專利名稱：采用上游和下游流體分配裝置的化學(xué)機(jī)械拋光方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到權(quán)利要求1前序部分所述的裝置和方法。
在半導(dǎo)體工業(yè)中，鑲嵌工藝被廣泛地用作銅基互連的主流技術(shù)。如本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員所知，在鑲嵌工藝中，首先，滿鋪金屬(銅)層被淀積在圖形化的介質(zhì)層頂部，其對介質(zhì)層中諸如溝槽和通孔之類的凹陷區(qū)域具有充分的覆蓋。隨后，用化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)來從表面清除金屬層，同時在凹陷區(qū)域留下金屬，以便構(gòu)成(部分)互連圖形。
金屬層的常規(guī)CMP工藝使用基本上含有3種組分的懸浮液，此3種組分是研磨顆粒(例如SiO2和Al2O3)、腐蝕劑(例如酸)、以及鈍化劑。鈍化劑借助于生長鈍化層而鈍化金屬的表面。研磨組分從金屬機(jī)械地清除鈍化層。腐蝕劑被用來腐蝕未被鈍化的金屬。在常規(guī)工藝中，此3種組分以混合物的形式被分配在拋光布上。不利的是，常規(guī)CMP工藝所用的懸浮液的穩(wěn)定期比較短(亦即，各個化學(xué)組分隨時間而分解)。
從US 5478435可知用來在CMP設(shè)備中分配懸浮液的分配裝置，此裝置通過二個(在某些情況下是3個或更多個)分配管，將懸浮液各組分分配到拋光墊。借助于使懸浮液的各個組分在被用于拋光墊之前保持分開，US 5478435的分配裝置緩解了懸浮液穩(wěn)定性的問題。分配管將分開的組分輸運(yùn)到拋光墊上的使用位置，在該處分配管噴嘴緊靠在一起。于是，在使用點(diǎn)處或其附近，各個組分發(fā)生混合以形成CMP懸浮液。在一個變通實(shí)施方案中，各個分配管在其末端處被相互連接成一個緊靠使用點(diǎn)的單一噴嘴。在這種單一噴嘴中，各個組分在剛要到達(dá)使用點(diǎn)之前，發(fā)生混合。
從US 5981394可知一種分配裝置，此裝置也利用二個分開的分配管來將懸浮液各組分分配到拋光墊上使用點(diǎn)處或緊靠使用點(diǎn)進(jìn)行混合。此處，第二分配管被設(shè)置成向第一管分配的懸浮液提供額外的化學(xué)組分，以便改善CMP工藝，在金屬表面上形成保護(hù)性表面活化劑。
CMP工藝的另一缺點(diǎn)是系統(tǒng)中懸浮液顆粒的處置，這些顆粒引起被加工晶片的不良潔凈度，還可能引起對泵的損傷和廢物管的阻塞。因此，已經(jīng)開發(fā)了新的無懸浮液的CMP工藝，其中懸浮液中的研磨顆粒已經(jīng)被固定的研磨墊代替，研磨顆粒被嵌在研磨墊中。于是可望得到簡單而潔凈的CMP工藝，其中僅僅需要將拋光液體加入到研磨墊。例如，從Matsumoto等的論文，“Evaluation of Cu CMP forInterconnects Using a New Slurry-Free Process”，proceedingsof the 1999 Chemical-mechanical polishing for ULSI multilevelinterconnection conference CMP-MIC 1999，F(xiàn)ebruary 1999，SantaClara，pp.176-183可知對于銅互連的這種無懸浮液的CMP工藝。
由于物理和/或化學(xué)穩(wěn)定性的原因，這些懸浮液的混合比以及常規(guī)CMP工藝的溫度必須在一定的范圍內(nèi)，這可能以某種形式損害這種CMP工藝的性能。在CMP工藝過程中，在晶片表面上同時發(fā)生3個相互競爭的過程(亦即鈍化、研磨、以及腐蝕)。由于混合比的影響，難以控制各個過程的相對影響。因此，在與例如圖形密度、特征尺寸、以及均勻性的依賴關(guān)系方面，CMP工藝可能得不到最佳的結(jié)果。
而且，CMP工藝中的一個重要問題涉及到CMP金屬清除速率，此速率被發(fā)現(xiàn)依賴于鑲嵌結(jié)構(gòu)的圖形密度。如本技術(shù)領(lǐng)域所知，比之較小的特征，圖形中大的特征傾向于被過度拋光，并傾向于加重凹陷效應(yīng)。
而且，CMP工藝中觀察到的另一個問題是聚集在拋光墊上的被研磨材料的清除。若不從拋光墊清除被研磨的材料，則會降低拋光墊的研磨作用，且將明顯地降低CMP工藝的材料清除速率。如本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員所知，可以用刷子進(jìn)行異地清洗來再生拋光墊。但由于磨損高，故此過程明顯地縮短了拋光墊的壽命。
本發(fā)明的目的是提供一種CMP設(shè)備的裝置和一種采用此CMP設(shè)備來改善CMP工藝的方法。
