CN105619235A - 控制glsi多层铜布线精抛碟形坑延伸的碱性抛光液应用 - Google Patents

控制glsi多层铜布线精抛碟形坑延伸的碱性抛光液应用 Download PDF

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贾少华
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Abstract

本发明涉及一种控制GLSI多层铜布线精抛碟形坑延伸的碱性抛光液应用，主要由纳米Si02水溶胶、复合磨料、FA/O？I型非离子表面活性剂、FA/O？II型鳌合剂和双氧水组成的碱性抛光液，其特征是：所述FA/O？I型非离子表面活性剂利用优先物理吸附特性，有效控制精抛过程中碟形坑延伸的应用。有益效果：本发明依据优先吸附理论和流体力学滞留层数学模型，在精抛完全去除残余铜的前提下，有效控制了碟形坑的延伸。选用FA/O型表面活性剂，利用其优先物理吸附特性，有效实现了精抛过程对碟形坑延伸的控制，在减小精抛后晶圆表面粗糙度的同时有利于精抛后清洗的进行。

Description

控制GLSI多层铜布线精抛碟形坑延伸的碱性抛光液应用
技术领域
本发明属于化学机械抛光领域，尤其涉及一种控制GLSI多层铜布线精抛碟形坑延伸的碱性抛光液应用。
背景技术
随着极大规模集成电路(GLSI)新一代技术节点尺寸的不断减小，一种新的平坦化技术——化学机械平坦(CMP)化成为实现局部和全局平坦化最有效的唯一方法，多层互联铜布线的CMP过程包括粗抛、精抛以及阻挡层抛光三个过程，在粗抛实现初步的平坦化之后，精抛的主要目的是在完全去除粗抛后残余铜的前提下，控制碟形坑的延伸使其满足工业要求，此外要求精抛过程对阻挡层材料抛光速率趋于零。国际上普遍采用酸性抛光液进行多层铜布线平坦化，生产商主要有Cabot、Rodel等公司，但随着集成电路集成度的不断提高以及技术节点尺寸进一步向45nm以下发展，酸性抛光液暴露出含有毒性的腐蚀抑制剂苯并三氮唑等、强机械作用导致精抛后晶圆表面碟形坑、蚀坑延伸严重无法满足微电子技术发展要求以及难以清洗等问题，多层铜布线平坦化所使用抛光液由酸性转向中性或弱碱性。在精抛过程中，凸处铜膜受到一定的抛光压力加之高速转动抛光垫的摩擦作用，具有较大动能的络合剂分子能够克服反应势垒而大量地达到活化状态发生迅速反应，生成极稳定且易溶的铜胺络合物。而凹处铜膜从动力学角度来讲受到的抛光压力、流量与转速相对凸处较小，晶圆凹处络合剂反应分子能量小，反应物分子无法克服反应势垒，凹处慢反应或不发生反应，以此实现较高的高低去除速率差。
目前精抛存在的世界性难题在于碟形坑的延伸难以控制，因为精抛前剩余高低差较粗抛前小得多，而抛光垫因具有一定的压缩比会产生形变，如图1所示，这样导线槽处的铜膜受到的机械作用更强，大大降低了精抛的高低去除速率差。此外，粗抛后晶圆表面残余铜厚度不可能完全均匀，如图2所示，在去除残余铜厚度较小以及无残余铜处铜膜时，形变后的抛光垫使得晶圆表面凹槽处铜膜向深处延伸，导致碟形坑的不断延伸。目前进行碱性抛光液研究的包括美国Rohm&Hass、日本住友化学工业、台联、台基电、华联以及大陆的安集微电子有限公司，其在精抛过程通过加入苯并三氮唑(BTA)和甲基苯并三氮唑等抗蚀剂来增强凹处铜膜的抗蚀作用，减小碟形坑的延伸，但抗蚀剂的加入不仅会造成环境污染以及机械作用过强等问题，还会由于Cu-BTA膜的生成给CMP后清洗带来极大的难度，此外，Cu-BTA单分子膜中所包含的铜会产生较大的漏电流，大大降低产品的可靠性。