CN102810473A - 改善钨栓化学机械研磨表现的方法 - Google Patents
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Abstract
一种改善钨栓化学机械研磨表现的方法，包括：执行步骤S1：提供介质材料衬底；执行步骤S2：在所述介质材料衬底之顶层沉积所述氮化硅薄膜；执行步骤S3：光刻、刻蚀、去胶清洗，并进行扩散阻挡层沉积和金属钨沉积填充层制备；执行步骤S4：通过所述化学机械研磨去除冗余的金属钨沉积填充层；执行步骤S5：采用热磷酸去除残留的氮化硅薄膜。通过本发明所述改善钨栓化学机械研磨表现的方法所获得的钨栓接触孔或通孔平整、均匀、无溃蚀和凹陷等缺陷，且所述钨栓接触孔或通孔的近圆度有一定提高，并增大了后续光刻工艺窗口，增大后续工艺的稳定度；所述改善钨栓化学机械研磨表现的方法不仅提高金属钨沉积填充层研磨的均匀性和可控性，而且降低缺陷，提高产品良率。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，尤其涉及一种改善钨栓化学机械研磨表现的方法。
背景技术
金属钨是集成电路芯片中的重要互连材料，其性质非常稳定，熔点高，抗电迁移优异，所以被广泛用作接触孔（contact）的金属互连以及铝互连技术中的通孔（via）的金属填充材料。金属钨通常是采用嵌入式的填充法，首先，在刻蚀好接触孔或通孔结构的基板上采用物理气相沉积的方式（PVD）沉积扩散阻挡层；然后，利用化学气相沉积（CVD）的方式将金属钨填充到所述接触孔或通孔结构，并过填充使其有一定的冗余量，以确保所有结构填充完全；最后，利用化学机械研磨技术将冗余的金属钨和扩散阻挡层去除，从而形成钨栓结构。
请参阅图6，图6所示为现有钨栓化学机械研磨后的结构示意图。在现有化学机械研磨工艺中，为了确保多余的金属钨7被彻底去除，且金属扩散阻挡层8不会有残留，通常都会设置充分的过研磨量。而常见的用于钨栓结构的介质材料9一般相对于金属钨7都质地较软，化学机械研磨的去除率也大于金属钨7和金属扩散阻隔层8。因此，由于过量的化学机械研磨量会造成凹陷（dishing）和溃蚀（errosion）等缺陷，使金属钨7的厚度均匀性变差，钨栓层的整体厚度差异扩大，进而影响其上堆叠的后续金属层的光刻和良率。
虽然，本领域的技术人员从改善化学机械研磨工艺出发，进行了研磨速度，研磨液和研磨垫等方面的改进，但收效不明显，且会影响到产率和成本，所以并未从根源上解决问题。因此，寻求一种可提高金属钨金属研磨的均匀性和可控性，降低缺陷，提高良率的工艺是本行业亟待解决的问题。
故针对现有技术存在的问题，本案设计人凭借从事此行业多年的经验，积极研究改良，于是有了发明一种改善钨栓化学机械研磨表现的方法。
发明内容
本发明是针对现有技术中，传统的钨栓互连结构在制备过程中由于采用过量的化学机械研磨量会造成凹陷和溃蚀等缺陷，使所述钨栓的厚度均匀性变差，钨栓层的整体厚度差异扩大，进而影响其上堆叠的后续金属层的光刻和良率，以及本领域的技术人员从改善化学机械研磨工艺出发，进行了研磨速度，研磨液和研磨垫等方面的改进，收效不明显，且会影响到产率和成本等缺陷提供一种改善钨栓化学机械研磨表现的方法。
