一種化學機械研磨方法

專利名稱：一種化學機械研磨方法
技術領域：
本發明涉及半導體エ藝領域，特別涉及ー種化學機械研磨方法。
背景技術：
在半導體エ藝領域，化學機械研磨技術(CMP技術)兼具有機械式研磨與化學式研磨兩種作用，可以使整個晶圓表面達到平坦化，以便于后續進行薄膜沉積等エ藝。在進行CMP的過程中，通過研磨頭將待研磨的晶圓壓在研磨墊上并帶動晶圓旋轉，而研磨墊則以相反的方向旋轉。在進行研磨時，通過研磨漿料輸送裝置將所需的研磨漿料添加到晶圓與研磨墊之間；然后，隨著研磨墊和待研磨晶圓之間的高速方向運轉，待研磨晶圓表面的反應產物被不斷地剝離，反應產物隨著研磨衆料被帶走。進ー步地，待研磨晶圓的新表面又會發生化學反應，反應產物再被剝離出來，這樣循環往復，在機械研磨和化學腐蝕的共同作用下，使晶圓表面平坦化。現有在對介質層進行研磨時，氧化物研磨液中的研磨顆粒將對晶圓表面產生磨損，從而造成所述晶圓表面出現劃痕，而研磨液中的化學助劑可能會產生有機物殘渣，而所述有機物殘渣會附著在晶圓表面，對最終器件的質量和性能產生不良的影響。在現有技術中，通常是在對晶圓完成主研磨過程后，通過清洗裝置來去除殘留在晶圓表面上的有機物殘渣，例如，最常用的是通過去離子水裝置來完成所述清洗過程。但是，在實際應用中發現，這樣的去除方法效果并不好，經檢測發現，通過去離子水清洗裝置對晶圓表面的清洗后，仍舊有相當數量的有機物殘渣殘留在晶圓表面上，從而影響最終器件的性能。在現有技術中，公開了ー種在半導體晶片研磨之后，從所述半導體晶片表面上清除污染物粒子的エ藝。但是，在使用所述清洗方法清洗晶片后，發現部分顆粒較大的污染物粒子的數量仍舊很多，而且該方法對于清除晶圓表面上有機物殘渣的效果不顯著，達不到預期的清洗效果。因此，針對上述問題，需要提供一種能夠有效地去除晶圓表面的有機物殘渣的方法，但是目前還沒有較好的解決方案。

發明內容
本發明解決的問題是在化學機械研磨過程中，能夠有效地去除晶圓表面上附著的有機物殘渣，從而改善最終器件的質量和性能。為解決上述問題，本發明提供了ー種化學機械研磨方法，包括如下步驟提供形成有介質層的半導體襯底；對介質層進行第一次研磨，所述第一次研磨后在介質層表面產生有機物殘留；用堿性試劑對介質層進行第二次研磨，去除介質層表面的有機物殘留。優選地，所述堿性試劑包括研磨顆粒、清洗剤、螯合劑、防腐蝕化合物以及表面活性劑。優選地，所述研磨顆粒占所述堿性試劑的質量百分比為1% -15%、所述清洗劑占所述堿性試劑的質量百分比為O. 1% -5%、所述螯合劑占所述堿性試劑的質量百分比為O. 01% -2%、所述防腐蝕化合 物占所述堿性試劑的質量百分比為O. 01% _2%、所述表面活性劑占所述堿性試劑的質量百分比為O. 01% -1%。優選地，所述研磨顆粒是膠狀ニ氧化硅或碳化硅或氮化硅或氧化鋁或ニ氧化鈰，所述研磨顆粒的直徑為35 90nm。優選地，所述清洗劑所含成分為氫氧化銨或氫氧化四烴基銨。優選地，所述螯合劑所含成分為檸檬酸銨或草酸銨。優選地，所述防腐蝕化合物的成分為こ酰氨基酚或甲氧苯酚。優選地，所述表面活性劑所含的成分為聚氧こ烯或聚丙烯。優選地，所述堿性試劑的PH值在8-10之間。優選地,所述第一次研磨時,研磨頭的壓力在O. 85psi到I. 8psi之間。優選地,所述第二次研磨時,研磨頭的壓力在O. 5psi到O. 