专利名称：化学机械研磨的方法和金属互连层的形成方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种化学机械研磨的方法和金属互连 层的形成方法。
背景技术：
随着对超大规模集成电路高集成度和高性能的需求逐渐增加，半导体技术向着 65nm甚至更小特征尺寸的技术节点发展，而芯片的运算速度明显受到金属导线所造成的电 阻电容延迟(Resistance Capacitance Delay Time,RC Delay Time)的影响。因此在目前 的半导体制造技术中，采用具有更低电阻率的铜金属互连，来代替传统的铝金属互连，以改 善RC延迟的现象。
由于铜具有低电阻率的特性，以铜为互连线的器件可承受更密集的电路排列，降 低生产成本，更可提升芯片的运算速度。此外，铜还具有优良的抗电迁移能力，使器件的寿 命更长及稳定性更佳等优点。
在先进的半导体制造工艺中，铜金属互连层采用双镶嵌工艺制作，例如，专利号为 200610116880.4的中国发明专利公开了一种双镶嵌结构的形成方法，包括提供一表面至 少具有一导电区域的晶片；在所述晶片上形成一刻蚀停止层；在所述晶片上形成一层间介 电层；利用光刻胶对所述层间介电层进行通孔的图形化处理及刻蚀处理，形成通孔；在所 述通孔内填充光刻胶牺牲层；进行加热处理；去除所述光刻胶牺牲层；利用光刻胶对所述 层间介电层进行沟槽的图形化处理，并刻蚀形成沟槽，且所述沟槽下方至少有一个所述通 孔；在所述沟槽和所述通孔中填充导电材料；对所述导电材料进行研磨处理，形成双镶嵌 结构。
上述金属互连层的形成方法中，对沟槽和通孔中填充的导电材料进行研磨处理通 常采用化学机械研磨(Chemical Mechanical Polishing，CMP)工艺，以将晶片表面磨平，去 除沟槽和通孔外多余的导电材料(例如铜金属)。
然而问题在于，在实际的生产过程中，上述化学机械研磨工艺之后，在晶片表面常 会出现凹坑或斑点等缺陷，如图1所示，晶片1表面上这些凹坑或斑点缺陷2将可能引起金 属互连层短路等一系列问题，从而影响集成电路的可靠性。发明内容
本发明解决的问题是如何消除或减少化学机械研磨工艺之后的晶片表面的缺陷。
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
提供晶片，所述晶片表面具有金属层；
减少去离子水喷雾与所述晶片表面发生的反应；
对所述晶片表面进行研磨，以去除所述金属层的多余部分。
可选的，所述减少去离子水喷雾与晶片表面发生的反应，具体包括
将所述晶片置入CMP设备的准备平台内；
将去离子水喷雾设为关闭状态；
吸附所述晶片背面并将晶片转移至研磨平台。
可选的，所述减少去离子水喷雾与晶片表面发生的反应，具体包括
将所述晶片置入CMP设备的准备平台内；
采用掺有抗反应剂的去离子水对所述晶片背面进行喷雾处理；
吸附所述晶片背面并将晶片转移至研磨平台。
所述喷雾处理采用较小的压力。
所述减少去离子水喷雾与晶片表面发生的反应，具体包括
将所述晶片置入CMP设备的准备平台内；
采用去离子水对所述晶片背面进行减小压力的喷雾处理；
吸附所述晶片背面并将晶片转移至研磨平台。
所述抗反应剂包括铜缓蚀剂。
相应的，还提供一种金属互连层的形成方法，包括以下步骤
提供晶片，所述晶片表面内具有介质层和所述介质层中的开口，
在所述开口内填充金属层，所述金属层将晶片表面覆盖，
对所述晶片表面进行化学机械研磨，以去除所述开口外的金属层；其中，
所述化学机械研磨之前，还包括减少去离子水喷雾与所述晶片表面发生的反应。
所述开口包括沟槽、通孔或双镶嵌开口中的一种或至少两种的组合。
可选的，所述减少去离子水喷雾与晶片表面发生的反应，具体包括
将所述晶片置入CMP设备的准备平台内；
将去离子水喷雾设为关闭状态；
吸附所述晶片背面并将晶片转移至研磨平台。
可选的，所述减少去离子水喷雾与晶片表面发生的反应，具体包括
将所述晶片置入CMP设备的准备平台内；
采用掺有抗反应剂的去离子水对所述晶片背面进行喷雾处理；
吸附所述晶片背面并将晶片转移至研磨平台。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点
