研磨金属层的方法.pdf

一种研磨金属层的方法，包括下列步骤：提供一具有上部已图案化介电层的结构，其具有一开口形成于其中；形成一阻障层于该上部已图案化介电层之上，并依衬于该开口中；于该阻障层上形成一金属层，并填充该开口；实施一第一研磨步骤，使用一第一研浆组合物以移除部分该覆盖于上述介电层外的金属层；实施一第二研磨步骤，其是利用该第一研浆组合物以研磨上述金属层，直至暴露出位于该介电层上方的阻障层的平面；实施一第三研磨步骤，使用一第二研浆组合物以移除该已经暴露的阻障层上方平面部分，并暴露出该位于其下方的介电层部分；以及实施一第四研磨步骤，其是利用该第二研浆组合物及一腐蚀抑制剂BTA以抛拭该所暴露的介电层的上方部分，并保护金属层表面不易腐蚀。

1.  一种研磨金属层的方法，其包括：
提供一具有上部已图案化介电层的结构，其具有一开口形成于其中；
形成一阻障层于该上部已图案化介电层之上，并依衬于该开口中；
于该阻障层上形成一金属层，并填充该开口；
实施一第一研磨步骤，使用一第一研浆组合物以移除部分该覆盖于上述介电层外的金属层；
实施一第二研磨步骤，其是利用该第一研浆组合物以研磨上述金属层，直至暴露出位于该介电层上方的阻障层的平面；
实施一第三研磨步骤，使用一第二研浆组合物以移除该已经暴露的阻障层上方平面部分，并暴露出该位于其下方的介电层部分；以及
实施一第四研磨步骤，其是利用该第二研浆组合物及一腐蚀抑制剂以抛拭该所暴露的介电层的上方部分，并保护金属层表面不易腐蚀。

2.  根据权利要求1所述的研磨金属层的方法，其中该第一研磨步骤是于第一研磨平台实施；该第二及第三研磨步骤是于第二研磨平台实施；以及该第四研磨步骤是于第三研磨平台实施。

3.  根据权利要求1所述的研磨金属层的方法，其中该第一研浆组合物包含：
(a)Al₂O₃：介于0.4-0.6wt.％；
(b)H₂O₂：介于2.6-3.4wt.％；
(c)KOH：用以调整pH值；以及
(d)苯并三唑：腐蚀抑制剂。

4.  根据权利要求1所述的研磨金属层的方法，其中该第一研浆组合物具有：
(a)pH值介于2.8-4.3；以及
(b)粒径介于115-155纳米。

5.  根据权利要求1所述的研磨金属层的方法，其中该第二研浆组合物包含：
(a)SiO₂：介于5.8-6.2wt.％；以及
(b)KOH：用以调整pH值。

6.  根据权利要求1所述的研磨金属层的方法，其中该第二研浆组合物具有：
(a)pH值介于9.8-11.4；以及
(b)粒径介于125-185纳米。

7.  根据权利要求1所述的研磨金属层的方法，其中该腐蚀抑制剂包含苯并三唑，其大体介于0.10-0.14％。

8.  根据权利要求1所述的研磨金属层的方法，其中：
该第一研磨步骤是于研磨压力2.0-2.4psi下研磨36-44秒，接着再于研磨压力1.0-1.4psi下研磨18-22秒；
该第二研磨步骤是于研磨压力1.0-1.4psi下研磨41-49秒；
该第三研磨步骤是于研磨压力1.8-2.2psi下研磨31-39秒；以及
该第四研磨步骤是于研磨压力1.8-2.2psi下研磨40-60秒。

9.  根据权利要求1所述的研磨金属层的方法，其中该上部已图案化介电层包含氧化硅、氮化硅、掺氟硅玻璃或氮氧化硅；而该阻障层包含氮化钽或钽；以及该金属层包含铜、铝或金。

