CN105513961B

CN105513961B - 化学机械抛光方法

Info

Publication number: CN105513961B
Application number: CN201410487213.1A
Authority: CN
Inventors: 朱宏亮; 王爱兵
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2014-09-22
Filing date: 2014-09-22
Publication date: 2020-09-29
Anticipated expiration: 2034-09-22
Also published as: CN105513961A

Abstract

本发明提供一种化学机械抛光方法，包括：提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有器件结构以及覆盖部分所述半导体衬底和所述器件结构的介质层，所述介质层上形成有铜金属层；研磨所述铜金属层，直至露出所述器件结构上方的所述介质层；研磨露出的所述介质层，所述铜金属层的表面具有铜的残留物；采用能与所述铜的残留物反应的溶液清洗所述半导体衬底，以去除所述铜的残留物；研磨所述铜金属层，以去除所述第一通孔以外的所述铜金属层；以及研磨所述介质层至预定厚度。本发明的化学机械抛光方法可以去除铜的残留物，保证研磨过程的顺利进行，而不必过多的减薄介质层的厚度。

Description

化学机械抛光方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种化学机械抛光方法。

背景技术

在半导体工艺过程中，化学机械抛光技术是机械研磨和化学腐蚀的组合技术，通过研磨液(浆料)的研磨作用和化学腐蚀作用在晶片的表面形成光洁平坦的表面。化学机械抛光技术现已成为对半导体器件进行全局平整化的主流技术之一。

参考图1a至图1c所示，现有技术的化学机械抛光方法包括如下过程：

参考图1a所示，提供半导体衬底100，所述半导体衬底100上形成有器件结构200以及覆盖所述半导体衬底100和器件结构200的介质层400，所述介质层400中形成有至少一个暴露所述器件结构200的第一通孔510，所述介质层400上形成有铜金属层600，所述铜金属层600填满所述第一通孔510并覆盖于所述介质层400上。所述器件结构200例如为MIM结构，由于MIM结构200的存在，使得在后续制备的器件的表面高低不均匀。

参考图1b所示，研磨所述铜金属层600，露出所述MIM结构200上方的所述介质层。通过研磨可以去除沉积在器件表面多余的金属铜形成金属层600’。

参考图1c所示，研磨露出的所述介质层400，形成介质层400’，此研磨的目的是降低器件表面由于所述MIM结构200带来的高度差。然而，虽然可以研磨去除器件表面的部分铜金属层以及部分介质层，使得器件表面趋于平坦化。但是，当器件表面存在高密度的图案使得器件表面会存在高低不均匀时，现有技术的化学机械抛光方法会使得器件表面形成铜的残留物700，例如，金属铜在研磨过程中，会与研磨液反应产生铜的残留物如碱式碳酸铜，该铜的残留物700沉积在半导体器件表面，由于表面的高低不均碱式碳酸铜等铜的残留物700更容易沉积在表面的低洼处，该铜的残留物会阻碍研磨液进入到表面阻碍研磨的顺利进行。

在现有技术中，为了去除所述铜的残留物700，往往增加研磨时间，然而，这样会使得介质层400’和铜金属层600’变薄，金属层600’的表面容易被损伤；此外，所述铜的残留物700阻挡在研磨液与铜金属层600’之间，影响研磨液与铜金属层600’进行反应，从而使得研磨速率受到影响。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种化学机械抛光方法，去除研磨过程中形成的铜的残留物，使得研磨液进入半导体器件表面，保证研磨过程的顺利进行。

为解决上述技术问题，本发明提供一种化学机械抛光方法，包括：

提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有器件结构以及覆盖部分所述半导体衬底和所述器件结构的介质层，所述介质层中形成至少一第一通孔，所述第一通孔露出所述器件结构，所述介质层上形成有铜金属层，所述铜金属层填满所述第一通孔并覆盖所述介质层；