7psi之間。優選地,所述介質層是低K介質層。優選地，所述低K介質層的介電常數K小于3。優選地，所述第一次研磨采用的是氧化物研磨液。 優選地，所述氧化物研磨液是氫氧化鉀溶液或者氫氧化銨溶液。優選地，在用堿性試劑對殘留介質層進行第二次研磨的步驟后還包括如下步驟使用去離子水對研磨墊進行清洗；使用去離子水對所述晶圓進行清洗。與現有技術相比，本發明具有以下優點通過在完成對所述晶圓的主研磨過程后以及對晶圓進行清洗之前，使用堿性試劑來去除介質層表面上殘留的有機物殘渣。其中，所述使用堿性試劑去除介質層表面上的有機物殘渣是通過研磨的方式來實施，這樣有利于堿性試劑與介質層表面充分接觸，與現有技術中在后續エ藝中通過清洗裝置來清洗有機物殘渣的方法相比，本發明提供的方法可以更有效、更徹底地達到去除有機物殘渣的效果。進ー步，堿性試劑中包含研磨顆粒、清洗剤、螯合劑、防腐蝕化合物以及表面活性劑等成分。在對介質層進行第二次研磨過程中，上述各種成分相互配合以達到去除介質層表面上有機物殘留的效果。再進ー步，在使用所述堿性試劑清洗所述介質層表面時，設定研磨頭對所述晶圓的壓カ比主研磨エ藝時更小，這樣可以有效地防止晶圓表面殘留的研磨液顆粒對晶圓表面的磨損。


圖I是本發明所述ー種化學機械研磨方法的流程圖；圖2至圖5是本發明形成雙鑲嵌結構過程中進行化學機械研磨的實施例的示意圖；圖6是通過本發明所述ー種化學機械研磨方法去除晶圓表面有機物殘渣的效果對比圖。
具體實施例方式發明人發現在現有對介質層進行化學機械研磨時，通常是在后續エ藝中通過清洗裝置對晶圓進行清洗，從而去除殘留在晶圓表面上的有機物殘渣、微粒等。具體地，在現有技術中，通常是通過表面活性劑來去除有機物殘渣。本領域技術人員理解，其中所述表面活性劑是ー種具有固定的雙極性(親水性和疏水性)基團，在溶液的表面能定向排列，井能使表面張カ顯著下降的物質。具體地，由于所述有機物殘渣是由疏水性材料構成的物質，例如，銅緩蝕劑BTA等，大多不溶于水。因此，當所述表面活性劑與所述有機物殘渣接觸吋，因其疏水性基團的存在，水分子與表面活性劑分子相互間的排斥力遠大于吸引力，導致表面活性劑分子自身依賴范德華カ在所述有機物殘渣的表面聚集，形成疏水性基團向內，親水性基團向外，在水中穩定分散的形態，使所 述有機物殘渣脫離晶圓表面，從而達到去除晶圓表面有機物殘渣的效果。但是，在實際應用中發現，通過這樣的清洗方式，對于晶圓表面上殘留的有機物殘渣去除的效果并不理想，經實踐發現，在清洗后仍有相當數量的有機物殘渣附著在晶圓表面。因此，本發明提供了ー種化學機械研磨方法，主要是在現有的化學機械研磨流程的基礎上，在完成對所述晶圓的主研磨エ藝后増加ー個流程，即通過使用堿性試劑來去除晶圓表面殘留的有機物殘渣。與現有技術相比，本發明提供的方法更有利于完全去除所述晶圓表面上殘留的有機物殘渣。為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更為明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。具體地，參考如圖I所示的是本發明所述ー種化學機械研磨方法的流程圖。首先，執行步驟SI，提供形成有介質層的半導體襯底。然后，執行步驟S2，對介質層進行第一次研磨，所述第一次研磨后在介質層表面產生有機物殘留。