专利名称：化学机械研磨工艺的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及半导体制造技术的领域，特别是涉及一种铜/阻挡层金属内连结线的化学机械研磨工艺。
背景技术：
近年来，由于铜镶嵌(copper damascene)工艺技术的成熟，使得集成电路制作在迈入深次微米以及纳米世代后仍可以继续蓬勃发展，而达到具有高成品率的量产规模。如本领域技术人员所知，铜镶嵌内连线工艺基本上包括有沉积介电层，光刻及蚀刻定义导线沟槽结构，阻挡层镀膜，铜种子层的形成，以及铜金属电镀等步骤。最后，沉积于导线沟槽结构外的多余铜金属再以化学机械研磨(chemical mechanical polishing，CMP)技术移除。
在进行前述的CMP工艺时，通常是将一待研磨晶片面朝下压于一研磨垫(platen)上。此待研磨晶片由一称为研磨头的圆盘状机构所固定。在研磨阶段，研磨头带动此待研磨晶片以一固定转轴旋转，而研磨垫则以另一转轴旋转，然后藉由化学或机械方式得以将晶片表面待去除的介电层或金属层研磨掉。目前较受业界欢迎的研磨头是一种称为浮动(floating)研磨头的设计，此设计利用一弹性膜(flexible membrane)将一晶片支撑盘或背板(support plate)固定于一基座下方。在研磨阶段，可利用气体加压于晶片支撑盘上，以平均分散施于晶片晶背的下压力(down force)。
图1为现有形成于晶片10上的双镶嵌内连线结构的剖面示意图。如图1所示，现有双镶嵌内连线结构，其包括一介质窗(via)22以及一导线沟槽(trench line)23，嵌入形成于一介电层20中。介质洞22与位于下方介电层12的导电层或下层导线14相通。铜金属电镀于双镶嵌内连线结构中，构成一上层铜导线24以及一插塞，并且上层铜导线24即经由插塞与下层导线14电连接。为了避免铜金属向外扩散造成漏电流，通常会有阻挡层(barrierlayer)25设于介质洞22以及导线沟槽23表面。
在相关的现有技术中，美国专利第6,573,173号揭露了一种利用多研磨垫的CMP工艺进行铜内连线的利记博彩app，其包括以下四个主要步骤(1)于半导体基底上形成包括金属层以及阻挡层的内连线；(2)在第一研磨速率下(至少每分钟研磨1000埃)，利用第一研磨垫(例如，Rodel公司所提供的IC1000或IC 1010型研磨垫)，先研磨掉金属层的上半部；(3)接着在小于第一研磨速率的第二研磨速率下，利用第二研磨垫，将剩下不到2000埃的金属层研磨掉；(4)最后，再利用第三研磨垫以及不同的研磨浆将阻挡层研磨掉。其中，根据此美国专利所揭露的内容，第二研磨垫与第一研磨垫需为互不相同的研磨垫。
然而，前述美国专利所揭露的现有技术存在有几个缺点。首先，为了避免研磨浆之间的交叉污染，当晶片从第一研磨垫转移至第二研磨垫之前，需要另外进行一项湿式清洁步骤。前述美国专利建议在第一研磨垫与第二研磨垫增加一湿式清洗站。其次，根据前述美国专利所揭露的内容，为了使CMP系统的产出最大化，因此将前述四个主要步骤的第一步骤的研磨时间与第二步骤的研磨时间匹配便成为十分关键的地方，但是，如此却使工艺复杂化。此外，为了小心监控第一步骤与第二步骤的研磨时间，使其匹配，就需要另外装设连结至CP机中的计算机，控制并且平衡第一步骤与第二步骤的研磨时间。
再者，前述美国专利所揭露的现有技术为了增加产出速率，其在第一步骤所使用较高的下压力，却可能造成下方脆弱的低介电常数层刮伤，甚至于造成结构上的碎裂。此外，前述美国专利所揭露的现有技术的另一缺点是需要使用到三个研磨垫来执行其铜CMP以及阻挡层CMP，如此，造成额外的维修费用以及零件成本增加。
