表面平坦化方法及半导体多层互连结构技术

一种表面平坦化方法，用于半导体多层互连结构中的化学机械抛光，包括：第一化学机械抛光工序，对半导体多层互连结构中沉积于深孔的金属进行化学机械抛光；第二介质层形成工序，在半导体多层互连结构中阻挡层的表面形成第二介质层；以及第二化学机械抛光工序，对第二介质层及阻挡层进行化学机械抛光。通过使用本发明专利技术的该表面平坦化方法，能够修复形成半导体多层互连结构的工艺中铜制程的化学机械抛光工序产生的碟形凹陷，进而为后续工艺提供足够大的工艺窗口，确保后续制程的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
表面平坦化方法及半导体多层互连结构
本专利技术涉及半导体制造
，尤其涉及一种用于半导体多层互连结构中的化学机械抛光的表面平坦化方法及根据该表面平坦化方法形成的半导体多层互连结构。
技术介绍
随着集成电路高集成化、特征尺寸微细化发展，多层互连结构中因高密度金属互连线带来的电阻和寄生电容而引起的互连延迟(RC：resistancecapacitance)在总延迟中所占比例不断增大，并发展为主要的延迟因素。当特征线宽为0.5微米时，互连延迟约占总延迟的20％，而当特征线宽减小至0.25微米时，互连延迟将占到总延迟的50％以上。降低互连延迟的主要手段包括：(1)降低互连金属的电阻率；(2)降低介质材料的介电常数；(3)采用金属布线多层化。尤其是当特征线宽小至0.13微米及以下后，解决上述RC延迟的迫切性日益明显。为解决RC延迟引起的器件可靠性方面的问题，由于与铝布线相比，铜具有低电阻率及高抗电迁移性等优点，因此，铜互连工艺应运而生。但由于铜难以刻蚀，于是引入了大马士革(也称“嵌入式”)工艺来实现多层互连结构。在该工艺中，利用铜制程的化学机械抛光来进行相应的多余铜互连材料的去除和平坦化是形成铜互连线的关键工艺。图1是表示半导体多层互连结构中现有的铜制程的化学机械抛光的流程图。图2是表示与图1所示的流程图的各工序相对应的半导体多层互连接结构的剖视图。以半导体多层互连结构中两层互连结构为例，图2(a)示出图1的步骤S11中形成的半导体多层互连结构的剖视图，步骤S11中采用双大马士革工艺来形成半导体多层互连结构，该半导体多层互连结构包括第一层互连结构1和第二层互连结构2。第一层互连结构1和第二层互连结构2中形成有深孔21，利用深孔21使第一层互连结构1和第二层互连结构2相连通。此外，第一层互连结构1中从下到上还依次形成有：介质层11，该介质层11形成于第二层互连结构2上方；阻挡层12，该阻挡层12形成于介质层11的表面及深孔21的表面；以及铜，该铜沉积于深孔21并覆盖阻挡层12。第二层互连结构2中从下到上依次形成有介质层22、23。图2(b)示出进行图1所示的步骤S12后得到的该半导体多层互连结构的剖视图，在步骤S12中，对沉积于深孔21的铜进行化学机械抛光，使阻挡层12露出。由于在对铜进行化学机械抛光时，研磨液对阻挡层12不起作用，并且，为了防止晶圆表面的铜去除量不足，通常会进行过度研磨，因此，当阻挡层12露出时，深孔21中沉积的铜会出现凹陷，这就是所谓的碟形凹陷(Dishing)。图2(c)示出进行图1所示的步骤S13后得到的该半导体多层互连结构的剖视图，在步骤S13中，使用阻挡层研磨液对阻挡层12进行化学机械抛光。由于阻挡层研磨液对铜具有一定的腐蚀性，因此，深孔21内的铜凹陷进一步加深。图2(d)示出进行图1所示的步骤S14后得到的该半导体多层互连结构的剖视图，在步骤S13后形成的第一层互连结构1上方进一步形成介质层24、例如SiN(氮化硅)等。