CN1731567A - 集成电路铜互连一步化学机械抛光工艺及相应纳米抛光液 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于集成电路多层互连结构铜/钽化学机械抛光(CMP)的一步抛光工艺技术及相应纳米抛光液。对于互连结构的铜/钽多层膜体系的化学机械抛光，通过本发明的“一步抛光工艺”，单头抛光机能够代替昂贵的多头抛光机，实现多层膜的分步抛光。通过化学机械抛光过程中多层膜体系界面间在线检测信号(声学、力学、电学或光学信号)差异的反馈，对抛光液实施分段应用，有效改善了原有的单一抛光液或分步抛光中存在的低速率及选择性问题。该抛光工艺及相应纳米抛光液有效改善了单一抛光液的速率问题；以单头抛光机代替多头抛光机，降低了设备成本；同时抛光后表面损伤少、易清洗，抛光液不腐蚀设备、不污染环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种集成电路铜互连一步化学机械抛光工艺及所使用的纳米抛光液，更确切地说涉及一种铜互连结构中铜/钽多层膜体系化学机械抛光(CMP)的一步抛光工艺技术及相应纳米抛光液。更确切地说是一种在单头抛光机上用于铜/钽多层膜体系CMP的一步抛光工艺技术及相应纳米抛光液，以代替昂贵的多头抛光机上分步抛光工艺技术，本发明属于微电子辅助材料及超精密加工工艺技术领域。
背景技术
随着集成电路高集成化、特征尺寸微细化发展，多层互连结构中互连延迟在总延迟中所占比例不断增大，并发展为主要的延迟因素。特征线宽为0.5微米时，互连延迟约占总延迟的20％；而线宽减小至0.25微米时，互连引起的延迟约占总延迟的50％以上。降低互连延迟(RC)的主要手段包括：(1)降低互连金属的电阻率；(2)降低介质材料的介电常数；(3)采用金属布线多层化。尤其是特征线宽小至0.13微米及以下后，上述解决RC延迟的迫切性日益明显。与铝布线相比，铜具有低电阻率及高抗电迁移性等优点，为解决RC延迟引起的器件可靠性方面出现问题，铜互连工艺应运而生。由于铜难以刻蚀，需采用嵌入式(也称“大马士革”)工艺实现多层互连结构。相应的多余铜互连材料的去除和平坦化成为铜互连工艺中的关键工艺。为防止重金属铜在介质中的扩散，通常要在介质层上淀积一层金属阻挡层，目前常用的是金属钽、钛或其氮化物，其中应用最多的是金属钽。有关铜/钽的化学机械抛光已成为集成电路CMP工艺中关键技术难题，世界各大IC公司及消耗品公司分别进行了研究。美国Cabot微电子公司是铜/钽化学机械抛光(CMP)研究最多，且目前相关抛光液市场的占有率达90％以上。且提出不少专利申请，如US6063306，US6447371，US6217416，CN1312843，CN1312845分别公开了一种用于铜/钽CMP酸性氧化铝抛光液，均含有成膜剂苯并三唑(BTA)和氧化剂；US6126853，US5954997分别公开了用于铜/钛CMP的酸性氧化铝抛光液，其中为防止堞形坑(dishing)的形成，也加入了成膜剂BTA。此外美国摩托罗拉公司在US6001730中公开了一种用于铜/钽CMP的两步抛光工艺，而且其中用于铜CMP的抛光液中也包含有成膜剂BTA。
