專利名稱：：一種改善化學(xué)機械拋光不均勻度的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明提供一種化學(xué)機械拋光方法，尤其是一種半導(dǎo)體晶片表面形成有一銅金屬層的化學(xué)機械拋光方法。
背景技術(shù)：
：在半導(dǎo)體工藝中，平坦化(planarization)的目的是為了將半導(dǎo)體晶片起伏不平的表面加以平整，以提高后續(xù)構(gòu)圖轉(zhuǎn)移(patterntransfer)的準(zhǔn)確度。而化學(xué)機械拋光方法(chemical-mechanicalpolishing，CMP)則幾乎是目前唯一能提供全面平坦化(globalplanarization)的平坦化工藝。其原理是將半導(dǎo)體晶片置于一拋光臺(polishingtable)上，配合適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)試劑(reagent)與研磨顆粒，同時利用化學(xué)反應(yīng)以及機械研磨的方式，以將半導(dǎo)體晶片表面的高低起伏的不平輪廓加以磨平?；瘜W(xué)機械拋光方法的應(yīng)用非常廣泛，尤其在銅導(dǎo)線工藝中更是影響銅導(dǎo)線品質(zhì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于銅具有不易蝕刻的特性，所以目前本領(lǐng)域多是采用嵌入式(damascene)的方式來制作銅連接線。所謂嵌入式銅工藝即先在一半導(dǎo)體晶片上形成一介電層，并利用黃光、蝕刻等工藝在該介電層中間形成溝槽(trench)，之后將銅金屬阻擋層(barrierlayer)以及銅金屬等材料填入溝渠中，最后再利用一化學(xué)機械拋光工藝去除溝渠上方以及外側(cè)的多余銅金屬層，以達(dá)到平坦化的目的。由于在形成銅金屬層后，銅金屬層表面極容易氧化產(chǎn)生一銅氧化層，因此在利用化學(xué)機械拋光工藝來進(jìn)行銅金屬層表面的平坦化時，必須先將銅金屬層表面上的銅氧化層去除，而后銅金屬層的研磨才會開始。在現(xiàn)有的銅導(dǎo)線工藝中，上述銅氧化層的去除主要借助拋光機臺的壓力以及轉(zhuǎn)速控制，利用機械力的方式配合研磨液(slurry)中的磨料(abrasive)來將銅氧化層刮除。由于此種方式屬于物理去除，不容易達(dá)到半導(dǎo)體晶片表面的全面均勻，因此可能造成半導(dǎo)體晶片上局部銅氧化層去除過慢，甚至無法被完全去除，從而使得此區(qū)域內(nèi)銅的研磨速率降低，導(dǎo)致半導(dǎo)體晶片的拋光不均勻度(with-in-wafernon-uniformity，WIWNU)的惡化。由于過大的WIWNU不僅會使得半導(dǎo)體晶片所需的研磨時間加長、降低生產(chǎn)力，而且過拋時間(over-polishtime)的增加也會造成半導(dǎo)體晶片表面的金屬凹陷(metaldishing)情形，甚至導(dǎo)致金屬表面侵蝕(erosion)等問題。因此，隨著目前半導(dǎo)體晶片尺寸向大型化發(fā)展，如何有效降低WIWNU已成為提高化學(xué)機械拋光工藝優(yōu)良率以及改善元件性能的最大挑戰(zhàn)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種改善半導(dǎo)體晶片表面拋光不均勻度(WIWNU)的方法，以提高工藝優(yōu)良率。本發(fā)明的另一目的在于提供一種銅化學(xué)機械拋光工藝，可以有效提高銅的研磨速率，降低生產(chǎn)成本。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，該半導(dǎo)體晶片上設(shè)有一銅金屬層，而該銅金屬層表面生長有一銅氧化層。本發(fā)明先利用一第一化學(xué)溶液來清洗該銅金屬層表面，均勻去除該銅氧化層，之后再利用一第二化學(xué)溶液進(jìn)行一化學(xué)機械拋光去除部分該銅金屬層，以使剩余的該銅金屬層具有一大約平坦的表面。