超大規模集成電路銅布線表面低壓化學機械拋光方法
2023-05-26 22:25:06 1
專利名稱：超大規模集成電路銅布線表面低壓化學機械拋光方法
技術領域：
本發明涉及一種晶片表面的拋光方法，特別涉及一種超大規模集成電路銅布線表 面低壓化學機械拋光方法。
背景技術：
金屬銅具有低的電阻率、優越的抗電遷移特性和低的熱敏感性，產生較小的RC延 遲並能提高電路的可靠性，銅線取代傳統的鋁線成為互連線的理想材料。隨器件幾何尺寸的縮小，金屬層數和矽襯底直徑的增加，每一層的平坦化程度成 為影響集成電路刻蝕線寬的重要因素之一，已成為微電子進一步發展的瓶頸。化學機械拋 光是迄今對多層銅布線、介質及其阻擋層提供全局平整化的最好技術。傳統CMP去除速率 模型為MRR=KPV,由上式可知拋光速率和壓力(ρ)和轉速(ν)成正比。但傳統CMP工藝壓力 大，拋光後表面易出現劃傷、易造成塌邊、粗糙度大、成品率低等現象；同時隨著集成電路技 術的發展，為了降低RC延時及功率損耗，需要採用新型的低介電常數材料作為介質層。但 低K材料都是多孔材料，孔率越高，材料的介電常數越小，同時耐壓性越差，在高機械強度 下會有出現裂縫的問題。在45納米技術節點普遍採用的是k值為2. 5左右的多孔材料，機 械強度的大小直接影響到CMP工藝的表現。為了降低down force(壓力)業界提出了電 化學機械拋光(ECMP)，但其存在很多基本問題，如量產重複性、穩定性和製造成本等。如果 能夠將傳統的CMP技術延伸到更小的技術節點，那麼出於成本和風險的考慮，客戶還是會 選擇CMP而非ECMP技術。因此，如何在低壓條件下獲得拋光速率的高效性，同時解決表面劃傷、塌邊、材料 損傷等問題已成為CMP技術發展的關鍵。
發明內容
本發明的目的在於克服上述不足之處，為解決拋光速率的高效性，同時避免表面 劃傷、塌邊、材料損傷等問題，提供一種簡便易行、高效低成本的超大規模集成電路銅布線 表面低壓化學機械拋光方法。為實現上述目的本發明所採用的實施方式如下
一種超大規模集成電路銅布線表面低壓化學機械拋光方法，其特徵在於實施步驟如
下
(1)將以下成分按重量％均勻混合製成拋光液 納米SiO2磨料35 80%， 去離子水12 60%， 氧化劑1 3%，活性劑1 4%， FA/0II型螯合劑:0· 5 1. 5% ；
(2)採用上述拋光液進行拋光工藝的參數設定
拋光壓力2 5 KPa，拋光溫度20 50°C，
流量120 250 ml/min， 轉速30 60 rpm/min。
所述步驟(1)中的納米SiO2磨料的濃度為4 50wt%、粒徑為15 40nm的鹼性 水溶矽溶膠，其PH值9 13。所述步驟(1)採用的螯合劑為FA/0II型螯合劑乙二胺四乙酸四(四羥乙基乙二 胺)。所述步驟(1)採用活性劑為FA/0 表面活性劑、0π-7((C10H21-C6H4-O-CH2CH2O)7_Η)、 0π-10 ((C10H2「C6H4-0-CH2CH20) 10-H)、0-20 (C12_18H25_37-C6H4-O-CH2CH2O) 70-H)、JFC 的一種。所述步驟(1)採用的氧化劑是鹼性條件下可溶性的氧化劑為H202、KC103、KMNO4, KNO3中的一種。
