專利名稱：集成電路銅互連一步化學機械拋光工藝及相應納米拋光液的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種集成電路銅互連一步化學機械拋光工藝及所使用的納米拋光液，更確切地說涉及一種銅互連結構中銅/鉭多層膜體系化學機械拋光(CMP)的一步拋光工藝技術及相應納米拋光液。更確切地說是一種在單頭拋光機上用于銅/鉭多層膜體系CMP的一步拋光工藝技術及相應納米拋光液，以代替昂貴的多頭拋光機上分步拋光工藝技術，本發(fā)明屬于微電子輔助材料及超精密加工工藝技術領域。
背景技術：
隨著集成電路高集成化、特征尺寸微細化發(fā)展，多層互連結構中互連延遲在總延遲中所占比例不斷增大，并發(fā)展為主要的延遲因素。特征線寬為0.5微米時，互連延遲約占總延遲的20％；而線寬減小至0.25微米時，互連引起的延遲約占總延遲的50％以上。降低互連延遲(RC)的主要手段包括(1)降低互連金屬的電阻率；(2)降低介質(zhì)材料的介電常數(shù)；(3)采用金屬布線多層化。尤其是特征線寬小至0.13微米及以下后，上述解決RC延遲的迫切性日益明顯。與鋁布線相比，銅具有低電阻率及高抗電遷移性等優(yōu)點，為解決RC延遲引起的器件可靠性方面出現(xiàn)問題，銅互連工藝應運而生。由于銅難以刻蝕，需采用嵌入式(也稱“大馬士革”)工藝實現(xiàn)多層互連結構。相應的多余銅互連材料的去除和平坦化成為銅互連工藝中的關鍵工藝。為防止重金屬銅在介質(zhì)中的擴散，通常要在介質(zhì)層上淀積一層金屬阻擋層，目前常用的是金屬鉭、鈦或其氮化物，其中應用最多的是金屬鉭。有關銅/鉭的化學機械拋光已成為集成電路CMP工藝中關鍵技術難題，世界各大IC公司及消耗品公司分別進行了研究。美國Cabot微電子公司是銅/鉭化學機械拋光(CMP)研究最多，且目前相關拋光液市場的占有率達90％以上。且提出不少專利申請，如US6063306，US6447371，US6217416，CN1312843，CN1312845分別公開了一種用于銅/鉭CMP酸性氧化鋁拋光液，均含有成膜劑苯并三唑(BTA)和氧化劑；US6126853，US5954997分別公開了用于銅/鈦CMP的酸性氧化鋁拋光液，其中為防止堞形坑(dishing)的形成，也加入了成膜劑BTA。此外美國摩托羅拉公司在US6001730中公開了一種用于銅/鉭CMP的兩步拋光工藝，而且其中用于銅CMP的拋光液中也包含有成膜劑BTA。
成膜劑BTA能與銅形成鈍化膜，用于銅CMP拋光液中，能夠減少由于化學腐蝕導致的堞形坑(dishing)，但是研究發(fā)現(xiàn)BTA的加入形成非常難以研磨去除的表面膜，大大降低了銅的去除速率；而且成膜劑BTA及其衍生物在氧化劑存在下會發(fā)生氧化降解，從而限制了其儲放期限。以上所述的專利公開的拋光液中用于阻擋層鉭的CMP時，均含有氧化劑成分，且磨料為煅燒氧化鋁；研究表明與鉭相比，鉭的氧化物更加難以去除，且煅燒的氧化鋁磨料硬度較大，且表面往往尖銳，對拋光表面極易形成劃傷。為此專利US6001730又提出采用兩步工藝的方法對銅/鉭進行平坦化，即采用對銅/鉭具有高選擇性拋光液對銅進行平坦化，清洗，然后再進行鉭的去除及平坦化。