CN103898511A

CN103898511A - 一种用于铜互连抛光的工艺方法

Info

Publication number: CN103898511A
Application number: CN201210585146.8A
Authority: CN
Inventors: 荆建芬; 王雨春; 张建; 蔡鑫元; 姚颖; 陈宝明
Original assignee: Anji Microelectronics Shanghai Co Ltd
Current assignee: Anji Microelectronics Shanghai Co Ltd
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2014-07-02

Abstract

本发明公开了用于铜互连化学机械抛光的工艺方法，包括以下步骤：第一步，用铜抛光液去除铜覆盖层并对表面进行平坦化；第二步，用抛光液去除钽阻挡层；第三步，用抛光液去除部分介电层和铜，并对表面进行平坦化。采用优化工艺进行抛光可在维持好的抛光效果的同时，提高产能。

Description

一种用于铜互连抛光的工艺方法

技术领域

本发明涉及用于铜互连抛光的工艺方法。

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。

公开号为US20090045164A1的专利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。

公开号为US20030008599A1的专利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。

公开号为US20030008599A1的专利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

为了解决上述技术问题，本发明的一方面在于提供一种一步法去除铜的抛光方法。本发明提供的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、二氧化硅覆盖层(Caplayer)、部分低介电材料(BD)和部分铜。其中，步骤B可分为两步步骤。

其中，步骤A的抛光压力为1.0～2.0psi，抛光头的转速为50～120rpm，步骤B的抛光压力为1.0～2.0psi，抛光头的转速为50～120rpm。

其中，铜抛光液包含研磨颗粒、络合剂、氧化剂，腐蚀抑制剂，阻挡层抛光液包含研磨颗粒、络合剂、氧化剂，腐蚀抑制剂。

上述抛光液中的研磨颗粒为二氧化硅、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。研磨颗粒的重量百分比浓度为0.2～10％.

上述抛光液中的络合剂为氨羧化合物及其盐、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。上述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；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；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；上述盐为钾盐、钠盐和/或铵盐。

上述抛光液中的络合剂的含量为重量百分比0.05～5％，较佳为重量百分比0.05～3％。

上述抛光液中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。氧化剂的含量为重量百分比0.05～5％。

上述抛光液中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。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；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；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；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；嘧啶为2-氨基嘧啶。腐蚀抑制剂的含量为重量百分比0.001～2％，优选地为重量百分比0.005～1％。

上述铜抛光液或阻挡层抛光液还含有至少一种表面活性剂。表面活性剂较佳地为阴离子表面活性剂。阴离子表面活性剂较佳地为聚丙烯酸类表面活性剂、磷酸酯类表面活性剂，表面活性剂为重量百分比0.0005～1％。

上述工艺方法中，铜互连工艺包括晶圆内的铜互连（BEOL Cu line）和/或晶圆间的铜互连（TSV硅通孔）。且上述铜化学机械抛光液对晶圆内的铜互连中铜的去除速率至少为5000埃/分钟，对晶圆间的铜互连中铜的去除速率至少为10000埃/分钟。

本发明采用了一种具有低碟型凹陷的铜抛光液和以下抛光方法：步骤A：在第一个抛光盘上去除铜，步骤B：去除钽阻挡层、二氧化硅覆盖层（Caplayer）、部分低介电材料（BD）和部分铜。优选地，步骤B可分为两步骤，分别在第二和第三个抛光盘上进行。其中，第一个抛光盘使用的是铜抛光液，第二个和第三个抛光盘使用阻挡层抛光液。

本发明的积极进步效果在于：与传统的抛光工艺流程（第一和第二个抛光盘上去除铜，第三个抛光盘上去除阻挡层和部分介电层），本发明采用了一种具有低碟型凹陷的铜抛光液和新的工艺流程（第一个抛光盘上去除铜，第二和第三个抛光盘上去除阻挡层和部分介电层），在保持较低的碟型凹陷的条件下，优化了三个抛光步骤的抛光时间，使得三个抛光步骤的抛光时间更加匹配，三个步骤的最长抛光时间小于传统抛光工艺的最长抛光时间，产能得到提高。

附图说明

图1为使用本发明抛光方法进行抛光前，图形晶圆的示意图；

图2A-2C分别为使用本发明抛光方法进行抛光时，进行第一步（步骤A），第二步和第三步（步骤B）后，图形晶圆的示意图；

图3A-3C分别为使用现有技术抛光方法进行抛光时，进行第一步，第二步，第三步后，图形晶圆的示意图；

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给出了本发明的阻挡层化学机械抛光液的实施例6～10和对比例2，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阻挡层抛光液实施例6～10和对比例2

用表1和表2中的抛光液进行抛光。抛光方法和参数见表3。抛光结果见表4。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分别在抛光盘2和3上进行，抛光盘2上的抛光垫为Dow公司的IC1010，抛光盘3的抛光垫为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3：本发明的抛光方法实施例1～6和对比实施例1～3

表4：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

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个抛光盘上去除阻挡层、部分二氧化硅覆盖层，在第3个抛光盘上在去除残留的覆盖层和部分低介电层，第2和第3个抛光盘上使用同一种低研磨颗粒含量的阻挡层抛光液。这个工艺使得阻挡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，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和部分二氧化硅覆盖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

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、二氧化硅覆盖层、部分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B可分为两步进行。

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

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

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

6.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、氧化剂，腐蚀抑制剂。

7.如权利要求5或6所述的工艺方法，其特征在于，所述的研磨颗粒为二氧化硅、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。

8.如权利要求5或6所述的工艺方法，其特征在于，所述的研磨颗粒的重量百分比浓度为0.2～10％．

9.如权利要求5或6所述的工艺方法，其特征在于，所述的络合剂为氨羧化合物及其盐、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。

10.如权利要求9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；所述的有机膦酸为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；所述的有机胺为乙二胺、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。

11.如权利要求5或6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％。

12.如权利要求11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％。

13.如权利要求5或6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。

14.如权利要求5或6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％。

15.如权利要求5或6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。

16.如权利要求15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。

17.如权利要求5或6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％。

18.如权利要求17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％。

19.如权利要求5或6所述的工艺方法，其特征在于，所述的抛光液还含有至少一种表面活性剂。

20.如权利要求19所述的工艺方法，其特征在于：所述的表面活性剂为阴离子表面活性剂。

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5或6所述的工艺方法，其特征在于：所述的表面活性剂为重量百分比0.0005～1％。

23.如权利要求1所述的工艺方法，其特征在于，所述铜互连工艺包括晶圆内的铜互连和/或晶圆间的铜互连。

24.如权利要求23所述的工艺方法，其特征在于，所述的铜化学机械抛光液对晶圆内的铜互连中铜的去除速率至少为5000埃/分钟。

25.如权利要求23所述的工艺方法，其特征在于，所述的铜化学机械抛光液对晶圆间的铜互连中铜的去除速率至少为10000埃/分钟。