[发明专利]表面平坦化方法及半导体多层互连结构

说明书

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。

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，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。

背景技术

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：resistance capacitance)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。