專利名稱：使用平面化方法和電解拋光相結(jié)合的方法形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及半導(dǎo)體器件，更具體地，涉及使用平面化方法和電解拋光的組合平面化金屬鑲嵌結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體器件是通過使用大量不同的工藝步驟產(chǎn)生晶體管并互聯(lián)元件來加工或制造的。為了電連接與半導(dǎo)體晶片相關(guān)的晶體管端子，在作為半導(dǎo)體器件的一部分的介質(zhì)材料中形成導(dǎo)電溝槽、過孔等。溝槽和過孔耦合晶體管、半導(dǎo)體器件的內(nèi)部電路以及半導(dǎo)體器件外的電路的信號和功率。
在形成互聯(lián)元件中，半導(dǎo)體晶片可能經(jīng)過，例如，掩模、蝕刻和淀積工藝，以形成想要的半導(dǎo)體器件的電路。具體地，可以進行多個掩模和蝕刻步驟，從而在半導(dǎo)體晶片上的介質(zhì)層中形成作為用于互連線的溝槽和過孔的凹槽區(qū)的圖形。然后可以進行淀積工藝，在半導(dǎo)體晶片上淀積金屬層，從而在溝槽和過孔中以及介質(zhì)層的非凹槽區(qū)上淀積金屬。為了隔離凹槽區(qū)的圖形并形成互連元件，要去掉淀積在半導(dǎo)體晶片的非凹槽區(qū)上的金屬。
去掉淀積在半導(dǎo)體晶片上的介質(zhì)層的非凹槽區(qū)上的金屬的常規(guī)方法包括，例如，化學(xué)機械拋光(CMP)。在半導(dǎo)體工業(yè)中廣泛的使用CMP方法，用來拋光和平面化在溝槽和過孔中以及介質(zhì)層的非凹槽區(qū)上的金屬層，形成互連線。
在CMP工藝中，晶片組件放在位于壓板或薄片上的CMP襯墊上。晶片組件包括具有一個或多個層和/或特征的襯底，例如在介質(zhì)層中形成的互連元件。然后是加壓力將晶片組件壓向CMP襯墊。CMP襯墊和晶片組件彼此相向運動，同時施加壓力拋光和平面化晶片表面。拋光溶液，常常稱作拋光漿，分配到CMP襯墊上，以利于拋光。拋光漿通常含有研磨劑，并且發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，以選擇性地從晶片上比其它材料，例如，介質(zhì)材料，更快地去掉不想要的材料，例如，金屬層。
因此，CMP可用來實現(xiàn)晶片表面的全部或局部平面化。此外，CMP可用于去掉材料層，以暴露出下面的結(jié)構(gòu)或?qū)印５?，由于存在較強的機械力，所以CMP方法對下面的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)具有幾個有害的影響。例如，由于互連的幾何尺寸發(fā)展到0.13μm甚至更小，在導(dǎo)體材料，例如銅，和在典型的金屬鑲嵌工藝中所用的低k膜的機械特性之間存在大的差別。例如，低k介質(zhì)膜的楊氏模量可能比銅大10個數(shù)量級。因此，在CMP工藝中，較強的機械力加到介質(zhì)膜和銅上，以及其它事情，可以在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上引起與應(yīng)力相關(guān)的缺陷，包括分層、凹陷、侵蝕、膜隆起、擦傷等。

發(fā)明內(nèi)容
在一個例子中，提供形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法。該方法包括在半導(dǎo)體晶片上形成帶有凹槽區(qū)和非凹槽區(qū)的介質(zhì)層，在介質(zhì)層上形成導(dǎo)電層，覆蓋凹槽區(qū)和非凹槽區(qū)，平面化導(dǎo)電層的表面以減少導(dǎo)電層的表面的形貌的變化，然后電解拋光導(dǎo)電層，暴露出非凹槽區(qū)。
通過下面結(jié)合附圖和權(quán)利要求書的詳細(xì)介紹可以更好地理解本發(fā)明。


圖1A和1B示出了半導(dǎo)體器件的示例性電解拋光工藝；
圖2A到2D示出了半導(dǎo)體器件的示例性平面化和電解拋光工藝；圖3示出了示例性金屬鑲嵌工藝的流程圖；圖4A和4B示出了在要平面化和拋光的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上形成的金屬層的示例性形貌；圖5示出了示例性化學(xué)機械拋光設(shè)備的剖面圖；圖6示出了示例性電解拋光設(shè)備的剖面圖。
具體實施例方式
為了更完全地理解本發(fā)明，下面的介紹闡述了大量的具體細(xì)節(jié)，例如，特定的材料、參數(shù)等。但是，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，這些介紹不是要作為本發(fā)明的范圍的限制，而是為了更好的介紹示例性的實施例。
化學(xué)機械拋光(CMP)是已知的用于平面化和拋光半導(dǎo)體表面的方法，但是，CMP可以對下面的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與應(yīng)力相關(guān)的缺陷，例如，凹陷、侵蝕、膜隆起、擦傷等。相反，電解拋光是提供相對無應(yīng)力拋光方法的拋光金屬(例如，銅)的工藝。但是，如下面所介紹的，電解拋光是各向同性的蝕刻方法，即以大致相同的速度蝕刻金屬層，而不管高度差。因此，如果在電解拋光之前金屬層布局輪廓或大致形狀是非平面化的，則在電解拋光之后金屬層形貌的輪廓或大致形狀通常會保留下來。