優選地，所述第一次研磨所使用的研磨液是氧化物研磨液，例如，氫氧化鉀溶液或者氫氧化銨溶液。本領域技術人員理解，所述氧化物研磨液中包括水、化學助劑、氧化物研磨顆粒等成分。在研磨過程中，所述化學助劑會產生多種有機化合物，這些有機化合物很容易附著在晶圓表面形成有機物殘渣。接著，執行步驟S3，用堿性試劑對介質層進行第二次研磨，去除介質層表面的有機物殘留。具體地，所述堿性試劑中包括研磨顆粒、清洗剤、螯合劑、防腐蝕化合物以及表面活性剤。其中，所述研磨顆粒占所述堿性試劑的質量百分比為1% -15%、所述清洗劑占所述堿性試劑的質量百分比為O. 1% _5%、所述螯合劑占所述堿性試劑的質量百分比為0.01% _2%、所述防腐蝕化合物占所述堿性試劑的質量百分比分別為O. 01% -2%、所述表面活性劑占所述堿性試劑的質量百分比分別為O. 01% -1%。進ー步地，所述研磨顆粒是膠狀ニ氧化硅或碳化硅或氮化硅或氧化鋁或ニ氧化鈰，所述研磨顆粒的直徑為35 90nm(納米)，所述清洗劑包括氫氧化銨或氫氧化四烴基銨，所述螯合劑包括檸檬酸銨或草酸銨，所述防腐蝕化合物包括こ酰氨基酚或甲氧苯酚，所述表面活性劑所含的成分為聚氧こ烯或聚丙烯。在本實施例中，所述堿性試劑的PH值在8-10之間。進ー步地，其中所述表面活性劑可以起到去除有機物殘渣的作用，其具體實現原理可以參考表面活性劑的相關資料，在此不予贅述。綜上所述，經過上述步驟SI和步驟S2已完成對所述晶圓的主研磨過程，所述步驟S3是在完成所述CMPエ藝的主研磨步驟后，通過使用堿性試劑來去除所述晶圓表面上殘留的有機物殘渣。最后，在后續エ藝中，通過清洗裝置對所述晶圓進行清洗。優選地，其中所述清洗裝置使去離子水裝置。與現有技術相比，本發明是在對晶圓完成主研磨流程之后以及對所述晶圓進行清洗之前，増加一個流程(即所述步驟S3)來去除殘留在晶圓表面上的有機物殘渣。通過實踐發現，本發明所提供的化學機械研磨方法可以更有效地去除所述有機物殘渣。更進一歩地，在實際研磨過程中，在完成所述步驟S3之后，還包括對研磨墊和所述晶圓的清洗。具體地，通常所述清洗過程是通過去離子水裝置來完成，其主要是清洗在研磨過程中附著在所述晶圓上的各種微粒，其中所述去離子水清洗裝置的具體結構以及工作方式可以參考相關的技術資料，在此不予贅述。下面結合附圖以形成雙鑲嵌結構為 例以及圖I所述的流程圖對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。實施例一參考圖2至圖4所示的形成雙鑲嵌結構過程中進行化學機械研磨的示意圖。具體地，參考圖2所示，首先，提供半導體襯底100，所述半導體襯底100內含有金屬布線層(圖2中未示出)；在半導體襯底100上形成覆蓋層101，所述覆蓋層101覆蓋金屬布線層；并在覆蓋層101上通過化學氣相淀積(CVD)法形成介質層102，所述介質層102的材料如ニ氧化硅和低K(介電常數)材料等。本實施例中，所述覆蓋層101可防止半導體襯底100中的金屬布線擴散到所述介質層102中，亦可防止刻蝕過程中所述半導體襯底100中的金屬布線被刻蝕。