通过控制抛光温度改进化学机械抛光的制作方法

专利名称：通过控制抛光温度改进化学机械抛光的制作方法
技术领域：
本发明整体上涉及集成电路的加工工艺，更特别地涉及进行化学机械
抛光(CMP)工艺的设备和方法。
背景技术：
CMP处理被广泛地用于制造集成电路。由于集成电路是通过在半导体 晶片的表面上逐层建立起来的，因此，CMP被用于使得最上层或者最上几 层平坦化，以提供水平的表面进行后续制造步骤。通过将晶片置于载具中 进行CMP，其中所述载具将被抛光的晶片表面压到压盘上的抛光垫。旋转 压盘和晶片载具，同时将含有磨料微粒和反应性化学制品的浆液施加到抛 光垫。通过多孔抛光垫的旋转，将浆液传送到晶片表面。抛光垫和晶片表 面之间的相对移动结合浆液中反应性化学制品的共同作用使得CMP通过 物理和化学力将晶片表面变平。
在制造集成电路的过程中的许多节点都可以使用CMP。例如，CMP 可以用于使得层间电介质层平坦化，其中所述层间电介质层将集成电路中 的多个电路层分开。CMP通常还用于形成铜线，该铜线将集成电路的组件 相互连接。
传统的CMP工艺具有多种缺点。首先，难以控制均匀性，包4舌晶片内 部的均匀性和晶片间的均匀性。例如，当对铜互连层进行平坦化时，即使 使用高级的工艺控制来调节抛光时间，铜的薄层电阻(Rs)的总变化(晶 片间加上晶片内)也会高于15%。第二，传统的CMP工艺通常不能从晶片 上去除所期望的量的材料，这意味着需要对晶片再加工。通常，20%以上 的晶片需要再加工。第三，需要许多假片(dummy wafer)用于调节新的抛 光垫，及用于调节每批次之间抛光垫(在每批次之间CMP设备被闲置)， 通常每天超过20个假片。第四，由于晶片间显著的不均匀性，各抛光垫的抛光寿命会显著不同。上面所述的缺点意味着CMP工艺具有低产率和高消 耗品成本(例如假片、抛光垫等)。
为了解决上述问题，已经开发了用于改进CMP处理的方法。例如，已 经提出的包括控制压盘、晶片载具和浆液的温度的方法。然而，发现这些 方法具有有限的效果。因此，需要得到改进效果的新方法。

发明内容
本发明的实施方式包括制备CMP工艺用抛光垫的方法，在CMP工艺 中在用抛光垫抛光晶片之前，使用温度控制的清洗溶液对所述抛光垫进行 清洗。分配到晶片上的清洗溶液的温度与室温不同。所述清洗溶液可以含 有去离子(DI)水，或可以仅由去离子水构成。而且，在对晶片进行抛光 之后，在进行下一步抛光步骤之前，可以使用不同温度的清洗溶液对该抛 光垫进行清洗。本发明通过使用不同温度的清洗溶液，来调整最佳化的抛
光温度o
本发明的其他实施方式包括用于制造集成电路的设备，其中所述设备
包括抛光垫；清洗臂，其被设置成可以在所述抛光垫上移动；连接到所述 清洗臂上的管；和连接到所述管的温度控制器。在将清洗溶液分配到所述 抛光垫之前，所述温度控制器将所述清洗溶液的温度控制到期望的温度设 定点。
本发明的有利特征包括提高的晶片间和晶片内部的均匀性，延长的抛 光垫寿命以及减少了假片的使用。


为了更全面地理解本发明以及其优点，请参考后面结合附图的描述， 其中
图1描述了本发明的第一实施方式，具有温度控制器的CMP系统，其 中所述温度控制器采用含有热交换介质的罐；
图2描述了本发明的第二实施方式，其中CMP系统中包括具有温度控 制器的CMP系统，其中所述温度控制器包括热交换管；图3描述了本发明的第三实施方式，其中在CMP系统中包括两种温度 控制器；
图4,描述了一种集成电路结构，在其上可以有效地进行两个连续的 CMP工艺；
图5描述了在使用室温去离子水对用于抛光晶片的抛光垫进行清洗之 后，沿着多个晶片的直径所去除的TaN的量的变化；
图6描述了在使用温度控制的去离子水对用于抛光晶片的抛光垫进行 清洗之后，沿着多个晶片的直径所去除的TaN的量的变化。
具体实施例方式
下面详细讨论本发明优选实施方式的实施和应用。然而，需要理解的 是本发明提供了许多可以实施的发明概念，可以在许多具体的情况中被实
发明，并不限制本发明的范围。
