CN111826089B - Glsi多层布线高价金属在cmp中的应用 - Google Patents

Glsi多层布线高价金属在cmp中的应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种GLSI多层布线高价金属在CMP中的应用，为化学机械抛光平坦化提高稳定性提供一种新技术。所述多层布线高价金属的化合物替代氧化剂。CMP所用抛光液中含有与布线金属种类相同的布线高价金属化合物。采用本发明技术方案的抛光液可以稳定6个月以上，直接使用。使用时，不用专用设备的配置，简化了工艺，大大提高了抛光液的稳定性。而且，运输保存安全，不对设备产生腐蚀，使用更安全。

Description

GLSI多层布线高价金属在CMP中的应用
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，更具体的说，是涉及一种GLSI多层布线高价金属在CMP中的应用，以及含有布线高价金属化合物的CMP抛光液。
背景技术
极大规模集成电路(GLSI)从上世纪90年代集成度按摩尔定律以18个月翻一翻增加，每个几十平方毫米芯片可集成近百亿元器件，互联后才有设计功能，联线总长度达地球赤道几圈长。由于单层连会产生线线短路，IBM发明了分层连线的方法，连线间需绝缘介质。为防止布线金属工作中扩散连通短路，在介质与布线金属间加一层惰性金属即阻档层。布线首先用光刻蚀，做出布线槽，用电镀法把导线金属铺上，电镀后布线槽内外出现一层布线金属，且具有槽内低槽外高的高度差，在多层布线中平整度差应低于光刻的波长，IBM公司发明了化学机械抛光技术实现平坦化(CMP)。专家认为没有CMP就没有微电子发展。
目前，布线金属为铜、钌、钴等，化学作用就是在CMP条件下通过氧化剂作用将零价布线金属氧化成溶于水的产物被带走。目前，用于制备抛光液的氧化剂为双氧水(即过氧化氧)，但由于双氧水不稳定易分解，使得CMP速率不稳，只得现用现配。而且，双氧水运输保存危险，容易腐蚀设备。因此，急需研究一种稳定性好，使用安全的抛光液。
同时，现有抛光液在运输及储存过程中容易生成菌膜，由于生成菌膜的抛光液的有效成分发生了变化，只能废弃掉，给用户造成了损失。因此，抛光液的抑菌研究也是微电子行业急需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种采用布线高价金属化合物替代目前的氧化剂在CMP领域的应用。
本发明的另一个目的是提供一种稳定性好，使用安全的CMP抛光液。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种GLSI多层布线高价金属在CMP中的应用。
所述多层布线高价金属的化合物替代氧化剂。
CMP所用抛光液中含有与布线金属种类相同的布线高价金属化合物。
所述布线高价金属化合物为无机铜盐、有机铜盐、钴的高价盐或钌的高价盐。
所述布线高价金属化合物为柠檬酸铜、柠檬酸螯合铜、甘氨酸铜、[C0(NH3)6]Cl3、三氯化钴、三氟化钴、柠檬酸钴、三水氯化钌、十二羰基三钌、三氧化钌或四氧化钌。
一种CMP抛光液，所述抛光液中含有与布线金属种类相同的布线高价金属化合物0.1-60g/L。
还包括螯合剂0.1-60g/L。
所述布线高价金属化合物为无机铜盐、有机铜盐、钴的高价盐或钌的高价盐。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明GLSI多层布线高价金属在CMP中的应用采用布线高价金属离子化合物代替了CMP中的氧化剂，在CMP的条件下，凸处压力及动能大于凹处，布线高价金属离子在凸处克服化学势垒达到价键距离与零价布线金属发生氧化反应成为低价金属离子，低价金属离子被螯合剂络合为易溶的络合物带走，或者被氧化成溶于水的产物被带走；而凹处压力小，动能小，布线高价金属离子难以克服化学势垒，不反应或慢反应，凸处与凹处以高低速率差实现了平坦化。通过本发明的方案为化学机械抛光平坦化及稳定性开辟了新技术。
2、本发明的抛光液中以布线高价金属化合物替代双氧水等作为氧化剂，在CMP的条件下，凸处压力及动能大于凹处，布线高价金属离子在凸处克服化学势垒达到价键距离与零价布线金属发生氧化反应成为低价金属离子，低价金属离子被螯合剂络合为易溶的络合物带走，或者被氧化成溶于水的产物被带走；而凹处压力小，动能小，布线高价金属离子难克服化学势垒，不反应或慢反应，凸处与凹处以高低速率差实现了平坦化，满足了使用要求，简化了工艺，提高了性价比。而且，运输保存安全，不对设备产生腐蚀，使用更安全。
