專利名稱：研磨金屬層的方法
技術領域：
本發明是有關于一種半導體工藝，且特別有關于一種研磨半導體金屬層的方法。
背景技術：
在金屬/銅經化學機械研磨(chemical mechanical polish；CMP)的工藝中常會碰到三種薄膜/材料(1)一圖案化的介電層，通常為氧化硅(氧化物)，而該介電層中是形成有一開口；(2)一阻障層(barrier layer)依襯于該氧化層開口中，且覆蓋于該圖案化氧化層上方；以及(3)一金屬層，其通常為銅，形成于該圖案化介電層上方，并填充于該阻障層所依襯的開口中。為求將位于介電層中表面襯有阻障層的開口的金屬層平坦化或研磨以形成具有一平坦表面的金屬結構，是可利用多種不同的方法，例如使用不同的研漿液(slurry)、改變研磨的條件或使用多重研磨步驟。
例如Kaufman所申請的美國專利案號6,217,416 B1中是利用一第一及第二CMP研漿液，其中該第二研漿液中是包含研磨粉體(abrasive)、氧化劑(oxidizing agent)、以及醋酸(acetic acid)等，其中氧化劑/醋酸的重量比是至少為10。兩種研漿液于該方法中相繼使用，以研磨包含銅和包含鉭(tantalum)或氧化鉭、或者鉭(tantalum)及氧化鉭兩者的基底。

發明內容
本發明的目的之一就是提供一種研磨金屬層的改善方法。
為達上述與其它目的，本發明的方法主要是提供一具有上部已圖案化介電層的結構，其具有一開口形成于其中；形成一阻障層于該上部已圖案化介電層之上，并依襯于該開口中；于該阻障層上形成一金屬層，并填充該開口；實施一第一研磨步驟，使用一第一研漿組合物以移除部分該覆蓋于上述介電層外的金屬層；實施一第二研磨步驟，其是利用該第一研漿組合物以研磨上述金屬層，直至暴露出位于該介電層上方的阻障層的平面；實施一第三研磨步驟，使用一第二研漿組合物以移除該已經暴露的阻障層上方平面部分，并暴露出該位于其下方的介電層部分；以及實施一第四研磨步驟，其是利用該第二研漿組合物及一腐蝕抑制劑例如苯并三唑(benzotriazole，BTA)以拋拭該所暴露的介電層的上方部分，并保護金屬層表面不易腐蝕。


圖1至圖5為利用本發明所述研磨金屬層的方法的一系列流程剖面圖。
圖1是本發明起始的結構。
圖2為圖1中所示結構經本發明第一研磨步驟后的剖面圖示。
圖3為經本發明第二研磨步驟后的剖面圖示。
圖4為經本發明第三研磨步驟后的剖面圖示。
圖5為經本發明第四研磨步驟后的剖面圖示。
符號說明10～基底；12～介電層；14～開口；16～阻障層；18～金屬層；18’～經第一研磨步驟后的金屬層；18”～經第二研磨步驟后的金屬層；18～經第三研磨步驟后的金屬層；19～金屬層表面；20、22～經第二研磨步驟后所暴露的阻障層部分；24、26～經第三研磨步驟后所暴露的介電層部分；12’、24’、26’～受到拋拭的介電層。
具體實施例方式
為讓本發明的上述和其它目的、特征、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，并配合所附圖式，作詳細說明如下以下所述是本案發明人所知曉的金屬/銅化學機械研磨步驟，而非申請前已公開的先前技術。
舉例來說，當阻障層為氮化鉭(TaN)，而介電層為氧化硅(氧化物)且金屬層為銅時，有三種研磨選擇方式是當前所使用的(1)銅研漿液研磨→氮化鉭研漿液研磨(對氧化物可具有選擇性或不具選擇性)；
(2)銅研漿液研磨→氮化鉭研漿液研磨→氧化物研漿液拋拭(利用BTA以選擇性地不移除銅金屬)；以及(3)銅研漿液研磨→干凈表面→氮化鉭干蝕刻。
