專利名稱：銅－氧化物大馬士革結(jié)構(gòu)的化學(xué)機(jī)械拋光的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及半導(dǎo)體制造中的化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)。更具體地，本發(fā)明涉及對(duì)銅-氧化物大馬士革結(jié)構(gòu)的CMP，以提高材料的去除速率，并減小銅的凹陷(dishing)和氧化物的過(guò)拋(overpolishing)。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體裝置的甚大規(guī)模集成(ULSI)方面的不斷進(jìn)展，要求設(shè)計(jì)和制造非常微小的裝置。現(xiàn)有技術(shù)中用于互連(interconnect)的金屬化圖案技術(shù)不足以應(yīng)對(duì)新型的集成電路(IC)。據(jù)計(jì)算，對(duì)于門電路尺寸小于0.25μm的CMOS電路，由金屬化層(metallization layer)造成的阻容(RC)延遲將占電路總延遲的50％。人們一直在尋找新的材料和新的工藝來(lái)取代目前采用的Al互連，從而來(lái)降低RC延遲，并減少由發(fā)熱而造成的能量損耗。銅由于其電阻率比鋁(Al)約低30％，因而顯現(xiàn)出可作為未來(lái)理想的互連材料。這將使得IC能以更小的功耗工作在更高的頻率上。另外，隨著互連尺寸成比例地縮小，金屬互連所載送的電流密度成比例地增大，并可能超過(guò)發(fā)生電遷移的限度。銅的熔點(diǎn)較高，從而其對(duì)電遷移的抵抗力比Al約強(qiáng)2.5倍，從而能顯著地提高IC的可靠性。
盡管Cu作為互連金屬具有固有的優(yōu)勢(shì)，但在制造銅線時(shí)卻要面對(duì)幾個(gè)方面的挑戰(zhàn)。由于缺乏能在低溫下(小于100℃)揮發(fā)的銅化合物，所以，在層間介電(inter-level dielectric，ILD)層上通過(guò)對(duì)銅進(jìn)行蝕刻來(lái)形成理想圖案的工藝是困難的。因而，一種通過(guò)大馬士革方案及CMP工藝進(jìn)行銅線圖案化的新方法展示出了促進(jìn)電路互連技術(shù)發(fā)展的巨大潛力。
大馬士革方案的一個(gè)問(wèn)題在于，在化學(xué)機(jī)械拋光過(guò)程中，圖案會(huì)出現(xiàn)凹陷和過(guò)拋。圖1A和圖1B示意性地表示了一種金屬大馬士革結(jié)構(gòu)在進(jìn)行CMP之前和之后的狀態(tài)。在金屬大馬士革工藝中，通過(guò)將金屬淀積到蝕刻出的層間介電層上的刻槽(trench)上來(lái)形成金屬互連。然后，利用CMP工藝去掉多余的金屬，從而在ILD刻槽中形成圖案化的導(dǎo)電線路。為了能去掉介電表面上的所有金屬敷層(coating)以使金屬互連線彼此隔離，在管芯(die)內(nèi)的圖案被部分地過(guò)拋。同時(shí)，較軟的互連金屬(如Cu，W)通常比擴(kuò)散阻擋層(如Ta、Ti或TaN)以及周圍的介電材料(如SiO2)磨損得快。因而，會(huì)在填充刻槽的軟的金屬上產(chǎn)生凹陷。無(wú)論是過(guò)拋還是凹陷都會(huì)降低表面的平整度(planarity)，并可能導(dǎo)致在隨后的光刻過(guò)程中照射場(chǎng)(exposure field)在管芯尺度上部分地偏離焦點(diǎn)。另外，過(guò)拋和凹陷會(huì)減小金屬互連的橫截面積，因而會(huì)增大電阻。
可利用普雷斯頓(Preston)方程來(lái)估算凹陷和過(guò)拋的速率dhdt=kp(x,y)pavφ(w,Af,t*···)vR]]>普雷斯頓常數(shù)kp是位置的函數(shù)，該常數(shù)與氧化物和Cu互連的物理布局有關(guān)。假定對(duì)于不同的材料，普雷斯頓常數(shù)與進(jìn)行表層(blanket)拋光時(shí)材料的普雷斯頓常數(shù)保持相同。壓力的分布會(huì)受到凹陷/過(guò)拋表面實(shí)際形狀的影響，而表面的實(shí)際形狀反過(guò)來(lái)又是Cu的線寬w、面積分?jǐn)?shù)Af以及過(guò)拋時(shí)間t*的函數(shù)。可將壓力分布退耦(decouple)為一個(gè)乘積的形式，該乘積是管芯區(qū)域上平均壓力與一個(gè)幾何函數(shù)φ的乘積，幾何函數(shù)φ包括了圖案幾何形狀的影響。實(shí)際上，即使表面形貌是已知的，也不容易獲得幾何函數(shù)φ。在此情況下，由于凹陷和過(guò)拋所造成的表面變化可與墊(pad)的表面粗糙度和漿料顆粒尺寸相當(dāng)。
在現(xiàn)有技術(shù)中，人們已提出了多種唯象模型和接觸模型來(lái)確定出現(xiàn)凹陷和過(guò)拋的機(jī)理，以便于提高CMP的加工成品率。所述的唯象模型將不同部件(feature)的陣列的拋光速率與該些部件的尺寸和圖案密度相關(guān)聯(lián)。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)上確定出拋光速率、部件尺寸以及相鄰的部件的布局之間的相關(guān)性，從而可預(yù)測(cè)表面輪廓的變化。該唯象模型的一個(gè)問(wèn)題在于拋光速率與圖案幾何形狀之間的相關(guān)性會(huì)隨著圖案設(shè)計(jì)的不同而變動(dòng)，因而在該模型中平面化的摩擦機(jī)理尚不清楚。近來(lái)，人們廣泛研究了圖案幾何參數(shù)的影響，例如圖案密度(即高位部件(high feature)的面積分?jǐn)?shù))、間距、圖案面積以及周長(zhǎng)與面積之比，這些研究表明，圖案密度能顯著地影響子管芯(sub-die)尺度上的拋光速率。利用實(shí)驗(yàn)上測(cè)量的平面化長(zhǎng)度來(lái)表征特定圖案對(duì)鄰近區(qū)域的影響范圍。人們提出了一種基于密度的數(shù)值模型，用于計(jì)算任意布局的表面形貌的變化。
接觸模型被用來(lái)研究平面化的機(jī)理。在此模型下，假定一平面彈性墊來(lái)預(yù)測(cè)帶有各種圖案布局的管芯表面上的壓力分布。并提出有關(guān)壓力分布與墊的位移(displacement)之間的一般化的關(guān)系。根據(jù)該模型，各個(gè)不同圖案區(qū)域在拋光速率上的不一致歸因于高位部件處壓力的不均勻。假定直到變形后的墊接觸到低位部件(low feature)為止，低位部件保持原有狀態(tài)，材料未被去除。但是，該接觸模型并不適用于金屬拋光中的某些圖案布局。墊可能會(huì)在高位部件達(dá)到穩(wěn)態(tài)輪廓之前就與低位部件接觸到。另外，所述的墊并不如該模型中所假定的那樣與高位部件的表面相吻合(conformal)。
在解釋凹陷和過(guò)拋方面，唯象模型和接觸模型都有它們的局限性。例如，在銅拋光過(guò)程中，在銅層被拋凈之前，表面通常已成為平面。因而，在開始出現(xiàn)凹陷和過(guò)拋時(shí)的壓力分布可能比在平面化階段時(shí)更均勻。另外，如果已平面化的部件的尺寸接近于或小于研磨顆粒的尺寸(0.2-0.3μm)和墊表面的粗糙度時(shí)，則在計(jì)算局部壓力時(shí)必須要考慮到顆粒的分布和墊的局部形貌。但是，這種類型的分析模型是很難建立起來(lái)的。因而，對(duì)凹陷和過(guò)拋的研究被局限在對(duì)圖案參數(shù)的實(shí)驗(yàn)特征描述和參數(shù)研究上，例如面積分?jǐn)?shù)、線寬以及間距。盡管人們已提出了幾個(gè)半經(jīng)驗(yàn)性的模型，但凹陷和過(guò)拋的基本原理以及它們與圖案幾何形狀和材料特性的關(guān)系尚未徹底弄清楚。另外，由于大多數(shù)實(shí)驗(yàn)是在大尺寸的部件上進(jìn)行的，所以，其結(jié)果以及相關(guān)的問(wèn)題，例如在100μm部件上出現(xiàn)的嚴(yán)重凹陷，將不適于目前的亞0.25微米(sub-quarter micron)的電路設(shè)計(jì)，在此情況下，必須關(guān)注比例(scaling)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
因而，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種金屬大馬士革結(jié)構(gòu)的化學(xué)機(jī)械拋光的方法。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種金屬大馬士革結(jié)構(gòu)的化學(xué)機(jī)械拋光的方法，該方法可使金屬去除速率達(dá)到最大，并使由于金屬凹陷和氧化物過(guò)拋而造成的表面不均勻性最小。
本發(fā)明的再一個(gè)目的是提供一種金屬大馬士革結(jié)構(gòu)的化學(xué)機(jī)械拋光的方法，以降低氧化物的拋光速率，并增加在金屬和氧化物之間的拋光選擇性。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種金屬大馬士革結(jié)構(gòu)的化學(xué)機(jī)械拋光的方法，以根據(jù)金屬大馬士革結(jié)構(gòu)的圖案幾何形狀來(lái)優(yōu)化工藝條件。
