CN102127801A - 用于铜互连层电化学机械抛光的电解液及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于超精密加工技术领域，公开了一种用于铜互连层电化学机械抛光的电解液及其制备方法。电解液的特征是使用抑制效果较好的苯并三氮唑、硫代水杨酸、十二烷基硫酸铵等作为电解液中的抑制剂；采用介电性能较优的金红石型二氧化钛、锐钛型二氧化钛等作为磨粒，加入适量的络合剂和分散剂配制成电解液。本发明的效果和益处是所制备的电解液可以有效抑制被加工表面低凹处被进一步腐蚀，提高被加工表面附近的电场梯度，改善对被加工表面突出部位的选择性溶解去除能力，提高抛光后的表面质量，能够在较低的抛光压力下实现铜互连层的超精密抛光。

Description

用于铜互连层电化学机械抛光的电解液及其制备方法
技术领域
本发明属于超精密加工技术领域，特别涉及一种用于铜互连层电化学机械抛光的电解液及其制备方法。
背景技术
微电子产品不断向高速化、高集成化、高密度化和高性能化方向发展，促进了集成电路(IC)制造技术的飞速发展。为提高IC的集成度，特征尺寸不断缩小，布线层数目不断增加，但因此产生了RC延迟效应。为了降低RC延迟效应，金属互连中采用Low-k材料作为绝缘层代替传统的SiO2材料。但是随着绝缘层材料的介电常数k值降低，其机械强度也会随之降低，采用传统的化学机械抛光(CMP)方法进行加工时，由于抛光压力较大，极易产生Cu/低k绝缘层材料界面剥离和易损伤等问题。因此，必须在低压力或无应力条件下进行抛光才有可能克服这些问题。
为了解决上述问题，产生了新的抛光方法——电化学机械抛光(ECMP)。该方法一方面借助电化学作用提高金属Cu的氧化溶解速度，并通过抛光垫和磨粒的机械作用去除电化学反应生成的氧化物，因此可以在低压力条件下实现很高的抛光效率；另一方面，通过利用电化学作用在加工表面形成钝化膜，并利用该钝化膜对加工表面低凹部位的保护作用及抛光垫和磨粒对加工表面突出部位的选择性去除作用，实现高精度的平坦化。
在Cu-ECMP过程中，电解液是影响加工表面平坦化的关键因素，由于抛光过程中使用外加电压将铜金属氧化成铜离子，取代了传统CMP中氧化剂的作用，所以电解液配方主要包括络合剂、抑制剂、磨粒、分散剂，以及其他添加剂等。
目前国内尚未见到有关Cu-ECMP电解液技术研究的公开报道。而国外虽然对于铜电化学机械抛光电解液有不同程度的研究，但是主要是针对材料去除率进行研究，对于抛光后的表面粗糙度研究较少，抛光后的表面质量较差，并且这些研究中没有考虑到磨粒的电学性质对抛光效果的影响。本专利主要提出了在电解液中加入一种抑制效果较好的抑制剂和一种具有较高介电常数的磨粒，这样可以提高抑制效率，改善抛光过程中铜互连层周围的电场梯度，增强选择性去除能力，实现超精密加工。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种适用于铜互连层低压力下超精密电化学机械抛光的电解液及其制备方法，解决目前铜互连层低压力下电化学机械抛光表面质量较差，表面粗糙度值较高的问题，以满足集成电路后续加工的要求。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种适用于铜互连层电化学机械抛光的电解液，其特征在于它包括络合剂、抑制剂、磨粒、分散剂和去离子水等，各成分在去离子水中所占比例为：
络合剂：10～50g/L；
抑制剂：1～5g/L；
磨粒：5～20g/L；
分散剂：5～20g/L；
所述的磨粒纯度为99％；粒度为500nm。
上述电解液的制备方法，包括如下步骤：
1)选取络合剂、抑制剂、磨粒、分散剂和去离子水原料备用，各成分在去离子水中所占比例为：络合剂：10～50g/L；抑制剂：1～5g/L；磨粒：5～20g/L；分散剂：5～20g/L；