這樣銅/鉭拋光分兩次進行，之間需要停頓下來，對于昂貴的多頭拋光機，可以不出拋光機就切換拋光頭而實現(xiàn)二次拋光；但如果是單頭拋光機(干進干出)，則中間過程將耗費很長時間，而且目前IC公司還擁有許多單頭拋光機，若全部更新為多頭拋光機，設備費用極其昂貴。為此，一種能夠用于單頭或多頭拋光機的銅/鉭多層膜CMP的一步拋光工藝及相應納米拋光液成為本發(fā)明的內(nèi)容。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有銅/鉭拋光液存在的問題，本發(fā)明提供一種集成電路銅互連結構中銅/鉭多層膜體系CMP地一步拋光工藝技術及相應的納米拋光液，也即本發(fā)明提出兩種納米拋光液，并針對單頭拋光機的多層膜拋光提出了“一步拋光工藝法”，注意的是，本發(fā)明不只僅局限于單頭拋光機，對于多頭拋光機同樣適用。為解決銅拋光過程中成膜劑BTA的加入形成難以去除表面膜的難題，本發(fā)明的第一種用于銅CMP的拋光液中不含成膜劑BTA及其衍生物，以去除速率較快的氧化鋁作為磨料，并通過特選活性劑及促進劑增強了銅CMP的去除速率，而且不存在氧化劑與成膜劑BTA在一起時的氧化降解問題。本發(fā)明提供的用于鉭CMP的拋光液中，為避免形成難以去除的鉭氧化物，在拋光液中不加氧化劑成分；且為避免銅互連結構CMP中堞形坑(dishing)，在其中加入與銅形成難以去除的表面膜的成膜劑BTA及其衍生物；為避免氧化鋁對表面的劃傷，采用硬度適中的膠體氧化硅磨料，并調(diào)整拋光液的pH值為堿性，以保證拋光液的穩(wěn)定性。本發(fā)明結合兩種新型拋光液，通過在線檢測技術實現(xiàn)拋光液的自動切換，并通過非必要的過渡型拋光液在單頭拋光機上實現(xiàn)“一步拋光工藝法”有效去除銅/鉭多層膜體系。
在Cu/Ta多層膜體系的化學機械拋光過程中，通過光學、力學或電學等在線檢測的方法，判斷Cu/Ta多層膜體系化學機械拋光過程中的界面，并通過信號反饋給拋光液加料泵指令，進行拋光液的自動切換，實現(xiàn)拋光液的分段加入。
本發(fā)明提供的一種用于IC多層互連結構銅/鉭化學機械拋光的一步拋光工藝及相應的納米拋光液?！耙徊綊伖夤に嚪ā痹谟趲в邪鎴D結構的晶片加載后，拋光過程中間拋光頭不再離開拋光盤，直到多余銅/鉭材料去除完畢，露出底層的介質(zhì)層，選擇性停止在介質(zhì)層上，通過鑲嵌工藝形成銅互連結構；銅/鉭兩種材料的拋光可以采用“一步拋光工藝法”在單頭拋光機上進行有效去除并平坦化，但本發(fā)明不只僅局限于在單頭拋光機上的應用，多頭拋光機上的應用同樣是本發(fā)明保護范圍。
更確切地說，本發(fā)明提供的用于IC多層互連結構銅/鉭化學機械拋光的一步拋光工藝的納米拋光液包括兩種或兩種以上類型如用于銅化學機械拋光的拋光液為不含成膜劑(也稱鈍化劑)的納米氧化鋁酸性拋光液；用于阻擋層(鉭、鈦及氣氮化物)的拋光液為不含氧化劑的納米二氧化硅堿性拋光液，且對底下的介質(zhì)層有高選擇性；兩種拋光液切換過程中，可以加入一種非必要的pH值接近中性的過渡型拋光液。