10.  根据权利要求1所述的研磨金属层的方法，其中该上部已图案化介电层是包含氧化硅；该阻障层则包含氮化钽；以及该金属层是包含铜。

11.  一种研磨金属层的方法，其包括：
提供一具有上部已图案化介电层的结构，其具有一开口形成于其中；
形成一阻障层于该上部已图案化介电层之上，并依衬于该开口中；
于该阻障层上形成一金属层，并填充该开口；
实施一第一研磨步骤，使用一第一研浆组合物以研磨覆盖于上述介电层外的金属层，直至暴露出位于该介电层上方的阻障层的平面；
实施一第二研磨步骤，使用一第二研浆组合物以移除该已经暴露的阻障层上方平面部分，并暴露出该位于其下方的介电层部分；以及
实施一第三研磨步骤，利用该第二研浆组合物及一腐蚀抑制剂以抛拭该所暴露的介电层的上方部分，并保护金属层表面不易腐蚀。

12.  根据权利要求11所述的研磨金属层的方法，其中该第一研浆组合物包含：
(a)Al₂O₃：介于0.4-0.6wt.％；
(b)H₂O₂：介于2.6-3.4wt.％；
(c)KOH：用以调整pH值；以及
(d)苯并三唑：腐蚀抑制剂。

13.  根据权利要求11所述的研磨金属层的方法，其中该第一研浆组合物具有：
(a)pH值介于2.8-4.3；以及
(b)粒径介于115-155纳米。

14.  根据权利要求11所述的研磨金属层的方法，其中该第二研浆组合物包含：
(a)SiO₂：介于5.8-6.2wt.％；以及
(b)KOH：用以调整pH值。

15.  根据权利要求11所述的研磨金属层的方法，其中该第二研浆组合物具有：
(a)pH值介于9.8-11.4；以及
(b)粒径介于125-185纳米。

16.  根据权利要求11所述的研磨金属层的方法，其中该腐蚀抑制剂包含苯并三唑，其介于0.10-0.14％。

17.  根据权利要求11所述的研磨金属层的方法，其中该上部已图案化介电层包含氧化硅、氮化硅、掺氟硅玻璃或氮氧化硅；而该阻障层包含氮化钽或钽；以及该金属层包含铜、铝或金。