然而，選擇(1)和(2)的方式均需消耗一種昂貴的氮化鉭研漿液以將氮化鉭阻障層自圖案化氧化層的上部移除；而選擇(3)的方式則需使用額外的干蝕刻機臺以將氮化鉭阻障層自圖案化氧化層的上部移除。因此使用上述任一三種選擇方式均難以改善銅化學機械研磨工藝的產能。
圖1是本發明起始的結構。其中結構10包含了圖案化介電層12形成于其上，而該圖案化介電層12的厚度是大體較佳為介于10,000至12,000埃之間，且大體更佳為11,000埃。
結構10較佳為一硅基底，并可能包含一半導體晶片或基底。主動及被動組件形成于該晶片內，而導電層及介電層(例如多晶硅間氧化層、金屬層間介電質...等)則形成于該晶片表面之上。該“半導體結構”的名稱是指包含有組件形成在一半導體晶片內部，且該晶片的表面上則有多數個層別覆蓋。
圖案化介電層12是較佳包含氧化硅、氮化硅、摻氟硅玻璃(FSG)或氮氧化硅，且更佳為氧化硅。
圖案化介電層12是包含有一開口14形成于其內，而該開口乃可為一雙鑲嵌(dual damascene)開口結構，如圖式中所示。
于該圖案化介電層12之上較佳地形成一阻障層16，并依襯于開口14中。阻障層16是較佳藉由化學電鍍法(electro-chemical plating；ECP)或物理氣相沉積法(physical vapor deposition；PVD)而形成，且更佳為藉由物理氣相沉積法形成。
阻障層16具有一厚度大體較佳為介于250至350埃，且大體更佳為300埃。阻障層16較佳為包含氮化鉭或鉭，且更佳為氮化鉭。
之后于該阻障層16上形成一金屬層18，并至少填滿該阻障層所依襯的開口14。金屬層18是較佳藉由化學電鍍法而形成。
金屬層18具有一厚度大體較佳為介于6000至8000埃之間，且大體更佳為7000埃。金屬層18是較佳包含銅、鋁、或金，且更佳為銅。
如本發明所提供的方法，既可不需使用一針對阻障層的研漿液，也不需經一阻障層干蝕刻步驟以移除該位于圖案化介電層12之上的阻障層16，而僅需以兩種不同的研漿液用以研磨/移除該三種不同材料薄膜(金屬層18、阻障層16以及圖案化介電層12)。
第一研磨步驟-第一研磨平臺-第一研漿組合物-圖2如圖2所示，圖1中的晶片/結構可放置于一研磨機臺的一第一研磨平臺，并以一第一研漿組合物研磨/移除該金屬層18的主體至減少的金屬層18｀，其具有一于該阻障層16所依襯的圖案化介電層12上方的厚度大體較佳為介于2000至4000埃，且大體更佳為3000埃。
該第一研漿組合物是包含600y-73研漿液，其中該600y-73研漿液是Cabot銅研漿液(Cabot Microelectronics公司所制造)，其包含Al2O3大體較佳為介于0.4-0.6wt.％，且大體更佳為0.5wt.％；H2O2大體較佳為介于2.6-3.4wt.％，且大體更佳為介于2.8-3.2wt.％；KOH用以調整pH值；以及苯并三唑腐蝕抑制劑。
并具有(a)pH值大體較佳為介于2.8-4.3，且大體更佳為4.1；以及(b)粒徑大體較佳為介于115-155納米，且大體更佳為介于120-150納米。
該金屬層18主體的第一研磨是以一高速率進行，金屬層主體的移除是藉由Applied Material公司所生產制造的iScan Endpoint實時研磨速率監控器(in-situ rate monitor；ISRM)以渦電流(eddy current)的變化得知研磨終點以實時監控銅膜的厚度；而該第一研磨條件如下(1)大體較佳于研磨壓力2.0-2.4psi下，而大體更佳于研磨壓力2.2psi下較佳大體研磨36-44秒，而大體更佳研磨40秒；以及接著(2)大體較佳于研磨壓力1.0-1.4psi下，而大體更佳于研磨壓力1.2psi下較佳大體研磨18-22秒，而大體更佳為研磨20秒。
