CN102569170A - 互连结构的制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种互连结构的制造方法，通过控制形成铜金属互连线过程中的化学机械研磨工艺，使用相对阻挡层对铜的选择比更大的研磨剂去除阻挡层上的铜金属和改变去除阻挡层之前的清洗工艺，使得所形成的互连结构中阻挡层比铜金属和金属层间介电层凸出，阻挡了铜金属互连结构上的离子向金属层间介电层迁移。该发明能够防止同层的金属互连线之间产生漏电流，提高了同层的铜金属互连线之间的击穿电压，改善了所制造半导体器件的介质时间相关击穿特性。

Description

互连结构的制造方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，更为具体的，本发明涉及互连结构的制造方法。
背景技术
随着对超大规模集成电路高集成度和高性能的需求逐渐增加，半导体技术向着65nm甚至更小特征尺寸的技术节点发展，而芯片的运算速度明显受到金属导电所造成的电阻电容延迟的影响。为了改善集成电路的性能，利用具有低电阻率、优良抗电迁移能力等优点的铜代替铝作为半导体内的金属互连线可降低金属互连线电阻。
另一方面，利用低介电常数介电层或是超低介电常数介电层作为金属层间介电层，可以有效降低电容。铜双镶嵌技术搭配低介电常数材料所构成的金属层间介电层(inter metal dielectric，IMD)是目前最受欢迎的互连结构工艺组合，其能够有效改善电阻电容延迟的现象，势必将成为下一代半导体工艺的标准互联技术。
现有技术中一种制造互连结构的方法如图1所示，包括：S100，提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有金属层间介电层，所述金属层间介电层内形成有开口，所述开口中和金属层间介质层上沉积有阻挡层，所述阻挡层上沉积有铜金属，所述铜金属填满开口并覆盖金属层间介电层上的阻挡层；S101，进行第一阶段化学机械研磨，平坦化所述阻挡层上的铜金属；S102，进行第二阶段化学机械研磨，去除所述阻挡层上的铜金属，保留金属层间介电层开口内的铜金属；S103，进行第三阶段化学机械研磨，去除所述金属层间介电层上的阻挡层。
根据现有工艺制造的互连结构剖面结构示意图如图2所示，包括金属层间介电层101、阻挡层102和铜金属103。由于所形成的阻挡层较薄，在施加电场时，铜金属103中的离子易于迁移到金属层间介电层101，使得同层的铜金属之间存在漏电流，降低了同层的铜金属之间的击穿电压，影响所制造半导体器件的时间相关介质特性。在公开号为CN1667812A的中国专利申请中还公开了更多关于半导体互连结构的制造方法。
然而，随着集成电路的尺寸缩小，铜金属互连线之间的宽度变窄，致使各层间的电场增加，同层的铜金属互连线间漏电流增加，同层的铜金属互连线间的击穿电压减小，所制造半导体器件的时间相关介质击穿(TDDB，Time-Dependent Dielectric Breakdown)的寿命逐渐减小，严重影响了所制造器件的可靠性。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种互连结构的制造方法，降低同层的铜金属互连线之间的漏电流，提高同层的金属互连线之间的击穿电压，改善所制造半导体器件的时间相关介质击穿特性。
为解决上述问题，本发明了一种互连结构的制造方法，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有金属层间介电层，所述金属层间介电层内形成有开口，所述开口中和金属层间介电层上沉积有阻挡层，所述阻挡层上沉积有铜金属，所述铜金属填满开口并覆盖金属层间介电层上的阻挡层；
进行第一阶段化学机械研磨，平坦化所述阻挡层上的铜金属；
