專利名稱：填充有金屬的溝槽結構及形成方法及化學機械研磨方法
技術領域：
本發明涉及半導體制造技術領域，特別涉及一種填充有金屬的溝槽結構及形成方法及化學機械研磨方法。
背景技術：
目前，隨著電子設備的廣泛應用，半導體的制造工藝得到了飛速的發展，在半導體的制造流程中，涉及化學機械研磨工藝(CMP)。晶片(wafer)的平坦化制作工藝都是依賴化學機械研磨機臺來完成，化學機械研磨機臺可用于各種材料的研磨，例如實現對多晶硅、銅、鎢、淺溝槽隔離(STI)、層間介質層 (ILD)或金屬間介質層(IMD)等的研磨。現有化學機械研磨機臺的剖面結構示意圖，如圖 1所示。該機臺包括研磨臺101、研磨墊(pad) 102和研磨頭103。研磨臺101承載研磨墊 102，當進行研磨時，首先將待研磨的晶片W架設在研磨頭103上，使晶片W的待研磨面與旋轉的研磨墊102對向配置，此時，在研磨墊102上可提供由研磨粒和化學助劑所構成的研漿 (slurry)；接著，研磨頭103提供給晶片W可控制的負載如壓力，而將晶片W的待研磨面緊壓于研磨墊102上，隨著晶片與研磨墊之間的相對運動，以及研磨墊上研漿的噴灑，實現對晶片的研磨，形成晶片平坦的表面。晶片后段工藝互連層的金屬互連線一般采用銅，所以需要對銅進行化學機械研磨。現有技術中研磨金屬銅層主要通過三個研磨臺來實現，每個研磨臺分別執行一個研磨工序，下面具體說明化學機械研磨金屬銅的方法。圖2為現有技術中化學機械研磨方法的第一工序的剖面示意圖。在第一研磨臺 (Platen 1)上執行第一工序，如圖2所示，采用較大的研磨速率(Remove Rate)對金屬銅 101進行研磨，去除溝槽100上方絕大部分的金屬銅，也稱為主研磨。第一工序的執行，采用光學干涉法終點檢測技術，利用第一表面和第二表面反射形成的干涉來確定研磨厚度，第一工序結束之后要求溝槽上方金屬銅的厚度具有一定的厚度值。圖3為現有技術中化學機械研磨方法的第二工序的剖面示意圖。在第二研磨臺上 (Platen 2)執行第二工序，如圖3所示，采用較小的研磨速率去除溝槽100上方剩余的金屬銅101。第二工序的執行，采用電機電流終點檢測技術，當探測到完全去除溝槽上方剩余的金屬銅后，結束第二工序。該終點檢測方法的原理是當晶片研磨到達終點時，研磨墊接觸的材料發生變化，導致晶片與研磨墊之間的摩擦系數發生顯著變化，例如晶片上金屬銅被完全去除，將下方的阻擋層102露出，晶片與研磨墊之間的摩擦力發生變化，從而使研磨頭或研磨機臺回轉力扭變化，其驅動電機的電流也隨之變化，因此由安裝在研磨頭和研磨機臺上的傳感器監測驅動電機電流變化可推知是否達到研磨終點。圖4為現有技術中化學機械研磨方法的第三工序的剖面示意圖。在第三研磨臺上 (Platen 3)執行第三工序，如圖4所示，預先設置研磨時間，去除溝槽100外的阻擋層102 和少量的氧化層103，以確保溝槽上方剩余的金屬銅全部被去除而達到隔離的目的。具體來說，首先選擇一片需要金屬研磨的測試晶片，該晶片上形成有與產品晶片相同的金屬互連層研磨結構。其中，產品晶片為其上已經分布了器件的晶片，最終可以經過多道工序成為成品；而測試晶片雖然測試結構與產品晶片相同，但在測試之后被廢棄。