CN103681309A - 一种超厚金属层制作方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种超厚金属层制作方法，该方法应用于射频器件结构中作为的天线的超厚金属层的制作，提供具有顶层金属层的半导体基体，顶层金属层上方沉积介质层并在介质层中形成沟槽，在填充和覆盖沟槽和介质层的金属层之后，在平坦化金属层的过程中，将第一化学机械研磨分为多个阶段，并在每一阶段的分步化学机械研磨之后，进行化学机械研磨后处理，清除分布化学机械研磨过程中附着或者嵌入到金属层表面的研磨颗粒，从而减少超厚金属层的微型伤痕缺陷。

Description

一种超厚金属层制作方法
技术领域
本发明涉及半导体制作技术，特别涉及一种超厚金属层制作方法。
背景技术
现有的半导体制作技术中，通常在半导体衬底上制作各种半导体器件结构，例如，有源区、隔离区，以及有源区中的晶体管源/漏极和栅极，半导体器件结构所在的部分称为半导体器件层。众所周知，半导体器件结构之间的信号传输是通过所述半导体器件层上方的若干金属互连层实现，所述若干金属互连层呈层叠结构。对射频（RF）功率器件而言，一般在位于最上层的金属互连层上方，还会形成作为RF功率器件天线的金属层，其厚度大约为10微米。因其厚度是位于半导体器件层上方的金属互连层厚度（大约2000埃）的50倍，称其为超厚金属层（Ultra-Thickness Metal，UTM）。
现有技术中超厚金属层的制作工艺流程如下：
步骤101，图2为现有技术中超厚金属层的制作工艺步骤101的剖面结构示意图，如图2所示，在顶层金属互连层200上方沉积介质层201。
本实施例中，所述顶层金属互连层是位于最上方的金属互连层，在实际应用中，所述金属互连层下方还依次层叠排列了若干金属互连层（图中未画出）以及具有各种半导体器件结构的半导体器件层（图中未画出）。根据金属互连层的层叠排列顺序，通常将最接近半导体器件层的金属互连层称为第一金属互连层，将第一金属互连层上方的金属互连层称为第二金属互连层，依次类推。通常将包括所述顶层金属互连层200在内的若干金属互连层以及其下方的半导体器件层共同组成的结构称为半导体基体。
步骤102，图3为现有技术中超厚金属层的制作工艺步骤102的剖面结构示意图，如图3所示，在介质层201之上涂覆第一光阻胶（PR），并对第一PR进行曝光、显影，从而形成第一光刻图案302。
其中，第一光刻图案302用来定义后续步骤中的沟槽403的开口宽度。
在实际应用中，在第一PR之下还涂覆有底部抗反射涂层（BARC）。
步骤103，图4为现有技术中超厚金属层的制作工艺步骤103的剖面结构示意图，如图4所示，按照第一光刻图案302对介质层201进行刻蚀，形成沟槽403。
刻蚀沟槽403采用干法刻蚀，具体步骤为现有技术，不再赘述，本实施例中，刻蚀沟槽403的高度为3微米。
刻蚀形成沟槽403后，本步骤还包括将第一光刻图案302剥离的步骤。具体来说，主要采用两种方法去除PR，第一，采用氧气（O2）进行干法刻蚀，氧气与PR发生化学反应，可将PR去除；第二，还可采用湿法去胶法，例如，采用硫酸和双氧水的混合溶液可将PR去除。
步骤104，图5为现有技术中超厚金属层的制作工艺步骤104的剖面结构示意图，如图5所示沉积扩散阻挡层504。
为了防止在后续步骤中沟槽403中所沉积的金属铜落扩散至第一介质层201和第二介质层201中，采用物理气相沉积（PVD）工艺沉积扩散阻挡层504。
步骤105，图6为现有技术中超厚金属层的制作工艺步骤105的剖面结构示意图，如图6所示，采用PVD工艺在扩散阻挡层504之上沉积铜籽晶层（图中未画出）之后，采用化学电镀工艺（ECP）在沟槽403中生长金属铜，形成金属层605。
