专利名称：化学机械研磨及通孔形成方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造领域，特别涉及化学机械研磨及通孔形成方法。
背景技术：
随着超大规模集成电路ULSI (Ultra Large Scale Integration)的飞速发展，集 成电路制造工艺变得越来越复杂和精细。为了提高集成度，降低制造成本，元件的关键尺寸 不断变小，芯片单位面积内的元件数量不断增加，平面布线已难以满足元件高密度分布的 要求，只能采用多层布线技术，利用芯片的垂直空间，进一步提高器件的集成密度，在各层 布线之间需要用导电通孔进行电连接，而导电通孔之间则通过绝缘层隔离。例如，在申请号 为200710088223的中国专利申请中，首先在半导体衬底上形成第一层间绝缘层，其中在所 述半导体衬底中已形成底层结构。接着蚀刻第一绝缘层的区域，从而形成接触孔，半导体衬 底的接触区域通过该接触孔被暴露。然后在包括接触孔的整个表面上沉积低电阻钨层，从 而形成触点。 随着对于器件尺寸越来越高的要求，导电通孔的孔径也要求越来越小。为了满足 对于孔径的需求，目前通常采用高深宽比的通孔工艺，例如采用深层反应离子蚀刻(DRIE， De印Reactive Ion Etch)来形成孔径较小的通孔，当前的深层反应离子蚀刻系统已经足 以蚀刻深宽比超过50的深槽硅结构。在例如申请号为00119596. 4的中国专利申请中还能 发现更多与深层反应离子蚀刻相关的信息。 而另一些通孔工艺中，为了满足通孔小孔径要求的同时减小工艺成本，对通孔的 截面形状进行了改进，例如申请号为200610118864的中国专利申请中，将通孔的截面形状 设计成上宽下窄的漏斗状，实现更小的曝光尺寸，同步縮小通孔开口和底部的尺寸，从而縮 小通孔孔径。 然而，有时为了满足更小孔径的要求，可能需要对已填充完金属的通孔进行研磨， 直到研磨达到的通孔孔径达到要求。此时，研磨就面临着需同时研磨金属层和用于隔离通 孔的绝缘层的问题，而由于目前的研磨工艺通常只采用一种研磨浆，因而可能无法达到研 磨减薄金属层和/或绝缘层的厚度要求，或即使达到研磨减薄金属层和/或绝缘层的厚度 要求，研磨后的金属层和绝缘层也粗糙不平，影响后续工艺实施。
发明内容
本发明提供一种化学机械研磨及通孔形成方法，解决现有工艺中研磨后粗糙不 平，影响后续工艺实施的问题。 为解决上述问题，本发明提供一种化学机械研磨的方法，包括 使用第一研磨浆研磨水平方向上同时具有第一研磨介质和第二研磨介质的半导 体结构，以减薄第一研磨介质； 在第二研磨介质达到塌陷高度时，停止研磨第一研磨介质，转而使用第二研磨浆 研磨第二研磨介质至与第一研磨介质齐平；
若第一研磨介质的减薄厚度未达到预设要求，则重复上述步骤。 本发明还提供一种通孔形成方法，包括填充通孔以及填充通孔后的化学机械研
磨，其中，所述化学机械研磨包括 使用第一研磨浆研磨具有通孔填充介质以及通孔间的绝缘介质的半导体结构，以 减薄所述绝缘介质； 在通孔填充介质达到塌陷高度时，停止研磨绝缘介质，转而使用第二研磨浆研磨 通孔填充介质至与绝缘介质齐平； 若绝缘介质的减薄厚度未达到预设要求，则重复上述步骤。 与现有技术相比，上述所公开的化学机械研磨及通孔形成方法具有以下优点通 过交替研磨依次去除所需研磨的两种研磨介质，并且在研磨过程中实行分阶段研磨，保证 当一种研磨介质被研磨减薄时，剩余的研磨介质不会因高度过高而塌陷，从而也保证了在 每一阶段研磨后，研磨介质表面仍比较平整。
图1是本发明化学机械研磨的方法的一种实施方式图；
