專利名稱：化學機械研磨的方法和金屬互連層的形成方法
技術領域：
本發明涉及半導體制造技術領域，特別涉及一種化學機械研磨的方法和金屬互連 層的形成方法。
背景技術：
隨著對超大規模集成電路高集成度和高性能的需求逐漸增加，半導體技術向著 65nm甚至更小特征尺寸的技術節點發展，而芯片的運算速度明顯受到金屬導線所造成的電 阻電容延遲(Resistance Capacitance Delay Time,RC Delay Time)的影響。因此在目前 的半導體制造技術中，采用具有更低電阻率的銅金屬互連，來代替傳統的鋁金屬互連，以改 善RC延遲的現象。
由于銅具有低電阻率的特性，以銅為互連線的器件可承受更密集的電路排列，降 低生產成本，更可提升芯片的運算速度。此外，銅還具有優良的抗電遷移能力，使器件的壽 命更長及穩定性更佳等優點。
在先進的半導體制造工藝中，銅金屬互連層采用雙鑲嵌工藝制作，例如，專利號為 200610116880.4的中國發明專利公開了一種雙鑲嵌結構的形成方法，包括提供一表面至 少具有一導電區域的晶片；在所述晶片上形成一刻蝕停止層；在所述晶片上形成一層間介 電層；利用光刻膠對所述層間介電層進行通孔的圖形化處理及刻蝕處理，形成通孔；在所 述通孔內填充光刻膠犧牲層；進行加熱處理；去除所述光刻膠犧牲層；利用光刻膠對所述 層間介電層進行溝槽的圖形化處理，并刻蝕形成溝槽，且所述溝槽下方至少有一個所述通 孔；在所述溝槽和所述通孔中填充導電材料；對所述導電材料進行研磨處理，形成雙鑲嵌 結構。
上述金屬互連層的形成方法中，對溝槽和通孔中填充的導電材料進行研磨處理通 常采用化學機械研磨(Chemical Mechanical Polishing，CMP)工藝，以將晶片表面磨平，去 除溝槽和通孔外多余的導電材料(例如銅金屬)。
然而問題在于，在實際的生產過程中，上述化學機械研磨工藝之后，在晶片表面常 會出現凹坑或斑點等缺陷，如圖1所示，晶片1表面上這些凹坑或斑點缺陷2將可能引起金 屬互連層短路等一系列問題，從而影響集成電路的可靠性。發明內容
本發明解決的問題是如何消除或減少化學機械研磨工藝之后的晶片表面的缺陷。
為解決上述問題，本發明提供一種化學機械研磨的方法，包括
提供晶片，所述晶片表面具有金屬層；
減少去離子水噴霧與所述晶片表面發生的反應；
對所述晶片表面進行研磨，以去除所述金屬層的多余部分。
可選的，所述減少去離子水噴霧與晶片表面發生的反應，具體包括
將所述晶片置入CMP設備的準備平臺內；
將去離子水噴霧設為關閉狀態；
吸附所述晶片背面并將晶片轉移至研磨平臺。
可選的，所述減少去離子水噴霧與晶片表面發生的反應，具體包括
將所述晶片置入CMP設備的準備平臺內；
采用摻有抗反應劑的去離子水對所述晶片背面進行噴霧處理；
吸附所述晶片背面并將晶片轉移至研磨平臺。
所述噴霧處理采用較小的壓力。
所述減少去離子水噴霧與晶片表面發生的反應，具體包括
將所述晶片置入CMP設備的準備平臺內；
采用去離子水對所述晶片背面進行減小壓力的噴霧處理；
吸附所述晶片背面并將晶片轉移至研磨平臺。
所述抗反應劑包括銅緩蝕劑。
相應的，還提供一種金屬互連層的形成方法，包括以下步驟
提供晶片，所述晶片表面內具有介質層和所述介質層中的開口，
在所述開口內填充金屬層，所述金屬層將晶片表面覆蓋，
對所述晶片表面進行化學機械研磨，以去除所述開口外的金屬層；其中，
所述化學機械研磨之前，還包括減少去離子水噴霧與所述晶片表面發生的反應。
所述開口包括溝槽、通孔或雙鑲嵌開口中的一種或至少兩種的組合。
可選的，所述減少去離子水噴霧與晶片表面發生的反應，具體包括