3、本发明的抛光液中，当抛光液中含有高价铜离子时，在常温条件下，高价铜离子使蛋白变性而杀菌，从而避免破坏抛光液中的有效成分，保障了运输和储存的安全，便于储存，稳定性高，使用方便。
4、本发明抛光液中以布线高价金属化合物替代双氧水等作为氧化剂，保障了抛光的速率，抛光效果好。
5、本发明的抛光液可以稳定6个月以上，直接使用。使用时，不用专用设备的配置，简化了工艺。而现有技术中加稳定剂的抛光液也只能存放3-5天，之后抛光速率迅速下降，只能现用现配。因此，本发明的技术方案大大提高了抛光液的稳定性。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明GLSI多层布线高价金属在CMP中的应用，所述多层布线高价金属的化合物替代氧化剂。CMP所用抛光液中含有与布线金属种类相同的布线高价金属化合物。
其中，所述布线高价金属化合物为无机铜盐、有机铜盐、钴的高价盐、钌的高价盐中的任一种。可以选择柠檬酸铜、柠檬酸螯合铜、甘氨酸铜、[C0(NH3)6]Cl3、三氯化钴、三氟化钴、柠檬酸钴、三水氯化钌、十二羰基三钌、三氧化钌及四氧化钌中等的至少一种。
本发明的CMP抛光液在现有抛光液中使用布线高价金属化合物替代氧化剂。布线高价金属化合物的金属离子种类与布线金属种类相同。
实施例1
布线金属为铜，布线高价金属化合物选用柠檬酸铜。
将磨料、柠檬酸铜、FA/O活性剂、JFC、硅树脂依次加入去离子水中混合充分搅拌配制成1000g碱性抛光液。其中：磨料采用粒径为15nm的硅溶胶，用量为0.1wt％；柠檬酸铜为0.5g/L；FA/O活性剂为0.1me/L；JFC为0.1me/L；硅树脂为1wt‰，去离子水补齐至1000g。
立即抛光：使用法国E460抛光机，在工作压力为1Psi，转速为90转/分钟，温度为23℃，流量为3O0me/min的条件下使用上述抛光液对铜膜抛光3min，速率为2512A/min。经检测，抛光后各项指标满足微电子领域的使用要求。
将上述抛光液放置183天，无菌膜产生。同样条件下进行抛光，速率为2522A/min，放置183天后抛光速率仍然十分稳定。经检测，抛光后各项指标满足微电子领域的使用要求。
实倒2
布线金属为铜，布线高价金属化合物选用柠檬酸螯合铜。
将磨料、FA/O螯合剂、柠檬酸螯合铜、FA/O活性剂、JFC、GPE依次加入去离子水中混合充分搅拌配制成1000g碱性抛光液。
其中，磨料采用粒径为80-1OOnm的硅溶胶，浓度为20wt％；FA/O螯合剂30g/L，柠檬酸螯合铜30g/L，FA/O活性剂30me/L，JFC 30me/L，消泡剂GPE 10wt‰，去离子水补齐1000g。
配置后立即抛光：在法国E46O抛光机，工作压力为5Psi，转速为90转/分钟，温度为23℃，流量为3O0me/min的条件下对铜膜抛光3分钟速率为2981A/min。放置183天，在相同条件下对铜膜CMP平坦化，速率为3005A/min，183天后仍然非常稳定。经检测，抛光后各项指标满足微电子领域的使用要求。
实施例3
布线金属为铜，布线高价金属化合物选用柠檬酸螯合铜。
将磨料、柠檬酸螯合铜、FA/O活性剂、JFC、硅树脂依次加入去离子水中混合充分搅拌配制成1000g碱性抛光液。
其中，磨料采用粒径为80-1OOnm的硅溶胶，浓度为10wt％；柠檬酸螯合铜30g/L，FA/O活性剂30me/L，消泡剂GPE 5wt‰，去离子水补齐1000g。
配制后立即抛光：在法国E46O抛光机在工作压力为3Psi，转速为140转/分钟，温度为23℃，流量为3O0me/min的条件下抛光3分钟速率为2861A/min。放置180天，在相同条件下对铜膜CMP平坦化，速率为2965A/min，很稳定。经检测，抛光后各项指标满足微电子领域的使用要求。
实施例4
布线金属为铜，线高价金属化合物选用甘氨酸铜。
在配制好的阻档层抛光液中加入2g/L的甘氨酸铜，在标准条件下抛阻挡层图型片速率V介质为750A/min，Vcu为520A/min。放置180天后，在同样标准情况下抛光阻挡层图型片，V介质为760A/min，Vcu为514A/min，稳定性好。选择比为1.66，平坦化度<3％，很好的满足了微电子领域的生产要求。
实施例5
布线金属为钌，布线高价金属化合物选用十二羰基三钌。