研磨所述铜金属层，直至露出所述器件结构上方的所述介质层；

研磨露出的所述介质层，所述铜金属层的表面具有铜的残留物；

采用能与所述铜的残留物反应的溶液清洗所述半导体衬底，以去除所述铜的残留物；

研磨所述铜金属层，以去除所述第一通孔以外的所述铜金属层；以及

研磨所述介质层至预定厚度。

可选的，所述能与所述铜的残留物反应的溶液为一酸溶液。

可选的，所述酸溶液包括有柠檬酸。

可选的，所述酸溶液还包括有氨水。

可选的，所述酸溶液中，所述柠檬酸的体积比为30％-40％，氨水的体积比为5％-10％。

可选的，所述半导体衬底中包括有若干铜金属区域，部分所述铜金属区域与所述器件结构电连接，另一部分所述铜金属区域与所述器件结构电绝缘。

可选的，所述介质层中还形成有第二通孔，所述第二通孔露出另一部分所述铜金属区域，所述铜金属层还填满所述第二通孔。

可选的，所述器件结构为MIM结构，所述MIM结构包括依次层叠于所述半导体衬底上的一第一金属层、一绝缘层和一第二金属层。

可选的，所述第一金属层为铝金属层，所述铝金属层的厚度为

可选的，所述绝缘层为氧化硅或氮化硅，所述绝缘层的厚度为

可选的，所述第二金属层为氮化钛层，所述氮化钛层的厚度为

可选的，所述介质层为掺碳氧化硅层。

可选的，所述半导体衬底和所述介质层之间还形成有一刻蚀停止层，所述刻蚀停止层覆盖所述器件结构和所述半导体衬底，所述介质层覆盖所述刻蚀停止层。

与现有技术相比，本发明提供的化学机械抛光方法具有以下优点：

本发明提供的化学机械抛光方法中，先研磨铜金属层直至露出介质层，再研磨介质层，之后采用一酸溶液清洗经过研磨之后的所述铜金属层和所述介质层，所述酸溶液可以与残留物反应，因而将铜的残留物去除，最后，再分别对所述铜金属层和所述介质层进行研磨，此时，所述铜的残留物已被去除，保证研磨过程的顺利进行，去除所述表面的铜金属层并使得所述介质层至预定厚度，而不必过多的减薄所述介质层的厚度。

附图说明

图1a至图1c为现有技术化学机械抛光方法各步骤对应的器件结构示意图；

图2为本发明中化学机械抛光方法的流程图；

图3a至图3g为本发明一实施例中化学机械抛光方法各步骤对应的器件剖面结构示意图；

图4为研磨速率与研磨时间的关系曲线。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的化学机械抛光方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的核心思想在于，提供的化学机械抛光方法中，采用酸溶液处理研磨之后所述铜金属层和所述介质层，所述酸溶液可以与残留物反应，因而将残留物去除，最后再分别对所述铜金属层和所述介质层进行研磨，去除所述表面的铜金属层并使得所述介质层至预定厚度。

图2所示为本发明提供的化学机械抛光方法的流程图，下面结合图2以及图3a至图3g对本发明的化学机械抛光方法进行具体说明。

首先，执行步骤S1，参考图3a所示，提供半导体衬底100，所述半导体衬底100上形成有器件结构200，所述器件结构200覆盖部分所述半导体衬底100，所述半导体衬底100上还形成有一介质层400，所述介质层400中形成至少一第一通孔510，所述第一通孔露出所述器件结构200，较佳的，所述介质层400为掺碳氧化硅层，所述介质层400上形成有铜金属层600，所述铜金属层600填满所述第一通孔500并覆盖所述介质层400。

本实施例中，所述器件结构200为MIM结构，所述MIM结构200包括依次层叠于半导体衬底100的一第一金属层210、一绝缘层220和一第二金属层230。所述第一金属层210为铝金属层，所述铝金属层的厚度为

所述绝缘层220为氧化硅或氮化硅，所述绝缘层的厚度为

所述第二金属层230为氮化钛层，所述氮化钛层的厚度为

当然，在本发明中，所述器件结构200不限于MIM结构，只要使得半导体衬底形成高低不平的形貌，最终使得制备的半导体器件形成高低不均匀的，亦在本发明的思想范围之内。由于器件结构200的存在，使得在后续制备的半导体器件的表面高低不均匀，所述器件结构200上方的半导体器件的表面高于其它部分的半导体器件的表面，从而使得浆料颗粒、有机物、金属离子等污染物容易残留在器件表面的低洼处。

