TW394721B - A two-step chemical-mechanical polishing method - Google Patents

Description

-----_B7_ 五、發明説明（| ) 本發明是有關於一種使半導體元件的表片平坦的方 法’且特別是有關於一種包括兩階段硏磨步驟的化學機械 硏磨法。 半導體製程技術中，表面平坦化是處理高密度微影的 一項重要技術，因沒有高低落差的平坦表面才能避免曝光 故射使曝光平面都落在光學景深（depth of focus)之內， 而達成精密的圖案轉移(pattern transfer);爲了使多重金屬 內連線的製作較容易進行，且經轉移的導線圖案較爲精 確’医1此如何使晶圓（wafer)高低起伏的表面加以平坦化是 非常II要的。此外，晶圓平坦化是影響對準系統對準之準 確度的主要因素，假若晶圓平坦化做不好，那麼不僅對準 系統無法準確地使光罩(mask)對準晶圓，更會造成製程中 的錯誤機會增加。 化的方法中，化學機械硏磨法是唯一能提供大 土半導體積體電路（very large semiconductor integration, VLSI)’甚至超大型半導體積體電路（ultra-LSI, ULSI)製程， 连到王面性平坦化（global planarization)的一種技術。 CMP主要就是利用類似”拋光”這種機械式硏磨的原 理’配合適當的化學助劑（reagent)，使晶圓表面高起部分 的硏磨速率大於低窪部分的硏磨速率，以達到減少高低落 差的一種平坦化技術。在化學機械硏磨製程中所使用的硏 漿（slurry)通常包括化學組成(chemica丨c〇nip〇nent)比如酸或 鹼’和機械組成（mechanical component)比如砂土（silica, Sl02)、銘土（aluiriina，A1203)、鈽土（ceria, Ce02)、二氧化 3 本紙張尺度適用中國"準（CNS ) Α4· ( 210X297公釐) ' (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝· 訂 -線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4581twf.doc/005 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（>) 鈦（titania，Ti02)以及二氧化锆（zirconia，Zr〇2)等成分組成 之硏磨劑（abrasive)。晶片的表面硏磨就是利用欲去除的材 質與硏漿中的化學活性組成反應’進一步利用硏漿中硏磨 性極高的硏磨粒進行機械性的硏磨。 請參照第1圖，其繪示爲一種傳統的化學機械硏磨裝 置之剖面圖。傳統的化學機械硏磨裝置包括有可旋轉的硏 磨台12 ’在硏磨台12上有一硏磨塾(polishing pad) 14。利 用晶片承載器（wafer carrier)16負載晶片18，使晶片18的 表面朝下’將晶片18上欲被硏磨的一側與硏磨墊14接觸， 並利用一輸送管20將硏漿22輸入於硏磨墊14上，接著 旋轉硏磨台12以進行化學機械硏磨，將晶片18表面凸出 之沉積層一步一步除去。 由硏磨劑的形成機制來看，硏磨劑可分爲兩種型態， 一爲噴燒（fumed)的硏磨劑，係將含有上述成分（如矽土、 鋁土等）的溶液，以噴嘴快速的噴灑到高溫室中，使硏磨 劑上的溶劑快速蒸發掉，而矽土、鋁土等成分會互相聚集 形成鏈狀結構，形成之硏磨粒具有較大的顆粒，尺寸約大 於l〇〇nm，且硬度較高，由於反應速度快，適用於大量生 產，是目前一般半導體業界較常使用的方法。另一種爲矽 酸膠（colloidal)的硏磨劑，係利用控制水中的pH値，使上 述用以製作硏磨粒的成分在溶液中慢慢成長，形成的硏磨 劑具有較小且較均勻的顆粒，其顆粒大小大約小於 100nm，且硬度較噴燒式硏磨粒爲低。 在使用上，顆粒較大的硏磨劑的硏磨速率大於顆粒小 4 N 0¾ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 、τ

