TW508687B - Local area alloying for preventing dishing of copper during chemical-mechanical polishing(CMP) - Google Patents

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508687 A7 ____ B7 五、發明説明t ) [發明領域] (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明關係於積體電路半導體製造的領域。更明確地 說是，揭示了一種防止發生於化學機械硏磨（CMP)銅時之銅 凹陷現象的程序。 [發明背景] 金屬膜已經被使用於製造積體電路之各種目的中。例 如，已知金屬膜可以用以形成內連線，接觸及其他於半導體晶 圓表面上之導電特性。 ‘近年來，已·經注意到銅·及銅合金之使用於積體電路的金 屬化製程中。銅具有一些特性，使得其對於金屬特性中爲一 特別有吸引力的材料。特別是，銅具有較鋁合金爲低之電阻 率，及銅並不像鋁合金容易受到電遷移。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 半導體製程大致包含提供鎢或銅接線或金屬化於分立 之介電氧化物膜層中。典型用以形成這些膜層的氧化物包 含磷矽玻璃（PSG)，硼磷矽玻璃（BPSG)或二氧化矽（Si〇2)。氧 化層然後使用傳統平坦化技術加以平坦化。隨後，氧化物層 被蝕刻或作出處理以作出一連串之溝渠及孔於其中。一薄 阻障層然後沉積於氧化層上。阻障層大致包含鈦（ΊΊ)及氮化 鈦（TiN)薄膜，其係彼此相疊沉積，以形成一 Ti/TiN堆疊，或鉅 ..(Ta)及氮化鉬（TaN)相疊以形成一 Ta/TaN堆疊。此一阻障層 經常係以被稱爲濺鍍之物理氣相沉積（PVD)法加以沉積，或 藉由化學氣相沉積（CVD)沉積，以形成更保角塗層。因此，阻 障層作用以塗覆溝渠及孔的表^及氧化物層的上表面，並係 本紙張尺度適用中周國家標準（CNS〉A4規格（210X 297公釐） -4- 508687 A7 ____ B7 . 五、發明説明g ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 用以提供於金屬化層及氧化物層之良好黏結。金屬化然後 藉由沉積一層導電材料，例如鎢（W)或銅（Cu)於阻障層上加以 提供，其中W或Cu將完整地塡塞溝渠及孔。被塡塞之溝渠 因而形成線，嵌入層或”全局接線層”，而被塡塞之孔包含突柱 或導孔，這些係被稱爲”區域內連線”。接線層的製造然後藉 由將阻障層及鎢或銅層由氧化物膜表面去除加以完成。這 典型係藉由平坦化技術加以完成。 於製造積體電路時，有很多種已知平坦化的方法，例如阻 擋光阻，光阻回蝕，阻擋光阻及旋轉塗佈玻璃等。一種選擇方 法烏化學機械硏磨（CMP)。‘ CMP提供整個晶圓平坦化。然而 ，以CMP作溝渠平坦化所遭遇的一困難是”凹陷”作用，這典型 發生於全凹陷場結構之溝渠中並係有關於機械硏磨Cu(彈性 及塑性）。”凹陷”於寬溝渠中係特別地嚴重，及於硏磨時”凹 陷”造成於寬溝渠中之介電材料變薄，導致介電質腐蝕。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 形成半導體/積體電路的一方法涉及一已知之嵌入製程 的處理。一嵌入處理產生導電內連線及其他特性，其係直接 由化學機械硏磨所定義。一傳統嵌入製造開始時形成一介 電質，例如氧化物於晶圓基材上。介電質例如藉使用微影術 作出圖案，以形成光阻層。槽係爲介電質所定義於由兩側所 定義之介電質中及爲基材或阻障層所形成之底部上。典型 ..地，阻障層係同時形成於該槽的兩側壁上。例如銅或鎢之導 電材料的保角全面層係沉積於晶圓表面上。最後，晶圓表面 係被硏磨，藉以除去過多之導電材料，同時留下導電材料於平 坦介電表面中。 ^紙張尺度適用中國國家標準( CMS〉A4規格（210X297公釐） 508687 A7 _；_ B7 __ 五、發明説明《) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 於一典型單層或雙層嵌入結構中，銅的凹陷爲於CMP時 不同硏磨速率的結果，這係由於基材間之圖案密度變化所造 成。這使得晶圓上之銅被完全淸除的某些區域曝露至下方 阻障層（典型Ta或TaN)至硏漿，而其他區域將仍保有銅於基 材表面上。