專利名稱：銅表面化學(xué)機械研磨平坦化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種銅表面的化學(xué)機械 研磨平坦化方法。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體制造技術(shù)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體器件的線寬特征尺寸已經(jīng) 進入深亞微米結(jié)構(gòu)。為提高芯片的運算速度，需要有效地降低阻抗所造 成的時間延遲。因此，在半導(dǎo)體器件中大多使用低介電常數(shù)材料，以及 廣泛使用金屬銅作為互連線結(jié)構(gòu)，以降低金屬導(dǎo)線的電阻?；ミB結(jié)構(gòu)通
常是以鑲嵌(damascene)的方法來形成，即在襯底上的一層或多層介質(zhì) 層中刻蝕出通孔，然后將金屬沉積于該通孔中。雖然銅的阻抗低于鋁或 鎢，但是銅具有較高的擴散系數(shù)，易向介質(zhì)層中進行擴散，因此通常在 沉積金屬銅之前，先于通孔的側(cè)壁和底部沉積例如鉭(Ta )、氮化鉭(TaN )、 鈦(Ti)或氮化鈦(TiN)等作為擴散阻擋層。上述鑲嵌工藝中的一項重 要指標為金屬層與擴散阻擋層的平坦化，從而使金屬層和介質(zhì)層的表面 在同一個平面。
化學(xué)機械研磨(Chemical Mechanical Polish, CMP )工藝是目前先進 半導(dǎo)體制造中全局平坦化的關(guān)鍵技術(shù)，其包括利用研磨液(slurry)的機 械性研磨作用和化學(xué)腐蝕作用。在現(xiàn)今半導(dǎo)體制造技術(shù)中大多利用化學(xué) 機械研磨工藝對半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進行平坦化以降低半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)表面的高度 差。在用來平坦化銅或同時研磨銅與其周圍介質(zhì)材料時，影響平坦化的 因素包括銅和周圍材料的研磨速率(removal rate )。當銅的較柔軟表面 以較快研磨速率被研磨時，便會因過度研磨而在銅表面出現(xiàn)碟陷 (dishing)現(xiàn)象。圖1至圖2為說明碟陷現(xiàn)象產(chǎn)生過程的示意圖，如圖l所 示，在介質(zhì)層100中通過刻蝕形成通孔(via) 120和溝槽(trench) IIO以 形成具有特定功用的連接結(jié)構(gòu)。通孔120和溝槽110通常具有較高的寬度差，而且通孔120的分布相對密集。因此在沉積金屬銅200之后，通孔密 集區(qū)域上方的金屬銅表面便形成凸起210,而溝槽110上方的金屬銅表面 會出現(xiàn)凹陷220,從而在器件表面形成高度差。在利用化學(xué)機械研磨工藝 進行平坦化時，金屬銅200的研磨速率通常高于介質(zhì)層100，因此金屬銅 200會以更快的研磨速率被研磨。同時，由于金屬銅表面的凸起210和凹 陷220部分具有相同的研磨速率，因此在通孔密集區(qū)和溝槽內(nèi)填充的銅表 面均會出現(xiàn)石菜陷230和240 。
在申請?zhí)枮?2123365.9的中國專利申請中公開了 一種銅化學(xué)機械研 磨中減少碟陷的方法，該方法使用的研磨液中包含形成金屬化物的反應(yīng) 試劑。金屬層和研磨液中的反應(yīng)試劑反應(yīng)，在金屬層表面形成一金屬化 物層，用以保護金屬層，使其避免以較快的研磨速率被研磨。然而該方 法對研磨液有較高的要求，需要加入碘酸鉀(potassium iodate )、過氧化 氬(hydrogen peroxide )、石肖酉臾l失(ferric nitride )，或高石克酉吏銨(ammonium persulfate)等反應(yīng)試劑，這無疑提高了制造成本，也增加了工藝復(fù)雜度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種銅表面的化學(xué)機械研磨平坦化方法，以 實現(xiàn)銅和介質(zhì)層表面的平坦化，避免出現(xiàn)^i萊陷現(xiàn)象。
為達到上述目的， 一方面提供了一種銅表面的化學(xué)機械研磨平坦化 方法，包括
在所述銅表面沉積介質(zhì)層的步驟；和
對表面具有所述介質(zhì)層的銅表面進行研磨的步驟。
所述介質(zhì)層的材料為氧化硅、碳化硅(SiC)、氮化硅(SiN)、碳硅 氧化合物(SiCO)、碳氮硅化合物(SiCN)、氟硅玻璃(FSG)、磷硅玻 璃(PSG)、硼硅玻璃(BSG)、硼磷硅玻璃(BPSG)中的一種或其組合。
