在半导体晶圆上制造一个或多个金属嵌入式结构的方法

专利名称：在半导体晶圆上制造一个或多个金属嵌入式结构的方法
技术领域：
本发明关于一种半导体制造方法，尤其是一种制造铜嵌入式结构的方法。
本申请书拥有2004年11月10日所申请的美国临时专利申请案号第 60/627, 029号的利益,在此将其纳入参考。
背景技术：
当在晶圆上堆叠愈多的金属层和层间介电质层时，则半导体晶圆局部 的和全部的平坦化会变得愈来愈重要。平坦化半导体晶圓的较佳方法是化 学机械研磨法(chemical mechanical polishing, CMP)，其中半导体晶圓 的表面是使用添加在晶圆和研磨盘之间的研磨液研磨。CMP法也被广泛用于 嵌入式制程，以在半导体晶圓上形成铜(Cu)相互连接结构。
如图1A所示，为了使用传统的CMP法形成铜嵌入式结构，先制造具有 沟渠的介电质层12，障壁金属层14，和铜层16的半导体晶圆10。然后， 在研磨设备的第一研磨单位，使用第一连续CMP制程研磨铜层16,直到曝 露出在介电质层12上表面上的障壁层14，以移除障壁层上的铜层。其次， 在研磨设备的第二研磨单位，使用第二 CMP制程研磨在介电质层12上表面 上的障壁层14,以移除在介电质层上表面上的障壁层，形成具有铜嵌入式 结构的半导体晶圆20，如图1B所示。
在另一种传统的CMP法中，分别在研磨设备的第一研磨单位和第二研 磨单位，使用第一和第二连续CMP制程研磨铜层16,以移除障壁层14上的 铜层，直到曝露出在介电质层12上表面上的障壁层。其次，在研磨设备的 第三研磨单位，使用第三CMP制程研磨在介电质层12上表面上的障壁层14， 以移除在介电质层上表面上的障壁层，形成具有铜嵌入式结构的半导体晶 圓20,如图1B所示。
关于这种形成铜嵌入式结构的传统的CMP法，会形成典型具有不平坦 的侵蚀形貌22的铜嵌入式结构，如图1B所示，此会造成最终半导体元件 的严重劣化。此种侵蚀形貌22是在移除铜层16,障壁金属层14，或两者 的制程期间所形成的。
另一个关于这种传统的CMP法，对于要移除在障壁金属层上的铜层较 厚的部分的铜嵌入式结构，具有两个或三个研磨单位的研磨设备的生产量 会急遽下降。需注意的是要移除的铜层愈厚，各研磨单位的研磨时间会变
得愈不平衡，因此，当其他研磨单位于研磨铜层时，用以移除障壁金属层 的研磨设备的最后一个研磨单位就会处于闲置状态。基于这些原因， 一种在半导体晶圆上制造一个碼多个铜嵌入式结构的 方法，其可以减少铜嵌入式结构的侵蚀形貌和/或增力口生产量便是必需的。发明内容一种在半导体晶圆上制造一个或多个的金属(如铜)嵌入式结构的方 法，至少使用三个研磨步骤，以减少最终金属嵌入式结构的侵蚀形貌和/或 增加生产量。该研磨步骤可以在研磨设备的四个研磨单位执行，其中包含 一个或多个转轴载入/载出杯，使半导体晶圆可以在研磨单位之间传递。根据本发明第一实施例的在半导体晶圓上制造金属嵌入式结构的方法，包含提供含有在上表面的下方具有沟渠的介电质层，在介电质层上 的障壁层，和位于障壁层上方的金属层的半导体晶圆；且使用第一研磨技术移除金属层的上部分，使金属层的下部分保留在介电质层上表面上的障壁层上方；使用第二研磨技术移除金属层的下部分，直到曝露出在介电质 层上表面上的障壁层；使用第三研磨技术移除在介电质层上表面上的障壁 层，直到曝露出介电质层的上层，以制造具有侵蚀形貌的金属嵌入式结构； 及使用第四研磨技术平坦化具有侵蚀形貌的金属嵌入式结构，以減少金属 嵌入式结构的侵蚀形貌。根据本发明第二实施例的在半导体晶圓上制造金属嵌入式结构的方 法，包含提供含有在上表面的下方具有沟渠的介电质层，在介电质层上 的障壁层，和位于障壁层上方的金属层的半导体晶圆；且使用第一研磨技 术移除金属层的上部分，使剩下在障壁层上的金属层的中间部分和下部分； 使用第二研磨技术移除金属层的中间部分，使剩下在障壁层上的金属层的 下部分；使用第三研磨技术移除金属层的下部分，直到曝露出在介电质层 上表面上的障壁层；及使用第四研磨技术移除在介电质层上表面上的障壁 层，直到曝露出介电质层的上表面，以制造金属嵌入式结构。