CN101333419B

CN101333419B - 一种集成电路铜布线的无磨粒化学机械抛光液

Info

Publication number: CN101333419B
Application number: CN2008101178326A
Authority: CN
Inventors: 路新春; 张伟; 雒建斌; 刘宇宏; 潘国顺
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2008-08-05
Filing date: 2008-08-05
Publication date: 2011-06-29
Anticipated expiration: 2028-08-05
Also published as: CN101333419A

Abstract

本发明公开了一种集成电路铜布线的无磨粒化学机械抛光液，包括去离子水、氧化剂和络合剂，其中，络合剂为2～40毫摩尔每升，氧化剂所占的质量百分比为1～20％，其余为去离子水。本发明中抛光液不含有抛光磨粒，从而避免了抛光液中磨粒对抛光表面造成的损伤，因此本发明抛光损伤小，且易清洗；抛光液呈碱性，pH≥8.5，对设备腐蚀小；根据铜抛光液的使用阶段，铜的抛光去除率可控制在100～4000nm/min之间，且可控；氧化剂同时起到络合剂的作用，可起到铜快速氧化去除的目的，另外，还具有工艺简化，价格便宜，成本低，速度可控。

Description

一种集成电路铜布线的无磨粒化学机械抛光液

技术领域

本发明属于微电子加工领域中的化学机械抛光技术，特别是涉及一种集成电路铜布线的无磨粒化学机械抛光液。

背景技术

随着IC(integrated circuit，集成电路)向VLSI/ULSI(very largescale integrated circuit/ultra large scale integrated circuit，大规模集成电路)的发展，器件尺寸进入深亚微米阶段，不断向微细、复杂、三维化方向发展。根据摩尔定律，到2014年作为特征尺寸的布线宽度将达到35nm。市场要求IC芯片具有更快的运算速度、更好的可靠性、更低的功耗、更小的噪音和更低的成本，在这种情况下，铜互连布线作为铝互连布线的替代产品应运而生。

Cu作为互连布线金属与Al相比其优点主要表现在：电阻率低，Cu的电阻率为1.7μΩ·cm，仅为Al的55％；寄生电容小，因为Cu电阻率低、导电性好，在承受相同电流时，Cu互连线截面积比Al互连线小，因而相邻连线间寄生电容C小，信号串扰小，也就是说Cu互连线的时间常数RC比Al互连线小，信号传输速率快；Cu布线电阻小，使其芯片功耗比Al互连线功耗低，利于电池供电的笔记本电脑和移动通讯设备；耐电迁移性能要远比Al好，与Al布线相比，抗电迁移性可以提高两个数量级，很大程度上可避免因应力迁移而产生连线空洞，造成芯片失效；Cu互连线芯片制造成本低。

化学机械抛光作为一种全局平面化工艺广泛应用于集成电路和计算机磁头/硬磁盘等超精密表面加工领域。化学机械抛光通过抛光过程中化学作用和机械作用的协同而去除材料。铜布线抛光作为集成电路生产过程中的关键工艺之一，其抛光后表面质量直接影响到IC器件的性能、质量和成品率。由于金属铜与以往所应用的铝、钨等材料在机械性能(如硬度)和化学性能方面的不同，为提高抛光后铜布线表面质量，减少甚至消除缺陷，有必要研究用于铜布线层抛光的抛光液作用机理，以及抛光模型等以更好地指导抛光液的研究，减少抛光后缺陷。

