述材料中的一种或几种:T1、TiN、Ta、TaN、W、WN、TiW、TiSiN、TaSiN，阻挡层 206 的厚度在 20nm 到 500nm 之间，根据不同的孔的深宽比，阻挡层206的厚度会有所不同。在向孔内填充金属铜208之前，较佳的，在阻挡层206上沉积铜的籽晶层。较佳的，向孔内填充金属铜208后，在半导体衬底202的正面形成平坦的连续铜膜表面。
[0035]然后，如图3所示，执行步骤S103，以无应力电化学抛光的方式去除半导体衬底202正面的连续铜膜以及孔内部分金属铜208，使孔内的金属铜208表面与半导体衬底202正面的阻挡层206表面相距一设定距离dl，dl的取值范围为:孔内金属铜208退火时沿孔向上伸展的高度值< dl <孔内金属铜208退火时沿孔向上伸展的高度值、半导体衬底202正面的阻挡层206的厚度值及半导体衬底202正面的介质层204的厚度值的三者之和。在执行该步骤之前，先通过孔的直径、孔的深度以及退火的参数(温度、时间等)计算出或者用实验的方法测量出孔内金属铜208退火时沿孔向上伸展的高度值d3，根据该高度值d3、半导体衬底202正面的阻挡层206的厚度值及半导体衬底202正面的介质层204的厚度值设定孔内的金属铜208表面与半导体衬底202正面的阻挡层206表面相距的距离dl，较佳的，dl等于孔内金属铜208退火时沿孔向上伸展的高度值d3与半导体衬底202正面的阻挡层206的厚度值之和。
[0036]设定孔内的金属铜208表面与半导体衬底202正面的阻挡层206表面相距的距离dl后，以无应力电化学抛光的方式去除半导体衬底202正面的连续铜膜以及孔内部分金属铜208，使孔内的金属铜208表面与半导体衬底202正面的阻挡层206表面相距设定距离dl。无应力电化学抛光去除半导体衬底202正面的连续铜膜以及孔内部分金属铜208包括如下步骤:1)测量半导体衬底202正面的连续铜膜的厚度值，该厚度值与dl值之和即为无应力电化学抛光需要去除的金属铜208的厚度值；2)将半导体衬底202置于可旋转、可竖直移动及可水平移动的卡盘上；3)使一抛光电源的阳极与半导体衬底202上的铜膜电导通并使该抛光电源的阴极与用于向半导体衬底202的正面喷射电解液的喷嘴电连接；4)在抛光电源的供电下，使电解液通过喷嘴喷射至半导体衬底202的正面，以使电解液与半导体衬底202的正面的金属铜208发生电化学反应。通过控制抛光电压和/或电流、脉冲式电流的占空比、卡盘的旋转速度及水平移动速度或抛光时间等控制金属铜208的去除厚度。阻挡层206不与电解液反应。无应力电化学抛光将半导体衬底202正面的阻挡层206上的连续铜膜去除后，再继续抛光一时间段，使孔内的金属铜208表面与半导体衬底202正面的阻挡层206表面相距设定距离dl。
[0037]接着，如图4和图5所示，执行步骤105，对半导体衬底202进行退火工艺，孔内的金属铜208沿孔向上伸展d3。退火工艺温度控制在150°C到800°C，优选的，在200°C到450°C。退火的时间控制在20分钟以上。更佳的退火工艺条件是400°C，退火时间为30分钟。通过退火工艺处理后，金属铜208的晶格质量提高，具有更好的导电性。退火工艺处理后，孔内的金属铜208沿孔向上伸展d3，孔内金属铜208表面形成圆弧形凸起。退火工艺处理后，孔内的金属铜208表面与半导体衬底202正面的阻挡层206表面相距距离d2，优选的，d2为半导体衬底202正面的阻挡层206的厚度值。
[0038]最后，如图6所示，执行步骤S107，对半导体衬底202正面的阻挡层206进行平坦化工艺，去除半导体衬底202正面的阻挡层206，孔内的金属铜208表面与半导体衬底202正面的介质层204表面齐平。可以采用气相刻蚀、液相腐蚀以及CMP等方法去除半导体衬底202正面的阻挡层206。优选的，选用CMP方法去除半导体衬底202正面的阻挡层206，因为CMP在去除阻挡层206的同时可以实现孔内金属铜208表面凸起部分的平坦化，提高孔内金属铜208表面的光洁度和平坦度。
[0039]由上述可知，本发明通过采用无应力电化学抛光控制孔内的金属铜208表面与半导体衬底202正面的阻挡层206表面相距的距离dl，以使孔内金属铜208退火后，孔内的金属铜208表面与半导体衬底202正面的介质层204表面齐平，从而避免了退火工艺后，在半导体衬底的正面形成孤立金属铜凸起。此外，本发明工艺简单，形成半导体结构器件质量提高的同时所需的成本较低。
