CN107914213A - 一种化学机械研磨方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种化学机械研磨方法。所述方法包括：提供半导体晶圆；在研磨台上对所述半导体晶圆执行第一化学机械研磨，其中，晶圆的转动方向、研磨垫修整器的转动方向以及研磨台承载研磨垫的转动方向不完全相同。通过控制研磨台上各部件转动方向的不完全相同，有效的减少研磨时间，降低研磨压力，以及研磨垫修整器的相应转速，压力和时间。从而有效提高研磨速率，增加产率；增加研磨垫，研磨头，研磨浆料利用率和生命周期，减少生产成本。同时还能有效清理研磨垫表面的研磨液副产物，减少了相应的刮伤等产品缺陷。

Description

一种化学机械研磨方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，具体而言涉及一种化学机械研磨方法。

背景技术

随着集成电路制造过程中特征尺寸的缩小和金属互联的增加，对晶圆表面平整度的要求也越来越高。化学机械研磨(CMP)是将机械研磨和化学腐蚀结合的技术，是目前最有效的晶圆平坦化方法。化学机械研磨采用旋转的研磨头夹持住晶圆，并将其以一定压力压在旋转的研磨垫上，通过研磨浆料的作用，使晶圆表面在化学和机械的共同作用下实现平坦化。

如何在化学机械研磨中，提高研磨速率，增加研磨垫，研磨头和研磨浆料利用率和生命周期，减少生产成本，降低研磨浆料残留提高化学机械研磨的产率和品质是半导体制造厂商所长期关心与重视的问题。

发明内容

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为了提升化学机械研磨的研磨速率，增加研磨垫，研磨头和研磨浆料利用率和生命周期，减少生产成本，增加产率，本发明提供了一种化学机械研磨方法，所述方法包括：

提供半导体晶圆；在研磨台上对所述半导体晶圆执行第一化学机械研磨，其中，晶圆的转动方向、研磨垫修整器的转动方向以及研磨台承载研磨垫的转动方向不完全相同。

可选的，所述研磨垫修整器转动方向与晶圆的转动方向相同，研磨台承载研磨垫以相反的方向转动。

可选的，所述晶圆转动速度设定范围为45～50rpm/min。

可选的，所述晶圆转动时还会受到研磨头对其施加的一个向下的压力，压力设定范围为4～4.5psi。

可选的，所述研磨垫修整器转动速度设定范围为20～25rpm/min。

可选的，所述研磨垫修整器压力设定范围为4.5～4.65psi，控制时间设定范围为30～35sec。

可选的，所述研磨台承载研磨垫转动的速度设定范围为65～70rpm/min。

可选的，所述研磨浆料配送器配送研磨浆料流速设定范围为160～165ml/min。

可选的，研磨台承载研磨垫的转动方向与晶圆的转动方向不同，研磨垫修整器的转动方向分两个阶段控制：第一阶段控制研磨垫修整器与研磨台承载研磨垫的转动方向相同，第二阶段控制研磨垫修整器与晶圆的转动方向相同。

可选的，所述晶圆的转动速度设定范围为40～45rpm/min。

可选的，所述晶圆转动时还会受到研磨头对其施加的一个向下的压力，压力设定范围为4～4.25psi。

可选的，所述研磨台承载研磨垫的转动速度设定范围为60～65rpm/min。

可选的，所述研磨垫修整器的转动方向分两个阶段控制，第一阶段控制研磨垫修整器与研磨台承载研磨垫的转动方向相同时，转动速度设定范围为30～35rpm/min，压力设定范围为4.85～5.15psi，控制时间设定范围为10～15sec。

可选的，所述研磨垫修整器的转动方向分两个阶段控制，第二阶段控制研磨垫修整器与晶圆的转动方向相同时，转动速度设定范围为20～22rpm/min，压力设定范围为4～4.25psi，控制时间设定范围为10～15sec。

可选的，所述研磨浆料配送器配送研磨浆料流速设定范围为160～165ml/min。

综上所述，根据本发明所描述的化学机械研磨方法，在化学机械研磨工艺中，通过控制研磨平台上各部件转向，即控制待研磨晶圆的转动方向、研磨台承载研磨垫的转动方向以及研磨垫修整器的转动方向的不完全相同，有效的减少研磨时间，降低研磨压力，以及研磨垫修整器的相应转速，压力和时间。从而有效提高研磨速率，增加产率；增加研磨垫，研磨头，研磨浆料利用率和生命周期，减少生产成本。同时还能有效清理研磨垫表面的研磨液副产物，减少了相应的刮伤等产品缺陷。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。