2)按上述比例将络合剂和抑制剂加入到去离子水中，采用玻璃棒均匀搅拌，使得各个物质充分溶解到去离子水中；
3)在已加入络合剂和抑制剂的电解液基础上按上述比例加入磨粒和分散剂，采用超声波搅拌5～10min，使磨粒在电解液中完全分散，配成悬浮液，即可制得电解液。
所述的络合剂为柠檬酸、氨基乙酸、草酸中的任意一种或者两种以上的混合，任意两种以上混合时，为任意配比。
所述的抑制剂为抑制效果较好的苯并三氮唑、硫代水杨酸、十二烷基硫酸铵等中的任意一种或者两种以上的混合，任意两种以上混合时，为任意配比。
所述的磨粒为介电性能较优的金红石型二氧化钛、锐钛型二氧化钛中的任意一种或者两种混合，两种混合时，为任意配比。
所述的分散剂剂为聚乙二醇1000、聚乙二醇600、二乙烯三胺等中的任意一种或者两种以上的混合，任意两种以上混合时，为任意配比。
本发明的效果和益处是：本发明为采用电化学机械抛光的方法对铜互连层进行加工，抛光压力为1.5psi，远小于传统化学机械抛光的抛光压力6-8psi，抛光时所用的电解液中使用了抑制效果较好的抑制剂作为重要成分，在外加电压下可以有效的防止被加工表面低凹处被进一步腐蚀。选择介电性能较优的物质作为电解液中的磨粒，有效改善了抛光过程中铜互连层周围的电场情况，提高被加工表面附近的电场梯度，改善对被加工表面突出部位的选择性溶解去除能力，提高抛光后的表面质量。
附图说明
图1是抛光前铜互连层的表面轮廓照片。
图2是抛光后铜互连层的表面轮廓照片。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例子。本发明的方法中所使用的络合剂、抑制剂、磨粒、分散剂等均为常见药品。
实施例1：
一种用于铜互连层电化学机械抛光的电解液及其制备方法，它包括如下步骤：
1)按各成分在去离子水中所占比例为：络合剂：40g/L、抑制剂：3g/L、磨粒：10g/L；分散剂：10g/L；去离子水：100ml；选取络合剂、抑制剂、磨粒、分散剂和去离子水等原料备用；
所述的络合剂为氨基乙酸；所述的抑制剂为硫代水杨酸；所述的磨粒为金红石型二氧化钛；所述的分散剂为聚乙二醇1000。
2)按上述比例将络合剂和抑制剂加入到去离子水中，采用玻璃棒均匀搅拌，使得各个物质充分溶解到去离子水中；
3)在已加入络合剂和抑制剂的电解液基础上按上述比例加入磨粒和分散剂，采用超声波搅拌5min，使磨粒在电解液中完全分散，配成悬浮液，即可制得电解液。
实施例2：
一种用于铜互连层电化学机械抛光的电解液及其制备方法，它包括如下步骤：
1)按各成分在去离子水中所占比例为：络合剂：30g/L、抑制剂：1g/L、磨粒：10g/L；分散剂：10g/L；去离子水：100ml；选取络合剂、抑制剂、磨粒、分散剂和去离子水等原料备用；
所述的络合剂为氨基乙酸；所述的抑制剂为苯并三氮唑；所述的磨粒为金红石型二氧化钛；所述的分散剂为聚乙二醇1000。
2)按上述比例将络合剂和抑制剂加入到去离子水中，采用玻璃棒均匀搅拌，使得各个物质充分溶解到去离子水中；
3)在已加入络合剂和抑制剂的电解液基础上按上述比例加入磨粒和分散剂，采用超声波搅拌10min，使磨粒在电解液中完全分散，配成悬浮液，即可制得电解液。
实施例3：
一种用于铜互连层电化学机械抛光的电解液及其制备方法，它包括如下步骤：
1)按各成分在去离子水中所占比例为：络合剂：30g/L、抑制剂：1g/L、磨粒：20g/L；分散剂：20g/L；去离子水：100ml；选取络合剂、抑制剂、磨粒、分散剂和去离子水等原料备用；
所述的络合剂为草酸；所述的抑制剂为硫代水杨酸；所述的磨粒为锐钛型二氧化钛；所述的分散剂为聚乙二醇600。
