TWI685029B - 優化金屬平坦化工藝的方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭示了一種優化金屬平坦化工藝的方法，包括：採用化學機械平坦化去除互連結構上表面上的大部分金屬層直到剩餘金屬層的厚度達到預定值Y，剩餘金屬層為覆蓋互連結構上表面的連續層，其中，剩餘金屬層具有第一表面平均粗糙度Ra1，該第一表面平均粗糙度Ra1是由化學機械平坦化引起的；採用無應力抛光工藝去除互連結構上表面上的剩餘金屬層，無應力抛光工藝完成後，互連結構凹進區域內的金屬層的上表面低於互連結構的上表面，其凹陷值為H2，其中，凹進區域內的金屬層具有第二表面平均粗糙度Ra2，該第二表面平均粗糙度Ra2是由無應力抛光工藝引起的，無應力抛光工藝去除的金屬層的厚度除以Ra2得到比值α；當設置一凹陷值時，為了得到無應力抛光工藝後金屬表面粗糙度最小值，化學機械平坦化後剩餘金屬層的厚度滿足以下方程式：Y=α/6^★H2-αRa1。

Description

優化金屬平坦化工藝的方法

本發明關於半導體製造領域，尤其關於一種優化金屬平坦化工藝的方法。

在互連結構製造過程中，隨著線寬的縮小以及銅和低k介質材料的應用，互連結構平坦化技術與過去相比提出更嚴格的要求。目前，至少有兩種平坦化技術用來平坦化互連結構上的金屬，包括具有應力的抛光工藝，例如CMP，和無應力抛光工藝，例如電化學抛光。CMP利用研磨液和下壓力去除金屬，儘管CMP仍然是最常用的平坦化技術，然而隨著半導體技術的發展，CMP工藝中存在的瓶頸和問題逐漸暴露出來。由於涉及到相對強的機械力，CMP對互連結構的底層結構存在許多有害影響，特別是當介質材料的k值逐漸減小，機械力會造成對介質材料的永久損傷。

電化學抛光利用帶電的電解液去除互連結構上的金屬。由於只有帶電的電解液接觸金屬表面，電化學抛光工藝不產生機械力，且不會對低k介質材料造成損傷。帶電的電解液被噴到金屬表面並與金屬反應，金屬離子移 動到陰極。在電化學抛光工藝中，金屬表面被看作是陽極，因此，作為副產物，金屬表面產生大量氣泡，造成金屬表面粗糙度變糟。衆所周知，金屬表面氣泡的數量越少，電化學抛光後，金屬表面的粗糙度會更小，因此，為了改善金屬表面的粗糙度，需要控制金屬表面氣泡的數量。氣泡的數量與電化學抛光的時間成正比，電化學抛光的時間越短，氣泡的數量越少。電化學抛光的時間又與電化學抛光去除的厚度成正比，電化學抛光去除的厚度越少，電化學抛光的時間越短。基於這些關係，可以得出電化學抛光去除的厚度越少，電化學抛光後，金屬表面的粗糙度越小。

為了提高平坦化的效率並減少電化學抛光去除的厚度，結合CMP和電化學抛光平坦化互連結構上的金屬。首先，透過CMP去除互連結構上表面上的大部分金屬並保留覆蓋在互連結構上表面上的連續的金屬層。連續的金屬層可以抵禦CMP的機械力以保護低k介質材料不被損傷，然後，採用電化學抛光去除互連結構上表面上的連續的金屬層，暴露出互連結構的底層結構，例如阻擋層。如何獲得CMP後最佳的剩餘厚度，也就是電化學抛光去除厚度，對最終金屬表面的粗糙度和碟形坑的控制是非常重要的。如果CMP後剩餘的金屬層厚度太薄，很難確保金屬層是否完全覆蓋互連結構的上表面，低k介質材料在工藝過程中很可能被損傷；如果CMP後剩餘的金屬層太厚，那就意味著電化學抛光去除的厚度太厚，會造成電化學抛光後金屬表面的粗糙度不是很好。

本發明提出一種優化金屬平坦化工藝的方法，包括以下步驟：採用化學機械平坦化工藝去除互連結構上表面上的大部分金屬層直到剩餘金屬層的厚度達到預定值Y，該剩餘金屬層為覆蓋互連結構上表面的連續層，其中，該剩餘金屬層具有第一表面平均粗糙度Ra1，該第一表面平均粗糙度Ra1是由化學機械平坦化引起的；採用無應力抛光工藝去除互連結構上表面上的剩餘金屬層，無應力抛光工藝完成後，互連結構凹進區域內的金屬層的上表面低於互連結構的上表面，其凹陷值為H2，其中，凹進區域內的金屬層具有第二表面平均粗糙度Ra2，該第二表面平均粗糙度Ra2是由無應力抛光引起的，無應力抛光工藝去除的金屬層的厚度除以Ra2得到比值α；當設置凹陷值H2時，為了得到無應力抛光工藝後金屬表面粗糙度最小值，化學機械平坦化工藝後剩餘金屬層的厚度Y滿足以下方程式：Y=α/6^★H2-αRa1。