根据本发明实施例的在半导体晶圆上制造金属嵌入式结构的方法，包 含在半导体晶圆上形成第一金属嵌入式结构；及在半导体晶圆上形成第 二金属嵌入式结构。在半导体晶圓上的第一金属嵌入式结构，是使用根据 本发明第一实施例的上述金属嵌入式结构的制造方法形成，其中具有或没 有平坦化金属嵌入式结构的步骤。在半导体晶圓上的第二金属嵌入式结构， 是使用根据本发明第二实施例的上述金属嵌入式结构的制造方法形成。根据本发明另一实施例的在半导体晶圆上制造金属嵌入式结构的方 法，包含在含有四个研磨单位的研磨设备，提供半导体晶圓，其中半导 体晶圓包含在上表面的下方具有沟渠的介电质层，在介电质层上的障壁层， 和位于障壁层上方的金属层；在研磨设备的第一研磨单位，使用第一研磨技术移除金属层的上部分，使剩下在介电质层上表面上的障壁层上方的金属层的下部分；在研磨设备的第二研磨单位，使用第二研磨技术移除金属 层的下部分，直到曝露出在介电质层上表面上的障壁层；及在研磨设备的 第三研磨单位，使用第三研磨技术移除在介电质层上表面上的障壁层，直 到曝露出介电质层的上层，以制造金属嵌入式结构。. 根据以下参考附图的原理范例的详细说明，本发明其他的方向和优点 将可以说明的更清楚。


图1A和图IB为利用传统化学机械研磨法的习知技术，在半导体晶圓 上研磨形成铜(Cu)嵌入式结构之前和之后的部分横截面图；图2为具有四个研磨单位及三个转轴载入/载出杯的研磨设备的示意 图，其可用以根据本发明，执行在半导体晶圓上制造一个或多个的铜嵌入 式结构的方法；图3为根据本发明第一实施例，在半导体元件上制造铜嵌入式结构的 方法的流-f呈图；图4A至图4E为根据本发明第一实施例的制造方法期间，不同阶段的 半导体晶圆的部分横截面图；图5为根据本发明第二实施例，在半导体元件上制造铜嵌入式结构的 方法的流程图；图6A至图6E为根据本发明第二实施例的制造方法期间，不同阶段的 半导体晶圆的部分^f黄截面图。图7为使用根据本发明第一实施例或另一个第一实施例的制造方法， 和根据本发明第二实施例或另一个第二实施例的制造方法，形成具有多重 层双铜嵌入式结构的半导体晶圓的部分横截面图。10,20:半导体晶圆 12:介电质层14:障壁金属层 16:铜层22:侵蚀形貌 200:研磨设备202A， 202B， 202C, 202D:研磨单位204A， 204B, 204C， 204D:转轴载入/载出杯206:研磨台 208:晶圆研磨头210:载入/载出杯 212:轴杆214:马达302, 304， 306， 308， 310, 312， 314, 316, 318:图块 400 404 408 412半导体晶圆 402:介电质层障壁金属层 406:铜层上部分 .410:下部分侵蚀地形 414:介电质突出物502， 504, 506， 508， 510， 512, 514, 516， 518:图块晶圓 602:介电质层障壁金属层 606:铜层上部分 610:中间部分下部分 700:晶圆702A, 702B, 702C， 702D, 702E， 702F:铜嵌入式结构 M1，M2，M3，M4，M5，M6，M7，M8:金属层600 604 608 61具体实施方式
根据本发明，在半导体晶圓上制造一个或多个的铜(Cu)嵌入式结构的 方法，可以制造出具有减少不平坦侵蚀形貌的铜嵌入式结构，其可以显著 增加最终半导体产品的品质，和/或制造可以增加产量的铜嵌入式结构。如 图2所示，此处所说明的这些制造一个或多个的铜嵌入式结构的方法，是 使用具有四个研磨单位202A, 202B, 202C,和202D,及三个转轴载入/载 出杯204A, 204B,和204C的研磨设备200执行。此处所纳入参考的研磨设 备200说明在2004年10月21日提出申请的美国专利申请公开第 US2004/0209550 Al号，专利名称为"利用 一种或多种研磨表面来研磨半导 体晶圆的设备和方法Apparatus and Methods for Polishing Semiconductor Wafers using One or More Polishing Surfaces", 申请案号为10/829， 593。 