測試晶片在研磨臺上進行多次試驗，每次預先設定研磨時間進行研磨，并將研磨后的晶片置入厚度測量機臺進行厚度測量，或者在原子粒顯微鏡下進行形貌觀察，將最終達到圖4所示時的研磨時間，作為同批晶片在第三研磨臺上進行研磨的預定研磨時間。由于晶片在第三研磨臺上的研磨時間是根據實驗值設定的，其具體研磨過程是無法監測的，而且更重要的是，研磨頭和研磨墊在研磨過程中會被逐漸磨損失去作用，在使用一段時間后需要定期更換，在不同時間使用的研磨頭或者研磨墊會使研磨速率發生變化， 因此，如果仍然在預定研磨時間下，必然會導致有的晶片上研磨過度，有的晶片上還未研磨至預定厚度，所以晶片與晶片(Wafer to Wafer,WTff)之間的厚度均勻性就會很差。進一步地，金屬銅在經過第三研磨臺后要求達到一定的方塊電阻值(Rs)，即要求圖4中溝槽內的金屬銅具有預定的高度(在厚度測量機臺上測量得到)，所以晶片與晶片之間的Rs均勻性也很差。
發明內容
有鑒于此，本發明解決的技術問題是在化學機械研磨過程中，如何提高晶片與晶片間的金屬方塊電阻的均勻性。為解決上述技術問題，本發明的技術方案具體是這樣實現的本發明公開了一種形成填充有金屬的溝槽結構的方法，該方法包括提供一半導體襯底，在半導體襯底上依次沉積形成刻蝕終止層、第二絕緣層和第
一絕緣層；在第一絕緣層的表面涂布光阻膠層，并曝光顯影圖案化所述光阻膠層，圖案化光阻膠層的開口用于定義溝槽的位置；以所述圖案化的光阻膠層為掩膜，對第一絕緣層和第二絕緣層依次進行刻蝕，在刻蝕終止層停止刻蝕，形成溝槽；在所述溝槽內填充金屬，所述金屬的高度高于所述第一絕緣層的高度。在沉積第一絕緣層之后，對第一絕緣層進行刻蝕之前，該方法進一步包括沉積硬掩膜層的步驟；沉積硬掩膜層之后，需要對硬掩膜層、第一絕緣層和第二絕緣層依次進行刻蝕，在刻蝕終止層停止刻蝕，形成溝槽。形成溝槽后，在溝槽內填充金屬之前，該方法進一步包括在溝槽表面形成阻擋層的步驟。所述第一絕緣層的介電常數值為2. 75 4 ；所述第二絕緣層的介電常數值小于
2. 6o所述第一絕緣層為黑鉆石材料層；所述第二絕緣層為經過多孔處理的黑鉆石材料層。本發明還公開了一種按照上述方法形成的填充有金屬的溝槽結構。本發明還公開了一種化學機械研磨方法，用于研磨如上所述的溝槽結構；包括在第一研磨臺上進行主研磨和在第二研磨臺上研磨去除溝槽上方剩余的金屬的步驟，該方法還包括采用第一絕緣層研磨速率比第二絕緣層研磨速率大于等于20的研磨液在第三研磨臺上進行研磨；同時采用電機電流終點檢測技術，對研磨終點進行探測，當研磨完第一絕緣層至第二絕緣層上表面時，達到研磨終點，研磨金屬達到預定高度，與第二絕緣層上表面高度相同。達到所述研磨終點時該方法進一步包括繼續在第三研磨臺研磨0 15秒。由上述的技術方案可見，本發明研磨金屬時，在前兩個研磨臺上的研磨與現有技術相同，而在第三研磨臺上研磨時，采用了終點檢測技術，具體為電機電流終點檢測技術， 該技術具有實時檢測功能，而不像現有技術那樣，只是通過實驗設定研磨時間。而且，形成溝槽時，刻蝕的絕緣層不再是單一的氧化層，而是包括第一絕緣層和位于其下的第二絕緣層的疊層結構，第二絕緣層的上表面就是第三工序的研磨終點，在第三研磨工序中，溝槽內的金屬同時被研磨，達到研磨終點時與第二絕緣層的上表面高度相同，溝槽內的金屬達到預定高度，即具有預定方塊電阻值。當研磨達到第二絕緣層上表面時，研磨速率與研磨第一絕緣層時的研磨速率相比差異很大，因此就可以根據終點檢測技術的電流變化確定此時為研磨終點。其中，第一絕緣層和第二絕緣層的研磨速率差異取決于研磨液的選擇。由于每片晶片都可以沉積形成相同高度的第一絕緣層和第二絕緣層，所以每片晶片在研磨時都在相同高度的第二絕緣層上表面停止，因此每片晶片上溝槽內金屬的預定高度都相同，進一步每片晶片之間方塊電阻均勻性就會比較好。