因此，14nm技术节点要求的碟形坑为零以及解决难度大的65nm技术节点碟形坑仍在左右等技术问题是工业规模生产以及微电子技术进一步发展的瓶颈，如何在碱性条件下不使用毒性抗蚀剂而最大程度地控制凹槽处碟形坑的延伸成为决定精抛后晶圆质量的重要因素。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种控制GLSI多层铜布线精抛碟形坑延伸的碱性抛光液应用，在不使用毒性抗蚀剂前提下，最大程度地控制布线槽处碟形坑的延伸，同时满足对阻挡层材料抛光速率趋于零的要求，提高了多层铜布线精抛的平坦化性能。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种控制GLSI多层铜布线精抛碟形坑延伸的碱性抛光液应用，主要由纳米Si02水溶胶、复合磨料、FA/OI型非离子表面活性剂、FA/OII型鳌合剂和双氧水组成的碱性抛光液，其特征是：所述FA/OI型非离子表面活性剂利用优先物理吸附特性，有效控制精抛过程中碟形坑延伸的应用。
所述碱性抛光液，主要组成成分，按重量百分比计，包括粒径15—15Onm的纳米Si02水溶胶1—5％，复合磨料0.1—3％，FA/OI型非离子表面活性剂0.5—10％，FA/OII型鳌合剂0.1—1％，双氧水1-10％。
所述复合磨料为A12O3和CeO2中的一种或两种混合,磨料粒径与Si02水溶胶粒径相同。
有益效果：与现有技术相比，本发明依据优先吸附理论和流体力学滞留层数学模型，在精抛完全去除残余铜的前提下，有效控制了碟形坑的延伸。选用FA/O型表面活性剂，利用其优先物理吸附特性，有效实现了精抛过程对碟形坑延伸的控制，在减小精抛后晶圆表面粗糙度的同时有利于精抛后清洗的进行；碱性精抛液成分简单、不含有毒性苯并三氮唑，采用复合磨料、表面活性剂以及鳌合剂为主要成分，对设备无腐蚀，既环保又大大降低了了生产成本；选用的鳌合剂可与晶片表面残留的金属离子发生反应,生成可溶性的大分子鳌合物,在较小作用下即可脱离晶片表面,同时可起到缓冲和缓蚀的作用。
附图说明
图1是粗抛与精抛晶圆表面剩余高低差区别示意图；
图2是多层铜布线粗抛后结构示意图；
图3是FA/O型螯合剂分子结构；
图4是表面活性剂对精抛后碟形坑的影响示意图。
图5是实施例1不添加表面活性剂时精抛后碟形坑延伸示意图；
图6是实施例2添加表面活性剂时精抛后碟形坑得到修正图。
具体实施方式
下面结合较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
一种控制GLSI多层铜布线精抛碟形坑延伸的碱性抛光液应用，主要由纳米Si02水溶胶、复合磨料、FA/OI型非离子表面活性剂、FA/OII型鳌合剂和双氧水组成的碱性抛光液，所述FA/OI型非离子表面活性剂利用优先物理吸附特性，有效控制精抛过程中碟形坑延伸的应用。所述碱性抛光液，主要组成成分，按重量百分比计，包括粒径15—15Onm的纳米Si02水溶胶1—5％，复合磨料0.1—3％，FA/OI型非离子表面活性剂0.5—10％，FA/OII型鳌合剂0.1—1％，双氧水1-10％。碱性抛光液以纳米Si02水溶胶为主要磨料，还包括复合磨料的协同作用，复合磨料为A12O3和CeO2中的一种或两种混合,磨料粒径与Si02水溶胶粒径相同。
碱性精抛液的配制方法，将0.1—3％的复合磨料边搅拌边加入1—5％的Si02水溶胶中或直接使用1—5％的Si02水溶胶，随后边搅拌边加入72—96.8％的去离子水，随后边搅拌边依次加入0-10％的活性剂，0.1-1％的鳌合剂，使用前加入1-10％的双氧水。
