專利名稱：一種消除金屬表面突起物的化學(xué)機(jī)械拋光裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種集成電路制造方法，尤其涉及在集成電路制造過(guò)程中，消除晶圓的金屬表面突起物的化學(xué)機(jī)械拋光裝置及方法。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體制造領(lǐng)域中，隨著集成度的提高，對(duì)于各器件間互聯(lián)的信號(hào)傳遞提出了更高的要求。在當(dāng)今半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，銅鑒于其低電阻以及較好的電子遷移率，而引入了雙大馬士革結(jié)構(gòu)的銅互聯(lián)技術(shù)在半導(dǎo)體制造中，成為最常用的互聯(lián)金屬。但在制造過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)由于銅的特性，作為互聯(lián)層金屬中，銅在平坦化后，其金屬互聯(lián)層中仍然殘余有較大的內(nèi)應(yīng)力，而在半導(dǎo)體后續(xù)工藝中，在以較高的溫度下，這些內(nèi)應(yīng)力得到釋放，從而在平坦化后的金屬互聯(lián)層表面形成尖刺等突起物(hillock)。其中，對(duì)于部分金屬，如銅，其自身便具有自退火(self-armeal)的特性，，在其進(jìn)行平坦化后，在長(zhǎng)時(shí)間(大于8小時(shí))的放置中慢慢產(chǎn)生小尖刺等突起物。而這些hillock的產(chǎn)生會(huì)使得之后的制程(比如絕緣層的生長(zhǎng)) 受到影響，同時(shí)也有可能造成銅擴(kuò)散到絕緣介質(zhì)中，以及刻蝕停止層、鈍化層、以及嵌在所述鈍化層中的焊墊層的制備，從而影響半導(dǎo)體芯片的電性。并且，隨著半導(dǎo)體尺寸的減小， hillock也越來(lái)越容易成為致命缺陷，影響半島體的整體性能。所以，有效的消除hillock 的產(chǎn)生，成為影響晶圓良率的關(guān)鍵因素之一。中國(guó)專利CN 101740479 A公開(kāi)了一種半導(dǎo)體器件的制造方法，在化學(xué)機(jī)械拋光 (Chemical Mechanical Polish, CMP)或者部分CMP之后，將晶圓在形成所述刻蝕停止層的設(shè)備中退火的方法。但在該發(fā)明中，實(shí)現(xiàn)金屬互聯(lián)層的退火需要通過(guò)不同的機(jī)臺(tái)，如化學(xué)氣相沉積機(jī)臺(tái)(Chemical Vapor Deposition, CVD),并在CMP機(jī)臺(tái)以及CVD機(jī)臺(tái)之間來(lái)回使用，在這過(guò)程中，一方面降低了機(jī)臺(tái)的使用效率，增加額外的退火設(shè)備，增大了人力物力成本，而且晶圓在制造過(guò)程中，在CMP機(jī)臺(tái)和CVD機(jī)臺(tái)中往返，晶圓在機(jī)臺(tái)與機(jī)臺(tái)間的等待時(shí)間，提高了 hillock產(chǎn)生的幾率，從而影響拋光效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種消除半導(dǎo)體晶圓的金屬表面突起物的化學(xué)機(jī)械拋光裝置及方法，在CMP機(jī)臺(tái)上設(shè)有退火裝置，使得化學(xué)機(jī)械拋光與退火交替進(jìn)行，有效釋放金屬的內(nèi)應(yīng)力，并及時(shí)有效消除因金屬內(nèi)應(yīng)力從而在金屬表面產(chǎn)生的突起物(Hillock)，提高晶圓的拋光效果，從而解決現(xiàn)有技術(shù)中在金屬互聯(lián)層平坦化后，由于金屬內(nèi)應(yīng)力使得在拋光后的金屬表面形成Hillock，影響半導(dǎo)體性能的問(wèn)題。本發(fā)明一種消除金屬表面突起物的化學(xué)機(jī)械拋光裝置及方法通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)其目的
