專利名稱：Ulsi多層銅布線化學(xué)機(jī)械拋光中碟形坑的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化學(xué)機(jī)械平整化技術(shù)，尤其涉及ULSI多層銅布線化學(xué)機(jī)械拋光中碟形坑的控制方法。
背景技術(shù)：
集成電路密度的增加和器件特征尺寸的減小使得線間電容與金屬連線的電阻增大，由此引起的金屬互連線的RC延遲甚至比器件的本征延遲還要大。由于Cu比Al具有更低的電阻率、優(yōu)越的抗電遷移特性和低的熱敏感性，可以產(chǎn)生較小的RC延遲并能提高電路的可靠性，已經(jīng)被用做互連線的理想材料。同時(shí)，由于銅與介質(zhì)層的黏滯性較差，且易擴(kuò)散到硅與二氧化硅中，形成深能級雜質(zhì)，影響器件的功率特性。因此，要成功實(shí)現(xiàn)硅芯片上的銅金屬化布線，需要能有效阻擋銅硅互擴(kuò)散的材料即阻擋層。采用Cu-CMP的大馬士革鑲嵌工藝是目前唯一成熟和已經(jīng)成功應(yīng)用到IC制造中的銅圖形化工藝。為了得到準(zhǔn)確的光刻圖案、布線后良好的電學(xué)特性，在多層布線立體結(jié)構(gòu)中，要求保證每層全局平坦化，這是實(shí)現(xiàn)多層布線的關(guān)鍵。Cu-CMP主要去除多余的銅層和阻擋層，能夠同時(shí)兼顧銅片表面全局和局部平坦化。
在ULSI多層布線CMP中，拋光后的碟形坑問題對器件的電學(xué)特性、成品率有很大的影響。在銅布線的CMP過程中，由于銅、阻擋層材料鉭、介質(zhì)層SiO2以及層間插塞鎢物理化學(xué)性質(zhì)均不同，若采用同一種拋光液和拋光條件，造成拋光速率不一致、選擇比不理想，且若銅去除速率過快而阻擋層材料和介質(zhì)層材料去除慢，容易造成過拋，產(chǎn)生碟形坑，有可能產(chǎn)生斷線從而造成短路，造成災(zāi)難性的后果，碟形坑問題已經(jīng)成為銅布線CMP中最難解決的技術(shù)，直接影響到平整化的實(shí)現(xiàn)。
目前，歐美等國化學(xué)機(jī)械拋光采用的機(jī)理為酸性條件下強(qiáng)機(jī)械研磨再化學(xué)溶解的方法，而阻擋層材料(如Ta、TaN、TiN等)和介質(zhì)層材料的化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，采用上述方法阻擋層、介質(zhì)層的去除速率過慢，與銅出現(xiàn)速率差，碟形坑問題難以解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述不足之處，為解決現(xiàn)有銅布線化學(xué)機(jī)械拋光過程中存在的碟形坑問題，提供一種化學(xué)作用強(qiáng)、強(qiáng)絡(luò)合、無劃傷，且成本低的ULSI多層銅布線化學(xué)機(jī)械拋光中碟形坑的控制方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明所采用的實(shí)施方式如下一種ULSI多層銅布線化學(xué)機(jī)械拋光中碟形坑的控制方法，其特征是選取SiO2水溶膠為磨料，用不同倍數(shù)的去離子水稀釋，同時(shí)加入金屬離子螯合劑用以調(diào)節(jié)pH為9.5-11.5，加入非離子表面活性劑，在拋光進(jìn)行前加入氧化劑，在流量為200-5000mL/min、溫度為20-40℃、轉(zhuǎn)速為60-120rpm、壓力為100-250g/cm2的工藝條件下分別進(jìn)行1-5min的銅拋光和30-60sec的銅、阻擋層、介質(zhì)層拋光。
所述磨料為SiO2水溶膠，其粒徑為15-40nm，濃度為20-50wt％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，拋光中SiO2磨料與去離子水的配比為1∶1-1∶5。
