CN1429873A - 用于金属的化学机械抛光浆液及利用该浆液制备半导体装置的金属线接触插头的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于金属的化学机械抛光(下文中称之为‘CMP’)浆液，更明确地，本发明公开了利用对氧化物膜呈酸性并且还包含氧化剂和络合剂的CMP浆液制备半导体装置的金属线接触插头的方法，其以相似的速度抛光金属、氧化物膜和氮化物膜，从而容易分离金属线接触插头。
Description
技术领域
本发明公开了一种用于金属的化学机械抛光(下文中称之为‘CMP’)浆液，更明确地，本发明公开了利用对氧化物膜呈酸性并且还包含氧化剂和络合剂的CMP浆液制备半导体装置的金属线接触插头(contact plug)的方法，其以相似的速度抛光金属、氧化物膜和氮化物膜，从而容易分离金属线接触插头。
背景技术
一般地，对于高度集成的半导体来说，该集成设备可以包含约8,000,000个晶体管/cm2。因此，为了高度集成化，需要多层高质量的金属线才能将这些设备连接起来。这种多层金属线可以通过有效地平整化(planarizing)相邻金属线之间所嵌入的绝缘体来实现。
由于需要平整化晶片的精确方法，所以开发了CMP工艺过程。在CMP工艺中，采用在CMP浆液中具有良好反应性的化学物质，以化学方法除去需要除去的物质。同时采用超细的研磨剂以机械方法抛光晶片表面。CMP方法是通过在晶片的整个表面与旋转的弹性垫之间注入液体浆液来进行的。
用于金属CMP工艺中的常规浆液包含：研磨剂，如SiO2，Al2O3或MnO2；氧化剂，如H2O2，H5IO6或FeNO3，其作用是氧化金属以形成氧化物膜，进而促进蚀刻过程；少量的硫酸，硝酸或盐酸，以便使浆液呈酸性；分散剂；络合剂；及缓冲剂。
当采用常规浆液通过CMP方法除去金属时，金属表面被氧化剂氧化，然后使氧化的部分通过浆液中所包含的研磨剂进行机械抛光并除去。
但是，由于上述的金属CMP浆液比较昂贵，所以增加了CMP方法的单位成本，也增加了制造整个装置的成本。因此，开发了新的浆液，仅以少量的这种新浆液就可以很容易地抛光金属，进而控制成本。
在下文中，将参照附图来说明制备半导体装置的金属线接触插头的常规方法。
图1a是形成位线图案之后的顶视图。图1b是蚀刻金属线接触插头之后的顶视图。图2a至图2d示意性地图示了制备半导体装置的金属线接触插头的常规方法。
参照图2a，其是说明中间层绝缘薄膜堆叠在图1a的A-A′横断面上的情形图。
位线层(bit line layer)(未示出)和掩膜绝缘薄膜(未示出)在半导体基材11上形成。然后，其上堆叠了掩膜绝缘薄膜图案15的位线图案13通过蚀刻所得表面在半导体基材11上形成。
在本发明中，掩膜绝缘薄膜(未示出)是利用厚度为t1的氮化物膜形成的。之后，利用氧化物膜在所得结构的顶面上形成中间层绝缘薄膜17。
参照图2b，其是说明图1b的横断面B-B′的图。
中间层绝缘薄膜图案17-1和金属线接触孔(contact hole)19是利用金属线接触掩膜(未示出)作为蚀刻掩膜(etching mask)，通过蚀刻中间层绝缘薄膜17而形成的。在本发明中，图1b中所示的区域“C”代表通过蚀刻中间层绝缘薄膜17形成金属线接触孔19的区域，而区域“D”则代表未形成金属线接触孔19的区域。
在所得结构上沉积预定厚度的氧化物膜(未示出)，然后蚀刻该氧化物膜，在金属线接触孔19的侧壁、掩膜绝缘薄膜图案15和位线13上形成氧化物隔离体21。在本发明中，在金属线接触孔19中形成的掩膜绝缘薄膜图案15的厚度因形成金属线接触孔19和形成氧化物膜隔离体(oxide filmspacer)21的蚀刻处理而降至t2。
参照图2c，金属层23堆叠(stacked)在所得的结构上。在本发明中，金属层23在金属线接触孔19中具有t3的台阶形覆盖层(step coverage)和自掩膜绝缘薄膜图案15-1为t4的台阶形覆盖层。