综上所述，在该产业中目前的铜CMP工艺犹有不足，仍待进一步改善，以获得更好的产出速率，并且能够在相对低的成本下获得足够的产品可靠度。
发明内容
因此，本发明的主要目的在提供一种改良的铜/阻挡层金属内连线的CMP工艺与工法，以解决前述现有技术的问题。
依据本发明的优选实施例，本发明提供一种具有高产出能力的化学机械研磨工艺。首先，将形成有金属层以及阻挡层金属内连线的晶片加载CMP机中，接着，利用一第一研磨垫，在相同的研磨速率下将金属层研磨掉，直到暴露出下方的阻挡层，其中分散于第一研磨垫上的第一研磨浆对阻挡层具有高研磨选择比。经过前述的第一研磨步骤后，接着进行第二研磨步骤，利用一第二研磨垫以及第二研磨浆，将暴露出的阻挡层研磨去除。根据本发明，第一研磨浆的研磨选择比(铜对阻挡层)需至少大于30，优选大于100。
为了更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。然而附图仅供参考与辅助说明用，并非用来对本发明加以限制。
图1为现有形成于晶片上的双镶嵌内连线结构的剖面示意图。
图2绘示的是在执行本发明的CMP工艺之前的半导体晶片剖面示意图，其上形成有铜金属层以及阻挡层。
图3绘示的是本发明CMP工艺的特征步骤。
图4以及图5以剖面显示本发明晶片分别经过图3的研磨步骤后的结构示意图。
简单符号说明10 晶片 12 介电层14 导线 20 介电层22 介质窗 23 导线沟槽24 上层铜导线 25 阻挡层100半导体晶片 120介电层140导电元件 200介电层202顶盖层 210阻挡层220介层洞 230沟槽结构240铜金属层 250镶嵌凹陷区域260最上表面区域310、320、330、340、350步骤具体实施方式
本发明涉及一种形成高可靠度的集成电路金属内连线的方法，特别针对集成电路的后段工艺中，应用于铜/阻挡层镶嵌金属内连线的化学机械研磨工艺做改良。需注意的是，以下所引用的“铜”泛指铜金属或任何适用在铜镶嵌工艺中的铜合金材料。本发明的主要优点在于具有高产出，尤其在CMP阶段，以及具有较低的成本。
为了方便说明，请参阅图2，其绘示的是在执行本发明的CMP工艺之前的半导体晶片100剖面示意图，其上形成有铜金属层240以及阻挡层210。如图2所示，阻挡层210形成在镶嵌凹陷区域250的表面上以及形成在介电层200的最上表面区域260。阻挡层210可以为钽、氮化钽、钛、氮化钛、氮化镍或其它材料。介电层200可以包含任何适合的低介电常数材料。通常介电层200的最上方为碳化硅或氮化硅等材料所组成的顶盖层202。根据本发明的优选实施例，铜金属层240的厚度大于2000埃(angstroms)。
前述的镶嵌凹陷区域250包括沟槽结构230以及与沟槽结构230连通的介层洞结构220，但不限于此。在其它实施例中，镶嵌凹陷区域250也可能仅是单一的沟槽结构或单一的介层洞结构。介层洞220与下方的导电元件140相通连。导电元件140其由介电层120包覆，可以是下层金属内连线。在另一实施例中，导电元件140可以是MOS元件的多晶硅栅极或注入半导体基底内的扩散层等。
请同时参阅图2、3，其中图3绘示的是本发明CMP工艺的特征步骤。首先，进行步骤310，先将如图2中所示的晶片100载入CMP机中中。晶片100在CMP机中中以晶片头(图未示)固定。本发明所指的CMP机中可以是美商应用材料公司所生产的商业化CMP机中，例如Mirra机型等等。根据本发明的优选实施例，前述的CMP机中装有两个研磨垫，例如Radel公司所生产的IC 1000或IC 1010型研磨垫，但不限于此。