所述同時(shí)可作緩沖劑、助氧劑的金屬離子螯合劑為具有13個(gè)以上螯合環(huán)的易溶于水的胺類螯合劑，尤其是乙二胺四乙酸四(四羥乙基乙二胺)。
所述非離子表面活性劑為醚醇類活性劑，為FA/O表面活性劑、JFC、脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯烷基胺、烷基醇酰胺或其復(fù)合物，加入量為0.5-10％(體積分?jǐn)?shù))。
所述氧化劑為過氧化物，尤其是H2O2，加入量為0.5-10％(體積分?jǐn)?shù))。
本發(fā)明采用堿性條件下強(qiáng)化學(xué)、強(qiáng)絡(luò)合的方法，在CMP壓力和高速旋轉(zhuǎn)條件下將Cu、阻擋層材料轉(zhuǎn)化為易溶性的絡(luò)合物，將介質(zhì)層轉(zhuǎn)化為易溶性的胺鹽，而對于去除速率快的材料(如銅)在其凹處生成氧化物或氫氧化物，難以轉(zhuǎn)化為可溶物。
本發(fā)明根據(jù)銅布線CMP的具體要求，選用堿性介質(zhì)、粒徑15-40nmSiO2磨料、pH值9.5-11.5、FA/O等型表面活性劑、FA/O螯合劑來制備拋光液，在一定的工藝條件下拋光，可實(shí)現(xiàn)銅、阻擋層材料、介質(zhì)層三者拋光速率的一致性，從而有效地降低碟形坑，滿足工業(yè)上對銅布線CMP精密加工的要求。
本發(fā)明采用堿性拋光液，在CMP條件下由于速率差而在凹處自動形成一層氧化膜，對表面凹處形成保護(hù)，而凸處被磨料研磨并化學(xué)溶解去除，最終可以得到良好表面平整度，拋光過程中不需要加入任何增膜劑，實(shí)現(xiàn)了速率的一致性，不影響拋光速率，工藝方法簡單同時(shí)具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。
胺類螯合劑尤其是FA/O螯合劑是具有13個(gè)以上螯合環(huán)、無金屬離子且溶于水，在堿性條件下對幾十種金屬離子具有極穩(wěn)定的螯合作用，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在CMP條件下，采用胺類尤其是FA/O螯合劑與金屬離子反應(yīng)使之轉(zhuǎn)化為可溶性的胺鹽，有效增加阻擋層、介質(zhì)層材料的拋光速率，從而與銅達(dá)到一致的拋光速率，降低碟形坑的出現(xiàn)，同時(shí)還能有效降低待加工片的表面金屬離子沾污。
本發(fā)明方法的拋光機(jī)理及有益效果是1、拋光機(jī)理銅CMP拋光液按pH值主要分為兩類酸性拋光液和堿性拋光液。本方法采用了堿性漿料，沒有采用酸性漿料的原因主要是考慮到酸性漿料在拋光過程中的副作用較大。首先，采用酸性漿料不利于器件的平面化效果，以硝酸為例銅沉積到二氧化硅介質(zhì)上其表面高低不平，但是硝酸漿料在表面的各點(diǎn)腐蝕速率相同，它直接與銅反應(yīng)生成了硝酸銅溶解于溶液中，其反應(yīng)方程式如下
雖然有磨料的作用，但銅表面各點(diǎn)去除速率相差不大，即對高低處選擇性差，從而很難達(dá)到全局平面化的效果，碟形坑問題嚴(yán)重，如圖1所示。
考慮到這種情況，國際上著名的Cabot公司專利(專利號CN1312845)采用添加BTA(苯并三唑)的方法。BTA可以與銅生成Cu-BTA單分子層，抑制硝酸對銅的腐蝕。于是在銅表面低凹的區(qū)域，由于Cu-BTA表面膜的形成且磨料無法起到摩擦作用，內(nèi)層的銅不再受到腐蝕，從而在凹處的銅與突起處的銅之間形成了拋光速率差，最終達(dá)到平面化的效果，但難以實(shí)現(xiàn)高速率，只能達(dá)到不使用BTA時(shí)的70％左右。其次，采用酸性拋光漿料難以形成穩(wěn)定的銅絡(luò)合物，易造成銅離子污染。第三，采用酸性拋光漿料對設(shè)備的要求高。第四，酸性拋光漿料對環(huán)境污染較重且危害操作人員的身體健康?；谝陨显虮狙芯坎徊捎盟嵝詽{料。