繼續參考圖2，刻蝕所述介質層102形成雙鑲嵌結構104，具體形成エ藝如下首先，在介質層102上涂覆第一光刻膠層(未不出)，經過光刻エ藝,在第一光刻膠層上定義出通孔圖形；以第一光刻膠層為掩膜，沿通孔圖形刻蝕介質層102至露出金屬布線層，形成通孔104a ;去除第一光刻膠層后，在所述介質層102上和通孔104a內形成第二光刻膠層(圖2中未示出)，經過曝光顯影，在第二光刻膠層上定義出溝槽圖形；以第二光刻膠層為掩膜，沿溝槽圖形刻蝕介質層102，形成與通孔104a連通的溝槽104b，所述通孔104a與溝槽104b構成雙鑲嵌結構104。除上述形成エ藝外，還可以在介質層中先形成溝槽，再形成與溝槽連通且露出金屬布線層的通孔。再參考圖2，在所述介質層102的上、雙鑲嵌結構104的側壁和底部形成阻擋層103，所述阻擋層103的材料可以是鉭、氧化鉭或者鉭硅氮等材料中的任意ー種，其作用在于防止金屬層105和所述介質層102相互擴散，影響最終產品的性能。接著，在所述阻擋層103上方淀積金屬層105。在本實施例中，優選地，所述金屬層105是為銅，通過電化學淀積(EVD)使所述銅金屬填充滿所述雙鑲嵌結構104內。然后，參考圖3所示，對金屬層105進行化學機械研磨直至露出所述阻擋層103，形成雙鑲嵌導電結構，其中對所述金屬層105進行化學機械研磨所使用的研磨液可以是氧化鋁研磨液。在實際應用中，為了使金屬層105平整性及均勻性更好，通常對所述金屬層105進行粗研磨和精研磨兩個階段，其中關于所述粗研磨和精研磨的具體實施方式
可以參考相關資料，在此不予贅述。如圖4所示，用化學機械研磨法對所述阻擋層103進行研磨，直到露出所述介質層102，其中對所述阻擋層103進行化學機械研磨所使用的研磨液可以根據所述阻擋層103的不同材料來選擇合適的研磨液，在此不予贅述。由于所述金屬層105和所述阻擋層103的材料不同，在研磨過程中，研磨液對所述金屬層105和所述阻擋層103的研磨速率不同，從而造成研磨完所述阻擋層103至露出所述介質層102后，通常所述金屬層105低于所述介質層102，如圖4所示。因此，還需要對所述介質層102進行研磨，使所述介質層102和所述金屬層105在同一平面內。
如圖5所示，首先對所述介質層102進行第一次研磨。在ー個優選實施方式中，可以使用氧化物研磨液對所述介質層102進行第一階段研磨。其中所述介質層102是低K介質層，所述介電常數K小于3。所述氧化物研磨液通常是氫氧化鉀溶液或者氫氧化銨溶液。所述第一階段研磨的作用是平坦化所述介質層102，使所述介質層102和所述金屬層105研磨至同一平面內。所述研磨過程主要通過所述氧化物研磨液中的水與所述介質層102中氧化硅反應生成氫氧鍵(稱為表面水合作用)，氧化硅表面的水合作用降低了氧化硅的硬度、機械強度，從而形成了含水的軟表層氧化硅。然后，在研磨過程中，通過研磨液中研磨顆粒來去除所述被軟化的氧化硅層，使所述介質層102平坦化，其中所述膜層通常是氮化硅等絕緣材料或者銅、鎢等金屬材料。進ー步地，在所述第一次研磨后，在所述介質層102表面會產生有機物殘留，所述有機物殘留主要來源于所使用的氧化物研磨液。因此，需要通過使用堿性試劑對所述介質層102進行第二次研磨，去除所述介質層102表面上的有機物殘留。具體地，所述堿性試劑中包括研磨顆粒、清洗劑、螯合剤、防腐蝕化合物以及表面活性剤。其中，所述研磨顆粒占所述堿性試劑的質量百分比為1% _15%、所述清洗劑占所述堿性試劑的質量百分比為O. 1% _5%、所述螯合劑占所述堿性試劑的質量百分比為O. 01% _2%、所述防腐蝕化合物占所述堿性試劑的質量百分比為