为了解决上述问题，本发明提供一种改善钨栓化学机械研磨表现的方法，所述改善钨栓化学机械研磨表现的方法包括：
执行步骤S1：提供介质材料衬底，所述介质材料衬底用于刻蚀形成所述金属互连中的接触孔或通孔；
执行步骤S2：在所述介质材料衬底之顶层沉积作为所述化学机械研磨工艺的终点阻挡层的所述氮化硅薄膜；
执行步骤S3：对所述具有氮化硅薄膜的介质材料衬底进行光刻、刻蚀、去胶清洗，并进行扩散阻挡层沉积和金属钨沉积填充层制备；
执行步骤S4：通过所述化学机械研磨去除冗余的金属钨沉积填充层，所述化学机械研磨停止在所述氮化硅薄膜上；
执行步骤S5：采用热磷酸去除残留的氮化硅薄膜，以获得由所述钨栓形成的钨栓互连结构。
可选的，所述介质材料衬底为氧化硅，掺杂硫磷的氧化硅，氟掺杂的氧化硅或低介电常数材料的其中之一。
可选的，所述氮化硅薄膜的沉积方式采用化学气相沉积的方式，且所述氮化硅薄膜的成长温度为150～450℃，所述氮化硅薄膜的厚度以在所述化学机械研磨工艺中可保障足够阻挡所述钨栓研磨量的厚度为宜。
可选的，所述氮化硅薄膜的厚度为100～1000埃。
可选的，所述扩散阻挡层为Ti、TiN的至少其中之一。
可选的，所述扩散阻挡层采用物理气相沉积的方式沉积。
可选的，所述金属钨填充制备层采用化学气相沉积方式沉积。
可选的，所述钨栓较所述介质材料衬底的凸出高度通过控制所述氮化硅薄膜的厚度或者调节所述化学机械研磨工艺中的研磨量进行控制。
综上所述，通过本发明所述改善钨栓化学机械研磨表现的方法所获得的钨栓接触孔或通孔平整、均匀、无溃蚀和凹陷等缺陷，且所述钨栓接触孔或通孔的近圆度有一定提高，并增大了后续光刻工艺窗口，降低了后续层次的光刻对焦深的要求，增大后续工艺的稳定度。所述改善钨栓化学机械研磨表现的方法不仅提高金属钨沉积填充层研磨的均匀性和可控性，而且降低生产缺陷，提高产品良率。
附图说明
图1所示为本发明改善钨栓化学机械研磨表现的方法的流程图；
图2所示为本发明所述介质材料衬底上沉积所述氮化硅薄膜的结构示意图；
图3所示为本发明所述具有氮化硅薄膜的介质材料衬底经过光刻、刻蚀去胶清洗，并进行扩散阻挡层沉积和金属钨沉积填充层制备的结构示意图；
图4所示为本发明所述金属钨沉积填充层经过所述化学机械研磨的结构示意图；
图5所示为本发明所述氮化硅薄膜去除后的钨栓所形成的钨栓互连结构示意图；
图6所示为现有钨栓化学机械研磨后的结构示意图。
具体实施方式
为详细说明本发明创造的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。
请参阅图1，图1所示为本发明改善钨栓化学机械研磨表现的方法的流程图。所述改善钨栓化学机械研磨表现的方法，包括以下步骤：
执行步骤S1：提供介质材料衬底，所述介质材料衬底用于刻蚀形成所述金属互连中的接触孔或通孔；在本发明中，所述介质材料衬底为氧化硅，掺杂硫磷的氧化硅，氟掺杂的氧化硅或低介电常数材料的其中之一。
执行步骤S2：在所述介质材料衬底之顶层沉积作为所述化学机械研磨工艺的终点阻挡层的所述氮化硅薄膜；所述氮化硅薄膜的沉积方式采用化学气相沉积的方式，且所述氮化硅薄膜的成长温度为150～450℃。明显地，所述氮化硅薄膜的厚度以在所述化学机械研磨工艺中可保障足够阻挡所述钨栓研磨量的厚度为宜。在本发明中，优选地，所述氮化硅薄膜的厚度为100～1000埃。