18.  根据权利要求11所述的研磨金属层的方法，其中该上部已图案化介电层是包含氧化硅；该阻障层则包含氮化钽；以及该金属层是包含铜。

研磨金属层的方法
技术领域
本发明是有关于一种半导体工艺，且特别有关于一种研磨半导体金属层的方法。
背景技术
在金属/铜经化学机械研磨(chemical mechanical polish；CMP)的工艺中常会碰到三种薄膜/材料：(1)一图案化的介电层，通常为氧化硅(氧化物)，而该介电层中是形成有一开口；(2)一阻障层(barrier layer)依衬于该氧化层开口中，且覆盖于该图案化氧化层上方；以及(3)一金属层，其通常为铜，形成于该图案化介电层上方，并填充于该阻障层所依衬的开口中。为求将位于介电层中表面衬有阻障层的开口的金属层平坦化或研磨以形成具有一平坦表面的金属结构，是可利用多种不同的方法，例如使用不同的研浆液(slurry)、改变研磨的条件或使用多重研磨步骤。
例如Kaufman所申请的美国专利案号6,217,416 B1中是利用一第一及第二CMP研浆液，其中该第二研浆液中是包含研磨粉体(abrasive)、氧化剂(oxidizing agent)、以及醋酸(acetic acid)等，其中氧化剂/醋酸的重量比是至少为10。两种研浆液于该方法中相继使用，以研磨包含铜和包含钽(tantalum)或氧化钽、或者钽(tantalum)及氧化钽两者的基底。
发明内容
本发明的目的之一就是提供一种研磨金属层的改善方法。
为达上述与其它目的，本发明的方法主要是提供一具有上部已图案化介电层的结构，其具有一开口形成于其中；形成一阻障层于该上部已图案化介电层之上，并依衬于该开口中；于该阻障层上形成一金属层，并填充该开口；实施一第一研磨步骤，使用一第一研浆组合物以移除部分该覆盖于上述介电层外的金属层；实施一第二研磨步骤，其是利用该第一研浆组合物以研磨上述金属层，直至暴露出位于该介电层上方的阻障层的平面；实施一第三研磨步骤，使用一第二研浆组合物以移除该已经暴露的阻障层上方平面部分，并暴露出该位于其下方的介电层部分；以及实施一第四研磨步骤，其是利用该第二研浆组合物及一腐蚀抑制剂例如苯并三唑(benzotriazole，BTA)以抛拭该所暴露的介电层的上方部分，并保护金属层表面不易腐蚀。
图1至图5为利用本发明所述研磨金属层的方法的一系列流程剖面图。
图1是本发明起始的结构。
图2为图1中所示结构经本发明第一研磨步骤后的剖面图示。
图3为经本发明第二研磨步骤后的剖面图示。
图4为经本发明第三研磨步骤后的剖面图示。
图5为经本发明第四研磨步骤后的剖面图示。
符号说明：
10～基底；12～介电层；
14～开口；16～阻障层；
18～金属层；
18’～经第一研磨步骤后的金属层；
18”～经第二研磨步骤后的金属层；
18～经第三研磨步骤后的金属层；
19～金属层表面；
20、22～经第二研磨步骤后所暴露的阻障层部分；
24、26～经第三研磨步骤后所暴露的介电层部分；
12’、24’、26’～受到抛拭的介电层。
为让本发明的上述和其它目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下：
以下所述是本案发明人所知晓的金属/铜化学机械研磨步骤，而非申请前已公开的先前技术。
举例来说，当阻障层为氮化钽(TaN)，而介电层为氧化硅(氧化物)且金属层为铜时，有三种研磨选择方式是当前所使用的：
(1)铜研浆液研磨→氮化钽研浆液研磨(对氧化物可具有选择性或不具选择性)；
(2)铜研浆液研磨→氮化钽研浆液研磨→氧化物研浆液抛拭(利用BTA以选择性地不移除铜金属)；以及
(3)铜研浆液研磨→干净表面→氮化钽干蚀刻。
然而，选择(1)和(2)的方式均需消耗一种昂贵的氮化钽研浆液以将氮化钽阻障层自图案化氧化层的上部移除；而选择(3)的方式则需使用额外的干蚀刻机台以将氮化钽阻障层自图案化氧化层的上部移除。因此使用上述任一三种选择方式均难以改善铜化学机械研磨工艺的产能。
图1是本发明起始的结构。其中结构10包含了图案化介电层12形成于其上，而该图案化介电层12的厚度是大体较佳为介于10,000至12,000埃之间，且大体更佳为11,000埃。
