專利名稱：用于增強(qiáng)半導(dǎo)體化學(xué)－機(jī)械拋光過程中金屬去除率的方法
此處描述了各種用于半導(dǎo)體晶片化學(xué)-機(jī)械拋光(CMP)期間增強(qiáng)金屬去除率的方法。更具體地說，在半導(dǎo)體晶片進(jìn)行化學(xué)-機(jī)械拋光期間通過在該化學(xué)-機(jī)械拋光漿中采用一種螯合劑來增強(qiáng)半導(dǎo)體晶片上金屬阻擋層的去除率。
一般而言，半導(dǎo)體晶片包括大量形成集成電路的電路。在一些情況下當(dāng)在半導(dǎo)體晶片上制作集成電路時(shí)在該晶片上形成了一層氧化物層。其后，將該氧化物層加工成其中的電路圖槽或孔。接著通過各種技術(shù)，如物理汽相淀積(PVD)或化學(xué)汽相淀積(CVD)在氧化物層上形成金屬阻擋層，如Ti/TiW、Ti/TiN或TaSiN。最后將導(dǎo)電層，如Al、W或Cu淀積于槽或孔內(nèi)且覆蓋阻擋層的上部表面。然后對(duì)半導(dǎo)體晶片進(jìn)行拋光以弄平其表面。在拋光的過程中部分金屬阻擋層及導(dǎo)電層從該晶片的上部表面被除去。
一種已知的拋光方法是化學(xué)-機(jī)械拋光(CMP)法，其中通過采用一種化學(xué)-機(jī)械拋光設(shè)備對(duì)半導(dǎo)體晶片進(jìn)行拋光。如在

圖1中可見，化學(xué)機(jī)械拋光設(shè)備通常包括用于夾住半導(dǎo)體晶片10的晶片機(jī)架15。在拋光期間通過馬達(dá)17可轉(zhuǎn)動(dòng)該晶片機(jī)架15。通過馬達(dá)37可轉(zhuǎn)動(dòng)承載拋光墊片35的CMP拋光壓板30。過程中所用的拋光漿可經(jīng)導(dǎo)管40施加到拋光墊片35上。
一般而言，化學(xué)-機(jī)械拋光方法包括將半導(dǎo)體晶片10夾在拋光墊片35旋轉(zhuǎn)、濕的拋光表面上。拋光漿用來濕潤(rùn)拋光表面。此漿可包括作為一種化學(xué)蝕刻組分與一種研磨劑如氧化鋁或二氧化硅顆?；旌系膲A性或酸性溶液。在受控的壓力下，旋轉(zhuǎn)的拋光頭或晶片機(jī)架15通常用來將晶片10夾緊在旋轉(zhuǎn)的拋光壓板30上。一襯膜任選地位于晶片機(jī)架15與晶片之間。拋光壓板30通常覆蓋一種較軟的濕墊片材料，如吹塑聚氨基甲酸乙酯薄膜。
CMP方法的一個(gè)缺點(diǎn)是在晶片表面處存在的各種不同材料的拋光速率不同。這些不同的去除率可以是僅僅由于各種材料硬度的不同而造成，也可以是由于拋光漿與各種材料之間化學(xué)作用的不同而造成。因而例如，通過研磨作用以及酸性拋光漿可容易地將導(dǎo)電層除去，而金屬阻擋層則無法得到去除。這種導(dǎo)電金屬層不合需要的、過多的各向同性的去除可留下盤狀的向中心的大面積金屬。因此無法在晶片表面不同位置上獲得包括金屬和絕緣體的平面。
美國(guó)專利第5,676,587號(hào)公開了一種兩步CMP法。第一步采用標(biāo)準(zhǔn)的氧化鋁基的CMP拋光漿以去除金屬阻擋層和導(dǎo)電層，但在接觸氧化物層之前停止。第二步采用中性pH的二氧化硅和水或二氧化硅基的CMP溶液以除去剩余的金屬阻擋層。
需要提供一種容易完成的、在化學(xué)-機(jī)械拋光過程中使金屬阻擋層和導(dǎo)電層從半導(dǎo)體晶片中去除的速率基本相等以提供在整個(gè)晶片表面上包括金屬和絕緣體區(qū)的平面的CMP方法，或者需要提供一種在上述兩步CMP法中增強(qiáng)金屬阻擋層去除率的方法。
此處公開一種用于在CMP期間增強(qiáng)半導(dǎo)體晶片上金屬阻擋層的去除率而不影響導(dǎo)電層去除率的新方法，包括提供半導(dǎo)體晶片并用含有增強(qiáng)金屬去除量的螯合劑的CMP拋光漿拋光半導(dǎo)體晶片的步驟。
在一個(gè)特別有用的實(shí)施方案中，本方法包括提供一種具有絕緣體層、在至少一部分絕緣體層上所形成的金屬阻擋層以及其上所形成的導(dǎo)電層的半導(dǎo)體晶片，并使半導(dǎo)體晶片與含有增強(qiáng)金屬去除量的螯合劑的CMP拋光漿進(jìn)行接觸以除去金屬阻擋層和導(dǎo)電層。
