TWI249198B - Methods for manufacturing contact plugs of semiconductor device - Google Patents

Description

1249198 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係揭示製造半導體裝置接觸塞柱之方法。更明確言 之，所揭示之方法可形成安定著陸塞柱多晶矽（Lpp)，其方 式是進行中間層絕緣薄膜與多晶矽層之化學機械拋光 製程，其係為一種塞柱材料，利用含有氧化劑之酸性漿液 ’使氧化物薄膜與多晶矽層之盤形化現象降至最低。 【先前技術】 為提供小、高容量及高度整合之半導體裝置，故在形成半 導體裝置之電晶體、位元線及電容器之後，必須進行接觸 塞柱之形成製程，其可電連接至各裝置，意即電晶體、位 元線及電容器。 一般而言，當進行接觸塞柱之形成製程時，必須進行平面 化I程，其方式是利用單一聚液，同時拋光多層，以形成· 具有高縱橫比之接觸塞柱。 但是’當僅使用單一漿液拋光多層狀薄膜時，各層係在差 異拋光速度下被拋光，意即具有不同拋光選擇比，階層差 異係在諸層中產生。結果，難以應用各種後續製程以進行 精製。 特定言之，階層差異係更強烈地產生於中間層絕緣薄膜上 ’在比其他層較高拋光速度下被拋光。因此，在抛光製程 中產生之各層副產物，及漿液之磨料殘留物，係被充填在 中間層絕緣薄膜之上方部份中。結果，在塞柱裝置之間產 生缺陷，譬如電橋。 86356 1249198 圖 法 要地說”造半導體裝置接觸塞柱之習用方 在=a，一個界定活性區域之，溝型裝置隔離薄膜_ 土上形成。並使字元線導電層（未示出）與硬罩蓋 :(，“出），意即氮化物薄膜，在基材U之單元區域上形 “及連續地蚀刻。結果，形成字元線圖樣Μ，其中硬罩 盖圖樣14係於字元線導電層圖樣13上形成。 參考圖ib，隔體15係於字元線圖樣16之側面上形成。中間 層絕緣薄膜17係於所形成結構之整個表面上形成。 參考圖lc，中間層絕緣薄膜17係使用著陸塞柱接觸罩蓋（ 未示出）選擇性地㈣，以形成供塞柱用之接點空穴（未示 出卜 /在多晶碎層（未示出）被沉積於所形成結構之整個表面上之 後’其包括供塞柱用之接點空穴（未示出），係使用中时 絕緣薄膜17作為㈣障壁薄模，進㈣光製程，以沉積多 晶矽層18在供塞柱用之接點空穴處。 參考圖Id , CMP製程係利用一般鹼性CMp漿液，對多晶矽 層18整個表面上之氧化物薄膜，及中間層絕緣薄膜I?進行 ，直到使硬罩蓋圖樣14曝露為止，以形成塞柱多晶矽19。 於上述CMP製程中使用之鹼性漿液，係為氧化物薄膜用之 一般CMP漿液，具有pH範圍從8至12，包含磨料，譬如膠態 或煙霧狀Si02* Al2〇3。 一般而言，必須使用在多層之間具有類似拋光速度之漿液 ，以移除多層薄膜。但是，由於習用拋光製程係使用氧化 86356 1249198 物薄膜用之驗性赞、冷；佳γ ,,, 戒'夜進仃，故中間層絕緣薄膜 之拋光選擇比係高於 腰/、夕^夕層 選擇比係高於多晶矽厣,,^ 膜爻拋先 据光速度。彳層〜果’中間層絕緣薄膜具有最高 當進行CMP製程以形成著陸塞柱多晶碎’直到由氮化物薄 膜形成（❹蓋絕料料露為止時，嚴重盤形化作用仔 在中間層絕緣薄膜與多^層上產生。在具有較高抱光選 擇比（中間層絕緣薄膜上之盤形化作用20b，係比在多晶矽 層上之盤形化作用2〇a，更嚴重地產生。 中間層絕緣薄膜之盤形化作用，需要其他氧化物薄膜之另 -個沉積製程，以防止薄膜之表面形態在後續製程中被轉 變。