成膜剂BTA能与铜形成钝化膜，用于铜CMP抛光液中，能够减少由于化学腐蚀导致的堞形坑(dishing)，但是研究发现BTA的加入形成非常难以研磨去除的表面膜，大大降低了铜的去除速率；而且成膜剂BTA及其衍生物在氧化剂存在下会发生氧化降解，从而限制了其储放期限。以上所述的专利公开的抛光液中用于阻挡层钽的CMP时，均含有氧化剂成分，且磨料为煅烧氧化铝；研究表明：与钽相比，钽的氧化物更加难以去除，且煅烧的氧化铝磨料硬度较大，且表面往往尖锐，对抛光表面极易形成划伤。为此专利US6001730又提出采用两步工艺的方法对铜/钽进行平坦化，即采用对铜/钽具有高选择性抛光液对铜进行平坦化，清洗，然后再进行钽的去除及平坦化。这样铜/钽抛光分两次进行，之间需要停顿下来，对于昂贵的多头抛光机，可以不出抛光机就切换抛光头而实现二次抛光；但如果是单头抛光机(干进干出)，则中间过程将耗费很长时间，而且目前IC公司还拥有许多单头抛光机，若全部更新为多头抛光机，设备费用极其昂贵。为此，一种能够用于单头或多头抛光机的铜/钽多层膜CMP的一步抛光工艺及相应纳米抛光液成为本发明的内容。
发明内容
为克服现有铜/钽抛光液存在的问题，本发明提供一种集成电路铜互连结构中铜/钽多层膜体系CMP地一步抛光工艺技术及相应的纳米抛光液，也即本发明提出两种纳米抛光液，并针对单头抛光机的多层膜抛光提出了“一步抛光工艺法”，注意的是，本发明不只仅局限于单头抛光机，对于多头抛光机同样适用。为解决铜抛光过程中成膜剂BTA的加入形成难以去除表面膜的难题，本发明的第一种用于铜CMP的抛光液中不含成膜剂BTA及其衍生物，以去除速率较快的氧化铝作为磨料，并通过特选活性剂及促进剂增强了铜CMP的去除速率，而且不存在氧化剂与成膜剂BTA在一起时的氧化降解问题。本发明提供的用于钽CMP的抛光液中，为避免形成难以去除的钽氧化物，在抛光液中不加氧化剂成分；且为避免铜互连结构CMP中堞形坑(dishing)，在其中加入与铜形成难以去除的表面膜的成膜剂BTA及其衍生物；为避免氧化铝对表面的划伤，采用硬度适中的胶体氧化硅磨料，并调整抛光液的pH值为碱性，以保证抛光液的稳定性。本发明结合两种新型抛光液，通过在线检测技术实现抛光液的自动切换，并通过非必要的过渡型抛光液在单头抛光机上实现“一步抛光工艺法”有效去除铜/钽多层膜体系。
在Cu/Ta多层膜体系的化学机械抛光过程中，通过光学、力学或电学等在线检测的方法，判断Cu/Ta多层膜体系化学机械抛光过程中的界面，并通过信号反馈给抛光液加料泵指令，进行抛光液的自动切换，实现抛光液的分段加入。
本发明提供的一种用于IC多层互连结构铜/钽化学机械抛光的一步抛光工艺及相应的纳米抛光液。“一步抛光工艺法”在于带有版图结构的晶片加载后，抛光过程中间抛光头不再离开抛光盘，直到多余铜/钽材料去除完毕，露出底层的介质层，选择性停止在介质层上，通过镶嵌工艺形成铜互连结构；铜/钽两种材料的抛光可以采用“一步抛光工艺法”在单头抛光机上进行有效去除并平坦化，但本发明不只仅局限于在单头抛光机上的应用，多头抛光机上的应用同样是本发明保护范围。
更确切地说，本发明提供的用于IC多层互连结构铜/钽化学机械抛光的一步抛光工艺的纳米抛光液包括两种或两种以上类型：如用于铜化学机械抛光的抛光液为不含成膜剂(也称钝化剂)的纳米氧化铝酸性抛光液；用于阻挡层(钽、钛及气氮化物)的抛光液为不含氧化剂的纳米二氧化硅碱性抛光液，且对底下的介质层有高选择性；两种抛光液切换过程中，可以加入一种非必要的pH值接近中性的过渡型抛光液。