图2A至2D是本发明化学机械研磨的方法的一种实施例图。
具体实施例方式
根据本发明化学机械研磨及通孔形成方法的一种实施例，通过交替研磨依次去除 所需研磨的两种研磨介质，并且在研磨过程中实行分阶段研磨，保证当一种研磨介质被研 磨减薄时，剩余的研磨介质不会因高度过高而塌陷，从而也保证了在每一阶段研磨后，研磨 介质表面仍比较平整。 参照图1所示，本发明化学机械研磨的方法的一种实施方式包括 步骤sl，使用第一研磨浆研磨水平方向上同时具有第一研磨介质和第二研磨介质
的半导体结构，以减薄第一研磨介质； 步骤s2，判断第一研磨介质的减薄厚度是否达到预设要求，若是，则执行步骤s3 ; 若否，则执行步骤s5; 步骤s3，使用第二研磨桨研磨第二研磨介质至与第一研磨介质齐平；
步骤s4，停止研磨； 步骤s5，判断第二研磨介质的塌陷高度是否达到，若是，则执行步骤s6 ;若否，则
返回步骤Sl ; 步骤s6，使用第二研磨浆研磨第二研磨介质至与第一研磨介质齐平，并返回步骤 sl。 由于目前的化学机械研磨工艺中，在整个研磨过程中通常只采用一种研磨浆。因 而，当需要研磨的半导体层为两种材料组成时，由于研磨浆对各种材料的研磨速率不同，对 所述半导体层研磨之后，其中一种材料的减薄厚度可能达不到要求，或即使达到减薄厚度 要求，其中一种材料也粗糙不平。 本实施方式中，通过对水平方向上同时具有两种材料层(第一研磨介质和第二研 磨介质)的半导体结构进行交替研磨，以分别减薄第一研磨介质和第二研磨介质。
考虑到当对某一研磨介质减薄掉一定厚度之后，剩余的研磨介质若过高可能会引 起剩余研磨介质向被研磨掉的区域塌陷，并且，持续对某一研磨介质进行研磨，势必增大另 一研磨介质的不平整度，因而在交替研磨过程中实行分段研磨，以使得交替研磨中各研磨 介质被研磨后仍能保持平整。 如上文所述，在研磨第一研磨介质进行减薄时，当第二研磨介质相对于第一研磨 介质的高度达到第二研磨介质的塌陷高度时，则停止第一研磨介质的研磨而转换为研磨第 二研磨介质，直至所述第二研磨介质被减薄至与第一研磨介质齐平。在完成对第二研磨介 质的研磨之后，再次进行第一研磨介质的研磨。 另外，在交替研磨的过程中也考虑减薄的厚度要求，若对第一研磨介质研磨时，在 第二研磨介质达到塌陷高度前，第一研磨介质的减薄厚度已满足要求，则可停止第一研磨 介质的研磨而转为研磨第二研磨介质，直至所述第二研磨介质被减薄至与第一研磨介质齐 平。 若在第二研磨介质达到塌陷高度时，第一研磨介质的减薄厚度还未满足减薄要 求，则按上述所说，转换为对第二研磨介质的研磨，并在将第二研磨介质被减薄至与第一研 磨介质齐平之后，再次转换为对第一研磨介质的研磨。此过程往复循环，直到第一研磨介质 的减薄厚度满足减薄要求，则在第二研磨介质被减薄至与第一研磨介质齐平之后，结束整 个研磨过程。 下面以一个小孔径通孔工艺中的化学机械研磨过程为例来进行详细说明。
图2A所示为已填充金属钨的通孔结构的简易示图，所述通孔结构包括衬底10， 衬底10上的绝缘氧 化层20以及绝缘氧化层20的通孔中填充的金属钨层30，所述金属钨 层30覆盖所述绝缘氧化层20。所述绝缘氧化层20作为通孔间的绝缘介质层以隔离各个通 孔。 参照图2B所示，首先使用研磨金属钨的研磨浆进行研磨以去除绝缘氧化层20 表面覆盖的金属钨。所述研磨浆可以采用对金属钨和绝缘氧化层的研磨速率选择比大于 30 : 1的研磨浆，例如SSW2000。由于所述研磨浆对绝缘氧化层20的研磨速率很低，因而 在金属钨层30被减薄的时候，绝缘氧化层20几乎不会被减薄。因而，研磨金属钨层30至 金属钨层30与绝缘氧化层20齐平的过程中，无需对研磨过程作过多监控。
