CN102856249A - 一种降低铜的化学机械抛光形成表面蝶形凹陷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种降低铜的化学机械抛光形成表面蝶形凹陷的方法，工艺步骤包括：铜互连线的上表面进行的电镀工艺之后，需淀积一层填充材料，并进行回流，用以消除铜互连线经电镀工艺之后表面起伏形貌。通过本发明一种降低铜的化学机械抛光形成表面蝶形凹陷的方法，有效的使在铜的电镀工艺后，淀积一种熔点低、润湿性好、与铜的粘附性强的填充材料，并进行回流工艺消除电镀后的表面起伏形貌，同时通过化学研磨抛光工艺的研磨，去除填充材料、绝缘层上过填的金属铜和扩散阻挡层。

Description

一种降低铜的化学机械抛光形成表面蝶形凹陷的方法

技术领域

本发明涉及一种工艺集成方法，尤其涉及一种降低铜的化学机械抛光形成表面蝶形凹陷的方法。

背景技术

在半导体制造工艺中，随着集成电路制造工艺的不断进步，芯片集成度的不断提高，铜已经取代铝成为超大规模集成电路制造中的主流体互联技术，作为铝的替代物，铜互连具有许多优点：首先，铜的电阻率小，且后道互连的耦合延迟比铝后道互连的耦合延迟小，有利于提高器件性能和降低功耗。其次，在承受相同电流条件下，铜互连线横截面比铝互连线横截面小，所形成的相邻导线间的寄生电容减小，有利于降低信号串扰。另外，铜的抗电致迁移率比铝好，不易产生连线空洞，提高了器件可靠性。总之，铜互连的应用可以提高芯片的集成度，提高器件密度，提高时钟频率以及降低功耗和成本。

由于对铜的刻蚀非常困难，以往铜互连一般采用如下的双大马士革嵌入式工艺：

步骤一，首先沉积一层薄的刻蚀终止层；

步骤二，接着在上面沉积一定厚度的绝缘层；

步骤三，然后进行相应的光刻、刻蚀工艺，形成出完整的通孔和沟槽；

步骤四，接着使用物理气相沉积进行溅射扩散阻挡层和铜种籽层； 

步骤五，就是铜互连线的电镀工艺； 

步骤六，最后是退火和化学机械抛光，对铜镀层进行平坦化处理和清洗。

通过重复上述步骤一至步骤六的工序，进而形成多层金属叠加。其中,电镀工艺根据法拉第电解定律，采用硫酸盐体系的电镀液，外加电源在电镀槽的阳极（铜）和阴极（硅片）上，在溶液中产生电场并形成电流。阳极的铜失去电子转化成铜离子，阴极附近的铜离子在的硅片表面得到电子转化为铜原子并沉积在硅片表面。铜离子在外加电场的作用下，由阳极向阴极定向移动并补充阴极附近的浓度损耗。通过对电流的控制和分配来达到对电镀铜膜的沉积的控制，在硅片上沉积一层致密、无孔洞、无缝隙和其它缺陷、分布均匀的铜。

为了得到一致性和均匀性比较好的铜膜，电镀工艺要求电镀整个硅片表面镀层及微小局部区域同时传输差异比较小的电流密度。由于集成电路特征尺寸的不断缩小，和沟槽深宽比的增大，沟槽的填充效果、镀层质量及电镀后的形貌受很多因素影响，如：刻蚀后剖面、种籽的厚度、主盐浓度、pH值、电流参数、温度、有机添加剂（加速剂、抑制剂和平坦剂），等等。其中填充性能与添加剂的成份和浓度密切相关。电镀工艺的优化首要考虑如何提高与导电性和可靠性相关的填充性、致密性、晶粒尺寸和缺陷等特性。对电镀后的形貌控制一般不是电镀工艺控制的重点。

众所周知，电镀后续的铜的化学机械抛光工艺是实现铜后道互连的不可或缺的技术。如图1所示，的铜的化学机械抛光后的硅片表面形貌示意图，碟形腐蚀成的凹陷是铜的化学机械抛光工艺导致的主要缺陷（为简便起见，只描述一层金属连线）。这些缺陷会影响芯片表面的平坦化程度，降低铜线有效厚度导致铜线电阻升高，更加严重的是由于碟形缺陷的堆积累加效应， 会在后一道的金属连线层产生铜的残留缺陷，引起导线问短路，从而引起芯片良率下降甚至报废。因此，尽量减少铜的化学机械抛光的蝶形腐蚀凹陷的形成，对铜互连技术至关重要。

