CN104139331A - 芯片平坦化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种芯片平坦化方法，包括如下步骤：提供一硅衬底，硅衬底上形成有金属层，该金属层具有初始厚度；采用第一下压力及第一转台转速的化学机械研磨工艺将金属层从初始厚度研磨至第一目标厚度；以及采用第二下压力及第二转台转速的化学机械研磨工艺将金属层从第一目标厚度研磨至第二目标厚度，其中，第二下压力小于第一下压力，第二转台转速与第一转台转速相同。本发明通过先采用大的下压力高转速研磨金属层，然后再采用小的下压力相同的转速研磨金属层，既能够提高硅衬底表面全局平坦化，也能够提高芯片表面平坦化，进而提高半导体器件的良率。本发明芯片平坦化方法也可以先采用小的下压力高转速研磨金属层，然后再采用大的下压力相同的转速研磨金属层。

Description

芯片平坦化方法
技术领域
本发明涉及半导体器件制造工艺技术领域，尤其涉及一种芯片平坦化方法。
背景技术
计算机、通信及网络技术的高速发展对半导体器件的要求愈来愈高，半导体器件不断向高速化、高集成化、高密度化和高性能化的方向发展，导致其特征尺寸不断缩小、金属互连结构布线层数不断增加。在多层布线的立体结构中，不仅要求包含所有芯片的整个硅片表面平坦化(全局平坦化)，还要求每个芯片表面平坦化。因为无论是硅片表面起伏不平或芯片表面起伏不平，都会对后续的光刻工艺造成负面影响，在光刻时对线宽失去控制，也难以在刻蚀后台阶上不均匀的光刻胶上制作图形。
目前，化学机械研磨(CMP)仍是半导体器件制造工艺中最主要的平坦化技术。化学机械研磨工艺为光刻需求提供了硅片上的平滑表面，已成为半导体器件制造中获得高良率的关键工艺之一。化学机械研磨是通过化学反应和机械研磨相结合的方法对表面起伏不平的硅片进行平坦化的过程，其工艺过程如下：先将待研磨的硅片的待研磨面向下附着在研磨头上，然后向研磨头施加向下的压力，使硅片的待研磨面紧压于研磨垫上，接着表面贴有研磨垫的转台在电机的驱动下旋转，同时，研磨头也进行同向转动，在研磨头和转台转动的同时，研磨液通过研磨液供应管供应到研磨垫上，并在转台旋转产生的离心力的作用下分布在研磨垫上，实现对硅片的研磨。
通常，为了提高研磨率，会向研磨头施加较大的下压力，大的研磨下压力产生高的研磨率。然而，在整个研磨过程中，如果一直采用大的下压力研磨硅片，很容易在硅片上产生碟形凹陷，降低硅片表面全局平坦化，更重要的是硅片上芯片表面平坦化难以很好的控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种不仅能够提高硅片表面全局平坦化，而且能够提高硅片上芯片表面平坦化的方法。
为实现上述目的，本发明提供的一种芯片平坦化方法，包括如下步骤：提供一硅衬底，硅衬底上形成有金属层，该金属层具有初始厚度；采用第一下压力及第一转台转速的化学机械研磨工艺将金属层从初始厚度研磨至第一目标厚度；以及采用第二下压力及第二转台转速的化学机械研磨工艺将金属层从第一目标厚度研磨至第二目标厚度，其中，第二下压力小于第一下压力，第二转台转速与第一转台转速相同。
第一下压力为1.8～2.3psi，第二下压力为0.3～0.8psi，第一转台转速及第二转台转速为70～150rpm。
在化学机械研磨过程中，实时检测研磨终点，采用电涡流反馈系统实时检测研磨终点。
在采用第一下压力及第一转台转速的化学机械研磨工艺将金属层从初始厚度研磨至第一目标厚度的步骤之后，且在采用第二下压力及第二转台转速的化学机械研磨工艺将金属层从第一目标厚度研磨至第二目标厚度的步骤之前，还包括：采用第三下压力及第三转台转速的化学机械研磨工艺研磨金属层，其中，第三下压力小于第一下压力且大于第二下压力，第三转台转速与第一转台转速及第二转台转速相同。