虽然根据本发明所述制造一个或多个的铜嵌入式结构的方法，是使用图2 的研磨设备200,但是也可以使用任何具有四个研磨单位的研磨设备执行这 些方法。如图2所示，研磨设备200包含四个研磨单位202A， 202B, 202C，和 202D，及三个转轴载入/载出杯204A, 204B,和204C。每一个研磨单位202A, 202B, 202C，和202D都包含研磨台206和晶圆研磨头或晶圆载盘208。研 磨台206具有可以研磨在其上的半导体晶圆的研磨面。在本实施例中，研 磨垫是装在研磨台206上，用以提供研磨面。研磨台206被设计成可以绕 着轴心旋转或轨道旋转。晶圆研磨头208要承载半导体晶圆，以研磨在各 研磨台206上的晶圆。晶圆研磨头208是晶圆载盘组合的一部分，其可以 操作放置在各研磨台206的研磨面上的晶圆研磨头的旋转，及晶圆研磨头 的下降和上升。每一个转轴载入/载出杯204A, 204B,和204C都包含载入/载出杯210
和轴杆212。载入/载出杯210被建构以从研磨单位202A， 202B,和202C 的其中之一晶圆研磨头208接收半导体晶圆，然后将晶圓传递到研磨单位 202B, 202C， 202D的另一个晶圆研磨头208。载入/载出杯210还被建构在 传递晶圆时，例如，使用去离子水清洗晶圓。轴杆212是安装在载入/载出 杯210上。轴杆212也被连接到可以经由轴杆212绕着转轴旋转载入/载出 杯210的马达214。轴杆212的长度和转轴的位置可以选^r，使载入/载出 杯210可以到达相邻研磨单位202A, 202B, 202C,和202D的晶圓研磨头 208。在操作时，转轴载入/载出杯204A被用以从研磨单位202A的晶圓研磨 头208接收半导体晶圓，然后将晶圓传递到研磨单位202B的晶圆研磨头 208。同样地，转轴载入/载出杯204B被用以从研磨单位202B的晶圆研磨 头208接收半导体晶圆，然后将晶圆传递到研磨单位202C的晶圓研磨头 208。转轴载入/载出杯204C同样也被用以从研磨单位202C的晶圓研磨头 208接收半导体晶圆，然后将晶圆传递到研磨单位202D的晶圓研磨头208。根据本发明第一实施例，使用研磨设备200在半导体晶圆上制造铜嵌 入式结构的方法，参考图3的流程图和图4A-4E说明，图4中的半导体晶 圆400在制造期间不同阶段时的部分横截面图。其次，在图块302中说明 如图4A所示的具有沟渠的介电质层402、介电质层上的障壁金属层404和 在障壁金属层上方的铜层406的半导体晶圓400。如图4A所示，在介电质 层402中的沟渠位于介电质层的上表面之下。例如，介电质层402为氧化 物层。障壁金属层404与介电质层402的上表面和介电质层中的沟渠侧边 共形。例如，障壁金属层404是钽(Ta)层或氮化钽(TaN)层。半导体晶圓400 可以使用传统的图案制作和沉积制程形成。其次，在图块304,晶圆400被载入在研磨设备200的第一研磨单位 202A的晶圆研磨头208上。例如，晶圆400藉以晶圆传递机械手臂载入在 第一研磨单位202A的晶圓研磨头208上。在图块306中说明如图4B所示 的利用第一研磨技术，第一研磨单位202A来移除晶圆400的铜层406的上 方部份408，而使得介电质层402上仅留下障壁金属层404上方的铜层的下 方部份410。第一研磨技术使用第一研磨单位202A的第一研磨头208和第 一研磨台206与第一研磨液以执行化学机械研磨(CMP)制程。如图4A所示 铜层406的上部分408和下部分410，两个都位于介电质层402上表面上的 障壁金属层404的上方。在本实施例中，铜层406的上部分408比铜层406 的下部分410厚。其次，在图块308，使用第一转轴载入/载出杯204A，将晶圆400从第 一研磨单位202A的晶圆研磨头208传递到研磨设备200的第二研磨单位 202B的晶圆研磨头208。其次，在图块310中说明如图4C所示的利用第二