將所述晶片置入CMP設備的準備平臺內；
將去離子水噴霧設為關閉狀態；
吸附所述晶片背面并將晶片轉移至研磨平臺。
可選的，所述減少去離子水噴霧與晶片表面發生的反應，具體包括
將所述晶片置入CMP設備的準備平臺內；
采用摻有抗反應劑的去離子水對所述晶片背面進行噴霧處理；
吸附所述晶片背面并將晶片轉移至研磨平臺。
與現有技術相比，上述技術方案具有以下優點
所述化學機械研磨方法和金屬互連層的形成方法，在對晶片表面進行研磨之前， 由于采取了減少去離子水噴霧與所述晶片表面發生的反應的步驟，所述晶片被置入CMP設 備的準備平臺后，將去離子水噴霧設為關閉狀態，或者，采用摻有抗反應劑的去離子水對所 述晶片表面進行噴霧處理，從而能夠避免去離子水沾染在晶片表面的金屬層上，防止因去 離子水與金屬層反應而生成氧化物，因此，基本上可以消除CMP工藝之后晶片表面的凹坑 或斑點等缺陷，保證集成電路的可靠性。
通過附圖所示，本發明的上述及其它目的、特征和優勢將更加清晰。在全部附圖中 相同的附圖標記指示相同的部分。并未刻意按實際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點在于示 出本發明的主旨。
圖1為實際生產過程中晶片表面缺陷的示意圖2為本發明實施例中化學機械研磨設備的示意圖3為本發明實施例中化學機械研磨的方法的流程圖4-圖6為本發明實施例中化學機械研磨方法的示意圖7為本發明實施例中金屬互連層的形成方法的流程圖。
具體實施方式
為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明 的具體實施方式
做詳細的說明。
在下面的描述中闡述了很多具體細節以便于充分理解本發明，但是本發明還可以 采用其他不同于在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的 情況下做類似推廣，因此本發明不受下面公開的具體實施例的限制。
其次，本發明結合示意圖進行詳細描述，在詳述本發明實施例時，為便于說明，表 示器件結構的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應 限制本發明保護的范圍。此外，在實際制作中應包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。
需要聲明的是，本文所述晶片的“表面”如果沒有特別說明均指晶片的正面，即用 于進行沉積、CMP、刻蝕等半導體加工工藝以形成集成電路器件的表面，而晶片的“背面”是 指與上述“表面”的相背的面。通常，晶片的表面經過精細的拋光加工，而背面沒有經過拋 光，但是12英寸晶片的表面和背面具經過拋光。
正如背景技術中所述的那樣，在先進集成電路制造過程中，形成金屬互連層采用 雙鑲嵌工藝，其中，采用化學機械研磨對溝槽和通孔組成的雙鑲嵌結構內填充的金屬進行 研磨處理，以將晶片表面磨平，去除溝槽和通孔外多余的金屬。
然而問題在于，在實際的生產過程中，化學機械研磨工藝后，在晶片表面常會出現 凹坑或斑點等缺陷，這些凹坑或斑點缺陷將可能引起金屬互連層短路等一系列問題，從而 影響集成電路的可靠性。
業內技術人員一直以來都受到上述問題的困擾，發明人為解決該問題進行了深入 研究，終于發現CMP工藝中的去離子水噴霧是引發晶片表面缺陷的本質原因。以下詳細說 明問題的來源。