通過(guò)本文所述的金屬大馬士革結(jié)構(gòu)的化學(xué)機(jī)械拋光方法可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述以及其它目的，其中該金屬大馬士革結(jié)構(gòu)包括絕緣層，該絕緣層具有位于晶片上的刻槽；以及金屬層，其具有位于絕緣層刻槽內(nèi)的下部和覆蓋該下部和該絕緣層的上部。根據(jù)本發(fā)明，金屬大馬士革結(jié)構(gòu)的化學(xué)機(jī)械拋光方法包括第一步驟，對(duì)金屬層的上部進(jìn)行平面化和拋光；以及第二步驟，對(duì)絕緣層和金屬層的下部進(jìn)行拋光。在對(duì)金屬層的上部進(jìn)行平面化和拋光的第一步驟中，在接觸模式下，通過(guò)在晶片與拋光墊之間施加一壓力p并產(chǎn)生一相對(duì)速度v而將晶片與拋光墊負(fù)荷(urge)在一起，以提高金屬的去除速率。在第二步驟中，在穩(wěn)態(tài)模式下，對(duì)絕緣層和金屬層的下部進(jìn)行拋光，從而在刻槽中形成單獨(dú)的金屬線，且使金屬線的凹陷以及絕緣層的過(guò)拋?zhàn)钚　?br> 在一優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的一金屬大馬士革結(jié)構(gòu)的化學(xué)機(jī)械拋光方法包括第一步驟，在接觸模式下，通過(guò)在晶片與拋光墊之間施加一壓力pav并產(chǎn)生一相對(duì)速度vR而將晶片與拋光墊負(fù)荷在一起，以此對(duì)金屬層的上部進(jìn)行平面化和拋光；以及第二步驟，在穩(wěn)態(tài)模式下，通過(guò)滿足如下的方程，對(duì)絕緣層和金屬層的下部進(jìn)行拋光，從而在刻槽內(nèi)形成單獨(dú)的金屬線，且使金屬線的凹陷以及絕緣層的過(guò)拋?zhàn)钚?，該方程為RMetal=Rinsulation=kWH′pavvR]]>式中，RMetal為銅的去除速率，Rinsulation為絕緣層的去除速率，kw為磨損系數(shù)，而H’則代表拋磨表面的表觀硬度，該硬度值由如下的方程得到H′＝HMetalAf+Hinsulation(1-Af)式中，HMetal為銅的硬度，Hinsulation為絕緣層的硬度，而Af為金屬圖案的面積分?jǐn)?shù)。


從結(jié)合附圖所作的以下描述中，可更清楚地理解本發(fā)明的上述以及其它目的，在附圖中圖1A為一示意圖，表示了進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)之前的一金屬大馬士革結(jié)構(gòu)；圖1B示意性地表示了在進(jìn)行金屬CMP之后出現(xiàn)的凹陷和過(guò)拋；圖2A示意性地表示了在初始階段，部件圖案與拋光墊之間的接觸界面，且在高位部件上產(chǎn)生了特定的均勻位移；圖2B示意性地表示了在平面化階段，部件圖案與拋光墊之間的接觸界面，且在所接觸的高位部件上施加了一壓力(均勻壓力或橢圓分布)；圖2C示意性地表示了在平面化處理的結(jié)束階段，部件圖案與拋光墊之間的接觸界面，且墊與下部區(qū)域相接觸；圖2D示意性地表示了在開始出現(xiàn)凹陷和過(guò)拋時(shí)，在部件圖案與拋光墊之間的接觸界面；圖3為一示意圖，表示了與一彈性拋光墊相接觸的并移動(dòng)著的剛性線型結(jié)構(gòu)；圖4為一曲線圖，表示了在各種邊界條件下高位部件的接觸區(qū)域中的壓力分布；圖5為一示意圖，表示了在各種邊界條件下變形后的墊的表面輪廓；圖6為一曲線圖，表示了在各種邊界條件下墊的位移與圖案面積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系；圖7為一曲線圖，表示了在橢圓壓力分布的情況下，外加壓力pav和墊的楊氏模量E對(duì)墊的位移的影響；圖8示意性地表示了在一測(cè)試晶片上的圖案布局；圖9A示意性地表示了一CMP掩模布局；圖9B表示了與圖9A所示的CMP掩模設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)的圖案幾何形狀的布局；圖10為一掃描電子顯微照片，表示了一部件圖案的橫截面；圖11A～11F均為光學(xué)顯微照片，表示了在CMP過(guò)程中圖案表面隨時(shí)間的變化(w＝5μm，λ＝200μm)；圖12為曲線圖，表示了在隨時(shí)間變化的過(guò)程中，圖案橫截面的輪廓(w＝5μm，λ＝200μm)；圖13A為原子力顯微鏡(AFM)圖像，表示了各種圖案在進(jìn)行CMP三分三十秒之后的表面輪廓；圖13B為AFM圖像，表示了進(jìn)行CMP五分鐘后的各種圖案；圖13C為一曲線圖，表示了各種圖案在進(jìn)行CMP三分三十秒之后的表面輪廓；圖13D為一曲線圖，表示了各種圖案在進(jìn)行CMP五分鐘之后的表面輪廓；圖14為一曲線圖，表示了面積分?jǐn)?shù)w/λ為0.5的圖案的銅的凹陷隨時(shí)間的變化；圖15為一曲線圖，表示了面積分?jǐn)?shù)w/λ為0.01而線寬w不同的圖案的銅的凹陷隨時(shí)間的變化；圖16為一曲線圖，表示了線寬w為0.5μm而面積分?jǐn)?shù)w/λ不同的圖案的銅的凹陷隨時(shí)間的變化；圖17為一曲線圖，比較了采用中性漿料的本發(fā)明與采用化學(xué)漿料的現(xiàn)有技術(shù)；圖18為一曲線圖，表示了線寬w為0.5μm而面積分?jǐn)?shù)w/λ不同的圖案的氧化物的過(guò)拋隨時(shí)間的變化；圖19為一曲線圖，表示了線寬w為0.5μm而面積分?jǐn)?shù)w/λ不同的圖案的氧化物的過(guò)拋速率的理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的對(duì)比；圖20為一曲線圖，表示了面積分?jǐn)?shù)w/λ為0.5而線寬w不同的圖案的氧化物的過(guò)拋隨時(shí)間的變化；以及圖21為一曲線圖，表示了面積分?jǐn)?shù)w/λ為0.01而線寬w不同的圖案的氧化物的過(guò)拋隨時(shí)間的變化。
具體實(shí)施例方式
在本發(fā)明的所有描述中，都采用了如下的符號(hào)術(shù)語(yǔ)，這些術(shù)語(yǔ)被定義如下Af＝金屬圖案的面積分?jǐn)?shù)a＝金屬圖案線寬的一半(m)C1、C2、C3＝積分常數(shù)
E＝敷層材料的楊氏模量(N/m2)Fn、F＝晶片上法向力和切向力(N)H＝敷層材料的硬度(N/m2)H’＝復(fù)合表面的表觀硬度(N/m2)h＝從晶片表面上去除的材料的厚度(m)kn＝Preston常數(shù)(m2/N)kw＝磨損系數(shù)P＝在高位部件上單位長(zhǎng)度內(nèi)的載荷(N/m)p＝晶片表面上的法向牽拉力(N/m2)pav＝晶片上的標(biāo)稱壓力(N/m2)p’＝在高位部件上的平均壓力(N/m2)q＝晶片表面上切向牽拉力(N/m2)rd＝凹陷表面的半徑(m)S＝滑動(dòng)距離(m)t＝實(shí)驗(yàn)時(shí)間(s)t*＝過(guò)拋時(shí)間(s)ux、uz＝墊的切向位移和法向位移(m)V＝體積損失(m3)vR＝晶片的相對(duì)線速度(m/s)w＝圖案的線寬(m)x、y、z＝笛卡爾坐標(biāo)(m)xn＝墊的已位移表面上的一基準(zhǔn)點(diǎn)的位置(m)Δh＝氧化物過(guò)拋量(m)δ＝銅的凹陷深度(m)λ＝圖案的間距(m)μ＝摩擦系數(shù)v＝泊松比p’＝在高位部件上的平均壓力(N/m2)S＝滑動(dòng)距離(m)圖1A和圖1B示意性地表示了在進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光之前以及之后的一銅大馬士革結(jié)構(gòu)。如圖1A所示，銅大馬士革結(jié)構(gòu)包括位于Si晶片上的帶有刻槽的絕緣性SiO2層和淀積在SiO2層上的銅層。該銅層包括位于SiO2層上的刻槽內(nèi)的下部以及覆蓋銅層的下部和SiO2層的上部。盡管用Cu層來(lái)展示出該大馬士革結(jié)構(gòu)，但其在任何意義上都不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的范圍的限定。以下描述的本發(fā)明CMP方法也可用于其它金屬的大馬士革結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明提供了一種如圖1A所示的金屬大馬士革結(jié)構(gòu)的化學(xué)機(jī)械拋光方法。本發(fā)明的CMP方法包括第一步驟，以接觸模式對(duì)金屬層的上部進(jìn)行平面化和拋光；以及第二步驟，以穩(wěn)態(tài)模式對(duì)金屬層下部以及絕緣層進(jìn)行拋光，從而在刻槽內(nèi)形成單獨(dú)的金屬線，且使金屬線的凹陷和絕緣層的過(guò)拋?zhàn)钚　?br> 在第一步驟中，在接觸模式下，通過(guò)在晶片與拋光墊之間施加一壓力pav并產(chǎn)生一相對(duì)速度vR而將晶片與拋光墊負(fù)荷在一起，以此對(duì)金屬層的上部進(jìn)行平面化和拋光。采用接觸力學(xué)模型來(lái)確定在高位部件上的壓力變化，并確定出墊在高位部件以外的位移，以確保晶片/墊不會(huì)接觸到低位部件。
圖2A示意性地表示了初始階段部件圖案與拋光墊之間的接觸界面，且所述的墊在高位部件上產(chǎn)生一均勻的位移。圖2B示意性地表示了在平面化階段時(shí)部件圖案與拋光墊之間的接觸界面，其中在高位部件上施加一壓力(均勻壓力或橢圓分布)。
