TW388965B - Method of forming contact plugs in semiconductor device - Google Patents

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In-Kwon Jeong
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Description

經淌部中戎#绛局貝J-消費合作社印掣 368Spif.doc/002 A7 _B7__ 五、發明说明（丨）
本發明係有關於製造半導體元件的方法’特別係利用 多相選擇性化學機械硏磨製程（multi-phase selective CMP process)以形成接觸窗插塞的方法。 第la圖到第lc圖係繪示形成接觸窗之習知方法的流 程圖。 請參照第la圖，提供具有晶胞陣列區域(a)(cell array region (a))以及週邊電路區域（"(peripheral circuit region(b))的半導體基底 l〇(semiconductor substrate 10)。在 晶胞陣列區域（a)上形成閘極電極層12(gate electrode layers 12)。鬧極電極層12從半導體基底10底部的次序包 括多晶矽層圖案12a、金屬矽化物(silicide)層圖案Ub、以 及絕緣間隙壁（spacer)12c。在包括閘極電極層12的半導體 基底 10 上形成介層絕緣膜（interlayer insulating film)l·4。 該注意的是，介層絕緣膜14在沉積時具有不平坦的上表 面。也就是說，因爲介層絕緣膜14係傾向於共形的 (conformal)，介層絕緣膜I4的上表面之凹凸起伏將配合形 成於半導體基底1〇上之襯墊結構(underlaying structure)所 產生的外形。換句話說，在晶胞陣列區域(a)以及週邊電 路區域(b)的表面位置非常的不同’這造成了 一大距離的落 差。 請參照第lb圖，透過介層絕緣膜丨4開出接觸窗16 以曝露在閘極電極層12外的半導體基底10上表面。在介 層絕緣膜I4上沉積傳導層18，例如多晶矽層，以塡滿接 觸窗16。傳導層18之表面將配合襯墊層14所產生的凹凸 ________ Λ_!__ 本紙张尺度速川中國國家標率（rNS ) M規格（210Χ297公釐） (請先閲讀背面之注項再填寫本頁)
*tT •V- 3688pif.doc/002 3688pif.doc/002 經碱部中决摞枣局β工消费合作社印裝 A7 B7______ 五、發明説明（>) 起伏外觀（topology)。 請參照第lc圖，利用一個步驟的化學機械硏磨製程 剝除傳導層18,也就是多晶矽層以及介層絕緣膜14’藉 以將介層絕緣膜14平坦化並形成接觸窗插塞20(C〇ntaCt plug 20)。 該注意的是，以上所提及的化學機械硏磨製程必須使 用對多晶矽層18以及^介層絕緣膜14具有相同剝除速率的 硏漿（slurries)，以便透過一個步驟同時剝除多晶矽層18以 及介層絕緣膜14。 然而以上所提及的傳統方法具有許多問題。生產具有 以上所提及特性的硏漿係困難的並且控制化學機械硏磨 製程的終點也係困難的。 另外，接觸窗16的形成無可避免的具有深的深度。 這是因爲晶胞陣列區域（a)的介層絕緣膜14被形成的很厚 以便提供化學機械硏磨製程的容忍度邊緣(margins)。 另外，爲剝除大量介層絕緣膜14以及多晶矽層18之 單一步驟化學機械硏磨製程將造成化學機械硏磨層的不 良平坦性與均勻性(uniformity)。 雖然化學機械硏磨製程的容忍度邊緣能藉由在週邊 電路區域（b)中形成虛置閘極（cjummy gate)並將介層絕緣膜 14平坦化而所獲得改善。然而，虛置閘痺會影響元件，因 此降低元件的電子特性。. 本發明的目的係要解決上述的問題，並提供平坦的多 晶矽-絕緣體表面。· _____；__ 中國國家標率（CNS > Λ4規格（210x297公釐〉 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 3688pif.doc/002 3688pif.doc/002 經消部中次標绛局貝J消费合竹社印狀 A7 B7 五、發明説明（，） 本發明的另一個目的係要將絕緣層平坦化。 本發明的又一目的係要提供使用多相選擇性化學機 械硏磨製程形成接觸窗插塞的方法。 爲達成本發明之上述及其他目的，提供具有第一與第 二區域的半導體基底。在半導體基底上形成第一傳導層圖 案（first conductive layer, pattern)。在包括第一傳導層圖案 的半導體基底上形成一介層絕緣膜，第二區域上的介層絕 緣膜之位置比在第一區域上的介層絕緣膜更低。透過介層 絕緣膜開出接觸窗以曝露第一傳導層圖案外的半導體基 底以及第一傳導層圖案的上表面位置。在介層絕緣膜上形 成第二傳導層以便塡滿接觸窗。在第二傳導層上進行第一 硏磨製程’以便曝露第一區域上介層絕緣膜的上表面。使 用第二區域的第二傳導層之剩餘部分爲罩幕(mask)，在第 一區域的介層絕緣膜上進行第二硏磨製程，直到與第二區 域的第二傳導層下之介層絕緣膜上表面大致平行。在第二 傳導層上進行第三硏磨製程，藉以從第二區域完全剝除第 二傳導層。 根據本發明，在半導體基底上分別進行剝除介層絕緣 膜以及傳導層的多相選擇化學機械硏磨製程。 或者，選擇化學機械硏磨製程分別在第一與第二區域 輪流進行，此製程並能重複以便提供平_化金屬-絕緣膜表 面。 爲讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附圖式，作詳 本紙张尺政进州中國國家榡續(（、NS ) Λ4規格（210 X 297公t ) - . ί (諳先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 丁 3688pif.doc/002 3688pif.doc/002 鯉谏部中决標率扃員工消费合作社印掣 A7 B7 五、發明説明（f) 細說明如下： 圖式之簡單說明： 第1a圖到第lc圖係繪示形成接觸窗插塞之習知方法 的流程圖； 第2a圖到第2f圖係根據本發明的第—實施例繪示形 成接觸窗插塞之新方法的流程圖；以及 第3a圖到第3f圖係根據本發明的第二實施例繪示形 成接觸窗插塞之新方法的流程圖。 實施例 以下係介紹按照本發明應用之較佳實施例，並以第 2圖與第3圖的附圖說明。 請參照第2圖，提供具有晶胞陣列區域(a)以及週邊電 路區域(b)的半導體基底1〇〇。在晶胞陣列區域(a)上形成閘 極電極層1〇2。閘極電極層102從半導體基底1〇〇的底部 次序包括多晶矽層圖案102a、金屬矽化物層圖案i〇2b、以 及絕緣間隙壁102c。在包括閘極電極層102的半導體基底 1〇〇上形成介層絕緣膜104。該注意的是，沉積的介層絕 緣膜104具有不平坦的上表面。也就是說，因爲介層絕緣 膜1〇4係傾向於共形的，介層絕緣膜104上表面的凹凸起 伏將配合半導體基底100上之襯墊結構所產生的外形。換 句話說，在晶胞陣列區域（a)以及週邊胃路區域（b)的表面 位置非常的不同，這造成了一大距離的落差。 介層絕緣膜1〇4係以如氧化矽層(Si02 layer)、未慘雜 矽玻璃層(USG layer)、硼磷矽玻璃層(BPSG layer)、磷矽玻 ______z___ 本i張尺度，國國家標卒（CNS ) Λ4規格（2丨0X297公釐〉 '^ (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) 裝- 訂 368Spif.doc/002 368Spif.doc/002 經满部中夬樣率局貝工消费合作社印衆 A7 _B7___ 五、發明説明（Γ) 璃（phosphosilicate glass, PSG)、氮化砂層（silicon nitride, SiN layer)、氧氮化砂層（silicon oxynitride, SiON layer)、 旋塗戎玻璃層（spin on glass, SOG layer)、流動氧化層 (flowable oxide, FOX layer)、絕緣聚合體（insulating polymer)、以及其組合所形成。氧化矽層是藉由如低壓化 學氣相沉積（low pressure chemical vapour deposition, LPCVD)、電獎力口強化學氣相沉積（plasma enhanced chemical vapour deposition, PECVD)'以及高密度電獎（high density plasma, HDP)的傳統方法所形成。 請參照第2b圖，透過晶胞陣列區域(a)的介層絕緣膜 104開出接觸窗106以便曝露閘極電極層102外的半導體 基底1〇〇部分。在介層絕緣膜104上沉積傳導層108以塡 滿接觸窗106。傳導層108會配合下層結構104所產生的 凹凸起伏外觀。傳導層108包括如鎢（tungsten, W)、銅 (copper, Cu)、銘（aluminum，A1)的金屬層，或者如鎢-砂、 鋁-銅、鋁-銅-矽的金屬合金，以及如多晶矽的非金屬傳 導物質。在本發明的實施例中，使用多晶矽層爲傳導層 108 ° 以下的連續製程對本發明相當重要。請參照第2c圖， 在半導體基底1〇〇上進行第一選擇性化學機械硏磨製程， 藉以剝除晶胞陣列區域(a)的多晶矽層l〇p直到晶胞陣列區 域(a)之介層絕緣膜1〇4的上表面露出。化學機械硏磨製程 使用對多晶矽具有選擇性的商業硏漿。由於磨擦力 (friction force)的增加，晶胞陣列區域（a)的介層絕緣膜104 _________________a.____ 本紙张尺度ii 中國國家標準(〇«)八4規格（2丨0><297公釐） l·— HI ^1 — — ϋ ^νΛ^· HI -- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 3688pif.doc/002 3688pif.doc/002 經"部屮次標绛局負J消费合作社印" A7 B7 五、發明説明（6) 可當作蝕刻中止層（etching stopping iayer)，以便在晶胞陣 列區域(a)的介層絕緣膜104曝露時，提供此製程的終點。 另一方1面，週邊電路區域(b)的多晶矽層1〇8被殘留。 請參照第2d圖，在半導體基底1〇〇上進行第二選擇 性化學機械硏磨製程，以便剝除晶胞陣列區域(a)的介層絕 緣膜104，直到與週邊電路區域（b)的介層絕緣膜1〇4之上 表面大致平行的位置。 此時，在接觸窗106中的多晶矽層1〇8與晶胞陣列區 域(a)的介層絕緣膜104 —起接受輕微的蝕刻，藉以形成平 坦的多晶矽-絕緣層。 在介層絕緣膜104上所進行的第二化學機械硏磨製程 係使用對介層絕緣膜104具有高選擇性的商業硏漿。該注 意的是，週邊電路區域(b)的介層絕緣膜104不受剝除因 爲其介層絕緣膜104係藉由剩餘多晶矽層108所罩幕。因 此，與傳統方法相比，可形成最薄的介層絕緣膜104。 請參照第2e圖，在半導體基底1〇〇上進行第三選擇 化學機械硏磨製程，藉以選擇性的剝除剩餘多晶矽層 以曝露其下介層絕緣膜104的表面。第三化學機械硏磨製 程使用對多晶矽層具有高選擇性的商業硏漿’也就是 相對介層絕緣膜104具有高剝除選擇性速率的硏漿。 在介層絕緣膜104上進行第四化學谭械硏磨製程或緩 衝製程(buffing process) ’藉以去除晶胞陣列區域(a)與週 邊電路區域（b)之間的精細階梯覆蓋（fine steP coverage)， 因此形成平坦的多晶矽-絕緣體層，也就是如第2f圖所繪 __ 9 _______ 尺度冗用中關家標率（（，NS ) Λ4祕（210X297公釐） (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁)
、1T 經漭部中决標卑局負工消费合作社印裝 3688pif.doc/002 A7 ___B7 _ 五、發明説明（q ) 不的平坦接觸窗110以及平坦介層絕緣膜104。 另一種方式是如第2c圖所繪示，在進行第一化學機 械硏層製程之後，將重複的輪流進行在晶胞陣列區域（a) 之介層絕緣膜104上的絕緣層選擇性化學機械硏磨製程以 及在週邊電路區域（b)之多晶矽層上的多選擇性化學機械 硏磨製程，以便將介層絕緣膜104的表面平坦化。 此時，化學機械硏磨製程的最後步驟能由緩衝製程所 取代。 以上所提及的化學機械硏磨製程係使用具有至少兩 個臺板(platens)的多相化學機械硏磨機，透過單一步驟來 進行。如果多相化學機械硏磨機具有兩個臺板，一個係用 來剝除多晶矽而另一個係爲剝除介層絕緣膜。若是四個臺 板，硏磨製程則係依多晶矽化學機械硏磨-絕緣層化學機 械硏磨-多晶矽化學機械硏磨-絕緣層化學機械硏磨的順 序所執行，而硏漿的種類則依照多晶矽化學機械硏磨製程 的步驟改變。 根據以上所提及的方法，利用多相選擇性的化學機械 硏磨製程，可輕易的控制化學機械硏磨製程，並且利用高 選擇性多晶矽化學機械硏磨，可爲化學機械硏磨容忍度邊 緣提供足夠的時間。 第3a圖到第3f圖係根據本發明的第二實施例繪示形 成接觸窗插塞之新方法的流程圖。 請參照第3a圖，在半導體基底200上形成與另一金 屬佈線(metal line)間隔的金屬佈線圖案202。在包括金屬 本紙張尺度通用中國國家栋隼（（、NS ) Λ4規格（2丨0X297公釐） Γ—^-------------訂------.r -« (讀先閱讀背面之注$項再填寫本頁) 3688prf.doc/002 3688prf.doc/002 經满部中戎標準局負土消於合作社印繁 A7 ___B7_ 五、發明说明（》） ~ 佈線圖案2〇2的半導體基底200上形成介層絕緣膜2〇4。 介層絕緣膜204係以如氧化矽層、未摻雜矽玻璃層、硼磷 矽玻璃層、磷矽玻璃、氮化矽層、氧氮化矽層、旋塗式 玻璃層、流動氧化層、絕緣聚合體、以及其組合所形成。 氧化矽層是藉由如低壓化學氣相沉積'電漿加強化學氣相 沉積、以及高密度電漿的傳統方法所形成。介層絕緣膜2〇4 的表面配合下層結構（金屬佈線圖案）所產生的凹凸起伏外 形’因此具有不平坦的表面。換句話說，事先在其下形成 金屬佈線圖案202的區域（(〇之表面位置與未在其下形成金 屬佈線圖案的區域(d)非常不同，而造成了一大距離的高度 落差。 請參照第3b圖，透過介層絕緣膜204開出介層孔 (via)206以曝露金屬佈線圖案2〇2的上表面。在介層絕緣 膜204上沉積傳導層208以塡滿介層孔206。傳導層208 包括如鎢、銅、鋁的金屬層，或者如鎢-矽、鋁-銅、鋁-銅-矽的金屬合金，或者如多晶矽的非金屬傳導物質。在 本發明的此實施例中，使用鎢層爲傳導層208。. 請參照第3c圖，在鎢層上進行第一選擇性化學機械 硏磨製程直到曝露了在其下具有金屬佈線圖案202的區域 (c)之介層絕緣膜204的上表面。第一鎢化學機械硏磨使用· 對鎢具有高選擇性的商業硏漿。另一方面，部份鎢層殘留 在其下未形成金屬佈線圖案的區域，例如區域(d)。 請參照第3d圖，由第一化學機械硏磨製程所曝露的 介層絕緣膜204的部分係由第二選擇性化學機械硏磨製程 本紙張尺度適用中國國家標率（（:NS ) Λ4規格（210X297公漦） (諳先閲讀背面之注f項再填寫本頁)
經满部中决桴準局acJ.消费合作社印掣 3688pif.doc/002 八？ B7 五、發明説明（1) 所剝除。藉著使用剩餘鎢層208爲化學機械硏磨罩幕，第 二絕緣層化學機械硏磨製程使用對絕緣層具高選擇性的 商業硏漿。利用多相選擇性的化學機械硏磨製程，可形成 最薄的介層絕緣膜204。 請參照第3e圖，藉由第三選擇性化學機械硏磨製程， 選擇性地剝除剩餘鎢層208，以曝露其下介層絕緣膜204 的表面。第三選擇性化學機械硏磨製程使用對鎢具高選擇 性的商業硏漿。 在介層絕緣膜2(X4上進行第四化學機械硏磨製程或緩 衝製程，藉以形成平坦的金屬-絕緣體層，也就是如第3f 圖所繪示的平坦介層接觸窗插塞210以及平坦介層絕緣膜 204 ° 另一種方式是如第3c圖所繪示，在進行第一化學機 械硏磨製程後，重複的輪流進行絕緣層選擇性化學機械硏 磨製程與鎢層選擇性化學機械硏磨製程，以便將介層絕緣 膜204的表面平坦化。此時，化學機械硏磨製程的最後步 驟能由緩衝製程所取代。 以上所提及的化學機械硏磨製程可使用具有至少兩 個臺板的化學機械硏磨機，透過單一步驟，依照本發明第 一實施例所述之相似方法進行。 根據本發明的第二實施例，不需要筚了其下未形成金 屬佈線圖案之區域中的介層絕緣膜的最初平坦化，而形成 虛置閘極電極層或虛置金屬佈線圖案。 雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用 (諳先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 本紙張尺度適川中國國家標卒（CNS ) Λ4規格（210X297公釐） 3688pif.doc/002 A7 B7 五、發明説明（卬） 以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精 神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保 護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者爲準。 (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) 訂 經满部中央標準局员Η消费合竹社印裝 J1. 本紙張尺度谪州中國國家標皁（（'灿）六4規格（210乂297公釐）

Claims (1)