爲了完全地硏磨掉銅及阻障層，於溝渠區域上之 外露銅被過度硏磨。此過度硏磨造成銅的凹陷。. 由於想要完全地去除障層層，CMP時之過度硏磨，（阻障 層下）介電膜的過童損失時，一有關”腐蝕”的問題發生。凹陷 及腐蝕面對於今日之CMP均是嚴重的問題。有很多想要修 改硏磨製程，設備及材料，以降低或控制凹陷作用之努力已經 加以進行。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 上述問題係淸楚地描繪於第2A-2C圖中。溝渠區域22 係被例如光雕刻或非等向蝕刻之傳統方法，或其他傳統蝕刻 及雕刻技術之傳統方法所定義於基材中。一耐火金屬（或耐 火金屬複合物），例如鈦，氮化鈦，鎢，氮化鎢或其複合物之阻障 層24係一般被形成於基材之表面，以提供一用於導電銅材料 Z丨几積於其上之黏著層，如所不之層2 6。或者，一導電材料（ 例如銅）之種層（未示出）係沉積於該阻障層上，以加強導電材 料的黏著性。 爲了完成一最後產品，延伸於溝渠或導·孔之過量銅與沉 .積於基材的頂面上之阻障層需要被去除，以留下一平坦表面 於晶圓表面上，同時，溝渠需要被塡充以導電材料。一例如化 學機械硏磨（CMP)之平坦化技術係被利用以去除過量銅及阻 障層。 . · 本紙張尺度適用中周國家標準（CNS ) A4規格( 210X297公釐） ~ ---- -6- 508687 A7 B7 ____ 五.、發明説明1 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 化學機械硏磨係爲一半導體平坦化技術，其使用一化學 硏漿，與硏磨墊，以”平坦”或去除於處理中半導體晶圓表面上 之不連續性。於化學機械硏磨中，一硏磨墊相對於出現有硏 料之機械移除提供了機械應力，其係被組合以一化學處理，以 選擇地移除晶圓表面之外露部份。即，硏漿扮演了多種角色， 即，其爲硏磨粒子分散之媒介，再·者，其磨光化學劑，以提升化 學處理。爲了使化學機械硏磨最佳化，典型地存在有於化學 及機械處理間之合成關係。 ’ 於先前技藝中，一化學機械硏磨製程係用以作用如於第 2B圖所示地移餘銅層26之上部份，留下阻障層24及基材20 頂面上之銅層26的一部份。爲了形成基材20之平坦面，阻 障層24及留在溝渠22之頂部邊緣之一部份銅係被CMP所 硏磨。於硏磨階段中，保留於溝渠中的銅凹陷（示爲27)發生 如於第2C圖所示，造成了不平坦表面。這是由於相較於銅， 阻障層間之相當硬的硬度差異之故，使得阻障層以較銅爲低 之硏磨率硏磨。當CMP硏磨墊向下壓至被硏磨之表面上時， 銅相較於阻障層係較快被硏磨，藉以當阻障層被移除時，形成 一不均勻徑。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 爲了針對先前技藝之凹陷問題，一依據本發明之製程係 如第3A-3F圖所示，藉以降低甚至消除凹陷現象。 [發明槪要] 本發明有關於化學機械硏磨（CMP)時之銅凹陷的問題， 以提供製造積體電路/半導體;έ平坦化表面。 本紙張尺度適用中.國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐) 508687 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明巧 ) 依據本發明，於化學機械硏磨（CMP)之銅凹陷可以藉由 局部沉積一銅合金，而大量減少，於一些情形下被消除。銅合 金可以由銅及一具銅之形成連續固溶體之金屬所形成。藉 由形成銅及形成連續固溶體之金屬的合金，此一合金之局部 區域沉積於下凹區域上之阻障金屬層表面上，該下.凹區域被 塡充以導電材料，以允許條低於CMP製程時所用之硏漿的選 擇性至一導電材料。銅與形成一連續固溶體金屬的合金係 被改變銅之氧化物特徵，機械特性，電特性，剛性特性，及硬度 特性。於這些特性中之變化允許合金層較非合金屬，以更均 勻速度加以硏磨至阻障層土。以此方式，由CMP製程之半導 體或積體電路（或類似裝置）之凹陷區域（溝渠）中之銅凹陷可 以被避免，於阻障層及銅合金間之硏磨速率接近1:1時。 本發明之其他優點及目的將藉由以下詳細說明配合上 ^圖式加以迅速了解。 本發明之實施例將藉由參考附圖加以說明。/ [圖式簡要說明] 第1圖爲依據本發明於CMP前之晶圓的剖面圖。 第2A圖爲於CMP前之先前技藝之晶圓。 第2B及2C圖爲CMP時及後之先前技藝的晶圓，其中 CMP造成凹陷。 第3 A至3F圖爲利用依據本發明之製程之晶圓上的平 坦面的形成。 < 本紙張尺度適用中.國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