在另一個(gè)特別有用的實(shí)施方案中，本方法包括提供一種具有絕緣體層、在至少一部分絕緣體層上所形成的金屬阻擋層以及其上所形成的導(dǎo)電層的半導(dǎo)體晶片，并使半導(dǎo)體晶片與第一種CMP拋光漿接觸，然后使半導(dǎo)體晶片再與第二種含有增強(qiáng)金屬去除量的螯合劑的CMP拋光漿進(jìn)行接觸以除去任何殘余部分的金屬阻擋層和導(dǎo)電層。
圖1顯示一種根據(jù)先有技術(shù)的CMP拋光設(shè)備簡(jiǎn)圖。
圖2為在其上沉積有金屬阻擋層和導(dǎo)電層的半導(dǎo)體底物上形成的絕緣層的斷面圖，其中具有孔。
圖3顯示完成根據(jù)本公開內(nèi)容的CMP法后圖2的斷面圖。
圖4顯示完成根據(jù)本公開內(nèi)容改進(jìn)(touchup)的CMP法后圖3的斷面圖。
此處所述的新方法包括使一種具有絕緣體層、在至少一部分絕緣體層上所形成的金屬阻擋層以及其上所形成的導(dǎo)電層的半導(dǎo)體晶片進(jìn)行CMP過程。這些方法基于這樣一種發(fā)現(xiàn)含有螯合劑的CMP拋光漿在CMP期間將增強(qiáng)金屬阻擋層的去除率而不影響導(dǎo)電層的去除率。
參照?qǐng)D2，本方法包括提供一種常規(guī)類型的半導(dǎo)體晶片8，可含有如電路系統(tǒng)和其它互連電平。一般而言，半導(dǎo)體晶片8包括具有絕緣體層12的底物10，絕緣體層中有孔25。然后，在絕緣體層12表面上及孔25內(nèi)形成金屬阻擋層14，導(dǎo)電層16淀積于金屬阻擋層14的上部表面并填滿孔25。用于此三層12、14和16的適宜材料可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的任何常規(guī)材料。優(yōu)選的材料包括(但不限于此)用于絕緣體層12的SiO2、PSG或BPSG，用于金屬阻擋層14的Ti/TiN和用于導(dǎo)電層16的Al或Cu。在底物10上形成12、14和16各層的各種技術(shù)和參數(shù)(如化學(xué)汽相淀積、物理汽相淀積、時(shí)間、溫度、厚度等)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是眾所周知的。
通過本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的各種技術(shù)可在絕緣體層12中形成孔25。例如，可將保護(hù)層(圖中未示出)施加到絕緣體層12的上部表面。采用已知的照相平板印刷技術(shù)構(gòu)圖及顯影產(chǎn)生保護(hù)層。然后進(jìn)行蝕刻，如通過采用適宜的各向異性蝕刻技術(shù)如活性離子蝕刻技術(shù)來形成孔25。每一個(gè)孔25的所需寬度通常將根據(jù)給定導(dǎo)體載流量要求的不同而異。
為了實(shí)施此處所述的新方法，使半導(dǎo)體晶片8進(jìn)行一標(biāo)準(zhǔn)的CMP拋光過程以優(yōu)先從絕緣體層12的上部表面中除去金屬阻擋層14和導(dǎo)電層16，提供如圖4所示的其上部表面基本上在一個(gè)平面上的半導(dǎo)體晶片8。一般而言，在拋光過程中將使用一種CMP拋光漿以從晶片8上除去金屬阻擋層14和導(dǎo)電層16。這種拋光漿可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的任何常規(guī)CMP漿。優(yōu)選用于此處的拋光漿包括任何氧化鋁基或二氧化硅基的拋光漿，可以是堿性，也可以是酸性。CMP過程中所用的各種條件如壓力的大小和拋光壓板的旋轉(zhuǎn)速度對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是眾所周知的。
