CN101740378B - 铜化学机械抛光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铜的化学机械抛光方法，以清除金属-电介质-金属(MIM)结构中较难去除干净的铜残留。首先将具有MIM结构的晶片第一次置于第一研磨垫上进行粗加工研磨，去除表面大部分铜；再将所述晶片第一次置于第二研磨垫上进行精加工研磨，去除晶片表面残存的铜；将所述晶片置于第三研磨垫上进行研磨，以去除晶片表面上的阻挡层残留，并减小深台阶的高度差；将所述晶片再次置于第一研磨垫或第二研磨垫上面研磨以去除深台阶底部的铜残留；最后再将晶片置于第三研磨垫上进行最后的平坦化。本发明可有效的对MIM结构中特定区域的铜残留进行清除，并能显著减小浆料的消耗和MIM结构中特定区域的过研磨现象。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路(Integrated Circuit，IC)加工制造技术领域，特别涉及一种改进的铜化学机械抛光(Cu Chemical Mechanical Polishing，Cu-CMP)方法。
背景技术
铜互连的器件相对于传统的铝互连器件能满足高频、高集成度、大功率、大容量、使用寿命长的要求。但是，由于铜在蚀刻过程中的蚀刻产物不易挥发，所以无法用等离子体刻蚀来制备元件，而IBM发明的双大马士革(DualDamascene)工艺则巧妙解决了这一问题。在双大马士革工艺中，首先对氧化物介质层进行刻蚀，产生用于镶嵌工艺的沟槽；然后接着沉积金属阻挡层，铜籽晶层，再通过电化学镀(Electronic Chemical Plating，ECP)工艺把沟槽内填满铜。通常，受沟槽结构和ECP负载效应的影响，电镀形成的铜表面是不平整的。在此之后，必须采用Cu-CMP抛光工艺实现铜平坦化。
化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)工艺就是在无尘室的大气环境中，利用机械力对晶片表面作用，在表面薄膜层产生断裂腐蚀的动力，使晶片表面趋于平坦化。而这部分必须籍由研磨液中的化学物质通过反应来增加其蚀刻的效率。CMP制程中最重要的两大组件便是浆料(slurry)和研磨垫(platen)。浆料通常是将一些很细的氧化物粉粒分散在水溶液中而制成。研磨垫大多是使用发泡式的多孔聚亚安酯制成。在CMP制程中，先让浆料填充在研磨垫的空隙中，并提供了高转速的条件，让晶片在高速旋转下和研磨垫与浆料中的粉粒作用，同时控制下压的压力等其它参数。而浆料、晶片与研磨垫之间的相互作用，便是CMP中发生反应的焦点。
现有的Cu-CMP抛光工艺包括三个研磨过程：第一步、在第一研磨垫(Platen1)上进行粗加工研磨，通过较大的材料去除率(Material Removal rate，MRR)去除大量的铜形成初步平坦化；第二步、在第二研磨垫(Platen2)上进行精加工研磨，为了精确控制研磨终点，用相对较小的MRR去除剩余的铜，在到达研磨终点时为了确保所有电介质表面上的铜都已经被去除而达到隔离目的，还要进行一定时间的过度抛光(over polish，OP)处理；第三步、在第三研磨垫(Platen3)上进行研磨，去除阻挡层(barrier)和一定量的氧化物电介质以进一步提高表面平坦化程度，减少缺陷。各步所采用的浆料成分所决定其效用。其中，前两步的主要目的是去除残余的铜，对于去除氧化物的贡献则很小；而第三步则主要去除阻挡层和氧化物。
对于金属-绝缘介质-金属(metal-insulator-metal，MIM)这样的器件结构，特别是单大马士革结构(single damascene fabrication sequence)来说，在上述前两步之后，难以完全去除晶体表面铜的残余物。针对具有MIM结构元件(例如电容器)进行Cu-CMP抛光的过程，通常采取的做法是不断延长晶片与第三研磨垫(Platen3)相互作用的时间，例如将研磨时间提高到400秒左右。但这会带来一系列严重的问题：例如极低的产出消耗比；由于过长时间研磨导致晶片表面受损的风险大大提高。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提出一种铜化学机械抛光方法，包括如下步骤：
