TW415064B - Planarization of damascene interconnects - Google Patents

Description

經滴部中央掠準局員工消费合作社印裂 415064 — Α7 _ Β7_一 _ •^、發明説明（1 ) 本發明是有關於鑲嵌式内連線結構（damascene interconnect structure)的製程技術且特別是有關於一種镶’ 嵌式内連線的平坦化方法。 隨著積體電路日趨精密與複雜化，為了能夠在有限的 晶片表面上製作足夠的金屬内連線，目前大多採用多層内 連線（multi-level interconnects)的立體架構方式，以完成各 個元件的連接’並以内金屬介電層（IMd : Inter_Metal Dielectrics)來作為隔離各金屬内等線之介電材料；而至於 上下層内連線之間，則透過接觸窗（c〇ntact)或介層窗（via) 之金屬插塞來作電性連接》 在傳統内連線的製程中，由於接觸窗構造與導線圖案 係分別製作而成，因此需要個別的沈積與定義圖案程序， 使得整個製程步驟極其繁複，在當前電路設計日益複雜化 的趨勢下，將增加製作都時間與成本，不利於生產線上的 應用。 為克服上述困難，目前另發展出一種鑲嵌式内連線結 構（damascene interconnect structure)，係在基底的介電層上 ，先行製作出具有介層窗與内連線圊案之凹槽，然後再以 一導電層填滿介層窗和内連線圖案凹槽，同時製作出接觸 插塞與内_線結構，達到簡化製程步驟的效果。為了進一 步說明，以下將配合第1Α圖至第抒圖之剖面示意圖，說 明習知鑲嵌式内連線結構的製作方法。 一睛參照第圖，首先提供一矽基底1〇〇，其上形成有 半導體7C件如電晶體或電容等（未顯示），接著再依習知的 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ------1T------ 1. I- I I I · 415064 A7 B7 :經濟部中央標準局負工消費合作社印製 五、發明説明（2 ) 半導體製程形成一内介電層（ILd : lnte卜Layer Dielectrics) 11〇·，用以隔離半導體元件，其次形成一下層金屬内.連線 120 ’例如一紹金屬層。 接著’在内介電層110與下層金屬内連線12〇的表面 上，依序覆蓋絕緣層130、氮化梦層140、及絕緣層15〇 。其中，氮化梦層140是作為银刻終止層，其與絕緣層i 3 〇 、150合為層間介電層，如多重内連線之内金屬介電層 (IMD)135，一般層間介電層係採用低介電係數之氧化物質 〇 接下來參照第1B圖，以微影成像與敍刻程序，在絕緣 層150上定義出内連線凹槽160 ,以露出欲形成内連線構 造的區域。之後，施行另一次微影成像與蝕刻程序，逐一 蝕刻氮化矽層140與絕緣層13〇至露出下層金屬内連線12〇 為止’以便在内連線凹槽160的下方形成介層窗17〇，如 第1C圖所示。 ^ . 之後’睛參照第1D圖’先在基底上沈積一擴散阻障 層（barrier layer) 175，例如Ti/TiN阻障層。然後再以電鍍 或沈積的程序，形成—導電金屬層180，填滿介層窗17〇 和内連線凹槽160，並且延伸覆蓋在絕緣層15〇的表面上 ’其中導電金屬層180的材質’可以是鋼、金、鋁、銀等 金屬材料 之後，再以回蝕刻或化學機械研磨（CMp)將絕 緣層150上方的阻障層175和導電金屬層18〇去除，即可 得到一鑲嵌式内連線結構。 在上述鑲嵌式内連線結構的製程中，由於已先在介 I：、紙張尺度適用巾國國家標準.（CNS) Α4·_ (2!0><297公楚 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

