CN103898510A - 一种用于铜互连的化学机械抛光液及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种用于铜互连抛光的工艺方法，包括以下步骤：步骤A：用铜化学机械抛光液去除铜并停在阻挡层表面；步骤B：用阻挡层化学机械抛光液去除阻挡层和部分二氧化硅覆盖层(Cap layer)；步骤C：用介电材料抛光液去除部分二氧化硅覆盖层、部分低介电材料和部分铜。该抛光方法通过改变抛光工艺流程(1步去除铜+2步去除阻挡层/介电层)，产能得到提高，同时铜抛光后的碟形凹陷小且无金属残留。通过在第二步抛光时使用一种低研磨颗粒含量，高的钽去除速率的抛光液，可降低抛光液生产成本，本发明包括了铜抛光液、阻挡层抛光液和低介电材料抛光液在不同抛光盘上的供给选择以及在不同抛光步骤的工艺整合。

Description

一种用于铜互连的化学机械抛光液及工艺

技术领域

本发明涉及一种铜互连的化学机械抛光液及工艺。

背景技术

传统的铜互连抛光工艺通常分为3个步骤，第一步用高去除速率去除大量的铜并留下一定的厚度，第二步将剩下的铜去除并过抛以保证无铜残留。在前2步中通常使用铜化学机械抛光液，铜的抛光速率较高，通常会造成铜的碟形凹陷。第三步用阻挡层抛光液去除阻挡层及部分的介电层和铜线，达到平坦化。为了校正铜抛光造成的碟形凹陷，阻挡层抛光液的铜抛光速率通常较低，造成阻挡层的抛光较长，是产能的瓶颈。原有工艺不能兼顾高产能和高平坦化的要求。

US20090045164A1揭示了一种低介电材料抛光的“通用”阻挡层化学机械抛光液的抛光方法。该方法包括几个抛光步骤：首先用阻挡层抛光液去除阻挡层，在抛光覆盖层(Cap layer)时向抛光液中加入添加剂来降低低介电材料(low-k)的去除速率，改变了覆盖层与低介电材料(low-k)的选择比，从而使抛光停在低介电材料(low-k)上。

US20030008599A1揭示了一种化学机械抛光方法。该方法通过在抛光过程的不同阶段引入氧化剂和还原剂来改变铜抛光速率，降低抛光后铜的碟形凹陷。

US20100130101A1揭示了一种化学机械抛光方法，该方法通过用两条管路将不同的抛光液成分引入到抛光垫上，在线混合成抛光液用于抛光。通过调节不同成分的流量来调节抛光速率。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的缺陷，揭示了一种用于铜互连的化学机械抛光液和抛光工艺，通过改变抛光工艺流程(1步去除铜+2步去除阻挡层/介电层)，产能得到提高，同时铜抛光后的碟形凹陷小且无金属残留。通过在第二步抛光时使用一种低研磨颗粒含量，高的钽去除速率的抛光液，可降低抛光液生产成本，本发明包括了铜抛光液、阻挡层抛光液和低介电材料抛光液在不同抛光盘上的供给选择以及在不同抛光步骤的工艺整合。

