CN1398938A - 超大规模集成电路多层铜布线化学机械全局平面化抛光液 - Google Patents
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Abstract
一种超大规模集成电路多层铜布线用化学机械全局平面化抛光液，其组成成分是：(重量％)磨料18～50，螯合剂0.1～10，络合剂0.005～25，活性剂0.1～10，氧化剂1～20，余量为去离子水。该抛光液损伤小、平整度高、易清洗；不腐蚀设备，不污染环境；选择性强，速率高；价格便宜，成本低。用于超大规模集成电路多层铜布线化学机械全局平面化抛光。
Description
本发明技术领域：
本发明属于一种抛光剂，特别涉及一种超大规模集成电路多层铜布线用化学机械全局平面化抛光液。
本发明的背景技术：
随着微电子技术的发展，甚大规模集成电路芯片集成度已高达几十亿个元器件，特征尺寸已进入纳米级，这就要求微电子工艺中的近百道工序，尤其是多层布线(最高已达10多层)、衬底、介质必须进行化学机械全局平整化，而化学机械抛光是已被证明的最好的平整化方法。甚大规模集成电路多层布线金属正由传统的Al向Cu转化，Cu布线与Al布线相比，电阻率低，抗电迁移率高，RC延迟时间短；可使布线层数减少一半，成本降低30％，加工时间缩短40％。Cu布线的优势已引起了研究人员和工业界的广泛关注，从1991年开始，美国的Cabot、IBM、Motorola，法国的LETI、CNET，德国的FRAUNHOFER及日本Fujimi、住友化学工业公司、台湾地区等都进行封闭性研究，呈现出激烈的竞争势头。但化学机械抛光动力学过程和相关机理未能搞清，尤其是达到高选择性、高速率。以硅为衬底的集成电路，通过金属导线互联，将元器件互联形成功能电路和部件。随着集成度的迅速增加，为了保证φ200nm硅衬底上进行高质量光刻，每层均需进行严格的化学机械全局平面化。对铜布线每层进行化学机械全局平面化，目前最先进的抛光液为CN1312845A公开的美国专利，该抛光液的磨料选用煅制的Al2O3磨料，煅制的Al2O3硬度高、分散度大、抛光表面损伤层深。
为了保证铜布线与介质的选择性，目前甚大规模集成电路芯片多层铜布线，还用Ta和TaN做阻断层。这要求在抛铜时，铜有较高的速率，而介质Ta或TaN由较低的速率；同时凸铜速率高，凹同速率低的特点，即选择性高实现高平整。抛光后铜离子及表面吸附物易去除。现公开的专利文献和非专利文献都没有提供成功解决上述问题的抛光液与配制方法。
本发明的技术内容：
本发明的目的是要解决现有抛光液对抛光表面抛光难度大，酸性抛光液对设备腐蚀污染严重，碱性抛光液氧化剂选择困难；去除速率低，磨料引起损伤层深，抛光表面难以达到全局平面化等问题，从而提供了一种去除速率高、损伤小、污染少的超大规模集成电路多层铜布线用化学机械全局平面化抛光液。
本发明的技术解决方案如下：
超大规模集成电路多层铜布线用化学机械全局平面化抛光液的组成成分如下：(重量％)
磨料 18～50， 螯合剂 0.1～10，
络合剂 0.005～25， 活性剂 0.1～10，
氧化剂 1～20， 去离子水 余量。
所说的磨料的粒径15～30nm水溶硅溶胶或金属氧化物水溶胶，如SiO2、CeO2、Al2O3、ZrO、MgO。
所说的螯合剂是具有溶于水、无金属离子的羟胺、胺盐、胺。
所说的络合剂同时起PH调节剂的作用，是多羟多胺、胺盐、胺。
所说的活性剂是非离子表面活性剂，如脂肪醇聚氧乙烯醚，聚氧乙烯烷基胺，烷基醇酰胺，FA/O活性剂。
所说的氧化剂是非金属氧化物，如过氧化氢。
抛光液的PH为8.5～12、粒径为15～40nm。
本发明与现有技术相比有如下优点：
1、磨料：本发明采用硬度小的水溶性SiO2胶体，而Cabot公司的抛光液则采用硬度大、煅制的Al2O3；本发明粒径为15～20nm，而Cabot公司的抛光液粒径约为400nm；本发明浓度为40％以上，而Cabot公司的抛光液最高浓度为15％；因此该发明用于抛光损伤小、平整度高、易清洗。