铜的化学机械抛光的碟形刻蚀凹陷是因为两个方面的原因形成的。

其中一方面，是由于在铜的化学机械抛光工艺过研磨阶段，硅片表面连线区暴露的是铜，隔离区暴露在外的是绝缘介质及其上的扩散阻挡层。化学机械抛光工艺针对不同材质的研磨速率有所不同，即有一定的选择比，通常铜的研磨速率高于绝缘介质及其上的扩散阻挡层研磨速率。这样较宽的铜的互连线上和连线密集区的研磨量大于周围绝缘介质区的研磨量。因此产生的蝶形凹陷可通过选择合适的化学机械抛光研磨液和研磨垫，以及优化化学机械抛光工艺条件得到改善。

另一方面，如图2所示，受到电镀负载效应的影响，在铜的化学机械抛光之前电镀形成的铜表面是不平整的。除沟槽结构本身形成天然起伏形貌，还会受电镀工艺的特殊效应影响，如铜在连线细密的区域生长得更厚的过电镀现象。典型的电镀后各区域形貌差异可通过原子力显微镜的表面扫描清楚地表征， 如图3所示。由此可见，产品的设计规则，版图布局决定了电镀后的硅片表面形貌。各区域需要去除的铜量存在差异。电镀的表面形貌还会从另一角度对化学机械抛光工艺产生直接影响。 因形貌起伏的存在，在化学机械研磨过程中各区域承受的局部压力也不一样，导致不同的区域研磨去除绝缘介质/扩散阻挡层(Ta/TaN)以上的相同厚度的铜所需的时间可能不同。 如图4所示，说明了实际研磨过程中硅片表面形貌的演变过程。 这意味着有些区域会经过较短时间的研磨, 而另有一些区域需要经过更长时间的研磨，从而更易形成蝶形可是凹陷。可见，电镀后的形貌会从多方面对化学机械抛光过程产生影响， 使之更易导致蝶形可是凹陷。消除电镀后的表面起伏形貌会减少铜的化学机械抛光的蝶形刻蚀凹陷。虽然可通过合理设计版图，如加冗余金属加以改善，但受到设计规则和器件电性要求等的限制，这种方法并不总是有效。

发明内容

发明公开了一种降低铜的化学机械抛光形成表面蝶形凹陷的方法。用以解决现有技术中在铜的化学机械抛光工艺中产生蝶形凹陷，导致铜线电阻升高，更严重的是由于碟形缺陷的堆积累加效应，引起导线间的短路以及引起良率下降，甚至会有报废的情况发生。

为实现上述目的，发明采用的技术方案是：

一种降低铜的化学机械抛光形成表面蝶形凹陷的方法，工艺步骤包括：

步骤一，首先沉积一层刻蚀终止层；

步骤二，接着在刻蚀终止层表面沉积一层具有一定厚度的绝缘层；

步骤三，然后对绝缘层进行光刻以及刻蚀工艺，使在绝缘层中形成通孔和沟槽；

步骤四，接着使用物理气相沉积扩撒阻挡层以及在扩撒阻挡层上沉积金属铜，形成铜互连线；

步骤五，对铜互连线的上表面进行电镀工艺；

步骤六，最后是使用退火和化学机械抛光，对经电镀工艺过的铜互连线上表面进行平坦化处理与清洗；

通过重复以上步骤一至步骤六的工序，形成多层金属叠加，其中，还包括：在所述步骤五中铜互连线的上表面进行的电镀工艺之后，需淀积一层填充材料，并进行回流，用以消除铜互连线经电镀工艺之后表面起伏形貌。 

上述的工艺方法，其中，所述填充材料的熔点为100度至900度 。

上述的工艺方法，其中，所述填充材料为具有良好的流动性和填充能力的材料。

上述的工艺方法，其中，所述填充材料为金属合金材料、高分子聚合物材料或金属合金与高分子聚合物组成的复合材料其中的一种材料。

上述的工艺方法，其中，所述金属合金材料是由：镁、铝、铜、锌、铟、锡、锑以及铅的两种或两种以上金属组成，在以上所述金属组成的同时，并含一种或多种微量杂质元素，所述微量杂质元素为硫与砷。

上述的工艺方法，其中，所述由一种或一种以上单体，通过加聚或缩聚反应生成的聚合物或聚合物共混物。 

上述的工艺方法，其中，所述回流工艺，是通过加热或回旋的方式使淀积在铜互连线上的填充材料在重力和自身表面张力作用下，填充经电镀工艺后铜互连线后起伏形貌低洼处，使经电镀工艺后的铜互连线表面变得平坦。