研磨技术，第二研磨单位202B来移除晶圓400的铜层406的下方部份410， 一直到介电质层402上方表面的障壁金属层暴露出来。第二研磨技术是使 用第二研磨单位202B的第二研磨头208和第二研磨台206与第二研磨液， 以执行CMP制程。在一实施例中，第二研磨技术的移除速率低于第一研磨 技术的移除速率。其次，在图块312,使用第二转轴载入/载出杯204B,将晶圓400从第 二研磨单位202B的晶圆研磨头208传递到研磨设备200的第三研磨单位 202C的晶圓研磨头208。其次，在图块314中说明如图4D所示的利用第三 研磨技术，在第二研磨单位202C来移除晶圆400的介电质402的上方部份 的障壁金属层， 一直到介电质层上方表面暴露出来。第三研磨技术使用第 三研磨单位202C的第三研磨头208和第三研磨台206与第三研磨液，以执 行CMP制程。如图4D所示，最终的晶圆400含有产生介电质突出物414的 侵蚀形貌412的铜崁入结构。其次，在图块316,使用第三转轴载入/载出杯204C,将晶圓400从第 三研磨单位202C的晶圓研磨头208传递到研磨设备200的第四研磨单位 202D的晶圆研磨头208。其次，在图块318中说明如图4E所示的侵蚀形貌 的铜崁入平坦化则利用第四研磨技术，在第四研磨单位202D来减少晶圓400 上的介电质突出物414,并减少其不平坦的侵蚀形貌的铜崁入结构。第四研 磨技术使用第四研磨单位202D的第四研磨头208和第四研磨台206与第四 研磨液，以执行CMP制程。在本实施例中，比起铜层406和障壁金属层404， 第四研磨液对于介电质层402具有较高的移除速率。因此，介电质突出物 414可以比铜层406和障壁金属层404更快地被移除，以减少侵蚀形貌412。 除了可以減少侵蚀形貌412之外，在图块318的晶圓400的研磨，也可以 减少在先前移除铜层406和障壁金属层404的研磨制程期间所产生的缺陷， 例如刮痕和尘斗立。在研磨设备200的第四研磨单位202D的铜嵌入式结构的平坦化是选择 性的。因此，根据本发明第一实施例的制造方法可以在图块314完成，其 在第三研磨单位202C,使用第三研磨技术移除在晶圓400的介电质层402 上表面上的障壁金属层404,直到曝露出介电质层的上表面。在另一个第一实施例中，在第一研磨单位202A执行的第一研磨技术， 可以使用适当的研磨溶液，执行电化学机械研磨 (electro-chemical-mechanical polishing , ECMP)制程或电化学研磨 (electro—chemical polishing, ECP)制禾呈。ECMP和ECP制牙呈老卩要将传导 电流经由要被研磨的半导体晶圆，流过晶圓研磨头和研磨台。两种研磨制 程之间的差别是ECMP制程有少许的机械研磨，如0. 5psi阶次。为了执行 ECMP或ECP制程，第一研磨单位202A需要修改，使晶圆研磨头208和研磨
台206可以电性连接电源，以使传导电流经由要被研磨的半导体晶圓，流 过晶圓研磨头和研磨台之间。
根据本发明第二实施例，使用研磨设备200在半导体晶圓上制造铜嵌 入式结构的方法，参考图5的流程图和图6A-6E说明，图中的半导体晶圓 600在制造期间不同阶段时的部分横截面图。在图块502中说明如图6A所 示的具有沟渠的介电质层602、介电质层上的障壁层604和位于障壁金属层 上方的铜层606的半导体晶圆600。图6A的半导体晶圓600和图4A的半导 体晶圆400类似。但是，晶圓600的沟渠比晶圓400的沟渠深，因此，晶 圓600的铜层606比晶圓400的铜层406厚。
其次，在图块504，晶圓600被载入在研磨设备200的第一研磨单位 202A的晶圓研磨头208上。其次，在图块506中说明如图6B所示的利用第 一研磨技术，在第一研磨单位202A移除晶圆600的铜层606的上方部份608， 而使得介电质层602上仅留下障壁金属层604上方的铜层的中间部份610 和较下方的612部份。第一研磨技术使用第一研磨单位202A的第一研磨头 208和第一研磨台206与第一研磨液，以执行CMP制程。如图6A所示，铜 层606的上部分，中间部分，和下部分608， 610,和612，位于介电质层 602上表面上的障壁金属层604上方。