根據(jù)Preston方程，局部圖案幾何形狀會(huì)對(duì)壓力分布造成影響，因而會(huì)導(dǎo)致材料去除不均勻，Preston方程為dhdt=kvp(x,y)vR---(1)]]>該接觸力學(xué)模型的目的為確定出晶片表面上的壓力分布。如圖2A和2B中示意性地表示的那樣，在平面化步驟中，高位、低位部件之間的臺(tái)階高度h遠(yuǎn)大于墊的位移uz，因而，載荷基本上只是由高位部件進(jìn)行支撐。然后，隨著墊接觸到低位區(qū)域，高位部件和低位部件都將被拋光。如圖2C所示，隨著表面被逐漸向下拋光和平面化，壓力分布變得更為均勻。
圖3示意性地表示了與一彈性的拋光墊相接觸的并移動(dòng)著的一剛性線型結(jié)構(gòu)。圖中的高位部件代表淀積在底層氧化物上的Cu，而低位部件則代表填充在帶有刻槽的氧化物區(qū)域中的Cu。由于銅線的長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于其橫向尺寸，所以圖案/墊的接觸可以作為二維(平面-應(yīng)變)問(wèn)題來(lái)模型化。墊的變形通常遠(yuǎn)小于墊的厚度，因而，接觸應(yīng)力高度集中在靠近墊的表面的區(qū)域中。采用這種近似條件，通過(guò)假設(shè)墊為一彈性的半無(wú)限體，可以計(jì)算出應(yīng)力。為了簡(jiǎn)化，在下文的分析中，將切向的牽拉力假定為零，即q(x)＝0。只有當(dāng)晶片與墊之間的界面的摩擦系數(shù)很低時(shí)，該假設(shè)才是成立的。已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，在Cu拋光過(guò)程中，摩擦系數(shù)約為0.1。因而，切向牽拉力對(duì)應(yīng)力的影響是可忽略的。另外，在平面化步驟中，加載區(qū)域之外的壓力為零。在此條件下，通過(guò)指定加載區(qū)域(-a≤x≤a)中的位移或壓力分布，就可描述出整個(gè)邊界條件。在某些情況下，在假定墊與高位部件的輪廓相吻合的情況下，指定接觸區(qū)域內(nèi)法向位移uz(x)將更加簡(jiǎn)單。在接觸區(qū)域內(nèi)，墊的表面上的壓力分布p(x)的公式可以表達(dá)如下∫-aap(s)x-sds=-πE2(1-v2)∂uz(x)∂x---(2a)]]>且法向位移uz(x)可從如下的公式中獲得∂uz(x)∂x=-(1-2v)(1+v)Ep(x)---(2b)]]>式中，uz(x)為法向位移，v為泊松比，E為墊的楊氏模量，s為一虛擬變量。奇異積分方程(2a)的通解由如下的公式給出p(x)=-E2(1-v2)(a2-x2)1/2∫-aa(a2-s2)1/2(x-s)∂uz(s)∂sds+Pπ(a2-x2)1/2---(3)]]>式中，P為高位部件上單位長(zhǎng)度內(nèi)的載荷。在如下的分析中，假定疊加是有效的，則采用這些方程來(lái)求解多凸模(multiple-punch)接觸的條件。
在Cu平面化的初始階段，如圖2A所示，可從先前的淀積過(guò)程知曉圖案的輪廓。通過(guò)假定在整個(gè)平面加載區(qū)域內(nèi)壓痕(indentation)分布均勻(uz/x＝0)，則可從方程(3)得到高位部件(|x-nλ|≤a)上的壓力分布p(x)=Pπ[a2-(x-nλ)2]1/2---(4)]]>式中，P為作用在每個(gè)接觸區(qū)域上的載荷，n為從子管芯區(qū)域的中心算起的高位的標(biāo)號(hào)(從-N到N，共有2N+1個(gè)高位部件)。在方程(4)中，將作用在各個(gè)高位部件上的載荷P設(shè)為常數(shù)。這就是指所考察的部件靠近具有重復(fù)圖案的子管芯的中心位置，因而，相鄰子管芯區(qū)域上的不同圖案將不會(huì)影響到該部件上的壓力分布。
圖4表示了在整個(gè)加載區(qū)域(高位部件)內(nèi)，歸一化的壓力p與歸一化的距離x/a之間的關(guān)系，其中，歸一化的壓力p被定義為P(x)≡p(x)/p′ (5)式中，p’為特定高位部件上的平均壓力。由于在尖角處uz/x不連續(xù)，所以，在該高位部件的邊緣上壓力達(dá)到了理論上的無(wú)窮大。在實(shí)際情況中，有限的半徑使得uz/x越過(guò)邊緣仍然是連續(xù)的，且在靠近邊緣的位置處，壓力增加到一個(gè)很大但有限的數(shù)值。另外，墊的材料并不能承受這樣高的應(yīng)力，從而會(huì)在接觸處的拐角周圍發(fā)生塑性屈服。盡管靠近邊緣的壓力是集中加強(qiáng)的，但在整個(gè)部件上，壓力是均勻分布的，并接近于接觸區(qū)域內(nèi)平均壓力p’的0.7倍。另外，方程(4)表明了曲線的總的形狀并不會(huì)受到載荷以及墊的彈性特征的影響。每個(gè)高位部件上的載荷的增加會(huì)成比例地增大每一點(diǎn)的壓力，但不會(huì)改變壓力在整個(gè)高位部件上的分布。
通過(guò)將從公式(4)獲得的加載區(qū)域內(nèi)的壓力代入到方程(2a)中就可求出在高位部件以外的墊的位移量。墊的位移可表達(dá)為歸一化的形式uz‾(x)=-4(1-v2)p′πEΣu=-Nu=N1n[x-nλa+((x-nλa)2-1)1/2]+(2N+1)C1---(6)]]>式中，uz為高位部件以外的歸一化位移，其被定義為uz(x)≡u(píng)z(x)/a，C1是單個(gè)平凸模壓痕(flat punch indentation)條件下定義的歸一化積分常數(shù)，其可以表達(dá)為C1=2(1-v2)P′πE1n[x0a+(x02a2-1)1/2]---(7)]]>積分常數(shù)C1只能通過(guò)在移動(dòng)后的表面上選擇一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)x0而確定出，其中的表面被稱為初始表面，在該平面上，uz(x0)＝0。對(duì)x0的選擇通常需要參照對(duì)實(shí)際變形表面的觀察。由于在遠(yuǎn)離接觸表面的遠(yuǎn)端處，邊界條件是未被確定的，所以，難以確定C1是彈性半度空間(half-space)問(wèn)題的普遍特征。為了克服這一困難，就必須要考慮彈性體的實(shí)際形狀和尺寸以及位于支撐端面的邊界條件。但是，如果所考察的是墊的表面的相對(duì)形狀以及其在低位部件中的位移，而不是在其表面平面上的移動(dòng)，則x0的選定就不重要了，且該選擇將不影響墊的表面的輪廓。
如圖2B所示，在假定不與低位部件相接觸的前提下，如果高位部件的輪廓達(dá)到了穩(wěn)態(tài)，則可采用均勻壓力的邊界條件。壓力分布與作用在每一高位部件(|x-nλ|≤a)上的載荷P以及部件的寬度的一半a有如下關(guān)系p(x)=P2a=p′---(8)]]>采用該邊界條件，對(duì)方程(2a)進(jìn)行求解就可得到墊在整個(gè)子管芯區(qū)域上的位移。類似地，該位移可被描述成如下的歸一化方程形式uz‾=(1-v2)p′πEΣn=-NN[(1+x-nλa)1n(1-x-nλa)2]]>+(1-x-nλa)1n(1-x-nλa)2]+(2N+1)C2---(9)]]>式中，C2是一個(gè)積分常數(shù)，并相對(duì)于基準(zhǔn)點(diǎn)x0而確定出C2=(1-v2)p′πE[(1+x0a)1n(1+x0a)2(1-x0a)1n(1-x0a)2]---(10)]]>對(duì)高位部件的另一種可能的邊界條件是由赫茲(Hertz)理論得出的橢圓形壓力分布。在此情況下，不論是晶片還是墊都被建模為非一致的彈性體?？紤]二維的赫茲(Hertzian)接觸問(wèn)題，接觸區(qū)域(|x-nλ|≤a)中的壓力分布可被表達(dá)為如下的公式p(x)=p0(1-(xa)2)1/2---(11)]]>式中，p0為部件上的最大壓力，并可用如下的公式求得p0=2Pπa=4p′π---(12)]]>
從圖4還可看出，可將壓力分布改寫為歸一化的形式p，且與無(wú)量綱距離x/a相關(guān)p‾(x)=4π(1-(xa)2)1/2---(13)]]>橢圓壓力分布將導(dǎo)致在靠近高位部件中心的位置處更高的材料去除速率。這將改變高位部件的輪廓，并促使壓力分布向著更為均勻的形式發(fā)展。將橢圓壓力分布作為邊界條件，可獲得歸一化的位移如下uz‾=-4(1-v2)P′πEΣn=-NN{(x-nλa)2-[|x-nλ|a(x-nλa)2-1]]>-1n(|x-nλ|a+(x-nλa)2-1)]}+(2N+1)C3---(14)]]>式中的C3是另一個(gè)無(wú)量綱的積分常數(shù)。
C3=4(1-v2)p′πE{(x0a)2-[|x0|a(x0a)2-1-ln(|x0|a+(x0a)2-1)]}---(15)]]>圖5為一個(gè)示意圖，表示了在各種邊界條件下變形的墊的表面輪廓。對(duì)于各種邊界條件，靠近子管芯區(qū)域中心位置處的歸一化的墊的位移基于公式(6)、(9)以及(14)。坐標(biāo)上的零被設(shè)定為與高位部件的頂面相對(duì)應(yīng)。位移的計(jì)算基于接近于目前的CMP實(shí)驗(yàn)而得出，其中面積分?jǐn)?shù)為0.5(Af＝w/λ＝1-2a/λ＝0.5)，且在晶片上所施加的壓力為0.05MPa(7psi)。
如表1所示，墊的彈性模量和泊松比被設(shè)定為E＝500MPa和v＝0.3(與當(dāng)前使用的墊的指標(biāo)接近)。由于在銅大馬士革結(jié)構(gòu)中所涉及的所有材料的楊氏模量都遠(yuǎn)大于墊的楊氏模量，所以在上述的分析中假設(shè)凸模壓痕為剛性的是成立的。