结合图1和图2C所示，当研磨去除绝缘氧化层20上覆盖的金属钨后，转而使用对 绝缘氧化层和金属钨的研磨速率选择比大于30 : l的研磨浆，来研磨水平方向同时具有金 属钨层30和绝缘氧化层20的通孔结构。所述研磨绝缘氧化层20的研磨浆可以采用例如 SS25或KL1501等。由于所述研磨浆对金属钨层30的研磨速率很低，因而在绝缘氧化层层 20被减薄的时候，金属钨层30几乎不会被减薄。 在研磨绝缘氧化层20的过程中，需实时检测填充有金属钨层30的通孔的孔径，以 及减薄绝缘氧化层20后，剩余的金属钨层30的高度H。 若在高度H达到金属钨层30的塌陷高度前，通孔的孔径已满足了要求，则停止研 磨绝缘氧化层20，转而使用研磨金属钨层30的研磨浆进行研磨来减小金属钨层30的高度。 参照图2D所示，当金属钨层30被减薄至与绝缘氧化层20齐平时，则结束整个研磨过程。
继续参照图2C所示，若在高度H达到金属钨层30的塌陷高度时，通孔的孔径尚未 满足要求，则停止研磨绝缘氧化层20，转而使用研磨金属钨层30的研磨浆进行研磨来减小金属钨层30的高度。由于此时在高度H达到金属钨层30的塌陷高度时已停止研磨绝缘氧 化层20，因而高度H也不会继续增加，金属钨层30就不会因为超过塌陷高度而向已被去除 绝缘氧化层20的区域塌陷。另外，由于绝缘氧化层20被持续研磨可保持平整，此时改为研 磨金属钨层30，也即使得金属钨层30也处于平整的修正中。 例如假设金属钨层30的塌陷高度为500埃，则当研磨减薄的绝缘氧化层20的厚 度达到500埃时，即剩余的金属钨层30的高度达到500埃时，停止研磨绝缘氧化层20，转而 研磨金属钨层30。 从所述实施过程中可以看到，对于所需要研磨层的不同材质，例如本例中的金属 钨层30和绝缘氧化层20，由于材料的物理化学性能相差很大，若采用单一研磨浆，金属钨 层30和绝缘氧化层20的研磨速率有很大的差异，研磨后无法得到平整的表面。而分别选 用不同研磨浆分段研磨对应的材料层，使得这些材料层在研磨时始终能够较为平整。因而， 分段依次研磨不同材料层可以很好地解决这个问题，例如本例中分别选用SSW2000和SS25 依次研磨绝缘氧化层20和金属钨层30，从而获得平整的表面。 继续参照图2D所示，所述金属钨层30也被持续研磨直至减薄至与绝缘氧化层20 齐平。由于此时被金属钨层30填充的通孔的孔径尚未满足要求，则再次开始研磨绝缘氧化 层20进行进一步减薄。接下来的研磨过程与上述的完全相同，即若在研磨绝缘氧化层20 的过程中，剩余的金属钨层30的高度H未达到塌陷高度前，通孔孔径已满足要求，则在将金 属钨层30通过研磨减薄至与绝缘氧化层20齐平后结束研磨。若在所述高度H达到塌陷高 度时，通孔孔径仍未满足要求，则停止研磨绝缘氧化层20以停止继续增加金属钨层30的高 度，转而研磨金属钨层30。此过程往复循环，直到通孔孔径满足要求，则在将金属钨层30通 过研磨减薄至与绝缘氧化层20齐平后结束研磨。 上述实例中，塌陷高度的值可通过试片研磨获得，例如，选取一片结构与图2A的
通孔结构完全相同的试片，持续研磨填充有金属钨层30的通孔中的绝缘氧化层20，直到剩
余的金属钨层30塌陷，测量通过研磨减薄的绝缘氧化层20的厚度，就可以作为塌陷高度。
而若为了数据精确，还可多选取几片试片，获得相应值，并将所述值平均作为塌陷高度值。 从上述实例中可以看到，所述化学机械研磨方法适用于对多种材料并存的半导体
结构进行研磨以获得较为平整的表面，也可藉由此方法来获得小尺寸孔径的通孔。 另外，由于所述化学机械研磨方法可以同时去除两种及两种以上的材料，以获得
