用于化学机械抛光的抛光垫及应用其的化学机械抛光方法

摘要

提供一种对半导体装置的两相邻结构进行化学机械抛光的方法。该化学机械抛光方法包括：(a)提供一种半导体装置，其包含在其表面内形成的凹穴、在该表面上形成的第一材料层、以及填满该凹穴并在第一材料层上形成的第二材料层；以及(b)以抛光垫及基本上不含抑制剂的抛光浆料基本上抛光第一及第二材料层，其中该抛光垫包含第二材料层的腐蚀抑制剂。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于化学机械抛光的抛光垫及应用其的化学机械抛光方法，具体而言，涉及一种包含腐蚀抑制剂的抛光垫及应用其的化学机械抛光方法。

现有技术

次半微米及更小尺寸的半导体装置的可靠生产是超大规模集成电路(VLSI)及极大规模集成电路(ULSI)的下一代关键技术之一。然而，当电路技术发展到极限时，VLSI及ULSI技术中内导线的收缩尺寸依赖于对加工能力的额外要求。可靠的内导线结构对于VLSI及ULSI的成功，以及对于持续努力增加个别基材及晶片的电路密度与质量都是重要的。

多层内导线在基材表面通过连续的材料沉积及材料移除技术形成，以构成其特征。当不同的材料层连续沉积及移除时，基材最上方表面的横向面可能变得不平坦，且在后续工艺之前需将表面平坦化。平坦化或抛光为一种工艺，其将材料自基材表面移除以形成大体说来更平滑的表面。平坦化在于移除过多的沉积材料、移除不想要的表面形貌以及表面缺陷，以提供平坦的表面，这对之后的光刻或其它的半导体工艺是有帮助的，其中，表面缺陷例如是表面的粗糙不平、材料的凝聚成团、晶格的破坏、刮痕以及受污染的材料或是堆栈层。

化学机械平坦化或化学机械抛光(CMP)是一种用以平坦化基材的常用技术。在常规的化学机械抛光技术中，将基材承座或抛光头架设在承载组件上，且在化学机械抛光设备里将基材承座或抛光头定位，使之与抛光对象相互接触。承载组件提供可控制的压力到基材上，使基材相对于抛光垫有可控制的压力。抛光垫通过外部的驱动力相对于基材移动。因此，当散布抛光组合物而同时造成化学活性及机械活性时，化学机械抛光设备在基材与抛光对象之间产生抛光或摩擦动作。

参照图1，其图示了由常规工艺所产生的碟型效应(dishing effect)的结果的截面图。然而，沉积在基材10表面上用以填满形成其定义特征的材料经常导致不规则的表面。抛光此表面上多余的材料(其称为覆盖层)可能导致一些残余物的滞留，残余物来自定义特征15的金属移除不足。过度抛光工艺用以去除上述残余物，则可能导致另一个定义特征25被移除过多的金属。过多的金属移除会形成形貌缺陷，例如凹穴或洼口，如图1中的特征25上的碟型30。

不希望在基材表面上存在碟型特征及残余物的滞留，因为碟型和残余物可能不利地影响基材后续的工艺。例如，碟型导致不平坦的表面，因而降低后续光刻步骤印刷高解析线路的能力，且不利地影响基材后续的表面形貌。基材后续的表面形貌影响装置的结构与成品率。碟型也因降低装置的传导性并增加装置的电阻而不利地影响装置的性能，导致装置的不稳定性及装置的成品率降低。残余物可能导致后续材料的不平坦抛光，其例如是沉积在传导材料与基材表面之间的阻挡层的材料(未示出)。不平坦抛光也会增加装置的缺陷形成及降低基材的成品率。

因此在由基材移除材料的平坦化过程中，需要有一种使对基材的破坏降到最低的成分及方法。

发明内容

本发明涉及一种通过使用包含腐蚀抑制剂的抛光垫对两相邻结构进行化学机械抛光的方法，此方法可改善碟型效应并降低制造成本。

根据本发明的一个方面，提供一种用于化学机械抛光的抛光垫。该抛光垫包含基底层及腐蚀抑制剂，其与该基底层结合。

根据本发明的另一方面，提供一种对半导体装置的两相邻结构进行化学机械抛光的方法。该化学机械抛光方法包括：(a)提供一种半导体装置，其包含在其表面内形成的凹穴、在该表面上形成的第一材料层、以及填满该凹穴并在第一材料层上形成的第二材料层；以及(b)以抛光垫及基本上不含抑制剂的抛光浆料基本上抛光第一及第二材料层，其中该抛光垫包含第二材料层的腐蚀抑制剂。

