增加，增加的速率为5rpm/s至100rpm/s。

可选的，在所述第一抛光过程中，所述化学机械抛光设备的抛光头的转速增加至15rpm至150rpm。

可选的，在所述第二抛光过程中，所述化学机械抛光设备的抛光头的转速增加至15rpm至150rpm。

可选的，所述第一抛光过程和第二抛光过程结束前，在所述化学机械抛光设备的抛光头的压力低于1.5psi且转速低于15rpm时，将所述抛光头从待抛光的部件表面移除。

可选的，将所述待抛光的部件移出化学机械抛光设备后，使用草酸溶液对所述待抛光的部件的表面进行清洗。

可选的，所述草酸溶液的浓度为0.01～10wt％。

与现有技术相比，本发明的技术方案有如下优点：

本技术方案首先对金属铝进行第一抛光过程，使得剩余的金属铝的厚度为预定厚度，之后再进行第二抛光过程，至暴露出介质层，且第二抛光过程和第一抛光过程为非原位的，从而避免了第一抛光过程产生的副产物对第二抛光过程的影响，减少了铝金属表面的划伤；而且本技术方案将待抛光部件移出化学机械设备之后再进行清洗，避免了边抛光边清洗对铝金属表面造成的划伤。

进一步的，本技术方案在第一抛光过程和第二抛光过程之前，将抛光液的流量控制为100ml/min至1000ml/min，较大的抛光液流量可以将化学机械抛光设备上残留的微粒等清除，利于减少其对金属铝表面的划伤。

进一步的，在所述第一抛光过程和第二抛光过程中，控制化学机械抛光设备的抛光头的压力和转速缓慢增加，利于防止压力和转速的增速过快导致的工艺条件不稳定，从而减少了金属铝表面的划伤。

附图说明

图1至图2是现有技术的一种铝的化学机械抛光方法的剖面结构示意图；

图3是本发明实施例的铝的化学机械抛光方法的流程示意图；

图4至图6是本发明实施例的铝的化学机械抛光方法的剖面结构示意图。

具体实施方式

现有技术的铝的化学机械抛光过程中，抛光过程中的副产物如氧化铝等容易在金属铝的表面造成划伤，影响器件的可靠性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

图3示出了本发明实施例的铝的化学机械抛光方法的流程示意图，其中待抛光的部件包括基底以及形成于基底上的介质层，所述介质层中形成有开口，所述开口中填充有金属铝，所述金属铝填满所述开口并覆盖所述介质层，所述化学机械抛光方法包括：

步骤S21，对所述金属铝进行第一抛光过程，至所述介质层上剩余预定厚度的金属铝；

步骤S22，对所述剩余的金属铝进行第二抛光过程，至暴露出所述介质层，所述第二抛光过程与第一抛光过程为非原位的；

步骤S23，将所述待抛光的部件移出化学机械抛光设备，对其表面进行清洗。

下面结合图3和图4至图6对本发明实施例的铝的化学机械抛光方法进行详细说明。

参考图4，提供待抛光的部件，所述待抛光的部件包括基底20，所述基底20的表面形成有介质层21，所述介质层21中形成有开口，所述开口中填充有金属铝22，所述金属铝填满所述开口并覆盖所述介质层21。所述基底20为半导体材料，可以是单晶硅，也可以是硅锗化合物，还可以是绝缘体上硅(SOI，Silicon On Insulator)结构或硅上外延层结构。所述介质层21的材料可以是氧化硅、氮化硅等。

在一具体实施例中，该待抛光的部件中的开口可以是后栅工艺中去除伪栅之后形成的开口，所述开口两侧还形成有源/漏注入区，所述金属铝22是用于形成金属栅。此外，在其他实施例中，所述开口也可以是接触孔、通孔等，所述金属铝22是用于填充形成铝材质的栓塞，对于形成栓塞的过程，在所述介质层21与金属铝22之间还可以形成有阻挡层(barrier)(图中未示出)，所述阻挡层的材料可以是钽、氮化钽等。本实施例中所述介质层21表面上的金属铝22的厚度大于1000

。

同时结合图3和图5，执行步骤S21，对所述金属铝进行第一抛光过程，至所述介质层上剩余预定厚度的金属铝。

作为一个优选的实施例，在进行所述第一抛光过程之前，即将所述待抛光的部件移入化学机械抛光设备之前，控制抛光液的流量为100ml/min至1000ml/min，即使用较大的抛光液流量对抛光盘、抛光垫进行冲刷和清洗，去除其上的微粒等残留物。由于在实际生产中，化学机械抛光设备往往是流水线作业使用的，因此，在对所述待抛光部件进行第一抛光前，该化学机械抛光设备往往刚对前一抛光部件进行过抛光，其上残留有上一次抛光过程中产生的副产物，副产物中硬度较高的微粒如氧化铝等会在金属铝表面造成划伤，使用较大流量的抛光液进行冲刷和清洗，能有效的减少前一次抛光过程对后一次抛光过程的影响。