执行步骤S3：对所述具有氮化硅薄膜的介质材料衬底进行光刻、刻蚀、去胶清洗，并进行扩散阻挡层沉积和金属钨沉积填充层制备。在本发明中，所述扩散阻挡层为Ti、TiN的至少其中之一。所述扩散阻挡层采用物理气相沉积的方式沉积。所述金属钨填充制备层采用化学气相沉积方式沉积。
执行步骤S4：通过所述化学机械研磨去除冗余的金属钨沉积填充层，所述化学机械研磨停止在所述氮化硅薄膜上；
执行步骤S5：采用热磷酸去除残留的氮化硅薄膜，以获得由所述钨栓形成的钨栓互连结构。
在本发明中，明显地，可以通过控制所述氮化硅薄膜的厚度或者调节所述化学机械研磨工艺中的研磨量，实现对所述钨栓较所述介质材料衬底的凸出高度进行控制。
请参阅图2、图3、图4、图5，并结合参阅图1，图2所示为本发明所述介质材料衬底上沉积所述氮化硅薄膜的结构示意图。图3所示为本发明所述具有氮化硅薄膜的介质材料衬底经过光刻、刻蚀去胶清洗，并进行扩散阻挡层沉积和金属钨沉积填充层制备的结构示意图。图4所示为本发明所述第二刻蚀窗口的结构示意图。图5所示为本发明所述金属钨沉积填充层经过所述化学机械研磨的结构示意图。图6所示为本发明所述氮化硅薄膜去除后的钨栓结构示意图。在本发明中，所述介质材料衬底1为氧化硅，掺杂硫磷的氧化硅，氟掺杂的氧化硅或低介电常数材料的其中之一。所述介质材料衬底1相对于所述金属钨沉积填充层2质地较软。沉积在所述介质材料衬底1之顶层并作为所述化学机械研磨工艺的终点阻挡层的所述氮化硅薄膜3的沉积方式采用化学气相沉积的方式，且所述氮化硅薄膜3的成长温度为150～450℃。所述氮化硅薄膜3的厚度以在所述化学机械研磨工艺中可保障足够阻挡所述金属钨沉积填充层2研磨量的厚度为宜。在本发明中，优选地，所述氮化硅薄膜3的厚度为100～1000埃。所述扩散阻挡层4为Ti、TiN的至少其中之一。所述扩散阻挡层4采用物理气相沉积的方式沉积。所述金属钨填充制备层2采用化学气相沉积方式沉积。经过所述化学机械研磨后除残留的氮化硅薄膜3采用热磷酸去除。由于热磷酸对介质材料衬底1的刻蚀率很低，其选择比约50~70：1，因此可以选择性的去除所述氮化硅薄膜3而不损伤到所述介质材料衬底1。在本发明中，同时可以通过调节所述氮化硅薄膜3的厚度和化学机械研磨的过研磨量，调节所述钨栓5的凸出高度到所需量值。
请继续参阅图2、图3、图4、图5，并结合参阅图1，本发明所述改善钨栓化学机械研磨表现的方法，包括以下步骤：
执行步骤S1：提供介质材料衬底1，所述介质材料衬底1用于刻蚀形成所述金属互连中的接触孔或通孔；
执行步骤S2：在所述介质材料衬底1之顶层沉积作为所述化学机械研磨工艺的终点阻挡层的所述氮化硅薄膜3；所述氮化硅薄膜3的沉积方式采用化学气相沉积的方式，且所述氮化硅薄膜3的成长温度为150～450℃。明显地，所述氮化硅薄膜3的厚度以在所述化学机械研磨工艺中可保障足够阻挡所述金属钨沉积填充层2研磨量的厚度为宜。在本发明中，优选地，所述氮化硅薄膜3的厚度为100～1000埃。
执行步骤S3：对所述具有氮化硅薄膜3的介质材料衬底1进行光刻、刻蚀、去胶清洗，并进行扩散阻挡层4沉积和金属钨沉积填充层2制备。在本发明中，所述扩散阻挡层4为Ti、TiN的至少其中之一。所述扩散阻挡层4采用物理气相沉积的方式沉积。所述金属钨填充制备层2采用化学气相沉积方式沉积。
