CN102615584A - 一种化学机械研磨的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种化学机械研磨的方法，包括下列步骤：提供半导体衬底，所述半导体衬底上具有介质层，所述介质层内包含通孔和/或沟槽；在介质层上及通孔和/或沟槽的侧壁和底部形成阻挡层；在阻挡层上形成金属层，且所述金属层填充满通孔和/或沟槽内；对所述金属层进行研磨至露出阻挡层；采用第一研磨液研磨去除部分厚度的阻挡层；采用第二研磨液研磨剩余阻挡层至露出介质层，所述第二研磨液中所含氧化物研磨颗粒的数量及直径小于所述第一研磨液中所含氧化物研磨颗粒的数量及直径。本发明旨在通过上述化学机械研磨方法既可以保证晶圆的研磨速率，同时也可以减少氧化物研磨颗粒对晶圆表面的磨损，从而提高产品的质量和性能。

Description

一种化学机械研磨的方法
技术领域
本发明涉及半导体工艺领域，特别涉及一种化学机械研磨的方法。
背景技术
随着集成电路制造工艺不断进步，半导体器件的集成度越来越高，使半导器件的关键尺寸(CD)变得越来越小。作为连接半导体器件的金属互连结构，也伴随着半导体器件尺寸的变小，对其要求也越来越高；而在大规模集成电路中，高电阻容易造成电子发生跳线现象，导致附近器件产生错误的开关状态，因此以铝为材料的金属互连结构由于其高电阻特性难以符合工艺需求。在现有互连结构制造中，使用铜金属互连工艺代替原有的铝工艺，铜的传输信号速度比铝快，而且更加稳定，使得铜金属在芯片性能方面比起铝金属来更具有优势。
现有在制作铜金属导线或导电插塞时，在形成金属层后，采用化学机械研磨(CMP)对金属层进行平坦化。但是在平坦化过程中，现有的CMP制程中常常会使晶圆表面产生划痕(scratch)，从而影响产品的良率。根据划痕的磨损程度可以分成微划痕(Micro-scratch)和大划痕(Macro-scratch)。其中造成晶圆表面Micro-scratch的成因主要是研磨过程中的微粒与晶圆表面的摩擦所造成，这些微粒主要来自于研磨液中研磨粒的聚集，以及研磨机台或外界环境在研磨过程中所造成的污染。本领域技术人员理解，所述研磨液一般由化学助剂和氧化物研磨颗粒组成，其中所述化学助剂可以是氧化剂、界面活性剂、PH值缓冲剂等，所述氧化物研磨颗粒可能是硅土或者铝土等成分。在研磨过程中，通常当所述研磨液中的氧化物研磨颗粒含量越多，氧化物研磨颗粒越大时，对晶圆的研磨速率就越快，但同时由于所述氧化物研磨颗粒较大，其对晶圆表面造成磨损的可能性也越大；反之，当所述研磨液中的氧化物研磨颗粒含量越少，氧化物研磨颗粒越小时，对晶圆的研磨速率就越低，从而影响工艺进度，但是由于所述氧化物研磨颗粒较小，其对所述晶圆的表面造成磨损的也相对较小。
在中国专利申请号为：200510006242.2的发明专利中，提供了一种化学机械研磨方法，其在CMP工艺的后段通过在研磨垫上通入去离子水来改善使用高选择性研磨液的CMP工艺的研磨效果，降低晶圆微划痕损伤。但是，由于通入去离子水是在所述CMP工艺的后段加入的，因此，虽然这种方法能在一定程度上提高研磨速度、减少晶圆表面的微划痕，但是并不能防止研磨液中的氧化物研磨颗粒对晶圆表面的磨损。因此，如果能从改进研磨液的角度提供一种技术方案，使其可以同时兼顾化学机械研磨速率和防止晶圆磨损将会使整个CMP工艺得到改进，但是在现有技术中还没有一种较好的解决方案。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种化学机械研磨方法，防止在晶圆表面产生微小划痕。
