CN104576351B - 化学机械研磨方法 - Google Patents
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Abstract
一种化学机械研磨方法，包括：提供待研磨晶圆；对所述待研磨晶圆上的贵金属进行预处理，使所述贵金属层转化为合金层；提供研磨液，并向所述研磨液中加入研磨颗粒和氧化剂；通过所述研磨液对所述合金层的至少一部分进行化学机械研磨。与现有技术相比本发明的技术方案具有以下优点：使化学机械研磨变得比较容易进行；能够在较好地对待研磨晶圆进行研磨的同时，避免在待研磨晶圆上产生擦伤。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种化学机械研磨方法。
背景技术
随着集成电路制造技术的飞速发展，集成电路制造工艺也变得越来越复杂和精细，对晶圆（Wafer）表面的平整度要求也越来越严格。而现在广泛应用的半导体制作方法会造成晶圆的表面起伏不平，对图形制作极其不利。为此，需要对晶圆进行平坦化(Planarization)处理，使每一层都具有较高的平整度。
目前，最常见的平坦化工艺为化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing,CMP)。化学机械研磨是一种复杂的工艺过程，通过晶圆和研磨头之间的相对运动来平坦化晶圆的表面。化学机械研磨进行平坦化处理的效率较高，已成为半导体技术领域一项不可或缺的制作工艺。
与此同时，包括金（Au）、银（Ag）、铂（Pt）、锇（Os）、铱（Ir）、钌（Ru）、铑（Rh）以及钯（Pd）在内的贵金属，因具有较低的电阻温度系数、很好的稳定性以及难以被氧化的性质，开始被广泛的应用于集成电路制造当中。比如，所述贵金属可以作为晶体管的栅极材料，或者用于制作晶体管之间的互连线路等。
但是，贵金属的化学稳定性给化学机械研磨带来了较大的难度。如何对带有贵金属层的半导体器件进行化学机械研磨正是目前亟待解决的问题。
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，以优化对带有贵金属层的待研磨晶圆的平坦化效果。
为了解决所述技术问题，本发明提供一种化学机械研磨方法，包括：
提供待研磨晶圆；
对所述待研磨晶圆上的贵金属层进行预处理，使所述贵金属层转化为合金层；
提供研磨液，并向所述研磨液中加入研磨颗粒和氧化剂；
通过所述研磨液对所述合金层的至少一部分进行化学机械研磨。
可选的，对所述待研磨晶圆上的贵金属层进行预处理，使所述贵金属层转化为合金层的步骤包括：
在所述待研磨晶圆上形成金属层；
在所述金属层上形成所述贵金属层；
对所述金属层以及贵金属层进行热处理以形成所述合金层。
可选的，所述金属层在所述合金层中的质量百分比在3%到20%的范围内。
可选的，所述贵金属层的材料为金，所述金属层的材料为钯、镍、锑、锗或者钴中的一种或多种。
可选的，所述贵金属层的材料为银，所述金属层的材料为钯、铜、锑、钼、钨或者钙中的一种或多种。
可选的，提供研磨液的步骤中，所述研磨颗粒的硬度在莫氏硬度3～6的范围内。
可选的，使所述研磨颗粒在研磨液中的质量百分比在1%～10%的范围内。
可选的，使所述研磨颗粒的平均直径在30～300纳米的范围内。
可选的，使所述研磨颗粒为二氧化硅、氧化铝或者氧化铈中的一种或者多种。
可选的，提供研磨液的步骤中，所述氧化剂包含过氧化氢以及卤酸盐。
可选的，使所述卤酸盐为溴酸盐、亚溴酸盐中的一种或者多种，或者为氯酸盐、亚氯酸盐中的一种或者多种。
可选的，进行化学机械研磨的步骤包括：
提供化学机械研磨装置，并将所述待研磨晶圆安装在所述化学机械研磨装置的研磨头上。
可选的，使所述研磨头的研磨压力在1～5磅/平方英寸的范围内。
可选的，使所述研磨头的转速在30～150转/分钟的范围内。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
通过对贵金属层进行预处理，使贵金属层转化为合金层，由于合金层比贵金属硬度大，更容易在化学机械研磨中实现平坦化，进而优化了化学机械研磨的效果。
进一步，当所述贵金属层的材料为金时，采用钯、镍、锑、锗或者钴中的任意一种或多种与金结合形成合金层，相对于直接对金进行化学机械研磨，合金层具有较高的硬度，便于化学机械研磨的进行。