由於CMP製程所造成之拋光殘留物，係被充填在中間層 絕緣薄膜之上方料中，此係由於盤形化作用叫與训所^ 、'不，產生著陸基柱多晶矽之缺陷22，因為殘留物未在· 後續洗淨製程中被移除（參閱圖23與21：)。此等缺陷會在後續 接觸氣私中，於接觸塞柱之間形成電橋，於是使裝置之良 率、特徵及可靠性降級。因此，難以具體化表現裝置之高 整合。 【發明内容】 本發明係揭示一種製造半導體裝置接觸塞柱之方法，其中 薄膜之盤形化現象，係利用對各層具有類似選擇性之氧化 物薄膜用CMP漿液，而被降至最低。 較佳具體實施例之詳述 本發明係揭示一種製造半導體裝置接觸塞柱之方法。 86356 1249198 所揭不用於製造半導體裝置接觸塞柱之方法，係包括. 形成字元線圖樣，其具有字元線導電性材料與硬翁 物薄膜之連續堆叠結構，在半導體基材上； 4化 形成氮化物薄摸隔體於字元線圖樣之側面上； 形成平面化中間層絕緣薄膜於字元線圖樣上； I虫刻該中間層絕緣薄膜，直到基材外露為止，以形成接點 空穴； " 形成多晶碎層於中間層絕緣薄膜之表面上，其中係形成接 點空穴；及 在多晶石夕層與中間層絕緣薄膜上，使用氧化物㈣用之酸

性CMP漿液，進行化學機械挺光（CMP)製程，該漿液具有pH 範圍從2至7 ,含有氧化劑，直到硬罩蓋氮化物薄膜外露為 止。 琢氧化劑包括過氧化氫（H2〇2)、過碘酸（H2I06)、硝酸鐵· [Fe(N3〇9)]或其組合。較佳係使用咏〇2作為此氧化劑。氧化 劑之存在1範圍係從1至4〇體積％ ,更佳為2〇至3〇體積％ , 以CMP漿液為基準。 此具有pH範圍從2至5之酸性漿液，係包含磨料，選自包 括碎石（si〇2)、氧化鈽（Ce〇2)、氧化锆（Zr〇2)、氧化鋁（Al2〇3) 及其組合。磨料之存在量範圍係從1〇至5〇重量％，更佳為25 至35重量％，以CMP漿液為基準。 一般而言，習用上’係使用具有pH範圍從1〇至13之鹼性 漿液，作為氧化物薄膜用之漿液。由於鹼性漿液包含許多〇H-基團，故盤形化現象係在氧化物薄膜上產生，此係由於其 86356 1249198 在CMP製程期間化學分解所致。 但疋’本發明供氧化物薄膜用之酸性漿液，可防止氧化物 薄膜之化學分解，因其包含比ΟΗΓ基團更多之H+基團。 由於本發明氧化物薄膜用之酸性漿液，對於多晶矽層比對 於氧化物薄膜，具有較低拋光選擇比，故所揭示之酸性漿 液包含氧化劑，以改良對多晶物質之拋光選擇比。 多晶碎層較佳係使用選自包括h摻雜非晶質矽薄膜、摻 雜多晶碎薄膜、P-摻雜磊晶矽薄膜及其組合之一形成。 所揭示之製造方法將參照附圖詳細描述。 圖3a至3d係概要地說明所揭示之方法，根據此揭示内容製 造半導體裝置之接觸塞柱。 參考圖3a ’ 一個界定活性區域之壕溝型裝置隔離薄膜％係 在矽基材31上形成。且字元線導電層（未示出）與硬罩蓋膜（ 未示出），意即氮化物薄膜，係於基材31之單元區域上形成· 及連續I虫刻。結果’形成字元線圖樣36，其中硬罩蓋圖 樣34係於字元線導電層圖樣33上形成。 硬罩蓋膜較佳係由氣化物薄膜所組成，而字元線導電層係 由SiON或有機底ARC層所組成。 參考圖3b，隔體35係於字元線圖樣36之側面上形成。平面 化中間層絕緣薄膜37係於所形成結、構之整個表面上形成。 絕緣薄膜隔體較佳係使用氮化物薄膜形成，而中間層絕緣 薄膜係由具有優越流動性之絕緣材料所組成，譬如bpsg (刪 磷矽酸鹽玻璃）或HDP (高密度電漿）氧化物薄膜。 參考圖3c ’中間層絕緣薄膜37係使用著陸塞柱揆觸罩蓋（ 86356 -10- Ϊ249198 未不出）選擇性地蝕刻，以形成供塞柱用之接點空穴（未示 出卜 在多晶碎層（未示出）被沉積在所形成結構之整個表面上之 後，其包括供塞柱用之接點空穴（未示出），係使用中間層 絕緣薄膜37作為蝕刻障壁薄膜，進行拋光製程，以沉積多 晶矽層38，在供塞柱用之接點空穴（未示出）處。 