专利名称：铜－氧化物大马士革结构的化学机械抛光的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及半导体制造中的化学机械抛光(CMP)。更具体地，本发明涉及对铜-氧化物大马士革结构的CMP，以提高材料的去除速率，并减小铜的凹陷(dishing)和氧化物的过抛(overpolishing)。
背景技术：
半导体装置的甚大规模集成(ULSI)方面的不断进展，要求设计和制造非常微小的装置。现有技术中用于互连(interconnect)的金属化图案技术不足以应对新型的集成电路(IC)。据计算，对于门电路尺寸小于0.25μm的CMOS电路，由金属化层(metallization layer)造成的阻容(RC)延迟将占电路总延迟的50％。人们一直在寻找新的材料和新的工艺来取代目前采用的Al互连，从而来降低RC延迟，并减少由发热而造成的能量损耗。铜由于其电阻率比铝(Al)约低30％，因而显现出可作为未来理想的互连材料。这将使得IC能以更小的功耗工作在更高的频率上。另外，随着互连尺寸成比例地缩小，金属互连所载送的电流密度成比例地增大，并可能超过发生电迁移的限度。铜的熔点较高，从而其对电迁移的抵抗力比Al约强2.5倍，从而能显著地提高IC的可靠性。
尽管Cu作为互连金属具有固有的优势，但在制造铜线时却要面对几个方面的挑战。由于缺乏能在低温下(小于100℃)挥发的铜化合物，所以，在层间介电(inter-level dielectric，ILD)层上通过对铜进行蚀刻来形成理想图案的工艺是困难的。因而，一种通过大马士革方案及CMP工艺进行铜线图案化的新方法展示出了促进电路互连技术发展的巨大潜力。
大马士革方案的一个问题在于，在化学机械抛光过程中，图案会出现凹陷和过抛。图1A和图1B示意性地表示了一种金属大马士革结构在进行CMP之前和之后的状态。在金属大马士革工艺中，通过将金属淀积到蚀刻出的层间介电层上的刻槽(trench)上来形成金属互连。然后，利用CMP工艺去掉多余的金属，从而在ILD刻槽中形成图案化的导电线路。为了能去掉介电表面上的所有金属敷层(coating)以使金属互连线彼此隔离，在管芯(die)内的图案被部分地过抛。同时，较软的互连金属(如Cu，W)通常比扩散阻挡层(如Ta、Ti或TaN)以及周围的介电材料(如SiO2)磨损得快。因而，会在填充刻槽的软的金属上产生凹陷。无论是过抛还是凹陷都会降低表面的平整度(planarity)，并可能导致在随后的光刻过程中照射场(exposure field)在管芯尺度上部分地偏离焦点。另外，过抛和凹陷会减小金属互连的横截面积，因而会增大电阻。
可利用普雷斯顿(Preston)方程来估算凹陷和过抛的速率dhdt=kp(x,y)pavφ(w,Af,t*···)vR]]>普雷斯顿常数kp是位置的函数，该常数与氧化物和Cu互连的物理布局有关。假定对于不同的材料，普雷斯顿常数与进行表层(blanket)抛光时材料的普雷斯顿常数保持相同。压力的分布会受到凹陷/过抛表面实际形状的影响，而表面的实际形状反过来又是Cu的线宽w、面积分数Af以及过抛时间t*的函数。可将压力分布退耦(decouple)为一个乘积的形式，该乘积是管芯区域上平均压力与一个几何函数φ的乘积，几何函数φ包括了图案几何形状的影响。实际上，即使表面形貌是已知的，也不容易获得几何函数φ。在此情况下，由于凹陷和过抛所造成的表面变化可与垫(pad)的表面粗糙度和浆料颗粒尺寸相当。
在现有技术中，人们已提出了多种唯象模型和接触模型来确定出现凹陷和过抛的机理，以便于提高CMP的加工成品率。所述的唯象模型将不同部件(feature)的阵列的抛光速率与该些部件的尺寸和图案密度相关联。通过在实验上确定出抛光速率、部件尺寸以及相邻的部件的布局之间的相关性，从而可预测表面轮廓的变化。该唯象模型的一个问题在于抛光速率与图案几何形状之间的相关性会随着图案设计的不同而变动，因而在该模型中平面化的摩擦机理尚不清楚。近来，人们广泛研究了图案几何参数的影响，例如图案密度(即高位部件(high feature)的面积分数)、间距、图案面积以及周长与面积之比，这些研究表明，图案密度能显著地影响子管芯(sub-die)尺度上的抛光速率。利用实验上测量的平面化长度来表征特定图案对邻近区域的影响范围。人们提出了一种基于密度的数值模型，用于计算任意布局的表面形貌的变化。
接触模型被用来研究平面化的机理。在此模型下，假定一平面弹性垫来预测带有各种图案布局的管芯表面上的压力分布。并提出有关压力分布与垫的位移(displacement)之间的一般化的关系。根据该模型，各个不同图案区域在抛光速率上的不一致归因于高位部件处压力的不均匀。假定直到变形后的垫接触到低位部件(low feature)为止，低位部件保持原有状态，材料未被去除。但是，该接触模型并不适用于金属抛光中的某些图案布局。垫可能会在高位部件达到稳态轮廓之前就与低位部件接触到。另外，所述的垫并不如该模型中所假定的那样与高位部件的表面相吻合(conformal)。
在解释凹陷和过抛方面，唯象模型和接触模型都有它们的局限性。例如，在铜抛光过程中，在铜层被抛净之前，表面通常已成为平面。因而，在开始出现凹陷和过抛时的压力分布可能比在平面化阶段时更均匀。另外，如果已平面化的部件的尺寸接近于或小于研磨颗粒的尺寸(0.2-0.3μm)和垫表面的粗糙度时，则在计算局部压力时必须要考虑到颗粒的分布和垫的局部形貌。但是，这种类型的分析模型是很难建立起来的。因而，对凹陷和过抛的研究被局限在对图案参数的实验特征描述和参数研究上，例如面积分数、线宽以及间距。尽管人们已提出了几个半经验性的模型，但凹陷和过抛的基本原理以及它们与图案几何形状和材料特性的关系尚未彻底弄清楚。另外，由于大多数实验是在大尺寸的部件上进行的，所以，其结果以及相关的问题，例如在100μm部件上出现的严重凹陷，将不适于目前的亚0.25微米(sub-quarter micron)的电路设计，在此情况下，必须关注比例(scaling)问题。
发明内容
因而，本发明的一个目的是提供一种金属大马士革结构的化学机械抛光的方法。
本发明的另一个目的是提供一种金属大马士革结构的化学机械抛光的方法，该方法可使金属去除速率达到最大，并使由于金属凹陷和氧化物过抛而造成的表面不均匀性最小。
本发明的再一个目的是提供一种金属大马士革结构的化学机械抛光的方法，以降低氧化物的抛光速率，并增加在金属和氧化物之间的抛光选择性。
本发明的又一个目的是提供一种金属大马士革结构的化学机械抛光的方法，以根据金属大马士革结构的图案几何形状来优化工艺条件。
通过本文所述的金属大马士革结构的化学机械抛光方法可实现本发明的上述以及其它目的，其中该金属大马士革结构包括绝缘层，该绝缘层具有位于晶片上的刻槽；以及金属层，其具有位于绝缘层刻槽内的下部和覆盖该下部和该绝缘层的上部。根据本发明，金属大马士革结构的化学机械抛光方法包括第一步骤，对金属层的上部进行平面化和抛光；以及第二步骤，对绝缘层和金属层的下部进行抛光。在对金属层的上部进行平面化和抛光的第一步骤中，在接触模式下，通过在晶片与抛光垫之间施加一压力p并产生一相对速度v而将晶片与抛光垫负荷(urge)在一起，以提高金属的去除速率。在第二步骤中，在稳态模式下，对绝缘层和金属层的下部进行抛光，从而在刻槽中形成单独的金属线，且使金属线的凹陷以及绝缘层的过抛最小。