从以下对优选的但非限制性的实施方式的详细描述，本发明将变得更加明晰。参照附图进行以下说明。

附图说明

图1是图示由常规工艺所产生的碟型效应的截面图；

图2A是图示根据本发明的优选实施方式的抛光垫的示意图；

图2B为图2A沿着线段2B-2B’的截面图；

图3为图示根据本发明的另一优选实施方式的抛光垫的示意图。

图4A-4E为图示利用图2A的抛光垫形成金属栓(metal plug)的截面图。

图5A-5C为图示利用图2A的抛光垫形成浅沟槽隔离结构(shallowtrench isolation，STI)的截面图。

主要元件符号说明

10：基材

15、25：定义特征

30：碟型

100、200：抛光垫

110、210：基底层

115：沟槽

120、220：腐蚀抑制材料

310、410：半导体装置

320：第一材料层

325、425：凹穴

330、430：第二材料层

340：金属层

420：第一结构

415：氧化层

418：氮化硅层

具体实施方式

本发明涉及一种用于化学机械抛光(CMP)的抛光垫，其包含腐蚀抑制剂。该抛光垫包括基底层及腐蚀抑制剂，其与基底层结合。结合的方式能以多种方式具体实施。参照图2A和2B，图2A为说明根据本发明的优选实施方式的抛光垫的示意图，图2B为图2A沿着线2B-2B’的截面图。在本实施例中，抛光垫100包括由聚合树脂制成的基底层110。该聚合树脂可以是热塑性弹性体、热固性聚合物、聚氨酯、聚烯烃、聚碳酸酯、碳氟化合物、聚丙烯酰胺、聚醚、聚酰胺、聚醋酸乙烯酯、聚乙烯醇、尼龙、聚丙烯、弹性体橡胶、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚醚醚酮、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚芳酰胺、聚亚芳基(polyarylene)、聚丙烯酸酯、聚丙烯酸、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、其共聚物、或其混合物。基底层110的顶部具有至少一个沟槽。基底层110的上表面优选具有多个同心的沟槽115。参照图2B，用腐蚀抑制剂120填满基底层110上的沟槽115。腐蚀抑制剂120包括氨基乙酸、L-脯氨酸、氨丙基硅烷醇、氨丙基硅氧烷、十二胺、赖氨酸、酪氨酸、谷酰胺、谷氨酸或胱氨酸。当本实施例的抛光垫100用于化学机械抛光时，将抛光垫100翻转，使得包含腐蚀抑制剂120的表面可以附在待抛光的表面上。

参照图3，其为本发明的另一优选实施方式的抛光垫的示意图。本实施方式的抛光垫200也包括基底层210以及腐蚀抑制剂220。基底层210以研磨剂(abrasive)制成，腐蚀抑制剂220与研磨剂混合在一起，以便使得腐蚀抑制剂220散布在抛光垫200上。在化学机械抛光工艺中，研磨剂及腐蚀抑制剂将会一起与待抛光的表面进行接触及发生反应。

化学机械抛光工艺用于微电子装置的制造，其在半导体晶片、场发射显示器及其它许多微电子基材上形成平坦表面。例如，半导体装置的制造通常在半导体基材的表面上涉及各种处理过的材料层，选择性移除或图案化这些材料层的部分区域及沉积后续处理过的材料层，以形成半导体晶片。处理过的材料层可以包括例如绝缘层、栅极氧化层、导电层及金属或玻璃的材料层等。在晶圆的生产过程的一些步骤中，处理过的材料层的最上层表面是平坦的，即，通常希望有平坦的表面用以沉积后续的材料层。化学机械抛光将处理过的材料层平坦化，其中，为了后续的工艺步骤，将已沉积的材料例如导电材料或阻挡材料抛光，使晶圆平坦化。

根据本发明的优选实施方式，对半导体装置的两相邻结构进行化学机械抛光的方法包括至少两个步骤。首先，提供半导体装置，其在一个表面之中包含凹穴。第一材料层形成于该表面之上，且第二材料层填满该凹穴并形成于第一材料层上。然后，以抛光垫及基本上不含抑制剂的抛光浆料基本上抛光第一及第二材料层，且抛光垫包含第二材料层的腐蚀抑制剂。抛光浆料以对第二材料层的移除速率大于对第一材料层的移除速率制成。当腐蚀抑制剂与第二材料层反应时，第二材料层的移除速率被抑制以防止碟型效应。