所述化学机械研磨方法和金属互连层的形成方法，在对晶片表面进行研磨之前， 由于采取了减少去离子水喷雾与所述晶片表面发生的反应的步骤，所述晶片被置入CMP设 备的准备平台后，将去离子水喷雾设为关闭状态，或者，采用掺有抗反应剂的去离子水对所 述晶片表面进行喷雾处理，从而能够避免去离子水沾染在晶片表面的金属层上，防止因去 离子水与金属层反应而生成氧化物，因此，基本上可以消除CMP工艺之后晶片表面的凹坑 或斑点等缺陷，保证集成电路的可靠性。
通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中 相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示 出本发明的主旨。
图1为实际生产过程中晶片表面缺陷的示意图2为本发明实施例中化学机械研磨设备的示意图3为本发明实施例中化学机械研磨的方法的流程图4-图6为本发明实施例中化学机械研磨方法的示意图7为本发明实施例中金属互连层的形成方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明 的具体实施方式
做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以 采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的 情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表 示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应 限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
需要声明的是，本文所述晶片的“表面”如果没有特别说明均指晶片的正面，即用 于进行沉积、CMP、刻蚀等半导体加工工艺以形成集成电路器件的表面，而晶片的“背面”是 指与上述“表面”的相背的面。通常，晶片的表面经过精细的抛光加工，而背面没有经过抛 光，但是12英寸晶片的表面和背面具经过抛光。
正如背景技术中所述的那样，在先进集成电路制造过程中，形成金属互连层采用 双镶嵌工艺，其中，采用化学机械研磨对沟槽和通孔组成的双镶嵌结构内填充的金属进行 研磨处理，以将晶片表面磨平，去除沟槽和通孔外多余的金属。
然而问题在于，在实际的生产过程中，化学机械研磨工艺后，在晶片表面常会出现 凹坑或斑点等缺陷，这些凹坑或斑点缺陷将可能引起金属互连层短路等一系列问题，从而 影响集成电路的可靠性。
业内技术人员一直以来都受到上述问题的困扰，发明人为解决该问题进行了深入 研究，终于发现CMP工艺中的去离子水喷雾是引发晶片表面缺陷的本质原因。以下详细说 明问题的来源。
图2为一种化学机械研磨设备的示意图，如图所示，在CMP机台10中包括四个处 理平台11、12、13和14，其中第一处理平台11为准备平台，用于放置将要进行CMP工艺的晶 片100，而第二处理平台12、第三处理平台13和第四处理平台14分别用于进行CMP工艺的 三步平坦化阶段。而实际的多晶片连续生产过程中，晶片100需要在各个处理平台之间转 移，以便依次进行三步平坦化阶段。在转移过程中晶片100的背面被机械臂15的真空吸盘 吸附而固定，然后进入处理平台开始研磨。通常，为保证吸附的稳固性，当晶片100进入第 一处理平台11后，即对晶片100表面进行去离子水喷雾处理，进而使其背面覆盖一层薄薄 的去离子水膜，以填充满晶片100背面微观上的不平整凹凸表面，从而保证机械臂15真空 吸附的稳固性，避免晶片100在转移或研磨过程中移动甚至掉落。
然而发明人发现正是这一去离子水喷雾处理的步骤，最终导致了研磨后晶片表 面的凹坑或斑点等缺陷。因为去离子水喷雾处理的目的虽然是针对晶片背面，但是大部分 喷雾状的去离子水却直接沾染到晶片表面，而且，晶片在第一处理平台11内等待直到进入第二处理平台12正式开始CMP工艺，难免仍需要一段的时间，在这段时间内附着在晶片正 面的去离子水在晾干的过程中将会和双镶嵌结构内填充的金属发生化学反应，其生成物将 导致CMP工艺后的凹坑或斑点等缺陷。例如，与金属铜发生氧化反应而生成氧化铜，这些氧 化铜经过研磨、清洗之后最终将在金属互连层内留下凹坑或斑点等缺陷。