进一步，当所述贵金属层的材料为银时，采用钯、铜、锑、钼、钨或者钙中的任意一种或多种与银结合形成合金层，可以避免直接对银进行化学机械研磨时银的颜色发生变化的问题；此外，形成银的合金层也可以在一定程度上提升硬度，有益于化学机械研磨的进行。
进一步，研磨颗粒的硬度在莫氏硬度3～6的范围内，能够在较好地对待研磨晶圆进行研磨，同时还能避免在待研磨晶圆上产生划痕。
进一步，所述研磨颗粒的质量百分比在1%～10%的范围，有利于在化学机械研磨过程中保持较佳的研磨速率，同时还能尽量避免划伤所述合金层。
进一步，所述研磨颗粒的平均直径在30～300纳米的范围内，有利于在化学机械研磨过程中保持较佳的研磨速率，同时还能尽量避免划伤所述合金层。
进一步，在氧化剂中加入过氧化氢以及卤酸盐，能够使所述研磨液具有较好移除速率。
附图说明
图1是本发明化学机械研磨方法一实施例的流程图；
图2是图1中步骤S2的分步骤流程图。
具体实施方式
贵金属由于具有高化学稳定性以及材料的硬度小的特性而难以被直接地进行化学机械研磨。
以金这种贵金属为例，由于金本身硬度比较小，所形成的金金属层在化学机械研磨的压力下，非常容易发生变形；加上金金属的化学稳定性很高，采用现有的化学机械研磨方法较难对金金属进行腐蚀。
为此，本发明提供一种化学机械研磨方法，先将贵金属层转化为合金层，之后再对合金层进行化学机械研磨，以优化化学机械研磨的效果。
实施例一：
本实施例一中采用金（Au）作为待研磨晶圆上的贵金属层。
参考图1，示出了本发明化学机械研磨方法一实施例的流程示意图。所述化学机械研磨方法包括如下步骤：
步骤S1，提供待研磨晶圆；
步骤S2，对所述待研磨晶圆上的金金属层进行预处理，使所述金金属层与钯（Pd）、镍（Ni）、锑（Sb）、锗（Ge）或者钴（Co）中的一种金属相结合，以形成合金层；
步骤S3，提供研磨液，并向所述研磨液中加入研磨颗粒和氧化剂；
步骤S4，通过所述研磨液对所述合金层的至少一部分进行化学机械研磨。
本实施例中步骤S2形成的所述合金层的硬度变大（相对于金金属层），使得所述合金层在研磨压力下不容易变形。同时，以上步骤有利于化学机械研磨中化学腐蚀的进行，从而在保证一定的移除速率的同时，减小在所述合金层的表面产生划痕的几率，从而得到较好的平坦化效果。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面对本发明的第一具体实施例的各步骤作详细的说明。
执行步骤S1，提供待研磨晶圆。在本发明中对采用何种晶圆不作任何限定。
执行步骤S2，对所述待研磨晶圆上的金金属层进行预处理，使所述金金属层与钯、镍、锑、锗或者钴中的一种或多种金属相结合，以形成合金层。
在本实施例中，金金属层与上述的钯、镍、锑、锗或者钴中的一种金属相结合，以分别形成的钯-金合金、镍-金合金、金-锑合金、金-锗合金或者金-钴的合金层。
由于金金属层的硬度较小，在进行研磨时，金金属层本身在受到研磨产生的压力时容易发生变形。采用上述金属（钯、镍、锑、锗或者钴）形成的合金层的好处在于，所述合金层的硬度相对金金属层较大，使得待研磨晶圆上的合金层在研磨过程中能够尽量避免因受到压力而发生变形。
同时，形成的合金层的化学稳定性小于金金属层，在研磨过程中能够提升对合金层的腐蚀率，从而保证较好的移除速率。
当上述金属所占比例过小时，所述金金属层的硬度并不能得到有效地提升，形成的合金层硬度仍然不足，无法承受化学机械研磨的压力；
当上述金属所占比例过大时，形成的合金层的电学性能变化较大，与金金属的电学性能相差较大，无法维持与金金属相比基本相同的贵金属特性。
在本实施例中，所述合金层中的钯、镍、锑、锗或者钴与金金属的百分比在3%到20%的范围内。
参考图2，示意出了图1所示步骤S2一实施例的示意图。形成合金层的步骤包括：
步骤S21，在待研磨晶圆上形成钯、镍、锑、锗或者钴的金属层；
步骤S22，在所述金属层上形成所述金金属层；
步骤S23，对所述金属层以及金金属层进行热处理，以形成所述合金层。
通过上述热处理步骤，使所述金属层与所述金金属层之间产生相互扩散，最终形成所述合金层。这样形成的合金层较为稳定。
