优化金属平坦化工艺的方法与流程

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种优化金属平坦化工艺的方法。

背景技术：

在互连结构制造过程中，随着线宽的缩小以及铜和低k介质材料的应用，互连结构平坦化技术与过去相比提出更严格的要求。目前，至少有两种平坦化技术用来平坦化互连结构上的金属，包括具有应力的抛光工艺，例如cmp，和无应力抛光工艺，例如电化学抛光。cmp利用研磨液和下压力去除金属，尽管cmp仍然是最常用的平坦化技术，然而随着半导体技术的发展，cmp工艺中存在的瓶颈和问题逐渐暴露出来。由于涉及到相对强的机械力，cmp对互连结构的底层结构存在许多有害影响，特别是当介质材料的k值逐渐减小，机械力会对介质材料造成永久损伤。

电化学抛光利用带电的电解液去除互连结构上的金属。由于只有带电的电解液接触金属表面，电化学抛光工艺不产生机械力，且不会对低k介质材料造成损伤。带电的电解液被喷到金属表面并与金属反应，金属离子移动到阴极。在电化学抛光工艺中，金属表面被看作是阳极，因此，作为副产物，金属表面产生大量气泡，造成金属表面粗糙度变糟。众所周知，金属表面气泡的数量越少，电化学抛光后，金属表面的粗糙度会更小，因此，为了改善金属表面的粗糙度，需要控制金属表面气泡的数量。气泡的数量与电化学抛光的时间成正比，电化学抛光的时间越短，气泡的数量越少。电化学抛光的时间又与电化学抛光去除的厚度成正比，电化学抛光去除的厚度越少，电化学抛光的时间越短。基于这些关系，可以得出电化学抛光去除的厚度越少，电化学抛光后，金属表面的粗糙度越小。

为了提高平坦化的效率并减少电化学抛光去除的厚度，结合cmp和电化学抛光平坦化互连结构上的金属。首先，通过cmp去除互连结构上表面上的大部分金属并保留覆盖在互连结构上表面上的连续的金属层。连续的金属层可以抵御cmp的机械力以保护低k介质材料不被损伤，然后，采用电化学抛光去除互连结构上表面上的连续的金属层，暴露出互连结构的底层结构，例如阻挡层。如何获得cmp后最佳的剩余厚度，也就是电化学抛光去除厚度，对最终金属表面的粗糙度和碟形坑的控制是非常重要的。如果cmp后剩余的金属层厚度太薄，很难确保金属层是否完全覆盖互连结构的上表面，低k介质材料在工艺过程中很可能被损伤；如果cmp后剩余的金属层太厚，那就意味着电化学抛光去除的厚度太厚，会造成电化学抛光后金属表面的粗糙度不是很好。

技术实现要素：

本发明提出一种优化金属平坦化工艺的方法，包括以下步骤：

采用化学机械平坦化工艺去除互连结构上表面上的大部分金属层直到剩余金属层的厚度达到预定值y，该剩余金属层为覆盖互连结构上表面的连续层，其中，该剩余金属层具有第一表面平均粗糙度ra1，该第一表面平均粗糙度ra1是由化学机械平坦化工艺引起的；

采用无应力抛光工艺去除互连结构上表面上的剩余金属层，无应力抛光工艺完成后，互连结构凹进区域内的金属层的上表面低于互连结构的上表面，其凹陷值为h2，其中，凹进区域内的金属层具有第二表面平均粗糙度ra2，该第二表面平均粗糙度ra2是由无应力抛光工艺引起的，无应力抛光工艺去除的金属层的厚度除以ra2得到比值α；

当设置凹陷值h2时，为了得到无应力抛光工艺后金属表面粗糙度最小值，化学机械平坦化工艺后剩余金属层的厚度y满足以下方程式：y＝α/6*h2-αra1。

综上所述，为了抵御化学机械平坦化工艺的机械力，避免互连结构的底层结构受到损伤，以及改善无应力抛光工艺后金属表面的粗糙度，化学机械平坦化工艺后剩余金属层的厚度需要满足以下条件：剩余金属层的厚度尽可能的薄；剩余金属层为覆盖互连结构上表面的连续层；当设置目标凹陷值时，剩余金属层的厚度满足方程式：y＝α/6*h2-αra1。

