CN112518571A - 铜化学机械研磨方法和设备 - Google Patents

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夏汇哲
李松
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    • B24B53/017—Devices or means for dressing, cleaning or otherwise conditioning lapping tools

Abstract

本发明公开了一种铜化学机械研磨方法中，在对晶圆上的铜层进行化学机械研磨之前或之后，进行研磨垫清洗工艺以去除研磨垫上积累的研磨副产物，研磨垫清洗工艺包括：步骤11、进行正甲基比喀酮和去离子水的混合并形成混合液。步骤12、将混合液流入到研磨垫，混合液中的正甲基比喀酮和研磨副产物反应使研磨副产物脱离研磨垫从而实现研磨副产物去除。本发明还公开了一种铜化学机械研磨设备。本发明能很好的去除积累在研磨垫上的研磨副产物并从而提高研磨速率。

Description

铜化学机械研磨方法和设备
技术领域
本发明涉及半导体集成电路制造领域，特别是涉及一种铜(Cu)化学机械研磨(CMP)方法。本发明还涉及一种铜化学机械研磨设备。
背景技术
在铜制程中，由于铜的刻蚀难度比较大，故都是采用大马士革工艺来形成铜的图形结构。大马士革工艺主要是先在介质层如介质层组成的层间膜上形成凹槽，凹槽通常为通孔的开口和金属线的沟槽；之后再进行铜电镀形成铜层将凹槽完全填充，铜层还会延伸到凹槽外的层间膜表面；之后，则需要采用Cu CMP将凹槽外的层间膜表面的铜层去除，使铜层仅保留在凹槽中。
在Cu CMP中，需要将晶圆放置在铜化学机械研磨设备的研磨垫上，然后通入研磨液，之后采用研磨头对晶圆上的铜层进行研磨。研磨液中通常包括研磨颗粒如氧化铝颗粒和研磨浆料(Slurry)；研磨浆料包括氧化剂，抑制剂，PH调整剂等。其中研磨颗粒主要用于物理机械研磨，研磨浆料的化学物质则用于和铜层进行化学反应，最后实现化学进行研磨。
在研磨浆料中，在酸性环境下，铜会变成Cu2+，之后再形成可溶解物质；
在碱性环境下，Cu容易和OH-反应形成Cu(OH)2，Cu(OH)2容易分解形成CuO和水。CuO最后会在研磨垫上形成不易去除的钝化层，这种氧化铜钝化层即为比较难以去除的研磨副产物。而且Cu CMP的研磨速率较高，这会导致Cu CMP的研磨副产物增多，不及时排除会造成研磨垫上积累较多的研磨副产物，主要为铜绿，对研磨速率造成影响。
现有方法主要是采用用水冲洗去除研磨垫上的研磨副产物，但是作用有限。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种铜化学机械研磨方法，能很好的去除积累在研磨垫上的研磨副产物并从而提高研磨速率。为此，本发明还提供一种铜化学机械研磨设备。
为解决上述技术问题，本发明提供的铜化学机械研磨方法中，在对晶圆上的铜层进行化学机械研磨之前或之后，进行研磨垫清洗工艺以去除所述研磨垫上积累的研磨副产物，所述研磨垫清洗工艺包括：
步骤11、进行正甲基比喀酮和去离子水的混合并形成混合液，所述去离子水用于增加所述混合液的流动性。正甲基比喀酮的英文简称为EC。
步骤12、将所述混合液流入到所述研磨垫，所述混合液中的正甲基比喀酮和所述研磨副产物反应使所述研磨副产物脱离所述研磨垫从而实现所述研磨副产物去除。
进一步的改进是，所述研磨垫清洗工艺还包括：
步骤13、采用研磨头对所述研磨垫进行研磨，以增加所述研磨副产物的去除速率。
