CN102054754A

CN102054754A - 金属互连线的制造方法

Info

Publication number: CN102054754A
Application number: CN2009101985635A
Authority: CN
Inventors: 江志琴
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2009-11-10
Filing date: 2009-11-10
Publication date: 2011-05-11

Abstract

本发明提供了一种金属互连线的制造方法，该方法包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底上依次形成介质层和停止层；在所述停止层上形成图案化的抗蚀剂层；以所述图案化的抗蚀剂层为掩膜，刻蚀所述停止层和所述介质层，直至暴露出所述半导体衬底，以形成开口；在所述停止层上形成金属层，所述金属层填满所述开口；利用化学机械研磨的方式去除所述停止层和所述开口外的金属层，以形成金属互连线。该方法可准确的判断研磨终点，提高了晶片之间研磨的均匀性，进而提高半导体器件的可靠性。

Description

金属互连线的制造方法

技术领域

本发明涉及集成电路制造领域，特别是涉及一种金属互连线的制造方法。

背景技术

随着集成电路向深亚微米尺寸发展，半导体器件的密集程度和工艺的复杂程度不断增加，对工艺过程的严格控制变得更为重要。目前，业界常选用铜和低介电常数材料作为后段金属互连及介质材料，以减小金属互连线的电阻电容延迟(RC delay)。相对于铝而言，铜具有易扩散、难刻蚀等特点，因此业界引入了镶嵌工艺，所述镶嵌工艺的特点就是先在带有器件的半导体衬底上形成介质层，并刻蚀出沟槽，然后淀积铜进入刻蚀好的图形中，并应用化学机械研磨方法除去多余的铜。

详细的，请参考图1A至图1G，其为现有的金属互连线的制造方法的各步骤相应结构的剖面示意图。

参考图1A，首先提供半导体衬底100。其中，所述半导体衬底100上形成有半导体器件结构，例如，具体的电容器或者晶体管结构。为简化，此处以空白结构代替。

参考图1B，在所述半导体衬底100上形成介质层110。其中，介质层110的材质可以是二氧化硅或者其它的低介电常数材料。

参考图1C，利用光刻显影等工艺，在所述介质层110上形成图案化的抗蚀剂层120，其中，所述抗蚀剂层120是指光阻层。

参考图1D，以所述图案化的抗蚀剂层120为掩膜，刻蚀所述介质层110，以形成开口110a。

参考图1E，利用氧气等离子灰化工艺去除所述图案化的抗蚀剂层120，暴露出所述介质层110的表面。

参考图1F，在介质层110上形成金属层130，其中，所述金属层130填满图1E所示的开口110a。

参考图1G，利用化学机械研磨的方式去除图1E所示的开口110a外的金属层130，以在开口110a内形成金属互连线131。

在实际生产中，为保证化学机械研磨过程中，半导体衬底100上不希望保留的金属层130被全部去除掉，因此，在进行研磨步骤时，通常按照工艺要求进行一定程度的过研磨，即在研磨掉开口110a外的金属层130，而暴露出介质层110的表面之后，还额外的研磨掉一部分的介质层110。例如，可额外研磨掉400～

的介质层110，以确保开口110a外的所有金属层130均已被去除。

然而，在进行过研磨的过程中，由于只是研磨掉一部分的介质层110，而保留另一部分的介质层110，并未暴露出另一种材质的表面，因此，化学机械研磨机台无法进行在线实时终点检测(End Point Detection，简称EDP)，因此只能采用假片测试的方法来来估测化学机械研磨工艺的研磨速率，并通过估测的研磨速率估测研磨时间，所有产品即按照统一的研磨时间来进行研磨步骤。但是，由于假片与实际的产品之间的差异，因此利用估测的研磨速率来设定实际研磨时间的方法并不可取。并且，由于不同产品片的初始厚度也并不完全相同，且每一个产品片进行化学机械研磨时的研磨液(slurry)、研磨垫(polishing pad)以及研磨压力等因素的影响，导致不同产品之间的差异性非常大，无法保证所有产品在研磨过程后，所剩余的金属层以及介电层厚度与目标厚度一致，极易出现过度研磨(over polish)或研磨不足(under polish)的情况，从而导致影响半导体器件的电学性能，甚至导致半导体器件失效。