其次，在图块508，使用第一转轴载入/载出杯204A，将晶圓600从第 一研磨单位202A的晶圆研磨头208传递到研磨设备200的第二研磨单位 202B的晶圆研磨头208。其次，在图块510中说明如图6C所示的利用第二 研磨技术，在第二研磨单位202B移除晶圆600的铜层606的中间部份610， 而使得介电质层602上4又留下障壁金属层604上方的铜层606较下方的612 部份下方部份。第二研磨技术使用第二研磨单位202B的第二研磨头208.和 第二研磨台206与相同于或不同于第一研磨液的研磨液，以执行CMP制程。 在本实施例中，晶圆600.的铜层606的上部分和中间部分608和610具有 相同的厚度，而铜层606的下部分612比铜层606的上部分和中间部分608 和610薄。
其次，在图块512,使用第二转轴载入/载出杯204B，将晶圆600从第 二研磨单位202B的晶圆研磨头208传递到研磨设备200的第三研磨单位 202C的晶圓研磨头208。其次，在图块514中说明如图6D所示的利用第三 研磨技术，在第三研磨单位202C移除晶圓600上的铜层606的下方部份612, 一直到位于介电质层602上方表面的障壁金属层604暴露出来。第三研磨 技术使用第三研磨单位202C的第三研磨头208和第三研磨台206与第二研 磨液，以执行CMP制程。在本实施例中，第三研磨技术的移除速率低于第 一和第二研磨技术的移除速率。
其次，在图块516,使用第三转轴栽入/载出杯204C,将晶圓600从第 三研磨单位202C的晶圆研磨头208传递到研磨设备200的第四研磨单位 202D的晶圆研磨头208。其次，在图块518中说明如图6E所示的利用第四 研磨技术，在第四研磨单位202D移除晶圓600的介电质层402上表面的障 壁金属层604, —直到介电质层602上方表面暴露出来。第四研磨技术使用 第四研磨单位202D的第四研磨头208和第四研磨台206与第三研磨液，以 执行CMP制程。
在另一个第二实施例中，在第一研磨单位202A执行的第一研磨技术和 在第二研磨单位202B执行的第二研磨技术，其中的一或两者可以使用适当 的研磨溶液，执行ECMP制程或ECP制程。若ECMP或ECP制程在研磨单位 202A和202B其中的一或两者执行，则这些研磨单位其中的一或两者需要 修改，使各晶圆研磨头208和各研磨台206可以电性连接电源，以使传导 电流经由要被研磨的半导体晶圆，流过晶圆研磨头和研磨台之间。
根据本发明不同实施例，上述在半导体晶圆上制造铜嵌入式结构的方 法可以混合使用，以制造具有多重层双铜嵌入式结构的半导体晶圓700，如 图7所示。如图7所示，晶圆700包含在不同金属层Ml, M2, M3…M6， M7, 和M8的双铜嵌入式结构702A， 702B, 702C, 702D, 702E,和702F。位于 相邻金属层之间的平面层是扩散障壁层。虽然图7所图示的晶圓700具有 特定数量的双铜嵌入式结构，但是晶圓可以包含任何数量的双铜嵌入式结 构。晶圓700的铜嵌入式结构702A, 702B, 702C, 702D， 702E，和702F的 沟渠深度，会从最底层的金属层，即M1层，增加到最高层的金属层，即M8 层。因此，嵌入式结构702A的沟渠深度最浅，例如O. 3微米，而在M8层 的嵌入式结构702F的沟渠深度最深，例如1. 5」隞米。
在较底层的晶圓700的铜嵌入式结构，如Ml-M3层，具有相对浅的沟 渠，因此，在制造这些铜嵌入式结构时，可以沉积相对薄的铜层，以填充 铜嵌入式结构702A, 702B，和702C。为了形成这些铜嵌入式结构702A,702B, 和702C,可以使用根据本发明第一实施例或另一个第一实施例的制造方法， 其可以减少侵蚀形貌，而且亦可以改善研磨表面的平坦性。或者，为了形 成铜嵌入式结构702A， 702B，和702C，可以使用根据本发明第一实施例的 选择实施例的制造方法，其没有执行可以减少侵蚀形貌平坦化的CMP。
