專利名稱：一種在化學(xué)機(jī)械研磨中減少導(dǎo)體結(jié)構(gòu)碟陷與侵蝕的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體的化學(xué)機(jī)械研磨(Chemical Mechanical Polishing，CMP)，特別是涉及克服了碟形凹陷的銅的化學(xué)機(jī)械研磨工藝。
背景技術(shù)：
隨著極大與超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，形成元件間的內(nèi)連導(dǎo)體及半導(dǎo)體中電路間的金屬導(dǎo)體具有高信號(hào)傳遞的低電阻值的特性越來越重要；銅因其低電阻率及對電漂移(electromigration)與應(yīng)力虛空(stress voiding)性質(zhì)的低電阻值使其大受歡迎。
化學(xué)機(jī)械研磨(CMP)制程常用來平坦化銅或同時(shí)移除銅與其周圍任何的材料?；瘜W(xué)機(jī)械研磨制程的關(guān)鍵在于銅與周圍材料的研磨速率。當(dāng)銅導(dǎo)體的較柔軟表面以一較快研磨速率被研磨時(shí)，便會(huì)造成銅結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)碟形的凹陷，即碟陷(dishing)如圖1及圖2所示，在后續(xù)的制程中，由于厚度不一致，引線厚度不同，導(dǎo)致電阻不穩(wěn)定，影響器件性能。因碟陷所造成的不平坦是源于化學(xué)機(jī)械研磨制程對于不同材料的不同研磨速率以及同一材料不同區(qū)域的研磨速率不同，這對于半導(dǎo)體工業(yè)而言是一種挑戰(zhàn)。
在目前的金屬化學(xué)機(jī)械研磨中包括化學(xué)作用和物理作用。在金屬化學(xué)機(jī)械研磨中，化學(xué)作用更為重要。通過在晶片上加上直流偏壓，可以加速或降低金屬化學(xué)機(jī)械研磨的速率，更好地控制金屬的處理過程。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種在銅化學(xué)機(jī)械研磨制程中降低蝶陷與侵蝕(erosion)的方法；在化學(xué)機(jī)械研磨制程中去除部分導(dǎo)電層的步驟中加直流電壓以平衡不同區(qū)域銅的化學(xué)研磨速率。
本發(fā)明在化學(xué)機(jī)械研磨中減少一導(dǎo)體結(jié)構(gòu)碟陷與侵蝕的方法，包括
襯底上形成第一電介質(zhì)層(ILD)；在電介質(zhì)層上形成一阻擋層(stop layer)；在阻擋層上形成第二電介質(zhì)層(IMD)；形成接觸窗和接觸窗通孔插塞金屬；刻蝕形成第一層(M1)金屬線接觸窗；形成一銅層，并填入接觸窗中以形成導(dǎo)電結(jié)構(gòu)；化學(xué)機(jī)械研磨移除部分導(dǎo)電層以平坦化；研磨過程中施加反向直流偏壓，平衡不同區(qū)域銅的研磨速率。
在研磨速率較快的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)上施加反向直流偏壓，使其停止研磨，而研磨較慢的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)上未施加反向直流偏壓，繼續(xù)研磨直至表面平坦化。
本發(fā)明的化學(xué)機(jī)械研磨過程中進(jìn)行研磨進(jìn)程的光學(xué)監(jiān)測，研磨較快的銅接近終點(diǎn)時(shí)，施加反向直流偏壓，使其停止研磨。而研磨較慢的銅上未加反向直流偏壓，繼續(xù)研磨直至所有銅表面平坦化。
根據(jù)本發(fā)明的化學(xué)機(jī)械研磨步驟使用化學(xué)研磨劑，其中的硅氧化物與銅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使銅成為銅離子在銅表面；由于施加的反向直流偏壓，使其停止研磨，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是通過施加反向直流偏壓控制研磨速率較快的區(qū)域，使銅及其周圍表面平坦化，消除碟陷和侵蝕的產(chǎn)生。
本發(fā)明還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是由于化學(xué)研磨劑中含有硅的氧化物，與銅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生銅離子，在反向偏壓的作用下牢牢吸附在銅表面而停止研磨，使表面平坦化。


圖1是常規(guī)的銅化學(xué)機(jī)械研磨過程中產(chǎn)生碟陷的示意圖。
圖2是圖1中銅局部碟陷的放大圖。
圖3A～3E是本發(fā)明的化學(xué)機(jī)械研磨實(shí)現(xiàn)平坦化的過程示意圖。
圖4是對比例的示意圖。
附圖標(biāo)記說明1襯底2第一電介質(zhì)層(ILD)
3阻擋層(stop layer)4第二電介質(zhì)層(IMD)5金屬插塞 6接觸窗7銅導(dǎo)電層 8銅導(dǎo)線9浮銅具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。
如圖1所示，由于銅金屬與其周圍的其他材料如氧化物電介質(zhì)層的化學(xué)機(jī)械研磨速率不同，銅比較軟，因此容易產(chǎn)生侵蝕而造成銅的碟陷和凹陷。其不平坦度可以達(dá)到100～500A。