附图中：

图1为现有技术中涉及化学机械研磨中研磨装置各部件运转示意图；

图2为本发明的两个实施例中半导体器件的制造过程中涉及的化学机械研磨工艺的示意性流程图；

图3A～3C为本发明两个实施例中半导体器件在制造过程中涉及的化学机械研磨的相关步骤中形成的结构的剖视图；

图4为本发明的一个实施例中涉及化学机械研磨中研磨装置各部件运转示意图；

图5为本发明的另一个实施例中涉及化学机械研磨中研磨装置各部件运转示意图。

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的描述，以说明本发明所述化学机械研磨方法。显然，本发明的施行并不限于半导体领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。

应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本发明的示例性实施例。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组合。

现在，将参照附图更详细地描述根据本发明的示例性实施例。然而，这些示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本发明的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施例的构思充分传达给本领域普通技术人员。在附图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的元件，因而将省略对它们的描述。

下面将以铜镶嵌结构的研磨为具体实施例来解释本发明所涉及的原理。实施例以铜镶嵌结构的研磨为示例，其并不是要对本发明的技术方案进行限定，显然本发明的技术方案还可以应用于其它需要进行化学机械研磨的工艺中。

在双金属镶嵌的铜金属化工艺中，使用化学机械研磨移除大量的铜和钽阻挡层已经成为半导体器件制造方法中不可缺少的关键步骤。在铜金属的化学机械研磨工艺中，一般采用两步研磨的方法：第一步主要移除大量的铜层，第二步研磨中采用具有很低的铜移除效率的研磨浆料移除钽阻挡层。采取两步研磨方法可有效防止仅采用一步研磨时研磨过度造成铜损失引起铜蝶化及氧化物腐蚀效应。第一步研磨是整个铜研磨过程中移除速率的主导步骤；使用第二步研磨之前，必须将所有的铜和第一步研磨的研磨浆从表面完全除去，因为铜金属的研磨过程中极易氧化，且第一步研磨的研磨浆料在表面的残留极易导致在凹槽拐角处沉积副产物从而产生巨大的擦伤缺陷。因此第一步研磨中浆料的移除，铜去除的速率是整个铜研磨过程的研磨质量和速率至关重要的影响因素。

现有技术中，采用传统的化学机械研磨设备，由研磨头，研磨垫，研磨垫修整器，以及配送研磨浆的研磨浆料配送器组成其基本部件，如图1所示，待研磨晶圆101置于研磨头102和研磨垫103之间，待研磨晶圆101的转动方向与研磨垫103的转动方向一致(如均采用逆时针方向旋转)，其中研磨垫承载于研磨台上随研磨台的转动而转动，研磨浆料配送器104配送研磨浆至研磨垫表面，研磨垫修整器105采用钻石涂覆的旋转盘，其转动方向与晶圆和研磨台承载研磨垫的转动方向一致。一个通用的实施方案：待研磨晶圆101以逆时针方向转动，转速设定范围50～60rpm/min(转每分钟)，同时晶圆101受到研磨头102对其施加一个向下的压力，压力设定范围5～6psi(磅每平方英寸，为本领域技术人员所熟知的单位)；研磨垫103承载于研磨台上随研磨台以逆时针方向转动，转动速度设定范围为100～110rpm/min；研磨垫修整器以逆时针方向转动，转动速度设定范围为30～35rpm/min，同时设定研磨垫修整器压力范围为4.85～5.15psi，控制研磨垫修整器运行时间40～45sec(秒)；研磨浆料配送器104配送研磨浆料流速140～150ml/min(毫升每分钟)。在上述设定下，进行第一研磨铜移除的化学机械研磨时间为100～110sec。

