CN105647390A - 碱性抛光液改善cmp中阻挡层表面粗糙度的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种碱性抛光液改善CMP中阻挡层表面粗糙度的应用，主要由复合磨料、FA/O？Ⅱ螯合剂、FA/O？Ⅰ表面活性剂和超纯水组成碱性抛光液，其特征是：所述FA/O？Ⅰ表面活性剂具有的渗透能力特性，有效改善阻挡层表面粗糙度的应用。有益效果：本发明使用的碱性抛光液中的FA/O？I表面活性剂具有较强的渗透能力，有利于抛光液将抛光产物输运出去；FA/O？I表面活性剂分子利用润湿作用快速在片子表面铺展开，形成一层均匀致密的保护层；抛光液中FA/O？I表面活性剂可以加快抛光产物的质量传递，使得晶片的阻挡层表面凸凹处的去除速率不同，有利于减小凹凸处高低差，降低表面粗糙度，实现了抛光表面平坦化。

Description

碱性抛光液改善CMP中阻挡层表面粗糙度的应用
技术领域
本发明属于化学机械抛光领域，尤其涉及一种碱性抛光液改善CMP中阻挡层表面粗糙度的应用。
背景技术
在极大规模集成电路(GLSI)多层布线化学机械平坦(CMP)中，抛光后的表面粗糙度过高，会造成噪声增加、电特性一致性差、会影响器件频率特性如增加RC延迟时间等，从而影响集成度、可靠性、优品率及降低成本。而影响表面粗糙度的因素很多，涉及到抛光的工艺条件(如温度、压力、流量等)、抛光液的组成、抛光布的选择等等。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，在前两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，而且铜布线粗糙度大,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。
US20090045164AI公开了一种低介电材料抛光的/通用0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,在抛光覆盖层时向抛光液中加入添加剂来降低低介电材料的去除速率,改变了保护层与低介电材料的选择比,从而使抛光停在低介电材料上。US20030008599AI公开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。US20100130101AI公开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。上述的专利方法都没有提及抛光后能够有效改善表面粗糙度的问题。
表面粗糙度是极大规模集成电路制造中的一项重要参数，用来表征CMP前后表面质量的好坏，表面粗糙度越低说明抛光后的表面质量越高，也说明使用的抛光液和工艺条件是最优选择。极大规模集成电路制造行业亟待解决提高控制表面粗糙度一直是CMP的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种碱性抛光液改善CMP中阻挡层表面粗糙度的应用，碱性抛光液中的FA/OⅠ表面活性剂可以加快抛光产物的质量传递，使得阻挡层片表面凸凹处的去除速率不同，有利于减小凹凸处高低差，降低表面粗糙度，实现了抛光表面平坦化。
本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种碱性抛光液改善CMP中阻挡层表面粗糙度的应用，主要由复合磨料、FA/OⅡ螯合剂、FA/OⅠ表面活性剂和超纯水组成碱性抛光液，其特征是：所述FA/OⅠ表面活性剂具有的渗透能力特性，降低表面张力与铺展效应，加快了凸处的质量传递，有效改善阻挡层表面粗糙度的应用。
所述碱性抛光液主要组分为按重量百分比计，包括颗粒粒径为20-100nm的磨料1-30％、FA/OⅠ表面活性剂0.01-5％、FA/OII型鳌合剂0.1-10％，超纯水补足含量至重量百分比100％，pH值优选为9-12。