参照图2d，金属线接触插头25是通过CMP处理，除去部分的金属层23、中间层绝缘薄膜17-1和氧化物膜隔离体21而形成的。在本发明中，为了利用CMP方法将金属线接触插头25分成P1和P2，应当利用浆液抛光t4的深度，以除去部分的金属层23。
薄膜之间的抛光速度应当相近，以便除去上面的多层薄膜。然而，当使用常规的用于金属的CMP浆液对金属进行抛光时，金属层的抛光速度比氧化物膜的抛光速度快20倍以上。
结果，由于低台阶形覆盖层的金属层因降低氧化物膜或氮化物膜的抛光速度而不容易除去，所以金属线接触插头未分离，而且增加了抛光处理的时间。
换言之，如图3的30所示，晶片的均匀性降低，且产生设备振动现象，导致该方法的稳定性降低。
另外，由于上述CMP方法在低图案密度的外围电路区具有快速的抛光速度，形成于外围电路区(未示出)上的位线上的掩膜绝缘薄膜图案(未示出)在金属线接触插头完全分离之前遭到破坏，使位线(未示出)暴露出来。结果，在装置之间形成跨接，而且增加了漏泄电流，导致装置的可靠性和操作特性降低。
为了克服上述问题，可以使用抛光多层的CMP浆液。例如，在US6,200,875中公开了形成电容器的方法，其中的接头是利用氧化物膜用的CMP浆液同时抛光硅薄膜和氧化物膜而形成的。然而，该专利中没有描述该用于氧化物膜的CMP浆液的组成。
发明内容
因此，本发明公开了一种用于金属的CMP浆液，其可以通过以相似的速度抛光氮化物膜、氧化物膜和金属层，很容易地分离金属线接触插头。
本发明还公开了一种利用上述CMP浆液制备半导体装置的金属线接触插头的方法。
附图说明
图1a是形成位线图案之后的顶视图。
图1b是蚀刻金属线接触插头之后的顶视图。
图2a至图2d示意性地图示制备半导体装置的金属线接触插头的常规方法。
图3是常规金属线接触插头的CD SEM照片。
图4a是形成根据本发明的位线图案之后的顶视图。
图4b是蚀刻根据本发明的金属线接触插头之后的顶视图。
图5a至图5d示意性地公开了本发明的制备半导体装置的金属线接触插头的方法。
图6是本发明的金属线接触插头的CD SEM照片。
图7是说明利用本发明的CMP浆液抛光普通晶片(blanket wafer)中的金属、氧化物和氮化物膜时的抛光速度和选择性的图表。
具体实施方式
本发明公开了一种用于金属的CMP浆液，该对氧化物膜呈酸性的CMP浆液还包含氧化剂和络合剂且通过以相似的速度抛光氮化物膜、氧化物膜和金属层，可以很容易地分离金属线接触插头。
优选用于氧化物膜的CMP浆液具有2～7的pH，并且包含氧化剂和络合剂。结果，优选本发明的用于金属的CMP浆液具有2～3的pH。
本发明的CMP浆液在氮化物膜∶氧化物膜∶金属层为1∶1～2∶1～3的范围内具有抛光选择性。抛光选择性是相似的。
氧化金属以增加抛光速度的氧化剂选自H2O2，H5IO6，FeNO3及其组合。在本发明中，氧化剂的加入量按CMP浆液的体积计为0.5～10％，优选为2～6％。
络合剂与抛光过程中掉下的金属形成络合物，以防止抛光副产物的再堆积。
络合剂选自包含羧基(-COOH)的碳氢化合物如酒石酸，包含硝基(-NO2)的碳氢化合物如硝化甘油，包含酯基(-COO-)的碳氢化合物，包含醚基(-O-)的碳氢化合物，包含氨基(-NH2)的碳氢化合物如乙二胺及其组合。
在本发明中，络合剂具有40～1000的分子量，并且优选该络合剂选自下列的式1～13：
式1
式2
式3
式4
式5
式6
式7
式8
R-O-R
式9
HO-H2C-O-R
式10
R-NH2
式11
式12
式13
其中R为直链或支链的取代C1-C50烷基或芳基。
络合剂的加入量按CMP浆液的体积计为0.001～5％。当该量超过0.001～5％体积时，化学蚀刻的能力因化学要素的增加而提高，从而导致CMP工艺的恶化。因此，络合剂以低于5％体积的量，优选以0.01～1％体积的量加入。
普通金属CMP工艺中使用的浆液所包含的普通络合剂与抛光过程中掉下来的金属形成络合物，以防止抛光副产物的再堆积。
本发明的络合剂促使在金属表面上形成的氧化物膜因氧化剂而容易地被抛光，并且破坏金属-氧化物膜的结合，以除去金属。当用于形成金属线接触插头的CMP工艺中的酸性浆液不包含氧化剂或络合剂或者只包含它们中的一种时，金属的抛光速度不变。然而，当酸性浆液包含以适当比例混合的氧化剂和络合剂时，则可以显著地增加金属的抛光速度。
CMP浆液包含研磨剂，研磨剂选自SiO2，CeO2，ZrO2，Al2O3及其组合。在本发明中，浆液包含按CMP浆液的重量计为0.5～30％，优选10～30％的研磨剂。
CMP浆液包含按CMP浆液的重量计为0.5～30％的研磨剂，研磨剂∶氧化剂的体积比为3～4∶1的氧化剂H2O2，及氧化剂∶络合剂的体积比为20～50∶1的络合剂，然后得到在氮化物膜∶氧化物膜∶金属结构为1∶1～2∶1～3的范围中具有抛光选择性的用于金属的CMP浆液。
本发明的用于金属的CMP浆液还包含分散剂和缓冲剂。
本发明还提供制备半导体装置的金属线接触插头的方法，该方法包括：
在半导体基材上形成位线的堆叠图案和掩膜绝缘薄膜图案；
在所得结构的整个表面上形成中间层绝缘薄膜；
选择性地蚀刻掉中间层绝缘薄膜，以形成金属线接触孔；
在金属线接触孔的侧壁上、位线的堆叠图案上及金属线接触孔中的掩膜绝缘薄膜上形成氧化物膜隔离体；
在所得结构的整个表面上沉积金属层；和
利用本发明的浆液进行CMP处理，以形成金属线接触插头。
掩膜绝缘薄膜为氮化物膜，中间层绝缘薄膜为氧化物膜。
金属层选自TiN，W，Al层，它们的合金，以及它们的组合。
下面将参照附图详细说明本发明的CMP浆液和本发明的制备方法。
图4a是形成位线图案之后的顶视图。图4b是蚀刻金属线接触插头之后的顶视图。图5a至图5d图示了利用本发明的酸性CMP浆液制备半导体装置的金属线接触插头的方法。
参照图5a，其是图示中间层绝缘薄膜堆叠在图4a的横断面E-E′上的情形的图表。
在半导体基材101上形成位线层(未示出)和掩膜绝缘薄膜(未示出)，位线层上依次形成有扩散阻挡薄膜(未示出)和金属层(未示出)。
其后，蚀刻所得的结构，形成其上堆叠了掩膜绝缘图案105的位线图案103。
在本发明中，扩散阻挡薄膜(未示出)是采用TiCl4源，通过化学气相沉积(CVD)法，由Ti/TiN形成的。金属层(未示出)是由钨形成的。
掩膜绝缘薄膜(未示出)是由厚度为t1的氮化物膜在500～600℃的温度下通过等离子体化学沉积法形成的。
下一步，在所得结构的顶面上，采用氧化物膜形成中间层绝缘薄膜107。
参照图5b，其图解了图4b的横断面F-F′。中间层绝缘薄膜图案107-1和金属线接触孔109是利用金属线接触掩膜(未示出)作为蚀刻掩膜，通过蚀刻中间层绝缘薄膜107而形成的。
在本发明中，图4b中所示的区域“G”代表通过蚀刻中间层绝缘薄膜107形成金属线接触孔109的区域，区域“H”代表未形成金属线接触孔109的区域。
下一步，在所得结构上形成预定厚度的氧化物膜(未示出)，然后通过蚀刻该结构的沉积的顶面，在金属线接触孔109的侧壁、位线图案103和掩膜绝缘薄膜图案105上形成氧化物膜隔离体111。
在本发明中，金属线接触孔109中的掩膜绝缘薄膜图案105的厚度因形成金属线接触孔109和形成氧化物膜隔离体111的蚀刻处理而降低至t2。
参照图5c，金属层113沉积在所得的表面上。在本发明中，采用原子层沉积(ALD)法沉积由TiN构成的金属层113，其在金属线接触孔109中具有t3的台阶式覆盖层，并且自掩膜绝缘图案105具有t4的台阶式覆盖层。
由于TiN具有优良的活性，所以本发明的浆液可以很容易地对其进行抛光。本发明的浆液还可用于采用TiN之外的W或Al的金属线的抛光处理。
参照图5d，采用本发明的用于金属的CMP浆液，在金属层113、中间层绝缘薄膜107-1、氧化物膜隔离体和预定厚度的掩膜绝缘薄膜图案105上进行CMP处理。结果，形成均匀的金属线接触插头115，其中区域P1和区域P2是完全分离的。
由于金属层113、中间层绝缘薄膜图案107-1、氧化物膜隔离体111和掩膜绝缘薄膜图案105是在大于t4的厚度下采用CMP工艺依次抛光的，所以位线103上的掩膜绝缘薄膜图案105的厚度降低至小于t2的t5。
当中间层绝缘图案107-1暴露时，可采用干法蚀刻对金属层113的整个表面进行蚀刻处理。因此，其后除去金属层的80～90％的沉积厚度。
可以使用本发明的CMP浆液对氧化物膜进行CMP处理，而且本发明的CMP浆液对于具有良好活性的金属层也具有良好的抛光效果。换言之，如果利用本发明上述的CMP浆液进行CMP处理，则可以防止金属线接触插头因具有低台阶式覆盖层的金属层未充分除去而导致的未充分分离的现象，进而减小对CMP设备的依赖性，使通过平整化的后续过程容易进行，并且提高金属线接触插头之间的绝缘特性。
本发明的用于氧化物膜的酸性CMP浆液还包含氧化剂和络合剂以调节抛光普通晶片上的氮化物膜、氧化物膜和金属层的抛光速度，现将参照下面的实施例更详细地进行说明，这些实施例不能用来限制本发明。
对比例
采用pH为3且包含30％重量的SiO2研磨剂的用于氧化物膜的CMP浆液，通过CMP设备，在3psi的压头和700fpm的皮带速度(belt speed)下，于普通晶片上对高密度等离子体(HDP)氧化物膜、SiN薄膜和TiN薄膜进行抛光。然后，测量每种薄膜的抛光速度，并将其示于表1中。
实施例1
将氧化剂H2O2加到pH为3且包含30％重量的SiO2研磨剂的用于氧化物膜的CMP浆液中，使研磨剂∶氧化剂的重量比为4∶1。然后，将作为络合剂的式1的化合物加到CMP浆液中，使氧化剂∶络合剂的重量比为40∶1，从而得到用于金属的CMP浆液。
利用上面制得的用于金属的CMP浆液，通过CMP设备，在3psi的压头和700fpm的皮带速度下，于普通晶片上对高密度等离子体HDP氧化物膜、SiN薄膜和TiN薄膜进行抛光。然后，测量每种薄膜的抛光速度，并将其示于表1中。
实施例2
将氧化剂H2O2加到pH为3且包含30％重量的SiO2研磨剂的用于氧化物膜的CMP浆液中，使研磨剂∶氧化剂的重量比为3∶1，然后加入与氧化剂重量相同的去离子水。接着，将作为络合剂的式1的化合物加到CMP浆液中，使氧化剂∶络合剂的重量比为40∶1，从而得到用于金属的CMP浆液。
利用上面制备的CMP浆液，重复实施例的过程。然后，测量每种薄膜的抛光速度，并将其示于表1中。
实施例3
将氧化剂H2O2加到pH为3且包含30％重量的SiO2研磨剂的用于氧化物膜的CMP浆液中，使研磨剂∶氧化剂的重量比为4∶1。然后，将作为络合剂的式1的化合物加到CMP浆液中，使氧化剂∶络合剂的重量比为40∶1，从而得到用于金属的CMP浆液。
利用上面制得的用于金属的CMP浆液，通过CMP设备，在5psi的压头和700fpm的皮带速度下，于通用晶片上对高密度等离子体HDP氧化物膜、SiN薄膜和TiN薄膜进行抛光。然后，测量每种薄膜的抛光速度，并将其示于表1中。
实施例4
将氧化剂H2O2加到pH为3且包含30％重量的SiO2研磨剂的用于氧化物膜的CMP浆液中，使研磨剂∶氧化剂的重量比为4∶1。然后，将作为络合剂的式1的化合物加到CMP浆液中，使氧化剂∶络合剂的重量比为40∶1，从而得到用于金属的CMP浆液。
利用上面制得的用于金属的CMP浆液，通过CMP设备，在6psi的压头和700fpm的皮带速度下，于普通晶片上对高密度等离子体HDP氧化物膜、SiN薄膜和TiN薄膜进行抛光。然后，测量每种薄膜的抛光速度，并将其示于表1中。
[表1]
| 抛光速度(单位：/分钟) | |||
| 氮化物薄膜(SiN) | HDP氧化物膜 | 金属(TiN) | |
| 对比例 | 1917 | 2994 | 625 |
| 实施例1 | 1800 | 2432 | 4000 |
| 实施例2 | 1291 | 1816 | 3261 |
| 实施例3 | 2524 | 3525 | 3261 |
| 实施例4 | 2685 | 4052 | 3352 |
