[发明专利]填充有金属的沟槽结构及形成方法及化学机械研磨方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及一种填充有金属的沟槽结构及形成方法及化学机械研磨方法。

背景技术

目前，随着电子设备的广泛应用，半导体的制造工艺得到了飞速的发展，在半导体的制造流程中，涉及化学机械研磨工艺(CMP)。

晶片(wafer)的平坦化制作工艺都是依赖化学机械研磨机台来完成，化学机械研磨机台可用于各种材料的研磨，例如实现对多晶硅、铜、钨、浅沟槽隔离(STI)、层间介质层(ILD)或金属间介质层(IMD)等的研磨。现有化学机械研磨机台的剖面结构示意图，如图1所示。该机台包括研磨台101、研磨垫(pad)102和研磨头103。研磨台101承载研磨垫102，当进行研磨时，首先将待研磨的晶片W架设在研磨头103上，使晶片W的待研磨面与旋转的研磨垫102对向配置，此时，在研磨垫102上可提供由研磨粒和化学助剂所构成的研浆(slurry)；接着，研磨头103提供给晶片W可控制的负载如压力，而将晶片W的待研磨面紧压于研磨垫102上，随着晶片与研磨垫之间的相对运动，以及研磨垫上研浆的喷洒，实现对晶片的研磨，形成晶片平坦的表面。晶片后段工艺互连层的金属互连线一般采用铜，所以需要对铜进行化学机械研磨。

现有技术中研磨金属铜层主要通过三个研磨台来实现，每个研磨台分别执行一个研磨工序，下面具体说明化学机械研磨金属铜的方法。

图2为现有技术中化学机械研磨方法的第一工序的剖面示意图。在第一研磨台(Platen 1)上执行第一工序，如图2所示，采用较大的研磨速率(Remove Rate)对金属铜101进行研磨，去除沟槽100上方绝大部分的金属铜，也称为主研磨。第一工序的执行，采用光学干涉法终点检测技术，利用第一表面和第二表面反射形成的干涉来确定研磨厚度，第一工序结束之后要求沟槽上方金属铜的厚度具有一定的厚度值。

图3为现有技术中化学机械研磨方法的第二工序的剖面示意图。在第二研磨台上(Platen 2)执行第二工序，如图3所示，采用较小的研磨速率去除沟槽100上方剩余的金属铜101。第二工序的执行，采用电机电流终点检测技术，当探测到完全去除沟槽上方剩余的金属铜后，结束第二工序。该终点检测方法的原理是：当晶片研磨到达终点时，研磨垫接触的材料发生变化，导致晶片与研磨垫之间的摩擦系数发生显著变化，例如晶片上金属铜被完全去除，将下方的阻挡层102露出，晶片与研磨垫之间的摩擦力发生变化，从而使研磨头或研磨机台回转力扭变化，其驱动电机的电流也随之变化，因此由安装在研磨头和研磨机台上的传感器监测驱动电机电流变化可推知是否达到研磨终点。

图4为现有技术中化学机械研磨方法的第三工序的剖面示意图。在第三研磨台上(Platen 3)执行第三工序，如图4所示，预先设置研磨时间，去除沟槽100外的阻挡层102和少量的氧化层103，以确保沟槽上方剩余的金属铜全部被去除而达到隔离的目的。

具体来说，首先选择一片需要金属研磨的测试晶片，该晶片上形成有与产品晶片相同的金属互连层研磨结构。其中，产品晶片为其上已经分布了器件的晶片，最终可以经过多道工序成为成品；而测试晶片虽然测试结构与产品晶片相同，但在测试之后被废弃。测试晶片在研磨台上进行多次试验，每次预先设定研磨时间进行研磨，并将研磨后的晶片置入厚度测量机台进行厚度测量，或者在原子粒显微镜下进行形貌观察，将最终达到图4所示时的研磨时间，作为同批晶片在第三研磨台上进行研磨的预定研磨时间。

由于晶片在第三研磨台上的研磨时间是根据实验值设定的，其具体研磨过程是无法监测的，而且更重要的是，研磨头和研磨垫在研磨过程中会被逐渐磨损失去作用，在使用一段时间后需要定期更换，在不同时间使用的研磨头或者研磨垫会使研磨速率发生变化，因此，如果仍然在预定研磨时间下，必然会导致有的晶片上研磨过度，有的晶片上还未研磨至预定厚度，所以晶片与晶片(Wafer to Wafer，WTW)之间的厚度均匀性就会很差。进一步地，金属铜在经过第三研磨台后要求达到一定的方块电阻值(Rs)，即要求图4中沟槽内的金属铜具有预定的高度(在厚度测量机台上测量得到)，所以晶片与晶片之间的Rs均匀性也很差。

发明内容

有鉴于此，本发明解决的技术问题是：在化学机械研磨过程中，如何提高晶片与晶片间的金属方块电阻的均匀性。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案具体是这样实现的：

本发明公开了一种形成填充有金属的沟槽结构的方法，该方法包括：

提供一半导体衬底，在半导体衬底上依次沉积形成刻蚀终止层、第二绝缘层和第一绝缘层；