綜上所述，為了抵禦化學機械平坦化工藝的機械力，避免互連結構的底層結構受到損傷，以及改善無應力抛光工藝後金屬表面的粗糙度，化學機械平坦化工藝後剩餘金屬層的厚度需要滿足以下條件：剩餘金屬層的厚度盡可能的薄；剩餘金屬層為覆蓋互連結構上表面的連續 層；當設置目標凹陷值時，剩餘金屬層的厚度滿足方程式：Y=α/6^★H2-αRa1。

101‧‧‧襯底

102‧‧‧第一介質層

103‧‧‧第二介質層

104‧‧‧硬掩膜層

105‧‧‧第一阻擋層

106‧‧‧第二阻擋層

107‧‧‧金屬層

108‧‧‧凹進區域

為使本領域的技術人員對本發明更加明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施方式做詳細的說明，其中：圖1是互連結構的截面圖，其中，互連結構上的金屬層未去除；圖2是採用CMP將互連結構上表面上的大部分金屬層去除後的截面圖；圖3是採用電化學抛光將互連結構上表面上的剩餘金屬層全部去除後的截面圖；圖4是採用電化學抛光將互連結構上表面上的剩餘金屬層去除的臨界狀態的截面圖，互連結構的沒有圖形的區域上還有一些金屬殘留；圖5是採用電化學抛光將互連結構上沒有圖形的區域上的金屬殘留全部去除後的截面圖；圖6是電化學抛光去除的厚度和CMP、電化學抛光工藝後平均粗糙度之間的關係的曲線圖；圖7是電化學抛光去除的厚度和電化學抛光工藝引起的平均粗糙度之間的關係的曲線圖；圖8是電化學抛光去除的厚度與CMP工藝引起的平均粗糙度Ra1、CMP和電化學抛光工藝後平均粗糙度Ra、電 化學抛光工藝引起的平均粗糙度Ra2、α之間對應關係的圖表，其中，α等於電化學抛光去除的厚度除以電化學抛光工藝引起的平均粗糙度Ra2；圖9是採用CMP將具有不同線寬和不同線密度的互連結構上表面上的大部分金屬層去除後的截面圖。

本發明提出一種優化金屬平坦化工藝的方法，透過控制CMP工藝後互連結構上表面上剩餘金屬層的厚度，來改善電化學抛光工藝去除剩餘金屬層後金屬表面的粗糙度。

圖1所示為互連結構的一種具體實施方式。本領域的技術人員能夠理解的是，互連結構的構造不局限於圖1所示的具體實施方式，根據不同的工藝需求，互連結構的構造可能是不同的。圖1所示的互連結構包括襯底101、形成於襯底101上的第一介質層102、形成於第一介質層102上的第二介質層103、形成於第二介質層103上的硬掩膜層104、形成於硬掩膜層104、第二介質層103和第一介質層102上的凹進區域108(如溝槽、通孔等)、形成於硬掩膜層104和凹進區域108的側壁和底部上的第一阻擋層105、形成於第一阻擋層105上的第二阻擋層106，及形成於第二阻擋層106上並填滿凹進區域108的金屬層107。

金屬層形成於第二阻擋層106上並填滿凹進 區域108後，下一步就是去除互連結構上表面上的金屬層107。首先，採用具有應力的抛光工藝，如CMP，去除大部分金屬層107並保留一定厚度的金屬層107；為了抵禦CMP的機械力，避免互連結構的底層結構受到損傷，並改善電化學抛光工藝後的金屬表面粗糙度，CMP工藝後剩餘金屬層107的厚度最好盡可能的薄，並且剩餘金屬層107是覆蓋互連結構上表面的連續層，如圖2所示。

然後採用無應力抛光工藝，如電化學抛光，去除互連結構上表面上的剩餘金屬層107，如圖3所示。互連結構上表面上的剩餘金屬層107被去除後，第二阻擋層106暴露出來，考慮到互連結構上表面上的第二阻擋層106和第一阻擋層105以及硬掩膜層104將在後續工藝中被去除，凹進區域108內的金屬層107的上表面與第二介質層103的上表面齊平或者略低於第二介質層103的上表面。

本發明還將介紹怎樣獲得CMP後剩餘金屬層107的厚度。

為了簡化計算，假設互連結構上表面上的金屬層具有相同的厚度，換言之，不論互連結構的線寬和線密度是否相同，在採用CMP去除互連結構上表面上的金屬層之前，互連結構上表面上的金屬層的厚度相同。CMP和電化學抛光工藝完成後，金屬表面粗糙度的最大值滿足以下方程式：Rt=Rt1+Rt2