在此以形成金属栓为例，说明使用抛光垫及实施化学机械抛光工艺的方法。参照图4A-4E，其为利用图2A的抛光垫形成的金属栓的截面图。如图4A所示，第一材料层320(即氧化层)形成于半导体装置310上且具有一个凹穴325。之后，如图4B所示，以第二材料层330(即钨或铜)填满凹穴325并形成于第一材料层320上。接着，如图4C所示，用前述优选实施方式的抛光垫100及不含抑制剂的抛光浆料抛光第二材料层330。抛光垫100与半导体装置310颠倒设置以承载腐蚀抑制剂120。如图4D所示，使抛光工艺持续到第二材料层330(即钨或铜)基本上与第一材料层320位于相同的水平面为止。在抛光工艺中，腐蚀抑制剂120与不含抑制剂的抛光浆料混合并一起与第二材料层330反应。与常规抛光方法相比，常规抛光方法是用不含抑制剂的抛光浆料及不含抑制剂的抛光垫一起与第二材料层反应，本优选实施方式的抛光工艺显示出对第二材料层330较慢的移除速率。因此，可以改善第二材料层330的碟型效应。另外，具有腐蚀抑制剂的抛光垫可制成如图3的抛光垫200，也可达到上述效果。在抛光完两相邻结构例如第一及第二材料层320及330以后，另一金属层340接触平坦的第二材料层330以形成栓塞。当将电通量施加到金属层340上时，电通量流经第二材料层330直至半导体装置310。

本发明的用于化学机械抛光两相邻结构的抛光垫还可用在制造浅沟槽隔离结构的部分步骤中。参照图5A-5C，其为利用图2A的抛光垫形成浅沟槽隔离结构的截面图。如图5A所示，第一结构420包括氧化层415及氮化硅层418，其形成在半导体装置410上，并构成凹穴425。如图5B所示，第二材料层430(即高密度等离子体氧化层)填满凹穴425并形成于第一结构420上。第二材料层430用前述优选实施方式的抛光垫100及不含抑制剂的抛光浆料进行抛光。抛光垫100与半导体装置410颠倒设置以承载腐蚀抑制剂120。如图5C所示，使抛光工艺持续到第二材料层430(即高密度等离子体氧化层)基本上与第一结构420位于相同的水平面为止。在抛光工艺中，腐蚀抑制剂120与不含抑制剂的抛光浆料混合并一起与第二材料层430反应。与常规抛光方法相比，常规抛光方法用不含抑制剂的抛光浆料及不含抑制剂的抛光垫一起与第二材料层430反应，本优选实施方式的抛光工艺显示出对第二材料层较慢的移除速率。因此，可以类似方法改善第二材料层430(即高密度等离子体氧化层)的碟型效应。例如，L-脯胺酸在化学机械抛光时可改善氧化层对氮化硅层的选择比。另外，具有腐蚀抑制剂的抛光垫可制成如图3的抛光垫200，也可达到上述效果。如图5C所示，抛光两相邻结构例如第一结构420及第二材料层430(即高密度等离子体氧化层)，以形成平坦表面，以进行后续工艺。

本发明的抛光垫与化学机械抛光两相邻结构的方法具有许多优点。与抛光垫结合的腐蚀抑制剂代替抛光浆料提供更经济更有效的方法。抛光浆料为昂贵且高花费的消耗材料，抛光浆料在化学机械抛光工艺中被大量使用是制造成本高的一个主要因素。埋入抛光垫或与抛光垫混合的腐蚀抑制剂能够坚硬而缓慢地被磨损，腐蚀抑制剂会在化学机械抛光工艺中不停地及连续地提供。抛光垫的成本比抛光浆料要低许多，且在一次抛光工艺中，抛光垫的消耗率比消耗的抛光浆料少许多。因此，本发明地抛光垫及应用其的化学机械抛光提供了更有效的方法，改善了化学机械抛光中的碟型效应。

综上所述，虽然本发明已以优选实施方式公开如上，然而其并非用以限制本发明的范围。在不脱离本发明的精神和范围的情形下，本领域技术人员可进行各种改变和修饰。因此，本发明的保护范围当以权利要求所限定的为准。