在CMP拋光步驟期間，金屬阻擋層14的拋光速率低于導(dǎo)電層16的拋光速率。因此，當(dāng)將金屬阻擋層14和導(dǎo)電層16基本除去時(shí)，在絕緣體層12的上部表面可存在殘余的金屬阻擋層14，如Ti/TiN材料(參見圖3)。因此，必須進(jìn)行第二個(gè)CMP處理步驟(通常稱為改進(jìn)的CMP步驟)以將任何殘余物從裸露的絕緣體層12以及孔25中裸露的導(dǎo)電材料的上部表面中除去，以提供其上部表面基本上在一個(gè)平面上的半導(dǎo)體晶片8(參見圖4)。
當(dāng)在晶片8上使用CMP方法時(shí)，無論是在第一次CMP步驟還是在改進(jìn)的CMP步驟中，都使含有金屬去除增強(qiáng)量的螯合劑的CMP拋光漿與晶片8的上部表面即導(dǎo)電層16進(jìn)行接觸。高度優(yōu)先采用螯合劑，因該螯合劑不會(huì)增加或降低拋光漿的pH。在CMP過程中晶片8可與螯合劑接觸以基本上將金屬阻擋層14和導(dǎo)電層16作為CMP拋光漿的一部分除去，或者，如上述在改進(jìn)的CMP步驟中與CMP拋光漿同時(shí)接觸以去除晶片8上部表面上的任何殘余物。
此處可用的螯合劑包括各種聚磷酸鹽，如三聚磷酸鈉和hexenetaphosphoric acid；各種氨基羧酸，如乙二胺四乙酸(EDTA)、羥乙基乙二胺三乙酸(HEDTA)、次氮基三乙酸(NTA)、N-二羥基乙基甘氨酸和亞乙基雙(羥基苯基甘氨酸)(EHPG)；各種1，3-二酮，如乙酰丙酮、三氟乙酰丙酮和噻吩甲酰三氟丙酮(TTA)；各種羥基羧酸，如酒石酸、檸檬酸、葡糖酸和5-磺基水楊酸；各種多胺，如乙二胺、三乙二胺和三氨基三乙胺；各種氨基醇，如三乙醇胺(TEA)和N-羥基乙基乙二胺；各種芳族雜環(huán)堿，如聯(lián)吡啶和鄰-菲咯琳；各種酚類，如水楊醛、disulfopyroacetechol和鉻變酸；各種氨基酚類，如喔星、8-羥基喹啉和喔星磺酸；肟(oxines)，如二甲基乙二肟和水楊醛肟；各種席夫堿，如二水楊醛、1，2-丙二亞胺；各種四吡咯，如四苯基卟吩和酞菁；各種含硫化合物，如甲苯二硫酚、二巰基丙醇、巰基乙酸、乙基黃原酸鉀、二乙基二硫代氨基甲酸鈉、雙硫腙、二乙基二硫代磷酸和硫脲；各種合成的大環(huán)化合物，如二苯并〔18〕冠(醚)-6、(CH3)6〔14〕4，11-二烯N4和(2.2.2-穴狀化合物)；各種聚合螯合劑，如聚乙烯亞胺、聚異丁烯?；途?對(duì)-乙烯基芐基亞氨基二乙酸)；以及各種膦酸，如次氮基亞甲基膦酸、乙二胺四(亞甲基膦酸)和羥基亞乙基二膦酸。此處所用的優(yōu)選螯合劑為乙二胺四乙酸、羥乙基乙二胺三乙酸、次氮基三乙酸、N-二羥基乙基甘氨酸和亞乙基雙(羥基苯基甘氨酸)，更優(yōu)選為乙二胺四乙酸。
與晶片8接觸的螯合劑的量應(yīng)為增強(qiáng)金屬去除的量。構(gòu)成螯合劑增強(qiáng)金屬去除量將取決于一系列因素，例如具體所用的螯合劑、晶片8的大小以及晶片8的組成和表面特性。增強(qiáng)金屬去除量通常為約0.1％-約30％(重量)、優(yōu)選為約1％-約20％(重量)、更優(yōu)選為約2％-約10％(重量)。當(dāng)在CMP拋光漿中使用螯合劑以除去任何殘余物時(shí)，晶片8應(yīng)與螯合劑拋光漿接觸約5-約300秒、優(yōu)選約20-約100秒。當(dāng)去除金屬阻擋層14和導(dǎo)電層16時(shí)，雖非關(guān)鍵的要求，但晶片8應(yīng)與螯合劑拋光漿接觸約5-約400秒、優(yōu)選約20-約300秒、更優(yōu)選約100-約200秒。與螯合劑拋光漿接觸期間的溫度無需加以精確控制，但通?？稍诩s0℃-約50℃、更優(yōu)選在約10℃-約20℃的范圍內(nèi)。
雖然本發(fā)明以優(yōu)選的方式帶有一定程度的特殊性做了描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀了以上描述后，其中的許多可能的改變及變更將變得顯而易見。因此應(yīng)理解的是，在不背離本發(fā)明精神及范疇的前提下除了如此處所具體描述的之外，還可以其它方式實(shí)施本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種在半導(dǎo)體晶片的化學(xué)-機(jī)械拋光期間用于增強(qiáng)金屬阻擋層金屬去除率的方法，它包括a)提供一種具有絕緣體層、在至少一部分絕緣體層上所形成的金屬阻擋層和其上所形成的導(dǎo)電層的半導(dǎo)體晶片；和b)使該半導(dǎo)體晶片與第一種含有增強(qiáng)金屬去除量的至少一種螯合劑的化學(xué)-機(jī)械拋光漿進(jìn)行接觸。