-8- ^08687 A7 B7 五、發明説明$ ) 主要元件對照表 10 基材晶_ 12 溝渠 14 阻障層 16 導電材料 18 銅合金 20 銅層 22 溝渠區· 24 .阻障層 26 導電層 30 基材晶_ 32 下凹部 34 •表面 36 阻障層 38 銅層 40 銅合金層 44 銅層 46 表面 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 [本發明之詳細說明] , .應強調的是，本案之圖式並未應尺寸繪出，而只是用以示 範用並不用以規範本發明之特定參數或結構細節，其係可以 由熟習於本技藝者於完成I買取整個申請案後加以決定。 於依據本發明之用於積體電路/半導體.之晶亂上，形成一 本紙張尺度適用中國國家標準（CMS ) A4規格(2ί〇X 297公釐) ~~ -9 - 508687 A7 B7 五、發明説明7() 平坦化表面之方法中，一如第1圖所示之分層晶圓係受到一 化學機械硏磨（CMP)製程，以形成一平坦化表面。如於第1圖 所示，一基材晶圓10係被提供有下凹部（即溝渠）1 2,其係被塗 覆以阻障層1 4並被塡充以一導電材料（即銅）1 6,具有銅合金 層局部地沉積於其上1 8。或者，一銅層2 0進一步驟沉積於 銅合金層上，以覆蓋晶圓之其他區域，若有的話，不受到合金 的局部沉積。 ； 於依據本發明’之第3A-3F圖所示之製程中，提供有一基 材晶圓30。下凹部32係藉由傳統製程，例如光雕刻，非等向 蝕刻，或其他傳·統方法所形·成於基材中。一耐火金屬或其複 合物之阻障層36,例如鈦，氮化鈦，鉬或氮化鉬係形成於基材 30之表面34上。典型爲50埃至500埃厚，更典型爲100埃至 250埃厚之阻障層36可以提供一黏著層，用於導電銅材料，如 於第3B圖中之38所示，其係被沉積於溝渠區域32內，並.具有 阻障層塗覆於其上。如於第3B圖所示，銅層38係沉積以塡 充該溝渠至一接近下晶圓頂面的位準。或者，一導電材料的 薄種層（未示出）可以形成於阻障層36上，以加強導電材料的 黏著力。 於此點，本發明之製製液及經由沉積銅合金層於結構的 頂面上形成一銅合金層4Ό的新穎步驟，其係如於第3c圖所 ..示。銅合金的沉積可以藉由電鍍，氣相沉積（物理或化學），或 其他傳統沉積技術。銅合金係爲配方Cu-M，其中Μ典型爲一 金屬，其與銅形成一連續固溶體。金屬Μ係由例如 Ni，Zn，Si，Au，Ag，Cr，Mn，Pd，Pb，S^或其混合所構成之群組中之 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇><297公楚） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} -訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -10- 508687 A7 _______ B7 ____ 五、發明説明？) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 金屬所選出。金屬Μ可以以至約70重量百分心之合金量，典 型約合金的1 〇重量百分比至約40重量百分比，更典型爲該 合金之約30重量百分比。於合金中之金屬Μ的數量係被調 整，使得合金之硬度接近或配合阻障層的硬度。典型地，合金 的厚度係於約200埃至約1 000埃，更典型於約500埃至約800 埃間。合金的厚度係被設計，經由CMP硏磨後，下層介電層 外露時，硏磨可以停止。 或者，於最後分層步驟中，一.銅層4 4然後沉積在銅合金 層40上，如於第3D圖所示。此選用步驟係當合.金局部沉積 於下凹部份將使晶圓的其他部份低於合金層40之‘位準時加 以採用。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 於先前技藝的製程中，一 CMP製程係使用以去除銅層 44,如於第3Ε圖所示（層44被去除）。隨後，銅合金層40及阻 障層36係被硏磨，藉以形成一平坦表面34於基材30上，如於 第3F圖所示。依據本發明，Cii-M合金40及阻障層36之硏磨 係被調節，使得兩層係以接近相同速率（或理想上，儘可能接 近相同速率）加以硏磨。用於CMP之硏漿係爲傳統用於CMP 製程者。例子包含但並不限定於Klebosal 1501，Cabot5512等 。