将具有金属-电介质-金属结构的晶片第一次置于第一研磨垫上进行粗加工研磨，除去晶片表面的大部分铜；再将所述晶片第一次置于第二研磨垫上进行精加工研磨，去除晶片表面残存的铜；
将所述晶片第一次置于第三研磨垫上进行研磨，以去除晶片表面的阻挡层残留并降低金属-电介质-金属区域中深台阶的高度差；将所述晶片第二次置于所述第一研磨垫或第二次置于所述第二研磨垫上进行研磨，以去除金属-电介质-金属结构中深台阶底部的铜残留；
将所述晶片第二次置于所述第三研磨垫上进行研磨。
较佳地，将所述晶片第一次置于第三研磨垫上进行研磨的研磨时间范围为100秒至120秒。
较佳地，将所述晶片第二次置于所述第一研磨垫上或第二次置于所述第二研磨垫上的研磨时间范围为30秒至60秒。
本发明实施例还提出另一种铜化学机械抛光方法，将具有金属-电介质-金属结构的晶片第一次置于第一研磨垫上进行粗加工研磨，除去晶片表面的大部分铜；再将所述晶片第一次置于第二研磨垫上进行精加工研磨，去除晶片表面残存的铜；
将所述晶片第一次置于第三研磨垫上进行研磨，以去除晶片表面的阻挡层残留并降低金属-电介质-金属区域中深台阶的高度差；先将所述晶片第二次置于所述第一研磨垫上进行研磨，再将所述晶片第二次置于所述第二研磨垫上进行研磨，以去除金属-电介质-金属结构中深台阶底部的铜残留；
将所述晶片第二次置于所述第三研磨垫上进行研磨。
从以上技术方案可以看出，晶片在第三研磨垫上第一次研磨之后，晶片表面的阻挡层平坦化，晶片表面阻挡层的深台阶的深度显著减小，原本处于深台阶底部的铜残余就暴露出来。这样第二次在第一研磨垫和第二研磨垫上的加工研磨就可以将这部分铜残余有效地去除。本发明方案可以显著降低浆料损耗，并减轻MIM区域中边缘部分的磨损。
附图说明
图1为晶片经过电镀处理后、准备进入Cu-CMP抛光工艺阶段之前切面示意图；
图2为在现有的Cu-CMP抛光工艺中，图1所示晶片在通过研磨台2研磨后的切面示意图；
图3为在现有的Cu-CMP抛光工艺中，图1所示晶片在通过研磨台3研磨后的切面示意图；
图4为本发明实施例提出的Cu-CMP抛光工艺的流程图；
图5为在本发明实施例提出的Cu-CMP抛光工艺中，图1所示晶片在第一阶段处理后的切面示意图；
图6为在本发明实施例提出的Cu-CMP抛光工艺中，图1所示晶片在第二阶段处理后的切面示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细阐述。
图1至图3分别示出了现有Cu-CMP抛光工艺各个阶段的晶片切面示意图。图1示出了晶片经过电镀处理后、准备进入Cu-CMP抛光工艺阶段之前的情形。该晶片具有单大马士革结构，在相邻的两个MIM电容器件之间有相当大的由阻挡层构成的间隔，在间隔处会形成具有一定深度的深台阶(high step height)，业内常称之为“深台阶效应”深台阶，如图1中椭圆标记处所示，这会增加CMP工艺中去除铜的难度。图2示出了晶片通过第二步研磨台2研磨后的情形。由于研磨台1和研磨台2主要用于去除铜，但对于去除阻挡层的作用很小，浆料难以进入在电化学镀中形成的深台阶，因此深台阶中的铜难以被去除。
图3示出了晶片通过第三步研磨台3研磨后的情形。研磨台3主要用于去除阻挡层，因而能够显著减小深台阶的深度，所以研磨台3上的浆料可以接触到深台阶内的铜残余。但研磨台3的浆料去除铜的效果较差，为了能够去除表面多余的铜，第三步采用了较长的研磨时间，例如400秒左右，这会给晶片边缘部分造成较为严重的磨损，如图3中的椭圆标记处所示，同时也会造成产出损耗比不高。