参考图l-3对本发明的示范性实施方式进行讨论，其中图l-3描述了用 于完成本发明方法的示范性CMP系统。图1中的CMP系统包括被载具10 所保持的晶片16、保持在压盘13上的抛光垫12，浆液分配喷嘴14和高压 清洗臂20。载具10将待抛光的晶片16的表面压向抛光垫12。在抛光的过 程中，抛光垫12和晶片16都被旋转，在某些实施方式中，晶片16还可以 沿着抛光垫12的径向移动。晶片16和抛光垫12可以以相同的方向旋转， 或者它们可以以相反的方向相反地旋转。高压清洗臂20被用于分配清洗溶 液，例如去离子(DI)水。在清洗步骤中，高压清洗臂20可以在抛光垫 12上移动，并在没有进行清洗时被移开。
高压清洗臂20通过管21与温度控制器22连接。在本发明的一个实施 方式中，温度控制器22用于将高压清洗臂20所分配的清洗溶液的温度确 保在期望的温度。清洗溶液可以是去离子水，当然清洗溶液还可以含有少 量的添加剂。因此，温度控制器22包括用于引入设备供应的溶液的入口 26,该溶液通常是室温的。泵28可以与温度控制器22的入口 26连接，用 于控制设备供应的室温溶液的流速。
6在图1的实施方式中，温度控制器22包括用于保持一定量热交换介质
32的容器30。热交换介质32可以是水、油等。嵌入元件34可以是加热元 件或冷却元件，嵌入元件34被浸入到热交换介质32中，并用于调节热交 换介质32的温度。混合器36用于搅拌热交换介质32以得到容器30中所 包含的热交换介质32中基本均一的温度。设备供应的室温溶液流经浸在热 交换介质32中的热交换管40。可将热交换管40巻起以提高热交换效率。 可以将各种温度传感器44浸入热交换介质32中，以探测热交换介质32的 温度。温度传感器44也可以与管21连接以感应温度控制器22所输出清洗 溶液的温度，其中所述输出清洗溶液的温度与设备供应的室温溶液的温度 不同。可以将热绝缘材料42绕在容器30和/或管21外以减少热损失。
尽管提到的是在室温，但流进入口 26内的设备供应的溶液可以具有比 CMP所位于环境的室温高或低的温度，其中所述室温可以是例如在大约 20。C和大约25。C之间，或者大约24。C。在流经温度控制器22之后，设备 供应的室温溶液的温度被提高或降低，例如提高或降低大约2。C以上，甚 至大约3。C以上。在本文中，从温度控制器22流出的设备供应的控制温度 的溶液被称作清洗溶液。
为了更好地实现清洗溶液的温度控制，CMP系统还可以包括控制单元 46。温度传感器44所感应到的温度可以被反馈到控制单元46,控制单元 46监控所感应的温度，并将所感应到的温度与预先确定的设定点进行比较。 如果所感应到的温度偏离设定点，则控制单元46控制嵌入元件34以调节 温度，直到高压清洗臂20所喷射的清洗溶液的温度是期望的温度。
温度控制的清洗溶液可以用于CMP的各个步骤。可以通过图1中所示 设备进行的示范性CMP处理包括多个步骤。首先，将晶片16安装在载具 IO上。接着通过将高压清洗臂20置于抛光垫12上，并将清洗溶液喷射到 旋转的抛光垫12上以使用温度控制的清洗溶液进行高压清洗。同时，可以 对载具IO进行定位以便使得晶片16高出抛光垫12，从而晶片16不会被 清洗。可替换的，可以将晶片16降低以接触抛光垫12,或者至少足够接 近抛光垫12,以便抛光垫12和晶片16都能够被清洗。在完成高压清洗之 后，可以将高压清洗臂20从抛光垫12上移开。接着，将浆液预先在浆液分配喷嘴14和浆液分配系统(未显示)的上 游管(未显示)中流动，以去除残余的浆液，并且用于稳定浆液流速。接
着通过同时将载具IO将晶片16压向抛光垫12，将浆液分配到抛光垫12 上，并旋转晶片16和抛光垫12以对晶片16进行抛光。可以不依赖清洗溶 液的温度，控制浆液、抛光垫、与晶片的温度。可选择的，压盘13的温度 可以被调节，例如通过在压盘内循环液态热交换介质。
在进行前述抛光步骤之后，进行清洗抛光，其中晶片13仍与抛光垫 12接触，晶片和抛光垫继续旋转。在清洗抛光过程中，再一次将高压清洗 臂20置于抛光垫12之上，在此处，高压清洗臂20再一次将清洗溶液喷射 到抛光垫12上。由于晶片16仍与抛光垫12接触，因此晶片16也被清洗。 接着，去除浆液和主抛光所产生的物质，并清洗抛光垫12和晶片16。
