CN1227152A - 化学机械抛光装置和化学机械抛光方法 - Google Patents

化学机械抛光装置和化学机械抛光方法 Download PDF

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Abstract

用于抛光衬底的装置，包括(a)形成有多个通孔的抛光垫片(4)，抛光材料(6)通过这些通孔输送到所述抛光垫片(4)表面上；(b)其上安装抛光垫片(4)的水平台(3)；和(c)用于支撑衬底(1)的可旋转载体(2)，载体(2)面对所述水平台(3)设置，水平台(3)可绕旋转轴(3A)旋转，旋转轴(3A)沿弧形路径运动，使抛光垫片(4)与衬底(1)接触，用于抛光衬底(1)，其特征在于，抛光垫片(4)具有不形成通孔且与其同心的第一环形(4a)或圆形(4e)区域。

Description

化学机械抛光装置和化学机械抛光方法
本发明涉及采用化学机械抛光方法而抛光衬底的装置。本发明还涉及化学机械抛光的方法。
图1A到1E表示在半导体器件中形成掩埋金属层的方法中的各个步骤。
首先，如图1A所示，包括制造在其上的有源器件的半导体衬底101完全用绝缘膜102覆盖。
然后，在绝缘膜102上形成具有某一图形的抗蚀剂膜105，接着，用构图的抗蚀剂膜105作掩模腐蚀绝缘膜102，由此形成通透绝缘膜102的接触孔106，如图1B中所示。
去掉抗蚀剂膜105之后，如图1C所示，在绝缘膜102上淀积由诸如Ti或Ta的金属构成的阻挡膜103，从而在接触孔106侧壁和底部用阻挡膜103覆盖。
然后，如图1D所示，在该结构上淀积导电层104，由此用导电层104填充接触孔106。
此后，借助于化学机械抛光装置107抛光导电膜104，如图1E所示。这样就形成了掩埋金属层108。
化学机械抛光装置107包括将欲抛光的衬底固定在其上的载体，和抛光垫片安装在其上的可旋转水平台(level block)。衬底被压在旋转抛光垫片上，由此被抛光。当衬底被抛光垫片抛光时，诸如氧化铝或二氧化硅的抛光粉末，和含有诸如H2O2腐蚀剂的抛光浆料被输送到抛光垫片和衬底之间。
图2表示用于化学机械抛光抛光衬底的常规装置。所示装置包括与可旋转轴24连接的水平台23，固定到水平台23上的抛光垫片29，与可旋转轴27连接并在其底部固定衬底25的衬底固定器26，和通过浆料输送口21输送抛光浆料到抛光垫片29上的浆料源30。
衬底25被夹在抛光垫片29和衬底固定器26之间。在衬底25被抛光垫片29抛光时，抛光浆料22在抛光垫片29和衬底25之间围绕衬底25的周边输送。
虽然所示装置设计得具有一个衬底固定器26，但是也可以设计成具有多个衬底固定器26。例如，为了一次同时抛光四个衬底，该装置可以设计成在水平台23上具有彼此间隔相等的四个衬底固定器。
用于抛光衬底的常规装置，例如图2中所示的装置，具有在衬底的抛光速度上不均匀的问题，这将导致衬底在其中心周围被抛光的程度大于其周边的问题。
为了克服这个问题，已经建议了第一抛光装置，其中安装在水平台上的抛光垫片形成有多个小通孔，通过这些小通孔抛光浆料从抛光浆料源输送到抛光垫片的表面上。这些小通孔以抛光垫片29的轴为中心设置。由于抛光浆料在衬底和抛光垫片之间均匀输送，所以可以保持抛光速度不变，由此增强抛光衬底的均匀性。
还建议了第二抛光装置，其中抛光垫片为增强抛光衬底的均匀性而由多孔材料构成。
但是，由于较大直径的衬底以在其中心周围的压力大于其周边的压力的方式而被压在抛光垫片上，所以如果根据均匀供给衬底表面抛光浆料的上述第一或第二抛光装置抛光衬底，抛光衬底将具有象凹透镜的截面那样的截面，如果根据图2中所示的装置抛光衬底，则抛光衬底将具有象凸透镜的截面那样的截面。
为了避免这个问题，日本未审查专利公开5-13389已经建议了具有与上述第一和第二抛光装置相同结构的抛光装置，但是能够在抛光垫片的预定位置控制抛光浆料的量，用于增强抛光衬底的均匀性。