进一步的改进是，所述研磨副产物包括铜的氧化物。
进一步的改进是，铜化学机械研磨方法包括如下步骤：
步骤一、进行所述研磨垫清洗工艺。
步骤二、对所述研磨垫进行第一次水冲洗。
步骤三、将所述晶圆传送到所述研磨垫上，对所述铜层进行化学机械研磨；之后将所述晶圆从所述研磨垫上传出。
步骤四、对所述研磨垫进行第二次水冲洗。
进一步的改进是，所述晶圆由半导体衬底组成；所述半导体衬底包括硅衬底。
进一步的改进是，在所述半导体衬底上形成有层间膜，所述层间膜上形成有凹槽，所述铜层填充于所述凹槽中并延伸到所述凹槽外的所述层间膜表面。
进一步的改进是，步骤三中，对所述铜层完成化学机械研磨后，所述铜层的顶部表面和所述层间膜的顶部表面相平。
进一步的改进是，步骤11中，在混合单元中进行正甲基比喀酮和去离子水的混合。
进一步的改进是，所述混合单元和研磨液供应管相连，步骤12中，所述混合液从所述混合单元进入到所述研磨液供应管中并从所述研磨液供应管中流入到所述研磨垫。
为解决上述技术问题，本发明提供的铜化学机械研磨设备包括如下研磨垫清洗装置：
混合单元，用于实现正甲基比喀酮和去离子水的混合并形成具有流动性的混合液。
研磨液供应管，所述研磨液供应管和所述混合单元相连并用于将所述混合液到所述研磨垫上。
工艺控制单元，所述工艺控制单元实现对研磨垫清洗工艺的步骤进行控制，所述研磨垫清洗工艺包括：
步骤11、进行正甲基比喀酮和去离子水(DIW)的混合并形成混合液，所述去离子水用于增加所述混合液的流动性。
步骤12、将所述混合液流入到所述研磨垫，所述混合液中的正甲基比喀酮和所述研磨副产物反应使所述研磨副产物脱离所述研磨垫从而实现所述研磨副产物去除。
进一步的改进是，所述研磨垫清洗工艺还包括：
步骤13、采用研磨头对所述研磨垫进行研磨，以增加所述研磨副产物的去除速率。
进一步的改进是，所述研磨副产物包括铜的氧化物。
进一步的改进是，所述工艺控制单元具有工艺菜单，通过所述工艺菜单对所述研磨垫清洗工艺的步骤进行设定，所述研磨垫清洗工艺在对晶圆上的铜层进行化学机械研磨之前或之后进行。
进一步的改进是，所述研磨液供应管包括一段螺纹管。
本发明在对晶圆上的铜层进行化学机械研磨之前或之后，还进行了研磨垫清洗工艺且研磨垫清洗工艺采用了正甲基比喀酮对研磨副产物进行反应并最后实现对研磨副产物的去除，正甲基比喀酮和研磨副产物之间的化学反应能实现将研磨副产物中难以去除的氧化铜去除，从而能实现去除积累在研磨垫上的研磨副产物，最后能提高研磨速率。
由于正甲基比喀酮比较粘稠，本发明采用了去离子水和正甲基比喀酮进行混合如通过混合单元进行混合，之后再将混合液流入如通过研磨液供应管流入到研磨垫上，很容易实现正甲基比喀酮的供给控制，最后能很好的完成研磨垫上的研磨副产物的去除。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：
图1是本发明实施例铜化学机械研磨方法的流程图；
图2是本发明实施例铜化学机械研磨设备的研磨垫清洗装置的结构图。
具体实施方式
如图1所示，是本发明实施例铜化学机械研磨方法的流程图；如图2所示，是本发明实施例铜化学机械研磨设备的研磨垫清洗装置的结构图；本发明实施例铜化学机械研磨方法中，在对晶圆上的铜层进行化学机械研磨之前或之后，进行研磨垫清洗工艺以去除所述研磨垫1上积累的研磨副产物，所述研磨垫清洗工艺包括：
步骤11、进行正甲基比喀酮和去离子水的混合形成混合液6，所述去离子水用于增加所述混合液6的流动性。
本发明实施例方法中，在混合单元3中进行正甲基比喀酮和去离子水的混合。