将所述待抛光的部件移入化学机械抛光设备之后，逐渐增加抛光头的压力和转速，其中压力的增速为1psi/min至5psi/min，增至1.5psi至5.0psi，转速的增速为5rpm/s至100rpm/s，增至15rpm至150rpm。本实施例中控制抛光头的压力和转速的增加速率，可以保持工艺条件的稳定，有利于减少第一抛光过程初期在金属铝表面造成的划伤。第一抛光过程之后，所述介质层21上剩余的金属铝22a的厚度d为预定厚度，所述厚度d指的是介质层21的表面至剩余的金属铝22a的表面的距离。本实施例中，所述预定厚度优选为

至

由于金属铝22a上形成的部分划伤可能会较深，如果所述剩余的金属铝22a的厚度过小，划伤可能会深及介质层21表面以下的金属铝，使得后续在抛光去除介质层21表面以上的金属铝之后，金属铝表面仍然存在划伤。发明人经过研究和实验确定，在预定厚度为

至时，能够有效的减少金属铝表面上最终形成的划伤。

结合图3和图6，执行步骤S22，对所述剩余的金属铝进行第二抛光过程，至暴露出所述介质层，所述第二抛光过程与第一抛光过程为非原位(ex-situ)的。

所述第二抛光过程与第一抛光过程为非原位的，指的是二者并不是在同一化学机械抛光设备中完成的，或者二者是在同一化学机械抛光设备的不同抛光盘中完成的。第一抛光过程之前，参考图4，由于金属铝22需要填充开口，因而其表面往往是不平整的，因此第一抛光过程中抛光头的压力较大，产生的氧化铝颗粒等副产物较多，所述副产物会残留在抛光盘上以及抛光垫上的凹槽(groove)内，如果继续使用相同的化学机械抛光设备或相同的抛光盘、抛光垫，会对第二抛光过程造成较明显的影响，在金属铝的表面造成较严重的划伤。将所述待抛光的部件转移至其他的抛光盘或其他的化学机械抛光设备将有利于避免第一抛光过程对第二抛光过程的影响，减少划伤。本实施例中，所使用的化学机械抛光设备包括多个抛光盘，具体为3个，因而，在结束第一抛光过程后，将其转移至另一抛光盘继续进行第二抛光过程。

需要说明的，在所述第一抛光过程结束前，在所述化学机械抛光设备的抛光头的压力低于1.5psi且转速低于15rpm时，将所述抛光头从待抛光的部件表面移除，从而结束第一抛光过程，将所述待抛光的部件取出，转移至另一抛光盘。在抛光头的压力较小且转速较低的条件下移出抛光头，利于保持工艺条件的稳定，减少金属铝表面的划伤。

作为一个优选的实施例，在进行所述第二抛光过程之前，即将所述待抛光的部件移入化学机械抛光设备(本实施例中具体为另一抛光盘)之前，控制抛光液的流量为100ml/min至1000ml/min，即使用较大的抛光液流量对抛光盘、抛光垫进行冲刷和清洗，去除其上的微粒等残留物。与所述第一抛光过程类似的，使用较大流量的抛光液进行冲刷和清洗，能有效的减少前一次抛光过程对后一次抛光过程的影响。

将所述待抛光的部件移入化学机械抛光设备之后，逐渐增加抛光头的压力和转速，其中压力的增速为1psi/min至5psi/min，增至1.5psi至5.0psi，转速的增速为5rpm/s至10rpm/s，增至15rpm至150rpm。类似的，控制抛光头的压力和转速的增加速率，有利于保持工艺条件的稳定，减少第二抛光过程初期在金属铝表面造成的划伤。在第二抛光过程之后，剩余的金属铝22b的表面与所述介质层21的表面齐平，抛光过程结束可以使用终点检测(End-point)技术来实现。在所述第二抛光过程结束前，在所述化学机械抛光设备的抛光头的压力低于1.5psi且转速低于15rpm时，将所述抛光头从待抛光的部件表面移除，从而结束第二抛光过程，将所述待抛光的部件取出。