在清洗抛光过程中，不使用温度被控制在高于室温或低于室温的清洗 溶液，可以使用设备供应的室温溶液对抛光垫12和晶片16进行清洗，其 中所述设备供应的室温溶液可以具有基本上接近定位CMP系统室温的温 度，例如在大约20。C-大约25。C之间，或者大约24。C。
在清洗抛光之后，从载具10拆下晶片16,并对晶片16进行后抛光清 洗步骤。接着，使用控制温度或室温的清洗溶液对抛光垫12进行清洗。接 着，可以进行所有上述CMP步骤，以抛光后续的晶片。
在许多实施方式中，清洗溶液具有被控制到高于室温的温度。通常， 清洗溶液的温度至少比设备供应的室温溶液的温度高大约2°C。更优选， 清洗溶液具有大约26。C-大约IO(TC之间的温度，更优选在大约30。C-大约 65。C之间。对于给定的抛光工艺，清洗溶液温度的优选选择依赖于在抛光 工艺过程中需要去除的材料，晶片的特征尺寸，抛光垫的特性和浆液的成 分。例如，如果对体铜层(bulk c叩per layer)进行抛光，则通常较优的清 洗溶液的温度在大约30。C-大约40。C之间。可替换的，如果对TaN阻挡层 进行抛光，则较优的清洗溶液温度在大约40。C-大约50。C之间。由于TaN 阻挡层比体铜层的构图更复杂，因此TaN层构图的特征尺寸可能会影响较 优的清洗溶液温度。在一个示范性的实施方式中，可以使用温度较高的清 洗溶液对标称特征尺寸较小的晶片进行清洗。例如，对于标称特征尺寸为65nm的晶片，较优的清洗溶液温度可以接近40°C，而对于具有32nm或 45nm较小标称特征尺寸的晶片，较优的清洗溶液温度可以接近50°C。
使用图1中所描述的实施方式，或者图2和图3中的替换实施方式可 以达到清洗溶液温度的提高。有利的是，加热的清洗溶液有助于促进CMP 工艺的化学反应。加热的清洗溶液还能软化抛光垫12，这导致抛光垫12 和晶片16之间更好的接触。结果还改进了 CMP的物理反应部分。使用本 发明的实施方式，无需通过抛光假晶片也能够使抛光垫12达到要求。具体 的，对于使用新抛光垫12进行第一次抛光，以及在CMP系统被闲置一段 时间后的第一次抛光，均不需要先在假晶片上抛光。而且，可以对具有集 成电路的实际生产的晶片进行上述第 一次抛光。
在替换的实施方式中，控制清洗溶液的温度低于室温。在替换的实施 方式中，清洗溶液的温度比设备供应的溶液温度低大约2。C或更多的温度。 更优选地，清洗溶液具有在大约rC-大约22。C之间的温度，更优选在大约 17"-大约22。C之间。使用图l-3中所描述采用冷却器(一个或多个)的实 施方式，可降低清洗溶液的温度。实验显示清洗溶液温度的降低会导致抛 光垫12的整体温度的降低。温度的降低会改善抛光某些构形的均一性，特 别是对于抛光体铜层，其中可以提高晶片中心-边缘的均一性。
图2描述了替换的CMP系统，其使用热交换管50加热或冷却设备供 应的室温溶液。在图l和图2中，相同的参数用于表示相同的元件。热交 换管50加热或冷却设备供应的室温溶液，因此所得到的清洗溶液的温度可 以比流入入口 26的设备供应的室温溶液的温度高或低。另外，控制单元 46被用于将从高压清洗臂20分配的清洗溶液的温度维持在所期望的范围 内。
图3中所示实施方式包括具有两个温度控制器的CMP系统。图3中系 统的一个温度控制器被配置为对设备供应的室温溶液进行加热，另 一个温 度控制器被配置为对设备供应的室温溶液进行冷却。在另一个实施方式中， 两个温度控制器都可以输出相互温度不同的被加热的清洗溶液。在另 一 个 实施方式中，两个温度控制器都可以输出相互温度不同的被冷却的清洗溶 液。在图3中，CMP系统包括两个温度控制器22!和222，两个高压清洗臂20,和202。因此，在单个CMP系统中均可以提供被加热的清洗溶液和被冷 却的清洗溶液，如在后面段落中所详细讨论的，其可以用于抛光单个晶片 上的不同构形或不同的晶片。
