CN112259501B - 一种接触孔化学机械平坦化的优化方法 - Google Patents
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Abstract
一种接触孔化学机械平坦化的优化方法，包括去除接触孔上方冗余的金属钨，其中，当研磨至接触孔周围的阻挡层出现时，再磨T秒，结束冗余的金属钨的去除；去除阻挡层及剩余的金属钨，完成所述接触孔的化学机械平坦化，获得平坦的金属钨接触连接。本发明提在所述金属钨去除至阻挡层表面时，通过增加金属过磨时间，来降低阻挡层去除过程金属研磨缺陷出现的几率，有利于得到更为平整的接触孔研磨表面；本发明能够减小所述接触孔结构密度较小区域的介质侵蚀缺陷，改善了接触孔在化学机械研磨后的表面平坦性，避免后续形成金属互连时在金属的化学研磨过程中产生金属残留和缺陷，提高了产品良率。
Description
技术领域
本发明涉及可制造性设计制造工艺和化学机械平坦化技术领域，具体涉及一种接触孔化学机械平坦化的优化方法。
背景技术
化学机械平坦化(Chemical mechanical polishing，CMP)作为超精密表面加工的重要环节，是使用最为广泛的平坦化技术，在芯片的加工过程中应用频繁。CMP主要是在晶圆和抛光台的相对运动中，加入化学抛光液，利用化学反应和机械磨抛两种作用，实现晶圆表面的平坦化。CMP技术能够有效地兼顾表面的全局和局部平整度，广泛应用于多层互连结构的层间电介质、浅沟槽隔离、绝缘体、镶嵌金属、多晶硅等表面平坦化。CMP作为实现芯片表面全局平坦化的关键技术和支持可制造性设计流程优化的核心技术，在整个集成电路设计和制造中具有重要作用。
半导体集成电路集成于同一晶圆即硅衬底上，晶圆上的集成电路器件需要通过接触孔(Contact，CT)和金属层引出。接触孔是连接前道刻蚀形成的MOS结构和后道刻蚀形成的金属层的桥梁。接触孔主要有两种类型，一种是开在栅极上的接触孔，一种是开在有源区上的接触孔，其形成工艺的目的是在所有硅的有源区和多晶硅栅表面形成金属接触，这层金属接触可以使硅和随后沉积的导电材料更加紧密地结合起来。接触孔相关工艺流程包括光刻、刻蚀、填充，以及化学机械平坦化。
因图形密度不均匀，化学机械平坦化之后会在特定区域，如线宽、图形密集区产生碟形凹陷、侵蚀等缺陷；而如果底层结构平坦化效果不好，则随着薄膜层数的增加，表面的不平坦度会累积，在特定区域可能在后续形成金属互连时产生金属残留。
接触孔化学机械平坦化后的表面同样会产生碟形凹陷、侵蚀等缺陷，这种缺陷会传递到上层的金属布线层，加剧金属布线层的侵蚀缺陷，进而增大了上层金属化学机械研磨时金属残留的风险。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种接触孔化学机械平坦化的优化方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，本发明提供了一种接触孔化学机械平坦化的优化方法，包括：
(1)去除接触孔上方冗余的金属钨，其中，当研磨至接触孔周围的阻挡层出现时，再磨T秒，结束冗余的金属钨的去除；
(2)去除阻挡层及剩余的金属钨，完成所述接触孔的化学机械平坦化，获得平坦的金属钨接触连接。
基于上述技术方案可知，本发明的一种接触孔化学机械平坦化的优化方法相对于现有技术至少具有以下优势之一或一部分：
1、本发明提供了一种接触孔化学机械平坦化的优化方法，在所述金属去除至阻挡层表面时，通过增加金属过磨时间，来降低阻挡层去除过程金属研磨缺陷出现的几率，有利于得到更为平整的接触孔研磨表面；
2、本发明能够减小所述接触孔结构密度较小区域的介质侵蚀缺陷，改善了接触孔在化学机械研磨后的表面平坦性，避免后续形成金属(比如铜)互连时在金属的化学研磨过程中产生金属残留和缺陷，提高了产品良率。
附图说明
图1为本发明实施例中接触孔的结构示意图；
图2为本发明实施例中接触孔工艺流程图。
附图标记说明：
1-硅基衬底；2-绝缘介质层；3-前道器件；4-接触孔；5-阻挡层。
具体实施方式