圖1A和1B示出了拋光具有不平坦形貌的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的電解拋光的示例性工藝流程。圖1A示出了在襯底100上的構(gòu)圖有凹陷和非凹槽區(qū)的介質(zhì)層102。在介質(zhì)層102和襯底100上形成有阻擋層/籽晶層105。最后，在阻擋層/籽晶層105上，例如，通過電鍍，淀積金屬層106，并覆蓋介質(zhì)層102的凹陷和非凹槽區(qū)。金屬層106具有在介質(zhì)層中的各種結(jié)構(gòu)上包括隆起108和凹陷112的不平坦的形貌。例如，通過在電鍍工藝中的電鍍化學(xué)可導(dǎo)致金屬層106的不平坦的形貌。
現(xiàn)在參考圖1B，通常拋光金屬層106到非凹槽區(qū)的表面，從而隔離在凹槽區(qū)即溝槽中的金屬層106，以形成金屬互連線。通常，希望在凹槽區(qū)中的金屬層106的上表面與圍繞在凹槽區(qū)中形成的金屬層106的非凹槽區(qū)的上表面平齊。
應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，所謂的平齊并不是要求或建議金屬層106的上表面與非凹槽區(qū)的上表面絕對的在一個表面上，而是要表達使金屬層106的上表面的平面與非凹槽區(qū)的上表面的平面更連貫。因此，往往有利于減小金屬層106的上表面的平面與非凹槽區(qū)的上表面的平面之間的變化。
在本例中，假設(shè)電解拋光金屬層106。另外，如圖1A所示，假設(shè)在電解拋光之前金屬層106的形貌的輪廓或大致形狀是不平坦的。如上所述，電解拋光為各向同性的蝕刻工藝。由此，如圖1B所示，在電解拋光之后，可以保留金屬層106的形貌的輪廓或大致形狀。
更具體地，在本例中，如圖1A所示，假設(shè)在電解拋光之前金屬層106的形貌包括隆起108和凹入部分112。如圖1B所示，假設(shè)在電解拋光之后隆起108和凹入部分112(圖1A)留下殘余物110和凹陷114。殘余物110是在介質(zhì)層102之上的高度為H的金屬層106的區(qū)域。殘余物110可導(dǎo)致在殘余物110下面的溝槽區(qū)中形成的互連線之間的電短路。凹陷114是在在溝槽中的金屬層106的表面比介質(zhì)層102的表面低深度R的金屬層106中的凹陷或溝槽。凹陷114導(dǎo)致溝槽中金屬或銅的損失，引起所形成的互連線的導(dǎo)電率的減小。因此，如上所述，減小金屬層106的表面高于或低于非凹槽區(qū)的表面的高度的變化是有利的。
因此，在一個示例性的實施例中，在電解拋光金屬層以隔離互連線之前，平面化在已構(gòu)圖的介質(zhì)層上形成的金屬層。由于當(dāng)凹陷的金屬暴露給CMP襯墊時對結(jié)構(gòu)的破壞發(fā)生的最多，所以在電解拋光金屬層之前先平面化金屬層的一個優(yōu)點是可以在比常規(guī)平面化技術(shù)更少破壞在金屬層下面的結(jié)構(gòu)的情況下在介質(zhì)層中形成金屬互連線，并由此增加互連元件的可靠性。
圖2A到2D示出了平面化和電解拋光示包括帶有非平坦形貌的金屬層106的例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法的示例性工藝流程。圖2A示出了具有在介質(zhì)層102中形成的凹槽區(qū)102r和非凹槽區(qū)102n的示例性半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的剖面圖。凹槽區(qū)102r和非凹槽區(qū)102n在介質(zhì)層102中形成互連線的圖形?？梢允褂萌魏纬Ｒ?guī)淀積方法，例如，熱或等離子體化學(xué)氣相淀積、旋涂、濺射等，在襯底層100上按常規(guī)淀積并形成介質(zhì)層102。此外，可以通過已知的構(gòu)圖方法，例如，光掩模、光刻、微光刻(microlithography)等構(gòu)圖介質(zhì)層102。介質(zhì)材料可以是，例如，二氧化硅(SiO2)。對于許多應(yīng)用，希望選擇低介電常數(shù)的介質(zhì)層材料，通常稱作低“k”值材料。低k值材料(即，大約小于3.0)通過減小相鄰線之間的電容耦合和“串?dāng)_”在互連線之間提供更好的電隔離。這種低k值材料包括氟化(flourinated)硅酸鹽玻璃、聚酰亞胺、氟化聚酰亞胺、混合/合成物(hybridlcomposites)、硅氧烷、有機聚合物，[阿爾法]-C:F，Si-O-C、聚對二甲苯/氟化聚對二甲苯、聚四氟乙烯(polyterafluoroethylene)、納米微孔氧化硅(nanoporous silca)、納米微孔有機物(nanoporous organic)等。
在襯底層100上形成介質(zhì)層102。襯底層100可以是，例如，下面的半導(dǎo)體晶片、之前形成的介質(zhì)層或其它半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。根據(jù)特定的應(yīng)用，襯底層100包括，例如，硅和/或其它各種半導(dǎo)體材料，例如砷化鎵等。