圖2為一種化學機械研磨設備的示意圖，如圖所示，在CMP機臺10中包括四個處 理平臺11、12、13和14，其中第一處理平臺11為準備平臺，用于放置將要進行CMP工藝的晶 片100，而第二處理平臺12、第三處理平臺13和第四處理平臺14分別用于進行CMP工藝的 三步平坦化階段。而實際的多晶片連續生產過程中，晶片100需要在各個處理平臺之間轉 移，以便依次進行三步平坦化階段。在轉移過程中晶片100的背面被機械臂15的真空吸盤 吸附而固定，然后進入處理平臺開始研磨。通常，為保證吸附的穩固性，當晶片100進入第 一處理平臺11后，即對晶片100表面進行去離子水噴霧處理，進而使其背面覆蓋一層薄薄 的去離子水膜，以填充滿晶片100背面微觀上的不平整凹凸表面，從而保證機械臂15真空 吸附的穩固性，避免晶片100在轉移或研磨過程中移動甚至掉落。
然而發明人發現正是這一去離子水噴霧處理的步驟，最終導致了研磨后晶片表 面的凹坑或斑點等缺陷。因為去離子水噴霧處理的目的雖然是針對晶片背面，但是大部分 噴霧狀的去離子水卻直接沾染到晶片表面，而且，晶片在第一處理平臺11內等待直到進入第二處理平臺12正式開始CMP工藝，難免仍需要一段的時間，在這段時間內附著在晶片正 面的去離子水在晾干的過程中將會和雙鑲嵌結構內填充的金屬發生化學反應，其生成物將 導致CMP工藝后的凹坑或斑點等缺陷。例如，與金屬銅發生氧化反應而生成氧化銅，這些氧 化銅經過研磨、清洗之后最終將在金屬互連層內留下凹坑或斑點等缺陷。
正因發現了上述凹坑或斑點等缺陷問題產生的本質原因，發明人認為有必要對傳 統的CMP工藝進行改進，基于此動機，本發明提出一種化學機械研磨的方法和金屬互連層 的形成方法。
以下結合附圖對所述化學機械研磨的方法的詳細進行說明。
圖3為本發明實施例中化學機械研磨的方法的流程圖，圖4-圖6為本發明實施例 中化學機械研磨方法的示意圖。
如圖3所示，所述化學機械研磨方法包括以下步驟
步驟Sl 提供晶片，所述晶片表面具有金屬層。該金屬層可以用于形成金屬互連 層，例如為銅。
步驟S2 減少去離子水噴霧與所述晶片表面發生的反應。所述去離子水噴霧與晶 片表面發生的反應例如為，去離子水與晶片表面裸露的金屬層發生氧化反應而生成金屬氧 化物。
去離子水噴霧是指對晶片表面進行去離子水噴霧處理，由于噴霧會充滿整個處理 腔室，因此可以使晶片背面也覆蓋一層薄薄的去離子水膜，以填充滿晶片背面微觀上的不 平整凹凸表面，從而保證CMP設備的機械臂對晶片背面真空吸附的穩固性，避免晶片在轉 移或研磨過程中移動甚至掉落。
以12英寸的晶片100的CMP過程為例，該12英寸的晶片100背面IOOb為拋光 面，如圖4所示，而其表面IOOa的介質層103具有開口 101，所述開口 101內填充有金屬層 102，所述金屬層102也將開口 101外的晶片表面覆蓋。本實施例中，所述開口 101為雙鑲 嵌開口，則所述步驟S2具體包括
步驟S21 將晶片100置入CMP設備的準備平臺內，即圖2中的第一處理平臺11， 在該第一處理平臺內晶片100等待進行正式的研磨處理。
步驟S22 將去離子水噴霧設為關閉狀態。由于晶片100的背面IOOb經過拋光， 背面表面光滑平整，其本身就能夠CMP設備的機械臂15形成良好的真空吸附，此時，對晶片 就不必采用傳統的去離子水噴霧，來增強機械臂15的真空吸盤對晶片背面的吸附力，于是 將該第一處理平臺11中的去離子水噴霧設為關閉狀態，以避免去離子水在噴霧的過程中 沾染在晶片100的表面100a。
步驟S23 吸附所述晶片背面并將晶片轉移至研磨平臺。本實施例中的研磨平臺 即為圖2中的第二處理平臺12、第三處理平臺13和第四處理平臺14。
具體的，當第二處理平臺12內的另一晶片研磨之后，機械臂15吸附所述晶片100 背面并將晶片100轉移至第二處理平臺12內，準備開始正式的研磨。