本發(fā)明提供的用于銅互連結構中銅化學機械拋光的納米拋光液包括納米研磨料、氧化劑、特種表面活性劑、pH調(diào)節(jié)劑、速率增強促進劑及余量地去離子水，但不含對銅有抗蝕作用的成膜劑(也稱鈍化劑、抗蝕劑)物質(zhì)，詳細如下起機械研磨作用的研磨料為納米尺度的氧化鋁(也是銅CMP過程中采用最多的研磨料)，粒徑范圍為30～300納米，拋光液中的重量百分比為3～10％；氧化劑的作用是使的銅表面形成容易反應去除的氧化層，通常會加入含有金屬離子的強氧化劑與成膜劑BTA相平衡，但本發(fā)明中不含成膜劑及其衍生物，為避免金屬離子的二次引入，氧化劑選用不含金屬離子的過氧化氫復合氧化劑。所述的復合氧化劑為過氧化氫與脲的復合物或過氧化氫與過氧乙酸的復合物，其中脲與過氧乙酸的含量不超過復合氧化劑總含量的70％；特種表面活性劑主要作用為保證研磨料的包覆懸浮穩(wěn)定性及提高凹凸表面的拋光選擇性?？紤]用于銅CMP的拋光液為酸性介質(zhì)中，特種表面活性劑可選自非離子表面活性劑、陰離子表面活性劑、兩性表面活性劑或吉米奇(Gemini)活性劑中的任一種，其用量是拋光液重量百分含量為0.01～0.5％；pH調(diào)節(jié)劑采用具有緩沖效果的有機酸，如氨基乙酸或羥基乙酸中的一種，pH值要調(diào)整至3.0～5.0；
考慮過氧化氫的氧化特性，為增強銅的去除速率，在拋光液中加入與銅離子形成大分子絡合物或螯合物的促進劑，形成大分子絡合物或螯合物有利于銅從表面的脫附，進而露出新生表面進一步進行化學反應和機械去除，促進劑為羥基胺或羥乙基乙二胺四乙酸銨，重量百分含量0.1～1.0％。
本發(fā)明提供的用于銅互連結構中鉭一步化學機械拋光工藝的納米拋光液包括納米膠體研磨料、特種表面活性劑、pH調(diào)節(jié)劑及對銅有抗蝕作用的成膜劑等組分，但不含對鉭有氧化作用的氧化劑，詳細如下為降低研磨料對表面的劃傷，研磨料選自硬度較小的氧化鈰或膠體二氧化硅，粒徑范圍為20～200納米，拋光液中的重量百分比為3.0～40％；考慮膠體二氧化硅的穩(wěn)定性范圍，本發(fā)明用于鉭CMP的拋光液的pH為堿性范圍，8.5～11.0，pH調(diào)節(jié)劑采用具有緩沖效果的有機堿，如羥基胺；考慮堿性二氧化硅的穩(wěn)定性，特種表面活性劑可選自非離子表面活性劑、陰離子表面活性劑、兩性表面活性劑或吉米奇(Gemini)活性劑中的任意一種，重量百分含量為0.01～0.5％；在去除鉭之后將選擇性停止在介質(zhì)層上，為防止形成互連結構的銅導線處出現(xiàn)腐蝕而形成的堞形坑(dishing)，本發(fā)明提供的用于鉭的拋光液中加入與銅形成較好保護膜的成膜劑BTA及其衍生物，重量百分含量為0.01～0.1％。
本發(fā)明提供的用于銅互連結構中銅/鉭化學機械拋光的非必要的過渡型納米拋光液，包括小粒徑納米膠體研磨料、特種表面活性劑，不含對鉭有氧化作用的氧化劑，詳細如下為避免用于銅/鉭CMP的拋光液切換時由于pH值差異導致磨料的不穩(wěn)定問題，過渡型拋光液的pH值要求為接近中性，如6.5～7.5，可采用任何酸堿進行調(diào)節(jié)；
在銅/鉭CMP界面處，研磨料是小粒徑膠體二氧化硅，粒徑范圍為20～30納米，拋光液中的重量百分比為0.1～3.0％；在CMP界面過渡過程中，一個重要的任務就是去除銅CMP過程中殘留在表面的酸性拋光液成分，尤其是研磨料，特選活性劑的加入，在表面優(yōu)先吸附抑制顆粒的吸附并有效去除，起到適當?shù)那逑葱ЧＬ胤N表面活性劑可選自為分子量較大的非離子表面活性劑、兩性表面活性劑或吉米奇(Gemini)活性劑中的任意一種，重量百分含量為0.01～0.5％。