本發(fā)明涉及到用來對晶片表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置，此裝置包含拋光墊、驅(qū)動單元、加壓裝置、晶片支持器、第一分配裝置、以及第二分配裝置；用來支持晶片的晶片支持器被安置在支持器位置處；加壓裝置被設(shè)置成將晶片支持器壓向拋光墊；用來將第一流體分配到拋光墊的第一分配裝置，被安排在第一分配裝置位置處；用來將第二流體分配到拋光墊的第二分配裝置，被安排在第二分配裝置位置處；拋光墊包含用來拋光晶片的拋光表面，且拋光墊還被連接到用來沿第一方向相對于支持器位置移動拋光表面的驅(qū)動單元；其特征在于，第一分配裝置的第一分配裝置位置相對于支持器位置被安置在下游方向第一下游距離處，其下游方向相對于第一方向選取；第二分配裝置的第二分配裝置位置相對于支持器位置被安置在上游方向第一上游距離處，其上游方向相對于第一方向選取。
本發(fā)明還涉及到用來對晶片表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置，如上所述，其特征在于，在第一分配裝置位置處，第一分配裝置將腐蝕劑分配到拋光墊上，用來從拋光墊的拋光表面溶解來自晶片表面的被研磨的材料，且在第二分配裝置位置處，第二分配裝置將研磨顆粒與鈍化劑的混合物分配到拋光墊上，用來鈍化晶片表面。
而且，本發(fā)明涉及到一種在化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置中進(jìn)行的對晶片表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的方法，此裝置包含拋光墊、驅(qū)動單元、加壓裝置、晶片支持器、第一分配裝置、以及第二分配裝置，用來支持晶片的晶片支持器被安置在支持器位置處；加壓裝置被設(shè)置成將晶片支持器壓向拋光墊；用來將第一流體分配到拋光墊的第一分配裝置被安排在第一分配裝置位置處；用來將第二流體分配到拋光墊的第二分配裝置，被安排在第二分配裝置位置處；拋光墊包含用來拋光晶片的拋光表面，且拋光墊還被連接到用來沿第一方向相對于支持器位置移動拋光表面的驅(qū)動單元；其特征在于下列步驟●將第一分配裝置的第一分配裝置位置相對于支持器位置安置在下游方向第一下游距離處，其下游方向相對于第一方向選取，以及●將第二分配裝置的第二分配裝置位置相對于支持器位置安置在上游方向第一上游距離處，其上游方向相對于第一方向選取。
本發(fā)明還涉及到一種在化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置中進(jìn)行的對晶片表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的方法，如上所述，其特征在于下列步驟●利用第一分配裝置，在第一分配裝置位置處，將腐蝕劑分配到拋光墊上，用來從拋光墊的拋光表面溶解來自晶片上金屬表面的被研磨的材料，以及●利用第二分配裝置，在第二分配裝置位置處，將鈍化劑分配到拋光墊上，用來鈍化晶片上的金屬表面。
于是，根據(jù)本發(fā)明的CMP工藝的材料清除速率比現(xiàn)有技術(shù)的更穩(wěn)定。并能夠在比現(xiàn)有技術(shù)更寬的范圍內(nèi)選擇拋光液中的腐蝕劑相對鈍化劑的比率。這將提供對鈍化和腐蝕工藝的更好的控制。結(jié)果，清除速率將變得更穩(wěn)定；亦即較少依賴于特征尺寸和圖形密度，這就減輕了過度拋光和凹陷效應(yīng)。
而且能夠提高晶片上清除速率的均勻性。
利用本發(fā)明的裝置和方法，還改善了CMP工藝的晶片之間可重復(fù)性。
而且，利用本發(fā)明，極大地減輕了拋光墊機(jī)械調(diào)整的要求。因此，本發(fā)明能夠提高拋光墊的壽命。而且，利用本發(fā)明的裝置，大為縮短了由拋光墊的替換和調(diào)整造成的CMP設(shè)備停機(jī)時間。
下面參照附圖來解釋本發(fā)明，這些附圖僅僅是為了說明的目的而不是為了限制所附權(quán)利要求所定義的保護(hù)范圍。


圖1a和1b示意地分別示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的拋光墊表面在被研磨材料沾污之前和之后的剖面圖；圖2示出第一優(yōu)選實(shí)施方案中的根據(jù)本發(fā)明的安置在CMP設(shè)備中的分配裝置的例子；圖3A-3D示意地示出了利用本發(fā)明的裝置和方法進(jìn)行的CMP工藝的相繼步驟；圖4a和4b示出了示例性實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中在采用和不采用本發(fā)明的情況下分別測量了臺階高度降低與CMP工藝拋光時間之間的關(guān)系。
為了改進(jìn)CMP工藝，本發(fā)明提供了如下所述的一種裝置和方法。在圖1a和1b中，示意地示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的拋光墊表面的剖面圖。圖1a示出了清潔的拋光墊的表面，而圖1b示出了被被研磨的材料沾污了的拋光墊表面。
在圖1a中，示意地示出了包含多個掩埋在拋光墊表面中的研磨顆粒(直徑約為0.1微米)的拋光墊表面1的剖面圖。此拋光墊由聚合物層組成，其稍許起伏的表面具有小丘(寬度約為10微米)。當(dāng)此處示為實(shí)心點(diǎn)的研磨顆粒在CMP過程中通過晶片下方時，就被部分地埋置并固定在聚合物層中。