执行步骤S4：通过所述化学机械研磨去除冗余的金属钨沉积填充层2，所述化学机械研磨停止在所述氮化硅薄膜3上；
执行步骤S5：采用热磷酸去除残留的氮化硅薄膜3，获得由所述钨栓5形成的钨栓互连结构。
在本发明中，明显地，可以通过控制所述氮化硅薄膜3的厚度或者调节所述化学机械研磨工艺中的研磨量，实现对所述钨栓5较所述介质材料衬底1的凸出高度进行控制。
综上所述，通过本发明所述改善钨栓化学机械研磨表现的方法所获得的钨栓接触孔或通孔平整、均匀、无溃蚀和凹陷等缺陷，且所述钨栓接触孔或通孔的近圆度有一定提高，并增大了后续光刻工艺窗口，降低了后续层次的光刻对焦深的要求，增大后续工艺的稳定度。所述改善钨栓化学机械研磨表现的方法不仅提高金属钨沉积填充层研磨的均匀性和可控性，而且降低生产缺陷，提高产品良率。
本领域技术人员均应了解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变型。因而，如果任何修改或变型落入所附权利要求书及等同物的保护范围内时，认为本发明涵盖这些修改和变型。
Claims (8)
1.一种改善钨栓化学机械研磨表现的方法，其特征在于，所述改善钨栓化学机械研磨表现的方法包括：
执行步骤S1：提供介质材料衬底，所述介质材料衬底用于刻蚀形成所述金属互连中的接触孔或通孔；
执行步骤S2：在所述介质材料衬底之顶层沉积作为所述化学机械研磨工艺的终点阻挡层的所述氮化硅薄膜；
执行步骤S3：对所述具有氮化硅薄膜的介质材料衬底进行光刻、刻蚀、去胶清洗，并进行扩散阻挡层沉积和金属钨沉积填充层制备；
执行步骤S4：通过所述化学机械研磨去除冗余的金属钨沉积填充层，所述化学机械研磨停止在所述氮化硅薄膜上；
执行步骤S5：采用热磷酸去除残留的氮化硅薄膜，以获得由所述钨栓形成的钨栓互连结构。
2.如权利要求1所述的改善钨栓化学机械研磨表现的方法，其特征在于，所述介质材料衬底为氧化硅，掺杂硫磷的氧化硅，氟掺杂的氧化硅或低介电常数材料的其中之一。
3.如权利要求1所述的改善钨栓化学机械研磨表现的方法，其特征在于，所述氮化硅薄膜的沉积方式采用化学气相沉积的方式，且所述氮化硅薄膜的成长温度为150～450℃，所述氮化硅薄膜的厚度以在所述化学机械研磨工艺中可保障足够阻挡所述钨栓研磨量的厚度为宜。
4.如权利要求3所述的改善钨栓化学机械研磨表现的方法，其特征在于，所述氮化硅薄膜的厚度为100～1000埃。
5.如权利要求1所述的改善钨栓化学机械研磨表现的方法，其特征在于，所述扩散阻挡层为Ti、TiN的至少其中之一。
6.如权利要求1所述的改善钨栓化学机械研磨表现的方法，其特征在于，所述扩散阻挡层采用物理气相沉积的方式沉积。
7.如权利要求1所述的改善钨栓化学机械研磨表现的方法，其特征在于，所述金属钨填充制备层采用化学气相沉积方式沉积。
8.如权利要求1所述的改善钨栓化学机械研磨表现的方法，其特征在于，所述钨栓较所述介质材料衬底的凸出高度通过控制所述氮化硅薄膜的厚度或者调节所述化学机械研磨工艺中的研磨量进行控制。
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