本發(fā)明提供的用于IC多層互連結構銅/鉭化學機械拋光的一步拋光工藝，關鍵在于提供傳感器反饋界面信號，不同的材料在CMP過程中表現(xiàn)為不同的物理性質(zhì)，如光學、力學(摩擦系數(shù)、電動機的扭矩)、電學(電阻值不同引起的電信號變化)。銅/鉭材料的化學機械拋光過程中，在線檢測方法可選自光學、力學或電學在線檢測手段中的任意一種，通過在線檢測的信號差異判斷銅/鉭材料化學機械拋光過程中的界面，反饋至加料泵，對拋光液的分段加入進行控制，進行拋光液的自動切換。
本發(fā)明提供的用于銅/鉭化學機械拋光的一步拋光工藝及相應納米拋光液的應用，在單頭拋光機即可實現(xiàn)多頭拋光機上分布拋光效果，拋光后表面的粗糙度降至5以下，銅的拋光速率達4000～6000/min，鉭的拋光速率達到3000～5000/min。
具體實施例方式
下面通過實施例描述，進一步闡明本發(fā)明的實質(zhì)性特點和顯著的進步。為描述方便，將列舉的銅拋光的納米拋光液記作A1、A2、A3；阻擋層鉭CMP的納米拋光液記作B1、B2、B3；過渡型拋光液C的配制。然后再描述由A和B加入C或不加入C組分所組成的拋光液的拋光效果。
實施例1

用于銅拋光的納米拋光液A1的配制拋光液中含有平均粒徑250納米的氧化鋁3.0wt％；過氧化氫6.0wt％，脲12.0wt％；羥乙基乙二胺四乙酸銨在0.3wt％；十二烷基醇聚氧乙烯基醚0.2wt％；pH值為4.7，其余為去離子水。
實施例2用于鉭CMP的納米拋光液B1的配制拋光液中含有平均粒徑40納米的膠體二氧化硅20.0wt％；1，2，4-三唑0.1wt％；吉米奇(Gemini)0.1wt％；pH值為8.6，其余為去離子水。
實施例3過渡型納米拋光液C的配制拋光液中含有平均粒徑20納米的膠體二氧化硅0.5wt％；十二烷基醇聚氧乙烯基醚0.2wt％；pH值為6.8，其余為去離子水。
實施例4用于銅拋光的納米拋光液A2的配制拋光液中含有平均粒徑200納米的氧化鋁5.0wt％；過氧化氫4.0wt％，過氧乙酸3.0wt％；羥乙基乙二胺0.5wt％；聚丙烯酸銨0.4wt％；四甲基氫氧化銨為pH調(diào)節(jié)劑，pH值為3.9，其余為去離子水。
實施例5用于鉭CMP的納米拋光液B2的配制拋光液中含有平均粒徑120納米的膠體二氧化硅5.0wt％；乙二胺四乙酸銨在0.5wt％；BTA 0.08wt％；十二烷基醇聚氧乙烯基醚0.3wt％；pH值為9.8，其余為去離子水。
實施例6用于銅拋光的納米拋光液A3的配制拋光液中含有平均粒徑150納米的氧化鋁10.0wt％；過氧化氫6.0wt％，脲8.0wt％；羥乙基胺0.8wt％；吉米奇(Gemini)0.1wt％；pH值為4.3，其余為去離子水。
實施例7用于鉭CMP的納米拋光液B3的配制拋光液中含有平均粒徑70納米的膠體二氧化硅10.0wt％；乙二胺四乙酸銨在0.5wt％；BTA0.1wt％；檸檬酸銨0.4wt％；pH值為10.5，其余為去離子水。
實施例8CMP試驗采用美國CETR公司的單頭拋光機CP-4，拋光墊為IC1000/SubaIV，拋光機底盤轉(zhuǎn)速50rpm，拋光頭轉(zhuǎn)速45rpm，拋光液流量200ml/min，壓力為3psi，拋光液分別采用上述A1+B1+C1，A2+B2+C1，A3+B3+C1，樣品為Si/SiO2/Ta/Cu。拋光表面由AFM(原子力顯微鏡)測出粗糙度RMS，結果見表1。由表可以看出，本發(fā)明提供的納米拋光液對銅/鉭多層膜體系CMP后，表面粗糙度RMS已經(jīng)降到5以下，且拋光速率相對較高，以滿足工業(yè)的高效需求。