图7的图表阐述了氧化物膜/氮化物膜、氧化物膜/金属以及金属/氮化物膜的抛光选择性，其是利用在实施例中测得的抛光速度计算出来的。结果表明，当使用本发明的进一步包含氧化剂和络合剂的用于氧化物膜的浆液时，氧化物膜、氮化物膜和金属均具有类似的抛光选择性，而使用不含氧化剂和络合剂的用于氧化物膜的浆液时，则不然。
如前所述，利用还包含氧化剂和络合剂的用于氧化物膜的酸性CMP浆液，通过CMP方法可以很容易地分离金属线接触插头，所述CMP浆液以相似的速度抛光氮化物膜、氧化物膜和金属。
另外，常规的用于金属的CMP浆液较常规的用于氧化物膜的CMP浆液昂贵10倍。因此，如果采用本发明的氧化物膜CMP浆液对金属进行CMP处理，则可以降低工艺成本并减小对CMP设备的依赖性。此外，由于金属线接触插头的区域完全分离，所以使后续处理更容易的金属线接触插头之间的绝缘特性得到了提高。
Claims (21)
1.一种用于氧化物膜的化学机械抛光(CMP)浆液，其具有2～7的pH，并且包含氧化剂和络合剂。
2.权利要求1的CMP浆液，其中该CMP浆液具有2～3的pH。
3.权利要求1的CMP浆液，其中该CMP浆液对氮化物膜∶氧化物膜∶金属层具有1∶1～2∶1～3的抛光选择性。
4.权利要求1的CMP浆液，其中该氧化剂选自H2O2，H5IO6，FeNO3及其组合。
5.权利要求1的CMP浆液，其中该氧化剂的加入量按CMP浆液的体积计为0.5～10％。
6.权利要求1的CMP浆液，其中该氧化剂的加入量按CMP浆液的体积计为2～6％。
7.权利要求1的CMP浆液，其中该络合剂选自包含羧基(-COOH)的碳氢化合物，包含硝基(-NO2)的碳氢化合物，包含酯基(-COO-)的碳氢化合物，包含醚基(-O-)的碳氢化合物，包含氨基(-NH2)的碳氢化合物及其组合。
8.权利要求7的CMP浆液，其中该络合剂选自下列的式1～13：
式1
式2
式3
式4
式5
式6
式7
式8
R-O-R
式9
HO-H2C-O-R
式10
R-NH2
式11
式12
式13
其中R为直链或支链的取代C1-C50烷基或芳基。
9.权利要求7的CMP浆液，其中该络合剂具有40～1000的分子量。
10.权利要求1的CMP浆液，其中该络合剂的加入量按CMP浆液的体积计为0.001～5％。
11.权利要求10的CMP浆液，其中该络合剂的加入量按CMP浆液的体积计为0.01～1％。
12.权利要求1的CMP浆液，其中该浆液包含选自SiO2，CeO2，ZrO2，Al2O3及其组合的研磨剂。
13.权利要求1的CMP浆液，其中该CMP浆液中包含用量为0.5～30％重量的研磨剂。
14.权利要求1的CMP浆液，其中该CMP浆液中包含用量为10～30％重量的研磨剂。
15.权利要求1的CMP浆液，其中该CMP浆液包含用量为该CMP浆液重量的0.5～30％的研磨剂；研磨剂∶氧化剂的体积比为3～4∶1的氧化剂；及氧化剂∶络合剂的体积比为20～50∶1的下面式1的络合剂：
[式1]
16.权利要求15的CMP浆液，其中该研磨剂为SiO2，该氧化剂为H2O2。
17.一种利用权利要求1的CMP浆液制备半导体装置的金属线接触插头的方法，其包括CMP加工过程。
18.一种制备半导体装置的金属线接触插头的方法，该方法包括：
在半导体基材上形成位线的堆叠图案和掩膜绝缘薄膜图案；
在所得结构的整个表面上形成中间层绝缘薄膜；
选择性地蚀刻掉中间层绝缘薄膜，以形成金属线接触孔；
在金属线接触孔的侧壁上、位线的堆叠图案上及金属线接触孔中的掩膜绝缘薄膜上形成氧化物膜隔离体；
在所得结构的整个表面上沉积金属层；和
利用权利要求1的浆液进行CMP处理，以形成金属线接触插头。
19.权利要求18的方法，其中该掩膜绝缘薄膜为氮化物膜。
20.权利要求18的方法，其中该中间层绝缘薄膜为氧化物膜。
21.权利要求18的方法，其中该金属层选自TiN，W，Al，它们的合金，以及它们的组合。
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