采用堿性漿料在配比上比酸性漿料難度大，易形成Cu(OH)2沉淀，作為國內(nèi)首家研究銅布線CMP的研究單位，我們研制了一種速率快、平整度高、選擇性好、損傷小、能有效控制金屬離子沾污、不污染環(huán)境、易清洗、實(shí)用的銅布線堿性CMP拋光劑。在這里提出銅CMP堿性漿料的一種機(jī)理模型(1)堿性條件下利用氧化劑在銅表面快速形成一層氧化膜，氧化膜保護(hù)內(nèi)層的銅不受漿料的進(jìn)一步腐蝕。
(2)在拋光過程中，銅布線表面突起的地方在壓力和高速旋轉(zhuǎn)的條件下與拋光布接觸，表面氧化膜與螯合劑反應(yīng)形成極穩(wěn)定且溶于水的絡(luò)合物，被布及磨料帶去，暴露出的銅繼續(xù)被腐蝕形成新的氧化膜，氧化膜進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為可溶絡(luò)合物，如此循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)了高速率、高選擇、高平整。
(3)銅表面低凹的區(qū)域不與拋光布接觸，表面氧化膜未被破壞，從而保護(hù)內(nèi)層的銅不受進(jìn)一步腐蝕，所以不具備拋光速率，保證了高選擇性，最終達(dá)到全局平面化的效果，有效的降低了碟形坑的出現(xiàn)，如圖2所示。
2、目前，國際上通用的螯合劑多選用五元環(huán)EDTA或其二鈉鹽，EDTA不溶于水，而其二鈉鹽引入金屬離子的沾污，本發(fā)明選用河北工業(yè)大學(xué)劉玉嶺教授發(fā)明的有十三個(gè)以上螯合環(huán)無鈉離子FA/O水溶性螯合劑(1999年獲國家發(fā)明獎)，化學(xué)名為乙二胺四乙酸四(四羥乙基乙二胺)，對幾十種金屬離子具有極高的螯合作用。同時(shí)該螯合劑可以調(diào)節(jié)pH值，可作緩沖劑、助氧劑，起到一劑多能的作用，有效地降低了成本。
3、酸性拋光采用的機(jī)理為強(qiáng)機(jī)械研磨后再將研磨下來的磨屑化學(xué)溶解的辦法，機(jī)械研磨容易造成較大的劃傷，磨屑物化學(xué)溶解不好容易造成二次沾污，且由于阻擋層材料鉭、介質(zhì)層材料SiO2化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，很難提高其拋光速率，與銅存在拋光速率差，碟性坑問題嚴(yán)重。本發(fā)明采用堿性條件下強(qiáng)化學(xué)強(qiáng)絡(luò)合的方法，在CMP條件下，F(xiàn)A/O螯合劑對Cu、阻擋層材料鉭、介質(zhì)層材料SiO2以及層間插塞鎢均具有良好的絡(luò)合作用，生成易溶于水的絡(luò)合物或胺鹽，從而顯著地提高了拋光速率，工藝條件優(yōu)化后，使得不同種材料的拋光速率可以達(dá)到一致，有效地控制了碟形坑的出現(xiàn)，如圖3所示。
4、本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)銅、鉭、介質(zhì)層的高速率拋光，拋光速率變化范圍為200-1100nm/min，且根據(jù)實(shí)際需要可通過改變拋光液的比例和拋光條件達(dá)到合適的拋光速率，從而滿足實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)的需要。


圖1是采用酸性拋光液加工后碟形坑狀況示意圖；雖然有磨料的作用，但銅表面各點(diǎn)去除速率相差不大，即對高低處選擇性差，從而很難達(dá)到全局平面化的效果，碟形坑問題嚴(yán)重。