为解决上述问题，本发明提供了一种化学机械研磨的方法，其特征在于，包括下列步骤：提供半导体衬底，所述半导体衬底上具有介质层，所述介质层内包含通孔和/或沟槽；在介质层上及通孔和/或沟槽的侧壁和底部形成阻挡层；在阻挡层上形成金属层，且所述金属层填充满通孔和/或沟槽内；对所述金属层进行研磨至露出阻挡层；采用第一研磨液研磨去除部分厚度的阻挡层；采用第二研磨液研磨剩余阻挡层至露出介质层，所述第二研磨液中所含氧化物研磨颗粒的数量及直径小于所述第一研磨液中所含氧化物研磨颗粒的数量及直径。
优选地，所述第一研磨液为氧化物研磨液，包括水、化学助剂以及氧化物研磨颗粒，其中所述氧化物研磨颗粒的含量占所述第一研磨液的总含量的比例大于8％。所述氧化物研磨液所含研磨颗粒的直径大于50nm。
优选地，所述氧化物研磨颗粒的直径大于50nm。
优选地，所述第二研磨液为氧化物研磨液，包括水、化学助剂以及氧化物研磨颗粒，其中所述氧化物研磨颗粒的含量占所述第二研磨液的总含量的比例小于8％。
优选地，所述氧化物研磨颗粒的直径在10-50nm之间。
优选地，所述氧化物研磨液是氢氧化钾溶液或者氢氧化铵溶液。
优选地，所述第一研磨液的PH值和所述第二研磨液的PH值相同。
优选地，所述阻挡层的材料是钽或者氧化钽或者钽硅氮。
优选地，所述第一研磨液研磨去除部分厚度的阻挡层为阻挡层总厚度的80％-90％。
优选地，采用第二研磨液研磨剩余阻挡层至露出介质层之前，还包括步骤：对所述研磨垫进行清洗。
优选地，对所述研磨垫的清洗时间大于10秒。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过分别使用两种研磨液先后对所述晶圆进行化学机械研磨。具体地，在对所述金属层进行研磨至露出阻挡层后，首先通过使用包含氧化物研磨颗粒较大且含量较多的第一研磨液对所述阻挡层进行研磨，快速去除大部分厚度的阻挡层；然后再使用包含氧化物研磨颗粒较小且含量较少的第二研磨液研磨剩余阻挡层至露出介质层。进一步地，在使用所述第一研磨液和所述第二研磨液之间，还通过清洗研磨垫上残留的所述第一研磨液中的氧化物研磨颗粒，防止所述第一研磨液中的氧化物研磨颗粒对所述晶圆表面的磨损。通过这样的研磨方法既可以保证对晶圆的研磨速率，还能够防止研磨液中的氧化物研磨颗粒对所述晶圆表面的磨损，从而提高最终产品的质量和性能。
进一步，在本发明的优选例中，所述第一研磨液的组成成分中所含氧化物研磨颗粒的比例大于8％，所述氧化物研磨颗粒的直径大于50nm，第二研磨液的组成成分中所含氧化物研磨颗粒的比例小于8％，所述氧化物研磨颗粒的直径在10nm-50nm之间。通过使用这样两个研磨液可以实现既保证了对晶圆的研磨速率，同时还能防止研磨液中的氧化物研磨颗粒对所述晶圆表面的磨损。
附图说明
图1是本发明提供的一种化学机械研磨方法的流程图；
图2至图6是本发明形成金属布线过程中进行化学机械研磨的实施例的示意图；
图7至图10是本发明形成双镶嵌结构过程中进行化学机械研磨的实施例的示意图。
具体实施方式
发明人发现在现有的化学机械研磨方法中，所使用的研磨液很难同时满足较快的研磨速率，又能减少研磨液中研磨颗粒对晶圆表面的磨损影响。因为，在研磨过程中，通常当所述研磨液中的研磨颗粒含量越多，研磨颗粒越大时，对晶圆的研磨速率就越快，但同时由于所述研磨颗粒较大，其对晶圆表面造成磨损的可能性也越大；反之，当所述研磨液中的研磨颗粒含量越少，研磨颗粒越小时，对晶圆的研磨速率就越低，从而影响工艺进度，但是由于所述研磨颗粒较小，其对所述晶圆的表面造成磨损的也相对较小。