上述的工艺方法，其中，所述步骤六中的化学机械抛光的工艺工步还包括：

第一步，进行对铜互连线和填充材料移除时，采取使用相同研磨速率的研磨液和工艺条件，以保证完全去除填充材料与扩撒阻挡层上表面的部分铜互连线；

第二步，进行对位于绝缘层上表面铜互连线移除时，采取使用具有较高研磨速率比的研磨液和工艺条件，以保证完全去除位于绝缘层上表面的铜互连线；

第三步，进行对扩散阻挡层的研磨，以保证完全移除位于绝缘层上表面的扩散阻挡层。

上述的工艺方法，其中，所述扩散阻挡层的材料为氮化硅。

上述的工艺方法，其中，所述绝缘层的材料为氧化硅或介电质。

本发明中一种降低铜的化学机械抛光形成表面蝶形凹陷的方法，采用了如上方案具有以下效果：

1、在铜的电镀(electroplating, 简称ECP)工艺后，淀积一种熔点低、润湿性好、与铜的粘附性强的填充材料，并进行回流工艺消除ECP后的表面起伏形貌；

2、通过化学研磨抛光工艺的研磨，去除填充材料、绝缘层上过填的金属铜和扩散阻挡层。

附图说明

通过阅读参照如下附图对非限制性实施例所作的详细描述，发明的其它特征，目的和优点将会变得更明显。

图1为现有技术中铜的化学机械抛光后表面形貌发生蝶形凹陷的示意图；

图2为现有技术中对铜进行电镀使受铜电镀表面形貌的影响的示意图；

图3为现有技术中产品的设计规则的示意图；

图4为现有技术中研磨过程中硅片表面形貌的演变过程的示意图；

图5为本发明一种降低铜的化学机械抛光形成表面蝶形凹陷的方法的电镀后淀积填充材料并回流使其表面平坦化的示意图

图6为本发明一种降低铜的化学机械抛光形成表面蝶形凹陷的方法改善后铜化学机械抛光后的示意图。

参考图序：刻蚀终止层1、绝缘层2、沟槽3、扩撒阻挡层4、铜互连线5、填充材料6。

具体实施方式

为了使发明实现的技术手段、创造特征、达成目的和功效易于明白了解，下结合具体图示，进一步阐述本发明。

请参看图5所示，一种降低铜的化学机械抛光形成表面蝶形凹陷的方法，工艺步骤包括：

步骤一，首先沉积一层刻蚀终止层1；

步骤二，接着在刻蚀终止层1表面沉积一层具有一定厚度的绝缘层2；

步骤三，然后对绝缘层2进行光刻以及刻蚀工艺，使在绝缘层中形成通孔和沟槽3；

步骤四，接着使用物理气相沉积扩撒阻挡层4以及在扩撒阻挡层4上沉积金属铜，形成铜互连线5；

步骤五，对铜互连线5的上表面进行电镀工艺；

步骤六，最后是使用退火和化学机械抛光，对经电镀工艺过的铜互连线5上表面进行平坦化处理与清洗；

通过重复以上步骤一至步骤六的工序，形成多层金属叠加，其中，还包括：在步骤五中铜互连线5的上表面进行的电镀工艺之后，需淀积一层填充材料6，并进行回流，用以消除铜互连线5经电镀工艺之后表面起伏形貌。 

进一步的，填充材料6的熔点为100度至900度 。

进一步的，填充材料6为具有良好的流动性和填充能力的材料。

进一步的，填充材料6为金属合金材料、高分子聚合物材料或金属合金与高分子聚合物组成的复合材料其中的一种材料。

进一步的，金属合金材料是由：镁、铝、铜、锌、铟、锡、锑以及铅的两种或两种以上金属组成，在以上金属组成的同时，并含一种或多种微量杂质元素，微量杂质元素为硫与砷。

进一步的，由一种或一种以上单体，通过加聚或缩聚反应生成的聚合物或聚合物共混物。 

进一步的，回流工艺，是通过加热或回旋的方式使淀积在铜互连线5上的填充材料6在重力和自身表面张力作用下，填充经电镀工艺后铜互连线5后起伏形貌低洼处，使经电镀工艺后的铜互连线5表面变得平坦。