第三下压力为1.0～1.5psi。采用第三下压力及第三转台转速的化学机械研磨工艺研磨金属层的研磨时间为5秒。
为实现上述目的，本发明提供的又一种芯片平坦化方法，包括如下步骤：提供一硅衬底，硅衬底上形成有金属层，该金属层具有初始厚度；采用第一下压力及第一转台转速的化学机械研磨工艺将金属层从初始厚度研磨至第一目标厚度；以及采用第二下压力及第二转台转速的化学机械研磨工艺将金属层从第一目标厚度研磨至第二目标厚度，其中，第二下压力大于第一下压力，第二转台转速与第一转台转速相同。
第一下压力为0.3～0.8psi，第二下压力为1.8～2.3psi，第一转台转速及第二转台转速为70～150rpm。
在化学机械研磨过程中，实时检测研磨终点，采用电涡流反馈系统实时检测研磨终点。
在采用第一下压力及第一转台转速的化学机械研磨工艺将金属层从初始厚度研磨至第一目标厚度的步骤之后，且在采用第二下压力及第二转台转速的化学机械研磨工艺将金属层从第一目标厚度研磨至第二目标厚度的步骤之前，还包括：采用第三下压力及第三转台转速的化学机械研磨工艺研磨金属层，其中，第三下压力大于第一下压力且小于第二下压力，第三转台转速与第一转台转速及第二转台转速相同。
第三下压力为1.0～1.5psi。采用第三下压力及第三转台转速的化学机械研磨工艺研磨金属层的研磨时间为5秒。
综上所述，本发明芯片平坦化方法通过先采用大的下压力高转速研磨金属层，然后再采用小的下压力相同的转速研磨金属层，或者，先采用小的下压力高转速研磨金属层，然后再采用大的下压力相同的转速研磨金属层，既能够提高硅衬底表面全局平坦化，也能够提高芯片表面平坦化，进而提高半导体器件的良率。
附图说明
图1是根据本发明的芯片平坦化方法的一实施例的流程图。
图2A至2C是采用本发明的芯片平坦化方法对芯片进行平坦化的结构示意图。
图3是根据本发明的芯片平坦化方法的又一实施例的流程图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合图式予以详细说明。
请参阅图1及图2A-2C，揭示了根据本发明的芯片平坦化方法的一实施例。在本实施例中，该芯片平坦化方法包括如下步骤：
S110：提供一硅衬底11，硅衬底11上形成有金属层14，金属层14具有初始厚度，初始厚度为6000～10000埃；
S120：采用第一下压力及第一转台转速的化学机械研磨工艺将金属层14从初始厚度研磨至第一目标厚度。其中，第一下压力设定为1.8～2.3psi，第一转台转速设定为70～150rpm，第一目标厚度为1800～3000埃；以及
S130：采用第二下压力及第二转台转速的化学机械研磨工艺将金属层14从第一目标厚度研磨至第二目标厚度，其中，第二下压力小于第一下压力，第二转台转速与第一转台转速相同。第二下压力设定为0.3～0.8psi，第二转台转速为70～150rpm，第二目标厚度为1000～1500埃。
具体地，如图2A所示，在步骤S110中，硅衬底11的表面依次形成有具有沟槽的介质层12、阻挡层13及金属层14。介质层12的材料优选为超低K介质材料或者低K介质材料。阻挡层13的材料优选为钽、氮化钽、钛、氮化钛之一或者它们的混合物。金属层14的材料优选为铜。
如图2B所示，在步骤S120中，采用第一下压力为1.8～2.3psi，第一转台转速为70～150rpm的化学机械研磨工艺将金属层14从7000埃研磨至2500埃，研磨时间为40-50秒。
如图2C所示，在步骤S130中，采用第二下压力为0.3～0.8psi，第二转台转速为70～150rpm的化学机械研磨工艺将金属层14从2500埃研磨至1500埃。在步骤S120及步骤S130的研磨过程中，实时检测研磨终点，如采用电涡流反馈系统实时检测研磨终点。控制金属层14的厚度在1000～1500埃。通常，金属层14被研磨至1000～1500埃时，芯片的表面已很平滑。
