ULSI多层铜布线化学机械抛光中碟形坑的控制方法

技术领域

本发明涉及化学机械平整化技术，尤其涉及ULSI多层铜布线化学机械抛光中碟形坑的控制方法。

背景技术

集成电路密度的增加和器件特征尺寸的减小使得线间电容与金属连线的电阻增大，由此引起的金属互连线的RC延迟甚至比器件的本征延迟还要大。由于Cu比Al具有更低的电阻率、优越的抗电迁移特性和低的热敏感性，可以产生较小的RC延迟并能提高电路的可靠性，已经被用做互连线的理想材料。同时，由于铜与介质层的黏滞性较差，且易扩散到硅与二氧化硅中，形成深能级杂质，影响器件的功率特性。因此，要成功实现硅芯片上的铜金属化布线，需要能有效阻挡铜硅互扩散的材料即阻挡层。采用Cu-CMP的大马士革镶嵌工艺是目前唯一成熟和已经成功应用到IC制造中的铜图形化工艺。为了得到准确的光刻图案、布线后良好的电学特性，在多层布线立体结构中，要求保证每层全局平坦化，这是实现多层布线的关键。Cu-CMP主要去除多余的铜层和阻挡层，能够同时兼顾铜片表面全局和局部平坦化。

在ULSI多层布线CMP中，抛光后的碟形坑问题对器件的电学特性、成品率有很大的影响。在铜布线的CMP过程中，由于铜、阻挡层材料钽、介质层SiO₂以及层间插塞钨物理化学性质均不同，若采用同一种抛光液和抛光条件，造成抛光速率不一致、选择比不理想，且若铜去除速率过快而阻挡层材料和介质层材料去除慢，容易造成过抛，产生碟形坑，有可能产生断线从而造成短路，造成灾难性的后果，碟形坑问题已经成为铜布线CMP中最难解决的技术，直接影响到平整化的实现。

目前，欧美等国化学机械抛光采用的机理为酸性条件下强机械研磨再化学溶解的方法，而阻挡层材料(如Ta、TaN、TiN等)和介质层材料的化学性质较稳定，采用上述方法阻挡层、介质层的去除速率过慢，与铜出现速率差，碟形坑问题难以解决。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处，为解决现有铜布线化学机械抛光过程中存在的碟形坑问题，提供一种化学作用强、强络合、无划伤，且成本低的ULSI多层铜布线化学机械抛光中碟形坑的控制方法。

为实现上述目的本发明所采用的实施方式如下：

一种ULSI多层铜布线化学机械抛光中碟形坑的控制方法，其特征是：选取SiO₂水溶胶为磨料，用不同倍数的去离子水稀释，同时加入金属离子螯合剂用以调节pH为9.5-11.5，加入非离子表面活性剂，在抛光进行前加入氧化剂，在流量为200-5000mL/min、温度为20-40℃、转速为60-120rpm、压力为100-250g/cm²的工艺条件下分别进行1-5min的铜抛光和30-60sec的铜、阻挡层、介质层抛光。

所述磨料为SiO₂水溶胶，其粒径为15-40nm，浓度为20-50wt％(质量分数)，抛光中SiO₂磨料与去离子水的配比为1∶1-1∶5。

所述同时可作缓冲剂、助氧剂的金属离子螯合剂为具有13个以上螯合环的易溶于水的胺类螯合剂，尤其是乙二胺四乙酸四(四羟乙基乙二胺)。

所述非离子表面活性剂为醚醇类活性剂，为FA/O表面活性剂、JFC、脂肪醇聚氧乙烯醚、聚氧乙烯烷基胺、烷基醇酰胺或其复合物，加入量为0.5-10％(体积分数)。

所述氧化剂为过氧化物，尤其是H₂O₂，加入量为0.5-10％(体积分数)。

本发明采用碱性条件下强化学、强络合的方法，在CMP压力和高速旋转条件下将Cu、阻挡层材料转化为易溶性的络合物，将介质层转化为易溶性的胺盐，而对于去除速率快的材料(如铜)在其凹处生成氧化物或氢氧化物，难以转化为可溶物。

本发明根据铜布线CMP的具体要求，选用碱性介质、粒径15-40nmSiO₂磨料、pH值9.5-11.5、FA/O等型表面活性剂、FA/O螯合剂来制备抛光液，在一定的工艺条件下抛光，可实现铜、阻挡层材料、介质层三者抛光速率的一致性，从而有效地降低碟形坑，满足工业上对铜布线CMP精密加工的要求。

本发明采用碱性抛光液，在CMP条件下由于速率差而在凹处自动形成一层氧化膜，对表面凹处形成保护，而凸处被磨料研磨并化学溶解去除，最终可以得到良好表面平整度，抛光过程中不需要加入任何增膜剂，实现了速率的一致性，不影响抛光速率，工艺方法简单同时具有良好的经济效益。

胺类螯合剂尤其是FA/O螯合剂是具有13个以上螯合环、无金属离子且溶于水，在碱性条件下对几十种金属离子具有极稳定的螯合作用，通过实验发现在CMP条件下，采用胺类尤其是FA/O螯合剂与金属离子反应使之转化为可溶性的胺盐，有效增加阻挡层、介质层材料的抛光速率，从而与铜达到一致的抛光速率，降低碟形坑的出现，同时还能有效降低待加工片的表面金属离子沾污。