在较高层的晶圆700的铜嵌入式结构，如M6-M8层，具有相对深的沟 渠，因此，在制造这些铜嵌入式结构时，可以沉积相对厚的铜层，以填充 铜嵌入式结构702D, 702E，和702F。为了形成这些铜嵌入式结构702D, 702E, 和702F，可以使用根据本发明第二实施例或另一个第二实施例的制造方法， 以增加产量。因为对于较低层铜嵌入式结构而言，较高层铜嵌入式结构的 侵蚀形貌相对不重要，所以使用根据本发明第二实施例或另一个第二实施 例的制造方法形成这些较低层铜嵌入式结构702D， 702E,和702F，比使用
根据本发明第一实施例或另一个第一实施例的制造方法具有更大的产量。
晶圓700的铜嵌入式结构702A， 702B， 702C, 702D, 702E，和702F可 以在具有四个研磨单位的相同研磨设备上，如研磨设备200，或在具有四个 研磨单位的不同研磨设备上，如多重研磨设备200制造。
虽然本发明的特定实施例已图示说明，但是本发明并不局限于被图示 说明的特定形式或部分装置。例如，除了铜以外，根据本发明的制造方法 可以使用金属或金属合金(此处统称为"金属")形成嵌入式结构。
权利要求
1. 一种在半导体晶圓上制造金属嵌入式结构的方法，其特征在于其包含..提供半导体晶圆，其包含在上表面的下方具有沟渠的介电质层，在该介电质层上的障壁层，和位于该障壁层上方的金属层；使用第 一研磨技术移除该金属层的上部分，剩下的该金属层的下部分 位于介电质层上表面上的该障壁层上方；使用第二研磨技术移除该金属层的下部分，直到曝露出在该介电质层 上表面上的障壁层；使用第三研磨技术移除在该介电质层上表面上的障壁层，直到曝露出 该介电质层的上层，以制造具有侵蚀形貌的金属嵌入式结构；及使用第四研磨技术平坦化具有侵蚀形貌的金属嵌入式结构，以减少金 属嵌入式结构的侵蚀形貌。
2. 根据权利要求1的方法，其特征在于其中所述的金属层的上部分的 移除，包含使用第一研磨液，执行第一化学机械研磨，而其中金属层的下 部分的移除，包含使用第二研磨液，执行第二化学机械研磨，第二化学机 械研磨具有低于第 一化学机械研磨的移除速率。
3. 根据权利要求1的方法，其特征在于其中具有侵蚀形貌的金属嵌入 式结构的平坦化，包含使用研磨液，执行化学机械研磨，相较于金属层和 障壁层，研磨液对介电质层具有较高的移除速率。
4. 根据权利要求1的方法，其特征在于其中所述的金属层的上部分比 金属层的下部分厚。
5. 根据权利要求1的方法，其特征在于其中所述的金属层的上部分的 移除，包含执行电化学才几械研磨或电化学研磨其中之一。
6. 根据权利要求1的方法，其特征在于其中所述的金属层的上部分的 移除，包含在研磨设备的第一研磨单位研磨金属层的上部分；其中金属层 的下部分的移除，包含在研磨设备的第二研磨单位研磨金属层的下部分； 其中障壁层的移除，包含在研磨设备的第三研磨单位研磨在介电质层的上 表面上的障壁层；及其中具有侵蚀形貌的金属嵌入式结构的平坦化，包含 在研磨设备的第四研磨单位研磨具有侵蚀形貌的金属嵌入式结构。
7. 根据权利要求6的方法，其特征在于其中所述的金属层的上部分的 移除，包含在研磨设备的第一研磨单位，使用第一晶圆研磨头研磨金属层 的上部分；其中金属层的下部分的移除，包含在研磨设备的第二研磨单位， 使用第二晶圆研磨头研磨金属层的下部分；其中障壁层的移除，包含在研 磨设备的第三研磨单位，使用第三晶圆研磨头研磨在介电质层的上表面上 的障壁层；及其中具有侵蚀形貌的金属嵌入式结构的平坦化，包含在研磨 设备的第四研磨单位，使用第四晶圓研磨头研磨具有侵蚀形貌的金属嵌入 式结构。
8. 根据权利要求6的方法，其特征在于还包含至少使用转轴载入/载出 杯其中之一，将半导体晶圓在研磨设备的第一，第二，第三，和第四研磨 单位之间传递。
9. 根据权利要求8的方法，其特征在于其中在第一，第二，第三，和 第四研磨单位之间半导体晶圓的传递，包含使用第 一转轴载入/载出杯，将该半导体晶圓从第 一研磨单位传递到第 二研磨单位；使用第二转轴载入/载出杯，将该半导体晶圆从第二研磨单位传递到从该第三研磨单位；及使用第三转轴载入/载出杯，将该半导体晶圓从第三研磨单位传递到第 四研磨单位。