附图说明

为使本领域的技术人员对本发明更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，其中：

图1是互连结构的截面图，其中，互连结构上的金属层未去除；

图2是采用cmp将互连结构上表面上的大部分金属层去除后的截面图；

图3是采用电化学抛光将互连结构上表面上的剩余金属层全部去除后的截面图；

图4是采用电化学抛光将互连结构上表面上的剩余金属层去除的临界状态的截面图，互连结构的没有图形的区域上还有一些金属残留；

图5是采用电化学抛光将互连结构上没有图形的区域上的金属残留全部去除后的截面图；

图6是电化学抛光去除的厚度和cmp、电化学抛光工艺后平均粗糙度之间的关系的曲线图；

图7是电化学抛光去除的厚度和电化学抛光工艺引起的平均粗糙度之间的关系的曲线图；

图8是电化学抛光去除的厚度与cmp工艺引起的平均粗糙度ra1、cmp和电化学抛光工艺后平均粗糙度ra、电化学抛光工艺引起的平均粗糙度ra2、α之间对应关系的图表，其中，α等于电化学抛光去除的厚度除以电化学抛光工艺引起的平均粗糙度ra2；

图9是采用cmp将具有不同线宽和不同线密度的互连结构上表面上的大部分金属层去除后的截面图。

具体实施方式

本发明提出一种优化金属平坦化工艺的方法，通过控制cmp工艺后互连结构上表面上剩余金属层的厚度，来改善电化学抛光工艺去除剩余金属层后金属表面的粗糙度。

图1所示为互连结构的一种具体实施方式。本领域的技术人员能够理解的是，互连结构的构造不局限于图1所示的具体实施方式，根据不同的工艺需求，互连结构的构造可能是不同的。图1所示的互连结构包括衬底101、形成于衬底101上的第一介质层102、形成于第一介质层102上的第二介质层103、形成于第二介质层103上的硬掩膜层104、形成于硬掩膜层104、第二介质层103和第一介质层102上的凹进区域108(如沟槽、通孔等)、形成于硬掩膜层104和凹进区域108的侧壁和底部上的第一阻挡层105、形成于第一阻挡层105上的第二阻挡层106，及形成于第二阻挡层106上并填满凹进区域108的金属层107。

金属层形成于第二阻挡层106上并填满凹进区域108后，下一步就是去除互连结构上表面上的金属层107。首先，采用具有应力的抛光工艺，如cmp，去除大部分金属层107并保留一定厚度的金属层107；为了抵御cmp的机械力，避免互连结构的底层结构受到损伤，并改善电化学抛光工艺后的金属表面粗糙度，cmp工艺后剩余金属层107的厚度最好尽可能的薄，并且剩余金属层107是覆盖互连结构上表面的连续层，如图2所示。

然后采用无应力抛光工艺，如电化学抛光，去除互连结构上表面上的剩余金属层107，如图3所示。互连结构上表面上的剩余金属层107被去除后，第二阻挡层106暴露出来，考虑到互连结构上表面上的第二阻挡层106和第一阻挡层105以及硬掩膜层104将在后续工艺中被去除，凹进区域108内的金属层107的上表面与第二介质层103的上表面齐平或者略低于第二介质层103的上表面。

本发明还将介绍怎样获得cmp后剩余金属层107的厚度。

为了简化计算，假设互连结构上表面上的金属层具有相同的厚度，换言之，不论互连结构的线宽和线密度是否相同，在采用cmp去除互连结构上表面上的金属层之前，互连结构上表面上的金属层的厚度相同。cmp和电化学抛光工艺完成后，金属表面粗糙度的最大值满足以下方程式：

rt＝rt1+rt2

其中，rt是cmp和电化学抛光工艺完成后金属表面粗糙度的最大值，rt1是cmp工艺引起的金属表面粗糙度，rt2是电化学抛光工艺引起的金属表面粗糙度。

基于数据正态分布，在3σ的条件下，rt＝6ra，ra是cmp和电化学抛光工艺完成后金属表面平均粗糙度，关系式如下：

rt＝rt1+rt2＝6ra1+6ra2

其中，ra1是cmp工艺引起的金属表面平均粗糙度，ra2是电化学抛光工艺引起的金属表面平均粗糙度。

如图5所示，如果不考虑互连结构上表面上的第二阻挡层106和第一阻挡层105以及硬掩膜层104在后续工艺中去除，凹陷值h2等于第二阻挡层106的上表面高度减去凹进区域108内金属层107的上表面高度。

