一種化學機械研磨方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于半導體制造領域，涉及一種化學機械研磨方法。
【背景技術】
[0002]化學機械研磨技術綜合了化學研磨和機械研磨的優勢。單純的化學研磨，表面精度較高，損傷低，完整性好，不容易出現表面/亞表面損傷，但是研磨速率較慢，材料去除效率較低，不能修正表面型面精度，研磨一致性比較差；單純的機械研磨，研磨一致性好，表面平整度高，研磨效率高，但是容易出現表面層/亞表面層損傷，表面粗糙度值比較低。化學機械研磨吸收了兩者各自的優點，可以在保證材料去除效率的同時，獲得較完美的表面，得到的平整度比單純使用這兩種研磨要高出1-2個數量級，并且可以實現納米級到原子級的表面粗糙度。
[0003]在半導體制造工藝中，刮傷缺陷是金屬銅層化學機械研磨過程中出現的一個嚴重問題，對于超厚金屬的化學機械研磨，該問題尤為嚴重。可能的原因是晶片經過長時間的研磨，導致研磨面溫度升高并使副產品堆積，從而導致刮傷缺陷。在集成電路制造中，由于各種應用，經常遇到沉積超厚金屬(Ultra Thick Metal,UTM)的情況。如在形成銅互連時，需要在溝槽中沉積金屬銅，沉積完畢后，溝槽外或介質層上的金屬銅層的厚度可達3.5微米，甚至更厚，這部分金屬銅層需要經過化學機械研磨去除，從而導致嚴重的刮傷缺陷問題，使器件的可靠性降低。
[0004]現有技術中，為了改善超厚金屬(UTM)化學機械研磨過程中的刮傷缺陷問題，采用兩步拋光方法。以去除溝槽外金屬銅層及擴散阻擋層為例，首先通過第一步研磨去除部分金屬銅層，然后通過第二步研磨去除剩余的金屬銅層、擴散阻擋層及部分層間介質層。其中，第一步研磨中依次經過第一研磨臺板Pl高壓研磨、第二研磨臺板P2高壓研磨及清洗槽中清洗，第二步研磨中依次經過第一研磨臺板Pl高壓研磨、第二研磨臺板P2高壓研磨、第三研磨臺板P3研磨及清洗槽中清洗。顯然，用該方法可以改善刮傷缺陷問題，但是由于需要將晶片二次放入第一研磨臺板和第二研磨臺板，并二次放入清洗槽清洗，從而增加了晶片在各研磨臺板及清洗槽之間的流轉時間，從而降低了產能，同時，消費成本(cost ofconsumable, COO)及持有成本(cost of ownership, COO)也升高。
[0005]因此，提出一種新的化學機械研磨方法以解決超厚金屬化學機械研磨過程中的刮傷缺陷問題，同時不降低產能，并減少消費成本和持有成本實屬必要。
【發明內容】
[0006]鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種化學機械研磨方法，用于解決現有技術中的化學機械研磨方法容易導致大量刮傷缺陷使得良率降低，且現有方法導致產能下降、成本升高的問題。
[0007]為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種化學機械研磨方法，至少包括以下步驟:
[0008]S1:提供待研磨晶片，所述待研磨晶片包括介質層及形成于所述介質層中的溝槽，所述溝槽中填充有導電金屬層，其中，所述導電金屬層覆蓋所述溝槽外的介質層，所述導電金屬層與所述介質層之間還形成有擴散阻擋層；
[0009]S2:采用第一研磨臺板依次在第一壓力、第二壓力下對所述待研磨晶片進行研磨，其中，所述第一壓力小于第二壓力；然后采用高壓冷水降溫并去除研磨副產物；接著繼續采用所述第一研磨臺板在第一壓力下對所述待研磨晶片進行研磨；
[0010]S3:采用第二研磨臺板在第一壓力下對所述待研磨晶片進行研磨；
[0011]S4:采用第三研磨臺板對所述待研磨晶片進行研磨以去除溝槽外多余的擴散阻擋層并修復刮傷缺陷；所述第三研磨臺板的硬度小于所述第一研磨臺板及第二研磨臺板的硬度；
[0012]S5:將研磨完畢的待研磨晶片放入清洗裝置中進行清洗。
[0013]可選地，所述第一壓力范圍是0.8?1.3psi ;所述第二壓力范圍是1.3?2.5psi。
[0014]可選地，所述高壓冷卻水的壓力大于IMPa，溫度小于25°C。
[0015]可選地，采用所述第一研磨臺板在所述第二壓力下對所述待研磨晶片進行研磨的時間小于120秒。
[0016]可選地，所述第一研磨臺板上設有厚度探測器，以探測剩余的導電金屬層厚度；當探測到剩余的導電金屬層厚度符合預設厚度范圍時，停止研磨。
[0017]可選地，經過所述步驟S2的研磨之后，所述介質層上最終剩余的導電金屬層厚度小于0.3微米。
[0018]可選地，所述第二研磨臺板上設有界面探測器，以實時探測研磨面是否到達或接近所述導電金屬層與所述擴散阻擋層的界面；當研磨面到達所述界面，或所述研磨面與所述界面之間的距離小于預設值時，停止研磨。
[0019]可選地，經過所述步驟S3的研磨之后，所述溝槽外剩余的導電金屬層被去除。
[0020]可選地，經過所述步驟S4的研磨之后，所述擴散阻擋層及部分所述介質層被去除。
[0021]可選地，于所述步驟S5中，將研磨后的晶片放入清洗槽中進行清洗。
[0022]可選地，所述導電金屬層的材料包括Cu、Al或W。
[0023]可選地，于所述步驟SI中提供的待研磨晶片中，所述溝槽外的導電金屬層厚度大于3.5微米。