第二研磨步驟-第二研磨平臺-第一研漿組合物-圖3如圖3所示，圖2中所示的晶片/結構可移至該研磨機臺的一第二研磨平臺，之后并以該上述中第一研漿組合物研磨，將金屬層18’的表面19研磨并暴露出位于該圖案化介電層上的阻障層16中20與22的部分。
此第二研磨步驟造成金屬層18”的研磨/阻障層16的暴露，該研磨為一低壓研磨，利用Applied Material公司所生產制造的Full Scan Endpoint實時研磨速率監控器(in-situ rate monitor；ISRM)以一激光束得知研磨終點。該第二研磨步驟是大體較佳于研磨壓力1.0-1.4psi下，而大體更佳于研磨壓力1.2psi下較佳大體研磨41-49秒，而大體更佳研磨45秒。
第三研磨步驟-第二研磨平臺-第二研漿組合物-圖4如圖4所示，圖3中的晶片/結構之后是以一第二研漿組合物于該第二研磨平臺上研磨以移除位于該圖案化介電層12上阻障層16的20及22部分，因而暴露出其下方的圖案化介電層12的24及26部分。
該第二研漿組合物是包含SS6研漿液，其中該SS6研漿液是CabotMicroelectronics公司所制造Cabot Semi-Sperse研漿液稀釋至含25％的固體以用于研磨。該第二研漿組合物是包含SiO2大體較佳為介于5.8-6.2wt.％，且大體更佳為6.0wt.％；以及KOH用以調整pH值。
并具有(a)pH值大體較佳為9.8-11.4，且大體更佳為10.0-11.2；以及(b)粒徑大體較佳為介于125-185納米，且大體更佳為介于130-180納米。
該第三研磨步驟是大體較佳于研磨壓力1.8-2.2psi下，而大體更佳于研磨壓力2.0psi下較佳大體研磨31-39秒，而大體更佳研磨35秒。
第四研磨步驟-第三研磨平臺-第二研漿組合物+BTA-圖5如圖5所示，圖4所示的晶片/結構可移至該研磨機臺的一第三研磨平臺，并以該第二研漿組合物加上BTA以用于拋拭該圖案化介電層12的所暴露的部分24及26，以形成該受到拋拭的圖案化介電層12’的所暴露受到拋拭的部分24’及26’，且和銅金屬層18形成含有弱化學鍵結的嵌合物，以保護金屬層18不易腐蝕。
而于上述該SS6第二研漿組合物中加入一腐蝕抑制劑，例如BTA，其大體范圍介于0.10至0.14％，且大體更佳為0.12％，其可使得該研漿組合物對于已經研磨的金屬層18具有選擇性，可不明顯地去除該已經研磨的金屬層18。
該第四研磨步驟是大體較佳于研磨壓力1.8-2.2psi下，而更大體佳于研磨壓力2.0psi下較佳大體研磨40-60秒，而大體更佳研磨50秒。
接著可進行接下來的處理，例如，清理圖5中所示的結構以及沉積一氮化硅層或氮化層。
本發明亦提供另一種實施方式，其是可不限于使用三個研磨平臺，并可視情況于例如一或一以上的研磨平臺實施，其包括提供一具有上部已圖案化介電層的結構，其具有一開口形成于其中；形成一阻障層于該上部已圖案化介電層之上，并依襯于該開口中；于該阻障層上形成一金屬層，并填充該開口；實施一第一研磨步驟，使用一第一研漿組合物以研磨覆蓋于上述介電層外的金屬層，直至暴露出位于該介電層上方的阻障層的平面；實施一第二研磨步驟，使用一第二研漿組合物以移除該已經暴露的阻障層上方平面部分，并暴露出該位于其下方的介電層部分；以及實施一第三研磨步驟，利用該第二研漿組合物及一腐蝕抑制劑BTA以拋拭該所暴露的介電層的上方部分，且和銅金屬層18形成含有弱化學鍵結的嵌合物，以保護金屬層18不易腐蝕。