殘留合金元素可能殘留在導電銅導體材料38之表面46上 。某些快速擴散入銅中之合金元素，例如金將似乎留下指紋 .於銅導電材料3 8之表面4 6的表面上。 本紙張尺度適用中周國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -11 - 508687 A7 B7 五、發明説明？ 入全 P=I並 重量百分比M 例子 C u - Ζ η □ 40%Zn 60Cu40Zn Cu-Ni □ 30%Ni 70Cu30Ni C u - C r □ 35%Cr 65Cu35Cr Cu-Mn □ 20%Mn 80Cu20Mn Cu-Al □ 40%A1 60Cu40Al Cu'Pd □ 10%Zn 90Cul0Pd Cu-Ni-Zn □ 15-25%Ni,15- 65Cul8Nil7Zn, 30%Zn 55Cul8Ni27Zn 表1 (讀先閱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 其他金屬合金，包含但並不限定於Cu-Ai^Cu-zn-PhCu-Zn-Si^Cu-Sn-Pb 及 其他銅 /金 屬合金 ，其 與銅形 成連續 固溶體 （ 即Cu-Pd合金，其中Pd係爲□ 70%)。於合金中之金屬的數量 可以調整，使得於阻障層的硏磨比大約1:1。 於較佳實施例中，一 Cu-Ni合金層，具有約30重量百分比 Νι係經由一電鍍的方法，形成於阻.障層，例如含ΊΠ或Ta阻障 層上。當以CMP硏磨，此Cu-Ni層與阻障層比呈1:1時，會降 低了姐前所述之於溝渠中之銅的凹陷。^ 雖然本發明之特定實施例已經加以詳述說明，但應了解 的是，各種修改，變化及適用可以在不脫離由申請專利範圍所 定義之本發明的範圍下加以完,成。 中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -12 -

Claims (1)

1. 508687 A8 Βδ C8 DB 六、申請專利範圍 附件一（A ) (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 第90 1.08664號專利申請案 中文申請專利範圍修正本 民國91年5月修正 1.一種製造積體電路之方法，包含步驟： 提供一具有一表面之基材，其中該基材具有一下凹部定 義於該表面中； 沉積銅於被定義在該基材中之下凹部上； 提供銅合金層於該銅的表面上；及 平坦化該所得結構。 2·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中一阻障層係形 成於表面的下凹部上，於銅沉積步驟前，其中於銅沉積步驟中， 銅係被沉積至基材表面的一位準。 3·如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該阻障層係由 至少一耐火金屬，單獨或組合氮加以形成。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4·如申請專利範圍第3項所述之方法，其中該阻障層係由 Ti，TiN，Ta或TaN之至少之一所形成。 5.如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該平坦化步驟 係爲化學機械硏磨所執行。 . ‘ 6·如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該銅合金的數 量係足以防止沉積於基材之下凹部份中之銅的凹陷。 7.如申請專利範圍第2項所述之方法，其中該銅合金層延 伸於阻障層上。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 508687 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 8 ·如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該銅合金係形 成由200至1000埃厚。 9.如申請專利範圍第6項所述之方法，其中該銅合金層係 由500至800埃厚。 10•如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該銅合金之 配方爲 Cu-M，及 Μ 爲由 Ni，Zii，Si，Au，Ag，Al，Cr，Mn，Pd,Pb，Sn 或 其混合所構成之群組中所選出。 11. 