O.01% _2%、所述表面活性劑占所述堿性試劑的質量百分比為O. 01% -I%，所述堿性試劑中還包括溶劑,例如去離子水。其中，所述研磨顆粒是膠狀ニ氧化硅，研磨顆粒的直徑為35 90nm，在其他實施例中，所述研磨顆粒還可以使用碳化硅、氮化硅、氧化鋁或ニ氧化鈰等；所述清洗劑包括氫氧化銨或氫氧化四烴基銨，呈堿性，所述清洗劑占所述堿性試劑的質量百分比能夠用于調節所述堿性試劑的PH值，在本實施例中，所述堿性試劑的PH值在8-10之間；所述螯合劑包括檸檬酸銨或草酸銨；所述防腐蝕化合物包括こ酰氨基酚或甲氧苯酚；所述表面活性劑所含的成分為聚氧こ烯或聚丙烯。另外，當該化學機械研磨方法是針對Cu(銅)進行研磨時，上述堿性試劑中還可以包括H2O2 (雙氧水)，所述H2O2占所述堿性試劑的質量百分比為O. 3 % I %，H2O2可以作為Cu的去除速度促進劑。參考圖6所示的是本發明所述的化學機械研磨方法去除晶圓表面有機物殘渣的效果對比圖。經過實踐表明，其中如圖(a)所示是現有技術中只通過后續エ藝中的清洗裝置去除晶圓表面殘留的有機物殘渣的效果圖；如圖(b)所示的是本實施例中在使用清洗裝置對所述晶圓表面記性清洗之前先通過堿性試劑來去除晶圓表面上殘留的有機物殘渣的效果圖。通過對比可以看出，通過使用堿性試劑可以更有效地去除晶圓表面上殘留的有機物殘渣，而剩余的有機物殘渣的清除可以通過后續エ藝中的去離子水裝置來對所述晶圓進行清洗，與現有技術相比，可以更有效地去除殘留在晶圓表面上的有機物殘渣。進ー步地，在所述使用堿性試劑去除介質層102表面的有機物殘渣的過程中，設定研磨頭對所述晶圓的壓カ比主研磨エ藝時更小，這樣可以有效地防止晶圓表面殘留的研磨液顆粒對晶圓表面的磨損。具體地，在所述主研磨エ藝時，所述研磨頭的壓力通常在O. 85磅/平方英寸(Pounds per square inch, psi)-I. 8磅/平方英寸之間，而在使用所述堿性試劑去除介質層表面的有機物殘渣時，所 述研磨頭的壓力設定在O. 5磅/平方英寸-O. 7磅/平方英寸之間。綜上所述，本發明主要通過在完成對所述晶圓的主研磨過程后，使用堿性試劑來去除介質層表面上殘留的有機物殘渣，最后再通過清洗裝置對晶圓進行清洗。與現有技術中相比，本發明提供的方法可以更有效、更徹底地達到去除有機物殘渣的效果。另ー方面，在使用所述堿性試劑清洗所述介質層表面時，設定研磨頭對晶圓的壓力比主研磨エ藝時更小，這樣可以有效地防止晶圓表面殘留的研磨液顆粒對晶圓表面的磨損。需要說明的是，本實施例是以形成雙鑲嵌結構為例來描述本發明所述的化學機械研磨方法，在實際應用中，本發明所提供的化學機械研磨方法還可以應用于半導體エ藝中其他結構的化學機械研磨中例如，導電插塞結構，淺槽隔離結構、金屬布線等エ藝，在此不予贅述，凡對介質層的研磨均可采用本實施例的化學機械研磨方法。本發明雖然已以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和范圍內，都可以利用上述掲示的方法和技術內容對本發明技術方案做出可能的變動和修改，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作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬于本發明技術方案的保護范圍。