具体地说，所建议的抛光装置形成有多个通孔抛光浆料通过其输送到抛光垫片表面上，其方式为，在与抛光垫片中心较近的区域中每单位面积的通孔数量设计成比与抛光垫片周边较近的区域中的每单位面积的通孔数量大，或者位于抛光垫片中心附近的通孔设计成具有比位于抛光垫片周边附近的通孔的直径大的直径。
需要抛光的衬底直径正在增加。例如，在几年前要抛光的衬底的直径是6英寸(大约15cm)，但是目前要抛光的衬底的直径在8到10英寸(大约20到约25cm)的范围内。这种大直径的衬底不能借助于图2中所示的这种装置抛光，因为水平台23必须具有太大的面积，这将导致对装置太高的负载。
因此，为解决上述问题，已经建议如图3A中所示的抛光装置。所示装置包括在其底部支撑衬底的可旋转载体2，水平台3，安装在水平台3上并以面对载体2的关系设置的抛光垫片4，和用于围绕旋转轴旋转水平台3的发动机5。抛光垫片4形成有彼此间隔相等的多个通孔。
使衬底2旋转，然后压在旋转抛光垫片4上。这样，衬底2被抛光。在抛光衬底2时，浆料6通过通孔输送到抛光垫片4表面上。
为了提高抛光衬底的均匀性，水平台3借助于发动机5以如下方式旋转，即水平台3的旋转轴沿着弧形路径运动。也就是，水平台3形成所谓的轨道旋转(orbital ravolution)。
图4表示在绕着旋转轴A旋转的衬底和绕着旋转轴B旋转的抛光垫片4之间的轨道旋转中的位置关系。如图4中所示，如果从旋转轴A方向看，旋转轴B绕着旋转轴A旋转。
如前面所述，如果通过形成在抛光垫片上的通孔把抛光浆料输送到抛光垫片表面上而抛光衬底，会引起这样的问题，即衬底被抛光成在中心区域比在周边区域中的程度大，结果衬底在其中心区域是凹的。如果衬底如上所述被不均匀抛光，诸如图1D中所示的导电膜104的导电膜部分未除去而留在诸如绝缘膜102的绝缘膜上，结果在布线之间产生漏电流。
为解决上述问题，需要充分地抛光衬底。但是，这可能导致要形成在绝缘膜上的布线在衬底的中心区域和周边区域具有不同的高度。因而，衬底中心区域上的布线电阻与衬底周边区域上的布线电阻不同，结果电迁移(EM)变坏。
本发明的目的是提供用于抛光衬底的装置，该装置能够提高抛光的均匀性。本发明的目的还在于提供抛光的方法。
为了实现上述目的，本发明人已经进行了许多实验，结果发现，如果抛光垫片设计成包括不形成抛光浆料通过其输送到抛光垫片表面上的通孔的区域，可以提高抛光衬底的均匀性。
特别是，在本发明的一个方案中，提供用于抛光衬底的装置，包括(a)形成有抛光浆料通过其输送到抛光垫片表面的多个通孔，(b)抛光垫片安装在其上的水平台，(c)其上用于支撑衬底的可旋转载体，载体面对水平台设置，水平台随着旋转轴沿着弧形路径运动而绕着其旋转轴是可旋转的，并使抛光垫片与衬底接触而用于抛光衬底，其特征在于抛光垫片具有不形成通孔且与其同心的第一环形或圆形区域。
在本发明的另一方案中，提供对衬底进行化学机械抛光的方法，包括以下步骤：(a)相对于其上安装衬底的载体，随着旋转轴沿着弧形路径运动而绕着其旋转轴旋转其上安装抛光垫片的水平台，和(b)在除了与抛光垫片同心的第一环形或圆形区域以外的区域中向抛光垫片表面上输送抛光材料，同时衬底被抛光垫片抛光。
在根据本发明的装置中，抛光垫片设计成具有不形成抛光材料通过其输送到抛光垫片表面的通孔的区域。在根据本发明的方法中，在除了抛光垫片中心区域以外的区域中抛光材料输送到抛光垫片表面。结果，本发明可以高度实现均匀的抛光速率。因此，在用化学机械抛光形成掩埋金属层时，所得到的半导体结构具有优异的抗电迁移(EM)能力。
图1A-1E是半导体器件的截面图，表示用化学机械抛光形成掩埋金属层的方法的各个步骤。
图2表示用于抛光衬底的常规装置。
图3表示用于抛光衬底的装置，本发明可以适用于该装置。
图3B是在图3A所示装置中使用的抛光垫片的平面图。
图3C是在图3A所示装置中使用的另一抛光垫片的平面图。