本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4规格（210 X 297公釐） 4581twf.d〇c/005 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（令） 的硏磨劑，但相對的對於被硏磨物的損害也較爲嚴重。以 硏磨一個半導體結構上的一層介電層爲例，當硏磨進行到 終點時，介電層會完全被去除，而位在介電層下方的線路 結構會被暴露出來，而線路上所承受的應力會與硏磨劑的 顆粒大小成正比，當應力過大時，線路本身會產生微裂縫 (micro-crack)，造成良率上的損失，而矽酸膠的硏磨劑因 爲具有較小的顆粒，在硏磨時產生的的應力及缺陷較少。 一般傳統的化學機械硏磨製程分爲兩個階段，第一個 階段使用硬的硏磨墊進行硏磨，藉以增加晶圓的平坦度。 第二階段用軟的硏磨墊以及較小的壓力進行，藉以增加晶 圓表面的均勻度，此二階段分別在兩個硏磨台上進行。在 兩階段的硏磨中通常都是使用相同的硏漿，使用噴燒的硏 磨劑雖然具有高的硏磨速率，但用以進行第二階段的硏磨 容易損傷半導體結構；而使用矽酸膠的硏磨劑進行硏磨， 雖然對於半導體結構的損害較小，但由於其顆粒較小，硏 磨速度相對的變慢，要在相同的時間內完成硏磨的步驟， 則須增加硏漿中硏磨劑的濃度，如此會大幅增加硏漿的使 用成本。此外，傳統兩階段的硏磨需要轉換硏磨機台，分 別使用硬度不同的硏磨墊，轉換機台會耗費時間，而使用 不同的硏磨墊則會增加消耗品的成本。 因此，本發明提供一種兩階段化學機械硏磨的方法， 兩階段均在同一個硬度高的硏磨墊上進行，無須使用軟的 硏磨墊，可降低硏磨墊的使用成本，且因爲兩個階段的硏 磨步驟都在同一機台同一硏磨墊上進行，不需要轉換機 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝·

*1T i線 本紙張尺度適用中國囷家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 4581twf.doc/005 A7 ^-- 五、發明説明（y·) 台，可以節省轉換機台所耗費的時間、、 erWU與機械硏磨法，首先以噴 本發明提供的一種兩階段化#憐 燒的硏磨劑進行第-隱的硏磨，去除大部分的被硏磨 物，比如阻擋層上方的介電層或阻障層上方的金屬層’由 於噴燒的硏磨劑具有較大的顆粒，硏磨速率較快’可以在 短時間內去除大部分的被硏磨物’藉以增加半導體結構表 面的平坦度。之後，再以矽酸膠的硏磨劑進行第一階段的 硏磨，去除剩餘的被硏磨物，以暴露出阻檔層或阻障層’ 矽酸膠的硏磨劑具有小且均勻的頼粒’對半導體結構表面 產生的損害較小，藉以增加半導體結構表面的均勻度。 爲讓本發明之上述目的、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’作詳細說明如 下： 圖式之簡單說明： 請參照第1圖，其繪示爲一種傳統的化學機械硏磨裝 置之剖面圖。 m 1^1 ^^^1 m ·:囂 nn I (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁}

