CN102623327A - 一种化学机械研磨方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种化学机械研磨方法，包括如下步骤：提供形成有介质层的半导体衬底；对介质层进行第一次研磨，所述第一次研磨后在介质层表面产生有机物残留；用碱性试剂对介质层进行第二次研磨，去除介质层表面的有机物残留。本发明通过在现有化学机械研磨过程中，在完成对晶圆的主研磨工艺后以及后续工艺对所述晶圆进行清洗之前，通过使用碱性试剂来去除介质层表面上残留的有机物残渣，与现有技术相比，所述去除有机物残渣的效果更显著，从而提高最终产品的质量和性能。

Description

一种化学机械研磨方法
技术领域
本发明涉及半导体工艺领域，特别涉及一种化学机械研磨方法。
背景技术
在半导体工艺领域，化学机械研磨技术(CMP技术)兼具有机械式研磨与化学式研磨两种作用，可以使整个晶圆表面达到平坦化，以便于后续进行薄膜沉积等工艺。在进行CMP的过程中，通过研磨头将待研磨的晶圆压在研磨垫上并带动晶圆旋转，而研磨垫则以相反的方向旋转。在进行研磨时，通过研磨浆料输送装置将所需的研磨浆料添加到晶圆与研磨垫之间；然后，随着研磨垫和待研磨晶圆之间的高速方向运转，待研磨晶圆表面的反应产物被不断地剥离，反应产物随着研磨浆料被带走。进一步地，待研磨晶圆的新表面又会发生化学反应，反应产物再被剥离出来，这样循环往复，在机械研磨和化学腐蚀的共同作用下，使晶圆表面平坦化。
现有在对介质层进行研磨时，氧化物研磨液中的研磨颗粒将对晶圆表面产生磨损，从而造成所述晶圆表面出现划痕，而研磨液中的化学助剂可能会产生有机物残渣，而所述有机物残渣会附着在晶圆表面，对最终器件的质量和性能产生不良的影响。在现有技术中，通常是在对晶圆完成主研磨过程后，通过清洗装置来去除残留在晶圆表面上的有机物残渣，例如，最常用的是通过去离子水装置来完成所述清洗过程。但是，在实际应用中发现，这样的去除方法效果并不好，经检测发现，通过去离子水清洗装置对晶圆表面的清洗后，仍旧有相当数量的有机物残渣残留在晶圆表面上，从而影响最终器件的性能。
在现有技术中，公开了一种在半导体晶片研磨之后，从所述半导体晶片表面上清除污染物粒子的工艺。但是，在使用所述清洗方法清洗晶片后，发现部分颗粒较大的污染物粒子的数量仍旧很多，而且该方法对于清除晶圆表面上有机物残渣的效果不显著，达不到预期的清洗效果。
因此，针对上述问题，需要提供一种能够有效地去除晶圆表面的有机物残渣的方法，但是目前还没有较好的解决方案。
发明内容
本发明解决的问题是在化学机械研磨过程中，能够有效地去除晶圆表面上附着的有机物残渣，从而改善最终器件的质量和性能。
为解决上述问题，本发明提供了一种化学机械研磨方法，包括如下步骤：提供形成有介质层的半导体衬底；对介质层进行第一次研磨，所述第一次研磨后在介质层表面产生有机物残留；用碱性试剂对介质层进行第二次研磨，去除介质层表面的有机物残留。
优选地，所述碱性试剂包括研磨颗粒、清洗剂、螯合剂、防腐蚀化合物以及表面活性剂。
优选地，所述研磨颗粒占所述碱性试剂的质量百分比为1％-15％、所述清洗剂占所述碱性试剂的质量百分比为0.1％-5％、所述螯合剂占所述碱性试剂的质量百分比为0.01％-2％、所述防腐蚀化合物占所述碱性试剂的质量百分比为0.01％-2％、所述表面活性剂占所述碱性试剂的质量百分比为0.01％-1％。
优选地，所述研磨颗粒是胶状二氧化硅或碳化硅或氮化硅或氧化铝或二氧化铈，所述研磨颗粒的直径为35～90nm。
优选地，所述清洗剂所含成分为氢氧化铵或氢氧化四烃基铵。
优选地，所述螯合剂所含成分为柠檬酸铵或草酸铵。
优选地，所述防腐蚀化合物的成分为乙酰氨基酚或甲氧苯酚。
优选地，所述表面活性剂所含的成分为聚氧乙烯或聚丙烯。
优选地，所述碱性试剂的PH值在8-10之间。
优选地，所述第一次研磨时，研磨头的压力在0.85psi到1.8psi之间。
优选地，所述第二次研磨时，研磨头的压力在0.5psi到0.7psi之间。
优选地，所述介质层是低K介质层。
优选地，所述低K介质层的介电常数K小于3。