一種消除金屬表面突起物的化學(xué)機(jī)械拋光裝置，其中，包括研磨裝置和退火裝置；所述退火裝置通過(guò)晶圓傳送裝置與所述研磨裝置連接；所述退火裝置設(shè)有退火腔，用于承載金屬晶圓在其中退火；其中，退火裝置用于在晶圓研磨拋光后進(jìn)行退火處理，使累積在晶圓上的金屬互聯(lián)層的應(yīng)力充分釋放，以使金屬互聯(lián)層內(nèi)部的不穩(wěn)定狀態(tài)充分反應(yīng)，包括由于應(yīng)力的釋放而在所述金屬互聯(lián)層表面形成突起物，從而使得金屬互聯(lián)層處于穩(wěn)定的狀態(tài)。所述晶圓傳送裝置為常用的在CMP機(jī)臺(tái)的各位置間晶圓的傳送裝置，如抓手。上述的消除金屬表面突起物的化學(xué)機(jī)械拋光裝置，其中，所述退火裝置還設(shè)有緩沖腔，所述緩沖腔與所述研磨模塊和所述退火腔間分別設(shè)有晶圓傳送裝置。上述的消除金屬表面突起物的化學(xué)機(jī)械拋光裝置，其中，所述緩沖腔中充有惰性氣體，以防止研磨拋光后的晶圓的金屬互聯(lián)層與空氣發(fā)生反應(yīng)。所述的惰性氣體泛指不與金屬發(fā)生反應(yīng)的氣體，包括氮?dú)夂秃?、氖氣、氬氣等惰性氣體等不與金屬發(fā)生反應(yīng)的氣體。一種利用權(quán)利要求1所述的消除金屬表面突起物的化學(xué)機(jī)械拋光裝置消除金屬表面突起物的方法，其中，半導(dǎo)體制造過(guò)程中，晶圓研磨拋光和退火工藝交替連續(xù)進(jìn)行，其包括以下步驟
步驟一在半導(dǎo)體晶圓上形成金屬互聯(lián)層后，采用所述研磨裝置對(duì)晶圓進(jìn)行預(yù)拋光，除去所述晶圓上的多余金屬和其他多余介質(zhì)層部分；
步驟二 將預(yù)拋光的晶圓載入所述退火腔中，高溫退火，充分釋放所屬金屬互聯(lián)層中的內(nèi)應(yīng)力，使所述金屬互聯(lián)層中的不穩(wěn)定狀態(tài)充分顯現(xiàn)，并在金屬互聯(lián)層表面形成突起物；
步驟三將經(jīng)過(guò)退火后的晶圓重新載入所述研磨裝置，對(duì)所述金屬互聯(lián)層進(jìn)一步研磨拋光，除去由步驟二中金屬互聯(lián)層表面形成的突起物。上述的消除金屬表面突起物的方法，其中，在所述步驟一與步驟二之間，當(dāng)所述晶圓進(jìn)行預(yù)拋光后，若需要退火而所述晶圓不能馬上進(jìn)行退火時(shí)，將所述晶圓載入所述緩沖腔中，以防止拋光后的晶圓曝露在空氣中并發(fā)生反應(yīng)，如氧化還原反應(yīng)，之后再將所述晶圓由所述緩沖腔載入所述退火腔中進(jìn)行退火。上述的消除金屬表面突起物的方法，其中，當(dāng)所述晶圓的金屬互聯(lián)層分步多次研磨拋光時(shí)，若是晶圓在進(jìn)行一次研磨拋光后，需要退火處理，則重復(fù)所述步驟一步驟三過(guò)程，使得晶圓在研磨拋光后進(jìn)行退火處理，晶圓的金屬互聯(lián)層內(nèi)應(yīng)力充分釋放而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。值得注意的是，在拋光過(guò)程中，每次拋光條件、及拋光程度不同，使得晶圓的金屬互聯(lián)層情況不同，因此對(duì)于拋光后的晶圓進(jìn)行退火需要根據(jù)拋光工藝需要的實(shí)際情況從確定。 因此對(duì)于晶圓的金屬互聯(lián)層分步多次拋光時(shí)，對(duì)于每一次拋光后的晶圓可選擇性地進(jìn)行退火處理，若是每次拋光后都需要對(duì)晶圓進(jìn)行退火處理，在整個(gè)拋光過(guò)程中，研磨拋光和退火工藝則相繼交替進(jìn)行，直至整個(gè)拋光過(guò)程完成。上述的消除金屬表面突起物的方法，其中，所述退火腔溫度控制于20(T60(TC。山述的消除金屬表面突起物的方法，其中，晶圓在所述退火腔中退火時(shí)間控制于 1 200秒。上述的消除金屬表面突起物的方法，其中，所述金屬互聯(lián)層為銅或者銅的合金。采用本發(fā)明一種消除金屬表面突起物的化學(xué)機(jī)械拋光裝置及方法的優(yōu)點(diǎn)在于 采用本發(fā)明一種消除金屬表面突起物的化學(xué)機(jī)械拋光裝置及方法在化學(xué)機(jī)械拋光機(jī)
臺(tái)上設(shè)置退火裝置，在金屬互聯(lián)層平坦化過(guò)程中，采用退火工藝充分釋放金屬互聯(lián)層中的內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定金屬互聯(lián)層內(nèi)部狀態(tài)，并及時(shí)效消除金屬互聯(lián)層表面因內(nèi)應(yīng)力釋放而產(chǎn)生的突起物，提高金屬互聯(lián)層的拋光效果，從而保證芯片性能；而且在一臺(tái)機(jī)臺(tái)上同時(shí)實(shí)現(xiàn)研磨和退火，可在時(shí)間和空間上提高了拋光效率，節(jié)約工藝成本。


圖1為本發(fā)明消除金屬表面突起物的化學(xué)機(jī)械拋光裝置機(jī)臺(tái)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明一種消除金屬表面突起物的化學(xué)機(jī)械拋光裝置，包括研磨裝置1和退火裝置2 ；所述退火裝置2設(shè)有一退火腔21 ；所述退火腔21設(shè)有溫控系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)適宜溫度用于晶圓退火處理；所述退火腔21通過(guò)晶圓傳送裝置與所述研磨裝置1連接， 所述晶圓傳送裝置可以是抓手等常用于晶圓在拋光過(guò)程中實(shí)現(xiàn)于各位置間的傳送的裝置。 在使用時(shí)，通過(guò)所述晶圓傳送裝置實(shí)現(xiàn)晶圓在所述退火腔21及研磨裝置1之間傳遞，使得研磨拋光和退火工藝交替進(jìn)行。所述退火裝置1還包括一緩沖腔22，所述緩沖腔22與所述研磨模塊1和所述退火腔21間分別設(shè)有晶圓傳送裝置。且在所述緩沖腔22中充有惰性氣體，優(yōu)選充有氮?dú)?。?dāng)晶圓在研磨后，必須要經(jīng)過(guò)清洗及干燥工藝，此時(shí)的晶圓可能并不適合立即放入所述的退火腔21中，進(jìn)行退火處理，但在等待過(guò)程中經(jīng)過(guò)研磨后的銅可能會(huì)于空氣可能會(huì)發(fā)生諸如氧化還原等反應(yīng)，從而使金屬互聯(lián)層受到損傷，從而影響到芯片的信號(hào)傳遞等性能，此時(shí)可將經(jīng)過(guò)研磨后的晶圓放入所述的緩沖腔22中，等待退火，很好地保護(hù)了金屬互聯(lián)層不受損害。對(duì)于該設(shè)備而言，在對(duì)晶圓或是其上沉積的金屬或其他介質(zhì)層進(jìn)行多次CMP的步驟中， 可選取在其中某一步或某幾步CMP之后利用該退火裝置2對(duì)金屬或其他介質(zhì)層進(jìn)行退火處理，而其他CMP步驟既可以選擇進(jìn)行退火處理也可以不進(jìn)行退火處理。本發(fā)明還包括利用上述消除金屬表面突起物的化學(xué)機(jī)械拋光裝置消除金屬表面因金屬內(nèi)部應(yīng)力而在金屬表面產(chǎn)生的突起物的方法。該方法方案為，在集成電路制造過(guò)程中，將晶圓研磨拋光和退火工藝交替連續(xù)進(jìn)行，從而保證在芯片的制造過(guò)程中，互聯(lián)層中金屬內(nèi)部應(yīng)力及時(shí)釋放，并通過(guò)后續(xù)研磨拋光工藝，將由于內(nèi)應(yīng)力釋放而引起的互聯(lián)層金屬表面的尖刺等突起物磨平，保證互聯(lián)金屬互聯(lián)層的表面平整性。其具體步驟為
步驟一在半導(dǎo)體晶圓上形成金屬互聯(lián)層后，采用所述研磨裝置1對(duì)晶圓進(jìn)行預(yù)拋光， 除去多余金屬和其他多余晶圓部分；
步驟二 待所述晶圓在預(yù)拋光后，將所述晶圓放入所述退火腔21中，高溫退火，使所述金屬互聯(lián)層的內(nèi)應(yīng)力充分釋放，包括可能由于應(yīng)力的釋放而在所述金屬互聯(lián)層表面形成的毛刺等突起物，從而使得金屬互聯(lián)層處于穩(wěn)定的狀態(tài)；
步驟三將經(jīng)過(guò)退火后的金屬晶圓重新載入所述研磨裝置1的退火腔21中，對(duì)所述晶圓進(jìn)一步研磨拋光，除去在所述退火工藝中，所述金屬互聯(lián)層表面形成的尖刺等突起物，將所述晶圓的金屬互聯(lián)層表面磨平，保證了金屬互聯(lián)層表面的平整性。在所述步驟一與步驟二之間，當(dāng)所述晶圓進(jìn)行預(yù)拋光后，還經(jīng)過(guò)清洗、干燥等步驟，而不適合立即退火，或是此時(shí)可能由于退火腔21正在使用而無(wú)法立即放入所述的退火腔21中，進(jìn)行退火處理。而在等待退火工藝的過(guò)程中，拋光后的金屬可能會(huì)與空氣發(fā)生例如氧化還原等反應(yīng)，從而使得金屬互聯(lián)層成分變質(zhì)，從而影響制成的芯片的性能。此時(shí)先將所述晶圓載入所述緩沖腔22中，在所述緩沖腔22中，充有氮?dú)獾榷栊詺怏w，可以有效預(yù)防金屬互聯(lián)層發(fā)生反應(yīng)，待其適合退火后，再將所述晶圓由所述緩沖腔22載入所述退火腔21 中退火。當(dāng)所述晶圓的金屬互聯(lián)層分步多次研磨拋光時(shí)，可選擇性的對(duì)每一次拋光后的晶圓進(jìn)行退火處理，直至完成整個(gè)拋光過(guò)程；其中，若是晶圓在進(jìn)行一次研磨拋光后，需要退火處理，則重復(fù)所述步驟一至步驟三過(guò)程，使得晶圓在研磨拋光后進(jìn)行退火處理，晶圓的金屬互聯(lián)層內(nèi)應(yīng)力充分釋放而達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。而一般所述退火腔21溫度控制于20(T600°C。其晶圓在所述退火腔21中退火時(shí)間控制于廣200秒，這個(gè)可由具體情況所確定，現(xiàn)有的技術(shù)可以準(zhǔn)確確保其退火時(shí)間控制。這樣經(jīng)過(guò)研磨拋光工藝、退火工藝交替進(jìn)行后，保證金屬互聯(lián)層中內(nèi)部應(yīng)力的充分釋放，使其內(nèi)部狀態(tài)穩(wěn)定，在集成電路后續(xù)制備工藝中，不會(huì)再因所述金屬互聯(lián)層中的應(yīng)力而使得金屬互聯(lián)層表面出現(xiàn)突起物，保證了其表面平整性，從而保證制成的芯片的性能。 而本發(fā)明一種消除金屬表面突起物的化學(xué)機(jī)械拋光裝置及方法特別適用于對(duì)于目前最常用的銅或其合金的金屬互聯(lián)層。采用本發(fā)明可以確保銅等金屬互聯(lián)層中內(nèi)部應(yīng)力的釋放， 并及時(shí)消除由此而在金屬互聯(lián)層表面形成的的尖刺等突起物，從而確保最后制成的金屬互聯(lián)層表面平整性，確保制成后的芯片的性能。以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述，但其只是作為范例，本發(fā)明并不限制于以上描述的具體實(shí)施例。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，任何對(duì)本發(fā)明進(jìn)行的等同修改和替代也都在本發(fā)明的范疇之中。因此，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍下所作的均等變換和修改，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種消除金屬表面突起物的化學(xué)機(jī)械拋光裝置，其特征在于，包括研磨裝置和退火裝置；所述退火裝置通過(guò)晶圓傳送裝置與所述研磨裝置連接；所述退火裝置設(shè)有退火腔， 用于承載金屬晶圓在其中退火；其中，退火裝置用于在晶圓研磨拋光后進(jìn)行退火處理，使累積在晶圓上的金屬互聯(lián)層的應(yīng)力充分釋放，以使金屬互聯(lián)層內(nèi)部的不穩(wěn)定狀態(tài)充分反應(yīng)， 包括由于應(yīng)力的釋放而在所述金屬互聯(lián)層表面形成突起物，從而使得金屬互聯(lián)層處于穩(wěn)定的狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除金屬表面突起物的化學(xué)機(jī)械拋光裝置，其特征在于，所述退火裝置還設(shè)有緩沖腔，所述緩沖腔與所述研磨模塊和所述退火腔間分別設(shè)有晶圓傳送直ο
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的消除金屬表面突起物的化學(xué)機(jī)械拋光裝置，其特征在于，所述緩沖腔中充有惰性氣體，以防止研磨拋光后的晶圓的金屬互聯(lián)層與空氣發(fā)生反應(yīng)。
4.一種利用權(quán)利要求1所述的消除金屬表面突起物的化學(xué)機(jī)械拋光裝置消除金屬表面突起物的方法，其特征在于，半導(dǎo)體制造過(guò)程中，晶圓研磨拋光和退火工藝交替連續(xù)進(jìn)行，其包括以下步驟步驟一在半導(dǎo)體晶圓上形成金屬互聯(lián)層后，采用所述研磨裝置對(duì)晶圓進(jìn)行預(yù)拋光，除去所述晶圓上的多余金屬和其他多余介質(zhì)層部分；步驟二將預(yù)拋光的晶圓載入所述退火腔中，高溫退火，充分釋放所屬金屬互聯(lián)層中的內(nèi)應(yīng)力，使所述金屬互聯(lián)層中的不穩(wěn)定狀態(tài)充分顯現(xiàn)，并在金屬互聯(lián)層表面形成突起物；步驟三將經(jīng)過(guò)退火后的晶圓重新載入所述研磨裝置，對(duì)所述金屬互聯(lián)層進(jìn)一步研磨拋光，除去由步驟二中金屬互聯(lián)層表面形成的突起物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的消除金屬表面突起物的方法，其特征在于，在所述步驟一與步驟二之間，當(dāng)所述晶圓進(jìn)行預(yù)拋光后，若需要退火而所述晶圓不能馬上進(jìn)行退火時(shí)，將所述晶圓載入所述緩沖腔中，以防止預(yù)拋光后的晶圓曝露在空氣中并發(fā)生反應(yīng)，之后再將所述晶圓由所述緩沖腔載入所述退火腔中進(jìn)行退火。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的消除金屬表面突起物的方法，其特征在于，當(dāng)所述晶圓的金屬互聯(lián)層分步多次研磨拋光時(shí)，若是晶圓在進(jìn)行一次研磨拋光后，需要退火處理，則重復(fù)所述步驟一至步驟三過(guò)程。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的消除金屬表面突起物的方法，其特征在于，所述退火腔溫度控制于 20(T60(rC。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的消除金屬表面突起物的方法，其特征在于，晶圓在所述退火腔中退火時(shí)間控制于廣200秒。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的消除金屬表面突起物的方法，其特征在于，所述金屬互聯(lián)層為銅或者銅的合金。
全文摘要
本發(fā)明提供一種消除金屬表面突起物的化學(xué)機(jī)械拋光裝置及方法，本發(fā)明化學(xué)機(jī)械拋光裝置包括研磨裝置和退火裝置；所述退火裝置通過(guò)晶圓傳送裝置與所述研磨裝置連接；所述退火裝置設(shè)有退火腔，用于承載金屬晶圓在其中退火；其中，退火裝置用于在晶圓研磨后進(jìn)行退火處理，使累積在晶圓上的金屬互聯(lián)層的應(yīng)力充分釋放，以使金屬互聯(lián)層內(nèi)部的不穩(wěn)定狀態(tài)充分反應(yīng)，包括因金屬互聯(lián)層內(nèi)應(yīng)力而在所述金屬互聯(lián)層表面形成突起物，使金屬互聯(lián)層達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。利用本發(fā)明裝置可在晶圓拋光過(guò)程中，退火和研磨拋光交替進(jìn)行，通過(guò)退火處理釋放金屬互聯(lián)中的內(nèi)部應(yīng)力，并通過(guò)再次研磨除去由金屬互聯(lián)層內(nèi)部應(yīng)力而產(chǎn)生的表面突起物，保證金屬互聯(lián)表面的平整性，從而提高制得的芯片的性能。
文檔編號(hào)H01L21/306GK102412136SQ20111012367
公開(kāi)日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月13日
發(fā)明者姬峰, 張亮, 張守龍, 李磊, 白英英, 胡友存, 陳玉文 申請(qǐng)人:上海華力微電子有限公司