结构10较佳为一硅基底，并可能包含一半导体晶片或基底。主动及被动组件形成于该晶片内，而导电层及介电层(例如：多晶硅间氧化层、金属层间介电质...等)则形成于该晶片表面之上。该“半导体结构”的名称是指包含有组件形成在一半导体晶片内部，且该晶片的表面上则有多数个层别覆盖。
图案化介电层12是较佳包含氧化硅、氮化硅、掺氟硅玻璃(FSG)或氮氧化硅，且更佳为氧化硅。
图案化介电层12是包含有一开口14形成于其内，而该开口乃可为一双镶嵌(dual damascene)开口结构，如图式中所示。
于该图案化介电层12之上较佳地形成一阻障层16，并依衬于开口14中。阻障层16是较佳藉由化学电镀法(electro-chemical plating；ECP)或物理气相沉积法(physical vapor deposition；PVD)而形成，且更佳为藉由物理气相沉积法形成。
阻障层16具有一厚度大体较佳为介于250至350埃，且大体更佳为300埃。阻障层16较佳为包含氮化钽或钽，且更佳为氮化钽。
之后于该阻障层16上形成一金属层18，并至少填满该阻障层所依衬的开口14。金属层18是较佳藉由化学电镀法而形成。
金属层18具有一厚度大体较佳为介于6000至8000埃之间，且大体更佳为7000埃。金属层18是较佳包含铜、铝、或金，且更佳为铜。
如本发明所提供的方法，既可不需使用一针对阻障层的研浆液，也不需经一阻障层干蚀刻步骤以移除该位于图案化介电层12之上的阻障层16，而仅需以两种不同的研浆液用以研磨/移除该三种不同材料薄膜(金属层18、阻障层16以及图案化介电层12)。
第一研磨步骤-第一研磨平台-第一研浆组合物-图2
如图2所示，图1中的晶片/结构可放置于一研磨机台的一第一研磨平台，并以一第一研浆组合物研磨/移除该金属层18的主体至减少的金属层18｀，其具有一于该阻障层16所依衬的图案化介电层12上方的厚度大体较佳为介于2000至4000埃，且大体更佳为3000埃。
该第一研浆组合物是包含600y-73研浆液，其中该600y-73研浆液是Cabot铜研浆液(Cabot Microelectronics公司所制造)，其包含：
Al₂O₃：大体较佳为介于0.4-0.6wt.％，且大体更佳为0.5wt.％；
H₂O₂：大体较佳为介于2.6-3.4wt.％，且大体更佳为介于2.8-3.2wt.％；
KOH：用以调整pH值；以及
苯并三唑：腐蚀抑制剂。
并具有
(a)pH值：大体较佳为介于2.8-4.3，且大体更佳为4.1；以及
(b)粒径：大体较佳为介于115-155纳米，且大体更佳为介于120-150纳米。
该金属层18主体的第一研磨是以一高速率进行，金属层主体的移除是藉由Applied Material公司所生产制造的iScan Endpoint实时研磨速率监控器(in-situ rate monitor；ISRM)以涡电流(eddy current)的变化得知研磨终点以实时监控铜膜的厚度；而该第一研磨条件如下：
(1)大体较佳于研磨压力2.0-2.4psi下，而大体更佳于研磨压力2.2psi下较佳大体研磨36-44秒，而大体更佳研磨40秒；以及接着
(2)大体较佳于研磨压力1.0-1.4psi下，而大体更佳于研磨压力1.2psi下较佳大体研磨18-22秒，而大体更佳为研磨20秒。
第二研磨步骤-第二研磨平台-第一研浆组合物-图3
如图3所示，图2中所示的晶片/结构可移至该研磨机台的一第二研磨平台，之后并以该上述中第一研浆组合物研磨，将金属层18’地表面19研磨并暴露出位于该图案化介电层上的阻障层16中20与22的部分。
此第二研磨步骤造成金属层18”的研磨/阻障层16的暴露，该研磨为一低压研磨，利用Applied Material公司所生产制造的Full Scan Endpoint实时研磨速率监控器(in-situ rate monitor；ISRM)以一激光束得知研磨终点。该第二研磨步骤是大体较佳于研磨压力1.0-1.4psi下，而大体更佳于研磨压力1.2psi下较佳大体研磨41-49秒，而大体更佳研磨45秒。
第三研磨步骤-第二研磨平台-第二研浆组合物-图4