2、本发明抛光液呈碱性，pH＞9；Cabot公司的抛光液呈酸性，pH为4～7；因而本发明抛光液不腐蚀设备，不污染环境。
3、本发明铜的抛光速率可达到900nm(可控)，而Cabot公司的抛光液速率小于300nm。
4、＞0.2μm的粒子个数/片颗粒去除效果：本发明抛光液颗粒去除效果＜10，而Cabot公司的抛光液则＞30。
5、采用粒径＜30nm水溶硅溶胶做磨料，螯合剂采用具有溶于水、无金属离子的羟胺、胺盐、胺，不用苯并三唑等做成膜剂。
6、络合剂选择多羟多胺同时起PH调节剂的作用，由于多羟多胺对铜离子极强的络合作用，又起到了助氧剂的作用，因此只用过氧化氢就达到了对铜快速氧化的目的。
7、用非离子表面活性剂，能对磨料和反应产物从衬底表面有效脱吸作用。
8、工艺简化，价格便宜，成本低。选择性强，速率高。
本发明具体实施方式如下：
实施例1： 配制100克的抛光液：
取40克的磨料硅溶胶，粒径15～20nm，在强烈搅拌下，逐渐加入6克的螯合剂六羟丙基丙二胺，同时起络合剂的作用。再加入1克的氧化剂过氧化氢，加入5克的FA/O活性剂，其余加入去离子水，便制得100克的本发明抛光液。
试验监测：该抛光液PH为9.8、粒径为15～20nm。
速率试验：用配好的抛光液在风雷C6382I/YJ型抛光机，向下压力250克/cm2，底盘转速80转/分，流量200ml/分。
对已电镀铜的衬底硅片进行抛光，测得铜的平均去除速率为870nm/min。
＞0.2μm的粒子：8个/片。
实施例2： 配制100克抛光液：
取18克的CeO2磨料，在强烈搅拌下逐渐加入6克氧化剂过氧化氢，加入26克的螯合剂四羟乙基乙二胺四乙酸四胺盐，同时起络合剂的作用。再加入10克聚氧乙烯烷基胺活性剂(或脂肪醇聚氧乙烯醚)，其余加去离子水。便制得100克的本发明抛光液。
试验监测：该抛光液PH为9.4、粒径为15～20nm。
速率试验：用配好的抛光液在风雷C6382I/YJ型抛光机，向下压力250克/cm2，底盘转速80转/分，流量200ml/分。
对已电镀铜的衬底硅片进行抛光，测得铜的平均去除速率为810nm/min。
＞0.2μm的粒子：8个/片。
实施例3： 配制1000克的抛光液：
取500克的硅溶胶(粒径15～30nm)，在强烈搅拌下加入10克烷基醇酰胺活性剂，加入240克的四羟乙基乙二胺络合剂，同时起到PH调制剂作用，加入100克过氧化氢氧化剂，加入10克的13个螯合环的羟胺螯合剂，余量加去离子水，便制得1000克的本发明抛光液。
试验监测：该抛光液PH为10.5、粒径为15～30nm。
速率试验：用配好的抛光液在风雷C6382I/YJ型抛光机，向下压力250克/cm2，底盘转速80转/分，流量200ml/分。
对已电镀铜的衬底硅片进行抛光，测得铜的平均去除速率为823nm/min，钽的平均去除速率为12nm/min，SiO2的平均去除速率为41nm/min。
＞0.2μm的粒子：7个/片。
Claims (7)
1、一种超大规模集成电路多层铜布线用化学机械全局平面化抛光液，其特征在于：抛光液的组成成分如下：(重量％)
磨料 18～50， 螯合剂 0.1～10，
络合剂 0.005～25， 活性剂 0.1～10，
氧化剂 1～20， 去离子水 余量。
2、按照权利要求1所说的抛光液，其特征在于：所说的磨料粒径15～30nm水溶硅溶胶或金属氧化物水溶胶，如SiO2、CeO2、Al2O3、ZrO、MgO。
3、按照权利要求1所说的抛光液，其特征在于：所说的螯合剂是具有溶于水、无金属离子的羟胺、胺盐、胺。
4、按照权利要求1所说的抛光液，其特征在于：所说的络合剂同时起PH调节剂的作用，是多羟多胺、胺盐、胺。
5、按照权利要求1所说的抛光液，其特征在于：所说的活性剂是非离子表面活性剂，如脂肪醇聚氧乙烯醚，聚氧乙烯烷基胺，烷基醇酰胺，FA/O活性剂。
6、按照权利要求1所说的抛光液，其特征在于：所说的氧化剂是非金属氧化物，如过氧化氢。
7、按照权利要求1所说的抛光液，其特征在于：抛光液的PH为8.5～12、粒径为15～40nm。
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