本發(fā)明涉及半導(dǎo)體集成電路制造應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種金屬化學(xué)機(jī)械拋光的方法，本方法通過降低腔體內(nèi)光照強(qiáng)度，避免金屬光致陽極腐蝕的產(chǎn)生，從而減少金屬凹槽表面的下陷。

背景技術(shù)：

化學(xué)機(jī)械拋光(Chemical Mechanical Polishing，簡稱CMP)是半導(dǎo)體制造中的重要關(guān)鍵工藝之一，它是通過對具有圖形化的晶片表面的半導(dǎo)體材料，絕緣材料和金屬材料進(jìn)行研磨和材料去除，實(shí)現(xiàn)晶片表面全局平坦化的一種工藝。在拋光過程中，拋光墊被固定在拋光平臺(tái)上，待拋光的晶片被固定在拋光載體上，具有研磨顆粒(Superabrasive Particles)和化學(xué)溶液的拋光液施加在拋光墊上，通過拋光液中的化學(xué)物質(zhì)使晶片表面的材料氧化生成較軟的氧化層，再通過拋光墊、拋光液中的研磨顆粒以及晶片之間接觸摩擦作用，去除前期形成的氧化層。最后，經(jīng)多孔結(jié)構(gòu)的拋光墊通過拋光液的攜帶作用，將拋光去除的材料帶離晶片表面，露出新生表面，再形成氧化層并去除，將晶片表面凸起部分全部去除，達(dá)到表面平坦化。

金屬的化學(xué)機(jī)械拋光廣泛用于前道的金屬柵和后道的互連制造工藝中。但是，采用現(xiàn)有拋光方法進(jìn)行金屬材料的化學(xué)機(jī)械拋光后，發(fā)現(xiàn)介質(zhì)層某些凹槽中的金屬表面會(huì)有下陷和金屬缺失的現(xiàn)象。進(jìn)一步，研究發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象是由金屬的光致陽極腐蝕所導(dǎo)致的。如圖1所示，在金屬的化學(xué)機(jī)械拋光過程中發(fā)生光致腐蝕現(xiàn)象的機(jī)理為：對于所述需進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光處理的半導(dǎo)體襯底，其襯底101中的P型區(qū)域與N型區(qū)域等效于一個(gè)PN結(jié)，而所述P型區(qū)域與N型區(qū)域上又分別形成在介電層102中的凹槽103、凹槽103被所述層102上的金屬層104中的金屬材料所充滿。所述的凹槽103與金屬層104相當(dāng)于將襯底101中等效PN結(jié)的兩端分別引出。同時(shí)，在化學(xué)機(jī)械拋光過程中，半導(dǎo)體表面會(huì)有一層拋光液105，而所述拋光液105是具有一定的導(dǎo)電性能的電解質(zhì)溶液。因此，所述襯底101中的等效PN結(jié)、具有金屬填充的凹槽103、金屬層104以及拋光液105共同構(gòu)成了導(dǎo)電回路。在拋光過程中，由于存在反應(yīng)腔體外的光源通過腔體觀察窗110(圖中觀察窗尺寸，比例，位置僅做示例用)對半導(dǎo)體襯底的照射，半導(dǎo)體襯底中的等效PN結(jié)接收所述光照能量并在PN結(jié)兩端形成電勢差，所述電勢差相當(dāng)于在導(dǎo)電回路中引入了電源。這時(shí)，所述導(dǎo)電回路中的拋光液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，P型區(qū)域與N型區(qū)域的金屬層104對應(yīng)于電化學(xué)反應(yīng)的兩個(gè)電極。P型區(qū)域金屬層104中的金屬原子會(huì)部分溶解于拋光液中，并進(jìn)一步遷移到N型區(qū)域的金屬層104上。在這種情況下，P型區(qū)域金屬層104由于其中的金屬原子不斷轉(zhuǎn)移而在其頂部形成下陷，最終使P型區(qū)域具有金屬的凹槽103頂部下陷。如圖2所示，由于金屬原子僅沿電流方向在襯底101中遷移，因此，拋光后的凹槽103的下陷106僅位于P型區(qū)域上，而N型區(qū)域上的具有金屬的凹槽103頂部并不會(huì)形成下陷,還可能會(huì)有部分遷移的金屬107在凹槽頂部析出。