如图4所示，图3中的晶片/结构之后是以一第二研浆组合物于该第二研磨平台上研磨以移除位于该图案化介电层12上阻障层16的20及22部分，因而暴露出其下方的图案化介电层12的24及26部分。
该第二研浆组合物是包含SS6研浆液，其中该SS6研浆液是CabotMicroelectronics公司所制造Cabot Semi-Sperse^研浆液稀释至含25％的固体以用于研磨。该第二研浆组合物是包含：
SiO₂：大体较佳为介于5.8-6.2wt.％，且大体更佳为6.0wt.％；以及
KOH：用以调整pH值。
并具有
(a)pH值：大体较佳为9.8-11.4，且大体更佳为10.0-11.2；以及
(b)粒径：大体较佳为介于125-185纳米，且大体更佳为介于130-180纳米。
该第三研磨步骤是大体较佳于研磨压力1.8-2.2psi下，而大体更佳于研磨压力2.0psi下较佳大体研磨31-39秒，而大体更佳研磨35秒。
第四研磨步骤-第三研磨平台-第二研浆组合物+BTA-图5
如图5所示，图4所示的晶片/结构可移至该研磨机台的一第三研磨平台，并以该第二研浆组合物加上BTA以用于抛拭该图案化介电层12的所暴露的部分24及26，以形成该受到抛拭的图案化介电层12’的所暴露受到抛拭的部分24’及26’，且和铜金属层18形成含有弱化学键结的嵌合物，以保护金属层18不易腐蚀。
而于上述该SS6第二研浆组合物中加入一腐蚀抑制剂，例如BTA，其大体范围介于0.10至0.14％，且大体更佳为0.12％，其可使得该研浆组合物对于已经研磨的金属层18具有选择性，可不明显地去除该已经研磨的金属层18。
该第四研磨步骤是大体较佳于研磨压力1.8-2.2psi下，而更大体佳于研磨压力2.0psi下较佳大体研磨40-60秒，而大体更佳研磨50秒。
接着可进行接下来的处理，例如，清理图5中所示的结构以及沉积一氮化硅层或氮化层。
本发明亦提供另一种实施方式，其是可不限于使用三个研磨平台，并可视情况于例如一或一以上的研磨平台实施，其包括：提供一具有上部已图案化介电层的结构，其具有一开口形成于其中；形成一阻障层于该上部已图案化介电层之上，并依衬于该开口中；于该阻障层上形成一金属层，并填充该开口；实施一第一研磨步骤，使用一第一研浆组合物以研磨覆盖于上述介电层外的金属层，直至暴露出位于该介电层上方的阻障层的平面；实施一第二研磨步骤，使用一第二研浆组合物以移除该已经暴露的阻障层上方平面部分，并暴露出该位于其下方的介电层部分；以及实施一第三研磨步骤，利用该第二研浆组合物及一腐蚀抑制剂BTA以抛拭该所暴露的介电层的上方部分，且和铜金属层18形成含有弱化学键结的嵌合物，以保护金属层18不易腐蚀。
此一实施例中，主要是包括三个研磨步骤：第一研磨步骤为研磨覆盖于阻障层上方平面外的金属层，直至曝露出阻障层上方平面；第二研磨步骤乃用以移除阻障层所暴露的上方平面；第三研磨步骤乃用以抛拭所暴露的介电层部分。而此实施例中所述的各组成以及研浆组合物是与上述实施例中所述相同。
本案发明人更发现除此之外：(1)由于不需要一专门针对阻障层的研浆液，也不需一额外的阻障层蚀刻停止步骤，因此本案发明人所提供的工艺方法更能有效节省成本及简化步骤；以及(2)提升产能，亦即每小时所产出的晶片数；并可达到依当前发明所用以研磨铜金属层18的相同功效，例如包括缺陷、阻值以及应力迁移(stress migration；SM)测试。其中以铜为基本的多重式整合所引发严重的问题之一即是由接触孔中诱导应力的空隙所导致堆栈介层窗电阻的失败，而本发明所揭露的方法所形成的结构能够通过应力迁移的测试则是以铜为基本工艺的一表征。
本案发明人亦得知一种相对于当前工艺而言可达到一较佳图案密度与阻值的斜率关系；更者，当依照本发明用以研磨铜金属层18时，本案发明人更发现凹碟化(dishing)、侵蚀(erosion)以及虎牙(tiger teeth)的情况均有明显的减轻。
本发明的优点
本发明的实施例的优点是包含：
1.更简单的方法；
2.较节省成本的方法；
3.改善凹碟化、侵蚀以及虎牙的情形；
4.提升产能；
5.通过应力迁移的测试；以及
6.可接受的阻值。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视所附的权利要求范围所界定者为准。