415064 經滴部中夾椋準局員工消費合作社印裝 A7 B7 五、發明説明（3 ) 層中形成0連線凹槽與介層洞，因此後續的金屬内連線與 接觸插塞便可以同時:形成其中，不僅.具有簡化製程步驟的 效果’也可改善傳統令因金屬導線與接觸插塞材質不同所 導致黏著性不佳的問題；尤其是使用銅金屬的鑲嵌式内連 線’不僅可達到内連線的縮小化並且可減少RC時間延遲 ，因此已成為現今多重内連線主要的發展趨勢。 為了使導電金屬能完全填入僅有次微米大小的溝槽及 介層窗，目前所發展出的有機金屬化學氣相沈積法（M〇_ CVD)及電艘沈積法（eiectr〇piaiing deposition)，已可達到極 佳的階梯覆蓋效果。然而，欲將此一製程作廣泛的應用之 前’仍有部份問題亟待謀求改善之策。以下請繼續參照第 1E圖與第1F圖之說明。 第1E圖所示’為第1D圖之導電金屬18〇進行化學機 械研磨時的剖面圖。在研磨進行時，由於晶圓上圖案的密 ’度不同’：因此每個區域的研磨速率也不盡相同，例如在空 曠區（open area)上的金屬層i80a，由於研磨迷度較慢，經 常在其他區域以研磨完畢之後仍有金屬殘留，因此經常需 要利用過度研磨（over polishing)加以去除，但如此一來， 又會使圖案區域的導電層18〇b形成如第1F圖所示的碟狀 凹陷（dishing) ’造成金屬導線的阻值上昇，同時絕緣層 也會因而磨損’影響到多重内連線的品質。此外，由於每 種產品的内連線圖案不同，將使得金屬殘留—凹陷的情形顯 得更加嚴重且不易控制。 有鑑於此，本發明的主要目的就是提供一種鑲嵌式内 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

5

經濟部中央標準局只工消f合作社印^ 415064 A7 __I____B7 五、發明说明（4 ) 連線的平坦化方法’以解決習知方法中導電層研磨不均的 課題’同時避免過度研磨所引發的種種缺陷》 根據上述目的，本發明提供一種鑲嵌式内連線的平坦 化方法，係利用反相（reverse t〇ne)圖案的微影手續，再將 去除空曠區上凸起的導電層去除，以利於後序CMP的進行 。該方法包括下列步驟：（a)提供一覆蓋有介電層之半導體 基底’其中此介電層經過定義後具有一鑲嵌式内連線溝槽 ;(b)形成一導電層於此介電層上，並填滿上述鑲诞式内連 線溝#; (c)形成一罩幕層於導電層上，而此罩幕層具有至 少一開口露出導電層之凸起部位（rajsed p0rj；i〇ns);(句經由 罩幕層之開口去除部份導電層；（e)去除罩幕層；以及⑺以 化學機械研磨法對殘餘之導電層進行平坦化，得到一高度 平坦之鑲嵌式内連導線。 上述.中，鑲嵌式内連線溝槽通常包括一内連線凹槽以 及位於此凹槽下方之介層窗，用以露出下層内連線；面在 步驟（b)沈積導電層之前，通常會先沈積一阻障層於基底既 有之輪廓上。 根據本發明之方法，其中步驟（c)罩幕層之開口通常是 對應於基底上的空曠區（〇peri area)，但亦可對應於内連線 以外之任意區域’以將非必要的導電材料先行去除。此罩 幕層通常是以微影製程所使用之光阻，直接曝光、顯影而 成’但使用如氮化矽材質的硬式罩幕亦可達到相同的效果 〇 上述中’導電層的材質可以是鋼、鋁、金'銀、或含 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)八4規格（2f0x297公釐） (請先閲讀背面之注i項再填寫本頁)