可采用图3中所示CMP系统达到CMP工艺组合的较优效果。图4描 述了在其上进行两次CMP工艺的镶嵌结构。该镶嵌结构包括低k值的电介 质层60、(扩散)阻挡层62以及体铜层64。扩散阻挡层62可以由钛、钽、 氮化钽等形成。进行第一次CMP工艺，用于去除体铜层64，直到暴露出 扩散阻挡层62。第一次CMP工艺可以在虚线66处停止。接着，进行第二 次CMP工艺，以去除暴露的扩散阻挡层62，直到暴露出低k值的电介质 层60。在一个实施方式中，去除体铜层64的第一次CMP工艺是在使用冷 却的清洗溶液(例如温度为大约2(TC和大约22°C )对抛光垫12进行清洗 之后进行的。可替换地，第一次CMP工艺可以在使用被加热到大约30°C-大约40。C之间的清洗溶液对抛光垫12进行清洗之后进行的。无论被加热 的或被冷却的清洗都能够提高第 一 次C MP工艺的均 一 性。去除扩散阻挡层 62的第二次CMP工艺是使用被加热的清洗溶液清洗的抛光垫12进行的， 例如如果阻挡层是TaN，则使用温度为大约4(TC-大约5(TC的清洗溶液进 行清洗。通过采用两次不同温度的清洗，两次CMP工艺的每一次的均一性 可以得到优化。
本发明的实施方式显著改进了 CMP工艺。为了将本发明实施方式的结 果与现有技术实施方式的结果进行比较，制备了两组样品，其中将第一组 样品晶片在每次主抛光之前使用室温去离子水进行清洗，而将第二组样品 晶片在每次主抛光之前使用50。C的去离子水进行清洗。使用JTS 009-5抛 光垫和JSR T3B浆液在Applied Materials Reflexion LK CMP系统上进行 CMP工艺。清洗溶液的流速(室温或者控制温度的)为8L/分钟。实验结 果显示经过半个月的时间，所观察到的去除速率的标准偏差从第一组样品 的56.53相对值降低到第二组样品晶片的34.46相对值。非均一性的平均值 从第一组样品的7.83%降低到第二样品组晶片的4.35%。中心-边缘的平均 值从第一组样品晶片的29.30A降低到第二组样品晶片的11.0lA。进一步的 实验显示尽管没有进行抛光时间的调节，没有进行假晶片抛光，没有进行重复工作，但在抛光垫的寿命内(抛光580个晶片)被抛光构形的厚度一
直在目标范围内。
图5和6对采用室温清洗(图5)的CMP工艺和采用控制温度清洗的 CMP工艺(图6)的材料去除速率分布进行了比较。先前描述的CMP系统， 抛光垫和浆液用于产生图5和6中所显示的结果。图5和6的图表显示CMP 工艺的去除速率分布，其中去除的材料是TaN阻挡层。在这些图表中，Y 轴以A为单位表示去除的材料的量，而X轴上的点对应沿着晶片直径的位 置，其中点25是晶片的中心，点1和49时晶片上相对的边界点。在图5 和6的每个中，较低的线(例如线70和80)表示在将每种抛光垫用于抛 光相对少量的晶片时所获得的结果，而较高的线(例如线76和88)表示 在将每种抛光垫用于抛光相对大量的晶片后所获得的结果。
参考图5,使用室温去离子水对样品晶片进行清洗，发现如果将单个 抛光垫用于抛光少量的晶片(例如对于70线、IOO片而言)，则每种晶片 中心部分的TaN去除速率低于晶片边缘区域的TaN去除速率。在使用相同 的抛光垫对更多晶片进行抛光后，晶片中心的TaN去除速率得到提高，并 且最终，中心区的去除速率高于比边缘区的去除速率。作为比较，图6显 示从使用50。C去离子水清洗的样品晶片所获得的结果。发现在抛光垫的寿 命中，TaN的中心去除速率一直接近边缘去除速率。而且随着抛光垫所处 理的晶片数目提高，去除速率分布保持不变。
本发明的实施方式具有许多有利特征。首先，显著改善了抛光处理的 不均一性(包括晶片内的部均一性以及晶片间不均一性)。这种改进能够 显著降低或者甚至消除对晶片进行再加工或者通过使用假晶片监控去除速 率来调节抛光时间的需要。所需CMP耗材的量得到显著降低，因为基本上 避免了假片抛光，抛光垫的寿命延长，并且重作的减少。
尽管已经详细描述了本发明和其优点，但应该理解的是，这里可以进 行多种改变，替换和变化，而不离开所附权利要求限定的本发明的主旨和 范围。而且，本发明的范围不限于在说明书中描述的处理、设备、制造和 物质的组合、手段、方法和步骤的具体实施方式