[0040]综上所述，本发明通过上述实施方式及相关图式说明，己具体、详实的揭露了相关技术，使本领域的技术人员可以据以实施。而以上所述实施例只是用来说明本发明，而不是用来限制本发明的，本发明的权利范围，应由本发明的权利要求来界定。
【主权项】
1.一种半导体结构形成方法，其特征在于，包括如下步骤: 提供半导体衬底，半导体衬底的正面形成有孔，孔向半导体衬底的背面延伸，在半导体衬底的正面及孔的内壁依次沉积介质层和阻挡层，然后，向孔内填充金属铜，并使半导体衬底的正面形成连续铜膜表面； 以无应力电化学抛光的方式去除半导体衬底正面的连续铜膜以及孔内部分金属铜，使孔内的金属铜表面与半导体衬底正面的阻挡层表面相距一设定距离dl ； 对半导体衬底进行退火工艺，孔内的金属铜沿孔向上伸展；及 对半导体衬底正面的阻挡层进行平坦化工艺，去除半导体衬底正面的阻挡层，孔内的金属铜表面与半导体衬底正面的介质层表面齐平。
2.根据权利要求1所述的半导体结构形成方法，其特征在于，所述dl的取值范围为:孔内金属铜退火时沿孔向上伸展的高度值< dl <孔内金属铜退火时沿孔向上伸展的高度值、半导体衬底正面的阻挡层的厚度值及半导体衬底正面的介质层的厚度值的三者之和。
3.根据权利要求1所述的半导体结构形成方法，其特征在于，所述dl等于孔内金属铜退火时沿孔向上伸展的高度值与半导体衬底正面的阻挡层的厚度值之和。
4.根据权利要求1所述的半导体结构形成方法，其特征在于，所述半导体衬底的正面形成的连续铜膜表面为平坦的连续铜膜表面。
5.根据权利要求1所述的半导体结构形成方法，其特征在于，以无应力电化学抛光的方式去除半导体衬底正面的连续铜膜以及孔内部分金属铜包括如下步骤: 测量半导体衬底正面的连续铜膜的厚度值，该厚度值与dl值之和即为无应力电化学抛光需要去除的金属铜的厚度值； 将半导体衬底置于可旋转、可竖直移动及可水平移动的卡盘上； 使一抛光电源的阳极与半导体衬底上的铜膜电导通并使该抛光电源的阴极与用于向半导体衬底的正面喷射电解液的喷嘴电连接； 在抛光电源的供电下，使电解液通过喷嘴喷射至半导体衬底的正面，以使电解液与半导体衬底的正面的金属铜发生电化学反应。
6.根据权利要求5所述的半导体结构形成方法，其特征在于，所述阻挡层不与电解液反应，无应力电化学抛光将半导体衬底正面的阻挡层上的连续铜膜去除后，再继续抛光一时间段，使孔内的金属铜表面与半导体衬底正面的阻挡层表面相距设定距离dl。
7.根据权利要求1所述的半导体结构形成方法，其特征在于，所述孔内金属铜退火时沿孔向上伸展的高度值仅包括金属铜退火后填满孔的增量值d3，不包括金属铜退火后金属铜表面的凸起高度。
8.根据权利要求7所述的半导体结构形成方法，其特征在于，退火工艺处理后，孔内的金属铜表面与半导体衬底正面的阻挡层表面相距距离d2。
9.根据权利要求8所述的半导体结构形成方法，其特征在于，d2为半导体衬底正面的阻挡层的厚度值。
10.根据权利要求1所述的半导体结构形成方法，其特征在于，以CMP方式去除半导体衬底正面的阻挡层。
【专利摘要】本发明揭示了一种半导体结构形成方法，包括如下步骤：提供半导体衬底，半导体衬底的正面形成有孔，孔向半导体衬底的背面延伸，在半导体衬底的正面及孔的内壁依次沉积介质层和阻挡层，然后，向孔内填充金属铜，并使半导体衬底的正面形成连续铜膜表面；以无应力电化学抛光的方式去除半导体衬底正面的连续铜膜以及孔内部分金属铜，使孔内的金属铜表面与半导体衬底正面的阻挡层表面相距一设定距离d1；对半导体衬底进行退火工艺，孔内的金属铜沿孔向上伸展；及对半导体衬底正面的阻挡层进行平坦化工艺，去除半导体衬底正面的阻挡层，孔内的金属铜表面与半导体衬底正面的介质层表面齐平。
【IPC分类】H01L21-768
【公开号】CN104637862
【申请号】CN201310566058
【发明人】贾照伟, 王坚, 王晖
【申请人】盛美半导体设备（上海）有限公司
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2013年11月14日