步驟S3 對所述晶片表面進行研磨，以去除所述金屬層的多余部分。
研磨過程將晶片100表面平坦化，例如可以去除開口 101外多余的金屬層102。本 實施例中晶片100的研磨過程分為三個平坦化階段，分別在第二處理平臺12、第三處理平 臺13和第四處理平臺14中進行(參見圖2)。
具體的，如圖5所示，在第二處理平臺內對晶片100表面進行初步平坦化，以去除 所述雙鑲嵌開口 101外的金屬層的多余部分。在初步平坦化步驟中，采用較大的材料去除 率(Material Removal Rate, MRR)去除所述雙鑲嵌開口 101外金屬層的多余部分，從而將 金屬層102表面的凹凸不平的結構初步平坦化。
所謂金屬層的多余部分是指雙鑲嵌開口 101外的的金屬，平坦化的目的即是將這 部分金屬去除而僅留下雙鑲嵌開口內的金屬作為金屬互連層。
化學機械拋光工藝的機理為表面材料與拋光使用的磨料發生化學反應生成一層 相對容易去除的表面層，而后該表面層通過磨料與拋光墊間的相對摩擦被磨去。因此，化學 機械拋光是一個化學和機械作用相結合的過程。
所述材料去除率是表征研磨效果的重要參數，它與研磨劑中的磨料組成和形態、 研磨墊的性質、以及拋光速率有關。
接下來，機械臂吸附所述晶片背面并將晶片轉移至第三處理平臺內，對晶片進行 過度平坦化步驟。所述過度平坦化目的是采用相對于初步平坦化更大的選擇比精確控制研 磨的終點，以相對于初步平坦化更小的MRR，去除初步平坦化之后剩余的少量金屬，并去除 金屬層的多余部分之下的部分研磨阻擋層120(參見圖5)。
最后，如圖6所示，機械臂15吸附所述晶片100背面并將晶片100轉移至第四處 理平臺內，對晶片進行緩沖平坦化步驟，以去除所述雙鑲嵌開口 101外的研磨阻擋層120， 并清洗去除晶片表面的殘余顆粒。該緩沖平坦化步驟，采用相對于初步平坦化較小的MRR 完全去除所述雙鑲嵌開口外的研磨阻擋層120。為提高表面平坦化程度、減少缺陷，還可以 繼續向下研磨，去除少部分的介質層103。
本實施例中的化學機械研磨方法，在對晶片表面進行研磨之前，由于采取了減少 去離子水噴霧與所述晶片表面發生的反應的步驟，所述晶片被置入CMP設備的準備平臺 后，將去離子水噴霧設為關閉狀態，從而能夠避免去離子水沾染在晶片表面的金屬層上，防 止因去離子水與金屬層反應而生成氧化物，因此，基本上可以消除CMP工藝之后晶片表面 的凹坑或斑點等缺陷，保證集成電路的可靠性。
本發明的另一實施例中，可以采用其他的方式來執行減少去離子水噴霧與晶片表 面發生的反應的步驟。以下具體說明
以8英寸晶片的CMP過程為例，由于8英寸晶片的背面通常沒有經過拋光，因此微 觀上存在凹凸不平的部分，這將對CMP設備的機械臂與晶片背面真空吸附的穩固性產生不 良影響，需要進行去離子水噴霧處理以消除這種不良影響。但是，如前所述，發明人發現傳 統技術中的去離子水處理將導致CMP工藝后晶片表面的缺陷。
本實施例中的化學機械研磨方法與前述實施例的區別在于，步驟S2’具體包括以 下步驟
步驟S21，將晶片置入CMP設備的準備平臺內；
步驟S22’ 采用摻有抗反應劑的去離子水對所述晶片表面進行噴霧處理；
步驟S23’ 吸附所述晶片背面并將晶片轉移至研磨平臺。
其中，所述抗反應劑為減緩或阻止去離子水與晶片表面金屬層發生反應的化學 品。所述抗反應劑例如為水溶性苯駢三氮唑(BTA)，BTA為常用的銅緩蝕劑，可以吸附在金 屬表面形成一層很薄的膜，保護銅免受大氣或其他有害介質的腐蝕。