参考图3，执行步骤S23，将所述待抛光的部件移出化学机械抛光设备，对其表面进行清洗。现有技术中，一般是将所述待抛光的部件仍留在化学机械抛光设备中，使用去离子水代替抛光液，仍然保持抛光头的压力和转速，实现待抛光部件的清洗。但是，发明人经过研究发现，采用现有技术的方法，在清洗过程中，残留在抛光垫中的副产物如氧化铝颗粒等可能会脱离抛光垫的凹槽，与金属铝的表面接触，造成划伤。因此，本实施例中，在完成所述第二抛光过程之后，将待抛光的部件从化学机械抛光设备中移出后对其表面进行清洗，使用的清洗溶液为草酸溶液，且优选浓度为0.01～10wt％(重量百分比)的草酸溶液进行清洗，有效的减少金属铝表面的划伤问题，改善器件的可靠性。

综上，本技术方案首先对金属铝进行第一抛光过程，使得剩余的金属铝的厚度为

至

之后再进行第二抛光过程，至暴露出介质层，且第二抛光过程和第一抛光过程为非原位的，从而避免了第一抛光过程产生的副产物对第二抛光过程的影响，减少了铝金属表面的划伤；而且本技术方案将待抛光部件移出化学机械设备之后再进行清洗，避免了边抛光边清洗对铝金属表面造成的划伤。

进一步的，本技术方案在第一抛光过程和第二抛光过程之前，使用较大的抛光液流量对化学机械抛光设备上残留的微粒等进行清除，利于减少其对金属铝表面的划伤。

再进一步的，在所述第一抛光过程和第二抛光过程中，控制化学机械抛光设备的抛光头的压力和转速缓慢增加，利于防止压力和转速的增速过快导致的工艺条件不稳定，从而减少了金属铝表面的划伤。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种铝的化学机械抛光方法，待抛光的部件包括基底以及形成于基底上的介质层，所述介质层中形成有开口，所述开口中填充有金属铝，所述金属铝填满所述开口并覆盖所述介质层，其特征在于，所述化学机械抛光方法包括：

2.根据权利要求1所述的铝的化学机械抛光方法，其特征在于，所述预定厚度为

至

3.根据权利要求1所述的铝的化学机械抛光方法，其特征在于，所述第二抛光过程与第一抛光过程为非原位的指的是：所述第二抛光过程与所述第一抛光过程在不同的化学机械抛光设备中进行，或所述第二抛光过程与所述第一抛光过程在同一化学机械抛光设备的不同抛光盘中进行。

4.根据权利要求1所述的铝的化学机械抛光方法，其特征在于，所述第一抛光过程和第二抛光过程中，在将所述待抛光的部件移入化学机械抛光设备之前，抛光液的流量为100ml/min至1000ml/min。

5.根据权利要求1所述的铝的化学机械抛光方法，其特征在于，所述第一抛光过程和第二抛光过程中，在将所述待抛光的部件移入化学机械抛光设备之后，所述化学机械抛光设备的抛光头的压力逐渐增加，增加的速率为1psi/min至5psi/min。

6.根据权利要求5所述的铝的化学机械抛光方法，其特征在于，在所述第一抛光过程中，所述化学机械抛光设备的抛光头的压力增加至1.5psi至5.0psi。

7.根据权利要求5所述的铝的化学机械抛光方法，其特征在于，在所述第二抛光过程中，所述化学机械抛光设备的抛光头的压力增加至0.5psi至4.0psi。

8.根据权利要求1所述的铝的化学机械抛光方法，其特征在于，所述第一抛光过程和第二抛光过程中，在将所述待抛光的部件移入化学机械抛光设备之后，所述化学机械抛光设备的抛光头的转速逐渐增加，增加的速率为5rpm/s至100rpm/s。

9.根据权利要求8所述的铝的化学机械抛光方法，其特征在于，在所述第一抛光过程中，所述化学机械抛光设备的抛光头的转速增加至15rpm至150rpm。

10.根据权利要求8所述的铝的化学机械抛光方法，其特征在于，在所述第二抛光过程中，所述化学机械抛光设备的抛光头的转速增加至15rpm至150rpm。

11.根据权利要求1所述的铝的化学机械抛光方法，其特征在于，所述第一抛光过程和第二抛光过程结束前，在所述化学机械抛光设备的抛光头的压力低于1.5psi且转速低于15rpm时，将所述抛光头从待抛光的部件表面移除。

12.根据权利要求1所述的铝的化学机械抛光方法，其特征在于，将所述待抛光的部件移出化学机械抛光设备后，使用草酸溶液对所述待抛光的部件的表面进行清洗。

13.根据权利要求12所述的铝的化学机械抛光方法，其特征在于，所述草酸溶液的浓度为0.01～10wt％。