具有高選擇比的平坦化方法

2023-06-11 06:55:26 1

專利名稱：具有高選擇比的平坦化方法
技術領域：
本發明涉及半導體製造技術，尤指一種具有高選擇比的平坦化方法。
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圖1，圖1為習知銅鑲嵌(copper-damascene)結構10的示意圖。如圖1中所示，習知的銅鑲嵌結構10中包含有一第一介電層(dielectriclayer)12，一第一導電層(conductive layer)14，一蓋層(cap layer)16，一第二介電層18，一硬罩幕(hard mask)20，一阻障層(barrier layer)22，一第二導電層24，及一介層插塞(via plug)26。其中，第一導電層14由金屬材質所構成，至於蓋層16則通常是由SiN所構成。此外，第二介電層18由一低介電常數材質(low dielectric constant material)所構成，而硬罩幕20則由一具有低介電常數的氟矽玻璃(Fluorinated Silicate Glass，FSG)，或是一般常使用的光阻材料，如SiO2、SiN、SiON、SiC、SiCO、或是SiOCN所形成。至於，阻障層22則由Ta或TaN等常用的阻障層材質所構成，而第二導電層24及介層插塞26即利用金屬銅所形成。隨後，開始對銅鑲嵌結構10實施一化學機械研磨製程，以去除第二導電層24及位於硬罩幕20表面上的阻障層22，進而完成銅內連線的製作。
此時，為了確保阻障層22可以完全的去除，當進行阻障層22的研磨時，需對於銅鑲嵌結構10施以適度的過拋(over polishing)。然而，由於現行所使用的研磨劑(slurry)對於阻障層22及硬罩幕20的化學反應特性較為相似，因此，該化學機械研磨製程對於阻障層22及硬罩幕20的研磨速率會十分接近。於是，阻障層22及硬罩幕20的研磨選擇比會很小，所謂的研磨選擇比即定義為阻障層22研磨速率與硬罩幕20研磨速率的比值。通常，該研磨選擇比的值會小於5左右。因此習知該化學機械研磨製程研磨阻障層22時，硬罩幕20也無可避免的會遭到研磨，使硬罩幕20的厚度損失可能高達300至1000。此外，經由該化學機械研磨製程研磨過後的表面均勻度也會有超過10％的可能，而影響銅鑲嵌結構10的電性表現。更甚者，在多層(multi-level)金屬內連線結構的製造過程中，也會導致高階層(high level)製作上的困難。
根據本發明的申請專利範圍，揭露一種半導體晶圓的平坦化方法。該半導體晶圓包含有一硬罩幕(hard mask)，一停止層(stop layer)設於該硬罩幕層上，及一阻障層(barrier layer)設於該停止層上。該平坦化方法首先對該阻障層實施一第一化學機械研磨製程，使其暴露出該停止層，而後再去除該停止層。其中，該阻障層對該停止層具有一研磨選擇比大於50。而根據本發明的申請專利範圍，選擇適當的該停止層材料，可將研磨選擇增加至100以上。
本發明的平坦化方法於該硬罩幕與該阻障層間設有該停止層，並且該停止層的材質與該阻障層具有明顯的研磨速率上的落差，因此可以避免習知製程中該硬罩幕因研磨選擇比過低而損失過多的問題。同時，通過本發明所提供的高選擇比，該半導體晶圓的表面可因而達到高度平坦化的效果。並且，製程餘裕(margin)也隨的得以大幅增加，進而能夠有效地控制該半導體晶圓的品質。