但是，本发明对形成所述金属层的方法并不做限定，也可以采用其它方法形成所述合金层。例如，也可以直接采用现成的合金靶材直接在待研磨晶圆上形成所述合金层；对此本发明不做限定。
需要说明的是，由于先形成钯、镍、锑、锗或者钴的金属层，再在所述金属层上形成金金属层，之后热处理后，所述金金属层既可能完全转化为所述合金层，也可能由于热处理温度等因素影响，出现以下情况：金属层以及与金属层相接触的大部分金金属层均转化为所述合金层，但是有一小部分金金属层保留。
执行步骤S3，提供研磨液，并向所述研磨液中加入研磨颗粒和氧化剂。
当莫氏硬度过小时会导致所述研磨颗粒无法对所述合金层进行有效的研磨；当莫氏硬度过大时，所述研磨颗粒的硬度过大，容易对所述合金层造成擦伤。在本实施例中，所述研磨颗粒的硬度在莫氏硬度3～6的范围内。
硬度在莫氏硬度3～6的范围内的研磨颗粒属于中等硬度的研磨颗粒，这种硬度的研磨颗粒能够对所述金金属形成的合金层（钯-金合金、镍-金合金、金-锗合金或者金-钴合金）进行有效地研磨。
进一步的，在本实施例中，所述研磨颗粒具体采用二氧化硅（SiO2）、氧化铝（Al2O3）或者氧化铈（CeO2）中的一种或者多种。这些物质的研磨颗粒的硬度均在中等范围（莫氏硬度3～6），能够较好的对所述合金层进行研磨。
但是，本发明并不对研磨颗粒的材料以及混合比例（当采用几种不同研磨颗粒时）做出限定，还可以采用其它中等硬度的材料作为所述研磨颗粒，同时，当采用几种不同的研磨颗粒时，混合比例也可根据实际情况而做出相应的调整。
需要说明的是，当研磨颗粒直径过小时会导致研磨速率过慢，当研磨颗粒过大时会导致所述合金层被划伤。在本实施例中，所述研磨颗粒的平均直径在30～300纳米的范围，在所述范围内能够保证较好的研磨效果。
还需要说明的是，研磨颗粒的比重过大会导致研磨速率过快，不利于研磨工艺的停止；同时，研磨颗粒的比重过小时会使研磨速率过慢，不利于提高化学机械研磨的效率。在本实施例中，所述研磨颗粒在研磨液中的质量百分比在1%～10%的范围。
在向所述研磨液中加入氧化剂时，在本实施例中，所述氧化剂包含过氧化氢以及卤酸盐。
采用这种氧化剂的好处在于，这两种物质（过氧化氢以及卤酸盐）可以对所述合金层进行较为有效的氧化，从而保证对所述合金层具有较好的移除速率。
需要说明的是，本发明并不对过氧化氢的浓度以及溴酸盐的浓度进行限定，这些浓度可以根据实际情况做出相应的调整。
进一步，在本实施例中，所述氧化剂中的卤酸盐为溴酸盐、亚溴酸盐中的一种或者多种，或者是氯酸盐、亚氯酸盐中的一种或者多种。
溴酸盐、亚溴酸盐、氯酸盐或亚氯酸盐对金属具有较好的腐蚀作用，所以，采用上述氧化剂能够保证对所述合金层的腐蚀率，从而保证对所述合金层较好的移除速率。
需要说明的是，虽然本发明仅说明了研磨液中的研磨颗粒以及氧化剂，但是本发明对所述研磨液中可能包含的其它成分（如活化剂）以及其它液体介质等不作任何限定。
执行步骤S4，对所述待研磨晶圆上的合金层的至少一部分进行化学机械研磨。
需要说明的是，对于步骤S2中金属层以及与金属层相接触的大部分金金属层均转化为所述合金层，但是有一小部分金金属层保留的情况，通过本步骤化学机械研磨的过程，遗留的金金属层可以被去除的，去除这些遗留的金金属层后便是所述合金层，进而可以进一步对所述合金层进行化学机械研磨。
其中，在本实施例中，本步骤S4还包括以下分步骤：
将所述待研磨晶圆安装在所述化学机械研磨装置的研磨头上。
在本实施例中，所述研磨头的转速在30～150转/分钟的范围，同时使所述研磨头的研磨压力在1～5磅/平方英寸的范围，这样的好处在于，在保证较好的研磨速率的前提下，减小在所述合金层上产生划痕的几率。
上述合金层在经过化学机械研磨后可用作晶体管的栅极材料，或者用于制作晶体管之间的互连线路等。
实施例二：
本实施例二为采用银（Ag）作为待研磨晶圆上的贵金属层的实施例。
本实施例二与实施例一的区别在于：
所述研磨晶圆上的贵金属层为银金属层，相应的，与所述银金属层相结合形成合金层的金属为钯（Pd）、铜（Cu）、锑（Sb）、钼（Mo）、钨（W）或者钙（Ca）中的一种或多种，以分别形成钯-银合金、铜-银合金、银-锑合金、银-钼合金、钨-银合金或者钙-银合金。
执行步骤S4时，是对合金层进行化学机械研磨，而不是直接对银进行化学机械研磨。由于合金层硬度较大一方面，可以避免银硬度较小而引起的受压变形的问题。
