[发明专利]化学机械研磨方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体器件制造方法，具体地说，涉及一种终点判断经过改进的化学机械研磨(或称为化学机械抛光)工艺，更具体地说，涉及一种经改进的化学机械研磨方法(CMP)，特别是，对CMP的终点曲线进行优化以在大规模生产中保持一致性的方法。

背景技术

随着集成电路制造工艺的发展，对于半导体器件的集成密度的要求日益增高。随着上个世纪70年代将多层金属化技术引入到集成电路制造工艺中，使得半导体晶片的垂直空间得到有效的利用，并显著提高了器件的集成度。金属化是芯片制造过程中在绝缘介质薄膜上淀积金属薄膜以及随后刻印图形以便形成互连金属线和集成电路的孔填充塞的过程。对于例如硅、铝和钨等传统的金属，一般采用干法刻蚀来刻印图形。

为了减少金属互连的电阻率以降低信号延迟，业界已使用铜来替代铝作为基本的导电金属。但由于铜的刻蚀非常困难，无法用普通的刻蚀方法进行处理，业界开发了大马士革法来形成通孔和铜互连。一种简单的大马士革法是：先在硅衬底上淀积介质层(SiO₂)，再对介质层进行平坦化，通过光刻形成图形，然后在介质层上刻蚀用于通孔或连接金属线的孔或沟，再在沟中淀积金属层，对该金属层进行平坦化直至其平面与介质层表面齐平以形成金属互连。其中，金属层的平坦化一般采用化学机械研磨(CMP)方法。在形成金属互连时，一般还需要在介质层与金属层之间设置阻挡层(例如使用Ta)，以阻止硅与金属之间的扩散而导致结短路。在对金属层进行平坦化时，需要同时研磨去除介质层上的该阻挡层。

在目前的集成电路制造工艺中，CMP技术是最常用的一种全面平坦化技术。CMP技术需要使用具有研磨性和腐蚀性的研磨浆液，并配合使用研磨垫和支撑环，通过综合利用化学作用和机械作用，对半导体硅片进行研磨。CMP设备是采用将一个研磨垫设置在转盘的表面，通过硅片与研磨垫之间的相对运动来平坦化硅片表面。大多数的生产性CMP设备都有多个转盘和研磨垫，以适应研磨不同材料的需要。在研磨时，该设备在硅片与研磨垫之间供应磨料，并同时对衬底的背面施加压力，以将衬底压在研磨垫上进行相对运动。

图1表示了一个典型的铜CMP工艺中包括的三个步骤，其中10表示硅衬底，其表面可以具有介质层(未示出)，12表示在硅衬底或介质层上设置(例如通过刻蚀)的孔或沟，16表示铜金属层，14表示阻挡层。首先，在第一转盘上以比较高的研磨速率(即材料被去除的速度)除去大块的铜，以使铜厚度达到目标值(例如2000～3000埃)，即获得图1中的第二种层结构，其次，在第二转盘上以低研磨速率对铜金属层进行研磨，以除去阻挡层上不希望有的铜金属层，从而露出阻挡层，即获得图中的第三种层结构；最后，在第三转盘上对阻挡层进行研磨，以除去阻挡层而露出硅衬底的上表面(可以是介质层)，即获得图1中的第四种层结构。一般来说，在第二步骤中，为了彻底去除阻挡层上的铜，还需要实施一定时间的过研磨。图2显示了一种典型的CMP设备，其中，1、2和3分别表示第一转盘、第二转盘和第三转盘。由于三个转盘需研磨的材料和速率各不相同，因此，为了达到最好的研磨效果，它们所用的磨料、压力和转速等工艺条件也有所差异。具体地说，需要针对特定的待研磨层来设置这些工艺条件。

以上的现有技术的细节可参考中国专利申请公开号CN101352833A等文献。

一般的CMP设备均可配备终点检测装置，以根据需要对研磨的终点进行检测。当材料被磨到一个预设的目标厚度或目标材料(目标位置)时，终点检测装置即发出停止研磨的信号，然后CMP设备可将完成此步骤研磨的硅片转移到下一转盘，再进行下一步研磨。