通過各種方法，例如，化學(xué)氣相淀積(CVD)、物理氣相淀積(PVD)、原子層淀積(ALD)等，在介質(zhì)層上淀積阻擋層和/或籽晶層105，從而阻擋層覆蓋已構(gòu)圖的介質(zhì)層102，包括介質(zhì)層102在凹槽區(qū)102r的側(cè)壁。在隨后的金屬層106淀積之后(圖2B)，阻擋層用來防止金屬(例如，銅)擴散到介質(zhì)層102中。如果通擴散到介質(zhì)層102中，會有害的增加介質(zhì)層102的介電常數(shù)。阻擋層和/或籽晶層105可以由能夠防止銅擴散的任何合適的導(dǎo)電材料形成，例如，鈦、鉭、鎢、氮化鈦、氮化鉭、氮化鎢或其它合適的金屬。在某些應(yīng)用中，可以省略阻擋層。例如，如果介質(zhì)材料足以抵擋金屬層106的擴散，或者如果金屬層106的擴散不會對半導(dǎo)體器件的性能造成不利影響，則可以省略阻擋層。
如果例如隨后在介質(zhì)層102上電鍍金屬層106，則通常淀積籽晶層。籽晶層一般為金屬層106可以電鍍上的銅或其它導(dǎo)電材料的薄層。此外，阻擋層/籽晶層105的單層或材料可以作為阻擋層和籽晶層。
現(xiàn)在參考圖2B，在阻擋層/籽晶層105的表面上淀積金屬層106，或者如果省略了阻擋層/籽晶層105，則在介質(zhì)層102上淀積金屬層106。金屬層106填充溝槽或凹槽區(qū)102r，并且覆蓋非凹槽區(qū)102n。可以通過PVD、CVD、ALD、電鍍、化學(xué)鍍或任何其它方便的方法淀積金屬層106。金屬層106為，例如，銅或其它合適的導(dǎo)電材料，例如，鋁、鎳、鉻、鋅、鎘、銀、金、銠、鈀、鉑、錫、鉛、鐵、銦等。
如圖2B所示，金屬層106的形貌是具有變化的非平坦形狀。例如，金屬層106的淀積可以在介質(zhì)層102的各種特征上導(dǎo)致隆起108和/或凹入部分112。具體地，如果在介質(zhì)層102上電鍍金屬層106，可以在窄的和高密度溝槽區(qū)上形成隆起108，并且可以在介質(zhì)層102的寬的低密度的溝槽區(qū)上形成凹入部分112。由于電鍍的化學(xué)性質(zhì)，在介質(zhì)層102上電鍍金屬層106的情況中這種效應(yīng)特別普遍。但是，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，隆起108和凹入部分112的形狀和位置僅是說明性的，并且金屬層106的其它非平坦形貌特征也是可能的，如下面對圖4A和4B的介紹。
現(xiàn)在參考圖2C，平面化金屬層106到光滑或降低形貌的特征。例如，化學(xué)機械拋光(CMP)工藝加到結(jié)構(gòu)上以拋光和平面化金屬層106。CMP金屬層106減少了形貌，即，隆起108、凹入102，和金屬層106的表面的其它非平坦形貌特征，以在電解拋光金屬層106之前使金屬層106光滑。例如，進行CMP工藝拋光金屬層106到下面的襯底100之上的第一高度“a”，其中“a”大于介質(zhì)層102的高度“b”。因此，在還沒有完全從介質(zhì)層102的非凹槽區(qū)102n上去掉金屬層106并且能夠開始接觸介質(zhì)層102時停止CMP工藝。優(yōu)選地，CMP工藝拋光金屬層106以平面化并減小金屬層106的形貌的變化。
應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，所謂的平坦和平面化，特別是在金屬層106中，并不是要要求或建議金屬層106的表面絕對平坦；而是要表示使金屬層106的表面更光滑或平坦?；旧?，在電解拋光之前平面化金屬層106的表面減少了金屬層106的形貌的變化。
可以為平面化效率優(yōu)化本示例性方法的CMP工藝，較少將重點放在保留介質(zhì)層102和下面的結(jié)構(gòu)上，因為CMP設(shè)備(圖5)的拋光墊不直接接觸下面的結(jié)構(gòu)，例如介質(zhì)層102。例如，可以調(diào)節(jié)拋光墊的剛度或硬度，以保護下面的介質(zhì)層102。帶有其中嵌入鉆石尖端等的剛性墊可以用在本方法的例子的CMP部分中。此外，可以使用不含漿或不含研磨劑的拋光工藝，以減少在金屬層106中的擦傷。
拋光墊的壓力可以作為控制和防止對構(gòu)圖介質(zhì)層102和互連結(jié)構(gòu)造成損壞的一個因素，特別是對于具有銅和低k介質(zhì)膜的集成方案。通常，拋光墊的壓力范圍從0.1磅力每平方英寸(PSI)到10PSI，例如，5PSI。在CMP工藝期間去掉的金屬層106的厚度至少部分根據(jù)在介質(zhì)層102上形成的金屬層106的形貌和所采用的CMP工藝的平面化效率。通常，取掉的厚度大于或等于金屬層形貌的高低點之間的差。
但是，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，這里介紹CMP工藝僅僅是為了說明的目的?？梢圆捎闷渌矫婊饘賹?06的方法代替或與上述示例性CMP方法一起。例如，可以在金屬層106上增加犧牲材料，以平面化金屬層106上的表面。犧牲材料可以是導(dǎo)電或不導(dǎo)電的，例如，旋涂玻璃、光致抗蝕劑、金屬合金、金屬化合物等。然后可以通過，例如，蝕刻掉犧牲材料和部分金屬層106來平面化金屬層106。犧牲材料和金屬層106應(yīng)當(dāng)具有相同或相近的蝕刻速度，從而蝕刻工藝以相近的速度去掉犧牲材料和金屬層106。以相近的速度蝕刻平面化的金屬層106和犧牲層以去掉犧牲材料和部分金屬層106將產(chǎn)生平面化的金屬層106。在圖4A中描述了該工藝的例子，并在下面介紹。
蝕刻工藝可以是干蝕刻工藝或濕蝕刻工藝。干蝕刻工藝包括等離子體蝕刻、化學(xué)氣相蝕刻等。離子體蝕刻源包括高密度等離子體源，例如，helicon等離子體源、感應(yīng)耦合等離子體源(ICP)等。蝕刻氣體包括鹵族，例如，氯基氣體。在下面的表中詳細(xì)地列出了等離子體蝕刻工藝的條件的兩個例子表I高溫等離子體蝕刻工藝的示例性條件500到1500W，優(yōu)選等離子體功率800W10到50mTorr，優(yōu)選20氣體壓力mTorr