优选地，所述第一次研磨采用的是氧化物研磨液。
优选地，所述氧化物研磨液是氢氧化钾溶液或者氢氧化铵溶液。
优选地，在用碱性试剂对残留介质层进行第二次研磨的步骤后还包括如下步骤：使用去离子水对研磨垫进行清洗；使用去离子水对所述晶圆进行清洗。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过在完成对所述晶圆的主研磨过程后以及对晶圆进行清洗之前，使用碱性试剂来去除介质层表面上残留的有机物残渣。其中，所述使用碱性试剂去除介质层表面上的有机物残渣是通过研磨的方式来实施，这样有利于碱性试剂与介质层表面充分接触，与现有技术中在后续工艺中通过清洗装置来清洗有机物残渣的方法相比，本发明提供的方法可以更有效、更彻底地达到去除有机物残渣的效果。
进一步，碱性试剂中包含研磨颗粒、清洗剂、螯合剂、防腐蚀化合物以及表面活性剂等成分。在对介质层进行第二次研磨过程中，上述各种成分相互配合以达到去除介质层表面上有机物残留的效果。
再进一步，在使用所述碱性试剂清洗所述介质层表面时，设定研磨头对所述晶圆的压力比主研磨工艺时更小，这样可以有效地防止晶圆表面残留的研磨液颗粒对晶圆表面的磨损。
附图说明
图1是本发明所述一种化学机械研磨方法的流程图；
图2至图5是本发明形成双镶嵌结构过程中进行化学机械研磨的实施例的示意图；
图6是通过本发明所述一种化学机械研磨方法去除晶圆表面有机物残渣的效果对比图。
具体实施方式
发明人发现在现有对介质层进行化学机械研磨时，通常是在后续工艺中通过清洗装置对晶圆进行清洗，从而去除残留在晶圆表面上的有机物残渣、微粒等。具体地，在现有技术中，通常是通过表面活性剂来去除有机物残渣。本领域技术人员理解，其中所述表面活性剂是一种具有固定的双极性(亲水性和疏水性)基团，在溶液的表面能定向排列，并能使表面张力显著下降的物质。具体地，由于所述有机物残渣是由疏水性材料构成的物质，例如，铜缓蚀剂BTA等，大多不溶于水。因此，当所述表面活性剂与所述有机物残渣接触时，因其疏水性基团的存在，水分子与表面活性剂分子相互间的排斥力远大于吸引力，导致表面活性剂分子自身依赖范德华力在所述有机物残渣的表面聚集，形成疏水性基团向内，亲水性基团向外，在水中稳定分散的形态，使所述有机物残渣脱离晶圆表面，从而达到去除晶圆表面有机物残渣的效果。但是，在实际应用中发现，通过这样的清洗方式，对于晶圆表面上残留的有机物残渣去除的效果并不理想，经实践发现，在清洗后仍有相当数量的有机物残渣附着在晶圆表面。
因此，本发明提供了一种化学机械研磨方法，主要是在现有的化学机械研磨流程的基础上，在完成对所述晶圆的主研磨工艺后增加一个流程，即通过使用碱性试剂来去除晶圆表面残留的有机物残渣。与现有技术相比，本发明提供的方法更有利于完全去除所述晶圆表面上残留的有机物残渣。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
具体地，参考如图1所示的是本发明所述一种化学机械研磨方法的流程图。首先，执行步骤S1，提供形成有介质层的半导体衬底。然后，执行步骤S2，对介质层进行第一次研磨，所述第一次研磨后在介质层表面产生有机物残留。优选地，所述第一次研磨所使用的研磨液是氧化物研磨液，例如，氢氧化钾溶液或者氢氧化铵溶液。本领域技术人员理解，所述氧化物研磨液中包括水、化学助剂、氧化物研磨颗粒等成分。在研磨过程中，所述化学助剂会产生多种有机化合物，这些有机化合物很容易附着在晶圆表面形成有机物残渣。
接着，执行步骤S3，用碱性试剂对介质层进行第二次研磨，去除介质层表面的有机物残留。具体地，所述碱性试剂中包括研磨颗粒、清洗剂、螯合剂、防腐蚀化合物以及表面活性剂。其中，所述研磨颗粒占所述碱性试剂的质量百分比为1％-15％、所述清洗剂占所述碱性试剂的质量百分比为0.1％-5％、所述螯合剂占所述碱性试剂的质量百分比为0.01％-2％、所述防腐蚀化合物占所述碱性试剂的质量百分比分别为0.01％-2％、所述表面活性剂占所述碱性试剂的质量百分比分别为0.01％-1％。进一步地，所述研磨颗粒是胶状二氧化硅或碳化硅或氮化硅或氧化铝或二氧化铈，所述研磨颗粒的直径为35～90nm(纳米)，所述清洗剂包括氢氧化铵或氢氧化四烃基铵，所述螯合剂包括柠檬酸铵或草酸铵，所述防腐蚀化合物包括乙酰氨基酚或甲氧苯酚，所述表面活性剂所含的成分为聚氧乙烯或聚丙烯。在本实施例中，所述碱性试剂的PH值在8-10之间。进一步地，其中所述表面活性剂可以起到去除有机物残渣的作用，其具体实现原理可以参考表面活性剂的相关资料，在此不予赘述。
