一种化学机械研磨方法与流程

本发明涉及半导体生产和加工领域，更具体地说，涉及一种化学机械研磨方法。

背景技术：

超大规模集成电路精细而复杂，在多年的发展中又上升到了一个新的技术台阶。随着器件性能的不断提高，人们对器件尺寸也提出了越来越高的要求，且导电通孔的孔径也被限制的越来越小，在这种态势之下，low-k技术、铜互连结构等新的技术得到了广泛的应用，从而在一段时期内基本满足了半导体行业的高要求。

在铜互连工艺下，铜连线的形成过程主要包括在低介电常数材料中形成开口以及在开口中填充金属铜。因此，我们拿到的晶圆往往在其表面覆盖有厚厚的铜膜。在进行后续工艺之前，晶圆表面的铜膜需要被去除，这将涉及到半导体加工工艺中的化学机械研磨工艺，也即业内所称的CMP工艺。

传统的CMP工艺对晶圆进行抛光时，往往使用CMP机台，加入研磨液，通过研磨盘和研磨垫的相互作用将晶圆表面的铜膜逐步地抛光去除。而且，一般情况下这种CMP工艺对晶圆表面的铜膜厚度不加控制，通常要一直抛光至晶圆的阻挡层完全裸露，也即出现了过抛情形后，CMP工艺才会停止。

然而，随着技术的发展，行业有了更加精细的要求，希望CMP工艺抛光过后能够保留一层较薄的铜膜，最好不超过将这剩余的不到的厚度交给无应力抛光工艺来处理，以期达到更好的抛光效果。

但是，如何在CMP工艺中将剩余的铜膜控制到如此之薄的厚度就成了一个难题。

技术实现要素：

本发明提供了一种化学机械研磨方法，能够保证晶圆在接受过CMP工艺处理后其表面仍能保留一层极薄的金属膜，为后续无应力抛光工艺留下操作空间，并最终得到比较理想的抛光结果。

为了达到上述目的，本发明申请特提供了一种可行的技术方案，其具体内容如下：

一种化学机械研磨方法，包括步骤：

施加第一下压力，将所述晶圆表面的金属膜由初始厚度抛光至

施加第二下压力，抛光所述晶圆5～10s；

施加第三下压力，并采用光学终点检测法将剩余的金属膜抛光至

其中，所述光学终点检测法监测所述晶圆表面的光学参数，当所述光学参数出现拐点时，即刻停止对所述晶圆抛光，结束化学机械研磨工艺。

进一步地，所述光学参数为反射率。

进一步地，所述第一下压力大于所述第二下压力，所述第二下压力大于所述第三下压力。

优选地，所述第一下压力的范围为1.8～2.3psi。

优选地，所述第二下压力的范围为1.0～1.5psi。

优选地，所述第三下压力的范围为0.3～0.8psi。

优选地，在所述第一下压力下对所述晶圆抛光的持续时间为40～70s。

进一步地，所述化学机械研磨过程中使用研磨液对所述晶圆抛光。

进一步地，所述化学机械研磨工艺结束时将所述研磨液替换为去离子水对所述晶圆进行冲洗。

进一步地，所述化学机械研磨工艺结束后由无应力电化学抛光工艺将残留在晶圆表面的金属膜全部去除。

进一步地，所述无应力电化学抛光工艺结束后，由气相刻蚀工艺对所述晶圆进行刻蚀。

本申请所提供的技术方案，能够很好的解决现有技术存在的问题，摒弃了以往由CMP工艺完全将金属膜去除并造成过抛的传统方法，而是采用更加精准的手段，将金属膜留存在了一个合适的、极薄的厚度，为金属膜进一步接受无应力电化学抛光创造了条件。

附图说明

图1是本发明所述化学机械研磨工艺的流程图；

图2是本发明具体实施方式中晶圆的初始厚度示意图；

图3是本发明具体实施方式中晶圆被抛光至厚度的示意图；

图4是本发明具体实施方式中晶圆在第二下压力下被抛光5～10s后的示意图；

图5是本发明具体实施方式中晶圆被抛光至厚度的示意图；

图6a和图6b分别是现有技术与本发明具体实施方式中化学机械研磨工艺停止时的时间节点示意图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的具体实施方式进行说明：

图1-5以及图6a和6b涉及本发明的具体实施方式。

其中图1是本发明的工艺流程图，图中显示的是本发明化学机械研磨工艺的具体步骤，以去除铜膜为例。一种化学机械研磨方法，用于去除晶圆表面的铜膜，包括步骤：

施加第一下压力，将晶圆表面的铜膜由初始厚度抛光至

施加第二下压力，抛光晶圆5～10s；

施加第三下压力，并采用光学终点检测法将剩余的铜膜抛光至

其中，光学终点检测法监测晶圆表面的光学参数，当该光学参数出现拐点时，即刻停止对晶圆进行抛光，结束化学机械研磨工艺。

图2-4对应于本具体实施方式的各个工艺阶段。图2显示的是本具体实施方式中晶圆的初始厚度及结构。该晶圆的结构由上至下依次可分为铜膜201、阻挡层202、氧化物203、以及硅衬底204。其中铜膜201位于晶圆的表面，呈高低不平的状态，其厚度大部分位于的位置，也就是说，该实施方式中晶圆表面的铜膜201厚度为需要通过化学机械研磨加以去除。