晶片溫度 300到500℃，優(yōu)選400℃蝕刻氣體 氯(Cl2)表II低溫等離子體蝕刻工藝的示例性條件步驟1500到1500W，優(yōu)選等離子體功率800W10到50mTorr，優(yōu)選20氣體壓力mTorr晶片溫度 20到100℃，優(yōu)選50℃蝕刻氣體 氯(Cl2)在步驟1之后，銅和銅化合物的上部將轉(zhuǎn)化為銅的氯化物(CuClx)。
步驟2通過使用稀釋的HCl溶液濕蝕刻CuClx化合物。HCl的濃度在1到6重量百分比的范圍內(nèi)，優(yōu)選3％。
或者，平面化技術(shù)類似于用在平板顯示器工藝中將玻璃上的非晶Si(a-Si)退火為多晶Si的技術(shù)，在電鍍銅層之后通過使用激光軟化金屬層106，以回流銅，形成平面化的表面。另一個可選的方法包括平行于襯底100的表面的方向傳播的高頻和短脈沖激光，通過蒸發(fā)去掉金屬層106的形貌的較高部分。短脈沖激光用來保護體銅和周圍的介質(zhì)不受由激光產(chǎn)生的高溫的影響，即，減少熱分配(thermobudget)。激光器可以是固態(tài)激光器，例如，紅寶石激光器、Nd玻璃激光器、Nd:YAG(釔鋁石榴石，Y3Al5O12)激光器，氣體激光器，例如，He-Ne激光器、CO2激光器、HF激光器等。激光束可以掃描襯底100的整個表面，以平面化金屬層106。此外，在這種工藝中，可以使用非接觸型表面形貌傳感器作為終點檢測器。下標(biāo)中詳細(xì)列出了該平面化工藝的示例性條件表III脈沖激光器平面化工藝的示例性參數(shù)平均激光功率 100到5000W脈沖長度 皮秒到微秒鏡片溫度 -100到20℃現(xiàn)在參考圖2D，在金屬層106被平面化之后，電解拋光金屬層106。具體的，由介質(zhì)層102的非凹槽區(qū)102n電解拋光金屬層106，從而金屬層106被隔離在凹槽區(qū)102r或溝槽中，形成互連線?？梢話伖饨饘賹?06到與非凹槽區(qū)的高度相同?；蛘呖梢話伖饨饘賹?06到低于非凹槽區(qū)的高度?？梢酝ㄟ^電解拋光設(shè)備(圖6)將電解液流(未示出)引導(dǎo)到金屬層106上，電解拋光金屬層106。電解液為，例如，任何方便的電解拋光液，例如，磷酸、正磷酸(orthophosphoric acid(H3PO4))等。
此外，從介質(zhì)層102的非凹槽區(qū)102n的暴露區(qū)域中去掉阻擋層/籽晶層105。如果層105為或包括籽晶層，則，例如，拋光金屬層106的電解拋光工藝可以去掉它。如果層105為或包括阻擋層，則，例如，等離子體干蝕刻、濕蝕刻等可以去掉它。另外，如果電解拋光金屬層106到小于非凹槽區(qū)的高度，則在此時也蝕刻非凹槽區(qū)以平面化表面。下面的表IV提供了在去掉阻擋層的等離子體干蝕刻工藝中所采用的參數(shù)的示例性范圍表IV等離子體干蝕刻工藝的示例性參數(shù)等離子體功率500到2000W真空度 30到100mTorr晶片溫度大約20℃SF6＝50sccm(或CF4＝50sccm，或氣體和流速O2＝10sccm)氣壓0.1到50mTorr
TaN的去除速度250nm/minTiN的去除速度300nm/minSiO2的去除速度 20nm/min這些參數(shù)導(dǎo)致兩種可能作為阻擋層105的材料的TaN和TiN的去除速度大于可能作為介質(zhì)層102的材料的SiO2的去除速度。選擇性可以以此方式選擇，以在去掉阻擋層105期間減少蝕刻或破壞下面的介質(zhì)層102。但是，應(yīng)當(dāng)注意，通過改變參數(shù)可以得到其它選擇性。
圖3是示出包括平面化工藝和電解拋光工藝的示例性金屬鑲嵌工藝300的流程圖。在方框302中提供具有凹槽區(qū)和非凹槽區(qū)的晶片。在晶片上提供的已構(gòu)圖的介質(zhì)層可以限定凹槽區(qū)和非凹槽區(qū)。可以在下面的包括其它之前形成的介質(zhì)層、晶片等半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上形成已構(gòu)圖的介質(zhì)層。此外，晶片可以分成包括凹槽區(qū)和非凹槽區(qū)并且在工藝的后續(xù)階段分為單個半導(dǎo)體器件的小塊。然后，在方框304中淀積金屬層，從而金屬層填充介質(zhì)層中的凹槽區(qū)并覆蓋介質(zhì)層的非凹槽區(qū)。接著，在方框306中平面化金屬層。例如，金屬層經(jīng)過CMP工藝，以平面化并使金屬層的形貌光滑。然后，在方框308中電解拋光經(jīng)平面化的金屬層，以暴露出介質(zhì)層的非凹槽區(qū)并隔離在凹槽區(qū)中的金屬層，形成金屬互連線。
應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，可以對在流程圖中示出的示例性工藝300進行大量的修改。例如，在方框304中金屬層淀積之前可以任意地增加阻擋層/籽晶層，在這種情況下，在暴露出非凹槽區(qū)之后，從介質(zhì)層上蝕刻掉阻擋層/籽晶層。另外，在圖3中的每個方框可以包括許多沒有在這里介紹的工藝，例如掩模并蝕刻晶片，形成凹槽區(qū)，或者在平面化表面之前和/或之后清潔金屬層。此外，示例性的金屬鑲嵌工藝300可以用于單和雙鑲嵌應(yīng)用。