本發明方法的作用為拋光液中的氧化劑把銅氧化，FA/0II型螯合劑具有極強的螯合 能力，與氧化的銅快速反應，生成可溶性的螯合物快速的脫離銅表面，避免主要依賴機械的 摩擦作用去除表面銅，實現了在低機械強度下的銅拋光。螯合過程材料的去除以打破分子 鍵來實現，對材料表面損傷小，低壓產生的低機械作用把反應產物帶走，而傳統的高機械作 用以破壞銅表面晶體結構為主來達到材料的去除，因此提高銅表面質量。同時在低壓條件 下科學的提高化學作用可增強了 CMP過程中化學作用來補償機械作用對拋光速率的影響， 達到拋光的高效性。本發明的有益效果是
(1)拋光工藝選用低壓能解決表面劃傷、塌邊、材料損傷嚴重、粗糙度大等問題。(2)FA/0II型螯合劑具有極強的螯合能力，與氧化的銅快速反應，生成可溶性的螯 合物快速的脫離銅表面，避免主要依賴機械的摩擦作用去除表面銅，實現了在低機械強度 下的銅拋光。螯合過程材料的去除以打破分子鍵來實現，對材料表面損傷小，同時加快低壓 條件下的拋光速率。(3)選用納米SiO2溶膠作為拋光液磨料，其粒徑小(15 40nm)、濃度高(>40%)、 硬度小(對基片損傷度小)、分散度好，能夠達到高速率高平整低損傷拋光、汙染小，解決了 Al2O3磨料硬度大易劃傷、易沉澱等諸多弊端。(4)選用鹼性拋光液，可對設備無腐蝕，矽溶膠穩定性好，解決了酸性拋光液汙染 重、易凝膠等諸多弊端；利用基片材料的兩性性，PH值9以上時，易生成可溶性的化合物脫 離表面。(5)採用FA/0活性劑進行處理使吸附物長期處於物理吸附狀態，極易清洗，能獲 得極好的潔淨表面。總之，該方法操作簡單，不需添加其它設備，成本低、效率高、無汙染，可明顯改善 器件性能，提高成品率。
具體實施例方式以下結合較佳實施例，對依據本發明提供的具體實施方式
詳述如下 實施例1
拋光液配比及銅布線低壓CMP技術拋光工藝參數要求
配製銅布線CMP拋光液3135g 選用納米矽溶膠(15 20nm)1200g，磨料的濃度為4 50wt%，邊攪拌邊放入1800g去離子水，再分別取15gFA/0II型螯合劑，30gFA/0表面活性劑 和90g氧化劑邊攪拌邊加入上述液體。調節pH值9 13，攪拌均勻後得3135g銅布線拋光液。採用的螯合劑為FA/0II型螯合劑乙二胺四乙酸四(四羥乙基乙二胺)。採用活性劑為FA/0 表面活性劑、0 -7 ((C10H21-C6H4-O-CH2CH2O) 7_Η)、0 -10 ((C10H21-C6H4-O-CH2CH2O) 10-Η)、0-20 (C12_18H25_37-C6H4-0_CH2CH20) 70-Η)、JFC 的一種。採用的氧化劑是鹼性條件下可溶性的氧化劑為H2O2、KC103、kmno4,KNO3中的一種。以上所述的納米SiO2磨料、活性劑、FA/0II型螯合劑均為天津晶嶺微電子材料有 限公司市售。拋光工藝參數為壓力5 KPa，流量250ml/l，轉速30rpm/min，溫度20°C，拋光 時間IOmin。拋光速率為972nm/min，拋光速率非均勻性控制在0. 05，表面無劃傷，粗糙度 0. 8nm。實施例2
拋光液配比及銅布線低壓CMP技術拋光工藝參數要求
配製銅布線CMP拋光液3240g 選用納米矽溶膠(20 30nm)2000g，磨料的濃度為4 50wt%，邊攪拌邊放入IOOOg去離子水，再分別取90gFA/0II型螯合劑，120gFA/0活性劑和 30g氧化劑邊攪拌邊加入上述液體。調節pH值9 13，攪拌均勻後得3240g銅布線拋光液。拋光工藝為壓力2 KPa，流量120ml/l，轉速60rpm/min，溫度50°C，拋光時間 IOmin0拋光速率為863nm/min，拋光速率非均勻性控制在0. 07，表面無劃傷，粗糙度 0. 5nm。其它同實施例1。實施例3
拋光液配比及銅布線低壓CMP技術拋光工藝參數要求