10. —种在半导体晶圓上制造金属嵌入式结构的方法，其特征在于其包含提供半导体晶圆，其包含在上表面的下方具有沟渠的介电质层，在介 电质层上的障壁层，和位于该障壁层上方的金属层；使用第一研磨技术移除该金属层的上部分，剩下在障壁层上的金属层 的中间部分和下部分；使用第二研磨技术移除金属层的中间部分，剩下在障壁层上的金属层 的下部分；使用第三研磨技术移除金属层的下部分，直到曝露出在介电质层上表 面上的障壁层；及使用第四研磨技术移除在介电质层上表面上的障壁层，直到曝露出介 电质层的上表面，以制造金属嵌入式结构。
11. 根据权利要求10的方法，其特征在于其中所述的金属层的上部 分的移除和金属层的中间部分的移除，至少其中之一包含使用研磨液，执 行化学机械研磨；而其中金属层的下部分的移除，包含使用另一研磨液， 执行另一化学机械研磨，另 一化学机械研磨具有低于该化学机械研磨的移 除速率。
12. 根据权利要求10的方法，其特征在于其中所述的金属层的上部 分和金属层的中间部分，具有大致相同的厚度。
13. 根据权利要求10的方法，其特征在于其中所述的金属层的下部 分比金属层的上部分和中间部分薄。
14. 根据权利要求10的方法，其特征在于其中所述的金属层的上部 分的移除和金属层的中间部分的移除至少其中之一 ，包含执行电化学机械 研磨或电化学研磨。
15. 根据权利要求10的方法，其特征在于其中所述的金属层的上部 分的移除，包含在研磨设备的第一研磨单位研磨金属层的上部分；其中金 属层的中间部分的移除，包含在研磨设备的第二研磨单位研磨金属层的中 间部分；其中金属层该下部分的移除，包含在研磨设备的第三研磨单位研 磨金属层的下部分；及其中障壁层的移除，包含在研磨设备的第四研磨单 位研磨在介电质层的上表面上的障壁层。
16. 根据权利要求15的方法，其特征在于其中所述的金属层的上部 分的移除，包含在研磨设备的第一研磨单位，使用第一研磨头研磨金属层 的上部分；其中金属层的中间部分的移除，包含在研磨设备的第二研磨单 位，使用第二研磨头研磨金属层的中间部分；其中金属层的下部分的移除， 包含在研磨设备的第三研磨单位研磨，使用第三研磨头金属层的下部分； 及其中障壁层的移除，包含在研磨设备的第四研磨单位，使用第四研磨头研磨在介电质层的上表面上的障壁层。
17. 根据权利要求15的方法，其特征在于还包含使用至少一转轴载 入/载出杯，将半导体晶圓在研磨设备的第一，第二，第三，和第四研磨单 位之间传递。
18. 根据权利要求17的方法，其特征在于在第一，第二，第三，和 第四研磨单位之间半导体晶圆的传递，包含使用第 一转轴载入/载出杯，将半导体晶圓从第 一研磨单位传递到第二 研磨单位；使用第二转轴载入/载出杯，将半导体晶圓从第二研磨单位传递到第三 研磨单位；及使用第三转轴载入/载出杯，将半导体晶圆从第三研磨单位传递到从第 四研磨单位。
19. 一种在半导体晶圓上制造金属嵌入式结构的方法，其特征在于其包含在半导体晶圆上形成第一金属嵌入式结构，第一金属嵌入式结构的形 成包含提供半导体晶圓，其包含在上表面的下方具有沟渠的第 一介电质层， 在第一介电质层上的第一障壁层，和位于第一障壁层上方的第一金属层；使用第一研磨技术移除第一金属层的上部分，剩下的第一金属层的下 部分位于第一介电质层上表面上的第一障壁层上方；使用第二研磨技术移除第一金属层的下部分，直到曝露出在第一介电质层上表面上的第一障壁层；及 使用第三研磨技术移除在第一介电质层上表面上的第一障壁层，直到曝露出第一介电质层的上层，以制造具有侵蚀形貌的第一金属嵌入式结构； 及在半导体晶圓上形成第二金属嵌入式结构，第二金属嵌入式结构的形 成包含提供半导体晶圓，其包含在上表面的下方具有沟渠的第二介电质层， 在第二介电质层上的第二障壁层，和位于第二障壁层上方的第二金属层；使用第一研磨技术移除第二金属层的上部分，剩下在第二障壁层上方 的第二金属层的中间部分和下部分；使用第二研磨技术移除第二金属层的中间部分，剩下在第二障壁层上,方的第二金属层的下部分；使用第三研磨技术移除第二金属层的下部分，直到曝露出在第二介电 质层上表面上的第二障壁层；及使用第四研磨技术移除在第二介电质层上表面上的第二障壁层，直到 曝露出第二介电质层的上表面，以制造第二金属嵌入式结构。 ，