如本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員所知，這種拋光墊的研磨作用主要由使用時位于小丘頂部或其附近的與晶片表面接觸的研磨顆粒執(zhí)行。
在半導(dǎo)體襯底上的金屬層的CMP工藝過程中，與拋光墊中突出的研磨顆粒相接觸的鈍化層，被機(jī)械地清除，并淀積在拋光墊表面上。被研磨的材料2積累在拋光墊的表面上，如圖1b中拋光墊表面灰色區(qū)域示意地示出的那樣。由于被研磨的材料積累在拋光墊上(更確切地說是在小丘處)，拋光墊的研磨作用減弱。
本發(fā)明提供了一種裝置和方法來防止拋光墊表面的沾污。如本技術(shù)領(lǐng)域所知，機(jī)械地清除被研磨的材料不是很有效的，并可能產(chǎn)生沾污晶片表面的游離顆粒。
因此，采用借助于溶解被研磨材料的化學(xué)清除方法。典型地說，為此必須采用(酸性)腐蝕劑。但如現(xiàn)有技術(shù)所知，拋光液必須不明顯地具有腐蝕劑的特征，因?yàn)樵谶@種情況下，晶片上的銅層將被各向同性腐蝕而不具有平整性。如本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員所知，其結(jié)果是晶片表面上的金屬結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重腐蝕。
在本發(fā)明中，利用圖2所示的裝置，解決了上述的現(xiàn)有技術(shù)問題。圖2示意地示出了第一優(yōu)選實(shí)施方案的根據(jù)本發(fā)明安置在CMP設(shè)備中的分配裝置的例子。此CMP設(shè)備3包含拋光墊4、晶片支持器5、加壓裝置6、腐蝕劑分配管7、鈍化劑分配管8、以及驅(qū)動單元9。
拋光墊4是一種結(jié)構(gòu)如圖1a所示的襯墊。拋光墊4配備有旋轉(zhuǎn)驅(qū)動單元9，用來在拋光過程中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。拋光墊4繞旋轉(zhuǎn)中心R自旋。旋轉(zhuǎn)方向如箭頭ω1所示。在位于離旋轉(zhuǎn)中心R有一徑向距離的支持器位置L0處，安置晶片支持器5，以便在拋光過程中支持晶片W。加壓裝置6被連接到晶片支持器5。在拋光工藝過程中，加壓裝置6以預(yù)定的力F，將晶片支持器5中的晶片W壓向拋光墊4的表面。加壓裝置6設(shè)置成帶有旋轉(zhuǎn)單元9，以便在拋光過程中旋轉(zhuǎn)晶片支持器5。旋轉(zhuǎn)方向如箭頭ω2所示。CMP設(shè)備3的分配裝置包含二個分配管7和8，用來將拋光液的各個組分分配到拋光墊4。腐蝕劑分配管7將腐蝕劑分配到拋光墊上第一管位置L1處。第一管位置L1位于支持器位置L0附近，沿箭頭ω1所示旋轉(zhuǎn)方向的下游方向偏離一個第一下游距離d1。如參照圖1b所述，腐蝕劑含有能夠溶解積累在襯墊表面上的被研磨材料的化合物。鈍化劑分配管8將由鈍化劑和研磨顆粒組成的混合物分配到拋光墊4上第二管位置L2處。第二管位置L2位于支持器位置L0附近，沿箭頭ω1所示旋轉(zhuǎn)方向的上游方向偏離一個第一上游距離d3。由于拋光墊上位置的運(yùn)動描出一個封閉環(huán)，故第一上游距離d3等效于沿下游方向測得的第二下游距離d2。在本發(fā)明中，用來定位第二管位置L2的第一上游距離d3，被選擇成使第二下游距離d2大于第一下游距離d1。借助于以這種方式來安置分配管7和8，第一分配管7與第二分配管8之間的軌跡(沿旋轉(zhuǎn)方向從第一管位置L1到第二管位置L2測得的)，比第二分配管8與第一分配管7之間的軌跡(沿旋轉(zhuǎn)方向從第二管位置L2到第一管位置L1測得的)大得多。在這種裝置中，在拋光墊上有利地產(chǎn)生了在CMP工藝中各具有不同功能的二個區(qū)域，下面將要更詳細(xì)地加以解釋。
鈍化劑(或減活劑)是一種能夠借助于形成保護(hù)金屬表面免受腐蝕劑影響的鈍化層而鈍化晶片上的金屬表面的試劑。鈍化劑可以含有氧化劑(例如H2O2)，它在金屬表面上形成金屬氧化層作為鈍化層。鈍化劑也可以是在金屬表面上形成不可溶解的金屬鹽的試劑(例如銅基金屬化情況下的酞酸)。還可以設(shè)想是在表面上形成單層涂層的其它鈍化劑或具有表面活化性質(zhì)的鈍化劑。
在圖2所示的裝置中，拋光墊4的表面在其整個旋轉(zhuǎn)一周的過程中被暴露于各種條件。例如，在拋光墊的一周旋轉(zhuǎn)中，拋光墊表面處特定位置L4首先在第二管位置L2處通過鈍化劑分配管8下方。此處，表面接收大量與研磨顆?；旌系拟g化劑。
接著，位置L4在支持器位置L0處通過固定到晶片支持器5的晶片W下方。此時，埋置在拋光墊表面中的研磨顆粒從晶片W的金屬表面清除鈍化層。分配在位置L4處襯墊表面上的鈍化劑現(xiàn)在處于與金屬緊密接觸，并再次鈍化金屬的表面。研磨材料被淀積在襯墊的表面上，并積累在襯墊上(圖1b)。在晶片與拋光墊的接觸區(qū)處，鈍化和清除過程同時繼續(xù)發(fā)生。要指出的是，由于在襯墊上存在腐蝕劑，故在清除鈍化層之后，可能發(fā)生金屬層的一些腐蝕。