本发明提供的一种用于铜互连抛光的工艺方法，包括以下步骤：

步骤A：用铜化学机械抛光液去除铜并停在阻挡层表面；

步骤B：用阻挡层化学机械抛光液去除阻挡层和部分二氧化硅覆盖层(Cap layer)；

步骤C：用介电材料抛光液去除部分二氧化硅覆盖层、部分低介电材料和部分铜。

在本发明中，所述步骤A、B、C的抛光压力为1.0～2.0psi，抛光头的转速为50～120rpm。

在本发明中，所述步骤A中的铜抛光液的铜抛光速度至少为5000埃/分钟。

在本发明中，所述铜抛光液包含研磨颗粒、络合剂、氧化剂和腐蚀抑制剂。

在本发明中，所述阻挡层抛光液包含研磨颗粒、络合剂、腐蚀抑制剂和碳酸胍。

在本发明中，所述介电材料抛光液包含研磨颗粒、络合剂、氧化剂和腐蚀抑制剂。

在本发明中，所述的研磨颗粒选自二氧化硅、氧化铝、掺杂铝或覆盖铝的二氧化硅、二氧化铈、二氧化钛、高分子研磨颗粒中的一种或多种。

在本发明中，所述铜抛光液的研磨颗粒的重量百分比浓度为0.2～1％。

在本发明中，所述阻挡层抛光液的研磨颗粒的重量百分比浓度为3～6％。

在本发明中，所述介电材料抛光液的研磨颗粒的重量百分比浓度为5～10％。

在本发明中，所述的络合剂选自氨羧化合物及其盐、有机羧酸及其盐、有机膦酸及其盐和有机胺中的一种或多种。优选地，所述的氨羧化合物选自甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、赖氨酸、精氨酸、组氨酸、丝氨酸、天冬氨酸、苏氨酸、谷氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、氨三乙酸、乙二胺四乙酸、环己二胺四乙酸、乙二胺二琥珀酸、二乙烯三胺五乙酸和三乙烯四胺六乙酸中的一种或多种；所述的有机羧酸选自醋酸、草酸、柠檬酸、酒石酸、丙二酸、丁二酸、苹果酸、乳酸、没食子酸和磺基水杨酸中的一种或多种；所述的有机膦酸选自2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸、氨基三甲叉膦酸、羟基乙叉二膦酸、乙二胺四甲叉膦酸、二乙烯三胺五甲叉膦酸、2-羟基膦酸基乙酸、乙二胺四甲叉膦酸和多氨基多醚基甲叉膦酸中的一种或多种；所述的有机胺选自乙二胺、二乙烯三胺、五甲基二乙烯三胺、多乙烯多胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺中的一种或多种；所述的盐为钾盐、钠盐和/或铵盐。

在本发明中，所述的络合剂的含量为重量百分比0.05～5％。优选地，所述的络合剂的含量为重量百分比0.05～3％。

在本发明中，所述的氧化剂为过氧化氢、过氧化脲、过氧甲酸、过氧乙酸、过硫酸盐、过碳酸盐、高碘酸、高氯酸、高硼酸、高锰酸钾和硝酸铁中的一种或多种。

在本发明中，所述的氧化剂的含量为重量百分比0.05～5％。

在本发明中，所述的腐蚀抑制剂为氮唑、咪唑、噻唑、吡啶和嘧啶类化合物中的一种或多种。优选地，所述的氮唑类化合物选自苯并三氮唑、5-甲基苯并三氮唑、5-羧基苯并三氮唑、1-羟基-苯并三氮唑、1，2，4-三氮唑、3-氨基-1，2，4-三氮唑、4-氨基-1，2，4-三氮唑、3，5-二氨基-1，2，4-三氮唑、5-羧基-3-氨基-1，2，4-三氮唑、3-氨基-5-巯基-1，2，4-三氮唑、5-乙酸-1H-四氮唑、5-甲基四氮唑、5-苯基四氮唑、5-氨基-1H-四氮唑和1-苯基-5-巯基-四氮唑中的一种或多种；所述的咪唑类化合物选自苯并咪唑和2-巯基苯并咪唑中的一种或多种；所述的噻唑类化合物选自2-巯基-苯并噻唑、2-巯基噻二唑和5-氨基-2-巯基-1，3，4-噻二唑中的一种或多种；所述的吡啶选自2，3-二氨基吡啶、2-氨基吡啶和2-吡啶甲酸中的一种或多种；所述的嘧啶为2-氨基嘧啶。

在本发明中，所述的腐蚀抑制剂的含量为重量百分比0.001～2％。优选地，所述的腐蚀抑制剂的含量为重量百分比0.005～1％。

在本发明中，所述的抛光液还可以含有至少一种阴离子表面活性剂。

在本发明中，所述的阴离子表面活性剂为聚丙烯酸类表面活性剂、磷酸酯类表面活性剂。

在本发明中，所述的表面活性剂的含量为重量百分比0.0005～1％。

本发明的抛光工艺具备突出的技术效果：

1、通过工艺整合合理分配各抛光盘的抛光时间，提高产能；

2、通过使用低研磨颗粒含量的阻挡层抛光液，降低使用成本；

3、通过工艺改进减小铜抛光后的碟形凹陷且无金属残留。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

效果实施例

表1给出了本发明的铜化学机械抛光液的实施例1～5和对比例1，表2给出了本发明的介电材料化学机械抛光液的实施例6～10和对比例2，表3给出了本发明的阻挡层化学机械抛光液的实施例11～15，按表中所给配方，将除氧化剂以外的其他组分混合均匀，用水补足质量百分比至100％。用KOH或HNO3调节到所需要的pH值。使用前加氧化剂，混合均匀即可。