为了提升化学机械研磨的研磨速率，增加研磨垫，研磨头和研磨浆料利用率和生命周期，减少生产成本，增加产率，本发明提供一种化学机械研磨方法，所述方法包括：

提供半导体晶圆；在研磨台上对所述半导体晶圆执行第一化学机械研磨，其中，晶圆的转动方向、研磨垫修整器的转动方向以及研磨台承载研磨垫的转动方向不完全相同。

可选的，所述研磨垫修整器转动方向与晶圆的转动方向相同，研磨台承载研磨垫以相反的方向转动。

可选的，研磨台承载研磨垫的转动方向与晶圆的转动方向不同，研磨垫修整器的转动方向分两个阶段控制：第一阶段控制研磨垫修整器与研磨台承载研磨垫的转动方向相同，第二阶段控制研磨垫修整器与晶圆的转动方向相同。

根据本发明所描述的化学机械研磨方法，通过控制晶圆转动方向，研磨台承载研磨垫的转动方向以及研磨垫修整器的转动方向的不完全相同，有效的减少研磨时间，降低研磨压力，以及研磨垫修整器的相应转速，压力和时间。从而有效提高研磨速率，增加产率；增加研磨垫，研磨头，研磨浆料利用率和生命周期，减少生产成本。同时还能有效清理研磨垫表面的研磨液副产物，减少了相应的刮伤等产品缺陷。具体实现方式详细描述参见下述实施例。

实施例一

参考图2，图3A～3C和图4来描述本发明的一个实施例提出的一种化学机械研磨方法，其中，图2为实施例中半导体器件的制造过程中涉及的化学机械研磨工艺的示意性流程图，图3A～3C为本发明的一个实施例的一种半导体器件在化学机械研磨过程中相关步骤形成的结构的剖视图，图4为本发明实施例涉及第一化学机械研磨中研磨装置各部件运转示意图。

执行步骤S1：提供半导体衬底(即半导体晶圆)，该半导体衬底上形成有待研磨的双金属镶嵌结构。

如图3A，示出了本发明一个实施例中的半导体衬底300以及依次形成于半导体衬底300上的双金属镶嵌结构。本实施例以铜镶嵌结构的研磨为示例，其并不是要对本发明的技术方案进行限定，显然本发明的技术方案还可以应用于其它需要进行化学机械研磨的工艺中。

所述半导体衬底可包括任何半导体材料，此半导体材料可包括但不限于：Si、SiC、SiGe、SiGeC、Ge合金、GeAs、InAs、InP、NDC(Nitrogen dopped Si1icon Carbite，氮掺杂的碳化硅)，以及其它Ⅲ-Ⅴ或Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体。在本发明的一个实施例中，半导体衬底300为Si材料。

所述双金属镶嵌结构制作历程，利用双大马士革工艺在半导体衬底300上形成金属互连结构301的沟槽的过程为本领域技术人员所熟习的各种适宜的工艺技术，在此不作赘述。

在所述金属互连结构301沟槽中形成有扩散阻挡层302和金属Cu层303，扩散阻挡层可以采用Ta、TaN或Ta和TaN组合，金属层和扩散阻挡层采用物理气相沉积工艺或者电镀工艺，或者本领域技术人员所熟悉的其他适宜的工艺技术，在此不做赘述。具体地，在本发明的一个实施例中扩散阻挡层302采用Ta和TaN的组合(Ta/TaN)。

执行步骤S2：执行第一化学机械研磨以去除所述镶嵌结构沟槽外的金属层，并停止于阻挡层，其中，晶圆的转动方向、研磨垫修整器的转动方向以及研磨台承载研磨垫的转动方向不同。

示例性的，所述研磨垫修整器转动方向与晶圆的转动方向相同，研磨台承载研磨垫以相反的方向转动。

示例性的，如图4所示，待研磨晶圆401以逆时针方向转动，研磨垫修整器405以逆时针方向转动，研磨台承载研磨垫403以顺时针方向转动。具体的，将待研磨晶圆401置于研磨头402和研磨垫403之间，待研磨晶圆401以逆时针方向转动，转动速度设定范围为45～50rpm/min，同时研磨头402对晶圆401产生一个向下的压力，压力设定范围为4～4.5psi；研磨垫修整器405以逆时针方向转动，转速设定范围为20～25rpm/min，同时研磨垫修整器的压力设定范围为4.5～4.65psi，控制研磨垫修整器修整研磨垫的时间设定范围为30～35sec；研磨台承载研磨垫403以顺时针方向旋转，转速设定范围为65～70rpm/min；研磨浆料配送器404配送研磨浆料流速设定范围为160～165ml/min。在上述设定下，进行第一步研磨铜移除的化学机械研磨时间为80～90sec。