发明内容

本发明提供一种金属互连线的制造方法，以解决现有的化学机械研磨中无法准确判断研磨终点的问题，以提高晶片之间研磨的均匀性，进而提高半导体器件的可靠性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种金属互连线的制造方法，包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底上依次形成介质层和停止层；在所述停止层上形成图案化的抗蚀剂层；以所述图案化的抗蚀剂层为掩膜，刻蚀所述停止层和所述介质层，直至暴露出所述半导体衬底，以形成开口；在所述停止层上形成金属层，所述金属层填满所述开口；利用化学机械研磨的方式去除所述停止层和所述开口外的金属层，以形成金属互连线。

可选的，所述停止层的材质为二氧化硅或氮化硅，所述停止层是通过化学气相沉积方式形成，所述停止层的厚度为400～

可选的，所述介质层包括阻挡层以及位于所述阻挡层之上的绝缘层。

可选的，所述阻挡层的材质为掺杂氮的碳化硅，所述阻挡层是通过化学气相沉积方式形成，所述阻挡层的厚度为300～

可选的，所述绝缘层的材质为掺杂碳的二氧化硅，所述绝缘层是通过化学气相沉积方式形成，所述绝缘层的厚度为2300～

可选的，所述金属层的材质是铜，所述金属层是通过电镀方式形成。

可选的，在所述停止层上形成金属层之前，还包括：利用氧气等离子灰化工艺去除所述图案化的抗蚀剂层的步骤。

与现有技术相比，本发明提供的金属互连线的制造方法包括在半导体衬底上形成介质层和停止层，由于所述停止层和介电层的材质不同，因此化学机械研磨机台可以进行在线实时终点检测，也就是说，在利用化学机械研磨的方式去除开口外的金属层时，同时研磨掉所述停止层，一旦所述停止层被全部去除掉，而暴露出停止层下方的介质层表面时，即停止化学机械研磨过程。所述制造方法可准确的判断研磨终点，提高了晶片之间研磨的均匀性，进而提高半导体器件的可靠性。

附图说明

图1A至图1G为现有的金属互连线的制造方法的各步骤相应结构的剖面示意图；

图2为本发明实施例所提供的金属互连线的制造方法的流程图；

图3A至图3G为本发明实施例所提供的金属互连线的制造方法的各步骤相应结构的剖面示意图。

具体实施方式

本发明的核心思想在于，提供一种金属互连线的制造方法，该制造方法在半导体衬底上形成有介质层和停止层，接着在所述停止层上形成图案化的抗蚀剂层，并以所述图案化的抗蚀剂层为掩膜，刻蚀所述停止层和介质层，以形成开口。由于停止层和介电层的材质不同，因此化学机械研磨机台可以进行在线实时终点检测，也就是说，在利用化学机械研磨的方式去除开口外的金属层时，同时研磨掉所述停止层，一旦所述停止层被全部去除掉而暴露出停止层下方的介质层时，即停止化学机械研磨过程，所述制造方法可准确的判断研磨终点，提高了晶片之间研磨的均匀性，进而提高半导体器件的可靠性。

请参考图2，其为本发明实施例所提供的金属互连线的制造方法的流程图，结合该图，该方法包括步骤：

步骤S20，提供半导体衬底；

步骤S21，在所述半导体衬底上依次形成介质层和停止层；

步骤S22，在所述停止层上形成图案化的抗蚀剂层；

步骤S23，以所述图案化的抗蚀剂层为掩膜，刻蚀所述停止层和所述介质层，直至暴露出所述半导体衬底，以形成开口；

步骤S24，在所述停止层上形成金属层，所述金属层填满所述开口；

步骤S25，利用化学机械研磨的方式去除所述停止层和所述开口外的金属层，以形成金属互连线。

在本发明的金属互连线的制造方法中，由于停止层和介电层的材质不同，因此化学机械研磨机台可以进行在线实时终点检测，也就是说，在利用化学机械研磨的方式去除开口外的金属层时，同时研磨掉所述停止层，一旦将所述停止层被全部去除掉而暴露出停止层下方的介质层时，即停止化学机械研磨过程，该方法可准确的判断研磨终点，提高了晶片之间研磨的均匀性，进而提高半导体器件的可靠性。

下面将结合剖面示意图对本发明的金属互连线的制造方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

参考图3A，首先提供半导体衬底300。其中，半导体衬底300上形成有半导体器件结构，例如，具体的电容器或者晶体管结构。

由于本发明主要涉及半导体器件的后段工艺，所以对在半导体衬底300表面或者中间形成半导体器件结构的过程不予介绍，但是本领域技术人员对此应是知晓的。为简化，此处以空白半导体衬底表示。