針對上述問題，現(xiàn)有的解決方法是在拋光液中增加抗腐蝕劑，來降低和避免金屬的光致陽極腐蝕現(xiàn)象，但抗腐蝕劑會(huì)導(dǎo)致某些凹槽表面的金屬難以去除而影響器件性能。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員亟需提供一種金屬化學(xué)機(jī)械拋光的方法，通過降低金屬化學(xué)機(jī)械拋光時(shí)的襯底光照強(qiáng)度，抑制了光致陽極腐蝕的能量來源，避免金屬光致陽極腐蝕的產(chǎn)生，從而減少金屬凹槽表面的下陷，提高了器件性能和良率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利提供了一種金屬化學(xué)機(jī)械拋光的方法，改善現(xiàn)有金屬化學(xué)機(jī)械拋光過程中產(chǎn)生的金屬腐蝕缺陷，提高拋光工藝的性能和良率。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種金屬化學(xué)機(jī)械拋光的方法，包括：

步驟S1：在具有觀察組件的腔體內(nèi)提供一半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上形成一介電層，在所述介電層中形成凹槽，所述凹槽分別位于所述半導(dǎo)體襯底的P型區(qū)域與N型區(qū)域上；

步驟S2：在所述介電層上形成一金屬層，所述金屬層填充滿所述介電層中的所述凹槽；

步驟S3：降低所述腔體內(nèi)的光照強(qiáng)度至小于10勒克斯，對所述凹槽進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，移除所述介電層上的所述金屬層。

優(yōu)選的，所述腔體內(nèi)的光照強(qiáng)度通過所述腔體上的觀察組件的透光率來調(diào)節(jié)，在步驟S3中，所述觀察組件的透光率<20％。

優(yōu)選的，所述觀察組件含有電致變色玻璃，在步驟S3中，向所述電致變色玻璃施加一特定電壓，使得所述電致變色玻璃的透光率<10％。

優(yōu)選的，所述觀察組件具有透明的觀察窗和可移動(dòng)的光線遮擋板，在步驟S3中，所述光線遮擋板移動(dòng)至遮蓋所述觀察窗的位置，以使光線不能通過所述觀察窗進(jìn)入所述腔室。

優(yōu)選的，所述的介電層中的凹槽可以是溝槽、通孔中的一種或多種。

優(yōu)選的，所述金屬層的材料包括Ti、TiN、TiAl、TiC、TaC、Ta、TaN、Cu、CuAl、Al、W、AlW、Ag、Au等的一種或多種。

優(yōu)選的，所述金屬層采用物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積或原子氣相沉積法形成。

優(yōu)選的，所述化學(xué)機(jī)械拋光過程的反應(yīng)條件包括：襯底表面的溫度為15℃-60℃，拋光壓力為0.5-5.0普西(psi)，晶片轉(zhuǎn)速為15-120轉(zhuǎn)/分鐘(rpm)。

優(yōu)選的，所述的拋光過程采用的拋光液中的研磨顆粒包括SiO2、Al2O3、CeO2、有機(jī)材料和無機(jī)－有機(jī)復(fù)合材料顆粒中的一種或多種，拋光液的pH值為2-13。

從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明提供了一種金屬材料化學(xué)機(jī)械拋光的方法，在化學(xué)機(jī)械拋光過程中，化學(xué)機(jī)械拋光裝置具有獨(dú)立的反應(yīng)腔體，腔體內(nèi)的光照強(qiáng)度可以調(diào)節(jié)。通過降低化學(xué)機(jī)械拋光時(shí)化學(xué)機(jī)械拋光裝置腔體內(nèi)的光照強(qiáng)度，有效避免了金屬的光致陽極腐蝕現(xiàn)象，減少了金屬表面的下陷，提高了器件性能和良率。在拋光工藝停止時(shí)，提高腔體內(nèi)的光照強(qiáng)度，便于通過觀察組件對腔體內(nèi)的情況進(jìn)行查看。