而且，在本發(fā)明中，少量的腐蝕劑可以被加入到鈍化劑分配管處分配的(鈍化劑與研磨顆粒的)混合物中。以這種方式，提供了對CMP工藝特性的進(jìn)一步控制。
由于拋光墊4的旋轉(zhuǎn)，被研磨的材料被輸運(yùn)出支持器位置L0處晶片與拋光墊之間的接觸區(qū)。
隨后，位置L4在第一管位置L1處通過腐蝕劑分配管7下方。此時表面接收大量腐蝕劑。此腐蝕劑能夠利用化學(xué)反應(yīng)來溶解被研磨的材料。由于離心力的作用，含有被溶解的被研磨材料的溶液在拋光墊周邊處從拋光墊流出。因此，在溶解步驟之后，拋光墊的表面是清潔的，并基本上無研磨材料。
由于分別通過第一管位置L1處的腐蝕劑分配管7和第二管位置L2處的鈍化劑分配管8分別地提供腐蝕劑和鈍化劑，故腐蝕劑和鈍化劑的濃度隨拋光墊上相對于支持器位置L0的相對位置而變化。在襯墊上位置L4的軌跡上，分別在分配管7與8的第一和第二管位置L1與L2之間，襯墊表面上的腐蝕劑濃度比鈍化劑濃度更高，拋光液主要具有腐蝕劑的特性。但在襯墊上位置L4的軌跡上，在第二和第一管位置L2與L1之間，情況相反襯墊表面上的腐蝕劑濃度比鈍化劑濃度更低，拋光液主要具有鈍化劑的特性。因此，固定到晶片支持器5的晶片W在第一和第二管位置L1和L2之間的固定支持器位置L0處，被暴露于主要具有鈍化劑特性的拋光液。由于在位置L1和L2之間仍然可得到腐蝕劑(其濃度可控制且比較低)，故在晶片W表面處也可能進(jìn)行CMP工藝的腐蝕步驟。但由于鈍化劑的濃度和晶片W表面的鈍化程度比較高，故腐蝕速率低。要指出的是，雖然腐蝕速率低，但CMP工藝的清除速率不受影響。在根據(jù)本發(fā)明的銅金屬化的CMP工藝中，清除速率為300-500nm/min。
而且，要指出的是，在CMP工藝過程中，腐蝕劑和鈍化劑的分配是連續(xù)的。于是，在CMP工藝過程中，腐蝕劑和鈍化劑在襯墊上的濃度分布可以被認(rèn)為是穩(wěn)態(tài)條件。旋轉(zhuǎn)著的拋光墊4包含位置L1與L2之間軌跡中的第一穩(wěn)態(tài)區(qū)，其中，此第一區(qū)中的襯墊區(qū)主要經(jīng)歷腐蝕和潔凈步驟。在位置L2與L1之間軌跡中的第二穩(wěn)態(tài)區(qū)中，此第二區(qū)中的襯墊區(qū)主要含有鈍化劑，它與晶片W上的金屬表面發(fā)生反應(yīng)。
還要指出的是，可以用變通的方式來完成分配管7和8對腐蝕劑和鈍化劑的分配管7和8可以各被安排成任何適當(dāng)?shù)男螤?，例如安排成具有密布開口的蓮蓬頭。
在圖2所示的實(shí)施方案中，腐蝕劑和鈍化劑的流量、濃度、以及溫度等基本參數(shù)，能夠各自獨(dú)立地被控制，在本發(fā)明中，這使得能夠得到比常規(guī)CMP工藝更寬的工藝窗口。
圖3A-3D以方框圖示意地示出了根據(jù)本發(fā)明的無懸浮液的CMP工藝的相繼步驟。在左列中，以剖面圖示意地示出了晶片W的相繼階段。在右列中，以剖面圖示意地示出了位置L4處部分拋光墊表面的相繼階段。
圖3A示出了CMP工藝之前的晶片W。在CMP工藝之前，晶片W包含襯底層301、絕緣層302、以及金屬層303。在絕緣層302中，有被金屬層303填充的圖形化區(qū)304。在金屬層的表面上，示出了凹陷區(qū)305，勾畫出了圖形化區(qū)304的輪廓。
圖3B-3D示出了被執(zhí)行的CMP工藝。在圖3B中，晶片W被示為具有由金屬與鈍化劑的反應(yīng)生長的鈍化(金屬氧化物或金屬鹽)層306。在拋光過程中，頂層307處的鈍化層被清除，而凹陷區(qū)305中的鈍化層保留在表面上。
圖3C示出了這種情況在晶片W上存在著自由金屬表面308的突出區(qū)，此處的鈍化層被清除。
在CMP工藝過程中，拋光墊4以研磨顆粒埋置在表面中的新鮮而潔凈的狀態(tài)出現(xiàn)在位置L2處，與圖1a所示的情況相同。在支持器位置L0處通過晶片之后，襯墊的位置L4到達(dá)位置L1處。由于被研磨的材料積累在拋光墊的表面上，故拋光墊的研磨功能被降低。在此L1處，拋光墊4上的位置L4處于圖1b所示的狀態(tài)。
在位置L1處，腐蝕劑被加入到拋光墊表面。此時，拋光液具有比較高的腐蝕劑濃度。在從位置L1轉(zhuǎn)移到位置L2的過程中，被研磨的材料被腐蝕劑溶解。由于離心力的作用，在從位置L1轉(zhuǎn)移到位置L2的過程中，含有被溶解的被研磨材料的溶液在拋光墊周邊處從拋光墊流出。在到達(dá)具有晶片W的支持器位置L0之前，拋光墊4呈現(xiàn)為清潔的(再次如圖1a所示)。
在位置L2處，鈍化劑與研磨顆粒的混合物被分配到襯墊上。
在CMP工藝過程中，金屬層被清除，直至達(dá)到圖3D所示的情況。在圖3D中，留下的金屬層僅僅存在于圖形化區(qū)域中作為互連309。而且，在此階段，拋光墊4由于在位置L1與L2之間暴露于腐蝕劑而仍然潔凈(如圖1a剖面圖所示)。
由于拋光墊4在CMP工藝過程中始終潔凈，故材料清除速率保持在穩(wěn)定的高水平上。
為了說明CMP工藝的特性，用現(xiàn)有技術(shù)拋光設(shè)備進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)。自配的酸性緩沖劑(pH＝3)被用作腐蝕劑。H2O2(水中35％，作為氧化劑)被用作鈍化劑。要指出的是，此處腐蝕劑和鈍化劑的濃度是作為例子。其它的試劑和/或濃度也可以產(chǎn)生相似的滿意結(jié)果。