因此，针对上述问题，本发明提供了一种化学机械研磨方法，具体流程如图1所示，执行步骤S1，提供半导体衬底，所述半导体衬底上具有介质层，所述介质层内包含通孔和/或沟槽；执行步骤S2，在介质层上及通孔和/或沟槽的侧壁和底部形成阻挡层；执行步骤S3在阻挡层上形成金属层，且所述金属层填充满通孔和/或沟槽内；执行步骤S4，对所述金属层进行研磨至露出阻挡层；执行步骤S5，采用第一研磨液研磨去除部分厚度的阻挡层；执行步骤S6，采用第二研磨液研磨剩余阻挡层至露出介质层，所述第二研磨液中所含氧化物研磨颗粒的数量及直径小于所述第一研磨液中所含氧化物研磨颗粒的数量及直径。
通过这样的研磨方法既可以保证对晶圆的研磨速率，还能够防止研磨液中的氧化物研磨颗粒对所述晶圆表面的磨损，从而提高最终产品的质量和性能。
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。
实施例一
下面结合附图以形成金属布线为例以及图1所述的流程图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
参考图2至图6所示的是本发明形成金属布线过程中进行化学机械研磨的实施例的示意图。
首先，如图2所示，提供半导体衬底(未示出)，所述半导体衬底上形成有半导体器件，例如晶体管，电容器等；在所述半导体衬底上形成介质层13，所述介质层13材料可以是氧化硅或氮氧化硅等。
继续参考图2，通过刻蚀工艺在介质层13中形成沟槽，所述沟槽可通过介质层中的导电插塞与其他半导体器件导通；采用沉积工艺于介质层13上及沟槽侧壁和底部形成阻挡层12，所述阻挡层12的材料为钽、氧化钽或者钽硅氮，其作用为防止后续填充于沟槽中的金属层扩散至介质层13中。
再参考图2，在阻挡层12上形成金属层11，且将金属层11填充满沟槽。
在本实施例中，所述金属层11是铜，通常采用电化学淀积(EVD)淀积所述金属层11。
结合图1中所述步骤S4，对所述金属层11进行研磨至露出阻挡层12。此研磨步骤分为两个阶段：首先，如图3所示，对所述阻挡层12上金属层11进行研磨，去除的大部分厚度的金属层11，由于所述第一阶段研磨是粗研磨阶段，其研磨速率较快，但是对所述金属层11的平坦化效果一般，保留部分厚度的金属层11的作用是在后续通过第二阶段的精研磨来平坦化所述金属层11。本实施例中，去除的所述金属层11的厚度是所有需要去除的金属层11厚度的90％。所使用的研磨液通常是包含氧化物研磨颗粒较多的研磨液，同时研磨垫和/或研磨头的转速较快，所述研磨头对晶圆的压力较大，这样可以实现快速研磨的效果。
接着，如图4所示，对所述阻挡层12上方剩余部分厚度的金属层11进行研磨至露出所述阻挡层12，即对所述金属层11进行第二阶段研磨。具体地，所述第二阶段研磨是精研磨阶段，所使用的研磨液通常是包含氧化物研磨颗粒较少的研磨液，同时研磨垫和/或研磨头的转速相对较慢，所述研磨头对晶圆的压力较小，这样可以对所述金属层11实现良好的平坦化效果。
结合图5和图1中所述步骤S5，采用第一研磨液研磨去除部分厚度的阻挡层12。
本实施例中，所述第一研磨液中包含若干氧化物研磨颗粒2。优选地，所述第一研磨液是氧化物研磨液，包含水、化学助剂、氧化物研磨颗粒等成分。其中所含氧化物研磨颗粒2的含量占所述第一研磨液的总含量的比例大于8％，并且所述氧化物研磨颗粒2的直径大于50nm。具体地，在研磨过程中，通过所述化学助剂可以对所述阻挡层12的表面进行氧化，形成较易去除的氧化薄膜层，然后通过所述第一研磨液中的氧化物研磨颗粒2将所述氧化薄膜层去除。随即在所述阻挡层12的新表面又会被所述化学助剂氧化，形成新的一层氧化薄膜层，再通过所述氧化物研磨颗粒2去除所述氧化薄膜层，这样循环往复对所述阻挡层12进行化学机械研磨，直到去除大部分厚度的所述阻挡层12。