本发明方法的抛光机理及有益效果是：

1、抛光机理

铜CMP抛光液按pH值主要分为两类：酸性抛光液和碱性抛光液。本方法采用了碱性浆料，没有采用酸性浆料的原因主要是考虑到酸性浆料在抛光过程中的副作用较大。首先，采用酸性浆料不利于器件的平面化效果，以硝酸为例：铜沉积到二氧化硅介质上其表面高低不平，但是硝酸浆料在表面的各点腐蚀速率相同，它直接与铜反应生成了硝酸铜溶解于溶液中，其反应方程式如下：

虽然有磨料的作用，但铜表面各点去除速率相差不大，即对高低处选择性差，从而很难达到全局平面化的效果，碟形坑问题严重，如图1所示。

考虑到这种情况，国际上著名的Cabot公司专利(专利号：CN1312845)采用添加BTA(苯并三唑)的方法。BTA可以与铜生成Cu-BTA单分子层，抑制硝酸对铜的腐蚀。于是在铜表面低凹的区域，由于Cu-BTA表面膜的形成且磨料无法起到摩擦作用，内层的铜不再受到腐蚀，从而在凹处的铜与突起处的铜之间形成了抛光速率差，最终达到平面化的效果，但难以实现高速率，只能达到不使用BTA时的70％左右。其次，采用酸性抛光浆料难以形成稳定的铜络合物，易造成铜离子污染。第三，采用酸性抛光浆料对设备的要求高。第四，酸性抛光浆料对环境污染较重且危害操作人员的身体健康。基于以上原因本研究不采用酸性浆料。

采用碱性浆料在配比上比酸性浆料难度大，易形成Cu(OH)₂沉淀，作为国内首家研究铜布线CMP的研究单位，我们研制了一种速率快、平整度高、选择性好、损伤小、能有效控制金属离子沾污、不污染环境、易清洗、实用的铜布线碱性CMP抛光剂。在这里提出铜CMP碱性浆料的一种机理模型：

(1)碱性条件下利用氧化剂在铜表面快速形成一层氧化膜，氧化膜保护内层的铜不受浆料的进一步腐蚀。

(2)在抛光过程中，铜布线表面突起的地方在压力和高速旋转的条件下与抛光布接触，表面氧化膜与螯合剂反应形成极稳定且溶于水的络合物，被布及磨料带去，暴露出的铜继续被腐蚀形成新的氧化膜，氧化膜进一步转化为可溶络合物，如此循环往复，实现了高速率、高选择、高平整。

(3)铜表面低凹的区域不与抛光布接触，表面氧化膜未被破坏，从而保护内层的铜不受进一步腐蚀，所以不具备抛光速率，保证了高选择性，最终达到全局平面化的效果，有效的降低了碟形坑的出现，如图2所示。

2、目前，国际上通用的螯合剂多选用五元环EDTA或其二钠盐，EDTA不溶于水，而其二钠盐引入金属离子的沾污，本发明选用河北工业大学刘玉岭教授发明的有十三个以上螯合环无钠离子FA/O水溶性螯合剂(1999年获国家发明奖)，化学名为乙二胺四乙酸四(四羟乙基乙二胺)，对几十种金属离子具有极高的螯合作用。同时该螯合剂可以调节pH值，可作缓冲剂、助氧剂，起到一剂多能的作用，有效地降低了成本。

3、酸性抛光采用的机理为强机械研磨后再将研磨下来的磨屑化学溶解的办法，机械研磨容易造成较大的划伤，磨屑物化学溶解不好容易造成二次沾污，且由于阻挡层材料钽、介质层材料SiO₂化学性质稳定，很难提高其抛光速率，与铜存在抛光速率差，碟性坑问题严重。本发明采用碱性条件下强化学强络合的方法，在CMP条件下，FA/O螯合剂对Cu、阻挡层材料钽、介质层材料SiO₂以及层间插塞钨均具有良好的络合作用，生成易溶于水的络合物或胺盐，从而显著地提高了抛光速率，工艺条件优化后，使得不同种材料的抛光速率可以达到一致，有效地控制了碟形坑的出现，如图3所示。

4、本发明可实现铜、钽、介质层的高速率抛光，抛光速率变化范围为200-1100nm/min，且根据实际需要可通过改变抛光液的比例和抛光条件达到合适的抛光速率，从而满足实际工业生产的需要。

附图说明

图1是采用酸性抛光液加工后碟形坑状况示意图；

虽然有磨料的作用，但铜表面各点去除速率相差不大，即对高低处选择性差，从而很难达到全局平面化的效果，碟形坑问题严重。

图2是采用本发明方法加工后碟形坑状况示意图；

铜表面低凹的区域不与抛光布接触，表面氧化膜未被破坏，从而保护内层的铜不受进一步腐蚀，保证了高选择性，最终达到全局平面化的效果，有效的降低了碟形坑的出现。

图3是采用本发明方法加工后碟形坑状况示意图；

该方法适用于铜布线CMP终抛过程中的使用，从而有效的控制了碟形坑的出现。