利用根據(jù)本發(fā)明的CMP工藝，對淀積厚度為1.2微米的銅層所覆蓋的滿鋪和圖形化(SiO2)的晶片進(jìn)行了拋光。圖形化晶片上的測試鑲嵌結(jié)構(gòu)具有各種線寬和各種圖形密度。線寬為0.2-100微米的線條/間隔圖形被用作測試圖形。圖形密度在大約25％-80％之間變化。在所有的測試結(jié)構(gòu)中，溝槽的深度為600nm。
圖4a和4b示出了上述實(shí)驗(yàn)的示例性結(jié)果，其中分別測量了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)所知的常規(guī)工藝進(jìn)行的以及根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行的無懸浮液的CMP工藝的整平速率。在圖4a的曲線中，具有各種線寬的溝槽的臺階高度下降，被繪制成作為根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的CMP工藝中拋光時間的函數(shù)。為了清楚起見，僅僅示出了圖形密度為50％的結(jié)果。用實(shí)心圓、空心圓、實(shí)心三角形、以及空心三角形，分別標(biāo)注了線寬為100、50、20、以及10微米的線上的結(jié)果。(對于在大約25％-80％之間變化的其它圖形密度，得到了相似的結(jié)果。)在圖4b的曲線中，具有各種線寬的溝槽的臺階高度下降，被繪制成根據(jù)本發(fā)明的CMP工藝中拋光時間的函數(shù)。用實(shí)心正方形、空心正方形、實(shí)心菱形、以及空心菱形，分別標(biāo)注了線寬為100、50、20、以及10微米的線上的結(jié)果。圖形密度仍然是50％。
從圖4a和4b顯見，根據(jù)本發(fā)明的CMP工藝的整平速率高于常規(guī)CMP工藝的。(依賴于拋光條件，根據(jù)本發(fā)明的CMP工藝的清除速率為300-500nm/min。)而且，根據(jù)本發(fā)明的CMP工藝的臺階下降幾乎對各種圖形線寬幾乎相同。于是，根據(jù)本發(fā)明的CMP工藝的整平速率看來(幾乎)與實(shí)際圖形線寬無關(guān)。這清楚地表明，根據(jù)本發(fā)明的CMP工藝減小了過度拋光過程中較寬溝槽的凹陷。由于靠近晶片W位置的拋光墊上的鈍化劑濃度更高，故在CMP工藝的整個過程中，在晶片表面處穩(wěn)定地形成輪廓分明的鈍化層。如圖3A1-3C2所示，鈍化層的形成有效地保護(hù)了晶片表面的下方凹陷區(qū)305，導(dǎo)致僅僅表面突出區(qū)域307和308處的材料被清除。因此，獲得了很少依賴于圖形密度和圖形特征尺寸的高而穩(wěn)定的整平速率。
總之，由于改進(jìn)了對鈍化劑分配(以及鈍化劑濃度)的控制，故CMP過程中的鈍化得到了改善。由于晶片圖形中凹陷區(qū)域的鈍化的改進(jìn)，故鑲嵌結(jié)構(gòu)的整平得到了改善。而且，利用具有不同特征尺寸的凹陷區(qū)域更好的鈍化，減小了整平對圖形密度的依賴。
可以理解的是，本發(fā)明不局限于在固定位置L0處具有旋轉(zhuǎn)拋光墊4和加壓裝置6的CMP設(shè)備3。本發(fā)明還可以被應(yīng)用于本技術(shù)所知的其它類型的CMP設(shè)備例如具有帶狀拋光墊或具有相對于(固定的)拋光墊運(yùn)動的加壓裝置的CMP設(shè)備。本發(fā)明還可以被應(yīng)用于具有固定的研磨襯墊的CMP設(shè)備，其中不需要在鈍化劑分配管處分配研磨顆粒。
在本發(fā)明中，公開了一種用于金屬CMP加工的新穎結(jié)構(gòu)。分配管被安排成使拋光液的二種主要組分(腐蝕劑和鈍化劑)被分立地提供到拋光墊表面的不同區(qū)域上。本發(fā)明于是減輕了組成拋光懸浮液的困難，并提供了更好的機(jī)會來優(yōu)化工藝。借助于使腐蝕劑和鈍化劑分開地流到拋光墊，改善了表面腐蝕與鈍化之間的協(xié)調(diào)。各個組分的分立，導(dǎo)致組分梯度，引起拋光墊表面不同區(qū)域處金屬的不同鈍化速率和金屬氧化物(或金屬鹽)的不同溶解速率。因此，根據(jù)本發(fā)明的CMP工藝獲得了優(yōu)異的清除和整平速率。
還可以理解的是，在鈍化劑分配管8處分配鈍化劑的過程中，可以將少量腐蝕劑可控地加入到鈍化劑中，以便在晶片支持器位置L0處對晶片W進(jìn)行加工的情況下，與拋光和鈍化作用同時發(fā)生少許的腐蝕作用。
還可以理解的是，根據(jù)本發(fā)明的CMP工藝不是要排他性地用于銅基金屬化，而是也被用于其它的金屬化。例如，根據(jù)本發(fā)明的CMP加工表現(xiàn)出有關(guān)鎢層圖形化的良好結(jié)果。
而且，由于借助于腐蝕劑的原位清洗作用而大為降低了對襯墊機(jī)械修整的要求，從而提高了拋光墊的壽命。
對于本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員來說，本發(fā)明的裝置和方法顯然能夠有利地應(yīng)用于半導(dǎo)體器件的制造。