接着，继续进行步骤320，将晶片100上的铜金属层240与一第一研磨垫(图未示)接触，并开始进行研磨。本发明的特征在于第一研磨垫上散布有一层第一研磨浆，第一研磨浆其组成需使步骤320中的研磨对于下方的阻挡层210具有高选择比。此外，本发明的另一重要特征在于步骤320中对于晶片100上的铜金属层240的研磨速率维持固定不变，大致维持在每分钟3000埃至每分钟12000埃之间的高研磨速率，藉此，得以改善CMP工艺的产出能力。其中，第一研磨浆可以含有矾土(alumina)成分或者含有硅石(silica)等研磨剂成分。
最重要者，本发明的第一研磨剂的“铜对阻挡层选择比”需大于30，优选大于100。前述的“铜对阻挡层选择比”定义为CMP研磨过程中的铜金属研磨速率与阻挡层研磨速率的比值。在前述的步骤320中的铜研磨过程中，可采用的下压力约介于2至6磅/平方英尺(psi)。但是由于本发明步骤320采用高选择比的第一研磨浆，因此较高的下压力亦可能使用。
图4以剖面显示本发明晶片100经过步骤320之后的结构示意图。如图4所示，除了镶嵌凹陷区域250之外，铜金属层240以及残留在阻挡层210表面上的铜已被选择性地去除，留下阻挡层210。
仍参阅图3，接着进行步骤330，为了避免交叉污染，可选择进行一晶片清洗工艺。当晶片100从第一研磨垫移开后，立即被浸润在去离子水或者其它适合的湿式化学溶液中，此步骤应在第一研磨垫以及第二研磨垫之间进行。
接着，进行步骤340，暴露出来的阻挡层210紧接着利用第二研磨垫以及第二研磨浆研磨去除。其中第二研磨浆最好是含有能够在较低的下压力(～1psi)下将有效地将阻挡层210研磨去除的成分，例如，从Rodel公司所取得的研磨浆。在此阻挡层研磨步骤中，应使研磨对于顶盖层202以及剩下的铜金属具有选择性的移除，以避免对于介电层200造成伤害或者对铜导线造成浅碟效应。图5即以剖面方式显示在经过第二研磨步骤后，晶片100上的金属内连线结构示意图。图中显示阻挡层210已被选择性地研磨移除，而铜镶嵌导线的表面上的浅碟效应被减至最低。最后，进行步骤350，将晶片100移出CMP机中并进行后续的晶片清洗工艺。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种化学机械研磨工艺，包括下列步骤提供形成有金属层以及阻挡层金属内连线的晶片；进行第一研磨步骤，利用一第一研磨垫，在固定的研磨速率下将金属层研磨掉，直到暴露出下方的阻挡层，其中分散于第一研磨垫上的第一研磨浆对阻挡层具有高研磨选择比；以及进行第二研磨步骤，利用一第二研磨垫以及第二研磨浆，将暴露出的阻挡层研磨去除。
2.如权利要求1所述的化学机械研磨工艺，其中该第一研磨浆所具有的铜对阻挡层的研磨选择比大于30。
3.如权利要求2所述的化学机械研磨工艺，其中该第一研磨浆所具有的铜对阻挡层的研磨选择比大于100。
4.如权利要求1所述的化学机械研磨工艺，其中该第一研磨浆含有矾土成分。
5.如权利要求1所述的化学机械研磨工艺，其中该第二研磨浆含有矾土成分。
6.如权利要求1所述的化学机械研磨工艺，其中该第一研磨浆含有硅石(silica)成分。
7.如权利要求1所述的化学机械研磨工艺，其中该第二研磨浆含有硅石成分。
全文摘要
本发明提供一种具有高产出能力的化学机械研磨工艺。首先，将形成有金属层以及阻挡层金属内连线的晶片加载CMP机中，接着，利用一第一研磨垫，在相同的研磨速率下将金属层研磨掉，直到暴露出下方的阻挡层，其中分散于第一研磨垫上的第一研磨浆对阻挡层具有高研磨选择比。经过前述的第一研磨步骤后，接着进行第二研磨步骤，利用一第二研磨垫以及第二研磨浆，将暴露出的阻挡层研磨去除。根据本发明，第一研磨浆的研磨选择比(铜对阻挡层)需至少大于30，优选大于100。
文档编号B24B37/10GK1755901SQ20041008323
公开日2006年4月5日 申请日期2004年9月29日 优先权日2004年9月29日
发明者许嘉麟, 蔡胜群 申请人:联华电子股份有限公司