此一實施例中，主要是包括三個研磨步驟第一研磨步驟為研磨覆蓋于阻障層上方平面外的金屬層，直至曝露出阻障層上方平面；第二研磨步驟乃用以移除阻障層所暴露的上方平面；第三研磨步驟乃用以拋拭所暴露的介電層部分。而此實施例中所述的各組成以及研漿組合物是與上述實施例中所述相同。
本案發明人更發現除此之外(1)由于不需要一專門針對阻障層的研漿液，也不需一額外的阻障層蝕刻停止步驟，因此本案發明人所提供的工藝方法更能有效節省成本及簡化步驟；以及(2)提升產能，亦即每小時所產出的晶片數；并可達到依當前發明所用以研磨銅金屬層18的相同功效，例如包括缺陷、阻值以及應力遷移(stress migration；SM)測試。其中以銅為基本的多重式整合所引發嚴重的問題之一即是由接觸孔中誘導應力的空隙所導致堆棧介層窗電阻的失敗，而本發明所揭露的方法所形成的結構能夠通過應力遷移的測試則是以銅為基本工藝的一表征。
本案發明人亦得知一種相對于當前工藝而言可達到一較佳圖案密度與阻值的斜率關系；更者，當依照本發明用以研磨銅金屬層18時，本案發明人更發現凹碟化(dishing)、侵蝕(erosion)以及虎牙(tiger teeth)的情況均有明顯的減輕。
本發明的優點本發明的實施例的優點是包含1.更簡單的方法；2.較節省成本的方法；3.改善凹碟化、侵蝕以及虎牙的情形；4.提升產能；5.通過應力遷移的測試；以及6.可接受的阻值。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其并非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明的精神和范圍內，當可作些許的更動與潤飾，因此本發明的保護范圍當視所附的權利要求范圍所界定者為準。
權利要求
1.一種研磨金屬層的方法，其包括提供一具有上部已圖案化介電層的結構，其具有一開口形成于其中；形成一阻障層于該上部已圖案化介電層之上，并依襯于該開口中；于該阻障層上形成一金屬層，并填充該開口；實施一第一研磨步驟，使用一第一研漿組合物以移除部分該覆蓋于上述介電層外的金屬層；實施一第二研磨步驟，其是利用該第一研漿組合物以研磨上述金屬層，直至暴露出位于該介電層上方的阻障層的平面；實施一第三研磨步驟，使用一第二研漿組合物以移除該已經暴露的阻障層上方平面部分，并暴露出該位于其下方的介電層部分；以及實施一第四研磨步驟，其是利用該第二研漿組合物及一腐蝕抑制劑以拋拭該所暴露的介電層的上方部分，并保護金屬層表面不易腐蝕。
2.根據權利要求1所述的研磨金屬層的方法，其中該第一研磨步驟是于第一研磨平臺實施；該第二及第三研磨步驟是于第二研磨平臺實施；以及該第四研磨步驟是于第三研磨平臺實施。
3.根據權利要求1所述的研磨金屬層的方法，其中該第一研漿組合物包含(a)Al2O3介于0.4-0.6wt.％；(b)H2O2介于2.6-3.4wt.％；(c)KOH用以調整pH值；以及(d)苯并三唑腐蝕抑制劑。
4.根據權利要求1所述的研磨金屬層的方法，其中該第一研漿組合物具有(a)pH值介于2.8-4.3；以及(b)粒徑介于115-155納米。
5.根據權利要求1所述的研磨金屬層的方法，其中該第二研漿組合物包含(a)SiO2介于5.8-6.2wt.％；以及(b)KOH用以調整pH值。
6.根據權利要求1所述的研磨金屬層的方法，其中該第二研漿組合物具有(a)pH值介于9.8-11.4；以及(b)粒徑介于125-185納米。
7.根據權利要求1所述的研磨金屬層的方法，其中該腐蝕抑制劑包含苯并三唑，其大體介于0.10-0.14％。