權(quán)利要求
1.用來對晶片表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置，它包括拋光墊(4)、驅(qū)動單元(9)、加壓裝置(6)、晶片支持器(5)、第一分配裝置(7)、以及第二分配裝置(8)；用來支持晶片(W)的晶片支持器被安置在支持器位置(L0)處；加壓裝置(6)被設(shè)置成將晶片支持器(5)壓向拋光墊(4)；用來將第一流體分配到拋光墊(4)上的第一分配裝置(7)被安排在第一分配裝置位置(L1)處；用來將第二流體分配到拋光墊(4)上的第二分配裝置(8)被安排在第二分配裝置位置(L2)處；拋光墊(4)包含用來拋光晶片(W)的拋光表面，且拋光墊(4)還被連接到用來沿第一方向(ω1)相對于支持器位置(L0)移動拋光表面的驅(qū)動單元(9)；其特征在于，第一分配裝置(7)的第一分配裝置位置(L1)相對于支持器位置(L0)被設(shè)置在下游方向第一下游距離(d1)處，其下游方向相對于第一方向(ω1)選?。坏诙峙溲b置(8)的第二分配裝置位置(L2)相對于支持器位置(L0)被設(shè)置在上游方向第一上游距離(d3)處，其上游方向相對于第一方向(ω1)選取。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的用來對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置，其特征在于，在第一分配裝置位置(L1)處，第一分配裝置(7)將腐蝕劑分配到拋光墊(4)上，用來從拋光墊(4)的拋光表面溶解來自晶片(W)表面的被研磨的材料，并在第二分配裝置位置(L2)處，第二分配裝置(8)將研磨顆粒與鈍化劑的混合物分配到拋光墊(4)上，用來鈍化晶片(W)表面。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的裝置，其特征在于，分配裝置(7，8)包含分配管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的裝置，其特征在于，分配裝置(7，8)包括具有多個間隔很近的分配開口的分配管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任何一項(xiàng)的用來對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置，其特征在于，晶片(W)的表面是金屬層表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的用來對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置，其特征在于，所述金屬層是銅層。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的用來對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置，其特征在于，所述金屬層是鎢層。
8.根據(jù)權(quán)利要求5-7中任何一項(xiàng)的用來對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置，其特征在于，鈍化劑是金屬層的一種氧化劑。
9.根據(jù)權(quán)利要求5-7中任何一項(xiàng)的用來對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置，其特征在于，鈍化劑是一種在金屬層上形成不可溶解的金屬鹽層的試劑。
10.根據(jù)權(quán)利要求5-7中任何一項(xiàng)的用來對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置，其特征在于，鈍化劑是一種在金屬層上形成薄膜覆層的試劑，此薄膜為單層。
11.根據(jù)權(quán)利要求5-7中任何一項(xiàng)的用來對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置，其特征在于，鈍化劑是一種表面活化劑。
12.根據(jù)權(quán)利要求8的用來對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置，其特征在于，氧化劑是H2O2。
13.根據(jù)權(quán)利要求9的用來對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置，其特征在于，鈍化劑是酞酸。