表1铜抛光液实施例1～5和对比例1

表2介电材料抛光液实施例6～10和对比例2

表3阻挡层抛光液实施例11～15

用表1～3中的抛光液进行抛光。抛光方法和参数见表4。抛光结果见表5。本发明所有的实施例在AMAT公司的8英寸Mirra上进行，抛光晶片为铜空白晶片、钽空白晶片、钛空白晶片、二氧化硅空白晶片、低介电材料(BD)空白晶片和铜覆盖层厚度约为7000埃的铜图形晶片。空片晶片的抛光时间为1分钟。图形晶片的抛光时间在步骤A中由机台终点控制系统所控制，在步骤B中由需要去除的介电层和铜的厚度决定。步骤A在抛光盘1上进行，抛光垫为Dow公司的IC1010。步骤B在抛光盘2上进行，抛光垫为Dow公司的IC1010。步骤C在抛光盘3上进行，抛光垫为Fujibo公司的H7000。抛光液流速为150ml/min。抛光后的铜图形晶片的碟型凹陷在80×80微米的铜块处用XE-300P轮廓仪所测得。

表4：本发明的抛光方法实施例1～6和对比实施例1～3

表5：本发明的抛光方法实施例1～6和对比实施例1～3的抛光结果

铜化学机械抛光被用于金属层的多层叠堆，在这个过程中始终存在保证性能的同时将产能、抛光垫使用寿命最大化的挑战。为了保证产能，要求铜去除速率高，通常会造成铜抛光后的碟形凹陷大，同时，由于第3步抛光要去除阻挡层，部分介电层及铜，往往是3步抛光中时间最长的一步，是产能的瓶颈。

从以上结果可以看出，在以往的抛光工艺中(对比1)，由于铜抛光液的去除速率低，碟型凹陷大，需要用第1和第2个抛光盘在不同的压力下去除铜，以减小碟型凹陷。三个抛光盘的抛光时间都相对比较长，产能较低。而本发明的铜抛光液添加了磷酸酯类表面活性剂，具有去除速率高，碟型凹陷小的特点，用以往的工艺进行抛光时，第1和第2个抛光盘所用的时间大大减少，但第3个抛光盘的抛光时间较长，是提高产能的瓶颈(对比2)。为了满足产能的要求并使抛光盘的抛光时间匹配，需要使用高研磨颗粒含量，高去除速率的阻挡层抛光液(抛光液对比2和抛光工艺对比3)。使得阻挡层抛光液的使用成本增加。本发明的工艺方法是用具有高去除速率，低碟型凹陷的铜抛光液一步抛光去除铜，在第2个抛光盘上用研磨颗粒含量低但阻挡层去除速率较高的阻挡层抛光液去除阻挡层和部分二氧化硅覆盖层。第3个抛光盘上用介电材料抛光液去除覆盖层、部分低介电材料和铜。这个工艺使得阻挡层/介电层在每个抛光垫上的抛光时间减少，提高了产能且抛光后的碟形凹陷小、无铜残留。同时又进一步降低了阻挡层抛光液的研磨颗粒用量，减少了抛光原液的用量，降低了使用成本。而且，由于硬抛光垫(如Dow公司的IC1010)的寿命通常比软抛光垫(如Fujibo公司的H7000，Dow公司的politex)的寿命长，本发明的工艺方法将阻挡层、介电层去除在硬抛光垫上进行，减少了软抛光垫的使用时间，可以延长软抛光垫的使用寿命，有利于节约成本。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。

Claims (23)

1.一种用于铜互连抛光的工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：用铜化学机械抛光液去除铜并停在阻挡层表面；

步骤B：用阻挡层化学机械抛光液去除阻挡层和部分二氧化硅覆盖层(Caplayer)；

步骤C：用介电材料抛光液去除部分二氧化硅覆盖层、低介电材料和部分铜。

2.如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述步骤A、B、C的抛光压力为1.0～2.0psi，抛光头的转速为50～120rpm。

3.如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，其中所述铜抛光液包含研磨颗粒、络合剂、氧化剂和腐蚀抑制剂。

4.如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述阻挡层抛光液包含研磨颗粒、络合剂、腐蚀抑制剂和碳酸胍。

5.如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述介电材料抛光液包含研磨颗粒、络合剂、氧化剂和腐蚀抑制剂。

6.如权利要求3-5任一项所述的工艺方法，其特征在于，所述的研磨颗粒选自二氧化硅、氧化铝、掺杂铝或覆盖铝的二氧化硅、二氧化铈、二氧化钛、高分子研磨颗粒中的一种或多种。