步骤12、将所述混合液6流入到所述研磨垫1，所述混合液6中的正甲基比喀酮和所述研磨副产物反应使所述研磨副产物脱离所述研磨垫1从而实现所述研磨副产物去除。
所述混合单元3和研磨液供应管2相连，所述混合液6从所述混合单元3进入到所述研磨液供应管2中并从所述研磨液供应管2中流入到所述研磨垫1。
图2中，所述研磨液供应管2还包括一段螺纹管21以及手臂(arm)22。所述螺纹管21由管绕制而成，所述混合液6会先经过所述螺纹管21，之后再通过所述研磨液供应管2的直管进入到所述手臂22中，所述手臂22可以移动以将所述混合液6喷射到所述研磨垫1的不同区域上。
本发明实施例在对晶圆上的铜层进行化学机械研磨之前或之后，还进行了研磨垫清洗工艺且研磨垫清洗工艺采用了正甲基比喀酮对研磨副产物进行反应并最后实现对研磨副产物的去除，正甲基比喀酮和研磨副产物之间的化学反应能实现将研磨副产物中难以去除的氧化铜去除，从而能实现去除积累在研磨垫1上的研磨副产物，最后能提高研磨速率。
由于正甲基比喀酮比较粘稠，本发明实施例采用了去离子水和正甲基比喀酮进行混合如通过混合单元3进行混合，之后再将混合液6流入如通过研磨液供应管2流入到研磨垫1上，很容易实现正甲基比喀酮的供给控制，最后能很好的完成研磨垫1上的研磨副产物的去除。
本发明实施例方法中，所述研磨垫清洗工艺还包括：
步骤13、采用研磨头对所述研磨垫1进行研磨，以增加所述研磨副产物的去除速率。
所述研磨副产物包括铜的氧化物。
结合了上述所述研磨垫清洗工艺后，铜化学机械研磨方法包括如下步骤：
步骤一、进行所述研磨垫清洗工艺。
步骤二、对所述研磨垫1进行第一次水冲洗。
步骤三、将所述晶圆传送到所述研磨垫1上，对所述铜层进行化学机械研磨；之后将所述晶圆从所述研磨垫1上传出。
所述晶圆由半导体衬底组成；所述半导体衬底包括硅衬底。
在所述半导体衬底上形成有层间膜，所述层间膜上形成有凹槽，所述铜层填充于所述凹槽中并延伸到所述凹槽外的所述层间膜表面。
对所述铜层完成化学机械研磨后，所述铜层的顶部表面和所述层间膜的顶部表面相平。
步骤四、对所述研磨垫1进行第二次水冲洗。
本发明实施例铜化学机械研磨设备包括如下研磨垫清洗装置：
混合单元3，用于实现正甲基比喀酮和去离子水的混合并形成具有流动性的混合液6。在所述混合单元3之前，所述正甲基比喀酮的输送管路上还包括流量控制器(CLC)4，以实现对所述正甲基比喀酮的流量控制；所述去离子水的输送管路上还包括流量控制器5，以实现对所述去离子水的流量控制。
研磨液供应管2，所述研磨液供应管2和所述混合单元3相连并用于将所述混合液6到所述研磨垫1上。
图2中，所述研磨液供应管2还包括一段螺纹管21以及手臂22。所述螺纹管21由管绕制而成，所述混合液6会先经过所述螺纹管21，之后再通过所述研磨液供应管2的直管进入到所述手臂22中，所述手臂22可以移动以将所述混合液6喷射到所述研磨垫1的不同区域上。
工艺控制单元，所述工艺控制单元实现对研磨垫清洗工艺的步骤进行控制，所述研磨垫清洗工艺包括：
步骤11、进行正甲基比喀酮和去离子水的混合并形成混合液6，所述去离子水用于增加所述混合液6的流动性。
步骤12、将所述混合液6流入到所述研磨垫1，所述混合液6中的正甲基比喀酮和所述研磨副产物反应使所述研磨副产物脱离所述研磨垫1从而实现所述研磨副产物去除。所述研磨副产物包括铜的氧化物。
所述研磨垫清洗工艺还包括：
步骤13、采用研磨头对所述研磨垫1进行研磨，以增加所述研磨副产物的去除速率。
所述工艺控制单元具有工艺菜单，通过所述工艺菜单对所述研磨垫清洗工艺的步骤进行设定，所述研磨垫清洗工艺在对晶圆上的铜层进行化学机械研磨之前或之后进行。