其中，Rt是CMP和電化學抛光工藝完成後金屬表面 粗糙度的最大值，Rt1是CMP工藝引起的金屬表面粗糙度，Rt2是電化學抛光工藝引起的金屬表面粗糙度。

基於資料正態分佈，在3σ的條件下，Rt=6Ra，Ra是CMP和電化學抛光工藝完成後金屬表面平均粗糙度，關係式如下：Rt=Rt1+Rt2=6Ra1+6Ra2

其中，Ra1是CMP工藝引起的金屬表面平均粗糙度，Ra2是電化學抛光工藝引起的金屬表面平均粗糙度。

如圖5所示，如果不考慮互連結構上表面上的第二阻擋層106和第一阻擋層105以及硬掩膜層104在後續工藝中去除，凹陷值H2等於第二阻擋層106的上表面高度減去凹進區域108內金屬層107的上表面高度。

如圖4所示，採用電化學抛光將互連結構上表面上的剩餘金屬層去除的臨界狀態，凹進區域108內的金屬層107的上表面與第二阻擋層106的上表面齊平。互連結構的沒有圖形的區域上還有一些金屬層107殘留，通常殘留的金屬高度H1等於Rt。可以看出，CMP和電化學抛光工藝完成後金屬表面粗糙度，特別是Rt，決定了最小凹陷值。凹陷值H2不能小於Rt(H2

Rt)，只有滿足H2

Rt，金屬殘留才能被完全去除。CMP後剩餘金屬層107的厚度與最小凹陷值之間的關係滿足以下方程式：Y=α/6(H2-Rt1)=α/6 *H2-αRa1

其中，Y是CMP後剩餘金屬層的最佳厚度；H2是最小凹陷值，該最小凹陷值是根據工藝需求設定的目標值； 在這個方程式中，H2為已知量，α等於電化學抛光去除的金屬層的厚度除以Ra2；α是透過實驗得出的經驗方程式；比值α由電解液的類型、粘度、溫度和襯底的轉速、水平運動的速度以及電流、電壓等決定。

由上述可知，為了抵禦CMP的機械力，避免互連結構的底層結構受到損傷，並改善電化學抛光後金屬表面的粗糙度，CMP後剩餘金屬層的厚度需要滿足以下條件：剩餘金屬層的厚度盡可能的薄；剩餘金屬層為覆蓋互連結構上表面的連續層；當設置一目標凹陷值，剩餘金屬層的厚度滿足方程式：Y=α/6(H2-Rt1)=α/6^★H2-αRa1。

如果考慮互連結構上表面的第二阻擋層106和第一阻擋層105以及硬掩膜層104在後續步驟中去除，CMP後剩餘金屬層的實際厚度滿足以下方程式：Y’=Y-Y_b-Y_m

其中，Y’是CMP後剩餘金屬層的實際厚度，Y_b是第二阻擋層106和第一阻擋層105的總厚度，Y_m是硬掩膜層104的厚度。

圖9所示為本發明的另一種具體實施方式，互連結構具有不同的線寬和線密度。在電鍍工藝中，線寬和線密度造成不同線區域存在臺階高度差，進而決定了金屬層高度的一致性。覆蓋在沒有圖形區域上的金屬層的高度被看作0埃，並作為參考平面。通常，覆蓋在寬線上的金屬層的高度要低於參考平面；反之，覆蓋在窄線上的金屬 層高度要高於參考平面。為了完全去除互連結構上表面上的金屬層，窄線上的金屬層必須保證完全去除。另一方面，由於電化學抛光工藝是一個保形工藝，當窄線上的金屬層完全去除，電化學抛光工藝將引起寬線的凹陷。凹陷的深度取決於CMP工藝後的臺階高度差和線密度，凹陷值滿足以下方程式：Rx=Tmin/Dx-Tx

其中，Rx是線寬x區域的凹陷值，Tmin是最小線寬相對於參考平面的臺階高度，Dx是線寬x區域的密度，Tx是線寬x區域相對於參考平面的臺階高度。

例如，如果最窄線的線寬為28nm，最窄線相對於參考平面的臺階高度為200埃，寬線的線寬為10μm，寬線相對於參考平面的臺階高度為-100埃，寬線的密度為50%，當最窄線上的金屬層完全去除，線寬10μm區域的凹陷值等於：R10=Tmin/D10-T10=200/50%-(-100)=500 Angstrom