在一优选实施例中，本发明的一金属大马士革结构的化学机械抛光方法包括第一步骤，在接触模式下，通过在晶片与抛光垫之间施加一压力pav并产生一相对速度vR而将晶片与抛光垫负荷在一起，以此对金属层的上部进行平面化和抛光；以及第二步骤，在稳态模式下，通过满足如下的方程，对绝缘层和金属层的下部进行抛光，从而在刻槽内形成单独的金属线，且使金属线的凹陷以及绝缘层的过抛最小，该方程为RMetal=Rinsulation=kWH′pavvR]]>式中，RMetal为铜的去除速率，Rinsulation为绝缘层的去除速率，kw为磨损系数，而H’则代表抛磨表面的表观硬度，该硬度值由如下的方程得到H′＝HMetalAf+Hinsulation(1-Af)式中，HMetal为铜的硬度，Hinsulation为绝缘层的硬度，而Af为金属图案的面积分数。
从结合附图所作的以下描述中，可更清楚地理解本发明的上述以及其它目的，在附图中图1A为一示意图，表示了进行化学机械抛光(CMP)之前的一金属大马士革结构；图1B示意性地表示了在进行金属CMP之后出现的凹陷和过抛；图2A示意性地表示了在初始阶段，部件图案与抛光垫之间的接触界面，且在高位部件上产生了特定的均匀位移；图2B示意性地表示了在平面化阶段，部件图案与抛光垫之间的接触界面，且在所接触的高位部件上施加了一压力(均匀压力或椭圆分布)；图2C示意性地表示了在平面化处理的结束阶段，部件图案与抛光垫之间的接触界面，且垫与下部区域相接触；图2D示意性地表示了在开始出现凹陷和过抛时，在部件图案与抛光垫之间的接触界面；图3为一示意图，表示了与一弹性抛光垫相接触的并移动着的刚性线型结构；图4为一曲线图，表示了在各种边界条件下高位部件的接触区域中的压力分布；图5为一示意图，表示了在各种边界条件下变形后的垫的表面轮廓；图6为一曲线图，表示了在各种边界条件下垫的位移与图案面积分数之间的关系；图7为一曲线图，表示了在椭圆压力分布的情况下，外加压力pav和垫的杨氏模量E对垫的位移的影响；图8示意性地表示了在一测试晶片上的图案布局；图9A示意性地表示了一CMP掩模布局；图9B表示了与图9A所示的CMP掩模设计相对应的图案几何形状的布局；图10为一扫描电子显微照片，表示了一部件图案的横截面；图11A～11F均为光学显微照片，表示了在CMP过程中图案表面随时间的变化(w＝5μm，λ＝200μm)；图12为曲线图，表示了在随时间变化的过程中，图案横截面的轮廓(w＝5μm，λ＝200μm)；图13A为原子力显微镜(AFM)图像，表示了各种图案在进行CMP三分三十秒之后的表面轮廓；图13B为AFM图像，表示了进行CMP五分钟后的各种图案；图13C为一曲线图，表示了各种图案在进行CMP三分三十秒之后的表面轮廓；图13D为一曲线图，表示了各种图案在进行CMP五分钟之后的表面轮廓；图14为一曲线图，表示了面积分数w/λ为0.5的图案的铜的凹陷随时间的变化；图15为一曲线图，表示了面积分数w/λ为0.01而线宽w不同的图案的铜的凹陷随时间的变化；图16为一曲线图，表示了线宽w为0.5μm而面积分数w/λ不同的图案的铜的凹陷随时间的变化；图17为一曲线图，比较了采用中性浆料的本发明与采用化学浆料的现有技术；图18为一曲线图，表示了线宽w为0.5μm而面积分数w/λ不同的图案的氧化物的过抛随时间的变化；图19为一曲线图，表示了线宽w为0.5μm而面积分数w/λ不同的图案的氧化物的过抛速率的理论结果与实验结果之间的对比；图20为一曲线图，表示了面积分数w/λ为0.5而线宽w不同的图案的氧化物的过抛随时间的变化；以及图21为一曲线图，表示了面积分数w/λ为0.01而线宽w不同的图案的氧化物的过抛随时间的变化。
具体实施例方式
在本发明的所有描述中，都采用了如下的符号术语，这些术语被定义如下Af＝金属图案的面积分数a＝金属图案线宽的一半(m)C1、C2、C3＝积分常数
E＝敷层材料的杨氏模量(N/m2)Fn、F＝晶片上法向力和切向力(N)H＝敷层材料的硬度(N/m2)H’＝复合表面的表观硬度(N/m2)h＝从晶片表面上去除的材料的厚度(m)kn＝Preston常数(m2/N)kw＝磨损系数P＝在高位部件上单位长度内的载荷(N/m)p＝晶片表面上的法向牵拉力(N/m2)pav＝晶片上的标称压力(N/m2)p’＝在高位部件上的平均压力(N/m2)q＝晶片表面上切向牵拉力(N/m2)rd＝凹陷表面的半径(m)S＝滑动距离(m)t＝实验时间(s)t*＝过抛时间(s)ux、uz＝垫的切向位移和法向位移(m)V＝体积损失(m3)vR＝晶片的相对线速度(m/s)w＝图案的线宽(m)x、y、z＝笛卡尔坐标(m)xn＝垫的已位移表面上的一基准点的位置(m)Δh＝氧化物过抛量(m)δ＝铜的凹陷深度(m)λ＝图案的间距(m)μ＝摩擦系数v＝泊松比p’＝在高位部件上的平均压力(N/m2)S＝滑动距离(m)图1A和图1B示意性地表示了在进行化学机械抛光之前以及之后的一铜大马士革结构。如图1A所示，铜大马士革结构包括位于Si晶片上的带有刻槽的绝缘性SiO2层和淀积在SiO2层上的铜层。该铜层包括位于SiO2层上的刻槽内的下部以及覆盖铜层的下部和SiO2层的上部。尽管用Cu层来展示出该大马士革结构，但其在任何意义上都不构成对本发明的范围的限定。以下描述的本发明CMP方法也可用于其它金属的大马士革结构。
本发明提供了一种如图1A所示的金属大马士革结构的化学机械抛光方法。本发明的CMP方法包括第一步骤，以接触模式对金属层的上部进行平面化和抛光；以及第二步骤，以稳态模式对金属层下部以及绝缘层进行抛光，从而在刻槽内形成单独的金属线，且使金属线的凹陷和绝缘层的过抛最小。
在第一步骤中，在接触模式下，通过在晶片与抛光垫之间施加一压力pav并产生一相对速度vR而将晶片与抛光垫负荷在一起，以此对金属层的上部进行平面化和抛光。采用接触力学模型来确定在高位部件上的压力变化，并确定出垫在高位部件以外的位移，以确保晶片/垫不会接触到低位部件。
图2A示意性地表示了初始阶段部件图案与抛光垫之间的接触界面，且所述的垫在高位部件上产生一均匀的位移。图2B示意性地表示了在平面化阶段时部件图案与抛光垫之间的接触界面，其中在高位部件上施加一压力(均匀压力或椭圆分布)。
根据Preston方程，局部图案几何形状会对压力分布造成影响，因而会导致材料去除不均匀，Preston方程为dhdt=kvp(x,y)vR---(1)]]>该接触力学模型的目的为确定出晶片表面上的压力分布。如图2A和2B中示意性地表示的那样，在平面化步骤中，高位、低位部件之间的台阶高度h远大于垫的位移uz，因而，载荷基本上只是由高位部件进行支撑。然后，随着垫接触到低位区域，高位部件和低位部件都将被抛光。如图2C所示，随着表面被逐渐向下抛光和平面化，压力分布变得更为均匀。