工作过程：
精抛工艺参数设置：抛光液流量100ml/min—300ml/min，抛光压力0.5—2.5psi，抛头转速50-100rpm，抛盘转速50-100rpm，抛光温度20—40℃。
工作原理
详见附图4，本发明碱性抛光液中FA/O型非离子表面活性剂的应用技术作用是：采用FA/O型非离子表面活性剂，利用其优先物理吸附特性和流体力学滞留层数学模型，使布线槽处吸附FA/O型非离子表面活性剂，增加了晶圆表面凹处滞留层厚度，阻滞质量传递过程，与反应产物的质量传递时间，有效控制了导线槽处铜膜的反应速率，有效降低凹槽处铜膜的反应速率，提高了铜膜的高低去除速率差，实现了对碟形坑延伸的有效控制使其满足工业生产要求。同时配合低压工艺，减小凹处铜膜所受机械作用，有效控制了碟形坑的延伸，同时满足对阻挡层材料抛光速率趋于零的要求，提高了多层铜布线精抛的平坦化性能。
实验与效果
配制两种不同的碱性精抛液各1kg，进行精抛实验并进行循环抛光使用。
实施例1
精抛液A的配制：取20g粒径100nmSi02水溶胶，边搅拌边加入30g同粒径CeO2磨料，之后边搅拌边加入900g去离子水，10gFA/OII型鳌合剂，进行精抛实验前加入40g的双氧水。
实施例2
精抛液B的配制：取20g粒径100nmSi02水溶胶，边搅拌边加入30g同粒径CeO2磨料，边搅拌边加入840g去离子水，之后边搅拌边加入60gFA/OI型表面活性剂、10gFA/OII型鳌合剂，进行精抛实验前加入40g的双氧水。
每次精抛循环时间60s，考查每次循环精抛后碟形坑的大小。抛光压力：1.0psi，抛光液流量：300ml/min，抛光头转速：80rpm。
详见附图5，不添加活性剂的情况下，精抛后的碟形坑相对于粗抛后碟形坑不但没有得到修正，反而有所延伸，精抛过后达到远远超出了工业对精抛后碟形坑要求范围，严重了晶圆的电参数及电器性能。
详见附图6，向同配比精抛液中加入60gFA/OI型表面活性剂，活性剂的优先吸附特性对碟形坑延伸的控制作用明显增强，精抛后碟形坑达到相对粗抛后碟形坑得到了很大程度上的修正，满足铜精抛过程中对碟形坑的工业要求。
详见附图3，所述的FA/OII型鳌合剂，FA/OI型表面活性剂均为天津晶岭微电子材料有限公司市售商品。
上述参照实施例对该一种控制GLSI多层铜布线精抛碟形坑延伸的碱性抛光液应用进行的详细描述，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 (3)

1.一种控制GLSI多层铜布线精抛碟形坑延伸的碱性抛光液应用，主要由纳米Si02水溶胶、复合磨料、FA/OI型非离子表面活性剂、FA/OII型鳌合剂和双氧水组成的碱性抛光液，其特征是：所述FA/OI型非离子表面活性剂利用优先物理吸附特性，有效控制精抛过程中碟形坑延伸的应用。
2.根据权利要求1所述的控制GLSI多层铜布线精抛碟形坑延伸的碱性抛光液应用，其特征是：所述碱性抛光液，主要组成成分，按重量百分比计，包括粒径15—15Onm的纳米Si02水溶胶1—5％，复合磨料0.1—3％，FA/OI型非离子表面活性剂0.5—10％，FA/OII型鳌合剂0.1—1％，双氧水1-10％。
3.根据权利要求1所述的控制GLSI多层铜布线精抛碟形坑延伸的碱性抛光液应用，其特征是：所述复合磨料为A12O3和CeO2中的一种或两种混合,磨料粒径与纳米Si02水溶胶粒径相同。
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