图4表示在轨道旋转中两旋转轴之间的位置关系。
图5是表示抛光速率的均匀性和其中通孔是封闭的圆形区域的半径之间关系的曲线。
图6是表示抛光速率的均匀性和其中通孔是打开的圆形区域的半径之间关系的曲线。
图7是抛光衬底的方法的流程图。
图3A表示根据本发明的第一实施例用于抛光衬底的装置。
所示装置包括：形成有多个通孔的抛光垫片4，其中抛光浆料6通过该多个通孔输送到抛光垫片4表面上；其上安装抛光垫片4的水平台3；用于使水平台3绕着旋转轴旋转的发动机5；和用于在其底表面以面对抛光垫片4的关系支撑衬底1的可旋转载体2。
虽然衬底1绕着其固定旋转轴1A旋转，抛光垫片4绕着衬底1的旋转轴1A形成轨道旋转。特别是，水平台3和抛光垫片4绕着其旋转轴3A旋转，同时，旋转轴3A沿着弧形路径运动。也就是，如图4中所示，如果从旋转轴1A方向看，旋转轴3A绕着旋转轴1A旋转。
衬底1被压在抛光垫片4上，由此被抛光。
抛光垫片4设计成具有与抛光垫片4的中心4b同心的第一环形区域4a，如图3B所示。抛光浆料6通过其输送到抛光垫片4表面的通孔形成在除了第一环形区域4a以外的区域中，即位于第一环形区域4a内部的圆形区域4c和位于第一环形区域4a外部的环形区域4d中，而在第一环形区域4a中没有形成通孔。
根据第一实施例的装置包括设计成具有没有形成通孔的第一环形区域4a，其中抛光浆料6通过通孔输送到抛光垫片4表面。衬底1当然在第一环形区域4a被抛光，结果建立了抛光速率均匀性的抛光条件。
最好是，第一环形区域4a的宽度等于或大于抛光垫片4半径的10％，用于实现抛光速率的足够的均匀性。第一环形区域4a的宽度等于或大于抛光垫片4半径的20％则更好。
抛光垫片4在其周边区域最好形成有通孔。在抛光垫片4的轴3A与衬底1的轴1A对准时，在抛光垫片4中与衬底1的周边区域相对准地形成通孔则更好。
抛光垫片4可以设计成在其中心区域形成有通孔，或者可以设计成在其中心区域没有形成通孔。如果在抛光垫片4的中心区域没有形成通孔，最好在从抛光垫片4的中心向外径向延伸并具有等于或大于抛光垫片4半径的30％的半径的圆形区域中没有形成通孔。
当抛光硬材料时，最好在抛光垫片4的中心区域中形成通孔，这将保证抛光速率的高度均匀性。
在下面提到的例子中，进行了通孔被封闭的实验。但是，在实际使用中，在抛光垫片的预定位置中形成通孔。
抛光垫片4表面中的通孔不一定必须是均匀设置的。通孔的总面积可以设计成在抛光垫片4的径向变化。例如，每单位面积通孔的数量可以设计成在从外周边向抛光垫片4中心的方向减少。或者，通孔可以设计成在从外周边向抛光垫片4中心的方向具有减小的直径。
下面解释借助于上述实施例的装置抛光衬底的实验。[例1]
作为要抛光的衬底，使用直径为8英寸(大约20cm)且其上形成由Cu、Ta和TiN构成的金属膜的衬底。该衬底是借助于入3A中所示的装置抛光的。抛光垫片均匀地形成有通孔，并且直径为10英寸(大约25cm)。
衬底被抛光，其中通孔位于抛光垫片中心附近，正在一个一个被封闭。
图5表示该实验中的抛光速率的均匀性。均匀性用3σ(％)评估。抛光条件如下。
压力：3psi
r.p.m.:260/16
抛光浆料输送：100cc/分钟
在本实验中使用的抛光浆料是商业上通用的一种。
从图5中明显看出，如果衬底直径在1.5英寸到4.7英寸范围内，用3σ表示的均匀性等于或小于15％。特别是，如果衬底直径在2英寸到4.5英寸范围内，可获得等于或小于10％的高均匀性。
这样，从这些结果理解到，如果形成没有形成通孔的区域4e作为与抛光垫片同心的圆形区域且具有等于或小于抛光垫片半径的95％的半径，可以获得抛光速率的高均匀性，如图3C所示。
另外，还应该明白，最好区域4e的半径等于或大于抛光垫片半径的30％，如图3C所示。
简言之，不形成通孔的区域4e最好具有等于或小于0.95R的半径，但是等于或大于0.3R，其中R表示抛光垫片4的半径。