图3示意性地表示了与一弹性的抛光垫相接触的并移动着的一刚性线型结构。图中的高位部件代表淀积在底层氧化物上的Cu，而低位部件则代表填充在带有刻槽的氧化物区域中的Cu。由于铜线的长度远大于其横向尺寸，所以图案/垫的接触可以作为二维(平面-应变)问题来模型化。垫的变形通常远小于垫的厚度，因而，接触应力高度集中在靠近垫的表面的区域中。采用这种近似条件，通过假设垫为一弹性的半无限体，可以计算出应力。为了简化，在下文的分析中，将切向的牵拉力假定为零，即q(x)＝0。只有当晶片与垫之间的界面的摩擦系数很低时，该假设才是成立的。已有的实验结果证实，在Cu抛光过程中，摩擦系数约为0.1。因而，切向牵拉力对应力的影响是可忽略的。另外，在平面化步骤中，加载区域之外的压力为零。在此条件下，通过指定加载区域(-a≤x≤a)中的位移或压力分布，就可描述出整个边界条件。在某些情况下，在假定垫与高位部件的轮廓相吻合的情况下，指定接触区域内法向位移uz(x)将更加简单。在接触区域内，垫的表面上的压力分布p(x)的公式可以表达如下∫-aap(s)x-sds=-πE2(1-v2)∂uz(x)∂x---(2a)]]>且法向位移uz(x)可从如下的公式中获得∂uz(x)∂x=-(1-2v)(1+v)Ep(x)---(2b)]]>式中，uz(x)为法向位移，v为泊松比，E为垫的杨氏模量，s为一虚拟变量。奇异积分方程(2a)的通解由如下的公式给出p(x)=-E2(1-v2)(a2-x2)1/2∫-aa(a2-s2)1/2(x-s)∂uz(s)∂sds+Pπ(a2-x2)1/2---(3)]]>式中，P为高位部件上单位长度内的载荷。在如下的分析中，假定叠加是有效的，则采用这些方程来求解多凸模(multiple-punch)接触的条件。
在Cu平面化的初始阶段，如图2A所示，可从先前的淀积过程知晓图案的轮廓。通过假定在整个平面加载区域内压痕(indentation)分布均匀(uz/x＝0)，则可从方程(3)得到高位部件(|x-nλ|≤a)上的压力分布p(x)=Pπ[a2-(x-nλ)2]1/2---(4)]]>式中，P为作用在每个接触区域上的载荷，n为从子管芯区域的中心算起的高位的标号(从-N到N，共有2N+1个高位部件)。在方程(4)中，将作用在各个高位部件上的载荷P设为常数。这就是指所考察的部件靠近具有重复图案的子管芯的中心位置，因而，相邻子管芯区域上的不同图案将不会影响到该部件上的压力分布。
图4表示了在整个加载区域(高位部件)内，归一化的压力p与归一化的距离x/a之间的关系，其中，归一化的压力p被定义为P(x)≡p(x)/p′ (5)式中，p’为特定高位部件上的平均压力。由于在尖角处uz/x不连续，所以，在该高位部件的边缘上压力达到了理论上的无穷大。在实际情况中，有限的半径使得uz/x越过边缘仍然是连续的，且在靠近边缘的位置处，压力增加到一个很大但有限的数值。另外，垫的材料并不能承受这样高的应力，从而会在接触处的拐角周围发生塑性屈服。尽管靠近边缘的压力是集中加强的，但在整个部件上，压力是均匀分布的，并接近于接触区域内平均压力p’的0.7倍。另外，方程(4)表明了曲线的总的形状并不会受到载荷以及垫的弹性特征的影响。每个高位部件上的载荷的增加会成比例地增大每一点的压力，但不会改变压力在整个高位部件上的分布。
通过将从公式(4)获得的加载区域内的压力代入到方程(2a)中就可求出在高位部件以外的垫的位移量。垫的位移可表达为归一化的形式uz‾(x)=-4(1-v2)p′πEΣu=-Nu=N1n[x-nλa+((x-nλa)2-1)1/2]+(2N+1)C1---(6)]]>式中，uz为高位部件以外的归一化位移，其被定义为uz(x)≡uz(x)/a，C1是单个平凸模压痕(flat punch indentation)条件下定义的归一化积分常数，其可以表达为C1=2(1-v2)P′πE1n[x0a+(x02a2-1)1/2]---(7)]]>积分常数C1只能通过在移动后的表面上选择一个基准点x0而确定出，其中的表面被称为初始表面，在该平面上，uz(x0)＝0。对x0的选择通常需要参照对实际变形表面的观察。由于在远离接触表面的远端处，边界条件是未被确定的，所以，难以确定C1是弹性半度空间(half-space)问题的普遍特征。为了克服这一困难，就必须要考虑弹性体的实际形状和尺寸以及位于支撑端面的边界条件。但是，如果所考察的是垫的表面的相对形状以及其在低位部件中的位移，而不是在其表面平面上的移动，则x0的选定就不重要了，且该选择将不影响垫的表面的轮廓。
如图2B所示，在假定不与低位部件相接触的前提下，如果高位部件的轮廓达到了稳态，则可采用均匀压力的边界条件。压力分布与作用在每一高位部件(|x-nλ|≤a)上的载荷P以及部件的宽度的一半a有如下关系p(x)=P2a=p′---(8)]]>采用该边界条件，对方程(2a)进行求解就可得到垫在整个子管芯区域上的位移。类似地，该位移可被描述成如下的归一化方程形式uz‾=(1-v2)p′πEΣn=-NN[(1+x-nλa)1n(1-x-nλa)2]]>+(1-x-nλa)1n(1-x-nλa)2]+(2N+1)C2---(9)]]>式中，C2是一个积分常数，并相对于基准点x0而确定出C2=(1-v2)p′πE[(1+x0a)1n(1+x0a)2(1-x0a)1n(1-x0a)2]---(10)]]>对高位部件的另一种可能的边界条件是由赫兹(Hertz)理论得出的椭圆形压力分布。在此情况下，不论是晶片还是垫都被建模为非一致的弹性体。考虑二维的赫兹(Hertzian)接触问题，接触区域(|x-nλ|≤a)中的压力分布可被表达为如下的公式p(x)=p0(1-(xa)2)1/2---(11)]]>式中，p0为部件上的最大压力，并可用如下的公式求得p0=2Pπa=4p′π---(12)]]>
从图4还可看出，可将压力分布改写为归一化的形式p，且与无量纲距离x/a相关p‾(x)=4π(1-(xa)2)1/2---(13)]]>椭圆压力分布将导致在靠近高位部件中心的位置处更高的材料去除速率。这将改变高位部件的轮廓，并促使压力分布向着更为均匀的形式发展。将椭圆压力分布作为边界条件，可获得归一化的位移如下uz‾=-4(1-v2)P′πEΣn=-NN{(x-nλa)2-[|x-nλ|a(x-nλa)2-1]]>-1n(|x-nλ|a+(x-nλa)2-1)]}+(2N+1)C3---(14)]]>式中的C3是另一个无量纲的积分常数。
C3=4(1-v2)p′πE{(x0a)2-[|x0|a(x0a)2-1-ln(|x0|a+(x0a)2-1)]}---(15)]]>图5为一个示意图，表示了在各种边界条件下变形的垫的表面轮廓。对于各种边界条件，靠近子管芯区域中心位置处的归一化的垫的位移基于公式(6)、(9)以及(14)。坐标上的零被设定为与高位部件的顶面相对应。位移的计算基于接近于目前的CMP实验而得出，其中面积分数为0.5(Af＝w/λ＝1-2a/λ＝0.5)，且在晶片上所施加的压力为0.05MPa(7psi)。
如表1所示，垫的弹性模量和泊松比被设定为E＝500MPa和v＝0.3(与当前使用的垫的指标接近)。由于在铜大马士革结构中所涉及的所有材料的杨氏模量都远大于垫的杨氏模量，所以在上述的分析中假设凸模压痕为刚性的是成立的。
从中可看出对于三种边界条件，垫的最大位移基本上处于同一数量级上。对于目前的电路设计，其中小尺寸的部件的宽度约为0.18～0.5μm(或对于面积分数为0.5的部件，a＝0.09～0.25)，在高位部件以外，垫的位移约0.03到0.08nm，与垫的表面粗糙度相比几乎可以忽略。因而，如台阶高度表1材料的弹性特性
+ASM金属手册，ASM国际出版社++材料科学手册，CRC出版社远大于垫的位移，例如在铜抛光的平面化阶段(对于初始台阶高度约为0.5～1μm的情况)，那么垫被认为不与低位部件接触。因而，由于直到平面化过程结束时为止，低位部件没有发生任何的磨损，故而其材料去除速率很低。另外，图5是基于具有33个平凸模(高位部件)的压痕而计算得到的。已经发现，在靠近子管芯区域的中心位置处，垫的位移几乎不会受到距离中心位置超过一定距离处的部件的总个数以及几何形状的影响。一般来讲，在特定的低位部件处，垫的位移以及垫变形后的形状将只受到所考察的区域周围五倍间距或六倍间距范围内的部件的影响。
图5还表示出了线宽对垫的位移的影响。对于面积分数(例如为0.5)恒定的图案，线宽的增大将使垫的位移成正比增加。因而，垫可能会在形貌被平面化之前就与低位区域接触到，从而降低了平面化的速率。例如，对于100μm的线宽，垫的位移约为20nm。在实际工作中，如果考虑垫的表面粗糙度约为100-200nm，且颗粒的尺寸约为200nm，则在平面化的早期阶段(在此情况下，约为台阶高度的一半)，大尺寸的部件(互连线、接触焊盘)的低位区域将与垫接触到。与此对比，对于亚微米尺寸的部件，垫上的起伏由于受到周围高位部件的约束而不能自由地接触到低位部件。因而，由于垫的位移非常小，所以直到在平面化过程结束时为止，垫将不会与低位区域接触到。
对于相同的面积分数Af，线宽增大的另一个影响是降低了高位部件上的平均材料去除速率。由于在平面化过程中，某些位置点上的部分载荷被低位部件支撑着，所以，高位部件上的平均压力降低，因而材料的去除速率也降低。在不同面积分数的区域上，材料去除速率的变化将导致在同一管芯上去除铜的工作时间不同。这就需要对部分的管芯进行过抛，并引起氧化物厚度变化和Cu损耗的问题。另外，低位部件与垫接触得越早，则越可能使得部分表面形貌得以保存，直到过程结束时为止。这将会增大表面的不均匀度，且在铜层被全部抛除之前，开始在刻槽内的铜上形成凹陷。
图6表示了各种边界条件下，垫的位移与图案面积分数的关系曲线。归一化的垫的位移uz/a随Af的增加而增加。所采用的三种边界条件给出了相同的趋势和近似的位移量。在这三种边界条件之中，椭圆压力分布对于所有的Af都具有最大的位移量。对于较小的Af，均匀压力分布的边界条件使得低位区域处垫的位移略大于恒定位移的边界条件的位移。如果Af近似地大于0.7，则在加载区域施加恒定位移的边界条件下，低位区域处的垫的位移更大。
除了在面积分数较高的区域，即Af大于0.7的区域处，uz/a相对Af快速增大外，位移几乎随Af线性地增加。在面积分数为0.2到0.6的范围内，曲线的斜率约为1×10-3。因而，对于本电路设计实例，即使面积分数略有变化，垫的位移仍能处于相同的数量级。因而，对于具有精细互连线的起始的几层金属，在垫接触到低位区域之前，它们的表面将被向下平面化。此外，如果铜的线宽很小，则垫的位移的效果就基本上可以忽略，由于作用在高位部件上的平均压力与Af成反比，所以材料去除速率和平面化速率都随Af成比例地增大。这将导致在工艺的平面化阶段中，在跨越不同面积分数区域的管芯内产生表面不平整。
图7表示了不同pav/E条件下，所施加的压力pav和垫的杨氏模量E对垫的位移(椭圆压力分布)的影响，pav/E为一无量纲参数，对于CMP中当前所用的垫和所施加的标称压力，pav/E接近于10-3。但是，可用不同的垫来改变表面的平整度。例如，E值比聚氨脂垫的E值大一个数量级(约为1～5GPa)的某些工程塑料，或甚至E值大两个数量级(约为10～20GPa)的某些软的金属，可被用作顶垫(top pad)，以改善表面的平整度。图7表明垫的位移将随着E的增大或pav/E值的减小而成比例地减小。这些结果适用于低位部件以及低位子管芯区域的垫的位移，低位子管芯区域由于其面积分数大于周围面积分数小的表面，所以其被较快地向下抛磨。通过采用较硬的垫，可使面积分数相差很大的两个区域的表面高度保持很小的差值，从而保证了整个管芯范围内的表面平整度。另一方面，较软的垫，例如E值约为500MPa至10MPa的聚合物泡沫，可降低作用在磨损颗粒上的载荷，从而可防止在最后的抛光过程中将表面划伤。通过采用接触力学模型，针对所施加压力的范围可确定出理想范围的垫的特性。
再次参照图2D，该附图表示了在开始出现凹陷和过抛时，部件图案与抛光垫之间的接触界面。如图2D所示，柔软的Cu互连要比扩散阻挡层(Ta、Ti或TaN)以及层间介电(ILD)氧化物磨损得快，因而，Cu互连的表面上会出现凹陷。另外，为了将图案上的铜互连彼此隔离，氧化物将被过抛。
根据本发明的CMP方法，在稳态模式下进行对绝缘层和金属层下部进行抛光的第二步骤，从而在刻槽内形成单独的金属线，且使金属线的凹陷以及绝缘层的过抛最小。
参见磨损方程，Preston常数可被定义为磨损系数kw与所要抛光的材料的硬度H的比值。因而，利用Preston方程可以确定出在晶片表面上任何一点处材料固有的去除速率，其可改写为dhdt=kwHPvR---(16)]]>式中p为作用在晶片表面上所考察的位置点周围的局部平均压力。磨损系数取决于抛光机制，其对所抛光的材料并不敏感。在CMP条件下，对于表层晶片上的包括Cu和TEOS的各种表面敷层，kw基本上保持为常数。如果假定该kw在管芯尺度上和部件尺度上都是相同的，那么如图2D所示的Cu表面和氧化物表面上的材料去除速率可被表达为(dhdt)Cu=kwHCupCuvR---(17)]]>(dhdt)Oxide=kwHOxidepOxidevR---(18)]]>式中，HCu、HOxide分别为铜和氧化物的材料硬度。如果假定处于稳态阶段，也即铜的凹陷量随着过抛时间保持恒定，那么铜表面和氧化物表面上的材料去除应当是均匀的，且为相同的速率(dhdt)Cu=(dhdt)Oxide---(19)]]>
通过使方程(17)与方程(18)相等，且注意到相邻Cu区域和氧化物区域的相对速度是相同的，则铜层和氧化物层上的压力分布与材料硬度之间的关系可被表达为如下的公式pCupOxide=HCuHOxide---(20)]]>为了利用图案几何形状求解出pCu和pOxide，可利用在所考察的横过互连线和周围的氧化物间隔的区域上的力平衡条件pCuw+pOxide(λ-w)＝pλ (21)其中，p为作用在特定区域上的平均压力。以面积分数来表示，Af＝w/λ，方程(21)可被改写为pCuAf+pOxide(1-Af)＝p≈pav(22)由于在经过短时间的过抛之后表面的变化(不均匀性)不会太大，通常小于100～200nm，所以可以假定局部平均压力p近似地等于管芯上的平均压力pav。利用方程(20)中给出的关系求解方程(22)，可得出稳态下氧化物表面上的压力pOxide=[p‾(HCu/HOxide)Af+(1-Af)]≈[pav(HCu/HOxide)Af+(1-Af)]---(23)]]>氧化物表面上的压力是管芯上平均压力、表面上的材料的硬度以及图案的面积分数的函数。如果方程(18)中的压力用方程(23)代替，则氧化物表面上的Preston方程可改写为(dhdt)Oxide=kwHOxide[p‾(HCu/HOxide)Af+(1-Af)]vR=kwH′p‾vR≈kwH′pavvR---(24)]]>其中，H’被定义为“表观硬度”，其可被表达为H′≡HCuAf+HOxide(1-Af)(25)
可这样来理解公式(24)，在稳态下，特定的图案化区域的抛光速率等于具有材料硬度H’和相同的平均压力 的视场(field)区域内的抛光速率。如果由于图案的面积分数发生变化，而使管芯区域内硬度值H’发生变化，则随着过抛时间的延续，氧化物和铜的厚度相对于平均厚度的偏差就会变大。因而，整个管芯的表观硬度应当被设计成尽可能均匀的，以便于减小过抛。另外，氧化物的过抛速率被稳态速率和表层氧化物的抛光速率所限制。根据力的平衡，氧化物上的压力随着凹陷的增加而增加(作用在Cu连线上的压力将会越来越小)，直至达到稳态值为止。类似地，铜的抛光速率被表层Cu的速率(如同在端点(end-point)处的平面上那样)以及周围氧化物的稳态抛光速率(除了面积分数特别高的情况之外，其非常接近于表层氧化物的抛光速率)所限制。
实验下面的实例是用来说明本CMP方法，在任何意义上，都不用来限定本一种铜大马士革结构被设计用来研究几何形状对金属凹陷和氧化物过抛的影响，图8示意性地表示了一测试晶片上的图案布局。在每一管芯(10mm×10mm)上的图案由2mm×2mm的块区(block)(子管芯区域)的矩阵组成。这些块区反过来又是由行间隔(line-space)的部件组成的，这些部件的最小线宽为0.5μm。
图9A示意性表示了一CMP掩模布局。图9B表示了与图9A所示的CMP掩模布局相对应的图案几何形状布局。如图9A和图9B所示，第一类型部件是由线宽恒定为0.5μm的细铜线和1μm至200μm的不同间距所构成的。这些部件代表了具有临界尺寸以及不同封装密度的金属互连。第二类型部件包括线宽为0.5μm至100μm的不同铜线，且铜线之间具有200μm的大的间隔，从而在相邻的铜互连之间留出很大的空间，以研究线宽对凹陷的影响。对于小的铜线，宽大的间隔有助于减小SiO2过抛对凹陷的影响。第三类型部件包括两个恒定的Cu的面积分数0.01和0.5，且具有不同的线宽和间距，以用于研究比例(scaling)对凹陷和过抛的影响。面积分数0.5接近于当前ULSI电路中金属层布局的设计规则。作为对比，面积分数为0.01的部件代表了单根、隔离的连线。表2列出了上述各种图案的设计特征
表2实验掩模上的图案的线宽(w)、间距(λ)以及面积分数(Af)。
λ(μm) 1 2 4 1050 100200 500w(μm)0.50.50 0.25 0.125 0.05 0.010.00250.7 0.00351.00.012.0 0.50 0.015.0 0.025 0.0125 9.590.125100 0.50通过在100mm的(100)取向的硅晶片上进行光刻，图案被转移到1.5μm厚的SiO2(TEOS)敷层上。当蚀刻出深度为1μm的氧化物刻槽后，淀积20nm厚的Ta阻挡层，然后，用PVD工艺淀积1.5μm厚的铜膜。图10是一张扫描电子显微镜(SEM)照片，表示了图案化的晶片的横截面。
实验在旋转型的抛光机上进行。法向压力和相对速度分别被保持为48KPa和0.7m/s，以使晶片/垫的界面保持接触。抛光的时间为1到6分钟，以涵盖不足抛光(under-polished)、恰好抛光(just-polished)以及过抛各阶段。抛光浆料包含体积百分比为4％的α-Al2O3研磨剂，其颗粒的平均尺寸为300mm。与工业的铜CMP中所采用的酸性溶剂相反，该浆料的pH值保持为7，从而只是集中在抛光的机械作用方面。Rodel IC-1400抛光垫被用来对晶片进行抛光，且在对每一晶片进行抛光之前，对垫进行设定。该抛光机的实验条件被列于表3中。
利用触针轮廓仪和原子力显微镜(AFM)来测量粗大的部件和精细的部件在不同抛光时间的图案表面轮廓。利用这些数据，铜的凹陷可以通过在研磨掉氧化物上的铜敷层后，测量相对于氧化物表面的铜线上的凹陷量来确定。氧化物的过抛可以通过测量剩余氧化物的厚度来确定。对于粗大的部件，利用椭圆计(ellipsometry)直接测量氧化物的厚度。而对于宽度小于20μm的细小的部件，通过利用椭圆计对子管芯块区之间400μm宽的氧化物间隔体进行测量，从而测得参考氧化物的厚度。氧化物部件的厚度是通过对表3实验条件实验参数 实验条件晶片直径(mm) 100法向载荷(N) 391法向压力(kPa) 48转动速度(rpm) 75线速度(m/s) 0.70持续时间(分) 1～6滑动距离(m) 42～252浆料流速(ml/min) 150研磨剂 α-Al2O3研磨剂尺寸(nm)300pH值 7比子管芯块区内的表面轮廓和这些参考间隔来确定。所有测量都是在中心管芯的子管芯块区的中央部件进行的，以减小由于晶片尺度上的抛光不均匀而带来的空间变化的影响。
图11A-11F为光学显微照片，表示了图案的表面(w＝25μm，λ＝25μm)随时间的变化。图11A表示了未抛光的且无刮痕的高位部件，由于铜的高反射率，该高位部件在光学显微照片中是明亮的。因为较少的法向入射光被反射，所以高位部件与低位部件之间的侧壁在明场照射条件下为暗的。图11B表示了经过两分钟抛光后，高位部件的表面变得粗糙。但是，低位区域的表面仍然保持与铜淀积时相同的微结构，这就表明垫尚未接触到低位区域。图11C表示了进行抛光三分钟后的情形，无论是高位部件还是低位部件的表面都变得粗糙了，且高位部件与低位部件之间的界面变得不清晰了。这是因为高位、低位部件之间的台阶高度被降低，且二者之间尖锐的边界被磨圆。因而，垫与高位部件及低位部件接触，两部件的表面都被进行了抛光。图11D表示了经过3分30秒抛光后，边界已变得无法辨识，台阶高度几乎消失，并且Cu表面已被平面化。图11D表示了当过程进行了3分30秒而即将结束时的情形，反光性较差的Ta阻挡层开始显现出来。图11E表示了再抛光30秒后的情形，阻挡层被清除掉，并露出底层的氧化物。图11F表示了五分钟后更暗的氧化物表面，这表明Ta阻挡层已被完全研磨掉。由于氧化物的反光率远小于铜的反光率，铜线在图中变得清晰可辨。