正因发现了上述凹坑或斑点等缺陷问题产生的本质原因，发明人认为有必要对传 统的CMP工艺进行改进，基于此动机，本发明提出一种化学机械研磨的方法和金属互连层 的形成方法。
以下结合附图对所述化学机械研磨的方法的详细进行说明。
图3为本发明实施例中化学机械研磨的方法的流程图，图4-图6为本发明实施例 中化学机械研磨方法的示意图。
如图3所示，所述化学机械研磨方法包括以下步骤
步骤Sl 提供晶片，所述晶片表面具有金属层。该金属层可以用于形成金属互连 层，例如为铜。
步骤S2 减少去离子水喷雾与所述晶片表面发生的反应。所述去离子水喷雾与晶 片表面发生的反应例如为，去离子水与晶片表面裸露的金属层发生氧化反应而生成金属氧 化物。
去离子水喷雾是指对晶片表面进行去离子水喷雾处理，由于喷雾会充满整个处理 腔室，因此可以使晶片背面也覆盖一层薄薄的去离子水膜，以填充满晶片背面微观上的不 平整凹凸表面，从而保证CMP设备的机械臂对晶片背面真空吸附的稳固性，避免晶片在转 移或研磨过程中移动甚至掉落。
以12英寸的晶片100的CMP过程为例，该12英寸的晶片100背面IOOb为抛光 面，如图4所示，而其表面IOOa的介质层103具有开口 101，所述开口 101内填充有金属层 102，所述金属层102也将开口 101外的晶片表面覆盖。本实施例中，所述开口 101为双镶 嵌开口，则所述步骤S2具体包括
步骤S21 将晶片100置入CMP设备的准备平台内，即图2中的第一处理平台11， 在该第一处理平台内晶片100等待进行正式的研磨处理。
步骤S22 将去离子水喷雾设为关闭状态。由于晶片100的背面IOOb经过抛光， 背面表面光滑平整，其本身就能够CMP设备的机械臂15形成良好的真空吸附，此时，对晶片 就不必采用传统的去离子水喷雾，来增强机械臂15的真空吸盘对晶片背面的吸附力，于是 将该第一处理平台11中的去离子水喷雾设为关闭状态，以避免去离子水在喷雾的过程中 沾染在晶片100的表面100a。
步骤S23 吸附所述晶片背面并将晶片转移至研磨平台。本实施例中的研磨平台 即为图2中的第二处理平台12、第三处理平台13和第四处理平台14。
具体的，当第二处理平台12内的另一晶片研磨之后，机械臂15吸附所述晶片100 背面并将晶片100转移至第二处理平台12内，准备开始正式的研磨。
步骤S3 对所述晶片表面进行研磨，以去除所述金属层的多余部分。
研磨过程将晶片100表面平坦化，例如可以去除开口 101外多余的金属层102。本 实施例中晶片100的研磨过程分为三个平坦化阶段，分别在第二处理平台12、第三处理平 台13和第四处理平台14中进行(参见图2)。
具体的，如图5所示，在第二处理平台内对晶片100表面进行初步平坦化，以去除 所述双镶嵌开口 101外的金属层的多余部分。在初步平坦化步骤中，采用较大的材料去除 率(Material Removal Rate, MRR)去除所述双镶嵌开口 101外金属层的多余部分，从而将 金属层102表面的凹凸不平的结构初步平坦化。
所谓金属层的多余部分是指双镶嵌开口 101外的的金属，平坦化的目的即是将这 部分金属去除而仅留下双镶嵌开口内的金属作为金属互连层。
化学机械抛光工艺的机理为表面材料与抛光使用的磨料发生化学反应生成一层 相对容易去除的表面层，而后该表面层通过磨料与抛光垫间的相对摩擦被磨去。因此，化学 机械抛光是一个化学和机械作用相结合的过程。
所述材料去除率是表征研磨效果的重要参数，它与研磨剂中的磨料组成和形态、 研磨垫的性质、以及抛光速率有关。
接下来，机械臂吸附所述晶片背面并将晶片转移至第三处理平台内，对晶片进行 过度平坦化步骤。所述过度平坦化目的是采用相对于初步平坦化更大的选择比精确控制研 磨的终点，以相对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属，并去除 金属层的多余部分之下的部分研磨阻挡层120(参见图5)。
最后，如图6所示，机械臂15吸附所述晶片100背面并将晶片100转移至第四处 理平台内，对晶片进行缓冲平坦化步骤，以去除所述双镶嵌开口 101外的研磨阻挡层120， 并清洗去除晶片表面的残余颗粒。该缓冲平坦化步骤，采用相对于初步平坦化较小的MRR 完全去除所述双镶嵌开口外的研磨阻挡层120。为提高表面平坦化程度、减少缺陷，还可以 继续向下研磨，去除少部分的介质层103。