以上通过具体实施例对本发明进行了详细的说明，但这些并非构成对本发明的限制。在不脱离本发明原理的情况下，本领域的技术人员还可做出许多变形和改进，这些也应视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种铜化学机械研磨方法，其特征在于，在对晶圆上的铜层进行化学机械研磨之前或之后，进行研磨垫清洗工艺以去除所述研磨垫上积累的研磨副产物，所述研磨垫清洗工艺包括：
步骤11、进行正甲基比喀酮和去离子水的混合并形成混合液，所述去离子水用于增加所述混合液的流动性；
步骤12、将所述混合液流入到所述研磨垫，所述混合液中的正甲基比喀酮和所述研磨副产物反应使所述研磨副产物脱离所述研磨垫从而实现所述研磨副产物去除。
2.如权利要求1所述铜化学机械研磨方法，其特征在于：所述研磨垫清洗工艺还包括：
步骤13、采用研磨头对所述研磨垫进行研磨，以增加所述研磨副产物的去除速率。
3.如权利要求1所述铜化学机械研磨方法，其特征在于，所述研磨副产物包括铜的氧化物。
4.如权利要求1所述铜化学机械研磨方法，其特征在于：铜化学机械研磨方法包括如下步骤：
步骤一、进行所述研磨垫清洗工艺；
步骤二、对所述研磨垫进行第一次水冲洗；
步骤三、将所述晶圆传送到所述研磨垫上，对所述铜层进行化学机械研磨；之后将所述晶圆从所述研磨垫上传出；
步骤四、对所述研磨垫进行第二次水冲洗。
5.如权利要求4所述铜化学机械研磨方法，其特征在于：所述晶圆由半导体衬底组成；所述半导体衬底包括硅衬底。
6.如权利要求5所述铜化学机械研磨方法，其特征在于：在所述半导体衬底上形成有层间膜，所述层间膜上形成有凹槽，所述铜层填充于所述凹槽中并延伸到所述凹槽外的所述层间膜表面。
7.如权利要求6所述铜化学机械研磨方法，其特征在于：步骤三中，对所述铜层完成化学机械研磨后，所述铜层的顶部表面和所述层间膜的顶部表面相平。
8.如权利要求1所述铜化学机械研磨方法，其特征在于：步骤11中，在混合单元中进行正甲基比喀酮和去离子水的混合。
9.如权利要求8所述铜化学机械研磨方法，其特征在于：所述混合单元和研磨液供应管相连，步骤12中，所述混合液从所述混合单元进入到所述研磨液供应管中并从所述研磨液供应管中流入到所述研磨垫。
10.一种铜化学机械研磨设备，其特征在于，包括如下研磨垫清洗装置：
混合单元，用于实现正甲基比喀酮和去离子水的混合并形成具有流动性的混合液；
研磨液供应管，所述研磨液供应管和所述混合单元相连并用于将所述混合液到所述研磨垫上；
工艺控制单元，所述工艺控制单元实现对研磨垫清洗工艺的步骤进行控制，所述研磨垫清洗工艺包括：
步骤11、进行正甲基比喀酮和去离子水的混合并形成混合液，所述去离子水用于增加所述混合液的流动性；
步骤12、将所述混合液流入到所述研磨垫，所述混合液中的正甲基比喀酮和所述研磨副产物反应使所述研磨副产物脱离所述研磨垫从而实现所述研磨副产物去除。
11.如权利要求10所述铜化学机械研磨设备，其特征在于：所述研磨垫清洗工艺还包括：
步骤13、采用研磨头对所述研磨垫进行研磨，以增加所述研磨副产物的去除速率。
12.如权利要求10所述铜化学机械研磨设备，其特征在于，所述研磨副产物包括铜的氧化物。
13.如权利要求10所述铜化学机械研磨设备，其特征在于，所述工艺控制单元具有工艺菜单，通过所述工艺菜单对所述研磨垫清洗工艺的步骤进行设定，所述研磨垫清洗工艺在对晶圆上的铜层进行化学机械研磨之前或之后进行。
14.如权利要求14所述铜化学机械研磨设备，其特征在于，所述研磨液供应管包括一段螺纹管。
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