專利名稱：銅化學(xué)機(jī)械拋光方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路(Integrated Circuit, IC)加工制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一 種改進(jìn)的銅化學(xué)機(jī)械拋光(Cu Chemical Mechanical Polishing, Cu-CMP)方法。
背景技術(shù)：
銅互連的器件相對于傳統(tǒng)的鋁互連器件能滿足高頻、高集成度、大功率、大容量、 使用壽命長的要求。但是，由于銅在蝕刻過程中的蝕刻產(chǎn)物不易揮發(fā)，所以無法用等離子體 刻蝕來制備元件，而IBM發(fā)明的雙大馬士革(DualDamascene)工藝則巧妙解決了這一問題。 在雙大馬士革工藝中，首先對氧化物介質(zhì)層進(jìn)行刻蝕，產(chǎn)生用于鑲嵌工藝的溝槽；然后接著 沉積金屬阻擋層，銅籽晶層，再通過電化學(xué)鍍(Electronic Chemical Plating, ECP)工藝把 溝槽內(nèi)填滿銅。通常，受溝槽結(jié)構(gòu)和ECP負(fù)載效應(yīng)的影響，電鍍形成的銅表面是不平整的。 在此之后，必須采用Cu-CMP拋光工藝實(shí)現(xiàn)銅平坦化。 化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical Mechanical Polishing,CMP)工藝就是在無塵室的大氣 環(huán)境中，利用機(jī)械力對晶片表面作用，在表面薄膜層產(chǎn)生斷裂腐蝕的動(dòng)力，使晶片表面趨于 平坦化。而這部分必須籍由研磨液中的化學(xué)物質(zhì)通過反應(yīng)來增加其蝕刻的效率。CMP制程 中最重要的兩大組件便是漿料(slurry)和研磨墊(platen)。漿料通常是將一些很細(xì)的氧 化物粉粒分散在水溶液中而制成。研磨墊大多是使用發(fā)泡式的多孔聚亞安酯制成。在CMP 制程中，先讓漿料填充在研磨墊的空隙中，并提供了高轉(zhuǎn)速的條件，讓晶片在高速旋轉(zhuǎn)下和 研磨墊與漿料中的粉粒作用，同時(shí)控制下壓的壓力等其它參數(shù)。而漿料、晶片與研磨墊之間 的相互作用，便是CMP中發(fā)生反應(yīng)的焦點(diǎn)。 現(xiàn)有的Cu-CMP拋光工藝包括三個(gè)研磨過程第一步、在第一研磨墊(Platenl)上 進(jìn)行粗加工研磨，通過較大的材料去除率(Material Removal rate, MRR)去除大量的銅形 成初步平坦化；第二步、在第二研磨墊(Platen2)上進(jìn)行精加工研磨，為了精確控制研磨終 點(diǎn)，用相對較小的MRR去除剩余的銅，在到達(dá)研磨終點(diǎn)時(shí)為了確保所有電介質(zhì)表面上的銅 都已經(jīng)被去除而達(dá)到隔離目的，還要進(jìn)行一定時(shí)間的過度拋光(over polish, OP)處理；第 三步、在第三研磨墊(Platen3)上進(jìn)行研磨，去除阻擋層(barrier)和一定量的氧化物電介 質(zhì)以進(jìn)一步提高表面平坦化程度，減少缺陷。各步所采用的漿料成分所決定其效用。其中， 前兩步的主要目的是去除殘余的銅，對于去除氧化物的貢獻(xiàn)則很?。欢谌絼t主要去除 阻擋層和氧化物。 對于金屬_絕緣介質(zhì)_金屬(metal-insulator-metal, MIM)這樣的器件結(jié)構(gòu)，特 另ll是單大馬士革結(jié)構(gòu)(single damascene fabrication sequence)來說，在上述前兩步之 后，難以完全去除晶體表面銅的殘余物。針對具有MIM結(jié)構(gòu)元件(例如電容器)進(jìn)行Cu-CMP 拋光的過程，通常采取的做法是不斷延長晶片與第三研磨墊(Platen3)相互作用的時(shí)間， 例如將研磨時(shí)間提高到400秒左右。但這會(huì)帶來一系列嚴(yán)重的問題例如極低的產(chǎn)出消耗 比；由于過長時(shí)間研磨導(dǎo)致晶片表面受損的風(fēng)險(xiǎn)大大提高。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明實(shí)施例提出一種銅化學(xué)機(jī)械拋光方法，包括如下步驟