本实施例中的化学机械研磨方法，在对晶片表面进行研磨之前，由于采取了减少 去离子水喷雾与所述晶片表面发生的反应的步骤，所述晶片被置入CMP设备的准备平台 后，将去离子水喷雾设为关闭状态，从而能够避免去离子水沾染在晶片表面的金属层上，防 止因去离子水与金属层反应而生成氧化物，因此，基本上可以消除CMP工艺之后晶片表面 的凹坑或斑点等缺陷，保证集成电路的可靠性。
本发明的另一实施例中，可以采用其他的方式来执行减少去离子水喷雾与晶片表 面发生的反应的步骤。以下具体说明
以8英寸晶片的CMP过程为例，由于8英寸晶片的背面通常没有经过抛光，因此微 观上存在凹凸不平的部分，这将对CMP设备的机械臂与晶片背面真空吸附的稳固性产生不 良影响，需要进行去离子水喷雾处理以消除这种不良影响。但是，如前所述，发明人发现传 统技术中的去离子水处理将导致CMP工艺后晶片表面的缺陷。
本实施例中的化学机械研磨方法与前述实施例的区别在于，步骤S2’具体包括以 下步骤
步骤S21，将晶片置入CMP设备的准备平台内；
步骤S22’ 采用掺有抗反应剂的去离子水对所述晶片表面进行喷雾处理；
步骤S23’ 吸附所述晶片背面并将晶片转移至研磨平台。
其中，所述抗反应剂为减缓或阻止去离子水与晶片表面金属层发生反应的化学 品。所述抗反应剂例如为水溶性苯骈三氮唑(BTA)，BTA为常用的铜缓蚀剂，可以吸附在金 属表面形成一层很薄的膜，保护铜免受大气或其他有害介质的腐蚀。
本实施例中其他步骤与前述实施例类似，在此不再赘述。由于在去离子水中添加 抗反应剂例如BTA，当对晶片表面进行喷雾处理时，去离子水中包含的BTA将对铜金属起到 保护作用，能够减缓或者消除去离子水与金属层的反应，从而可以减少或消除CMP工艺之 后晶片表面的凹坑或斑点等缺陷，保证集成电路的可靠性。
对应晶片表面不同材料的金属层，可以采用不同的抗反应剂，例如当晶片表面的 金属层为铝时，还可以采用铝缓蚀剂。
此外，在去离子水喷雾处理过程中还可以相对于传统技术减小所述喷雾处理的压 力，以降低去离子水沾染在晶片表面上的量。
相对而言，前一实施例中直接关闭去离子水喷雾的方式，不需消耗其他化学品，也 可以节约去离子水的使用，有利于降低成本，提高产能。
本发明的其他实施例中，可以单独采用对所述晶片表面进行减小压力的去离子水 喷雾处理的方式来执行减少去离子水喷雾与晶片表面发生的反应的步骤，同样也可以减少 CMP工艺之后晶片表面的凹坑或斑点等缺陷。详细步骤与前述实施例类似，不再一一赘述。
以下结合附图对所述金属互连层的形成方法详细进行说明。图7为本发明实施例 中金属互连层的形成方法的流程图。
所述金属互连层的形成方法，包括以下步骤
步骤Al 提供晶片，所述晶片表面内具有介质层和所述介质层中的开口。
其中，所述介质层可以为金属间介质层，用来将金属互连层隔离绝缘，通常采用 较低介电常数的材料，包括但不限于碳掺杂氧化硅、有机硅酸盐玻璃(OrganosiIicate glass,0SG)、氟娃玻璃(Fluorosilicate glass,FSG)、磷娃玻璃(Phosphosilicate glass, PSG)中的一种或至少两种组合。
所述开口包括沟槽、通孔或双镶嵌开口中的一种或两种以上的组合。其中所述双 镶嵌开口实际上是在金属间介质层中刻蚀的叠加的沟槽(Trench)和通孔(Via)，用来填充 金属以形成金属互连层和层间的接触塞。双镶嵌开口下面的相应位置通常具有下一层的金 属互连层。
步骤A2 在所述开口内填充金属层，所述金属层将晶片表面覆盖。
所述金属层的材料为铜或铜合金，可以采用蒸发、溅射、化学气相沉积法或电镀等 沉积工艺。由于此时晶片表面具有所述开口，填充开口后金属层的表面呈现凹凸不平的形 貌，需要进行平坦化。
此外，在填充金属层之前还可以包括在所述金属间介质层上形成阻挡层，该阻挡 层用来防止后续工艺填充在开口里金属向金属间介质层扩散。
步骤A3 对所述晶片进行化学机械研磨，以去除所述开口外多余的金属层；其中， 所述化学机械研磨之前，还包括减少去离子水喷雾与所述晶片表面发生的反应。
当所述晶片背面为抛光面时，所述减少去离子水喷雾与晶片表面发生的反应，具 体包括以下步骤
将所述晶片置入CMP设备的准备平台内；