本发明提供的用于铜互连结构中铜化学机械抛光的纳米抛光液包括纳米研磨料、氧化剂、特种表面活性剂、pH调节剂、速率增强促进剂及余量地去离子水，但不含对铜有抗蚀作用的成膜剂(也称钝化剂、抗蚀剂)物质，详细如下：
起机械研磨作用的研磨料为纳米尺度的氧化铝(也是铜CMP过程中采用最多的研磨料)，粒径范围为30～300纳米，抛光液中的重量百分比为3～10％；
氧化剂的作用是使的铜表面形成容易反应去除的氧化层，通常会加入含有金属离子的强氧化剂与成膜剂BTA相平衡，但本发明中不含成膜剂及其衍生物，为避免金属离子的二次引入，氧化剂选用不含金属离子的过氧化氢复合氧化剂。所述的复合氧化剂为过氧化氢与脲的复合物或过氧化氢与过氧乙酸的复合物，其中脲与过氧乙酸的含量不超过复合氧化剂总含量的70％；
特种表面活性剂主要作用为保证研磨料的包覆悬浮稳定性及提高凹凸表面的抛光选择性。考虑用于铜CMP的抛光液为酸性介质中，特种表面活性剂可选自非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、两性表面活性剂或吉米奇(Gemini)活性剂中的任一种，其用量是抛光液重量百分含量为0.01～0.5％；
pH调节剂采用具有缓冲效果的有机酸，如氨基乙酸或羟基乙酸中的一种，pH值要调整至3.0～5.0；
考虑过氧化氢的氧化特性，为增强铜的去除速率，在抛光液中加入与铜离子形成大分子络合物或螯合物的促进剂，形成大分子络合物或螯合物有利于铜从表面的脱附，进而露出新生表面进一步进行化学反应和机械去除，促进剂为羟基胺或羟乙基乙二胺四乙酸铵，重量百分含量0.1～1.0％。
本发明提供的用于铜互连结构中钽一步化学机械抛光工艺的纳米抛光液包括纳米胶体研磨料、特种表面活性剂、pH调节剂及对铜有抗蚀作用的成膜剂等组分，但不含对钽有氧化作用的氧化剂，详细如下：
为降低研磨料对表面的划伤，研磨料选自硬度较小的氧化铈或胶体二氧化硅，粒径范围为20～200纳米，抛光液中的重量百分比为3.0～40％；
考虑胶体二氧化硅的稳定性范围，本发明用于钽CMP的抛光液的pH为碱性范围，8.5～11.0，pH调节剂采用具有缓冲效果的有机碱，如羟基胺；
考虑碱性二氧化硅的稳定性，特种表面活性剂可选自非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂、两性表面活性剂或吉米奇(Gemini)活性剂中的任意一种，重量百分含量为0.01～0.5％；
在去除钽之后将选择性停止在介质层上，为防止形成互连结构的铜导线处出现腐蚀而形成的堞形坑(dishing)，本发明提供的用于钽的抛光液中加入与铜形成较好保护膜的成膜剂BTA及其衍生物，重量百分含量为0.01～0.1％。
本发明提供的用于铜互连结构中铜/钽化学机械抛光的非必要的过渡型纳米抛光液，包括小粒径纳米胶体研磨料、特种表面活性剂，不含对钽有氧化作用的氧化剂，详细如下：
为避免用于铜/钽CMP的抛光液切换时由于pH值差异导致磨料的不稳定问题，过渡型抛光液的pH值要求为接近中性，如6.5～7.5，可采用任何酸碱进行调节；
在铜/钽CMP界面处，研磨料是小粒径胶体二氧化硅，粒径范围为20～30纳米，抛光液中的重量百分比为0.1～3.0％；
在CMP界面过渡过程中，一个重要的任务就是去除铜CMP过程中残留在表面的酸性抛光液成分，尤其是研磨料，特选活性剂的加入，在表面优先吸附抑制颗粒的吸附并有效去除，起到适当的清洗效果。特种表面活性剂可选自为分子量较大的非离子表面活性剂、两性表面活性剂或吉米奇(Gemini)活性剂中的任意一种，重量百分含量为0.01～0.5％。
