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的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的去离子水,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2030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,特种表面活性剂的加入,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;过渡型抛光液记作C的配制。然后再描述由铜抛光的抛光液和阻挡层钽CMP的纳米抛光液,在加入或不加入过液型抛光液时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%;BTA0.08wt%;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+C,A2+B2+C,A3+B3+C,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。其中rpm表示转/分,psi表示磅/英寸2
表1抛光试验结果
【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
【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/SiO
2/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