本步骤中，金属铜不仅填充于沟槽403中，还会完全覆盖介质层201上方，ECP生长的金属层605最终充满整个沟槽403，金属层605的底部到表面的厚度约为10微米，且在沟槽403上方的金属层605表面呈弧形且其高度小于位于沟槽403之间未被刻蚀的介质层201上方的金属层605。这里以沟槽403的高度为3微米为例，则位于沟槽403之间未被刻蚀的介质层201上方的金属层605表面到沟槽403底部的距离为4微米，而沟槽403上方的金属层605表面到沟槽403底部的高度则大于3微米且小于4微米，例如3.7微米。
步骤106，图7为现有技术中超厚金属层的制作工艺步骤106的剖面结构示意图，如图7所示，第一化学机械研磨（CMP）金属层605进行平坦化，露出部分扩散阻挡层504表面；
本步骤中，第一CMP是粗略地将金属层605表面平坦化，尽量减小甚至消除沟槽403上方的金属层605表面与位于沟槽403之间未被刻蚀的介质层201上方的金属层605表面的高度差异。由于第一CMP的不一致性，第一CMP只是将部分位于未被刻蚀的介质层201上方的扩散阻挡层504表面露出，并没有露出所有位于未被刻蚀的介质层201上方的扩散阻挡层504表面。相邻两个露出的扩散阻挡层504之间，金属层605表面的高度相当或略低于两侧的扩散阻挡层504。
需要注意的是，第一CMP需要去除较多的金属层605，因此第一CMP时间也较长，甚至长达6分钟。众所周知，CMP是物理和化学两方面共同作用的一种平坦化工艺，在长时间第一CMP过程中，其物理的机械研磨步骤必然会在金属层605表面产生大量的热，热量使金属层605变软的同时，化学机械研磨中所用的研磨剂（slury）中的研磨颗粒也会嵌入到变软的金属层605中，在后续制作形成的UTM中成为微型伤痕缺陷。
步骤107，图8为现有技术中超厚金属层的制作工艺步骤107的剖面结构示意图，如图8所示，第二CMP抛光金属层605，直到露出扩散阻挡层504表面；
本步骤主要是抛光去除第一CMP后仍然残留在扩散阻挡层504表面的部分金属层605，与第一CMP相比，继续抛光金属层605，露出扩散层表面的时间很短，大约在几十秒，同时，研磨时抛光垫与金属层605接触的压力也与第一CMP不同（小于第一CMP），具体为现有技术，不再赘述。
步骤108，图9为现有技术中超厚金属层的制作工艺步骤108的剖面结构示意图，如图9所示，第三CMP去除扩散阻挡层504，形成超厚金属层905。
本步骤中，第三CMP去除扩散阻挡层504的过程中，也会去除其下方的部分介质层201，从而直到介质层201表面和沟槽403中的金属层605表面共同构成水平一致的平坦面。
至此，本流程结束。
上述现有技术中制作超厚金属层的工艺流程可见，由于UTM的厚度太大，在采用化学机械研磨的方法对UTM抛光的过程中，由于化学机械研磨的时间较长，造成UTM中累积热量变软，从而化学机械研磨所用的研磨剂中的研磨颗粒等杂质会嵌入到软化的金属铜中，造成UTM的微型伤痕缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种超厚金属层制作方法，能够减少微型伤痕缺陷。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种超厚金属层制作方法，提供具有顶层金属互连层的半导体基体，所述顶层金属互连层上沉积介质层，在所述介质层中刻蚀形成沟槽，在所述沟槽和未被刻蚀的介质层表面沉积扩散阻挡层之后，在扩散阻挡层之上生长金属层，所述金属层填充沟槽并完全覆盖介质层表面，该方法还包括：
第一化学机械研磨（CMP）对所述金属层进行平坦化，露出部分扩散阻挡层表面，所述第一化学机械研磨分为独立的N个阶段，每一阶段由两个步骤组成，所述两个步骤顺序为分步化学机械研磨和化学机械研磨后处理，N取值为大于等于2的自然数；
第二CMP抛光所述金属层，直到露出扩散阻挡层表面；