如申請‘專利範圍第1 0項所述之方法，其中該金屬Μ 係爲合金之至70重量百分比之數量。 12. 如申請專利範圍第1〇項所述之方法，其中該金屬Μ 係爲合金之由10重量％至40重量百分比之數量。 13. 如申請專利範圍第1〇項所述之方法，其中該金屬Μ 爲Ni。 14·如申請專利範圍第13項所述之方法，其中Ni爲合金 之由10重量百分比至40重量百分比之數量。 15·如申請專利範圍第13項所述之方法，其中Ni爲合金 之30重量百分比之數量。 1 6·如申請專利範圍第1 0項所述之方法，其中該金屬μ 爲N i，Ζ η混合物。 1 7.如申請專利範圍第1 6項所述之方法，其中N i爲合金 之由15重量百分比至25重量百分比之數量及Zn爲合金之 由1 5重量百分比至30重量百分比之數量。 18.如申請專利範圍第16項所述之方法，其中該合金係由 65Cul8Nil7Zn及55Cul8Ni27Zn構成之群組中所選出。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -2 - -------裝^-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 508687 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8六、申請專利範圍 1 9.如申請專利範圍第1 0項所述之方法，其中該合金係由 Cu-Ni,Cu-Zn,Cu-Zn-Pb,Cu-Zn-Sn,Cu-Sn-Pb9Cu-Ni-Zn,Cu-Al,Cu-Au，Cu-Mn及Cu-Pd所構成之群組中選出。 20. —種化學機械硏磨方法，以減少銅的凹陷，該方法包含 步驟： 提供一具有一表面之.基材，其中該基材具有一下凹部定 義於該表面中； 於該基材上由阻障材料形成一阻障層，該基材包含表面 及下凹部定義於其中，其中該阻障材料包含鈦或鉬； 沉積一銅膜於被基材之表面之阻障層部份上，並以銅塡 充定義在該基材中之下凹部上，至基材的表面的位準； 提供銅合金層配方爲Cu-M於銅的表面上，至其延伸該合 金於基材表面上之阻障層上的厚度，其中Μ係由Ni，Zn，A1， Sn，Pb，Mn，Au，或其混合物選出； 藉由一化學機械硏磨步驟，以去除延伸於基材表面上之 每一層的所有部份，而平坦化該所得結構，藉以於基材上造成 一平坦表面。 21·如申請專利範圍第20項所述之方法，其中該Cu-M合 金爲Cu-Ni，及其中Ni係約合金的30重量百分比。 22.—種積體電路，包含： ， ’ 提供一基材具有一表面，其中該基材有一下凹部定義於 該表面中； 銅沉積於被定義於該表面中之下凹部中；及· 一銅合金層在銅表面上。 未紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐) - ： ~ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 訂 LF 線_ 508687 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 23·如申請專利範圍第22項所述之積體電路，其中一阻障 層係於沉積銅於下凹部前，形成於該表面的下凹部上，其中銅 係沉積至基材表面之位準。 24·如申請專利範圍第23項所述之積體電路，其中該阻障 層係由至少一耐火金屬，單獨或組合以氮所形成。 25. 如申請專利範圍第24項所述之積體電路，其中該阻障 層係由Ti,TiN，Ta或TaN之至少之一所形成。 26. 如申請專利範圍第22項所述之積體電路，其中該銅合 金之配方爲 Cu-M，及 Μ 爲由 Ni，Zn，Si，Au，Ag, Al，Cr， Mn，Pd，Pb，Sn或其混合所構成之群組中所選出。 27. 如申請專利範圍第26項所述之積體電路，其中該合金 係由（：11-^，〇11-211,〇11-211-?1)，(：11711-311，〇11輯311-?1)，(：11-1^711，（：11繼 A1，Cu-Au，ClMii及Cu-Pd所構成之群組中選出。 28. 如申請專利範圍第26項所述之積體電路，其中金屬Μ 爲合金之至多70重量百分比的數量。 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 裝· 訂' JL 線- 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 ) Α4規格（210X 297公釐）