CN102528638A

CN102528638A - 一种铜化学机械研磨方法及设备

Info

Publication number: CN102528638A
Application number: CN201010620262XA
Authority: CN
Inventors: 邓武锋
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2010-12-29
Filing date: 2010-12-29
Publication date: 2012-07-04

Abstract

本发明提供一种铜化学机械研磨方法及设备，其在现有技术的基础上增加了研磨步骤，通过采用铜选择比高的研磨液对介质层开口之上的铜残留层进行研磨，可完全去除开口之上的铜残留层，从而可有效提高器件的性能。

Description

一种铜化学机械研磨方法及设备

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种铜化学机械研磨方法及设备。

背景技术

随着半导体集成电路制造工艺的日益进步，线宽越做越小，为减小后段互连结构的电阻电容延迟(RC delay)，采用低介电常数的介质材料作为介质层，并采用铜金属作为互连线的材料。由于铜金属难以刻蚀，业界引入镶嵌工艺或双镶嵌工艺制造铜互连线。在铜互连线的制造方法中，首先形成低介电常数的介质层；接着，在该介质层中形成开口；然后，在所述开口中和介质层上沉积金属铜，并通过化学机械研磨进行平坦化，移除所述介质层上的铜，在开口中形成铜互连线。

请参看图1a至图1d，图1a至图1d为现有技术的铜化学机械研磨方法的各步骤相应结构的剖面示意图。

如图1a所示的剖面示意图，铜金属层110为待研磨层，该铜金属层110覆盖于具有开口102的基底100之上，并填满所述开口102。在所述基底100和铜金属层110之间具有阻挡层104。

如图1b所示的剖面示意图，进行第一步研磨，去除铜金属层110的部分厚度，完成该第一步的研磨后，铜金属层110保留于基底100表面的厚度为T。

如图1c所示，进行第二步的研磨，以完全去除开口102以外的铜金属层，保留于所述开口102中的铜金属层为110a；同时，开口102以外的阻挡层104也可能被去除部分厚度。

如图1d所示，进行第三步的研磨，继续研磨开口102中的铜金属层110a，直到完全去除所述开口102以外的阻挡层104，所述开口102中剩余的铜金属层为112。

所述方法中，通过三步完成铜的化学机械研磨工艺，去除所述开口102以外的铜金属层；所述的每一阶段的主研磨工艺(Main Polish)在完成后，在进行后续阶段的研磨工艺或后续其它工艺之前，都会用去离子水进行清洗，以避免研磨产生的颗粒污染物或残留物对后续阶段的研磨工艺或其它工艺的影响。特别的，现有技术中所述的三个步骤常常在同一研磨设备的不同研磨垫上进行，在每一研磨垫上进行某一步骤的研磨，要完成铜的化学机械研磨，基底要依次经过不同的研磨垫。

但采用现有技术的铜化学机械研磨方法时，若在形成铜金属层之下的金属层通孔时由于进行化学机械研磨而产生凹陷，则在形成开口102及在开口102中沉积铜金属层110时也会在相应位置产生凹陷，因此在开口102中形成铜互连时若采用上述方法完成化学机械研磨后，在位于开口102内的铜互连之上往往还会存在铜残留无法被去除，从而影响到器件的性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种铜化学机械研磨方法，以解决采用现有技术的铜化学机械研磨方法形成铜互连时，在开口内的铜互连之上往往还会存在铜残留无法被去除，从而影响到器件的性能的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种铜化学机械研磨方法，包括以下步骤：

提供一待研磨对象，所述待研磨对象包括：铜金属层，所述铜金属层为待研磨层；所述铜金属层覆盖于具有开口的介质层之上，并填满所述开口；所述介质层和所述铜金属层之间具有阻挡层；所述开口及填充于所述开口内的铜金属具有凹陷形状；

进行第一步研磨，去除所述铜金属层的大部分厚度；

进行第二步研磨，完全去除所述开口以外的铜金属层，保留所述开口内的铜金属层；由于存在所述凹陷形状使得经过研磨后所述开口之上还存在铜残留层；

进行第三步研磨，去除所述开口以外的阻档层，并去除部分所述铜残留层；

进行第四步研磨，采用铜研磨速率与氧化物研磨速率之比大于50比1的研磨液进行研磨，完全去除所述铜残留层。

可选的，最后还进行第五步研磨，去除部分所述介质层，使其达到特定厚度。

可选的，进行所述第一步研磨后，剩余的铜金属层的厚度在200至300nm之间。

可选的，经过所述第五步研磨后，所述第二介质层的剩余厚度为120至150nm。

相应的，所述化学机械研磨设备具有4个或4个以上的研磨头，每个所述研磨头对应设置一个研磨垫。可选的，所述化学机械研磨设备具有5个研磨头。

本发明的铜化学机械研磨方法在现有技术的基础上增加了研磨步骤，通过采用铜选择比高的研磨液对介质层开口之上的铜残留层进行研磨，可完全去除开口之上的铜残留层，从而可有效提高器件的性能。

