CN101966688B - 超大规模集成电路铜布线表面低压化学机械抛光方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超大规模集成电路铜布线表面低压化学机械抛光方法，实施步骤如下：（1）将以下成分按重量%均匀混合制成抛光液：纳米SiO2磨料：35～80%，去离子水：12～60%，氧化剂：1～3%，活性剂：1～4% ，FA/OII型螯合剂：0.5～1.5%；（2）抛光工艺参数设定：抛光压力：2～5KPa ，抛光温度：20～50℃，流量：120～250 ml/min ，转速：30～60 rpm/min。抛光液中的氧化剂把铜氧化，FA/OII型螯合剂本身具有极强的螯合能力，与氧化的铜快速反应，生成可溶性的螯合物快速的脱离铜表面，避免主要依赖机械的摩擦作用去除表面铜，实现了在低机械强度下的铜抛光。螯合过程材料的去除以打破分子键来实现，对材料表面损伤小。且在低压下增强CMP化学作用来补偿机械作用对抛光速率的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种晶片表面的抛光方法，特别涉及一种超大规模集成电路铜布线表面低压化学机械抛光方法。
背景技术
金属铜具有低的电阻率、优越的抗电迁移特性和低的热敏感性，产生较小的RC延迟并能提高电路的可靠性，铜线取代传统的铝线成为互连线的理想材料。
随器件几何尺寸的缩小，金属层数和硅衬底直径的增加，每一层的平坦化程度成为影响集成电路刻蚀线宽的重要因素之一，已成为微电子进一步发展的瓶颈。化学机械抛光是迄今对多层铜布线、介质及其阻挡层提供全局平整化的最好技术。传统CMP去除速率模型为MRR=KPV，由上式可知抛光速率和压力（p）和转速（v）成正比。但传统CMP工艺压力大，抛光后表面易出现划伤、易造成塌边、粗糙度大、成品率低等现象；同时随着集成电路技术的发展，为了降低RC延时及功率损耗，需要采用新型的低介电常数材料作为介质层。但低K材料都是多孔材料，孔率越高，材料的介电常数越小，同时耐压性越差，在高机械强度下会有出现裂缝的问题。在45纳米技术节点普遍采用的是k值为2.5左右的多孔材料，机械强度的大小直接影响到CMP工艺的表现。为了降低 down force(压力) 业界提出了电化学机械抛光（ECMP），但其存在很多基本问题，如量产重复性、稳定性和制造成本等。如果能够将传统的CMP技术延伸到更小的技术节点，那么出于成本和风险的考虑，客户还是会选择CMP而非ECMP技术。
因此，如何在低压条件下获得抛光速率的高效性，同时解决表面划伤、塌边、材料损伤等问题已成为CMP技术发展的关键。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足之处，为解决抛光速率的高效性，同时避免表面划伤、塌边、材料损伤等问题，提供一种简便易行、高效低成本的超大规模集成电路铜布线表面低压化学机械抛光方法。
为实现上述目的本发明所采用的实施方式如下：
一种超大规模集成电路铜布线表面低压化学机械抛光方法， 其特征在于实施步骤如下：
（1）将以下成分按重量%均匀混合制成抛光液：
纳米SiO2磨料：35～80%， 去离子水：12～60%，
氧化剂：1～3%， 活性剂：1～4% ，
FA/OII型螯合剂：0.5～1.5%；
（2）采用上述抛光液进行抛光工艺的参数设定：
抛光压力：2～5 KPa ， 抛光温度：20～50℃，
流量：120～250 ml/min ， 转速：30～60 rpm/min。
所述步骤（1）中的纳米SiO2磨料的浓度为4～50wt%、粒径为15～40nm的碱性水溶硅溶胶，其pH值9～13。
所述步骤（1）采用的螯合剂为FA/OII型螯合剂：乙二胺四乙酸四（四羟乙基乙二胺）。
所述步骤（1）采用活性剂为FA/O表面活性剂、Oπ-7((C10H21-C6H4-O-CH2CH2O)7-H)、Oπ-10 ((C10H21-C6H4-O-CH2CH2O)10-H)、O-20 (C12-18H25-37-C6H4-O-CH2CH2O)70-H)、JFC的一种。
所述步骤（1）采用的氧化剂是碱性条件下可溶性的氧化剂为H2O2、KClO3、KMNO4、KNO3 中的一种。
本发明方法的作用为：抛光液中的氧化剂把铜氧化，FA/OII型螯合剂具有极强的螯合能力，与氧化的铜快速反应，生成可溶性的螯合物快速的脱离铜表面，避免主要依赖机械的摩擦作用去除表面铜，实现了在低机械强度下的铜抛光。螯合过程材料的去除以打破分子键来实现，对材料表面损伤小，低压产生的低机械作用把反应产物带走，而传统的高机械作用以破坏铜表面晶体结构为主来达到材料的去除，因此提高铜表面质量。同时在低压条件下科学的提高化学作用可增强了CMP过程中化学作用来补偿机械作用对抛光速率的影响，达到抛光的高效性。
本发明的有益效果是：
（1）抛光工艺选用低压能解决表面划伤、塌边、材料损伤严重、粗糙度大等问题。
（2）FA/OII型螯合剂具有极强的螯合能力，与氧化的铜快速反应，生成可溶性的螯合物快速的脱离铜表面，避免主要依赖机械的摩擦作用去除表面铜，实现了在低机械强度下的铜抛光。螯合过程材料的去除以打破分子键来实现，对材料表面损伤小，同时加快低压条件下的抛光速率。