圖示的符號說明10銅鑲嵌結構 12、32第一介電層14、34第一導電層 16、36蓋層18、38第二介電層 20、40硬罩幕22、46阻障層 24、48第二導電層26、50介層插塞 30半導體晶圓42停止層 44介層開口請參閱圖2A至圖2F，圖2A至圖2F為本發明平坦化方法的示意圖。如圖2A中所示，該平坦化方法先提供一半導體晶圓30，其上形成有一第一介電層(dielectric layer)32，一第一導電層(conductive layer)34，及一蓋層(cap layer)36。而後再逐步形成一第二介電層38於蓋層36之上，形成一硬罩幕(hard mask)40於第二介電層38之上，及形成一停止層(stoplayer)42於硬罩幕40之上。其中，第一導電層34由金屬材質所構成，而蓋層36則通常是由氮化矽(silicon nitride，SiN)所構成。此外，第二介電層38由一低介電常數材質(low dielectric constant material)所構成，例如SiLKTM或是FLARETM，而硬罩幕40則由一般常使用的光阻材料，如SiO2、SiN、SiON、SiC、SiCO、或是SiOCN所形成，且其厚度小於1000。並且，上述各層的形成方法為熟知該技術者所熟知，故不在此贅述。
至於本發明的停止層42則是由一有機高分子材料(organic polymermaterial)所構成。根據本發明的較佳實施例，該有機高分子材料可為一芳香族(aromatic)高分子材料，例如SiLKTM，或是一碳氟(fluorocarbon)高分子材料，例如FLARETM。並且，停止層42可由一化學氣相沉積(Chemical VaporDeposition，CVD)方法或是一旋布法(Spin On Deposition，SOD)來形成。同時，所形成的停止層42厚度小於1000，較佳的厚度介於200至400之間。
而後，如圖2B所示，於半導體晶圓30中定義一介層開口(viaopening)44由停止層42延伸至蓋層36，直至第一導電層34的表面為止。此介層開口44的形成可利用習知的微影(lithography)暨蝕刻製程來完成。
請參閱圖2C，於介層開口44形成後，再沉積一阻障層(barrierlayer)46於停止層42的表面及介層開口44的側壁及底面上。隨後，形成一第二導電層48於阻障層46之上並填入介層開口44中以形成一介層插塞(viaplug)50。根據本發明的較佳實施例，阻障層46的材質可為TaN，Ta，Ti，TiN，TiSiN，W，WN，或上述各常用的阻障層46材料的組合，且其厚度小於1000。至於第二導電層48及介層插塞50則是利用金屬銅所形成。其可由溼式銅電鍍沉積(Electrical Copper Plating，ECP)製程或其他銅沉積方法所形成。
隨後，如圖2D所示，開始對第二導電層48，即銅層，實施一第一化學機械研磨(Chemical Mechanical Polishing，CMP)製程，使其暴露出阻障層46及介層插塞50。待完成銅的化學機械研磨製程後，製程即推進至如圖2E所示的部份，亦即，對阻障層46實施一第二化學機械研磨製程，使其暴露出停止層42。關於此第二化學機械研磨的機構，主要是通過控制研磨劑(slurry)的酸鹼值(pH value)配合相關的氧化劑(oxidizer)來與阻障層46表面產生化學反應，同時再搭配適當的有機溶劑(solvent)而使得阻障層46的表面得以與研磨劑中的研磨顆粒(abrasive particle)產生良好的親和性，此時再由研磨墊(polishing pad)所提供的約為0.5至10psi的機械力量，則可使該第二化學機械研磨製程順利進行。根據本發明的較佳實施例，該研磨機臺可採用應用材料公司(Applied Materials)所出品的Mirra Mesa研磨機臺或是SpeedFam-IPEC公司所出廠的776型研磨機臺，而該研磨墊則可選用聚胺基甲酸酯發泡材質(polyurethane foam，PU foam)所製成的Rodel IC列的K-XY GROOVE的研磨墊，至於該研磨劑則可以利用以二氧化矽(silica)為研磨顆粒的鹼性研磨劑Rodel-1501。
