[发明专利]铜化学机械抛光方法

说明书

技术领域

本发明涉及集成电路(Integrated Circuit，IC)加工制造技术领域，特别涉及一种改进的铜化学机械抛光(Cu Chemical Mechanical Polishing，Cu-CMP)方法。

背景技术

铜互连的器件相对于传统的铝互连器件能满足高频、高集成度、大功率、大容量、使用寿命长的要求。但是，由于铜在蚀刻过程中的蚀刻产物不易挥发，所以无法用等离子体刻蚀来制备元件，而IBM发明的双大马士革(DualDamascene)工艺则巧妙解决了这一问题。在双大马士革工艺中，首先对氧化物介质层进行刻蚀，产生用于镶嵌工艺的沟槽；然后接着沉积金属阻挡层，铜籽晶层，再通过电化学镀(Electronic Chemical Plating，ECP)工艺把沟槽内填满铜。通常，受沟槽结构和ECP负载效应的影响，电镀形成的铜表面是不平整的。在此之后，必须采用Cu-CMP抛光工艺实现铜平坦化。

化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)工艺就是在无尘室的大气环境中，利用机械力对晶片表面作用，在表面薄膜层产生断裂腐蚀的动力，使晶片表面趋于平坦化。而这部分必须籍由研磨液中的化学物质通过反应来增加其蚀刻的效率。CMP制程中最重要的两大组件便是浆料(slurry)和研磨垫(platen)。浆料通常是将一些很细的氧化物粉粒分散在水溶液中而制成。研磨垫大多是使用发泡式的多孔聚亚安酯制成。在CMP制程中，先让浆料填充在研磨垫的空隙中，并提供了高转速的条件，让晶片在高速旋转下和研磨垫与浆料中的粉粒作用，同时控制下压的压力等其它参数。而浆料、晶片与研磨垫之间的相互作用，便是CMP中发生反应的焦点。

现有的Cu-CMP抛光工艺包括三个研磨过程：第一步、在第一研磨垫(Platen1)上进行粗加工研磨，通过较大的材料去除率(Material Removal rate，MRR)去除大量的铜形成初步平坦化；第二步、在第二研磨垫(Platen2)上进行精加工研磨，为了精确控制研磨终点，用相对较小的MRR去除剩余的铜，在到达研磨终点时为了确保所有电介质表面上的铜都已经被去除而达到隔离目的，还要进行一定时间的过度抛光(over polish，OP)处理；第三步、在第三研磨垫(Platen3)上进行研磨，去除阻挡层(barrier)和一定量的氧化物电介质以进一步提高表面平坦化程度，减少缺陷。各步所采用的浆料成分所决定其效用。其中，前两步的主要目的是去除残余的铜，对于去除氧化物的贡献则很小；而第三步则主要去除阻挡层和氧化物。

对于金属-绝缘介质-金属(metal-insulator-metal，MIM)这样的器件结构，特别是单大马士革结构(single damascene fabrication sequence)来说，在上述前两步之后，难以完全去除晶体表面铜的残余物。针对具有MIM结构元件(例如电容器)进行Cu-CMP抛光的过程，通常采取的做法是不断延长晶片与第三研磨垫(Platen3)相互作用的时间，例如将研磨时间提高到400秒左右。但这会带来一系列严重的问题：例如极低的产出消耗比；由于过长时间研磨导致晶片表面受损的风险大大提高。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提出一种铜化学机械抛光方法，包括如下步骤：

将具有金属-电介质-金属结构的晶片第一次置于第一研磨垫上进行粗加工研磨，除去晶片表面的大部分铜；再将所述晶片第一次置于第二研磨垫上进行精加工研磨，去除晶片表面残存的铜；

将所述晶片第一次置于第三研磨垫上进行研磨，以去除晶片表面的阻挡层残留并降低金属-电介质-金属区域中深台阶的高度差；将所述晶片第二次置于所述第一研磨垫或第二次置于所述第二研磨垫上进行研磨，以去除金属-电介质-金属结构中深台阶底部的铜残留；

将所述晶片第二次置于所述第三研磨垫上进行研磨。

较佳地，将所述晶片第一次置于第三研磨垫上进行研磨的研磨时间范围为100秒至120秒。

较佳地，将所述晶片第二次置于所述第一研磨垫上或第二次置于所述第二研磨垫上的研磨时间范围为30秒至60秒。

本发明实施例还提出另一种铜化学机械抛光方法，将具有金属-电介质-金属结构的晶片第一次置于第一研磨垫上进行粗加工研磨，除去晶片表面的大部分铜；再将所述晶片第一次置于第二研磨垫上进行精加工研磨，去除晶片表面残存的铜；