表1拋光試驗結果

實施例9CMP試驗采用美國CETR公司的CP-4單頭拋光機，拋光墊為IC1000/SubaIV，拋光機底盤轉(zhuǎn)速50rpm，拋光頭轉(zhuǎn)速45rpm，拋光液流量200ml/min，壓力為3psi，拋光液分別采用上述A1+B1，A2+B2，A3+B3，樣品為Si/SiO2/Ta/Cu。拋光表面由AFM測出粗糙度RMS，結果見表2。由表可以看出，本發(fā)明提供的納米拋光液對銅/鉭多層膜體系CMP后，鉭的拋光速率略有增大，但拋光后表面粗糙度有所增大，表面粗糙度RMS為10.0～13.0，仍可以滿足CMP目標，這可能是拋光液B系列穩(wěn)定性受到影響而導致顆粒團聚所引起。
表2無拋光液C時拋光試驗結果

實施例10CMP試驗采用美國Applied Mirra Mesa CMP四頭拋光機，拋光墊為IC1000/SubaIV，拋光機底盤轉(zhuǎn)速50rpm，拋光頭轉(zhuǎn)速45rpm，拋光液流量200ml/min，壓力為3psi，拋光液分別采用上述A1+B1+C1，A2+B2+C1，A3+B3+C1，樣品為Si/SiO2/Ta/Cu。拋光表面由AFM測出粗糙度RMS，結果見表3。由表可以看出，本發(fā)明提供的納米拋光液在多頭拋光機上對銅/鉭多層膜體系CMP后，表面粗糙度RMS也可達到5左右，且拋光速率相對較高，說明本發(fā)明的納米拋光液及一步拋光工藝同樣適于多頭拋光機。
表3拋光試驗結果

權利要求
1.一種用于集成電路多層銅互連結構銅/鉭化學機械拋光的一步拋光工藝，其特征在于(1)晶片加載后，拋光過程中間拋光頭不再離開拋光盤，直到多余銅/鉭材料去除完畢，露出底層的介質(zhì)層，選擇性停止在介質(zhì)層上，通過鑲嵌工藝形成銅互連結構；(2)銅/鉭多層膜體系的化學機械拋光過程中，是通過光學、聲學、力學或電學中任意一種在線檢測手段，以在線檢測的方法，判斷銅/鉭多層膜體系化學機械拋光過程中的界面，并通過信號差異的反饋給拋光液加料泵指令，進行拋光液的自動切換，實現(xiàn)拋光液的分段加入的。
2.按權利要求1所述的用于集成電路多層銅互連結構銅/鉭化學機械拋光的一步拋光工藝，其特征在于所述的銅/鉭多層膜體系的拋光或在單頭拋光機上實現(xiàn)一步有效去除并平坦化，或在多頭拋光機上實現(xiàn)一步有效去除并平坦化；采用單頭拋光機實現(xiàn)多頭拋光機。
3.按權利要求2所述的用于集成電路多層銅互連結構銅/鉭化學機械拋光的一步拋光工藝，其特征在于所述的力學上的在線檢測差異為摩擦系數(shù)、電動機的扭矩差異；所述的電學上的在線檢測差異為電阻值不同引起的電信號變化。
4.實施按權利要求1中所述的用于集成電路多層銅互連結構銅/鉭一步化學機械拋光工藝的相應納米拋光液，其特征在于1使用的相應拋光液包括用于銅化學機械拋光的拋光液和用于阻擋層鉭的拋光液；2所述的用于銅化學機械拋光的拋光液為不含成膜劑的納米氧化鋁酸性拋光液；3用于阻擋層鉭的拋光液為不含氧化劑的納米二氧化硅堿性拋光液；4兩種拋光液切換過程中，或加入一種pH值接近中性的非必要的過渡型拋光液。