进一步地，由于使用的所述第一研磨液中所述氧化物研磨颗粒2的直径较大且数量较多，因此通过使用所述第一研磨液可以快速地去除大部分所需研磨的所述阻挡层12，在实际应用中，经过所述第一研磨液研磨后，可以去除所需研磨厚度的80％-90％。
结合图6和图1中所述步骤S6，采用第二研磨液研磨剩余阻挡层12至露出介质层13。
本实施例中，所述第二研磨液中包含若干氧化物研磨颗粒2′，优选地，所述第二研磨液是氧化物研磨液，包含水、化学助剂、氧化物研磨颗粒等成分。所述第二研磨液中的氧化物研磨颗粒2′的直径小于所述第一研磨液中所含氧化物研磨颗粒2，所述第二研磨液中所含氧化物研磨颗粒2′的数量也小于所述第一研磨液中所含氧化物研磨颗粒2的数量。具体地，在所述第二研磨液中所含氧化物研磨颗粒2′的含量占所述第一研磨液的总含量的比例小于8％，所述氧化物研磨颗粒2的直径在10nm-50nm之间。与所述第一研磨液相类似，在所述第二研磨液中也包括化学助剂，在研磨过程中，通过所述化学助剂可以对所述阻挡层12和/或所述金属层11的表面进行氧化，形成较易去除的氧化薄膜层，然后通过所述第二研磨液中的氧化物研磨颗粒2′将所述氧化薄膜层去除。
本领域技术人员理解，由于所述第二研磨液中的氧化物研磨颗粒2′的直径较小且含量较低，因此通过使用所述第二研磨液，虽然研磨速率较慢，但由于剩余的所需研磨的厚度较少，因此对整个研磨进程的影响不大。同时，因为所述第二研磨液中的氧化物研磨颗粒2′的直径较小且含量较低，因此所述氧化物研磨颗粒2′对所述晶圆表面的磨损也较小，从而是最终产品的质量和性能相对现有技术而言有很大程度的提高。
需要说明的是，所述氧化物研磨颗粒2和所述氧化物研磨颗粒2′的直径和在研磨液中的含量并不局限于上述实施例中所列举的参数，在实际应用中，只要满足所述第二研磨液中所含氧化物研磨颗粒2′的数量及直径小于所述第一研磨液中所含氧化物研磨颗粒2的数量及直径即可，本领域技术人员可以根据不同的研磨要求来改变所述具体参数值，这并不影响本发明的实质，在此不予赘述。
进一步需要说明的是，在本实施例中，优选地，所述第一研磨液和所述第二研磨液是氢氧化钾溶液或者氢氧化铵溶液，并且所述第一研磨液的PH值和所述第二研磨液的PH值相同或相近。例如，优选地，本实施例中所述第一研磨液和所述第二研磨液是碱性研磨液，所述PH值通常在9-11之间。本领域技术人员可以根据实际需要以及研磨效果考虑，选择一种合适的PH值的研磨液来进行化学机械研磨，在此不予赘述。
除本实施例外，在所述步骤S5和所述步骤S6之间还可以增加一个步骤：对所述研磨垫进行清洗。结合所述实施例一，由于所述第一研磨液中包含的氧化物研磨颗粒2的直径较大，所述氧化物研磨颗粒2残留在研磨垫上可能会对后续的研磨效果产生影响，因此，在使用第二研磨液进行研磨之前，需要对所述研磨垫进行清洗，其主要目的就是将所述研磨垫上残留的所述第一研磨液中的氧化物研磨颗粒清洗干净，防止其对晶圆表面产生磨损，以保证后续的研磨效果。
实施例二
参考图7至图10所示的本发明形成双镶嵌结构过程中进行化学机械研磨的实施例的示意图。
如图7所示，首先，提供半导体衬底100，所述半导体衬底100内含有金属布线(图7中未示出)，在半导体衬底100上形成覆盖层101，并在覆盖层101上形成介质层102，所述介质层102的材料如二氧化硅和低介电常数材料等。所述覆盖层101可防止半导体衬底100中的金属布线扩散到所述介质层102中，亦可防止刻蚀过程中所述半导体衬底100中的金属布线被刻蚀。
然后，刻蚀所述介质层102形成双镶嵌结构104，具体形成工艺如下：首先刻蚀介质层102至露出金属布线，形成通孔104a；在所述介质层102上方和通孔104a内形成光刻胶层(图7中未示出)，经过曝光显影，定义出沟槽图形；以光刻胶层为掩膜，沿沟槽图形刻蚀介质层102，形成与通孔104a连通的沟槽104b，所述通孔104a与沟槽104b构成双镶嵌结构104。