参考图3B，在所述半导体衬底300上依次形成介质层310和停止层340。

在本发明的一个具体实施例中，所述停止层340的材质可以为二氧化硅或氮化硅。优选的，所述停止层340的材质是二氧化硅，所述二氧化硅的制造成本比较低，较易被刻蚀。

其中，所述停止层340可通过化学气相沉积方式形成。例如，可利用四乙氧基硅烷(TEOS)作为液态源材料来形成二氧化硅薄膜，采用次常压化学气相沉积(Sub-Atmospheric Chemical Vapor Deposition，简称SACVD)设备，如美国应用材料公司的PRODUCER室。当然，停止层340也可以通过其它方式来形成，例如高温热氧化。

根据半导体器件的工艺要求的不同，所述停止层340的厚度也可以不同。例如，为保证化学机械研磨过程中不希望保留的金属层330被全部去除掉，而需要进行400～

的过研磨时，相应的，停止层340的厚度则为400～

在本发明的一个具体实施例中，所述介质层310包括阻挡层311以及位于所述阻挡层311之上的绝缘层312。

其中，所述阻挡层311可用于阻挡金属扩散。优选的，阻挡层311的材质为掺杂氮的碳化硅(nitrogen dopped silicon carbite，简称NDC)，所述掺杂氮的碳化硅与后续形成的绝缘层312具有较好的粘附性。当然，所述阻挡层312的材质还可以是其它可以阻挡金属扩散的材质，例如氮化硅等。

在本发明的一个具体实施例中，阻挡层311是通过化学气相沉积方式形成。当然，所述阻挡层311也可以通过其它方式来形成，例如物理气相沉积等方式。

根据半导体器件的要求不同，所述阻挡层311的厚度也可以不同。例如，所述阻挡层311的厚度可以为300～

在本发明的一个具体实施例中，所述绝缘层312的材质为掺杂碳的二氧化硅。较佳的，可采用应用材料(Applied Materials)公司的商标为黑钻石(black diamond)的掺杂碳的二氧化硅。所述掺杂碳的二氧化硅的介电常数较低，且与所述阻挡层311具有良好的粘附性。

在本发明的一个具体实施例中，绝缘层312是通过化学气相沉积方式形成。然而应当认识到，绝缘层312也可以通过其它方式来形成，例如物理气相沉积等方式。

根据不同的半导体器件的要求，绝缘层312的厚度也可以不同。例如，所述绝缘层312的厚度可以为2300～

参考图3C，接着在所述停止层340上涂覆光阻，并利用现有的光刻技术在所述停止层340上形成图案化的抗蚀剂层320，所述图案化的抗蚀剂层320用以定义开口。

参考图3D，以所述图案化的抗蚀剂层320为掩膜，刻蚀所述停止层340和介质层310，直至暴露出所述半导体衬底300，以形成开口310a。

在本发明的一个具体实施例中，刻蚀所述停止层340和介质层310时采用的是干法刻蚀，刻蚀气体可以包括四氟化碳、三氟甲烷和氩气。当然，本发明并不对具体的刻蚀温度和刻蚀气体流量进行限定，本领域技术人员通过试验即可获得经验数值。

参考图3E，可利用氧气等离子灰化工艺去除所述图案化的抗蚀剂层320，以暴露出所述停止层340的表面。

在本发明的另一具体实施例中，利用氧气等离子灰化工艺去除所述图案化的抗蚀剂层320的步骤之后，还可包括清洗所述半导体衬底300的步骤。所述湿法清洗工艺可去除残留的光阻，并去除刻蚀之后停止层340表面残留的刻蚀气体以及其它可能存在的残留物例如各种有机聚合物，所述清洗工艺所采用的化学试剂可以包括硫酸和双氧水。当然，所述清洗工艺所采用的清洗剂还可以是DSP溶液，所述DSP溶液是指含有硫酸、双氧水和氢氟酸的混合溶液。

参考图3F，在所述停止层340上形成金属层330，所述金属层330填满如图3E所示的开口310a。

优选的，所述金属层330的材质是铜。与铝互连线相比，铜互连线的优点在于其电阻率较低，导电性更好，由其制成的内连接导线可以在保持同等甚至更强电流承载能力的情况下做得更小、更密集。此外，铜互连线在电迁移、RC延迟、可靠性和寿命等方面也比铝互连线具有更大的优势。