进一步的，步骤六中的化学机械抛光的工艺工步还包括：

第一步，进行对铜互连线5和填充材料6移除时，采取使用相同研磨速率的研磨液和工艺条件，以保证完全去除填充材料6与扩撒阻挡层4上表面的部分铜互连线5；

第二步，进行对位于绝缘层2上表面铜互连线5移除时，采取使用具有较高研磨速率比的研磨液和工艺条件，以保证完全去除位于绝缘层2表面的铜互连线5；

第三步，进行对扩散阻挡层4的研磨，以保证完全移除位于绝缘层2上表面的扩散阻挡层4。

进一步的，扩散阻挡层4的材料为氮化硅。

进一步的，绝缘层2的材料为氧化硅或介电质。

本发明的具体实施方式为，首先沉积一层刻蚀终止层1，接着在刻蚀终止层1表面沉积一层具有一定厚度的绝缘层2，然后对绝缘层2进行光刻以及刻蚀工艺，使在绝缘层2中形成通孔和沟槽3，接着使用物理气相沉积扩撒阻挡层4以及在扩撒阻挡层4上沉积金属铜，形成铜互连线5，对铜互连线5的上表面进行电镀工艺，在铜互连线5的上表面进行的电镀工艺之后，需淀积一层填充材料6，并进行回流，用以消除铜互连线5经电镀工艺之后表面起伏形貌，进行对铜互连线和5填充材料6移除时，采取使用相同研磨速率的研磨液和工艺条件，以保证完全去除填充材料6与扩撒阻挡层4上表面的部分铜互连线5；进行对位于绝缘层2上表面铜互连线5移除时，采取使用具有较高研磨速率比的研磨液和工艺条件，以保证完全去除位于绝缘层2上表面的铜互连线5，进行对扩散阻挡层4的研磨，以保证完全移除位于绝缘层2上表面的扩散阻挡层4，如图6所示。

最后通过重复以上工序，形成多层金属叠加。从而减少影响芯片表面的平坦化程度，增加铜线有效厚度使铜线电阻降低，并同时减少碟形缺陷的堆积累加效应，防止了在后一道的金属连线层产生的铜的残留缺陷，避免了导线的短路，从而大大增大了芯片良品率的提升减少了报废的发生。

综上所述，发明一种降低铜的化学机械抛光形成表面蝶形凹陷的方法，有效的使在铜的电镀工艺后，淀积一种熔点低、润湿性好、与铜的粘附性强的填充材料，并进行回流工艺消除电镀后的表面起伏形貌，同时通过化学研磨抛光工艺的研磨，去除填充材料、绝缘层上过填的金属铜和扩散阻挡层。

以上对发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种降低铜的化学机械抛光形成表面蝶形凹陷的方法，工艺步骤包括：

步骤一，首先沉积一层刻蚀终止层；

步骤二，接着在刻蚀终止层表面沉积一层具有一定厚度的绝缘层；

步骤三，然后对绝缘层进行光刻以及刻蚀工艺，使在绝缘层中形成通孔和沟槽；

步骤四，接着使用物理气相沉积扩撒阻挡层以及在扩撒阻挡层上沉积金属铜，形成铜互连线；

步骤五，对铜互连线的上表面进行电镀工艺；

步骤六，最后是使用退火和化学机械抛光，对经电镀工艺过的铜互连线上表面进行平坦化处理与清洗；

通过重复以上步骤一至步骤六的工序，形成多层金属叠加，其特征在于，还包括：在所述步骤五中铜互连线的上表面进行的电镀工艺之后，需淀积一层填充材料，并进行回流，用以消除铜互连线经电镀工艺之后表面起伏形貌。

2.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述填充材料的熔点为100度至900度 。

3.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述填充材料为具有良好的流动性和填充能力的材料。

4.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述填充材料为金属合金材料、高分子聚合物材料或金属合金与高分子聚合物组成的复合材料其中的一种材料。

5.根据权利要求4所述的工艺方法，其特征在于，所述金属合金材料是由：镁、铝、铜、锌、铟、锡、锑以及铅的两种或两种以上金属组成，在以上所述金属组成的同时，并含一种或多种微量杂质元素，所述微量杂质元素为硫与砷。

6.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述由一种或一种以上单体，通过加聚或缩聚反应生成的聚合物或聚合物共混物。

7.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述回流工艺，是通过加热或回旋的方式使淀积在铜互连线上的填充材料在重力和自身表面张力作用下，填充经电镀工艺后铜互连线后起伏形貌低洼处，使经电镀工艺后的铜互连线表面变得平坦。

8.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述步骤六中的化学机械抛光的工艺工步还包括：

第一步，进行对铜互连线和填充材料移除时，采取使用相同研磨速率的研磨液和工艺条件，以保证完全去除填充材料与扩撒阻挡层上表面的部分铜互连线；

第二步，进行对位于绝缘层上表面铜互连线移除时，采取使用具有较高研磨速率比的研磨液和工艺条件，以保证完全去除位于绝缘层上表面的铜互连线；

第三步，进行对扩散阻挡层的研磨，以保证完全移除位于绝缘层上表面的扩散阻挡层。

9.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述扩散阻挡层的材料为氮化硅。

10.根据权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述绝缘层的材料为氧化硅或介电质。

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