用以說明本發明第二實 120〜下層金屬内連線 150~絕_層·;. 135〜内-金 415064 A7 -------------------- B7 五、發明説明（5 ) 有上述金屬之合金。而步驟⑷導電層的去除則以利用雜 光法（electropolishing)所施行者較佳。 -/ 4讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明 顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳 細說明如下： 圖式之簡單說明 第1A〜1F圖為一系列剖面圖，用以說明習知製作鑲嵌 式内連線的流程》 第2A〜2G圖為一系列剖面圖，用以說明本發明第一實 施例製作鑲嵌式内連線的流程^ 第3A〜3C圖為一系列剖面圖 施例製作鑲嵌式内連線的流程。 符號說明 100〜基底；110〜内介電層 ;130〜絕緣層；140〜氣^化劈層； 屬介電層；160〜内連線凹槽；17〇〜介層窗；175〜擴散阻 障層；180〜導電金屬層；200~基底；210〜内介電層 220〜下層金屬内連線；no〜絕緣層；mo〜氮化石夕層 250〜絕緣-層；235〜内金屬介電層；260〜内連線凹槽 苓0〜介層窗；275〜擴散阻障層；28〇〜導電金屬層 290〜光阻罩幕；300〜導電金屬層；310~光阻罩幕。 第一實施例 本發明係一種鑲傲式内連線之平坦化方法，因此底下 首先對鑲嵌式内連線溝槽之製作方法作一簡要說明。 本紙張尺度通用中國國家標準（CNS )八4規格（之川·〆297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經 漓 部 中 央 標 準 局 員 工 消 合 作 社 印 掣 415064 經湳部中夾標準局員工消费合作社印製 五、發明説明（6 ) 首先請參照第2A圖，提埗一半導體基底2〇〇，例如_ ，基底’在基底上可以形成任何所需的半導體.元件，但為 了方便起見’此處僅顯示一平整的基底。 其次在該基底200上形成一覆蓋半導體元件之介電層 210 以作為内介電層（ILD : Inter-Layer Dielectrics)，其 材質例如是硼碟矽玻璃（BPSG)。接著，在内介電層210表 面形成一下層内連線，例如形成一具有輪廓深度之金屬層 ’用為金屬内連線220，此金屬層可為鶴、鋁、鋁石夕銅合 金、或紹鋼合金。 接著，在内介電層210與下層金屬内連 Α7 Β7 . 的表面 上，依序覆蓋絕緣層230、氮化發層240、緣層250 。其中’氮化矽層240是作為钮刻終止層，其與絕緣層23〇 、250合為層間介電層，如多重内連線之内金屬介電層 (IMD)235，一般層間介電層係採用低介電係數之氧化物質 ^以避免層間介電層因RC:延遲時間而減緩積體電路裝置 之操作速度，例如以矽甲烷為主反應物，並藉高密度電漿 化學氣相沈積法（HDP-CVD)所形成之氧化層；或是以四乙 氧基妙烷/臭氧（TEOS/O3)為主反應物，並藉化學氣相沈積 法所形成之氧化層。 接下來參照第2B圖所示，以微影成像與钱刻程序，在 絕緣層250上定義出内連線凹槽260，以露出欲带成内連 線構造的區域β之後，施行另一次微影成像與蝕刻程序， 逐一蝕刻氮化矽層240與絕緣層230至露出下層金屬内連 線220為止，以便在内連線凹槽260的下方形成介層窗270 本紙張尺度適用中國國家標率（CNS ) Λ4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注項再填寫本頁} -訂 415064 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 Α7 Β7 五、發明説明（7 ) _ 如第2C圖所示。至此，鑲嵌式内連線溝渠的圖案定義已 告完成。； —' 應注意的是，上述鑲嵌式内連線溝槽的製作方法僅為 舉例說明之用，並非用以限定本發明之範圍，本發明之平 坦化方法，可應用在任何結構與任何方式所形成之鑲嵌式 内連線溝槽。. 請接著參照第2D圖，先在基底上沈積一擴散阻障層 (barrier layer) 275，例如是们/丁⑻、TiN、Ta、丁抓等 。然後再以電鍍或沈·積的方式，形成一導電金屬層28〇， 填滿介層窗270和内連線凹槽260，並且延伸覆蓋在絕緣 層250的表面上。導電層的材質可以是銅、鋁、金、銀、 或3有上述金屬之合金。在本實施例中導電金屬層所 用的材質為銅，可利用1>乂;〇或CVD法先在基底既有之輪 廓上沈積一晶種層（seed layer)後，再利用電鍍的方式於晶 :種層上沈積一鋼導電層。由圖中可看出，在空曠區（叩⑽虹⑸) 上的導電層280a較圓案區的導電層凸出。 請參照第2E圖，在導電層28〇上塗佈一層光阻材料 290 ，經過微影製程之曝光顯影等步驟後，形成至少一開 口 295露出導電層28〇之凸起部位，例如 疋空曠區上凸起的導電層280a。接下來，利用:光阻29〇作 為遮蔽罩幕，經由開口 295去除空曠區上的導電材料，以 利後序CMP的進行。在本實施例中，金屬銅可藉由乾餘刻 (Ch)或濕蝕刻(HNO3)的方式蝕刻去除，但較佳者係將導電 層耦接至正極，利用電拋光法（eIectr〇p〇Ushing)將金屬材料 本紙張尺度巾關家鱗（C叫Λ4ίϋΤ21〇Χ297^ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