传统化学机械抛光液中通常含有抛光磨粒，如SiO₂、Al₂O₃和MnO₂等，抛光过程中抛光磨粒提供一定的机械作用实现抛光材料的去除。但是，Cu作为一种软金属材料，作为抛光磨粒的硬质颗粒很容易对样品表面造成划痕缺陷；抛光液中化学成分和离子浓度等都对抛光磨粒的表面电位产生一定的影响而在很大程度上引起抛光磨粒的聚合，同时为提高抛光后表面质量，抛光磨粒尺寸越来越小，有研究表明当颗粒尺寸接近于双电层厚度时，很容易造成双电层的压迫而引起颗粒团聚，这些都会加剧样品表面的划痕；同时为了改善抛光液中抛光磨粒的分散性，有机分散剂的存在，又在一定程度上将抛光液复杂化而使抛光液成本提高；另外，抛光液中抛光磨粒会在抛光后铜布线表面粘着，为抛光后清洗增加了一定的难度；而且，磨粒抛光液中，在一定的pH范围内，抛光磨粒和抛光样品表面以相反的电荷形式存在，这会加剧抛光后铜布线表面的颗粒粘着。但是无磨粒抛光过程由于弱的机械作用而使材料去除率较低。

发明内容

本发明的目的是克服上述缺陷，提供一种在保证抛光后表面质量的基础上提高无磨粒抛光的抛光去除率的抛光液。

为达到上述目的，本发明的技术方案提供一种集成电路铜布线的无磨粒化学机械抛光液，包括：去离子水、氧化剂、络合剂，其中，络合剂为2～40毫摩尔每升，氧化剂所占的质量百分含量为1～20％，其余为去离子水。

其中，所述氧化剂所占的质量百分含量为2～5％。

其中，所述氧化剂为分子中含有过氧基-O-O-的过氧化物，包括金属过氧化物、过氧化氢、过氧酸盐和有机过氧化物，比如，双氧水、过乙酸、过氧化苯甲酰、过硫酸钾和过硫酸铵等。

其中，所述络合剂优选为4～12毫摩尔每升，络合剂为有机膦酸类络合剂，例如：乙二胺四亚甲基膦酸、氨基三亚甲基膦酸、己二胺四亚甲基膦酸、羟基亚乙基二膦酸、二乙烯三胺五亚甲基膦酸，膦酰基羟基乙酸，2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸，多氨基多醚基甲叉膦酸等，优选为二乙烯三胺五亚甲基膦酸，2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸，多氨基多醚基甲叉膦酸，其中，二乙烯三胺五亚甲基膦酸为最佳选择。

其中，所述无磨粒化学机械抛光液还包括：杂环类缓蚀剂和杂环类缓蚀剂的复配用缓蚀剂，所占的质量百分含量分别为：0.05～0.5％、0.02～0.5％。

其中，所述杂环类缓蚀剂为含N、S等杂原子的杂环缓蚀剂，如氮唑、咪唑、噻唑类杂环缓蚀剂，优选为亚乙基硫脲，其质量百分比优选为0.1～0.3％。

其中，所述杂环类缓蚀剂的复配用缓蚀剂为表面吸附类复配用缓蚀剂或自由基淬灭类复配用缓蚀剂。

其中，表面吸附类复配用缓蚀剂为含硫有机磺酸盐，如聚二硫二丙烷磺酸钠、醇硫基丙烷磺酸钠、苯基聚二硫丙烷磺酸钠、噻唑啉基二硫代丙烷磺酸钠和疏基咪唑丙磺酸钠等，其质量百分比为0.05～0.3％。

其中，自由基淬灭类复配用缓蚀剂为抗坏血酸，其质量百分比为0.1～0.5％。

其中，KOH为本发明抛光液的pH值调节剂，抛光液呈碱性，pH≥8.5，优选范围的pH值为8.5～12，呈碱性的抛光液对设备腐蚀较小，有利于提高设备的寿命，降低成本。

