專利名稱：Ulsi多層銅布線化學(xué)機(jī)械拋光中平整度的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及集成電路化學(xué)機(jī)械平整化技術(shù)，特別涉及一種ULSI多層銅布線化學(xué)機(jī)械拋光中平整度的控制方法。
背景技術(shù)：
目前，在ULSI多層銅布線的化學(xué)機(jī)械拋光中，全局和局部平整度十分重要。在8英寸的芯片上僅由塌邊(包括邊緣塌邊和線條塌邊尤其是金屬導(dǎo)線的塌邊)或碟形坑就可能造成13.44％的損失。隨著襯底尺寸由Φ200mm向Φ300mm發(fā)展，拋光后的表面平整度對(duì)拋光后銅線表面狀態(tài)的的影響越來越大。表面平整度直接影響到銅的下一層布線，影響電路的擊穿特性、界面態(tài)和少子壽命，直接關(guān)系到IC器件的性能質(zhì)量和成品率。而塌邊問題如果嚴(yán)重，容易造成互連線的接觸不良，直接造成斷線，造成產(chǎn)品失效，成品率降低。
在CMP條件下，磨料及其濃度的選擇對(duì)平整度尤其是塌邊問題具有十分重大的影響。平整度差、塌邊問題的產(chǎn)生是由于拋光過程中磨料粒子在表面各處化學(xué)反應(yīng)及研磨速率不一致，邊緣速率快、中間速率慢，從而造成塌邊問題。溶液中的每個(gè)磨料粒子都相當(dāng)于一個(gè)小的攪拌器不斷旋轉(zhuǎn)、攪拌、反應(yīng)，磨料粒子濃度越高、一致性越好拋光后才能得到良好的平整度。國際上多采用酸性條件下進(jìn)行拋光。在酸性條件下容易出現(xiàn)酸性效應(yīng)，即使不加壓力，銅線邊緣的去除速率相對(duì)于中間部分快，拋光后表面平整度不理想，存在一定的塌邊問題。同時(shí)磨料多選用Al2O3，該類磨料硬度高，分散度大，粘度大、磨料濃度低(一般＜20wt％)，易引起表面劃傷且損傷層深。

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平整度差尤其是塌邊嚴(yán)重的問題，而提供一種堿性條件下高濃度磨料粒子、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)械拋光中平整度的控制方法。
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)械拋光中平整度的控制方法，其特征是在堿性條件下，選取高濃度的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、非離子表面活性劑，在拋光進(jìn)行前加入氧化劑；具體實(shí)施步驟如下首先配制用于降低ULSI多層銅布線塌邊控制平整度的拋光液a.將粒徑15-20nm的SiO2磨料用1-3倍的去離子水稀釋；b.加入金屬離子螯合劑，調(diào)整上述溶液使pH值在10-13范圍內(nèi)；c.邊攪拌邊加入1-10％(體積分?jǐn)?shù))的醚醇類活性劑；d.在拋光進(jìn)行前，邊攪拌邊加入1％-3％(體積分?jǐn)?shù))過氧化物氧化劑，如H2O2制成拋光液；本發(fā)明采用納米級(jí)SiO2溶膠作為拋光液磨料，其粒徑小(15-20nm)、濃度高(20％-50wt％)、硬度小(對(duì)銅和鉭損傷度小)、分散度好，能夠達(dá)到高速率、高平整、低損傷拋光、污染小，解決了酸性拋光液選擇性差、拋光后容易出現(xiàn)銅線塌邊等諸多弊端。
然后在流量為1-5L/min、溫度為20-30℃、轉(zhuǎn)速為60-120rpm、壓力為100-250g/cm2的工藝條件下進(jìn)行拋光。
所述磨料為SiO2水溶膠，其粒徑為15-20nm，濃度為20-50wt％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。
所述金屬離子螯合劑為具有13個(gè)以上螯合環(huán)的易溶于水的胺類及多羥多胺類螯合劑，尤其是FA/O螯合劑，化學(xué)名為乙二胺四乙酸四(四羥乙基乙二胺)，該螯合劑可以同時(shí)調(diào)節(jié)pH值、可作緩蝕劑、助氧劑，起到一劑多能的作用。
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、烷基醇酰胺的一種。