以下，将参照附图及实施例对本发明进行详细描述，以辅助本领域技术成员充分地理解本发明的目的、特征和效果。附图中展示了本发明的示例性实施方式，但应当理解，本申请中还能以其他各种形式实现，不应被此处阐述的实施方式所限制。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。另外，本发明以下提供的各个实施例以及实施例中的技术特征可以以任意方式相互组合。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。此外，在此使用的术语“包括”、“包含”、“具有”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
接触孔是芯片中连接前道器件与后道互连的重要结构，其图形尺寸是该技术节点中最小的，而其数量和图形复杂度却并不小。接触孔的性能很大程度上影响着整个芯片的性能。在接触孔的CMP过程中，最为理想化的结果是接触孔内的金属钨不发生凹陷、凸起，接触孔外的钨和阻挡层全部去除，且介质层磨损尽可能的少，整个表面的粗糙度满足工艺要求。本发明针对现有技术中，传统的接触孔填充金属——钨在化学机械研磨后的表面起伏波动大，平坦性差，进而导致铜化学机械研磨后仍有严重的金属残留、碟形凹陷、侵蚀等缺陷，具体提出了一种接触孔化学机械平坦化的优化方法。具体为在接触孔的研磨过程中考虑在金属去除至阻挡层表面时，通过增加金属过磨时间T，来降低阻挡层去除过程金属研磨缺陷出现的几率，以得到表面粗糙度较小的研磨表面。
本发明公开了一种接触孔化学机械平坦化的优化方法，包括：
(1)去除接触孔上方冗余的金属钨，其中，当研磨至接触孔周围的阻挡层出现时，再磨T秒，结束冗余的金属钨的去除；
(2)去除阻挡层及剩余的金属钨，完成所述接触孔的化学机械平坦化，获得平坦的金属钨接触连接。
在本发明的一些实施例中，步骤(1)中，所述T＝H(χ-1)/χ·MRRW1；
其中，H为阻挡层的厚度，MRRW1为步骤(1)中金属钨的去除速率，χ为阻挡层去除速率与步骤(2)中金属钨去除速率之比。
在本发明的一些实施例中，步骤(1)中，当所述T的计算结果大于40秒时，T的取值为15至25秒，T的取值例如可以为15秒、18秒、20秒、22秒、25秒。
在本发明的一些实施例中，步骤(1)中，去除所述冗余的金属钨采用的方法为化学机械平坦化方法。
在本发明的一些实施例中，步骤(2)中，去除所述阻挡层采用的方法为化学机械平坦化方法。
在本发明的一些实施例中，步骤(2)中，所述阻挡层采用的材料包括TiN或Ti中的至少一种。
在本发明的一些实施例中，所述接触孔结构的制备方法包括：
在基底上制备前道器件；
在前道器件上覆盖绝缘介质层；
在绝缘介质层上形成接触孔；
在接触孔内沉积阻挡层；
在接触孔内填充金属钨。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
本实施例提供一种接触孔化学机械平坦化的优化方法，如图1-2所示，具体包括以下步骤：
在硅基衬底1上制备前道器件3，并淀积形成覆盖前道器件3的绝缘介质层2；
光刻、刻蚀绝缘介质层2，以形成接触孔图案；刻蚀后形成接触孔4；
对接触孔4淀积阻挡层5，如TiN和Ti等，并进行金属钨填充，制备金属钨的接触孔结构；
通过化学机械研磨工艺，去除冗余的金属钨和阻挡层，以获得平坦的金属钨接触连接，去除冗余的金属钨和阻挡层分为金属钨的去除和阻挡层的去除两个步骤。
步骤(1)大块金属钨的去除
钨是比较稳定的金属，钨的CMP是一个非常复杂的过程，它包括机械能通过压力和磨料，研磨金属及氧化物，使表面键断裂，从而去除原子或原子链的机械过程；同时也包括化学作用对金属的氧化，形成较软的表面氧化层及抛光液中其他成分与金属或金属氧化物形成盐或其他化合物的化学过程。钨的整个CMP过程可简单概括为氧化膜的不断形成与去除的过程，也是机械作用与化学作用相互加强并促进的过程。
钨CMP过程中需要考虑的重要参数包括：抛光压力，抛光液的组分与流量，磨粒的大小与浓度，氧化剂的选取及其浓度，有机碱的选取及其浓度，表面活性剂的选取及浓度等。
钨CMP的另外一个需要考虑的关键因素即为研磨终止时刻的选取，该部分研磨结束过早容易导致金属残留，而过度研磨则在阻挡层的去除过程中易发生凹陷缺陷。本发明考虑当研磨至绝缘介质层2上金属钨被去除、阻挡层5出现时，再磨T秒(T的确定后面会详细介绍)，钨的去除结束。