用相对于阻挡层对铜的选择比更大的研磨剂进行第二阶段化学机械研磨，去除所述阻挡层上的铜金属，保留金属层间介电层开口内的铜金属；
降低所述半导体衬底的温度；
进行第三阶段化学机械研磨，去除所述金属层间介电层上的阻挡层。
可选地，所述金属层间介电层的材质为低介电常数材料，所述阻挡层的材质为氮化钽、钽或氮化钽/钽双层结构。
可选地，所述相对于阻挡层对铜的选择比更大的研磨剂含有H2O2，所述H2O2在研磨剂中的体积范围为1％至3％，所述含有H2O2的研磨剂的供给流量为300ml/min。
可选地，采用去离子水或苯并三氮唑清洗降低所述半导体衬底的温度。
可选地，所述去离子水或苯并三氮唑的温度范围为10～20摄氏度，压强范围为70～100kPa。
可选地，所述去离子水或苯并三氮唑的供给流量为100～200ml/min，所述去离子水或苯并三氮唑的清洗时间为10～15秒。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明通过控制形成铜金属互连结构过程中化学机械研磨工艺，使用相对阻挡层对铜的选择比更大的研磨剂去除阻挡层上的铜金属和改变去除阻挡层之前的清洗工艺，使得所形成的互连结构中阻挡层比铜金属和金属层间介电层凸出，阻挡了铜金属互连结构上的离子向金属层间介电层迁移，防止在同层的铜金属互连线之间产生漏电流，提高同层的铜金属互连线之间的击穿电压，改善所制造器件的时间相关介质击穿特性。
附图说明
图1为现有技术中互连结构制造方法的流程示意图；
图2为根据现有技术制造的互连结构的剖面结构示意图；
图3为本发明互连结构制造方法的流程示意图；
图4至图7为本发明一个实施例的各阶段互连结构剖面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
正如背景技术部分所述，现有技术所制造的互连结构中，铜金属互连线中的离子很容易穿过阻挡层迁移到金属层间介电层，从而导致同层的铜金属互连线之间产生漏电流以及同层的铜金属之间的击穿电压低，影响所制造半导体器件的介质时间相关击穿的寿命。
针对上述问题，发明人提供了一种互连结构的制造方法，通过改善铜金属互连线制造过程中的化学机械抛光工艺防止同层的铜金属互连线之间产生漏电流，提高同层的铜金属互连线之间的击穿电压，改善所制造半导体器件的介质时间相关击穿特性。
参考图3，示出了本发明互连结构的制造方法，包括：
步骤S200，提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有金属层间介电层，所述金属层间介电层内形成有开口，所述开口中和金属层间介电层上沉积有阻挡层，所述阻挡层上沉积有铜金属，所述铜金属填满开口并覆盖金属层间介电层上的阻挡层；
步骤S201，进行第一阶段化学机械研磨，平坦化所述阻挡层上的铜金属；
步骤S202，用相对于阻挡层对铜的选择比更大的研磨剂进行第二阶段化学机械研磨，去除所述阻挡层上的铜金属，保留金属层间介电层开口内的铜金属；
步骤S203，降低所述半导体衬底的温度；
步骤S204，进行第三阶段化学机械研磨，去除所述金属层间介电层上的阻挡层。
下面将结合具体的实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。请结合附图4～图7，为本发明一个实施例的各阶段互连结构剖面结构示意图。
首先，请参考图4，提供半导体衬底提供半导体衬底，所述半导体衬底(图未示)上形成有金属层间介电层201，所述金属层间介电层201内形成有开口，所述开口中和金属层间介电层201上沉积有阻挡层202，所述阻挡层202上沉积有铜金属203，所述铜金属203填满开口并覆盖金属层间介电层201上的阻挡层202。
所述金属层间介电层201的材质为低介电常数材料，在具体的实施例中，所述金属层间介电层201为黑钻石(Black Diamond)，可通过有机分子束沉积的方法沉积，其具体的制造方法与现有技术相同，作为本领域技术人员的公知技术，在此不做详细的说明。