在本发明的一个具体实施例中，所述金属层330是通过电镀方式形成。当然，在发明的其它具体实施例中，形成所述金属层330的方法还可以是原子力沉积或物理气相沉积等方式。

参考图3G，并结合图3A至图3F，利用化学机械研磨的方式去除所述停止层340和开口310a外的金属层330，以在开口310a内形成金属互连线331。

例如，可采用美国的应用材料公司，或者日本的Ebara公司生产的化学机械研磨机台来进行化学机械研磨工艺。

在本发明的一个具体实施例中，由于停止层340和介电层310的材质不同，因此化学机械研磨机台可以进行在线实时终点检测(End Point Detection)，也就是说，在去除开口310a外的金属层330时，同时研磨掉停止层340，一旦停止层340被全部去除掉，进而暴露出停止层340下方的介质层310时，即停止化学机械研磨过程，所述制造方法可准确的判断研磨终点，提高了晶片之间研磨的均匀性，进而提高半导体器件的可靠性。

具体的说，可利用化学成分分析系统来进行在线实时终点检测，所述化学成分分析系统是通过探测材料成分的方法来进行在线实时终点检测。即当暴露出停止层340下方的介质层310时，由于所述绝缘层312的材质为掺杂氮的碳化硅，因此，终点侦测系统可以探测到碳元素的出现，即可判断出停止层340已经被全部去除掉，进而有效地确定化学机械研磨工艺的研磨终点，提高工艺的稳定性。

当然，由于形成了所述停止层340，在本发明的其它具体实施例中，还可以利用其它方法来进行在线实时终点检测，例如，利用光学终点检测法或电机电流终点检测法。

综上所述，本发明提供一种金属互连线的制造方法，该方法包括：提供半导体衬底；在所述半导体衬底上依次形成介质层和停止层；在所述停止层上形成图案化的抗蚀剂层；以所述图案化的抗蚀剂层为掩膜，刻蚀所述停止层和所述介质层，直至暴露出所述半导体衬底，以形成开口；在所述停止层上形成金属层，所述金属层填满所述开口；利用化学机械研磨的方式去除所述停止层和所述开口外的金属层，以形成金属互连线。该方法可准确的判断研磨终点，提高了晶片之间研磨的均匀性，进而提高半导体器件的可靠性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种金属互连线的制造方法，包括：

提供半导体衬底；

在所述半导体衬底上依次形成介质层和停止层；

在所述停止层上形成图案化的抗蚀剂层；

以所述图案化的抗蚀剂层为掩膜，刻蚀所述停止层和所述介质层，直至暴露出所述半导体衬底，以形成开口；

在所述停止层上形成金属层，所述金属层填满所述开口；

利用化学机械研磨的方式去除所述停止层和所述开口外的金属层，以形成金属互连线。

2.如权利要求1所述的金属互连线的制造方法，其特征在于，所述停止层的材质为二氧化硅或氮化硅。

3.如权利要求1或2所述的金属互连线的制造方法，其特征在于，所述停止层是通过化学气相沉积方式形成。

4.如权利要求3所述的金属互连线的制造方法，其特征在于，所述停止层的厚度为400～

5.如权利要求1所述的金属互连线的制造方法，其特征在于，所述介质层包括阻挡层以及位于所述阻挡层之上的绝缘层。

6.如权利要求5所述的金属互连线的制造方法，其特征在于，所述阻挡层的材质为掺杂氮的碳化硅。

7.如权利要求5或6所述的金属互连线的制造方法，其特征在于，所述阻挡层是通过化学气相沉积方式形成。

8.如权利要求7所述的金属互连线的制造方法，其特征在于，所述阻挡层的厚度为300～

9.如权利要求5所述的金属互连线的制造方法，其特征在于，所述绝缘层的材质为掺杂碳的二氧化硅。

10.如权利要求5或9所述的金属互连线的制造方法，其特征在于，所述绝缘层是通过化学气相沉积方式形成。

11.如权利要求10所述的金属互连线的制造方法，其特征在于，所述绝缘层的厚度为2300～

12.如权利要求11所述的金属互连线的制造方法，其特征在于，所述金属层的材质是铜。

13.如权利要求12所述的金属互连线的制造方法，其特征在于，所述金属层是通过电镀方式形成。

14.如权利要求13所述的金属互连线的制造方法，其特征在于，在所述停止层上形成金属层之前，还包括：利用氧气等离子灰化工艺去除所述图案化的抗蚀剂层的步骤。