第三CMP去除扩散阻挡层，形成超厚金属层。
所述每一阶段中的分步化学机械研磨时间相同，是第一化学机械研磨总时间的N分之一。
所述N的取值为3。
所述化学机械研磨后处理的方法是对所述分步化学机械研磨后的金属层表面进行气体清洗。
所述气体清洗采用的清洗气体是氮气。
所述化学机械研磨后处理的方法是对所述分步化学机械研磨后的金属层表面进行湿法清洗。
所述湿法清洗采用的清洗液是去离子水。
所述湿法清洗采用的清洗液是中性或者碱性化学试剂。
从上述方案可以看出，本发明提出一种超厚金属层制作方法，该方法在对覆盖在沟槽上方的金属层平坦化的过程中，将第一化学机械研磨分为多个阶段，并在每一阶段的分步化学机械研磨之后，进行化学机械研磨后处理，清除分布化学机械研磨过程中附着或者嵌入到金属层表面的研磨颗粒，从而减少超厚金属层的微型伤痕缺陷。
附图说明
图1为现有技术超厚金属层制作的工艺流程图；
图2～9为现有技术超厚金属层制作的剖面结构示意图；
图10为本发明实施例超厚金属层制作的工艺流程图；
图11～19为本发明实施例超厚金属层制作的剖面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例的方法流程示意图如图10所示，下面结合图11至图19进行详细说明，其包括以下步骤：
步骤1001，图11为本发明超厚金属层的制作工艺步骤1001的剖面结构示意图，如图11所示，在顶层金属互连层上沉积介质层201。
本实施例中，所述顶层金属互连层是位于最上方的金属互连层，在实际应用中，所述金属互连层下方还依次层叠排列了若干金属互连层（图中未画出）以及具有各种半导体器件结构的半导体器件层（图中未画出）。根据金属互连层的层叠排列顺序，通常将最接近半导体器件层的金属互连层称为第一金属互连层，将第一金属互连层上方的金属互连层称为第二金属互连层，依次类推。通常将包括所述顶层金属互连层200在内的若干金属互连层以及其下方的半导体器件层共同组成的结构称为半导体基体。
步骤1002，图12为本发明超厚金属层的制作工艺步骤1002的剖面结构示意图，如图12所示，在介质层201之上涂覆第一光阻胶（PR），并对第一PR进行曝光、显影，从而形成第一光刻图案302。
其中，第一光刻图案302用来定义后续步骤中的沟槽403的开口宽度。
在实际应用中，在第一PR之下还涂覆有底部抗反射涂层（BARC）。
步骤1003，图13为本发明超厚金属层的制作工艺步骤1003的剖面结构示意图，如图13所示，按照第一光刻图案302对介质层201进行刻蚀，形成沟槽403。
刻蚀沟槽403采用干法刻蚀，具体步骤为现有技术，不再赘述，本实施例中，刻蚀沟槽403的高度为3微米。
刻蚀形成沟槽403后，本步骤还包括将第一光刻图案302剥离的步骤。具体来说，主要采用两种方法去除PR，第一，采用氧气（O2）进行干法刻蚀，氧气与PR发生化学反应，可将PR去除；第二，还可采用湿法去胶法，例如，采用硫酸和双氧水的混合溶液可将PR去除。
步骤1004，图14为本发明超厚金属层的制作工艺步骤1004的剖面结构示意图，如图14所示沉积扩散阻挡层504。
为了防止在后续步骤中沟槽403中所沉积的金属铜落扩散至第一介质层201和第二介质层201中，采用物理气相沉积（PVD）工艺沉积扩散阻挡层504。
步骤1005，图15为本发明超厚金属层905的制作工艺步骤1005的剖面结构示意图，如图15所示，采用PVD工艺在扩散阻挡层504之上沉积铜籽晶层（图中未画出）之后，采用化学电镀工艺（ECP）在沟槽403中生长金属层605。