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15-20nm高濃度(＞20％)SiO2磨料、pH值10-13、醚醇類非離子表面活性劑、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)拋光后表面的高平整度，有效的降低銅線的塌邊問題，滿足工業(yè)上對(duì)銅布線CMP精密加工的要求。
本發(fā)明所述的醚醇類活性劑是非離子活性劑，如FA/O表面活性劑、JFC、脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯烷基胺、烷基醇酰胺一種。表面活性劑可降低表面張力，既提高凹凸選擇比，又能起到滲透和潤滑作用，增強(qiáng)了輸運(yùn)過程，使得銅線表面各點(diǎn)反應(yīng)速率達(dá)到一致，達(dá)到高平整高光潔表面。
本發(fā)明的有益效果是(1)磨料濃度高、分散度低磨料是CMP漿料中的主要成份，在CMP過程中起到典型的兩個(gè)作用①機(jī)械作用的實(shí)施者，每個(gè)磨料粒子都相當(dāng)于一個(gè)小的攪拌器不斷旋轉(zhuǎn)、攪拌，起機(jī)械磨削作用；②傳輸物料的功能，不僅將新鮮漿料傳輸至拋光墊與被拋材料之間，還將反應(yīng)產(chǎn)物帶離材料表面，使得材料新生表面露出，進(jìn)一步反應(yīng)去除。磨料濃度越高，參與反應(yīng)的磨料粒子數(shù)目越多，有效研磨料數(shù)目也隨之增加。同時(shí)磨料分散度越大，不同粒徑的研磨料的粒徑影響便會(huì)顯示出來。因此，一定平均粒徑的研磨料，濃度越高、分散度越小，有效研磨料粒子越多，參與拋光的磨料粒子粒徑一致越好，拋光后表面平整度越好。本發(fā)明采用高濃度、低分散度、粒徑小的SiO2水溶膠為磨料，有效的解決了Al2O3磨料濃度低、分散度大、磨料粒子粒徑一致性差、粒子數(shù)少等缺點(diǎn)，拋光后可以得到良好的表面平整度，同時(shí)具有穩(wěn)定性好、不易凝膠、儲(chǔ)存時(shí)間久、污染小的優(yōu)點(diǎn)。
(2)CMP后表面平整度與CMP過程中的質(zhì)量傳遞有著密切聯(lián)系。如果質(zhì)量傳遞速率低，化學(xué)反應(yīng)速率不一致，局部的反應(yīng)速率不均勻，就不能有效地實(shí)現(xiàn)高低選擇性，難以實(shí)現(xiàn)全局平整化，塌邊問題嚴(yán)重。酸性條件下由于存在邊沿效應(yīng)，表面質(zhì)量傳遞速率不一致，銅線邊緣的去除速率相對(duì)于中間部分快，拋光后表面平整度不理想。而堿性介質(zhì)下的反應(yīng)必須在壓力和旋轉(zhuǎn)的作用下才能進(jìn)行，因而不存在邊沿效應(yīng)。質(zhì)量傳遞作用的提高可通過以下兩個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)其一保證低分散度的前提下提高磨料濃度；其二加入不會(huì)給CMP帶來負(fù)面影響的非離子表面活性劑。本發(fā)明選用醚醇類表面活性劑，增加了高低選擇比，大大降低了表面張力、減小了損傷層、提高了表面的均一性及交換速率，增強(qiáng)了輸運(yùn)過程，同時(shí)表面凹凸差大大降低，從而有效的提高表面的光潔度及降低塌邊的出現(xiàn)。
(3)目前，國際上通用的螯合劑多選用五元環(huán)EDTA及其二鈉鹽，五元環(huán)EDTA不溶于水而其二鈉鹽引入堿金屬離子的沾污，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(jiǎng))，化學(xué)名為乙二胺四乙酸四(四羥乙基乙二胺)，無金屬離子且溶于水，對(duì)幾十種金屬離子具有更高的螯合作用；同時(shí)該螯合劑可以調(diào)節(jié)pH值，在堿性CMP條件下與金屬離子反應(yīng)使之轉(zhuǎn)化為可溶性的胺鹽，實(shí)現(xiàn)拋光高速率且速率可控，同時(shí)能有效降低待加工片的表面金屬離子沾污。
總之，本發(fā)明采用的機(jī)理為堿性條件下強(qiáng)絡(luò)合、強(qiáng)化學(xué)作用的方法，只有在CMP加壓的條件下，化學(xué)反應(yīng)才進(jìn)行，在壓力一致的情況下，表面各處化學(xué)反應(yīng)和研磨速率一致性好，同時(shí)選用高濃度小粒徑(15-20nm)SiO2溶膠作為拋光液磨料，解決了Al2O3磨料硬度大易劃傷、易沉淀等諸多弊端，加入醚醇類活性劑，加速銅線表面反應(yīng)物和生成物的質(zhì)量傳遞，有效的降低了塌邊的出現(xiàn)，拋光后獲得良好的表面平整度。