經濟部中央榡準局負Η消贽合作社印製 415064 A7 _；_B7 五^説明（8 ) 一 --- 解離去除（以銅為例：Cu — Cu+2 + 2e_ )，其優點是製程 溫度較低’可避免破壞基底上已形成的半導體元件。 撵下來凊參照第2F圖’將光阻罩幕290去除後，殘餘 之導電層280,擁有較為平坦的輪廓圖案。之後，參照第2G 圖’利用化學機械研磨法將絕緣層250上方的阻障層和導 電金屬去除，以形成一鑲嵌式内連線結構28〇b。由於空曠 區上的金屬材料已先行去除，且殘餘之導電層28〇,擁有較 為平坦的輪廓圖案’使得研磨速率較為一致，因此大大減 少了過度研磨的時間.。由第2G圖可知，依本發明之方法 所製作之鑲嵌式内連導線280b具有高度平坦的表面，並可 避免介電層280遭到磨損。 在元成内連線的製作後，熟悉此技藝者可依傳統製程 技術製作一氮化矽護層以及另一内金屬介電層（IMD)，以完 成後序的多重内連線製程，但由於這些製程非關本發明之 特徵，故在此處不予贅述》 «f 第二實施例 請參照第3A圖至第3C圖，其顯示本發明之第二實施 例’其中相同步驟在此不予贅述。首先請參照第3a圖， 其對應於第2D圖中已形成導電層280之場合，為避免混淆 ’此處之導電層以標舞;300表示。 在導電層300上塗佈一層光阻材料31〇，經過微影製 程之曝光顯影等步驟後，形成複數個開口 315，用以定義 出此内•線的反相（reverse tone)圖案。由圖中可知，這些 開口 315不僅裸露出空曠區上方的導電層，同時也露出内 10 本紙張尺度適用中國國家標準< C’NS ) Λ4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

415064 A7 ^------- -B7_ 五、發明説明（9 ) —連線圖案間非必要的導電材料。接下來，利用光洱310作 為遮蔽罩幕，經由開口 315去除内連線圖案以外的導電材 料例如了利用刖文中所述之電抛光法（electropolishing) 將之去除。 將光阻罩幕310去除後，殘餘之導電層如第3B圖所示 ’僅剩下内連線溝槽上方的導電材料3〇〇,。之後，同樣以 化學機械研磨法進行平坦化製程，即可得到一高度平坦的 鑲嵌式内連線結構3〇〇b，如第3C圖所示。 由上述可知，本發明所提供之另一種鑲礙式内連線的平坦 化方法’其特徵在於不僅將空曠區上方的導電層去除，同 時亦將内連線之間非必要的導電材料予以去除’可進一步 縮短過度研磨的時間，以減少凹陷效應。 雖然本發明已以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 和範圍内，當可作各種之更動與潤啣.，因此本梦明之保護 範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。 (請先閲讀背面之注項再填寫本頁)

經濟部中央標準局員工消费合作社印掣 本紙張尺度適用宁國囤豕標準（CNS ) A4規格（21〇x297公釐）

Claims (1)

1. 經濟部中央標準局貝工消費合作社印聚 415064 A8 B8 C8 __ D8 六、申請專利範圍 1 · 一種鑲嵌式内連線的平坦化方法，包括下列步驟： (a) 提供一覆蓋有介電層之半導體基底，其中.該介電層 麵過定義後具有一鑲嵌式内連線溝槽； (b) 形成一導電層於該介電層上，並填滿該鑲嵌式内連 線溝槽； (C)形成一罩幕層於該導電層上，且該罩幕層具有至少 一開口露出該導電層之凸起部位； (d) 經由該罩幕層之開口去除部份導電層； (e) 去除該罩幕層；以及 . (f) 以化學機械研磨法對殘餘之導電層進行平坦化，得 到一高度平坦之鑲嵌式内連導線。 2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該基底上 形成有一下層内連線β- 3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該镶嵌式 内連線.溝槽包括一內連線凹槽以及位於該凹槽下方之介層 窗’用以露出該下層内連線。 4_如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該介電層 包括堆疊的氧化矽層/氮化矽層/氧化矽層。 5. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中在步驟（a) 之後與步驟（b)之前，更包括： 沈積一阻障層於該基底既有之輪廓上。 6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該導電層 的材質係擇自：銅、鋁、金、銀、或含有上述金屬之合金 〇 ^ 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先聞請背面之注意事項再填寫本頁)