、1T Τ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖示標記說明： 12 硏磨台 14 硏磨墊 16 晶片孕:載器 18 晶片 20 輸送管 22 實施例 硏漿 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Λ4規格（210X297公釐） 458ltwf.doc/005 Λ/ B7 五、發明説明（r) 本發明用以進行化學機械硏磨的機台與習知相同，可 參照第1圖所示的化學機械硏磨機台之簡示圖。 首先，提供欲進行化學機械硏磨的晶片18，利用化學 機械硏磨法進行的平坦化製程，可能是用以硏磨一層厚的 介電層，將阻擋層上方的介電層去除，使介電層的表面可 以得到全面性的平坦；其中阻擋層之材質比如爲氮化矽， 介電層之材質比如爲二氧化矽。另外也有可能是用以去除 接觸栓（contact plug)或介層洞（via hole)以外的金屬 層，以形成兩層金屬導線之間的連接。在塡入金屬層之前， 通常會先形成一層阻障層，故進行化學機械硏磨時，即以 阻障層爲硏磨終止層，去除其上方的金屬層；其中金屬層 之材質包括鎢、鋁或銅，阻障層之材質包括鈦/氮化鈦、 鉅或氮化鉬等。 晶片承載器16將晶片18放置在硏磨墊14上，將欲硏 磨的晶片18面朝下，輸送管20將硏漿22傳送到硏磨墊14 的中心，硏磨台12會與晶片承載器16沿相對的方向旋轉’ 此時硏漿22會因爲硏磨台12旋轉時的離心力塗佈於整個 硏磨墊Η上，以進行硏磨。 硏磨分爲兩個階段進行，第一階段硏磨進行時，輸送 管2〇會將第一硏漿傳送到硏磨墊14上進行硏磨，第一硏 獎中的硏磨劑係用噴燒的方式形成，故硏磨劑具有較大的 顆粒’顆粒大小約等於或大於100ηηι。硏磨劑顆粒的大小 會與硏磨速率成正比，故第一階段以較快的硏磨速度去除 約90%的欲硏磨物，藉以得到平坦的表面；以厚度爲5〇〇〇Α (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .裝 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本^^尺度it财關家;( CNS ) A4a# ( 21GX297公釐) ^ A7 B7 58ltwf.doc/005 五、發明説明（t) 的介電層爲例，在第一階段的硏磨中約45〇〇A的介電層會 被去除。 之後進行第二階段的硏磨，輸送管20此時會將第二硏 漿傳送到硏磨墊I4上進行硏磨，第二硏漿中的硏磨劑係 利用矽酸膠的方式形成，硏磨劑具有較小且較均勻的顆 粒’其大小約介於10與100nm之間。由於硏磨劑的顆粒 較小’故硏磨進行的速率會較第一階段慢，但也因爲硏磨 速度慢，硏磨進行時對硏磨物的選擇比也會較高，第二階 段的硏磨會去除剩餘約10%的介電層，同樣以介電層爲 例’第二階段會去除剩餘約500A的介電層，而暴露出阻 擋層。當暴露出介電層下方的阻擋層時，由於硏磨速度較 慢’故對於介電層與阻擋層的硏磨選擇比較高，較不易損 害到阻擋層，藉以得到一個具有均勻表面的晶圓。 此外，由於第一硏漿中的硏磨劑顆粒較大，在硏磨時 容易造成晶圓表面的損傷，比如刮傷或缺陷，進行第二階 段的硏磨時，較小的硏磨劑可以去除第一階段造成的損 傷。且第一階段與第二階段的硏磨均在同一機台上進行， 使用同一硏磨墊，不需要轉換機台與使用軟硬不同的兩種 硏磨墊’對於節省製程進行的時間與硏磨墊的消耗有很大 的助益。雖然第一階段的硏磨速率較慢，但由於大部分的 欲硏磨物已在第一階段的硏磨中去除，所以第二階段的硏 磨並不需要很長的時間。所以，整體來說利用本發明提供 的方法進行化學機械硏磨製程，所需的時間與成本的消耗 都可以進一步的縮減。 8 本紙張尺度酬^關^:網1 ( CNS ) A4規格( ) "" {請先閲讀背面之注$5再填寫本頁) •裝* :?τ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 經濟部智慧財產局員工消費合作社印敦 394721 五、發明説明（7) 因此，本發明的特徵之一在於，提供一種兩階段化學 機械硏磨的方法，使用兩種顆粒大小不同的硏磨劑分別進 行第一階段與第二階段的硏磨，用以取代傳統使用同一種 硏漿進行硏磨時，需要轉換機台與硏磨墊等耗費成本的方 .法。 本發明的另一特徵在於，第一階段所用的硏磨劑係利 用噴燒的方法形成，很容易大量生產，故所需成本較低， 而且硏磨劑具有較大的顆粒，可以很快的去除大部分的欲 硏磨物。 本發明的再另一特徵在於，第二階段所用的硏磨劑係 利用矽酸膠的方法形成，具有較小且均勻的顆粒，在硏磨 進行時對於晶片表面產生的應力會小於第一階段硏磨產生 的應力。此外，較小的硏磨劑還可以去除在第一階段硏磨 時在晶片表面產生的損傷或刮痕。 本發明的再另一特徵在於，第二階段的硏磨具有較低 的硏磨速率，因此當硏磨至終點時，也就是硏磨至暴露出 阻擋層或阻障層時，對於被硏磨物（介電層或金屬層）的硏 磨選擇比較高，容易控制平坦表面的均勻度，使化學機械 硏磨製程具有較大的製程欲度（window)。 雖然本發明已以一較佳實施例揭露如上，然其並非用 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。 9 本紙浪尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事嵴再填寫本頁) •裝·

、1T

Claims (1)