結合方程式Y’=Y-Y_b-Y_m，如果互連結構具有不同的線寬和線密度，CMP後剩餘金屬層的實際厚度滿足以下方程式：Y”=α’/6(H2+Tmin-Rt1)=α’/6^★(H2+Tmin)-α’Ra1

α’=(Y’+Tmin)/Ra2’

其中，Y”是化學機械平坦化工藝後剩餘金屬層的實際厚度，Tmin是最小線寬相對於參考平面的臺階高度。

Ra2’可以根據以下兩方面獲得： 1)電化學抛光(無應力抛光工藝)去除的厚度Y’+Tmin；2)電化學抛光去除的厚度和電化學抛光工藝引起的金屬表面平均粗糙度之間的關係，如圖7所示。

綜上所述，為了完全去除互連結構上表面的金屬層，同時獲得目標凹陷值和最小金屬表面粗糙度，CMP後剩餘金屬層的厚度應該滿足方程式的要求，晶片內部的臺階高度差應該盡可能的小，特別是窄線的臺階高度應該優化並趨於0。

以上描述是為了說明和描述本發明，並沒有詳盡的揭露或限制本發明，儘管本發明以特定的實施方式、舉例、應用來說明，本領域內顯而易見的改動和替換將依舊落入本發明的保護範圍。

101‧‧‧襯底

102‧‧‧第一介質層

103‧‧‧第二介質層

104‧‧‧硬掩膜層

105‧‧‧第一阻擋層

106‧‧‧第二阻擋層

107‧‧‧金屬層

108‧‧‧凹進區域

Claims (7)

1. 一種優化金屬平坦化工藝的方法，其特徵在於，包括：採用化學機械平坦化工藝去除互連結構上表面上的大部分金屬層直到剩餘金屬層的厚度達到預定值Y，該剩餘金屬層為覆蓋互連結構上表面的連續層，其中，該剩餘金屬層具有第一表面平均粗糙度Ra1，該第一表面平均粗糙度Ra1是由化學機械平坦化引起的；採用無應力抛光工藝去除互連結構上表面上的剩餘金屬層，無應力抛光工藝完成後，互連結構凹進區域內的金屬層的上表面低於互連結構的上表面，其凹陷值為H2，其中，凹進區域內的金屬層具有第二表面平均粗糙度Ra2，該第二表面平均粗糙度Ra2是由無應力抛光引起的，無應力抛光工藝去除的金屬層的厚度除以Ra2得到比值α；當設置凹陷值H2時，為了得到無應力抛光工藝後金屬表面粗糙度最小值，化學機械平坦化工藝後剩餘金屬層的厚度Y滿足以下方程式：Y=α/6^★H2-αRa1。
2. 根據請求項1所述的方法，其特徵在於，在採用化學機械平坦化工藝去除互連結構上表面上的金屬層之前，互連結構上表面上的金屬層具有相同的厚度。
3. 根據請求項1所述的方法，其特徵在於，化學機械平坦化工藝和無應力抛光工藝完成後，金屬表面最大粗糙度滿足以下方程式：Rt=Rt1+Rt2 其中，Rt是化學機械平坦化工藝和無應力抛光工藝完成後，金屬表面最大粗糙度，Rt1是化學機械平坦化引起的金屬表面粗糙度，Rt2是無應力抛光工藝引起的金屬表面粗糙度。
4. 根據請求項3所述的方法，其特徵在於，基於統計學正態分佈，在3σ條件下，Rt滿足以下方程式：Rt=Rt1+Rt2=6Ra1+6Ra2。
5. 根據請求項3所述的方法，其特徵在於，凹陷值H2

   

   Rt。
6. 根據請求項1所述的方法，其特徵在於，所述互連結構包括至少一層阻擋層和硬掩膜層，考慮到互連結構上表面上的阻擋層和硬掩膜層被去除，化學機械平坦化工藝後剩餘金屬層的實際厚度滿足以下方程式：Y’=Y-Y_b-Y_m其中，Y’是化學機械平坦化工藝後剩餘金屬層的實際厚度，Y_b是阻擋層的厚度，Y_m是硬掩膜層的厚度。
7. 根據請求項6所述的方法，其特徵在於，所述互連結構具有不同的線寬，覆蓋在沒有圖形的區域上的金屬層的高度作為參考平面，化學機械平坦化工藝後剩餘金屬層的實際厚度滿足以下方程式：Y”=α’/6^★(H2+Tmin)-α’Ra1 α’=(Y’+Tmin)/Ra2’ 其中，Y”是化學機械平坦化工藝後剩餘金屬層的實際厚度，Tmin是最小線寬相對於參考平面的臺階高度，Ra2’可以根據以下兩方面獲得：無應力抛光工藝去除的厚度Y’+Tmin；無應力抛光工藝去除的厚度和無應力抛光工藝引起的金屬表面平均粗糙度之間的關係。

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