本步骤中，金属铜作为制作金属层605所用的材料，不仅填充于沟槽403中，还会完全覆盖介质层201上方，ECP生长的金属层605最终充满整个沟槽403，金属层605的底部到表面的厚度约为10微米，且在沟槽403上方的金属层605表面呈弧形且其高度小于位于沟槽403之间未被刻蚀的介质层201上方的金属层605。这里以沟槽403的高度为3微米为例，则位于沟槽403之间未被刻蚀的介质层201上方的金属层605表面到沟槽403底部的距离为4微米，而沟槽403上方的金属层605表面到沟槽403底部的高度则大于3微米且小于4微米，例如3.7微米。
在实际应用中，填充在沟槽403中的金属层材料还可以为铝、铂、金等金属，并不局限于本实施例中的金属铜。上述步骤与现有技术相同，不再赘述。
步骤1006，图16和17为本发明超厚金属层905的制作工艺步骤1006的剖面结构示意图，如图所示，第一化学机械研磨（CMP）分为三个阶段，对金属层605进行平坦化，露出部分扩散阻挡层504表面；
本实施例中，第一化学机械研磨分为独立且相同的三个阶段，每一阶段由两个步骤组成，所述两个步骤顺序为分步化学机械研磨和分步化学机械研磨后处理1701，也就是说上述两个步骤交替重复，将连续的一次分步化学机械研磨和一次分步化学机械研磨后处理1701作为一个周期，在整个第一化学机械研磨过程中共执行三个周期。本实施例中，现有技术对应的第一化学机械研磨所需的时间为6分钟，本发明将第一化学机械研磨分为独立且相同的三个阶段，其中，每个阶段的分步化学机械研磨步骤所用的时间为现有技术中第一化学机械研磨所需时间的三分之一，也就是2分钟。以第一阶段的分布化学机械研磨为例，如图16所示，第一阶段的分布化学机械研磨去除的金属层605厚度大约为金属层605表面的最高点到扩散阻挡层504表面之间高度差的三分之一。虽然每个阶段的分步化学机械研磨步骤也会在金属层605表面产生一定的热量，但是其相比现有技术中第一化学机械研磨的时间大大缩短，所以产生的热量还不足以导致金属层605变软，因此分步CMP所用研磨剂中的研磨颗粒（和现有技术没有区别）只会附着在金属层605表面而不会大量嵌入到金属层605中（也可能会有部分研磨颗粒嵌入金属层605表面，但嵌入深度较浅，后续的分步化学机械研磨后处理1701能够将其去除）。每个阶段的分步化学机械研磨步骤后都会接着进行分步化学机械研磨后处理1701，清除附着（或者嵌入）在金属层605表面的研磨颗粒，从而避免了研磨颗粒嵌入金属层605中成为UTM中的微型伤痕缺陷，本实施例中，分步化学机械研磨后处理1701的方法是对所述分步化学机械研磨后的金属层605表面进行气体清洗或者湿法清洗。其中，气体清洗采用的清洗气体是氮气，湿法清洗采用的清洗液是去离子水；优选的，湿法清洗采用的清洗液是中性或者碱性的化学试剂，能够有效防止金属层605腐蚀。如图17所示，第一阶段的分布化学机械研磨之后进行的分步化学机械研磨后处理1701，去除了第一阶段的分布化学机械研磨过程中附着在金属层605表面的研磨颗粒。
上述每一阶段的分步化学机械研磨时间相同，相当于现有技术中第一化学机械研磨总时间的三分之一，因此每阶段的分步化学机械研磨去除的金属层厚度也为现有技术中第一化学机械研磨去除厚度的三分之一。当执行完成上述独立且相同三个阶段后，本发明的第一CMP和现有技术的第一CMP达到了同样的去除预定厚度的金属层605的效果，也就是粗略地将金属层605表面平坦化。
需要注意的是，本发明提出的超厚金属层905制作方法，在第一化学机械研磨（CMP）步骤还可以分为独立的N个阶段，每一阶段由两个步骤组成，所述两个步骤顺序为分步化学机械研磨和化学机械研磨后处理，N取值为大于等于2的自然数。只要将第一化学机械掩膜的步骤分为多步（大于等于两次）执行，且每执行一次分步化学机械研磨，就紧接着进行化学机械研磨后处理，清除之前分步化学机械研磨步骤之后附着在金属层605表面的研磨剂颗粒，就能够实现本发明减少金属层中减少微型伤痕缺陷的目的。此外，本发明并不局限于将化学机械研磨时间N等分，每个阶段中的分步化学机械研磨时间可以根据制造工艺的需要灵活分配，只要保证所有阶段分步化学机械研磨时间的总和相当于现有技术中第一化学机械研磨的时间即可。