另一方面，对合金层进行化学机械研磨，可以避免银金属直接暴露在研磨液中被硫化而变色（通常为发黄或者发黑）的问题，从而防止硫化引起银金属电学性能发生变化的问题。
需要说明的是，当上述金属的混合比例过小时，形成的所述合金层的硬度仍然较小，合金层将可能无法承受化学机械研磨压力，从而发生变形；当上述金属的混合比例过大时，合金层相较于银金属层的电学性质将发生较大的改变，无法维持与银金属相比基本相同的贵金属的特性。
因此，在本实施例二中，所述合金层中，金属钯、铜、锑、钼、钨或者钙在所述合金层中的混合比例在3%到20%的范围内。
需要说明的是，本实施例中的其它步骤均与实施例一相同，在此不做赘述。
需要说明的是，以上两个实施例虽仅列举了两种贵金属，但是本发明所述的化学机械研磨方法所针对的贵金属并不仅限于所述金金属和银金属，还可用于对其他贵金属的研磨工艺中。
虽然本发明披露如上，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 (14)
1.一种化学机械研磨方法，其特征在于，包括：
提供待研磨晶圆；
对所述待研磨晶圆上的贵金属层进行预处理，使所述贵金属层转化为合金层；
提供研磨液，并向所述研磨液中加入研磨颗粒和氧化剂；
通过所述研磨液对所述合金层的至少一部分进行化学机械研磨；
所述贵金属层的材料为金或者银。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述待研磨晶圆上的贵金属层进行预处理，使所述贵金属层转化为合金层的步骤包括：
在所述待研磨晶圆上形成金属层；
在所述金属层上形成所述贵金属层；
对所述金属层以及贵金属层进行热处理以形成所述合金层。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述金属层在所述合金层中的质量百分比在3％到20％的范围内。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于：
所述贵金属层的材料为金；
所述金属层的材料为钯、镍、锑、锗或者钴中的一种或多种。
5.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于：
所述贵金属层的材料为银；
所述金属层的材料为钯、铜、锑、钼、钨或者钙中的一种或多种。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，提供研磨液的步骤中，所述研磨颗粒的硬度在莫氏硬度3～6的范围内。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，使所述研磨颗粒在研磨液中的质量百分比在1％～10％的范围内。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，使所述研磨颗粒的平均直径在30～300纳米的范围内。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，使所述研磨颗粒为二氧化硅、氧化铝或者氧化铈中的一种或者多种。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，提供研磨液的步骤中，所述氧化剂包含过氧化氢以及卤酸盐。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，使所述卤酸盐为溴酸盐、亚溴酸盐中的一种或者多种，或者为氯酸盐、亚氯酸盐中的一种或者多种。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进行化学机械研磨的步骤包括：
提供化学机械研磨装置，并将所述待研磨晶圆安装在所述化学机械研磨装置的研磨头上。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，使所述研磨头的研磨压力在1～5磅/平方英寸的范围内。
14.如权利要求12所述的方法，其特征在于，使所述研磨头的转速在30～150转/分钟的范围内。
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