專利名稱：金屬化學(xué)機(jī)械拋光的拋光液原位批處理方法及所使用的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于集成電路多層互連結(jié)構(gòu)金屬化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)的拋光液原位批處理工藝及裝置。更確切地說是將拋光液進(jìn)行原位批處理，通過去除其中的金屬離子，還原拋光液的氧化能力，進(jìn)而促使拋光液充分有效使用的工藝和裝置，以代替現(xiàn)有的拋光液一次性消耗工藝和裝置，可以有效降低CMP工藝的耗材成本，本發(fā)明屬于微電子超精密加工工藝技術(shù)領(lǐng)域。
本發(fā)明涉及一種為降低CMP工藝消耗成本，將拋光工藝和拋光液后處理通過原位批處理裝置集成為一步工藝，利用電化學(xué)工作原理，首先將拋光產(chǎn)生的金屬離子還原轉(zhuǎn)移達(dá)到去除的目的，同時恢復(fù)氧化劑的功能。通過在線檢測方法判斷拋光液的有效性，并及時補(bǔ)充或更換新鮮拋光液。通過在線檢測的方法判斷薄膜去除情況及均勻性。結(jié)合帶有微超聲處理的毛刷在線處理手段對拋光墊進(jìn)行在線修復(fù)，保證拋光墊的有效性及延長拋光墊的壽命。通過本發(fā)明的CMP原位批處理工藝和裝置，與現(xiàn)有拋光液一次性消耗工藝相比，不僅可以降低拋光液的消耗成本，而且可以減少拋光液后處理所帶來的不便，是解決集成電路化學(xué)機(jī)械拋光工藝高成本的一種有效方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
隨著集成電路高集成化、特征尺寸微細(xì)化發(fā)展，高分辨率曝光系統(tǒng)對半導(dǎo)體薄膜材料的平坦度提出了極高的要求，尤其是隨著多層互連材料的應(yīng)用，化學(xué)機(jī)械拋光或化學(xué)機(jī)械全局平坦化(CMP)已發(fā)展為IC關(guān)鍵工藝之一。鋁布線時代，版圖結(jié)構(gòu)可以通過刻蝕形成，但隨著互連延遲對器件速度的影響，銅互連正逐漸成為主流，而銅布線又無法通過刻蝕形成，迫不得已采用嵌入式(也稱“大馬士革”)工藝實現(xiàn)多層互連結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的多余銅互連材料的去除和平坦化成為銅互連工藝中的關(guān)鍵工藝(圖1所示)。目前90納米工藝的銅互連技術(shù)已發(fā)展至8層以上，而每一層的金屬互連結(jié)構(gòu)及薄膜平坦化都要求采用化學(xué)機(jī)械拋光工藝。傳統(tǒng)的化學(xué)機(jī)械拋光系統(tǒng)中拋光液是一次性使用的(圖2所示)，消耗量很大。拋光領(lǐng)域現(xiàn)在針對耗材問題比較關(guān)注的有兩方面一方面是高成本的耗材消耗；另一方面是CMP之后廢液處理對環(huán)境的影響。CMP工藝中耗材成本約占60％，其中拋光液為40％，拋光墊和其它耗材為20％，2005年的CMP市場調(diào)研表明，CMP耗材約11億美金，其中拋光液和拋光墊占有絕大多數(shù)，約10億美金。通常每個晶片每次拋光至少需要600ml的拋光液，考慮月產(chǎn)30000片晶片的IC廠，每個晶圓片至少需要6次以上的金屬CMP，現(xiàn)在用于金屬互連的CMP拋光液價格一般在80～120元/升，則這樣一條生產(chǎn)線每年僅拋光液一項就需要消耗近1.0億元人民幣。