所述介質(zhì)層的材料為有機抗反射材料BARC。
所述介質(zhì)層的材料為富硅聚合物。所述介質(zhì)層的厚度為50A iooA。
所述介質(zhì)層利用化學(xué)氣相淀積工藝形成。
所述介質(zhì)層利用旋涂工藝形成。
另一方面，提供了一種銅表面的化學(xué)機械研磨平坦化方法，所述銅
表面具有凸起區(qū)域和凹陷區(qū)域，所述方法包括 在所述銅表面沉積研磨阻擋層的步驟； 研磨碎所述研磨阻擋層并磨平所述凸起區(qū)域的步驟； 繼續(xù)進行研磨工藝以減小所述凸起區(qū)域和凹陷區(qū)域高度差的步驟；
和
繼續(xù)研磨使所述銅表面平坦化的步驟。
所述研磨阻擋層的材料為氧化硅、碳化硅(SiC)、氮化硅(SiN)、 碳硅氧化合物(SiCO)、碳氮硅化合物(SiCN)、氟硅玻璃(FSG)、磷 硅玻璃(PSG)、硼硅玻璃(BSG)、硼磷硅玻璃(BPSG)中的一種或其 組合。
所述研磨阻擋層的材料為有機抗反射材料BARC。 所述研磨阻擋層的材料為富硅聚合物。 所述研磨阻擋層的厚度為50A 100A。 所述研磨阻擋層利用化學(xué)氣相淀積工藝形成。 所述研磨阻擋層利用旋涂工藝形成。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點
本發(fā)明的技術(shù)方案是在研磨工藝進行之前，在金屬銅層表面沉積一 介質(zhì)層或有機聚合物膜層作為研磨阻擋層。在開始研磨時，研磨墊和研 磨阻擋層之間的摩擦力作用將該阻擋層打碎，露出的銅在研磨液和摩擦 力共同作用下被去除，從而將銅表面的凸起部分磨平。而在凹陷區(qū)域的 銅由于阻擋層將研磨液隔離開，研磨速率得到抑制。繼續(xù)研磨過程便會 降低銅表面的臺階高度差，使銅表面趨于平坦。隨著研磨工藝的繼續(xù)進行，銅表面凹陷區(qū)域內(nèi)外的研磨速率差越來越小，當凹陷區(qū)域的阻擋層 接觸到研磨墊而被研磨去除時銅表面的研磨速率趨于一致，避免了碟陷 現(xiàn)象的出現(xiàn)，最終達到銅和介質(zhì)層表面的平坦化。上述技術(shù)方案無須改 變研磨液的成分便可實現(xiàn)銅和介質(zhì)層表面的平坦化。


通過附圖中所示的本發(fā)明的優(yōu)選實施例的更具體"^兌明，本發(fā)明的上 述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記 指示相同的部分。并未刻意按比例繪制附圖，重點在于示出本發(fā)明的主 旨。在附圖中，為清楚明了，放大了層和區(qū)域的厚度。
圖1至圖2為說明碟陷現(xiàn)象產(chǎn)生過程的器件剖面示意圖； 圖3至圖6為說明本發(fā)明優(yōu)選實施例的器件剖面示意圖。
具體實施例方式
為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合 附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做詳細的說明。
在下面的描述中闡述了很多具體細節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是 本發(fā)明能夠以4艮多不同于在此描述的其它方式來實施，本領(lǐng)域技術(shù)人員 可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣。因此本發(fā)明不受下面公 開的具體實施的限制。
圖3至圖6為說明本發(fā)明優(yōu)選實施例的器件剖面示意圖。所述示意 圖只是實例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明保護的范圍。首先如圖3所示，電 介質(zhì)層100是由化學(xué)氣相淀積法沉積的低介電常數(shù)的無機硅基質(zhì)層 (Inorganic silicon based layer),例如碳氧化硅(SiCO)或氟化硅玻璃 (FSG),優(yōu)選為應(yīng)用材料(Applied Materials ) />司商標為黑鉆石(black diamond)的二氧化硅(Si02)。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，形成電介質(zhì) 層100的方法使用了包括含碳有機金屬或有機硅化合物、臭氧和摻雜劑 源的加熱準常壓化學(xué)氣相淀積(SACVD)工藝。含碳的有機金屬或有機硅化合物可以包括環(huán)硅氧烷例如四曱基環(huán)四硅氧烷(TMCTS)或八甲 基環(huán)四硅氧烷(OMCTS)或其它環(huán)狀硅氧烷，優(yōu)選為OMCTS。