8.根據權利要求1所述的研磨金屬層的方法，其中該第一研磨步驟是于研磨壓力2.0-2.4psi下研磨36-44秒，接著再于研磨壓力1.0-1.4psi下研磨18-22秒；該第二研磨步驟是于研磨壓力1.0-1.4psi下研磨41-49秒；該第三研磨步驟是于研磨壓力1.8-2.2psi下研磨31-39秒；以及該第四研磨步驟是于研磨壓力1.8-2.2psi下研磨40-60秒。
9.根據權利要求1所述的研磨金屬層的方法，其中該上部已圖案化介電層包含氧化硅、氮化硅、摻氟硅玻璃或氮氧化硅；而該阻障層包含氮化鉭或鉭；以及該金屬層包含銅、鋁或金。
10.根據權利要求1所述的研磨金屬層的方法，其中該上部已圖案化介電層是包含氧化硅；該阻障層則包含氮化鉭；以及該金屬層是包含銅。
11.一種研磨金屬層的方法，其包括提供一具有上部已圖案化介電層的結構，其具有一開口形成于其中；形成一阻障層于該上部已圖案化介電層之上，并依襯于該開口中；于該阻障層上形成一金屬層，并填充該開口；實施一第一研磨步驟，使用一第一研漿組合物以研磨覆蓋于上述介電層外的金屬層，直至暴露出位于該介電層上方的阻障層的平面；實施一第二研磨步驟，使用一第二研漿組合物以移除該已經暴露的阻障層上方平面部分，并暴露出該位于其下方的介電層部分；以及實施一第三研磨步驟，利用該第二研漿組合物及一腐蝕抑制劑以拋拭該所暴露的介電層的上方部分，并保護金屬層表面不易腐蝕。
12.根據權利要求11所述的研磨金屬層的方法，其中該第一研漿組合物包含(a)Al2O3介于0.4-0.6wt.％；(b)H2O2介于2.6-3.4wt.％；(c)KOH用以調整pH值；以及(d)苯并三唑腐蝕抑制劑。
13.根據權利要求11所述的研磨金屬層的方法，其中該第一研漿組合物具有(a)pH值介于2.8-4.3；以及(b)粒徑介于115-155納米。
14.根據權利要求11所述的研磨金屬層的方法，其中該第二研漿組合物包含(a)SiO2介于5.8-6.2wt.％；以及(b)KOH用以調整pH值。
15.根據權利要求11所述的研磨金屬層的方法，其中該第二研漿組合物具有(a)pH值介于9.8-11.4；以及(b)粒徑介于125-185納米。
16.根據權利要求11所述的研磨金屬層的方法，其中該腐蝕抑制劑包含苯并三唑，其介于0.10-0.14％。
17.根據權利要求11所述的研磨金屬層的方法，其中該上部已圖案化介電層包含氧化硅、氮化硅、摻氟硅玻璃或氮氧化硅；而該阻障層包含氮化鉭或鉭；以及該金屬層包含銅、鋁或金。
18.根據權利要求11所述的研磨金屬層的方法，其中該上部已圖案化介電層是包含氧化硅；該阻障層則包含氮化鉭；以及該金屬層是包含銅。
全文摘要
一種研磨金屬層的方法，包括下列步驟提供一具有上部已圖案化介電層的結構，其具有一開口形成于其中；形成一阻障層于該上部已圖案化介電層之上，并依襯于該開口中；于該阻障層上形成一金屬層，并填充該開口；實施一第一研磨步驟，使用一第一研漿組合物以移除部分該覆蓋于上述介電層外的金屬層；實施一第二研磨步驟，其是利用該第一研漿組合物以研磨上述金屬層，直至暴露出位于該介電層上方的阻障層的平面；實施一第三研磨步驟，使用一第二研漿組合物以移除該已經暴露的阻障層上方平面部分，并暴露出該位于其下方的介電層部分；以及實施一第四研磨步驟，其是利用該第二研漿組合物及一腐蝕抑制劑BTA以拋拭該所暴露的介電層的上方部分，并保護金屬層表面不易腐蝕。
文檔編號H01L21/768GK1577769SQ20041007096
公開日2005年2月9日 申請日期2004年7月21日 優先權日2003年7月25日
發明者陳奕葉, 蔡慶銘, 張瑞庭 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司