该方法适用于第一研磨平台铜制程粗磨中，研磨台承载研磨垫以顺时针方向转动，转动方向与研磨垫修整器的转动以及研磨头控制晶圆的转动方向相反，可以降低研磨压力，增加铜金属层移除效率，有效的减少研磨时间；同时可以降低研磨垫修整器的相应转速，设定压力和控制时间。研磨时间的减少有效提高研磨速率，增加产率；通过对研磨垫修整器转速设定的减少，压力设定降低，有效增加研磨垫，研磨头，研磨浆料利用率和生命周期，减少生产成本。

如图3B所示，为该实施例的研磨去除沟槽之外的多余的铜后的晶圆的结构示意图，执行第一化学机械研磨，研磨除去所述晶圆的沟槽之外的多余的铜，并研磨终止于Ta/TaN扩散阻挡层302。

步骤S3：执行第二化学机械研磨以去除所述沟槽外的扩散阻挡层，并停止于所述双金属镶嵌结构硬掩膜层。

如图3C所示，为该实施例的研磨去除沟槽之外的Ta/TaN扩散阻挡层302后的晶圆的结构示意图，该步骤按照常规的形成铜互连结构的方法中的第二步研磨除去扩散阻挡层的工序进行即可，在此不作赘述。

实施例二

图2，图3A～3C和图5示出了本发明的另一个实施例提出的一种化学机械研磨方法，其中，图2为实施例中半导体器件的制造过程中涉及的化学机械研磨工艺的示意性流程图，图3A～3C为本发明的一个实施例的一种半导体器件在化学机械研磨过程中相关步骤形成的结构的剖视图，图5为本发明实施例涉及第一化学机械研磨中研磨装置各部件运转示意图。

本实施例与实施例一给出的实施方式基本相同，均包括以下步骤：S1：提供半导体衬底(即半导体晶圆)，该半导体衬底上形成有待研磨的双金属镶嵌结构(参见图3A)；S2：执行第一化学机械研磨以去除所述镶嵌结构沟槽外的金属层，并停止于阻挡层，其中，晶圆的转动方向、研磨垫修整器的转动方向以及研磨台承载研磨垫的转动方向不同(参见图3B)；S3：执行第二化学机械研磨以去除所述沟槽外的扩散阻挡层，并停止于所述金属硬掩膜层(参见图3C)。两者的不同之处在于，本实施例在执行S2步骤中，在执行第一化学机械研磨以去除所述镶嵌结构沟槽外的金属层，并停止于阻挡层时，控制晶圆的转动方向、研磨垫修整器的转动方向以及研磨台承载研磨垫的转动方向的不同与实施例一的控制方式不同；在本实施例中，研磨台承载研磨垫的转动方向与晶圆的转动方向不同，研磨垫修整器的转动方向分两个阶段控制：第一阶段控制研磨垫修整器与研磨台承载研磨垫的转动方向相同，第二阶段控制研磨垫修整器与晶圆的转动方向相同。为了简洁，对于与实施例一(图2，图3A～3C和图4示出的实施方式)示出的相同的步骤，将省略具体描述，本领域的技术人员参见图5并结合上面的描述能够理解相同的步骤的具体操作方式。因此，下文仅对不同的步骤S2进行详细描述。

执行步骤S2：执行第一化学机械研磨以去除所述镶嵌结构沟槽外的金属层，并停止于阻挡层，其中，晶圆的转动方向、研磨垫修整器的转动方向以及研磨台承载研磨垫的转动方向不同。

示例性的，所述研磨台承载研磨垫的转动方向与晶圆的转动方向不同，研磨垫修整器的转动方向分两个阶段控制：第一阶段控制研磨垫修整器与研磨台承载研磨垫的转动方向相同，第二阶段控制研磨垫修整器与研磨头的转动方向相同。