  1. B8 C8 D8 3688pif.doc/002 7T、申請專利範圍 1.一種在一半導體元件中形成接觸窗插塞的方法，包 括： 提供具有第一與第二區域的一半導體基底； 在該半導體基底上形成一第一傳導層圖案； 在包括該第一傳導層圖案的該半導體基底上形成一介層 絕緣膜，在第二區域之介層絕緣膜的位置比在第一區域之 介層絕緣膜的更低； ^ 形成穿過該介層絕緣膜的一接觸窗，以曝露該第一傳導 層圖案外的該半導體基底，以及該第一傳導層圖案的部份 上表面； 在該介層絕緣膜上形成一第二傳導層以便塡滿該接觸 齒， 對該第二傳導層進行第一硏磨，以便曝露該第一區域上 該介層絕緣膜的一上表面； 使用該第二區域的該第二傳導層之剩餘部分爲一罩 幕，對該介層絕緣膜進行第二硏磨，直到與該第二區域的 該第二傳導層下之該介層絕緣膜的一上表面大致平行的 一位置，；以及 對該第二傳導層進行第三硏磨，以從該第二區域完全剝 除該第二傳導層。 •2.如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該介層絕 緣膜係由下列一族群中選擇至少一種，該族群包括氧化 矽、未摻雜矽玻璃、硼磷矽玻璃、磷矽玻璃、氮化矽、氧 氮化矽、旋塗式玻璃、流動氧化層、以及絕緣聚合體層。 ___ii_ 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4規格（210><29f分釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 經濟部中央標率局負工消費合作社印製 A8?S D8 •申請專利範圍 3. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該第二傳 導層係由下列一族群中選擇一種，該族群包括鎢、銅、鋁、 鶴-砂、IS -銅、銘-銅-砂、以及多晶砂層。 4. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中該些硏磨 步驟係使用包括至少兩個臺板或更多的化學機械硏磨機一 次連續進行。 5. 如申請專利範圍第1項所述的方法，更包括在第一 與第二區域上進行對該介層絕緣膜的硏磨。 6. 如申請專利範圍第1項所述的方法，更包括在第一 與第二區域上進行對該介層絕緣膜的緩衝硏磨。 7. —種在一半導體元件中形成接觸窗插塞的方法，包 括·· 提供 在該第一 1 在包括該第A 丨層圖案的該半導體基底上形成一介層 絕緣層，在第二區域的介層絕緣膜之位置比在第一區域的 介層絕緣膜更低； 形成穿過該介層絕緣膜的一接觸窗，以曝露該第一傳 導層圖案外的該半導體基底以及該第一傳導層圖案的部份 上表面； 在該介層絕緣膜上形成一第二傳導層以便塡滿該接觸齒， 對該第二傳導層進行第一硏磨，以便曝露該第一區域上 該介層絕緣膜的一上表面； __<<_ 3688pif.doc/002 (請先面之注意事項再填寫本頁)
    二區域的一半導體基底； -上形成一第一傳導層圖案； 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4规格（210X29]分釐） 訂 A8 B8 3688pif.doc/002 l^o 六、申請專利範圍 使用該第二區域的該第二傳導層之剩餘部分爲一罩 幕，對在該第一區域上的該介層絕緣膜進行第二硏磨；以 及 對該第二區域的該第二傳導層進行第三硏磨， 其中重複地輪流該第二以及第三硏磨步驟以便形成一 平坦的介層絕緣膜。 8. 如申請專利範圍第7項所述的方法，其中該介層絕 緣膜係由下列一族群中選擇至少一種，該族群包括氧化 矽、未摻雜矽玻璃、硼磷矽玻璃、磷矽玻璃、氮化矽、氧 氮化矽、旋塗式玻璃、流動氧化層、以及絕緣聚合體層。 9. 如申請專利範圍第7項所述的方法，其中該第二傳 ;導層係由下列一族群中選擇一種，該族群包括鎢、銅、鋁、 鎢-矽、鋁-銅、鋁-銅-矽、以及多晶矽層。 10. 如申請專利範圍第7項所述的方法，其中該些硏磨 步驟係使用包括至少兩個臺板或更多的化學機械硏磨機一 次連續進行。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部中央梯準局負工消费合作社印装 -hi. 本紙張尺度逋用中國國家揉率（CNS ) A4規格（210><29^Mt )
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