1. 394721 六、申請專利範圍 1.一種兩階段化學機械硏磨的方法，該方法包括下列 步驟： 提供一被硏磨物； 以一第一硏漿進行硏磨，去除約90%的該被硏磨物； 以及 以一第二硏漿進行硏磨，去除剩餘之該被硏磨物。 2. 如申請專利範圍第1項所述之兩階段化學機械硏磨 的方法，其中該第一硏漿具有一硏磨劑，其顆粒大小約爲 100nm，甚至大於100nm。 3. 如申請專利範圍第2項所之兩階段化學機械硏磨的 方法，其中該硏磨劑至少包括矽土、鋁土、鈽土、二氧化 鈦以及二氧化銷其中之一，係以噴燒方法形成。 4. 如申請專利範圍第1項所之兩階段化學機械硏磨的 方法，其中該第二硏漿具有一硏磨劑，其顆粒大小約大於 10nm而約小於100nm。 5. 如申請專利範圍第4項所述之兩階段化學機械硏磨 的方法，其中該硏磨劑至少包括矽土、鋁土、鈽土、二氧 化鈦以及二氧化锆其中之一，係以矽酸膠的方法形成。 6. 如申請專利範圍第1項所述之兩階段化學機械硏磨 的方法，其中該方法係在一化學機械硏磨機台上之一硬硏 磨墊上進行。 7. —種兩階段化學機械硏磨的方法，在一化學機械硏 磨機台上之一硏磨墊上進行，該方法包括下列步驟： 提供一晶圓，包括一氮化矽層與一二氧化矽層，其中 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4说格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事冬再填寫本頁) -裝- 、一s° 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 394721 A8 DO 4581twf.doc/005 D8 六、申請專利範圍 該二氧化矽層部分位於該氮化矽層之上； 以一第一硏漿進行硏磨，去除約90%之位於該氮化砂 層上方之該二氧化矽層；以及 以一第二硏漿進行硏磨，完全去除該氮化矽層上方之 該二氧化矽層，以暴露出該氮化矽層。 8. 如申請專利範圍第7項所述之兩階段化學機械硏磨 的方法，其中該第一硏漿與該第二硏漿分別具有一硏磨 劑，其成分至少包括矽土、鋁土 '鈽土、二氧化鈦以及二 氧化锆其中之一。 9. 如申請專利範圍第8項所之兩階段化學機械硏磨的 方法，其中該第一硏漿之該硏磨劑顆粒約爲l〇〇nm，甚至 大於lOOnm，係以噴燒方法形成。 10. 如申請專利範圍第8項所之兩階段化學機械硏磨的 方法，其中該第二硏槳之該硏磨劑顆粒約大於l〇nm而約 小於lOOnm，係以矽酸膠的方法形成。 Π.—種兩階段化學機械硏磨的方法，在一化學機械硏 磨機台上之一硏磨墊上進行，該方法包括下列步驟： 提供一晶圓，包括一金屬層與一阻障層，其中該金屬 層部分位於該阻障層之上； 以一第一硏漿進行硏磨，去除約90%之位於該阻障層 層上方之該金屬層；以及 以一第二硏漿進行硏磨，完全去除該阻障層層上方之 該金屬層，以暴露出該阻障層。 12.如申請專利範圍第11項所述之兩階段化學機械硏 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) .裝· 、va 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） 394721 A8 4 5 8 1 twf . doc / 0 0 5 D8 六、申請專利範圍 磨的方法，其中該第一硏漿與該第二硏漿分別具有一硏磨 劑，其成分至少包括矽土、鋁土、鈽土、二氧化鈦以及二 氧化锆其中之一。 13. 如申請專利範圍第12項所之兩階段化學機械硏磨 方法，其中該第一硏漿之該硏磨劑顆粒約爲l〇〇nm，甚至 大於lOOnm，係以噴燒方法形成。 14. 如申請專利範圍第12項所之兩階段化學機械硏磨 的方法，其中該第二硏漿之該硏磨劑顆粒約大於l〇nm而 約小於lOOnm，係以矽酸膠的方法形成。 15. 如申請專利範圍第11項所述之兩階段化學機械硏 磨的方法，其中該阻障層之材質包括鈦/氮化鈦、鉅與氮 化鉅其中之一。 16. 如申請專利範圍第11項所述之兩階段化學機械硏 磨的方法，其中該金屬層之材質包括鎢、鋁與銅其中之一。 (請先閲讀背面之注意事^<再填寫本頁) .裝- 、vs 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐）