CN102689265B - 化学机械抛光的方法 - Google Patents

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Abstract

一种化学机械抛光的方法，包括：提供抛光层；采用碱性的研磨浆料研磨所述抛光层；采用酸性的缓冲剂去除研磨后形成在所述抛光层表面的残留物层；在去除所述残留物层之后，形成覆盖所述抛光层的钝化层。本发明实施例的化学机械抛光的方法，抛光层表面的平整度高，半导体器件的成品率高，长期稳定性好。

Description

化学机械抛光的方法
技术领域
本发明涉及半导体工艺中的化学机械抛光工艺，具体涉及一种化学机械抛光的方法。
背景技术
在半导体工业领域，半导体器件的制造涉及多层薄膜沉积工艺。当沉积多层薄膜时，随着层数的增加，半导体器件表面的起伏将会逐渐增大，所述起伏将会极大的影响半导体器件的成品率和长期的可靠性，因此需要对所述半导体器件的各个薄膜层进行平坦化处理，使半导体器件的各个薄膜层具有平滑的表面。
20世纪80年代，化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)工艺被用于半导体工业领域。化学机械抛光通过化学和机械的共同作用，可以有效的解决半导体器件的各个薄膜层表面起伏的问题。
现有技术中对半导体器件进行化学机械抛光的步骤为：
如图1所示，提供包含金属层103和绝缘层101的抛光层105，采用酸性的研磨浆料110研磨所述抛光层105，在研磨的同时加入苯并三唑(BTA)，阻止所述抛光层105的氧化，研磨之后，所述抛光层105表面形成有残留物层111，所述残留物层111包括金属氧化物和/或金属氢氧化物107、附着在所述金属氧化物和/或金属氢氧化物107表面的BTA109及研磨浆料110；
如图2所示，采用去离子水去除所述残留物层111。
然而在用去离子水去除所述残留物层111时，部分金属氧化物和/或金属氢氧化物107、附着在所述金属氧化物和/或金属氢氧化物107表面的BTA109等残留物难以被去除。所述未被去除的残留物极大影响了半导体器件的成品率和长期稳定性。
在公开号为“CN101376232A”的专利申请文件中公开了“一种可提高抛光性能的化学机械抛光方法”，该专利申请文件中采用将化学机械抛光分为第一阶段抛光和第二阶段抛光两个阶段的方法，该专利认为减小第一阶段抛光的压力可以达到提高抛光性能，但是此种方法仍然不能有效解决半导体器件的成品率和长期稳定性问题。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种提高半导体器件的成品率和长期稳定性化学机械抛光的方法。
为解决上述问题，本发明提供一种化学机械抛光的方法，包括：
提供抛光层；
采用碱性的研磨浆料研磨所述抛光层；
采用酸性的缓冲剂去除研磨后形成在抛光层表面的残留物层；
在去除所述残留物层之后，形成覆盖所述抛光层的钝化层。
可选地，所述酸性的缓冲剂为有机酸化合物。
可选地，所述有机酸化合物为乙二胺四乙酸、多元羧酸、羟基羧酸中的一种或多种组合。
可选地，所述抛光层至少包括金属层。
可选地，所述金属层的材料为Cu、W、Al中的一种。
可选地，所述碱性的研磨浆料包括氧化硅颗粒和碱性的过氧化氢溶液。
可选地，所述残留物层为金属的氧化物、氢氧化物、金属-氧-硅化物中的一种或多种。
可选地，所述化学机械抛光的方法还包括：在形成覆盖所述抛光层的钝化层后，采用去离子水清洗所述钝化层。
与现有技术相比，本发明的实施例具有以下优点：
一方面，本发明的实施例在研磨抛光层之后，加入了酸性的缓冲剂去除残留物层。在酸性条件下，残留物层中的金属的氧化物、氢氧化物、金属-氧-硅化物等不溶于水的物质会释放出金属离子，所述金属离子在去离子水中的溶解度较大，残留物层比较容易清除。
另一方面，本发明的实施例在加入酸性缓冲剂去除残留物层后，在抛光层表面形成钝化层，所述钝化层可以有效阻止抛光层的氧化。
进一步的，所述有机酸化合物的酸性较弱，不易腐蚀抛光层表面，抛光层表面的平整度高，半导体器件的成品率高，长期稳定性好。
附图说明
图1～图2是现有技术化学机械抛光的方法的过程示意图；
图3是本发明实施例的化学机械抛光的方法的流程示意图；
图4～图7是本发明实施例的化学机械抛光的方法的过程示意图。
具体实施方式
由背景技术可知，现有的化学机械抛光的方法难以去除抛光层表面的金属的氧化物、氢氧化物、及附着在金属的氧化物、氢氧化物表面的腐蚀抑制剂等，导致抛光层表面平整度较低，最终形成的半导体器件成品率低，长期稳定性较差。
本发明的发明人针对上述问题进行研究，现有技术在研磨过程中加入BTA，所述BTA会附着在金属的氧化物和/或氢氧化物表面，难以去除，并且采用酸性的研磨浆料研磨抛光层，容易腐蚀所述抛光层表面，造成抛光层表面平整度不高。
本发明实施例的发明人经过进一步研究发现，发现金属的氧化物和/或氢氧化物在酸性条件下会打断金属原子和氧原子之间的化合键，生成金属离子，所述金属离子在清洗液中的溶解度较高，容易被去除；并且在去除金属的氧化物和/或氢氧化物之后，再在抛光层表面形成一层钝化层，可以有效的阻止抛光层中金属的氧化。
本发明的实施例中提供了一种化学机械抛光的方法，请参考图3，包括：
步骤S201，提供抛光层；
步骤S203，采用碱性的研磨浆料研磨所述抛光层；
步骤S205，采用酸性的缓冲剂去除研磨后形成在抛光层表面的残留物层；
步骤S207，在去除所述残留物层之后，形成覆盖所述抛光层的钝化层。
采用本发明实施例的化学机械抛光的方法，所述残留物层易被去除，抛光层表面的平整度高，半导体器件的成品率高，长期稳定性好。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多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例的限制。
其次，本发明利用示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是实例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
具体请参考图4～图6，图4～图6为本发明实施例的化学机械抛光的方法的过程示意图。
请结合参考图3和图4，执行步骤S201，提供抛光层305。
所述抛光层305包括绝缘层301、以及覆盖所述绝缘层301的金属层303。
所述绝缘层301的材料为氧化物或氮化物，例如氧化硅、氮化硅等，用于隔离有源器件。所述绝缘层301的形成工艺为沉积工艺，例如物理或化学气相沉积。所述沉积工艺为本领域技术人员所熟知，在此不再赘述。
所述金属层303的材料为Cu、W、Al中的一种，用于形成栅电极或导电插塞等。所述金属层303的形成工艺为沉积工艺，例如物理或化学气相沉积。在本实施例中，所述抛光层305的材料为金属Cu和氧化硅。所述抛光层305的具体形成步骤为：利用化学气相沉积的方法沉积氧化硅形成绝缘层301，然后形成覆盖所述绝缘层301的光刻胶层(未图示)，所述光刻胶层在用于形成沟槽的绝缘层301上的对应位置具有开口，以所述光刻胶层为掩膜刻蚀所述绝缘层301形成沟槽(未图示)，向所述沟槽内填充金属Cu形成金属层303。
由于采用沉积工艺形成抛光层305，所述抛光层305表面平整度不够，并且在后续工艺步骤需要采用化学机械抛光的方法去除部分金属层303，使得金属层303与绝缘层301相齐平。
请结合参考图3和图5，执行步骤S203，采用碱性的研磨浆料309研磨所述抛光层305。
所述研磨浆料309包括研磨颗粒和研磨液，所述研磨颗粒通常为氧化硅(silica)颗粒，所述研磨液通常为碱性的过氧化氢(H2O2)溶液。
所述研磨液用于与抛光层305表面的材料发生化学反应，形成比较容易去除的物质。之后，研磨颗粒通过机械的作用将所述容易去除的物质去除，大大加快了化学机械抛光的速率。
具体地：碱性条件下，研磨浆料309中碱性的过氧化氢(H2O2)溶液先将金属层303表面的一薄层金属氧化生成金属的氧化物、氢氧化物，附着在金属表面，并且在研磨过程中，一部分的研磨颗粒硅与金属的氧化物、氢氧化物发生反应生成金属-氧-硅化物。之后，氧化硅颗粒通过机械研磨的方式将附着在金属表面的金属的氧化物、氢氧化物、金属-氧-硅化物去除。
在本发明的实施例中，碱性的过氧化氢(H2O2)溶液先与金属Cu反应，将金属层303表面的一薄层Cu氧化生成铜的氧化物(CuO)、氢氧化物(Cu(OH)x，其中x＝1或2)，且一部分的氧化硅颗粒与铜的氧化物(CuO)、氢氧化物(Cu(OH)x，其中x＝1或2)发生反应，生成Cu-O-Si。之后氧化硅颗粒通过机械研磨的方式去除附着在金属层303表面的铜的氧化物(CuO)、氢氧化物(Cu(OH)x，其中x＝1或2)。
请结合参考图3和图6，执行步骤S205，采用酸性的缓冲剂去除研磨后形成在抛光层表面的残留物层310。
在研磨结束后，一部分被碱性的过氧化氢(H2O2)溶液氧化的金属的氧化物、氢氧化物和金属-氧-硅化物还未来得及被研磨颗粒去除而附着在抛光层305表面形成残留物层310。
所述残留物层310包括金属的氧化物、氢氧化物、金属-氧-硅化物中的一种或多种。
在现有工艺中，通常采用去离子水去除所述残留物层310，但本发明的发明人发现，所述金属的氧化物、氢氧化物以及金属-氧-硅化物在去离子水中的溶解度较小，不易彻底去除，导致现有技术中抛光层305表面的平整度不高，最终使得半导体器件的成品率低和长期稳定性差。
所述缓冲剂为酸性溶液，所述缓冲剂中的H+与所述残留物层310发生反应，所述残留物层310中金属的氧化物、氢氧化物和金属-氧-硅化物中的金属原子和氧原子之间的化合键被打断，释放出金属离子，而金属离子在后续清洗步骤的清洗液中的溶解度较高，使得残留物层310比较容易去除。
为避免抛光层305的表面被酸腐蚀，破坏所述抛光层305表面的平整度，所述缓冲剂为弱酸。通常所述缓冲剂为有机酸化合物，例如乙二胺四乙酸(polyaminocarboxylic acids)、多元羧酸(polycarboxylic acids)、羟基羧酸(oxycarboxlic acids)中的一种或多种组合。所述有机酸化合物的酸性较弱，能够去除所述残留物层310，且不易腐蚀抛光层305表面，抛光层305表面的平整度高，半导体的性能稳定。
需要说明的是，采用酸性的缓冲剂去除所述残留物层310的方法时只需在试样的残留物层310表面滴入酸性的缓冲剂，让所述酸性的缓冲剂与残留物层310发生反应即可。在所述酸性的缓冲剂加入到残留物层310表面后，为使所述残留物层310被完全去除，且所述缓冲剂不腐蚀抛光层305表面，采用所述缓冲剂去除所述残留物层310的时间为5～20秒。
在本实施例中，在研磨结束后，金属层表面还附着有一层未被研磨颗粒去除的铜的氧化物(CuO)、氢氧化物(Cu(OH)x，其中x＝1或2)以及Cu-O-Si。所述残留物层310包括铜的氧化物(CuO)、氢氧化物(Cu(OH)x，其中x＝1或2)以及Cu-O-Si。
所述缓冲剂为乙二胺四乙酸，将乙二胺四乙酸滴入残留物层310表面10秒后，所述乙二胺四乙酸中的H+与所述残留物层309中铜的氧化物(CuO)、氢氧化物(Cu(OH)x，其中x＝1或2)和Cu-O-Si发生反应，打断铜原子(Cu)和氧原子(O)之间的化合键，生成Cu+和/或Cu2+，所述Cu+和/或Cu2+在后续清洗步骤的清洗液中的溶解度大，易被彻底去除。
需要说明的是，此处提到的所述去除所述残留物层310指的是缓冲剂与残留物层310发生反应，生成易溶于后续清洗过程的物质。事实上，此时所述抛光层表面依然附着有一些Cu+和/或Cu2+，以及一层研磨浆料(未图示)，起到保护抛光层305的作用。
请结合参考图3和图7，执行步骤S207，在去除所述残留物层之后，形成覆盖所述抛光层305的钝化层311。
所述钝化层311形成在抛光层305表面，用于保护抛光层305被氧化。所述钝化层311的形成步骤为：在去除所述残留物层之后，添加腐蚀抑制剂，例如苯并三唑(BTA)到所述抛光层305表面。由于所述腐蚀抑制剂不是附着在金属的氧化物和/或金属的氢氧化物表面，而是附着在抛光层的金属表面，所述腐蚀抑制剂与抛光层表面的一薄层金属发生反应，将其钝化形成一薄层的钝化层311，阻止所述抛光层305氧化的进一步进行。