将去离子水喷雾设为关闭状态；
吸附所述晶片背面并将晶片转移至研磨平台。
此外，当所述晶片背面为未抛光面时，所述减少去离子水喷雾与晶片表面发生的反应，具体包括以下步骤
将所述晶片置入CMP设备的准备平台内；
采用掺有抗反应剂的去离子水对所述晶片表面进行喷雾处理；
吸附所述晶片背面并将晶片转移至研磨平台。
本实施例中所述减少去离子水喷雾与晶片表面发生的反应的详细过程，与前述实 施例类似，不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领 域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内 容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此， 凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单 修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
权利要求
1.一种化学机械研磨的方法，其特征在于，包括 提供晶片，所述晶片表面具有金属层；减少去离子水喷雾与所述晶片表面发生的反应； 对所述晶片表面进行研磨，以去除所述金属层的多余部分。
2.如权利要求1所述化学机械研磨的方法，其特征在于，所述减少去离子水喷雾与晶 片表面发生的反应，具体包括将所述晶片置入CMP设备的准备平台内； 将去离子水喷雾设为关闭状态； 吸附所述晶片背面并将晶片转移至研磨平台。
3.如权利要求1所述化学机械研磨的方法，其特征在于，所述减少去离子水喷雾与晶 片表面发生的反应，具体包括将所述晶片置入CMP设备的准备平台内；采用掺有抗反应剂的去离子水对所述晶片进行喷雾处理；吸附所述晶片背面并将晶片转移至研磨平台。
4.如权利要求3所述化学机械研磨的方法，其特征在于，所述喷雾处理采用较小的压力。
5.如权利要求1所述化学机械研磨的方法，其特征在于，所述减少去离子水喷雾与晶 片表面发生的反应，具体包括将所述晶片置入CMP设备的准备平台内； 采用去离子水对所述晶片进行减小压力的喷雾处理； 吸附所述晶片背面并将晶片转移至研磨平台。
6.如权利要求3所述化学机械研磨的方法，其特征在于，所述抗反应剂包括铜缓蚀剂。
7.一种金属互连层的形成方法，其特征在于，包括提供晶片，所述晶片表面内具有介质层和所述介质层中的开口， 在所述开口内填充金属层，所述金属层将晶片表面覆盖， 对所述晶片表面进行化学机械研磨，以去除所述开口外的金属层；其中， 所述化学机械研磨之前，还包括减少去离子水喷雾与所述晶片表面发生的反应。
8.如权利要求7所述金属互连层的形成方法，其特征在于，所述开口包括沟槽、通孔或 双镶嵌开口中的一种或至少两种的组合。
9.如权利要求7所述金属互连层的形成方法，其特征在于，所述减少去离子水喷雾与 晶片表面发生的反应，具体包括将所述晶片置入CMP设备的准备平台内； 将去离子水喷雾设为关闭状态； 吸附所述晶片背面并将晶片转移至研磨平台。
10.如权利要求7所述金属互连层的形成方法，其特征在于，所述减少去离子水喷雾与 晶片表面发生的反应，具体包括将所述晶片置入CMP设备的准备平台内；采用掺有抗反应剂的去离子水对所述晶片进行喷雾处理；吸附所述晶片背面并将晶片转移至研磨平台。
全文摘要
本发明提供一种化学机械研磨的方法，包括提供晶片，所述晶片表面具有金属层；减少去离子水喷雾与所述晶片表面发生的反应；对所述晶片表面进行研磨，以去除所述金属层的多余部分。相应的，本发明还提供一种金属互连层的形成方法。所述化学机械研磨方法和金属互连层的形成方法，在对晶片表面进行研磨之前，由于采取了减少去离子水喷雾与所述晶片表面发生的反应的步骤，从而能够避免去离子水沾染在晶片表面的金属层上，防止因去离子水与金属层反应而生成氧化物，因此，基本上可以消除CMP工艺之后晶片表面的凹坑或斑点等缺陷，保证集成电路的可靠性。
文档编号H01L21/768GK102034738SQ200910196898
公开日2011年4月27日 申请日期2009年9月29日 优先权日2009年9月29日
发明者张斐尧, 彭凌剑, 李强, 闫大鹏 申请人:中芯国际集成电路制造(上海)有限公司