有益效果：与现有有技术相比，本发明使用的碱性抛光液中的FA/OI表面活性剂具有较强的渗透能力，它可以渗入晶片表面与吸附物之间，并不断扩展，并将吸附物托起，有利于抛光液将反应物与生成物输运出去；FA/OI表面活性剂分子利用润湿作用快速在片子表面铺展开，形成一层均匀致密的保护层，有利于抛光后清洗；抛光液中FA/OI表面活性剂可以加快抛光产物的质量传递，使得晶片的阻挡层表面凸凹处的去除速率不同，有利于减小凹凸处高低差，降低表面粗糙度，实现了抛光表面平坦化。
附图说明
图1是活性剂加快抛光产物质量传递示意图；
图2是活性剂对表面粗糙度的影响示意图；
图3是不同浓度活性剂对表面粗糙度的影响示意图。
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。
本实施例提供了一种碱性抛光液改善CMP中阻挡层表面粗糙度的应用，主要由复合磨料、FA/OⅡ螯合剂、FA/OⅠ表面活性剂和超纯水组成碱性抛光液，所述FA/OⅠ表面活性剂具有的渗透能力特性，有效改善阻挡层表面粗糙度的应用。
所述碱性抛光液主要组分为按重量百分比计，包括颗粒粒径为20-100nm的磨料1-30％、FA/OⅠ表面活性剂0.01-5％、FA/OII型鳌合剂0.1-10％，超纯水补足含量至重量百分比100％，pH值优选为9-12。超纯水的电阻率为18.1MΩ.cm。
FA/OⅡ型鳌合剂及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。
FA/OⅠ表面活性剂为OⅡ-7((C10H21-C6H4-O-CH2CH2O)7-H)、OⅡ-10((C10H21-C6H4-O-CH2CH2O)10-H)、O-20(C12一18H25一37-C6H4-O-CH2CH2O)7-H)或JFC的一种或几种混合。
工作原理
如图1所示，FA/OⅠ表面活性剂具有较强的渗透能力，其可以渗入片子表面与吸附物之间，并不断扩展，有利于抛光液将抛光携带的反应产物产物输运出去。另外，FA/OⅠ表面活性剂的亲水基团几乎占整个分子的2/3-4/5，向抛光液中加入表面活性剂，活性剂分子利用润湿作用快速在片子表面铺展开，形成一层均匀致密的保护层，同时，活性剂分子吸附时，以非极性碳氢链与固体连接为主，而亲水性的聚氧乙烯链则延伸到水中，形成了防止抛光产物吸附的空间屏障，有利于抛光后清洗。为了降低的表面粗糙度，本文在抛光液中引入了少量的Ⅰ型表面活性剂。这主要是因为FA/OⅠ表面活性剂可以加快凸处的反应物的质量传递，而凹处由于滞流层厚，降低了质量传递。正是由于活性剂的存在，使得阻挡层片表面凸凹处的去除速率不同，如图2所示，在凸处1，2，3去除速率快，在凹处4，5，6，7去除速率慢。有利于减小了凹凸处高低差，降低表面粗糙度，实现了抛光表面平坦化。
对比试验
准备5组对比试验，FA/OⅠ表面活性剂的用量分别为每升0ml,5ml,10ml,15ml,20ml,25ml,除此以外，其余组分的配液成份，工艺条件，抛光条件都完全相同。
准备纳米粒径15-150nm的纳米SiO2水溶胶500ml,1mlFA/OⅡ螯合剂,准备0ml,5ml,10ml,15ml,20ml,25ml一共6组FA/OⅠ表面活性剂，电阻率为18.1MΩ.cm的超纯水。
实施例1
将1mlFA/OⅡ螯合剂放入400ml超纯水中，然后在超纯水中倒入0ml的FA/OⅠ表面活性剂，在过程中不断搅拌，待其完全混合后加入少量超纯水使其溶液体积达到500ml,然后将这些混合溶液倒500ml的SiO2水溶胶中，过程中不断搅拌直至完全倒入。然后在工作压力：27.4kpa；抛光头/抛光盘转速：105/100rpm；流量:150mL/min，的工艺之下将图形片抛光180s，抛光之后用原子力显微镜检查阻挡层的表面粗糙度；
实施例2