在常規(guī)單 晶片CVD反應(yīng)室中，將晶片放在反應(yīng)室內(nèi)部的、其中包括有加熱元件 的平臺上，由用于控制反應(yīng)室內(nèi)溫度的熱感受器來控制平臺。所有反應(yīng) 室部件都維持在預(yù)定溫度。按照本發(fā)明，在反應(yīng)室中提供反應(yīng)氣體流， 至少包括OMCTS、氧氣和臭氧的混合物、氦氣，將反應(yīng)氣體引入到預(yù) 混合室，且將氣體混合物施加到晶片上。在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，通 過在用作開始反應(yīng)并獲得所需膜性質(zhì)的預(yù)混合室內(nèi)預(yù)混合氣體，獲得所 需的介電常數(shù)。作為替換，可以將氣體單獨地釋放到反應(yīng)室容積內(nèi)而不 預(yù)混合，但是要距離晶片表面預(yù)定距離，例如大約0.05-0.5英寸。但是， 這種后混合選擇方式將導(dǎo)致膜的性質(zhì)次于最佳性質(zhì)。將反應(yīng)室內(nèi)的壓力 控制在預(yù)定壓力，氣體混合物施加到晶片上持續(xù)預(yù)定時間，以形成低介 電常數(shù)電介質(zhì)層100。
隨后在電介質(zhì)層100中釆用干法刻蝕，例如等離子體刻蝕工藝，刻 蝕出孔120和溝槽110。在反應(yīng)室內(nèi)，刻蝕的方向性可以通過控制等離
反應(yīng)室內(nèi)通入刻蝕劑氣體流量50-400sccm，村底溫度控制在20。C和90 。C之間，腔體壓力為4-80mTorr,等離子源射頻輸出功率50W-2000W。 刻蝕劑采用氣體混合物，混合氣體可以包括比如SF6、 CHF3、 CF4、氯 氣Ch、氮氣N2和氧氣02的混合氣體，以及其它惰性氣體，例如氫氣
Ar、氖氣Ne、氦氣He等等。本實施例中，孔120的位置比較密集，其 對應(yīng)于村底器件密度較高的有源區(qū)。溝槽110通常位于非有源區(qū)或其它 器件密度較低的區(qū)域。
然后，利用物理氣相淀積(PVD)或電鍍工藝沉積金屬銅200，從 而將金屬銅填充于孔120和溝槽110中。由于銅具有較高的擴散系數(shù)， 易向介質(zhì)層中進行擴散，因此通常在沉積金屬銅之前，先于孔120和溝 槽110的側(cè)壁和底部沉積例如鉭(Ta)、氮化鉭(TaN)、鈦(Ti)或氮化鈦(TiN)等作為擴散阻擋層(圖中未示出)。由于孔120和溝槽110 的寬度相差較大，而且孔120較為密集，因此在沉積金屬銅200之后， 在孔120密集區(qū)上方的金屬銅表面出現(xiàn)凸起210，在溝槽IIO上方的金 屬銅表面會出現(xiàn)凹陷220,導(dǎo)致沉積的金屬銅200表面形成高度差。
本發(fā)明的方法在進行研磨之前，在金屬銅200表面利用化學(xué)氣相淀 積工藝沉積一介質(zhì)層作為研磨阻擋層230。研磨阻擋層230的材料為氧 化硅、碳化硅(SiC)、氮化硅(SiN)、碳硅氧化合物(SiCO)、碳氮硅 化合物(SiCN)、氟硅玻璃(FSG)、磷硅玻璃(PSG)、硼硅玻璃(BSG)、 硼磷硅玻璃(BPSG)中的一種或其組合。在本發(fā)明其他實施例中，研 磨阻擋層230的材料還可以是利用旋涂(spin on )工藝形成的有機抗反 射材料(BARC)或富硅聚合物(例如GF320X上述研磨阻擋層230 的厚度為50A 100A。
接下來的研磨工藝可以分為三個階段，首先，在開始研磨的階段， 研磨頭與晶片表面相接觸，在研磨期間加入研磨液，通過研磨液，研磨 頭對晶片表面施加壓力，研磨頭和晶片之間產(chǎn)生的摩擦力作用首先將研 磨阻擋層230磨碎，并對銅表面的凸起部分210進行研磨，將凸起部分 210磨平。在隨后繼續(xù)研磨的過程中，研磨液和凈皮磨^4的阻擋層材料的 混合物240被填入銅表面的凹陷區(qū)域220中，如圖4所示。由于凹陷區(qū) 域的銅和研磨液被阻擋層和混合物240隔離開，從而降低了凹陷區(qū)域內(nèi) 銅的研磨速率。
然后，在中間研磨階段，由于凹陷區(qū)域220外的銅的研磨速率高于 凹陷區(qū)域220表面金屬銅的研磨速率，因此便會降低銅200表面的臺階 高度差。在上述混合物240和阻擋層230被研磨去除的過程中，凹陷區(qū) 域內(nèi)外的銅200表面研磨速率差越來越小，使銅表面趨于平坦，如圖5 所示。
在最后的研磨階段，隨著研磨工藝的繼續(xù)進行，銅200表面凹陷區(qū) 域內(nèi)外的研磨速率差越來越小，當凹陷區(qū)域的阻擋層接觸到研磨墊而被研磨去除時銅表面的研磨速率趨于一致，避免了碟陷現(xiàn)象的出現(xiàn)，最終
達到銅200和介質(zhì)層IOO表面的平坦化，如圖6所示。
雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明。 任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都 可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的 變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發(fā) 明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何筒 單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種銅表面的化學(xué)機械研磨平坦化方法，其特征在于，所述方法包括在所述銅表面沉積介質(zhì)層的步驟；和對表面具有所述介質(zhì)層的銅表面進行研磨的步驟。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述介質(zhì)層的材料 為氧化硅、碳化硅(SiC)、氮化硅(SiN)、碳硅氧化合物(SiCO)、碳 氮硅化合物(SiCN )、氟硅玻璃(FSG )、磷硅玻璃(PSG)、硼硅玻璃(BSG )、 硼磷硅玻璃(BPSG)中的一種或其組合。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述介質(zhì)層的材料 為有機抗反射材料BARC。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述介質(zhì)層的材料 為富硅聚合物。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2、 3或4所述的方法，其特征在于所述介質(zhì)層 的厚度為50A 100A。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述介質(zhì)層利用化 學(xué)氣相淀積工藝形成。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的方法，其特征在于所述介質(zhì)層利 用旋涂工藝形成。
8、 一種銅表面的化學(xué)機械研磨平坦化方法，其特征在于，所述方 法包括在所述銅表面沉積研磨阻擋層的步驟；研磨碎所述研磨阻擋層并磨平凸起區(qū)域的步驟；繼續(xù)進行研磨工藝以減小凸起區(qū)域和凹陷區(qū)域高度差的步驟；和繼續(xù)研磨使所述銅表面平坦化的步驟。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述研磨阻擋層的 材料為氧化硅、碳化硅(SiC)、氮化硅(SiN)、碳硅氧化合物(SiCO)、碳氮硅化合物(SiCN)、氟硅玻璃(FSG)、磷硅玻璃(PSG)、硼硅玻璃 (BSG)、硼磷硅玻璃(BPSG)中的一種或其組合。
10、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述研磨阻擋層的 材料為有機抗反射材料BARC。
11、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述研磨阻擋層的 材料為富硅聚合物。
12、 根據(jù)權(quán)利要求9、 10或11所述的方法，其特征在于所述研 磨阻擋層的厚度為50A 100A。
13、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于所述研磨阻擋層利 用化學(xué)氣相淀積工藝形成。
14、 根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的方法，其特征在于所述研磨阻 擋層利用旋涂工藝形成。
全文摘要
公開了一種銅表面的化學(xué)機械研磨平坦化方法，包括在所述銅表面沉積介質(zhì)層的步驟和對表面具有所述介質(zhì)層的銅表面進行研磨的步驟。本發(fā)明的銅表面的化學(xué)機械研磨平坦化方法能夠?qū)崿F(xiàn)銅和介質(zhì)層表面的平坦化，避免出現(xiàn)碟陷(dishing)現(xiàn)象。
文檔編號H01L21/768GK101295644SQ20071003987
公開日2008年10月29日 申請日期2007年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月24日
發(fā)明者旋 朱, 蔡孟峰 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司