显而易见，如图2(d)所示，由于严重的铜凹陷的影响，从而导致所形成的介质层24也相应地出现凹陷。在上述半导体多层互连结构中，具有严重的碟形凹陷的不平坦的硅片表面将会产生一系列问题，其中最为严重的就是无法在硅片表面进行图形制作，从而导致后续制程的稳定性降低，影响多层互连结构中金属铜化学机械抛光的工艺窗口。另一方面，对铜进行化学机械抛光时进行的过度研磨所产生的碟形凹陷还会导致铜互连线的电阻过大，造成半导体器件的处理速度变慢，甚至由于发热过大而将铜互连线熔断，从而发生半导体器件的断路。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种表面平坦化方法。所述表面平坦化方法用于半导体多层互连结构中的化学机械抛光，所述半导体多层互连结构包括至少两层互连结构，即第一层互连结构和第二层互连结构，所述第一层互连结构和所述第二层互连结构中形成有深孔，且通过深孔相连通，所述第一层互连结构中从下到上依次形成有第一介质层、阻挡层，所述表面平坦化方法的特征在于，包括：第一化学机械抛光工序，对隔着所述阻挡层形成于所述深孔且覆盖所述阻挡层的金属进行化学机械抛光以露出所述阻挡层的至少一部分；第二介质层形成工序，在所述阻挡层的表面形成第二介质层；第二化学机械抛光工序，对所述第二介质层及所述阻挡层进行化学机械抛光，以露出形成在所述第二层互连结构上方的所述第一介质层。在上述表面平坦化方法中，采用大马士革工艺来形成半导体多层互连结构。在上述表面平坦化方法中，基于所述第一化学机械抛光工序中所形成的所述金属的凹陷深度，来决定所述第二介质层的厚度。优选地，所述第二介质层的厚度设置为所述金属的凹陷深度的1.5倍。在上述表面平坦化方法中，在所述第二化学机械抛光工序之后，所述第二介质层的表面与所述第一介质层的表面齐平或高于所述第一介质层的表面。在上述表面平坦化方法中，还包括第三介质层形成工序，在所述第二化学机械抛光工序之后，在所述第一介质层和所述第二介质层构成的整个表面进一步形成第三介质层。在上述表面平坦化方法中，在第三介质层形成工序之后，所形成的所述第三介质层的表面是平坦的。优选为，所述第三介质层是氮化硅。在上述表面平坦化方法中，采用终点检测技术对所述第二化学机械抛光工序进行控制，以使对所述第二介质层及所述阻挡层进行的化学机械抛光最终停止于所述第一介质层。在上述表面平坦化方法中，所述终点检测技术是光学方式、力学方式、电磁学方式、电化学方式、热成像方式的终点检测技术中的任一种。在上述表面平坦化方法的所述第二化学机械抛光工序中，使用阻挡层研磨液来去除所述第二介质层及所述阻挡层。优选为，所述金属为铜。优选为，所述第二介质层使用TEOS。优选为，所述阻挡层使用氮化钽。此外，为了解决上述技术问题，本专利技术还提供一种半导体多层互连结构，其特征在于，包括在垂直方向叠置的至少两层互连结构，即第一层互连结构和第二层互连结构，所述第一层互连结构和所述第二层互连结构中形成有深孔，且通过深孔相连通，所述深孔的表面形成有阻挡层，且隔着所述阻挡层填充有金属，所述第一层互连结构包括第一介质层、第二介质层、第三介质层，所述第一介质层形成在所述第二层互连结构上方，所述第二介质层填充于所述深孔，且形成在所述金属的表面，所述第三介质层形成在由所述第一介质层和所述第二介质层构成的整个表面。优选为，在该半导体多层互连结构中，所述第二介质层形成在所述金属与所述第三介质层之间。优选为，在该半导体多层互连结构中，所述第二介质层的表面与所述第一介质层的表面齐平或高于所述第一介质层的表面。优选为，在该半导体多层互连结构中，所述第二介质层的材料与所述第一介质层相同。