從中可看出對(duì)于三種邊界條件，墊的最大位移基本上處于同一數(shù)量級(jí)上。對(duì)于目前的電路設(shè)計(jì)，其中小尺寸的部件的寬度約為0.18～0.5μm(或?qū)τ诿娣e分?jǐn)?shù)為0.5的部件，a＝0.09～0.25)，在高位部件以外，墊的位移約0.03到0.08nm，與墊的表面粗糙度相比幾乎可以忽略。因而，如臺(tái)階高度表1材料的彈性特性

+ASM金屬手冊(cè)，ASM國(guó)際出版社++材料科學(xué)手冊(cè)，CRC出版社遠(yuǎn)大于墊的位移，例如在銅拋光的平面化階段(對(duì)于初始臺(tái)階高度約為0.5～1μm的情況)，那么墊被認(rèn)為不與低位部件接觸。因而，由于直到平面化過(guò)程結(jié)束時(shí)為止，低位部件沒有發(fā)生任何的磨損，故而其材料去除速率很低。另外，圖5是基于具有33個(gè)平凸模(高位部件)的壓痕而計(jì)算得到的。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在靠近子管芯區(qū)域的中心位置處，墊的位移幾乎不會(huì)受到距離中心位置超過(guò)一定距離處的部件的總個(gè)數(shù)以及幾何形狀的影響。一般來(lái)講，在特定的低位部件處，墊的位移以及墊變形后的形狀將只受到所考察的區(qū)域周圍五倍間距或六倍間距范圍內(nèi)的部件的影響。
圖5還表示出了線寬對(duì)墊的位移的影響。對(duì)于面積分?jǐn)?shù)(例如為0.5)恒定的圖案，線寬的增大將使墊的位移成正比增加。因而，墊可能會(huì)在形貌被平面化之前就與低位區(qū)域接觸到，從而降低了平面化的速率。例如，對(duì)于100μm的線寬，墊的位移約為20nm。在實(shí)際工作中，如果考慮墊的表面粗糙度約為100-200nm，且顆粒的尺寸約為200nm，則在平面化的早期階段(在此情況下，約為臺(tái)階高度的一半)，大尺寸的部件(互連線、接觸焊盤)的低位區(qū)域?qū)⑴c墊接觸到。與此對(duì)比，對(duì)于亞微米尺寸的部件，墊上的起伏由于受到周圍高位部件的約束而不能自由地接觸到低位部件。因而，由于墊的位移非常小，所以直到在平面化過(guò)程結(jié)束時(shí)為止，墊將不會(huì)與低位區(qū)域接觸到。
對(duì)于相同的面積分?jǐn)?shù)Af，線寬增大的另一個(gè)影響是降低了高位部件上的平均材料去除速率。由于在平面化過(guò)程中，某些位置點(diǎn)上的部分載荷被低位部件支撐著，所以，高位部件上的平均壓力降低，因而材料的去除速率也降低。在不同面積分?jǐn)?shù)的區(qū)域上，材料去除速率的變化將導(dǎo)致在同一管芯上去除銅的工作時(shí)間不同。這就需要對(duì)部分的管芯進(jìn)行過(guò)拋，并引起氧化物厚度變化和Cu損耗的問(wèn)題。另外，低位部件與墊接觸得越早，則越可能使得部分表面形貌得以保存，直到過(guò)程結(jié)束時(shí)為止。這將會(huì)增大表面的不均勻度，且在銅層被全部拋除之前，開始在刻槽內(nèi)的銅上形成凹陷。
圖6表示了各種邊界條件下，墊的位移與圖案面積分?jǐn)?shù)的關(guān)系曲線。歸一化的墊的位移uz/a隨Af的增加而增加。所采用的三種邊界條件給出了相同的趨勢(shì)和近似的位移量。在這三種邊界條件之中，橢圓壓力分布對(duì)于所有的Af都具有最大的位移量。對(duì)于較小的Af，均勻壓力分布的邊界條件使得低位區(qū)域處墊的位移略大于恒定位移的邊界條件的位移。如果Af近似地大于0.7，則在加載區(qū)域施加恒定位移的邊界條件下，低位區(qū)域處的墊的位移更大。
除了在面積分?jǐn)?shù)較高的區(qū)域，即Af大于0.7的區(qū)域處，uz/a相對(duì)Af快速增大外，位移幾乎隨Af線性地增加。在面積分?jǐn)?shù)為0.2到0.6的范圍內(nèi)，曲線的斜率約為1×10-3。因而，對(duì)于本電路設(shè)計(jì)實(shí)例，即使面積分?jǐn)?shù)略有變化，墊的位移仍能處于相同的數(shù)量級(jí)。因而，對(duì)于具有精細(xì)互連線的起始的幾層金屬，在墊接觸到低位區(qū)域之前，它們的表面將被向下平面化。此外，如果銅的線寬很小，則墊的位移的效果就基本上可以忽略，由于作用在高位部件上的平均壓力與Af成反比，所以材料去除速率和平面化速率都隨Af成比例地增大。這將導(dǎo)致在工藝的平面化階段中，在跨越不同面積分?jǐn)?shù)區(qū)域的管芯內(nèi)產(chǎn)生表面不平整。
圖7表示了不同pav/E條件下，所施加的壓力pav和墊的楊氏模量E對(duì)墊的位移(橢圓壓力分布)的影響，pav/E為一無(wú)量綱參數(shù)，對(duì)于CMP中當(dāng)前所用的墊和所施加的標(biāo)稱壓力，pav/E接近于10-3。但是，可用不同的墊來(lái)改變表面的平整度。例如，E值比聚氨脂墊的E值大一個(gè)數(shù)量級(jí)(約為1～5GPa)的某些工程塑料，或甚至E值大兩個(gè)數(shù)量級(jí)(約為10～20GPa)的某些軟的金屬，可被用作頂墊(top pad)，以改善表面的平整度。圖7表明墊的位移將隨著E的增大或pav/E值的減小而成比例地減小。這些結(jié)果適用于低位部件以及低位子管芯區(qū)域的墊的位移，低位子管芯區(qū)域由于其面積分?jǐn)?shù)大于周圍面積分?jǐn)?shù)小的表面，所以其被較快地向下拋磨。通過(guò)采用較硬的墊，可使面積分?jǐn)?shù)相差很大的兩個(gè)區(qū)域的表面高度保持很小的差值，從而保證了整個(gè)管芯范圍內(nèi)的表面平整度。另一方面，較軟的墊，例如E值約為500MPa至10MPa的聚合物泡沫，可降低作用在磨損顆粒上的載荷，從而可防止在最后的拋光過(guò)程中將表面劃傷。通過(guò)采用接觸力學(xué)模型，針對(duì)所施加壓力的范圍可確定出理想范圍的墊的特性。
再次參照?qǐng)D2D，該附圖表示了在開始出現(xiàn)凹陷和過(guò)拋時(shí)，部件圖案與拋光墊之間的接觸界面。如圖2D所示，柔軟的Cu互連要比擴(kuò)散阻擋層(Ta、Ti或TaN)以及層間介電(ILD)氧化物磨損得快，因而，Cu互連的表面上會(huì)出現(xiàn)凹陷。另外，為了將圖案上的銅互連彼此隔離，氧化物將被過(guò)拋。
根據(jù)本發(fā)明的CMP方法，在穩(wěn)態(tài)模式下進(jìn)行對(duì)絕緣層和金屬層下部進(jìn)行拋光的第二步驟，從而在刻槽內(nèi)形成單獨(dú)的金屬線，且使金屬線的凹陷以及絕緣層的過(guò)拋?zhàn)钚　?br> 參見磨損方程，Preston常數(shù)可被定義為磨損系數(shù)kw與所要拋光的材料的硬度H的比值。因而，利用Preston方程可以確定出在晶片表面上任何一點(diǎn)處材料固有的去除速率，其可改寫為dhdt=kwHPvR---(16)]]>式中p為作用在晶片表面上所考察的位置點(diǎn)周圍的局部平均壓力。磨損系數(shù)取決于拋光機(jī)制，其對(duì)所拋光的材料并不敏感。在CMP條件下，對(duì)于表層晶片上的包括Cu和TEOS的各種表面敷層，kw基本上保持為常數(shù)。如果假定該kw在管芯尺度上和部件尺度上都是相同的，那么如圖2D所示的Cu表面和氧化物表面上的材料去除速率可被表達(dá)為(dhdt)Cu=kwHCupCuvR---(17)]]>(dhdt)Oxide=kwHOxidepOxidevR---(18)]]>式中，HCu、HOxide分別為銅和氧化物的材料硬度。如果假定處于穩(wěn)態(tài)階段，也即銅的凹陷量隨著過(guò)拋時(shí)間保持恒定，那么銅表面和氧化物表面上的材料去除應(yīng)當(dāng)是均勻的，且為相同的速率(dhdt)Cu=(dhdt)Oxide---(19)]]>
通過(guò)使方程(17)與方程(18)相等，且注意到相鄰Cu區(qū)域和氧化物區(qū)域的相對(duì)速度是相同的，則銅層和氧化物層上的壓力分布與材料硬度之間的關(guān)系可被表達(dá)為如下的公式pCupOxide=HCuHOxide---(20)]]>為了利用圖案幾何形狀求解出pCu和pOxide，可利用在所考察的橫過(guò)互連線和周圍的氧化物間隔的區(qū)域上的力平衡條件pCuw+pOxide(λ-w)＝pλ (21)其中，p為作用在特定區(qū)域上的平均壓力。以面積分?jǐn)?shù)來(lái)表示，Af＝w/λ，方程(21)可被改寫為pCuAf+pOxide(1-Af)＝p≈pav(22)由于在經(jīng)過(guò)短時(shí)間的過(guò)拋之后表面的變化(不均勻性)不會(huì)太大，通常小于100～200nm，所以可以假定局部平均壓力p近似地等于管芯上的平均壓力pav。利用方程(20)中給出的關(guān)系求解方程(22)，可得出穩(wěn)態(tài)下氧化物表面上的壓力pOxide=[p‾(HCu/HOxide)Af+(1-Af)]≈[pav(HCu/HOxide)Af+(1-Af)]---(23)]]>氧化物表面上的壓力是管芯上平均壓力、表面上的材料的硬度以及圖案的面積分?jǐn)?shù)的函數(shù)。如果方程(18)中的壓力用方程(23)代替，則氧化物表面上的Preston方程可改寫為(dhdt)Oxide=kwHOxide[p‾(HCu/HOxide)Af+(1-Af)]vR=kwH′p‾vR≈kwH′pavvR---(24)]]>其中，H’被定義為“表觀硬度”，其可被表達(dá)為H′≡HCuAf+HOxide(1-Af)(25)