圖2是采用本發(fā)明方法加工后碟形坑狀況示意圖；銅表面低凹的區(qū)域不與拋光布接觸，表面氧化膜未被破壞，從而保護(hù)內(nèi)層的銅不受進(jìn)一步腐蝕，保證了高選擇性，最終達(dá)到全局平面化的效果，有效的降低了碟形坑的出現(xiàn)。
圖3是采用本發(fā)明方法加工后碟形坑狀況示意圖；該方法適用于銅布線CMP終拋過程中的使用，從而有效的控制了碟形坑的出現(xiàn)。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合較佳實(shí)施例，對依據(jù)本發(fā)明提供的具體實(shí)施方式
詳述如下為降低碟形坑問題，銅布線CMP過程可以分初拋銅和終拋不同材料兩步進(jìn)行。
實(shí)施例1初拋和終拋拋光條件和拋光液組分的設(shè)置初拋階段Cu-CMP拋光液的配方選用40nm硅溶膠作磨料，SiO2濃度為40wt％，與去離子水比例為1∶1；選擇FA/O I型活性劑作表面活性劑，含量為50ml/l；選擇FA/O螯合劑，含量為50ml/l，用以調(diào)節(jié)pH為9.5-11.5；選擇H2O2為氧化劑，氧化劑加入量為30ml/l。拋光條件為壓力200g/cm2，流量200ml/l，轉(zhuǎn)速100rpm/min，溫度30℃，拋光速率在200-1100nm/min之間調(diào)節(jié)，可控性好；拋光時(shí)間1-5min。拋光速率如表1所示
表1 試驗(yàn)一

由以上結(jié)果可以看出，初拋過程中銅的拋光速率很快，銅的拋光速率能夠達(dá)到700nm/min以上，優(yōu)于Fujimi、Rodel、Cabot和Dupont所生產(chǎn)的Cu拋光液參數(shù)(500-600nm/min)，當(dāng)接近于Cu的終點(diǎn)時(shí)(即剛到阻擋層、介質(zhì)層材料上方時(shí))，阻擋層材料Ta和介質(zhì)層SiO2的拋光速率很慢，銅對鉭層和介質(zhì)層的選擇比很高(＞20∶1)，適合生產(chǎn)的應(yīng)用。
終拋階段Cu-Ta CMP拋光液的配方選用15nm硅溶膠作磨料，濃度為40％，與去離子水比例為1∶2；選擇FA/O I型活性劑作表面活性劑，含量為50ml/l；選擇FA/O螯合劑，含量為100ml/l，用以調(diào)節(jié)pH為9.5-11.5；選擇H2O2為氧化劑，氧化劑加入量為5ml/l。拋光條件為壓力100g/cm2，流量4000mL/min，轉(zhuǎn)速60rpm/min，溫度25℃，拋光速率在200-1100nm/min之間調(diào)節(jié)，可控性好；拋光時(shí)間30-60sec。拋光速率如表2所示表2 試驗(yàn)二

由以上結(jié)果可以看出，終拋過程中鉭的拋光速率能夠達(dá)到700nm/min以上，與Fujimi、Rodel、Cabot和Dupont所生產(chǎn)的Ta拋光液參數(shù)作比較(550-650nm/min)，銅、阻擋層材料Ta和介質(zhì)層SiO2的拋光速率基本一致，銅對鉭層和介質(zhì)層的選擇比為1∶1∶1，具有速率高的優(yōu)點(diǎn)，且按照實(shí)際生產(chǎn)需要速率可控，從而有效的控制了碟形坑的出現(xiàn)。
實(shí)施例2初拋和終拋拋光條件和拋光液組分的設(shè)置初拋階段Cu-CMP拋光液的配方選用20nm硅溶膠作磨料，SiO2濃度為50wt％，與去離子水比例為1∶3；選擇FA/O I型活性劑作表面活性劑，含量為80ml/l；選擇FA/O螯合劑，含量為60ml/l，用以調(diào)節(jié)pH為9.5-11.5；選擇H2O2為氧化劑，氧化劑加入量為30ml/l。拋光條件為壓力250g/cm2，流量200ml/l，轉(zhuǎn)速120rpm/min，溫度40℃，拋光時(shí)間1-5min。