圖4A和4B示出了被平面化并且然后電解拋光以形成互連結(jié)構(gòu)的金屬層106的另外的示例性形貌。參考圖4A，金屬層106具有大致與下面的介質(zhì)層102的形狀相對應(yīng)的形貌。這種形貌可以通過，例如，在介質(zhì)層102上濺射金屬層106來產(chǎn)生。然后，通過例如增加犧牲材料107，然后回蝕犧牲材料107和金屬層106的一部分來平面化金屬層106，從而金屬層106平面化到虛線“P”。如上所述，犧牲材料107可以是金屬、具有溶劑的金屬復(fù)合物，例如具有溶劑的銅、旋涂玻璃、光致抗蝕劑等。犧牲材料107可以是與下面的金屬層106具有相近的蝕刻速度的任何材料，并且蝕刻工藝可以是對犧牲材料107和金屬層106沒有選擇性的常規(guī)的干或濕蝕刻。
線“P”的位置僅僅是為了說明的目的，并且可以根據(jù)應(yīng)用和平面化的方法上下調(diào)節(jié)。在金屬層106的形貌特征已經(jīng)平面化之后，類似于圖2C，如上面參考圖2D所介紹的電解拋光金屬層106。
圖4B示出了具有不規(guī)則表面形貌的另一個示例性的金屬層106。金屬層106的不規(guī)則表面形貌可以是由于下面結(jié)構(gòu)的淀積方法的任何數(shù)量的原因引起的。類似于圖4A，金屬層106通過首先采用CMP拋光、增加犧牲材料并回蝕平面化到線“P”的表面，馬上用激光等加熱金屬層106拋光。然后電解拋光金屬層106。由圖4A和4B應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，通過該方法可以平面化和電解拋光大量的金屬層形貌，而不會對下面的介質(zhì)層102造成損壞。
現(xiàn)在參考圖5，介紹示例性的CMP設(shè)備400和工藝。CMP設(shè)備400可以用來平面化金屬層106。通過相對于濕的拋光表面按壓和旋轉(zhuǎn)晶片的表面進行示例性CMP工藝。通過CMP設(shè)備400的化學(xué)物質(zhì)、壓力和溫度條件控制工藝。示例性CMP設(shè)備400包括可旋轉(zhuǎn)的拋光壓板411和安裝在拋光壓板411上的拋光墊412。CMP設(shè)備400還包括定位并對晶片401施加沿箭頭414所示方向的力的可旋轉(zhuǎn)的晶片載體413?；瘜W(xué)漿料通過噴嘴417加到CMP設(shè)備400并分配到拋光墊412上。例如化學(xué)漿料通過溫控容器(未示出)經(jīng)由噴嘴417來提供?；瘜W(xué)漿料為，例如，含有例如氧化鋁、氧化硅等用作研磨劑的拋光劑以及其它選擇的化學(xué)物質(zhì)的化學(xué)漿料，拋光晶片401的表面。
影響拋光速度的主要參數(shù)為相對于拋光墊412加在晶片401上的向下的壓力414、拋光壓板411和晶片載體413的旋轉(zhuǎn)速度、化學(xué)漿料的成分和溫度，以及拋光墊412的成分。這些參數(shù)的調(diào)節(jié)允許對CMP設(shè)備400的拋光速度和平面化效率進行控制。
參考圖5介紹的CMP設(shè)備400和工藝僅僅是為了說明的目的，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，可以采用其它CMP設(shè)備結(jié)構(gòu)和設(shè)置。例如，可以用相對與晶片載體413移動拋光墊412的傳動帶代替可旋轉(zhuǎn)的拋光壓板411和拋光墊412。而且，正如所認(rèn)識到的，晶片401相對于拋光墊412的運動可以采用多種方式實現(xiàn)。因此，在圖5中所示的CMP設(shè)備400不是要限制CMP設(shè)備或其所用的方法。
圖6示出了可用于電解拋光形成在半導(dǎo)體晶片501上的金屬層506的電解拋光設(shè)備500的示例性剖面圖。半導(dǎo)體晶片501還包括，例如，襯底層100、介質(zhì)層102和阻擋層/籽晶層105(圖2A到2D)。此外，在電解拋光之前，通過例如CMP設(shè)備400(圖5)平面化金屬層506的形貌。
電解拋光設(shè)備500的噴嘴540引導(dǎo)電解液520流到金屬層506的表面。在其它例子中，晶片501可以完全或部分浸在電解液502中。電解液520包括任何合適的電解拋光液，例如，磷酸、正磷酸(H3PO4)等。例如，在一個例子中，電解液為濃度在大約60重量百分比和大約85重量百分比之間的正磷酸。此外，電解液106可以包括，例如，10到40百分比的乙二醇(相對酸的重量)。但是，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，電解液的濃度和成分可以根據(jù)實際應(yīng)用而變化。
當(dāng)電解拋光設(shè)備500引導(dǎo)電解液520流到金屬層506時，電源550加相反的電荷到位于噴嘴540中的電極530(陰極)和耦合到金屬層506的電極(陽極)上。電源550可以在，例如恒流或恒壓模式下工作。電源550設(shè)置成相對于金屬層506正充電電解液520，從表面去掉金屬層506的金屬離子。如此，電解液520的液流電解拋光金屬層506與電解液520接觸的部分。