需要说明的是，在抛光层305表面形成钝化层311后，所述钝化层311表面还附着有一些残留的金属离子、以及一层研磨浆料。
在本实施例中，腐蚀抑制剂附着在金属Cu表面并与其发生反应，形成一薄层的Cu-BTA，所述Cu-BTA为络合物，附着在金属Cu的表面，可以阻止金属Cu被氧化。在本实施例中，所述钝化层311为一薄层的Cu-BTA，覆盖在Cu金属层303的表面。所述钝化层311表面还附着有一些残留的Cu+和/或Cu2+，以及一层研磨浆料。
由于所述钝化层311表面还附着有一些残留的金属离子、以及一层研磨浆料，因此在形成所述钝化层311后，还需要清洗所述钝化层311表面。
清洗所述钝化层311采用去离子水的清洗方法。由于半导体器件对各薄膜层表面的要求较高，通常采用纯度较高的去离子水清洗，避免引入新的杂质。在清洗的过程中，附着在所述钝化层311表面的金属离子、研磨浆料溶解在去离子水中被清洗干净，暴露出钝化层311，用于阻止金属层303的氧化，有利于后续半导体器件的制作。
在本实施例中，化学机械抛光过程中产生的Cu+和/或Cu2+附着在所述钝化层311表面，由于Cu+和/或Cu2+在水中的溶解度较大，当用去离子水进行冲洗时，比较容易将Cu+和/或Cu2+和研磨浆料清洗干净。上述步骤完成之后，本发明实施例的化学机械抛光已完成。
综上，本发明的实施例具有以下优点：
一方面，本发明的实施例在研磨抛光层之后，加入了酸性的缓冲剂去除残留物层。在酸性条件下，残留物层中的金属的氧化物、氢氧化物、金属-氧-硅化物等不溶于水的物质会释放出金属离子，所述金属离子在去离子水中的溶解度较大，残留物层比较容易清除。
另一方面，本发明的实施例在加入酸性缓冲剂去除残留物层后，在抛光层表面形成钝化层，所述钝化层可以有效阻止抛光层的氧化。
进一步的，所述有机酸化合物的酸性较弱，不易腐蚀抛光层表面，抛光层表面的平整度高，半导体器件的成品率高，长期稳定性好。
本发明的实施例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的实施例，任何本领域技术人员在不脱离本发明实施例的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明实施例的技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明实施例的技术方案的内容，依据本发明实施例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，均属于本发明实施例的技术方案的保护范围。

Claims (7)

1.一种化学机械抛光的方法，其特征在于，包括：
提供抛光层，所述抛光层至少包括金属层；
采用碱性的研磨浆料研磨所述抛光层；
采用酸性的缓冲剂去除研磨后形成在抛光层表面的残留物层，采用所述酸性的缓冲剂去除所述残留物层的时间为5～20秒；
在去除所述残留物层之后，添加腐蚀抑制剂到所述抛光层表面，形成覆盖所述抛光层的钝化层。
2.如权利要求1所述的化学机械抛光的方法，其特征在于，所述酸性的缓冲剂为有机酸化合物。
3.如权利要求2所述的化学机械抛光的方法，其特征在于，所述有机酸化合物为乙二胺四乙酸、多元羧酸、羟基羧酸中的一种或多种组合。
4.如权利要求1所述的化学机械抛光的方法，其特征在于，所述金属层的材料为Cu、W、Al中的一种。
5.如权利要求1所述的化学机械抛光的方法，其特征在于，所述碱性的研磨浆料包括氧化硅颗粒和碱性的过氧化氢溶液。
6.如权利要求1所述的化学机械抛光的方法，其特征在于，所述残留物层为金属的氧化物、氢氧化物、金属-氧-硅化物中的一种或多种。
7.如权利要求1所述的化学机械抛光的方法，其特征在于，还包括：在形成覆盖所述抛光层的钝化层后，采用去离子水清洗所述钝化层。
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