2)按上述比例将络合剂和抑制剂加入到去离子水中，采用玻璃棒均匀搅拌，使得各个物质充分溶解到去离子水中；
3)在已加入络合剂和抑制剂的电解液基础上按上述比例加入磨粒和分散剂，采用超声波搅拌10min，使磨粒在电解液中完全分散，配成悬浮液，即可制得电解液。
实施例4：
一种用于铜互连层电化学机械抛光的电解液及其制备方法，它包括如下步骤：
1)按各成分在去离子水中所占比例为：络合剂：40g/L、抑制剂：5g/L、磨粒：5g/L；分散剂：15/L；去离子水：100ml；选取络合剂、抑制剂、磨粒、分散剂和去离子水等原料备用；
所述的络合剂为柠檬酸；所述的抑制剂为硫代水杨酸；所述的磨粒为金红石型二氧化钛；所述的分散剂为聚乙二醇1000。
2)按上述比例将络合剂和抑制剂加入到去离子水中，采用玻璃棒均匀搅拌，使得各个物质充分溶解到去离子水中；
3)在已加入络合剂和抑制剂的电解液基础上按上述比例加入磨粒和分散剂，采用超声波搅拌10min，使磨粒在电解液中完全分散，配成悬浮液，即可制得电解液。
实施例5：
一种用于铜互连层电化学机械抛光的电解液及其制备方法，它包括如下步骤：
1)按各成分在去离子水中所占比例为：络合剂：10g/L、抑制剂：5g/L、磨粒：3g/L；分散剂：20g/L；去离子水：100ml；选取络合剂、抑制剂、磨粒、分散剂和去离子水等原料备用；
所述的络合剂为氨基乙酸；所述的抑制剂为硫代水杨酸和十二烷基硫酸铵的混合物，硫代水杨酸和十二烷基硫酸铵所占比例均为2.5g/L；所述的磨粒为金红石型二氧化钛；所述的分散剂为聚乙二醇1000。
2)按上述比例将络合剂和抑制剂加入到去离子水中，采用玻璃棒均匀搅拌，使得各个物质充分溶解到去离子水中；
3)在已加入络合剂和抑制剂的电解液基础上按上述比例加入磨粒和分散剂，采用超声波搅拌10min，使磨粒在电解液中完全分散，配成悬浮液，即可制得电解液。
采用按实施例1制备的电解液，在电化学机械抛光试验台上进行了抛光试验，抛光压力为1.5psi。图1是抛光前铜晶圆的表面情况，由于抛光前采用砂纸进行研磨加工，所以可以看到表面有很多较深的划痕，表面质量较差。图2为抛光后铜晶圆的表面情况，可以看到试件表面的划痕已经明显减少，表面上的一些腐蚀坑是由于铜晶圆本身的生长缺陷造成的。

Claims (2)

1.一种用于铜互连层电化学机械抛光的电解液，其特征在于它包括络合剂、抑制剂、磨粒、分散剂和去离子水，各原料在去离子水中所占比例为：
络合剂：10～50g/L；
抑制剂：1～5g/L；
磨粒：5～20g/L；
分散剂：5～20g/L；
所述的磨粒纯度为99％；粒度为500nm；
所述的络合剂为柠檬酸、氨基乙酸、草酸中的任意一种或者两种以上的混合，任意两种以上混合时，为任意配比；
所述的分散剂剂为聚乙二醇1000、聚乙二醇600、二乙烯三胺中的任意一种或者两种以上的混合，任意两种以上混合时，为任意配比；
所述的抑制剂为苯丙三氮唑、硫代水杨酸、十二烷基硫酸铵中的任意一种或者两种以上的混合，任意两种以上混合时，为任意配比。
所述的磨粒为金红石型二氧化钛、锐钛型二氧化钛中的任意一种或者两种混合，两种混合时，为任意配比。
2.权利要求1所述电解液的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
1)按权利要求1所述的比例，选取络合剂、抑制剂、磨粒、分散剂和去离子水原料；
2)将络合剂和抑制剂加入到去离子水中，采用玻璃棒均匀搅拌，使得各个物质充分溶解到去离子水中；
3)在已加入络合剂和抑制剂的电解液基础上按上述权利要求1的比例加入磨粒和分散剂，采用超声波搅拌5～10min，使磨粒在电解液中完全分散，配成悬浮液，制得电解液。
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