此外，如圖6所示，晶片501旋轉(zhuǎn)并沿X軸平移，從而使電解液520的液流位于金屬層506的整個表面，并均勻地電解拋光表面。例如，通過旋轉(zhuǎn)晶片501，同時沿X方向平移晶片501，可以使電解液520沿螺旋形路徑經(jīng)過金屬層506的表面。或者，晶片501保持固定，而移動噴嘴540，從而將電解液520的液流加到金屬層506的所希望的位置。此外，可以移動晶片501和噴嘴540將電解液520的液流加到金屬層506的所希望的位置?？梢栽?000年2月4日提交的標(biāo)題為METHODS AND APPARATUS FOR ELECTROPOLISHING METALINTERCONNECTIONS ON SEMICONDUCTOR DEVICES的美國專利申請No.09/497,894以及1999年7月2日提交的標(biāo)題為METHODSAND APPARATUS FOR ELECTROPOLISHING METALINTERCONNECTIONS ON SEMICONDUCTOR DEVICES的相關(guān)美國專利No.6,395,152中找到電解拋光方法和設(shè)備的示例性介紹，兩者在這里整個作為參考引入。
另外，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，可以采用其它電解拋光方法和設(shè)備電解拋光金屬層106。例如，包括金屬層506的晶片501可以部分或全部浸入到電解液的電鍍槽中。
提供上述詳細(xì)介紹以說明示例性實施例，而不是要限制。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明的范圍內(nèi)進行各種修改和變形顯然是可能的。例如，在單或雙鑲嵌金屬鑲嵌實現(xiàn)中形成的大量的互連結(jié)構(gòu)，例如，介質(zhì)層、導(dǎo)電層、阻擋層、籽晶層以及掩模層的組合，可以用所述方法平面化和電解拋光。此外，可以組合許多平面化和電解拋光的方法來平面化和電解拋光互連結(jié)構(gòu)的表面。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員還應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)所介紹的方法和設(shè)備可以方便的平面化和電解拋光由這里所介紹的原因之外的其它原因產(chǎn)生的具有不平坦的形貌的金屬層。因此，本發(fā)明由權(quán)利要求書限定，而不應(yīng)當(dāng)由這里的介紹所限制。
權(quán)利要求
1.一種形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的方法，包括在半導(dǎo)體晶片上形成介質(zhì)層，其中所述介質(zhì)層包括凹槽區(qū)和非凹槽區(qū)；在介質(zhì)層上形成導(dǎo)電層，以覆蓋凹槽區(qū)和非凹槽區(qū)；平面化所述導(dǎo)電層的表面，以減少所述導(dǎo)電層的表面形貌的變化；以及在平面化所述導(dǎo)電層的表面之后，電解拋光所述導(dǎo)電層，以暴露出非凹槽區(qū)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中平面化所述導(dǎo)電層的表面的方法包括化學(xué)機械拋光(CMP)所述導(dǎo)電層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中CMP平面化所述導(dǎo)電層的表面而不暴露出導(dǎo)電層的非凹槽區(qū)。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述CMP包括拋光墊，并且拋光墊不接觸導(dǎo)電層的非凹槽區(qū)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中所述CMP包括無漿拋光工藝。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中平面化所述導(dǎo)電層的表面的方法包括在導(dǎo)電層的表面上形成犧牲材料，其中所述犧牲材料被平面化，以及蝕刻犧牲材料和導(dǎo)電層的一部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中蝕刻方法在犧牲材料和導(dǎo)電層之間沒有選擇性。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其中所述犧牲材料為旋涂玻璃。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中形成導(dǎo)電層包括淀積導(dǎo)電層。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中形成導(dǎo)電層包括電鍍導(dǎo)電層。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括在導(dǎo)電層和介質(zhì)層之間形成籽晶層。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中電解拋非凹槽區(qū)去掉部分籽晶層。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中電解拋光的方法包括將電解液流導(dǎo)向?qū)щ妼拥谋砻妗?br> 14.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中電解拋光的方法包括將導(dǎo)電層的至少一部分浸入到電解液中。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括在導(dǎo)電層和介質(zhì)層之間形成阻擋層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中通過等離子體干蝕刻從介質(zhì)層的非凹槽區(qū)去掉所述阻擋層。