5.按權利要求4所述的用于銅互連結構中銅/鉭一步化學機械拋光工藝相應的納米拋光液，其特征在于用于銅化學機械拋光的納米拋光液由納米研磨料、氧化劑、表面活性劑、pH調(diào)節(jié)劑、速率增強促進劑及去離子水組成；其中，所述的研磨料為納米氧化鋁，粒徑范圍為30～300納米，拋光液中的重量百分比為3～10％；所述的氧化劑為過氧化氫與脲或過氧化氫與過氧乙酸的復合物，其中脲與過氧乙酸的含量不超過復合氧化劑總含量的60％，氧化劑總含量為3.0～20％；所述的表面活性劑為非離子表面活性劑、陰離子表面活性劑或吉米奇活性劑中的任意一種，重量百分含量為0.01～0.5％；所述的pH調(diào)節(jié)劑采用具有緩沖效果的氨基乙酸或羥基乙酸中的一種，pH值調(diào)整至3.0～5.0；所述的增強拋光速率的促進劑為羥胺或羥乙基乙二胺四乙酸銨，重量百分含量為0.1～1.0％。
6.按權利要求4所述的用于銅互連結構中銅/鉭一步化學機械拋光相應的納米拋光液，其特征在于用于阻擋層鉭的納米拋光液由納米膠體研磨料、表面活性劑、pH調(diào)節(jié)劑及對銅有抗蝕作用的成膜劑及余量去離子水組成；其中，所述的研磨料為膠體二氧化硅，粒徑范圍為20～200納米，在拋光液中的重量百分含量為3～40％；所述的表面活性劑為非離子表面活性劑、陰離子表面活性劑或吉米奇活性劑中的任意一種，重量百分含量為0.01～0.5％；所述的pH調(diào)節(jié)劑采用具有緩沖效果的羥基胺，pH值調(diào)整至8.5～11.0；所述的成膜劑為與銅形成保護膜的BTA及其衍生物，重量百分含量為0.01～0.1％。
7.按權利要求4所述的用于銅互連結構中銅/鉭一步化學機械拋光的相應納米拋光液，其特征在于所述的過渡型納米拋光液由徑納米膠體研磨料、表面活性劑組成；pH值為6.5～7.5；所述的研磨料為膠體二氧化硅的粒徑范圍為20～30納米，拋光液中的重量百分含量為0.1～3.0％；所述的特種表面活性劑為分子量較大的非離子表面活性劑或吉米奇活性劑中一種；重量百分含量為0.01～0.5％。
8.按權利要求4-7任意一項中所述的用于銅/鉭化學機械拋光的一步拋光工藝的相應納米拋光液，其特征在于銅的拋光速率達4000～6000/min，鉭的拋光速率達到3000～5000/min。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于集成電路多層互連結構銅/鉭化學機械拋光(CMP)的一步拋光工藝技術及相應納米拋光液。對于互連結構的銅/鉭多層膜體系的化學機械拋光，通過本發(fā)明的“一步拋光工藝”，單頭拋光機能夠代替昂貴的多頭拋光機，實現(xiàn)多層膜的分步拋光。通過化學機械拋光過程中多層膜體系界面間在線檢測信號(聲學、力學、電學或光學信號)差異的反饋，對拋光液實施分段應用，有效改善了原有的單一拋光液或分步拋光中存在的低速率及選擇性問題。該拋光工藝及相應納米拋光液有效改善了單一拋光液的速率問題；以單頭拋光機代替多頭拋光機，降低了設備成本；同時拋光后表面損傷少、易清洗，拋光液不腐蝕設備、不污染環(huán)境。
文檔編號B24B57/02GK1731567SQ20051002699
公開日2006年2月8日 申請日期2005年6月22日 優(yōu)先權日2005年6月22日
發(fā)明者張楷亮, 宋志棠, 封松林, 陳邦明 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所