附圖說明

圖1為化學(xué)機(jī)械拋光過程中金屬材料發(fā)生光致腐蝕現(xiàn)象的機(jī)理示意圖

圖2為現(xiàn)有技術(shù)中化學(xué)機(jī)械拋光后金屬頂部的凹陷剖面示意圖

圖3為本發(fā)明金屬化學(xué)機(jī)械拋光方法的流程示意圖

圖4a-圖4c為本發(fā)明金屬化學(xué)機(jī)械拋光方法第一實(shí)施例各個(gè)步驟的剖面示意圖

圖5和圖6為本發(fā)明金屬化學(xué)機(jī)械拋光方法第二實(shí)施例的剖面示意圖

具體實(shí)施方式

體現(xiàn)本發(fā)明特征與優(yōu)點(diǎn)的實(shí)施例將在后段的說明中詳細(xì)敘述。應(yīng)理解的是本發(fā)明能夠在不同的示例上具有各種的變化，其皆不脫離本發(fā)明的范圍，且其中的說明及圖示在本質(zhì)上當(dāng)做說明之用，而非用以限制本發(fā)明。

以下結(jié)合附圖3-6，通過具體實(shí)施例對本發(fā)明的金屬化學(xué)機(jī)械拋光方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式、使用非精準(zhǔn)的比例，且僅用以方便、明晰地達(dá)到輔助說明本發(fā)明實(shí)施例的目的。

圖3為本發(fā)明提出的金屬化學(xué)機(jī)械拋光方法的流程示意圖。

本發(fā)明提供了本發(fā)明提供了一種金屬材料化學(xué)機(jī)械拋光的方法，包括：在具有觀察組件的腔體內(nèi)提供一半導(dǎo)體襯底，所述半導(dǎo)體襯底上形成一介電層，在所述介電層中形成凹槽，所述凹槽分別位于所述半導(dǎo)體襯底的P型區(qū)域與N型區(qū)域上；在所述介電層上形成一金屬層，所述金屬層填充滿所述介電層中的所述凹槽；降低所述腔體內(nèi)的光照強(qiáng)度至小于10勒克斯，對所述凹槽進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，移除所述介電層上的所述金屬層。

實(shí)施例1：

請參閱圖4a-圖4c，圖4a-圖4c為本發(fā)明金屬化學(xué)機(jī)械拋光方法第一實(shí)施例各個(gè)步驟的剖面示意圖，本發(fā)明第一實(shí)施例提供了一種金屬材料化學(xué)機(jī)械拋光的方法，包括：

如圖4a所示，在具有觀察組件310的腔體內(nèi)提供一半導(dǎo)體襯底301，在所述半導(dǎo)體襯底301上形成一介電層302，在所述介電層302中形成凹槽303，所述凹槽303分別位于所述半導(dǎo)體襯底301的P型區(qū)域與N型區(qū)域上；在所述介電層302上形成一金屬層304，所述金屬層304填充滿所述介電層302中的所述凹槽303；降低所述腔體內(nèi)的光照強(qiáng)度至小于10勒克斯，對所述凹槽303進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，移除所述介電層302上的所述金屬層304。

在拋光過程中，腔體內(nèi)的光照強(qiáng)度降低到小于10勒克斯；當(dāng)拋光停止時(shí)，光照強(qiáng)度大于10勒克斯。在本實(shí)施例的拋光過程中，所述的腔體內(nèi)光照強(qiáng)度小于10勒克斯；當(dāng)拋光停止時(shí)，光照強(qiáng)度大于100勒克斯。

所述的腔體內(nèi)的光照強(qiáng)度可以通過腔體的觀察組件310的透光率來調(diào)節(jié)。本實(shí)施例中，腔體的觀察組件的透光率調(diào)節(jié)采用電致變色玻璃，其變色材料包括無機(jī)電致變色材料和有機(jī)電致變色材料。該電致變色玻璃在常規(guī)狀態(tài)下為通光的；在拋光過程中，向所述電致變色玻璃施加一特定電壓，電致變色玻璃變?yōu)樯钌煌该?，如圖4b所示，使得所述觀察組件的透光率<10％。在本實(shí)施中，采用安裝電致變色玻璃的腔體觀察組件的透光率的可變范圍為5-80％；也就是說在拋光過程中，向電致變色玻璃施加特定電壓，觀察組件變?yōu)樯钌煌该?，透光率?％；當(dāng)拋光結(jié)束時(shí)，停止向電致變色玻璃施加特定電壓，則觀察組件恢復(fù)到通光狀態(tài)，透光率為80％。