综上所述，经过上述步骤S1和步骤S2已完成对所述晶圆的主研磨过程，所述步骤S3是在完成所述CMP工艺的主研磨步骤后，通过使用碱性试剂来去除所述晶圆表面上残留的有机物残渣。最后，在后续工艺中，通过清洗装置对所述晶圆进行清洗。优选地，其中所述清洗装置使去离子水装置。与现有技术相比，本发明是在对晶圆完成主研磨流程之后以及对所述晶圆进行清洗之前，增加一个流程(即所述步骤S3)来去除残留在晶圆表面上的有机物残渣。通过实践发现，本发明所提供的化学机械研磨方法可以更有效地去除所述有机物残渣。
更进一步地，在实际研磨过程中，在完成所述步骤S3之后，还包括对研磨垫和所述晶圆的清洗。具体地，通常所述清洗过程是通过去离子水装置来完成，其主要是清洗在研磨过程中附着在所述晶圆上的各种微粒，其中所述去离子水清洗装置的具体结构以及工作方式可以参考相关的技术资料，在此不予赘述。
下面结合附图以形成双镶嵌结构为例以及图1所述的流程图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
实施例一：参考图2至图4所示的形成双镶嵌结构过程中进行化学机械研磨的示意图。
具体地，参考图2所示，首先，提供半导体衬底100，所述半导体衬底100内含有金属布线层(图2中未示出)；在半导体衬底100上形成覆盖层101，所述覆盖层101覆盖金属布线层；并在覆盖层101上通过化学气相淀积(CVD)法形成介质层102，所述介质层102的材料如二氧化硅和低K(介电常数)材料等。
本实施例中，所述覆盖层101可防止半导体衬底100中的金属布线扩散到所述介质层102中，亦可防止刻蚀过程中所述半导体衬底100中的金属布线被刻蚀。
继续参考图2，刻蚀所述介质层102形成双镶嵌结构104，具体形成工艺如下：首先，在介质层102上涂覆第一光刻胶层(未示出)，经过光刻工艺，在第一光刻胶层上定义出通孔图形；以第一光刻胶层为掩膜，沿通孔图形刻蚀介质层102至露出金属布线层，形成通孔104a；去除第一光刻胶层后，在所述介质层102上和通孔104a内形成第二光刻胶层(图2中未示出)，经过曝光显影，在第二光刻胶层上定义出沟槽图形；以第二光刻胶层为掩膜，沿沟槽图形刻蚀介质层102，形成与通孔104a连通的沟槽104b，所述通孔104a与沟槽104b构成双镶嵌结构104。
除上述形成工艺外，还可以在介质层中先形成沟槽，再形成与沟槽连通且露出金属布线层的通孔。
再参考图2，在所述介质层102的上、双镶嵌结构104的侧壁和底部形成阻挡层103，所述阻挡层103的材料可以是钽、氧化钽或者钽硅氮等材料中的任意一种，其作用在于防止金属层105和所述介质层102相互扩散，影响最终产品的性能。接着，在所述阻挡层103上方淀积金属层105。在本实施例中，优选地，所述金属层105是为铜，通过电化学淀积(EVD)使所述铜金属填充满所述双镶嵌结构104内。
然后，参考图3所示，对金属层105进行化学机械研磨直至露出所述阻挡层103，形成双镶嵌导电结构，其中对所述金属层105进行化学机械研磨所使用的研磨液可以是氧化铝研磨液。在实际应用中，为了使金属层105平整性及均匀性更好，通常对所述金属层105进行粗研磨和精研磨两个阶段，其中关于所述粗研磨和精研磨的具体实施方式可以参考相关资料，在此不予赘述。