14.根據(jù)權(quán)利要求5-7中任何一項(xiàng)的用來對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置，其特征在于，腐蝕劑是用于被研磨的金屬/金屬氧化物/金屬鹽材料的一種溶劑。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的用來對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置，其特征在于，腐蝕劑是用來溶解被研磨的金屬/金屬氧化物/金屬鹽材料的一種酸性緩沖液。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的用來對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置，還包含用來旋轉(zhuǎn)晶片支持器(5)的旋轉(zhuǎn)裝置，其特征在于，連接到旋轉(zhuǎn)裝置的晶片支持器(5)被設(shè)置成沿第二旋轉(zhuǎn)方向(ω2)旋轉(zhuǎn)。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的用來對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置，其特征在于，拋光墊(4)的晶片(W)拋光表面被設(shè)置成固定的研磨墊，且第二分配裝置(8)分配鈍化劑。
18.根據(jù)前述權(quán)利要求中任何一項(xiàng)的用來對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置，其特征在于，第二分配裝置(8)還分配少量的腐蝕劑。
19.一種在用來對晶片表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置中進(jìn)行的方法，此裝置包含拋光墊(4)、驅(qū)動單元(9)、加壓裝置(6)、晶片支持器(5)、第一分配裝置(7)、以及第二分配裝置(8)；用來支持晶片(W)的晶片支持器被安置在支持器位置(L0)處；加壓裝置(6)被設(shè)置成將晶片支持器(5)壓向拋光墊(4)；用來將第一流體分配到拋光墊(4)上的第一分配裝置(7)被安排在第一分配裝置位置(L1)處；用來將第二流體分配到拋光墊(4)上的第二分配裝置(8)被安排在第二分配裝置位置(L2)處；拋光墊(4)包括用來拋光晶片(W)的拋光表面，且拋光墊(4)還被連接到用來沿第一方向(ω1)相對于支持器位置(L0)移動拋光表面的驅(qū)動單元(9)；其特征在于下列各個步驟●將第一分配裝置(7)的第一分配裝置位置(L1)相對于支持器位置(L0)安置在下游方向第一下游距離(d1)處，其下游方向相對于第一方向(ω1)選取，以及●將第二分配裝置(8)的第二分配裝置位置(L2)相對于支持器位置(L0)安置在上游方向第一上游距離(d3)處，其上游方向相對于第一方向(ω1)選取。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的在用來對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備(3)的裝置中進(jìn)行的方法，其特征在于，晶片(W)上的表面是金屬層表面。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的在對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備(3)的裝置中進(jìn)行的方法，其特征在于下列各個步驟●利用第一分配裝置，在第一分配裝置位置(L1)處，將腐蝕劑分配到拋光墊上，用來從拋光墊的拋光表面溶解來自晶片(W)上的金屬表面的被研磨的材料，以及●利用第二分配裝置，在第二分配裝置位置(L2)處，將鈍化劑分配到拋光墊上，用來鈍化晶片(W)上的金屬表面。
22.根據(jù)權(quán)利要求19-21中任何一項(xiàng)的在對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備(3)的裝置中進(jìn)行的方法，其特征在于，分配裝置(7，8)包含分配管。
23.根據(jù)權(quán)利要求19-21中任何一項(xiàng)的在裝置中進(jìn)行的方法，其特征在于，分配裝置(7，8)包含具有多個間隔很近的分配開口的分配管。
24.根據(jù)權(quán)利要求20-23中任何一項(xiàng)的在用來對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備(3)的裝置中進(jìn)行的方法，其特征在于，金屬層是銅層。
25.根據(jù)權(quán)利要求20-23中任何一項(xiàng)的在用來對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備(3)的裝置中進(jìn)行的方法，其特征在于，金屬層是鎢層。
26.根據(jù)權(quán)利要求20-25中任何一項(xiàng)的在用來對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置中進(jìn)行的方法，其特征在于，鈍化劑是金屬層的一種氧化劑。
27.根據(jù)權(quán)利要求20-25中任何一項(xiàng)的在用來對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置中進(jìn)行的方法，其特征在于，鈍化劑是一種在金屬層上形成不可溶解的金屬鹽層的試劑。