圖1是拋光高低差效果與磨料濃度關(guān)系曲線圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合較佳實(shí)施例，對(duì)依據(jù)本發(fā)明提供的具體實(shí)施方式
詳述如下實(shí)施例1拋光液的配制選用25L粒徑為15nm的硅溶膠作磨料，濃度為20％，其中與去離子水比例為1∶1；選擇FA/O螯合劑調(diào)節(jié)pH值為10；選擇FA/OI型活性劑作表面活性劑，含量為10ml/l；選擇H2O2為氧化劑，氧化劑含量為10ml/l。拋光工藝條件為流量1L/min，溫度20℃，轉(zhuǎn)速60rpm/min，壓力100g/cm2。
實(shí)驗(yàn)用拋光機(jī)為C6382型，拋光布為臺(tái)灣微穎公司細(xì)拋布。
實(shí)施例2拋光液的配制選用35L粒徑為20nm的硅溶膠作磨料，濃度為50％，其中與去離子水比例為1∶3；選擇FA/O螯合劑調(diào)節(jié)pH值為13；選擇JFC作表面活性劑，含量為100ml/l；選擇H2O2為氧化劑，氧化劑含量為10ml/l。拋光工藝條件為流量5L/min，溫度30℃，轉(zhuǎn)速120rpm/min，壓力250g/cm2。
實(shí)施例3拋光液的配制選用30L粒徑為15nm的硅溶膠作磨料，濃度為20％，其中與去離子水比例為1∶2；選擇FA/O螯合劑調(diào)節(jié)pH值為12.5；選擇FA/O活性劑、JFC、脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯烷基胺、烷基醇酰胺的一種作表面活性劑，含量為50ml/l；選擇H2O2為氧化劑，氧化劑含量為20ml/l。拋光工藝條件為流量3L/min，溫度25℃，轉(zhuǎn)速90rpm/min，壓力200g/cm2。
經(jīng)測(cè)量，采用本發(fā)明方法拋光后銅線表面的平整度均＜0.5nm。參見圖1，當(dāng)磨料濃度＞20wt％時(shí)，塌邊數(shù)目顯著降低。
上述參照實(shí)施例對(duì)ULSI多層銅布線化學(xué)機(jī)械拋光中平整度的控制方法進(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)械拋光中平整度的控制方法，包括步驟如下首先配制用于降低ULSI多層銅布線塌邊控制平整度的拋光液a.將粒徑15-20nm的SiO2磨料用1-3倍的去離子水稀釋；b.加入金屬離子螯合劑，調(diào)整上述溶液使pH值在10-13范圍內(nèi)；c.邊攪拌邊加入1-10％(體積分?jǐn)?shù))的醚醇類活性劑；d.在拋光進(jìn)行前，邊攪拌邊加入1％-3％(體積分?jǐn)?shù))過氧化物氧化劑，如H2O2制成拋光液；然后在流量為1-5L/min、溫度為20-30℃、轉(zhuǎn)速為60-120rpm、壓力為100-250g/cm2的工藝條件下進(jìn)行拋光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ULSI多層銅布線化學(xué)機(jī)械拋光中平整度的控制方法，其特征是所述磨料為SiO2水溶膠，其粒徑為15-20nm，濃度為20-50wt％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的ULSI多層銅布線化學(xué)機(jī)械拋光中平整度的控制方法，其特征是所述金屬離子螯合劑為具有13個(gè)以上螯合環(huán)的易溶于水的胺類及多羥多胺類螯合劑，尤其是FA/O螯合劑，即乙二胺四乙酸四(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)械拋光中平整度的控制方法，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、烷基醇酰胺的一種。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種ULSI多層銅布線化學(xué)機(jī)械拋光中平整度的控制方法，其特征是在堿性條件下選取高濃度的SiO
文檔編號(hào)C09G1/02GK1861321SQ20061001430
公開日2006年11月15日 申請(qǐng)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(qǐng)人:河北工業(yè)大學(xué)