本實施例中其他步驟與前述實施例類似，在此不再贅述。由于在去離子水中添加 抗反應劑例如BTA，當對晶片表面進行噴霧處理時，去離子水中包含的BTA將對銅金屬起到 保護作用，能夠減緩或者消除去離子水與金屬層的反應，從而可以減少或消除CMP工藝之 后晶片表面的凹坑或斑點等缺陷，保證集成電路的可靠性。
對應晶片表面不同材料的金屬層，可以采用不同的抗反應劑，例如當晶片表面的 金屬層為鋁時，還可以采用鋁緩蝕劑。
此外，在去離子水噴霧處理過程中還可以相對于傳統技術減小所述噴霧處理的壓 力，以降低去離子水沾染在晶片表面上的量。
相對而言，前一實施例中直接關閉去離子水噴霧的方式，不需消耗其他化學品，也 可以節約去離子水的使用，有利于降低成本，提高產能。
本發明的其他實施例中，可以單獨采用對所述晶片表面進行減小壓力的去離子水 噴霧處理的方式來執行減少去離子水噴霧與晶片表面發生的反應的步驟，同樣也可以減少 CMP工藝之后晶片表面的凹坑或斑點等缺陷。詳細步驟與前述實施例類似，不再一一贅述。
以下結合附圖對所述金屬互連層的形成方法詳細進行說明。圖7為本發明實施例 中金屬互連層的形成方法的流程圖。
所述金屬互連層的形成方法，包括以下步驟
步驟Al 提供晶片，所述晶片表面內具有介質層和所述介質層中的開口。
其中，所述介質層可以為金屬間介質層，用來將金屬互連層隔離絕緣，通常采用 較低介電常數的材料，包括但不限于碳摻雜氧化硅、有機硅酸鹽玻璃(OrganosiIicate glass,0SG)、氟娃玻璃(Fluorosilicate glass,FSG)、磷娃玻璃(Phosphosilicate glass, PSG)中的一種或至少兩種組合。
所述開口包括溝槽、通孔或雙鑲嵌開口中的一種或兩種以上的組合。其中所述雙 鑲嵌開口實際上是在金屬間介質層中刻蝕的疊加的溝槽(Trench)和通孔(Via)，用來填充 金屬以形成金屬互連層和層間的接觸塞。雙鑲嵌開口下面的相應位置通常具有下一層的金 屬互連層。
步驟A2 在所述開口內填充金屬層，所述金屬層將晶片表面覆蓋。
所述金屬層的材料為銅或銅合金，可以采用蒸發、濺射、化學氣相沉積法或電鍍等 沉積工藝。由于此時晶片表面具有所述開口，填充開口后金屬層的表面呈現凹凸不平的形 貌，需要進行平坦化。
此外，在填充金屬層之前還可以包括在所述金屬間介質層上形成阻擋層，該阻擋 層用來防止后續工藝填充在開口里金屬向金屬間介質層擴散。
步驟A3 對所述晶片進行化學機械研磨，以去除所述開口外多余的金屬層；其中， 所述化學機械研磨之前，還包括減少去離子水噴霧與所述晶片表面發生的反應。
當所述晶片背面為拋光面時，所述減少去離子水噴霧與晶片表面發生的反應，具 體包括以下步驟
將所述晶片置入CMP設備的準備平臺內；
將去離子水噴霧設為關閉狀態；
吸附所述晶片背面并將晶片轉移至研磨平臺。
此外，當所述晶片背面為未拋光面時，所述減少去離子水噴霧與晶片表面發生的反應，具體包括以下步驟
將所述晶片置入CMP設備的準備平臺內；
采用摻有抗反應劑的去離子水對所述晶片表面進行噴霧處理；
吸附所述晶片背面并將晶片轉移至研磨平臺。
本實施例中所述減少去離子水噴霧與晶片表面發生的反應的詳細過程，與前述實 施例類似，不再贅述。
以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制。