继续参考图7，在所述介质层102的上、双镶嵌结构104的侧壁和底部形成阻挡层103，所述阻挡层103的材料可以是钽、氧化钽或者钽硅氮等材料中的任意一种，其作用在于防止金属层105和所述介质层102相互扩散，影响最终产品的性能。接着，在所述阻挡层103上方淀积金属层105。在本实施例中，优选地，所述金属层105是包含铜金属，通过电化学淀积(EVD)使所述铜金属填充满所述双镶嵌结构104内。
接下来，如图8所示，通过化学机械研磨去除额外的铜金属。在实际应用中，通常对所述金属层105的研磨可以通过两个阶段来进行，其具体实施过程可以参考实施例一中所述步骤S4的描述，在此不予赘述。
进一步地，采用第一研磨液研磨去除部分厚度的所述阻挡层103。如图9所示，所述第一研磨液中包含若干个氧化物研磨颗粒2。优选地，在本实施例中，所述第一研磨液是氧化物研磨液，至少包括水、化学助剂以及氧化物研磨颗粒，其中所含氧化物研磨颗粒2的含量占所述第一研磨液的总含量的比例大于8％，并且所述氧化物研磨颗粒2的直径大于50nm。具体地，在研磨过程中，通过所述化学助剂可以对所述阻挡层103的表面进行氧化，形成较易去除的氧化薄膜层，然后通过所述第一研磨液中的氧化物研磨颗粒2将所述氧化薄膜层去除。随即在所述阻挡层103的新表面又会被所述化学助剂氧化，形成新的一层氧化薄膜层，再通过所述氧化物研磨颗粒2去除所述氧化薄膜层，这样循环往复对所述阻挡层103进行化学机械研磨，直到去除大部分厚度的所述阻挡层103。
由于使用的所述第一研磨液中所述氧化物研磨颗粒2的直径较大且含量较多，因此通过使用所述第一研磨液可以快速地去除大部分所需研磨的所述阻挡层12，在实际应用中，研磨去除部分厚度的阻挡层为阻挡层总厚度的80％-90％。
接着，采用第二研磨液研磨剩余阻挡层至露出介质层。如图10所示，所述第二研磨液中包含若干个氧化物研磨颗粒2′，优选地，所述第二研磨液是氧化物研磨液，至少包含水、化学助剂以及氧化物研磨颗粒，所述第二研磨液中的氧化物研磨颗粒2′的直径小于所述第一研磨液中所含氧化物研磨颗粒2，所述第二研磨液中所含氧化物研磨颗粒2′的数量也小于所述第一研磨液中所含氧化物研磨颗粒2的数量。具体地，在所述第二研磨液中所含氧化物研磨颗粒2′的含量占所述第一研磨液的总含量的比例小于8％，所述氧化物研磨颗粒2的直径在10nm-50nm之间。与所述第一研磨液相类似，在所述第二研磨液中也包括化学助剂，在研磨过程中，通过所述化学助剂可以对所述阻挡层103和/或所述金属层105的表面进行氧化，形成较易去除的氧化薄膜层，然后通过所述第二研磨液中的氧化物研磨颗粒2′将所述氧化薄膜层去除，直到露出所述介质层102。
由于所述第二研磨液中的氧化物研磨颗粒2′的直径较小且数量较少，因此通过使用所述第二研磨液，虽然研磨速率较慢，但由于剩余的所需研磨的厚度较少，因此对整个研磨进程的影响不大。同时，因为所述第二研磨液中的氧化物研磨颗粒2′的直径较小且数量较少，因此所述氧化物研磨颗粒2′对所述晶圆表面的磨损也较小，从而是最终产品的质量和性能相对现有技术而言有很大程度的提高。
需要说明的是，所述氧化物研磨颗粒2和所述氧化物研磨颗粒2′的直径和在研磨液中的含量并不局限于上述实施例中所列举的参数，在实际应用中，只要满足所述第二研磨液中所含氧化物研磨颗粒2′的数量及直径小于所述第一研磨液中所含氧化物研磨颗粒2的数量及直径即可，本领域技术人员可以根据不同的研磨要求来改变所述具体参数值，这并不影响本发明的实质，在此不予赘述。