其中，所述半导体衬底100和所述介质层400之间还形成有一刻蚀停止层300，所述刻蚀停止层300覆盖所述MIM结构200和所述半导体衬底100。所述介质层400覆盖所述刻蚀停止层300。所述刻蚀停止层300用于作为刻蚀所述介质层400形成所述第一通孔510时的阻挡层。所述半导体衬底100内包括有若干铜金属区域110，部分所述铜金属区域110与所述器件结构200电连接，并位于所述器件结构200下方的所述半导体衬底100中；另一部分所述铜金属区域110与所述器件结构200电绝缘，并位于所述器件结构200以外的所述半导体衬底100中。

继续参考图3a，所述介质层400中还形成有至少一第二通孔520，所述第二通孔520露出另一部分所述铜金属区域110，所述铜金属层600还填满所述第二通孔520。

接着，执行步骤S2，参考图3b所示，研磨所述铜金属层600，直至露出所述器件结构200上方的所述介质层400。通过研磨可以去除沉积在器件表面多余的金属铜形成铜金属层600’。本实施例中，采用的研磨颗粒为三氧化二铝或氧化硅。由于研磨过程中，采用的研磨液只研磨金属铜而不研磨所述介质层，而且由于所述MIM结构的存在使得研磨过程难以平坦化，因此，形成如图3b所示的高低不平的结构。

接着，执行步骤S3，参考图3c所示，研磨露出的所述介质层400。本实施例中，采用的研磨颗粒为氧化硅。通过研磨之后，形成介质层400’，可以使得器件表面由于所述器件结构200带来相对高度差降低。

参考图3d以及图3e所示，经过所述步骤S2以及所述步骤S3之后，虽然可以研磨去除器件表面的部分铜金属层以及部分介质层，使得器件表面平坦化。但是，在研磨过程中，金属铜容易产生铜的残留物，例如，碱式碳酸铜(Cu₂(OH)₂CO₃)，碱式碳酸铜会沉积在所述铜金属层600’和所述介质层400’的表面，形成铜的残留物700，图3d为图3c中区域a的局部放大图，图3e为图3c中区域b的局部放大图。可以理解的是，因为器件表面的不平整，碱式碳酸铜更容易沉积在器件表面低洼的坑里，进而阻止研磨液710接触所述介质层400或铜金属层600’，降低研磨的速率。

为此，本发明执行步骤S4，采用一酸溶液处理所述金属层600’和所述介质层400’。在本实施例中，所述酸溶液中包括有柠檬酸。进一步的，所述酸溶液中还包括有氨水和去离子水，所述柠檬酸的体积比为30％-40％，氨水的体积比为5％-10％，其余为去离子水。采用所述酸溶液对所述铜金属层600’和所述介质层400’进行处理，柠檬酸、氨水与碱式碳酸铜反应生成便于去除的金属铜和氧化铜，从而可以保证后续研磨过程中研磨颗粒顺利进入器件表面，对金属铜进行研磨去除。

可以理解的是，所述酸溶液并不局限于柠檬酸，其他可以与铜的残留物碱式碳酸铜反应的溶液，例如醋酸等，亦在本发明保护的思想范围之内。

接下来，执行步骤S5，如图3f所示，研磨所述铜金属层600’，去除所述第一通孔510以及所述第二通孔520以外的半导体衬底上的所述铜金属层，形成铜金属层600”，在步骤S5中，由于研磨液对所述铜金属层600’的研磨速率大于对所述介质层400’的研磨速率，所以，所述铜金属层600”的厚度略低于其周围的介质层400’的厚度。在本实施例中，经过步骤S2以及步骤S4之后，半导体器件表面残留的金属铜很少，因此，在所述步骤S5的研磨过程中不会在产生铜的残留物。

