CN102412136A - 一种消除金属表面突起物的化学机械抛光装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种消除金属表面突起物的化学机械抛光装置及方法，本发明化学机械抛光装置包括研磨装置和退火装置；所述退火装置通过晶圆传送装置与所述研磨装置连接；所述退火装置设有退火腔，用于承载金属晶圆在其中退火；其中，退火装置用于在晶圆研磨后进行退火处理，使累积在晶圆上的金属互联层的应力充分释放，以使金属互联层内部的不稳定状态充分反应，包括因金属互联层内应力而在所述金属互联层表面形成突起物，使金属互联层达到稳定状态。利用本发明装置可在晶圆抛光过程中，退火和研磨抛光交替进行，通过退火处理释放金属互联中的内部应力，并通过再次研磨除去由金属互联层内部应力而产生的表面突起物，保证金属互联表面的平整性，从而提高制得的芯片的性能。

Description

一种消除金属表面突起物的化学机械抛光装置及方法

技术领域

本发明涉及一种集成电路制造方法，尤其涉及在集成电路制造过程中，消除晶圆的金属表面突起物的化学机械抛光装置及方法。

背景技术

在半导体制造领域中，随着集成度的提高，对于各器件间互联的信号传递提出了更高的要求。在当今半导体制造领域，铜鉴于其低电阻以及较好的电子迁移率，而引入了双大马士革结构的铜互联技术在半导体制造中，成为最常用的互联金属。但在制造过程中，我们发现由于铜的特性，作为互联层金属中，铜在平坦化后，其金属互联层中仍然残余有较大的内应力，而在半导体后续工艺中，在以较高的温度下，这些内应力得到释放，从而在平坦化后的金属互联层表面形成尖刺等突起物（hillock）。其中，对于部分金属，如铜，其自身便具有自退火（self-anneal）的特性，，在其进行平坦化后，在长时间（大于8小时）的放置中慢慢产生小尖刺等突起物。而这些hillock的产生会使得之后的制程（比如绝缘层的生长）受到影响，同时也有可能造成铜扩散到绝缘介质中，以及刻蚀停止层、钝化层、以及嵌在所述钝化层中的焊垫层的制备，从而影响半导体芯片的电性。并且，随着半导体尺寸的减小，hillock也越来越容易成为致命缺陷，影响半岛体的整体性能。所以，有效的消除hillock的产生，成为影响晶圆良率的关键因素之一。

中国专利CN 101740479 A公开了一种半导体器件的制造方法，在化学机械抛光（Chemical Mechanical Polish，CMP）或者部分CMP之后，将晶圆在形成所述刻蚀停止层的设备中退火的方法。但在该发明中，实现金属互联层的退火需要通过不同的机台，如化学气相沉积机台（Chemical Vapor Deposition, CVD），并在CMP机台以及CVD机台之间来回使用，在这过程中，一方面降低了机台的使用效率，增加额外的退火设备，增大了人力物力成本，而且晶圆在制造过程中，在CMP机台和CVD机台中往返，晶圆在机台与机台间的等待时间，提高了hillock产生的几率，从而影响抛光效果。

发明内容

本发明提供了一种消除半导体晶圆的金属表面突起物的化学机械抛光装置及方法，在CMP机台上设有退火装置，使得化学机械抛光与退火交替进行，有效释放金属的内应力，并及时有效消除因金属内应力从而在金属表面产生的突起物（Hillock），提高晶圆的抛光效果，从而解决现有技术中在金属互联层平坦化后，由于金属内应力使得在抛光后的金属表面形成Hillock，影响半导体性能的问题。

本发明一种消除金属表面突起物的化学机械抛光装置及方法通过以下技术方案实现其目的：

一种消除金属表面突起物的化学机械抛光装置，其中，包括研磨装置和退火装置；所述退火装置通过晶圆传送装置与所述研磨装置连接；所述退火装置设有退火腔，用于承载金属晶圆在其中退火；其中，退火装置用于在晶圆研磨抛光后进行退火处理，使累积在晶圆上的金属互联层的应力充分释放，以使金属互联层内部的不稳定状态充分反应，包括由于应力的释放而在所述金属互联层表面形成突起物，从而使得金属互联层处于稳定的状态。所述晶圆传送装置为常用的在CMP机台的各位置间晶圆的传送装置，如抓手。

上述的消除金属表面突起物的化学机械抛光装置，其中，所述退火装置还设有缓冲腔，所述缓冲腔与所述研磨模块和所述退火腔间分别设有晶圆传送装置。

上述的消除金属表面突起物的化学机械抛光装置，其中，所述缓冲腔中充有惰性气体，以防止研磨抛光后的晶圆的金属互联层与空气发生反应。所述的惰性气体泛指不与金属发生反应的气体，包括氮气和氦气、氖气、氩气等惰性气体等不与金属发生反应的气体。

一种利用权利要求1所述的消除金属表面突起物的化学机械抛光装置消除金属表面突起物的方法，其中，半导体制造过程中，晶圆研磨抛光和退火工艺交替连续进行，其包括以下步骤：

步骤一：在半导体晶圆上形成金属互联层后，采用所述研磨装置对晶圆进行预抛光，除去所述晶圆上的多余金属和其他多余介质层部分；

步骤二：将预抛光的晶圆载入所述退火腔中，高温退火，充分释放所属金属互联层中的内应力，使所述金属互联层中的不稳定状态充分显现，并在金属互联层表面形成突起物；

步骤三：将经过退火后的晶圆重新载入所述研磨装置，对所述金属互联层进一步研磨抛光，除去由步骤二中金属互联层表面形成的突起物。

上述的消除金属表面突起物的方法，其中，在所述步骤一与步骤二之间，当所述晶圆进行预抛光后，若需要退火而所述晶圆不能马上进行退火时，将所述晶圆载入所述缓冲腔中，以防止抛光后的晶圆曝露在空气中并发生反应，如氧化还原反应，之后再将所述晶圆由所述缓冲腔载入所述退火腔中进行退火。

上述的消除金属表面突起物的方法，其中，当所述晶圆的金属互联层分步多次研磨抛光时，若是晶圆在进行一次研磨抛光后，需要退火处理，则重复所述步骤一步骤三过程，使得晶圆在研磨抛光后进行退火处理，晶圆的金属互联层内应力充分释放而达到稳定状态。值得注意的是，在抛光过程中，每次抛光条件、及抛光程度不同，使得晶圆的金属互联层情况不同，因此对于抛光后的晶圆进行退火需要根据抛光工艺需要的实际情况从确定。因此对于晶圆的金属互联层分步多次抛光时，对于每一次抛光后的晶圆可选择性地进行退火处理，若是每次抛光后都需要对晶圆进行退火处理，在整个抛光过程中，研磨抛光和退火工艺则相继交替进行，直至整个抛光过程完成。

上述的消除金属表面突起物的方法，其中，所述退火腔温度控制于200~600℃。

山述的消除金属表面突起物的方法，其中，晶圆在所述退火腔中退火时间控制于1~200秒。

上述的消除金属表面突起物的方法，其中，所述金属互联层为铜或者铜的合金。

采用本发明一种消除金属表面突起物的化学机械抛光装置及方法的优点在于：

采用本发明一种消除金属表面突起物的化学机械抛光装置及方法在化学机械抛光机台上设置退火装置，在金属互联层平坦化过程中，采用退火工艺充分释放金属互联层中的内应力，稳定金属互联层内部状态，并及时效消除金属互联层表面因内应力释放而产生的突起物，提高金属互联层的抛光效果，从而保证芯片性能；而且在一台机台上同时实现研磨和退火，可在时间和空间上提高了抛光效率，节约工艺成本。

附图说明

图1为本发明消除金属表面突起物的化学机械抛光装置机台的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种消除金属表面突起物的化学机械抛光装置，包括研磨装置1和退火装置2；所述退火装置2设有一退火腔21；所述退火腔21设有温控***，用于调节适宜温度用于晶圆退火处理；所述退火腔21通过晶圆传送装置与所述研磨装置1连接，所述晶圆传送装置可以是抓手等常用于晶圆在抛光过程中实现于各位置间的传送的装置。在使用时，通过所述晶圆传送装置实现晶圆在所述退火腔21及研磨装置1之间传递，使得研磨抛光和退火工艺交替进行。

所述退火装置1还包括一缓冲腔22，所述缓冲腔22与所述研磨模块1和所述退火腔21间分别设有晶圆传送装置。且在所述缓冲腔22中充有惰性气体，优选充有氮气。当晶圆在研磨后，必须要经过清洗及干燥工艺，此时的晶圆可能并不适合立即放入所述的退火腔21中，进行退火处理，但在等待过程中经过研磨后的铜可能会于空气可能会发生诸如氧化还原等反应，从而使金属互联层受到损伤，从而影响到芯片的信号传递等性能，此时可将经过研磨后的晶圆放入所述的缓冲腔22中，等待退火，很好地保护了金属互联层不受损害。对于该设备而言，在对晶圆或是其上沉积的金属或其他介质层进行多次CMP的步骤中，可选取在其中某一步或某几步CMP之后利用该退火装置2对金属或其他介质层进行退火处理，而其他CMP步骤既可以选择进行退火处理也可以不进行退火处理。

本发明还包括利用上述消除金属表面突起物的化学机械抛光装置消除金属表面因金属内部应力而在金属表面产生的突起物的方法。该方法方案为，在集成电路制造过程中，将晶圆研磨抛光和退火工艺交替连续进行，从而保证在芯片的制造过程中，互联层中金属内部应力及时释放，并通过后续研磨抛光工艺，将由于内应力释放而引起的互联层金属表面的尖刺等突起物磨平，保证互联金属互联层的表面平整性。

其具体步骤为：

步骤一：在半导体晶圆上形成金属互联层后，采用所述研磨装置1对晶圆进行预抛光，除去多余金属和其他多余晶圆部分；

步骤二：待所述晶圆在预抛光后，将所述晶圆放入所述退火腔21中，高温退火，使所述金属互联层的内应力充分释放，包括可能由于应力的释放而在所述金属互联层表面形成的毛刺等突起物，从而使得金属互联层处于稳定的状态；

步骤三：将经过退火后的金属晶圆重新载入所述研磨装置1的退火腔21中，对所述晶圆进一步研磨抛光，除去在所述退火工艺中，所述金属互联层表面形成的尖刺等突起物，将所述晶圆的金属互联层表面磨平，保证了金属互联层表面的平整性。

在所述步骤一与步骤二之间，当所述晶圆进行预抛光后，还经过清洗、干燥等步骤，而不适合立即退火，或是此时可能由于退火腔21正在使用而无法立即放入所述的退火腔21中，进行退火处理。而在等待退火工艺的过程中，抛光后的金属可能会与空气发生例如氧化还原等反应，从而使得金属互联层成分变质，从而影响制成的芯片的性能。此时先将所述晶圆载入所述缓冲腔22中，在所述缓冲腔22中，充有氮气等惰性气体，可以有效预防金属互联层发生反应，待其适合退火后，再将所述晶圆由所述缓冲腔22载入所述退火腔21中退火。

当所述晶圆的金属互联层分步多次研磨抛光时，可选择性的对每一次抛光后的晶圆进行退火处理，直至完成整个抛光过程；其中，若是晶圆在进行一次研磨抛光后，需要退火处理，则重复所述步骤一至步骤三过程，使得晶圆在研磨抛光后进行退火处理，晶圆的金属互联层内应力充分释放而达到稳定状态。

而一般所述退火腔21温度控制于200~600℃。其晶圆在所述退火腔21中退火时间控制于1~200秒，这个可由具体情况所确定，现有的技术可以准确确保其退火时间控制。

这样经过研磨抛光工艺、退火工艺交替进行后，保证金属互联层中内部应力的充分释放，使其内部状态稳定，在集成电路后续制备工艺中，不会再因所述金属互联层中的应力而使得金属互联层表面出现突起物，保证了其表面平整性，从而保证制成的芯片的性能。而本发明一种消除金属表面突起物的化学机械抛光装置及方法特别适用于对于目前最常用的铜或其合金的金属互联层。采用本发明可以确保铜等金属互联层中内部应力的释放，并及时消除由此而在金属互联层表面形成的的尖刺等突起物，从而确保最后制成的金属互联层表面平整性，确保制成后的芯片的性能。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (9)

1.一种消除金属表面突起物的化学机械抛光装置，其特征在于，包括研磨装置和退火装置；所述退火装置通过晶圆传送装置与所述研磨装置连接；所述退火装置设有退火腔，用于承载金属晶圆在其中退火；其中，退火装置用于在晶圆研磨抛光后进行退火处理，使累积在晶圆上的金属互联层的应力充分释放，以使金属互联层内部的不稳定状态充分反应，包括由于应力的释放而在所述金属互联层表面形成突起物，从而使得金属互联层处于稳定的状态。

2.根据权利要求1所述的消除金属表面突起物的化学机械抛光装置，其特征在于，所述退火装置还设有缓冲腔，所述缓冲腔与所述研磨模块和所述退火腔间分别设有晶圆传送装置。

3.根据权利要求1所述的消除金属表面突起物的化学机械抛光装置，其特征在于，所述缓冲腔中充有惰性气体，以防止研磨抛光后的晶圆的金属互联层与空气发生反应。

4.一种利用权利要求1所述的消除金属表面突起物的化学机械抛光装置消除金属表面突起物的方法，其特征在于，半导体制造过程中，晶圆研磨抛光和退火工艺交替连续进行，其包括以下步骤：

步骤一：在半导体晶圆上形成金属互联层后，采用所述研磨装置对晶圆进行预抛光，除去所述晶圆上的多余金属和其他多余介质层部分；

步骤二：将预抛光的晶圆载入所述退火腔中，高温退火，充分释放所属金属互联层中的内应力，使所述金属互联层中的不稳定状态充分显现，并在金属互联层表面形成突起物；

步骤三：将经过退火后的晶圆重新载入所述研磨装置，对所述金属互联层进一步研磨抛光，除去由步骤二中金属互联层表面形成的突起物。

5.根据权利要求4所述的消除金属表面突起物的方法，其特征在于，在所述步骤一与步骤二之间，当所述晶圆进行预抛光后，若需要退火而所述晶圆不能马上进行退火时，将所述晶圆载入所述缓冲腔中，以防止预抛光后的晶圆曝露在空气中并发生反应，之后再将所述晶圆由所述缓冲腔载入所述退火腔中进行退火。

6.根据权利要求4所述的消除金属表面突起物的方法，其特征在于，当所述晶圆的金属互联层分步多次研磨抛光时，若是晶圆在进行一次研磨抛光后，需要退火处理，则重复所述步骤一至步骤三过程。

7.根据权利要求4所述的消除金属表面突起物的方法，其特征在于，所述退火腔温度控制于200~600℃。

8.根据权利要求4所述的消除金属表面突起物的方法，其特征在于，晶圆在所述退火腔中退火时间控制于1~200秒。

9.根据权利要求4所述的消除金属表面突起物的方法，其特征在于，所述金属互联层为铜或者铜的合金。