雖然本發明已以較佳實施例披露如上，然而并非用以限定本發明。任何熟悉本領 域的技術人員，在不脫離本發明技術方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內 容對本發明技術方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此， 凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單 修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發明技術方案保護的范圍內。
權利要求
1.一種化學機械研磨的方法，其特征在于，包括 提供晶片，所述晶片表面具有金屬層；減少去離子水噴霧與所述晶片表面發生的反應； 對所述晶片表面進行研磨，以去除所述金屬層的多余部分。
2.如權利要求1所述化學機械研磨的方法，其特征在于，所述減少去離子水噴霧與晶 片表面發生的反應，具體包括將所述晶片置入CMP設備的準備平臺內； 將去離子水噴霧設為關閉狀態； 吸附所述晶片背面并將晶片轉移至研磨平臺。
3.如權利要求1所述化學機械研磨的方法，其特征在于，所述減少去離子水噴霧與晶 片表面發生的反應，具體包括將所述晶片置入CMP設備的準備平臺內；采用摻有抗反應劑的去離子水對所述晶片進行噴霧處理；吸附所述晶片背面并將晶片轉移至研磨平臺。
4.如權利要求3所述化學機械研磨的方法，其特征在于，所述噴霧處理采用較小的壓力。
5.如權利要求1所述化學機械研磨的方法，其特征在于，所述減少去離子水噴霧與晶 片表面發生的反應，具體包括將所述晶片置入CMP設備的準備平臺內； 采用去離子水對所述晶片進行減小壓力的噴霧處理； 吸附所述晶片背面并將晶片轉移至研磨平臺。
6.如權利要求3所述化學機械研磨的方法，其特征在于，所述抗反應劑包括銅緩蝕劑。
7.一種金屬互連層的形成方法，其特征在于，包括提供晶片，所述晶片表面內具有介質層和所述介質層中的開口， 在所述開口內填充金屬層，所述金屬層將晶片表面覆蓋， 對所述晶片表面進行化學機械研磨，以去除所述開口外的金屬層；其中， 所述化學機械研磨之前，還包括減少去離子水噴霧與所述晶片表面發生的反應。
8.如權利要求7所述金屬互連層的形成方法，其特征在于，所述開口包括溝槽、通孔或 雙鑲嵌開口中的一種或至少兩種的組合。
9.如權利要求7所述金屬互連層的形成方法，其特征在于，所述減少去離子水噴霧與 晶片表面發生的反應，具體包括將所述晶片置入CMP設備的準備平臺內； 將去離子水噴霧設為關閉狀態； 吸附所述晶片背面并將晶片轉移至研磨平臺。
10.如權利要求7所述金屬互連層的形成方法，其特征在于，所述減少去離子水噴霧與 晶片表面發生的反應，具體包括將所述晶片置入CMP設備的準備平臺內；采用摻有抗反應劑的去離子水對所述晶片進行噴霧處理；吸附所述晶片背面并將晶片轉移至研磨平臺。
全文摘要
本發明提供一種化學機械研磨的方法，包括提供晶片，所述晶片表面具有金屬層；減少去離子水噴霧與所述晶片表面發生的反應；對所述晶片表面進行研磨，以去除所述金屬層的多余部分。相應的，本發明還提供一種金屬互連層的形成方法。所述化學機械研磨方法和金屬互連層的形成方法，在對晶片表面進行研磨之前，由于采取了減少去離子水噴霧與所述晶片表面發生的反應的步驟，從而能夠避免去離子水沾染在晶片表面的金屬層上，防止因去離子水與金屬層反應而生成氧化物，因此，基本上可以消除CMP工藝之后晶片表面的凹坑或斑點等缺陷，保證集成電路的可靠性。
文檔編號H01L21/768GK102034738SQ200910196898
公開日2011年4月27日 申請日期2009年9月29日 優先權日2009年9月29日
發明者張斐堯, 彭凌劍, 李強, 閆大鵬 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司