（3）选用纳米SiO2溶胶作为抛光液磨料，其粒径小(15～40nm)、浓度高（>40%）、硬度小（对基片损伤度小）、分散度好，能够达到高速率高平整低损伤抛光、污染小，解决了Al2O3磨料硬度大易划伤、易沉淀等诸多弊端。
（4）选用碱性抛光液，可对设备无腐蚀，硅溶胶稳定性好，解决了酸性抛光液污染重、易凝胶等诸多弊端；利用基片材料的两性性，pH值9以上时，易生成可溶性的化合物脱离表面。
（5）采用FA/O活性剂进行处理使吸附物长期处于物理吸附状态，极易清洗，能获得极好的洁净表面。
总之，该方法操作简单，不需添加其它设备，成本低、效率高、无污染，可明显改善器件性能，提高成品率。
具体实施方式
以下结合较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式详述如下：
实施例1：
抛光液配比及铜布线低压CMP技术抛光工艺参数要求：
配制铜布线 CMP抛光液3135g：选用纳米硅溶胶（15～20nm）1200g，磨料的浓度为4～50wt%，边搅拌边放入1800g去离子水，再分别取15gFA/OII型螯合剂，30gFA/O表面活性剂和90g氧化剂边搅拌边加入上述液体。调节pH值9～13，搅拌均匀后得3135g铜布线抛光液。
采用的螯合剂为FA/OII型螯合剂：乙二胺四乙酸四（四羟乙基乙二胺）。
采用活性剂为FA/O表面活性剂、Oπ-7((C10H21-C6H4-O-CH2CH2O)7-H)、Oπ-10 ((C10H21-C6H4-O-CH2CH2O)10-H)、O-20 (C12-18H25-37-C6H4-O-CH2CH2O)70-H)、JFC的一种。
采用的氧化剂是碱性条件下可溶性的氧化剂为H2O2、KClO3、KMNO4、KNO3 中的一种。
以上所述的纳米SiO2磨料、活性剂、FA/OII型螯合剂均为天津晶岭微电子材料有限公司市售。
抛光工艺参数为：压力5 KPa，流量250ml/l, 转速30rpm/min, 温度20℃, 抛光时间10min。
抛光速率为972nm/min,抛光速率非均匀性控制在0.05，表面无划伤，粗糙度0.8nm。
实施例2：
抛光液配比及铜布线低压CMP技术抛光工艺参数要求：
配制铜布线 CMP抛光液3240g：选用纳米硅溶胶（20～30nm）2000g，磨料的浓度为4～50wt%，边搅拌边放入1000g去离子水，再分别取90gFA/OII型螯合剂，120gFA/O活性剂和30g氧化剂边搅拌边加入上述液体。调节pH值9～13，搅拌均匀后得3240g铜布线抛光液。
抛光工艺为：压力2 KPa，流量120ml/l, 转速60rpm/min, 温度50℃, 抛光时间10min。
抛光速率为863nm/min,抛光速率非均匀性控制在0.07，表面无划伤，粗糙度0.5nm。
其它同实施例1。
实施例3：
抛光液配比及铜布线低压CMP技术抛光工艺参数要求：
配制铜布线 CMP抛光液3210g：选用纳米硅溶胶（30～40nm）1500g，磨料的浓度为4～50wt%，边搅拌边放入1500g去离子水，再分别取90gFA/OII型螯合剂，30gFA/O活性剂和90g氧化剂边搅拌边加入上述液体。调节pH值9～13，搅拌均匀后得3000g铜布线抛光液。
抛光工艺为：压力2 KPa，流量250ml/l, 转速60rpm/min, 温度20℃, 抛光时间10min。
抛光速率为1174nm/min,抛光速率非均匀性控制在0.03表面无划伤，粗糙度0.2nm。
其它同实施例1。
上述参照实施例对超大规模集成电路铜布线表面低压化学机械抛光方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种超大规模集成电路铜布线表面低压化学机械抛光方法， 其特征在于实施步骤如下：
（1）将以下成分按重量%均匀混合制成抛光液：
纳米SiO2磨料：35～80%， 去离子水：12～60%，
氧化剂：1～3%， 活性剂：1～4% ，
FA/OII型螯合剂：0.5～1.5%；
所述FA/OII型螯合剂为乙二胺四乙酸四（四羟乙基乙二胺）；
（2）采用上述抛光液进行抛光工艺的参数设定：
抛光压力：2～5 KPa ， 抛光温度：20～50℃，
流量：120～250 ml/min ， 转速：30～60 rpm/min。
2.根据权利要求1所述的超大规模集成电路铜布线表面低压化学机械抛光方法，其特征在于所述步骤（1）中的纳米SiO2磨料的浓度为4～50wt%、粒径为15～40nm的碱性水溶硅溶胶，其pH值9～13。
3.根据权利要求1所述的超大规模集成电路铜布线表面低压化学机械抛光方法，其特征在于所述步骤（1）采用活性剂为Oπ-7((C10H21-C6H4-O-CH2CH2O)7-H)、Oπ-10 ((C10H21-C6H4-O-CH2CH2O)10-H)、O-20 (C12-18H25-37-C6H4-O-CH2CH2O)70-H)、JFC的一种。
4.根据权利要求1所述的超大规模集成电路铜布线表面低压化学机械抛光方法，其特征在于所述步骤（1）采用的氧化剂是碱性条件下可溶性的氧化剂为H2O2、KClO3、KMnO4、KNO3 中的一种。
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