由于現(xiàn)有的銅化學(xué)機械拋光工藝?yán)梦锢砣コ~氧化層的方式，也即直接利用機械力的方式配合研磨液中的磨料來將銅氧化層刮除，因此不容易達(dá)到半導(dǎo)體晶片表面的全面均勻。而本發(fā)明則是在研磨銅金屬層之前先利用一化學(xué)溶液清洗半導(dǎo)體晶片的表面，以化學(xué)作用的方式均勻地去除銅金屬層表面的銅氧化層，因此可以有效降低半導(dǎo)體晶片內(nèi)的拋光不均勻度，提高工藝優(yōu)良率。同時，本發(fā)明還可以有效提高銅的研磨速率，以節(jié)省生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品競爭力。圖1至圖4為本發(fā)明制作一嵌入式銅金屬層的方法示意圖；以及圖5為本發(fā)明的銅化學(xué)機械拋光工藝與現(xiàn)有銅化學(xué)機械拋光工藝所形成的WIWNU以及銅去除率的比較圖。附圖中的附圖標(biāo)記分別為10半導(dǎo)體晶片12襯底14介電層16嵌入式結(jié)構(gòu)18阻擋層20導(dǎo)電層22氧化層24導(dǎo)線具體實施方式請參閱圖1至圖4，圖1至圖4為本發(fā)明在一半導(dǎo)體晶片10上制作一嵌入式銅金屬層的方法示意圖。如圖1所示，半導(dǎo)體晶片10包含有一襯底12，一介電層14設(shè)置在襯底12表面，以及多個嵌入式結(jié)構(gòu)16設(shè)于介電層14中。嵌入式結(jié)構(gòu)16可以根據(jù)產(chǎn)品要求設(shè)計成單鑲嵌(singledamascene)結(jié)構(gòu)或者雙鑲嵌(dualdamascene)結(jié)構(gòu)，而且其中至少一個嵌入式結(jié)構(gòu)16貫穿介電層14，以向下電連接至設(shè)于襯底12中的導(dǎo)電區(qū)域(未顯示)，例如其他金屬層或晶體管的部分元件。如圖2所示，接下來在半導(dǎo)體晶片10表面形成一阻擋層18。阻擋層18均勻覆蓋在介電層14表面、嵌入式結(jié)構(gòu)16內(nèi)的側(cè)壁及底部表面。隨后再在阻擋層18表面形成一銅金屬層，該銅金屬層充當(dāng)導(dǎo)電層20并填滿嵌入式結(jié)構(gòu)16。其中，阻擋層18由鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、氮化鈦(TiN)、鈦(Ti)或難熔金屬材料組成，用來改善導(dǎo)電層20的附著性，同時也可以避免導(dǎo)電層20中的銅原子擴散至嵌入式結(jié)構(gòu)16外，影響導(dǎo)電層20的電學(xué)性能。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，形成導(dǎo)電層20的方法包括先進(jìn)行一銅籽層(seedlayer)的物理氣相沉積(physicalVapordeposition，PVD)工藝，以在阻擋層18表面形成一銅籽層(未顯示)，隨后進(jìn)行一濕法銅電鍍沉積(electricalcopperplating，ECP)工藝，以在阻擋層18與銅籽層表面形成一銅金屬層，最后再進(jìn)行一退火工藝，以降低該銅金屬層的電阻并消除應(yīng)力，完成導(dǎo)電層20的制作。而由于退火工藝是在一高溫環(huán)境下進(jìn)行，因此在形成導(dǎo)電層20的同時，導(dǎo)電層20表面也極容易因熱氧化作用而形成一氧化層22，例如氧化銅。氧化層22除了可能在上述的退火工藝中產(chǎn)生外，在本發(fā)明的其他實施例中，氧化層22也可能在其他薄膜工藝，例如物理氣相沉積(physicalvapordeposition，PVD)中產(chǎn)生?；旧?，由于銅是一種很容易氧化的材料，故只要在有氧的環(huán)境下，隨著時間與溫度的增加均會造成銅氧化層的增加，其中涉及到的是動力學(xué)的問題，因此一般隨著空氣中的濕度增加以及放置時間的增加，均會造成氧化層22厚度的增加。而不論是何種薄膜工藝，只要薄膜形成之后與氧接觸，均會造成銅金屬層20表面的氧化。其中退火工藝由于會提供熱能，因此氧化反應(yīng)的速率將比常溫下快，但即使沒有經(jīng)過退火工藝，銅金屬層20表面依然會有一層氧化層22。