所述的介電層中的凹槽可以是溝槽、通孔中的一種或多種。本實(shí)施例選用的是溝槽。

所述金屬層的材料包括Ti、TiN、TiAl、TiC、TaC、Ta、TaN、Cu、CuAl、Al、W、AlW、Ag、Au等的一種或多種。本實(shí)施例中，如圖4b所示，金屬層的材料304從下至上為依次為5nm TaN的金屬阻擋層304a，5nm Ta的金屬粘附層304b，500nm Cu的互連金屬304c。

所述金屬層的材料采用物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積或原子氣相沉積法形成。本實(shí)施例中，Ta和TaN采用磁控濺射的方法沉積，Cu采用電化學(xué)電鍍(ECP)工藝沉積。

所述化學(xué)機(jī)械拋光過程的反應(yīng)條件包括：襯底表面的溫度為15℃-60℃，拋光壓力為0.5-5.0psi，晶片轉(zhuǎn)速為15-120轉(zhuǎn)/分鐘(rpm)。本實(shí)施例中，襯底表面的溫度為30-50℃，拋光壓力為0.5-3.0普西(psi)，晶片轉(zhuǎn)速為30-90轉(zhuǎn)/分鐘(rpm)。

所述的拋光過程采用的拋光液中的研磨顆粒包括SiO2、Al2O3、CeO2、有機(jī)材料和無機(jī)－有機(jī)復(fù)合材料顆粒中的一種或多種，拋光液的pH值為2-13。本實(shí)施例中，采用的拋光液中的研磨顆粒為CeO2，拋光液的pH值為2.5。

本實(shí)施例主要采用在反應(yīng)腔體的觀察組件上安裝電致變色玻璃來有效控制觀察組件的透光率，由于電致變色玻璃的透光率可以通過電壓來靈活調(diào)節(jié)。電致變色玻璃中的電致變色材料的光學(xué)屬性在外加電場的作用下發(fā)生穩(wěn)定、可逆的顏色變化的現(xiàn)象，在外觀上表現(xiàn)為顏色和透明度的可逆變化。當(dāng)施加合適的電壓時(shí)，電致玻璃可以變?yōu)樯钌煌该?，使觀察組件的透光率<10％。當(dāng)斷電時(shí)，電致玻璃可以轉(zhuǎn)變?yōu)橥该?，透光?gt;75％。因此，在拋光過程中，通過施加電壓能有效降低觀察組件上電致變色玻璃的透光率，大大減小腔體內(nèi)的光照強(qiáng)度，避免了金屬的光致陽極腐蝕現(xiàn)象，減少或避免了金屬表面的下陷，提高了器件性能和良率。采用本實(shí)施例拋光后的晶片示意圖如圖4c所示，位于P型區(qū)域上的溝槽無金屬下陷，N型區(qū)域上的溝槽頂部無金屬析出。在拋光工藝停止時(shí)，提高腔體內(nèi)的光照強(qiáng)度，便于通過觀察組件對腔體內(nèi)的情況進(jìn)行查看。

實(shí)施例2：

請參閱圖5和圖6，圖5和圖6為本發(fā)明金屬化學(xué)機(jī)械拋光方法第二實(shí)施例剖面示意圖，本發(fā)明第二實(shí)施例提供一種金屬材料化學(xué)機(jī)械拋光的方法，包括：具有觀察組件410的腔體內(nèi)提供一半導(dǎo)體襯底401，在所述半導(dǎo)體襯底401上形成一介電層402，在所述介電層402中形成凹槽403，所述凹槽403分別位于所述半導(dǎo)體襯底401的P型區(qū)域與N型區(qū)域上；在所述介電層402上形成一金屬層404，所述金屬層404填充滿所述介電層402中的所述凹槽403；降低所述腔體內(nèi)的光照強(qiáng)度至小于10勒克斯，對所述凹槽403進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光，移除所述介電層402上的所述金屬層404。