將具有金屬_電介質(zhì)_金屬結(jié)構(gòu)的晶片置于第一研磨墊上進(jìn)行粗加工研磨，除去 晶片表面的大部分銅；再將所述晶片置于第二研磨墊上進(jìn)行精加工研磨，去除晶片表面殘 存的銅； 將所述晶片第一次置于第三研磨墊上進(jìn)行研磨，以去除晶片表面的阻擋層殘留并 降低金屬_電介質(zhì)_金屬區(qū)域中深臺(tái)階的高度差；將所述晶片第二次置于所述第一研磨墊 和/或第二次置于所述第二研磨墊上進(jìn)行研磨，以去除金屬_電介質(zhì)_金屬結(jié)構(gòu)中深臺(tái)階 底部的銅殘留； 將所述晶片第二次置于所述第三研磨墊上進(jìn)行研磨。 從以上技術(shù)方案可以看出，晶片在第三研磨墊上第一次研磨之后，晶片表面的阻 擋層平坦化，晶片表面阻擋層的深臺(tái)階的深度顯著減小，原本處于深臺(tái)階底部的銅殘余就 暴露出來。這樣第二次在第一研磨墊和第二研磨墊上的加工研磨就可以將這部分銅殘余有 效地去除。本發(fā)明方案可以顯著降低漿料損耗，并減輕MIM區(qū)域中邊緣部分的磨損。


圖1為晶片經(jīng)過電鍍處理后、準(zhǔn)備進(jìn)入Cu-CMP拋光工藝階段之前切面示意圖；
圖2為在現(xiàn)有的Cu-CMP拋光工藝中，圖1所示晶片在通過研磨臺(tái)2研磨后的切面 示意圖； 圖3為在現(xiàn)有的Cu-CMP拋光工藝中，圖1所示晶片在通過研磨臺(tái)3研磨后的切面 示意圖； 圖4為本發(fā)明實(shí)施例提出的Cu-CMP拋光工藝的流程圖； 圖5為在本發(fā)明實(shí)施例提出的Cu-CMP拋光工藝中，圖1所示晶片在第一階段處理 后的切面示意圖； 圖6為在本發(fā)明實(shí)施例提出的Cu-CMP拋光工藝中，圖1所示晶片在第二階段處理 后的切面示意圖。
具體實(shí)施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步 的詳細(xì)闡述。 圖l至圖3分別示出了現(xiàn)有Cu-CMP拋光工藝各個(gè)階段的晶片切面示意圖。圖1 示出了晶片經(jīng)過電鍍處理后、準(zhǔn)備進(jìn)入Cu-CMP拋光工藝階段之前的情形。該晶片具有單大 馬士革結(jié)構(gòu)，在相鄰的兩個(gè)MM電容器件之間有相當(dāng)大的由阻擋層構(gòu)成的間隔，在間隔處 會(huì)形成具有一定深度的深臺(tái)階(high st印height)，業(yè)內(nèi)常稱之為"深臺(tái)階效應(yīng)"深臺(tái)階， 如圖1中橢圓標(biāo)記處所示，這會(huì)增加CMP工藝中去除銅的難度。圖2示出了晶片通過第二 步研磨臺(tái)2研磨后的情形。由于研磨臺(tái)1和研磨臺(tái)2主要用于去除銅，但對于去除阻擋層 的作用很小，漿料難以進(jìn)入在電化學(xué)鍍中形成的深臺(tái)階，因此深臺(tái)階中的銅難以被去除。
圖3示出了晶片通過第三步研磨臺(tái)3研磨后的情形。研磨臺(tái)3主要用于去除阻擋 層，因而能夠顯著減小深臺(tái)階的深度，所以研磨臺(tái)3上的漿料可以接觸到深臺(tái)階內(nèi)的銅殘
4余。但研磨臺(tái)3的漿料去除銅的效果較差，為了能夠去除表面多余的銅，第三步采用了較長 的研磨時(shí)間，例如400秒左右，這會(huì)給晶片邊緣部分造成較為嚴(yán)重的磨損，如圖3中的橢圓 標(biāo)記處所示，同時(shí)也會(huì)造成產(chǎn)出損耗比不高。 圖4示出了本發(fā)明實(shí)施例方案將Cu-CMP拋光工藝過程。具體分為兩個(gè)階段。第 一階段包括 步驟1 :將晶片置于第一研磨墊上進(jìn)行第一次粗加工研磨，除去晶片表面的大部 分銅的殘余物； 步驟2 :將所述晶片置于第二研磨墊上進(jìn)行第一次精加工研磨，去除晶片表面殘 存的銅；但金屬-電介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)中的特殊區(qū)域，由于深臺(tái)階效應(yīng)使得在底處的銅很難被 清除干凈； 步驟3 :將所述晶片第一次置于第三研磨墊上進(jìn)行研磨，以去除晶片表面的阻擋 層殘留，并減小上述的深臺(tái)階的高度差，其研磨時(shí)間小于現(xiàn)有工藝中晶片在第三研磨墊上 的研磨時(shí)間。 步驟3的研磨時(shí)間不可過短，過短則會(huì)使去除阻擋層的效果不好，不能顯著減小
深臺(tái)階的高度差，影響后續(xù)的步驟；研磨時(shí)間也不可過長，過長則會(huì)導(dǎo)致工藝效率下降，并