。本领域技术人员容易从 本发明的公开内容中理解无论是目前存在的，还是将来开发的完成与这里所描述的对应实施方式基本相同的功能，或者达到基本相同的结果的处理、 设备、制造和物质的组合、手段、方法和步骤都可以在本发明中利用。因 此，所附的权利要求是为了在其范围内包括这些处理、设备、制造和物质 的组合、手段、方法和步骤。
权利要求
1.一种制备用于化学机械抛光(CMP)工艺的抛光垫的方法，所述方法包括将第一清洗溶液的温度控制到第一期望的温度设定点；使用所述温度控制的第一清洗溶液对抛光垫进行清洗；以及在清洗步骤之后，对第一晶片的表面进行CMP工艺。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述温度控制的第一清洗溶液是 去离子水。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中所述第一期望的温度设定点与进 行所述CMP处理的环境室温相差超过大约2°C。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中所述第一期望的温度设定点高于 或低于所述室温超过大约3°C。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中所述第一期望的温度设定点在大约26。c 大约io(rc之间，或所述第一期望的温度设定点在大约rc 大约22。C之间。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中对第一清洗溶液温度进行控制的 步骤是通过含有热交换介质的温度控制器完成的。
7. 根据权利要求1所述的方法，在对所述第一晶片的表面进行CMP 工艺的步骤之后，还包括使用室温清洗溶液对所述抛光垫进行清洗，或使 用室温清洗溶液对抛光垫和第 一 晶片均进行清洗。
8. 根据权利要求1所述的方法，在将所述第一晶片的表面进行CMP 工艺的步骤之后，还包括将第二清洗溶液的温度控制到第二期望的温度设定点； 使用所述第二清洗溶液清洗所述抛光垫；以及 在清洗步骤之后，对第二晶片的表面进行附加的CMP工艺。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中所述第一温度设定点低于室温， 且所述第二温度设定点高于室温。
10. 根据权利要求8所述的方法，其中所述第一晶片的表面含有铜，所述第一期望的温度设定点在大约30。C-大约40。C之间，所述第二期望的 温度设定点在大约40。C-大约50。C之间。
11. 根据权利要求1所述的方法，其中所述第一晶片的表面含有铜， 所述第一期望的温度设定点在大约30°C-大约40。C之间。
12. 根据权利要求1所述的方法，其中所述第一晶片的表面含有TaN, 所述第一期望的温度设定点在大约40。C-大约50。C之间。
13. —种用于在晶片上加工集成电路的设备，所述设备包括 抛光垫；清洗臂，其被设置成可以在所述抛光垫上移动； 连接到所述清洗臂上的管；和连接到所述管的第一温度控制器，所述第一温度控制器被配置成将室 温溶液的温度控制到第 一 期望的温度设定点。
14. 根据权利要求13所述的设备，其还包括与所述第一温度控制器和 管之一连接的温度传感器，和与所述温度传感器和所述第一温度控制器连 接的控制单元，其中所述控制单元被配置成使用从所述温度传感器获得的 数据控制所述第 一 温度控制器。
15. 根据权利要求13所述的设备，其还包括与所述管连接的第二温度 控制器，所述第二温度控制器被配置成将所述室温溶液的温度控制到第二 期望的温度设定点。
全文摘要
一种用于在晶片上加工集成电路的方法，其包括提供设备供应的室温溶液；将所述设备供应的室温溶液的温度控制到期望的温度设定点，以得到清洗溶液；以及使用所述清洗溶液清洗抛光垫。接着通过化学机械抛光工艺对晶片进行抛光。
文档编号H01L21/00GK101630629SQ20081019297
公开日2010年1月20日 申请日期2008年12月31日 优先权日2008年7月17日
发明者何明哲, 汪青蓉, 许呈锵 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司