一种化学机械研磨方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体制造领域，涉及一种化学机械研磨方法。
【背景技术】
[0002]化学机械研磨技术综合了化学研磨和机械研磨的优势。单纯的化学研磨，表面精度较高，损伤低，完整性好，不容易出现表面/亚表面损伤，但是研磨速率较慢，材料去除效率较低，不能修正表面型面精度，研磨一致性比较差；单纯的机械研磨，研磨一致性好，表面平整度高，研磨效率高，但是容易出现表面层/亚表面层损伤，表面粗糙度值比较低。化学机械研磨吸收了两者各自的优点，可以在保证材料去除效率的同时，获得较完美的表面，得到的平整度比单纯使用这两种研磨要高出1-2个数量级，并且可以实现纳米级到原子级的表面粗糙度。
[0003]在半导体制造工艺中，刮伤缺陷是金属铜层化学机械研磨过程中出现的一个严重问题，对于超厚金属的化学机械研磨，该问题尤为严重。可能的原因是晶片经过长时间的研磨，导致研磨面温度升高并使副产品堆积，从而导致刮伤缺陷。在集成电路制造中，由于各种应用，经常遇到沉积超厚金属(Ultra Thick Metal,UTM)的情况。如在形成铜互连时，需要在沟槽中沉积金属铜，沉积完毕后，沟槽外或介质层上的金属铜层的厚度可达3.5微米，甚至更厚，这部分金属铜层需要经过化学机械研磨去除，从而导致严重的刮伤缺陷问题，使器件的可靠性降低。
[0004]现有技术中，为了改善超厚金属(UTM)化学机械研磨过程中的刮伤缺陷问题，采用两步抛光方法。以去除沟槽外金属铜层及扩散阻挡层为例，首先通过第一步研磨去除部分金属铜层，然后通过第二步研磨去除剩余的金属铜层、扩散阻挡层及部分层间介质层。其中，第一步研磨中依次经过第一研磨台板Pl高压研磨、第二研磨台板P2高压研磨及清洗槽中清洗，第二步研磨中依次经过第一研磨台板Pl高压研磨、第二研磨台板P2高压研磨、第三研磨台板P3研磨及清洗槽中清洗。显然，用该方法可以改善刮伤缺陷问题，但是由于需要将晶片二次放入第一研磨台板和第二研磨台板，并二次放入清洗槽清洗，从而增加了晶片在各研磨台板及清洗槽之间的流转时间，从而降低了产能，同时，消费成本(cost ofconsumable, COO)及持有成本(cost of ownership, COO)也升高。
[0005]因此，提出一种新的化学机械研磨方法以解决超厚金属化学机械研磨过程中的刮伤缺陷问题，同时不降低产能，并减少消费成本和持有成本实属必要。
【发明内容】
[0006]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种化学机械研磨方法，用于解决现有技术中的化学机械研磨方法容易导致大量刮伤缺陷使得良率降低，且现有方法导致产能下降、成本升高的问题。
[0007]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种化学机械研磨方法，至少包括以下步骤:
[0008]S1:提供待研磨晶片，所述待研磨晶片包括介质层及形成于所述介质层中的沟槽，所述沟槽中填充有导电金属层，其中，所述导电金属层覆盖所述沟槽外的介质层，所述导电金属层与所述介质层之间还形成有扩散阻挡层；
[0009]S2:采用第一研磨台板依次在第一压力、第二压力下对所述待研磨晶片进行研磨，其中，所述第一压力小于第二压力；然后采用高压冷水降温并去除研磨副产物；接着继续采用所述第一研磨台板在第一压力下对所述待研磨晶片进行研磨；
[0010]S3:采用第二研磨台板在第一压力下对所述待研磨晶片进行研磨；
[0011]S4:采用第三研磨台板对所述待研磨晶片进行研磨以去除沟槽外多余的扩散阻挡层并修复刮伤缺陷；所述第三研磨台板的硬度小于所述第一研磨台板及第二研磨台板的硬度；
[0012]S5:将研磨完毕的待研磨晶片放入清洗装置中进行清洗。
[0013]可选地，所述第一压力范围是0.8?1.3psi ;所述第二压力范围是1.3?2.5psi。
[0014]可选地，所述高压冷却水的压力大于IMPa，温度小于25°C。
[0015]可选地，采用所述第一研磨台板在所述第二压力下对所述待研磨晶片进行研磨的时间小于120秒。
[0016]可选地，所述第一研磨台板上设有厚度探测器，以探测剩余的导电金属层厚度；当探测到剩余的导电金属层厚度符合预设厚度范围时，停止研磨。
[0017]可选地，经过所述步骤S2的研磨之后，所述介质层上最终剩余的导电金属层厚度小于0.3微米。
[0018]可选地，所述第二研磨台板上设有界面探测器，以实时探测研磨面是否到达或接近所述导电金属层与所述扩散阻挡层的界面；当研磨面到达所述界面，或所述研磨面与所述界面之间的距离小于预设值时，停止研磨。
[0019]可选地，经过所述步骤S3的研磨之后，所述沟槽外剩余的导电金属层被去除。
[0020]可选地，经过所述步骤S4的研磨之后，所述扩散阻挡层及部分所述介质层被去除。