7.如权利要求3所述的工艺方法，其特征在于，所述铜抛光液的研磨颗粒的重量百分比浓度为0.2～1％。

8.如权利要求4所述的工艺方法，其特征在于，所述阻挡层抛光液的研磨颗粒的重量百分比浓度为3～6％。

9.如权利要求5所述的工艺方法，其特征在于，所述介电材料抛光液的研磨颗粒的重量百分比浓度为5～10％。

10.如权利要求3-5任一项所述的工艺方法，其特征在于，所述的络合剂选自氨羧化合物及其盐、有机羧酸及其盐、有机膦酸及其盐和有机胺中的一种或多种。

11.如权利要求10所述的工艺方法，其特征在于，所述的氨羧化合物选自甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸、赖氨酸、精氨酸、组氨酸、丝氨酸、天冬氨酸、苏氨酸、谷氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、氨三乙酸、乙二胺四乙酸、环己二胺四乙酸、乙二胺二琥珀酸、二乙烯三胺五乙酸和三乙烯四胺六乙酸中的一种或多种；所述的有机羧酸为选自醋酸、草酸、柠檬酸、酒石酸、丙二酸、丁二酸、苹果酸、乳酸、没食子酸和磺基水杨酸中的一种或多种；所述的有机膦酸选自2-膦酸丁烷-1，2，4-三羧酸、氨基三甲叉膦酸、羟基乙叉二膦酸、乙二胺四甲叉膦酸、二乙烯三胺五甲叉膦酸、2-羟基膦酸基乙酸、乙二胺四甲叉膦酸和多氨基多醚基甲叉膦酸中的一种或多种；所述的有机胺选自乙二胺、二乙烯三胺、五甲基二乙烯三胺、多乙烯多胺、三乙烯四胺、四乙烯五胺中的一种或多种；所述的盐为钾盐、钠盐和/或铵盐。

12.如权利要求3-5任一项所述的工艺方法，其特征在于，所述的络合剂的含量为重量百分比0.05～5％。

13.如权利要求12所述的工艺方法，其特征在于，所述的络合剂的含量为重量百分比0.05～3％。

14.如权利要求3或5所述的工艺方法，其特征在于，所述的氧化剂为过氧化氢、过氧化脲、过氧甲酸、过氧乙酸、过硫酸盐、过碳酸盐、高碘酸、高氯酸、高硼酸、高锰酸钾和硝酸铁中的一种或多种。

15.如权利要求3-5任一项所述的工艺方法，其特征在于，所述的氧化剂的含量为重量百分比0.05～5％。

16.如权利要求3-5任一项所述的工艺方法，其特征在于，所述的腐蚀抑制剂为氮唑、咪唑、噻唑、吡啶和嘧啶类化合物中的一种或多种。

17.如权利要求16所述的工艺方法，其特征在于，所述的氮唑类化合物选自苯并三氮唑、5-甲基苯并三氮唑、5-羧基苯并三氮唑、1-羟基-苯并三氮唑、1，2，4-三氮唑、3-氨基-1，2，4-三氮唑、4-氨基-1，2，4-三氮唑、3，5-二氨基-1，2，4-三氮唑、5-羧基-3-氨基-1，2，4-三氮唑、3-氨基-5-巯基-1，2，4-三氮唑、5-乙酸-1H-四氮唑、5-甲基四氮唑、5-苯基四氮唑、5-氨基-1H-四氮唑和1-苯基-5-巯基-四氮唑中的一种或多种；所述的咪唑类化合物选自苯并咪唑和2-巯基苯并咪唑中的一种或多种；所述的噻唑类化合物选自2-巯基-苯并噻唑、2-巯基噻二唑和5-氨基-2-巯基-1，3，4-噻二唑中的一种或多种；所述的吡啶选自2，3-二氨基吡啶、2-氨基吡啶和2-吡啶甲酸中的一种或多种；所述的嘧啶为2-氨基嘧啶。

18.如权利要求3-5任一项所述的工艺方法，其特征在于，所述的腐蚀抑制剂的含量为重量百分比0.001～2％。

19.如权利要求18所述的工艺方法，其特征在于，所述的腐蚀抑制剂的含量为重量百分比0.005～1％。

20.如权利要求3-5任一项所述的工艺方法，其特征在于：所述的抛光液还可以含有至少一种阴离子表面活性剂。

21.如权利要求20所述的工艺方法，其特征在于：所述的阴离子表面活性剂为聚丙烯酸类表面活性剂、磷酸酯类表面活性剂。

22.如权利要求3-5任一项所述的工艺方法，其特征在于：所述的表面活性剂的含量为重量百分比0.0005～1％。

23.如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述步骤A中的铜抛光液的铜抛光速度至少为5000埃/分钟。