图4示出了本发明实施例方案将Cu-CMP抛光工艺过程。具体分为两个阶段。第一阶段包括：
步骤1：将晶片置于第一研磨垫上进行第一次粗加工研磨，除去晶片表面的大部分铜的残余物；
步骤2：将所述晶片置于第二研磨垫上进行第一次精加工研磨，去除晶片表面残存的铜；但金属-电介质-金属结构中的特殊区域，由于深台阶效应使得在底处的铜很难被清除干净；
步骤3：将所述晶片第一次置于第三研磨垫上进行研磨，以去除晶片表面的阻挡层残留，并减小上述的深台阶的高度差，其研磨时间小于现有工艺中晶片在第三研磨垫上的研磨时间。
步骤3的研磨时间不可过短，过短则会使去除阻挡层的效果不好，不能显著减小深台阶的高度差，影响后续的步骤；研磨时间也不可过长，过长则会导致工艺效率下降，并可能损坏晶片。较佳地，研磨时间可以设置为100秒到120秒，远小于现有技术中的400秒。
经过以上步骤后，进入Cu-CMP抛光工艺的第二阶段：
步骤4：将所述晶片置于所述第一研磨垫上进行第二次粗加工研磨；
步骤5：将所述晶片置于所述第二研磨垫上进行第二次精加工研磨；
步骤6：将所述晶片第二次置于所述第三研磨垫上进行研磨。
较佳地，所述第二次粗加工研磨或第二次精加工研磨的研磨时间范围为30秒至60秒。
因为第二阶段中在第一研磨垫或第二研磨垫上的研磨都是为了清除深台阶底部的铜残留，分配到两个planten上是为了使工艺时间更加平衡，实际上可以仅在第一研磨垫或第二研磨垫中的一个研磨垫上进行研磨可以达到同样的效果。
由于步骤3的研磨过程使晶片表面的阻挡层平坦化，深台阶的深度显著减小，原本处于深台阶底部的铜残余就暴露出来，第二阶段第一研磨垫和/或第二研磨垫的研磨能较容易的清除MIM区域中深台阶底部的铜残留；最后再将晶片置于第三研磨垫上进行最后的平坦化。还以图1所示的电化学镀处理后的晶片切面为例，经过本发明实施例第一阶段的处理后，其切面如图4所示。这样步骤4到步骤5就可以将这部分铜残余有效地去除。最终处理后的晶片切面如图5所示。与图3相比，图5中的晶片边缘部分的磨损显著减轻，并且，本发明实施例的整个Cu-CMP抛光工艺过程中浆料的损耗也比现有技术大大降低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种铜化学机械抛光方法，将具有金属-电介质-金属结构的晶片第一次置于第一研磨垫上进行粗加工研磨，除去晶片表面的大部分铜；再将所述晶片第一次置于第二研磨垫上进行精加工研磨，去除晶片表面残存的铜；其特征在于，在上述步骤之后，包括如下步骤：
将所述晶片第一次置于第三研磨垫上进行研磨，以去除晶片表面的阻挡层残留并降低金属-电介质-金属区域中深台阶的高度差；将所述晶片第二次置于所述第一研磨垫或第二次置于所述第二研磨垫上进行研磨，以去除金属-电介质-金属结构中深台阶底部的铜残留；
将所述晶片第二次置于所述第三研磨垫上进行研磨。
2.根据权利要求1所述的铜化学机械抛光方法，其特征在于，将所述晶片第一次置于第三研磨垫上进行研磨的研磨时间范围为100秒至120秒。
3.根据权利要求1所述的铜化学机械抛光方法，其特征在于，将所述晶片第二次置于所述第一研磨垫上或第二次置于所述第二研磨垫上的研磨时间范围为30秒至60秒。
4.一种铜化学机械抛光方法，将具有金属-电介质-金属结构的晶片第一次置于第一研磨垫上进行粗加工研磨，除去晶片表面的大部分铜；再将所述晶片第一次置于第二研磨垫上进行精加工研磨，去除晶片表面残存的铜；其特征在于，在上述步骤之后，包括如下步骤：
将所述晶片第一次置于第三研磨垫上进行研磨，以去除晶片表面的阻挡层残留并降低金属-电介质-金属区域中深台阶的高度差；先将所述晶片第二次置于所述第一研磨垫上进行研磨，再将所述晶片第二次置于所述第二研磨垫上进行研磨，以去除金属-电介质-金属结构中深台阶底部的铜残留；
将所述晶片第二次置于所述第三研磨垫上进行研磨。
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