将磨料、FA/0螯合剂、活性剂50me/L、十二羰基三钌与去离子水混合配置成抛光液。磨料选用粒径为40nm硅溶胶10Wt％，FA/0螯合剂5me/L，活性剂50me/L，十二羰基三钌l5g/L，去离子水余量。
使用上述抛光液在标准条件下抛光，经检测，抛光后各项指标满足微电子领域的要求。放置180天后，在相同条件下抛光，抛光速率没有下降，各项指标满足微电子领域的要求。
实施例6
布线金属为钴，布线高价金属化合物选用三氯钴氨络合物。
将硅溶胶粒经、三氯钴氨络合物、FA/O活性剂、FA/O螯合剂、去离子水配置成抛光液。其中，硅溶胶粒经60nm，浓度5Wt％，三氯钴氨络合物15me/L；FA/O活性剂50me/L；FA/O螯合剂10me/L,去离子水余量。
使用上述抛光液在标准条件下抛光，经检测，抛光后各项指标满足微电子领域的要求。放置180天后，在同样条件下抛光，抛光速率没有下降，各项指标满足微电子领域的要求。
本发明的抛光液中，以布线高价金属离子的可溶性盐替代双氧水作为氧化剂，实现了6个月以上的稳定性。布线高价金属离子通常与零价布线金属不反应，在CMP压力下使凸处的布线高价金属离子与游离态零价布线金属克服化学势垒达到价键距离，又有高速旋转高动能，致使布线高价金属离子与零价布线金属反应生成布线低价金属离子，布线高价金属离子不稳定，一部分被使用强螯合剂络合成极稳定易溶的布线金属氨络合物，一部分被溶解在溶液中，以易溶络合物形式随抛光液带走，当采用河北工业大学刘玉岭教授发明的具有13个以上螯合环的FA/0螯合剂时，FA/0螯合剂为强螯合剂，且易溶，器件表面附很少，在美国硅谷新产品测试中心检测，河北工业大学CMP抛光液金属离子大于2000PPm，而美国Cabot小于1个ppm，河北工业大学IC漏电流10-12，而美国Cabot漏电流为10-11，低一个数量级。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种GLSI多层布线高价金属在CMP中的应用，其特征在于，CMP所用抛光液中的氧化剂为与布线金属种类相同的布线高价金属化合物；所用抛光液为碱性抛光液；所述布线高价金属化合物为柠檬酸铜、柠檬酸螯合铜、甘氨酸铜、[Co(NH3)6]Cl3、三氯化钴、三氟化钴、柠檬酸钴、三水氯化钌、十二羰基三钌、三氧化钌或四氧化钌。
2.根据权利要求1所述的GLSI多层布线高价金属在CMP中的应用，其特征在于，所述抛光液中含有与布线金属种类相同的布线高价金属化合物0.1-60g/L。
3.根据权利要求2所述的GLSI多层布线高价金属在CMP中的应用，其特征在于，所述抛光液中还包括螯合剂0.1-60g/L。
4.根据权利要求1所述的GLSI多层布线高价金属在CMP中的应用，其特征在于，所述抛光液由磨料、柠檬酸铜、FA/O活性剂、JFC、硅树脂及去离子水组成。
5.根据权利要求4所述的GLSI多层布线高价金属在CMP中的应用，其特征在于，所述磨料采用粒径为15nm的硅溶胶，用量为0.1wt％；柠檬酸铜为0.5g/L；FA/O活性剂为0.1me/L；JFC为0.1me/L；硅树脂为1wt‰，余量的去离子水。
6.根据权利要求1所述的GLSI多层布线高价金属在CMP中的应用，其特征在于，所述抛光液由磨料、FA/O螯合剂、柠檬酸螯合铜、FA/O活性剂、JFC、消泡剂GPE及去离子水组成。
7.根据权利要求6所述的GLSI多层布线高价金属在CMP中的应用，其特征在于，所述磨料采用粒径为80-100nm的硅溶胶，浓度为20wt％；FA/O螯合剂30g/L，柠檬酸螯合铜30g/L，FA/O活性剂30me/L，JFC 30me/L，消泡剂GPE 10wt‰，去离子水余量。
8.根据权利要求1所述的GLSI多层布线高价金属在CMP中的应用，其特征在于，所述抛光液由磨料、FA/O螯合剂、活性剂、十二羰基三钌与去离子水配置而成，所述磨料选用粒径为40nm硅溶胶10Wt％，FA/O螯合剂5me/L，活性剂50me/L，十二羰基三钌l5g/L，去离子水余量。
9.根据权利要求1所述的GLSI多层布线高价金属在CMP中的应用，其特征在于，所述抛光液由硅溶胶、三氯钴氨络合物、FA/O活性剂、FA/O螯合剂及去离子水配置成；其中，硅溶胶粒径60nm，浓度5Wt％，三氯钴氨络合物15me/L；FA/O活性剂50me/L；FA/O螯合剂10me/L,去离子水余量。
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