附图说明

图1a至图1d为现有技术的铜化学机械研磨方法的各步骤相应结构的剖面示意图；

图2a至图2f为本发明的铜化学机械研磨方法的各步骤相应结构的剖面示意图；

图3为现有技术和本发明分别采用的化学机械研磨设备的结构对比示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明所述的铜化学机械研磨方法可利用多种替换方式实现，下面是通过较佳的实施例来加以说明，当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的普通技术人员所熟知的一般的替换无疑涵盖在本发明的保护范围内。

请参看2a至图2f，图2a至图2f为本发明的铜化学机械研磨方法的各步骤相应结构的剖面示意图。

参看图2a，图2a为进行本发明方法之前的器件结构剖面示意图，如图2a所示，铜金属层220为待研磨层，所述铜金属层220覆盖于具有开口211的第二介质层210之上，并填满所述开口211；所述第二介质层210和所述铜金属层220之间具有阻挡层212；所述第二介质层210位于第一介质层200之上，所述第一介质层200内形成有金属互连通孔201；所述金属互连通孔201位置处由于化学机械研磨的作用具有一定的凹陷，从而导致所述第二介质层210中形成的开口211及填充于所述开口211内的铜金属也具有凹陷形状。

本发明的铜化学机械研磨方法包括以下步骤：

首先，参看图2b，进行第一步研磨，去除所述铜金属层220的大部分厚度；优选的，使得剩余的铜金属层220的厚度在200至300nm之间。

其次，参看图2c，进行第二步研磨，以完全去除所述开口211以外的铜金属层，保留所述开口211内的铜金属层211a；由于存在所述凹陷形状使得经过研磨后所述开口211之上还存在铜残留层220a；

再次，参看图2d，进行第三步研磨，去除所述开口211以外的阻档层212，并去除部分所述铜残留层220a；

再次，参看图2e，进行第四步研磨，采用铜研磨速率与氧化物研磨速率之比大于50比1的研磨液进行研磨，例如美国嘉柏公司Cu Slurry C7092，日本Fujimi Cu slurry 7105，以完全去除所述铜残留层220a；

最后，参看图2f，进行第五步研磨，去除部分所述第二介质层210，使其达到工艺要求的厚度；优选的，经过所述第五步研磨后，所述第二介质层210的剩余厚度为120至150nm。

请参看图3，图3为现有技术和本发明分别采用的化学机械研磨设备的结构对比示意图。如图3所示，现有技术的铜化学机械研磨方法的三个步骤通常在同一研磨设备的不同研磨垫上进行，在每一研磨垫上进行某一步骤的研磨，因此图3中现有技术所使用的研磨设备中有三个研磨头和三个研磨垫。本发明的铜化学机械研磨方法中由于增加了两个步骤的研磨，因此本发明所使用的研磨设备同现有技术所采用的研磨设备相比增加了两个研磨头和研磨垫。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种铜化学机械研磨方法，包括以下步骤：

进行第一步研磨，去除所述铜金属层的大部分厚度；

2.如权利要求1所述的铜化学机械研磨方法，其特征在于，最后还进行第五步研磨，去除部分所述介质层，使其达到特定厚度。

3.如权利要求1所述的铜化学机械研磨方法，其特征在于，进行所述第一步研磨后，剩余的铜金属层的厚度在200至300nm之间。

4.如权利要求1所述的铜化学机械研磨方法，其特征在于，经过所述第五步研磨后，所述第二介质层的剩余厚度为120至150nm。

5.一种用于权利要求1所述的铜化学机械研磨方法的化学机械研磨设备，其特征在于，所述化学机械研磨设备具有4个或4个以上的研磨头，每个所述研磨头对应设置一个研磨垫。

6.如权利要求5所述的化学机械研磨设备，其特征在于，所述化学机械研磨设备具有5个研磨头，每个所述研磨头对应设置一个研磨垫。