消耗之大已經(jīng)引起IC大公司的廣泛關(guān)注，中芯國際集成電路制造有限公司在2004年的IEDM會議上指出，銅互連代替鋁布線之后，每個月耗材方面平均增長一倍以上(S.Yang，J.Chen，S.Chen，CustomerOriented Technologies for Innovative Leading Edge Foundry Manufacture，2004IEDM673-676)。國外已經(jīng)開始關(guān)注CMP過程中拋光液的消耗及后處理，專利US5664990(slurry recycling in CMP apparatus)和US5755614(Rinse waterrecycling in CMP apparatus)公開了拋光后拋光液的稀釋及通過過濾的方法進(jìn)行顆粒去除，均未涉及拋光液中可溶性金屬離子的去除。專利US5791970(slurry recycling system for chemical mechanical polishing apparatus)公開了一種通過終點檢測系統(tǒng)對拋光液循環(huán)使用的處理方法，然而也未能提供拋光液中可溶性金屬離子的去除方法。專利US6362103(method and apparatusrejuvenating a CMP chemical solution)公開了一種對拋光液處理的裝置和方法，采用電化學(xué)等方法對拋光液中金屬離子進(jìn)行去除，但該專利公開的方法需要在拋光機(jī)臺外側(cè)增加較大凈化空間用于拋光液的處理，必將增加設(shè)備及凈化廠房空間的投資。
如何提供一種可以充分利用拋光液的有效成分、降低成本、節(jié)省空間的工藝和裝置成為本發(fā)明的目的，考慮現(xiàn)有IC廠的工藝情況及現(xiàn)有拋光液處理方法，本發(fā)明提出一種拋光液原位批處理工藝方法及裝置。

發(fā)明內(nèi)容
為解決拋光液有效利用的問題，本發(fā)明提供一種為降低CMP工藝消耗成本，將拋光工藝和拋光液后處理通過原位批處理裝置集成為一步工藝，利用電化學(xué)工作原理，首先將拋光產(chǎn)生的金屬離子還原轉(zhuǎn)移達(dá)到去除的目的，同時恢復(fù)氧化劑的功能。通過在線檢測方法判斷拋光液的有效性，并及時補(bǔ)充或更換新鮮拋光液。通過在線檢測的方法判斷薄膜去除情況及均勻性。結(jié)合帶有微超聲處理的毛刷在線處理手段對拋光墊進(jìn)行在線修復(fù)，保證拋光墊的有效性及延長拋光墊的壽命。通過本發(fā)明的CMP原位批處理工藝和裝置，與現(xiàn)有拋光液一次性消耗工藝相比，不僅可以降低拋光液的消耗成本，而且可以減少拋光液后處理所帶來的不便，是解決集成電路化學(xué)機(jī)械拋光工藝高成本的一種有效方法和設(shè)備(圖3所示)。
注意的是，本發(fā)明適用于任何種類的拋光機(jī)臺，包括單頭拋光機(jī)，多頭拋光機(jī)等，拋光過程中的拋光液不受限制，只要可以對被拋材料進(jìn)行拋光即可，但被拋光的材料局限于金屬材料，尤其是拋光過程中產(chǎn)生金屬離子殘留于拋光液中情況。
本發(fā)明提供的用于集成電路多層互連結(jié)構(gòu)金屬化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)的拋光液原位批處理方法包括兩個階段一是集成電路金屬互連材料的CMP過程產(chǎn)生含有被拋材料金屬離子的拋光液處理；二是通過在線原位批處理工藝對拋光液進(jìn)行處理和恢復(fù)功能。