可這樣來(lái)理解公式(24)，在穩(wěn)態(tài)下，特定的圖案化區(qū)域的拋光速率等于具有材料硬度H’和相同的平均壓力 的視場(chǎng)(field)區(qū)域內(nèi)的拋光速率。如果由于圖案的面積分?jǐn)?shù)發(fā)生變化，而使管芯區(qū)域內(nèi)硬度值H’發(fā)生變化，則隨著過(guò)拋時(shí)間的延續(xù)，氧化物和銅的厚度相對(duì)于平均厚度的偏差就會(huì)變大。因而，整個(gè)管芯的表觀硬度應(yīng)當(dāng)被設(shè)計(jì)成盡可能均勻的，以便于減小過(guò)拋。另外，氧化物的過(guò)拋速率被穩(wěn)態(tài)速率和表層氧化物的拋光速率所限制。根據(jù)力的平衡，氧化物上的壓力隨著凹陷的增加而增加(作用在Cu連線上的壓力將會(huì)越來(lái)越小)，直至達(dá)到穩(wěn)態(tài)值為止。類似地，銅的拋光速率被表層Cu的速率(如同在端點(diǎn)(end-point)處的平面上那樣)以及周圍氧化物的穩(wěn)態(tài)拋光速率(除了面積分?jǐn)?shù)特別高的情況之外，其非常接近于表層氧化物的拋光速率)所限制。
實(shí)驗(yàn)下面的實(shí)例是用來(lái)說(shuō)明本CMP方法，在任何意義上，都不用來(lái)限定本一種銅大馬士革結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)用來(lái)研究幾何形狀對(duì)金屬凹陷和氧化物過(guò)拋的影響，圖8示意性地表示了一測(cè)試晶片上的圖案布局。在每一管芯(10mm×10mm)上的圖案由2mm×2mm的塊區(qū)(block)(子管芯區(qū)域)的矩陣組成。這些塊區(qū)反過(guò)來(lái)又是由行間隔(line-space)的部件組成的，這些部件的最小線寬為0.5μm。
圖9A示意性表示了一CMP掩模布局。圖9B表示了與圖9A所示的CMP掩模布局相對(duì)應(yīng)的圖案幾何形狀布局。如圖9A和圖9B所示，第一類型部件是由線寬恒定為0.5μm的細(xì)銅線和1μm至200μm的不同間距所構(gòu)成的。這些部件代表了具有臨界尺寸以及不同封裝密度的金屬互連。第二類型部件包括線寬為0.5μm至100μm的不同銅線，且銅線之間具有200μm的大的間隔，從而在相鄰的銅互連之間留出很大的空間，以研究線寬對(duì)凹陷的影響。對(duì)于小的銅線，寬大的間隔有助于減小SiO2過(guò)拋對(duì)凹陷的影響。第三類型部件包括兩個(gè)恒定的Cu的面積分?jǐn)?shù)0.01和0.5，且具有不同的線寬和間距，以用于研究比例(scaling)對(duì)凹陷和過(guò)拋的影響。面積分?jǐn)?shù)0.5接近于當(dāng)前ULSI電路中金屬層布局的設(shè)計(jì)規(guī)則。作為對(duì)比，面積分?jǐn)?shù)為0.01的部件代表了單根、隔離的連線。表2列出了上述各種圖案的設(shè)計(jì)特征
表2實(shí)驗(yàn)掩模上的圖案的線寬(w)、間距(λ)以及面積分?jǐn)?shù)(Af)。
λ(μm) 1 2 4 1050 100200 500w(μm)0.50.50 0.25 0.125 0.05 0.010.00250.7 0.00351.00.012.0 0.50 0.015.0 0.025 0.0125 9.590.125100 0.50通過(guò)在100mm的(100)取向的硅晶片上進(jìn)行光刻，圖案被轉(zhuǎn)移到1.5μm厚的SiO2(TEOS)敷層上。當(dāng)蝕刻出深度為1μm的氧化物刻槽后，淀積20nm厚的Ta阻擋層，然后，用PVD工藝淀積1.5μm厚的銅膜。圖10是一張掃描電子顯微鏡(SEM)照片，表示了圖案化的晶片的橫截面。
實(shí)驗(yàn)在旋轉(zhuǎn)型的拋光機(jī)上進(jìn)行。法向壓力和相對(duì)速度分別被保持為48KPa和0.7m/s，以使晶片/墊的界面保持接觸。拋光的時(shí)間為1到6分鐘，以涵蓋不足拋光(under-polished)、恰好拋光(just-polished)以及過(guò)拋各階段。拋光漿料包含體積百分比為4％的α-Al2O3研磨劑，其顆粒的平均尺寸為300mm。與工業(yè)的銅CMP中所采用的酸性溶劑相反，該漿料的pH值保持為7，從而只是集中在拋光的機(jī)械作用方面。Rodel IC-1400拋光墊被用來(lái)對(duì)晶片進(jìn)行拋光，且在對(duì)每一晶片進(jìn)行拋光之前，對(duì)墊進(jìn)行設(shè)定。該拋光機(jī)的實(shí)驗(yàn)條件被列于表3中。
利用觸針輪廓儀和原子力顯微鏡(AFM)來(lái)測(cè)量粗大的部件和精細(xì)的部件在不同拋光時(shí)間的圖案表面輪廓。利用這些數(shù)據(jù)，銅的凹陷可以通過(guò)在研磨掉氧化物上的銅敷層后，測(cè)量相對(duì)于氧化物表面的銅線上的凹陷量來(lái)確定。氧化物的過(guò)拋可以通過(guò)測(cè)量剩余氧化物的厚度來(lái)確定。對(duì)于粗大的部件，利用橢圓計(jì)(ellipsometry)直接測(cè)量氧化物的厚度。而對(duì)于寬度小于20μm的細(xì)小的部件，通過(guò)利用橢圓計(jì)對(duì)子管芯塊區(qū)之間400μm寬的氧化物間隔體進(jìn)行測(cè)量，從而測(cè)得參考氧化物的厚度。氧化物部件的厚度是通過(guò)對(duì)表3實(shí)驗(yàn)條件實(shí)驗(yàn)參數(shù) 實(shí)驗(yàn)條件晶片直徑(mm) 100法向載荷(N) 391法向壓力(kPa) 48轉(zhuǎn)動(dòng)速度(rpm) 75線速度(m/s) 0.70持續(xù)時(shí)間(分) 1～6滑動(dòng)距離(m) 42～252漿料流速(ml/min) 150研磨劑 α-Al2O3研磨劑尺寸(nm)300pH值 7比子管芯塊區(qū)內(nèi)的表面輪廓和這些參考間隔來(lái)確定。所有測(cè)量都是在中心管芯的子管芯塊區(qū)的中央部件進(jìn)行的，以減小由于晶片尺度上的拋光不均勻而帶來(lái)的空間變化的影響。
圖11A-11F為光學(xué)顯微照片，表示了圖案的表面(w＝25μm，λ＝25μm)隨時(shí)間的變化。圖11A表示了未拋光的且無(wú)刮痕的高位部件，由于銅的高反射率，該高位部件在光學(xué)顯微照片中是明亮的。因?yàn)檩^少的法向入射光被反射，所以高位部件與低位部件之間的側(cè)壁在明場(chǎng)照射條件下為暗的。圖11B表示了經(jīng)過(guò)兩分鐘拋光后，高位部件的表面變得粗糙。但是，低位區(qū)域的表面仍然保持與銅淀積時(shí)相同的微結(jié)構(gòu)，這就表明墊尚未接觸到低位區(qū)域。圖11C表示了進(jìn)行拋光三分鐘后的情形，無(wú)論是高位部件還是低位部件的表面都變得粗糙了，且高位部件與低位部件之間的界面變得不清晰了。這是因?yàn)楦呶?、低位部件之間的臺(tái)階高度被降低，且二者之間尖銳的邊界被磨圓。因而，墊與高位部件及低位部件接觸，兩部件的表面都被進(jìn)行了拋光。圖11D表示了經(jīng)過(guò)3分30秒拋光后，邊界已變得無(wú)法辨識(shí)，臺(tái)階高度幾乎消失，并且Cu表面已被平面化。圖11D表示了當(dāng)過(guò)程進(jìn)行了3分30秒而即將結(jié)束時(shí)的情形，反光性較差的Ta阻擋層開始顯現(xiàn)出來(lái)。圖11E表示了再拋光30秒后的情形，阻擋層被清除掉，并露出底層的氧化物。圖11F表示了五分鐘后更暗的氧化物表面，這表明Ta阻擋層已被完全研磨掉。由于氧化物的反光率遠(yuǎn)小于銅的反光率，銅線在圖中變得清晰可辨。
圖12為一曲線圖，表示了線寬為5μm、間距為200μm的圖案的橫截面輪廓隨時(shí)間的變化。在拋光的開始階段，高位部件的去除比低位部件快，這使得表面很快地被磨平。另外，在該階段中，由于壓力集中在邊緣處，所以尖銳的拐角被磨圓。在平面化階段，盡管高位部件的面積分?jǐn)?shù)為0.025，與表層面的面積分?jǐn)?shù)非常接近，但是高位部件的材料去除速率約為500nm/min，約為表層拋光速率的兩倍。對(duì)此現(xiàn)象的一種解釋為，表面上的刻槽促進(jìn)了局部的漿料分配。另外，由于管芯尺度上的表面不均勻性，所以作用在每個(gè)子管芯上的壓力也可能是不均勻的。
隨著高位、低位部件之間的臺(tái)階高度的降低，高位部件的材料去除速率逐漸接近于低位部件的去除速率。這表明當(dāng)表面變得平整時(shí)，壓力分布變得更為均勻。最后，兩個(gè)材料去除速率都接近于表層銅的拋光速率，該拋光速率約為220nm/min，且表面被平面化了。然后，銅表面保持平坦，直到該工藝過(guò)程結(jié)束，該情形如圖11C所示。在經(jīng)過(guò)結(jié)束時(shí)刻之后，其介于3到4分鐘之間，銅線開始出現(xiàn)凹陷，且凹陷量隨過(guò)拋的時(shí)間的增加而增加。氧化物也被拋光，但其拋光速率遠(yuǎn)小于柔軟的Cu的拋光速率。因而，表面上再次會(huì)形成起伏的形貌。