終拋階段Cu-Ta CMP拋光液的配方選用15nm硅溶膠作磨料，濃度為40％，與去離子水比例為1∶2；選擇FA/O工型活性劑作表面活性劑，含量為50ml/l；選擇FA/O螯合劑，含量為100ml/l，用以調(diào)節(jié)pH為9.5-11.5；選擇H2O2為氧化劑，氧化劑加入量為15ml/l。拋光條件為壓力150g/cm2，流量2000mL/min，轉(zhuǎn)速80rpm/min，溫度20℃，拋光時(shí)間30-60sec。其它同實(shí)施例1，也可根據(jù)情況持續(xù)進(jìn)行拋光。
上述參照實(shí)施例對ULSI多層銅布線化學(xué)機(jī)械拋光中碟形坑的控制方法進(jìn)行的詳細(xì)描述，是說明性的而不是限定性的，可按照所限定范圍列舉出若干個(gè)實(shí)施例，因此在不脫離本發(fā)明總體構(gòu)思下的變化和修改，應(yīng)屬本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種ULSI多層銅布線化學(xué)機(jī)械拋光中碟形坑的控制方法，其特征是選取SiO2水溶膠為磨料，用不同倍數(shù)的去離子水稀釋，同時(shí)加入金屬離子螯合劑用以調(diào)節(jié)pH為9.5-11.5，加入非離子表面活性劑，在拋光進(jìn)行前加入氧化劑，在流量為200-5000mL/min、溫度為20-40℃、轉(zhuǎn)速為60-120rpm、壓力為100-250g/cm2，拋光速率為200-1100nm/min的工藝條件下分別進(jìn)行1-5min的銅拋光和30-60sec的銅、阻擋層、介質(zhì)層拋光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ULSI多層銅布線化學(xué)機(jī)械拋光中碟形坑的控制方法，其特征是磨料為SiO2水溶膠，其粒徑為15-40nm，濃度為20-50wt％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，拋光中SiO2磨料與去離子水的配比為1∶1-1∶5。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ULSI多層銅布線化學(xué)機(jī)械拋光中碟形坑的控制方法，其特征是所述同時(shí)可作緩沖劑、助氧劑的金屬離子螯合劑為具有13個(gè)以上螯合環(huán)的易溶于水的胺類螯合劑，尤其是乙二胺四乙酸四(四羥乙基乙二胺)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ULSI多層銅布線化學(xué)機(jī)械拋光中碟形坑的控制方法，其特征是所述非離子表面活性劑為醚醇類活性劑，為FA/O表面活性劑、JFC、脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯烷基胺、烷基醇酰胺或其復(fù)合物，加入量為0.5-10％(體積分?jǐn)?shù))。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ULSI多層銅布線化學(xué)機(jī)械拋光中碟形坑的控制方法，其特征是所述氧化劑為過氧化物，尤其是H2O2，加入量為0.5-10％(體積分?jǐn)?shù))。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種ULSI多層銅布線化學(xué)機(jī)械拋光中碟形坑的控制方法，其特征是選取SiO
文檔編號C09G1/04GK1861320SQ200610014300
公開日2006年11月15日 申請日期2006年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月9日
發(fā)明者劉玉嶺, 劉博 申請人:河北工業(yè)大學(xué)