步骤1007，图18为本发明超厚金属层905的制作工艺步骤1007的剖面结构示意图，如图18所示，第二CMP抛光金属层605，直到露出扩散阻挡层504表面；
本步骤主要是抛光去除第一CMP后仍然残留在扩散阻挡层504表面的部分金属层605，与第一CMP相比，继续抛光金属层605，露出扩散层表面的时间很短，大约在几十秒，同时，研磨时抛光垫与金属层605接触的压力也与第一CMP不同（小于第一CMP），具体为现有技术，不再赘述。
步骤1008，图19为本发明超厚金属层905的制作工艺步骤1008的剖面结构示意图，如图19所示，第三CMP去除扩散阻挡层504，形成超厚金属层905。
本步骤中，第三CMP去除扩散阻挡层504的过程中，也会去除其下方的部分介质层201，从而直到介质层201表面和沟槽403中的金属层605表面共同构成水平一致的平坦面。
至此，本发明提出的超厚金属层制作方法的工艺流程结束。
上述具体实施例一可见，本申请提出了一种超厚金属层制作方法，该方法应用于射频器件结构中作为的天线的超厚金属层的制作，提供具有顶层金属层的半导体基体，顶层金属层上方沉积介质层并在介质层中形成沟槽，在填充和覆盖沟槽和介质层的金属层之后，在平坦化金属层的过程中，将第一化学机械研磨分为三个阶段，并在每一阶段的分步化学机械研磨之后，进行化学机械研磨后处理，清除分布化学机械研磨过程中附着或者嵌入到金属层表面的研磨颗粒，从而减少超厚金属层的微型伤痕缺陷，满足射频天线制作对缺陷的限制标准。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种超厚金属层制作方法，提供具有顶层金属互连层的半导体基体，所述顶层金属互连层上沉积介质层，在所述介质层中刻蚀形成沟槽，在所述沟槽和未被刻蚀的介质层表面沉积扩散阻挡层之后，在扩散阻挡层之上生长金属层，所述金属层填充沟槽并完全覆盖介质层表面，该方法还包括：
第一化学机械研磨（CMP）对所述金属层进行平坦化，露出部分扩散阻挡层表面，所述第一化学机械研磨分为独立的N个阶段，每一阶段由两个步骤组成，所述两个步骤顺序为分步化学机械研磨和化学机械研磨后处理，N取值为大于等于2的自然数；
第二CMP抛光所述金属层，直到露出扩散阻挡层表面；
第三CMP去除扩散阻挡层，形成超厚金属层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述N的取值为3。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述每一阶段中的分步化学机械研磨时间相同，是第一化学机械研磨总时间的N分之一。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述化学机械研磨后处理的方法是对所述分步化学机械研磨后的金属层表面进行气体清洗。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述气体清洗采用的清洗气体是氮气。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述化学机械研磨后处理的方法是对所述分步化学机械研磨后的金属层表面进行湿法清洗。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述湿法清洗采用的清洗液是去离子水。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述湿法清洗采用的清洗液是中性或者碱性化学试剂。
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