特别是，如果在与抛光垫片的中心同心且半径为4英寸(这等于8英寸衬底的半径)的圆形区域内在抛光垫片中没有形成通孔，当抛光垫片的旋转轴与衬底的旋转轴对准时，可以在本实验中使用的8英寸衬底中获得抛光速率的高均匀性。
然后，还评估了一般都用作构成阻挡膜的材料的Ta和TiN的抛光速率。在用于评价抛光速率的实验中，抛光垫片的通孔都被封闭在与抛光垫片的中心同心且半径为4英寸的圆形区域中，然后，位于抛光垫片中心附近的通孔一个一个被打开。用上述同样的方式评价用3σ表示的抛光速率均匀性。
图6表示实验的结果。从图6中所示可理解到，即使通孔在与抛光垫片同心且半径为3.5英寸的圆形区域中打开，也可以获得等于或小于15％的均匀性。也就是，如果抛光垫片设计成具有不形成通孔的区域，该区域的宽度等于或大于0.5英寸，可获得足够均匀的抛光速率。这里，0.5英寸对应于抛光垫片半径的10％。
在构成抛光垫片材料的相关性中，在抛光速率的均匀性中稍微有些分散。例如，当要抛光由比TiN硬的Ta构成的膜时，最好是在与抛光垫片的中心同心且半径在1.0到1.5英寸范围内的圆形区域中形成通孔。[例2]
根据图1A-1E中所示的步骤制造半导体器件。
首先，如图1A所示，包括制造在其上的有源器件的半导体衬底101完全用绝缘膜102覆盖。
然后，在绝缘膜102上形成具有一定图形的抗蚀剂膜105，再用构图的抗蚀剂膜105作掩摸腐蚀绝缘膜102，由此形成通过绝缘膜102的接触孔106，如图1B所示。
去掉抗蚀剂膜105之后，如图1C所示，在绝缘膜102上淀积由诸如Ti或Ta的金属构成的阻挡膜103，从而接触孔106在其侧壁和底部用阻挡膜103覆盖。
然后，如图1D所示，在阻挡膜103上淀积由铜构成的导电层104，由此用导电层104填充接触孔106。
此后，导电层104借助于化学机械抛光装置107平面化，如图1E所示。这样就形成了掩埋金属层108。
在例2中，图3A所示的抛光装置用作化学机械抛光装置107。所进行的步骤已经参照图1A-1D解释了的衬底借助于抛光装置抛光，其条件如下。
抛光压力：3psi
r.p.m.:260/16
抛光浆料输送：100cc/分钟
在本实验中使用的抛光浆料是商业上通用的一种。在本实验中使用的抛光垫片设计成具有与其同心且半径为4英寸的圆形区域。
这样制造的半导体器件关于抗电迁移(EM)能力评价。获得十分高的抗EM能力。
图7是根据本发明的方法的流程图。
下面解释这种方法，其中假设该方法是使用图3A所示的装置进行的。
首先，在步骤S1中，水平台3和因而抛光垫片4相对于支撑在载体2底部的衬底1进行轨道旋转。具体地说，抛光垫片4绕着旋转轴3A旋转，同时，旋转轴3A以图4中所示的方式绕着衬底1的旋转轴1A旋转。
然后，在步骤S2中，抛光浆料6输送到抛光垫片4表面上，同时衬底1被抛光垫片4抛光，且只在除了与抛光垫片4同心的环形区域4a以外的区域中。
这样，在步骤3中衬底2以均匀的抛光速率抛光。
上述方法具有与通过上述实施例中的抛光装置获得的相同的优点。
在上述方法中，抛光垫片4可以设计成形成有不形成通孔的圆形区域，诸如图3C所示的圆形区域4e，代替环形区域4a。

Claims (21)

1．用于抛光衬底的装置，包括：
(a)形成有多个通孔的抛光垫片(4)，抛光材料(6)通过这些通孔输送到所述抛光垫片(4)表面上；
(b)其上安装所述抛光垫片(4)的水平台(3)；和
(c)用于在其上支撑衬底(1)的可旋转载体(2)，所述载体(2)面对所述水平台(3)设置；
所述水平台(3)可绕着旋转轴(3A)旋转，而所述旋转轴(3A)沿着弧形路径运动，并使所述抛光垫片(4)与所述衬底(1)接触，用于抛光所述衬底(1)，
其特征在于，所述抛光垫片(4)具有在其中不形成通孔且与抛光垫片同心的第一环形(4a)或圆形(4e)区域。
2．根据权利要求1所述用于抛光的装置，其中所述第一环形区域(4a)的宽度等于或大于所述抛光垫片(4)半径的10％。