本发明提供的用于IC多层互连结构铜/钽化学机械抛光的一步抛光工艺，关键在于提供传感器反馈界面信号，不同的材料在CMP过程中表现为不同的物理性质，如光学、力学(摩擦系数、电动机的扭矩)、电学(电阻值不同引起的电信号变化)。铜/钽材料的化学机械抛光过程中，在线检测方法可选自光学、力学或电学在线检测手段中的任意一种，通过在线检测的信号差异判断铜/钽材料化学机械抛光过程中的界面，反馈至加料泵，对抛光液的分段加入进行控制，进行抛光液的自动切换。
本发明提供的用于铜/钽化学机械抛光的一步抛光工艺及相应纳米抛光液的应用，在单头抛光机即可实现多头抛光机上分布抛光效果，抛光后表面的粗糙度降至5以下，铜的抛光速率达4000～6000/min，钽的抛光速率达到3000～5000/min。
具体实施方式
下面通过实施例描述，进一步阐明本发明的实质性特点和显著的进步。为描述方便，将列举的铜抛光的纳米抛光液记作A1、A2、A3；阻挡层钽CMP的纳米抛光液记作B1、B2、B3；过渡型抛光液C的配制。然后再描述由A和B加入C或不加入C组分所组成的抛光液的抛光效果。
【实施例1】
用于铜抛光的纳米抛光液A1的配制：抛光液中含有平均粒径250纳米的氧化铝3.0wt％；过氧化氢6.0wt％，脲12.0wt％；羟乙基乙二胺四乙酸铵在0.3wt％；十二烷基醇聚氧乙烯基醚0.2wt％；pH值为4.7，其余为去离子水。
【实施例2】
用于钽CMP的纳米抛光液B1的配制：抛光液中含有平均粒径40纳米的胶体二氧化硅20.0wt％；1，2，4-三唑0.1wt％；吉米奇(Gemini)0.1wt％；pH值为8.6，其余为去离子水。
【实施例3】
过渡型纳米抛光液C的配制：抛光液中含有平均粒径20纳米的胶体二氧化硅0.5wt％；十二烷基醇聚氧乙烯基醚0.2wt％；pH值为6.8，其余为去离子水。
【实施例4】
用于铜抛光的纳米抛光液A2的配制：抛光液中含有平均粒径200纳米的氧化铝5.0wt％；过氧化氢4.0wt％，过氧乙酸3.0wt％；羟乙基乙二胺0.5wt％；聚丙烯酸铵0.4wt％；四甲基氢氧化铵为pH调节剂，pH值为3.9，其余为去离子水。
【实施例5】
用于钽CMP的纳米抛光液B2的配制：抛光液中含有平均粒径120纳米的胶体二氧化硅5.0wt％；乙二胺四乙酸铵在0.5wt％；BTA 0.08wt％；十二烷基醇聚氧乙烯基醚0.3wt％；pH值为9.8，其余为去离子水。
【实施例6】
用于铜抛光的纳米抛光液A3的配制：抛光液中含有平均粒径150纳米的氧化铝10.0wt％；过氧化氢6.0wt％，脲8.0wt％；羟乙基胺0.8wt％；吉米奇(Gemini)0.1wt％；pH值为4.3，其余为去离子水。
【实施例7】
用于钽CMP的纳米抛光液B3的配制：抛光液中含有平均粒径70纳米的胶体二氧化硅10.0wt％；乙二胺四乙酸铵在0.5wt％；BTA0.1wt％；柠檬酸铵0.4wt％；pH值为10.5，其余为去离子水。
【实施例8】
CMP试验：采用美国CETR公司的单头抛光机CP-4，抛光垫为IC1000/SubaIV，抛光机底盘转速50rpm，抛光头转速45rpm，抛光液流量200ml/min，压力为3psi，抛光液分别采用上述A1+B1+C1，A2+B2+C1，A3+B3+C1，样品为Si/SiO2/Ta/Cu。抛光表面由AFM(原子力显微镜)测出粗糙度RMS，结果见表1。由表可以看出，本发明提供的纳米抛光液对铜/钽多层膜体系CMP后，表面粗糙度RMS已经降到5以下，且抛光速率相对较高，以满足工业的高效需求。