为了形成金属互连结构，在步骤S130之后，可以采用无应力电化学抛光的方法去除沟槽外的金属层14，去除金属层14的厚度为1000～1500埃；然后再采用气相刻蚀的方法去除沟槽外的阻挡层13。保留在沟槽中的金属层14形成金属互连结构。由于在步骤S130中，金属层14被研磨至1000～1500埃时，金属层14的表面平坦化良好，为接下来的无应力电化学抛光工艺奠定了很好的基础，因此采用无应力电化学抛光的方法去除沟槽外的金属层14后，金属层14表面的平坦化依旧很好。
在一实施例中，为了避免下压力在短时间内的快速变化对硅衬底11造成损伤(下压力从第一下压力为1.8～2.3psi下降至第二下压力为0.3～0.8psi)，在步骤S120之后，步骤S130之前，采用第三下压力及第三转台转速的化学机械研磨工艺研磨金属层14，其中，第三下压力小于第一下压力且大于第二下压力，第三转台转速与第一转台转速及第二转台转速相同。第三下压力设定为1.0～1.5psi，第三转台转速同样为70～150rpm，研磨时间为5秒，以缓冲下压力的快速变化。
请参阅图3，揭示了根据本发明的芯片平坦化方法的又一实施例。在本实施例中，该芯片平坦化方法包括如下步骤：
S210：提供一硅衬底11，硅衬底11上形成有金属层14，金属层14具有初始厚度，初始厚度为6000～10000埃；
S220：采用第一下压力及第一转台转速的化学机械研磨工艺将金属层14从初始厚度研磨至第一目标厚度。其中，第一下压力设定为0.3～0.8psi，第一转台转速设定为70～150rpm，第一目标厚度为1800～3000埃；
S230：采用第二下压力及第二转台转速的化学机械研磨工艺将金属层14从第一目标厚度研磨至第二目标厚度，其中，第二下压力大于第一下压力，第二转台转速与第一转台转速相同。第二下压力设定为1.8～2.3psi，第二转台转速为70～150rpm，第二目标厚度为1000～1500埃。
在步骤S220及步骤S230的研磨过程中，实时检测研磨终点，如采用电涡流反馈系统实时检测研磨终点，控制金属层14的厚度在1000～1500埃。
在一实施例中，为了避免下压力在短时间内的快速变化对硅衬底11造成损伤(下压力从第一下压力为0.3～0.8psi提高至第二下压力为1.8～2.3psi)，在步骤S220之后，步骤S230之前，采用第三下压力及第三转台转速的化学机械研磨工艺研磨金属层14，其中，第三下压力大于第一下压力且小于第二下压力，第三转台转速与第一转台转速及第二转台转速相同。其中，第三下压力设定为1.0～1.5psi，第三转台转速同样为70～150rpm，研磨时间为5秒，以缓冲下压力的快速变化。
由上述可知，本发明芯片平坦化方法通过先采用大的下压力高转速研磨金属层14，然后再采用小的下压力相同的转速研磨金属层14，或者，先采用小的下压力高转速研磨金属层14，然后再采用大的下压力相同的转速研磨金属层14，既能够提高硅衬底11表面全局平坦化，也能够提高芯片表面平坦化，进而提高半导体器件的良率。
综上所述，本发明芯片平坦化方法通过上述实施方式及相关图式说明，已具体、详实的揭露了相关技术，使本领域的技术人员可以据以实施。而以上所述实施例只是用来说明本发明，而不是用来限制本发明的，本发明的权利范围，应由本发明的权利要求来界定。

Claims (18)

1.一种芯片平坦化方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供一硅衬底，硅衬底上形成有金属层，该金属层具有初始厚度；
采用第一下压力及第一转台转速的化学机械研磨工艺将金属层从初始厚度研磨至第一目标厚度；以及