较为平整的表面，也可用于去除某些工艺失效的材料层，从而提供给后续工艺一个良好的平面。 虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术 人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应 当以权利要求所限定的范围为准。
权利要求
一种化学机械研磨的方法，其特征在于，包括使用第一研磨浆研磨水平方向上同时具有第一研磨介质和第二研磨介质的半导体结构，以减薄第一研磨介质；在第二研磨介质达到塌陷高度时，停止研磨第一研磨介质，转而使用第二研磨浆研磨第二研磨介质至与第一研磨介质齐平；若第一研磨介质的减薄厚度未达到预设要求，则重复上述步骤。
2. 如权利要求1所述的化学机械研磨的方法，其特征在于，还包括若在第二研磨介质 达到塌陷高度前，第一研磨介质的减薄厚度达到预设要求，则停止研磨第一研磨介质，转而 使用第二研磨浆研磨第二研磨介质至与第一研磨介质齐平后结束研磨。
3. 如权利要求1所述的化学机械研磨的方法，其特征在于，所述第二研磨介质的塌陷 高度根据下述方法获得选用与所述半导体结构相同的试片，持续研磨第一研磨介质直至第二研磨介质塌陷； 测量研磨第一研磨介质所减薄的厚度作为第二研磨介质的塌陷高度。
4. 如权利要求1所述的化学机械研磨的方法，其特征在于，所述第一研磨介质为绝缘 氧化层，第二研磨介质为金属钨层。
5. 如权利要求4所述的化学机械研磨的方法，其特征在于，所述第一研磨浆为 SSW2000，第二研磨桨为SS25或KL1501。
6. —种通孔形成方法，包括填充通孔以及填充通孔后的化学机械研磨，其特征在于，所 述化学机械研磨包括使用第一研磨浆研磨具有通孔填充介质以及通孔间的绝缘介质的半导体结构，以减薄 所述绝缘介质；在通孔填充介质达到塌陷高度时，停止研磨绝缘介质，转而使用第二研磨浆研磨通孔 填充介质至与绝缘介质齐平；若绝缘介质的减薄厚度未达到预设要求，则重复上述步骤。
7. 如权利要求6所述的通孔形成方法，其特征在于，若在通孔填充介质达到塌陷高度 前，绝缘介质的减薄厚度达到预设要求，则停止研磨绝缘介质，转而使用第二研磨浆研磨通 孔填充介质至与绝缘介质齐平后结束研磨。
8. 如权利要求6所述的通孔形成方法，其特征在于，所述通孔填充介质的塌陷高度根 据下述方法获得选用与所述半导体结构相同的试片，持续研磨绝缘介质直至通孔填充介质塌陷； 测量研磨绝缘介质所减薄的厚度作为通孔填充介质的塌陷高度。
9. 如权利要求6所述的通孔形成方法，其特征在于，所述绝缘介质为绝缘氧化层，通孔 填充介质为金属钨层。
10. 如权利要求9所述的通孔形成方法，其特征在于，所述第一研磨浆为SSW2000，第二 研磨浆为SS25或KL1501。
全文摘要
一种化学机械研磨及通孔形成方法，所述化学机械研磨的方法，包括使用第一研磨浆研磨水平方向上同时具有第一研磨介质和第二研磨介质的半导体结构，以减薄第一研磨介质；在第二研磨介质达到塌陷高度时，停止研磨第一研磨介质，转而使用第二研磨浆研磨第二研磨介质至与第一研磨介质齐平；若第一研磨介质的减薄厚度未达到预设要求，则重复上述步骤。所述化学机械研磨的方法使得研磨后的表面比较平整。
文档编号H01L21/00GK101740330SQ20081020284
公开日2010年6月16日 申请日期2008年11月17日 优先权日2008年11月17日
发明者蒋莉, 邵颖, 黎铭琦 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司