在拋光過程中，腔體內(nèi)的光照強(qiáng)度降低到小于10勒克斯；當(dāng)拋光停止時(shí)，光照強(qiáng)度大于10勒克斯。在本實(shí)施例的拋光過程中，所述的腔體內(nèi)光照強(qiáng)度小于10勒克斯；當(dāng)拋光停止時(shí)，光照強(qiáng)度大于200勒克斯。

所述的腔體內(nèi)的光照強(qiáng)度可以通過腔體的觀察組件410的透光率來調(diào)節(jié)。本實(shí)施例中，腔體的觀察組件410由透明的觀察窗412和可移動(dòng)的光線遮擋板411組成。可移動(dòng)的光線遮擋板411可以設(shè)置在腔體內(nèi)也可以設(shè)置在腔體外，本實(shí)施例中，光線遮擋板411設(shè)置在腔體外。在拋光過程中，觀察組件410的透光率<20％。在本實(shí)施中，采用具有透光率90％的觀察窗和不透光的光線遮擋板的腔體觀察組件的透光率的可變范圍為0-90％；也就是說在拋光過程中，如圖5所示，光線遮擋板移動(dòng)到覆蓋觀察窗的位置，完全屏蔽了外部光線射入反應(yīng)腔體內(nèi)，此時(shí)透光率為0％；當(dāng)拋光結(jié)束時(shí)，如圖6所示，光線遮擋板移動(dòng)到不覆蓋觀察窗的位置，則觀察組件恢復(fù)到可進(jìn)光狀態(tài)，透光率為90％。

所述的介電層中的凹槽可以是溝槽、通孔中的一種或多種。本實(shí)施例選用的是溝槽加通孔。

所述金屬層的材料包括Ti、TiN、TiAl、TiC、TaC、Ta、TaN、Cu、CuAl、Al、W、AlW、Ag、Au等的一種或多種。本實(shí)施例中，金屬層的材料從下至上為依次為5nm TiN、2nm TaN和100nm Al(圖中未示出)。

所述金屬層的材料采用物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積或原子氣相沉積法形成。本實(shí)施例中，TiN和Al采用磁控濺射的方法沉積，TaN采用原子氣相沉積法沉積。

所述化學(xué)機(jī)械拋光過程的反應(yīng)條件包括：襯底表面的溫度為15℃-60℃，拋光壓力為0.5-5.0psi，晶片轉(zhuǎn)速為15-120轉(zhuǎn)/分鐘(rpm)。本實(shí)施例中，襯底表面的溫度為20-60℃，拋光壓力為1.0-2.0普西(psi)，晶片轉(zhuǎn)速為50-110轉(zhuǎn)/分鐘(rpm)。

所述的拋光過程采用的拋光液中的研磨顆粒包括SiO2、Al2O3、CeO2、有機(jī)材料和無機(jī)－有機(jī)復(fù)合材料顆粒中的一種或多種，拋光液的pH值為2-13。本實(shí)施例中，采用的拋光液中的研磨顆粒為SiO2，拋光液的pH值為5.0。

本實(shí)施例主要采用在反應(yīng)腔體的具有透明的觀察窗和可移動(dòng)的光線遮擋板來有效控制觀察組件的透光率變化。當(dāng)在拋光過程中，觀察窗覆蓋上遮擋板，屏蔽了外部光線射入反應(yīng)腔體內(nèi)，避免了金屬的光致陽極腐蝕現(xiàn)象，消除了金屬表面的下陷，提高了器件性能和良率。在拋光工藝停止時(shí)，移開遮擋板，便于通過觀察窗對腔體內(nèi)的情況進(jìn)行查看。

以上所述的僅為本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例并非用以限制本發(fā)明的專利保護(hù)范圍，因此凡是運(yùn)用本發(fā)明的說明書及附圖內(nèi)容所作的等同結(jié)構(gòu)變化，同理均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。