[0021]可选地，于所述步骤S5中，将研磨后的晶片放入清洗槽中进行清洗。
[0022]可选地，所述导电金属层的材料包括Cu、Al或W。
[0023]可选地，于所述步骤SI中提供的待研磨晶片中，所述沟槽外的导电金属层厚度大于3.5微米。
[0024]如上所述，本发明的化学机械研磨方法，具有以下有益效果:本发明依次使用第一研磨台板、第二研磨台板及第三研磨对待研磨晶片进行研磨并最终进行清洗，从而去除沟槽外多余的导电金属层、扩散阻挡层及少量介质层。由于晶片依次通过第一研磨台板、第二研磨台板、第三研磨台板及清洗装置即研磨完毕，晶片无需在不同研磨台板及清洗装置之间往复流转，从而实现一步法完成化学机械研磨，显著减少化学机械研磨制程时间，使得产能提高、成本降低。同时，本发明的化学机械研磨方法在使用第一研磨台板对晶片进行研磨时，首先采用低压研磨，然后采用高压研磨，并采用高压冷却水降低研磨台板及晶片温度、去除研磨副产物，最后再采用低压进行研磨；该过程可以去除沟槽外的大部分的导电金属层，且显著减少晶片刮伤缺陷；后续再使用第二研磨台板进一步去除沟槽外剩余的多余导电金属层，使用硬度较低的第三研磨台板去除扩散阻挡层及部分介质层，由于第三研磨台板较软，可以进一步修复刮伤缺陷，得到高质量的研磨表面。本发明不仅可以减少化学机械研磨导致的刮伤缺陷，获得高质量研磨表面，提高产品良率，同时简化工艺步骤，实现一步法完成化学机械研磨，从而提高产能，降低消费成本和持有成本。
【附图说明】
[0025]图1显示为本发明的化学机械研磨方法的工艺流程示意图。
[0026]图2显示为待研磨晶片的剖面结构示意图。
[0027]图3显示为本发明的化学机械研磨方法的一个具体实施流程图。
[0028]元件标号说明
[0029]SI ?S5步骤
[0030]T1, T2, T3停止研磨位置
[0031]I介质层
[0032]2扩散阻挡层
[0033]3导电金属层
【具体实施方式】
[0034]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0035]请参阅图1至图3。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
[0036]本发明提供一种化学机械研磨方法，请参阅图1，显示为该方法的工艺流程图，至少包括以下步骤:
[0037]步骤S1:提供待研磨晶片，所述待研磨晶片包括介质层及形成于所述介质层中的沟槽，所述沟槽中填充有导电金属层，其中，所述导电金属层覆盖所述沟槽外的介质层，所述导电金属层与所述介质层之间还形成有扩散阻挡层；
[0038]步骤S2:采用第一研磨台板依次在第一压力、第二压力下对所述待研磨晶片进行研磨，其中，所述第一压力小于第二压力；然后采用高压冷水降温并去除研磨副产物；接着继续采用所述第一研磨台板在第一压力下对所述待研磨晶片进行研磨；
[0039]步骤S3:采用第二研磨台板在第一压力下对所述待研磨晶片进行研磨；
[0040]步骤S4:采用第三研磨台板对所述待研磨晶片进行研磨以去除沟槽外多余的扩散阻挡层并修复刮伤缺陷；所述第三研磨台板的硬度小于所述第一研磨台板及第二研磨台板的硬度；
[0041]步骤S5:将研磨完毕的待研磨晶片放入清洗装置中进行清洗。
[0042]首先执行步骤S1:提供待研磨晶片，图2显示为所述待研磨晶片的剖面结构示意图，如图所示，所述待研磨晶片包括介质层I及形成于所述介质层I中的沟槽，所述沟槽中填充有导电金属层3，其中，所述导电金属层3覆盖所述沟槽外的介质层I，所述导电金属层3与所述介质层I之间还形成有扩散阻挡层2。
[0043]在金属互连线的布线工艺中，现普遍采用双大马士革结构工艺:先在介质层中开出互连沟槽和通孔，然后通过电镀或化学镀铜在互连沟槽和通孔中淀积导电金属，再利用化学机械研磨(CMP)将过填的导电金属磨去。需要指出的是，为了图示的方便，图2中仅示出了沟槽而未示出其下的通孔，此外，所述介质层I下方还可包括器件层及下一层互连结构等，此处不应过分限制本发明的保护范围。
[0044]具体的，所述导电金属层3的材料包括Cu、Al或W等电的良导体，本实施例中，所述导电金属层3以Cu为例。所述介质层I作为层间介质层，其材料可以为二氧化硅或低k介质。所述扩散阻挡层2可以为但不限于Ta/TaN双层结构，其作用是增强所述导电金属层3与所述介质层I之间的粘附力并防止所述导电金属层3扩散。所述介质层I上表面与所述扩散阻挡层2之间还可以具有其它介质层，如S1N等，其作为光刻时定义图案的抗反射层及刻蚀通孔时确定通孔高度的阻挡层，可以在后续步骤中与沟槽外多余的金属层一起去除。
[0045]本发明的化学机械研磨方法适用于沟槽外多余的金属层、介质层等的去除，对于超厚金属(Ultra-Thick Metal, UTM)的去除，本发明的优势更为明显，作为示例，所述待研磨晶片中，所述沟槽外的导电金属层3的厚度大于3.5微米，当然，在其它实施例中，所述沟槽外的导电金属层3的厚度可以小于3.5微米。