如圖3所示，為了避免氧化層22在后續(xù)的化學(xué)機械拋光工藝中造成WIWNU，影響半導(dǎo)體晶片10的質(zhì)量，因此本發(fā)明接著利用一第一化學(xué)溶液來進(jìn)行一清洗工藝，借助第一化學(xué)溶液與氧化層22產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，以均勻地去除導(dǎo)電層20表面的氧化層22。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，由于導(dǎo)電層20是一銅導(dǎo)線，因此第一化學(xué)溶液是一能溶解氧化銅的化學(xué)溶液，例如檸檬酸(citricacid)或草酸(oxalicacid)等。去除氧化層22之后，如圖4所示，進(jìn)行一化學(xué)機械拋光(CMP)工藝，利用一第二化學(xué)溶液，例如銅研磨液，去除部分導(dǎo)電層20，并使該化學(xué)機械拋光工藝停止在阻擋層18表面上，以使殘留于嵌入式結(jié)構(gòu)16內(nèi)的導(dǎo)電層20具有一大致平坦的表面，且導(dǎo)電層20表面大致與阻擋層18的表面相平齊，以形成一導(dǎo)線24，用作接觸插塞(contactplug)或通孔插塞(viaplug)。其中，利用該第一化學(xué)溶液所進(jìn)行的氧化層22的清洗工藝也可與導(dǎo)電層20的化學(xué)機械拋光工藝同步(in-situ)進(jìn)行，也即在化學(xué)機械拋光初期先將第一化學(xué)溶液通入半導(dǎo)體晶片10表面，借助第一化學(xué)溶液與氧化層22產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)并且配合化學(xué)機械拋光機臺的研磨墊旋轉(zhuǎn)研磨，以均勻地去除半導(dǎo)體晶片10表面的氧化層22，暴露出導(dǎo)電層20的表面，之后再將第二化學(xué)溶液，也即導(dǎo)電層20的研磨液通入半導(dǎo)體晶片10表面以進(jìn)行導(dǎo)電層20的平坦化。此外，在上述的同步清洗以及化學(xué)機械拋光工藝中，在引入第一化學(xué)溶液時，也可以先停止研磨墊的旋轉(zhuǎn)，也即先不進(jìn)行研磨機制，僅利用第一化學(xué)溶液與氧化層22之間的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行一化學(xué)去除氧化層22的操作，以使半導(dǎo)體晶片10表面具有良好的均勻性。請參考圖5，圖5為本發(fā)明的銅化學(xué)機械拋光工藝與現(xiàn)有銅化學(xué)機械拋光工藝所形成的半導(dǎo)體晶片內(nèi)的拋光不均勻度(WIWNU)以及銅去除率的比較圖，其中左側(cè)的縱軸表示W(wǎng)IWNU(％)，而右側(cè)的縱軸表示銅去除率(埃/分鐘)(/min)。如圖5所示，由于現(xiàn)有的銅化學(xué)機械拋光工藝是利用物理去除銅氧化層22的方式，即直接利用機械力的方式配合研磨液中的磨料來將銅氧化層22刮除，不容易達(dá)到半導(dǎo)體晶片10表面的全面均勻，因此其所產(chǎn)生的WIWNU約可到達(dá)6％，且銅去除率約在5000至6000/min之間。相對地，由于本發(fā)明銅化學(xué)機械拋光工藝先利用第一化學(xué)溶液以化學(xué)反應(yīng)的方式去除銅氧化層，因此其所產(chǎn)生的WIWNU可以降低至4％，且銅去除率亦可以提高至6000至7000/min之間。也就是說，利用本發(fā)明的銅化學(xué)機械拋光工藝可以使WIWNU降低約30％，以及使銅移除率增加約20％。與現(xiàn)有的銅化學(xué)機械拋光工藝相比，本發(fā)明在研磨銅金屬層之前先利用一化學(xué)溶液清洗半導(dǎo)體晶片的表面，以均勻地去除銅金屬層表面的銅氧化層，因此可以有效降低半導(dǎo)體晶片內(nèi)的拋光不均勻度(約可達(dá)30％)，以提高工藝優(yōu)良率。