为此，首先采用第一下压力对晶圆进行粗抛，该第一下压力的范围控制在1.8～2.3psi的大小。之所以如此选取下压力的取值，是由于此时铜膜201还比较厚，使用该较大的下压力不仅不会损伤晶圆，而且能够将抛光速率维持在一个较高的 值，有助于提高研磨效率。根据晶圆的初始厚度，此阶段基本需要历时40～70s，才能达到粗抛的目的，将晶圆的厚度首先降至的厚度范围内，图3展示的正是这一阶段的情景。

经过粗抛之后，晶圆的厚度已经降至的范围之内，此时需要减小下压力，为后续的细抛阶段做准备。但是，由于CMP工艺中通常不能够允许下压力的骤然变化，因此需要先将下压力降至一个中间值，才此过程通常会继续维持对晶圆的抛光。这一阶段则正如图4中所示，此时，施加在晶圆表面的下压力已经降至一个较小的中间值，即施加第二下压力，该第二下压力的值控制在1.0～1.5psi之间，这样第二下压力的值相比第一下压力已有所下降，但还不至于构成突变，起到了良好的缓冲作用，为下压力的继续下降做好了准备。这一阶段通常要持续5～10s，此过程继续对晶圆进行抛光，但由于时间较短，晶圆表面的铜膜201厚度下降的并不多。

最后，需要施加第三下压力，对晶圆进行化学机械研磨，这一过程如图5所示，其最终目的是将晶圆抛光至表面的铜膜201仅留存的极薄的厚度。为了达到这一目的，该研磨阶段，需要采用光学终点检测法来提醒操作人员及时的停止化学机械研磨工艺，以将铜膜201保留至预期的厚度。

由于这一阶段的抛光过程中，铜膜201已经非常稀薄了，因此不宜再使用较大的下压力进行研磨。故第三下压力的取值范围应控制在0.3～0.8psi，以防压坏晶圆。

本实施方式中，在施加了第三下压力对晶圆进行研磨时，所选取的光学终点检验法的光学参数为晶圆表面的反射率。用反射率来提醒操作人员及时停止化学机械研磨工艺的原理在于，晶圆表面被铜膜201所覆盖时，监测到的反射率始终为铜的反射率，而当铜膜201被部分或全部去除并露出阻挡层202之后，晶圆表面的反射率会有所下降，直至阻挡层202完全裸露出来后，监测到的反射率将在一段时间内不再改变，始终为阻挡层202的反射率。

图6a和图6b分别给出了现有技术和本发明在停止化学机械研磨工艺的时机把握方面的不同。在图6a中，可以看到，现有技术在化学机械研磨的主抛过程(对应于本发明施加第三下压力进行抛光的阶段)中，由于铜膜201完全覆盖了晶圆的表面，因此监测到的反射率始终处于高位，为铜的反射率值；而当铜膜越来越 稀薄，逐渐有阻挡层202裸露时，化学机械研磨工艺并没有停止，而是继续进行，出现了过度抛光的情况，此时监测到的反射率值呈逐渐下行的趋势，这一阶段晶圆表面的部分区域仍有铜膜201残留，阻挡层202并未完全裸露；随着时间的推移，铜膜201被完全去除，晶圆表面仅留下了阻挡层202，此时监测到的反射率值不再改变，显示为阻挡层202的反射率，此时晶圆已经彻底的被过度抛光，不仅铜膜201被完全去除，甚至部分阻挡层202也被化学机械研磨工艺所去除，此时，现有技术中才会终止化学机械研磨工艺，停止对晶圆进行抛光。这种传统的化学机械研磨工艺由于过度抛光情况的存在，从保证晶圆的品质的角度来讲，不是很可取。

而与之不同的，如图6b所展示的本发明的化学机械研磨工艺，在施加第三下压力对晶圆进行抛光时，其初始状态下晶圆表面也完全由铜膜201覆盖，因此监测到的反射率值也为铜的反射率值；但是，当监测发现反射率值出现下行趋势以后，也即监测到反射率值的拐点之后，本发明的具体实施方式就立即停止了对晶圆的抛光，终止了化学机械研磨工艺。因为拐点的出现说明晶圆表面的某个小区域内已经有阻挡层202裸露，而未裸露出阻挡层202的区域，其表面的铜膜201也已经非常稀薄，基本都在的厚度范围内，因此在监测到折射率下行的拐点时即刻停止化学机械研磨工艺，能够保证本具体实施方式中在化学机械研磨工艺结束后晶圆表面所留存的铜膜201满足预期的厚度要求，为后续无应力电化学抛光提供了条件。不过，化学机械研磨工艺的停止其实是有一个过程的，其停止时首先是将研磨液替换为去离子水，以将研磨产生的残渣冲洗干净，这一过程中，研磨盘、研磨头等部件仍然在运作，但由于研磨液已经被替换为去离子水，且该过程持续的时间也很短，所以基本不会对晶圆产生研磨效果，所以当研磨液被替换为去离子水时基本就可以视作化学机械研磨工艺结束的标志。

对于本具体实施方式中由化学机械研磨工艺抛光后剩余的厚度在左右的铜膜201，将采用无应力电化学抛光工艺进一步去除。由于无应力电化学抛光工艺几乎没有下压力施加在晶圆表面，且在去除掉铜膜201后将不会与阻挡层202发生反应，因此能够很好的保证晶圆的品质。

至于阻挡层202的去除，本具体实施方式中则进一步采用了气相刻蚀工艺进行处理。

毋庸赘言地，本申请所公开的特定的具体实施方式仅仅描述了本发明中的技术方案及其一般原理，其作用是倾向于释明性的，而非自囿性的。因此，即使本领域技术人员在该发明的基础上作出了无实质性特点和显著进步的更动和润饰，使之方案貌似地区别于本发明的精神实质，其仍然不能被划归在本发明申请的保护范围之外。