20. 根据权利要求19的方法，其特征在于其中在半导体晶圓上的第 一金属嵌入式结构的形成，还包含使用第四研磨技术平坦化第一金属嵌入 式结构，以减少第一金属嵌入式结构的侵蚀形貌。
21. 根据权利要求20的方法，其特征在于其中第一金属嵌入式结构 的平坦化，包含使用研磨液执行化学机械研磨，相较于第一金属层和第一 障壁层，研磨液对第一介电质层具有较高的移除速率。
22. 根据权利要求19的方法，其特征在于其中在半导体晶圓上的第 一金属嵌入式结构的形成，是在包含四个研磨单位的研磨设备上执行，而 在半导体晶圓上的第二金属嵌入式结构的形成，是在研磨设备上执行。
23. 根据权利要求22的方法，其特征在于其中在半导体晶圓上的第 一金属嵌入式结构的形成和在半导体晶圆上的第二金属嵌入式结构的形成 至少其中之一，还包含使用至少一个转轴载入/载出杯，将半导体晶圓在研 磨设备的四个研磨单位之间传递。
24. 根据权利要求19的方法，其特征在于其中在半导体晶圓上的第一金属嵌入式结构的形成，是在包含四个研磨单位的第 一研磨设备上执行， 而其中在半导体晶圆上的第二金属嵌入式结构的形成，是在包含四个研磨单位的第二研磨设备上执行。
25. 根据权利要求24的方法，其特征在于其中在半导体晶圓上的第 一金属嵌入式结构的形成和在半导体晶圆上的第二金属嵌入式结构的形成 至少其中之一，还包含使用至少一个转轴载入/载出杯，将半导体晶圓在第 一和第二研磨设备的四个研磨单位之间传递。
26. —种在半导体晶圆上制造金属嵌入式结构的方法，其特征在于其包含在包含四个研磨单位的研磨设备，提供半导体晶圆，其包含在上表面 的下方具有沟渠的介电质层，在介电质层上的障壁层，和位于障壁层上方 的金属层；在研磨设备的第一研磨单位，使用第一研磨技术移除金属层的上部分， 使剩下在介电质层上表面上的障壁层上方的金属层的下部分；在该研磨设备的第二研磨单位，使用第二研磨技术移除金属层的下部 分，直到曝露出在介电质层上表面上的障壁层；及在该研磨设备的第三研磨单位，使用第三研磨技术移除在介电质层上 表面上的障壁层，直到曝露出介电质层的上层，以制造金属嵌入式结构。
27. 根据权利要求26的方法，其特征在于其中还包含在研磨设备的第 四研磨单位，使用第四研磨技术平坦化金属嵌入式结构，以减少金属嵌入 式结构的侵蚀形貌。
28. 根据权利要求27的方法，其特征在于其中金属嵌入式结构的平坦 化，包含在研磨设备的第四研磨单位，使用研磨液，执行化学机械研磨， 相较于金属层和障壁层，研磨液对介电质层具有较高的移除速率。
29. 根据权利要求26的方法，其特征在于其中金属层的上部分的移除， 包含在研磨设备的第一研磨单位，使用第一研磨液，执行第一化学机械研 磨，而其中金属层的下部分的移除，包含在研磨设备的第二研磨单位，使 用第二研磨液，执行第二化学机械研磨，第二化学机械研磨具有低于第一 化学机械研磨的移除速率。
30. 根据权利要求26的方法，其特征在于其中金属层的上部分的移除， 包含在研磨设备的第 一研磨单位，执行电化学机械研磨或电化学研磨其中 之一。
31. 根据权利要求26的方法，其特征在于还包含使用至少一个转轴载 入/载出杯，将半导体晶圆在研磨设备的第一，第二，第三，和第四研磨单 位之间传递。
32. 根据权利要求31的方法，其特征在于其中在第一，第二，第三， 和第四研磨单位之间半导体晶圓的传递，包含使用第 一转轴载入/载出杯，将半导体晶圆从第 一研磨单位传递到第二 研磨单位；及使用第二转轴载入/载出杯，将半导体晶圆从第二研磨单位传递到第三 研磨单位。
全文摘要
一种在半导体晶圆上制造一个或多个金属(如铜)嵌入式结构的方法，至少使用三个研磨步骤，以减少最终金属嵌入式结构的侵蚀形貌和/或增加产量。该研磨步骤在研磨设备的四个研磨单位执行，其中包含一个或多个转轴载入/载出杯，使半导体晶圆可以在研磨单位之间传递。
文档编号H01L21/302GK101124662SQ200580038528
公开日2008年2月13日 申请日期2005年11月9日 优先权日2004年11月10日
发明者丁寅权 申请人:英诺普雷股份有限公司