此外，本發(fā)明還可以有效提高銅的研磨速率(約可達(dá)20％)，因此可以節(jié)省生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品競爭力。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，凡是根據(jù)本發(fā)明所做的等效變化與修飾，均應(yīng)屬本發(fā)明專利的涵蓋范圍。權(quán)利要求1.一種改善半導(dǎo)體晶片的拋光不均勻度的方法，該半導(dǎo)體晶片上設(shè)置有一導(dǎo)電層，該方法包括下列步驟利用一第一化學(xué)溶液來清洗該導(dǎo)電層表面；以及利用一第二化學(xué)溶液去除部分該導(dǎo)電層，并使剩余的該導(dǎo)電層具有一大致平坦的表面。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該第二化學(xué)溶液是用來進(jìn)行一化學(xué)機械拋光工藝的研磨液。3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該導(dǎo)電層是一具有鑲嵌結(jié)構(gòu)的銅導(dǎo)線。4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中該第一化學(xué)溶液用來去除該導(dǎo)電層表面的一銅氧化層。5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中銅氧化層由一退火工藝所形成。6.如權(quán)利要求4所述的方法，其中該銅氧化層由一薄膜沉積工藝所形成。7.如權(quán)利要求4所述的方法，其中該第一化學(xué)溶液是能溶解氧化銅的化學(xué)溶液。8.如權(quán)利要求4所述的方法，其中該第一化學(xué)溶液包括檸檬酸或草酸。9.如權(quán)利要求3所述的方法，其中該第二化學(xué)溶液是一銅研磨液。10.一種制作嵌入式銅金屬層的方法，該方法包括下列步驟提供一半導(dǎo)體晶片，該半導(dǎo)體晶片包括一介電層，一嵌入式結(jié)構(gòu)設(shè)置在該介電層中，以及一阻擋層設(shè)置在該半導(dǎo)體晶片表面以及該嵌入式結(jié)構(gòu)內(nèi)；進(jìn)行一銅籽層的物理氣相沉積工藝，以在該阻擋層表面形成一銅籽層；進(jìn)行一銅電鍍沉積工藝，以在該銅籽層表面沉積一銅金屬層，且該銅金屬層填滿該嵌入式結(jié)構(gòu)；進(jìn)行一退火工藝，以使該銅金屬致密化；以及進(jìn)行一清洗工藝，并且進(jìn)行一化學(xué)機械拋光去除部分該銅金屬層，直至該阻擋層表面，以完成該嵌入式銅金屬層的制作，其中在該退火工藝中，該銅金屬層表面會形成一銅氧化層，且該清洗工藝用來去除該銅氧化層。11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中該阻擋層是一導(dǎo)電層。12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中該清洗工藝?yán)靡荒苋芙庋趸~的化學(xué)溶液來去除該銅氧化層。13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中該化學(xué)溶液包括檸檬酸或草酸。14.如權(quán)利要求10所述的方法，其中該化學(xué)機械拋光利用一銅研磨液來去除部分該銅金屬層。全文摘要本發(fā)明提供一種改善半導(dǎo)體晶片的化學(xué)機械拋光不均勻度的方法，該半導(dǎo)體晶片上設(shè)置有一銅金屬層，本發(fā)明先利用一第一化學(xué)溶液來清洗該銅金屬層表面，之后再利用一第二化學(xué)溶液進(jìn)行一化學(xué)機械拋光以去除部分銅金屬層，以使剩余的該銅金屬層具有一大致平坦的表面。文檔編號H01L21/02GK1447391SQ02107908公開日2003年10月8日申請日期2002年3月21日優(yōu)先權(quán)日2002年3月21日發(fā)明者胡紹中,許嘉麟,蔡騰群,余志展申請人:聯(lián)華電子股份有限公司