多晶矽層較佳係由Ρ-掺雜非晶質矽薄膜、ρ_摻雜多晶矽薄 膜' Ρ-接雜磊晶碎薄膜或其組合所組成。 此處，供塞柱用之接點空穴，較佳係使用”τ'型著陸塞柱 多晶矽（參閱圖4a)形成。而在圖3c之SEM照片中，顯示塞柱 之多晶矽係在接觸區域上形成（參閱圖4b)。 參考圖3d , CMP製程係利用所揭示供氧化物薄膜用之CMp 衆液，在多晶矽層38與中間層絕緣薄膜37之整個表面上進 行，直到硬罩蓋圖樣34外露為止。結果，形成塞柱多晶矽％。一 應明瞭的是，可形成具有很少受到傷害部份之接觸塞柱， 因為根據所揭示之製造方法，盤形化作用幾乎不會在所形 成塞柱多晶矽之橫截面上產生（參閱圖5a與5b)。 【實施方式】 所揭示供氧化物薄膜用之酸性CMP漿液，將參考下文實例 更詳細地描述，其並不意欲成為限制。 A·所揭示漿液之製備 製備膏例1. 於含有30重量％ 作為磨料之94重量％供氧化物薄膜用 之酸性CMP漿液中，添加6重量％4〇2，並攪拌。然後，將 86356 -11 - 1249198 所形成之混合物進一步攪拌約30分鐘，直到混合物完全混 合且安定化為止。因此，製成所揭示之漿液。 B·使用所揭示漿液在諸層中之拋光速度之比較 比較實例1. 使碎層沉積在中間層絕緣薄膜之整個表面上，包括供塞柱 用之接點玄K。然後，在矽層與中間層絕緣薄膜上，使用 未具有氧化劑之習用鹼性CMP聚液，進行CMP製程，直到硬 罩蓋氮化物薄膜外露為止。 CMP製程係藉執道系統之CMp設備，在頭壓為3网且檯桌 轉數為600 rpm下進行。 此處，經抛光氧化物薄膜與經拋光多晶矽層之厚度，在第 一次實驗中，個別為2609A與1821人，而在第二次實驗中，為 2620A與1342A。氧化物薄膜/多晶矽層顯示具有拋光選擇比 在第一次實驗中為1.43，而在第二次實驗中為ι·95，平均為1.69· 。因此’明瞭氧化物薄膜比多晶矽層更迅速地被拋光（參閱 圖6)。 實例1. 使碎層沉積在甲間層絕緣薄膜之整個表面上，包括供塞柱 用之接點艺穴。然後，在矽層與中間層絕緣薄膜上，使用 所揭示之得自製備實例1之CMP漿液，進行CMP製程，直到 硬罩蓋氮化物薄膜外露為止。 此CMP製程之條件係與比較實例1相同。 結果，經拋光之氧化物薄膜與多晶矽層之厚度，在第一次

貫驗中’個別為1437A與5292A，而在第二次實驗中，為1429A 86356 -12 - 1249198 與5684人。氧化物薄膜/多晶矽層顯示具有拋光選擇比，在 第一次實驗中為0.25，而在第二次實驗中為0.27，平均為0.26 。因此，明瞭多晶矽層係比氧化物薄膜更迅速地被拋光（參 閱圖6)。 正如實驗結果所証實，當CMP製程在氧化物薄膜與多晶矽 層上，使用所揭示之含有氧化劑之酸性CMP漿液進行時，多 晶矽層比氧化物薄膜具有較快速之拋光速度，達兩倍或更 大。因此，多晶矽層可容易地被拋光。 如前文所討論者，其中盤形化現象係在中間層絕緣薄膜與 多晶矽層上被降至最低之接觸塞柱，可經由CMP製程，使用 所揭示之含有氧化劑之酸性CMP漿液形成，因為中間層絕緣 薄膜與多晶碎層，在用於形成塞柱多晶石夕之製程中，與使 用未具有氧化劑之習用鹼性CMP漿液之CMP製程比較，係具 有逆轉之抱光選擇比《因此，裝置特徵之降質可被防止，_· 這會造成半導體裝置之特徵與可靠性之改良，以製造高度 整合之半導體裝置。 【囷式簡單說明】 圖la至Id係概要地說明製造半導體裝置接觸塞柱之習用方 法。 