圖13A～13D表示了最小的部件，即0.5μm銅線，上的圖案的相似的變化趨勢(shì)。圖13A是AFM圖像，表示了在進(jìn)行CMP三分三十秒(該時(shí)刻約為過(guò)程的結(jié)束時(shí)刻)后，具有0.5μm線寬和不同間距(1、2、4和200μm)的各種圖案。圖13B是CMP進(jìn)行5分鐘后的AFM圖像。圖13C和圖13D中的曲線圖分別表示了各種圖案在CMP進(jìn)行3分30秒以及5分鐘后的表面輪廓。圖中的所有表面在達(dá)到結(jié)束時(shí)刻之前都已被磨平。在圖13A和圖13B中，可看到一些由于顆粒對(duì)柔軟的銅表面進(jìn)行磨擦而形成的淺的劃痕。在過(guò)拋的情況下，凹陷發(fā)生在銅線上，這些凹陷由于其位置相對(duì)于周圍的氧化物表面較低，所以其在AFM圖像中表現(xiàn)為暗的。對(duì)于λ＝1μm和2μm的部件(或較高的銅的面積分?jǐn)?shù)，Af＝0.5和0.25)，在過(guò)拋之后，凹陷量小于30nm。與此相對(duì)，對(duì)于間距為200μm的隔離的連線部件，凹陷量則非常顯著，約為200nm。對(duì)于隔離的布線結(jié)構(gòu)，氧化物的邊緣也被顯著地磨圓了。
表4列出了測(cè)試晶片中心管芯上的結(jié)構(gòu)在不同時(shí)刻的凹陷量。在進(jìn)行到3分鐘之前，表面仍然被很薄的銅層覆蓋著，凹陷尚未出現(xiàn)。凹陷開始發(fā)生的時(shí)刻取決于圖案的幾何形狀，即銅(或間距)的線寬和面積分?jǐn)?shù)。從更早的觀察來(lái)看，當(dāng)銅層被磨去時(shí)凹陷開始出現(xiàn)。由于對(duì)于具有不同線寬或面積分?jǐn)?shù)的部件，銅不會(huì)在相同的時(shí)間被清除掉，所以產(chǎn)生凹陷的時(shí)間隨該些參數(shù)也存在變化。對(duì)于所有的圖案，凹陷發(fā)生時(shí)刻的變動(dòng)范圍約為1分鐘。在實(shí)際工作中，為了能清除掉氧化物表面上的所有的銅，該變動(dòng)范圍要求對(duì)晶片上的部分區(qū)域進(jìn)行過(guò)拋，因而會(huì)造成表面的不平整。利用最小二乘方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理所得到的凹陷速率的數(shù)據(jù)被列在表4中。歸一化的凹陷速率，在0.04到1.39的范圍內(nèi)，被定義為凹陷速率除以銅表層的拋光速率(約為210nm/min)。
表4凹陷變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖14表示了線寬對(duì)面積分?jǐn)?shù)為0.5的部件的凹陷的影響，該面積分?jǐn)?shù)接近于目前的電路設(shè)計(jì)。對(duì)于小線寬部件，例如線寬為0.5、1甚至25μm的線，在經(jīng)過(guò)短時(shí)間的過(guò)拋后，凹陷量就達(dá)到了穩(wěn)定。對(duì)于0.5和2μm的線，穩(wěn)定的凹陷量為20mm到30nm。另外，凹陷速率受到表層銅和氧化物的拋光速率的限制。對(duì)于0.5μm到2μm寬的連線，凹陷速率接近于表層氧化物的拋光速率，約為12nm/分鐘。但對(duì)于更大的線寬的情況，例如為100μm，凹陷則隨著過(guò)拋時(shí)間的延長(zhǎng)而增大，在實(shí)驗(yàn)中，在相對(duì)較長(zhǎng)的過(guò)拋時(shí)間內(nèi)，凹陷不會(huì)達(dá)到恒定值(穩(wěn)定態(tài))。經(jīng)過(guò)三分鐘過(guò)拋之后，凹陷量約為450nm。因而，凹陷速率約為150nm/分鐘，其接近于表層銅的拋光速率，約為210nm/分鐘。
對(duì)于小的部件，由于周圍的氧化物限制了對(duì)細(xì)銅線的拋光，所以凹陷速度與氧化物的去除速率一樣慢。墊的變形不足以陷入小的刻槽中。例如，對(duì)于線寬很小、且面積分?jǐn)?shù)中等的圖案，例如線寬為0.5nm、Af＝0.5的線，墊陷入到下方的位移約0.08nm，與墊的粗糙度相比幾乎是可忽略的。如果不涉及化學(xué)反應(yīng)，則預(yù)計(jì)凹陷量必定與墊的位移和顆粒的壓痕深度之和相當(dāng)?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果，在通常的CMP條件下，對(duì)于300nm的Al2O研磨劑，壓痕深度約為10到20nm。因而，預(yù)計(jì)最大的凹陷量約為20nm，這與測(cè)量的結(jié)果相符。
當(dāng)銅線足夠?qū)挄r(shí)，墊易于與凹陷的銅表面吻合，并如同在晶片的表層上一樣，在銅和氧化物的表面上施加均勻的壓力。例如，對(duì)于線寬100μm的銅線，墊能不受周圍氧化物約束地變形并陷入凹陷的區(qū)域中。考慮到即使在100μm的線上產(chǎn)生了很大的凹陷，例如300nm～400nm(考慮到墊的變形、墊的粗糙度以及顆粒尺寸)，凹陷量與線寬的比值仍然很小，約為0.004。對(duì)于銅與氧化物的接觸區(qū)域之間的如此小的應(yīng)變差，所施加的法向壓力被假定為均勻的，即pCu＝pOxide≈p。因而，凹陷速率接近于表層銅的拋光速率，約為220nm/分鐘。另外，對(duì)于銅的厚度為1μm的設(shè)計(jì)，在最糟的情況下，超過(guò)40％的銅被研磨掉。
圖15表示了線寬對(duì)Af＝0.01的隔離的連線的凹陷行為的影響。這種趨勢(shì)與面積分?jǐn)?shù)為0.5的類似凹陷量隨過(guò)拋時(shí)間的增加而增大，且拋光速率受表層銅和氧化物的拋光速率限制。與面積分?jǐn)?shù)為0.5連線區(qū)域相比，隔離的連線的凹陷量和凹陷速率都增大了。對(duì)于0.5μm和2μm的部件，凹陷速率增加了約14倍，而對(duì)于5μm或更大的部件，則凹陷速率相對(duì)增加較小。但是，如果考慮了面積分?jǐn)?shù)減小五十倍的因素，則這一效果就不明顯了。另外，例如線寬為0.5和2μm的細(xì)銅線上的凹陷經(jīng)過(guò)約兩分半鐘的過(guò)拋不會(huì)達(dá)到穩(wěn)定態(tài)。
圖16表示了面積分?jǐn)?shù)對(duì)0.5μm的連線的凹陷的影響。其證實(shí)了面積分?jǐn)?shù)并不會(huì)顯著地影響凹陷。對(duì)于面積分?jǐn)?shù)為0.01到0.5的情況，凹陷速率非常接近于對(duì)表層氧化物的拋光速率。從圖中還可看出，除了0.01的非常低面積分?jǐn)?shù)的情況外，即使經(jīng)過(guò)了兩分鐘的過(guò)拋，凹陷量保持在小于35nm的低水平上。
圖17表示了在面積分?jǐn)?shù)為0.5的部件上應(yīng)用采用中性漿料的本發(fā)明和采用工業(yè)化學(xué)漿料(Park等人，1999年)的現(xiàn)有技術(shù)的比較。很明顯的是，對(duì)于線寬約小于25μm，凹陷行為并未受到漿料中含有化學(xué)物質(zhì)的影響。在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中，在過(guò)拋約1分鐘之后，凹陷都達(dá)到了相同的穩(wěn)態(tài)深度。但是，對(duì)于較寬的銅區(qū)域，例如100μm，則通過(guò)適當(dāng)?shù)卣{(diào)整漿料的pH值和化學(xué)成分，可使凹陷量減小。經(jīng)過(guò)過(guò)拋三分鐘后，凹陷量可減小一半，從450nm減小到230nm。即使對(duì)于1分鐘的短時(shí)間過(guò)拋，通過(guò)采用化學(xué)漿料也可將凹陷量減小0.65倍。這些結(jié)果表明，化學(xué)成分對(duì)凹陷的影響取決于機(jī)械顆粒研磨的協(xié)助。在銅的拋光過(guò)程中，單純化學(xué)蝕刻作用不是非常明顯。對(duì)于細(xì)小的連線，由于隨著凹陷的增大，作用在顆粒上的載荷降低，所以由顆粒研磨而造成的材料的去除隨之減小。因而，改變表面材料硬度的化學(xué)作用在降低凹陷速率方面的效果并不明顯。與此相反，由于墊的形狀與凹陷的表面吻合，所以壓力分布更均勻并且不會(huì)隨著凹陷的增大而有很大的變化。因而，類似于在表層晶片上觀察到的結(jié)果，通過(guò)化學(xué)作用產(chǎn)生的表面特性的改變速率(change rate)可以改變凹陷速率。
圖18表示了在圖案的線寬w為0.5μm而面積分?jǐn)?shù)w/λ為不同數(shù)值時(shí)氧化物的過(guò)拋隨時(shí)間的變化。當(dāng)銅層被磨去之后，氧化物的過(guò)拋開始進(jìn)行，這取決于圖案的幾何形狀。在此情況下，管芯上的不同圖案的過(guò)拋開始時(shí)間不同，在拋光的第3分鐘至第四分鐘之間變化。過(guò)拋量隨過(guò)拋時(shí)間的增加而增大。這表明過(guò)拋速率隨圖案的面積分?jǐn)?shù)增大而增大。對(duì)于小面積分?jǐn)?shù)的情況，例如面積分?jǐn)?shù)為0.01、0.05以及0.125，過(guò)拋速率是相似的，且接近于表層氧化物的拋光速率。對(duì)于面積分?jǐn)?shù)更大的區(qū)域，例如為0.25和0.5，過(guò)拋速率則隨著面積分?jǐn)?shù)的增大而增大。
圖19對(duì)比了理論分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果給出的面積分?jǐn)?shù)對(duì)過(guò)拋速率的影響。圖中的實(shí)線代表利用銅及氧化物的表層拋光速率分別為270nm/分鐘和26nm/分鐘的條件而從方程(24)獲得的理論分析結(jié)果。從圖中可看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果相符合，尤其是當(dāng)面積分?jǐn)?shù)小于0.25時(shí)。對(duì)于較高的面積分?jǐn)?shù)，例如0.5，實(shí)際速率大于理論模型估算的結(jié)果。對(duì)此差異可能的解釋是，與表層區(qū)域或圖案密度較低的區(qū)域相比，在圖案密集的區(qū)域的界面處，漿料的輸送效率更高。銅的凹陷提高了銅和氧化物的固有材料去除速率，因而增大了過(guò)拋速率。
