[发明专利]一种降低铜的化学机械抛光形成表面蝶形凹陷的方法

说明书

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。