本發(fā)明提供拋光液原位批處理工藝中，拋光液中可溶性金屬離子的去除工藝是將金屬離子轉(zhuǎn)化為金屬并沉積在指定位置的電化學(xué)處理工藝，以達(dá)到去除拋光液中金屬離子的目的，最佳工藝為電鍍工藝，通過外加電路，使得拋光系統(tǒng)構(gòu)成一個電路回路，拋光液中的金屬離子在電場作用下定向沉積在電路回路的陰極上，以銅離子為例，其反應(yīng)如下，其它金屬離子如Ta2+、Ru3+、Ti4+、Ag+、W4+、Al3+等也有類似的反應(yīng)。
本發(fā)明提供拋光液原位批處理方法中，拋光液可溶性金屬離子去除的同時，金屬拋光液中另外一個重要影響因素拋光液氧化能力的恢復(fù)成為必需，本發(fā)明可以通過以下兩種方法中任意一種方法實現(xiàn)氧化能力的恢復(fù)。一是構(gòu)成電路回路去除金屬離子的同時，電路的陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，使得拋光液的氧化能力得到還原，如。另一種方法是不斷地向拋光液中補(bǔ)充氧化劑，常用氧化劑為無金屬離子的過氧化氫、過氧化氫脲、過硫酸銨等。
本發(fā)明提供拋光液原位批處理工藝中，可用于處理的拋光液中含有的可溶性金屬離子包括銅、鎢、鋁、鉭、釕、鈦或銀中的一種或任意兩種以上的混合物。
本發(fā)明提供拋光液原位批處理裝置(圖3所示)，所述的裝置是在單頭或多頭拋光機(jī)中的增加、拋光液原位批處理系統(tǒng)和拋光墊在線修復(fù)系統(tǒng)。其中拋光液原位處理系統(tǒng)又分為拋光液電化學(xué)處理系統(tǒng)和拋光液參數(shù)在線檢測系統(tǒng)，它們均與拋光系統(tǒng)向連結(jié)，拋光墊和晶圓片浸泡在拋光液中，通過電路回路不僅將拋光液的金屬離子去除、還原其反應(yīng)能力、而且利用拋光液在線檢測技術(shù)保持拋光液在拋光過程中盡可能維持一致性，而且通過在線檢測系統(tǒng)顯示出拋光速率和拋光過程的均勻性的信息。
本發(fā)明提供拋光液原位批處理裝置中，拋光液不是一次性排放，而是將拋光墊和晶圓材料浸泡于拋光液中，盛放拋光液的容器包括至少包括兩個口，一個是拋光液的進(jìn)口，另一是拋光廢液的出口，不排除還包括各種添加劑、清洗用去離子水進(jìn)口等。
本發(fā)明提供拋光液原位批處理裝置中，用于拋光液的有效性在線檢測的方法為電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)膜厚測試手段中的其中一種或任意兩種復(fù)合，通過拋光工藝信號的在線檢測(圖3所示)，判斷拋光速率的穩(wěn)定性。拋光液的使用存在一定的壽命，即使原位批處理大大提高了拋光液的有效利用，隨著拋光時間的延長，拋光效率會有所影響，進(jìn)而體現(xiàn)在去除一定厚度薄膜所需時間延長，這個現(xiàn)象可以通過上述的在線檢測方法中的任何一種實現(xiàn)在線檢測和控制。當(dāng)拋光速率降為初始拋光液的80％時，應(yīng)及時補(bǔ)充各種添加劑和新鮮拋光液，當(dāng)拋光速率降至初始拋光液的60％時，應(yīng)及時更換容器內(nèi)的拋光液。
本發(fā)明提供拋光液原位批處理裝置中，通過附加電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)等測試手段中的其中一種或任意兩種復(fù)合，將終點檢測集成于該裝置上，用于判斷被去除薄膜拋光過程中片內(nèi)的去除情況及表面均勻性。