圖20和21分別表示了對(duì)面積分?jǐn)?shù)為常數(shù)0.5和0.01而線寬為不同數(shù)值的圖案的氧化物過(guò)拋。圖20和圖21表明，不論是小面積分?jǐn)?shù)的情況，還是大面積分?jǐn)?shù)的情況，過(guò)拋都不會(huì)受線寬的嚴(yán)重影響。對(duì)于面積分?jǐn)?shù)為0.5的情況，當(dāng)線寬在0.5μm至100μm范圍內(nèi)時(shí)，過(guò)拋速率約為100nm/分鐘。對(duì)于面積分?jǐn)?shù)為較小的0.01的情況，以表面上的隔離的互連線的區(qū)域?yàn)槟Ｐ?，?dāng)線寬在0.5μm到5μm的范圍內(nèi)時(shí)，過(guò)拋速率非常接近于氧化物拋光的表層速率。這意味著比例(scaling)并不能非常顯著地改變銅和氧化物上的壓力分布。在過(guò)拋階段中，表面上的壓力分布基本上只受面積分?jǐn)?shù)的影響。其原因在于整個(gè)子管芯區(qū)域上的平均材料去除速率受到氧化物過(guò)拋速率的限制，而過(guò)拋速率反過(guò)來(lái)又取決于圖案的面積分?jǐn)?shù)。這也就意味著在每個(gè)子管芯區(qū)域上的壓力分布都是相似的，并接近于作用在晶片上的平均壓力，這也就證實(shí)了在前面的理論部分中所采用的假設(shè)。
從圖20和21還可看出，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)階段前的過(guò)拋的早期階段，氧化物的過(guò)拋速率較小。該現(xiàn)象可用在過(guò)拋過(guò)程中銅和氧化物上壓力分布的變化來(lái)進(jìn)行解釋。壓力均勻分布在銅表面及氧化物表面上。由于銅產(chǎn)生凹陷，因而表面的不均勻性增大，墊略微變形并陷入到凹陷區(qū)域中，進(jìn)而釋放了接觸表面上的應(yīng)力，所以銅上的壓力降低。根據(jù)力的平衡，作用在氧化物上的載荷增大，因而材料去除速率(MRR)增加，直至達(dá)到穩(wěn)定值為止。氧化物的MRR受方程(24)給出的穩(wěn)態(tài)去除速率以及表層去除速率(在表面為平面的階段)的限制。
在銅的CMP中，在管芯區(qū)域內(nèi)有兩個(gè)重要的工藝要求保持銅互連線的厚度；以及保持其在管芯內(nèi)的均勻性，這也代表了表面形貌的變化。在晶片上隨機(jī)選擇的第i個(gè)管芯內(nèi)的第j個(gè)子管芯區(qū)域的k點(diǎn)處的銅的殘余厚度可表達(dá)為hijk＝h0-(μi+ξj(i)+δj(i)+rk(ij))(26)式中，h0為Cu互連的原始設(shè)計(jì)厚度，該厚度與氧化物刻槽的深度相同，μi代表特定管芯i上的氧化物過(guò)拋量的平均值，ξj(i)為管芯i內(nèi)子管芯區(qū)域j(具有相同的圖案幾何形狀)上的氧化物過(guò)拋量與μi的偏差。因而，由于過(guò)拋而造成的銅損耗量為μi與ξj(i)之和。此外，在公式(26)中，ξj(i)代表管芯i上子管芯區(qū)域j的凹陷量，而rk(ij)為管芯i上子管芯區(qū)域j中特定位置點(diǎn)k處的隨機(jī)誤差。每次測(cè)量時(shí)，通過(guò)隨機(jī)地選擇n份重復(fù)的銅互連厚度樣本來(lái)估算出該子管芯區(qū)域中的上述隨機(jī)誤差。如果具有多個(gè)重復(fù)部件的特定子管芯足夠大，即相鄰子管芯上的不同圖案將不會(huì)影響所述子管芯的大多數(shù)區(qū)域上的壓力分布和漿料流動(dòng)，則隨機(jī)誤差代表了來(lái)源于測(cè)量方面和其它隨機(jī)因素的誤差。方程(26)有助于識(shí)別每一幾何參數(shù)或工藝參數(shù)對(duì)工藝優(yōu)化的效果。
為了使銅損耗變?yōu)樽钚?，方?26)右側(cè)的每個(gè)變量都必須被最小化，平均值和偏差都要最小化。氧化物過(guò)拋的平均值μi受銅的平均面積分?jǐn)?shù)的影響，并隨著過(guò)拋時(shí)間的增長(zhǎng)而增大。且其在整個(gè)晶片范圍內(nèi)的偏差隨晶片范圍內(nèi)拋光不均勻性的增加而增大，該不均勻性由例如晶片/墊的接觸條件、漿料的分配(dispensing)以及墊的剛度的全局(晶片尺度上)因素所確定。實(shí)際上，面積分?jǐn)?shù)的平均值被限定在0.3到0.5之間，且對(duì)于類似的IC產(chǎn)品，該數(shù)值變化不太大。因而，μi的最小化主要依賴于降低晶片范圍內(nèi)拋光的不均勻性，從而可使用于去除掉不同管芯上多余的銅的過(guò)拋加工的時(shí)間最小化。
如從方程(26)可看出的那樣，由子管芯區(qū)域的局部圖案布局所導(dǎo)致的過(guò)拋速率ξ/t(yī)是由磨損系數(shù)、銅的面積分?jǐn)?shù)以及銅和氧化物的硬度決定的。子管芯面積分?jǐn)?shù)的設(shè)置一般是由電路設(shè)計(jì)者規(guī)定的，因而是不能改變的。為了能將圖案局部布局對(duì)過(guò)拋的影響減到最小，ξ/t(yī)必須被調(diào)整為盡可能地小且/或在最終的拋光階段(或在過(guò)拋開始之后)對(duì)局部的幾何形狀變化較不敏感。過(guò)拋速率隨磨損系數(shù)的減小而減小。在本發(fā)明的一實(shí)施例中，采用了軟的研磨顆粒，其中，該研磨劑的硬度接近于ILD氧化物，但仍然高于Cu的硬度。因而，即使用于清除掉所有多余的銅的過(guò)拋時(shí)間保持不變，也能使過(guò)拋量減小。在另一實(shí)施例中，通過(guò)調(diào)整漿料的pH值和化學(xué)成分，使銅的硬度加大且/或氧化物的硬度被降低(主要是減小銅的MRR與氧化物的MRR的比值，或所謂的選擇性)。這將降低過(guò)拋速率的變化(或不同子管芯之間“相對(duì)硬度”的變化)對(duì)面積分?jǐn)?shù)變動(dòng)量的敏感性。通過(guò)增大漿料pH值(但不能太大，pH太大會(huì)阻礙銅的去除)來(lái)降低氧化物硬度要好于增大銅硬度，原因在于，這樣將不會(huì)增加過(guò)拋時(shí)間。但是，由于這樣會(huì)以更快的速率對(duì)氧化物進(jìn)行過(guò)拋，所以應(yīng)當(dāng)采用一種檢測(cè)工藝結(jié)束點(diǎn)的措施。
本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，凹陷與銅的線寬極為相關(guān)。對(duì)于亞微米的連線，凹陷速率非常低(接近于氧化物表層的去除速率，且對(duì)漿料的化學(xué)成分不敏感)，且穩(wěn)態(tài)的凹陷量非常小。對(duì)于目前以及將來(lái)的電路設(shè)計(jì)，凹陷對(duì)銅損耗和表面不均勻性的影響可忽略不計(jì)。但是，對(duì)于某些具有大的金屬焊盤或50～100μm寬的輸電線的設(shè)計(jì)，凹陷速率接近于進(jìn)行表層拋光的速率。在這些情況下，凹陷會(huì)導(dǎo)致銅損耗以及表面不均勻性。這必須提高墊的楊氏模量以減小墊的壓痕，或者采用略帶堿性的(basic)漿料以降低銅的拋光速率，但卻不會(huì)增大氧化物的過(guò)拋速率。
本發(fā)明CMP方法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)為，其基于用于對(duì)金屬層的上部進(jìn)行平面化和拋光的第一步驟的接觸模型，以及用于進(jìn)行金屬凹陷和氧化物過(guò)拋的第二步驟的穩(wěn)態(tài)模型。因而，可為第一步驟選擇工藝條件以對(duì)各種圖案(Af在0.01到0.5的范圍內(nèi))的初始形貌快速地進(jìn)行平面化和拋光，從而形成平整的表面。在表面被平面化之后，以接近于表層拋光速率的速率將剩余的銅材料去除掉，且表面的變化仍然被保留著，直到某些子管芯區(qū)域中的部分的銅被去除之后。在銅被清除掉之后，由于出現(xiàn)凹陷和過(guò)拋，表面的不均勻性會(huì)增大。根據(jù)本發(fā)明的第二步驟的穩(wěn)態(tài)模型提供了一種優(yōu)化工藝條件的機(jī)制，以減小金屬的凹陷量和氧化物的過(guò)拋量。實(shí)驗(yàn)表明，對(duì)凹陷而言，線寬是一個(gè)重要的幾何參數(shù)。對(duì)于線寬小于1μm的細(xì)的連線，凹陷速率接近于氧化物的表層去除速率，并在短時(shí)間的過(guò)拋后達(dá)到穩(wěn)態(tài)的輪廓。對(duì)于線寬約為50到100μm的寬的連線，銅的凹陷速率接近于表層的去除速率。與現(xiàn)有技術(shù)相比，漿料的pH值和化學(xué)成分不會(huì)增大細(xì)的連線的凹陷量或凹陷速率，卻可以減小寬的連線的凹陷。這就意味著由于墊的變形而引起的載荷分布和顆粒的機(jī)械作用對(duì)銅的凹陷具有很重要的影響，特別是對(duì)于細(xì)小的連線。氧化物的過(guò)拋則更多地取決于圖案的面積分?jǐn)?shù)，而非線寬。實(shí)驗(yàn)表明，在經(jīng)過(guò)短的時(shí)間后，過(guò)拋就能達(dá)到穩(wěn)態(tài)。過(guò)拋的穩(wěn)態(tài)速率取決于銅和氧化物的表觀硬度和固有的磨損系數(shù)。實(shí)驗(yàn)還表明，對(duì)于面積分?jǐn)?shù)很大的圖案，由于改善了漿料的輸送，故而過(guò)拋速率的增加可以大于理論模型的預(yù)計(jì)值。另外，由于過(guò)拋并不明顯地依賴于線寬，所以，當(dāng)裝置的尺寸縮小時(shí)，如果在圖案布局上出現(xiàn)大的變化的面積分?jǐn)?shù)，則管芯內(nèi)的不均勻性將主要?dú)w因于過(guò)拋，而非凹陷。