优选为，在该半导体多层互连结构中，所述第二介质层使用TEOS，所述第三介质层是氮化硅。专利技术效果根据本专利技术所述的表面平坦化方法及根据该表面平坦化方法形成的半导体多层互连结构，能够改善形成半导体多层互连结构的工艺中铜制程的化学机械抛光工序产生的碟形凹陷，进而为后续工艺提供足够大的工艺窗口，确保后续制程的稳定性。附图说明图1是表示半导体多层互连结构中现有的化学机械抛光的流程图。图2是表示本专利技术所涉及的与图1所示的流程图的各工序相对应的半导体多层互连接结构的剖视图。图2(a)是表示图1的步骤S11中形成的半导体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种表面平坦化方法，用于半导体多层互连结构中的化学机械抛光，所述半导体多层互连结构包括至少两层互连结构，即第一层互连结构和第二层互连结构，所述第一层互连结构和所述第二层互连结构中形成有深孔，且通过深孔相连通，所述第一层互连结构中从下到上依次形成有第一介质层、阻挡层，所述表面平坦化方法的特征在于，包括：第一化学机械抛光工序，对隔着所述阻挡层形成于所述深孔且覆盖所述阻挡层的金属进行化学机械抛光以露出所述阻挡层的至少一部分；第二介质层形成工序，在所述阻挡层的表面形成第二介质层；第二化学机械抛光工序，对所述第二介质层及所述阻挡层进行化学机械抛光，以露出形成在所述第二层互连结构上方的所述第一介质层。

【技术特征摘要】
1.一种表面平坦化方法，用于半导体多层互连结构中的化学机械抛光，所述半导体多层互连结构包括至少两层互连结构，即第一层互连结构和第二层互连结构，所述第一层互连结构和所述第二层互连结构中形成有深孔，且通过深孔相连通，所述第一层互连结构中从下到上依次形成有第一介质层、阻挡层，所述表面平坦化方法的特征在于，包括：第一化学机械抛光工序，对隔着所述阻挡层形成于所述深孔且覆盖所述阻挡层的金属进行化学机械抛光以露出所述阻挡层的至少一部分；第二介质层形成工序，在所述阻挡层的表面形成第二介质层；第二化学机械抛光工序，对所述第二介质层及所述阻挡层进行化学机械抛光，以露出形成在所述第二层互连结构上方的所述第一介质层。2.如权利要求1所述的表面平坦化方法，其特征在于，采用大马士革工艺来形成所述半导体多层互连结构。3.如权利要求1或2所述的表面平坦化方法，其特征在于，基于所述第一化学机械抛光工序中所形成的所述金属的凹陷深度，来决定所述第二介质层的厚度。4.如权利要求1或2所述的表面平坦化方法，其特征在于，所述第二介质层的厚度设置为所述金属的凹陷深度的1.5倍。5.如权利要求1或2所述的表面平坦化方法，其特征在于，在所述第二化学机械抛光工序之后，所述第二介质层的表面与所述第一介质层的表面齐平或高于所述第一介质层的表面。6.如权利要求1或2所述的表面平坦化方法，其特征在于，还包括第三介质层形成工序，在所述第二化学机械抛光工序之后，在所述第一介质层和所述第二介质层构成的整个表面进一步形成第三介质层。7.如权利要求6所述的表面平坦化方法，其特征在于，在第三介质层形成工序之后，所形成的所述第三介质层的表面是平坦的。8.如权利要求6所述的表面平坦化方法，其特征在于，所述第三介质层是氮化硅。9.如权利要求1或2所述的表面平坦化方法，其特征在于，采用终点检测技术对所述第二化学机械抛光工序进行控制，以使对所述第二介质层及所述阻挡层进...

【专利技术属性】
技术研发人员：闵源，李大鹏，蒋阳波，李道光，刘慧超，
申请(专利权)人：长江存储科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42