图12为一曲线图，表示了线宽为5μm、间距为200μm的图案的横截面轮廓随时间的变化。在抛光的开始阶段，高位部件的去除比低位部件快，这使得表面很快地被磨平。另外，在该阶段中，由于压力集中在边缘处，所以尖锐的拐角被磨圆。在平面化阶段，尽管高位部件的面积分数为0.025，与表层面的面积分数非常接近，但是高位部件的材料去除速率约为500nm/min，约为表层抛光速率的两倍。对此现象的一种解释为，表面上的刻槽促进了局部的浆料分配。另外，由于管芯尺度上的表面不均匀性，所以作用在每个子管芯上的压力也可能是不均匀的。
随着高位、低位部件之间的台阶高度的降低，高位部件的材料去除速率逐渐接近于低位部件的去除速率。这表明当表面变得平整时，压力分布变得更为均匀。最后，两个材料去除速率都接近于表层铜的抛光速率，该抛光速率约为220nm/min，且表面被平面化了。然后，铜表面保持平坦，直到该工艺过程结束，该情形如图11C所示。在经过结束时刻之后，其介于3到4分钟之间，铜线开始出现凹陷，且凹陷量随过抛的时间的增加而增加。氧化物也被抛光，但其抛光速率远小于柔软的Cu的抛光速率。因而，表面上再次会形成起伏的形貌。
图13A～13D表示了最小的部件，即0.5μm铜线，上的图案的相似的变化趋势。图13A是AFM图像，表示了在进行CMP三分三十秒(该时刻约为过程的结束时刻)后，具有0.5μm线宽和不同间距(1、2、4和200μm)的各种图案。图13B是CMP进行5分钟后的AFM图像。图13C和图13D中的曲线图分别表示了各种图案在CMP进行3分30秒以及5分钟后的表面轮廓。图中的所有表面在达到结束时刻之前都已被磨平。在图13A和图13B中，可看到一些由于颗粒对柔软的铜表面进行磨擦而形成的浅的划痕。在过抛的情况下，凹陷发生在铜线上，这些凹陷由于其位置相对于周围的氧化物表面较低，所以其在AFM图像中表现为暗的。对于λ＝1μm和2μm的部件(或较高的铜的面积分数，Af＝0.5和0.25)，在过抛之后，凹陷量小于30nm。与此相对，对于间距为200μm的隔离的连线部件，凹陷量则非常显著，约为200nm。对于隔离的布线结构，氧化物的边缘也被显著地磨圆了。
表4列出了测试晶片中心管芯上的结构在不同时刻的凹陷量。在进行到3分钟之前，表面仍然被很薄的铜层覆盖着，凹陷尚未出现。凹陷开始发生的时刻取决于图案的几何形状，即铜(或间距)的线宽和面积分数。从更早的观察来看，当铜层被磨去时凹陷开始出现。由于对于具有不同线宽或面积分数的部件，铜不会在相同的时间被清除掉，所以产生凹陷的时间随该些参数也存在变化。对于所有的图案，凹陷发生时刻的变动范围约为1分钟。在实际工作中，为了能清除掉氧化物表面上的所有的铜，该变动范围要求对晶片上的部分区域进行过抛，因而会造成表面的不平整。利用最小二乘方法对数据进行处理所得到的凹陷速率的数据被列在表4中。归一化的凹陷速率，在0.04到1.39的范围内，被定义为凹陷速率除以铜表层的抛光速率(约为210nm/min)。
表4凹陷变化的实验结果
图14表示了线宽对面积分数为0.5的部件的凹陷的影响，该面积分数接近于目前的电路设计。对于小线宽部件，例如线宽为0.5、1甚至25μm的线，在经过短时间的过抛后，凹陷量就达到了稳定。对于0.5和2μm的线，稳定的凹陷量为20mm到30nm。另外，凹陷速率受到表层铜和氧化物的抛光速率的限制。对于0.5μm到2μm宽的连线，凹陷速率接近于表层氧化物的抛光速率，约为12nm/分钟。但对于更大的线宽的情况，例如为100μm，凹陷则随着过抛时间的延长而增大，在实验中，在相对较长的过抛时间内，凹陷不会达到恒定值(稳定态)。经过三分钟过抛之后，凹陷量约为450nm。因而，凹陷速率约为150nm/分钟，其接近于表层铜的抛光速率，约为210nm/分钟。
对于小的部件，由于周围的氧化物限制了对细铜线的抛光，所以凹陷速度与氧化物的去除速率一样慢。垫的变形不足以陷入小的刻槽中。例如，对于线宽很小、且面积分数中等的图案，例如线宽为0.5nm、Af＝0.5的线，垫陷入到下方的位移约0.08nm，与垫的粗糙度相比几乎是可忽略的。如果不涉及化学反应，则预计凹陷量必定与垫的位移和颗粒的压痕深度之和相当。基于实验结果，在通常的CMP条件下，对于300nm的Al2O研磨剂，压痕深度约为10到20nm。因而，预计最大的凹陷量约为20nm，这与测量的结果相符。
当铜线足够宽时，垫易于与凹陷的铜表面吻合，并如同在晶片的表层上一样，在铜和氧化物的表面上施加均匀的压力。例如，对于线宽100μm的铜线，垫能不受周围氧化物约束地变形并陷入凹陷的区域中。考虑到即使在100μm的线上产生了很大的凹陷，例如300nm～400nm(考虑到垫的变形、垫的粗糙度以及颗粒尺寸)，凹陷量与线宽的比值仍然很小，约为0.004。对于铜与氧化物的接触区域之间的如此小的应变差，所施加的法向压力被假定为均匀的，即pCu＝pOxide≈p。因而，凹陷速率接近于表层铜的抛光速率，约为220nm/分钟。另外，对于铜的厚度为1μm的设计，在最糟的情况下，超过40％的铜被研磨掉。
图15表示了线宽对Af＝0.01的隔离的连线的凹陷行为的影响。这种趋势与面积分数为0.5的类似凹陷量随过抛时间的增加而增大，且抛光速率受表层铜和氧化物的抛光速率限制。与面积分数为0.5连线区域相比，隔离的连线的凹陷量和凹陷速率都增大了。对于0.5μm和2μm的部件，凹陷速率增加了约14倍，而对于5μm或更大的部件，则凹陷速率相对增加较小。但是，如果考虑了面积分数减小五十倍的因素，则这一效果就不明显了。另外，例如线宽为0.5和2μm的细铜线上的凹陷经过约两分半钟的过抛不会达到稳定态。
图16表示了面积分数对0.5μm的连线的凹陷的影响。其证实了面积分数并不会显著地影响凹陷。对于面积分数为0.01到0.5的情况，凹陷速率非常接近于对表层氧化物的抛光速率。从图中还可看出，除了0.01的非常低面积分数的情况外，即使经过了两分钟的过抛，凹陷量保持在小于35nm的低水平上。
图17表示了在面积分数为0.5的部件上应用采用中性浆料的本发明和采用工业化学浆料(Park等人，1999年)的现有技术的比较。很明显的是，对于线宽约小于25μm，凹陷行为并未受到浆料中含有化学物质的影响。在两个实验中，在过抛约1分钟之后，凹陷都达到了相同的稳态深度。但是，对于较宽的铜区域，例如100μm，则通过适当地调整浆料的pH值和化学成分，可使凹陷量减小。经过过抛三分钟后，凹陷量可减小一半，从450nm减小到230nm。即使对于1分钟的短时间过抛，通过采用化学浆料也可将凹陷量减小0.65倍。这些结果表明，化学成分对凹陷的影响取决于机械颗粒研磨的协助。在铜的抛光过程中，单纯化学蚀刻作用不是非常明显。对于细小的连线，由于随着凹陷的增大，作用在颗粒上的载荷降低，所以由颗粒研磨而造成的材料的去除随之减小。因而，改变表面材料硬度的化学作用在降低凹陷速率方面的效果并不明显。与此相反，由于垫的形状与凹陷的表面吻合，所以压力分布更均匀并且不会随着凹陷的增大而有很大的变化。因而，类似于在表层晶片上观察到的结果，通过化学作用产生的表面特性的改变速率(change rate)可以改变凹陷速率。