[0024]如上所述，本發明的化學機械研磨方法，具有以下有益效果:本發明依次使用第一研磨臺板、第二研磨臺板及第三研磨對待研磨晶片進行研磨并最終進行清洗，從而去除溝槽外多余的導電金屬層、擴散阻擋層及少量介質層。由于晶片依次通過第一研磨臺板、第二研磨臺板、第三研磨臺板及清洗裝置即研磨完畢，晶片無需在不同研磨臺板及清洗裝置之間往復流轉，從而實現一步法完成化學機械研磨，顯著減少化學機械研磨制程時間，使得產能提高、成本降低。同時，本發明的化學機械研磨方法在使用第一研磨臺板對晶片進行研磨時，首先采用低壓研磨，然后采用高壓研磨，并采用高壓冷卻水降低研磨臺板及晶片溫度、去除研磨副產物，最后再采用低壓進行研磨；該過程可以去除溝槽外的大部分的導電金屬層，且顯著減少晶片刮傷缺陷；后續再使用第二研磨臺板進一步去除溝槽外剩余的多余導電金屬層，使用硬度較低的第三研磨臺板去除擴散阻擋層及部分介質層，由于第三研磨臺板較軟，可以進一步修復刮傷缺陷，得到高質量的研磨表面。本發明不僅可以減少化學機械研磨導致的刮傷缺陷，獲得高質量研磨表面，提高產品良率，同時簡化工藝步驟，實現一步法完成化學機械研磨，從而提高產能，降低消費成本和持有成本。
【附圖說明】
[0025]圖1顯示為本發明的化學機械研磨方法的工藝流程示意圖。
[0026]圖2顯示為待研磨晶片的剖面結構示意圖。
[0027]圖3顯示為本發明的化學機械研磨方法的一個具體實施流程圖。
[0028]元件標號說明
[0029]SI ?S5步驟
[0030]T1, T2, T3停止研磨位置
[0031]I介質層
[0032]2擴散阻擋層
[0033]3導電金屬層
【具體實施方式】
[0034]以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。本發明還可以通過另外不同的【具體實施方式】加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。
[0035]請參閱圖1至圖3。需要說明的是，本實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，遂圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪制，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為復雜。
[0036]本發明提供一種化學機械研磨方法，請參閱圖1，顯示為該方法的工藝流程圖，至少包括以下步驟:
[0037]步驟S1:提供待研磨晶片，所述待研磨晶片包括介質層及形成于所述介質層中的溝槽，所述溝槽中填充有導電金屬層，其中，所述導電金屬層覆蓋所述溝槽外的介質層，所述導電金屬層與所述介質層之間還形成有擴散阻擋層；
[0038]步驟S2:采用第一研磨臺板依次在第一壓力、第二壓力下對所述待研磨晶片進行研磨，其中，所述第一壓力小于第二壓力；然后采用高壓冷水降溫并去除研磨副產物；接著繼續采用所述第一研磨臺板在第一壓力下對所述待研磨晶片進行研磨；
[0039]步驟S3:采用第二研磨臺板在第一壓力下對所述待研磨晶片進行研磨；
[0040]步驟S4:采用第三研磨臺板對所述待研磨晶片進行研磨以去除溝槽外多余的擴散阻擋層并修復刮傷缺陷；所述第三研磨臺板的硬度小于所述第一研磨臺板及第二研磨臺板的硬度；
[0041]步驟S5:將研磨完畢的待研磨晶片放入清洗裝置中進行清洗。
[0042]首先執行步驟S1:提供待研磨晶片，圖2顯示為所述待研磨晶片的剖面結構示意圖，如圖所示，所述待研磨晶片包括介質層I及形成于所述介質層I中的溝槽，所述溝槽中填充有導電金屬層3，其中，所述導電金屬層3覆蓋所述溝槽外的介質層I，所述導電金屬層3與所述介質層I之間還形成有擴散阻擋層2。
[0043]在金屬互連線的布線工藝中，現普遍采用雙大馬士革結構工藝:先在介質層中開出互連溝槽和通孔，然后通過電鍍或化學鍍銅在互連溝槽和通孔中淀積導電金屬，再利用化學機械研磨(CMP)將過填的導電金屬磨去。需要指出的是，為了圖示的方便，圖2中僅示出了溝槽而未示出其下的通孔，此外，所述介質層I下方還可包括器件層及下一層互連結構等，此處不應過分限制本發明的保護范圍。
[0044]具體的，所述導電金屬層3的材料包括Cu、Al或W等電的良導體，本實施例中，所述導電金屬層3以Cu為例。所述介質層I作為層間介質層，其材料可以為二氧化硅或低k介質。所述擴散阻擋層2可以為但不限于Ta/TaN雙層結構，其作用是增強所述導電金屬層3與所述介質層I之間的粘附力并防止所述導電金屬層3擴散。所述介質層I上表面與所述擴散阻擋層2之間還可以具有其它介質層，如S1N等，其作為光刻時定義圖案的抗反射層及刻蝕通孔時確定通孔高度的阻擋層，可以在后續步驟中與溝槽外多余的金屬層一起去除。
[0045]本發明的化學機械研磨方法適用于溝槽外多余的金屬層、介質層等的去除，對于超厚金屬(Ultra-Thick Metal, UTM)的去除，本發明的優勢更為明顯，作為示例，所述待研磨晶片中，所述溝槽外的導電金屬層3的厚度大于3.5微米，當然，在其它實施例中，所述溝槽外的導電金屬層3的厚度可以小于3.5微米。