3．根据权利要求1所述用于抛光的装置，其中所述圆形区域(4e)的半径等于或小于所述抛光垫片(4)半径的95％。
4．根据权利要求1所述用于抛光的装置，其中所述圆形区域(4e)的半径等于或大于所述抛光垫片(4)半径的30％。
5．根据前述权利要求1到4的任何一个所述用于抛光的装置，其中在所述水平台(3)的轴(3A)与所述载体(2)的轴(1A)对准时，所述通孔与所述衬底(1)的周边区域对准设置。
6．根据前述权利要求1到4的任何一个所述用于抛光的装置，其中所述通孔设置在具有与所述抛光垫片(4)的外周边公用的外周边并且宽度等于或小于所述抛光垫片(4)半径的5％的第二环形区域(4d)。
7．根据前述权利要求1到4的任何一个所述用于抛光的装置，其中所述抛光垫片(4)包括与所述抛光垫片(4)同心且位于所述第一环形区域(4a)内部的圆形区域(4c)，和位于所述第一环形区域(4a)外部的第三环形区域(4d)，所述圆形区域(4c)和所述第三环形区域(4d)中包括所述通孔。
8．根据权利要求7所述用于抛光的装置，其中所述第三环形区域(4d)具有与所述抛光垫片(4)的外周边公用的外周边。
9．根据权利要求7所述用于抛光的装置，其中在所述水平台(3)的轴(3A)与所述载体(2)的轴(1A)对准时，形成在所述第三所述环形区域(4d)中的所述通孔与所述衬底(1)的周边区域对准设置。
10．根据前述权利要求1到4的任何一个所述用于抛光的装置，其中所述通孔的总面积在所述抛光垫片(4)的径向变化。
11．根据权利要求10所述用于抛光的装置，其中每单位面积所述通孔的数量在从外周边向所述抛光垫片(4)的中心的方向减少。
12．根据权利要求10所述用于抛光的装置，其中所述通孔的直径在从外周边向所述抛光垫片(4)中心的方向减小。
13．对衬底进行化学机械抛光的方法，包括以下步骤：
(a)绕着其旋转轴(3A)，相对于其上安装了衬底(1)的载体(2)，旋转其上安装抛光垫片(4)的水平台(3)，而所述旋转轴(3A)沿着弧形路径运动；
(b)在除了与所述抛光垫片(4)同心的第一环形(4a)或圆形(4e)区域以外的区域中，向所述抛光垫片(4)表面上输送抛光材料(6)，同时所述衬底(1)被所述抛光垫片(4)抛光。
14．根据权利要求13所述用于抛光的方法，其中所述抛光材料(6)通过形成在所述抛光垫片(4)上的通孔输送到所述抛光垫片(4)表面上。
15．根据权利要求13所述用于抛光的方法，其中所述第一环形区域(4a)的宽度等于或大于所述抛光垫片(4)半径的10％。
16．根据权利要求13所述用于抛光的方法，其中所述圆形区域(4e)的半径等于或小于所述抛光垫片(4)半径的95％。
17．根据权利要求13所述用于抛光的方法，其中所述圆形区域(4e)的半径等于或大于所述抛光垫片(4)半径的30％。
18．根据前述权利要求13到17的任何一个所述用于抛光的方法，其中所述抛光材料(6)输送在具有与所述抛光垫片(4)的外周边公用的外周边并且宽度等于或小于所述抛光垫片(4)半径的5％的第二环形区域(4d)中的所述抛光垫片(4)表面上。
19．根据前述权利要求13到17的任何一个所述用于抛光的方法，其中所述抛光垫片(4)包括与所述抛光垫片(4)同心且位于所述第一环形区域(4a)内部的圆形区域(4e)，和位于所述第一环形区域(4a)外部的第三环形区域(4d)，所述抛光材料(6)被输送到所述圆形区域(4e)和所述第三环形区域(4d)中。
20．根据前述权利要求13到17的任何一个所述用于抛光的方法，其中所述抛光材料(6)在所述抛光垫片(4)的径向以变化的量输送到所述抛光垫片(4)表面上。
21．根据权利要求20所述用于抛光的方法，其中所述抛光材料(6)以在接近于所述抛光垫片(4)中心的区域中的较大的量输送。
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