權利要求
1.一種化學機械研磨方法，包括如下步驟提供形成有介質層的半導體襯底；對介質層進行第一次研磨，所述第一次研磨后在介質層表面產生有機物殘留；用堿性試劑對介質層進行第二次研磨，去除介質層表面的有機物殘留。
2.根據權利要求I所述的化學機械研磨方法，其特征在于，所述堿性試劑包括研磨顆粒、清洗劑、螯合劑、防腐蝕化合物以及表面活性劑。
3.根據權利要求2所述的化學機械研磨方法，其特征在于，所述研磨顆粒占所述堿性試劑的質量百分比為1% _15%、所述清洗劑占所述堿性試劑的質量百分比為O. 1% -5%, 所述螯合劑占所述堿性試劑的質量百分比為O. 01% -2%、所述防腐蝕化合物占所述堿性試劑的質量百分比為O. 01 % _2%、所述表面活性劑占所述堿性試劑的質量百分比為 O. 01% -1%。
4.根據權利要求2所述的化學機械研磨方法，其特征在于，所述研磨顆粒是膠狀二氧化硅或碳化硅或氮化硅或氧化鋁或二氧化鈰，所述研磨顆粒的直徑為35 90nm。
5.根據權利要求2所述的化學機械研磨方法，其特征在于，所述清洗劑所含成分為氫氧化銨或氫氧化四烴基銨。
6.根據權利要求2所述的化學機械研磨方法，其特征在于，所述螯合劑所含成分為檸檬酸銨或草酸銨。
7.根據權利要求2所述的化學機械研磨方法，其特征在于，所述防腐蝕化合物的成分為乙酰氨基酚或甲氧苯酚。
8.根據權利要求2所述的化學機械研磨方法，其特征在于，所述表面活性劑所含的成分為聚氧乙烯或聚丙烯。
9.根據權利要求2所述的化學機械研磨方法，其特征在于，所述堿性試劑的PH值在 8-10之間。
10.根據權利要求I所述的化學機械研磨方法，其特征在于，所述第一次研磨時，研磨頭的壓力在O. 85psi到I. 8psi之間。
11.根據權利要求I所述的化學機械研磨方法，其特征在于，所述第二次研磨時，研磨頭的壓力在O. 5psi到O. 7psi之間。
12.根據權利要求I所述的化學機械研磨方法，其特征在于，所述介質層是低K介質層。
13.根據權利要求12所述的化學機械研磨方法，其特征在于，所述低K介質層的介電常數K小于3。
14.根據權利要求I所述的化學機械研磨方法，其特征在于，所述第一次研磨采用的是氧化物研磨液。
15.根據權利要求I所述的化學機械研磨方法，其特征在于，在用堿性試劑介質層進行第二次研磨的步驟后還包括如下步驟使用去離子水對研磨墊進行清洗；使用去離子水對所述晶圓進行清洗。
全文摘要
本發明提供了一種化學機械研磨方法，包括如下步驟提供形成有介質層的半導體襯底；對介質層進行第一次研磨，所述第一次研磨后在介質層表面產生有機物殘留；用堿性試劑對介質層進行第二次研磨，去除介質層表面的有機物殘留。本發明通過在現有化學機械研磨過程中，在完成對晶圓的主研磨工藝后以及后續工藝對所述晶圓進行清洗之前，通過使用堿性試劑來去除介質層表面上殘留的有機物殘渣，與現有技術相比，所述去除有機物殘渣的效果更顯著，從而提高最終產品的質量和性能。
文檔編號H01L21/3105GK102623327SQ20111021107
公開日2012年8月1日 申請日期2011年7月26日 優先權日2011年1月31日
發明者鄧武鋒 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司