采用第二下压力及第二转台转速的化学机械研磨工艺将金属层从第一目标厚度研磨至第二目标厚度，其中，第二下压力小于第一下压力，第二转台转速与第一转台转速相同。
2.根据权利要求1所述的芯片平坦化方法，其特征在于，所述第一下压力为1.8～2.3psi。
3.根据权利要求1所述的芯片平坦化方法，其特征在于，所述第二下压力为0.3～0.8psi。
4.根据权利要求1所述的芯片平坦化方法，其特征在于，所述第一转台转速及第二转台转速为70～150rpm。
5.根据权利要求1所述的芯片平坦化方法，其特征在于，还包括：在化学机械研磨过程中，实时检测研磨终点。
6.根据权利要求5所述的芯片平坦化方法，其特征在于，采用电涡流反馈系统实时检测研磨终点。
7.根据权利要求1所述的芯片平坦化方法，其特征在于，在采用第一下压力及第一转台转速的化学机械研磨工艺将金属层从初始厚度研磨至第一目标厚度的步骤之后，且在采用第二下压力及第二转台转速的化学机械研磨工艺将金属层从第一目标厚度研磨至第二目标厚度的步骤之前，还包括：采用第三下压力及第三转台转速的化学机械研磨工艺研磨金属层，其中，第三下压力小于第一下压力且大于第二下压力，第三转台转速与第一转台转速及第二转台转速相同。
8.根据权利要求7所述的芯片平坦化方法，其特征在于，所述第三下压力为1.0～1.5psi。
9.根据权利要求7所述的芯片平坦化方法，其特征在于，采用第三下压力及第三转台转速的化学机械研磨工艺研磨金属层的研磨时间为5秒。
10.一种芯片平坦化方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供一硅衬底，硅衬底上形成有金属层，该金属层具有初始厚度；
采用第一下压力及第一转台转速的化学机械研磨工艺将金属层从初始厚度研磨至第一目标厚度；以及
采用第二下压力及第二转台转速的化学机械研磨工艺将金属层从第一目标厚度研磨至第二目标厚度，其中，第二下压力大于第一下压力，第二转台转速与第一转台转速相同。
11.根据权利要求10所述的芯片平坦化方法，其特征在于，所述第一下压力为0.3～0.8psi。
12.根据权利要求10所述的芯片平坦化方法，其特征在于，所述第二下压力为1.8～2.3psi。
13.根据权利要求10所述的芯片平坦化方法，其特征在于，所述第一转台转速及第二转台转速为70～150rpm。
14.根据权利要求10所述的芯片平坦化方法，其特征在于，还包括：在化学机械研磨过程中，实时检测研磨终点。
15.根据权利要求14所述的芯片平坦化方法，其特征在于，采用电涡流反馈系统实时检测研磨终点。
16.根据权利要求10所述的芯片平坦化方法，其特征在于，在采用第一下压力及第一转台转速的化学机械研磨工艺将金属层从初始厚度研磨至第一目标厚度的步骤之后，且在采用第二下压力及第二转台转速的化学机械研磨工艺将金属层从第一目标厚度研磨至第二目标厚度的步骤之前，还包括：采用第三下压力及第三转台转速的化学机械研磨工艺研磨金属层，其中，第三下压力大于第一下压力且小于第二下压力，第三转台转速与第一转台转速及第二转台转速相同。
17.根据权利要求16所述的芯片平坦化方法，其特征在于，所述第三下压力为1.0～1.5psi。
18.根据权利要求16所述的芯片平坦化方法，其特征在于，采用第三下压力及第三转台转速的化学机械研磨工艺研磨金属层的研磨时间为5秒。
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RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20141112

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