   415064

   經濟部中央標準局員工消費合作社印裂 申請專利範園 括：7.如申凊專利範圍第6項所述之方法’其中步称⑷包 在基底既有之輪廓上沈積—晶種層b以及 以電鍍法於該晶種層上沈積一導電層。 :罩申幕請專利鋪1項所一 ^ 9.如申請專利_第丨項所述之方法，其中該罩幕層 之開口係對應於該基底上之空瞻區（()penarea)。 如㈣專利範圍第i項所述之方法，其中步驟⑷ 係利用電拋光法（electropoHshing)去除部份導電層β U·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中步驟（d) 係利用乾蝕刻或濕银刻法去除部份導電層。 如申請專利範圍第i項所述之方法，其中步驟⑴ 之後，更包括沈積一氮化矽護層。 13·種鑲歲式内連線的平坦化方法，包括下列步驟： (a) 提供一覆蓋有介電層之半導體基底，其中該介電層 經過定義後具有一鑲嵌式内連線溝槽； (b) 形成一鋼導電層於該介電層上，並填滿該鑲嵌式内 連線溝槽； . (c) 形成一光阻罩幕於該銅導電層上丨，且該光阻罩幕具 有至少一開口對應於該基底上之空曠區（〇periarea); (d) 利用電拋光法（eiectr〇p〇iishing)經由該光阻罩幕之 開口去除部份銅導電層； (e) 去除該光阻罩幕；以及 (請先閲讀背面之注意事項再填窝本頁) > 訂 13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨〇><297公釐） ^15064 A8 B8 C8 D8 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 穴、申請專利範圍 (f)以化學樽械研磨法對殘餘之導電層進行平坦化，得 到一高度平坦之鑲嵌式内連導線。： 14.一種鑲嵌式内連線的平坦化方法，包括下列步驟： (a) 提供一覆蓋有介電層之半導體基底，其中該介電層 經過定義後具有一鑲嵌式内連線溝槽； (b) 形成一導電層於該介電層上，並填滿該鑲嵌式内連 線溝槽； 0)形成一罩幕層於該導電層上，且該罩幕層具有複數 個開口 ’用以.露出該内連線以外之任意區域； (d) 經由該罩幕層之開口去除部份導電層； (e) 去除該罩幕層；以及 (f) 以化學機械研磨法對殘餘之導電層進行平坦化，得 到一高度平坦之鑲嵌式内連導線β 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中該基底 上形成有一下'層内連線。 > r . 16. 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該鑲嵌 式内連線溝槽包括一内連線凹槽以及位於該凹槽下方之介 層窗，用以露;出該下層内連線。 17. 如申請專利範-圍第14項所述之方法，其中該介電 層包括堆疊&氧化矽層/氮化矽層/氧化碎層。 18. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中在步驟（a) 之後與步驟（b)之前，更包括： _沈積一阻障層於該基底既有之輪廓上。 19. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中該導電 14 本紙張尺度適用中國國家操準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

   415064 ABCD 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 六、申請專利範園 — 層的材質係擇自：銅、銘、金 A j姑贫銀、—或含有上述金屬之合 .金。 - ,- ; 2〇·如申請專利範圍第19項所述之方法，其中步驟⑷ 包括： _ 在基底既有之輪廓上沈積一晶種層（seedlayer);以及 以電鍍法於該晶種層上沈積一導電層6 21 ·如申晴專#範圍第14項所述之方法，其中該罩幕 層為光阻罩幕。 22. 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中該罩幕 層所路出之金屬層為該内連線的反相（reverse t〇ne)圖案。 23, 如申請專利範圍第M項所述之方法，其中步驟（d) 係利用電拋光法（electropolishing)去除部份導電層。 24·如申請專利範圍第14項所述之方法，其中步驟（句 係利用乾蝕刻或濕蝕刻法去除部份導電層。 25. 如弗請專利範圍第：14項所述之;方法，其中步驟⑴ 之後，更包括沈積一氮化矽護層。 26. —種鑲嵌式内連線的平坦化方法，包括下列步驟： (a) 提供一覆蓋有介電層之半導體基底，其中該介電層 ^ 經過定義後具有一鑲嵌式内連線溝槽； (b) 形成一銅導電層於該介電層上，並填滿該鑲嵌式内 連線溝槽； (c) 形成光阻罩幕於該銅導電廣上’且該罩幕層具有 複數個開口，用以露出該内連線的反相（reverse tone)圓案 15 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4洗格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本1) 訂„ 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 415064 A8 -. BS C8 D8 六、申請專利範圍 (d) 利巧電抛光法（electropolishing)經由該光阻罩幕之 開口去除部份銅導電層；： (e) 去除該光阻罩幕；以及 (f) 以化學機械研磨法對殘餘之導電層進行平坦化，得 到一高度平坦之鑲嵌式内連導線。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)