17.根據(jù)權(quán)利要求15的方法，其中通過濕蝕刻從介質(zhì)層的非凹槽區(qū)去掉所述阻擋層。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述導(dǎo)電層為銅。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述導(dǎo)電層被平面化到第一高度并被電解拋光到第二高度，其中所述第二高度小于所述第一高度。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中所述第二高度與所述非凹槽區(qū)的高度平齊。
21.根據(jù)權(quán)利要求19的方法，其中所述第二高度小于所述非凹槽區(qū)的高度。
22.一種制造半導(dǎo)體器件的方法，包括在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上形成介質(zhì)層，其中所述介質(zhì)層包括凹槽區(qū)和非凹槽區(qū)；形成導(dǎo)電層，以覆蓋介質(zhì)層并填充非凹槽區(qū)；平面化所述導(dǎo)電層到所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上的第一高度，其中所述第一高度大于非凹槽區(qū)的高度；以及電解拋光所述導(dǎo)電層到所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上的第二高度，其中所述第二高度小于所述第一高度。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中所述第二高度與所述非凹槽區(qū)的高度平齊。
24.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中所述第二高度小于所述非凹槽區(qū)的高度。
25.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中平面化所述導(dǎo)電層的方法包括化學(xué)機械拋光(CMP)導(dǎo)電層。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中所述CMP不露出導(dǎo)電層下面的結(jié)構(gòu)。
27.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中所述CMP包括拋光墊，并且所述拋光墊不接觸導(dǎo)電層下面的結(jié)構(gòu)。
28.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中所述CMP包括無漿拋光工藝。
29.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中平面化所述導(dǎo)電層的方法包括在導(dǎo)電層的表面上形成犧牲材料，其中所述犧牲材料被平面化，以及蝕刻犧牲材料和導(dǎo)電層，在犧牲材料和導(dǎo)電層之間沒有選擇性。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的方法，其中所述犧牲材料為旋涂玻璃。
31.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中形成導(dǎo)電層包括淀積導(dǎo)電層。
32.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中形成導(dǎo)電層包括電鍍導(dǎo)電層。
33.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，還包括在導(dǎo)電層和介質(zhì)層之間形成籽晶層。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的方法，其中電解拋光方法從非凹槽區(qū)去掉所述籽晶層的一部分。
35.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中電解拋光方法包括將電解液流導(dǎo)向?qū)щ妼拥谋砻妗?br> 36.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中電解拋光方法包括將導(dǎo)電層的至少一部分浸入到電解液中。
37.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，還包括在導(dǎo)電層和介質(zhì)層之間形成阻擋層。
38.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中通過等離子體干蝕刻從介質(zhì)層的非凹槽區(qū)去掉所述阻擋層。
39.根據(jù)權(quán)利要求37的方法，其中通過濕蝕刻從介質(zhì)層的非凹槽區(qū)去掉所述阻擋層。
40.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中所述導(dǎo)電層為銅。
41.一種制造互連結(jié)構(gòu)的方法，包括形成半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中對所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)制作有開口的圖形，以形成互連線；在半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上和開口中形成導(dǎo)電層；平面化所述導(dǎo)電層的表面以減小不平坦的變化；以及電解拋光經(jīng)平面化的所述導(dǎo)電層，以隔離在開口中的導(dǎo)電層。