图形化所述金属层间介电层201，并通过刻蚀形成开口。在所述开口中和金属层间介电层上沉积阻挡层202。所述阻挡层的材质为氮化钽、钽或氮化钽/钽双层结构，所述阻挡层202采用物理气相沉积的方法沉积，也可以通过其它方法进行。所述阻挡层202上的铜金属203通过物理气相沉积的方法沉积，所述铜金属203填满开口并覆盖金属层间介电层201上的阻挡层202。
接着，请参考图5，进行第一阶段化学机械研磨，平坦化所述阻挡层202上的铜金属203。
在进行第一阶段化学机械研磨之前，将所述半导体衬底置于研磨设备中，研磨设备具有研磨垫和研磨头，研磨头吸附所述半导体衬底的背面，并使半导体衬底上待研磨的铜金属203与研磨垫接触。在研磨头上施加压力，使所述铜金属203能够与研磨垫充分接触。
向所述铜金属203表面和研磨垫之间供给第一研磨剂，通过研磨垫和研磨头之间的相对转动，使所述第一研磨剂均匀分布于所述铜金属203表面和研磨垫之间，同时，所述第一研磨剂与铜金属203表面发生化学反应，生成易于被去除的物质，接着通过铜金属203与研磨垫表面相对转动的机械作用将该易于被去除的物质去除以平坦化所述铜金属203表面，形成铜金属203a。完成第一阶段的化学机械研磨之后，停止供给第一研磨剂。
参考图6，用相对于阻挡层202对铜的选择比更大的研磨剂进行第二阶段化学机械研磨，去除所述阻挡层202上的铜金属203a，保留金属层间介电层开口内的铜金属203b。
在第二阶段化学机械研磨中，向所述铜金属203a表面和研磨垫之间供给相对于阻挡层202对铜的选择比更大的第二研磨剂。在具体的实施例中，所述第二研磨剂含有H2O2，其中H2O2和第二研磨剂的体积比为1％至3％。第二研磨剂的供给流量为300ml/min，所述第二阶段化学机械研磨的研磨时间由所述阻挡层202上的铜金属203a厚度来确定。完成第二阶段的化学机械研磨之后，停止供给第二研磨剂。
通过第二阶段的化学机械研磨，去除所述阻挡层202上的铜金属203a，保留金属层间介电层开口内的铜金属203b。由于在第二化学机械研磨过程中第二研磨剂对铜的选择比比对阻挡层202的选择比更大，因此，铜金属203b向下凹陷，较金属层间介电层201上的阻挡层202低。
在其它实施例，还可以采用其它相对于阻挡层对铜的选择比更大的研磨剂代替以上实施例中的第二研磨剂来进行第二阶段化学机械研磨。
接着，降低所述半导体衬底的温度。
在具体的实施例中，利用去离子水清洗半导体衬底，以降低所述半导体衬底的温度。同时，所述去离子水清洗能够去除研磨过程产生的颗粒污染物或残留物，防止对后续的研磨工艺或其它工艺产生影响。
在其它的实施例中，还可以利用苯并三氮唑清洗所述半导体衬底，来降低半导体衬底的温度。同时，苯并三氮唑能够与铜原子形成共价键和配位键，相互交替成键状聚合物，在铜表面组成保护膜，使铜的表面不与其它物质发生电化学反应，具有缓蚀的作用。另外，苯并三氮唑还能够清洗半导体衬底去除研磨过程产生的颗粒污染物或残留物，防止对后续的研磨工艺或其它工艺产生影响。
在具体的实施例中，所述去离子水或苯并三氮唑的温度范围为10～20摄氏度，压强范围为70～100kPa。所述去离子水或苯并三氮唑的供给流量为100～200ml/min，所述去离子水或苯并三氮唑的清洗时间为10～15秒。通过利用温度为10～20摄氏度的去离子水或苯并三氮唑清洗所述半导体衬底，能够将半导体衬底以及与所述半导体衬底接触的研磨垫的温度从20～35摄氏度降低至10～20摄氏度，进而降低铜金属和阻挡层在化学机械研磨的研磨速率(removal rate)。
最后，参考图7，进行第三阶段化学机械研磨，去除所述金属层间介电层201上的阻挡层202。