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述絕緣體層為SiO2。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述金屬阻擋層為Ti/TiN。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所述導(dǎo)電層選自Al和Cu。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所述螯合劑為一種氨基羧酸。
6.權(quán)利要求5的方法，其中所述氨基羧酸選自乙二胺四乙酸、羥乙基乙二胺三乙酸、次氮基三乙酸、N-二羥基乙基甘氨酸和亞乙基雙(羥基苯基甘氨酸)。
7.權(quán)利要求1的方法，其中所述拋光漿含有約0.1％-約30％(重量)的螯合劑。
8.權(quán)利要求6的方法，其中所述拋光漿含有約0.1％-約30％(重量)的氨基羧酸。
9.權(quán)利要求1的方法，還包括使所述半導(dǎo)體晶片與第二種化學(xué)-機(jī)械拋光漿進(jìn)行接觸的步驟。
10.權(quán)利要求9的方法，其中第二種化學(xué)-機(jī)械拋光漿含有增強(qiáng)金屬去除量的至少一種螯合劑。
11.權(quán)利要求10的方法，其中所述螯合劑為乙二胺四乙酸。
12.權(quán)利要求10的方法，其中所述拋光漿含有約0.1％-約30％(重量)的螯合劑。
13.一種在半導(dǎo)體晶片的化學(xué)-機(jī)械拋光期間用于增強(qiáng)金屬阻擋層金屬去除率的方法，它包括a)提供具有絕緣體層、金屬阻擋層和其上所形成的導(dǎo)電層的半導(dǎo)體晶片；b)使半導(dǎo)體晶片與第一種化學(xué)-機(jī)械拋光漿進(jìn)行接觸；和c)使半導(dǎo)體晶片與第二種化學(xué)-機(jī)械拋光漿進(jìn)行接觸，第二種化學(xué)-機(jī)械拋光漿含有增強(qiáng)金屬去除量的至少一種螯合劑。
14.權(quán)利要求13的方法，其中所述絕緣體層為SiO2。
15.權(quán)利要求13的方法，其中所述金屬阻擋層為Ti/TiN。
16.權(quán)利要求13的方法，其中所述導(dǎo)電層選自Al和Cu。
17.權(quán)利要求13的方法，其中所述螯合劑為一種氨基羧酸。
18.權(quán)利要求17的方法，其中所述氨基羧酸選自乙二胺四乙酸、羥乙基乙二胺三乙酸、次氮基三乙酸、N-二羥基乙基甘氨酸和亞乙基雙(羥基苯基甘氨酸)。
19.權(quán)利要求13的方法，其中第二種拋光漿含有約0.1％-約30％(重量)的螯合劑。
20.在一種化學(xué)-機(jī)械拋光方法中，其中拋光漿施用于拋光墊片上并夾住半導(dǎo)體晶片與該拋光墊片接觸，其改進(jìn)包括將一種螯合劑摻入到拋光漿中。
21.權(quán)利要求20的方法，其中所述螯合劑為一種氨基羧酸。
22.權(quán)利要求21的方法，其中所述氨基羧酸選自乙二胺四乙酸、羥乙基乙二胺三乙酸、次氮基三乙酸、N-二羥基乙基甘氨酸和亞乙基雙(羥基苯基甘氨酸)。
全文摘要
一種用于在CMP期間增強(qiáng)金屬阻擋層去除率的方法,它包括提供具有絕緣體層、在至少一部分絕緣體層上所形成的金屬阻擋層和其上所形成的導(dǎo)電層的半導(dǎo)體晶片,并使該半導(dǎo)體晶片與含有增強(qiáng)金屬去除量的至少一種螯合劑的化學(xué)－機(jī)械拋光漿進(jìn)行接觸。
文檔編號(hào)H01L21/304GK1257305SQ99126529
公開日2000年6月21日 申請(qǐng)日期1999年12月16日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月17日
發(fā)明者R·J·舒茨 申請(qǐng)人:西門子公司