如图4所示，用化学机械研磨法对所述阻挡层103进行研磨，直到露出所述介质层102，其中对所述阻挡层103进行化学机械研磨所使用的研磨液可以根据所述阻挡层103的不同材料来选择合适的研磨液，在此不予赘述。由于所述金属层105和所述阻挡层103的材料不同，在研磨过程中，研磨液对所述金属层105和所述阻挡层103的研磨速率不同，从而造成研磨完所述阻挡层103至露出所述介质层102后，通常所述金属层105低于所述介质层102，如图4所示。因此，还需要对所述介质层102进行研磨，使所述介质层102和所述金属层105在同一平面内。
如图5所示，首先对所述介质层102进行第一次研磨。在一个优选实施方式中，可以使用氧化物研磨液对所述介质层102进行第一阶段研磨。其中所述介质层102是低K介质层，所述介电常数K小于3。所述氧化物研磨液通常是氢氧化钾溶液或者氢氧化铵溶液。所述第一阶段研磨的作用是平坦化所述介质层102，使所述介质层102和所述金属层105研磨至同一平面内。所述研磨过程主要通过所述氧化物研磨液中的水与所述介质层102中氧化硅反应生成氢氧键(称为表面水合作用)，氧化硅表面的水合作用降低了氧化硅的硬度、机械强度，从而形成了含水的软表层氧化硅。然后，在研磨过程中，通过研磨液中研磨颗粒来去除所述被软化的氧化硅层，使所述介质层102平坦化，其中所述膜层通常是氮化硅等绝缘材料或者铜、钨等金属材料。进一步地，在所述第一次研磨后，在所述介质层102表面会产生有机物残留，所述有机物残留主要来源于所使用的氧化物研磨液。
因此，需要通过使用碱性试剂对所述介质层102进行第二次研磨，去除所述介质层102表面上的有机物残留。具体地，所述碱性试剂中包括研磨颗粒、清洗剂、螯合剂、防腐蚀化合物以及表面活性剂。其中，所述研磨颗粒占所述碱性试剂的质量百分比为1％-15％、所述清洗剂占所述碱性试剂的质量百分比为0.1％-5％、所述螯合剂占所述碱性试剂的质量百分比为0.01％-2％、所述防腐蚀化合物占所述碱性试剂的质量百分比为0.01％-2％、所述表面活性剂占所述碱性试剂的质量百分比为0.01％-1％，所述碱性试剂中还包括溶剂，例如去离子水。
其中，所述研磨颗粒是胶状二氧化硅，研磨颗粒的直径为35～90nm，在其他实施例中，所述研磨颗粒还可以使用碳化硅、氮化硅、氧化铝或二氧化铈等；所述清洗剂包括氢氧化铵或氢氧化四烃基铵，呈碱性，所述清洗剂占所述碱性试剂的质量百分比能够用于调节所述碱性试剂的PH值，在本实施例中，所述碱性试剂的PH值在8-10之间；所述螯合剂包括柠檬酸铵或草酸铵；所述防腐蚀化合物包括乙酰氨基酚或甲氧苯酚；所述表面活性剂所含的成分为聚氧乙烯或聚丙烯。
另外，当该化学机械研磨方法是针对Cu(铜)进行研磨时，上述碱性试剂中还可以包括H2O2(双氧水)，所述H2O2占所述碱性试剂的质量百分比为0.3％～1％，H2O2可以作为Cu的去除速度促进剂。
参考图6所示的是本发明所述的化学机械研磨方法去除晶圆表面有机物残渣的效果对比图。经过实践表明，其中如图(a)所示是现有技术中只通过后续工艺中的清洗装置去除晶圆表面残留的有机物残渣的效果图；如图(b)所示的是本实施例中在使用清洗装置对所述晶圆表面记性清洗之前先通过碱性试剂来去除晶圆表面上残留的有机物残渣的效果图。通过对比可以看出，通过使用碱性试剂可以更有效地去除晶圆表面上残留的有机物残渣，而剩余的有机物残渣的清除可以通过后续工艺中的去离子水装置来对所述晶圆进行清洗，与现有技术相比，可以更有效地去除残留在晶圆表面上的有机物残渣。
进一步地，在所述使用碱性试剂去除介质层102表面的有机物残渣的过程中，设定研磨头对所述晶圆的压力比主研磨工艺时更小，这样可以有效地防止晶圆表面残留的研磨液颗粒对晶圆表面的磨损。具体地，在所述主研磨工艺时，所述研磨头的压力通常在0.85磅/平方英寸(Pounds per square inch，psi)-1.8磅/平方英寸之间，而在使用所述碱性试剂去除介质层表面的有机物残渣时，所述研磨头的压力设定在0.5磅/平方英寸-0.7磅/平方英寸之间。
综上所述，本发明主要通过在完成对所述晶圆的主研磨过程后，使用碱性试剂来去除介质层表面上残留的有机物残渣，最后再通过清洗装置对晶圆进行清洗。与现有技术中相比，本发明提供的方法可以更有效、更彻底地达到去除有机物残渣的效果。另一方面，在使用所述碱性试剂清洗所述介质层表面时，设定研磨头对晶圆的压力比主研磨工艺时更小，这样可以有效地防止晶圆表面残留的研磨液颗粒对晶圆表面的磨损。