表1抛光试验结果
| 抛光液 | Cu抛光速率(/min) | Ta抛光速率(/min) | 粗糙度RMS() |
| 抛光液A1+B1+C1 | 4245 | 3720 | 4.1 |
| 抛光液A2+B2+C1 | 5115 | 4830 | 4.9 |
| 抛光液A3+B3+C1 | 5980 | 4110 | 4.5 |
【实施例9】
CMP试验：采用美国CETR公司的CP-4单头抛光机，抛光垫为IC1000/SubaIV，抛光机底盘转速50rpm，抛光头转速45rpm，抛光液流量200ml/min，压力为3psi，抛光液分别采用上述A1+B1，A2+B2，A3+B3，样品为Si/SiO2/Ta/Cu。抛光表面由AFM测出粗糙度RMS，结果见表2。由表可以看出，本发明提供的纳米抛光液对铜/钽多层膜体系CMP后，钽的抛光速率略有增大，但抛光后表面粗糙度有所增大，表面粗糙度RMS为10.0～13.0，仍可以满足CMP目标，这可能是抛光液B系列稳定性受到影响而导致颗粒团聚所引起。
表2无抛光液C时抛光试验结果
| 抛光液 | Cu抛光速率(/min) | Ta抛光速率(/min) | 粗糙度RMS() |
| 抛光液A1+B1 | 4245 | 4210 | 10.1 |
| 抛光液A2+B2 | 5115 | 5130 | 12.7 |
| 抛光液A3+B3 | 5980 | 4910 | 11.5 |
实施例10】
CMP试验：采用美国Applied Mirra Mesa CMP四头抛光机，抛光垫为IC1000/SubaIV，抛光机底盘转速50rpm，抛光头转速45rpm，抛光液流量200ml/min，压力为3psi，抛光液分别采用上述A1+B1+C1，A2+B2+C1，A3+B3+C1，样品为Si/SiO2/Ta/Cu。抛光表面由AFM测出粗糙度RMS，结果见表3。由表可以看出，本发明提供的纳米抛光液在多头抛光机上对铜/钽多层膜体系CMP后，表面粗糙度RMS也可达到5左右，且抛光速率相对较高，说明本发明的纳米抛光液及一步抛光工艺同样适于多头抛光机。
表3抛光试验结果
| 抛光液 | Cu抛光速率(/min) | Ta抛光速率(/min) | 粗糙度RMS() |
| 抛光液A1+B1+C1 | 4135 | 3675 | 5.1 |
| 抛光液A2+B2+C1 | 4895 | 4555 | 4.5 |
| 抛光液A3+B3+C1 | 5760 | 4080 | 4.8 |
Claims (8)
1、一种用于集成电路多层铜互连结构铜/钽化学机械抛光的一步抛光工艺，其特征在于：
(1)晶片加载后，抛光过程中间抛光头不再离开抛光盘，直到多余铜/钽材料去除完毕，露出底层的介质层，选择性停止在介质层上，通过镶嵌工艺形成铜互连结构；
(2)铜/钽多层膜体系的化学机械抛光过程中，是通过光学、声学、力学或电学中任意一种在线检测手段，以在线检测的方法，判断铜/钽多层膜体系化学机械抛光过程中的界面，并通过信号差异的反馈给抛光液加料泵指令，进行抛光液的自动切换，实现抛光液的分段加入的。