圖1為現有化學機械研磨機臺的剖面結構示意圖。圖2為現有技術中化學機械研磨方法的第一工序的剖面示意圖。圖3為現有技術中化學機械研磨方法的第二工序的剖面示意圖。圖4為現有技術中化學機械研磨方法的第三工序的剖面示意圖。圖5為本發明填充金屬銅的溝槽示意圖。圖6a為經過第一和第二研磨工序后的研磨示意圖。圖6b為經過第三研磨工序后的研磨示意圖。圖7為具體實施例中在第三研磨臺上研磨時，各材料層的研磨速率示意圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案、及優點更加清楚明白，以下參照附圖并舉實施例， 對本發明進一步詳細說明。現有技術是對絕緣層進行刻蝕形成溝槽，然后在溝槽內填充金屬銅，為了防止銅擴散進入絕緣層，更好地限制在溝槽內，一般采用鉭(Ta)和氮化鉭(TaN)的疊層結構，作為金屬和絕緣層之間的阻擋層。其中，絕緣層為氧化層。在第三研磨臺上研磨時，預先設置研磨時間，去除溝槽外的阻擋層和少量的氧化層，以確保溝槽上方剩余的金屬銅全部被去除而達到隔離的目的。為了更好地控制刻蝕終點，即控制每片晶片在第三研磨臺上的研磨都達到預定厚度，本發明的絕緣層分為第一絕緣層和位于其下的第二絕緣層，下面具體介紹溝槽結構的形成方法本發明實施例的一種形成填充有金屬的溝槽結構的方法，該方法包括提供一半導體襯底，在半導體襯底上依次沉積形成刻蝕終止層、第二絕緣層和第
一絕緣層；在第一絕緣層的表面涂布光阻膠層，并曝光顯影圖案化所述光阻膠層，圖案化光阻膠層的開口用于定義溝槽的位置；以所述圖案化的光阻膠層為掩膜，對第一絕緣層和第二絕緣層依次進行刻蝕，在刻蝕終止層停止刻蝕，形成溝槽；在所述溝槽內填充金屬，所述金屬的高度高于所述第一絕緣層的高度。其中，第二絕緣層的上表面為研磨終點。本發明關鍵的是，利用上述溝槽結構，經過第一和第二研磨臺后，采用經過不沾水處理的研磨液，在第三研磨臺上進行研磨，該研磨液對于第一絕緣層的研磨速率與第二絕緣層的研磨速率比大于等于20，這樣采用電機電流終點檢測技術，確定研磨終點時，當研磨到第二絕緣層上表面時，電流會出現顯著變化，能夠準確判斷研磨終點。關于電機電流終點檢測技術的原理如背景技術的第二工序中所述。以本發明實施例提供的某一研磨液為例，該研磨液為B86xx系列的產品，其對于第一絕緣層的研磨速率與第二絕緣層的研磨速率比為90，具體地，對于第一絕緣層的研磨速率為900埃每分鐘，對于第二絕緣層的研磨速率為10埃每分鐘。由于第一絕緣層和第二絕緣層的材料不同，而且這種研磨液能夠使研磨第一絕緣層時的研磨速率較快，而研磨第二絕緣層時的研磨速率幾乎為0，所以當研磨到第二絕緣層的上表面時，探測出的電流信號說明研磨達到終點。