可能損壞晶片。較佳地，研磨時(shí)間可以設(shè)置為100秒到120秒，遠(yuǎn)小于現(xiàn)有技術(shù)中的400秒。 經(jīng)過以上步驟后，進(jìn)入Cu-CMP拋光工藝的第二階段 步驟4 :將所述晶片置于所述第一研磨墊上進(jìn)行第二次粗加工研磨； 步驟5 :將所述晶片置于所述第二研磨墊上進(jìn)行第二次精加工研磨； 步驟6 :將所述晶片第二次置于所述第三研磨墊上進(jìn)行研磨。 較佳地，所述第二次粗加工研磨或第二次精加工研磨的研磨時(shí)間范圍為30秒至 60秒。 因?yàn)榈诙A段中在第一研磨墊或第二研磨墊上的研磨都是為了清除深臺(tái)階底部 的銅殘留，分配到兩個(gè)planten上是為了使工藝時(shí)間更加平衡，實(shí)際上可以僅在第一研磨 墊或第二研磨墊中的一個(gè)研磨墊上進(jìn)行研磨可以達(dá)到同樣的效果。 由于步驟3的研磨過程使晶片表面的阻擋層平坦化，深臺(tái)階的深度顯著減小，原 本處于深臺(tái)階底部的銅殘余就暴露出來，第二階段第一研磨墊和/或第二研磨墊的研磨能 較容易的清除MM區(qū)域中深臺(tái)階底部的銅殘留；最后再將晶片置于第三研磨墊上進(jìn)行最后 的平坦化。還以圖l所示的電化學(xué)鍍處理后的晶片切面為例，經(jīng)過本發(fā)明實(shí)施例第一階段 的處理后，其切面如圖4所示。這樣步驟4到步驟5就可以將這部分銅殘余有效地去除。最 終處理后的晶片切面如圖5所示。與圖3相比，圖5中的晶片邊緣部分的磨損顯著減輕，并 且，本發(fā)明實(shí)施例的整個(gè)Cu-CMP拋光工藝過程中漿料的損耗也比現(xiàn)有技術(shù)大大降低。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精 神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
一種銅化學(xué)機(jī)械拋光方法，將具有金屬-電介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)的晶片置于第一研磨墊上進(jìn)行粗加工研磨，除去晶片表面的大部分銅；再將所述晶片置于第二研磨墊上進(jìn)行精加工研磨，去除晶片表面殘存的銅；其特征在于，在上述步驟之后，包括如下步驟將所述晶片第一次置于第三研磨墊上進(jìn)行研磨，以去除晶片表面的阻擋層殘留并降低金屬-電介質(zhì)-金屬區(qū)域中深臺(tái)階的高度差；將所述晶片第二次置于所述第一研磨墊和/或第二次置于所述第二研磨墊上進(jìn)行研磨，以去除金屬-電介質(zhì)-金屬結(jié)構(gòu)中深臺(tái)階底部的銅殘留；將所述晶片第二次置于所述第三研磨墊上進(jìn)行研磨。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅化學(xué)機(jī)械拋光方法，其特征在于，所述將所述晶片第一次 置于第三研磨墊上進(jìn)行研磨的研磨時(shí)間范圍為100秒至120秒。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的銅化學(xué)機(jī)械拋光方法，其特征在于，所述將晶片第二次置于 所述第一研磨墊上或第二次置于所述第二研磨墊上的研磨時(shí)間范圍為30秒至60秒。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的銅化學(xué)機(jī)械拋光方法，其特征在于，所述將所述晶片 第二次置于所述第一研磨墊和第二次置于所述第二研磨墊上進(jìn)行研磨為先將所述晶片第 二次置于所述第一研磨墊上進(jìn)行研磨，再將所述晶片第二次置于所述第二研磨墊上進(jìn)行研 磨。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種銅的化學(xué)機(jī)械拋光方法，以清除金屬-電介質(zhì)-金屬(MIM)結(jié)構(gòu)中較難去除干凈的銅殘留。首先將具有MIM結(jié)構(gòu)的晶片置于第一研磨墊上進(jìn)行粗加工研磨，去除表面大部分銅；再將所述晶片置于第二研磨墊上進(jìn)行精加工研磨，去除晶片表面殘存的銅；將所述晶片置于第三研磨墊上進(jìn)行研磨，以去除晶片表面上的阻擋層殘留，并減小深臺(tái)階的高度差；將所述晶片再次置于第一研磨墊和/或第二研磨墊上面研磨以去除深臺(tái)階底部的銅殘留；最后再將晶片置于第三研磨墊上進(jìn)行最后的平坦化。本發(fā)明可有效的對MIM結(jié)構(gòu)中特定區(qū)域的銅殘留進(jìn)行清除，并能顯著減小漿料的消耗和MIM結(jié)構(gòu)中特定區(qū)域的過研磨現(xiàn)象。
文檔編號H01L21/02GK101740378SQ200810226330
公開日2010年6月16日 申請日期2008年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月13日
發(fā)明者牛孝昊 申請人:中芯國際集成電路制造(北京)有限公司