进一步需要说明的是，在本实施例中，优选地，所述第一研磨液和所述第二研磨液是氢氧化钾溶液或者氢氧化铵溶液，并且所述第一研磨液的PH值和所述第二研磨液的PH值相同或相近。例如，优选地，本实施例中所述第一研磨液和所述第二研磨液是碱性研磨液，所述PH值通常在9-11之间。本领域技术人员可以根据实际需要以及研磨效果考虑，选择一种合适的PH值的研磨液来进行化学机械研磨，在此不予赘述。
需要说明的是，实施例一和实施例二分别是以形成金属布线结构和形成双镶嵌结构为例来说明本发明所提供的化学机械研磨方法。在实际应用中，本发明所述的化学机械研磨方法还可以运用在其他晶圆结构的研磨上，例如，浅槽隔离(STI)的研磨、层间介质层(ILD)的研磨等，在此不予赘述。
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 (11)

1.一种化学机械研磨的方法，其特征在于，包括下列步骤：提供半导体衬底，
所述半导体衬底上具有介质层，所述介质层内包含通孔和/或沟槽；
在介质层上及通孔和/或沟槽的侧壁和底部形成阻挡层；
在阻挡层上形成金属层，且所述金属层填充满通孔和/或沟槽内；
对所述金属层进行研磨至露出阻挡层；
采用第一研磨液研磨去除部分厚度的阻挡层；
采用第二研磨液研磨剩余阻挡层至露出介质层，所述第二研磨液中所含氧化物研磨颗粒的数量及直径小于所述第一研磨液中所含氧化物研磨颗粒的数量及直径。
2.根据权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述第一研磨液为氧化物研磨液，包括水、化学助剂以及氧化物研磨颗粒，其中所述氧化物研磨颗粒的含量占所述第一研磨液的总含量的比例大于8％。
3.根据权利要求2所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述氧化物研磨颗粒的直径大于50nm。
4.根据权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述第二研磨液为氧化物研磨液，包括水、化学助剂以及氧化物研磨颗粒，其中所述氧化物研磨颗粒的含量占所述第二研磨液的总含量的比例小于8％。
5.根据权利要求4所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述氧化物研磨颗粒的直径在10-50nm之间。
6.根据权利要求2或4所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述氧化物研磨液是氢氧化钾溶液或者氢氧化铵溶液。
7.根据权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述第一研磨液的PH值和所述第二研磨液的PH值相同。
8.根据权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述阻挡层的材料是钽或者氧化钽或者钽硅氮。
9.根据权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述第一研磨液研磨去除部分厚度的阻挡层为阻挡层总厚度的80％-90％。
10.根据权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，采用第二研磨液研磨剩余阻挡层至露出介质层之前，还包括步骤：对所述研磨垫进行清洗。
11.根据权利要求10所述的化学机械研磨方法，其特征在于，对所述研磨垫的清洗时间大于10秒。
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