步骤(2)阻挡层的去除
阻挡层一般为TiN和Ti，其厚度较薄。同样的，阻挡层的去除需要考虑机械与化学作用的系列参数。该部分还需多考虑的一个因素为阻挡层去除与金属钨去除、介质层去除的速率选择比，尽可能的保证阻挡层能完全去除，介质层去除尽可能少，金属则不发生凹陷或凸起。当阻挡层被完全去除，晶圆表面为介质层时阻挡层的CMP结束。
时间T的确定
在步骤(1)中钨的研磨几乎不会造成阻挡层的磨损，因此过磨时间T使得接触孔中的金属出现一定的凹陷，这个凹陷可以在步骤(2)中阻挡层的去除中来找平。过磨时间T由步骤(1)钨去除中的金属去除速率和步骤(2)阻挡层去除过程中的阻挡层去除速率和钨去除速率的选择比来确定。
在步骤(1)中金属钨的CMP过程中，一般也会考虑应用不同的去除速率，尤其在接近阻挡层时一般会降低去除速率以保证表面平整度，这时钨的去除速率V1记为MRRW1；步骤(2)中阻挡层厚度为H，阻挡层去除速率记为MRRTiN2，其中阻挡层去除速率与钨的去除速率V2选择比记为χ。钨的去除速率V2为在步骤(2)中钨的去除速率。步骤(2)中阻挡层的研磨时间记为H/MRRTiN2，该过程中钨的去除速率V2为MRRTiN2/χ，步骤(2)中钨的去除厚度为V2·H/MRRTiN2＝H/χ，其余要求在步骤(1)中过磨掉，由此可以得到T＝H-H/χ/MRRW1＝H(χ-1)/χ·MRRW1。而一般在步骤(1)的抛光过程中，由于表面凹陷实际金属过磨的速率会小一点，因此可以考虑时间T增大几秒。一般考虑T的数值为15～25秒左右，例如为20秒。
另外在晶圆的CMP过程中，边缘的研磨速度较快，介质层容易过磨，接触孔内的金属更容易露出表面，需要考虑减小晶圆最外圈区域的研磨压力，减小晶圆边缘的磨损，从而改善边缘部分接触孔的缺陷状况。
需要说明的是，尽管已经参照本发明的特定示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，本发明并不局限于上述实施方式，凡是对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意味着包含这些改动和变型。
特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。所有这些组合和/或结合均在本发明的保护范围。因此，本发明的范围不仅由所附权利要求来进行确定，还应由所附权利要求的等同物来进行限定。
Claims (6)
1.一种接触孔化学机械平坦化的优化方法，包括：
(1)去除接触孔上方冗余的金属钨，其中，当研磨至接触孔周围的阻挡层出现时，再磨T秒，结束冗余的金属钨的去除；
(2)去除阻挡层及剩余的金属钨，完成所述接触孔的化学机械平坦化，获得平坦的金属钨接触连接；
其中，步骤(1)中，所述T＝H(χ-1)/χ·MRRW1，H为阻挡层的厚度，MRRW1为步骤(1)中金属钨的去除速率，χ为阻挡层去除速率与步骤(2)中金属钨去除速率之比。
2.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，
步骤(1)中，当所述T的计算结果大于40秒时，T的取值为15至25秒。
3.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，
步骤(1)中，去除所述冗余的金属钨采用的方法为化学机械平坦化方法。
4.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，
步骤(2)中，去除所述阻挡层采用的方法为化学机械平坦化方法。
5.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，
步骤(2)中，所述阻挡层采用的材料包括TiN或Ti中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的优化方法，其特征在于，
所述接触孔结构的制备方法包括：
在基底上制备前道器件；
在前道器件上覆盖绝缘介质层；
在绝缘介质层上形成接触孔；
在接触孔内沉积阻挡层；
在接触孔内填充金属钨。
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