根據(jù)本發(fā)明，在化學(xué)機(jī)械研磨中減少一導(dǎo)體結(jié)構(gòu)碟陷與侵蝕的方法，包括襯底1上形成第一電介質(zhì)層2(ILD)；在第一電介質(zhì)層2上形成一阻擋層(stop layer)3；在阻擋層3上形成第二電介質(zhì)層4(IMD)；在第一電介質(zhì)2和第二電介質(zhì)層4上刻蝕形成接觸窗和接觸窗通孔，在第一電介質(zhì)層部分通孔中形成插塞金屬5；形成第一層(M1)金屬線接觸窗6，如圖3A所示；覆蓋一銅層7，并填入接觸窗6中以形成導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，如圖3B所示；化學(xué)機(jī)械研磨移除部分導(dǎo)電層。
在銅的化學(xué)機(jī)械研磨過程中，由于不同區(qū)域銅的研磨速率不同，因此如圖3C所示，形成銅的厚度的不平衡，需要去除的浮銅9部分的研磨速率慢，而接觸窗區(qū)域的銅研磨速率快，當(dāng)接觸窗區(qū)域的銅研磨已達(dá)終點(diǎn)時(shí)，需要去除的浮銅區(qū)域還有殘留，如果繼續(xù)研磨雖然可以去除浮銅9部分，但會(huì)造成接觸窗的形成導(dǎo)線的銅8產(chǎn)生損失，包括銅碟陷和凹陷，如圖4所示，其不平坦度可以達(dá)到100～500A，從而影響金屬連線的平坦化和器件性能。
本發(fā)明采用施加反向偏壓的方法防止銅碟陷和凹陷的產(chǎn)生。在化學(xué)機(jī)械研磨過程中所用的化學(xué)研磨劑中含有酸性的硅的氧化物，其與表面的銅金屬產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)成為銅離子在銅的表面，在未施加反向偏壓時(shí)，銅會(huì)繼續(xù)研磨去除。而在化學(xué)機(jī)械研磨過程中通過光學(xué)監(jiān)測方法，可以檢測到不同區(qū)域銅的研磨進(jìn)程，當(dāng)研磨速率較快的區(qū)域，如接觸窗附近的銅8，接近研磨終點(diǎn)時(shí)，如圖3C所示，可以在襯底上施加反向偏壓，如圖3D所示。由于反向偏壓的作用，區(qū)域8銅表面的銅離子牢牢地結(jié)合在表面，而不被去除。所施加的反向偏壓，可以是5～200V，比較好為100V，施加的時(shí)間為1～50S，一般為25S。而處于電介質(zhì)層上的較大范圍的浮銅區(qū)域9研磨速率相對于接觸窗附近區(qū)域8為慢，又由于其與襯底被電介質(zhì)層隔離，因此其上未施加反向偏壓，繼續(xù)研磨直至表面全部平坦化時(shí)停止研磨，如圖3E所示。根據(jù)本發(fā)明的方法得到的表面不平坦度小于100A。
權(quán)利要求
1.一種在化學(xué)機(jī)械研磨中減少導(dǎo)體結(jié)構(gòu)碟陷與侵蝕的方法，包括襯底上形成第一電介質(zhì)層(ILD)；在電介質(zhì)層上形成一阻擋層(stop layer)；在阻擋層上形成第二電介質(zhì)層(IMD)；形成接觸窗和接觸窗通孔插塞金屬；刻蝕形成第一層(M1)金屬線接觸窗；形成一銅層，并填入接觸窗中以形成導(dǎo)電結(jié)構(gòu)；化學(xué)機(jī)械研磨移除部分導(dǎo)電層以平坦化；研磨過程中施加反向直流偏壓，平衡不同區(qū)域銅的研磨速率。在研磨速率較快的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)上加上反向直流偏壓，使其停止研磨，而研磨較慢的導(dǎo)電結(jié)構(gòu)上未加反向直流偏壓，繼續(xù)研磨直至表面平坦化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的化學(xué)機(jī)械研磨過程中進(jìn)行光學(xué)監(jiān)測。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的化學(xué)機(jī)械研磨過程中通過光學(xué)監(jiān)測，研磨較快的銅接近終點(diǎn)時(shí)，施加反向直流偏壓。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的化學(xué)機(jī)械研磨過程中研磨較慢的銅上不施加偏壓。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的化學(xué)機(jī)械研磨，研磨劑至少含有硅氧化物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的硅氧化物可以與銅反應(yīng)生成銅離子。
全文摘要
在銅的化學(xué)機(jī)械研磨過程中的后期，由于不同區(qū)域銅的研磨速率不同，產(chǎn)生的銅導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中的碟陷與侵蝕。本發(fā)明提出在化學(xué)機(jī)械研磨中減少導(dǎo)體結(jié)構(gòu)碟陷與侵蝕的方法，通過施加反向直流偏壓，平衡不同區(qū)域銅的研磨速率，克服了銅的碟陷與侵蝕。
文檔編號(hào)H01L21/321GK1870244SQ20051002625
公開日2006年11月29日 申請日期2005年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月27日
發(fā)明者王欣, 白啟宏, 劉俊良 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司