可利用本發(fā)明的CMP方法來(lái)使銅的去除速率達(dá)到最大，并降低由凹陷和過(guò)拋而造成的表面不均勻性。本發(fā)明的方法可減小對(duì)氧化物的過(guò)拋，并減小了由于受不同面積分?jǐn)?shù)和線寬的影響而產(chǎn)生的凹陷和過(guò)拋的變動(dòng)。因而，即使經(jīng)過(guò)短時(shí)間的過(guò)拋，表面形貌也不會(huì)變得不平整。
以上對(duì)本發(fā)明具體實(shí)施方式
以及實(shí)例的描述是為了做以解釋和介紹，盡管已經(jīng)用上述的某些實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了闡述，但這不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。這些實(shí)例并非述及所以方面或用來(lái)將本發(fā)明的范圍局限在所公開的具體形式中，很顯然，在本文的啟示下，做出各種改動(dòng)、實(shí)施方式和變化是可能的。本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)包括本文所公開的和權(quán)利要求書以及其等效文件所要求的一般領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種金屬大馬士革結(jié)構(gòu)的化學(xué)機(jī)械拋光的方法，該金屬大馬士革結(jié)構(gòu)包括絕緣層，該絕緣層具有形成在晶片上的刻槽；以及金屬層，其具有位于絕緣層刻槽內(nèi)的下部和覆蓋所述下部和所述絕緣層的上部，所述方法包括第一步驟，在接觸模式下，通過(guò)在晶片與拋光墊之間施加一壓力并產(chǎn)生一相對(duì)速度而將所述晶片與所述拋光墊負(fù)荷在一起，以此對(duì)金屬層的上部進(jìn)行平面化；以及第二步驟，在穩(wěn)態(tài)模式下，對(duì)絕緣層和金屬層的下部進(jìn)行拋光，以在刻槽中形成單獨(dú)的金屬線，且使金屬線的凹陷和絕緣層的過(guò)拋?zhàn)钚　?br> 2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述的第二步驟中，通過(guò)控制磨損系數(shù)來(lái)控制絕緣層的拋光。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中在所述的第二步驟中，通過(guò)采用一拋光漿料來(lái)控制磨損系數(shù)，該漿料中所含的研磨顆粒的硬度接近于所述絕緣層的硬度，并大于所述金屬的硬度。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述的第二步驟中，通過(guò)提高所述金屬的硬度來(lái)減小絕緣層的過(guò)拋。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中在所述的第二步驟中，通過(guò)降低絕緣層的硬度來(lái)減小絕緣層的過(guò)拋。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中通過(guò)控制拋光漿料的pH值和/或成分來(lái)降低絕緣層的硬度。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括控制晶片內(nèi)的拋光均勻性的步驟。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中通過(guò)控制晶片與所述的墊的接觸條件、拋光漿料的分配條件以及墊的剛度來(lái)控制晶片內(nèi)的拋光均勻性。
9.一種金屬大馬士革結(jié)構(gòu)的化學(xué)機(jī)械拋光的方法，該金屬大馬士革結(jié)構(gòu)包括絕緣層，該絕緣層具有位于晶片上的刻槽；以及金屬層，其具有位于絕緣層刻槽內(nèi)的下部和覆蓋所述下部和所述絕緣層的上部，所述方法包括第一步驟，在接觸模式下，通過(guò)在晶片與拋光墊之間施加一壓力pav并產(chǎn)生一相對(duì)速度vR而將晶片與拋光墊負(fù)荷在一起，以此對(duì)金屬層的上部進(jìn)行平面化；以及第二步驟，在穩(wěn)態(tài)模式下，通過(guò)滿足如下方程，對(duì)絕緣層和金屬層的下部進(jìn)行拋光，以在刻槽內(nèi)形成單獨(dú)的金屬線，且使金屬線的凹陷和絕緣層的過(guò)拋?zhàn)钚?，所述方程為RMetal=Rinsulation=kwH′pavvR]]>式中，RMetal為銅的去除速率，Rinsulation為絕緣層的去除速率，kw為磨損系數(shù)，而H’為拋光表面的表觀硬度，該表觀硬度由如下方程表示H’＝HMetalAf+Hinsulation(1-Af)式中，HMetal為銅的硬度，而Hinsulation為絕緣層的硬度，而Af為金屬圖案的面積分?jǐn)?shù)。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中表觀硬度H’被均勻地設(shè)計(jì)在晶片上的管芯區(qū)域內(nèi)。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中在所述的第二步驟中，通過(guò)控制磨損系數(shù)kw調(diào)節(jié)絕緣層的過(guò)拋。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其中在所述第二步驟中，通過(guò)采用一拋光漿料來(lái)控制磨損系數(shù)kw，該漿料中所含的研磨顆粒的硬度接近于絕緣層的硬度Hinsulation，并大于金屬的硬度HMetal。
13.如權(quán)利要求9所述的方法，其中在所述第二步驟中，通過(guò)提高金屬的硬度HMetal來(lái)減小絕緣層的過(guò)拋。
14.如權(quán)利要求9所述的方法，其中在所述第二步驟中，通過(guò)降低絕緣層的硬度Hinsulation來(lái)減小絕緣層的過(guò)拋。
15.如權(quán)利要求9所述的方法，其中通過(guò)控制拋光漿料的pH值和/或成分來(lái)降低絕緣層的硬度Hinsulation。
16.如權(quán)利要求9所述的方法，還包括控制晶片內(nèi)的拋光均勻性的步驟。
17.如權(quán)利要求9所述的方法，其中通過(guò)控制晶片與所述的墊的接觸條件、拋光漿料的分配條件以及墊的剛度來(lái)控制晶片內(nèi)的拋光均勻性。
18.如權(quán)利要求9所述的方法，其中該金屬大馬士革結(jié)構(gòu)的面積分?jǐn)?shù)Af為0.5，刻槽內(nèi)的金屬線的線寬w為0.5至25μm，所述第一、第二步驟的總的拋光時(shí)間為180至300秒。
19.如權(quán)利要求9所述的方法，其中該金屬大馬士革結(jié)構(gòu)的面積分?jǐn)?shù)Af為0.5，刻槽內(nèi)的金屬線的線寬w為50至100μm，所述第一、第二步驟的總的拋光時(shí)間為180至210秒。
20.如權(quán)利要求9所述的方法，其中刻槽內(nèi)金屬線的線寬w為0.5μm，該金屬大馬士革結(jié)構(gòu)的面積分?jǐn)?shù)Af在0.05至0.5之間，所述第一、第二步驟的總的拋光時(shí)間為180至300秒。
21.如權(quán)利要求9所述的方法，其中刻槽內(nèi)金屬線的線寬w為0.5μm，該金屬大馬士革結(jié)構(gòu)的面積分?jǐn)?shù)Af小于0.01，所述第一、第二步驟的總的拋光時(shí)間為180至210秒。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種金屬大馬士革結(jié)構(gòu)的化學(xué)機(jī)械拋光的方法，該金屬大馬士革結(jié)構(gòu)包括絕緣層，其具有位于晶片上的刻槽；以及金屬層，其具有位于絕緣層的刻槽內(nèi)的下部和覆蓋所述下部和絕緣層的上部。該方法包括第一步驟，其對(duì)金屬層的上部進(jìn)行平面化；以及第二步驟，其對(duì)絕緣層和金屬層的下部進(jìn)行拋光。在第一步驟中，在接觸模式下，通過(guò)在晶片與拋光墊之間施加壓力p并產(chǎn)生相對(duì)速度v而將晶片和拋光墊負(fù)荷在一起，以提高金屬的去除速率。在第二步驟中，在穩(wěn)態(tài)模式下，對(duì)絕緣層和金屬層的下部進(jìn)行拋光，以在刻槽中形成單獨(dú)的金屬線，且使金屬線的凹陷和絕緣層的過(guò)拋?zhàn)钚　?br> 文檔編號(hào)B24B37/04GK1620355SQ02806870
公開日2005年5月25日 申請(qǐng)日期2002年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月23日
發(fā)明者南納吉·薩卡, 賴俊宇, 希拉里奧·L·奧 申請(qǐng)人:Asml美國(guó)公司, 馬薩諸塞州技術(shù)研究院