28.根據(jù)權(quán)利要求20-25中任何一項(xiàng)的在用來對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置中進(jìn)行的方法，其特征在于，鈍化劑是一種在金屬層上形成薄膜涂層的試劑，此薄膜為單層。
29.根據(jù)權(quán)利要求20-25中任何一項(xiàng)的在用來對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置中進(jìn)行的方法，其特征在于，鈍化劑是一種表面活化劑。
30.根據(jù)權(quán)利要求26的在用來對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置中進(jìn)行的方法，其特征在于，氧化劑是H2O2。
31.根據(jù)權(quán)利要求27的在用來對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置中進(jìn)行的方法，其特征在于，鈍化劑是酞酸。
32.根據(jù)權(quán)利要求20-25中任何一項(xiàng)的在用來對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置中進(jìn)行的方法，其特征在于，腐蝕劑是用于被研磨的金屬/金屬氧化物/金屬鹽材料的一種溶劑。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的在用來對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置中進(jìn)行的方法，其特征在于，腐蝕劑是用來溶解被研磨的金屬/金屬氧化物/金屬鹽材料的一種酸性緩沖液。
34.根據(jù)權(quán)利要求19-33中任何一項(xiàng)的在用來對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置中進(jìn)行的方法，此裝置還包含用來旋轉(zhuǎn)晶片支持器(5)的旋轉(zhuǎn)裝置，其特征在于以下步驟將旋轉(zhuǎn)裝置安排成沿第二旋轉(zhuǎn)方向(ω2)旋轉(zhuǎn)晶片支持器(5)。
35.根據(jù)權(quán)利要求19-34中任何一項(xiàng)的用對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置進(jìn)行的方法，其特征在于下列各個步驟●將拋光墊(4)的對晶片(W)進(jìn)行拋光的拋光表面安置成固定的研磨墊；●以及利用第二分配裝置(8)來分配鈍化劑。
36.根據(jù)權(quán)利要求19-35中任何一項(xiàng)的用對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置進(jìn)行的方法，其特征在于以下步驟利用第二分配裝置(8)來分配少量的腐蝕劑。
37.根據(jù)權(quán)利要求19-36中任何一項(xiàng)的在用來對晶片(W)表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置中進(jìn)行的方法，其特征在于，此化學(xué)機(jī)械拋光處理被用于半導(dǎo)體器件的制造，晶片(W)包括半導(dǎo)體材料的襯底。
全文摘要
本發(fā)明涉及到一種用來對晶片表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光的化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備的裝置，它包含拋光墊(4)、驅(qū)動單元(9)、加壓裝置(6)、晶片支持器(5)、第一分配裝置(7)、以及第二分配裝置(8)；用來支持晶片(W)的晶片支持器被安置在支持器位置(L0)處；加壓裝置(6)被安排來將晶片支持器(5)壓向拋光墊(4)；用來將第一流體分配到拋光墊(4)上的第一分配裝置(7)，被安排在第一分配裝置位置(L1)處；用來將第二流體分配到拋光墊(4)上的第二分配裝置(8)，被安排在第二分配裝置位置(L2)處；拋光墊(4)包含用來拋光晶片(W)的拋光表面，且拋光墊(4)還被連接到用來沿第一方向(ω1)相對于支持器位置(L0)移動拋光表面的驅(qū)動單元(9)；其中的第一分配裝置(7)的第一分配裝置位置(L1)相對于支持器位置(L0)被安置在下游方向第一下游距離(d1)處，其下游方向相對于第一方向(ω1)選?。欢诙峙溲b置(8)的第二分配裝置位置(L2)相對于支持器位置(L0)被安置在上游方向第一上游距離(d3)處，其上游方向相對于第一方向(ω1)選取。本發(fā)明還涉及到采用這一裝置的化學(xué)機(jī)械拋光方法。
文檔編號B24B37/04GK1426343SQ01808391
公開日2003年6月25日 申請日期2001年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月22日
發(fā)明者H·V·恩古蕓, A·J·霍夫, H·范克拉寧伯格, P·H·維爾利 申請人:皇家菲利浦電子有限公司