最后，执行步骤S6，如图3g所示，研磨所述介质层400’至预定的厚度，形成介质层400”，使得所述第一通孔510以及所述第二通孔520中的金属露出到器件的表面，即，第一通孔510以及所述第二通孔520中的铜金属与其周围的介质层的厚度齐平，经过本发明的化学机械抛光方法之后的器件结构如图3g所示。所述预定厚度为根据需要对所述介质层预先设置的厚度。

其中，抛光速率与抛光时间的关系参考图4所示，曲线a表示的现有技术中抛光速率与抛光时间的关系，曲线b表示的是本发明的化学机械抛光方法中抛光速率与抛光时间的关系，抛光速率为单位时间内去除的金属层或是介质层的厚度。从图4中可以明确的看出，现有技术的化学机械抛光方法中研磨速率在一段时间之后开始下降，而本发明的化学机械抛光方法中，由于采用了酸溶液处理所述铜金属层和所述介质层去除了所述铜金属层和所述介质层表面的残留物，使得抛光速率随着抛光时间在一定时间后基本处于稳定状态，保证研磨的顺利进行。

综上所述，由于半导体器件表面的高低不均匀，铜金属层在研磨过程中会形成铜的残留物，导致半导体器件在表面的低洼处形成残留物，阻碍研磨液进入到半导体器件表面，使得研磨不彻底。因此，本发明采用一酸溶液处理研磨之后所述铜所述金属层和所述介质层，所述酸溶液可以与残留物反应，因而将残留物去除。最后，再分别对所述铜金属层和所述介质层进行研磨，去除所述表面的铜金属层并使得所述介质层至预定厚度。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种化学机械抛光方法，其特征在于，包括：

提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有器件结构以及覆盖部分所述半导体衬底和所述器件结构的介质层，所述介质层中形成有第一通孔，所述第一通孔露出所述器件结构，所述介质层上形成有铜金属层，所述铜金属层填满所述第一通孔并覆盖所述介质层；

研磨露出的所述介质层，以使得器件表面平坦化，所述铜金属层的表面具有铜的残留物；

研磨所述介质层至预定厚度。

2.如权利要求1所述的化学机械抛光方法，其特征在于，所述能与所述铜的残留物反应的溶液为一酸溶液。

3.如权利要求2所述的化学机械抛光方法，其特征在于，所述酸溶液包括有柠檬酸。

4.如权利要求3所述的化学机械抛光方法，其特征在于，所述酸溶液还包括有氨水。

5.如权利要求4所述的化学机械抛光方法，其特征在于，所述酸溶液中，所述柠檬酸的体积比为30％-40％，所述氨水的体积比为5％-10％。

6.如权利要求1-5中任意一项所述的化学机械抛光方法，其特征在于，所述半导体衬底中包括有若干铜金属区域，一部分所述铜金属区域与所述器件结构电连接，另一部分所述铜金属区域与所述器件结构电绝缘。

7.如权利要求6所述的化学机械抛光方法，其特征在于，所述介质层中还形成有第二通孔，所述第二通孔露出另一部分所述铜金属区域，所述铜金属层还填满所述第二通孔。

8.如权利要求1-5中任意一项所述的化学机械抛光方法，其特征在于，所述器件结构为MIM结构，所述MIM结构包括依次层叠于所述半导体衬底上的一第一金属层、一绝缘层和一第二金属层。

9.如权利要求8所述的化学机械抛光方法，其特征在于，所述第一金属层为铝金属层，所述铝金属层的厚度为

10.如权利要求8所述的化学机械抛光方法，其特征在于，所述绝缘层为氧化硅或氮化硅，所述绝缘层的厚度为

11.如权利要求8所述的化学机械抛光方法，其特征在于，所述第二金属层为氮化钛层，所述氮化钛层的厚度为

12.如权利要求1-5中任意一项所述的化学机械抛光方法，其特征在于，所述介质层为掺碳氧化硅层。

13.如权利要求1-5中任意一项所述的化学机械抛光方法，其特征在于，所述半导体衬底和所述介质层之间还形成有一刻蚀停止层，所述刻蚀停止层覆盖所述器件结构和所述半导体衬底，所述介质层覆盖所述刻蚀停止层。