本发明所述集成电路铜布线的无磨粒化学机械抛光液可采用本领域常用的方法制备，比如，将各成分按配比加入去离子水中，搅拌均匀而成。

本发明的集成电路铜布线的无磨粒化学机械抛光液，具有如下优点：

1.由于抛光液不含有抛光磨粒，从而避免了抛光液中磨粒对抛光表面造成的损伤，因此本发明抛光液损伤小，且易清洗。

2.本发明抛光液呈碱性，pH≥8.5，对设备腐蚀小。

3.根据铜抛光液的使用阶段，铜的抛光去除率可控制在100～4000nm/min之间，且可控。

4.本发明所述氧化剂同时可起到络合剂的作用，达到铜快速氧化去除的目的。

5.本发明抛光液还具有工艺简化，价格便宜，成本低，速度可控的优点。

附图说明

图1是本发明第一实施例的抛光后表面形貌及参数图；

图2是本发明第二实施例的抛光后表面形貌及参数图；

图3是本发明第三实施例的抛光后表面形貌及参数图；

图4是本发明第四实施例的抛光后表面形貌及参数图；

图5是本发明第五实施例的抛光后表面形貌及参数图；

图6是本发明第六实施例的抛光后表面形貌及参数图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

配制1000g抛光液：取30g(NH₄)₂S₂O₈，在搅拌下加入去离子水中，同时加入5.74g二乙烯三胺五亚甲基膦酸，配制到1000g，用KOH调节抛光液pH值为10。

通过CETR CP4抛光试验机，在抛光压力3psi、抛光相对运动速度1m/s、抛光液流量100ml/min的条件下，进行速度试验，对已电镀铜的衬底片进行抛光，测得铜的平均去除速度为3860nm/min，Veeco公司MicroXAM光干涉表面形貌仪观测抛光后表面形貌及参数如图1所示。

实施例2

配制1000g抛光液：取30g(NH₄)₂S₂O₈，在搅拌下加入去离子水中，同时加入5.74g二乙烯三胺五亚甲基膦酸，3g抗坏血酸和1g亚乙基硫脲，配制到1000g，用KOH调节抛光液pH值为10。

通过CETR CP4抛光试验机，在抛光压力3psi、抛光相对运动速度1m/s、抛光液流量100ml/min的试验条件下，进行速度试验，对已电镀铜的衬底片进行抛光，测得铜的平均去除速度为920nm/min，Veeco公司MicroXAM光干涉表面形貌仪观测抛光后表面形貌及参数如图2所示。

实施例3

配制1000g抛光液：取30g(NH₄)₂S₂O₈，在搅拌下加入去离子水中，同时加入5.74g二乙烯三胺五亚甲基膦酸，3g抗坏血酸和2g亚乙基硫脲，配制到1000g，用KOH调节抛光液pH值为10。

通过CETR CP4抛光试验机，在抛光压力3psi、抛光相对运动速度1m/s、抛光液流量100ml/min的试验条件下，进行速度试验，对已电镀铜的衬底片进行抛光，测得铜的平均去除速度为400nm/min，Veeco公司MicroXAM光干涉表面形貌仪观测抛光后表面形貌及参数如图3所示。

实施例4

配制1000g抛光液：取30g(NH₄)₂S₂O₈，在搅拌下加入去离子水中，同时加入5.74g二乙烯三胺五亚甲基膦酸，3g抗坏血酸和3g亚乙基硫脲，配制到1000g，用KOH调节抛光液pH值为10。

通过CETR CP4抛光试验机，在抛光压力3psi、抛光相对运动速度1m/s、抛光液流量100ml/min的试验条件下，进行速度试验，对已电镀铜的衬底片进行抛光，测得铜的平均去除速度为130nm/min，Veeco公司MicroXAM光干涉表面形貌仪观测抛光后表面形貌及参数如图4所示。

实施例5

配制1000g抛光液：取30g(NH₄)₂S₂O₈，在搅拌下加入去离子水中，同时加入5.74g二乙烯三胺五亚甲基膦酸，1g聚二硫二丙烷磺酸钠和1g亚乙基硫脲，配制到1000g，用KOH调节抛光液pH值为10。