也就是說，研磨第一絕緣層與研磨墊之間的摩擦力，相比于研磨第二絕緣層與研磨墊之間的摩擦力是不同的，研磨第二絕緣層與研磨墊之間的摩擦力很大，從而使研磨頭或研磨機臺回轉力扭變化，其驅動電機的電流也隨之變化，因此由安裝在研磨頭和研磨機臺上的傳感器監測驅動電機電流變化，當研磨到第二絕緣層的上表面時，傳感器監測驅動電機電流幾乎為0，從而確定達到研磨終點。根據經過不沾水處理的研磨液的研磨特性，選擇第一絕緣層的介電常數值較高， 為2. 75 4，具有該介電常數的第一絕緣層研磨時的研磨速率較快；第二絕緣層的介電常數值較低，小于2. 6，具有該介電常數的第二絕緣層研磨時的研磨速率相對很慢。本發明優選實施例的一種形成填充有金屬的溝槽結構的方法，用于對半導體器件的絕緣層進行刻蝕，形成溝槽。所述絕緣層包括在半導體襯底500上依次形成的刻蝕終止層501、第二絕緣層502、第一絕緣層503和硬掩膜層504 ；對硬掩膜層504、第一絕緣層503 和第二絕緣層502依次進行刻蝕，在刻蝕終止層501停止刻蝕，形成溝槽；通過物理氣相沉積(PVD)方法，在溝槽內部及表面濺射阻擋層505 ；在阻擋層505的表面填充金屬銅506。 圖5為本發明填充金屬銅的溝槽示意圖。其中，刻蝕終止層可以為氮化層；第一絕緣層可以為含有硅、氧、碳、氫元素的類似氧化物(Oxide)的黑鉆石(black diamond, BD)材料層；第二絕緣層可以是經過多孔處理的BD材料層，其具有更低的介電常數值；硬掩膜層，可以是由正硅酸乙酯(TEOS)形成的氧化硅層，即TEOS層，該層用于在刻蝕溝槽時，保護溝槽尺寸不發生變化。經過第一、第二研磨工序后，如圖6a所示。其中具體研磨過程與現有技術相同，第一工序去除溝槽上方絕大部分的金屬銅，第二工序完全去除溝槽上方剩余的金屬銅，至顯露出阻擋層。然后，采用本發明的研磨方法，在第三研磨臺上進行研磨，采用第一絕緣層和第二絕緣層研磨速率差異很大的研磨液，依次研磨阻擋層505、硬掩膜層504、第一絕緣層 503，研磨在第二絕緣層502的上表面停止，如圖6b所示。根據監測驅動電機電流變化的傳感器可知，研磨阻擋層505、硬掩膜層504、第一絕緣層503和第二絕緣層502時的電流各不相同，對應地，列出各材料層的研磨速率示意圖，如圖7所示。圖7中第二絕緣層的研磨速率與其它材料層差異很大，幾乎為0，因此當研磨到第二絕緣層上表面時，傳感器可以清楚地探測到電流也相應幾乎為0，所以能夠準確地確定研磨終點。需要說明的是，第一和第二絕緣層的研磨速率差異一般要求在20倍以上，這樣才能在傳感器上明顯地探測到，而且一般要求第二絕緣層的研磨速率較小，這樣可以較容易地停止研磨。進一步地，根據經驗，在第三研磨臺上研磨時，如果傳感器一探測到電流明顯變化就確定研磨終點，停止研磨，此時很可能第一絕緣層還未完全去除，有部分剩余，所以為了完全研磨去除第一絕緣層，第三研磨臺上的研磨在探測達到研磨終點時，可以持續一定時間，優選為0 15秒。綜上所述，本發明首先提出一種溝槽結構，該溝槽結構適用于本發明的化學機械研磨方法，能夠通過電流變化實時探測研磨終點，較之現有的預設時間的方法更為準確。而且通過第二絕緣層高度的設定，來設定金屬的預定高度，即Rs值，因此實現起來的一致性就更高，使得每片晶片上溝槽內金屬的預定高度都相同，進一步每片晶片之間的Rs均勻性就會比較好。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明保護的范圍之內。