當然，本發明並不限於上述所提的研磨機臺、研磨墊，及研磨劑等。就研磨劑而言，為了要達到高的研磨選擇比，凡可使研磨劑的化學組成於研磨阻障層46時，無法對停止層42產生化學反應，即可適用於本發明。以本發明的較佳實施例來說，若阻障層46以氮化鉭(TaN)所構成，則阻障層46對於停止層42的研磨選擇比即可大幅提升至100以上，故可達到避免停止層損失的目的。此外，在研磨阻障層46時，一般所使用的研磨壓力將比停止層42的材質的機械強度至少低上100倍。因此，通過適當地控制研磨條件，停止層42材質在研磨時發生剝落現象(delamination)的可能性將可有效避免。
請參閱圖2F，在阻障層46研磨完成後，去除停止層42。根據本發明的較佳實施例，停止層42可利用一第三化學機械研磨製程來加以去除。其中，為了使停止層42對硬罩幕40的研磨選擇比大於5，可選擇以氧化鋁(alumina)做為研磨顆粒的酸性研磨劑Cabot-4200來做為本發明的該第三化學機械研磨製程的研磨劑。同樣地，此時所謂的研磨選擇比定義為停止層42的研磨速率與硬罩幕40的研磨速率的比值。此外，停止層42亦可利用一乾式蝕刻製程或是一溼式蝕刻製程來加以去除。此時，根據本發明的較佳實施例，當利用幹蝕刻製程時，使用N2/O2為主的混合氣體來進行，而至於溼蝕刻製程，則可以利用含氟(fluorine base)溶劑來進行。
請參閱圖3，圖3為本發明阻障層46對於硬罩幕40材質及停止層42材質的研磨選擇比的關係圖。如圖3中所示，橫軸所列舉的硬罩幕40材質包含有氟矽玻璃(Fluorinated Silicate Glass，FSG)、氮化矽(siliconnitride，SiN)，及碳化矽(silicon carbide，SiC)，至於停止層42的材質則為以化學沉積方法所形成的SiLKTM。而縱軸所示即是以TaN為材質的阻障層46對於上述各材質的研磨選擇比。附帶一提的是，圖3中的結果利用應用材料公司所出品的Mirra Mesa研磨機臺，與Rodel IC列的K-XY GROOVE研磨墊，及配合以二氧化矽為研磨顆粒的鹼性研磨劑Rodel-1501所得到。由圖3中可清楚看出，不論硬罩幕40是何種材質，阻障層46對硬罩幕40的研磨選擇比皆小於5。相反地，阻障層46對於停止層42的研磨選擇比卻可以大於100。因此，本發明於硬罩幕40及阻障層46之間形成一停止層42，確實可使本發明的平坦化方法達到一極高的選擇比。
對於習知化學機械研磨製程來說，由於現行所使用的研磨劑對於阻障層及硬罩幕的化學反應特性較為相似，因此，該化學機械研磨製程對於該阻障層及該硬罩幕的研磨速率會十分接近，亦即，研磨選擇比很小，且通常會小於5左右。如此，則當該化學機械研磨製程研磨該阻障層時，該硬罩幕也無可避免的會遭到研磨，並且，該硬罩幕的厚度損失可能會高達300至1000左右。同時，經由該化學機械研磨製程研磨過後的表面的均勻度也會有超過10％的可能，因此，以習知化學機械研磨製程所研磨的銅鑲嵌結構的電性表現會受到顯著的負面影響。此外，在多層(multi-level)金屬內連線結構的製造過程中，也會導致高階層(high level)製作上的困難。
相較於習知化學機械研磨製程，本發明的平坦化方法於硬罩幕與阻障層間設有一停止層，並且由於該停止層的材質與該阻障層差異極大，因此可以避免習知製程中該硬罩幕因研磨選擇比過低而損失過多的問題。同時，通過本發明所提供的高選擇比，該半導體晶圓的表面可因而達到高度平坦化的效果。並且，製程餘裕(margin)也隨之得以大幅增加，進而能夠有效地控制該半導體晶圓的品質。
以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明專利的涵蓋範圍。
權利要求
1.一種半導體晶圓的平坦化方法，其特徵是該半導體晶圓包含有一硬罩幕，一停止層設於該硬罩幕層上，及一阻障層設於該停止層上，該平坦化方法包含有下列步驟對該阻障層實施一第一化學機械研磨製程，使其暴露出該停止層；及去除該停止層；其中該阻障層對該停止層具有一研磨選擇比大於50。