通过CETR CP4抛光试验机，在抛光压力3psi、抛光相对运动速度1m/s、抛光液流量100ml/min的条件下，进行速度试验，对已电镀铜的衬底片进行抛光，测得铜的平均去除速度为692nm/min，Veeco公司MicroXAM光干涉表面形貌仪观测抛光后表面形貌及参数如图5所示。

实施例6

配制1000g抛光液：取30g(NH₄)₂S₂O₈，在搅拌下加入去离子水中，同时加入5.74g二乙烯三胺五亚甲基膦酸，1g聚二硫二丙烷磺酸钠和3g亚乙基硫脲，配制到1000g，用KOH调节抛光液pH值为10。

通过CETR CP4抛光试验机，在抛光压力3psi、抛光相对运动速度1m/s、抛光液流量100ml/min的条件下，进行速度试验，对已电镀铜的衬底片进行抛光，测得铜的平均去除速度为534nm/min，Veeco公司MicroXAM光干涉表面形貌仪观测抛光后表面形貌及参数如图6所示。

由以上实施例可以看出，本发明实施例中抛光液不含有抛光磨粒，从而避免了抛光液中磨粒对抛光表面造成的损伤，因此本发明抛光损伤小，且易清洗；抛光液呈碱性，pH≥8.5，对设备腐蚀小；根据铜抛光液的使用阶段，铜的抛光去除率可控制在100～4000nm/min之间，且可控；氧化剂同时起到络合剂的作用，可起到铜快速氧化去除的目的，另外，还具有工艺简化，价格便宜，成本低，速度可控。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种集成电路铜布线的无磨粒化学机械抛光液，其特征在于，包括：去离子水、氧化剂、络合剂、杂环类缓蚀剂和杂环类缓蚀剂的复配用缓蚀剂，其中，络合剂为2～40毫摩尔每升，氧化剂所占的质量百分含量为1～20％，杂环类缓蚀剂所占的质量百分含量为0.05～0.5％，所述杂环类缓蚀剂为硫脲类杂环缓蚀剂，杂环类缓蚀剂的复配用缓蚀剂所占的质量百分含量为0.02～0.5％，所述杂环类缓蚀剂的复配用缓蚀剂为表面吸附类复配用缓蚀剂或自由基淬灭类复配用缓蚀剂，所述表面吸附类复配用缓蚀剂为含硫有机磺酸盐，所述自由基淬灭类复配用缓蚀剂为抗坏血酸，其余为去离子水，所述抛光液pH值为8.5～12。

2.如权利要求1所述的集成电路铜布线的无磨粒化学机械抛光液，其特征在于，所述氧化剂为过氧化物，所述过氧化物为双氧水、过乙酸、过氧化苯甲酰、过硫酸钾和过硫酸铵，其质量百分含量为2～5％。

3.如权利要求1所述的集成电路铜布线的无磨粒化学机械抛光液，其特征在于，所述络合剂选自乙二胺四亚甲基膦酸、氨基三亚甲基膦酸、己二胺四亚甲基膦酸、羟基亚乙基二膦酸、二乙烯三胺五亚甲基膦酸，膦酰基羟基乙酸，2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸，多氨基多醚基甲叉膦酸。

4.根据权利要求3所述的集成电路铜布线的无磨粒化学机械抛光液，其特征在于，所述络合剂选自二乙烯三胺五亚甲基膦酸，2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸，多氨基多醚基甲叉膦酸。

5.根据权利要求.1所述的集成电路铜布线的无磨粒化学机械抛光液，其特征在于，所述的硫脲类杂环缓蚀剂为亚乙基硫脲，其质量百分比为0.1～0.3％。

6.如权利要求1所述的集成电路铜布线的无磨粒化学机械抛光液，其特征在于，所述含硫有机磺酸盐的质量百分比为0.05～0.3％。

7.如权利要求1所述的集成电路铜布线的无磨粒化学机械抛光液，其特征在于，所述抗坏血酸的质量百分比为0.1～0.5％。