42.根據(jù)權(quán)利要求41的方法，其中所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括在其中形成有開口的介質(zhì)層。
43.根據(jù)權(quán)利要求42的方法，其中所述半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包括在介質(zhì)層和導(dǎo)電層之間形成的阻擋層。
44.根據(jù)權(quán)利要求43的方法，其中通過等離子體干蝕刻從部分介質(zhì)層去掉所述阻擋層。
45.根據(jù)權(quán)利要求43的方法，其中通過濕蝕刻從部分介質(zhì)層去掉所述阻擋層。
46.根據(jù)權(quán)利要求42的方法，還包括在導(dǎo)電層和介質(zhì)層之間形成籽晶層。
47.根據(jù)權(quán)利要求46的方法，其中電解拋光方法去掉部分所述籽晶層。
48.根據(jù)權(quán)利要求41的方法，其中平面化所述導(dǎo)電層的表面的方法包括化學(xué)機械拋光(CMP)導(dǎo)電層。
49.根據(jù)權(quán)利要求48的方法，其中所述CMP不露出導(dǎo)電層下面的結(jié)構(gòu)。
50.根據(jù)權(quán)利要求48的方法，其中所述CMP包括拋光墊，并且拋光墊不接觸導(dǎo)電層下面的結(jié)構(gòu)。
51.根據(jù)權(quán)利要求48的方法，其中所述CMP包括無漿拋光工藝。
52.根據(jù)權(quán)利要求41的方法，其中平面化所述導(dǎo)電層的表面的方法包括在所述導(dǎo)電層的表面上形成犧牲材料，其中所述犧牲材料被平面化，以及蝕刻犧牲材料和一部分導(dǎo)電層，在犧牲材料和導(dǎo)電層之間沒有選擇性。
53.根據(jù)權(quán)利要求52的方法，其中犧牲材料為旋涂玻璃。
54.根據(jù)權(quán)利要求41的方法，其中形成導(dǎo)電層包括淀積導(dǎo)電層。
55.根據(jù)權(quán)利要求41的方法，其中形成導(dǎo)電層包括電鍍導(dǎo)電層。
56.根據(jù)權(quán)利要求41的方法，其中電解拋光方法包括將電解液流導(dǎo)向?qū)щ妼拥谋砻妗?br> 57.根據(jù)權(quán)利要求41的方法，其中電解拋光方法包括將導(dǎo)電層的至少一部分浸入到電解液中。
58.根據(jù)權(quán)利要求41的方法，其中所述導(dǎo)電層為銅。
59.一種半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，包括導(dǎo)電層；以及具有凹槽區(qū)和非凹槽區(qū)的介質(zhì)層，其中所述導(dǎo)電層填充非凹槽區(qū)，以形成互連線，以及通過平面化然后電解拋光所述導(dǎo)電層的表面露出非凹槽區(qū)。
60.根據(jù)權(quán)利要求59的結(jié)構(gòu)，其中通過化學(xué)機械拋光(CMP)平面化所述導(dǎo)電層。
61.根據(jù)權(quán)利要求60的結(jié)構(gòu)，其中所述CMP不露出介質(zhì)層的非凹槽區(qū)。
62.根據(jù)權(quán)利要求60的結(jié)構(gòu)，其中平面化所述導(dǎo)電層包括在所述導(dǎo)電層的表面上形成平坦的犧牲材料，以及蝕刻犧牲材料和導(dǎo)電層的一部分。
63.根據(jù)權(quán)利要求62的方法，其中蝕刻方法在犧牲材料和導(dǎo)電層之間沒有選擇性。
64.根據(jù)權(quán)利要求62的方法，其中所述犧牲材料包括旋涂玻璃。
65.根據(jù)權(quán)利要求62的方法，其中所述犧牲材料包括光致抗蝕劑。
66.根據(jù)權(quán)利要求62的方法，其中所述犧牲材料包括金屬。
67.一種根據(jù)權(quán)利要求1的方法形成的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。
68.一種根據(jù)權(quán)利要求22的方法形成的半導(dǎo)體器件。
69.一種根據(jù)權(quán)利要求41的方法在半導(dǎo)體晶片上形成的互連結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種平面化和電拋光半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上的導(dǎo)電層的方法，包括在半導(dǎo)體晶片上形成具有凹槽區(qū)和非凹槽區(qū)的介質(zhì)層。在介質(zhì)層上形成導(dǎo)電層，以覆蓋凹槽區(qū)和非凹槽區(qū)。然后平面化導(dǎo)電層的表面，以減小表面形貌的變化。然后電解拋光經(jīng)平面化的導(dǎo)電層，以暴露出非凹槽區(qū)。
文檔編號B24B37/04GK1543668SQ02816119
公開日2004年11月3日 申請日期2002年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月17日
發(fā)明者姚向宇, 張如皋, 易培豪, 王暉 申請人:Acm研究公司