本發(fā)明提供拋光液原位批處理裝置中，電化學(xué)處理回路的陰極下端裝置為一帶有微超聲處理的毛刷結(jié)構(gòu)(圖4所示)，采用質(zhì)地相對較軟的塑料毛刷，用于拋光墊的在線修復(fù)，以避免現(xiàn)有金剛石修復(fù)盤對拋光墊的過渡損耗。拋光過程中，利用電路回路中的微電流產(chǎn)生微超聲處理效果，將拋光過程中較多埋藏在拋光墊中的顆粒去除，并輕微刷洗拋光墊表面，達(dá)到在線修復(fù)拋光墊的效果。由于塑料毛刷與金剛石修復(fù)盤相比，質(zhì)地較軟，修復(fù)過程中大大降低了拋光墊的損耗，不僅節(jié)約了拋光液的消耗成本，而且對拋光墊的損耗也有不同程度的降低。
本發(fā)明提供拋光液原位批處理方法及使用的裝置中，拋光液通過原位再生處理可以延長其使用壽命和效果，有效降低CMP耗材成本。利用電化學(xué)處理回路陰極的微電流產(chǎn)生微超聲，將拋光墊中鑲嵌的顆粒有效去除，恢復(fù)拋光墊的多孔結(jié)構(gòu)和拋光效果，同時下端增加塑料軟毛刷對拋光墊進(jìn)行在線修復(fù)，提高了在線修復(fù)能力，但卻降低了對拋光墊的損耗。有效地將拋光液有效性檢測和拋光終點檢測集成在一起，通過拋光過程的在線檢測，判斷拋光液的有效性，進(jìn)而決定是補(bǔ)充新鮮拋光液還是完全更換新鮮拋光液。總之本發(fā)明不僅通過拋光液的在線處理，有效降低其消耗成本，而且集成檢測技術(shù)與拋光墊在線修復(fù)技術(shù)，并且借助微超聲與軟毛刷墊技術(shù)降低了原有金剛石修復(fù)盤修復(fù)時拋光墊地?fù)p耗及少量金剛石微粉顆粒帶來的嚴(yán)重后果，是解決集成電路化學(xué)機(jī)械拋光工藝高成本的一種有效方法和設(shè)備。
本發(fā)明所述的裝置使用方法是(1)通過電化學(xué)方法將化學(xué)機(jī)械拋光工藝產(chǎn)生的含有金屬離子的拋光液廢液在線處理，去除廢液中的金屬離子，并還原氧化劑的氧化能力；(2)通過在線檢測，依拋光液的有效性，即拋光速率的穩(wěn)定性，判斷補(bǔ)充或更換拋光液；(3)通過在線檢測，判斷拋光過程的均勻性，實現(xiàn)終點控制。
與現(xiàn)有拋光液一次性消耗工藝相比，不僅可以減少拋光液的消耗，而且可以減少拋光液后處理所帶來的不便，是解決集成電路化學(xué)機(jī)械拋光工藝高成本的一種有效方法和設(shè)備。


圖1金屬互連的鑲嵌拋光結(jié)構(gòu)示意2傳統(tǒng)化學(xué)機(jī)械拋光示意3批處理工藝化學(xué)機(jī)械拋光系統(tǒng)示意4在線修復(fù)裝置示意圖具體實施方式
下面通過實施例描述，進(jìn)一步闡明本發(fā)明的實質(zhì)性特點。其中拋光機(jī)臺可以是現(xiàn)在任意的已有的用于CMP的機(jī)臺，拋光條件采用相應(yīng)的工藝條件。
實施例1被拋光材料為Cu/TaN，拋光過程中產(chǎn)生的金屬離子為Cu2+、Ta3+，拋光液中金屬離子的去除采用電鍍工藝，將拋光液中的Cu2+、Ta3+鍍在陰極的外敷膜上，從而減少批處理使用的拋光液中的金屬離子含量，同時在電路回路的陽極將部分失效的氧化劑還原，恢復(fù)拋光液的氧化能力。拋光液的盛放裝置為帶上下口的圓桶狀裝置，包含一個拋光液進(jìn)樣口，去離子水口，一個拋光廢液排出口。拋光過程的在線檢測方法為電學(xué)信號測試，通過拋光過程中樣品表面的金屬薄膜的電學(xué)信號，判斷拋光終點及拋光過程的均勻性；此外結(jié)合片間拋光效率情況判斷拋光液的有效性，當(dāng)拋光速率降為初始拋光液的80％時，應(yīng)及時補(bǔ)充各種添加劑和新鮮拋光液。電路回路的陰極下端裝置為一帶有微超聲處理的毛刷結(jié)構(gòu)，采用質(zhì)地相對較軟的塑料毛刷，用于拋光墊的在線修復(fù)。通過拋光液的在線處理，有效降低其消耗成本，而且集成檢測技術(shù)與拋光墊在線修復(fù)技術(shù)，并且借助微超聲與軟毛刷墊技術(shù)降低了原有金剛石修復(fù)盤修復(fù)時拋光墊地?fù)p耗及少量金剛石微粉顆粒帶來的嚴(yán)重后果。