2.如權利要求1所述的平坦化方法，其特徵是該停止層由一有機高分子材料所構成。
3.如權利要求2所述的平坦化方法，其特徵是該有機高分子材料為一芳香族高分子材料。
4.如權利要求2所述的平坦化方法，其特徵是該有機高分子材料為一碳氟高分子材料。
5.如權利要求1所述的平坦化方法，其特徵是該停止層由一化學氣相沉積方法所形成。
6.如權利要求1所述的平坦化方法，其特徵是該停止層由一旋布法所形成。
7.如權利要求1所述的平坦化方法，其特徵是該停止層的厚度小於1000。
8.如權利要求1所述的平坦化方法，其特徵是該半導體晶圓另包含有一導電層設於該阻障層上。
9.如權利要求8所述的平坦化方法，其特徵是該導電層由銅所構成。
10.如權利要求1所述的平坦化方法，其特徵是該停止層利用一第二化學機械研磨製程加以去除。
11.如權利要求1所述的平坦化方法，其特徵是該停止層利用一蝕刻製程加以去除。
12.如權利要求1所述的平坦化方法，其特徵是該阻障層包含TaN，Ta，Ti，TiN，TiSiN，W，WN，或上述各材料的組合。
13.如權利要求12所述的平坦化方法，其特徵是該阻障層的厚度小於1000。
14.一種高選擇比的平坦化方法，其特徵是該平坦化方法包含有下列步驟提供一半導體晶圓，其上形成有一第一介電層及一蓋層；形成一第二介電層於該蓋層之上；形成一硬罩幕於該第二介電層之上；形成一停止層於該硬罩幕之上；形成一阻障層於該停止層之上；形成一導電層於該阻障層之上；對該導電層實施一第一化學機械研磨製程，使其暴露出該阻障層；對該阻障層實施一第二化學機械研磨製程，使其暴露出該停止層；及去除該停止層；其中該阻障層對該停止層具有一研磨選擇比大於50。
15.如權利要求14所述的平坦化方法，其特徵是該停止層由一有機高分子材料所構成。
16.如權利要求15所述的平坦化方法，其特徵是該有機高分子材料為一芳香族高分子材料。
17.如權利要求15所述的平坦化方法，其特徵是該有機高分子材料為一碳氟高分子材料。
18.如權利要求14所述的平坦化方法，其特徵是該停止層由一化學氣相沉積方法所形成。
19.如權利要求14所述的平坦化方法，其特徵是該停止層由一旋布法所形成。
20.如權利要求14所述的平坦化方法，其特徵是該停止層的厚度小於1000。
21.如權利要求14所述的平坦化方法，其特徵是該導電層由銅所構成。
22.如權利要求14所述的平坦化方法，其特徵是該停止層利用一第三化學機械研磨製程加以去除。
23.如權利要求14所述的平坦化方法，其特徵是該停止層利用一蝕刻製程加以去除。
24.如權利要求14所述的平坦化方法，其特徵是該阻障層包含TaN，Ta，Ti，TiN，TiSiN，W，WN，或上述各材料的組合。
25.如權利要求24所述的平坦化方法，其特徵是該阻障層的厚度小於1000。
全文摘要
一種具有高選擇比的平坦化方法，用於半導體晶圓的平坦化製程，該半導體晶圓具有一硬罩幕，一停止層設於該硬罩幕層上，及一阻障層設於該停止層上；該平坦化方法首先對該阻障層實施一第一化學機械研磨製程，使其暴露出該停止層，而後再去除該停止層；其中，該阻障層對該停止層具有一研磨選擇比大於50；由於本發明於硬罩幕與阻障層間設有一停止層，並且由於該停止層的材質與該阻障層差異極大，因此可以避免習知製程中該硬罩幕因研磨選擇比過低而損失過多的問題，該半導體晶圓的表面可達到高度平坦化的效果；且製程餘裕也隨之得以大幅增加，進而有效地控制該半導體晶圓的品質。
文檔編號H01L21/02GK1447393SQ0215645
公開日2003年10月8日 申請日期2002年12月16日 優先權日2002年3月25日
發明者胡紹中, 陳學忠, 許仕勳, 許嘉麟 申請人:聯華電子股份有限公司