圖2a與2b為SEM照片，顯示圖id之習用接觸塞柱之平面與 橫截面圖。 圖3a至3d係概要地說明根據本揭示内容製造半導體裝置接 觸塞柱之所揭示方法。 圖4a與4b為SEM照片，說明圖3c接觸塞柱之頂部視圖與橫 86356 13 1249198 截面。 圖5a與5b為SEM照片，顯示圖3d接觸塞柱之平面與橫截面 圖。 圖6為一圖表，說明當薄膜在晶圓上使用所揭示之CMP漿 液拋光時之抱光速度。 【圖式代表符號說明】 11，31 :矽基材 12, 32 :隔離薄膜 13, 33 :字元線導電層圖樣 14, 34 :硬罩蓋圖樣 15, 35 :隔體 16, 36 :字元線圖樣 17,37 :中間層絕緣薄膜 18, 38 :多晶矽層 _ 19, 39 :塞柱多晶矽 20, 21 :盤形化作用 20a :盤形化作用 20b :盤形化作用 21a :盤形化作用 21b :盤形化作用 22 :缺陷 86356 -14-

Claims (1)

1249198 拾、申請專利範圍： L —種製造半導體裝置接觸塞柱之方法，其包括： 形成字元線圖樣，其具有字元線導電性材料與硬罩言 氮化物薄膜之連續堆疊結構，在半導體基材上； 義 形成氮化物薄膜隔體於字元線圖樣之側面上； 形成平面化中間層絕緣薄膜於字元線圖樣上； 蝕刻中間層絕緣薄膜，直到基材外露為止，以形成接 點空穴； 形成多晶碎層於中間層絕緣薄膜之表面上，其中係形 成接點空穴；及 於^阳矽層與中間層絕緣薄膜上，使用氧化物薄膜用 (酸性CMP漿液，進行化學機械拋光（CMp)製程，該漿液 具有pH範圍從2至7，含有氧化劑，直到硬罩蓋氮化物薄 膜外露為止。 _ 2·根據申請專利範圍第1項之方法，其中氧化劑係選自包括 過氧化氫（氏〇2)、過碘酸田21〇6)、硝酸鐵的@3〇9)]及其 組合。 3.根據_請專利範圍第1項之方法，其中氧化劑之存在量範 圍係從1至40體積％，以CMP漿液為基準。 4·根據_請專利範圍第1項之方法，其中氧化劑之存在量範 圍係從20至30體積％，以CMP漿液為基準。 5·根據申請專利範圍第1項之方法，其中酸性漿液具有 範圍從2至5。 6.根據中請專利範圍第1項之方法，其中酸性漿液包含磨料 86356 1249198 ’選自包括矽石（sa)、氧化鈽（Ce〇2)、氧化锆（Zr〇2)、氧 化鋁（Al2 03 )及其組合。 7.根據申請專利範圍第6項之方法，其中磨料之存在量範圍 係從10至50重量％，以CMP漿液為基準。 8_根據申請專利範圍第7項之方法，其中磨料之存在量範圍 係從25至35重量％，以CMP漿液為基準。 9·根據中請專利範圍第η之方法，其中多^層係使用選 自包括Ρ-摻雜非晶質矽薄膜、ρ_摻雜多晶矽薄膜、&摻 雜羞晶矽薄膜及其組合之一形成。 10.根據中請專利範圍第1項之方法，其中字元線導電性材料 係由Si0N或有機底ARC層形成。 u.根據_請專利範㈣1項之方法，其中中間層絕緣薄模係 由BPSG(·❹酸鹽玻璃）或膽（高密度電幻氧化 膜形成。 12· —種製造半導體裝置接觸塞柱之方法，其包括·· 产形成字元線_樣，其具有字元線導電性材料與硬罩蓋 氮化物薄膜之連續堆疊，在半導體基材上； 形成氮化物薄膜隔體於字元線圖樣之側面上； 形成平面化中間層絕緣薄膜於字元線圖樣上； 姓刻中間層絕緣薄膜，直到基材外露為止，以形成接 點空穴； 形成夕日Ej矽層於中間層絕緣薄膜之表面上，其中 成接點空穴；及 ’' ^ 在多晶石夕層與中間層絕緣薄膜上，使用氧化物薄膜用 86356 1249198 之CMP漿液，進行CMP製程，該漿液具有pH範圍為2至7 ，含有H2〇2，其含量範圍從1至40體積％。 86356