實施例2被拋光材料為Cu/Ru(釕)，拋光液的恢復(fù)同時包括補(bǔ)充新鮮氧化劑，在線檢測的方法為力學(xué)信號在線檢測，其余同實施例1。
實施例3被拋光材料為W/Ti(鈦)，拋光液的恢復(fù)為補(bǔ)充新鮮氧化劑，在線檢測的方法為光學(xué)信號在線檢測，其余同實施例1。
實施例4被拋光材料為Ag/Ti(鈦)，拋光液的恢復(fù)同時包括補(bǔ)充新鮮氧化劑，在線檢測的方法為力學(xué)信號在線檢測，其余同實施例1。
實施例5被拋光材料為Ag/Ru(釕)，拋光液的恢復(fù)同時包括補(bǔ)充新鮮氧化劑，在線檢測的方法為電學(xué)信號在線檢測，其余同實施例1。
實施例6被拋光材料為Al/Ti(鈦)，拋光液的恢復(fù)為補(bǔ)充新鮮氧化劑，在線檢測的方法為光學(xué)信號在線檢測，其余同實施例1。
權(quán)利要求
1.一種用于集成電路多層互連結(jié)構(gòu)金屬化學(xué)機(jī)械拋光的拋光液原位批處理的方法，其特征在于所述的批處理方法的步驟是(1)將化學(xué)機(jī)械拋光過程產(chǎn)生的含有被拋光材料金屬離子的拋光液用電化學(xué)處理工藝將金屬離子轉(zhuǎn)化為金屬并沉積在陰極上，以去除拋光液中的金屬離子；(2)通過下述兩種方法中任意一種在步驟(1)的可溶性金屬離子去除同時，實現(xiàn)拋光液氧化能力的恢復(fù)，所述的兩種方法分別是電化學(xué)處理方法，使電路的陰極發(fā)生氧化反應(yīng)，拋光液的氧化能力得到還原；或是向拋光液中補(bǔ)充氧化劑，所述的氧化劑為無金屬離子的過氧化氫、過氧化氫脲或過硫酸銨。
2.按權(quán)利要求1所述的用于集成電路多層互連結(jié)構(gòu)金屬化學(xué)機(jī)械拋光的拋光液原位批處理的方法，其特征在于所述的電化學(xué)工藝是通過外加電路，使拋光系統(tǒng)構(gòu)成一個電路回路，拋光液中的金屬離子在電場作用下定向沉積在電路回路的陰極上。
3.按權(quán)利要求1或2所述的用于集成電路多層互連結(jié)構(gòu)金屬化學(xué)機(jī)械拋光的拋光液原位批處理的方法，其特征在于所述的電化學(xué)工藝為電鍍工藝。
4.按權(quán)利要求1或2所述的用于集成電路多層互連結(jié)構(gòu)金屬化學(xué)機(jī)械拋光的拋光液原位批處理的方法，其特征在于拋光液中的金屬離子為Ta2+、Ru3、Ti4+、Ag+、W4+或Al3+中的一種或任意兩種以上的混合物。
5.適用于權(quán)利要求1所述的用于集成電路多層互連結(jié)構(gòu)金屬化學(xué)機(jī)械拋光的拋光液原位批處理的方法所使用的裝置，其特征在于將現(xiàn)有拋光工序和拋光液后處理的工序集為一體，在拋光系統(tǒng)中增加拋光液原位批處理系統(tǒng)以及拋光墊在線修復(fù)系統(tǒng)；所述的原位批處理系統(tǒng)分為拋光液電化學(xué)批處理系統(tǒng)和拋光液參數(shù)在線檢測系統(tǒng)；電化學(xué)處理系統(tǒng)與在線檢測系統(tǒng)均與拋光系統(tǒng)相連結(jié)，拋光墊和晶圓材料浸泡于拋光液中，使拋光速率和拋光過程的均勻性的信息通過在線檢測顯示出來。