图18表示了在图案的线宽w为0.5μm而面积分数w/λ为不同数值时氧化物的过抛随时间的变化。当铜层被磨去之后，氧化物的过抛开始进行，这取决于图案的几何形状。在此情况下，管芯上的不同图案的过抛开始时间不同，在抛光的第3分钟至第四分钟之间变化。过抛量随过抛时间的增加而增大。这表明过抛速率随图案的面积分数增大而增大。对于小面积分数的情况，例如面积分数为0.01、0.05以及0.125，过抛速率是相似的，且接近于表层氧化物的抛光速率。对于面积分数更大的区域，例如为0.25和0.5，过抛速率则随着面积分数的增大而增大。
图19对比了理论分析结果与实验结果给出的面积分数对过抛速率的影响。图中的实线代表利用铜及氧化物的表层抛光速率分别为270nm/分钟和26nm/分钟的条件而从方程(24)获得的理论分析结果。从图中可看出，实验结果与理论结果相符合，尤其是当面积分数小于0.25时。对于较高的面积分数，例如0.5，实际速率大于理论模型估算的结果。对此差异可能的解释是，与表层区域或图案密度较低的区域相比，在图案密集的区域的界面处，浆料的输送效率更高。铜的凹陷提高了铜和氧化物的固有材料去除速率，因而增大了过抛速率。
图20和21分别表示了对面积分数为常数0.5和0.01而线宽为不同数值的图案的氧化物过抛。图20和图21表明，不论是小面积分数的情况，还是大面积分数的情况，过抛都不会受线宽的严重影响。对于面积分数为0.5的情况，当线宽在0.5μm至100μm范围内时，过抛速率约为100nm/分钟。对于面积分数为较小的0.01的情况，以表面上的隔离的互连线的区域为模型，当线宽在0.5μm到5μm的范围内时，过抛速率非常接近于氧化物抛光的表层速率。这意味着比例(scaling)并不能非常显著地改变铜和氧化物上的压力分布。在过抛阶段中，表面上的压力分布基本上只受面积分数的影响。其原因在于整个子管芯区域上的平均材料去除速率受到氧化物过抛速率的限制，而过抛速率反过来又取决于图案的面积分数。这也就意味着在每个子管芯区域上的压力分布都是相似的，并接近于作用在晶片上的平均压力，这也就证实了在前面的理论部分中所采用的假设。
从图20和21还可看出，在达到稳态阶段前的过抛的早期阶段，氧化物的过抛速率较小。该现象可用在过抛过程中铜和氧化物上压力分布的变化来进行解释。压力均匀分布在铜表面及氧化物表面上。由于铜产生凹陷，因而表面的不均匀性增大，垫略微变形并陷入到凹陷区域中，进而释放了接触表面上的应力，所以铜上的压力降低。根据力的平衡，作用在氧化物上的载荷增大，因而材料去除速率(MRR)增加，直至达到稳定值为止。氧化物的MRR受方程(24)给出的稳态去除速率以及表层去除速率(在表面为平面的阶段)的限制。
在铜的CMP中，在管芯区域内有两个重要的工艺要求保持铜互连线的厚度；以及保持其在管芯内的均匀性，这也代表了表面形貌的变化。在晶片上随机选择的第i个管芯内的第j个子管芯区域的k点处的铜的残余厚度可表达为hijk＝h0-(μi+ξj(i)+δj(i)+rk(ij))(26)式中，h0为Cu互连的原始设计厚度，该厚度与氧化物刻槽的深度相同，μi代表特定管芯i上的氧化物过抛量的平均值，ξj(i)为管芯i内子管芯区域j(具有相同的图案几何形状)上的氧化物过抛量与μi的偏差。因而，由于过抛而造成的铜损耗量为μi与ξj(i)之和。此外，在公式(26)中，ξj(i)代表管芯i上子管芯区域j的凹陷量，而rk(ij)为管芯i上子管芯区域j中特定位置点k处的随机误差。每次测量时，通过随机地选择n份重复的铜互连厚度样本来估算出该子管芯区域中的上述随机误差。如果具有多个重复部件的特定子管芯足够大，即相邻子管芯上的不同图案将不会影响所述子管芯的大多数区域上的压力分布和浆料流动，则随机误差代表了来源于测量方面和其它随机因素的误差。方程(26)有助于识别每一几何参数或工艺参数对工艺优化的效果。
为了使铜损耗变为最小，方程(26)右侧的每个变量都必须被最小化，平均值和偏差都要最小化。氧化物过抛的平均值μi受铜的平均面积分数的影响，并随着过抛时间的增长而增大。且其在整个晶片范围内的偏差随晶片范围内抛光不均匀性的增加而增大，该不均匀性由例如晶片/垫的接触条件、浆料的分配(dispensing)以及垫的刚度的全局(晶片尺度上)因素所确定。实际上，面积分数的平均值被限定在0.3到0.5之间，且对于类似的IC产品，该数值变化不太大。因而，μi的最小化主要依赖于降低晶片范围内抛光的不均匀性，从而可使用于去除掉不同管芯上多余的铜的过抛加工的时间最小化。
如从方程(26)可看出的那样，由子管芯区域的局部图案布局所导致的过抛速率ξ/t是由磨损系数、铜的面积分数以及铜和氧化物的硬度决定的。子管芯面积分数的设置一般是由电路设计者规定的，因而是不能改变的。为了能将图案局部布局对过抛的影响减到最小，ξ/t必须被调整为尽可能地小且/或在最终的抛光阶段(或在过抛开始之后)对局部的几何形状变化较不敏感。过抛速率随磨损系数的减小而减小。在本发明的一实施例中，采用了软的研磨颗粒，其中，该研磨剂的硬度接近于ILD氧化物，但仍然高于Cu的硬度。因而，即使用于清除掉所有多余的铜的过抛时间保持不变，也能使过抛量减小。在另一实施例中，通过调整浆料的pH值和化学成分，使铜的硬度加大且/或氧化物的硬度被降低(主要是减小铜的MRR与氧化物的MRR的比值，或所谓的选择性)。这将降低过抛速率的变化(或不同子管芯之间“相对硬度”的变化)对面积分数变动量的敏感性。通过增大浆料pH值(但不能太大，pH太大会阻碍铜的去除)来降低氧化物硬度要好于增大铜硬度，原因在于，这样将不会增加过抛时间。但是，由于这样会以更快的速率对氧化物进行过抛，所以应当采用一种检测工艺结束点的措施。
本发明人发现，凹陷与铜的线宽极为相关。对于亚微米的连线，凹陷速率非常低(接近于氧化物表层的去除速率，且对浆料的化学成分不敏感)，且稳态的凹陷量非常小。对于目前以及将来的电路设计，凹陷对铜损耗和表面不均匀性的影响可忽略不计。但是，对于某些具有大的金属焊盘或50～100μm宽的输电线的设计，凹陷速率接近于进行表层抛光的速率。在这些情况下，凹陷会导致铜损耗以及表面不均匀性。这必须提高垫的杨氏模量以减小垫的压痕，或者采用略带碱性的(basic)浆料以降低铜的抛光速率，但却不会增大氧化物的过抛速率。