在第三阶段化学机械研磨过程中，向所述金属层间介电层201上的阻挡层表面和研磨垫之间供给第三研磨剂，通过研磨垫和研磨头之间的相对转动去除金属层间介电层201上的阻挡层202。通过去离子水或苯并三氮唑清洗，所述半导体衬底和研磨垫温度降低，使得在第三阶段化学机械研磨中，铜金属和阻挡层的研磨速率较金属层间介电层低，从而使第三阶段化学机械研磨后剩余的阻挡层202a较铜金属203c和经第三阶段化学机械研磨露出的金属层间介电层201a凸出，进而阻止铜金属203c中的离子向金属层间介电层201a迁移，防止同层的铜金属互连结构之间产生漏电流，提高同层的铜金属互连线之间的击穿电压，改善所制造半导体器件的时间相关介质击穿特性。
在其他的实施例中，还可以采用等离子水或苯并三氮唑清洗以外的方法使半导体衬底的温度降低，进而使得在后续的第三阶段化学机械研磨中铜金属和阻挡层的研磨速率较金属层间介电层低，使阻挡层较铜金属和金属层间介电层凸起，提高同层的铜金属互连线之间的击穿电压，改善所制造半导体器件的时间相关介质击穿特性。
另外，在第一阶段和第三阶段的化学机械研磨之后和其它工艺之前，通常会用去离子水或苯并三氮唑进行清洗，所述去离子水清洗用以避免研磨产生的颗粒污染物或残留物对后续阶段的研磨工艺或其它工艺的影响，所述苯并三氮唑清洗能够对剩余铜金属起到缓蚀作用，并避免研磨产生的颗粒污染物或残留物对后续阶段的研磨工艺或其它工艺的影响。此处的清洗方法与现有技术相同，作为本领域技术人员的公知技术，在此不做详细的说明。
综上，本发明提供了一种互连结构的制造方法，通过控制形成互连结构过程中化学机械研磨工艺，使用相对阻挡层对铜的选择比更大的研磨剂去除阻挡层上的铜金属和改变去除阻挡层之前的清洗工艺，使得所形成的互连结构中阻挡层比铜金属和金属层间介电层突出，阻挡了铜金属互连结构上的离子向金属层间介电层迁移，防止在同层的铜金属互连线之间产生漏电流，提高同层的铜金属互连线之间的击穿电压，改善所形成器件的时间相关介质击穿特性。
虽然本发明己以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (9)

1.一种互连结构的制造方法，其特征在于，包括：
提供半导体衬底，所述半导体衬底上形成有金属层间介电层，所述金属层间介电层内形成有开口，所述开口中和金属层间介电层上沉积有阻挡层，所述阻挡层上沉积有铜金属，所述铜金属填满开口并覆盖金属层间介电层上的阻挡层；
进行第一阶段化学机械研磨，平坦化所述阻挡层上的铜金属；
用相对于阻挡层对铜的选择比更大的研磨剂进行第二阶段化学机械研磨，去除所述阻挡层上的铜金属，保留金属层间介电层开口内的铜金属；
降低所述半导体衬底的温度；
进行第三阶段化学机械研磨，去除所述金属层间介电层上的阻挡层。
2.如权利要求1所述的互连结构的制造方法，其特征在于，所述金属层间介电层的材质为低介电常数材料。
3.如权利要求1所述的互连结构的制造方法，其特征在于，所述阻挡层的材质为氮化钽、钽或氮化钽/钽双层结构。
4.如权利要求1所述的互连结构的制造方法，其特征在于，所述相对于阻挡层对铜的选择比更大的研磨剂含有H2O2。
5.如权利要求4所述的互连结构的制造方法，其特征在于，所述H2O2在研磨剂中的体积范围为1％至3％。
6.如权利要求4所述的互连结构的制造方法，其特征在于，所述含有H2O2的研磨剂的供给流量为300ml/min。
7.如权利要求1所述的互连结构的制造方法，其特征在于，采用去离子水或苯并三氮唑清洗降低所述半导体衬底的温度。
8.如权利要求7所述的互连结构的制造方法，其特征在于，所述去离子水或苯并三氮唑的温度范围为10～20摄氏度，压强范围为70～100kPa。
9.如权利要求7所述的互连结构的制造方法，其特征在于，所述去离子水或苯并三氮唑的供给流量为100～200ml/min，所述去离子水或苯并三氮唑的清洗时间为10～15秒。
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