配製銅布線CMP拋光液3210g 選用納米矽溶膠(30 40nm) 1500g,磨料的濃度為 4 50wt%，邊攪拌邊放入1500g去離子水，再分別取90gFA/0II型螯合劑，30gFA/0活性劑 和90g氧化劑邊攪拌邊加入上述液體。調節pH值9 13，攪拌均勻後得3000g銅布線拋光液。拋光工藝為壓力2 KPa，流量250ml/l，轉速60rpm/min，溫度20°C，拋光時間 IOmin0拋光速率為1174nm/min，拋光速率非均勻性控制在0. 03表面無劃傷，粗糙度 0. 2nm。其它同實施例1。上述參照實施例對超大規模集成電路銅布線表面低壓化學機械拋光方法進行的 詳細描述，是說明性的而不是限定性的，可按照所限定範圍列舉出若干個實施例，因此在不 脫離本發明總體構思下的變化和修改，應屬本發明的保護範圍之內。
權利要求
一種超大規模集成電路銅布線表面低壓化學機械拋光方法， 其特徵在於實施步驟如下(1)將以下成分按重量%均勻混合製成拋光液納米SiO2磨料35～80%，去離子水12～60%，氧化劑1～3%，活性劑1～4% ， FA/OII型螯合劑0.5～1.5%；(2)採用上述拋光液進行拋光工藝的參數設定拋光壓力2～5 KPa ， 拋光溫度20～50℃，流量120～250 ml/min ，轉速30～60 rpm/min。
2.根據權利要求1所述的超大規模集成電路銅布線表面低壓化學機械拋光方法，其特 徵在於所述步驟(1)中的納米SiO2磨料的濃度為4 50wt%、粒徑為15 40nm的鹼性水 溶矽溶膠，其PH值9 13。
3.根據權利要求1所述的超大規模集成電路銅布線表面低壓化學機械拋光方法，其 特徵在於所述步驟(1)採用的螯合劑為FA/0II型螯合劑乙二胺四乙酸四(四羥乙基乙二 胺)。
4.根據權利要求1所述的超大規模集成電路銅布線表面低壓化學機械拋光方法，其 特徵在於所述步驟(1)採用活性劑為FA/0表面活性劑、0π-7 ((CltlH2rC6H4-O-CH2CH2O)「H)、 0π-10 ((C10H2「C6H4-0-CH2CH20) 10-H)、0-20 (C12_18H25_37-C6H4-O-CH2CH2O) 70-H)、JFC 的一種。
5.根據權利要求1所述的超大規模集成電路銅布線表面低壓化學機械拋光方法，其特 徵在於所述步驟(1)採用的氧化劑是鹼性條件下可溶性的氧化劑為H202、KC103、KMN04、KN03 中的一種。
全文摘要
本發明涉及一種超大規模集成電路銅布線表面低壓化學機械拋光方法，實施步驟如下(1)將以下成分按重量%均勻混合製成拋光液納米SiO2磨料35～80%，去離子水12～60%，氧化劑1～3%，活性劑1～4%，FA/OII型螯合劑0.5～1.5%；(2)拋光工藝參數設定拋光壓力2～5KPa，拋光溫度20～50℃，流量120～250ml/min，轉速30～60rpm/min。拋光液中的氧化劑把銅氧化，FA/OII型螯合劑本身具有極強的螯合能力，與氧化的銅快速反應，生成可溶性的螯合物快速的脫離銅表面，避免主要依賴機械的摩擦作用去除表面銅，實現了在低機械強度下的銅拋光。螯合過程材料的去除以打破分子鍵來實現，對材料表面損傷小。且在低壓下增強CMP化學作用來補償機械作用對拋光速率的影響。
文檔編號B24B37/04GK101966688SQ20101023155
公開日2011年2月9日 申請日期2010年7月21日 優先權日2010年7月21日
發明者劉效巖, 劉玉嶺, 田軍 申請人:河北工業大學