将1mlFA/OⅡ螯合剂放入400ml超纯水中，然后在超纯水中倒入5ml的FA/OⅠ表面活性剂，在过程中不断搅拌，待其完全混合后加入少量超纯水使其溶液体积达到500ml,然后将这些混合溶液倒500ml的SiO2水溶胶中，过程中不断搅拌直至完全倒入。然后在工作压力：27.4kpa；抛光头/抛光盘转速：105/100rpm；流量:150mL/min，的工艺之下将图形片抛光180s，抛光之后用原子力显微镜检查阻挡层的表面粗糙度；
实施例3
将1mlFA/OⅡ螯合剂放入400ml超纯水中，然后在超纯水中倒入10ml的FA/OⅠ表面活性剂，在过程中不断搅拌，待其完全混合后加入少量超纯水使其溶液体积达到500ml,然后将这些混合溶液倒500ml的SiO2水溶胶中，过程中不断搅拌直至完全倒入。然后在工作压力：27.4kpa；抛光头/抛光盘转速：105/100rpm；流量:150mL/min，的工艺之下将图形片抛光180s，抛光之后用原子力显微镜检查阻挡层的表面粗糙度；
实施例4
将1mlFA/OⅡ螯合剂放入400ml超纯水中，然后在超纯水中倒入15ml的FA/OⅠ表面活性剂，在过程中不断搅拌，待其完全混合后加入少量超纯水使其溶液体积达到500ml,然后将这些混合溶液倒500ml的SiO2水溶胶中，过程中不断搅拌直至完全倒入。然后在工作压力：27.4kpa；抛光头/抛光盘转速：105/100rpm；流量:150mL/min，的工艺之下将图形片抛光180s，抛光之后用原子力显微镜检查阻挡层的表面粗糙度；
实施例5
将1mlFA/OⅡ螯合剂放入400ml超纯水中，然后在超纯水中倒入20ml的FA/OⅠ表面活性剂，在过程中不断搅拌，待其完全混合后加入少量超纯水使其溶液体积达到500ml,然后将这些混合溶液倒500ml的SiO2水溶胶中，过程中不断搅拌直至完全倒入。然后在工作压力：27.4kpa；抛光头/抛光盘转速：105/100rpm；流量:150mL/min，的工艺之下将图形片抛光180s，抛光之后用原子力显微镜检查阻挡层的表面粗糙度；
实施例6
将1mlFA/OⅡ螯合剂放入400ml超纯水中，然后在超纯水中倒入20ml的FA/OⅠ表面活性剂，在过程中不断搅拌，待其完全混合后加入少量超纯水使其溶液体积达到500ml,然后将这些混合溶液倒500ml的SiO2水溶胶中，过程中不断搅拌直至完全倒入。然后在工作压力：27.4kpa；抛光头/抛光盘转速：105/100rpm；流量:150mL/min，的工艺之下将图形片抛光180s，抛光之后用原子力显微镜检查阻挡层的表面粗糙度
详见附3，观察表面粗糙度，可以看出不同浓度活性剂对表面粗糙度的影响，FA/OⅠ表面活性剂的加入使抛光前后阻挡层的表面粗糙度有了明显的改善。可以明显看出，当抛光液中活性剂浓度为10mL/L时，抛光后表面平整度好，基本没有划伤，表面粗糙度达到最小。这主要是因为活性剂可以加快反应产物与反应剂的质量传递，这样可以使抛光过程中阻挡层表面低凹的部分受到保护，去除速率慢，而凸的部分磨蚀严重，去除速率快；同时由于活性剂能使抛光面表面张力显著下降，达到润湿表面并提高均一性，使表面划痕缺陷降低，可以证明应用FA/OⅠ表面活性剂，确实提高了表面粗糙度，可以达到有效控制提高改善阻挡层表面粗糙度的效果。
上述参照实施例对该一种碱性抛光液改善CMP中阻挡层表面粗糙度的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 (2)

1.一种碱性抛光液改善CMP中阻挡层表面粗糙度的应用，主要由复合磨料、FA/OⅡ螯合剂、FA/OⅠ表面活性剂和超纯水组成碱性抛光液，其特征是：所述FA/OⅠ表面活性剂具有的渗透能力特性，有效改善阻挡层表面粗糙度的应用。
2.根据权利要求1所述的碱性抛光液改善CMP中阻挡层表面粗糙度的应用，其特征是：所述碱性抛光液主要组分为按重量百分比计，包括颗粒粒径为20-100nm的磨料1-30％、FA/OⅠ表面活性剂0.01-5％、FA/OII型鳌合剂0.1-10％，超纯水补足含量至重量百分比100％，pH值优选为9-12。
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