示例性的，如图5所示，研磨台承载研磨垫503以逆时针方向转动；待研磨晶圆501以顺时针方向转动；研磨垫修整器505先以逆时针方向与研磨台承载研磨垫同向转动，后以顺时针方向与待磨晶圆同向转动。具体的，将待研磨晶圆501置于研磨头502和研磨垫503之间，待研磨晶圆501以逆时针方向转动，转速设定为40～45rpm/min，同时研磨头502对晶圆501产生一个向下的压力，压力设定范围为4～4.25psi；研磨垫503承载于研磨台上随研磨台以顺时针方向转动，转速设定范围为60～65rpm/min；研磨浆料配送器504配送研磨浆料流速设定范围为160～165ml/min；第一阶段控制研磨垫修整器505先以逆时针方向与研磨台承载研磨垫同向转动，转速设定范围为30～35rpm/min，压力设定范围为4.85～5.15psi，控制时间设定范围为10～15sec；第二阶段控制研磨垫修整器505以顺时针方向与待磨晶圆同向转动，转速设定范围为20～22rpm/min，压力设定范围为4～4.25psi，控制时间设定范围为10～15sec。在上述设定下，进行第一研磨铜移除的化学机械研磨时间为75～80sec。

该方法适用于第一研磨平台铜制程粗磨中，与实施例一(图5示出)相比，控制研磨垫修整器的转动方向与研磨台承载研磨垫的转动方向以及研磨头控制晶圆的转动方向相反，可以进一步降低研磨压力，增加铜金属层移除效率，进一步减少研磨时间；同时可以降低研磨垫修整器的相应转速，设定压力和控制时间。通过设定研磨垫修整器的转动分两个阶段完成，还能有效清理研磨垫表面的研磨液副产物，减少相应的刮伤等产品缺陷。

研磨时间的减少有效提升研磨速率，增加产率；通过对研磨垫修整器转速设定的减少，压力设定降低，有效增加研磨垫，研磨头，研磨浆料利用率和生命周期，减少生产成本。

综上所述，根据本发明的化学机械研磨方法，在铜研磨工艺中，通过控制第一化学机械研磨平台上各部件转向，即控制待研磨晶圆的转动方向、研磨台承载研磨垫的转动方向以及研磨垫修整器的转动方向的不完全相同，有效的减少研磨时间，降低研磨压力，以及研磨垫修整器的相应转速，压力和时间。从而有效提研磨速率，增加产率；增加研磨垫，研磨头，研磨浆料利用率和生命周期，减少生产成本。同时还能有效清理研磨垫表面的研磨液副产物，减少了相应的刮伤等产品缺陷。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (15)

1.一种化学机械研磨方法，其特征在于，所述方法包括：

提供半导体晶圆；

在研磨台上对所述半导体晶圆执行第一化学机械研磨，其中，晶圆的转动方向、研磨垫修整器的转动方向以及研磨台承载研磨垫的转动方向不完全相同。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，研磨垫修整器的转动方向与晶圆的转动方向相同，研磨台承载研磨垫以相反的方向转动。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述晶圆转动速度设定范围为45～50rpm/min。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述晶圆转动时还会受到研磨头对其施加的一个向下的压力，压力设定范围为4～4.5psi。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，研磨垫修整器转动速度设定范围为20～25rpm/min。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述研磨垫修整器压力设定范围为4.5～4.65psi，控制时间设定范围为30～35sec。

7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述研磨台承载研磨垫转动的转动速度设定范围为65～70rpm/min。

8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述研磨浆料配送器配送研磨浆料流速设定范围为160～165ml/min。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，研磨台承载研磨垫的转动方向与晶圆的转动方向不同，研磨垫修整器的转动方向分两个阶段控制：第一阶段控制研磨垫修整器与研磨台承载研磨垫的转动方向相同，第二阶段控制研磨垫修整器与晶圆的转动方向相同。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述晶圆的转动速度设定范围为40～45rpm/min。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述晶圆转动时还会受到研磨头对其施加的一个向下的压力，压力设定范围为4～4.25psi。

12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述研磨台承载研磨垫的转动速度设定范围为60～65rpm/min。

13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述研磨垫修整器的转动方向分两个阶段控制，第一阶段控制研磨垫修整器与研磨台承载研磨垫的转动方向相同时，转动速度设定范围为30～35rpm/min，压力设定范围为4.85～5.15psi，控制时间设定范围为10～15sec。

14.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述研磨垫修整器的转动方向分两个阶段控制，第二阶段控制研磨垫修整器与晶圆转动方向相同时，转动速度设定范围为20～22rpm/min，压力设定范围为4～4.25psi，控制时间设定范围为10～15sec。

15.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述研磨浆料配送器配送研磨浆料流速设定范围为160～165ml/min。