權利要求
1.一種形成填充有金屬的溝槽結構的方法，該方法包括提供一半導體襯底，在半導體襯底上依次沉積形成刻蝕終止層、第二絕緣層和第一絕緣層；在第一絕緣層的表面涂布光阻膠層，并曝光顯影圖案化所述光阻膠層，圖案化光阻膠層的開口用于定義溝槽的位置；以所述圖案化的光阻膠層為掩膜，對第一絕緣層和第二絕緣層依次進行刻蝕，在刻蝕終止層停止刻蝕，形成溝槽；在所述溝槽內填充金屬，所述金屬的高度高于所述第一絕緣層的高度。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在沉積第一絕緣層之后，對第一絕緣層進行刻蝕之前，該方法進一步包括沉積硬掩膜層的步驟；沉積硬掩膜層之后，需要對硬掩膜層、第一絕緣層和第二絕緣層依次進行刻蝕，在刻蝕終止層停止刻蝕，形成溝槽。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特征在于，形成溝槽后，在溝槽內填充金屬之前，該方法進一步包括在溝槽表面形成阻擋層的步驟。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一絕緣層的介電常數值為2.75 4 ； 所述第二絕緣層的介電常數值小于2. 6。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一絕緣層為黑鉆石材料層；所述第二絕緣層為經過多孔處理的黑鉆石材料層。
6.一種按照權利要求1至5任一項所述的方法形成的填充有金屬的溝槽結構。
7.一種化學機械研磨方法，用于研磨如權利要求6所述的溝槽結構；包括在第一研磨臺上進行主研磨和在第二研磨臺上研磨去除溝槽上方剩余的金屬的步驟，其特征在于，該方法還包括采用第一絕緣層研磨速率比第二絕緣層研磨速率大于等于20的研磨液在第三研磨臺上進行研磨；同時采用電機電流終點檢測技術，對研磨終點進行探測，當研磨完第一絕緣層至第二絕緣層上表面時，達到研磨終點，研磨金屬達到預定高度，與第二絕緣層上表面高度相同。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，達到所述研磨終點時該方法進一步包括繼續在第三研磨臺研磨0 15秒。
全文摘要
本發明提供了一種形成填充有金屬的溝槽結構的方法，該方法包括提供一半導體襯底，在半導體襯底上依次沉積形成刻蝕終止層、第二絕緣層和第一絕緣層；在第一絕緣層的表面涂布光阻膠層，并曝光顯影圖案化所述光阻膠層，圖案化光阻膠層的開口用于定義溝槽的位置；以所述圖案化的光阻膠層為掩膜，對第一絕緣層和第二絕緣層依次進行刻蝕，在刻蝕終止層停止刻蝕，形成溝槽；在所述溝槽內填充金屬，所述金屬的高度高于所述第一絕緣層的高度。本發明還提供了一種根據上述方法形成的溝槽結構，以及適用于該溝槽結構的化學機械研磨方法。本發明在化學機械研磨過程中提高了晶片與晶片間的金屬方塊電阻均勻性。
文檔編號H01L21/304GK102339741SQ20101023683
公開日2012年2月1日 申請日期2010年7月22日 優先權日2010年7月22日
發明者鄧武鋒 申請人:中芯國際集成電路制造(上海)有限公司