2、按权利要求1所述的用于集成电路多层铜互连结构铜/钽化学机械抛光的一步抛光工艺，其特征在于所述的铜/钽多层膜体系的抛光或在单头抛光机上实现一步有效去除并平坦化，或在多头抛光机上实现一步有效去除并平坦化；采用单头抛光机实现多头抛光机。
3、按权利要求2所述的用于集成电路多层铜互连结构铜/钽化学机械抛光的一步抛光工艺，其特征在于所述的力学上的在线检测差异为摩擦系数、电动机的扭矩差异；所述的电学上的在线检测差异为电阻值不同引起的电信号变化。
4、实施按权利要求1中所述的用于集成电路多层铜互连结构铜/钽一步化学机械抛光工艺的相应纳米抛光液，其特征在于：
【1】使用的相应抛光液包括用于铜化学机械抛光的抛光液和用于阻挡层钽的抛光液；
【2】所述的用于铜化学机械抛光的抛光液为不含成膜剂的纳米氧化铝酸性抛光液；
【3】用于阻挡层钽的抛光液为不含氧化剂的纳米二氧化硅碱性抛光液；
【4】两种抛光液切换过程中，或加入一种pH值接近中性的非必要的过渡型抛光液。
5、按权利要求4所述的用于铜互连结构中铜/钽一步化学机械抛光工艺相应的纳米抛光液，其特征在于用于铜化学机械抛光的纳米抛光液由纳米研磨料、氧化剂、表面活性剂、pH调节剂、速率增强促进剂及去离子水组成；
其中，所述的研磨料为纳米氧化铝，粒径范围为30～300纳米，抛光液中的重量百分比为3～10％；
所述的氧化剂为过氧化氢与脲或过氧化氢与过氧乙酸的复合物，其中脲与过氧乙酸的含量不超过复合氧化剂总含量的60％，氧化剂总含量为3.0～20％；
所述的表面活性剂为非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂或吉米奇活性剂中的任意一种，重量百分含量为0.01～0.5％；
所述的pH调节剂采用具有缓冲效果的氨基乙酸或羟基乙酸中的一种，pH值调整至3.0～5.0；
所述的增强抛光速率的促进剂为羟胺或羟乙基乙二胺四乙酸铵，重量百分含量为0.1～1.0％。
6、按权利要求4所述的用于铜互连结构中铜/钽一步化学机械抛光相应的纳米抛光液，其特征在于用于阻挡层钽的纳米抛光液由纳米胶体研磨料、表面活性剂、pH调节剂及对铜有抗蚀作用的成膜剂及余量去离子水组成；
其中，所述的研磨料为胶体二氧化硅，粒径范围为20～200纳米，在抛光液中的重量百分含量为3～40％；
所述的表面活性剂为非离子表面活性剂、阴离子表面活性剂或吉米奇活性剂中的任意一种，重量百分含量为0.01～0.5％；
所述的pH调节剂采用具有缓冲效果的羟基胺，pH值调整至8.5～11.0；所述的成膜剂为与铜形成保护膜的BTA及其衍生物，重量百分含量为0.01～0.1％。
7、按权利要求4所述的用于铜互连结构中铜/钽一步化学机械抛光的相应纳米抛光液，其特征在于所述的过渡型纳米抛光液由径纳米胶体研磨料、表面活性剂组成；pH值为6.5～7.5；
所述的研磨料为胶体二氧化硅的粒径范围为20～30纳米，抛光液中的重量百分含量为0.1～3.0％；
所述的特种表面活性剂为分子量较大的非离子表面活性剂或吉米奇活性剂中一种；重量百分含量为0.01～0.5％。
8、按权利要求4-7任意一项中所述的用于铜/钽化学机械抛光的一步抛光工艺的相应纳米抛光液，其特征在于铜的抛光速率达4000～6000/min，钽的抛光速率达到3000～5000/min。
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