需要说明的是，本实施例是以形成双镶嵌结构为例来描述本发明所述的化学机械研磨方法，在实际应用中，本发明所提供的化学机械研磨方法还可以应用于半导体工艺中其他结构的化学机械研磨中：例如，导电插塞结构，浅槽隔离结构、金属布线等工艺，在此不予赘述，凡对介质层的研磨均可采用本实施例的化学机械研磨方法。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (15)

1.一种化学机械研磨方法，包括如下步骤：
提供形成有介质层的半导体衬底；
对介质层进行第一次研磨，所述第一次研磨后在介质层表面产生有机物残留；
用碱性试剂对介质层进行第二次研磨，去除介质层表面的有机物残留。
2.根据权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述碱性试剂包括研磨颗粒、清洗剂、螯合剂、防腐蚀化合物以及表面活性剂。
3.根据权利要求2所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述研磨颗粒占所述碱性试剂的质量百分比为1％-15％、所述清洗剂占所述碱性试剂的质量百分比为0.1％-5％、所述螯合剂占所述碱性试剂的质量百分比为0.01％-2％、所述防腐蚀化合物占所述碱性试剂的质量百分比为0.01％-2％、所述表面活性剂占所述碱性试剂的质量百分比为0.01％-1％。
4.根据权利要求2所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述研磨颗粒是胶状二氧化硅或碳化硅或氮化硅或氧化铝或二氧化铈，所述研磨颗粒的直径为35～90nm。
5.根据权利要求2所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述清洗剂所含成分为氢氧化铵或氢氧化四烃基铵。
6.根据权利要求2所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述螯合剂所含成分为柠檬酸铵或草酸铵。
7.根据权利要求2所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述防腐蚀化合物的成分为乙酰氨基酚或甲氧苯酚。
8.根据权利要求2所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述表面活性剂所含的成分为聚氧乙烯或聚丙烯。
9.根据权利要求2所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述碱性试剂的PH值在8-10之间。
10.根据权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述第一次研磨时，研磨头的压力在0.85psi到1.8psi之间。
11.根据权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述第二次研磨时，研磨头的压力在0.5psi到0.7psi之间。
12.根据权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述介质层是低K介质层。
13.根据权利要求12所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述低K介质层的介电常数K小于3。
14.根据权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，所述第一次研磨采用的是氧化物研磨液。
15.根据权利要求1所述的化学机械研磨方法，其特征在于，在用碱性试剂介质层进行第二次研磨的步骤后还包括如下步骤：
使用去离子水对研磨垫进行清洗；
使用去离子水对所述晶圆进行清洗。
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