6.按權(quán)利要求5所述的用于集成電路多層互連結(jié)構(gòu)金屬化學(xué)機(jī)械拋光的拋光液原位批處理的方法所使用的裝置，其特征在于所述的拋光系統(tǒng)為單頭拋光機(jī)或多頭拋光機(jī)。
7.按權(quán)利要求5所述的用于集成電路多層互連結(jié)構(gòu)金屬化學(xué)機(jī)械拋光的拋光液原位批處理的方法所使用的裝置，其特征在于所述的在線檢測系統(tǒng)為電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)膜厚測試手段中一種或任意二種的組合。
8.按權(quán)利要求5所述的用于集成電路多層互連結(jié)構(gòu)金屬化學(xué)機(jī)械拋光的拋光液原位批處理的方法所使用的裝置，其特征在于所述拋光墊在線修復(fù)系統(tǒng)是為一帶有微超聲處理的毛刷結(jié)構(gòu)；微超聲是利用電路回路中的微電流產(chǎn)生的，以去除拋光墊中的顆粒和清洗拋光墊表面。
9.使用權(quán)利要求8所述的用于集成電路多層互連結(jié)構(gòu)金屬化學(xué)機(jī)械拋光的拋光液原位批處理裝置的方法，其特征在于將拋光工序和拋光液原處理工序集為一體，其使用步驟是(1)通過電化學(xué)方法將化學(xué)機(jī)械拋光工藝產(chǎn)生的含有金屬離子的拋光液廢液在線處理，去除廢液中的金屬離子，并還原氧化劑的氧化能力；(2)通過在線檢測，依拋光液的有效性，即拋光速率的穩(wěn)定性，判斷補(bǔ)充或更換拋光液；(3)通過在線檢測，判斷拋光過程的均勻性，實現(xiàn)終點控制。
10.按權(quán)利要求9所述的用于集成電路多層互連結(jié)構(gòu)金屬化學(xué)機(jī)械拋光的拋光液原位批處理裝置的使用方法，其特征在于將拋光速率降為初始拋光液的80％時，應(yīng)補(bǔ)充各種添加劑和新鮮拋光液，當(dāng)拋光速率降至初始拋光液的60％時，應(yīng)更換容器拋光液。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于集成電路多層互連結(jié)構(gòu)金屬化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)的拋光液原位批處理方法及所使用的裝置。創(chuàng)新點在于利用電化學(xué)工作原理，將拋光產(chǎn)生的金屬離子還原轉(zhuǎn)移達(dá)到去除的目的，同時恢復(fù)拋光液中氧化劑的功能。所述的裝置是在傳統(tǒng)的單頭或多頭拋光系統(tǒng)中，增加拋光液原位批處理系統(tǒng)和拋光盤的在線修復(fù)，使拋光速率和拋光過程均勻性信息在線檢測，將現(xiàn)有拋光工序和拋光液原處理工序集為一體。與現(xiàn)有拋光液一次性消耗工藝相比，不僅可以減少拋光液的消耗，而且可以減少拋光液后處理所帶來的不便，是解決集成電路化學(xué)機(jī)械拋光工藝高成本的一種有效方法和設(shè)備。
文檔編號B24B53/00GK1915595SQ20061003055
公開日2007年2月21日 申請日期2006年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月30日
發(fā)明者張楷亮, 宋志棠, 封松林, 陳邦明 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所