如图4所示，采用电化学抛光将互连结构上表面上的剩余金属层去除的临界状态，凹进区域108内的金属层107的上表面与第二阻挡层106的上表面齐平。互连结构的没有图形的区域上还有一些金属107残留，通常残留的金属高度h1等于rt。可以看出，cmp和电化学抛光工艺完成后金属表面粗糙度，特别是rt，决定了最小凹陷值。凹陷值h2不能小于rt(h2≥rt)，只有满足h2≥rt，金属残留才能被完全去除。cmp后剩余金属层107的厚度与最小凹陷值之间的关系满足以下方程式：

y＝α/6(h2-rt1)＝α/6*h2-αra1

其中，y是cmp后剩余金属层的最佳厚度；h2是最小凹陷值，该最小凹陷值是根据工艺需求设定的目标值；在这个方程式中，h2为已知量，α等于电化学抛光去除的金属层的厚度除以ra2；α是通过实验得出的经验方程式；比值α由电解液的类型、粘度、温度和衬底的转速、水平运动的速度以及电流、电压等决定。

由上述可知，为了抵御cmp的机械力，避免互连结构的底层结构受到损伤，并改善电化学抛光后金属表面的粗糙度，cmp后剩余金属层的厚度需要满足以下条件：剩余金属层的厚度尽可能的薄；剩余金属层为覆盖互连结构上表面的连续层；当设置一目标凹陷值，剩余金属层的厚度满足方程式：y＝α/6(h2-rt1)＝α/6*h2-αra1。

如果考虑互连结构上表面的第二阻挡层106和第一阻挡层105以及硬掩膜层104在后续步骤中去除，cmp后剩余金属层的实际厚度满足以下方程式：

y’＝y-yb-ym

其中，y’是cmp后剩余金属层的实际厚度，yb是第二阻挡层106和第一阻挡层105的总厚度，ym是硬掩膜层104的厚度。

图9所示为本发明的另一种具体实施方式，互连结构具有不同的线宽和线密度。在电镀工艺中，线宽和线密度造成不同线区域存在台阶高度差，进而决定了金属层高度的一致性。覆盖在没有图形区域上的金属层的高度被看作0埃，并作为参考平面。通常，覆盖在宽线上的金属层的高度要低于参考平面；反之，覆盖在窄线上的金属层高度要高于参考平面。为了完全去除互连结构上表面上的金属层，窄线上的金属层必须保证完全去除。另一方面，由于电化学抛光工艺是一个保形工艺，当窄线上的金属层完全去除，电化学抛光工艺将引起宽线的凹陷。凹陷的深度取决于cmp工艺后的台阶高度差和线密度，凹陷值满足以下方程式：

rx＝tmin/dx–tx

其中，rx是线宽x区域的凹陷值，tmin是最小线宽相对于参考平面的台阶高度，dx是线宽x区域的密度，tx是线宽x区域相对于参考平面的台阶高度。

例如，如果最窄线的线宽为28nm，最窄线相对于参考平面的台阶高度为200埃，宽线的线宽为10μm，宽线相对于参考平面的台阶高度为-100埃，宽线的密度为50％，当最窄线上的金属层完全去除，线宽10μm区域的凹陷值等于：

r10＝tmin/d10-t10＝200/50％-(-100)＝500angstrom

结合方程式y’＝y-yb-ym，如果互连结构具有不同的线宽和线密度，cmp后剩余金属层的实际厚度满足以下方程式：

y”＝α’/6(h2+tmin-rt1)＝α’/6*(h2+tmin)-α’ra1

α’＝(y’+tmin)/ra2’

其中，y”是化学机械平坦化工艺后剩余金属层的实际厚度，tmin是最小线宽相对于参考平面的台阶高度。

ra2’可以根据以下两方面获得：

1)电化学抛光(无应力抛光工艺)去除的厚度y’+tmin；

2)电化学抛光去除的厚度和电化学抛光工艺引起的金属表面平均粗糙度之间的关系，如图7所示。

综上所述，为了完全去除互连结构上表面的金属层，同时获得目标凹陷值和最小金属表面粗糙度，cmp后剩余金属层的厚度应该满足方程式的要求，芯片内部的台阶高度差应该尽可能的小，特别是窄线的台阶高度应该优化并趋于零。

惟上述实施例仅为说明本发明的原理及其功效，而非用以限制本发明。因此，本领域技术人员对上述实施例进行修改及变化仍不脱本发明的精神。本发明的权利范围应如后述的权利要求书所列。