本发明CMP方法的一个优点为，其基于用于对金属层的上部进行平面化和抛光的第一步骤的接触模型，以及用于进行金属凹陷和氧化物过抛的第二步骤的稳态模型。因而，可为第一步骤选择工艺条件以对各种图案(Af在0.01到0.5的范围内)的初始形貌快速地进行平面化和抛光，从而形成平整的表面。在表面被平面化之后，以接近于表层抛光速率的速率将剩余的铜材料去除掉，且表面的变化仍然被保留着，直到某些子管芯区域中的部分的铜被去除之后。在铜被清除掉之后，由于出现凹陷和过抛，表面的不均匀性会增大。根据本发明的第二步骤的稳态模型提供了一种优化工艺条件的机制，以减小金属的凹陷量和氧化物的过抛量。实验表明，对凹陷而言，线宽是一个重要的几何参数。对于线宽小于1μm的细的连线，凹陷速率接近于氧化物的表层去除速率，并在短时间的过抛后达到稳态的轮廓。对于线宽约为50到100μm的宽的连线，铜的凹陷速率接近于表层的去除速率。与现有技术相比，浆料的pH值和化学成分不会增大细的连线的凹陷量或凹陷速率，却可以减小宽的连线的凹陷。这就意味着由于垫的变形而引起的载荷分布和颗粒的机械作用对铜的凹陷具有很重要的影响，特别是对于细小的连线。氧化物的过抛则更多地取决于图案的面积分数，而非线宽。实验表明，在经过短的时间后，过抛就能达到稳态。过抛的稳态速率取决于铜和氧化物的表观硬度和固有的磨损系数。实验还表明，对于面积分数很大的图案，由于改善了浆料的输送，故而过抛速率的增加可以大于理论模型的预计值。另外，由于过抛并不明显地依赖于线宽，所以，当装置的尺寸缩小时，如果在图案布局上出现大的变化的面积分数，则管芯内的不均匀性将主要归因于过抛，而非凹陷。
可利用本发明的CMP方法来使铜的去除速率达到最大，并降低由凹陷和过抛而造成的表面不均匀性。本发明的方法可减小对氧化物的过抛，并减小了由于受不同面积分数和线宽的影响而产生的凹陷和过抛的变动。因而，即使经过短时间的过抛，表面形貌也不会变得不平整。
以上对本发明具体实施方式
以及实例的描述是为了做以解释和介绍，尽管已经用上述的某些实例对本发明进行了阐述，但这不能理解为对本发明的限制。这些实例并非述及所以方面或用来将本发明的范围局限在所公开的具体形式中，很显然，在本文的启示下，做出各种改动、实施方式和变化是可能的。本发明的保护范围应当包括本文所公开的和权利要求书以及其等效文件所要求的一般领域。
权利要求
1.一种金属大马士革结构的化学机械抛光的方法，该金属大马士革结构包括绝缘层，该绝缘层具有形成在晶片上的刻槽；以及金属层，其具有位于绝缘层刻槽内的下部和覆盖所述下部和所述绝缘层的上部，所述方法包括第一步骤，在接触模式下，通过在晶片与抛光垫之间施加一压力并产生一相对速度而将所述晶片与所述抛光垫负荷在一起，以此对金属层的上部进行平面化；以及第二步骤，在稳态模式下，对绝缘层和金属层的下部进行抛光，以在刻槽中形成单独的金属线，且使金属线的凹陷和绝缘层的过抛最小。
2.如权利要求1所述的方法，其中在所述的第二步骤中，通过控制磨损系数来控制绝缘层的抛光。
3.如权利要求2所述的方法，其中在所述的第二步骤中，通过采用一抛光浆料来控制磨损系数，该浆料中所含的研磨颗粒的硬度接近于所述绝缘层的硬度，并大于所述金属的硬度。
4.如权利要求1所述的方法，其中在所述的第二步骤中，通过提高所述金属的硬度来减小绝缘层的过抛。
5.如权利要求1所述的方法，其中在所述的第二步骤中，通过降低绝缘层的硬度来减小绝缘层的过抛。
6.如权利要求5所述的方法，其中通过控制抛光浆料的pH值和/或成分来降低绝缘层的硬度。
7.如权利要求1所述的方法，还包括控制晶片内的抛光均匀性的步骤。
8.如权利要求7所述的方法，其中通过控制晶片与所述的垫的接触条件、抛光浆料的分配条件以及垫的刚度来控制晶片内的抛光均匀性。
9.一种金属大马士革结构的化学机械抛光的方法，该金属大马士革结构包括绝缘层，该绝缘层具有位于晶片上的刻槽；以及金属层，其具有位于绝缘层刻槽内的下部和覆盖所述下部和所述绝缘层的上部，所述方法包括第一步骤，在接触模式下，通过在晶片与抛光垫之间施加一压力pav并产生一相对速度vR而将晶片与抛光垫负荷在一起，以此对金属层的上部进行平面化；以及第二步骤，在稳态模式下，通过满足如下方程，对绝缘层和金属层的下部进行抛光，以在刻槽内形成单独的金属线，且使金属线的凹陷和绝缘层的过抛最小，所述方程为RMetal=Rinsulation=kwH′pavvR]]>式中，RMetal为铜的去除速率，Rinsulation为绝缘层的去除速率，kw为磨损系数，而H’为抛光表面的表观硬度，该表观硬度由如下方程表示H’＝HMetalAf+Hinsulation(1-Af)式中，HMetal为铜的硬度，而Hinsulation为绝缘层的硬度，而Af为金属图案的面积分数。
10.如权利要求9所述的方法，其中表观硬度H’被均匀地设计在晶片上的管芯区域内。
11.如权利要求9所述的方法，其中在所述的第二步骤中，通过控制磨损系数kw调节绝缘层的过抛。
12.如权利要求9所述的方法，其中在所述第二步骤中，通过采用一抛光浆料来控制磨损系数kw，该浆料中所含的研磨颗粒的硬度接近于绝缘层的硬度Hinsulation，并大于金属的硬度HMetal。
13.如权利要求9所述的方法，其中在所述第二步骤中，通过提高金属的硬度HMetal来减小绝缘层的过抛。
14.如权利要求9所述的方法，其中在所述第二步骤中，通过降低绝缘层的硬度Hinsulation来减小绝缘层的过抛。
15.如权利要求9所述的方法，其中通过控制抛光浆料的pH值和/或成分来降低绝缘层的硬度Hinsulation。
16.如权利要求9所述的方法，还包括控制晶片内的抛光均匀性的步骤。
17.如权利要求9所述的方法，其中通过控制晶片与所述的垫的接触条件、抛光浆料的分配条件以及垫的刚度来控制晶片内的抛光均匀性。
18.如权利要求9所述的方法，其中该金属大马士革结构的面积分数Af为0.5，刻槽内的金属线的线宽w为0.5至25μm，所述第一、第二步骤的总的抛光时间为180至300秒。
19.如权利要求9所述的方法，其中该金属大马士革结构的面积分数Af为0.5，刻槽内的金属线的线宽w为50至100μm，所述第一、第二步骤的总的抛光时间为180至210秒。
20.如权利要求9所述的方法，其中刻槽内金属线的线宽w为0.5μm，该金属大马士革结构的面积分数Af在0.05至0.5之间，所述第一、第二步骤的总的抛光时间为180至300秒。
21.如权利要求9所述的方法，其中刻槽内金属线的线宽w为0.5μm，该金属大马士革结构的面积分数Af小于0.01，所述第一、第二步骤的总的抛光时间为180至210秒。
全文摘要
本发明提供了一种金属大马士革结构的化学机械抛光的方法，该金属大马士革结构包括绝缘层，其具有位于晶片上的刻槽；以及金属层，其具有位于绝缘层的刻槽内的下部和覆盖所述下部和绝缘层的上部。该方法包括第一步骤，其对金属层的上部进行平面化；以及第二步骤，其对绝缘层和金属层的下部进行抛光。在第一步骤中，在接触模式下，通过在晶片与抛光垫之间施加压力p并产生相对速度v而将晶片和抛光垫负荷在一起，以提高金属的去除速率。在第二步骤中，在稳态模式下，对绝缘层和金属层的下部进行抛光，以在刻槽中形成单独的金属线，且使金属线的凹陷和绝缘层的过抛最小。
文档编号B24B37/04GK1620355SQ02806870
公开日2005年5月25日 申请日期2002年1月23日 优先权日2001年1月23日
发明者南纳吉·萨卡, 赖俊宇, 希拉里奥·L·奥 申请人:Asml美国公司, 马萨诸塞州技术研究院